JPH07159320A - 光散乱媒体の屈折率分布情報の計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 媒体から出射する直進透過光と散乱光とを完
全に分離して直進透過光を高Ｓ／Ｎで検出するととも
に、波長オーダより大きな光路差に相当する程度の大き
な屈折率変化の分布を短時間で計測する光散乱媒体の屈
折率分布情報の計測装置を提供する。 【構成】 周波数の等しい同期した２つのＳＬＤ光
ａ₃ ，ａ₄ がそれぞれ進行する、長さのほぼ等しい２つ
の光路Ａ，Ｂのうち、一方の光路Ｂ上に光路差制御器３
７、この光路Ｂを進行する光ａ₄ の位相を鋸歯状に掃引
することにより周波数をシフトせしめるピエゾ素子３
２、およびこのピエゾ素子３２を駆動する鋸歯状波発生
ドライブ回路３３、およびフォトダイオードが２次元的
に並設された光検出器30を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光散乱媒体の屈折率分布
情報の計測装置に関し、詳細には光ヘテロダイン検出方
式により光散乱媒体内部の屈折率（粗密）分布を計測す
る装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より光散乱媒体内部の形態を観察す
るために種々の装置が用いられている。例えば、光散乱
媒体内部に散在する介在物の光に対する屈折率の差を利
用してその介在物の形態を観察する装置として特開昭63
-179223 号に記載された、極短パルス時間ゲート法によ
る装置が知られている。この装置は、タイミング制御装
置により制御されたタイミングでパルス状の光を出射す
る光源と、この光源より出射されたパルス状の光を計測
しようとする光散乱媒体に照射し、その光散乱媒体を透
過した前記パルス状の光を検出する光検出器と、光散乱
媒体と光検出器との間に、タイミング制御装置による制
御に応じて上記光散乱媒体を透過した光の光検出器への
入射を許容する開位置と遮断する閉位置とを採る得る高
速シャッタとを備えたものであって、光散乱媒体内部に
散在する介在物の光に対する屈折率に応じて、そのパル
ス光が光散乱媒体を通過するのに要する時間が異なるこ
とを利用し、高速シャッタの開閉を制御することによっ
て、介在物の光に対する屈折率に応じた透過光を選択的
に得るものである。

【０００３】一方、生体等の光散乱媒体の直進透過光を
検出する方法の１つとして光ヘテロダイン検出法が知ら
れている（特開平 2-110345 号，同 2-110346 号公報参
照）。この光ヘテロダイン検出方式は、波長の僅かに異
なる２つの光束をそれらの進行方向が一致するように重
ね合わせ、波長の差によって生じる光の干渉現象を利用
するものであって、重ね合わされる２つの光束の進行方
向が完全に一致しないと、その光束の垂直な面において
時間的に強弱を繰返すビート信号を検出することができ
ないため、光散乱媒体を直進透過した直進透過光だけを
極めて高精度に弁別することができる。そしてこの高精
度な方向弁別性能を有する光ヘテロダイン検出方式によ
れば、光散乱媒体内部の介在物を透過した光によって検
出された上記ビート信号の位相と、基準となる所定の光
の位相との差（位相差）は、その介在物の屈折率差に応
じたものであるため、この位相差を演算処理することに
よって、この介在物の屈折率差を得ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前記極短パルス
時間ゲート法は、光散乱媒体からの所望の透過光だけを
高精度に選択するために、高速シャッタとして高コスト
のストリークカメラを使用する必要があり、装置全体が
高価になる。さらに光散乱媒体内部の前記介在物は散在
しているため、その分布を得るためには、光散乱媒体の
一点一点について計測を行う必要があり計測時間が長大
化するという問題がある。

【０００５】一方、干渉波のビート信号の位相差から屈
折率差を得る光ヘテロダイン検出法は、波長オーダの光
路差に相当する屈折率差を高精度に得られるものの、こ
の波長オーダより大きな光路差に相当する程度の大きな
屈折率の差を計測することはできない。また媒体の内部
で何回も散乱し、媒体の表面より種々の方向に向って出
射する散乱光のうち、直進透過光と同一進行方向に向う
散乱光（クロストーク光）が直進透過光に混入し、その
ため光検出器はこの散乱光の混入した直進透過光を検出
することになり、検出信号のＳ／Ｎが劣化するという難
点がある。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みなされたもので、
媒体から出射する直進透過光と散乱光とを完全に分離し
て直進透過光を高Ｓ／Ｎで検出するとともに、波長オー
ダより大きな光路差に相当する程度の大きな屈折率変化
の分布を短時間で計測する光散乱媒体の屈折率分布情報
の計測装置を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の光散乱媒体の屈
折率分布情報の計測装置は、媒体より出射した直進透過
光の進行方向と同一方向に出射する散乱光が、その方向
に出射する直進透過光よりも媒体内部において長い光路
長の光路を通過するという特性を利用して直進透過光を
弁別し、この弁別された直進透過光がこの媒体を通過す
る光学的な光路長と物理的な光路長との差を求め、それ
によって媒体内部の介在物の屈折率差を得る。媒体の各
部分を通過する各直進透過光を、光検出器の光検出素子
によりそれぞれ同時に検出したうえで上記動作を行うこ
とにより、媒体の各部分の介在物の屈折率分布を得るこ
とを特徴とするものである。

