光圖像計測裝置的制作方法

專利名稱：光圖像計測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種向光散射媒質的被測定物體照射光束，并利用其反射光或透射光對被測定物體的表面形態和內部形態進行計測，且形成其圖像的光圖像計測裝置，特別是涉及一種利用光外差檢測法對被測定物體的表面形態和內部形態進行計測，并形成圖像的光圖像計測裝置。
背景技術：
近年來，利用激光光源等形成被測定物體的表面和內部的圖像的光圖像計測技術集中了人們的注目。該光圖像計測技術因為不具有像習知的X射線CT(computer tomography，斷層掃瞄)那樣對人體的有害性，所以其在醫療領域方面的應用開展特別受到期待。
作為光圖像檢測技術的代表性方法的一個例子，有一種低相干(coherence)干涉法(也稱作光相干斷層圖像化法等)。該方法利用例如超輻射發光二極管(Super Luminescent Diode；SLD)這樣的具有寬光譜(spectrum)寬度的寬頻帶光源的低干涉性，并可對來自被測定物體的反射光和透射光，以μm級的優良的距離分解能力進行檢測(參照例如下述的非專利文獻1)。
作為利用了該低相干干涉法的裝置的一個例子，根據米切爾森(Michelson)干涉儀的習知的光圖像計測裝置的基本構成如圖6所示。該光圖像計測裝置100的構成包括寬頻帶光源101、鏡102、射束分裂器103及光檢測器104。被測定物體105由散射媒質形成。寬頻帶光源101發出的光束，由射束分裂器103被分割為朝向鏡102的參照光R和朝向被測定物體105的信號光S兩部分。參照光R為利用射束分裂器103的反射光，信號光S為射束分裂器103的透射光。
這里，如圖6所示，在信號光S的行進方向上設定為z軸，并將對信號光S的行進方向的直交面定義為x-y面。鏡102可沿同圖中的兩側箭形符號方向(z-掃描方向)進行位移。
參照光R在被反射到鏡102上時，藉由該z-掃描而接受多譜勒(Doppler)頻率位移。另一方面，信號光S在照射到被測定物體105上時，信號光S在其表面及內部層被反射。由于被測定物體為散射媒質，所以可認為信號光S的反射光為具有多重散射的雜亂相位的擴散波面。經由被測定物體105的信號光，和經由鏡102并接受了頻率位移的參照光，以利用射束分裂器103進行重疊并生成干涉光。
在利用低相干干涉方法的圖像計測中，只有信號光S和參照光R的光路長差在光源的μm級的相干長度(可干涉距離)以內，且與參照光R具有相位相關的信號光S的成分，其才會與參照光R產生干涉。即，只是信號光S的相干信號光成分有選擇地與參照光R相互進行干涉。根據該原理，藉由對鏡102的位置進行z-掃描而使參照光R的光路長變化，可對被測定物體105的內部層的光反射輪廓(profile)進行測定。另外，對向被測定物體105照射的信號光S也在x-y面方向上進行掃描。藉由進行這種z方向及x-y面方向的掃描，并利用光檢測器104檢測干涉光，且對作為其檢測結果而被輸出的電信號(外差信號)進行解析，可取得被檢測體105的2維斷層圖像(參照非專利文獻1)。
另外，如設利用射束分裂器103進行重疊的參照光R及信號光S的強度分別為Ir及Is，并設兩光波間的頻率差及相位差分別為fif及Δθ，則從光檢測器輸出如下式所示的外差信號(例如參照非專利文獻2)。
i(t)∝Ir+Is+2IrIscos(2πfift+Δθ)---(1)]]>式(1)的右邊第3項為交流電信號，其頻率fif等于參照光R和信號光S的差拍(beat，拍)頻率。外差信號的交流成分的頻率fif被稱作拍率等。而且，式(1)的右邊第1項及第2項為外差信號的直流成分，并與干涉光的背景光的信號強度相對應。
但是，為了利用這種習知的低相干干涉法取得2維斷層圖像，需要藉由對被測定物體105進行光束的掃描，而依次檢測來自被測定物體105的深度方向(z方向)及斷層面方向(x-y面方向)的各部位的反射光波。因此，為了計測被測定物體105而需要較長的時間，而且考慮其計測原理可發現，難以謀求計測時間的縮短。
鑒于這些問題，研究了一種用于縮短計測時間的光圖像計測裝置。圖7所示為這種裝置的一個例子的基本構成。同圖所示的光圖像計測裝置200的構成包括寬頻帶光源201、鏡202、射束分裂器203、作為光檢測器的2維光傳感器陣列204及透鏡206，207。從光源201所射出的光束，由透鏡206、207而形成平行光束，且將其波束徑擴大，并利用射束分裂器203而將其分為參照光R和信號光S兩部分。參照光R藉由鏡202的z-掃描而被付以多譜勒頻率位移。另一方面，信號光S由于其波束徑擴大，所以可在x-y面的大范圍內入射被測定物體205。藉此，信號光S形成含有該入射范圍中的被測定物體205的表面和內部的信息的反射光。參照光R和信號光S利用射束分裂器203進行重疊，并利用在2維光傳感器陣列204上所并列載置的元件(光傳感器)進行檢測。因此，可不對光束進行掃描，而實時取得被測定物體205的2維斷層圖像。
作為這種非掃描型的光圖像計測裝置，已知有一種非專利文獻3所記述的裝置。在同文獻所記述的裝置中，可將從2維光傳感器陣列所輸出的復數個外差信號輸入并列配置的信號處理系統，并對各外差信號的振幅和相位進行檢測。
但是，為了提高圖像的空間分解能力，必須增加陣列的元件數，另外，必須準備具有與該元件數相對應的信道(channel)數的信號處理系統。因此，其被認為難以在需要高分解能力的圖像的醫療和工業等領域上進行實用化。
