(57)【要約】【課題】光路長を変化させる手段を必要とせず、さらに高額な液晶シャッターや複数台の２次元アレイセンサを必要とせずに、１台の２次元アレイセンサを具備するのみで、画素合わせの必要もない光干渉断層イメージング装置を提供する。【解決手段】  ２光束１，２の空間干渉縞において空間干渉縞の空間周期λS の適宜な位相位置毎にアレイセンサ素子３を合せ配置し、各アレイセンサ素子３よりの各位相毎の信号を検出し、演算電子回路６〜１０などを用いて相互の演算し、前記２光束１，２の干渉信号強度分布や位相差分布を描画して、光コヒーレンス断層画像化法と同様に被検査物体の表面乃至深層の断層画像をイメージングする。【選択図】図１
2005351727.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査物体に光ビームを照射し、その被検査物体から反射した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測方法において、物体光、参照光の２光束による空間干渉縞の空間周期の適宜な位相位置毎にアレイセンサ素子を合わせて配置し、前記各アレイセンサ素子からの各位相毎の信号を検出し相互に演算する空間周波数位相シフト方法により、前記２光束の干渉信号光強度分布や位相差分布を描画することを特徴とする光画像計測方法。
【請求項２】
（ａ）広帯域な波長域を有する光源と、
（ｂ）該光源からの光束を参照光と被検査物体への物体光とに２分割し異なる光路とする手段と、
（ｃ）前記参照光を、略光軸方向に順次移動して反射回帰させるミラーと、
（ｄ）前記被検査物体の表面乃至深層から反射回帰する物体光と前記回帰する参照光を交差して合波する手段と、
（ｅ）前記合波された２光束干渉光の空間干渉縞を検出するアレイセンサと、
（ｆ）前記各アレイセンサ素子からの位相毎の信号を相互に演算する手段と、
（ｇ）前記演算する手段からの信号強度分布や位相差分布を画像化するコンピュータおよび表示装置とを具備することを特徴とする空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【請求項３】
前記広帯域な波長域を有する光源のコヒーレント長が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【請求項４】
前記干渉光学系に、マイケルソン干渉系を用いることを特徴とする請求項２記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【請求項５】
前記干渉光学系に、マッハツェンダー干渉系を用いることを特徴とする請求項２記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【請求項６】
前記演算する手段に、演算電子回路を具備することを特徴とする請求項２記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【請求項７】
前記演算する手段に、演算プログラムを用いることを特徴とする請求項２記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査物体に光ビームを照射し、その被検査物体から反射した光を利用して、その被検査物体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測方法とそれを用いた光干渉断層イメージング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
広帯域なスペクトルをもつ光源の短いコヒーレンス長を利用して、物体深層の形態を断層画像化して観測する装置が、革新的な診断装置として既に眼科学の分野で実用化されている。その基本原理は下記特許文献１に開示されており、その詳細な報告は下記非特許文献１において明らかである。これらの基本原理に基づき、従来、物体の奥行き情報を断層画像化する手段として、回帰反射ミラーを高速遅延して参照光路長を変え、被検査物体の光軸（例えばＺ軸）方向の反射強度分布を得て、入射光束をＸ−Ｙ面でスキャンして２次元あるいは３次元断層画像を観測する方法が開発されてきた。この基本原理の応用として、図７に示すような、２次元アレイセンサによるＸ−Ｙ面断層画像すなわちｅｎ−ｆａｃｅ  ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）といわれる顔面断層画像を観測する２次元ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置が考案されている（例えば、下記特許文献２参照）。
