(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）低コヒーレント光源からの光波を略平行光束とし、その断面分布の波面を保持して被検体直前にて２分割し、一方を照射光波とし、他方を前記照射光波に対し相対的に前駆する参照光波とする手段と、
（ｂ）前記照射光波による物体深部からの鉛直断面像を有する物体反射光波を得る手段と、
（ｃ）前記前駆する参照光波と前記物体反射光波とが光検出器に至る長光路の擾乱や分散による位相変化を受けるに際し、相互に共役な波面との合成干渉検出法により該位相変化を相殺できる同一光路と、
（ｄ）前記前駆する参照光波を連続的に遅延し、前記前駆する参照光波と前記物体反射光波間に相対的周波数シフトを与える手段と、
（ｅ）前記物体反射光波と前記相互に共役な波面に対応して合波干渉する手段と、
（ｆ）前記物体反射光波が鉛直断面像を形成するためにその画素相当の部分波に対し、合波干渉光の一部を走査抽出する手段と、
（ｇ）該抽出された光を光電変換することにより周波数シフトに相当するヘテロダインビート周波数を検出する手段と、
（ｈ）ビート信号と遅延手段とにより鉛直断面分布像の各画素に対し物体奥行きの反射断層像の構成要素となる振幅と位置情報を得て深部方向画素信号とする手段と、
を具備することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項２】
請求項１記載の光波反射断層像観測装置において、前記低コヒーレント光源からの光波を略平行な照射光波とする凸レンズ系を配置し、略平行な光束を被検体に近接して配置した平面半透過反射鏡にて反射し前記前駆参照光波を生成し、前記平面半透過反射鏡の透過光を対物レンズにて集光して照射光とし、物体深部の所定位置の散乱ポテンシャルに基づく反射光波を前記対物レンズで光軸に垂直な断面分布像で捕捉して略平行光束な物体反射光波とし、該物体反射光波と前記前駆参照光波とを同軸光路を伝搬せしめる半透明反射鏡、レンズ系、干渉計及びビーム走査系を介して前記光検出器に到る前記同一光路を形成し、前記前駆参照光波に周波数シフトを与えるとともに、連続遅延させ前記物体反射光波と合波干渉させる遅延用可動反射鏡を有するマイケルソン干渉計を配置し、前記合波された略平行光波から部分干渉波を抽出する抽出部に集光レンズ系とガルバノミラー及び画素面積を決める開口を配置し、前記断面分布像の全面に亘り前記抽出部を走査し、該断面分布の走査により鉛直断面像の画素毎に、前記参照光波を基準に前記散乱ポテンシャルの位置情報を前記遅延用可動反射鏡の走査距離より換算し、前記抽出された部分干渉波を光電変換する前記光検出器と、該光検出器から出力されるヘテロダインビート成分を検出して前記の深部散乱ポテンシャルからの反射光波の振幅情報と前記反射位置情報を得て断層像の画素信号を形成することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項３】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、前記各散乱ポテンシャルからの散乱光波の振幅と散乱位置情報の前記画素信号を記録蓄積し、多次元の断層像を演算処理後表示する手段とを具備することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項４】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、前記凸レンズの１つの前焦点を通過する物体反射光波を選択的に補足する空間フィルターを具備したことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項５】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、前記低コヒーレント光源のスペクトルをカラーフィルターを配置し変化させ、それにより時間域のコヒーレント長を変えて前記物体反射光波による反射分布像の距離分解能を制御するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項６】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、前記低コヒーレント光源からの光束を直線偏光とし、前記前駆参照光波は同一直線偏光成分とし、前記物体反射光波は物体表面近傍からの反射成分は前記直線偏光成分が多く、他方物体深部に至るほど高光散乱媒体である生体などにおいては偏光解消した直線偏光に直交する成分が多くなるにつれて前記合波干渉光に対し、該直線偏光に直交する成分を多く透過させ、該直線偏光成分の前駆参照光波と被検体表面からの物体反射光波成分とを少なく透過させるように所定の偏光角にて偏光板を配置し、物体表面の強い反射光波を低減させ物体深部の弱い反射情報を捕捉できることを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項７】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、合波干渉光の光検出器として、光アレイ検出器を配置し、各素子ごとにヘテロダインビート信号を独立に検出するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項８】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、光源からの光束に対しテーパー型導波路を配置して光束を集光すると共に略平行光束を形成し、さらに前記同一光路に光画像伝送導波路を配置して、該光画像伝送導波路の出射端面に設けた半透過反射鏡にて前記前駆参照光波を生成させ、他方部分透過光を物体照射光波とし物体反射光波を捕捉し、前記前駆参考光波と前記物体反射光波が共に光画像伝送導波路の長光路を伝搬しても同一位相変化を経験するために合波干渉において相殺可能にし、前記反射断層像を構成するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項９】
