JPH0635946B2 - Light wave reflection image measuring device - Google Patents
Light wave reflection image measuring deviceInfo
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- JPH0635946B2 JPH0635946B2 JP30016990A JP30016990A JPH0635946B2 JP H0635946 B2 JPH0635946 B2 JP H0635946B2 JP 30016990 A JP30016990 A JP 30016990A JP 30016990 A JP30016990 A JP 30016990A JP H0635946 B2 JPH0635946 B2 JP H0635946B2
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Classifications
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- G—PHYSICS
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- G01J9/04—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by beating two waves of a same source but of different frequency and measuring the phase shift of the lower frequency obtained
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明は、部分的コヒーレント光を例えば生体の組織
構造等の被測定物体に照射し、被測定物体中からの反射
光波の振幅像を検出する装置に係わり、特に、ヘテロダ
イン検波受光系を用いる光波反射像測定装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Object of the Invention (Industrial field of application) The present invention irradiates a measured object such as a tissue structure of a living body with partially coherent light, and reflects light waves reflected from the measured object. The present invention relates to a device for detecting an amplitude image of the above, and more particularly to a light wave reflection image measuring device using a heterodyne detection light receiving system.
（従来の技術） 従来のＸ線ＣＴ（Computered Tomography）技術は、Ｘ
線源を被測定物体に透過し、Ｘ線ビーム断面内の物体の
吸収を透過経路全体に亘る積分値として測定し、被測定
物体に対して多数の方位より同様の測定を行う。これら
測定結果をもとにコンピュータによって処理し、被測定
物体内の各点の吸収量を解読して表示し、断層像を得る
ものである。したがって、この方法では被測定物体を全
方位から測定する必要があり、位置と解読点の面積の分
解能はＸ線ビームの断面積と測定点数に依存する。(Conventional Technology) Conventional X-ray CT (Computered Tomography) technology is
The radiation source is transmitted to the object to be measured, the absorption of the object in the X-ray beam cross section is measured as an integral value over the entire transmission path, and the same measurement is performed on the object to be measured from multiple directions. A computer processes the measurement results to decode and display the amount of absorption at each point in the measured object to obtain a tomographic image. Therefore, in this method, it is necessary to measure the object to be measured from all directions, and the resolution of the position and the area of the decoding point depends on the cross-sectional area of the X-ray beam and the number of measurement points.
一方、Ｘ線源の代わりにコヒーレントなレーザビームを
用い同様の手法でレーザビームを照射し、透過光を光ヘ
テロダイン法で高感度検出してＣＴを得る方法が開示さ
れている（1989年秋季第50回応用物理学会学術講演会講
演予稿集第３分冊、講演番号29a-ZF-7,8,9,P.788,198
9）。しかし、このレーザビームによる透過吸収測定法
の場合も、被測定物体内の各点の位置を特定するため
に、被測定物体に対して全方位から測定する必要を有し
ており、測定や演算処理に多大な時間を必要とするもの
であった。On the other hand, a method has been disclosed in which a coherent laser beam is used instead of an X-ray source, a laser beam is irradiated by a similar method, and transmitted light is highly sensitively detected by an optical heterodyne method to obtain CT (Autumn 1989 Autumn). Proceedings of the 50th JSAP Academic Lecture 3rd Volume, Lecture No. 29a-ZF-7,8,9, P.788,198
9). However, even in the case of this transmission absorption measurement method using a laser beam, it is necessary to perform measurement from all directions with respect to the measured object in order to specify the position of each point in the measured object. It took a lot of time to process.
（発明が解決しようとする課題） この発明は、上記従来の課題を解決するものであり、そ
の目的とするところは、被測定物体に対して全方位から
測定することなく、被測定物体内の点を特定することが
可能であり、測定および演算処理を簡単化することがで
きる光波反射像測定装置を提供しようとするものであ
る。(Problems to be Solved by the Invention) The present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to measure the inside of the measured object without measuring from all directions with respect to the measured object. An object of the present invention is to provide a light wave reflection image measuring device capable of specifying points and simplifying measurement and calculation processing.
［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明は、上記課題を解決するため、部分的コヒーレ
ント光を照射光として屈折率の異なる層からなる散乱物
体に照射する照射手段と、前記照射光の周波数をシフト
させた参照光を生成する生成手段と、前記散乱物体内部
の奥行き方向の屈折率の異なる地点からの反射光と、参
照光とを合成する合成手段と、この合成された光を光電
変換する変換手段と、この変換手段から出力されるビー
ト成分を検出することにより、散乱物体の奥行き方向の
屈折率の異なる地点の反射振幅情報を検出する検出手段
とを設けている。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the present invention provides irradiation means for irradiating a scattering object composed of layers having different refractive indexes with partially coherent light as irradiation light, Generating means for generating reference light in which the frequency of the irradiation light is shifted, combining means for combining reflected light from points in the scattering object having different refractive indices in the depth direction, and reference light, and this combining means. A conversion means for photoelectrically converting the light and a detection means for detecting reflection amplitude information at a point having a different refractive index in the depth direction of the scattering object by detecting the beat component output from the conversion means are provided.
（作用） すなわち、この発明は、散乱物体の一方向より部分的コ
ヒーレント光を散乱成分が多く含んでいる生体等の散乱
物体に照射し、この散乱物体の奥行き方向の各地点から
反射される散乱成分を多く含む反射光と部分的コヒーレ
ント光の周波数をシフトさせた参照光とのビート成分を
検出することにより、散乱成分を確実に除去して、散乱
物体の奥行き方向の各地点から反射情報のみを確実に抽
出可能としている。(Operation) That is, the present invention irradiates a scattering object such as a living body having a large number of scattering components with partially coherent light from one direction of the scattering object, and scatters reflected from each point in the depth direction of the scattering object. By detecting the beat component of the reflected light containing many components and the reference light with the frequency of partially coherent light shifted, the scattered component is reliably removed, and only the reflection information from each point in the depth direction of the scattering object is detected. Can be reliably extracted.
