JPH1123372A

JPH1123372A - 光波コヒーレンス映像方法及びその装置

Info

Publication number: JPH1123372A
Application number: JP17679697A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ichimura; 勉市村; Naohiro Tanno; 直弘丹野
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1997-07-02
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】物体に対して測定点を機械的に掃引すること
なく、ビームを観測物体より大きくして照射し、画像間
の演算により簡単に像の情報を取り出すことができるマ
ッハツェンダー干渉型の光波コヒーレンス映像方法及び
その装置を提供する。【解決手段】一方を散乱媒質中にある吸収物体の透過
回折像を得る信号光束とし、他方を前記透過回折像と重
ね合わせる参照光束とし、参照光束の光路長を信号光束
の光路長に対して光路差を生ぜしめ、信号光束と参照光
束の重ね合わせ二光束を二次元検出器１１で検出し、参
照光束と信号光束の光路差を変化させた度毎の２組の検
出像の検出像間の減算を行い、何組かの減算像の加算平
均を求めて散乱成分を除去し、前記散乱媒質中の吸収物
体の透過回折像だけを選別する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光散乱媒質を透し
て吸収物体を視る光波コヒーレンス映像方法及びその装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光に対して高散乱媒質物体である生体内
部の透過像、透過断層像、反射断層像は、新しい診断法
を生み出すものと期待され、活発に研究されている。こ
のような高散乱媒質物体の透過像（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ
ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇ）、透過断層像（Ｃ
ｏｈｅｒｅｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｏｍｏｇｒａ
ｐｈｙ）、反射断層像（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｒｅｎ
ｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を得る方法として、大き
く分けると二つの研究の流れがある。

【０００３】一つは、光のエネルギー（光子密度）を検
出する方法である。ピコ秒の光パルスとストリークカメ
ラ等による時間分解測定で、光パルスのエネルギーを検
出して像を観測する方法がその代表である。二つ目は、
光を波動として扱い、ヘテロダイン検波を用いて光の干
渉成分（コヒーレンス成分）を検出して、透過像、透過
断層像、反射断層像を得る光波コヒーレンス映像法とも
呼ぶべき方法で、透過像および透過断層像は１９８９年
に、反射断層像は１９９０年に提案された。

【０００４】このうち、光パルスを用いた光のエネルギ
ー（光子密度）を検出する方法は、光を波として扱わず
エネルギーの粒子として扱うため、偏光やコヒーレンス
は考慮していないが、光拡散理論やモンテカルロ法をも
とに像再生が研究されている。これらは、多重散乱光に
は、コヒーレンス成分がなく、光子間の相関（干渉成
分）は考慮せず、独立したエネルギー粒子だけとの前提
で解析をすすめている。

【０００５】一方、ヘテロダイン検波の方法は、検出さ
れる干渉成分は小さいものの、光パルスのエネルギーの
検出法より、散乱成分除去能力に優れているため、透過
像、透過断層像、反射断層像を得るのに成功している。
本願の発明者等は、先に、ビームを掃引するヘテロダイ
ン検波方式の代わりに、マイケルソン干渉計を組み、レ
ーザーのビームを、観測する像の大きさ以上に拡大して
物体に照射し、二次元検出器（ビジコンカメラ）で画像
を取り込み、画像間の演算で干渉成分を検出する光波コ
ヒーレンス映像方法を提案した。

【０００６】この方法は、光波コヒーレンス映像方法の
散乱除去効果の結果に基づいて、測定点を掃引すること
なく、干渉計の光路差を同相（ｉｎｐｈａｓｅ）およ
びπ位相差（ｏｕｔｏｆｐｈａｓｅ）にして画像間
の演算により、多重散乱光の関係する干渉成分が結果的
に非干渉成分のように除去され、透過物体回折光と参照
光の干渉成分だけによる像を抽出した方法である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、光に
対して高散乱媒体物質である生体内部の透過像、透過断
層像、反射断層像は、新しい診断法を生み出すものと期
待されており、これらの像を得る手段として、光を波動
として扱い、ヘテロダイン検波を用いて光の干渉成分を
検出する光波コヒーレンス映像法がある。

【０００８】しかしながら、この方法は、光パルスによ
るエネルギー検出法に比して散乱成分除去能力に優れる
利点を有するが、光束を観測物体面を走引することが必
要であり、電子走引に比較して時間がかかる難点があっ
た。本発明は、上記問題点を除去し、物体に対して測定
点を機械的に掃引することなく、ビームを観測物体より
大きくして照射し、画像間の演算により簡単に像の情報
を取り出すことができるマッハツェンダー干渉型の光波
コヒーレンス映像方法及びその装置を提供することを目
的とする。

【０００９】

【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、光波コヒーレンス映像を得るにあたり、
一方を散乱媒質中にある吸収物体の透過回折像を得る信
号光束とし、他方を前記透過回折像と重ね合わせる参照
光束とし、参照光束の光路長を信号光束の光路長に対し
て光路差を生ぜしめ、信号光束と参照光束の重ね合わせ
二光束を二次元検出器で検出し、参照光束と信号光束の
光路差を変化させた度毎の２組の検出像の検出像間の減
算を行い、何組かの減算像の加算平均を求めて散乱成分
を除去し、前記散乱媒質中の吸収物体の透過回折像だけ
を選別するようにしたものである。

【００１０】このように、散乱媒質中にある吸収物体を
透過した散乱光を参照光と干渉させ、干渉が強め合って
いる時から、参照光の光路を半波長ずらして干渉が弱め
合っている時の映像を引き、多数回の減算映像を加算す
ることにより、像の情報の乗っている干渉成分だけを取
り出す。マッハツェンダー干渉計を用いて光のビームを
散乱媒質に一回透過させることにより、多重散乱による
散乱光を画像の減算により軽減することができ、より高
濃度の散乱媒質に対しても透過物体の精度の高い回折像
を視ることが可能となる。

