JP2009008393A - 光画像計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象物体の断層像を、高い解像力とコントラストを持って観察し、計測にも応用可能な光画像計測装置を提供する。
【解決手段】光源（１）からの光ビームが軸回転するニポウディスク（７）のピンホールの配列に応じて走査され、ビームスプリッター（１２）により対象物体（１８）へ向かう探索光と、参照光路へ向かう参照光とに分割される。対象物体からの探索光と、参照光路を介した参照光は、ビームスプリッターで合成され、干渉光を発生する。この干渉光は２次元撮像手段（２２）で検出され、その映像信号から対象物体内部の反射強度情報が取得される。このような構成では、ニポウディスクによる光ビーム走査手段と２次元撮像手段を利用しているので、干渉光学系を簡単に実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光画像計測装置、更に詳細には、光源からの光ビームを計測対象物体に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層情報を取得する光画像計測装置に関する。

従来から、レーザー光源その他の光源を用いて計測対象物体の３次元的な表面形状、あるいは試料内部の断層情報を計測する装置が数多く知られている。例えば、共焦点の光学顕微鏡によれば、通常の光学顕微鏡よりも深さ方向の分解能を向上可能であり、微細な試料表面の形状構造を観察および計測できることが知られている。

例えば、下記特許文献１には、共焦点光学系の技術の一つとして、レーザー光源からの光ビームを、ピンホールアレイの回転ディスクを介して試料物体上に照明し、試料からの反射光を、再度回転ディスクを介して検出するという光学顕微鏡の基本的な構成が開示されている。

特許文献２には、レーザー光源からの光ビームを、ピンホールディスクを介して試料上に走査し、測定試料からの反射光と参照ミラーからの参照光とによって発生した干渉光を検出する構成が開示されている。この文献では、測定試料と対物レンズの間の距離を変えることによって、干渉信号が最大光量となる位置から、試料表面の３次元的な形状を精密に計測できる可能性が示唆されている。

一方、近年、低干渉性の光ビーム（部分的コヒーレント光）の干渉現象を利用した光断層計測装置（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）が注目されている。ＯＣＴによれば、非接触非侵襲に、計測対象物体の所定の断層画像を観察および計測可能であり、医学や生物学、あるいは産業分野における検査装置として応用され始めている。

例えば、特許文献３には、初期のＯＣＴとして、照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する手段と、測定対象物体からの反射光を参照光との間で合成して出力されるビート成分を検出することで、対象物体の反射断層像を画像化する構成が示されている。

特許文献４には、短コヒーレンス長の特性を有する光源と、光ファイバーを用いた干渉計と位相変調手段、横方向走査機構、超音波光変調素子、光路長の移動制御手段等を有するＯＣＴの構成が開示されている。この文献では、光ファイバーを介して導かれる干渉光を検出処理することにより、光ファイバーによる共焦点効果も含めて、サンプル試料の断層像を効果的に検出するための基本的な技術が開示されている。

特許文献５には、低干渉性の光を発生する光源と光ファイバー干渉計を用いた光断層観察装置を、干渉計の光路の一つを介して内視鏡や体腔鏡等の端部の構造と巧みに組み合わせる構成が開示されている。この文献には、体腔内に挿入する内視鏡等の利用によって、従来の観察装置として備えられたＣＣＤ等による２次元的な反射像と共に、干渉計を介して得られる干渉信号の検出処理によって患部組織の深さ方向の断層像を画像化できる技術が示されている。

特許文献６には、光周波数の掃引が可能な半導体レーザー光源と、マイケルソン型干渉計と、１次元または２次元の撮像素子とを備え、光周波数の掃引期間中に出力された画像信号をフーリエ変換処理して断層画像を算出する構成が開示されている。この方式では、光軸方向の機械的な移動を伴う走査機構が不要となり、安定な干渉光学系を構成できると共に、短時間での測定が可能になるというメリットのあることが示されている。

特許文献７には、光ビームを参照アームと測定アームとに分割し、測定アームを介した測定光が参照アームを介した参照光との間で干渉して現れる光の強度を、分光器を介して検出する構成が開示されている。参照アームには、光の位相を変化させる手段が付加され、分光器からの信号を分析処理することにより、透明、一部透明および不透明物体等に対して光学的な断層撮影を行う構成が示されている。

