(57)【要約】【課題】  より少ない光センサにより干渉光、特に交流成分を有効に取得できる光画像計測装置を提供する。【解決手段】  広帯域光源２からの光ビームを直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するハーフミラー６と、参照鏡８を振動させるピエゾ素子９と、参照光Ｒを円偏光に変換する波長板７と、ハーフミラー６により重畳された信号光Ｓと参照光Ｒとから生成された干渉光Ｌの異なる２つの偏光成分を抽出する偏光ビームスプリッタ１１と、この２つの偏光成分をそれぞれ検出するＣＣＤ２１、２２と、検出された各偏光成分に基づいて被測定物体Ｏの画像を形成する信号処理部２０とを備えており、光ビームの強度変調の周波数は干渉光Ｌのビート周波数に同期され、参照鏡８の振動の周波数は干渉光Ｌのビート周波数に同期され、かつ、その振幅は干渉光Ｌの波長以下とされる。【選択図】      図１
2006084304.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを所定の周波数で強度変調して出力する光ビーム出力手段と、
前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、
前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、
前記参照物体を所定の周波数及び所定の振幅で振動させる振動手段と、
直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、
前記第１及び第２の変換手段により変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記振動される前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、
前記重畳手段により生成された干渉光の異なる２つの偏光成分を抽出する抽出手段と、
前記抽出された前記２つの偏光成分をそれぞれ検出する一対の検出手段と、
前記各検出手段によりそれぞれ検出された各偏光成分に基づいて前記干渉光の信号強度もしくは位相を算出して前記被測定物体の画像を形成する信号処理手段と、
を備え、
前記光ビーム出力手段による前記光ビームの強度変調の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、
前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、かつ、前記振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長以下とされる、
ことを特徴とする光画像計測装置。
【請求項２】
光ビームを出射する光源と、
前記出射された光ビームを、被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、
前記参照物体を所定の周波数及び所定の振幅で振動させる振動手段と、
前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、
前記生成された干渉光の光路を二分する光路分割手段と、
前記二分された各光路の前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ周期的に変調する一対の強度変調手段と、
前記各強度変調手段により強度変調された前記各光路の前記干渉光をそれぞれ検出する一対の検出手段と、
前記各検出手段によりそれぞれ検出された前記干渉光の信号強度もしくは位相を算出して前記被測定物体の画像を形成する信号処理手段と、
を備え、
前記各強度変調手段による前記干渉光の前記強度変調の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、
前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、かつ、前記振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長以下とされる、
ことを特徴とする光画像計測装置。
【請求項３】
前記振動手段は、前記参照物体に取り付けられたピエゾ素子を含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置。
【請求項４】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記出力されたレーザ光を、前記振動手段により振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、
前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、
前記補助検出手段による検出結果に基づき前記振動手段を制御する振動制御手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
【請求項５】
前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長の１０分の１以上前記波長以下とされることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
【請求項６】
前記光ビーム出力手段は、
光ビームを出射する光源と、
前記干渉光の周波数に同期した周波数と所定の位相差を持って周期的に前記光ビームを出力させるように前記光源を駆動する光源駆動手段と、
を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
【請求項７】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、
前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、
を備え、
前記光ビーム出力手段の光源駆動手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて前記補助干渉光の周波数に同期した周波数のパルス信号を生成し、
前記光源は、前記生成された前記パルス信号により駆動されて、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する、
ことを特徴とする請求項６に記載の光画像計測装置。
【請求項８】
前記光ビーム出力手段は、
連続的な光ビームを出力する光源と、
前記出力された連続的な光ビームを前記干渉光の周波数に同期した周波数で周期的に遮断する光ビーム遮断手段と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
【請求項９】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、
前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、
を備え、
前記光ビーム遮断手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて前記連続的な光ビームを前記周期的に遮断する、
ことを特徴とする請求項８に記載の光画像計測装置。
【請求項１０】
前記第１の変換手段は、前記光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光板であることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
【請求項１１】
前記第２の変換手段は、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差を与えて偏光特性を変換する波長板であることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
【請求項１２】
前記抽出手段は、前記干渉光のＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１１に記載の光画像計測装置。
【請求項１３】
前記干渉光の周波数に同期した周波数のパルス信号を出力するパルス信号発生手段と、
前記出力された前記パルス信号の位相を相対的にシフトさせて前記一対の強度変調手段にそれぞれ出力する位相シフト手段と、
を備え、
前記各強度変調手段は、前記位相シフト手段により位相が相対的にシフトされた前記パルス信号を受けて前記干渉光の強度を変調する、
ことを特徴とする請求項２に記載の光画像計測装置。
【請求項１４】
レーザ光を出力するレーザ光源と、
前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、
前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、
を備え、
前記パルス信号発生手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて、前記補助干渉光の周波数に同期した周波数の前記パルス信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の光画像計測装置。
【請求項１５】
前記各強度変調手段は、前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ周期的に遮断するシャッタ手段を含むことを特徴とする請求項２に記載の光画像計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に光散乱媒質の被測定物体に光ビームを照射し、その反射光もしくは透過光を用いて被測定物体の表面形態や内部形態を計測し、その画像を形成する光画像計測装置に関する。特に、光ヘテロダイン検出法を利用して被測定物体の表面形態や内部形態を計測し画像を形成する光画像計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光源等を用いて被測定物体の表面や内部の画像を形成する光画像計測技術が注目を集めている。この光画像計測技術は、従来からのＸ線ＣＴのような人体に対する有害性を持たないことから、特に医療分野における応用の展開が期待されている。
【０００３】
光画像計測技術における代表的な手法の一例として低コヒーレンス干渉法（光コヒーレンス断層画像化法などとも呼ばれる）がある。この手法は、例えばスーパールミネセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｄｉｏｄｅ；ＳＬＤ）のように広いスペクトル幅をもつ広帯域光源の低干渉性を利用するもので、被測定物体からの反射光や透過光をμｍオーダーの優れた距離分解能で検出可能とするものである（例えば下記の非特許文献１を参照）。
【０００４】
この低コヒーレンス干渉法を利用した装置の一例として、マイケルソン型の干渉計に基づく従来の光画像計測装置の基本構成を図８に示す。この光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３及び光検出器２０４を含んで構成されている。被測定物体２０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源２０１からの光ビームは、ビームスプリッタ２０３により、鏡２０２に向かう参照光Ｒと被測定物体２０５に向かう信号光Ｓの２つに分割される。参照光Ｒはビームスプリッタ２０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ２０３の透過光である。
【０００５】
