JP3634327B2 - 光波長分散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、特に不均一な構造を持つ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光波長分散空間干渉断層画像化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光断層画像化技術の中で、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、例えば、人体や生体組織のような不均一な構成物質の内部からの反射光波をμｍオーダの距離分解能で検出する光コヒーレンス断層画像化法が注目されている〔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、例えば、マイケルソン干渉計において低コヒーレンス光源からの光ビームを半透明鏡によって２分割する。一方の光ビームを鏡に照射してその反射光を参照光とし、他方を被測定物体に照射して物体の深層からの後方散乱光を信号光とする。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光軸上にスキャン（Ｚ−スキャン）して参照光路長を変化させることで反射光プロファイルを検出することができる。さらに、入射光ビームの横方向走査によって２次元断層画像化を行うことができる。
【０００４】
しかし、上記のような２次元断層画像計測方法は、Ｚ−スキャンおよび光ビームの横方向走査を要するため、計測時間の短縮に限界がある。画像計測の更なる高速化のためには、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。その方法の１つとして、軸外し干渉計を用いた低コヒーレンス干渉法が挙げられる。
【０００５】
図４に示す軸外し干渉計において、平面波の信号光と平面波の参照光がセンサアレイ１１３の検出面の中心位置Ｏに対し、それぞれ左側と右側からセンサアレイ１１３の検出面へ入射するとすると、検出面で検出される光強度は次のように算出される。
【０００６】
Ｉ（λ，ｚ）＝（１／２）Ｅｒ ２ ＋（１／２）ＥＳ ２ ＋Ｅｒ ＥＳ ×ｃｏｓ〔（２π／λ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕 …（１）
ここで、ＥＳ とＥｒ はそれぞれ信号光と参照光の振幅、λは光の波長、Δｌは両光波間の光路長差である。スペクトル広がりをもつ光源の場合、式（１）を光源の波長分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上、光源の波長分布関数を中心λ０ 、幅２Δλのｔｏｐ−ｈａｔ型とすると、干渉成分は次のように求められる。
【０００７】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ〔（πΔλ／λ０ ２ ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕ｃｏｓ〔（２π／λ０ ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕 …（２）
式（２）は、周期λ０ ／ｓｉｎθの正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表し、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｚｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。すなわち、被検体内部からの反射光波は検出面において参照光波と局所的に干渉し、検出面の横方向は被検体の深さ方向に対応することになる。
【０００８】
しかし、式（２）で表される光干渉測定では、干渉縞の間隔が狭く、それを検出するために高い空間分解能のセンサアレイ１１３が必要である。また、干渉縞の包絡線の検出は、通常フーリエ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いえる。それを克服するために、最近、波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像計測方法が報告されている〔Ｅ．Ｕｍｅｔｓｕ，Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｎ．Ｔａｎｎｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ”，Ｖｏｌ．９，７０（２００２）参照〕。
【０００９】
図５にその測定原理を示す。
【００１０】
図５においては、図４に示す検出面に例えば回折格子１１１のような波長分散素子（格子常数ｄ）を置き、それぞれ左側と右側から信号光と参照光を入射する。入射角θに対して一次回折光の出射角βは次のように与えられる。
【００１１】
ｓｉｎβ＋ｓｉｎθ＝λ／ｄ …（３）
そこで、θが次式で与えられるθ０ になるように設置すると、
θ０ ＝ｓｉｎ−１（λ０ ／ｄ） …（４）
中心波長成分は角度β＝０で出射される一方、それ以外の波長成分は、β＝〔（λ−λ０ ）／λ０ 〕ｓｉｎθ０ の角度で出射される。このように、光干渉の空間周波数は回折格子１１１によってゼロに近づくようダウンシフトされる。
【００１２】
さらに、図５に示すようにレンズ１１２を用いて回折格子１１１からの１次回折光をセンサアレイ（ＣＣＤカメラ）１１３の面上に結像させると、式（２）と同様な分析方法で干渉成分は次のように求められる。
