JPH11132949A - 光学的検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生物組織に代表される光学的散乱体の内部構
造を無侵襲に、高いコントラストで計測できる光学的検
査装置を提供する。 【解決手段】 光学的検査装置１には、一枚の回転遮光
板５上に多数の第１のピンホール５ｃと第２のピンホー
ル５ｄが該回転遮光板５の回転軸５ｂに対して２回回転
対称となるように設けられている。検査光Ｌ１は第１の
ピンホール５ｃを通って検査物体１４に照射される。物
体１４からの散乱光Ｌ８を参照光Ｌ４と重ね、干渉像を
第２のピンホール５ｄに結像させる。検査物体１４中の
限られた領域からの散乱光Ｌ８と参照光Ｌ１０とを干渉
させ、その強度を検出し、検査物体１４内の構造を画像
化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生物組織に代表さ
れる光学的散乱体（被検物体）の内部構造を無侵襲に計
測する光学的検査装置に関する。特には、高いコントラ
ストで被検物体の内部構造を検査・表示することのでき
る光学的検査装置に関する。また、被検物体の深部を高
速に可視化できる光学的検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】生体組織の解剖学的情報や病理・生理学
的情報を無侵襲に計測できる方法として、Ｘ線ＣＴやＭ
ＲＩ、超音波断層、ＰＥＴ等が実用化されている。さら
に、これらの測定技術でも可視化することができない組
織構造変化を光波を用いて可視化する試みも行われてい
る。この技術分野は一般に光ＣＴ技術と呼ばれている
（応用物理、第62巻第１号、p10-17等参照）。

【０００３】光ＣＴには大別すると２つの手法があり、
一つは前方散乱透過光を検出する方法、他は後方散乱光
を検出する方法である。光ＣＴでは、通常、比較的生体
内における吸収が少ない可視光から近赤外光にかけての
電磁波が入射光（検査光）として用いられるが、この領
域の電磁波は、Ｘ線や電波（ＭＲＩ）などに比べると、
生体内における散乱が強く、またその散乱過程が非常に
複雑である（例えば、The Journal of Investigative D
ermatology, Vol. 77, No. 1, p13-19(1981)等参照）。
前方散乱透過光を検出することにより、精度の高い内部
構造を可視化するためには、散乱過程をどのように数学
的に処理するかが困難な課題として残されている。一
方、後方散乱光を検出することにより、組織表層の構造
を可視化する試みは、時間的コヒーレンスの短い光源と
干渉光学系を用いて行われ、比較的精度の高い内部像が
得られている。

【０００４】このような方法の一例として、Science, V
ol. 254, p1178-1181(1991) （文献１）には、時間的コ
ヒーレンスの短い光波を被検物体に入射する以前に位相
特性を保持したまま２分割し、分割された一方の光波を
物体に入射し、他方を参照面で反射させた後に前記の物
体から後方散乱された一方の光波と光学的に干渉させる
ことにより、物体表層の内部構造を可視化する方法が開
示されている。また、Dermatology, Vol. 186, p50-54
(1993) （文献２）には、共焦点光学顕微鏡を用いる方
法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記文献１の方法は、
物体の比較的深部までその構造を画像化できることが特
徴であるが、画像取得は低速であり、例えばリアルタイ
ムでの試料観察はまだ達成されていない。一方、上記文
献２の方法は、画像取得が比較的高速であるが、物体の
深部の観察は困難である。