しかも、この発明によれば、散乱物体の一方向より部分
的コヒーレント光を照射することによって散乱物体の奥
行き方向の各地点から反射情報を得ることができるた
め、散乱物体の全方位から光を照射することなく、散乱
物体内部の各地点の情報を特定することができる。つま
り、散乱物体内部の各地点からの反射光としての多重遅
延位相反射光を時系列電気信号として再生し、数十ミク
ロンｍ以下の空間分解能で、比較的簡単なアルゴリズム
により短時間のうちに散乱物体の奥行き方向の各地点か
らの反射光を測定可能としている。したがって、光の照
射回数を減少することができるとともに、断層画像を生
成するための演算時間を従来に比べて短縮することがで
きるものである。Moreover, according to the present invention, since the reflection information can be obtained from each point in the depth direction of the scattering object by irradiating the partially coherent light from one direction of the scattering object, the light is emitted from all directions of the scattering object. Without doing so, it is possible to specify the information of each point inside the scattering object. That is, the multiple delayed phase reflected light as the reflected light from each point inside the scattering object is reproduced as a time series electric signal, and is scattered within a short time by a relatively simple algorithm with a spatial resolution of several tens of microns or less. The reflected light from each point in the depth direction of the object can be measured. Therefore, the number of times of light irradiation can be reduced, and the calculation time for generating a tomographic image can be shortened as compared with the related art.
（実施例） 以下、この発明の一実施例について図面を参照して説明
する。(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第１図において、発光素子１は部分的にコヒーレントな
光ビームを発生するものであり、例えば一個ないし複数
のスーパールミネッセントダイオードあるいは疑似白色
光源によって構成されている。この発光素子１から発生
される光ビームの光軸上には、集光レンズ２、ビームス
プリッター３、被測定物体４が順次配設されている。こ
の被測定物体４は例えばＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能な
可動台５に載置されている。また、前記発光素子１から
発生された光ビームのうち、ビームスプリッター３によ
って分割された光ビームの光軸上には、周波数シフタと
しての可動ミラー６が設けられている。In FIG. 1, a light emitting element 1 is for generating a partially coherent light beam, and is composed of, for example, one or a plurality of super luminescent diodes or a pseudo white light source. A condenser lens 2, a beam splitter 3, and an object to be measured 4 are sequentially arranged on the optical axis of the light beam generated from the light emitting element 1. The object 4 to be measured is placed on a movable table 5 which is movable in the X, Y, and Z axis directions, for example. A movable mirror 6 as a frequency shifter is provided on the optical axis of the light beam split by the beam splitter 3 among the light beams generated from the light emitting element 1.
一方、前記被測定物体４から反射された光ビームのう
ち、ビームスプリッター３によって分岐された光ビーム
の光軸上には、光電変換器としての光検出器７が設けら
れている。この光検出器７の出力端には信号処理器８が
接続されている。この信号処理器８は、例えば光検出器
７から出力される信号を増幅する増幅器（ＡＭＰ）８
ａ、この増幅器８ａによって増幅された信号の所定の帯
域の信号を取出す帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）８ｂ、お
よびこの帯域通過フィルタ８ｂによって取出された信号
をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８ｃによって
構成されている。このＡ／Ｄ変換器８ｃから出力される
ディジタル信号はコンピュータ９に供給される。このコ
ンピュータ９には信号処理器８から出力された信号を記
憶するメモリ１０および各種情報を表示するディスプレ
イ装置１１が接続されている。On the other hand, of the light beams reflected from the object to be measured 4, a photodetector 7 as a photoelectric converter is provided on the optical axis of the light beam split by the beam splitter 3. A signal processor 8 is connected to the output end of the photodetector 7. The signal processor 8 is, for example, an amplifier (AMP) 8 that amplifies a signal output from the photodetector 7.
a, a bandpass filter (BPF) 8b for extracting a signal in a predetermined band of the signal amplified by the amplifier 8a, and an A / D converter 8c for converting the signal extracted by the bandpass filter 8b into a digital signal. It is configured. The digital signal output from the A / D converter 8c is supplied to the computer 9. A memory 10 for storing the signal output from the signal processor 8 and a display device 11 for displaying various information are connected to the computer 9.
上記構成において、発光素子１から発生された部分的な
コヒーレント光はレンズ２で平行光束とされ、ビームス
プリッター３によって２分割される。このうち一方の光
ビームは可動ミラー６によって反射される。この反射光
はその周波数がドップラーシフトを受け、且つ可動ミラ
ー６の移動距離に相当する位相遅れを持つ参照光波とな
る。In the above structure, the partial coherent light generated from the light emitting element 1 is made into a parallel light flux by the lens 2 and split into two by the beam splitter 3. One of the light beams is reflected by the movable mirror 6. The reflected light becomes a reference light wave whose frequency undergoes Doppler shift and has a phase delay corresponding to the moving distance of the movable mirror 6.