【００１１】本発明によれば、生体等の散乱体媒体を透
した物体の透過像を再生することを目的とし、従来のヘ
テロダイン検波を用いて透過像を得るように、物体に対
して測定点を機械的に掃引する必要もなく、ビームを観
測物体より大きくして照射し、両像間の演算により簡単
に像の情報を取り出すことができるマッハツェンダー干
渉型の光波コヒーレンス映像法を提案し、実験を行っ
た。物体を透過した散乱光を参照光と干渉させ、干渉が
強め合っている時から、参照光の光路をλ／２だけずら
し干渉が弱め合っている時の画像を引き、多数回の減算
画像を加算することにより、像の情報の乗っている干渉
成分だけを取り出すことができるのを確認した。また、
信号成分の空間的強度分布の規格化を行った。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。〔１〕光波コヒーレンス映像システムの構成図１は本発明の第１実施例を示す光波コヒーレンス映像
システムの構成図である。

【００１３】この図に示すように、Ｈｅ−Ｎｅレーザー
１の光束をビームエキスパンダー２で広げたものを光源
として用い、マッハツェンダー干渉計へと導く。すなわ
ち、レーザー光１は、ビームスプリッター（ＢＳ１）３
で２光束に分けられる。一方の光束を参照光とし、他方
の物体を照射する光束を信号光とする。そこで、ビーム
スプリッター（ＢＳ１）３で分けられた参照光は、ビー
ムスプリッター（ＢＳ２）４でミラー（Ｍ２）５に反射
され、再びビームスプリッター（ＢＳ２）４を通り、直
進してビームスプリッター（ＢＳ３）６によって信号光
と重ね合わされる。

【００１４】信号光の光束は、全反射ミラー（Ｍ１）７
で反射され、物体を照射して、その透過物体回折光が散
乱体８へ入射する。散乱体８を透過した光束は、ビーム
スプリッター（ＢＳ３）６で参照光と重ねられ、ビジコ
ンカメラ１０に投影される。このビジコンカメラ１０か
らの信号はデータ処理装置１３で処理される。このビジ
コンカメラ１０の内部は、二次元検出器１１と、その出
力信号を制御する制御部１２からなり、その制御部１２
において、ミラー（Ｍ２）５の位置検出器１６からのデ
ータが得られるようにしている。

【００１５】ミラー（Ｍ２）５の駆動機構について見る
と、ミラー（Ｍ２）５の裏面には、圧電変位素子（ＰＺ
Ｔ）１４が取り付けられており、直流電源１７によって
駆動され、ステージ１５にセットされた圧電変位素子
（ＰＺＴ）１４の制御により、参照光の光路を変化さ
せ、位相を変化させるように構成されている。ここで、
ビジコンカメラ１０のレンズ９Ａのフォーカスは物体に
合わせられている。

【００１６】この時、像の情報が乗った参照光と干渉可
能な空間コヒーレンスを保っている透過物体回折光は、
参照光と干渉して検出される。一方、多重散乱光は、観
測位置により偏光がランダムに異なり、位相もランダム
に異なった光の重なりから成り立つため、参照光と多重
散乱光の干渉成分および多重散乱光同士の干渉成分は、
コントラストの小さなスペックルを生じる。これを二次
元検出器（イメージセンサー）１１の空間分解最小単位
（画索）で検出して、ミラー（Ｍ２）５の位置検出器１
６からのデータと同期させて、物体を透過した散乱光を
参照光と干渉させ、干渉が強め合っている時から、参照
光の光路をλ／２だけずらし干渉が弱め合っている時の
画像を引き、多数回の減算画像を加算することにより、
像の情報の乗っている干渉成分だけを取り出すことがで
きる。つまり、同相およびπ位相の画像間の減算を多数
回行うと、透過物体回折光と参照光との干渉成分以外は
零になる。

【００１７】〔２〕多重散乱光の解析生体組織の光伝搬のシミュレーションとして使用する散
乱媒質からの多重散乱光は、光源としてレーザー光（コ
ヒーレンス光）を使用し、光を波動として扱うため、ス
ペックルの解析手法を参考に考える。また、生体試料の
ような高散乱媒質による多重散乱は、偏光解消が起こり
ランダム偏光になることも考慮する。但し、散乱光波の
独立性が成立しなくなる多重散乱は考慮せず、散乱光は
各光波とも独立であるとみなせるという前提で考える。

【００１８】まず、二次元光検出器の受光面上のある点
ｘでの、多重散乱光Ｅ_scatt（ｘ）の振幅及び強度を考
える。散乱媒質の照射領域内を位相が一定と見なせる大
きさの多数のセルに分割し、各々のセルからの散乱光波
の重ね合わせとして多重散乱光の複素振幅を記述する。
単一波長を考えているため、時間に関する波長依存因子
を除いて、検出器の検出面である観測点ｘにおける電界
の振幅Ｅ_scatt（ｘ）を次式で表す。ここで、ａ
_n（ｘ）とθ_n（ｘ）は、ｎ番目のセルからの散乱光波
の振幅と位相であり、Ｎは観測点ｘに寄与する散乱体セ
ルの数である。

【００１９】

【数１】

【００２０】散乱光波のａ_n（ｘ）とθ_n（ｘ）は、ス
ペックルと同じように観測位置でバラツク空間的確率現
象として扱う。ここで、位相が一定と見なせるセルに対
応して、ｎ番目の散乱光波の偏光は、振幅と位相とは独
立で偏光方向が一義的に決まるものとする。その偏光方
向を表すベクトルをｉ_nとすると、多重散乱光の電界Ｅ
_scatt（ｘ）は次式で表せる。

【００２１】

【数２】

【００２２】ここで、Ｅ_scatt（ｘ）は色々な方向の偏
光ベクトルを持つ電界を表すものとする。従って、ラン
ダム偏光を考慮した多重散乱光の強度｜Ｅ_scatt｜
²は、ｎ番目とｍ番目の散乱光波の偏光方向のベクトル
の角度差をγ_n,mとすると、異なる偏光方向同士の干渉
はその余弦関数で与えられるから、次式となる。

