JPH08110296A - 光画像計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明の目的は、光が多重散乱する比較的
厚い測定物を透過した光あるいは測定物内から反射され
た光を高い空間分解能で検出することができ、しかも、
測定物に対して光ビームを走査することなく、二次元乃
至三次元の画像を生成することが可能な光画像計測装置
を提供することである。 【構成】 ビーム径を拡大したレーザ光はサンプル24に
照射される。テレスコープ25はサンプル24を透過した光
を集光し、空間フィルタリングし、且つビーム径を拡大
する。ビームスプリッタ29はテレスコープ25によって拡
大された光に局発光LCB を合成し、二次元の光検出器ア
レイ36はこの合成された光を二次元空間で分離しヘテロ
ダイン検出のためのＩＦ信号に変換する。信号処理部3
8、コンピュータ39は光検出器アレイ36から出力された
信号を処理し表示器40に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばＸ線源の代り
にレーザ等の光ビームを測定物に照射し、二次元の画像
を生成する光画像計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば生体や、濃霧、煙霧、厚い雲、噴
霧、汚濁水のような物質は、一般に、光が多重散乱する
ため、不透明となる媒質である。このように自然に存在
するか、人為的に人工的な被覆物、例えば塗料やプラス
チックなどによって覆われた測定物の内部の状態や物体
の形状をイメージングするには、その対象物体に光ビー
ムを照射し、物体を透過した光あるいは物体内部から反
射された光を検出する必要がある。この場合、物体内部
で生じる四方八方に広がる散乱光から、特定方向にほぼ
直線的に進行し所要の情報を有する信号光を選択的且つ
高感度に区別することが必要である。この区別する方法
としては、時間的な区別方法、空間的な区別方法とがあ
る。

【０００３】前記時間的な区別方法としては、例えば
B.B.Das, K.M.Yoo, and R.R.Alfano"Ultrafast time-ga
ted imaging in thick tissues: a step toward optica
lmammography" Optics letters, Vol. 18, p.p.1092-10
94 (1993)に開示された方法がある。この方法は、例え
ば１０^-12 秒以下の時間幅が極めて短い超短光パルスを
測定部に入射するとともに、光を検出する検出器の前段
にタイムゲートを設置し、このタイムゲートによって検
出器に真っ先に到達する直進光とみられる部分のみを通
過させることにより、直進光と散乱光とを区別してい
る。

【０００４】一方、空間的な区別方法としては、例えば
M.Toida, M.Kondo, H.Ichimura,and H.Inaba, "Experi
mental verification of image detection in highly
scattering media using antenna properties of optic
al heterodynemicroscope scheme", Electronics lette
rs, Vol.26, p.p.700-701 (1990) に開示された方法が
ある。この方法は、光ヘテロダイン検出法を用いるもの
であり、信号光に局部発振器からの光ビームを重ね合せ
ることにより、受信光のうち局部発振器からの光ビーム
の波面と整合した直進光成分のみを高感度で検出可能と
している。

【０００５】また、空間分解能を向上させるためには、
次の(a)(b)で示す方法が取られている。 (a) 光ビームを測定物上に集束する方法。

【０００６】この方法は、例えば J.A.Izatt, M.R.Hee,
G.M.Owen, E.A.Swanson, and J.G.Fujimoto,"Optical
coherence microscopy in scattering media " OpticsL
etters, Vol.19, p.p.590-592 (1994) に開示されてい
る。しかし、これは例えば１ｍｍ程度の薄いサンプルの
ために開発された方法である。サンプルに光を照射した
場合、光はサンプルの奥深い部分に到達するまでに強く
散乱され、厚いサンプルの奥深い部分に光を集束するこ
とは困難である。したがって、この方法の場合、測定で
きるサンプルの厚さに限界があり、この方法は厚い散乱
体には不適当である。 (b) 光ビームを細く平行とした状態でサンプルに照射す
る方法。

【０００７】この方法の場合、空間分解能はほぼビーム
径の大きさによって決定され、ビーム径を小さくするほ
ど空間分解能を向上できる。しかし、厚い散乱体の中に
回析限界の細い平行ビームを伝搬させることは極めて至
難である。また、生体系のように屈折率の分布が複雑な
媒質中では、ビーム径が不均一となる問題を有してい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近時高い空
間分解能を有する光ヘテロダインレーザ顕微鏡が開発さ
れている。この一例は、例えばT.Sawatari "Optical he
terodyne scanning microscope" Applsed Optics, Vol
12, p.p.2768-2772 (1973)に開示されている。この種の
顕微鏡の多くは集束ビーム形であり、専ら数百μｍ乃至
１ｍｍ程度の厚さのサンプルを対象としている。したが
って、厚いサンプルの測定には不適当である。

