(57)【要約】【課題】広帯域光源を用いることなく、短い測定時間で複数の深さ位置における画像を取得することができる光画像計測装置を提供する。【解決手段】本発明に係る光画像計測装置は、第１光スポットが照射される第１タイミングと第２光スポットが照射される第２タイミングを、１ピクセル分の走査時間よりも短い時間間隔で切り替える。【選択図】図３
2018185201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の画像を取得する光画像計測装置であって、
光を出射する光源、
前記光源から出射された光を集光して前記測定対象に対して第１光スポットおよび第２光スポットとして照射する対物レンズ、
前記第１および第２光スポットの照射位置を走査する走査部、
前記測定対象に対して前記第１および第２光スポットが照射されるタイミングを制御するタイミング制御部、
前記測定対象に対して前記第１および第２光スポットが照射された位置において光が反射または散乱することによって生じた信号光を検出する光検出器、
を備え、
前記第１光スポットの照射位置と前記第２光スポットの照射位置は、前記走査部による走査方向に対して平行ではない方向に互いにずれており、
前記タイミング制御部は、前記測定対象に対して前記第１光スポットが照射される第１タイミングと、前記測定対象に対して前記第２光スポットが照射される第２タイミングとの間を、切替時間間隔によって切り替え、
前記タイミング制御部は、前記走査部が前記第１および第２光スポットの照射位置を走査する走査周波数の１周期よりも短い前記切替時間間隔で、前記第１タイミングと前記第２タイミングとの間を切り替える
ことを特徴とする光画像計測装置。
【請求項２】
前記光画像計測装置はさらに、
前記光源から出射された光から、参照光と、前記対物レンズにより前記測定対象に対して照射される測定光とを生成する光分岐素子、
前記信号光を前記参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成する干渉光学系、
前記光源から出射された光を互いに伝搬角度が異なる光として伝搬させることにより、前記第１光スポットの照射位置と前記第２光スポットの照射位置を互いにずらす、光学素子、
を備え、
前記光検出器は、前記干渉光を検出して電気信号として出力する
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項３】
前記走査部は、前記対物レンズを移動させるアクチュエータを用いて構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項４】
前記光学素子は、前記第１光スポットの中心位置と前記第２光スポットの中心位置との間の距離を、前記画像の１ピクセルに相当する距離だけずらす
ことを特徴とする請求項２記載の光画像計測装置。
【請求項５】
前記光画像計測装置はさらに、前記第１光スポットの光軸方向に沿った集光位置を第１集光位置に調整するとともに前記第２光スポットの光軸方向に沿った集光位置を前記第１集光位置とは異なる第２集光位置に調整する光学素子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項６】
前記光画像計測装置はさらに、前記光源から出射された光を互いに伝搬角度が異なる第１角度光と第２角度光に分岐する光分岐素子を備え、
前記光画像計測装置はさらに、前記第１角度光と前記第２角度光の光路上に配置され前記第１角度光と前記第２角度光を遮光する遮光器を備え、
前記タイミング制御部は、前記第１タイミングにおいて前記遮光器が前記第２角度光を遮光することにより前記第１光スポットが照射され、前記第２タイミングにおいて前記遮光器が前記第１角度光を遮光することにより前記第２光スポットが照射されるように、前記遮光器を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項７】
前記光画像計測装置は、前記光源として第１光源と第２光源を備え、
前記光画像計測装置はさらに、前記第１光源が出射する光と前記第２光源が出射する光を互いに伝搬角度が異なる第１角度光と第２角度光として伝搬させることにより、前記第１角度光が前記第１光スポットとして照射され、前記第２角度光が前記第２光スポットとして照射されるようにする、光学素子を備え、
前記タイミング制御部は、前記第１タイミングにおいて前記第１光スポットが照射され、前記第２タイミングにおいて前記第２光スポットが照射されるように、前記第１光源が光を出射するタイミングと前記第２光源が光を出射するタイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項８】
前記光画像計測装置は、前記光源として第１光源と第２光源を備え、
前記光学素子は、前記第１光源が出射する光の伝搬角度と前記第２光源が出射する光の伝搬角度が互いに異なるようにすることにより、前記第１光スポットの照射位置と前記第２光スポットの照射位置を互いにずらす
ことを特徴とする請求項２記載の光画像計測装置。
【請求項９】
前記走査部は、前記第１および第２光スポットを第１方向に沿って繰り返し走査するとともに、前記第１方向に対して直交する第２方向に沿って略一定の速度で前記第１および第２光スポットを変位させ、
前記画像は、前記第２方向においてＮピクセルを有し、
