JP2001066247A

JP2001066247A - 光計測装置

Info

Publication number: JP2001066247A
Application number: JP23988399A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Tanno; 直弘丹野; Kinpui Chan; キンプイチャン
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2019-08-26
Also published as: JP3245135B2

Abstract

(57)【要約】【課題】２次元検出器アレイによる光ヘテロダイン測
定を有効に行うことのできる光計測装置を提供する。【解決手段】光計測装置において、光ビームを出射す
る光源１０１と、この光源から出射された光ビームを、
被測定検体１１１が配置される被測定検体の配置位置を
経由する信号光と、この被測定検体の配置位置を経由す
る光路とは異なる光路を経由する参考光とに二分すると
ともに、前記被測定検体の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考光とを互いに重畳
することにより前記信号光と前記参照光とが干渉した干
渉光を生成する干渉光学系と、前記干渉光学系が、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１０３，１０９と、前記干渉光学系
が、前記信号光と前記参照光のうち少なくとも一方の光
路上に光を周期的に遮断する光学装置とを備え、前記光
学装置の遮断周波数を前記信号光と前記参照光の間の周
波数差に等しくなるようする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定検体、特に
光散乱媒質に光ビームを照射し、その被測定検体を伝播
（透過あるいは反射）した光を利用して、その被測定検
体の光計測を行う光計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線を用いて、例えば生体組織や、自然
に存在するかあるいは人工的な被覆物によって覆われた
試料の内部形態を透視する画像技術は、医療、科学、工
業の各分野で広く用いられている。

【０００３】近年、レーザー光源などを用いた光画像計
測技術は、安全であること、すなわち脱放射線化、脱ア
イソトープ化であることから、既存のＸ線を用いた画像
計測分野への応用が試みられている。中でも、生体組織
の光画像計測は有望な応用分野の１つとして挙げられ
る。

【０００４】ところで、例えば人体や生体組織のような
不均一な構成物質をもつ試料（被測定検体）は、その内
部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一
般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する
場合の最大難点は、被測定検体から四方八方に出射する
透過光あるいは反射光のうち、追跡が可能な光路を辿っ
た信号光をどのようにして抽出するかということにあ
る。

【０００５】これを可能にする方法の１つとして、光散
乱に伴う信号光のコヒーレンス性の消失に着目した光コ
ヒーレント検出法が挙げられる〔例えば、Ｋ．Ｐ．Ｃｈ
ａｎ，Ｂ．Ｄｅｖａｒａｊ，Ｍ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｉ
ｎａｂａ，“ＰｈｙｓｉｃｓｉｎＭｅｄｉｃｉｎｅ
ａｎｄＢｉｏｌｏｇｙ”，Ｖｏｌ．４２，８５５（１
９９７）参照〕。

【０００６】光コヒーレント検出法は、光ヘテロダイン
検出法に基づく光計測法である。

【０００７】図１５はかかる従来の光ヘテロダイン検出
システムの基本構成図である。

【０００８】この図において、レーザー光源１から出射
したコヒーレントな光ビームは第１のビームスプリッタ
２により、信号光と参照光とに二分される。信号光は、
例えば散乱媒質からなる被測定検体６に入射し、その被
測定検体６を透過した信号光が第２のビームスプリッタ
８を透過して光検出器９に入射する。

【０００９】一方、参照光は、例えばＡＯＭ（音響光学
素子）等の周波数シフター３でΔｆの周波数シフトを受
け、第２のビームスプリッタ８で、信号光と重畳され
て、光検出器９に入射する。なお、図１５において、
４，５は反射ミラー、７は被測定検体６を駆動するＸ−
Ｙステージ、１０は光検出器９から得られる信号を処理
する信号処理系である。

【００１０】光検出器９の受光面上では、周波数の異な
る信号光と参照光とからなる干渉光が生成され、光検出
器９からはそれら信号光と参照光との周波数差Δｆに相
当する周波数のヘテロダイン信号が出力される。

【００１１】このような光ヘテロダイン検出法に基づく
光計測は、本質的に散乱を受けずに直進する直進光成分
のほかに、散乱を受けながらも前方へ伝播して入射光の
時間コヒーレンスの一部を保持したまま散乱体から出射
する散乱光成分も検出できるという特徴をもつ。

【００１２】図１６は従来の信号光が散乱媒質の入射と
出射面、及び内部で受ける光散乱の様子を示す図であ
る。

【００１３】この図において、１１は散乱媒質、１２は
入射光波、１３は出射光波、また、散乱媒質１１におけ
る矢印は散乱に伴う入射光ビームの空間的拡がりを示し
ている。

【００１４】図１６に示すように、面散乱のほかに散乱
媒質１１の内部で受ける多重散乱により、散乱媒質１１
から出射する光の波面には顕著なひずみが生じる。この
ことは、入射光の時間コヒーレンスの一部を保持したま
ま出射する信号光についても同様である。

【００１５】ここでは、図１５と図１６に示す透過光を
測定する実験例をとりあげて、光ヘテロダイン検出法に
よる信号光の検出を説明したが、被測定検体６からの反
射光を光ヘテロダイン検出法で検出する光計測〔例え
ば、丹野直弘、「光学」、第２８巻、第３号、１１６
（１９９９）参照〕においても、その信号光の波面乱れ
は共通する問題である。

【００１６】従来の光ヘテロダイン法では、このような
空間的に乱された信号光を有効に検出できないことはす
でに指摘されている〔例えば、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｄ．
Ｋ．Ｋｉ１１ｉｎｇｅｒ，“ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅ
ｒｓ”，Ｖｏ１．１７．１２３７（１９９２）参照〕。

