特許 6053138 光断層観察装置及び光断層観察方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6053138

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】光断層観察装置及び光断層観察方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/17 20060101AFI20161219BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/17 625

【請求項の数】13

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2013-11296(P2013-11296)

(22)【出願日】2013年1月24日

(65)【公開番号】特開2014-142281(P2014-142281A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年8月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】501009849

【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100105463

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 三男

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(72)【発明者】

【氏名】向尾 将樹

(72)【発明者】

【氏名】大澤 賢太郎

(72)【発明者】

【氏名】井手 達朗

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０６−１６５７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１５９１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３０５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５２６７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０８２３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２８８１９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２７７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４０９７５２２（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１３−９７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１６９６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／２３９９４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／２３９９３８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／１７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットと、制御部と、信号処理部と、情報入出力部とを有し、
前記光源ユニットは、異なる波長のレーザ光を出射し、
前記光観察ヘッドユニットは、前記光源ユニットから出射した前記異なる波長のレーザ光を含む光束を第１と第２の光束とに分割する第１の光学素子と、前記第１の光束を試料に集光して照射し試料から反射された反射光を信号光として受光する対物レンズと、前記第２の光束を試料に照射せずに参照光として反射させる反射鏡と、前記信号光と前記参照光を合波する第２の光学素子と、前記対物レンズを試料の断層深さに対応した反射光が得られるように少なくとも光軸方向に駆動するアクチュエータとを有し、
前記光検出ユニットは、複数の光検出器と、前記信号光と前記参照光を各光検出器上において前記信号光と前記参照光の位相関係が互いに異なる関係で干渉させる干渉光学系とを有し、
前記制御部は、前記アクチュエータ及び前記異なる波長のレーザ光の発光状態を制御し、
前記信号処理部は、波長毎に前記複数の光検出器の出力を入力とする演算を行って検出信号を取得し、前記異なる波長に対する検出信号の比を試料内の位置毎に算出することで試料内における検査対象の断層分布を求め、
前記情報入出力部は、前記光観察ヘッドユニットにて観察すべき試料内の位置を入力する入力部と、前記検査対象の断層分布を表示する表示部とを有する
ことを特徴とする光断層観察装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光源ユニットは、異なる波長の光を出射するための少なくとも２つのレーザ素子と、前記少なくとも２つのレーザ素子からの光束を合波する光学素子を有しており、
前記対物レンズは前記異なる波長に対応していることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項3】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光源ユニットは２つの波長の光を選択的に出射することができる二波長半導体レーザを備え、
前記光検出ユニットは４個の光検出器を備え、
前記干渉光学系は前記４個の光検出器上に光束を導くための回折格子を備えることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項4】

請求項３に記載の光断層観察装置において、
前記二波長半導体レーザの波長をλ₁，λ₂（λ₁＞λ₂）、前記二波長半導体レーザの出射面上の発光点のシフト量をΔＳ、前記回折格子のピッチ間隔をｄ、前記回折格子から前記４個の光検出器の検出面までの距離をＬ、前記二波長半導体レーザの発光点面と前記検出面の結像倍率をＭ、前記４個の光検出器の中で最大の光検出器の大きさをＡとするとき、Ａは次式を満たすことを特徴とする光断層観察装置。

【数1】

【請求項5】

請求項３に記載の光断層観察装置において、
前記信号処理部は、前記二波長半導体レーザの発光点シフト量に伴う試料上での集光点シフト量を格納するメモリ部を有し、前記メモリ部より引き出した集光点シフト量を用いて前記対物レンズの光軸に垂直な方向の位置で取得した検出信号が前記２つの波長で同じ位置の検出信号になるように選択して前記２つの波長に対する検出信号の比の演算を行うことを特徴とする光断層観察装置。

【請求項6】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光源ユニット、前記光観察ヘッドユニット、前記光検出ユニット、前記制御部、及び前記信号処理部は、接続コネクタを備え、
前記光源ユニットと前記光観察ヘッドユニットと前記光検出ユニットは、前記制御部と前記信号処理部に対し、各々が配線を含む接続ユニットと前記接続コネクタを介して電気的に接続されていることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項7】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光源ユニットと、前記光観察ヘッドユニットと、前記光検出ユニットは、配線コネクタ及び光ファイバコネクタを有し、
前記制御部及び前記信号処理部は前記配線コネクタを有し、
前記光源ユニット、前記光観察ヘッドユニット、及び前記光検出ユニットは、前記制御部及び前記信号処理部に対し、各々が配線を含む接続ユニットと前記配線コネクタを介して電気的に接続されており、
前記光観察ヘッドユニットは、前記光源ユニット及び前記光検出ユニットに対し、各々が光ファイバを含む接続ユニットと前記光ファイバコネクタを介して光学的に接続されていることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項8】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記複数の波長のレーザ光は試料に対して時分割照射されることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項9】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光検出器の個数は４個であり、
前記４個の光検出器上での干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、
前記信号光と前記参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる２つの光検出器の差動信号を第１の差動信号とし、残りの２つの光検出器の差動信号を第２の差動信号として、前記第１の差動信号と前記第２の差動信号の２乗和を前記検出信号とすることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項10】

請求項１に記載の光断層観察装置において、
前記光検出器の個数は３個であり、３個の光検出器上での干渉位相が互いに１２０度の整数倍だけ異なり、前記３個の光検出器の信号を２次多項式演算して前記検出信号を得ることを特徴とする光断層観察装置。

【請求項11】

第１の光ファイバコネクタと、
第２の光ファイバコネクタと、
配線コネクタと、
前記第１の光ファイバコネクタから導入されたレーザ光を平行光束にするコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを通った光束を第１と第２の光束に分割する第１の光学素子と、
前記第１の光束を試料に集光して照射し試料から反射された反射光を信号光として受光する対物レンズと、
前記対物レンズを試料の断層深さに対応した反射光が得られるように少なくとも光軸方向に駆動するアクチュエータと、
前記第２の光束を試料に照射せずに参照光として反射させる反射鏡と、
前記信号光と前記参照光とを合波する第２の光学素子と、
前記第２の光学素子で合波された光束を前記第２の光ファイバコネクタに集光する集光レンズと、
前記配線コネクタから入力されるアクチュエータ駆動信号を前記アクチュエータに伝達する配線と、
を有することを特徴とする光観察ヘッドユニット。

【請求項12】

請求項１１に記載の光観察ヘッドユニットにおいて、
前記第１の光束の光路中に配置され前記第１の光束の一部を取り出す第３の光学素子と、
前記第３の光学素子によって取り出された光束を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力及び前記アクチュエータ駆動信号をモニタして故障検出を行う故障検出ユニットを備えることを特徴とする光観察ヘッドユニット。

