光图像计测装置的制作方法

本发明涉及使用光观察测量对象的光图像计测装置。

背景技术：

光学相干层析成像(oct：opticalcoherencetomography)是使用光的干涉取得测量对象的断层图像的技术，自1996年起被应用于眼底检查领域，近年来，讨论应用于心脏病学、齿科学、肿瘤学、食品工业、再生医疗等各种领域。

下记专利文献1记载了涉及oct的技术。如该文献记载地，在oct中，将来自光源的光分支成照射测量对象的信号光和不照射测量对象而被参照光镜片反射的参照光，使从测量对象反射回的信号光与参照光汇合而干涉，从而得到测量信号。

oct根据测量位置沿光轴方向的扫描方法(以下，称为z扫描)大致可分为时域oct和傅里叶域oct。时域oct中，作为光源，使用低相干性光源，测量时对参照光镜片进行扫描，从而实施z扫描。由此，仅信号光含有的与光路长度与参照光一致的成分干涉，对得到的干涉信号进行包络检波，从而解调期望的信号。傅里叶域oct还分为波长扫描型oct和光谱域oct。波长扫描型oct中，使用可扫描射出光的波长的波长扫描光源，测量时对波长进行扫描，进行z扫描，对检测到的干涉光强度的波长相关性(干涉光谱)进行傅里叶变换，从而得到期望的信号。光谱域oct中，作为光源使用宽带光源，利用分光器对生成的干涉光进行分光，与z扫描对应地，检测每个波长成分的干涉光强度(干涉光谱)。将得到的干涉光谱进行傅里叶变换，从而得到期望的信号。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国us2014/0204388

技术实现要素：

发明所要解决的课题

上述的现有的oct装置中，深度分辨率由光的波长带宽或波长扫描宽度决定。因此，使用超辐射发光二极管(sld：superluminescentdiode)、波长扫描光源等波长带较宽的光源。相比产生窄带光的通常的激光光源，这些光源价格高。另外，因为使用的光的波长带较宽，因此需要与宽带光对应的光学元件，需要进行波长分散补偿。由此，现有的oct装置难以低价化。

因此，本发明者们发明了专利文献1记载的光计测装置。本光计测装置使用高na(numericalaperture)的物镜，将激光光束(信号光)汇聚并照射至测量对象，通过对物镜进行扫描，从而扫描聚光位置，取得测量对象的断层图像。本光计测装置中，信号光含有的来自物镜的焦点以外的反射光成分的波面的曲率与参照光不一致，因此显然使用不干涉的原理，能够进行三维计测，与sld或者使用波长扫描光源的现有的oct装置根本上原理不同。本结构中，无需使用高价的光源，因此能够提供低价的光图像计测装置。另一方面，聚光位置对扫描耗费时间，因此存在测量时间较长的倾向。

为了高速地实施测量，考虑通过扫描信号光的光轴的角度来扫描测量位置。为了扫描信号光的光轴的角度，例如，只要在信号光的光路配置电流计镜等光学部件即可。但是，由于将这样的光学部件插入信号光的光路，信号光的光路长度变长，参照光的光路长度也需要相应地变成。由此，光计测装置会大型化。

本发明鉴于上述课题而做成，其目的在于提供一种不使用宽带光源而且能够以小型且低价的结构高速地实施测量的光图像计测装置。

用于解决课题的方案

本发明的光图像计测装置具备将光源所射出的光分支成信号光和参照光的光分支部，在光源与上述光分支部之间配置对上述光源所射出的光的光轴的角度进行扫描的光扫描部。由此，相比在将光源射出的光分支成信号光和参照光后对信号光的光轴角度进行扫描的情况，能够缩短信号光和参照光的光路长度。因此，相比以往，能够将光图像计测装置小型化，而且能够取得测量对象的断层图像。

作为一例，在使上述光源所射出的光经由光纤传输后，使上述光向空间射出，通过使上述光纤的射出端的位置位移，从而在上述光分支成信号光和参照光前对上述光的光轴角度进行扫描。由此，相比使用电流计镜等那样的镜片驱动型的扫描机构的情况，能够以小型且低价的结构取得测量对象的断层图像。

作为一例，上述光检测器的受光面的平面尺寸比通过上述光扫描部扫描上述光轴的角度而使上述干涉光在上述受光面上位移的范围大，而且上述光检测器配置于使上述受光面全部包含上述干涉光在上述受光面上位移的范围的位置。由此，能够对整个计测区域准确地检测干涉光的全能量。

