JPH03111737A - ヘテロダイン検波結像系及び該結像系を用いた光断層像画像化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は散乱光中に埋もれた情報光を高解像度で検出す
ることができるヘテロダイン検波受光系及び光断層像画
像化装置に関する。

〔従来の技術〕

生体組織のような散乱体に光を照射した際、１８０°向
かい合わせで受光すればある程度直進光を取り出すこと
ができるが、今のところ、その空間分解能はあまり良い
とはいえない。

Ｘ線と光とでの空間分離能の差は今のところ埋めること
はできない。しかしながら光、特に近赤外光を用いると
、血液中のヘモグロビンから組織酸素濃度のイメージン
グができるはずである。これらは他のＮＭＲ−ＣＴやＸ
線ＣＴと異なった情報を与えてくれるであろう。

例えば、第２２図において物体Ｏが散乱体をあまり含ま
ない、比較的透明に近いものであった場合には、フィル
タ３４０を通して特定波長成分光を選択し、レンズＬ、
の焦点位置に置かれたリング状のスリット３４１から光
を被測定物体Ｏに照射し、対物レンズＬ２で拡大像を面
Ｐに結像して観察することができる。レンズＬ１の焦点
位置に置かれたリング状スリット３４１を使用すること
により、第２３図に示すように物体０に様々な方向から
光を照射したこととなり、−度に各方向から見た物体０
の像ｒ、、ｒ、・・・を観察することが可能である。

また、３〜５ｃＩ１１の厚さの組織ならばわれわれは透
過してきた光を検出することができる。このことは“光
−レントゲン写真”を診断に使えることを意味する。女
性の乳房は組織が比較的均一であり光が透過しやすく、
またその形状から透過光の検出（厚さ二〜３ｃｍ程度）
が容易であり、古くから乳ガンの診断に、Ｄｉａｐｈａ
ｎｏｇｒａｐｈｙ化ｉｇｈｔｓｃａｎｎ　ｉｎｇ）とい
う名で用いられてきた。このような従来の診断装置につ
いて第２４図により説明する。

第２４図は従来の光吸収分布像を得る装置構成を示す図
である。図中、４０１はスキャンヘッド、４０３は人体
、４０５はビデオカメラ、４０７はＡ／Ｄコンバータ、
４０９は近赤外光フレームメモリ、４１１は赤色光フレ
ームメモリ、４１３はプロセッサ、４１５はカラー変換
処理部、４１７はエンコーダキーボード、４１９はＤ／
Ａコンバータ、４２１はプリンタ、４２３はテレビモニ
タ、４２５はビデオテープレコーダである。

赤色光（主に血液中のヘモグロビンが強く吸収する）と
近赤外光（血液、水分、脂肪、その他が吸収する）を交
互にライトガイドを介してスキャンへラド４０１により
人体の被測定部位、例えば乳房に照射しつつ走査する。

図では下から上方へ光が照射されている。その結果乳房
全体が明るく光り、この透過像をビデオカメラ４０５で
捉え、Ａ／Ｄコンバータ４０７でデジタル信号に変換し
、デジタルスイッチを介して近赤外光、赤色光をそれぞ
れフレームメモリ４０９．４１１に取り込み、両フレー
ムメモリのデータから、プロセッサ４１３で近赤外光お
よび赤色光の強度比を演算し、さらにカラー変換処理し
てアナログ信号に変換し、プリンタやテレビモニタ、ビ
デオテープで光吸収分布像を観測する。

この装置においてはスキャンヘッド４０１からの光は平
行光ではなく、恰も懐中電溶で照らしたのと同じように
組織（乳房）で私がっており、これをビデオカメラのよ
うな２次元検出器で受けるので分解能はあまり良くない
。

この点を改良し、コリメートした照射−受光システムを
用いた例を第２５図により説明する。

第２５図はコリメートした照射−受光系を使用した従来
の光吸収分布像を得る装置構成を示す図である。

この例においては、光源にレーザ光を使用し、光ファイ
バ４３３でレーザ光を導いて測定対象４３５に照射し、
その透過光をファイバコリメータ４３７で捉えて検出器
４４３で電気信号に変換し、前処理回路４４５、Ａ／Ｄ
コンバータ４４７、インターフェース４４９を介してコ
ンピュータ４５１で信号処理する。この場合に照射用光
ファイバ４３３と検出用のファイバコリメータ４３７を
モータ４３９で同期してスキャニングすることにより測
定対象各部位の光吸収分布像を得てモニタ４５３で観察
している。

なお、光源は赤色光として６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレー
ザー、近赤外光として８３０ｎｍの半導体レーザーを用
いる。この診断装置は１９７７年。

Ｊｏｂｓｉｓらがネコや人の頭部に近赤外光を照射して
透過した光の検出に成功し、その透過光量が動物の呼吸
状態で変動することを報告した。７００〜１５００ｎｍ
の波長の近赤外光はネコの頭程度の大きさの組織であれ
ば５ｍＷ程度の照射光量で十分に透過した光を検出でき
、この光量は現在のレニザーの安全基準の約１１５０以
下である。

また、われわれが海岸で浴びる近赤外光の約１／１０程
度でもあり非常に安全である。

〔発明が解決すべき課題〕

ところで、生体等に光を照射した場合、その透過光には
試料による吸収と散乱が生ずる。

第２６図はＴｗｅｒｓｋｙの散乱理論曲線を示す図であ
り、赤血球浮遊液の吸光度とへマドクリプト濃度との関
係を求めたもので、波長９４０ｎｍのレーザ光を照射し
たとき得られる透過光強度及び透過光の散乱成分と吸光
度成分とを示したものである。