【００２３】

【数３】

【００２４】二次元検出器の出力は、検出器の画素Ｓで
（３）式を積分して、次式となる。

【００２５】

【数４】

【００２６】ここで、第１項は、多重散乱により散乱光
波の強度が観測位置でバラツク確率分布となるため、空
間的な明るい平均値に対応する直流分と、空間的バラツ
キ分である変動成分（交流分）が含まれる。第２項は、
散乱光波による空間的な明暗の干渉縞の変動分に相当す
る。これは、異なる散乱光波の偏光成分の干渉寄与分
と、ヤングの干渉縞に相当する空間相互コヒーレンス関
数の積の和を意味する。このうち、偏光成分の余弦成分
は散乱体によって決まる分布をしている。また、空間相
互コヒーレンス関数は、種々の方向と、種々の間隔のヤ
ング干渉縞の空間的変動分に相当する。最小間隔の干渉
縞は、照射領域の散乱体の最も離れた組み合せからの散
乱波の干渉によって生じる。

【００２７】一方、最大間隔の干渉縞は、散乱体の最小
間隔の組み合わせによる散乱波の干渉に依存すると考え
られる。これらの空間的平均値は空間的直流分がないこ
とに対応して零である。模擬生体試料としての散乱媒質
の多重散乱光の分布は、実験により既に明らかなよう
に、スペックルの強度分布と異なり、空間的な直流分が
大きく、空間的変動分のコントラストは小さい。従来の
ガウス的スペックルにおいては、複素平面上での散乱光
波ベクトル分布が零平均の分布をして、観測されるスペ
ックル強度の確率密度分布は、負指数分布を示す。その
ため、空間的に暗い部分に相当する部分が一番多くコン
トラストが鮮明である。

【００２８】しかし、多重散乱の場合は、空間的な直流
分の明るいゲタ成分に相当する分が大きい値を示し、ス
ペックルに相当する明暗のコントラストは小さい。これ
は、未発達なスペックルパターンと似ているが異なる。
未発達なスペックルは散乱されず、そのまま通過する成
分が明るい直流分に寄与している。この通過する成分
は、空間的確率分布を示さず一義的にその値が決まる。

【００２９】一方、多重散乱は強度の空間的分布が散乱
観測位置でバラツク確率分布であり、しかも従来のガウ
ス的スペックルと異なり、散乱光波ベクトル分布が零平
均でない有限な値を持つ分布を示すと考えられる。この
有限な値の平均値が明るい直流分に相当している。干渉
により生じたスペックルの空間的変動成分は、ヤングの
干渉縞に対応し、その干渉縞の周期は余弦成分の周期に
対応する。従って、余弦成分の変化が検出器の画素より
小さい成分は、二次元光検出器の画素で積分されて零に
なる。その結果、干渉による空間的変動分の第２項は、
ヤングの干渉縞の周期が検出器の画素より大きいものだ
けが残る。これは、画素のサイズで決まる空間的定数で
像面の空間成分を積分したことになり、空間周波数のス
ペクトル面では高周波スペクトルをカットしたことに相
当する。

【００３０】多重散乱のため、偏光方向が異なるものの
余弦成分の角度差γ_n,mが０と２πの間に一様に近い分
布をしていると考えられる時は、干渉縞のコントラスト
はその分小さくなる。ここで、（４）式の第１項や、第
２項の実際の分布は、散乱媒質の特性や測定光学系に依
存する。〔３〕検出器で検出される光波成分の解析次に、検出器で検出される光源より分割された参照光を
Ｅ_r（ｘ）、その光と干渉する散乱媒質を透ってきた、
ほんの僅かの入射光と同じ偏光で空間コヒーレンスを保
っている透過物体回折光をＥ_s（ｘ）、多重散乱光をＥ
_scatt（ｘ）とした時の全成分の強度を考える。ここ
で、参照光Ｅ_r（ｘ）および透過物体回折光Ｅ_s（ｘ）
は、多重散乱とは異なり空間的にバラツク確率現象では
なく、一義的にその値が決まる光波と考える。

【００３１】参照光と透過物体回折光の合成された干渉
波の位相をφ（ｘ，ｉ）とする。参照光と多重散乱光の
散乱光波の干渉波は、位相をψ_k（ｘ，ｉ）の異なる多
くの位相の重ね合わせとする。また透過物体回折波と多
重散乱光の散乱光波の干渉波は、位相ρ_k（ｘ，ｉ）の
異なる多くの位相の重ね合わせとする。また、多重散乱
光の偏光がランダムになるため、このランダム偏光方向
のベクトルと参照光の偏光方向のベクトルの角度差をα
_nとし、ランダム偏光方向のベクトルと透過物体回折光
の偏光方向のベクトルの角度差をβ_nとする。この時、
偏光成分の干渉への寄与分は、偏光方向のベクトルの角
度差の余弦関数の重ね合わせが与えられる。

【００３２】従って、検出器の画素Ｓで検出されるｉ番
目の画像フレーム強度をＩ（ｘ，ｉ）とすると、フレー
ム強度Ｉ（ｘ，ｉ）は画素Ｓで積分して、次の（５）式
で与えられる。

【００３３】

【数５】

【００３４】ここで、第１項は、空間的な直流分の明る
いゲタ成分に相当する参照光の強度である。第２項は散
乱媒質を透ってきた透過物体回折光であり、多重散乱が
なく、従来の結像系で検出する時は、信号成分として検
出される成分である。多重散乱光に比べ非常に小さく、
散乱成分に隠れてしまい、従来のレンズ結像系だけでは
検出できなくなる成分である。この方法では、散乱光に
比較して小さいため省略でき、仮に大きくても画像演算
により除去される成分である。

【００３５】第３項は既に述べたように、多重散乱光の
それぞれの散乱光波の強度の和で、空間的に強度が確率
分布をし、空間的な明るい平均値に対応する直流分の明
るいゲタ成分と確率分布のバラツキによる変動部との両
者に対応している。散乱媒質の濃度が高くなるにしたが
って、第３項が大きくなり、逆に第２項は小さくなり第
２項が無視できるようになる。

【００３６】第４項も、先に明らかしたように多重散乱
光の散乱光波同士の干渉成分で、種々の方向と種々の間
隔のヤングの干渉縞の空間的変動分に対応する。第５項
は、参照光と透過物体回折光との積である。この成分が
コヒーレンス成分（干渉成分）で、抽出したい像情報を
持つ成分である。散乱媒質の濃度が高くなるに従って小
さくなる。