【０００３】
図７は、従来の２次元ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置の構成図であり、Ｘ−Ｙ面で光ビームをスキャンする逐次法に対し、画像計測の高速化を図るために提案された。
【０００４】
図７において、１０１は広帯域光源、１０２はレンズ、１０３，１０７はビームスプリッター、１０４は反射鏡、１０５はピエゾ振動子、１０６は被検査物体、１０８，１１０は液晶シャッター、１０９，１１１はＣＣＤ２次元アレイセンサ、１１２はコンピュータ、１１３は位相シフターである。
【０００５】
図７では、物体光のビーム径を広げて被検査物体１０６に照射し、その反射光を周波数シフトさせた参照光と干渉させ、ヘテロダイン周波数の時間軸上の異なる位相を液晶シャッター１０８及び１１０の開閉で合わせ、２次元干渉像を各々ＣＣＤ２次元アレイセンサ１０９及び１１１で撮像する。このように撮像された各位相の画像を相互に演算して、光強度信号分布を算出し、被検査物体１０６の深層の顔面反射断層画像をコンピュータ１１２で描画する。
【０００６】
ここで、従来の位相シフト法では、一般に９０度位相を与える光路長変化による干渉縞の変化やヘテロダイン周波数の時間軸上の所定の位相成分を複数測定して、該測定値間で相互に演算して、位相差分布や信号強度分布を算出する。
【０００７】
検出される干渉信号の強度は、一般に次式で与えられる。
【０００８】
Ｉ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ0 ＋θ）                        …（１）
ここで、ＩDC：直流成分、ＩAC：交流成分、ｋ：波数、ｚ：２光束の光学距離の差、φ0 ：初期位相、θ：位相シフト量である。ピエゾ振動子などを用いて参照光のミラーを振動させて光路長を変化させたり、あるいはヘテロダイン周波数の位相を９０度ごとに検出したりすれば、位相シフト量θを可変にできる。例えば、θ＝９０度ずつずらした光干渉信号の強度を検出すると、
Ｉ0 = ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ0 ＋０×θ）                  …（２）
Ｉ1 ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ0 ＋１×θ）                  …（３）
Ｉ2 ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ0 ＋２×θ）                  …（４）
Ｉ3 ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ0 ＋３×θ）                  …（５）
が取得される。
【０００９】
これらの式より、３ステップ方式と４ステップ方式を用いて、交流成分ＩACと位相成分φ（＝ｋｚ＋φ0 ）を算出すると、３ステップ方式では、
ＩAC＝（１／２）・［（Ｉ0 −Ｉ1 ）2 ＋（Ｉ1 −Ｉ2 ）2 ］1/2   …（６）
φ＝ｔａｎ-1［（Ｉ1 −Ｉ2 ）／（Ｉ0 −Ｉ1 ）］                …（７）
４ステップ方式では、次式で求められる。
【００１０】
ＩAC＝（１／２）・［（Ｉ0 −Ｉ2 ）2 ＋（Ｉ1 −Ｉ3 ）2 ］1/2   …（８）
φ＝ｔａｎ-1［（Ｉ1 −Ｉ3 ）／（Ｉ0 −Ｉ2 ）］                …（９）
以上のような相互演算により、干渉光の交流成分分布と位相差分布を求める方法が位相シフト法として知られている。同様の方法で５ステップ方式でも求められる。
【００１１】
また、２θ＝１８０度として、予め直流成分ＩDCを観測しておき、
ＩAC＝（１／２）・［（Ｉ0 −ＩDC）2 ＋（Ｉ2 −ＩDC）2 ］1/2 …（１０）
φ＝ｔａｎ-1［（Ｉ2 −ＩDC）／（Ｉ0 −ＩDC）］              …（１１）
と演算しても求められる。
【００１２】
下記特許文献２および図７に示す従来の方法では、２台の高速液晶シャッター１０８，１１０を交互に開閉して１８０度位相シフト画像を取得して、上記式（１０）に示す位相シフトを演算することにより、干渉交流成分画像を１００Ｈｚで観測している。このため高価な液晶シャッターが必要であり、また、２次元ヘテロダイン周波数の位相誤差の除去や画素合わせなどの精緻な制御を必要とするという問題点があった。また、光路長を変化させて位相シフトする方法では、電気的にステップ状にピエゾ振動子を駆動する必要があり、その制御や位相シフト量の厳密な制御を必要とするため、外部擾乱に弱く交流成分ＩACの抽出に直流成分ＩDCが残るため、信号強度の背景雑音の除去が困難であった。さらに、上記のいずれの方法でも時間軸上で画像を取得して行くため、動的被検査物体の場合には実時間の断層画像の観察に制限があった。
