特許 6227449 光断層観察装置

(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】6227449

(24)【登録日】2017年10月20日

(45)【発行日】2017年11月8日

(54)【発明の名称】光断層観察装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/17 20060101AFI20171030BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/17 630

【請求項の数】8

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-50994(P2014-50994)

(22)【出願日】2014年3月14日

(65)【公開番号】特開2015-175678(P2015-175678A)

(43)【公開日】2015年10月5日

【審査請求日】2016年7月29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】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】大澤 賢太郎

(72)【発明者】

【氏名】千田 直子

(72)【発明者】

【氏名】冨田 大輔

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２３９９３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２７９６６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２５６３４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０６−００３１９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５０５０７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０７６６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１６００５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１３４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５８０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２１８０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１０２４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１３６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１５１６９７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／１７

Ａ６１Ｂ ３／１０

Ａ６１Ｂ ５／００

Ａ６１Ｂ １０／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザー光を出射する光源と、
前記レーザー光を第１の信号光と第１の参照光に分岐する光分岐手段と、
前記第１の信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、
前記第１の信号光の集光位置を走査する集光位置走査手段と、
前記第１の信号光を前記第１の参照光と合波し、前記第１の信号光と前記第１の参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なる干渉光を生成する干渉光学系と、
前記第１の信号光と前記第１の参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対を検出する電流差動型の光検出器と、
前記略１８０度異なる干渉光の対が前記光検出器によって検出されることで得られる、光軸方向の位置ｚにおける検出信号成分I（ｚ）とＱ（ｚ）のそれぞれから、前記測定対象の特定の部位からの反射信号成分I_ｘ（ｚ）とＱ_ｘ（ｚ）を減算することで生成された信号I（ｚ）−I_ｘ（ｚ）とＱ（ｚ）−Ｑ_ｘ（ｚ）との二乗和を用いて画像化信号を生成する信号処理部と、
を有することを特徴とする光計測装置。

【請求項2】

前記対物レンズは０．４以上の開口数を有することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【請求項3】

前記信号処理部は、

【数17】

（但し、sig(z)は画像化信号、I_ｘ（ｚ）＝I_０（ｚ）で表面反射信号成分、Ｑ_ｘ（ｚ）＝Ｑ_０（ｚ）で表面反射信号成分）
の演算処理を行うことを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【請求項4】

前記反射光成分は、予め測定された、収差が存在する場合の点像分布関数を用いて生成されることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【請求項5】

前記レーザー光とは異なる波長の光を出射する第２の光源と、前記第１の参照光の位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段を制御する制御部と、をさらに有し、
前記第２の光源から出射された光は前記光分岐手段によって第２の信号光と第２の参照光に分岐され、前記第２の信号光と前記第２の参照光はそれぞれ前記第１の信号光と前記第１の参照光と同じ光路を通過した後に合波され、
前記制御部は、前記第２の信号光と前記第２の参照光が合波されることにより生成された干渉光の強度がほぼ一定となるように、前記位相調整手段を制御することを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【請求項6】

前記第２の光源は低コヒーレンス光源であることを特徴とする請求項５記載の光計測装置。

【請求項7】

前記特定の部位は複数存在し、
前記反射信号成分は、前記複数の部位の反射信号成分の総和であることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【請求項8】

前記反射信号成分は、フィッティング関数を用いて最適化されていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光の干渉を用いて測定対象を観察する光断層観察装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光の干渉を用いて測定対象の表面構造や内部構造の画像を取得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。ＯＣＴは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への応用が期待されており、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。例えば、特許文献１に記載されているように、ＯＣＴでは光源からの光を測定対象に照射する信号光と、測定対象に照射せずに参照光ミラーで反射させる参照光とに２分岐し、測定対象から反射された信号光を参照光と合波させ干渉させることにより信号を得る。

