JP2013029317A - 光断層画像測定装置および光断層画像測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】高感度かつ測定時間が短い光断層画像測定装置および光断層画像測定システムを提供することを課題とする。
【解決手段】光源２から入射された光を、参照光と、信号光と、に分割するする光分割手段１１と、測定対象物３から反射された反射信号光を複数の反射信号光に分割する光分割手段３４と、参照光を、反射信号光の分割数と同じ数の参照光に分割する光分割手段２１と、分割された参照光および反射信号光のそれぞれを合波することによって、分割された参照光および反射信号光に対応する干渉光を生成する光合波手段４１と、波長スペクトルをそれぞれの干渉光から取得し、取得したそれぞれの波長スペクトルをフーリエ変換する解析手段５３と、を有し、分割された参照光または反射信号光におけるそれぞれの光路の長さが、異なるよう固定されている光路長変化部１０１を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光断層測定を行う光断層画像測定装置および光断層画像測定システムの技術に関する。

測定対象物の内部構造を非破壊で、高分解能に得ることができる手段として、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光干渉断層計）が知られている。ＯＣＴでは、光源から出射された光を、信号光と参照光とに分割する。そして、信号光は測定対象物に照射される。一方、参照光は測定対象物に照射されない。従って、測定対象物に照射されることで、位相が変化した信号光は、参照光と比較して、位相がずれた状態となる。その後、信号光と参照光とを光学的に干渉させることで、干渉光を検出処理することにより、ＯＣＴは信号光と、参照光との位相のずれを検出し、測定対象物体の表面から深さ方向の構造情報を取得する。

このようなＯＣＴの計測方法には、大きく分けてＴＤ（Time Domain）−ＯＣＴとＦＤ（Fourier Domain）−ＯＣＴの２種類がある。

ＴＤ−ＯＣＴは、参照光の光路長を、いろいろな長さに変更しながら干渉光強度を測定することにより、測定対象物の深さ方向の位置に対応した干渉反射光強度分布を取得する方法である。例えば、特許文献１には、このようなＴＤ−ＯＣＴによる光反射像測定装置が開示されている。

また、ＦＤ−ＯＣＴは、測定対象物を経由した信号光と参照光との干渉信号を波長スペクトルに分解して測定し、測定信号をフーリエ変換することで、測定対象物の深さ方向の位置に対応した干渉反射光強度分布を取得する方法である。ＦＤ−ＯＣＴでは、参照光の光路長を変更しなくてもいいので、ＴＤ−ＯＣＴと比較して、測定時間を短くできるという利点がある。例えば、特許文献２には、ＦＤ−ＯＣＴによる表面プロファイル測定および光断面画像撮影を解像力の低下と伴うことなく取得できるスペクトル干渉に基づく光学・トモグラフィーおよび光学表面プロファイル測定装置が開示されている。

特許文献３に開示されている光学測定装置は、参照光を複数の光路に分割した上で、ＴＤ−ＯＣＴを用い、測定対象物の光学特性を測定するものである。この技術によれば、ＴＤ−ＯＣＴを用いながら、測定時間を短縮することができる。この技術では、低コヒーレント長の光を用いた光学測定装置内に、参照光を分割する光合分波器と、分割された各参照光に異なる変調を施す参照光変調機構を設けている。ここで、各参照光の光路は、光学測定装置によって、それぞれの振動数で振動・変化している。そして、参照光と、信号光との合波光が光電変換器に入射される。参照光と測定光の合波光に深さの異なる複数の測定点に関する情報が含まれるよう予め設定されており、コンピュータは、光電変換器の出力から、それら複数の測定点に関する光学特性データを算出する。

特開平４−１７４３４５号公報 特開平１１−３２５８４９号公報 特開平１０−２６７８３０号公報

ＴＤ−ＯＣＴ（特許文献１に記載の技術）は、参照光の光路長を変化させる必要があるため、測定時間が長くなるという問題がある。
ＦＤ−ＯＣＴ（特許文献２に記載の技術）は、測定試料からの反射あるいは散乱した光と、参照光の干渉光を分光器で分光し、アレー検出器等を使うことで、１回の露光で深さ方向の測定を一括して取得している。このため、ＦＤ−ＯＣＴは、前記の通りＴＤ−ＯＣＴよりも測定時間を短くすることができる。

