JP2001272332A - Angular dispersed light spatial interference tomographic imaging apparatus - Google Patents
Angular dispersed light spatial interference tomographic imaging apparatusInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、被検体、特に光散
乱媒質に光ビームを照射し、その被検体の表面もしくは
内部から反射した光を利用して、その被検体の光画像計
測を行う角分散光空間干渉断層画像化装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention irradiates an object, particularly a light scattering medium, with a light beam, and measures an optical image of the object using light reflected from the surface or inside of the object. The present invention relates to an angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus.
【０００２】[0002]
【従来の技術】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
アイソトプ化であることから、既存のＸ線を用いた画像
計側分野への応用が試みられている。中でも、光による
生体画像計測は有望な応用分野として期待されている。
しかし、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。これを可能にする方法の
１つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断
層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光
学’、２８巻３号、１１６（１９９９）参照〕。2. Description of the Related Art In recent years, optical image measurement technology using a laser light source or the like is safe, that is, de-radiation and de-isotope. Applications are being attempted. Above all, biological image measurement using light is expected as a promising application field.
However, a sample (a subject) having a non-uniform component such as a human body or a living tissue, for example, has a significant multiple scattering of light inside the sample, so that the internal form is generally invisible. The biggest difficulty in optically measuring such scattering media is
It is how to extract the signal light following the optical path that can be tracked, out of the transmitted light or reflected light emitted from the subject in all directions. One of the methods to make this possible is an optical coherence tomographic imaging method having excellent distance resolution [see, for example, Naohiro Tanno, “Optics”, Vol. 28, No. 3, 116 (1999)].
【０００３】光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なス
ペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性
（空間領域で短い可干渉距離とも表現する）に着目し
て、干渉計において生体内部からの反射光波をμｍオー
ダーの距離分解能で検出する方法である。[0003] Optical coherence tomographic imaging focuses on the low coherence in the time domain of a light source having a wide spectral width (also expressed as a short coherence length in the spatial domain), and uses an interferometer to reflect reflected light waves from the inside of a living body. Is detected with a distance resolution of the order of μm.
【０００４】図１０に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構成を示す。FIG. 10 shows a basic configuration of an optical coherence tomographic image measuring apparatus using a Michelson interferometer.
【０００５】この図に示すように、低コヒーレンス光源
（ＳＬＤ）２０１からの光ビームを半透明鏡２０２によ
って２分割する。一方の光ビームに、例えばピエゾ素子
２０３の振動による位相変調を与えて参照光波ｅr と
し、他方を被測定物体２０４に照射して物体の深層から
の後方散乱光ｅs を得る。被測定物体２０４が散乱媒質
である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をも
った拡散波面であると考えられる。光コヒーレンス断層
画像計測では、光源の低コヒーレンス性により、信号光
と参照光の光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレン
ト長以内でかつ参照光波と位相相関のある成分、すなわ
ちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と
干渉し合う。それゆえに鏡の位置をスキャンして参照光
路長を変化することで光反射分布像を計測することがで
きる。なお、２０５は光検出器である。As shown in FIG. 1, a light beam from a low coherence light source (SLD) 201 is split into two by a translucent mirror 202. On one of the light beams, for example, by giving a phase modulation due to the vibration of the piezoelectric element 203 as a reference light wave e r, obtain backscattered light e s from the object of deep and the other by irradiating the object to be measured 204. When the measured object 204 is a scattering medium, the reflected light wave is considered to be a diffuse wavefront having a random phase including multiple scattering. In optical coherence tomographic image measurement, due to the low coherence of the light source, the optical path length difference between the signal light and the reference light is within the coherent length of μm order of the light source and there is a component having a phase correlation with the reference light wave, that is, only the coherent signal light component Selectively interfere with the reference light wave. Therefore, the light reflection distribution image can be measured by scanning the position of the mirror and changing the reference optical path length. Reference numeral 205 denotes a photodetector.
【０００６】図１１はその光反射分布像を計測する様子
を示すものである。FIG. 11 shows how the light reflection distribution image is measured.
【０００７】図１１で見られるように、現行の光コヒー
レンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によ
って各部位からの反射光波を順次に検出するものであ
る。言いかえれば時間領域の測定法とも理解され、計測
時間の短縮には限界がある。画像計測の更なる高速化の
ために、信号光を空間的に並列検出する測定方法が有効
と思われる。As shown in FIG. 11, the current optical coherence tomographic image measurement sequentially detects reflected light waves from each part by scanning an optical path length difference and a light beam. In other words, it can be understood as a measurement method in the time domain, and there is a limit in reducing the measurement time. To further increase the speed of image measurement, a measurement method that spatially detects signal light in parallel seems to be effective.
【０００８】時間領域での測定を空間領域へ転換して行
った例として、光干渉法を用いた超短光パルスの時間波
形の計測例がある〔例えば、Ｋ．Ｇ．Ｐｕｒｃｈａｓ
ｅ，Ｄ．Ｊ．Ｂｒａｄｙ，Ｋ．Ｗａｇｎｅｒ，“Ｏｐｔ
ｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ”，Ｖｏｌ．１８，２１２９
（１９９３）参照〕。As an example in which the measurement in the time domain is converted to the space domain, there is a measurement example of a time waveform of an ultrashort light pulse using an optical interferometry [for example, K. K .; G. FIG. Purchas
e, D. J. Brady, K .; Wagner, "Opt
ics Letters ", Vol. 18, 2129
(1993)].
【０００９】図１２にその基本原理を示す。超短パルス
レーザーからの出力は信号光と参照光に二分割され、そ
れぞれ左側と右側から入射角θで光センサアレイの検出
面へ入射する。信号パルスと参照パルスの間に時間遅れ
が十分短ければ、両パルスが検出面上にて重畳すること
になり、光干渉縞を生成する。超短光パルス、特にフェ
ムト秒レーザーパルスのパルス長さは数十μｍにすぎな
いことから、検出面上における両光波の重畳は局所的で
あり、それゆえに生成する干渉縞も局所的である。FIG. 12 shows the basic principle. The output from the ultrashort pulse laser is split into two parts, a signal light and a reference light, and is incident on the detection surface of the optical sensor array from the left and right sides at an incident angle θ. If the time delay between the signal pulse and the reference pulse is sufficiently short, both pulses will be superimposed on the detection surface, and optical interference fringes will be generated. Since the pulse length of an ultrashort light pulse, especially a femtosecond laser pulse, is only a few tens of μm, the superposition of both light waves on the detection surface is local, and therefore the generated interference fringes are also local.
【００１０】上記の測定原理は連続光を用いた光コヒー
レス断層画像計測にも応用できると考えられる。図１３
に示すように、平面波の信号光ｅs と平面波の参照光ｅ
r が検出面の中心位置Ｏに対しそれぞれ左側と右側から
検出面へ入射するとすると、検出面におけるｅs とｅr
は以下のように表される。It is considered that the above measurement principle can be applied to optical coherence tomographic image measurement using continuous light. FIG.
As shown in the figure, the plane wave signal light e s and the plane wave reference light e
If r is incident on the detection surface from the left and right sides with respect to the center position O of the detection surface, e s and e r on the detection surface
Is expressed as follows.
【００１１】[0011]
【数１】 (Equation 1)
【００１２】[0012]
【数２】 (Equation 2)
【００１３】但し、Ｅr とＥs はそれぞれ参照光と信号
光の振幅、ｆは光周波数、φ（ｘ）は位相である。そこ
で、検出面で検出される光強度は次のように計算され
る。[0013] However, E r and E s is the amplitude of each reference light and the signal light, f is the optical frequency, φ (x) is the phase. Therefore, the light intensity detected on the detection surface is calculated as follows.
