JP3847703B2 - 光コヒーレンストモグラフィー装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光コヒーレンストモグラフィー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の被検査物体の深層の検知点走査方法においては、Ｚ軸は参照光路長をミラーを用いて光遅延を行い走査し、Ｘ軸及びＹ軸はガルバノミラーで物体プローブ光を走査する方法が知られている。
【０００３】
図８は従来の光コヒーレンストモグラフィー装置の概略構成図である。
【０００４】
この図において、１０１は低コヒーレンス光源〔例えばＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、１０２は光伝送用光ファイバー、１０３はレンズ、１０４はＺ軸走査用光遅延発生ミラー、１０５は光ファイバー用ハーフミラー、１０６はレンズ、１０７はＹ軸走査用ガルバノミラー、１０８はＸ軸走査用ガルバノミラー、１０９は集光用レンズ、１１０は被検査物体、１１１は光検出器、１１２は信号処理・表示コンピュータなどである。
【０００５】
【非特許文献１】
光学、ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１９９９．３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光コヒーレンストモグラフィーにおける検知点走査方法では、図８に示すように、奥行き方向（Ｚ軸方向）の走査は参照光路長をＺ軸走査用光遅延発生ミラー１０４の光軸方向への移動で行い、被検査物体１１０には物体プローブ光を集光用レンズ１０９などで集光するが、Ｚ軸走査は焦点位置を前後するため、輝度の高い焦点位置からの反射光のみを取得することはできず、焦点が必ずしも検知点とはならないなどの欠点があった。
【０００７】
また、数ｃｍの焦点距離をもつ集光用レンズ１０９では、焦点位置での光ビーム径は数μｍ以下に絞れても、焦点位置から前後±１ｍｍも離れると光ビーム径は数ｍｍとなり、光の輝度は４乃至６桁も弱くなってしまい、その解決法の具体策はこれまで開示されていない。ただし、被検査物体１１０自体を走査台におき、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動して走査点を変える方法は自明のこととして利用されている。これまでの光コヒーレンストモグラフィーの各種の装置については、上記非特許文献１に詳細が開示されている。
【０００８】
さらに、Ｘ軸あるいはＹ軸方向への走査は、一般にガルバノミラーなどが利用されているが、高価で大型であり、小型化を考えると使用が困難であった。
【０００９】
また、光ヘテロダイン検波のための参照光あるいは物体プローブ光に相対的に周波数シフトを起こす方法として、この反射鏡の移動によるドップラーシフトや光伝送用ファイバーをピエゾ伸縮体に巻き付けて位相変調する方法等が採用されているが、製品の小型実装化やモジュール化の点から見ると、実装素子数を複雑化かつ増加させるなどの欠点があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑み、集束光の焦点位置と検知点とを違えることなく、Ｚ軸方向のみに、さらにはＸ、Ｙ軸方向に任意に検知点を走査でき、さらに小型実装化が実現できる、光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と合波回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集光する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡とを一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を伝送する光ファイバーと、この光ファイバーからの出射光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集束する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集束する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合レンズと集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーからの光を結合・集光する一個ないし一組のレンズと、このレンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合・集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記結合・集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記結合・集光用レンズを前記第１のハーフミラーと第２のハーフミラーの中間に配置し、前記光源を前記レンズの前焦点距離の２倍の位置に配置し、光束を後焦点距離の２倍の位置に集束して、前記反射鏡を前記参照光の光路上の概略集光点に配置し、前記集光点を前記被検査物体の走査検知点とすることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕、〔４〕又は〔５〕に記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記被検査物体表面を照射する光源を配備し、前記第２のハーフミラーを介して物体表面像を観測する対物レンズと撮像装置を具備することを特徴とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示す光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【００１９】
この図において、１は低コヒーレンス光源〔例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、２は出射光束、３は第１のハーフミラー（キューブハーフミラー）、４は平行光束用結合レンズ、５は平行光束、６は集光用レンズ、７は第２のハーフミラー（キューブハーフミラー）、８ａは集光された物体プローブ光、８ｂは集光された参照光、９は被検査物体、１０は参照光の焦光点位置にある反射鏡、１１は集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と反射鏡１０を一体に配備した可動体、１２は可動体１１の支持棒、１３は可動体１１をｒ軸方向に駆動する駆動機構（例えば、リニアアクチュエータ）、１４は低コヒーレンス光源１から第１のハーフミラー３、レンズ４、光検出器１９及び駆動機構１３を載せた回転可動体、１５は可動体１４の回転支持棒、１６は可動体１４の回転用駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）、１７はバネ機構内蔵の支持棒、１８は可動体１４の支持棒、１９は光検出器、２１は信号増幅及び処理装置、２２はパソコンなどの表示装置、２３は駆動機構１３，１６の制御器、３０はすべての装置の基礎となる固定台である。
【００２０】
このように、集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と反射鏡１０から構成される干渉計を一体に配備し可動体１１に載せるように構成するので、まずｒ軸走査は、支持棒１２を小型のリニアアクチュエータなどの駆動機構１３でｒ軸方向に前後させて行う。それにより、参照光路長は一定のまま、干渉計自体（可動体１１）を駆動して焦点を移動させ、焦点がすなわち被検査物体９の検知点となるようにし、ｒ軸方向に検知点を任意の速度で走査可能とするものである。さらに、この可動体１１と駆動機構１３をもう一つの可動体１４に載せ、この可動体１４を支持棒１８と１７を介して回転用駆動機構１６で、可動体１４の回転支持棒１５を回転中心として回転させる。さらに、回転支持棒１５に直交する形でもう一つの回転支持棒（図示なし）を設け、別途回転用駆動機構を具備することにより、物体プローブ光８ａである分割光束を、直交する（ｒ，θ）面で扇状に走査できることになる。
