JP4512822B2 - 線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、線集光型フーリエドメイン干渉計による形状計測装置（本件ではこれを「線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置」という。）に関するものである。特に、本発明は、スペクトル干渉計と結像システムがそれぞれ異なる平面に構築されている構成を特徴とし、被計測体表面近傍に光を線集光させ、被計測体の１ラインの形状が機械的走査なしで計測できる、つまり、一枚の２次元画像センサ、例えば、２次元ＣＣＤ、２次元ＣＭＯＳ画像センサ等により２次元形状計測が可能であり、しかも高速３次元形状計測に適している線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置に関するものである。

工業分野等において物体の形状を計測するための非接触かつ高分解能な計測手段として、従来、光の干渉を利用した計測が行われている。その中でも現在では、白色干渉計測が盛んに応用されている。白色干渉計測では広帯域な光源、つまり低コヒーレンス光源が使用される。一般的にその光学系はマイケルソン干渉計からなり、被計測体（計測する対象となる物体）によって反射された物体光とミラーによって反射された参照光により干渉縞が形成される。

低コヒーレンス光源を使用しているため、この干渉縞は参照光と物体光の光路長差が等しい付近でのみ現れる。よって被計測体の高さ（深さ）の絶対長が計測でき、単色光源を使用する干渉計とは異なり高さの不確定性が存在しないため広範囲の計測が可能になる。このような「非接触」、「高分解能」、「広範囲計測」などの特徴は３次元形状計測の現場において常に要求されるものであり、白色干渉計が有用な計測手段であると言える。

白色干渉計測の具体的な適用として、従来、光コヒーレンストモグラフィー（Optica1 coherence tomography:略称「ＯＣＴ」)が非破壊・非接触の生体内部計測装置として利用されている。この光コヒーレンストモグラフィーでは、時間的に低コヒーレントな光を使用することで数μｍという高分解能な計測が可能になり、近年では角膜や網膜の断面計測など特に眼科の分野で応用されている（特許文献１〜４参照）。
特開２００３−３２９５７７ 特開２００２−３１０８９７ 特開平１１−３２５８４９ 特開２００１−０５９７１４

現在、白色干渉計には「高速計測」という更なるニーズがあるが、従来の白色干渉計は十分な高速化が実現されていない。その計測時間遅延の主な原因は、機械的な走査である。即ち、白色干渉計では、光路長差が等しく干渉縞が現れる位置を探すための機械的走査が必要不可欠であり、さらにこの走査は、原理的に二つの制限を受けてしまう。

第一に、その走査距離である。この走査距離は計測範囲に依存し、より広範囲の計測を行おうとするとより長い距離の走査が必要となる。

第二に、そのサンプリング間隔である。通常白色干渉計では、光源の中心波長に依存した高周波成分(キャリア)と、光源の波長幅に依存した包絡線(エンベロープ)の掛算によって表される信号が得られ、そのエンベロープの中心が被計測体の高さを示す。

つまり、キャリアとエンベロープから成る信号からエンベロープを抽出するという過程が必要となる。この過程においてエンベロープを正確に抽出するためには、基本的にキャリアのナイキスト周波数以上の高周波数のサンプリングを行わなければならず、一般的にそれは数百ｎｍ程度のサンプリング間隔となる。

これらの制限された走査幅とサンプリング間隔を満たすように機械的走査を行うと非常に多くのサンプリング数が必要となり、結果的に白色干渉計の計測時問を遅延させてしまうという問題がある。

。
現在までの研究において高速な走査機構やナイキスト周波数以下でのサンプリングからエンベロープを抽出するアルゴリズムが研究され、白色干渉計測の高速化が徐々に実現されつつあるが、それぞれ高価な機材や複雑なアルゴリズムが必要になってしまう。

ところで、光コヒーレンストモグラフィーについてみると、白色干渉計測に見られるようなサンプリング間隔に関する上記第二のような問題はなく、様々な利点を持つが、現在その計測時間が問題となっている。特に、生体計測の分野では動的生体の計測や生体内部の時間的な変化を観察したいという要求は以前より存在し、より高速なシステムが求められるからである。

光コヒーレンストモグラフィーは原理的に点計測システムであるため、一つの断面画像を得るのに深さ方向の情報を得るためのスキャン（Ａ−ｓｃａｎ）と横方向の位置の情報を得るためのスキャン（Ｂ−ｓｃａｎ）が必要となる。現在の光コヒーレンストモグラフィーの計測時間の大部分がこの高次元の機械的走査に費され、走査速度が計測時間を決定している。眼球のような生体の形状計測の場合は、人体への安全上の観点から光の照射量の上限が決められており、計測時間の短縮化が求められている。