【０００８】すなわち本発明の第１の光散乱媒体の屈折
率分布情報の計測装置は、請求項１に記載したように、
低コヒーレンスな光を出射する光源と、該光源より出射
された前記低コヒーレンスな光を２つの光束に分割し、
光路長の略等しい２つの異なる光路に沿ってそれぞれ進
行させたのち合成する光学系と、該２つの光路のうち少
なくとも一方の光路上に設けられた、前記２つの光路を
それぞれ各別に進行する２つの光束の周波数が互いに異
なるように該少なくとも一方の光路を進行する光束の周
波数をシフトせしめる周波数シフタと、前記２つの光路
のうち少なくとも一方の光路上に設けられた、該少なく
とも一方の光路の長さを変調せしめて前記２つの光路の
光路差を変調せしめる光路差変調手段と、該２つの光路
のうち一方の光路上に配された光散乱媒体を直進透過し
た光束および該直進透過した光束と同一方向に進む散乱
光と、他方の光路を進行した光束とが、前記光学系によ
りそれぞれ合成されたのちの光束の強度を検出する、該
合成されたのちの光束の進行方向に対して垂直な面に沿
って光検出素子を１次元的あるいは２次元的に並設して
なる光検出器と、前記光路差変調手段により光路差を変
調して、それぞれの光路差で該光検出器の各光検出素子
で検出された光強度に基づいて、前記合成される以前の
直進透過する光束ともう一方の光路を通過する光束との
光学的光路差を各光検出素子ごとに求め、該各光検出素
子ごとに求められた光学的光路差から、ある基準となる
光学的光路差との差を求め、この差を光散乱媒体の厚さ
で除することにより、前記媒体の位置毎の屈折率差を算
出する演算手段とを備えてなることを特徴とするもので
ある。

【０００９】ここで上記低コヒーレンスな光としては、
例えば可干渉距離４０〜５０μｍのＳＬＤ（Super Lumi
nescent Diode ）や可干渉距離０〜２０μｍのＬＥＤを
用いることができるが、指向性の点で優れるＳＬＤを使
用することが望ましい。

【００１０】また上記周波数シフタとは周波数をシフト
する手段であって、具体的には、例えば時間的に位相を
鋸歯状に掃引して変調する方式やＡＯＭ（音響光学素
子）を用いた方式を採用することができる。

【００１１】また本発明の第２の光散乱媒体の屈折率分
布情報の計測装置は、請求項２に記載したように、コヒ
ーレント光を出射する光源と、該光源より出射された前
記コヒーレント光を時間的に周波数掃引する変調手段
と、該変調されたコヒーレント光を２つの光束に分割
し、予め設定された光路差を有する２つの光路に沿って
それぞれ進行させたのち合成する光学系と、該２つの光
路のうち一方の光路上に配された光散乱媒体を直進透過
した光束および該直進透過した光束と同一方向に進む散
乱光と、他方の光路を進行した光束とが、前記光学系に
よりそれぞれ合成されたのちの光束の強度を検出する、
該合成されたのちの光束の進行方向に対して垂直な面に
沿って光検出素子を１次元的あるいは２次元的に並設し
てなる光検出器と、該光検出器の各光検出素子によりそ
れぞれ検出された光強度に基づいて前記合成される以前
の直進透過する光束ともう一方の光路を通過する光束と
の光学的光路差を各光検出素子ごとに求め、該各光検出
素子ごとに求められた光学的光路差から、ある基準とな
る光学的光路差との差を求め、この差を光散乱媒体の厚
さで除することにより、前記媒体の位置毎の屈折率差を
算出する演算手段とを備えてなることを特徴とするもの
である。

【００１２】ここで上記コヒーレント光を出射する光源
は、上記光源より出射されたコヒーレント光を時間的に
周波数掃引する変調手段を兼用するものであってもよ
い。

【００１３】なお上記光路上に配された光散乱性の媒体
の表面形状が曲面であったり、また凹凸を有している場
合は、この媒体に光束が入射する際にその媒体の界面で
屈折し、また媒体から直進透過光が出射する際にその界
面で屈折して、媒体に入射した光束の進行方向と媒体か
ら出射した直進透過光の進行方向とが一致しない場合が
ある。そこでこのような場合は媒体を、この媒体の屈折
率とほぼ同一の屈折率を有し、媒体に入射する光束の進
行方向に対して垂直に仕上げられた光入射面と光出射面
を有する光透過性の媒体によって覆うようにしてもよ
い。

【００１４】また上記第１および第２の光散乱媒体の屈
折率分布情報の計測装置において、１次元光検出器を使
用する場合は、この１次元光検出器とこの１次元光検出
器を除く系とのうち少なくとも一方を、この１次元光検
出器の延びる方向と略垂直な方向に走査する走査手段を
備える構成として２次元分布を計測することもできる。

【００１５】さらに上記第１および第２の光散乱媒体の
屈折率分布情報の計測装置は、被測定体である上記光散
乱媒体とこの光散乱媒体以外の系の全体あるいは一部と
をこの光散乱媒体を照射する光が光散乱媒体に対して相
対的に回転移動しうる移動手段と、屈折率情報計測手段
の後段に画像再構成手段とを設けることにより、各回転
位置において得られた屈折率分布情報をＣＴ手法のアル
ゴリズムを備えた画像再構成手段等により３次元の屈折
率分布画像として出力するように構成することもでき
る。

【００１６】

【作用および発明の効果】本発明の第１の光散乱媒体の
屈折率分布情報の計測装置は、光源よりＳＬＤ等の低コ
ヒーレンスな光を出射し、この低コヒーレンスな光はビ
ームスプリッタ等の光学系により第１の光束と第２の光
束とに分割され、それぞれ光路長のほぼ等しい第１の光
路、第２の光路に沿って進行した後ビームスプリッタ等
の光学系によって合成され干渉する。

