(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）低コヒーレンス光源と、
（ｂ）該低コヒーレンス光源からの光を受けるコリメータレンズと、
（ｃ）該コリメータレンズからの光を受けるミラーと、
（ｄ）該ミラーからの反射光を受けるビームスプリッターと、
（ｅ）該ビームスプリッターからの光を受ける、高電圧信号発生器に接続されるビーム分割型位相変調器と、
（ｆ）該ビーム分割型位相変調器からの参照光、及び前記ビームスプリッターから直接照射されるとともにフォーカスされる信号光をそれぞれ生体試料へ照射する対物レンズと、
（ｇ）前記ビームスプリッターからの出力光を受けるヘテロダイン画像検出器と、
（ｈ）該ヘテロダイン画像検出器に接続される振幅検出器と、
（ｉ）該振幅検出器に接続される画像モニターとを備え、
（ｊ）前記ビーム分割型位相変調器の光路長によって位相遅延が補償される前記生体試料内で発生する後方散乱光のみがヘテロダインビートとして検出され、該後方散乱光波は、前記ビーム分割型位相変調器を通る光波と通らない光波が存在するが、干渉成分はヘテロダインビート信号成分に、非干渉成分はヘテロダインビート信号において直流成分に寄与し、一方、前記ビーム分割型位相変調器には、前記高電圧信号発生器から直流電圧と交流電圧が印加され、光波の位相が変調され、前記ビーム分割型位相変調器への直流電圧の印加で選択された生体試料内の鉛直断面からの後方散乱光強度分布が、参照光と信号光とのビート強度の２次元分布として前記ヘテロダイン画像検出器上の検出面で結像され、電気信号に変換され、前記ヘテロダイン画像検出器では、２次元に並んだ光検出器を切り換えて、各画素の電気信号を逐次出力し、該出力された信号は、非干渉成分による直流バイアス成分と干渉成分である交流成分からなり、前記振幅検出器に入力され、該振幅検出器では、交流成分のみを取り出し、検波回路、平滑回路から入力信号の交流振幅情報を引き出し、これを画像の輝度信号として、実時間で前記画像モニターへ出力することを特徴とする鉛直断面画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば臨床診断に用いられる超小型の鉛直断面画像測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、断面画像の１画素ごとのヘテロダイン検出により画像測定を行っていたために、高速化が困難で、ビームの走査部が必要であり装置が煩雑であった。
【０００３】
また、この種の画像測定装置は大型であり、内診鏡に組み付けるような超小型なものとしては開発されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記状況に鑑みて、コリメータレンズを用いた空間遅延型フィゾー干渉計により、超小型干渉光学系が構成可能な超小型の鉛直断面画像測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【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〕鉛直断面画像測定装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光を受けるコリメータレンズと、このコリメータレンズからの光を受けるミラーと、このミラーからの反射光を受けるビームスプリッターと、このビームスプリッターからの光を受ける、高電圧信号発生器に接続されるビーム分割型位相変調器と、このビーム分割型位相変調器からの参照光、及び前記ビームスプリッターから直接照射されるとともにフォーカスされる信号光をそれぞれ生体試料へ照射する対物レンズと、前記ビームスプリッターからの出力光を受けるヘテロダイン画像検出器と、このヘテロダイン画像検出器に接続される振幅検出器と、この振幅検出器に接続される画像モニターとを備え、前記ビーム分割型位相変調器の光路長によって位相遅延が補償される前記生体試料内で発生する後方散乱光のみがヘテロダインビートとして検出され、該後方散乱光波は、前記ビーム分割型位相変調器を通る光波と通らない光波が存在するが、干渉成分はヘテロダインビート信号成分に、非干渉成分はヘテロダインビート信号において直流成分に寄与し、一方、前記ビーム分割型位相変調器には、前記高電圧信号発生器から直流電圧と交流電圧が印加され、光波の位相が変調され、前記ビーム分割型位相変調器への直流電圧の印加で選択された生体試料内の鉛直断面からの後方散乱光強度分布が、参照光と信号光とのビート強度の２次元分布として前記ヘテロダイン画像検出器上の検出面で結像され、電気信号に変換され、前記ヘテロダイン画像検出器では、２次元に並んだ光検出器を切り換えて、各画素の電気信号を逐次出力し、該出力された信号は、非干渉成分による直流バイアス成分と干渉成分である交流成分からなり、前記振幅検出器に入力され、該振幅検出器では、交流成分のみを取り出し、検波回路、平滑回路から入力信号の交流振幅情報を引き出し、これを画像の輝度信号として、実時間で前記画像モニターへ出力することを特徴とする。
【０００６】
【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。
【０００７】
図１は本発明の実施例を示す鉛直断面画像測定装置の構成図である。
【０００８】
この図において、１は低コヒーレンス面光源、２はコリメータレンズ、３はミラー（全反射鏡）、４はビームスプリッター、５はビーム分割型位相変調器、６は高電圧信号発生器、７は対物レンズ、８は生体試料、９は結像レンズ、１０はヘテロダイン画像検出器、１１は振幅検出器、１２は画像モニターである。
【０００９】
この鉛直断面画像測定装置は、低コヒーレンス面光源、照射光学系、結像型干渉光学系、ビーム分割型位相変調器、対物レンズ、ヘテロダイン画像検出器、振幅検出器、画像モニターで構成される。
【００１０】
