专利名称：光图像计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种向光散射媒质的被测定物体照射光束，并利用其反射光或透射光对被测定物体的表面形态和内部形态进行计测，且形成其图像的光图像计测装置，特别是涉及一种利用光外差检测法对被测定物体的表面形态和内部形态进行计测，并形成图像的光图像计测装置。
背景技术：
近年来，利用激光光源等形成被测定物体的表面和内部的图像的光图像计测技术集中了人们的注目。该光图像计测技术因为不具有像习知的X射线CT(computer tomography，断层扫瞄)那样对人体的有害性，所以其在医疗领域方面的应用开展特别受到期待。
作为光图像检测技术的代表性方法的一个例子，有一种低相干(coherence)干涉法(也称作光相干断层图像化法等)。该方法利用例如超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode；SLD)这样的具有宽光谱(spectrum)宽度的宽频带光源的低干涉性，并可对来自被测定物体的反射光和透射光，以μm级的优良的距离分解能力进行检测(参照例如下述的非专利文献1)。
作为利用了该低相干干涉法的装置的一个例子，根据米切尔森(Michelson)干涉仪的习知的光图像计测装置的基本构成如图6所示。该光图像计测装置100的构成包括宽频带光源101、镜102、射束分裂器103及光检测器104。被测定物体105由散射媒质形成。宽频带光源101发出的光束，由射束分裂器103被分割为朝向镜102的参照光R和朝向被测定物体105的信号光S两部分。参照光R为利用射束分裂器103的反射光，信号光S为射束分裂器103的透射光。
这里，如图6所示，在信号光S的行进方向上设定为z轴，并将对信号光S的行进方向的直交面定义为x-y面。镜102可沿同图中的两侧箭形符号方向(z-扫描方向)进行位移。
参照光R在被反射到镜102上时，藉由该z-扫描而接受多谱勒(Doppler)频率位移。另一方面，信号光S在照射到被测定物体105上时，信号光S在其表面及内部层被反射。由于被测定物体为散射媒质，所以可认为信号光S的反射光为具有多重散射的杂乱相位的扩散波面。经由被测定物体105的信号光，和经由镜102并接受了频率位移的参照光，以利用射束分裂器103进行重叠并生成干涉光。
在利用低相干干涉方法的图像计测中，只有信号光S和参照光R的光路长差在光源的μm级的相干长度(可干涉距离)以内，且与参照光R具有相位相关的信号光S的成分，其才会与参照光R产生干涉。即，只是信号光S的相干信号光成分有选择地与参照光R相互进行干涉。根据该原理，藉由对镜102的位置进行z-扫描而使参照光R的光路长变化，可对被测定物体105的内部层的光反射轮廓(profile)进行测定。另外，对向被测定物体105照射的信号光S也在x-y面方向上进行扫描。藉由进行这种z方向及x-y面方向的扫描，并利用光检测器104检测干涉光，且对作为其检测结果而被输出的电信号(外差信号)进行解析，可取得被检测体105的2维断层图像(参照非专利文献1)。
另外，如设利用射束分裂器103进行重叠的参照光R及信号光S的强度分别为Ir及Is，并设两光波间的频率差及相位差分别为fif及Δθ，则从光检测器输出如下式所示的外差信号(例如参照非专利文献2)。
i(t)∝Ir+Is+2IrIscos(2πfift+Δθ)---(1)]]>式(1)的右边第3项为交流电信号，其频率fif等于参照光R和信号光S的差拍(beat，拍)频率。外差信号的交流成分的频率fif被称作拍率等。而且，式(1)的右边第1项及第2项为外差信号的直流成分，并与干涉光的背景光的信号强度相对应。
但是，为了利用这种习知的低相干干涉法取得2维断层图像，需要藉由对被测定物体105进行光束的扫描，而依次检测来自被测定物体105的深度方向(z方向)及断层面方向(x-y面方向)的各部位的反射光波。因此，为了计测被测定物体105而需要较长的时间，而且考虑其计测原理可发现，难以谋求计测时间的缩短。
鉴于这些问题，研究了一种用于缩短计测时间的光图像计测装置。图7所示为这种装置的一个例子的基本构成。同图所示的光图像计测装置200的构成包括宽频带光源201、镜202、射束分裂器203、作为光检测器的2维光传感器阵列204及透镜206，207。从光源201所射出的光束，由透镜206、207而形成平行光束，且将其波束径扩大，并利用射束分裂器203而将其分为参照光R和信号光S两部分。参照光R藉由镜202的z-扫描而被付以多谱勒频率位移。另一方面，信号光S由于其波束径扩大，所以可在x-y面的大范围内入射被测定物体205。藉此，信号光S形成含有该入射范围中的被测定物体205的表面和内部的信息的反射光。参照光R和信号光S利用射束分裂器203进行重叠，并利用在2维光传感器阵列204上所并列载置的元件(光传感器)进行检测。因此，可不对光束进行扫描，而实时取得被测定物体205的2维断层图像。
作为这种非扫描型的光图像计测装置，已知有一种非专利文献3所记述的装置。在同文献所记述的装置中，可将从2维光传感器阵列所输出的复数个外差信号输入并列配置的信号处理系统，并对各外差信号的振幅和相位进行检测。
但是，为了提高图像的空间分解能力，必须增加阵列的元件数，另外，必须准备具有与该元件数相对应的信道(channel)数的信号处理系统。因此，其被认为难以在需要高分解能力的图像的医疗和工业等领域上进行实用化。
