JP3619113B2 - 角分散光空間干渉断層画像化装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に光散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した光を利用して、その被検体の光画像計測を行う角分散光空間干渉断層画像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザー光源などを用いた光画像計測技術は、安全であること、すなわち脱放射線化、脱アイソトプ化であることから、既存のＸ線を用いた画像計側分野への応用が試みられている。中でも、光による生体画像計測は有望な応用分野として期待されている。しかし、例えば人体や生体組織のような不均一な構成物質をもつ試料（被検体）は、その内部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する場合の最大難点は、被検体から四方八方に出射する透過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路を辿った信号光をどのようにして抽出するかということにある。これを可能にする方法の１つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光学’、２８巻３号、１１６（１９９９）参照〕。
【０００３】
光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、干渉計において生体内部からの反射光波をμｍオーダーの距離分解能で検出する方法である。
【０００４】
図１０にマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す。
【０００５】
この図に示すように、低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）２０１からの光ビームを半透明鏡２０２によって２分割する。一方の光ビームに、例えばピエゾ素子２０３の振動による位相変調を与えて参照光波ｅｒ とし、他方を被測定物体２０４に照射して物体の深層からの後方散乱光ｅｓ を得る。被測定物体２０４が散乱媒質である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。光コヒーレンス断層画像計測では、光源の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長以内でかつ参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡の位置をスキャンして参照光路長を変化することで光反射分布像を計測することができる。なお、２０５は光検出器である。
【０００６】
図１１はその光反射分布像を計測する様子を示すものである。
【０００７】
図１１で見られるように、現行の光コヒーレンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によって各部位からの反射光波を順次に検出するものである。言いかえれば時間領域の測定法とも理解され、計測時間の短縮には限界がある。画像計測の更なる高速化のために、信号光を空間的に並列検出する測定方法が有効と思われる。
【０００８】
時間領域での測定を空間領域へ転換して行った例として、光干渉法を用いた超短光パルスの時間波形の計測例がある〔例えば、Ｋ．Ｇ．Ｐｕｒｃｈａｓｅ，Ｄ．Ｊ．Ｂｒａｄｙ，Ｋ．Ｗａｇｎｅｒ，“Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．１８，２１２９（１９９３）参照〕。
【０００９】
図１２にその基本原理を示す。超短パルスレーザーからの出力は信号光と参照光に二分割され、それぞれ左側と右側から入射角θで光センサアレイの検出面へ入射する。信号パルスと参照パルスの間に時間遅れが十分短ければ、両パルスが検出面上にて重畳することになり、光干渉縞を生成する。超短光パルス、特にフェムト秒レーザーパルスのパルス長さは数十μｍにすぎないことから、検出面上における両光波の重畳は局所的であり、それゆえに生成する干渉縞も局所的である。
【００１０】
上記の測定原理は連続光を用いた光コヒーレス断層画像計測にも応用できると考えられる。図１３に示すように、平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面におけるｅｓ とｅｒ は以下のように表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【数２】
【００１３】
但し、Ｅｒ とＥｓ はそれぞれ参照光と信号光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこで、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００１４】
【数３】
【００１５】
この式（３）より光干渉の項は、
【００１６】
【数４】
【００１７】
と求められる。ただし、Δφは両光波間の光路長差ΔＬによる位相差である。
【００１８】
一方、図１３から、検出面上のある測定点Ｃから参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上付バー）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距離ＣＤ（上付バー）との間の光路長差が次のように与えられる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ただし、θは光の入射角である。そこで、参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとすると、任意の測定点における両光波間の光路長差ΔＬは、上記した式（５）から
【００２１】
【数６】
【００２２】
と与えられる。この式（６）を前記式（４）に代入すると、
【００２３】
【数７】
【００２４】
になる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは、計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００２５】
【数８】
【００２６】
この式（８）は周期λ０ ／２ｓｉｎθ（λ０ ＝ｃ／ｆ０ ；ｃ：光の速度）の正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した式（８）で表わされる光干渉測定は、フーリェ分光法におけるインターフェログラムの測定〔例えば、河田聡、“分光研究”、第３８巻、４１５（１９８９）参照〕に類似し、通常フーリェ変換などのデータ演算処理を要する。このような光検出およびデータ演算処理方法は光断層画像計測への応用にとって大変煩瑣であると言える。これを説明するために、上記した図１３の測定原理で測定した光干渉縞の結果を図１４に示す。実験では、低コヒーレンス光源として中心波長８４０ｎｍ、スペクトル半値幅５０ｎｍのＳＬＤを用い、入射角θ＝３．８°で信号と参照の両光波を検出面に入射した。
【００２８】
図１４のグラフ（ａ）は光路長差Δｌ＝０、またグラフ（ｂ）と（ｃ）はそれぞれΔｌ＝１０μｍとΔｌ＝２０μｍに対応した干渉縞の一次元強度分布である。図１４の測定結果から、干渉縞の縞間隔はほぼ理論値λ０ ／２ｓｉｎθ＝６．４μｍに等しいことが分かる。ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）のサンプリング原理から、このような狭い干渉縞を検出するために分解能λ０ ／４ｓｉｎθ＝３．２μｍ以上のセンサアレイが必要である。
【００２９】
本発明は、上記問題点を除去し、光コヒーレンス断層画像計測を有効に空間領域で行うことのできる角分散光空間干渉断層画像化装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕角分散光空間干渉断層画像化装置において、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、この被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置し、この角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、前記光学結像系で結像した干渉光を受光することにより光検出信号を得る光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、さらに、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする。