ここで、図８に示すように、信号光Ｓの進行方向にｚ軸を定めるとともに、信号光Ｓの進行方向に対する直交面をｘ−ｙ面として定義する。鏡２０２は、同図中の両側矢印方向（ｚ−スキャン）に変位可能とされている。
【０００６】
参照光Ｒは、鏡２０２に反射される際にそのｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトを受ける。一方、信号光Ｓは、被測定物体２０５に照射されると、その表面及び内部層により反射される。被測定物体は散乱媒質であるので、信号光Ｓの反射光は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。被測定物体２０５を経由した信号光と、鏡２０２を経由し周波数シフトを受けた参照光Ｒは、ビームスプリッタ２０３によって重畳されて干渉光を生成する。
【０００７】
低コヒーレンス干渉方法を用いた画像計測では、信号光Ｓと参照光Ｒの光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長（可干渉距離）以内でありかつ参照光Ｒと位相相関のある信号光Ｓの成分のみが参照光Ｒと干渉を生じる。すなわち、信号光Ｓのコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光Ｒと干渉し合う。この原理から、鏡２０２の位置をｚ−スキャンして参照光Ｒの光路長を変化させることにより、被測定物体２０５の内部層の光反射プロフィールが測定される。更に、被測定物体２０５へ照射される信号光Ｓをｘ−ｙ面方向にも走査する。このようなｚ方向及びｘ−ｙ面方向のスキャンを行いながら干渉光を光検出器２０４で検出し、その検出結果として出力される電気信号（ヘテロダイン信号）を解析することによって、被検体２０５の２次元断層画像が取得される（非特許文献１を参照）。
【０００８】
なお、ビームスプリッタ２０３によって重畳される参照光Ｒ及び信号光Ｓの強度をそれぞれＩｒとＩｓとし、両光波の間の周波数差及び位相差をそれぞれｆｉｆ及びΔθとすると、光検出器からは次式に示すようなヘテロダイン信号が出力される（例えば、非特許文献２を参照）。
【０００９】
【数１】
2006084304.tif 000003
【００１０】
式（１）の右辺第３項は交流電気信号であり、その周波数ｆｉｆは参照光Ｒと信号光Ｓのうなり（ビート）の周波数に等しい。ヘテロダイン信号の交流成分の周波数ｆｉｆは、ビート周波数などと呼ばれる。また、式（１）の右辺第１項及び第２項はヘテロダイン信号の直流成分であり、干渉光の背景光の信号強度に対応している。
【００１１】
しかしながら、このような従来の低コヒーレンス干渉法で２次元断層画像を取得するためには、被測定物体２０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体２０５の深度方向（ｚ方向）及び断層面方向（ｘ−ｙ面方向）の各部位からの反射光波を順次に検出する必要がある。したがって、被測定物体２０５を計測するためには長時間を要し、また、その計測原理を勘案すると計測時間の短縮を図ることは困難である。
【００１２】
このような問題点に鑑み、計測時間の短縮を図るための光画像計測装置が考案されている。図９には、そのような装置の一例の基本構成が示されている。同図に示す光画像計測装置３００は、広帯域光源３０１、鏡３０２、ビームスプリッタ３０３、光検出器としての２次元光センサアレイ３０４、及びレンズ３０６、３０７を含んで構成されている。光源３０１から出射された光ビームは、レンズ３０６、３０７により平行光束にされるとともにそのビーム径が拡大され、ビームスプリッタ３０３によって参照光Ｒと信号光Ｓとに二分される。参照光Ｒには鏡３０２のｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトが付与される。一方、信号光Ｓは、ビーム径が広げられているので、ｘ−ｙ面の広い範囲に亘って被測定物体３０５に入射される。よって、信号光Ｓは、当該入射範囲における被測定物体３０５の表面や内部の情報を含んだ反射光となる。参照光Ｒと信号光Ｓは、ビームスプリッタ３０３により重畳され、２次元光センサアレイ３０４上に並列配置された素子（光センサ）により検出される。したがって、光ビームを走査することなく、被測定物体３０５の２次元断層画像をリアルタイムに取得することが可能となる。
【００１３】
このような非走査型の光画像計測装置としては、非特許文献３に記載のものが知られている。同文献に記載の装置では、２次元光センサアレイから出力される複数のヘテロダイン信号を、並列配置された複数の信号処理系に入力して、各ヘテロダイン信号の振幅と位相を検出するように構成されている。
【００１４】
しかし、このような構成において画像の空間分解能を高めるためにはアレイの素子数を増加させる必要があり、更に、その素子数に対応するチャンネル数を備えた信号処理系を用意しなければならない。したがって、高分解能の画像を必要とする医療や工業等の分野においては実用化する上で難があると思われる。
【００１５】
そこで、本発明者らは、下記の特許文献１において、次のような非走査型の光画像計測装置を提案した。本提案に係る光画像計測装置は、光ビームを出射する光源と、該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、前記被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、該干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、該二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を有するものであり、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備している。
【００１６】
この光画像計測装置は、参照光と信号光の干渉光を二分して２台の光センサ（２次元光センサアレイ；検出手段）で受光するとともに、両センサアレイの前にそれぞれ光遮断装置を配置して干渉光をサンプリングするように構成されている。そして、分割された２つの干渉光のサンプリング周期にπ／２の位相差を設けることにより、干渉光の背景光を構成する信号光と参照光の強度と、干渉光の位相の直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）とを検出するとともに、両センサアレイからの出力に含まれる背景光の強度を両センサアレイの出力から差し引くことにより、干渉光の２つの位相直交成分を算出し、その算出結果を用いて干渉光の振幅を求めるようになっている。
【００１７】
しかし、特許文献１に記載の光画像計測装置では、干渉光のサンプリング周波数の設定が自動化されていないため、その設定を行うための手間を要していた。また、当該文献の光画像計測装置では、ビート周波数に応じたサンプリング周波数を簡便に設定することができず、高精度のサンプリングを容易に行うことは困難であった。
【００１８】
また、本発明者らは、例えば特願２００４−５２１９５号等において、３台の光センサを用いて干渉光を検出する構成の光画像計測装置を提案したが、製造コストや構造簡略化の面を考慮すると、少ない個数の光センサで同様の計測、特に交流成分の計測を行えることが望ましいと考えられる。
【００１９】
なお、以上のような光画像計測装置の２次元光センサアレイとしてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）カメラなどの市販のイメージセンサが広く用いられている。しかし、現在市販されているＣＣＤカメラは周波数応答特性が低く、数ＫＨzから数ＭＨz程度のヘテロダイン信号のビート周波数に追従できないという問題点が従来から認識されていた。本発明者らによる特許文献１記載の光画像計測装置は、当該問題点を十分に認識した上で、その応答特性の低さを利用して計測を行っている点が特徴的であるといえる。
【００２０】
【特許文献１】特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落［００６８］−［００８４］、第１図）
【非特許文献１】丹野直弘、「光学」、２８巻３号、１１６（１９９９）
【非特許文献２】吉沢、瀬田編、「光ヘテロダイン技術（改訂版）」、新技術コミュニケーションズ（２００３）、ｐ．２
【非特許文献３】Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．３０  １７５３、（１９９４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、より少ない個数の光センサによって干渉光、特にその交流成分を有効に取得することが可能な光画像計測装置を提供することを目的とする。
【００２２】
また、本発明は、干渉光の高精度のサンプリングを容易に行うことが可能な光画像計測装置を提供することを更なる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光ビームを所定の周波数で強度変調して出力する光ビーム出力手段と、前記光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する第１の変換手段と、前記光ビームを被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、前記参照物体を所定の周波数及び所定の振幅で振動させる振動手段と、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の偏光特性を変換する第２の変換手段と、前記第１及び第２の変換手段により変換された偏光特性をそれぞれ有し、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記振動される前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、前記重畳手段により生成された干渉光の異なる２つの偏光成分を抽出する抽出手段と、前記抽出された前記２つの偏光成分をそれぞれ検出する一対の検出手段と、前記各検出手段によりそれぞれ検出された各偏光成分に基づいて前記干渉光の信号強度もしくは位相を算出して前記被測定物体の画像を形成する信号処理手段と、を備え、前記光ビーム出力手段による前記光ビームの強度変調の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、かつ、前記振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長以下とされる、ことを特徴とする光画像計測装置である。なお、「干渉光の周波数」とは、干渉光のうなりの周波数（ビート周波数）を示している（以下同様）。
【００２４】
また、請求項２に記載の発明は、光ビームを出射する光源と、前記出射された光ビームを、被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、前記参照物体を所定の周波数及び所定の振幅で振動させる振動手段と、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された干渉光の光路を二分する光路分割手段と、前記二分された各光路の前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ周期的に変調する一対の強度変調手段と、前記各強度変調手段により強度変調された前記各光路の前記干渉光をそれぞれ検出する一対の検出手段と、前記各検出手段によりそれぞれ検出された前記干渉光の信号強度もしくは位相を算出して前記被測定物体の画像を形成する信号処理手段と、を備え、前記各強度変調手段による前記干渉光の前記強度変調の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の周波数は、前記干渉光の周波数に同期され、かつ、前記振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長以下とされる、ことを特徴とする光画像計測装置である。