図１に示すように、低コヒーレンス面光源１からの光は、コリメータレンズ２（ＧＲＩＮレンズ）、ミラー３、ビームスプリッター４、ビーム分割型位相変調器５を経て、対物レンズ７でフォーカスされて生体試料８に照射される。この時、参照光は、ビーム分割型位相変調器５を介し、対物レンズ７の入射面で反射して再度、ビーム分割型位相変調器５を通って戻る。
【００１１】
一方、信号光は、ビーム分割型位相変調器５を通らずに対物レンズ７により、フォーカスされて生体試料８に照射される。
【００１２】
生体試料８内では様々な点で後方散乱光が発生するが、上記より、ビーム分割型位相変調器５の光路長によって位相遅延が補償される後方散乱光のみがヘテロダインビートとして検出される。後方散乱光波は、ビーム分割型位相変調器５を通る光波と通らない光波が存在するが、干渉成分はヘテロダインビート信号成分に、非干渉成分はヘテロダインビート信号において直流成分に寄与する。
【００１３】
一方、ビーム分割型位相変調器５は、直流電圧と交流電圧が印加され、光波の位相が変調される。そこで、ビーム分割型位相変調器５への直流電圧の印加で選択された生体試料８内の鉛直断面からの後方散乱光強度分布が、参照光と信号光とのビート強度の２次元分布としてヘテロダイン画像検出器１０上の検出面で結像され、電気信号に変換される。
【００１４】
ヘテロダイン画像検出器１０では、２次元に並んだ光検出器を高速に切り換えて、各画素の電気信号を逐次出力する。出力された信号は、非干渉成分による直流バイアス成分と干渉成分である交流成分からなり、振幅検出器１１に入力される。ここでは、交流成分のみを取り出し、検波回路、平滑回路から入力信号の交流振幅情報を引き出し、これを画像の輝度信号として、実時間で画像モニター１２へ出力する。
【００１５】
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。
【００１６】
図２はその全体システムの説明図、図３は２次元のアレイ状光検出器の斜視図、図４はその２次元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。
【００１７】
図２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、Ｆは焦点距離である。
【００１８】
図２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、光波Ｓに対して、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１５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。
【００１９】
次に、光波Ｓと光波Ｒがビームスプリッター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１５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３及び図４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。
【００２０】
図５は２次元光ヘテロダイン走査検出システムの模式図、図６はその各部における信号強度を示す図である。
【００２１】
図５において、ヘテロダイン画像検出器１０は、２次元のアレイ状光検出器１５、個々の光検出器を高速に走査する走査部１６と、第１段目の検波回路部１７Ａと第２段目の検波回路部１７Ｂとからなる検波回路１７で構成される。
【００２２】
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１５がｉ＝１〜Ｎまで走査部１６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１７Ｂ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１５の外部出力端子１８（ａ）〔光強度〕は図６（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１７Ａの出力端子１９（ｂ）〔検波後〕は図６（ｂ）に示すような信号強度を示し、第２段目の検波回路部１７Ｂの出力端子２０（ｃ）〔帯域フィルタ通過後〕は図６（ｃ）に示すような信号強度を示す。すなわち、図６（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。
【００２３】
上記のように構成したので、ビーム分割型位相変調器５に印加する直流電圧により、観察する生体試料８（図１参照）の深さ位置をコヒーレンス長の半分の精度で選択し、断層画像の実時間観察ができる。横方向の空間分解能は、対物レンズ７（図１参照）の開口数と中心波長で決定される。
【００２４】
ヘテロダイン画像検出器１０は、ＭＯＳイメージセンサをベースとする。イメージセンサには、ＭＯＳタイプとＣＣＤタイプがあり、現在では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。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。
【００２５】
これに対して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。すなわち、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タイプが適する。
【００２６】
以下、ＭＯＳタイプのイメージセンサについて図７を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
ＭＯＳタイプのイメージセンサは、２次元のアレイ状光検出器１５、個々の光検出器を高速に走査する走査部１６と、検波回路１７で構成される。
【００２８】