【０００９】さらに、この種の顕微鏡の中には平行な光
ビームをサンプルに照射する方式もある。この方式で
は、微小な散乱体からの反射光を、参照光としての点光
源を移動させながら検出し、その光強度と移動位置との
関係から散乱体の位置を決めている。

【００１０】上記のように、従来の装置はいずれも測定
対象が薄いサンプルに限られており、サンプルの厚さが
数ｍｍ乃至数ｃｍの比較的厚いサンプルには不適当であ
る。しかも、二次元の画像を生成するためにプローブビ
ームの空間的走査を必要とし、測定に時間がかかるとと
もに、装置構成が大型化するものであった。

【００１１】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたものであり、その目的とするところは、光が多重
散乱するために不透明となる比較的厚い測定物を透過し
た光、あるいは測定物内から反射された光を高い空間分
解能で検出することができ、しかも、測定物に対して光
を走査することなく、二次元又は三次元の画像を実時間
で生成することが可能な光画像計測装置を提供しようと
するものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１のビー
ム径を有する光を散乱体を含む測定物体に照射する照射
手段と、前記測定物体を透過した光を集光するする第１
のレンズと、この第１のレンズの焦点に設けられた空間
フィルタとしてのアパーチャと、このアパーチャを通っ
た光を前記第１のビーム径より大きな第２のビーム径に
拡大する第２のレンズと、この第２のレンズによって拡
大された光に参照光を合成する合成手段と、この合成手
段によって合成された光を二次元空間で分離し、電気信
号に変換する光電変換手段とを具備している。

【００１３】また、この発明は、第１のビーム径に拡大
された光を散乱体を含む測定物体に照射する照射手段
と、前記測定物体を透過した光又は測定物体から反射し
た光を集光するとともに、そのビーム径を前記第１のビ
ーム径より大きな第２のビーム径に拡大するテレスコー
プと、このテレスコープによって拡大された光に参照光
を合成する合成手段と、この合成手段によって合成され
た光を二次元空間で分離し、電気信号に変換する光電変
換手段とを具備している。

【００１４】さらに、この発明は、第１のビーム径に拡
大された光を散乱体を含む測定物体に照射する照射手段
と、前記測定物体を透過した光又は測定物体から反射し
た光を空間フィルタリングする手段と、このフィルタリ
ングされた光に参照光を合成する合成手段と、合成手段
によって合成された光を前記第１のビーム径より大きな
第２のビーム径に拡大する拡大手段と、この拡大手段に
よって拡大された光を二次元空間で分離し、電気信号に
変換する光電変換手段とを具備している。

【００１５】また、この発明は、第１のビーム径に拡大
された光を散乱体を含む測定物体に照射する照射手段
と、前記照射手段から出力される光の周波数をシフト
し、参照光とする周波数シフト手段と、少なくとも前記
測定物体から反射した光に前記周波数シフト手段からの
参照光を合成する合成手段と、この合成手段によって合
成された光を空間フィルタリングするとともに、前記第
１のビーム径より大きな第２のビーム径に拡大するテレ
スコープと、このテレスコープによって拡大された光を
二次元空間で分離し、電気信号に変換する光電変換手段
とを具備している。

【００１６】テレスコープは光を集光する第１のレンズ
と、この第１のレンズの焦点に設けられた空間フィルタ
としてのアパーチャと、このアパーチャを通った光のビ
ーム径を拡大する第２のレンズとを有している。

【００１７】光電変換手段は二次元に配列された複数の
光電変換素子、あるいは少なくとも１つの光電変換素子
を駆動手段によって一次元又は二次元空間内で移動させ
る。さらに、この発明は、第１のビーム径に拡大された
光を散乱体を含む測定物体に照射する照射手段と、前記
測定物体を透過した光又は測定物体から反射した光を集
光するとともに、そのビーム径を前記第１のビーム径よ
り大きな第２のビーム径に拡大するテレスコープと、前
記テレスコープによって拡大された光に参照光を合成す
る合成手段と、一端が二次元に配列され、この一端に前
記合成手段によって合成された光が入射される複数の光
ファイバと、前記各光ファイバの他端に設けられ、光フ
ァイバによって導かれた光を電気信号に変換する複数の
光電変換素子とを具備している。

【００１８】

【作用】すなわち、照射手段はビーム径の大きな光を散
乱体を含む測定物体に照射し、テレスコープは測定物体
を透過した光又は測定物体から反射した光を集光すると
ともに、空間フィルタリングし、そのビーム径を再び拡
大する。合成手段はこのテレスコープによって拡大され
た光に参照光を合成し、この合成された光は光電変換手
段によって二次元空間で分離されて所要の電気信号に変
換される。