前記走査部は、前記第１方向に沿って前記第１および第２光スポットをＮ回未満走査することにより、前記第２方向においてＮピクセルを有する前記画像を得るための前記信号光を生じさせる
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項１０】
前記走査部は、前記第１および第２光スポットを第１方向に沿って前記走査周波数で繰り返し走査するとともに、前記第１方向に対して直交する第２方向に沿って略一定の速度で前記第１および第２光スポットを変位させ、
前記タイミング制御部は、前記画像の前記第２方向における１ピクセルに相当する位置において、前記対物レンズが前記測定対象に対してｍ個の光スポットを照射するように、前記タイミングを制御し、
前記タイミング制御部は、前記対物レンズが前記測定対象に対して１番目の光スポットを照射してからｍ番目の光スポットを照射するまでの時間間隔が、前記走査周波数の１周期よりも短くなるように、前記タイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
【請求項１１】
前記対物レンズは、前記測定対象に対して前記第１および第２光スポットに加えて第３光スポットを照射し、
前記走査部は、前記第１および第２光スポットの照射位置に加えて前記第３光スポットの照射位置を走査し、
前記タイミング制御部は、前記第１タイミング、前記第２タイミング、および前記測定対象に対して前記第３光スポットが照射される第３タイミングの間を、前記切替時間間隔によって切り替え、
前記タイミング制御部は、前記走査部が前記第１、第２、および第３光スポットの照射位置を走査する走査周波数の１周期よりも短い前記切替時間間隔で、前記第１タイミング、前記第２タイミング、および前記第３タイミングの間を切り替える
ことを特徴とする請求項１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、光を用いて測定対象を観察する光画像計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は光の干渉を用いて測定対象の断層画像を取得する技術であり、眼底検査の分野で１９９６年より実用化されており、近年では心臓病学、歯科学、腫瘍学、食品産業や再生医療など様々な分野への適用が検討されている。
【０００３】
下記特許文献１は、ＯＣＴに関する技術を記載している。同文献が記載しているようにＯＣＴにおいては、光源からの光を、測定対象に照射する信号光と測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに２分岐し、測定対象から反射された信号光を参照光と合波させ干渉させることにより測定信号を得る。
【０００４】
ＯＣＴは、測定位置の光軸方向への走査方法（以下、ｚスキャンと称する）により、大きくタイムドメインＯＣＴとフーリエドメインＯＣＴとに分けられる。タイムドメインＯＣＴにおいては、光源として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラーを走査することによりｚスキャンを実施する。これにより信号光に含まれる参照光と光路長が一致する成分のみが干渉し、得られた干渉信号に対して包絡線検波を行うことにより、所望の信号が復調される。フーリエドメインＯＣＴはさらに、波長走査型ＯＣＴとスペクトルドメインＯＣＴとに分けられる。波長走査型ＯＣＴにおいては、出射光の波長を走査することが可能な波長掃引光源を使用し、測定時に波長を走査することによりｚスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性（干渉スペクトル）をフーリエ変換することにより所望の信号を得る。スペクトルドメインＯＣＴにおいては、光源として広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、波長成分ごとの干渉光強度（干渉スペクトル）を検出することがｚスキャンに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号を得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２０１４／０２０４３８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上に述べた従来のＯＣＴ装置においては、深さ分解能が光の波長帯域幅あるいは波長掃引幅によって決まる。そのため、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ：Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｉｏｄｅ）や波長掃引光源などの波長帯域の広い光源が用いられる。これらの光源は狭帯域光を発生する通常のレーザ光源と比べると高価である。また、使用する光の波長帯域が広いことに起因して、広帯域光に対応した光学素子が必要であり、波長分散補償も必須となる。これらのことから、従来のＯＣＴ装置は低価格化が困難であった。
【０００７】
