JP2015049204A - 光計測装置及び光断層観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 層間クロストークやスペックル等の光学干渉起因のノイズを抑制した、小型で安価な光計測装置を提供する。
【解決手段】 レーザ光を出射する光源と、前記光源を駆動する駆動電流に高周波電流を重畳する高周波重畳手段と、前記レーザ光を信号光と参照光とに分岐する光分岐素子と、前記信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、前記信号光の集光位置を走査する集光位置走査手段と、前記信号光と参照光の間の光路長差を調整する光路長差調整手段と、測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光を検出する光検出器と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は光断層観察装置及び光断層観察方法に関する。

近年、光を用いて測定対象の表面構造や内部構造を反映した画像を取得する光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）が注目を集めている（特許文献１）。ＯＣＴは人体に対する侵襲性を持たないことから、特に医療分野や生物学分野への応用が期待されており、眼科分野においては眼底や角膜等の画像を形成する装置が実用化段階に入っている。ＯＣＴでは光源からの光を測定対象に照射する信号光と、測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに２分岐し、測定対象から反射された信号光を参照光と合波させ干渉させることにより信号を得る。

ＯＣＴは測定位置の光軸方向への走査方法（以下、ｚスキャンと称する）により、大きくタイムドメインＯＣＴとフーリエドメインＯＣＴとに分けられる。タイムドメインＯＣＴにおいては、光源として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラーを走査することによりｚスキャンを行う。これにより信号光に含まれる参照光と光路長が一致する成分のみが干渉し、得られた干渉信号に対して包絡線検波を行うことにより、所望の信号が復調される。

一方、フーリエドメインＯＣＴはさらに波長走査型ＯＣＴとスペクトルドメインＯＣＴとに分けられる。波長走査型ＯＣＴでは、出射光の波長を走査することが可能な波長走査型光源を使用し、測定時に波長を走査することによりｚスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性（干渉スペクトル）をフーリエ変換することにより所望の信号が復調される。

スペクトルドメインＯＣＴにおいては、光源に広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、波長成分ごとの干渉光強度（干渉スペクトル）を検出することがｚスキャンを行うことに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号が復調される。

なお、特許文献２記載のように、最も普及している眼底診断装置向けのＯＣＴにおいてはＮＡ０．０２程度が一般的である。

特開２０１１−２１８１５５号公報 特開２０１０-１６９５０３号公報 特開２００８−６５９６１号公報

Optics Express Vol.19, 5536-5550 (2011)

上に述べた従来のＯＣＴ装置には以下のような課題がある。タイムドメインＯＣＴでは、ｚスキャンを行うために機械的にミラーを高速に走査する必要があるが、ミラーの走査に伴い参照光の光軸に角度ずれが生じると信号強度が低下し、結果的にＳＮ比が減少してしまうという問題がある。また、フーリエドメインＯＣＴでは、ｚスキャンを行うために高速で波長を掃引する光源もしくは分光器が必要であり、これらはいずれも高価でかつ大型であるため、ＯＣＴ装置自体が高価でかつ大型になるという問題がある。

そこで本発明者らは、図１に示すように光源としてコヒーレンス長の長いレーザー光源を適用し、高ＮＡの対物レンズを用いてレーザー光（信号光）を測定対象に集光して照射し、対物レンズを走査することにより集光位置を走査して測定対象の断層像を取得する構成を検討した。本構成のＯＣＴ装置は、信号光に含まれる対物レンズの焦点以外からの反射光成分は参照光とは波面の曲率が一致しないため干渉しなくなるという原理を用いて光軸方向の信号の分離をすることにより３次元計測を可能にしており、広帯域光源（低コヒーレンス光源）もしくは波長走査型光源を用いる従来のＯＣＴ装置とは根本的に原理が異なる。本構成においては、大型で高価な波長走査型光源や分光器を必要としないため、小型で安価なＯＣＴ装置を提供することが可能となるが、コヒーレンス長の長いレーザ光を使用するため、層間クロストークやスペックル等の光学干渉起因の画像劣化が生じやすく、取得する断層像に悪影響となるという問題があった。