また、前記ビームスプリッター３によって分割された他
方の光ビームは、被測定物体４のＹ軸座標の一点より照
射され、この物体中を透過伝搬して行く。光学的層構
造、即ち屈折率の異なる多層物質より構成される被測定
物体中を伝搬する光ビームは、この層の境界毎に散乱さ
れ、一部は入射光ビームの方向に戻り反射光波を形成す
る。この反射光波の各々の位相は入射光ビームの入射位
置より奥行き方向（Ｙ軸方向）にある境界の位置に従っ
てそれぞれ遅延する。さらに、この反射光波の各々の振
幅は光学的層構造と物性によって決まる境界層の反射率
と吸収率に依存する。The other light beam split by the beam splitter 3 is emitted from one point of the Y-axis coordinate of the measured object 4 and propagates through this object. A light beam propagating in an object to be measured composed of an optical layer structure, that is, a multi-layered material having different refractive indexes is scattered at each boundary of this layer, and part of the light beam returns in the direction of the incident light beam to form a reflected light wave. To do. The phase of each of the reflected light waves is delayed according to the position of the boundary in the depth direction (Y-axis direction) from the incident position of the incident light beam. Furthermore, the amplitude of each of the reflected light waves depends on the reflectance and absorptance of the boundary layer, which is determined by the optical layer structure and physical properties.
前記被測定物体４からの反射光波は、前記可動ミラー６
によって反射された参照光波とともにビームスプリッタ
ー３を介して光検出器７へ導かれ、この光検出器７にお
いて、合成された干渉した光波が光ヘテロダイン検波さ
れる。一般に、被測定物体４からの反射光は多くの空間
フーリエスペクトル成分を有している。しかし、この反
射光は平行光束であり、空間コヒーレント度の高い参照
光波の平面波成分と整合する成分のみが高効率でヘテロ
ダイン検波される。したがって、これを利用することに
より、被測定物体４の奥行き方向成分に対しても入射光
波の進行方向成分のみを高分解能で検出することができ
る。The reflected light wave from the measured object 4 is transferred to the movable mirror 6
Is guided to the photodetector 7 through the beam splitter 3 together with the reference light wave reflected by the photodetector 7, and the combined interfering light wave is subjected to optical heterodyne detection. In general, the reflected light from the measured object 4 has many spatial Fourier spectrum components. However, this reflected light is a parallel light flux, and only the component matching the plane wave component of the reference light wave having a high spatial coherence degree is heterodyne detected with high efficiency. Therefore, by utilizing this, it is possible to detect only the traveling direction component of the incident light wave with high resolution even with respect to the depth direction component of the measured object 4.
すなわち、第２図に示すごとく、被測定物体４は雰囲気
等の屈折率がｎ０の散乱層（０層）中にあり、この被測
定物体４の内部に、Ｘ軸方向に厚みがｒ１、ｒ２、ｒ３
の媒質層（１層、２層、３層）があり、これらの層の屈
折率がｎ１、ｎ２、ｎ３である場合において、被測定物
体４に入射光が照射されると、この入射光は各層によっ
て減衰されるとともに、各層の境界において反射され、
被測定物体４から出力される。各層からの反射光は光が
媒質中を伝搬する距離に対応して指数関数的に吸収減衰
され、且つ、散乱のため、距離の２乗に反比例して減衰
する。That is, as shown in FIG. 2, the object to be measured 4 is in a scattering layer (0 layer) having an index of refraction n0 such as an atmosphere, and inside the object to be measured 4 having thicknesses r1 and r2 in the X-axis direction. , R3
When there are medium layers (1 layer, 2 layers, 3 layers), and the refractive indices of these layers are n1, n2, and n3, when the measured object 4 is irradiated with incident light, the incident light is Attenuated by each layer and reflected at the boundary of each layer,
It is output from the measured object 4. The reflected light from each layer is exponentially absorbed and attenuated corresponding to the distance that the light propagates in the medium, and due to scattering, is attenuated in inverse proportion to the square of the distance.
すなわち、第２図に示す被測定物体４に対する入射光と
反射光の関係を第３図に示すように表した場合、各層か
らの反射光は次のように表される。That is, when the relationship between the incident light and the reflected light with respect to the measured object 4 shown in FIG. 2 is expressed as shown in FIG. 3, the reflected light from each layer is expressed as follows.
(1)被測定物体４の表面からの反射光ＩR01は ＩR01＝Ｒ01 (2)１，２層目からの反射光ＩR12は 但し、Ｔ01，Ｔ10は、０から１層，１から０層に入射し
た光の透過率、Ｒ12は、１層と２層での反射率 (3)２，３層目からの反射光ＩR23は (4)３，４層目からの反射光ＩR34は この被測定物体４から出力された各層の反射光を参照光
波と合成し、光検出器７によって光ヘテロダイン検波す
ると、第４図に示すような信号を得ることができる。(1) The reflected light I R01 from the surface of the measured object 4 is I R01 = R 01 (2) The reflected light I R12 from the first and second layers is Where T 01 and T 10 are the transmittances of light incident on the 0 to 1 layer and the 1 to 0 layers, and R 12 is the reflectance on the 1st and 2nd layers. (3) Reflection from the 2nd and 3rd layers Light I R23 (4) The reflected light I R34 from the third and fourth layers is When the reflected light of each layer output from the object to be measured 4 is combined with the reference light wave and the photodetector 7 performs optical heterodyne detection, a signal as shown in FIG. 4 can be obtained.
ここで、ＩR01は被測定物体４の表面からの反射光に対
応したビート信号、ＩR12は第１層、第２層目からの反
射光に対応したビート信号、ＩR23は第２層、第３層目
からの反射光に対応したビート信号、ＩR34は第３層、
第４層目からの反射光に対応したビート信号である。こ
れら各ビート信号は表面および各層の境界に対応した反
射光の直流成分ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３に重畳されてい
る。各ビート信号の時間幅ｔ０は、部分的コヒーレント
光のスペクトル幅によって規定され、各ビート信号間の
位相遅れｔ１、ｔ２、ｔ３は各層の厚み等の条件によっ
て規定される。Here, I R01 is a beat signal corresponding to the reflected light from the surface of the measured object 4, I R12 is a first layer, a beat signal corresponding to the reflected light from the second layer, I R23 is a second layer, The beat signal corresponding to the reflected light from the third layer, IR34 is the third layer,
It is a beat signal corresponding to the reflected light from the fourth layer. Each of these beat signals is superimposed on the DC components DC1, DC2, DC3 of the reflected light corresponding to the boundary between the surface and each layer. The time width t0 of each beat signal is defined by the spectral width of the partially coherent light, and the phase delays t1, t2, t3 between the beat signals are defined by conditions such as the thickness of each layer.
