JPH04174345A

JPH04174345A - 光波反射像測定装置

Info

Publication number: JPH04174345A
Application number: JP30016990A
Authority: JP
Inventors: Naohiro Tanno; 直弘丹野; Tsutomu Ichimura; 市村　勉; Akio Saeki; 佐伯　昭雄
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-06-22
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH0635946B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、部分的コヒーレント先を例えば生体の組織
構造等の被測定物体に照射し、被測定物体中からの反射
光波の振幅像を検出する装置に係わり、特に、ヘテロダ
イン検波受光系を用いる光波反射像測定装置に関する。

（従来の技術）従来のＸ　ＩＩ　ＣＴ　（Ｃｏ＊ｐｕｔｅｒｅｄ　Ｔｏ
ｓｏｇｒａｐｈｙ）技術は、Ｘ線源を被測定物体に透過
し、Ｘ線ビーム断面内の物体の吸収を透過経路全体に亘
る積分値として測定し、被測定物体に対して多数の方位
より同様の測定を行う。これら測定結果をもとにコンピ
ュータによって処理し、被測定物体内の各点の吸収量を
解読して表示し、断層像を得るものである。したがって
、この方法では被測定物体を全方位から測定する必要が
あり、位置と解読点の面積の分解能はＸ線ビームの断面
積と測定点数に依存する。

一方、Ｘ線源の代わりにコヒーレントなレーザビームを
用い同様の手法で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ＣＴを得る方法が開示さ
れている（１９１１９年秋季第５０回応用物理学会学術
講演会講演予稿集第３分冊、講演番号２９ａ−ＺＰ−７
，８，９，Ｐ、７８８．１９８９）。しかし、このレー
ザビームによる透過吸収測定法の場合も、被測定物体内
の各点の位置を特定するために、被測定物体に対して全
方位から測定する必要を有しており、測定や演算処理に
多大な時間を必要とするものであった。

（発明が解決しようとする課１ｉ）この発明は、上記従来の課題を解決するものであり、そ
の目的とするところは、被測定物体に対して全方位から
測定することなく、被測定物体内の点を特定することが
可能であり、測定および演算処理を簡単化することがで
きる光波反射像測定装置を提供しようとするもの−であ
る。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明は、上記課題を解決するため、部分的コヒーレ
ント光を照射光として屈折率の異なる層からなる散乱物
体に照射する照射手段と、前記照射光の周波数をシフト
させた参照光を生成する生成手段と、前記散乱物体内部
の奥行き方向の屈折率の異なる地点からの反射光と、参
照光とを合成する合成手段と、この合成された光を光電
変換する変換手段と、この変換手段から出力されるビー
ト成分を検出することにより、散乱物体の奥行き方向の
屈折率の異なる地点の反射振幅情報を検出する検出手段
とを設けている。

（作用）すなわち、この発明は、散乱物体の一方向より部分的コ
ヒーレント光を散乱成分を多く含んでいる生体等の散乱
物体に照射し、この散乱物体の奥行き方向の各地点から
反射される散乱成分を多く含む反射光と部分的コヒーレ
ント光の周波数をシフトさせた参照光とのビート成分を
検出することにより、散乱成分を確実に除去して、散乱
物体の奥行き方向の各地点から反射情報のみを確実に抽
出可能としている。

しかも、この発明によれば、散乱物体の一方向より部分
的コヒーレント光を照射することによって散乱物体の奥
行き方向の各地点から反射情報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
体内部の各地点の情報を特定することができる。つまり
、散乱物体内部の各地点からの反射光としての多重遅延
位相反射光を時系列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、比較的簡単なアルゴリズムに
より短時間のうちに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、光の照射
回数を減少することができるとともに、断層画像を生成
するための演算時間を従来に比べて短縮することができ
るものである。

（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は部分的にコヒーレントな
光ビームを発生するものであり、例えば−個ないし複数
のスーパールミネッセントダイオードあるいは疑似白色
光源によって構成されている。この発光素子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−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。また、前記発光素子１から
発生された光ビームのうち、ビームスプリッタ−３によ
って分割された光ビームの光軸上には、周波数シフタと
しての可動ミラー６が設けられている。

