JP6018711B2 - 光断層観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光断層観察方法及び光断層観察装置に係り、検査物質対象の光断層方向での分布を可視化できる光学観察技術に関する。

近年、レーザ光源等からの光ビームを用いて被測定物体の表面形態や内部形態を表す画像を形成する光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）が注目を集めている。ＯＣＴは、Ｘ線ＣＴのような人体に対する侵襲性を持たないことから、特に医療分野や生物学分野における応用の展開が期待されている。たとえば眼科分野においては、眼底や角膜等の画像を形成する装置が実用化段階に入っている。ＯＣＴでは光源からの光を測定対象に照射する信号光と、測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに２分岐し、測定対象からの反射光である信号光を参照光と合波させ、干渉させることにより信号を得る。

ＯＣＴは測定位置の光軸方向への走査方法（以下、ｚスキャンと称する）により、大きくタイムドメインＯＣＴとフーリエドメインＯＣＴとに分けられる。図１は、タイムドメインＯＣＴの光学系の模式図である。本方式においては、光源１０１として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラー１０２を矢印１０３のように走査することにより測定対象１０４のｚスキャンを行う。これにより信号光１０５に含まれる参照光１０６と光路長が一致する成分のみが干渉し、検出器１０７から図２に示すような検出信号が得られる。図２に示した信号に対して包絡線検波を行うことにより、図３に示すような所望の信号が復調される。

一方、フーリエドメインＯＣＴはさらに波長走査型ＯＣＴとスペクトルドメインＯＣＴとに分けられる。波長走査型ＯＣＴにおいては、光源として出射される光の波長を走査することが可能な波長走査型光源を使用し、測定時に光源の波長を走査することによりｚスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性（干渉スペクトル）をフーリエ変換することにより所望の信号が得られる。スペクトルドメインＯＣＴにおいては、光源に広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、各波長成分の干渉光強度（干渉スペクトル）を検出することがｚスキャンを行うことに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号が復調される。

上記の様な従来のＯＣＴ装置においては、深さ方向の空間分解能は光源のスペクトル幅によって決まっており、スペクトル幅を広げることにより高分解能化を図ってきた。

また、生体計測を目的とした高速化のニーズがあり、上記フーリエドメインＯＣＴにて、ミラー駆動レスを実現することで測定のｚ軸方向の高速化が行われている（特許文献１）。また、ｘｙ軸方向の高速化では、「フルフィールド化」技術と呼ばれる面光源を用いた平面一括取得技術があり、フルフィールド化技術を利用した偏光感受型ＯＣＴ装置も提案されている（特許文献２）。

また、バイオイメージングの分野にて既に用いられている光断層観察装置として、共焦点レーザ顕微鏡が知られている。共焦点レーザ顕微鏡は、高解像度のイメージと三次元情報の再構築が可能な顕微鏡の一種であり、厚く、反射面が複数存在するような複雑な構造の試料であっても歪みのない像を得られる特徴がある。観察像は微小なポイント毎に撮られた複数データをコンピュータで再構成することにより、３次元の全体画像を取得する。

共焦点顕微鏡の原理的かつ最大の特徴として、共焦点光学系が挙げられる。共焦点光学系では点光源を試料に投影し、さらに検出面と呼ばれる試料の再結像位置にピンホールと検出器（多くは光電子増倍管）を配置する。ここで、点光源・試料・ピンホール（結像面位置）がすべて共役位置にあることから共焦点（コンフォーカル）光学系と呼ばれている。このような構成を取ることで、あるレンズ位置、すなわちある焦点距離状態での試料観察像を取得する際に、異なる焦点深さからの反射光は、共焦点光学系に配置されたピンホールでカット（遮光）されるため、歪みのない像が取得できる。一方で、一般的な光学顕微鏡では検出器上に異なる焦点深さからの反射光も一緒に入射するため、歪みのある観察像となる。このように、共焦点光学系を用いて各焦点距離での画像を取得し、複数焦点距離での観察結果をコンピュータ上で再構築することで光断層観察が可能となる（非特許文献１）。

特開平１１−３２５８４９号公報 特開２００４−０２８９７０号公報

技術月刊誌 O plus E, Vol. 31 (2009), pp.636-639

上に述べた従来のＯＣＴ装置には以下のような課題がある。いずれのＯＣＴ装置も光断層観察における垂直分解能は光源の干渉性が支配的であり、高い垂直分解能を実現するために広帯域光源が必要となり、光源の大型化、光源価格の上昇を招いている。更に広帯域光源を使用することで高い平面分解能を得るために対物レンズ等を用いた際に色収差等の問題を引き起こすため、微小スポットを形成するのが難しい。更に高速化を目的としたフーリエドメインＯＣＴでは、光源だけでなく、ｚスキャンを行うために高速信号源、あるいは広帯域光源を受光する分光器が必要であり、これらはいずれも高価でかつ大型であるため、ＯＣＴ装置自体が高価でかつ大型になるという課題がある。

また、高速化を目的とした特許文献２のフルフィールドＯＣＴ顕微鏡では、深さ方向の情報を取得するために参照ミラーを光の波長オーダで４回走査した上で、各ＣＣＤ検出器上の画素毎に信号解析（構造推定のためのフィッティング）が必要なため、データ処理の時間を含めると飛躍的な高速化の実現は困難であった。更に、装置の垂直分解能は、従来のＯＣＴ装置同様、光源の光干渉性が支配的であり、抱える課題も同じである。

一方で、共焦点顕微鏡では、ピンホールを含めた共焦点光学系を構築するために、各部品の高い位置合わせ精度が要求されるだけでなく、装置全体が大型化になるという課題がある。特に、共焦点顕微鏡での垂直分解能はピンホールによって遮光されない領域である実効検出面積が支配的である。垂直分解能向上のためには、実効検出面積を小さくする、すなわちピンホールの大きさを小さくすることが重要なため、このとき前述した課題がより困難になるだけでなく、検出光量自体も小さくなってしまう。そこで、十分な検出光量を得るために計測時間、すなわち検出光の積算時間を大きくする必要がある。

上記では高速化に主眼を置いて課題を説明したが、これら装置ではその対策として測定点を低減することで高速測定を可能とする低解像度観察手法も存在する。しかし、いずれにせよ、従来の技術では高速化、高解像度化を同時に満たすことが困難であることは自明である。

本発明はこのような事情に鑑み、以下の第１の目的及び第２の目的を有する。本発明の第１の目的は、ｘｙｚ方向すなわち３次元に対し高い分解能を有し、かつ簡素な構成の光断層観察装置を提供することである。本発明の第２の目的は、高い垂直分解能を有するフルフィールド型の光断層観察装置を提供することである。

本発明者は、光干渉現象を利用したホモダイン位相ダイバーシティ検出技術（特許第４５６４９４８号公報）が、光断層観察においても有用な技術であることを見出した。

更に、本発明者は、このホモダイン・位相ダイバーシティ検出を用いた光断層観察（本明細書では、以下ＨＯＣＴと云う）は、従来のＯＣＴのみならず、同じように観察物の３次元観察可能な共焦点顕微鏡と比較しても、所定の条件を満たすことにより、３次元の高倍率観察において光軸方向、すなわち垂直分解能に対して優位性があることを発見した。

更に３次元観察の高速化を目的とした面検出によるＨＯＣＴ（フルフィールドＨＯＣＴ）についても、光検出器上での工夫にて高垂直分解能が実現できる構成を見出したので、続けて説明を行う。

以下、図４から図６に示す簡単なモデルにて、本発明のＨＯＣＴ、従来のＯＣＴ、共焦点顕微鏡について検討する。

図４は、従来のＯＣＴ装置の構成を示した模式図である。低コヒーレンス光源４１０１から出射した光束はコリメートレンズ４１０２にて平行光となり、ビームスプリッタ（ＢＳ）にて信号光と参照光に分けられる。信号光は試料に照射され、もう一方の参照光は別の光路中に置かれたミラー４１０３で反射され、最終的に光検出器４１０４上にて光干渉する構成となっている。

図５は、本発明のＨＯＣＴ装置の構成例を示した模式図である。光源４２０１から出射した光束をコリメートレンズ４２０２にて平行光とし、ビームスプリッタで信号光と参照光に分け、信号光は対物レンズ４２０５で収束して試料に照射し、参照光は別の光路中に置かれたミラー４２０３に入射させる。信号光・参照光を最終的に検出部４２０４で光干渉させる構成は従来のＯＣＴと同様である。しかし、用いる光源４２０１が高コヒーレンス光源でも問題ない点、また検出部４２０４がホモダイン・位相ダイバーシティ検出と呼ばれる偏光干渉光学系と光検出器によって構成されている点が大きく異なっている。なお、光路分岐に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、一部に１／４波長板（ＱＷＰ）が置かれているのは、検出部の偏光干渉光学系に合わせたためであり、従来のＯＣＴ装置でも同様の部品を用いた光学系が存在する。