【0003】

ＯＣＴは測定位置の光軸方向への走査方法（以下、ｚスキャンと称する）により、大きくタイムドメインＯＣＴとフーリエドメインＯＣＴとに分けられる。タイムドメインＯＣＴにおいては、光源として低コヒーレンス光源を使用し、測定時に参照光ミラーを走査することによりｚスキャンを行う。これにより信号光に含まれる参照光と光路長が一致する成分のみが干渉し、得られた干渉信号に対して包絡線検波を行うことにより、所望の信号が復調される。一方、フーリエドメインＯＣＴはさらに波長走査型ＯＣＴとスペクトルドメインＯＣＴとに分けられる。波長走査型ＯＣＴでは、出射光の波長を走査することが可能な波長走査型光源を使用し、測定時に波長を走査することによりｚスキャンがなされ、検出された干渉光強度の波長依存性（干渉スペクトル）をフーリエ変換することにより所望の信号が復調される。スペクトルドメインＯＣＴにおいては、光源に広帯域光源を用い、生成された干渉光を分光器により分光し、波長成分ごとの干渉光強度（干渉スペクトル）を検出することがｚスキャンを行うことに対応している。得られた干渉スペクトルをフーリエ変換することにより所望の信号が復調される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】US2012/0300217号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＯＣＴで生体を測定する場合、一般的に測定対象内部からの反射光は測定対象の表面反射光（あるいはカバーガラスや細胞の培養容器などの測定対象保持部と測定対象の界面からの反射光）に比べて非常に小さい。例として図１のように培養液で満たされた培養容器内の細胞を測定する場合について述べる。典型的な培養容器（ポリスチレン製）の屈折率は１．５９、細胞の屈折率は１．３７程度であり、これらの値より培養容器と細胞の界面の反射率を見積もると約０．５５％となる。それに対して細胞と培養液の界面の反射率は、培養液の屈折率を１．３３程度とすると０．０２２％程度となる。異なる細胞同士の界面や、細胞内部の反射率はこれよりもさらに小さいと考えられる。これにより、測定対象内部からの反射光が非常に強い表面反射光に埋もれてしまい、測定対象の表面近傍の内部構造を鮮明に可視化することができない。

【0006】

表面反射光の影響を検証するために、図２に示すような反射率１０％の表面の奥に反射率１％の２つの界面が５um間隔で存在する測定対象について考える。図３の実線は垂直分解能が約３umのＯＣＴ装置を用いて、図２に示したzスキャン軸に沿って画像化信号を取得した場合の信号波形の例である。第２界面位置のピークははっきりと識別可能であるのに対し、第1界面位置のピークは表面反射光成分との干渉によりほぼ消失しており、第1界面の存在を識別することが困難であることが分かる。

【0007】

上記の表面反射の影響を抑制するための手段として、画像化信号から表面反射光成分を減算する方法が考えられる。
図４は図３に示した画像化信号（実線）から表面反射信号成分（破線）を減算した結果である。界面が存在しない位置（深さ２um）にピークが表れ、第１界面のピーク位置も本来の深さ５umから深さ約６umへシフトしており、測定対象の構造を正確に反映した信号が得られていないことが分かる。このように単純に画像化信号から表面反射信号成分を減算する方法では光の干渉の効果が考慮されていないため、表面反射光の影響を十分に抑制することができず、測定対象の構造を正確に撮像することはできない。

【0008】

上記のように、従来のＯＣＴ装置では測定対象の強い表面反射光の影響により、表面近傍の構造を鮮明に可視化することができないという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

（１）本発明は、上記の課題を解決するために、光源から出射されたレーザー光を信号光と参照光とに分岐し、前記信号光を対物レンズにより測定対象に集光して照射させ、前記信号光の集光位置を集光位置走査手段により走査し、干渉光学系によって測定対象から反射もしくは散乱された前記信号光を前記参照光と合波して互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成して検出する。さらに、検出された３つ以上の検出信号の各々から、あるいはこれら検出信号を用いて生成された信号の各々から、強い反射が生じる特定の部位からの反射光成分を減算する。その後、減算処理後の信号に対して所定の演算を施して画像化信号を生成する。ここで、検出信号とは生成された干渉光がフォトダイオードなどの光検出器によって検出されることにより生成さるものであり、検出された干渉光強度に比例する振幅を有する電気信号である。また、画像化信号とは当該信号の強度が画像の輝度に相当する信号である。さらに、強い反射の生じる部位とは、測定領域のその他の部位に比べて大きな反射率を有する部位であり、当該部位からの反射光がその周辺部分の構造の鮮明な可視化を妨げると考えられ、ユーザーがその部位からの反射光の影響を取り除くことを選択しうる部位である。具体的には、測定対象の表面、何らかの容器越しに信号光を照射する場合には当該容器の表面、あるいはホルマリン溶液などの液中にある測定対象の場合にはその液面などが考えられる。なお、上記の「検出信号を用いて生成された信号」とは、検出信号の差動出力信号や検出信号に対して所定の演算を施して得られる信号などを意味している。また、「減算する反射光成分」とは、特定の部位からの反射光そのものの、あるいは／及び後方散乱光を意味している。

