JP4837300B2 - 光画像計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物体に計測光を照射し、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に関する。

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。この技術は、Ｘ線ＣＴのような放射線を使用した画像計測技術とは異なり、人体に対する有害性を持たないことから、特に医療分野への応用が期待されている。

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、たと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（たと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１３に示す。同図に示す光画像計測装置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を含んで構成される。被測定物体２０５は、散乱媒質からなる人眼の角膜や網膜などの任意の物体である。広帯域光源２０１からの光ビーム（計測光）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１３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ｚ−スキャンによって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においては、信号光Ｓと参照光Ｒと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と干渉して干渉光の生成に寄与する。すなわち、信号光Ｓのコヒーレントな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座標値（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（たとえば非特許文献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（たとえば非特許文献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。

このような低コヒーレンス干渉法を用いて２次元断層画像を取得するには、被測定物体２０５に対して光ビームを走査させて、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、この手法では、被測定物体２０５を計測するために長時間を要し、また、その計測原理を考慮すると計測時間短縮は困難であった。

このような問題点に鑑み、計測時間を短縮させることが可能な光画像計測装置が考案されている。図１４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により重畳されて干渉光となり、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）によって検出される。このように、光画像計測装置３００によれば、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、たとえば非特許文献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、そのような非走査型の光画像計測装置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、高分解能の精密な画像が必要とされ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。

そのようなことを考慮して、次のような光画像計測装置が提案されている（特許文献１参照）。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。

すなわち、特許文献１の光画像計測装置は、参照光と信号光とが重畳されて生成される干渉光の光路を二分し、各光路上に光遮断装置と光センサ（２次元光センサアレイ）を配置するとともに、２つの光路上の光遮断装置のサンプリング周期に位相差π／２を設ける。それにより、干渉光の背景光の強度を検出し、干渉光の位相の直交成分（ｓｉｎ成分とｃｏｓ成分）を検出するとともに、両光センサから出力される受信信号から背景光の強度を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する。そして、その算出結果から干渉光の振幅を求めるようになっている。

ところで、たとえば角膜上皮画像や網膜画像（眼底画像）などの医用画像を計測する目的で光画像計測装置を使用する場合には、まず、可視光（観察光）を照射して患部周辺を観察して、画像計測を行う領域（計測領域）を決定する必要がある。計測領域は、深さ方向（ｚ方向）に広がりを有することが多々ある。装置は、検者による計測開始トリガの入力を受けて、広帯域光源からの計測光を計測領域に照射するとともに、計測位置をｚ方向にスキャンさせながら計測を実施する。それにより、所望の計測領域の画像が取得される。

計測位置のｚ方向のスキャンは、信号光の光路長と参照光の光路長とを相対的に変更させることにより行われる。前述した従来の構成では、参照光を反射する反射鏡を移動させることで参照光の光路長を変更させている。一方、信号光の光路長を変更させるものとしては、光源からの光ビームを集束させる集光用レンズと、光ビームを信号光と参照光とに分割するハーフミラーと、参照光を反射する反射鏡とを、信号光の光路方向に一体的に移動させる構成が知られている（たとえば特許文献２参照）。なお、光路長の変更に伴って、参照光又は信号光はドップラー周波数シフトを受けるが、このとき、光路長の変更速度が一定でないと周波数のシフト量も一定でなくなり、計測結果に偽情報が含まれたり、計測を行えなくなったりする場合がある。

従来の光画像計測装置を上記の医用画像計測目的に適用する場合、患部周辺の観察及び画像計測の双方を同一のカメラ（ＣＣＤカメラ等）にて行う方法と、異なるカメラにて行う方法とが考えられる。

同一のカメラで行う方法を選択すると、観察段階から計測段階に移行するときに、計測開始トリガの入力から計測可能な状態となるまでにタイムラグが発生し、当該計測領域を好適に計測できなくなってしまう。具体的に説明すると、まず、観察段階においては、装置全体を前後に移動させてカメラのピントを合わせて患部等を観察する。その状態で計測を開始して光路長の変更を開始すると、計測可能な状態になるまでの間、つまり光路長の変更速度が一定になるまでの間は、画像を好適に計測できないこととなる。特に、計測開始時、つまり計測領域決定時にピントの合っていた領域（当該計測領域）の画像計測を行えないため、所望の領域の画像を逃してしまうという重大な不都合が生じる。

一方、観察用カメラと計測用カメラとを個別に設けることを選択しても、従来の光画像計測装置では、観察段階から計測段階への移行時に、計測用カメラのピントを観察用カメラに迅速に合わせることができないので、結局、同一のカメラを用いる場合と同様に、計測開始トリガ入力から計測可能になるまでのタイムラグが生じ、計測領域決定時にピントの合っていた所望の領域の画像計測を行うことができない。

特開２００１−３３０５５８号公報 特開２００４−１９１１１４号公報 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）

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、被測定物体の画像計測の開始要求に対応して迅速に画像計測を開始でき、計測領域決定時にピントの合っていた領域の画像計測を行うことが可能な光画像計測装置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、受光した干渉光に基づいて被測定物体の画像を形成する光画像計測装置であって、被測定物体を観察光で照明する照明光学系と、前記被測定物体による前記観察光の反射光を受光して信号を生成する観察用受光手段と、前記観察光の反射光を前記観察用受光手段に合焦させる観察光合焦手段と、前記観察用受光手段により生成された信号に基づいて前記被測定物体の観察画像を表示する表示手段と、前記観察画像を参照して画像計測を開始するときに操作される操作手段と、前記操作手段が操作されたことに対応して計測光を出射する計測光源と、前記出射された計測光を前記被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、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干渉光を生成する重畳手段と、前記観察光の反射光が前記観察用受光手段に合焦されているときに、その観察物点の位置から前記信号光の光路方向に所定距離だけ離れた位置に計測物点を有するように配置され、前記生成された干渉光を受光する計測用受光手段と、前記操作手段が操作されたことに対応し、前記計測用受光手段の計測物点を前記所定距離だけ離れた前記観察物点の位置の方向に移動させるように、前記計測光源と前記分割手段とを移動させることにより、前記信号光と前記参照光との光路長差を変更する光路長変更手段と、を備え、前記観察物点は、前記観察用受光手段上に前記観察光の反射光を合焦する点であり、前記計測物点は、前記計測用受光手段上に前記干渉光の像点を形成する点である、ことを特徴とする光画像計測装置である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記光路長変更手段は、前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、及び前記重畳手段を前記信号光の光路方向に一体的に移動させる移動手段を含むことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の光画像計測装置であって、前記移動手段は、前記操作手段が操作されたことに対応して前記一体的な移動を開始し、前記所定距離は、前記移動手段が静止状態の前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、及び前記重畳手段を一体的に一定速度まで加速させるのに必要な距離又はそれ以上の距離とされている、ことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の光画像計測装置であって、前記光路長変更手段は、前記参照物体を前記参照光の光路方向に移動させる参照物体移動手段を含むことを特徴とする。

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、前記参照物体移動手段は、前記操作手段が操作されたことに対応して前記参照物体の移動を開始し、前記所定距離は、前記参照物体移動手段が静止状態の前記参照物体を一定速度まで加速させるのに必要な距離又はそれ以上の距離とされている、ことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置であって、前記照明光学系は、前記観察光を出射する観察光源と、前記出射された観察光の光路を前記信号光の光路に合成する合成手段とを含むことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに一項に記載の光画像計測装置であって、前記照明光学系は、前記信号光の光路に対して斜め方向から前記被測定物体に向けて前記観察光を出射する観察光源を含むことを特徴とする。

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、前記被測定物体による前記観察光の反射光は、前記被測定物体を経由した前記信号光の光路に沿って導光され、前記重畳手段を経由して前記干渉光の光路に沿って導光され、前記観察光の反射光の光路を前記干渉光の光路から分岐させる分岐手段を更に備え、前記観察光合焦手段は、前記分岐された前記観察光の反射光を前記観察用受光手段に合焦させる、ことを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の光画像計測装置であって、前記観察光合焦手段は、前記観察用受光手段、前記観察用合焦手段、前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、前記重畳手段及び計測用受光手段を前記信号光の光路方向に一体的に移動させる合焦移動手段を含むことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明によれば、観察光の反射光が観察用受光手段に合焦されているとき、計測用受光手段は、観察物点の位置から信号光の光路方向に所定距離だけ離れた位置に計測物点を有するように配置されており、操作手段が操作されたことに対応して、前記光路長変更手段が、計測用受光手段の計測物点を観察物点の位置の方向に移動させるように光路長差を変更するので、被測定物体の画像計測の開始要求に対応して迅速に画像計測を開始できる上に、計測領域決定時にピントの合っていた領域、すなわち観察物点の位置の画像計測を行うことが可能となる。