因此，本發明者們在下述的專利文獻1中，提出了一種以下這樣的非掃描型的光圖像計測裝置。關于該提案的光圖像計測裝置包括光源，用于射出光束；干涉光學系統，用于將該光源所射出的光束分為經由配置有被檢測體的被檢測體配置位置的信號光，和經由與前述經由被檢測體配置位置的光路不同的光路的參照光兩部分，且將經由了前述被檢測體配置位置后的信號光，和經由了前述不同的光路的參照光彼此進行重疊，而生成干涉光；頻率移相器，用于將該干涉光學系統的前述信號光的頻率和前述參照光的頻率相對進行位移；光遮蔽裝置，前述干涉光學系統為了接受前述干涉光，藉由將前述干涉光進行二分割，再對該被二分割了的干涉光進行周期性地遮蔽，而生成彼此的相位差為90度的2列干涉光脈沖；光傳感器，分別接受前述2列干涉光脈沖；信號處理部，該光傳感器具有空間性排列且分別獨立地得到受光信號的復數個受光元件，并將前述光傳感器所得到的復數個受光信號進行合并，而生成與前述被檢測體配置位置上所配置的被檢測體的表面或內部層，且在前述信號光的傳輸路徑上的各關心點相對應的信號。
該光圖像計測裝置采用將參照光和信號光的干涉光進行二分割，并以2臺光傳感器(2維光傳感器陣列)受光，且在兩傳感器陣列前分別配置光遮蔽裝置，以對干涉光進行抽樣的構成。而且，可藉由在被分割的2個干涉光的抽樣周期中設置π/2的相位差，而對構成干涉光的背景光的信號光和參照光的強度、和干涉光的相位的直交成分(sin成分和cos成分)進行檢測，且藉由將來自兩傳感器陣列的輸出中所包含的背景光的強度，從兩傳感器陣列的輸出中去除，而計算干涉光的2個相位直交成分，并利用該計算結果求得干涉光的振幅。
但是，在利用專利文獻1所記述的光圖像計測裝置的計測中，需要預先測定并取得與2維光傳感器陣列的輸出中所包含的干涉光的背景光對應的直流成分的強度。因此，雖然在可測定直流成分的強度的情況下可發揮其有效性，但對例如被測定物體或其一部分和內部正在運動的情況等，則難以對與背景光對應的直流成分的強度進行測定，也難以利用該裝置進行被測定物體的計測。
另外，作為以上那樣的光圖像計測裝置的2維光傳感器陣列，廣泛使用CCD(Charge-Coupled Device，電荷耦合器件)照相機等市場上所銷售的圖像傳感器。但是，目前市場上所銷售的CCD照相機的頻率響應特性低，在習知技術中已認識到其無法追隨從數KHz到數MHz左右的外差信號的拍頻的問題。可以說本發明者們提供的專利文獻1中所記述的光圖像計測裝置的特征在于，在充分認識該問題的基礎上，利用其低響應特性而進行計測。
日本專利早期公開的特開2001-330558號公報(權利要求項，說明書段落 - ，第1圖，第3圖)[非專利文獻1]丹野直弘，《光學》(日本光學雜志)第28卷第3號，116(1999)[非專利文獻2]吉澤、瀨田編，《光外差技術(修訂版)》，新技術通訊(2003)，p.2[非專利文獻3]K.P.Chan，M.Yamada，H.Inaba，[ElectronicsLetters]，Vol.301753，(1994)由此可見，上述現有的光圖像計測裝置在結構與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決光圖像計測裝置存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成，而一般產品又沒有適切的結構能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲解決的問題。
有鑒于上述現有的光圖像計測裝置存在的缺陷，本發明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經驗及專業知識，并配合學理的運用，積極加以研究創新，以期創設一種新型結構的光圖像計測裝置，能夠改進一般現有的光圖像計測裝置，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創設出確具實用價值的本發明。

發明內容
本發明的目的在于，克服現有的光圖像計測裝置存在的缺陷，而提供一種新型結構的光圖像計測裝置，所要解決的技術問題是使其可有效地求取干涉光的信號強度及相位的空間分布，從而更加適于實用。
本發明的另一目的在于，提供一種光圖像計測裝置，所要解決的技術問題是使其可根據干涉光的檢測結果計算由其背景光所構成的直流成分的強度，并可利用其計算結果求得干涉光的信號強度及其相位的空間分布，從而更加適于實用。
本發明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現的。為了達到上述發明目的，依據本發明的光圖像計測裝置，其第1實施型態提供一種光圖像計測裝置，具有光源和干涉光學系統，其中光源用于射出光束，干涉光學系統用于在將該光源所射出的光束，分割為經由被檢測物體的信號光和經由設定的參照物體的參照光，并使前述信號光的頻率和前述參照光的頻率相對進行位移后，使經由了前述被檢測物體的前述信號光和經由了前述參照物體的前述參照光彼此進行重疊，而生成干涉光，且該光圖像計測裝置根據前述干涉光形成前述被測定物體的圖像；其中，包括抽樣裝置和運算裝置，其中抽樣裝置具有將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光分割為至少3個光路的裝置、與對該分割的3個前述干涉光分別以設定的周期進行抽樣檢測并作為電信號輸出的裝置。而運算裝置根據前述抽樣裝置所輸出的前述電信號，運算前述干涉光的信號強度及相位的空間分布。
而且，本發明的第2實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述抽樣裝置包括復數個射束分裂器，將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行二分割；光量變更裝置，配置在利用前述復數個射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并藉由對在前述光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；光檢測器，對利用前述光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光分別進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出。
