(57)【要約】【課題】ヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響を抑制することのできる光ヘテロダイン計測装置を提供する。【解決手段】ヘテロダイン信号を生成する光ヘテロダイン検出部１１０と、参照信号を生成する参照信号生成部１２０と、上記の参照信号に基づいて、上記のヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数の同期信号生成する同期信号生成部１４０と、上記のヘテロダイン信号を、同期信号生成部１４０で生成された同期信号を用いて同期検波する同期検波部１５０とを備えた。【選択図】        図１
2004251838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の低コヒーレント光を出射する第１の光源から出射された該低コヒーレント光を二分し二分された第１の光および第２の光を、それぞれ、一方が他方に対し光軸方向に移動する第１の参照鏡および被検体で反射させ相互に重畳して受光することによりヘテロダイン信号を生成する光ヘテロダイン検出部と、
所定のコヒーレント光を出射する第２の光源から出射された該コヒーレント光を二分し二分された第３の光および第４の光のうちの第３の光を、前記第１の参照鏡および前記被検体のうちの光軸方向に移動する一方と一体に移動する第２の参照鏡で反射させ第４の光と重畳して受光することにより参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記参照信号生成部で生成された参照信号に基づいて、前記光ヘテロダイン検出部で生成されたヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数の同期信号を生成する同期信号生成部と、
前記光ヘテロダイン検出部で生成されたヘテロダイン信号を、前記同期信号生成部で生成された同期信号を用いて同期検波する同期検波部とを備えたことを特徴とする光ヘテロダイン計測装置。
【請求項２】
前記同期信号生成部は、前記参照信号生成部で生成された参照信号の周波数をｆ２、前記第１の光源および前記第２の光源からそれぞれ出射される低コヒーレント光およびコヒーレント光の中心波長をそれぞれλ１，λ２としたとき、周波数ｆ３が、
ｆ３≒λ２ｆ２／λ１
の同期信号を生成するものであることを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン計測装置。
【請求項３】
前記同期信号生成部は、前記参照信号の周波数を検出する周波数検出部と、該周波数検出部で検出された周波数がλ２／λ１倍された周波数の同期信号を生成する信号生成部とを備えたことを特徴とする請求項２記載の光ヘテロダイン計測装置。
【請求項４】
前記同期検波部は、前記ヘテロダイン信号と前記同期信号とを混合する第１の混合器と、前記同期信号の位相を９０°シフトさせる位相シフタと、前記ヘテロダイン信号と前記位相シフタで位相シフトを受けた後の同期信号とを混合する第２の混合器と、前記第１および第２の混合器でそれぞれ生成された、前記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と前記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分と和の周波数ｆ１＋ｆ３の成分とを持つ各信号から、差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出する第１および第２のフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン計測装置。
【請求項５】
前記同期検波部は、前記ヘテロダイン信号と前記同期信号とを混合する混合器と、該混合器でそれぞれ生成された、前記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と前記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分と和の周波数ｆ１＋ｆ３の成分とを持つ各信号から、差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出するフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン計測装置。
【請求項６】
前記第１の参照鏡と前記被検体のうち該第１の参照鏡が光軸方向に移動するものであって、該第１の参照鏡が前記第２の参照鏡を兼ねたものであることを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン計測装置。
【請求項７】
前記第１の参照鏡と前記被検体のうち該被検体が所定の移動ステージ上に配置されて該移動ステージの移動に伴って光軸方向に移動するものであって、前記第２の参照鏡が該被検体が配置された移動ステージと同一の移動ステージ上に配備され該被検体と一体的に光軸方向に移動するものであることを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から出射された光を二分し二分された光を、それぞれ、一方が他方に対し光軸方向に移動する参照鏡および被検体で反射させ相互に重畳して受光することによりヘテロダイン信号を生成する光ヘテロダイン計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、低コヒーレンス光を出射する光源を、干渉計に利用することにより、例えば生体組織内部からの反射光をミクロンオーダの距離分解能で検出する光コヒーレンス断層画像化法（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が開発されている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００３】