【００１９】このように、測定物体を透過した光又は測
定物体から反射したビーム径の大きな光をテレスコープ
やビームの拡大手段でさらに拡大することにより、ビー
ムを走査することなく、実時間で遠隔的、又は非破壊的
に高空間分解能な二次元、又は三次元のイメージングを
行うことができる。

【００２０】

【実施例】先ず、この発明の原理について説明する。図
１において、測定物体としてのサンプル１１には、径が
拡大されたレーザ光１２が照射される。サンプル１１を
透過したレーザ光（信号光と称す）はテレスコープＴＳ
の対物レンズを構成する第１のレンズ１３、アパーチャ
１４、第２のレンズ１５を通ってビームスプリッタ１６
に入射される。このビームスプリッタ１６には局部発振
光（以下、局発光又は参照光と称す）１７が入射されて
おり、前記信号光に局発光１７が重ね合わされ、これら
のビート光成分が複数の光電変換素子１８を二次元に配
置した光検出器アレイ１９によって検出される。各光電
変換素子１８は、局発光のビーム形状により幾何学的に
決められた空間内の入射光を受光し、ヘテロダイン検出
のための光電変換を行う。

【００２１】前記サンプル１１内で生じた多重散乱光
や、サンプル１１の内部構造や状態に起因する屈折光、
回折光などの雑音光はフーリエ変換面において直進光に
比べて高い空間周波数を有する。このため、テレスコー
プＴＳの第１のレンズ１３の焦点面に配置された前記ア
パーチャ１４によって空間フィルタリングされる。それ
にも拘らず検出器アレイ１９の受光面に到達する散乱光
は、それを構成する光電変換素子１８の受光角(fieled
of view ) θ（ほぼλ／Ｄ、λは波長、Ｄは光電変換素
子１８の直径）より小さい入射角を持つ成分のみが検出
されることとなり、極めて高性能の空間的選別が可能と
なる。

【００２２】したがって、サンプル上に投影するレーザ
光１２の受光口径Ｄ_A は、第１のレンズ１３の焦点距離
をｆ₁ 、第２のレンズ１５の焦点距離をｆ₂ 、倍率Ｍ＝
ｆ₂／ｆ₁ 、第２のレンズ１５から光電変換素子１８の
受光面までの距離をＬとした場合、近似的に、 Ｄ_A ＝（Ｄ＋θＬ）／Ｍ となる。測定空間分解能はほぼＤ_A に等しいため、入射
光の径の大きさに依存しないことが分かる。

【００２３】また、テレスコープの倍率Ｍを大きくする
ことによって、空間分解能を向上することができる。こ
のため、数１０μｍ以下の空間分解能を通常の数１００
μｍの直径の光電変換素子１８と１０倍程度のテレスコ
ープの倍率で容易に実現することができる。

【００２４】なお、光電変換素子１８の直径を小さくす
れば、光ヘテロダイン検出の受光角が大きくなり、それ
ぞれの光電変換素子の指向性が低下することとなるた
め、光電変換素子のサイズを小さくすることには限界が
ある。

【００２５】次に、この発明の実施例について図面を参
照して説明する。図２は、この発明の第１の実施例を示
すものである。図２において、レーザ発振器２１はレー
ザ光ＬＢを発生する。レーザ発振器２１の種類、レーザ
光の波長及び出力特性、例えば出力、偏波面、パルスの
場合にはパルス幅、ピーク出力などはサンプルに応じて
変えられる。波長は例えば生体の場合、０．６〜１．３
μｍが適当であり、霧や煙りなどの場合は約９〜１０μ
ｍ、汚水や濁水の場合は、０．４〜０．５μｍが適当で
ある。前記レーザ発振器２１から発生されたレーザ光Ｌ
Ｂは、ビームスプリッタ２２によって分岐され、一方
は、ビーム拡大器(beam expander) ２３に入射される。
このビーム拡大器２３によって径が拡大されたレーザ光
は、サンプル２４に入射される。このサンプル２４は例
えば図示せぬ可動台に載置されており、この可動台によ
りサンプル２４は水平及び垂直（上下）方向に移動可能
とされている。このサンプル２４を透過したレーザ光
（信号光）は第１のテレスコープ２５を構成する対物レ
ンズ２６によって集光され、空間フィルタとしてのアパ
ーチャ２７を通った後、第１のテレスコープ２５を構成
するレンズ２８によって拡大される。この拡大された信
号光は、ビームスプリッタ２９に入射される。

