JP4431750B2 - 可干渉性動的焦点による光学コヒーレンストモグラフィー法及びその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学画像形成の技術分野に関するものである。
本発明は、光の反射位置を参照光による干渉に必要な光路長としての物体内計測光に沿ってそれぞれ参照腕において測定する短コヒーレンス干渉計の計測光を用い、その計測光を辿って行った観察物体の走査、透過に基づき反射箇所の位置を記録することを基礎とする、横方向分解能を高めたコヒーレンストモグラフィー法に関するものである。但し、横方向分解能を最大限上げるために計測光は、それぞれ観察物体の反射位置に集束させ、また、この焦点を測定長に沿って動かす場合は参照光に対して可干渉性を維持するものとする。
さらには、必要となるこの焦点移動及び参照光に対する可干渉性の確保に必要な光路長補正は唯一の光学部材を動かすことによって実現するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
現技術水準 : 光学コヒーレンストモグラフィーの分野では[Huang D.; Swanson E. A.; Lin. C. P.; Schuman. J. S.; Stinson. W. G.; Chang. W.; Hee. M. R.; Flotte. T.; Gregory. K.; Puliafito. C. A.; Fujimoto. J. G. 著「光学コヒーレンストモグラフィー」、出典 : 専門誌「科学」254号（1991年）、1178〜1181ページ]、物体を一本の線に沿って光走査することにより物体の二次元断面像を得ている。この線はトモグラフィー像又はトモグラムの横方向の広がりを生んでいる。光線はどのポジションでもこの線に沿って物体の深部にまでも入り込める。反射点の深部ポジションは短コヒーレンス干渉計によって測定し、トモグラフィー像の縦方向の広がりを形成する。これらの点からの反射光の強度はトモグラムにおける画像点の明度を決定する。
【０００３】
短コヒーレンス干渉測定法では時間的コヒーレンスが小さくて、他方空間的コヒーレンスの大きい光が利用される。反射点の深部ポジションは、短コヒーレンス干渉計の参照光の長さから求められる。参照光の長さは連続的に変化する。干渉計出口に見られる干渉は、当該物体点までの計算で参照光と計測光の長さが同じになる計測光内物体点において現れたものである。その場合、利用される光のコヒーレンス長内では、既知である参照光の長さと、求める計測光の長さは等しい。つまり、両光は被測定物体中の反射点までの長さが同じである。このプロセスは「コヒーレンススキャン」と称されている。
【０００４】
コヒーレンススキャンの場合、被測定物体を二光束干渉計の測定腕に置き、干渉計参照腕の光学長から計測光線長を求めるか[Swanson. E. A.; Huang. D.; Hee. M. R.; Fujimoto. J. G.; Lin. C. P.; Puliafito. C. A. 著「高速光学コヒーレンス域反射測定」、出典 : 専門誌「光学レター」17号（1992年）、151〜153ページ]、又は被測定物体に、二光束干渉計から発する二重光線[「デュアルビーム」、Fercher. A. F.;Li. H. C.; Hitzenberger. C. K. 著「スリットランプレーザドップラー干渉計」参照、出典 : 専門誌「レーザ外科療法」13号（1993年）、447〜452ページ]を照射し、当二光束干渉計における光路差を被測定物体における反射点間の光学距離に当てはめて計測光線長を測定する。
【０００５】
縦方向の深部情報は短コヒーレンス干渉法により、それに対して横方向の情報は計測光走査によって得るというのは両法共通している。縦方向、つまり照射光線方向については短コヒーレンス干渉法により非常に高い光学分解能（=分離可能な最小限界距離にある二点の把握）が達成される。それはほぼコヒーレンス長lＣ=λ２/△λ（λ=使用した光の波長、△λ=使用した光の帯幅）に相当し、数μm単位の大きさである。それに対し、照射光線横断方向については同様に良好な光学分解能が達成されるのは極く例外的な場合だけである。
特に問題なのはこの横方向の光学分解能であり、そのレベルは物体深度全域に亘って均一ではない。いわゆる可干渉性動的焦点を使用すれば、物体深度全域に亘って均一で高い分解能が達成される。可干渉性動的焦点というのは、空間的移動があった場合でも参照光に対して常に可干渉性を維持している光束の焦点という意味である。
【０００６】
可干渉性動的焦点の実現には既に幾つかの提案がなされている。
集束光は、物体の正確な位置測定及び位置設定に既に随分以前から利用されている。しかし、その場合では常に物体表面の位置確認であり、物体深部構造の測定ではない。例えばドイツの公開公報 DE 2 333 281（公開日1974年1月17日）には干渉法（但し、短コヒーレンス干渉法ではない）をベースとした光学系焦点調整方法に関する記述がある。それによると、計測光は物体表面に集束され、反射光は参照光により干渉される。その時の干渉縞の形態で、物体表面が焦点に一致しているか否かを判断する。