そこで本発明者らは、特許文献１に記載の光計測装置を発明した。本光計測装置は、高ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の対物レンズを用いてレーザ光（信号光）を測定対象に集光して照射し、対物レンズを走査することにより集光位置を走査して測定対象の断層画像を取得する。本光計測装置においては、信号光に含まれる対物レンズの焦点以外からの反射光成分は参照光とは波面の曲率が一致しないため見かけ上干渉しなくなるという原理を用いて３次元計測を可能にしており、ＳＬＤもしくは波長掃引光源を用いる従来のＯＣＴ装置とは根本的に原理が異なる。本構成においては、高価な光源を必要としないため、安価な光画像計測装置を提供することができる。他方、集光位置の走査に時間を要するため測定時間が長い傾向がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広帯域光源を用いることなく、短い測定時間で複数の深さ位置における画像を取得することができる光画像計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明においては、第１光スポットの照射位置と第２光スポットの照射位置は、走査部による走査方向に対して平行ではない方向に互いにずれており、タイミング制御部は、測定対象に対して前記第１光スポットが照射される第１タイミングと、前記測定対象に対して前記第２光スポットが照射される第２タイミングとの間を、切替時間間隔によって切り替え、前記タイミング制御部は、前記走査部が前記第１および第２光スポットの照射位置を走査する走査周波数の１周期よりも短い前記切替時間間隔で、前記第１タイミングと前記第２タイミングとの間を切り替える。これにより、従来よりも短い時間で測定対象の断層画像を取得することができる。
【００１０】
１例として、参照光と測定光とを光分岐によって生成し、信号光を前記参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成し、光源から出射された光を互いに伝搬角度が異なる光として伝搬させることにより、前記第１光スポットの照射位置と前記第２光スポットの照射位置を互いにずらす。これにより、より高い光軸方向の分解能で測定対象の断層画像を取得することができる。
【００１１】
１例として、対物レンズを駆動することにより光スポットを走査する。これにより、より小型で安価な構成で測定対象の断層画像を取得することができる。
【００１２】
１例として、前記第１光スポットの中心位置と前記第２光スポットの中心位置との間の距離を、前記画像の１ピクセルに相当する距離だけずらす。これにより、複数の光スポットを測定領域内で概ね均一に走査させつつ、従来よりも短い時間で測定対象の断層画像を取得することができる。
【００１３】
１例として、光スポットの位置を互いに光軸方向にずらすこととした。これにより、１度の測定で２つの異なる深さ位置の断層画像を取得することができる。
【００１４】
１例として、前記光源から出射された光を互いに伝搬角度が異なる第１角度光と第２角度光に分岐し、前記第１角度光と前記第２角度光の光路上に遮光器を配置して前記第１角度光と前記第２角度光を遮光する。これにより、複数の光スポット間の距離を高い精度で容易に制御することができる。
【００１５】
１例として、前記光源として第１光源と第２光源を備え、前記第１光源が出射する光と前記第２光源が出射する光を互いに伝搬角度が異なる第１角度光と第２角度光として伝搬させることにより、前記第１角度光が前記第１光スポットとして照射され、前記第２角度光が前記第２光スポットとして照射されるようにする。これにより、簡素な構成で複数の光スポットが生成されるタイミングを制御することができる。
【００１６】
１例として、前記第１および第２光スポットを第１方向に沿って繰り返し走査するとともに、前記第１方向に対して直交する第２方向に沿って略一定の速度で前記第１および第２光スポットを変位させ、前記走査部は、前記第１方向に沿って前記第１および第２光スポットをＮ回未満走査することにより、前記第２方向においてＮピクセルを有する前記画像を得る。これにより、従来よりも短い時間で測定対象の断層画像を取得することができる。
【００１７】
１例として、前記第１および第２光スポットを第１方向に沿って前記走査周波数で繰り返し走査するとともに、前記第１方向に対して直交する第２方向に沿って略一定の速度で前記第１および第２光スポットを変位させ、前記タイミング制御部は、前記画像の前記第２方向における１ピクセルに相当する位置において、前記対物レンズが前記測定対象に対してｍ個の光スポットを照射するように、前記タイミングを制御し、前記タイミング制御部は、前記対物レンズが前記測定対象に対して１番目の光スポットを照射してからｍ番目の光スポットを照射するまでの時間間隔が、前記走査周波数の１周期よりも短くなるように、前記タイミングを制御する。これにより、Ｎピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＳＬＤや波長掃引光源などの広帯域光源を用いることなく、測定対象の断層画像を短時間で取得する光画像計測装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。
【図２】対物レンズ１１１の焦点位置の移動の時間スケールと、タイミング制御部１０７による第１および第２光スポットの照射タイミングを説明する図である。
【図３】第１および第２光スポットの走査経路を説明する図である。
【図４】実施形態２に係る光画像計測装置の模式図である。