【００１７】また、このような空間的に乱された信号光
は空間的にランダムな位相及び強度分布をもつため、検
出される光ヘテロダイン信号に強いゆらぎが観測され
る。これは、レーザースペックル現像の一つとして知ら
れている〔例えば、Ｊ．Ｃ．Ｄａｉｎｔｙ編、“Ｌａｓ
ｅｒＳｐｅｃｋ１ｅａｎｄＲｅ１ａｔｅｄＰｈ
ｅｎｏｍｅｎａ”，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒ１ａｇ社
出版（ＮｅｗＹｏｒｋ，１９７５）参照〕。

【００１８】空間的に乱された光信号を有効にヘテロダ
イン検出する方法として、２次元検出器アレイを用いた
光ヘテロダイン法が提案されている〔例えば、Ｋ．Ｐ．
Ｃｈａｎ，Ｋ．Ｓａｔｏｒｉ，Ｈ．Ｉｎａｂａ，“Ｅ１
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏ１．３
４．１１０１（１９９８）参照〕。

【００１９】図１７は従来の２次元検出器アレイを用い
た光ヘテロダインシステムの基本原理図である。

【００２０】この図において、２１はレーザー光源、２
２は第１のビームスプリッタ、２３は被測定検体、２４
はＸ−Ｙステージ、２５，２６，２７，３２，３３はレ
ンズ、２８は第２のビームスプリッタ、２９は２次元光
検出器アレイ、３０，３４は反射ミラー、３１は位相変
調器、３５はアレイ用並列データ処理系、３６はコンピ
ュータである。

【００２１】図１７に示すように、被測定検体２３の出
射面上にある関心点から出射する信号光をレンズ２５，
２６で集光して、さらにレンズ２７で信号光を観察面へ
伝送する。観察面には複数の光検出素子を有する２次元
光検出器アレイ２９が配置され、その面上で信号光は、
例えば、平面波として参照光と重畳され、光干渉を起こ
す。

【００２２】この場合、信号光が空間的に不規則な位相
と強度分布を有するならば、各受光素子で得られた複数
の干渉信号も互いに異なる位相と強度を持つことにな
る。そこで、それら複数の受光素子で得られた複数の受
光信号を統合して一つの関心点の信号を形成する。

【００２３】従来は「時間的に」信号を平均することで
スペックルノイズの低減化を図っていたのに対して、こ
の方法によれば、スペックルノイズを「空間的に」平均
化することができ、高速かつ信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の
よい光計測が可能になる。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような、従来の単一光検出器による光ヘテロダイン検
出法、もしくは図１７に示す２次元光検出器アレイを用
いた光検出法で検出される受信光強度は、参照光と信号
光の強度をそれぞれＩ_rとＩ_s、また両光波の間の周波
数差と位相差をΔｆとΔθとすると、次のように表され
る〔例えば、吉沢、瀬田編、「光ヘテロダイン技術」、
新技術コミュニケーションズ社出版（１９９４）参
照〕。

【００２５】

【数１】

【００２６】微小な信号光を検出することを目的とする
光ヘテロダイン測定では、参照光強度は信号光強度より
極めて大きいため、光ヘテロダイン法で検出される光電
流は大きな直流成分と、振幅が√（Ｉ_rＩ_s）に比例し
た微弱な交流成分が重畳されたものである。従来の光ヘ
テロダイン計測では、このような交流（ＡＣ）成分を例
えば、ＡＣカップリング（結合）法で抽出した後ＡＣ増
幅器で増幅し、さらにその振幅を例えば、整流検波回路
を用いて検出する。

【００２７】しかし、従来の交流信号の検波方式を２次
元光検出器アレイを用いた光ヘテロダイン測定に応用す
ると、図１８に示すように、アレイの素子数に対応した
チャンネル数をもつ信号処理系が必要となるが、実用上
アレイの素子数を増やすことに難点がある。なお、図１
８において、４１は整流検波器、４２は積算回路であ
る。

【００２８】本発明は、上記状況に鑑みて、２次元光検
出器アレイによる光ヘテロダイン測定を有効に行うこと
のできる光計測装置を提供することを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕光計測装置において、光ビームを出射する光源
と、この光源から出射された光ビームを、被測定検体が
配置される被測定検体の配置位置を経由する信号光と、
前記被測定検体の配置位置を経由する光路とは異なる光
路を経由する参考光とに二分するとともに、前記被測定
検体の配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光
路を経由した参考光とを互いに重畳することにより、前
記信号光と前記参照光とが干渉した干渉光を生成する干
渉光学系と、前記干渉光学系が、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、前記信号光と前記参照光のう
ち少なくとも一方の光路上に光を周期的に遮断する光学
装置とを備え、前記光学装置の遮断周波数を前記信号光
と前記参照光の間の周波数差に等しくなるようにしたこ
とを特徴とする。

【００３０】〔２〕上記〔１〕記載の光計測装置におい
て、前記光学装置の光遮断動作が、前記信号光と前記参
照光の間の周波数差に等しい周波数をもつ参照信号と同
期し、前記参照信号の特定の位相値を基準とすることに
より遮断動作の開始と終結を実行し、前記基準となる位
相値を異なる値に変化することにより、前記干渉光を異
なる測定開始時間と異なる測定時間幅で切り出すことを
特徴とする。

【００３１】〔３〕上記〔１〕記載の光計測装置におい
て、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光することによ
り光検出信号を得る光検出器を備え、さらに、前記干渉
光学系が、前記被測定検体の配置位置に配置された被測
定検体の表面もしくは、内部の、前記信号光の伝搬経路
上の関心点の信号光を前記光検出器上に伝達するととも
に、この光検出器上に前記参照光を重畳し、前記光検出
器が、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し、さらに、前記光検出器で得
られた複数の受光信号を統合して前記関心点に対応する
信号を生成する信号処理部を備えるようにすることを特
徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００３３】本発明は、光ヘテロダイン測定で得られる
光干渉信号を時間的に切り出すことにより、交流成分を
抽出する。