【００３１】
〔２〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が軸外しマイケルソン干渉計を用いることを特徴とする。
【００３２】
〔３〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記角分散素子が回折格子であり、この回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度もしくは零度に近い出射角をもつことを特徴とする。
【００３３】
〔４〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射方向と垂直する横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする。
【００３４】
〔５〕上記〔４〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光センサが、空間的に２次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直する横方向上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を構えたことを特徴とする。
【００３５】
〔６〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が、前記参照光と前記信号光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備えることを特徴とする。
【００３６】
〔７〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００３７】
〔８〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００３８】
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００３９】
〔１０〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、パルス幅１ピコ秒以下の超短パルスレーザーであることを特徴とする。
【００４０】
〔１１〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記被検体が光散乱媒質であることを特徴とする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００４２】
本発明は、低コヒーレンス光源の広いスペクトル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子を用いることにより、上記した光干渉縞の包絡線のみを検出する。
【００４３】
図１は本発明の原理を示す角分散光空間干渉断層画像化装置の構成図である。
【００４４】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，５，１０，１２はレンズ、４はビームスプリッタ（ＢＳ）、６は被検体、７は直角プリズム（スキャン可能）、８はバイプリズム、９は回折格子、１１は開口、１３は光センサアレイである。
【００４５】
この図に示すように、広いスペクトル幅をもつ低コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２と３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームをビームスプリッタ（ＢＳ）４で信号光ｅＳ と参照光ｅｒ に二分する。参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅＳ はレンズ５によって、例えば散乱媒質からなる被検体６へ収束されて入射する。その被検体６から反射してくる信号光ｅＳ は再びレンズ５によって集光され、ビームスプリッタ（ＢＳ）４へ伝送される。ビームスプリッタ（ＢＳ）４は伝送してきた信号光の一部をバイプリズム８へ反射し、そのバイプリズム８から出射する信号光は入射角で回折格子９へ入射する。
【００４６】
一方、参照光ｅｒ は直角プリズム７によって全反射され、バイプリズム８へ伝送される。そのバイプリズム８から出射する参照光ｅｒ は、信号光ｅＳ とは反対の側から回折格子９へ入射する。ただし、その入射角度は信号光ｅＳ と同じである。図１に示すように、参照光ｅｒ と信号光ｅＳ が回折格子９の面上において互いに重畳する。
【００４７】
図１は軸外し（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）の光干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は、次のような機構を光干渉計に備えることにより、従来の軸外しの光干渉計と異なる特徴をもつ空間干渉断層画像化装置を提供することができる。ここでは、回折格子の格子定数ｄをｄ＝λ０ ／ｓｉｎθ（λ０ ：光源の中心波長、θ：回折格子の法線に対する入射光ビームの角度）に設定し、その回折格子によって回折されて出射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結像させる。
【００４８】
さらに、本発明は検出面に配置される光センサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列されるイメージセンサ、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラを使用することを特徴とする。
【００４９】
以下、本発明による光画像測定の原理を説明する。
【００５０】
図２は、図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示すものである。回折格子がｘ− 軸上に配置され、その法線がｙ− 方向と平行するとすると、入射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の出射角βは、回折格子方程式より
【００５１】
【数９】
【００５２】
と与えられる。そこで、格子定数ｄをｄ＝λ０ ／ｓｉｎθ（λ０ ：光源の中心波長）になるように設置すると、前記式（９）よりλ０ に対してβ＝０になることが明白である。
【００５３】
一方、λ０ 以外の波長成分では前記式（９）より回折光の出射角を次のように近似できる。
【００５４】
【数１０】
【００５５】
図２において、ある出射点Ａから入射光波の等位相面ＯＫまでの距離を、ＡＫ（上付きバー）とし、また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離をＯＬ（上付きバー）とすると、両者の間の距離差がＡＫ−ＯＬ≒ＯＡΔβ〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡともに上付きバー）であることから、回折格子９の角分散による回折光の位相差Δψは次のように算出される。
【００５６】
【数１１】
【００５７】
そこで、本発明は図３に示す光学結像系を用いることを特徴とする。図３では、焦点距離ｆ１ のレンズ１０のフーリェ面に開口を配置することにより、回折格子９からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレイの面上に結像する。
【００５８】
さらに、信号光波ｅｓ と参照光波ｅｒ はそれぞれ左右の両側から回折格子９に入射することから、回折格子９の出射面における参照光の１次回折光と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように察知できる。
【００５９】
【数１２】
【００６０】
ただし、Δｌは参照光波ｅｒ が等位相面ＥＤまでの伝搬距離と、信号光波ｅｓ が等位相面ＣＤまでの伝搬距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での直角プリズムの配置位置を参照光波ｅｒ の入射方向上にスキャンすることにより、被検体の表面から反射してきた信号光ｅｓ に対してΔｌ＝０になるように設置することが可能である。
【００６１】
一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ２ ／ｆ１ であり、回折格子９の出射面上例えばＡ点（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１３が配置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像される。従って、検出面に結像する参照光ｅｒ と信号光ｅｓ との間の位相差は前記式（１２）より次のように与えられる。