【００１３】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ｛πΔλ／λ０ ２ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎθ０ ）／Ｍ〕｝ｃｏｓ〔（２π／λ０ ）Δｌ〕 …（５）
ここで、Ｍは結像の倍率である。式（５）は式（２）で表される空間干渉信号を復調した形であることから、干渉信号の包絡線を直接に検出できることを意味する。また、そのピーク位置を検出することで信号光の反射点の深さを特定することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
式（５）で表される波長分散イメージング法を用いた空間干渉法において、入射角がθ＝θ０ ＋Δθに変動すると、中心波長λ０ の一次回折光の出射角はβ＝０でなくなり、次のようになる。
【００１５】
ｓｉｎβ＝−Δθ√〔１−（λ０ ／ｄ）２ 〕 …（６）
その結果、検出面における干渉光は再び正弦関数〔周期Λ＝Ｍλ０ ／（２ｓｉｎβ）〕で変調され、次のようになる。
【００１６】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ｛πΔλ／λ０ ２ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎθ／Ｍ）〕｝ｃｏｓ｛２π／λ０ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎβ／Ｍ）〕｝ …（７）
例えば、λ０ ＝８００ｎｍ、Δλ＝３０ｎｍのＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）低コヒーレンス光源とｄ＝１．６７μｍの回折格子（６００本／ｍｍ）を用いた測定では、θ＝２８．６°でβ＝０となるが、Δθ＝２°の変動分でβ＝−１．８°となる。式（６）から、空間干渉信号は複数の干渉縞を持つことが分かる。
【００１７】
上記の説明から明らかなように、例えば回折格子１１１のような波長分散素子を用いた光コヒーレンス断層画像化測定は、参照光および信号光の回折格子１１１への入射角θを正確に調節する必要がある。図６に示したような従来の計測装置では、鏡１０７と鏡１１０を用いて信号光と参照光の入射角をそれぞれ調節しているため、構成が複雑となり、装置の小型化に難点がある。
【００１８】
図６において、１０１はＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）光源、１０２，１０３，１１２はレンズ、１０４は第１のビームスプリッタＢＳ１、１０５は第２のビームスプリッタＢＳ２、１０６は被検体、１０７，１０９，１１０は鏡、１０８はプリズム、１１１は回折格子、１１３はＣＣＤカメラ（センサアレイ）である。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みて、レンズの結像特性と屈折媒質の屈折特性を利用して、波長分散素子への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる光波長分散空間干渉断層画像化装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【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〕光波長分散空間干渉断層画像化装置において、低コヒーレンス光源と、この光源から出射した光ビームをビーム径の拡大した平行ビームに変換する第１のレンズと、前記平行ビームを収束する第２のレンズと、その収束光ビームを、信号光と参照光に二分するビームスプリッタと、前記信号光が入射する被検体と、この被検体から反射してくる信号光が前記ビームスプリッタを経由して入射する第３のレンズと、前記参照光が入射する反射プリズムと、この反射プリズムからの反射光の一部が前記ビームスプリッタに反射されて入射する前記第３のレンズの中心位置を、前記信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置し、前記第３のレンズを通過した参照光と信号光が第３のレンズの中心位置に対してそれぞれ反対方向から入射する前記第３のレンズの背後に配置される屈折媒体と、この屈折媒体によって屈折して出射する参照光ビームと信号光ビームが面上にて交差するように配置される波長分散素子と、この波長分散素子によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を結像レンズを介して結像させる撮像装置とを具備することを特徴とする。
【００２１】
〔２〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記反射プリズムは横（Ｘ軸）走査を可能にすることを特徴とする。
【００２２】
〔３〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記屈折媒体はバイプリズムであることを特徴とする。
【００２３】
〔４〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記波長分散素子は回折格子であることを特徴とする。
【００２４】
〔５〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記撮像装置はＣＣＤカメラであることを特徴とする。
【００２５】
〔６〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記被検体は不均一な構造をもつ媒質であることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【００２８】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，７，１０はレンズＬ１〜Ｌ４、４はビームスプリッタＢＳ、５は被検体、６は反射プリズムＲＰ、８はバイプリズムＢＰ（屈折媒体）、９は回折格子（波長分散素子）、１１はセンサアレイ（撮像装置）である。