因此，本发明者们在下述的专利文献1中，提出了一种以下这样的非扫描型的光图像计测装置。关于该提案的光图像计测装置包括光源，用于射出光束；干涉光学系统，用于将该光源所射出的光束分为经由配置有被检测体的被检测体配置位置的信号光，和经由与前述经由被检测体配置位置的光路不同的光路的参照光两部分，且将经由了前述被检测体配置位置后的信号光，和经由了前述不同的光路的参照光彼此进行重叠，而生成干涉光；频率移相器，用于将该干涉光学系统的前述信号光的频率和前述参照光的频率相对进行位移；光遮蔽装置，前述干涉光学系统为了接受前述干涉光，藉由将前述干涉光进行二分割，再对该被二分割了的干涉光进行周期性地遮蔽，而生成彼此的相位差为90度的2列干涉光脉冲；光传感器，分别接受前述2列干涉光脉冲；信号处理部，该光传感器具有空间性排列且分别独立地得到受光信号的复数个受光元件，并将前述光传感器所得到的复数个受光信号进行合并，而生成与前述被检测体配置位置上所配置的被检测体的表面或内部层，且在前述信号光的传输路径上的各关心点相对应的信号。
该光图像计测装置采用将参照光和信号光的干涉光进行二分割，并以2台光传感器(2维光传感器阵列)受光，且在两传感器阵列前分别配置光遮蔽装置，以对干涉光进行抽样的构成。而且，可藉由在被分割的2个干涉光的抽样周期中设置π/2的相位差，而对构成干涉光的背景光的信号光和参照光的强度、和干涉光的相位的直交成分(sin成分和cos成分)进行检测，且藉由将来自两传感器阵列的输出中所包含的背景光的强度，从两传感器阵列的输出中去除，而计算干涉光的2个相位直交成分，并利用该计算结果求得干涉光的振幅。
但是，在利用专利文献1所记述的光图像计测装置的计测中，需要预先测定并取得与2维光传感器阵列的输出中所包含的干涉光的背景光对应的直流成分的强度。因此，虽然在可测定直流成分的强度的情况下可发挥其有效性，但对例如被测定物体或其一部分和内部正在运动的情况等，则难以对与背景光对应的直流成分的强度进行测定，也难以利用该装置进行被测定物体的计测。
另外，作为以上那样的光图像计测装置的2维光传感器阵列，广泛使用CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)照相机等市场上所销售的图像传感器。但是，目前市场上所销售的CCD照相机的频率响应特性低，在习知技术中已认识到其无法追随从数KHz到数MHz左右的外差信号的拍频的问题。可以说本发明者们提供的专利文献1中所记述的光图像计测装置的特征在于，在充分认识该问题的基础上，利用其低响应特性而进行计测。
日本专利早期公开的特开2001-330558号公报(权利要求项，说明书段落 - ，第1图，第3图)[非专利文献1]丹野直弘，《光学》(日本光学杂志)第28卷第3号，116(1999)[非专利文献2]吉泽、濑田编，《光外差技术(修订版)》，新技术通讯(2003)，p.2[非专利文献3]K.P.Chan，M.Yamada，H.Inaba，[ElectronicsLetters]，Vol.301753，(1994)由此可见，上述现有的光图像计测装置在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决光图像计测装置存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的光图像计测装置存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的光图像计测装置，能够改进一般现有的光图像计测装置，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的光图像计测装置存在的缺陷，而提供一种新型结构的光图像计测装置，所要解决的技术问题是使其可有效地求取干涉光的信号强度及相位的空间分布，从而更加适于实用。
本发明的另一目的在于，提供一种光图像计测装置，所要解决的技术问题是使其可根据干涉光的检测结果计算由其背景光所构成的直流成分的强度，并可利用其计算结果求得干涉光的信号强度及其相位的空间分布，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。为了达到上述发明目的，依据本发明的光图像计测装置，其第1实施型态提供一种光图像计测装置，具有光源和干涉光学系统，其中光源用于射出光束，干涉光学系统用于在将该光源所射出的光束，分割为经由被检测物体的信号光和经由设定的参照物体的参照光，并使前述信号光的频率和前述参照光的频率相对进行位移后，使经由了前述被检测物体的前述信号光和经由了前述参照物体的前述参照光彼此进行重叠，而生成干涉光，且该光图像计测装置根据前述干涉光形成前述被测定物体的图像；其中，包括抽样装置和运算装置，其中抽样装置具有将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光分割为至少3个光路的装置、与对该分割的3个前述干涉光分别以设定的周期进行抽样检测并作为电信号输出的装置。而运算装置根据前述抽样装置所输出的前述电信号，运算前述干涉光的信号强度及相位的空间分布。
而且，本发明的第2实施型态提供一种光图像计测装置，前述抽样装置包括复数个射束分裂器，将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行二分割；光量变更装置，配置在利用前述复数个射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并藉由对在前述光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；光检测器，对利用前述光量变更装置而被抽样的前述干涉光分别进行检测，并变换为前述电信号而进行输出。
