JP2016142551A

JP2016142551A - 光イメージング装置

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Publication number: JP2016142551A
Application number: JP2015016548A
Authority: JP
Inventors: 大志山崎; Hiroshi Yamazaki; 隆文淺田; Takafumi Asada
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-08-08

Abstract

【課題】被検知部に反射させた光を取得して画像化し、形状測定を行う光イメージング装置の深さ方向の分解能を向上する。【解決手段】光イメージング装置に、分光素子６２と、スリット６３と、拡大光学素子６４と、撮像部６５とを具備する。分光素子６２は、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２の合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する。そして、スリット６３は、分光素子６２から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させる。そして、拡大光学素子６４は、スリット６３を通過した光を拡大して出射する。そして、撮像部６５は、この拡大光学素子６４から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検知部に反射させた光を取得して画像化する光イメージング装置に関するものである。

近年、画像診断の手法に光の干渉性を利用したＯＣＴ（Optical coherence tomography:光干渉断層撮影）技術が注目されている。光源として波長１３００ｎｍ程度の近赤外線を用いることが多いが、近赤外線は生体に対して非侵襲性であり、また超音波よりも波長が短いために空間分解能に優れており、おおよそ１０〜２０μｍの識別が可能となることから、特に医療現場で用いられることが多くなっている。

ところで、ＯＣＴに用いられる光イメージング装置を、医療用途から工業用途に展開し、例えば、平坦状部品の表面粗さや、円筒状部品の内面性状測定等を高精度に行おうとした場合には、被測定面に交差する深さ方向（奥行き方向）の分解能を向上させることが望ましい。
光イメージング装置には、光源から出射する光を分割してミラーと被検知部にそれぞれ反射させるとともに前記ミラーを走査し、これら反射光の干渉信号に基づき例えば被検知部の断面画像等、深さ方向の情報を取得するようにしたＴＤ−ＯＣＴ（Time domain OCT）がある。また、他の方式としては、広帯域光源から多くの波長を含んだ光を出射し、この光を固定ミラーと被検知部にそれぞれ反射させ、これら反射光を分光器を通して波長分解した後にラインセンサにより検出し、さらにこの検出情報をフーリエ変換することによってＴＤ−ＯＣＴと同様の情報を得るようにしたＳＤ−ＯＣＴ（Spectral-domain OCT）がある（例えば、特許文献１参照）。
一般的に、ＳＤ−ＯＣＴでは、ミラー走査が不要なので測定時間を比較的短くすることができるが、ＴＤ−ＯＣＴに比べて分解能に劣る。

特開２０１３−８８４１６号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、深さ方向の分解能を向上することができる形状測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、広帯域光源部、分割光学素子、プローブ、反射光学素子、合成光学素子、分光素子、スリット、拡大光学素子、撮像部を具備する。
ここで、広帯域光源部は、異なる波長を含んだ光を出射する。分割光学素子は、広帯域光源部から出射される光を測定光と参照光とに分割する。プローブは、測定光を出射して被検体に照射するとともに被検体により反射した光を逆方向へ戻す。反射光学素子は、参照光を反射して逆方向へ戻す。合成光学素子は、プローブにより戻される測定光と反射光学素子により戻される参照光とを合成する。分光素子は、合成光学素子による合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する。スリットは、分光素子から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させる。拡大光学素子は、スリットを通過した光を拡大して出射する。撮像部は、拡大光学素子から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する。

本発明は、以上説明したように構成されているので、深さ方向の分解能を向上することができる。

本発明に係る光イメージング装置の一例を示す模式図である。本発明に係る光イメージング装置の他例を示す模式図である。

本実施の形態における第一の特徴は、広帯域光源部、分割光学素子、プローブ、反射光学素子、合成光学素子、分光素子、スリット、拡大光学素子、撮像部を具備した（図１参照）。ここで、広帯域光源部は、異なる波長を含んだ光を出射する。分割光学素子は、広帯域光源部から出射される光を測定光と参照光とに分割する。プローブは、測定光を出射して被検体に照射するとともに、被検体により反射した光を逆方向へ戻す。反射光学素子は、参照光を反射して逆方向へ戻す。合成光学素子は、プローブにより戻される測定光と反射光学素子により戻される参照光とを合成する。分光素子は、合成光学素子による合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する。スリットは、分光素子から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させる。拡大光学素子は、スリットを通過した光を拡大して出射する。撮像部は、拡大光学素子から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する。
この構成によれば、分光した光のうち、一部の波長帯域の光のみを抽出し拡大して検出し、その検出信号を出力するようにしているため、深さ方向の分解能を向上することができる。

