JP4566685B2 - 光画像計測装置及び光画像計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に光散乱媒質の被測定物体に光ビームを照射し、その反射光もしくは透過光を用いて被測定物体の表面形態や内部形態を計測し、その画像を形成する光画像計測装置及び光画像計測方法に関する。特に、光ヘテロダイン検出法を利用して被測定物体の表面形態や内部形態を計測し画像を形成する光画像計測装置及び光画像計測方法に関するものである。

近年、レーザ光源等を用いて被測定物体の表面や内部の画像を形成する光画像計測技術が注目を集めている。この光画像計測技術は、従来からのＸ線ＣＴのような人体に対する有害性を持たないことから、特に医療分野における応用の展開が期待されている。

光画像計測技術における代表的な手法の一例として低コヒーレンス干渉法（光コヒーレンス断層画像化法などとも呼ばれる）がある。この手法は、例えばスーパールミネセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ；ＳＬＤ）のように広いスペクトル幅をもつ広帯域光源の低干渉性を利用するもので、被測定物体からの反射光や透過光をμｍオーダーの優れた距離分解能で検出可能とするものである（例えば下記の非特許文献１を参照）。

この低コヒーレンス干渉法を利用した装置の一例として、マイケルソン型の干渉計に基づく従来の光画像計測装置の基本構成を図８に示す。この光画像計測装置２００は、広帯域光源２０１、鏡２０２、ビームスプリッタ２０３及び光検出器２０４を含んで構成されている。被測定物体２０５は、散乱媒質により形成されている。広帯域光源２０１からの光ビームは、ビームスプリッタ２０３により、鏡２０２に向かう参照光Ｒと被測定物体２０５に向かう信号光Ｓの２つに分割される。参照光Ｒはビームスプリッタ２０３による反射光であり、信号光Ｓはビームスプリッタ２０３の透過光である。

ここで、図８に示すように、信号光Ｓの進行方向をｚ軸として定めるとともに、信号光Ｓの進行方向に対する直交面をｘ−ｙ面として定義する。鏡２０２は、同図中の両側矢印方向に変位（ｚ−スキャン）可能とされている。

参照光Ｒは、鏡２０２に反射される際にそのｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトを受ける。一方、信号光Ｓは、被測定物体２０５に照射されると、その表面及び内部層により反射される。被測定物体は散乱媒質であるので、信号光Ｓの反射光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。被測定物体２０５を経由した信号光と、鏡２０２を経由し周波数シフトを受けた参照光は、ビームスプリッタ２０３によって重畳されて干渉光を生成する。

低コヒーレンス干渉方法を用いた画像計測では、信号光Ｓと参照光Ｒの光路長差が光源のμｍオーダーのコヒーレント長（可干渉距離）以内でありかつ参照光Ｒと位相相関のある信号光Ｓの成分のみが参照光Ｒと干渉を生じる。すなわち、信号光Ｓのコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光Ｒと干渉し合う。この原理から、鏡２０２の位置を移動させて参照光Ｒの光路長を変化させることにより、被測定物体２０５の様々なｚ座標（計測深度）における反射光の情報を含み干渉光が生成され、それにより被測定物体２０５の内部層の光反射プロフィールが測定される。更に、被測定物体２０５へ照射される信号光Ｓをｘ−ｙ面方向にも走査する。このようなｚ方向及びｘ−ｙ面方向のスキャンを行いながら干渉光を光検出器２０４で検出し、その検出結果として出力される電気信号（ヘテロダイン信号）を解析することによって、被検体２０５の２次元断層画像が取得される（例えば、非特許文献１を参照）。

なお、ビームスプリッタ２０３によって重畳される参照光Ｒ及び信号光Ｓの強度をそれぞれＩ_ｒとＩ_ｓとし、両光波の間の周波数差及び位相差をそれぞれｆ_ｉｆ及びΔθとすると、光検出器からは次式に示すようなヘテロダイン信号が出力される（例えば、非特許文献２を参照）。

式（１）の右辺第３項は交流電気信号であり、その周波数ｆ_ｉｆは参照光Ｒと信号光Ｓのうなり（ビート）の周波数に等しい。ヘテロダイン信号の交流成分の周波数ｆ_ｉｆは、ビート周波数などと呼ばれる。また、式（１）の右辺第１項及び第２項はヘテロダイン信号の直流成分であり、干渉光の背景光の信号強度に対応している。

しかしながら、このような従来の低コヒーレンス干渉法で２次元断層画像を取得するためには、被測定物体２０５に対して光ビームを走査することにより、被測定物体２０５の計測深度方向（ｚ方向）及び断層面方向（ｘ−ｙ面上）の各部位からの反射光波を順次に検出する必要がある。したがって、被測定物体２０５を計測するためには長時間を要し、また、その計測原理を勘案すると計測時間の短縮を図ることは困難である。

このような問題点に鑑み、計測時間の短縮を図るための光画像計測装置が考案されている。図９は、そのような装置の一例の基本構成が示されている。同図に示す光画像計測装置３００は、広帯域光源３０１、鏡３０２、ビームスプリッタ３０３、光検出器としての２次元光センサアレイ３０４、及びレンズ３０６、３０７を含んで構成されている。光源３０１から出射された光ビームは、レンズ３０６、３０７により平行光束にされるとともにそのビーム径が拡大され、ビームスプリッタ３０３によって参照光Ｒと信号光Ｓとに二分される。参照光Ｒには鏡３０２のｚ−スキャンによりドップラー周波数シフトが付与される。一方、信号光Ｓは、ビーム径が広げられているので、ｘ−ｙ面の広い範囲に亘って被測定物体３０５に入射される。よって、信号光Ｓは、当該入射範囲における被測定物体３０５の表面や内部の情報を含んだ反射光となる。参照光Ｒと信号光Ｓは、ビームスプリッタ３０３により重畳され、２次元光センサアレイ３０４上に並列配置された素子（光センサ）により検出される。したがって、光ビームをｘ−ｙ方向に走査させることなく、被測定物体３０５の２次元断層画像をリアルタイムに取得することが可能となる。

このような非走査型の光画像計測装置としては、非特許文献３に記載のものが知られている。同文献に記載の装置では、２次元光センサアレイから出力される複数のヘテロダイン信号を、並列配置された複数の信号処理系に入力して、各ヘテロダイン信号の振幅と位相を検出するように構成されている。

しかし、このような構成において画像の空間分解能を高めるためにはアレイの素子数を増加させる必要があり、更に、その素子数に対応するチャンネル数を備えた信号処理系を用意しなければならない。したがって、高分解能の画像を必要とする医療分野や工業分野等においては実用化する上で難があると思われる。

そこで、本発明者らは、下記の特許文献１において、次のような非走査型の光画像計測装置を提案した。当該文献に記載の光画像計測装置は、光ビームを出射する光源と、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、前記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とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、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、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、該二分割された干渉光を周期的に遮断することにより、互いの位相差が９０度である２列の干渉光パルスを生成する光遮断装置と、前記２列の干渉光パルスをそれぞれ受光する光センサと、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、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層の、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部を具備している。

この光画像計測装置は、参照光と信号光の干渉光を二分して２台の光センサ（２次元光センサアレイ）で受光するとともに、両センサアレイの前にそれぞれ光遮断装置を配置して干渉光をサンプリングするように構成されている。そして、分割された２つの干渉光のサンプリング周期にπ／２の位相差を設けることにより、干渉光の背景光を構成する信号光と参照光の強度と、干渉光の位相の直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）とを検出するとともに、両センサアレイからの出力に含まれる背景光の強度を両センサアレイの出力から差し引くことにより、干渉光の２つの位相直交成分を算出し、その算出結果を用いて干渉光の振幅を求めるようになっている。

なお、以上のような光画像計測装置の２次元光センサアレイとしてはＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラなどの市販のイメージセンサが広く用いられている。しかし、現在市販されているＣＣＤカメラは周波数応答特性が低く、数ＫＨzから数ＭＨz程度のヘテロダイン信号のビート周波数に追従できないという問題点が従来から認識されていた。特許文献１記載の光画像計測装置は、当該問題点を十分に認識した上で、その応答特性の低さを利用して計測を行っている点が特徴的であるといえる。

特許文献１記載のような光画像計測装置において、ｘ−ｙ断層像１フレームを取得するには１ミリ秒程度の時間が掛かる。また、被測定物体の３次元画像、計測深度方向の断層画像（ｘ−ｚ断層画像、ｙ−ｚ断層画像）、あるいは或る軸に斜交する方向の断層画像を形成するためには、多くの計測深度（ｚ座標）におけるｘ−ｙ断層画像を取得する必要があり、また、被測定物体の３次元画像等を好適な精度で取得するためには、例えば５マイクロメートル程度の一定の間隔で計測深度方向（ｚ方向）の走査を行う必要がある。なお、被測定物体の３次元画像等は、各ｘ−ｙ断層画像が当該一定間隔で計測されたものと仮定して形成される。

このように、３次元画像等を形成するためには、被測定物体の種類等にも依るが、１秒ないしはそれ以上の時間を要する。しかし、人眼等の生体組織などの可動な被測定物体を計測する場合、計測中に被測定物体が動いてしまうと、各ｘ−ｙ断層画像の計測位置にずれが生じて３次元画像等の精度が劣化するおそれがある。

特に、計測深度方向におけるｘ−ｙ断層画像の計測間隔にずれが生じると、３次元画像等の形成に係る上記の仮定が崩れることとなるため、画像の精度が著しく低下してしまう。そこで、計測深度方向（ｚ方向）におけるｘ−ｙ断層画像を関係付ける何らかのプロファイルが必要となる。

このような被測定物体のｚ方向の情報を取得する手法としては、例えば図１０に表すような光計測装置が公知となっている（例えば、非特許文献４を参照）。同図に示す光計測装置４００は、広帯域光源４０１からの光ビームをハーフミラー４０２により、被測定物体４０４に向かう信号光と固定配置された鏡（固定鏡）４０３に向かう参照光とに分割し、被測定物体４０４及び固定鏡４０３によりそれぞれ反射された信号光及び参照光を重畳して干渉光を生成し、この干渉光を回折格子４０５によって波長λ１〜λｎの波長成分に分光して、各波長成分を１次元光センサアレイ４０６によって検出するようになっている。１次元光センサアレイ４０６を構成する各光センサは、検出した波長成分の光強度の検出信号をコンピュータ４０７に出力する。