【請求項13】

検査対象とする材料に対し光学的感度が異なる複数の波長のレーザ光を含む光束を第１と第２の光束とに分割し、
前記第１の光束を試料に集光して照射し、
前記試料から反射された信号光を複数の光検出器に導き、
前記第２の光束を前記試料に照射せずに参照光として前記複数の光検出器に導き、
前記複数の光検出器上で前記信号光と前記参照光を前記信号光と前記参照光の光学的な位相関係が互いに異なる状態で光学的に干渉させ、
前記複数の波長の各々に対して前記複数の光検出器からの出力を入力とする演算を行い、
前記演算の結果を前記第１の光束の集光点での試料内構造を反映した検出信号として取得し、
前記試料内の同一集光点における各波長での前記検出信号の強度比を演算し、
前記試料内での前記第１の光束の集光位置を変えながら前記検出信号を取得することにより、前記試料内の断層方向における前記検査対象の存在分布を可視化して前記試料の断層観察を行うことを特徴とする光断層観察方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光断層観察装置及び光断層観察方法に係り、特に、検査対象物質の光断層方向での分布を可視化する光学観察技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レーザ光源等からの光ビームを用いて被測定物体の表面形態や内部形態を表す画像を形成する光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）が注目を集めている（非特許文献１，２）。ＯＣＴは、Ｘ線ＣＴのような人体に対する侵襲性を持たないことから、特に医療分野や生物学分野における応用の展開が期待されている。たとえば眼科分野においては、眼底や角膜等の画像を形成する装置が実用化段階に入っている。

【0003】

このようなＯＣＴ装置では、スペクトルドメインＯＣＴ方式が採用されている。同方式においては、従来のタイムドメインＯＣＴ方式のように測定時に参照ミラーを駆動させる必要がないため、高速測定が可能となっている。スペクトルドメインＯＣＴ方式では、例えば、被検眼に向けて近赤外域の低コヒーレント長の測定光（計測光）、すなわち広帯域な波長スペクトルを有する測定光を照射し、その反射光を参照光と干渉させた後、回折格子等を用いて干渉光を各波長成分に分光し、分けられた光束を受光素子に受光させ、その受光信号を解析することにより、被検眼の深さ方向の諸情報を得る眼科装置が知られている（特許文献１）。こうした高速ＯＣＴ装置を利用して、信号処理によって３次元断層画像データから血管など特定の構造情報の抽出を行い、これを見やすく表示することで、医療診断に有効な情報を提示する機能の実現が期待されている。

【0004】

一方で、分光情報を用いて血管の分布を計測する方法として、血管に含まれるヘモグロビン成分を分光によってセンシングし、血管の深さを大まかに区別して可視化する手法（狭帯域光観察；ＮＢＩ：Narrow Band Imaging）や、ヘモグロビンの局所的な濃度分布を計測する手法（ヘモグロビンインデックス：ＩＨｂ）などが知られている。ＮＢＩについては特許文献２、ＩＨｂについては特許文献３がある。

【0005】

更に、ＯＣＴ装置と上記血液分析装置で取得した結果を画像処理にて組み合わせた診断装置例として、特許文献４が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１１−３２５８４９号公報

【特許文献2】特許第３５５９７５５号公報

【特許文献3】特開平１０−２１０４５４号公報

【特許文献4】特開２０１２−１０７７６号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Medical Photonics No.1 (2010), pp.29-33.

【非特許文献2】Medical Photonics No.7 (2011), pp.58-64.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところが、特許文献１のようなＯＣＴの計測結果においては、得られる情報が構造情報のみであり、例えば、血管とリンパ管など、同じ管状構造でありながら機能が異なる器官の信号に大きな差はない。そのため、信号処理によって血管を検出する際に、リンパ管など血管以外の管状構造も同時に検出されてしまう問題がある。その一方で、特許文献２，３に示される分光情報を利用するＮＢＩやＩＨｂの手法では、深さ分解能が落ちるため、ＯＣＴで実現される高い分解能で血管の深さ情報を得ることはできない。ＯＣＴと分光による血液分析装置を兼用した特許文献４の手法でも、分光情報が得られるのは主に観察試料表面のみであり、ＯＣＴで取得可能な断層方向の血液分析は困難であった。

【0009】

今までの議論は血液分析を例に挙げたものであるが、血管に含まれる血液以外を検査対象としても分光評価とＯＣＴ計測を同時に行うことは各々の計測原理上困難である。ＯＣＴは光断層画像を取得するために低コヒーレント長の測定光（計測光）、すなわち広帯域な波長スペクトルを有する測定光を照射する必要があり、高速測定時にはその波長スペクトルを深さ方向の構造情報を取得するために利用する。一方で、分光評価では、取得した分光スペクトルから検査対象特有の光学変化を抽出する。つまり、両者を同時に評価することは難しく、特許文献４においても別々の評価装置を組み合わせる構成を取らざるを得なかった理由となっている。

【0010】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、検査対象物質の分光特性に注目し、ＯＣＴとは異なる手法にて光断層観察を行うと同時に検査対象物質の断層方向分布を表示することが可能な光断層観察装置及び方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の光断層観察装置は好適には、光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットと、制御部と、信号処理部と、情報入出力部を有する。

【0012】

光源ユニットは、少なくとも２つの異なる波長のレーザ光を出射する。光観察ヘッドユニットは、光源ユニットから出射した異なる波長のレーザ光を含む光束を第１と第２の光束とに分割する第１の光学素子と、第１の光束を試料に集光して照射し試料から反射された反射光を信号光として受光する対物レンズと、第２の光束を試料に照射せずに参照光として反射させる反射鏡と、信号光と参照光を合波する第２の光学素子と、対物レンズを少なくとも光軸方向に駆動するアクチュエータとを有する。光検出ユニットは、複数の光検出器と、信号光と参照光を各光検出器上において互いに異なる位相関係で干渉させる干渉光学系とを有する。制御部は、アクチュエータ及び異なる波長のレーザ光の発光状態を制御する。信号処理部は、波長毎に複数の光検出器の出力を入力とする演算を行って検出信号を取得し、異なる波長に対する検出信号の比を試料内の位置毎に算出することで試料内における検査対象の断層分布を求める。情報入出力部は、光観察ヘッドユニットにて観察すべき試料内の位置を入力する入力部と、検査対象の断層分布を表示する表示部とを有する。