このように、この方法は個々の物体表面の位置確認にしか適さないので、本発明の方法とは直接比較し得るものではない。その上、統計上明らかであるが、深部構造に於いては殆ど解釈の仕様のない干渉現象、いわゆるスペックルが発生する。
【０００７】
これとは別に、アメリカ特許 US 4,589,773（特許日1986年5月20日）にも物体表面の位置測定法が紹介されている。この場合では公知の光線切断顕微鏡の場合と同様計測光束を斜めから照射する。そのため、物体の縦方向の移動により物体表面上の光斑点が横方向へ移動する結果となる。この光斑点は、光斑点の本来の位置における記録を電気的信号に変えた上で物体の位置確認をする特殊な光検出器に投射される。この方法も個々の表面の位置確認しかできず、物体の深部構造の記録には適していない。この方法は干渉計測法には基づかないので、干渉分析感度も有せず、従って本発明に基づく方法とは比較できない。
【０００８】
個々の物体表面の位置確認には、CDプレートにおける集束問題との関連で別な方法も知られている。例えば、アメリカ特許 US 4,631,395（特許日1986年12月23日）及び US 4,866,262（特許日1989年9月12日）である。これらの方法も個々の表面の位置確認しかできず、物体の深部構造の記録には適していない。これらの方法は干渉計測法には基づかないので、本発明に基づく方法とは比較できない。
【０００９】
それに対して、コヒーレンスの寿命測定及びコヒーレンストモグラフィーにおける横方向分解能の問題については国際PCT出願 WO 92/19930「画像形成及び光計測のための方法及び装置」（特許日 : 1991年4月29日、発明者 : Huang. D.; Fujimoto. J.G.; Puliafito.C. A.; Lin. C. P.; Schuman. J. S.）に記述されている。
この特許公報によると、物体深度全体に亘り高くて均一な横方向の分解能は、測定焦点の移動と同時に参照光路内の転向鏡を同期移動させることによって達成されるとしている。
【００１０】
測定焦点と参照光内に設置された転向鏡との同期移動は、確かに技術的には可能であるが、しかし相当な機械的及び電子工学的追加コストが必要である。しかも、計測光路と参照光路とでは屈折率が異なるので、一般には測定焦点の幾何学的移動は参照光における光学長変化と相応性がない。それ故、学術文献には焦点移動と計測光、参照光間の光学長の補整を唯一つの光学構成要素の移動によって実現するという提案がなされている[例えば、Fercher. A. F.著「光学コヒーレンストモグラフィー」、出典 : 専門誌「生体医療光学」第1巻（1996年）、第2号、157〜173ページ]。
【００１１】
図１は、学術文献に記載された可干渉性動的焦点によるコヒーレンス距離測定のための装置を表したものである。
それによると、光源1から放射された短コヒーレンス長の光線2が光線分割器3に当たって、その表面で測定光4と参照光5に分割される。参照光5は参照鏡6によって反射し、光線分割器3を通って干渉計出口の光検出器19に到る。光線2のうち光線分割器3を真っ直ぐに通過する成分は、計測光4として光線分割器7に到り、レンズ9によりその焦点11に集束する。焦点11は反射器として機能する凸面鏡10の曲面中心線上にある。凸面鏡10で反射された計測光4はレンズ9によって元通り視準され、レンズ12に到達して新たに集束する。走査鏡13及び14を通過した計測光4は、最終的には被測定物体15上に合わせた可干渉性動的焦点16に集束する。走査鏡13及び14は回転軸13'及び14'の周りを回るので、計測光4を被測定物体15の任意のx座標、y座標にセットすることができる。
【００１２】
被測定物体15で反射された計測光17は凸面鏡10にまで戻り、そこで再び反射され、光線分割器7及び3、さらにはレンズ18を通って光検出器19に到達する。その光検出器19に於いて計測光17と参照鏡6で反射された参照光5とが干渉し合い、生じた光強度に比例した干渉計電子信号ISを発することになる。
この装置の場合、コヒーレンス走査は、反射器10を動かすことによって達成される。それは双方矢印20が示すところである。この運動によって焦点11が移動することとなり、その結果焦点16も被測定物体においてz方向に移動する。転向鏡6を、双方矢印21の示す如く、参照光5の軸方向に移動させることにより、焦点16からの反射光と参照光5間のコヒーレンスは干渉計出口（光検出器19）で調整される。そこでコヒーレンス走査を実施した場合、焦点16は被測定物体15によりz方向に移動させられる。焦点移動と同時に起こる光路長の変化が、この焦点からの反射光と参照光とのコヒーレンスの維持に寄与している（従って、“可干渉性動的焦点”とも称される）。