【図５】ピンホールディスク４０７の構造例を示す上面図である。
【図６】第１〜３光スポットの走査経路を説明する図である。
【図７】実施形態３に係る光画像計測装置の模式図である。
【図８】２面参照光ミラー７０１の構造例である。
【図９】第１および第２光スポットの走査経路を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜実施の形態１：光学系の構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。第１光源１０１から出射された第１レーザ光は、コリメートレンズ１０２によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ１０３を透過したのち、光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板１０８によって偏光を４５度直線偏光に調整され、偏光ビームスプリッタ１０９に入射する。第２光源１０４から出射された第２レーザ光は、コリメートレンズ１０５によって平行光に変換され、λ／２板１０６によって偏光状態をＳ偏光状態に変更され、偏光ビームスプリッタ１０３を反射したのち、光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板１０８によって偏光を４５度直線偏光に調整され、偏光ビームスプリッタ１０９に入射する。偏光ビームスプリッタ１０９に入射する時点において第１レーザ光の入射角度と第２レーザ光の入射角度は互いに異なる。このような相対的な角度のずれは、例えばコリメートレンズ１０２と１０５の位置を適切に設定することにより実現できる。タイミング制御部１０７は、第１光源１０１と第２光源１０４が周期的に交互に発光するように、発光タイミングを制御する。
【００２１】
第１レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０９によって第１測定光と第１参照光に２分岐され、第２レーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０９によって第２測定光と第２参照光に２分岐される。第１および第２測定光は、光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板１１０によって偏光状態をｓ偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ１１１に対して互いに異なる角度で入射する。これにより、サンプル１１３に対して第１光スポットと第２光スポットが照射される、後述するように、第１光スポットと第２光スポットは、ｘ方向に画像の１ピクセルに相当する距離だけ離れた位置に生成される。対物レンズ１１１は、対物レンズアクチュエータ１１２によってｙ軸方向に周波数ｆｓｉｇで例えば正弦波状に繰り返し駆動されつつ、ｘ方向に線形に駆動され、これにより第１および第２光スポットの照射位置がｘｙ方向に走査される。
【００２２】
サンプル１１３から第１および第２測定光が反射または散乱することにより得られる第１および第２信号光は、対物レンズ１１１を再び通過し、λ／４板１１０によって偏光状態を円偏光からｐ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１０９へ入射する。サンプル１１３は、光をある程度透過する物質で構成されており、非侵襲的に内部構造の観察が望まれるものであればどのようなものでもよい。例えば半導体の多層構造、食品、植物、培養細胞、ヒトの組織などが考えられる。
【００２３】
第１および第２参照光は、光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板１１４によって偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換された後、参照光レンズ１１５によって参照光ミラー１１６に集光して照射される。参照光ミラー１１６は、参照光レンズ１１５の焦点位置に配置されている。参照光ミラー１１６を反射した第１および第２参照光は、再び参照光レンズ１１５を通過し、λ／４板１１４によって偏光状態を円偏光からｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１０９へ入射する。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ１０９は、第１信号光と第１参照光を合波することにより、第１合成光を生成する。第１合成光は、干渉光学系１２４へ入射する。干渉光学系１２４はハーフビームスプリッタ１１７、λ／２板１１８、λ／４板１２１、集光レンズ１１９と１２２、ウォラストンプリズム１２０と１２３を有する。干渉光学系１２４へ入射した第１合成光は、ハーフビームスプリッタ１１７によって透過光と反射光に２分岐される。ハーフビームスプリッタ１１７を透過した第１合成光は、光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板１１８を透過した後、集光レンズ１１９によって集光される。ウォラストンプリズム１２０は、第１合成光を偏光分離することにより、互いに位相関係が１８０度異なる第１干渉光と第２干渉光を生成する。電流差動型の光検出器１２５は、第１干渉光と第２干渉光を検出し、それらの強度の差に比例した差動出力信号１２６を出力する。