【非特許文献１】
丹野直弘，「光コヒーレンス断層画像化法と生体映像への応用」，光学，日本光学会，１９９９年，第２８巻，第３号，ｐ．１１６
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本光学系を示す図である。
【０００５】
図６に示す光学系４００では、低コヒーレンス光を出射するＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  Ｄｉｏｄｅ）４１０から出射された低コヒーレンス光は、第１のレンズ４２０で平行光となった後、半透明鏡４３０によって２分割される。２つに分割された光のうち、半透明鏡４３０で反射された光は参照鏡４４０に向かい、この参照鏡４４０で反射される。この光を参照光と呼ぶ。一方、半透明鏡４３０を透過した光は、第２のレンズ４５０によって集光され被検体Ｓに照射される。ここで、被検体Ｓが例えば眼球のように光を透過する生体組織である場合、この被検体Ｓに照射された光は、被検体Ｓ内部の反射率分布に応じて被検体Ｓ内部の各所で反射されながら、被検体Ｓ内部を伝搬する。この結果、被検体Ｓ内部の各所で散乱光が発生する。この被検体Ｓ内部の各所で発生した散乱光は、第２のレンズ４５０によって平行光となった後、参照鏡４４０で反射された参照光と半透明鏡４３０上で重畳される。
【０００６】
ここで、参照鏡４４０が図６に示す光軸方向Ａに移動することにより、参照鏡４４０で反射された参照光の周波数はドップラー効果によりシフトされる。このとき、参照光と上記の散乱光は、ＳＬＤ４１０から出射された低コヒーレンス光であるため、上記の散乱光のうち、半透明鏡４３０から被検体Ｓ内部の反射点までの距離と、半透明鏡４３０から参照鏡４４０までの距離との差が上記のコヒーレント長以内である反射点からの散乱光のみが、上記の参照光と干渉し干渉光が生成される。この干渉光の強度が受光器４６０で検出される。
【０００７】
このとき受光器４６０で検出される干渉光の強度は、参照光と干渉する散乱光の強度に応じて増減する。また、散乱光の強度は、その散乱光が生じた、被検体Ｓ内部の反射点における反射率に応じた強度となる。つまり、図６に示す光学系４００を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置では、参照鏡４４０を光軸方向Ａに動かすことにより、そのときに受光器４６０で検出される干渉光の強度の変化から被検体Ｓ内部の反射率分布などの光学情報を得ることができる。
【０００８】
ここで、参照鏡４４０の移動速度をＶ、参照光の強度をＩｒ、散乱光の強度をＩｓ、ＳＬＤ４１０から出射される光の波長をλ０、参照光と散乱光の初期位相差をθとすると、受光器４６０から出力される、上記の干渉光の強度に応じた信号ｉ（ｔ）は次の式で表される。
【０００９】
ｉ（ｔ）∝Ｉｒ＋Ｉｓ＋２√（Ｉｒ・Ｉｓ）ｃｏｓ（（４πＶ／λ０）ｔ＋θ）
この式で表される信号ｉ（ｔ）のうちの交流成分は、ヘテロダイン信号と呼ばれる。図６に示す光学系４００を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置では、このヘテロダイン信号の振幅から、散乱光の強度を求める。
【００１０】
光学系４００を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置では、受光器４６０からの出力信号から上記のヘテロダイン信号を取り出すにあたり、受光器４６０からの出力信号を、このヘテロダイン信号の周波数（２πＶ／λ０）を中心に帯域幅を持つフィルタに通し雑音の除去を図り計測精度を向上させている。
【００１１】
しかしながら、光学系４００では、機械的な原因などにより参照鏡４４０の移動速度Ｖが変動すると、それに応じて上記のヘテロダイン信号の周波数（２πＶ／λ０）が変動してしまう。
【００１２】
図７は、ヘテロダイン信号の周波数の変動を模式的に示す図である。
【００１３】
図７では、時間Ｔが進むにつれて、参照鏡４４０の移動速度Ｖが減少するに従い、ヘテロダイン信号の周波数が下がる様子が示されている。
【００１４】
このような変動の結果、ヘテロダイン信号の周波数が上記のフィルタの帯域幅から外れてしまうとヘテロダイン信号の振幅を正確に検出することが困難になってしまうおそれがある。一方、ヘテロダイン信号の周波数の変動を想定し、例えば帯域幅の広いフィルタを用いると、十分な雑音成分の除去が困難となり計測精度が落ちてしまうおそれがある。
【００１５】
また、図６に示す光学系４００を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置では、参照鏡４４０の光軸上の位置を参考にして、被検体Ｓ内部における散乱光の発生位置を求める。このとき、参照鏡４４０の移動速度Ｖが機械的な原因などにより変動してしまうと、参照鏡４４０の光軸上の位置を正確に把握できなくなり、この結果、参照鏡４４０の光軸上の位置に基づいて求める、参照鏡４４０の光軸上の位置に対応した散乱光の発生位置の精度が落ちてしまうおそれがある。
【００１６】
このように、光学的な干渉計で得られるヘテロダイン信号を利用する計測装置においては、ヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響が問題となる。