以下、本発明に係る光画像計測装置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。

本発明に係る光画像計測装置は、特に医療分野での使用が想定されており、たとえば人眼の角膜上皮や網膜などの散乱媒質からなる生体組織の計測に好適に用いられる。

〈第１の実施形態〉
本発明の第１の実施形態について説明する。

［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、本実施形態に係る光画像計測装置１の光学系の概略構成の一例を表し、図２は、その制御系の構成の一例を表している。

光画像計測装置１は、被測定物体の画像計測を行うための光学系（計測光学系）と、画像計測に先立って被測定物体を観察するための光学系（観察光学系）とを備えている。

〔計測光学系〕
本実施形態に係る光画像計測装置１は、低コヒーレントな計測光Ｈを出力する広帯域光源２と、この計測光Ｈの偏光特性を直線偏光に変換する偏光板３と、直線偏光とされた計測光Ｈを平行光束にするとともに、そのビーム径を拡大するレンズ４、５と、ビーム径が拡大された計測光Ｈ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の進行方向に対して直交する反射面によって参照光Ｒを全反射する参照鏡８と、この参照鏡８の反射面の背面側に設けられたピエゾ素子９とを含んでいる。

広帯域光源２は、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。広帯域光源２は、図２に示す駆動パルス発生器２Ａから出力される所定の周波数のパルス信号により駆動されて、周期的なパルス状の計測光Ｈを出力する（詳細は後述する）。この計測光Ｈは、たとえば、５０％ｄｕｔｙの矩形列のパルス光として出力される。広帯域光源２は、本発明の「計測光源」の一例に相当する。

図１中に示すｘｙｚ座標系は、広帯域光源２から出力された被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓの進行方向をｚ方向と定義し、それに直交する信号光Ｓの振動面をｘ−ｙ平面として定義している。このｘ方向、ｙ方向は、計測光Ｈ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ている。また、ｚ方向は、被測定物体Ｏの画像計測深度方向（深さ方向）を定義している。

偏光板３は、広帯域光源３からの計測光Ｈ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。この偏光板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を透過した計測光Ｈは、角度４５°の直線偏光を有するものとなる。したがって、計測光Ｈ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、計測光Ｈ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している。

ハーフミラー６は、本発明の「分割手段」の一例に相当し、平行光束とされた直線偏光の計測光Ｈを、被測定物体Ｏに向かう信号光Ｓと参照鏡８に向かう参照光Ｒとに分割するように作用する。ハーフミラー６は、計測光Ｈの一部（半分）を透過させて参照光Ｒを形成するとともに、その残りを反射して信号光Ｓを形成する。

このハーフミラー６は、更に、本発明の「重畳手段」の一例に相当するものであり、被測定物体Ｏを経由した信号光Ｓの一部を透過させるとともに参照鏡８を経由した参照光Ｒの一部を反射することにより、信号光Ｓと参照光Ｒとを重畳させて干渉光Ｌを生成するように作用する。この干渉光Ｌは、広帯域光源２から出力された計測光Ｈと等しい周波数のパルス光である。

なお、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８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が用いられていることから、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）によって構成している。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、それぞれ個別の光学素子によって分割手段と重畳手段とを構成してもよい。また、分割手段及び重畳手段には、計測光Ｈ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採用することが望ましい。

波長板７は、偏光板３によって直線偏光とされた参照光Ｒの偏光特性を変換する偏光変換素子である。本実施形態においては、波長板７として１／８波長板を用いる。それにより、波長板７を通過する参照光Ｒには、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８に向かうときに波長板７を経由するときと、参照鏡８に反射されてハーフミラー６に戻っていくときに波長板７を経由するときとに、それぞれ当該位相差を与えられ、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波長板等を適宜用いて参照光Ｒを円偏光に変換する。

参照鏡８は、本発明の「参照物体」の一例に相当する。この参照鏡８は、ピエゾ素子９により参照光Ｒの光路方向に振動されて、参照光Ｒに周波数シフトを与える。このように、参照鏡８とピエゾ素子９とは、本発明の「周波数シフト手段」に相当する。

光画像計測装置１は、更に、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１０と、干渉光Ｌの光路を二分する偏光ビームスプリッタ１１と、二分された干渉光Ｌの光路上に設けられた計測用ＣＣＤカメラ２１、２２とを含んでいる。

偏光ビームスプリッタ１１は、干渉光Ｌに含まれ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を反射して計測用ＣＣＤカメラ２１に案内するとともに、そのＰ偏光成分Ｌ２を透過させて計測用ＣＣＤカメラ２２に案内するように作用する。なお、上述したように、干渉光ＬのＳ偏光成分とＰ偏光成分は、偏光板３の偏光軸の配置（４５°）により互いに等しい振幅を有している。

計測用ＣＣＤカメラ２１、２２は、本発明の「計測用受光手段」の一例に相当し、干渉光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。計測用ＣＣＤカメラ２１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、計測用ＣＣＤカメラ２２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。

また、干渉光Ｌ（よってＳ偏光成分Ｌ１、Ｐ偏光成分Ｌ２）には、ビート周波数の異なる複数の干渉光が含まれており、各計測用ＣＣＤカメラ２１、２２から出力される検出信号には、それら複数の干渉光のビート周波数成分が含まれている。各ビート周波数成分の周波数は、それに対応する干渉光のビート周波数に等しい。

〔観察光学系〕
被測定物体Ｏを観察するための観察光学系は、たとえば可視領域の観察光Ｍを出射する観察光源１２と、観察光Ｍを集光する集光レンズ１３と、観察光Ｍの光路を信号光Ｓの光路に合成して観察光Ｍを被測定物体Ｏに照射するハーフミラー１４とを含んでいる。ハーフミラー１４は、本発明の「合成手段」の一例に相当する。また、観察光源１２、集光レンズ１３及びハーフミラー１４は、本発明の「照明光学系」の一例に相当する。

被測定物体Ｏに照射された観察光Ｍは、被測定物体Ｏにより反射され、信号光Ｓの光路に沿って導光され、ハーフミラー６を透過して干渉光Ｌの光路に沿って導光される。そして、観察光Ｍは、ビームスプリッタ１５により反射されて干渉光Ｌの光路から分岐される。分岐された観察光Ｍは、反射ミラー１６により反射され、結像レンズ１７によって観察用ＣＣＤカメラ２３の受光面上に結像される。

ビームスプリッタ１５は、本発明の「分岐手段」の一例に相当するもので、観察光Ｍの波長の光を反射し、干渉光Ｌの波長の光を透過させるダイクロイックミラーなどが用いられる。

観察用ＣＣＤカメラ２３は、本発明の「観察用受光手段」の一例に相当し、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２と同様に、観察光検出用の蓄積型の２次元光センサアレイである。この観察用ＣＣＤカメラ２３は、観察光Ｍを受光して光電変換を施して検出信号を生成し、その検出信号を信号処理部２０に出力する。信号処理部２０は、この検出信号に基づいて、被測定物体Ｏの観察画像をモニタ装置３０に表示させる。このモニタ装置３０は、本発明の「表示手段」の一例に相当する。

〔移動ステージ〕
本実施形態の光画像計測装置１には、２つの移動ステージ（装置移動ステージ４０、干渉計移動ステージ５０）が設けられている。干渉計移動ステージ５０は、装置移動ステージ４０上に搭載されている。

干渉計移動ステージ５０には、計測光学系の広帯域光源２、偏光板３、レンズ４、５、ハーフミラー６、波長板７、参照鏡８及びピエゾ素子９、更に、観察光学系の観察光源１２、集光レンズ１３及びハーフミラー１４がそれぞれ搭載されている。これらの部材は、干渉計移動ステージ５０によって信号光Ｓの光路方向、つまり被測定物体Ｏに対して前後方向に一体的に移動される。この干渉計移動ステージ５０の移動方向は、図１に示す両側矢印Ｂの方向である。