請求項８記載の光波反射断層像観測装置において、前記光画像伝送導波路に、前記前駆参照光波と照射光波を形成する半透明光反射膜を光照射端面に施した光ファイバー束を具備するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１０】
請求項８記載の光波反射断層像観測装置において、前記光画像伝送導波路に、前記前駆参照光波と照射光波を形成する部分光反射膜を光照射端面に施した屈折率分布光ファイバーを配置するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１１】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、前記干渉計にいたる光路途中に半透明反射鏡を配置して前記物体反射光波の一部を取り出し、偏光板を配置し前記前駆参照光波を低減し、さらに結像レンズ系を配置して撮像装置に物体反射像を結像させて観測可能にし、前記反射断層像の切断面位置を同時に観測できるようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１２】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、被検体深部における焦点位置を移動できるように物体照射光の収束用凸レンズを光軸方向に移動可能に構成し、同時に前記焦点位置にて合波干渉信号を検出できるように前記遅延用可動反射鏡を平行移動可能に構成することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１３】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、光源からの光束を拡散ビームとし、その一部は前記前駆参照光波と物体反射光波用とし、その他の一部はコーン状中空透明体より成る物体照明ヘッドを配置して導波させ、請求項１１記載の反射像観測用照明光を形成することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１４】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、光源からの光束に対し前記光画像導波路を配置して光束分割用半透明反射鏡に導入し、透過光は前記前駆参照光波と物体反射光波用とし、他方反射光波はレンズを介して円周配置出射端を有する光ファイバー束を導波させ、該出射端に密接したコーン状中空透明体より成る物体照明ヘッドを配置して請求項１１記載の反射像観測用照明光を形成することを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の光波反射断層像観測装置において、前記光画像導波路より先の構成要素と撮像装置部を一体構造の可搬型とし、前記前駆参照光波と物体反射光波用の屈折率分布光ファイバーを配置し合波干渉計へと導波するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１６】
請求項１４記載の光波反射断層像観測装置において、前記反射像観測用照明光の光源を別途昼光色光源を配置し、前記光ファイバー束に導波し照明光を形成し、反射断層像観測用は前記光源を配置して、独立した光源を具備するようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【請求項１７】
請求項２記載の光波反射断層像観測装置において、被検体が動的散乱ポテンシャル部分を含みドップラーシフト周波数となる物体反射光波を生成する際に、前記鉛直断面分布を有する合波干渉光の光検出器から出力される前記ドップラーシフトビート成分を検出して複数の各空間分割成分信号を合成することにより、前記動的散乱ポテンシャルからの散乱光波の振幅情報を検出する手段と、前記ドップラーシフトビート成分周波数より動的散乱ポテンシャルの移動速度及び方向を前記鉛直断面像と奥行き反射像の３次元画素ごとに計算し表示する手段とを具備し生体深部の動的構造を可視化できるようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波反射断層像観測装置に係り、例えば、高光散乱媒体である生体などの内部に分布する微小物体などを散乱中心とする、散乱ポテンシャルからの後方散乱光波を検出し、高光散乱媒体からの反射光波であってもコヒーレンスが残存することを利用し、低コヒーレント光のコヒーレント長の短さを利用した干渉計測手段で散乱位置情報と反射振幅情報を取得するものであり、これらの検出を物体内部の走査により、１次元あるいは２次元さらには３次元の多次元画像情報を構築する技術に関し、例えば、生体などの高光散乱媒体の断層像を遠隔装置にて容易に観測できるようにした光波反射断層像観測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高光散乱媒体である生体の反射断層像を得る試みは、低コヒーレント光を用いて干渉計を構成することから始まる。
