JP4916573B2 - 光干渉計測方法および光干渉計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射光と参照光とを干渉させることにより干渉光を発生させ、その干渉光を用いて測定対象を計測する光干渉計測方法および光干渉計測装置に関する。

ＯＣＴ（オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー）は、光の干渉現象を利用した断層撮影法である。ＯＣＴによれば、十数μｍという高い分解能を持つ断層計測を実現できる。そのため、ＯＣＴは、塗装膜などの構造物の断層像や、生体の断層像などを撮影する手法として注目されている（例えば、特許文献１および２参照。）。ＯＣＴは、眼科医療分野では既に実用化されている。例えば、ＯＣＴは、眼球内の網膜などの微細領域の断層像の撮影に用いられている。

ＯＣＴには、参照平面の走査が必要なＴＤ−ＯＣＴ（Time Domain−ＯＣＴ）と参照平面の走査が不要なＦＤ−ＯＣＴ（Frequency Domain−ＯＣＴ）の２種類がある。また、ＦＤ−ＯＣＴにも、スペクトロメータタイプと波長走査型光源タイプの２種類がある。

波長走査型光源タイプのＦＤ−ＯＣＴは、ＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source−ＯＣＴ）計測と呼ばれている。ＳＳ−ＯＣＴ計測では、まず、光源から射出されたコヒーレンス光を、測定対象に照射する測定光と、参照光とに分割する。そして、測定対象からの反射光と参照光とを合波して干渉させることにより干渉光を発生させ、その干渉光の強度に基づいて断層画像を取得する。ＳＳ−ＯＣＴ計測には、例えば、マイケルソン干渉計を用いることができる。

より詳しくは、ＳＳ−ＯＣＴ計測では、光源から射出される光の周波数を時間的に変化させながら干渉光を検出し、光周波数領域のインターフェログラムの周波数成分をフーリエ変換により分析する。そして、その分析結果より、測定対象中の複数の特定の深さ位置からの反射光の強度を検出し、その検出された反射光の強度を用いて断層画像を構築する。

図１２は、一般的なＳＳ−ＯＣＴ装置の一構成例の概略を示す図である。図１２に示すように、ＳＳ−ＯＣＴ装置は、干渉計１０１と波長走査型光源１０２と演算制御部１０３とを備える。以下、一般的なＳＳ−ＯＣＴ装置について説明する。

波長走査型光源１０２は、周波数が一定の範囲で変化するレーザ光を射出する。波長走査型光源１０２から射出されたレーザ光は、干渉計１０１に設置されている分波カプラ１０４に入射する。分波カプラ１０４は、入射されたレーザ光を、被測定物体に照射する測定光と、参照光とに分ける。

参照光は、サーキュレータ１０５を通って、コリメートレンズ１０６に入射する。コリメートレンズ１０６は参照光を平行光にする。コリメートレンズ１０６から出射した参照光は、参照平面としての参照ミラー１０７に照射される。参照ミラー１０７から反射した参照光は、コリメートレンズ１０６やサーキュレータ１０５を介して合波カプラ１０８に入射する。

一方、測定光は、サーキュレータ１０９を通って、コリメートレンズ１１０に入射する。コリメートレンズ１１０は測定光を平行光にする。コリメートレンズ１１０から出射した測定光は、ガルバノミラー１１１に入射する。ガルバノミラー１１１は、紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動して、測定光の反射角度を変化させる。ガルバノミラー１１１から反射した測定光は、フォーカシングレンズ１１２によって集光される。フォーカシングレンズ１１２によって集光された測定光は、被測定物体１１３に照射される。

被測定物体１１３で反射した光である信号光は、フォーカシングレンズ１１２、ガルバノミラー１１１、コリメートレンズ１１０、サーキュレータ１０９を介して合波カプラ１０８に入射する。

合波カプラ１０８は参照光と信号光とを合波して干渉させる。この干渉によって生ずる干渉光の光ビート信号が、光検出器として使用される差動アンプ１１４によって検出される。

差動アンプ１１４によって検出された干渉光の光ビート信号は、演算制御部１０３へ送信される。演算制御部１０３は、干渉光の光ビート信号の周波数成分をフーリエ変換により分析して、被測定物体１１３中の複数の特定の深さ位置からの反射光の強度分布を構築する。そして演算制御部１０３は、その構築された反射光の強度分布に基いて断層画像を構築する。この断層画像は、モニタ１１５に映し出される。

以上のように構成されたＳＳ−ＯＣＴ装置において、分波カプラ１０４から参照ミラー１０７を経た合波カプラ１０８までの光路長Ｈ１と、分波カプラ１０４から被測定物体１１３の反射面を経た合波カプラ１０８までの光路長Ｈ２とが等しいとき、干渉光の光ビート周波数はゼロとなる。干渉光の光ビート周波数がゼロとなるときの被測定物体１１３の反射面の深さ位置を、便宜上、ゼロ点と称す。

被測定物体１１３の反射面がゼロ点から深さｚだけ波長走査型光源１０２から遠い位置にあるとき、ゼロ点から反射面までの光路長ｚを光が往復する時間だけ、信号光は参照光から遅れて合波カプラ１０８に到達する。この時間遅れ量は、ｃを光速、ｎを被測定物体１１３の屈折率とすると、２ｎｚ／ｃとなる。

波長走査型光源１０２から射出されるレーザ光の周波数は、時間経過に応じて変化している。このため、合波カプラ１０８において干渉する参照光と反射光（信号光）との間に、上記したような時間遅れ量に応じた周波数差が生ずる。この周波数差が干渉光の光ビート信号として検出される。