このように、光検出器７で２乗検波され、光電変換出力
された電気信号には直流信号成分と交流信号成分が含ま
れている。このうち交流信号成分のみが信号処理器８に
設けられた帯域通過フィルタ８ｂによって抽出される。
その結果、時系列信号が得られる。この時系列信号は多
重反射光波の遅延位相の量に応じて、被測定物体４の奥
行きの距離に比例し、時間的に遅れた信号波形を形成す
る。この信号波形は基本的には、部分的なコヒーレント
光源のコヒーレント長を与える実効的スペクトル幅に依
存し、スペクトル線形に応じてsin(x)/xや指数関数型の
波形の連なりとして得られ、各々の振幅はこの多重反射
光波の振幅に依存する。したがって、奥行き方向即ちＸ
軸方向の空間分解能（ΔＸ）は該スペクトル幅によって
決まる。また、入射断面の空間分解能（ΔＹ）は入射光
の直径と光ヘテロダイン検波開口角ではほぼ決まる。In this way, the electric signal that is square-law detected by the photodetector 7 and is photoelectrically converted and output includes a DC signal component and an AC signal component. Of these, only the AC signal component is extracted by the bandpass filter 8b provided in the signal processor 8.
As a result, a time series signal is obtained. This time-series signal forms a signal waveform that is proportional to the depth distance of the measured object 4 and is delayed in time according to the amount of delay phase of the multiple reflected light wave. This signal waveform basically depends on the effective spectral width that gives the coherent length of the partial coherent light source, and is obtained as a series of sin (x) / x or exponential waveforms depending on the spectral line shape. The amplitude of each depends on the amplitude of this multiple reflected light wave. Therefore, the depth direction, that is, X
The spatial resolution (ΔX) in the axial direction is determined by the spectral width. Further, the spatial resolution (ΔY) of the incident cross section is substantially determined by the diameter of the incident light and the optical heterodyne detection aperture angle.
例えば本実施例で示すスペクトル幅４×１０12Hzの一個
のスーパ−ルミネッセントダイオードを用いた場合、Ｘ
軸方向の空間分解能はおよそ１４μｍとなる。このとき
奥行き方向の測定可能距離は可動ミラー６の掃引可動距
離と光波の減衰を与える部分的なコヒーレント光源のス
ペクトル幅と強度に依存して定まる。この被測定物体の
奥行き方向のデータを含む信号波形は信号処理器８のＡ
／Ｄ変換器８ｃによって空間分解能に対応した時間毎に
１ラインづつアナログ／デジタル変換され、このディジ
タルデータはコンピュータ９を介してメモリ１０に記憶
される。For example, when one super luminescent diode having a spectral width of 4 × 10 12 Hz shown in this embodiment is used, X
The spatial resolution in the axial direction is about 14 μm. At this time, the measurable distance in the depth direction is determined depending on the sweep movable distance of the movable mirror 6 and the spectral width and intensity of the partial coherent light source that attenuates the light wave. The signal waveform including the data in the depth direction of the measured object is A of the signal processor 8.
The / D converter 8c performs analog / digital conversion for each line corresponding to the spatial resolution, one line at a time, and the digital data is stored in the memory 10 via the computer 9.
次に、可動台５をＹ軸に沿って入射光の断面直径分移動
して同様の測定を実行し、さらに、被測定物体４のＹ軸
方向の全範囲に渡り逐次測定を実行する。Next, the movable table 5 is moved along the Y-axis by the cross-sectional diameter of the incident light to perform the same measurement, and further, the sequential measurement is performed over the entire range of the measured object 4 in the Y-axis direction.
上記のようにして、メモリ１０に記憶されたディジタル
データはコンピュータ９によって読出され、周知の画像
処理技術によって、被測定物体４の空間分解能（ΔＸ×
ΔＹ）の区画毎に、そのディジタル量に応じて濃淡画像
あるいは色別画像に処理される。この処理された濃淡画
像あるいは色別画像はディスプレイ装置１１に供給され
表示される。As described above, the digital data stored in the memory 10 is read by the computer 9 and the spatial resolution (ΔX ×) of the measured object 4 is read by a well-known image processing technique.
For each section of ΔY), a grayscale image or a color-based image is processed according to the digital amount. The processed grayscale image or color-based image is supplied to the display device 11 and displayed.
このように被測定物体４のＸＹ平面全域のデータをディ
スプレイ装置１１に表示することにより、一軸方向から
一方的な測定にも拘らず、奥行き方向のデータを含む高
分解能な断層像を得ることができる。By displaying the data of the entire XY plane of the measured object 4 on the display device 11 in this manner, a high-resolution tomographic image including the data in the depth direction can be obtained despite the unidirectional measurement from the uniaxial direction. it can.
