JP5336964B2 - 波面測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、波面測定装置、特に被検物である散乱体内に焦点部を形成し、焦点部からの戻り光に基づいて形成された干渉パターンにより波面を測定する波面測定装置に関する。

従来、波面測定装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。この装置では、被検物である散乱体内に焦点部を形成して、焦点部からの戻り光を用いて干渉パターンを作成し、生体内の波面を測定する。

図５は、従来の波面測定装置の概略構成を示している。Ti:saレーザー光源２１から射出された光は、コリメーターレンズ２２１および２２２により平行光に変換される。そして、ミラー２２３により進行方向を９０度曲げられた平行光は、ビームスプリッタ２４に入射する。

ビームスプリッタ２４は、入射した光を、生体である散乱体サンプル１０への入射光（物体光）と、参照光とに分岐する。散乱体サンプル１０への入射光は、対物レンズ３２により散乱体サンプル１０内で焦点を形成する。

そして、焦点部分からの戻り光は、ビームスプリッタ４４にて、ビームスプリッタ２４で分岐させた参照光と重なり、干渉パターンが発生する。その干渉パターンをカメラ６０で観察し、散乱体サンプル１０内の波面を測定している。

Ti:saレーザー光源２１の低コヒーレンス性により、入射光路３０と参照光路４０の光路長がほぼ一致する生体内の深さからの戻り光のみ、干渉パターン生成に寄与する。干渉ターン生成に寄与できる入射光路３０と参照光路４０の光路長差の範囲をコヒーレンスゲートという。ここで、焦点位置の干渉パターンを観察することが望ましい。このため、参照光路４０は焦点位置深さに応じて調整し、コヒーレンスゲートの中心が焦点部の深さとなるようにする。

米国特許出願公開第２００６／００３３９３３号明細書

散乱体からの戻り光は、中心部と周辺部とで明るさが異なる。これは、周辺部のほうが中心部に比較して、散乱体を通過している光学距離が長いからである。このままの状態で、戻り光を用いて干渉パターンを生成すると、干渉パターンのコントラストが中心部と周辺部とで異なる。このため、中心部と周辺部とのどちらか一方のみで干渉パターンを取得することになる。そのため、波面測定精度が向上しないとう問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被検物の全面にわたって、良好なコントラストの干渉縞を得ることができ、高精度な測定を行うことができる波面測定装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、光を射出する光源と、前記光源からの光を物体光と参照光とに分割する光分割部と、物体光を被検物の所定位置へ集光するための対物レンズと、前記被検物から戻る物体光と、前記参照光とを重ね合わせる光合成部と、前記被検物から戻る物体光を前記光合成部の方向へ導く光偏向部と、合成された波面による干渉縞を撮像する撮像部と、前記光偏向部と前記光合成部との間の、前記被検物からの物体光のみが存在する光路中に設けられている光量を調整するための光量調整フィルターと、を有することを特徴とする波面測定装置を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記対物レンズの瞳の像をリレーするリレーレンズをさらに有し、前記光量調整フィルターは、前記リレーレンズによりリレーされた瞳の位置に設けられていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記光分割部は、前記光偏向部の機能を兼用していることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、光分割部と前記光偏向部との間の、前記被検物へ向かう物体光のみが存在する光路中に、波面の位相を調整するための波面補正部を有することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記光量調整用フィルターは、以下の式で示す濃度分布（透過率）を有していることが望ましい。
T(r,d,μ_total)=exp[-2・μ_total・d/cosβ(R)]/exp[-2・μ_total・d /cosβ(r)]
ここで、
Ｒは、前記光量調整フィルターの有効径、
ｒは、前記光量調整フィルターの座標（ラジアル方向 ０≦ｒ≦Ｒ)、
ｄは、前記被検物内での観察深さ、
T（ｒ,ｄ,μ_all）は、r，d，μ_totalにおける前記光量調整フィルターの透過率、
β（ｒ）は、ｒに対応する入射光の屈折後の角度、
β（Ｒ）は、Ｒに対応する入射光の屈折後の角度である

また、本発明の好ましい態様によれば、前記被検物の観察深さ及び／または前記被検物の散乱吸収係数に応じて、複数の光量調整用フィルターのうちから何れか一つの前記光量調節フィルターを択一的に光路へ挿脱可能な、光量調整フィルター切替え部を有することが望ましい。