干渉計移動ステージ５０は、画像計測時に作動され、信号光Ｓの光路長を伸縮して信号光Ｓと参照光Ｒとの光路差を変更することにより画像計測深度を変更するように作用する。この干渉計移動ステージ５０は、本発明の「移動手段」及び「光路長変更手段」の一例に相当するものである。より具体的に説明すると、広帯域光源２からの計測光は低コヒーレント光であり、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のビート成分の生成に寄与する。すなわち、ハーフミラー６に対して参照鏡８とほぼ等距離にある被測定物体Ｏのｚ座標値の領域からの反射光のみが参照光Ｒと干渉してビート周波数を生ずる。したがって、干渉計移動ステージ５０により信号光Ｓの光路長を変更することで、被測定物体Ｏの様々なｚ座標値の領域からの反射光を逐次抽出することができる。

なお、前述したように、好適な画像計測を実施するためには光路長の変更を一定速度で行う必要があるので、干渉計移動ステージ５０は、その搭載部材を所定の一定速度で移動するように制御される。特に、干渉計移動ステージ５０が静止状態から移動を開始する場合、移動開始とともに移動速度を加速し、所定速度に到達したらその所定速度を維持するように制御される。

また、装置移動ステージ４０には、干渉計移動ステージ５０及びそれに搭載された上記部材に加え、計測光学系の結像用レンズ群１０、偏光ビームスプリッタ１１及び計測用ＣＣＤカメラ２１、２２と、観察光学系のビームスプリッタ１５、反射ミラー１６、結像レンズ１７及び観察用ＣＣＤカメラ２３とが搭載されている。これらの部材は、装置移動ステージ４０によって信号光Ｓの光路方向（図１に示す両側矢印Ａの方向）に一体的に移動される。

この装置移動ステージ４０は、本発明の「合焦移動手段」及び「観察光合焦手段」の一例に相当し、被測定物体Ｏの観察時において検者が観察したい領域にピントを合わせるために作動され、上記部材を信号光Ｓの光路方向に移動させることで、被測定物体Ｏにて反射された観察光Ｍを観察用ＣＣＤカメラ２３の受光面に合焦させるように作用する。装置移動ステージ４０は、このようにｚ方向への移動だけでなく、たとえばｘ方向やｙ方向、更には上下左右に首振り移動できるように構成することもできる。なお、検者は、図示しないコンソール等の観察操作部を操作することにより、装置移動ステージ４０を移動させる。

〔観察光、計測光の合焦状態について〕
ここで、観察用ＣＣＤカメラ２３に対する観察光の合焦状態と、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２に対する計測光の合焦状態との関係について説明する。本実施形態の光画像計測装置１においては、観察用ＣＣＤカメラ２３にピントの合う位置と計測用ＣＣＤカメラ２１、２２にピントの合う位置とをあらかじめ変位させた構成が適用されている。

図１は、被測定物体Ｏの装置側の表面に観察用ＣＣＤカメラ２３のピントが合った状態、つまり、被測定物体Ｏの装置側表面上の物点Ｐ（観察物点）に対する像点ｐ（観察像点）が観察用ＣＣＤカメラ２３の受光面上に形成された状態を示している。すなわち、図１は、被測定物体Ｏの装置側表面を検者が観察しているときの状態を示すものである。なお、観察物点Ｐと観察像点ｐとは光学的に共役な位置にある。

この状態において、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の受光面上に像点ｑ１、ｑ２（計測像点）を形成する物点Ｑ（計測物点）は、被測定物体Ｏの装置側表面から距離ｄだけ装置側に変位して位置するようになっている。換言すると、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２は、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察物点Ｐよりも装置側に計測物点Ｑを有しており、観察物点Ｐの位置にある被測定物体Ｏの装置側表面からはピントがずれている。なお、観察物点Ｐと計測物点Ｑとの間の距離ｄは、静止状態の干渉計移動ステージ５０が上記の所定速度まで加速するのに必要な距離又はそれ以上の距離に設定されている。この距離ｄは、たとえば、干渉計移動ステージ５０及びその搭載部材の重量と、干渉計移動ステージ５０を駆動する後述のステージ駆動機構５１のリニアアクチュエータ等の駆動装置の駆動力とを考慮して決定することができる。なお、計測用ＣＣＤカメラ２１の計測物点Ｑと計測像点ｑ１とは光学的に共役な位置にあり、計測用ＣＣＤカメラ２２の計測物点Ｑと計測像点ｑ２とは光学的に共役な位置にある。

また、参照鏡８の反射面は、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測像点ｑ１、ｑ２に対して光学的共役な位置に配置されている（共役点Ｑ′）。また、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察像点ｐに対する共役点Ｐ′は、共役点Ｑ′から参照鏡８背面側に向かって距離ｄだけ変位して位置している。

〔制御系〕
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を中心に構成され、この信号処理部２０に接続された計測用ＣＣＤカメラ２１、２２、観察用ＣＣＤカメラ２３、計測開始スイッチ６０、ピエゾ素子９、ステージ駆動機構４１、５１、照明光源１２、駆動パルス発生器２Ａ及び表示装置５０とを含んで構成される。

計測開始スイッチ６０は、本発明の「操作手段」の一例に相当し、モニタ装置３０に表示される観察画像を観察して画像計測を行う領域（計測領域）を決定した後に、当該計測領域の画像計測を開始するために操作される。この計測開始スイッチ６０は、光画像計測装置１のコントロールパネルや、光画像計測装置１のコンソールとして使用されるコンピュータ装置のキーボードやマウス等の入力デバイスなどによって構成される（いずれも図示せず）。なお、光画像計測装置１には、被測定物体Ｏの観察を開始するときに操作される同様の観察開始スイッチが設けられている（図示省略）。

ステージ駆動機構４１は、装置移動ステージ４０を移動させるための機構を搭載している。このステージ駆動機構４１は、たとえば、リニアアクチュエータなどを含んで構成することができる。ステージ駆動機構５１も、同様にリニアアクチュエータなどを含んで構成され、干渉計移動ステージ５０を移動させるための機構を搭載している。

信号処理部２０には、光画像計測装置１の各部を制御する装置制御部２４と、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号に基づいて画像を形成する画像形成部２５と、各種のデータやコンピュータプログラムを記憶する記憶部２６とが設けられている。

（装置制御部）
装置制御部２４は、ＣＰＵ等の演算処理回路を含んで構成され、駆動パルス発生器２Ａ、ピエゾ素子９、照明光源１２、ステージ駆動機構４１、５１、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２、観察用ＣＣＤカメラ２３など装置各部の動作制御を行う。なお、装置制御部２４は、前述の観察操作部に対する操作に応じてステージ駆動機構４１を制御して、装置移動ステージ４０を移動させる。また、装置制御部２４は、観察用ＣＣＤカメラ２３から入力された検出信号に基づいてモニタ装置３０に観察画像を表示させる処理を行う。また、画像や各種データを記憶部２６に記憶させる処理や、記憶部２６に記憶された情報の読出処理なども行う。更に、前述の観察開始スイッチや計測開始スイッチ６０が操作されたことに対応して装置各部の制御を行う。

（画像形成部）
画像形成部２５は、本発明の「画像形成手段」の一例に相当し、後述の〔計測原理〕にて詳述する演算処理を実行することにより、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２から出力された検出信号に基づいて被測定物体Ｏの２次元断層画像や３次元画像などを形成する。

計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号には、前述のように様々なビート周波数成分が含まれている。また、干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１、Ｐ偏光成分Ｌ２は、広帯域光源２からの計測光Ｈと等しい周波数のパルス光として計測用ＣＣＤカメラ２１、２２に検出される。画像形成部２５は、検出信号に含まれる複数のビート周波数成分のうち、パルス状の干渉光ＬのＳ偏光成分Ｌ１、Ｐ偏光成分Ｌ２の周波数（すなわち、広帯域光源２が計測光Ｈを出力する周波数）に（ほぼ）等しいビート周波数のビート周波数成分に基づいて断層画像を形成する。画像形成部２５には、広帯域光源２から周期的に出力されるパルス状の各計測光に対応する検出信号が計測用ＣＣＤカメラ２１、２２から順次入力される。画像形成部２５は、各検出信号に対して画像形成処理を実行して断層画像を順次形成する。