（１）本発明は上記の課題を解決するために、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光から干渉光を生成する光学系と、前記干渉光を検出する検出器と、に加えて高周波重畳手段を設けることとした。本発明では、光源から出射されたレーザ光を信号光と参照光に分岐し、対物レンズによって信号光を測定対象に集光して照射し、測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を参照光と合波させて互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成し、それらを検出する。信号光の集光位置は集光位置走査手段により走査する。実際には、駆動電流に高周波を重畳しない状態、すなわちレーザ光のコヒーレンス長が長い状態で光路長調整手段により信号光と参照光の光路長差の調整を行った後、高周波重畳手段により駆動電流に高周波を重畳し、コヒーレンス長が短い状態で測定を行う。

これにより、波長走査型光源や分光器等の大型で高価な部材を用いる必要がないため、小型で安価なＯＣＴ装置を提供することができる。また、従来のタイムドメインＯＣＴとは異なり参照光ミラーを走査する必要がないため、参照光の光軸ずれによるＳＮ比の減少を防ぐことができる。さらに、高周波重畳手段によってコヒーレンス長を短くした状態で測定を行うことにより、層間クロストークやスペックル等の光学干渉起因の画像劣化を抑制することができる。

（２）一例として、第１の光束を測定対象に集光する対物レンズの開口数を０．４以上とした。

これにより、広帯域光源あるいは波長走査型光源を用いることなく、従来のＯＣＴ装置と同等かそれ以上の光軸方向の空間分解能を達成可能である。

（３）一例として、駆動電流に高周波を重畳しない場合のレーザ光のコヒーレンス長は、信号光の集光位置を走査あるいは単に変化させることにより生ずる信号光の光路長変化の最大値以上であり、駆動電流に高周波を重畳する場合の前記レーザ光のコヒーレンス長は、駆動電流に高周波を重畳しない場合のコヒーレンス長よりも短いこととした。ここで、集光位置の走査とは像を取得するために集光位置を測定領域内でくまなく移動させることを意味するのに対し、集光位置の変化とは、光軸に対して垂直な平面の像を測定深さを変えて繰り返し取得する際の、測定深さを変える操作を意味する。

これにより、駆動電流に高周波を重畳しない状態、すなわちレーザ光のコヒーレンス長が長い状態において測定対象からの反射光の検出が容易になるため、測定対象までの信号光の光路長を測定することにより、信号光と参照光の間の光路長差の調整を容易に行うことができる。さらに、駆動電流に高周波を重畳する状態、すなわちレーザ光のコヒーレンス長が短い状態で測定対象の断層像を取得することにより、コヒーレンス長が長い状態に比べて層間クロストークやスペックルを低減することができる。

（４）一例として、光路長差調整手段は、信号光の集光位置を光軸方向に走査することにより生ずる信号光と参照光の光路長差を相殺するように駆動することとした。

これにより、レーザー光のコヒーレンス長が、信号光の集光位置を走査することにより生ずる信号光の光路長変化の最大値以下であっても、信号光と参照光の干渉効率が低下しないため、断層像を取得することができる。さらに対物レンズの移動量と光路長調整量から、測定対象の物理サイズと屈折率を算出することも可能となる。

（５）一例として、光路長調整手段として、レンズと前記レンズの焦点面に配置されたミラーと、前記レンズとミラーの位置を変調するアクチュエイターを用い、参照光の光路長を調整することとした。

これにより、ミラーの位置を変調する際にミラーに傾きが生じてもミラーを反射した参照光の角度は変化しないため、信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

（６）一例として、干渉光学系において干渉光を４つ生成し、これら４つの干渉光は信号光と参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、信号光と参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対を電流差動型の光検出器によって検出し、得られた２つの検出信号に対して例えば二乗和の演算を施すこととした。

これにより、信号光と参照光の位相差に依存しない、信号光の強度に比例した安定した信号を得ることができる。また、得られた２つの検出信号の比をとり逆正接の演算を施すことにより、信号光の位相情報を取得することも可能となる。さらに、電流作動型の検出器を用いているため、参照光の強度を大きくしても検出器が飽和しにくくなり、電流作動型の検出器を用いない場合よりも信号のＳＮ比を大きくすることができる。

（７）一例として、光路長変調部によって信号光と参照光の光路長差を、信号光の集光位置の走査により発生する信号光の光路長の変化速度よりも高速に変調させ、干渉光学系において干渉光を２つ生成し、これらの干渉光を電流差動型の光検出器によって検出し、検出信号に対して包絡線検波を行うこととした。