【００３４】図１は本発明の第１実施例を示す光ヘテロ
ダイン検出システムの構成図である。

【００３５】この図において、１０１はコヒーレント光
源、１０２は第１のビームスプリッタ、１０３は第１の
周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）、１０４，１０８は反
射ミラー、１０５，１０６，１１３はレンズ、１０７は
第２のビームスプリッタ、１０９は第２の周波数シフタ
（ＡＯＭ２，ｆ₂）、１１０はパルス発生器、１１１は
被測定検体、１１２はＸ−Ｙステージ、１１４は光検出
器、１１５は信号処理系である。

【００３６】図１に示すように、連続出力光を出力する
コヒーレント光源１０１（例えばレーザー光源）から出
射した光ビームは第１のビームスプリッタ１０２によ
り、信号光と参照光とに二分される。

【００３７】信号光は、例えば、第２の周波数シフタ１
０９でｆ₂の周波数シフトを受けて、例えば散乱媒質か
らなる被測定検体１１１に入射し、その被測定検体１１
１を透過した信号光は光学レンズ１１３で集光され、第
２のビームスプリッタ１０７を透過して光検出器１１４
に入射する。

【００３８】一方、参照光は、例えばＡＯＭ等の第１の
周波シフタ１０３でｆ₁の周波数を受け、第２のビーム
スプリッタ１０７で信号光と重畳されて、観察面に配置
される光検出器１１４に入射される。

【００３９】光検出器１１４の受光面において、周波数
差｜ｆ₂−ｆ₁｜をもつ信号光と参照光からなる干渉光
が生成される。

【００４０】なお、図１ではマッハツェンダー干渉計の
原理に基づいて構成されているが、本発明は、次のよう
な機構を干渉計に構えることにより、従来の光ヘテロダ
イン干渉計と異なる特徴をもつ光計測装置を提供する。
ここでは、参照光及び信号光のうち少なくともどちらか
一方を周期的ｏｎ−ｏｆｆ（遮断）する。そのｏｎ−ｏ
ｆｆ周波数は常に両光波の間の周波数差（｜ｆ₂−ｆ₁
｜＝Δｆ）に等しくなるように設定される。

【００４１】そのような光の遮断動作は、例えば、図１
の場合、第１の周波数シフタと第２の周波数シフタのう
ち少なくとも一方をΔｆの周波数でｏｎ−ｏｆｆすれば
よい。なお、周波数シフタが「ｏｆｆ」の状態では周波
数シフタに入射する光ビームが周波数シフトを受けず、
図１の点線で示すように入射角度と同じ角度で周波数シ
フタから出射することとなる。

【００４２】さらに、本発明は観察面に配置される光検
出器１１４として、１次元ないし２次元に受光素子を配
列されるイメージセンサ、例えばＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ
−ｃｏｕｐ１ｅｄｄｅｖｉｃｅ）カメラを使用する。

【００４３】以下、本発明による測定原理を説明する。

【００４４】図２は本発明の光ヘテロダイン検出による
測定原理の説明図であり、縦軸に干渉光強度、横軸に時
間を示している。

【００４５】図２（ａ）の波形ａは、光ヘテロダイン測
定において信号光及び参照光がともに連続光である場
合、光検出器１１４面上に生成される干渉光の時間波形
を示すものである。前記式（１）に示すように、光干渉
信号は参照光及び信号光の強度に比例した直流成分と、
｜ｆ₁−ｆ₂｜＝Δｆの周波数をもつ交流成分とからな
る。

【００４６】さらに、図２（ｂ）の波形ｂは、本発明に
よって生成される干渉光の時間波形を示すものである。
信号光と参照光の両光ビームをΔｆ＝｜ｆ₁−ｆ₂｜の
周波数で「ｏｎ−ｏｆｆ」することにより、干渉光は、
上記Δｆの周波数で時間的に「切り出される」ことにな
る。その干渉光の「切り出し」動作を数式を用いて以下
に述べる。

【００４７】連続光源から出射するコヒーレント光を振
幅Ａ、各周波数ω（ω＝２πｆ）、位相θをもつ電場の
正弦的波動として考える。すなわち、

【００４８】

【数２】

【００４９】その光強度は、次のように表される。

【００５０】

【数３】

【００５１】図１において第１の周波数シフタ１０３と
第２の周波数シフタ１０９が常に「ｏｎ」の状態であれ
ば、１次回折光としてそれぞれ第１の周波数シフタ１０
３と第２の周波数シフタ１０９から出射する参照光と信
号光はともに連続光であり、それぞれの電場Ｅ_rとＥ_s
を次のように表すことができる。

【００５２】

【数４】

【００５３】

【数５】

【００５４】ただし、ω₁＝２π（ｆ＋ｆ₁），またω
₂＝２π（ｆ＋ｆ₂）である。

【００５５】次に、信号光と参照光がともにΔｆ＝｜ｆ
₁−ｆ₂｜の周波数で周期的にｏｎ−ｏｆｆされること
について考える。

【００５６】例えば、周波数シフタの「ｏｎ−ｏｆｆ」
動作によって周波数シフタから出射する１次回折光の光
強度も「ｏｎ−ｏｆｆ」になるとすると、周波数シフタ
の「ｏｎ−ｏｆｆ」動作は周波数シフタに入射する連続
な光ビームの強度に対して変調レートＭ（ｔ）の強度変
調、またその電界に対して変調レートＭ（ｔ）の強度変
調をかけることとなる。