特許文献８には、光源からの光ビームを、測定対象となる被検体を経由する信号光路と、所定の反射鏡を経由する参照光路に分割すると共に、干渉光学系は検出光を二分割して受光するためのＣＣＤセンサを二つ備え、かつ二分割された干渉光を周期的に遮断して受光する方式が開示されている。二つのＣＣＤセンサは、位相の異なる干渉光パルスを受光して、かつ簡単な信号処理を介することで、被検体の内部層の画像情報が得られる構成が示されている。

特許文献９には、光源からの光ビームを、測定対象となる被検体を経由する信号光路と、所定の反射鏡を経由する参照光路とに分割すると共に、干渉光学系は検出光を三分割して受光するためのＣＣＤセンサを三つ備えて受光する方式が開示されている。三つのＣＣＤセンサは、位相の異なる干渉光パルスを受光して、かつ簡単な信号処理を施すことで、被検体の内部層の画像情報が得られる構成が示されている。

特許文献１０には、干渉計を利用したＯＣＴ装置において、時間的に位相が異なる複数の干渉画像を発生させる手段と、複数の干渉画像を高速スイッチングにより切り出す手段とを備え、これら複数の切り出した干渉画像をＣＣＤ等のイメージセンサで検出して、複数の画像間の演算を行うことにより断層画像を計測する装置が開示されている。
特表平１−５０３４９３号公報 特開平６−２４２３８０号（特許第３２９４２４６号）公報 特開平４−１７４３４５号（特公平６−３５９４６号）公報 特表平６−５１１３１２号（特許第３４７９０６９号）公報 特開２０００−１２６１８８号（特許第３３１８２９５号）公報 特開平１０−３３２３２９号（特許第３３３２８０２号）公報 特開平１１−３２５８４９号公報 特開２００１−３３０５５８号（特許第３５９４８７５号）公報 特開２００５−２４１４６４号公報 特開２００５−２４５７４０号公報

しかしながら、特許文献１に示された構成では、干渉計を利用していないために、ＯＣＴのような試料内部の断層観察には、そのまま適用することが出来ない。一方、特許文献２に示された構成では、干渉計は含まれているものの、光源の低コヒーレンス性を利用しておらず、また、試料内部の散乱に関わる背景光の処理を行っていない等の理由により、ＯＣＴのような試料内部の断層観察と計測に応用することは不可能である。

特許文献３〜文献５に示された構成では、「タイムドメイン法」と呼ばれる基本的なＯＣＴの方式を開示している。これらの構成では、観察対象物の深さ方向の走査は参照光に対する反射ミラーの光軸方向の移動制御によって行っているために、観察対象物に向かう照射光のフォーカス状態を断層画像の全域に渡って最適に維持することが出来ず、光軸（深さ方向）と直交する面内方向の高解像力化が困難である。

特許文献６に示された構成では、「スウェプトソース法」と呼ばれる光源の波長掃引を用いたＯＣＴの方式を開示している。この方式では、光の周波数を所望の範囲にわたって安定的に制御可能な特殊なレーザー光源が必要であり、この種の光源は品種や波長も限られており、光源自体が高価になるという問題がある。

特許文献７に示された構成では、「スペクトラルドメイン法」と呼ばれる分光型の検出器を用いたＯＣＴの方式を開示している。この方式は、数値的な演算処理に基づき断層画像情報を抽出するため、深度方向のメカニカルな走査が不要というメリットはあるものの、深度方向の測定範囲が分光器の特性によって制限されるという難点があり、また深度方向とは直交する方向の解像力を向上させ難いという問題がある。

特許文献８〜文献１０に示された構成では、検出器に２次元撮像素子を用いたＯＣＴの新しい方式を開示している。この方式では、生体等の強い散乱体を観察した場合に、検出器に直流成分として重畳する強い背景光の存在によって撮像素子が飽和してしまい、断層情報を有する信号成分の諧調性を向上させ難いという問題がある。また、特許文献８に示された構成では二つのＣＣＤ素子に関して、及び特許文献９に示された構成では三つのＣＣＤ素子に関して、それらの間の厳密な位置合わせが難しいという問題がある。更に、特許文献１０の構成では、光源の利用効率が悪く、実用化には高価で特殊なスイッチング光源その他の構成が必要になるという問題がある。