【００２５】
ハーフビームスプリッタ１１７から反射した第１合成光は、光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板１２１を透過した後、集光レンズ１２２によって集光される。ウォラストンプリズム１２３は、第１合成光を偏光分離することにより、互いに位相関係が約１８０度異なる第３干渉光と第４干渉光を生成する。第３干渉光は第１干渉光に対して位相が約９０度異なる。電流差動型の光検出器１２７は、第３干渉光と第４干渉光を検出し、それらの強度の差に比例した差動出力信号１２８を出力する。
【００２６】
第２信号光と第２参照光は、偏光ビームスプリッタ１０９によって合波され、第２合成光が生成される。第２合成光のその後の処理は第１合成光と同じであるからここでは説明を省略する。画像生成部１２９は、生成された差動出力信号１２６と１２８に基づき画像を生成し、画像表示部１３０はその画像を表示する。
【００２７】
図２は、対物レンズ１１１の焦点位置の移動の時間スケールと、タイミング制御部１０７による第１および第２光スポットの照射タイミングを説明する図である。図２（ａ）に示すように、対物レンズ１１１の焦点位置が画像の１ライン分に相当する距離だけ移動するのに要する時間は１／２ｆｓｉｇである。したがって、本実施形態１に係る光画像計測装置が取得するサンプル１１３の画像のピクセル数をＮ×Ｎとすると、対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動するのに要する時間は平均的には１／２Ｎｆｓｉｇ程度となる（図２（ｂ））。本実施形態１においては、タイミング制御部１０７により、対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動する間（平均的には１／２Ｎｆｓｉｇの時間）に第１光源１０１と第２光源１０４の発光状態を少なくとも１回以上切り替えることとした。言い換えると、少なくとも２Ｎｆｓｉｇ以上の周波数で第１光源１０１と第２光源１０４を交互に発光することとした。これにより、例えば図２（ｃ）に示すように、対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセル分移動する時間の間に第１および第２光スポットを少なくとも１回測定対象に生成することができるので、第１および第２光スポットそれぞれについてＮ×Ｎピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることが可能となる。
【００２８】
第１および第２光スポットを生成するタイミングは、対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセル分移動する間に、第１および第２光スポットがそれぞれ少なくとも１回ずつ測定対象に対して照射されれば、どのようなタイミングでも良い。図２（ｃ）に示すように対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセル分移動する間に第１および第２光スポットを１回ずつ生成する場合、図２（ｄ）に示すように２回ずつ生成する場合、などあらゆるパターンが考えられる。
【００２９】
一方で、第１光源１０１と第２光源１０４を交互に発光させる周波数を大きくしすぎると、タイミング制御部１０７や光検出器１２５、１２７が高い性能（高速性）を有していることが必要になるので、コストの増大を招く。したがって、第１光源１０１と第２光源１０４を交互に発光させる周波数は必要以上に大きくせず、例えば約２Ｎｆｓｉｇ以上から約４Ｎｆｓｉｇ以下程度の範囲に設定するのが好ましい。
【００３０】
図３は、第１および第２光スポットの走査経路を説明する図である。説明のため光スポットを大サイズの丸によって模式的に示した。後述する図６においても同様である。従来の光画像計測装置においては、Ｎ×Ｎピクセルの画像を生成するためには光スポット位置を繰り返し走査軸方向（ｙ軸方向）に少なくともＮ回移動させる必要があった（ここでは測定領域ｙ方向の端から端への片道の移動を１回と数えることとする）。本実施形態１においては、繰り返し走査軸に直交する方向（ｘ軸方向）に１ピクセルに相当する距離分だけ第１光スポットの照射と第２光スポットの照射位置をずらし、かつ図２で説明したようにタイミングをずらして生成することにより、１回の光スポットの移動で画像２ライン分の情報を取得することができる。したがって、従来よりも少ないＮ／２回の光スポットの移動でＮ×Ｎピクセルの画像を生成することができる。すなわち、従来の約半分の時間で画像を生成することができる。
【００３１】
＜実施の形態１：空間分解能＞