【００３７】第６項は、２光束干渉の多重重ね合わせに
よる干渉縞を形成し、位相の余弦成分で決まる種々の方
向と種々の間隔の干渉縞に相当する空間的変動成分であ
る。但し、その空間的平均値は零である。ここで、散乱
光波の振幅が空間的確率分布となりバラツクため、それ
による干渉成分も空間的に変動する。また、偏光成分
は、余弦成分の角度差α_nが０と２πの間に一様に近い
分布をしていると考えられ、干渉縞のコントラストはそ
の分小さくなる。従って、２光束の干渉縞の余弦成分の
周期が検出器の画素より小さい成分は、検出器の画素で
積分されて零になり、２光束の干渉縞の周期が検出器の
画素より大きいものだけが残る。

【００３８】第７項は、散乱光波のランダム偏光成分と
透過物体回折光の干渉分で、透過物体回折光が高散乱媒
質では非常に小さいため他の項に比較して無視できる。
これらの実際の空間的バラツキである確率分布は、散乱
媒質の特性、照射光束の径、結像系の開口と構成、検出
器の画素の大きさなどに依存して決まる。空間的に確率
分布に従ってバラツク成分を整理すると、（５）式の第
３項、第４項、第６項、第７項に対応し、次式Δで表せ
る。

【００３９】

【数６】

【００４０】

【数７】

【００４１】

【数８】

【００４２】

【数９】

【００４３】ここで、Δは空間的確率分布の各成分の和
を、Δ_dcは空間的平均値である空間的直流分を、Δ_acは
Δ_ac1とΔ_ac2の和を、Δ_ac1は散乱光波の強度に関係
した空間的変動分を、Δ_ac2は位相が関与した空間的変
動分を、〈〉は空間的平均をそれぞれ表す。空間的変
動成分は空間的にバラツイテも、光の検出の際、検出器
の電流に生じる時間的に変動する光子雑音（ショットノ
イズ）と異なり、一義的に値は決まるが、検出位置によ
って異なる値を示す空間的雑音となる。（８）式の第１
項は、空間的直流分を中心にバラツク成分である。第２
項は、直流分である。（９）式は空間的直流分のない変
動成分だけのバラツキ成分である。（６）式を用いると
（５）式は次式となる。但し、透過物体回折光は他の項
に比較して非常に小さいため、省略することができる。

【００４４】

【数１０】

【００４５】ここで、Δは次式で与えられる。

【００４６】

【数１１】

【００４７】ｊ番目の画素フレーム強度も同じように書
けるため次式となる。

【００４８】

【数１２】

【００４９】〔４〕画像演算による信号成分の解析ミラー５（Ｍ２）の位置を変化させることにより、参照
光の光路長を変化させて、位相φ（ｘ，ｉ）を変化させ
て位相φ（ｘ，ｉ）の像にする。この時、ｉフレーム像
よりｊフレーム像を減算した像Ｉ_sub（ｘ，ｉ−ｊ）
は、計算機による画像の減算は絶対値を表示するから、
次式で与えられる。ここで、参照光と透過物体回折光の
合成された干渉波の位相ψは一様分布するため、参照光
の位相φ（ｘ，ｉ）が変化しても、合成された干渉波
（１１）式の第３項は変化がないと考える。

【００５０】

【数１３】

【００５１】位相φ（ｘ，ｉ）の画素より位相差φ
（ｘ，ｊ）の画像を減算すると、（１３）式のように、
参照光強度は、空間的確率分布をとらず一義的に決まる
ため除去される。また、空間的確率分布に従ってバラツ
ク成分であるΔ_acは時間的変動がなければ空間的雑音で
あるため、検出器の画素で積分されても零にならない、
画素より大きい周期成分の複数のヤングの干渉縞や参照
光と散乱光波の干渉縞でも、フレーム間の減算を行えば
零になる。但し、各成分の検出電流における光子雑音に
より生じる時間的雑音は、演算により零にならないが、
ここでは省略する。

【００５２】これより、フレーム像間で減算すると、干
渉成分だけを取り出すことができることが判る。この
時、φ（ｘ，ｉ）＝０とし、φ（ｘ，ｊ）＝πとすると
最大の干渉像Ｉ_sub（ｘ，ｉ−ｊ）が得られ、次式とな
る。

【００５３】

【数１４】

【００５４】一般に散乱体の揺らぎや干渉計の微動など
の外部要因で検出される光波が時間的に変動すると、空
間的変動分Δ_acが時間的変動成分になって検出される。
これは、空間的雑音成分Δ_acが時間的に変動する雑音成
分に変化したことを意味する。但し、この時、Δ_ac1は
強度の時間的変化に対応し、Δ_ac2は位相の時間的変化
に対応するため、Δ_ac2は変動に敏感であり、この成分
の変化が時間的変動に大きく寄与する。

【００５５】しかし、光の強度が一定の場合の時、検出
電流に生じる光子雑音成分の時と同じように、多数回測
定を行うと、信号対雑音比が大きくなり、感度を向上さ
せることができる。即ち、時間的揺れがあっても、フレ
ーム像間の減算を多数回行い平均をとると、次式のよう
に零になる。なお、時間的揺れ等による雑音だけでな
く、（１０）式で表せる各成分の光子雑音により生じる
時間的雑音も、多数回の平均をとると零になることは勿
論である。

【００５６】

【数１５】

【００５７】ここで、（１４）式の参照光Ｅ_r（ｘ）、
物体回折光Ｅ_s（ｘ）は、多重散乱光の確立的な散乱光
波の分布と異なり、コヒーレンス光波の回折像として解
析することができる。その回折像は、干渉計と結像系に
より異なる。この実験では参照光Ｅ_r（ｘ）は、平面波
で近似できる参照光が、レンズ結像系により焦点面にフ
ラウンホーファー回折し、それが、更に検出器面にフレ
ネル回折したものである。