第２６図から分かるように、透過光には吸光度成分に大
きな散乱成分が重畳されている。散乱成分は方向性がな
いため、いろいろな部位からの散乱光が含まれてしまい
、光断層像をぼけたものにしてしまう性質がある。その
ため単に透過光を検出してもこの散乱成分のために必要
な情報の吸光度成分を精度よく検出することができない
。

第２７図は生体等の試料の光学的性質を説明するための
図である。

例えば、第２２図の場合には物体０が散乱成分を含まず
、言わば元々見えるものを観察しているにすぎないが、
実際には観察対象である試料４６０は、光の波長に対し
て十分小さいレイリー散乱体４６０ａ、光の波長同程度
の大きさのミー散乱体４６０ｂ、観察対象である目的と
する光吸収を生じる光透過情報体４６０　ｃ、光を拡散
させる拡散物体４６０ｄ、ランダムな回折を生じさせる
回折格子４６０８等からなっていると等価と考えること
ができる。こうした試料に対してレーザ光学系４６１を
通してコヒーレントな平面波を照射したときの出射光中
には透過光以外にレイリー散乱、ミー散乱、拡散光、ラ
ンダムな回折光等が含まれ、これらの中から光透過情報
体４６０Ｃからの透過光のみを検出することは従来不可
能であった。

第２８図は有限開口の正弦波格子によって生じたフレネ
ル回折波を示す図である。

平面波を有限開口に照射すると、透過光４７０の外にサ
イドバンド４７１．４７２が生じる。したがって、ラン
ダムな回折格子では透過光を観察しようとしてもサイド
バンドの影響がでるため高感度の検出は困難である。

第２９図はランダムな散乱物体にコヒーレント光を照射
したとき反対側の観測面における輝度分布を示す図であ
る。

生体のような散乱物体にレーザ光のようなコヒーレント
光を照射すると、第２９図（ａ）に示すように観測面に
おいてはランダムな回折像が現れる。

そして、散乱物体からの透過光をレンズして結像させる
と、ランダムな回折像がのるため、生体等の観測したい
部分の像を高解像で見ることはできない。

第３０図は拡散反射面の状態に応じた反射光の輝度分布
を示す図であり、第３０図（ａ）は極座標表示したもの
、第３０図ら）は直角座標表示したものである。

図において、Ｊは完全拡散面からの反射光輝度分布、Ｇ
はつやのある面からの反射光輝度分布、Ｐはつやのない
面の反射光輝度分布を示しており、つやのある面では所
定方向において広がりのない鋭いピークが得られるが、
つやがない面では輝度分布が広がりを見せ、面の状態に
よって輝度分布が変化し、反射光を利用した観察の場合
には面の状態に大きく左右されることが分かる。

以上のように、コヒーレント光を使用して断層像を観察
する場合には各種散乱体の影響で必要な情報光が埋もれ
てしまうため高解像度の像観察ができなかった。

本発明は上記課題を解決するためのもので、情報光が多
くの散乱成分に埋もれている場合にも、比較的太く、且
つ短い受光素子を使用して散乱成分の中から必要な情報
光を検出することができ、生体等の光断層像を画像化す
ることができるヘテロダイン検波受光系及び光断層像画
像化装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のヘテロダイン検波受光系は、試料を透過したレ
ーザ光と、該レーザ光と周波数の異なるレーザ光とを合
成する合成手段と、合成した光が入射され、光の伝播す
る領域を複数に分割する受光素子と、受光素子からの出
射光のうち合成した光のビート成分を検出する検出器と
を有し、受光素子出射端にあける異なる点間の干渉が生
ずる空間領域を最小空間分解単位内に限定して混合光の
ビート成分を検出することを特徴とする。

本発明の光断層像画像化装置は、試料を移動させるステ
ージと、所定の周波数差を有する２つのレーザ光の一方
を試料に照射し、その透過光と他方の光とを合成する手
段と、合成した光が入射され、光の伝播する領域を複数
に分割して出射端゛：おける異なる点間の干渉が生ずる
空間領域を最小空間分解単位内に限定する単数の受光素
子の走査または複数の受光素子と、受光素子からの出射
光のうちビート成分を検出する検出器と、検出した信号
を演算処理する手段と、処理結果を表示する表示手段と
を備えたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、試料を透過したレーザ光と、これと周波数の
異なるレーザ光とを合成し、合成した光を、光の伝播す
る領域を複数に分割し、各分割領域を異なる点間の干渉
が生ずる最小空間分解単位内に限定する受光素子で受光
してフラウンホーファ回折像を生じさせ、ｎ次の回折像
まで検出する。

これは０次のフラウンホーファ回折像の大きさがｌ　ｏ
ｍ以下になると０次回折像だけをとり出すのが困難にな
る。そこで回折像を取り出すピンホールをｍｍ単位の大
きさにしｎ次光まで取り込む。そして合成した光のビー
ト成分を取り出すことにより、散乱成分から透過像を分
離して検出することができるので、生体等の試料を透過
した光のように散乱成分が非常に大きい場合でも吸収体
の情報を得ることができるので、光ＣＴ等に適用して多
大の効果を得ることが可能である。