ここで、ＦＤ−ＯＣＴの光軸方向の測定範囲（１回の露光で測定可能な深さ方向の距離）は分光器の波長分解能の逆数に比例する特性がある。
そのためＦＤ−ＯＣＴにおいて、一度に取得できる光軸方向の測定範囲を広げようとすると、分光器の波長分解能を高くすることが必要となる。そのため、一度に取得できる光軸方向の測定範囲を広げようとすると、高い波長分解能で光検出できる装置を用意する必要があり、装置が高精度化、高価格化してしまう。

特許文献３に記載の技術は、一回の露光で可能な測定範囲をさらに広げるため、分割された、それぞれの参照光を、ＴＤ−ＯＣＴのようにミラーの位置や、参照光の光路である光ファイバの長さを、参照光の光路毎に定められている振動数で変化させ、その変化毎に測定している。このため、特許文献３に記載の技術では、ミラーの移動や、光ファイバの長さの変化のため、サブミクロンオーダの精密な移動機構を用意する必要がある。このため、特許文献３に記載の技術は、ミラーの移動や、光ファイバの長さの変化により測定時間が長くなるという問題がある。
測定時間が長くなると、測定中の測定対象位置の変動が大きくなるためシグナルノイズ比が悪化するという問題がある。

このような背景に鑑みて本発明がなされたのであり、本発明は、高感度かつ測定時間が短い光断層画像測定装置および光断層画像測定システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、光源から入射された光を、測定対象物に照射されない参照光と、前記測定対象物に照射される信号光と、に分割するする第１の光分割手段と、前記参照光を、複数の参照光に分割する第２の光分割手段と、前記測定対象物に照射した後、前記測定対象物から反射された光である反射信号光を、前記参照光の分割数と同じ数の反射信号光に分割する第３の光分割手段と、前記分割された参照光および反射信号光のそれぞれを合波することによって、前記分割された参照光および反射信号光に対応する干渉光を生成する光合波手段と、波長スペクトルをそれぞれの前記干渉光から取得し、前記取得したそれぞれの波長スペクトルをフーリエ変換する解析手段と、を有し、前記分割された参照光または反射信号光におけるそれぞれの光路の長さが、異なるよう固定されていることを特徴とする。
その他の解決手段については、実施形態中で後記する。

本発明によれば、高感度かつ測定時間が短い光断層画像測定装置および光断層画像測定システムを提供することができる。

第１実施形態に係る光断層画像測定装置の構成例を示す図である。 第１実施形態に係る光断層画像測定装置で得ることができる光断層測定データの深さ範囲を示す模式図である。 第２実施形態に係る光断層画像測定システムの構成例を示す図である。 第２実施形態に係る光断層画像測定システムの効果を説明するための図である。 第３実施形態に係る光断層画像測定システムの構成例を示す図である。 第３実施形態に係る光断層画像測定システムの効果を説明するための図である。

次に、本発明を実施するための形態（「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光断層画像測定装置の構成例を示す図である。
光断層画像測定装置１は、具体的にはＯＣＴ計測装置であり、光源２から光路Ｌ１を介して低コヒーレント長の光が入射されると、この光は第１の光分割手段である光分割手段１１によって参照光と、信号光とに分割され、参照光は光路ＬＲ１を進み、信号光はＬＳ１を進む。ここで、各光路上の矢印は光の進行方向を示している。
まず、参照光の光路から説明する。参照光は、光分割手段１１による分割後、光路ＬＲ１を通って、第２の光分割手段である光分割手段２１に入射される。参照光は、光分割手段２１でｎ個の光（本実施形態では、ｎ＝３）に分割された後、分割された各参照光は、各参照光毎の光路ＬＲ２（本実施形態ではＬＲ２ａ〜ＬＲ２ｃ）を通って、各光路ＬＲ２毎に設置されている光合波手段４１に入射される。各光路ＬＲ２は、光路長変化部１０１によって異なる長さとなるようになっている。なお、特許文献３に記載の技術とは異なり、各光路ＬＲ２ａ〜ＬＲ２ｃの長さは固定されている。つまり、各光路長変化部１０１によって、分割された参照光におけるそれぞれの光路の長さが、異なるよう固定されている。