【００５７】そこで、図１の光検出器１１４面上に形成
される干渉光を次のように表わすことができる。

【００５８】

【数６】

【００５９】ただし、Δθ＝｜θ₁−θ₂｜である。次
に、周波数シフタの「ｏｎ−ｏｆｆ」動作、例えば、図
３に示される矩形の動作をフーリエ級数の展開により、
次のように展開する。

【００６０】

【数７】

【００６１】本発明は、Ｔ＝１／Δｆ＝１／｜ｆ₁−ｆ
₂｜の周期で時間的に切り出される干渉光を蓄積型の光
検出器、例えば空間的に受光素子が配置されるＣＣＤ
（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐ１ｅｄｄｅｖｉｃｅ）カメ
ラで検出することを特徴とする。そのような蓄積型光検
出器の電気出力は干渉光を一定の積算時間にわたって積
算するものであるので、式（６）から次のように与えら
れる。

【００６２】

【数８】

【００６３】式（８）に式（７）を代入して整理する
と、その積算の第１項は、

【００６４】

【数９】

【００６５】となり、同様にその第２項は

【００６６】

【数１０】

【００６７】となる。さらにその第３項は、

【００６８】

【数１１】

【００６９】となる。式（１１）において光干渉信号の
周期Ｔ＝２π／Δωは積算時間より十分短いのであれ
ば、その第１項で表される干渉信号は平均され、ゼロと
見なされる。一方、その第２項は、

【００７０】

【数１２】

【００７１】となる。上記式（９）、（１０）と（１
２）の結果より、式（８）で表される蓄積型光検出器の
出力は次のように与えられる。

【００７２】

【数１３】

【００７３】式（１３）から察知できるように、光検出
器の出力には、信号光と参照光の強度のほかに、光干渉
信号の振幅〔√（Ｉ_sＩ_r）〕および位相（Δθ）に関
する項が含まれている。

【００７４】このように、本発明は干渉光をその干渉周
波数と同じ周波数で時間的に切り出し、さらにそれを蓄
積型光検出器で受光する手段を用いて光干渉信号を直流
値として出力する。このことは光干渉信号を交流成分と
して出力する従来の光ヘテロダイン測定と根本的に異な
るものである。

【００７５】さらに、本発明は以下のような測定手段を
特徴とする。

【００７６】本発明による干渉光の「切り出し」動作を
説明する。すなわち、式（１３）で表されるｉ₁の測定
に続いて干渉光の「切り出し」のタイミングを、そのｉ
₁の測定の時と比べ時間的にそれぞれＴ／２とＴ／４だ
けずらして、計２回の測定を行う。このことは、フーリ
エ変換の原理から式（７）における位相φをそれぞれπ
とπ／２ずらすことを意味する。従って、それぞれの位
相ずらしに応じて光検出器１１４からは次のような２つ
の出力が得られる。

【００７７】

【数１４】

【００７８】

【数１５】

【００７９】図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）はそ
れぞれ、式（１３）、式（１４）及び式（１５）に対応
した干渉光の時間波形を示すものである。比較のため
に、図４（ａ）の波形ａに周波数Δｆの正弦波の時間波
形を示す。

【００８０】また、本発明は次のような信号演算処理を
行うことを特徴とする。

【００８１】式（１３）、式（１４）と式（１５）よ
り、

【００８２】

【数１６】

【００８３】

【数１７】

【００８４】

【数１８】

【００８５】が算出される。それに基づいて信号光の強
度及び位相に関する情報は次のような演算方法から求ま
る。

【００８６】

【数１９】

【００８７】

【数２０】

【００８８】上記ｉ₁、ｉ₂及びｉ₃の測定において干
渉光の切り出しのタイミングがそれぞれ異なることは明
白である。その実行手段の一例を図５に示す。図５
（ａ）は参照信号を示し、図５（ｂ）は周波数シフタ
（光音響変調器）のｏｎ−ｏｆｆ信号を示している。こ
こでは、光干渉信号の周波数Δｆと同じ周波数の正弦波
を参照信号として用いる。

【００８９】図５において、ｉ₁、ｉ₂及びｉ₃の測定
時間をともにＴ_measとすると、測定時間Ｔ_meas（Ｔ_meas
≫Δｆ^-1）の間にＮ（Ｎ＝Ｔ_measΔｆ）回の干渉光の
「切り出し」が行われることとなる。

【００９０】そこで、まずｉ₁の測定において、例え
ば、図１の場合、ＡＯＭ１とＡＯＭ２の「ｏｎ」動作の
開始時間を参照信号の最大値（ｃｏｓφ＝１）を基準点
とし、また同「ｏｎ」動作の終結時間を同参照信号の最
小値（ｃｏｓφ＝−１）を基準点とすると、次のｉ₂の
測定ではＡＯＭ１及びＡＯＭ２の「ｏｎ」動作の開始時
間は同参照信号が最小値（ｃｏｓφ＝−１）に達する
点、また同「ｏｎ」動作の終結時間は同参照信号が最大
値（ｃｏｓφ＝１）に達する点とすればよい。

【００９１】さらに、ｉ₂に続いて行われるｉ₃の測定
では、ＡＯＭ１及びＡＯＭ２の「ｏｎ」動作の開始時間
は参照信号がゼロ値（ｃｏｓφ＝０）に達する点、また
同「ｏｆｆ」動作の終結時間は参照信号がその次のゼロ
値（ｃｏｓφ＝０）に達する点とすればよい。

【００９２】図５に示すように、ｉ₁、ｉ₂及びｉ₃の
それぞれの測定値は、検出後直ちに信号処理系へ転送さ
れることが望ましい。そのデータ転送の間は干渉光を常
に「ｏｆｆ」とする。