第二の特徴としては、広帯域光源部、分割光学素子、プローブ、反射光学素子、合成光学素子、第１の分光素子、スリット、第２の分光素子、撮像部を具備した（図２参照）。ここで、広帯域光源部は、異なる波長を含んだ光を出射する。分割光学素子は、広帯域光源部から出射される光を測定光と参照光とに分割する。プローブは、測定光を出射して被検体に照射するとともに、被検体により反射した光を逆方向へ戻す。反射光学素子は、参照光を反射して逆方向へ戻す。合成光学素子は、プローブにより戻される測定光と反射光学素子により戻される参照光とを合成する。第１の分光素子は、合成光学素子による合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する。スリットは、分光素子から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させる。第２の分光素子は、スリットを通過した光をさらに波長帯域毎の光に分光して出射する。撮像部は、第２の分光素子から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する。
この構成によれば、分光した光のうち、一部の波長帯域の光のみを抽出した後、その抽出光をさらに分光して検出し、その検出信号を出力するようにしているため、深さ方向の分解能を向上することができる。

第三の特徴としては、スリットが分光素子による光の分光方向へ移動するように設けられている。
この構成によれば、スリットを光の分光方向へ移動させて、波長帯域を選択することができる。

第四の特徴としては、合成光学素子とスリットとの間の分光素子は、該分光素子による光の分光方向に沿って回転するように設けられている。
この構成によれば、合成光学素子を光の分光方向に沿って回転させて、波長帯域を選択することができる。

第五の特徴としては、合成光学素子が、プローブにより戻される測定光と反射光学素子により戻される参照光とを合成した後に分割する合成分割光学素子としている。そして、合成分割光学素子により分割される一方の合成光を、合成分割光学素子とスリットとの間の分光素子に導くとともに、合成分割光学素子により分割される他方の合成光を、他の分光素子により分光して他の撮像部によって検出し、その検出信号を出力する。
この構成によれば、例えば、前記他の分光素子及び撮像部を用いて大まかな情報を得た後に、もう一方の分光素子及び撮像部により、高精度な情報を得ることができ、測定作業性が良好となる。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、光イメージング装置１の全体構成の一例を示す模式図である。
この光イメージング装置１は、広帯域光源部１０と、分割光学素子２０と、反射光学素子３０と、プローブ４０と、合成分割光学素子５０と、第１の分光光学系６０と、第２の分光光学系７０とを備える。そして、広帯域光源部１０は、異なる波長を含んだ光を出射する。分割光学素子２０は、広帯域光源部１０から出射される光を参照光と測定光とに分割する。反射光学素子３０は、参照光を反射して逆方向へ戻す。プローブ４０は、測定光を出射して被検体Ｘに照射するとともに、被検体Ｘにより反射した光を逆方向へ戻す。合成分割光学素子５０は、プローブ４０により戻される測定光と反射光学素子３０により戻される参照光とを合成して分割する。第１の分光光学系６０は、合成分割光学素子５０により分割される合成光の一方を複数の波長帯域に分光する。第２の分光光学系７０は、合成分割光学素子５０により分割される合成光の他方を複数の波長帯域に分光する。第１の分光光学系６０と第２の分光光学系７０のそれぞれについて、波長帯域毎の光の強度を検知し、その検知信号を図示しない画像処理装置により解析して被検体Ｘの画像データを得る。

広帯域光源部１０は、例えば、SLD（Super Luminescent Diode）等、低コヒーレンス且つ広帯域な光を出射する光源である。この広帯域光源部１０による出射光は、光ファイバーＦを介して分割光学素子２０へ伝達される。

分割光学素子２０は、例えば、１×２の光ファイバカプラであり、広帯域光源部１０側の光を、参照光Ｌ１と測定光Ｌ２に分割する。参照光Ｌ１は、光ファイバーＦによって第１の光サーキュレータ２１のポートｐ１に入射される。また、測定光Ｌ２は、他の光ファイバーＦによって第２の光サーキュレータ２２のポートｐ１に入射される。