以上の白色干渉計、光コヒーレンストモグラフィーにおける従来の間題の一つの改善策として、ここ数年フーリエドメイン干渉計（Fourier-domain Optica1 coherence tomography:略称「ＦＤ−ＯＣＴ」）が注目されている。フーリエドメイン干渉計は通常の光コヒーレンストモグラフィーとは異なり、Ａ−ｓｃａｎ無しで物体の深さ情報が得られる。つまりフーリエドメイン干渉計ではＢ−ｓｃａｎのみでの計測が可能になり、高速化に適している装置であるといえる。しかし、フーリエドメイン干渉計でもＢ−ｓｃａｎは必要であり、現在このＢ−ｓｃａｎの走査速度がフーリエドメイン干渉計の計測時間を決定する一つの要因となっている。

本発明は、フーリエドメイン干渉計を、より高精度、広範囲、高ＳＮ比での計測を可能とし、実用的な計測システムを構築することを目的とするものであり、スペクトル領域で光を干渉させることにより被計測体の深さ（高さ）方向のイメージを機械的走査無しで、得ることができる、線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を実現することを課題とする。

具体的には、被計測体に対し１ライン状に光を集光、照射し、ＣＣＤカメラワンショットで深さ方向の情報も、被計測体の横（又は縦）方向の位置の情報も一度で得ることができ、一切の機械的走査無しで、ＣＣＤカメラのフレームレートで決定される計測時間で、一つの断面画像が計測可能な線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を実現するものである。

本発明は上記課題を解決するために、マイケルソン干渉計から成る干渉計部分と、スペクトロメータ部分から構成されている線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置であって、光源から被計測体に向かう光の光軸をｚ軸とし、該ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つの軸をｘ軸及びｙ軸とすると、前記干渉計部分に、シリンドリカルレンズを、その湾曲面がｚ軸方向を向き、湾曲がｙ−ｚ平面に表れるように設けられ、前記スペクトロメータ部分に、溝の向きがｙ軸方向に形成された回折格子が設けられて、前記スペクトル干渉計はｙ−ｚ平面に構築され、結像光学系はｘ−ｚ平面に構築されており、前記被計測体のｘ軸上の１点においてｙ軸方向に向かう１ラインで光を集光させ、該被計測体の１ラインに沿ったｚ軸方向の２次元形状が機械的走査なしで一枚の２次元画像センサにより計測可能である構成を特徴とする線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を提供する。

本発明は上記課題を解決するために、マイケルソン干渉計から成る干渉計部分と、スペクトロメータ部分から構成されている線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置であって、前記干渉計部分は、光源から被計測体に向かう光の光路中に順次設けられたコリメートレンズと、シリンドリカルレンズと、ビームスプリッタと、対物レンズと、前記ビームスプリッタで分岐された光路中に設けられたレンズ及び参照ミラーから成り参照光を生成する参照アームと、前記対物レンズ及び前記参照アームから前記ビームスプリッタを介して送られてくる物体光及び参照光を前記スペクトロメータ部分に反射するミラーと、を有し、前記スペクトロメータ部分は、回折格子と、レンズと、２次元画像センサと、を有し、光源から被計測体に向かう光の光軸方向をｚ軸とし、該ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つの軸をｘ軸及びｙ軸とすると、前記シリンドリカルレンズは、その湾曲面はｚ軸方向に向き、湾曲がｙ−ｚ平面に表れるように配置されており、前記回折格子は、その溝の向きがｙ軸方向に形成されている構成であることを特徴とする線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を提供する。

前記参照ミラーを光軸方向に移動可能とし、参照光の位相を変化させる位相シフト手段を設けた構成としてもよい。

前記被計測体に対してｘ軸方向に光を走査することにより３次元形状計測が可能である構成としてもよい。

前記被計測体は、生体であり、生体組織の形状計測に使用される生体計測用の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置としてもよい。

前記被計測体は、眼球（人の眼球、動物の眼球等）であり、眼球の形状計測に使用される眼球計測用の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置としてもよい。

本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置によれば、被計測体の縦（又は横）の位置の情報と深さ方向の情報が、機械的走査無し、つまりＣＣＤカメラワンショットで被計測体の一つの断面計測が可能となる。

特に、１ラインの形状計測（１つの断面画像の計測）が、ＣＣＤカメラのワンショットで可能となるために、従来の光コヒーレンストモグラフィーにより２次元画像を得る際に必要であった走査が不要となる。よって、眼球に対する光の照射時間及び照射光量が少なくて済み、眼球検査における安全性が確保できる。