【００５８】また、信号光である物体回折光Ｅ_s（ｘ）
は、レンズ結像系を用いているため、テストターゲット
のような物体によるフレネル回折像がレンズ結像系まで
伝搬し、それが焦点面にフラウンホーファー回折し、更
に結像面である検出器面にフレネル回折し実像を形成す
る成分である。これらの参照光および信号光の結像面で
の回折像の絶対値の積が検出される像である。ここで、
二次元検出器の画素は検出したい像に比較して小さいた
め、画素Ｓでの積分効果は像の検出には影響ないと考え
られる。

【００５９】参照光、信号光、多重散乱光とも、結像面
では中心の強度が強く、周辺に行くに従って弱くなる。
従って、（１４）式では、中心に近いところほど画像が
強調され、周辺に行くに従って画像のコントラストが弱
くなる。そこで、画像の中心も周辺も同じようなコント
ラストを得るために、空間の強度分布の重み付けを、同
相時と画像とπ位相差時の画像間の加算により得る。規
格化する空間の強度分布Ｉ_add（ｘ，ｉ＋ｊ）として、
次式を得る。

【００６０】

【数１６】

【００６１】従って、これをＮ回測定した平均Ｓ
_add（ｘ，ｉ＋ｊ）は、次式となる。

【００６２】

【数１７】

【００６３】フレーム像を減算した像を多数回加算した
平均Ｓ_sub（ｘ，ｉ−ｊ）は、次式で与えられる。

【００６４】

【数１８】

【００６５】次に、（１８）式を（１７）式で除算する
ことにより、次式を得る。但し、Ａは定数である。

【００６６】

【数１９】

【００６７】（１９）式より、画像間の減算および画像
間の加算を多数回行い、それらの平均を求めて、それら
の除算から画像信号を得ても、画像間の減算を画像間の
加算で除算し、それを多数回加算しても同じことが判
る。実験の演算は、後者の方法で行った。分子の信号成
分である参照光と透過物体回折光の積が、画像の中心位
置で大きい時、分母も画像中心位置で大きくなるため、
光強度の重みで規格化したことになる。以上より、参
照光と透過物体回折光の位相差が同相時の画像から、π
位相時の画像を減算し、それを多数回加算することによ
り、散乱成分を除去し干渉成分の情報の乗った画像成分
だけを取り出すことができることが判る。

【００６８】以下、具体的実験について説明する。図１
に示す光波コヒーレンス映像システムにおいて、光強度
約２．２４ｍＷ、ビーム径約０．８φのランダム偏光の
Ｈｅ−Ｎｅレーザー（ＮＥＣＧＬＧ５０１０無偏
光）１を光源として用い、ビームエキスパンダー２で光
束を広げてマッハツェンダー干渉計の配置にした実験系
へ、約１．４４ｍＷで入射する。

【００６９】ここで、ランダム偏光のレーザーを用いた
のは、直線偏光のレーザーを用いた時の干渉成分の可視
度と、ランダム偏光のレーザーの可視度は同じであるこ
とが確認されているためである。無偏光ビームスプリッ
ター３で分けられた一方の光を参照光とし、もう一方は
物体照射光（約５５２μＷ）として用いる。散乱で透過
物体回折光が参照光より弱くなり、コントラストが悪く
なるのを改善するために、参照光の光路中に濃度フィル
ター〔ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ−Ｄｅｎｓｉｔｙｆｉｌｔ
ｅｒ：ほとんどの光の波長の変化なしに、光の強度を減
少させる光学フィルター）〕を挿入するようにしてもよ
い（これについては、図１０に示す第５実施例において
も述べている）。散乱体として、セル長（１０ｍｍ×１
０ｍｍ×５０ｍｍ）の石英セルにイントラリボス濃度
０．３５％溶液を入れたものを用いた。石英セルと鏡Ｍ
₁の間に対象物体としてテストパターン（ＮＢＳ１９６
３ＡＴＥＳＴＴＡＲＧＥＴＳ）を挿入して、像再生
を行った。

【００７０】参照光用反射鏡を取り付けたピエゾアクチ
ュエータ（トーキン社製積層型ＮＬＡ−ＰＺＴ）に印
加するＤＣ電圧を抑制することにより、参照光側の光路
長を変え、透過物体回折光と参照光の位相差を変化させ
た。ビジコンカメラ（浜松ホトニクス社製Ｃ１０００
−０１）１０は焦点を対象物体に合わせてある。ビジコ
ンカメラ１０の出力は、コントローラー（浜松ホトニク
ス社製）で読み出しが行われ、パソコン（ＮＥＣ−９８
０ｌｖｍ）で画素の強度データーとして保存される。

【００７１】画像データーは２５６×２５６ピクセル
（ｐｉｘｅｌ）の大きさの８ｂｉｔ、分解能２５６のテ
キストデーターとして取り込む。圧電変位素子（ＰＺ
Ｔ）１４の印加電圧の制御により、参照光と透過物体回
折光を干渉させ、位相が同相時の画像よりπ位相差時の
画像をワークステーションで理論演算式にしたがって、
画像の各画素毎に減算することにより干渉成分像を再生
した。

【００７２】〔４〕光波コヒーレンス映像方法の像再生図２は本発明の第１実施例を示す像再生の説明図であ
る。この実験で像再生を試みる分解能テストターゲット
は、ラインペアー数２．５（線幅２００μｍ）の文字
「２．５」（横幅４ｍｍ、高さ２．２ｍｍ）で、図２
（ａ）に示す。

【００７３】イントラリピッド２０％を精製水で濃度変
化させ、散乱媒質として用いた。濃度は前もって実験し
た空間的干渉縞の干渉成分が確認困難であった０．３５
％を用いて測定を行った。散乱媒質を透過した信号光
と、ＮＤフィルターで信号光と同程度に減衰させた参照
光の重畳させた干渉像をビジコンカメラで測定してい
る。また、ビジコンカメラの前には、ＮＤフィルターを
挿入し、カメラが飽和しないように調整してある。