従って、本発明の課題は、上述の問題点を解決するために案出されたものであり、従来方式よりも低価格で簡単な装置構成を用いて、観察対象物体の断層像を、高い解像力とコントラストを持って観察し、計測にも応用可能な実用性の高い光画像計測装置を提供することにある。

本発明（請求項１）は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明（請求項３）は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明（請求項８）は、
光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路に向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記ピンホール手段に再度通過させるための光学手段と、
前記ピンホール手段を通過した干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の構成によれば、ニポウディスクによる光ビーム走査手段と２次元撮像手段を利用しているので、干渉光学系を簡単に実現することができ、電気的な制御や検出信号の処理も容易である。特に、ニポウディスク型の光ビーム走査手段は、ガルバノミラー等を用いたシステムと比較して、光学系を折り返す必要がなく直線的で単純な光路構成によって調整の手間を削減できると共に、量産時にはディスク部品を低価格に製造できるために、装置全体の価格を低減することができる。

また、本発明の構成によれば、共焦点光学系と低コヒーレンス干渉計の効果を合わせ持つことも可能で、解像力が高く、背景ノイズが少なく、諧調性とコントラストの高い断層画像（光軸に垂直な断面像）を撮像素子の出力画像に基づき取得することが可能である。この特性を活かして、測定サンプルまたは参照ミラーを深度方向に移動させながら断面画像を複数枚収集して、画像処理を施すことにより、観察対象物体内部の３次元的な画像情報（３Ｄ画像）を取得することも可能である。

更に将来的に、２次元撮像素子をより高精細で高感度、かつ、より高速なものに変更すれば、簡単に装置のバージョンアップも実現できるという、極めて実用的かつ経済的な光画像計測装置を実現することができる。

以下に、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１において、符号１で示すものは、スペクトルの広い高輝度の赤外線を発生するキセノンランプやハロゲンランプ等の白熱光源、または高輝度の発光ダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）等の半導体光源であり、断層画像を観察するために必要な低干渉性（少しの干渉性）を有する光源である。光源１からの光ビームは、レンズ２を介して、光ファイバー３の入射端面３ａに入射する。光ファイバー３は、例えばコア系が数百ミクロンから数ミリメーター程度のマルチモード光ファイバーである。

光ファイバー３を伝達した光ビームは、ファイバーの端面３ｂから射出し、レンズ４、絞り５、レンズ６等を介して、ニポウディスク７の表面上を照明する。これらのレンズと絞りを介したニポウディスク７への照明光学系は、照明領域での明るさが均質になるように、例えばケーラー照明の様式となるように設計されている。

ニポウディスク７は、ステンレスの薄板等からなる金属円盤の所定部位に、直径が数十ミクロンから百ミクロン程度以下の微細なピンホールが、数百ミクロン間隔で、所定の配列で総数にして１万個から２万個程度設けられており、光ビームを走査するためのピンホール手段を構成している。ニポウディスク７は、光源１からの光ビームの通過面で、計測対象物体１８の測定面と共役な面に配置され、モーター８に回転軸８ａを介して接続されていて、所定の速度で回転する。ニポウディスク（回転ディスク）７は、その回転とピンホールの配列に応じて光源１からの光ビームを走査する。このニポウディスクを通過することによって、光源からの光ビームは、空間的な可干渉性を向上させることが可能になる。

ニポウディスク７を通過した光ビームは、レンズ９と、ミラー１０を介した後、光分割部材として機能するビームスプリッター（ＢＳ）１２に入射する。ビームスプリッター１２の位置において、光路は、光源側の光路１１ａ、参照光路１１ｂ、探索光路１１ｃ、及び検出光路１１ｄの４つの方向に分割されている。