【００１３】
そのほか、各部品表面における反射損量の抑制化のために、及びここで使用されている干渉計の光線分割器最適化のために公知レベルの偏光レンズが利用されていることも付け加えておかねばならない。しかし、これは公知レベルの一般的な干渉計光学技術の域を出ないので、ここでは詳しくは立ち入らないことにする。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に描かれた従来の短コヒーレンス干渉計は、調整が非常に困難で、好ましくないいわゆる寄生的反射に起因する解決し難い問題を抱えている。その理由は、光線分割器7やレンズ9など幾つかの構成部は計測光を同じように4回ずつ通さねばならないという事実にある。これは、焦点を形成する光束4が物体15に到る光路途中で既に一回反射しているということから来ている。その時の光の反射が反射表面の何処におけるものかを光路調整時に決定するのは非常に困難であるため、装置の調整が極めて難しくなる。しかも、この反射が装置の信号対雑音比の関係も悪化させている。
【００１５】
従って、計測光の光路が簡単に確認できて、簡単に調整もでき、また種々の構成部に現れる寄生的反射を容易に回避し得て、その上計測光路内の反射損失が少なく、それにより信号対雑音比の関係も改善されているという、可干渉性動的焦点に基づく調整容易な光学コヒーレンストモグラフィー法を見出すことが技術的課題となる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、計測光（図２では３６）をまず可動プレート鏡（図２では４１）近くに集束させ、可動プレート鏡に向けて照射された計測光の入射光線と反射光線とで形成される角度α（図２）が、角度π以下となるように設定された当プレート鏡で被測定物体の方向へ反射させ、また計測光焦点（図２では４０）を可動プレート鏡及びその他のレンズを通して被測定物体に結像させることにより解消される。
【００１７】
【発明の実施の態様】
本発明に基づく方法の実施態様を図２を基にして説明する。
図２では部分コヒーレントな光源、例えばファイバー状出口31を持つスーパールミネセンスダイオード30が、時間的コヒーレンスの小さい、但し空間的コヒーレンスの大きな光束32を放射する。この光束はレンズ33によって視準化され、光線分割器34に達する。その時、光束の一部は光線分割器34を通過して計測光36を形成する。光束の他の部分は光線分割器34で反射され、参照光束37を形成する。後者は屋根型転向プリズム38により、例えば鏡35の方向に向けられ、そこで反射されて逆進する。
【００１８】
計測光36は、図３に示されている通り、レンズ39により可動プレート鏡41近くの焦点40に集束する。鏡41はレンズ39に向いたほうが鏡面である。この鏡は反復揺れ運動（双方矢印42で表示）か、あるいは回転運動により自身の回転軸43の周りを動く。焦点40がこの鏡面の前にある場合にはその虚像40'が移動する。焦点40がプレート鏡の鏡面の背後にある場合でも同様にプレート鏡41の運動と共に移動する仮想焦点が生じる。どちらの場合でも後続レンズ（例えば図２のレンズ44、47及び48）を通して物体49に投影される可動又は動的焦点（40'）が形成される。
【００１９】
動的焦点40'から出た計測光36'は、レンズ44により近似的に視準化され、回転軸45'及び46'を持つ二つの旋回型（双方矢印で表示）転向鏡45及び46によりさらに物体方向に導かれる。レンズ47は、レンズ48を通して最終的には可干渉性動的焦点50として被測定物体49に投影される焦点40''に計測光36'を集束する。
【００２０】
可干渉性動的焦点50からの反射光束51は、レンズ48、47、44、39及び鏡46、45、41を通って逆戻りし、光線分割器34及びレンズ52を通過して光検出器53に達し、そこで参照光束37と干渉し合う。
この干渉が成就されるためには、参照光路長が測定光路長と同じでなければならない。これは、双方矢印が示すように、屋根型転向プリズム38及び/又は鏡35を移動させることにより可能である。
【００２１】
屋根型転向プリズム38及び鏡35は、例えばステップモータ制御式の長形走査テーブル上に組み立てられている。従って、参照光路、計測光路間で必要な長さ調整が迅速に行える。この光路調整を一旦行えば、転向プリズム38及び鏡35は、コヒーレンス走査の間、動かずそのままになる。これが本発明に基づく方法の重要な特徴である。
【００２２】
本発明に基づく方法のもう一つの大きな特徴は、図１に示された装置とは違い、いずれの光学構成成分も計測光を4回通過させる必要はないという点である。動的焦点40'の位置ずれは光学路の部分的変更によって調整する。その前提条件は、一つには動的焦点40'が寸法1:1の比率で物体に投影されることであり、また一つには物体を透過する光束が折れることなく、物体の屈折率が1に近いことである。