而且，本发明的第3实施型态提供一种光图像计测装置，前述抽样装置包括第1射束分裂器，用于将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行二分割；第1光量变更装置，配置在利用前述第1射束分裂器而被二分割的前述干涉光的一光路上，并对在该光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；第1光检测器，对利用前述第1光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号而进行输出；第2射束分裂器，用于将利用前述第1射束分裂器进行二分割的前述干涉光的另一光路再进行二分割；第2光量变更装置，配置在利用前述第2射束分裂器被二分割的前述干涉光的一光路上，并对在这一光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；第2光检测器，对利用前述第2光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号而进行输出；第3光量变更装置，配置在利用前述第2射束分裂器而被二分割的前述干涉光的另一光路上，并对在这另一光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；第3光检测器，对利用前述第3光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号进行输出。
而且，本发明的第4实施型态提供一种光图像计测装置，前述运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的交流成分的振幅。
而且，本发明的第5实施型态提供一种光图像计测装置，前述运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根据该sin成分和cos成分计算前述振幅。
而且，本发明的第6实施型态提供一种光图像计测装置，前述运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的相位的空间分布。
而且，本发明的第7实施型态提供一种光图像计测装置，前述运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算一测定时间中的前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根据该sin成分和cos成分计算前述相位的空间分布。
而且，本发明的第8实施型态提供一种光图像计测装置，前述运算装置根据2个不同的测定时间中的前述干涉光的相位的空间分布的计算结果，计算前述干涉光的频率。
而且，本发明的第9实施型态提供一种光图像计测装置，将前述干涉光至少分割为3个光路的装置，是使前述被检测的前述干涉光的强度分别相等的形态而将前述干涉光进行分割。
而且，本发明的第10实施型态提供一种光图像计测装置，前述第1射束分裂器将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光，在前述一光路和前述另一光路按1∶2的强度比进行分割；前述第2射束分裂器将在这另一光路上进行传播的前述干涉光以相等的强度进行二分割。
而且，本发明的第11实施型态提供一种光图像计测装置，前述光量变更装置为遮光器，其藉由配置在利用前述复数个射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并以前述设定的周期对在前述光路上进行传播的前述干涉光进行遮蔽而抽样。
而且，本发明的第12实施型态提供一种光图像计测装置，前述干涉光学系统包括将来自前述光源的前述光束的波束径进行扩大的光学元件；前述光检测器为2维光检测器阵列，其以利用前述光学元件而使波束径被扩大的前述光束为基础，对利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行检测。
如利用本发明的光图像计测装置，可对至少被分割为3个光路的干涉光，在分别以设定的周期抽样的基础上进行检测，并根据作为其检测结果的电信号，求得干涉光的信号强度、相位的空间分布及由干涉光的背景光所构成的直流成分的强度。因为，即使不像现有技术那样，对由干涉光的背景光所构成的直流成分的强度事先进行测定，也可有效地检测干涉光的信号强度及相位的空间分布。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。经由上述可知，本发明是有关于一种光图像计测装置，可根据干涉光的检测结果计算由背景光构成的直流成分的强度，并可利用其计算结果求得干涉光的信号强度及相位的空间分布。该光图像计测装置包括干涉光学系统，将光束由射束分裂器5分割为信号光S和参照光R，并利用频率移相器6使参照光R的频率进行位移，且使经由了被测定物体O的信号光S和参照光R重叠而生成干涉光L；射束分裂器11、12，用于将干涉光L分割为3个干涉光L1、L2、L3；遮光器31、32、33，用于将干涉光L1、L2、L3以一定的周期进行遮蔽并抽样；光检测器21、22、23，将所抽样的干涉光L1、L2、L3进行检测，并变换为电信号进行输出；以及信号处理部60，根据该电信号计算干涉光L的信号强度和相位的空间分布。
综上所述，本发明特殊结构的光图像计测装置，可有效地求取干涉光的信号强度及相位的空间分布。特别是本发明提供一种可根据干涉光的检测结果计算由其背景光所构成的直流成分的强度，并可利用其计算结果求得干涉光的信号强度及其相位的空间分布。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，且较现有的光图像计测装置具有增进的多项功效，从而更加适于实用，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1所示为关于本发明的光图像计测装置的构成的一个例子的概略图。