【００１７】ここで上記２つの光路のうち一方の光路上
に配された周波数シフタにより、その周波数は他方の光
路を進行する光の周波数とはわずかに異なるようにシフ
トされる。また光散乱性の媒体の配された光路を進行す
る光束は、その配された光散乱性の媒体に入射し、直進
透過光および散乱光が媒体より出射する。

【００１８】ここで直進透過光はこの透過光が通過した
媒体の部分の屈折率情報を有している。これは、光が媒
体を通過する光学的な光路長が、通過する媒体の屈折率
に対応することによる。

【００１９】一方、散乱光はこの媒体へ入射した光の方
向とは無関係に不定の方向に向かって媒体より出射する
が、その一部の散乱光は直進透過光と同一方向に向かっ
て媒体より出射する（この一部の散乱光を以下、クロス
トーク光と呼ぶ）。

【００２０】このため上記媒体の部分の屈折率情報を高
Ｓ／Ｎで得るためには、直進透過光とクロストーク光と
を分離することが必要である。以下本発明におけるこの
分離を行う作用について説明する。

【００２１】直進透過光は媒体内を入斜光の進行方向に
沿って最短距離で進行するが、クロストーク光は媒体内
部の散乱媒質により少なくとも１回散乱されたのち出射
するため、クロストーク光が媒体内部において通過する
光路長は、直進透過光が媒体内部において通過する光路
長に対して長くなる。ここで光源より出射した光は可干
渉距離が短いため、ビームスプリッタ等の光学系上にお
いて、一方の光路を進行した光束と、周波数の異なる直
進透過光またはクロストーク光との光路差が、ほぼゼロ
になるとき、これら２つの光は干渉し、これら２つの光
の差周波数で強弱を繰り返すビート信号を生じる。

【００２２】この干渉する光は、詳しくは、２つの光路
差に応じて、直進透過光と他方の光路を進行した光とが
干渉した光と、クロストーク光と他方の光路を進行した
光とが干渉した光とに分類される。

【００２３】ここで、上記光路差変調手段により少なく
とも一方の光路長を変えることにより、光学的に最短距
離を通過する直進透過光に係る干渉光と余分な光路を通
過したクロストーク光に係る干渉光とを弁別する。弁別
された光学的に最短距離を通過する直進透過光は、媒体
各部分の屈折率差に応じた光学的光路差を生じるため、
その各位置での光学的光路差と、この中のある基準とす
る位置での光学的光路差との差を算出し、該光散乱媒体
の厚さでこれを除することにより、媒体の位置ごとの相
対的な屈折率差の分布を得ることができる。

【００２４】この得られた媒体の屈折率差の分布は、媒
体の、光が通過した方向の空間的積分値の分布であるか
ら、前述のように、移動手段により、光散乱媒体とこの
光散乱媒体以外の系の全体あるいは一部とのうち少なく
とも一方を、この光散乱媒体を照射する光が光散乱媒体
に対して相対的に回転移動し、各回転位置毎に上記作用
を繰り返して各回転位置毎の屈折率差の分布情報を求
め、得られた各回転位置毎の屈折率差の分布情報を画像
再構成手段によるＣＴ手法のアルゴリズムにより再構成
することにより、媒体の３次元屈折率分布画像を出力す
ることが可能である。

【００２５】このように本発明の第１の光散乱媒体の屈
折率分布情報の計測装置によれば、，媒体から出射する
直進透過光と散乱光とを完全に分離して直進透過光を高
Ｓ／Ｎで検出するとともに、波長オーダより大きな光路
差に相当する程度の大きな屈折率変化の分布を短時間で
計測する光散乱媒体の屈折率分布情報を得ることができ
る。

【００２６】本発明の第２の光散乱媒体の屈折率分布情
報の計測装置は、光源より出射されたコヒーレント光
が、変調手段により時間的に周波数掃引され、光学系に
より第１の光束と第２の光束とに分割され、予め設定さ
れた光路差を有する第１の光路、第２の光路に沿って進
行したのち合成される。この２つの光路は予め設定され
た光路差を有するため、各光束が各光路を通過するのに
要する時間は異なる。光源より出射された光は時間的に
周波数掃引されているため、２つの光路をそれぞれ通過
した２つの光束が合成される際の各光束の周波数は異な
った値を示す。

【００２７】ここで上記２つの光路のうち第２の光路に
沿って進行する光束は、単にその光路に沿って進行する
だけであるが、第１の光路に沿って進行する光束は、そ
の光路上に配された光散乱性の媒体に入射し、直進透過
光および散乱光が媒体より出射する。

【００２８】以下、散乱光のうちクロストーク光と直進
透過光との光路長が異なるのは前述の通りである。

【００２９】このため、第１の光路の長さより第２の光
路の長さ（第２の光路長）の方が長い場合、直進透過光
の光路を通過する第１の光路長と第２の光路長との差
は、クロストーク光の光路を通過する第１の光路長と第
２の光路長との差より大きい値となり、したがってこの
光学系上で干渉される直進透過光の周波数と第２の光路
を通過した第２の光束の周波数との差は、クロストーク
光の周波数と第２の光路を通過した第２の光束の周波数
との差より大きい値を示す。干渉した光は、干渉する以
前の２つの光の差周波数で強弱を繰り返すビート信号を
生じるため、直進透過光と第２の光束とが干渉した光の
ビート周波数は、クロストーク光と第２の光束とが干渉
した光のビート周波数より高い値を示す。