参照光路１１ｂを進む光ビームは、ＮＤフィルター１３とレンズ１４を介して、光路に垂直な平面ミラー（参照ミラー）１５に到達し、そこで反射される。ミラー１５は、圧電素子（圧電振動子）１６に接続されており、この振動子は例えば６０Ｈｚ程度の低周波で光軸方向（矢印１６ａの方向）にミラー１５を移動させ、光ビームの周期的な位相シフトを行なうものである。これらの平面ミラーと圧電振動子は、参照光路における参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段を構成している。また、参照光の光路１１ｂは、探索光路１１ｃと比較して、光路長を同等にする必要があり、ビームスプリッター１２から参照ミラー１５までの距離は、参照光の光路１１ｂと探索光路１１ｃの各光路長が同等になるように、必要に応じて適宜設定される。

一方、探索光路１１ｃを進む光ビームは、レンズ１７を介して、計測対象物体１８の所定部位に結像される。計測対象物体１８は、ステージ１９の上に設置されており、このステージ１９は、ステッピングモーター２０の作用によって光軸方向に矢印１９ａで示したように移動可能となっている。すなわち、ステージ１９とモーター２０は、測定サンプルの深度方向の走査を行うためのものであり、ステージ１９の光軸方向の移動により探索光路の光路長が可変となり、計測対象物体１８の３次元的な断層画像情報が取得可能となる。

なお、この図１の実施例では、観察対象物体１８として、摘出された生物組織等の生体試料、あるいは食品や植物のサンプル、高分子性工業用部品等、光に対してある程度の透過性を示すものであれば任意の観察対象を想定している。

計測対象物体１８からの反射光は、レンズ１７を介してビームスプリッター１２を通過し、参照光路１１ｂから戻って来る参照光と合成され、検出光路１１ｄにおいて干渉光が発生する。この干渉光は、検出光としてレンズ２１を介して、２次元撮像素子（ＣＣＤカメラ等の２次元撮像手段）２２の撮像面上に結像される。

撮像素子２２からの映像信号は、信号処理回路２３に送られる。信号処理回路２３は、内部に映像信号の対数増幅回路、フィルター回路、Ａ／Ｄコンバーター、その他各種の演算処理回路等を含んでおり、そこで処理され生成された出力信号が、コンピューター（Personal Computer：ＰＣ）２４に送られる。

ＰＣ２４は、光学系の動作全般を制御すると共に、撮像素子２２と信号処理回路２３を介して得られる映像信号に対して更に処理を加えることができる。信号処理回路２３あるいはそれにＰＣ２４を含めた回路が、対象物体内部の反射強度情報を取得し、あるいは対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段を構成している。

ＰＣ２４を介して、反射強度情報あるいは断層画像を液晶テレビモニター等の表示装置２５に転送して表示を行い、必要に応じて、記憶装置２６に転送して記憶をさせる等の制御を行うこともできる。
図２は、図１のシステムにおいて使用されるニポウディスクの構造を示した説明図である。ニポウディスク７は、モーターの回転軸８ａを中心に所定の速度で所定方向（矢印８ｂの方向）に回転可能なものであり、例えば、観察範囲に対応する通過領域２７の一部を拡大して見ると、領域２８に示したように、所定の大きさの微細な穴（ピンホール）２９が整列的に設けられている。このディスク上のピンホール２９は、直径が数十ミクロンから百ミクロン以下の大きさに加工されており、数百ミクロン間隔で、総数にして１万個から２万個程度以上開けられたものである。

これらのピンホールの穴加工は、所定の金属板にフォトエッチング技術等を利用して、量産時には低価格に実現することができる。また、ピンホールの配列法は、例えば、等ピッチな螺旋状配列３０として設計製造することによって、照明むらや走査のむらを極小化できることは、当該技術分野において公知である。

図１のような光学系においては、光源からの光ビームは、ニポウディスク７を通過することによって、ニポウディスクの回転とそのピンホールの配列に応じて計測対象物体１８の測定面上で走査され、そのピンホール効果により、空間的な可干渉性を向上させることが可能になる。すなわち、図１の光学系では、ニポウディスク７を導入したことによって、当該ディスクを導入しなかった場合に比較して、撮像素子２２によって観察される干渉縞の可視度が向上して、結果的に、断層画像情報の元となる干渉信号をより効率的に検出することが出来るようになる。