【００６２】
【数１３】
【００６３】
ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００６４】
【数１４】
【００６５】
前記式（１３）とこの式（１４）より光干渉の項は、
【００６６】
【数１５】
【００６７】
と求められる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００６８】
【数１６】
【００６９】
この式（１６）を前記式（８）と比較すると分かるように、この式（１６）は正弦関数で変調されていないｓｉｎｃ関数を表わし、光路長差Δｌに対応して
【００７０】
【数１７】
【００７１】
の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出される。
【００７２】
本発明による光画像測定の効果を示すために、図４に示す前記式（１６）を用いた計算結果の例を示す。計算では、ｃ／ｆ０ ＝０．８４μｍ、ｃ／Δｆ＝４０μｍ、θ＝７°とし、また、後の前記図１４との比較の便宜上Ｍ＝１とした。
【００７３】
図４に見られるように、光路長差Δｌ＝１０μｍに対して、検出面ｘ＝−ＭΔｌ／（２ｓｉｎθ）＝−４１μｍの位置で光干渉強度のピークが検出されている。
【００７４】
さらに、図４を前記図１４の測定結果と比較すると分かるように、本発明は、図３に示すように光学結像の手段を用いて空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピーク値を直接読み取ることにより、前記式（１７）の対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求めるができる。このことは、検出した光干渉の演算処理により干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的に異なる。
【００７５】
なお、これまでに角分散素子例えば回折格子によって回折された信号光及び参照光がともに零度の出射角で出射する光画像計測について説明してきたが、回折格子の格子定数ｄ≠λ０ ／ｓｉｎα、すなわち回折光がβ≠０の出射角で出射する場合、検出面で検出される干渉光の強度は上記と同様な分析方法から次のように求められる。
【００７６】
【数１８】
【００７７】
β≠０であることから、この式（１８）は周期λ０ ／ｓｉｎβの正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わす。ただし、β＜θであることから、その周期は前記式（８）で表わされる従来の測定で見られる周期λ０ ／ｓｉｎθよりも長いことが明白である。
【００７８】
【実施例１】
図５は、本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す。
【００７９】
この図において、２１は低コヒーレンス光源としてのスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、２２，２３，３０，３２はレンズ、２４はビームスプリッタ（ＢＳ）、２５は円柱レンズ、２６は被検体、２７は直角プリズム、２８はバイプリズム、２９は回折光子、３１は開口、３３は二次元センサアレイである。
【００８０】
低コヒーレンス光源の可干渉距離Ｌｃは光源の波長広がりΔλに逆比例してＬｃ≒λ２ ／Δλと表すことができる。市販されている近赤外域ＳＬＤ２１の場合Ｌｃ≒５０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合Ｌｃ≒１０μｍ程度である。
【００８１】
さらに、図５の実施例は、本発明による図１の信号光の送信及び受信用レンズ５の代わりに円柱レンズ２５を用いることにより、下記のような二次元光断層画像計測を可能にするようにしたものである。
【００８２】
参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅＳ は円柱レンズ２５によって、例えば散乱媒質からなる被検体２６へ入射される。円柱レンズ２５は光波を一方向だけに収束するので、被検体２６へ入射する信号光ｅＳ は図５に示すように光伝搬方向（ｘ− ）と垂直する横方向（ｙ− ）上に線状に絞られる。被検体２６から反射してくる信号光は再び円柱レンズ２５によって集光される。その集光された光波は円柱レンズ２５の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、ビームスプリッタ２４へ伝送される。
【００８３】
検出面上に結像される干渉光は二次元センサアレイ３３によって検出される。そのｘ− 方向上で検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２６の深さ情報に対応していることが明白である。一方、図５に示すようにセンサアレイ３３のｙ− 方向は信号光ｅＳ の横方向ｙ− に位置対応している。従って、本実施例は被検体２６への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元センサアレイ３３で検出することにより、被検体２６に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元断層画像が実時間で計測されることになる。
【００８４】
さらに、この実施例では、被検体２６への入射光もしくは被検体２６をｚ−方向でスキャンすることによって被検体２６の内部に関する三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【００８５】
【実施例２】
図６は、本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【００８６】
この図において、４１は低コヒーレンス光源、４２，４３，４６，５１，５３はレンズ、４４は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４５は１／４波長板、４７は被検体、４８は直角プリズム、４９はバイプリズム、５０は回折光子、５２は開口、５４は光センサアレイである。
【００８７】
低コヒーレンス光源４１（例えばＳＬＤとＬＥＤ）からの出力光は一般的に無偏光、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図６では、ＰＢＳ４４が入射光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光ｅｒ とし、またその入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光ｅｓ とする。参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅｓ は１／４波長板４５を通過して円偏光に変換され、さらにレンズ４６によって収束されて被検体４７へ入射する。
【００８８】
一方、被検体４７から反射してきた円偏光の信号光ｅｓ は再び１／４波長板４５を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。ＰＢＳ４４はＳ偏光の信号光を９０°反射してバイプリズム４９へ伝送する。このように、回折格子５０の面上にて重畳される信号光ｅｓ および参照光ｅｒ はともにＳ偏光である。
【００８９】
この実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体４７への入射光の偏光方向を制御することができる。
【００９０】
【実施例３】
図７は光ヘテロダイン検出法を本発明へ応用した実施例である。
【００９１】
この図において、６１は低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）、６２，６３，６５，７２，７４はレンズ、６４は第１のビームスプリッタＢＳ１、６６は被検体、６７は第１のミラー、６８は第２のビームスプリッタＢＳ２、６９は第２のミラー、６９Ａはその第２のミラー６９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、７０はバイプリズム、７１は回折光子、７３は開口、７５は光センサアレイである。
【００９２】