コンピュータ４０７は、１次元光センサアレイ４０６から出力された干渉光の各波長成分の検出信号に基づいて、この干渉光についての波長−光強度の関係、すなわち干渉光の光強度分布（波長スペクトル）を求める。図１１（Ａ）は、干渉光の波長スペクトルの一例の概略を表すグラフである。

更に、コンピュータ４０７は、求めた干渉光の波長スペクトルをフーリエ変換する。それにより、図１１（Ｂ）に示すような、被測定物体４０４のｚ座標（計測深度）を変数とした干渉信号の強度分布が得られる。これは、被測定物体４０４の計測深度に依存する情報となっている。なお、１次元光センサアレイ４０６は、通常、ＭＨｚ以上（すなわちμｓｅｃ以下）の読み出しスピードを有しており、計測深度を変数とした干渉信号の強度分布の取得も同等の速さで行うことができる。

特開２００１−３３０５５８号公報（請求項、明細書段落［００６８］−［００８４］、第１図） 丹野直弘、「光学」、２８巻３号、１１６（１９９９） 吉沢、瀬田編、「光ヘテロダイン技術（改訂版）」、新技術コミュニケーションズ（２００３）、ｐ．２ Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｍ．Ｙａｍａｄａ、Ｈ．Ｉｎａｂａ、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、Ｖｏｌ．３０ １７５３、（１９９４） Ａ．Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ、Ｃ．Ｋ．Ｈｉｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｇ．Ｋａｍｐ、Ｓ．Ｙ．Ｅｌｚａｉａｔ、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ」Ｖｏｌ．１１７、ｐｐ．４３−４８（１９９５）

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、計測中に被測定物体が動いたり移動してしまったような場合であっても、被測定物体の様々な深さ（ｚ座標）の領域について取得されたｘ−ｙ断層画像に基づいて高い精度の３次元画像等を形成することが可能な光画像計測装置及び光画像計測方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、低コヒーレント光源から出力された光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する分割手段と、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、前記参照光の光路長を変更する変更手段と、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された干渉光を受光して検出信号を出力する検出手段と、前記出力された検出信号に基づいて前記信号光の進行方向に直交する前記被測定物体の断層画像を形成する画像形成手段とを有する光画像計測装置であって、前記形成される前記被測定物体の前記断層画像について、前記信号光の進行方向における計測深度を求める取得手段と、前記断層画像と、前記断層画像について取得された前記計測深度の情報とを関連付けて記憶する情報記憶手段と、を備え、前記取得手段は、低コヒーレントな補助光ビームを出力する補助光源と、前記出力された補助光ビームを、前記被測定物体を経由する補助信号光と、補助参照物体を経由する補助参照光とに分割する補助分割手段と、前記被測定物体を経由した前記補助信号光と、前記補助参照物体を経由した前記補助参照光とを重畳して補助干渉光を生成する補助重畳手段と、前記生成された前記補助干渉光から複数の波長成分を分離する波長成分分離手段と、前記分離された前記複数の波長成分を受光して補助検出信号を出力する補助検出手段と、前記検出された前記補助検出信号に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出する計測深度算出手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記情報記憶手段に記憶された前記断層画像と関連付けられた計測深度の情報に基づいて、前記断層画像を前記計測深度方向に配列させる画像処理手段を更に備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記取得手段は、前記補助分割手段により分割された前記補助信号光を前記信号光に合成して前記被測定物体に入射させ、前記被測定物体を経由した前記補助信号光を前記信号光から分離して前記補助重畳手段に導く合成分離手段を更に含むことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光画像計測装置であって、前記取得手段は、前記合成分離手段により前記信号光に合成された前記補助信号光を、前記信号光の進行方向に対して直交する方向に走査する走査手段を更に含み、前記計測深度算出手段は、前記走査手段による前記補助信号光の走査に基づいて前記補助検出手段により出力される複数の前記補助検出信号に基づいて前記計測深度を算出する、ことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の光画像計測装置であって、前記走査手段は、前記変更手段により前記参照光の光路長が変更される度毎に、前記補助信号光を複数の位置に走査させ、前記計測深度算出手段は、前記複数の位置のそれぞれに走査された前記補助信号光に基づく前記補助検出信号に基づいて、前記複数の位置のそれぞれに対応する複数の前記計測深度を算出し、前記算出された前記複数の計測深度に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出する、ことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は請求項５に記載の光画像計測装置であって、前記走査手段は、前記補助信号光を反射する反射鏡と、前記反射鏡の反射面の向きを変更する駆動部とを含むガルバノミラーであることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記合成分離手段は、前記信号光の光路に斜設された波長フィルタあるいはビームスプリッタであることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記波長成分分離手段は、回折格子であることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記補助検出手段は、１次元光センサアレイであることを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記計測深度算出手段は、前記補助検出信号に基づいて前記補助干渉光の波長スペクトルを求める波長スペクトル取得手段と、前記求められた前記波長スペクトルをフーリエ変換して、前記計測深度に応じた前記補助干渉光の強度分布を示す計測深度情報を求める計測深度情報取得手段と、を含み、前記画像形成手段により形成される前記断層画像のそれぞれについて前記求められた前記計測深度情報に基づいて前記断層画像のそれぞれの前記計測深度を算出する、ことを特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の光画像計測装置であって、前記計測深度算出手段は、前記画像形成手段により連続して形成される一対の前記断層画像のそれぞれについて前記計測深度情報取得手段により求められた前記計測深度情報を比較して、前記一対の前記断層画像の間の計測間隔を算出することにより、前記計測深度を求めることを特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、低コヒーレント光源から出力された光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割し、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせ、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を生成し、前記生成された干渉光を受光して検出信号を出力し、前記出力された検出信号に基づいて前記信号光の進行方向に直交する前記被測定物体の断層画像を形成する光画像計測方法であって、前記形成される前記被測定物体の前記断層画像について、前記信号光の進行方向における計測深度を求めるステップと、前記断層画像と、前記断層画像について取得された前記計測深度の情報とを関連付けて記憶するステップと、前記断層画像と関連付けられた計測深度の情報に基づいて、前記断層画像を前記計測深度方向に配列させるステップと、を有し、前記計測深度を求めるステップは、低コヒーレントな補助光ビームを出力するステップと、前記出力された補助光ビームを、前記信号光とともに前記被測定物体を経由する補助信号光と、補助参照物体を経由する補助参照光とに分割するステップと、前記被測定物体を経由した前記補助信号光と、前記補助参照物体を経由した前記補助参照光とを重畳して補助干渉光を生成するステップと、前記生成された前記補助干渉光から複数の波長成分を分離するステップと、前記分離された前記複数の波長成分を受光して補助検出信号を出力するステップと、前記検出された前記補助検出信号に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出するステップと、を含むことを特徴とする。

また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の光画像計測方法であって、前記計測深度を求めるステップは、前記補助信号光を、前記信号光の進行方向に対して直交する方向に走査するステップを更に含み、前記計測深度を算出するステップは、前記補助信号光の走査に基づいて前記出力される複数の前記補助検出信号に基づいて前記計測深度を算出する、ことを特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、請求項１２又は請求項１３のいずれか一項に記載の光画像計測方法であって、前記計測深度を算出するステップは、前記補助検出信号に基づいて前記補助干渉光の波長スペクトルを求めるステップと、前記求められた前記波長スペクトルをフーリエ変換して、前記計測深度に応じた前記補助干渉光の強度分布を表す計測深度情報を求めるステップと、を含み、前記形成される前記断層画像のそれぞれについて前記求められた前記計測深度情報に基づいて前記断層画像のそれぞれの前記計測深度を算出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、被測定物体の断層画像について信号光の進行方向における計測深度を求めることができるので、計測中に被測定物体が動いたり移動してしまったような場合であっても、その求めた計測深度に基づいて高精度の３次元画像等を形成することができる。

特に、請求項２に記載の本発明によれば、参照光の光路長を変更させることにより得られる複数の断層画像を、これら複数の断層画像のそれぞれについて求められた計測深度に基づいて計測深度方向に配列させるように構成されているので、高精度の３次元画像等を容易に取得できる。

また、請求項４あるいは請求項１３に記載の本発明によれば、信号光の進行方向に対して直交する方向に補助信号光を走査するとともに、この補助信号光の走査に基づく複数の補助検出信号に基づいて計測深度を算出するように構成されているので、より高精度の３次元画像等を形成することが可能となる。

本発明に係る光画像計測装置及び光画像計測方法の好適な実施形態の一例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

〈第１の実施形態〉
［装置構成］
本発明に係る光画像計測装置の第１の実施形態の構成を図１、２を参照して説明する。図１は本実施形態の光画像計測装置の光学系の概略構成を表し、図２はその制御系の構成を表している。本実施形態の光画像計測装置は、例えば医療や工業分野における被測定物体の断層画像や表面画像、更にはその３次元画像の形成等に利用される装置である。被測定物体は、例えば医療分野においては人眼等の散乱媒質からなる物体である。

〔光学系の構成〕
まず、図１を参照して本実施形態の光画像計測装置の光学系の構成について説明する。同図に示す光画像計測装置１は、低コヒーレントな光ビームを出力する広帯域光源２と、この光ビームの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、光ビームを平行光束とするとともにそのビーム径を拡大するレンズ４、５と、光ビームを信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するとともに、それらを重畳して干渉光Ｌを生成するハーフミラー６と、参照光Ｒの偏光特性を直線偏光から円偏光に変換する波長板７と、参照光Ｒの周波数をシフトさせる周波数シフタ８と、参照光Ｒの進行方向に対して直交する反射面により参照光Ｒを全反射する参照鏡９と、参照鏡９の反射面の背面に設けられたピエゾ素子９Ａとを含んでいる。

広帯域光源２は、本発明にいう「低コヒーレント光源」に相当し、ＳＬＤやＬＥＤ（発光ダイオード）等により構成される。なお、市販の近赤外域ＳＬＤのコヒーレント長は３０μｍ程度、ＬＥＤの場合には１０μｍ程度である。

図１中に示すｘｙｚ座標系は、広帯域光源２から出力された光ビームの進行方向をｚ方向とし、それに直交する光ビームの振動面をｘ−ｙ平面として定義している。ｘ方向、ｙ方向は、光ビームの電場（電界）成分の振動面、磁場（磁界）成分の振動面に一致するように定義される。また、ｚ方向は、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓの進行方向として定義されるとともに、被測定物体Ｏの計測深度方向としても定義される。