光サーキュレータ２１，２２の各々は、ポートｐ１に入射される光をポートｐ２から出射し、ポートｐ２に入射される光をポートｐ３から出射するように構成された光学素子である。

一方の光サーキュレータ２１のポートｐ２には、光ファイバーＦを介してコリメータ３１が接続される。このコリメータ３１は、光ファイバーＦを介して光源側から入射する参照光Ｌ１が拡散するのを抑制して、該参照光Ｌ１を集光レンズ３２の光源側面に照射する。このコリメータ３１は、入射光の拡散を抑制して出射するものであればよく、例えば、凸レンズ等からなるコリメートレンズを用いる。

また、集光レンズ３２は、コリメータ３１から入射した参照光Ｌ１を反射光学素子３０に照射する。この集光レンズ３２には、凸レンズや、他の集光レンズ等を用いることが可能である。

反射光学素子３０は、反射ミラーであり、集光レンズ３２側から入射した参照光Ｌ１を反射する。この反射光学素子３０によって反射された参照光Ｌ１は、前記の経路とは逆に、集光レンズ３２、コリメータ３１、光ファイバーＦ等を経由して光サーキュレータ２１のポートｐ２に入射され、さらに、同光サーキュレータ２１のポートｐ３から出射され、光ファイバーＦを介して後述する合成分割光学素子５０へ入射する。

他方の第２の光サーキュレータ２２のポートｐ２には、光ファイバーＦを介してプローブ４０が接続される。プローブ４０は、光ファイバーＦを介して光源側から入射する測定光Ｌ２を被検体Ｘに照射する。
このプローブ４０には、例えば、国際公開WO2008/093689A1号公報に開示されるものや、他の光イメージング用プローブを用いることが可能である。

被検体Ｘに照射された測定光Ｌ２は、被検体Ｘの被検知面等により反射し、前記の経路とは逆に、プローブ４０、光ファイバーＦ等を経由して、第２の光サーキュレータ２２のポートｐ２に入射され、さらに、同光サーキュレータ２２のポートｐ３から出射され、光ファイバーＦを介して後述する合成分割光学素子５０へ入射する。

合成分割光学素子５０は、例えば、２×２の光ファイバカプラであり、二つの光サーキュレータ２１，２２のポートｐ３，ｐ３から入射する光を合成した後に分割して、二つの光ファイバーＦへそれぞれ伝達する。これら二つの光ファイバーＦのうち、一方は第１の分光光学系６０に接続され、他方は第２の分光光学系７０に接続される。

第１の分光光学系６０は、コリメータ６１と、分光素子６２と、スリット６３と、拡大光学素子６４と、撮像部６５とを具備する。コリメータ６１は、合成分割光学素子５０により合成され分割された一方の合成光を光ファイバーＦを介して受光する。分光素子６２は、コリメータ６１から出射される合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する。スリット６３は、一部の波長帯域の光のみを通過させる。拡大光学素子６４は、スリット６３を通過した光を拡大して出射する。撮像部６５は、拡大光学素子６４から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出しその検出信号を出力する。

コリメータ６１は、光ファイバーＦを介して合成分割光学素子５０側から入射する合成光が拡散するのを抑制して、該合成光を分光素子６２に照射する。このコリメータ６１は、入射光の拡散を抑制して出射するものであればよく、例えば、凸レンズ等からなるコリメートレンズを用いる。

分光素子６２は、例えば回折格子素子等から構成されており、入射した合成光を分光して、スリット６３へ向けて出射する。
この分光素子６２は、本実施の形態の好ましい一例によれば、分光方向に沿って回転し、且つ任意の回転位置で係止されるように設けられる。
この分光素子６２を回転させる手段は、例えば、電動モータにより分光素子６２を回転させる態様や、手動で分光素子６２を回転させる態様等とすることが可能である。