【００９３】以下、更なる実施例について説明する。

【００９４】図６は本発明の第２実施例を示す光ヘテロ
ダイン検出システムの構成図である。ここでは、図１の
光計測装置の光源として連続出力の低コヒーレント光源
を用いた実施例を示す。

【００９５】この図において、２０１は低コヒーレント
光源、２０２は位置が固定された第１のビームスプリッ
タ、２０３は第１の周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）、
２０４はＺスキャンされる第２のプリズム、２０５，２
０９は反射ミラー、２０６，２０７，２１４はレンズ、
２０８は第１のプリズム、２１０は第２の周波数シフタ
（ＡＯＭ２，ｆ₂）、２１１はパルス発生器、２１２は
被測定検体、２１３はＸ−Ｙステージ、２１５は第２の
ビームスプリッタ、２１６は光検出器、２１７は信号処
理系である。

【００９６】図６において、低コヒーレント光源２０
１、例えばスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）
と発光ダイオード（ＬＥＤ）は、スペクトルに広がりを
もつため、その時間コヒーレンスはコヒーレント光源、
例えばレーザー光源の場合と比べて極めて短くなる。

【００９７】時間コヒーレンスを可干渉距離Ｌｃに換算
すると、Ｌｃ≒λ²／Δλ（λは低コヒーレント光の中
心波長、Δλはその波長広がり）と表すことができる。
市販されている近赤外域ＳＬＤの場合Ｌｃ≒５０μｍ、
またＬＥＤの場合Ｌｃ≒１０μｍ程度である。

【００９８】従って、低コヒーレント光を用いた場合、
図６における信号光と参照光との光路長の違いは、その
極めて短いコヒーレント長以内にあるときのみ、光干渉
が生成される。この性質を利用すれば、特定の光路長を
伝播した透過光を検出することが可能となる。〔例え
ば、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ，Ｍ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｉｎａ
ｄａ，“Ａｐｐ１ｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＢ”，Ｖｏ
１．６３，２４９（１９９６）参照〕。

【００９９】第２実施例（図６）では、位置が固定され
た第１のプリズム２０８とＺ−方向に移動（スキャン）
可能な第２のプリズム２０４を用いて、信号光と参照光
との間の光路長差を調節し、被測定検体２１２からの出
射光をＬｃ程度の距離分解能で検出することができる。

【０１００】次に、本発明の第３実施例について説明す
る。

【０１０１】図７は本発明の第３実施例を示す光ヘテロ
ダイン検出システムの構成図である。この実施例は、被
測定検体からの反射光を検出するためのマッハツェンダ
ー型干渉計に応用したものである。

【０１０２】図７において、３０１は低コヒーレント光
源、３０２は第１のビームスプリッタ、３０３は第１の
周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）、３０４はＺ−スキャ
ン可能な第２のプリズム、３０５，３０９は反射ミラ
ー、３０６，３０７，３１２，３１３，３１５はレン
ズ、３０８は固定された第１のプリズム、３１０は第２
の周波数シフタ（ＡＯＭ２，ｆ₂）、３１１はパルス発
生器、３１４は第２のビームスプリッタ、３１６は被測
定検体、３１７は光検出器、３１８は信号処理系であ
る。

【０１０３】光源としては第２実施例（図６）と同様
に、低コヒーレント光源３０１、例えばＳＬＤとＬＥＤ
光源を用いる。それら光源がもつ極めて短い可干渉距離
の性質を利用すれば、図７に示す光計測装置で光コヒー
レンス断層測定（例えば、本願発明者によって提案され
た特公平６−３５９４６号参照）を実施することが可能
である。

【０１０４】前述した様に、本発明は時間的に「切り出
される」干渉光を蓄積型の光検出器、例えば空間的に受
光素子が配置されるＣＣＤカメラで検出するようにして
いる。市販品のＣＣＤカメラは数十万ないし数百万の受
光素子を有するので、これらの極めて多数の受光素子を
有効に利用すれば、無掃引で実時間の光画像計測が可能
となる。

【０１０５】図８は本発明の第３実施例の第１変形例を
示す図である。

【０１０６】第３実施例では被測定検体への先入射及び
被測定検体からの反射光の集光が共に一枚のレンズで行
われるのに対して、この実施例では、その一枚のレンズ
の代わりにマイクロレンズアレイ３２１を使用するよう
にしたものである。

【０１０７】マイクロレンズアレイ３２１は、入射して
くる信号光ビームを多数の光ビームに変換して被測定検
体３１６へ入射させる働きと、被測定検体３１６からの
反射光を集光する役割を同時に果たす。集光された多数
の反射光ビームは第２のビームスプリッタ３１４上に参
照光と重畳され、ＣＣＤアレイの面上で干渉光が生成さ
れる。

【０１０８】一方、この実施例で使用されるマイクロレ
ンズアレイの素子数は、必ずしもＣＣＤカメラの受光素
子数に等しく設定される必要はない。複数のＣＣＤ素子
でレンズアレイの一素子からの信号光を検出すること
は、図１６で述べたように光ヘテロダイン信号のスペッ
クル平均と増強検出に役立つものと考えられる。

【０１０９】次に、本発明の第３実施例の第２変形例に
ついて説明する。

【０１１０】図９は本発明の第３実施例の第２変形例を
示す図である。

【０１１１】ここでは、図７に示した光計測装置に信号
光の伝送手段としてのレンズの代わりに光ファイバーバ
ンドルを使用するようにしている。

【０１１２】図９に示すように、被測定検体３１６へ入
射する光は、第１のマイクロレンズアレイ３３１によっ
て光ファイバーバンドル３３２ヘ結合され、その光ファ
イバーバンドル３３２を経由して第２のマイクロレンズ
アレイ３３３へ伝送される。第２のマイクロレンズアレ
イ３３３は、図８と同様に被測定検体３１６への先入射
及び被測定検体３１６からの反射光の集光を同時に行
う。