また、画像形成部２５は、干渉計移動ステージ５０の動作により様々な計測深度について得られた断層画像に基づいて、被測定物体Ｏの３次元画像や、任意方向の２次元断層画像などを形成することができる。

このような処理を実行する画像形成部２５は、記憶部２６に記憶された画像形成用のコンピュータプログラムを実行するＣＰＵ等の演算制御回路を含んで構成される。
画像形成部２５によって形成された画像は、装置制御部２４によって記憶部２６に記憶されたり、モニタ装置３０に表示されたりする。

（記憶部）
記憶部２６は、イメージメモリ、ハードディスクドライブ、ＲＯＭ等の記憶装置によって構成される。なお、図２中では単一の記憶部２６が記載されているが、実際の構成では、複数の記憶装置から構成されていてもよい。

記憶部２６には、装置制御用のコンピュータプログラムや画像形成用のコンピュータプログラムなどがあらかじめ記憶されている。また、記憶部２６には、画像形成部２５が形成した画像や観察用ＣＣＤカメラ２３により検出された画像などが記憶される。

［計測原理］
ここで、本実施形態の光画像計測装置１によって実施される画像計測の基本原理について説明する。

まず、広帯域光源２から出力された計測光Ｈは、偏光板３によりｘ軸、ｙ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、信号光Ｓと参照光Ｒとに二分される。

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に向けて導光される。

一方、参照光Ｒは、（１／８）波長板７を通過し、ピエゾ素子９により振動される参照鏡８によって反射され、再び波長板７を通過してハーフミラー７に入射する。このとき、参照光Ｒは、波長板７を２回通過することにより、その偏光特性が、角度４５°の直線偏光から円偏光に変換される。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に向けて導光される。

信号光Ｓと参照光Ｒとは、ハーフミラー６によって重畳されて干渉光Ｌを生成する。この干渉光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を反射するとともに、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は計測用ＣＣＤカメラ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２は計測用ＣＣＤカメラ２２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から出力される計測光Ｈの周波数を表し、ｆ_Ｄは参照鏡８の振動による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、計測用ＣＣＤカメラ２１、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。

ここで、装置制御部２４は、駆動パルス発生器２Ａを制御して、ピエゾ素子９による参照鏡８の振動によって参照光Ｒに付与される周波数シフト量と（ほぼ）同一の周波数のパルス信号を発生させる。広帯域光源２は、このパルス信号により駆動され、このパルス信号と同じ周波数のパルス状の計測光Ｈを出力する。すなわち、計測光Ｈは、干渉光Ｌのビート周波数と（ほぼ）同じ周波数にて出力されるパルス光である。

この計測光Ｈは、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３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３（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３（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３（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３（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３（Ｄ）は、広帯域光源２からの光ビームが図３（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３（Ｂ）に対応する）。図３（Ｅ）は、広帯域光源２からの光ビームが図３（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３（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。なお、図３（Ｄ）、（Ｅ）における光ビームは、計測光Ｈに相当するものである。

計測用ＣＣＤカメラ２１は、図３（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｜が計測用ＣＣＤカメラ２１の応答周波数に比べて十分小さいときには、計測用ＣＣＤカメラ２１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、＜・＞は計測用ＣＣＤカメラ２１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の反射率と計測用ＣＣＤカメラ２１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、計測用ＣＣＤカメラ２１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、計測用ＣＣＤカメラ２２は、図３（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の透過率と計測用ＣＣＤカメラ２２の光電変換率を含めた光検出効率である。

次に、計測用ＣＣＤカメラ２１、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、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、互いに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により連続的な光ビームを出力して計測用ＣＣＤカメラ２１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計測用ＣＣＤカメラ２１、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、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ことができる。

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）が計測用ＣＣＤカメラ２１により検出され、Ｐ偏光成分Ｌ２の位相直交成分Ｓ_２′（ｔ１）が計測用ＣＣＤカメラ２２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計測用ＣＣＤカメラ２１、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、計測用ＣＣＤカメラ２１、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、例えば計測用ＣＣＤカメラ２１、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。

［処理態様］
以上のような本実施形態の光画像計測装置１による処理態様について説明する。光画像計測装置１は、まず被測定物体Ｏを観察に使用されて検者が計測領域を決定し、それからその計測領域の画像計測に使用される。図４のフローチャートは、そのような光画像計測装置１の処理態様の一例を表している。

まず、被測定物体Ｏを観察するために検者が前述の観察開始スイッチを操作すると（Ｓ１）、装置制御部２４は、照明光源１２を点灯させるとともに、観察用ＣＣＤカメラ２３からの検出信号に基づいてモニタ装置３０に観察画像を表示させる（Ｓ２）。検者は、表示された観察画像を見ながら前述の観察操作部を操作して装置移動ステージ４０を移動させることにより、被測定物体Ｏの様々な領域にピントを合わせて観察を行って、画像計測を施す計測領域を決定する（Ｓ３）。

このとき、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察物点は、たとえば図１のように被測定物体Ｏの装置側表面（観察物点Ｐ）に位置し、被測定物体Ｏの装置側表面にピントの合った観察画像がモニタ装置３０に表示される。また、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点は、観察物点から装置側に距離ｄだけ離れて位置している（計測物点Ｑ）。また、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測像点ｐの共役点Ｑ′は、参照鏡８の反射面上に位置している。

計測領域を決定したら、検者は、画像計測を開始するために計測開始スイッチ６０を操作する（Ｓ４）。装置制御部２４は、この計測開始要求に応じ、照明光源１２を消灯させるとともに観察用ＣＣＤカメラ２３の動作を停止させて観察動作を終了する（Ｓ５）。

また、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ４）、ステージ駆動機構５１を制御して干渉計移動ステージ５０の駆動を開始し、その搭載部材を被測定物体Ｏに向かう方向に移動させる（Ｓ６）。それにより、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑが、観察物点Ｐの位置に向かって徐々に移動される。更に、装置制御部２４は、干渉計移動ステージ５０の搭載部材を所定速度まで徐々に加速させるとともに、当該所定速度に到達したらその速度を維持して一定速度で移動させる（Ｓ７）。このとき、前述のように、干渉計移動ステージ５０の移動速度は、計測物点Ｑが観察物点Ｐに達するまでの間に当該所定速度に到達する。

更に、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ４）、駆動パルス発生器２Ａを制御して広帯域光源２から計測光Ｈを出力させ、ピエゾ素子９を制御して参照鏡８を振動させるとともに、画像形成部２５を制御して計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号に基づいて画像（計測画像）を形成させてモニタ装置３０に表示させる（Ｓ８）。なお、干渉計移動ステージ５０による移動速度が一定になるまで品質の高い計測画像は取得されない。

計測物点Ｑが観察物点Ｐの位置を通過するとき（Ｓ９）、画像形成部２５は、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号に基づき、観察物点Ｐの位置（被測定物体Ｏの装置側表面）の画像を形成して装置制御部２４に伝送する（Ｓ１０）。このとき、干渉計移動ステージ５０の移動速度は一定であるので、観察物点Ｐの位置の画像は好適に形成される。装置制御部２４は、形成された画像をモニタ装置３０に表示させる（Ｓ１１）。

画像形成部２５は、計測物点Ｑのｚ方向への移動（画像計測深度方向へのスキャン）に応じて定期的に画像を形成する（Ｓ１２）。この定期的に形成される画像は、逐次モニタ装置３０に表示される（Ｓ１３）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら（Ｓ１４）、画像計測は終了となる。検者は、必要に応じて計測された画像を記憶部２６等に保存することができる。

［作用効果］
以上のように動作する本実施形態の光画像計測装置１によれば、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑは、被測定物体Ｏの観察時には観察物点Ｐから距離ｄだけ離れた位置にあり、計測開始スイッチ６０が操作されたことに対応して観察物点Ｐの位置の方向に向かって移動を開始する。計測物点Ｑは、一定速度となるまで加速された後に、観察物点Ｐの位置を通過する。換言すると、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２は、最初は被測定物体Ｏの観察位置（観察深度）から距離ｄだけ離れた位置を計測するようにピントが合っており、計測開始のトリガに対応して、その計測位置（ピントが合っている位置）を上記観察位置に向けて移動させていく。そして、その移動速度が一定速度となった後、計測位置が上記観察位置を通過することととなる。したがって、本実施形態の光画像計測装置１によれば、計測開始のトリガの入力後、迅速に画像計測を開始することができ、観察物点Ｐの位置の画像（計測領域決定時に観察していた領域の画像）を好適に取得することが可能となる。

