WO2010098204A1

WO2010098204A1 - 光画像計測装置

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Publication number: WO2010098204A1
Application number: PCT/JP2010/051911
Authority: WO
Inventors: 小林　幸治; 小林　直樹
Original assignee: Kowa Co Ltd
Current assignee: Kowa Co Ltd
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2010-09-02
Anticipated expiration: 2011-08-25
Also published as: JP2010197180A

Abstract

光源１、２からの低干渉性の光ビームが、ビームスプリッター１０により観察対象物体２０へ向かう探索光と、所定の参照光路９ｂへ向かう参照光とに分割される。観察対象物体からの探索光と、参照光との間で合成される干渉光をＣＣＤ３０で検出して観察対象物体内部の画像情報が取得される。観察対象物体から反射した光源２１の光ビームの結像位置がセンサー２６により検出され、信号処理手段２７により対物レンズと観察対象物体間の距離が計測される。その計測結果に基づいて移動ステージ１６の位置が調整され参照光の光路長がリアルタイムに調整される。このような構成では、観察対象物体が、その運動により光軸方向に変動しても、それに応じて参照光の光路長が補正されるので、精度の高い断層画像情報を検出することができる。

Description

光画像計測装置

　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観察対象物体の所定部位に照射し、当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処理することにより対象物体の画像情報を取得する光画像計測装置に関する。

　従来から、光の直進性や干渉性等を利用して観察対象物体に関わる画像情報を取得する光画像計測装置には種々のものが知られている。中でも近年、低干渉性光ビーム（部分的コヒーレント光）の干渉現象を利用した手法として、光干渉断層法（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）は、非接触、非侵襲に対象物体の任意の断層像を画像化して観察できるために、特に生体の観察には有用とされ注目されている。このＯＣＴの原理を利用した装置は、眼科の一般臨床検査や皮膚科の診断、内視鏡への応用等の医学分野で利用され始めており、あるいは産業分野の検査機器として、応用が検討されている。

　例えば、特許文献１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２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、サンプル試料へ向かう探索光の光路に配置された位相変調手段と横方向走査機構、参照光の光路に配置された超音波光変調素子と光軸方向の光路長の移動制御手段等を有する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探索光と参照光との間に生ずる干渉光を検出処理することにより、サンプル試料の断層像を画像化するための基本的な技術が示されている。

　特許文献３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４には、干渉計とスペクトロメータ（分光器）から構成される計測装置において、光源からの光ビームは被計測体に対してライン状に光を集光させて、被計測体からの観察光は、分光器を介して２次元の画像センサにより検出する構成が開示されている。画像センサからの検出信号に対して、フーリエ変換等の演算処理を施すことにより、被計測体の断面情報が、計算速度に応じて高速に得られることが示されている。

　特許文献５には、干渉計とスペクトロメータ（分光器）から構成される光画像計測装置において、干渉計を介して検出する被計測物体の断層画像を複数枚取得し、補正用の断層画像に基づいて、当該複数枚の断層画像の位置ずれを補正する方式が開示されている。この方式によれば、被検眼の動きによって生じた眼底の断層画像の位置ずれ、特に深度方向の位置ずれ等を補正し、精度の高い３次元の画像情報を提供できる可能性が示されている。

　特許文献６には、干渉計とスペクトロメータ（分光器）から構成される光画像計測装置において、特に被検眼の眼底の断層画像を形成する光画像計測装置であって、当該被検眼の特性に関連する情報に基づいて、干渉計における参照物体の位置を参照光の光路方向に移動させる駆動手段を備える構成を開示している。この様な構成によれば、過去に形成された断層画像情報に基づき、干渉計内の参照物体の位置を自動的に設定することができるので、検査の効率化を図ることができる可能性が示されている。

　非特許文献１には、横方向の走査を利用したＯＣＴ（ＴＳ－ＯＣＴ）の光学系と、1310ｎｍの光源を利用して光軸方向の測距を行なうスペクトラルドメインの部分的コヒーレンス干渉計(ＳＤ－ＯＣＩ)の光学系を複合した装置構成が開示されている。この様な構成によれば、測定対象物体（眼球）の光軸方向の動きをＳＤ－ＯＣＩで検知して、ＴＳ－ＯＣＴの参照光路長を適宜制御することにより、ＴＳ－ＯＣＴから得られる３次元（３Ｄ）の画像データの計測精度が向上する可能性が示されている。