【0013】

これにより、複数の光検出器で、参照光と試料に当たって反射してきた信号光を合波し、干渉効果により信号光を増幅することができるため、微小な反射信号を高Ｓ／Ｎで検出することができる。すなわち、高感度な光断層観察が可能になる。更に、複数波長での検出信号の比が、検査対象となる物質の存在比を反映するものとなるため、検査対象の断層分布結果も同時に表示可能となる。

【0014】

第１の具体的な光断層観察装置の構成として、光源ユニットは、異なる波長を出射するための少なくとも２つのレーザ素子、及び少なくとも２つのレーザ素子からの光束を合波する光学素子を有しており、光観察ヘッドユニットに用いる対物レンズは、少なくとも２つの異なる波長に対応する構成とした。光源ユニットで対応可能な波長を増やすことで、検査対象物質を増やしたり、検査対象の測定精度を高めたりすることが可能となる。

【0015】

第２の具体的な光断層観察装置の構成として、光源ユニットに２つの波長を選択的に出射することができる二波長半導体レーザを、光検出ユニットに４つの光検出器を用い、干渉光学系において複数の光検出器上に光束を導くために回折格子を使用することで、光学系の小型化が可能となる。このとき二波長半導体レーザの波長をλ₁，λ₂（λ₁＞λ₂）、二波長半導体レーザにおける出射面上の発光点のシフト量をΔＳ、回折格子のピッチ間隔をｄ、回折格子から４つの光検出器の検出面までの距離をＬ、二波長半導体レーザの発光点面と光検出器の検出面での結像倍率をＭ、４つの光検出器の中で最も大きな光検出器の大きさをＡとすると、Ａが式（１）を満たすことにより、異なる波長の干渉光を同一光検出器にて受けることができるため、光検出部の小型化が可能となる。

【0016】

【数1】

【0017】

更に、信号処理部において二波長半導体レーザの発光点シフト量に伴う試料上での集光点シフト量をメモリ部に格納し、メモリ部より引き出した集光点シフト量を補正した位置データにて２つの波長における検出信号の比の演算を行い、検査対象の断層分布結果を表示することで、二波長半導体レーザの使用により発生する発光点シフトの影響を無効化することが可能となる。二波長半導体レーザ、回折格子、上式（１）で示される好適なサイズの光検出器、集光点シフト量を補正する信号処理部を備えることで、多くの光学部品を異なる波長の測定時に共通化できるため、光断層観察装置の小型化・低コスト化が可能となった。

【0018】

第３の具体的な光断層観察装置の構成として、光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットと、制御部と、信号処理部は、接続コネクタを有しており、光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットは、制御部と信号処理部に対し、各々が配線を含む接続ユニットと接続コネクタを介して、電気的に接続するようにした。このような構成とすることで、制御部と信号処理部からなる解析装置を、モジュール化した光源ユニット、光観察ヘッドユニット、光検出ユニットから配線長を長くするだけで遠ざけることが可能となり、解析装置をバックヤードに退避させた状態での光断層観察が可能となった。

【0019】

第４の具体的な光断層観察装置の構成として、光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットは配線コネクタ及び光ファイバコネクタを有しており、制御部と信号処理部は配線コネクタを有している。また、光源ユニットと、光観察ヘッドユニットと、光検出ユニットは、制御部と、信号処理部に対し各々が配線を含む接続ユニットと配線コネクタを介して、電気的に接続されている。更に、光観察ヘッドユニットは、光源ユニットと、光検出ユニットに対し、各々が光ファイバを含む接続ユニットと光ファイバコネクタを介して、光学的に接続するようにした。このような構成とすることで、光観察ヘッドユニットの交換、メンテナンスが簡易になるだけでなく、配線長を長くすることで、光観察ユニットのみを遠くまで移動させることが可能となり、マイクロスコープを用いた手軽な観察のように光断層観察を行うことができる。

【0020】

本発明の光断層観察方法は、検査対象とする材料に対し光学的感度が異なる複数の波長のレーザ光を含む光束を第１と第２の光束とに分割し、第１の光束を試料に集光して照射し、試料から反射された信号光を複数の光検出器に導き、第２の光束を試料に照射せずに参照光として複数の光検出器に導き、複数の光検出器上で信号光と参照光を両者の光学的な位相関係が互いに異なる状態で光学的に干渉させる。そして、複数の波長の各々に対して複数の光検出器からの出力を入力とする演算を行い、演算の結果を第１の光束の集光点での試料内構造を反映した検出信号として取得し、試料内の同一集光点における各波長での検出信号の強度比を演算し、試料内での第１の光束の集光位置を変えながら検出信号を取得することにより、試料内の断層方向における検査対象の存在分布を可視化して試料の断層観察を行う。

【0021】

このようにＯＣＴとは異なる、ホモダイン光干渉技術を用いることで、一般的な半導体レーザのような高コヒーレント光源、すなわち単一波長光源を用いた光断層観察が可能となる。更に、検査対象物質の光学的感度が異なる複数の波長が利用可能な光源ユニットを用意し、複数波長での測定結果を比較することで、検査対象物質の光断層方向の存在分布の可視化が可能となる。

【0022】

また、複数の波長を有する光束を試料に対し時間的に分割して照射することで、複数の波長に対して検出信号を取得するための光検出器を共用できる。これは、光断層観察装置の小型化、信号伝送の簡素化に関して有用である。

【0023】

更に、演算の調整を行うことで、光学系が不完全又は不安定な状況においても、干渉状態によらない検出信号を得ることができる。具体的には、干渉信号を取得する光検出器が４個の場合、参照光と信号光の間の位相関係は、第１の光検出器上と第２の光検出器上では互いに略１８０度異なり、第３の光検出器上と第４の光検出器上では互いに略１８０度異なり、第１の光検出器上と第３の光検出器上では略９０度異なるようにする。これにより、略３６０度の位相関係のうち、略９０度ずつずれた４つの位相状態を同時に検出することができる。検出信号は光の位相状態の３６０度の変化に応じて正弦波状に変化するため、略９０度ずつ位相状態のずれた４つの信号を観測することで、任意の位相状態での信号状態を演算によって再現することが可能になる。すなわち任意の位相状態での安定した検出が実現される。演算として、第１の光検出器と第２の光検出器の差動信号と、第３の光検出器と第４の光検出器の差動信号との、２乗和とした。

【0024】

このとき、４つの干渉信号を取得する光学系などが理想的な状態からずれている場合も、位相ダイバーシティ検出と呼ばれる演算により干渉位相に依存しない一定の出力信号を得ることが可能となる。また、干渉信号を取得する光検出器を３個として、参照光と信号光の間の位相関係は、第１の光検出器上から第３の光検出器まで互いに１２０度異なるようにし、第１の光検出器から第３の光検出器の信号を２次多項式演算し、検出信号としても良い。光検出器を減らすことで光検出ユニットの小型化、電気回路の簡素化が実現できる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によると、ＯＣＴとは異なる手法による干渉型の光断層観察、検査対象物質の断層方向分布表示を同時に行う光断層観察装置を提供することができる。