［変形例］
以下、本発明に係る光画像計測装置の各種変形例について説明する。

上記実施形態の光画像計測装置１は、干渉計移動ステージ５０により信号光Ｓの光路長（ハーフミラー６から被測定物体Ｏの装置側表面まで）を変更することで、画像計測深度をスキャンするように構成されているが、参照鏡８を参照光Ｒの光路方向に移動させて参照光Ｒの光路長を変更するように構成することも可能である。すなわち、本発明においては、信号光Ｓと参照光Ｒとの光路長差を変更して画像計測深度を変更することができる光路長変更手段を備えていれば十分である。なお、参照鏡８を駆動させるための光路長変更手段は、リニアアクチュエータやピエゾ素子等の参照物体移動手段を含んで構成される。この参照物体移動手段は、画像計測開始のトリガが入力されたことに対応して参照鏡８の移動を開始し、計測物点Ｑを所定距離（距離ｄ）だけ移動させる前に参照鏡８の移動の速度を一定にするように制御される。

また、上記実施形態では、干渉光Ｌの２つの偏光成分Ｌ１、Ｌ２を２つの計測用ＣＣＤカメラ２１、２２にてそれぞれ検出して画像を計測する構成が採用されているが、本発明に係る構成は、信号光と参照光との光路長差を変更して画像計測深度をスキャンする構成を備えた任意の光画像計測装置に適用することが可能である。

また、上記実施形態では、信号光Ｓの周波数と参照光Ｒ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して参照鏡８及びピエゾ素子９を用いているが、音響光学素子等の周波数シフタを用いることができる。この周波数シフタは、たとえば参照光Ｒの光路上に配置されて参照光Ｒの周波数を変調するように作用する。

また、上記実施形態においては、観察物点Ｐから装置方向に距離ｄだけ離れた位置に計測物点Ｑが形成されるように構成されているが、観察物点Ｐから装置と逆方向に距離ｄだけ離れた位置に計測物点Ｑを形成する構成を採用してもよい。その場合、画像計測深度のスキャン方向が逆になる（上記実施形態では「＋ｚ方向」にスキャンしていたが、本変形例では「−ｚ方向」にスキャンすることとなる。つまり、干渉計移動ステージ５０の移動方向が逆になる。）

本発明の構成を適用可能な光画像計測装置としては、たとえば、連続的な光ビームからなる計測光を信号光と参照光とに分割し、被測定物体を経由した信号光と参照物体を経由した参照光とを重畳して干渉光を生成するとともに、この干渉光をハーフミラーで二分し、二分された干渉光のそれぞれをシャッタでサンプリングして計測用ＣＣＤカメラで検出する構成のものがある。なお、各シャッタは、位相シフタ等からのタイミング信号に基づいて所定の周波数で周期的に干渉光を遮断してサンプリングを行う。このとき、２つのシャッタには、たとえば９０°や１８０°の位相差が与えられる。このような光画像計測装置において、たとえば参照物体を移動させて参照光の光路長を変更させることにより画像計測深度のスキャンを行うようにすれば、本発明の構成を適用できる。

図５は、本発明に係る光画像計測装置の変形例の光学系の構成を表す。なお、制御系については、上記実施形態と同様に構成されている。図５に示す光画像計測装置１００は、広帯域光源１０１、集光レンズ１０２、プリズム型ハーフミラー１０３、集光レンズ１０４、参照鏡１０５、対物レンズ１０６、観察光源１０７、プリズム型ダイクロイックミラー１０８、反射ミラー１０９、結像レンズ１１０、観察用ＣＣＤカメラ１１１、結像レンズ１１２、計測用ＣＣＤカメラ１１３、干渉計移動ステージ１１５及び装置移動ステージ１１６を有する。

観察光源１０７は、プリズム型ハーフミラー１０３と被測定物体Ｏとの間の光路（信号光の光路）に対して斜め方向から被測定物体Ｏに向かって観察光を出射するようになっている。なお、上記実施形態の観察光源についても、信号光Ｓの光路に対して斜め方向から被測定物体Ｏに向けて観察光を出射するものを適用することは可能である。

広帯域光源１０１、集光レンズ１０２、プリズム型ハーフミラー１０３、集光レンズ１０４、参照鏡１０５、対物レンズ１０６は、干渉計移動ステージ１１５に搭載され、信号光の光路方向に沿って移動可能とされている。また、広帯域光源１０１、集光レンズ１０２、プリズム型ハーフミラー１０３、集光レンズ１０４、参照鏡１０５、対物レンズ１０６、プリズム型ダイクロイックミラー１０８、反射ミラー１０９、結像レンズ１１０、観察用ＣＣＤカメラ１１１、結像レンズ１１２及び計測用ＣＣＤカメラ１１３は、装置移動ステージ１１６に搭載され、信号光の光路方向に沿って移動可能とされている。

この図５は、被測定物体Ｏの装置側の表面に観察用ＣＣＤカメラ１１１のピントが合った状態、つまり、被測定物体Ｏの装置側表面上の観察物点Ｐに対する観察像点ｐが観察用ＣＣＤカメラ１１１の受光面上に形成された状態を示し、検者が被測定物体Ｏの装置側表面を検者が観察しているときの状態を表している。観察物点Ｐと観察像点ｐとは光学的に共役な位置にある。

この状態において、計測用ＣＣＤカメラ１１３の受光面上に計測像点ｑを形成する計測物点Ｑは、被測定物体Ｏの装置側表面から所定距離だけ装置側に変位して位置するようになっている。計測用ＣＣＤカメラ１１３のピント位置は、観察物点Ｐの位置（被測定物体Ｏの装置側表面）から外れた位置にある。ここで、観察物点Ｐと計測物点Ｑとの間の距離は、静止状態の干渉計移動ステージ１１４が所定速度まで加速するのに必要な距離又はそれ以上の距離に設定されている。なお、計測用ＣＣＤカメラ１１３の計測物点Ｑと計測像点ｑとは光学的に共役な位置にある。

また、参照鏡１０５の反射面は、計測用ＣＣＤカメラ１１３の計測像点ｑに対して光学的共役な位置に配置されている（共役点Ｑ′）。また、観察用ＣＣＤカメラ１１１の観察像点ｐに対する共役点Ｐ′は、共役点Ｑ′から参照鏡８背面側に向かって上記所定距離だけ変位して位置している。

光画像計測装置１００による被測定物体Ｏの観察は、次のようにして実施される。観察光源１０７から出射された観察光は、被測定物体Ｏにより反射される。この観察光の反射光は、対物レンズ１０６、プリズム型ハーフミラー１０３を経由し、プリズム型ダイクロイックミラー１０８により反射され、反射ミラー１０９により更に反射され、結像レンズ１１０により観察用ＣＣＤカメラ１１１に合焦される。それにより、図示しないモニタ装置に観察画像が表示される。

また、光画像計測装置１００による画像計測は、次のようにして実施される。広帯域光源１０１から出力された計測光は、集光レンズによってプリズム型ハーフミラー１０３の反射面に合焦される。計測光は、プリズム型ハーフミラー１０３によって被測定物体Ｏを経由する信号光と、参照鏡１０５に向かう参照光とに分割される。参照光は、集光レンズ１０４によって参照鏡１０５の反射面上に合焦され、当該反射面にて反射されてプリズム型ハーフミラー１０３に入射する。一方、信号光は、対物レンズ１０６を介して被測定物体Ｏに照射され、その反射光は、対物レンズ１０６を経由してプリズム型ハーフミラー１０３に入射する。信号光と参照光とは、プリズム型ハーフミラー１０３によって重畳されて干渉光を生成する。この干渉光は、プリズム型ダイクロイックミラー１０８を透過し、結像レンズ１１２により計測用ＣＣＤカメラ１１３に合焦される。図示しない信号処理部は、計測用ＣＣＤカメラから出力される検出信号に基づいて画像を形成してモニタ装置に表示させる。

光画像計測装置１００の処理態様を説明する。検者が計測領域の決定後に計測開始トリガを入力すると（上記ステップＳ４に対応）、照明光源１０７を消灯し観察用ＣＣＤカメラ１１１の動作を停止させて観察動作を終了する（上記ステップＳ５に対応）。