图2所示为关于本发明的光图像计测装置的干涉光的抽样形态的一个例子。图2(A)所示为干涉光的时间波形的标绘图。图2(B)所示为抽样函数的波形的一个例子的标绘图。图2(C)所示为被抽样的干涉光的波形的标绘图。
图3所示为关于本发明的光图像计测装置的变形例的构成的一个例子的概略图。
图4所示为关于本发明的光图像计测装置的变形例的构成的一个例子的概略图。
图5所示为关于本发明的光图像计测装置的变形例的构成的一个例子的概略图。
图6所示为习知的光图像计测装置的构成的概略图。
图7所示为习知的光图像计测装置的构成的概略图。
1、1-A、1-B、1-C光图像计测装置2宽频带光源 3、4透镜5、11、12射束分裂器 6频率移相器6’压电元件 7、10镜8成像用透镜群 21、22、23CCD(电荷耦合器件)21’、22’、23’线路传感器21’A、22’A、23’A积量电路31、32、33遮光器 41、42、43相位移相器50脉冲信号发生器 60信号处理部100、200光图像计测装置101、201宽频带光源102、202镜103、203射束分裂器(半透明镜)104光检测器 105、205被测定物体204光传感器阵列(2维光传感器阵列)206、207透镜 R参照光S信号光 L、L1、L2、L3干涉光O被测定物体具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光图像计测装置其具体实施方式
、结构、特征及其功效，详细说明如后。
下面，对关于本发明的光图像计测装置的实施形态的一个例子，参照图示详细地进行说明。
关于本发明的光图像计测装置，坦率地说，具有将参照光和信号光的干涉光分割为3个或3个以上的光路，且对所分割的各干涉光分别以设定的周期施以抽样并进行检测，且根据其检测结果取得干涉光的信号强度、相位的空间分布、以及由干涉光的背景光所构成的直流成分的强度的构成。
(装置的构成)图1所示为作为关于本发明的光图像计测装置，其采用将干涉光分割为3个光路并进行测定的光图像计测装置1的概略构成。该光图像计测装置1为可利用于例如医疗方面和工业方面的装置，其具有可取得由散射媒质构成的被测定物体O的2维断层图像的构成。
光图像计测装置1与习知的装置相同，包括输出低相干的连续光的由超辐射发光二极管(SLD)或发光二极管(LED)等构成的宽频带光源2、将来自该光源2的光束形成平行光束且扩大其波束径的透镜3，4、将光束分割为信号光S和参照光R，且将它们进行重叠并生成干涉光L的射束分裂器5、以及由全反射镜构成的镜7。而且，在镜7的附近，配置有由电光式调制器或声光式调制器等构成的频率移相器6。另外，市场上销售的近红外区SLD的相干长度为30μm左右，在LED的情况下为10μm左右。
这里，透镜3，4、射束分裂器5、频率移相器6及镜7，构成本发明中所说的[干涉光学系统]。透镜3，4构成本发明的[将来自光源的光束的波束径进行扩大的光学元件]。而且，镜7构成本发明的[参照物体]。
而且，在光图像计测装置1中，作为本发明的[抽样装置]，设置有利用射束分裂器5所生成的干涉光L而进行成像的成像用透镜群8、将该干涉光L分割为3个干涉光L1，L2，L3的射束分裂器11，12、干涉光检测用的积蓄型的2维光传感器阵列即CCD(照相机)21，22，23、以及配置在这些CCD的附近，由将干涉光L1，L2，L3分别进行周期性地遮蔽的液晶遮光器等高速遮光器等所构成的遮光器31，32，33。
另外，遮光器31、32、33没有必要分别设置在CCD 21、22、23的附近，可在利用遮光器11、12形成的干涉光L1、L2、L3的分支点连结CCD 21、22、23的各光路上的任意位置进行设置。即，遮光器31、32、33只要配置在可遮蔽各干涉光L1、L2、L3，且使利用CCD 21、22、23的受光光量变更为0的位置上即可。
这里，射束分裂器11、12分别构成本发明所说的[第1射束分裂器]、[第2射束分裂器]。另外，CCD 21构成[第1光检测器]，CCD 22构成[第2光检测器]，CCD 23构成[第3光检测器]。而且，遮光器31、32、33分别构成用于将在各光路上进行传播的干涉光以设定的周期进行遮蔽，而使其光量在该周期变更为
的[第1光量变更装置]、[第2光量变更装置]、与[第3光量变更装置]。
另外，光图像计测装置1包括脉冲信号产生器50，其用于产生脉冲信号；以及相位移相器41、42、43，藉由其使该脉冲信号产生器50所产生的脉冲信号进行位移，而生成分别独立控制各遮光器31、32、33的开关时序的时序信号并进行输出。
各遮光器31、32、33根据来自相位移相器41、42、43的时序信号，以设定的周期分别对遮蔽干涉光L1、L2、L3进行抽样。藉此，各CCD 21、22、2 3周期性地接受对应的干涉光L1、L2、L3，并如后述的图2(C)所示，将干涉光作为周期性脉冲列而受光。此时，由于各遮光器31、32、33分别独立开关，所以利用CCD 21、22、23分别进行检测的干涉光L1、L2、L3的脉冲，形成具有设定的相位差的脉冲。CCD 21、22、23将各像素(pixel)所检测的干涉光L1、L2、L3的强度进行光电转换，并将其转换结果即电信号(外差信号)输出到信号处理部60。外差信号为反映所检测的干涉光的强度及相位的电信号。
信号处理部60根据从CCD 21、22、23所输出的外差信号，实行后述的运算处理，其即为本发明的[运算装置]。另外，信号处理部60藉由解析该运算处理的结果，而形成被测定物体O的2维断面图像等各种图像，并进行使其在显示器装置(未图示)等显示装置上进行显示的处理。这种信号处理部60在构成中例如包括存储了设定运算程序的只读存储器(ROM)等存储装置、以及执行该运算程序的中央处理器(CPU)的计算机等构成。