ここで、例えば、波長走査型光源１０２から射出されるレーザ光の周波数が、時間経過に対して線形に増加する変化を一定の周波数範囲内で周期的に繰り返しており、ゼロ点から深さｚの位置にのみ被測定物体１１３の反射面が存在する場合を想定する。この場合、干渉する参照光と被測定物体からの反射光（信号光）のそれぞれの光周波数の時間的変化は、それぞれ図１３に示す直線Ａ（参照光）、直線Ｂ（信号光）のようになる。

参照光（直線Ａ）に対する信号光（直線Ｂ）の遅れ時間τは、被測定物体１１３の屈折率をｎとすると、τ＝２ｎｚ／ｃである。ここで、波長走査型光源１０２から射出される光の周波数の走査レートをα［Ｈｚ／ｓ］、波長走査型光源１０２から射出される光の周波数の走査時間をＴ［ｓ］、波長走査型光源１０２から射出される光の周波数が走査時間Ｔ［ｓ］内で変化する幅をΔｆ＝αＴ［Ｈｚ］とすると、差動アンプ１１４で受光される干渉光の強度は、下記（式１）で表されるビート周波数ｆｂで変動する。
ｆｂ＝ατ＝（Δｆ／Ｔ）（２ｎｚ／ｃ）・・・（式１）

実際には、被測定物体１１３の内部の深さ方向に沿った複数の異なる位置に反射面が存在し、これら複数の反射面からそれぞれ反射光が発生する。したがって、各反射光は、それぞれの深さ位置に対応した互いに異なる時間遅れ量、すなわち互いに異なる周波数成分を持つ。そのため、差動アンプ１１４で検出される干渉光の強度変化（光ビート信号）を、フーリエ変換を用いて周波数分析することにより、前記（式１）に基いて、各光ビート周波数に対応する各深さ位置からの反射光（信号光）の強度を検出することができる。そして、各反射光の強度の空間分布に基いて断層画像を構築することができる。

ゼロ点を基準とした反射面の深さｚが、光源から射出される光のコヒーレンス長より大きい場合、反射光（信号光）が参照光と干渉しないため、光ビート信号を検出することはできない。また、ゼロ点を基準とした反射面の深さｚが、光源から射出される光のコヒーレンス長より小さい場合であっても、深さｚに比例する光ビート周波数が光検出器もしくは演算制御部の応答周波数を超えると、反射光（信号光）の強度を正しく検出することはできない。そのため、ＳＳ−ＯＣＴ計測において測定可能な深さ方向の範囲は、光源から射出される光のコヒーレンス長と、光検出器の応答周波数と、演算制御部の応答周波数によって制限される。この制限から決定される深さ方向の測定可能範囲をＬＣとする。

次に、反射面がゼロ点を基準として光源に近い位置−ｚに位置する場合について説明する。この場合、干渉する参照光と被測定物体からの反射光（信号光）のそれぞれの光周波数の時間的変化は、それぞれ図１４に示す直線Ａ（参照光）、直線Ｂ（信号光）のようになる。

ゼロ点から深さ−ｚの位置にのみ反射面が存在する場合、図１４に示すように、参照光（直線Ａ）と信号光（直線Ｂ）の周波数の関係は、図１３に示す関係から逆転する。しかしながら、この場合の光ビート周波数は、ゼロ点から深さｚの位置に反射面が存在する場合と同等である。これは、前記（式１）において、ｆｂ（−ｚ）＝−ｆｂ（ｚ）となることからも分かる。

したがって、ＳＳ−ＯＣＴ計測では、ゼロ点に比べて光源に近い深さ−ｚに位置する反射面は、ゼロ点を中心に深さ方向に反転した折り返し像となって、深さｚに位置するかのように誤って検出されてしまうという原理的な課題がある。この折り返し像の検出を避けて、反射面の正規の断層画像を得るには、測定したい反射面が、ゼロ点を基準として深さＬＣまでの間に位置していなければならない。

そのため、測定対象の反射面の位置が既知である場合は、参照ミラーを機械的に移動させて、反射面がゼロ点から深さＬＣまでの間の中間に位置するように参照光の光路長を調整することが考えられる。これにより、折り返し像の検出を避けて、正規の断層画像を取得することができる。しかしながら、参照光の光路長の調整値を得るためには、測定対象の反射面の位置が、少なくとも±ＬＣ／２の精度で既知である必要がある。反射面の位置が未知である場合は、参照光の光路長の調整値も同様に不明であり、参照光の光路長を調整することはできない。したがって、反射面の位置が未知である場合や、反射面の位置が±ＬＣ／２よりも細かい精度もしくは±ＬＣ／２の精度で既知ではない場合には、断層画像を取得しても、その像が正規の像なのか、あるいはゼロ点を中心に折り返された像なのかを判定することができない。

特許文献３には、折り返された像の成分を消去することができるオプティカル・コヒーレント・トモグラフィ（ＯＣＴ）装置が開示されている。このオプティカル・コヒーレント・トモグラフィ装置は、参照光の光路中に設けられた光位相変調機構によって参照光の位相を反転させて、光ビート信号の中または反射光の強度分布の中の折り返し成分を消去させている。

特公平６−３５９４６号公報 特開２００７−０２４６７７号公報 特開２００６−２０１０８７号公報

以上説明したように、折り返し成分を消去することができるオプティカル・コヒーレント・トモグラフィ（ＯＣＴ）装置が既に提案されている。しかしながら、このオプティカル・コヒーレント・トモグラフィ装置は、折り返し像（反転画像）を消去するのに、高価な非線形結晶を用いた光位相変調機構と、位相変調量を制御するための機構とを備える必要がある。