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−３によって分岐された光ビームの
光軸上には、光電変換器としての光検出器７が設けられ
ている。この光検出器７の出力端には信号処理器８が接
続されている。この信号処理器８は、例えば光検出器７
から出力される信号を増幅する増幅器（ＡＭＰ）８ａ、
この増幅器８ａによって増幅された信号から所定の帯域
の信号を取出す帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）８ｂ、およ
びこの帯域通過フィルタ８ｂによって取出された信号を
ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８Ｃによって構
成されている。このＡ／Ｄ変換器８ｃから出力されるデ
ィ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から出力された信号を記憶
するメモリ１０および各種情報を表示するデイスプレィ
装置１１が接続されている。

上記構成において、発光素子１から発生された部分的な
コヒーレント光はレンズ２で平行光束とされ、ビームス
プリッタ−３によって２分割される。このうち一方の光
ビームは可動ミラー６によって反射される。この反射光
はその周波数がドツプラーシフトを受け、且つ可動ミラ
ー６の移動距離に相当する位相遅れを持つ参照光波とな
る。

また、前記ビームスプリッタ−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軸座標の一点より照
射され、この物体中を透過伝搬して行く。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、この層の境界毎に散乱され
、一部は入射光ビームの方向に戻り反射光波を形成する
。この反射光波の各々の位相は入射光ビームの入射位置
より奥行き方向（Ｙ軸方向）にある境界の位置に従って
それぞれ遅延する。さらに、この反射光波の各々の振幅
は光学的層構造と物性によって決まる境界層の反射率と
吸収率に依存する。

前記被測定物体４からの反射光波は、前記可動ミラー６
によって反射された参照光波とともにビームスプリッタ
−３を介して光検出器７へ導かれ、この光検出器７にお
いて、合成され干渉した光波が光へテロダイン検波され
る。一般に、被測定物体４からの反射・光は多くの空間
フーリエスペクトル成分を有している。しかし、この反
射光は平行光束であり、空間コヒーレンス度の高い参照
光波の平面波成分と整合する成分のみが高効率でヘテロ
ダイン検波される。したがって、これを利用することに
より、被測定物体４の奥行き方向成分に対しても入射光
波の進行方向成分のみを高分解能で検出することができ
る。

すなわち、第２図に示すごとく、被測定物体４は雰囲気
等の屈折率がｎｏの散乱層（０層）中にあり、この被測
定物体４の内部に、Ｘ軸方向に厚みがｒｌ、「２、「３
の媒質層（１層、２層、３層）があり、これら層の屈折
率が０１、ｎ２、ｎ３である場合において、被測定物体
４に入射光が照射されると、この入射光は各層によって
減衰されるとともに、各層の境界において反射され、被
測定物体４から出力される。各層からの反射光は光が媒
質中を伝搬する距離に対応して指数関数的に吸収減衰さ
れ、且つ、散乱のため、距離の２乗に反比例して減衰す
る。

すなわち、第２図に示す被測定物体４に対する入射光と
反射光の関係を第３図に示すように表した場合、各層か
らの反射光は次のように表される。

（１）被測定物体４の表面からの反射光Ｉ　ＲｏｔはＩ
Ｒ，１ｍＲＯ１（２）１．２層目からの反射光ＩＲＩ□はＩ　Ｒ１２ｍ
　Ｔｏｌ　ａ　ｅ　−””　Ｘ　Ｒ１２但し、Ｔ　Ｏ１
＋　Ｔ　、ｏは、０から１層、１がら０層に入射した光
の透過率、Ｒ１□は、１層と２層での反射率（３）２．３層目からの反射光Ｉ　Ｒ２３はＩ　Ｒ２３
”　Ｔ　ｏＩ−ｅ　−””　Ｘ　Ｔ　１２Ｗ　Ｔ　ｏ、
Ｔ　、ｏＴ　、２Ｔ　２．Ｒ２３（４）３．４層目から
の反射光ｌＲ３４はＩ　Ｒ３，＃Ｔ０．Ｔ、。Ｔ　、２
Ｔ　２．’ｒ　２．Ｔ　、２Ｒ，４この被測定物体４か
ら出力された各層の反射光を参照光波と合成し、光検出
器７によって光ヘテロゲイン検波すると、第４図に示す
ような信号を得ることができる。

ここで、■□。１は被測定物体４の表面からの反射光に
対応したビート信号、ｌＲ１２は第１層、第２層目から
の反射光に対応したビート信号、Ｉ　Ｒ２ｊは第２層、
第３層目からの反射光に対応したビート信号、Ｉ　Ｒ）
４は第３層、第４層目からの反射光に対応したビート信
号である。これら各ビート信号は表面および各層の境界
に対応した反射光の直流成分ＤＣ１、ＤＣ２、ＤＣ３に
重畳されている。各ビート信号の時間幅ｔｏは、部分的
コヒーレント光のスペクトル幅によって規定され、各ビ
ート信号間の位相遅れｔｌ、ｔ２、ｔ３は各層の厚み等
の条件によって規定される。