【０００３】
図１２及び図１３を例示して、従来技術を説明する。
【０００４】
図１２は従来の光波反射像測定装置の構成図である。この装置は本願発明者によって特公平６−３５９４６号として既に特許されたものである。
【０００５】
この装置は、低コヒーレント（部分的コヒーレントとも表現する）光源５１からの光束を直ちにマイケルソン干渉計に導入し、ビームスプリッター５３により光束を分割し、一方を参照光として周波数シフトを与え、物体奥行き情報の走査を兼ねる可動反射鏡５２により反射して光検出素子５５に入射させる。
【０００６】
また、他方の透過光は物体照射光とし、物体５４の深部に至る屈折率の異なる散乱体の層から散乱反射され、物体反射光波となり、ビームスプリッター５３により前記参照光と合波干渉され光検出素子５５よりビート信号が検出されるものである。その照射光と物体５４の位置関係を変化走査して、検出された電気信号はフィルターや増幅信号処理部５６ａを経て、コンピュータ５６で記録・画像化されて反射断層像が得られる。
【０００７】
他方、本原理に基づく構成の光路に光ファイバーを配置して、外部振動対策や取り扱いを簡便化したのが図１３であり、特表平６−５１１３１２号公報として開示されている。なお、図１２と同じ部分については同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【０００８】
これによれば、光源５１からの光束はファイバー６１内を導波し、分岐合波回路５７を経て、一方はファイバー６１の出射端よりプローブ装置５８の凸レンズ５８ａにて集光され、物体５４より物体反射光波が形成される。他方の光束はピエゾ振動位相シフター５９により周波数シフトが与えられ、可動反射鏡６０により反射されて参照光を形成し、分岐合波回路５７を経て前記物体反射光波と合波干渉されて光検出素子５５に入射し、上記した先行技術と同様にして反射断層像が観測される。
【０００９】
しかしながら、従来の干渉測定法では、何れも光走査する際に、１ビームのみをプローブ光として物体に照射し物体反射光波も散乱ポテンシャルからの近軸反射光線のみを捕捉することで、ヘテロダイン検波を行っており、物体照射光束の横断面積の直径で分解能が決まるので、空間コヒーレンスを必要とし、結像関係の像情報は散逸していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の方法で共通することは、いずれも参照光路と物体反射光路とが異なる経路を経て合波干渉されていることであり、また、前述のように結像関係の回折反射光の像情報は無視していることである。
【００１１】
特に、物体へのプローブの役割を果たす、図１３の光ファイバー６１を用いる場合は遠隔計測には向いているが、両光路とも長距離となるため、外部環境の温度によって光路長が変化し、実用化においては温度補償技術を必要としている。
【００１２】
特に、コヒーレント長が数ミクロンと短い高空間分解能の装置を構成する場合には、広帯域のスペクトルに対する分散も影響してきて重大な位相障害となる。
【００１３】
後者の先行技術には光ファイバー束を用いて、照射ビームを走査する方法も開示されているが、ファイバー束の各ファイバー光路長のサブミクロン程度の伸び縮みによる位相擾乱が生じ、ビート信号の著しい低減を招くため、実用は至難であり、また、光ファイバーには単一モードファイバが使用されるのが一般的であるので、いずれも鉛直断面画像の伝送は不可能である。
【００１４】
その結果、その画素信号は軽微なものとなり、著しくＳＮが悪く、物体深部の情報を得て画像化するのが困難であった。また、従来は物体深部からの反射光波が偏光解消し、ヘテロダイン検波ではその偏光選択性から参照光波と同一の偏光ベクトルを有する成分のみしか検出できないため、物体深部からの情報は検出が困難であった。特に、物体表面からの直線偏光成分の反射光波が著しく強いため、光検出器が飽和し、弱いヘテロダインビート信号は埋没され、著しくＳＮが悪化し画像信号の検出は困難であった。
【００１５】
本発明は、上記問題点を解決するために、物体照射直前において略平行光束の断面分布を保持して前駆参照光波を予め生成し、この前駆参照光波を物体反射光波より時間にして、例えば、０．１ｎｓｅｃ程度先行させて、同時に同一光路を伝搬させ、経路内の分散や位相擾乱をその鉛直断面分布にわたり両光波に同一の位相変化を与え、断面分布の各画素ごとに光検出する。ヘテロダイン光検出法は、２乗検波特性を有し両者の光電界の共役な波面同士が干渉し出力される。
【００１６】
その結果、互いの同相の位相変化は相殺されて検出されず、途中光路の擾乱や分散はヘテロダイン検波出力に影響しないで検出できるように構成でき、さらに、物体深部の反射光波ほど偏光解消することに注目し、光ヘテロダイン検出特性を利用して物体深部信号をより効率良く検出するように構成し、さらには散乱ポテンシャルからの回折散乱反射光波をも捕捉し、空間コヒーレンスを考慮した合波干渉信号を利用して、広ダイナミックレンジでさらに高ＳＮで反射信号を走査抽出して、生体などの深部断層の静的あるいは動的構造を検知し、多次元画像化して観測可能とする光波反射像観測装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、低コヒーレント光源からの光波を略平行光束とし、その断面分布の波面を保持して被検体直前にて２分割し、一方を照射光波とし、この照射光波による物体深部からの回折散乱光による鉛直断面像を有する