【００２５】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記振動手段は、前記参照物体に取り付けられたピエゾ素子を含んでいることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記出力されたレーザ光を、前記振動手段により振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、前記補助検出手段による検出結果に基づき前記振動手段を制御する振動制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記振動手段による前記参照物体の振動の前記所定の振幅は、前記干渉光の波長の１０分の１以上前記波長以下とされることを特徴とする。
【００２８】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記光ビーム出力手段は、光ビームを出射する光源と、前記干渉光の周波数に同期した周波数と所定の位相差を持って周期的に前記光ビームを出力させるように前記光源を駆動する光源駆動手段と、を含んでいることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の光画像計測装置であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、を備え、前記光ビーム出力手段の光源駆動手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて前記補助干渉光の周波数に同期した周波数のパルス信号を生成し、前記光源は、前記生成された前記パルス信号により駆動されて、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する、ことを特徴とする。
【００３０】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記光ビーム出力手段は、連続的な光ビームを出力する光源と、前記出力された連続的な光ビームを前記干渉光の周波数に同期した周波数で周期的に遮断する光ビーム遮断手段と、を含むことを特徴とする。
【００３１】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の光画像計測装置であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、を備え、前記光ビーム遮断手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて前記連続的な光ビームを前記周期的に遮断する、ことを特徴とする。
【００３２】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記第１の変換手段は、前記光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光板であることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記第２の変換手段は、直線偏光の前記信号光又は前記参照光の互いに直交するＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差を与えて偏光特性を変換する波長板であることを特徴とする。
【００３４】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の光画像計測装置であって、前記抽出手段は、前記干渉光のＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする。
【００３５】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記干渉光の周波数に同期した周波数のパルス信号を出力するパルス信号発生手段と、前記出力された前記パルス信号の位相を相対的にシフトさせて前記一対の強度変調手段にそれぞれ出力する位相シフト手段と、を備え、前記各強度変調手段は、前記位相シフト手段により位相が相対的にシフトされた前記パルス信号を受けて前記干渉光の強度を変調する、ことを特徴とする。
【００３６】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の光画像計測装置であって、レーザ光を出力するレーザ光源と、前記出力されたレーザ光を、前記振動される前記参照物体を経由する第１のレーザ光と、固定配置の反射鏡を経由する第２のレーザ光とに分割し、前記参照物体を経由した前記第１のレーザ光と前記反射鏡にて反射された前記第２のレーザ光とを重畳させて補助干渉光を生成する干渉光学系と、前記生成された補助干渉光を検出する補助検出手段と、を備え、前記パルス信号発生手段は、前記補助検出手段による検出結果に基づいて、前記補助干渉光の周波数に同期した周波数の前記パルス信号を出力する、ことを特徴とする。
【００３７】
また、請求項１５に記載の発明は、請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記各強度変調手段は、前記干渉光の強度を所定の周波数でそれぞれ周期的に遮断するシャッタ手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１に記載の本発明は、光ビーム出力手段による光ビームの強度変調の周波数が干渉光の周波数に同期され、振動手段による参照物体の振動の周波数が干渉光の周波数に同期され、かつ、その振動の振幅が干渉光の波長以下とされるとともに、抽出手段により抽出された２つの偏光成分を一対の検出手段によってそれぞれ検出し、その検出結果に基づいて干渉光の信号強度もしくは位相を算出して被測定物体の画像を形成するように構成されている。したがって、一対すなわち２個の検出手段のみにより、干渉光、特にその交流成分を検出して被測定物体の画像を形成することができる。また、光ビームの強度変調の周波数と、参照物体の振動の周波数及び振幅とを自動設定することができるので、干渉光の高精度のサンプリングを容易に行うことが可能である。
【００３９】
また、請求項２に記載の本発明によれば、強度変調手段による干渉光の強度変調の周波数が干渉光の周波数に同期され、振動手段による参照物体の振動の周波数が干渉光の周波数に同期され、かつ、その振動の振幅が干渉光の波長以下とされるとともに、抽出手段により抽出された２つの偏光成分を一対の検出手段によってそれぞれ検出し、その検出結果に基づいて干渉光の信号強度もしくは位相を算出して被測定物体の画像を形成するように構成されている。したがって、一対すなわち２個の検出手段のみにより、干渉光、特にその交流成分を検出して被測定物体の画像を形成することができる。また、強度変調手段による干渉光の強度変調の周波数と、参照物体の振動の周波数及び振幅とを自動設定することができるので、干渉光の高精度のサンプリングを容易に行うことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明に係る光画像計測装置の好適な実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下、光の偏光特性を利用して画像計測を行う第１の実施形態と、シャッタを用いたサンプリングによって画像計測を行う第２の実施形態とについて、それぞれ説明する。
【００４１】
〈第１の実施形態〉
［装置構成］
まず、本発明の第１の実施形態の光画像計測装置の構成について、図１及び図２を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の光画像計測装置の（主に）光学系の概略構成を示す。また、図２は、本実施形態の光画像計測装置の制御系の構成を表している。
【００４２】
〔光学系の構成〕
本実施形態の光画像計測装置は、例えば医療や工業分野における被測定物体の断層画像や表面画像の計測に利用可能な装置である。ここで、被測定物体は、例えば医療分野においては人眼等の散乱媒質からなる物体である。
【００４３】
図１に示す本実施形態の光画像計測装置１は、低コヒーレントな光ビームを出力する広帯域光源２と、この光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームを平行光束とするとともにそのビーム径を拡大するレンズ４、５と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するとともに、それらを重畳して干渉光Ｌを生成するハーフミラー６と、参照光Ｒの偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する波長板７と、参照光Ｒの進行方向に対して直交する反射面により参照光Ｒを全反射する参照鏡８と、参照鏡８の反射面の背面に取り付けられたピエゾ素子９とを含んでいる。ここで、ハーフミラー６によって生成される干渉光Ｌは、本発明にいう「干渉光」に相当する。
【００４４】
広帯域光源２は、本発明にいう「光源」に相当し、ＳＬＤやＬＥＤ（発光ダイオード）等により構成される。なお、市販の近赤外域ＳＬＤのコヒーレント長は３０μｍ程度、ＬＥＤの場合には１０μｍ程度である。
【００４５】
図１中に示すｘｙｚ座標系は、広帯域光源２から出力された光ビームの進行方向をｚ軸方向とし、それに直交する光ビームの振動面をｘｙ平面として定義している。ｘ軸方向、ｙ軸方向は、光ビームの電場（電界）成分の振動面、磁場（磁界）成分の振動面に一致するように定義される。
【００４６】
偏光板３は、本発明にいう「第１の変換手段」に相当し、広帯域光源３からの光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光変換素子である。本実施形態における偏光板３は、上記ｘｙ平面のｘ軸（及びｙ軸）に対して４５°をなす角度方向の振動成分を透過させるように構成される。それにより、偏光板３を透過した光ビームは、角度４５°の直線偏光を有する。したがって、当該光ビームのｘ軸方向及びｙ軸方向における偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有している。換言すれば、当該光ビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有する。
【００４７】
ハーフミラー６は、平行光束とされた直線偏光の光ビームを、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓと参照鏡８に向かう参照光Ｒとに分割する、本発明の「分割手段」を構成する。ハーフミラー６は、光ビームの一部（半分）を透過させて信号光Ｓとし、その残りを反射して参照光Ｒとする。
【００４８】
また、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓの一部を反射するとともに参照鏡８を経由した参照光Ｒの一部を透過させることにより、信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて干渉光Ｌを生成する、本発明の「重畳手段」を構成している。
【００４９】
