JPH11337475A

JPH11337475A - 光計測装置

Info

Publication number: JPH11337475A
Application number: JP10320229A
Authority: JP
Inventors: Kinpui Chan; キンプイチャン; Koji Satori; 耕自佐鳥
Original assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1998-11-11
Publication date: 1999-12-10
Anticipated expiration: 2018-11-11
Also published as: JP3076016B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、干渉を利用して、被検体、特に光散
乱体に光ビームを照射し、その被検体を経由（透過ある
いは反射）した光を利用してその被検体の光計測を行な
う光計測装置に関し、検出に有効な光の光量を増やし、
スペックルノイズを低減する。【解決手段】関心点からの出射光の観察面に複数に分割
された受光素子を配置し、各受光素子により得られた信
号からその関心点の信号を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検体、特に光散
乱体に光ビームを照射し、その被検体を経由（透過ある
いは反射）した光を利用して、その被検体の光計測を行
なう光計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば人体やその他の生体組織のような
光に対して顕著な散乱を生じる光散乱体を光計測する場
合の最大の難点は、サンプルから四方八方に出射する透
過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路に沿った信
号光をどのようにして抽出するかということにある。こ
れを可能にする方法の１つとして、極めて短いレーザパ
ルス（ピコ秒；１０^-12ｓｅｃ）をサンプルに入射し
て、その出射光の時間プロファイルを超高速ストリック
カメラを用いて測定し、最短距離を通過した光成分、す
なわち見かけ上の透過直進光成分を検出する時間分解法
が知られている（例えばＳ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ−Ｅｎｇ
ｅｌｅｓ，Ｒ．Ｂｅｒｇ，Ｓ．Ｓｖａｎｂｅｒｇ，Ｏ．
Ｊａｒｌｍａｎ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，ｖ
ｏｌ．１５，１１７９（１９９０）参照）。

【０００３】一方、空間的分解法の１つとして、散乱光
の方向性の消失に着目し、アンテナ特性として知られて
いる優れた方向選択性を持つ光ヘテロダイン検出法を用
いて、方向性を保った見かけ上の透過直進光成分を検出
する方法が提案されている（例えば、Ｍ．Ｔｏｉｄａ，
Ｍ．Ｋｏｎｄｏ，Ｔ．Ｉｃｈｉｍｕｒａ，Ｈ．Ｉｎａｂ
ａ，“ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏ
ｌ．２６，７００（１９９０）参照）。

【０００４】図３５は、光へテロダイン検出法の原理図
である。

【０００５】レーザ光源１１から出射したコヒーレント
レーザ光ビーム１１ａはコリメータレンズ１２により所
定のビーム径の平行光ビームに調整され、ビームスプリ
ッタ１３により、信号光１１ｂと参照光１１ｃとに二分
される。ビームスプリッタ１３により参照光１１ｃと分
かれた信号光１１ｂは、例えば散乱体からなる被検体１
００に入射し、その被検体１００を透過した信号光がビ
ームスプリッタ１４を経由して光センサ１５に入射す
る。

【０００６】一方、ビームスプリッタ１３で信号光１１
ｂから分かれた参照光１１ｃは、ミラー１６で反射され
た後、例えばＡＯＭ（音響光学素子）等の周波数シフタ
１７で周波数シフトを受け、さらにミラー１８で反射し
ビームスプリッタ１４で信号光と重畳されて光センサ１
５に入射する。光センサ１５上では、周波数シフタ１７
の作用により周波数の異なる信号光と参照光とからなる
干渉光が生成され、光センサ１５からは、それら信号光
と参照光との周波数差に相当する周波数のへテロダイン
信号１５ａが出力される。

【０００７】この光ヘテロダイン検出法に基づく光計測
は、本質的に、散乱を受けずに直進する直進光成分のほ
か、散乱を受ながらも前進して入射光の時間コヒーレン
スの一部を保持したまま散乱体から出射する近軸前方散
乱光成分も検出されるという特徴をもつこと、およびこ
の近軸前方散乱光成分は、直進光成分の減衰率と比べ比
較的小さな減衰率を有することが指摘されている（Ｋ．
Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｍ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，
“ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ”Ｂ，Ｖｏｌ．６
３，２４９（１９９６）参照）。

【０００８】さらに、光ヘテロダイン法を用いて、被検
体を透過する光の伝搬時間差を測定することにより、被
検体の光屈折率分布を計測する方法も提案されている
（例えばＫ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｍ．Ｙｍａｄａ，Ｈ．Ｉｎ
ａｂａ，ＯＳＡＴｒｅｎｄｓｉｎＯｐｔｉｃｓａ
ｎｄＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ，２，２５０（１
９９６）参照）。

【０００９】以下に、被検体を透過する光の伝搬時間差
を測定して被検体の光屈折率分布を計測する方法につい
て説明する。

【００１０】厚さＬ、光屈折率ｎの被検体を直進して透
過する光成分の、被検体内を伝播する時間ｔは、ｔ＝ｎＬ／Ｃ ……（１）で表わされる。ここで、Ｃは光の真空中での速度であ
る。

【００１１】上記（１）式から、光屈折率ｎの異なる
（ｎ₁とｎ₂）同じ厚さの２つの被検体を通過する直進光
の伝播時間差は、 Δｔ＝（ｎ₁−ｎ₂）（Ｌ／Ｃ） ……（２）と表わされる。例えば生体の筋肉と脂肪の場合、水の光
屈折率ｎ₁，油の光屈折率ｎ₂，被検体の厚さＬを、それ
ぞれｎ₁＝１．４ｎ₂＝１．５Ｌ＝５ｍｍとしたとき、同じ厚さＬ＝５ｍｍの水と油の被検体を通
過する直進光の伝播時間差Δｔは、 Δｔ＝１．７×１０^-12ｓｅｃすなわち、１．７ピコ秒である。

【００１２】従来の連続発振レーザを用いた光ヘテロダ
イン方式の場合、レーザ光の時間コヒーレンスτ_c（距
離に換算するとＬ_c＝τ_c／Ｃ）が長いため、信号光と参
照光の光路長の相違ΔＬがＬ_c以内であれば、ΔＬがか
なり大きくても、信号光と参照光とが干渉した干渉光が
得られる。

【００１３】しかし、光源として、低コヒーレント光を
出射する光源（例えばＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｉｅｎｔ
Ｄｉｏｄｅ；ＳＬＤ、発光ダイオード；ＬＥＤ等）を
用いた場合、Ｌ_cは非常に短く、近似的に、Ｌ_c 〜λ²／
Δλ（λはその低コヒーレント光の中心波長、Δλはそ
の低コヒーレント光のスペクトル幅）で表わすことがで
き、市販されている近赤外域ＳＬＤの場合Ｌ_c 〜５０μ
ｍ、ＬＥＤの場合Ｌ_c 〜１０μｍ程度である。したがっ
て、このような低コヒーレント光を用いた場合、信号光
と参照光との光路長の違いが、この極めて短いコヒーレ
ント長以内にあるときのみ、光ヘテロダイン信号が得ら
れる。

【００１４】図３６は、光ヘテロダイン法を用いた被検
体の光屈折率分布の計測原理図である。

【００１５】低コヒーレント光を発するＳＬＤ１から射
出された低コヒーレント光ビーム１ａは、ビームスプリ
ッタ２で信号光１ｂと参照光１ｃとに二分される。ビー
ムスプリッタ２から出射した信号光１ｂは、全反射プリ
ズム３１及びミラー３で反射し被検体１００を透過し、
その透過光がビーム合成器４に入射する。一方、ビーム
スプリッタ２から出射した参照光１ｃは、音響光学的周
波数シフタ（ＡＯＭ）５により周波数シフトを受け、参
照光折り返し用全反射プリズム６で反射され、さらにミ
ラー７で反射された後、ビーム合成器４に入射する。参
照光の光路上に配置された全反射プリズム６は、図示の
矢印Ｘ−Ｘ’方向に移動自在に構成されており、この移
動により参照光の光路長が変化する。ビーム合成器４で
は、被検体１００を透過した信号光と、ＡＯＭ５により
周波数シフトを受けた参照光とが合成され、その合成さ
れたビームが受光器８に入射して受光される。この受光
器８により得られた受光信号は信号処理部９に入され
る。信号処理部９では、全反射プリズム６がＸ−Ｘ’方
向に移動する間の、受光器８で受光される干渉光が最大
強度となる点を検出し、これにより、被検体１００の光
屈折率が求められる。

【００１６】すなわち、信号光の光路上に計測用の被検
体を配置したときと配置しないときの参照光の光路長差
をΔＬ’とし、参照用の被検体の光屈折率ｎ1 と計測用
の被検体の光屈折率ｎ₂との差をΔｎ、参照用被検体と
計測用被検体の光伝播時間差をΔｔとしたとき、参照光
の光路長ΔＬ’は、 ΔＬ’＝Δｔ・Ｃ＝Δｎ・Ｌ ……（３）と表わされる。したがって Δｎ＝ΔＬ’／Ｌ ……（４）となり、直接Δｔを測定する代わりに、ΔＬ’を測定す
ることにより、Δｎを計測することができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図３７は、図３５に示
す従来の光へテロダイン検出法の１つの問題点の説明図
である。

【００１８】従来の光へテロダイン検出法に基づく光計
測は、実用上、被検体１００の出射面１００ａにおける
光散乱によってその測定性能が大きく左右されるという
問題がある。

【００１９】散乱体である被検体１００を透過した直進
光成分および近軸前方散乱光成分は、被検体１００の内
部構造に関する情報をもちながらも、被検体１００の出
射面１００ａが光学的に平坦ではない場合、すなわち波
長オーダーの凹凸が存在する場合、その出射面１００ａ
で散乱を受けることが光散乱理論から説明できる（例え
ば、Ａ．Ｉｓｈｉｍａｒｕ著、“ＷａｖｅＰｒｏｐａ
ｇａｔｉｏｎａｎｄＳｃａｔｔｅｒｉｎｇｉｎＲ
ａｎｄｏｍＭｅｄｉａ，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ
出版（１９７８）参照）。すなわち、出射光は散乱理論
に従い、例えば図３７のように散乱して拡がっていく。
図３５に示す従来の光へテロダイン法では、光へテロダ
インの狭い視野（θ＝λ／Ｄ，λ：波長、Ｄ：光検出器
の大きさ）の制限を受けるため、被検体１００から出射
する信号光のうち、その狭い視野、すなわちθ＝λ／Ｄ
で規定される極めて狭い角度以内で直進する極く一部の
信号光しが受光することができず、有効な信号光の光量
低下をもたらす結果となる。従来の光へテロダイン法で
は、このような散乱によって空間的に乱された光信号を
有効に受信することができないことは、以前から指摘さ
れている（Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｄ．Ｋ．Ｋｉｌｌｉｎｇ
ｅｒ，“ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ”Ｖｏｌ．１
７，１２３７（１９９２）参照）。