【００２６】一方、前記ビームスプリッタ２２によって
分岐された他方のレーザ光は、ミラー３０を介して光音
響変調器３１に供給される。この光音響変調器３１にお
いて、レーザ光は周波数がシフトされて局発光（参照
光）ＬＣＢが生成される。この局発光ＬＣＢは第２のテ
レスコープ３２を構成するレンズ３３、３４によってビ
ーム径が拡大される。第１、第２のテレスコープ２５、
３２の倍率は互いに同一、もしくは第２のテレスコープ
３２の倍率が第１のテレスコープ２５より大きくされ、
局発光の径は信号光と同一、もしくは信号光より大きく
される。

【００２７】前記第２のテレスコープ３２により径が拡
大された局発光はミラー３５を介して前記ビームスプリ
ッタ２９に入射され、前記信号光に重ね合わされる。こ
のビームスプリッタ２９によって波面合成された結果生
じたビート光成分は、光検出器アレイ３６によって検出
される。この光検出器アレイ３６は、例えば複数の光電
変換素子３７を二次元に配置して構成されている。この
光電変換素子３７は、例えばＰＩＮフォトダイオード、
アバランシェフォトダイオード等の光半導体素子が適用
される。

【００２８】前記光検出器アレイ３６から出力された信
号は、例えば時系列的に復調器、アナログ／ディジタル
変換器等からなる信号処理部３８に供給され、復調及び
デジタル化される。この信号処理部３８の出力信号はコ
ンピュータ３９に供給され、周知の処理によって二次元
画像が生成される。この生成された画像は表示器４０に
供給され表示される。

【００２９】上記第１の実施例によれば、サンプル２４
内で生じた多重散乱光や、サンプル２４の内部構造や状
態に起因する屈折光、回折光などの雑音光は第１のテレ
スコープ２５のレンズ２６の焦点面に配置されたアパー
チャ２７によって空間フィルタリングされる。それにも
拘らず光電変換素子３７の受光面に到達する散乱光は、
光電変換素子３７の受光角より小さい入射角を持つ成分
のみが検出される。したがって、極めて高分解の空間的
選別が可能となる。

【００３０】また、サンプル２４を透過した信号光をテ
レスコープを用いて拡大することにより、空間分解能を
向上することができる。したがって、数１０μｍ以下の
空間分解能を通常の数１００μｍの直径の光電変換素子
からなる光検出器アレイと１０倍程度の倍率のテレスコ
ープで容易に実現することができる。

【００３１】しかも、ビーム拡大器によってレーザ光の
径を拡大し、この拡大したレーザ光をサンプルに照射し
ている。したがって、サンプルに対してレーザ光を走査
することなく、サンプルの所定の面積の画像を二次元画
像として生成できるため、装置形状を小型化することが
できる。

【００３２】なお、上記第１の実施例は、サンプル２４
を透過した信号光をテレスコープを用いて拡大したが、
サンプル２４から反射された信号光をテレスコープを用
いて拡大して、その反射光による二次元画像の検出に用
いてもよい。

【００３３】次に、図３を参照してこの発明の第２の実
施例について説明する。なお、第２の実施例において、
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。

【００３４】第１の実施例では２つのテレスコープを用
いたが、この実施例では１つのテレスコープを使用す
る。すなわち、レーザ発振器２１から発生されたレーザ
光は、ビーム拡大器２３によって径が拡大される。この
径が拡大されたレーザ光は、ビームスプリッタ２２によ
って分岐され、一方は、サンプル２４に入射される。こ
のサンプル２４を透過した信号光はレンズ４１によって
集光され、アパーチャ２７を通った後、レンズ４２によ
って拡大される。これらレンズ４１、４２の倍率は例え
ば同一とされている。この拡大された信号光は、ビーム
スプリッタ２９に入射される。

【００３５】一方、前記ビームスプリッタ２２によって
分岐された他方のレーザ光は、ミラー３０、レンズ４３
を介して光音響変調器３１に供給される。この光音響変
調器３１で生成された局発光ＬＣＢはレンズ４４、ミラ
ー３５を介して前記ビームスプリッタ２９に入射され、
前記信号光に重ね合わされる。このビームスプリッタ２
９によって波面合成された光は、ビーム拡大器４５に供
給される。このビーム拡大器４５は、所謂テレスコープ
であり、ビーム径の拡大及びコリメートを行う。このビ
ーム拡大器４５によって径が拡大された合成光は光検出
器アレイ３６によって検出される。

【００３６】上記第２の実施例によれば、信号光と局発
光を合成した後、ビーム拡大器４５によってビーム径を
拡大するとともにコリメートしている。したがって、１
つのテレスコープのみによって空間分解能を向上するこ
とができる。しかも、テレスコープと光検出器アレイ３
６との間隔を極度に狭めることにより、空間分解能を一
層向上することができる。さらに、ビーム拡大器４５の
倍率のみを選択することにより、装置の空間分解能を自
由に選定することができる。