低コヒーレンス光源６１例えばＳＬＤからの出力光は第１のビームスプリッタ６４によって信号光ｅＳ と参照光ｅｒ に二分される。参照光ｅｒ は第１のミラー６７によって９０°反射されて第２のビームスプリッタ６８へ伝送される。第２のビームスプリッタ６８を通過した参照光ｅｒ は第２のミラー６９によって全反射されるが、その反射光は第２のミラー６９に付着したピエゾ素子６９Ａの振動によって位相変調を受ける。第２のビームスプリッタ６８は反射光の一部を９０°反射して、バイプリズム７０へ伝送する。
【００９３】
この実施例によれば、参照光ｅｒ が位相変調されていることから、光センサアレイ７５によって検出される光干渉信号は位相変調と同じ周波数をもつ交流信号であり、背景光による直流成分から分離することが容易である。
【００９４】
【実施例４】
図８は、図７の光画像計測装置に光の伝送手段として光ファイバを使用した実施例である。
【００９５】
この図において、８１は低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）、８２，８８，９２，９５，９６，９９，１０１はレンズ、８３，８５，８７，９０，９１，９４は光ファイバ、８４は第１の光ファイバカプラー、８６は第２の光ファイバカプラー、８９はミラー、８９Ａはミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、９３は被検体、９７はバイプリズム、９８は回折光子、１００は開口、１０２は光センサアレイである。
【００９６】
低コヒーレンス光源８１が例えばＳＬＤからの出力光はレンズ８２によって光ファイバ８３へ結合される。第１の光ファイバカプラ８４は伝送してきた光を参照光と信号光に二分割し、図７における第１のビームプリッタ６４と同様な役割を果たす。
【００９７】
一方、第２の光ファイバカプラー８６は図７の第２のビームプリッタ６８と同様に、参照光の一部をミラー８９へ送り、またそのミラー８９から反射してくる参照光の一部をバイプリズム９７へ伝送する役割を果たす。
【００９８】
この実施例によれば、光の伝送に光ファイバを使用することにより、被検体９３を光画像計測装置から離すことができ、計測上の自由度を大幅に向上する利点がある。
【００９９】
【実施例５】
本発明によれば、透過型の角分散素子のみならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できることが明白である。図９は、反射型回折格子１１０を用いた本発明の実施例である。反射型回折格子１１０によって一次回折される信号光及び参照光は、図９に示すように、焦点距離ｆのレンズ１１１によって検出面上に結像される。その検出面には干渉光を検出する光センサアレイ１１２が配置されている。
【０１００】
この実施例によれば、回折効率の高い反射型回折格子を利用できることができる。
【０１０１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０２】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１０３】
（Ａ）光コヒーレンス断層画像計測を有効に空間領域で行うことができる。
【０１０４】
（Ｂ）低コヒーレンス光源の広いスペクトル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子を用いることにより、光干渉縞の包絡線のみを検出することができる。
【０１０５】
（Ｃ）被検体への入射光もしくは被検体をｚ−方向でスキャンすることによって被検体の内部に関する三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【０１０６】
（Ｄ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御することができる。
【０１０７】
（Ｅ）参照光が位相変調されていることから、光センサアレイによって検出される光干渉信号は位相変調と同じ周波数をもつ交流信号であり、背景光による直流成分から分離することが容易である。
【０１０８】
（Ｆ）光の伝送に光ファイバを使用することにより、被検体を光画像計測装置から離すことができ、計測上の自由度を大幅に向上することができる。
【０１０９】
（Ｇ）回折効率の高い反射型回折格子を利用することができ、精度の高い三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図である。
【図３】本発明の光学結像系を用いる角分散光空間干渉断層画像化装置を示す図である。
【図４】本発明による光画像測定の効果を示す信号強度を示す図である。
【図５】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す図である。
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例を示す図である。
【図７】光ヘテロダイン検出法を本発明へ応用した実施例を示す図である。
【図８】図７の光画像計測装置に光の伝送手段として光ファイバを使用した実施例を示す図である。
【図９】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す図である。
【図１０】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１１】図１０による光反射分布像を計測する様子を示す図である。
【図１２】従来の測定の基本原理を示す図である。
【図１３】従来の測定原理の詳細な説明図である。
【図１４】図１３の測定原理で測定した光干渉縞の結果を示す図である。
【符号の説明】
１，４１ 低コヒーレンス光源
２，３，５，１０，１２，２２，２３，３０，３２，４２，４３，４６，５１，５３，６２，６３，６５，７２，７４，８２，８８，９２，９５，９６，９９，１０１，１１１ レンズ
４，２４ ビームスプリッタ（ＢＳ）
６，２６，４７，６６，９３ 被検体
７，２７，４８ 直角プリズム（スキャン可能）
８，２８，４９，７０，９７ バイプリズム
９，２９，５０，７１，９８ 回折格子
１１，３１，５２，７３，１００ 開口
１３，５４，７５，１０２，１１２ 光センサアレイ
２１，６１，８１ 低コヒーレンス光源〔スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）〕
２５ 円柱レンズ
３３ 二次元センサアレイ
４４ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４５ １／４波長板
６４ 第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）
６７ 第１のミラー
６８ 第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）
６９ 第２のミラー
６９Ａ 第２のミラー６９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ
８３，８５，８７，９０，９１，９４ 光ファイバ
８４ 第１の光ファイバカプラー
８６ 第２の光ファイバカプラー
８９ ミラー
８９Ａ ミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ
１１０ 反射型回折格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に光散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは内部から反射した光を利用して、その被検体の光画像計測を行う角分散光空間干渉断層画像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザー光源などを用いた光画像計測技術は、安全であること、すなわち脱放射線化、脱アイソトプ化であることから、既存のＸ線を用いた画像計側分野への応用が試みられている。中でも、光による生体画像計測は有望な応用分野として期待されている。しかし、例えば人体や生体組織のような不均一な構成物質をもつ試料（被検体）は、その内部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する場合の最大難点は、被検体から四方八方に出射する透過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路を辿った信号光をどのようにして抽出するかということにある。これを可能にする方法の１つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光学’、２８巻３号、１１６（１９９９）参照〕。
【０００３】