【００２９】
図１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Ｌ１（２）によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームはレンズＬ２（３）によって収束されて、例えばマイケルソン干渉計へ入射する。干渉計に入射した収束光ビームは、ビームスプリッタＢＳ（４）によって信号光と参照光に二分される。
【００３０】
参照光と分かれた信号光は、例えば不均一な構成物質からなる被検体５へ入射し、その被検体５から反射してくる信号光はビームスプリッタＢＳ（４）を経由してレンズＬ３（７）へ伝搬する。一方、参照光は反射プリズムＲＰ（６）に入射し、その反射光の一部はビームスプリッタＢＳ（４）に反射されてレンズＬ３（７）へ伝搬する。
【００３１】
図１は軸外し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。
【００３２】
ここでは、参照光と信号光の両光ビームの光軸間隔を自由に調節できるように反射プリズムＲＰ（６）の横方向（Ｘ軸方向）スキャン機構を設けるとともに、レンズＬ３（７）の中心位置を信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置する。レンズＬ３（７）を通過した参照光と信号光はレンズＬ３（７）の中心位置に対してそれぞれ反対側に位置し、例えばバイプリズムＢＰ（８）のような屈折媒体へ入射する。バイプリズムＢＰ（８）によって屈折されて出射する参照光ビームと信号光ビームが回折格子（９）の面上にて交差するように回折格子（９）を配置し、その回折格子（９）によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を、結像レンズＬ４（１０）で、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラのようなセンサアレイ（１１）の面上に結像させる。
【００３３】
以下に本発明による光断層画像測定の原理を説明する。
【００３４】
図２は、図１に示す軸外し干渉計において、レンズＬ３（７）の結像性質とバイプリズムＢＰ（８）の屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬の様子を示すものである。
【００３５】
レンズＬ３（７）から見た信号光と参照光は、それぞれ、被検体（５）の表面もしくは内部にある点Ｓと、反射プリズムＲＰ（６）の内部にある点Ｒからの球面波と見なすことができる。本発明によれば、点Ｓと点ＲはレンズＬ３（７）の中心軸に対して左右対称の位置にあり、両点間の距離は２ｒである。また、点Ｓと点Ｒは図２に示すようにレンズＬ３（７）の物体面にあるとすると、レンズＬ３（７）を透過した信号光と参照光はそれぞれ出射角−αとαをもつ。このαは次式で求められる。
【００３６】
α＝ｒ／ｆ …（８）
ここで、ｆはレンズＬ３（７）の焦点距離であり、この式（８）から、αの値はｒに比例していることが分かる。従って、図１に示すように、少なくとも反射プリズムＲＰ（６）またはレンズＬ３（７）の一方を光軸と垂直する方向にスキャンしてｒを変化させることにより、αを調節することができる。しかし、αの有効値はレンズの開口数に制限されており、式（４）で与えられるθ０ に近づくことは一般的に困難である。例えば、ｒ＝３ｍｍ、ｆ＝２５ｍｍとすると、α＝７°と算出される。一方、前出の例のように、λ０ ＝８００ｎｍのＳＬＤ光源とｄ＝１．６７μｍの回折格子（６００本／ｍｍ）を用いた装置構成では、θ０ ＝２８．６°と算出されている。
【００３７】
本発明は、レンズＬ３（７）の使用だけでは波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像化法で要求される回折格子（９）への光波の入射角を満たすのに不十分であることを熟知した上、レンズＬ３（７）の背後に例えばバイプリズムＢＰ（８）のような屈折媒質を配置することで、回折格子（９）への光波の入射角を変化させる。
【００３８】
図２に示すように、信号光と参照光はそれぞれ入射角−αとαでバイプリズムＢＰ（８）に入射すると、バイプリズムＢＰ（８）によって屈折してそれぞれ角度−βとβで出射する。βは、バイプリズムＢＰ（８）の屈折率をｎとし、バイプリズム角をφとすると、次式で求められる。
【００３９】
θ＝ｓｉｎ−１｛ｎｓｉｎ〔φ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎα／ｎ）〕｝−φ …（９）
例えば、前出α＝７°の装置構成では、ｎ＝１．５、φ＝３０°のバイプリズムＢＰ（８）を選定すると、θ＝２８．６°と算出され、λ０ ＝８００ｎｍとｄ＝１．６７μｍの光波長分散イメージングでβ＝０の計測条件を創出するθ０ に等しいことが分かる。
【００４０】
なお、本発明は、式（８）で示されるように、ｒを変化させることでαを微調することが特徴であることから、式（９）で与えられる角度θの微調も可能であることが明白である。従って、式（６）で表されるβ≠０の計測条件を創出して式（７）で表される空間干渉縞を発生させることも容易である。β＜θであることから、その周期は式（２）で表される従来の測定で観察される干渉縞の周期より長くなり、干渉縞を検出するための空間分解能に対する要求度が低くなる利点がある。このように空間周波数がダウンシフトした干渉縞の包絡線検出は、例えばフーリエ変換などの従来方法を用いて行うことができる。