物体反射光波を得て、他方をこの物体反射光波に対し相対的に前駆する参照光波となす手段と、この前駆参照光波と前記物体反射光波とが光検出器に至る長光路の擾乱や分散による位相変化を受けることにおいて、相互に共役な波面との後述の合成干渉検出法により前記位相変化を相殺できる同一光路と、前記前駆参照光波を連続的に遅延し前記物体反射光波と前記分割波面に対応して時空間コヒーレント長以内で合波干渉する手段と、前記前駆参照光波と前記物体反射光波間に相対的周波数シフトを与える手段と、前記物体反射光波が鉛直断面像を形成するに際し、その画素相当の部分波に対し、前記合波干渉光の画素を走査抽出する手段と、この抽出光を光電変換することにより前記周波数シフトに相当するヘテロダインビート周波数を検出する手段と、ビート信号と遅延手段とにより前記鉛直断面分布像の各画素に対し物体奥行きの反射断層像の構成要素とする振幅と位置情報を得て画素信号とする手段とを、具備して光波反射断層像を観測できるようにしたものである。
【００１８】
また、光源からの光束を直線偏光とし、前記前駆参照光波は同一直線偏光成分とし、前記物体反射光波は物体表面近傍からの反射成分はこの直線偏光成分が多く、他方物体深部に至るほど高光散乱媒体である生体などにおいては偏光解消したこの直線偏光に直交する成分が多くなることにおいて、前記合波干渉光に対し、この直線偏光に直交する成分を多く透過させ、この直線偏光成分の前駆参照光波と物体表面からの物体反射光波成分とを少なく透過させるように所定の偏光角にて偏光板を配置し、物体表面の強い反射光波を低減させ物体深部の弱い反射情報を捕捉できる手段とを、具備して光波反射断層像を観測できるようにしたものである。
【００１９】
さらには、非測定物体が動的散乱ポテンシャル部分を含みドップラーシフト周波数となる物体反射光波を生成する場合に、前記鉛直断面分布を有する合波干渉光の光検出手段から出力されるそのドップラーシフトビート成分を検出して複数の各空間分割成分信号を合成することにより、前記動的散乱ポテンシャルからの散乱光波の振幅情報を検出する手段と、前記ドップラーシフトビート成分周波数より動的散乱ポテンシャルの移動速度及び方向を前記鉛直断面像と奥行き反射像の３次元画素ごとに計算し表示する手段と、を具備して生体深部の動的構造なども可視化できるようにしたものである。
【００２０】
また、高速化を図るために、被測定検体の所望の領域に亘り深部情報を検知し、各画素毎の各再生信号を記録蓄積し信号処理を施し多次元深部断層像として表示するコンピュータと表示器と、を具備し光波散乱断層像観測装置を構成したことに特徴がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の実施例を示す遅延参照光ヘテロダイン検波光反射断層像観測装置の構成図である。
【００２３】
この図に示すように、低コヒーレント光源１からの光束をコンデンサレンズ系２で収束光３とし、半透明反射鏡４を介して空間フィルター５の開口を通過させ凸レンズ６により略平行光束とする。
【００２４】
被測定検体（単に、被検体又は物体という場合もある）９の近傍に配置した平面半透明反射鏡６ａにより、略平行光束を波面を保持して反射させ前駆参照光波７を発生させる。平面半透明反射鏡６ａからの透過光は対物レンズ８により集光して被測定検体９に照射する。
【００２５】
被測定検体９の深部からの物体反射光波１０は対物レンズ８で捕捉され、前駆参照光波７と同一の光路を経て、最終的に光検出器１９に至る。
【００２６】
本原理による物体反射光波面と前駆参照光波面の形成法を図２に示す。ここで、図２（１）は物体照射光が凸レンズによる収束光の場合、図２（２）は略平行光の場合をそれぞれ示している。
【００２７】
図２（１）、図２（２）において、光源からの波面は平面半透明反射鏡６ａで分割され、反射光波面は前駆参照光波７となる。他方、透過光は対物レンズ８で収束され、物体照射光となる。被測定検体９の深層にある細胞などの散乱ポテンシャル９ａからの物体反射光波１０は対物レンズ８で捕捉される。
【００２８】
対物レンズ８は、この時前焦点を通る光軸方向の回折散乱反射成分のみを選択的に捕捉する作用と空間フィルター５の作用により周辺の余分な散乱光を除去し、所望の位置の散乱ポテンシャル９ａのみの画素情報を取得できることになる。これは、前焦点前後の光軸に沿った断面分布をもつ反射光波成分のみを捕捉するために共焦点系を構成しているのであり、通常の共焦点顕微鏡のように焦点のみの狭い一点の画素信号を捕捉するための構成でない。  ここでは、通常の共焦点顕微鏡と基本的に異なる作用を利用し、物体深層の断面分布９ｂの反射画像を検知していることが重要である。
【００２９】
このように、分岐された各光波は、一方は物体反射光波、他方は前駆参照光波となるが同一光路を伝搬する。この時、前駆参照光波７と被測定検体９からの物体反射光波１０の光路差は前述のように数ｃｍと離れておらず、時間差にして、０．１ｎｓｅｃ程度に過ぎないので、前駆参照光波７と物体反射光波１０の両者は同一光路でほぼ同一の擾乱や分散による位相変移を経験する。
【００３０】
各光波は、図１に示すように凸レンズ１１により平行光束１２ａを成し、マイケルソン型干渉計１０１に入射する。そして、半透明反射鏡１３により各光波の一部は反射され反射鏡１４で反射され再度往復光１２ｂとなる。
【００３１】
一方、透過光は可動反射鏡１５ａで反射して往復光１２ｃとなる。この時、往復光１２ｂに対し、往復光１２ｃを相対的に遅らせる。すなわち、半透明反射鏡１３から可動反射鏡１５ａまでの光路長を長く取り、図３に示すように両者の光電界を重畳させるようにする。
