JP3672836B2 - 高速画像同期測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロダインビート信号からなる干渉画像を高速に同期検出測定する装置に関するものである。
【０００２】
ここでは、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させた２枚の干渉画像において、それぞれの画像内のデータから、信号光波強度分布を得る装置であり、測定画像数の低減を図るために測定の高速化を図る装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度，１８０度，２７０度と変化させた際の４枚の画像から、信号光波強度分布を得る方法は、すでに報告されている（文献１：Ｍａｒｃｈ １，１９９９／Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．５／ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ）。また、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度，１８０度と変化させた際の３枚の画像から、信号光波強度分布を得る方法も、すでに報告されている｛文献２：ＯＳＪ−ＢｉＯＰ ２０００〔第１回 生体医用光学研究会 講演論文集：開催日 ２０００年７月２４〜２５日 青葉記念会館（東北大学工学部）〕｝。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、干渉画像は４枚、少なくとも３枚は必要であり、時間分解能の向上が望めないといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点を除去し、ヘテロダイン検出を用いた信号光波強度画像を求める場合に、位相条件の異なる４、３枚の画像に代えて、２枚の画像から求め、干渉画像を高速に同期検出する高速画像同期測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕高速画像同期測定装置において、変調照明強度ｍ（ｔ）の光を照射する強度変調照射光源と、位相変調信号φ _m （ｔ）を出力する位相変調器と、前記変調照明強度ｍ（ｔ）の照射光と位相変調信号φ _m （ｔ）を受けて、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる干渉結像光学系と、トリガー信号を生成するスタータートリガーとを備え、前記トリガー信号で全測定が開始すると、前記位相変調信号φ _m （ｔ）は鋸歯状波で１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する周期Ｔ ₀ を有し、これに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号Ｉ_B （ｔ）は正弦波信号となり、かつ該位相変調信号φ _m （ｔ）に対して、前記強度変調照射光源の時間幅がτである変調照明強度ｍ（ｔ）は、第１位相時の照射ｍ ₀ と、該第１位相時の照射ｍ ₀ と９０度位相が異なる第２位相時の照射ｍ ₁ を交互に発生させ、画素ごとの出力信号を、前記第１位相時と第２位相時に対応する信号Ｓ ₀ ，Ｓ ₁ となし、これをカメラで撮像し、カメラコントローラーを介してコンピュータに接続し、前記強度変調照射光源とスタータートリガーと位相変調器とカメラコントローラーとはコンピュータによって制御可能にし、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させたヘテロダインビート信号からなる２枚の干渉画像内のデータから、信号光波強度分布を求めるようにしたことを特徴とする
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの構成図、図２はその各部の信号のタイミングチャートである。
【０００９】
図１において、１は強度変調照射光源、２はスタータートリガー、３は干渉結像光学系、４は位相変調器、５はカメラ、６はカメラコントローラー、７はコンピュータ、８は表示装置である。