【００２１】
この走査により、物体プローブ光８ａの焦点の輝度の高い光で、被検査物体９の深層からの反射光を効率よく発生させ、なおかつ３次元断層像を取得することができる。また、高速走査を必要としない被検査物体９の場合には、例えば可動体１４を市販のＸ−Ｙ−Ｚ軸あるいはｒ−θ軸駆動ステージなどに搭載すれば、同様の走査が可能なことは明らかである。
【００２２】
本発明では、上記のように、深層の位置と反射光強度を高い信号強度対雑音比で検出し、１次元乃至３次元の断層画像を映像化することができる特徴がある。この場合、集光用レンズ６に凸レンズを用い、その焦点を集光点としてもよい。
【００２３】
この第１実施例に示すように、ＳＬＤなどの低コヒーレンス光源１からの出射光束２は第１のハーフミラー３を経て平行光束用結合レンズ４で平行光束５を形成する。その光束５は集光用レンズ６で集光光を作る。平行光束５は集光用レンズ６に入るが、上記のｒ軸（光軸）走査によっても光束を乱されることなく、集光できる。また、θ角方向への走査において、集光レンズ６をおよその回転中心とすることで、光束を乱すことなく集光し、所定の焦点走査を実現でき、この間参照光路長は反射鏡１０で一定に保たれ、第２のハーフミラー７で合波されることが本実施例の特徴である。
【００２４】
被検査物体９の深層などからの物体プローブ光８ａの反射光は、第２のハーフミラー７、集光レンズ６および平行光束用結合レンズ４を経て、第１のハーフミラー３で反射され光検出器１９で検出される。参照光路長が一定なのに対し、検知点がｒ軸走査により移動することから、相対的に反射光はドップラーシフトを受け周波数シフトする。その結果、光検出器１９では、２乗検波によって光ヘテロダイン検波が実現され、そのドップラーシフト周波数でのビート信号が検出される。ビート信号の振幅が、被検査物体９の深層での反射率情報を検知し、ｒ軸走査における位置情報が反射点距離を検知して、その検知点での映像情報となるものである。
【００２５】
このとき、本実施例では光学的に極めて重要な態様を実現している。すなわち、およそ数十μｍ径の点光源であるＳＬＤ１などからの出射光束２の波面が、参照光路と物体光路が同一の集束用レンズを介して鏡像関係にあり、さらに光源１と光検出器１９も鏡像関係にあるため、光検出器１９の検出面にその波面が忠実に再現されることである。つまり、ヘテロダイン検波に重要な時空間上のコヒーレンスがともに保存される位相共役関係で、ヘテロダイン検波を実現していることである。本実施例によれば、この効果により、従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保を可能とするものである。
【００２６】
また、上記の鏡像関係は同一のレンズを介して実現されているが、従来のマイケルソン干渉計など、光源と光検出器と複数のレンズをそれぞれに配置し、ともに一体に可動体に配備して集光点を検知点として走査をする方法も、本発明では排除しないことは明らかである。
【００２７】
図２は本発明の第２実施例を示す干渉計部をミロー干渉計とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００２８】
低コヒーレンス光源１からの平行光束５は球面平凸集光用レンズ６′で集光される。この集光光は第１実施例の第２のハーフミラー７に該当する平板ハーフミラー７′で一部が反射されて参照光８ｂを作り、透過光は物体プローブ光８ａを形成する。
【００２９】
この平板ハーフミラー７′は反射膜７ａを平板ハーフミラー７′と厚みが等しいガラス板で挟んで構成する。これは反射光路長と物体光路長を光学的に等しくするためである。
【００３０】
参照光８ｂが集光する焦点位置に球面平凸集光用レンズ６′の平面側を配置し、この平面部に焦点径程度の反射膜６ａを付着させておくことにより、参照光路長が一定なミロー干渉計を構成する。この参照光８ｂと物体反射光は、反射膜７ａ面で合波されて回帰し、球面平凸集光用レンズ６′で平行光束５となり、第１のハーフミラー３を経て光検出器１９でヘテロダイン検波され信号が得られる。
【００３１】
この第２実施例では、第１実施例と異なり、第２のハーフミラー７として平板ハーフミラー７′を用いるため、図１に示したキューブハーフミラー７より軽量化でき、また、反射鏡１０が不要となるため更なる軽量化が実現でき、ｒ軸の高速走査が可能となる特徴を有する。
【００３２】
ここで、ｒ軸走査すなわち物体プローブ光路長の変化により発生する物体反射光の周波数シフトに対し、平板ハーフミラー７′に圧電素子を付着し振動させ、その位相変調により、参照光路で周波数シフトを発生させて、ヘテロダインビート信号を検出してもよいことは明らかである。このとき、ｒ軸走査は検知点の走査の主役目のみとなる。
【００３３】
図３は本発明の第３実施例を示す光源からの伝送路に光ファイバーを具備した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図２に示した第２実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００３４】
図３において、４ａは光ファイバー用のコンデンサレンズ、４ｂは平行光束用光ファイバー結合レンズ、２０は光ファイバー伝送路である。
【００３５】
本実施例においては、低コヒーレンス光源１からの光を第１のハーフミラー３を通過後、コンデンサレンズ４ａを介して、光ファイバー伝送路２０を通過させて、結合レンズ４ｂにより、所定の平行光束５を得るものである。可動体１４に対し、低コヒーレンス光源１と光検出器１９および第１のハーフミラー３を外付けにすることで、可動体１４における重量の一層の軽減が可能となる特徴がある。
【００３６】
図４は本発明の第４実施例を示すマイケルソン干渉計と光源、光検出器、および第１のハーフミラーを一体とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００３７】
図４に示したように、低コヒーレンス光源１、第１のハーフミラー３、光検出器１９、平行光束用結合レンズ４、集光用レンズ６、第２のハーフミラー７および反射鏡１０を可動体１１′に一体に配備する。この可動体１１′は第１実施例の図１における場合と同様に、駆動機構１３でＺ軸方向に駆動する。
【００３８】
本実施例は、Ｚ軸走査のみを必要とする場合の装置であるが、この駆動機構１３と可動体１１′とをＸ軸方向の可動体に一体に配置して、それを駆動機構でＸ軸方向に駆動して、焦点を検知点としてＸ−Ｚ面で２次元的に走査することも可能なことは明らかである。
【００３９】
また、回転支持棒を図１のように設け、Ｘ−Ｚ面やＹ−Ｚ面であるいはその両方の面でθ方向に走査することも可能である。
【００４０】
本実施例の特徴は、光源１から全てを一体にして小型化して走査することにより光束の振れや外乱の影響を最小限にして、信号を得られることである。このような低コヒーレンス光源１から光検出器１９までを干渉計と一体化して駆動し光コヒーレンストモグラフィーを映像化する方法は、これまでのところ開示されていない。
【００４１】
また、この第４実施例は、いわゆる共焦点レンズ系を構成しており、光検出器１９の直前に数十乃至数μｍ直径の開口絞りを配置すると、被検査物体９のＸ−Ｙ面すなわち横断面の解像度を数μｍと高解像度にして観測できるものである。すなわち、本発明は、「共焦点干渉計」と言えるもので、本体を例えばモジュール化などして作製すれば多くの用途に適応可能となるものである。