なお、本実施形態においては、反射体としての被測定物体Ｏ及び参照鏡８と、ハーフミラー６とによって形成されるマイケルソン型の干渉計を用いていることから、分割手段と重畳手段とを同一のハーフミラー６（の異なる反射面）により構成している。一方、マッハツェンダー型などの他の干渉計を採用する場合には、分割手段と重畳手段とは、それぞれ別々の光学素子によって構成されていてもよい。また、分割手段及び重畳手段としては、光ビーム（信号光Ｓ、参照光Ｒ）の偏光特性に影響を与えない無偏光型の任意のビームスプリッタが適用される。
【００５０】
波長板７は、本発明の「第２の変換手段」を構成するもので、直線偏光の参照光Ｒの偏光特性を変換する偏光変換素子である。本実施形態における波長板７としては、１／８波長板が用いられる。それにより、参照光Ｒには、波長板７を通過するときに、そのＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差π／４が与えられる。参照光Ｒは、ハーフミラー６から参照鏡８に向かうときと、参照鏡８に反射されてハーフミラー６に再入射するときに、それぞれ当該位相差を与えられるので、結果として位相差π／２が付与される。したがって、４５°の直線偏光を有する参照光Ｒに対して１／４波長板と同様に作用することから、ハーフミラー６に再入射される参照光Ｒは円偏光に変換されることとなる。なお、上述のようにマッハツェンダー型などの他の干渉計を用いる場合には、１／４波長板を適用することができる。
【００５１】
参照鏡８は、本発明の「参照物体」を構成し、参照光Ｒの光路方向に移動されることにより、被測定物体Ｏの様々な深さ（ｚ座標）による信号光Ｓの反射光を抽出する。より具体的に説明すると、広帯域光源２からの光ビームは低コヒーレント光であるから、参照光Ｒとほぼ等距離を経由した信号光Ｓのみが干渉光Ｌの生成に寄与する。つまり、ハーフミラー６に対して参照鏡８とほぼ等距離の被測定物体Ｏのｚ位置からの反射光のみが参照光Ｒと干渉して干渉光Ｌを生成する。したがって、参照鏡８の位置を変化（ｚ−スキャン）させることにより、被測定物体Ｏの様々なｚ座標の領域からの反射光を逐次抽出するようになっている。
【００５２】
また、参照鏡８は、ピエゾ素子９によって参照光Ｒの光路方向にｚ−スキャンされて参照光Ｒの周波数をシフトさせるように作用する。このような参照鏡８の移動によって付与される周波数シフトをドップラー周波数シフトと呼ぶことがある。また、ピエゾ素子９は、参照鏡８を振動させることもできる。この振動は、ｚ−スキャンと同時に行うことも可能である。ピエゾ素子９は、本発明の「振動手段」を構成する。
【００５３】
本実施形態の光画像計測装置１には、更に、重畳手段としてのハーフミラー６により生成された干渉光Ｌを結像させる結像用レンズ群１０と、干渉光Ｌの光路を偏光特性に応じて分割する偏光ビームスプリッタ１１と、分割された干渉光Ｌの各光路上に設けられたＣＣＤ（カメラ）２１、２２と、これらＣＣＤ２１、２２のそれぞれによる検出結果を処理する信号処理部２０とを含んでいる。
【００５４】
偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光Ｌの異なる複数の偏光成分を抽出する、本発明にいう「抽出手段」を構成するものである。より具体的には、偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射してＣＣＤ２１に入射させるとともに、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過させてＣＣＤ２２に入射させるように作用する。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２は、互いに等しい振幅（つまり最大強度）を有している。
【００５５】
ＣＣＤ２１、２２は、本発明にいう「一対の検出手段」を構成するもので、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。ＣＣＤ２１は、偏光ビームスプリッタ１１により抽出された干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を検出し、光電変換を行うことにより検出信号を生成し、それを信号処理部２０に出力する。同様に、ＣＣＤ２２は、抽出された干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２を検出して光電変換することで検出信号を生成し、信号処理部２０に出力する。各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号は前述のヘテロダイン信号である。
【００５６】
信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号に基づいて後述する演算処理を実行して被測定物体Ｏの２次元断面画像などの各種画像を形成する本発明の「信号処理手段」である。信号処理部２０は、例えば、所定の演算プログラムを格納したＲＯＭ等の記憶装置と、当該演算プログラムを実行するＣＰＵ等の演算制御装置とを含んで構成される。
【００５７】
更に、本実施形態の光画像計測装置１は、参照光Ｒに付与される周波数シフトをモニタして、広帯域光源２からの光ビームを強度変調するための構成として、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３及びフォトディテクタ（ＰＤ）３４を備えている。
【００５８】
光源３１は、本発明の「レーザ光源」に相当し、広帯域光源２より長いコヒーレント長を持つレーザ光を発するレーザダイオード等によって構成される。ビームスプリッタ３２は、光源３１からのレーザ光を参照鏡８を経由する第１のレーザ光（反射光）と、固定配置された反射鏡３３を経由する第２のレーザ光（透過光）とに分割するとともに、ピエゾ素子９の作用によって周波数シフトを受けた第１のレーザ光と反射鏡３３にて反射された第２のレーザ光とを重畳して干渉光を生成する。ここで、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３及び参照鏡８は、本発明にいう「干渉光学系」を構成し、また、当該干渉光学系により生成される干渉光は、「補助干渉光」に相当する。補助干渉光は、ハーフミラー６にて生成される干渉光Ｌと等しい周波数及び波長を有している。
【００５９】
フォトディテクタ３４は、本発明の「補助検出手段」を構成し、当該干渉光学系により生成された補助干渉光を検出し、この補助干渉光と等しい周波数及び波長の電気信号を出力する。
【００６０】
〔制御系の構成〕
次に、図２を参照して、本実施形態の光画像計測装置１の制御系について説明する。光画像計測装置１の制御系は、広帯域光源２を駆動する光源駆動器３５、ピエゾ素子９を駆動するピエゾ駆動器３６、形成された画像が表示される表示装置３７、及び、装置各部の制御を行う制御部３８を含んで構成されている。制御部３８には、フォトディテクタ３４による検出信号や、信号処理部２０によって形成された画像（画像信号）が入力される。
【００６１】
光源駆動器３５は、制御部３８の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）のパルス信号を生成して広帯域光源２に出力するよう動作する。広帯域光源２は、光源駆動器３５から出力されたパルス信号により駆動され、当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する。なお、広帯域光源２からの光ビームは、例えば、５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。光源駆動器３５は、本発明の「光源駆動手段」を構成している。
【００６２】
なお、広帯域光源２、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及び光源駆動器３５は、光ビームを所定の周波数で強度変調して出力する本発明の「光ビーム出力手段」を構成している。
【００６３】
ピエゾ駆動器３６は、制御部３８の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）を有し、かつ、ピエゾ素子９の振動の振幅を当該電気信号の波長の例えば２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９に出力するよう動作する。ここで、ピエゾ素子９に送られる電気信号の振幅とピエゾ素子９の振動の振幅との関係は既知とされ、ピエゾ駆動器３６は、この関係から求めた振幅の電気信号をピエゾ素子９に出力する。なお、このピエゾ駆動器３６は、本発明にいう「振動制御手段」を構成している。
【００６４】
表示装置３７は、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等のモニタ装置から構成され、制御部３８から出力される画像信号に基づいて画像を表示する。
【００６５】
［測定形態］
続いて、本実施形態の光画像計測装置１により実行される干渉光Ｌの信号強度や位相の空間分布の測定形態、すなわちヘテロダイン信号の信号強度やその位相情報の測定形態について説明する。以下に詳述する信号処理は、図１に示した信号処理部２０によって実行されるものである。
【００６６】
本実施形態の光画像計測装置１は、偏光特性の異なる信号光Ｓと参照光Ｒを形成し、それらの干渉光Ｌをヘテロダイン信号として検出することにより、被測定物体Ｏの表面画像や断層画像を得ることを特徴としている。
【００６７】
まず、光画像計測装置１による光の偏光特性を利用した測定形態の基本原理を説明する。
【００６８】
広帯域光源２から出力された光ビームは、偏光板３により上記ｘ軸に対して４５°をなす角度方向の直線偏光に変換され、レンズ４、５によってビーム径を拡大され、かつ、平行光束とされてハーフミラー６に入射して信号光Ｓと参照光Ｒとに２分される。
【００６９】
信号光Ｓは、散乱媒質からなる被測定物体Ｏに入射し、その表面や様々な深さの断層面にて反射される。被測定物体Ｏからの反射光波の一部はハーフミラー６により反射されて結像用レンズ群１０に伝送される。
【００７０】
一方、参照光Ｒは波長板７を通過して参照鏡８へと伝送される。このとき、参照鏡８は、ピエゾ素子９によって参照光Ｒの光路方向に駆動（ｚ−スキャン）されている。また、参照光Ｒは、ピエゾ素子９により移動される参照鏡８によって所定量の周波数シフトを受けて、再び波長板７を通過する。ここで、参照光Ｒの偏光特性は角度４５°の直線偏光であり、波長板７は１／８波長板であることから、波長板７を２回通過した参照光Ｒの偏光特性は円偏光に変換されることとなる。円偏光とされた参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過して結像用レンズ群１０に伝送される。
【００７１】
このとき、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏにて反射された直線偏光の信号光Ｓと、周波数がシフトされかつ円偏光に変換された参照光Ｒとを重畳して干渉光Ｌを生成し、この干渉光Ｌが結像用レンズ群１０に伝送されることとなる。干渉光Ｌは、結像用レンズ群１０を経由して偏光ビームスプリッタ１１に伝搬される。
【００７２】
偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射し、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過するように作用する。干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１はＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２はＣＣＤ２２によって検出される。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１は、信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓとを含んでおり、干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２は、信号光ＳのＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＰ偏光成分Ｅｒｐとを含んでいる。信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓ及びＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓ及びＰ偏光成分Ｅｒｐとは、次式のように表される。
【００７３】
【数２】
2006084304.tif 000004
【００７４】
ここで、ｆは広帯域光源２から出力される光ビームの周波数を表し、ｆＤは周波数シフトを表し、φは信号光Ｓの初期位相を、φ′は参照光Ｒの初期位相をそれぞれ表す。更に、信号光Ｓと参照光Ｒとの初期位相の差をΔφ（＝φ−φ′）と表すこととする。［数２］に示す式（２）〜（５）を参照すると、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは、ＣＣＤ２１、２２により、それぞれ次式のようなヘテロダイン信号ｉ１、ｉ２として検出される。
【００７５】
【数３】
2006084304.tif 000005
【００７６】
式（６）、（７）を比較すると、各式の第３項の交流信号は、同位相のｃｏｓ関数とｓｉｎ関数であることから９０°の位相差があることが分かる。本発明は、この特徴を利用するとともに、周期的に強度変調された光ビームを測定光として使用することにより、シャッタによるサンプリング処理を用いない光ヘテロダイン検出を実現可能とし、それにより干渉光Ｌの信号強度および位相の空間分布を測定するものである。従来の光画像計測技術においては、単一の干渉光を位相の異なる複数の関数でサンプリングすることによりそのｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とを検出していたが、本発明においては、参照光Ｒや信号光Ｓの偏光特性を変換して位相の異なる複数（ここでは２つ）の干渉光を生成し、それらを別々に検出するように構成されている点が特徴的である。以下に、本実施形態における測定原理を説明する。
【００７７】
本実施形態の光画像計測装置１は、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及び光源駆動器３５を用いて、広帯域光源２から出力される光ビームの強度変調の周波数を制御するとともに、ピエゾ素子９による参照鏡８の振動の周波数及び振幅を制御することを特徴としている。
【００７８】
光源３１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ３２によって参照鏡８方向の光路（反射光）と反射鏡３３方向の光路（透過光）とに分割される。参照光９方向の光路のレーザ光は、ピエゾ素子９によってｚ−スキャンされる参照鏡８を経由するようになっており、それによる周波数シフトを受けてビームスプリッタ３２に再入射する。一方、反射鏡３３方向の光路のレーザ光は、反射鏡３３による反射光として（周波数をシフトされることなく）ビームスプリッタ３２に再入射する。両光路を経由したレーザ光は、ビームスプリッタ３２によって重畳され干渉光となってフォトディテクタ３４により検出される。
【００７９】
フォトディテクタ３４により検出される干渉光は、参照光Ｒと同様に参照鏡８によるドップラー周波数シフトとを受けるので、参照光Ｒと同量の周波数シフトを受ける。したがって、当該干渉光は、信号光Ｓと参照光Ｒとからなる干渉光Ｌと等しい周波数及び波長を有している。
【００８０】
フォトディテクタ３４は、検出した干渉光に対応する電気信号を光源駆動器３５に出力する。この電気信号は、式（１）に示すヘテロダイン信号と同様に直流成分と交流成分とを有しており、その交流成分の周波数は上述のように干渉光Ｌのビート周波数と等しくなっている。
【００８１】
光源駆動器３５は、フォトディテクタ３４からの電気信号に同期した周波数のパルス信号を広帯域光源２に出力する。広帯域光源２は、光源駆動器３５からのパルス信号によって駆動されて、当該パルス信号と同期した周波数、すなわち、干渉光Ｌの周波数に同期した周波数でパルス状の光ビームを出力する。
【００８２】
また、ピエゾ駆動器３６は、フォトディテクタ３４からの電気信号に同期した周波数で、かつ、ピエゾ素子９の振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９に出力する。それにより、参照鏡８は、ピエゾ素子９により、干渉光Ｌの周波数に同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で振動される。
【００８３】
このように、本実施形態では、参照光Ｒに付与される周波数シフトのシフト量をモニタし、当該シフト量（＝干渉光Ｌの周波数）と同期した周波数のパルス状の光ビームを用いて被測定物体Ｏの測定を行うとともに、干渉光Ｌと同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で参照鏡８を振動させるようになっている。
【００８４】
広帯域光源２からの光ビームは、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。なお、当該光ビームのｄｕｔｙ比は５０％に限定されるものではなく、パルス形状は矩形列以外（例えば三角形列や台形列等）でもよい。また、出力強度０と１００とを切り換えて得られるパルス光に代えて、例えば出力強度を５０と１００との間で変調して得られる光ビームを適用することもできる。すなわち、ここで重要なのは、光ビームの強度変調の度合ではなく、その強度変調の周波数が干渉光Ｌのビート周波数とほぼ等しくなるように制御されることである。
【００８５】
また、参照鏡８の振幅については、干渉光Ｌの波長以下であれば十分である。これは、干渉光Ｌの波長を超える振幅で参照鏡８を振動させると、参照鏡８により反射される参照光Ｒが不連続な波形となるなどして不都合が生じてしまうことによる。また、参照光ＲのＳ／Ｎ比を考慮すると、参照鏡８の振幅は、干渉光Ｌの波長の１０分の１以上当該波長以下とされることが好ましい。更に、このような不都合に対処するには、参照光８の振幅を干渉光Ｌの波長の２分の１以下とすることが望ましい。
【００８６】
図３に、このような測定形態の一例を示す。以下、広帯域光源２から出力される光ビームの強度の変調周波数をｆｍとする。また、前述したように、ｆＤは参照光Ｒに付与される周波数シフト（干渉光Ｌのビート周波数）を表し、光ビームの変調周波数ｆｍは周波数シフトｆＤと等しくなっている（同期されている）。
【００８７】
図３（Ａ）は、周波数ｆｍで強度変調されて広帯域光源２から出力される光ビームの時間波形を表す。図３（Ｂ）は、光ビームが連続光であり、よって参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１（ビート周波数ｆＤ）の時間波形を表す。図３（Ｃ）は、参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す。ここで、図３（Ｂ）、（Ｃ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２との位相差は９０°である。
【００８８】
また、図３（Ｄ）は、広帯域光源２からの光ビームが図３（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の時間波形を表す（図３（Ｂ）に対応する）。図３（Ｅ）は、広帯域光源２からの光ビームが図３（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す（図３（Ｃ）に対応する）。図３（Ｄ）、（Ｅ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは９０°の位相差を有する。
【００８９】
ＣＣＤ２１は、図３（Ｄ）に示す時間波形のＳ偏光成分Ｌ１を検出する。広帯域光源２からの光ビームは周波数ｆｍ、５０％ｄｕｔｙの矩形列の光パルスであり、その変調周波数ｆｍと干渉光Ｌのビート周波数ｆＤとの差δｆ＝｜ｆｍ−ｆＤ｜が蓄積型光センサであるＣＣＤ２１の応答周波数に比べて十分小さいときには、ＣＣＤ２１から出力されるＳ偏光成分Ｌ１の検出信号は、検出時間内に蓄積された光電荷量に比例するものとなり、次式のように与えられる。（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｌ１１９４（２０００）参照）。
【００９０】
【数４】
2006084304.tif 000006
【００９１】
ここで、＜・＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表し、Ｋ１は偏光ビームスプリッタ１１の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率、ｍ（ｔ）は広帯域光源２の出力を強度変調する関数（矩形のパルスを表す関数）、またβは測定における初期位相値を表す。式（８）から分かるように、ＣＣＤ２１から出力される検出信号には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度に関する項（背景光成分）の他に、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の振幅√（ＩｓｓＩｒｓ）及び位相２πδｆｔ＋βに関する項が含まれている。
【００９２】
ここで、高精度の画像を取得するために、図３（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、ＣＣＤ２１により検出されるＳ偏光成分Ｌ１の一部分は、Ｓ偏光成分Ｌ１の「谷」の部分、すなわち強度が極小の部分を含み、かつ、図３（Ｃ）、（Ｅ）に示すように、ＣＣＤ２２により検出されるＰ偏光成分Ｌ２の一部分は、Ｐ偏光成分Ｌ２の「山」の部分、すなわち強度が極大の部分を含んでいることが好ましい。なお、逆に、Ｓ偏光成分Ｌ１の「山」の部分及びＰ偏光成分Ｌ２の「谷」の部分を検出するようにしてもよい。
【００９３】
同様に、ＣＣＤ２２は、図３（Ｅ）に示す時間波形のＰ偏光成分Ｌ２を検出し、次式のような検出信号を出力する。
【００９４】
【数５】
2006084304.tif 000007
【００９５】
ここで、Ｋ２は偏光ビームスプリッタ１１の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率を含めた光検出効率である。
【００９６】
次に、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号（８）、（９）に基づく、干渉光Ｌの信号強度の算出処理について説明する。
【００９７】
参照光Ｒは、波長板７により円偏光に変換されているので、そのＳ偏光成分Ｅｒｓの強度ＩｒｓとＰ偏光成分Ｅｒｐの強度Ｉｒｐとは等しいと考えられる（Ｉｒｓ＝Ｉｒｐ＝Ｉｒと示す）。
【００９８】
一方、信号光Ｓについて、被測定物体Ｏからの反射光は入射光の偏光特性に顕著に依存しないと考えられることから、そのＳ偏光成分Ｅｓｓの強度ＩｓｓとＰ偏光成分Ｅｓｐの強度Ｉｓｐとは等しいか、あるいは近い値であると考えられる（Ｉｓｓ＝Ｉｓｐ＝Ｉｓと示す）。また、信号光Ｓは被測定物体Ｏによって散乱、吸収されることから、その強度は一般的に参照光Ｒより十分に小さい（Ｉｓ＜＜Ｉｒ）と考えることができる。
【００９９】
