JPH0886746A - 高感度光波反射測定装置及び該装置を利用した 光波エコートモグラフィー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目 的】 多モード発振レーザを光源として、被測定
物体内の屈折率の異なる境界面の位置情報を高感度で得
る光波反射像測定装置を提供する。 【構 成】 多モード発振レーザを照射光として屈折率
の異なる層からなる被測定物体に照射する照射手段と、
前記被測定物体内部の奥行き方向の屈折率の異なる地点
からの反射光と、遅延時間を変化させられた参照光とを
合成する合成手段と、合成された光を光電変換する変換
手段と、光電変換手段の時定数を多モードのモード間の
ビート成分に応答しないようにして、該手段から出力さ
れる被測定物体の反射位置に対応して生ずる出力の位置
より被測定物体の奥行き方向の反射地点を求める光波反
射測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、多モードレーザ発振
器を光源として、被測定物体に照射し、被測定物体中か
らの反射光波の反射距離や反射強度を検出する装置に係
わり、特に反射面に対応する時間遅れの出力パルスとし
て反射距離を測定する光波反射測定装置及びその装置を
利用した生体の組織構造等の光波反射像を得る光波エコ
ートモグラフィー装置（光波反射像測定装置）に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】測定物体の位置情報を遠隔計測する方
法、特に光ファイバの損失・欠陥を光学的に非接触で検
出する方法には、光学干渉計を用いて、レーザ光の周波
数を線形に掃引する方法やステップ状に周波数を掃引す
る方法により、反射信号光の位相遅れを検出して位置情
報に換算する方法がある。これらに用いられるレーザに
は、空間分解能を上げＳＮ比良く信号を観測するため、
狭帯域な単一モードレーザで広帯域に掃引可能なものが
要求されて来た。しかし、多モードでのレーザ発振現象
は、レーザ発振器に本質的に存在するもので、現状の技
術では広帯域な掃引を妨げる要因となっている。すなわ
ち、これらの制約のため、空間距離分解能を上げること
は限界があった。しかも、これらの方法を、生体試料に
適用して反射距離や反射強度より、光波反射像を得る光
波エコートモグラフィーに応用するには、生体試料特有
の散乱成分の影響を除去して、屈折率の異なる地点から
の反射光を選択的に検出することが必要である。

【０００３】一方、Ｘ線源の代わりにレーザビームを照
射し、透過光を光ヘテロダイン法で高感度検出して断層
像を得る方法がある。例えば、特願平１−２５００３
６、あるいは電子情報通信学会論文誌Ｃ−１，Ｖｏｌ．
Ｊ７４−Ｃ−１，Ｎｏ．４，ｐｐ．１３７〜１５０，１
９９１年４月参照。これら透過光を利用する代りに、ス
パールミネッセンス光を用いた後方散乱光にヘテロダイ
ン検波を利用することにより表面から一定深さまでの断
層像を得る方法が、特願平２−３００１６９に開示され
ている。この方法と同じ方法により、ヒト網膜や血管壁
の表面付近の断層イメージングが米国Ｍ．Ｉ．Ｔ．にお
いて行なわれた（Ｓｃｉｅｎｃｅ，２５４，ｐｐ．１１
７８〜１１８１，１９９１）。この方法は、スパールミ
ネッセンスを光源として用いているため、部分的コヒー
レンスの波面整合条件がヘテロダイン検波のビート成分
を決めている。しかし、光源が部分的コヒーレンスのた
め、コントラストがコヒーレント光より悪くなるため、
検出感度もコヒーレント光に比較すると悪くなり、さら
に光源の種類が限られている等の問題を有している。

【０００４】前記の様に、従来、光波反射測定装置の光
源としては、単一モードレーザ光を周波数変調したり、
ステップ毎に周波数を変化させたものを用いるか、スパ
ールミネッセンスダイオードや疑似白色光源等の低コヒ
ーレント光源を用いていた。前者の光源は、光源の制御
が複雑で大がかりになる問題を有しており、後者の光源
はコヒーレント光でないため、検出される信号のコント
ラストが前者より悪く、生体試料等の散乱成分の多い試
料では検出限界が悪くなる問題を有していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、使用する光源の制御が複雑でなく、しかも、部分
的コヒーレント光よりも信号対雑音比の高い高感度検出
が出来る被測定物体内の屈折率の異なる境界面の位置情
報をパルスの遅延時間として得ることの出来る光波反射
測定装置を提供することである。更に、生体試料特有の
散乱成分の影響を除去した、被測定物体内の屈折率の異
なる境界面の位置の分布を、奥行きの面情報として得る
光波エコートモグラフィー装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、多モードレーザ光を照射光として、屈折率
の異なる層からなる被測定物体に照射する照射手段と、
前記照射光の一部よりの参照光の遅延時間を変化させる
手段と、前記被測定物体内部の奥行き方向の屈折率の異
なる地点からの反射光と、遅延時間を変化させられた参
照光とを合成する手段と、前記合成手段で合成された光
を光電変換する変換手段と、該手段から出力される信号
成分の大きさを記憶する手段と、被測定物体の反射位置
に対応して生ずる出力の位置より被測定物体の奥行き方
向の屈折率の異なる地点の反射情報を求めることを特徴
とする。