特開平４－１７４３４５（特公平６－３５９４６）号公報特表平６－５１１３１２号（特許第３４７９０６９号）公報特開平１１－３２５８４９号公報特開２００６－１１６０２８号公報特開２００７－１３０４０３号公報特開２００７－１８５２４４号公報

論文　ＯＰＴＩＣＳ　ＥＸＰＲＥＳＳ、第１５巻（２００７年）第２５号、１６９２２～１６９３２頁、「Simultaneous SLO/OCT imaging of the humanretina with axial eye motion correction」（M. Pircher, B. Baumann, E. Gotzinger, H.Sattmann and C. K. Hitzenberger）

　特許文献１および２に示された構成（「タイムドメイン法」とも呼ばれる）では、観察対象物体の奥行き方向（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、対象物体の断層画像を高速に得ることは困難であった。また、この種の装置では、対象物体の特性や設定に応じて、参照光路の長さを調節する必要があり、対象物体に深度方向の動きがあった場合は、参照光路の光路長の調節が難しいという問題があった。

　特許文献３および４に示された構成では、検出系に分光器を用いたＯＣＴの方式（「スペクトラルドメイン法」とも呼ばれる）を開示している。この方式は、断層情報の取得のために深度方向の機械的な走査が不要で、高速な断層情報の取得が可能になるというメリットがある。しかし、対象物体の特性や設定に応じて、参照光路の長さを調節する必要があるのは「タイムドメイン法」と同様であり、対象物体に動きがあった場合に参照光路の光路長の調節が難しいという問題があった。

　特許文献５に示された構成では、「スペクトラルドメイン法」の測定の高速性を活かして、精度の高い３次元の断層画像情報が得られる可能性を提示している。しかし、眼球運動によって生ずる断層画像の位置ずれをソフトウェアのみによって補正することはプログラムが複雑になり、また眼球運動の動きがある程度以上大きいと、プログラムのみによっては補正が難しいという問題があった。

　特許文献６に示された構成では、被検眼に関連した情報によって、干渉計内の参照光路における参照物体の位置を自動的に設定しているので、繰り返し検査を行なう場合等における効率向上は可能であるが、被検眼の動きに対しては効果がなく、３次元の断層画像情報を取得する際の精度向上は難しいという問題があった。

　非特許文献１に示された構成は、装置光学系と被検眼との距離を、部分的コヒーレンス干渉計を用いて測距しつつ、ＯＣＴ干渉計の参照光路長を調節するように構成しているので、被検眼に深度方向の動きが生じても、ＯＣＴの断層画像への影響が少なく、精度の高い断層画像を得られる。しかし、この文献に記載された方式では、ＯＣＴの干渉計と共に、装置光学系と被検眼との間の測距用にも干渉計を搭載しているので、光学系の構成が高価になってしまい、装置の取扱いも面倒であるという問題があった。

　従って、本発明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、ＯＣＴを利用した光画像計測装置において、従来方式と比較した場合に、対象物体の設定に応じて、参照光路の光路長を自動的に調節することが可能で、観察対象物体に動きが生じた場合にも精度の高い断層画像情報を検出することができ、かつ装置光学系が大きくコストアップすることもなく、取扱いも割合容易な光画像計測装置を提供することにある。

　本発明（請求項１と２）は、いずれも、
　光源からの光ビームを走査して観察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処理することにより対象物体の画像情報を取得する光画像計測装置であって、
　請求項１の発明は、
　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、
　前記探索光の光ビームを対象物体へと導くための対物レンズ光学系と、
　前記参照光の光路長を可変にするための光路長調節手段と、
　前記観察対象物体から反射され対物レンズ光学系を介して得られる光ビームの結像位置に基づいて前記対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、
　前記測距手段からの出力情報に基づき前記光路長調節手段を制御するための第１の信号処理手段と、
　前記対物レンズ光学系を介した探索光と、前記光路長調節手段を介した参照光との間で合成される干渉光を受光するための検出手段と、
　前記検出手段からの出力情報に基づき観察対象物体内部の画像情報を取得するための第２の信号処理手段と、
　を備えたことを特徴とする。

　一方、請求項２の発明は、
　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、
　前記探索光の光ビームを対象物体へと導くための対物レンズ光学系と、
　前記対物レンズ光学系を介して、観察対象物体の表面の２次元画像情報を取得するための撮像手段と、
　前記参照光の光路長を可変にするための光路長調節手段と、
　前記観察対象物体から反射され対物レンズ光学系を介して得られる光ビームの結像位置に基づいて前記対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、
　前記測距手段からの出力情報に基づき前記光路長調節手段を制御するための第１の信号処理手段と、
　前記対物レンズ光学系を介した探索光と、前記光路長調節手段を介した参照光との間で合成される干渉光を受光するための検出手段と、
　前記検出手段からの出力情報に基づき、観察対象物体の内部の画像情報を取得するための第２の信号処理手段と、
　を備えたことを特徴とする。