一般的に、ＯＣＴによって人の生体組織や生物試料等の拡散性の強い物体を観察した場合、背景光として重畳する直流成分（ＤＣ成分）の影響により、検出される干渉縞のコントラストは低く、断層像の信号成分（ＡＣ成分）は、ＤＣ成分に比較して桁違いに小さくなる場合が多い。このＤＣ成分の影響は、２次元撮像素子からの映像信号に関して、フレーム間での演算を行うことによって取り除くことができる。すなわち、撮像素子から得られるフレーム画像について、例えば、隣接するフレーム画像間での引き算を行えば、不要なＤＣ成分は除去されると共に、対象物体の内部の断層画像情報は、ＡＣ成分として抽出される。

上述の概念を、より分かり易く簡単な数式を用いて説明すると、以下のとおりである。例えば、２次元撮像素子２２（図１参照）において、連続的に出力される画像のフレーム（一例として３つのフレーム）で検出される干渉縞の信号は、簡易的に、以下のように記述できる。

Ｉ_Ｆ−１＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（−sinα）
Ｉ_Ｆ ＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（cosα）
Ｉ_Ｆ＋１＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（sinα）
ここで、Ｉ_Ｆ−１ 、Ｉ_Ｆ 、Ｉ_Ｆ＋１はそれぞれ隣接するフレームにおける代表画素での信号強度、Ｉ_Ｄは直流成分、Ｉ_Ａは交流成分（断層像の信号成分）、αは干渉縞の位相である。上述の式では、隣接するフレーム間での干渉縞の位相差が、互いに９０度であることを想定しており、このような条件は、光変調手段の駆動波形を深度走査手段の走査速度に応じて適切に設定することで、画像空間において局所的に実現できる。

実際の測定系においては、通常、Ｉ_Ｄ ≫Ｉ_Ａ、すなわち直流成分は、求めようとする信号成分よりも圧倒的に大きい場合が多い。ここで例えば、一例として、以下のような計算を行う。

（Ｉ_Ｆ − Ｉ_Ｆ−１）^２ ＝ Ｉ_Ａ ^２（１＋２cosα×sinα）
（Ｉ_Ｆ＋１ − Ｉ_Ｆ）^２ ＝ Ｉ_Ａ ^２（１−２cosα×sinα）
従って、
（Ｉ_Ｆ − Ｉ_Ｆ−１）^２ ＋（Ｉ_Ｆ＋１ −Ｉ_Ｆ）^２ ＝２Ｉ_Ａ ^２
すなわち、フレーム間で引き算を行うことにより、不要な直流成分は確実に除去することができ、更に、３つのフレーム画像に関して加減算と乗算を含む簡単な計算を実行すれば、付随する位相項も排除することができる。

このような演算処理によって、結果的に、必要とする交流成分（信号成分）は、簡単に抽出することが可能である。特に、本発明構成によれば、ニポウディスクを用いた可干渉性の向上効果によって、撮像素子から得られる干渉縞由来の信号は、ニポウディスクがなかった場合に比較して、よりコントラスト良く得られるために、演算結果として得られる断層情報の精度向上という点で有利である。

実用的には、上述したフレーム間の引き算を含む演算は、図１の信号処理回路２３の内部において、映像信号をＡ／Ｄ変換した後に、デジタルメモリーと引き算回路等を利用して、簡単かつ高精度に実行可能である。このようなデジタル処理の後に、更にＤＳＰ等の信号処理回路を介することによって、更にノイズの低減や画質の改善を考慮した、より複雑な演算を実行することも可能であり、極めて高精度に対象物体内部の反射強度情報を抽出することができる。

図３は、本発明の他の実施例として、図１の光学系とは異なるシステムの構成を示したものである。図３においては、図１の構成要素と同等の光学要素には、共通の符号を付けて示しており、その詳細な説明は省略する。以下、図１との相違点について主に説明する。

断層像観察用の光源１からの光ビームは、光ファイバー３を介して伝達され、レンズ４、絞り５、レンズ６等によって、ニポウディスク７の表面上に照射される。ニポウディスクを通過した光ビームは、ビームスプリッター１２において参照光の光路１１ｂと探索光の光路１１ｃとに分割される。参照光の光路１１ｂを進んだ光ビームは、ＮＤフィルター１３、レンズ１４、ミラー２９、レンズ３１を介して導かれた後、ミラー１５で反射される。ミラー１５は、圧電素子１６に装着されており、参照光の光ビームの周期的な位相シフトを行うことができる。また、参照光の光路においては、ミラー１５の近傍に、不図示のシャッター等を備え、このシャッターの機能により、必要に応じて参照光の光路を遮断することによって、干渉像とは異なる通常の反射像を得るために利用することもできる。