但し、特に後者については一般的には当てはまらない。それどころか、一般には計測光36'の物体49への入射箇所では屈折も起こると思われる。光の屈折が起きると、屈折無しでは物体深度Zの位置にある焦点60が実際には深度Z'のところに現れる。この模様は図４に表してある。
【００２３】
焦点50に集束された光束36'について言えば、幾何光学の法則によると、開口が小さい場合では、初期近似値Z'=n.Z、開口が大きい場合ではZ'=n２.Zとなる。但し、nは物体の位相屈折率である。焦点50に集束される光線に対する開口が中程度の場合では、Z'値はN.Zとn２.Zの中間になる。
【００２４】
その上、短コヒーレンス干渉法では、物体中の光路長は幾何光路×物体の群屈折率Nとなるので、長さにしてZの焦点移動は実際には小開口でZ'=n.N.Z、大開口でZ'=n２.N.Zとなる。それ故、焦点50の可干渉性維持のためには動的焦点像40'をレンズ44、47及び48により物体へ投影するに際して幾何光学的拡大を行わねばならないが、焦点50に集束される光線に対し、小開口の場合では縦方向比率1:1/(n.N)、大開口の場合では縦方向比率1:1/(n２.N)としなければならない。焦点50に集束される光線に対し開口が中程度の場合は、縦方向比率として1:1/(n.N)と1:1/(n２.N)の中間値を適用する。
【００２５】
動的焦点像40'の形成に利用されるプレート鏡41は、反復揺れ運動型でも回転運動型でもよい。
本発明の別な実施態様として、プレート鏡41の代わりに回転式多角形鏡61が利用されることがある。回転式多角形鏡 ― ここでは5つのプレート鏡からなるタイプ ― は回転速度が非常に速いので、極めて迅速なトモグラフィー法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の可干渉性動的焦点によるコヒーレンストモグラフィー
【図２】 本発明可干渉性動的焦点によるコヒーレンストモグラフィー
【図３】 動的焦点による像の生成
【図４】 物体の光学密度及び物体表面上における光の屈折により惹起された物体内焦点移動
【図５】 回転式多角形鏡における実焦点の反射による動的焦点像の生成
【符号の説明】
1...空間的コヒーレンスが大きく、時間的コヒーレンスの小さい光源
2...空間的コヒーレンスが大きく、時間的コヒーレンスの小さい光線
3...光線分割器
4...計測光
5...参照光
6...参照鏡
7...光線分割器
9...集束レンズ
10...凸面鏡
11...凸面鏡の焦点
12...集束レンズ
13...走査鏡
13'...鏡13の回転軸
14...走査鏡
14'...鏡14の回転軸
15...トモグラムの作成対象である被測定物体
16...可干渉性動的焦点
17...計測光
18...レンズ
19...光検出器
20...コヒーレンス走査における鏡10の運動方向
21...計測光と参照光間のコヒーレンス調整のための参照鏡6の運動方向
30...時間的コヒーレンスが小さく、空間的コヒーレンスの大きい光源
31...光源30のファイバー状出口
32...時間的コヒーレンスが小さく、空間的コヒーレンスの大きい光束
33...視準レンズ
34...光線分離器
35...鏡
36、36'...計測光
37...参照光束
38...屋根型転向プリズム
39...レンズ
40...計測光焦点
40'...動的焦点
40''...動的焦点
41...鏡
42...鏡41の運動方向
43...鏡41の回転軸
43'...鏡41の駆動モーター
44...視準レンズ
45...計測光36'のx方向制御用転向鏡
45'...転向鏡45の回転軸
46...計測光36'のy方向制御用転向鏡
46'...転向鏡46の回転軸
47...集束レンズ
48...結像レンズ
49...測定物体
50...可干渉性動的焦点
51...物体点からの反射光束
52...レンズ
53...光検出器
60...光の屈折がない場合の焦点位置
61...多角形鏡
【発明の属する技術分野】
本発明は光学画像形成の技術分野に関するものである。
本発明は、光の反射位置を参照光による干渉に必要な光路長としての物体内計測光に沿ってそれぞれ参照腕において測定する短コヒーレンス干渉計の計測光を用い、その計測光を辿って行った観察物体の走査、透過に基づき反射箇所の位置を記録することを基礎とする、横方向分解能を高めたコヒーレンストモグラフィー法に関するものである。但し、横方向分解能を最大限上げるために計測光は、それぞれ観察物体の反射位置に集束させ、また、この焦点を測定長に沿って動かす場合は参照光に対して可干渉性を維持するものとする。
さらには、必要となるこの焦点移動及び参照光に対する可干渉性の確保に必要な光路長補正は唯一の光学部材を動かすことによって実現するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
