(57)【要約】【課題】観察対象物体の断層像を、高速にかつ高い解像力、階調性、コントラストを持って観察できる光断層画像化装置を提供する。【解決手段】低干渉性の光ビーム１、２がビームスプリッター１０により探索光と参照光に分割される。探索光は観察対象物体２３に照射され、ガルバノミラー１８ａ、１９ａで所定の周波数で走査される。参照光は斜設した回折格子１６により光遅延され光路長が変化される。対象物体で反射された探索光と参照光はビームスプリッターで干渉光として合成され、検出開口２５を通過後ガルバノミラー２８ａで同じ走査周波数で再走査され、撮像素子３０により検出されて、対象物体内部の反射強度情報が取得される。このような構成では、回折格子による光遅延により対象物体の深さ情報が得られるので、また撮像素子のフレームレートに応じた低速の走査手段と再走査手段で干渉情報が得られるので、走査型光学系を簡単な構成にすることができる。【選択図】図１
2010164351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口を介して導く光学系と、
前記光学系を介した干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数で走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は、前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の光断層画像化装置。
【請求項３】
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光変調手段を介した参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記光変調手段および前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口を介して導く光学系と、
前記光学系を介した干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数で走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段の制御に応じて検出される干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項４】
前記信号処理手段は、前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去して干渉情報を抽出し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項３に記載の光断層画像化装置。
【請求項５】
前記探索光の光路には、対象物体の光学特性に応じて光ビームの焦点位置を変化させるための焦点調節手段が付加されており、かつ前記参照光の光路には、光路長を調節可能な光路長調節手段が付加されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項６】
前記回折光学手段は、参照光路の光軸方向に直交する方向に対して斜設して配置された反射型の回折格子によって構成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項７】
前記光ビームは、点状の光ビームとして観察対象物体を照明し、前記検出開口は正方形状またはピンホール状の開口であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項８】
前記検出開口を介して導く光学系には円柱レンズが配置され、検出される干渉光を、該円柱レンズの作用によって前記２次元撮像手段の受光面の垂直方向に延伸して該撮像手段へと導くことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項９】
前記光走査手段は、直交する２組のガルバノメーターに装着された反射ミラーによって構成され、該走査手段による走査方向は、探索光路の光軸方向に直交する方向に走査可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１０】
前記再走査手段は、前記光走査手段の２組のガルバノメーターとは異なる第３のガルバノメーターを利用し、該第３のガルバノメーターに装着された反射ミラーによって２次元撮像手段への干渉光の走査が行われることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１１】
前記光変調手段による位相シフトの繰返し周波数は、前記光走査手段と再走査手段の走査周波数、及び前記２次元撮像手段のフレームレートよりも２桁以上高速に設定されることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１２】
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための第１および第２の光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記光変調手段および前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口と、