これにより、少ない検出器で所望の信号を取得することが可能となる。

（８）一例として、高コヒーレンス光を出射する第一の光源、あるいは低コヒーレンス光を出射する第二の光源から出射された高コヒーレンス光あるいは低コヒーレンス光を信号光と参照光に分岐し、対物レンズによって信号光を測定対象に集光して照射し、測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を参照光と合波させて互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成し、それらを検出する。信号光の集光位置は集光位置走査手段により走査する。実際には、高コヒーレンス光を用いて光路長調整手段により信号光と参照光の光路長差の調整を行った後、低コヒーレンス光を用いて測定を行うこととした。また、さらに高コヒーレンス光のコヒーレンス長は、信号光の集光位置を走査あるいは単に変化させることにより生ずる信号光の光路長変化の最大値以上であり、低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、レーザ光源の駆動電流に対して高周波電流を重畳した場合のレーザ光のコヒーレンス長よりも短いこととした。

これにより、光源に供給する駆動電流に高周波電流を重畳するか否かによってレーザ光のコヒーレンスを変化させる構成に比べ、層間クロストークやスペックル等の光学干渉起因の画像劣化をより一層抑制することができる。

なお、高コヒーレンス光源と高ＮＡの対物レンズを用いた装置として、例えば特許文献３のような光ディスクの再生装置が挙げられる。光ディスクの再生装置は記録面に光を集光し、光ディスクを回転させることにより信号を取得しており、集光位置を測定対象の内部で走査する本発明のＯＣＴ装置とは信号の取得方法が異なる。また、光ディスクの再生装置においては媒体側（光ディスク）の設計によって層間クロストークを抑えることが可能であるのに対して、ＯＣＴは構造が未知の測定対象を非侵襲・非接触で３次元計測する技術であるから、測定対象を操作することにより層間クロストークを抑制することはできない。すなわち、光ディスク装置における層間クロストーク抑制方法をＯＣＴ装置に適用することは困難である。

本発明によれば、波長走査型光源もしくは分光器を用いずに測定対象の断層画像を取得し、層間クロストークやスペックル等の光学干渉起因の画像劣化を抑制することが可能な光計測装置を提供することができる。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明者らが検討したＯＣＴ装置の構成を表す模式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 本発明の光計測装置において対物レンズを光軸方向に走査した際に得られる信号の模式図。 本発明の光計測装置を用いて測定したタマネギの細胞の断層像。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 集光位置の実際の走査経路の例を示す摸式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 本発明の光計測装置における対物レンズを光軸方向に走査した際に得られる信号の模式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 ＯＣＴ装置の動作動作手順を説明する図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明による光計測装置の基本的な実施形態を示す模式図である。

ドライバー回路２０１や高周波重畳回路２０２から電流を供給されることにより、光源２０３からレーザ光が出射される。レーザ光はコリメートレンズ２０４によって平行光に変換され、光学軸方向を調整可能なλ／２板２０５によって偏光を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ２０６によって信号光と参照光に２分岐される。信号光は光学軸方向が水平方向に対して約２２．５に設定されたλ／４板２０７を透過して偏光状態をｓ偏光から円偏光に変換された後、開口数が０．４以上の対物レンズ２０８によって測定対象２１０に集光して照射される。ここで、対物レンズ２０８は制御部２２７による制御のもとで対物レンズアクチュエータ２０９によって走査され、これにより対物レンズ２０８による信号光の集光位置（測定位置）の走査がなされる。測定対象から反射又は散乱された信号光に含まれる対物レンズの焦点位置からの反射光成分は対物レンズ２０８によって平行光に変換され、λ／４板２０７によって偏光状態を円偏光からｐ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２０６へ入射する。

一方、参照光はλ／４板２１１を透過し、偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換され、光路長調整手段である移動ステージ２１２の上に配置されたミラー２１３に入射し反射された後、λ／４板２１１によって偏光状態を円偏光からｓ偏光へ変換されて偏光ビームスプリッタ２０６へ入射する。

信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ２０６によって合波され、合成光が生成される。合成光はハーフビームスプリッタ２１５、λ／２板２１６、λ／４板２１７、集光レンズ２１８，２１９、ウォラストンプリズム２２０，２２１から成る干渉光学系２１４へ導かれる。