从光源2所射出的光束由透镜3和透镜4而使其波束径扩大，并利用射束分裂器5而分割为信号光S和参照光R。信号光S入射被测定物体O，并作为包含其表面形态及内部形态的信息的反射光波而再次入射射束分裂器5。
另一方面，参照光R在通过频率移相器6而接受频率位移后，传送到镜7并被反射。其反射光波再次通过频率移相器6而接受更进一步的频率位移，并再次入射射束分裂器5。
来自被测定物体O的信号光S的一部分经由射束分裂器5被反射，而接受了频率位移的参照光R的一部分则透过射束分裂器5。藉此，信号光S和参照光R由射束分裂器5重叠，而生成干涉光L。该干涉光L透过成像用透镜群8，并被传送到射束分裂器11。
干涉光L利用射束分裂器11而使其光路被分割为2部分。利用射束分裂器11而被反射的干涉光L1，通过遮光器31而被CCD 21检测。
而且，透过了射束分裂器11的干涉光，利用下一个射束分裂器12而使其光路再次被二分割。利用射束分裂器12被反射的干涉光L2，通过遮光器32而被CCD 22检测。
另一方面，透过了射束分裂器12的干涉光L3，通过遮光器33而被CCD23检测。
另外，最好使利用射束分裂器11的干涉光的分割率，即透过的干涉光和反射的干涉光L1的强度比为2∶1。即，射束分裂器11最好具有使入射光的2/3透过，而使1/3反射的特性。而且，最好使利用射束分裂器12而被透过的干涉光L3和被反射的干涉光L2的强度比为1∶1。即，射束分裂器12最好具有使入射光的1/2透过，而使1/2反射的特性。藉此，利用CCD21、22、23而被检测的干涉光L1、L2、L3形成分别相等的强度等级(level)，所以适合进行后述的运算处理。但是，被分割的干涉光的强度比并不限定于此，而可酌情进行设定。
接着，关于利用光图像计测装置1的干涉光L的信号强度及相位的空间分布，即外差信号的强度及其相位信息的测定形态进行说明。光图像计测装置1的特征在于，藉由利用遮光器31、32、33的开关时序(timing)，对被付以相位差的干涉光L1、L2、L3进行抽样检测，而取得干涉光L的信号强度和相位的空间分布。另外，负责遮光器31、32、33的开关时序的后述的抽样函数的相位差需要预先进行设定。
图2为用于说明利用遮光器31的干涉光L1的抽样动作的说明图。图2(A)所示为利用光传感器CCD 21而受光的干涉光L1的时间波形。利用干涉光L1的外差信号如上述式(1)所示，包括由与参照光S和信号光S的强度成比例的背景光所构成的直流成分，和具有拍频的交流成分(也称作拍频信号等)。因此，藉由根据图2(B)所示的抽样函数m1(t)使遮光器31进行周期性地开关(on-off)，而可对干涉光L1进行抽样。
这里，抽样函数m1(t)具有由例如50％工作(duty)的矩形列所构成的波形，且使该频率fsm被设定为与式(1)所示的拍频fif相等或与其相近的值(即fsm＝fif或fsmfif)。另外，作为抽样函数m1(t)，其为这种50％duty的矩形列的波形较佳。即，在为不足50％的duty的情况下，CCD 21、22、23所受光的光量会减少，所以不适当。另一方面，如为超过50％的duty，却又使检测的效率下降(另外工作(duty)比的变更产生下述式(2)的因数K1的变更)。而且，藉由利用矩形列的波形，可使遮光器31、32、33的开关被恰当地切换。但是，当然可以酌情使用50％以外的duty的抽样函数，即正弦波和三角形波等矩形列以外的波形的抽样函数。对后述的抽样函数m2(t)、m3(t)而言，这种变形例也是同样适用的。
图2(C)所示为利用抽样函数m1(t)进行抽样，并入射CCD 21的干涉光L1的时间波形。这里，抽样函数m1(t)的频率fsm和式(1)所示的外差信号的拍频fif之差(δf＝|fif-fsm|)，与积蓄型光传感器即CCD 21的响应频率相比，被设定得足够小。藉此，可在干涉光L1的各周期，对相位大致相同的部分进行抽样。此时，来自接受了干涉光L1的CCD 21的输出i1(t)，在测定时间内与CCD 21中所积蓄的光电荷量成比例，具体地说，可由下式而得到(例如参照M.Akiba，K.P.Chan，N.Tanno，[OpticsLetters]，Vol.28，816(2003))。
i1(t)=<K1i(t)m1(t)>]]>=K1[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ)]---(2)]]>这里，<->表示基于CCD 21的积蓄效果的时间平均。而且，φ表示测定的初期相位值，K1表示含有射束分裂器11的反射率和CCD 21的光电转换率的光检测效率。
同样地，利用根据设定的抽样函数m2(t)而控制开关时序的遮光器32对干涉光L2施以抽样，并利用CCD 22进行检测。该抽样函数m2(t)，其具有与对干涉光L1进行抽样的抽样函数m1(t)相同的频率fsm，即50％duty的矩形列的波形。这里，抽样函数m2(t)对抽样函数m1(t)具有相位差Δθ1，2。该相位差Δθ1，2藉由使图1所示的来自脉冲信号发生器50的脉冲信号的相位，利用相位移相器42而被付与位移。由以上这种条件，利用与式(2)同样的原理，可从CCD 22得到以下这样的输出i2(t)。
i2(t)=K2[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ+Δθ1,2)]---(3)]]>但是，K2为包括射束分裂器11的透过率、射束分裂器12的反射率、以及CCD 22的光电转换率的光检测效率。
由式(2)和式(3)可知，在来自CCD 21、22的输出中，分别包含有信号光S和参照光R的强度Is，Ir的项目、关于干涉光L1，L2的振幅(IsIr)及相位(2πδft+φ)，(2πδft+Δθ1，2)的项目。