【００３２】
図３（ａ）を往復光１２ｂとすると図３（ｂ）が遅延させた往復光１２ｃである。前駆させた反射参照光波が遅延により反射物体光波と合波して、図１に示す合波光１２ｄを構成する。さらに、可動反射鏡１５ａを微細に移動し遅延参照光を物体反射光波と順次重ねていく。なお、１５ｂは可動反射鏡制御台、１７ｂはガルバノミラー制御台である。
【００３３】
物体反射光波は深部反射光波ほど遅れて反射して来る成分を有しているので、所望の深部反射光波位置まで、遅延反射光波を移動して重ねる。その結果、物体反射光波面と前駆参照光波面が合波重畳されて光検出器１９に入射され、前記各波面を有する各画素ごとのビート信号が検出される。ここで、遅延参照光電界Ｅｒ（ｘ，ｙ，ｚ）と反射物体光電界Ｅｓ（ｘ，ｙ，ｚ）を次式として表すことができる。
【００３４】
【数１】
0003631056.tif 000002
【００３５】
【数２】
0003631056.tif 000003
ここで、ｆは光周波数、ｆb は可動反射鏡１５ａの移動に基づくドップラー周波数、ｄr ，ｄS はそれぞれの往復光路長、ｚは被測定検体９の表面からの深部距離でｘ，ｙ面は深部断層面位置座標、Φ（Ｌ）は前述の同一光路で各光束が経る位相変移の総和である。
【００３６】
合波光１２ｄは、凸レンズ１６により集光され、ガルバノミラー１７ａに焦点を結ぶ。反射光波は発散光となるために、開口スリット１８に一画素相当分の光束１２ｅを入射するようにして、ガルバノミラー１７ａを適宜傾斜して深部断層面のｘ−ｙ位置を走査する。開口スリット１８からの通過光は光検出器１９により２乗検波される。この時、光検出器１９からの出力電気信号Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）は次式となる。
【００３７】
【数３】
0003631056.tif 000004
ここで、Δｆは光源１の周波数幅、Ｇ（ｆ）はその周波数分布関数を表し、ここではガウス分布を仮定した。〔ＤＣｔｅｒｍｓ〕は背景雑音となる直流成分を表す。τ＝（ｄr −ｄS ）／ｃで前記の遅延時間を表す。
【００３８】
上記式（３）より、ガウス関数がビート周波数ｆａで変調を受け、そのピークの位置が光波反射物体の座標ｚを表すことが分かる。この時、前記位相項Φ（Ｌ）は電界の共役との積で相殺されて、出力に影響を及ぼさない。その結果、光路途中の位相擾乱は出力の変動を招かないので、光路の歪みの補償回路などを必要とせずに安定した出力信号を得ることができる。
【００３９】
１画素の信号に対して、可動反射鏡１５ａを移動して得られる被測定検体９の奥行き信号が反射物体の深層の散乱ポテンシャルの構造情報となる。可動反射鏡１５ａを傾斜走査して画素ごとに深層の信号を得て、２次元断層像が構成される。
【００４０】
可動反射鏡１５ａの制御と送り信号は制御器２０ａにより行い、ガルバノミラー１７ａの制御は制御器２０ｂで行う。光検出器１９からの出力信号は、ビート周波数を選別するフィルター及び増幅器２０ｃで信号を信号処理装置（コンピュータ）２０に送り、記録を蓄積し適当な画像処理を経て、多次元的に断層像を表示する。鉛直断面像を観測したい場合には、可動反射鏡１５ａを被測定検体９の深層の所の位置に対応させ、ガルバノミラー１７ａをｘ−ｙ面で走査して、観測することができる。
【００４１】
図４は本発明の他の実施例を示す偏波制御ヘテロダイン検波光反射断層像観測装置の構成図である。なお、上記した実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００４２】
この実施例では、低コヒーレント光源のスペクトルを制御してコヒーレント長を可変とし、ｚ軸上の空間分解能を任意に設定する。
【００４３】
例えば、ヨウ素ランプを光源として、波長域を０．５〜１．３μｍとすると、空間分解能０．４５μｍを得る。図４に示すように、所定の帯域を透過する色ガラスや誘電体蒸着フィルター等をカラーフィルター１ａに配置して実現する。さらに、光束の偏光特性を直線偏光として使用するために、直線偏光フィルター２１ａを図のように配置する。
【００４４】
したがって、物体照射光波と前駆参照光波７を、例えば、紙面に平行なｐ−偏光とする。被測定検体９に照射された光束は、屈折率境界で後方散乱を生じると同時に、その散乱光波は深部からの散乱ほど偏光解消となり、入射直線偏光成分と同一の偏光特性を持たなくなることが知られている。
【００４５】
それ故、深部からの後方散乱光ほどｓ−偏光成分が増大することと、ｐ−偏光成分は物体表面からの不用な反射が著しいことに注目し、ｓ−偏光成分の反射物体光電界Ｅｓを検出する方法を見出した。
【００４６】
即ち、前記遅延参照光波を作る図４に示すマイケルソン干渉計１０１において、遅延反射用の可動反射鏡１５ａの直前に四分の一波長板２１ｂを配置し、反射遅延参照光波をｓ−偏光成分として、ｓ−偏光成分の反射物体光電界Ｅｓと合波して干渉信号を得るものである。
【００４７】
一般に生体などの高光散乱媒質では、深部からの信号反射光波は著しく減衰するが、この方法により偏光解消した成分を遅延参照光波の偏光回転でヘテロダイン検出することにより補填できることになる。
【００４８】
さらには、四分の一波長板２１ｂの代わりに可変偏光移相器等を配置すると、ｐ−偏光、ｓ−偏光や円偏光成分を適宜案分して、被測定媒質の複屈折性を考慮するなどして最適な信号特性を得ることも出来る。図４におけるその他の動作は図１の実施例と同様であるので省略する。
【００４９】