【００３０】一方、第２の光路の長さ（第２の光路長）
より第１の光路の長さの方が長い場合、直進透過光の光
路を通過する第１の光路長と第２の光路長との差は、ク
ロストーク光の光路を通過する第１の光路長と第２の光
路長との差より小さい値となり、したがってこの光学系
上で干渉される直進透過光の周波数と第２の光路を通過
した第２の光束の周波数との差は、クロストーク光の周
波数と第２の光路を通過した第２の光束の周波数との差
より小さい値を示す。その結果、直進透過光と第２の光
束とが干渉した光のビート周波数は、クロストーク光と
第２の光束とが干渉した光のビート周波数より低いもの
となる。

【００３１】ここで、上記ビート周波数ごとの干渉光の
強度に基づいて、光学的に最短距離を通過する直進透過
光に係る干渉光とクロストーク光に係る干渉光とを弁別
する。弁別された光学的に最短距離を通過する直進透過
光にかかる干渉光の周波数より、直進透過光の周波数
と、この直進透過光と干渉する他の光路を進行した光の
周波数との差周波数を求め、その差周波数および周波数
掃引特性に基づいて、直進透過光が通過した光路と干渉
する光が通過した光路との光学的光路差を光検出素子の
各位置で算出し、その各位置での光学的光路差と、この
中のある基準とする位置での光学的光路差との差を算出
し、該光散乱媒体の厚さでこれを除することにより、媒
体の位置ごとの相対的な屈折率差の分布を得ることがで
きる。

【００３２】この得られた媒体の各部分の屈折率差の分
布は、前記第１の光散乱媒体の屈折率差の分布情報の計
測装置と同様、光が通過した方向の空間的積分値の分布
であるから、移動手段により、光散乱媒体とこの光散乱
媒体以外の系の全体あるいは一部とのうち少なくとも一
方を、この光散乱媒体を照射する光が光散乱媒体に対し
て相対的に回転移動し、各回転位置毎に上記作用を繰り
返して各回転位置毎の屈折率差の分布情報を求め、得ら
れた各回転位置毎の屈折率差の分布情報を画像再構成手
段によるＣＴ手法のアルゴリズムにより再構成すること
により、媒体の３次元屈折率差の分布画像を出力するこ
とが可能である。

【００３３】このように本発明の第２の光散乱媒体の屈
折率分布情報の計測装置によれば、，媒体から出射する
直進透過光と散乱光とを完全に分離して直進透過光を高
Ｓ／Ｎで検出するとともに、波長オーダより大きな光路
差に相当する程度の大きな屈折率変化の分布を短時間で
計測する光散乱媒体の屈折率差分布情報を得ることがで
きる。

【００３４】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例について
詳細に説明する。

【００３５】図１は本発明にかかる光散乱媒体の屈折率
分布情報の計測装置の第１の実施例の概略を示すブロッ
ク図である。図示の屈折率分布情報の計測装置は、周波
数ω₀ のＳＬＤ（Super Luminescent Diode)光ａ₁ を出
射するＳＬＤ光源20と、この光源20より出射された光ａ
₁ を平行光ａ₂ とするコリメータレンズ21と、該平行光
ａ₂ を２つの光束ａ₃ およびａ₄ に分割し、それぞれ光
路長の略等しい２つの光路Ａ，Ｂに沿って進行させたの
ち重ね合わせるビームスプリッタ22，23およびミラー2
4，25と、この２つの光路Ａ，Ｂのうち一方の光路Ｂを
進行する光束ａ_4の位相を図２に示す鋸歯状に変調する
ピエゾ素子32およびこのピエゾ素子32を駆動する信号を
発生する鋸歯状波発生ドライブ回路33と、ビームスプリ
ッタ23により重ね合わせられた光ａ₆ の光強度を検出し
光電変換して電気信号を出力するフォトダイオード（以
下ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）という）が複数個２次元的に配さ
れた光検出器30と、該光検出器30の各ＰＤ（ｘ_i ，
ｙ_j ）により検出された各光の強度に基づいて、重ね合
わせる以前の２つの光が通過する光路の光学的光路差を
算出し、各ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）に対応した光学的光路差
の分布に基づいて前記光散乱媒体10の屈折率差分布を計
測するデータ処理装置31とを備えた構成である。

【００３６】上記ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）の（ｘ_i ，ｙ_j ）
とは、光検出器30の２次元光検出面のｘ−ｙ座標系にお
ける位置を示すものであり、したがってＰＤ（ｘ_i ，ｙ
_j ）は座標位置（ｘ_i ，ｙ_j ）に配されたＰＤを意味す
る。

【００３７】ここで上記ビームスプリッタ22により２つ
の光路Ａ，Ｂに沿ってそれぞれ進行する２つの光束
ａ₃ ，ａ₄ のうちピエゾ素子32により位相が変調される
ことによって、周波数がシフトされる光束ａ₄ を以下、
参照光ａ₄ （またはａ₅ ）といい、この参照光ａ₄ の光
路Ｂ上には光路Ｂの光路長を変調し、光路Ａと光路Ｂと
の光路差を制御する光路差制御器37およびこの光路差制
御器37を駆動する信号を発生するドライブ回路36が設け
られている。

【００３８】また光路差制御器37としては、例えば図６
（Ａ）に示すように２つの光透過性のプレート38を対向
せしめ、これらの各中心点Ｏ，Ｏ′を中心として逆方向
に同角度だけ回転させるように構成したものや、図６
（Ｂ）に示すように入射光に対してわずかに傾斜して対
向する２枚のミラー39をそれらの間の距離が変化するよ
うに平行に移動し得るように構成したものなどを採用す
ることができる。