前記検出開口を通過した干渉光を、前記第１および第２の光走査手段と同一の走査周波数で走査するための第３の光走査手段と、
前記第３の光走査手段を通過した干渉光を、前記第１と第２および第３の光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段の制御に応じて検出される干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項１３】
前記信号処理手段は、前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去して干渉情報を抽出し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項１２に記載の光断層画像化装置。
【請求項１４】
前記探索光の光路には、対象物体の光学特性に応じて光ビームの焦点位置を変化させるための焦点調節手段が付加されており、かつ前記参照光の光路には、光路長を調節可能な光路長調節手段が付加されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光断層画像化装置。
【請求項１５】
前記回折光学手段は、参照光路の光軸方向に直交する方向に対して斜設して配置された反射型の回折格子によって構成されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１６】
前記光ビームは、点状の光ビームとして観察対象物体を照明し、前記検出開口は正方形状またはピンホール状の開口であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１７】
前記検出開口を介して導く光学系には円柱レンズが配置され、検出される干渉光を、該円柱レンズの作用によって前記２次元撮像手段の受光面の垂直方向に延伸して該撮像手段へと導くことを特徴とする請求項１２から１６のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【請求項１８】
前記光変調手段による位相シフトの繰返し周波数は、前記第１と第２および第３の光走査手段の走査周波数、及び前記２次元撮像手段のフレームレートよりも２桁以上高速に設定されることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光断層画像化装置、更に詳細には、光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、当該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、低干渉性光ビーム（部分的コヒーレント光）の干渉現象を利用した観察対象物体の断層情報の画像化装置（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）は、非接触、非侵襲に対象物体の任意の断層像を画像化して観察できるために、特に生体の観察には有用とされ、眼科の一般臨床検査や皮膚科の診断、内視鏡への応用等の医学分野で利用され始めており、あるいは産業分野の検査機器として、応用が検討されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、初期のＯＣＴとして、照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する手段と、測定対象物体からの反射光を参照光との間で合成して出力されるビート成分を検出することで、対象物体の反射断層像を画像化する構成が示されている。
【０００４】
下記特許文献２には、短コヒーレンス長の特性を有する光源と光ファイバーを用いた干渉計と、サンプル試料へ向かう探索光の光路に配置された位相変調手段と横方向走査機構、参照光の光路に配置された超音波光変調素子と光軸方向の光路長の移動制御手段等を有する構成が開示されている。この文献では、光ファイバーを介して導かれる探索光と参照光との間に生ずる干渉光を検出処理することにより、サンプル試料の断層像を画像化するための基本的な技術が示されている。
【０００５】
下記特許文献３には、光周波数の掃引が可能な半導体レーザー光源と、マイケルソン型干渉計と、１次元または２次元の撮像素子とを備え、光周波数の掃引期間中に出力された画像信号をフーリエ変換処理して断層画像を算出する構成が開示されている。この方式では、光軸方向の機械的な移動を伴う走査機構が不要となり、安定な干渉光学系を構成できると共に、短時間での測定が可能になるというメリットのあることが示されている。
【０００６】
下記特許文献４には、光ビームを参照アームと測定アームとに分割し、測定アームを介した測定光が参照アームを介した参照光との間で干渉して現れる光の強度を、分光器を介して検出する構成が開示されている。参照アームには、光の位相を変化させる手段が付加され、分光器からの信号を分析処理することにより、透明、一部透明および不透明物体等に対して光学的な断層撮影を行う構成が示されている。
【０００７】