【００３７】図４は、この発明の第３の実施例を示すも
のである。第１、第２の実施例はサンプルを透過した光
を検出する透過型の装置について説明したが、この実施
例はサンプルから反射した光を検出する反射型の装置を
示している。なお、第１、第２の実施例と同一部分には
同一符号を付す。

【００３８】図４において、レーザ発振器２１から発生
されたレーザ光ＬＢは、ビーム拡大器２３によって径が
拡大され、ビームスプリッタ２２に入射される。このビ
ームスプリッタ２２によって分岐された一方のレーザ光
は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４６、λ／４板４
７を順次通ってサンプル２４に入射される。このサンプ
ル２４によって反射されたレーザ光（信号光）は、λ／
４板４７、偏光ビームスプリッタ４６を通ってレンズ４
１に入射される。このレンズ４１に入射された信号光
は、λ／４板４７を２回通っているためλ／２の位相変
化に対応する偏波面の回転を受ける。このレンズ４１に
よって集光され、アパーチャ２７を通った信号光は、レ
ンズ４２によって平行にされ、ビームスプリッタ２９に
入射される。

【００３９】一方、前記ビームスプリッタ２２によって
分岐された他方のレーザ光は、光音響変調器３１に供給
される。この光音響変調器３１から出力される周波数シ
フトされた局発光ＬＣＢはλ／２板４８、ミラー３５を
介して前記ビームスプリッタ２９に入射され、前記信号
光に重ね合わされる。このビームスプリッタ２９によっ
て波面合成された光は、ビーム拡大器４５に供給され
る。このビーム拡大器４５によって径が拡大された光は
光検出器アレイ３６によって検出される。この実施例に
よっても、第１、第２の実施例と同様の効果を得ること
ができる。

【００４０】図５は、この発明の第４の実施例を示すも
のであり、第３の実施例と同様の原理を用いて、この発
明を光干渉計方式に適用した場合を示すものである。図
５において、光源５１は低コヒーレントな光源であり、
例えばスーパールミネッセント・ダイオード、発光ダイ
オードによって構成される。この光源５１から発生され
たビームはビーム拡大器２３を通ってビームスプリッタ
２２に入射され分岐される。このうち、一方のビームは
サンプル２４に入射され、このサンプル２４によって反
射されたビームは、再度ビームスプリッタ２２に入射さ
れる。ビームスプリッタ２２により分岐された他方のビ
ームは周波数シフターを構成する例えばミラー５２に入
射される。このミラー５２は光軸に沿って往復移動可能
とされており、このミラー５２によってビームは周波数
がシフトされ局発光ＬＣＢが生成される。周波数シフタ
ーとしては、ミラー５２と同等の周波数シフトを与える
ことのできる例えば光音響変調器を使用することも可能
である。前記ミラー５２によって反射された局発光ＬＣ
Ｂはビームスプリッタ２２に再入射され、前記サンプル
２４からの反射光と合成される。この合成された光はテ
レスコープを構成するレンズ２６、空間フィルタリング
のためのアパーチャ２７、ビーム径を拡大するレンズ２
８を通る。このレンズ２８によって径が拡大された合成
光は光検出器アレイ３６によって検出される。

【００４１】このように、低コヒーレントな光源を用い
ることにより、サンプルの深さ方向の情報をも得ること
ができる。したがって、この光干渉計方式を使用するこ
とにより、高空間分解能の三次元画像を得ることができ
る。

【００４２】図６は、この発明の第５の実施例を示すも
のであり、図５と同一部分には同一符号を付す。この実
施例は図５に示す光干渉計方式を用いてサンプルから反
射光と透過光による画像の計測を実施するための構成を
示すものである。

【００４３】図６において、サンプル２４の後方にはミ
ラー５２ａが設置されている。このため、光検出器アレ
イ３６からはサンプル２４からの反射光とサンプル２４
を透過した後ミラー５２ａによって反射し、再びサンプ
ル２４を透過した透過光の両者が重なった画像情報が得
られる。

【００４４】そこで、次に、サンプル２４を透過した光
がミラー５２ａによって反射され、再度ビームスプリッ
タ２２に戻らないようにする。すなわち、図５と同様の
動作を行った光検出器アレイ３６から反射光のみの情報
を取り出すようにし、この情報を先に得られた反射光と
透過光の重なった画像情報から差し引くことにより、サ
ンプル２４を往復２回透過した透過光による画像情報を
検出することができる。さらに、このような動作を繰り
返すことにより、ほぼ同時に透過光と反射光によって二
次元の画像を構築することが可能である。なお、このよ
うな動作を実施するためにはミラー５２ａを周期的に光
路外に移動するか、傾けるといった機械的、又は電気的
機構を設置すればよい。