偏光板３は、広帯域光源３からの光ビームの所定方向の振動成分を透過させる偏光変換素子である。本実施形態における偏光板３は、上記ｘｙｚ座標系のｘ軸及びｙ軸に対してそれぞれ４５°をなす角度方向の振動成分を透過させるように構成される。それにより、偏光板３を透過した光ビームは、角度４５°の直線偏光を有するものとなる。したがって、当該光ビームのｘ軸方向及びｙ軸方向における偏光成分は、それぞれ等しい振幅を有している。換言すれば、当該光ビームのＰ偏光成分とＳ偏光成分とは、それぞれ等しい振幅を有する。

ハーフミラー６は、平行光束とされた直線偏光の光ビームを、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓと参照鏡９に向かう参照光Ｒとに分割するように作用し、本発明の「分割手段」を構成する。ハーフミラー６は、光ビームの一部（半分）を反射して参照光Ｒを形成するとともに、その残りを透過させて信号光Ｓを形成する。

また、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓの一部を反射するとともに参照鏡９を経由した参照光Ｒの一部を透過させることにより、信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて干渉光Ｌを生成する、本発明の「重畳手段」を構成している。なお、信号光Ｓの光路上に斜設された符号４５の光学素子は、信号光Ｓの波長を透過する特性を有する波長フィルタ４５である（詳細は後述する）。

本実施形態においては、反射体としての被測定物体Ｏ及び参照鏡９と、ハーフミラー６とによって形成されるマイケルソン型の干渉計を用いていることから、分割手段と重畳手段とを同一のハーフミラー６（の異なる反射面）により構成している。一方、マッハツェンダー型などの他の干渉計を採用する場合には、分割手段と重畳手段とは、それぞれ別々の光学素子によって構成されていてもよい。また、分割手段及び重畳手段としては、出力された光ビームや信号光Ｓや参照光Ｒの偏光特性に影響を与えない無偏光型の任意のビームスプリッタを適用することが望ましい。

波長板７は、直線偏光の参照光Ｒの偏光特性を変換する偏光変換素子である。本実施形態における波長板７としては、１／８波長板が用いられる。それにより、参照光Ｒには、波長板７を通過するときに、そのＰ偏光成分とＳ偏光成分との間に位相差π／４が与えられる。参照光Ｒは、ハーフミラー６から参照鏡９に向かうときと、参照鏡９に反射されてハーフミラー６に再入射するときに、それぞれ当該位相差を与えられるので、結果として位相差π／２が付与される。したがって、４５°の直線偏光を有する参照光Ｒに対して１／４波長板と同様に作用することから、ハーフミラー６に再入射される参照光Ｒは円偏光に変換されることとなる。なお、上述のようにマッハツェンダー型などの他の干渉計を用いる場合には、１／４波長板を適用することができる。

周波数シフタ８は、本発明にいう「周波数シフト手段」を構成し、参照鏡９に反射される前後の参照光Ｒにそれぞれ周波数シフトを与える。この周波数シフタ８は、例えば電気光学変調器や音響光学変調器などにより構成される。なお、後述するように、本発明に係る光画像計測装置として周波数シフタ８を含まない構成を採用することも可能である。その場合、参照鏡９を移動させることによって参照光Ｒの周波数をシフトさせる。また、本実施形態の周波数シフタ８は参照光Ｒの光路上に配置されているが、信号光Ｓの光路上に配置させるようにしてもよい。すなわち、周波数シフタは、干渉光Ｌのビートを形成するためのものであるから、信号光Ｓと参照光Ｒとの間に相対的に周波数差を形成できるように構成されていれば十分である。

参照鏡９は、本発明の「参照物体」を構成し、参照光Ｒの光路方向に移動されることにより、被測定物体Ｏの様々な深度（ｚ座標）による信号光Ｓの反射光を抽出する。より具体的に説明すると、広帯域光源２からの光ビームは低コヒーレント光であるから、参照光Ｒとほぼ等距離を経由した信号光Ｓのみが干渉光Ｌの生成に寄与する。つまり、ハーフミラー６に対して参照鏡９とほぼ等距離にある被測定物体Ｏのｚ座標の領域からの反射光のみが参照光Ｒと干渉して干渉光Ｌを生成する。したがって、参照鏡９の位置を移動（ｚ−スキャン）させることにより、被測定物体Ｏの様々なｚ座標の領域からの反射光を逐次抽出するようになっている。

また、参照鏡９は、ピエゾ素子９Ａによって参照光Ｒの光路方向に連続的に移動されて参照光Ｒの周波数をシフトさせるように作用する。このような参照鏡９の移動によって付与される周波数シフトをドップラー周波数シフトと呼ぶことがある。このとき、参照鏡９とピエゾ素子９Ａとは、本発明の「周波数シフト手段」を構成している。また、参照鏡９とピエゾ素子９Ａは、参照光Ｒの光路長を変更する本発明の「変更手段」を構成するものである。

なお、参照鏡９とピエゾ素子９Ａを周波数シフト用に使用せず、周波数シフタ８のみによって周波数シフトを付与する構成を採用することもできる。また、周波数シフタ８を設けずに、参照鏡９とピエゾ素子９Ａによってのみ周波数シフトを付与するように構成することも可能である。

本実施形態の光画像計測装置１には、更に、重畳手段としてのハーフミラー６により生成された干渉光Ｌを結像させるための結像用レンズ群８と、干渉光Ｌから異なる複数の偏光成分を分離する偏光ビームスプリッタ１１と、分離された干渉光Ｌの各偏光成分の光路上に設けられたＣＣＤ（カメラ）２１、２２と、ＣＣＤ２１、２２のそれぞれによる検出結果を処理する信号処理部２０とを含んでいる。

偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光Ｌから異なる複数の偏光成分を分離するように作用する。より具体的には、偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射してＣＣＤ２１に受光させるとともに、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過させてＣＣＤ２２に受光させるように作用する。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２は、互いに等しい振幅（つまり最大強度）を有している。

ＣＣＤ２１、２２は、本発明にいう「検出手段」を構成するものであり、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。ＣＣＤ２１は、偏光ビームスプリッタ１１により反射された干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を受光し、それを光電変換して検出信号を生成して信号処理部２０に出力する。同様に、ＣＣＤ２２は、偏光ビームスプリッタ１１を透過した干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２を受光し、それを光電変換して検出信号を生成して信号処理部２０に出力する。各ＣＣＤ２１、２２から出力される検出信号はヘテロダイン信号である。

信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号に基づいて後述する演算処理や、当該演算処理の結果を解析して被測定物体Ｏの２次元断層画像を形成する処理を行う。信号処理部２０により形成されるこの２次元断層画像は、信号光Ｓの光路が参照光Ｒのそれとほぼ等しくなる被測定物体Ｏの深度（ｚ座標）の領域におけるｘ−ｙ断層画像である。このように、光画像計測装置１によれば、被測定物体Ｏの任意の深さ領域のｘ−ｙ断層画像を一度の計測で（つまりｘ−ｙ方向のスキャンを行うことなく）取得することができる。

また、詳細については後述するが、信号処理部２０は、様々な深度のｘ−ｙ断層画像に基づいて、被測定物体Ｏの３次元画像や、計測深度方向の断層画像（ｘ−ｚ断層画像、ｙ−ｚ断層画像）、あるいは或る軸に斜交する方向の断層画像などの各種画像を形成する。信号処理部２０によって形成された画像は、モニタ装置等の表示装置（図示省略）により表示されるようになっている。

以上のような処理を実行する信号処理部２０は、例えば、所定のプログラムを格納したＲＯＭやハードディスクドライブ等の記憶装置と、当該プログラムを実行するＣＰＵ等の演算制御装置とを有するコンピュータ等によって構成される。信号処理部２０の構成や作用の詳細については後述する。

更に、本実施形態の光画像計測装置１は、参照光Ｒに付与される周波数シフトをモニタして、広帯域光源２からの光ビームを強度変調するための構成として、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及びパルス駆動器３５を備えている。

光源３１は、広帯域光源２より長いコヒーレント長を持つレーザ光を発するレーザダイオード等によって構成される。ビームスプリッタ３２は、光源３１からのレーザ光を、周波数シフタ８及び参照鏡９を経由する第１のレーザ光（反射光）と、固定配置された反射鏡３３を経由する第２のレーザ光（透過光）とに分割するとともに、周波数シフタ８等により周波数シフトを受けた第１のレーザ光と反射鏡３３にて反射された第２のレーザ光とを重畳して干渉光を生成する。

フォトディテクタ３４は、ビームスプリッタ３２により生成された干渉光を検出し、当該干渉光と等しい周波数の電気信号を出力する。また、パルス駆動器３５は、フォトディテクタ３４から出力された電気信号に同期した周波数（例えば等しい周波数）のパルス信号を生成して広帯域光源２に出力する。

広帯域光源２は、パルス駆動器３４から出力されたパルス信号によって駆動され、当該パルス信号と同期した周波数のパルス状の光ビームを出力する。このとき、広帯域光源２からの光ビームは、例えば、５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。

更に、光画像計測装置１には、被測定物体Ｏの複数のｘ−ｙ断層画像の計測深度（ｚ座標）を取得するために用いられる計測深度プロファイルを作成するための構成として、広帯域光源４１、ハーフミラー４２、固定鏡４３、ガルバノミラー４４、波長フィルタ４５、回折格子４６及び１次元光センサアレイ４７が設けられている。なお、詳細については後述するが、この計測深度プロファイルは、本発明にいう「計測深度情報」を構成するものである。

広帯域光源４１は、計測用の広帯域光源２と異なる波長の光ビーム（「補助光ビーム」と呼ぶ）を出力する本発明の「補助光源」である。広帯域光源４１から出力された補助光ビームの一部（「補助信号光」と呼ぶ）は、本発明の「補助分割手段」として作用するハーフミラー４２により反射されてガルバノミラー４４に向かって進行し、また、補助光ビームの残りの部分（「補助参照光」と呼ぶ）は、ハーフミラー４２を透過して固定鏡４３に向かう。

ガルバノミラー４４は、本発明にいう「走査手段」を構成し、反射鏡と、この反射鏡を駆動して反射面の向きを変更する駆動部とを備えている（図２を参照）。また、波長フィルタ４５は、広帯域光源２からの光ビーム（したがって信号光Ｓ）の波長を透過させ、広帯域光源４１からの補助光ビーム（したがって補助信号光）の波長を反射する特性を有する。