干渉光学系２１４へ入射した合成光は、ハーフビームスプリッタ２１５によって透過光と反射光に２分岐される。透過光は光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板２１６を透過した後、集光レンズ２１８によって集光され、ウォラストンプリズム２２０によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第一の干渉光と第二の干渉光が生成される。第一の干渉光と第二の干渉光は電流差動型の光検出器２２２によって検出され、それらの強度の差に比例した信号２２４が出力される。

一方、反射光は光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板２１７を透過した後、集光レンズ２１９によって集光され、ウォラストンプリズム２２１によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第三の干渉光と第四の干渉光が生成される。ここで、第三の干渉光は第一の干渉光に対して位相が９０度異なる。第三の干渉光と第四の干渉光は電流差動型の光検出器２２３によって検出され、それらの強度の差に比例した信号２２５が出力される。このようにして生成された信号２２４，２２３は信号処理部２２６に入力され、演算されることにより信号光の振幅に比例した信号が得られる。この信号を元に形成された測定対象の断層画像が画像表示部２２８に表示される。

ここで、干渉光学系２１４の動作原理について数式を用いて詳細に説明する。干渉光学系２１４へ入射する時点での合成光のジョーンズベクトルを

と表すこととすると、ハーフビームスプリッタ２１５を透過し、さらにλ／２板２１６を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

ウォランストンプリズム２２０によって式（２）で示される合成光はｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器２２２によって差動検出されるので、検出信号２２４は以下の様に表される。

ここで、θ_sig，θ_refはそれぞれ複素数Ｅ_sig，Ｅ_refを極座標表示で表した際の位相である。簡単のため検出器の変換効率は１とした。

一方、ハーフビームスプリッタ２１５で反射され、さらにλ／４板２１７を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

ウォランストンプリズム２２１によって、式（４）で示される合成光はｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器２２３によって差動検出されるので、検出信号２２３は以下の様に表される。

これらの出力に対して、信号処理部２２６にて以下の演算を行うことにより、位相に依存しない、信号光の強度に比例した信号が得られる。

上記の様に干渉光学系２１４では位相が互いに９０度づつ異なる４つの干渉光を生成して検出することにより位相に依存しない信号を得るが、原理的には生成される干渉光が３つ以上であれば干渉光がいくつであっても同様の信号を得ることができる。例えば、位相が互いに６０度づつ異なる３つの干渉光を生成して検出することにより、数６に示されるのと同一の信号を得ることができる。

続いて、本発明のＯＣＴ装置の動作について説明する。動作手順を図１０に示した。まず始めに、測定対象物２１０を対物レンズ２０８の近傍に配置する。次に制御部２２７はドライバー回路２０１により光源に電流を供給しコヒーレンス長の長いレーザ光を出射させ、対物レンズ２０８を光軸方向に走査する。本実施例では、出射されるレーザ光のコヒーレンス長が対物レンズの走査により発生する信号光の光路長変化よりも長い光源を利用しているため、集光位置の走査範囲内に測定対象が配置されていれば、例えば図３Ａに示すような測定対象からの信号が得ることができる。図３Ａに示した様なデータを取得することにより、測定対象からの信号が検出される時の対物レンズ２０８の位置情報を取得することができるため、測定対象物までの信号光の光路長を算出することができる。制御部２２７は信号処理部２２６にて算出された測定対象までの信号光の光路長に基づいて移動ステージ２１３を駆動し、測定対象までの信号光の光路長と参照光の光路長の差がほぼ０になるように調整する。光路長の調整が完了した後に、制御部２２７は高周波重畳回路２０２を駆動して光源の駆動電流に高周波電流を重畳する。これにより、レーザ光のコヒーレンス長は高周波電流を重畳しない場合よりも短くなる。その後、制御部２２７は対物レンズアクチュエータを走査することにより集光位置を測定対象の被測定領域内で走査させ、信号処理部２２６は検出信号２２４，２２５を元に画像データを生成し、画像表示部に表示させる。ここでは、高周波電流の周波数は、検出器の応答周波数よりも大きいものとした。これにより、高周波電流により変調された光強度信号は検出されないため、測定対象の情報を反映した信号のみを検出することができる。

なお、ここでは、対物レンズ自体を走査する例を示したが、集光位置を走査すれば良いので、必ずしも対物レンズ自体を走査する必要はなく、電気式の焦点可変レンズとガルバノミラーなどを用いても構わない。

