(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）変調照明強度ｍ（ｔ）の光を照射する強度変調照射光源と、
（ｂ）位相変調信号φm （ｔ）を出力する位相変調器と、
（ｃ）前記変調照明強度ｍ（ｔ）の照射光と位相変調信号φm （ｔ）を受けて、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる干渉結像光学系と、
（ｄ）トリガー信号を生成するスタータートリガーとを備え、
（ｅ）前記トリガー信号で全測定が開始すると、前記位相変調信号φm （ｔ）は鋸歯状波で１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する周期Ｔ0 を有し、これに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号ＩB （ｔ）は正弦波信号となり、かつ該位相変調信号φm （ｔ）に対して、前記強度変調照射光源の時間幅がτである変調照明強度ｍ（ｔ）は、第１位相時の照射ｍ0 と、該第１位相時の照射ｍ0 と９０度位相が異なる第２位相時の照射ｍ1 を交互に発生させ、画素ごとの出力信号を、前記第１位相時と第２位相時に対応する信号Ｓ0 ，Ｓ1 となし、これをカメラで撮像し、カメラコントローラーを介してコンピュータに接続し、
（ｆ）前記強度変調照射光源とスタータートリガーと位相変調器とカメラコントローラーとはコンピュータによって制御可能にし、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させたヘテロダインビート信号からなる２枚の干渉画像内のデータから、信号光波強度分布を求めるようにしたことを特徴とする高速画像同期測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロダインビート信号からなる干渉画像を高速に同期検出測定する装置に関するものである。
【０００２】
ここでは、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させた２枚の干渉画像において、それぞれの画像内のデータから、信号光波強度分布を得る装置であり、測定画像数の低減を図るために測定の高速化を図る装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度，１８０度，２７０度と変化させた際の４枚の画像から、信号光波強度分布を得る方法は、すでに報告されている（文献１：Ｍａｒｃｈ  １，１９９９／Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．５／ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ）。また、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度，１８０度と変化させた際の３枚の画像から、信号光波強度分布を得る方法も、すでに報告されている｛文献２：ＯＳＪ−ＢｉＯＰ  ２０００〔第１回  生体医用光学研究会  講演論文集：開催日  ２０００年７月２４〜２５日  青葉記念会館（東北大学工学部）〕｝。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、干渉画像は４枚、少なくとも３枚は必要であり、時間分解能の向上が望めないといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を除去し、ヘテロダイン検出を用いた信号光波強度画像を求める場合に、位相条件の異なる４、３枚の画像に代えて、２枚の画像から求め、干渉画像を高速に同期検出する高速画像同期測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【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に、