　本発明の構成によれば、ＯＣＴの干渉計において、参照光の光路長を可変にするための光路長調節手段と、対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、当該測距手段からの出力情報に基づき光路長調節手段を制御するための信号処理手段とを利用しているので、観察対象物体が被検眼の眼底等の動きのある物体であっても、装置光学系と被検眼との間の距離を測距して自動的に参照光路の光路長を調整することにより、測定の自動化を測ることができると同時に、極めて精度の高い断層画像情報を取得することができる。

　特に、観察対象物体の３次元的な画像情報を得る際にも、眼球運動等に起因する深度方向の位置ずれをリアルタイムに補正することが出来るので、画像処理用のコンピューターのソフトウェアに大きな負担を掛けることなく、効率的なシステム構成を実現することが可能になり、極めて経済的かつ実用的な装置を提供することが可能になる。

本発明に関わる光画像計測装置の第１の実施例を示した光学システムの構成図である。本発明の測距手段の光学的な原理を示した説明図である。本発明に関わる光画像計測装置において、光軸に垂直な方向の断層画像（Ｘ－Ｙ画像）を基本として３Ｄデータを取得する場合の説明図である。本発明に関わる光画像計測装置において、光軸に垂直な方向の断層画像（Ｘ－Ｙ画像）を基本として等しいピッチ間隔の空間周期で３Ｄデータを取得する場合の説明図である。本発明に関わる光画像計測装置の第２の実施例を示した光学システムの構成図である。本発明に関わる光画像計測装置において、光軸に沿った方向の断層画像（Ｘ－Ｚ画像）を基本として参照光路長を調整しないで３Ｄデータを取得する場合の説明図である。本発明に関わる光画像計測装置において、光軸に沿った方向の断層画像（Ｘ－Ｚ画像）を基本として参照光路長を調整して３Ｄデータを取得する場合の説明図である。断層画像情報を参照光路長を調整しないで３Ｄデータとして表示する場合の説明図である。断層画像情報を参照光路長を調整して３Ｄデータとして表示する場合の説明図である。

　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。以下に示す実施例では、観察対象物体として人の目の眼底を例示しており、検眼を行なうのに好適な光学系の実施例を示しているが、本発明はこれに限定されず、観察対象物体として強い散乱特性を有する皮膚などの生体組織や生物試料にも適用できるものである。

　図１において、符号１および２で示すものは、部分的コヒーレント光を射出する高輝度の発光ダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）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）の性質を有する光源（第１の光源）である。中心波長は、例えばそれぞれが、８３０ｎｍ、及び９５０ｎｍという赤外線（不可視）の異なる帯域の光を発生するものとする。光源１、２からの光ビームは、レンズ３、４でコリメートされ、ミラー５とダイクロイックミラー６を介して同一の光軸上に合成される。

　光源１と２に関して、二つの波長域を合成して広帯域の光源として利用することも可能であり、あるいは、必要に応じて波長域を使い分ける様にしても良い。また、図１の光源として、可視光（例えば、波長６７０ｎｍ程度の赤色）の光を射出するＳＬＤまたはＬＤ(Laser Diode：半導体レーザー）等の光源を一つ備え、これを、測定用の不可視の赤外線に対して、可視光で光ビームの光路を確認するための補助光源として利用することもできる。

　ミラー５とダイクロイックミラー６を介した光ビームは、レンズ７、８を介して所定の大きさの光ビームへと拡大された後、光路分割部材として機能するビームスプリッター（ＢＳ）１０に入射する。ビームスプリッター１０の位置において、光路は、光源側の光路９ａ、参照光路９ｂ、探索光路９ｃ、検出光路９ｄの４方向に分割されている。

　参照光路９ｂを進む光ビームは、レンズ１１、ミラー１２、レンズ１３を介した後、参照光路の端面に配置された反射ミラー１４に到達し、そこで生じた反射光が参照光路９ｂを引き返すことになる。ミラー１４は、圧電素子（圧電振動子）１５に装着されており、この振動子は例えば数十Ｈｚ程度の周波数で光軸方向（矢印１４ａの方向）にミラー１４を微細振動させ、光ビームの周期的な位相シフトを行なうものである。これらの参照ミラーと圧電振動子は、ＯＣＴ画像計測において必要な信号処理のための、参照光路における光の位相シフト手段を構成している。