続いて、高周波重畳の実験例について説明する。高周波電流重畳時のコヒーレンス長は、光源の特性や重畳する高周波電流の周波数や振幅等の条件によって異なる。一例として、図３Ｂに発振波長７８５nmの光源に対して異なる周波数の高周波電流を重畳した場合のレーザ光のコヒーレンスを示した。一般的に高周波電流の周波数を大きくするとコヒーレンス長は短くなり、ある周波数以上ではほとんど変化しなくなる傾向にある。測定時のレーザ光のコヒーレンス長は測定対象の構造のスケールよりも小さいことが好ましく、図３Ｂに示す特性をもつ光源で１００um程度の構造を持つ測定対象を測定する場合には周波数をおよそ２００ＭＨｚ以上（コヒーレンス１００um程度以下）で測定を行う。ここではコヒーレンス長は干渉度が５０％となる光路長差として定義した。

本実施例では、従来のＯＣＴ装置のように分光器や波長走査型光源を用いていないため、小型で安価なＯＣＴ装置を提供することができる。さらに、レーザ光のコヒーレンスを制御可能であるため、上述のようにコヒーレンス長の長い状態で光路長調整を行い、コヒーレンス長の短い状態で測定を行うことが出来る。これにより、光路長調整を容易に行うことができ、かつ層間クロストークやスペックルを低減することができる。仮に、本実施例で従来のＯＣＴで用いられている高帯域光源（低コヒーレンス光源）を用いた場合には、集光位置の走査範囲内に測定対象が配置されており、かつ測定対象までの信号光の光路長と参照光の光路長が測定対象配置時点で合っていなければ測定対象からの信号は得られないため、光路長調整が困難となる。図４はタマネギの細胞を本実施例のＯＣＴ装置を用いて、高周波電流を重畳しない場合とする場合の２通りの条件で測定した結果である。図４Ａの画像の測定領域は100um×100umで、光軸に対して垂直な平面内(光軸方向をz方向としたときのxy面)の断層像である。画像中の白い筋はタマネギの細胞壁であるが、高周波電流を重畳しない場合に見えている細胞壁の像が、高周波電流を重畳する場合には消えていることが分かる。図４Ｂは図４Ａの矢印の位置におけるそれぞれの画像のｘ方向の輝度分布である。高周波重畳なしの場合にｘ位置０．６〜０．７にあるピークが、高周波重畳ありの場合には消滅することがはっきりと確認できる。これは、高周波重畳により異なる深さ位置からの信号の漏れこみ（層間クロストーク）が抑制されていることを意味する。

次に本発明のＯＣＴ装置の空間分解能について述べる。ここで、光軸方向の空間分解能は対物レンズを光軸方向に走査した際に得られる単一反射面に対応するピークの半値全幅として定義する。焦点位置が反射面からzだけずれた際の数６に対応する信号は以下の式により表わされる。

上記の式より、単一反射面からの信号の半値全幅、すなわち光軸方向の空間分解能は近似的に以下の様に表わされる。

ここで、λはレーザ光の波長、ＮＡは対物レンズ２０８の開口数である。一般的にＯＣＴ装置で利用される光の波長はヘモグロビンにも水にも吸収されにくい６００nmから１３００nm程度である。例えば対物レンズの開口数を０．４以上とすると、波長６００nm〜１３００nmでの光軸方向の空間分解能は約３．３um〜約７．２umとなり、従来のＯＣＴ装置と同等かそれ以上の高い光軸方向の分解能を達成できる。

また、本実施例においては以下の演算を行うことにより信号光の位相情報を取得することも可能である。

信号光の位相情報の活用方法としては、非特許文献１に挙げられているような細胞の活性度のイメージングなどが挙げられる。

図５は、本発明による光計測装置の別の実施形態を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は測定時に参照光の光路長を信号光の光路長変化に同期させて調整するための光路長調整ユニット５０１を備えている点で第一の実施例と異なる。光路長調整ユニット５０１は、集光レンズ５０２と、集光レンズ５０２の焦点面に反射面が位置するように配置されたミラー５０３と、集光レンズ５０３とミラー５０３を一体に動かすための光路長調整用アクチュエイタ５０４によって構成される。