【００１７】
本発明は、上記事情に鑑み、ヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響を抑制することのできる光ヘテロダイン計測装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の光ヘテロダイン計測装置は、所定の低コヒーレント光を出射する第１の光源から出射されたこの低コヒーレント光を二分し二分された第１の光および第２の光を、それぞれ、一方が他方に対し光軸方向に移動する第１の参照鏡および被検体で反射させ相互に重畳して受光することによりヘテロダイン信号を生成する光ヘテロダイン検出部と、所定のコヒーレント光を出射する第２の光源から出射されたこのコヒーレント光を二分し二分された第３の光および第４の光のうちの第３の光を、上記第１の参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方と一体に移動する第２の参照鏡で反射させ第４の光と重畳して受光することにより参照信号を生成する参照信号生成部と、上記参照信号生成部で生成された参照信号に基づいて、上記光ヘテロダイン検出部で生成されたヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数の同期信号を生成する同期信号生成部と、上記光ヘテロダイン検出部で生成されたヘテロダイン信号を、上記同期信号生成部で生成された同期信号を用いて同期検波する同期検波部とを備えたことを特徴とする。
【００１９】
本発明の光ヘテロダイン計測装置では、上記同期検波部でヘテロダイン信号を同期検波する際に用いる同期信号は、上記参照信号生成部で生成された参照信号に基づいて生成される。
【００２０】
ここで、ヘテロダイン信号は、上記第１の光源から出射された光を二分し二分された光を、それぞれ、一方が他方に対し光軸方向に移動する上記第１の参照鏡および上記被検体で反射させ相互に重畳させることにより生成される。
【００２１】
また、参照信号は、上記第２の光源から出射された光を二分し二分された光のうちの一方の光を、上記第１の参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方と一体に移動する第２の参照鏡で反射させ、もう一方の光と重畳させることにより生成される。
【００２２】
ここで、例えば、上記第１の参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方の移動速度が、機械的な原因により変動すると、ヘテロダイン信号の周波数が変動する。このとき、上記第２の参照鏡は、上記第１の参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方と一体に移動するので、参照信号の周波数は、ヘテロダイン信号の周波数と同じタイミングおよび同じ割合で変動する。
【００２３】
従って、この参照信号に基づいて上記同期信号生成部で生成された同期信号の周波数は、ヘテロダイン信号の周波数が変動したとしても、常にヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数になる。つまり、この同期信号は、ヘテロダイン信号の周波数変動に関わりなく常にヘテロダイン信号と同期している。本発明の光ヘテロダイン計測装置では、この同期信号を用いて、ヘテロダイン信号を同期検波するので、ヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響が抑制される。
【００２４】
また、本発明の光ヘテロダイン計測装置によれば、上記の参照信号の周波数の瞬時値から、上記第１の参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方の移動速度を正確に求めることができるので、参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方の位置も正確に把握することができる。そして、上記被検体内部における散乱光のうち、参照鏡および上記被検体のうちの光軸方向に移動する一方の位置に応じた散乱光の発生位置を、この位置に基づいて正確に求めることができる。
【００２５】
ここで、本発明の光ヘテロダイン計測装置において、上記同期信号生成部は、上記参照信号生成部で生成された参照信号の周波数をｆ２、上記第１の光源および上記第２の光源からそれぞれ出射される低コヒーレント光およびコヒーレント光の中心波長をそれぞれλ１，λ２としたとき、周波数ｆ３が、ｆ３≒λ２ｆ２／λ１の同期信号を生成するものであることが好ましい。
【００２６】
上記光ヘテロダイン検出部で生成されるヘテロダイン信号の周波数ｆ１および上記の参照信号の周波数ｆ２は、上記第１の参照鏡および上記被検体のいずれか一方が移動するときの移動速度をＶ、この移動速度の変動分をΔＶとすると、それぞれ以下の式で表される。
【００２７】
ｆ１＝２（Ｖ＋ΔＶ）／λ１
ｆ２＝２（Ｖ＋ΔＶ）／λ２
従って、上記の同期信号生成部が生成する同期信号の周波数ｆ３は、以下の式で表される。
【００２８】
ｆ３≒λ２ｆ２／λ１＝λ２（２（Ｖ＋ΔＶ）／λ２）／λ１＝ｆ１
つまり、上記の同期信号生成部が生成する同期信号の周波数は、ヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数になる。
【００２９】
