(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式転向鏡により被測定物体を走査する計測光を有する干渉計と
前記干渉計の参照光路に設置される参照鏡と、
計測光路および参照光路からの光束の干渉により現れる光の強度が、分光器で分析される前記干渉計が有する出口、および
参照光あるいは計測光の位相を不連続な値で段階的に変える装置
が設置されていることを特徴とする光学・トモグラフィーおよび光学表面プロファイル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透明、一部透明および不透明物体に対して光学表面プロファイル測定および光学断面像撮影を行うための装置に関するものである。この種装置は多方面で使用することが可能である。現在では特に医療分野で大いに重要度を増してきているが、適用分野はそれに限定されるものではない。
【０００２】
【従来の技術】
９０年代に二つの基本的な光学・トモグラフィー法が開発された。
散光トモグラフィーでは観察すべき物体対象領域の吸収係数および散乱係数は、その観察対象領域を複数回散乱状態で通過する光線の持つ特徴的な影響ファクターから求められる。この方法により提供される像は、立体解像力に劣っている。
第二の方法は光学・コヒーレンス・トモグラフィーであり（一般にはＯＣＴ=“Optical Coherence Tomography”と称される）、光の干渉性に基づくものであって、解像性の高い像を供給する[D.Huang、 E.A.Swanson、C.P.Lin、J.S.Schuman、W.G.Stinson、W.Chang、M.R.Hee、T.Flotte、K.Gregory、C.A.Puliafito、J.G.Fujimoto : 「光学・コヒーレンス・トモグラフィー」、雑誌サイエンス（１９９１年）、１１７８〜１１８１ページ]。
【０００３】
ＯＣＴは本来「光学・ショートコヒーレンス・トモグラフィー」と称せられるべきである。ここでは短コヒーレント光、つまり明確なスペクトル幅を持っていて、時間的コヒーレンスの短い光が対象になるからである。ＯＣＴの場合、観察物体は干渉計の計測光線により物体表面上Ｘ方向に伸びた線に沿って点単位で走査される。どの点でも計測光線は物体内に侵入し（Ｚ方向）、その反射光は干渉計の参照光によって干渉される。短コヒーレント光を使用するので、干渉は計測光と参照光がコヒーレンス長内で同じ光路を有している場合に限り発生する。参照鏡により光を測定距離だけ連続的に通過させることによって、測定対象物体のどの表面の対応下方点についても光線反射深部位置Ｚおよび光線散乱強度が記録される。
【０００４】
この方法は、公知の超音波法に準じて「光学Ａ-スキャン」とも称される（但し、超音波Ａ-スキャンでは音響反射地点の深部位置が物体内部からの経過時間を基に特定されるのに対し、ＯＣＴの場合深部位置は干渉に必要な計測光、参照光間の光路長補正を通じて求められるところに違いがある）。Ｘ方向に順次並列的になされた光学Ａ-スキャンから、最終的には個々の走査の合成によりＯＣＴトモグラフが作成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＣＴはその間、特に眼科の分野では非常に有力な診断術へと発展した。しかし、ＯＣＴ法には参照鏡を機械的に動かさねばならないという固有の欠陥がある。この機械的運動は磨滅を伴うので、像形成速度を制限させることになる。
上記の光学Ａ-スキャンに代わるのがスペクトル干渉法である。この場合では光を反射する物体の深部位置Ｚは、文献「応用光学」（L.M.Smith/C.C.Dobson著、１９８９年刊、第２８巻、第１５号、３３３９〜３３４２ページ）に書かれているように反射光の波長スペクトルから測定される。この方法はオーストリア特許出願Ａ２１６/９３-１およびドイツ特許出願ＤＥ ４３  ０９０５６  Ａ１の基礎となっている。この場合では、光学Ａ-スキャンは、物体からの反射光のスペクトル強度分布に対するフーリエ変換によって得られる。
【０００６】