作为一例，上述光图像计测装置具备将上述参照光反射至上述光分支部的参照光镜片，通过透镜，将上述参照光汇聚至上述参照光镜片。即使对上述光源射出的光的光轴角度进行了扫描，参照光以与分支时相同的角度向上述光分支部返回，因此能够抑制信号光和参照光的伴随干涉效率降低而引起的信号强度的降低。

作为一例，能够变更将向测量对象汇聚上述信号光的物镜的光轴方向上的聚光位置。由此，能够取得测量对象的任意的光轴位置的断层图像。

作为一例，上述光图像计测装置基于从测量对象反射的反射光的强度推测分布于测量对象中的粒子的尺寸。由此，能够计测比上述光图像计测装置的空间分辨率小的粒子的尺寸分布。

作为一例，上述光图像计测装置具有射出第一波长的光的第一波长光源和射出与上述第一波长不同的第二波长的光的第二波长光源，上述第一波长光源和上述第二波长光源交替射出光。由此，能够评价测量对象的反射率的波长依存性。因此，能够取得与测量对象相关的更多样的信息。

作为一例，通过合并信号光和参照光，生成相位关系互不相同的三个以上的干涉光。由此，能够得到不依赖于信号光与参照光的相位差的安定的信号。因此，能够取得测量对象的更高精度的断层图像。

作为一例，上述光源射出的光不经由传播光的传输的部件地在空间上传输。由此，能够不使用宽带光源而以低价的结构取得测量对象的高分辨率的图像。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种不使用sld、波长扫描光源等宽带光源而能够以小型且低价的结构高速地实施测量的光图像计测装置。通过以下的实施方式的说明，上述以外的课题、结构以及效果将明了。

附图说明

图1是表示实施方式1的光图像计测装置100的结构的示意图。

图2是表示实施方式2的光图像计测装置100的结构的示意图。

图3是表示测量对象112的例的示意图。

图4是实施方式2中的测量对象112的xy图像(相对于光轴垂直的平面内的断层图像)的例。

图5是说明光图像计测装置100计测粒子302的尺寸的顺序的流程图。

图6是粒子尺寸分布的例。

图7是表示实施方式3的光图像计测装置100的结构的示意图。

图中：

100—光图像计测装置，101—光源，105—准直透镜，108—偏光分束器，117—λ/2板，109—λ/4板，110—物镜，111—物镜驱动器，112—测量对象，113—λ/4板，114—参照光透镜，115—参照光镜片，116—半分束器，118—聚光透镜，119—沃拉斯顿棱镜，120—λ/4板，121—聚光透镜，122—沃拉斯顿棱镜，123—干涉光学系，124—光检测器，125—光检测器，128—图像生成部，129—图像显示部，201—信号处理单元，701～703—光源，704—光合波器。

具体实施方式

＜实施方式1：关于装置结构＞

图1是表示本发明的实施方式1的光图像计测装置100的结构的示意图。从光源101射出的激光光束在光纤102传输。偏波控制器103调整激光光束的偏光状态。偏波控制器103射出的激光光束被引导至光纤扫描仪106。光纤扫描仪106由光纤102的一部分、压电驱动器104、以及准直透镜105构成。扫描控制部107控制压电驱动器104。

压电驱动器104在光纤102的射出端引起共振振动。通过该振动，光纤102的射出端位置在相对于光轴垂直的平面内被二维地驱动。由此，通过准直透镜105转换成平行光的激光光束的光轴角度二维地扫描。光纤102射出端的典型的共振频率是10～40khz左右。作为光纤102的射出端位置的轨迹，例如可以考虑螺旋状的图案等。

从光纤102射出且通过了准直透镜105的光在配置有偏光分束器108的空间传输。在该空间内未配置传播光的传输的光学元件。对于由此带来的优点，后面进行叙述。

偏光分束器108将从光纤扫描仪106射出的激光光束分支成信号光和参照光。信号光与参照光的分支比能够通过偏波控制器103自由调整，典型的强度比是1比1。在偏光分束器108反射的信号光通过光学轴向相对于水平方向设定为约22.5度的λ/4板109将偏光状态从s偏光转换呈圆偏光，然后通过物镜110聚光并照射测量对象112。信号光的聚光位置通过光纤扫描仪106扫面激光光束的光轴角度而在相对于光轴垂直的平面内二维地扫描。