光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目して、干渉計において生体内部からの反射光波をμｍオーダーの距離分解能で検出する方法である。
【０００４】
図１０にマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す。
【０００５】
この図に示すように、低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）２０１からの光ビームを半透明鏡２０２によって２分割する。一方の光ビームに、例えばピエゾ素子２０３の振動による位相変調を与えて参照光波ｅｒ とし、他方を被測定物体２０４に照射して物体の深層からの後方散乱光ｅｓ を得る。被測定物体２０４が散乱媒質である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。光コヒーレンス断層画像計測では、光源の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長以内でかつ参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡の位置をスキャンして参照光路長を変化することで光反射分布像を計測することができる。なお、２０５は光検出器である。
【０００６】
図１１はその光反射分布像を計測する様子を示すものである。
【０００７】
図１１で見られるように、現行の光コヒーレンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によって各部位からの反射光波を順次に検出するものである。言いかえれば時間領域の測定法とも理解され、計測時間の短縮には限界がある。画像計測の更なる高速化のために、信号光を空間的に並列検出する測定方法が有効と思われる。
【０００８】
時間領域での測定を空間領域へ転換して行った例として、光干渉法を用いた超短光パルスの時間波形の計測例がある〔例えば、Ｋ．Ｇ．Ｐｕｒｃｈａｓｅ，Ｄ．Ｊ．Ｂｒａｄｙ，Ｋ．Ｗａｇｎｅｒ，“Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．１８，２１２９（１９９３）参照〕。
【０００９】
図１２にその基本原理を示す。超短パルスレーザーからの出力は信号光と参照光に二分割され、それぞれ左側と右側から入射角θで光センサアレイの検出面へ入射する。信号パルスと参照パルスの間に時間遅れが十分短ければ、両パルスが検出面上にて重畳することになり、光干渉縞を生成する。超短光パルス、特にフェムト秒レーザーパルスのパルス長さは数十μｍにすぎないことから、検出面上における両光波の重畳は局所的であり、それゆえに生成する干渉縞も局所的である。
【００１０】
上記の測定原理は連続光を用いた光コヒーレス断層画像計測にも応用できると考えられる。図１３に示すように、平面波の信号光ｅｓ と平面波の参照光ｅｒ が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から検出面へ入射するとすると、検出面におけるｅｓ とｅｒ は以下のように表される。
【００１１】
【数１】
【数２】
但し、Ｅｒ とＥｓ はそれぞれ参照光と信号光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこで、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００１４】
【数３】
この式（３）より光干渉の項は、
【００１６】
【数４】
と求められる。ただし、Δφは両光波間の光路長差ΔＬによる位相差である。
【００１８】
一方、図１３から、検出面上のある測定点Ｃから参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上付バー）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの距離ＣＤ（上付バー）との間の光路長差が次のように与えられる。
【００１９】
【数５】
ただし、θは光の入射角である。そこで、参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとすると、任意の測定点における両光波間の光路長差ΔＬは、上記した式（５）から
【００２１】
【数６】
と与えられる。この式（６）を前記式（４）に代入すると、
【００２３】
【数７】
になる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは、計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００２５】
【数８】
この式（８）は周期λ０ ／２ｓｉｎθ（λ０ ＝ｃ／ｆ０ ；ｃ：光の速度）の正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した式（８）で表わされる光干渉測定は、フーリェ分光法におけるインターフェログラムの測定〔例えば、河田聡、“分光研究”、第３８巻、４１５（１９８９）参照〕に類似し、通常フーリェ変換などのデータ演算処理を要する。このような光検出およびデータ演算処理方法は光断層画像計測への応用にとって大変煩瑣であると言える。これを説明するために、上記した図１３の測定原理で測定した光干渉縞の結果を図１４に示す。実験では、低コヒーレンス光源として中心波長８４０ｎｍ、スペクトル半値幅５０ｎｍのＳＬＤを用い、入射角θ＝３．８°で信号と参照の両光波を検出面に入射した。
【００２８】
図１４のグラフ（ａ）は光路長差Δｌ＝０、またグラフ（ｂ）と（ｃ）はそれぞれΔｌ＝１０μｍとΔｌ＝２０μｍに対応した干渉縞の一次元強度分布である。図１４の測定結果から、干渉縞の縞間隔はほぼ理論値λ０ ／２ｓｉｎθ＝６．４μｍに等しいことが分かる。ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）のサンプリング原理から、このような狭い干渉縞を検出するために分解能λ０ ／４ｓｉｎθ＝３．２μｍ以上のセンサアレイが必要である。
【００２９】
本発明は、上記問題点を除去し、光コヒーレンス断層画像計測を有効に空間領域で行うことのできる角分散光空間干渉断層画像化装置を提供することを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕角分散光空間干渉断層画像化装置において、広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、この被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置し、この角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、前記光学結像系で結像した干渉光を受光することにより光検出信号を得る光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、さらに、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする。
【００３１】
〔２〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が軸外しマイケルソン干渉計を用いることを特徴とする。
【００３２】
〔３〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記角分散素子が回折格子であり、この回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度もしくは零度に近い出射角をもつことを特徴とする。
【００３３】
〔４〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームをこの光ビームの入射方向と垂直する横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする。
【００３４】
〔５〕上記〔４〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光センサが、空間的に２次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直する横方向上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を構えたことを特徴とする。
【００３５】
〔６〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が、前記参照光と前記信号光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備えることを特徴とする。