【特許文献１】特許第２０１００４２号
【特許文献２】特開２００１−３３０５５８号
【非特許文献１】光学、２８巻３号、１９９９年  ｐｐ．１１６−１２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
以上述べた従来の位相シフト法では、具備すべき装置が多く、小型化できず、制御も手数が掛るなどの難題を抱えていた。また、それらの装置自体もが高額で部品点数が多く、簡便な装置とはならなかったので、高額な医療装置となっていた。
【００１４】
本発明は、このような従来の問題を解決しようとするものであり、光路長を変化させる手段を必要とせず、さらに高額である液晶シャッターや複数の２次元アレイセンサを必要とせずに、１台の２次元アレイセンサを具備するのみで、画素合わせの必要もない、被検査物体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測方法及び空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
そして、本発明は上記目的を達成するために
〔１〕光画像計測方法において、被検査物体に光ビームを照射し、その被検査物体から反射した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態情報を画像化する光画像計測方法において、物体光、参照光の２光束による空間干渉縞の空間周期の適宜な位相位置毎にアレイセンサ素子を合わせて配置し、前記各アレイセンサ素子からの各位相毎の信号を検出し相互に演算する空間周波数位相シフト方法により、前記２光束の干渉信号光強度分布や位相差分布を描画することを特徴とする。
【００１６】
〔２〕空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、広帯域な波長域を有する光源と、この光源からの光束を参照光と被検査物体への物体光とに２分割し異なる光路とする手段と、前記参照光を、略光軸方向に順次移動して反射回帰させるミラーと、前記被検査物体の表面乃至深層から反射回帰する物体光と前記回帰する参照光を交差して合波する手段と、前記合波された２光束干渉光の空間干渉縞を検出するアレイセンサと、前記各アレイセンサ素子からの位相毎の信号を相互に演算する手段と、前記演算する手段からの信号強度分布や位相差分布を画像化するコンピュータおよび表示装置とを具備することを特徴とする。
【００１７】
〔３〕上記〔２〕記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、前記広帯域な波長域を有する光源のコヒーレント長が１００μｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
〔４〕上記〔２〕記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、上記干渉光学系に、マイケルソン干渉系を用いることを特徴とする。
【００１９】
〔５〕上記〔２〕記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、上記干渉光学系に、マッハツェンダー干渉系を用いることを特徴とする。
【００２０】
〔６〕上記〔２〕記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、上記演算する手段に、演算電子回路を具備することを特徴とする。
【００２１】
〔７〕上記〔２〕記載の空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置において、前記演算する手段に、演算プログラムを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
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。
【００２３】
上述したように、従来はヘテロダイン周波数の時間軸上の位相に対して、あるいは光路差における位相に対して位相シフト法を適用していたが、本発明では２光束が形成する空間上の干渉縞の周期すなわち空間周波数の位相に対して位相シフト法を適用する新たな手法を実現するものである。
【００２４】