【0010】

これにより、測定対象表面などの特定の部位からの強い反射光の影響を抑制することができるため、前記特定の部位近傍の構造を鮮明に可視化することができる。

【0011】

（２）一例として、前記信号光を測定対象に集光する対物レンズの開口数を０．４以上とした。

【0012】

これにより、広帯域光源あるいは波長走査型光源を用いることなく、従来のＯＣＴ装置と同等かそれ以上の光軸方向の空間分解能を達成可能である。

【0013】

（３）一例として、干渉光学系において干渉光を４つ生成し、これら４つの干渉光は信号光と参照光の干渉位相が互いに略９０度の整数倍だけ異なり、信号光と参照光の干渉位相が互いに略１８０度異なる干渉光の対を電流差動型の光検出器によって検出することとした。

【0014】

これにより、電流作動型の検出器を用いているため、参照光の強度を大きくしても検出器が飽和しにくくなり、電流作動型の検出器を用いない場合よりも信号のＳＮ比を大きくすることができる。

【0015】

（４）一例として、前記レーザー光とは異なる波長の光を出射する第２の光源と、前記参照光の位相を調整する位相調整手段と、前記位相調整手段を制御する制御部とを備えることとした。さらに、前記第２の光源から出射された光を前記光分岐手段によって第２の信号光と第２の参照光に分岐させ、前記第２の信号光と前記第２の参照光をそれぞれ前記信号光と前記参照光と共通の光路を通過させた後に合波させ、前記制御部によって前記第２の信号光と前記第２の参照光が合波されることにより生成された干渉光の強度がほぼ一定となるように前記位相調整手段を制御することとした。

【0016】

これにより、外乱により測定対象の位置が変動する場合にも前記信号光と前記参照光の間の位相関係は一定に保たれるため、検出された３つ以上の検出信号の各々から、あるいはこれら検出信号を用いて生成された信号の各々から、測定対象の表面などの強い反射が生じる部位からの反射光成分を精度よく減算することができる。

【0017】

（５）一例として、前記第二の光源として低コヒーレンス光源を用いることとした。ここで、低コヒーレンス光源とは、コヒーレンス長が約５０ｕｍ以下の光を出射する光源であって、ＳＬＤ光源やＡＳＥ光源あるいは駆動電流に高周波電流を重畳したＬＤ光源などである。

【0018】

これにより、前記第二の参照光の光路長差を調整することにより測定対象の特定の部位からの反射光成分だけを選択的に検出することが可能となり、前記信号光と前記参照光の間の位相関係を精度よく一定に保つことが可能となる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、測定対象の表面などの特定の部位で生じる強い反射光の影響を抑制し、前記特定部位近傍の構造を鮮明に可視化可能な光計測装置を提供することが出来る。

【0020】

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】

【0021】

【図1】ＯＣＴ装置の測定対象の例を示す模式図。

【図2】ＯＣＴ装置の測定対象の例を示す模式図。

【図3】従来のＯＣＴ装置で検出される信号の例を示す模式図。

【図4】従来のＯＣＴ装置で検出される信号の例を示す模式図。

【図5】本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。

【図6】本発明の光計測装置における信号処理方法を示す摸式図。

【図7】本発明のＯＣＴ装置で検出される信号の例を示す模式図。

【図8】本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。

【図9】本発明の光計測装置における別の信号処理方法を示す摸式図。

【図10】ＯＣＴ装置の測定対象の別の例を示す模式図。

【図11】本発明のＯＣＴ装置で検出される信号の別の例を示す模式図。

【図12】本発明のＯＣＴ装置で検出される信号の別の例を示す模式図。

【図13】本発明の光計測装置における別の信号処理方法を示す摸式図。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