【００３６】
〔７〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。
【００３７】
〔８〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【００３８】
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。
【００３９】
〔１０〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記光源が、パルス幅１ピコ秒以下の超短パルスレーザーであることを特徴とする。
【００４０】
〔１１〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉断層画像化装置において、前記被検体が光散乱媒質であることを特徴とする。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００４２】
本発明は、低コヒーレンス光源の広いスペクトル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子を用いることにより、上記した光干渉縞の包絡線のみを検出する。
【００４３】
図１は本発明の原理を示す角分散光空間干渉断層画像化装置の構成図である。
【００４４】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，５，１０，１２はレンズ、４はビームスプリッタ（ＢＳ）、６は被検体、７は直角プリズム（スキャン可能）、８はバイプリズム、９は回折格子、１１は開口、１３は光センサアレイである。
【００４５】
この図に示すように、広いスペクトル幅をもつ低コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレンズ２と３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームをビームスプリッタ（ＢＳ）４で信号光ｅＳ と参照光ｅｒ に二分する。参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅＳ はレンズ５によって、例えば散乱媒質からなる被検体６へ収束されて入射する。その被検体６から反射してくる信号光ｅＳ は再びレンズ５によって集光され、ビームスプリッタ（ＢＳ）４へ伝送される。ビームスプリッタ（ＢＳ）４は伝送してきた信号光の一部をバイプリズム８へ反射し、そのバイプリズム８から出射する信号光は入射角で回折格子９へ入射する。
【００４６】
一方、参照光ｅｒ は直角プリズム７によって全反射され、バイプリズム８へ伝送される。そのバイプリズム８から出射する参照光ｅｒ は、信号光ｅＳ とは反対の側から回折格子９へ入射する。ただし、その入射角度は信号光ｅＳ と同じである。図１に示すように、参照光ｅｒ と信号光ｅＳ が回折格子９の面上において互いに重畳する。
【００４７】
図１は軸外し（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）の光干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は、次のような機構を光干渉計に備えることにより、従来の軸外しの光干渉計と異なる特徴をもつ空間干渉断層画像化装置を提供することができる。ここでは、回折格子の格子定数ｄをｄ＝λ０ ／ｓｉｎθ（λ０ ：光源の中心波長、θ：回折格子の法線に対する入射光ビームの角度）に設定し、その回折格子によって回折されて出射する信号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結像させる。
【００４８】
さらに、本発明は検出面に配置される光センサとして、一次元ないし二次元に受光素子を配列されるイメージセンサ、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラを使用することを特徴とする。
【００４９】
以下、本発明による光画像測定の原理を説明する。
【００５０】
図２は、図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示すものである。回折格子がｘ− 軸上に配置され、その法線がｙ− 方向と平行するとすると、入射角θの光ビームに対して回折格子からの１次回折光の出射角βは、回折格子方程式より
【００５１】
【数９】
と与えられる。そこで、格子定数ｄをｄ＝λ０ ／ｓｉｎθ（λ０ ：光源の中心波長）になるように設置すると、前記式（９）よりλ０ に対してβ＝０になることが明白である。
【００５３】
一方、λ０ 以外の波長成分では前記式（９）より回折光の出射角を次のように近似できる。
【００５４】
【数１０】
図２において、ある出射点Ａから入射光波の等位相面ＯＫまでの距離を、ＡＫ（上付きバー）とし、また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距離をＯＬ（上付きバー）とすると、両者の間の距離差がＡＫ−ＯＬ≒ＯＡΔβ〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡともに上付きバー）であることから、回折格子９の角分散による回折光の位相差Δψは次のように算出される。
【００５６】
【数１１】
そこで、本発明は図３に示す光学結像系を用いることを特徴とする。図３では、焦点距離ｆ１ のレンズ１０のフーリェ面に開口を配置することにより、回折格子９からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光を除去し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光センサアレイの面上に結像する。
【００５８】
さらに、信号光波ｅｓ と参照光波ｅｒ はそれぞれ左右の両側から回折格子９に入射することから、回折格子９の出射面における参照光の１次回折光と信号光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように察知できる。
【００５９】
【数１２】
ただし、Δｌは参照光波ｅｒ が等位相面ＥＤまでの伝搬距離と、信号光波ｅｓ が等位相面ＣＤまでの伝搬距離との間の差であって、本発明では、例えば図１での直角プリズムの配置位置を参照光波ｅｒ の入射方向上にスキャンすることにより、被検体の表面から反射してきた信号光ｅｓ に対してΔｌ＝０になるように設置することが可能である。
【００６１】
一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ２ ／ｆ１ であり、回折格子９の出射面上例えばＡ点（座標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１３が配置される検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像される。従って、検出面に結像する参照光ｅｒ と信号光ｅｓ との間の位相差は前記式（１２）より次のように与えられる。
【００６２】
【数１３】
ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算される。
【００６４】
【数１４】
前記式（１３）とこの式（１４）より光干渉の項は、
【００６６】
【数１５】
と求められる。スペクトル広がりをもつ光源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分布関数を中心ｆ０ 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。
【００６８】
【数１６】
この式（１６）を前記式（８）と比較すると分かるように、この式（１６）は正弦関数で変調されていないｓｉｎｃ関数を表わし、光路長差Δｌに対応して
【００７０】
【数１７】
の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出される。
【００７２】
本発明による光画像測定の効果を示すために、図４に示す前記式（１６）を用いた計算結果の例を示す。計算では、ｃ／ｆ０ ＝０．８４μｍ、ｃ／Δｆ＝４０μｍ、θ＝７°とし、また、後の前記図１４との比較の便宜上Ｍ＝１とした。
【００７３】
図４に見られるように、光路長差Δｌ＝１０μｍに対して、検出面ｘ＝−ＭΔｌ／（２ｓｉｎθ）＝−４１μｍの位置で光干渉強度のピークが検出されている。
【００７４】