【０１１３】この実施例によれば、信号光の伝送に光フ
ァイバーバンドル３３２を使用することにより、被測定
検体３１６を光計測装置から離すことができ、測定上の
自由度を大幅に向上させるという利点がある。

【０１１４】次に、本発明の第４実施例について説明す
る。

【０１１５】図１０は本発明の第４実施例を示す光ヘテ
ロダイン検出システムの構成図である。ここでは、フィ
ゾー型干渉計へ応用している。

【０１１６】この図において、４０１は低コヒーレント
光源、４０２は第１のビームスプリッタ、４０３は第１
の周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）、４０４はＺ−スキ
ャン可能なプリズム、４０５，４０６は反射ミラー、４
０７は第２の周波数シフタ（ＡＯＭ２，ｆ₂）、４０８
はパルス発生器、４０９は第２のビームスプリッタ、４
１０，４１１，４１４はレンズ、４１２は第３のビーム
スプリッタ、４１３は半透明ミラー、４１５は被測定検
体、４１６は光検出器、４１７は信号処理系である。

【０１１７】図１０に示すように、光源に低コヒーレン
ト光源４０１として、例えばＳＬＤとＬＥＤ光源を用い
る。第２のビームスプリッタ４０９によって重畳された
信号光と参照光は２枚のレンズ４１０，４１１からなる
ビームエキスパーンダによってビーム径を拡大され、第
３のビームスプリッタ４１２を透過して半透明ミラー４
１３へ伝送される。半透明ミラー４１３によって光ビー
ムの一部が反射され、再び第３のビームスプリッタ４１
２へ送り返される。便宜上これを光ビーム１と呼ぶ。

【０１１８】一方、半透明ミラー４１３を透過した光ビ
ームは、レンズ４１４で集光され、被測定検体４１５へ
入射される。被測定検体４１５からの反射光はレンズ４
１４で集光され、半透明ミラー４１３へ伝送される。そ
の反射光の一部が半透明ミラー４１３を透過して、第３
のビームスプリッタ４１２へ伝播する。便宜上これを光
ビーム２と呼ぶ。

【０１１９】上記光ビーム１と光ビーム２は第３のビー
ムスプリッタ４１２で重畳され、その一部は同第３のビ
ームスプリッタ４１２によって反射されて光検出器、例
えば空間的に受光素子が配置される光検出器（ＣＣＤカ
メラ）４１６ヘ伝送される。

【０１２０】光源に低コヒーレント光源を用いた他の実
施例と同様に、第４実施例（図１０）においても信号光
と参照光との光路長の違いが光源の極めて短いコヒーレ
ント長以内にあるときのみ、光干渉が生成される。しか
し、第４実施例では、信号光と参照光がともに光ビーム
１と光ビーム２に含まれているところに他の実施例とは
異なる特徴がある。

【０１２１】仮に、光ビーム１に重畳されている信号光
と参照光の光路長がそれぞれＬｓとＬｒであるとする
と、両者の違いが光源の極めて短いコヒーレント長以内
でなければ、両光波が重畳されていても光干渉は生成さ
れない。

【０１２２】一方、被測定検体４１５から反射してくる
光ビーム２は半透明ミラー４１３から反射してくる光ビ
ーム１より光路長が長い。その差をΔＬとすると、光ビ
ーム２に重畳されている信号光と参照光の光路長はそれ
ぞれＬｓ＋ΔＬ及びＬｒ＋ΔＬになると推定できる。

【０１２３】そこで、図１０におけるプリズム４０４を
Ｚ方向にスキャンすることにより、Ｌｓ＝Ｌｒ＋ΔＬに
なるように信号光と参照光との光路長を調整すると、光
検出器４１６の面上で光ビーム１に含まれる参照光と、
光ビーム２に含まれる信号光が光干渉することになる。

【０１２４】次に、本発明の第５実施例について説明す
る。

【０１２５】図１１は、本発明の第５実施例を示す光ヘ
テロダイン検出システムの構成図である。

【０１２６】この実施例では、光計測装置に信号光の伝
送手段として光ファイバーバンドルを使用している。

【０１２７】この図において、５０１は低コヒーレント
光源、５０２は第１のビームスプリッタ、５０３は第１
の周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）、５０４はＺ−スキ
ャンのプリズム、５０５，５０６は反射ミラー、５０７
は第２の周波数シフタ（ＡＯＭ２，ｆ₂）、５０８はパ
ルス発生器、５０９は第２のビームスプリッタ、５１
０，５１１はレンズ、５１２は第３のビームスプリッ
タ、５１３は第１の２次元（マイクロ）レンズアレイ、
５１４は光ファイバーバンドル、５１５は第２の２次元
（マイクロ）レンズアレイ、５１６は被測定検体、５１
７は光検出器、５１８は信号処理系である。

【０１２８】図１１に示すように、被測定検体５１６へ
入射する光は第１のマイクロレンズアレイ５１３によっ
て光ファイバーバンドル５１４ヘ結合され、その光ファ
イバーバンドル５１４を経由して第２のマイクロレンズ
アレイ５１５へ伝送される。この第２のマイクロレンズ
アレイ５１５は、被測定検体５１６への光入射及び被測
定検体５１６からの反射光の集光を同時に行う。