【０００７】また本発明は、試料を移動させるステージ
と、多モードレーザ光の一部より遅延時間を変化させら
れた参照光又は被測定物体内部の奥行き方向の異なる地
点からの反射光のいずれかの周波数をシフトさせて所定
の周波数差を生じさせ、周波数差を生じた参照光と反射
光を合成する手段と、試料から反射される光の伝播する
領域を複数に分割する手段と、複数に分割された空間の
開口径を散乱光の減衰させる度合いが大きい程大きくし
て、異なる分割された空間間の干渉が生じないようにす
る手段と、複数に分割された空間の被測定物体の異なる
反射点からの反射光と参照光とを合成した光の干渉成分
のビード成分を検出して反射直進光を選択的に検出して
被測定物体の反射位置に対応して生ずる出力信号の位置
を検出する手段とにより、散乱成分の影響を除去した被
測定物体である散乱物体の屈折率の異なる境界面の位置
分布を奥行きの面情報として得ることを特徴とする。

【０００８】

【作用】本発明は、スーパールミネッセンス光を光源と
して用い、可動鏡を走査するマイケルソン干渉計による
光波反射測定装置の代わりに、マルチモードレーザ光を
光源として用いるため、従来のものよりコントラストが
良くなり高感度が期待できる。すなわち、スーパールミ
ネッセンスダイオードや発光ダイオードの様な疑似白色
光源より、マルチモードレーザはコヒーレンスが良いた
め、それらを用いた従来の方法より干渉成分の頃がコン
トラスト良く、従って信号対雑音比の高い高感度な検出
が出来る。特に、ヘテロダイン検波を併用するとき、ビ
ート成分はコヒーレンスの高い光源程コントラスト良く
検出出来、高感度にできるため、散乱の多い生体試料等
のとき偉力を発輝する。ただし、マルチモードレーザを
用いると、レーザ共振器の長さに対応する距離毎に出力
パルスが得られるため、測定出来る反射面の距離は、レ
ーザ共振器長以下の制約が生じる。また、得られる出力
パルスは、インコヒーレント光のようにスペクトル分布
のフーリエ変換で決まるδ関数的パルスが１つではな
く、コヒーレント長内にある反射面からのそれぞれのδ
関数的パルスの寄せ集めになる。このうち、被測定物体
の制約は、共振器長を長くすることにより、また、コヒ
ーレント長内にある反射面からの多重干渉の結果生ず
る、いくつかのδ関数的パルスの時間差は、マイケルソ
ン干渉計の可動鏡の走査速度が光速に比べて遅いため、
ほとんど無視出来る。

【０００９】本発明は、被測定物体の一方向より多モー
ドレーザ発振光を照射し、この被測定物体の奥行き方向
の各反射地点から反射される反射光を、照射光の一部の
光を遅延時間を変化させて得られる参照光と合成し、合
成した光を検出器で検出し、合成成分の干渉成分より生
じた反射地点に対応した遅延時刻に発生したパルス光を
検出することにより、被測定物体の奥行き方向の屈折率
の異なる境界層各点の反射位置を、従来の低コヒーレン
ト光源を用いたリフレクトメーターより高感度で検出す
ることができる。

【００１０】さらに本発明は、被測定物体の一方向より
多モードレーザ発振光を照射し、この被測定物体の奥行
き方向の各地点から反射される反射光か、照射光の一部
を分割してえた遅延時間を変化させられた参照光の周波
数をシフトさせ、前記反射光と参照光を合成し、合成し
た光を光電変換して得られる反射地点に対応して引き伸
ばされた遅延時間に発生したビート成分の位置を検出す
ることにより、被測定物体の奥行き方向の屈折率の異な
る境界層各点からの反射位置を非干渉成分である直流成
分を除去して更に一層高感度で検出することができる。

【００１１】しかも、本発明を被測定物体の奥行き方向
の屈折率の異なる地点の分布を画像として求める光波エ
コートモグラフィーとして用いれば、散乱物体である被
測定物体の一方向より多モードレーザ発振光を照射する
ことによって散乱物体の奥行き方向の屈折率の異なる各
地点から反射位置を得ることができるため、散乱物体の
全方位から光を照射することなく、散乱物体内部の屈折
率の異なる各地点の位置を特定することができる。つま
り、散乱物体内部の屈折率の異なる各地点からの反射光
としての多モードの多重遅延位相反射光が参照光と重ね
合わされた結果、屈折率の異なる各地点に対応するビー
ト周波数がエンンベロープ変調されたパルス光となり、
パルス光のみを電気信号として再生し、数十ミクロンｍ
以下の空間分解能で、散乱物体の奥行き方向の各地点か
らの反射光を測定可能としている。したがって、透過型
光断層像装置に比べ光の照射回数を減少することができ
ると共に、スパールミネッセンスダイオード等の低コヒ
ーレント光を用いた光波エコートモグラフィーより高感
度な測定ができる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。第１図において、発光素子１は多モー
ドレーザ発振器であり、例えば半導体レーザ等によって
構成されている。この多モードレーザ発振器１から発生
される光ビームの光軸上には、集光レンズ２、ビームス
プリッター３、被測定物体４が順次配設されている。こ
の被測定物体４は屈折率の異なる境界面の分布を求める
場合例えばＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能な可動台５に載
置されている。又、前記多モードレーザ発振器１から発
生された光ビームのうち、ビームスプリッター３によっ
て分割された光ビームの一方にはマイケルソン干渉計と
同じ様に距離を走査できる反射鏡６ａと周波数シフト６
として光音響変調器６ｂ、試料からの反射光と同程度の
強さの反射光にするための減光器１３が設けられてい
る。