上記測定をＺ軸方向についても実行すれば被測定物体４
の多層に渡る断層像を得ることが可能である。したがっ
て、このようにＺ軸方向についても測定を実行した場
合、メモリ１０には被測定物体４における三次元の奥行
き方向のデータが記憶されるため、このメモリ１０の読
出し方向を変えることにより、被測定物体４の任意の方
位から切取った断層像を生成することができる。If the above measurement is performed also in the Z-axis direction, the measured object 4
It is possible to obtain tomographic images over multiple layers. Therefore, when the measurement is also performed in the Z-axis direction as described above, the data in the three-dimensional depth direction of the measured object 4 is stored in the memory 10. Therefore, by changing the reading direction of the memory 10, It is possible to generate a tomographic image cut from an arbitrary direction of the measurement object 4.
上記光ヘテロダイン法では信号対雑音比を大きくするこ
とができるが、多重反射光波は指数関数的に減衰するた
め、被測定物体のＸ軸方向の測定長には限度がある。し
たがって、例えばメモリ１０にデータを記憶する際、コ
ンピュータ９によって、散乱物体の振幅と遅延時間に対
応した時系列電気信号を被測定物体４の奥行き方向の距
離の関数として補正し、この補正値をメモリ１０に記憶
することにより、Ｘ軸方向の測定深度を向上することが
可能であり、一層鮮明な画像を生成することができる。Although the signal-to-noise ratio can be increased by the above-mentioned optical heterodyne method, the multiple-reflected light wave is attenuated exponentially, so that the measurement length of the measured object in the X-axis direction is limited. Therefore, for example, when the data is stored in the memory 10, the computer 9 corrects the time-series electric signal corresponding to the amplitude and delay time of the scattering object as a function of the distance in the depth direction of the measured object 4, and the correction value is By storing in the memory 10, the measurement depth in the X-axis direction can be improved and a clearer image can be generated.
次に、この発明の他の実施例について説明する。なお、
第１の実施例と同一部分には同一符号を付し、異なる部
分についてのみ説明する。Next, another embodiment of the present invention will be described. In addition,
The same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and only different parts will be described.
第５図はこの発明の第２の実施例に示すものである。こ
の実施例において、被測定物体２０は例えば不定形微細
構造を有している。被測定物体２０が不定形微細構造の
場合、入射光ビームは不定形微細構造の境界面で著しく
散乱される。その結果、多重反射光波は光検出器７の到
達面でほとんど球面波となり平行成分が著しく低減し、
光ヘテロダイン出力は極めて弱くなり検出不能になる場
合が生じる。そこで、この実施例においては、参照光波
光路、すなわちビームスプリッター３と可動ミラー６と
の相互間にレンズ２１を配設することによって、参照光
波と多重反射光波との波面を整合し、光ヘテロダイン出
力の減少を防止している。FIG. 5 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the measured object 20 has, for example, an amorphous microstructure. When the measured object 20 has an amorphous microstructure, the incident light beam is significantly scattered at the interface of the amorphous microstructure. As a result, the multiple reflected light waves become almost spherical waves at the arrival surface of the photodetector 7, and the parallel component is significantly reduced,
The optical heterodyne output may become extremely weak and undetectable. Therefore, in this embodiment, by disposing the lens 21 between the reference light wave optical path, that is, between the beam splitter 3 and the movable mirror 6, the wavefronts of the reference light wave and the multiple reflection light wave are matched, and the optical heterodyne output is obtained. To prevent the decrease.
また、レンズ２１の配設位置はビームスプリッター３と
可動ミラー６との相互間に限定されるものではなく、ビ
ームスプリッター３と光検出器７との交互間に設けても
同様の効果を得ることができる。Further, the arrangement position of the lens 21 is not limited to the position between the beam splitter 3 and the movable mirror 6, and the same effect can be obtained even if the lens 21 is provided between the beam splitter 3 and the photodetector 7. You can
第６図はこの発明の第３の実施例を示すものである。FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
この実施例は、ビームスプリッター３と不定形微細構造
を有する被測定物体２０の相互間に位置する多重反射光
路に、例えば直線偏光板３１を配置したものである。こ
のような構成によって、部分的にコヒーレントな光波が
直線偏光している場合でも、被測定物体２０から非偏光
解消成分のみを抽出検波することができる。In this embodiment, for example, a linear polarizing plate 31 is arranged in the multiple reflection optical path located between the beam splitter 3 and the measured object 20 having an infinitesimal fine structure. With such a configuration, even when the partially coherent light wave is linearly polarized, only the depolarization component can be extracted and detected from the measured object 20.
一般に、生体やガラス等の微細不定形状面からの２次反
射光波は、明確な偏光を示さなくなり、偏光解消する
が、入射光波の１次反射光波はミーあるいはレーリー散
乱であり、入射光波の偏光性を反映する。したがって、
ビームスプリッター３と被測定物体２０の相互間に位置
する多重反射光路に、直線偏光板３１配置し、入射光波
の直線位置より外れた部分からの反射光波を除去するこ
とにより、背景雑音を低減しかつ分解能を高めることが
できる。しかも、被測定物体２０に対して高分解能で、
良好な信号対雑音（ＳＮ）比で断層像を得ることができ
るものである。Generally, the secondary reflected light wave from a fine irregular surface such as a living body or glass does not show clear polarization and is depolarized, but the primary reflected light wave of the incident light wave is Mie or Rayleigh scattering, and the polarization of the incident light wave is Reflect gender. Therefore,
Background noise is reduced by arranging a linear polarization plate 31 in the multiple reflection optical path located between the beam splitter 3 and the object to be measured 20, and removing the reflected light wave from the part deviated from the linear position of the incident light wave. And the resolution can be improved. Moreover, with a high resolution for the measured object 20,
It is possible to obtain a tomographic image with a good signal-to-noise (SN) ratio.
なお、第２の実施例で述べた構成をこの実施例に加える
ことにより、高効率の検波が可能なことが明かである。It is apparent that highly efficient detection is possible by adding the configuration described in the second embodiment to this embodiment.