現技術水準 : 光学コヒーレンストモグラフィーの分野では[Huang D.; Swanson E. A.; Lin. C. P.; Schuman. J. S.; Stinson. W. G.; Chang. W.; Hee. M. R.; Flotte. T.; Gregory. K.; Puliafito. C. A.; Fujimoto. J. G. 著「光学コヒーレンストモグラフィー」、出典 : 専門誌「科学」254号（1991年）、1178〜1181ページ]、物体を一本の線に沿って光走査することにより物体の二次元断面像を得ている。この線はトモグラフィー像又はトモグラムの横方向の広がりを生んでいる。光線はどのポジションでもこの線に沿って物体の深部にまでも入り込める。反射点の深部ポジションは短コヒーレンス干渉計によって測定し、トモグラフィー像の縦方向の広がりを形成する。これらの点からの反射光の強度はトモグラムにおける画像点の明度を決定する。
【０００３】
短コヒーレンス干渉測定法では時間的コヒーレンスが小さくて、他方空間的コヒーレンスの大きい光が利用される。反射点の深部ポジションは、短コヒーレンス干渉計の参照光の長さから求められる。参照光の長さは連続的に変化する。干渉計出口に見られる干渉は、当該物体点までの計算で参照光と計測光の長さが同じになる計測光内物体点において現れたものである。その場合、利用される光のコヒーレンス長内では、既知である参照光の長さと、求める計測光の長さは等しい。つまり、両光は被測定物体中の反射点までの長さが同じである。このプロセスは「コヒーレンススキャン」と称されている。
【０００４】
コヒーレンススキャンの場合、被測定物体を二光束干渉計の測定腕に置き、干渉計参照腕の光学長から計測光線長を求めるか[Swanson. E. A.; Huang. D.; Hee. M. R.; Fujimoto. J. G.; Lin. C. P.; Puliafito. C. A. 著「高速光学コヒーレンス域反射測定」、出典 : 専門誌「光学レター」17号（1992年）、151〜153ページ]、又は被測定物体に、二光束干渉計から発する二重光線[「デュアルビーム」、Fercher. A. F.;Li. H. C.; Hitzenberger. C. K. 著「スリットランプレーザドップラー干渉計」参照、出典 : 専門誌「レーザ外科療法」13号（1993年）、447〜452ページ]を照射し、当二光束干渉計における光路差を被測定物体における反射点間の光学距離に当てはめて計測光線長を測定する。
【０００５】
縦方向の深部情報は短コヒーレンス干渉法により、それに対して横方向の情報は計測光走査によって得るというのは両法共通している。縦方向、つまり照射光線方向については短コヒーレンス干渉法により非常に高い光学分解能（=分離可能な最小限界距離にある二点の把握）が達成される。それはほぼコヒーレンス長lＣ=λ２/△λ（λ=使用した光の波長、△λ=使用した光の帯幅）に相当し、数μm単位の大きさである。それに対し、照射光線横断方向については同様に良好な光学分解能が達成されるのは極く例外的な場合だけである。
特に問題なのはこの横方向の光学分解能であり、そのレベルは物体深度全域に亘って均一ではない。いわゆる可干渉性動的焦点を使用すれば、物体深度全域に亘って均一で高い分解能が達成される。可干渉性動的焦点というのは、空間的移動があった場合でも参照光に対して常に可干渉性を維持している光束の焦点という意味である。
【０００６】
可干渉性動的焦点の実現には既に幾つかの提案がなされている。
集束光は、物体の正確な位置測定及び位置設定に既に随分以前から利用されている。しかし、その場合では常に物体表面の位置確認であり、物体深部構造の測定ではない。例えばドイツの公開公報 DE 2 333 281（公開日1974年1月17日）には干渉法（但し、短コヒーレンス干渉法ではない）をベースとした光学系焦点調整方法に関する記述がある。それによると、計測光は物体表面に集束され、反射光は参照光により干渉される。その時の干渉縞の形態で、物体表面が焦点に一致しているか否かを判断する。
このように、この方法は個々の物体表面の位置確認にしか適さないので、本発明の方法とは直接比較し得るものではない。その上、統計上明らかであるが、深部構造に於いては殆ど解釈の仕様のない干渉現象、いわゆるスペックルが発生する。
【０００７】
これとは別に、アメリカ特許 US 4,589,773（特許日1986年5月20日）にも物体表面の位置測定法が紹介されている。この場合では公知の光線切断顕微鏡の場合と同様計測光束を斜めから照射する。そのため、物体の縦方向の移動により物体表面上の光斑点が横方向へ移動する結果となる。この光斑点は、光斑点の本来の位置における記録を電気的信号に変えた上で物体の位置確認をする特殊な光検出器に投射される。この方法も個々の表面の位置確認しかできず、物体の深部構造の記録には適していない。この方法は干渉計測法には基づかないので、干渉分析感度も有せず、従って本発明に基づく方法とは比較できない。
【０００８】