下記特許文献５には、後述の非特許文献１（出願時に公知になっていた文献）の原理に基づくＯＣＴ装置として、干渉計の参照光路の途中に透過型の回折格子を傾けて配置し、検出器として光センサアレイを利用する同軸型空間干渉計の光学構成が示されている。この構成によれば、機械的な光ビーム走査を用いることなしに、被検体の断層画像を取得できるという可能性が示されている。
【０００８】
下記特許文献６には、干渉計とスペクトロメータ（分光器）から構成される計測装置において、光源からの光ビームは被計測体に対してライン状に光を集光させて、被計測体からの観察光は、分光器を介して２次元の画像センサにより検出する構成が開示されている。画像センサからの検出信号に対して、フーリエ変換等の演算処理を施すことにより、被計測体の断面情報が、計算速度に応じて高速に得られることが示されている。
【０００９】
下記特許文献７においては、干渉計と光変調手段、光走査手段、再走査手段、２次元撮像手段、および当該撮像手段からの映像信号に関して所定の演算を行う信号処理手段を有するＯＣＴの構成を提案している。この構成においては、光変調手段の制御に応じて検出される隣接する画素間の干渉情報を処理することによって、対象物体内部の反射強度情報を高速に取得できることを示している。
【００１０】
下記非特許文献１には、基本的な干渉計と、参照光路に反射型の回折格子をリットロー配置に傾けて設定されたＯＣＴ光学系の構成が示されている。この構成によれば、参照光路の回折格子からの反射位置に応じた光遅延を伴う参照光と、測定光路のサンプル試料からの反射測定光との重畳によって生じた干渉光を、２次元のＣＣＤ撮像素子によって捉えることで、深さ方向の機械的な移動走査を行うことなしに、サンプル試料の断層画像を得られることが示されている。
【００１１】
下記非特許文献２には、非特許文献１に記載のものと同等の原理に基づく装置の改良版として、干渉計の参照光路にリットロー配置に傾けて設定された回折格子と、２次元のＣＭＯＳカメラを用いた光学系の構成が示されている。この文献では超高速撮像可能なＣＭＯＳカメラと、フレーム画像間の簡単な演算処理を採用することによって、生体表面（皮膚等）の断層画像を高速で得られるという実験結果も示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平４−１７４３４５号（特公平６−３５９４６号）公報
【特許文献２】特表平６−５１１３１２号（特許第３４７９０６９号）公報
【特許文献３】特開平１０−３３２３２９号（特許第３３３２８０２号）公報
【特許文献４】特開平１１−３２５８４９号公報
【特許文献５】特開２００６−６４６１０号（特許第３９３４１３１号）公報
【特許文献６】特開２００６−１１６０２８号公報
【特許文献７】特開２００８−３０９６１３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】論文  ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、第２３巻（１９９８年）第２３号、１７９７〜１７９９頁、「Nonmechanical grating-generated scanning coherence microscopy」（I. Zeylikovich, A. Gilerson, and R. R. Alfano）
【非特許文献２】論文  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ、第１４巻（２００６年）第１２号、５２０１〜５２０９頁、「Three-dimensional imaging by ultrahigh-speedaxial-lateral parallel time domain optical coherence tomography」（Y. Watanabe, K. Yamada, and M. Sato）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１および２に示された構成（「タイムドメイン法」とも呼ばれる）では、観察対象物体の奥行き方向（深度方向）の走査は参照光に対する反射ミラーの光軸方向の移動制御によって行っているために、対象物体の断層画像を高速に得ることは困難であった。また、断層画像情報の取得は奥行き方向の走査に依存して順次行われるために、検出信号処理の効率が悪く高感度化が難しいという欠点があった。
【００１５】
特許文献３に示された構成では、光源の波長掃引を用いたＯＣＴの方式（「スウェプトソース法」とも呼ばれる）を開示している。この方式は、断層情報の取得のために深度方向の機械的な走査が不要というメリットの一方で、検出信号に関わる数値的な演算処理は複雑である。また、この方式では、光の周波数を所望の範囲にわたって安定的に制御可能な特殊なレーザー光源が必要なため、光源の品種や波長が限られることや、光源自体が非常に高価になるという問題があった。
【００１６】
特許文献４および６に示された構成では、検出系に分光器を用いたＯＣＴの方式（「スペクトラルドメイン法」とも呼ばれる）を開示している。この方式は、「スウェプトソース法」と同様に、断層情報の取得のために深度方向の機械的な走査が不要というメリットの一方で、検出信号に関わる数値的な演算処理が複雑である。また、この方式では、深度方向の測定範囲が分光器の特性によって制限されるという難点があり、検出素子の直前に分光器を配置するために検出光の光量損失が避けられないという難点もあった。