【００４２】
図５は本発明の第５実施例を示す、単一凸レンズのみで光源−レンズ−干渉計−光検出器を鏡像関係に構成した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。なお、図５において、１４′は可動体、２４は駆動機構、３１はＹステージである。
【００４３】
図５に示したように、第１のハーフミラー３と第２のハーフミラー７の中間に単一凸レンズ６あるいは一組の凸レンズ作用レンズ系のみを配備する。ＳＬＤなどの低コヒーレンス光源１の出射端の光束は一般に数十μｍ径であるので、出射光束２′は回折で数十度の広がりを持つ。この出射端面を第１のハーフミラー３を介して凸レンズ６の前焦点距離の２倍の位置に配置する。
【００４４】
その結果、凸レンズ６は第２のハーフミラー７を介して後焦点距離の２倍の位置に開口端面の像を結像する。すなわち、出射端の波面と結像点の波面は共役波面となる。この結像点に反射鏡１０を置いて参照光８ｂを形成し、物体プローブ光８ａの方はこの結像点を被検査物体９の検知点とする。被検査物体９及び反射鏡１０からの反射光は凸レンズ６を経て、第１のハーフミラー３で反射されて光検出器１９に入射する。
【００４５】
以上により、単一凸レンズのみで、光検出器の検出面に先の実施例と同様に共役波面が形成され、光源から光検出器に至る光束は２つのハーフミラーにより鏡像関係となり、ヘテロダイン検波を効率よく実現することができる。
【００４６】
本実施例において、低コヒーレンス光源１の出射光の径が大きい場合や、集束光の径を極小化して被検査物体のＸ−Ｙ面における解像度を上げたい場合には、光検出器１９の直前に数十乃至数μｍの絞りを配置し、いわゆる共焦点顕微鏡の原理で解像度を上げることができることは、自明のことである。このような構成にすると、前記と同様に共焦点顕微干渉計による光コヒーレンストモグラフィー装置が実現できる。
【００４７】
また、本実施例では上記実施例と比較しても分かるように、レンズを一個減らすことができ、小型化とともに可動体１１′の負荷が軽減され、Ｚ軸走査並びにＸ軸走査もより一層の高速化を可能にする特徴がある。さらに、この第５実施例を示す図５では、干渉計部をマイケルソン干渉計としたが、図２の第２実施例で説明したミロー干渉計としても良いことは明らかである。
【００４８】
図６は本発明の第６実施例を示す参照光周波数シフト内蔵型の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図４に示した第４実施例とは異なる部分のみを説明する。
【００４９】
図６に示したように、収束する参照光８ｂの反射鏡１０に振動素子２８を接着し一定の周波数で振動させる。振動素子２８にはピエゾ素子などが用いられる。振動素子２８の振動は反射鏡１０を振動させるため、その結果、反射光は位相変調され、振動周波数の整数倍の周波数シフトをする。この参照光８ｂと物体反射光は、前述のようにヘテロダイン検波により振動周波数に基づくビート信号を発生し、断層画像情報をもたらす。このとき、Ｚ軸走査によるドップラーシフトは信号処理系においてフィルターでカットし、無視する。この振動素子２８による周波数シフト法では、Ｚ軸走査による不安定性や往復運動による周波数シフトの増減が発生せず、安定にビート信号を検出できる特徴がある。
【００５０】
図７は本発明の第７実施例を示す被検査物体の表面を観測するためのＣＣＤカメラなどを組み込んだ場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図の一部である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００５１】
図７において、２５は被検査物体９の照明光源であり、２６は結像レンズ、２７はＣＣＤカメラである。照明光源２５で被検査物体９の測定部位を照明し、表面反射光は第２のハーフミラー７の反射を利用して、結像レンズ２６でＣＣＤカメラ２７に被検査物体９の表面像を結像させる。ＣＣＤカメラ２７の像は測定部位を特定し、物体プローブ光８ａの光点の位置決めやＸ−Ｙ方向の走査範囲の特定を容易にすることができる特徴がある。
【００５２】
この時、照明光が光検出器に入らないようにするため、光検出器１９の前に可視光カットフィルターなどを装備すれば良いことは明らかである。一般に低コヒーレンス光源は赤外光源で、ＣＣＤカメラ２７は赤外線にほぼ不感にしてあるが、幾らかの感度があり、物体プローブ光８ａは輝度が高いので、可視化できる。他方、光検出器１９は可視光線には感度があり、表面反射光のみで飽和させる可能性があるためフィルターを必要とするものである。
【００５３】
上記のように、本実施例に示した光干渉計一体駆動による検知点走査方法および装置によれば、少なくとも集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と参照光の反射鏡１０を一体に可動体１１に配備することにより、参照光路長を一定としつつ、集光点を走査して被検査物体９の深層方向の検知点を効率よく検出することができ、さらに干渉計を小型に組むことができ、可動体を所定の速度で２次元（ｒ，θ）あるいは（Ｘ，Ｚ），（Ｙ，Ｚ）状に駆動可能として、被検査物体９の深層のミクロ構造からなる断層像を迅速に観測可能とする装置を実現したものである。
【００５４】
また、本実施例によれば、光学的に極めて重要な態様を実現している。すなわち、およそ数十μｍ径の点光源であるＳＬＤ１などからの出射光の波面が、参照光路と物体光路が鏡像関係にあり、さらに光源１と光検出器１９も鏡像関係にあるため、光検出器１９の検出面にその波面が忠実に再現されることである。つまり、ヘテロダイン検波に重要な時空間上のコヒーレンスがともに保存される位相共役関係でヘテロダイン検波を実現しており、また、前記のように共焦点干渉計をも実現したものである。
【００５５】
この効果により、従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、本発明によれば、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保が可能となるので、例えば、皮膚科診断装置に応用すれば、従来皮膚科医師の勘と経験に頼っていた皮膚病における浸潤度や悪性腫瘍の非切開による診断の、迅速かつ確実な組織学的判断を可能とし、また、皮膚の老化や薬剤の効用の生きたままでの形態学的診断や血管内血流分布の測定による動脈瘤の有無の診断を実現できるものとなる。
【００５６】
更には、本発明の装置を顕微鏡に組み込めば、３次元断層顕微鏡を容易に実現するものとなる。また、工場などにおける生産ラインでの各種薄膜や半導体ウエハの非接触非破壊厚み検査や３次元形状検査など、多岐にわたる応用が可能となり、その場観察断層検査装置として、小型の特性を利用して広範な採用が期待される。
【００５７】
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。
【００５８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、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。
【００５９】
（Ａ）物体プローブ光の集光位置を被測定物体の検知点とするとともに、波面の共役関係を維持してヘテロダイン検波を高効率で実現して映像信号を検出できる。
【００６０】
（Ｂ）干渉計の全てと、更には光源と光検出器をも含めて一体に可動体上に配備し、最小限の光学素子で軽量に構成し、参照光路長を一定としつつ上記共役関係を実現して、この可動体を（ｒ，θ）や（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に駆動することにより、被測定物体の深層検知点を高速に走査して、断層画像情報を取得することを可能とする。