〔実施例〕

まず、本発明の基本原理を説明する。

第４図に示すように、有限な大きさを持つ準単色１次光
源σによって照明された平面上に、固定点Ｐ、と可動点
Ｐ、ｌこおける振動の相関を記述する干渉度（複素コヒ
ーレンスファクタ）は、Ｐ２を中心とする回折像内の対
応する点Ｐ１における正規化された複素振幅に等しく、
この回折像は、光源と同じ大きさで同じ形をした回折孔
によって光源を置き換え、その開口をＰ２に収束し、波
面上の振幅が光源の強度に比例する球面波によって満た
された時できるもので、Ｖａｎ　　Ｃ１ｔｔｅｒｔ−Ｚ
ｅｒｎｉｋｅの定理と呼ばれるものである。この定理に
基づき結像式が誘導される。

簡単のため２次元的扱いとし、第５図（ａ）に示すよう
にσ上、点Ｘにある微小光源ｄｘを考え、ｄＸからの光
はコヒーレントであり、レンズＬＣｓ物体０を通過後り
上、Ｘを中心（０周波数）とするスペクトルＯ（ｓ）を
作る。σとＬとは同じ座標ｘで表され、０（Ｓ）の原点
はＸにあるため、Ｌを通過しつる成分はその一部分であ
る。次に、第５図ら）に示すように瞳関数をｆとし、レ
ンズの吸収、波面収差をそれぞれａ　（ｓ）　、Ｗ　（
ｓ）とすると、 （（ｓ　）＝　ａ（ｓ）　　ｅ−ｉ［ｘ＊／＾ｌ　Ｗ　
（％１（Ｓ　≦１）・・・・・・（１） で表される。ただしく１）式のｆ　　（ｓ）の原点は瞳
と光軸との交点０にしている。従って、ｆ　　（ｓ）を
通過しつるスペクトルはＯ（ｓ　−Ｘ）　　ｆ　　（ｓ
）である。点Ｘの強度が１であればこの瞳を通過したス
ペクトルはレンズＬによってフーリエ逆変換され、すな
わち像面の像の複素振幅は ｏ′　（ｕ′） ＝Ｉ　０（ｓ−ｘ　）　ｆ　（ｓ）ｅ”宵１ｕ’　ｓ　
ｄａ、　　　　　・・、・、、（２）したがってｄｘに
よって像面上に生じた強度はｉ（ｕ’　）ｄＸ ＝　　Ｉ　０（ｓ−Ｘ）ｆ（ｓ）ｅ”ｌｕ”　ｄｓｉ　
”　　・＝−Ｃ３）（３）式はまた、次のごとく解釈で
きる。即ち、像面上の像の複素振幅ｏ′　（ｕ′）は ０′　（ｕ′） □　Ｃ”０　（ｓ’　−Ｘ）　ｆ　　（Ｓ’　）　６２
Ｋｌｕ’　ｓ　ｒ　ｄＳｔ・・・・・・（４） ただし、（４）式では変数ＳをＳ′に変更しである。

また、瞳関数は有限であるが、そのほかでは０であるか
ら積分の上下限を士■とした。（４）においてｓ’　−
Ｘ　＝ｆ　’　とすれば、ｄｓ’　＝ｄｆ’であるので
、０′　（ｕ′） ＝Ｌ”　Ｏ（ｆ’　）　ｆ（ｆ　’　　＋Ｘ）ｅ”　ｌ
ｕ’　　”’　”’　ｄｆ’＝ｅ２＊ｌｕ′Ｘビζ（ｆ
′） ｘ　ｆ（ｆ　’　　＋Ｘ）　ｅ　”　ｌｕ”　’　　ｄ
ｆ’　　　　　・・・−（５）同様に変数をＳ′と書き
直し、ｓ’−Ｘ＝ｆ’とおき、０′　（ｕ′）の複素共
役を０／　＠　　（ｕ／　）とすれば、 ｏ”（ｕ’） ＝　６−２ｘ　ｌｕ′ＩＩ　Ｌ、”０＊　　（（ｔ　）
Ｘ　ｆ”　　（ｆ’　＋ｘ）　ｅ　　−”Ｉｕ”　’　
ｄｆ’・・・・・・（６） ｉ　　（ｕ’　）ｄＸ　＝ｏ’　　（ｕ’　）　ｏ’　
”　　（ｕ’　）ｄＸ・・・・・・（７） これを有効光源σ（Ｘ）全部で積分すれば、１　　（ｕ
’　）　＝Ｌ、−ｔｔ　（Ｘ）ｉ（ｕ’　）ｄＸ　　　
　−・−・ＣＢ））ここで（７）式に（５）、（６）式
を代入し、それを（８）式に代入すれば、 ！　　（ｕ’　） ＝Ｉσ（Ｘ）ｄ）ＪＪ　　Ｏ（ｆ’　）０”　（ｆ’）
ｘｆ（ｆ’　＋Ｘ）ｆ　”　（ｆ’　＋Ｘ）ｅ　””’
　”’　−”　’　ｄｆ’＝ｆｆｌ　ａ　（Ｘ）ｆ　（
ｆ　’　＋Ｘ）ｆ　”　（ｆ’　＋Ｘ）ｘＯ（ｆ’　　
）０”　　（ｆ　　’　　）　　ｅ　　”寓　１ｕ／　
　　（ｆｆ　　−Ｉｆ　　ｌ　　ｄｆｌ　　ｄｆＰ　　
ｄ・・・・・・（９） ここでＸを含む積分を分離すれば、 ｒ　σ（Ｘ）ｆ　（ｆ’　＋Ｘ）ｆ　”　（ｆ’　＋Ｘ
）ｄＸ＝　Ｔ　（ｆ’・ｆ’　）　　　　　　　　　　
　・・・・・・αＱこのＴをクロスモデュレーション係
数と称する。