本発明によれば、被検物の全面にわたって、良好なコントラストの干渉縞を得ることができ、高精度な測定を行うことができる波面測定装置を提供できる。

本発明の実施例１にかかる波面測定装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例２にかかる波面測定装置の概略構成を示す図である。 被検物と対物レンズとの近傍における光線のパラメータを説明する図である。 光量調整フィルターの透過率を示す図である。 従来の波面測定装置の概略構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる波面測定装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１にかかる波面測定装置１００の概略構成を示す。光源１０１は、レーザー光を射出する。射出されたレーザー光は、レンズ１０２、１０３により、平行光に変換される。平行光は、１／２波長板１０４を透過することで、直線偏光を任意の状態へ回転される。回転角は入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整する。１／２波長板１０４を透過した光のうち、参照光となる例えばＳ偏光光は、偏光ビームスプリッタ１０５の偏光面において反射され、光路を９０度折り曲げられる。また、物体光となる例えばＰ偏光光は、偏光ビームスプリッタ１０５を透過する。
ここで、偏光偏光ビームスプリッタ１０５は、光源からの光を物体光と参照光とに分割する光分割部に対応する。

まず、参照光について説明する。光路を９０度折り曲げられた参照光は、ミラー１０６、コーナーキューブプリズム１０７、ミラー１０９、１／２波長板１２５、ミラー１１０を介して、偏光ビームスプリッタ１１１へ入射する。

コーナーキューブプリズム１０７は、駆動部１０８により図中矢印方向へ移動可能である。駆動部１０８により、コーナーキューブプリズム１０７を変位させることで焦点位置深さに応じてコヒーレンスゲートの中心が焦点部の深さとなるようにする。

参照光は、１／２波長板１２５を透過することでＰ偏光光へ変換される。このため、参照光は、偏光ビームスプリッタ１１１の偏光面を透過する。

次に、物体光について説明する。偏光ビームスプリッタ１０５の偏光面を透過した物体光は、レンズ１１６、１１７を透過して、１／４波長板１１８へ入射する。物体光は、１／４波長板１１８を透過することで、Ｐ偏光光から円偏光光へ変換される。ミラー１１９において反射された物体光は、対物レンズ１２１により、被検物１２２の所定位置へ集光される。

ここで、被検物１２２は、例えば生体のような散乱体である。そして、対物レンズ１２１の焦点位置は、被検物１２２の表面から所定の深さとなるように設定されている。被検物１２２内で散乱した光は、往路と同じ光路を通り、偏光ビームスプリッタ１０５にいたる。

物体光は、往路と復路とで１／４波長板１１８を２回透過する。このため、偏光ビームスプリッタ１０５に入射する物体光は、偏光面が９０度回転し、Ｓ偏光光となる。Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッタ１０５の偏光面で反射される。

本実施例では、偏光ビームスプリッタ１０５は、被検物１２２から戻る物体光を後述する偏光ビームスプリッタ１１１（光合成部）の方向へ導く光偏向部の機能を兼用している。

偏光ビームスプリッタ１０５で反射された物体光は、光量調整フィルター１２３に入射する。レンズ１１６、１１７は、リレーレンズの機能を有する。そして、レンズ１１６、１１７は、対物レンズ１２１の瞳１２０の像をリレーする。光量調整フィルター１２３は、リレーレンズによりリレーされた瞳の中間像１２０ｐの位置に設けられている

このように、光量調整フィルター１２３は、偏光ビームスプリッタ１０５（光偏向部）と偏光ビームスプリッタ１１１（光合成部）との間の、被検物１２２からの物体光のみが存在する光路中に設けられている。光量調整フィルター１２３は、例えばガラスに後述する濃度分布に応じた金属膜を蒸着することにより作成できる。光量調整フィルター１２３は、ａｐｏｄｉｚｉｎｇ フィルターの機能を有している。

光量調整フィルター１２３は、被検物１２２の観察深さ及び／または被検物１２２の散乱吸収係数に応じて、複数の光量調整用フィルターを設けておくことが望ましい。そして、光量調整フィルター切替え部１２４は、複数の光量調整用フィルターのうちから何れか一つの光量調節フィルターを択一的に光路へ挿脱可能な状態とする。光量調整フィルター１２３の選択、交換については、後述する。

光量調整フィルター１２３を透過した物体光は、偏光ビームスプリッタ１１１の偏光面で撮像部１１５の方向へ反射される。また、参照光は、上述したように偏光ビームスプリッタ１１１の偏光面を透過する。偏光ビームスプリッタ１１１は、被検物１２２から戻る物体光と、参照光とを重ね合わせる光合成部に対応する。

重ね合わされた物体光と参照光とは、偏光板１１２、レンズ１１３、１１４を透過する。偏光板１１２を透過することで、合成された波面による干渉縞が形成される。撮像部１１５は、干渉縞を撮像する。干渉縞画像を解析することで、被検物１２２の情報を得る。