【０１２９】この実施例は、信号光と参照光がともに同
じ光ファイバーを往復することに上記した図９の実施例
と異なる特徴をもつ。これは光ファイバーによる光伝送
が受ける外乱を補償するのに効果がある。

【０１３０】次に、本発明の第６実施例について説明す
る。

【０１３１】図１２は本発明の第６実施例を示す光ヘテ
ロダイン検出システムの部分構成図である。

【０１３２】この図において、６０１は光ファイバー、
６０２はレンズ、６０３はビームスプリッタ、６０４は
反射コーディング、６０５はＣＣＤカメラ、６０６は対
物レンズ、６０７は被測定検体である。

【０１３３】この実施例は、第４実施例の光計測装置の
被測定検体への入射光の伝送手段として使用する。すな
わち、光ファイバー６０１、レンズ６０２、ビームスプ
リッタ６０３、反射コーディング６０４、ＣＣＤカメラ
６０５を一体化するようにしたものである。

【０１３４】このように、この実施例では、光ファイバ
ー６０１が入射光を被測定検体６０７への伝送手段とし
て用いられるが、被測定検体６０７からの反射光の伝送
手段に使われていない点が第５実施例と異なる。従っ
て、イメージ伝送用の光ファイバーバンドルを用いる必
要がなく、安価となる利点がある。

【０１３５】一方、第５の実施例は、光ファイバーを用
いることにより、被測定検体を光計測装置から離すこと
ができ、測定上の自由度を大幅に向上させるという利点
がある。

【０１３６】次に、本発明の第７実施例について説明す
る。

【０１３７】図１３は本発明の第７実施例を示す光ヘテ
ロダイン検出システムの部分構成図である。

【０１３８】この図において、７０１は低コヒーレント
光源、７０２はレンズ、７０３，７０５，７０７，７０
９，７１１，７１３，７１５は光ファイバー、７０４は
第１の２×２光ファイバーカプラー、７０６は第１の周
波数シフタ（ＡＯＭ１）、７０８は光ファイバー型距離
伸縮装置、７１０は第２の２×２光ファイバーカプラ
ー、７１２は第２の周波数シフタ（ＡＯＭ２）、７１４
はパルス発生器である。

【０１３９】図１３において、低コヒーレント光源７０
１からの出力光はレンズ７０２によって光ファイバー７
０３に結合され、第１の２×２光ファイバーカプラー７
０４へ伝送される。ここで、第１の２×２光ファイバー
カプラー７０４は入力してくる光を信号光と参照光に２
分割する。信号光と参照光は、それぞれ光ファイバー７
０５，７１１によって光ファイバー結合型周波数シフタ
ＡＯＭ１とＡＯＭ２の入力側へ導かれる。

【０１４０】ＡＯＭにおいて周波数シフトを受けた光は
光ファイバー７０７，７１３へ結合され出力する。そこ
で、ＡＯＭ２からの信号光は光ファイバー７１３によっ
て第２の２×２光ファイバーカプラー７１０へ伝送され
るが、ＡＯＭ１からの参照光はいったん光ファイバー型
距離伸縮装置７０８を経由した後、再び光ファイバー７
０９によって第２の光ファイバーカプラー７１０へ伝送
される。第２の光ファイバーカプラー７１０において、
信号光と参照光は再び重畳され、出力側の光ファイバー
７１５によって被測定検体へ導かれる。

【０１４１】この実施例は、第４，第５および第６実施
例の光計測装置における信号光と参照光の分割と重畳手
段として構成するが、第２の光ファイバーカプラー７１
０による信号光と参照光の重畳機構を除去すれば他の実
施例にも応用できる。

【０１４２】このように、この実施例では、光計測装置
の信号光と参照光の分割と重畳機構を全ファイバー化す
ることにより、コンパクトな光計測装置を実現できる利
点がある。

【０１４３】一方、ここで使用する光ファイバー型距離
伸縮装置７０８は、上記したＺ−スキャン可能なプリズ
ムと同様に参照光と信号光の間の光路長差を調整する役
割を果たす。その基本構成例は、例えば、伸縮可能なピ
エゾ素子上に長尺の光ファイバーを巻いたものが挙げら
れる。

【０１４４】図１４は本発明の実施例による信号光の波
面検出を示す図である。

【０１４５】この図において、８０１は被測定検体、８
０２は対物レンズ、８０３は入射波面、８０４は反射波
面、８０５は不純物である。

【０１４６】この図に示すように、被測定検体８０１に
入射する平面波ないし球面波は被測定検体８０１の内部
における微小な散乱物、例えば被測定検体８０１内の不
純物８０５によって散乱されると、その散乱光の波面に
乱れが生じる。言いかえれば、元来平面波ないし球面波
の位相は規則的な空間分布から不規則に変わる。

【０１４７】本発明は、式（１９）と式（２０）で表さ
れるように信号光の強度及び位相を同時に検出すること
ができるので、光検出器に例えばＣＣＤカメラを使用
し、信号光の波面を２次元で瞬時に検出することによ
り、例えば、被測定検体８０１の内部欠陥を検査するこ
とも可能である。

【０１４８】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。

【０１４９】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、２次元検出器アレイによる光ヘテロダイン測定
を有効に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す光ヘテロダイン検出
システムの構成図である。