【００１７】
特許文献５、または非特許文献１および２に示された構成は、「タイムドメイン法」の変形版を示しており、参照光路に回折格子を用いたことにより、深度方向の断面画像（ＸＺ方向の画像）を直接的に高速に取得可能となっている。しかし、これらの方式では生体等の強い散乱体を観察した場合において、検出器に直流成分として重畳する強い背景光の存在によって、断層情報を有する信号成分の階調性を向上させ難いという問題があった。
【００１８】
特許文献７では、高速化の可能な新しい「タイムドメイン法」の構成を提案している。この方式では、特に光軸に垂直な方向（ＸＹ方向）の断面画像が高速に得られるという特徴的な利点がある一方で、深度方向（ＸＺ方向）の断面画像の取得は、画像処理に依存しているために、Ｚ軸方向の計測の高速化には制約があるという難点があった。
【００１９】
従って、本発明は上述の問題点を解決するために案出されたものであり、従来方式と比較した場合に、特殊な光源部品や複雑な演算手法を用いることもなく、より簡単な装置構成を用いて、観察対象物体（特に強い散乱特性を有する皮膚や眼底等の生体物体）の断層像（特に深度方向の断層像）を、例えば毎秒３０コマ、またはそれ以上高速に、かつ高い解像力、階調性、コントラストを持って観察できる実用性の高い光断層画像化装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明（請求項１）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口を介して導く光学系と、
前記光学系を介した干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数で走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明（請求項３）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光変調手段を介した参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記光変調手段および前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口を介して導く光学系と、
前記光学系を介した干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数で走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段の制御に応じて検出される干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明（請求項１２）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための第１および第２の光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記参照光の光ビームに対して、参照光路の光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させるための回折光学手段と、
前記対象物体を介した探索光と、前記光変調手段および前記回折光学手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口と、
前記検出開口を通過した干渉光を、前記第１および第２の光走査手段と同一の走査周波数で走査するための第３の光走査手段と、
前記第３の光走査手段を通過した干渉光を、前記第１と第２および第３の光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段の制御に応じて検出される干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の構成によれば、検出器として２次元撮像手段を採用し、当該撮像手段のフレームレートに応じた低速の走査手段と低速な再走査手段を使用しているので、走査型光学系を簡単に構成することができ、電気的な制御も容易である。
【００２４】
また、同時に、共焦点光学系と低コヒーレンス干渉計の効果を合わせ持ち、解像力が高く背景ノイズが少なく、階調性とコントラストの高い断層画像（ＸＺ方向の断面像、またはＺ方向に関わる任意の断面画像）を撮像素子のフレームレートに応じて高速に取得することが可能である。
【００２５】
特に、背景光を除去するための計算処理は、２次元撮像素子の水平方向に隣接する画素間での引き算を基本としているため処理が容易であり、画素間での露光の時間差が小さいことによって動きの早い対象物体に対してもブレが少なく、常に高精度な断層画像の観察が可能になる。この特性を活かして、光走査手段のＹ方向走査も活用すれば、光軸方向の断面像（ＸＺ方向の断面像）を連続的に収集することが可能であり、対象物体内部の３次元的な画像情報（３Ｄ画像）を取得することも可能になる。
【００２６】
更に将来的に、２次元撮像素子をより高精細、高感度、高速なものに変更すれば、簡単に装置のバージョンアップも実現できるという、極めて実用的かつ経済的な光断層画像化装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に関わる光断層画像化装置の実施例を示した光学システムの構成図である。