另外，利用根据抽样函数m3(t)而控制开关时序的遮光器33，对干涉光L3施以抽样，并利用CCD 23进行检测。该抽样函数m3(t)，其具有与对干涉光L1进行抽样的抽样函数m1(t)相同的频率fsm，即50％duty的矩形列的波形。这里，抽样函数m3(t)对抽样函数m1(t)具有相位差Δθ1，3。该相位差Δθ1，3藉由使来自脉冲信号发生器50的脉冲信号的相位，利用相位移相器43而被付与位移。此时，利用与式(2)同样的原理，可从CCD 23得到以下这样的输出i3(t)。
i3(t)=K3[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ+Δθ1,3)]---(4)]]>但是，K3为包括射束分裂器11、12的各个透过率及CCD 23的光电转换率的光检测效率。
从式(2)、(3)、(4)所示的各CCD 21、22、23所输出的电信号，被发送到信号处理部60。信号处理部60藉由利用这些输出结果执行以下所说明的运算，由式(1)所示的外差信号的强度及相位的空间分布，即可算出干涉光L的信号强度和相位的空间分布。
这里，将式(3)所示的抽样函数m1(t)和抽样函数m2(t)的相位差Δθ1，2设定为-π/2，将式(4)所示的抽样函数m1(t)和抽样函数m3(t)的相位差Δθ1，3设定为π/2。此时，由干涉光的背景光所构成的外差信号的直流成分的强度S1，和相位直交成分(sin成分和cos成分)S2及S3分别由以下的式子进行表示。
S1=i2K2+i3K3=Is+Ir---(5)]]>[数6]S2=i2K2-i3K3=4πIsIrsin(2πδft+φ)---(6)]]>[数7]S3=2i1K1-S1=4πIsIrcos(2πδft+φ)---(7)]]>如利用式(6)及式(7)，则式(1)所示的外差信号的振幅如下所示。
IsIr∝S22+S32---(8)]]>这里，关于右边的比例常数为π/4。因此，如利用关于本实施形态的光图像计测装置1，则即使不事先测定形成背景光的直流成分的强度，也可利用3个CCD 21、22、23的输出而求得外差信号的振幅。这表示，关于本发明的光图像计测装置对难以事先进行背景光强度测定的图像计测，例如运动物体的光断层图像计测等是有效的。而且，因为不需要另外预先测定形成背景光的直流成分的强度，所以可谋求计测时间的缩短化和计测程序的简略化。
另外，如利用光图像计测装置1，则可利用以下这样的测定方法求得干涉光L的相位的空间分布并图像化。
对某测定时间t＝t1，如取得式(6)及式(7)所示的外差信号的干涉光成分S2(t1)及S3(t1)，则可藉由取得这两个干涉成分的比，而得到下式所示的信号。
S4=S2(t1)S3(t1)=tan(2πδft1+φ)---(9)]]>由该式(9)可知，信号S4不依存于干涉光L的振幅，只包含其相位信息。因此，利用2维光传感器阵列即CCD 21、22、23的各像素所检测并输出的外差信号的相位φ(x、y、t1)，如下式所示。这里，(x、y)表示这些CCD上的各像素的位置座标。
φ(x,y,t1)=tan-1[S2(x,y,t1)S3(x,y,t1)]-2πδft1---(10)]]>
该式(10)的第2项2πδft1为具有零或大致为零的频率δf的交流信号的测定时间t1的瞬时相位值，可假定其不依据CCD 21、22、23的像素位置(即变量x、y)而为一定值。因此，藉由对位于CCD 21、22、23上的某座标x＝x1、y＝y1的像素所检测的外差信号的相位φ(x1、y1、t1)，而求得各像素所检测的外差信号的相位差。可使该外差信号，即干涉光L的相位差的空间分布图像化。这种干涉光的相位的空间分布测定，被认为对以其相位值作为基准的图像计测，例如利用外差干涉法的镜状表面的高精度计测是有效的。
另外，如利用上述的相位信息，可求取干涉光L的频率信息。即，外差信号的频率fif和抽样频率fsm的频率差δf，可利用根据在某两个测定时间t＝t1及t＝t2中的相位的计算结果φ(x1、y1、t1)及φ(x1、y1、t2)的下式而进行计算。
δf=12πφ(x,y,t1)-φ(x,y,t2)t1-t2---(11)]]>由于抽样频率fsm为已知，所以由式(11)所得到的计算结果，可计算外差信号的频率fif，即干涉光L的频率。这种外差频率的测定方法，被认为可有效地应用于例如计测被检眼眼底的血流状态的情况等，所以使用外差干涉法的多谱勒速度计测可以有效地被利用。
在以上所说明的运算方法中，说明了一种将3个抽样函数m1(t)、m2(t)、m3(t)之间的相位差设定为Δθ1，2＝-π/2及Δθ1，3＝π/2，且不预先测定干涉光的背景光强度而对外差信号的振幅和相位进行测定的方法，但同样也可将Δθ1，2及Δθ1，3酌情设定为其它的值并进行测定。而且，可存在藉由将干涉光L分割为4个以上的光路，且与上述同样地对在各光路中传输的干涉光施以抽样处理并进行检测，而进行干涉光L的干涉成分的抽出，并求得其信号强度及相位的空间分布等的各种各样的变形例。
如利用关于本发明的光图像计测装置1，则根据来自式(2)、(3)、(4)所示的3个CCD等2维光传感器阵列的输出信号，可计算由干涉光的背景光所构成的直流成分的强度，并利用该计算结果求得外差信号的强度和相位信息，即可以取得干涉光L的信号强度及相位的空间分布。这一点是与需要事先测定由干涉光的背景光所构成的直流成分的强度的专利文献1所记述的发明，具有最大不同的本发明的特征。
(变形例1)图3所示为关于本发明的光图像计测装置的第1变形例。该光图像计测装置1-A与图1所示的光图像计测装置1具有大致相同的构成。但是，作为产生光外差计测中的拍频的机构，可采用藉由在反射参照光R的镜7的背后，设置例如压电元件6’等振动元件使镜7振动，而使参照光产生多谱勒频率位移的构成。压电元件6’与上述的光图像计测装置1中的频率移相器6具有同样的作用。