〔１〕高速画像同期測定装置において、変調照明強度ｍ（ｔ）の光を照射する強度変調照射光源と、位相変調信号φm （ｔ）を出力する位相変調器と、前記変調照明強度ｍ（ｔ）の照射光と位相変調信号φm （ｔ）を受けて、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる干渉結像光学系と、トリガー信号を生成するスタータートリガーとを備え、前記トリガー信号で全測定が開始すると、前記位相変調信号φm （ｔ）は鋸歯状波で１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する周期Ｔ0 を有し、これに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号ＩB （ｔ）は正弦波信号となり、かつ該位相変調信号φm （ｔ）に対して、前記強度変調照射光源の時間幅がτである変調照明強度ｍ（ｔ）は、第１位相時の照射ｍ0 と、該第１位相時の照射ｍ0 と９０度位相が異なる第２位相時の照射ｍ1 を交互に発生させ、画素ごとの出力信号を、前記第１位相時と第２位相時に対応する信号Ｓ0 ，Ｓ1 となし、これをカメラで撮像し、カメラコントローラーを介してコンピュータに接続し、前記強度変調照射光源とスタータートリガーと位相変調器とカメラコントローラーとはコンピュータによって制御可能にし、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させたヘテロダインビート信号からなる２枚の干渉画像内のデータから、信号光波強度分布を求めるようにしたことを特徴とする
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの構成図、図２はその各部の信号のタイミングチャートである。
【０００９】
図１において、１は強度変調照射光源、２はスタータートリガー、３は干渉結像光学系、４は位相変調器、５はカメラ、６はカメラコントローラー、７はコンピュータ、８は表示装置である。
【００１０】
干渉結像光学系３は、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる結像光学系である。スタータートリガー２からのトリガー信号〔図２（ａ）〕で全測定が開始し、位相変調信号φm （ｔ）〔図２（ｃ）〕は鋸歯状波で周期Ｔ0 、１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する。それに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号ＩB （ｔ）〔図２（ｄ）〕は、正弦波信号となる。しかし、光源の変調照明強度ｍ（ｔ）〔図２（ｂ）〕は、矩形波状に強度が変調されており幅はτである。位相変調信号φm （ｔ）に対して図２（ｂ）のＩ位相時の照射ｍ0 と、次の周期でＩ位相時と９０度位相が異なるII位相時の照射ｍ1 が交互に発生するようになっている。
【００１１】
よって、図２においてＣＣＤなどのイメージセンサでの画素ごとの出力信号は、Ｉ位相時、II位相時に対応して、図２（ｄ）の斜線で示したそれぞれの面積に対応する信号Ｓ0 ，Ｓ1 となる。まずＩ位相時の画像信号（画素代表信号Ｓ0 ）を取り込み、次の周期でII位相時の画像信号（画素代表信号Ｓ1 ）を取り込み、引き続き時間ＴC 間の後述の画像処理により、信号光波強度画像を得る。
【００１２】
一般にヘテロダインビート信号は、後述する式（３）で示される。
【００１３】
ここで、信号光波振幅はＡS 、参照光波振幅はＡR 、位相変調角周波数はω0 （＝２π／Ｔ0 ）、信号光波と参照光波との位相ドリフトはδである。ヘテロダイン検出の場合、一般に参照光波は信号光波よりも十分大きく、生体の断層画像測定などの場合には、信号光波は生体からの後方散乱光波となる。
【００１４】
次に、先の信号Ｓ0 ，Ｓ1 を計算する。変調信号への位相に対応する時間遅れをＴD 、光源の照明時間幅をτとすると、ヘテロダインビート信号の平均強度ＩBTD は、後述する式（４）〜（９）のようになる。９０度の位相差は周期／４に対応するので、画像信号Ｓ0 ，Ｓ1 は、後述する式（１３）、（１４）で与えられる。
【００１５】
位相差の異なる画像信号Ｓ0 ，Ｓ1 に代表される２つの画像データにおいて、ｉ番目と結像光学系の空間分解能程度離れたｊ番目の画素に着目し、以下の仮定をする。
【００１６】
（１）Ｓ0 とＳ1 では、それぞれの画素において、信号光波振幅と位相揺らぎδは同じ（位相変調信号は高速であり、その僅か周期／４時間で位相揺らぎは同じ）である。
【００１７】
（２）ｉ番目とその近くのｊ番目の画素においては、信号光波振幅のみが異なる（図１に示した実験系では、結像干渉光学系なので、空間分解能程度の距離で画素間が離れていればそれぞれの信号光波強度が異なる。一方、参照光波強度分布は、空間的になだらかで一定とする）。