【０００６】本発明は、生物組織に代表される光学的散
乱体（被検物体）の内部構造を無侵襲に計測する光学的
検査装置であって、高いコントラストで被検物体の内部
構造を検査・表示することのできる光学的検査装置を提
供することを目的とする。また、被検物体の深部を高速
に可視化できる光学的検査装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の光学的検査装置は、 空間的に不均一な光
吸収特性と光散乱特性を有する被検物体に対して、自己
可干渉距離が該被検物体の空間的広がりより短い検査光
を照射し、被検物体内に進入した検査光の非散乱成分を
該被検物体の任意の部位に集光させる照射光学系と、
上記検査光を、被検物体手前で、位相特性を保持したま
ま参照光として分割する手段と、 該参照光が通過する
光路長可変の参照光光路と、 上記被検物体から散乱さ
れる後方散乱光を一定の立体角の下で集光する手段と、
集光した後方散乱光と、上記参照光通路を通過した参
照光とを干渉させて干渉光を形成する手段と、 該干渉
光を検出する光検出器と、 該干渉光の光量を被検物体
の集光部位に対応させて画像表示する手段と、 上記参
照光分割手段の手前の上記照射光学系中に配置された検
査光の通過する第１のピンホールと、 上記干渉光形成
手段と光検出器との間に配置された、干渉光の通過する
第２のピンホールと、を備え； 上記照射光学系が、上
記第１のピンホールの像を、被検物体内の上記部位に結
像させるものであり、 さらに、上記部位からの後方散
乱光と参照光との干渉光を上記第２のピンホール近傍の
位置に結像させる手段を有することを特徴とする。

【０００８】この光学的検査装置においては、自己可干
渉距離が被検物体の空間的広がりより短い光波を被検物
体に入射し、該被検物体より散乱される後方散乱光を一
定の立体角のもので集め、該被検物体に入射する以前に
その位相特性を保持するように分割され予め設定された
光路を通過した後の光波（参照光）と干渉させ、その干
渉信号を光検出器を用いて測定し、物体内部の構造を画
像化する。自己可干渉距離が被検物体の空間的広がりよ
り短い検査光を用いるので、干渉光には比較的狭い被検
物体内の部位からの情報が選択的に乗ることとなるた
め、比較的高い空間分解能で被検物体内部の組織情報を
検出できる。さらに、上記のように第１のピンホールと
第２のピンホールを配置することにより、散乱光による
画像劣化を抑えることができるので、画像の空間分解能
をさらに高めることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明においては、上記第１のピ
ンホールと第２のピンホールが、一枚の回転遮光板に穿
設された微細孔であり、かつ、第１のピンホールと第２
のピンホールが該回転遮光板の回転軸に対して２回回転
対称となるように設けられていることが好ましい。ま
た、上記回転遮光板に、２回回転対称となる第１のピン
ホールと第２のピンホールのペアが多数設けられてお
り、それに対応して多点検出式の光検出器が設けられて
いることが好ましい。同時に多数の部位に検査光を照射
し、該部位からの後方散乱光による干渉光を別個に光量
検出するので、画像の空間分解能を高めたまま画像取得
時間を短縮することができる。

【００１０】以下、図面を参照しつつ説明する。図１
は、本発明の１実施例に係る光学的検査装置の要部を模
式的に示す図である。図中には、多数のピンホール５
ｃ、５ｄを有する回転遮光板５が示されている。回転遮
光板５は、その中心の回転軸５ｂを中心に一定速度で回
転する。回転遮光板５の図の右側の部分は、平行光であ
る検査光Ｌ１による照明を受けている。検査光Ｌ１は、
上述のとおり時間的コヒーレンスの短い光源から発せら
れる。検査光Ｌ１の一部は、回転遮光板５に穿孔された
多数のピンホール５ｃを通過する。

【００１１】ピンホール５ｃから出た光Ｌ２は、あたか
もピンホール５ｃを新たな光源として下方に広がりなが
ら進む。回転遮光板５の下方には、コリメータレンズ６
が配置されており、ピンホール５ｃから出た光Ｌ２は、
同レンズ６で平行光Ｌ３となる。なお、図示は省略して
あるが、多数のピンホール５ｃからは、各々の光束が下
方に抜けて、コリメータレンズ６の下には、多数の光束
が形成されている。