さらに、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を、被計測体に対してｘ軸方向に相対的に走査する走査機構を付加すれば、被計測体のｘ軸方向の各部位におけるｙ軸方向１ラインの形状が計測でき、高速な被計測体の３次元形状計測装置が実現できる。

さらに、参照ミラーをピエゾ素子で参照光路の光軸方向に移動可能として参照光の位相を変化をさせる位相シフト手段を付加すれば、深さ方向の計測レンジを、広げることがでいる。

本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を実施するための最良の形態について、基本構成及びその実施例を、図面を参照して、以下に説明する。

本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置の構成について説明する。図１（ａ）は、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置の基本構成（光学系）を示す図であり、図１（ｂ）は、被計測体を眼球として眼球計測に適用した後述する実施例１を説明する図である。

図１（ａ）において、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、図１（ａ）に示すように、大きく分けて、マイケルソン干渉計から成る干渉計部分２と、スペクトロメータ部分３の二つの部分から構成されている。

本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、干渉計部分２とスペクトロメータ部分３とから成る構成においては、従来のフーリエドメイン干渉計（ＦＤ−ＯＣＴ）と同じである。しかし、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、図１（ａ）に示すように、ビームスプリッタＢＳとコリメートレンズＬ１の問に、シリンドリカルレンズＣＬを設けた構成と、検出器として２次元画像センサ、例えば、２次元ＣＣＤカメラ４、或いはＣＭＯＳ画像センサを設けた構成において、従来のフーリエドメイン干渉計と異なる。

即ち、線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１の干渉計部分２は、光源ＬＳ、光ファイバ５、コリメートレンズＬ１、シリンドリカルレンズＣＬ、ビームスプリッタＢＳ、対物レンズＬ２、対物レンズＬ３、参照ミラーＭ１及びミラーＭ２から成る。対物レンズＬ３と参照ミラーＭ１は、参照アーム６（参照光を発生する部分）を構成している。スペクトロメータ部分３は、回折格子Ｇ、レンズＬ４、及び２次元ＣＣＤカメラ４から成る。ここで、２次元ＣＣＤカメラ４は、２次元画像センサの一例である２次元ＣＣＤセンサの具体例であるが、２次元画像センサとして２次元ＣＭＯＳ画像センサ等を設けてもよい。

このような構成の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１において、光源ＬＳから出た光の経路は、概略、次のとおりである。光源ＬＳから出た光は、光ファイバ５により送られコリメートレンズＬ１に入光し、シリンドリカルレンズＣＬを通り、ビームスプリッタＢＳにおいて、対物レンズＬ２に向かう光と対物レンズＬ３に向かう光に分けられる。対物レンズＬ２に向かう光は、被計測体Ｓを照射し、被計測体Ｓの表面近傍で反射され、再び対物レンズＬ２と通過して、物体光としてビームスプリッタＢＳに戻る。

一方、対物レンズＬ３に向かう光は、参照ミラーＭ１で反射されて、再び対物レンズＬ３を通過して、参照光としてビームスプリッタＢＳに戻る。そして、物体光と参照光は、ビームスプリッタＢＳからミラーＭ２を介してスペクトロメータ部分３の回折格子Ｇの回折表面を照射し、そこで反射、回折されレンズを通って２次元ＣＣＤカメラ４に入光する。なお、レンズＬ４は、詳細は後述するが、ｙ軸方向には結像に、ｘ軸方向にはフーリエ変換に、それぞれ用いられている。

さらに、本発明の特徴的な構成について詳細に説明するが、説明の都合上、図１（ａ）で示すようなｘ、ｙ、ｚ座標系を想定し、各座標軸を次のように定義する。即ち、光源ＳＬから出て被計測体に向けて進む光の光軸方向をｚ軸、ｚ軸に対して垂直で図１（ａ）の紙面に平行な軸をｘ軸、ｚ軸と紙面に対して垂直な軸をｙ軸と、それぞれ定義する。被計測体Ｓの表面にはｚ軸方向に凹凸が形成されており、この凹凸により、被計測体Ｓの表面の各点において、ｚ軸方向の位置、つまり「深さ（高さとも表現できる）」は異なる。

図２（ａ）、（ｂ）は、本発明の特徴的な構成の説明の便宜上、図１（ａ）におけるｘ−ｚ平面（図２（ａ））とｙ−ｚ平面（図２（ｂ））を分けて、しかも、線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１の光学系を構成する光学素子を左から右に順番に展開して並べた摸式的な図である。