【００３９】これに対し、他方の光路Ａ上には、屈折率
分布を計測しようとする光散乱性の媒体10（光の透過方
向の厚さｌ₀ ）が配置される。この媒体10は図３（Ａ）
に示すようにその表面形状が曲面によって形成されてお
り、そのため光ビームが媒体10に入出射する際、その界
面において屈折して光の主ビームの進行方向が変わり、
アーチファクトの原因となる。そこで図３（Ｂ）に示す
ように、媒体10とほぼ同一の屈折率を有する光透過性の
マッチング媒体11を媒体10に密着させて主ビームの進行
方向を変えないようにする。なお、このマッチング媒体
10への光の入出射面は光の進行方向に対してほぼ垂直に
仕上げられている。このマッチング媒体10は例えば図３
（Ｃ）に示すように、媒体10と同一屈折率の液状媒体14
が充填されたポリエチレン等の極薄の可撓性袋体13を、
平行平板ガラス12に密着させたものによって構成するこ
とができ、これを媒体10に光の入出射方向よりそれぞれ
押し付けてサンドイッチ構造を構成することによって実
現することができる。

【００４０】以下、説明簡略化のため媒体10とこのマッ
チング媒体11との全体を媒体10とみなして記述する。

【００４１】次に本実施例の作用について説明する。

【００４２】光源20より出射されたＳＬＤ光ａ₁ はコリ
メータレンズ21により平行光ａ₂ とされ、ビームスプリ
ッタ22によって２つの光路Ａ，Ｂに沿って進む２つの光
束ａ₃ およひびａ₄ に分割される。光路Ａに沿って進む
光束ａ₃ は媒体10に入射し、この媒体10内部の光散乱媒
質により種々の方向に散乱されて出射する散乱光ａ
₂₀と、この媒体10の屈折率情報を担持し入射方向と同一
方向に出射される直進透過光ａ₁₀とに分けられるが、図
４（Ａ）に示すように、散乱光ａ₂₀の一部は多重散乱さ
れるなどにより、直進透過光ａ₁₀が出射する方向と同一
方向に出射する光があり、以下これをクロストーク光と
呼ぶ。

【００４３】このクロストーク光ａ₂₁は媒体10内部で多
重散乱されることにより、直進透過光ａ₁₀が媒体10内部
で通過する光路長よりも長い光路長の光路を通過すると
いう特徴を有する。

【００４４】これに対し、図４（Ｂ）に示すように、直
進透過光ａ₁₀を組成する、媒体10の直進透過光ａ₁₀と垂
直なｘ−ｙ座標系の各部分（ｘ_i ，ｙ_j ）をそれぞれ直
進透過した直進透過光をａ₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）とすると、
これら各直進透過光ａ₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）は媒体10内部の
各光路上の屈折率に応じた光路長を通過して、この媒体
10より出射する。なおこの直進透過光ａ₁₀（ｘ_i ，
ｙ_j ）は、座標位置（ｘ_i，，ｙ_j ）の対応するＰＤ
（ｘ_i ，ｙ_j ）に入射する直進透過光である。

【００４５】例えば図４（Ｂ）において、領域Ｋ，Ｌ，
Ｍはそれぞれ媒体10の主要部の屈折率と異なる部分であ
って、透過光ａ₁₀（ｘ₁ ，ｙ₁ ）は領域Ｋを通過し、透
過光ａ₁₀（ｘ₂ ，ｙ₂ ）は屈折率の異なる領域Ｌを通過
し、透過光ａ₁₀（ｘ₃ ，ｙ₃））は屈折率の異なる領域
Ｌを通過して媒体10より出射する。

【００４６】一方、他方の光路Ｂを進行する光束ａ
₄ は、鋸歯状波発生ドライブ回路33により駆動されるピ
エゾ素子32と一体的に駆動されるミラー25により、図２
に示す鋸歯状に位相が掃引されて周波数ω₁ （≠ω₀ ）
の参照光ａ₅ とされる。

【００４７】この参照光ａ₅ と媒体10より出射した光束
ａ₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ），ａ₂₁とは、ビームスプリッタ23に
より合成され、その光強度が光検出器30により検出され
て光電変換され光強度に応じた電気信号としてデータ処
理装置31へ出力される。

【００４８】ここでＳＬＤ光は可干渉距離が40〜50μｍ
と非常に短いため、光路Ａと光路Ｂとの光路差がほぼゼ
ロである場合以外は、これらの光路Ａ，Ｂを通過した光
が合成された場合にも干渉されることはないが、ドライ
ブ回路36により駆動される光路差制御器37により上記２
つの光路Ａ，Ｂの光路差がほぼゼロとされることによっ
て、その光路差に応じて、参照光ａ₅ と各直進透過光ａ
₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）とが干渉され、あるいは参照光ａ₅ と
クロストーク光ａ₂₁とが干渉される。干渉された光ａ₆
は、干渉する以前の２つの光の差周波数Δω（＝｜ω₀
−ω₁ ｜）で強弱を繰り返すビート信号を生じるが、詳
しくは、上述のように光路差に応じて、直進透過光ａ₁₀
（ｘ_i ，ｙ_j ）が参照光ａ₅ と干渉する場合と、クロス
トーク光ａ₂₁が参照光ａ₅ と干渉する場合とが有り、以
下、前者の干渉光をａ₆₁（ｘ_i ，ｙ_j ）、後者の干渉光
を光ａ₆₂という。