本実施例のＯＣＴ装置の動作手順は、測定対象物２１０を対物レンズ２０８の近傍に配置後に図３に示した様なデータを取得し、駆動電流に高周波電流を重畳するところまでは第一の実施例と同様であり、第一の実施例では移動ステージ２１２とミラー２１３によって光路長調整を行ったのに対して本実施例では光路長調整ユニット５０１を用いているという点でのみ異なる。以下では、測定対象のｘｚ方向の断層像を取得する場合について説明する。（ｚ方向は光軸方向、ｘ方向は光軸方向に垂直な方向を意味する。）制御部２２７は対物レンズアクチュエータを走査することにより集光位置を測定対象の被測定領域内で走査させると同時に、集光位置の走査によって生じる信号光と参照光の光路長差を相殺するように光路長調整用アクチュエイタ５０４を駆動する。具体的には、測定対象の平均的な屈折率をｎとした場合、対物レンズ２０８の位置をδｚだけ光軸方向に移動させることにより集光位置はおよそｎ×δｚ変化するため、信号光の光路長は往復でおよそ２×ｎ^２×δｚだけ変化する。従って、対物レンズ２０８の動きと同期して光路長調整ユニット５０１により参照光の光路長をおよそ２×ｎ^２×δｚだけ変化させることで信号光と参照光の光路長差の増大を抑制することができる。仮に測定対象の屈折率が全くの未知の場合や測定領域内で空間的に大きく変化している場合であっても、ｎ＝１と設定しておけば光路長差増大の抑制効果は得られる。

本実施例においては、測定時の信号光と参照光の間の光路長差の増大を抑制するので、信号光の光路長が測定時のレーザ光のコヒーレンス長以上に変化しても信号光と参照光の干渉効率の低下を抑えることができる。従って、光軸方向に対してレーザ光のコヒーレンス長よりも広い範囲が測定可能となる。さらに、ミラー５０３に傾きが生じてもミラー５０３を反射した参照光の角度は変化しないため、信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

以下では、本発明の別の機能である測定対象の屈折率及び物理長の測定方法について述べる。例として、図６Ａに示してあるような、反射面が３つ存在し、第一の反射面と第二の反射面の間の物理長と屈折率がそれぞれＬ_１，n₁、第二の反射面と第三の反射面の間の物理長と屈折率がそれぞれＬ_２，ｎ_２である測定対象について説明する。始めに、コヒーレンス長の長い状態で対物レンズ２０８を光軸方向に走査し、図６Ｂに示した様な信号を取得する。この信号を元に測定対象の表面（第一の反射面）までの信号光の光路長を算出して光路長調整ユニット５０１を駆動し、測定対象の表面までの信号光の光路長と参照光の光路長の差がほぼ０になるように調整した後、このときのミラー５０３の位置Ｘ_Ａを記録する。次に、駆動電流に高周波電流を重畳する。光路長差は第一の反射面に対して調整してあるので、第二の反射面及び第三の反射面からの信号振幅はほぼ０になり、図６Ｃのような信号が得られる。同様にして、再び光路長差調整ユニット５０１を駆動して、図６Ｄのように第二の反射面からの信号振幅が最大となるように参照光の光路長を調整し、このときのミラー５０３の位置Ｘ_Ｂを記録する。同じように、図６Ｅのように第三の反射面からの信号振幅が最大となるように参照光の光路長を調整し、このときのミラー５０３の位置Ｘ_Ｃを記録する。得られたＸ_Ａ，Ｘ_Ｂ，Ｘ_Ｃ及びそれぞれの反射面からの信号振幅が最大となる瞬間の対物レンズ２０８の位置Ａ，Ｂ，Ｃに対して以下の演算を行うことにより、Ｌ_１，n₁，Ｌ_２，ｎ_２を求めることができる。

本機能は、高周波電流重畳時のレーザ光のコヒーレンス長が反射面の間の光路長よりも短い場合に利用可能である。

図７は本発明の別の実施形態を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。光源２０３からレーザ光が出射され、信号光と参照光が合波されることにより合成光が生成されるまでの構成は第一の実施例とほぼ同様である。ただし、ミラー２１３が参照光の位相を高速に変調するためのピエゾアクチュエイタ７０１に搭載されているという点で異なる。合成光はλ／２板２１６、集光レンズ２１８、ウォラストンプリズム２２０から成る干渉光学系７０２へ導かれる。干渉光学系６０２へ入射した合成光は、光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板２１６を透過した後、集光レンズ２１８によって集光され、ウォラストンプリズム２２０によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第一の干渉光と第二の干渉光が生成される。第一の干渉光と第二の干渉光は電流差動型の光検出器２２２によって検出され、それらの強度の差に比例した信号２２４が出力される。信号２２４は以下の式で表される。