【００６１】
これらはいずれも従来の光コヒーレンストモグラフィーにおける検知点走査法では実現できなかったもので、検知点をプローブ光の収束点に一致させ、被測定物体を移動することなしに、高効率、高ＳＮ比でのヘテロダイン検波による映像化を実現することができる。
【００６２】
（Ｃ）従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、本発明によれば、共焦点干渉計をも実現し、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保が可能となるので、例えば、皮膚科診断装置に応用すれば、従来皮膚科医師の勘と経験に頼っていた皮膚病における浸潤度や悪性腫瘍の非切開による診断の、迅速かつ確実な組織学的判断を可能とし、また、皮膚の老化や薬剤の効用の形態学的診断を皮膚組織を採取することなく、実現できるものとなる。更には、皮膚直下の血管内血流分布の観測や、反射光に分光学的装置を配備すれば、血液の酸素濃度や血糖の測定も非侵襲、無採血で可能となる。
【００６３】
（Ｄ）本発明の装置を顕微鏡に組み込めば、３次元断層顕微鏡を容易に実現するものとなる。また、工場などにおける生産ラインでの各種薄膜や半導体、ウエハの非接触厚み検査や３次元形状検査など、多岐にわたる応用が可能で、その場観測断層検査装置として、小型の特性を利用して広範な採用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図２】 本発明の第２実施例を示す干渉計部をミロー干渉計とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図３】 本発明の第３実施例を示す光源からの伝送路に光ファイバーを具備した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図４】 本発明の第４実施例を示すマイケルソン干渉計と光源、光検出器、および第１のハーフミラーを一体とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図５】 本発明の第５実施例を示す単一凸レンズのみで光源−レンズ−干渉計−光検出器を鏡像関係に構成した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図６】 本発明の第６実施例を示す参照光周波数シフト内蔵型の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図７】 本発明の第７実施例を示す被検査物体の表面を観測するためのＣＣＤカメラなどを組み込んだ場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図８】 従来の光コヒーレンストモグラフィー装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 低コヒーレンス光源（例えばＳＬＤ）
２，２′ 出射光束
３ 第１のハーフミラー（キューブハーフミラー）
４ 平行光束用結合レンズ
４ａ コンデンサレンズ
４ｂ 平行光束用光ファイバー結合レンズ
５ 平行光束
６ 集光用レンズ
６′ 球面平凸集光用レンズ
６ａ，７ａ 反射膜
７ 第２のハーフミラー（キューブハーフミラー）
７′ 平板ハーフミラー
８ａ 集光された物体プローブ光
８ｂ 集光された参照光
９ 被検査物体
１０ 反射鏡
１１，１１′，１４，１４′ 可動体
１２，１８ 可動体の支持棒
１３，２４ 駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）
１５ 可動体の回転支持棒
１６ 可動体の回転用駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）
１７ バネ機構内蔵の支持棒
１９ 光検出器
２０ 光ファイバー伝送路
２１ 信号増幅及び処理装置
２２ パソコンなどの表示装置
２３ 駆動機構の制御器
２５ 照明光源
２６ 結像レンズ
２７ ＣＣＤカメラ
２８ 振動素子（例えば、ピエゾ素子）
３０ 固定台
３１ Ｙステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光コヒーレンストモグラフィー装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の被検査物体の深層の検知点走査方法においては、Ｚ軸は参照光路長をミラーを用いて光遅延を行い走査し、Ｘ軸及びＹ軸はガルバノミラーで物体プローブ光を走査する方法が知られている。
【０００３】
図８は従来の光コヒーレンストモグラフィー装置の概略構成図である。
【０００４】
この図において、１０１は低コヒーレンス光源〔例えばＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、１０２は光伝送用光ファイバー、１０３はレンズ、１０４はＺ軸走査用光遅延発生ミラー、１０５は光ファイバー用ハーフミラー、１０６はレンズ、１０７はＹ軸走査用ガルバノミラー、１０８はＸ軸走査用ガルバノミラー、１０９は集光用レンズ、１１０は被検査物体、１１１は光検出器、１１２は信号処理・表示コンピュータなどである。
【０００５】
【非特許文献１】
光学、ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．１９９９．３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の光コヒーレンストモグラフィーにおける検知点走査方法では、図８に示すように、奥行き方向（Ｚ軸方向）の走査は参照光路長をＺ軸走査用光遅延発生ミラー１０４の光軸方向への移動で行い、被検査物体１１０には物体プローブ光を集光用レンズ１０９などで集光するが、Ｚ軸走査は焦点位置を前後するため、輝度の高い焦点位置からの反射光のみを取得することはできず、焦点が必ずしも検知点とはならないなどの欠点があった。
【０００７】
また、数ｃｍの焦点距離をもつ集光用レンズ１０９では、焦点位置での光ビーム径は数μｍ以下に絞れても、焦点位置から前後±１ｍｍも離れると光ビーム径は数ｍｍとなり、光の輝度は４乃至６桁も弱くなってしまい、その解決法の具体策はこれまで開示されていない。ただし、被検査物体１１０自体を走査台におき、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に移動して走査点を変える方法は自明のこととして利用されている。これまでの光コヒーレンストモグラフィーの各種の装置については、上記非特許文献１に詳細が開示されている。
【０００８】
さらに、Ｘ軸あるいはＹ軸方向への走査は、一般にガルバノミラーなどが利用されているが、高価で大型であり、小型化を考えると使用が困難であった。
【０００９】