図６は、一般的な共焦点顕微鏡装置の構成を示した模式図である。光源４３０１から出射した光束をコリメートレンズ４３０２によって平行光とし、対物レンズ４３０５によって試料に収束させる。試料からの戻り光は対物レンズ４３０５及び検出レンズ４３０６を介して光検出器４３０４で検出される。ここでは比較しやすいように平行光を用いた光学系（無限系）を示したが、収束・発散光を用いた光学系（有限系）でも同様の共焦点光学系を構成することは可能である。図５の構成と大きく異なる点は、光検出器４３０４の検出面にピンホール４３０７と呼ばれる遮光体が配置されており、ピンホール４３０７によって観察試料の焦点面以外からの反射、散乱光が光検出器４３０４に入らないようになっている点である。

これら３つのモデル光学系を用いて、各方式での垂直分解能を見積もった結果を以下に示す。信号光は対物光学素子（集光レンズ）で測定対象に集光され、測定対象は焦点近傍で平らな反射面を持つ場合を考える。なお、実際の観察物は焦点深さ方向に複数の反射面を持つ集合体と考えれば良い。ここでは、ひとつの反射面からの影響を考え、対物光学素子の光軸方向の位置（焦点位置からずれ）をｚとする。

（Ａ）ＨＯＣＴにおける垂直分解能
ＨＯＣＴで得られる信号Ｉ_HOCTは、次式（Ａ−１）の通りである。

［Ａ−１］

ここでｒ＝（ｘ，ｙ）は光束断面の座標ベクトル、Ｄは検出領域を表し、∫_Dｄｒは光束内全域での積分演算を意味する。また、添え字のｓ，ｒは信号光（signal）、参照光（reference）を表わす。φ_sは信号光波面、φ_rは参照光波面を表す。参照光はミラーで反射するだけであるので波面は理想状態（無収差）とみなすことができ、φ_r＝０とする。また、簡略化のために、光束内での信号光と参照光の強度（電場振幅）分布は平らであると仮定する。このとき、式（Ａ−１）は次式（Ａ−２）に簡略化される。

［Ａ−２］

測定対象の反射面が対物レンズの焦点位置からずれると、信号光波面φ_sはデフォーカス収差を持つ。絶対値の小さい３次以上の高次成分を無視して、信号光波面φ_sは往復でデフォーカスの影響を受けるため、次式（Ａ−３）で記述できる。

［Ａ−３］

ここで、式（Ａ−２）のcos，sinの積分項を整理すると、sinc(ｘ)＝sin(ｘ)／ｘを用いることで、次式（Ａ−４），（Ａ−５）が得られる。

［Ａ−４］

［Ａ−５］

上式（Ａ−２），（Ａ−４），（Ａ−５）と、位相ダイバーシティ検出を示す式（Ｉ_HOCT＝√（Ｉ²＋Ｑ²））を用いて、ＨＯＣＴで得られる信号Ｉ_HOCTは式（Ａ−６）で表わすことができる。

［Ａ−６］

ここで、垂直分解能を半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）で定義すると、ＨＯＣＴにおける垂直方向のＦＷＨＭは次式（Ａ−７）で表わすことができる。

［Ａ−７］

すなわち、ＨＯＣＴにおける垂直分解能は、信号光の参照光による増幅度具合（波面の一致度）、言い換えると焦点深度と似た関係があることが分かる。従って、ＨＯＣＴは対物光学素子のＮＡ、すなわちレンズ倍率を大きくすればするほど、物体面の平面分解能のみならず、垂直分解能も同時に向上することができるため、観察物の高分解能３次元観察に好適な技術である。

（Ｂ）従来のＯＣＴにおける垂直分解能
ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）を含む低干渉光のスペクトルは、次式（Ｂ−１）に示すガウス型パワースペクトル密度を取ると仮定する。

［Ｂ−１］

ここで、νは光の周波数（ν＝ｃ／λ）、ν₀、Δνは入射光の中心周波数及びスペクトル幅である。ｃは光速、λは光の波長を示す。式（Ｂ−１）で表わされる光の干渉を考えると、ＯＣＴ検出部において受光される強度Ｉ_dは、次式（Ｂ−２）で表わされる。

［Ｂ−２］

ここで、Ｉ_r，Ｉ_sはそれぞれ参照光路及び計測光路からの反射光強度であり、Ｅ_r，Ｅ_sはそれぞれ反射光複素振幅である。ダッシュ（’）は計測サンプルによって変化を受けたことを表す。≦≧は時間平均を示す。干渉光成分≦Ｅ_r ^＊（ｔ＋τ）Ｅ_s’（ｔ）≧は相互コヒーレンス関数として定義され、複素数同士の内積を時間平均で表わした形となる。

計測サンプルとして理想的なミラー（反射率＝１）を想定し、式（Ｂ−１）で表されるガウススペクトル光源からの光を干渉させた際の干渉光成分｜Ｇ（ν）｜を求める。干渉光成分｜Ｇ（ν）｜は、先の単一波長光源による干渉の計算を拡張することで求めることができる。すなわち、スペクトル及び強度が異なる光が無数に重ね合わされたものとして次式（Ｂ−３）で表わされる。

［Ｂ−３］

以下、式（Ｂ−３）に式（Ｂ−１）を代入して解を求めていく。

［Ｂ−３’］

ここで、以下の式（Ｂ−４−１），（Ｂ−４−２）の関係を利用し、式（Ｂ−３’）を簡略化していく。

［Ｂ−４−１］

［Ｂ−４−２］

式（Ｂ−３’）は、最終的に次式（Ｂ−５）に簡略化される。

［Ｂ−５］

τは光が干渉する際の時間差であり、τ＝（Ｌ_s−Ｌ_r）／ｃである。Ｌ_sをＬ_rを基準として、Ｌ_s＝Ｌ_r−ＶＴ（Ｖは参照ミラー移動速度、Ｔは時間）として表せば、次式（Ｂ−６）で示すような速度に依存したものとなる。

［Ｂ−６］

式（Ｂ−５）は、ガウス型のスペクトル分布をもつ光源は紡錘型の干渉波形（インターフェログラム）をもち、その強度は速度に依存して指数関数的な減衰をすることを示している。ガウス型のパワースペクトル分布は低コヒーレンス光源に関わらず、ＬＥＤ、レーザ等にもあてはまる。つまり、理想的な単一波長光源でない限り速度に依存して干渉光強度が減衰することになる。

インターフェログラムは光源の可干渉性を示すものであり、その干渉する距離（可干渉距離）は光源のスペクトル幅に依存する。光源のスペクトル幅は理想的な単一波長光源から出射した光がその一定の周波数を維持する時間Δｔに直接依存した量として解釈でき、次式（Ｂ−７）の関係を満足する。

［Ｂ−７］

この可干渉距離をコヒーレンス長ｌ_cとして表す。ＯＣＴにおいて干渉光の可視度（Visibility）は、次式（Ｂ−８）の様に表わされる。

［Ｂ−８］

ここでは、コヒーレンス長ｌ_cは、干渉光の可視度（Visibility）が√１／２となる時の光路差ΔＬ（＝Ｌ_r−Ｌ_s）で定義した。つまり、干渉光の項を表した式（Ｂ−５）において、｜Ｇ（τ）｜＝１／２となる時の光路差となる。このとき、（ν＝ｃ／λ）の関係を用いて、光源波長（中心波長λ₀及び波長半値半幅Δλ）に対するコヒーレンス長は、次式（Ｂ−９）で表わすことができる。

［Ｂ−９］

垂直分解能とコヒーレンス長の関係はほぼ一致しているため、ＦＷＨＭは次式にて表わすことができる。

［Ｂ−１０］

すなわち、従来のＯＣＴでは、波長半値半幅Δλの大きな光源を用いることで、高い垂直分解能が実現できることが分かる。なお、検出信号の信号処理によって検出可能な干渉光の可視度（Visibility）は異なる。上式（Ｂ−１０）では、可視度を√１／２と仮定したが、現行製品を想定すると、可視度は√１／ｅ²〜√１／２の範囲が望ましい。このとき式（Ｂ−１０）の右辺の定数０．４４１に相当する定数をｋ₁とすると、定数ｋ₁は０．４４１≦ｋ₁≦０．７５０となる。図７に、上記ｋ₁の範囲における光源波長半値半幅と垂直分解能の関係を示す。図７からも、従来ＯＣＴ装置の波長半値半幅と分解能の関係が上式（Ｂ−１０）と良く一致することが分かる。