即ち、図２（ａ）、（ｂ）では、被計測体Ｓの左側に、物体光が被計測体Ｓに到達するまでを示し、被計測体Ｓの右側に、物体光が被計測体Ｓから反射され２次元ＣＣＤカメラに到達するまでを示しており、ｘ−ｚ平面（図２（ａ））とｙ−ｚ平面（図２（ｂ））に分けて模式的に示す図である。そのため、被計測体Ｓの左右に位置する対物レンズＬ２は同一のものである。なお、図２（ａ）、（ｂ）では、ビームスプリッタＢＳ及びミラーＭ２は省略されている。

この図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１では、シリンドリカルレンズＣＬを設けることで、ｘｙｚ座標系におけるｘ−ｚ平面とｙ−ｚ平面について、それぞれ異なる光学系が構成されている。

図２（ｃ）は、シリンドリカルレンズＣＬ及び回折格子Ｇの設置の向きを、ｘｙｚ座標系との関係で明示する図である。この図２（ｃ）、或いは図２（ａ）、（ｂ）でも明らかなように、シリンドリカルレンズＣＬの湾曲面７はｚ軸方向に向き、湾曲面７の湾曲（輪郭）８は、ｙ−ｚ平面上に表れる（換言すれば、ｙ−ｚ平面に描かれる又は投影される）ように、シリンドリカルレンズＣＬの向きが決められて設けられている。

そして、シリンドリカルレンズＣＬのレンズ面の湾曲していない直線９の向きは、ｘ軸方向に揃えられている。このため、ｘ−ｚ平面ではシリンドリカルレンズＣＬの影響は受けず（図２（ａ）参照）、ｘ−ｚ平面における本装置の光学系は通常のフーリエドメイン干渉計（ＦＤ−ＯＣＴ）として扱うことができる。

ｙ−ｚ平面における光学系において、対物レンズＬ２とレンズＬ４によって被計測体Ｓの面とＣＣＤカメラ４のＣＣＤ検出面において結像関係が保たれている。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、対物レンズＬ２とレンズＬ４の問に回折格子Ｇが設けられているが、この回折格子Ｇは、一次元回折格子を用い、その溝１０がｙ軸方向に揃えられて置かれているため、回折はｘ−ｚ平面においてのみ生じ、ｙ一ｚ平面には影響を及ぼさない。ここで、レンズＬ４は、ｙ軸方向には結像に、ｘ軸方向にはフーリエ変換に、それぞれ用いられている。

以上の特徴的な構成を有する線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１により、被計測体Ｓのｚ軸方向の位置、つまり深さ（高さ）を計測する原理を、図２により説明する。図２（ａ）において、ｘ軸方向に関して、光源ＬＳから出てコリメートされた光（平行光）は、シリンドリカルレンズＣＬにはなんら影響されずに進み、対物レンズＬ２により被計測体Ｓの表面近傍のｘ軸方向の１点に集光し照射される。そして、被計測体Ｓの表面近傍で後方散乱（反射散乱）された光は、もう一度対物レンズＬ２を通り平行光となる。

その後、図２（ａ）では省略されているが、ビームスプリッタＢＳ、ミラーＭ２を通過し、スペクトロメータ部分３に入り、その中の回折格子Ｇに入射される。回折格子Ｇでは、光の各波長ごとに異なる角度に回折される。そして、レンズＬ４でフーリエ変換されＣＣＤ検出面上に集光されるが、波長によって異なる角度でレンズに入射するため、各波長によって異なる位置に集光される。

しかし、前述のとおり、一般的なフーリエドメイン干渉計と異なり、シリンドリカルレンズＣＬが設けられ、検出器として２次元ＣＣＤカメラ４を使用しているから、シリンドリカルレンズＣＬにより、一般的なフーリエドメイン干渉計では検出面上に一次元的に広がる干渉縞が２次元的に広がり、ｘ軸とｙ軸方向に異なる情報を含んだ光の強度分布が２次元ＣＣＤカメラ４から得られる。

ここで、ＣＣＤカメラ４のＣＣＤ検出面のｘ軸は波長を表しており、さらに、ＣＣＤカメラは強度検出素子であるため、ＣＣＤカメラからパワースペクトルが得られることになる。そのパワースペクトルが被計測体Ｓの表面の深さ方向（凹凸の高さ方向）の情報を含んでいる。

一方、ｙ軸に関しては、図２（ｂ）に示すように、光源ＬＳから出た光は、シリンドリカルレンズＣＬで集光され、さらにコリメートレンズレンズ２によりコリメートされるから、被計測体Ｓに均一照射される。そして、対物レンズＬ２とレンズＬ４により、被計測体ＳとＣＣＤ検出面に結像する関係が構築されているから、被計測体Ｓのｙ軸方向のある位置（点）で後方散乱（反射散乱）した光は、ＣＣＤ検出面のｙ軸方向の対応する位置に集まる。