これを（９）式に代入すれば次の結像式を得る。

１（ｕ’） を鎧 ＝　Ｕ　Ｔ（ｆ’　、ｆ’　）　０（ｆ’　）０”　　
（ｆ’　）ｘ　　８２ｇ　ｌ　ｕ　’　　（’　−”　
’　　ｄ　ｆ　’　　ｄ　ｆ　’式Ｙ ＝Ｈ１７（Ｘ）　　ｆ　　（ｆ　’　　＋ｘ）ｆ”　（
ｆ’　＋ｘ）Ｏ（ｆ　’　）×ロー（ｆｆ　）　　ｅ２
１Ｉｌｕ／　　（ｒ−ｆ　＃　ｌ　ｄｆｌ　ｄｆＰ　ｄ
。

・・・・・・α０ α０式は物体スペクトルをＯ（ｓ）としたとき、スペク
トルＯ（ｆ”）と０°（ｆ′）とのビートによって生じ
る干渉縞に重みＴ（ｆ’　、ｆ’　）を乗じたものを全
体の周波数で積分したものが像１　　（ｕ′）となるこ
とを意味している。Ｔ（ｆ’　、ｆ’　）は、ｆ’−ｆ
’のみの関数ではなく、ｆ’−ｆ’が同じであってもｆ
’　、ｆ　’が位置によって異なり、そのため結像式は
ビート周波数ｆ’−ｆ’＝ｆが同一であっても、Ｔ（ｆ
’、ｆ’）はｆ′、ｆ’によって異なるため、同じＴ（
ｆ’　、ｆ’　）を用いることができない非線形写像系
であり、一般には結像解析は困難である。

例えば、第６図に示すように、物体面Σ。の微小な孔３
を通して光を透過させたとすると、レンズ系２を通して
結像面Σ魚ではある点を中心としてリング状に広がった
すそのを有する光強度分布を示すことにな１、物体各点
からの光は結像面において互いに干渉してしまい、それ
らの影響をすべて積分しなければ像解析を行うことがで
きない。

この結像式が解けるのは次のような場合である。

（ａ）インコヒーレント系でσ（Ｘ）が無限大の場合Ｔ
　（ｆ’　、ｆ’　）は、ｒ＝ｒ　’　−ｆ’　（７）
ミ（７）関数で系は線形となり、このときのＴｌｆ）を
レスポンス関数と称する。インコヒーレント光による結
像は、第７図に示すように物体面Σ。の微小領域５がレ
ンズ系２を通して結像面Σ１において点４に結像する。

このとき結像面における光強度は広がりをもたずに点４
に鋭いピークを生ずる。したがって物体の各点が結像面
において互いに干渉することなく独立して結像する。

（ｂ）コヒーレント系でσ（Ｘ）が点光源の場合Ｔ（ｆ
’　、ｆ’）＝ｃｏｎｓｔであり、結像式Ｑｌ）　ハ解
ける。このときのＴ　（ｆ）をレスポンス関数と称する
。

（Ｃ）近似的線形系の場合 部分的コヒーレント系であり、かつ物体が大部分透明で
あり、淡い像または微小物点が散在する場合であり、大
部分の照明光はまっすぐ物体を透過する。したがって、
零次スペクトルのみ大きく、他の高次スペクトルは微小
で、ビートｆ＝ｆ’ｆ′の成分は無視でき、主としてｆ
′＝０のスペクトルとｒ′のスペクトルのみのビート成
分によって像は生ずるのでｆ’＝ｆとなり、ｆのみによ
って系の写像特性を近似的に記述できる。

出ころで、第８図（ａ）に示すように、開口１０を通し
てレーザ光を透過させた場合、開口１ｏに無数の点光源
１１が存在していると考えることができ、入射光と同じ
方向に進行する平面波と球面波として広がっていく。す
なわち、第８図ら）に示すように、散乱光の放射パター
ンは球面状であり、平面波として伝播する透過光の放射
パターンは鋭い指向性を有する。そして、充分距離が離
れた面Ｐ３ではフラウンホーファ回折像が観測され、平
面波は、透過光１７として示すように０次スペクトルが
非常に大きく、高次スペクトルが小さい強度分布を示す
。一方、球面波による散乱光１８は図示のよ５にフラッ
トな強度分布を示すが、中間にレンズ１３を配置した場
合には散乱光Ｉ９も０次スペクトルが比較的大きい回折
パターンとなる。

このフラウンホーファ回折像が得られる位置においては
、第８図（ａ）からも分かるように散乱光は充分減衰し
、平面波の０次スペクトルは充分に大きい。

しかしながら、フラウンホーファの０次の回折像は、一
般にｍｒｎ以下となり０次だけを取り出すことが困難で
ある。そこでｎ次の回折像まで取り込んで散乱光と透過
光を分離する手段としてペテロダイン方式を採用するこ
とにした。

そこで、フラウンホーファ回折像の０次スペクトルのみ
をヘテロダインのビート成分として観測すれば、その光
強度は大きいので十分観測物体の情報を取得できるとと
もに散乱成分を殆ど除くことができ、かつ平面波の高次
スペクトルが他の位置に影響を及ぼすこともなくなるの
で前述したレスポンス関数を線形化して結像解析を簡単
化することができる。すなわち、第９図に示すように先
口σからＲだけ離れ、フラウンホーファ回折像が観測可
能な面Ｐにおいて、微小光源ＳＨによる面Ｐにおける光
強度は、微小光源ＳＩＪに対応する光軸方向のＰｉｊの
み検出し、Ｐｒ、Ｐｉ等の他の位置では検出しないよう
にする。

