(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元光ヘテロダイン走査検出システムにおいて、
（ａ）生体試料からの信号光波Ｓと振動ミラーで反射する参照光波Ｒとがビームスプリッタで合波され、レンズで結像される光学系と、
（ｂ）半導体基板上に作製されるアレイ状光検出素子の画素配列と、該画素配列の信号電荷を順次読み出すスイッチング素子を画素配列した２次元のアレイ状光検出器と、
（ｃ）該２次元のアレイ状光検出器を走査する走査部と、
（ｄ）前記２次元のアレイ状光検出器からの出力信号を処理する検波回路とを備え、
（ｅ）前記振動ミラーが周波数ｆで振動することにより、前記信号光波Ｓに対して参照光波Ｒがシフトし、前記信号光波Ｓと前記参照光波Ｒとが前記ビームスプリッタで合波され、前記レンズで結像されることにより、前記生体試料に平面Ｐ１で高散乱点ａ，ｂがある場合に、前記平面Ｐ１からの後散乱光が前記２次元のアレイ状光検出器の平面Ｐ２に結像し、その強度が前記周波数ｆで時間的に変化することにより、前記２次元のアレイ状光検出器の出力端子に各画素での交流信号の大きさを時系列で出力することを特徴とする２次元光ヘテロダイン走査検出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元アレイイメージセンサを用い、２次元状で光ヘテロダイン走査検出を行うシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、１画素ごとのヘテロダイン検出による画像測定や、ヘテロダインビート周波数を低くしてのＣＣＤビデオカメラによる画像測定を行っていた。
【０００３】
以下に従来技術の概要について説明する。
【０００４】
（１）実時間ヘテロダイン顕微鏡イメージング〔Ｏｐｔ，Ｌｅｔｔ.,Ｖｏｌ. ２４，Ｎｏ．５，ｐｐ．３０９〜３１１（１９９９）参照〕
この方式は、ｆBEATは５０ｋＨｚ、ｆCCD は２００Ｈｚ、カメラはＣＣＤ（２５６×２５６）であり、本装置では、コンピュータ処理が不要である。
【０００５】
（２）ＯＦＤＲヘテロダインイメージング〔Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，Ｖｏｌ．４，Ｎｏ．１Ｂ，ｐｐ．２２１〜２２７（１９９７）参照〕
この方式は、ｆBEATは１Ｈｚ、ｆCCD は３０Ｈｚ、カメラはＣＣＤであり、本装置では、コンピュータ処理が不要である。
【０００６】
（３）１６×１６光検出器アレイ〔ＩＥＩＣＥ，Ｖｏｌ．Ｅ８０−Ｃ，Ｎｏ．５，ｐｐ．６８９〜６９４（１９９７）参照〕
この方式は、ｂｉｔ  ｒａｔｅは２６６Ｍｂ／ｓで、カメラはＰＤアレイで１６×１６であり、本装置では、外部アドレス入力部は不要である。
【０００７】
（４）ヘテロダインイメージング〔Ｏｐｔ，Ｌｅｔｔ.,Ｖｏｌ. ２２，Ｎｏ．１３，ｐｐ．１０２７〜１０２９（１９９７）参照〕
この方式は、ｆBEATは８Ｈｚ、ｆCCD は３０Ｈｚ、カメラはＣＣＤ（６４０×４８０）であり、本装置では、コンピュータ処理が不要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のＣＣＤタイプは、基板表面の多電極による基板内のポテンシャル制御により、入射光量に応じた光検出素子の各電荷を、半導体基板内を逐次搬送し、画像信号出力端子に導く方式であり、時間的に変化するヘテロダインビート信号を高速に読み取るには、原理的にＣＣＤタイプでは困難であるといった問題があった。
【０００９】
本発明は、上記状況に鑑みて、直接スイッチングタイプの２次元イメージセンサにより、スイッチング素子を各光検出素子に直接高速に接続して、入射光量に応じた各電荷を直接読み取り、ビデオレートの画像測定を可能にする２次元光ヘテロダイン走査検出システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【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〕２次元光ヘテロダイン走査検出システムにおいて、生体試料からの信号光波Ｓと振動ミラーで反射する参照光波Ｒとがビームスプリッタで合波され、レンズで結像される光学系と、半導体基板上に作製されるアレイ状光検出素子の画素配列と、この画素配列の信号電荷を順次読み出すスイッチング素子を画素配列した２次元のアレイ状光検出器と、この２次元のアレイ状光検出器を走査する走査部と、前記２次元のアレイ状光検出器からの出力信号を処理する検波回路とを備え、前記振動ミラーが周波数ｆで振動することにより、前記信号光波Ｓに対して参照光波Ｒがシフトし、前記信号光波Ｓと前記参照光波Ｒとが前記ビームスプリッタで合波され、前記レンズで結像されることにより、前記生体試料に平面Ｐ１で高散乱点ａ，ｂがある場合に、前記平面Ｐ１からの後散乱光が前記２次元のアレイ状光検出器の平面Ｐ２に結像し、その強度が前記周波数ｆで時間的に変化することにより、前記２次元のアレイ状光検出器の出力端子に各画素での交流信号の大きさを時系列で出力することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン走査検出システムの概略構成図、図２はその具体例を示す回路図である。