個々の物体表面の位置確認には、CDプレートにおける集束問題との関連で別な方法も知られている。例えば、アメリカ特許 US 4,631,395（特許日1986年12月23日）及び US 4,866,262（特許日1989年9月12日）である。これらの方法も個々の表面の位置確認しかできず、物体の深部構造の記録には適していない。これらの方法は干渉計測法には基づかないので、本発明に基づく方法とは比較できない。
【０００９】
それに対して、コヒーレンスの寿命測定及びコヒーレンストモグラフィーにおける横方向分解能の問題については国際PCT出願 WO 92/19930「画像形成及び光計測のための方法及び装置」（特許日 : 1991年4月29日、発明者 : Huang. D.; Fujimoto. J.G.; Puliafito.C. A.; Lin. C. P.; Schuman. J. S.）に記述されている。
この特許公報によると、物体深度全体に亘り高くて均一な横方向の分解能は、測定焦点の移動と同時に参照光路内の転向鏡を同期移動させることによって達成されるとしている。
【００１０】
測定焦点と参照光内に設置された転向鏡との同期移動は、確かに技術的には可能であるが、しかし相当な機械的及び電子工学的追加コストが必要である。しかも、計測光路と参照光路とでは屈折率が異なるので、一般には測定焦点の幾何学的移動は参照光における光学長変化と相応性がない。それ故、学術文献には焦点移動と計測光、参照光間の光学長の補整を唯一つの光学構成要素の移動によって実現するという提案がなされている[例えば、Fercher. A. F.著「光学コヒーレンストモグラフィー」、出典 : 専門誌「生体医療光学」第1巻（1996年）、第2号、157〜173ページ]。
【００１１】
図１は、学術文献に記載された可干渉性動的焦点によるコヒーレンス距離測定のための装置を表したものである。
それによると、光源1から放射された短コヒーレンス長の光線2が光線分割器3に当たって、その表面で測定光4と参照光5に分割される。参照光5は参照鏡6によって反射し、光線分割器3を通って干渉計出口の光検出器19に到る。光線2のうち光線分割器3を真っ直ぐに通過する成分は、計測光4として光線分割器7に到り、レンズ9によりその焦点11に集束する。焦点11は反射器として機能する凸面鏡10の曲面中心線上にある。凸面鏡10で反射された計測光4はレンズ9によって元通り視準され、レンズ12に到達して新たに集束する。走査鏡13及び14を通過した計測光4は、最終的には被測定物体15上に合わせた可干渉性動的焦点16に集束する。走査鏡13及び14は回転軸13'及び14'の周りを回るので、計測光4を被測定物体15の任意のx座標、y座標にセットすることができる。
【００１２】
被測定物体15で反射された計測光17は凸面鏡10にまで戻り、そこで再び反射され、光線分割器7及び3、さらにはレンズ18を通って光検出器19に到達する。その光検出器19に於いて計測光17と参照鏡6で反射された参照光5とが干渉し合い、生じた光強度に比例した干渉計電子信号ISを発することになる。
この装置の場合、コヒーレンス走査は、反射器10を動かすことによって達成される。それは双方矢印20が示すところである。この運動によって焦点11が移動することとなり、その結果焦点16も被測定物体においてz方向に移動する。転向鏡6を、双方矢印21の示す如く、参照光5の軸方向に移動させることにより、焦点16からの反射光と参照光5間のコヒーレンスは干渉計出口（光検出器19）で調整される。そこでコヒーレンス走査を実施した場合、焦点16は被測定物体15によりz方向に移動させられる。焦点移動と同時に起こる光路長の変化が、この焦点からの反射光と参照光とのコヒーレンスの維持に寄与している（従って、“可干渉性動的焦点”とも称される）。
【００１３】
そのほか、各部品表面における反射損量の抑制化のために、及びここで使用されている干渉計の光線分割器最適化のために公知レベルの偏光レンズが利用されていることも付け加えておかねばならない。しかし、これは公知レベルの一般的な干渉計光学技術の域を出ないので、ここでは詳しくは立ち入らないことにする。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１に描かれた従来の短コヒーレンス干渉計は、調整が非常に困難で、好ましくないいわゆる寄生的反射に起因する解決し難い問題を抱えている。その理由は、光線分割器7やレンズ9など幾つかの構成部は計測光を同じように4回ずつ通さねばならないという事実にある。これは、焦点を形成する光束4が物体15に到る光路途中で既に一回反射しているということから来ている。その時の光の反射が反射表面の何処におけるものかを光路調整時に決定するのは非常に困難であるため、装置の調整が極めて難しくなる。しかも、この反射が装置の信号対雑音比の関係も悪化させている。
【００１５】