（実施例）
図３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ＳＬＤを用いた実施例を示す図面である。
【００４１】
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ＳＬＤ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。
【００４２】
さらに、図３の実施例はレンズＬ２（２３）及びレンズＬ３（２７）に円柱レンズを用いることにより、下記のような２次元光断層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【００４３】
ＳＬＤ光源２１からの出力光はレンズＬ１（２２）によって平行ビームに変換され、円柱レンズＬ２（２３）に入射する。円柱レンズＬ２（２３）は光波を一方向だけに収束するので、干渉計に入射する光ビームは光伝搬方向と垂直する横方向（ｙ−）上に線状に絞られる。このような線状に絞られた入射光はビームスプリッタＢＳ（２４）によって信号光と参照光に分割され、それぞれ被検体（２５）と反射プリズムＲＰ（２６）に伝搬する。
【００４４】
被検体（２５）から反射してくる信号光の一部はビームスプリッタＢＳ（２４）を透過し、円柱レンズＬ３（２７）によって集光される。一方、反射プリズムＲＰ（２６）から反射してくる参照光の一部はビームスプリッタＢＳ（２４）によって９０°反射された後、円柱レンズＬ３（２７）によって集光される。集光された信号光及び参照光は円柱レンズＬ３（２７）の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、バイプリズムＢＰ（２８）を介して回折格子（２９）へ伝送される。
【００４５】
回折格子（２９）から出射する１次回折光は焦点距離それぞれｆ１ とｆ２ のレンズＬ４，Ｌ５（３１，３３）によって、例えばＣＣＤカメラのような２次元センサアレイ（３４）にて検出面上に結像される。ＣＣＤカメラ（３４）のｚ−方向上で検出される光干渉信号は本発明による測定原理から被検体（２５）の深さ情報に対応していることが明白である。
【００４６】
一方、ＣＣＤカメラ（３４）のｙ−方向は信号光の横方向（ｙ−）に位置対応している。従って、本実施例は被検体（２５）への入射光を線状に絞り、また干渉光を２次元センサアレイ（３４）で検出することにより、被検体（２５）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。
【００４７】
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。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光波長分散空間干渉断層画像化装置において、レンズの結像特性と屈折媒質（バイプリズム）の屈折特性を利用して、波長分散素子（回折格子）への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる。
【００４９】
これより、空間周波数が必ずしもゼロであることを必要としない空間干渉断層画像化装置が実現される。なお、入射角の微調は反射プリズムの横方向スキャンで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【図２】図１に示す軸外し干渉計において、レンズＬ３の結像性質とバイプリズムＢＰの屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬様子を示す図である。
【図３】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ＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図４】従来の軸外し干渉計における信号光波と参照光波のセンサアレイ検出面への入射状態を示す図である。
【図５】波長分散方式を用いた軸外し干渉計における信号光波と参照光波の回折格子への入射状態を示す図である。
【図６】従来の波長分散方式を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の測定原理の説明図である。
【符号の説明】
１ 低コヒーレンス光源
２，３，７，１０ レンズＬ１〜Ｌ４
４，２４ ビームスプリッタＢＳ
５，２５ 被検体
６，２６ 反射プリズムＲＰ
８，２８ 屈折媒体（バイプリズムＢＰ）
９，２９ 波長分散素子（回折格子）
１１ 撮像装置（センサアレイ）
２１ ＳＬＤ光源
２２ 光レンズＬ１
２３ 円柱レンズＬ２
２７ 円柱レンズＬ３
３１，３３ レンズＬ４，Ｌ５
３２ 開口
３４ 撮像装置（ＣＣＤカメラのような２次元センサアレイ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に不均一な構造を持つ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光波長分散空間干渉断層画像化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光断層画像化技術の中で、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、例えば、人体や生体組織のような不均一な構成物質の内部からの反射光波をμｍオーダの距離分解能で検出する光コヒーレンス断層画像化法が注目されている〔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、例えば、マイケルソン干渉計において低コヒーレンス光源からの光ビームを半透明鏡によって２分割する。一方の光ビームを鏡に照射してその反射光を参照光とし、他方を被測定物体に照射して物体の深層からの後方散乱光を信号光とする。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光軸上にスキャン（Ｚ−スキャン）して参照光路長を変化させることで反射光プロファイルを検出することができる。さらに、入射光ビームの横方向走査によって２次元断層画像化を行うことができる。