【0026】

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本発明の実施例１による光断層観察装置のブロック図。

【図2】検査対象とする物質の分光特性（透過率）を示す図。

【図3】第１の波長にて取得した規格化検出信号強度の光断層方向分布を示す図。

【図4】第２の波長にて取得した規格化検出信号強度の光断層方向分布を示す図。

【図5】第１・第２の波長における検出信号強度比算出結果及び検査対象含有率分布を示す図。

【図6】本発明の実施例２による光断層観察装置のブロック図。

【図7】集積光検出モジュールの各光学素子の機能を説明する概略図。

【図8】集積光検出モジュールの構成図。

【図9】二波長半導体レーザの構成図。

【図10】集積ホモダイン検出モジュールにおける４分割光検出器配置を説明する図。

【図11】本発明の実施例３における光断層観察装置のブロック図。

【図12】故障判別ユニットの動作フロー図。

【図13】本発明の実施例４における光断層観察装置のブロック図。

【図14】故障判別ユニットの動作フロー図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

【0029】

[実施例１]
図１は、本発明の実施例１による光断層観察装置のブロック図である。この光断層観察装置は、光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３、制御部１０４、信号処理部１０５、及び情報入出力部１０６を備える。

【0030】

まず、本装置にて光断層構造を観察するための動作について説明する。

【0031】

制御部１０４に含まれるマイクロプロセッサ１１１は、制御信号ケーブル１１２にて接続された情報入出力部１０６に含まれる入力装置１１３より送られてくる、光断層観察条件に対応した測定用変調信号を作成し、変調信号をレーザドライバ１１４へ送信する。

【0032】

光源ユニット１０１は、第１の光源１１５、第２の光源１１６、及びダイクロイックミラー１１７を備える。第１の光源１１５及び第２の光源１１６は、いずれもレーザドライバ１１４から出力される変調信号にて交互に時分割駆動される。本実施例では、第１の光源に波長７８０ｎｍの半導体レーザを、第２の光源に波長６６０ｎｍの半導体レーザを使用した。また、ダイクロイックミラー１１７は、第１の光源１１５の波長に対し透過、第２の光源１１６の波長に対し反射になるよう設計することで、ダイクロイックミラー１１７通過後にいずれの光源の光束も同一光軸となるよう調整されている。これによって、複数波長を用いた光学系の簡素化が実現されている。

【0033】

第１の光源１１５あるいは第２の光源１１６から出射し、ダイクロイックミラー１１７を通過した光束は、光観察ヘッドユニット１０２に導かれる。続いて、光観察ヘッドユニット１０２に導かれた光束は、λ／２板１１８を透過する。ここで、λ／２板１１８の光学軸方向は水平方向に対して２２．５度に設定されており、光束の偏光方向が４５度回転させられる。偏光ビームスプリッタ１１９は垂直偏光を反射し、水平偏光を透過する性質を有しており（本発明に用いられるいずれの偏光ビームスプリッタも同一の性質を有する）、偏光の回転した光は偏光ビームスプリッタ１１９によって反射する垂直偏光の光束と透過する水平偏光の光束とに分割される。このうち反射された光束は、第一のコリメートレンズ１２０によって平行光とされたのち、λ／４板（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）１２１を通過し、アクチュエータ１２２に搭載された二波長用互換対物レンズ１２３によって試料１２４の内部に集光される。ここで、二波長用互換対物レンズ１２３を搭載しているアクチュエータ１２２をポジションコントローラ１２５からの制御信号を用いて駆動し、光スポット１２６を光軸方向（光断層方向）に走査することで、試料１２４から光断層深さに対応した反射光が得られる。

【0034】

アクチュエータは、例えば、ヨークと永久磁石からなる磁気回路と、対物レンズと駆動コイルを取付けた可動部と、この可動部を保持する固定部と、固定部に接続され可動部を弾性支持する支持部材によって構成することができる。ヨークと永久磁石からなる磁気回路で作られる磁界の中で、第１の駆動コイルに電流を流すと、ローレンツ力が発生して可動部が光軸方向に駆動される。同様にヨークと永久磁石からなる磁気回路で作られる磁界の中で、第２の駆動コイルに電流を流すと、ローレンツ力が発生して可動部が光軸と直交する方向に駆動される。すなわち、アクチュエータは、駆動コイルに印加する電流を変化させることで対物レンズを光軸方向及びそれと直交する方向に走査することができ、光スポットを走査して光断層画像を取得するために好適である。また、二波長用互換対物レンズは、異なる二波長の光束を同じ光スポット位置に集光することのできる既知の構成のレンズであり、本実施例では波長７８０ｎｍの光束と波長６６０ｎｍの光束を同じ位置に集光することのできるレンズを用いた。

【0035】

試料１２４からの反射光（以後、信号光と呼ぶ）は、照射時と逆の光路を辿り、偏光ビームスプリッタ１１９に水平偏光の状態で入射する。一方、偏光ビームスプリッタ１１９を透過した光束（以後、参照光と呼ぶ）は、コリメートレンズ１２７で平行光束とされた後、ミラー１２８で正反対の方向に反射され、λ／４板１２９（軸方向：水平偏光方向に対して４５度）を往復で通過することにより偏光方向を垂直偏光とされ、偏光ビームスプリッタ１１９に再び入射する。ここで信号光と参照光が、偏光が直交した状態で合波され、光検出ユニット１０３に導かれる。

【0036】

光検出ユニット１０３に導かれた合波光束は、無偏光ハーフビームスプリッタ１３０によって透過光と反射光に２分割される。透過光は光学軸が水平方向に対して２２．５度に設定されたλ／２板１３１を通過して偏光が４５度回転し、ウォラストンプリズム１３２によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離される。分離された光束は差動検出器１３３のフォトダイオード１３４，１３５にそれぞれ入射し、強度の差に比例した電気信号が差動検出器１３３から出力される。同様に、無偏光ハーフビームスプリッタ１３０を反射した光束は、光学軸が水平方向に対して４５度に設定されたλ／４板１３６を通過した後にウォラストンプリズム１３７によって分離され、差動検出器１３８で検出される。後で述べるように、ウォラストンプリズム１３２，１３７で分離された後の光束はいずれも信号光と参照光とが干渉した干渉光であり、差動検出器１３３，１３８の出力は干渉成分を抽出したものになっている。