【００１３】
これらの図に示すように、本発明の２次元光ヘテロダイン走査検出システムは、２次元のアレイ状光検出器１、個々の光検出器を高速に走査する走査部２と、検波回路３で構成される。
【００１４】
以下、２次元光ヘテロダイン走査検出システムの各部の説明を図２を参照して行う。
【００１５】
２次元のアレイ状光検出システムは、半導体基板１１上に作製されるアレイ状フォトダイオード１２からなり、そのアレイ状フォトダイオード１２の画素配列と、その画素配列の信号電荷を順次読み出すＭＯＳトランジスタからなる走査部２からなる。すなわち、２次元のアレイ状光検出器１は、アレイ状（ｐｎ接合）フォトダイオード１２の２次元配列と、垂直走査回路２Ａと、水平走査回路２Ｂがあり、画素選択用ＭＯＳトランジスタ（行選択用）１３を経由して出力信号線に接続されている。
【００１６】
画素選択用ＭＯＳトランジスタ１３のゲート１４は水平方向に共通配線されて垂直走査回路２Ａに接続されている。水平ブランキング期間に垂直走査回路２Ａにより１水平ライン信号の信号電荷を垂直信号線１５に読み出した後、信号期間に水平走査回路２Ｂにより、画素選択用ＭＯＳトランジスタ（列選択用）１６を制御して信号電荷を順次出力線１７に読み出し、外部出力端子１８から、検波回路３に出力される。
【００１７】
このように、走査部２は、個々のアレイ状フォトダイオード１２と外部出力端子１８とを接続するアドレススイッチとを有し、走査部２は走査回路２Ａと２Ｂとで構成されている。
【００１８】
検波回路３は、入力交流信号の振幅の大きさを出力信号として出力する回路である。
【００１９】
動作状態では、走査部２によって個々の画素に対応するアレイ状フォトダイオード１２が高速に切り換えられるために、個々のフォトダイオード１２での光強度の時間変化が接続時間の間、第１段目の検波回路部３Ａへ出力される。この信号は、直流成分ｄと交流成分ａを含んでいるが、第２段目の検波回路部３Ｂによって、ヘテロダインビート信号の大きさのみが出力信号となる。
【００２０】
以下、２次元のアレイ状光検出器に入射される光波とその処理について説明する。
【００２１】
図３はその全体システムの説明図、図４は２次元のアレイ状光検出器の斜視図、図５はその２次元のアレイ状光検出器のｃ−ｄでの断面における光波を示す図である。
【００２２】
図３において、２１は低コヒーレンス光源、２２はレンズ、２３はスリット、２４はビームスプリッタ（ＢＳ）、２５は対物レンズ、２６は生体試料、２７はレンズ、２８は振動ミラー、２９はピエゾデバイス（ＰＺＴ）、３０は高圧アンプ、３１は発振器、３２はレンズである。Ｆは焦点距離である。
【００２３】
図３において、振動ミラー２８が周波数ｆで振動することにより、信号光波Ｓに対して、参照光波Ｒがシフトする。つまり、生体試料２６に、平面Ｐ１で高散乱点ａ，ｂがある場合に、平面Ｐ１からの後方散乱光が２次元のアレイ状光検出器１の平面Ｐ２に結像するが、その強度が周波数ｆで時間的に変化する。
【００２４】
次に、信号光波Ｓと参照光波Ｒがビームスプリッタ２４で合波され、レンズ３２で結像されることにより、２次元のアレイ状光検出器１の平面Ｐ２上に時間的に変化する光強度分布が生じる。その状態を図４及び図５に示している。つまり、２次元のアレイ状光検出器１のｃ−ｄ線での断面においては光強度ａ′，ｂ′が時間的に周波数ｆで変化する。
【００２５】
図６は２次元光ヘテロダイン走査検出システムの模式図、図７はその各部における信号強度を示す図である。
【００２６】
これらの図に示すように、時間Ｔ0 のスイッチング時間で順次２次元のアレイ状光検出器１がｉ＝１〜Ｎまで走査部２によって切り換えられていき、最終的に第２段目の検波回路部３Ｂの出力端子２０（ｃ）によって出力される。つまり、２次元のアレイ状光検出器１の外部出力端子１８（ａ）〔光強度〕は図７（ａ）に示すような信号強度を示している。ここで、ＣACは交流成分、ＣDCは直流成分を示している。また、第１段目の検波回路部３Ａの出力端子１９（ｂ）〔検波後〕は図７（ｂ）に示すような信号強度を示し、第２段目の検波回路部３Ｂの出力端子２０（ｃ）〔帯域フィルタ通過後〕は図７（ｃ）に示すような信号強度を示す。すなわち、図７（ｃ）ではビート信号の振幅に応じた信号強度が画素信号として出力される。