本発明は、上記した従来の問題に鑑み、光の干渉現象を利用して検出した干渉光（光ビート信号）の折り返し像に関する問題を解決することができる光干渉計測方法および光干渉計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光干渉計測方法は、光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割し、前記参照光と、前記測定光が照射された測定対象から反射または後方散乱した光と、が干渉した干渉光を検出し、前記参照光又は前記測定光の光路長を変化させ、前記光路長の変化に応じた前記干渉光の変化に基いて、前記光路長の変化の前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定し、その判定の結果に基いて前記干渉光から前記測定対象を計測することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明の光干渉計測装置は、光を射出する光源ユニットと、前記光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、前記測定光が照射された測定対象から反射または後方散乱した光と前記参照光とを干渉させた干渉光を検出する干渉光検出手段と、前記参照光又は前記測定光の光路に設けられた光路長可変機構と、前記光路長可変機構の駆動による前記干渉光の変化に基づいて、前記光路長可変機構の駆動前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定する演算制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、光干渉計測の原理的問題である折り返し像が発生しても、検出した干渉光（光ビート信号）が正規の像を取得させるものであるのか、正規の像が折り返された像を取得させるものであるのかを簡易に判定することが可能となる。よって、光の干渉現象を利用して検出した干渉光（光ビート信号）の折り返し像に関する問題を解決することができる。

本発明の実施の形態におけるＳＳ−ＯＣＴ装置の一構成例の概略を示す図 本発明の実施の形態におけるＳＳ−ＯＣＴ装置の動作の一例を示すフローチャート 本発明の実施の形態における深さに対する反射光強度分布を示す図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の一構成例を説明するための図 本発明の実施の形態における折り返し像か否かの判定方法を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第１の変形例を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第２の変形例を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第３の変形例を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第４の変形例を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第５の変形例を説明するための図 本発明の実施の形態における光路長可変機構の第６の変形例を説明するための図 一般的なＳＳ−ＯＣＴ装置の一構成例の概略を示す図 ＳＳ−ＯＣＴ計測における参照光と信号光の周波数の関係を示す図 ＳＳ−ＯＣＴ計測における参照光と信号光の周波数の関係を示す図 ＳＳ−ＯＣＴ計測における正規の像と折り返し像の線対称関係を示す図

以下、本発明の実施の形態について、ＳＳ−ＯＣＴ装置を例に、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態におけるＳＳ−ＯＣＴ装置の一構成例の概略を示す図である。図１に示すように、ＳＳ−ＯＣＴ装置は、干渉計１と波長走査型光源２と演算制御部３とを備える。

光源ユニットの一例である波長走査型光源２は、波長すなわち周波数が一定の周期で変化する光を射出することができる。波長走査型光源２は光ファイバを介して干渉計１に接続している。具体的には、波長走査型光源２の光射出口が、光分割手段の一例である第一のカプラ４の光受入口に光ファイバを介して接続している。光分割手段には、光を固定比率で二分割する方向性結合器などを用いることができる。

第一のカプラ４の一方の光送出口は、光ファイバを介して第一のサーキュレータ５に接続している。また、第一のカプラ４の他方の光送出口は、光ファイバを介して第二のサーキュレータ６に接続している。第二のサーキュレータ６は、合波手段の一例である第二のカプラ７の光受入口に光ファイバを介して接続すると共に、測定ヘッド８に光ファイバを介して接続している。

測定ヘッド８は、コリメートレンズ９と、ガルバノミラー１０と、フォーカシングレンズ１２とを備えている。コリメートレンズ９は、第二のサーキュレータ６に接続する光ファイバから受光した光を平行光にする。ガルバノミラー１０は、コリメートレンズ９から受光した光の配向方向を変更する。また、ガルバノミラー１０は、紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動可能である。フォーカシングレンズ１２は、ガルバノミラー１０と測定対象１１との間に配設される。

第一のカプラ４から第二のサーキュレータ６を経て測定ヘッド８のコリメートレンズ９に入射した測定光は、平行光に成形された後、ガルバノミラー１０を経てフォーカシングレンズ１２で集光される。その後、測定光は、測定対象設置部に設置された測定対象１１に照射される。測定光が照射された測定対象１１の反射面から反射または後方散乱した光（信号光）は、フォーカシングレンズ１２を経て測定ヘッド８の内部に入射し、ガルバノミラー１０で反射してコリメートレンズ９を介して第二のサーキュレータ６に入射する。

この実施の形態では、第二のサーキュレータ６と測定ヘッド８により、測定対象１１に光を導いて照射する導波／照射手段を構成している。また、この実施の形態では、第二のサーキュレータ６と測定ヘッド８により、測定対象１１の多層膜によって反射または後方散乱した光を捕捉する捕捉手段を構成している。すなわち、この実施の形態では、第二のサーキュレータ６と測定ヘッド８により、導波／照射／捕捉手段を構成している。

第一のサーキュレータ５は、合波手段の一例である第二のカプラ７の光受入口に光ファイバを介して接続すると共に、参照光の光路長可変機構１３に光ファイバを介して接続している。

この実施の形態では、光路長可変機構１３は、コリメートレンズ１４と、参照平面１５と、ガルバノミラー１６とを備える。コリメートレンズ１４は、第一のサーキュレータ５に接続する光ファイバから受光した光を平行光にする。参照平面１５は、コリメートレンズ１４から受光した光を反射してコリメートレンズ１４へ戻す。ガルバノミラー１６は、コリメートレンズ１４と参照平面１５との間の光路中に配置される。また、ガルバノミラー１６は、紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動可能である。このガルバノミラー１６の回動動作は、演算制御部３から制御可能である。光路長可変機構１３による参照光の光路長の変化量及びその変化量の正負は、演算制御部３のメモリに予め記憶されている。

第二のカプラ７の光送出口は、光検出器として使用される差動アンプ１７に光ファイバを介して接続している。差動アンプ１７には、例えばバランスドフォトダイオードを用いることができる。差動アンプ１７の出力部は、光ビート信号の時間波形を、画像取得手段の一例である演算制御部３に信号出力する。