また、計測開始トリガの入力に対応し、干渉計移動ステージ１１４が被測定物体Ｏの方向に向けて移動を開始する（上記ステップＳ６に対応）。それにより、計測用ＣＣＤカメラ１１３の計測物点Ｑが、観察物点Ｐの位置に向かって徐々に移動される。更に、干渉計移動ステージ１１４は、その搭載部材を所定速度まで徐々に加速させ、当該所定速度に到達後は一定速度で移動させる（上記ステップＳ７に対応）。干渉計移動ステージ５０の移動速度は、計測物点Ｑが観察物点Ｐに達するまでの間に一定速度となる。

更に、計測開始トリガの入力に対応し、広帯域光源２から計測光を出力させ、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づいて計測画像を形成させてモニタ装置３０に表示する（上記ステップＳ８に対応）。

計測物点Ｑが観察物点Ｐの位置を通過するとき（上記ステップＳ９に対応）、信号処理部は、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づき、観察物点Ｐの位置（被測定物体Ｏの装置側表面）の画像を形成してモニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ１０、Ｓ１１に対応）。

信号処理部は、計測物点Ｑの画像計測深度方向へのスキャンに応じて定期的に画像を形成し、逐次モニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ１２、Ｓ１３に対応）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら、画像計測は終了となる（上記ステップＳ１４に対応）。

このような光画像計測装置１００によっても、上記実施形態と同様に、計測開始トリガの入力後、迅速に画像計測を開始でき、観察物点Ｐの位置の画像、つまり計測領域決定時に観察していた領域の画像を好適に取得することができる。

以上に説明した変形例は、後述の実施形態においても適用することが可能である。

〈第２の実施形態〉
続いて、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。図６は、本実施形態の光画像計測装置１′の光学系の構成の一例を表している。

本実施形態の光画像計測装置１′は、第１の実施形態の光画像計測装置１とほぼ同様の光学的構成を有する（図１と同じ符号を用いて説明する。）。光画像計測装置１′と第１の実施形態との光学系の相違点は、観察光の合焦状態と計測光の合焦状態との関係だけである。また、制御系についても、第１の実施形態と同様の構成を備えている（図２を参照する。）。

本実施形態では、観察用ＣＣＤカメラ２３にピントの合う位置と計測用ＣＣＤカメラ２１、２２にピントの合う位置とがあらかじめ一致されている。図６は、被測定物体Ｏの装置側の表面に観察用ＣＣＤカメラ２３のピントが合った状態、つまり、被測定物体Ｏの装置側表面上の観察物点Ｐに対する観察像点ｐが観察用ＣＣＤカメラ２３の受光面上に形成された状態を示している。この状態において、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の受光面上に計測像点ｑ１、ｑ２を形成する計測物点Ｑは、観察物点Ｐの位置と一致されている。また、参照鏡８の反射面は、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測像点ｑ１、ｑ２に対して光学的共役な位置に配置され（共役点Ｑ′）、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察像点ｐに対する共役点Ｐ′は、共役点Ｑ′に一致されている。

以上のような本実施形態の光画像計測装置１′による処理態様の一例について、図７のフローチャートを参照して説明する。

検者が観察開始スイッチを操作すると（Ｓ２１）、装置制御部２４は、照明光源１２を点灯させ、観察用ＣＣＤカメラ２３からの検出信号に基づいてモニタ装置３０に観察画像を表示させる（Ｓ２２）。検者は、表示された観察画像を見ながら被測定物体Ｏの様々な領域にピントを合わせて観察を行うことで計測領域を決定する（Ｓ２３）。

このとき、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察物点は、たとえば図６のように被測定物体Ｏの装置側表面（観察物点Ｐ）に位置し、被測定物体Ｏの装置側表面にピントの合った観察画像がモニタ装置３０に表示される。また、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑの位置は、観察物点Ｐに一致している。

計測領域を決定したら、検者は計測開始スイッチ６０を操作する（Ｓ２４）。装置制御部２４は、この計測開始要求に応じ、照明光源１２を消灯させ、観察用ＣＣＤカメラ２３の動作を停止させて観察動作を終了する（Ｓ２５）。

また、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ２４）、ステージ駆動機構５１を制御して、干渉計移動ステージ５０を被測定物体Ｏとは逆の方向（−ｚ方向）に所定距離だけ移動させる（Ｓ２６）。

この「所定距離」は、第１の実施形態における「距離ｄ」と同様に、静止状態の干渉計移動ステージ５０が所定速度まで加速するのに必要な距離又はそれ以上の距離に設定されている。

干渉計移動ステージ５０を所定距離だけ退避させたら、今度は、干渉計移動ステージ５０を逆方向（＋ｚ方向）に移動を開始し、その搭載部材を被測定物体Ｏに向かう方向に移動させる（Ｓ２７）。それにより、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑが、観察物点Ｐの位置に向かって徐々に移動される。更に、装置制御部２４は、干渉計移動ステージ５０の搭載部材を所定速度まで徐々に加速させ、当該所定速度に到達したらその速度を維持して一定速度で移動させる（Ｓ２８）。このとき、前述したように、干渉計移動ステージ５０の移動速度は、一旦退避された計測物点Ｑが観察物点Ｐに達するまでの間に（上記所定距離を移動される間に）当該所定速度に到達して等速とされる。

更に、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ２４）、駆動パルス発生器２Ａを制御して広帯域光源２から計測光Ｈを出力させ、ピエゾ素子９を制御して参照鏡８を振動させるとともに、画像形成部２５を制御して計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号を基に計測画像を形成させてモニタ装置３０に表示させる（Ｓ２９）。なお、干渉計移動ステージ５０による移動速度が一定になるまで品質の高い計測画像は取得されない。

計測物点Ｑが観察物点Ｐの位置を通過するとき（Ｓ３０）、画像形成部２５は、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号に基づき、観察物点Ｐの位置の画像を形成して装置制御部２４に伝送する（Ｓ３１）。このとき、干渉計移動ステージ５０の移動速度は一定であるので、観察物点Ｐの位置の画像は好適に形成される。装置制御部２４は、形成された画像をモニタ装置３０に表示させる（Ｓ３２）。

画像形成部２５は、計測物点Ｑのｚ方向への移動（画像計測深度方向へのスキャン）に応じて定期的に画像を形成する（Ｓ３３）。この定期的に形成される画像は、逐次モニタ装置３０に表示される（Ｓ３４）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら（Ｓ３５）、画像計測は終了となる。検者は、必要に応じて計測された画像を記憶部２６等に保存することができる。

本実施形態の光画像計測装置１′によれば、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑは、被測定物体Ｏの観察時には観察物点Ｐと同位置にあり、計測開始スイッチ６０が操作されたことに対応して、計測物点Ｑを被測定物体Ｏから所定距離だけ一旦退避させた後、元の観察物点Ｐの位置の方向に向かって（つまり逆方向に）移動を開始する。計測物点Ｑは、一定速度となるまで加速されて観察物点Ｐの位置を通過する。換言すると、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２は、最初は被測定物体Ｏの観察位置（観察深度）を計測位置とし、計測開始のトリガに対応し、この観察位置から距離ｄだけ離れた位置まで計測位置が移動される。距離ｄだけ離れた位置まで移動されたら、計測位置が元の観察位置に向けて移動され、その移動速度が一定速度となった後に元の観察位置を通過する。したがって、本実施形態の光画像計測装置１′によれば、計測開始のトリガの入力後、迅速に画像計測を開始することができ、観察物点Ｐの位置の画像（計測領域決定時に観察していた領域の画像）を好適に取得することが可能となる。

また、本実施形態によれば、観察時に計測物点Ｑが観察物点Ｐと同位置にあるので、干渉光が正常に生成されているかを確認することが可能である。たとえば、計測開始スイッチ６０が操作されたことに対応して計測光Ｈを出力するとともに干渉計移動ステージ５０を移動させ、そのときに計測用ＣＣＤカメラ２１、２２に導光される光を検出する。この検出結果に基づいて適正なビート周波数の干渉光が生成されているかを判断できる。適正な干渉光が生成されていない場合には、たとえばモニタ装置３０にエラーメッセージを表示して検者に報知することができる。それにより、計測ミスの発生を回避することができ、無駄な計測を実行することがなくなる。