スリット６３は、平板状部材に長尺状の貫通孔を設けており、分光素子６２の出射側において、分光素子６２の分光方向に対し、この貫通孔の長手方向を交差させて配置される。そして、このスリット６３は、分光素子６２よって分光された多数の波長帯域の光のうち、その一部の波長帯域の光のみを通過させ、他の光を遮る。（例えば、１２９５ｎｍ〜１３０５ｎｍの波長帯域の光のみ通過させることができる。）
このスリット６３は、分光素子６２による分光方向（図１によれば左右方向）へ移動可能であって、且つ任意の位置で固定されるように設けられる。

また、拡大光学素子６４は、例えば、凸曲面状の反射鏡であり、スリット６３を通過した光を拡大するとともに反射して撮像部６５に照射する。
この拡大光学素子６４は、スリット６３の移動と同期して、その移動方向へ移動可能であって、且つ任意の位置で固定されるように設けられる。

撮像部６５は、多数の撮像素子（例えばＣＣＤ素子）を、線状に並べてなる周知のラインセンサカメラであり、この多数の撮像素子を分光方向に沿って並べるように配置される。
この撮像部６５は、スリット６３及び拡大光学素子６４の移動と同期して、これらの移動方向（図１によれば左右方向）へ移動可能であって、且つ任意の位置で固定されるように設けられる。
そして、この撮像部６５は、撮像素子毎に各波長帯域の光を受光し、その光強度を電気信号に変換して出力する。

また、第２の分光光学系７０は、合成分割光学素子５０により合成され分割された他方の合成光を光ファイバーＦを介して受光するコリメータ７１と、該コリメータ７１から出射される合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する分光素子７２と、該分光素子７２から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する撮像部７３とを具備する。

コリメータ７１は、光ファイバーＦを介して合成分割光学素子５０側から入射する合成光が拡散するのを抑制して、該合成光を分光素子７２に照射する。このコリメータ７１は、入射光の拡散を抑制して出射するものであればよく、例えば、凸レンズ等からなるコリメートレンズを用いる。

分光素子７２は、例えば回折格子素子等から構成されており、入射した合成光を分光して、撮像部７３へ向けて出射する。

撮像部７３は、撮像部６５同様に、多数の撮像素子を線状に配設してなるラインセンサカメラである。
この撮像部７３は、分光素子７２による分光方向に沿って前記多数の撮像素子を並べるように配置される。そして、この撮像部７３は、撮像素子毎に、各波長帯域の光を受光し、その光強度を電気信号に変換して出力する。

二つの撮像部６５，７３から出力される電気信号は、図示しない情報処理装置（例えば、コンピュータ等）に波長帯域毎の干渉信号として入力される。情報処理装置は、撮像部６５，７３毎に、前記干渉信号に対しフーリエ変換等の処理を行い、被検体Ｘの深さ方向の情報を取得し画像化する。

よって、上記構成の光イメージング装置１によれば、例えば、第２の分光光学系７０を用いて大まかな情報を得た後に、第１の分光光学系６０により高精度な情報を得ることができ、測定作業性が良好である。
しかも、第１の分光光学系６０においては、分光した光のうち、一部の波長帯域の光のみを抽出して拡大して検出し、その検出信号を出力するようにしているため、深さ方向の分解能が比較的高い。
その上、分光素子６２を回転させたり、スリット６３を移動させたりすれば、高精度な情報を得たい波長帯域を適宜に選択することができる。

次に、図２に示す光イメージング装置２について説明する。
この光イメージング装置２は、上記光イメージング装置１に対し一部を変更したものであるため、主にその変更部分について詳述し、重複する部分は同一の符号を用いて説明を省略する。

光イメージング装置２は、上記光イメージング装置１の第１の分光光学系６０において、分光素子６２を第１の分光素子６２とし、拡大光学素子６４を第２の分光素子６６に置換したものである。

第２の分光素子６６は、分光素子６２と同様に回析格子素子等から構成され、スリット６３を通過した一部の波長帯域の光をさらに細かく分光して撮像部６５へ照射する。
この第２の分光素子６６は、上述したスリット６３の移動と同期してその移動方向（図１によれば左右方向）へ移動可能であって、且つ任意の位置で固定されるように設けられる。

よって、図２に示す光イメージング装置２によれば、分光した光のうち、一部の波長帯域の光のみを抽出した後、その抽出光をさらに細かく分光して検出するようにしているため、深さ方向の分解能を向上することができる。
なお、光イメージング装置１と同様に、第２の分光光学系７０と第１の分光光学系６０により、測定精度を段階的に変更できるのは勿論である。