一方、信号光は、光分割手段１１による分割後、光路ＬＳ１を介してサーキュレータ３１に入射される。サーキュレータ３１は、光路ＬＳ１から信号光を抽出すると、光路ＬＳ３を介してプローブ３２へ抽出した信号光を送る。プローブ３２は、サーキュレータ３１から送られた光を、コリメータレンズ３３を介して測定対象物３へ照射する。なお、図１における破線は、照射光および反射光を示している。

測定対象物３からの反射光は、コリメータレンズ３３を介して、プローブ３２に入射される。なお、コリメータレンズ３３は省略されてもよい。プローブ３２は、入射された反射光を光路ＬＳ３を介してサーキュレータ３１に送る。送られた反射光（以下、反射信号光と称する）は、光路ＬＳ４を介して、第３の光分割手段である光分割手段３４へ送られる。反射信号光は、光分割手段３４でｎ個の光（本実施形態ではｎ＝３）に分割された後、分割された各反射信号光は、各反射信号光毎の光路ＬＳ２（本実施形態ではＬＳ２ａ〜ＬＳ２ｃ）を通って各光合波手段４１に入射される。

光合波手段４１は、光路ＬＲ２を通って入射された参照光と、光路ＬＳ２を通って入射された反射信号光とを、各光路毎に合波し、合波した光（干渉光）を解析部５０へ送る。

解析部５０は、干渉光から測定対象物３の光断層測定データを算出するものであり、ＦＤ−ＯＣＴにおける解析手法が用いられる。このように、解析方法としてＦＤ−ＯＣＴを用いることで、分割された各参照光の異なる長さの光路ＬＲ２毎に、異なる深さ方向（光軸方向）の光断層測定が可能となる。つまり、図２の例に示すように、測定対象物３における光断層測定において、光路ＬＳ２ａ（図１）と光路ＬＲ２ａ（図２）の干渉光から、解析部５０は、信号光の光軸方向ＳＡに対し、深さの範囲（以降、深さ範囲と称する）Ｄ１の光断層測定データを得る。同様に、光路ＬＳ２ｂと光路ＬＲ２ｂの干渉光から、解析部５０は、深さ範囲Ｄ２の光断層測定データを得、光路ＬＳ２ｃと光路ＬＲ２ｃの干渉光から、解析部５０は、深さ範囲Ｄ３の光断層測定データを得る。なお、光路ＬＲ２ａ〜ＬＲ２ｃにおけるそれぞれの長さは、図２に示すように、光断層測定データの深さ範囲Ｄ１の一部と、深さ範囲Ｄ２の一部とが重なっており、深さ範囲Ｄ２の一部と、深さ範囲Ｄ３の一部とが重なるように調整されているが、重ならないよう調整されてもよい。

解析部５０は、分光手段５１と、光検出手段５２とが、各合波手段４１に対応して設けられている。
分光手段５１は、入射された干渉光を各波長毎の光に分光し、算出手段５３から指示された波長の光を光検出手段５２へ入射する。光検出手段５２は、各波長毎の光の強度を検出すると、検出した各波長における光の強度を算出手段５３へ送信する。算出手段５３は、干渉光の検出により得られた波長スペクトルにフーリエ変換を行うことで、光断層測定データを算出する。このようにして、算出手段５３は、測定対象物の深さ位置に対応した反射光強度分布を算出するＦＤ−ＯＣＴの解析手法に基づいて各光合波手段４１から送られてきた干渉光から光断層測定データを算出する。

なお、本実施形態において、光路Ｌ１，ＬＲ１，ＬＲ２，ＬＳ１〜ＬＳ４などは光ファイバを用いるのが好ましい。
また、光源２は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）や、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）などを用いるのが好ましい。

また、光分割手段１１は、２×２の光ファイバカプラなどを用いるのが望ましい。
そして、光分割手段２１，３４は、１×ｎ（本実施形態ではｎ＝３）の光ファイバカプラなどを用いるのが望ましい。
また、光合波手段４１は、２×１の光ファイバカプラなどが用いられるのが望ましい。
そして、分光手段５１は、回折格子、プリズム、グリズムなどを用いるのが好ましい。