【０００４】
しかし、上記のような２次元断層画像計測方法は、Ｚ−スキャンおよび光ビームの横方向走査を要するため、計測時間の短縮に限界がある。画像計測の更なる高速化のためには、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。その方法の１つとして、軸外し干渉計を用いた低コヒーレンス干渉法が挙げられる。
【０００５】
図４に示す軸外し干渉計において、平面波の信号光と平面波の参照光がセンサアレイ１１３の検出面の中心位置Ｏに対し、それぞれ左側と右側からセンサアレイ１１３の検出面へ入射するとすると、検出面で検出される光強度は次のように算出される。
【０００６】
Ｉ（λ，ｚ）＝（１／２）Ｅｒ ２ ＋（１／２）ＥＳ ２ ＋Ｅｒ ＥＳ ×ｃｏｓ〔（２π／λ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕 …（１）
ここで、ＥＳ とＥｒ はそれぞれ信号光と参照光の振幅、λは光の波長、Δｌは両光波間の光路長差である。スペクトル広がりをもつ光源の場合、式（１）を光源の波長分布について積分すればよく、ここでは計算の便宜上、光源の波長分布関数を中心λ０ 、幅２Δλのｔｏｐ−ｈａｔ型とすると、干渉成分は次のように求められる。
【０００７】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ〔（πΔλ／λ０ ２ ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕ｃｏｓ〔（２π／λ０ ）（Δｌ−２ｚｓｉｎθ）〕 …（２）
式（２）は、周期λ０ ／ｓｉｎθの正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関数を表し、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−２ｚｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。すなわち、被検体内部からの反射光波は検出面において参照光波と局所的に干渉し、検出面の横方向は被検体の深さ方向に対応することになる。
【０００８】
しかし、式（２）で表される光干渉測定では、干渉縞の間隔が狭く、それを検出するために高い空間分解能のセンサアレイ１１３が必要である。また、干渉縞の包絡線の検出は、通常フーリエ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いえる。それを克服するために、最近、波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像計測方法が報告されている〔Ｅ．Ｕｍｅｔｓｕ，Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｎ．Ｔａｎｎｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ”，Ｖｏｌ．９，７０（２００２）参照〕。
【０００９】
図５にその測定原理を示す。
【００１０】
図５においては、図４に示す検出面に例えば回折格子１１１のような波長分散素子（格子常数ｄ）を置き、それぞれ左側と右側から信号光と参照光を入射する。入射角θに対して一次回折光の出射角βは次のように与えられる。
【００１１】
ｓｉｎβ＋ｓｉｎθ＝λ／ｄ …（３）
そこで、θが次式で与えられるθ０ になるように設置すると、
θ０ ＝ｓｉｎ−１（λ０ ／ｄ） …（４）
中心波長成分は角度β＝０で出射される一方、それ以外の波長成分は、β＝〔（λ−λ０ ）／λ０ 〕ｓｉｎθ０ の角度で出射される。このように、光干渉の空間周波数は回折格子１１１によってゼロに近づくようダウンシフトされる。
【００１２】
さらに、図５に示すようにレンズ１１２を用いて回折格子１１１からの１次回折光をセンサアレイ（ＣＣＤカメラ）１１３の面上に結像させると、式（２）と同様な分析方法で干渉成分は次のように求められる。
【００１３】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ｛πΔλ／λ０ ２ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎθ０ ）／Ｍ〕｝ｃｏｓ〔（２π／λ０ ）Δｌ〕 …（５）
ここで、Ｍは結像の倍率である。式（５）は式（２）で表される空間干渉信号を復調した形であることから、干渉信号の包絡線を直接に検出できることを意味する。また、そのピーク位置を検出することで信号光の反射点の深さを特定することができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
式（５）で表される波長分散イメージング法を用いた空間干渉法において、入射角がθ＝θ０ ＋Δθに変動すると、中心波長λ０ の一次回折光の出射角はβ＝０でなくなり、次のようになる。
【００１５】
ｓｉｎβ＝−Δθ√〔１−（λ０ ／ｄ）２ 〕 …（６）
その結果、検出面における干渉光は再び正弦関数〔周期Λ＝Ｍλ０ ／（２ｓｉｎβ）〕で変調され、次のようになる。
【００１６】