【００１４】[0014]
【数３】 (Equation 3)
【００１５】この式（３）より光干渉の項は、From equation (3), the term of light interference is
【００１６】[0016]
【数４】 (Equation 4)
【００１７】と求められる。ただし、Δφは両光波間の
光路長差ΔＬによる位相差である。Is required. Here, Δφ is a phase difference due to the optical path length difference ΔL between the two light waves.
【００１８】一方、図１３から、検出面上のある測定点
Ｃから参照光波の等位相面ＢＢ′までの距離ＣＥ（上付
バー）と、同Ｃ点から信号光波の等位相面ＡＡ′までの
距離ＣＤ（上付バー）との間の光路長差が次のように与
えられる。On the other hand, from FIG. 13, the distance CE (superscript bar) from a certain measurement point C on the detection surface to the equal phase plane BB ′ of the reference lightwave and the distance CE from the same C to the equal phase plane AA ′ of the signal lightwave The optical path length difference from the distance CD (superscript bar) is given as follows.
【００１９】[0019]
【数５】 (Equation 5)
【００２０】ただし、θは光の入射角である。そこで、
参照光波が等位相面ＢＢ′までの伝搬距離と、信号光波
が等位相面ＡＡ′までの伝搬距離との間の差をΔｌとす
ると、任意の測定点における両光波間の光路長差ΔＬ
は、上記した式（５）からHere, θ is the incident angle of light. Therefore,
Assuming that the difference between the propagation distance of the reference light wave to the equal phase plane BB 'and the propagation distance of the signal light wave to the equal phase plane AA' is Δl, the optical path length difference ΔL between the two light waves at an arbitrary measurement point
Is from the above equation (5)
【００２１】[0021]
【数６】 (Equation 6)
【００２２】と与えられる。この式（６）を前記式
（４）に代入すると、Is given by When this equation (6) is substituted into the above equation (4),
【００２３】[0023]
【数７】 (Equation 7)
【００２４】になる。スペクトル広がりをもつ光源の場
合、この式（７）を光源の周波数分布について積分すれ
ばよく、ここでは、計算の便宜上光源の周波数分布関数
を中心ｆ0 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型とする。## EQU1 ## In the case of a light source having a spectrum spread, this equation (7) may be integrated with respect to the frequency distribution of the light source. Here, for convenience of calculation, the frequency distribution function of the light source is defined as a 'top-hat' type having a center f 0 and a width 2Δf. I do.
【００２５】[0025]
【数８】 (Equation 8)
【００２６】この式（８）は周期λ0 ／２ｓｉｎθ（λ
0 ＝ｃ／ｆ0 ；ｃ：光の速度）の正弦関数で変調された
ｓｉｎｃ関数を表わし、ｓｉｎｃ関数のピーク（Δｌ−
２ｘｓｉｎθ＝０）が光路長差Δｌに対応している。[0026] This equation (8) is the period λ 0 / 2sinθ (λ
0 = c / f 0 ; c: speed of light) represents a sinc function modulated by a sine function, and the peak of the sinc function (Δl−
2 × sin θ = 0) corresponds to the optical path length difference Δl.
【００２７】[0027]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た式（８）で表わされる光干渉測定は、フーリェ分光法
におけるインターフェログラムの測定〔例えば、河田
聡、“分光研究”、第３８巻、４１５（１９８９）参
照〕に類似し、通常フーリェ変換などのデータ演算処理
を要する。このような光検出およびデータ演算処理方法
は光断層画像計測への応用にとって大変煩瑣であると言
える。これを説明するために、上記した図１３の測定原
理で測定した光干渉縞の結果を図１４に示す。実験で
は、低コヒーレンス光源として中心波長８４０ｎｍ、ス
ペクトル半値幅５０ｎｍのＳＬＤを用い、入射角θ＝
３．８°で信号と参照の両光波を検出面に入射した。However, the optical interference measurement represented by the above equation (8) is based on the measurement of an interferogram in Fourier spectroscopy [for example, Satoshi Kawada, "Spectroscopy", Vol. 38, 415. (1989)], and usually requires data operation processing such as Fourier transform. It can be said that such a light detection and data calculation processing method is very complicated for application to optical tomographic image measurement. In order to explain this, FIG. 14 shows the result of the optical interference fringe measured by the above-described measurement principle of FIG. In the experiment, an SLD having a center wavelength of 840 nm and a spectral half width of 50 nm was used as a low coherence light source, and an incident angle θ =
At 3.8 ° both signal and reference lightwaves were incident on the detection surface.
【００２８】図１４のグラフ（ａ）は光路長差Δｌ＝
０、またグラフ（ｂ）と（ｃ）はそれぞれΔｌ＝１０μ
ｍとΔｌ＝２０μｍに対応した干渉縞の一次元強度分布
である。図１４の測定結果から、干渉縞の縞間隔はほぼ
理論値λ0 ／２ｓｉｎθ＝６．４μｍに等しいことが分
かる。ナイキスト（Ｎｙｑｕｉｓｔ）のサンプリング原
理から、このような狭い干渉縞を検出するために分解能
λ0 ／４ｓｉｎθ＝３．２μｍ以上のセンサアレイが必
要である。The graph (a) in FIG. 14 shows the optical path length difference Δl =
0, and graphs (b) and (c) show Δl = 10 μ each.
6 is a one-dimensional intensity distribution of interference fringes corresponding to m and Δl = 20 μm. From the measurement results in FIG. 14, it can be seen that the fringe spacing of the interference fringes is substantially equal to the theoretical value λ 0/2 sin θ = 6.4 μm. From the Nyquist sampling principle, a sensor array with a resolution of λ 0/4 sin θ = 3.2 μm or more is required to detect such narrow interference fringes.
【００２９】本発明は、上記問題点を除去し、光コヒー
レンス断層画像計測を有効に空間領域で行うことのでき
る角分散光空間干渉断層画像化装置を提供することを目
的とする。An object of the present invention is to provide an angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus capable of eliminating the above problems and effectively performing optical coherence tomographic image measurement in a spatial domain.
【００３０】[0030]
【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〕角分散光空間干渉断層画像化装置において、広い
スペクトル幅をもつ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、被検体が配置される被検
体配置位置を経由する信号光と、この被検体配置位置を
経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分
するとともに、前記被検体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照光を空間的に交差
させることにより、互いに重畳する面上において干渉光
を生成する干渉光学系と、前記信号光と前記参照光が重
畳する面上に角分散素子を配置し、この角分散素子を透
過もしくは反射する前記信号光および前記参照光を検出
面上にて結像する光学結像系と、前記光学結像系で結像
した干渉光を受光することにより光検出信号を得る光セ
ンサと、この光センサが、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するもので
あり、さらに、前記光センサで得られた複数の受光信号
を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表
面もしくは内部の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点
に対応する信号を生成する信号処理系とを具備すること
を特徴とする。According to the present invention, there is provided a light source for emitting a light beam having a wide spectral width in an angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus. The light beam emitted from the signal light passing through the subject placement position where the subject is placed, and the reference light passing through a different optical path from the optical path passing through the subject placement position, and into two, By intersecting the signal light after passing through the subject arrangement position and the reference light passing through the different optical paths spatially, an interference optical system that generates interference light on surfaces overlapping each other, and the signal light An optical imaging system for arranging an angular dispersion element on a surface on which the reference light is superimposed, forming an image of the signal light and the reference light transmitted or reflected by the angular dispersion element on a detection surface; Image in the image system An optical sensor for obtaining a light detection signal by receiving the interference light, and a plurality of light receiving elements which are spatially arranged and each of which independently obtains a light receiving signal; Signal processing for integrating a plurality of light reception signals obtained by a sensor to generate a signal corresponding to each point of interest on the propagation path of the signal light on or in the surface of the subject placed at the subject placement position And a system.