本実施形態１に係る光画像計測装置の光軸方向の空間分解能について説明する。本実施形態１においては、第１および第２信号光に含まれる対物レンズ１１１の焦点以外からの反射光成分は、デフォーカス収差を有しており、平坦な波面を持った第１および第２参照光と波面形状が一致しない。そのため、参照光と空間的に一様に干渉せず、検出器の受光面上で干渉縞が多数形成される。この様な干渉縞が形成されると、検出される干渉光の強度を受光部面内で積分した値は、単に信号光と参照光の強度和とほぼ等しくなるので、対物レンズ１１１の焦点以外からの反射光成分に対応する差動出力信号１２６と１２８の成分はほぼ０になる。このような原理により、対物レンズ１１１の焦点以外からの反射光成分は実効的に参照光と干渉しなくなり、対物レンズ１１１の焦点からの反射光成分だけが選択的に検出され、光軸方向の高い空間分解能が達成される。光軸方向の空間分解能は、対物レンズの開口数ＮＡと、レーザ光の波長λによって決まり、λ／ＮＡ２に比例する。一般的にＯＣＴ装置で利用される光の波長は、ヘモグロビンにも水にも吸収されにくい６００ｎｍから１３００ｎｍ程度である。例えば対物レンズ１１１の開口数を０．４以上とすると、波長６００ｎｍ〜１３００ｎｍにおける光軸方向の空間分解能は約３．３μｍ〜約７．２μｍとなる。
【００３２】
＜実施の形態１：光学系の動作原理＞
以下では干渉光学系１２４の機能について数式を用いて説明する。干渉光学系１２４へ入射する時点における第１合成光のジョーンズベクトルを下記式１で表す。
【００３３】
【数１】
2018185201.tif 000003
【００３４】
ハーフビームスプリッタ１１７とλ／２板１１８を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは下記式２で表される。Ｅｓｉｇは信号光の複素振幅を表し、Ｅｒｅｆは参照光の複素振幅を表す。
【００３５】
【数２】
2018185201.tif 000004
【００３６】
式２で示される合成光は、ウォラストンプリズム１２０によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に２分岐されたのち、電流差動型の光検出器１２５によって差動検出される。このとき光検出器１２５から出力される電気信号は、下記式３で表される。θｓｉｇとθｒｅｆはそれぞれ複素振幅数ＥｓｉｇとＥｒｅｆを極座標表示で表した際の位相である。簡単のため検出器の変換効率は１とした。
【００３７】
【数３】
2018185201.tif 000005
【００３８】
一方、ハーフビームスプリッタ１１７で反射され、さらにλ／４板１２１を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式４で表される。
【００３９】
【数４】
2018185201.tif 000006
【００４０】
式４で示される合成光は、ウォラストンプリズム１２３によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に２分岐された後、電流差動型の光検出器１２７によって差動検出される。このとき光検出器１２７から出力される電気信号は、下記式５で表される。
【００４１】
【数５】
2018185201.tif 000007
【００４２】
画像生成部１２９は、式３と式５で表される信号に対して、下記式６で表される演算を実施することにより、位相に依存しない、信号光の振幅の絶対値に比例した信号を生成する。
【００４３】
【数６】
2018185201.tif 000008
【００４４】
＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係る光画像計測装置の模式図である。図１に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態２は主に、（ａ）サンプル１１３に対して複数の光スポットを生成する手段として回折格子４０３を用いている点、（ｂ）個々の光スポットが生成されるタイミングをずらすためのタイミング調整手段としてピンホールディスク４０７を用いている点、が実施形態１と異なる。
【００４５】
光源４０１から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ４０２によって平行光に変換され、回折格子４０３によって互いに角度が異なる第１レーザ光と第２レーザ光と第３レーザ光の３つに分離される。第１〜３レーザ光は、偏光ビームスプリッタ４０４を透過して、光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板４０５によって偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換された後、レンズ４０６によってピンホールディスク４０７の互いに異なる位置に集光される。ピンホールディスク４０７の構造については後述する。
【００４６】
ピンホールディスク４０７を透過した第１〜３レーザ光は、レンズ４１０によって平行光に変換されたのち、レンズ４１１によってミラー４１２に集光される。ミラー４１２はレンズ４１１の焦点位置に配置されている。ミラー４１２を反射した第１〜３レーザ光は再びレンズ４１１と４１０、ピンホールディスク４０７、レンズ４０６を透過したのち、λ／４板４０５によって円偏光からｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０４を反射して、λ／２板１０８に入射する。それ以降の装置構成については実施形態１と同じなので説明を省略する。
【００４７】
図５は、ピンホールディスク４０７の構造例を示す上面図である。ピンホールディスク４０７の表面上には多数のピンホールが配置されており、タイミング制御部１０７がモータ４０８を制御してピンホールディスク４０７を回転させることにより、第１〜３レーザ光のうち１つを交互に透過させることができる。