而且，本發明的第3實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述抽樣裝置包括第1射束分裂器，用于將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行二分割；第1光量變更裝置，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，并對在該光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；第1光檢測器，對利用前述第1光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出；第2射束分裂器，用于將利用前述第1射束分裂器進行二分割的前述干涉光的另一光路再進行二分割；第2光量變更裝置，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，并對在這一光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；第2光檢測器，對利用前述第2光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出；第3光量變更裝置，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，并對在這另一光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；第3光檢測器，對利用前述第3光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號進行輸出。
而且，本發明的第4實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的交流成分的振幅。
而且，本發明的第5實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根據該sin成分和cos成分計算前述振幅。
而且，本發明的第6實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的相位的空間分布。
而且，本發明的第7實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算一測定時間中的前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根據該sin成分和cos成分計算前述相位的空間分布。
而且，本發明的第8實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述運算裝置根據2個不同的測定時間中的前述干涉光的相位的空間分布的計算結果，計算前述干涉光的頻率。
而且，本發明的第9實施型態提供一種光圖像計測裝置，將前述干涉光至少分割為3個光路的裝置，是使前述被檢測的前述干涉光的強度分別相等的形態而將前述干涉光進行分割。
而且，本發明的第10實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述第1射束分裂器將利用前述干涉光學系統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的強度比進行分割；前述第2射束分裂器將在這另一光路上進行傳播的前述干涉光以相等的強度進行二分割。
而且，本發明的第11實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述光量變更裝置為遮光器，其藉由配置在利用前述復數個射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并以前述設定的周期對在前述光路上進行傳播的前述干涉光進行遮蔽而抽樣。
而且，本發明的第12實施型態提供一種光圖像計測裝置，前述干涉光學系統包括將來自前述光源的前述光束的波束徑進行擴大的光學元件；前述光檢測器為2維光檢測器陣列，其以利用前述光學元件而使波束徑被擴大的前述光束為基礎，對利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行檢測。
如利用本發明的光圖像計測裝置，可對至少被分割為3個光路的干涉光，在分別以設定的周期抽樣的基礎上進行檢測，并根據作為其檢測結果的電信號，求得干涉光的信號強度、相位的空間分布及由干涉光的背景光所構成的直流成分的強度。因為，即使不像現有技術那樣，對由干涉光的背景光所構成的直流成分的強度事先進行測定，也可有效地檢測干涉光的信號強度及相位的空間分布。
本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。經由上述可知，本發明是有關于一種光圖像計測裝置，可根據干涉光的檢測結果計算由背景光構成的直流成分的強度，并可利用其計算結果求得干涉光的信號強度及相位的空間分布。該光圖像計測裝置包括干涉光學系統，將光束由射束分裂器5分割為信號光S和參照光R，并利用頻率移相器6使參照光R的頻率進行位移，且使經由了被測定物體O的信號光S和參照光R重疊而生成干涉光L；射束分裂器11、12，用于將干涉光L分割為3個干涉光L1、L2、L3；遮光器31、32、33，用于將干涉光L1、L2、L3以一定的周期進行遮蔽并抽樣；光檢測器21、22、23，將所抽樣的干涉光L1、L2、L3進行檢測，并變換為電信號進行輸出；以及信號處理部60，根據該電信號計算干涉光L的信號強度和相位的空間分布。