つまり、ＣＣＤ検出面のｘ軸方向には被計測体Ｓの深さ方向の情報が、ｙ軸方向には被計測体Ｓのｙ軸方向の位置の情報が含まれているということである。このような情報を含む、２次元ＣＣＤカメラで得られた画像は、フーリエ画像であり、このフーリエ画像のデジタル情報をフーリエ逆変換（この変換は画像処理で周知であるからここでは説明は省略する。）することで、後述する図３、５〜７に示されるような実際の画像が得られる。

ＣＣＤカメラワンショットで得られる２次元的な光の強度分布は、次の数式１で表される。

この数式１において、ｘ軸方向に周波数ωが現れているが、図１に示すような光学系では、原理的にｘ軸には波長λが現れる。その波長λの軸を周波数ω軸に変換する数値処理を行うことで数式１のような光強度分布が得られる。

この２次元ＣＣＤカメラから得られるこの２次元の光強度分布をＸ方向、つまり周波数方向に通常のフーリエドメイン干渉計同様に一次元フーリエ変換を行う。すると次の数式２のようになる。

ここで★は、ｔに関する相関を表す。ｔは時間であり、光軸とｚ方向が等しいため被計測体Ｓのｚ方向の情報、つまり深さ（高さ）方向の情報が現れるのである。この数式２の第三項、第四項が一つの断面を表す光コヒーレンストモグラフィー信号とその共役信号を示している。

以上、まとめると、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置は、その結像光学系は、ｙ−ｚ平面に構築されており（図２（ｂ）参照）、光源ＬＳから出た光は、シリンドリカルレンズＣＬ、対物レンズＬ２より被計測体Ｓに均一照射され、ｘ−ｚ平面も含めて考えると、被計測体Ｓ表面近傍ではｙ軸方向に沿った線状（図２（ｃ）の線部分１１を参照）に光は集光される。

さらに、ｙ−ｚ平面においては、対物レンズＬ２とレンズＬ４によって被計測体Ｓ面とＣＣＤ検出面において結像関係が保たれている。そして、対物レンズＬ２とレンズＬ４問に回折格子Ｇが挿入してあるが、回折格子Ｇは一次元回折格子を用い、その溝１０の軸がｙ軸方向に置かれているため、ｙ−ｚ平面には影響を及ぼさない。これにより、被計測体Ｓのｙ軸方向の位置の情報がＣＣＤ検出面のｙ軸より得られる。

つまり、ＣＣＤカメラ４のｘ軸にはフーリエドメイン干渉計により被計測体Ｓのｚ方向の位置の情報を含んだスペクトル干渉縞が広がり、ｙ軸には結像光学系により被計測体Ｓのｙ軸方向の位置が現れることになり、機械的走査なしで被計測体Ｓのｙ軸方向１ラインの形状計測（１つの断面画像の計測）が可能となる。

（３次元形状計測）
図１に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、前述のとおり、機械的走査なしで被計測体Ｓのｙ軸方向１ラインの形状が計測できる。従って、図１に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１を、被計測体Ｓに対してｘ軸方向に相対的に走査する走査機構を付加すれば、被計測体Ｓのｘ軸方向の各部位におけるｙ軸方向１ラインの形状が計測でき、高速な被計測体Ｓの３次元形状計測装置となる。

走査機構は、被計測体Ｓの載置台をステッピングモータで移動する構成、或いは、光学系にガルバノミラーを設置する構成等がある。以上、本発明の構成を説明したが、さらに、本発明の実施例を説明する。

本発明の実施例１として、本発明を図１（ｂ）に示すように、豚の眼球の角膜の形状計測を行う線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置として適用した例を説明する。この実施例１の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、図１（ｂ）に示すとおりであるが、これは図１（ａ）と同じ構成であり、光源ＬＳとして、中心波長８２５ｎｍ、波長幅１８．１０ｎｍのスーパールミネッセントダイオード(Super1uminescentdiode:略称「ＳＬＤ」）を使用し、ＣＣＤカメラ４は、ＮＴＳＣ規格で速度が３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃのカメラを使用して成るものである。

図３は、実施例１の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１により、豚の眼球の角膜（前眼部）の計測結果を示す。図３（ａ）、（ｂ）の軸方向を明確とするために、ｙ、ｚ軸を付記したが、このｙ、ｚ軸は、図１のｙ、ｚ軸に対応しており、ｚ軸は、豚の眼球の角膜の深さ（奥行き）方向である。