すなわち、２次元のアレイ状光検出器１５は、半導体基板４１上に作製されるアレイ状フォトダイオード４２からなり、そのアレイ状フォトダイオード４２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１６からなる。すなわち、２次元のアレイ状光検出器１５は、アレイ状（ｐｎ接合）フォトダイオード４２の２次元配列と、垂直走査回路１６Ａと、水平走査回路１６Ｂがあり、画素選択（行選択）用ＭＯＳトランジスタ４３を経由して出力信号線に接続されている。画素選択用ＭＯＳトランジスタ４３のゲート４４は水平方向に共通配線されて垂直走査回路１６Ａ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１６Ａにより１水平ライン信号の信号電荷を垂直信号線４５に読み出した後、信号期間に水平走査回路１６Ｂにより、画素選択（列選択）用ＭＯＳトランジスタ４６を制御して信号電荷を順次出力線４７に読み出し、外部出力端子１８から、検波回路１７に出力される。
【００２９】
このように、走査部１６は、個々のアレイ状フォトダイオード４２と外部出力端子１８とを接続するアドレススイッチとそれを駆動する走査部１６とで構成されている。
【００３０】
検波回路１７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。
【００３１】
動作状態では、走査部１６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４２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４２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１７Ａへ出力される。この信号は、直流成分と交流成分を含んでいるが、第２段目の検波回路部１７Ｂ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。
【００３２】
したがって、図２に示すように、光周波数がｆだけ異なる２次元の光波が２次元光ヘテロダイン走査検出システムに入射すると、周波数ｆを有する２次元光強度分布がアレイ面に生ずる。これより、図７に示したように、外部出力端子１８に各画素での交流信号の大きさが時系列で出力される。
【００３３】
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。
【００３４】
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、この数は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。
【００３５】
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。
【００３６】
【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。
【００３７】
（Ａ）小型軽量化を図ることができる。つまり、コリメータレンズを用いた空間遅延型フィゾー干渉計により、超小型干渉光学系が構成可能であり、全体で直径数ｍｍ、長さ数ｃｍ程度の超小型高速鉛直断面画像測定装置を提供することができる。
【００３８】
このサイズでは内視鏡の先端部に取り付け可能である。よって、医学分野では新しい臨床診断での応用が期待され、さらに、半導体や他の産業分野で幅広い応用が考えられる。
【００３９】
（Ｂ）上記（Ａ）に加えて、高速化を図ることができる。ヘテロダイン画像検出器から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断層画像を動画として観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す鉛直断面画像測定装置の構成図である。
【図２】２次元光ヘテロダインシステムの説明図である。
【図３】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４】図３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５】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６】図５の各部における信号強度を示す図である。
【図７】ＭＯＳタイプのイメージセンサの構成図である。
【符号の説明】
１    低コヒーレンス面光源
２    コリメータレンズ
３    ミラー
４，２４    ビームスプリッター
５    ビーム分割型位相変調器
６    高電圧信号発生器
７，２５    対物レンズ
８，２６    生体試料
９    結像レンズ
１０    ヘテロダイン画像検出器
１１    振幅検出器
１２    画像モニター
１５    ２次元のアレイ状光検出器
１６    走査部
１６Ａ    垂直走査回路
１６Ｂ    水平走査回路
１７    検波回路
１７Ａ    第１段目の検波回路部
１７Ｂ    第２段目の検波回路部
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
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
４１    半導体基板
４２    アレイ状フォトダイオード
４３    画素選択（行選択）用ＭＯＳトランジスタ
４４    画素選択（行選択）用ＭＯＳトランジスタのゲート
４５    垂直信号線
４６    画素選択（列選択）用ＭＯＳトランジスタ
４７    出力線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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