【実施例1】

【0023】

図５は、本発明による光計測装置の基本的な実施形態を示す模式図である。

【0024】

光源５０１から出射されたレーザー光はコリメートレンズ５０２によって平行光に変換され、光学軸方向を調整可能なλ／２板５０３によって偏光を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ５０４によって信号光と参照光に２分岐される。信号光は光学軸方向が水平方向に対して約２２．５に設定されたλ／４板５０５を透過して偏光状態をｓ偏光から円偏光に変換された後、開口数が０．４以上の対物レンズ５０６によって測定対象５０８に集光して照射される。ここで、対物レンズ５０６は対物レンズアクチュエータ５０７によって走査され、これにより対物レンズ５０６による信号光の集光位置（測定位置）の走査が繰り返しなされる。測定対象から反射又は散乱された信号光に含まれる対物レンズの焦点位置からの反射光成分は対物レンズ５０６によって平行光に変換され、λ／４板５０５によって偏光状態を円偏光からｐ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ５０４へ入射する。一方、参照光はλ／４板５０９を透過し、偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換され、ミラー５１０に入射し反射された後、λ／４板５０９によって偏光状態を円偏光からｓ偏光へ変換されて偏光ビームスプリッタ５０４へ入射する。信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ５０４によって合波され、合成光が生成される。合成光はハーフビームスプリッタ５１２、λ／２板５１３、λ／４板５１４、集光レンズ５１５，５１６、ウォラストンプリズム５１７，５１８から成る干渉光学系５１１へ導かれる。干渉光学系５１１へ入射した合成光は、ハーフビームスプリッタ５１２によって透過光と反射光に２分岐される。透過光は光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板５１３を透過した後、集光レンズ５１５によって集光され、ウォラストンプリズム５１７によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第一の干渉光と第二の干渉光が生成される。第一の干渉光と第二の干渉光は電流差動型の光検出器５１９によって検出され、それらの強度の差に比例した差動出力信号５２１が出力される。一方、反射光は光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板５１４を透過した後、集光レンズ５１６によって集光され、ウォラストンプリズム５１８によって偏光分離されることにより互いに位相関係が約１８０度異なる第三の干渉光と第四の干渉光が生成される。ここで、第三の干渉光は第一の干渉光に対して位相が約９０度異なる。第三の干渉光と第四の干渉光は電流差動型の光検出器５２０によって検出され、それらの強度の差に比例した差動出力信号５２２が出力される。このようにして生成された差動出力信号５２１，５２２（以下、I(z),Q(z)と称する）は信号処理部５２３に入力され、演算処理を施される。画像化信号５２４を元に形成された測定対象の断層画像が画像表示部５２５に表示される。

【0025】

次に、干渉光学系５１１の動作原理について数式を用いて説明する。干渉光学系５１１へ入射する時点での合成光のジョーンズベクトルを

【0026】

【数1】

【0027】

と表す。ここで、Ｅ_sigは測定対象から反射された信号光の複素電場振幅を、Ｅ_refは参照光の複素振幅を表わしている。Ｅ_sigは信号光が集光される光軸方向の位置z、測定対象の表面からカウントしてj番目の反射面の光軸方向位置z_j、j番目の反射面からの反射光の複素電場振幅A_jを用いて以下のように表わすことができる。

【0028】

【数2】

【0029】

W(z-z_i)r²はデフォーカス収差を表わしており、WはW=2π*NA²*z/(λ*d²)で与えられる。rは光軸中心からの距離、dはレンズ開口の半径、kはレーザー光の波数である。
ハーフビームスプリッタ５１２を透過し、さらにλ／２板５１３を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

【0030】

【数3】

【0031】

ウォランストンプリズム５１７によって（数３）で示される合成光はｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器５１９によって差動検出されるので、I(z)は以下の様に表される。

【0032】

【数4】

【0033】

ここでρ＝（ｘ，ｙ）は光束断面の座標ベクトル、Ｄは検出領域を表し、∫_Dｄρは光束内全域での積分演算を意味する。簡単のため検出器の変換効率は１とした。

【0034】

一方、ハーフビームスプリッタ５１２で反射され、さらにλ／４板５１４を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

【0035】

【数5】

【0036】

ウォランストンプリズム５１８によって、（数５）で示される合成光はｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後、電流差動型の光検出器５２０によって差動検出されるので、Q(z)は以下の様に表される。

【0037】

【数6】

【0038】

さらに、（数４），（数６）に（数２）を代入して積分を実行すると以下の式が得られる。

【0039】

【数7】

【0040】

【数8】

【0041】

ここで、z_refはミラー５１０の光軸方向位置、k_eff=π＊NA²/λである。

【0042】

（数７），（数８）で表わされるI(z),Q(z)は信号処理部５２３に入力され、図６に示された手順によりそれぞれから特定部位からの反射光成分を減算された後、２乗和の演算を施される。以下では表面反射光成分を減算する場合の、当該信号処理方法について説明する。I(z),Q(z)に含まれる表面反射信号成分I₀,Q₀は、（数７）（数８）内のj=0に対応する項であるから、以下の式で与えられる。