【００３１】〔２〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記干渉光学系が軸外しマイ
ケルソン干渉計を用いることを特徴とする。[2] The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to [1], wherein the interference optical system uses an off-axis Michelson interferometer.
【００３２】〔３〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記角分散素子が回折格子で
あり、この回折格子によって１次回折されて出射する前
記信号光の中心波長成分と前記参照光の中心波長成分が
ともに零度もしくは零度に近い出射角をもつことを特徴
とする。[3] In the angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], the angular dispersion element is a diffraction grating, and the center wavelength of the signal light that is first-order diffracted and emitted by the diffraction grating. The component and the central wavelength component of the reference light both have an emission angle of zero degree or near zero degree.
【００３３】〔４〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記干渉光学系が前記被検体
へ入射する光ビームをこの光ビームの入射方向と垂直す
る横方向上線状に絞るために円柱レンズを用い、さら
に、この円柱レンズを用いて前記被検体を経由した信号
光を集光することを特徴とする。[4] In the angular-dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], the interference optical system may form a light beam incident on the subject in a laterally upper line perpendicular to the incident direction of the light beam. The present invention is characterized in that a cylindrical lens is used to stop down the light beam, and the signal light passing through the subject is condensed using the cylindrical lens.
【００３４】〔５〕上記〔４〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記光センサが、空間的に２
次元配列され、それぞれが独立に受光信号を得る複数の
受光素子を有するものであり、前記光センサの一方向上
で得られた複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬
方向上の各関心点に対応する信号を生成するとともに、
前記光センサの他の一方向上で得られた複数の受光信号
を総合して、前記信号光の伝搬方向と垂直する横方向上
の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を構え
たことを特徴とする。[5] In the angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [4], the optical sensor is spatially two-dimensional.
It has a plurality of light receiving elements that are dimensionally arrayed and each independently obtains a light receiving signal, and integrates a plurality of light receiving signals obtained by improving one of the optical sensors to obtain respective interests in a propagation direction of the signal light. Generate signals corresponding to points,
A signal processing unit that synthesizes a plurality of light reception signals obtained by the other one of the optical sensors and generates a signal corresponding to each point of interest in a horizontal direction perpendicular to a propagation direction of the signal light. It is characterized by the following.
【００３５】〔６〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記干渉光学系が、前記参照
光と前記信号光の周波数を相対的にシフトさせる周波数
シフタを備えることを特徴とする。[6] The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to [1], wherein the interference optical system includes a frequency shifter for relatively shifting the frequency of the reference light and the frequency of the signal light. Features.
【００３６】〔７〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記干渉光学系が、被検体へ
の入射光の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを
特徴とする。[7] The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], wherein the interference optical system includes a polarizing element for controlling a polarization direction of light incident on the subject. .
【００３７】〔８〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１０
０μｍ以下のスーパールミネセントダイオードであるこ
とを特徴とする。[8] In the angularly dispersed optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], the light source may have a coherent distance of 10
It is a super luminescent diode of 0 μm or less.
【００３８】[0038]
〔９〕上記〔１〕記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置において、前記光源が、可干渉距離１０
０μｍ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。[9] In the angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], the light source may have a coherent distance of 10
It is a light emitting diode of 0 μm or less.
【００３９】〔１０〕上記〔１〕記載の角分散光空間干
渉断層画像化装置において、前記光源が、パルス幅１ピ
コ秒以下の超短パルスレーザーであることを特徴とす
る。[10] The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], wherein the light source is an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 picosecond or less.
【００４０】〔１１〕上記〔１〕記載の角分散光空間干
渉断層画像化装置において、前記被検体が光散乱媒質で
あることを特徴とする。[11] The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to the above [1], wherein the subject is a light scattering medium.
【００４１】[0041]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【００４２】本発明は、低コヒーレンス光源の広いスペ
クトル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子
を用いることにより、上記した光干渉縞の包絡線のみを
検出する。The present invention focuses attention on the wide spectral distribution of the low coherence light source, and detects only the envelope of the above-described optical interference fringes by using an angular dispersion element, for example, a diffraction grating.
【００４３】図１は本発明の原理を示す角分散光空間干
渉断層画像化装置の構成図である。FIG. 1 is a block diagram of an angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus showing the principle of the present invention.
【００４４】この図において、１は低コヒーレンス光
源、２，３，５，１０，１２はレンズ、４はビームスプ
リッタ（ＢＳ）、６は被検体、７は直角プリズム（スキ
ャン可能）、８はバイプリズム、９は回折格子、１１は
開口、１３は光センサアレイである。In this figure, 1 is a low coherence light source, 2, 3, 5, 10, and 12 are lenses, 4 is a beam splitter (BS), 6 is an object, 7 is a right-angle prism (scannable), and 8 is a bi-directional prism. A prism, 9 is a diffraction grating, 11 is an aperture, and 13 is an optical sensor array.
【００４５】この図に示すように、広いスペクトル幅を
もつ低コヒーレンス光源１から出射した光ビームはレン
ズ２と３によってビーム径の拡大した平行ビームに変換
される。その平行ビームをビームスプリッタ（ＢＳ）４
で信号光ｅS と参照光ｅr に二分する。参照光ｅr と分
かれた信号光ｅS はレンズ５によって、例えば散乱媒質
からなる被検体６へ収束されて入射する。その被検体６
から反射してくる信号光ｅS は再びレンズ５によって集
光され、ビームスプリッタ（ＢＳ）４へ伝送される。ビ
ームスプリッタ（ＢＳ）４は伝送してきた信号光の一部
をバイプリズム８へ反射し、そのバイプリズム８から出
射する信号光は入射角で回折格子９へ入射する。As shown in this figure, a light beam emitted from a low coherence light source 1 having a wide spectral width is converted by a lens 2 and 3 into a parallel beam having an enlarged beam diameter. The parallel beam is split into a beam splitter (BS) 4
In bisecting the reference beam e r the signal light e S. Reference beam e r a separate signal light e S is the lens 5, for example, is converged to the object 6 and enters consisting scattering medium. The subject 6
The signal light e S reflected from the light source is collected again by the lens 5 and transmitted to the beam splitter (BS) 4. The beam splitter (BS) 4 reflects a part of the transmitted signal light to the biprism 8, and the signal light emitted from the biprism 8 enters the diffraction grating 9 at an incident angle.
【００４６】一方、参照光ｅr は直角プリズム７によっ
て全反射され、バイプリズム８へ伝送される。そのバイ
プリズム８から出射する参照光ｅr は、信号光ｅS とは
反対の側から回折格子９へ入射する。ただし、その入射
角度は信号光ｅS と同じである。図１に示すように、参
照光ｅr と信号光ｅS が回折格子９の面上において互い
に重畳する。On the other hand, the reference light er is totally reflected by the right-angle prism 7 and transmitted to the biprism 8. Reference beam e r emitted from the biprism 8, the signal light e S incident from the opposite side of the diffraction grating 9. However, the incident angle is the same as the signal light e S. As shown in FIG. 1, the reference beam e r and the signal light e S is overlapped on the plane of the diffraction grating 9.
【００４７】図１は軸外し（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）の光干
渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は、次
のような機構を光干渉計に備えることにより、従来の軸
外しの光干渉計と異なる特徴をもつ空間干渉断層画像化
装置を提供することができる。ここでは、回折格子の格
子定数ｄをｄ＝λ0 ／ｓｉｎθ（λ0 ：光源の中心波
長、θ：回折格子の法線に対する入射光ビームの角度）
に設定し、その回折格子によって回折されて出射する信
号光及び参照光を結像レンズ系で検出面にて結像させ
る。Although FIG. 1 is based on the principle of an off-axis optical interferometer, the present invention provides a conventional off-axis optical interferometer with the following mechanism. Can be provided. Here, the lattice constant d of the diffraction grating is d = λ 0 / sin θ (λ 0 : center wavelength of the light source, θ: angle of the incident light beam with respect to the normal to the diffraction grating)
And the signal light and the reference light that are diffracted and emitted by the diffraction grating are imaged on the detection surface by the imaging lens system.