【００１２】平行光Ｌ３は、コリメータレンズ６の下方
に配置されているハーフミラー２２に当る。このハーフ
ミラー２２は、光Ｌ３の一部を図の右方向に反射し、大
部分を下に通過させる。ハーフミラー２２で反射した光
Ｌ４は、平行な参照光とされ、ハーフミラー２２の右側
に配置されている可動ステージ１１に向かう。可動ステ
ージ１１には、集光レンズ７及び参照ミラー８が配置さ
れている。参照光Ｌ４は、集光レンズ７によって参照ミ
ラー８上に集光され、参照ミラー８上には、回転遮光板
５の多数のピンホール５ｃが結像する。

【００１３】可動ステージ１１は、参照光Ｌ４の光軸方
向（図の左右）に移動可能であり、後述する対物レンズ
１３の移動（又は図の上下方向（Ｚ方向）における被検
物体の走査）に合わせて、被検物体１４からの後方散乱
光と参照光とが自己可干渉距離内に入るようにする。参
照ミラー８の裏側にはピエゾアクチュエータ９が取り付
けられており、参照ミラー８を微小な寸法で参照光の光
軸方向に移動させることができる。この参照ミラー８
は、干渉状態を変えて２種の干渉信号を得る際に（詳細
後述）、検査光の１／８〜３／８波長程度動く。

【００１４】ハーフミラー２２を通過した光Ｌ５は、ハ
ーフミラー２２の下方に配置されている対物レンズ１３
に入射する。対物レンズ１３は、移動機構１２によって
Ｚ方向に駆動される。対物レンズ１３を通過した光Ｌ６
は、被検物体１４に照射される。被検物体１４に当った
光の非散乱成分Ｌ７は、被検物体１４中を進み検査部位
１４ａに集光する。検査部位１４ａからは後方散乱光Ｌ
８が生じる。この後方散乱光（対物レンズ１３に入る部
分）を対物レンズ１３を通して平行光Ｌ９として上に導
き、上述のハーフミラー２２において、参照光Ｌ４と合
波させる。

【００１５】ここで、被検物体の例として人間の皮膚だ
とすると、非散乱成分及びその後方散乱光は極く僅かで
あるので、この種の計測では本来的にＳ／Ｎ比が小さく
なるが、本発明では自己可干渉距離の短い光を用いた干
渉や空間フィルターの利用でＳ／Ｎ比を上げている。

【００１６】上述のように、ハーフミラー２２におい
て、被検物体１４からの後方散乱光Ｌ９（の一部）は図
の左方向に反射し、参照光Ｌ４（の一部）はハーフミラ
ーを左側に通過し、ハーフミラー２２の左側で両光Ｌ
９、Ｌ４は合波され干渉光Ｌ１０となる。この干渉光Ｌ
１０は、ミラー２１で上に反射され、同ミラー２１の次
に配置されているポラライザー１６を通過する。干渉光
がポラライザー１６を通過する際に、直線偏光となるの
で、干渉のコントラストが増大する。

【００１７】ポラライザー１６を通過した光Ｌ１１は、
次いでポラライザーの上に置かれている集光レンズ１７
を通って集光される。この集光される位置は、回転遮光
板５に穿設されている第２のピンホール５ｄに合ってい
る。したがって、参照ミラー８からの反射光と被検物体
１４からの後方散乱光の干渉光が選択的に第２のピンホ
ール５ｄを通過することとなり、信号のＳ／Ｎ比が上が
る。

【００１８】第２のピンホール５ｄを通過した光Ｌ１３
は、第２のピンホール５ｄ上に配置されているＣＣＤカ
メラ１８のレンズ１８ａで集光され、ＣＣＤカメラの光
電変換面１８ｂに結像する。ＣＣＤカメラ１８は、該面
１８ｂに結像した光の量を電気信号に変換し、結像位置
と対応させた信号（画像信号）を出力する。この画像信
号を適当に処理してＣＲＴ等の上に表示することによ
り、被検物体１４の内部構造を非侵襲で検査できる。