【0037】

差動検出器１３３，１３８の出力は、信号処理部１０５に送られる。出力信号は、信号処理部１０５に備えられたデジタル信号処理回路１３９に送られ、ここで光断層構造を反映した反射光の光強度としての検出信号を取得できる。得られた検出信号は復調回路１４０で復調された後、復号回路１４１に送られてメモリ部１４２に格納される。メモリ部１４２に格納された検出信号は、制御部１０４に備えられたグラフィックプロセッサ１４３によって、情報入出力部１０６に備えられた表示デバイス１４４に送られることにより、操作者は指定した位置の光断層観察像を確認することができる。

【0038】

ここで、上に述べた動作により干渉光が生成され、これによってＯＣＴとは異なる原理で光断層構造に起因した反射光が得られる原理について述べる。無偏光ハーフビームスプリッタ１３０に入射する光束は、ｐ偏光成分として信号光を、ｓ偏光成分として参照光を含んでいるため、この偏光状態をジョーンズベクトルで表すと次式のようになる。

【0039】

【数2】

【0040】

ここでＥ_sは信号光の電場、Ｅ_rは参照光の電場である。また、このベクトルの第一成分はｐ偏光を、第二成分はｓ偏光を表す。この光束が無偏光ハーフビームスプリッタ１３０を透過し、λ／２板１３１を通過した後のジョーンズベクトルは次のようになる。

【0041】

【数3】

【0042】

次に、ウォラストンプリズム１３２によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ次のようになり、信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。

【0043】

【数4】

【0044】

一方、無偏光ハーフビームスプリッタ１３０を反射した光がλ／４板１３６を通過した後のジョーンズベクトルは次のようになる。

【0045】

【数5】

【0046】

次に、ウォラストンプリズム１３７によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ

【0047】

【数6】

【0048】

となり、やはり信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。従って４つの干渉光の強度はそれぞれ、

【数7】

となり、それぞれ第１項、第２項が信号光、参照光の強度成分を表し、第３項が信号光と参照光の干渉を表す項である。Δφは参照光の位相を基準とした信号光の位相であり、これが検出されるべき変調信号である。差動検出器１３３，１３８の出力はこれらの分岐光の強度の差分に比例するため、それぞれ次式のように表され、上記の干渉を表す項に比例した出力となっている。なお、説明を簡単にするため光検出器の変換効率は１とした。

【0049】

【数8】

【0050】

上記の差動検出器１３３，１３８の出力はデジタル信号処理回路１３９においてまずＡ／Ｄ変換された後、演算回路に入力され、下記演算の結果が出力される。

【0051】

【数9】

【0052】

以上のように、信号光と参照光の干渉光を生成し、これを検出することによって信号光の強度値の平方根に比例した信号を得ることも可能である。式（１５）の平方根を省略すれば、信号光の強度値に比例した信号となる。式（１５）は、電場の位相項を含まないため、これは既存の光増幅技術で必要となったナノメートル精度の高度な光路長補正が不要になることを示している。つまり、本検出方法を用いることにより、簡易な光干渉増幅技術が実現されている。

【0053】

続いて、本検出技術を用いて光断層観察が可能である理由を示す。本検出手法では、二波長互換対物レンズ１２３にて集光された光スポット１２６の物体面と、４つのフォトダイオード１３４，１３５の観察面は結像の関係にある。このとき、物体面から光断層方向に離れた位置では光スポット１２６はデフォーカスし、光の位相分布が乱れた状態となる。これは観察面となるフォトダイオード１３４，１３５上において、信号光と参照光の位相関係が乱れた状態を示しており、このとき十分な信号増幅が実現できない。

【0054】

一方、フォーカス状態での信号光と参照光は光検出器上で位相が揃った状態となるため、式（１５）に示す信号増幅が実現される。これらの結果はすなわち、物体面に異種材料境界があるとき、すなわち反射率変化が起こるときのみ信号増幅が行われ、一方で一般的な光学観察手法においてデフォーカス状態で発生する迷光成分をカットできることを示している。

【0055】

本実施例では、検査対象の物質に２０ｍｍの厚み時に図２に示すような分光特性を持つ水を用いた。図２から分かるように、第１の波長７８０ｎｍの光に対しては９５％の透過率を持ち、第２の波長６６０ｎｍの光に対しては１００％の透過率を持っている。また、同物質２ｗｔ．％を含んだ厚み１０μｍのフィルムを光断層観察用サンプルとして準備した。フィルム材料は、第１、第２いずれの波長に対しても吸収がない光学プラスチック材料を使用した。

【0056】

図３に、第１の波長にて取得した規格化検出信号強度の光断層方向分布を示す。図３を見ると分かるように、本光検出手法において、二波長互換対物レンズ１２３を光断層方向に変位させたとき、２つの検出ピークが確認できた。この検出ピーク間距離は１０．１μｍであり、光断層観察用サンプルの厚みそのものを示している。また、図３において、検出ピークの幅は、この光断層観察における測定精度を反映したものとなっており、本実施例において第１の波長７８０ｎｍにおける測定精度は、半値全幅３μｍであった。本光検出技術の原理上この検出ピーク幅は、光スポット１２６の焦点深度に即したものとなっている。

【0057】

また、図４に第２の波長にて取得した規格化検出信号強度の光断層方向分布を示す。図４を見ると分かるように、図３と同様に二波長互換対物レンズ１２３を光断層方向に変位させたとき、２つの検出ピークが確認できた。また、検出ピーク間距離も１０．０μｍとほぼ等しい。一方で、図３に対し、以下２点で異なっている。１つ目の相違点は、検出ピーク幅が図３に比べ、図４の方が狭くなっている。これは、すなわち測定精度が向上したことを示している。この要因としては、短い波長及び高い開口数（高倍率レンズ）を用いたことにより、光スポット１２６の焦点深度が狭くなったことが原因である。２つ目の相違点は、図３に比べ、図４はフィルム内部での光量変化が小さくなっている。図３の第１の波長を用いた測定では、変位量が少なくなる（マイナス側に向う）に従って、検出ピークの高さ、及びその中間地点での信号強度も減少していた。これは、図３の第１の波長での測定では、フィルム内部を光が伝播する際に光吸収が発生していたことを示している。一方で、図４の第２の波長での測定では、光吸収が発生していなかったのでフィルム内部での信号強度減少が確認されなかった。この傾向は、図２の検出対象物質の分光特性と一致している。ここで、図３及び図４の測定結果から、第１及び第２の信号強度比を取ることでフィルム内に含まれる検査対象の含有量が推測可能となる。