【００４８】さらに、本発明は検出面に配置される光セ
ンサとして、一次元ないし二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−ｃｏ
ｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラを使用することを特
徴とする。Further, according to the present invention, as an optical sensor disposed on the detection surface, an image sensor in which light receiving elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, for example, a CCD (charge-co.
characterized in that a multiple device camera is used.
【００４９】以下、本発明による光画像測定の原理を説
明する。Hereinafter, the principle of optical image measurement according to the present invention will be described.
【００５０】図２は、図１に角分散素子として例えば透
過型回折格子を用いた場合、その回折光に起きる角分散
を示すものである。回折格子がｘ- 軸上に配置され、そ
の法線がｙ- 方向と平行するとすると、入射角θの光ビ
ームに対して回折格子からの１次回折光の出射角βは、
回折格子方程式よりFIG. 2 shows the angular dispersion occurring in the diffracted light when, for example, a transmission type diffraction grating is used as the angular dispersion element in FIG. If the diffraction grating is arranged on the x - axis and its normal is parallel to the y - direction, the emission angle β of the first-order diffracted light from the diffraction grating with respect to the light beam having the incident angle θ is
From diffraction grating equation
【００５１】[0051]
【数９】 (Equation 9)
【００５２】と与えられる。そこで、格子定数ｄをｄ＝
λ0 ／ｓｉｎθ（λ0 ：光源の中心波長）になるように
設置すると、前記式（９）よりλ0 に対してβ＝０にな
ることが明白である。Is given by Therefore, let the lattice constant d be d =
When it is set so that λ 0 / sin θ (λ 0 : the center wavelength of the light source), it is clear from Expression (9) that β = 0 with respect to λ 0 .
【００５３】一方、λ0 以外の波長成分では前記式
（９）より回折光の出射角を次のように近似できる。On the other hand, for the wavelength components other than λ 0 , the outgoing angle of the diffracted light can be approximated by the following equation (9).
【００５４】[0054]
【数１０】 (Equation 10)
【００５５】図２において、ある出射点Ａから入射光波
の等位相面ＯＫまでの距離を、ＡＫ（上付きバー）と
し、また中心点Ｏから回折光波の等位相面ＬＡまでの距
離をＯＬ（上付きバー）とすると、両者の間の距離差が
ＡＫ−ＯＬ≒ＯＡΔβ〔ＡＫ，ＯＬ，ＯＡともに上付き
バー）であることから、回折格子９の角分散による回折
光の位相差Δψは次のように算出される。In FIG. 2, the distance from a certain outgoing point A to the equal phase plane OK of the incident light wave is denoted by AK (superscript bar), and the distance from the center point O to the equal phase plane LA of the diffracted light wave is OL ( (Superscript bar), the distance difference between the two is AK-OL {OAΔβ (superscript bar for AK, OL, and OA). Therefore, the phase difference Δψ of the diffracted light due to the angular dispersion of the diffraction grating 9 is It is calculated as follows.
【００５６】[0056]
【数１１】 [Equation 11]
【００５７】そこで、本発明は図３に示す光学結像系を
用いることを特徴とする。図３では、焦点距離ｆ1 のレ
ンズ１０のフーリェ面に開口を配置することにより、回
折格子９からのゼロ次回折光並び２次以上の高次回折光
を除去し、信号光及び参照光の１次回折光のみを光セン
サアレイの面上に結像する。Therefore, the present invention is characterized by using the optical imaging system shown in FIG. In Figure 3, by arranging an opening in Fourier plane of the lens 10 of focal length f 1, to remove the zero-order diffracted light arrangement second- or higher-order diffracted light from the diffraction grating 9, the first order of the signal light and the reference light Only the folded light is imaged on the surface of the optical sensor array.
【００５８】さらに、信号光波ｅs と参照光波ｅr はそ
れぞれ左右の両側から回折格子９に入射することから、
回折格子９の出射面における参照光の１次回折光と信号
光の１次回折光との間の位相差Δφを次のように察知で
きる。[0058] Further, since incident on the diffraction grating 9 from both sides of the left and right signal lightwave e s reference lightwave e r,
The phase difference Δφ between the first-order diffracted light of the reference light and the first-order diffracted light of the signal light on the exit surface of the diffraction grating 9 can be detected as follows.
【００５９】[0059]
【数１２】 (Equation 12)
【００６０】ただし、Δｌは参照光波ｅr が等位相面Ｅ
Ｄまでの伝搬距離と、信号光波ｅsが等位相面ＣＤまで
の伝搬距離との間の差であって、本発明では、例えば図
１での直角プリズムの配置位置を参照光波ｅr の入射方
向上にスキャンすることにより、被検体の表面から反射
してきた信号光ｅs に対してΔｌ＝０になるように設置
することが可能である。[0060] However, Δl is the reference light wave e r is equal phase plane E
The propagation distance to D, a difference between the propagation distance of the signal light wave e s until equiphase plane CD, in the present invention, for example, the incident reference light wave e r a position of the rectangular prism in Figure 1 by scanning on direction, it is possible to install such that .DELTA.l = 0 for the signal light e s reflected from the surface of the object.
【００６１】一方、図３に示す光学結像の倍率はＭ＝ｆ
2 ／ｆ1 であり、回折格子９の出射面上例えばＡ点（座
標：ｘ）から出射する光は光センサアレイ１３が配置さ
れる検出面上のＡ′点（座標：−Ｍｘ）に結像される。
従って、検出面に結像する参照光ｅr と信号光ｅs との
間の位相差は前記式（１２）より次のように与えられ
る。On the other hand, the magnification of the optical image shown in FIG.
2 / f 1 , and the light emitted from, for example, point A (coordinate: x) on the emission surface of the diffraction grating 9 is coupled to point A ′ (coordinate: −Mx) on the detection surface on which the optical sensor array 13 is arranged. Imaged.
Accordingly, the phase difference between the reference beam e r and the signal light e s forming an image on the detection surface is given as follows from the equation (12).
【００６２】[0062]
【数１３】 (Equation 13)
【００６３】ただし、ｆ＝ｃ／λである。前記式（３）
と同様に、検出面で検出される光強度は次のように計算
される。Where f = c / λ. Equation (3)
Similarly, the light intensity detected on the detection surface is calculated as follows.
【００６４】[0064]
【数１４】 [Equation 14]
【００６５】前記式（１３）とこの式（１４）より光干
渉の項は、From equation (13) and equation (14), the term of light interference is
【００６６】[0066]
【数１５】 (Equation 15)
【００６７】と求められる。スペクトル広がりをもつ光
源の場合、この式（１５）を光源の周波数分布について
積分すればよく、ここでは計算の便宜上光源の周波数分
布関数を中心ｆ0 、幅２Δｆの‘ｔｏｐ−ｈａｔ’型と
する。Is obtained. In the case of a light source having a spectrum spread, this equation (15) may be integrated with respect to the frequency distribution of the light source. Here, for convenience of calculation, the frequency distribution function of the light source is a 'top-hat' type having a center f 0 and a width 2Δf. .
【００６８】[0068]
【数１６】 (Equation 16)
【００６９】この式（１６）を前記式（８）と比較する
と分かるように、この式（１６）は正弦関数で変調され
ていないｓｉｎｃ関数を表わし、光路長差Δｌに対応し
てAs can be seen by comparing the equation (16) with the equation (8), the equation (16) represents a sinc function that is not modulated by a sine function, and corresponds to the optical path length difference Δl.
【００７０】[0070]
【数１７】 [Equation 17]
【００７１】の位置でｓｉｎｃ関数のそのピークが検出
される。At that position, the peak of the sinc function is detected.