例えば、円形開口の場合のフラウンホーファ回折像は、
第１０図に示すようなものである。図中、実線波形は電
界強度、破線波形は光強度を示している。

円形開口のピンホールの場合、十分離れた位置において
は第１０図（ａ）に示すようなフラウンホーファ回折像
が観測される。これは第１０図の）に示すようにＡｉｒ
ｙのｄｉｓｋと呼ばれる複数の暗輪と各暗輪間の明るい
領域からなり、第１暗輪内のＡ領域、すなわち０次スペ
クトルの部分が最も明るい領域である。そこで、０次ス
ペクトルの幅のｎ倍に等しいピンホール孔径、すなわち
第１暗輪径のピンホールのｎ倍の大きさを有するスリブ
Ｈを配置して像観測を行えば０次スペクトルのみがへテ
ロダインのビート成分として検出され、高次スペクトル
を除くことができ、各点についてこのような検出を行え
ば異なる位置における干渉が起こらない、すなわちＶａ
ｎ　　Ｃ１ｔｔｅｒｔ〜Ｚｅｒｎｉｋｅの定理が像形成
に及ばないようにすることができ、光ＣＴのように散乱
光の中に微小な情報光が含まれている場合に、散乱光か
ら情報光のみを分離して検出することができる。勿論、
ピンホール内ではＶａｎ　　Ｃ１ｔｔｅｒｔ−Ｚｅｒｎ
ｉｋｅの定理が成立するがこの定理が成立する領域を最
小空間分解単位内に限定するようにする。

平面波の場合、フラウンホーファ回折像ができる条件は
、光源の開口径をｒ１伝播距離を２としたとき、 ２＞　ｒ’　、、Ｎ／２λ　　　　　　　　　・・−−
−−Ｑ２１で表せる。したがって、＠式を満足するよう
な距離にしてフラウンホーファ回折像をつくり、そのう
ちの０次スペクトルのｎ倍のピンホールを通しヘテロダ
イン光検波するようにすればよい。

円形開口のピンホールの回折像は、 で表される。但しＯｒはピンホールの半径、Ｊ、はベッ
セル関数、λは波長、Ｚは光軸上の長さである。

Ａｉｒｙのｄｉｓｋの第１暗輪の半径Δρは、Δρ＝０
．６１Ｘλｚ１０ｒ で表され、第暗輪までに全光量の８４％が含まれ、ピン
ホールによる第１暗輪内を取り込むようにすれば平面波
の損失は１６％で検出することができる。一方、球面波
は距離の２乗に反比例して減衰するのでフラウンホーフ
ァ回折像の０次スペクトルのみ取り込むことにより高解
像度の像観察を行うことができる。

ところで、このようにしてフラウンホーファ回折像の０
次スペクトルのみ取り込むことをピンホールと同じ径の
管で実現しようとすると、非常に細くて長い細管が必要
となる。

また、管径が大きくなる程Δρは小さくなり、普通のレ
ンズ系を用いた場合、叩以下の非常に小さなものとなる
。したがって、ピンホールで０次だけを取り出すことは
困難となる。そこでピンホールの穴を０次回折光より大
きくしてヘテロダインで０次だけを取り出す。即ち、本
発明では試料を透過したレーザ光と、局部発振光とを混
合した光のフラウンホーファ回折像をのビート成分を観
測することにより、比較的短く、かつピンホール径も比
較的大きい受光系でフラウンホーファ回折イ象の０次ス
ペクトルのみ検出するようにしたものである。

第１図は本発明の構成を示す図である。図中、Ｏｌはレ
ーザ光源、Ｓは試料、０２は局部発振光源、０３はハー
フミラ−１０４は高指向性光学系、０５は光検波器、０
６はフィルタである。

図において、レーザ光源０１と局部発振光源０２とは波
長を異ならせてあり、試料Ｓを透過したレーザ光源０１
からの光と、局部発振光源０２からの光とをハーフミラ
−０３で合成し、合成光を後述する高指向性光学系０４
で受光する。高指向性光学系０４は、例えばピンホール
ｐ、、ｐ、を有し、検波器でフラウンホーファ回折像を
検出し、フィルタ６でレーザ光源０１と局部発振光源０
２からの光のビート成分を検出する。

フラウンホーファ回折像の信号光の振幅は、例えば円形
開口、矩形開口、円環開口の場合それぞれ次のようにな
る。

円形開口・・・２Ｊ＋（Ｘ）／Ｘ 矩形開口・・・５ｉｎＸ／Ｘ 円環開口・・・Ｊｏ　　（Ｘ） ここにＪ。、ＪＩはベッセル関数、Ｘは光学系により決
まる値である。

受光面で試料透過光と局部発振光の光のフラウンホーフ
ァ回折像がそれぞれ第２図のＡ、　、Ａ。

であるとすると、フィルタ０６を通して検出されるビー
ト成分は図の斜線部となる。ビート成分はフラウンホー
ファ回折像ＡＩ、Ａ２の積として検出されるので、０次
スペクトルの重なり部分の面積に対応し、Ａ、　、Ａ２
が一致した場合に最大になり、位置がずれるとそれに応
じて小さくなる。