このように、光検出器７で２乗検波され、光電変換出力
された電気信号には直流信号成分と交流信号成分が含ま
れている。このうち交流信号成分のみが信号処理器８に
設けられた帯域通、過フィルタ８ｂによって抽出される
。その結果、時系列信号が得られる。この時系列信号は
多重反射光波の遅延位相の量に応じて、被測定物体４の
奥行きの距離に比例し、時間的に遅れた信号波形を形成
する。この信号波形は基本的には、部分的なコヒーレン
ト光源のコヒーレント長を与える実効的スペクトル幅に
依存し、スペクトル線形に応じて５１ｎ（ｘ）ハや指数
関数型の波形の連なりとして得られ、各々の振幅はこの
多重反射光波の振幅に依存する。したがって、奥行き方
向即ちＸ軸方向の空間分解能（ΔＸ）は該スペクトル幅
によって決まる。また、入射断面の空間分解能（ΔＹ）
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。

例えば本実施例で示すスペクトル幅４　Ｘ　１０　”Ｈ
ｚの一個のスーパールミネッセントダイオードを用いた
場合、Ｘ軸方向の空間分解能はおよそ１４μｍとなる。

このとき奥行き方向の測定可能距離は可動ミラー６の掃
引可動距離と光波の減衰を与える部分的なコヒーレント
光源のスペクトル幅と強度に依存して定まる。この被測
定物体の奥行き方向のデータを含む信号波形は信号処理
器８のＡ／Ｄ変換器８Ｃによって空間分解能に対応した
時間毎に１ラインづつアナログ／デジタル変換され、こ
のディジタルデータはコンピューター９を介してメモリ
１０に記憶される。

次に、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。

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（ΔＸ×
ΔＹ）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イスプレィ装置１１に供給され
表示される。

このように被測定物体４のＸＹ平面全域のデータをデイ
スプレィ装置１１に表示することにより、−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。

上記測定をＺ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Ｚ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の任意の方位
から切取った断層像を生成することができる。

上記光ヘテロダイン法では信号対雑音比を大きくとるこ
とができるが、多重反射光波は指数関数的に減衰するた
め、被測定物体のＸ軸方向の測定長には限度がある。し
たがって、例えばメモリ１０にデータを記憶する際、コ
ンピュータ９によって、散乱物体の振幅と遅延時間に対
応した時系列電気信号を被測定物体４の奥行き方向の距
離の関数として補正し、この補正値をメモリ１０に記憶
することにより、Ｘ軸方向の測定深度を向上することが
可能であり、−層鮮明な画像を生成することができる。

次に、この発明の他の実施例について説明する。

なお、第１の実施例と同一部分には同一符号を付し、異
なる部分についてのみ説明する。

第５図はこの発明の第２の実施例を示すものである。こ
の実施例において、被測定物体２０は例えば不定形微細
構造を有している。被測定物体２０が不定形微細構造の
場合、入射光ビームは不定形微細構造の境界面で著しく
散乱される。その結果、多重反射光波は光検出器７の到
達面でほとんど球面波となり平行成分が著しく低減し、
光ヘテロゲイン出力は極めて弱くなり検出不能になる場
合が生じる。そこで、この実施例においては、参照光波
光路、すなわちビームスプリッタ−３と可動ミラー６と
の相互間にレンズ２１を配設することによって、参照光
波と多重反射光波との波面を整合し、光ヘテロダイン出
力の減少を防止している。

また、レンズ２１の配設位置はビームスプリッタ−３と
可動ミラー６との相互間に限定されるものではなく、ビ
ームスプリッタ−３と光検出器７との相互間に設けても
同様の効果を得ることができる。

第６図はこの発明の第３の実施例を示すものである。

この実施例は、ビームスプリッタ−３と不定形微細構造
を有する被測定物体２０の相互間に位置する多重反射光
路に、例えば直線偏光板３１を配置したものである。こ
のような構成によって、部分的にコヒーレントな光波が
直線偏光している場合でも、被測定物体２０からの非偏
光解消成分のみを抽出検波することができる。