【００４５】図７は、この発明の第６の実施例を示すも
のであり、図３に示す透過型と図４に示す反射型を組合
わせたものである。図７において、図３、図４と同一部
分には同一符号を付す。このような構成とすることによ
り、サンプル２４からの透過光と反射光を同時に測定で
き、これらより実時間で同時に両者の二次元画像を得る
ことができる。

【００４６】図８は、前記第１の実施例を変形したこの
発明の第７の実施例を示すものであり、第１の実施例の
一部分のみを示している。第１の実施例は、複数の光電
変換素子が二次元に配列された光検出器アレイ３６を使
用したが、この実施例は単体の光電変換素子７１を駆動
部７２によって二次元に移動する構成としたものであ
る。光電変換素子７１を二次元に移動し、この光電変換
素子７１の出力信号を第１の実施例と同様に時系列で処
理することにより、二次元の画像を得ることができる。

【００４７】この実施例によれば、光検出器アレイ３６
を使用した場合と同様に、高空間分解能の二次元画像を
得ることができる。なお、この実施例において、光電変
換素子は単体に限らず、複数の光電変換素子を一次元に
配置した一次元の光検出器アレイとし、この光検出器ア
レイを光電変換素子の配列方向と直交する方向に移動し
てもよい。

【００４８】図９は、前記二次元光検出器アレイの構成
を示すものである。この光検出器アレイは、例えば図９
（ａ）に示すように、複数の光電変換素子３７をＮ×Ｎ
のマトリクス状に二次元に配置した構成や、図９（ｂ）
に示すように、複数の光電変換素子３７を同心円状に二
次元に配置した構成とされている。図９（ｂ）に示す光
検出器アレイ３６は、信号光及び局発光のビーム形状に
類似しているため効率がよい。

【００４９】図１０は、光ファイバを用いた任意の形状
及び大きさの光検出器アレイの構成例を示すものであ
る。この光検出器アレイ９１は信号光と局発光の合成さ
れた光の検出を光ファイババンドル９３を通して行うも
のである。複数の光ファイバ９２が束ねられた光ファイ
ババンドル９３の一端部は受光部を構成し、各光ファイ
バ９２の他端には光電変換素子９６が設けられている。
前記受光部には信号光と局発光の合成された光が入射さ
れる。受光部の形状や大きさは信号光と局発光の合成さ
れた光ビームの形状や大きさに適合するように設定され
るが、光ファイババンドルを用いるため、光電変換素子
９６の大きさや配置の仕方は全く任意であり、光電変換
素子９６を受光部から遠く離れた場所に設置することも
可能である。このように、各光ファイバ９２の他端に設
けられた各光電変換素子９６によって前記合成された光
を検出することができ、しかも、上記光ファイババンド
ルを使用することにより、任意の形状、任意の大きさの
二次元光検出器アレイを形成することができる。

【００５０】図１１は、図２に示す信号処理系を具体的
に示すものである。図１１（ａ）は光検出器アレイ３６
の出力信号を時系列に信号処理する例であり、光検出器
アレイ３６の各光電変換素子３７はスイッチ回路１０１
が接続されている。各光電変換素子３７の出力信号はス
イッチ回路１０１によって順次取り出され、復調器等か
らなる信号処理部１０２を介してコンピュータ３９に供
給される。

【００５１】図１１（ｂ）は光検出器アレイ３６の出力
信号を並列に信号処理する例であり、光検出器アレイ３
６の各光電変換素子３７には復調器等からなる信号処理
部１０３がそれぞれ接続されている。これら信号処理部
１０３の出力信号はパラレルにコンピュータ３８に供給
される。

【００５２】図１２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ前
記信号処理部３８、１０２、１０３の構成を示すもので
ある。図１２（ａ）において、光検出器アレイ３６の出
力信号である中間周波出力信号ＩＦＳは、増幅器３８
ａ、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）３８ｂを介して二乗検
波器（ＤＥＴ）３８ｃに供給される。この二乗検波器３
８ｃの検波出力信号は整流回路（ＲＥＣＴ）３８ｄによ
って整流され、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）３８ｅによ
って低域成分のみが取り出される。この低域通過フィル
タ３８ｅの出力信号はアナログ／ディジタル変換器（Ａ
／Ｄ）３８ｆによってディジタル信号に変換され、前記
コンピュータ３９に供給される。

【００５３】図１２（ｂ）において、光検出器アレイ３
６からの中間周波出力信号ＩＦＳは、増幅器３８ｇ、帯
域通過フィルタ３８ｈを介して整流回路３８ｉに供給さ
れる。この整流回路３８ｉの整流出力信号は低域通過フ
ィルタ３８ｊを介してアナログ／ディジタル変換器３８
ｋに供給され、ディジタル信号に変換された後コンピュ
ータ３９に供給される。