したがって、回折像を取り込むピンホール径が１次スペ
クトルまで取り込める程大きくても検出さする信号はビ
ート成分であるので高次成分は検出されない。このビー
ト成分の信号強度は、受信光の開口形状と局部発振光の
開口形状の組合せによっても異なり、第３図に示すよう
に両者の振幅の積として求められ、受信光と局部発振光
に対する開口形状が一致しているときが最大になる。し
たがって、ヘテロダイン検波を行う場合には両者の形状
を揃えることが好ましいが、これは測定目的に応じて適
宜選択すればよい。

第１１図は回折像を検出する本発明の高指向性光学系の
一実施例を示す図である。

光源２０からのレーザ光を試料２１に照射し、その透過
光をスリットＰ１を通し、測成を満足するような距離ｌ
だけ離れた位置のスリ７）Ｐｉを通して０次光を検出器
２３で検出する。

いま、スリットＰ、、Ｐ、のピンホール径をそれぞれＤ
ｒ、Ｄとし、レーザ光の波長をλ、第１暗輪の半径Δρ
とすると、 Ｄ＝２Δｐ＝１　２２ｘλ１２／Ｄｒ　　　−−−（Ｊ
３の関係がある。λ＝５００ｍｍＳｊ！＝［３ｍＳＤｒ
＝１ｍとしたときＤ＝７．３２＋ｎｍとなるが、本発明
のヘテロダイン検波受光系により、ｎ次の回折像まで取
り込んでも高次成分は検出されないのでこの数倍の太さ
でもよいことになる。

第１２図は本発明の高指向性光学系の他の実施例を示す
図である。図中、３０は高指向性光学素子、３３は光吸
収材、３５はコア、３７はクラッドである。

図において、高指向性光学素子３０は例えば直線状の細
長い中空のガラス繊維からなっており、その内壁面には
光吸収材、例えばカーボン等が塗布されている。

入射面３５から光が入射したとすると、光学素子３０の
光軸に平行な光は直進して出射面３７から出射するが、
光軸に対して傾きをもった光は壁面に当たって吸収材３
３により吸収されて出射面側には現れない。ここで、高
指向性光学素子３３の開口径をＤ、長さを１、入射光の
波長をλとしたとき、光軸に平行でない成分が吸収され
、出射面側で完全に平面波によるフランフォーファー回
折像として、検出される長さｌは、 １ｘＤｒ２／λ の関係がある。即ち、フランフォーファー回折像が観測
できる距離である。

例えばλ＝６３２８Ａの場合、Ｄｒ−１０ｍｍのとき、
ｆｌ＝６００ｍ、　Ｄｒ＝１ｍＩ１１のとき１＝　６ｍ
。

Ｄｒ＝０．１ｍのときｆ＝６ｃｍ、Ｄｒ＝０．０１關の
ときｊ２＝０．６ａｍ、Ｄｒ＝１１４ｍのときｌ＝６μ
ｍ、Ｄｒ＝０．５μｍのとき１＝１．２５μｍである。

従って、適宜測定対象に応じて開口径と長さを設定し、
光学素子を入射開口径に比して充分長くすれば、高指向
性光学素子に入射した光のうち、光軸に平行な平面波の
みが出射面から取り出せることになる。但し、管径が入
射光の波長に比較して大きく略平面波伝播ができる必要
がある。もし入射光波長と同程度の径となると回折が大
きく出射面から取り出せる光量は極端に小さくなる。本
実施例の場合も、ヘテロダイン検波受光系を用いること
によりより太い管径でも可能である。

信号光としての平面波を０次のフラウンホーファ回折像
のみを検出する場合、インコヒーレントな散乱光と平面
波の分離度は次の式で与えられる。

即ち、高指向性光学素子の大口径Ｄｒが波長λに比較し
て大きい程、散乱光が減衰して平面波と分離できる。し
かし、ｎ次のフラウンホーファ回折像までピンホールで
検出してもビート成分は上記と同じ０次のものだけであ
り、同じ分離能がある。

第１２図の変形として、通常の光ファイバと逆に、コア
部分の屈折率を周辺部分のそれよりも小さくして光軸に
平行でない光はクラッドで全反射されずに散逸し、一部
反射されたとしても何回か反射を繰り返しているうちに
全て光学素子外に失われてしまい、結局散乱成分以外の
平面波のみを検出することができるようにしてもよい。

第１３図は長焦点レンズ（望遠鏡）を用いた本発明の他
の実施例を示す図である。

第１３図において、長胛点レンズ２５を使用し、前側焦
点面の開口によるフラウンホーファ回折像を後側焦点面
につくることにより、受光系の長さを短くすることがで
きる。レンズを用いた場合もαつ式の場合と同様に開口
りを求めることができ、λ＝５００ｎｍとし、焦点距離
ｆ＝１ｍ、Ｄｒ＝１ｍｍとしたときＤ＝１．２２ｍｍ、
また焦点距離ｆ５ｍ、Ｄｒ＝５ｍｍとしたときＤ＝１．
２２ｍである。これと本発明のへテロダイン検波とを併
用することにより、−層受光系の長さを短くすることが
できる。