さらに、図４を前記図１４の測定結果と比較すると分かるように、本発明は、図３に示すように光学結像の手段を用いて空間干渉縞の包絡線のみを検出し、その包絡線のピーク値を直接読み取ることにより、前記式（１７）の対応関係から信号光と参照光との間の光路長差を求めるができる。このことは、検出した光干渉の演算処理により干渉縞の包絡線を求める従来の空間干渉測定と根本的に異なる。
【００７５】
なお、これまでに角分散素子例えば回折格子によって回折された信号光及び参照光がともに零度の出射角で出射する光画像計測について説明してきたが、回折格子の格子定数ｄ≠λ０ ／ｓｉｎα、すなわち回折光がβ≠０の出射角で出射する場合、検出面で検出される干渉光の強度は上記と同様な分析方法から次のように求められる。
【００７６】
【数１８】
β≠０であることから、この式（１８）は周期λ０ ／ｓｉｎβの正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表わす。ただし、β＜θであることから、その周期は前記式（８）で表わされる従来の測定で見られる周期λ０ ／ｓｉｎθよりも長いことが明白である。
【００７８】
【実施例１】
図５は、本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す。
【００７９】
この図において、２１は低コヒーレンス光源としてのスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）、２２，２３，３０，３２はレンズ、２４はビームスプリッタ（ＢＳ）、２５は円柱レンズ、２６は被検体、２７は直角プリズム、２８はバイプリズム、２９は回折光子、３１は開口、３３は二次元センサアレイである。
【００８０】
低コヒーレンス光源の可干渉距離Ｌｃは光源の波長広がりΔλに逆比例してＬｃ≒λ２ ／Δλと表すことができる。市販されている近赤外域ＳＬＤ２１の場合Ｌｃ≒５０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合Ｌｃ≒１０μｍ程度である。
【００８１】
さらに、図５の実施例は、本発明による図１の信号光の送信及び受信用レンズ５の代わりに円柱レンズ２５を用いることにより、下記のような二次元光断層画像計測を可能にするようにしたものである。
【００８２】
参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅＳ は円柱レンズ２５によって、例えば散乱媒質からなる被検体２６へ入射される。円柱レンズ２５は光波を一方向だけに収束するので、被検体２６へ入射する信号光ｅＳ は図５に示すように光伝搬方向（ｘ− ）と垂直する横方向（ｙ− ）上に線状に絞られる。被検体２６から反射してくる信号光は再び円柱レンズ２５によって集光される。その集光された光波は円柱レンズ２５の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、ビームスプリッタ２４へ伝送される。
【００８３】
検出面上に結像される干渉光は二次元センサアレイ３３によって検出される。そのｘ− 方向上で検出される光信号は本発明による測定原理から被検体２６の深さ情報に対応していることが明白である。一方、図５に示すようにセンサアレイ３３のｙ− 方向は信号光ｅＳ の横方向ｙ− に位置対応している。従って、本実施例は被検体２６への入射光を線状に絞り、また干渉光を二次元センサアレイ３３で検出することにより、被検体２６に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得することができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元断層画像が実時間で計測されることになる。
【００８４】
さらに、この実施例では、被検体２６への入射光もしくは被検体２６をｚ−方向でスキャンすることによって被検体２６の内部に関する三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【００８５】
【実施例２】
図６は、本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例である。
【００８６】
この図において、４１は低コヒーレンス光源、４２，４３，４６，５１，５３はレンズ、４４は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４５は１／４波長板、４７は被検体、４８は直角プリズム、４９はバイプリズム、５０は回折光子、５２は開口、５４は光センサアレイである。
【００８７】
低コヒーレンス光源４１（例えばＳＬＤとＬＥＤ）からの出力光は一般的に無偏光、すなわち特定の偏光方向をもたないものである。図６では、ＰＢＳ４４が入射光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光ｅｒ とし、またその入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光ｅｓ とする。参照光ｅｒ と分かれた信号光ｅｓ は１／４波長板４５を通過して円偏光に変換され、さらにレンズ４６によって収束されて被検体４７へ入射する。
【００８８】
一方、被検体４７から反射してきた円偏光の信号光ｅｓ は再び１／４波長板４５を通過することによりＳ偏光の直線偏光に変換される。ＰＢＳ４４はＳ偏光の信号光を９０°反射してバイプリズム４９へ伝送する。このように、回折格子５０の面上にて重畳される信号光ｅｓ および参照光ｅｒ はともにＳ偏光である。
【００８９】
この実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体４７への入射光の偏光方向を制御することができる。
【００９０】
【実施例３】
図７は光ヘテロダイン検出法を本発明へ応用した実施例である。
【００９１】
この図において、６１は低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）、６２，６３，６５，７２，７４はレンズ、６４は第１のビームスプリッタＢＳ１、６６は被検体、６７は第１のミラー、６８は第２のビームスプリッタＢＳ２、６９は第２のミラー、６９Ａはその第２のミラー６９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、７０はバイプリズム、７１は回折光子、７３は開口、７５は光センサアレイである。
【００９２】
低コヒーレンス光源６１例えばＳＬＤからの出力光は第１のビームスプリッタ６４によって信号光ｅＳ と参照光ｅｒ に二分される。参照光ｅｒ は第１のミラー６７によって９０°反射されて第２のビームスプリッタ６８へ伝送される。第２のビームスプリッタ６８を通過した参照光ｅｒ は第２のミラー６９によって全反射されるが、その反射光は第２のミラー６９に付着したピエゾ素子６９Ａの振動によって位相変調を受ける。第２のビームスプリッタ６８は反射光の一部を９０°反射して、バイプリズム７０へ伝送する。
【００９３】
この実施例によれば、参照光ｅｒ が位相変調されていることから、光センサアレイ７５によって検出される光干渉信号は位相変調と同じ周波数をもつ交流信号であり、背景光による直流成分から分離することが容易である。
【００９４】
【実施例４】
図８は、図７の光画像計測装置に光の伝送手段として光ファイバを使用した実施例である。
【００９５】
この図において、８１は低コヒーレンス光源（ＳＬＤ）、８２，８８，９２，９５，９６，９９，１０１はレンズ、８３，８５，８７，９０，９１，９４は光ファイバ、８４は第１の光ファイバカプラー、８６は第２の光ファイバカプラー、８９はミラー、８９Ａはミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、９３は被検体、９７はバイプリズム、９８は回折光子、１００は開口、１０２は光センサアレイである。
【００９６】
低コヒーレンス光源８１が例えばＳＬＤからの出力光はレンズ８２によって光ファイバ８３へ結合される。第１の光ファイバカプラ８４は伝送してきた光を参照光と信号光に二分割し、図７における第１のビームプリッタ６４と同様な役割を果たす。
【００９７】
一方、第２の光ファイバカプラー８６は図７の第２のビームプリッタ６８と同様に、参照光の一部をミラー８９へ送り、またそのミラー８９から反射してくる参照光の一部をバイプリズム９７へ伝送する役割を果たす。
【００９８】
この実施例によれば、光の伝送に光ファイバを使用することにより、被検体９３を光画像計測装置から離すことができ、計測上の自由度を大幅に向上する利点がある。
【００９９】
【実施例５】