【００１３】一方、前記被測定物体４から反射された光
ビームのうち、ビームスプリッター３によって分岐され
た光ビーム及び反射鏡６ａにより反射される参昭光軸上
には、光電変換器としての光検出器７ａが設けられてい
る。この検出器７ａの出力端にはヘテロダイン検波を併
用する場合のため、ビート周波数に応答するフィルター
７ｂが接続され、その出力には信号処理器８が接続され
ている。この信号処理器８は、例えば、ビート信号をヘ
テロダイン検波するため、ビート信号をとりだす帯域通
過フィルタ（ＢＰＦ）８ａ、及びこの帯域通過フィルタ
８ａによって取り出された信号を２乗検波８ｂによって
大きさを求め、その対数値を求めるロウパスフィルター
８ｃ、対数増幅８ｄ、よりなる復調器及びデジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器８Ｅによって構成されている。
このＡ／Ｄ変換器８Ｅから出力されるデジタル信号はコ
ンピュータ９に供給される。このコンピュータ９には、
信号処理器８から出力された時継列のパルス信号を記憶
するメモリ１０および各種情報を表示するディスプレイ
装置１１が接続されている。

【００１４】上記構成において、光源１から発生された
多モードレーザ光は、レンズ２で平行光束とされ、ビー
ムスプリッター３によって２分割される。このうち一方
の光ビームは反射鏡６ａにより反射され、ビームスプリ
ッター３とのあいだに光音響変調器６ｂ及び減光器１３
を入れることにより周波数シフトされた反射信号光と同
程度の強さの参照光波となる。反射鏡６ａは走査され、
反射光はその周波数がドップラーシフトを受け、且つ可
動ミラーの移動距離に相当する位相遅れを持つ参照光波
となる。

【００１５】また、前記ビームスプリッター３によって
分割された他方の光ビームは、被測定物体４のＹ軸座標
のビームの大きさで決まる一点より照射され、この物体
中を透過伝搬していく。光学的層構造、即ち屈折率の異
なる多層物質より構成される被測定物体中を伝搬する光
ビームは、この層の境界毎に反射され、一部は入射光ビ
ームの方向に戻り反射光波を形成する。この反射光波の
多モード各々の位相は入射光ビームの入射位置より奥行
き方向（Ｚ軸方向）にある境界の位置に従ってそれぞれ
遅延する。

【００１６】可動ミラーの移動距離に相当する位相遅れ
を持つ参照光波と、被測定物体からの反射光波の合成光
波の出力信号を、光源のコヒレンス度に応じて求めるた
めに、一般的な２光線束干渉を考える。図２に示す２光
線束干渉では、光源から出た光をいったんビームスプリ
ッターによって２分した後、再び空間的に結合させて干
渉縞を形成させる。その際、分離前の空間を光源空間、
再結合後の空間を干渉縞空間と名付ける。この干渉計に
は、光源空間の点Ａ点Ｂの間の光路長がＬ_ＡＢ（１）と
Ｌ_ＡＢ（２）の２つの光路が存在する。Ｌ_ＡＢ（１）は
光路１をＬ_ＡＢ（２）は光路２をとったときの値であ
る。点Ｂにおいて干渉する２つの波ｕ１とｕ２を考え
る。波の進行方向をＺ軸にとって、振動数ν、真空中の
波長λ_０媒質の屈折率ｎ、真空中の光速度Ｃ、初期位相
δ_１、δ_２、振幅Ｅ_１、Ｅ_２とする。これらの関係は、
以下の様に表わせる。

【数式１】 進行する正弦波が、いま点Ａから点Ｂまで光が進む場
合、位相の遅れφは次式であたえられる。

【数式２】

【数式３】

【数式４】

【数式５】

【００１７】図２において、光源上Ａの近傍にもう１つ
別の点光源Ａ′を考えると、Ａ′によるＢ上の光路差
は、Ａによる光路差と一般に異なり、干渉縞を光源Ａと
Ａ′に関して加算すると縞のコントラストが低下する。
点Ａのまわりに有限な広がりをもつ光源Ｓを考える。更
にこの面光源がある広がったスペクトル分布をもつ場
合、その輝度分布は場所Ｓと波長の関数になる。光源の
輝度分布をｌ（ｓ，ｋ）で表わす。光源上のすべての点
では、同一のスペクトル分布をもち、光源上の輝度分布
をｌ（ｓ）、光源のスペクトル分布をｌ′（ｋ）とする
と、ｌ（ｓ，ｋ）は次式となる。