【００４８】
第１〜３レーザ光は互いに所定の量だけ伝搬角度が異なっており、サンプル１１３に対してｘ方向に画像の１ピクセルに相当する距離ずつ異なる３つの位置に第１〜３光スポットが交互に生成される。本実施形態２において、タイミング制御部１０７は、対物レンズ１１１の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動する間（平均的には１／２Ｎｆｓｉｇの時間）に第１〜３光スポットを少なくとも１回ずつ生成することとした。
【００４９】
図６は、第１〜３光スポットの走査経路を説明する図である。本実施形態２においては第１〜３光スポットを、繰り返し走査軸に直交する方向（ｘ軸方向）に１ピクセルに相当する距離ずつずらした位置に、タイミングをずらして生成する。これにより、１回の光スポットの移動で画像３ライン分の情報を取得することができるので、従来よりも少ないＮ／３回の光スポットの移動でＮ×Ｎピクセルの画像を生成することができる。
【００５０】
本実施形態２においては、回折格子４０３を用いて互いに角度の異なる第１〜３レーザ光を生成しているので、実施形態１とは異なり、コリメートレンズの位置によらず光スポット間の距離を精度良く設定することができる。
【００５１】
＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施形態３に係る光画像計測装置の模式図である。図１に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態３は、サンプル１１３に対して照射される第１および第２光スポットの照射位置が、光軸方向において互いに異なる点が、実施形態１と異なる。
【００５２】
第１光源１０１から出射された第１レーザ光は、コリメートレンズ１０２によって平行光に変換される。第２光源１０４から出射された第２レーザ光は、コリメートレンズ１０５によって所定のデフォーカス収差を有する状態に変換される。デフォーカス量は、コリメートレンズ１０５の光軸方向の位置により調整することができる。本実施形態３においては、参照光ミラー１１６に代えて後述する２面参照光ミラー７０１を備える。
【００５３】
第２レーザ光のデフォーカス収差が０となる位置からのコリメートレンズ１０５の光軸方向の変位量をΔｚｃｏｌとすると、第２レーザ光に対して付与されるデフォーカス量は近似的に下記式７で表すことができる。ＮＡｃｏｌはコリメートレンズ１０５の開口数である。
【００５４】
【数７】
2018185201.tif 000009
【００５５】
式７で表されるデフォーカス量が第２レーザ光に対して付与されているので、第２光スポットは、第１光スポットから光軸方向に所定量Δｚｓｉｇずれた位置に生成される。ずれ量Δｚｓｉｇは、対物レンズ１１１の開口数をＮＡｓｉｇとすると、近似的に下記式８によって表される。
【００５６】
【数８】
2018185201.tif 000010
【００５７】
同様に、式７で表されるデフォーカス量が第２レーザ光に対して付与されることにより、参照光レンズ１１５による第２参照光の集光位置は、第１参照光の集光位置から、下記式９で表される量だけ異なる。ＮＡｒｅｆは参照光レンズ１１５の開口数である。
【００５８】
【数９】
2018185201.tif 000011
【００５９】
図８は、２面参照光ミラー７０１の構造例である。２面参照光ミラー７０１は第１反射面８０１と第２反射面８０２を有しており、２つの反射面の間隔はΔｚｒｅｆ程度となっている。したがって、第１および第２参照光をそれぞれの集光位置で反射させることができる。
【００６０】
図９は、第１および第２光スポットの走査経路を説明する図である。本実施形態３においては、第１および第２光スポットを、光軸方向に所定の距離Δｚｓｉｇずらした位置に、タイミングをずらして生成することにより、Ｎ回の光スポットの移動で異なる深さ位置に対応する２枚の画像を生成することができる。
【００６１】
＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。例えば実施形態１〜２の構成において、実施形態３で説明した光軸方向に光スポットを変位させる構成を追加することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１０１：第１光源
１０２：コリメートレンズ
１０３：偏光ビームスプリッタ
１０４：第２光源
１０８：λ／２板
１０９：偏光ビームスプリッタ
１１０：λ／４板
１１１：対物レンズ
１１２：対物レンズアクチュエータ
１１３：サンプル
１１４：λ／４板
１１５：参照光レンズ
１１６：参照光ミラー
１１７：ハーフビームスプリッタ
１１８：λ／２板
１１９：集光レンズ
１２０：ウォラストンプリズム
１２１：λ／４板
１２２：集光レンズ
１２３：ウォラストンプリズム
１２４：干渉光学系
１２５：光検出器
１２７：光検出器
１２９：画像生成部
１３０：画像表示部
【図１】
2018185201.tif 000012
【図２】
2018185201.tif 000013
【図３】
2018185201.tif 000014
【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】
2018185201.tif 000019
【図９】
2018185201.tif 000020