最後に説明した方法の場合、物体からの反射光のスペクトルは、例えばスペクトル分光器平面のダイオード・アレイによって求められる。尤も、フーリエ変換の直接的適用によって得られるのは本来のＡ-スキャンでなく、Ａ-スキャンの自己相関関数である[その正確な根拠については例えば文献「後方散乱スペクトルの干渉法による視覚内距離の測定」（A.F.Fercher、C.K.Hitzenberger、G.Kampf、S.Y.El-Zaiat著、「光通信」１１７号/１９９５年、４３〜４８ページ）参照]。
【０００７】
これに対する物理的根拠として、ダイオード・アレイによる記録は物体からの反射光のうちの波長依存強度（又はその平方根、つまり振幅量）だけであって、位相は明確には考慮されていないという事実がある。位相にも関与するためには、物体光に対して物体深度を越える光路差を持つ参照波が必要である。しかし、これはダイオード・アレイで解像の必要もあるスペクトル中の空間周波数をかなり拡大させることになる。それ故、ここではダイオード・アレイの持つ解像力の一部は、写像の解像度を高めることなく単に位相記録に使用される。しかし、このＯＣＴ法の解像度は利用可能なダイオード・アレイの解像度によって決まるので、ＯＣＴ画像の解像に関して不必要な制限がもたらされる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
それに対して本発明に基づく装置では、確かに参照波は同様に使用するが、しかしダイオード・アレイの解像力を追加要求するものではない。
本発明装置は、複素分光振幅のフーリエ変換により、つまり反射光線の分光振幅量Ａ(λ)および分光位相φ(λ)から、光散乱位置の計測光線沿いＺ方向への分布、より詳しくは散乱ポテンシャルＦ(Ｚ)を求める文献記載の方法[「後方散乱スペクトルの干渉法による視覚内距離の測定」（A.F.Fercher、C.K.Hitzenberger、G.Kampf、S.Y.El-Zaiat著、「光通信」１１７号/１９９５年、４３〜４８ページ）]に基づいている。それ故、反射光のうち利用する波長について振幅および位相を測定しなければならない。
【０００９】
本発明に基づく方法の場合でも確かに参照光が利用されるが、物体光に対して追加の光路差は必要でない。参照光は不連続なステップ単位で位相変化する。
なお、物体光の振幅および位相はインタフェログラムの当該分光強度から測定する。デジタル干渉法に於いてはそのような位相測定法が現時点での技術水準であり、例えば、P.Hariharan著「光学干渉測定法」[アカデミックプレス/１９８５年刊、ISBN ０  １２  ３２５２２０  ２]に記載されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以上の通り、本発明に基づく装置は主として、被測定物体を照射する照射光線、被測定物体から反射した物体光を分光分離する格子状分光器又は分光プリズム、物体光に重ねられ、物体光に対してステップ単位で位相変化し得る参照光および参照光の位相値が区々である場合にインタフェログラムの分光強度を測定する検出用アレイで構成されている。
【００１１】
以下に本発明を図に基づいて詳しく説明する。
本発明に基づく装置の基本原理は、図１に表した通りである。
光源１としては時間的に短コヒーレントで、空間的には完全コヒーレントの光源、例えばスーパールミネセントダイオードが用いられる。光源１から放出された光線は分割鏡２により計測光３と参照光４に分割される。計測光３は回転式転向鏡５によってレンズ６のほうに向けられ、当レンズから被測定物体７に集束される。被測定物体からの反射光は、レンズ６および転向鏡５を通って分割鏡２に戻り、ここから干渉計出口のほうに向かう。そこには分散プリズム（又は回折格子）８、分光器（レンズ）９および検出アレイ１０から成る分光光度計が設置されている。分光光度計は、光線位置Ｘにおいて照射物体深部全体から反射された光の強度を参照光抜きで波長λ:Ι(χ，λ)の関数で記録する。
【００１２】
参照光４は、参照鏡１１によって反射され、光線分割器２を通ってやはり干渉計出口に到り、そこで分散プリズム８、分光器レンズ９および検出アレイ１０から成る分光光度計に衝突する。参照鏡１１で反射された参照光４の位相Pは、圧電調整器１２の利用のもとで参照鏡１１の位置をずらすことにより不連続なステップ単位で変化させることができる。この場合、光線分離器２からの光学距離が特にほぼ同じになるように参照鏡１１と物体７とを設置することができるし、またそうすべきであると言わねばならない。その時には検出アレイ１０で解像可能なスペクトル内において上記のような空間周波数の上昇は起こらない。