【００２０】また、上記の表面散乱は、有効な信号光の
光量低下のほか、スペックルノイズを発生させ、そのス
ペックルノイズの発生が光へテロダイン測定により得ら
れるへテロダイン信号に強いゆらぎをもたらすという問
題もある。光へテロダイン検出法は信号光と参照光との
干渉に基づく検出法であって、信号光にコヒーレンス性
すなわち参照光との可干渉性が要求されるが、散乱光は
様々な光路長をもち位相が不定（ランダム）となり、光
センサ上の干渉光の強度も不定となる。これはレーザス
ペックル現象としてよく知られている（例えば、Ｊ．
Ｃ．Ｄａｉｎｔｙ編“ＬａｓｅｒＳｐｅｃｋｌｅａ
ｎｄＲｅｌａｔｅｄＰｈｅｎｏｍｅｎａ”Ｓｐｒｉ
ｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ社出版（ＮｅｗＹｏｒｋ，１
９７５）参照）。

【００２１】図３８および図３９は、光へテロダイン検
出法を採用したときのスペックルノイズによるへテロダ
イン信号のゆらぎの実測例を示した図である。

【００２２】図３８および図３９は、厚みがともに５ｍ
ｍの、じゃがいも（図３８）および赤身豚肉（図３９）
に、直径１ｍｍのレーザ光（波長１．０６μｍ）を入射
し、それぞれの試料を透過した光を光センサを用いて検
出したときのヘテロダイン信号強度の時間経過を示して
いる。図３８，図３９の横軸はいずれも時間軸である
が、図３８は秒の単位であり、図３９は分の単位であ
る。

【００２３】これらの結果からわかるように、スペック
ルの時間的な変遷、すなわち、ヘテロダイン信号強度が
変化する時間は試料の種類によって極めて大きく異なっ
ている。スペックルの影響による光ヘテロダイン信号の
強度分布は統計的にレーリ分布に従うことが知られてお
り、スペックル平均、すなわち信号強度の時間平均を行
ないさえすれば、スペックルの影響を有効に解消するこ
とができることが知られている。しかし、図３９の例に
示されるような、スペックルが統計的にランダムな次の
状況に変化するのに約２分も要する試料の場合、独立し
たスペックルの多数回の平均を行なうには、極めて長時
間を要する結果となる。

【００２４】ここでは、図３５に示す光ヘテロダイン法
をとりあげて上記の光量低下およびスペックルノイズの
問題を説明したが、図３６に示す、光ヘテロダイン法を
被検体の光屈折率分布に適用した場合にも当然にこれら
が問題となり、さらには、これらは、光ヘテロダイン法
を採用して被検体からの反射光を検出する場合にも問題
となる。さらには、上記では光へテロダイン検出法を典
型例として説明したが、上記の光量低下およびスペック
ルノイズの問題は光ヘテロダイン法に限らず光の干渉を
利用した測定法に広く共通する問題である。

【００２５】本発明は、検出に有効な光の光量低下やス
ペックルによる信号の揺らぎを解消し、高精度な計測を
行なうことのできる光計測装置を提供することを目的と
する。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の光計測装置は、（１）光ビームを出射する光源（２）上記光源から出射された光ビームを、被検体が配
置される被検体配置位置を経由する信号光と、その被検
体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参
照光とに二分するとともに、被検体配置位置を経由した
後の信号光と、の異なる光路を経由した参照光とを互い
に重畳することにより信号光と参照光とが干渉した干渉
光を生成する干渉光学系（３）上記干渉光学系で得られた干渉光を受光すること
により受光信号を得る光センサを備え、上記（２）の干
渉光学系が、被検体配置位置に配置された被検体の表面
もしくは内部の、信号光の通過経路上の関心点の信号光
を光センサ上に伝達するとともにその光センサ上に参照
光を重畳するものであって、上記（３）の光センサが、
空間的に配列されそれぞれが独立に受光信号を得る複数
の受光素子を有するものであり、（４）さらに、上記光センサで得られた複数の受光信号
を統合して上記関心点に対応する信号を生成する信号処
理部を備えたことを備えたことを特徴とする。

【００２７】上記本発明の光計測装置は、関心点、すな
わち、ここでの光計測上、分解能の点で一点と見なすこ
とのできる、今注目している点から出射した光を光セン
サ上に伝達し、その光センサとして、空間的に配列され
それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を備
え、それら複数の受光素子で受光することに特徴を有す
る。

【００２８】図３７を参照して説明したように、被検体
１００から出射した信号光はその出射面１００ａで散乱
する。したがって例えばその被検体１００からの信号光
の出射ポイントを本発明にいう関心点として、その関心
点から出射した信号光を受光する観察面に複数の受光素
子を有する光センサを配置し、その面上で例えば平面波
としての参照光と重ね合わせ干渉させる。この場合、出
射ポイントでの信号光はその散乱方向に応じてそれぞれ
異なる位相を持っているため、光センサを構成する複数
の受光素子上では、それぞれ異なる位相を持った干渉光
が得られ、各受光素子で得られた信号もそれぞれ異なる
位相をもった信号となる。ただし、それらの受光信号
は、それぞれ異なる位相を持った信号であっても、いず
れの信号も‘１つの’関心点に関する信号である。そこ
でそれら複数の受光素子で得られた複数の受光信号を統
合してその１つの関心点の信号を生成する。この場合、
かなり広い方向に散乱した信号光を受光することになる
ため信号強度が大幅に高まり、かつ、スペックルノイズ
の原因となる信号のゆらぎも‘空間的’に平均化されて
極めてＳ／Ｎの良い信号を得ることができる。すなわ
ち、本発明によれば、従来は‘時間的に’平均すること
でスペックルノイズの低減化を図っていたのに対し、ス
ペックルノイズを‘空間的に’平均化することができ、
極めて高速、かつＳ／Ｎの良い光計測が可能となる。

【００２９】ここで、仮に、上記の配列された複数の受
光素子に代えて広い面積の受光素子で受光することを考
えると、上述したように各方向へ散乱した信号光は様々
に異なる位相を持っており、したがってそれら様々に異
なる位相を持った信号光を単一の受光素子に入射すると
それら位相の異なる信号光がもつ有効な信号成分が互い
に打ち消し合い、有効な信号が得られない結果となる。

【００３０】また、従来、例えば光へテロダイン検出法
等において、配列された複数の受光素子を用いて複数の
へテロダイン信号を得ることも知られているが、従来法
は、それら複数の受光素子からなる受光面に二次元的に
広がった関心領域の像を形成し、その関心領域内の各点
の情報を各受光素子で得ようというものであり、換言す
れば、一点ずつ走査しながら順次に情報を得る代わり
に、二次元的に広がる多数点の情報を同時に得ようとい
うものであって、本発明のように、‘一点’から拡がっ
た情報を、分割された複数の受光素子で得るというもの
ではなく、本発明とはその本質が異なる。

【００３１】ここで、上記本発明の光計測装置におい
て、上記干渉光学系が、信号光の周波数と参照光の周波
数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備えたもので
あってもよく、あるいは、上記光源が、周波数が時間的
に変調されたコヒーレント光を出射する光源であっても
よい。

【００３２】これらのいずれの構成であっても、信号光
と参照光の周波数を相対的に異ならせることができる。

【００３３】また、上記本発明の光計測装置において、
上記干渉光学系が、被検体配置位置に配置された被検体
と、その被検体配置位置における信号光とのうちの少な
くとも一方を一次元的もしくは二次元的に相対的に移動
させることにより被検体を信号光で走査する走査機構を
含むものであることが好ましい。

【００３４】この走査機構を備えることにより、被検体
の、一次元的な、あるいは二次元的な情報の分布、例え
ば屈折率情報の分布を得ることができる。

【００３５】また、上記干渉光学系が、被検体配置位置
に配置された被検体と、その被検体配置位置における信
号光とのうちの少なくとも一方を相対的に回動させる回
動機構を含むものであることも好ましい形態である。

【００３６】本発明を、例えば光ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅ
ｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）等に適用するには、このよ
うな回動機構が必要となる。

【００３７】さらに、本発明の光計測装置において、上
記干渉光学系が、上記関心点を所定の結像面に結像する
結像光学系と、その結像面上に配置されたアパーチャ
と、そのアパーチャに濾過された光を光センサに伝達す
る光学系とを備えることが好ましい。

【００３８】このような構成を備えると、そのアパーチ
ャの開口の寸法に応じて、信号光のビーム径、すなわ
ち、‘関心点’の空間的な広がりを自由に制御すること
ができ、また、無用な散乱光成分を減少させることがで
き、光計測の空間分解能の向上に役立つ。

【００３９】さらに、上記本発明の光計測装置におい
て、上記信号処理部は、光センサを構成する複数の受光
素子で得られた複数の受信信号それぞれを整流して互い
に加算するものであってもよい。

【００４０】例えば被検体の各関心点毎のある計測値の
分布からなる画像、例えば屈折率の計測値の分布からな
る画像を得る場合などには、この信号処理法を採用する
ことができる。

【００４１】あるいは、上記本発明の光計測装置におい
て、上記信号処理部は、光センサを構成する複数の受光
素子で得られた複数の受信信号の位相を相互に合わせて
互いに加算するものであってもよい。

【００４２】この信号処理法は、受光信号の位相から情
報を得る用途、例えばレーザドプラ速度計等に好適であ
る。

【００４３】上記本発明の光計測装置において、上記光
源は、長いコヒーレント長をもつ光ビームを出射する光
源、例えば連続発振レーザ光源等であってもよいが、所
定の低コヒーレント光ビームを出射する光源を採用して
もよい。