【００７４】図２（ｂ）は信号光と干渉光の光軸を精度
よく揃えることによって得られる参照光と透過物体回折
光が同相時（干渉像の最大値）の画像を示す。画像は、
散乱成分に埋もれてしまい像は確認できない。図３は上
記の参照光と透過物体回折光が同相時（干渉像の最小
値）の画像中央の強度分布、及びπ位相時（干渉像の最
小値）の画像中央の強度分布を示す。この強度分布の差
が干渉成分である。

【００７５】図４に理論式（１８）に従って、１回演算
の画像中央位置の強度分布を示す。この図より、演算後
の画像の階調は小さい。図５（ａ）にその時の画像を示
す。この図では、画像は識別できないことが判る。そこ
で、演算後の画像を５回蓄積した画像を図５（ｂ）に示
す。この図より鮮明ではないが、画像は識別できること
が判る。

【００７６】更に、画像を観やすくするために、狭い階
調内に入っている図５（ｂ）の画像の階調を、２５６階
調に補正した画像を図６に示す。この図より階調補正の
方法で図５（ｂ）の蓄積したテストターゲットの画像が
改善され、より鮮明な画像が得られた。上記したよう
に、従来のヘテロダイン検波を用いて透過像を得る、Ｃ
ｏｈｅｒｅｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＩｍａｇｉｎｇ
のように、物体に対して観測点を機械的に掃引する必要
もなく、ビームを観測物体より大きく照射し、画像間の
演算により簡単に像の情報を取り出すことができるマッ
ハツェンダー干渉型の光波コヒーレンス映像方法を提案
し、基本的な実験を行った。

【００７７】マッハツェンダー干渉型を用いて、物体を
透過した散乱光を参照光と干渉させ、干渉が強め合って
いる時、即ち、同相時（ｉｎｐｈａｓｅ）の画像か
ら、参照光の光路をλ／２だけずらし干渉が弱め合って
いる時、即ち、π位相差時（ｏｕｔｏｆｐｈａｓ
ｅ）の画像を引き、多数回の減算画像を加算することに
より、像の情報の乗っている干渉成分だけを取り出す光
波コヒーレンス映像方法を試みた。

【００７８】散乱媒質として濃度０．３５％のイントラ
リポスを用い、媒質を透した物体として分解能テストタ
ーゲットを用いた実験により、透過物体回折像を再現で
きた。これより、マイケルソン干渉計を用いた光波コヒ
ーレンス映像方法より高濃度の散乱媒質を透った透過物
体回折像が再現できることが確認できた。信号成分の空
間的強度分布の規格化処理を行い、画像の鮮明化を行っ
た。更に、画像間の演算により検出された狭い階調の範
囲での信号画像を、階調の範囲を大きくし、補正するこ
とにより画像を明瞭にできることも確認できた。

【００７９】なお、参照光束は、レンズ９Ａにより焦点
ｆまでフラウンフォーファ回折し、焦点ｆより拡散球面
波のフレネル回折となる。一方、信号光束は、物体回折
像がレンズ９Ａまでフレネル回折し、レンズ９Ａの焦点
ｆにフラウンフォーファ回折し、二次元検出器にフレネ
ル回折する。検出器面では位相が異なる。次に、本発明
の第２実施例について説明する。

【００８０】図７は本発明の第２実施例を示す光波コヒ
ーレンス映像システムの構成図である。以下、第１実施
例と同じ部分には同じ番号を付してその説明は省略す
る。図１に示した第１実施例においては、レンズ９Ａを
信号光と参照光が合わせられるビームスプリッター（Ｂ
Ｓ３）６の後部に配置するようにしたが、この実施例で
は、レンズ９Ｂを信号光と参照光が合わせられるビーム
スプリッター（ＢＳ３）６の前部に配置するようにして
いる。

【００８１】なお、参照光束は、レンズを透過しないの
で、ビームエキスパンダー２の出力でのビームが二次元
検出器までフレネル回折し、略平面波である。一方、信
号光束は、物体回折像がレンズ９Ｂまでフレネル回折
し、レンズ９Ｂの焦点ｆにフラウンフォーファ回折し、
二次元検出器にフレネル回折する。図８は本発明の第３
実施例を示す光波コヒーレンス映像システムの構成図で
ある。

【００８２】この実施例では、信号光と参照光が合わせ
られるビームスプリッター（ＢＳ３）６の後に、第１の
再回折光学系レンズ（ｆ₁）２１と空間的なフィルタ
〔空間的なピンホール等によるスパシャルフィルタ（Ｓ
ｐａｔｉａｌｆｉｌｔｅｒ）２２と第２の再回折光学
系レンズ（ｆ₂）２３とからなる空間高周波周波数成分
カットフィルタを、前記二光束の合成後に挿入し、散乱
による空間高周波周波数成分をカットし、前記散乱媒質
中の吸収物体の回折光と空間低周波成分だけを取り出す
ようにしている。

【００８３】図９は本発明の第４実施例を示す光波コヒ
ーレンス映像システムの構成図である。この実施例で
は、信号光と参照光が合わせられるビームスプリッター
（ＢＳ３）６の前に、第１の再回折光学系レンズ
（ｆ₁）３１と空間的なフィルタ〔空間的なピンホール
等によるスパシャルフィルタ（Ｓｐａｔｉａｌｆｉｌ
ｔｅｒ）３２と第２の再回折光学系レンズ（ｆ₂）３３
とからなる空間高周波周波数成分カットフィルタを、前
記二光束の合成前に挿入し、散乱による空間高周波周波
数成分をカットし、前記散乱媒質中の吸収物体の回折光
と空間低周波成分だけを取り出すようにしている。

【００８４】図１０は本発明の第５実施例を示す光波コ
ヒーレンス映像システムの構成図である。この実施例で
は、散乱媒質中にある吸収物体の透過回折像のフレネル
回折像を参照光束と重ね合わせるようにしている。つま
り、レンズレス構成にしており、ビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ２）４と二光束が合成されるビームスプリッタ（ＢＳ
３）６との間にはＮＤフィルター４１が配置される。