従って、計測光の光路が簡単に確認できて、簡単に調整もでき、また種々の構成部に現れる寄生的反射を容易に回避し得て、その上計測光路内の反射損失が少なく、それにより信号対雑音比の関係も改善されているという、可干渉性動的焦点に基づく調整容易な光学コヒーレンストモグラフィー法を見出すことが技術的課題となる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、計測光（図２では３６）をまず可動プレート鏡（図２では４１）近くに集束させ、可動プレート鏡に向けて照射された計測光の入射光線と反射光線とで形成される角度α（図２）が、角度π以下となるように設定された当プレート鏡で被測定物体の方向へ反射させ、また計測光焦点（図２では４０）を可動プレート鏡及びその他のレンズを通して被測定物体に結像させることにより解消される。
【００１７】
【発明の実施の態様】
本発明に基づく方法の実施態様を図２を基にして説明する。
図２では部分コヒーレントな光源、例えばファイバー状出口31を持つスーパールミネセンスダイオード30が、時間的コヒーレンスの小さい、但し空間的コヒーレンスの大きな光束32を放射する。この光束はレンズ33によって視準化され、光線分割器34に達する。その時、光束の一部は光線分割器34を通過して計測光36を形成する。光束の他の部分は光線分割器34で反射され、参照光束37を形成する。後者は屋根型転向プリズム38により、例えば鏡35の方向に向けられ、そこで反射されて逆進する。
【００１８】
計測光36は、図３に示されている通り、レンズ39により可動プレート鏡41近くの焦点40に集束する。鏡41はレンズ39に向いたほうが鏡面である。この鏡は反復揺れ運動（双方矢印42で表示）か、あるいは回転運動により自身の回転軸43の周りを動く。焦点40がこの鏡面の前にある場合にはその虚像40'が移動する。焦点40がプレート鏡の鏡面の背後にある場合でも同様にプレート鏡41の運動と共に移動する仮想焦点が生じる。どちらの場合でも後続レンズ（例えば図２のレンズ44、47及び48）を通して物体49に投影される可動又は動的焦点（40'）が形成される。
【００１９】
動的焦点40'から出た計測光36'は、レンズ44により近似的に視準化され、回転軸45'及び46'を持つ二つの旋回型（双方矢印で表示）転向鏡45及び46によりさらに物体方向に導かれる。レンズ47は、レンズ48を通して最終的には可干渉性動的焦点50として被測定物体49に投影される焦点40''に計測光36'を集束する。
【００２０】
可干渉性動的焦点50からの反射光束51は、レンズ48、47、44、39及び鏡46、45、41を通って逆戻りし、光線分割器34及びレンズ52を通過して光検出器53に達し、そこで参照光束37と干渉し合う。
この干渉が成就されるためには、参照光路長が測定光路長と同じでなければならない。これは、双方矢印が示すように、屋根型転向プリズム38及び/又は鏡35を移動させることにより可能である。
【００２１】
屋根型転向プリズム38及び鏡35は、例えばステップモータ制御式の長形走査テーブル上に組み立てられている。従って、参照光路、計測光路間で必要な長さ調整が迅速に行える。この光路調整を一旦行えば、転向プリズム38及び鏡35は、コヒーレンス走査の間、動かずそのままになる。これが本発明に基づく方法の重要な特徴である。
【００２２】
本発明に基づく方法のもう一つの大きな特徴は、図１に示された装置とは違い、いずれの光学構成成分も計測光を4回通過させる必要はないという点である。動的焦点40'の位置ずれは光学路の部分的変更によって調整する。その前提条件は、一つには動的焦点40'が寸法1:1の比率で物体に投影されることであり、また一つには物体を透過する光束が折れることなく、物体の屈折率が1に近いことである。
但し、特に後者については一般的には当てはまらない。それどころか、一般には計測光36'の物体49への入射箇所では屈折も起こると思われる。光の屈折が起きると、屈折無しでは物体深度Zの位置にある焦点60が実際には深度Z'のところに現れる。この模様は図４に表してある。
【００２３】
焦点50に集束された光束36'について言えば、幾何光学の法則によると、開口が小さい場合では、初期近似値Z'=n.Z、開口が大きい場合ではZ'=n２.Zとなる。但し、nは物体の位相屈折率である。焦点50に集束される光線に対する開口が中程度の場合では、Z'値はN.Zとn２.Zの中間になる。
【００２４】
その上、短コヒーレンス干渉法では、物体中の光路長は幾何光路×物体の群屈折率Nとなるので、長さにしてZの焦点移動は実際には小開口でZ'=n.N.Z、大開口でZ'=n２.N.Zとなる。それ故、焦点50の可干渉性維持のためには動的焦点像40'をレンズ44、47及び48により物体へ投影するに際して幾何光学的拡大を行わねばならないが、焦点50に集束される光線に対し、小開口の場合では縦方向比率1:1/(n.N)、大開口の場合では縦方向比率1:1/(n２.N)としなければならない。焦点50に集束される光線に対し開口が中程度の場合は、縦方向比率として1:1/(n.N)と1:1/(n２.N)の中間値を適用する。
【００２５】