次に、光検出器に２次元アレイセンサーを用いた光波反射像観測装置を図５に示す。
【００５０】
ここでは、合波光１２ｄを集光し、迷光を空間フィルター２３で除去した後、レンズ１６ａで反射映像を光アレイセンサー２４の面に結像して、各干渉画素をヘテロダイン検出するものである。
【００５１】
所望の画素数に相当する光検出素子数を備えた光アレイセンサー２４は、画素毎にヘテロダイン検波して映像信号を検出する。各検出器からの信号は、信号処理装置（コンピュータ）２０のビート周波数のバンドパスフィルターを経てロックインアンプで増幅集積し、ＤＣ出力とし、ディスプレイに画像表示などをして、被測定検体９内部の多次元断層像の観測を実現するものである。
【００５２】
この実施例では、図１のガルバノミラー１７ａが不要となり、即ち画素信号の検出に光走査をすることなく、瞬時に画像信号を検出することができ、高速映像化が可能となる。
【００５３】
また、被測定検体９の深部鉛直断面の反射像を瞬時に映像化でき、深部検出位置を可動反射鏡１５ａを、例えばｚ−軸上で１０μｍ毎に鉛直断面映像信号を記録蓄積して、３次元断層像を任意の切り口で再生して映像化できるものである。
【００５４】
また、この実施例では対物レンズに相当する集光レンズ８を可動台２２により、光軸方向に前後して、適宜集光点位置を可変にする機構も備え、照射光波強度と反射光波強度を最適化できるという特徴も備えている。
【００５５】
次に、被測定検体９への光路に光バンドルファイバーをプローブとして用いた光バンドルファイバー付光反射断層像観測装置の構成例を図６に示す。
【００５６】
これは、図１における半透明反射鏡４より被測定検体９に至る光路を図６に示す光バンドルファイバー３１ｄとする方法である。
【００５７】
また、光源１からの光路にはテーパ型ファイバー３１ａを配置して、光の集光性を容易にしている。このテーパ型ファイバー３１ａからの略平行光束を凸レンズ２ｂで平行光束にして半透明反射鏡３８で反射してプローブ用光バンドルファイバー３１ｄに入射する。この光バンドルファイバー３１ｄの出射端面に半透明光反射膜６ｂを密着して作り、前駆参照光波７を発生させる。なお、３９はレンズホルダーである。
【００５８】
透過照射光は凸レンズ８ａで集光し、被測定検体９に照射する。前記前駆参照光波７と被測定検体９からの物体反射光波１０とは、バンドル内の同一のファイバーを経由して、干渉計１０１に入射して、図１における動作により、反射断層像を得る。
【００５９】
このように構成することにより、長尺のファイバーであっても、前述の位相擾乱の相殺方法により、ファイバーによる擾乱とそれによる雑音を消去出来るので、高い雑音対信号比で画素信号を得ることが可能となる。このような光バンドルファイバーのプローブ使用により、例えば、胃カメラやファイバーカテーテルとの併用により、胃壁の写真と同時に胃壁の深層の断層像を映像化することができる。
【００６０】
次に、被測定検体への光路に屈折率分布ファイバーをプローブとして用いた屈折率分布ファイバー付光反射断層像観測装置の実施例を図７に示す。
【００６１】
ここでは、光源１からの光バンドルファイバー３１ｂを通った光束を凸レンズ２ｂで結合し、光束を屈折率分布ファイバー３１ｅまたテーパ型屈折率分布ファイバー３１ｆに入射する。入射光束は屈折率分布に応じて収束分散を周期的に繰り返し出射端に至る。なお、４は半透明反射鏡である。
【００６２】
このファイバー長と先のレンズの結合を適宜選択すると、出射端からの光束を略平行に出来る。その出射端面に部分的光反射膜６ｃを密着して、略平行光束から前駆参照光波を発生させる。透過光は前記と同様に被測定検体９に入射し、物体反射光波１０を得る。
【００６３】
前記実施例の光バンドルファイバーの場合と異なり、前駆参照光波７と物体反射光波１０は屈折率分布ファイバー３１ｅ内を収束発散を繰り返して伝搬するが、屈折率分布ファイバー３１ｅ内で受ける位相擾乱は、共に同一の位相擾乱を受けるため、前記原理により、両者の位相擾乱は相殺されて干渉信号が検出できる。画素信号を検出する他の動作は、図１の実施例に基づくものであるので説明は省略する。
【００６４】
次に、被測定検体への光路に映像を撮像するＣＣＤカメラ付光反射断層像観測装置の構成例を図８に示す。
【００６５】
ここでは、前駆参照光波７と物体反射光波１０が干渉計ｌ０１に至る途中の光路に半透明反射鏡２５を配置して、反射光波を、例えば１０％ほど取り出す。その反射光波は強い前駆参照光波７を含み、前駆参照光波７は映像ではないので、直線偏光フィルタ２１ｃを配置して、偏光面を直交して減衰させて影響を取り除く。
【００６６】
物体反射光波１０は前記したように偏光解消によって、直交した直線偏光フィルタ２１ｃを透過する反射映像成分を有するので、結像レンズ系２６によってＣＣＤ検出器２７に結像される。このＣＣＤ検出器２７では、被測定検体９の照射光内の顕微鏡像が対物レンズに相当する集光レンズ８と結像レンズ系２６との作用で観測できる。
【００６７】
この実施例では、断層像観測面の映像を予めこのＣＣＤ検出器２７によって観測しつつ、所望の位置の断層像を観測できることに特徴がある。図６及び図７の実施例における光バンドルファイバーや屈折率分布ファイバーにおいても、各実施例の構成では、断層像観測面の映像が伝送でき、本実施例を組み込んだ装置も構成可能である。
【００６８】
次に、被測定検体への側面照射付光反射断層像観測装置の構成例を図９に示す。  ここでは、光源１からの光束を一旦集光し、その発散光の一部を断層像観測用照射光２８ａとなし、凸レンズ６を経て物体反射光波１０を形成する。