【００７２】本発明による光画像測定の効果を示すため
に、図４に示す前記式（１６）を用いた計算結果の例を
示す。計算では、ｃ／ｆ0 ＝０．８４μｍ、ｃ／Δｆ＝
４０μｍ、θ＝７°とし、また、後の前記図１４との比
較の便宜上Ｍ＝１とした。In order to show the effect of the optical image measurement according to the present invention, an example of a calculation result using the above equation (16) shown in FIG. 4 is shown. In the calculation, c / f 0 = 0.84 μm and c / Δf =
40 μm, θ = 7 °, and M = 1 for convenience of comparison with FIG.
【００７３】図４に見られるように、光路長差Δｌ＝１
０μｍに対して、検出面ｘ＝−ＭΔｌ／（２ｓｉｎθ）
＝−４１μｍの位置で光干渉強度のピークが検出されて
いる。As can be seen from FIG. 4, the optical path length difference Δl = 1
For 0 μm, detection plane x = −MΔl / (2 sin θ)
The peak of the optical interference intensity is detected at the position of −41 μm.
【００７４】さらに、図４を前記図１４の測定結果と比
較すると分かるように、本発明は、図３に示すように光
学結像の手段を用いて空間干渉縞の包絡線のみを検出
し、その包絡線のピーク値を直接読み取ることにより、
前記式（１７）の対応関係から信号光と参照光との間の
光路長差を求めるができる。このことは、検出した光干
渉の演算処理により干渉縞の包絡線を求める従来の空間
干渉測定と根本的に異なる。Further, as can be seen by comparing FIG. 4 with the measurement results of FIG. 14, the present invention detects only the envelope of the spatial interference fringes using the optical imaging means as shown in FIG. By directly reading the peak value of the envelope,
The optical path length difference between the signal light and the reference light can be obtained from the correspondence of the above equation (17). This is fundamentally different from the conventional spatial interference measurement in which the envelope of the interference fringes is calculated by calculating the detected light interference.
【００７５】なお、これまでに角分散素子例えば回折格
子によって回折された信号光及び参照光がともに零度の
出射角で出射する光画像計測について説明してきたが、
回折格子の格子定数ｄ≠λ0 ／ｓｉｎα、すなわち回折
光がβ≠０の出射角で出射する場合、検出面で検出され
る干渉光の強度は上記と同様な分析方法から次のように
求められる。The optical image measurement in which both the signal light and the reference light diffracted by the angular dispersion element, for example, the diffraction grating, are emitted at an emission angle of zero has been described.
When the grating constant d ≠ λ 0 / sin α of the diffraction grating, that is, when the diffracted light exits at an exit angle of β ≠ 0, the intensity of the interference light detected on the detection surface is obtained as follows from the same analysis method as described above. Can be
【００７６】[0076]
【数１８】 (Equation 18)
【００７７】β≠０であることから、この式（１８）は
周期λ0 ／ｓｉｎβの正弦関数で変調されたｓｉｎｃ関
数を表わす。ただし、β＜θであることから、その周期
は前記式（８）で表わされる従来の測定で見られる周期
λ0 ／ｓｉｎθよりも長いことが明白である。Since β ≠ 0, this equation (18) represents a sinc function modulated by a sine function with a period λ 0 / sin β. However, since β <θ, it is clear that the period is longer than the period λ 0 / sin θ found in the conventional measurement represented by the above equation (8).
【００７８】[0078]
【実施例１】図５は、本発明による図１の光計測装置に
低コヒーレンス光源として連続出力のスーパールミネセ
ントダイオード（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す。Embodiment 1 FIG. 5 shows an embodiment in which a continuous output super luminescent diode (SLD) is used as the low coherence light source in the optical measurement apparatus of FIG. 1 according to the present invention.
【００７９】この図において、２１は低コヒーレンス光
源としてのスーパールミネセントダイオード（ＳＬ
Ｄ）、２２，２３，３０，３２はレンズ、２４はビーム
スプリッタ（ＢＳ）、２５は円柱レンズ、２６は被検
体、２７は直角プリズム、２８はバイプリズム、２９は
回折光子、３１は開口、３３は二次元センサアレイであ
る。In this figure, reference numeral 21 denotes a super luminescent diode (SL) as a low coherence light source.
D), 22, 23, 30, and 32 are lenses, 24 is a beam splitter (BS), 25 is a cylindrical lens, 26 is an object, 27 is a right-angle prism, 28 is a biprism, 29 is a diffracted photon, 31 is an aperture, 33 is a two-dimensional sensor array.
【００８０】低コヒーレンス光源の可干渉距離Ｌｃは光
源の波長広がりΔλに逆比例してＬｃ≒λ2 ／Δλと表
すことができる。市販されている近赤外域ＳＬＤ２１の
場合Ｌｃ≒５０μｍ、また発光ダイオード（ＬＥＤ）の
場合Ｌｃ≒１０μｍ程度である。The coherence length Lc of the low coherence light source can be expressed as Lc ≒ λ 2 / Δλ in inverse proportion to the wavelength spread Δλ of the light source. In the case of a commercially available near-infrared region SLD21, Lc ≒ 50 μm, and in the case of a light emitting diode (LED), Lc ≒ 10 μm.
【００８１】さらに、図５の実施例は、本発明による図
１の信号光の送信及び受信用レンズ５の代わりに円柱レ
ンズ２５を用いることにより、下記のような二次元光断
層画像計測を可能にするようにしたものである。Further, in the embodiment of FIG. 5, the following two-dimensional optical tomographic image measurement is possible by using the cylindrical lens 25 instead of the signal light transmitting and receiving lens 5 of FIG. 1 according to the present invention. It is made to be.
【００８２】参照光ｅr と分かれた信号光ｅS は円柱レ
ンズ２５によって、例えば散乱媒質からなる被検体２６
へ入射される。円柱レンズ２５は光波を一方向だけに収
束するので、被検体２６へ入射する信号光ｅS は図５に
示すように光伝搬方向（ｘ-）と垂直する横方向
（ｙ- ）上に線状に絞られる。被検体２６から反射して
くる信号光は再び円柱レンズ２５によって集光される。
その集光された光波は円柱レンズ２５の一方向のみの発
散性質により平行ビームに変換され、ビームスプリッタ
２４へ伝送される。[0082] By reference beam e r a separate signal light e S is a cylindrical lens 25, for example, the object made of a scattering medium 26
Incident on Since the cylindrical lens 25 converges the light wave in only one direction, the signal light e S incident on the subject 26 has a line in the horizontal direction (y − ) perpendicular to the light propagation direction (x − ) as shown in FIG. Squeezed into a shape. The signal light reflected from the subject 26 is collected again by the cylindrical lens 25.
The collected light wave is converted into a parallel beam by the divergence property of the cylindrical lens 25 only in one direction, and transmitted to the beam splitter 24.
【００８３】検出面上に結像される干渉光は二次元セン
サアレイ３３によって検出される。そのｘ- 方向上で検
出される光信号は本発明による測定原理から被検体２６
の深さ情報に対応していることが明白である。一方、図
５に示すようにセンサアレイ３３のｙ- 方向は信号光ｅ
S の横方向ｙ- に位置対応している。従って、本実施例
は被検体２６への入射光を線状に絞り、また干渉光を二
次元センサアレイ３３で検出することにより、被検体２
６に関する深さ並びに横方向の情報を同時に取得するこ
とができる。すなわち、ｘ−ｙ面上の二次元断層画像が
実時間で計測されることになる。The interference light imaged on the detection surface is detected by the two-dimensional sensor array 33. The optical signal detected in the x - direction is determined based on the measurement principle according to the present invention.