（Ｃ）共焦点顕微鏡における垂直分解能
共焦点顕微鏡で得られる信号Ｉ_CONは、直接強度検出となるため、検出器に入射する光強度の積分として次式（Ｃ−１）にて表わすことができる。

［Ｃ−１］

物体面上（＝試料集光面）でのスポット半径ｒ_s,objを幾何学的に考えると次式（Ｃ−２）になる。

［Ｃ−２］

さらに、復路光学系の倍率（対物光学素子［対物レンズ］と検出系対物光学素子［検出系集光レンズ］の焦点距離の比）をＭとすると、物体面と結像面の関係から、次式（Ｃ−３）のようにスポット径ｒ_s,detは結像面上、すなわち光検出器上ではＭ倍の大きさとなる。

［Ｃ−３］

ここで簡略化のために検出器上での光の強度分布は一定であると仮定すると、結像面すなわち光検出器上での“実効的な面積Ｓ”の光検出器に入射して検出される信号Ｉ_CONは、次式（Ｃ−４）となる。ここでの“実効的な面積Ｓ”とは、一般的な共焦点顕微鏡で用いられるような光検出器面上に配置されたピンホール等の遮光素子等の影響を含めた上での面積である。つまり、光検出器のサイズを小さくすればＳは小さくなるし、一方で光検出器サイズを変えず光検出器上に小さなピンホールを配置してもＳは小さくなる。

［Ｃ−４］

式（Ｃ−４）から分かるように、共焦点顕微鏡での信号強度は検出される光量が光検出器に入るか否かで決まることになる。共焦点顕微鏡におけるＦＷＨＭは次式（Ｃ−５）で表わすことができる。

［Ｃ−５］

共焦点顕微鏡では、分解能は横倍率で規格化した光検出器の実効的な面積Ｓ／Ｍ²とＮＡに依存する（光検出器の実効的な面積Ｓが小さいほど、またＮＡが大きいほど分解能が上がる）ことになり、また波長λには依存しないことが分かる。

（Ｄ）ＨＯＣＴによる高分解能化が実現される条件
以上の検討により、ＨＯＣＴは下式（Ｄ−１），（Ｄ−２）を満たす場合に高い垂直分解能が得られることが分かる。

［Ｄ−１］

［Ｄ−２］

式（Ｄ−１）で用いた０．４４１という定数は、式（Ｂ−９）で用いたように干渉光の可視度（Visibility）が√１／２となる時の光路差で与えられるものであり、可視度の閾値を何％まで許容するかで定数が変化するため、ここで定数ｋ₁（０．４４１≦ｋ₁≦０．７５０）を用いて再記述すると、下式（Ｄ−３），（Ｄ−４）を導くことができる。

［Ｄ−３］

［Ｄ−４］

すなわち、上式（Ｄ−３）は、ＨＯＣＴの対物光学素子の開口数ＮＡ（対物レンズの倍率）を高くすることにより、従来ＯＣＴで得られている光源の干渉性を示す“λ／Δλ”の効果よりも優れた垂直分解能が得られることを示している。

また、上式（Ｄ−４）は、波面の立ち具合（λ／（ＮＡ√１−ＮＡ²））を選ぶことで、共焦点顕微鏡で得られている横倍率にて規格化した実効的な検出器サイズ“√Ｓ／Ｍ²”の効果よりも優れた垂直分解能が得られることを示している。これらの条件については、以下発明の具体的構成にて詳しく述べる。

なお、一例として次式（Ｄ−５）で示される範囲を選択すると、上式（Ｄ−３），（Ｄ−４）を満たすことができる。

［Ｄ−５］
４００≦λ≦８５０（ｎｍ）
０≦Δλ≦２５（ｎｍ）
０．２５≦ＮＡ≦０．９
４≦Ｓ≦１００（μｍ²）
２≦Ｍ≦１０
（ただし、２≦√（Ｓ／Ｍ²）≦１０（μｍ））
（Ｅ）フルフィールド化ＨＯＣＴの構成
高速測定を実現できるＯＣＴとしてフルフィールドＯＣＴが知られている。従来のＯＣＴでは平面画像取得を行う際にレーザ光を試料面上で走査していたのに対し、フルフィールドＯＣＴではＯＣＴ同様参照光を用いた上で、信号光としては一般的な光学顕微鏡同様に照明光を用いて試料が置かれた観察面視野の全面を面検出器に再投影し、面検出器上で信号光と参照光を干渉させることで面内の信号を一括取得する。一般的なＯＣＴにて平面画像の取得に必要な時間は、測定で用いるレーザを走査する時間、すなわち取得画像の解像度に比例した時間であった。一方、フルフィールドＯＣＴでは適切な光学系を準備することで、取得画像の解像度は使用する面検出器のみで決めることができ、特に高解像度検出器を使用した際でも測定時間の短縮化、すなわちＯＣＴ装置の高速化が可能となる。

これらフルフィールドＯＣＴとしては、検出器にＣＣＤカメラを使用し面光源を観察試料にあてながらＯＣＴ信号を取得することで５００μｍ視野のｘｙ平面画像の一括取得を行った研究報告がある（Optics Letters, Vol.23, Issue 4 (1998), pp.244-246）。また、２台のカメラを用いることで、断層画像取得に要する時間を高速化したｘｙ平面ＯＣＴ画像の一括取得を行った研究報告がある（Optics Letters, Vol.28, No.10 (2003), pp.816-818）。このとき、構成部品として従来のＯＣＴ装置と大きく異なる点は、検出器サイズである。

フルフィールド化ＨＯＣＴを実現する場合でも、ＨＯＣＴによる高い垂直分解能を得るために必要な条件は上式（Ｄ−３），（Ｄ−４）と同様である。ただし、検出器として、ひとつの光検出器（ＰＤ）でなく平面一括取得のために複数の検出回路が２次元配置された光検出器が必要である。代表的な光検出器としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサやＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）イメージセンサ等の撮像素子が良く知られている。これら光検出器を構成するひとつの検出回路の大きさは、数μｍ〜数十μｍであり、一般的なＰＤ（フォトダイオード）の数百μｍと比較すると非常に小さくなる。

ＨＯＣＴでは複数のＰＤを用いて位相の異なる干渉信号を検出することが可能であるが、フルフィールドＨＯＣＴを複数のＣＣＤあるいはＣＭＯＳ等を用いて実現する方法は、複数光検出器の位置調整が困難なだけでなく、信号取得時の複数光検出器からの信号同期等を含めて、数多くの課題が存在する。そこで、本発明者は、光検出器の検出回路の大きさが小さくなることに注目し、ひとつの光検出器にて位相ダイバーシティ検出を高分解能が維持された状態で実現する構成を見出した。

光検出器を構成する検出回路直近に、それぞれの検出回路に対し、位相の異なる光だけを通過させる素子、すなわち偏光子を配置する。配置された偏光子は、隣接検出回路（画素）毎に異なる方位を向いており、位相ダイバーシティ検出に必要な信号を２×２画素から取得できるような領域分割偏光子を光検出器上に設ける。この方式では、解像度が見かけ上半分（縦横半分）となるが、２×２画素サイズが横倍率を加味した上での光スポットに比べ小さければ、得られる像は高倍率画像に比べ大きく劣化することはない。

上記条件を次式（Ｅ−１）で表わす。

［Ｅ−１］

上式（Ｅ−１）の左辺は、レイリーの判定基準より算出したスポットサイズに横倍率を掛けたものであり、右辺は２×２画素に相当する検出器サイズである。

上式（Ｅ−１）と式（Ｄ−４）に注目し、規格化横倍率（√（Ｓ／Ｍ²））を消去して関係式を整理すると、フルフィールドＨＯＣＴを実現する際に好適なＮＡの条件を求めることができる。

［Ｅ−２］

ＮＡの下限は式（Ｄ−１）でも規定されており、可視域から近赤外域の波長帯で考えるとＮＡは０．３以上が望ましいので、次式（Ｅ−３）が得られる。このＮＡの下限についての詳細は実施例にて詳しく述べる。