また、本発明の光ヘテロダイン計測装置において、上記同期信号生成部は、上記参照信号の周波数を検出する周波数検出部と、該周波数検出部で検出された周波数がλ２／λ１倍された周波数の同期信号を生成する信号生成部とを備えたものであることが好ましい。
【００３０】
このような同期信号生成部は、上記の周波数検出部と信号生成部によって、上記のヘテロダイン信号の周波数と一致もしくは近似した周波数の同期信号を生成することができる。
【００３１】
さらに、本発明の光ヘテロダイン計測装置において、上記同期検波部は、上記ヘテロダイン信号と上記同期信号とを混合する第１の混合器と、上記同期信号の位相を９０°シフトさせる位相シフタと、上記ヘテロダイン信号と上記位相シフタで位相シフトを受けた後の同期信号とを混合する第２の混合器と、上記第１および第２の混合器でそれぞれ生成された、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と上記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分と和の周波数ｆ１＋ｆ３の成分とを持つ各信号から、差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出する第１および第２のフィルタを備えることが好ましい。
【００３２】
上記の同期検波部は、上記第１および第２の混合器でそれぞれ生成された各信号から、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と上記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出する。前述のように本発明の光ヘテロダイン計測装置では、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１が変動すると、上記同期信号の周波数ｆ３も同じタイミングおよび同じ割合で変動する。つまり、上記の同期検波部では、上記第１および第２の混合器でそれぞれ生成された各信号から、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１の変動による影響が抑制された成分が抽出される。
【００３３】
また、上記第１および第２の混合器でそれぞれ生成され、上記第１および第２のフィルタを経た信号は、同一の振幅と周波数（ｆ１−ｆ３）を有し、相互に位相が９０°ずれた信号である。この振幅がヘテロダイン信号の振幅であるので、これら２つの信号の２乗和をとることにより、ヘテロダイン信号の振幅を算出することができる。
【００３４】
また、本発明の光ヘテロダイン計測装置において、上記同期検波部は、上記ヘテロダイン信号と上記同期信号とを混合する混合器と、その混合器で生成された、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と上記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分と和の周波数ｆ１＋ｆ３の成分とを持つ各信号から、差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出するフィルタとを備えたものであっても良い。
【００３５】
上記の同期検波部では、上記混合器で生成された信号から、上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と上記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出し、この成分に基づいて上記ヘテロダイン信号の振幅を求めることにより上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１の変動による影響が抑制される。
【００３６】
また上記の同期検波部において、上記ヘテロダイン信号の振幅は、上記混合器で生成された信号から抽出された上記ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と上記同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を、例えば整流器から構成される振幅検出器に入力することによって求められる。
【００３７】
ここで、本発明の光ヘテロダイン計測装置では、上記第１の参照鏡と上記被検体のうち該第１の参照鏡が光軸方向に移動するものであって、この第１の参照鏡が上記第２の参照鏡を兼ねたものであっても良い。
【００３８】
このような光ヘテロダイン計測装置では、上記の第１の参照鏡の移動速度に応じた周波数のヘテロダイン信号を得ることができる。
【００３９】
また、本発明の光ヘテロダイン計測装置では、上記第１の参照鏡と上記被検体のうちこの被検体が所定の移動ステージ上に配置されてこの移動ステージの移動に伴って光軸方向に移動するものであって、上記第２の参照鏡がこの被検体が配置された移動ステージと同一の移動ステージ上に配備されこの被検体と一体的に光軸方向に移動するものであっても良い。
【００４０】
このような光ヘテロダイン計測装置では、上記の移動ステージの移動速度に応じた周波数のヘテロダイン信号を得ることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００４２】
図１は、本発明の光ヘテロダイン計測装置の第１実施形態を示す図である。
【００４３】