綜上所述，本發明特殊結構的光圖像計測裝置，可有效地求取干涉光的信號強度及相位的空間分布。特別是本發明提供一種可根據干涉光的檢測結果計算由其背景光所構成的直流成分的強度，并可利用其計算結果求得干涉光的信號強度及其相位的空間分布。其具有上述諸多的優點及實用價值，并在同類產品中未見有類似的結構設計公開發表或使用而確屬創新，其不論在產品結構或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，并產生了好用及實用的效果，且較現有的光圖像計測裝置具有增進的多項功效，從而更加適于實用，而具有產業的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發明的上述和其他目的、特征和優點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1所示為關于本發明的光圖像計測裝置的構成的一個例子的概略圖。
圖2所示為關于本發明的光圖像計測裝置的干涉光的抽樣形態的一個例子。圖2(A)所示為干涉光的時間波形的標繪圖。圖2(B)所示為抽樣函數的波形的一個例子的標繪圖。圖2(C)所示為被抽樣的干涉光的波形的標繪圖。
圖3所示為關于本發明的光圖像計測裝置的變形例的構成的一個例子的概略圖。
圖4所示為關于本發明的光圖像計測裝置的變形例的構成的一個例子的概略圖。
圖5所示為關于本發明的光圖像計測裝置的變形例的構成的一個例子的概略圖。
圖6所示為習知的光圖像計測裝置的構成的概略圖。
圖7所示為習知的光圖像計測裝置的構成的概略圖。
1、1-A、1-B、1-C光圖像計測裝置2寬頻帶光源 3、4透鏡5、11、12射束分裂器 6頻率移相器6’壓電元件 7、10鏡8成像用透鏡群 21、22、23CCD(電荷耦合器件)21’、22’、23’線路傳感器21’A、22’A、23’A積量電路31、32、33遮光器 41、42、43相位移相器50脈沖信號發生器 60信號處理部100、200光圖像計測裝置101、201寬頻帶光源102、202鏡103、203射束分裂器(半透明鏡)104光檢測器 105、205被測定物體204光傳感器陣列(2維光傳感器陣列)206、207透鏡 R參照光S信號光 L、L1、L2、L3干涉光O被測定物體具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的光圖像計測裝置其具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
下面，對關于本發明的光圖像計測裝置的實施形態的一個例子，參照圖示詳細地進行說明。
關于本發明的光圖像計測裝置，坦率地說，具有將參照光和信號光的干涉光分割為3個或3個以上的光路，且對所分割的各干涉光分別以設定的周期施以抽樣并進行檢測，且根據其檢測結果取得干涉光的信號強度、相位的空間分布、以及由干涉光的背景光所構成的直流成分的強度的構成。
(裝置的構成)圖1所示為作為關于本發明的光圖像計測裝置，其采用將干涉光分割為3個光路并進行測定的光圖像計測裝置1的概略構成。該光圖像計測裝置1為可利用于例如醫療方面和工業方面的裝置，其具有可取得由散射媒質構成的被測定物體O的2維斷層圖像的構成。
光圖像計測裝置1與習知的裝置相同，包括輸出低相干的連續光的由超輻射發光二極管(SLD)或發光二極管(LED)等構成的寬頻帶光源2、將來自該光源2的光束形成平行光束且擴大其波束徑的透鏡3，4、將光束分割為信號光S和參照光R，且將它們進行重疊并生成干涉光L的射束分裂器5、以及由全反射鏡構成的鏡7。而且，在鏡7的附近，配置有由電光式調制器或聲光式調制器等構成的頻率移相器6。另外，市場上銷售的近紅外區SLD的相干長度為30μm左右，在LED的情況下為10μm左右。
這里，透鏡3，4、射束分裂器5、頻率移相器6及鏡7，構成本發明中所說的[干涉光學系統]。透鏡3，4構成本發明的[將來自光源的光束的波束徑進行擴大的光學元件]。而且，鏡7構成本發明的[參照物體]。
而且，在光圖像計測裝置1中，作為本發明的[抽樣裝置]，設置有利用射束分裂器5所生成的干涉光L而進行成像的成像用透鏡群8、將該干涉光L分割為3個干涉光L1，L2，L3的射束分裂器11，12、干涉光檢測用的積蓄型的2維光傳感器陣列即CCD(照相機)21，22，23、以及配置在這些CCD的附近，由將干涉光L1，L2，L3分別進行周期性地遮蔽的液晶遮光器等高速遮光器等所構成的遮光器31，32，33。
另外，遮光器31、32、33沒有必要分別設置在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的分支點連結CCD 21、22、23的各光路上的任意位置進行設置。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的受光光量變更為0的位置上即可。
這里，射束分裂器11、12分別構成本發明所說的[第1射束分裂器]、[第2射束分裂器]。另外，CCD 21構成[第1光檢測器]，CCD 22構成[第2光檢測器]，CCD 23構成[第3光檢測器]。而且，遮光器31、32、33分別構成用于將在各光路上進行傳播的干涉光以設定的周期進行遮蔽，而使其光量在該周期變更為
的[第1光量變更裝置]、[第2光量變更裝置]、與[第3光量變更裝置]。
另外，光圖像計測裝置1包括脈沖信號產生器50，其用于產生脈沖信號；以及相位移相器41、42、43，藉由其使該脈沖信號產生器50所產生的脈沖信號進行位移，而生成分別獨立控制各遮光器31、32、33的開關時序的時序信號并進行輸出。
各遮光器31、32、33根據來自相位移相器41、42、43的時序信號，以設定的周期分別對遮蔽干涉光L1、L2、L3進行抽樣。藉此，各CCD 21、22、2 3周期性地接受對應的干涉光L1、L2、L3，并如后述的圖2(C)所示，將干涉光作為周期性脈沖列而受光。此時，由于各遮光器31、32、33分別獨立開關，所以利用CCD 21、22、23分別進行檢測的干涉光L1、L2、L3的脈沖，形成具有設定的相位差的脈沖。CCD 21、22、23將各像素(pixel)所檢測的干涉光L1、L2、L3的強度進行光電轉換，并將其轉換結果即電信號(外差信號)輸出到信號處理部60。外差信號為反映所檢測的干涉光的強度及相位的電信號。