【００１８】
よって、画像信号Ｓ0 とＳ1 に対応するｉ番目とｊ番目の画素信号は、後述する式（１５）とすることができる。
【００１９】
４つの測定値Ｓ0i，Ｓ1i，Ｓ0j，Ｓ1jより、未知数４つを求めることは可能であり、位相揺らぎδによらずに信号光波強度は、後述する式（２２）で示される。これを順次、全ての画素に行って、信号光波振幅の二次元分布が得られる。
【００２０】
以下、上記した点について詳細に説明する。
【００２１】
まず、位相変調信号として周期関数φm （ｔ）を次式と考える〔図２（ｃ）〕
φm （ｔ）＝（φ0 ／Ｔ0 ）ｔ      （０≦ｔ≦Ｔ0 ）          …（１）
φ0 ＝２πとすると、φm （ｔ）を含むヘテロダインビート信号は次式となる。
【００２２】
ＩB （ｔ）＝ＡR 2 ＋ＡS 2 ＋２ＡS ＡR ｃｏｓ〔φm （ｔ）＋δ（ｔ）〕
…（２）
ここで、ＡS は信号光波振幅、ＡR は参照光波振幅、δは信号光波・参照光波間の位相差であり、δが時間的に揺らいでいることを仮定する。これより、ＩB は次式となり、図２（ｄ）で示すようになる。
【００２３】
ＩB （ｔ）＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋２ＡS ＡR ｃｏｓ〔ω0 ｔ＋δ（ｔ）〕
（ω0 ＝φ0 ／Ｔ0 ）                            …（３）
ただし、δによりφm （ｔ）に対してｔ軸上で横方向に揺らいでいる。
【００２４】
また、干渉結像光学系の光源は、図２（ｂ）に示すように、周期的にＯＮ、ＯＦＦされている。これより、カメラで検出される積算光量は斜線の部分となる。斜線の部分の平均強度ＩBTD を求める。
【００２５】
【数１】
0003672836.tif 000002
【００２６】
【数２】
0003672836.tif 000003
故に
ＩBTD ＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋２ＡS ＡR ／τ〔ｃｏｓδ・（２ｃｏｓω0 ＴD 
・ｓｉｎω0 τ／２）／ω0 〕−
ｓｉｎδ〔（２ｓｉｎω0 ＴD ・ｓｉｎω0 τ／２）／ω0 〕
＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋（４ＡS ＡR ／ω0 τ）〔ｃｏｓδ・ｃｏｓω0 Ｔ
D ・ｓｉｎ（ω0 τ／２）−ｓｉｎδ・ｓｉｎω0 ＴD ・
ｓｉｎ（ω0 τ／２）〕
＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋〔４ＡS ＡR ・ｓｉｎ（ω0 τ／２）／ω0 τ〕
（ｃｏｓδ・ｃｏｓω0 ＴD −ｓｉｎδ・ｓｉｎω0 ＴD ）
…（９）
ここで、
ＩBTD1＝ＩBTD ｜TD=0＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋〔４ＡS ＡR ・
ｓｉｎ（ω0 τ／２）／ω0 τ〕ｃｏｓδ          …（１０）
ＴD ＝Ｔ0 ／４で位相が９０°ずれた場合
ＩBTD2＝ＩBTD ｜TD=T0/4 ＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋〔４ＡS ＡR ・
ｓｉｎ（ω0 τ／２）／ω0 τ〕（−ｓｉｎδ）    …（１１）
ｃｏｓω0 ＴD ＝ｃｏｓ（２π／ＴD ）（ＴD ／４）＝ｃｏｓ（π／２）＝０
ｓｉｎω0 ＴD ＝ｓｉｎ（π／２）＝１
故に、
ＩBTD1＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋｛２ＡS ＡR 〔ｓｉｎ（ω0 τ／２）〕／
（ω0 τ／２）｝ｃｏｓδ
ＩBTD2＝ＡS 2 ＋ＡR 2 −｛２ＡS ＡR 〔ｓｉｎ（ω0 τ／２）／
（ω0 τ／２）｝ｓｉｎδ                          …（１２）
図３は画素のモデルである。図３に示すカメラにおける画素モデルで、図２（ｄ）も含めて考えると、画素ｉにおいて、まず、信号Ｓ0 が得られ、次に、信号Ｓ1 が得られる。ただし、Ｓ0 ，Ｓ1 は式（１２）より式（１３）、式（１４）で定義されている。
【００２７】