第７図はこの発明の第４の実施例を示すものであり、上
記第３の実施例におけるビームスプリッター３を偏光ビ
ームスプリッター４０に代え、この偏光ビームスプリッ
ター４０とレンズ２の相互間、偏光ビームスプリッター
４０と可動ミラー６の相互間、および偏光ビームスプリ
ッター４０と直線偏光板３１の相互間に４分の１波長板
４１、４２、４３をそれぞれ配設したものである。FIG. 7 shows a fourth embodiment of the present invention. The beam splitter 3 in the third embodiment is replaced with a polarization beam splitter 40, and the polarization beam splitter 40 and the lens 2 are provided with a polarization beam. Quarter wave plates 41, 42 and 43 are arranged between the splitter 40 and the movable mirror 6 and between the polarization beam splitter 40 and the linear polarizing plate 31, respectively.
部分的にコヒーレントな発光素子１から出力される直線
偏光を４分の１波長板４１を透過して、円偏光として、
偏光ビームスプリッター４０を用いて互いに直交する直
線偏光に２分割する。このうち一方の図面に平行な直線
偏光成分は４分の１波長板４２を透過して、可動ミラー
６で反射され、再度４分の１波長板４２を透過して図面
に垂直な偏光となり、偏光ビームスプリッター４０を透
過し光検出器７に導かれる。また、他方の図面に垂直な
直線偏光成分は４分の１波長板４３と直線偏光板３１を
透過し、被測定物体２０に照射される。被測定物体２０
からの多重反射光波は、直線偏光板３１と４分の１波長
板４３との適宜な角度の組合せにより図面に平行な直線
偏光とされ、偏光ビームスプリッター４０を介して光検
出器７に導かれる。その結果、途中の光学的損失も最小
にでき、互いに平行な直線偏光として、この多重反射光
波と参照光波とは極めて効率よく干渉し検波される。Linearly polarized light output from the partially coherent light emitting element 1 is transmitted through the quarter-wave plate 41 to be circularly polarized light,
The polarization beam splitter 40 is used to split the light into two linearly polarized lights that are orthogonal to each other. Of these, the linearly polarized light component parallel to one of the drawings passes through the quarter-wave plate 42, is reflected by the movable mirror 6, passes through the quarter-wave plate 42 again, and becomes polarized light perpendicular to the drawing. It is transmitted through the polarization beam splitter 40 and guided to the photodetector 7. The linearly polarized light component perpendicular to the other drawing passes through the quarter-wave plate 43 and the linearly polarizing plate 31, and is irradiated on the object 20 to be measured. Object to be measured 20
The multiple-reflected light wave from is converted into linearly polarized light parallel to the drawing by the combination of the linearly polarizing plate 31 and the quarter-wave plate 43 at appropriate angles, and is guided to the photodetector 7 via the polarization beam splitter 40. . As a result, optical loss on the way can be minimized, and the multiple reflected light waves and the reference light waves interfere with each other very efficiently as linearly polarized light parallel to each other and detected.
上記第１乃至第４の実施例において、部分的にコヒーレ
ントな発光素子としては、波長が0.85μｍのスーパール
ミネッセントダイオードを使用し、その出力は５mWで、
実効的コヒーレントスペクトル幅は４×１０12Hz、レン
ズ２を経た平行光束のビーム直径はおよそ１mm、Ｘ軸方
向空間分解能は１４μｍである。また、実効的なＹ軸方
向の分解能は光ヘテロダインの計測結果からおよそ８０
μｍである。Ｙ軸方向の解像点数に限度は無いが試料可
動台の制約により、本実施例では４００個である。さら
に、Ｘ軸方向の解像点数は、可動ミラーの移動距離に対
する制約とメモリの記憶容量の制約のため、６００個で
ある。この程度の解像点数でも、被測定物体の物性にも
依るが最大奥行き地点からの反射光波に対してＳＮ比１
０以上で効率よく検波可能である。また、各解像点にお
ける濃淡あるいは色別の階調は７とした。これら数値
は、何れもこれに限定されるものではなく、被測定物体
の寸法に応じて可変可能である。In the above first to fourth embodiments, as the partially coherent light emitting element, a super luminescent diode having a wavelength of 0.85 μm is used, and its output is 5 mW.
The effective coherent spectrum width is 4 × 10 12 Hz, the beam diameter of the parallel light flux passing through the lens 2 is about 1 mm, and the spatial resolution in the X-axis direction is 14 μm. Moreover, the effective Y-axis direction resolution is about 80 from the optical heterodyne measurement results.
μm. There is no limit to the number of resolution points in the Y-axis direction, but the number is 400 in this embodiment due to the restriction of the movable sample base. Further, the number of resolution points in the X-axis direction is 600 because of the constraint on the moving distance of the movable mirror and the constraint on the memory storage capacity. Even with this number of resolution points, depending on the physical properties of the measured object, the SN ratio is 1 for the reflected light wave from the maximum depth point.
If it is 0 or more, detection can be performed efficiently. Further, the gray scale at each resolution point or the gradation by color is set to 7. Any of these numerical values is not limited to this, and can be changed according to the dimensions of the measured object.
さらに、参照光波を発生する周波数シフターとしては、
可動ミラーに限らず、超音波変調器等の超音波光回折を
用いたものや、波長板の組合せおよび回転格子のほか、
結晶の電気光学効果を利用することもできる。Furthermore, as a frequency shifter that generates the reference light wave,
Not only movable mirrors, but also those using ultrasonic light diffraction such as ultrasonic modulators, combinations of wave plates and rotating gratings,
It is also possible to use the electro-optic effect of crystals.