図８に示す光画像計測装置１００′は、第１の実施形態の変形例（図５参照）にて説明した光画像計測装置１００に本実施形態の構成を適用したものである。この光画像計測装置１００′においては、観察用ＣＣＤカメラ１１１の観察物点Ｐと計測用ＣＣＤカメラ１１３の計測物点Ｑとが一致されている。

この光画像計測装置１００′の処理態様を説明する。検者が計測領域の決定後に計測開始トリガを入力すると（上記ステップＳ２４に対応）、照明光源１０７を消灯し観察用ＣＣＤカメラ１１１の動作を停止させて観察動作を終了する（上記ステップＳ２５に対応）。

また、計測開始トリガの入力に対応し、干渉計移動ステージ１１４を被測定物体Ｏから所定距離だけ退避させる（上記ステップＳ２６に対応）。次に、干渉計移動ステージ１１４を被測定物体Ｏの方向に向けて移動開始する（上記ステップＳ２７に対応）。それにより、計測物点Ｑが、観察物点Ｐの位置に向かって徐々に移動される。更に、干渉計移動ステージ１１４は、その搭載部材を所定速度まで徐々に加速させ、当該所定速度に到達後は一定速度で移動させる（上記ステップＳ２８に対応）。干渉計移動ステージ５０の移動速度は、計測物点Ｑが観察物点Ｐに達するまでの間に一定速度となる。

更に、計測開始トリガの入力に対応し、広帯域光源２から計測光を出力させ、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づいて計測画像を形成させてモニタ装置３０に表示する（上記ステップＳ２９に対応）。

計測物点Ｑが観察物点Ｐの位置を通過するとき（上記ステップＳ３０に対応）、信号処理部は、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づき、観察物点Ｐの位置の画像を形成してモニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ３１、Ｓ３２に対応）。

信号処理部は、計測物点Ｑの画像計測深度方向へのスキャンに応じて定期的に画像を形成し、逐次モニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ３３、Ｓ３４に対応）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら、画像計測は終了となる（上記ステップＳ３５に対応）。

この光画像計測装置１００′によれば、上記実施形態と同様に、計測開始トリガの入力後、迅速に画像計測を開始でき、観察物点Ｐの位置の画像（計測領域決定時に観察していた領域の画像）を好適に取得できる。

〈第３の実施形態〉
続いて、本発明に係る光画像計測装置の第３の実施形態について説明する。図９は、本実施形態の光画像計測装置１″の光学系の構成の一例を表している。また、図１０は、この光画像計測装置１″の制御系の構成の一例を表している。

本実施形態の光画像計測装置１″は、第２の実施形態の光画像計測装置１′とほぼ同様の光学的構成を有する（図６と同じ符号を用いて説明する。）。第２の実施形態との光学系の相違点は、光画像計測装置１″には光路長補正ガラス１８が追加されているところである（図９参照）。

また、制御系についても第１、２の実施形態とほぼ同様であるが（図２と同じ符号を用いて説明する。）、光路長補正ガラス１８を信号光Ｓの光路に挿入／退避させる補正ガラス駆動機構１９を備えている点が異なる。（図１０参照）。この補正ガラス駆動機構１９は、たとえばリニアアクチュエータ等によって構成される。

光路長補正ガラス１８が信号光Ｓの光路に挿入されると、その光路長が変更されて、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑや観察用ＣＣＤカメラ２３の観察物点Ｐが装置側に距離ｄだけ移動される。この距離ｄは、第１の実施形態と同様に、静止状態の干渉計移動ステージ５０が所定速度まで加速するのに必要な距離又はそれ以上の距離に設定されている。

以上のような本実施形態の光画像計測装置１″による処理態様の一例について、図１１のフローチャートを参照して説明する。なお、初期状態において、光路長補正ガラス１８は、信号光Ｓの光路から退避されている。

検者が観察開始スイッチを操作すると（Ｓ４１）、装置制御部２４は、照明光源１２を点灯させ、観察用ＣＣＤカメラ２３からの検出信号に基づいてモニタ装置３０に観察画像を表示させる（Ｓ４２）。検者は、表示された観察画像を見ながら被測定物体Ｏの様々な領域にピントを合わせて観察を行うことで計測領域を決定する（Ｓ４３）。

このとき、観察用ＣＣＤカメラ２３の観察物点は、たとえば図９に示すように被測定物体Ｏの装置側表面（観察物点Ｐ）に位置し、被測定物体Ｏの装置側表面にピントの合った観察画像がモニタ装置３０に表示される。また、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑの位置は、観察物点Ｐに一致している。

計測領域を決定したら、検者は計測開始スイッチ６０を操作する（Ｓ４４）。装置制御部２４は、この計測開始要求に応じ、照明光源１２を消灯させ、観察用ＣＣＤカメラ２３の動作を停止させて観察動作を終了する（Ｓ４５）。

また、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ４４）、補正ガラス駆動機構１９を制御して、光路長補正ガラス１８を信号光Ｓの光路に挿入する（Ｓ４６）。それにより、計測物点Ｑ（及び観察物点Ｐ）は、図９に示すように、装置側に距離ｄだけ移動される。

また、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ４４）、ステージ駆動機構５１を制御して干渉計移動ステージ５０の移動を開始する（Ｓ４７）。それにより、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑが、光路長補正ガラス１８の挿入前における計測物点Ｑの位置に向かって徐々に移動される。更に、装置制御部２４は、干渉計移動ステージ５０の搭載部材を所定速度まで徐々に加速させ、当該所定速度に到達したらその速度を維持して一定速度で移動させる（Ｓ４８）。その移動速度は、距離ｄを移動するまでの間に一定となる。

更に、装置制御部２４は、計測開始スイッチ６０の操作に対応し（ステップＳ４４）、駆動パルス発生器２Ａを制御して広帯域光源２から計測光Ｈを出力させ、ピエゾ素子９を制御して参照鏡８を振動させるとともに、画像形成部２５を制御して計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号を基に計測画像を形成させてモニタ装置３０に表示させる（Ｓ４９）。なお、干渉計移動ステージ５０による移動速度が一定になるまで品質の高い計測画像は取得されない。

計測物点Ｑが光路長補正ガラス１８挿入前の位置を通過するとき（Ｓ５０）、画像形成部２５は、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２からの検出信号に基づき、ガラス挿入前の位置の画像を形成して装置制御部２４に伝送する（Ｓ５１）。このとき、干渉計移動ステージ５０の移動速度は一定であるので、ガラス挿入前の位置の画像は好適に形成される。装置制御部２４は、形成された画像をモニタ装置３０に表示させる（Ｓ５２）。

画像形成部２５は、計測物点Ｑのｚ方向への移動（画像計測深度方向へのスキャン）に応じて定期的に画像を形成する（Ｓ５３）。この定期的に形成される画像は、逐次モニタ装置３０に表示される（Ｓ５４）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら（Ｓ５５）、画像計測は終了となる。検者は、必要に応じて計測された画像を記憶部２６等に保存することができる。

本実施形態の光画像計測装置１″によれば、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２の計測物点Ｑは、被測定物体Ｏの観察時には観察物点Ｐと同位置にあり、計測開始スイッチ６０が操作されたことに対応して挿入される光路長補正ガラス１８によって被測定物体Ｏから距離ｄだけ退避された後、光路長補正ガラス１８挿入前の位置の方向に向かって移動を開始する。計測物点Ｑは、一定速度となるまで加速されて補正ガラス挿入前の位置を通過する。なお、補正ガラス挿入前の計測物点Ｑの位置は観察物点Ｐに一致されている。換言すると、計測用ＣＣＤカメラ２１、２２は、最初は被測定物体Ｏの観察位置（観察深度）を計測するようにピントが合っているが、計測開始のトリガに対応し、光路長補正ガラス１８が光路に挿入されて、計測位置を距離ｄだけ離れた位置に移動させる。更に、計測位置は、元の位置（観察位置）に向けて移動され、その移動速度が一定速度となった後に元の位置、つまり観察位置を通過する。したがって、本実施形態の光画像計測装置１″によれば、計測開始のトリガの入力後、迅速に画像計測を開始することができ、観察物点Ｐの位置の画像（計測領域決定時に観察していた領域の画像）を好適に取得することが可能となる。