なお、上記実施例によれば、第１の分光光学系６０と第２の分光光学系７０の二つの光学系を具備するようにしたが、第２の分光光学系７０を省いた態様とすることも可能である。

また、上記実施例によれば、拡大光学素子６４として凸曲状の反射鏡を用いたが、拡大光学素子６４の他例としては、凹レンズを用いることも可能であり、この場合、該凹レンズはスリット６３を通過した光を透過するとともに拡大するように配置され、該凹レンズの出射側に撮像部６５が設けられる。

また、図１に示す光イメージング装置１によれば、スリット６３の後に、スリット６３と拡大光学素子６４をそれぞれ一つ設けるようにしたが、他例としては、拡大光学素子６４の後にさらにスリット６３及び拡大光学素子６４を多段的に追加し、その追加された最後の拡大光学素子６４の出射光を撮像部６５に照射するようにしてもよい。
同様に、図２に示す光イメージング装置２においても、スリット６３の後に、さらにスリット６３及び第２の分光素子６６を多段的に追加し、その追加された最後の第２の分光素子６６の出射光を撮像部６５に照射するようにしてもよい。
さらに他例としては、スリット６３及び拡大光学素子６４と、スリット６３及び第２の分光素子６６とを、適宜に組み合わせて多段的に配置した態様とすることも可能である。

１，２：光イメージング装置
１０：広帯域光源部
２０：分割光学素子
３０：反射光学素子
４０：プローブ
５０：合成分割光学素子
６０：第１の分光光学系
６２：分光素子（第１の分光素子）
６３：スリット
６４：拡大光学素子
６５：撮像部
６６：第２の分光素子
７０：第２の分光光学系
Ｌ１：参照光
Ｌ２：測定光

Claims

異なる波長を含んだ光を出射する広帯域光源部と、前記広帯域光源部から出射される光を測定光と参照光とに分割する分割光学素子と、前記測定光を出射して被検体に照射するとともに前記被検体により反射した光を逆方向へ戻すプローブと、前記参照光を反射して逆方向へ戻す反射光学素子と、前記プローブにより戻される前記測定光と前記反射光学素子により戻される前記参照光とを合成する合成光学素子と、前記合成光学素子による合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する第１の分光素子と、前記第1の分光素子から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させるスリットと、前記スリットを通過した光を拡大して出射する拡大光学素子と、前記拡大光学素子から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する撮像部とを具備したことを特徴とする光イメージング装置。
異なる波長を含んだ光を出射する広帯域光源部と、前記広帯域光源部から出射される光を測定光と参照光とに分割する分割光学素子と、前記測定光を出射して被検体に照射するとともに前記被検体により反射した光を逆方向へ戻すプローブと、前記参照光を反射して逆方向へ戻す反射光学素子と、前記プローブにより戻される測定光と前記反射光学素子により戻される参照光とを合成する合成光学素子と、前記合成光学素子による合成光を波長帯域毎の光に分光して出射する第１の分光素子と、前記分光素子から出射される光のうち、一部の波長帯域の光のみを通過させるスリットと、前記スリットを通過した光をさらに波長帯域毎の光に分光して出射する第２の分光素子と、第２の分光素子から出射される光を波長帯域毎にそれぞれ検出し、その検出信号を出力する撮像部とを具備したことを特徴とする光イメージング装置。
前記スリットは、前記第１の分光素子による光の分光方向へ移動するように設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の光イメージング装置。
前記合成光学素子と前記スリットとの間の前記分光素子は、前記第１の分光素子による光の分光方向に沿って回転するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の光イメージング装置。
前記合成光学素子が、前記プローブにより戻される測定光と前記反射光学素子により戻される参照光とを合成した後に分割する合成分割光学素子であって、
前記合成分割光学素子により分割される一方の合成光を、前記合成分割光学素子と前記スリットとの間の前記第１の分光素子に導くとともに、前記合成分割光学素子により分割される他方の合成光を、他の分光素子により分光して他の撮像部によって検出しその検出信号を出力することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の光イメージング装置。