それにより、ハーフミラー４２による反射光からなる補助信号光は、ガルバノミラー４４によって反射され、波長フィルタ４５により更に反射されて信号光Ｓとともに被測定物体Ｏに照射される。被測定物体Ｏに照射された補助信号光は、信号光Ｓとともに様々な深度（ｚ座標）の領域にて反射されて被測定物体Ｏから出射し、波長フィルタ４５によって信号光Ｓから分離されるとともに、ガルバノミラー４４により反射されてハーフミラー４２に入射する。なお、波長フィルタ４５は、本発明にいう「合成分離手段」を構成している。

被測定物体Ｏを経由してハーフミラー４２に入射した補助信号光は、固定鏡４３により反射された補助参照光と重畳されて干渉光（「補助干渉光」と呼ぶ）を形成する。ハーフミラー４２は、本発明の「補助重畳手段」を構成している。

補助干渉光は、回折格子４６により各波長成分に分離され、１次元光センサアレイ４７によって受光される。１次元光センサアレイ４０６を構成する各光センサは、検出した波長成分の光強度の検出信号（「補助検出信号」と呼ぶ）を信号処理部２０に出力する。ここで、回折格子４６は、本発明の「波長成分分離手段」を構成し、１次元光センサアレイ４７は、本発明の「補助検出手段」を構成している。

信号処理部２０は、１次元光センサアレイ４７から出力された各波長成分に対応する補助検出信号に基づいて、補助干渉光に関する波長−光強度の関係、換言すれば補助干渉光の光強度分布（波長スペクトル）を求める（図１１（Ａ）を参照）。

更に、信号処理部２０は、求めた補助干渉光の波長スペクトルをフーリエ変換することにより、被測定物体Ｏのｚ座標（計測深度）を変数とした補助干渉光の強度分布を求める（図１１（Ｂ）を参照）。この強度分布は、前述の計測深度プロファイル（計測深度情報）に相当する。そして、この強度分布を参照して、各ｘ−ｙ断層画像の計測深度を算出する。以上のような計測深度取得処理は、ＭＨｚ以上の速さ、すなわちμｓｅｃ以下の時間で実行される。

なお、ガルバノミラー４４により補助信号光を走査しつつ計測を行う場合、各ｘ−ｙ断層画像について、複数の走査位置に対応する複数の補助検出信号が信号処理部２０に入力される。その場合、信号処理部２０は、この複数の補助検出信号に基づいて当該ｘ−ｙ断層画像の計測深度を算出する。

信号処理部２０は、取得した複数のｘ−ｙ断層画像と、各ｘ−ｙ断層画像について算出される計測深度に基づいて複数のｘ−ｙ断層画像を配列させるとともに、その配列された複数のｘ−ｙ断層画像に対して３次元化処理（補完処理）等を施して被測定物体Ｏの３次元画像等を形成して表示装置に表示させる。以上に説明した信号処理部２０による処理の詳細については後述する。

なお、本実施形態において、被測定物体Ｏのｘ−ｙ断層画像の計測深度を求めるように作用する本発明の「取得手段」は、広帯域光源４１、ハーフミラー４２、固定鏡４３、ガルバノミラー４４、波長フィルタ４５、回折格子４６、１次元光センサアレイ４７及び信号処理部２０を含んで構成されている。

また、信号処理部２０は、ＣＣＤ２１、２２からの検出信号に基づいて被測定物体Ｏのｘ−ｙ断層画像を形成する本発明の「画像形成手段」を含むとともに、取得された計測深度に基づいて複数のｘ−ｙ断層画像を配列させる本発明の「画像処理手段」を含んでいる。

〔制御系の構成〕
次に、図２を参照して、光画像計測装置１の制御系の構成について説明する。光画像計測装置１の制御系は、信号処理部２０、ＣＣＤ２１、２２、ピエゾ素子９Ａ（及び参照鏡９）、広帯域光源４１、ガルバノミラー４４、１次元光センサアレイ４７、及び表示装置６０を含んで構成される。

ガルバノミラー４４は、上述のように、広帯域光源４１からの光ビームに基づく干渉光の光路上に配置された反射鏡４４Ａと、この反射鏡４４Ａを駆動してその反射面の向きを変更する駆動部４４Ｂとを有している。

信号処理部２０は、前述のようなコンピュータにより構成されており、制御部５０、画像形成部５１、走査制御部５２、計測深度算出部５３、情報記憶部５６、画像処理部５７を含んでいる。

制御部５０は、信号処理部２０による各種の演算処理や画像処理や制御処理等を制御するものであり、ＣＰＵ等によって構成される。

（画像形成部）
画像形成部５１は、本発明にいう「画像形成手段」を構成し、ＣＣＤ２１、２２から出力された検出信号に基づいて被測定物体Ｏのｘ−ｙ断層画像を形成する処理を行う。この画像形成部５１による画像形成処理は、従来と同様の手順にて実行される。画像形成部５１には、参照鏡９の移動に伴う計測深度に対応する検出信号がＣＣＤ２１、２２から順次入力される。画像形成部５１は、各検出信号に対して画像形成処理を実行してｘ−ｙ断層画像を順次形成する。ここでｘ−ｙ断層画像の計測枚数をＮとする。画像形成部５１により逐次形成されるＮ個のｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮは、制御部５０により情報記憶部５６に記憶される。

（走査制御部）
走査制御部５２は、ガルバノミラー４４の駆動部４４Ｂに制御信号を送信して、反射鏡４４Ａの反射面の向きを変更して補助信号光を信号光Ｓの進行方向に対して直交する方向に走査させる。図３は、補助信号光の走査の一例を表す。同図は、図１において波長フィルタ４５側から被測定物体Ｏを見たときの状態を表している。同図には、被測定物体Ｏ上に円を描くように補助信号光を走査させたときの補助信号光の軌跡が示されている。すなわち、補助信号光は、例えば垂直上方位置を走査の起点Ｔ１とし、時計回りに一定間隔でＴ２、Ｔ３、Ｔ４、・・・・・、Ｔ（Ｍ−１）、ＴＭと走査される。このとき、ガルバノミラー４４の反射鏡４４Ａは、その反射面の法線が一定速度で回転するように駆動され、かつ、広帯域光源４１は、反射鏡４４Ａが一回転する間にＭ回の補助光ビームを一定間隔で出力するように制御される。それにより、１次元ラインセンサ４７からは、一定間隔で補助干渉光の補助検出信号が出力される。

なお、連続的な補助光ビームを出力する広帯域光源の前に液晶シャッタ等を配置して一定間隔で開閉させることにより、補助光ビームを断続的に出力させるようにしてもよい。また、広帯域光源４１から連続的な補助光ビームを出力して、補助信号光を連続的に走査させるようにしてもよい。

（計測深度算出部）
計測深度算出部５３は、本発明にいう「計測深度算出手段」を構成し、１次元光センサアレイ４７から出力される補助検出信号に基づいて各ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮの計測深度を算出する処理を行う。

より詳しく説明すると、計測深度算出部５３は、補助検出信号に基づいて補助干渉光の波長スペクトルを求めるスペクトル取得部５４と、この波長スペクトルをフーリエ変換して、計測深度に応じた補助干渉光の強度分布、すなわち計測深度プロファイル（計測深度情報）を求めるプロファイル取得部５５とを有している。この計測深度プロファイルは、例えば図３に示した補助信号光の走査態様を適用する場合には、各ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮについてそれぞれＭ個ずつ作成される。なお、スペクトル取得部５４は、本発明にいう「波長スペクトル取得手段」を構成し、プロファイル取得部５５は、本発明の「計測深度情報取得手段」を構成する。

更に、計測深度算出部５３は、各ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮに関するＭ個の計測深度プロファイルを比較して、連続して形成されたｘ−ｙ断層画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の間の計測間隔を算出することにより、各ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮの計測深度を求める（ｉ＝１〜Ｎ−１）。求めた計測深度は、制御部５０により、計測深度算出結果Ｐ１〜ＰＮとして情報記憶部５６に記憶される。このとき、各計測深度算出結果Ｐｊは、対応するｘ−ｙ断層画像Ｇｊと関連付けられて記憶される（ｊ＝１〜Ｎ）。

この計測深度算出部５３による処理は、例えば次のようにして行う。ここで、第ｉ枚目のｘ−ｙ断層画像Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｎ）が計測された深度における補助信号光の各走査位置Ｔｋ（ｋ＝１〜Ｍ）をＴｋ（ｉ）で表すこととする。また、図４は、ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮを取得するときのｚ方向への走査態様の一例を表し、連続する画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の計測間隔をｄ＝一定とする（被測定物体Ｏは静止状態と仮定する）。なお、画像の計測間隔は、参照鏡９のｚ方向への移動速度と、広帯域光源２による光ビームの出力周期とによって設定される。この仮定の計測間隔ｄは、制御部５０により把握され、計測深度算出部５３に送られる。なお、参照鏡９を連続的に移動させる代わりに、段階的に参照鏡９を移動させて各画像Ｇｉの計測を逐次行うようにしてもよい。

さて、図４に示す第ｉ枚目のｘ−ｙ断層画像Ｇｉの計測を行うとき、走査制御部５２は、ガルバノミラー４４を制御して、補助信号光を図３に示す走査位置Ｔ１〜ＴＭに走査させる。各走査位置Ｔｋ（ｋ＝１〜Ｍ）の様々な深さ領域にて反射された補助信号光に基づく補助干渉光は、回折格子４６により波長成分にλ１〜λｎに分離されて１次元光センサアレイ４７により検出される。計測深度算出部５３のスペクトル取得部５４は、１次元光センサアレイ４７からの補助検出信号に基づいて図１１（Ａ）に示すような波長スペクトルを求める。

次に、プロファイル取得部５５は、この波長スペクトルをフーリエ変換して図５（Ａ）に示すような計測深度プロファイルを取得する。なお、本実施形態の光画像計測装置１では、被測定物体Ｏが静止していると仮定した場合、各走査位置における計測深度プロファイルは、画像Ｇｉに依らずに常に同一となる。

図５（Ｂ）は、画像Ｇ（ｉ＋１）の計測時に、被測定物体Ｏが移動してしまった場合に取得される計測深度プロファイルの態様を表している。図５（Ｂ）に示す計測深度プロファイルは、図５（Ａ）に示すプロファイルと同じ波形が計測深度方向に変位したものとなっている。ここで、各計測位置Ｔｋについて、画像Ｇｉと画像Ｇ（ｉ＋１）におけるプロファイルの変位量をΔｄｋ（ｉ＋１）で表す（ｉ＝１〜Ｎ−１）。なお、画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の計測の間に被測定物体Ｏが静止していたときはΔｄｋ（ｉ＋１）＝０であり、＋ｚ方向に移動するとΔｄｋ（ｉ＋１）＞０、−ｚ方向に移動するとΔｄｋ（ｉ＋１）＜０となる。