本発明によれば、透過型の角分散素子のみならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できることが明白である。図９は、反射型回折格子１１０を用いた本発明の実施例である。反射型回折格子１１０によって一次回折される信号光及び参照光は、図９に示すように、焦点距離ｆのレンズ１１１によって検出面上に結像される。その検出面には干渉光を検出する光センサアレイ１１２が配置されている。
【０１００】
この実施例によれば、回折効率の高い反射型回折格子を利用できることができる。
【０１０１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０２】
【発明の効果】
以上、詳細に述べたように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１０３】
（Ａ）光コヒーレンス断層画像計測を有効に空間領域で行うことができる。
【０１０４】
（Ｂ）低コヒーレンス光源の広いスペクトル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子を用いることにより、光干渉縞の包絡線のみを検出することができる。
【０１０５】
（Ｃ）被検体への入射光もしくは被検体をｚ−方向でスキャンすることによって被検体の内部に関する三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【０１０６】
（Ｄ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向を制御することができる。
【０１０７】
（Ｅ）参照光が位相変調されていることから、光センサアレイによって検出される光干渉信号は位相変調と同じ周波数をもつ交流信号であり、背景光による直流成分から分離することが容易である。
【０１０８】
（Ｆ）光の伝送に光ファイバを使用することにより、被検体を光画像計測装置から離すことができ、計測上の自由度を大幅に向上することができる。
【０１０９】
（Ｇ）回折効率の高い反射型回折格子を利用することができ、精度の高い三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図である。
【図３】本発明の光学結像系を用いる角分散光空間干渉断層画像化装置を示す図である。
【図４】本発明による光画像測定の効果を示す信号強度を示す図である。
【図５】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレンス光源として連続出力のスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す図である。
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用いた実施例を示す図である。
【図７】光ヘテロダイン検出法を本発明へ応用した実施例を示す図である。
【図８】図７の光画像計測装置に光の伝送手段として光ファイバを使用した実施例を示す図である。
【図９】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す図である。
【図１０】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。
【図１１】図１０による光反射分布像を計測する様子を示す図である。
【図１２】従来の測定の基本原理を示す図である。
【図１３】従来の測定原理の詳細な説明図である。
【図１４】図１３の測定原理で測定した光干渉縞の結果を示す図である。
【符号の説明】
１，４１ 低コヒーレンス光源
２，３，５，１０，１２，２２，２３，３０，３２，４２，４３，４６，５１，５３，６２，６３，６５，７２，７４，８２，８８，９２，９５，９６，９９，１０１，１１１ レンズ
４，２４ ビームスプリッタ（ＢＳ）
６，２６，４７，６６，９３ 被検体
７，２７，４８ 直角プリズム（スキャン可能）
８，２８，４９，７０，９７ バイプリズム
９，２９，５０，７１，９８ 回折格子
１１，３１，５２，７３，１００ 開口
１３，５４，７５，１０２，１１２ 光センサアレイ
２１，６１，８１ 低コヒーレンス光源〔スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）〕
２５ 円柱レンズ
３３ 二次元センサアレイ
４４ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
４５ １／４波長板
６４ 第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）
６７ 第１のミラー
６８ 第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）
６９ 第２のミラー
６９Ａ 第２のミラー６９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ
８３，８５，８７，９０，９１，９４ 光ファイバ
８４ 第１の光ファイバカプラー
８６ 第２の光ファイバカプラー
８９ ミラー
８９Ａ ミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ
１１０ 反射型回折格子
Claims (11)
- （ａ）広いスペクトル幅をもつ光ビームを出射する光源と、
（ｂ）該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、該被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、
（ｃ）前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散素子を配置し、該角分散素子を透過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学結像系と、
（ｄ）前記光学結像系で結像した干渉光を受光することにより光検出信号を得る光センサと、
（ｅ）該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、さらに、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とする角分散光空間干渉断層画像化装置。 - 前記干渉光学系が軸外しマイケルソン干渉計を用いることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記角分散素子が回折格子であり、該回折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度もしくは零度に近い出射角をもつことを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記干渉光学系が前記被検体へ入射する光ビームを該光ビームの入射方向と垂直する横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、該円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光することを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記光センサが、空間的に２次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直する横方向上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を構えたことを特徴とする請求項４記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記干渉光学系が、前記参照光と前記信号光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備えることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記干渉光学系が、被検体への入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記光源が、パルス幅１ピコ秒以下の超短パルスレーザーであることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
- 前記被検体が光散乱媒質であることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。
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