信號處理部60根據從CCD 21、22、23所輸出的外差信號，實行后述的運算處理，其即為本發明的[運算裝置]。另外，信號處理部60藉由解析該運算處理的結果，而形成被測定物體O的2維斷面圖像等各種圖像，并進行使其在顯示器裝置(未圖示)等顯示裝置上進行顯示的處理。這種信號處理部60在構成中例如包括存儲了設定運算程序的只讀存儲器(ROM)等存儲裝置、以及執行該運算程序的中央處理器(CPU)的計算機等構成。
從光源2所射出的光束由透鏡3和透鏡4而使其波束徑擴大，并利用射束分裂器5而分割為信號光S和參照光R。信號光S入射被測定物體O，并作為包含其表面形態及內部形態的信息的反射光波而再次入射射束分裂器5。
另一方面，參照光R在通過頻率移相器6而接受頻率位移后，傳送到鏡7并被反射。其反射光波再次通過頻率移相器6而接受更進一步的頻率位移，并再次入射射束分裂器5。
來自被測定物體O的信號光S的一部分經由射束分裂器5被反射，而接受了頻率位移的參照光R的一部分則透過射束分裂器5。藉此，信號光S和參照光R由射束分裂器5重疊，而生成干涉光L。該干涉光L透過成像用透鏡群8，并被傳送到射束分裂器11。
干涉光L利用射束分裂器11而使其光路被分割為2部分。利用射束分裂器11而被反射的干涉光L1，通過遮光器31而被CCD 21檢測。
而且，透過了射束分裂器11的干涉光，利用下一個射束分裂器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，通過遮光器32而被CCD 22檢測。
另一方面，透過了射束分裂器12的干涉光L3，通過遮光器33而被CCD23檢測。
另外，最好使利用射束分裂器11的干涉光的分割率，即透過的干涉光和反射的干涉光L1的強度比為2∶1。即，射束分裂器11最好具有使入射光的2/3透過，而使1/3反射的特性。而且，最好使利用射束分裂器12而被透過的干涉光L3和被反射的干涉光L2的強度比為1∶1。即，射束分裂器12最好具有使入射光的1/2透過，而使1/2反射的特性。藉此，利用CCD21、22、23而被檢測的干涉光L1、L2、L3形成分別相等的強度等級(level)，所以適合進行后述的運算處理。但是，被分割的干涉光的強度比并不限定于此，而可酌情進行設定。

接著，關于利用光圖像計測裝置1的干涉光L的信號強度及相位的空間分布，即外差信號的強度及其相位信息的測定形態進行說明。光圖像計測裝置1的特征在于，藉由利用遮光器31、32、33的開關時序(timing)，對被付以相位差的干涉光L1、L2、L3進行抽樣檢測，而取得干涉光L的信號強度和相位的空間分布。另外，負責遮光器31、32、33的開關時序的后述的抽樣函數的相位差需要預先進行設定。
圖2為用于說明利用遮光器31的干涉光L1的抽樣動作的說明圖。圖2(A)所示為利用光傳感器CCD 21而受光的干涉光L1的時間波形。利用干涉光L1的外差信號如上述式(1)所示，包括由與參照光S和信號光S的強度成比例的背景光所構成的直流成分，和具有拍頻的交流成分(也稱作拍頻信號等)。因此，藉由根據圖2(B)所示的抽樣函數m1(t)使遮光器31進行周期性地開關(on-off)，而可對干涉光L1進行抽樣。
這里，抽樣函數m1(t)具有由例如50％工作(duty)的矩形列所構成的波形，且使該頻率fsm被設定為與式(1)所示的拍頻fif相等或與其相近的值(即fsm＝fif或fsmfif)。另外，作為抽樣函數m1(t)，其為這種50％duty的矩形列的波形較佳。即，在為不足50％的duty的情況下，CCD 21、22、23所受光的光量會減少，所以不適當。另一方面，如為超過50％的duty，卻又使檢測的效率下降(另外工作(duty)比的變更產生下述式(2)的因數K1的變更)。而且，藉由利用矩形列的波形，可使遮光器31、32、33的開關被恰當地切換。但是，當然可以酌情使用50％以外的duty的抽樣函數，即正弦波和三角形波等矩形列以外的波形的抽樣函數。對后述的抽樣函數m2(t)、m3(t)而言，這種變形例也是同樣適用的。
圖2(C)所示為利用抽樣函數m1(t)進行抽樣，并入射CCD 21的干涉光L1的時間波形。這里，抽樣函數m1(t)的頻率fsm和式(1)所示的外差信號的拍頻fif之差(δf＝|fif-fsm|)，與積蓄型光傳感器即CCD 21的響應頻率相比，被設定得足夠小。藉此，可在干涉光L1的各周期，對相位大致相同的部分進行抽樣。此時，來自接受了干涉光L1的CCD 21的輸出i1(t)，在測定時間內與CCD 21中所積蓄的光電荷量成比例，具體地說，可由下式而得到(例如參照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)]]>這里，<->表示基于CCD 21的積蓄效果的時間平均。而且，φ表示測定的初期相位值，K1表示含有射束分裂器11的反射率和CCD 21的光電轉換率的光檢測效率。
同樣地，利用根據設定的抽樣函數m2(t)而控制開關時序的遮光器32對干涉光L2施以抽樣，并利用CCD 22進行檢測。該抽樣函數m2(t)，其具有與對干涉光L1進行抽樣的抽樣函數m1(t)相同的頻率fsm，即50％duty的矩形列的波形。這里，抽樣函數m2(t)對抽樣函數m1(t)具有相位差Δθ1，2。該相位差Δθ1，2藉由使圖1所示的來自脈沖信號發生器50的脈沖信號的相位，利用相位移相器42而被付與位移。由以上這種條件，利用與式(2)同樣的原理，可從CCD 22得到以下這樣的輸出i2(t)。
i2(t)=K2[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ+Δθ1,2)]---(3)]]>但是，K2為包括射束分裂器11的透過率、射束分裂器12的反射率、以及CCD 22的光電轉換率的光檢測效率。