【００４９】ここで直進透過光ａ₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）と参
照光ａ₅ とが干渉した光ａ₆₁（ｘ_i，，ｙ_j ）およびク
ロストーク光ａ₂₁と参照光ａ₅ とが干渉した光ａ₆₂は、
その座標（ｘ_i ，ｙ_j ）に対応した光検出器30のＰＤ
（ｘ_i ，ｙ_j ）に入力し（図４（Ｂ））、各別に光強度
が検出される。図５は光路差制御器37により検出された
光学的光路差ΔＬに対する光検出強度を示し、例示的に
ＰＤ（ｘ₁ ，ｙ₁ ），ＰＤ（ｘ₂ ，ｙ₂ ），ＰＤ
（ｘ₃ ，ｙ₃ ）について示した図である。図示の光検出
強度曲線において例えばＰＤ（ｘ₁ ，ｙ₁ ）について光
検出強度が特徴的に立ち上がる光学的光路差ΔＬ
（ｘ₁ ，ｙ₁ ）は、直進透過光ａ₁₀（ｘ₁ ，ｙ₁ ）と参
照光ａ₅ とが干渉した光ａ₆₁（ｘ₁ ，ｙ₁ ）を検出した
際の光学的光路差であり、光検出強度が緩やかに小さく
なる部分に対応する光路差はクロストーク光ａ₂₁に係る
干渉光ａ₆₂の光学的光路差を意味する。

【００５０】データ処理装置31は各ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）
により検出されたこれら光検出強度からこの特徴的に立
ち上がる光学的な光路差ΔＬ（ｘ_i ，ｙ_j ）を検出し、
この光学的な光路差ΔＬ（ｘ_i ，ｙ_j ）と、点（ｘ₁ ，
ｙ₁ ）の位置における光学的な光路差ΔＬ（ｘ₁ ，
ｙ₁ ）との差Δｌ（ｘ_i ，ｙ_j ）を算出する。この差Δ
ｌ（ｘ_i ，ｙ_j ）を媒体を通過する物理的な厚さｌ₀ で
割った値が、媒体10の所定の位置（ｘ₁ ，ｙ₁ ）におけ
る上記屈折率に応じた値を基準にした他の位置（ｘ_i ，
ｙ_j ）の上記屈折率に応じた値を算出することにより、
媒体10の屈折率差の分布を得ることができる。

【００５１】このようにデータ処理装置31によって計測
された媒体10の通過部分（ｘ_i ，ｙ_j ）毎の屈折率差の
分布はＣＲＴ34に出力されて、媒体10の屈折率差の分布
画像として表示される。

【００５２】上述のように本実施例の光散乱媒体の屈折
率分布情報計測装置によれば、光散乱性の媒体より出射
する直進透過光と散乱光とを容易に分離することがで
き、その結果、高Ｓ／Ｎで媒体の吸光情報を得ることが
できる。

【００５３】なお本実施例の屈折率分布情報計測装置
は、光路差制御器37、ＰＺＴ32および鋸歯状波発生ドラ
イブ回路33が、媒体10が配された光路Ａとは異なる側の
光路Ｂに設けられた構成であるが、本発明の屈折率分布
情報計測装置は、このような態様に限るものではなく、
上記各構成体を媒体10が配された光路Ａ上に設けた構成
や両光路にそれぞれ配する構成を採ることもできる。

【００５４】図７は本発明にかかる光散乱媒体の屈折率
分布情報計測装置の第２の実施例の概略を示すブロック
図である。図示の屈折率分布情報計測装置は、レーザ光
源50と、この光源50から出射されるレーザ光を図８に示
すように鋸歯状に周波数掃引する周波数掃引ドライブ回
路66と、このドライブ回路66によって周波数掃引されて
光源50より出射されるレーザ光ａ₁ を平行光ａ₂ とする
コリメータレンズ51と、この平行光ａ₂ を２つの光束ａ
₃ ，ａ₄ に分割し、光路長がわずかに異なる２つの光路
Ａ，Ｂに沿って進行させたのち重ね合わせるビームスプ
リッタ52，53およびミラー54，55と、ビームスプリッタ
53により重ね合わせられた光ａ₅ の光強度を検出し光電
変換して電気信号を出力するＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）が２次
元的に配された光検出器60と、該光検出器60の各ＰＤ
（ｘ_i ，ｙ_j ）により検出された各光の強度変化の周波
数に基づいて、干渉された２つの光の差周波数を検出
し、この差周波数と周波数掃引ドライブ回路66の周波数
掃引特性とに基づいて、媒体10の位置ごとの相対的な屈
折率差の分布を算出するデータ処理装置61とを備えた構
成である。

【００５５】ここで上記ビームスプリッタ52により２つ
の光路Ａ，Ｂに沿ってそれぞれ進行する２つの光束
ａ₃ ，ａ₄ のうち一方の光路Ａ上には、屈折率分布を計
測しようとする光散乱性の媒体10が、前記第１の実施例
の場合と同様マッチング媒体11に覆われて配置されてい
る。

【００５６】次に本実施例の作用について説明する。

【００５７】光源50より出射される光は前述のとおり周
波数掃引ドライブ回路66により図８に示す如く時間的に
周波数掃引される。この周波数掃引されて光源50より出
射した光ａ₁ はコリメータレンズ51により平行光ａ₂ と
され、ビームスプリッタ52によって２つの光路Ａ，Ｂに
沿って進む２つの光束ａ₃ およびａ₄ に分割される。光
路Ａに沿って進む光束ａ₃ は媒体10に入射し、前記第１
の実施例において説明したように、この媒体の最短距離
を通って直線的に透過する直進透過光ａ₁₀、およびこの
直進透過光ａ₁₀よりも長い光路長の光路を通過するクロ
ストーク光ａ₂₁として媒体10より出射される。