また、式（８）及び式（９）の右辺の第１項と第２項は背景光の強度を表し、その値は、事前に若しくは別途に測定することができる。例えば、広帯域光源２により連続光からなる光ビームを出力してＣＣＤ２１等により検出し、それを１波長分（あるいはその整数倍）だけ積分して第３項（交流成分；位相直交成分）をキャンセルすることにより、背景光の強度（背景光成分）を取得することができる。
【０１００】
取得された背景光成分を各ＣＣＤ２１、２２からの検出信号の強度から除算することにより、各検出信号の位相直交成分、すなわち、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ１′（ｔ）、Ｓ２′（ｔ）が算出される（次式を参照）。
【０１０１】
【数６】
2006084304.tif 000008
【０１０２】
これら式（１０）、（１１）を用いると、干渉信号の振幅は次式のように表される。
【０１０３】
【数７】
2006084304.tif 000009
【０１０４】
更に、本実施形態の光画像計測装置１は、次のようにして干渉光Ｌの位相の空間分布を画像化する。
【０１０５】
或る測定時間ｔ＝ｔ１において、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の位相直交成分Ｓ１′（ｔ１）がＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ２′（ｔ１）がＣＣＤ２２により検出されたとすると、これら両位相直交成分の比を取ると次のような信号が得られる。
【０１０６】
【数８】
2006084304.tif 000010
【０１０７】
この式（１３）に示す信号Ｓ３は、干渉光Ｌの振幅に依存せず、位相情報のみから構成されていることが分かる。本実施形態では、複数のピクセルが２次元的に配列された受光面を持つＣＣＤ２１、２２によりＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２を検出しているので、各ピクセルで検出される信号の位相β（ｘ、ｙ、ｔ１）は、次式のように表される（ここで、（ｘ、ｙ）は、各ピクセルの受光面上における座標を表す）。
【０１０８】
【数９】
2006084304.tif 000011
【０１０９】
この式（１４）の第２項は、ゼロあるいはほぼゼロの周波数δｆ（≒０）を有する交流信号の測定時間ｔ１における瞬時位相値であるから、ＣＣＤ２１、２２のピクセルの位置、つまり座標ｘ、ｙに依らずに均一であると考えられる。したがって、例えばＣＣＤ２１、２２の受光面上の或る特定点（ｘ＝ｘ１、ｙ＝ｙ１）に位置するピクセルで検出される位相φ（ｘ１、ｙ１、ｔ１）を基準に、各ピクセルで検出される検出信号の位相差を求めれば、ヘテロダイン信号の位相差の空間分布、すなわち干渉光Ｌの位相差の空間分布を画像化できる。
【０１１０】
他方、干渉光Ｌの位相情報からその周波数情報を取得することも可能である。２つの測定時間ｔ＝ｔ１及びｔ＝ｔ２における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相をそれぞれβ（ｘ、ｙ、ｔ１）及びβ（ｘ、ｙ、ｔ２）とすると、干渉光Ｌのビート周波数ｆＤと、広帯域光源２からの光ビームの変調周波数ｆｍとの差δｆは、次式のように表される。
【０１１１】
【数１０】
2006084304.tif 000012
【０１１２】
ここで、光ビームの変調周波数ｆｍは既知であるので、式（１０）や式（１１）からヘテロダイン周波数、つまり干渉光Ｌのビート周波数ｆＤを算出できる。このようなヘテロダイン周波数の測定方法は、例えばヘテロダイン干渉法を用いたドップラー速度計測に有効であると考えられる。
【０１１３】
［作用・効果］
このような本実施形態の光画像計測装置１によれば、従来よりも少ない個数（２個）のＣＣＤによって干渉光Ｌの交流成分を取得できる。また、光ビームの周波数や、参照鏡８の振動の周波数及び振幅が自動設定されることから、干渉光Ｌの高精度のサンプリングを容易に行うことが可能となる。
【０１１４】
［変形例］
上記の構成では、参照光Ｒに周波数シフトを付与するための構成としてピエゾ素子９による参照鏡８のｚ−スキャンを用いたが、参照光Ｒの光路上に周波数シフタ（電気光学変調器や音響光学変調器など）を設けてもよい（その場合の構成例は後述する；図４参照）。なお、周波数シフタは、信号光Ｓの光路上に設けられてもよい。本発明に係る画像計測においては、重畳時における信号光Ｓの周波数と参照光Ｒの周波数とが相対的にシフトされていれば十分だからである。
【０１１５】
また、上記構成では、広帯域光源２からの光ビームをまず直線偏光とし、それから信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するようになっているが、光ビームの分割後に信号光Ｓと参照光Ｒとをそれぞれ直線偏光に変換するようにしてもよい。ただし、その場合には、信号光Ｓと参照光Ｒの双方の光路上に偏光板を設ける必要があり、上記構成よりも若干複雑な構成となるため、実用上は上記構成の方が好適であると思われる。
【０１１６】
また、上記構成では、参照光Ｒの偏光特性を円偏光に変換するようになっているが、信号光Ｓの方を円偏光に変換し、直線偏光のままの参照光と重畳させるようにすることも可能である。しかし、上述のように、信号光Ｓの被測定物体Ｏによる反射光は参照光Ｒと比較して微弱であるので、信号光Ｓの光路上に波長板を配置させると、それを通過するときに信号光Ｓが弱められてしまう。このように被測定物体Ｏの情報を含んだ信号光Ｓの強度を弱めることは測定の感度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、上記構成のように参照光Ｒの偏光特性を変換する方が有利といえる。なお、周波数シフタの配置についても同様である。
【０１１７】
また、上記構成では、参照光Ｒの周波数のシフト量をモニタする光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３及びフォトディテクタ３４が設けられ、そのモニタ結果を光ビームの強度変調にフィードバックするようになっているが、例えば参照光Ｒに付与する周波数シフト量が設定されているときなどには、それと同期した周波数のパルス信号を自発的に生成する光源駆動器３５を設けて光ビームの強度変調を制御するようにしてもよい。同様に、生成される干渉光Ｌの周波数及び波長があらかじめ分かっている場合には、その周波数と同期した周波数で、かつ、その波長の２分の１（当該波長以下、好ましくは１０分の１〜当該波長、より好ましくは、〜当該波長の２分の１）の振幅で参照鏡８を振動させるような振幅の電気信号を生成するピエゾ駆動器３６を設けるようにしてもよい。
【０１１８】
また、光源駆動器３５による広帯域光源２のパルス駆動に代えて、連続的な光ビーム（連続光）を発する広帯域光源２と、この連続的な光ビームを干渉光Ｌに同期した周波数で周期的に遮断するシャッタとを設けることにより、光ビームの強度を周期的に変調させるようにしてもよい。その場合、当該シャッタは本発明の「光ビーム遮断手段」を構成し、広帯域光源２及び当該シャッタは本発明の「光ビーム出力手段」を構成する。
【０１１９】
以上の説明においては、参照鏡８をｚ−スキャンさせながら被測定物体Ｏの様々な深さの断層像を取得する計測態様について説明したが、参照鏡８の位置を固定して計測を行うことにより、被測定物体Ｏの或る深さにおける静止画像や動画像を精度良く求めることができる。
【０１２０】
また、信号光Ｓの光路上、つまりハーフミラー６と被測定物体Ｏとの間に波長板（１／２波長板）を設けることにより、被測定物体Ｏを経由するときの位相の変化に起因する信号光Ｓの偏光方向の傾きを補正することが可能となる。
【０１２１】
また、光画像計測装置１の検出手段は、前述のＣＣＤに限定されるものではなく、例えば積算回路を備えたラインセンサなど、干渉光を検出して光電変換する機能と、検出した電荷を蓄積する機能との双方を備えているものであればよく、また１次元のセンサでも２次元のセンサでもよい。
【０１２２】
また、マイケルソン型の干渉計を備えた光画像計測装置１について説明したが、例えばマッハツェンダー型などその他の干渉計を採用することも当然に可能である（例えば、本発明者らによる特許第３２４５１３５号を参照）。
【０１２３】
また、干渉計の一部に光ファイバ（バンドル）を設けて導光部材として用いることにより、装置設計上の自由度を高めたり、装置のコンパクト化を図ったり、あるいは、被測定物体の配置の自由度を高めたりすることができる（例えば、上記の特許第３２４５１３５号を参照）。
【０１２４】
本実施形態の光画像計測装置１を例えば眼科の分野に応用すると、上述した眼底の血流状態の測定のほか、網膜や角膜の２次元断面像などを得ることができる。それにより、例えば角膜の内皮細胞数などを測定することが可能となる。なお、その他にも各種の応用が可能であることはいうまでもない。
【０１２５】
図４は、本実施形態の変形例の構成を表す。同図に記載の光画像計測装置１′は、本実施形態の光画像計測装置１とほぼ同様の構成を有している。光画像計測装置１′は、参照光Ｒの周波数をシフトする上述のような周波数シフタ９′を有する。本変形例においては、干渉光Ｌの周波数は、周波数シフタ９′による周波数シフト量と等しい。
【０１２６】
光画像計測装置１′は、本実施形態の光画像計測装置１と同様の光源駆動器３５、ピエゾ駆動器３６及び制御部３８を備えている。また、図示は省略するが、表示装置３７も設けられている。
【０１２７】
周波数シフタ９′は、参照光Ｒの周波数のシフト量を表す電気信号、例えば、当該シフト量と等しい周波数を有する電気信号を制御部３８に送信する。制御部３８は、この電気信号に基づいて光源駆動器３５及びピエゾ駆動器３６をそれぞれ制御する。
【０１２８】
光源駆動器３５は、上記の実施形態の構成と同様に、この電気信号の周波数に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）のパルス信号を生成して広帯域光源２に出力する。広帯域光源２は、このパルス信号により駆動されて当該パルス信号と等しい周波数のパルス状の光ビームを出力する。それにより、光ビームは、干渉光Ｌの周波数と同期した周波数で強度変調される。
【０１２９】
また、ピエゾ駆動器３６についても、上記の実施形態の構成と同様に、周波数シフタ９′からの電気信号の周波数に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）を有し、かつ、ピエゾ素子９の振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９に出力する。それにより、ピエゾ素子９の振動は、干渉光Ｌの周波数と同期した周波数とされ、その振幅は、干渉光Ｌの波長の２分の１（以下の所定の振幅）とされる。
【０１３０】
このような本変形例の構成によれば、干渉光Ｌを生成するために周波数シフタを用いる場合であっても、従来よりも少ない個数（２個）のＣＣＤによって干渉光Ｌの交流成分を取得できるとともに、光ビームの周波数や参照鏡８の振動の周波数及び振幅の設定を自動化して干渉光Ｌのサンプリングを高精度にかつ容易に行うことができる。
【０１３１】
なお、周波数のシフトをピエゾ素子９と周波数シフタ９′との双方によって行う場合には、上記実施形態の構成と本変形例の構成とを組み合わせて用いれば、干渉光の強度変調の周波数及びピエゾ素子９の振動の周波数を干渉光Ｌの周波数とそれぞれ同期させることができ、また、ピエゾ素子９の振動の振幅を干渉光Ｌの波長以下の所定の振幅とすることができる。
【０１３２】
〈第２の実施形態〉
続いて、本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態は、前述のように、干渉光Ｌのサンプリングをシャッタを用いて行うように構成されたものである。