【0043】

【数9】

【0044】

【数10】

【0045】

（数９），（数１０）で与えられる表面反射信号成分を、検出信号を用いて表わすために以下の関係式を利用する。

【0046】

【数11】

【0047】

【数12】

【0048】

【数13】

【0049】

【数14】

【0050】

ここで、（数１１）〜（数１４）においてj>0に対して

【0051】

【数39】

【0052】

であることを利用して近似を適用している。（数１３），（数１４）を（数９），（数１０）へ代入すると

【0053】

【数15】

【0054】

【数16】

【0055】

となる。このように、本発明においては検出信号に含まれる表面反射光成分を表面位置での差動出力信号値I(z₀)，Q(z₀)及び既知のパラメータk_effから近似的に求めることが可能である。信号処理部５２３では（数１５），（数１６）で与えられる表面反射光成分を検出信号から減算した後、２乗和の演算を施すことにより、画像化信号sig(z)を得る。

【0056】

【数17】

【0057】

図７は本実施例の光計測装置を用いて、図２に示したzスキャン軸に沿って画像化信号sig(z)を取得した場合の例である。図３や図４に示した波形とは異なり、第１界面に対応したピークをはっきりと識別することができる。さらに、界面が存在しない位置にピークが生じたり、ピーク位置がシフトするという問題も発生しない。

【0058】

すなわち、本実施例においては複数の干渉光を生成して検出し、それぞれの差動出力信号から表面反射光成分を減算することにより、光の干渉の効果を考慮して表面反射信号の影響を抑制することができる。これにより、測定対象表面近傍の構造を従来のＯＣＴ装置よりも鮮明に可視化することができる。

【0059】

次に本発明の光計測装置の空間分解能について述べる。ここで、光軸方向の空間分解能は対物レンズを光軸方向に走査した際に得られる単一反射面に対応する画像化信号のピークの半値全幅として定義する。単一の反射面のみが存在する場合の（数１７）に対応する信号は以下の式により表わされる。

【0060】

【数18】

【0061】

上記の式より、単一反射面からの信号の半値全幅、すなわち光軸方向の空間分解能は近似的に以下の様に表わされる。

【0062】

【数19】

【0063】

ここで、λはレーザー光の波長、ＮＡは対物レンズ５０６の開口数である。一般的にＯＣＴ装置で利用される光の波長はヘモグロビンにも水にも吸収されにくい６００nmから１３００nm程度である。例えば対物レンズの開口数を０．４以上とすると、波長６００nm〜１３００nmでの光軸方向の空間分解能は約３．３um〜約７．２umとなり、従来のＯＣＴ装置と同等かそれ以上の高い光軸方向の分解能を達成できる。

【0064】

本実施例では干渉光学系５１１で位相が互いに９０度ずつ異なる４つの干渉光を生成して検出しているが、干渉光が３つ以上であれば干渉光がいくつであっても本実施例と同様の効果を得ることができる。例えば、位相が互いに６０度ずつ異なる３つの干渉光を生成して検出することにより、（数１７）に示されるのと同様の信号を得ることができる。

【0065】

ここまでは簡単のため信号光はデフォーカス収差のみを有し、参照光は無収差であるとして本発明の機能を説明した。これらの条件が満たされていない場合であっても、基準サンプルの測定を行い検出信号の振る舞いを学習することにより、同様の効果を提供することができる。以下ではその方法について説明する。

【0066】

デフォーカス以外の収差が存在する条件下であっても、I(z₀)，Q(z₀)は複数の反射面からの反射光成分の重ね合わせとして、以下の様に表わすことができる。

【0067】

【数20】

【0068】

【数21】

【0069】

ここで、B_jはj番目の反射光の強度を表わす定数であり、φ_jはj番目の反射光と参照光の位相差である。h_I,h_Qは単一反射面からの応答を表わす点像分布関数であり、デフォーカス収差以外の収差が存在しない場合には