【００４４】低コヒーレント光ビームを出射する光源を
採用すると、被検体の屈折率あるいは屈折率分布を測定
することができる。

【００４５】また、この低コヒーレント光ビームを出射
する光源を備えた光計測装置において、光源として、コ
ヒーレント長１ｍｍ以下の低コヒーレント光を射出する
光源を用いることが測定の精度上好ましい。

【００４６】さらに、低コヒーレント光ビームを出射す
る光源を備えた光計測装置において、信号光もしくは参
照光の光路長を変更自在に調節する光路長変更手段を備
えることが好ましく、この場合に、この光路長変更手段
により信号光もしくは参照光の光路長を変化させなが
ら、信号光と参照光とが干渉した干渉光が最大強度とな
る光路長調整量を求めることにより、被検体の屈折率情
報を得ることが好ましい。

【００４７】さらに、本発明の光計測装置において、上
記信号処理部は、光センサを構成する複数の受光素子で
得られた複数の受信信号それぞれについて所望の周波数
帯域の信号成分を抽出するバンドパスフィルタを備え、
それらのバンドパスフィルタを通過した、複数の受信信
号の所望の周波数帯域の複数の信号成分を統合して上記
関心点に対応する信号を生成するものであることも１つ
の好ましい形態である。

【００４８】このようなバンドパスフィルタを備える
と、詳細は後述するが、被検体内に流れが存在する場合
にその流れの変化（脈動等）を測定することができる。

【００４９】ここで、上記バンドパスフィルタが、通過
帯域の中心周波数の調整が自在なものであることが好ま
しい。あるいは、上記干渉光学系が、信号光の周波数と
参照光の周波数を、相対的に、シフト量調整自在にシフ
トさせる周波数シフタを備えたものであることが好まし
い。

【００５０】濾過帯域の中心周波数の調整が自在なバン
ドパスフィルタを備えてヘテロダイン検出信号を濾過す
る周波数を調整するか、あるいはシフト量調整自在な周
波数シフタを備えてビート周波数を調整することによ
り、流れの変化を良好に検出することができる。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００５２】図１は、本発明の光計測装置の第１実施形
態の構成図、図２は、図１に示す第１実施形態の部分拡
大図である。

【００５３】レーザ光源１１から出射したコヒーレント
なレーザ光ビーム１１ａは、コリメータレンズ１２によ
り所定のビーム径を有する平行光ビームに調整され、ビ
ームスプリッタ１３により、信号光１１ｂと参照光１１
ｃとに二分される。ビームスプリッタ１３により参照光
１１ｃと分かれた信号光１１ｂは、ｘ方向およびｙ方向
に移動自在な走査台２１上に配置された、散乱体からな
る被検体１００に入射する。その被検体１００の内部に
入射した信号光の一部は直進し、他の一部は被検体（散
乱体）１００内部で散乱を受けながらもある程度コヒー
レンス性を保ちながら前進して光軸近傍から出射し、さ
らに他の一部は被検体（散乱体）１００内で大きくかつ
複雑に散乱する。

【００５４】図１には、被検体１００の出射面１００ａ
の光軸上の点１００ｂ（本実施形態では、この点が本発
明にいう関心点である）から出射した信号光の光路が示
されている。

【００５５】被検体１００の出射面１００ａから出射し
た光は、その関心点１００ｂに焦点を持つ焦点距離ｆ₁
のレンズ２２を経由し、さらに焦点距離ｆ₂のレンズ２
３を経由し、アパーチャ２４が配置された結像面に、被
検体１００の出射面１００ａの像が形成される。

【００５６】そのアパーチャ２４の中央の開口２４ａを
通った信号光は、さらに、そのアパーチャ２４の開口２
４ａに焦点を持つ焦点距離ｆ₃のレンズ２５を経由し、
さらにビームスプリッタ２６を経由して光センサ３０の
受光面３０ａに入射する。

【００５７】一方、ビームスプリッタ１３で信号光１１
ｂから分かれた参照光１１ｃは、ミラー１６で反射され
周波数シフタ１７で周波数シフトを受けた後、ビームエ
キスパンダ２７により、レンズ２５を透過した後の信号
光の広がりと同程度にそのビーム径が広げられ、ミラー
２８で反射し、ビームスプリッタ２６により信号光と重
畳されて光センサ３０の受光面３０ａに達する。この周
波数シフタ１７はＡＯＭであってもよく、あるいは位相
変調器を用いて、信号光に対する参照光の位相を周期的
に変調するものであってもよい。

【００５８】ここで、光センサ３０は、その受光面３０
ａ上に、図２に示すように、それぞれが独立に受光信号
を得る複数の受光素子３１が配列されたものであり、こ
れら複数の受光素子３１それぞれは、被検体１００の関
心点から様々な方向に散乱した信号光のうち、ある一つ
の方向に散乱した信号光の受光を分担している。例えば
図２に示す、関心点１００ｂから図２に斜線を付して示
す光路を辿る信号光は、光センサ３０を構成する複数の
受光素子３１のうち、受光素子３１ａで受光される。こ
のようにして、光センサ３０では、被検体１００の関心
点から様々な方向に散乱した信号光が、参照光と重畳さ
れた上で、それぞれ独立に受光される。

【００５９】光センサ３０の複数の受光素子３１で得ら
れた複数の受光信号は、図１に示す信号処理回路４０に
入力されて関心点１００ｂに関する１つの信号に統合さ
れ、コンピュータ５０に入力される。コンピュータ５０
では、必要に応じて、データの蓄積、さらなる信号処
理、あるいは画像表示処理等が行なわれる。

【００６０】信号処理回路４０における信号処理内容に
ついては後述する。

【００６１】以上の計測を、被検体１００が配置された
走査台２１をｘ方向、及び／又は、ｙ方向に移動させな
がら、すなわち被検体１００を信号光１００ｂに対し相
対的に移動させながら繰り返すことにより、被検体１０
０の一次元的ないし二次元的に並ぶ複数の関心点の情報
を得ることができる。

【００６２】図１，図２に示す実施形態は、以下の２点
に着目して構成されたものである。

【００６３】（１）光散乱体の光計測への光へテロダイ
ン測定法の原理は、被検体内部で多重散乱を受けた光や
被検体の出射面で散乱を受けた光は時間と空間の両面の
コヒーレンス性を失うため、光干渉信号に寄与しなくな
ることを利用したものであって、当初に提案された光へ
テロダイン検出法を用いた光画像計測法（例えば、Ｍ．
Ｔｏｉｄａ，Ｍ．Ｋｏｎｄｏ，Ｔ．Ｉｃｈｉｍｕｒａ，
Ｈ．Ｉｎａｂａ，“ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＬｅｔｔｅ
ｒｓ”，Ｖｏｌ．２６，７００（１９９０）参照）の場
合、この考えに基づき入射光の方向と同一方向に出射し
た信号光のみ受光している。これに対し、本実施形態
は、被検体１００の出射面１００ａで散乱を受けた信号
光からも可干渉な成分を抽出し、それら様々な方向に散
乱した信号光の可干渉な成分を統合しようとするもので
あり、従来の光へテロダイン法とはその発想を異にして
いる。尚、本実施形態においても、従来の光へテロダイ
ン検出法と同様、直進光成分のほかに、コヒーレンス性
を保持した近軸前方散乱光も受信される。

【００６４】（２）被検体１００を透過した信号光のう
ち、光干渉に寄与できるコヒーレンス性を保持している
光成分は、出射面１００ａで光散乱を受けても、その散
乱によって失われるものは、主に空間的なコヒーレンス
性であって、時間的なコヒーレンス性ではない。したが
ってそのような空間コヒーレンス損を受けた光信号を有
効にへテロダイン検出するためには、空間的に分かれた
複数の受光素子それぞれで受光してやれば、空間コヒー
レンス損を補償することができる。

【００６５】図１，図２に示す実施形態は、上記の考え
方に立って構成されたものであり、後で説明するよう
に、信号強度の点、およびＳ／Ｎの点で従来の光へテロ
ダイン検出法と比べ格段の改善が確認された。

【００６６】図２に示す、被検体１００から出射した信
号光を光センサ３０に導く光学系について詳述する。

【００６７】仮に被検体１００の出射面１００ａが光学
的に平坦である場合、被検体１００を透過した直進光成
分は、その出射面１００ａで散乱を受けずに、点線で示
されている光線のように出射する。この出射光線は三枚
のレンズ２２，２３，２５によって、光センサ３０の中
央部に入射し、光波は焦点（光センサ３０の受光面３０
ａに焦点が結ばれている）において平面波となるので、
平面波を持った参照光１１ｃと効率よく光干渉をおこ
し、光へテロダイン信号として検出される。

【００６８】被検体１００の出射面１００ａにおいて、
光散乱が生ずる場合、信号光は空間的に拡がって放射し
ていく。本実施形態では、この空間的に拡がった信号光
をなるべく広く受信できるように、レンズ２２を用いて
いる。被検体１００の出射面１００ａとレンズ２２との
間の距離はほぼレンズ２２の焦点距離ｆ₁に等しいこと
から、信号光はレンズｆ₁を通過した後は平行ビームと
なる。このような平行した信号光ビームは二枚のレンズ
２３，２５によって、平行ビーム状態で光センサ３０に
入射され、参照光と光干渉を起こし、光へテロダイン信
号として検出される。

【００６９】ここで、本実施形態では、レンズ２３とレ
ンズ２５との間にアパーチャ２４が配置されている。こ
のアパーチャ２４の開口２４ａの径を小さく絞ることに
よって、従来の共焦点光学顕微鏡（例えば、Ｔ．Ｗｉｌ
ｓｏｎ編“ＣｏｎｆｏａｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，Ａ
ｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ出版（Ｌｏｎｄｏｎ，１９
９０）参照）の原理に類似して、被検体に入射するレー
ザビーム径に依らない高い空間分解能を得ることができ
る。ただし、本実施形態の場合、従来の直接検波による
共焦点光学顕微鏡と比較し、光検出に光へテロダイン検
出法を採用し、さらに単一の受光素子ではなく、配列さ
れた複数の受光素子を有する光センサを用いている点は
従来にない新たな発想である。