一般に、生体やガラス等の微細不定形状面からの２次反
射光波は、明確な偏光を示さなくなり、偏光解消するが
、入射光波の１次反射光波はミーあるいはレーリー散乱
であり、入射光波の偏光性を反映する。し゛たがって、
ビームスプリッタ−３と被測定物体２０の相互間に位置
する多重反射光路に、直線偏光板３１配置し、入射光波
の直線位置より外れた部分からの反射光波を除去するこ
とにより、背景雑音を低減しかつ分解能を高めることが
できる。しかも、被測定物体２０に対して高分解能で、
良好な信号対雑音（ＳＮ）比で断層像を得ることができ
るものである。

なお、第２の実施例で述べた構成をこの実施例に加える
ことにより、高効率の検波が可能なことは明かである。

Ｍ７図はこの発明の第４の実施例を示すものであり、上
記第３の実施例におけるビームスプリッタ−３を偏光ビ
ームスプリッタ−４０に代え、この偏光ビームスプリッ
タ−４０とレンズ２の相互間、偏光ビームスプリッタ−
４０と可動ミラー６の相互間、および偏光ビームスプリ
ッタ−４０と直線偏光板３１の相互間に４分の１波長板
４１．４２．４３をそれぞれ配設したものである。

部分的にコヒーレントな発光素子１から出力される直線
偏光を４分の１波長板４１を透過して、円偏光とし、偏
光ビームスプリッタ−４０を用いて互いに直交する直線
偏光に２分割する。このうち一方の図面に平行な直線偏
光成分は４分の１波長板４２を透過して、可動ミラー６
で反射され、再度４分の１波長板４２を透過して図面に
垂直な偏光となり、偏光ビームスプリッタ−４０を透過
し光検出器７に導かれる。また、他方の図面に垂直な直
線偏光成分は４分の１波長板４３と直線偏光板３１を透
過し、被測定物体２０に照射される。被測定物体２０か
らの多重反射光波は、直線偏光板３１と４分の１波長板
４３との適宜な角度の組合せにより図面に平行な直線偏
光とされ、偏光ビームスプリッタ−４０を介して光検出
器７に導かれる。その結果、途中の光学的損失も最小に
でき、互いに平行な直線偏光として、この多重反射光波
と参照光波とは極めて効率よく干渉し検波される。

上記ｊ＠１乃至第４の実施例において、部分的にコヒー
レントな発光素子としては、波長が０．８５μ麿のスー
パールミネッセントダイオードを使用し、その出力は５
ｍＷで、実効的コヒーレントスペクトル幅は４　Ｘ　１
０　”Ｈｚ、レンズ２を経た平行光束のビーム直径はお
よそ１ｍｍ、Ｘ軸方向空間分解能は１４μ−である。ま
た、実効的なＹ軸方向の分解能は光ヘテロダインの計測
結果からおよそ８０μ腸である。Ｙ軸方向の解像点数に
限度は無いが試料可動台の制約により、本実施例では４
００個である。さらに、Ｘ軸方向の解像点数は、可動ミ
ラーの移動距離に対する制約とメモリの記憶容量の制約
のため、６００個である。この程度の解像点数でも、被
測定物体の物性にも依るが最大奥行き地点からの反射光
波に対してＳＮ比１０以上で効率よく検波可能である。

また、各解像点における濃淡あるいは色別の階調は７と
した。これら数値は、何れもこれに限定されるものでは
なく、被測定物体の寸法に応じて可変可能である。

さらに、参照光波を発生する周波数シフターとしては、
可動ミラーに限らず、超音波変調器等の超音波光回折を
用いたものや、波長板の組合せおよび回転格子のほか、
結晶の電気光学効果を利用することもできる。

また、部分的にコヒーレントな光源の波長域を種々変え
ることにより、物質の吸収反射が波長に依って異なるこ
とを利用し、被測定物体の構造組成物質を分離しつつ断
層像の測定が可能なことは明かである。

さらに、上記実施例においては、可動台５によって被測
定物体を移動して走査したが、例えば複数の発光素子を
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。