［Ｅ−３］

上式（Ｄ−３），（Ｄ−４）に加え、式（Ｅ−３）を満たす構成のフルフィールドＨＯＣＴは、共焦点顕微鏡と比べても高い垂直分解能も実現できる。

（Ｆ）発明の具体的な構成
本発明では、上記第１の目的を達成するために以下の手段を用いた。

光源から出射した光束を第１と第２の光束とに分割し、第１の光束を対物光学素子によって試料に集光して照射し、試料から反射された信号光を複数の検出器に導き、第２の光束を試料に照射せずに参照光として複数の検出器に導き、複数の検出器上で信号光と参照光を両者の光学的な位相関係が互いに異なる状態で光学的に干渉させる。その後、複数の検出器からの出力を入力とする演算を行い、演算の結果を第１の光束の集光点での試料内構造を反映した検出信号として取得する。更に、試料に第１の光束を集光する位置を変えながら検出信号を取得することにより、試料の断層観察が可能となる。こうした光断層観察装置において、光源ユニットの波長をλ、波長半値半幅をΔλ、対物光学素子の開口数をＮＡ，検出器の実効面積をＳ、集光面に対する検出面の検出倍率をＭとするとき、式（Ｄ−３），（Ｄ−４）の関係式を満たすことで、高い垂直分解能を有する光断層観察装置を提供できる。

更に、具体的な構成として、各構成パラメータは式（Ｄ−５）を満たすようにした。この条件を満たすＨＯＣＴは、従来のＯＣＴや共焦点顕微鏡に比べても高い垂直分解能を有している。

更に、演算の調整を行うことで、光学系が不完全又は不安定な状況においても、干渉状態によらない検出信号を得ることができる。具体的には、干渉信号を取得する検出器が４個の場合、参照光と信号光の間の位相関係は、第１の検出器上と第２の検出器上では互いに１８０度異なり、第３の検出器上と第４の検出器上では互いに１８０度異なり、第１の検出器上と第３の検出器上では９０度異なるようにする。これにより、３６０度の位相関係のうち、９０度ずつずれた４つの位相状態を同時に検出することができる。検出信号は光の位相状態の３６０度の変化に応じて正弦波状に変化するため、９０度ずつ位相状態のずれた４つの信号を観測することで、任意の位相状態での信号状態を演算によって再現することが可能になる。すなわち任意の位相状態での安定した検出が実現される。前記の演算として、第１の検出器と第２の検出器の差動信号と、第３の検出器と第４の検出器の差動信号との２乗和とした。このとき、４つの干渉信号を取得する光学系などが理想的な状態からずれている場合にも、位相ダイバーシティ検出と呼ばれる上記演算により干渉位相に依存しない一定の出力信号を得ることができる。

更に、光源には、波長半値半幅が０≦Δλ≦２５（ｎｍ）である気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、ＳＬＤの点光源を用いることができる。従来のＯＣＴとは異なり、高コヒーレント光源、すなわち単一波長光源である半導体レーザを使用することができるだけでなく、フーリエドメインＯＣＴで必要となる波長掃引装置、あるいは分光器も不要となるため、安価で小型な光断層観察装置の提供が可能となった。

第２の目的を達成するために、一例として光断層観察装置を、光源ユニット、光ヘッドユニット、光検出ユニット、制御部、信号処理部を有する構成とし、以下の手段を用いることができる。光源ユニットはレーザ光束を出射する。光ヘッドユニットは、光源ユニットからの光束を第１の光束と第２の光束に分岐する第１の光学素子と、第１の光束を試料に集光し、反射光を受光する対物光学素子と、第２の光束の光路中に設けられた参照光束反射手段とを有する。光検出ユニットは、複数の検出素子の集合体からなる光検出器と、信号光と参照光とを光検出器面上において、複数の検出素子に互いに異なる位相関係で干渉させる干渉光検出光学系を有している。こうした光断層観察装置において、光源ユニットの波長をλ、波長半値半幅をΔλ、対物光学素子の開口数をＮＡ，検出器の実効面積をＳ、集光面に対する検出面の検出倍率をＭとするとき、式（Ｄ−３），（Ｄ−４），（Ｅ−３）の関係式を満たすことで、平面画像を一括取得可能な高い垂直分解能を有する光断層観察装置を提供できる。

更に、光検出器は、少なくとも４つの光電変換により光量検出可能な回路が２次元配置された光検出部と、光検出部上、もしくは手前に位相変調板が設けられており、少なくとも４つの光電変換により光量検出可能な２次元の回路は、隣接する２×２の回路毎に組み合わされている。この位相変調板は、２×２の回路の各回路に対し、信号光と参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、信号光と参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対が隣接する２×２の検出回路毎に入射するよう、入射光の位相を変調する機能を有しており、光検出部を構成する回路を（Ｍ×Ｎ）個とし、各回路にて取得される信号をＤ_(x,y)とすると、光検出器は後述する式（９）を満たすことで位相ダイバーシティ検出に必要な検出系をひとつの検出部で実現できる。これは複数検出器の煩雑な調整を不要とし、装置の小型化も同時に実現可能とする。更に、同検出器では同時に４つの位相情報を取得できるため、２×２の回路ペア毎に後述する式（１０）のように位相がほぼ１８０度ずつ異なる干渉光の対を電流差動型の検出器で差動検出することで、位相ダイバーシティ演算の高速化が可能となる。

制御部は、光ヘッド及び対物レンズの位置と、半導体レーザの発光状態を制御する。信号処理部は位相ダイバーシティ信号処理を行い、検査対象の断層分布結果を表示部に表示する。これにより、２次元光検出器で、参照光と試料に当たって反射してきた信号光を合成し、干渉効果により増幅して検出することができるため、微小な反射信号を高Ｓ／Ｎで一括検出することができる。すなわち、ＨＯＣＴの高速光断層観察が可能になる。

本発明の光断層観察装置に好適な光源ユニットは、波長半値半幅が０≦Δλ≦２５（ｎｍ）である気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、ＳＬＤの点光源を用いることができるだけでなく、波長半値半幅が０≦Δλ≦２５（ｎｍ）となる発光ダイオード、面発光半導体レーザ、エレクトロルミネセンス素子等の面光源を用いることもできる。

フルフィールドＨＯＣＴでは、集光点にて面照明が必要となるため、点光源・面光源それぞれにおいて光源拡大ユニットを用いて対応する。点光源向けには、光導波路とコリメートレンズにて構成された光源拡大ユニットを使用することができる。この構成によりコリメートレンズと対物レンズの横倍率に応じて光導波路出射端面での光スポットを観察試料の集光面上に拡大投影することができる。一方で、面光源向けには、複数レンズにて構成されるビームエクスパンダにて、集光点付近にて光源出射端面での光スポットを観察試料の集光面上に拡大投影することができる。いずれの方法でも、均一な強度分布の信号光を観察試料に照射可能となる。

本発明によると、ＯＣＴ、共焦点顕微鏡とは異なる手法により、高い垂直分解能が実現できる干渉型の光断層観察装置を提供できる。また、高い垂直分解能を実現可能な平面一括取得方式による干渉型の光断層観察装置を提供できる。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

従来のＯＣＴ装置の構成を表す模式図。 従来のＯＣＴ装置で検出される干渉信号の模式図。 従来のＯＣＴ装置における復調信号を示す図。 従来のＯＣＴ装置の構成を示した模式図。 本発明のＨＯＣＴ装置の構成例を示した模式図。 共焦点顕微鏡装置の構成を示した模式図。 従来のＯＣＴにおける波長半値半幅と垂直分解能の関係を示す図。 実施例１，２のＨＯＣＴ装置のブロック図。 実施例１のＨＯＣＴと従来のＯＣＴの垂直分解能比較図。 実施例１のＨＯＣＴで計測したレファレンス試料の検出信号を示す図。 実施例１のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能比較図。 実施例２のＨＯＣＴと従来のＯＣＴの垂直分解能比較図。 実施例２のＨＯＣＴで計測したレファレンス試料の検出信号を示す図。 実施例２のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能比較図。 実施例３のＨＯＣＴ装置のブロック図。 位相変調板の概略図。 ケプラー型ビームエクスパンダのブロック図。 ガリレー型ビームエクスパンダのブロック図。 各種ビームエクスパンダの比較表。 実施例３のＨＯＣＴと従来のＯＣＴの垂直分解能比較図。 実施例３のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能比較図。 光源ユニットのブロック図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図８は、本実施例の光断層観察（ＨＯＣＴ）装置のブロック図である。この光断層観察装置は、光源ユニット６０１、光観察ヘッドユニット６０２、光検出ユニット６０３、制御部６０４、信号処理部６０５、及び情報入出力部６０６を備える。

まず、本装置にて光断層構造を観察する為の動作について説明する。制御部６０４に含まれるマイクロプロセッサ６１１は、制御信号ケーブル６１２にて接続された情報入出力部６０６に含まれる入力装置６１３より送られてくる、光断層観察条件に対応した測定用変調信号を作成し、変調信号をレーザドライバ６１４へ送信する。