【００７０】光センサ上に到達する無用な散乱光の量を
減らすことを目的として、アパーチャ２４の開口２４ａ
の径を必ずしも小さく絞ることなく、アパーチャ径を自
由に調整することにしてもよい。この点も、アパーチャ
２４を配置したことの有利な点である。無用な散乱光の
光量が大きいと、単に光干渉に寄与しない成分が増える
だけでなく、光へテロダイン検出のｓｈｏｔ（ショー
ト）ノイズを増やすことにもなり、無用な散乱光をでき
るだけ光センサ３０に入射させないようにすることが好
ましく、アパーチャ３４はこの目的にも適っている。

【００７１】レンズ２３，２５の焦点距離ｆ₂，ｆ₃を適
切に選ぶことによって、信号光ビームのビーム径を光セ
ンサ３０のサイズに合わせて拡大あるいは縮小すること
ができる。幾何光学に従えば、レンズ２２を通過した後
の信号光ビームのビーム径をｄ₁とすると、光センサ３
０上に入射される信号光ビームのビーム径ｄ₂は、ｄ₂＝Ｍ×ｄ₁ ……（１）となる。ただし、Ｍは光学的倍率であり、Ｍ＝ｆ₃／ｆ₂
であらわされる。

【００７２】一方、光へテロダイン検出法は、本質的に
は光干渉であるため、極めて狭い受信角θをもつ。光検
出器の直径をＤ、また光波長をλとすれば、θ〜λ／Ｄ
であることがよく知られている。このことから、図２に
示す光センサ３０を構成する各受光素子３１は、それぞ
れが狭い視野をもって、被検体１００から出射する信号
光を受光する。これら複数の受光素子３１それぞれが持
つ狭い受信角が合わさって、被検体１００から出射する
信号光の最大受信角２βが決定される。幾何光学に従え
ば、光センサ３０の大きさを２Ｂとすると、ｔａｎβ ＝（Ｂ／ｆ₁）×（ｆ₂／ｆ₃）＝（Ｂ／ｆ₁）×（１／Ｍ） ……（２）となる。

【００７３】上記実施形態は、従来の光へテロダイン法
では狭い受信角以内の一方向から来る信号光しか検出で
きない光計測法であるのに対して、配列された複数の受
光素子それぞれがもつ狭い受信角を合わせることによ
り、原理的に、広い出射角をもって被検体から出射する
信号光のへテロダイン検出を可能にしたことに大きな特
徴をもつ。

【００７４】図３は、図１に示す信号処理回路４０の内
部構成を模式的に示すブロック図、図４は、その信号処
理法の説明図である。

【００７５】信号処理方式には大別して、インコヒーレ
ント積算法（ＩｎｃｏｈｅｒｅｎｔＳｕｍｍａｔｉｏ
ｎ）とコヒーレント積算法（ＣｏｈｅｒｅｎｔＳｕｍ
ｍａｔｉｏｎ）とが考えられるが、ここでは、それらの
うち、インコヒーレント積算法について説明する。

【００７６】光センサ３０を構成する複数の受光素子３
１それぞれで得られたへテロダイン信号は、それぞれ、Ａ₁ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₁）Ａ₂ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₂）Ａ₃ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₃）：のようにあらわすことができる。ここでΔω＝２πΔｆ
は信号光と参照光との角周波数差、Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，…
…は各へテロダイン信号の振幅、φ₁，φ₂，φ₃，……
は各へテロダイン信号の位相であり、それらの振幅
Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，……および位相φ₁，φ₂，φ₃，……
は、図４（Ａ）に示すように、一般的には相互に異なっ
ている。

【００７７】図１に示す信号処理回路４０には、図３に
示すように、検波整流器４１と積算回路４２が備えられ
ており、光センサ３０の複数の受光素子３１で得られた
複数のへテロダイン信号Ａ₁ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₁），Ａ
₂ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₂），Ａ ₃ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₃），
……は検波整流器４１に入力され、図４（Ｂ）に示すよ
うに、各へテロダイン信号が検波され、かつ整流され、
各へテロダイン信号の振幅Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，……に対応
した信号レベルの直流信号に変換される。

【００７８】これらの直流信号は積算回路４２に入力さ
れて積算され、それらの直流信号Ａ ₁，Ａ₂，Ａ₃，……
を合わせた信号レベルの直流信号Ａ＝Ａ₁＋Ａ₂＋Ａ₃＋
……が得られる。直流信号Ａは、図１，図２に示す関心
点１００ｂに対応する情報をあらわしている。

【００７９】このような信号処理を、図１に示す走査台
２１を、例えばｘ方向とｙ方向との双方に移動させなが
ら順次実行することにより、被検体１００の二次元的な
画像データを得ることができる。

【００８０】次に、図１〜図４を参照して説明した実施
形態に対応する光学系および信号処理系を構成して実証
した実証結果について説明する。

【００８１】（実証その１）図５は、本実験で採用し
た、模似被検体の構成図である。

【００８２】ここでは散乱体としてイントラリピッド液
を収容した容器１０１を被検体として用いた。このイン
トラリピッド液の光透過方向の厚さは４ｃｍである。さ
らに容器１０１の出射面１０１ａには、光を散乱させる
ためのすりガラス１０３を置き、被検体の出射面での光
散乱を模似した。さらに容器１０１内に幅１ｍｍの光遮
光体（バー）を３本もつチャート１０２を挿入した。こ
の図５に示す模似被検体の直進光成分の散乱による減衰
は−７０ｄＢであり、すなわち、入射光に対し透過直進
光は１０^-7に減少する。

【００８３】図６は、図１〜図４を参照して説明した実
施形態に対応する光学系および信号処理系における、図
５に示す模擬被検体の計測結果（実施例）を示した図、
図７は、従来の光へテロダイン法（図３６参照）によ
る、図５に示す模擬被検体の計測結果（比較例）を示し
た図である。また、図６，図７のいずれにおいても、
（Ａ）には、模擬被検体を二次元的に移動させながら計
測を行なうことにより得られた二次元画像、（Ｂ）に
は、（Ａ）に‘ラインＡ’で示す一本ライン上の信号レ
ベルの変化、（Ｃ）には、（Ａ）に‘ラインＢ’で示す
一本のライン上の信号レベルの変化が示されている。
（Ｂ），（Ｃ）において、横軸は各ラインＡ，Ｂ上の被
検体内の位置、縦軸は信号レベルの相対値のｄＢ表示で
ある。使用したレーザ光源は、波長１０６４ｎｍのＮ
ｄ：ＹＡＧレーザである。また、本実施例（図６）の場
合、光センサとして、受光素子が８行８列、合計８×８
＝６４個並んだ受光素子アレイを用いた。

【００８４】図６と図７とを比較すると一見して明らか
なように、本実施例（図６）の方が従来の光へテロダイ
ン検出法（図７）と比べスペックルノイズが大幅に減少
し格段にＳ／Ｎが向上している。

【００８５】（実証その２）図８は、スペックルノイズ
による信号のゆらぎの測定結果を示す図である。

【００８６】図８中のグラフｂは、図３８にも示した、
厚さ５ｍｍのじゃがいもについて従来の光へテロダイン
検出法を用いて計測したときのへテロダイン信号強度の
時間変化を示し、グラフａは、同一の被検体についての
実施例（８×８＝６４個の受光素子で得られたもの）を
示している。

【００８７】これらグラフａとグラフｂとを比べると、
信号強度は、受光素子の数（６４個）にほぼ比例し、約
６０倍に大きくなっている。これは、被検体から角度を
もって拡がって出射した信号光が持つ干渉成分がうまく
検出できていることを意味している。

【００８８】被検体の出射面における光散乱によって拡
がって出射する信号光は、前述したように、散乱による
空間コヒーレンス損失を受けている。このような空間コ
ヒーレンス損の著しい散乱光は、単一の受光素子からな
る光検出器では有効には検出できないため（例えば、
Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｄ．Ｋ．Ｋｉｌｌｉｎｇｅｒ，”
ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ”，ｖｏｌ．１７，
１２３７（１９９２）参照）、本方式は、高効率の光ヘ
テロダイン検出方式であるともいえる。

【００８９】図８からわかる本実施例のもう１つの特徴
は、図６と図７との比較からもあきらかであるが、スペ
ックノイズが大幅に解消されたことである。これをさら
に裏づける統計データを次に示す。

【００９０】図９は、従来の光ヘテロダイン検出法（比
較例）（Ａ）、および図１〜図４に示す実施形態に対応
する検出法（実施例）（８×８＝６４個の受光素子で受
光）（Ｂ）による、上記のじゃがいものサンプルの透過
光強度のデータを一万回サンプリングしたときのヒスト
グラムである。光ヘテロダイン信号を時間間隔２０ｍｓ
ｅｃでサンプリングし、それを１個のデータとした。こ
のようにして測定した１万回のデータの標準分散は、従
来法（Ａ）の場合σ＝１．０４であって、スペックルノ
イズによる、ランダムな信号ゆらぎを特徴づけるσ＝
１．０のレーリ分布にほぼ等しい。これに対して図９
（Ｂ）に示す実施例の場合は、σ＝０．１４となり、信
号強度分布はガウス分布となった。スペックル平均によ
る信号ゆらぎの平滑化はσ＝（１／√Ｎ）である。ここ
で、Ｎは独立したスペックル平均の回数である。図９
（Ｂ）で示したσ＝０．１４は、受光素子の数６４をＮ
としたときのσ＝（１／√（６４））＝０．１２５に極
めて近く、本発明は、従来時間的に行っていたスペック
ル平均を、空間的に行うことを可能にしたと言える。

【００９１】図１０は、本発明の光計測装置の第２実施
形態の模式図である。前述した実施形態と共通の要素に
は、これまでに参照した図に付した符号と同一の符号を
付して示し、相違点について説明する。

【００９２】この図１０に示す第２実施形態の、図１に
示す第１実施形態との相違点は、図１に示す第１実施形
態における走査台２１に代えて、ｘ方向，ｙ方向に移動
することができるとともに、Ｒ方向に回転することので
きる被検体載置台２１１を備えている点と、図１に示す
信号処理回路４０が図３に示すように検波整流器４１と
積算回路４２とを備えたものであることに代わり、検波
整流器４１のみを備え、検波、整流した信号を積算せず
にコンピュータ５０に入力している点である。