【００１０】
干渉結像光学系３は、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる結像光学系である。スタータートリガー２からのトリガー信号〔図２（ａ）〕で全測定が開始し、位相変調信号φ_m （ｔ）〔図２（ｃ）〕は鋸歯状波で周期Ｔ₀ 、１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する。それに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号Ｉ_B （ｔ）〔図２（ｄ）〕は、正弦波信号となる。しかし、光源の変調照明強度ｍ（ｔ）〔図２（ｂ）〕は、矩形波状に強度が変調されており幅はτである。位相変調信号φ _m （ｔ）に対して図２（ｂ）のＩ位相時の照射ｍ₀ と、次の周期でＩ位相時と９０度位相が異なるII位相時の照射ｍ₁ が交互に発生するようになっている。
【００１１】
よって、図２においてＣＣＤなどのイメージセンサでの画素ごとの出力信号は、Ｉ位相時、II位相時に対応して、図２（ｄ）の斜線で示したそれぞれの面積に対応する信号Ｓ₀ ，Ｓ₁ となる。まずＩ位相時の画像信号（画素代表信号Ｓ₀ ）を取り込み、次の周期でII位相時の画像信号（画素代表信号Ｓ₁ ）を取り込み、引き続き時間Ｔ_C 間の後述の画像処理により、信号光波強度画像を得る。
【００１２】
一般にヘテロダインビート信号は、後述する式（３）で示される。
【００１３】
ここで、信号光波振幅はＡ_S 、参照光波振幅はＡ_R 、位相変調角周波数はω₀ （＝２π／Ｔ₀ ）、信号光波と参照光波との位相ドリフトはδである。ヘテロダイン検出の場合、一般に参照光波は信号光波よりも十分大きく、生体の断層画像測定などの場合には、信号光波は生体からの後方散乱光波となる。
【００１４】
次に、先の信号Ｓ₀ ，Ｓ₁ を計算する。変調信号への位相に対応する時間遅れをＴ_D 、光源の照明時間幅をτとすると、ヘテロダインビート信号の平均強度Ｉ_BTD は、後述する式（４）〜（９）のようになる。９０度の位相差は周期／４に対応するので、画像信号Ｓ₀ ，Ｓ₁ は、後述する式（１３）、（１４）で与えられる。
【００１５】
位相差の異なる画像信号Ｓ₀ ，Ｓ₁ に代表される２つの画像データにおいて、ｉ番目と結像光学系の空間分解能程度離れたｊ番目の画素に着目し、以下の仮定をする。
【００１６】
（１）Ｓ₀ とＳ₁ では、それぞれの画素において、信号光波振幅と位相揺らぎδは同じ（位相変調信号は高速であり、その僅か周期／４時間で位相揺らぎは同じ）である。
【００１７】
（２）ｉ番目とその近くのｊ番目の画素においては、信号光波振幅のみが異なる（図１に示した実験系では、結像干渉光学系なので、空間分解能程度の距離で画素間が離れていればそれぞれの信号光波強度が異なる。一方、参照光波強度分布は、空間的になだらかで一定とする）。
【００１８】
よって、画像信号Ｓ₀ とＳ₁ に対応するｉ番目とｊ番目の画素信号は、後述する式（１５）とすることができる。
【００１９】
４つの測定値Ｓ_0i，Ｓ_1i，Ｓ_0j，Ｓ_1jより、未知数４つを求めることは可能であり、位相揺らぎδによらずに信号光波強度は、後述する式（２２）で示される。これを順次、全ての画素に行って、信号光波振幅の二次元分布が得られる。
【００２０】
以下、上記した点について詳細に説明する。
【００２１】
まず、位相変調信号として周期関数φ_m （ｔ）を次式と考える〔図２（ｃ）〕
φ_m （ｔ）＝（φ₀ ／Ｔ₀ ）ｔ （０≦ｔ≦Ｔ₀ ） …（１）
φ₀ ＝２πとすると、φ_m （ｔ）を含むヘテロダインビート信号は次式となる。
【００２２】
Ｉ_B （ｔ）＝Ａ_R ² ＋Ａ_S ² ＋２Ａ_S Ａ_R ｃｏｓ〔φ_m （ｔ）＋δ（ｔ）〕
…（２）
ここで、Ａ_S は信号光波振幅、Ａ_R は参照光波振幅、δは信号光波・参照光波間の位相差であり、δが時間的に揺らいでいることを仮定する。これより、Ｉ_B は次式となり、図２（ｄ）で示すようになる。
【００２３】
Ｉ_B （ｔ）＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋２Ａ_S Ａ_R ｃｏｓ〔ω₀ ｔ＋δ（ｔ）〕