物镜驱动器111能够沿信号光的光轴方向驱动物镜110的位置。由此，能够在任意的光轴方向位置汇聚信号光进行二维扫描。也可以取代物镜110，或者与物镜110同时使用，通过驱动载置测量对象112的载物台112a来驱动测量对象112的沿着光轴方向的位置。通过使聚光位置沿光轴位移，能够对测量对象112的深度方向上的任意位置进行测量。

从测量对象112反射的信号光再次通过物镜110，且通过λ/4板109而将偏光状态从圆偏光转换成p偏光，向偏光分束器108入射。作为测量对象112，由透过某程度光的物质构成，只要是期望非侵袭地观察内部构造的物质，可以是任何的物质。作为例子，可以考虑半导体的多层构造、食品、植物、培养细胞、人体组织、生物药品等。

参照光通过光轴方向相对于水平方向设定为约22.5度的λ/4板113将偏光状态从p偏光转换成圆偏光，然后通过具有与物镜110相同的构造的参照光透镜114聚光并照射参照光镜片115。参照光镜片115配置于参照光透镜114的焦点位置。

从参照光镜片115反射的参照光再次通过参照光透镜114，且通过λ/4板113将偏光状态从圆偏光转换成s偏光，然后向偏光分束器108入射。此时，作为参照光透镜114使用了具有与物镜110相同的构造的透镜，因此物镜110对信号光赋予的相差量和参照光透镜114对参照光赋予的相差量不依赖于光纤扫描仪106引起的光轴角度的位移量，而始终大致相等。由此，即使扫描光轴角度，也能够抑制信号光与参照光之间的干涉率的变动。

偏光分束器108对信号光和参照光进行合成，从而生成合成光。合成光被引导至干涉光学系123。干涉光学系123具有半分束器116、λ/2板117、λ/4板120、聚光透镜118和121、沃拉斯顿棱镜119和122。入射至干涉光学系123的合成光通过半分束器116而分支成透过光和反射光。

透过了半分束器116的合成光在透过光学轴相对于水平方向设定为约22.5度的λ/2板117后，通过聚光透镜118聚光，通过沃拉斯顿棱镜119偏光分离。由此，生成彼此相位关系相差180度的第一干涉光和第二干涉光。第一干涉光和第二干涉光通过电流差动型的光检测器125检测。光检测器125输出与各干涉光的强度差成比例的差动输出信号127。

在半分束器116反射的合成光在通过光学轴相对于水平方向设定为约45度的λ/4板120后，通过聚光透镜121聚光，通过沃拉斯顿棱镜122偏光分离。由此，生成彼此相位关系相差约180度的第三干涉光和第四干涉光。第三干涉光的相相位对于第一干涉光相差约90度。第三干涉光和第四干涉光通过电流差动型的光检测器124检测。光检测器124输出与各干涉光的强度差成比例的差动输出信号126。

通过光纤扫描仪106扫描光轴角度，从而光斑在光检测器124和125各自的受光面上位移。光检测器124和125构成为能够覆盖该位移。即，各光检测器的受光面尺寸比光斑的移动量大，各光检测器配置于能够完全覆盖光斑的移动范围的位置。由此，对于测量对象112的全部的计测区域，能够准确地检测干涉光的全能量。

图像生成部128接受差动输出信号126和127。图像生成部128基于这些信号生成测量对象112的图像。图像显示部129显示该图像。

＜实施方式1：关于空间分辨率＞

对光图像计测装置100的光轴方向(测量对象112的深度方向)的空间分辨率进行说明。本实施方式1中，信号光含有的来自物镜110的焦点以外的反射光成分具有散焦相差。与之相对，参照光的波面形状平坦。因此，来自焦点以外的反射光成分的波面形状与参照光不一致，因此不会与参照光在空间上均匀地干涉。由此，在光检测器的受光面上形成多个干涉条纹。当形成这样的干涉条纹时，将检测的干涉光的强度在受光面内积分得到的值大致等于信号光与参照光的强度和。即，与来自物镜110的焦点以外的反射光成分对应的差动输出信号126和127大致为0。根据这样的原理，来自物镜110的焦点以外的反射光成分实际上与参照光不干涉，能够选择性地仅检测来自物镜110的焦点的反射光成分，实现较高的z分辨率。

z分辨率由物镜110的开口数na和激光光束的波长λ决定，与λ/na2成比例。一般，在oct装置利用的光的波长为血红蛋白、水都难以吸收的600nm～1300nm左右。例如，当将物镜110的开口数设为0.4以上时，波长600nm～1300nm的光轴方向的空间分辨率为约3.3μm～约7.2μm。