由式(2)和式(3)可知，在來自CCD 21、22的輸出中，分別包含有信號光S和參照光R的強度Is，Ir的項目、關于干涉光L1，L2的振幅(IsIr)及相位(2πδft+φ)，(2πδft+Δθ1，2)的項目。
另外，利用根據抽樣函數m3(t)而控制開關時序的遮光器33，對干涉光L3施以抽樣，并利用CCD 23進行檢測。該抽樣函數m3(t)，其具有與對干涉光L1進行抽樣的抽樣函數m1(t)相同的頻率fsm，即50％duty的矩形列的波形。這里，抽樣函數m3(t)對抽樣函數m1(t)具有相位差Δθ1，3。該相位差Δθ1，3藉由使來自脈沖信號發生器50的脈沖信號的相位，利用相位移相器43而被付與位移。此時，利用與式(2)同樣的原理，可從CCD 23得到以下這樣的輸出i3(t)。
i3(t)=K3[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ+Δθ1,3)]---(4)]]>但是，K3為包括射束分裂器11、12的各個透過率及CCD 23的光電轉換率的光檢測效率。
從式(2)、(3)、(4)所示的各CCD 21、22、23所輸出的電信號，被發送到信號處理部60。信號處理部60藉由利用這些輸出結果執行以下所說明的運算，由式(1)所示的外差信號的強度及相位的空間分布，即可算出干涉光L的信號強度和相位的空間分布。
這里，將式(3)所示的抽樣函數m1(t)和抽樣函數m2(t)的相位差Δθ1，2設定為-π/2，將式(4)所示的抽樣函數m1(t)和抽樣函數m3(t)的相位差Δθ1，3設定為π/2。此時，由干涉光的背景光所構成的外差信號的直流成分的強度S1，和相位直交成分(sin成分和cos成分)S2及S3分別由以下的式子進行表示。
S1=i2K2+i3K3=Is+Ir---(5)]]>[數6]S2=i2K2-i3K3=4πIsIrsin(2πδft+φ)---(6)]]>[數7]S3=2i1K1-S1=4πIsIrcos(2πδft+φ)---(7)]]>如利用式(6)及式(7)，則式(1)所示的外差信號的振幅如下所示。
IsIr∝S22+S32---(8)]]>這里，關于右邊的比例常數為π/4。因此，如利用關于本實施形態的光圖像計測裝置1，則即使不事先測定形成背景光的直流成分的強度，也可利用3個CCD 21、22、23的輸出而求得外差信號的振幅。這表示，關于本發明的光圖像計測裝置對難以事先進行背景光強度測定的圖像計測，例如運動物體的光斷層圖像計測等是有效的。而且，因為不需要另外預先測定形成背景光的直流成分的強度，所以可謀求計測時間的縮短化和計測程序的簡略化。
另外，如利用光圖像計測裝置1，則可利用以下這樣的測定方法求得干涉光L的相位的空間分布并圖像化。
對某測定時間t＝t1，如取得式(6)及式(7)所示的外差信號的干涉光成分S2(t1)及S3(t1)，則可藉由取得這兩個干涉成分的比，而得到下式所示的信號。
S4=S2(t1)S3(t1)=tan(2πδft1+φ)---(9)]]>由該式(9)可知，信號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維光傳感器陣列即CCD 21、22、23的各像素所檢測并輸出的外差信號的相位φ(x、y、t1)，如下式所示。這里，(x、y)表示這些CCD上的各像素的位置座標。
φ(x,y,t1)=tan-1[S2(x,y,t1)S3(x,y,t1)]-2πδft1---(10)]]>
該式(10)的第2項2πδft1為具有零或大致為零的頻率δf的交流信號的測定時間t1的瞬時相位值，可假定其不依據CCD 21、22、23的像素位置(即變量x、y)而為一定值。因此，藉由對位于CCD 21、22、23上的某座標x＝x1、y＝y1的像素所檢測的外差信號的相位φ(x1、y1、t1)，而求得各像素所檢測的外差信號的相位差。可使該外差信號，即干涉光L的相位差的空間分布圖像化。這種干涉光的相位的空間分布測定，被認為對以其相位值作為基準的圖像計測，例如利用外差干涉法的鏡狀表面的高精度計測是有效的。
另外，如利用上述的相位信息，可求取干涉光L的頻率信息。即，外差信號的頻率fif和抽樣頻率fsm的頻率差δf，可利用根據在某兩個測定時間t＝t1及t＝t2中的相位的計算結果φ(x1、y1、t1)及φ(x1、y1、t2)的下式而進行計算。
δf=12πφ(x,y,t1)-φ(x,y,t2)t1-t2---(11)]]>由于抽樣頻率fsm為已知，所以由式(11)所得到的計算結果，可計算外差信號的頻率fif，即干涉光L的頻率。這種外差頻率的測定方法，被認為可有效地應用于例如計測被檢眼眼底的血流狀態的情況等，所以使用外差干涉法的多譜勒速度計測可以有效地被利用。
在以上所說明的運算方法中，說明了一種將3個抽樣函數m1(t)、m2(t)、m3(t)之間的相位差設定為Δθ1，2＝-π/2及Δθ1，3＝π/2，且不預先測定干涉光的背景光強度而對外差信號的振幅和相位進行測定的方法，但同樣也可將Δθ1，2及Δθ1，3酌情設定為其它的值并進行測定。而且，可存在藉由將干涉光L分割為4個以上的光路，且與上述同樣地對在各光路中傳輸的干涉光施以抽樣處理并進行檢測，而進行干涉光L的干涉成分的抽出，并求得其信號強度及相位的空間分布等的各種各樣的變形例。
如利用關于本發明的光圖像計測裝置1，則根據來自式(2)、(3)、(4)所示的3個CCD等2維光傳感器陣列的輸出信號，可計算由干涉光的背景光所構成的直流成分的強度，并利用該計算結果求得外差信號的強度和相位信息，即可以取得干涉光L的信號強度及相位的空間分布。這一點是與需要事先測定由干涉光的背景光所構成的直流成分的強度的專利文獻1所記述的發明，具有最大不同的本發明的特征。