【００１３】
以下では、本発明に基づく装置の機能を公知であるデジタル干渉位相測定法に基づき説明する。そのような方法は相当数あり、そのうちの幾つかは上記引用文献「光学干渉測定法」に紹介されている。参照アーム中の不連続な位相ステップの技術的実現についても、例えば偏光光学をベースとした、あるいは圧電調整素子を利用した幾つかの可能性がある。これらはいずれも公知の技術水準のものであり、ここでは詳しくは説明しない。
【００１４】
圧電調整器１２を使って、例えば参照鏡を光線軸に沿って移動させることにより位相測定するには、参照鏡の下記３つの不連続調整機能を利用することができる（いずれも同一の計測光ポジションχで行う）:
(１) 第一のセッティングは、圧電調整器１２の静止位置にすることができる。
このセッティングを位相値P=０とすることができる（問題になるのは３セッティングの位相差だけだからである）。分光器の検出アレイ１０が光線ポジションχおよび波長λにおける強度I(χ;P=０;λ)を呈示する。
(２) 第二のセッティングは、参照鏡をλ/８だけ移動させた後に行う。
この場合、光がこの追加距離分を二回通過することになるので、これはP=π/２の位相移動に相当する。分光器の検出アレイ１０がこの時は強度
I(χ;P=π/２;λ)
を呈示する。
(３) 最後には参照鏡をさらにλ/８だけ移動させ、その後P=πにおいて改めて測定を行う。
I(χ; P=π;λ)
【００１５】
上記３つの測定から次式に基づき物体波長の位相φ(χ;λ)を求める :
φ(χ;λ)=arctan{[2・I(χ;π/2;λ)-I(χ;０;λ)-I(χ;π;λ)]
/[I(χ;π;λ)-I(χ;０;λ)]}
さらには、強度I(χ;λ)から次式に基づき振幅Ａ(χ;λ)の値を求める :
A(χ;λ)=√I(χ;λ) と I(χ;λ)=1/2・[Ι(χ;ο;λ)+Ι(χ;π;λ)]
このようにして得た反射光のスペクトル振幅Ａ(χ;λ)およびスペクトル位相φ(χ;λ)は、次式で表されるポジションχにおける計測光に沿った散乱ポテンシャルＦ(χ;ｚ)の計算に用いられる :
Ｆ(χ;ｚ)=FT{Ａ(χ;λ)・exp(i・φ(χ;λ)}
様々なＸ値に於ける上記のような多数の測定を基にして、コンピューター１３によりトモグラフＦ(χ;ｚ)を合成する。
【００１６】
最後に再度指摘しておくが、当位相測定の場合問題になるのは計測光と参照光との相対位相差だけである。したがって、参照光の位相は変えずに計測光についてのみ、物体に当たる前か当たった後に必要なだけ不連続的に位相変化させるという方法が取れる。
その状態を表したのが図２の装置であり、その場合計測光はまずミラープリズム１４から屋根型プリズム１５のほうに誘導され、そこからまたミラープリズム１４に戻される。計測光のその後の経路は図１の通りである。圧電調整器の上に屋根型プリズムを設置することで、位相測定に必要な物体光における不連続位相変位が導き出せる。参照光４は光線分割器２から転向鏡１６および１７を経由して分光器へと誘導される。
【００１７】
念のために付け加えておくが、不透明物体を対象とする場合、この方法では確かにトモグラフは撮影できないが、しかしトモグラフィー技術により表面プロファイルの撮影は可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の基本原理
【図２】位相変化させる場合の屋根型プリズムを設置した例
【符号の説明】
１ ...時間的に短コヒーレントで、空間的には完全コヒーレントの光源
２ ...光線分割器
３ ...計測光
４ ...参照光
５ ...回転可能な転向鏡
６ ...集束レンズ
７ ...観察物体
８ ...分散プリズム
９ ...分光器レンズ
１０...検出アレイ
１１...参照鏡
１２...圧電調整器（電動調整器含む）
１３...コンピューター
１４...ミラープリズム
１５...屋根型プリズム
１６...転向鏡
１７...転向鏡
【図１】
0004304286.tif 000002
【図２】
0004304286.tif 000003