【図２】本発明の光ヘテロダイン検出による測定原理の
説明図である。

【図３】本発明の光ヘテロダイン検出による光学装置の
遮断周波数の説明図である。

【図４】本発明の光ヘテロダイン検出による干渉光の時
間波形を示す図である。

【図５】本発明の光ヘテロダイン検出による干渉光の切
り出しのタイミングの実行の説明図である。

【図６】本発明の第２実施例を示す光ヘテロダイン検出
システムの構成図である。

【図７】本発明の第３実施例を示す光ヘテロダイン検出
システムの構成図である。

【図８】本発明の第３実施例の第１変形例を示す図であ
る。

【図９】本発明の第３実施例の第２変形例を示す図であ
る。

【図１０】本発明の第４実施例を示す光ヘテロダイン検
出システムの構成図である。

【図１１】本発明の第５実施例を示す光ヘテロダイン検
出システムの構成図である。

【図１２】本発明の第６実施例を示す光ヘテロダイン検
出システムの部分構成図である。

【図１３】本発明の第７実施例を示す光ヘテロダイン検
出システムの部分構成図である。

【図１４】本発明の実施例による信号光の波面検出を示
す図である。

【図１５】従来の光ヘテロダイン検出システムの基本構
成図である。

【図１６】従来の信号光が散乱媒質の入射と出射面、及
び内部で受ける光散乱の様子を示す図である。

【図１７】従来の２次元検出器アレイを用いた光ヘテロ
ダイン検出システムの基本原理図である。

【図１８】従来のアレイの素子数に対応したチャンネル
数をもつ信号処理系が必要な場合の説明図である。

【符号の説明】

１０１コヒーレント光源１０２，２０２，３０２，４０２，５０２第１のビ
ームスプリッタ１０３，２０３，３０３，４０３，５０３，，７０６
第１の周波数シフタ（ＡＯＭ１，ｆ₁）１０４，１０８，２０５，２０９，３０５，３０９，４
０５，４０６，５０５，５０６反射ミラー１０５，１０６，１１３，２０６，２０７，２１４，３
０６，３０７，３１２，３１３，３１５，４１０，４１
１，４１４，５１０，５１１，６０２，６０６，７０
２，８０２レンズ１０７，２１５，３１４，４０９，５０９第２のビ
ームスプリッタ１０９，２１０，３１０，４０７，５０７，７１２
第２の周波数シフタ（ＡＯＭ２，ｆ₂）１１０，２１１，３１１，４０８，５０８，７１４
パルス発生器１１１，２１２，３１６，４１５，５１６，６０７，８
０１被測定検体１１２，２１３Ｘ−Ｙステージ１１４，２１６，３１７，４１６，５１７光検出器１１５，２１７，４１７，５１８，３１８信号処理系２０１，３０１，４０１，５０１，７０１低コヒー
レント光源２０４，３０４第２のプリズム２０８，３０８第１のプリズム３２１マイクロレンズアレイ３３１第１のマイクロレンズアレイ３３２，５１４光ファイバーバンドル３３３第２のマイクロレンズアレイ４０４，５０４プリズム４１２第３のビームスプリッタ４１３半透明ミラー５１２第３のビームスプリッタ５１３第１の２次元（マイクロ）レンズアレイ５１５第２の２次元（マイクロ）レンズアレイ６０１，７０３，７０５，７０７，７０９，７１１，７
１３，７１５光ファイバー６０３ビームスプリッタ６０４反射コーディング６０５ＣＣＤカメラ７０４第１の２×２光ファイバーカプラー７０８光ファイバー型距離伸縮装置７１０第２の２×２光ファイバーカプラー８０３入射波面８０４反射波面８０５不純物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｊ 9/04 Ｇ０１Ｂ 11/24 ＤＦターム(参考） 2F064 AA09 BB00 EE04 EE05 GG02 GG12 GG22 GG47 GG53 GG55 GG70 HH03 HH08 JJ05 2F065 AA49 AA52 FF52 GG04 GG07 GG21 GG22 HH13 HH15 JJ02 JJ03 JJ09 JJ25 JJ26 LL00 LL03 LL04 LL10 LL46 LL57 NN06 NN08 PP12 QQ16 2G059 AA05 BB12 EE01 EE02 EE09 FF01 GG01 GG02 HH01 HH02 JJ17 JJ30 KK04 MM01 MM06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）光ビームを出射する光源と、（ｂ）
該光源から出射された光ビームを、被測定検体が配置さ
れる被測定検体の配置位置を経由する信号光と、前記被
測定検体の配置位置を経由する光路とは異なる光路を経
由する参考光とに二分するとともに、前記被測定検体の
配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経
由した参考光とを互いに重畳することにより前記信号光
と前記参照光とが干渉した干渉光を生成する干渉光学系
と、（ｃ）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、（ｄ）前記干渉光学系が、前記信号光と前記参照光
のうち少なくとも一方の光路上に光を周期的に遮断する
光学装置とを備え、（ｅ）前記光学装置の遮断周波数を
前記信号光と前記参照光の間の周波数差に等しくなるよ
うにしたことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】請求項１記載の光計測装置において、前
記光学装置の光遮断動作が、前記信号光と前記参照光の
間の周波数差に等しい周波数をもつ参照信号と同期し、
該参照信号の特定の位相値を基準とすることにより遮断
動作の開始と終結を実行し、前記基準となる位相値を異
なる値に変化することにより、前記干渉光を異なる測定
開始時間と異なる測定時間幅で切り出すことを特徴とす
る光計測装置。
【請求項３】請求項１記載の光計測装置において、前
記干渉光学系が、前記干渉光を受光することにより光検
出信号を得る光検出器を備え、さらに、前記干渉光学系
が、前記被測定検体の配置位置に配置された被測定検体
の表面もしくは、内部の、前記信号光の伝搬経路上の関
心点の信号光を前記光検出器上に伝達するとともに、該
光検出器上に前記参照光を重畳し、前記光検出器が、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
の受光素子を有し、さらに、前記光検出器で得られた複
数の受光信号を統合して前記関心点に対応する信号を生
成する信号処理部を備えるようにすることを特徴とする
光計測装置。