【0058】

図５に、第１・第２の波長における検出信号強度比算出結果及び検査対象含有率分布を示す。光断層観察において構造に起因する検出ピークを除いた、変位量０〜−４μｍの範囲に対して検出信号強度比を求めたところ、同強度比は装置校正時に含有率２％のリファレンスサンプルで求めた直線とほぼ同じ一致した。これは、すなわち本フィルム内には、光断層方向にて一様な２ｗｔ．％の検査対象物質が分布していることを示している。リファレンスサンプルの測定結果は、装置組立後に測定を行い、同測定データをメモリ部１４２に格納しておくことで、以降の測定ではリファレンス計測を不要とすることができる。

【0059】

[実施例２]
図６は、本発明の実施例２による光断層観察装置のブロック図を示したものである。本実施例では、光源ユニット１０１に二波長半導体レーザ６０１を、光検出ユニット１０３に集積光検出モジュールを用いることで、光断層観察装置の小型化、簡素化を行った。装置の基本的な構成及び動作は実施例１と同じである。構成の相違点に着目すると、光観察ヘッドユニット１０２から光検出ユニット１０３に光を導く際にコリメートレンズ６０２を追加し、集積光検出モジュールにコリメート光（平行光）を入射するようにしている。また、集積光検出モジュールは、回折格子６０３、位相板６０４、λ／２板６０５、ウォラストンプリズム６０６、集光レンズ６０７、４つのフォトダイオード６０８〜６１１、差動検出器６１２を備える。

【0060】

最初に、集積光検出モジュールの機能及び構成について説明する。

【0061】

図７は、集積光検出モジュールの各光学素子の機能を説明する概略図である。集積光検出モジュール内では、信号光と参照光が合波された光束（１）は、まず回折格子６０３にて±１次の回折光、すなわち２つの光束に分割され（２）、続いて、その２つの光束間でπ／２の位相差が付くように傾けて配置された位相板６０４を通過する（３）。その後、４５度傾けたλ／２板６０５にて偏光方向が回転され（４）、ウォラストンプリズム６０６にて更に２つずつ、各々の偏光方向が９０度ずつ異なっている計４種類の偏光に分割される（５）。

【0062】

図８に、集積光検出モジュールの構成図を示す。ウォラストンプリズム６０６を通過した各々の偏光方向が９０度ずつ異なっている４つの光束は、集光レンズ６０７にてそれぞれが異なる４つのフォトダイオード６０８〜６１１に集光される。その後、差動検出器６１２から出力される信号は、実施例１と違いはないため詳細は省略する。

【0063】

図９に示すように、二波長半導体レーザは、半導体レーザ基板９０１上に半導体チップ（第１の光源）９０２、半導体チップ（第２の光源）９０３が結晶成長プロセスにて形成されており、いずれの半導体レーザチップも略直方体の形状をしている。半導体レーザ基板９０１は、サブマウント９０４とメタライズ層９０５を介して接着されている。

【0064】

サブマウント９０４は、アルティック（Ａｌ₂Ｏ₃・ＴｉＣ）等によって形成された導電体である。また、メタライズ層９０５は、半導体レーザをサブマウントに物理的に固定すると共に半導体レーザの底面と電気的なコンタクトを形成するために設けられており、ＡｕＳｎ等の半田材料を用いることができる。二波長半導体レーザは、多重量子井戸構造を持つ半導体レーザを使用できる。これらの半導体レーザは、多層構造の劈開面の前後に、全反射による発振を励起するためのＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等からなる反射膜が成膜されている。二波長半導体レーザは、ＧａＡｌＡｓ系等、他の半導体材料を用いた他の構成のものであってもよい。

【0065】

本実施例では、半導体レーザ基板９０１材料としてＧａＡｓ基板、半導体チップ（第１の光源）９０２の材料としてＧａＡｌＡｓ、半導体チップ（第２の光源）９０３の材料としてＩｎＧａＡｌＰを選択した。このとき第１の光源の波長は７８０ｎｍ、第２の光源の波長は６６０ｎｍであり、実施例１と同様の波長となっている。また、第１の光源９０２と第２の光源９０３は、レーザドライバ１１４によって交互に時分割発光させることができる。二波長半導体レーザは、２種類の発振波長を有する光源を同一基板で大量生産できるため、低コスト、小型化、省電力駆動と様々な利点を有する一方、下記の様な問題が発生する。

【0066】

二波長半導体レーザでは、半導体チップ（第１の光源）９０２内に位置する第１の光源における発光点９０６、及び半導体チップ（第２の光源）９０３内に位置する第２の光源における発光点９０７が別の場所に存在するため、必ず発光点シフトΔＳが存在する。この発光点シフトΔＳは、実施例１にて説明した対物レンズにて集光された試料内の光スポット焦点面となる物体面、及びフォトダイオードの検出面となる観察面のいずれにおいても同様の発光点シフトとなってしまう。

【0067】

そこで、本実施例では、フォトダイオードの大きさ及び配置を工夫することで、発光点シフトが存在する二波長半導体レーザを用いたときでも簡素な構成で光断層観察を行うことができるようにした。その詳細を図１０に示す。集積ホモダイン検出モジュールにおいて観察面には、Ｄ１からＤ４の４つのフォトダイオードを配置する必要がある。観察面には図７で説明したように回折格子６０３及びウォラストンプリズム６０６によって各波長毎に４つの光束に分割される。このとき、回折格子からの回折角α、回折格子への入射角β、回折格子ピッチｄ、入射光の波長λとすると、下記関係式を満たす。

【0068】

【数10】

【0069】

ｎは回折次数である。本実施例では入射光はコリメート光のためβは０度であることから、回折格子からの回折角αは次のように表わすことができる。

【0070】

【数11】

【0071】

ここで±１次の回折光のみに注目し（ｎ＝１）、回折格子から光検出器の検出面までの距離をＬ、二波長半導体レーザの出射面上の発光点のシフト量をΔＳ、二波長半導体レーザ発光点面と光検出器面の結像倍率をＭとすると、観察面における二波長半導体レーザの異なる波長の光スポット間距離を求めることができる。この光スポット間距離が光検出器に求められるサイズＡの最小値であり、次式で表わすことができる。

【0072】

【数12】

【0073】

なお、結像倍率Ｍは、二波長半導体レーザのコリメートレンズと光検出器手前の対物レンズの開口数比で求めることができる。更に光検出器に求められるサイズＡの最大値は、回折格子にて分離した±１次光の光スポット間の距離と等しく次式となる。

【0074】

【数13】

【0075】

これら、式（１８）、（１９）を整理することで、次式を満たす光検出器を使用することで、発光点シフトが存在する二波長半導体レーザ使用時にも異なる波長の光スポットを同一光検出器で光検出することができる。