It is clear that this corresponds to the depth information. On the other hand, y of the sensor array 33 as shown in FIG. 5 - direction signal light e
Lateral y of S - the located corresponding. Therefore, in the present embodiment, the light incident on the subject 26 is narrowed down linearly, and the interference light is detected by the two-dimensional sensor array 33, so that the subject 2
6 as well as lateral information can be obtained simultaneously. That is, a two-dimensional tomographic image on the xy plane is measured in real time.
【００８４】さらに、この実施例では、被検体２６への
入射光もしくは被検体２６をｚ−方向でスキャンするこ
とによって被検体２６の内部に関する三次元（３Ｄ）画
像計測が可能になる。Further, in this embodiment, three-dimensional (3D) image measurement of the inside of the subject 26 becomes possible by scanning the incident light on the subject 26 or the subject 26 in the z-direction.
【００８５】[0085]
【実施例２】図６は、本発明による図１の光計測装置に
ビームスプリッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッ
タＰＢＳを用いた実施例である。Embodiment 2 FIG. 6 shows an embodiment in which a broadband polarization beam splitter PBS is used as the beam splitter BS in the optical measuring device of FIG. 1 according to the present invention.
【００８６】この図において、４１は低コヒーレンス光
源、４２，４３，４６，５１，５３はレンズ、４４は広
帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、４５は１／４波
長板、４７は被検体、４８は直角プリズム、４９はバイ
プリズム、５０は回折光子、５２は開口、５４は光セン
サアレイである。In this figure, 41 is a low coherence light source, 42, 43, 46, 51, and 53 are lenses, 44 is a broadband polarizing beam splitter (PBS), 45 is a quarter wavelength plate, 47 is an object, and 48 is an object. A right-angle prism, 49 is a biprism, 50 is a diffracted photon, 52 is an aperture, and 54 is an optical sensor array.
【００８７】低コヒーレンス光源４１（例えばＳＬＤと
ＬＥＤ）からの出力光は一般的に無偏光、すなわち特定
の偏光方向をもたないものである。図６では、ＰＢＳ４
４が入射光のＳ偏光成分を９０°反射して参照光ｅr と
し、またその入射光のＰ偏光成分を通過させて信号光ｅ
s とする。参照光ｅr と分かれた信号光ｅs は１／４波
長板４５を通過して円偏光に変換され、さらにレンズ４
６によって収束されて被検体４７へ入射する。The output light from the low coherence light source 41 (eg, SLD and LED) is generally unpolarized, ie, does not have a specific polarization direction. In FIG. 6, PBS4
4 reflects the S-polarized component of the incident light by 90 ° as reference light er, and passes the P-polarized component of the incident light to signal light e.
s . Signal light e s which is divided and the reference beam e r is converted into circularly polarized light passes through the quarter wave plate 45, further lens 4
The light is converged by 6 and enters the subject 47.
【００８８】一方、被検体４７から反射してきた円偏光
の信号光ｅs は再び１／４波長板４５を通過することに
よりＳ偏光の直線偏光に変換される。ＰＢＳ４４はＳ偏
光の信号光を９０°反射してバイプリズム４９へ伝送す
る。このように、回折格子５０の面上にて重畳される信
号光ｅs および参照光ｅr はともにＳ偏光である。[0088] On the other hand, the signal light e s of the circularly polarized light reflected from the object 47 is converted into linearly polarized light of S-polarized light passes through the quarter-wave plate 45 again. The PBS 44 reflects the S-polarized signal light by 90 ° and transmits the signal light to the biprism 49. Thus, the signal light e s and the reference light e r are superimposed in the plane of the diffraction grating 50 are both S-polarized light.
【００８９】この実施例は、広帯域偏光ビームスプリッ
タ及び波長板を用いることにより、被検体４７への入射
光の偏光方向を制御することができる。In this embodiment, the polarization direction of light incident on the subject 47 can be controlled by using a broadband polarization beam splitter and a wave plate.
【００９０】[0090]
【実施例３】図７は光ヘテロダイン検出法を本発明へ応
用した実施例である。Embodiment 3 FIG. 7 shows an embodiment in which the optical heterodyne detection method is applied to the present invention.
【００９１】この図において、６１は低コヒーレンス光
源（ＳＬＤ）、６２，６３，６５，７２，７４はレン
ズ、６４は第１のビームスプリッタＢＳ１、６６は被検
体、６７は第１のミラー、６８は第２のビームスプリッ
タＢＳ２、６９は第２のミラー、６９Ａはその第２のミ
ラー６９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、７０はバイプ
リズム、７１は回折光子、７３は開口、７５は光センサ
アレイである。In this figure, 61 is a low coherence light source (SLD), 62, 63, 65, 72, 74 are lenses, 64 is a first beam splitter BS1, 66 is an object, 67 is a first mirror, 68 Is a second beam splitter BS2, 69 is a second mirror, 69A is a piezo element PZT for vibrating the second mirror 69, 70 is a biprism, 71 is a diffracted photon, 73 is an aperture, and 75 is an optical sensor array. is there.
【００９２】低コヒーレンス光源６１例えばＳＬＤから
の出力光は第１のビームスプリッタ６４によって信号光
ｅS と参照光ｅr に二分される。参照光ｅr は第１のミ
ラー６７によって９０°反射されて第２のビームスプリ
ッタ６８へ伝送される。第２のビームスプリッタ６８を
通過した参照光ｅr は第２のミラー６９によって全反射
されるが、その反射光は第２のミラー６９に付着したピ
エゾ素子６９Ａの振動によって位相変調を受ける。第２
のビームスプリッタ６８は反射光の一部を９０°反射し
て、バイプリズム７０へ伝送する。[0092] The output light from the low coherence light source 61 for example SLD is divided into reference light e r the signal light e S by the first beam splitter 64. The reference light e r is reflected by the first mirror 67 at 90 ° and transmitted to the second beam splitter 68. Reference beam e r passing through the second beam splitter 68 is totally reflected by the second mirror 69, the reflected light is subjected to phase modulation by the vibration of the piezoelectric element 69A which is attached to the second mirror 69. Second
The beam splitter 68 reflects a part of the reflected light by 90 ° and transmits the reflected light to the biprism 70.
【００９３】この実施例によれば、参照光ｅr が位相変
調されていることから、光センサアレイ７５によって検
出される光干渉信号は位相変調と同じ周波数をもつ交流
信号であり、背景光による直流成分から分離することが
容易である。According to this embodiment, since the reference light er is phase-modulated, the optical interference signal detected by the optical sensor array 75 is an AC signal having the same frequency as that of the phase modulation, and is generated by the background light. It is easy to separate from DC components.
【００９４】[0094]
【実施例４】図８は、図７の光画像計測装置に光の伝送
手段として光ファイバを使用した実施例である。Embodiment 4 FIG. 8 shows an embodiment in which an optical fiber is used as the light transmission means in the optical image measurement device of FIG.
【００９５】この図において、８１は低コヒーレンス光
源（ＳＬＤ）、８２，８８，９２，９５，９６，９９，
１０１はレンズ、８３，８５，８７，９０，９１，９４
は光ファイバ、８４は第１の光ファイバカプラー、８６
は第２の光ファイバカプラー、８９はミラー、８９Ａは
ミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ、９３は被検
体、９７はバイプリズム、９８は回折光子、１００は開
口、１０２は光センサアレイである。In this figure, reference numeral 81 denotes a low coherence light source (SLD), 82, 88, 92, 95, 96, 99,
101 is a lens, 83, 85, 87, 90, 91, 94
Is an optical fiber, 84 is a first optical fiber coupler, 86
Is a second optical fiber coupler, 89 is a mirror, 89A is a piezo element PZT for vibrating the mirror 89, 93 is an object, 97 is a biprism, 98 is a diffracted photon, 100 is an aperture, and 102 is an optical sensor array.