【図２】本発明の光学的な原理を説明するための説明図である。
【図３】信号処理の方式を説明するための説明図である。
【図４】被検眼の断層画像の方向等を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。以下に示す実施例では、観察対象物体として人の目の眼球を例示しており、検眼を行なうのに好適な光学系の実施例を示しているが、本発明は、これに限定されず、観察対象物体として強い散乱特性を有する皮膚などの生体組織や生物試料にも適用できるものである。
【実施例】
【００２９】
図１において、符号１および２で示すものは、部分的コヒーレント光を射出する高輝度の発光ダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）であり、断層画像を観察するために必要な低干渉性（少しの干渉性）の性質を有する光源である。中心波長は、例えばそれぞれが、８３０ｎｍ、及び９５０ｎｍという赤外線（不可視）の異なる帯域の光を発生するものとする。光源１、２からの光ビームは、レンズ３、４でコリメートされ、ミラー５とダイクロイックミラー６を介して同一の光軸上に合成される。
【００３０】
光源１と２に関して、二つの波長域を合成して広帯域の光源として利用することも可能であり、あるいは、必要に応じて波長域を使い分ける様にしても良い。また、図１の光源として、可視光（例えば、波長６７０ｎｍ程度の赤色）の光を射出するＳＬＤまたはＬＤ（Laser Diode：半導体レーザー）等の光源を一つ備え、これを、測定用の不可視の赤外線に対して、可視光で光ビームの光路を確認するための補助光源として利用することもできる。
【００３１】
ミラー５とダイクロイックミラー６を介した光ビームは、レンズ７、８を介して所定の大きさの光ビームへと拡大された後、ビームスプリッター（光分割部材）１０に入射する。ビームスプリッター１０の位置において、光路は、光源側の光路９ａ、参照光路９ｂ、探索光路９ｃ、検出光路９ｄの４方向に分割されている。
【００３２】
参照光路９ｂを進む光ビームは、ＮＤフィルター１１によって光強度を調整された後、ミラー１２で反射される。ミラー１２は、圧電素子（圧電振動子）１３に装着されており、この振動子は例えば数十ｋＨｚ程度の高周波で光軸に対して４５度の方向（矢印１２ａの方向）にミラー１２を微細振動させ、光ビームの変調（周期的な位相シフト）を行なうものである。これらの反射ミラーと圧電振動子は、参照光路における光の変調手段を構成している。
【００３３】
ミラー１２で反射された光ビームは、レンズ１４、１５を介して、光路の端面に配置された反射型の回折光学手段（回折格子）１６に到達し、そこで生じた回折光が反射して戻るように参照光路９ｂを引き返すことになる。なお、参照光路９ｂの光路長は、探索光路９ｃの光路長と距離が等しくなるように合致させる必要がある。そのために、回折格子１６は、移動ステージ１７の上に固定されており、必要に応じて適宜調整されるものとする。回折光学手段（回折格子）１６は、後述するように、参照光の光ビームに対して、参照光路９ｂの光軸方向に直交する方向の空間位置に応じて所定の光遅延を発生させ光路長を変化させる。また、移動ステージ１７は光路長を調節する光路長調節手段を構成している。
【００３４】
一方、探索光路９ｃを進む光ビームは、ガルバノメーター１８に装着されたミラー（ガルバノミラー）１８ａに入射する。ガルバノミラー１８ａで反射された光ビームは、第２のガルバノミラー１９ａで反射し、これら２つのガルバノミラー１８ａまたは１９ａを介して、光軸に対して直交する方向に、光ビームの１次元的な走査を行なうことができる。例えば、二つのガルバノミラー１８ａ、１９ａの一方を固定して、一方だけによる走査を行えば、光軸（Ｚ軸）に垂直な方向の、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の走査が可能である。あるいは、二つのガルバノミラー１８ａ、１９ａを共に同一の周波数で動作させて、それぞれを駆動する波形の種類や振幅、位相等を適宜設定すれば、ＸＹ面内方向において、任意のライン状の走査、またはサークル状等の走査が可能になる。これらのガルバノミラー１８ａおよび１９ａによる走査は、通常のＴＶカメラのフレーム周波数と同一の、例えば３０Ｈｚ（または、６０Ｈｚ等）の走査周波数で行われる。ガルバノミラー１８ａと１９ａは、それぞれ探索光の光ビームを所定の周波数で走査するための第１と第２の光走査手段を構成している。
【００３５】
ガルバノミラー１８ａ、１９ａによって走査された光ビームは、レンズ２０、２１、２２を介した後、観察対象物体の被検眼２３（前眼部２３ａ、または眼底２３ｂ）に入射する。ここで、レンズ２０、２１は、被検眼の視度（近視や遠視等）に応じて調節可能なフォーカシング光学系を構成しており、対象物体の光学特性に応じて光ビームの焦点位置を変化させる焦点調節手段となっている。レンズ２０および２１の位置は所定の機構（不図示）の動作に応じて光軸方向に調整可能である。また、レンズ２０、２１とレンズ２２は、テレセントリック光学系を構成しており、ガルバノミラーと被検眼との共役関係がほぼ一定に保たれるように構成されている。
【００３６】