計測深度算出部５３は、連続して計測される各画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の計測深度プロファイルを比較して、その変位量Δｄｋ（ｉ＋１）を算出する。当該算出処理は、例えば、各プロファイルをパターン認識したり、平行移動させることにより行う。また、各プロファイルの例えばピーク値の計測深度方向への変位量を算出するようにしてもよい。

更に、計測深度算出部５３は、この変位量ｄｋ（ｉ＋１）を用いて、画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の計測間隔ｄ（前述のように一定と仮定されている）を変更（補正）する。すなわち、変位量Δｄｋ（ｉ＋１）＝０である場合、画像Ｇｉと画像Ｇ（ｉ＋１）との「実際の」計測間隔をｄとし、変位量ｄｋ（ｉ＋１）≠０である場合には、「実際の」計測間隔はｄ−Δｄｋ（ｉ＋１）とする。求められた実際の計測間隔は、画像Ｇ（ｉ＋１）と関連付けられて計測深度算出結果Ｐ（ｉ＋１）として情報記憶部５６に記憶される。それにより、各画像Ｇ（ｉ＋１）について、走査位置Ｔ１〜ＴＭに対応するΔｄ１（ｉ＋１）〜ΔｄＭ（ｉ＋１）に基づくＭ個の計測間隔が算出され、計測深度算出結果Ｐ（ｉ＋１）として記憶される。

なお、例えば第１枚目の画像Ｇ１の計測深度を基準（ｚ＝ｚ１＝０）するとともに、第２枚目の画像Ｇ２の変位量Δｄｋ（２）に基づいて画像Ｇ２のｚ座標ｚ２を算出し、同様にして第ｉ枚目の画像Ｇｉのｚ座標ｚｉを算出することにより、各画像Ｇ１〜ＧＮの計測深度（ｚ座標）ｚ１〜ｚＮを求め、各画像Ｇ１〜ＧＮと関連付けて計測深度算出結果Ｐ１〜ＰＮとして記憶することもできる。

また、各走査位置Ｔ１〜ＴＭについて得られる変位量Δｄ１（ｉ＋１）〜ΔｄＭ（ｉ＋１）の平均値Δｄ（ｉ＋１）を算出し、この平均値Δｄ（ｉ＋１）を用いて画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の計測間隔を求めるようにしてもよい。

（情報記憶部）
情報記憶部５６は、イメージメモリやハードディスクドライブ等の記憶装置により構成される。情報記憶部５６に記憶される情報にはディレクトリが割り振られ、ディレクトリ同士を関連付けることにより、記憶情報を関連付けるようになっている。特に、ｘ−ｙ断層画像Ｇｉと計測深度算出結果Ｐｉとは、このようにして互いに関連付けられて記憶される（ｉ＝１〜Ｎ）。なお、情報記憶部５６に対する記憶処理及び関連付け処理は、制御部５０により実行される。

（画像処理部）
画像処理部５７は、本発明にいう「画像処理手段」を構成するもので、計測深度算出部５３により求められたｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮのそれぞれの計測深度算出結果Ｐ１〜ＰＮに基づいて、画像Ｇ１〜ＧＮを計測深度方向（ｚ方向）に配列させる処理を行う。更に、画像処理部５７は、計測深度方向に配列された画像Ｇ１〜ＧＮに対して画像処理（３次元化処理等の補完処理など）を施すことにより、被測定物体Ｏの３次元画像や、計測深度方向の断層画像（ｘ−ｚ断層画像、ｙ−ｚ断層画像）、あるいはｘ、ｙ、ｚ軸に斜交する方向の断層画像を形成する処理を行う。

より具体的に説明すると、画像処理部５７は、ｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮを情報記憶部５６から読み出すとともに、計測深度算出結果Ｐ１〜ＰＮに含まれる画像Ｇｉと画像Ｇ（ｉ＋１）（ｉ＝１〜Ｎ−１）との間の計測間隔Δｄ１（ｉ＋１）〜ΔｄＭ（ｉ＋１）を参照して、画像Ｇ１〜ＧＮをｚ方向に配列させる。なお、計測深度算出結果Ｐｉ（ｉ＝１〜Ｎ）として各画像Ｇｉのｚ座標ｚｉが記憶されているときには、各ｘ−ｙ断層画像Ｇｉをｚ座標ｚｉに配置させる。更に、画像処理部５７は、計測間隔あるいはｚ座標に応じて配列されたｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮについて、連続する画像Ｇｉ、Ｇ（ｉ＋１）の間の画像を補完することにより被測定物体Ｏの３次元画像を形成する。

また、被測定物体Ｏの（任意のｙ座標ｙ０における）ｘ−ｚ断層画像を形成する場合、画像処理部５７は、各ｘ−ｙ断層画像Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｎ）のｙ＝Ｙ０における部分画像を、計測深度算出結果Ｐｉを参照してｚ方向に配列させるとともに、補完処理を施してｘ−ｚ断層画像を形成する。被測定物体Ｏの（任意のｘ座標ｘ０における）ｙ−ｚ断層画像を形成する場合も同様である。

また、ｘ、ｙ、ｚ軸に斜交する方向における被測定物体Ｏの断層画像を形成する場合については、例えば、その斜交面（断層面）と交差する３次元画像の部分のみを抽出することにより画像化できる。なお、ｘ−ｚ断層画像やｙ−ｚ断層画像を形成する場合についても、同様に、３次元画像のスライス画像を形成するようにしてもよい。

画像処理部５７により形成された３次元画像等は、制御部５０によって表示装置６０に表示される。また、形成された３次元画像等を情報記憶部５６等に格納するようにしてもよい。

〔測定形態〕
続いて、本実施形態の光画像計測装置１により実行される干渉光Ｌの信号強度や位相の空間分布の測定形態、すなわちヘテロダイン信号の信号強度やその位相情報の測定形態について説明する。以下に詳述する信号処理は、図１に示した信号処理部２０によって実行されるものである。

本実施形態の光画像計測装置１は、偏光特性の異なる信号光Ｓと参照光Ｒを形成し、それらの干渉光Ｌをヘテロダイン信号として検出することにより、被測定物体Ｏの表面画像や断層画像を得ることを特徴としている。

（測定原理）
まず、光画像計測装置１による測定形態の基本原理を説明する。広帯域光源２から出力された光ビームは、偏光板３により上記ｘ軸に対して４５°をなす角度方向の直線偏光に変換され、レンズ４、５によってビーム径を拡大され、かつ、平行光束とされてハーフミラー６に入射して信号光Ｓと参照光Ｒとに２分される。

信号光Ｓは、散乱媒質からなる被測定物体Ｏに入射し、その表面や様々な深さの断層面にて反射される。被測定物体Ｏからの反射光波の一部はハーフミラー６により反射されて結像用レンズ群１０に伝送される。

一方、参照光Ｒは波長板７を通過して参照鏡９へと伝送される。このとき、参照鏡９は、ピエゾ素子９Ａによって参照光Ｒの光路方向に駆動（ｚ−スキャン）されている。また、参照光Ｒは、周波数シフタ８によって所定量の周波数シフトを受ける。参照鏡９からの反射光波は、参照鏡９のz-スキャンに伴うドップラー周波数シフト、更には周波数シフタ８による周波数シフトを受け、波長板７を通過する。ここで、参照光Ｒの偏光特性は角度４５°の直線偏光であり、波長板７は１／８波長板であることから、波長板７を２回通過した参照光Ｒの偏光特性は円偏光に変換されることとなる。円偏光とされた参照光Ｒの一部はハーフミラー６を透過して結像用レンズ群１０に伝送される。

このとき、ハーフミラー６は、被測定物体Ｏにて反射された直線偏光の信号光Ｓと、周波数がシフトされ、円偏光に変換された参照光Ｒとを重畳して干渉光Ｌを生成し、この干渉光Ｌが結像用レンズ群１０に伝送されることとなる。干渉光Ｌは、結像用レンズ群１０を経由して偏光ビームスプリッタ１１に伝搬される。

偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１を反射し、Ｐ偏光成分Ｌ２を透過するように作用する。干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１はＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２はＣＣＤ２２によって検出される。ここで、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１は、信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓとを含んでおり、干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２は、信号光ＳのＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＰ偏光成分Ｅｒｐとを含んでいる。信号光ＳのＳ偏光成分Ｅｓｓ及びＰ偏光成分Ｅｓｐと、参照光ＲのＳ偏光成分Ｅｒｓ及びＰ偏光成分Ｅｒｐとは、次式のように表される。

ここで、ｆは広帯域光源２から出力される光ビームの周波数を表し、ｆ_Ｄは周波数シフトを表し、φは信号光Ｓの初期位相を、φ′は参照光Ｒの初期位相をそれぞれ表す。更に、信号光Ｓと参照光Ｒとの初期位相の差をΔφ（＝φ−φ′）と表すこととする。［数２］に示す式（２）〜（５）を参照すると、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは、ＣＣＤ２１、２２により、それぞれ次式のようなヘテロダイン信号ｉ_１、ｉ_２として検出される。

式（６）、（７）を比較すると、各式の第３項の交流信号は、同位相のｃｏｓ関数とｓｉｎ関数であることから９０°の位相差があることが分かる。本発明は、この特徴を利用するとともに、周期的に強度変調された光ビームを測定光として使用することにより、シャッタによるサンプリング処理を用いない光ヘテロダイン検出を実現可能とし、それにより干渉光Ｌの信号強度および位相の空間分布を測定するものである。従来の光画像計測技術においては、単一の干渉光を位相の異なる複数の関数でサンプリングすることによりそのｃｏｓ成分とｓｉｎ成分とを検出していたが、本発明においては、参照光Ｒや信号光Ｓの偏光特性を変換して位相の異なる複数（ここでは２つ）の干渉光を生成し、それらを別々に検出するように構成されている点が特徴的である。以下に、本発明における測定原理を説明する。

本実施形態では、光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３、フォトディテクタ（ＰＤ）３４及びパルス駆動器３５を用いて、広帯域光源２から周期的に強度変調された光ビームを出力する。