【００９３】本実施形態では、ｘ方向，ｙ方向への移動
とＲ方向への回転を行なう被検体載置台２１１を備えた
ことから、様々な角度で測定した２次元透過画像を基に
して、ＣＴ（ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈ
ｙ）のアルゴリズムを用い、立体的な三次元光ＣＴ画像
を取得することができる。本発明は、スペックル平均の
能力をもつほかに、サンプルの表面形状が凹凸状であっ
ても広い角度で散乱して出射する信号光をヘテロダイン
受信することができるので、高精度の光ＣＴ像を取得す
ることが可能である。

【００９４】また、図１に示す信号処理回路４０に代わ
り検波整流器４１を備えたことに関しては、信号処理の
一部を、コンピュータ５０に分担させてもよいことを意
味している。図１０では、検波、整流は、コンピュータ
５０の外部で行なわれ、図３の積算回路４２に相当する
演算はコンピュータ５０の内部で行なわれている。ま
た、コンピュータ５０内部ではＣＴのアルゴリズムに基
づいたＣＴ画像構築のための演算も行なわれる。

【００９５】図１１は、本発明の光計測装置の第３実施
形態の光学系の部分構成図である。この第３実施形態
は、本発明を、散乱体からの反射光の計測に適用した例
である。

【００９６】水平方向に偏波面をもつレーザビーム１１
１ａ（Ｐ偏光）は入射光ビームとして偏光ビームスプリ
ッタ１３１を通過し、１／４波長板１３２を通って円偏
波となり、レンズ２２１によって集光され、被検体１０
０の表面ないし被検体１００の表面下の所定の深さ位置
に入射する。その反射光１１１ｂは、例えば入射ビーム
の角度より大きく拡がって反射されるが、その大部分は
レンズ２２１に入射し、ほぼ平行ビームとされる。この
ようにしてレンズ２２１を再び通過した信号光はλ／４
波長板１３２を再び通過することによってＳ方向（垂直
方向）偏波となり、偏光ビームスプリッタ１３１によっ
て反射される。ビームスプリッタ１３１によって反射さ
れた信号光は、さらにミラー１３３で反射された後、図
１に示す実施形態と同様に、２枚のレンズ２３，２４に
よって複数の受光素子３１が配列された光センサ３０に
伝送され、またビームスプリッタ２６によって参照光１
１１ｃと重畳され、光ヘテロダイン検出される。

【００９７】尚、ここでは光源に時間コヒーレンスの長
いレーザ光を用いるが、時間コヒーレンスの短いレーザ
光や白色光源を用いてもよく、その場合、信号光と参照
光の光路差を制御することによって、反射光を利用した
断層像を取得することができる。

【００９８】図１２は、本発明の光計測装置の第４実施
形態の模式図である。ここでは、本発明をレーザドプラ
流速計に適用した例を示す。

【００９９】レーザ光のドプラシフトを利用した速度計
は一般にレーザドプラ速度計と呼ばれるが、レーザドプ
ラ速度計のうち、流体の速度を測定するように構成され
たものをレーザドプラ流速計と称する。このレーザドプ
ラ流速計では、流体自身あるいは流体内を流れる散乱体
からの反射光のドプラシフト量が計測され、そのドプラ
シフト量に基づいて流速が求められるが、流体との境界
における光散乱や流体内での光散乱などによってレーザ
光の空間コヒーレンス損が生じる。したがってここにも
本発明を適用することで高精度化できる要因がある。

【０１００】レーザ光源１１から出射したレーザ光ビー
ム１１ａはコリメータ１２でコリメートされミラー１４
１で反射され、ビームスプリッタ１３で信号光１１ｂと
参照光１１ｃとに二分される。参照光１１ｃは図１に示
す実施形態の場合と同一の光路を経て光センサ３０に入
射する。

【０１０１】信号光１１ｂはビームスプリッタ１３で参
照光１１ｃと分かれた後ビームエキスパンダ１４２でビ
ーム径が広げられ、対物レンズ１４３で被検体（流体）
１００の内部に集光される。被検体（流体）１００自
身、あるいは被検体（流体）内の散乱体で反射した信号
光は、レンズ２２に入射し、その後は図１に示す実施形
態と同様にして、光センサ３０に入射する。

【０１０２】光センサ３０を構成する複数の受光素子３
１それぞれで得られたへテロダイン信号は、信号処理回
路４００に入力される。この信号処理回路４００では、
コヒーレント積算法（ＣｏｈｅｒｅｎｔＳｕｍｍａｔ
ｉｏｎ）による演算が行なわれる。

【０１０３】図１３は、図１２に示す信号処理回路４０
０の内部構成を模式的に示すブロック図、図１４はその
信号処理法の説明図である。

【０１０４】光センサ３０を構成する複数の受光素子３
１それぞれで得られたへテロダイン信号は、図３，図４
を参照したインコヒーレント積算法の説明でも述べたよ
うに、それぞれ、Ａ₁ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₁）Ａ₂ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₂）Ａ₃ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₃）：のようにあらわすことができる。ここでΔω＝２πΔｆ
は信号光と参照光との角周波数差、Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，…
…は各へテロダイン信号の振幅、φ₁，φ₂，φ₃，……
は各へテロダイン信号の位相であり、それらの振幅
Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，……および位相φ₁，φ₂，φ₃，……は
図１４（Ａ）に示すように一般的には相互に異なってい
る。

【０１０５】図１２に示す信号処理回路４００には、図
１３に示すように、位相整合回路４１１と積算回路４１
２が備えられており、光センサ３０の複数の受光素子３
１で得られた複数のへテロダイン信号Ａ₁ｓｉｎ（Δω
ｔ＋φ₁），Ａ₂ｓｉｎ（Δωｔ＋φ₂），Ａ₃ｓｉｎ（Δ
ωｔ＋φ₃），……は位相整合回路４１１に入力され、
図１４（Ｂ）に示すように、全てのへテロダイン信号
が、例えば光センサ３０を構成する複数の受光素子３１
のうち光軸上にある中央の受光素子で得られたへテロダ
イン信号の位相φに揃えられ、Ａ₁ｓｉｎ（Δωｔ＋
φ），Ａ₂ｓｉｎ（Δωｔ＋φ），Ａ₃ｓｉｎ（Δωｔ＋
φ），……となる。

【０１０６】積算回路４１２では、これら位相の揃った
へテロダイン信号が積算され、図１４（Ｃ）に示す信号
Ｓ＝ΣＡｎ・ｓｉｎ（Δωｔ＋φ）が得られる。

【０１０７】このようにして、図１２に示す信号処理回
路４００で得られた信号は、流速演算回路４１０に入力
され、流速に換算される。

【０１０８】図１２に示す信号処理回路４００、すなわ
ち、図１３に示す位相整合回路４１１および積算回路４
１２によれば、位相の時間的な変化情報あるいは空間的
に異なる関心点どうしの間の位相情報は失なわれないた
め、例えば図１２に示すレーザドプラ流速計のための前
処理として好適である。

【０１０９】図１２に示すように、レーザドプラ流速計
に本発明を適用すると、ドプラシフト量をより高精度に
計測することができ、流速をより高精度に求めることが
できる。

【０１１０】図１５は、本発明の光計測装置の第５実施
形態の構成図である。

【０１１１】この図１５に示す実施形態は、低い時間コ
ヒーレンスを持つ光源であるＳＬＤ（スーパールミネッ
セントダイオード）５１が採用されている。

【０１１２】ＳＬＤ５１から出射された光ビーム５１ａ
はコリメータ１２によりコリメートされ、ビームスプリ
ッタ１３により信号光５１ｂと参照光５１ｃとに二分さ
れる。

【０１１３】ビームスプリッタ１３で参照光５１ｃと分
かれた信号光５１ｂは、ミラー５２で反射され、走査台
２１上の被検体１００を透過し、透過光はコリメータレ
ンズ２２によって平行ビームとなり、レンズ２３，２５
およびビームスプリッタ２６を経由して光センサ３０に
入射する。レンズ２３とレンズ２５との間にはアパーチ
ャ３４が配置されており、このアパーチャ３４は、不必
要な散乱光を除去する役割りをはたしている。

【０１１４】一方、ビームスプリッタ１３で信号光５１
ｂと分かれた参照光５１ｃは、周波数シフタ１７で周波
数シフトを受け全反射プリズム５３で全反射し、ミラー
５４で反射し、ビームエキスパンダ２７でビーム径が広
げられビームスプリッタ２６を経由して信号光と重畳さ
れて光センサ３０に入射する。

【０１１５】光センサを構成する複数の受光素子３１で
得られた複数のへテロダイン信号は、信号処理回路４０
に入射されて前述したインコヒーレント積算処理が施さ
れ、コンピュータ５０に入力される。

【０１１６】ここで、全反射プリズム５３は、図示の矢
印ｚ方向に移動し参照光５１ｃの光路長を変更する。Ｓ
ＬＤ５１から出射された光ビーム５１ａは低い時間コヒ
ーレント長をもつ光であるため、信号光と参照光の光路
長がほとんど等しい場合のみ光干渉が生じ、このことか
ら、前述した式（４）に基づいて被検体１００の光屈折
率が求められる。

【０１１７】被検体内の光屈折率が不均一な場合、信号
光の光路に沿った座標をｘとしたとき、Δｎはｘの関数
Δｎ（ｘ）であり、したがって ΔＬ’＝∫Δｎ（ｘ）ｄｘ ……（５）すなわち、ΔＬ’は、Δｎ（ｘ）の光路ｘに沿った積分
値となり、そのΔＬ’から求められる光屈折率差Δｎ
は、ｘ方向の平均値 Δｎ＝ΔＬ／Ｌ＝∫Δｎ（ｘ）ｄｘ／Ｌ ……（６）となる。

【０１１８】図１５に示す例における信号処理回路５０
には、図３，図４を参照して説明したインコヒーレント
積算法（ＩｎｃｏｈｅｒｅｎｔＳｕｍｍａｔｉｏｎ）
を採用することができる。このインコヒーレント積算法
を採用した信号処理を、図１５に示す走査台２１を、例
えばｘ方向とｙ方向との双方に移動させながら順次実行
することにより、被検体１００の二次元的な屈折率分布
を得ることができる。