従来の方法では、時間軸上の位相シフトを検出するため高速な液晶シャッターなどを用い、誤差なく断続して位相毎の画像を検出する必要があり、また、他方光路差の位相シフトには可動鏡を必要とし、波長の数分の１精度で鏡面にぶれを起こすこと無く駆動しなければならない。
【００２５】
本発明では、このような機械的操作を一切必要としないため静的に位相シフトした画像を直ちに演算のみによってイメージングできる利点がある。
【００２６】
また、本発明では画像のイメージング速度は、用いる２次元アレイセンサの特性にのみ依存し、１０００ｆｒａｍｅｓ／ｓｅｃ以上の高速化が可能であるため、生体などの生きたままでの動的挙動を深層の組織や細胞レベルで観測可能とする効果がある。そのため、３次元断層画像化により生体の４次元のダイナミックな活動を非破壊、非侵襲、非接触で可視化できるという多大な効果をもたらす。
【００２７】
さらに、上記のような効果を挙げるために具備すべき装置は極めて単純な光学干渉系とアレイセンサと演算用のパソコンなどの構成で済むため、簡易な装置となり、小型化も可能となる上に安価に製造販売でき、医療の現場や産業や教育の現場で役に立つ効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
広帯域な波長域を有する光源と、この光源からの光束を参照光と被検査物体への物体光とに２分割し異なる光路とする手段と、前記参照光を、略光軸方向に順次移動して反射回帰させるミラーと、前記被検査物体の表面乃至深層から反射回帰する物体光と前記回帰する参照光を交差して合波する手段と、前記合波された２光束干渉光の空間干渉縞を検出するアレイセンサと、前記各アレイセンサ素子からの位相毎の信号を相互に演算する手段と、前記演算する手段からの信号強度分布や位相差分布を画像化するコンピュータおよび表示装置とを備え、光路長を変化させる手段を必要とせず、さらに高額な液晶シャッターや複数台の２次元アレイセンサを必要とせずに、１台の２次元アレイセンサを具備するのみで、画素合わせの必要もない光干渉断層イメージング装置を提供する。
【実施例】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
【００３０】
図１は本発明の空間周波数位相シフト方法の説明図である。
【００３１】
この図において、１は参照光Ｅｒ、２は物体反射光Ｅｓ、３はアレイセンサ素子、４は光干渉縞強度分布、５はアレイセンサ素子３の出力端、６，８は差動増幅演算回路、７，９は２乗増幅回路、１０は足し算回路、１１は演算回路出力端である。
【００３２】
図１は、参照光Ｅｒ１と物体反射光Ｅｓ２が２光束干渉する場合を図示している。２光束は、Ｚ軸に並んだアレイセンサ素子３上で合波され光干渉縞強度分布Ｉn,m ４が観測される。干渉縞の周期λｓが空間周波数の周期を与える。２光束の入射角をそれぞれαとすると、Ｚ軸上の光干渉縞強度分布I n,m ４は次式のように表される。
【００３３】
I n,m ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ−２ｋｚm ｓｉｎα）        …（１２）
ここで、ｚm はアレイセンサ素子３のＺ軸上の位置である。波数ｋは２π／λ（λ：光波長）であるから、空間周波数の周期λｓ＝λ／２ｓｉｎαおよび空間周波数の波数ｋｓ＝２π／λｓを用いると、
I n,m ＝ＩDC＋ＩACｃｏｓ（ｋｚ＋φ−ｋｓ・ｚm ）              …（１３）
となる。これより、位相ｋｓ・ｚm が９０度となるように、入射角αとアレイセンサ素子３の座標ｚm を選べば、前記の位相シフト方法を各アレイセンサ素子３の出力に適用して、例えば３ステップ方式を用いた場合には、図１に示すような演算回路６〜１０を用いて、光干渉縞強度分布４を直流成分を除去して観測できる。その結果、３つのアレイセンサ素子の出力Ｉn,0 、Ｉn,1 、Ｉn,2 がそれぞれ上記式（２）、（３）、（４）の位相シフトした値に該当し、この演算回路６〜１０によって出力端１１には上記式（６）の２乗の出力Ｉn 2 が得られる。
【００３４】
本発明の構成では、Ｉn ＝ＩAC＝ＥｒＥｓであるから、この出力Ｉn 2 からＥｓ2 が求められ、被検査物体の反射強度Ｅｓ2 が観測される。このＥｓ2 が図１に示すＸ−Ｚ面で２次元反射強度分布をもつ画像の場合は、上記演算回路６〜１０をＺ軸のアレイセンサ素子３毎に切り替えて上記演算を行い、Ｘ軸方向にも暫時演算を進めることにより、２次元干渉信号強度分布が測定される。
【００３５】