光源３１から出力されたレーザ光は、ビームスプリッタ３２によって参照鏡９方向の光路（反射光）と反射鏡３３方向の光路（透過光）とに分割される。参照光９方向の光路のレーザ光は、周波数シフタ８と参照鏡９を経由するようになっており、それらによる周波数シフトを受けてビームスプリッタ３２に再入射する。一方、反射鏡３３方向の光路のレーザ光は、反射鏡３３による反射光として（周波数をシフトされることなく）ビームスプリッタ３２に再入射する。両光路を経由したレーザ光は、ビームスプリッタ３３によって重畳され干渉光となってフォトディテクタ３４により検出される。

フォトディテクタ３４により検出される干渉光は、参照光Ｒと同様に、周波数シフタ８に寄る周波数シフトと参照鏡９によるドップラー周波数シフトとを受けるので、参照光Ｒと（ほぼ）同量の周波数シフトを受ける。したがって、当該干渉光は、信号光Ｓと参照光Ｒとからなる干渉光Ｌと（ほぼ）同一のビート周波数を有している。

フォトディテクタ３４は、検出した干渉光に対応する電気信号をパルス駆動器３５に出力する。この電気信号は、式（１）に示すヘテロダイン信号と同様に直流成分と交流成分とを有しており、その交流成分の周波数は上述のように干渉光Ｌのビート周波数とほぼ同じである。パルス駆動器３５は、フォトディテクタ３４からの電気信号を受け、それと同じ周波数を有するパルス信号を広帯域光源２に出力する。広帯域光源２は、パルス駆動器３５からのパルス信号によって駆動されて、当該パルス信号と同じ周波数のパルス状の光ビームを出力する。

このように、本実施形態では、参照光Ｒに付与される周波数シフトのシフト量をモニタし、当該シフト量と（ほぼ）等しい周波数のパルス状の光ビームを用いて被測定物体Ｏの測定を行うようになっている。広帯域光源２からの光ビームは、上述のように、例えば５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。なお、当該光ビームのｄｕｔｙ比は５０％に限定されるものではなく、パルス形状は矩形列以外（例えば三角形列や台形列等）でもよい。また、出力強度０と１００とを切り換えて得られるパルス光に代えて、例えば出力強度を５０と１００との間で変調して得られる光ビームを適用することもできる。すなわち、ここで重要なのは、光ビームの強度変調の度合ではなく、その強度変調の周波数が干渉光Ｌのビート周波数とほぼ等しくなるように制御されることである。

次に、図６に示すグラフを参照して、本実施形態の光画像計測装置１における干渉光Ｌの検出態様について説明する。以下、広帯域光源２から出力される光ビームの強度の変調周波数をｆ_ｍとする。また、前述したように、ｆ_Ｄは参照光Ｒに付与される周波数シフト（干渉光Ｌのビート周波数）を表し、光ビームの変調周波数ｆ_ｍは周波数シフトｆ_Ｄと等しいか、それに近い値とされている。

図６（Ａ）は、周波数ｆ_ｍで強度変調されて広帯域光源２から出力される光ビームの時間波形を表す。図６（Ｂ）は、光ビームが連続光であり、よって参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１（ビート周波数ｆ_Ｄ）の時間波形を表す。図６（Ｃ）は、参照光Ｒと信号光Ｓがともに連続光である場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す。ここで、図６（Ｂ）、（Ｃ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２との位相差は９０°である。

また、図６（Ｄ）は、広帯域光源２からの光ビームが図６（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の時間波形を表す（図６（Ｂ）に対応する）。図６（Ｅ）は、広帯域光源２からの光ビームが図６（Ａ）のように強度変調される場合における干渉光ＬのＰ偏光成分Ｌ２の時間波形を表す（図６（Ｃ）に対応する）。図（Ｄ）、（Ｅ）に示すＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２とは９０°の位相差を有する。

ＣＣＤ２１は、図６（Ｄ）に示す時間波形のＳ偏光成分Ｌ１を検出する。広帯域光源２からの光ビームは周波数ｆ_ｍ、５０％ｄｕｔｙの矩形列の光パルスであり、その変調周波数ｆ_ｍと干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄとの差δｆ＝｜ｆ_ｍ−ｆ_Ｄ｜が蓄積型光センサであるＣＣＤ２１の応答周波数に比べて十分小さいときには、ＣＣＤ２１から出力されるＳ偏光成分Ｌ１の検出信号は、検出時間内に蓄積された光電荷量に比例するものとなり、次式のように与えられる。（例えば、Ｍ．Ａｋｉｂａ、Ｋ．Ｐ．Ｃｈａｎ、Ｎ．Ｔａｎｎｏ、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．３９、Ｌ１１９４（２０００）参照）。

ここで、＜・＞はＣＣＤ２１の蓄積効果による時間平均を表し、Ｋ_１は偏光ビームスプリッタ１１の反射率とＣＣＤ２１の光電変換率を含めた光検出効率、ｍ（ｔ）は広帯域光源２の出力を強度変調する関数（矩形のパルスを表す関数）、またβは測定における初期位相値を表す。式（８）から分かるように、ＣＣＤ２１から出力される検出信号には、信号光Ｓと参照光Ｒの強度に関する項（背景光成分）の他に、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の振幅√（Ｉ_ｓｓＩ_ｒｓ）及び位相２πδｆｔ＋βに関する項が含まれている。

同様に、ＣＣＤ２２は、図６（Ｅ）に示す時間波形のＰ偏光成分Ｌ２を検出し、次式のような検出信号を出力する。

ここで、Ｋ_２は偏光ビームスプリッタ１１の透過率とＣＣＤ２２の光電変換率を含めた光検出効率である。

次に、ＣＣＤ２１、２２からそれぞれ出力される検出信号（８）、（９）に基づく、干渉光Ｌの信号強度の算出処理について説明する。

参照光Ｒは、波長板７により円偏光に変換されているので、そのＳ偏光成分Ｅｒｓの強度Ｉ_ｒｓとＰ偏光成分Ｅｒｐの強度Ｉ_ｒｐとは等しいと考えられる（Ｉ_ｒｓ＝Ｉ_ｒｐ＝Ｉ_ｒと示す）。

一方、信号光Ｓについて、被測定物体Ｏからの反射光は入射光の偏光特性に顕著に依存しないと考えられることから、そのＳ偏光成分Ｅｓｓの強度Ｉ_ｓｓとＰ偏光成分Ｅｓｐの強度Ｉ_ｓｐとは等しいか、あるいは近い値であると考えられる（Ｉ_ｓｓ＝Ｉ_ｓｐ＝Ｉ_ｓと示す）。また、信号光Ｓは被測定物体Ｏによって散乱、吸収されることから、その強度は一般的に参照光Ｒより十分に小さい（Ｉ_ｓ＜＜Ｉ_ｒ）と考えることができる。

また、式（８）及び式（９）の右辺の第１項と第２項は背景光の強度を表し、その値は、事前に若しくは別途に測定することができる。例えば、広帯域光源２により連続光からなる光ビームを出力してＣＣＤ２１等により検出し、それを１波長分（あるいはその整数倍）だけ積分して第３項（交流成分；位相直交成分）をキャンセルすることにより、背景光の強度（背景光成分）を取得することができる。

取得された背景光成分を各ＣＣＤ２１、２２からの検出信号の強度から除算することにより、各検出信号の位相直交成分、すなわち、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ_１′（ｔ）、Ｓ_２′（ｔ）が算出される（次式を参照）。

これら式（１０）、（１１）を用いると、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の振幅は次式のように表される。

更に、本実施形態の光画像計測装置１は、次のようにして干渉光Ｌの位相の空間分布を画像化する。

或る測定時間ｔ＝ｔ_１において、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１の位相直交成分Ｓ_１′（ｔ１）がＣＣＤ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ_２′（ｔ１）がＣＣＤ２２により検出されたとすると、これら両位相直交成分の比を取ると次のような信号が得られる。

この式（１３）に示す信号Ｓ_３は、干渉光Ｌの振幅に依存せず、位相情報のみから構成されていることが分かる。本実施形態では、複数のピクセルが２次元的に配列された受光面を持つＣＣＤ２１、２２によりＳ偏光成分Ｌ１とＰ偏光成分Ｌ２を検出しているので、各ピクセルで検出される信号の位相β（ｘ、ｙ、ｔ_１）は、次式のように表される（ここで、（ｘ、ｙ）は、各ピクセルの受光面上における座標を表す）。

この式（１４）の第２項は、ゼロあるいはほぼゼロの周波数δｆ（≒０）を有する交流信号の測定時間ｔ_１における瞬時位相値であるから、ＣＣＤ２１、２２のピクセルの位置、つまり座標ｘ、ｙに依らずに均一であると考えられる。したがって、例えばＣＣＤ２１、２２の受光面上の或る特定点（ｘ＝ｘ_１、ｙ＝ｙ_１）に位置するピクセルで検出される位相φ（ｘ_１、ｙ_１、ｔ_１）を基準に、各ピクセルで検出される検出信号の位相差を求めれば、ヘテロダイン信号の位相差の空間分布、すなわち干渉光Ｌの位相差の空間分布を画像化できる。

他方、干渉光Ｌの位相情報からその周波数情報を取得することも可能である。２つの測定時間ｔ＝ｔ_１及びｔ＝ｔ_２における干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１及びＰ偏光成分Ｌ２の位相をそれぞれβ（ｘ、ｙ、ｔ_１）及びβ（ｘ、ｙ、ｔ_２）とすると、干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄと、広帯域光源２からの光ビームの変調周波数ｆ_ｍとの差δｆは、次式のように表される。

ここで、光ビームの変調周波数ｆ_ｍは既知であるので、式（１０）や式（１１）からヘテロダイン周波数、つまり干渉光Ｌのビート周波数ｆ_Ｄを算出できる。このようなヘテロダイン周波数の測定方法は、例えばヘテロダイン干渉法を用いたドップラー速度計測に有効であると考えられる。

［作用効果］
本実施形態の光画像計測装置１は、以上のような原理によって取得される被測定物体Ｏの複数のｘ−ｙ断層画像をｚ方向（計測深度方向）に配列させるとともに、その配列された複数のｘ−ｙ断層画像に画像処理を施して被測定物体Ｏの３次元画像等を形成する。ここで、複数のｘ−ｙ断層画像は、各画像毎に算出された計測間隔（あるいはｚ座標）に基づいて配列される。したがって、計測中に被測定物体Ｏが動いたり移動した場合であっても、各ｘ−ｙ断層画像の計測深度を良好に変更（補正）することができるので、高精度の３次元画像等を形成することができる。