【００５４】図１２（ｃ）において、光検出器アレイ３
６からの中間周波出力信号ＩＦＳは、ロックインアンプ
３８ｌの一方入力端に供給される。このロックインアン
プ３８ｌの他方入力端にはロックインアンプのための参
照信号（同期検波信号）ＲＦＳが供給される。この参照
信号ＲＦＳは、例えば中間周波出力、又は信号光を適当
な変調周波数で変調した変調信号などが用いられる。こ
のロックインアンプ３８ｌは参照信号の周波数と同期し
た信号の狭帯域の検出を行うのに適している。この検出
出力信号はアナログ／ディジタル変換器３８ｍに供給さ
れ、ディジタル信号に変換された後コンピュータ３９に
供給される。このロックインアンプを用いた信号処理部
は信号対雑音比を向上できる。

【００５５】次に、実際の実験結果について説明する。
図８に示す構成によって、サンプルにレーザ光を照射
し、単一の光電変換素子を水平方向に移動することによ
って一次元の画像出力を得ることができた。サンプルと
しては、例えばアメリカＮＢＳ（国立標準局）基準のパ
ターン、すなわち、幅５０μｍ、間隔５０μｍのバーに
よって構成されたテストチャートの背後に、厚さ２ｃｍ
の散乱体を置いたものである。したがって、サンプルに
照射されたレーザ光はテストチャート、散乱体の順に透
過する。テストチャートと散乱体の位置関係は逆として
もよい。この実験に使用したレーザは、λ＝０．８μ
ｍ、ビームの直径＝１ｍｍであり、テレスコープの倍率
は１１倍、光電変換素子の直径は４００μｍである。

【００５６】また、前記散乱体としては、イントラリピ
ッド−１０％という静注用脂肪乳剤を生理食塩水と混合
し、１％濃度のイントラリピッド−１０％としたもので
ある。イントラリピッド−１０％は生体系の模擬実験に
よく使用される。波長１μｍ前後では、２％濃度のイン
トラリピッド−１０％と９８％の水との混合液は人間の
胸肉とほぼ同じ散乱特性を示すと言われている。また、
１．５濃度％のイントラリピッドであれば、散乱特性が
鶏肉に近いと言われている。したがって、前記サンプル
は散乱特性に限って言えば、厚さ１ｃｍの人間の胸肉に
相当するものと考えられる。

【００５７】この実験において、サンプルに照射された
レーザ光は、イントラリピッド液内では強く散乱される
が、ほぼ直線的にイントラリピッド液を通過した光成分
だけが光ヘテロダイン検出により検出された。すなわ
ち、レーザ光がバーによって遮断されている部分は、透
過率は０％となっており、バーの間に位置する部分はレ
ーザ光が透過しているため、透過率は１００％となって
いる。そのため、５本のバーに対して、透過率のピーク
は５つあり、その相互間隔は１００μｍであると検出さ
れた。これにより、５本の幅５０μｍのバーを完全に分
離して検出できたと言える。したがって、この装置の画
像の分解能は５０μｍより良いことが確認できた。

【００５８】また、同様にして、図８に示す構成によっ
て、直径６０μｍの人間の髪の毛の背後に、厚さ４ｃｍ
の１％濃度のイントラリピッド−１０％を置き、このサ
ンプルにレーザ光を照射し、単一の光電変換素子を水平
方向に移動することにより、一次元の画像を検出するこ
とができた。すなわち、厚さ４ｃｍの１％濃度のイント
ラリピッド−１０％を透過して直径６０μｍの人間の髪
の毛を確実に検出することができた。

【００５９】尚、上記実施例では、照射光として光領域
のレーザや低コヒーレントな光源であるスーパールミネ
ッセントダイオード、発光ダイオードを用いたが、マイ
クロ波や遠赤外線などの電磁波の領域も適用可能であ
る。その他、発明の要旨を変えない範囲において、種々
変形可能なことは勿論である。

【００６０】

【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、光が多重散乱するため不透明となる比較的厚い測定
物を透過した光あるいは測定物内から反射された光を高
い空間分解能で検出することができ、しかも、測定物に
対して光ビームを走査することなく、実時間で非破壊的
に二次元乃至三次元の画像を生成することが可能な光画
像計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の原理を示す構成図。