図３（ａ）は、ＣＣＤカメラ４のワンショットから得られる断面画像を示し、図３（ｂ）は、ＣＣＤカメラ４のワンショットから得られる断面画像を５枚繋ぎ合わせたものであり、豚の眼球の角膜全体の画像が示されている。

この実施例１は、ｙ−ｚ平面における１ラインの形状計測（１つの断面画像の計測）が、ＣＣＤカメラ４のワンショットで可能となるために、従来の光コヒーレンストモグラフィーにより２次元画像を得る際に必要であった走査が不要となり、構成が簡単であり、画像取得時間が短くて済む。

さらに、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、ＳＮ比を向上させることができる。この点について以下に説明する。通常、フーリエドメイン干渉計のＳＮ比（信号−ノイズ比）は、照射時間と照射光量に比例する。このため、一点あたりの照射時間が長いほどそれに比例してＳＮ比が向上する。つまり、通常のフーリエドメイン干渉計ではその一点を走査するため、高速な計測を行うと一点あたりの照射時間が減少する。

これに対して、本発明では、ｙ軸上のすべての点を同時に計測するため、一枚の画像計測にかかる時間すべてが照射時間とみなすことができる。つまり、一枚の画像の計測時間をＴ、ｙ軸上の一ラインの計測点数をｎとすると、通常のフーリエドメイン干渉計ならば一点あたりの照射時間はＴ／ｎ、本発明であれば、ｎの数にかかわらずＴとなる。

従って、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１では、眼球全体に対する光の照射時間は、従来のフーリエドメイン干渉計と同じでも、ｙ軸上の一ラインの１つの計測点に対する照射時間及び照射光量は増加するから、ＳＮ比が向上する。

ところで、眼球検査では、１つの計測点に対する照射時間及び照射光量は、眼球の保健安全性の観点から、ある値以下となるように制限が課せられている。従来のフーリエドメイン干渉計では、ＳＮ比を向上させるために、１つの計測点に対する照射光量を増加させる必要があるが、上記保健安全性の観点から、照射光量の増加については制限されるので、ＳＮ比を向上させることができない。

しかしながら、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１では、前述のとおり、眼球の一点に対する照射光量を増加させることなく、従来のフーリエドメイン干渉計と同じでも、眼球に対する保健安全性を損なうことなくＳＮ比を向上させることが可能となる。よって、本発明は、この実施例１のように、眼球等の生体の形状計測への適用すると、安全性及、性能等の観点から極めて有用な効果を発揮する。

図４は、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置の実施例２を説明する図である。この実施例２の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１２は、図１に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１において、位相シフト手段を付加し、実施例１同様に、豚の眼球の前眼部の形状計測に適用した例である。

実施例２では、光源ＬＳとＣＣＤカメラ４は、実施例１と同じ仕様であるが、図４に示すように、参照ミラーＭ１をピエゾ素子ＰＺＴで、矢印に示すように、光軸方向に移動可能とし、参照光の位相を変化させる位相シフト手段を用いることで、利用できる計測レンジを広げる構成とした。

この他、参照光の位相を変化させる手段（参照光に変調をかける手段）は、RSOD（Rapid scanning optical delay line）を使用するなどの手段がある。

即ち、線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、基本的にはフーリエドメイン干渉計であり、フーリエドメイン干渉計では、深さ方向（ｚ方向）の計測レンジは、図１の回折格子Ｇ、レンズＬ４、ＣＣＤカメラ４の分解能により求まり、８．４ｍｍと計算される。

しかし、フーリエ変換後に光コヒーレンストモグラフィー信号と一緒に得られる０次ピークと共役信号により深さ（奥行き）方向の計測レンジが制限を受けてしまい、深さ方向の計測レンジは４ｍｍ程度である。そこで、位相シフト手段を用いることでこの０次ピークと共役信号を抑えることができ、８．４ｍｍの計測レンジを最大限に使用することができる。これにより、豚の眼球の角膜だけではなく、虹彩、レンズを含めた前眼部全体の計測を可能とする。

図５（ａ）〜（ｃ）は、実施例２の装置により得た豚の眼球の前眼部の画像であり、ｙ軸及びｚ軸は、図４のｙ軸及びｚ軸と対応している。図中、ＣＲは角膜、ＩＲは虹彩、ＬＳは水晶体をそれぞれ示している。以下、図５に沿ってさらに実施例２を説明する。