また、光ヘテロダイン検波のための参照光あるいは物体プローブ光に相対的に周波数シフトを起こす方法として、この反射鏡の移動によるドップラーシフトや光伝送用ファイバーをピエゾ伸縮体に巻き付けて位相変調する方法等が採用されているが、製品の小型実装化やモジュール化の点から見ると、実装素子数を複雑化かつ増加させるなどの欠点があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑み、集束光の焦点位置と検知点とを違えることなく、Ｚ軸方向のみに、さらにはＸ、Ｙ軸方向に任意に検知点を走査でき、さらに小型実装化が実現できる、光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【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〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と合波回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集光する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡とを一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を伝送する光ファイバーと、この光ファイバーからの出射光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集束する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、この平行光束を集束する集光用レンズと、この集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合レンズと集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーからの光を結合・集光する一個ないし一組のレンズと、このレンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合・集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記結合・集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、この光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔４〕記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記結合・集光用レンズを前記第１のハーフミラーと第２のハーフミラーの中間に配置し、前記光源を前記レンズの前焦点距離の２倍の位置に配置し、光束を後焦点距離の２倍の位置に集束して、前記反射鏡を前記参照光の光路上の概略集光点に配置し、前記集光点を前記被検査物体の走査検知点とすることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕、〔４〕又は〔５〕に記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記被検査物体表面を照射する光源を配備し、前記第２のハーフミラーを介して物体表面像を観測する対物レンズと撮像装置を具備することを特徴とする。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例を示す光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【００１９】
この図において、１は低コヒーレンス光源〔例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）光源〕、２は出射光束、３は第１のハーフミラー（キューブハーフミラー）、４は平行光束用結合レンズ、５は平行光束、６は集光用レンズ、７は第２のハーフミラー（キューブハーフミラー）、８ａは集光された物体プローブ光、８ｂは集光された参照光、９は被検査物体、１０は参照光の焦光点位置にある反射鏡、１１は集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と反射鏡１０を一体に配備した可動体、１２は可動体１１の支持棒、１３は可動体１１をｒ軸方向に駆動する駆動機構（例えば、リニアアクチュエータ）、１４は低コヒーレンス光源１から第１のハーフミラー３、レンズ４、光検出器１９及び駆動機構１３を載せた回転可動体、１５は可動体１４の回転支持棒、１６は可動体１４の回転用駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）、１７はバネ機構内蔵の支持棒、１８は可動体１４の支持棒、１９は光検出器、２１は信号増幅及び処理装置、２２はパソコンなどの表示装置、２３は駆動機構１３，１６の制御器、３０はすべての装置の基礎となる固定台である。
【００２０】
このように、集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と反射鏡１０から構成される干渉計を一体に配備し可動体１１に載せるように構成するので、まずｒ軸走査は、支持棒１２を小型のリニアアクチュエータなどの駆動機構１３でｒ軸方向に前後させて行う。それにより、参照光路長は一定のまま、干渉計自体（可動体１１）を駆動して焦点を移動させ、焦点がすなわち被検査物体９の検知点となるようにし、ｒ軸方向に検知点を任意の速度で走査可能とするものである。さらに、この可動体１１と駆動機構１３をもう一つの可動体１４に載せ、この可動体１４を支持棒１８と１７を介して回転用駆動機構１６で、可動体１４の回転支持棒１５を回転中心として回転させる。さらに、回転支持棒１５に直交する形でもう一つの回転支持棒（図示なし）を設け、別途回転用駆動機構を具備することにより、物体プローブ光８ａである分割光束を、直交する（ｒ，θ）面で扇状に走査できることになる。
【００２１】
この走査により、物体プローブ光８ａの焦点の輝度の高い光で、被検査物体９の深層からの反射光を効率よく発生させ、なおかつ３次元断層像を取得することができる。また、高速走査を必要としない被検査物体９の場合には、例えば可動体１４を市販のＸ−Ｙ−Ｚ軸あるいはｒ−θ軸駆動ステージなどに搭載すれば、同様の走査が可能なことは明らかである。
【００２２】
本発明では、上記のように、深層の位置と反射光強度を高い信号強度対雑音比で検出し、１次元乃至３次元の断層画像を映像化することができる特徴がある。この場合、集光用レンズ６に凸レンズを用い、その焦点を集光点としてもよい。
【００２３】
この第１実施例に示すように、ＳＬＤなどの低コヒーレンス光源１からの出射光束２は第１のハーフミラー３を経て平行光束用結合レンズ４で平行光束５を形成する。その光束５は集光用レンズ６で集光光を作る。平行光束５は集光用レンズ６に入るが、上記のｒ軸（光軸）走査によっても光束を乱されることなく、集光できる。また、θ角方向への走査において、集光レンズ６をおよその回転中心とすることで、光束を乱すことなく集光し、所定の焦点走査を実現でき、この間参照光路長は反射鏡１０で一定に保たれ、第２のハーフミラー７で合波されることが本実施例の特徴である。
【００２４】
被検査物体９の深層などからの物体プローブ光８ａの反射光は、第２のハーフミラー７、集光レンズ６および平行光束用結合レンズ４を経て、第１のハーフミラー３で反射され光検出器１９で検出される。参照光路長が一定なのに対し、検知点がｒ軸走査により移動することから、相対的に反射光はドップラーシフトを受け周波数シフトする。その結果、光検出器１９では、２乗検波によって光ヘテロダイン検波が実現され、そのドップラーシフト周波数でのビート信号が検出される。ビート信号の振幅が、被検査物体９の深層での反射率情報を検知し、ｒ軸走査における位置情報が反射点距離を検知して、その検知点での映像情報となるものである。
【００２５】
このとき、本実施例では光学的に極めて重要な態様を実現している。すなわち、およそ数十μｍ径の点光源であるＳＬＤ１などからの出射光束２の波面が、参照光路と物体光路が同一の集束用レンズを介して鏡像関係にあり、さらに光源１と光検出器１９も鏡像関係にあるため、光検出器１９の検出面にその波面が忠実に再現されることである。つまり、ヘテロダイン検波に重要な時空間上のコヒーレンスがともに保存される位相共役関係で、ヘテロダイン検波を実現していることである。本実施例によれば、この効果により、従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保を可能とするものである。