【数式６】 Ｂ_１とＢ_２を干渉縞観測点Ｂの、干渉計による２つの光
路それぞれに対する光源空間の共役点とする。干渉縞の
強度は、次式で与えられる。

【数式７】 ただし、λ_０＝２π／ｋ_０，ｋ＝ｋ_０＋Δｋ、Δｋ≪ｋ
_０である。ここに、γ（Ｂ_１，Ｂ_２）は複数コヒーレン
ス度とよばれ、次式で与えられる。

【数式８】 ｕ_１２＝ｕ（Ｂ_１、Ｂ_２）は平均波長λ_０＝２π／ｋ_０
に対する位相コヒーレンス係数で次式となる。

【数式９】 ε_１２＝ε（ＡＢ_１−ＡＢ_２）は時間コヒーレンス係数
で次式となる。

【数式１０】 図２の点Ｂにおける干渉縞の強度は、整理すると次式と
なる。

【数式１１】 ここで、ε_１２は時間コヒーレンス係数、ｕ_１２は位相
コヒーレンス係数（空間コヒーレンス係数）、２Ｅ_１Ｅ
_２／（Ｅ_１ ^２＋Ｅ_２ ^２）は２光束干渉光の振幅の比で決
まり、Ｅ_１、Ｅ_２のとき最大値１となる。

【００１８】以上より、干渉縞のコントラストは、時間
コヒーレンス係数、位相コヒーレンス係数（空間コヒー
レンス係数）、二光束干渉光の振幅の比で決まる。この
うち、時間コヒーレンス係数は使用する光源のスペクト
ル分布で決まり、一般にはスペクトル分布のフーリエ変
換で与えられる。この二光束干渉光の光路差で決まる時
間コヒーレンス係数は、光のスペクトル分布が広いと、
干渉する二光束の光路差がないときだけ相関があり、マ
イケルソン干渉計の出力は光路差０のところでパルス状
の出力が得られる。一方、単一モードのレーザの場合
は、コヒーレンス長が長いため、マイケルソン干渉計の
出力は、光路差がレーザーのコヒーレンス長より短い範
囲のあいだ相関があり、ビート信号が得られる。但し、
レーザでも、マイケルソン干渉計の参照光波と反射光波
の空間的波面整合が完全でないと、ビート成分は小さ
く、従って時間コヒーレンス係数も小さくなる。また、
位相コヒーレンス係数（空間コヒーレンス係数）は、レ
ーザーの様なコヒーレンス光の場合は１となるが、低コ
ヒーレンス光源やインコヒーレンス光源の場合、光源の
空間的拡がりが大きくなる程小さくなる。スーパルミネ
ッセンスダイオードや発光ダイオードは、発光場所を点
光源と近似できるような工夫をしない限り、一般には１
より小さい。次に、２Ｅ_１Ｅ_２／（Ｅ_１ ^２＋Ｅ_２ ^２）の
頃は干渉項を表わし、コントラストを良くすることがＳ
／Ｎ比を大きくすることになる。被測定物体からの反射
光の強さは、物体で決まってしまう。コントラストを良
くするには、次の二通りの方法を行う。第１は、反射信
号光が参照光より非常に小さい場合である。この場合は
ショット雑音成分は参照光分だけと近似でき、コヒーレ
ンス光通信のヘテロダイン検波と同様に、Ｓ／Ｎ比は反
射信号のショット雑音成分だけに依存する「ショット雑
音限界」のＳ／Ｎ比を持つ。この場合は、Ｓ／Ｎ比を大
きくするために特別なことはしない。第２は、反射信号
光が参照光より弱いが差が極端でない場合である。この
場合はショット雑音成分は参照光分と信号光分両者より
なりたっている。このときは、前記干渉光成分は二光束
の振幅が等しいとき最大値１となりＳ／Ｎ比も「ショッ
ト雑音限界」のＳ／Ｎ比となる。従って、参照光の強さ
は反射鏡の反射率や光路中に挿入した減光器の減光率を
調整することで、反射信号光と参照光の強さを同程度に
することができ、Ｓ／Ｎ比を大きく出来る。

【００１９】干渉光を検出器で検出するとき、光電子増
倍管をはじめ半導体検出器の雑音で、原理的に低減出来
なく主たる雑音となるのは入射光強度に比例して生じる
量子雑音、即ちショット雑音である。光波反射測定装置
をＳ／Ｎ比を上げて、高感度で検出するためには、干渉
縞のコントラストを上げて検出する必要がある。特に生
体試料等の散乱成分の多い試料を用いた、光反射信号よ
り超音波エコー測定のようなトモグラフィーを得るとき
には、ランダムな散乱成分が加算され、干渉縞のコント
ラストが一層低下する。従って、前記コントラストを決
める三つの要因の値を、それぞれ１に近い値に設定出来
ることが望ましい。本発明は、以上の観点より、光源と
して低コヒーレンス光源としてのスパールミネッセンス
ダイオード等に代わりに、コントラストが一番高くとれ
る多モード発振レーザーを用い、その分被測定物体の奥
行きの測定距離に限界があるという犠牲を払っている。
更に、反射信号光が参照光より弱いが差が極端でない場
合、参照光と試料反射光の強度を同程度にしてコントラ
ストを上げるため、参照光用の反射鏡の反射率を変化さ
せるため、光路中に減光器を挿入する。