　なお、参照光路９ｂの光路長は、探索光路９ｃの光路長と距離が等しくなるように合わせる必要がある。そのために、反射ミラー１４は、圧電素子１５を介して、移動ステージ１６の上に固定されており、後述する測距用信号処理手段の信号に応じてその光軸方向の位置が適宜調整される。

　また、移動ステージ１６は、不図示のモーターによって光軸方向（矢印１４ａの方向）に移動可能となっており、この移動ステージ１６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、被検眼眼底２０ｂの３次元的な断層画像情報が取得可能となる。

　また、参照光路９ｂには、不図示のＮＤフィルター等を挿入して、光強度を適宜調整することも可能である。

　一方、探索光路９ｃを進む光ビームは、レンズ１７、ダイクロイックミラー１８、対物レンズ（対物レンズ光学系）１９を介して、観察対象物体としての被検眼２０（前眼部２０ａ、眼底２０ｂ）に入射する。探索光路９ｃの途中のダイクロイックミラー１８において、光路は分岐しており、光源１、２とは異なる波長を発生する所定の波長の光源（第２の光源）２１からの光ビームが、レンズ２２、ビームスプリッター２３、及びダイクロイックミラー１８を介して、被検眼２０に向かって投射されるようになっている。

　光源２１からの光ビームは、後述するように、被検眼２０の前眼部２０ａで焦点を結ぶように設計されている。前眼部２０ａからの反射光は、対物レンズ１９、ダイクロイックミラー１８、ビームスプリッター２３を介した後、円柱レンズ２４、２５を経由して、分割型のセンサー（例えば４分割センサー）２６によって検出される。

　センサー２６からの出力信号は、信号処理手段（第１の信号処理手段）２７を介して処理された後、ドライバー回路２８を経由して、移動ステージ１６の制御を行なう。移動ステージ１６は、ボイスコイルモーター等で構成された高速動作の可能な移動制御手段で構成することが好適である。これによって、対物レンズ１９と観察対象物体２０（被検眼）との距離に応じて、参照光路９ｂの光路長を自動的、かつ高速に調整することが可能になる。

　一方、被検眼２０の眼底２０ｂからの反射光は、前述の光学系（対物レンズ１９、ダイクロイックミラー１８、レンズ１７、ビームスプリッター１０）を経由した後、参照光路９ｂから戻ってくる参照光と合成され、検出光路９ｄ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２９を介して、２次元ＣＣＤ（撮像素子：干渉光検出手段）３０によって検出される。２次元ＣＣＤ３０からの出力信号は、信号処理手段（第２の信号処理手段）３１を介して、種々の信号処理がなされた後、パソコン（ＰＣ）３２による種々のソフトウェアによる処理を経て、断層画像が表示手段３３に表示される。画像情報は、必要に応じて、記憶手段３４に記録することができる。

　図２は、本願発明の特徴であるところの対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段の原理を説明するための説明図である。

　図２において、光源２１からの光ビームは、レンズ２２によってコリメートされた後、ビームスプリッター２３とダイクロイックミラー１８、対物レンズ１９を介して被検眼の前眼部２０ａに収束するように照射される。前眼部２０ａからの反射光は、対物レンズ１９、ダイクロイックミラー１８、ビームスプリッター２３、円柱レンズ２４、２５を介して４分割センサー２６の近傍に焦点を結ぶように光学設計されている。なお、図２においては、被検眼２０からセンサー２６までの構成は、ダイクロイックミラー１８及びビームスプリッター２３を経由して、便宜的に直線的に描かれている。

　４分割センサー２６は、四つの受光部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄから構成されており、光ビームの焦点状態に応じて、受光される光量が変化する様に設定されている。すなわち、被検眼２０が対物レンズ１９よりも離れた場合は、センサー２６の面上に結像する光ビームのスポット３５は横長となり、受光部２６ａと２６ｃの検出光量が、受光部２６ｂと２６ｄの検出光量よりも小さくなる。一方、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離が適切に合った状態では、センサー２６の面上に結像する光ビームのスポット３６は近似的に円形となり、受光部２６ａと２６ｃの検出光量が、受光部２６ｂと２６ｄの検出光量にほぼ一致する。更に、被検眼２０が対物レンズ１９に近接した場合は、センサー２６の面上に結像する光ビームのスポット３７は縦長となり、受光部２６ａと２６ｃの検出光量が、受光部２６ｂと２６ｄの検出光量よりも大きくなる。