次に、光量調整フィルター１２３について説明する。TISSUE OPTICS（ISBN 081943459-0）などに記載されているように、散乱吸収体内部で透過する光強度の減衰は次式（１）に示すBeer-Lambert lawで表記されることが知られている。

Ｉ（ｄ）＝Ｉ₀ｅｘｐ（−μ_totalｄ） （１）
ここで、
Ｉ（ｄ）は、厚さ（観察深さ）、
Ｉ₀は、入射光の光強度、
μ_totalは、散乱係数μｓと吸収係数μａの和（μ_total＝μ_s＋μ_a）である。

式（１）からわかるように、散乱吸収体からの戻り光は、中心部と周辺部で明るさが異なる。これは、周辺部のほうが中心に比べ散乱体を通過している距離が長いからである。
そこでBeer-Lambert lawを用いて光量調整フィルター１２３の有効径Ｒでの透過率を１００％として、光量調整フィルター１２３の有効径内で光強度が一定になるような濃度分布を計算する。

ここで、図３に示すように、各記号を定義する。
Ｒ：光量調整フィルター１２３の有効径、
ｒ：光量調整フィルター１２３の座標（ラジアル方向 ０≦ｒ≦Ｒ)、
ｄ：吸収散乱体内での観察深さ、
T（ｒ,ｄ,μ_all）：r，d，μ_totalにおける光量調整フィルター１２３の透過率、
β（ｒ）：ｒに対応する入射光の屈折後の角度、
β（Ｒ）：Ｒに対応する入射光の屈折後の角度、
L（ｒ, ｄ）：ｒ，ｄにおける散乱吸収体１２２内を通過する光路長、
α（ｒ）：ｒに対応する吸収散乱体１２２へ入射光の入射角、
α（Ｒ）：Ｒに対応する、吸収散乱体へ入射光の入射角、
Ｚ：対物レンズ１２１の表面１２１Ｓから吸収散乱体１２２までの距離、
ｎ１：対物レンズ１２１の表面１２１Ｓから吸収散乱体１２２間の屈折率、
ｎ２：吸収散乱体１２２の屈折率である。

そして、以下（１）、（２）、（３）の手順によりＴ（ｒ,ｄ,μ_all)を求める。
（１）ｒに対する入射光の屈折後の角度を算出する。
Ｒ＝ｚ・ｔａｎα（Ｒ）＋ｄ・tanβ（Ｒ）
ｎ１・sinα＝ｎ２・ｓｉｎβ
よりβ(Ｒ）を求める。

（２）Ｒに対する入射光の屈折後の角度を算出する。
ｒ＝ｚ・ｔａｎα（ｒ）＋ｄ・ｔａｎβ（ｒ）
ｎ１・sinα（ｒ）＝ｎ２・ｓｉｎβ（ｒ）
よりβ（ｒ）を求める。

（３）透過率Ｔを算出する。
Beer-Lambert lawより、
T(r,d,μ_total)=exp[-2・μ_total・d/cosβ(R)]/exp[-2・μ_total・d /cosβ(r)]
（２）

例えば、光量調整フィルタ１２３の透過率について、以下の（ａ）、（ｂ）の２通りの場合を図４に示す。
（ａ）μ_total＝５０ｃｍ^-1,ｄ＝０．５ｍｍのとき
（ｂ）μ_total＝５０ｃｍ^-1,ｄ＝１ｍｍのとき

本実施例によれば、吸収散乱体内を通過するとき発生する中心部と周辺部との光量分布差を、光量調整フィルタ１２３により理論式通り補正することが出来る。すなわち、物体光のみの光路内に光量調整フィルター１２３を挿入することにより被検物１２２からの戻り光量を中心部と周辺部で同じにできる。これにより、干渉パターンのコントラストが中心部と周辺部とで同じになる。この結果、干渉パターンが瞳全面で観察できるようになり、波面測定精度が向上する。

さらに、上述したように光量調整フィルター１２３を交換可能に構成することが望ましい。被検物１２２の観察深さ、散乱吸収係数に応じて光量調整用フィルターを式（２）の濃度分布をもつ光量調整用フィルターへ交換する。
吸収散乱体からの戻り光強度は、観察深さ、散乱吸収係数に応じて変化する。光量調整フィルターを適宜交換することで、その影響を打ち消して、理論式通りに中心部と周辺部とコントラスト差の補正することが出来る。

また、光量調整フィルター１２３として液晶素子のような、電圧に応じて透過率を変化できるような素子を用いることができる。これにより、観察深さに応じて最適な透過率分布を制御できる。このため、観察深さごとに最適な濃度分布を作成できる。この結果、観察深さが変わってもフィルターを交換する必要がなく容易に観察が可能となる。