また、部分的にコヒーレントな光源の波長域を種々変え
ることにより、物質の吸収反射が波長に依って異なるこ
とを利用し、被測定物体の構造組成物質を分離しつつ断
層像の測定が可能なことは明かである。Also, by varying the wavelength range of the partially coherent light source, it is possible to measure the tomographic image while separating the structural composition substance of the measured object by utilizing the fact that the absorption and reflection of the substance differ depending on the wavelength. That is clear.
さらに、上記実施例においては、可動台５によって被測
定物体を移動して走査したが、例えば複数の発光素子を
被測定物体に対して直線状に配設し、これら発光素子を
複数のスイッチによって構成された制御手段によって順
次点灯する構成とすれば、被測定物体を移動することな
く、被測定物体を走査できる。Further, in the above embodiment, the object to be measured is moved and scanned by the movable table 5, but, for example, a plurality of light emitting elements are linearly arranged with respect to the object to be measured, and these light emitting elements are arranged by a plurality of switches. If the control means is configured to sequentially light up, the object to be measured can be scanned without moving the object to be measured.
第８図は、この発明の第５の実施例を示すものであり、
この発明を電子走査プローブに適用した場合を示すもの
である。FIG. 8 shows a fifth embodiment of the present invention,
The present invention is applied to an electronic scanning probe.
電子走査プローブ本体５０の内部には、複数のスーパー
ルミネッセントダイオードからなる発光素子１が直線状
に配設されている。これら発光素子１から発生された光
ビームはそれぞれレンズ２によってビームスプリンター
３に導かれ、このビームスプリッター３によって分割さ
れる。この分解された一方の光ビームは周波数シフタ５
１、反射鏡５２によって参照光波とされ、分割された他
方の光ビームは被測定物体２０に照射される。この被測
定物体２０からの多重反射波はビームスプリッター３に
おいて、前記参照光波と合成され、複数の光検出器７に
導かれれる。この光検出器７において、光ヘテロダイン
検波された被測定物体の奥行き方向のデータを含む信号
は、図示せぬ前述した信号処理部に供給される。Inside the electronic scanning probe main body 50, the light emitting element 1 including a plurality of super luminescent diodes is linearly arranged. The light beams generated from the light emitting elements 1 are guided to the beam sprinter 3 by the lens 2 and split by the beam splitter 3. One of the decomposed light beams is a frequency shifter 5
1. The other light beam, which is made into a reference light wave by the reflecting mirror 52, is applied to the measured object 20. The multiple reflected waves from the measured object 20 are combined with the reference light wave in the beam splitter 3 and guided to the plurality of photodetectors 7. In the photodetector 7, the signal containing the data in the depth direction of the object to be measured which has been subjected to the optical heterodyne detection is supplied to the above-mentioned signal processing unit (not shown).
この実施例によれば、複数の発光素子１および複数の光
検出器７を設けることにより、一度の光走査により、奥
行き方向の情報を含む１ライン分のデータを得ることが
でき、この電子走査プローブ本体５０を発光素子１の配
列方向と直交する方向に移動することにより、容易に３
次元のデータを得ることができる。According to this embodiment, by providing the plurality of light emitting elements 1 and the plurality of photodetectors 7, one line of data including information in the depth direction can be obtained by one optical scanning. By moving the probe main body 50 in the direction orthogonal to the arrangement direction of the light emitting elements 1, it is possible to easily perform 3
Dimensional data can be obtained.
なお、上記第１乃至第５の実施例においては、発光素子
としてスーパールミネッセントダイオードを使用した
が、これに限定されるものではなく、可視光線，紫外線
等の光波のみならずマイクロ波の領域でもこれら電磁波
の透過伝搬可能な物質であれば、この発明の原理を用い
ることにより、生体，結晶，半導体，複合物質等等の多
層断層像の観測を無侵襲で迅速に行うことができ、医療
診断をはじめ工学的材料構造測定などに適用することが
可能である。In the first to fifth embodiments, the super luminescent diode is used as the light emitting element, but the light emitting element is not limited to this, and not only the light wave such as visible light and ultraviolet light but also the microwave region. However, by using the principle of the present invention, it is possible to rapidly observe a multilayer tomographic image of a living body, a crystal, a semiconductor, a composite material, or the like as long as it is a substance capable of transmitting and propagating electromagnetic waves. It can be applied to diagnostics and engineering material structure measurement.
その他、この発明の要旨を変えない範囲において、種々
変形実施可能なことは勿論である。Of course, various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、部分的コヒーレ
ントな光源からの光ビームを被測定物体に一方向から照
射されるのみで、被測定物体の奥行き方向の像を得るこ
とができるため、断層像を得るための走査回数を従来に
比べて削減することができるとともに、信号処理に要す
る時間短縮することが可能な光波反射測定装置を提供で
きる。[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, an image in the depth direction of an object to be measured is obtained only by irradiating the object to be measured with a light beam from a partially coherent light source from one direction. Therefore, it is possible to provide a light wave reflection measuring device capable of reducing the number of scans for obtaining a tomographic image as compared with the conventional technique and shortening the time required for signal processing.