【図２】この発明の第１の実施例を示す構成図。

【図３】この発明の第２の実施例を示す構成図。

【図４】この発明の第３の実施例を示す構成図。

【図５】この発明の第４の実施例を示す構成図。

【図６】この発明の第５の実施例を示す構成図。

【図７】この発明の第６の実施例を示す構成図。

【図８】この発明の第７の実施例を示すものであり、第
１の実施例の一部分のみを示す構成図。

【図９】二次元光検出器アレイを示す平面図。

【図１０】光検出器アレイの変形例を示す構成図。

【図１１】信号処理系を具体的に示す構成図。

【図１２】信号処理部を具体的に示す構成図。

【符号の説明】

ＴＳ…テレスコープ、１１、２４…サンプル、１４、２
７…アパーチャ、１６、２９…ビームスプリッタ、１
８、３７、７１、９６…光電変換素子、１９、３６…光
検出器アレイ、２１…レーザ発振器、２３、４５…ビー
ム拡大器、２５…第１のテレスコープ、３１…光音響変
調器（Ａ／Ｏ）、３２…第２のテレスコープ、３８、１
０２、１０３…信号処理部、３９…コンピュータ、４０
…表示器、４１、４２…レンズ、４６…偏光ビームスプ
リッタ、５１…光源、７２…駆動部、９２…光ファイ
バ、９３…光ファイババンドル、９４…分岐結合器、１
０１…スイッチ回路。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のビーム径を有する光を散乱体を含
   む測定物体に照射する照射手段と、 前記測定物体を透過した光を集光するする第１のレンズ
   と、 この第１のレンズの焦点に設けられた空間フィルタとし
   てのアパーチャと、 このアパーチャを通った光を前記第１のビーム径より大
   きな第２のビーム径に拡大する第２のレンズと、 この第２のレンズによって拡大された光に参照光を合成
   する合成手段と、 この合成手段によって合成された光を二次元空間で分離
   し、電気信号に変換する光電変換手段とを具備すること
   を特徴とする光画像計測装置。
2. 【請求項２】 第１のビーム径に拡大された光を散乱体
   を含む測定物体に照射する照射手段と、 前記測定物体を透過した光又は測定物体から反射した光
   を集光するとともに、そのビーム径を前記第１のビーム
   径より大きな第２のビーム径に拡大するテレスコープ
   と、 このテレスコープによって拡大された光に参照光を合成
   する合成手段と、 この合成手段によって合成された光を二次元空間で分離
   し、電気信号に変換する光電変換手段とを具備すること
   を特徴とする光画像計測装置。
3. 【請求項３】 第１のビーム径に拡大された光を散乱体
   を含む測定物体に照射する照射手段と、 前記測定物体を透過した光又は測定物体から反射した光
   を空間フィルタリングする手段と、 このフィルタリングされた光に参照光を合成する合成手
   段と、 合成手段によって合成された光を前記第１のビーム径よ
   り大きな第２のビーム径に拡大する拡大手段と、 この拡大手段によって拡大された光を二次元空間で分離
   し、電気信号に変換する光電変換手段とを具備すること
   を特徴とする光画像計測装置。
4. 【請求項４】 第１のビーム径に拡大された光を散乱体
   を含む測定物体に照射する照射手段と、 前記照射手段から出力される光の周波数をシフトし、参
   照光とする周波数シフト手段と、 少なくとも前記測定物体から反射した光に前記周波数シ
   フト手段からの参照光を合成する合成手段と、 この合成手段によって合成された光を空間フィルタリン
   グするとともに、前記第１のビーム径より大きな第２の
   ビーム径に拡大するテレスコープと、 このテレスコープによって拡大された光を二次元空間で
   分離し、電気信号に変換する光電変換手段とを具備する
   ことを特徴とする光画像計測装置。
5. 【請求項５】 前記テレスコープは光を集光する第１の
   レンズと、 この第１のレンズの焦点に設けられた空間フィルタとし
   てのアパーチャと、 このアパーチャを通った光のビーム径を拡大する第２の
   レンズとを具備することを特徴とする請求項２又は４記
   載の光画像計測装置。
6. 【請求項６】 前記光電変換手段は二次元に配列された
   複数の光電変換素子を具備することを特徴とする請求項
   １、２、３又は４記載の光画像計測装置。
7. 【請求項７】 前記光電変換手段は少なくとも１つの光
   電変換素子と、この光電変換素子を一次元又は二次元空
   間内で移動させる駆動手段とを具備することを特徴とす
   る請求項１、２、３又は４記載の光画像計測装置。
8. 【請求項８】 第１のビーム径に拡大された光を散乱体
   を含む測定物体に照射する照射手段と、 前記測定物体を透過した光又は測定物体から反射した光
   を集光するとともに、そのビーム径を前記第１のビーム
   径より大きな第２のビーム径に拡大するテレスコープ
   と、 前記テレスコープによって拡大された光に参照光を合成
   する合成手段と、 一端が二次元に配列され、この一端に前記合成手段によ
   って合成された光が入射される複数の光ファイバと、 前記各光ファイバの他端に設けられ、光ファイバによっ
   て導かれた光を電気信号に変換する複数の光電変換素子
   とを具備することを特徴とする光画像計測装置。