【００８５】この実施例によれば、レンズレス結像であ
るため、レンズ結像系に比べ、二次元検出器の元素の大
きさで空間分解能が決まる。これに対して、レンズ結像
系は、レンズの回折像と二次元検出器の元素の大小のう
ち、空間的大きさが大きい方で時間分解能が決まる。図
１１は本発明の第６実施例を示す光波コヒーレンス映像
システムの構成図であり、光波コヒーレンス顕微鏡像の
選別システムを示している。

【００８６】この図において、１００はレーザー光源、
１０１は参照光束位相可変用装置（ＰＺＴ）１０２を有
するビームスプリッタ（ＢＳ１）、１０３は参照光束ビ
ーム集光レンズ、１０４はビームスプリッタ（ＢＳ
２）、１０５はビームスプリッタ（ＢＳ３）、１０６は
試料としての散乱媒質中吸収像、１０７は再回折光学系
レンズ、１０８は二光束合成用ビームスプリッタ（ＢＳ
４）、１０９は再回折光学系レンズ、１１０は二次元検
出器である。

【００８７】図１２は本発明の第７実施例を示す光波コ
ヒーレンス映像システムの構成図であり、光波コヒーレ
ンス顕微鏡像の選別システムを示している。この図にお
いて、２００はレーザー光源、２０１はビームスプリッ
タ（ＢＳ１）、２０２は参照光束位相可変用装置（ＰＺ
Ｔ）２０３を有するビームスプリッタ（ＢＳ２）、２０
４は参照光束ビーム集光レンズ、２０５はビームスプリ
ッタ（ＢＳ３）、２０６は試料としての散乱媒質中吸収
像、２０７は再回折光学系レンズ、２０８は二光束合成
用ビームスプリッタ（ＢＳ４）、２０９は再回折光学系
レンズ、２１０は二次元検出器である。

【００８８】第６及び第７実施例では、信号光と合成す
る参照光束を、二次元検出器面で略平面波になるように
することができる。また、再回折光学系による拡大像を
得るようにしている。図１３は本発明の第８実施例を示
す光波コヒーレンス映像システムによる生体試料の表面
の整形処理説明図である。

【００８９】図１３において、３０１は散乱試料（生体
試料、例えば、食用豚肉）、３０２はこの生体試料の屈
折率に等しい物質、３０３は透過研磨板である。通常、
生体試料の表面におけるレーザー光のコヒーレント成分
は崩れるため、そこでの干渉成分の損失が大きい。そこ
で、この実施例では、散乱媒質中にある吸収物体が生体
試料である場合、信号光束に対する前記生体試料の表面
付近の光学的屈折率に等しい物質を、その生体試料の表
面の凹凸がなくなるようにして整形処理して、信号光束
の空間コヒーレンス（空間位相コヒーレンス）が崩れる
のを防ぐようにしている。すなわち、セルに入れた散乱
体とは異なり、生体試料の場合は、表面の凹凸で空間コ
ヒーレンスが崩れ、干渉成分である信号成分が極端に小
さくなるのを防ぐことができる。

【００９０】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。

【００９１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。（Ａ）散乱媒質中にある吸収物体を透過した散乱光を参
照光と干渉させ、干渉が強め合っている時から、参照光
の光路を半波長ずらして干渉が弱め合っている時の映像
を引き、多数回の減算映像を加算することにより、像の
情報の乗っている干渉成分だけを取り出すことができ
る。すなわち、マッハツェンダー干渉計を用いて光のビ
ーム散乱媒質に一回透過させることにより、多重散乱に
よる減衰を軽減することができ、より高濃度の散乱媒質
に対しても透過物体の精度の高い回折像を視ることがで
きる。

【００９２】（Ｂ）散乱媒質中にある吸収物体が生体試
料である場合、信号光束に対する前記生体試料の表面付
近の光学的屈折率に等しい物質を、その生体試料の表面
の凹凸がなくなるようにして整形処理して、信号光束の
空間コヒーレンス（空間位相コヒーレンス）が崩れるの
を防ぐようにしている。すなわち、セルに入れた散乱体
とは異なり、生体試料の場合は、表面の凹凸で空間コヒ
ーレンスがくずれ、信号成分が極端に小さくなるのを防
ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す光波コヒーレンス映
像システムの構成図である。

【図２】本発明の第１実施例を示す像再生の説明図であ
る。

【図３】本発明の第１実施例を示す参照光と透過物体回
折光が同相時（干渉像の最小値）の画像中央の強度分
布、及びπ位相時（干渉像の最小値）の画像中央の強度
分布を示す図である。