第１４図は顕微鏡サイズ光ＣＴ用光学系の実施例を示す
図である。

第１４図において、集光レンズＬ１でレーザ光を絞って
試料０に照射する。このとき試料は対物レンズＬ２の前
側焦点近傍において拡大して観察できるようにする。対
物レンズＬ２の後側焦点位置を前側焦点とする接眼レン
ズＬ、により像拡大し、面Ｐのピンホールを通して検出
する。対物レンズと接眼レンズの焦点距離をそれぞれ「
１とｆ２としたとき、ｆ　ｘ　＞　ｆ　＋　とじてフラ
ウンホーファ回折像が観察されるようにする。本実施例
では試料の全体像を観察するためにはレーザ光で試料面
を走査するようにすればよい。なお、図の破線は散乱光
の光路であり、散乱光は球面波として拡散し減衰する。

第１５図は本発明の光学系を複数本束ねて一度に試料の
全体像を観察できるようにした高解像光学系の実施例を
示す図である。

光学装置６０は、例えば第１１図〜第１４図で説明した
ような光学素子６１からなり、距離ｌは０２１式を満足
するような長さであり、さらにＤはフラウンホーファ回
折像のうちｎ次回折機までを取り出せるような径である
。このような光学素子を使用してヘテロダイン検波と併
用することにより光学素子の出射端においては、各素子
に対応する各位置間では互いに干渉が起こらず独立であ
るので鮮明に物体像を観察することが可能である。

第１６図は長焦点レンズ（望遠鏡）を用いた本発明の一
実施例を示す図である。

第１６図において、レーザ光源７１からの光をハーフミ
ラ−で二分し、一方を試料Ｓに照射し、他方をミラー７
３、位相シフタ７４、ミラー７５を通してハーフミラ−
７６で試料Ｓの透過光と合成する。位相シフタ７４を通
った光は周波数がシフトし、周波数差を有する光を合成
して開口Ｐ。

より受光系に入射させる。長焦点レンズ７８は前側焦点
面が開口位置にあり、開口によるフラウンホーファ回折
像を長焦点レンズの後側焦点面のピンホールＰ、より取
り出して検出器７９でビート成分を検出する。ビート成
分の検出は、チョッパ７７の開閉周期と同期して行うこ
とにより電源変動、温度変動等のゆるやかな変化を除去
することができる。そして長焦点レンズを用いることに
より受光系の長さを短くすることができる。

第１７図は顕微鏡サイズ光ＣＴ用光学系の実施例を示す
図である。

第１７図において、ハーフミラ−で二分した一方のレー
ザ光を集光レンズＬ＋で絞り、対物レンズＬ２の前側焦
点近傍においた試料Ｏを照射し、′１方を位相シフタで
周波数偏移させて対物レンズからの光とハーフミラ−７
６で合成する。そして、対物レンズＬ２の後側焦点位置
を前側焦点とする接眼レンズＬ、により像拡大し、面Ｐ
のピンホールを通してビート成分を検出する。対物レン
ズと接眼レンズの焦点距離をそれぞれｆ、とｆ２とした
とき、ｆ　２　）ｆ　＋　とじてフラウンホーファ回折
像が観察される。本実施例では試料の全体像を観察する
ためにはレーザ光で試料面を走査するようにすればよい
。

第１８図は顕微鏡サイズ光ＣＴ用光学系の実施例を示す
図である。

本実施例は第１７図と同様であり、チョッパ７７で合成
光を断続させ、断続周期に同期してビート成分を検出す
るうようにした点が異なっているのみで他は同様である
。

第１９図は長焦点レンズを使用して焦点面に７ラウンホ
一フア回折像を形成して光学系の長さを短くするように
したものを複数束ねたもので、各光学素子に受信光と局
部発振光との合成光を入射さ・トることにより、比較的
短い光学系を使用してビート成分を検出し、高解像度の
光断層像を得ることができる。

第２０図は本発明のヘテロダイン検波により生体等の像
を観察する実施例を示す図である。

散乱体１７０ｂ、１７０ｃに埋もれた吸収体１７０ａに
対してレーザ光源１８１よりハーフミラ−で二分した一
方のレーザ光を照射し、他方を位相シフタを通して周波
数偏移させて透過光と合成し、複数の受光素子を束ねた
本発明の高指向性光学系１００を通してフラウンホーフ
ァ回折像のビ−ト成分を検出器１８０で検出する。この
ような構成とすることにより、人体等の光断層像を高解
像度で観察することが可能となる。

第２１図は本発明の光学系を用いた光断層像画像化装置
の一実施例を示す図である。

Ｈｅ−Ｎｅレーザ２００からのレーザ光をノＸ−フミラ
ー２０１で部分し、それぞれの光を変調器２０５．２０
６で駆動されている音響光学変調器２０３．２０６で周
波数変調して両者間に周波数差Δｆをもたせる。そして
、対物レンズ２０８を介して、パルスステージ２１２で
駆動されている試料２１２を照射する。この試料透過光
と対物レンズ２０７、ミラー２０９を通った光とをビー
ムスプリッタ２１３で合成し、本発明の高指向性光学系
２１４で受光し、検出器２１５で検出し、増幅器２１６
で増幅してスペクト少アナライザ２１７でスペクトル分
析するとともに、Δｆの帯域を有するフィルタ２１８で
ビート成分を検出する。

ビート成分は散乱成分中に埋もれた透過像の情報ヲ持っ
ており、パルスステージ２１２で試料を移動させながら
ビート成分を検出してコンピュータ２００で画像処理し
てＣＲＴ２１９に画像表示することにより光断層像が得
られ、必要に応じてプリンタ２２１でプリントアウトす
る。