【００１９】図２は、図１の光学的検査装置の回転遮光
板の一例を示す平面図である。回転遮光板５は、中心軸
５ｂを中心として回転する。回転遮光板５上には、２回
回転対称となる第１のピンホール５ｃと第２のピンホー
ル５ｄのペアが多数設けられている。なお２回回転対称
とは、軸を中心に１８０°回転するとちょうど重なると
いう意味である。この例では多数ピンホール５ｃ、５ｄ
は、渦巻き模様の２本の線に沿って配置されている。同
線上でのピンホールのピッチは、回転遮光板５の中央部
ほど密であり、周辺部になると比較的粗である。

【００２０】回転遮光板５の右側の小さい円Ｐの領域に
は、照明光Ｌ１が当っている。一方、左側の同光Ｌ１と
２回回転対称の領域（Ｑ）では、第２のピンホール５ｄ
から抜けた干渉光Ｌ１３が存在する。照明光Ｌ１を当て
る領域の径は一例として２mmである。ここで、図中の黒
丸と白丸は回転遮光板５にあけられたピンホールである
が、黒丸に対して白丸が２回回転対称の関係にあること
を示している。図２中の中円ＰとＱは、それぞれ入射光
の照明する領域、及び物体からの散乱光が結像する領域
を示している。したがって、中円Ｐ中のピンホール像
は、物体中で一度結像され、さらにそこからの散乱光が
Ｑ中のピンホール上に結像する。回転遮光板５が回転す
ると、物体はピンホールの像により網羅的に隈無く照明
され、さらにその散乱像はＣＣＤで蓄積される。これに
より、回転遮光板５が一回転する間に、被検物体内のあ
る面に分布する多数の検査部位からの干渉光の光量が網
羅的に検出される。

【００２１】次に図１の光学的検査装置の作用について
説明する。本発明では、物体からの散乱光に参照光を重
ねることによって干渉像を得ている。検査光の可干渉距
離が物体の大きさに比べ十分小さければ、物体中の限ら
れた領域からの散乱光のみが参照光と干渉する。したが
って、干渉により強度が変化する画像を抽出すれば、物
体中の限られた領域の構造を画像化できる。これを実現
するために本実施例では、図１に示した可動ステージ１
１とその上に設置された参照ミラー８を用いている。参
照光と物体からの散乱光が干渉している条件下で、参照
ミラー８を、例えば照明光の中心波長の１／４ずらす
と、今まで干渉により強度が増加していた干渉光は、逆
に強度が減少する。この差を増幅して観測すれば、物体
の限られた領域からの散乱光のみを画像化できる。すな
わち、２回のＣＣＤカメラへの光量印加時で、１回目は
ノイズ光＋干渉光の強度が得られ、２回目はノイズ光−
干渉光の強度が得られ、１回目から２回目を引けば、２
×干渉光の強度が得られる。参照ミラー８をずらす距離
は、照明光の１／４程度に限られるものでなく、任意で
あるが、照明光の波長の１／８〜３／８が望ましい。

【００２２】本実施例では、参照ミラー８が初期位置に
ある状態で回転遮光板５を回転して画像をＣＣＤに取り
込み記録し、次に参照ミラー８をずらして再び画像を取
り込み記録する。次に、両画像の差画像を演算により求
める。この操作を必要に応じて繰り返すことによって、
物体１４内の限られた領域の像はさらに鮮明となる。対
物レンズ１３を物体１４の内部あるいは外部方向に移動
して像をとる場合は、参照光と物体１４からの散乱光が
干渉するように可動ステージ１２を移動する。

【００２３】図３に、本発明のより具体的な実施例を示
した。図３において、図１と同じ符号で示す部品・部分
は、同様の部品・部分である。光源として、アルゴンレ
ーザ励起チタンサファイヤレーザ１を用いた。レーザの
発振波長は８５０nm、パルス幅は１００fs、自己可干渉
距離は約３０μm であった。同レーザの出側の符号２
は、レーザ光の反射を防ぐアイソレータである。符号３
はコリメーターレンズである。レンズ３の出側の符号４
は、穿孔の施された回転板５の一部をできるだけ均一に
照明するために必要に応じて光路に挿入される光学部品
であり、フライアイレンズのようなものが利用できる。