この実施例２では、位相シフト手段により、即ち、参照ミラーをピエゾ素子で光軸方向に移動して参照光の位相をπ／２ずつずれさせて計測し、スペクトル干渉縞が画像として現れている５枚の画像（図示せず。）を得た。

そして、これらの５枚の画像（スペクトル干渉縞）を、位相シフトアルゴリズムに基づいて加減乗除を行い、複素スペクトルを算出した後に、その複素スペクトルに実施例１と同じ一次元フーリエ変換処理を加えることで、図５（ｂ）に示す画像が得られる。つまり、図５（ｂ）は、位相シフト手段を使用した時の計測結果を示しており、深さ方向に８．４ｍｍの計測レンジを最大限に使用でき、後述の図５（ａ）に較べて、深さ方向にも鮮明な画像が得られることが示されている。

一方、上記５枚の画像のうち、任意の一枚に対して実施例１と同じ一次元フーリエ変換処理を加えることで、図５（ａ）に示す画像が得られる。つまり、図５（ａ）に示す画像は、位相シフト手段を使用しない時の計測結果を示している。

図５（ｃ）は、実施例２でｙ方向に位置を変えて取得した複数枚の図５（ｂ）に示すような画像を繋ぎ合わせて得られた画像であり、豚の眼球の前眼部全体を計測した結果を示している。

なお、ｙ方向の計測レンジについては、ｙ方向のビーム径、レンズ２とレンズ４から成る結像関係の倍率、ＣＣＤカメラ検出面のｙ軸方向の長さに依存しており、実施例１、２の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置ではＣＣＤカメラ検出面の長さにより制限されており４．３ｍｍと計算される。

本発明の実施例３として、図１（ａ）に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１を、非球面ミラーの３次元形状計測装置として適用した例を説明する。

この実施例３の構成は図１（ａ）に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１と同じであり、その具体的な仕様として、光源ＬＳは、中心波長８５６ｎｍ、波長幅２４ｎｍのスーパールミネッセントダイオードを使用し、ＣＣＤカメラは、ＮＴＳＣ規格で速度が３０ｆｒａｍｅ／ｓｅｃのものを使用した。図１に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１において、ステッピングモータにより被計測体Ｓの載置台をｘ軸方向に移動し、被計測体Ｓを機械的走査可能な構成とした。

実施例３の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１で、非球面ミラーの３次元形状計測を行った計測結果を、図６（ａ）、（ｂ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）にｘ、ｙ、ｚ軸の３次元座標（ｘ、ｙ、ｚ軸は図１のｘ、ｙ、ｚ軸に対応する。）を付記するが、ｚ軸方向に示される等高線は１０μｍ間隔である。

この３次元座標において、実施例３の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１によって３次元形状計測の結果得られた非球面ミラーの３次元形状計測画像が示されている。図６（ａ）、（ｂ）には、１つの非球面ミラーの異なった部分についての、それぞれ光軸に対する傾斜が大きい部分と小さい部分が明確に示されている。

本発明の実施例４は、図１に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１を、日本の１０円硬貨の３次元形状計測装置として適用した例である。この実施例４の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１は、被計測体Ｓを機械的走査可能な実施例３と同様の構成のものである。

実施例４による３次元形状計測の計測結果を図７に示す。図７（ａ）は、１０円硬貨の裏面の３次元形状計測画像であり、１０円硬貨の裏面には、年号の「平成十年」という文字が刻設されているが、３次元形状計測の結果、「成」の部分が、正確に３次元形状が計測できていることが確認できる。

図７（ｂ）は、１０円硬貨のｙ軸方向１ライン（図７（ａ）において点線で示す）の形状計測の結果を示している。要するに、図１の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１により、機械的走査なしでｙ軸方向１ラインの形状計測により、ｙ−ｚ平面の２次元形状が一枚のＣＣＤ画像から得られた計測結果の結果（本発明の断面画像の外郭線）を示

（諸性能）
以上、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置及びその実施例を説明したが、さらに本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置１の分解能等の諸性能を説明する。なお、計測レンジについては、実施例２の欄で説明したのでここでは省略する。

分解能は、ｚ方向については一般的な光コヒーレンストモグラフィーと同様に光源ＬＳの中心波長とそのスペクトル幅により決定され、実施例１、２の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置では１６．６μｍであった。一方、ｙ軸方向の分解能は、実施例１、２の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置では、前述のとおり、コリメートレンズＬ１とレンズＬ４が結像関係で構成されているためレーレの分解能により決定され、２５．４μｍであった。