【０１１９】尚、ここでは、光源にＳＬＤ５１を用いる
として説明したが、ＳＬＤに代わり、例えば波長スペク
トル幅の広い発光ダイオードを用いてもよい。あるいは
フェムト秒オーダー（１フェムト秒＝１０^-15秒）の超
短パルスレーザ光を発するフェムト秒レーザを用いても
よい。波長スペクトル幅はパルス幅に反比例するため、
このような超短パルスレーザ光は広い波長スペクトルを
持ち、したがって低い時間コヒーレンスを持つことにな
る。

【０１２０】また、上記実施形態では、参照光の光路に
配置された全反射プリズム５３がｚ方向に移動し、これ
により参照光の光路長が調整されるが、これに代わり、
あるいはこれとともに、信号光の光路に移動自在な全反
射プリズム等を配置し、信号光の光路長を調整するよう
に構成してもよい。

【０１２１】図１６は、本発明の光計測装置の第６実施
形態の構成図である。

【０１２２】この図１６に示す実施形態では周波数変調
幅の広いレーザ光源６１が採用されており、そのレーザ
光源６１から出射されるレーザ光６１ａの周波数を変調
する周波数変調駆動部６２が備えられている。一方、図
１に示す周波数シフタ１７は備えられていない。

【０１２３】本発明は、この実施形態に示すように、光
源に周波数変調レーザを用いる、いわゆるＦＭ（ｆｒｅ
ｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）光へテロダイン
検出法にも適用することができる。ＦＭ光へテロダイン
検出法自体については、例えば、佐鳥耕自、陳建
培、稲場文男、“１９９７年秋季第５８回応用物
理学会学術講演会講演予稿集”論文番号３ｐ−Ｌ−１，
ページ９５４に述べられている。

【０１２４】この周波数変調レーザを実現するための１
つの簡単な例として、半導体レーザを採用しその半導体
レーザの動作電流を高速に掃引するという方式を挙げる
ことができる。例えば、波長１．０６４μｍの半導体レ
ーザ（出力５０ｍＷ）の注入電流を変化させ約３００Ｇ
Ｈｚ／ｍｓｅｃの変調レートが得られている（特願平９
−２６６５０４号参照）。

【０１２５】このＦＭ光へテロダイン検出法は、レーザ
の光周波数を周期的に変調することにより信号光と参照
光との光路長差に対応した周波数の干渉信号を得ること
に特徴がある。

【０１２６】図１６に示す実施形態では、光センサ３０
を構成する複数の受光素子３１で得られた複数の信号
は、先ずバンドパスフィルタ４３１に入力される。この
バンドパスフィルタ４３１は、その中心周波数が信号光
と参照光との光路差に相当する周波数に設定されてお
り、このバンドパスフィルタ４３１を通過した信号は信
号光と参照光との光路差に対応した周波数の信号とな
る。信号処理回路４３２は、この図１６に示す実施形態
の用途に応じ、インコヒーレント積算法（図３，図４参
照）、あるいはコヒーレント積算法（図１３，図１４）
のいずれを採用してもよい。また、バンドパスフィルタ
４３１の中心周波数を自由に変化させることができるよ
うに構成することにより、高い距離分解能をもつ光計測
を実現することもできる。

【０１２７】図１７は、本発明は光計測装置の第７実施
形態の構成図である。

【０１２８】この図１７に示す第７実施形態において
は、信号光１１ｂを被検体１００に導く光ファイバ８０
１と、被検体１００から出射した光を光センサ３０の受
光面３０ａに導くもう１本の光ファイバ８０２が用いら
れている。

【０１２９】レーザ光源１１から出射したレーザ光ビー
ム１１ａは、コリメータレンズ１２により所定のビーム
径を有する平行光ビームに調整され、ビームスプリッタ
１３により、信号光１１ｂと参照光１１ｃとに二分され
る。ビームスプリッタ１３により参照光１１ｃと分かれ
た信号光１１ｂは、集光レンズ７０１により集光されて
光ファイバ８０１に入射され、その光ファイバ８０１内
を伝送され、その光ファイバ８０１の他端から出射す
る。この光ファイバ８０１から出射した信号光は、コリ
メータレンズ７０２により平行光ビームに調整されて、
固定台２１２上に配置された被検体１００に入射する。

【０１３０】被検体１００の出射面１００ａの関心点１
００ｂから出射した信号光は、コリメータレンズ７０３
および集光レンズ７０４を経由して、再び光ファイバ８
０２に入射され、その光ファイバ８０２内を伝送され
る。

【０１３１】光ファイバ８０２から出射した信号光は、
レンズ７０５によって、光センサ３０の受光面３０ａの
面積と等しいか、もしくはそれより広いビーム径の平行
光ビームに調整され、ビームスプリッタ２６を経由して
光センサ３０の受光面３０ａに達する。

【０１３２】ビームスプリッタ１３により信号光１１ｂ
と分かれた参照光１１ｃについては、前述した、図１に
示す第１実施形態の場合と同様であり、説明は省略す
る。

【０１３３】また、光センサ３０で受光した後の信号処
理装置４０およびコンピュータ５０における信号処理内
容についても、例えば図１に示す第１実施形態の場合と
同様であり、重複説明は省略する。

【０１３４】この図１７に示す実施形態では、被検体１
００の関心点１００ｂから出射し、様々な方向に散乱し
ながら広がった信号光をレンズ７０３，７０４で一旦集
光している。本発明は、１つの関心点情報を得るため
に、その関心点から出射した、波面が乱れた信号光を空
間的に分割して受光し波面の乱れを調整して加算するこ
とに意味がある。したがってその目的からすれば、光フ
ァイバ８０２から出射した信号光も’波面が乱れてい
る’という点では、光ファイバ８０２に入射する前の信
号光と同様であるため、この図１７に示すように、光フ
ァイバ８０２から出射した後の信号光を二次元的に配列
された複数の受光素子で受光する構成も、本発明の目的
に適った構成である。

【０１３５】この図１７に示す第７実施形態の場合、光
ファイバ８０１，８０２が採用されているため、信号光
１１ｂを被検体１００に導くこと、および、被検体１０
０から出射した光を光センサ３０に導くことに関し、大
きな柔軟性ないし融通性を有している。図１７におい
て、光ファイバ８０１の信号光出射端とレンズ７０２
は、被検体１００を二次元的に走査する二方向（ｘ−ｙ
方向）に移動自在な走査台８１１上に固定されており、
一方、レンズ７０３，７０４、および光ファイバ８０２
の信号光入射端は、被検体１００を二次元的に操作する
ｘ−ｙ方向の他、さらに、被検体１００に接離する方向
（ｚ方向）にも移動自在な走査台８２２に固定されてい
る。これら２つの走査台８１１，８２２は、走査制御部
９００の制御により、ｘ−ｙの二方向に同一の速度で同
時に移動し、図１に示す第１実施形態における被検体１
００の移動に代わり、これら２つの走査台８１１，８２
２の移動により、信号光による、被検体１００の走査が
行われる。

【０１３６】この図１７に示す実施形態のように光ファ
イバを用いた場合であっても、信号光を移動させる代わ
りに、図１に示す実施形態と同様にして被検体１００の
方を移動させることにより走査を行なってもよいが、こ
の図１７に示すように信号光の方を移動させると、動か
さない方がよい被検体について測定を行なう場合や、被
検体を移動させる場合にその被検体の支持台が被検体の
高速移動を十分に支え切れることができないような場合
に有利である。

【０１３７】また、走査台８２２は、ｘ−ｙ方向のみで
はなくｚ方向にも移動することができるため、被検体１
００の出射面１００ａ上のみでなく、その出射面１００
ａよりも被検体１００の内部に入り込んだ位置に関心点
を設定し、その被検体内部の関心点からの信号光を集光
して光ファイバ８０２で伝送することができる。このよ
うに、本発明にいう「関心点」は被検体内部に設定され
てもよい。被検体内部に関心点を設定すると、本発明の
光計測装置を例えば光ＣＴ（ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏ
ｇｒａｐｈｙ）等に適用した場合に有用である。

【０１３８】次に、本発明を、光散乱体である被検体内
に何らかの流れが存在し、その流れの時間的な変化を測
定する場合に適用した例について説明する。被検体内に
流れが存在する場合の典型例としては、人体あるいはそ
の一部分（例えば指など）を被検体とし、その内部に血
流が存在する場合などがある。ここでは先ず、本発明を
被測定体内の流れの変化の測定に適用することができる
ということに関する理論上の説明を行ない、その後、本
発明をそのような測定に適用したときの実施形態、およ
びその実験結果等について説明する。

【０１３９】流れの計測法として、レーザドップラ速度
計がよく知られている（例えば、藤村貞夫編著「光計測
の基礎」第３章、森北出版、１９９３年）。図１８にそ
の原理を示す。入射光の波数ベクトルをｋ_i（｜ｋ_i｜＝
（２π／λ，λ：光の波長）、出射光の波数ベクトルを
ｋ_s運動している物体の速度ベクトルをＶとしたとき、
散乱光の光周波数にドップラシフトｆ_Dが観測される。

【０１４０】ｆ_D＝（１／２π）（ｋ_s−ｋ_i）・ｖ ……（７）このドップラシフトｆ_Dから流れの速度が測定される。

【０１４１】ただし、以上の方法を強い散乱媒質、例え
ば生体組織に適用するためには特別な工夫が必要であ
る。それは、図１９に示すように、散乱媒質中を伝搬す
る光はランダムに拡がっていく散乱光が支配的であるこ
とが原因である。

【０１４２】その工夫の１つとして、散乱媒質、例えば
生体に用いられているドップラシフトを利用した従来の
血流速度計では、注射針の中に挿入された光ファイバを
血管内に挿入し、レーザ光を血液へ直接に照射するもの
であるという方法が採られている。散乱粒子として働く
赤血球などからの散乱光は再び光ファイバに入射して導
びかれ、光ヘテロダイン法で検出される（例えば、藤村
貞夫編著「光計測の基礎」第３章、森北出版、１９９３
年）。この方法は、注射針や光ファイバを人体内に挿入
する方法であり、無侵襲な方法ではない。

【０１４３】一方、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣ
Ｔ）と呼ばれる装置を用いて、生体組織からの反射光を
光ヘテロダイン法で検出し、ビート周波数の分析からド
ップラシフトを測定する方法も報告されている（Ｊ．
Ａ．Ｉｚａｔｔ，Ｍ．Ｄ．Ｋｕｌｋａｒｎｉら、Ｏｐ
ｔ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．２２，１４３９（１９９
７））。