被検眼２３に入射した光ビームは、例えば眼底２３ｂの所定位置において、点状に収束してフォーカス状態となる。この点状にフォーカスされた光ビームは、ガルバノミラー１８ａ、１９ａ（光走査手段）の作用によって、被検眼の眼底２３ｂを、ライン状またはサークル状等に走査することが可能である。
【００３７】
被検眼２３の眼底２３ｂからの反射光は、前述した光学系を逆進し、すなわちレンズ２２、２１、２０、ガルバノミラー１９ａ、１８ａを経由して、ビームスプリッター（ＢＳ）１０に至る。探索光路９ｃを逆進して、ビームスプリッター１０のところを透過した被検眼２３からの反射光は、参照光路９ｂから戻ってくる参照光と合成され、検出光路９ｄにおいて干渉光が発生する。この干渉光は、検出光としてレンズ２４を介して検出開口（ピンホール）２５を通過し、更にレンズ２６と円柱レンズ２７を介して、ガルバノメーター２８に装着されたガルバノミラー２８ａに入射し反射される。ガルバノミラー２８ａは、干渉光をガルバノミラー１８ａ、１９ａ（光走査手段）と同一の走査周波数で走査する再走査手段（第３の光走査手段）を構成しており、ガルバノミラー２８ａを介した検出光は、レンズ２９によって２次元撮像素子（ＣＣＤカメラ等の２次元撮像手段）３０の撮像面上に投影される。
【００３８】
この光学系において、ピンホール２５は、光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定のピンホール状の検出開口を有し、不要な迷光や散乱光によるノイズを排除して、検出される干渉信号のＳＮ（信号対雑音特性）を向上させると共に、バックグラウンドの光量レベルを減らすことによって、撮像素子からの映像信号に関して信号成分の階調性を向上させる、という効果的な役割を果たしている。ピンホール２５は、微小な正方形状の開口であっても良く、この開口は、薄板に形成されたスリット状の部品を直交させて２枚重ね合わせることによっても構成することが出来る。
【００３９】
ガルバノミラー２８ａは、ピンホール２５を通過した光ビームを１次元的に再走査すると共に、円柱レンズ２７は、ガルバノミラー２８ａによる走査方向とは直交する方向に光ビームを延伸させて、撮像素子３０の受光面（撮像面）において検出光の２次元的な結像を可能にしている。言い換えれば、ピンホール２５の像は、レンズ２６、円柱レンズ２７、レンズ２９の作用によって、撮像素子３０の撮像面上の縦方向（Ｙ軸方向）に引き伸ばされて形成される。それと同時に、光路の途中にガルバノミラー２８ａ（再走査手段）が加わることによって、撮像素子３０の撮像面上では横方向（Ｘ軸方向）にも点像の転写が生じて、結果的にピンホール２５を介した検出光は、２次元的に撮像されることになる。
【００４０】
２次元撮像素子３０からの出力信号は、それに続く信号処理回路（信号処理手段）３１に送られ、映像信号に関わる各種の信号処理が行われる。信号処理回路３１は、内部に対数増幅回路、フィルター回路、遅延回路、引き算回路、Ａ／Ｄコンバーター、各種のデジタル信号処理回路等、アナログとデジタルの両技術による信号処理を行なうための複数の電子回路を含んでおり、後述するように、撮像素子３０から出力される映像信号に対して隣接する画素間の演算処理を行って該映像信号から直流成分を除去し、対象物体内部の反射強度情報を取得する。信号処理回路３１で処理され生成された出力信号は、コンピューター（Personal Computer：ＰＣ）３２に送られる。
【００４１】
ＰＣ３２は、光学系（特に３つのガルバノメーター１８、１９、２８等）の動作全般を制御すると共に、２次元撮像素子３０と信号処理回路３１を介して得られる映像信号を、液晶テレビモニター等の表示装置３３に出力して表示をさせると共に、必要に応じて、記憶装置３４に転送して記憶させる制御等を行うことができる。
【００４２】
図２は、図１の光学系構成において、観察対象物体（被検眼２３の眼底２３ｂ）の深度方向の断面情報を、撮像素子３０によって直接的に検出可能であることを説明するための模式図である。図２においては、図１の構成要素と同等の要素には共通の符号を付けて示しており、説明に不要なところは部分的に光学系を省略して描いている。
【００４３】
断層像観察用の光源（ＳＬＤ）１または２からの光ビームは、レンズ３、４とミラー５、およびダイクロイックミラー６等を介して、ビームスプリッター１０に入射する。光源からの光ビームは、ビームスプリッター１０において２方向に分割されるが、図２においては、光路の方向が、図１とは便宜的に異なって描かれている。すなわち、ビームスプリッター１０の位置において、光源側の光路９ａと参照光路９ｂの関係、および探索光路９ｃと検出光路９ｄの関係が、それぞれ図１では直進方向に描かれていたのに対して、図２では便宜的に直角方向に描かれている。
【００４４】
参照光路９ｂを進んだ光源からの光ビームは、参照光路の終端において斜めに配置された反射型の回折格子１６によって回折される。回折格子（ブレーズド回折格子）１６は、光軸に対する傾きの角度がリットロー配置になるように設定され、入射光に対する回折格子からの所定の回折光は、参照光路を逆進して引き返すことになる。（回折格子のリットロー配置については、非特許文献１および２を参照。）。
【００４５】