この実施の形態では、第二のカプラ７と差動アンプ１７によって、測定対象１１から反射または後方散乱した光（信号光）と参照光とを合波して干渉させ、該干渉により発生する干渉光を検出する干渉光検出手段を構成している。

演算制御部３は、アナログ／デジタル変換回路１８、フーリエ変換回路１９、ＣＰＵ２０および記憶部２１を備える。差動アンプ１７から送信された信号は、アナログ／デジタル変換回路１８によってデジタル信号に変換された後、フーリエ変換回路１９へ送信される。フーリエ変換回路１９は、差動アンプ１７によって検出された光ビート信号の周波数成分をフーリエ変換する。ＣＰＵ２０は、フーリエ変換回路１９によるフーリエ変換の結果から断層画像を構築する。記憶部２１には、メモリやＨＤＤが用いられる。

演算制御部３の出力部は、波長走査型光源２、測定ヘッド８、光路長可変機構１３、およびＣＰＵ２０による演算結果を映し出すモニタ２２に接続している。演算制御部３は、入力された情報に基いて、波長走査型光源２、測定ヘッド８、光路長可変機構１３、およびモニタ２２を制御できるように構成されている。例えば、ＣＰＵ２０の制御により、波長走査型光源２から、波長が一定の範囲で周期的に変化するレーザ光が射出される。また、ＣＰＵ２０の制御により、測定ヘッド８内に設置されたガルバノミラー１０が回動して、測定光で測定対象１１を走査する。ここでは、表示／出力装置の一例としてモニタ２２を用いる場合について説明するが、表示／出力装置には、モニタ以外にも、例えばプリンタなどを用いることができる。

図２は本発明の実施の形態におけるＳＳ−ＯＣＴ装置の動作の一例を示すフローチャートである。詳しくは、図２は、光ビート信号（干渉光）に基づく画像が、正規の像（正規画像）か折り返し像（反転画像）かを判定する動作に係るフローチャートを示す。

ステップＳ１において、演算制御部３は、時間的に波長が変化する光を波長走査型光源２から射出させる。波長走査型光源２から射出された光は、第一のカプラ４で、例えば５％と９５％の割合で分波される。そして、５％の光は、第一のサーキュレータ５を通り、コリメートレンズ１４によって平行光にされて、参照光として参照平面１５へ入射する。一方、９５％の光は、第二のサーキュレータ６を通り、測定ヘッド８から測定光として測定対象１１へ入射する。

参照平面１５に入射した光（参照光）は、そのまま反射してコリメートレンズ１４と第一のサーキュレータ５を通って第二のカプラ７に入射する。一方、測定対象１１の反射面で反射または後方散乱した光（信号光）は、測定ヘッド８のフォーカシングレンズ１２で集光され、第二のサーキュレータ６を通って第二のカプラ７に入射する。これら２つの光は第二のカプラ７において合波されて干渉する。この干渉によって生ずる干渉光の光ビート信号が、差動アンプ１７で検出される。

次に、ステップＳ２において、演算制御部３は、差動アンプ１７で検出された光ビート信号（干渉光の強度変化）に対して、フーリエ変換回路１９を用いて周波数解析を実行する。演算制御部３のＣＰＵ２０は、フーリエ変換回路１９による周波数解析の結果と後記する（式２）に基づき、光ビート信号の周波数に対応する反射光強度（測定対象１１の深さ情報）を抽出する。例えば、ゼロ点から深さｚの位置にのみ測定対象１１の反射面が存在する場合を想定すると、深さに対する反射光強度は、図３（ａ）に示すようになる。

参照光に対する信号光の遅れ時間τは、測定対象１１の屈折率をｎとすると、τ＝２ｎｚ／ｃである。ここで、波長走査型光源２から射出される光の周波数の走査レートをα［Ｈｚ／ｓ］、波長走査型光源２から射出される光の周波数の走査時間をＴ［ｓ］、波長走査型光源２から射出される光の周波数が走査時間Ｔ［ｓ］内で変化する幅をΔｆ＝αＴ［Ｈｚ］とすると、差動アンプ１７で受光される干渉光のビート周波数ｆｂは、下記（式２）となる。
ｆｂ＝ατ＝（Δｆ／Ｔ）（２ｎｚ／ｃ）・・・（式２）

演算制御部３は、測定対象１１の深さ情報を記憶部２１に記憶させた後、ステップＳ３において、光路長可変機構１３を動作させる。光路長可変機構１３は、演算制御部３から信号を受けて、参照光の光路長を変化させる。

ここで、光路長可変機構１３について説明する。光路長可変機構１３は、例えば、参照平面１５とガルバノミラー１６を図４に示すように組み合わせて構成することができる。

ガルバノミラー１６の傾き（回転角度）は、演算制御部３により制御される。ガルバノミラー１６が破線で示すように傾いている場合、参照光Ｈは、ガルバノミラー１６で遮られることなく、参照平面１５に入射して、コリメートレンズ１４へ戻っていく。一方、ガルバノミラー１６が実線で示すように参照光Ｈに対して垂直となるように傾いている場合には、参照光Ｈは参照平面１５には入射せず、ガルバノミラー１６で反射してコリメートレンズ１４に戻っていく。

