JPH0635946B2

JPH0635946B2 - 光波反射像測定装置

Info

Publication number: JPH0635946B2
Application number: JP30016990A
Authority: JP
Inventors: 直弘丹野; 勉市村; 昭雄佐伯
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPH04174345A

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光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線ＣＴ（Computered Tomography）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（1989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-ZF-7,8,9,P.788,198
9）。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題）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が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、例えば一個ないし複数
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、ビームスプリッター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、ビームスプリッター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）８
ａ、この増幅器８ａによって増幅された信号の所定の帯
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ィスプレ
イ装置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
プリッター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
はその周波数がドッ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
ー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、合成された干渉した光波が光ヘテロダイン検波さ
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、空間コヒーレント度の高い参照
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ｎ０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ｒ１、ｒ２、ｒ３
の媒質層（１層、２層、３層）があり、これらの層の屈
折率がｎ１、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_R01はＩ_R01＝Ｒ₀₁ (2)１，２層目からの反射光Ｉ_R12は但し、Ｔ₀₁，Ｔ₁₀は、０から１層，１から０層に入射し
た光の透過率、Ｒ₁₂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 (4)３，４層目からの反射光Ｉ_R34はこの被測定物体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によって光ヘテロダイン検波す
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、Ｉ_R01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、Ｉ_R12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_R23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_R34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ｔ０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ｔ１、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sin(x)/x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はほぼ決まる。

例えば本実施例で示すスペクトル幅４×１０¹²Hzの一個
のスーパ−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ＸＹ平面全域のデータをディ
スプレイ装置１１に表示することにより、一軸方向から
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するこ
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、一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の実施例に示すものである。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、
光ヘテロダ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ー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ー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
ームスプリッター３と光検出器７との交互間に設けても
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、ビームスプリッター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、
ビームスプリッター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が明かである。

第７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ー３を偏光ビ
ームスプリッター４０に代え、この偏光ビームスプリッ
ター４０とレンズ２の相互間、偏光ビームスプリッター
４０と可動ミラー６の相互間、および偏光ビームスプリ
ッター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、円偏光として、
偏光ビームスプリッター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ー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ー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。

上記第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0.85μｍ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５mWで、
実効的コヒーレントスペクトル幅は４×１０¹²Hz、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１４μｍ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８０
μｍ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４００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１
０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ンター
３に導かれ、このビームスプリッター３によって分割さ
れる。この分解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ー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、一度の光走査により、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、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
射されるのみで、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。１……部分的にコヒーレントな発光素子、２……集光レ
ンズ、３……ビームスプリッター、４……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……ディスプレイ装置、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ー、４１、４２、４
３……４分の１波長板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市村勉宮城県仙台市太白区向山１丁目１―20― 301 (72)発明者佐伯昭雄宮城県仙台市太白区向山３丁目９―２ (56)参考文献特開昭63−274848（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−243839（ＪＰ，Ａ) 特開平２−110346（ＪＰ，Ａ) 特開平１−145545（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。