次に、本発明の実施例２に係る波面測定装置２００について説明する。図２は、本実施例の波面測定装置２００の概略構成を示す。上記実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

光源１０１からの平行光は、偏光ビームスプリッタ２０１により、参照光と物体光とに分割される。偏光ビームスプリッタ２０１（光分割部）と偏光ビームスプリッタ１０５（光偏向部）との間の被検物１２２へ向かう物体光のみが存在する光路中には、プリズム２０２と液晶装置２０３とからなる波面補正部が設けられている。波面補正部は、測定した波面に応じて、被検物１２２へ入射する光の位相を変化させる。これにより、被検物１２２内に位相差が存在しているときでも、光束を一点に集光させることができる。

本実施例では、参照光や被検物１２２からの物体光の波面補正は行わず、被検物１２２へ入射する光のみの波面補正が行える。また、波面補正を行うことにより、被検物１２２からの戻り光の量を増加させることが出来る。これにより、干渉パターンの可視度が大きくなり、波面測定精度が向上する。

このように、被検物１２２へ入射する光と参照光とに分割する偏光ビームスプリッタ２０１を、被検物１２２へ入射する光と被検物１２２からの物体光（戻り光）とを分割する偏光ビームスプリッタ１０５と別に用意する。これにより、入射光のみの光路が形成され、上述したような入射光単独のフィルタリングや制御が出来る。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明にかかる波面測定装置は、生体のような吸収散乱体を測定する場合に有用である。

１００ 波面測定装置
１０１ 光源
１０２、１０３ レンズ
１０４ １／２波長板
１０５ 偏光ビームスプリッタ
１０６，１０９、１１０、１１９ ミラー
１０７ コーナーキューブ
１０８ 駆動部
１１１ 偏光ビームスプリッタ
１１２ 偏光板
１１３、１１４ レンズ
１１５ 撮像部
１１６、１１７ レンズ（リレーレンズ）
１１８ １／４波長板
１２１ 対物レンズ
１２０ 対物レンズの瞳
１２２ 被検物
１２３ 光量調整フィルター
１２０ 対物レンズの瞳の中間像
１２４ 光量調整フィルター切替え部
１２５ １／２波長板
２００ 波面測定装置
２０１ 偏光ビームスプリッタ
２０２ プリズム
２０３ 液晶装置

Claims (6)

1. 光を射出する光源と、
   前記光源からの光を物体光と参照光とに分割する光分割部と、
   物体光を被検物の所定位置へ集光するための対物レンズと、
   前記被検物から戻る物体光と、前記参照光とを重ね合わせる光合成部と、
   前記被検物から戻る物体光を前記光合成部の方向へ導く光偏向部と、
   合成された波面による干渉縞を撮像する撮像部と、
   前記光偏向部と前記光合成部との間の、前記被検物からの物体光のみが存在する光路中に設けられている光量を調整するための光量調整フィルターと、
   を有することを特徴とする波面測定装置。
2. 前記対物レンズの瞳の像をリレーするリレーレンズをさらに有し、
   前記光量調整フィルターは、前記リレーレンズによりリレーされた瞳の位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の波面測定装置。
3. 前記光分割部は、前記光偏向部の機能を兼用していることを特徴とする請求項１または２に記載の波面測定装置。
4. 光分割部と前記光偏向部との間の、前記被検物へ向かう物体光のみが存在する光路中に、波面の位相を調整するための波面補正部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波面測定装置。
5. 前記光量調整用フィルターは、以下の式で示す濃度分布を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波面測定装置。
   T(r,d,μ_total)=exp[-2・μ_total・d/cosβ(R)]/exp[-2・μ_total・d /cosβ(r)]
   ここで、
   Ｒは、前記光量調整フィルターの有効径、
   ｒは、前記光量調整フィルターの座標（ラジアル方向 ０≦ｒ≦Ｒ)、
   ｄは、前記被検物内での観察深さ、
   T（ｒ,ｄ,μ_all）は、r,d,μ_totalにおける前記光量調整フィルターの透過率、
   β（ｒ）は、ｒに対応する入射光の屈折後の角度、
   β（Ｒ）は、Ｒに対応する入射光の屈折後の角度である。
6. 前記被検物の観察深さ及び／または前記被検物の散乱吸収係数に応じて、複数の光量調整用フィルターのうちから何れか一つの前記光量調節フィルターを択一的に光路へ挿脱可能な、光量調整フィルター切替え部を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波面測定装置。

Images