【００２７】
本発明によれば、上記したように、直接スイッチ走査型イメージセンサを用いることにより、ビデオレートで２次元のヘテロダインビート画像が測定可能になる。
【００２８】
また、上記したように、２次元光ヘテロダイン走査検出システムは、ＭＯＳイメージセンサをベースとして構成する。現在、イメージセンサには、ＭＯＳタイプとＣＣＤタイプがあり、構造のシンプルさからＣＣＤタイプが一般に広く用いられている。
【００２９】
ＣＣＤタイプは、入射光量に応じた光検出素子の各電荷を、基板表面の多電極による基板内のポテンシャル制御により、半導体基板内を逐次搬送し、画像信号出力端子に導く方式である。これに対して、上記したように、ＭＯＳタイプのイメージセンサはＭＯＳのスイッチング素子を各光検出素子に直接高速に接続して、入射光量に応じた各電荷を直接読み取るものである。よって、時間的に変化するヘテロダインビート信号を高速に読み取るには、原理的にＣＣＤタイプでは困難であり、光検出器と出力端子を高速に直接接続するＭＯＳタイプが好適である。
【００３０】
現状のＭＯＳイメージセンサ（東芝、ＴＣＭ５０００Ｄ）の仕様を検討すると、ビデオレート３０画面／秒、マスタークロック２４ＭＨｚ、画像信号出力周波数１２ＭＨｚ（８１ｎｓ）で、１画素当たりの読み出し時間は８１ｎｓである。位相変調を２００ＭＨｚとすると、１画素当たりの読み出し時間内に、１６周期のビートが入る。もちろん、原理確認実験においては、マスタークロックを下げて、この数をさらに増加させることは容易である。また、具体的な回路パターンの最適設計により、ビデオレートでの実時間観察が可能である。
【００３１】
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。
【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３３】
（Ａ）２次元光ヘテロダイン走査検出システムで２次元のビート信号が直接出力されるので、ビデオレートの画像測定が可能になり、通常のテレビを見るように高感度に断層画像を動画として観察することができる。
【００３４】
（Ｂ）２次元光ヘテロダイン走査検出システムによれば、高品質な断層画像計測の実時間化が可能になり、医学分野では新しい臨床診断が期待され、さらに、半導体や他の産業分野への波及効果は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン走査検出システムの概略構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン走査検出システムの具体例を示す回路図である。
【図３】  ２次元光ヘテロダインシステムの説明図である。
【図４】  本発明の実施例を示す２次元のアレイ状光検出器の斜視図である。
【図５】  図４のアレイ状光検出器のｃ−ｄ線での断面における光波を示す図である。
【図６】  本発明の実施例を示す２次元光ヘテロダイン走査検出システムの模式図である。
【図７】  図６の各部における信号強度を示す図である。
【符号の説明】
１    ２次元のアレイ状光検出器
２    個々の光検出器を高速に走査する走査部
２Ａ    垂直走査回路
２Ｂ    水平走査回路
３    検波回路
３Ａ    第１段目の検波回路部
３Ｂ    第２段目の検波回路部（帯域フィルタ部）
１１    半導体基板
１２    アレイ状フォトダイオード
１３    画素選択用ＭＯＳトランジスタ（行選択用）
１４    画素選択用ＭＯＳトランジスタのゲート
１５    垂直信号線
１６    画素選択用ＭＯＳトランジスタ（列選択用）
１７    出力線
１８    外部出力端子（ａ）
１９    第１段目の検波回路部の出力端子（ｂ）
２０    第２段目の検波回路部の出力端子（ｃ）
２１    低コヒーレンス光源
２２，２７，３２    レンズ
２３    スリット
２４    ビームスプリッタ（ＢＳ）
２５    対物レンズ
２６    生体試料
２８    振動ミラー
２９    ピエゾデバイス（ＰＺＴ）
３０    高圧アンプ
３１    発振器
【図１】
0003650307.tif 000002
【図２】
0003650307.tif 000003
【図３】
0003650307.tif 000004
【図４】
0003650307.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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