(变形例2)图4所示为关于本发明的光图像计测装置的第2变形例。该光图像计测装置1-B与图1所示的光图像计测装置1具有大致相同的构成。但是，作为第1～第3光检测器，采用线路传感器(line sensor)21’、22’、23’而取代CCD 21、22、23。另外，采用设置有分别排列在这些线路传感器21’、22’、23’上，而将各受光元件的输出进行累积的积量电路21’A、22’A、23’A，并使其输出信号发送到信号处理部60的构成。另外，在图4中，图1所示的相位移相器41、42、43及脉冲信号产生器50，则省略其图示。
如利用这种构成，则可由线路传感器21’、22’、23’取得1维的图像，另外利用积量电路21’A、22’A、23’A的积蓄机能，能够与图1所示的光图像计测装置1进行同样的抽样处理，所以可由信号处理部60计算由干涉光的背景光所构成的直流成分，并可利用该计算结果求得干涉光的信号强度及相位的空间分布。
(变形例3)图5所示为关于本发明的光图像计测装置的第3变形例。该光图像计测装置1-C与图1所示的光图像计测装置1具有大致相同的构成。但是，在本变形例的光图像计测装置1-C中，设置有使透过了被测定物体O的信号光S向射束分裂器5进行反射的镜10。采用使利用射束分裂器5而被分割的信号光S，在透过被测定物体O并经由镜10而被反射，且再次透过被测定物体O后，再利用射束分裂器5与参照光R进行重叠的构成。
如利用这种构成的光图像计测装置1-C，则可得到干涉光透过了被测定物体O的信号光S的信息。另外，与图1的光图像计测装置1同样地，通过分割为3部分的干涉光的抽样，并利用CCD 21、22、23进行检测。而且，可根据该检测结果计算由干涉光的背景光所构成的直流成分，并可利用该计算结果求得干涉光的信号强度及相位的空间分布。该变形例3的光图像计测装置1-C，其所示为根据透过了被测定物体O的信号光而实施外差检测法的装置的一个例子。另外，在构成这种透过型的光图像计测装置的情况下，不只是射出低相干光的光源，也可利用通常的半导体激光等。
(其它的变形例)关于本发明的光图像计测装置的干涉光的分割数，也可不像上述实施形态那样限定为3个，而采用适当分割为4个以上的构成。在这种情况下，设置(分割数-1)个射束分裂器，并对所分割的每个干涉光设置CCD等光传感器。另外，在分割为复数个的干涉光的光路上所配置的遮光器等光量变更装置的个数，在进行上述实施形态所示的运算处理的情况下为3个即可，但如为执行其它的运算处理的情况和另外计算其它的值的情况等，则可酌情设定为4个以上的光量变更装置。
为了不另外测定外差信号的直流成分的强度而得到干涉光的信号强度及相位的空间分布，认为需要将干涉光分割为3个以上。而且，虽然在像上述专利文献1那样具有2个光传感器的情况下，需要使进行2分割的干涉光的抽样的相位差为π/2，但如像本发明这样将干涉光分割为3部分或3部分以上进行抽样，则可藉由采用π/2以外的适当相位差而达成目的，所以可使测定的自由度增加。
而且，在上述实施形态中，说明了一种配置高速遮光器等遮光器作为抽样装置中所包含的[光量变更装置]的构成，但并不限定于此。例如，也可藉由取代完全遮蔽干涉光的前述遮光器，而设置使透过干涉光的透过率周期性增减的液晶遮光器进行抽样，从而使利用光检测器的受光光量变化。而且，也可酌情使光量变更装置与光检测器是一体构成。
而且，作为关于本发明的光图像计测装置的光检测器，只要是上述CCD21、22、23或具有积量电路21’A、22’A、23’A的线路传感器21’、22’、23’等即可，其具有检测干涉光并进行光电转换的机能，和积蓄检测电荷的机能这两项，就可用在1维或2维的所有构成。
在以上所说明的本发明的实施形态中，是对具有米切尔森型(Michelson)的干涉光学系统的光图像计测装置进行了说明，但当然也可采用例如马赫-曾德型(Mach-Zehuder)等其它的干涉光学系统(例如参照由本发明们所提出的专利第3245135号)。
而且，藉由在干涉光学系统的一部分上设置光纤(束)而作为导光构件使用，可提高装置设计上的自由度，或谋求装置的简洁化(compact)，或提高被测定物体的配置自由度(例如参照上述的专利第3245134号)。
如将本发明的光图像计测装置应用在例如眼科的领域上，则除了上述眼底的血流状态的测定以外，还可得到网膜或角膜的2维断面图像等。藉此，可对例如角膜的内皮细胞数目等进行测定。另外，当然还可进行其它的各种应用。
以上所详细说明的构成，只不过是关于本发明的光图像计测装置的实施形态的一个例子，只要在本发明的要旨的范围内，可施加各种各样的变形。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种光图像计测装置，具有光源和干涉光学系统，其中光源用于射出光束，干涉光学系统用于将该光源所射出的光束，分割为经由被检测物体的信号光和经由设定的参照物体的参照光，并使前述信号光的频率和前述参照光的频率相对进行位移后，使经由了前述被检测物体的前述信号光和经由了前述参照物体的前述参照光彼此进行重叠，而生成干涉光，且该光图像计测装置根据前述干涉光形成前述被测定物体的图像；其特征在于其包括抽样装置，具有将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光分割为至少3个光路的装置、与对该分割的3个前述干涉光分别以设定的周期进行抽样检测并作为电信号输出的装置；以及运算装置，根据前述抽样装置所输出的前述电信号，运算前述干涉光的信号强度及相位的空间分布。