ｉ（ｚ）＝Ｅｒ ＥＳ ｓｉｎｃ｛πΔλ／λ０ ２ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎθ／Ｍ）〕｝ｃｏｓ｛２π／λ０ 〔Δｌ＋（２ｚｓｉｎβ／Ｍ）〕｝ …（７）
例えば、λ０ ＝８００ｎｍ、Δλ＝３０ｎｍのＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）低コヒーレンス光源とｄ＝１．６７μｍの回折格子（６００本／ｍｍ）を用いた測定では、θ＝２８．６°でβ＝０となるが、Δθ＝２°の変動分でβ＝−１．８°となる。式（６）から、空間干渉信号は複数の干渉縞を持つことが分かる。
【００１７】
上記の説明から明らかなように、例えば回折格子１１１のような波長分散素子を用いた光コヒーレンス断層画像化測定は、参照光および信号光の回折格子１１１への入射角θを正確に調節する必要がある。図６に示したような従来の計測装置では、鏡１０７と鏡１１０を用いて信号光と参照光の入射角をそれぞれ調節しているため、構成が複雑となり、装置の小型化に難点がある。
【００１８】
図６において、１０１はＳＬＤ（スーパールミネセントダイオード）光源、１０２，１０３，１１２はレンズ、１０４は第１のビームスプリッタＢＳ１、１０５は第２のビームスプリッタＢＳ２、１０６は被検体、１０７，１０９，１１０は鏡、１０８はプリズム、１１１は回折格子、１１３はＣＣＤカメラ（センサアレイ）である。
【００１９】
本発明は、上記状況に鑑みて、レンズの結像特性と屈折媒質の屈折特性を利用して、波長分散素子への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる光波長分散空間干渉断層画像化装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【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〕光波長分散空間干渉断層画像化装置において、低コヒーレンス光源と、この光源から出射した光ビームをビーム径の拡大した平行ビームに変換する第１のレンズと、前記平行ビームを収束する第２のレンズと、その収束光ビームを、信号光と参照光に二分するビームスプリッタと、前記信号光が入射する被検体と、この被検体から反射してくる信号光が前記ビームスプリッタを経由して入射する第３のレンズと、前記参照光が入射する反射プリズムと、この反射プリズムからの反射光の一部が前記ビームスプリッタに反射されて入射する前記第３のレンズの中心位置を、前記信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置し、前記第３のレンズを通過した参照光と信号光が第３のレンズの中心位置に対してそれぞれ反対方向から入射する前記第３のレンズの背後に配置される屈折媒体と、この屈折媒体によって屈折して出射する参照光ビームと信号光ビームが面上にて交差するように配置される波長分散素子と、この波長分散素子によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を結像レンズを介して結像させる撮像装置とを具備することを特徴とする。
【００２１】
〔２〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記反射プリズムは横（Ｘ軸）走査を可能にすることを特徴とする。
【００２２】
〔３〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記屈折媒体はバイプリズムであることを特徴とする。
【００２３】
〔４〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記波長分散素子は回折格子であることを特徴とする。
【００２４】
〔５〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記撮像装置はＣＣＤカメラであることを特徴とする。
【００２５】
〔６〕上記〔１〕記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記被検体は不均一な構造をもつ媒質であることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【００２８】
この図において、１は低コヒーレンス光源、２，３，７，１０はレンズＬ１〜Ｌ４、４はビームスプリッタＢＳ、５は被検体、６は反射プリズムＲＰ、８はバイプリズムＢＰ（屈折媒体）、９は回折格子（波長分散素子）、１１はセンサアレイ（撮像装置）である。
【００２９】
図１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Ｌ１（２）によってビーム径の拡大した平行ビームに変換される。その平行ビームはレンズＬ２（３）によって収束されて、例えばマイケルソン干渉計へ入射する。干渉計に入射した収束光ビームは、ビームスプリッタＢＳ（４）によって信号光と参照光に二分される。
【００３０】
参照光と分かれた信号光は、例えば不均一な構成物質からなる被検体５へ入射し、その被検体５から反射してくる信号光はビームスプリッタＢＳ（４）を経由してレンズＬ３（７）へ伝搬する。一方、参照光は反射プリズムＲＰ（６）に入射し、その反射光の一部はビームスプリッタＢＳ（４）に反射されてレンズＬ３（７）へ伝搬する。
【００３１】
図１は軸外し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。
【００３２】