本発明の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置のＳＮ比は、実施例２で説明した位相シフト手段を設けて位相シフトを行った場合と、設けない場合では、位相シフトを行った場合の方がインコヒーレントノイズが抑えられるのでＳＮ比は高くなる。位相シフトを行わない場合のＳＮ比が６０ｄＢ、行ったときが６５ｄＢであった。

本発明の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置の計測時問は、原理的にＣＣＤカメラワンショットで計測が可能であるから、ＣＣＤカメラのフレームレートが計測時問となる。実施例１、２に示す線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置では、ＣＣＤカメラのフレームレートが１／３０秒であったので、計測時間は１／３０ｓｅｃとなる。このように本発明の線集光型フーリエドメイン干渉装置は、機械的走査無しで２次元形状計測が可能である。

３次元形状計測についても、機械的走査は原理的な制限を受けず高速化可能である。実施例３では、走査機構としてステッピングモータを使用し試料載置台を移動する構成としたが、図６（ｂ）のように、２．６×２．６×０．８ｍｍの領域を１４０×１４０×１０２４点で計測するのに３０秒程度かかっている。

しかし、これはステッピングモータの制御によって大部分が費されており、ガルバノミラーを用いた走査機構等への走査機構を改善すれば、ＮＴＳＣ規格の一般的なＣＣＤカメラでも、同様の計測領域で３秒程度での計測が可能になり、より高速なＣＣＤを使用することでさらなる高速化を実現できる。

以上、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

以上のとおり、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置によれば、機械的走査無しで、ＣＣＤカメラワンショットで被計測体Ｓの一つの断面計測が可能となり、従来の光コヒーレンストモグラフィーにより２次元画像を得る際に必要であった走査が不要となるから、光の照射時間及び照射光量が少なくて済み、特に、安全性の確保を必要とする眼球計測、皮膚表面層の計測等の生体組織の検査に好適である。

図１（ａ）は、本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置の構成を示す図であり、図１（ｂ）は、被計測体を眼球として眼球計測に適用した実施例１を説明する図である。 本発明に係る線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置を説明する図である。 本発明の実施例１による計測結果を示す画像である。 本発明の実施例２を説明する図である。 本発明の実施例２による計測結果を示す画像である。 本発明の実施例３による計測結果を示す画像である。 本発明の実施例４による計測結果を示す画像である。

符号の説明

１ 線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置
２ 干渉計部分
３ スペクトロメータ部分
４ ＣＣＤカメラ
５ 光ファイバ
６ 参照アーム
７ シリンドリカルレンズの湾曲面
８ 湾曲輪郭
９ シリンドリカルレンズのレンズ面の湾曲していない直線
１０ 回折格子の溝
１１ 被計測体に線状に集光される線部分
ＬＳ 光源
Ｌ１ コリメートレンズ
Ｌ２ 対物レンズ
Ｌ３ 対物レンズ
Ｌ４ レンズ
ＣＬ シリンドリカルレンズ
ＢＳ ビームスプリッタ
Ｍ１ 参照ミラー
Ｍ２ ミラー
Ｇ 回折格子
Ｓ 被計測体
ＰＺＴ ピエゾ素子

Claims (5)

1. マイケルソン干渉計から成る干渉計部分と、スペクトロメータ部分から構成されている線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置であって、
   前記干渉計部分は、光源から被計測体に向かう光の光路中に順次設けられたコリメートレンズと、シリンドリカルレンズと、ビームスプリッタと、対物レンズと、前記ビームスプリッタで分岐された光路中に設けられたレンズ及び参照ミラーから成り参照光を生成する参照アームと、前記対物レンズ及び前記参照アームから前記ビームスプリッタを介して送られてくる物体光及び参照光を前記スペクトロメータ部分に反射するミラーと、を有し、
   前記スペクトロメータ部分は、回折格子と、レンズと、２次元画像センサと、を有し、
   光源から被計測体に向かう光の光軸方向をｚ軸とし、該ｚ軸に直交するとともに互いに直交する２つの軸をｘ軸及びｙ軸とすると、前記シリンドリカルレンズは、その湾曲面はｚ軸方向に向き、湾曲がｙ−ｚ平面に表れるように配置されており、前記回折格子は、その溝の向きがｙ軸方向に形成されている構成であることを特徴とする線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置。
2. 前記参照ミラーを光軸方向に移動可能とし、参照光の位相を変化させる位相シフト手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置。
3. 前記被計測体に対してｘ軸方向に光を走査することにより３次元形状計測が可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置。
4. 前記被計測体は、生体であり、生体組織の形状計測に使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置。
5. 前記被計測体は、眼球であり、眼球の形状計測に使用されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の線集光型フーリエドメイン干渉形状計測装置。