【０１４４】ＯＣＴは原理的には低コヒーレンス干渉法
に基づいたものであり、高い距離分解能をもつ一方、一
次散乱（ｓｉｎｇｌｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）の検出
法であるため、強い前方散乱性質を有する生体組織に対
しては、測定の最大深さは表面より約１ｍｍと見られ
る。

【０１４５】次に、無侵襲な光ヘテロダイン法を用いて
散乱媒質中の液流を計測する場合について説明する。

【０１４６】図１８に示すように、一次散乱に基づくレ
ーザドップラ計測では直進光はドップラシフトを受けな
い。一方、散乱媒質を透過してくる光のうち、光ヘテロ
ダイン検出法では直進光成分のほかに、近軸前方散乱光
成分も検出されることを考えると、図２０に示すよう
に、散乱媒質中に液流が存在する場合、近軸前方散乱成
分の周波数は液流での散乱によってドップラシフトを受
けたものであることが考えられる。

【０１４７】光ヘテロダイン検出法で検出される光信号
の周波数分布（スペクトル）を図２１に示す。

【０１４８】散乱媒質を透過してきた光は多重散乱光で
あるため、液流に入射する近軸前方散乱光は角度分布を
もってその液流に入射するとともに、ヘテロダイン検出
が可能な、液流での散乱光も、ある角度分布を成して出
射する。このため、ドップラシフトは式（１７）に示す
ような単一の値でなく、図２１（ｂ）に見られるような
スペクトルの拡がりをもつものと考えられる。しかも図
２０からわかるように一方向のみの散乱ではないため、
液流への入射方向と液流からの出射方向とによって高周
波数側へのシフトと低周波数側へのシフトとの双方が存
在する。このことは図１８に示すレーザドップラ測定と
は根本的に異なっている。

【０１４９】次に、ある測定帯域幅をもったヘテロダイ
ン信号の処理系を考える。この測定帯域幅は、例えば図
２２に示すような、中心周波数ｆ₀，半値幅Ｂのバンド
パスフィルタ（Ｂａｎｄ−ＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ：Ｂ
ＰＦ）特性とする。まず、中心周波数をドップラシフト
なしのときのヘテロダイン周波数ｆ₀と一致させておく
場合を考える。半値幅Ｂがドップラシフトに比べて狭け
れば、ＢＰＦで濾過されたヘテロダイン信号の強度は、
ドップラシフトが大きくなるにつれて減少する。この信
号強度の変化から液流の流速変化を測定することは原理
上可能である。

【０１５０】しかし、従来の光ヘテロダイン測定では、
このような流速変化の測定は困難な面がある。その理由
は前述したスペックルノイズである。

【０１５１】図２３に、図３５に示した従来の光ヘテロ
ダイン測定装置で測定した、人間の人差し指の第２関節
上の１点における透過光信号の時間変化を示す。また、
図２４に、図２３の信号をフーリエ変換した結果を示
す。この測定において、ヘテロダインの中心周波数（ビ
ート周波数）をＢＰＦの中心周波数と一致するように４
０ｋＨｚに設定し、またＢＰＦのバンド幅を３ｋＨｚと
した。使用したレーザは波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザである。ＢＰＦからの出力を１０ｍｓｅｃごと
にサンプリングし、それを図２３に示した。

【０１５２】図２３に見られるようにスペックルノイズ
は約１０ｄＢの信号のゆらぎとして観測されている。こ
のような顕著なゆらぎでは、上記のＢＰＦからの出力変
化に基づく流速変化測定は不可能であるといってよい。

【０１５３】以上を踏まえ、本発明の次の実施形態につ
いて説明する。

【０１５４】図２５は、本発明の光計測装置の第８の実
施形態の構成図である。図１に示す第１実施形態との相
違点について説明する。

【０１５５】この図２５に示す第８実施形態では、図１
に示す第１実施形態における参照光１１ｃの光路に備え
られていた周波数シフタ１７に代わり、信号光１１ｂの
光路上に位相変調器３５が配置されており、さらに、そ
の位相変調器３５の位相変調周波数を制御する変調周波
数制御部３６が備えられている。ここでは、レーザ１１
として連続発振レーザが採用されており、被検体１００
として、例えば人体の指などが配置される。

【０１５６】また、この図２５には明示的には示されて
いないが、図１に示す第１実施形態と比べ、信号処理回
路４０’が異なる。次に、この信号処理回路４０’につ
いて説明する。

【０１５７】図２６は、図２５に示す第８実施形態の信
号処理回路の内部構成を模式的に示すブロック図であ
る。

【０１５８】この図２６に示す信号処理回路には、図３
に示す信号処理回路と比べ、検波整流器４１の前段にバ
ンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４３が備えられている。こ
のバンドパスフィルタ４３は、光センサ３０の受光面３
０ａ上に配置された複数の受光素子３１（図２参照）の
それぞれで得られた各受信信号について所定の狭周波数
帯域の信号成分を抽出するものである。このバンドパス
フィルタ４３から出力された各信号成分Ａ₁ｓｉｎ（２
πｆ₀ｔ＋φ₁），Ａ₂ｓｉｎ（２πｆ₀ｔ＋φ₂），Ａ₃ｓ
ｉｎ（２πｆ₀ｔ＋φ₃），……は、図３を参照して説明
した場合と同様にして、検波整流器４１に入力されて各
信号成分が検波され、かつ整流されて、各信号成分の振
幅Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，……に対応した信号レベルの直流信
号に変換され、さらに積算回路４２に入力されて、それ
らの直流信号Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，……を合わせたレベルの
直流信号Ａ＝Ａ₁＋Ａ₂＋Ａ₃＋……が求められる。

【０１５９】図２７は、図２５，図２６に示す第８実施
形態の装置を採用して測定をした結果である。前出の図
２３の場合と同じ被検者であって、同じ測定箇所（人差
し指第２関節）を被検体とし、ヘテロダイン周波数を４
０ｋＨｚに設定し、８×８＝６４個のＩｎＧａＡｓ受光
素子アレイを使用し、受光素子アレイの６４チャンネル
の出力を、中心周波数が４０ｋＨｚ，バント幅３ｋＨｚ
の６４チャンネルのＢＰＦ４３（図３０参照）で濾過し
た。レーザ光源１１としては、波長１０６４ｎｍのＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ、信号のサンプリング周期は１０ｍｓ
ｅｃである。

【０１６０】ここには、周期約０．８５秒、振幅約１ｄ
Ｂ（１０％）の脈動が見られる。これは血管中の血液の
流速変化（脈動）が本実施形態の装置によって検出され
ていることを示している。図２７の時間変化をフーリエ
変換して周波数分析を行なうと、図２８に示すように、
脈動は１．１７Ｈｚのピークとして検出される。これは
被検者の測定当時の心拍数（７０回／秒）と一致してい
る。

【０１６１】図２９は、図２５，図２６に示した第８実
施形態による指の血流変化を示す波形（ａ）と心電波形
（ｂ）とを比較して示す図である。

【０１６２】この図に示すように両者の変化周期は完全
に一致しており、本実施形態による測定法により血流速
度が正しく検出されていることがわかる。

【０１６３】以上の結果は、本発明により流速変化を正
しく検出することができることを実証しているが、以下
では、流速速度に関する測定方法について説明する。

【０１６４】図３０，図３１は、図２５，図２６に示す
第８実施形態を使用した、ドップラシフトの測定法の説
明図である。

【０１６５】図３０に示すように、例えばドップラシフ
トによる周波数拡がりのない信号が、狭いバンド幅をも
つＢＰＦによって濾過されるとする。ここで、図２９に
示す位相変調器の変調周波数を変化させることによって
ヘテロダインの中心周波数ｆ ₀（ビート周波数）を変化
させる。そうすると、ＢＰＦからの出力は信号のスペク
トルとＢＰＦの（周波数）透過独特のコンボリューショ
ン（たたみ積分）に等しい。ＢＰＦのバンド幅が狭けれ
ば（理想的にはデルタ関数的なもの。ただし現実的には
バンド幅は信号のスペクトル拡がりより狭ければ十分で
ある）、ＢＰＦからの出力は信号のスペクトルにほぼ等
しくなる。

【０１６６】図３１にはドップラシフトを受けた信号の
スペクトルが、図３０を参照して説明した方法と同じ方
法で検出されていく様子が示されている。このように、
ヘテロダインの中心周波数ｆ₀（ビート周波数）を変化
させることにより、ドップラシフトの情報が得られる。

【０１６７】図３２，図３３はヘテロダイン測定の中心
周波数（ビート周波数）を変化させることにより、流速
情報が得られることを証明するために行った実験の結果
である。

【０１６８】ここでも波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧ
レーザと８×８個の受光素子が並んだＩｎＧａＡｓ検出
器アレイを用いて、人間の人差指の第２関節の透過光を
測定した。

【０１６９】図３２は、ビート周波数ｆ₀をＢＰＦの中
心周波数ｆ_cに等しくなるように設定した例、即ちｆ₀＝
ｆ_c＝４０ｋＨｚ（バンド幅Ｂ＝３ｋＨｚ）とした例で
ある。脈動が測定されていることがわかる。

【０１７０】図３３は、ｆ₀＝３６ｋＨｚ、ｆ_c＝４０ｋ
Ｈｚ（Ｂ＝３ｋＨｚ）としたときの例である。ここで
は、ビート周波数ｆ₀をＢＰＦの通過帯域から外れた周
波数に設定したため、ＢＰＦからの信号出力は図３２の
場合と比べて極端に低下しているが、図３２の場合と同
様、脈動が観測されている。ただし、図３２では、脈動
がＢＰＦからの出力が減少していく現象として測定され
ているのに対して、図３３では、逆にＢＰＦからの出力
が増大していく現象として測定されている。これは、流
速変化によって透過光が受けたドップラシフトにより、
その透過光の一部が、設定されたビート周波数ｆ₀（ｆ₀
＝３６ｋＨｚ）からｆ_c（ｆ_c＝４０ｋＨｚ）に変化した
ことを意味している。

【０１７１】このような結果から、図３０，図３１を参
照して説明した方法は、周波数シフト量の測定に有効と
考えられる。

【０１７２】尚、ここでは、ＢＰＦの周波数ｆ_cを固定
しておきビート周波数ｆ₀の方を調整したが、それらは
相対的なものであり、ビート周波数ｆ₀の方を固定して
おきＢＰＦの中心周波数ｆ_cの方を調整してもよい。