したがって、図４に示す光路長可変機構１３によれば、ガルバノミラー１６の傾きを制御することにより、参照光の光路長を２段階に可変させることができる。この参照光の光路長差、すなわち光路長の変化量及びその変化量の正負は、ガルバノミラー１６と参照平面１５との位置関係や、ガルバノミラー１６の傾き（回転角度）の変化から求めることができる。しかし、光路長の変化量及びその変化量の正負は、参照光の光路長を変化させたことによる光ビート信号の変化から算出することが好ましい。この実施の形態では、反射面の深さ位置が既知である測定対象を用いて、光路長可変機構１３で参照光の光路長を変化させたときの光ビート信号の変化を予め求める。このとき、測定対象をｚ方向へ前後移動させるか、光路長可変機構１３を参照光の光路長に沿って前後移動させることにより、光ビート信号を用いて構築される画像が折り返し像か否かの判定を行い、折り返し像が発生しないようにする。そして、光ビート信号の変化から、参照光の光路長の変化量及びその変化量の正負を算出し、その算出した結果を演算制御部３の記憶部２１に予め記憶させるものとする。

光ビート周波数の変化が正方向への変化か、負方向への変化かの判断を行うためには、光路長の変化量が、少なくともＳＳ−ＯＣＴ装置の奥行き分解能以上である必要がある。なお、光路長の変化量は大きいほど好ましく、より好ましくは、光路長の変化の範囲が測定可能範囲ＬＣと等しい状態である。

参照光の光路長を可変させる機構（光路長可変機構）としては、一般的には、参照ミラーを機械的に平行移動させることができる機械式ステージを用いることが考えられる。しかしながら、機械的ステージを用いた場合、ステージの移動速度などの制限により、光路長に大きな変化を与えるのに、ＳＳ−ＯＣＴ装置による測定時間（干渉光の検出時間）以上の時間を要する。なお、ＳＳ−ＯＣＴ装置による測定時間は、具体的には、波長走査型光源からレーザ光が出射されてから断層画像が構築されるまでの時間である。例えば、ＳＳ−ＯＣＴ装置の測定可能範囲ＬＣが、波長走査型光源から射出される光のコヒーレンス長に制限されて約５ｍｍである場合について考える。この場合には、機械式ステージによる参照ミラーの平行移動によって、参照光の光路長に、コヒーレンス長と同等の５ｍｍの変化を引き起こすことが望ましい。しかし、この５ｍｍの平行移動には、例えばステッピングモータを用いて速度１０ｍｍ／ｓで参照ミラーを移動させる場合、５００ｍｓの時間が必要となる。

ＳＳ−ＯＣＴ計測の場合、測定速度は１ポイント当たり数百μｓ（数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ）であり、例えば、５００ラインの測定で１つの断層画像を構築する場合でも測定時間は数十ｍｓ程度である。このように、ＳＳ−ＯＣＴ装置では高速に断層画像が取得できる。しかしながら、上記のような機械式ステージを用いた場合、参照ミラーの移動時間が、ＳＳ−ＯＣＴ装置による実際の測定時間以上に長くなるという問題がある。

このような問題から、光路長可変機構１３は、例えば数ｍｍ程度の大きな変化量を参照光の光路長に与える動作を、数ｍｓ程度の応答速度で瞬時に行えるような機構であることが好ましい。この実施の形態の光路長可変機構１３によれば、高速な応答速度を持つガルバノミラー１６の傾きを制御して、参照光の光路長を非連続的に変化させることができる。よって、参照光の光路長に大きな変化量を高速に与えることができる。具体的には、ＳＳ−ＯＣＴ装置による測定時間よりも短い時間で、参照光の光路長を切り替えることができる。よって、検出された光ビート信号（干渉光）に基づく画像が折り返し像（反転画像）か正規の像（正規画像）かの判定を正確に行うことが可能となる上、断層像撮影に係る時間の増加を少なくできる。

図２に示すフローチャートの説明に戻る。参照光の光路長が変化した後、ステップＳ４において、演算制御部３は、再度、時間的に波長が変化する光を波長走査型光源２から射出させる。

波長走査型光源２から射出された光は、第一のカプラ４で、例えば５％と９５％の割合で分波される。そして、５％の光は、第一のサーキュレータ５を通り、コリメートレンズ１４によって平行光にされて、参照光としてガルバノミラー１６へ入射する。一方、９５％の光は、第二のサーキュレータ６を通り、測定ヘッド８から測定光として測定対象１１へ入射する。

ガルバノミラー１６に入射した光（参照光）は、そのまま反射してコリメートレンズ１４と第一のサーキュレータ５を通って第二のカプラ７に入射する。一方、測定対象１１の反射面で反射または後方散乱した光（信号光）は、測定ヘッド８のフォーカシングレンズ１２で集光され、第二のサーキュレータ６を通って第二のカプラ７に入射する。これら２つの光は第二のカプラ７において合波されて干渉する。この干渉によって生ずる干渉光の光ビート信号が、差動アンプ１７で検出される。

次に、ステップＳ５において、演算制御部３は、差動アンプ１７で検出された光ビート信号（干渉光の強度変化）に対して、フーリエ変換回路１９を用いて周波数解析を実行する。演算制御部３のＣＰＵ２０は、フーリエ変換回路１９による周波数解析の結果と前記（式２）に基づき、光ビート信号の周波数に対応する反射光強度（測定対象１１の深さ情報）を抽出する。

参照光の光路長の変化前におけるゼロ点から深さｚの位置にのみ測定対象１１の反射面が存在する場合を想定する。この場合、参照光の光路長の変化後における反射光強度は、図３（ｂ）に示すようになる。すなわち、参照光の光路長の変化後において、ゼロ点からの距離で表される反射光強度は、参照光の光路長の変化前に比べてゼロ点側へ近づいた位置で検出される。このように反射光強度の深さ位置がシフトするのは、参照光の光路長が短くなったことにより、図３（ｂ）に示すようにゼロ点が波長走査型光源２から遠ざかる方向へ移動したためである。