本発明では、並んだアレイセンサ素子３の内、例えば上記の場合では、３つのアレイセンサ素子の出力で一点の画素強度Ｉn 2 が算出される。その分、画像情報は縮退することになるが、予め充分なアレイセンサ素子３からなるセンサを用いたり、レンズで画像を拡大しておけば問題なく干渉強度画像情報を実体と１：１で検出できる。例えば、アレイセンサ１素子の周期長を１０μｍとするとき、空間周波数の周期λｓを４０μｍにとれば、位相ｋｓ・ｚm を９０度ごとの値とすることができる。また、例えば、入射波長λを０．８μｍとすると２光束の入射角αを約０．５７度にとることで位相ｋｓ・２ｍを９０度ごとの値にすることができる。また、λS をさらに長く設定し、複数のアレイ素子をまとめて一つの位相出力としたり、逆にとびとびに位相出力としても同様の効果が得られることは明白である。さらに、一般に位相シフト法は、検出する中心の位相角で演算しているが、実際は検出域は有限な幅内の積分値である。したがって、ＩDC成分が零となるように位相の何度かにわたる積分値を設定することが望ましい。そのような演算法は、数理学的最適値を求める手法で容易に実現でき、同様の効果を奏することができる。
【００３６】
図１に示す実施構成例では、演算電子回路６〜１０を用いる例を示したが、同様の機能は各アレイセンサ素子３からのアナログ出力をデジタル変換して、計算機に取り込んだ後にＣ−言語などを用いて演算プログラムを作りソフトで演算を行わせてもよく、また、このような機能を持たせた電子回路のデジタル演算プロセッサを構成して行わせてもよい。
【００３７】
図２は、本発明の２次元アレイセンサ素子上の画素間演算の具体例を示す模式図である。例えば、２次元アレイセンサ（ＣＣＤ）２７を用いると、２次元アレイセンサ素子の３配列の行にあたる番号ｎ−１，ｓ，２から番号ｎ＋１，ｓ，０の行が、図１に示したＺ軸にあたる。このうち、０，１，２の符号の素子からの出力間で上記の演算を行い、出力Ｉn,s をあらためて１画素信号として算出し強度信号とする。本実施例では、行の３素子毎にこのようにして、順番に１画素信号を得てゆく。さらに、Ｘ軸方向の異なる行においても同様に演算して、行列方向の全画素信号を算出し、Ｘ−Ｚ面全体の干渉強度分布イメージングデータとして該強度分布のカラー表示などを行う。
【００３８】
本発明では、位相分布も同様に求めることができる。前記各アレイセンサ素子の出力から、上記式（７）の右辺の演算を簡単な演算電子回路あるいは演算プログラムを用いて実行し、まずｔａｎφを算出して、これより位相分布を求め、位相分布画像の観測を実現することができる。
【００３９】
本発明における、マイケルソン干渉系を用いた被検査物体の断層イメージング装置の実施例を図３に示す。また、図４は図３における光束縞の形成図である。
【００４０】
図３において、２１は広帯域光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード：ＳＬＤ）、２２はレンズ、２３は光束２分割・合波用ビームスプリッター、２４は参照光路上に配置される光軸に対して仰角αをつけた反射鏡、２５は対物レンズ、２６は被検査物体、２７は２次元アレイセンサ、２８は高速プロセッサ、２９はコンピュータである。
【００４１】
この図において、広帯域光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード：ＳＬＤ）２１からの光は、レンズ２２により略平行光束と成し、光束２分割・合波用ビームスプリッター２３により参照光Ｅｒと物体光に２分割する。２光束の交差角を作るために参照光路に光軸に対して仰角αをつけた反射鏡２４を配置して参照光Ｅｒを回帰反射させる。他方、物体光は、被検査物体２６の表面乃至深層より反射回帰して物体反射光Ｅｓとなる。物体光路上に設けた対物レンズ２５は、光束を集光して被検査物体２６に照射するとともに、回帰反射光を２次元アレイセンサ２７に結像させる。ビームスプリッター２３で物体反射光Ｅｓと参照光Ｅｒを合波して、２次元アレイセンサ２７上に干渉縞を形成する。干渉縞は、図４に示すように、物体反射光Ｅｓと参照光Ｅｒの２光束が角度αで交差して干渉することで形成される。この構成では、物体反射光Ｅｓは対物レンズ２５により結像面となるので、参照光Ｅｒの、反射鏡２４により微小角αだけ傾いた波面ＰＱはＺ軸上で物体反射光Ｅｓの波面と干渉し、所定の空間周期になるようにする。また、反射鏡２４を傾斜する代わりに、ビームスプリッター２３を、結像深度の範囲内で微小角αだけ傾け、物体反射光Ｅｓの波面を傾け交差して２光束干渉を行っても、所定の空間周期を実現できる。あるいは、参照光と物体光を両方とも傾けて交差させても良いことは明白である。
【００４２】