（ω₀ ＝φ₀ ／Ｔ₀ ） …（３）
ただし、δによりφ_m （ｔ）に対してｔ軸上で横方向に揺らいでいる。
【００２４】
また、干渉結像光学系の光源は、図２（ｂ）に示すように、周期的にＯＮ、ＯＦＦされている。これより、カメラで検出される積算光量は斜線の部分となる。斜線の部分の平均強度Ｉ_BTD を求める。
【００２５】
【数１】

【００２６】
【数２】

故に
Ｉ_BTD ＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋２Ａ_S Ａ_R ／τ〔ｃｏｓδ・（２ｃｏｓω₀ Ｔ_D
・ｓｉｎω₀ τ／２）／ω₀ 〕−
ｓｉｎδ〔（２ｓｉｎω₀ Ｔ_D ・ｓｉｎω₀ τ／２）／ω₀ 〕
＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋（４Ａ_S Ａ_R ／ω₀ τ）〔ｃｏｓδ・ｃｏｓω₀ Ｔ
_D ・ｓｉｎ（ω₀ τ／２）−ｓｉｎδ・ｓｉｎω₀ Ｔ_D ・
ｓｉｎ（ω₀ τ／２）〕
＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋〔４Ａ_S Ａ_R ・ｓｉｎ（ω₀ τ／２）／ω₀ τ〕
（ｃｏｓδ・ｃｏｓω₀ Ｔ_D −ｓｉｎδ・ｓｉｎω₀ Ｔ_D ）
…（９）
ここで、
Ｉ_BTD1＝Ｉ_BTD ｜_TD=0＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋〔４Ａ_S Ａ_R ・
ｓｉｎ（ω₀ τ／２）／ω₀ τ〕ｃｏｓδ …（１０）
Ｔ_D ＝Ｔ₀ ／４で位相が９０°ずれた場合
Ｉ_BTD2＝Ｉ_BTD ｜_TD=T0/4 ＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋〔４Ａ_S Ａ_R ・
ｓｉｎ（ω₀ τ／２）／ω₀ τ〕（−ｓｉｎδ） …（１１）
ｃｏｓω₀ Ｔ_D ＝ｃｏｓ（２π／Ｔ_D ）（Ｔ_D ／４）＝ｃｏｓ（π／２）＝０
ｓｉｎω₀ Ｔ_D ＝ｓｉｎ（π／２）＝１
故に、
Ｉ_BTD1＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋｛２Ａ_S Ａ_R 〔ｓｉｎ（ω₀ τ／２）〕／
（ω₀ τ／２）｝ｃｏｓδ
Ｉ_BTD2＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² −｛２Ａ_S Ａ_R 〔ｓｉｎ（ω₀ τ／２）／
（ω₀ τ／２）｝ｓｉｎδ …（１２）
図３は画素のモデルである。図３に示すカメラにおける画素モデルで、図２（ｄ）も含めて考えると、画素ｉにおいて、まず、信号Ｓ₀ が得られ、次に、信号Ｓ₁ が得られる。ただし、Ｓ₀ ，Ｓ₁ は式（１２）より式（１３）、式（１４）で定義されている。
【００２７】
Ｓ₀ ＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² ＋２Ａ_S Ａ_R ・ｓｉｎｃ（ω₀ τ／２）・ｃｏｓδ
…（１３）
Ｓ₁ ＝Ａ_S ² ＋Ａ_R ² −２Ａ_S Ａ_R ・ｓｉｎｃ（ω₀ τ／２）・ｓｉｎδ
…（１４）
ここで、図２（ｄ）に示されているように、Ｓ₁ はＳ₀ 測定後、５Ｔ₀ ／４に測定されるものである。図１に示した測定系においては、干渉結像光学系３を用いているので、同じ画面内の（隣の）画素ｊでも同じことが測定されている。つまり、画素信号において以下のことが考えられる。
【００２８】
Ｓ₀ →Ｓ₁ （時間 ５Ｔ₀ ／４）
ここで、ｉ画素（信号光波とδが同じ）であり、その（隣合う）画素は信号光波のみが異なる。ｊ画素が隣接する。
【００２９】
また、Ａ_R ² ≫Ａ_S ² であるからＡ_R ² ＋Ａ_S ² ≒Ａ_R ² とする。これより、
ｉ：Ｓ_0i＝Ｉ_R ＋Ｉ_siｃｏｓδ，Ｓ_1i＝Ｉ_R −Ｉ_siｓｉｎδ
ｊ：Ｓ_0j＝Ｉ_R ＋Ｉ_sjｃｏｓδ，Ｓ_1j＝Ｉ_R −Ｉ_sjｓｉｎδ
ここで、
Ｉ_R ＝Ａ_R ²
Ｉ_si＝２Ａ_siＡ_R ・ｓｉｎｃ（ω₀ τ／２） …（１５）
Ｓ_1i，Ｓ_1jを含めて再度整理すると、以下のようになる。