光源ユニット６０１は、光源６１５を有する。光源６１５はレーザドライバ６１４から出力される変調信号にて駆動される。本実施例では、光源に波長７８０ｎｍの半導体レーザを使用した。

光源６１５から出射した光束は、光観察ヘッドユニット６０２に導かれる。続いて、光観察ヘッドユニット６０２に導かれた光束は、λ／２板６１６を透過する。ここで、λ／２板６１６の光学軸方向は水平方向に対して２２．５度に設定されており、光束の偏光方向が４５度回転させられる。偏光ビームスプリッタ６１７は垂直偏光を反射し、水平偏光を透過する性質を有しており（以下で説明する偏光ビームスプリッタはいずれも同一の性質を有する）、偏光の回転した光は偏光ビームスプリッタ６１７によって反射する垂直偏光の光束と透過する水平偏光の光束とに分割される。このうち反射された光束は、第一のコリメートレンズ６１８によって平行光とされたのち、λ／４板（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）６１９を通過し、アクチュエータ６２０に搭載された対物レンズ６２１によって試料６２２の内部に集光される。ここで、アクチュエータ６２０に搭載された対物レンズ６２１をポジションコントローラ６２３からの制御信号を用いて光スポット６２４を光軸方向（光断層方向）に走査することで、試料６２２からの光断層深さに対応した反射光が得られる。本実施例では、対物レンズ６２１にＮＡ＝０．５５の非球面プラスチックレンズを使用した。

試料６２２からの反射光（以後、信号光と呼ぶ）は、照射時と逆の光路を辿り、偏光ビームスプリッタ６１７に水平偏光の状態で入射する。一方、偏光ビームスプリッタ６１７を透過した光束（以後、参照光と呼ぶ）は、コリメートレンズ６２５で平行光束とされた後、ミラー６２６で正反対の方向に反射され、λ／４板６２７（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）を往復で通過することにより垂直偏光とされ、偏光ビームスプリッタ６１７に再び入射する。ここで信号光と参照光が、偏光が直交した状態で合波され、光検出ユニット６０３に導かれる。

光検出ユニット６０３に導かれた合波光束は、無偏光ハーフビームスプリッタ６２８によって透過光と反射光に２分割される。透過光は光学軸が水平方向に対して２２．５度に設定されたλ／２板６２９を通過して偏光が４５度回転し、ウォラストンプリズム６３０によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離される。分離された光束は差動検出器６３１のフォトダイオード６３２，６３３にそれぞれ入射し、強度の差に比例した電気信号が差動検出器６３１から出力される。同様に、無偏光ハーフビームスプリッタ６２８で反射した光束は、光学軸が水平方向に対して４５度に設定されたλ／４板６３４を通過した後にウォラストンプリズム６３５によって分離され、差動検出器６３６で検出される。後述するように、ウォラストンプリズム６３０，６３５で分離された後の光束はいずれも信号光と参照光とが干渉した干渉光であり、差動検出器６３１，６３６の出力は干渉成分を抽出したものになっている。

差動検出器６３１，６３６の出力は、信号処理部６０５に送られる。出力信号は、信号処理部６０５に備えられたデジタル信号処理回路６３７に送られ、ここで光断層構造を反映した反射光の光強度としての検出信号を取得できる。得られた検出信号は復調回路６３８で復調された後、復号回路６３９に送られてメモリ部６４０に格納される。メモリ部６４０に格納された検出信号は、制御部６０４に備えられたグラフィックプロセッサ６４１によって、情報入出力部６０６に備えられた表示デバイス６４２に送られ、操作者は指定した位置の光断層観察像を確認することができる。

ここで、上に述べた動作により干渉光が生成され、これによってＯＣＴとは異なる原理で光断層構造に起因した検出信号が得られる原理について述べる。無偏光ハーフビームスプリッタ６２８に入射する光束は、ｓ偏光成分として信号光を、ｐ偏光成分として参照光を含んでいるため、この偏光状態をジョーンズベクトルで表すと次のようになる。

［式１］

ここでＥ_sは信号光の電場、Ｅ_rは参照光の電場である。また、このベクトルの第一成分はｐ偏光を、第二成分はｓ偏光を表す。この光束が無偏光ハーフビームスプリッタ６２８透過し、λ／２板６２９を通過した後のジョーンズベクトルは次式のようになる。

［式２］

次に、ウォラストンプリズム６３０によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ次式のようになり、信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。

［式３］

一方、無偏光ハーフビームスプリッタ６２８を反射した光がλ／４板６３４を通過した後のジョーンズベクトルは次のようになる。

［式４］

次に、ウォラストンプリズム６３５によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ次式のようになり、やはり信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。

［式５］

従って４つの干渉光の強度はそれぞれ、次のようになり、それぞれ第１項、第２項が信号光、参照光の強度成分を表し、第３項が信号光と参照光の干渉を表す項である。

［式６］

上式においてΔφは参照光の位相を基準とした信号光の位相であり、これが検出されるべき変調信号である。差動検出器６３１，６３６の出力はこれらの分岐光の強度の差分に比例するため、それぞれ次式で表され、上記の干渉を表す項に比例した出力となっている。
［式７］

上記の差動検出器６３１，６３６の出力はデジタル信号処理回路６３７においてまずＡ／Ｄ変換された後、演算回路に入力され、下記の演算結果が出力される。

［式８］

以上のように、信号光と参照光の干渉光を生成し、これを検出することによって信号光の強度値の平方根に比例した信号を得ることが可能である。式（８）の平方根を省略すれば、信号光の強度値に比例した信号となる。式（８）は電場の位相項を含まず、既存の光増幅技術で必要となったナノメートル精度の高度な光路長補正が不要になることを示している。つまり、本検出方法を用いることにより、簡易な光干渉増幅技術が実現されている。

続いて、本検出技術を用いて光断層観察が可能である理由を示す。本検出手法では、対物レンズ６２１にて集光された光スポット６２４の物体面と、４つのフォトダイオード６３２，６３３の観察面は結像の関係にある。このとき、物体面から光断層方向に離れた位置では光スポット６２４はデフォーカスし、光の位相分布が乱れた状態となる。これは観察面となるフォトダイオード６３２，６３３上において、信号光と参照光の位相関係が乱れた状態を示しており、このとき十分な信号増幅が実現できない。一方、フォーカス状態での信号光と参照光は光検出器上で位相が揃った状態となるため、式（８）に示す信号増幅が実現される。これらの結果はすなわち、物体面に異種材料境界があるとき、すなわち反射率変化が起こるときのみ信号増幅が行われ、一方で一般的な光学観察手法においてデフォーカス状態で発生する迷光成分をカットできることを示している。

本実施例では、垂直分解能を評価するために２枚の厚み１００μｍのカバーガラスをシリコンオイルで挟み込んだリファレンス試料を作製した。試料が空気中に置かれた１枚のカバーガラスの場合、空気（屈折率：ｎ＝１）・ガラス（屈折率：ｎ＝１．５１）界面から約４％の反射光量が得られる。しかし、本発明では生体試料のように低反射光量の検出を目的とするため、シリコンオイル（屈折率：ｎ＝１．４１）・ガラス（屈折率：ｎ＝１．５１）界面からの約０．１％の反射光量を評価した。２枚のカバーガラス間には何も挟んでいないためガラス間隔は数μｍ程度である。

図９は、本実施例のＨＯＣＴと従来のＯＣＴとの垂直分解能を比較して示した図である。また、図中の★印は、本実施例で実現された状況を示している。図９の左には、上式（Ｂ−１０）のように、光源の波長半値半幅と垂直分解能の関係をグラフ化し、従来のＯＣＴで実現困難な領域をハッチングで示した。この領域は式（Ｄ−３）を満たす領域である。一方、図９の右には、ＨＯＣＴにおけるＮＡと垂直分解能の関係をグラフ化した。図９右図には、式（Ａ−７）のように、ＮＡを高くするのに伴いＨＯＣＴの垂直分解能が向上することが示されている。ここで、ＨＯＣＴ垂直分解能≦１５μｍとなるＮＡは、図９の右に矢印で示した０．２５≦ＮＡ≦０．９の領域となる。

図１０に、図９にて★印で示した条件にて、リファレンス試料を計測した結果を示す。図１０からも分かるようにＨＯＣＴでは低反射率のリファレンス試料にも関わらず、カバーガラス間隔５μｍを計測することが可能であった。また、図１０中の反射信号に注目して本ＨＯＣＴの垂直分解能を計測したところ、２．３μｍが実現できていることを確認した。