【００９６】低コヒーレンス光源８１が例えばＳＬＤか
らの出力光はレンズ８２によって光ファイバ８３へ結合
される。第１の光ファイバカプラ８４は伝送してきた光
を参照光と信号光に二分割し、図７における第１のビー
ムプリッタ６４と同様な役割を果たす。Output light from a low coherence light source 81, for example, from an SLD is coupled to an optical fiber 83 by a lens. The first optical fiber coupler 84 divides the transmitted light into a reference light and a signal light, and plays a role similar to that of the first beam splitter 64 in FIG.
【００９７】一方、第２の光ファイバカプラー８６は図
７の第２のビームプリッタ６８と同様に、参照光の一部
をミラー８９へ送り、またそのミラー８９から反射して
くる参照光の一部をバイプリズム９７へ伝送する役割を
果たす。On the other hand, like the second beam splitter 68 of FIG. 7, the second optical fiber coupler 86 sends a part of the reference light to the mirror 89, and sends a part of the reference light reflected from the mirror 89. To the biprism 97.
【００９８】この実施例によれば、光の伝送に光ファイ
バを使用することにより、被検体９３を光画像計測装置
から離すことができ、計測上の自由度を大幅に向上する
利点がある。According to this embodiment, by using an optical fiber for transmitting light, the subject 93 can be separated from the optical image measurement device, and there is an advantage that the degree of freedom in measurement is greatly improved.
【００９９】[0099]
【実施例５】本発明によれば、透過型の角分散素子のみ
ならず、反射型の角分散素子も光画像計測に利用できる
ことが明白である。図９は、反射型回折格子１１０を用
いた本発明の実施例である。反射型回折格子１１０によ
って一次回折される信号光及び参照光は、図９に示すよ
うに、焦点距離ｆのレンズ１１１によって検出面上に結
像される。その検出面には干渉光を検出する光センサア
レイ１１２が配置されている。Embodiment 5 According to the present invention, it is clear that not only a transmission type angular dispersion element but also a reflection type angular dispersion element can be used for optical image measurement. FIG. 9 shows an embodiment of the present invention using the reflection type diffraction grating 110. The signal light and the reference light that are first-order diffracted by the reflection diffraction grating 110 are imaged on a detection surface by a lens 111 having a focal length f, as shown in FIG. An optical sensor array 112 for detecting interference light is disposed on the detection surface.
【０１００】この実施例によれば、回折効率の高い反射
型回折格子を利用できることができる。According to this embodiment, a reflection type diffraction grating having high diffraction efficiency can be used.
【０１０１】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。Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
【０１０２】[0102]
【発明の効果】以上、詳細に述べたように、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。As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
【０１０３】（Ａ）光コヒーレンス断層画像計測を有効
に空間領域で行うことができる。(A) Optical coherence tomographic image measurement can be effectively performed in the spatial domain.
【０１０４】（Ｂ）低コヒーレンス光源の広いスペクト
ル分布に注目して、角分散素子、例えば、回折格子を用
いることにより、光干渉縞の包絡線のみを検出すること
ができる。(B) Paying attention to the wide spectral distribution of the low coherence light source, by using an angular dispersion element, for example, a diffraction grating, only the envelope of the optical interference fringes can be detected.
【０１０５】（Ｃ）被検体への入射光もしくは被検体を
ｚ−方向でスキャンすることによって被検体の内部に関
する三次元（３Ｄ）画像計測が可能になる。(C) Three-dimensional (3D) image measurement of the inside of the subject becomes possible by scanning the incident light on the subject or the subject in the z-direction.
【０１０６】（Ｄ）広帯域偏光ビームスプリッタ及び波
長板を用いることにより、被検体への入射光の偏光方向
を制御することができる。(D) By using the broadband polarizing beam splitter and the wavelength plate, the polarization direction of the light incident on the subject can be controlled.
【０１０７】（Ｅ）参照光が位相変調されていることか
ら、光センサアレイによって検出される光干渉信号は位
相変調と同じ周波数をもつ交流信号であり、背景光によ
る直流成分から分離することが容易である。(E) Since the reference light is phase-modulated, the optical interference signal detected by the optical sensor array is an AC signal having the same frequency as that of the phase modulation, and can be separated from the DC component by the background light. Easy.
【０１０８】（Ｆ）光の伝送に光ファイバを使用するこ
とにより、被検体を光画像計測装置から離すことがで
き、計測上の自由度を大幅に向上することができる。(F) By using an optical fiber for transmitting light, the subject can be separated from the optical image measurement device, and the degree of freedom in measurement can be greatly improved.
【０１０９】（Ｇ）回折効率の高い反射型回折格子を利
用することができ、精度の高い三次元（３Ｄ）画像計測
が可能になる。(G) A reflection type diffraction grating having high diffraction efficiency can be used, and highly accurate three-dimensional (3D) image measurement can be performed.
【図１】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構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of an optical coherence tomographic image measurement device using a Michelson interferometer.
【図２】図１に角分散素子として例えば透過型回折格子
を用いた場合、その回折光に起きる角分散を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing angular dispersion occurring in diffracted light when, for example, a transmission type diffraction grating is used as the angular dispersion element in FIG.
【図３】本発明の光学結像系を用いる角分散光空間干渉
断層画像化装置を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus using the optical imaging system of the present invention.
【図４】本発明による光画像測定の効果を示す信号強度
を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing signal intensity indicating the effect of optical image measurement according to the present invention.
【図５】本発明による図１の光計測装置に低コヒーレン
ス光源として連続出力のスーパールミネセントダイオー
ド（ＳＬＤ）を用いた実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an embodiment in which a continuous output superluminescent diode (SLD) is used as the low coherence light source in the optical measurement device of FIG. 1 according to the present invention.
【図６】本発明による図１の光計測装置にビームスプリ
ッタＢＳとして広帯域偏光ビームスプリッタＰＢＳを用
いた実施例を示す図である。6 is a diagram showing an embodiment in which a broadband polarization beam splitter PBS is used as the beam splitter BS in the optical measurement device of FIG. 1 according to the present invention.
【図７】光ヘテロダイン検出法を本発明へ応用した実施
例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an embodiment in which the optical heterodyne detection method is applied to the present invention.
【図８】図７の光画像計測装置に光の伝送手段として光
ファイバを使用した実施例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an embodiment in which an optical fiber is used as a light transmission means in the optical image measurement device of FIG. 7;
【図９】反射型回折格子を用いた本発明の実施例を示す
図である。FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of the present invention using a reflection type diffraction grating.
【図１０】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構成を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a basic configuration of an optical coherence tomographic image measurement device using a Michelson interferometer.
【図１１】図１０による光反射分布像を計測する様子を
示す図である。11 is a diagram showing a state of measuring a light reflection distribution image according to FIG. 10;
【図１２】従来の測定の基本原理を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a basic principle of a conventional measurement.
【図１３】従来の測定原理の詳細な説明図である。FIG. 13 is a detailed explanatory diagram of a conventional measurement principle.
【図１４】図１３の測定原理で測定した光干渉縞の結果
を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the results of optical interference fringes measured by the measurement principle of FIG.