図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００は、第１のヘテロダイン信号ｉ１を生成する第１の干渉計１１０と、第２のヘテロダイン信号ｉ２を生成する第２の干渉計１２０と、第１の干渉計１１０と第２の干渉計１２０とで共通の参照鏡１３０と、第２のヘテロダイン信号ｉ２に基づいて第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数と一致した周波数の同期信号ｉ３を生成する同期信号生成部１４０と、同期信号ｉ３を用いて第１のヘテロダイン信号ｉ１を同期検波する同期検波部１５０とを備えている。
【００４４】
図１に示す第１の干渉計１１０の構成および動作は、図６を用いて説明した光コヒーレンス断増画像計測装置の基本光学系４００の構成および動作と同様であるのでここでは説明を省略する。
【００４５】
図１に示す第２の干渉計１２０では、コヒーレント光源であるレーザダイオード（以降ＬＤと略記する）１２１から出射されレンズ１２６を通過しビームスプリッタ１２２を透過した光は、半透明鏡１２３で反射光と透過光とに２分割される。２分割された光のうち半透明鏡１２３を透過した光は、鏡１２４、参照鏡１３０、再び鏡１２４の順で反射され、その半分が再び半透明鏡１２３を透過する。この半透明鏡１２３を透過した光は、半透明鏡１２３で２分割された光のうちの半透明鏡１２３で反射された光と重畳される。ここで、参照鏡１３０が光軸方向Ａに移動することにより、参照鏡１３０で反射された光の周波数はドップラー効果によりシフトされる。従って、重畳された２つの光の周波数は互いに若干異なるので、干渉光が生成される。この干渉光の一部が、ビームスプリッタ１２２で反射され受光器１２５に受光される。この結果、受光器１２５から、この干渉光の強度を表すビート信号である第２のヘテロダイン信号ｉ２が出力される。ここで、第２のヘテロダイン信号ｉ２の周波数は、参照鏡１３０の移動速度とＬＤ１２１から出射される光の波長に応じた値になる。
【００４６】
第２のヘテロダイン信号ｉ２は同期信号生成部１４０に入力される。そして、この第２のヘテロダイン信号ｉ２に基づいて、同期信号生成部１４０は上記の同期信号ｉ３を生成する。
【００４７】
同期信号ｉ３は、第１の干渉計１１０で生成された第１のヘテロダイン信号ｉ１とともに、同期検波部１５０に入力される。ここで、図６を用いて説明したように、第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数は参照鏡１３０の移動速度とＳＬＤ１１１から出射される光の波長に応じた値である。さらに、第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅は、参照鏡１３０の位置に応じた被検体Ｓ内部の反射点からの散乱光の強度に応じた値である。同期検波部１５０では、同期信号ｉ３を用いて第１のヘテロダイン信号ｉ１を同期検波し、第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅の変化を検出する。
【００４８】
図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００では、参照鏡１３０を光軸方向Ａに移動させ、そのときの第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅の変化を検出し、この振幅の変化から、参照鏡１３０の位置に応じた被検体Ｓ内部の反射点からの散乱光の強度変化を求める。さらに、散乱光の強度変化から、被検体Ｓ内部の被検体Ｓに入射した光の光軸上における反射率分布などの光学情報を求める。
【００４９】
また、図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００では、第２のヘテロダイン信号ｉ２の周波数の瞬時値から、参照鏡１３０の位置を検出する。そして、この参照鏡１３０の位置に基づいて、被検体Ｓ内部の、参照鏡１３０の位置に応じた散乱光の発生位置を算出する。
【００５０】
図２は、図１に示す光ヘテロダイン計測装置の同期信号生成部と同期検波部を示すブロック図である。
【００５１】
図２に示す同期信号生成部１４０では、同期信号生成部１４０に入力された上記の第２のヘテロダイン信号ｉ２の周波数ｆ２を周波数検出部１４１が検出し、この周波数ｆ２を表す信号を信号生成部１４２に出力する。信号生成部１４２は、この周波数ｆ２を表す信号に基づき、第２のヘテロダイン信号ｉ２の周波数ｆ２をλ２／λ１倍した周波数ｆ３を有する同期信号ｉ３を生成する。この信号生成部１４２で生成された同期信号ｉ３の周波数ｆ３は、上記の第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数ｆ１に一致した周波数である。
【００５２】
図２に示す同期検波部１５０では、この同期検波部１５０に入力された第１のヘテロダイン信号ｉ１を、信号供給部１５１が第１の混合器１５２と第２の混合器１５４に供給する。また、同期検波部１５０に入力された同期信号ｉ３は、第１の混合器１５２にはそのまま、第２の混合器１５４には、位相シフタ１５３により位相が９０°シフトされて供給される。ここで、第１の混合器１５２にそのまま供給される同期信号ｉ３は、同期検波における同期成分（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）であり、第２の混合器１５４に位相が９０°シフトされて供給される同期信号ｉ３は、同期検波における直交成分（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）である。第１の混合器１５２は、信号ｉ１と同期信号ｉ３を積算し、また第２の混合器１５４は、信号ｉ１と位相を９０°シフトされた同期信号ｉ３を積算する。