以上の結果を整理すると、図９中の★印に示したように、本実施例において、波長λ＝７８０ｎｍ、波長半値半幅≦１ｎｍとなる半導体レーザ、及びＮＡ＝０．５５の対物レンズを用いて、従来のＯＣＴでは実現困難である垂直分解能２．３μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）が達成された。

また、図１１は本実施例のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能を比較して示した図である。図１１は、上式（Ａ−７），（Ｃ−５）に示したＨＯＣＴと共焦点顕微鏡におけるＮＡと垂直分解能の関係を図示したものである。図１１に★印に示したように、波長λ＝７８０ｎｍとなる半導体レーザ、及びＮＡ＝０．５５の対物レンズ、検出器サイズＳ＝２５００μｍ²（５０μｍ□）のＰＤ、検出倍率Ｍ＝１０となる本実施例のＨＯＣＴ光学系にて達成された垂直分解能２．３μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）は、従来の共焦点顕微鏡では実現困難であることが分かる。

すなわち、図９、図１０、図１１からも、ＨＯＣＴでは、波長半値半幅の小さな高コヒーレンス光源を用いたときでも、対物レンズのＮＡ、検出器サイズ、検出倍率を適切に選ぶことで従来のＯＣＴ及び共焦点顕微鏡のいずれをも上回る垂直分解能が得られることが確認できた。

また、本実施例では、装置小型化、計測時間短縮化を目的として、アクチュエータ６２０によって対物レンズ６２１を光軸方向及びそれと直交する方向に駆動する。このアクチュエータは、ヨークと永久磁石からなる磁気回路と、対物レンズと駆動コイルを取付けた可動部と、この可動部を保持する固定部と、固定部に接続され可動部を弾性支持する支持部材から構成される。ヨークと永久磁石からなる磁気回路で作られる磁界の中で、コイルに電流を流すと、ローレンツ力が発生して可動部が光軸方向あるいは光軸と直交する方向に駆動される。すなわち、コイルに印加する電流を変化させることで対物レンズを走査することができるため、上記アクチュエータは光スポットを走査して光断層画像を取得するために好適である。

本実施例の光断層観察装置のブロック図は、実施例１と同じく図８である。本実施例では、光源ユニット６０１の光源６１５に波長λ＝４０５ｎｍの半導体レーザを、対物レンズ６２１にＮＡ０．８５（ｘ１００倍相当）の非球面ガラスレンズを使用し、光断層観察装置の小型化、簡素化だけでなく、高分解能化を行った。その他の基本的な構成、動作は実施例１と同じである。

図１２は、本実施例のＨＯＣＴと従来のＯＣＴの垂直分解能を比較して示した図である。図中の★印は、本実施例で実現された状況を示している。また、図１３は、図１２にて★印で示した条件にて、先に説明したリファレンス試料を計測した結果を示す図である。図１３中の検出信号に注目してＨＯＣＴの垂直分解能を計測したところ、０．４７μｍが実現できていることを確認した。以上を整理すると、本実施例において、波長λ＝４０５ｎｍ、波長半値半幅≦１ｎｍとなる半導体レーザ、及びＮＡ＝０．８５の対物レンズを用いて、従来のＯＣＴでは実現困難である垂直分解能０．４７μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）が達成された。このように、汎用性の高い半導体レーザを用いて垂直分解能≦１μｍを実現できるのは、位相ダイバーシティ検出の特徴である。

図１４は、本実施例のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能を比較して示した図である。図１４に★印で示したように、波長λ＝４０５ｎｍの半導体レーザ、ＮＡ＝０．８５の対物レンズ、検出器サイズＳ＝１６００μｍ²（４０μｍ□）のＰＤ、検出倍率Ｍ＝１０である本実施例のＨＯＣＴ光学系で達成された垂直分解能０．４７μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）は、共焦点顕微鏡でも実現困難であることが分かる。

すなわち、図１２、図１３、図１４からも、ＨＯＣＴでは、波長半値半幅の小さな高コヒーレンス光源を用いたときでも、対物レンズのＮＡ、検出器サイズ、検出倍率を適切に選ぶことで従来のＯＣＴ及び共焦点顕微鏡のいずれをも上回るだけでなく、従来の光学計測技術では難しいとされる≦０．５μｍの垂直分解能が得られることが確認できた。

実施例２では、従来のＯＣＴと比べ優位性が明確であるＨＯＣＴ垂直分解能≦７．５μｍとなるＮＡは、図１２から０．２５≦ＮＡ≦０．９の領域となる。ＨＯＣＴにおける垂直分解能は光源の波長λに比例するため、実施例１に比べ波長が約半分になったのと同じように、半分の大きさの垂直分解能を満たすＮＡが、実施例１と実施例２で同じ範囲（０．２５≦ＮＡ≦０．９）となるのは上式（Ａ−３）からも自明である。すなわち、実施例１および実施例２からも、光源の波長によらずＨＯＣＴが従来のＯＣＴよりも高分解能を示すために必要なＮＡの下限値はＮＡ≧０．２５であることが分かる。

実施例１及び実施例２の結果を踏まえ、同様のＮＡの範囲（０．２５≦ＮＡ≦０．９）、及び測定波長４００ｎｍ≦λ≦８５０ｎｍ、波長半値半幅０≦Δλ≦２５ｎｍを個別に設定したとき、次式に示すような検出系、検出器サイズＳ、検出倍率Ｍを満たせば、常に式（Ｄ−３），（Ｄ−４）が成立することになる。

４００≦λ≦８５０（ｎｍ）
０≦Δλ≦２５（ｎｍ）
０．２５≦ＮＡ≦０．９
４≦Ｓ≦１００（μｍ²）
２≦Ｍ≦１０
（ただし、２≦√（Ｓ／Ｍ²）≦１０（μｍ））
このように上式でＨＯＣＴ系の個別光学系の構成パラメータを独立で定義できることにより、煩雑な式（Ｄ−３），（Ｄ−４）をチェックすることなく、簡易な部品選定で高い垂直分解能を可能な光断層観察装置が提供できる。

図１５は、本実施例の光断層観察装置のブロック図である。本実施例では、光源ユニット１１０１、光観察ヘッドユニット１１０２、光検出ユニット１１０３をモジュール化し、その他の構成は実施例１、２と同じとした。更に本実施例では、ＨＯＣＴの高速化を目的に観察試料上の焦点面（ｘｙ平面）でのＨＯＣＴ信号取得可能なフルフィールド型を実現する構成とした。フルフィールド型ＨＯＣＴと、今までのＯＣＴの光学系の構成として異なる点は、光源ユニットと光検出ユニットの構成である。以下で、その構成について詳しく述べる。光観察ヘッド１１０２内の構成は、実施例１、２とほぼ同じであるため数式等での説明は省略する。

本実施例で用いた光源ユニット１１０１は、光源１１０４として、スポット径２０μｍの面光源である波長λ＝５２０ｎｍ、波長半値半幅１０ｎｍの発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した。フルフィールド型では、観察領域全体に照明照射する必要があるため、照明サイズを観察視野（本実施例では２００μｍ）と同じ大きさにしなくてならない。ＬＥＤのスポット径２０μｍを観察試料上の焦点面で２００μｍに拡大するために、本実施例ではビームエクスパンダと呼ばれる１対のレンズペアを使用した。

一般的に用いられるビームエクスパンダとして、図１７にケプラー型ビームエクスパンダのブロック図を、図１８にガリレー型ビームエクスパンダのブロック図を示す。また、
図１９に各種ビームエクスパンダの比較表を示す。図１７から図１９に示した様に、使用するレンズの種類の違いによってビームエクスパンダの方式が異なり、ビームエクスパンダユニットの全長が異なることが分かる。本実施例では光学系の小型化を目的とし、×１０倍のビーム径拡大が可能なビームエクスパンダにおいて、ビームエクスパンダ全長Ｌが９０ｍｍと短くすることができるガリレー型を採用した。用いたレンズ１の焦点距離ｆ１は−１０ｍｍであり、レンズ２の焦点距離ｆ２は１００ｍｍである。

もちろん、サイズ等の制約がなければケプラー型を用いても良いし、２枚以上のレンズ組合せによるビームエクスパンダを使用してもよい。ケプラー型であれば入手しやすい凸レンズを用いることができる利点があり、２枚以上のレンズ組合せによるビームエクスパンダであれば、ビーム径拡大の大きさを後から調整可能な光学系を構築することも可能である。