図１２に示す光画像計測装置１００″は、第１の実施形態の変形例（図５参照）にて説明した光画像計測装置１００に本実施形態の構成を適用したものである。この光画像計測装置１００″においては、観察用ＣＣＤカメラ１１１の観察物点Ｐと計測用ＣＣＤカメラ１１３の計測物点Ｑとが一致されている。

この光画像計測装置１００″の処理態様を説明する。検者が計測領域の決定後に計測開始トリガを入力すると（上記ステップＳ４４に対応）、照明光源１０７を消灯し観察用ＣＣＤカメラ１１１の動作を停止させて観察動作を終了する（上記ステップＳ４５に対応）。

また、計測開始トリガの入力に対応し、光路長補正ガラス１１６を信号光の光路に挿入する。（上記ステップＳ４６に対応）。それにより、計測物点Ｑが装置側に距離ｄだけ変位される。次に、光路長補正ガラス１１６挿入前の計測物点Ｑの位置に向けて、干渉計移動ステージ１１４を移動開始する（上記ステップＳ４７に対応）。それにより、計測物点Ｑが、補正ガラス挿入前の位置に向かって徐々に移動される。更に、干渉計移動ステージ１１４は、その搭載部材を所定速度まで徐々に加速させ、当該所定速度に到達後は一定速度で移動させる（上記ステップＳ４８に対応）。干渉計移動ステージ５０の移動速度は、計測物点Ｑが補正ガラス挿入前の位置に達するまでの間に一定速度となる。

更に、計測開始トリガの入力に対応し、広帯域光源２から計測光を出力させ、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づいて計測画像を形成させてモニタ装置３０に表示する（上記ステップＳ４９に対応）。

計測物点Ｑが補正ガラス挿入前の位置を通過するとき（上記ステップＳ５０に対応）、信号処理部は、計測用ＣＣＤカメラ１１３からの検出信号に基づき、当該挿入前の位置の画像を形成してモニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ５１、Ｓ５２に対応）。

信号処理部は、計測物点Ｑの画像計測深度方向へのスキャンに応じて定期的に画像を形成し、逐次モニタ装置３０に表示させる（上記ステップＳ５３、Ｓ５４に対応）。計測物点Ｑのスキャンが終了したら、画像計測は終了となる（上記ステップＳ５５に対応）。

この光画像計測装置１００″によれば、上記実施形態と同様に、計測開始トリガの入力後、迅速に画像計測を開始でき、補正ガラス挿入前の計測物点と同位置の観察物点Ｐの位置の画像（計測領域決定時に観察していた領域の画像）を好適に取得できる。

以上で詳述した構成は、本発明を実施するための一具体例に過ぎない。したがって、本発明の要旨の範囲内における任意の変形を施すことが可能である。

本発明に係る第１の実施形態の光画像計測装置の光学系の構成の一例を表す概略図である。 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表すブロック図である。 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３（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計測光の時間波形を表す。図３（Ｂ）は、広帯域光源から出力される計測光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３（Ｃ）は、広帯域光源から出力される計測光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３（Ｄ）は、広帯域光源から出力される計測光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３（Ｅ）は、広帯域光源から出力される計測光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１の実施形態の光画像計測装置の処理態様の一例を表すフローチャートである。 本発明に係る光画像計測装置の変形例の光学系の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の光画像計測装置の光学系の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第２の実施形態の光画像計測装置の処理態様の一例を表すフローチャートである。 本発明に係る光画像計測装置の変形例の光学系の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第３の実施形態の光画像計測装置の光学系の構成の一例を表す概略図である。 本発明に係る第３の実施形態の光画像計測装置の制御系の構成の一例を表すブロック図である。 本発明に係る第３の実施形態の光画像計測装置の処理態様の一例を表すフローチャートである。 本発明に係る光画像計測装置の変形例の光学系の構成の一例を表す概略図である。 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。

符号の説明

１、１′、１″、１００、１００′、１００″ 光画像計測装置
２ 広帯域光源
２Ａ 駆動パルス発生器
３ 偏光板
４、５ レンズ
６ ハーフミラー
７ 波長板
８ 参照鏡
９ ピエゾ素子
１０ 結像用レンズ群
１１ 偏光ビームスプリッタ
１２ 観察光源
１３ 集光レンズ
１４ ハーフミラー
１５ ビームスプリッタ
１６ 反射ミラー
１７ 結像レンズ
２０ 信号処理部
２１、２２ 計測用ＣＣＤカメラ
２３ 観察用ＣＣＤカメラ
２４ 装置制御部
２５ 画像形成部
２６ 記憶部
３０ モニタ装置
４０ 装置移動ステージ
４１ ステージ駆動機構
５０ 干渉計移動ステージ
５１ ステージ駆動機構
６０ 計測開始スイッチ
Ｐ 観察物点
ｐ 観察像点
Ｑ 計測物点
ｑ１、ｑ２ 計測像点
Ｒ 参照光
Ｓ 信号光
Ｌ 干渉光
Ｌ１ 干渉光のＳ偏光成分
Ｌ２ 干渉光のＰ偏光成分
Ｏ 被測定物体

Claims (9)

1. 受光した干渉光に基づいて被測定物体の画像を形成する光画像計測装置であって、
   被測定物体を観察光で照明する照明光学系と、
   前記被測定物体による前記観察光の反射光を受光して信号を生成する観察用受光手段と、
   前記観察光の反射光を前記観察用受光手段に合焦させる観察光合焦手段と、
   前記観察用受光手段により生成された信号に基づいて前記被測定物体の観察画像を表示する表示手段と、
   前記観察画像を参照して画像計測を開始するときに操作される操作手段と、
   前記操作手段が操作されたことに対応して計測光を出射する計測光源と、
   前記出射された計測光を前記被測定物体を経由する信号光と参照物体を経由する参照光とに分割する分割手段と、
   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干渉光を生成する重畳手段と、
   前記観察光の反射光が前記観察用受光手段に合焦されているときに、その観察物点の位置から前記信号光の光路方向に所定距離だけ離れた位置に計測物点を有するように配置され、前記生成された干渉光を受光する計測用受光手段と、
   前記操作手段が操作されたことに対応し、前記計測用受光手段の計測物点を前記所定距離だけ離れた前記観察物点の位置の方向に移動させるように、前記計測光源と前記分割手段とを移動させることにより、前記信号光と前記参照光との光路長差を変更する光路長変更手段と、
   を備え、
   前記観察物点は、前記観察用受光手段上に前記観察光の反射光を合焦する点であり、前記計測物点は、前記計測用受光手段上に前記干渉光の像点を形成する点である、
   ことを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記光路長変更手段は、前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、及び前記重畳手段を前記信号光の光路方向に一体的に移動させる移動手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
3. 前記移動手段は、前記操作手段が操作されたことに対応して前記一体的な移動を開始し、
   前記所定距離は、前記移動手段が静止状態の前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、及び前記重畳手段を一体的に一定速度まで加速させるのに必要な距離又はそれ以上の距離とされている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の光画像計測装置。
4. 前記光路長変更手段は、前記参照物体を前記参照光の光路方向に移動させる参照物体移動手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の光画像計測装置。
5. 前記参照物体移動手段は、前記操作手段が操作されたことに対応して前記参照物体の移動を開始し、
   前記所定距離は、前記参照物体移動手段が静止状態の前記参照物体を一定速度まで加速させるのに必要な距離又はそれ以上の距離とされている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の光画像計測装置。
6. 前記照明光学系は、前記観察光を出射する観察光源と、前記出射された観察光の光路を前記信号光の光路に合成する合成手段とを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
7. 前記照明光学系は、前記信号光の光路に対して斜め方向から前記被測定物体に向けて前記観察光を出射する観察光源を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光画像計測装置。
8. 前記被測定物体による前記観察光の反射光は、前記被測定物体を経由した前記信号光の光路に沿って導光され、前記重畳手段を経由して前記干渉光の光路に沿って導光され、
   前記観察光の反射光の光路を前記干渉光の光路から分岐させる分岐手段を更に備え、
   前記観察光合焦手段は、前記分岐された前記観察光の反射光を前記観察用受光手段に合焦させる、
   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. 前記観察光合焦手段は、前記観察用受光手段、前記観察用合焦手段、前記計測光源、前記参照物体、前記分割手段、前記重畳手段及び計測用受光手段を前記信号光の光路方向に一体的に移動させる合焦移動手段を含むことを特徴とする請求項８に記載の光画像計測装置。

Images