【００５８】このように光路Ａを通過した光束ａ₃ のう
ち媒体10より出射する直進透過光ａ₁₀とクロストーク光
ａ₂₁とが、ビームスプリッタ53により、他方の光路Ｂを
通過した光束ａ₄ とそれぞれ合成されて干渉を生じる。

【００５９】ここで直進透過光ａ₁₀がビームスプリッタ
53に到達するのに要する時間は、クロストーク光ａ₂₁が
ビームスプリッタ53に到達するのに要する場間よりも短
いため、ビームスプリッタ53上で直進透過光ａ₁₀が干渉
される光ａ₄ の周波数は、クロストーク光ａ₂₁が干渉さ
れる光ａ₄ の周波数に対して低い。そのため例えば光路
Ａの長さよりも光路Ｂの長さが短い場合は、直進透過光
ａ₁₀と干渉される光ａ₄ の周波数を直進透過光ａ₁₀の周
波数との差は、クロストーク光ａ₂₁と干渉される光ａ₄
の周波数とクロストーク光ａ₂₁の周波数との差よりも小
さく、干渉によって生じるビート信号の周波数は、直進
透過光ａ₁₀による干渉ａ₅₁の方がクロストーク光ａ₂₁に
よる干渉光ａ₅₂よりも低いものとなる。

【００６０】一方、光路Ａの長さよりも光路Ｂの長さが
長い場合は、直進透過光ａ₁₀と干渉される光ａ₄ の周波
数と直進透過光ａ₁₀の周波数との差は、クロストーク光
ａ₂₁と干渉される光ａ₄ の周波数とクロストーク光ａ₂₁
の周波数との差よりも小さく、従って干渉によって生じ
るビート信号の周波数は、直進透過光ａ₁₀による干渉光
ａ₅₁の方がクロストーク光ａ₂₁による干渉光ａ₅₂よりも
高いものとなる。

【００６１】上述のとおり干渉によって生じるビート信
号の周波数に基づいて、直進透過光ａ₁₀とクロストーク
光ａ₂₁とを弁別することが可能である。

【００６２】また、直進透過光ａ₁₀については、前記第
１の実施例の場合と同様、直進透過光ａ₁₀を組成する、
媒体10の直進透過光ａ₁₀と垂直なｘ−ｙ座標系の各部分
（ｘ_i ，ｙ_j ）をそれぞれ直進透過した直進透過光をａ
₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）とすると、これら各直進透過光ａ
₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）は媒体10内部の各光路上の屈折率に応
じた光路長を通過して、ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）に入射す
る。

【００６３】図９はこの各ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）により検
出された光検出強度曲線のうち、ＰＤ（ｘ₁ ，ｙ₁ ），
ＰＤ（ｘ₂ ，ｙ₂ ），ＰＤ（ｘ₃ ，ｙ₃ ）について示し
た図である。図示の光検出強度曲線において例えばＰＤ
（ｘ₁ ，ｙ₁ ）について光検出強度が特徴的に立ち上が
る周波数ν（ｘ₁ ，ｙ₁ ）は、直進透過光ａ
₁₀（ｘ₁，，ｙ₁ ）と参照光ａ₅ とが干渉した光ａ
₅₁（ｘ₁ ，ｙ₁ ）の周波数であり、光検出強度が緩やか
に小さくなる部分に対応する周波数はクロストーク光ａ
₂₁に係る干渉光ａ₅₂の周波数を意味する。

【００６４】データ処理装置61は各ＰＤ（ｘ_i ，ｙ_j ）
により検出されたこれら光検出強度からこの特徴的に立
ち上がる周波数ν（ｘ_i ，ｙ_j ）を検出する。この干渉
光のビート信号の周波数は干渉前の２つの光の周波数の
差であるから、この特徴的に立ち上がる各周波数ν（ｘ
_i ，ｙ_j ）と周波数掃引ドライブ回路66の周波数掃引特
性（図８）とに基づいて、各直進透過光ａ₁₀（ｘ_i ，ｙ
_j ）と参照光ａ₅ との各光路通過時間の差ｔ（ｘ_i ，ｙ
_j ）を算出し、この時間差ｔ（ｘ_i ，ｙ_j ）に応じた光
路差ΔＬ′（ｘ_i ，ｙ_j ）を算出する。この光路差Δ
Ｌ′（ｘ_i ，ｙ_j））は、光学的な光路差であり、媒体1
0の通過部分（ｘ_i ，ｙ_j ）の屈折率に応じて変化す
る。

【００６５】さらにデータ処理装置61は、この算出され
た光学的な光路差ΔＬ′（ｘ_i ，ｙ_j ）と、点（ｘ₁ ，
ｙ₁ ）の位置における光学的な光路差ΔＬ′（ｘ₁ ，ｙ
₁ ）との差Δｌ（ｘ_i ，ｙ_j ）を算出する。この差Δｌ
（ｘ_i ，ｙ_j ）を媒体を通過する物理的な厚さｌ₀ で除
算処理を行う。これにより媒体10の通過部分（ｘ_i ，ｙ
_j ）の屈折率差を算出する。

【００６６】このようにデータ処理装置61によって計測
された媒体10の通過部分（ｘ_i ，ｙ_j ）毎の屈折率差の
分布はＣＲＴ34に出力されて、媒体10の屈折率差の分布
画像として表示される。

【００６７】上述のように本実施例の光散乱媒体の屈折
率分布情報の計測装置によれば、光散乱性の媒体より出
射する直進透過光と散乱光とを完全に分離することがで
き、その結果、高Ｓ／Ｎで媒体の吸光情報を得ることが
できる。