第８図は、この発明の第５の実施例を示すものであり、
この発明を電子走査プローブに適用した場合を示すもの
である。

電子走査プローブ本体５０の内部には、複数のスーパー
ルミネッセントダイオードからなる発光素子１が直線状
に配設されている。これら発光素子１から発生された光
ビームはそれぞれレンズ２によってビームスプリッタ−
３に導かれ、このビームスプリッタ−３によって分割さ
れる。この分割された一方の光ビームは周波数シフタ５
１、反射鏡５２によって参照光波とされ、分割された他
方の光ビームは被測定物体２０に照射される。この被測
定物体２０からの多重反射波はビームスプリッタ−３に
おいて、前記参照光波と合成され、複数の光検出器７に
導かれる。この光検出器７において、光ヘテロダイン検
波された被測定物体の奥行き方向のデータを含む信号は
、図示せぬ前述した信号処理部に供給される。

この実施例によれば、複数の発光素子１および複数の光
検出器７を設けることにより、−度の光走査により、奥
行き方向の情報を含む１ライン分のデータを得ることが
でき、この電子走査プローブ本体５０を発光素子１の配
列方向と直交する方向に移動することにより、容易に３
次元のデータを得ることができる。

なお、上記第１乃至第５の実施例においては、発光素子
としてスーパールミネッセントダイオードを使用したが
、これに限定されるものではなく、可視光線、紫外線等
の光波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１、生体、結晶、半導体、複合物質等等の多
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。

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。

［発明の効果］以上詳述したようにこの発明によれば、部分的にコヒー
レントな光源からの光ビームを被測定物体に一方向から
照射させるのみで、被測定物体の奥行き方向の像を得る
ことができるため、断層像を得るための走査回数を従来
に比べて削減することができるとともに、信号処理に要
する時間短縮することが可能な光波反射測定装置を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す構成図、第２図
乃至第４図はそれぞれ第１図の動作を説明するために示
す図、第５図乃至第８図はそれぞれこの発明の第２乃至
第５の実施例を示す構成図である。ｌ・・・部分的にコヒーレントな発光素子、２・・・集
光レンズ、３・・・ビームスプリッタ−１４・・・被測
定部材、５・・・可動台、６・・・可動ミラー、７・・
・光検出器、８・・・信号処理器、９・・・コンピュー
タ、１０・・・メモリ、１１・・・デイスプレィ装置、
２０・・・不定形微細構造の被測定物体、２１・・・レ
ンズ、３１・・・直線偏光板、４０・・・偏光ビームス
プリッタ−１４１，４２，４３・・・４分の１波長板。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１１゛λ［第　２　１′Ｘ１壬１；　噂−− 第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）部分的コヒーレント光を照射光として屈折率の異
なる層からなる散乱物体に照射する照射手段と、前記照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する生
成手段と、前記散乱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、参照光とを合成する合成手段と、この合成された光を光電変換する変換手段と、この変換
手段から出力されるビート成分を検出することにより、
散乱物体の奥行き方向の屈折率の異なる地点の反射振幅
情報を検出する検出手段と、を具備したことを特徴とする光波反射像測定装置。
（２）前記散乱物体と照射光の位置関係を変化させ、照
射光を散乱物体に走査させる手段と、走査方向に対し奥
行き方向の反射振幅情報を求め、二次元の反射振幅断層
像を求める手段と、を具備したことを特徴とする請求項
１記載の光波反射像測定装置。
（３）前記参照光を球面波に変換するレンズを具備した
ことを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。
（４）前記合成された光を球面波に変換するレンズを具
備したことを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定
装置。
（５）前記散乱物体から反射された光より、非偏光解消
成分のみを抽出する直線偏光手段を具備したことを特徴
とする請求項１記載の光波反射像測定装置。
（６）前記照射光は４分の１波長板を介して円偏光とさ
れ、前記合成手段は偏光ビームスプリッターによって構
成され、参照光路および反射光路に４分の１波長板を具
備し、散乱物体からの非偏光解消成分のみを抽出するこ
とを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。
（７）前記照射手段は直線状に配列され部分的コヒーレ
ント光を散乱物体に照射する複数の発光素子と、これら
発光素子を順次点灯する制御手段とを具備したことを特
徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。
（８）前記照射手段は直線状に配列され部分的コヒーレ
ント光を散乱物体に照射する複数の発光素子を有し、変
換手段は散乱物体からの反射光および前記参照光が合成
された光を光電変換する複数の光電変換素子を有するこ
とを特徴とする請求項１記載の光波反射像測定装置。
（９）前記検出手段は前記変換手段から出力される散乱
物体の振幅と遅延時間に対応した時系列電気信号の大き
さを、散乱物体の奥行き方向の距離の関数として補正し
、この補正値を散乱物体の反射振幅情報として求めるよ
うに構成したことを特徴とする請求項１記載の光波反射
像測定装置。