〔発明の効果〕 以上のように本発明によれば、信号光と局部発振光とを
合成し、合成光のビート成分を検出することによりフラ
ウンホーファ回折像のうちｎ次スペクトルを取・り込ん
でも高次成分をカットすることができる。すなわち、０
次のフラウンホーファ回折像だけを取り出すには、像が
小さ過ぎて困難であるためピンホールを大きくしてヘテ
ロダインを使用することにより、受光径の口径が実用的
な値を使用できる。散乱成分の中から情報光のみを検出
することが可能であるので、光ＣＴ等に適用することが
可能である。そして、人体等に適用すれば、例えばヘモ
グロビンの吸収域に対応する波長を用いることにより、
人体の血管像のみを観測することが可能であり、あるい
は神経系の吸収波長に対応する波長光を用いれば、神経
系の像を観測することができ、あるいは脳細胞、骨、特
定の細胞等、所定の吸収波長を有するものを観測したい
場合にその吸収波長の光を照射することにより、見たい
部分のみを鮮明に画像化して観測することかできるので
、医療技術等の飛躍的な向上に役立てることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヘテロダイン検波受光径の構成を示す
図、第２図、第３図は本発明の検出原理を説明するため
の図、第４図、第５図：′、結像原理を説明するための
図、第、６図はコヒーレント光による結１象を説明する
ための図、第７図はインコヒーレント光による結像を説
明するための図、第８図は平面波と球面波のフラウンホ
ーファ回折像を説明するだめの図、第９図は本発明の結
像方法を説明するための図、第１Ｏ図はフラウンホーフ
ァ回折像から０次回折機を取り出す方法を説明するため
の図、第１１図は２ケのピンホールにより０次スペクト
ルを検出するための光学系を示す図、第１２図は内面に
吸収体を塗布した高指向性光学系を示す図、第１３図は
長焦点レンズにより０次スペクトルを検出するようにし
た本発明の一実施例を示す図、第１４図は顕微鏡サイズ
光ＣＴ用光学系の実施例を示す図、第１５図は本発明の
光学系を複数束ねた高指向性光学系の実施例を示す図、
第１６図は長焦点を用いた本発明のヘテロダイン検出方
式を示す図、第１７図、第１８図は顕微鏡サイズ光ＣＴ
用光学径にふけるヘテロダイン検波を説明するための図
、第１９図は長焦点レンズ受光系を複数本束ねてヘテロ
ダイン検波を行う実施例を説明するための図、第２０図
は本発明のへテロダイン検波による像観察の概念図、第
２１図は本発明のへテロダイン検波を用いた光断層像画
像化装置の実施例を示す図、第２２図、第２３図は従来
の光ＣＴ像観察方法を説明するための図、第２４図は従
来の光吸収分布像を得る装置構成を示す図、第２５図は
従来の光吸収分布像を得る他の装置構成を示す図、第２
６図はＴｗｅｒｓｋｙの散乱理論曲線を示す図、第２７
図は試料の光学的性質を説明するための図、第２８図は
有限開口による回折パターンを説明するだめの図、第２
９図は散乱物体によるランダム回折パターンを説明する
ための図、第３０図は拡散面における反射パターンを示
す図である。 Ｏｌ・・・レーザ光源、０２・・・局部発振光源、０３
・・・ハーフミラ−１０４・・・高指向性受光素子、０
５・・・光検出器、０６・・・フィルタ。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料を透過したレーザ光と、該レーザ光と周波数
   の異なるレーザ光とを合成する合成手段と、合成した光
   が入射され、光の伝播する領域を複数に分割する受光素
   子と、受光素子からの出射光のうち合成した光のビート
   成分を検出する検出器とを有し、受光素子出射端におけ
   る異なる点間の干渉が生ずる空間領域を最小空間分解単
   位内に限定して混合光のビート成分を検出することを特
   徴とするヘテロダイン検波受光系。
2. （２）受光素子出射端におけるフラウンホーファ回折像
   のｎ次迄の回折像を検出することにより最小空間分解単
   位を限定することを特徴とする請求項１記載の受光系。
3. （３）受光素子は入射端と出射端にそれぞれピンホール
   を有する細管からなるこを特徴とする請求項１または２
   記載の受光系。
4. （４）受光素子は壁面に光吸収材を塗布した中空細管か
   らなることを特徴とする請求項１または２記載の受光系
   。
5. （５）受光素子はコア部分の屈折率をクラッド部分の屈
   折率より小さくした光ファイバからなる請求項１または
   ２記載の受光系。
6. （６）受光素子は入射端と出射端に前側及び後側焦点を
   有する長焦点レンズを有することを特徴とする請求項１
   または２記載の受光系。
7. （７）受光素子は試料を前側焦点位置とする対物レンズ
   と、対物レンズの後側焦点位置を前側焦点位置とする接
   眼レンズを有することを特徴とする請求項１または２記
   載の受光系。
8. （８）試料を移動させるステージと、所定の周波数差を
   有する２つのレーザ光の一方を試料に照射し、その透過
   光と他方の光とを合成する手段と、合成した光が入射さ
   れ、光の伝播する領域を複数に分割して出射端における
   異なる点間の干渉が生ずる空間領域を最小空間分解単位
   内に限定する受光素子と、受光素子からの出射光のうち
   ビート成分を検出する検出器と、検出した信号を演算処
   理する手段と、処理結果を表示する表示手段とを備えた
   光断層像画像化装置。
9. （９）受光素子出射端におけるフラウンホーファ回折像
   のｎ次迄の回折像を検出することにより最小空間分解単
   位を限定することを特徴とする請求項８記載の光断層像
   画像化装置。