また、光検出手段５２は、２次元検出可能な、例えばダイオードアレイ検出器が用いられるのが好ましい。なお、光検出手段５２は、波長スペクトルを効率よく取得するための手段の１つであるので、波長スペクトルを検出できるものであれば、ダイオードアレイ検出器に限らない。

第１実施形態では、各光路ＬＲ２に異なる長さを与えるため、例えば、各光路ＬＲ２は異なる長さの光ファイバを使用している。そして、信号光の光路ＬＳ２は、分割された各反射光に関して同じ長さとなるように設置されている。
なお、本実施形態では、参照光における各光路ＬＲ２において、光路長を変えているが、反射信号光における各光路ＬＳ２の長さを変えるようにしてもよい。つまり、分割された信号光におけるそれぞれの光路の長さが、異なるよう固定されてもよい。この場合、参照光の各光路ＬＲ２の長さが同じとなる。
また、第１実施形態では、参照光および信号光を、各３つずつに分割しているが、これに限らず、２以上であれば、いくつに分割してもよい。

ここで、本実施形態に記載の技術と、特許文献３に記載の技術との差異を説明する。
特許文献３に記載の技術では、参照光を分割し、分割した各参照光毎にＴＤ−ＯＣＴを行っている。一般にＴＤ−ＯＣＴでは、１つの参照光に対し深さ方向１点のみの断面撮像画像しか得ることができない。例えば、許文献３に記載の技術において、参照光を３つに分割して、それぞれの参照光に対してＴＤ−ＯＣＴを用いるとすると、この３つの参照光からは、深さの異なる３点（深さ方向「０」）の断面撮像画像しか得ることができない。
この点を補うため、特許文献３に記載の技術では、分割後における各参照光の光路を機械的かつ周期的に変化させることで、各参照光毎に深さ方向に一定の幅を有する断面撮像画像を得ている。

これに対し、本実施形態では、ＦＤ−ＯＣＴを用いることで、特許文献３のように分割後の各参照光（または各信号光）の光路を変化させることなく、各参照光毎（または各信号光毎）に対し深さ方向に一定の幅を有する断面撮像画像を得ることができる。

つまり、本実施形態によれば、参照ミラーの駆動系（あるいは、光路の長さの可変駆動系）を不要とすることができるので、特許文献３に記載の技術と比較して、計測時間を短くすることができる。また、前記したように駆動系を必要としないため、特許文献３に記載の技術と比較して、測定時間を短くすることができ、光断層画像測定装置１のコストを下げることができる。

さらに、測定時間が短くなることで、測定中における測定対象物の移動によるノイズを低減でき、高感度かつ高精度な光断層測定が可能となる。本実施形態によれば、深さ方向を短く分割して測定し、各測定結果をつなげて所定の深さを有する光断層画像を得ることができる。このため、本実施形態では、一度に深さ方向を大きく測定する必要がない。従って、一度に深さ方向を大きく測定する技術と比較して、分光手段５１の波長精度を低くすることができ、かつ、分光手段５１における光学系の振動や環境温度変化による熱膨張起因の光学的ずれの影響を小さくすることができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る光断層画像測定システムの構成例を示す図である。
図３に示す光断層画像測定システム１００では、３つの光断層画像測定装置１（１ａ〜１ｃ）を備えている。
図３に示す光断層画像測定システム１００では、光源２から出射された光は、光分割手段５によって分割され、光路Ｌ１ａ〜Ｌ１ｃを介して各光断層画像測定装置１ａ〜１ｃへ入射される。光分割手段５としては、１×ｎ（本実施形態ではｎ＝３）の光ファイバカプラなどが用いられるのが好ましい。
なお、光断層画像測定装置１ａ〜１ｃは、図１に示す光断層画像測定装置１と同様の構成を有するため、符号および説明を省略する。