一方、探索光路９ｃを進む光ビームは、ガルバノミラー１９ａ等を介して走査されると共に、レンズ２０、２１、２２を介して、被検眼２３（前眼部２３ａ、または眼底２３ｂ）に入射する。被検眼の所定部位、例えば眼底２３ｂからの反射光は、上述の光路９ｃを逆行して、ビームスプリッター１０において参照光路９ｂを介した参照光と合成され、検出光路９ｄに導かれる。そこに生じた干渉光は、レンズ２４を介して検出開口（ピンホール）２５を通過する。検出開口２５は、不要な光ノイズを除去して干渉信号のＳＮを向上させると共に、信号のコントラストと階調性を向上させる効果がある。
【００４６】
この検出開口を通過した干渉光（検出光）は、レンズ２６、円柱レンズ２７を介して、ガルバノメーター２８に装着されたガルバノミラー２８ａに導かれる。ガルバノミラー２８ａ（再走査手段）によって走査された検出光は、レンズ２９を介して撮像素子３０の撮像面上に結像される。
【００４７】
なお、図２においては便宜的に、ガルバノミラー２８ａを経由するところの光路を直線的に描いていることに注意されたい。ピンホール２５を通過した検出光は、円柱レンズ２７の作用によって、図２の光軸（Ｚ軸）とは直交する方向のＹ軸方向に一旦収束した後、撮像素子３０の位置においては延伸するように光学設計されている。すなわち、ピンホール２５を通過した検出光は、撮像素子３０の撮像面において、縦方向に引き伸ばされて捕捉される。
【００４８】
図２において、回折格子１６から撮像素子３０までの光路を概観すると、回折格子１６の上部で回折して引き返す光線（３５ａ、３６ａ）は撮像素子３０の撮像面の上側に対応して捕捉され、一方、回折格子１６の下部で回折して引き返す光線（３５ｂ、３６ｂ）は撮像素子３０の撮像面の下側に対応して捕捉されることになる。
【００４９】
一方、観察対象物体（被検眼２３の眼底２３ｂ）の照明ポイントから反射して戻ってくる光ビームは、ピンホール２５を通過後、円柱レンズ２７の作用によって、撮像素子３０の撮像面の上側から下側まで縦方向に一様に拡がって捕捉される。結果的に、眼底の浅い部分からの反射光は、回折格子の上部からの参照光（３５ａ、３６ａに対応）と干渉して、撮像面の上部に干渉縞を形成する。一方、眼底の深い部分からの反射光は、回折格子の下部からの参照光（３５ｂ、３６ｂに対応）と干渉して、撮像面の下部に干渉縞を形成する。
【００５０】
回折格子１６は、斜めに傾けて光学配置されているため、参照光の光遅延は、回折格子１６のブレーズド角度や光学的な設定に応じた所定の範囲内で連続的に発生することになる。これによって、眼底２３ｂの深度方向（Ｚ軸方向）の情報は、撮像素子３０の撮像面の縦方向（Ｙ軸方向）に干渉縞の情報として直接転写して捉えることができる。
【００５１】
図２のような光学系では、光量損失が最も大きく発生する光学部品として、回折格子１６は参照光路に配置されている。一方、観察対象物体（被検眼）２３から撮像素子３０までの間の光路には、光量損失の発生する光学部品は少ないために、検出系の効率が高く検出信号のＳＮ向上にも有利になるという特徴がある。
【００５２】
図３は、図１及び図２の構成において、２次元撮像素子３０から得られる映像信号を、信号処理回路３１を介して処理する場合の原理を説明するための模式図である。
【００５３】
図３（ａ）において、横軸（Ｘ軸）は２次元撮像素子３０の撮像面の水平方向に、縦軸（Ｙ軸）は当該撮像面の垂直方向に対応するものとする。撮像素子３０の撮像面上には、所定の瞬間において、前述した光学系の作用により、ピンホールの円柱レンズによる延伸像３７が、暗いバックグラウンド３８の中に写り込んでいる。この縦方向の延伸像３７は、再走査手段（図１及び図２のガルバノミラー２８ａ）の走査に応じて、時間経過と共に図３(ａ)のＸ軸方向（矢印３７ａの方向）に周期的に移動することとなる。
【００５４】
一方、光変調手段（図１におけるミラー１２と圧電素子１３）の作用によって、参照光路の光ビームは光軸方向の微細振動（周期的な位相シフト）を受けるが、その状況が図３（ｂ）において、振動波形３９として模式的に描かれている。図３（ｂ）においては、再走査手段（ガルバノミラー２８ａ）の走査周期が、波形４０として模式的に描かれており、この図のとおり、光変調手段による微細振動３９は、当該ガルバノミラーの走査周波数（波形４０、撮像素子のフレームレートに対応）よりも高速に高い周波数で制御される。実施例の一つとして、撮像素子３０が毎秒６０コマで撮像を行うとすれば、再走査手段２８ａ（同時に光走査手段１８ａまたは１９ａ）の走査周波数も６０Ｈｚであり、それに対して、光変調手段の変調周波数は、例えば３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度に設定される。この変調周波数は、圧電素子１３の制御によって容易に実現可能である。
【００５５】
ＯＣＴの干渉光学系によれば、参照光路と探索光路のそれぞれの光路長が一致し、かつ対象物体（眼底等）の内部からの反射成分（すなわち反射率の異なる境界面からの反射成分等）があった場合に、所定のパターンの干渉縞が撮像素子から検出される。この検出された干渉縞の信号に対して各種の信号処理を行い、結果的に得られた検出波形の一例が、図３（ｃ）において模式的に、波形４１として示されている。参照光は光変調手段の微細振動３９による位相変調を受けるので、検出波形（干渉信号）４１は、該位相変調と同じ周波数をもつ交流信号となっている。検出波形４１は、更に処理が施された後に、対象物体内部の反射強度情報を示す信号成分へと変換される。