第１図はこの発明の第１の実施例を示す構成図、第２図
乃至第４図はそれぞれ第１図の動作を説明するために示
す図、第５図乃至第８図はそれぞれこの発明の第２乃至
第５の実施例を示す構成図である。 １……部分的にコヒーレントな発光素子、２……集光レ
ンズ、３……ビームスプリッター、４……被測定部材、
５……可動台、６……可動ミラー、７……光検出器、８
……信号処理器、９……コンピュータ、１０……メモ
リ、１１……ディスプレイ装置、２０……不定形微細構
造の被測定物体、２１……レンズ、３１……直線偏光
板、４０……偏光ビームスプリッター、４１、４２、４
３……４分の１波長板。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 4 are diagrams for explaining the operation of FIG. 1, and FIGS. 5 to 8 are the present invention. It is a block diagram which shows the 2nd thru | or 5th Example of this. 1 ... Partially coherent light emitting element, 2 ... Condensing lens, 3 ... Beam splitter, 4 ... Member to be measured,
5 ... Movable base, 6 ... Movable mirror, 7 ... Photodetector, 8
...... Signal processor, 9 ・ ・ ・ Computer, 10 ・ ・ ・ Memory, 11 ・ ・ ・ Display device, 20 ・ ・ ・ Object to be measured having an infinitely fine structure, 21 ・ ・ ・ Lens, 31 ・ ・ ・ Linear polarization plate, 40 ・ ・ ・ Polarization Beam splitter, 41, 42, 4
3 ... Quarter wave plate.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市村 勉 宮城県仙台市太白区向山１丁目１―20― 301 (72)発明者 佐伯 昭雄 宮城県仙台市太白区向山３丁目９―２ (56)参考文献 特開 昭63−274848（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−243839（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−110346（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−145545（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Tsutomu Ichimura 1-20-20, Mukaiyama, Taichiro-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Akio Saeki 3--9-2, Mukaiyama, Taichiro-ku, Sendai, Miyagi (56) ) Reference JP 63-274848 (JP, A) JP 63-243839 (JP, A) JP 2-110346 (JP, A) JP 1-145545 (JP, A)
Claims (9)
率の異なる層からなる散乱物体に照射する照射手段と、 前記照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する生
成手段と、 前記散乱物体内部の奥行き方向の屈折率の異なる地点か
らの反射光と、参照光とを合成する合成手段と、 この合成された光を光電変換する変換手段と、 この変換手段から出力されるビート成分を検出すること
により、散乱物体の奥行き方向の屈折率の異なる地点の
反射振幅情報を検出する検出手段と、 を具備したことを特徴とする光波反射像測定装置。1. An irradiation unit that irradiates a partially coherent light as irradiation light to a scattering object composed of layers having different refractive indices, a generating unit that generates reference light in which the frequency of the irradiation light is shifted, and the scattering object. A combining means for combining reflected light from a point having a different refractive index in the depth direction with the reference light, a converting means for photoelectrically converting the combined light, and detecting a beat component output from this converting means. By doing so, a light wave reflection image measurement device comprising: a detection unit that detects reflection amplitude information at points of different refractive indices in the depth direction of the scattering object.
せ、照射光を散乱物体に走査させる手段と、 走査方向に対し奥行き方向の反射振幅情報を求め、二次
元の反射振幅断層像を求める手段と、 を具備したことを特徴とする請求項１記載の光波反射像
測定装置。2. A means for scanning the scattering object with the irradiation light by changing the positional relationship between the scattering object and the irradiation light, and obtaining reflection amplitude information in the depth direction with respect to the scanning direction to obtain a two-dimensional reflection amplitude tomographic image. The light wave reflection image measurement device according to claim 1, further comprising:
備したことを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定
装置。3. The light wave reflection image measuring device according to claim 1, further comprising a lens that converts the reference light into a spherical wave.
ズを具備したことを特徴とする請求項１記載の光波反射
像測定装置。4. The light wave reflection image measuring device according to claim 1, further comprising a lens for converting the combined light into a spherical wave.
光解消成分のみを抽出する直線偏光手段を具備したこと
を特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。5. The light wave reflection image measuring device according to claim 1, further comprising a linear polarization means for extracting only a non-depolarized component from the light reflected from the scattering object.
光とされ、前記合成手段は偏光ビームスプリッターによ
って構成され、参照光路および反射光路に４分の１波長
板を具備し、散乱物体からの非偏光解消成分のみを抽出
することを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装
置。6. The irradiation light is circularly polarized through a quarter-wave plate, the combining means is constituted by a polarization beam splitter, and the reference light path and the reflection light path are provided with a quarter-wave plate. The light wave reflection image measuring device according to claim 1, wherein only the non-depolarized component from the scattering object is extracted.
ヒーレント光を散乱物体に照射する複数の発光素子と、
これら発光素子を順次点灯する制御手段とを具備したこ
とを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。7. The plurality of light emitting elements, wherein the irradiation means are arranged in a line and irradiate a scattering object with partially coherent light.
The light wave reflection image measuring device according to claim 1, further comprising a control means for sequentially turning on the light emitting elements.
ヒーレント光を散乱物体に照射する複数の発光素子を有
し、変換手段は散乱物体からの反射光および前記参照光
が合成された光を光電変換する複数の光電変換素子を有
することを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装
置。8. The irradiating means has a plurality of light-emitting elements arranged in a line and irradiating a partially coherent light to a scattering object, and the converting means is a light obtained by combining reflected light from the scattering object and the reference light. The light wave reflection image measuring device according to claim 1, further comprising a plurality of photoelectric conversion elements for photoelectrically converting the light.
る散乱物体の振幅と遅延時間に対応した時系列電気信号
の大きさを、散乱物体の奥行き方向の距離の関数として
補正し、この補正値を散乱物体の反射振幅情報として求
めるように構成したことを特徴とする請求項１記載の光
波反射像測定装置。9. The detecting means corrects the magnitude of the time-series electric signal corresponding to the amplitude and delay time of the scattering object output from the converting means as a function of the distance in the depth direction of the scattering object, and this correction is performed. The light wave reflection image measurement device according to claim 1, wherein the value is obtained as reflection amplitude information of the scattering object.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30016990A JPH0635946B2 (en) | 1990-11-06 | 1990-11-06 | Light wave reflection image measuring device |
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ID=17881577
Family Applications (1)
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