一方、探索光の光路１１ｃを進む光ビームは、レンズ１７、３２を介した後、計測対象物体１８に入射する。この図３においては、探索光の光路１１ｃに配置したレンズ（１７、３２）と、参照光の光路１１ｂに配置したレンズ（１４、３１）とは、それぞれの特性が一致するように設計され、かつ光路長が等しく対称的に配置されることによって、精度の高い干渉計測が可能となる。また、参照光路１１ｂにおいて、ミラー１５の固定された圧電素子１５は、図１の実施例とは異なり、ステージ１９に接続され、モーター２０によって光軸方向（矢印１９ａの方向）に移動可能となっている。このステージ１９の光軸方向の移動により参照光路の光路長が可変となり、計測対象物体１８の３次元的な断層画像情報が取得可能となる。

計測対称物体１８からの反射光は、ビームスプリッター１２において参照光の光路を介した参照光と合成され、干渉光が発生する。この干渉光は、レンズ３３を介して、ニポウディスク７の所定部位に結像され、更に、ニポウディスクのピンホール群を通過した干渉光（検出光）は、レンズ２１を介して、ＣＣＤ等の２次元撮像素子２２に結像される。撮像素子から出力される映像信号は、信号処理回路２３を介して所定の処理が行われ、フレーム間での演算処理に基づき所定の断層画像が抽出されることは、既に説明したとおりである。ＰＣ２４での画像処理を含めて得られた断層画像は、液晶テレビモニター等の表示手段２５に表示を行い、必要に応じて、記憶装置２６に記憶させることができる。

図４は、図３のシステムにおいて利用されるニポウディスクの構造を示した説明図である。ニポウディスク７は、モーターの回転軸８ａを中心に所定の速度で回転するが、図４においては、例えば、投光側の観察領域に対応する光の通過領域が２７であるとすると、検出側（受光側）の観察領域に対応する光の通過領域は３４の位置にある。この図から明らかな様に、ニポウディスク上におけるピンホール２９の配置は、投光側と受光側とで対称的に設定されており、ディスクの回転によっても対称性が保たれる様に設計されている。ピンホールの直径と間隔は、それぞれ例えば１００ミクロン、及び５００ミクロン程度であり、この様な精密かつ微細な穴加工は、所定の金属板にフォトエッチング技術等を利用して実現可能であることは、既に述べたとおりである。

図４のニポウディスクを採用した図３の光学系においても、図１および図２の光学系と同様に、光源からの光ビームは、ニポウディスク７を通過することによって、空間的な可干渉性が改善される。これによって、撮像素子２２において観察される干渉縞の可視度は向上するため、干渉信号をより明瞭に検出することができ、断層画像情報を効果的に抽出するという点で有利になる。

また、図４から明らかな様に、図３の光学系では、投光側のレンズ６等を介して光ビームが通過する位置２７と、検出側のレンズ３３を介して干渉光が通過する位置３４とはニポウディスク７の上で異なっており、かつディスク上で極めて精密に対称的に設定されている。この様に、ニポウディスク上において、検出光が投光側とは異なるピンホールを通過することは、投光側のディスク上での反射光（迷光）の影響を全く受けることなく、検出光を受光素子としての２次元撮像素子２２で捉えることが出来るという点で重要である。

図３と図４のシステム構成においては、ピンホールを介して光ビームを投光し、ピンホールを介して検出光を受光するため、共焦点効果によって光ノイズの影響が除去され、検出信号のＳＮや諧調性も改善されるという効果がある。図３と図４のような構成では、結果的に、検出される干渉縞信号のコントラストも改善して、解像力の高い断層画像を得ることが可能になる。