２次元アレイセンサ２７からの出力は、演算回路や演算プログラミングを搭載した高速プロセッサ２８により、位相シフトの演算を行い、画像情報を算出してコンピュータ２９により信号強度分布をカラー表示するなどして反射強度画像を表示する。広帯域光源２１のショートコヒーレンス性により、２次元アレイセンサ２７面で干渉縞が生じるのは、ビームスプリッター２３で２分割された後の、参照光路長と物体光路長差がコヒーレンス長以内の場合のみである。この原理を用いると、被検査物体２６の表面のみならず深層の反射面からの回帰反射光により、干渉縞を形成できる。すなわち、参照光路長を反射鏡２４の光軸方向への移動によって変化させ、任意の深層反射面までの光学距離と一致させ、干渉像を形成すれば、該深層面の断層画像化が実現される。該深層面以外からの反射光は、干渉縞を形成することはなく直流成分となるので、本発明の位相シフト法によれば、背景雑音となる直流成分を除去して、所望の断層のみをイメージングし観測できる。
【００４３】
本発明の実施例においては、図３に示した反射鏡２４を例えば上記コヒーレンス長（例えば、数μｍ乃至数十μｍ）毎に移動しつつ断層画像を取得して、コンピュータ２９に蓄積して３次元表示をすれば、被検査物体２６の３次元立体断層画像をイメージングし観測できる。２次元アレイセンサ２７の画素信号の取り込み速度が早ければ、例えば現在市販されている１０００ｆｒａｍｅｓ／ｓｅｃのセンサを用いて実施すると生体などの反応場のダイナミックな変化を非破壊で観測可能となる。
【００４４】
本実施例では、本発明の位相シフト方法において、３ステップ法を例示したが、４ステップ法や５ステップ法でもよく、画像情報の縮退が問題でない限り、ステップ数を増やした方が直流成分の除去とＳＮ比の向上に繋がる。また、同一反射面の画素情報を何十フレームか蓄積して平均化をしたりノイズリミッターにかければ、同様に直流成分の除去とＳＮ比の向上になる。
【００４５】
図５は本発明の実施例を示すマッハツェンダー干渉系を用いた被検査物体の断層イメージング装置の実施例を示す図である。
【００４６】
図５において、３１は広帯域光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード：ＳＬＤ）、３２はレンズ、３３，３４，３７は２分割用ビームスプリッター、３５は対物レンズ、３６は被検査物体、３８は参照光路上に配置される光軸に対して迎角αをつけた反射鏡、３９は合波用ビームスプリッター、４０は２次元アレイセンサである。
【００４７】
図５に示すように、広帯域光源３１からの光束を、２分割用ビームスプリッター３３で、物体光と参照光Ｅｒの２光束に分割し、物体光は対物レンズ３５で集光し、反射回帰光をビームスプリッター３４で反射して、２次元アレイセンサ４０に導く。一方、参照光は、ビームスプリッター３７を経て可動反射鏡３８で反射して光路長の調整と光軸方向への走査を行い、合波用ビームスプリッター３９で反射して、物体反射光Ｅｓと共に２次元アレイセンサ４０面上で合波干渉させる。その結果、図３における実施例と同様に、反射断層画像をイメージングできる。詳細は、図３における演算法と全く同じであるので省略する。
【００４８】
図６は図５のマッハツェンダー干渉系を用いた被検査物体の断層イメージング装置の変形例を示す図である。
【００４９】
この図において、４１は広帯域光源（例えば、スーパールミネッセントダイオード：ＳＬＤ）、４２はレンズ、４３，４４は２分割用ビームスプリッター、４５は参照光路上に配置される光軸に対して仰角αをつけた反射鏡、４６は反射ミラー、４７は合波用ビームスプリッター、４８は対物レンズ、４９は被検査物体、５０は２次元アレイセンサである。
【００５０】
図６に示すように、被検査物体４９より２次元アレイセンサ５０までの光路長を短くすることにより、図５におけるビームスプリッター３４での反射損と途中の長光路での伝送損失を減じる実施例を示している。動作原理は、図５と同様であるので、省略する。
【００５１】
本発明の断層画像の検出方法は、上記の干渉系以外でも、画像を伝達して２光束干渉を生じさせることのできる干渉系であれば全て適用できることは明白である。また、干渉縞を形成するのに、参照光と物体光が平光光束であることを前提にして説明したが、一方かまたは両方がガウス型の光束で、同心円上に干渉縞を形成して、不等間隔にはなるが半径方向に本発明の位相シフト法を適用しても同様な結果が得られることは明白である。
【００５２】
本発明は、上記実施例で説明したように、被検査物体の表面乃至深層の反射断面像を、従来のヘテロダイン検波法や光学距離の変化による位相シフト法と異なり、２光束の干渉縞を形成して演算し表示することのみで画像情報を検出できる、簡便ながら極めて汎用性の高いものである。
【００５３】