(變形例1)圖3所示為關于本發明的光圖像計測裝置的第1變形例。該光圖像計測裝置1-A與圖1所示的光圖像計測裝置1具有大致相同的構成。但是，作為產生光外差計測中的拍頻的機構，可采用藉由在反射參照光R的鏡7的背后，設置例如壓電元件6’等振動元件使鏡7振動，而使參照光產生多譜勒頻率位移的構成。壓電元件6’與上述的光圖像計測裝置1中的頻率移相器6具有同樣的作用。
(變形例2)圖4所示為關于本發明的光圖像計測裝置的第2變形例。該光圖像計測裝置1-B與圖1所示的光圖像計測裝置1具有大致相同的構成。但是，作為第1～第3光檢測器，采用線路傳感器(line sensor)21’、22’、23’而取代CCD 21、22、23。另外，采用設置有分別排列在這些線路傳感器21’、22’、23’上，而將各受光元件的輸出進行累積的積量電路21’A、22’A、23’A，并使其輸出信號發送到信號處理部60的構成。另外，在圖4中，圖1所示的相位移相器41、42、43及脈沖信號產生器50，則省略其圖示。
如利用這種構成，則可由線路傳感器21’、22’、23’取得1維的圖像，另外利用積量電路21’A、22’A、23’A的積蓄機能，能夠與圖1所示的光圖像計測裝置1進行同樣的抽樣處理，所以可由信號處理部60計算由干涉光的背景光所構成的直流成分，并可利用該計算結果求得干涉光的信號強度及相位的空間分布。
(變形例3)圖5所示為關于本發明的光圖像計測裝置的第3變形例。該光圖像計測裝置1-C與圖1所示的光圖像計測裝置1具有大致相同的構成。但是，在本變形例的光圖像計測裝置1-C中，設置有使透過了被測定物體O的信號光S向射束分裂器5進行反射的鏡10。采用使利用射束分裂器5而被分割的信號光S，在透過被測定物體O并經由鏡10而被反射，且再次透過被測定物體O后，再利用射束分裂器5與參照光R進行重疊的構成。
如利用這種構成的光圖像計測裝置1-C，則可得到干涉光透過了被測定物體O的信號光S的信息。另外，與圖1的光圖像計測裝置1同樣地，通過分割為3部分的干涉光的抽樣，并利用CCD 21、22、23進行檢測。而且，可根據該檢測結果計算由干涉光的背景光所構成的直流成分，并可利用該計算結果求得干涉光的信號強度及相位的空間分布。該變形例3的光圖像計測裝置1-C，其所示為根據透過了被測定物體O的信號光而實施外差檢測法的裝置的一個例子。另外，在構成這種透過型的光圖像計測裝置的情況下，不只是射出低相干光的光源，也可利用通常的半導體激光等。
(其它的變形例)關于本發明的光圖像計測裝置的干涉光的分割數，也可不像上述實施形態那樣限定為3個，而采用適當分割為4個以上的構成。在這種情況下，設置(分割數-1)個射束分裂器，并對所分割的每個干涉光設置CCD等光傳感器。另外，在分割為復數個的干涉光的光路上所配置的遮光器等光量變更裝置的個數，在進行上述實施形態所示的運算處理的情況下為3個即可，但如為執行其它的運算處理的情況和另外計算其它的值的情況等，則可酌情設定為4個以上的光量變更裝置。
為了不另外測定外差信號的直流成分的強度而得到干涉光的信號強度及相位的空間分布，認為需要將干涉光分割為3個以上。而且，雖然在像上述專利文獻1那樣具有2個光傳感器的情況下，需要使進行2分割的干涉光的抽樣的相位差為π/2，但如像本發明這樣將干涉光分割為3部分或3部分以上進行抽樣，則可藉由采用π/2以外的適當相位差而達成目的，所以可使測定的自由度增加。
而且，在上述實施形態中，說明了一種配置高速遮光器等遮光器作為抽樣裝置中所包含的[光量變更裝置]的構成，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，而設置使透過干涉光的透過率周期性增減的液晶遮光器進行抽樣，從而使利用光檢測器的受光光量變化。而且，也可酌情使光量變更裝置與光檢測器是一體構成。
而且，作為關于本發明的光圖像計測裝置的光檢測器，只要是上述CCD21、22、23或具有積量電路21’A、22’A、23’A的線路傳感器21’、22’、23’等即可，其具有檢測干涉光并進行光電轉換的機能，和積蓄檢測電荷的機能這兩項，就可用在1維或2維的所有構成。
在以上所說明的本發明的實施形態中，是對具有米切爾森型(Michelson)的干涉光學系統的光圖像計測裝置進行了說明，但當然也可采用例如馬赫-曾德型(Mach-Zehuder)等其它的干涉光學系統(例如參照由本發明們所提出的專利第3245135號)。
而且，藉由在干涉光學系統的一部分上設置光纖(束)而作為導光構件使用，可提高裝置設計上的自由度，或謀求裝置的簡潔化(compact)，或提高被測定物體的配置自由度(例如參照上述的專利第3245134號)。
如將本發明的光圖像計測裝置應用在例如眼科的領域上，則除了上述眼底的血流狀態的測定以外，還可得到網膜或角膜的2維斷面圖像等。藉此，可對例如角膜的內皮細胞數目等進行測定。另外，當然還可進行其它的各種應用。
以上所詳細說明的構成，只不過是關于本發明的光圖像計測裝置的實施形態的一個例子，只要在本發明的要旨的范圍內，可施加各種各樣的變形。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一種光圖像計測裝置，具有光源和干涉光學系統，其中光源用于射出光束，干涉光學系統用于將該光源所射出的光束，分割為經由被檢測物體的信號光和經由設定的參照物體的參照光，并使前述信號光的頻率和前述參照光的頻率相對進行位移后，使經由了前述被檢測物體的前述信號光和經由了前述參照物體的前述參照光彼此進行重疊，而生成干涉光，且該光圖像計測裝置根據前述干涉光形成前述被測定物體的圖像；其特征在于其包括抽樣裝置，具有將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光分割為至少3個光路的裝置、與對該分割的3個前述干涉光分別以設定的周期進行抽樣檢測并作為電信號輸出的裝置；以及運算裝置，根據前述抽樣裝置所輸出的前述電信號，運算前述干涉光的信號強度及相位的空間分布。