根据上述原理，从光纤102射出的光在配置有各光学元件的空间上干涉，从而能够利用低价的光源实现高分辨率。另一方面，在利用了上述原理的现有结构中，通过驱动器驱动物镜110而扫描xy坐标，因此动作频率缓慢。因此，在本实施方式1中，活用上述远离的优点，并且通过驱动光纤102实现了高速扫描xy坐标。

为了基于上述原理得到较高的z分辨率，需要从测量对象112反射的信号光在保持波面信息的状态下与参照光合并。例如，当对分支成信号光和参照光后的信号光应用光纤扫描仪106时，在入射至光纤的时刻信号光会失去波面信息，因此无法得到较高的分辨率。本实施方式1通过在偏光分束器108的上级配置光纤扫描仪106，具有能够兼顾高速扫描光轴和较高的分辨率的优点。

＜实施方式1：关于光学系＞

对于干涉光学系123的功能，使用数式进行说明。向干涉光学系123入射的时刻的合成光的琼斯矢量用下记式1表示。

【数1】

透过半分束器116和λ/2板117后的合成光的琼斯矢量用下记式2表示。esig表示信号光的复数振幅，eref表示参照光的复数振幅。

【数2】

式2表示的合成光在通过沃拉斯顿棱镜119分支成p偏光成分和s偏光成分后，由电流差动型的光检测器125差动检测。此时光检测器125输出的差动输出信号127用下记式3表示θsig和θref分别时用极坐标显示表示复数esig和eref时的相位。为了简单，将光检测器的转换率设为1。

【数3】

在半分束器116反射且进一步透过λ/4板120后的合成光的琼斯矢量用下记式4表示。

【数4】

式4表示的合成光在通过沃拉斯顿棱镜122分支成p偏光成分和s偏光成分后，由电流差动型的光检测器124差动检测。此时光检测器124输出的差动输出信号126用下记式5表示。

【数5】

图像生成部128对式3和式5表示的信号实施下记式6的运算，从而生成部依赖于信号光与参照光的相位差的与信号光的振幅的绝对值成比例的反射信号强度s。

【数6】

s＝|esig|²|eref|²＝i²+q²(6)

＜实施方式1：总结＞

本实施方式1的光图像计测装置100中，在偏光分束器108将光分支成信号光和参照光前配置光纤扫描仪106，对光轴角度进行扫描。该结构中，与在偏光分束器108将光分支成信号光和参照光后光纤扫描仪106对信号光的光轴角度进行扫描的情况不同，从测量对象112反射的信号光不在光纤传输(因此，维持波面信息地)与参照光合并。因此，如上所述，能够实现较高的z分辨率(光轴方向的空间分辨率)。

本实施方式1的光图像计测装置100中，在信号光的光路上未设置角度扫描元件(不限于光纤扫描仪，也能够使用电流计镜、mems镜、多棱镜等)。因此，不会因在信号光的光路上插入角度扫描元件而光路长度增加，因此无需根据信号光的光路长度增加而增加参照光的光路长度。因此，具有能够缩小光学系的尺寸的优点。

＜实施方式2＞

图2是表示本发明的实施方式2的光图像计测装置100的结构的示意图。本实施方式2的光图像计测装置100在实施方式1说明的结构基础上具备信号处理单元201。信号处理单元201基于检测信号计算测量对象112含有的粒子尺寸分布。其它结构与实施方式1相同。

图3是表示测量对象112的例子的示意图。本实施方式2中，作为测量对象112，测量被封入玻璃比色槽301内的各种尺寸的粒子302浮游于液体中的对象。作为这样的测量对象112的例子，可以列举生物医药品。生物医药品中含有各种大小(数nm～数百μm)的蛋白质的凝聚体(粒子)，这些凝聚体根据浓度不同而暗示了对人体产生不良影响的可能性。因此，作为医药品的品质检查，需要计测该凝聚体的尺寸。

关于比光图像计测装置100的空间分辨率大的粒子，能够根据取得的图像直接评价其尺寸。但是，关于比空间分辨率小的粒子，无法根据图像直接评价其尺寸。因此，在本实施方式2中，基于来自各个粒子的反射信号强度，推测比空间分辨率小的粒子的尺寸。