【０１７３】図３４は、本発明の光計測装置の第９実施
形態の特徴部分の構成図である。ここでは、入射光の光
軸と角度を成して透過してくる散乱光が測定される。光
センサ３０および信号処理系は、図２５，図２６に示す
第８実施形態の場合と同じである。

【０１７４】この図３４は、従来のレーザドップラ速度
計に見られる、入射光の光軸と角度を成して出射してく
る光を測定する構成を備えたものであるが、本発明によ
ってスペックルノイズが瞬時に平均化されるので、従来
レーザドップラ速度計が採用されていた用途はもちろん
のこと、生体組織などの散乱媒質内の流速を測定する場
合にも適用できる。

【０１７５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、干渉を
用いた計測に広く適用することができ、信号強度やスペ
ックルノイズの大幅な改善が図られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光計測装置の第１実施形態の構成図で
ある。

【図２】図１に示す第１実施形態の部分拡大図である。

【図３】図１に示す信号処理回路の内部構成を模式的に
示すブロック図である。

【図４】図１に示す信号処理回路の信号処理法の説明図
である。

【図５】模似被検体の構成図である。

【図６】図５に示す模擬被検体の計測結果（実施例）を
示した図である。

【図７】従来の光へテロダイン法（図１８参照）によ
る、図５に示す模擬被検体の計測結果（比較例）を示し
た図である。

【図８】スペックルノイズによる信号のゆらぎの測定結
果を示す図である。

【図９】比較例（Ａ）、および実施例（Ｂ）による、じ
ゃがいものサンプルの透過光強度のデータを一万回サン
プリングしたときのヒストグラムである。

【図１０】本発明の光計測装置の第２実施形態の構成図
である。

【図１１】本発明の光計測装置の第３実施形態の光学系
の部分構成図である。

【図１２】本発明の光計測装置の第４実施形態の構成図
である。

【図１３】図１２に示す信号処理回路の内部構成を模式
的に示すブロック図である。

【図１４】図１２に示す信号処理回路の信号処理法の説
明図である。

【図１５】本発明の光計測装置の第５実施形態の構成図
である。

【図１６】本発明の光計測装置の第６実施形態の構成図
である。

【図１７】本発明の光計測装置の第７実施形態の構成図
である。

【図１８】レーザドプラ速度計の原理説明図である。

【図１９】散乱媒質中を伝搬する光を模式的に示した図
である。

【図２０】散乱媒質中に液流が存在する場合の、光が液
流で散乱される様子を模式的に示した図である。

【図２１】光ヘテロダイン検出法で検出される光信号の
周波数分布を示す図である。

【図２２】光ヘテロダイン検出法で検出される光信号の
周波数分布とバンドパスフィルタの通過帯域を重ねて示
した図である。

【図２３】従来の光ヘテロダイン測定装置で測定したと
きの人間の人差指の第２関節上の一点における透過光信
号の時間変化を示す図である。

【図２４】図２３の信号をフーリエ変換した結果を示す
図である。

【図２５】本発明の光計測装置の第８実施形態の構成図
である。

【図２６】図２５に示す第８実施形態の信号処理回路の
内部構成を模式的に示すブロック図である。

【図２７】図２５，図２６に本発明の第８実施形態とし
て示す光ヘテロダイン測定装置で測定したときの人間の
人差指の第２関節上の一点における透過光信号の時間変
化を示す図である。

【図２８】図２７の信号をフーリエ変換した結果を示す
図である。

【図２９】図２５，図２６に本発明の第８実施形態とし
て示す光ヘテロダイン測定装置で測定したときの指の血
流変化を示す波形（ａ）と心電波形（ｂ）とを比較して
示す図である。

【図３０】図２５，図２６に示す本発明の第８実施形態
を使用した、ドップラシフトの測定法の説明図である。

【図３１】図２５，図２６に示す本発明の第８実施形態
を使用した、ドップラシフトの測定法の説明図である。

【図３２】ヘテロダイン測定のビート周波数を変化させ
ることにより流速変化測定を行なうことができることの
実証のために行なった実験結果を示す図である。

【図３３】ヘテロダイン測定のビート周波数を変化させ
ることにより流速変化測定を行なうことができることの
実証のために行なった実験結果を示す図である。

【図３４】本発明の光計測装置の第９実施形態の特徴部
分の構成図である。

【図３５】光へテロダイン検出法の原理図である。

【図３６】光へテロダイン検出法を用いた被検体の光屈
折率分布の計測原理図である。

【図３７】光へテロダイン検出法の１つの問題点の説明
図である。

【図３８】光へテロダイン検出法を採用したときのスペ
ックルノイズによるへテロダイン信号のゆらぎの実測例
を示した図である。

【図３９】光へテロダイン検出法を採用したときのスペ
ックルノイズによるへテロダイン信号のゆらぎの実測例
を示した図である。

【符号の説明】

１１レーザ光源１１ａレーザ光ビーム１１ｂ信号光１１ｃ参照光１２コリメータレンズ１３ビームスプリッタ１５光センサ１５ａヘテロダイン信号１６ミラー１７周波数シフタ２１走査台２２，２３，２５レンズ２４アパーチャ２４ａ開口２６ビームスプリッタ２７ビームエキスパンダ２８ミラー３０光センサ３０ａ受光面３１受光素子３５位相変調器３６変調周波数制御部４０，４０’ 信号処理回路４１検波整流器４２積算回路４３バンドパスフィルタ５０コンピュータ５１ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）５２ミラー５３全反射プリズム５４ミラー６１レーザ光源６１ａレーザ光ビーム６２周波数変調駆動部１００被検体１００ａ出射面１０１容器１０１ａ出射面１００ｂ関心点１０２チャート１０３すりガラス１１１ａレーザビーム１１１ｂ反射光１１１ｃ参照光１３１偏光ビームスプリッタ１３２１／４波長板１４１ミラー１４２ビームエキスパンダ１４３対向レンズ２１１被検体載置台２１２固定台２２１レンズ４００信号処理回路４１０流速演算回路４１１位相整合回路４１２積算回路４３１バンドパスフィルタ８０１，８０２光ファイバ８１１，８２２走査台９００走査制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを出射する光源、前記光源から出射された光ビームを、被検体が配置され
る被検体配置位置を経由する信号光と、該被検体配置位
置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに
二分するとともに、該被検体配置位置を経由した後の信
号光と、該異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳
することにより該信号光と該参照光とが干渉した干渉光
を生成する干渉光学系、および前記干渉光学系で得られ
た干渉光を受光することにより受光信号を得る光センサ
を備え、前記干渉光学系が、前記被検体配置位置に配置された被
検体の表面もしくは内部の、前記信号光の通過経路上の
関心点の信号光を前記光センサ上に伝達するとともに該
光センサ上に前記参照光を重畳するものであって、前記光センサが、空間的に配列されそれぞれが独立に受
光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、さらに、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合
して前記関心点に対応する信号を生成する信号処理部を
備えたことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】前記干渉光学系が、前記信号光の周波数
と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シ
フタを備えたことを特徴とする請求項１記載の光計測装
置。
【請求項３】前記光源が、周波数が時間的に変調され
たコヒーレント光を出射する光源であることを特徴とす
る請求項１記載の光計測装置。
【請求項４】前記干渉光学系が、前記被検体配置位置
に配置された被検体と該被検体配置位置における信号光
とのうちの少なくとも一方を一次元的もしくは二次元的
に相対的に移動させることにより該被検体を該信号光で
走査する走査機構を含むものであることを特徴とする請
求項１記載の光計測装置。
【請求項５】前記干渉光学系が、前記被検体配置位置
に配置された被検体と該被検体配置位置における信号光
とのうちの少なくとも一方を相対的に回動させる回動機
構を含むものであることを特徴とする請求項１記載の光
計測装置。
【請求項６】前記干渉光学系が、前記関心点を所定の
結像面に結像する結像光学系と、該結像面上に配置され
たアパーチャと、該アパーチャに濾過された光を前記光
センサ上に伝達する光学系とを備えたことを特徴とする
請求項１記載の光計測装置。
【請求項７】前記信号処理部が、前記光センサを構成
する複数の受光素子で得られた複数の受信信号それぞれ
を整流して互いに加算するものであることを特徴とする
請求項１記載の光計測装置。
【請求項８】前記信号処理部が、前記光センサを構成
する複数の受光素子で得られた複数の受信信号の位相を
相互に合わせて互いに加算するものであることを特徴と
する請求項１記載の光計測装置。
【請求項９】前記光源が、所定の低コヒーレント光ビ
ームを出射する光源であることを特徴とする請求項１記
載の光計測装置。
【請求項１０】前記光源が、コヒーレント長１ｍｍ以
下の低コヒーレント光ビームを出射する光源であること
を特徴とする請求項９記載の光計測装置。
【請求項１１】前記信号光もしくは前記参照光の光路
長を変更自在に調節する光路長調整手段を備えたことを
特徴とする請求項９記載の光計測装置。
【請求項１２】前記光路長調整手段により信号光もし
くは参照光の光路長を変化させながら、前記信号光と前
記参照光とが干渉した干渉光が最大強度となる光路長調
整量を求めることにより、被検体の屈折率情報を得る演
算部を備えたことを特徴とする請求項１１記載の光計測
装置。
【請求項１３】前記信号処理部が、前記光センサを構
成する複数の受光素子で得られた複数の受信信号それぞ
れについて所望の周波数帯域の信号成分を抽出するバン
ドパスフィルタを備え、該バンドパスフィルタを通過し
た、前記複数の受信信号の所望の周波数帯域の複数の信
号成分を統合して前記関心点に対応する信号を生成する
ものであることを特徴とする請求項１記載の光計測装
置。
【請求項１４】前記バンドパスフィルタが、通過帯域
の中心周波数の調整が自在なものであることを特徴とす
る請求項１３記載の光計測装置。
【請求項１５】前記干渉光学系が、前記信号光の周波
数と前記参照光の周波数を、相対的に、シフト量調整自
在にシフトさせる周波数シフタを備えたものであること
を特徴とする請求項１３記載の光計測装置。