【００６９】
他方、レンズ６の周辺部の光束２８ｂは、コーン型の透明プラスチックより成る光導波体２９に導かれ、筒状内を全反射を繰り返し導波して切り込まれた先端部より、被測定検体９の表面に側面より照射される側面照射光３０となる。
【００７０】
生体などの半透明な物質を観測する場合、正面照射より側面照射の方が表面の強い反射光波を避けて映像化できることが知られており、この実施例では強い反射光波が生じる垂直入射の照射を低減し、深層に至る映像化が高効率にできる特徴がある。
【００７１】
次に、被測定検体への光ファイバー導波側面照射付光反射断層像観測装置の構成例を図１０に示す。
【００７２】
ここでは、光源からの光束を半透明反射鏡４で分割して、図示するように反射光波を凸レンズ３２で集光して円周分布型ファイバー束３１ｃに導波して図９の構成例と同様にコーン型光導波体３３に導波し、側面照射光を形成するものである。
【００７３】
この実施例ではＣＣＤカメラ装置１０３とコーン型光導波体３３を含むプローブ装置１０４等を一体化して観測に至便な装置とできる特徴がある。干渉系１０１への光束の導入は、光バンドルファイバー３１ｂや屈折率分布ファイバーなどを用いて、プローブ装置１０４等を遠隔操作ができるように離して構成することもできる。
【００７４】
次に、ＣＣＤカメラ映像用光源を別途備えた２光源方式光反射断層像観測装置の構成例を図１１に示す。
【００７５】
ここでは、ＣＣＤカメラ映像用光源３６には、例えばハロゲンランプを備え、光源の熱線を除去するため色ガラスフィルター３６ａを配置し、光束を光バンドルファイバー３１ｄを用いてプローブ装置１０４に導入して、前記実施例と同様に側面照射光を形成する。なお、３７は凸レンズである。
【００７６】
他方、低コヒーレント光源１としては、ヨウ素ランプの代りにスーパールミネッセントダイオードの低コヒーレント光を用いて、前記実施例と同様に動作して断層像を得る。
【００７７】
この実施例では、光源をそれぞれ独立に用意することで、光源のスペクトル成分を可変にして、例えば、ＣＣＤカメラ映像用光源３６のスペクトル成分は昼光色となし、低コヒーレント光源１には生体などを透過しやすい赤外域のスペクトル成分を多くするなどして、高効率でそれぞれの映像化を達成できる特徴がある。
【００７８】
この実施例のいずれの構成においても、被測定検体が動的散乱ポテンシャル部分を含みドップラーシフト周波数となる物体反射光波を生成する場合、前記鉛直断面分布を有する合波干渉光の光検出器から出力されるそのドップラーシフトビート成分を電気的フィルターを通過して検出して複数の各空間画素成分信号を合成することにより、前記動的散乱ポテンシャルからの散乱光波の振幅情報を抽出し、前記ドップラーシフトビート成分周波数より動的散乱ポテンシャルの移動速度及び方向を前記鉛直断面像と奥行き反射像の３次元画素ごとに計算し表示するコンピュータを具備し、例えば生体深部の血流分布などの動的構造を可視化できるようにしたことを特徴とする光波反射断層像観測装置が構成できる。
【００７９】
前記各実施例で示した各構成を本発明の趣旨を違えることなく、適宜組み合わせを変化させても本発明の範囲内にあることは明らかである。
【００８０】
また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形や単独使用も可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した様に、本発明は、低コヒーレント光源からの光波を略平行光束とし、その断面分布の波面を保持して被検体直前にて２分割し、一方を照射光波とし、この照射光波による物体深部からの回折散乱光による鉛直断面像を有する物体反射光波を得て、他方をこの物体反射光波に対し相対的に前駆する参照光波となす手段と、この前駆参照光波とこの物体反射光波とが光検出器に至る長光路の擾乱や分散による位相変化を受けることに際し相互に共役な波面との後述の合成干渉検出法により前記位相変化を相殺できる同一光路と、前記前駆参照光波を連続的に遅延し前記物体反射光波と前記分割波面に対応して時空間コヒーレント長以内で合波干渉する手段と、前記前駆参照光波と前記物体反射光波間に相対的周波数シフトを与える手段と、この物体反射光波が鉛直断面像を形成するためにその画素相当の部分波に対し、この合波干渉光の画素を走査抽出する手段と、この抽出光を光電変換することにより、この周波数シフトに相当するヘテロダインビート周波数を検出する手段と、このビート信号とこの遅延手段により前記鉛直断面分布像の各画素に対し物体奥行きの反射断層像の構成要素となる振幅と位置情報を得て画素信号とする手段とを具備して光波反射断層像を観測できる。
【００８２】
また、光源からの光束を直線偏光とし、前記前駆参照光波は同一直線偏光成分とし、前記物体反射光波は、物体表面近傍からの反射成分は該直線偏光成分が多く、他方物体深部に至るほど高光散乱媒体である生体などにおいては偏光解消したこの直線偏光に直交する成分が多くなるため、前記合波干渉光に対し、この直線偏光に直交する成分を多く透過させ、この直線偏光成分の前駆参照光波と物体表面からの物体反射光波成分とを少なく透過させるように所定の偏光角にて偏光板を配置し、物体表面の強い反射光波を低減させ物体深部の弱い反射情報を捕捉できる手段とを具備して光波反射断層像を観測できる。
【００８３】