また、補助信号光を走査することにより、各ｘ−ｙ断層画像の複数の位置における計測深度を取得することができるので、被測定物体Ｏが回転運動を行ったような場合であっても、ｘ−ｙ断層画像をその回転運動による変位を打ち消す方向に回転させて補正を行うことができる。例えば、図３における走査位置Ｔ１と走査位置Ｔ（Ｍ／２＋１）（Ｍは偶数とする）のような、対向位置にある一対の走査位置の計測深度プロファイルの変位を比較することにより、被測定物体Ｏの回転方向を求めることができ、その求めた回転方向を打ち消す方向にｘ−ｙ断層画像を回転させて補正することができる。また、ｘ、ｙ、ｚの各方向において対向する走査位置をそれぞれ比較して、ｘ方向への回転量、ｙ方向への回転量、ｚ方向への回転量を求め、それらを合成することにより被測定物体Ｏの３次元的な回転を求めるようにしてもよい。このような処理を行えば、被測定物体Ｏの３次元画像等をより高い精度で形成することが可能となる。

なお、補助信号光の走査は任意の軌跡上を行うことができる。また、本発明に係る光画像計測装置としては、補助信号光を走査させる必要はなく、各ｘ−ｙ断層画像について１点のみを測定すれば十分である。

〔変形例〕
上記の実施形態は、ガルバノミラーを用いて補助信号光を走査するように構成されているが、本発明の走査手段はガルバノミラーに限定されるものではなく、補助信号光を好適に走査できる任意の構成を採用することができる。

また、補助信号光を信号光に合成するとともに、補助信号光を信号光から分離する本発明の合成分離手段として波長フィルタが用いられているが、ビームスプリッタ等を代替的に用いることができる。

更に、補助干渉光を検出する本発明の補助検出手段として１次元光センサアレイが用いられているが、ＣＣＤ等の２次元光センサアレイ等を代わりに用いてもよい。ただし、形成される３次元画像等の精度を考慮すると、より多数の走査位置における計測深度を取得するために、読み出しスピードの速い１次元光センサアレイを用いることが望ましいと思われる。

また、上記構成では、参照光Ｒに周波数シフトを付与するための構成として、周波数シフタ８と、参照鏡９及びピエゾ素子９Ａとの双方を考慮したが、これらの内の一方のみを備えていてもよい。例えば、周波数シフタ８を有さない光画像計測装置を形成し、参照鏡９のｚ−スキャンのみによって参照光Ｒに周波数シフトを付与するように構成しても、同様の測定を実行することができる。また、周波数シフタ８を用いる場合、信号光Ｓの光路上に設けるようにしてもよい。本発明に係る画像計測においては、重畳時における信号光Ｓの周波数と参照光Ｒの周波数とが相対的にシフトされていれば十分だからである。

また、上記構成では、広帯域光源２からの光ビームをまず直線偏光とし、それから信号光Ｓと参照光Ｒとに分割するようになっているが、光ビームの分割後に信号光Ｓと参照光Ｒとをそれぞれ直線偏光に変換するようにしてもよい。ただし、その場合には、信号光Ｓと参照光Ｒの双方の光路上に偏光板を設ける必要があり、上記構成よりも若干複雑な構成となるため、実用上は上記構成の方が好適であると思われる。

また、上記構成では、参照光Ｒの偏光特性を円偏光に変換するようになっているが、信号光Ｓの方を円偏光に変換し、直線偏光のままの参照光と重畳させるようにすることも可能である。しかし、上述のように、信号光Ｓの被測定物体Ｏによる反射光は参照光Ｒと比較して微弱であるので、信号光Ｓの光路上に波長板を配置させると、それを通過するときに信号光Ｓが弱められてしまう。このように被測定物体Ｏの情報を含んだ信号光Ｓの強度を弱めることは測定の感度に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、上記構成のように参照光Ｒの偏光特性を変換する方が有利といえる。なお、周波数シフタの配置についても同様である。

また、上記構成では、参照光Ｒの周波数のシフト量をモニタする光源３１、ビームスプリッタ３２、反射鏡３３及びフォトディテクタ３４が設けられ、そのモニタ結果を光ビームの強度変調にフィードバックするようになっているが、例えば参照光Ｒに付与する周波数シフト量が設定されているときなどには、当該シフト量と（ほぼ）等しい周波数のパルス信号を自発的に生成するパルス駆動器３５を設けて光ビームの強度変調を制御するようにしてもよい。

また、パルス駆動器３５による広帯域光源２のパルス駆動に代えて、連続的な光ビーム（連続光）を発する広帯域光源２と、この連続的な光ビームを周期的に遮断するシャッタとを設けることにより、光ビームの強度を周期的に変調させるようにしてもよい。

〈第２の実施形態〉
本発明に係る光画像計測装置の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態は、ｘ−ｙ断層画像の計測深度を取得するために、画像計測用の光源（広帯域光源２）とは別の光源（広帯域光源４１）を備える構成とされていたが、本実施形態は、画像計測用の光源に基づく干渉光の一部を検出することにより、ｘ−ｙ断層画像の計測深度を求める構成を有するものである。

図７は、本実施形態の光画像計測装置の構成の一例を表す。同図に示す光画像計測装置１００は、第１の実施形態の光画像計測装置１とほぼ同様の構成を備えている。図７において、図１と同じ構成要素は同一の符号で示されている。

本実施形態の光画像計測装置１００は、ハーフミラー６により生成された干渉光Ｌの光路上に斜設され、その干渉光Ｌの一部を分離するビームスプリッタ７１を備えている。このビームスプリッタ７１は、本発明にいう「干渉光分離手段」を構成するものである。

ビームスプリッタ７１により分離された干渉光Ｌの一部は、その光路上に斜設された回折格子７２（波長成分分離手段）により複数の波長成分に分離されて１次元光センサアレイ７３（補助検出手段）によって検出される。１次元光センサアレイ７３は、その検出信号（補助検出信号）を信号処理部２０に出力する。

信号処理部２０は、第１の実施形態と同様の構成を備え（図２を参照）、ＣＣＤ２１、２２からの検出信号に基づいて形成される各ｘ−ｙ断層画像の計測深度を計測深度算出部５３により算出し、画像処理部５７によりｘ−ｙ断層画像を計測深度に基づいてｚ方向（計測深度方向）に配列させる。更に、信号処理部２０は、その配列された複数のｘ−ｙ断層画像に対し画像処理を施すことにより被測定物体Ｏの３次元画像等を形成し、表示装置に表示させる。本実施形態において、本発明の「取得手段」は、ビームスプリッタ７１、回折格子７２、１次元光センサアレイ７３及び信号処理部２０（計測深度算出部５３）により構成される。

なお、本実施形態においては、計測深度プロファイルの変位は参照光Ｒの光路長の変化を加味したものとなるので、計測深度プロファイルの変位から参照光Ｒの光路長の変化分を差し引いた値が被測定物体Ｏの変位量となる。なお、図２に示す制御系の構成から分かるように、ピエゾ素子９Ａによる参照光Ｒの光路長の変化は、制御部５０によって制御されるので、当該光路長の変化分は制御部５０によって把握されている。計測深度算出部５３（計測深度算出手段）は、制御部５０から当該変化分の情報を受けてｘ−ｙ断層画像の計測深度を算出する。

このような本実施形態の光画像計測装置１００によれば、第１の実施形態と同様に、計測中に被測定物体Ｏが動いたり移動した場合であっても、各ｘ−ｙ断層画像の計測深度を良好に変更（補正）することができるので、高精度の３次元画像等を形成することが可能である。

〈その他の変形例〉
以上に詳述した構成は、本発明に係る光画像計測装置を実施するための構成の一例に過ぎないものである。したがって、本発明の要旨の範囲内において各種の変形を施すことが可能である。

例えば、上記の各実施形態の構成では、断層画像を取得するための計測と断層画像の計測深度を取得するための計測とを同時に実行し、それぞれの計測の結果を対のデータ（図２に示すｘ−ｙ断層画像Ｇ１〜ＧＮと計測深度算出結果Ｐ１〜ＰＮ）として記憶するように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれの計測を異なるタイミングにて行うように構成することも可能である。また、断層画像の計測中にその計測深度を複数回計測し、その複数回の計測の結果に基づいて被測定物体の動きを推定して補正するように構成することもできる。

また、上記実施形態の光画像計測装置は、断層画像の計測深度を算出するための情報（補助検出信号）を取得する構成と、その取得した情報から計測深度を算出する構成との双方を備えているが、それら構成を別々に設けるようにしてもよい。例えば、第１、２の実施形態の光画像計測装置１、１００の変形例として、信号処理部２０を有さない構成を採用することができる。そのとき、信号処理部２０は、当該変形例の光画像計測装置とは別個に設けられたコンピュータ装置等により構成され、光画像計測装置は、この外部のコンピュータ装置等に対して補助検出信号を出力する。当該変形例を採用する場合、本発明にいう「取得手段」は、第１の実施形態に係る当該変形例においては、広帯域光源４１、ハーフミラー４２、固定鏡４３、ガルバノミラー４４、波長フィルタ４５、回折格子４６及び１次元光センサアレイ４７により構成され、第２の実施形態に係る当該変形例においては、ビームスプリッタ７１、回折格子７２及び１次元光センサアレイ７３により構成される。これは、当該変形例の取得手段により得られる補助検出信号は、断層画像の計測深度を反映した情報を含み、また、計測深度はこの補助検出信号に基づいて得られるものであるから、補助検出信号自体を計測深度とみなせるからである。また、当該変形例の構成を採用する場合には、本発明にいう「画像形成手段」についても具備している必要はなく、例えば、検出手段からの検出信号を外部のコンピュータ装置等に出力するとともに、このコンピュータ装置等によって複数の断層画像の配列処理を実行するように構成することができる。

また、図１や図７に示した構成において、信号光Ｓの光路上、つまりハーフミラー６と被測定物体Ｏとの間に波長板（１／２波長板）を設けることにより、被測定物体Ｏを経由するときの位相の変化に起因する信号光Ｓの偏光方向の傾きを補正するように構成すれば、計測精度の更なる向上を図ることができる。

本発明に係る光画像計測装置の検出手段は、前述のＣＣＤ２１、２２に限定されるものではなく、例えば積算回路を備えたラインセンサなど、干渉光を検出して光電変換する機能と、検出した電荷を蓄積する機能との双方を備えているものであればよく、また１次元のセンサでも２次元のセンサでもよい。