【００６８】なお、第１の実施例および第２の実施例に
おいて、媒体10の散乱成分が透過光成分より大きいため
に、また図９に示す光検出強度曲線が広範な周波数帯域
に亘るために、上記直進透過光ａ₁₀（ｘ_i ，ｙ_j ）と参
照光ａ₅ との干渉光ａ₅₁（ｘ_i ，ｙ_j ）の周波数ν（ｘ
_i ，ｙ_j ）の検出が困難である場合は、図10に示すよう
にデータ処理装置31（第２の実施例においてはデータ処
理装置61）において相互相関処理装置70を設け、媒体10
のある１点（ｘ₁ ，ｙ₁ ）より検出された上記干渉光ａ
₅₁（ｘ₁ ，ｙ₁ ）の周波数ν（ｘ₁ ，ｙ₁ ）を基準とし
て他の信号と相互相関の計算処理を行なうことにより、
上記周波数ν（ｘ_i ，ｙ_j ）の検出を行えばよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光散乱媒体の屈折率分布情報の
計測装置の第１の実施例の概略を示すブロック図

【図２】参照光の位相掃引波形を示すグラフ

【図３】光散乱媒体への入出射光の界面における屈折の
補正について説明するための説明図

【図４】（Ａ）直進透過光とクロストーク光との関係を
説明するための概念図 （Ｂ）直進透過光により屈折率分布を得ることを説明す
るための概念図

【図５】干渉光の光路差と光強度との関係を示すグラフ

【図６】光路差制御器の具体例を示す概略図

【図７】本発明にかかる光散乱媒体の屈折率分布情報の
計測装置の第２の実施例を示す概略ブロック図

【図８】光源より出射されるるレーザ光の周波数掃引波
形を示すグラフ

【図９】干渉光のビート周波数と光強度との関係を示す
グラフ

【図１０】本発明にかかる光散乱媒体の屈折率分布情報
の計測装置の他の態様を示す概略ブロック図

【符号の説明】

10 光散乱性の媒体 11 マッチング媒体 12 ガラス板 13 可撓性袋体 14 液状媒体 20 ＳＬＤ光源 21，51 コリメータレンズ 22，23，52，53 ビームスプリッタ 24，25，39，40，54，55 ミラー 30，60 ２次元アレイ光検出器 31，61 データ処理装置 32 ピエゾ素子（ＰＺＴ） 33 鋸歯状波発生ドライブ回路 34 ＣＲＴ 36 ドライブ回路 37 光路差制御器 38 光透過性のプレート 50 レーザ光源 66 周波数掃引ドライブ回路 70 相互相関処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低コヒーレンスな光を出射する光源と、 該光源より出射された前記低コヒーレンスな光を２つの
   光束に分割し、光路長の略等しい２つの異なる光路に沿
   ってそれぞれ進行させたのち合成する光学系と、 該２つの光路のうち少なくとも一方の光路上に設けられ
   た、前記２つの光路をそれぞれ各別に進行する２つの光
   束の周波数が互いに異なるように該少なくとも一方の光
   路を進行する光束の周波数をシフトせしめる周波数シフ
   タと、 前記２つの光路のうち少なくとも一方の光路上に設けら
   れた、該少なくとも一方の光路の長さを変調せしめて前
   記２つの光路の光路差を変調せしめる光路差変調手段
   と、 該２つの光路のうち一方の光路上に配された光散乱媒体
   を直進透過した光束および該直進透過した光束と同一方
   向に進む散乱光と、他方の光路を進行した光束とが、前
   記光学系によりそれぞれ合成されたのちの光束の強度を
   検出する、該合成されたのちの光束の進行方向に対して
   垂直な面に沿って光検出素子を１次元的あるいは２次元
   的に並設してなる光検出器と、 前記光路差変調手段により光路差を変調して、それぞれ
   の光路差で該光検出器の各光検出素子で検出された光強
   度に基づいて、前記合成される以前の直進透過する光束
   ともう一方の光路を通過する光束との光学的光路差を各
   光検出素子ごとに求め、該各光検出素子ごとに求められ
   た光学的光路差から、ある基準となる光学的光路差との
   差を求め、この差を光散乱媒体の厚さで除することによ
   り、前記媒体の位置毎の屈折率差を算出する演算手段と
   を備えてなることを特徴とする光散乱媒体の屈折率分布
   情報の計測装置。
2. 【請求項２】 コヒーレント光を出射する光源と、 該光源より出射された前記コヒーレント光を時間的に周
   波数掃引する変調手段と、 該変調されたコヒーレント光を２つの光束に分割し、予
   め設定された光路差を有する２つの光路に沿ってそれぞ
   れ進行させたのち合成する光学系と、 該２つの光路のうち一方の光路上に配された光散乱媒体
   を直進透過した光束および該直進透過した光束と同一方
   向に進む散乱光と、他方の光路を進行した光束とが、前
   記光学系によりそれぞれ合成されたのちの光束の強度を
   検出する、該合成されたのちの光束の進行方向に対して
   垂直な面に沿って光検出素子を１次元的あるいは２次元
   的に並設してなる光検出器と、 該光検出器の各光検出素子によりそれぞれ検出された光
   強度に基づいて前記合成される以前の直進透過する光束
   ともう一方の光路を通過する光束との光学的光路差を各
   光検出素子ごとに求め、該各光検出素子ごとに求められ
   た光学的光路差から、ある基準となる光学的光路差との
   差を求め、この差を光散乱媒体の厚さで除することによ
   り、前記媒体の位置毎の屈折率差を算出する演算手段と
   を備えてなることを特徴とする光散乱媒体の屈折率分布
   情報の計測装置。