　仮に、四つの受光部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄにおいて、それぞれ受光される光強度を、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとすれば、例えば、以下の計算を行なうことによって、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離に応じた量Ｉを近似的に算出できる。

　　　　　　Ｉ＝｛（Ａ＋Ｃ）－（Ｂ＋Ｄ）｝／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）
　このような演算と、更に演算量Ｉと当該距離との非線形性に関わる所定の補正演算等を信号処理手段２７により行なって、その結果に基づきドライバー回路２８を制御して、移動ステージ１６を適宜調整するようにすれば、干渉計の参照光路９ｂの光路長をリアルタイムに調整することができる。

　図３ａ、図３ｂは、上述した干渉計の参照光路長の調整によって、観察対象物体の内部の断層画像がどのように得られるかを説明した説明図である。

　前述した図１の光学系により、探索光路９ｃを進む光ビームにより眼底２０ｂが照射され、その反射光がビームスプリッター１０において参照光路９ｂから戻ってくる光ビームと合成され、検出光路９ｄにおいて干渉光が発生する。この干渉光は２次元ＣＣＤ３０（撮像手段）と信号処理手段３１を介して、光軸方向（Ｚ方向）に垂直なＸ－Ｙ平面における眼底２０ｂの断層画像（Ｘ－Ｙ画像）として検出され、断層画像情報が取得される。このようにして得られる断層画像は、参照光路９ｂの光路長と探索光路９ｃの光路長の距離が等しくなるＺ方向位置（深度）での眼底の断層画像（Ｘ－Ｙ画像）を示している。その断層画像が、ある時刻に得られたとしても、実際は被検眼２０の眼球運動等により、光軸方向の動きの影響を受け、探索光路９ｃの光路長が変化するために、次の瞬間には同じ断層画像が得られなくなる。

　ここで、時系列的に（ｔに応じて）光軸方向（Ｚ方向）の走査を行なうことにより、Ｘ－Ｙ方向の断層画像が得られる場合のピッチ間隔（空間周期）を求めてみる。すなわち、前述の不図示のモーターによって参照光路長を一定速度で変化させて走査を行なう場合に、眼球運動中に、参照光路９ｂの光路長と探索光路９ｃの光路長の値が等しく対応したところの眼底の断層画像（Ｘ－Ｙ画像）を並べてみると、図３ａに示したように、Ｔ１～Ｔ７の空間周期となる。このように、参照光路長の走査に応じて断層画像３８が取得される空間周期Ｔ１～Ｔ７のピッチ間隔は、眼球運動により、図３ａのごとく不規則なものとなっている。

　このような不規則さは、図２に示したような光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、当該測距手段からの出力情報に基づき光路長調節手段をリアルタイムに制御して補正する構成により解消することができる。

　すなわち、眼球運動により、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離が変化すると、センサー２６の受光部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄでの光量が変化し、信号処理手段２７により、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離に対応した上記の演算量Ｉ、ならびに所定の非線形性を含めた補正量等が算出されるので、その結果に基づきドライバー回路２８を制御して、干渉計の参照光路９ｂの光路長が、眼球運動により変化する探索光路９ｃの光路長に等しくなるように、移動ステージ１６の位置を、リアルタイムに調整する。

　これにより、眼球の光軸方向の動きにより探索光路９ｃの光路長が変化しても、それが補正（補償）されるので、図３ｂに示したように、眼球に光軸方向（Ｚ方向）の動きがあっても、等しいピッチ間隔の空間周期Ｔ１’～Ｔ７’で異なる眼底面をスライスした複数枚の断層画像３９が得られ、高精度な３次元の断層画像情報を取得することが出来る。

　もちろん、被検眼の眼球運動等によって生ずる動きは、光軸方向（Ｚ方向）のみに限定される訳ではなく、当然Ｘ－Ｙ方向の動きを伴っている。しかし、Ｘ－Ｙ方向の動きは、図３ａのように取得されるＸ－Ｙ画像において、眼底の血管パターン等として明瞭に記録されているので、Ｚ方向の間隔が高精度に揃っていれば、後から画像処理によってＸ－Ｙ方向の動きを補正することは容易であり、結果的に高精度な３次元の断層画像情報を得ることができる。