ここでは、参照光と信号光の両光ビームの光軸間隔を自由に調節できるように反射プリズムＲＰ（６）の横方向（Ｘ軸方向）スキャン機構を設けるとともに、レンズＬ３（７）の中心位置を信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置する。レンズＬ３（７）を通過した参照光と信号光はレンズＬ３（７）の中心位置に対してそれぞれ反対側に位置し、例えばバイプリズムＢＰ（８）のような屈折媒体へ入射する。バイプリズムＢＰ（８）によって屈折されて出射する参照光ビームと信号光ビームが回折格子（９）の面上にて交差するように回折格子（９）を配置し、その回折格子（９）によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を、結像レンズＬ４（１０）で、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラのようなセンサアレイ（１１）の面上に結像させる。
【００３３】
以下に本発明による光断層画像測定の原理を説明する。
【００３４】
図２は、図１に示す軸外し干渉計において、レンズＬ３（７）の結像性質とバイプリズムＢＰ（８）の屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬の様子を示すものである。
【００３５】
レンズＬ３（７）から見た信号光と参照光は、それぞれ、被検体（５）の表面もしくは内部にある点Ｓと、反射プリズムＲＰ（６）の内部にある点Ｒからの球面波と見なすことができる。本発明によれば、点Ｓと点ＲはレンズＬ３（７）の中心軸に対して左右対称の位置にあり、両点間の距離は２ｒである。また、点Ｓと点Ｒは図２に示すようにレンズＬ３（７）の物体面にあるとすると、レンズＬ３（７）を透過した信号光と参照光はそれぞれ出射角−αとαをもつ。このαは次式で求められる。
【００３６】
α＝ｒ／ｆ …（８）
ここで、ｆはレンズＬ３（７）の焦点距離であり、この式（８）から、αの値はｒに比例していることが分かる。従って、図１に示すように、少なくとも反射プリズムＲＰ（６）またはレンズＬ３（７）の一方を光軸と垂直する方向にスキャンしてｒを変化させることにより、αを調節することができる。しかし、αの有効値はレンズの開口数に制限されており、式（４）で与えられるθ０ に近づくことは一般的に困難である。例えば、ｒ＝３ｍｍ、ｆ＝２５ｍｍとすると、α＝７°と算出される。一方、前出の例のように、λ０ ＝８００ｎｍのＳＬＤ光源とｄ＝１．６７μｍの回折格子（６００本／ｍｍ）を用いた装置構成では、θ０ ＝２８．６°と算出されている。
【００３７】
本発明は、レンズＬ３（７）の使用だけでは波長分散イメージング法による光コヒーレンス断層画像化法で要求される回折格子（９）への光波の入射角を満たすのに不十分であることを熟知した上、レンズＬ３（７）の背後に例えばバイプリズムＢＰ（８）のような屈折媒質を配置することで、回折格子（９）への光波の入射角を変化させる。
【００３８】
図２に示すように、信号光と参照光はそれぞれ入射角−αとαでバイプリズムＢＰ（８）に入射すると、バイプリズムＢＰ（８）によって屈折してそれぞれ角度−βとβで出射する。βは、バイプリズムＢＰ（８）の屈折率をｎとし、バイプリズム角をφとすると、次式で求められる。
【００３９】
θ＝ｓｉｎ−１｛ｎｓｉｎ〔φ＋ｓｉｎ−１（ｓｉｎα／ｎ）〕｝−φ …（９）
例えば、前出α＝７°の装置構成では、ｎ＝１．５、φ＝３０°のバイプリズムＢＰ（８）を選定すると、θ＝２８．６°と算出され、λ０ ＝８００ｎｍとｄ＝１．６７μｍの光波長分散イメージングでβ＝０の計測条件を創出するθ０ に等しいことが分かる。
【００４０】
なお、本発明は、式（８）で示されるように、ｒを変化させることでαを微調することが特徴であることから、式（９）で与えられる角度θの微調も可能であることが明白である。従って、式（６）で表されるβ≠０の計測条件を創出して式（７）で表される空間干渉縞を発生させることも容易である。β＜θであることから、その周期は式（２）で表される従来の測定で観察される干渉縞の周期より長くなり、干渉縞を検出するための空間分解能に対する要求度が低くなる利点がある。このように空間周波数がダウンシフトした干渉縞の包絡線検出は、例えばフーリエ変換などの従来方法を用いて行うことができる。
（実施例）
図３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ＳＬＤを用いた実施例を示す図面である。
【００４１】
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ＳＬＤ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。
【００４２】
さらに、図３の実施例はレンズＬ２（２３）及びレンズＬ３（２７）に円柱レンズを用いることにより、下記のような２次元光断層画像計測を可能にすることを特徴とする。
【００４３】
ＳＬＤ光源２１からの出力光はレンズＬ１（２２）によって平行ビームに変換され、円柱レンズＬ２（２３）に入射する。円柱レンズＬ２（２３）は光波を一方向だけに収束するので、干渉計に入射する光ビームは光伝搬方向と垂直する横方向（ｙ−）上に線状に絞られる。このような線状に絞られた入射光はビームスプリッタＢＳ（２４）によって信号光と参照光に分割され、それぞれ被検体（２５）と反射プリズムＲＰ（２６）に伝搬する。
【００４４】
被検体（２５）から反射してくる信号光の一部はビームスプリッタＢＳ（２４）を透過し、円柱レンズＬ３（２７）によって集光される。一方、反射プリズムＲＰ（２６）から反射してくる参照光の一部はビームスプリッタＢＳ（２４）によって９０°反射された後、円柱レンズＬ３（２７）によって集光される。集光された信号光及び参照光は円柱レンズＬ３（２７）の一方向のみの発散性質により平行ビームに変換され、バイプリズムＢＰ（２８）を介して回折格子（２９）へ伝送される。