本実施例では、信号取得時にピエゾ素子７０１を駆動して対物レンズ２０８の走査により発生する信号光の位相変化よりも高速に参照光の位相を高速変調する。図８は本実施例のＯＣＴ装置を用いて、対物レンズ２０８をｚ方向に走査した際に検出される信号について説明する図である。ここでは、図８Ａの様に測定対象に反射面が３つ存在する場合の検出信号を図８Ｂ，Ｃに示している。図８Ｂはピエゾアクチュエータ７０１を駆動しない場合の信号の模式図である。この場合には、ある反射面からの信号の包絡線に含まれる波の数は近似的に（信号のピーク幅）÷（波長）により与えられる。信号のピーク幅はレーザ光の波長をλ、対物レンズのＮＡとしたときにλ／ＮＡ^２と表わされるから、（信号のピーク幅）÷（波長）＝１／ＮＡ^２となる。例えばＮＡ＝０．６の場合、この値は約２．８である。従って、包絡線の周波数と、それに含まれる波の周波数が２．８倍程度しか異ならないため包絡線検波の適用が困難であり、検出信号を元に画像データを生成することができない。一方で、ピエゾアクチュエータ７０１を駆動する場合には、図８Ｃに示した様な信号が得られる。この場合には、信号光の焦点位置が反射面を通過する間に参照光の位相が高速変調されているので、ある反射面からの信号の包絡線に含まれる波の数が位相変調のスピードに応じて増加する。これにより、包絡線の周波数とそれに含まれる波の周波数が大きく異なるため、包絡線検波の適用が可能となり検出信号を元に画像データを生成することができる。すなわち、本実施例においては、第一の実施例とは異なり検出信号から包絡線検波により所望の信号を取得することができるため、実施例１よりも少ない検出器で同様の機能を実現することが出来る。

図９は本発明の別の実施形態を示す模式図である。なお、図２に示した部品と同じ部品には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は高コヒーレンス光源９０１と低コヒーレンス光源９０２の２種類の光源を有しているという点で第一の実施例と異なる。高コヒーレンス光源から出射されるーザ光はコリメートレンズ９０３によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ９０６を透過した後、λ／２板２０５に入射する。一方、低コヒーレンス光源９０２から出射されるレーザ光は、コリメートレンズ９０５によって平行光に変換された後、λ／２板９０５によって偏光状態をｓ偏光状態に調整され、偏光ビームスプリッタ９０６を反射してλ／２板２０５に入射する。その後のレーザ光の経路は第一の実施例と全く同様であるからここでは説明を省略する。

以下では、本発明のＯＣＴ装置の動作について説明する。まず始めに、測定対象物２１０を対物レンズ２０８の近傍に配置する。次に制御部２２７はドライバー回路２０１により高コヒーレンス光源９０１に電流を供給しコヒーレンス長の長いレーザ光を出射させ、対物レンズ２０８を光軸方向に走査する。本実施例では、出射されるレーザ光のコヒーレンス長が対物レンズの走査により発生する信号光の光路長変化よりも長い高コヒーレンス光源９０１を利用しているため、集光位置の走査範囲内に測定対象が配置されていれば、例えば図３に示すような測定対象からの信号が得ることができる。図３に示した様なデータを取得することにより、測定対象からの信号が検出される時の対物レンズ２０８の位置情報を取得することができるため、測定対象物までの信号光の光路長を算出することができる。制御部２２７は信号処理部２２６にて算出された測定対象までの信号光の光路長に基づいて移動ステージ２１３を駆動し、測定対象までの信号光の光路長と参照光の光路長の差がほぼ０になるように調整する。光路長の調整が完了した後に、制御部２２７はドライバー回路２０１を制御して高コヒーレンス光源９０１への電流の供給を止め、低コヒーレンス光源に電流を供給し、コヒーレンス長の短いレーザ光を出射させる。その後、制御部２２７は対物レンズアクチュエータを走査することにより集光位置を測定対象の被測定領域内で走査させる。信号処理部２２６は検出信号２２４，２２５を元に画像データを生成し、画像表示部に表示させる。