したがって、現在市販されているＯＣＴによる眼底断層診断装置に対して、同様の高分解能かつ非侵襲、非接触、非破壊の性能を有すると共に簡易安価な装置を提供できるものであり、また、高速での画像取得が可能であるため医師や患者等へ負担を軽減できるものである。さらに、本発明は深層観測可能な３次元断層顕微鏡や３次元カメラとして、多くの産業上の用途が期待できるものである。
【００５４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の光画像計測方法及び空間周波数位相シフト法による光干渉断層イメージング装置は、生体断層診断装置、更には、深層観測可能な３次元断層顕微鏡や３次元カメラとして、多くの産業上の用途が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施例を示す空間周波数位相シフト方法の説明図である。
【図２】本発明の実施例を示す２次元アレイセンサ素子上の画素間演算の具体例を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示すマイケルソン干渉系を用いた被検査物体の断層イメージング装置を示す図である。
【図４】図３における、２光束干渉縞の形成図である。
【図５】本発明の実施例を示すマッハツェンダー干渉系を用いた被検査物体の断層イメージング装置を示す図である。
【図６】図５に示す断層イメージング装置の変形例を示す図である。
【図７】従来の２次元ヘテロダイン検出法を用いた光画像計測装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１    参照光
２    物体反射光
３    アレイセンサ素子
４    光干渉縞強度分布
５    アレイセンサ素子の出力端
６，８    差動増幅演算回路
７，９    ２乗増幅回路
１０    足し算回路
１１    演算回路出力端
２１，３１，４１    広帯域光源
２２，３２，４２    レンズ
２３    光束２分割・合波用ビームスプリッター
２４，３８，４５    光軸に対して仰角αをつけた反射鏡
２５，３５，４８    対物レンズ
２６，３６，４９    被検査物体
２７，４０，５０    ２次元アレイセンサ
２８    高速プロセッサ
２９    表示装置付きコンピュータ
３３，３４，３７，４３，４４    ２分割用ビームスプリッター
３９，４７    合波用ビームスプリッター
４６    反射ミラー
【図１】
2005351727.tif 000003
【図２】
2005351727.tif 000004
【図３】
2005351727.tif 000005
【図４】
2005351727.tif 000006
【図５】
2005351727.tif 000007
【図６】
2005351727.tif 000008
【図７】
2005351727.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月15日(2004.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
本発明では、並んだアレイセンサ素子３の内、例えば上記の場合では、３つのアレイセンサ素子の出力で一点の画素強度Ｉn 2 が算出される。その分、画像情報は縮退することになるが、予め充分なアレイセンサ素子３からなるセンサを用いたり、レンズで画像を拡大しておけば問題なく干渉強度画像情報を実体と１：１で検出できる。あるいは、３つのアレイセンサ素子からの出力を１素子ずつずらして順に読出し演算すれば、画像情報の縮退はなく再現できる。例えば、アレイセンサ１素子の周期長を１０μｍとするとき、空間周波数の周期λｓを４０μｍにとれば、位相ｋｓ・ｚm を９０度ごとの値とすることができる。また、例えば、入射波長λを０．８μｍとすると２光束の入射角αを約０．５７度にとることで位相ｋｓ・ｚm を９０度ごとの値にすることができる。また、λS をさらに長く設定し、複数のアレイ素子をまとめて一つの位相出力としたり、逆にとびとびに位相出力としても同様の効果が得られることは明白である。さらに、一般に位相シフト法は、検出する中心の位相角で演算しているが、実際は検出域は有限な幅内の積分値である。したがって、ＩDC成分が零となるように位相の何度かにわたる積分値を設定することが望ましい。そのような演算法は、数理学的最適値を求める手法で容易に実現でき、同様の効果を奏することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
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