【０１３３】
［装置の構成］
まず、本実施形態の光画像計測装置の構成について説明する。図５は、本実施形態の光画像計測装置の（主に）光学系の構成を表し、図６は、その制御系の構成を表している。以下、第１の実施形態と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明する。
【０１３４】
〔光学系の構成〕
本実施形態の光画像計測装置１００は、図５に示すように、低コヒーレントな連続光を出力するＳＬＤや発光ダイオード（ＬＥＤ）等からなる広帯域光源２（光源）と、この光源２からの光ビームを平行光束とするとともにそのビーム径を拡大するレンズ４、５と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するとともに、それらを重畳して干渉光Ｍを生成するハーフミラー６（分割手段、重畳手段）と、全反射鏡からなる参照鏡８（参照物体）と、この参照鏡８のｚ−スキャンさせ、また参照鏡８を振動させるピエゾ素子９（振動手段）とを含んでいる。
【０１３５】
なお、参照鏡８の直前など参照光Ｒの光路上に、電気光学変調器や音響光学変調器等からなる周波数シフタを設けてもよい。
【０１３６】
また、光画像計測装置１００には、ハーフミラー６により生成された干渉光Ｍを結像させる結像用レンズ群１０と、この干渉光Ｍを２つの干渉光Ｍ１、Ｍ２に分割するビームスプリッタ１２（光路分割手段）と、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイであるＣＣＤ２１、２２（一対の検出手段）と、これらＣＣＤの直前に配置され、干渉光Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ周期的に遮断する液晶シャッタ等の高速シャッタなどからなるシャッタ４１、４２（一対の強度変調手段）とが設けられている。
【０１３７】
なお、シャッタ４１、４２は、それぞれＣＣＤ２１、２２の直前に配置されている必要はなく、ビームスプリッタ１２による干渉光Ｍ１、Ｍ２の分岐点からＣＣＤ２１、２２とを結ぶ各光路上の任意の位置に配設することが可能である。すなわち、シャッタ４１、４２は、各干渉光Ｍ１、Ｍ２の遮断と通過とを切り換えてＣＣＤ２１、２２による受光光量を０と１００とに切り換え可能な位置に配置されていれば十分である。
【０１３８】
更に、光画像計測装置１００は、シャッタ駆動用のパルス信号を発生させるパルス信号発生器５０と、このパルス信号発生器５０が発生したパルス信号の位相をシフトさせてシャッタ４１、４２にそれぞれ供給する位相シフタ５１、５２とを備えている。シャッタ４１、４２は、位相シフタ５１、５２からのパルス信号をタイミング信号として、干渉光Ｍ１、Ｍ２の遮断／通過をそれぞれ独立に切り換える。
【０１３９】
各シャッタ４１、４２は、位相シフタ５１、５２からのタイミング信号に基づいて所定の周波数で干渉光Ｍ１、Ｍ２をそれぞれ周期的に遮断することにより、各干渉光Ｍ１、Ｍ２をサンプリングする。それにより、ＣＣＤ２１、２２は、それぞれ対応する干渉光Ｍ１、Ｍ２を周期的に受光して光電変換し、その変換結果であるヘテロダイン信号を信号処理部２０に出力する。信号処理部２０（信号処理手段）は、第１の実施形態と同様に、後述の演算処理を行って被測定物体Ｏの画像を形成する。
【０１４０】
ここで、位相シフタ５１、５２は、シャッタ４１、４２の開閉動作に所定の位相差を与える。この位相差は、例えば、第１の実施形態と同様に９０°（π／２）でもよいし、１８０°（π）でもよい（任意に設定できる）。よって、シャッタ４１、４２の両方の前に位相シフタを設ける必要はなく、その一方の前にのみ設けるようにしてもよい。例えば、シャッタ４１の前には位相シフタを配置せず、シャッタ４２の前にのみ位相シフタを配置することができる。
【０１４１】
なお、パルス信号発生器５０は、本発明の「パルス信号発生手段」を構成し、位相シフタ５１、５２は、本発明の「位相シフト手段」を構成している。また、シャッタ４１、４２は、本発明の「シャッタ手段」を構成する。
【０１４２】
光源２から出射された光ビームは、レンズ４、５によってそのビーム径を広げられ、ハーフミラー６により信号光Ｓと参照光Ｒとに分割される。信号光Ｓは、被測定物体Ｏに入射され、その表面形態及び内部形態の情報を含む反射光波としてハーフミラー６に再び入射される。
【０１４３】
一方、参照光Ｒは、ピエゾ素子９による参照鏡８のｚ−スキャンによって周波数がシフトされてハーフミラー６に再び入射される。
【０１４４】
被測定物体Ｏからの信号光Ｓの一部はハーフミラー６により反射され、同時に、周波数シフトを受けた参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過する。それにより、信号光Ｓと参照光Ｒとが重畳されて干渉光Ｍが生成される。干渉光Ｍは、結像用レンズ群１０を経由してビームスプリッタ１２へと伝搬される。
【０１４５】
干渉光Ｍは、ビームスプリッタ１２によってその光路が２つに分割される。ビームスプリッタ１２により反射された干渉光Ｍ１は、シャッタ５１を介してＣＣＤ２１により検出される。また、ビームスプリッタ１２を透過した干渉光Ｍ２は、シャッタ４２を介してＣＣＤ２２により検出される。
【０１４６】
なお、ビームスプリッタ１２による干渉光の分割率、つまり反射される干渉光Ｍ１と透過される干渉光Ｍ２との強度比は１：１であることが望ましい。それにより、各ＣＣＤ２１、２２により検出される干渉光Ｍ１、Ｍ２は、それぞれ等しい強度レベルとされ、後述の演算処理を行うのに好適である。ただし、分割される干渉光の強度比はこれに限定されるものではなく、適宜設定することが可能である。
【０１４７】
更に、光画像計測装置１００は、レーザ光を発するレーザダイオード等からなる光源３１（レーザ光源）と、この光源３１からのレーザ光の一部を透過させるビームスプリッタ３２と、このビームスプリッタ３２を透過したレーザ光を、参照鏡８に向かう光路と反射鏡３３に向かう光路とに分割するとともに、両光路をそれぞれ伝搬したレーザ光を重畳させて干渉光（補助干渉光）を生成するビームスプリッタ３９と、当該干渉光を受光するフォトディテクタ（ＰＤ）３４（補助検出手段）とを備えている。ここで、ビームスプリッタ３９と参照鏡８との間の距離と、ビームスプリッタ３９と反射鏡３３との間の距離とはほぼ等しく設定されている。
【０１４８】
光源３１から出力されたレーザ光は、その一部がビームスプリッタ３２を透過し、次のビームスプリッタ３９により参照鏡８方向の光路（第１のレーザ光）と反射鏡３３方向の光路（第２のレーザ光）とに分割される。
【０１４９】
参照鏡８方向の光路を伝搬する第１のレーザ光は、ｚ−スキャンされる参照鏡８により反射されるときに周波数シフトを受けてビームスプリッタ３９に再び入射される。このとき、第１のレーザ光に対する周波数シフトは、参照光Ｒに対する周波数シフトに等しいシフト量となる。
【０１５０】
一方、反射鏡３３方向の光路を伝搬する第２のレーザ光は、反射鏡３３によって反射されてビームスプリッタ３９に再び入射される。
【０１５１】
参照鏡８により反射された第１のレーザ光の一部は、ビームスプリッタ３９により反射されてビームスプリッタ３２に向かって進行する。また、反射鏡３３により反射された第２のレーザ光の一部は、ビームスプリッタ３９を透過してビームスプリッタ３２に向かって進行する。このとき、両レーザ光は、ビームスプリッタ３９により重畳されて補助干渉光を生成する。この補助干渉光は、干渉光Ｍと等しい周波数を有している。
【０１５２】
ビームスプリッタ３９により生成された補助干渉光は、ビームスプリッタ３２により一部が反射されてフォトディテクタ３４に受光される。フォトディテクタ３４は、受光した干渉光に対応する電気信号を出力する。この電気信号は、式（１）に示すヘテロダイン信号と同様に直流成分と交流成分とを有している。当該交流成分の周波数は、上述のように干渉光Ｍのビート周波数に等しい。
【０１５３】
〔制御系の構成〕
次に、図６を参照して、光画像計測装置１００の制御系の構成について説明する。光画像計測装置１００の制御系は、第１の実施形態と同様に、ピエゾ素子９を駆動するピエゾ駆動器３６、画像が表示される表示装置３７、及び、装置各部の制御を行う制御部３８を含んで構成される。制御部３８には、フォトディテクタ３４による検出信号や、信号処理部２０によって形成された画像（画像信号）が入力される。
【０１５４】
ピエゾ駆動器３６は、本発明にいう「振動制御手段」を構成するものであって、制御部３８の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）を有し、かつ、ピエゾ素子９の振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９に出力するよう動作する。ここで、ピエゾ素子９に送られる電気信号の振幅とピエゾ素子９の振動の振幅との関係は既知とされ、ピエゾ駆動器３６は、この関係から求めた振幅の電気信号をピエゾ素子９に出力する。それにより、参照鏡８は、干渉光Ｍの周波数に同期した周波数で振動され、その振幅は、干渉光Ｍの波長の２分の１とされる。
【０１５５】
表示装置３７は、例えば液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等のモニタ装置から構成され、制御部３８から出力される画像信号に基づいて画像を表示する。
【０１５６】
また、制御部３８には、シャッタ４１、４２を駆動するためのパルス信号を発生するパルス信号発生器５０が接続されている。パルス信号発生器５０は、制御部３８の制御の下に、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば当該電気信号と等しい周波数）のパルス信号を生成して位相シフタ５１、５２にそれぞれ出力する。位相シフタ５１、５２は、このパルス信号の位相を相対的にシフトさせて、シャッタ４１、４２にそれぞれ出力する。シャッタ４１、４２は、位相が相対的にシフトされたパルス信号により駆動されて、当該パルス信号と等しい周波数にて開閉動作を繰り返す。それにより、ＣＣＤ２１、２２は、干渉光Ｍの周波数と同期した周波数で干渉光Ｍ、Ｍ２をそれぞれ受光することとなる。
【０１５７】
［測定形態］
続いて、本実施形態の光画像計測装置１００による干渉光Ｍの測定形態について説明する。
【０１５８】
まず、オペレータは、光画像計測装置１の電源を投入し、被測定物体Ｏを所定の測定位置（図５に示す被測定物体Ｏの位置）に配置させる。測定開始のための所定の操作を行うと、光源２から光ビームが出射されるとともに、光源３１からレーザ光が出射される。
【０１５９】
光源３１から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ３９により参照鏡８方向の光路と反射鏡３３方向の光路とに分割されるとともに、互いに重畳されて補助干渉光を生成してフォトディテクタ３４により受光される。フォトディテクタ３４は、受光した補助干渉光の周波数と同期した周波数の電気信号を出力する。
【０１６０】
パルス信号発生器５０は、フォトディテクタ３４からの電気信号に基づき、当該電気信号に同期した周波数のパルス信号を発生し、各位相シフタ５１、５２に送信する。位相シフタ５１、５２は、このパルス信号の位相をシフトさせてシャッタ４１、４２にそれぞれ出力する。シャッタ４１、４２は、このパルス信号の周波数にて開放／遮蔽を切り換える。
【０１６１】
また、ピエゾ駆動器３６は、フォトディテクタ３４からの電気信号に同期した周波数で、かつ、ピエゾ素子９の振動の振幅を当該電気信号の波長の２分の１とするような振幅の電気信号を生成してピエゾ素子９に出力する。それにより、参照鏡８は、ピエゾ素子９により、干渉光Ｌの周波数に同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で振動される。