光源１１０４から出射した光は、コリメートレンズ１１０５にて平行光に変換され、前述したビームエクスパンダユニット１１０６にてビーム径が拡大され、λ／２板１１０７にて偏光方向が調整される。このλ／２板１１０７通過後の表面に焦点を結ぶように対物レンズ１１０８を配置する。対物レンズ１１０８を通過した光束は、偏光ビームスプリッタ１１０９にて信号光と参照光に分離され、信号光はλ／４板１１１０にて円偏光に変換され、対物レンズ１１１１によって試料１１１２に照射される。試料１１１２からの反射信号は、再びλ／４板１１１０を通過し、偏光ビームスプリッタ１１０９を介し、偏光が９０度回転した状態で光検出ユニット１１０３側と導かれる。一方で、参照光は、λ／４板１１１０にて円偏光に変換された後に集光レンズ１１１３にてミラー１１１４上で集光する構成とした。

ここで、対物レンズ１１１１と集光レンズ１１１３は同じ仕様のレンズを選択することが好ましい。本実施例では、面照明を用いているため、それぞれの光学部品が持つ光軸外の収差が問題となる。そこで、同様の光学部品を通過するように信号光、参照光の光学系を設計すれば、これら収差を含めた上で干渉光学系を簡素に構築することが可能となる。

ミラー１１１４にて反射された光は、再びλ／４板１１１０を通過し、信号光と同様に偏光ビームスプリッタ１１０９を介し、偏光が９０度回転した状態で光検出ユニット１１０３側と導かれている。これら信号光・参照光が偏光ビームスプリッタ１１０９にて合波された後、再度λ／４板１１１０を通過させ、円偏光に変換した後、検出レンズ１１１５にて光検出ユニット内で集光させるようにした。これは後述する光検出ユニット１１０３内にて簡素な構成で４種類の光干渉信号取得する為の前準備である。光検出ユニット１１０３は、位相変調板１１１６と光検出器１１１７を備える。

また、本実施例では、対物レンズ１１０８と対物レンズ１１１１も同じ仕様のレンズを選択した。このふたつのレンズのＮＡ比、すなわち倍率によって、観察試料上の焦点面における照明サイズが決定される。本実施例では、同じ仕様のレンズを選択したため、ここでの倍率は×１である。このため、観察試料上の焦点面における照明サイズは、λ／２板１１０７通過後の光束径と同じく２００μｍであった。

４種類の光干渉信号取得する為に用いた位相変調板１１１６は、通過した光束に対し偏光子として作用する。この位相変調板１１１６を通過した光束を、光検出器１１１７で一括して面受光することで、ホモダイン位相ダイバーシティ信号生成に必要な複数の光干渉信号を取得できる。この光検出ユニットの詳しい機能について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施例の光断層観察装置における位相変調板の概略図である。位相変調板は、領域毎に異なる構造のフォトニック結晶偏光子で構成される。フォトニック結晶とは、周期構造中で起きる光の多重反射（ブラッグ反射）によってその光学特性を制御できる素子である。基板平面での配置は、パターン形成（リソグラフィ描画等）を半導体プロセス技術で実現しているため、波長オーダ、サブミクロンオーダの多次元周期構造を領域を自由に設定して作製することができる。

本実施例では、位相変調板として、自己クローニング法にて作製された領域分割偏光子、マイクロレンズアレイ一体化素子を採用した。それぞれの領域毎に異なる方位の偏光子がフォトニック結晶にて作り込まれており、各偏光子を通過した光束は、マイクロレンズアレイによってＣＣＤ面上に設けた各検出回路（各画素）へ導かれる構成となっている。この位相変調板とＣＣＤを組み合わせると、ＣＣＤ（２×２）画素毎に０度、４５度、９０度、１３５度の４領域（方向）分の偏光子を１ユニットとして、次式に示すような異なる光干渉信号を取り出すことができる。本実施例では、位相板と偏光ビームスプリッタの組合せでなく、異なる配向軸方位を持つ集積偏光板を使用したが、前者は位相板によって偏光方位を回転させＰＢＳで各々の偏光成分を分離するのに対し、後者は配向軸方位以外の偏光成分を偏光板でカットすることにより検出器上では所望の偏光成分のみを検出できるため、位相変調する機能は変わらず［式３］［式５］と同じように［式９］が得られることとなる。

［式９］

その後、次式に示す様にユニット毎に位相がほぼ１８０度ずつ異なる干渉光の対を電流差動型の差動検出することでひとつの光検出器にてホモダイン位相ダイバーシティ信号を検出できるようになった。

［式１０］

なお、本実施例では位相変調板にフォトニック結晶偏光子を利用したが、領域分割された偏光フィルタや、回折格子を用いても良い。集積化の観点ではフォトニック結晶偏光子とマイクロレンズアレイ、ＣＣＤを一体化することが好ましいが、光観察ユニット側に位相波長板を移動することも可能である。光観察ユニット側に対物レンズペア追加にて、もうひとつ結像面を作り、その結像面に上記領域分割された偏光フィルタや回折格子を挿入しても同様の効果が得られる。フォトニック結晶偏光子と比べ、作製が容易である点、もうひとつの結像面での倍率を大きくすることで、これら領域分割された偏光フィルタや回折格子の位置調整のトレランス（許容度）を大きくできる利点がある。

本実施例では、光検出器１１１７に１／２型ＣＣＤイメージセンサを用いた。ＣＣＤ画素数は縦×横：６４０×４８０である。もちろん、これよりも大きな画素数を選んでも良いが、ＨＯＣＴ光学系の空間分解能よりも小さな画素サイズで信号検出しても、劇的な画質改善が見込まれないだけでなく、信号処理時間や消費エネルギーの観点でデメリットが生じる。ここでは、対物レンズのＮＡを０．５、ＣＣＤ１画素あたりの検出器サイズＳ＝１００μｍ²（１０μｍ□）、検出倍率を４とすることで、式（Ｄ−３），（Ｄ−４），（Ｅ−３）の条件を満たす様にした。本実施例では、観察面上で２００μｍであった照明は、ＣＣＤ検出面上では８００μｍとなり、これはちょうどＣＣＤイメージセンサの対角線の長さに相当する。

照明サイズをＬ_FWHMとすると、次式を満たすようにするとよい。

Ｌ_FWHM≧{√Ｓ×√(Ｏ^２＋Ｐ^２) }／Ｍ
Ｍ：検出倍率
Ｓ：光検出器を構成する一画素分の検出器面積
（Ｏ×Ｐ）：光検出器を構成する光検出素子の個数
今回は、信号品質を考慮して光検出器にＣＣＤを採用したが、光検出器にはＣＭＯＳイメージセンサ等他の固体撮像素子を用いても良い。ＣＭＯＳは、安価に製造できるだけでなく、高速応答性や低電圧駆動等のメリットがある。

図２０は、本実施例のＨＯＣＴと従来のＯＣＴの垂直分解能を比較して示した図である。また、図中の★印は、本実施例で実現された状況を示している。ここで、図２０中の★印に注目すると、本実施例において、波長λ＝５２０ｎｍ、波長半値半幅＝１０ｎｍとなる半導体レーザ、及びＮＡ＝０．５の対物レンズを用いて、従来のＯＣＴでは実現困難である垂直分解能１．８４μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）が達成できた。

図２１は、本実施例のＨＯＣＴと共焦点顕微鏡の垂直分解能を比較して示した図である。ここで、図２１中の★印に注目すると、本実施例において、波長λ＝５２０ｎｍとなる半導体レーザ、及びＮＡ＝０．５の対物レンズ、１画素あたりの検出器サイズＳ＝１００μｍ²（１０μｍ□）のＣＣＤ、検出倍率Ｍ＝４となるＨＯＣＴ光学系にて、共焦点顕微鏡でも実現困難である垂直分解能１．８４μｍ（光軸（ｚ）方向での光スポットの半値全幅ＦＷＨＭ）が達成できた。

本実施例では、実施例３同様フルフィールド型を実現する構成としたが、光源に半導体レーザ（ＬＤ）を使用した点が異なる。図２２は、本実施例の光断層観察装置における光源ユニットのブロック図である。本実施例では、光源ユニット１５０１に、光源１５０２として、出射スポット径２μｍの点光源である波長λ＝５２０ｎｍ、波長半値半幅≦１ｎｍのＬＤを使用した。なお、点光源であれば、気体レーザ、固体レーザ等も使用することができる。これらの光源は、サイズ・消費電力は増大するが、出力を大きくできる、波長半値半幅が小さくできる等の利点がある。