　図４は、図１で説明した実施例とは異なる第２の実施例を示したものである。図４においては、図１（または図２）の構成要素と同等の要素には共通の符号が付されている。

　図４は、光ファイバー干渉計を利用したＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）のシステム構成の一例を示している。図４において、符号１及び２で示すものは、部分的コヒーレント光を射出する高輝度の発光ダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）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）の性質を有する光源である。ＳＬＤ光源は、それぞれ異なる波長帯域の光を発生させるものとして、光源１、２からの光ビームは、レンズ３、４でコリメートされ、ミラー５とダイクロイックミラー６を介して同一の光軸上に合成される。光源１と２に関しては、二つの波長域を合成して広帯域の光源として利用することも可能であり、あるいは、必要に応じて異なる波長域を使い分ける様にしても良い。

　ミラー５とダイクロイックミラー６を介した光ビームは、カプラー４１ａを介して光ファイバー４０へ結合される。光ファイバー４０は、光路が、光源側の光路４０ａ、参照光路４０ｂ、探索光路４０ｃ、検出光路４０ｄの４方向に分割されたもので、ファイバー型の干渉計を構成している。

　参照光路４０ｂを進む光ビームは、カプラー４１ｂから射出した後、ＮＤフィルター４２によって光強度を調整された後、ミラー１４で反射され、参照光路４０ｂを引き返すことになる。ミラー１４は、圧電素子（圧電振動子）１５に装着されており、この振動子は所定の周波数で光軸方向にミラー１４を微細振動させ、光ビームの周期的な位相シフトを行なうものである。

　なお、参照光路４０ｂの光路長は、探索光路４０ｃの光路長と距離が等しくなるように合わせる必要がある。そのために、反射ミラー１４は、圧電素子１５を介して、移動ステージ１６の上に固定されており、測距用信号処理手段２７の信号に応じてその光軸方向の位置が調整されるものとする。

　移動ステージ１６の位置調整は、図１、図２において説明したのと同様に行われる。すなわち、レンズ２２によってコリメートされた光源２１からの光ビームが、ビームスプリッター２３とダイクロイックミラー１８、対物レンズ１９を介して被検眼２０の前眼部２０ａに照射される。前眼部２０ａからの反射光は、対物レンズ１９、ダイクロイックミラー１８、ビームスプリッター２３、円柱レンズ２４、２５を介して４分割センサー２６の近傍に結像される。被検眼２０と対物レンズ１９との距離に応じて、４分割センサー２６の各受光部の受光量が変化するので、信号処理手段２７は、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離に応じた上述した演算量Ｉを算出し、非線形性の補正等も含めた結果に基づきドライバー回路２８を制御して、移動ステージ１６の光軸方向の位置を調整する。このような調整により、眼球運動などにより探索光路４０ｃの光路長が変化しても、それに応じて参照光路４０ｂの光路長をリアルタイムに補正することができる。

　一方、探索光路４０ｃを進む光ビームは、ガルバノメーター４３、４４に装着されたミラー（ガルバノミラー）４３ａ、４４ａに入射して、光ビームの走査が行なわれる。これら２つのガルバノミラー４３ａ及び４４ａは、光軸に対して直交する方向に、光ビームの１次元的な走査を行う走査ユニット４５を構成している。例えば、二つのガルバノミラー４３ａ、４４ａの一方を固定して、一方だけによる走査を行えば、光軸（Ｚ軸）に垂直な方向の、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の走査が可能である。あるいは、二つのガルバノミラー４３ａ、４４ａを共に同一の周波数で動作させて、それぞれを駆動する波形の種類や振幅、位相等を適宜設定すれば、ＸＹ面内方向において、任意のライン状の走査、またはサークル状等の走査が可能になる。これらのガルバノミラー４３ａ及び４４ａによる走査は、必要に応じて、所定の周波数で適宜行われる。

　ガルバノミラー４３ａ、４４ａによって走査された光ビームは、ダイクロイックミラー４６、レンズ１７、ダイクロイックミラー１８、対物レンズ１９を介した後、観察対象物体の被検眼２０（前眼部２０ａ、または眼底２０ｂ）に入射する。ここで、レンズ１７は、複数枚のレンズ構成として、被検眼の視度（近視や遠視等）に応じて調節可能なフォーカシング光学系を構成することもできる。レンズ１７と対物レンズ１９は、テレセントリック光学系を構成することにより、ガルバノミラーを含む走査ユニット４５と被検眼２０の前眼部２０ａとの共役関係がほぼ一定に保たれるように構成することができる。