【００２４】図３の装置における穿孔の施された回転遮
光板５の構造例を図４に示した。図中符号２３は、研磨
された透明なガラス板である。符号２４はガラス板２３
に蒸着された厚さ２０００ÅのＣｒ膜であり、リソグラ
フィー技術によって直径約３ミクロンの細孔２４ａが施
されている。細孔の配置は図２に示した２回回転対称の
うず巻き状とした。回転軸２５はガラス板２３の中心に
接着されている。回転軸２５の他端には歯車２６が形成
されている。この歯車２６には歯車２７を介して、モー
ター２９の動力が伝達され、モーター２９の回転が減速
されて回転板２３に伝えられる。符号２８は回転軸を支
えるアームである。

【００２５】細孔を通過した光は、図３に示されたハー
フミラー２２によって、参照光と物体への入射光に分離
される。参照光はレンズ７によって参照ミラー８上に集
光される。符号９は参照ミラー８を僅かに移動するため
のピエゾ素子であり、符号１０は可動ステージ１１を移
動するためのステッピングモーターである。符号２０
は、ピエゾ素子９等を制御するコンピュータである。参
照光と物体１４からの散乱光はハーフミラー２２で合波
され、鏡２１で反射し、偏光板１６で干渉のコントラス
トを増大され、レンズ１７を経て回転板５の上に結像さ
れる。ここで、再び細孔を通過した光のみがＣＣＤカメ
ラ１８で観察される。

【００２６】符号１３は対物レンズ、１２は対物レンズ
を図の垂直方向に移動するための移動機構である。対物
レンズ１３を移動した場合は、それと連動して移動ステ
ージ１１をステッピングモーター１０で移動することが
望ましい。一般に、被検物体１４は屈折率が１より大き
いから、移動量の最適値はあらかじめ検討しておかなけ
ればならないが、参照光の可干渉距離以上の精度は必要
ない。

【００２７】次に、画像取り込みの方法について説明す
る。まず、参照ミラー８を適当な位置に固定してＣＣＤ
カメラ１８で画像を取り込む。この間回転板５は少なく
とも一回転していることが望ましい。画像信号はコンピ
ュータ２０′のメモリに格納される。次に、移動鏡を参
照光の１／８波長以上の適当な距離移動した後固定し、
再び画像を記録する。これらの二つの画像には干渉に依
存する差が生じる。この差を強調することにより、物体
中の限られた面の構造を画像として観察できる。具体的
には、この２画像の差をとることを複数回行い、得られ
た差画像の和を取ることが望ましい。物体中の他の面の
観察をするには、対物レンズ１３を移動するか、あるい
は被検物体が載せられている移動ステージ１５を動かし
て、以上の操作を繰り返せば良い。本実施例の光学的検
査装置は、このような構成を取ることにより、光散乱体
の深部の構造を迅速かつ正確に観測できる。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の光学的検査装置は、生物組織に代表される光学的散乱
体の内部構造を、無侵襲に、高いコントラストで検査・
表示することができる。また、上述の穿設された微細孔
を有する回転遮光板及び多点検出式の光検出器を用いる
ことにより、多数の部位に検査光を照射し、該部位から
の後方散乱光による干渉光を別個に光量検出することが
できるので、画像の空間分解能を高めたまま画像取得時
間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係る光学的検査装置の要部
を模式的に示す図である。