この点光源をフルフィールド化するためには、面光源への変換が必要となる。しかし、実施例３で用いたビームエクスパンダをそのまま適用すると、必要となる拡大倍率が×１００となり現実的な光学系のサイズでなくなってしまう。そこで本実施例では、光源１５０２から出射したレーザ光を、カップリングレンズ１５０３を用いて光導波路１５０４へ結合する構成とした。このとき、光導波路１５０４の出射端面では光導波路のコア径に近い光スポット、すなわち面光源を得ることができる。この光スポットは空気中に対しては光導波路のコア／クラッド屈折率比に応じた広がり角を持つ発散光となるため、コリメートレンズ１５０５を用いて平行光として、光観察ユニットへ導く構成とした。このような構成とすることで、（１）光導波路の設計（コア径、コア／クラッド屈折率比）にて面光源の簡易設計が可能になる、（２）コリメートレンズと対物レンズの選択で面光源の拡大／縮小比が調整できる、という利点が生まれた。特に半導体レーザ等の点光源の大きさは一般的には数μｍ程度であるため、例えば視野５００〜６００μｍを照らすためには、スポットサイズを１００倍以上大きくする必要があり、単純な複数レンズ組合せによるスポット拡大では光学系の大型化を招いてしまう。一方、本実施例であれば、一度光導波路にて数十倍に大きくした上で、コリメートレンズ・対物レンズにて数倍のスポットサイズ調整を行えばよい。本実施例では、光導波路１５０４としてＮＡ０．２２のコア径２００μｍであるマルチモードファイバを使用した。光導波路１５０４の端面からは、広がり角（ＮＡ０．２２）を持った光が出射するが、それよりもＮＡの大きなＮＡ０．５のコリメートレンズ１５０５にて平行光とすることで、実施例３同様に２００μｍのビーム径を持つ照明光が形成できた。

その他本実施例の基本的な構成、動作は実施例３と同じである。本実施例において、点光源である半導体レーザを用いても、光源拡大ユニットにて簡易な面照明が実現できるため、高速化可能なフルフィールドＯＣＴが実現できた。また、半導体レーザを使用できることで、長い可干渉長（コヒーレンス長）を活かして、干渉光学系の部品調整精度をｍｍオーダまで緩和することが可能である。これはＨＯＣＴを用いた光断層装置の低コスト化に寄与する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明によると、実際の光学系に生じる様々な特性のばらつきに影響を受けることなく、安定した増幅信号を出力でき、高い垂直分解能を有する干渉型の光断層観察装置を提供することが可能となる。また、高い垂直分解能を有しつつ高速化可能な干渉型のフルフィールド光断層観察装置を提供できる。

６０１：光源ユニット、６０２：光観察ヘッドユニット、６０３：光検出ユニット、６０４：制御部、６０５：信号処理部、６０６：情報入出力部、６１５：光源、６２０：アクチュエータ、６２１：対物レンズ、６２２：試料、６２４：光スポット、６２６：ミラー、６３０，６３５：ウォラストンプリズム、６３１，６３６：差動検出器、１１１６：位相変調板、１１１７：光検出器、１５０４：光導波路

Claims (12)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射した光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光学素子、前記第１の光束を試料に集光して照射し試料から反射された反射光を信号光として受光する対物光学素子、前記第２の光束の光路中に設けられ前記第２の光束を参照光として反射させる反射素子、及び前記信号光と前記参照光とを合波する光学素子を備える光学系と、
   複数の光検出器と、
   前記合波された光束を前記複数の光検出器に導き、各検出器上において前記信号光と前記参照光を互いに異なる位相関係で干渉させる干渉光学系と、
   試料に照射する前記第１の光束の集光位置を制御する制御部と、
   前記複数の光検出器の出力を入力とする演算を行い前記信号光に対応する検出信号を取得する演算回路とを有し、
   前記レーザ光の波長をλ、波長半値半幅をΔλ、前記対物光学素子の開口数をＮＡ、前記光検出器の実効面積をＳ、集光面に対する検出面の検出倍率をＭとするとき、次式を満たすことを特徴とする光断層観察装置。
   

   
2. 請求項１記載の光断層観察装置において、
   ４００≦λ≦８５０（ｎｍ）
   ０≦Δλ≦２５（ｎｍ）
   ０．２５≦ＮＡ≦０．９
   ４≦Ｓ≦１００（μｍ²）
   ２≦Ｍ≦１０
   （ただし、２≦√（Ｓ／Ｍ²）≦１０（μｍ））
   を満たすことを特徴とする光断層観察装置。
3. 請求項１記載の光断層観察装置において、
   前記対物光学素子は対物レンズであり、前記制御部は前記対物レンズによる集光位置を走査するために前記対物レンズを光軸方向に移動させることを特徴とする光断層観察装置。
4. 請求項１記載の光断層観察装置において、
   前記光検出器の個数は４個であり、
   前記４個の光検出器上での前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、
   前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対を差動検出器によって検出することを特徴とする光断層観察装置。
5. 請求項１記載の光断層観察装置において、
   前記光源は、波長半値半幅が０≦Δλ≦２５（ｎｍ）である気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオードのいずれかであることを特徴とする光断層観察装置。
6. レーザ光を出射する光源と、
   前記光源から出射した光束を第１の光束と第２の光束とに分割する光学素子、前記第１の光束を試料に集光して面照明として照射し試料から反射された反射光を信号光として受光する対物光学素子、前記第２の光束の光路中に設けられ前記第２の光束を参照光として反射させる反射素子、及び前記信号光と前記参照光とを合波する光学素子を備える光学系と、
   ２次元的に配置された複数の光検出素子を備える光検出器と、
   前記合波された光束を前記光検出器に導き、前記光検出器の複数の検出素子上において前記信号光と前記参照光を互いに異なる位相関係で干渉させる干渉光学系と、
   試料に照射する前記第１の光束の集光位置を制御する制御部と、
   前記複数の光検出器の出力を入力とする演算を行い前記信号光に対応する検出信号を取得する演算回路とを有し、
   前記レーザ光の波長をλ、波長半値半幅をΔλ、前記対物光学素子の開口数をＮＡ、前記光検出器上の検出素子面積をＳ、集光面に対する検出面の検出倍率をＭとするとき、
   次式を満たすことを特徴とする光断層観察装置。
   

   
7. 請求項６記載の光断層観察装置において、
   前記ＮＡは、
   ０．２５０≦ＮＡ≦０．５７４
   を満たすことを特徴とする光断層観察装置。
8. 請求項６記載の光断層観察装置において、
   前記光検出器の個数は１個であり、前記光検出素子は隣接する２×２個毎に組み合わされ、
   前記光検出器は、検出面の手前に配置された位相変調板を有し、
   前記位相変調板は、前記２×２個の光検出素子に対し、前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対が前記隣接する２×２の光検出素子毎に入射するよう、入射光の位相を変調する機能を有しており、
   前記光検出器を構成する前記光検出素子の個数を（Ｏ×Ｐ）個とし、前記光検出器上の位置（ｘ，ｙ）に配置された光検出素子によって取得される信号をＤ_(x,y)とするとき、次式を満たすことを特徴とする光断層観察装置。
   

   
9. 請求項８記載の光断層観察装置において、
   前記光断層観察装置で得られる場所（２ｏ，２ｐ）における検出信号Sig_(2o,2p)は、
   前記２×２の回路ペア毎に次式を満たすように位相がほぼ１８０度ずつ異なる干渉光の対を差動検出されることを特徴とする光断層観察装置。
   

   
10. 請求項６記載の光断層観察装置において、
    前記光源は波長半値半幅が０≦Δλ≦２５（ｎｍ）である気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード、発光ダイオード、面発光半導体レーザ、エレクトロルミネセンス素子のいずれかと、光源拡大ユニットとを備え、
    前記光源拡大ユニットは、前記光源が形成する観察試料における焦点面上での照明スポットサイズを前記光検出器全面にて検出可能な大きさよりも拡大して試料に対し面照射することを特徴とする光断層観察装置。
11. 請求項１０記載の光断層観察装置において、
    前記光源拡大ユニットは光導波路とコリメートレンズを有し、
    前記光導波路にカップリングした前記光源からの出射光スポットを前記コリメータレンズにて平行光とし、前記対物光学素子にて集光することにより、前記コリメータレンズと前記対物光学素子の横倍率に応じて前記光導路出射端面での光スポットを試料の集光面上に拡大投影することを特徴とする光断層観察装置。
12. 請求項１０記載の光断層観察装置において、
    前記光源拡大ユニットは複数レンズにて構成されるビームエクスパンダであり、
    前記ビームエクスパンダの横倍率に応じて前記光源の出射端面での光スポットを試料の集光面上に拡大投影することを特徴とする光断層観察装置。

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