本実施例においては高コヒーレンス光と低コヒーレンス光を利用可能であるため、上述のようにコヒーレンス長の長い状態で光路長調整を行い、コヒーレンス長の短い状態で測定を行うことが出来る。また、１つの光源を利用して高周波電流重畳の有無によりレーザ光のコヒーレンス長を変化させる第一の実施例の場合に比べて、適用する光源次第で測定時のレーザ光のコヒーレンス長はより短くすることが可能となる。これにより、層間クロストークやスペックルをより一層低減することができる。

２０１：ドライバー回路
２０２：高周波重畳回路
２０３：光源
２０４：コリメートレンズ
２０５，２１６：λ／２板
２０６：偏光ビームスプリッタ
２０７，２１１，２１７：λ／４板
２０８：対物レンズ
２０９：対物レンズアクチュエータ
２１０：測定対象
２１２：移動ステージ
２１３：ミラー
２１４：干渉光学系
２１５：ハーフビームスプリッタ
２１８，２１９：集光レンズ
２２０，２２１：ウォラストンプリズム
２２２，２２３：電流差動型の光検出器
２２６：信号処理部
２２７：制御部
画像表示部：２２８

Claims (11)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源を駆動する駆動電流に高周波電流を重畳する高周波重畳手段と、
   前記レーザ光を信号光と参照光とに分岐する光分岐素子と、
   前記信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、
   前記信号光の集光位置を走査する集光位置走査手段と、
   前記信号光と前記参照光の間の光路長差を調整する光路長差調整手段と、
   前記測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光を検出する光検出器と、
   を有することを特徴とする光計測装置。
2. 前記対物レンズは０．４以上の開口数を有することを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
3. 駆動電流に高周波を重畳しない場合の前記レーザ光のコヒーレンス長は、信号光の集光位置を走査あるいは単に変化させることにより生ずる信号光の光路長変化の最大値以上であり、
   駆動電流に高周波を重畳する場合の前記レーザ光のコヒーレンス長は、駆動電流に高周波を重畳しない場合のコヒーレンス長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
4. 前記光路長差調整手段は、信号光の集光位置を光軸方向に走査することにより生ずる信号光と参照光の光路長差を相殺するように駆動されることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
5. 前記光路長調整手段は、レンズと、前記レンズの焦点面に配置されたミラーと、前記レンズとミラーの位置を変調するアクチュエイターから成る、
   ことを特徴とする請求項１または４に記載の光計測装置。
6. 前記干渉光学系において生成される干渉光は４つであり、
   前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、
   前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対が電流差動型の光検出器によって検出されることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
7. 信号光と参照光の光路長差を前記信号光の集光位置の走査により発生する信号光の光路長の変化速度よりも高速に変調させる光路長変調部をさらに有し、
   前記干渉光学系において生成される干渉光は２つであり、これらの干渉光は電流差動型の光検出器によって検出されることを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
8. 前記高周波電流の周波数は、前記光検出器の応答周波数よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
9. 高コヒーレンス光を出射する第一の光源と、
   低コヒーレンス光を出射する第二の光源と、
   前記高コヒーレンス光あるいは低コヒーレンス光を信号光と参照光とに分岐する光分岐素子と、
   前記信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、
   前記信号光の集光位置を走査する走査手段と、
   前記信号光と参照光の間の光路長差を調整する光路長差調整手段と、
   測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光を検出する光検出器と、
   を有することを特徴とする光計測装置。
10. 前記高コヒーレンス光のコヒーレンス長は、信号光の集光位置を光軸方向に走査することにより生ずる信号光の光路長変化以上であり、
    前記低コヒーレンス光のコヒーレンス長は、前記高コヒーレンス光のコヒーレンス長よりも短いことを特徴とする請求項９に記載の光計測装置。
11. 光源から出射するレーザ光を、信号光と参照光とに分岐し、
    前記信号光の集光位置を走査して、前記信号光を測定対象に集光して照射し、前記測定対象までの前記信号光の光路長から、前記信号光と参照光の間の光路長差を調整し、
    その後、前記光源を駆動する駆動電流に高周波電流を重畳し、
    前記測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成し、前記干渉光を検出する
    ことを特徴とする光計測方法。

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