Ｓ0 ＝ＡS 2 ＋ＡR 2 ＋２ＡS ＡR ・ｓｉｎｃ（ω0 τ／２）・ｃｏｓδ
…（１３）
Ｓ1 ＝ＡS 2 ＋ＡR 2 −２ＡS ＡR ・ｓｉｎｃ（ω0 τ／２）・ｓｉｎδ
…（１４）
ここで、図２（ｄ）に示されているように、Ｓ1 はＳ0 測定後、５Ｔ0 ／４に測定されるものである。図１に示した測定系においては、干渉結像光学系３を用いているので、同じ画面内の（隣の）画素ｊでも同じことが測定されている。つまり、画素信号において以下のことが考えられる。
【００２８】
Ｓ0 →Ｓ1 （時間  ５Ｔ0 ／４）
ここで、ｉ画素（信号光波とδが同じ）であり、その（隣合う）画素は信号光波のみが異なる。ｊ画素が隣接する。
【００２９】
また、ＡR 2 ≫ＡS 2 であるからＡR 2 ＋ＡS 2 ≒ＡR 2 とする。これより、
ｉ：Ｓ0i＝ＩR ＋Ｉsiｃｏｓδ，Ｓ1i＝ＩR −Ｉsiｓｉｎδ
ｊ：Ｓ0j＝ＩR ＋Ｉsjｃｏｓδ，Ｓ1j＝ＩR −Ｉsjｓｉｎδ
ここで、
ＩR ＝ＡR 2 
Ｉsi＝２ＡsiＡR ・ｓｉｎｃ（ω0 τ／２）                  …（１５）
Ｓ1i，Ｓ1jを含めて再度整理すると、以下のようになる。
【００３０】
Ｓ0i＝ＩR ＋ＩSiｃｏｓδ                                  …（１６）
Ｓ1i＝ＩR −ＩSiｓｉｎδ                                  …（１７）
Ｓ0j＝ＩR ＋ＩSjｃｏｓδ                                  …（１８）
Ｓ1j＝ＩR −ＩSjｓｉｎδ                                  …（１９）
よって、測定値がＳ0i，Ｓ1i，Ｓ0j，Ｓ1jの４つで、未知数がＩR ，ＩSi，ＩSj，δの４つであることから、未知数を測定値で表すことができる。
【００３１】
（１６）−（１８）：Ｓ0i−Ｓ0j＝（ＩSi−ＩSj）ｃｏｓδ
（１７）−（１９）：Ｓ1i−Ｓ1j＝−（ＩSi−ＩSj）ｓｉｎδ
故に、ｃｏｓ2 δ＋ｓｉｎδ2 
＝〔（Ｓ0i−Ｓ0j）／（ＩSi−ＩSj）〕2 
＋〔（Ｓ1i−Ｓ1j）／（ＩSi−ＩSj）〕2 
＝１                                      …（２０）
（１６）−（１７）：Ｓ0i−Ｓ1i＝ＩSi（ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ）
（１８）−（１９）：Ｓ0j−Ｓ1j＝ＩSj（ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ）
故に、ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ＝（Ｓ0i−Ｓ1i）／ＩSi＝（Ｓ0j−Ｓ1j）／ＩSj
故に、ＩSj／ＩSi＝（Ｓ0j−Ｓ1j）／（Ｓ0i−Ｓ1i）
式（２０）より
【００３２】
【数３】
0003672836.tif 000004
故に、ｔａｎδ＝ｓｉｎδ／ｃｏｓδ＝−〔（Ｓ1i−Ｓ1j）／（Ｓ0i−Ｓ0j）〕
…（２３）
式（２２）、（２３）より、ＩSi，δが求まるので、反射光波による断層画像と表面トポグラフィも求まることがわかる。
【００３３】
なお、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いて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン検出を用いた信号光波強度画像を求める場合に、位相条件の異なる４、３枚の画像に代えて、２枚の画像から求めることができ、高速化を図ることができる。
【００３５】
本発明の応用例の一つとしては、生体の断層画像測定が挙げられ、測定画像枚数の低減による時間分解能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの各部の信号のタイミングチャートである。
【図３】  画素のモデルを示す図である。
【符号の説明】
１    強度変調照射光源
２    スタータートリガー
３    干渉結像光学系
４    位相変調器
５    カメラ
６    カメラコントローラー
７    コンピュータ
８    表示装置
【図１】
0003672836.tif 000005
【図２】
0003672836.tif 000006
【図３】
0003672836.tif 000007