　被検眼からの反射光は、前述の光学系（対物レンズ１９、ダイクロイックミラー１８、レンズ１７、ダイクロイックミラー４６）を逆進して、更に走査ユニット４５とカプラー４１ｃを介した後に光ファイバー４０に導かれる。光ファイバー４０の探索光路４０ｃを経由した探索光は、参照光路４０ｂを経由した参照光との間で合成され、検出光路４０ｄの側に干渉光（検出光）が発生する。カプラー４１ｄを介して、光ファイバーから射出した検出光は、分光器（スペクトロメーター）４７で分光された後に、１次元のＣＣＤ（ラインセンサー）４８で検出され、電気信号として出力される。

　ＣＣＤラインセンサー４８からの出力信号は、信号処理装置３１を介してフィルター処理等の所定の信号処理を受けた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）３２に送られる。ＰＣの内部では、所定のソフトウェアによって、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等のスペクトラルドメインＯＣＴの手法において必要な所定の演算処理が行なわれた後に、観察対象物体（被検眼）の断層画像情報が算出され、最終結果は、液晶表示モニター等の表示装置３３のモニター画面上に表示される。

　一方、図４においては、断層画像情報を計測するＯＣＴの光学系とは異なる波長（例えば波長７５０ｎｍ）の観察光を利用した２次元の撮像手段４９が備えられている。この撮像手段４９は、眼底カメラまたは走査型のレーザー検眼鏡であっても良く、その出力信号（映像信号）は、ＰＣ３２を介して、表示装置３３に供給され、所定の画像情報を提示することができる。撮像手段４９からの映像信号は、被検眼２０に装置光学系を位置合わせする際のアラインメントモニター画像や、または被検眼の眼底２０ｂの通常の反射像等であり、必要に応じて適宜利用することができる。ラインセンサー４８と信号処理手段３１を介して得られるＯＣＴの断層画像情報と、撮像手段４９から得られる２次元の反射画像情報は、ＰＣ３２を介して、必要に応じて、光ディスク等の記憶装置３４に記録することができる。

　図５ａ、図５ｂは、図４の干渉計の参照光路長の調整によって、観察対象物体の内部の断層画像がどのように得られるかを説明した説明図である。図４のＯＣＴ光学系を用いて得られる断層画像は、光軸に沿った方向の断層画像（例えばＸ－Ｚ画像５０）であり、時系列的に光軸と垂直な方向（例えばＹ方向）の走査を行なうことにより、複数枚の断面画像情報（３次元情報）が得られる。この画像情報は、被検眼２０の眼球運動等により、２重矢印線５１で示した深度方向の動きの影響を受けている。従って、参照光路長の補正が行われなかった場合、Ｘ－Ｚ画像の上下方向の位置は、それぞれ異なる時刻に撮影した図５ａのＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４の断層画像で示されるように、眼球運動に応じて不規則なものとなっている。

　一方、図２に例示したような測距手段を図４の光学系に組み合わせて、当該測距手段からの出力情報に基づき光路長調節手段をリアルタイムに制御して補正動作する構成を用いた場合は、このような不規則性を解消することができる。

　すなわち、眼球運動などにより、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離が変化すると、センサー２６の受光部２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄでの光量が変化し、信号処理手段２７により、被検眼２０と対物レンズ１９との間の距離に対応した演算量Ｉ、ならびに所定の非線形性を加味した補正量等が算出される。信号処理手段２７は、その結果に基づきドライバー回路２８を制御して、光ファイバー４０の参照光路４０ｂの光路長が、眼球運動などにより変化する探索光路４０ｃの光路長に等しくなるように、移動ステージ１６の位置を、リアルタイムに調整する。この光路長の調整により、複数枚の断層画像情報を取得した場合、各断層画像情報を、眼球運動等に起因する深度方向の動きとは無関係なものとすることができる。すなわち、図５ｂのＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の各断層画像は、それぞれ異なる時刻に取得したものであるが、断層画像の取得時刻が異なっても、矢印５２で示した断層表面の位置は各断層画像Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４でほぼ一致しており、深度方向に位置合わせのなされた高精度な３次元の断層情報を得ることが出来る。

　図３ａ、図３ｂにおいても説明したように、被検眼の眼球運動等によって生ずる動きは、深度方向（Ｚ方向）のみに限定される訳ではなく、当然Ｘ－Ｙ方向の動きを伴っている。しかし、Ｘ－Ｙ方向の動きは、図５ａ、図５ｂのように取得されるＸ－Ｚ画像においても、眼底の血管パターンの影として記録されており、更に２次元の撮像手段（図４の４９）によって同時撮影を行なっていれば、撮像手段４９によって得られる反射像には、Ｘ－Ｙ方向の動きが明瞭に記録されている。従って、これらの情報を利用すれば、後から画像処理によってＸ－Ｙ方向の動きを補正することは容易であり、光学的にＺ方向の動きをリアルタイムに補正できれば、結果的に高精度な３次元情報を得ることが可能である。