【００５３】
ここで、例えば第１のヘテロダイン信号ｉ１を次の式で表す。
【００５４】
ｉ１＝Ｂ・ｃｏｓ（２πｆ１ｔ＋θ）
ここで、Ｂは、図１に示す第１の光ヘテロダイン計測装置１００における、参照鏡１３０の位置に応じた被検体Ｓ内部の反射点からの散乱光の強度に比例した定数である。また、θは第１のヘテロダイン信号ｉ１の初期位相である。
【００５５】
また、同期信号ｉ３を次の式で表す。
【００５６】
ｉ３＝Ｃ・ｓｉｎ（２πｆ３ｔ）
ここで、Ｃは所定の定数である。
【００５７】
上記の式を用いると、第１の混合器１５２からの出力信号は次の式で表される。
【００５８】
ｉ１・ｉ３＝Ｃ・Ｂ・（ｓｉｎ（２π（ｆ１−ｆ３）・ｔ＋θ）＋ｓｉｎ（２π（ｆ１＋ｆ３）・ｔ＋θ））
この第１の混合器１５２からの出力信号を第１のローパスフィルタ１５５に通すことにより、この出力信号から、低周波成分である、ヘテロダイン信号の周波数ｆ１と同期信号の周波数ｆ３との差の周波数ｆ１−ｆ３の成分を抽出する。つまり、第１のローパスフィルタ１５５から次の式で表される信号ｉ４が出力される。
【００５９】
ｉ４＝Ｃ・Ｂ・ｓｉｎ（２π（ｆ１−ｆ３）・ｔ＋θ）
ここで、第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数ｆ１と同期信号ｉ３の周波数ｆ３が、互いに一致している場合について説明する。第１のローパスフィルタ１５５からの出力信号ｉ４は次のようになる。
【００６０】
ｉ４＝Ｃ・Ｂ・ｓｉｎ（θ）
この式が示すように、第１のローパスフィルタ１５５からの出力信号ｉ４は、第１のヘテロダイン信号の周波数ｆ１に依存しない。
【００６１】
また、第２の混合器１５２からの出力信号を第２のローパスフィルタ１５６に通すことにより得られる、第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数ｆ１に依存しない信号ｉ５は次のようになる。
【００６２】
ｉ５＝Ｃ・Ｂ・ｃｏｓ（θ）
次に、コンピュータ１５７が、第１のローパスフィルタ１５５からの出力信号ｉ４と第２のローパスフィルタ１５６からの出力信号ｉ５の二乗和を取ることで、第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅Ｂを算出する。この振幅Ｂから被検体Ｓ内部の反射率分布などの光学情報を求める。
【００６３】
このように、図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００では、図２に示す同期信号生成部１４０および同期検波部１５０により、第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数ｆ１に依存しない２つの信号ｉ４，ｉ５を生成し、これらの信号ｉ４，ｉ５に基づいて、第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅Ｂを算出するので、第１のヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響が抑制される。
【００６４】
次に、第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数ｆ１と同期信号ｉ３の周波数ｆ３が互いに一致しない場合について説明する。
【００６５】
図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００において、例えば被検体Ｓが光軸方向Ｂに移動する場合、この被検体Ｓからの反射光は、被検体Ｓの移動速度に応じたドップラー効果により、周波数がシフトされる。このシフト分をｆｓとすると、上記の第１のローパスフィルタ１５５からの出力信号ｉ４と第２のローパスフィルタ１５６からの出力信号ｉ５はそれぞれ次のように表される。
【００６６】
ｉ４＝Ｃ・Ｂ・ｓｉｎ（２πｆｓ・ｔ＋θ）
ｉ５＝Ｃ・Ｂ・ｃｏｓ（２πｆｓ・ｔ＋θ）
図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００では、これらの信号の二乗和を取ることで、第１のヘテロダイン信号ｉ１の振幅Ｂを算出するとともに、これらの信号の位相の変化レートを検出することにより、被検体Ｓの移動速度に応じた周波数シフト分ｆｓを求め、この周波数シフト分ｆｓから、被検体Ｓの移動速度を算出する。
【００６７】
一方、上記ｆ１とｆ３両周波数が不一致である場合について、図３に示す同期検波方法も有効である。信号供給部１５１からの第１のヘテロダイン信号ｉ１と、信号生成部１４２からの同期信号ｉ３は混合器５０１で積算される。混合器５０１からの出力は、中心周波数がｆ１とｆ３との差に等しく、狭い帯域幅をもつバンドパスフィルタ５０２に入力される。バンドパスフィルタ５０２により抽出された、周波数がｆ１と周波数ｆ３との差の周波数成分は、例えば整流器から構成される振幅検出器５０３によって振幅が検出される。図３に示す同期検波方法は比較的に簡単な構成と、狭い検出帯域幅を設定できることが特徴である。
【００６８】
図４は、本発明の光ヘテロダイン計測装置の第２実施形態を示す図である。
【００６９】
図４に示す光ヘテロダイン計測装置２００は、図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００と同様に、第１の干渉計２１０と、第２の干渉計２２０と、参照鏡２３０と、同期信号生成部２４０と、同期検波部２５０とを備えている。
【００７０】