【００２０】マイケルソン干渉計の光源として、多モー
ドレーザ光を用いた本発明の高感度光波測定法の原理
を、前記の干渉計の解析に適用する。光源として多モー
ドレーザ光を用いると、発光面は独立な点光源の集まり
でなく平面波として扱えて、位相コヒーレンス係数（空
間コヒーレンス係数）はｕ_１２＝１とおける。多モード
レーザ発振器１からの参照光の光電界Ｅ_ｒ（ｔ，ｚ）は
次式で表わせる。但し、多モードレーザの全モード数２
ｍ＋１、モードの中心周波数をｆ_０，モード隔周波数を
Δｆ（Δｆ＝Ｃ／２ｎＬ、Ｃ：光速度、Ｌ：レーザ共振
器長、ｎ：屈折率）、位相をΨｍ（ｔ）、また、被測定
物体の反射面が参照光反射鏡のビームスプリッター３か
らの距離が一致しているときτ＝０とし、光路差Ｚ_ｒが
ある場合鏡の走引による時間差をτとし、鏡の走引速度
をｖとすると、τ＝Ｚ_ｒ／ｖである。参照光波伝播光路
中に挿入した減光器により電界がαＥｍと表わせるとす
る。

【数式１２】

【００２１】反射信号光電界Ｅ_ｓ（ｔ，ｚ）は、反射面
の電界の反射係数の分布関数をＳ_ｋとしてＮ層の多重構
造をもったものとすると次式で表現される。但し、生体
試料のような散乱物体の場合、媒質中を伝播する距離に
対応して指数関数的に減衰する効果や、距離の２乗に反
比例して減衰する効果を入れる場合、Ｓ_ｋ＝Ｓ_ｋｅｘｐ
（−２α_ｋＺ_ｋ）／Ｚ_ｋとすれば良い。ここで、α_ｋは
ｋ番目の媒質中の減衰率、Ｚｋは参照用反射鏡と試料反
射面との距離の差である。以下、判りやすくするため、
Ｓ_ｋのままで扱う。ここで、鏡の走引速度ｖによる試料
反射面までの距離Ｚ_ｋの時間差をτ′＝Ｚ_ｋ／ｖであ
る。

【数式１３】

【００２２】数式１２で表わせる参照光Ｅ_ｒと数式１３
で表わせる信号光Ｅ_ｓが検出器で２乗検波される。２乗
検出器で検出される出力Ｉ（ｔ）は、次式で表わせる。

【数式１４】 数式１４の出力Ｉ（ｔ）を多モードレーザの参照光及び
信号光で書き表す。そのとき解析を簡単にするため、光
検出器の時定数をモード間のビート成分に応答しないよ
うに設定してあるとし、被測定物体の反射面が多層にな
っていたときでも各層からの相互干渉項は小さいので、
各層の反射光だけで各相の多重干渉である相互干渉項は
無視出来るとする。更に、ｍ番目のモードの位相相関を
指数関数で表わせるとする。また、コヒーレンス時間τ
_ｃはモードによらず一定とする。即ちτ_ｍ＝τ_ｃ。

【数式１５】

【数式１６】

【００２３】反射面と可動鏡の差をΔＬとすると、走引
時間差τは、τ＝ｎΔＬ／ｖで表わせる。また、モード
ｍの電界強度｜Ｅ_ｍ｜^２が、ｍに寄らず一定で、図３の
ような場合の検出器の出力を求める。フーリエ級数核Ｋ
_Ｎ（ｔ）の次式を用いて、出力Ｉ（τ）を求める。

【数式１７】

【数式１８】 但し、ω_０はモード間隔角周波数で、ω_０＝２π（ｆ
_ｍ＋１−ｆ_ｍ）である。また、数式１８の第１項、第２
項は、参照光、反射信号光の強度を表わし、光の干渉縞
の解析式である数式１１のＥ_１ ^２，Ｅ_２ ^２の項に相当す
る。また、数式１１の干渉成分に相当する第２項は、次
式で与えられる。

【数式１９】

【００２４】これらの解析結果を図５に示す。モード数
式１１で、Ｍ＝５の場合の数式１８の出力を示してあ
る。参照光及び反射信号光の強度に相当する非干渉成分
が直流成分としてある。マイケルソン干渉計のビームス
プリッター３から参照光反射鏡までの距離と被測定物体
の反射面までの距離が一致しているとき、τ＝τ′＝０
のところに、モードの数だけマルチプレックスされたパ
ルスが表われる。反射面が試料表面だけであっても、モ
ード間隔が１／Ｔ_０で周期的になっているため、τ＝Ｔ
_０、２Ｔ_０、・・・のところに疑似反射光が観測され
る。出力の高さは、コヒーレンス時間τ_ｃに依存して指
数関数的にτが大きいところで減衰する。反射面が試料
内部にある場合、表面から可動鏡が走引する時間をτ_１
とすると、τ＝τ′＝τ_１のところに反射信号が観測さ
れる。表面反射光に比較して試料による減衰ｅ
^{−２αｋτ}だけ小さくなる。τ＝２τ_１のところの疑似
反射光は、試料による減衰と、コヒーレンス時間に依存
する減衰とが相乗するパルス出力となる。