【0076】

【数14】

【0077】

以上は、フォトダイオードの検出面における発光点シフトの問題に対する対策であるが、対物レンズ１２３によって試料内に形成される第１の波長のスポット位置と第２の波長のスポット位置も、二波長半導体レーザの発光点シフトΔＳに起因して、対物レンズの光軸に垂直な方向にずれる。そこで、本実施例では、信号処理部１０５のメモリ部１４２に予め二波長半導体レーザの発光点シフト量に伴う試料上での集光点シフト量を格納しておき、その集光点シフト量を参照して第１の波長による検出信号と第２の波長による検出信号が同じ光スポット位置の検出信号となるように２つの検出信号の組を選択し、２つの波長に対する検出信号の比の演算を行う。そのためには、アクチュエータ１２２による対物レンズ１２３の光軸方向に垂直な方向への移動量を試料上での集光点シフト量の整数倍あるいは整数分の１等に設定するのが好ましい。

【0078】

[実施例３]
図１１は、本発明の実施例３における光断層観察装置のブロック図である。本実施例では、光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３をモジュール化し、制御部１０４及び信号処理部１０５との電気配線を接続ユニット１１０１を介して行うことで、電気配線の取り回し拡張性を図ったものである。電気配線の長さを変えることで、制御部１０４及び信号処理部１０５から光観察ヘッドユニット１０２までの距離、すなわち測定対象までの距離を変えることができ、制御部１０４及び信号処理部１０５からなる解析装置とモジュール化した検査装置の距離を離すことが可能となる。この変更に合わせて、光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３、制御部１０４、信号処理部１０５いずれにも配線コネクタ１１０２を追加した。更に、モジュールした光観察ヘッドユニット１０２に故障判別ユニット１１０３を追加した。故障判別ユニット１１０３は、光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３と電気接続されている。

【0079】

故障判別ユニット１１０３の光源ユニット１０１との電気接続は、二波長半導体レーザ６０１に設けられたバックモニタ光検出器に対して行われている。バックモニタ光検出器は、一般的な半導体レーザモジュールでパッケージ化されているものであり、半導体レーザの出力パワーを計測するのに用いられている。例えば、このバックモニタ信号を一定強度にするようにレーザドライバからの電流量を調整することで、環境条件が変化した場合でも所望の出力パワーが得られるような制御が行われる。すなわち、このバックモニタ検出器からの信号をチェックすることで、熱履歴による劣化や、電気的要因による故障で損傷しやすい半導体レーザ、すなわち光源ユニット１０１の交換が必要か判断することが可能となる。

【0080】

故障判別ユニット１１０３の光観察ヘッドユニット１０２との電気接続は、アクチュエータ１２２に対して行われる。アクチュエータ１２２は、前述したようにコイルに電気を流すことにより対物レンズを走査するために用いられており、走査、すなわちメカニカル駆動を行うため物理的劣化（摩耗）等が生じやすいだけでなく、想定外の電流がコイルに印加されると、アクチュエータ内電気回路のジュール発熱等で配線が切れてしまう、対物レンズ走査が不能になる故障が発生することがある。そこで、アクチュエータ１２２に印加する電流をチェックすることで、上記故障が発生していないか判別することが可能となる。

【0081】

故障判別ユニット１１０３の光検出ユニット１０３との電気接続は、フォトダイオード１３４，１３５に対して行われる。フォトダイオード１３４，１３５も、半導体レーザ同様に熱履歴による劣化や、電気的要因による故障で損傷しやすい素子であるが、それに加えて本発明のような光干渉計では、フォトダイオード自身が壊れていないケースでも、光観察ヘッドユニット１０２や光検出ユニット１０３内の光学部品（レンズ・プリズム・偏光板・フォトダイオード等）の位置ずれによって、所望の光干渉信号が得られなくなってしまう。こうした位置ずれは、温度変化の繰り返しや、落下・激突等の物理的衝撃によってもたらされるケースが多い。そこで、フォトダイオード１３４，１３５からの出力電圧より、本発明の装置起動時に所望の光干渉信号強度が得られているかチェックすることで、上記故障が発生していないか判別することが可能となる。

【0082】

故障判別ユニット１１０３は、上記故障を判別するための判別回路と、故障を起こしたユニットを明示するための表示部、更に装置より駆動電源が届いていなくても自立駆動できるようにするための電池部にて構成されている。

【0083】

その他基本的な構成、動作は実施例１及び実施例２と同じである。図１２を参照して、本実施例の故障検出ユニットによる故障判別の手順を説明する。制御部１０４に電源投入後、ステップ１１に進み、故障検出ユニットは半導体レーザ６０１、アクチュエータ１２２及びフォトダイオード１３４，１３５の通電をチェックする。このとき異常を検出すればステップ２１に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「配線チェック必要」のアラートランプを点灯する。ステップ１１で異常がなければステップ１２に進み、制御部１０４にてレーザドライバ１１４を駆動し、故障検出ユニット１１０３は二波長半導体レーザ６０１のバックモニタ光検出器の出力から半導体レーザ出力を確認する。このとき異常を検知すればステップ２２に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「光源ユニット交換」のアラートランプを点灯する。ステップ１２で異常が無い場合にはステップ１３に進み、制御部１０４にてアクチュエータ１２２を駆動し、故障検出ユニット１１０３にてアクチュエータに流れる電流をモニタしてアクチュエータの動作確認を行う。ここで異常が検知されるとステップ２３に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「光断層観察ユニット交換（アクチュエータ）」のアラートランプを点灯する。

【0084】

ステップ１３で異常がなければステップ１４に進み、制御部１０４にてレーザドライバ１１４を駆動し、故障検出ユニット１１０３にてフォトダイオード１３４，１３５の出力を確認する。このとき、いずれかのフォトダイオードからの入力信号が未検出であればステップ２４に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「光検出ユニット交換（フォトダイオード）」のアラートランプを点灯する。また、複数のフォトダイオードからの入力信号強度バランスずれを検出したときはステップ２５に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「光検出ユニット交換（光干渉計不良）」のアラートランプを点灯する。

【0085】

本実施例において、図１２の様な故障判別フローを行うことで、光干渉計として機械振動及び熱的影響を受けやすいモジュール化した光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３を一括して交換することが可能となり、高いメンテナンス性が実現できる。