　図６ａ、図６ｂは、図４のＯＣＴ干渉計によって得られる断層画像情報を、３次元の画像情報として最終結果を表示したところの説明図である。図２で説明したところの測距手段による制御がなかった場合に、図４のＯＣＴ干渉光学系によって得られる断層画像情報は、観察対象物体（被検眼２０）の動きによって影響を受けており、最終結果を３次元表示した画像もＺ方向に波のような揺らぎの生じた、符号５３で示したような画像となることが多い。それに対して、図２に例示した測距手段を利用して、リアルタイムに参照光路の光路長の制御を行なった場合は、Ｚ方向の揺らぎの影響を押さえ込んだ精度の高い符号５４で示したような３次元画像を生成することが可能になる。このような３次元の断層画像情報は、ＯＣＴの臨床医学における重要な応用例の一つとして眼科分野においては、各種の網膜変性症や網膜剥離等の重篤な眼科疾患の精密診断や手術計画に際して効果的に活用することができる。

　１、２　ＳＬＤ光源
　１０　ビームスプリッター
　１６　移動ステージ
　１９　対物レンズ
　２０　観察対象物体（被検眼）
　２１　測距用の光源
　２４、２５　円柱レンズ
　２６　４分割センサー
　２７　信号処理手段（測距用）
　３０　２次元ＣＣＤ
　３１　信号処理手段（断層画像用）
　３２　ＰＣ
　３３　表示装置
　４０　光ファイバー
　４３ａ、４４ａ　ガルバノミラー
　４８　１次元ＣＣＤ
　４９　撮像手段

Claims

　光源からの光ビームを走査して観察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処理することにより対象物体の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、
　前記探索光の光ビームを対象物体へと導くための対物レンズ光学系と、
　前記参照光の光路長を可変にするための光路長調節手段と、
　前記観察対象物体から反射され対物レンズ光学系を介して得られる光ビームの結像位置に基づいて前記対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、
　前記測距手段からの出力情報に基づき前記光路長調節手段を制御するための第１の信号処理手段と、
　前記対物レンズ光学系を介した探索光と、前記光路長調節手段を介した参照光との間で合成される干渉光を受光するための検出手段と、
　前記検出手段からの出力情報に基づき観察対象物体内部の画像情報を取得するための第２の信号処理手段と、
　を備えたことを特徴とする光画像計測装置。
　光源からの光ビームを走査して観察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処理することにより対象物体の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、
　前記探索光の光ビームを対象物体へと導くための対物レンズ光学系と、
　前記対物レンズ光学系を介して、観察対象物体の表面の２次元画像情報を取得するための撮像手段と、
　前記参照光の光路長を可変にするための光路長調節手段と、
　前記観察対象物体から反射され対物レンズ光学系を介して得られる光ビームの結像位置に基づいて前記対物レンズ光学系と観察対象物体との間の距離を計測するための測距手段と、
　前記測距手段からの出力情報に基づき前記光路長調節手段を制御するための第１の信号処理手段と、
　前記対物レンズ光学系を介した探索光と、前記光路長調節手段を介した参照光との間で合成される干渉光を受光するための検出手段と、
　前記検出手段からの出力情報に基づき、観察対象物体の内部の画像情報を取得するための第２の信号処理手段と、
　を備えたことを特徴とする光画像計測装置。
　前記測距手段は、前記低干渉性の光ビームを発生する光源とは異なる波長を発生する第２の光源からの光ビームを、前記対物レンズ光学系を介して、観察対象物体の表面へと収束して投射する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。
　前記測距手段は、前記第２の光源からの光ビームを、前記対物レンズ光学系を介して、観察対象物体の表面へと収束して投射し、当該収束点から反射される光ビームの結像位置を、当該結像位置の近傍に配置された所定の光センサーによって検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。
　前記光路長調節手段は、参照光路の端面に配置された反射ミラーと、当該反射ミラーを参照光路の光軸方向に沿って移動するための移動ステージ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。
　前記第２の信号処理手段を介して得られる観察対象物体内部の画像情報は、前記探索光の光路に垂直な方向の断層画像情報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。
　前記第２の信号処理手段を介して得られる観察対象物体内部の画像情報は、前記探索光の光路に沿った方向の断層画像情報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。