【００２５】モードｍの電界強度｜Ｅ_ｍ｜^２が、図４の
ように、スペクトル全体の分布はガウス分布に従い、各
モードはローレンツ分布をしているときの出力波形を求
める。多モードのガウス分布をＸ（ｍ，ω_０）とし、周
波数領域における離散化として、デルタ関数列をδ
（ω）、周波数領域における連続スペクトルＸ（ω）の
標本化をＸ^＊（ω），周波数離散信号の方形波形信号ｈ
（ω）による切り出し信号をＹ^＊（ω）、Ｘ（ω）、ｈ
（ω）、Ｙ^＊（ω）のフーリエ変換をｘ（τ）、Ｈ
（τ）、Ｙ^＊（τ）、とする。周波数離散信号の切り出
し信号の時間領域での信号Ｙ^＊（ｔ）を求めると、次式
で与えられる。

【数式２０】 ローレンツ分布をしている各モードのスペクトルは、時
間領域で求めた信号Ｙ^＊（ｔ）にコヒーレンス時間τ_ｃ
に依存して減衰する指数関数を乗算して求められる。Ｈ
（ｔ−ｍＴ_０）は、周波数領域での切り出しのため生じ
た関数、ｘ^＊（ｔ−ｍＴ_０）は、周波数領域でのガウス
分布を多モードに相当するところで、離散サンプリング
し、フーリエ変換したものである。

【００２６】これらの解析結果を図６に示す。時刻ｔを
参照光波と反射信号光波の可動鏡の走引時間差τ−τ′
に置きかえても同じであるため、出力をτ−τ′の関数
として示してある。参照光波及び反射信号光の強度に相
当する非干渉成分が直流成分としてある。τ−τ′＝
０、τ_１、τ_２、・・・、Ｔ_０、２Ｔ_０、・・・で生ず
るパルスは、切り出されたガウス関数のフーリエ変換で
求められる波形である。その他は、図５の場合と同じで
ある。

【００２７】次に、本発明でヘテロダイン検波を用いる
場合について説明する。本発明の方法を生体試料に適用
する場合、試料からの反射光は、媒質内部からのランダ
ムな散乱光と屈折率の異なる各層の境界から反射される
反射光より成り立っている。このうち、ランダムな散乱
光は、ヘテロダイン検波を行うことにより、あるいは高
指向性受光系で受光することにより除去できる。この原
理と構成は、特願平１−６２８９８号、特願平１−２５
００３４号、特願平１−２５００３６号、特願平２−７
７６９０号に記載されている。散乱成分が少ない場合で
も高感度で検出するためには、ヘテロダイン検波を併用
することは望ましい。多モードの各モードの周波数を同
じ周波数だけシフトさせると、ヘテロダイン検波による
ビート周波数は同じになる。マイケルソン干渉計の反射
鏡と被測定物体の反射面が一致した時刻に生ずる信号成
分は干渉成分であり、ビート周波数がパルス状に変調さ
れた出力となっている。この様にするため、検出器の最
大応答周波数は、多モードレーザ光のモード間隔周波数
より小さくし、ヘテロダイン検波のビート周波数よりは
大きく設定する。マイケルソン干渉計の可動鏡の走引速
度によって決まる信号成分であるパルスの基本周波数
は、ビート周波数より小さくなるように可動鏡の走引速
度を設定する。このようにして、検出器からのビート信
号をバンドパスフィルターと２乗検波とロウパスフィル
ターで求め、その大きさの対数値を対数増幅器で算出す
る。その他、信号の処理は第１図の説明と同じである。

【００２８】参照光と試料からの反射信号光をヘテロダ
イン検波を行うため、どちらか一方の光の周波数をシフ
トさせる手段としては、公知の各種周波数シフト方法を
用いることが出来る。本発明の実施例１においては、超
音波シフターを参照光路中に挿入した例を示してある。
光ファイバーを用いてマイケルソン干渉計を形成した実
施例２においては、円筒形電歪振動子（ＰＺＴ）の位相
変調器を用いて、光ファイバーの長さを変化させて周波
数をシフトする場合を示している。

【００２９】次に、ヘテロダイン検波する場合の検出器
出力Ｉ（ｔ，τ−τ′）を求める。周波数シフターによ
る角周波数のシフト量をΔωとし、光電面上で電界強度
を積分したものが出力に比例するから、出力Ｉ（ｔ，τ
−τ′）は、数式１６を光電面上で積分して次式を得
る。

【数式２１】 ここで、第１項、第２項は各々の光強度を与え、第３項
はビート成分を与える。

【００３０】数式２１のビート成分は、検出器の大きさ
が、参照光波、反射信号光波のフラウンフォーファの０
次の回析像より小さく、平面波として近似でき、しかも
参照光波と反射信号光波の空間的整合が完全にとられて
いる場合である。もし整合が プする部分を求めることが必要である。可動鏡の走引速
度によって決まる１／τの周波数がビート周波数より小
さい限り、数式２１が良い近似を与える。