【図４】本発明の第１実施例を示す１回演算の画像中央
位置の強度分布を示す図である。

【図５】本発明の第１実施例の画像を示す図である。

【図６】本発明の第１実施例の画像を見やすくするため
に、狭い階調内に入っている画像の階調を、２５６階調
に補正した場合の画像を示す図である。

【図７】本発明の第２実施例を示す光波コヒーレンス映
像システムの構成図である。

【図８】本発明の第３実施例を示す光波コヒーレンス映
像システムの構成図である。

【図９】本発明の第４実施例を示す光波コヒーレンス映
像システムの構成図である。

【図１０】本発明の第５実施例を示す光波コヒーレンス
映像システムの構成図である。

【図１１】本発明の第６実施例を示す光波コヒーレンス
映像システムの構成図である。

【図１２】本発明の第７実施例を示す光波コヒーレンス
映像システムの構成図である。

【図１３】本発明の第８実施例を示す光波コヒーレンス
映像システムによる生体試料の表面の整形処理説明図で
ある。

【符号の説明】

１Ｈｅ−Ｎｅレーザー２ビームエキスパンダー３ビームスプリッター（ＢＳ１）４ビームスプリッター（ＢＳ２）５ミラー（Ｍ２）６ビームスプリッター（ＢＳ３）７全反射ミラー（Ｍ１）８散乱体９Ａ，９Ｂレンズ１０ビジコンカメラ１１二次元検出器１２制御部１３データ処理装置１４圧電変位素子（ＰＺＴ）１５ステージ１６位置検出器１７直流電源２１，３１第１の再回折光学系レンズ（ｆ₁）２２，３２スパシャルフィルタ２３，３３第２の再回折光学系レンズ（ｆ₂）４１ＮＤフィルター１００，２００レーザー光源１０１，２０１ビームスプリッタ（ＢＳ１）１０２，２０３参照光束位相可変用装置（ＰＺＴ）１０３，２０４参照光束ビーム集光レンズ１０４，２０２ビームスプリッタ（ＢＳ２）１０５，２０５ビームスプリッタ（ＢＳ３）１０６，２０６散乱媒質中吸収像１０７，２０７再回折光学系レンズ１０８，２０８二光束合成用ビームスプリッタ（Ｂ
Ｓ４）１０９，２０９再回折光学系レンズ１１０，２１０二次元検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）一方を散乱媒質中にある吸収物体の
透過回折像を得る信号光束とし、（ｂ）他方を前記透過
回折像と重ね合わせる参照光束とし、（ｃ）参照光束の
光路長を信号光束の光路長に対して光路差を生ぜしめ、
（ｄ）信号光束と参照光束の重ね合わせ二光束を二次元
検出器で検出し、（ｅ）参照光束と信号光束の光路差を
変化させた度毎の２組の検出像の検出像間の減算を行
い、（ｆ）何組かの減算像の加算平均を求めて散乱成分
を除去し、（ｇ）前記散乱媒質中の吸収物体の透過回折
像だけを選別することを特徴とする光波コヒーレンス映
像方法。
【請求項２】請求項１記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記（ｄ）ステップにおける信号光束と参
照光束の重ね合わせ二光束の二次元検出器による検出
は、前記散乱媒質中にある吸収物体の透過回折像をレン
ズを用いて結像することを特徴とする光波コヒーレンス
映像方法。
【請求項３】請求項２記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記レンズの前で信号光束と参照光束の重
ね合わせ二光束を合成することを特徴とする光波コヒー
レンス映像方法。
【請求項４】請求項２記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記レンズの後で信号光束と参照光束の重
ね合わせ二光束を合成することを特徴とする光波コヒー
レンス映像方法。
【請求項５】請求項１記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記（ｄ）ステップにおける信号光束と参
照光束の重ね合わせ二光束の二次元検出器による検出
は、第１の再回折光学系レンズと空間的なフィルタと第
２の再回折光学系レンズとからなる空間高周波周波数成
分カットフィルタを、前記二光束の合成後に挿入し、散
乱による空間高周波周波数成分をカットし、前記散乱媒
質中の吸収物体の回折光と空間低周波成分だけを取り出
すことを特徴とする光波コヒーレンス映像方法。
【請求項６】請求項１記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記（ｄ）ステップにおける信号光束と参
照光束の重ね合わせ二光束の二次元検出器による検出
は、第１の再回折光学系レンズと空間的なフィルタと第
２の再回折光学系レンズとからなる空間高周波周波数成
分カットフィルタを、前記二光束の合成前に挿入し、散
乱による空間高周波周波数成分をカットし、前記散乱媒
質中の吸収物体の回折光と空間低周波成分だけを取り出
すことを特徴とする光波コヒーレンス映像方法。
【請求項７】請求項２記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記（ｄ）ステップにおける信号光束と参
照光束の重ね合わせ二光束の二次元検出器による検出
は、前記散乱媒質中にある吸収物体の透過回折像のフレ
ネル回折像を参照光束と重ね合わせることを特徴とする
光波コヒーレンス映像方法。
【請求項８】請求項１記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記（ｄ）ステップにおける信号光束と参
照光束の重ね合わせ二光束の二次元検出器による検出
は、参照光路側に参照光ビーム集光レンズを挿入し、二
次元検出器面で略平面波になるようにしたことを特徴と
する光波コヒーレンス映像方法。
【請求項９】請求項１記載の光波コヒーレンス映像方
法において、前記散乱媒質中にある吸収物体は、生体試
料からなり、信号光束に対する前記生体試料の表面に、
該生体試料の表面付近の光学的屈折率に等しい物質を、
該生体試料の表面の凹凸がなくなるように塗布し、その
表面を整形し、信号光束の空間コヒーレンスがくずれる
のを防ぐようにしたことを特徴とする光波コヒーレンス
映像方法。
【請求項１０】（ａ）散乱媒質中にある吸収物体の透過
回折像を得る信号光束の生成手段と、（ｂ）前記透過回
折像と重ね合わせる参照光束の生成手段と、（ｃ）参照
光束の光路長を信号光束の光路長に対して光路差を生ぜ
しめる手段と、（ｄ）信号光束と参照光束の重ね合わせ
二光束を検出する二次元検出器と、（ｅ）参照光束と信
号光束の光路差を変化させた度毎の２組の検出像の検出
像間の減算を行う手段と、（ｆ）何組かの減算像の加算
平均を求めて散乱成分を除去する手段と、（ｇ）前記散
乱媒質中にある吸収物体の透過回折像だけを選別する手
段とを具備することを特徴とする光波コヒーレンス映像
装置。
【請求項１１】請求項１０記載の光波コヒーレンス映
像装置において、前記散乱媒質中にある吸収物体の透過
回折像を結像するレンズを具備することを特徴とする光
波コヒーレンス映像装置。
【請求項１２】請求項１０記載の光波コヒーレンス映
像装置において、第１の再回折光学系レンズと空間的な
フィルタと第２の再回折光学系レンズとからなる空間高
周波周波数成分カットフィルタを付加することを特徴と
する光波コヒーレンス映像装置。
【請求項１３】請求項１０記載の光波コヒーレンス映
像装置において、参照光路側に参照光ビーム集光レンズ
を付加することを特徴とする光波コヒーレンス映像装
置。
【請求項１４】請求項１０記載の光波コヒーレンス映
像装置において、前記散乱媒質中にある吸収物体は、生
体試料からなり、信号光束に対する前記生体試料の表面
付近の光学的屈折率に等しい物質を、該生体試料の表面
の凹凸がなくなるように配置することを特徴とする光波
コヒーレンス映像装置。
【請求項１５】請求項１４記載の光波コヒーレンス映
像装置において、前記生体試料の表面には、光学的に均
一な透過研磨板を配置することを特徴とする光波コヒー
レンス映像装置。