【００２６】
また、上記の鏡像関係は同一のレンズを介して実現されているが、従来のマイケルソン干渉計など、光源と光検出器と複数のレンズをそれぞれに配置し、ともに一体に可動体に配備して集光点を検知点として走査をする方法も、本発明では排除しないことは明らかである。
【００２７】
図２は本発明の第２実施例を示す干渉計部をミロー干渉計とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００２８】
低コヒーレンス光源１からの平行光束５は球面平凸集光用レンズ６′で集光される。この集光光は第１実施例の第２のハーフミラー７に該当する平板ハーフミラー７′で一部が反射されて参照光８ｂを作り、透過光は物体プローブ光８ａを形成する。
【００２９】
この平板ハーフミラー７′は反射膜７ａを平板ハーフミラー７′と厚みが等しいガラス板で挟んで構成する。これは反射光路長と物体光路長を光学的に等しくするためである。
【００３０】
参照光８ｂが集光する焦点位置に球面平凸集光用レンズ６′の平面側を配置し、この平面部に焦点径程度の反射膜６ａを付着させておくことにより、参照光路長が一定なミロー干渉計を構成する。この参照光８ｂと物体反射光は、反射膜７ａ面で合波されて回帰し、球面平凸集光用レンズ６′で平行光束５となり、第１のハーフミラー３を経て光検出器１９でヘテロダイン検波され信号が得られる。
【００３１】
この第２実施例では、第１実施例と異なり、第２のハーフミラー７として平板ハーフミラー７′を用いるため、図１に示したキューブハーフミラー７より軽量化でき、また、反射鏡１０が不要となるため更なる軽量化が実現でき、ｒ軸の高速走査が可能となる特徴を有する。
【００３２】
ここで、ｒ軸走査すなわち物体プローブ光路長の変化により発生する物体反射光の周波数シフトに対し、平板ハーフミラー７′に圧電素子を付着し振動させ、その位相変調により、参照光路で周波数シフトを発生させて、ヘテロダインビート信号を検出してもよいことは明らかである。このとき、ｒ軸走査は検知点の走査の主役目のみとなる。
【００３３】
図３は本発明の第３実施例を示す光源からの伝送路に光ファイバーを具備した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図２に示した第２実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００３４】
図３において、４ａは光ファイバー用のコンデンサレンズ、４ｂは平行光束用光ファイバー結合レンズ、２０は光ファイバー伝送路である。
【００３５】
本実施例においては、低コヒーレンス光源１からの光を第１のハーフミラー３を通過後、コンデンサレンズ４ａを介して、光ファイバー伝送路２０を通過させて、結合レンズ４ｂにより、所定の平行光束５を得るものである。可動体１４に対し、低コヒーレンス光源１と光検出器１９および第１のハーフミラー３を外付けにすることで、可動体１４における重量の一層の軽減が可能となる特徴がある。
【００３６】
図４は本発明の第４実施例を示すマイケルソン干渉計と光源、光検出器、および第１のハーフミラーを一体とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００３７】
図４に示したように、低コヒーレンス光源１、第１のハーフミラー３、光検出器１９、平行光束用結合レンズ４、集光用レンズ６、第２のハーフミラー７および反射鏡１０を可動体１１′に一体に配備する。この可動体１１′は第１実施例の図１における場合と同様に、駆動機構１３でＺ軸方向に駆動する。
【００３８】
本実施例は、Ｚ軸走査のみを必要とする場合の装置であるが、この駆動機構１３と可動体１１′とをＸ軸方向の可動体に一体に配置して、それを駆動機構でＸ軸方向に駆動して、焦点を検知点としてＸ−Ｚ面で２次元的に走査することも可能なことは明らかである。
【００３９】
また、回転支持棒を図１のように設け、Ｘ−Ｚ面やＹ−Ｚ面であるいはその両方の面でθ方向に走査することも可能である。
【００４０】
本実施例の特徴は、光源１から全てを一体にして小型化して走査することにより光束の振れや外乱の影響を最小限にして、信号を得られることである。このような低コヒーレンス光源１から光検出器１９までを干渉計と一体化して駆動し光コヒーレンストモグラフィーを映像化する方法は、これまでのところ開示されていない。
【００４１】
また、この第４実施例は、いわゆる共焦点レンズ系を構成しており、光検出器１９の直前に数十乃至数μｍ直径の開口絞りを配置すると、被検査物体９のＸ−Ｙ面すなわち横断面の解像度を数μｍと高解像度にして観測できるものである。すなわち、本発明は、「共焦点干渉計」と言えるもので、本体を例えばモジュール化などして作製すれば多くの用途に適応可能となるものである。
【００４２】
図５は本発明の第５実施例を示す、単一凸レンズのみで光源−レンズ−干渉計−光検出器を鏡像関係に構成した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。なお、図５において、１４′は可動体、２４は駆動機構、３１はＹステージである。
【００４３】
図５に示したように、第１のハーフミラー３と第２のハーフミラー７の中間に単一凸レンズ６あるいは一組の凸レンズ作用レンズ系のみを配備する。ＳＬＤなどの低コヒーレンス光源１の出射端の光束は一般に数十μｍ径であるので、出射光束２′は回折で数十度の広がりを持つ。この出射端面を第１のハーフミラー３を介して凸レンズ６の前焦点距離の２倍の位置に配置する。
【００４４】
その結果、凸レンズ６は第２のハーフミラー７を介して後焦点距離の２倍の位置に開口端面の像を結像する。すなわち、出射端の波面と結像点の波面は共役波面となる。この結像点に反射鏡１０を置いて参照光８ｂを形成し、物体プローブ光８ａの方はこの結像点を被検査物体９の検知点とする。被検査物体９及び反射鏡１０からの反射光は凸レンズ６を経て、第１のハーフミラー３で反射されて光検出器１９に入射する。
【００４５】
以上により、単一凸レンズのみで、光検出器の検出面に先の実施例と同様に共役波面が形成され、光源から光検出器に至る光束は２つのハーフミラーにより鏡像関係となり、ヘテロダイン検波を効率よく実現することができる。
【００４６】
本実施例において、低コヒーレンス光源１の出射光の径が大きい場合や、集束光の径を極小化して被検査物体のＸ−Ｙ面における解像度を上げたい場合には、光検出器１９の直前に数十乃至数μｍの絞りを配置し、いわゆる共焦点顕微鏡の原理で解像度を上げることができることは、自明のことである。このような構成にすると、前記と同様に共焦点顕微干渉計による光コヒーレンストモグラフィー装置が実現できる。
【００４７】
また、本実施例では上記実施例と比較しても分かるように、レンズを一個減らすことができ、小型化とともに可動体１１′の負荷が軽減され、Ｚ軸走査並びにＸ軸走査もより一層の高速化を可能にする特徴がある。さらに、この第５実施例を示す図５では、干渉計部をマイケルソン干渉計としたが、図２の第２実施例で説明したミロー干渉計としても良いことは明らかである。
【００４８】
図６は本発明の第６実施例を示す参照光周波数シフト内蔵型の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。図４に示した第４実施例とは異なる部分のみを説明する。
【００４９】
図６に示したように、収束する参照光８ｂの反射鏡１０に振動素子２８を接着し一定の周波数で振動させる。振動素子２８にはピエゾ素子などが用いられる。振動素子２８の振動は反射鏡１０を振動させるため、その結果、反射光は位相変調され、振動周波数の整数倍の周波数シフトをする。この参照光８ｂと物体反射光は、前述のようにヘテロダイン検波により振動周波数に基づくビート信号を発生し、断層画像情報をもたらす。このとき、Ｚ軸走査によるドップラーシフトは信号処理系においてフィルターでカットし、無視する。この振動素子２８による周波数シフト法では、Ｚ軸走査による不安定性や往復運動による周波数シフトの増減が発生せず、安定にビート信号を検出できる特徴がある。