図４は、第２実施形態に係る光断層画像測定システムの効果を説明するための図である。なお、図４においてコリメータレンズ３３は省略してある。
プローブ３２ａ〜３２ｃは、それぞれ図３における光断層画像測定装置１ａ〜１ｃに備えられているプローブである。
第２実施形態に係る光断層画像測定システム１００（図３）では、第１実施形態の効果に加えて、図４に示すように、プローブ３２ａ〜３２ｃ毎に、信号光Ｓの進行方向に対し、測定対象物３の平面方向に異なる位置の測定が可能とすることができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る光断層画像測定システムの構成例を示す図である。
第３実施形態に係る光断層画像測定システム１００ａが、第２実施形態に係る光断層画像測定システム１００（図３）と異なる点は、光分割手段５で分割された光を各光断層画像測定装置１ａ〜１ｃへ導く光路Ｌ１ｄ〜Ｌ１ｆにおいて、各光路Ｌ１ｄ〜Ｌ１ｆを光路長調整部２０１で長さを変化させている点である。
それ以外は、第２実施形態と同様であるため、符号を同一とし、説明を省略する。

図６は、第３実施形態に係る光断層画像測定システムの効果を説明するための図である。なお、図６において、図４と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図６においてコリメータレンズ３３は省略してある。
第２実施形態に係る光断層画像測定システム１００ａで測定を行うと、各測定点からの反射光の散乱（散乱光Ｍ）によって、近隣のプローブ３２ａ〜３２ｃによる信号光の影響を受けてしまうおそれがある。
そこで、第３実施形態に係る光断層画像測定システム１００ａのように、光路Ｌ１ｄ〜Ｌ１ｆの長さを変化させることで、測定対象物３に照射される信号光Ｓに対し、プローブ３２ａ〜３２ｃ毎に遅延を与えることができ、反射光の散乱による影響を防止することができる。つまり、第３実施形態に係る光断層画像測定システム１００ａによれば、第１実施形態および第２実施形態の効果に加えて、反射光の散乱による影響を防止することができる。

なお、第２実施形態および第３実施形態において、光断層画像測定システム１００，１００ａは、３つの光断層画像測定装置１ａ〜１ｃを備えるとしたが、２以上の光断層画像測定装置１であれば、いくつでもよい。

１ 光断層画像測定装置
２ 光源
３ 測定対象物
１１ 光分割手段（第１の光分割手段）
２１ 光分割手段（第２の光分割手段）
３４ 光分割手段（第３の光分割手段）
３１ サーキュレータ
３２ プローブ
３３ コリメータレンズ
４１ 光合波手段
５０ 解析部（解析手段）
５１ 分光手段
５２ 光検出手段
５３ 算出手段
１００，１００ａ 光断層画像測定システム
１０１，２０１ 光路長調整部
Ｌ１，Ｌ１ａ〜Ｌ１ｆ，ＬＲ１，ＬＲ２，ＬＲ２ａ〜ＬＲ２ｃ，ＬＳ１〜ＬＳ４，ＬＳ２ａ〜ＬＳ２ｃ 光路
Ｓ 信号光
Ｍ 散乱光

Claims (5)

1. 光源から入射された光を、測定対象物に照射されない参照光と、前記測定対象物に照射される信号光と、に分割するする第１の光分割手段と、
   前記参照光を、複数の参照光に分割する第２の光分割手段と、
   前記測定対象物に照射した後、前記測定対象物から反射された光である反射信号光を、前記参照光の分割数と同じ数の反射信号光に分割する第３の光分割手段と、
   前記分割された参照光および反射信号光のそれぞれを合波することによって、前記分割された参照光および反射信号光に対応する干渉光を生成する光合波手段と、
   波長スペクトルをそれぞれの前記干渉光から取得し、前記取得したそれぞれの波長スペクトルをフーリエ変換する解析手段と、
   を有し、
   前記分割された参照光または反射信号光におけるそれぞれの光路の長さが、異なるよう固定されている
   ことを特徴とする光断層画像測定装置。
2. 前記光源から入射される光は、低コヒーレントの光である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光断層画像測定装置。
3. 前記それぞれの光路の長さは、それぞれの前記干渉光から得られる前記フーリエ変換の結果である、それぞれの光断層測定データの深さ範囲が重なるよう、調整されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光断層画像測定装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光断層画像測定装置を複数有し、
   各々の前記光断層画像測定装置には、同一の光源から光が入射される
   ことを特徴とする光断層画像測定システム。
5. 前記光源から、前記各々の光断層画像測定装置までの光路の光路長が、前記各々の光断層画像測定装置毎に異なる
   ことを特徴とする請求項４に記載の光断層画像測定システム。

Images