在针对比将信号光通过物镜110聚光时的斑点尺寸小的粒子照射信号光时，就用式6表示的反射信号强度s而言，在将信号光的光斑尺寸设为rspot，将粒子半径设为rparticle时，认为与它们的比的平方成比例。即，反射信号强度s能够用下记式7表示。α是依赖于粒子的折射率的比例系数。

【数7】

根据粒子尺寸、折射率已知的标准小球的测量结果预先求出α的值，从而能够使用式7的关系根据反射信号强度s求出比空间分辨率小的粒子的尺寸。以下，为了简化说明，假定为测量对象112含有的粒子302的尺寸全部比空间分辨率小。

图4是本实施方式2的测量对象112的xy图像(相对于光轴垂直的平面内的断层图像)的例子。粒子302在取得的xy图像内呈现为亮点，虽然无法根据亮点的大小判别其大小，但是各个亮点的亮度(反射信号强度)含有与粒子的尺寸相关的信息。

图5是说明光图像计测装置100计测粒子302的尺寸的顺序的流程图。以下，对图5的各步骤进行说明。

(图5：步骤s501)

在将反射信号强度换算成粒子尺寸时，需要使用来自关注的粒子302的反射信号强度最大的状态(即，信号光的斑点尺寸最小的z位置)下的反射信号强度。因此，信号处理单元201一边改变进行测量的z位置一边反复取得xy图像，从而生成测量对象112的三维图像。

(图5：步骤s502～s505)

信号处理单元201从三维图像识别粒子的存在(s502)。信号处理单元201取得各个粒子的反射信号强度的最大值(s503)。信号处理单元201基于式7的关系将该反射信号强度换算成粒子尺寸(s504)。信号处理单元201在图像显示部129上显示后述的图6所示那样的粒子尺寸分布(s505)。

图6是粒子尺寸分布的例子。信号处理单元201能够根据图5的流程图推测各粒子302的尺寸。信号处理单元201计算粒子302的尺寸和个数的分布，在图像显示部129上以例如图6那样的显示形式显示。

＜实施方式2：总结＞

本实施方式2的光图像计测装置100基于反射信号强度s推测粒子302的尺寸。由此，能够求出比光图像计测装置100的空间分辨率小的粒子302的尺寸。

＜实施方式3＞

图7是表示本发明的实施方式3的光图像计测装置100的结构的示意图。本实施方式3的光图像计测装置100取代光源101而具备波长不同的三个光源701、光源702、光源703和光合波器704。其它结构与实施方式1相同。

光源701、光源702、光源703分别射出波长互不相同的第一激光光束、第二激光光束、第三激光光束。各激光光束在光纤102传输而被引导至光合波器704。光源701～703以比光纤扫描仪106的驱动频率高的反复频率在时间上交替地发光，且始终使任意一个光源发光。具体而言，光源701～703以在通过光纤扫描仪106使信号光的聚光位置移动相当于取得图像的1像素的时间的期间，光源701～703分别至少发光一次以上的频率交替发光。

本实施方式3的光图像计测装置100能够在光纤扫描仪106对相当于测量对象112上的1像素的计测位置扫描光轴角度的期间取得与多个波长相对的断层图像。由此，能够取得与测量对象112具有的反射率的波长依赖性相关的信息。

本实施方式3中，从同一光纤向空间射出波长不同的激光光束，因此，各激光光束的光轴大致完全一致。由此，能够使用波长不同的光测量测量对象112的准确相同的区域。

本实施方式3中，使光源701～703交替发光，从而使对测量对象112的照射时刻不同。取而代之，例如，也能够取代光合波器704而设置光开关，通过控制光开关，交替切换使透过的激光光束。

＜本发明的变形例＞

本发明不限于上述的实施例，包括各种变形例。上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细说明的例子，不限定于必须具备说明了的所有结构。例如，可以将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，另外，可以对某实施例的结构添加其它实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、转换。

图像生成部128和信号处理单元201能够使用安装了这些功能的电路设备等硬件构成，也能够通过运算装置执行安装了这些功能的软件构成。

以上的实施方式中，在干涉光学系123中生成四个干涉光，但是，在取得不依赖于相位的信号的基础上，只要干涉光的数量是三个以上，几个都可以。