【０１６２】
このように、本実施形態では、参照光Ｒに付与される周波数シフトのシフト量をモニタし、当該シフト量（＝干渉光Ｌの周波数）と同期した周波数でシャッタ４１、４２を開閉させて干渉光Ｍ１、Ｍ２のサンプリングを行うとともに、干渉光Ｌと同期した周波数、かつ、干渉光Ｌの波長の２分の１の振幅で参照鏡８を振動させるようになっている。
【０１６３】
シャッタ４１の開閉タイミングを制御するサンプリング関数ｍ１（ｔ）は、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形波の信号列からなる。ここで、光源３１からのレーザ光と光源２からの光ビームとの中心波長がほぼ同じであるとすると、サンプリング関数ｍ１（ｔ）の周波数（サンプリング周波数）ｆｓｍは、式（１）に示すビート周波数ｆｉｆに等しいか、もしくはそれに近い値となる（すなわち、ｆｓｍ＝ｆｉｆもしくはｆｓｍ≒ｆｉｆとなる）。サンプリング関数ｍ１（ｔ）の周波数ｆｓｍと式（１）に示すヘテロダイン信号のビート周波数ｆｉｆとの差をδｆ＝｜ｆｉｆ−ｆｓｍ｜と表す。このδｆは、ＣＣＤ２１の応答周波数に比べ十分に小さく設定されている。それにより、干渉光Ｍ１の各周期においてほぼ同一の位相の部分がサンプリングされる。このとき、干渉光Ｍ１を受光したＣＣＤ２１からの出力ｉ１（ｔ）は、測定時間内にＣＣＤ２１に蓄積された光電荷量に比例しており、具体的には次式によって与えられる（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、「Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．２８、８１６（２００３）を参照）。
【０１６４】
【数１１】
2006084304.tif 000013
【０１６５】
ここで、＜−＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表している。また、φは測定の初期位相値を表し、Ｋ１はビームスプリッタ１２の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率を表している。
【０１６６】
同様に、シャッタ４２は、パルス信号発生器５０から周波数ｆｓｍで出力されたパルス信号に基づくサンプリング関数ｍ２（ｔ）にしたがって、その開閉タイミングが制御され、干渉光Ｍ２のサンプリングを実行する。シャッタ４２によりサンプリングされた干渉光Ｍ２は、ＣＣＤ２２により検出される。サンプリング関数ｍ２（ｔ）は、干渉光Ｍ１をサンプリングするサンプリング関数ｍ１（ｔ）と同一の周波数ｆｓｍを有し、５０％ｄｕｔｙの矩形列の波形を有している。また、サンプリング関数ｍ２（ｔ）は、サンプリング関数ｍ１（ｔ）に対して位相差Δθ１，２（例えば１８０°、９０°など）を有する。この位相差Δθ１，２は、位相シフタ５１、５２による位相のシフト量をあらかじめ設定することで生成される。以上のような条件の下に、式（１６）と同様の原理で、ＣＣＤ２２からは次のような出力ｉ２（ｔ）が得られる。
【０１６７】
【数１２】
2006084304.tif 000014
【０１６８】
ただし、Ｋ２は、ビームスプリッタ１２の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率とを含めた光検出効率である。
【０１６９】
式（１６）と式（１７）から分かるように、ＣＣＤ２１、２２からの出力には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度Ｉｓ、Ｉｒの項とともに、干渉光Ｍ１、Ｍ２の振幅√（ＩｓＩｒ）及び位相（２πδｆｔ＋φ）、（２πδｆｔ＋Δθ１，２）に関わる項がそれぞれ含まれている。
【０１７０】
図７は、５０％ｄｕｔｙのサンプリング関数ｍ１（ｔ）とｍ２（ｔ）との位相差Δθ１，２を１８０°（π）としたときのシャッタ４１、４２による干渉光Ｍ１、Ｍ２のサンプリング動作を説明するための図である。図７（Ａ）は、干渉光Ｍの時間波形を表す。図７（Ｂ）は、シャッタ４１を介してＣＣＤ２１に受光される干渉光Ｍ１の時間波形を表す。図７（Ｃ）は、シャッタ４２を介してＣＣＤ２２に受光される干渉光Ｍ２の時間波形を表す。
【０１７１】
同図から見て取れるように、シャッタ４１は、干渉光Ｍの位相が０°のときに開放され、その位相が１８０°のときに遮蔽されるようになっており、干渉光Ｍ１（干渉光Ｍ）の位相０°〜１８０°の部分がＣＣＤ２１によって検出されるようになっている。また、シャッタ４２は、干渉光Ｍの位相が１８０°のときに開放され、その位相が３６０°＝０°のときに遮蔽されるようになっており、干渉光Ｍ２（干渉光Ｍ）の位相１８０°〜３６０°の部分がＣＣＤ２２によって検出されるようになっている。
【０１７２】
ここで、高精度の画像を取得するために、図７（Ｂ）に示すように、ＣＣＤ２１により検出される干渉光Ｍ１の一部分は、この干渉光Ｍ１の「山」の部分、すなわち強度が極大の部分を含み、かつ、図７（Ｃ）に示すように、ＣＣＤ２２により検出される干渉光Ｍ２の一部分は、この干渉光Ｍ２の「谷」の部分、すなわち強度が極小の部分を含んでいることが好ましい。なお、逆に、干渉光Ｍ１の「谷」の部分及び干渉光Ｍ２の「山」の部分を検出するようにしてもよい。
【０１７３】
信号処理部２０は、各ＣＣＤ２１、２２による検出結果から干渉光Ｍの信号強度や位相の空間分布を求めて画像を形成するとともに、それらの画像の差分を求めることにより干渉光Ｍの強度分布や位相分布を表す画像、つまり被測定物体Ｏの表面形態あるいは内部形態を表す画像を形成する。形成された画像は、制御部３８により画像信号として表示装置３７に出力されて画像表示される。
【０１７４】
［作用効果］
このような本実施形態の光画像計測装置１００によれば、従来よりも少ない個数（２個）のＣＣＤによって干渉光Ｍの交流成分を取得できる。また、シャッタ４１、４２の開閉タイミングや、参照鏡８の振動の周波数及び振幅が自動設定されることから、干渉光Ｍのサンプリングを高精度にかつ容易に行うことが可能となる。
【０１７５】
［その他変形例］
以上に詳述した各実施形態は、本発明の光画像計測装置を実施するための一構成例に過ぎないものである。したがって、本発明の要旨の範囲内における変形を任意に施すことが可能である。
【０１７６】
例えば、第１の実施形態における光ビームの強度を変調する手法は、上述した光源をパルス駆動する手法や光ビームをシャッタにて周期的に遮蔽する手法に限定されるものではなく、任意の手法を適用することが可能である。例えば、光ビームの光路上に減光フィルタを周期的に挿脱することにより光ビームの強度を変調することができる。
【０１７７】
また、参照物体を振動させる振動手段としてピエゾ素子以外の任意の構成を適用することができる。
【０１７８】
第１の実施形態において、光ビームの強度変調の周波数は干渉光の周波数に同期されていれば十分であり、当該同期を実現するために任意の構成を採用することが可能である。同様に、第２の実施形態において、強度変調手段（シャッタ）による干渉光の強度変調の周波数は干渉光の周波数に同期されていれば十分であり、当該同期を実現するために任意の構成を採用することが可能である。例えば、干渉光の周波数（信号光と参照光との相対的周波数差）が常に一定な光画像計測装置を構成する場合には、光ビームや干渉光の強度変調周波数を一定の値に設定することができる。
【０１７９】
また、第１及び第２の実施形態において、振動手段（ピエゾ素子）による参照物体の振動の周波数は干渉光の周波数に同期され、かつ、振幅は干渉光の波長以下とされていれば十分であり、これらの状態を実現するための構成は任意である。例えば、干渉光の周波数（信号光と参照光との相対的周波数差）が常に一定な光画像計測装置を構成する場合には、振動手段による参照物体の振動周波数及び振幅を一定の値に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８０】
【図１】本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の光学系の構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の制御系の構成の一例を示す概略図である。
【図３】本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態における干渉光の検出態様を説明するためのグラフ図である。図３（Ａ）は、周波数が強度変調されて広帯域光源から出力される光ビームの時間波形を表す。図３（Ｂ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す。図３（Ｃ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。図３（Ｄ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す図３（Ｅ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。
【図４】本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の変形例の光学系の構成の一例を示す概略図である。
【図５】本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態の光学系の構成の一例を示す概略図である。
【図６】本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態の制御系の構成の一例を示す概略図である。
【図７】本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態の一対の強度変調手段（シャッタ）による干渉光のサンプリング動作を説明するためのグラフ図である。図７（Ａ）は、干渉光の時間波形を表す。図７（Ｂ）は、一対の強度変調手段の一方を介して受光される干渉光の時間波形を表す。図７（Ｃ）は、一対の強度変調手段の他方を介して受光される干渉光の時間波形を表す。
【図８】従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。
【図９】従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１８１】
１、１′、１００  光画像計測装置
２  広帯域光源
３  偏光板
４、５  レンズ
６  ハーフミラー
７  波長板
８  参照鏡
９  ピエゾ素子
９′  周波数シフタ
１０  結像用レンズ群
１１  偏光ビームスプリッタ
１２  ビームスプリッタ
２０  信号処理部
２１、２２  ＣＣＤ
３１  光源
３２、３９  ビームスプリッタ
３３  反射鏡
３４  フォトディテクタ（ＰＤ）
３５  光源駆動器
３６  ピエゾ駆動器
３７  表示装置
３８  制御部
４１、４２  シャッタ
５０  パルス信号発生器
５１、５２  位相シフタ
Ｒ  参照光
Ｓ  信号光
Ｌ、Ｍ  干渉光
Ｌ１  Ｓ偏光成分
Ｌ２  Ｐ偏光成分
Ｍ１、Ｍ２  （分割された）干渉光
Ｏ  被測定物体
【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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【図８】
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【図９】
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