以上の実施形態においては、マイケルソン型の干渉計を備えた光画像計測装置について説明したが、例えばマッハツェンダー型などその他の干渉計を採用することも可能である（例えば、本発明者らによる特許第３２４５１３５号を参照）。

また、本発明者らによる上述の特許文献１（特開２００１−３３０５５８号公報）に記載された、シャッタを用いて干渉光をサンプリングする構成の光画像計測装置に、本発明の構成を適用することも当然に可能である。その場合、例えば、図１に示したような広帯域光源４１〜１次元光センサアレイ４７からなる光学系を追加的に設けるとともに、図２に示したような制御系を適用すればよい。更に、本発明に特徴的な構成は、特許請求の範囲に記載した本発明の構成要素を満たすあらゆるタイプの光画像計測装置に適用することが可能である。

また、干渉計の一部に光ファイバ（バンドル）を設けて導光部材として用いることにより、装置設計上の自由度を高めたり、装置のコンパクト化を図ったり、あるいは、被測定物体の配置の自由度を高めたりすることができる（例えば、上記の特許第３２４５１３５号を参照）。

本発明の光画像計測装置を例えば眼科の分野に応用すると、上述した眼底の血流状態の測定のほか、網膜や角膜の２次元断層像などを得ることができる。それにより、例えば角膜の内皮細胞数などを測定することが可能となる。なお、その他にも各種の応用が可能であることはいうまでもない。

本発明に係る光画像計測方法は、例えば以上に詳述したような本発明の光画像計測装置によって実施することが可能である。

本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の制御系の構成の一例を示すブロック図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置による補助信号光の走査態様の一例を示す概略図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置によるｘ−ｙ断層画像の計測態様の一例を示す概略図である。 本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置により求められる計測深度プロファイルの一例を示す概略図である。 本発明に係る光画像計測装置における干渉光の検出態様を説明するためのグラフ図である。図６（Ａ）は、周波数が強度変調されて広帯域光源から出力される光ビームの時間波形を表す。図６（Ｂ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す。図６（Ｃ）は、広帯域光源から出力される光ビームが連続光であるときの干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。図６（Ｄ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＳ偏光成分の時間波形を表す図６（Ｅ）は、広帯域光源から出力される光ビームが強度変調される場合における干渉光のＰ偏光成分の時間波形を表す。 本発明に係る第２の実施形態の光画像計測装置の構成の一例を示す概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。 従来の光画像計測装置の構成を示す概略図である。 従来の光計測装置の構成を示す概略図である。 従来の光計測装置により取得される情報の態様を表す概略図である。図１１（Ａ）は、干渉光の波長スペクトルの一例の概略を表すグラフである。また、図１１（Ｂ）は、被測定物体のｚ座標（計測深度）を変数とした干渉信号の強度分布の一例の概略を表すグラフである。

符号の説明

１、１００ 光画像計測装置
２ 広帯域光源
３ 偏光板
４、５ レンズ
６ ハーフミラー
７ 波長板
８ 周波数シフタ
９ 参照鏡
９Ａ ピエゾ素子
１０ 結像用レンズ群
１１ 偏光ビームスプリッタ
２０ 信号処理部
２１、２２ ＣＣＤ
３１ 光源
３２ ビームスプリッタ
３３ 反射鏡
３４ フォトディテクタ
３５ パルス駆動器
４１ 広帯域光源
４２ ハーフミラー
４３ 固定鏡
４４ ガルバノミラー
４４Ａ 反射鏡
４４Ｂ 駆動部
４５ 波長フィルタ
４６ 回折格子
４７ １次元光センサアレイ
５０ 制御部
５１ 画像形成部
５２ 走査制御部
５３ 計測深度算出部
５４ スペクトル取得部
５５ プロファイル取得部
５６ 情報記憶部
５７ 画像処理部
６０ 表示装置
７１ ビームスプリッタ
７２ 回折格子
７３ １次元光センサアレイ
Ｒ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ 干渉光
Ｌ１ Ｓ偏光成分
Ｌ２ Ｐ偏光成分
Ｏ 被測定物体
Ｇ１〜ＧＮ ｘ−ｙ断層画像
Ｐ１〜ＰＮ 計測深度算出結果
Ｔ１〜ＴＭ 補助信号光の走査位置

Claims (14)

1. 低コヒーレント光源から出力された光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割する分割手段と、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせる周波数シフト手段と、前記参照光の光路長を変更する変更手段と、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を生成する重畳手段と、前記生成された干渉光を受光して検出信号を出力する検出手段と、前記出力された検出信号に基づいて前記信号光の進行方向に直交する前記被測定物体の断層画像を形成する画像形成手段とを有する光画像計測装置であって、
   前記形成される前記被測定物体の前記断層画像について、前記信号光の進行方向における計測深度を求める取得手段と、
   前記断層画像と、前記断層画像について取得された前記計測深度の情報とを関連付けて記憶する情報記憶手段と、を備え、
   前記取得手段は、
   低コヒーレントな補助光ビームを出力する補助光源と、
   前記出力された補助光ビームを、前記被測定物体を経由する補助信号光と、補助参照物体を経由する補助参照光とに分割する補助分割手段と、
   前記被測定物体を経由した前記補助信号光と、前記補助参照物体を経由した前記補助参照光とを重畳して補助干渉光を生成する補助重畳手段と、
   前記生成された前記補助干渉光から複数の波長成分を分離する波長成分分離手段と、
   前記分離された前記複数の波長成分を受光して補助検出信号を出力する補助検出手段と、
   前記検出された前記補助検出信号に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出する計測深度算出手段と、
   を備えることを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記情報記憶手段に記憶された前記断層画像と関連付けられた計測深度の情報に基づいて、前記断層画像を前記計測深度方向に配列させる画像処理手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
3. 前記取得手段は、前記補助分割手段により分割された前記補助信号光を前記信号光に合成して前記被測定物体に入射させ、前記被測定物体を経由した前記補助信号光を前記信号光から分離して前記補助重畳手段に導く合成分離手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光画像計測装置。
4. 前記取得手段は、
   前記合成分離手段により前記信号光に合成された前記補助信号光を、前記信号光の進行方向に対して直交する方向に走査する走査手段を更に含み、
   前記計測深度算出手段は、前記走査手段による前記補助信号光の走査に基づいて前記補助検出手段により出力される複数の前記補助検出信号に基づいて前記計測深度を算出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光画像計測装置。
5. 前記走査手段は、前記変更手段により前記参照光の光路長が変更される度毎に、前記補助信号光を複数の位置に走査させ、
   前記計測深度算出手段は、前記複数の位置のそれぞれに走査された前記補助信号光に基づく前記補助検出信号に基づいて、前記複数の位置のそれぞれに対応する複数の前記計測深度を算出し、前記算出された前記複数の計測深度に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光画像計測装置。
6. 前記走査手段は、前記補助信号光を反射する反射鏡と、前記反射鏡の反射面の向きを変更する駆動部とを含むガルバノミラーであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の光画像計測装置。
7. 前記合成分離手段は、前記信号光の光路に斜設された波長フィルタあるいはビームスプリッタであることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
8. 前記波長成分分離手段は、回折格子であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
9. 前記補助検出手段は、１次元光センサアレイであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
10. 前記計測深度算出手段は、
    前記補助検出信号に基づいて前記補助干渉光の波長スペクトルを求める波長スペクトル取得手段と、
    前記求められた前記波長スペクトルをフーリエ変換して、前記計測深度に応じた前記補助干渉光の強度分布を表す計測深度情報を求める計測深度情報取得手段と、
    を含み、
    前記画像形成手段により形成される前記断層画像のそれぞれについて前記求められた前記計測深度情報に基づいて前記断層画像のそれぞれの前記計測深度を算出する、
    ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
11. 前記計測深度算出手段は、前記画像形成手段により連続して形成される一対の前記断層画像のそれぞれについて前記計測深度情報取得手段により求められた前記計測深度情報を比較して、前記一対の前記断層画像の間の計測間隔を算出することにより、前記計測深度を求めることを特徴とする請求項１０に記載の光画像計測装置。
12. 低コヒーレント光源から出力された光ビームを被測定物体に向かう信号光と参照物体に向かう参照光とに分割し、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数とを相対的にシフトさせ、前記被測定物体を経由した前記信号光と前記参照物体を経由した前記参照光とを重畳させて前記周波数のシフト量に応じたビート周波数の干渉光を生成し、前記生成された干渉光を受光して検出信号を出力し、前記出力された検出信号に基づいて前記信号光の進行方向に直交する前記被測定物体の断層画像を形成する光画像計測方法であって、
    前記形成される前記被測定物体の前記断層画像について、前記信号光の進行方向における計測深度を求めるステップと、
    前記断層画像と、前記断層画像について取得された前記計測深度の情報とを関連付けて記憶するステップと、
    前記断層画像と関連付けられた計測深度の情報に基づいて、前記断層画像を前記計測深度方向に配列させるステップと、を有し、
    前記計測深度を求めるステップは、
    低コヒーレントな補助光ビームを出力するステップと、
    前記出力された補助光ビームを、前記信号光とともに前記被測定物体を経由する補助信号光と、補助参照物体を経由する補助参照光とに分割するステップと、
    前記被測定物体を経由した前記補助信号光と、前記補助参照物体を経由した前記補助参照光とを重畳して補助干渉光を生成するステップと、
    前記生成された前記補助干渉光から複数の波長成分を分離するステップと、
    前記分離された前記複数の波長成分を受光して補助検出信号を出力するステップと、
    前記検出された前記補助検出信号に基づいて前記断層画像の前記計測深度を算出するステップと、
    を含むことを特徴とする光画像計測方法。
13. 前記計測深度を求めるステップは、
    前記補助信号光を、前記信号光の進行方向に対して直交する方向に走査するステップを更に含み、
    前記計測深度を算出するステップは、前記補助信号光の走査に基づいて前記出力される複数の前記補助検出信号に基づいて前記計測深度を算出する、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の光画像計測方法。
14. 前記計測深度を算出するステップは、
    前記補助検出信号に基づいて前記補助干渉光の波長スペクトルを求めるステップと、
    前記求められた前記波長スペクトルをフーリエ変換して、前記計測深度に応じた前記補助干渉光の強度分布を表す計測深度情報を求めるステップと、
    を含み、
    前記形成される前記断層画像のそれぞれについて前記求められた前記計測深度情報に基づいて前記断層画像のそれぞれの前記計測深度を算出する、
    ことを特徴とする請求項１２又は請求項１３のいずれか一項に記載の光画像計測方法。

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