【0086】

[実施例４]
図１３は、本発明の実施例４における光断層観察装置のブロック図である。本実施例では、接続ユニット１１０１に、実施例３のような電気配線だけではなく、光ファイバ１３０１も含めることで、光観察ヘッドユニット１０２のみを装置本体から離して使用できるようにしたものである。光観察ヘッドユニット１０２のみを単体のユニットとすることで、更なる軽量化が図られ、既存のファイバースコープと同様の使いまわしを実現することができる。この変更に合わせて、光源ユニット１０１、光観察ヘッドユニット１０２、光検出ユニット１０３いずれにも光ファイバコネクタ１３０２を追加した。更に光ファイバコネクタ１３０２の前後に、コリメートレンズ１３０３、集光レンズ１３０４を設置することで、光学系の機能としては実施例１から実施例３までと変わらないようにした。

【0087】

更に、本実施例では光検出ユニット１０３の構成を変更し、これまでの実施例の４つの光検出器から３つの光検出器に個数を削減した簡素な構成を採用した。光検出ユニット１０３において、入射光束を無偏光ビームスプリッタ１３０５，１３０６によって３つに分割し、そのうち１つの光束はｓ偏光がｐ偏光に対して１２０度の位相差を生じる位相板１３０７を，別の光束にはｓ偏光がｐ偏光に対して２４０度の位相差を生じる位相板１３０８を通過させ、３つの光束のいずれも４５度偏光のみを透過する偏光子１３０９，１３１０，１３１１を透過し、光検出器１３１２，１３１３，１３１４によって検出する。これらの光検出器の出力は次式（２０）（２１）（２２）のように表される。ここで、積分は電場の成分に対する積分である。

【0088】

【数15】

【0089】

これらの出力から、式（２３）で表される演算を行い、これらに基づき式（２４）に相当する出力が得られる。

【0090】

【数16】

【0091】

式（２４）は、上に述べた干渉光が４つの場合と全く同様に信号光強度を取得することが可能なことを示している。ここでは３つの異なる位相の干渉光強度を検出する例を説明したが、このように、位相、偏光を調整するようにして、４つ、５つなどの、３つ以上の複数の位相の干渉光強度を検出することでも信号光強度を取得することができる。

【0092】

更に、光観察ヘッドユニット１０２において測定光の一部を、偏光ビームスプリッタ１３１５を追加することで分離し、集光レンズ１３０４を用いてフォトダイオード１３１６上に集光させた。この偏光ビームスプリッタ１３１５は、光断層観察に必要な光量を考えて、透過・反射の分光比が９５：５と、取り出す光を最小限とする設計とした。フォトダイオード１３１６では検出光パワーに相当する電圧信号が生成され、実施例３と同様故障検出ユニット１３１７と電気接続した。また、アクチュエータ１２２も、実施例３と同様故障検出ユニット１３１７と電気接続した。また、アクチュエータ１２２を駆動する信号は、制御部１０４の配線コネクタと光観察ヘッドユニット１０２の配線コネクタ間を結ぶ接続ユニット１１０１の配線を介して供給され、故障検出ユニット１３１７はこの駆動信号をモニタすることでアクチュエータの故障検出を行う。

【0093】

一方で、光源ユニット１０１及び光検出ユニット１０３は、制御部１０４、信号処理部１０５の近傍に配置されるため、これらユニットの故障検出は、一般的な機械装置と同じく、制御部１０４で行う構成とした。

【0094】

図１４を参照して、本実施例の故障検出ユニットによる故障判別の手順を説明する。制御部１０４に電源投入後、ステップ３１に進み、故障検出ユニットは半導体レーザ６０１、アクチュエータ１２２及びフォトダイオード１３１６の通電をチェックする。このとき異常を検出すればステップ４１に進み、故障検出ユニット１１０３は、その表示部に「配線チェック必要」のアラートランプを点灯する。ステップ３１で異常がなければステップ３２に進み、制御部１０４にてレーザドライバ１１４を駆動し、故障検出ユニット１３１７にてフォトダイオード１３１６の信号をモニタして半導体レーザ１１５，１１６の出力を確認する。ここで異常を検出すればステップ４２に進み、故障検出ユニット１３１７は、その表示部に「光ファイバ配線チェック必要」のアラートランプを点灯させる。

【0095】

ステップ３２で異常がなければステップ３３に進み、制御部１０４にてレーザドライバ１１４を出力電流を変えながら駆動し、故障検出ユニット１３１７にてフォトダイオード１３１６の信号をモニタして半導体レーザ１１５，１１６の出力を確認する。ここで異常を検出すればステップ４３に進み、故障検出ユニット１３１７は、その表示部に「光源ユニット交換」のアラートランプを点灯する。ステップ３３で異常がなければステップ３４に進み、制御部１０４にてアクチュエータ１２２を駆動し、故障検出ユニットにてアクチュエータの動作を確認する。ここで異常を検出すればステップ４４に進み、故障検出ユニット１３１７は、その表示部に「光断層観察ユニット交換（アクチュエータ）」のアラートランプを点灯する。

【0096】

ステップ３４で異常がなければステップ３５に進み、「光断層観察ユニット正常動作」のランプを点灯させる。そして、ステップ３６に進み、制御部にて光検出ユニットの動作チェックを実施する。

【0097】

その他、本実施例の基本的な構成、動作は実施例１、実施例２及び実施例３と同じである。本実施例において、図１４の様な故障判別フローを行うことで、光干渉計として機械振動及び熱的影響を受けやすいモジュール化した光観察ヘッドユニット１０２を一括して交換することが可能となり、高いメンテナンス性が実現できる。

【0098】

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0099】

本発明によると、実際の光学系に生じる様々な特性のばらつきの影響を受けることなく、安定した増幅信号を出力でき、ＯＣＴとは異なる手法による干渉型の光断層観察を行うと同時に、検査対象物質の分光特性に注目し検査対象物質の断層方向分布を表示する装置を提供することが可能となる。

【符号の説明】

【0100】

１０１：光源ユニット、１０２：光観察ヘッドユニット、１０３：光検出ユニット、１０４：制御部、１０５：信号処理部、１０６：情報入出力部、１１５：第一の光源、１１６：第二の光源、１１９：偏光ビームスプリッタ、１２２：アクチュエータ、１２３：二波長互換対物レンズ、１２４：試料、１２６：光スポット、１２８：ミラー、１３０：無偏光ハーフビームスプリッタ、１３２：ウォラストンプリズム、１３３：差動検出器、１３７：ウォラストンプリズム、１３８：差動検出器、６０１：二波長半導体レーザ、６０３：回折格子、６０４：位相板、６０５：λ／２板、６０６：ウォラストンプリズム、６１２：差動検出器、１１０１：接続ユニット、１１０３：故障検出ユニット、１３０１：光ファイバ、１３１６：フォトダイオード、１３１７：故障検出ユニット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】