ここで、図４に示す光ヘテロダイン計測装置２００の構成と動作は、第１の干渉計２１０において光の伝送手段として光ファイバを用いていることと、第２の干渉計２２０において光源と受光器を兼ねるものとして光検出器付きレーザダイオードを用いていることを除いて、第１の光ヘテロダイン計測装置１００の構成や動作と同一である。そこで、ここでは図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００との同一点については説明を省略し、この光ヘテロダイン計測装置１００との相違点である、第１の干渉計２１０と第２の干渉計２２０の構成と動作について説明する。
【００７１】
図４に示す第１の干渉計２１０において、ＳＬＤ２１１から出射された光は光源側レンズ２１２によって集光され光源側光ファイバ２１３ａの端部に入射される。光源側光ファイバ２１３ａ中を伝搬した光は、カップラ２１４を介して、被検体側光ファイバ２１３ｂと参照鏡側光ファイバ２１３ｃに伝搬する。被検体側光ファイバ２１３ｂ中を伝搬しその端部から出射された光は、被検体側レンズ２１５によって集光され被検体Ｓに照射される。照射された光は、被検体Ｓ内を伝搬し被検体Ｓ内の各所で反射される、その結果、被検体Ｓ内の各所で散乱光が発生する。これら被検体Ｓ内の各所で発生する散乱光は、被検体側レンズ２１５によって集光され被検体側光ファイバ２１３ｂの端部に入射される。一方、参照鏡側光ファイバ２１３ｃ中を伝搬しその端部から出射された光は、参照鏡側レンズ２１６によって平行光となり参照鏡２３０に照射され、この参照鏡２３０で反射される。参照鏡２３０からの反射光は、参照鏡側レンズ２１６によって集光され参照鏡側光ファイバ２１３ｃの端部に入射される。被検体側光ファイバ２１３ｂを伝搬した被検体Ｓからの散乱光と、参照鏡側光ファイバ２１３ｃを伝搬した参照鏡２３０からの反射光は、カップラ２１４により重畳される。ここで、参照鏡２３０が光軸方向Ａに移動することにより、この参照鏡２３０からの反射光の周波数がシフトされる。その結果、被検体Ｓ内部の、この参照鏡２３０の光軸方向の位置に応じた反射点からの散乱光と、この散乱光と周波数が異なる参照鏡２３０からの反射光とが干渉し、干渉光が生成される。この干渉光が受光器側光ファイバ２１３ｂを伝搬し、受光器側レンズ２１７によって集光され受光器２１８で受光される。この結果、上記の干渉光の強度を表すビート信号である第１のヘテロダイン信号ｉ１が、受光器２１８から出力される。
【００７２】
また、図４に示すに第２の干渉計２２０おいて、光検出器付きレーザダイオード２２１から出射されレンズ２２２を通過した光のうちの半分が半透明鏡２２３を透過し、鏡２２４、参照鏡２３０、再び鏡２２４の順で反射された後、さらにその半分が半透明鏡２２３を透過する。この半透明鏡２２３を透過した光は、始めに半透明鏡２２３で反射した光と重畳される。ここで、参照鏡２３０が光軸方向Ａに移動することにより、この参照鏡２３０からの反射光の周波数はシフトされるので、上記の互いに重畳された２つの光は干渉し、干渉光が生成される。この干渉光が光検出器付きレーザダイオード２２１で受光され、この光検出器付きレーザダイオード２２１から、この干渉光の強度を表すビート信号である第２のヘテロダイン信号ｉ２が出力される。
【００７３】
図４に示す光ヘテロダイン計測装置２００では、第１の干渉計２１０において光の伝送手段として光ファイバを用いているので、光ヘテロダイン計測装置２００から離れた位置にある被検体Ｓに対する計測も実施することができる。
【００７４】
図５は、本発明の光ヘテロダイン計測装置の第３実施形態を示す図である。
【００７５】
図５に示す光ヘテロダイン計測装置３００では、ＳＬＤ３１１から出射され第１のレンズ３１２を通過した光は、ビームスプリッタ３２０によって２分割される。これらの光のうち、ビームスプリッタ３２０を透過した光は、移動ステージ３３０上に配置された被検体Ｓに照射される。照射された光は、被検体Ｓ内を伝搬し、被検体Ｓ内の各所で反射され、その結果、被検体Ｓ内の各所で散乱光が発生する。一方、ビームスプリッタ３２０によって２分割された光のうち、ビームスプリッタ３２０で反射された光は第１の参照鏡３４０に照射され、この第１の参照鏡３４０で反射される。この参照鏡３４０からの反射光と被検体Ｓからの散乱光とが、ビームスプリッタ３２０上で重畳される。ここで、移動ステージ３３０により被検体Ｓが光軸方向Ａに移動すると、被検体Ｓからの散乱光の周波数がシフトする。その結果、上記の散乱光のうち、ビームスプリッタ３２０から被検体Ｓ内部の反射点までの距離と、ビームスプリッタ３２０から参照鏡３４０までの距離との差が、ＳＬＤ３１１から出射された光のコヒーレント長以内である反射点からの散乱光と、第１の参照鏡３４０からの反射光とが互いに干渉し、干渉光が生成される。この干渉光が第１の受光器３１３で受光され、この干渉光の強度をあらわすビート信号である第１のヘテロダイン信号ｉ１が、第１の受光器３１３から出力される。
【００７６】
また、ＬＤ３５１から出射され第２のレンズ３５２を通過した光は、ビームスプリッタ３２０によって２分割される。これらの光のうち、ビームスプリッタ３２０を透過した光は、移動ステージ３３０上に被検体Ｓとともに配置された第２の参照鏡３５３に照射され、この第２の参照鏡３５３で反射される。一方、ビームスプリッタ３２０によって２分割された光のうち、ビームスプリッタ３２０で反射された光は第１の参照鏡３４０に照射され、この第１の参照鏡３４０で反射される。これら２つの反射光が、ビームスプリッタ３２０上で重畳される。ここで、移動ステージ３３０により、第２の参照鏡３５３が被検体Ｓとともに移動するので、第２の参照鏡３５３からの反射光の周波数がシフトする。この結果、ビームスプリッタ３２０上で重畳された２つの光が互いに干渉し、干渉光が生成される。この干渉光が第２の受光器３５４で受光され、この干渉光の強度をあらわすビート信号である第２のヘテロダイン信号ｉ２が、第２の受光器３５４から出力される。