2.根據權利要求1所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的抽樣裝置包括復數個射束分裂器，將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行二分割；光量變更裝置，配置在利用前述復數個射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并藉由對在前述光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；以及光檢測器，對利用前述光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光分別進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出。
3.根據權利要求2所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的抽樣裝置包括第1射束分裂器，用于將利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行二分割；第1光量變更裝置，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，并對在該光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；第1光檢測器，對利用前述第1光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出；第2射束分裂器，用于將利用前述第1射束分裂器進行二分割的前述干涉光的另一光路再進行二分割；第2光量變更裝置，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，并對在這一光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；第2光檢測器，對利用前述第2光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號而進行輸出；第3光量變更裝置，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，并對在這另一光路上傳送的前述干涉光的光量以前述設定的周期進行變更而抽樣；以及第3光檢測器，對利用前述第3光量變更裝置而被抽樣的前述干涉光進行檢測，并變換為前述電信號進行輸出。
4.根據權利要求3所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的交流成分的振幅。
5.根據權利要求4所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根據該sin成分和cos成分計算前述振幅。
6.根據權利要求3所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算前述干涉光的相位的空間分布。
7.根據權利要求6所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的運算裝置根據利用前述第1、第2及第3光檢測器而分別被輸出的前述電信號，計算一測定時間中的前述干涉光的交流成分的sin成分和cos成分，并根據該sin成分和cos成分計算前述相位的空間分布。
8.根據權利要求6或7所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的運算裝置根據2個不同測定時間中的前述干涉光的相位的空間分布的計算結果，計算前述干涉光的頻率。
9.根據權利要求1所述的光圖像計測裝置，其特征在于將前述干涉光至少分割為3個光路的裝置，是使前述被檢測的前述干涉光的強度分別相等的形態而將前述干涉光進行分割。
10.根據權利要求3所述的光圖像計測裝置，其特征在于，前述第1射束分裂器將利用前述干涉光學系統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的強度比進行分割；前述第2射束分裂器將在這另一光路上進行傳播的前述干涉光以相等的強度進行二分割。
11.根據權利要求2所述的光圖像計測裝置，其特征在于其中所述的光量變更裝置為遮光器，其藉由配置在利用前述復數個射束分裂器而被分割的前述干涉光的光路上，并以前述設定的周期對在前述光路上進行傳播的前述干涉光進行遮蔽而抽樣。
12.根據權利要求2所述的光圖像計測裝置，其特征在于，前述干涉光學系統包括將來自前述光源的前述光束的波束徑進行擴大的光學元件；以及前述光檢測器為2維光檢測器陣列，其以利用前述光學元件而使波束徑被擴大的前述光束為基礎，對利用前述干涉光學系統所生成的前述干涉光進行檢測。
全文摘要
本發明是有關于一種光圖像計測裝置，可根據干涉光的檢測結果計算由背景光構成的直流成分的強度，并可利用其計算結果求得干涉光的信號強度及相位的空間分布。該光圖像計測裝置包括干涉光學系統，將光束由射束分裂器分割為信號光和參照光，并利用頻率移相器使參照光的頻率進行位移，且使經由了被測定物體的信號光和參照光重疊而生成干涉光；射束分裂器，用于將干涉光分割為個干涉光(L1、L2、L3)；遮光器，用于將干涉光(L1、L2、L3)以一定的周期進行遮蔽并抽樣；光檢測器，將所抽樣的干涉光(L1、L2、L3)進行檢測，并變換為電信號進行輸出；以及信號處理部，根據該電信號計算干涉光的信號強度和相位的空間分布。
文檔編號G01J9/02GK1661358SQ20051005100
公開日2005年8月31日 申請日期2005年2月25日 優先權日2004年2月26日
發明者陳建培, 秋葉正博, 福間康文, 大塚浩之, 塚田央 申請人:株式會社拓普康