【００４５】
回折格子（２９）から出射する１次回折光は焦点距離それぞれｆ１ とｆ２ のレンズＬ４，Ｌ５（３１，３３）によって、例えばＣＣＤカメラのような２次元センサアレイ（３４）にて検出面上に結像される。ＣＣＤカメラ（３４）のｚ−方向上で検出される光干渉信号は本発明による測定原理から被検体（２５）の深さ情報に対応していることが明白である。
【００４６】
一方、ＣＣＤカメラ（３４）のｙ−方向は信号光の横方向（ｙ−）に位置対応している。従って、本実施例は被検体（２５）への入射光を線状に絞り、また干渉光を２次元センサアレイ（３４）で検出することにより、被検体（２５）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。
【００４７】
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。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光波長分散空間干渉断層画像化装置において、レンズの結像特性と屈折媒質（バイプリズム）の屈折特性を利用して、波長分散素子（回折格子）への光波の入射角を簡便な構成で自由にかつ微細に調節することができる。
【００４９】
これより、空間周波数が必ずしもゼロであることを必要としない空間干渉断層画像化装置が実現される。なお、入射角の微調は反射プリズムの横方向スキャンで行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【図２】図１に示す軸外し干渉計において、レンズＬ３の結像性質とバイプリズムＢＰの屈折性質による信号光ビームと参照光ビームの伝搬様子を示す図である。
【図３】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ＳＬＤを用いた実施例を示す図である。
【図４】従来の軸外し干渉計における信号光波と参照光波のセンサアレイ検出面への入射状態を示す図である。
【図５】波長分散方式を用いた軸外し干渉計における信号光波と参照光波の回折格子への入射状態を示す図である。
【図６】従来の波長分散方式を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の測定原理の説明図である。
【符号の説明】
１ 低コヒーレンス光源
２，３，７，１０ レンズＬ１〜Ｌ４
４，２４ ビームスプリッタＢＳ
５，２５ 被検体
６，２６ 反射プリズムＲＰ
８，２８ 屈折媒体（バイプリズムＢＰ）
９，２９ 波長分散素子（回折格子）
１１ 撮像装置（センサアレイ）
２１ ＳＬＤ光源
２２ 光レンズＬ１
２３ 円柱レンズＬ２
２７ 円柱レンズＬ３
３１，３３ レンズＬ４，Ｌ５
３２ 開口
３４ 撮像装置（ＣＣＤカメラのような２次元センサアレイ）
Claims (6)
- （ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該光源から出射した光ビームをビーム径の拡大した平行ビームに変換する第１のレンズと、
（ｃ）前記平行ビームを収束する第２のレンズと、
（ｄ）その収束光ビームを、信号光と参照光に二分するビームスプリッタと、
（ｅ）前記信号光が入射する被検体と、
（ｆ）該被検体から反射してくる信号光が前記ビームスプリッタを経由して入射する第３のレンズと、
（ｇ）前記参照光が入射する反射プリズムと、
（ｈ）該反射プリズムからの反射光の一部が前記ビームスプリッタに反射されて入射する前記第３のレンズの中心位置を、前記信号光ビームの光軸と参照光ビームの光軸の中間位置に設置し、前記第３のレンズを通過した参照光と信号光が第３のレンズの中心位置に対してそれぞれ反対方向から入射する前記第３のレンズの背後に配置される屈折媒体と、
（ｉ）該屈折媒体によって屈折して出射する参照光ビームと信号光ビームが面上にて交差するように配置される波長分散素子と、
（ｊ）該波長分散素子によって回折されて出射する参照光と信号光の一次回折光を結像レンズを介して結像させる撮像装置とを具備することを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。 - 請求項１記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記反射プリズムは横（Ｘ軸）走査を可能にすることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
- 請求項１記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記屈折媒体はバイプリズムであることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
- 請求項１記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記波長分散素子は回折格子であることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
- 請求項１記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記撮像装置はＣＣＤカメラであることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
- 請求項１記載の光波長分散空間干渉断層画像化装置において、前記被検体は不均一な構造をもつ媒質であることを特徴とする光波長分散空間干渉断層画像化装置。
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