【００７７】
上記の第１のヘテロダイン信号ｉ１と第２のヘテロダイン信号ｉ２は、それぞれ同期検波部３７０と同期信号生成部３６０に入力される。これらの信号は、同期検波部３７０と同期信号生成部３６０において、図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００における第１のヘテロダイン信号ｉ１と第２のヘテロダイン信号ｉ２と同一の処理を受ける。こうして、図５に示す光ヘテロダイン計測装置３００は、図１に示す光ヘテロダイン計測装置１００と同様に、被検体Ｓ内部の反射率分布などの光学情報を得る。ここで、図５に示す同期検波部３７０と同期信号生成部３６０の構成と、そこで実行される処理は図１および図２に示す同期検波部１５０と同期信号生成部１４０と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００７８】
また、図５に示す光ヘテロダイン計測装置３００では、第２のヘテロダイン信号ｉ２の周波数の瞬時値から移動ステージ３３０の位置を検出する。そして、この移動ステージ３３０の位置から、被検体Ｓ内部の、この移動ステージ３３０の位置に応じた散乱光の発生位置を算出する。
【００７９】
尚、第１から第３の実施形態では、低コヒーレント光源としてＳＬＤ、コヒーレント光源としてＬＤを例に挙げて説明したがこれに限るものではなく、低コヒーレント光源は、所定の低コヒーレント光を出射する光源であればよく、コヒーレント光源は、所定のコヒーレント光を出射する光源であればよい。
【００８０】
また、第１から第３の実施形態では、図１と図２および図４と図５に示す同期信号生成部は、上記の第２のヘテロダイン信号ｉ２に基づいて、上記の第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数と一致する周波数の同期信号ｉ３を生成するものとして説明したが、これに限るものではなく、上記の同期信号生成部は、上記の第１のヘテロダイン信号ｉ１の周波数と近似する周波数の同期信号ｉ３を生成するものであってもよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光ヘテロダイン計測装置によれば、ヘテロダイン信号の周波数変動が計測精度に与える影響を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘテロダイン計測装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】図１に示す第１の光ヘテロダイン計測装置の同期信号生成部と同期検波部を示すブロック図である。
【図３】第１のヘテロダイン信号と同期信号が不一致である場合についての同期検波方法を説明する図である。
【図４】本発明の光ヘテロダイン計測装置の第２実施形態を示す図である。
【図５】本発明の光ヘテロダイン計測装置の第３実施形態を示す図である。
【図６】マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本光学系を示す図である。
【図７】ヘテロダイン信号の周波数の変動を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００    光ヘテロダイン計測装置
１１０，２１０    第１の干渉計
１１１，２１１，３１１，４１０    ＳＬＤ
１２０，２２０    第２の干渉計
１２１，３５１    ＬＤ
１２２，３２０    ビームスプリッタ
１２３，２２３，４３０    半透明鏡
１２４，２２４    鏡
１２５，２１８，４６０    受光器
１２６，２２２    レンズ
１３０，２３０，４４０    参照鏡
１４０，２４０，３６０    同期信号生成部
１４１    周波数検出部
１４２    信号生成部
１５０，２５０，３７０    同期検波部
１５１    信号供給部
１５２    第１の混合器
１５３    位相シフタ
１５４    第２の混合器
１５５    第１のローパスフィルタ
１５６    第２のローパスフィルタ
１５７    コンピュータ
２１２    光源側レンズ
２１３ａ    光源側光ファイバ
２１３ｂ    被検体側光ファイバ
２１３ｃ    参照鏡側光ファイバ
２１３ｄ    受光器側光ファイバ
２１４    カップラ
２１５    被検体側レンズ
２１６    参照鏡側レンズ
２１７    受光器側レンズ
２２１    光検出器付きレーザダイオード
３１２，４２０    第１のレンズ
３１３    第１の受光器
３３０    移動ステージ
３４０    第１の参照鏡
３５２，４５０    第２のレンズ
３５３    第２の参照鏡
３５４    第２の受光器
４００    光学系
５０１    混合器
５０２    バンドパスフィルタ
５０３    振幅検出器
【図１】
2004251838.tif 000003
【図２】
2004251838.tif 000004
【図３】
2004251838.tif 000005
【図４】
2004251838.tif 000006
【図５】
2004251838.tif 000007
【図６】
2004251838.tif 000008
【図７】
2004251838.tif 000009