【図２】図１の光学的検査装置の回転遮光板の一例を示
す平面図である。

【図３】本発明の他の１実施例に係る光学的検査装置の
要部を模式的に示す図である。

【図４】図３の光学的検査装置の回転遮光板の構造例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１ チタンサファイアレーザー ２ アイソレータ ３ レンズ ４ フライアイレンズ ５ 回転遮光板 ５ａ 駆動モーター ５ｂ 回転軸 ５ｃ 第１のピンホール ５ｄ 第２のピン
ホール ６ コリメータレンズ ７ 集光レンズ ８ 参照ミラー ９ ピエゾアクチ
ュエータ １０ ステッピングモーター １１ 可動ステー
ジ １２ 移動機構 １３ 対物レンズ １４ 被検物体 １５ 移動ステー
ジ １６ ポラライザー １７ 集光レンズ １８ ＣＣＤカメラ １８ａ レンズ １８ｂ 光電変換面 ２０ コンピュー
タ ２１ ＣＲＴ ２２ ハーフミラ
ー ２３ ガラス板 ２４ Ｃｒ膜 ２５ 回転軸 ２６、２７ 歯車 ２８ アーム Ｌ１、Ｌ２ 検査光 Ｌ３、Ｌ９ 平行
光 Ｌ４ 参照光 Ｌ５ 物体光 Ｌ６ 照射光 Ｌ７ 非散乱成分 Ｌ８ 後方散乱光 Ｌ１０ 干渉光 Ｌ１１ 直線偏向光 Ｌ１２ 集光光

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空間的に不均一な光吸収特性と光散乱特
   性を有する被検物体に対して、自己可干渉距離が該被検
   物体の空間的広がりより短い検査光を照射し、被検物体
   内に進入した検査光の非散乱成分を該被検物体の任意の
   部位に集光させる照射光学系と、 上記検査光を、被検物体手前で、位相特性を保持したま
   ま参照光として分割する手段と、 該参照光が通過する光路長可変の参照光光路と、 上記被検物体から散乱される後方散乱光を一定の立体角
   の下で集光する手段と、 集光した後方散乱光と、上記参照光通路を通過した参照
   光とを干渉させて干渉光を形成する手段と、 該干渉光を検出する光検出器と、 該干渉光の光量を被検物体の集光部位に対応させて画像
   表示する手段と、 上記参照光分割手段の手前の上記照射光学系中に配置さ
   れた検査光が通過する第１のピンホールと、 上記干渉光形成手段と光検出器との間に配置された、干
   渉光の通過する第２のピンホールと、を備え；上記照射
   光学系が、上記第１のピンホールの像を、被検物体内の
   上記部位に結像させるものであり、 さらに、上記部位からの後方散乱光と参照光との干渉光
   を上記第２のピンホール近傍の位置に結像させる手段を
   備えることを特徴とする光学的検査装置。
2. 【請求項２】 上記第１のピンホールと第２のピンホー
   ルが、一枚の回転遮光板に穿設された微細孔であり、 かつ、第１のピンホールと第２のピンホールが該回転遮
   光板の回転軸に対して２回回転対称となるように設けら
   れていることを特徴とする請求項１記載の光学的検査装
   置。
3. 【請求項３】 上記回転遮光板に、２回回転対称となる
   第１のピンホールと第２のピンホールのペアが多数設け
   られており、それに対応して多点検出式の光検出器が設
   けられていることを特徴とする請求項２記載の光学的検
   査装置。
4. 【請求項４】 上記回転遮光板が一回転する間に、上記
   多数の第１のピンホールの像が、上記被検物体を網羅的
   に走査するように該被検物体に結像することを特徴とす
   る請求項３記載の光学的検査装置。
5. 【請求項５】 上記光検出器が列状又は面状に配列され
   た電荷結合素子又は光ダイオードのアレイであり、 上記回転遮光板が一回転する間に、上記被検物体の列又
   は面に分布する多数の部位からの干渉光の光量が網羅的
   に検出されることを特徴とする請求項４記載の光学的検
   査装置。
6. 【請求項６】 上記参照光光路の長さを検査光の１／８
   〜３／８波長程度変化させ、変化の前後での上記光検出
   器の信号の差を求め、この差から画像を構成することを
   特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の光学的検査
   装置。
7. 【請求項７】 上記参照光の一部あるいは全てが上記第
   ２のピンホールを通過することを特徴とする請求項１記
   載の光学的検査装置。