2.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的抽样装置包括复数个射束分裂器，将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行二分割；光量变更装置，配置在利用前述复数个射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并藉由对在前述光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；以及光检测器，对利用前述光量变更装置而被抽样的前述干涉光分别进行检测，并变换为前述电信号而进行输出。
3.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的抽样装置包括第1射束分裂器，用于将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行二分割；第1光量变更装置，配置在利用前述第1射束分裂器而被二分割的前述干涉光的一光路上，并对在该光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；第1光检测器，对利用前述第1光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号而进行输出；第2射束分裂器，用于将利用前述第1射束分裂器进行二分割的前述干涉光的另一光路再进行二分割；第2光量变更装置，配置在利用前述第2射束分裂器而被二分割的前述干涉光的一光路上，并对在这一光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；第2光检测器，对利用前述第2光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号而进行输出；第3光量变更装置，配置在利用前述第2射束分裂器而被二分割的前述干涉光的另一光路上，并对在这另一光路上传送的前述干涉光的光量以前述设定的周期进行变更而抽样；以及第3光检测器，对利用前述第3光量变更装置而被抽样的前述干涉光进行检测，并变换为前述电信号进行输出。
4.根据权利要求3所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的交流成分的振幅。
5.根据权利要求4所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根据该sin成分和cos成分计算前述振幅。
6.根据权利要求3所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算前述干涉光的相位的空间分布。
7.根据权利要求6所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的运算装置根据利用前述第1、第2及第3光检测器而分别被输出的前述电信号，计算一测定时间中的前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根据该sin成分和cos成分计算前述相位的空间分布。
8.根据权利要求6或7所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的运算装置根据2个不同测定时间中的前述干涉光的相位的空间分布的计算结果，计算前述干涉光的频率。
9.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于将前述干涉光至少分割为3个光路的装置，是使前述被检测的前述干涉光的强度分别相等的形态而将前述干涉光进行分割。
10.根据权利要求3所述的光图像计测装置，其特征在于，前述第1射束分裂器将利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光，在前述一光路和前述另一光路按1∶2的强度比进行分割；前述第2射束分裂器将在这另一光路上进行传播的前述干涉光以相等的强度进行二分割。
11.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的光量变更装置为遮光器，其藉由配置在利用前述复数个射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并以前述设定的周期对在前述光路上进行传播的前述干涉光进行遮蔽而抽样。
12.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于，前述干涉光学系统包括将来自前述光源的前述光束的波束径进行扩大的光学元件；以及前述光检测器为2维光检测器阵列，其以利用前述光学元件而使波束径被扩大的前述光束为基础，对利用前述干涉光学系统所生成的前述干涉光进行检测。
全文摘要
本发明是有关于一种光图像计测装置，可根据干涉光的检测结果计算由背景光构成的直流成分的强度，并可利用其计算结果求得干涉光的信号强度及相位的空间分布。该光图像计测装置包括干涉光学系统，将光束由射束分裂器分割为信号光和参照光，并利用频率移相器使参照光的频率进行位移，且使经由了被测定物体的信号光和参照光重叠而生成干涉光；射束分裂器，用于将干涉光分割为个干涉光(L1、L2、L3)；遮光器，用于将干涉光(L1、L2、L3)以一定的周期进行遮蔽并抽样；光检测器，将所抽样的干涉光(L1、L2、L3)进行检测，并变换为电信号进行输出；以及信号处理部，根据该电信号计算干涉光的信号强度和相位的空间分布。
文档编号G01J9/02GK1661358SQ20051005100
公开日2005年8月31日 申请日期2005年2月25日 优先权日2004年2月26日
发明者陈建培, 秋叶正博, 福间康文, 大塚浩之, 塚田央 申请人:株式会社拓普康