動的焦点像40'の形成に利用されるプレート鏡41は、反復揺れ運動型でも回転運動型でもよい。
本発明の別な実施態様として、プレート鏡41の代わりに回転式多角形鏡61が利用されることがある。回転式多角形鏡 ― ここでは5つのプレート鏡からなるタイプ ― は回転速度が非常に速いので、極めて迅速なトモグラフィー法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】公知の可干渉性動的焦点によるコヒーレンストモグラフィー
【図２】 本発明可干渉性動的焦点によるコヒーレンストモグラフィー
【図３】 動的焦点による像の生成
【図４】 物体の光学密度及び物体表面上における光の屈折により惹起された物体内焦点移動
【図５】 回転式多角形鏡における実焦点の反射による動的焦点像の生成
【符号の説明】
1...空間的コヒーレンスが大きく、時間的コヒーレンスの小さい光源
2...空間的コヒーレンスが大きく、時間的コヒーレンスの小さい光線
3...光線分割器
4...計測光
5...参照光
6...参照鏡
7...光線分割器
9...集束レンズ
10...凸面鏡
11...凸面鏡の焦点
12...集束レンズ
13...走査鏡
13'...鏡13の回転軸
14...走査鏡
14'...鏡14の回転軸
15...トモグラムの作成対象である被測定物体
16...可干渉性動的焦点
17...計測光
18...レンズ
19...光検出器
20...コヒーレンス走査における鏡10の運動方向
21...計測光と参照光間のコヒーレンス調整のための参照鏡6の運動方向
30...時間的コヒーレンスが小さく、空間的コヒーレンスの大きい光源
31...光源30のファイバー状出口
32...時間的コヒーレンスが小さく、空間的コヒーレンスの大きい光束
33...視準レンズ
34...光線分離器
35...鏡
36、36'...計測光
37...参照光束
38...屋根型転向プリズム
39...レンズ
40...計測光焦点
40'...動的焦点
40''...動的焦点
41...鏡
42...鏡41の運動方向
43...鏡41の回転軸
43'...鏡41の駆動モーター
44...視準レンズ
45...計測光36'のx方向制御用転向鏡
45'...転向鏡45の回転軸
46...計測光36'のy方向制御用転向鏡
46'...転向鏡46の回転軸
47...集束レンズ
48...結像レンズ
49...測定物体
50...可干渉性動的焦点
51...物体点からの反射光束
52...レンズ
53...光検出器
60...光の屈折がない場合の焦点位置
61...多角形鏡
Claims (5)
- 計測光３６（図２）を、まず可動プレート鏡４１の鏡面の前あるいは背後に集束させ、可動プレート鏡に向けて照射された計測光の入射光線と反射光線とで形成される角度α（図２）が、角度π以下となるように設定された当プレート鏡で被測定物体の方向へ反射させ、また計測光焦点４０を可動プレート鏡４１及びその他のレンズを通して被測定物体に結像させることを特徴とし、参照光による干渉のために参照腕で必要とする光路長として、物体内計測光に沿ってそれぞれ測定する短コヒーレンス干渉計の計測光を用い、その計測光を辿って行った観察物体の走査、透過に基づき、光の反射位置を記録することを基礎とする、横方向分解能を高めたコヒーレンストモグラフィー法であって、
横方向分解能を最大限上げるために計測光をそれぞれ観察物体の反射位置に集束させ、また、計測光の焦点を測定長に沿って動かす場合は、参照光に対して可干渉性を維持し、さらには、必要となる計測光の焦点移動及び参照光に対する可干渉性の確保に必要な光路長補正を転向プリズム３８及び/又は鏡３５で一旦行なうことによって実現できる可干渉性動的焦点による光学コヒーレンストモグラフィー法 - マイケルソン干渉計の計測光３６中において可動プレート鏡４１で反射された実焦点４０（図３で４０'）を比率1:1で被測定物体４９に結像させることを特徴とする、請求項1に記載の横方向分解能を高めたコヒーレンス干渉計測定及びコヒーレンストモグラフィーのための装置
- マイケルソン干渉計の計測光３６中において可動プレート鏡４１（図２）で反射された実焦点４０を縦方向比率1:1以外の比率で結像させることを特徴とする、請求項1に記載の横方向分解能を高めたコヒーレンス干渉計測定及びコヒーレンストモグラフィーのための装置
- 反復揺れ運動をするプレート鏡４１（図３）に反射させることによって動的焦点４０’を生成させることを特徴とする、上記各請求項に記載の横方向分解能を高めたコヒーレンス干渉計測定及びコヒーレンストモグラフィーのための装置
- 回転運動をする多角形鏡６１（図５）に反射させることによって動的焦点４０’を生成させることを特徴とする、上記請求項１，２あるいは３に記載の横方向分解能を高めたコヒーレンス干渉計測定及びコヒーレンストモグラフィーのための装置
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