次に、ステップＳ６において、演算制御部３は、干渉光の変化に基いて、参照光の光路長の変化前に検出された干渉光（光ビート信号）に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定する。ここで、判定基準である干渉光の変化とは、具体的には、反射光強度分布のシフト量とそのシフト方向である。このシフト量およびシフト方向は、参照光の光路長の変化前後の測定対象１１の深さ情報（反射光強度分布）に基いて算出できる。例えば、光ビート信号の周波数成分が最大値を示す位置の変化や、光ビート信号の周波数成分のピーク形状をガウシアンにフィッティングさせた場合の中心位置の変化から、シフト量およびシフト方向を計算できる。折り返し像か正規の像かは、シフト量およびシフト方向が、光路長可変機構１３が与えた光路長差に対応するものであるか否かによって判定できる。ここで、光路長可変機構１３が与えた光路長差とは、具体的には、参照光の光路長の変化量及びその変化量の正負である。

このように、この実施の形態では、参照光の光路を、既知の光路長差を持つ複数の光路間で瞬時に切り替えることができる光路長可変機構を用いている。そして、この光路長可変機構を用いて、断層画像の構築に用いられる反射光強度分布を検出するごとに参照光の光路長の変更を行う。これにより、信号光に対する参照光の時間遅れが変化し、参照光の周波数の時間的変化を表す直線Ａと、信号光の周波数の時間的変化を表す直線Ｂとの差であるビート周波数ｆｂが変化する。その周波数シフト量の正負は、正規の像の場合と折り返し像の場合でそれぞれ逆となる。よって、この実施の形態では、参照光の光路長の変化量及びその変化量の正負と、周波数シフト量及びその周波数シフト量の正負とを比較している。このように比較することにより、検出された光ビート信号が正規の像を構築させる信号か折り返し像を構築させる信号かを判定することができる。

ここで、正規の像か折り返し像かの判定について、ある一つの反射面から反射または後方散乱した光に基く干渉光から構築される像を例に、具体的に説明する。図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、参照光の光路長の変化前に記憶した反射光強度分布が折り返し像を構築させるものである場合、参照光の光路長を１ｍｍ長く変化させたとき、参照光の光路長の変化後の反射光強度分布は１ｍｍ深い位置に移動する。一方、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、参照光の光路長の変化前に記憶した反射光強度分布が正規の像を構築させるものである場合、参照光の光路長を１ｍｍ長く変化させたとき、参照光の光路長の変化後の反射光強度分布は１ｍｍ浅い位置に移動する。この反射光強度分布の位置の変化量とその変化の方向に基づいて、参照光の光路長の変化前に検出された干渉光が折り返し像を構築させるものであるか否か、すなわち折り返し像を構築させるものか正規の像を構築させるものかを判定することができる。

参照光の光路長の変化前の干渉光が正規の像を構築させるものであれば、演算制御部３は、参照光の光路長の変化前に記憶部２１に記憶した反射光強度の空間分布の信号に基づいて、断層画像を構築する（ステップＳ７）。この構築された断層画像は、モニタ２２に映し出される。

参照光の光路長の変化前の干渉光が折り返し像を構築させるものである場合、得られる断層画像を実際の断層構造と等しくする必要がある。このため、演算制御部３は、参照光の光路長の変化前に得た反射光強度の空間分布を、参照光の光路長の変化前のゼロ点を中心として深さ方向に反転させる変換処理を実行する（ステップＳ８）。そして、演算制御部３は、その変換後の反射光強度の空間分布の信号に基づいて、断層画像を構築する（ステップＳ７）。この構築された断層画像は、モニタ２２に映し出される。

以上の説明から明らかなように、この実施の形態では、光路長可変機構による参照光の光路長の変化の前後で反射光強度分布（測定対象の深さ情報）を検出する。そして、参照光の光路長の変化の前後間での反射光強度分布の位置の変化量およびその変化量の正負と、参照光の光路長の変化量およびその変化量の正負を比較することにより、得られている信号が折り返し像を構築させる信号か正規の像を構築させる信号かを判定することができる。そして、折り返し像を構築させる信号である場合には、像を反転させるための変換処理を実行することにより、正規の像を提供することができる。

続いて、光路長可変機構の他例について説明する。

図６に光路長可変機構の第１の変形例を示す。図６に示す光路長可変機構では、参照平面１５の光入射面の前方に、シャッター機構２３が設置されている。シャッター機構２３は反射ミラー部２３ａと透過窓部２３ｂを備える。シャッター機構２３は回転式である。シャッター機構２３が回転すると、参照光Ｈの光路中に、反射ミラー部２３ａと透過窓部２３ｂが交互に現れる。

シャッター機構２３の回転の位相は、演算制御部３によって制御される。シャッター機構２３の回転の位相を、参照光Ｈの光路が反射ミラー部２３ａで遮られる位相にしたときには、参照光Ｈは反射ミラー部２３ａで反射する。一方、シャッター機構２３の回転の位相を、参照光Ｈの光路が透過窓部２３ｂを通過する位相にしたときには、参照光Ｈは透過窓部２３ｂを通って参照平面１５で反射する。

したがって、図６に示す光路長可変機構によれば、シャッター機構２３の回転の位相を制御して、参照光Ｈが反射する平面を参照平面１５と反射ミラー部２３ａとの間で切り替えることにより、参照光の光路長を２段階に可変させることができる。

図７に光路長可変機構の第２の変形例を示す。この光路長可変機構は、参照光Ｈが入射するガルバノミラー２４と、ガルバノミラー２４からの距離が互いに異なる複数（ここでは３枚）の参照平面２５〜２７とを備える。ガルバノミラー２４は、紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動可能である。

ガルバノミラー２４の傾き（回転角度）は、演算制御部３によって制御される。この光路長可変機構は、ガルバノミラー２４の傾きが変化することで、参照平面２５〜２７のうちのいずれか１枚に参照光Ｈが入射する構成となっている。参照平面から反射した参照光Ｈは、ガルバノミラー２４で反射されてコリメートレンズ１４に戻る。