【００５０】
図７は本発明の第７実施例を示す被検査物体の表面を観測するためのＣＣＤカメラなどを組み込んだ場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図の一部である。図１に示した第１実施例とは異なる部分のみを詳細に説明する。
【００５１】
図７において、２５は被検査物体９の照明光源であり、２６は結像レンズ、２７はＣＣＤカメラである。照明光源２５で被検査物体９の測定部位を照明し、表面反射光は第２のハーフミラー７の反射を利用して、結像レンズ２６でＣＣＤカメラ２７に被検査物体９の表面像を結像させる。ＣＣＤカメラ２７の像は測定部位を特定し、物体プローブ光８ａの光点の位置決めやＸ−Ｙ方向の走査範囲の特定を容易にすることができる特徴がある。
【００５２】
この時、照明光が光検出器に入らないようにするため、光検出器１９の前に可視光カットフィルターなどを装備すれば良いことは明らかである。一般に低コヒーレンス光源は赤外光源で、ＣＣＤカメラ２７は赤外線にほぼ不感にしてあるが、幾らかの感度があり、物体プローブ光８ａは輝度が高いので、可視化できる。他方、光検出器１９は可視光線には感度があり、表面反射光のみで飽和させる可能性があるためフィルターを必要とするものである。
【００５３】
上記のように、本実施例に示した光干渉計一体駆動による検知点走査方法および装置によれば、少なくとも集光用レンズ６と第２のハーフミラー７と参照光の反射鏡１０を一体に可動体１１に配備することにより、参照光路長を一定としつつ、集光点を走査して被検査物体９の深層方向の検知点を効率よく検出することができ、さらに干渉計を小型に組むことができ、可動体を所定の速度で２次元（ｒ，θ）あるいは（Ｘ，Ｚ），（Ｙ，Ｚ）状に駆動可能として、被検査物体９の深層のミクロ構造からなる断層像を迅速に観測可能とする装置を実現したものである。
【００５４】
また、本実施例によれば、光学的に極めて重要な態様を実現している。すなわち、およそ数十μｍ径の点光源であるＳＬＤ１などからの出射光の波面が、参照光路と物体光路が鏡像関係にあり、さらに光源１と光検出器１９も鏡像関係にあるため、光検出器１９の検出面にその波面が忠実に再現されることである。つまり、ヘテロダイン検波に重要な時空間上のコヒーレンスがともに保存される位相共役関係でヘテロダイン検波を実現しており、また、前記のように共焦点干渉計をも実現したものである。
【００５５】
この効果により、従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、本発明によれば、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保が可能となるので、例えば、皮膚科診断装置に応用すれば、従来皮膚科医師の勘と経験に頼っていた皮膚病における浸潤度や悪性腫瘍の非切開による診断の、迅速かつ確実な組織学的判断を可能とし、また、皮膚の老化や薬剤の効用の生きたままでの形態学的診断や血管内血流分布の測定による動脈瘤の有無の診断を実現できるものとなる。
【００５６】
更には、本発明の装置を顕微鏡に組み込めば、３次元断層顕微鏡を容易に実現するものとなる。また、工場などにおける生産ラインでの各種薄膜や半導体ウエハの非接触非破壊厚み検査や３次元形状検査など、多岐にわたる応用が可能となり、その場観察断層検査装置として、小型の特性を利用して広範な採用が期待される。
【００５７】
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。
【００５８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、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。
【００５９】
（Ａ）物体プローブ光の集光位置を被測定物体の検知点とするとともに、波面の共役関係を維持してヘテロダイン検波を高効率で実現して映像信号を検出できる。
【００６０】
（Ｂ）干渉計の全てと、更には光源と光検出器をも含めて一体に可動体上に配備し、最小限の光学素子で軽量に構成し、参照光路長を一定としつつ上記共役関係を実現して、この可動体を（ｒ，θ）や（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に駆動することにより、被測定物体の深層検知点を高速に走査して、断層画像情報を取得することを可能とする。
【００６１】
これらはいずれも従来の光コヒーレンストモグラフィーにおける検知点走査法では実現できなかったもので、検知点をプローブ光の収束点に一致させ、被測定物体を移動することなしに、高効率、高ＳＮ比でのヘテロダイン検波による映像化を実現することができる。
【００６２】
（Ｃ）従来の焦点位置や波面再現を無視した検波法と異なり、本発明によれば、共焦点干渉計をも実現し、光ヘテロダイン検出において格段のＳＮ比の改善とダイナミックレンジの確保が可能となるので、例えば、皮膚科診断装置に応用すれば、従来皮膚科医師の勘と経験に頼っていた皮膚病における浸潤度や悪性腫瘍の非切開による診断の、迅速かつ確実な組織学的判断を可能とし、また、皮膚の老化や薬剤の効用の形態学的診断を皮膚組織を採取することなく、実現できるものとなる。更には、皮膚直下の血管内血流分布の観測や、反射光に分光学的装置を配備すれば、血液の酸素濃度や血糖の測定も非侵襲、無採血で可能となる。
【００６３】
（Ｄ）本発明の装置を顕微鏡に組み込めば、３次元断層顕微鏡を容易に実現するものとなる。また、工場などにおける生産ラインでの各種薄膜や半導体、ウエハの非接触厚み検査や３次元形状検査など、多岐にわたる応用が可能で、その場観測断層検査装置として、小型の特性を利用して広範な採用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図２】 本発明の第２実施例を示す干渉計部をミロー干渉計とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図３】 本発明の第３実施例を示す光源からの伝送路に光ファイバーを具備した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図４】 本発明の第４実施例を示すマイケルソン干渉計と光源、光検出器、および第１のハーフミラーを一体とした場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図５】 本発明の第５実施例を示す単一凸レンズのみで光源−レンズ−干渉計−光検出器を鏡像関係に構成した場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図６】 本発明の第６実施例を示す参照光周波数シフト内蔵型の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図７】 本発明の第７実施例を示す被検査物体の表面を観測するためのＣＣＤカメラなどを組み込んだ場合の光干渉計一体駆動による検知点走査光コヒーレンストモグラフィー装置の構成図である。
【図８】 従来の光コヒーレンストモグラフィー装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 低コヒーレンス光源（例えばＳＬＤ）
２，２′ 出射光束
３ 第１のハーフミラー（キューブハーフミラー）
４ 平行光束用結合レンズ
４ａ コンデンサレンズ
４ｂ 平行光束用光ファイバー結合レンズ