【００３０】
Ｓ_0i＝Ｉ_R ＋Ｉ_Siｃｏｓδ …（１６）
Ｓ_1i＝Ｉ_R −Ｉ_Siｓｉｎδ …（１７）
Ｓ_0j＝Ｉ_R ＋Ｉ_Sjｃｏｓδ …（１８）
Ｓ_1j＝Ｉ_R −Ｉ_Sjｓｉｎδ …（１９）
よって、測定値がＳ_0i，Ｓ_1i，Ｓ_0j，Ｓ_1jの４つで、未知数がＩ_R ，Ｉ_Si，Ｉ_Sj，δの４つであることから、未知数を測定値で表すことができる。
【００３１】
（１６）−（１８）：Ｓ_0i−Ｓ_0j＝（Ｉ_Si−Ｉ_Sj）ｃｏｓδ
（１７）−（１９）：Ｓ_1i−Ｓ_1j＝−（Ｉ_Si−Ｉ_Sj）ｓｉｎδ
故に、ｃｏｓ² δ＋ｓｉｎδ²
＝〔（Ｓ_0i−Ｓ_0j）／（Ｉ_Si−Ｉ_Sj）〕²
＋〔（Ｓ_1i−Ｓ_1j）／（Ｉ_Si−Ｉ_Sj）〕²
＝１ …（２０）
（１６）−（１７）：Ｓ_0i−Ｓ_1i＝Ｉ_Si（ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ）
（１８）−（１９）：Ｓ_0j−Ｓ_1j＝Ｉ_Sj（ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ）
故に、ｃｏｓδ＋ｓｉｎδ＝（Ｓ_0i−Ｓ_1i）／Ｉ_Si＝（Ｓ_0j−Ｓ_1j）／Ｉ_Sj
故に、Ｉ_Sj／Ｉ_Si＝（Ｓ_0j−Ｓ_1j）／（Ｓ_0i−Ｓ_1i）
式（２０）より
【００３２】
【数３】

故に、ｔａｎδ＝ｓｉｎδ／ｃｏｓδ＝−〔（Ｓ_1i−Ｓ_1j）／（Ｓ_0i−Ｓ_0j）〕
…（２３）
式（２２）、（２３）より、Ｉ_Si，δが求まるので、反射光波による断層画像と表面トポグラフィも求まることがわかる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、ヘテロダイン検出を用いた信号光波強度画像を求める場合に、位相条件の異なる４、３枚の画像に代えて、２枚の画像から求めることができ、高速化を図ることができる。
【００３５】
本発明の応用例の一つとしては、生体の断層画像測定が挙げられ、測定画像枚数の低減による時間分解能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの構成図である。
【図２】 本発明の実施例を示す高速画像同期測定システムの各部の信号のタイミングチャートである。
【図３】 画素のモデルを示す図である。
【符号の説明】
１ 強度変調照射光源
２ スタータートリガー
３ 干渉結像光学系
４ 位相変調器
５ カメラ
６ カメラコントローラー
７ コンピュータ
８ 表示装置

Claims (1)

1. （ａ）変調照明強度ｍ（ｔ）の光を照射する強度変調照射光源と、
   （ｂ）位相変調信号φ _m （ｔ）を出力する位相変調器と、
   （ｃ）前記変調照明強度ｍ（ｔ）の照射光と位相変調信号φ _m （ｔ）を受けて、参照光波と物体からの後方散乱光波とを干渉させる干渉結像光学系と、
   （ｄ）トリガー信号を生成するスタータートリガーとを備え、
   （ｅ）前記トリガー信号で全測定が開始すると、前記位相変調信号φ _m （ｔ）は鋸歯状波で１周期で０から２π・ｒａｄまで直線的に変化する周期Ｔ ₀ を有し、これに伴い、１画素におけるヘテロダインビート信号Ｉ_B （ｔ）は正弦波信号となり、かつ該位相変調信号φ _m （ｔ）に対して、前記強度変調照射光源の時間幅がτである変調照明強度ｍ（ｔ）は、第１位相時の照射ｍ ₀ と、該第１位相時の照射ｍ ₀ と９０度位相が異なる第２位相時の照射ｍ ₁ を交互に発生させ、画素ごとの出力信号を、前記第１位相時と第２位相時に対応する信号Ｓ ₀ ，Ｓ ₁ となし、これをカメラで撮像し、カメラコントローラーを介してコンピュータに接続し、
   （ｆ）前記強度変調照射光源とスタータートリガーと位相変調器とカメラコントローラーとはコンピュータによって制御可能にし、参照光波と信号光波との位相差を０度，９０度と変化させたヘテロダインビート信号からなる２枚の干渉画像内のデータから、信号光波強度分布を求めるようにしたことを特徴とする高速画像同期測定装置。

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