したがって、図７に示す光路長可変機構によれば、ガルバノミラー２４の傾き（回転角度）を制御して、参照光Ｈが入射する平面を参照平面２５〜２７の間で切り替えることにより、異なる光路長を持つ複数の光路間で参照光Ｈの光路を切り替えることができる。さらに、この光路長可変機構によれば、参照光を反射させる参照平面を、ガルバノミラーからの距離が互いに異なる複数の参照平面のうちから選択できるので、参照光の光路長差を複数の光路長差のうちから選択することができる。

図８に光路長可変機構の第３の変形例を示す。この光路長可変機構は、その中心部に参照光Ｈが入射するガルバノミラー２８と、ガルバノミラー２８から反射した参照光Ｈが入射するサイクロイド曲線型の参照平面２９とを備える。ガルバノミラー２８は、紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動可能である。サイクロイド曲線型の参照平面２９の光入射面は、ガルバノミラー２８の中心部からの距離が連続的に変化する。

ガルバノミラー２８の傾き（回転角度）は、演算制御部３によって制御される。この光路長可変機構は、ガルバノミラー２８の傾きが変化することで、ガルバノミラー２８の中心部で反射した参照光Ｈがサイクロイド曲線型の参照平面２９の光入射面に入射する位置が変化する構成となっている。サイクロイド曲線型の参照平面２９から反射した参照光は、参照平面２９に入射したときと同じ光路を通ってコリメートレンズ１４に戻る。この参照光の光路長は、ガルバノミラー２８の傾きによって変わる。

したがって、図８に示す光路長可変機構によれば、ガルバノミラー２８の傾き（回転角度）を制御して、サイクロイド曲線型の参照平面２９への参照光Ｈの入射位置を切り替えることにより、異なる光路長を持つ複数の光路間で参照光の光路を切り替えることができる。また、図８に示す光路長可変機構によれば、参照光の光路長を離散的ではなく連続的に変化させることができる。

図９に光路長可変機構の第４の変形例を示す。この光路長可変機構は、図１に示す第一のサーキュレータ５に光ファイバを介して接続される光スイッチ３０と、互いに長さが異なる複数（ここでは２本）の光ファイバ３１、３２と、ファイバカプラ３３とを備える。

光スイッチ３０は、入射した参照光Ｈを２つの出力ポートのうちの演算制御部３からの信号に対応する出力ポートから出射させる。光スイッチ３０の２つの出力ポートは、互いに長さが異なる光ファイバ３１、３２の一方端にそれぞれ接続している。光ファイバ３１、３２の他方端はファイバカプラ３３の２つの光受入口にそれぞれ接続している。

参照光Ｈは、光スイッチ３０に入射した後、演算制御部３からの信号によって選択された出力ポートから出射されて、光ファイバ３１または光ファイバ３２のいずれか一方を通過し、ファイバカプラ３３を経て、コリメータレンズ１４から参照平面１５へ入射する。参照平面１５から反射した参照光は、参照平面１５に入射したときと同じ光路を経て第一のサーキュレータ５へ戻る。

したがって、図９に示す光路長可変機構によれば、光スイッチ３０の出力ポートを切り替えることにより、参照光の光路長を２段階に可変させることができる。

また、図９に示す光路長可変機構において、コリメータレンズ１４とファイバカプラ３３との間にサーキュレータを挿入することにより、反射光がファイバカプラ３３を通過しないようにして、ファイバカプラ３３による光強度の損失を減少させるようにしてもよい。

また、図９に示す光路長可変機構によれば、参照光の光路長の切り替え速度が、光スイッチの応答速度と等しい１００μｓ程度となり、高速な光路長の切り替えを容易に行うことができる。また、光スイッチに複数の出力ポートを設けることにより、参照光の光路長差を２通り以上に容易に増やすことができる。

図１０に光路長可変機構の第５の変形例を示す。この光路長可変機構は、その径方向に伸縮可能な円筒部材３４に、図１に示す第一のサーキュレータ５に接続される光ファイバ３５を複数回巻き付けた構成を持つ。円筒部材３４には、例えばドラム型ピエゾ素子などを用いることができる。

円筒部材３４は、演算制御部３からの信号によって径方向へ伸縮する。円筒部材３４を径方向へ伸縮させることにより、光ファイバ３５に応力を与えて、ファイバ長を歪ませることができる。この歪により、参照光の光路長が可変する。参照光の光路長の変化量は、円筒部材３４の径の変化量と、光ファイバ３５の円筒部材３４に対する巻き数とによって調整することができる。したがって、図１０に示す光路長可変機構によれば、円筒部材３４の径を変化させることにより、互いに異なる光路長を持つ複数の光路間で参照光の光路を切り替えることができる。

図１１に光路長可変機構の第６の変形例を示す。この光路長可変機構は、コリメートレンズ１４と参照平面１５との間に挿入された透明部材３６を備える。透明部材３６は、屈折率がｎ（ｎ＞１）、長さがＬである。透明部材３６には、例えばガラスなどを用いることができる。この透明部材３６は、例えば、図示しない１軸モータのモータ軸に固定し、そのモータ軸を回転させることにより、参照光の光路から離脱可能にする。この構成によれば、参照光の光路長の変化量が２Ｌ（ｎ−１）となる。

なお、以上説明した実施の形態においては、光源ユニットとして、波長が一定周期で変化するレーザ光を射出する波長走査型光源２を用いたが、低コヒーレンス光を射出する光源ユニットを用いても実現可能であると考えられる。

また、この実施の形態においては、測定光や参照光などの光が光ファイバ中を伝搬する構成にしている。しかしながら、光ファイバによる光伝搬に限定されるものではなく、大気中もしくは真空中を伝搬させるようにしてもよい。