【００５６】
一般的に、ＯＣＴによって人の生体組織や生物試料等の拡散性の強い物体を観察した場合、背景光として重畳する直流成分（ＤＣ成分）の影響により、検出される干渉縞のコントラストは低く、断層像の信号成分（ＡＣ成分）は、ＤＣ成分に比較して桁違いに小さくなる場合が多い。このＤＣ成分の影響は、２次元撮像素子３０からの映像信号に関して、隣接する画素間での演算を行うことによって取り除くことができる。すなわち、水平方向（Ｘ軸方向）に隣接する画素間で引き算を行えば、不要なＤＣ成分は除去されると共に、対象物体の内部からの反射強度情報は、ＡＣ成分として抽出される。
【００５７】
上述の概念を、より分かり易く簡単な数式を用いて説明すると、以下のとおりである。例えば、２次元撮像素子３０において、水平方向に隣接する画素（一例として３つの画素）で検出される干渉縞の信号は、簡易的に、以下のように記述できる。
【００５８】
Ｉｎ−１＝ＩＤ＋ＩＡ（−sinα）
Ｉｎ    ＝ＩＤ＋ＩＡ（cosα）
Ｉｎ＋１＝ＩＤ＋ＩＡ（sinα）
ここで、Ｉｎ−１ 、Ｉｎ  、Ｉｎ＋１ はそれぞれ隣接する画素での信号強度、ＩＤ  は直流成分、ＩＡ  は交流成分（断層像の信号成分）、αは干渉縞の位相である。上述の式では、隣接する画素間での干渉縞の位相差が、互いに９０度であること想定しており、このような条件は、光変調手段の駆動周波数と振幅を、光走査手段の制御に応じて適切に設定することで実現できる。
【００５９】
実際の測定系においては、通常、ＩＤ ≫ＩＡ  、すなわち直流成分は、求めようとする信号成分よりも圧倒的に大きい場合が多いため、ここでは一例として、以下のような計算を行う。
【００６０】
（Ｉｎ  − Ｉｎ−１）２  ＝ ＩＡ２（１＋２cosα×sinα）
（Ｉｎ＋１  − Ｉｎ）２  ＝ ＩＡ２（１−２cosα×sinα）
従って、
（Ｉｎ  − Ｉｎ−１）２ ＋（Ｉｎ＋１  − Ｉｎ）２  ＝２ＩＡ２
すなわち、隣接する画素間で引き算を行うことにより、不要なＤＣ成分は確実に除去することができ、更に、隣接する３画素の検出信号に関して加減算と乗算を含む簡単な計算を実行すれば、付随する位相項も排除することができる。このような演算処理によって、必要とするＡＣ成分（信号成分）は、簡単に抽出することが可能である。
【００６１】
実用的には、上述した水平方向の画素間の引き算を含む演算は、アナログ的な遅延回路と引き算回路等によって簡単かつ高速に、しかもデジタル的な階調に依存することなく高精度に実行可能である。このようなアナログ処理の後に、Ａ／Ｄ変換回路とデジタル演算回路を介することによって、更にノイズの低減や画質の改善を考慮した、より複雑な演算を実行することも可能であり、比較的簡単に対象物体内部の反射強度情報を抽出することができる。
【００６２】
また、本発明の方式によれば、光学的な原理として、隣接する画素間における露光時刻の違いは極めて小さいため、仮に、対象物体が動きを伴う生体（被検眼の眼底等）であったとしても、撮像時のブレが少なく、解像力や階調性、コントラストの優れた高精度な画像を得ることが可能である。
【００６３】
図４は、観察対象物体として、人の眼球を想定した場合の説明図であり、図４（ａ）では、眼球に関して想定され得る座標系を示している。図４（ａ）に示したように、人眼の測定系では、被検眼２３の光軸（眼球軸）に対して直交する方向のＸ−Ｙ画像４２と、被検眼の光軸に沿った方向のＸ−Ｚ画像４３（または、図４（ａ）では不図示のＹ−Ｚ画像等）が考えられる。本発明における光学系においては、撮像素子３０と信号処理回路３１を介して得られる映像信号は、光軸方向の断面を検出したＸ−Ｚ画像（または、Ｚ軸の座標系を含むその他の断面情報）を示している。従って、これらのＸ−Ｚ画像４３を、図４（ｂ）に示した如く、光走査手段（図１の１９ａ等）の走査に応じて、Ｙ軸方向に複数枚、採取して行けば、被検眼内部の３次元情報を収集することが可能である。
【００６４】
図４（ｃ）は、被検眼内部の、例えば眼底の断面情報（Ｘ−Ｚ画像）を高速に採取して、表示装置３３のモニター画面上にリアルタイムに表示しているところの例示図である。図４（ｄ）は、（ｂ）に示した様式で採取した画像データに対して、ソフトウェアによる各種の画像処理をＰＣ３２（図１参照）によって行い、眼底の３次元的な構造情報を表示したところの例示図である。このような眼底の断面画像は、ＯＣＴの臨床医学における重要な応用例の一つとして、各種の網膜変性症や網膜剥離等の重篤な眼科疾患の精密診断や手術計画に際して効果的に活用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、２  光源
１０  ビームスプリッター
１３  圧電素子
１６  回折格子
１８ａ、１９ａ  走査手段（ガルバノミラー）
２３  観察対象物体（被検眼）
２５  検出開口（ピンホール）
２７  円柱レンズ
２８ａ  再走査手段（ガルバノミラー）
３０  ２次元撮像素子
３３  表示装置
【図１】
2010164351.tif 000003
【図２】
2010164351.tif 000004
【図３】
2010164351.tif 000005
【図４】
2010164351.tif 000006