【００３１】次に、この発明の第２の実施例について説
明する。第７図は、この発明の第２の実施例を示す。本
実施例では、マイケルソン干渉計をオプティカルファイ
バーを用いて構成している。高感度な反射測定装置を実
現するために、実施例１の構成と同じく、光源を多モー
ドレーザ光１、試料からのランダム散乱光を除去するた
め高指向性受光系１２、試料反射信号光の強度と同程度
の参照信号を得るための減光板１３、ヘテロダイン検波
をするための手段、本実施例ではＰＺＴ６ｂ′と、査引
される反射鏡６ａ、検出器７からの信号のビート成分を
取り出すためのフィルターや２乗検出器等よりなる復調
器８ａｂ、ＡＤ変換器８Ｃ、コンピューター９より成り
立っている。試料に光を照射する面で、試料を走査する
代わりに、本実施例ではファイバー１４を用いているた
めファイバーの出射口５’を走査している。

【００３２】次に、トモグラフィーを得るための画像作
成やプロセスを説明する。まず、光波エコー画像の空間
分析能及び奥行き分解能は、次のように決まる。即ち、
奥行き方向即ちＺ軸方向の空間分解能（ΔＺ）は該多モ
ードの全スペクトル幅によって決まる。そして、一度に
測定出来るＺ軸方向の奥行きは、マルチモードレーザの
キャビィティ長以内と制限される。また、入射断面の空
間分解能（ΔＹ×ΔＸ）は入射光の直径と光ヘテロダイ
ン検波開口角でほぼ決まる。

【００３３】ビート信号の発生する時刻をマイケルソン
干渉計の可動鏡の位置の関数として求める、この被測定
物体の奥行き方向のデータを含む時継列信号波形は、１
ラインづつコンピュータ９を介してメモリ１０に記憶さ
れる。このあと可動台５をＹ軸に沿って入射光の断面直
径分移動して同様の測定を実行し、さらに、被測定物体
４のＹ軸方向の全範囲に渡り逐次測定を実行する。

【００３４】上記のようにして、メモリ１０に記憶され
たディジタルデータはコンピュータ９によって読み出さ
れ、周知の画像処理技術によって、被測定物体４の空間
分解能（ΔＹ×ΔＺ）の区画毎に、そのディジタル量に
応じて濃淡画像あるいは色別画像に処理される。この処
理された濃淡画像あるいは色別画像はディスプレイ装置
１１に供給され表示される。このように被測定物体４の
ＺＹ平面全体のデータをディスプレイ装置１１に表示す
ることにより、一軸方向からの一方的な測定にも拘ら
ず、奥行き方向のデータを含む高分解能な断層像を得る
ことができる。

【００３５】上記測定をＸ軸方向についても実行すれば
被測定物体４の多層に渡る断層像を得ることが可能であ
る。したがって、このようにＸ軸方向についても測定を
実行した場合、メモリ１０には被測定物体４における三
次元の奥行き方向のデータが記憶されるため、このメモ
リ１０の読出し方向を変えることにより、被測定物体４
の任意の方向から切り取った断層像を生成することがで
きる。

【００３６】上記実施例においては、反射像を得るため
に可動台５によって被測定物体を移動して走査している
が、超音波エコートモグラフィーのように例えば複数の
多モード発振レーザ光を被測定物体に対して直線状に配
設し、これら発光素子を複数のスイッチによって構成さ
れた制御手段によって順次点灯する構成とすれば、被測
定物体を移動することなく、被測定物体を走査できる。

【００３７】本発明は、トモグラフィー装置だけでな
く、光ファイバーや光ＩＣ等の反射波による診断測定用
に用いられることは勿論である。また、上記第１及至第
２の実施例においては、多モードレーザとして半導体レ
ーザを使用しているが、半導体レーザに限らず各種のレ
ーザを用いることができる。しかも、赤外線、可視光
線、紫外線等のレーザのみならずマイクロ波の領域で
も、これら電磁波の透過伝搬可能な物質であれば、この
発明の原理を用いることにより、生体、結晶、半導体、
複合物質等々の多層断層像の観測を無侵襲で迅速に行う
ことができ、医療診断をはじめ工学的材料構造測定など
に適用することが可能である。

【００３８】その他、この発明の要旨を変えない範囲に
おいて、種々変形実施可能なことは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、光波反射測定装置の光源とし
て、スパールミネッセンスダイオードや発光ダイオード
の様な低コヒーレンスな疑似白色光源を用いる代わり
に、それらよりはコヒーレンスの良い多モードレーザ光
源を用いるため、一度に検出出来る試料奥行きは、制約
されるが、その代償として信号対雑音比の高い高感度な
検出ができる。特にヘテロダイン検波を併用するとき、
ビート成分はコヒーレンスの高い光源程コントラスの良
い検出が出来るため、散乱の多い生体試料等の反射光の
検出、更に光によるエコートモグラフィー装置に応用す
るとき、従来の方法より高感度の検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る多モードレーザを用いた光波反
射測定装置及びそれを利用した光波エコートモグラフィ
ーの第１の実施例を示す構成図。