１，４１ 低コヒーレンス光源 ２，３，５，１０，１２，２２，２３，３０，３２，４
２，４３，４６，５１，５３，６２，６３，６５，７
２，７４，８２，８８，９２，９５，９６，９９，１０
１，１１１ レンズ ４，２４ ビームスプリッタ（ＢＳ） ６，２６，４７，６６，９３ 被検体 ７，２７，４８ 直角プリズム（スキャン可能） ８，２８，４９，７０，９７ バイプリズム ９，２９，５０，７１，９８ 回折格子 １１，３１，５２，７３，１００ 開口 １３，５４，７５，１０２，１１２ 光センサアレイ ２１，６１，８１ 低コヒーレンス光源〔スーパール
ミネセントダイオード（ＳＬＤ）〕 ２５ 円柱レンズ ３３ 二次元センサアレイ ４４ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ４５ １／４波長板 ６４ 第１のビームスプリッタ（ＢＳ１） ６７ 第１のミラー ６８ 第２のビームスプリッタ（ＢＳ２） ６９ 第２のミラー ６９Ａ 第２のミラー６９を振動させるピエゾ素子Ｐ
ＺＴ ８３，８５，８７，９０，９１，９４ 光ファイバ ８４ 第１の光ファイバカプラー ８６ 第２の光ファイバカプラー ８９ ミラー ８９Ａ ミラー８９を振動させるピエゾ素子ＰＺＴ １１０ 反射型回折格子1,41 Low coherence light source 2,3,5,10,12,22,23,30,32,4
2,43,46,51,53,62,63,65,7
2,74,82,88,92,95,96,99,10
1,111 lens 4,24 Beam splitter (BS) 6,26,47,66,93 Subject 7,27,48 Right angle prism (scannable) 8,28,49,70,97 Biprism 9,29,50 , 71, 98 Diffraction grating 11, 31, 52, 73, 100 Aperture 13, 54, 75, 102, 112 Photosensor array 21, 61, 81 Low coherence light source [Super luminescent diode (SLD)] 25 Cylindrical lens 33 2 Dimensional sensor array 44 Broadband polarizing beam splitter (PBS) 45 Quarter-wave plate 64 First beam splitter (BS1) 67 First mirror 68 Second beam splitter (BS2) 69 Second mirror 69A Second mirror Piezo element P that vibrates 69
ZT 83, 85, 87, 90, 91, 94 Optical fiber 84 First optical fiber coupler 86 Second optical fiber coupler 89 Mirror 89A Piezo element PZT 110 for oscillating mirror 89 Reflective diffraction grating
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹野 直弘 山形県山形市松見町15−27 Ｆターム(参考） 2F065 AA52 AA53 BB05 DD03 DD04 FF01 FF52 GG00 GG04 GG07 HH03 HH13 JJ03 JJ26 KK01 LL00 LL02 LL30 LL36 LL37 LL42 LL46 LL57 MM02 NN05 NN08 QQ01 SS13 UU07 2G059 AA05 BB12 EE02 EE05 EE09 FF02 GG02 GG06 JJ05 JJ11 JJ12 JJ15 JJ17 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Naohiro Tanno 15-27 F-term (reference) 2F065 AA52 AA53 BB05 DD03 DD04 FF01 FF52 GG00 GG04 GG07 HH03 HH13 JJ03 JJ26 KK01 LL00 LL42 LL37 LL36 LL36 LL46 LL57 MM02 NN05 NN08 QQ01 SS13 UU07 2G059 AA05 BB12 EE02 EE05 EE09 FF02 GG02 GG06 JJ05 JJ11 JJ12 JJ15 JJ17 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL01
Claims (11)
出射する光源と、（ｂ）該光源から出射された光ビーム
を、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号
光と、該被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路
を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配
置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由
した参照光を空間的に交差させることにより、互いに重
畳する面上において干渉光を生成する干渉光学系と、
（ｃ）前記信号光と前記参照光が重畳する面上に角分散
素子を配置し、該角分散素子を透過もしくは反射する前
記信号光および前記参照光を検出面上にて結像する光学
結像系と、（ｄ）前記光学結像系で結像した干渉光を受
光することにより光検出信号を得る光センサと、（ｅ）
該光センサが、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するものであり、さら
に、前記光センサで得られた複数の受光信号を統合して
前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは
内部の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する
信号を生成する信号処理系とを具備することを特徴とす
る角分散光空間干渉断層画像化装置。(A) a light source for emitting a light beam having a wide spectral width; and (b) a light beam emitted from the light source is converted into a signal light passing through a subject arrangement position where the subject is arranged. The optical path passing through the subject placement position is divided into a reference light passing through a different optical path and the reference light passing through the subject placement position, and the reference light passing through the different optical path is spatially divided. By intersecting with each other, an interference optical system that generates interference light on surfaces overlapping each other
(C) arranging an angular dispersion element on a surface on which the signal light and the reference light are superimposed, and optically forming an image of the signal light and the reference light transmitted or reflected by the angular dispersion element on a detection surface. An image system, and (d) an optical sensor for obtaining a light detection signal by receiving the interference light imaged by the optical imaging system;
The optical sensor has a plurality of light receiving elements arranged spatially, each of which independently obtains a light receiving signal, and further integrates the plurality of light receiving signals obtained by the light sensor to form the object arrangement. A signal processing system for generating a signal corresponding to each point of interest on the propagation path of the signal light, on the surface or inside of the subject arranged at the position, wherein the angularly dispersed optical spatial coherence tomographic image is provided. Device.
渉計を用いることを特徴とする請求項１記載の角分散光
空間干渉断層画像化装置。2. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein said interference optical system uses an off-axis Michelson interferometer.
折格子によって１次回折されて出射する前記信号光の中
心波長成分と前記参照光の中心波長成分がともに零度も
しくは零度に近い出射角をもつことを特徴とする請求項
１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。3. The angular dispersion element is a diffraction grating, and a central wavelength component of the signal light and a central wavelength component of the reference light which are first-order diffracted by the diffraction grating and output are both zero degrees or an exit angle close to zero degrees. 2. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein:
光ビームを該光ビームの入射方向と垂直する横方向上線
状に絞るために円柱レンズを用い、さらに、該円柱レン
ズを用いて前記被検体を経由した信号光を集光すること
を特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像
化装置。4. The method according to claim 1, wherein the interference optical system uses a cylindrical lens to narrow the light beam incident on the subject into an upper line in a horizontal direction perpendicular to the incident direction of the light beam. 2. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the signal light passing through the subject is collected.
れ、それぞれが独立に受光信号を得る複数の受光素子を
有するものであり、前記光センサの一方向上で得られた
複数の受光信号を統合して前記信号光の伝搬方向上の各
関心点に対応する信号を生成するとともに、前記光セン
サの他の一方向上で得られた複数の受光信号を総合し
て、前記信号光の伝搬方向と垂直する横方向上の各関心
点に対応する信号を生成する信号処理部を構えたことを
特徴とする請求項４記載の角分散光空間干渉断層画像化
装置。5. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensors are spatially two-dimensionally arranged, each having a plurality of light receiving elements for independently obtaining light receiving signals, and a plurality of light receiving signals obtained by improving one of the optical sensors. And generating a signal corresponding to each point of interest in the propagation direction of the signal light, and integrating a plurality of light reception signals obtained by the other improvement of the optical sensor, The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 4, further comprising a signal processing unit configured to generate a signal corresponding to each point of interest in a horizontal direction perpendicular to the direction.
号光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタを備
えることを特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉
断層画像化装置。6. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the interference optical system includes a frequency shifter that relatively shifts the frequencies of the reference light and the signal light.
偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする
請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。7. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the interference optical system includes a polarizing element that controls a polarization direction of light incident on the subject.
のスーパールミネセントダイオードであることを特徴と
する請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化装置。8. An apparatus according to claim 1, wherein said light source is a superluminescent diode having a coherence distance of 100 μm or less.
の発光ダイオードであることを特徴とする請求項１記載
の角分散光空間干渉断層画像化装置。9. An apparatus according to claim 1, wherein the light source is a light emitting diode having a coherence length of 100 μm or less.
超短パルスレーザーであることを特徴とする請求項１記
載の角分散光空間干渉断層画像化装置。10. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the light source is an ultrashort pulse laser having a pulse width of 1 picosecond or less.
特徴とする請求項１記載の角分散光空間干渉断層画像化
装置。11. The angular dispersion optical spatial coherence tomographic imaging apparatus according to claim 1, wherein the subject is a light scattering medium.
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