図５は、測定対象として、任意の計測対象物体を想定した場合の説明図であり、図５（ａ）では、計測物体に関して想定され得る座標系を示している。図５（ａ）に示したように、本発明における光断層計測装置の測定系では、光学系の光軸に対して直交する方向のＸ−Ｙ画像と、光学系の光軸に沿った方向のＹ−Ｚ画像（または不図示のＸ−Ｚ画像等）が考えられる。本発明における図１または図３のいずれの光学系においても、２次元撮像素子２２と信号処理回路２３を介して得られる映像信号は、光軸に直交する方向の断面を検出したＸ−Ｙ画像を示している。従って、これらのＸ−Ｙ画像を、図５（ｂ）に示した如く、計測対象物体１８または参照ミラー１５の移動に応じて、Ｚ軸方向に複数枚、収集して行けば、物体内部の３次元情報を取得することが可能である。

図５（ｃ）は、物体内部の３次元情報を採取した後に、ソフトウェアによる各種の画像処理をＰＣ２４（図１または図３参照）によって行い、視覚的に表示できるように処理して表示装置２５のモニター画面に表示したところの例示図である。図５（ｄ）は、図５（ｂ）に示した様式で採取した画像データに対して更なる画像処理を行い、物体のＸ−Ｚ方向の断面画像を表示したところの例示図である。このような各種の断層画像計測は、例えば医学、生物学的な分野における生体組織観察や細胞検査等、あるいは産業分野における微細工業部品の精密計測等においても極めて有用である。

本発明に係る光画像計測装置の一実施例を示したシステムの構成図である。 図１で使用するニポウディスクの構成を示した説明図である。 本発明に係る光画像計測装置の他の実施例を示したシステムの構成図である。 図３で使用するニポウディスクの構成を示した説明図である。 計測対象物体の３次元的な断層計測を想定した場合の説明図である。

符号の説明

１ 光源
３ 光ファイバー
７ ニポウディスク
１２ ビームスプリッター
１５ 参照ミラー
１８ 計測対象物体
２２ ２次元撮像素子
２５ 表示装置
２９ ピンホール

Claims (10)

1. 光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
   低干渉性の光ビームを発生する光源と、
   前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
   前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
   前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
   前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の複数のフレーム画像間で所定の演算処理を行い、直流成分を除去することによって対象物体内部の反射強度情報を取得す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. 光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
   低干渉性の光ビームを発生する光源と、
   前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
   前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
   前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
   前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
   前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光画像計測装置。
4. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の複数のフレーム画像間で所定の演算処理を行って直流成分を除去すると共に、前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を処理して対象物体の断層画像情報を取得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. 前記ピンホール手段は、所定の軸を中心に回転する複数のピンホールを所定配列で配置したニポウディスクによって構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光画像計測装置。
6. 前記探索光の光路または参照光路のいずれか一方は、その光路長が可変制御され、その可変制御に応じて計測対象物体の３次元的な断層画像情報が取得可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光画像計測装置。
7. 前記光変調手段による参照光の位相シフトは、前記２次元撮像手段のフレームレートに応じて周期的に行われることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の光画像計測装置。
8. 光源からの光ビームを計測対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出および画像処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光画像計測装置において、
   低干渉性の光ビームを発生する光源と、
   前記光源からの光ビームを走査するための、当該光ビームの通過面に配置されたピンホール手段と、
   前記ピンホール手段を介した光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路に向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
   前記参照光路において参照光を周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
   前記光分割部材を介して導かれる対象物体からの探索光と、前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記ピンホール手段に再度通過させるための光学手段と、
   前記ピンホール手段を通過した干渉光を検出するための２次元撮像手段と、
   前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を抽出して対象物体の断層画像情報を取得する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光画像計測装置。
9. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の複数のフレーム画像間で所定の演算処理を行って直流成分を除去すると共に、前記光変調手段による光変調に応じた干渉光の位相情報を処理して対象物体の断層画像情報を取得することを特徴とする請求項８に記載の光画像計測装置。
10. 前記ピンホール手段は、所定の軸を中心に回転する複数のピンホールを所定配列で配置したニポウディスクによって構成され、光源からの投光ビームと、撮像手段への受光ビームは、当該ディスク上において回転軸を中心に幾何学的に対称な領域部位を通過することを特徴とする請求項８または９に記載の光画像計測装置。

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