【図２】干渉縞のコントラスが光源の大きさでどのよう
に変化するかを説明するための図。

【図３】多モードレーザの出力が、モードによらず一定
の場合を示す図。

【図４】多モードレーザの出力が、ガウス型分布をして
いる場合を示す図。

【図５】多モードレーザの出力が、モードによらず一定
の場合の試料からの反射信号光を説明する図。

【図６】多モードレーザ光の出力が、ガウス型分布をし
ている場合の試料からの反射信号光を説明する図。

【図７】光ファイバーと光学素子を用いて、マイケルソ
ン干渉計を構成した第２の実施例を示す構成図。

【符号の説明】

１・・・・多モードレーザ発振器 ２・・・・集光レンズ ３・・・・ビームスプリッター ４・・・・被測定物体 ５・・・・可動台 ６・・・・周波数シフター ６ａ・・・反射ミラー ６ｂ・・・光音響変調器 ７ａ・・・・光検出器 ７ｂ・・・フィルタ ８・・・・信号処理器 ８ａ・・・帯域通過フィルター ８ｂ・・・検波器 ８ｃ・・・帯域通過フィルター ８ｄ・・・対数増幅器 ８ｅ・・・Ａ／Ｄ変換器 ９・・・・コンピュータ １０・・・メモリ １１・・・ディスプレイ装置 １２・・・高指向性受光系 １３・・・減光器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多モード発振レーザ光を照射光として屈
   折率の異なる層からなる被測定物体に照射する照射手段
   と、 前記照射光の一部よりの参照光の遅延時間を変化させる
   手段と、 前記被測定物体内部の奥行き方向の屈折率の異なる地点
   からの反射光と、遅延時間を変化させられた参照光とを
   合成する合成手段と、 前記合成手段で合成された光を光電変換する変換手段
   と、 該手段から出力される被測定物体の反射位置に対応して
   生ずる出力の位置より被測定物体の奥行き方向の反射地
   点を求める手段とを、 具備したことを特徴とする光波反射測定装置。
2. 【請求項２】 前記参照光又は反射光の周波数をシフト
   させる手段と、 前記遅延時間を変化させられた参照光と反射光とを合成
   する手段と、 該合成した光を光電変換して得られるヘテロダイン検波
   のビート成分の位置より、被測定物体の奥行き方向の屈
   折率の異なる地点を求める手段とを、 具備したことを特徴とする請求項１記載の光波反射測定
   装置。
3. 【請求項３】 試料を移動させるステージと、 多モード発振レーザ光を照射光として屈折率の異なる層
   からなる被測定物体に照射する照射手段と、 前記照射光の一部よりの参照光の遅延時間を変化させる
   手段と、 前記被測定物体内部の奥行き方向の屈折率の異なる地点
   からの反射光又は、遅延時間を変化させられた参照光の
   周波数をシフトさせて所定の周波数差を生じさせる手段
   と、 試料から反射される光の伝播する領域を複数に分割する
   手段と、 該複数に分割された空間の開口径を散乱光の減衰させる
   度合いが大きい程大きくして、異なる分割された空間間
   の干渉が生じないようにする手段と、 前記複数に分割された空間の被測定物体の異なる反射点
   からの反射光と参照光の合成した光の干渉成分のビート
   成分を検出して反射直進光を選択的に検出して被測定物
   体の反射位置に対応して生ずる出力信号の位置を検出す
   る手段と、検出した信号を演算、処理、表示するデータ
   処理手段とを具備したことを特徴とする光波エコートモ
   グラフィー装置。
4. 【請求項４】 前記光の伝播する領域を複数に分割する
   手段が、入射開口径を少なくとも波長より大きくした入
   射端及び出射端を有し、前記合成手段で合成した光が入
   射され、ランダム散乱光を減衰させてフラウンフォーフ
   ァ回析像のみを出射端より取り出すようにした光の伝播
   領域の最小空間分解単位を形成する高指向性受光素子か
   らなり、 前記複数に分割された異なる空間間の干渉が生じないよ
   うにする手段が、前記高指向性受光素子単体及び検出器
   を複数に分割した光の伝播領域を時系列的に掃引するこ
   とを特徴とする請求項３記載の光波エコートモグラフィ
   ー装置。
5. 【請求項５】 前記光の伝播する領域を複数に分割する
   手段が、入射開口径を少なくとも波長より大きくした入
   射端及び出射端を有し、前記合成手段で合成した光が入
   射され、ランダム散乱光を減衰させてフラウンフォーフ
   ァ回析像のみを出射端より取り出すようにした光の伝播
   領域の最小空間分解単位を形成する高指向性受光素子か
   らなり、 前記複数に分割された異なる空間間の干渉が生じないよ
   うにする手段が、複数に分割した光の伝播領域に対応し
   て複数の高指向性受光素子を束ねたもので構成され、出
   力信号を検出する検出器は各高指向性受光素子に対応し
   た独立した複数の検出器より構成されていることを特徴
   とする請求項３記載の光波エコートモグラフィー装置。