５ 平行光束
６ 集光用レンズ
６′ 球面平凸集光用レンズ
６ａ，７ａ 反射膜
７ 第２のハーフミラー（キューブハーフミラー）
７′ 平板ハーフミラー
８ａ 集光された物体プローブ光
８ｂ 集光された参照光
９ 被検査物体
１０ 反射鏡
１１，１１′，１４，１４′ 可動体
１２，１８ 可動体の支持棒
１３，２４ 駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）
１５ 可動体の回転支持棒
１６ 可動体の回転用駆動機構（例えばリニアアクチュエータ）
１７ バネ機構内蔵の支持棒
１９ 光検出器
２０ 光ファイバー伝送路
２１ 信号増幅及び処理装置
２２ パソコンなどの表示装置
２３ 駆動機構の制御器
２５ 照明光源
２６ 結像レンズ
２７ ＣＣＤカメラ
２８ 振動素子（例えば、ピエゾ素子）
３０ 固定台
３１ Ｙステージ
Claims (6)
- （ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該低コヒーレンス光源からの光と合波回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、
（ｃ）前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、
（ｄ）該平行光束を集光する集光用レンズと、
（ｅ）該集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、
（ｆ）前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、
（ｇ）前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡とを一体に配置する可動体と、
（ｈ）前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、（ｉ）前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、
（ｊ）該光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、
（ｋ）処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。 - （ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、
（ｃ）前記低コヒーレンス光源からの光を伝送する光ファイバーと、
（ｄ）該光ファイバーからの出射光を平行光束とする結合レンズと、
（ｅ）該平行光束を集束する集光用レンズと、
（ｆ）該集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、
（ｇ）前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、
（ｈ）前記集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、
（ｉ）前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を極座標（ｒ，θ）方向に適宜駆動走査する機構と、（ｊ）前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、（ｋ）該光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、
（ｌ）処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。 - （ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、
（ｃ）前記低コヒーレンス光源からの光を平行光束とする結合レンズと、
（ｄ）該平行光束を集束する集光用レンズと、
（ｅ）該集光用レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、
（ｆ）前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、
（ｇ）前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合レンズと集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、
（ｈ）前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、
（ｉ）前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づく周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、（ｊ）該光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、
（ｋ）処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。 - （ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該低コヒーレンス光源からの光と反射回帰光とを分離する第１のハーフミラーと、
（ｃ）前記第１のハーフミラーからの光を結合・集光する一個ないし一組のレンズと、
（ｄ）該レンズによる集光光を被検査物体への物体プローブ光と参照光とに２分割する第２のハーフミラーと、
（ｅ）前記参照光を光路長一定とする集光点で反射する反射鏡と、
（ｆ）前記光源と第１のハーフミラーと光検出器と結合・集光用レンズと第２のハーフミラーと反射鏡を一体に配置する可動体と、
（ｇ）前記被検査物体への集光光の焦光点位置を移動し被検査物体の深層検知点として走査し、前記可動体を光軸（Ｚ軸）方向のみに、さらには断面軸（Ｘ、Ｙ軸）方向に適宜駆動走査する機構と、
（ｈ）前記被検査物体の深層からの反射光は、前記第２のハーフミラーで前記参照光の反射光と合波し、前記結合・集光用レンズを回帰し、前記第１のハーフミラーで反射して、前記光軸方向への物体プローブ光の走査によるドップラーシフトに基づくシフト周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を含む干渉光を検出する光検出器と、
（ｉ）該光検出器からの信号を処理する信号処理器及びコンピュータと、
（ｊ）処理信号に基づき、断層画像を表示する装置を具備することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。 - 請求項４記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記結合・集光用レンズを前記第１のハーフミラーと第２のハーフミラーの中間に配置し、前記光源を前記レンズの前焦点距離の２倍の位置に配置し、光束を後焦点距離の２倍の位置に集束して、前記反射鏡を前記参照光の光路上の概略集光点に配置し、前記集光点を前記被検査物体の走査検知点とすることを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
- 請求項１、２、３、４又は５記載の光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記被検査物体表面を照射する光源を配備し、前記第２のハーフミラーを介して物体表面像を観測する対物レンズと撮像装置を具備することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィー装置。
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