また、この実施の形態においては、参照光の光路に光路長可変機構を設けたが、信号光もしくは測定光の光路に光路長可変機構を設けてもよいし、参照光の光路に加えて、信号光もしくは測定光の光路にも光路長可変機構を設けてもよい。

また、この実施の形態においては、干渉計１として、マイケルソン型干渉計を用いたが、これに限定されるものではなく、他の形式の干渉計、例えば、マッハツェンダー型干渉計などを用いてもよい。

また、この実施の形態においては、波長走査型光源タイプのＦＤ−ＯＣＴを用いたが、これに限定されるものではなく、スペクトロメータタイプのＦＤ−ＯＣＴを用いてもよい。

また、この実施の形態においては、光ビート信号の周波数解析にフーリエ変換を用いた。これは、光ビート信号の周波数解析の所要時間を短縮するためである。つまり、周波数解析の所要時間を短縮するには、信号を離散的に２^ｎのサンプル数でサンプリングする高速フーリエ変換が望ましい。しかしながら、フーリエ変換に限定されるものではなく、スペクトラムアナライザを用いてもよい。

また、この実施の形態においては、参照光の光路長の変化量とその変化量の正負に、反射光強度分布のシフト量とそのシフト方向が対応するか否かによって、検出された光ビート信号（干渉光）が正規の像を取得させる信号であるのか折り返し像を取得させる信号であるのかを判定した。但し、参照光の光路長の変化量の正負に、反射光強度分布のシフト方向が対応するか否かによってのみ判定してもよい。

本発明にかかる光干渉計測方法および光干渉計測装置は、ＳＳ−ＯＣＴの原理的問題である折り返し像が発生しても、検出した干渉光（光ビート信号）が正規の像を取得させるものであるのか、正規の像が折り返された像を取得させるものであるのかを簡易に判定することが可能となる。よって、本発明にかかる光干渉計測方法および光干渉計測装置は、反射面の高さが不揃いな複数のサンプルのインライン計測、特に人間が測定対象位置を調整できない自動計測に有効である。

１、１０１ 干渉計
２、１０２ 波長走査型光源
３、１０３ 演算制御部
４ 第一のカプラ
５ 第一のサーキュレータ
６ 第二のサーキュレータ
７ 第二のカプラ
８ 測定ヘッド
９、１１０ コリメートレンズ
１０、１１１ ガルバノミラー
１１ 測定対象
１２、１１２ フォーカシングレンズ
１３ 光路長可変機構
１４、１０６ コリメートレンズ
１５ 参照平面
１６ ガルバノミラー
１７、１１４ 差動アンプ
１８ アナログ／デジタル変換回路
１９ フーリエ変換回路
２０ ＣＰＵ
２１ 記憶部
２２、１１５ モニタ
２３ シャッター機構
２３ａ 反射ミラー部
２３ｂ 透過窓部
２４ ガルバノミラー
２５〜２７ 参照平面
２８ ガルバノミラー
２９ サイクロイド曲線型の参照平面
３０ 光スイッチ
３１、３２ 光ファイバ
３３ ファイバカプラ
３４ 円筒部材
３５ 光ファイバ
３６ 透明部材
１０４ 分波カプラ
１０５、１０９ サーキュレータ
１０７ 参照ミラー
１０８ 合波カプラ
１１３ 被測定物体

Claims (10)

1. 光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割し、
   前記参照光と、前記測定光が照射された測定対象から反射または後方散乱した光と、が干渉した干渉光を検出し、
   前記参照光又は前記測定光の光路長を変化させ、
   前記光路長の変化に応じた前記干渉光の変化に基いて、前記光路長の変化の前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定し、
   その判定の結果に基いて前記干渉光から前記測定対象を計測する
   ことを特徴とする光干渉計測方法。
2. 前記光路長の変化に応じた前記干渉光の変化に基いて、前記光路長の変化の前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定するに際し、
   前記光路長の変化に応じた前記干渉光の強度のピークのシフト方向に基いて、前記光路長の変化の前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光干渉計測方法。
3. 前記光路長の変化の範囲が、前記光源ユニットから射出される光のコヒーレンス長に基いて決定される測定可能範囲と等しいことを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の光干渉計測方法。
4. 光ファイバに応力を与えて、前記光路長を変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光干渉計測方法。
5. 前記光源ユニットから波長が一定の周期で変化する光を射出し、前記測定対象の測定時の前記干渉光を周波数解析して前記測定対象の断層画像を取得することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の光干渉計測方法。
6. 前記光源ユニットから射出される光が低コヒーレンス光であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光干渉計測方法。
7. 光を射出する光源ユニットと、
   前記光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
   前記測定光が照射された測定対象から反射または後方散乱した光と前記参照光とを干渉させた干渉光を検出する干渉光検出手段と、
   前記参照光又は前記測定光の光路に設けられた光路長可変機構と、
   前記光路長可変機構の駆動による前記干渉光の変化に基づいて、前記光路長可変機構の駆動前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定する演算制御部と、
   を備えることを特徴とする光干渉計測装置。
8. 前記演算制御部は、前記光路長可変機構の駆動による前記干渉光の強度のピークのシフト方向に基づいて、前記光路長可変機構の駆動前に検出された前記干渉光に基づく画像が正規の像か折り返し像かを判定することを特徴とする請求項７に記載の光干渉計測装置。
9. 前記光路長可変機構が、光ファイバに応力を与えて、前記参照光又は前記測定光の光路長を変化させることを特徴とする請求項７もしくは８のいずれかに記載の光干渉計測装置。
10. 前記光路長可変機構による前記参照光又は前記測定光の光路長の変化の範囲が、前記光源ユニットから射出される光のコヒーレンス長に基いて決定される測定可能範囲と等しいことを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の光干渉計測装置。

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