さらには、被測定検体が動的散乱ポテンシャル部分を含みドップラーシフト周波数となる物体反射光波を生成するにおいて、前記鉛直断面分布を有する合波干渉光の光検出手段から出力される該ドップラーシフトビート成分を検出して複数の各空間分割成分信号を合成することにより、前記動的散乱ポテンシャルからの散乱光波の振幅情報を検出する手段と、前記ドップラーシフトビート成分周波数より動的散乱ポテンシャルの移動速度および方向を前記鉛直断面像と奥行き反射像の３次元画素ごとに計算し表示する手段とを具備して生体深部の動的構造なども可視化できるようにした光波反射断層像観測装置である。
【００８４】
また、高速化を図るために、被測定検体の所望の領域に渡り深部情報を検知し、各画素毎の各再生信号を記録蓄積し、信号処理を施し多次元深部断層像として表示するコンピュータと表示器とを具備し光波散乱断層像観測装置を構成することができる。
【００８５】
以上のように、本発明によれば、生体を構成する細胞や組織などの散乱ポテンシャルからの回折散乱反射光波をも捕捉し空間コヒーレンスを考慮した合波干渉信号を利用して、広ダイナミックレンジでさらに高ＳＮで反射信号を走査抽出して、生体などの深部断層の静的あるいは動的構造を検知し多次元画像化して形態学的情報や血流分布などの医療情報や半導体をはじめとする諸材料の組織学的情報などを非侵襲、非破壊的に顕微鏡レベルの高空間分解能で観測可能とし、新規な光波反射像観測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す遅延参照光ヘテロダイン検波光反射断層像観測装置の構成図である。
【図２】本原理による物体反射光波面と前駆参照光波面の形成法を示す説明図であり、図２（１）は物体照射光が凸レンズによる収束光の場合、図２（２）は略平行光の場合である。
【図３】前駆参照光波を遅延させて物体反射光波と合波してヘテロダイン干渉ビート信号により物体反射信号を検出する方法と位相擾乱Φ（Ｌ）を相殺する方法の説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す偏波制御ヘテロダイン検波光反射断層像煽測装置の構成図である。
【図５】光検出器に２次元アレイセンサーを用いた光波反射像観測装置の実施例図である。
【図６】光バンドルファイバーをプローブとして用いた光バンドルファイバー付光反射断層像観測装置の構成図である。
【図７】屈折率分布ファイバーをプローブとして用いた屈折率分布ファイバー付光反射断層像観測装置の構成図である。
【図８】被測定検体への光路に映像を撮像するＣＣＤカメラ付光反射断層像観測装置の構成図である。
【図９】被測定検体への側面照射付光反射断層像観測装置の構成図である。
【図１０】被測定検体への光ファイバー導波側面照射付光反射断層像観測装置の構成図である。
【図１１】ＣＣＤカメラ映像用光源を別途備えた２光源方式光反射断層像観測装置の構成図である。
【図１２】従来の光波反射像測定装置の構成図である。
【図１３】図１２の原理に基づく構成の光路に光ファイバーを配置して、外部振動対策や取り扱いを簡便化した構成図である。
【符号の説明】
１    低コヒーレント光源
１ａ    カラーフィルター
２    コンデンサレンズ系
２ｂ，６，８ａ，１１，１６，３２，３７    凸レンズ
３    収束光
４，１３，２５，３８    半透明反射鏡
５，２３    空間フィルター
６ａ    平面半透明反射鏡
６ｂ    半透明光反射膜
６ｃ    部分的光反射膜
７    前駆参照光波
８    対物レンズ
９    被測定検体
９ａ    散乱ポテンシャル
９ｂ    断面分布
１０    物体反射光波
１２ａ    平行光束
１２ｂ，１２ｃ    往復光
１２ｄ    合波光
１２ｅ    光束
１４    反射鏡
１５ａ    可動反射鏡
１５ｂ    可動反射鏡制御台
１６ａ    レンズ
１７ａ    カルバノミラー
１７ｂ    ガルバノミラー制御台
１８    開口スリット
１９    光検出器
２０    信号処理装置（コンピュータ）
２０ａ，２０ｂ    制御器
２０ｃ    フィルター及び増幅器
２１ａ，２１ｃ    直線偏光フィルター
２１ｂ    四分の一波長板
２２    可動台
２４    光アレイセンサー
２６    結像レンズ系
２７    ＣＣＤ検出器（ＣＣＤカメラ）
２８ａ    断層像観測用照射光
２８ｂ    周辺部の光束
２９    光導波体
３０    側面照射光
３１ａ    テーパ型ファイバー
３１ｂ，３１ｄ    光バンドルファイバー
３１ｃ    円周分布型ファイバー束
３１ｅ    屈折率分布ファイバー
３１ｆ    テーパ型屈折率分布ファイバー
３３    コーン型光導波体
３６    ＣＣＤカメラ映像用光源
３６ａ    色ガラスフィルター
３９    レンズホルダー
１０１    干渉計
１０３    ＣＣＤカメラ装置
１０４    プローブ装置
【図１】
0003631056.tif 000005
【図２】
0003631056.tif 000006
【図３】
0003631056.tif 000007
【図４】
0003631056.tif 000008
【図５】
0003631056.tif 000009
【図６】
0003631056.tif 000010
【図７】
0003631056.tif 000011
【図８】
0003631056.tif 000012
【図９】
0003631056.tif 000013
【図１０】
0003631056.tif 000014
【図１１】
0003631056.tif 000015
【図１２】
0003631056.tif 000016
【図１３】
0003631056.tif 000017