【0070】

【数22】

【0071】

【数23】

【0072】

となる。デフォーカス以外の収差が存在する場合には点像分布関数h_I,h_Qは（数２２），（数２３）の様な単純な式では表わすことができなくなる。そこで本発明では、基準サンプルを測定することにより、収差が存在する場合の点像分布関数h_I,h_Qの振る舞いを学習することとする。基準サンプルとしてはミラーの反射面やカバーガラスの表面などが考えられる。具体的には、あらゆる位相差φに対して対物レンズのz方向の走査より得られる検出信号波形を信号処理部に記録することにより、点像分布関数を学習する。位相差φの調整は例えばピエゾ素子を用いてミラー５１０の位置を移動させ、参照光の光路長を変化させることにより可能である。このようにして得られた点像分布関数h_I,h_Qを用いると、表面反射光成分は表面反射位置z₀における差動出力信号値I(z₀)，Q(z₀)を用いて以下の様に表わすことができる。

【0073】

【数24】

【0074】

【数25】

【0075】

上記の表面反射信号成分をI(z)，Q(z)から減算することにより、収差が存在する場合でも光の干渉の効果を考慮して表面反射信号の影響を抑制し、測定対象表面近傍の構造を従来のＯＣＴ装置よりも鮮明に可視化することができる。

【0076】

本発明では電流差動型の光検出器を用いて、差動出力信号I(z)，Q(z)の各々から表面反射信号成分を減算したが、必ずしも差動出力信号から減算する必要はない。たとえば、（差動検出型でない）通常の光検出器を用いて４つの検出信号を取得し、４つの検出信号の各々から表面反射信号を減算しても同様の効果を得ることが出来る。

【実施例2】

【0077】

図８は、本発明による光計測装置の別の実施形態を示す模式図である。なお、図５に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例は第一の実施例に対して外乱による信号光と参照光の間の位相差変動を抑制する機構を付与したものである。光源５０１からのレーザー光とは異なる波長をもつ低コヒーレンス光源８０１から出射された低コヒーレンス光はレンズ８０２を透過した後、光源５０１からのレーザー光は透過させ光源８０１からの低コヒーレンス光は反射させるダイクロイックミラー８０３によって反射され、光源５０１より出射されるレーザー光と同軸に重ね合わされる。その後当該低コヒーレンス光は、光学軸方向を調整可能なλ／２板５０３によって偏光を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ５０４によって第二の信号光と第二の参照光に２分岐される。第二の信号光は光学軸方向が水平方向に対して約２２．５に設定されたλ／４板５０５を透過して偏光状態をｓ偏光から円偏光に変換された後、開口数が０．４以上の対物レンズ５０６を透過して測定対象５０８に照射される。このとき、対物レンズ５０６を透過した直後の第二の信号光は、ほぼコリメート光となるようにレンズ８０２は調整されている。測定対象から反射又は散乱された第二の信号光は対物レンズ５０６を再び透過し、λ／４板５０６によって偏光状態を円偏光からｐ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ５０４へ入射する。一方、第二の参照光はλ／４板５０９を透過し、偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換され、レンズ８０４を透過してピエゾ素子８１５に取り付けられたミラー５１０に入射する。このとき、対物レンズ５０６を透過した直後の第二の参照光は、ほぼコリメート光となるようにレンズ８０２は調整されている。また、ミラー５１０の光軸方向位置は、第二の信号光に含まれる測定対象の表面から反射した反射光の光路長と、第二の参照光の光路長がほぼ等しくなるように、可動ステージ８０５によって調整されている。ミラー５１０によって反射された第二の参照光は、λ／４板５０９によって偏光状態を円偏光からｓ偏光へ変換されて偏光ビームスプリッタ５０４へ入射する。第二の信号光と第二の参照光は偏光ビームスプリッタ５０４によって合波され、第二の合成光が生成される。第二の合成光は光源５０１からのレーザー光は透過させ光源８０１からの低コヒーレンス光は反射するダイクロイックミラー８０６によって反射された後、コリメートレンズ８０７によってコリメート光に変換され、光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板８０８により偏光を４５度回転され、集光レンズ８０９によって集光されつつ、ウォラストンプリズム８１０によって偏光分離されることにより、互いに位相関係が１８０度異なる２つの干渉光が生成される。これらの干渉光は電流差動型の光検出器８１１によって検出され、それらの強度の差に比例した差動出力信号８１２が出力される。差動出力信号８１２は位相制御部８１３へ入力され、位相制御部８１３は信号８１２に基づいてピエゾ素子８１５を駆動する。光源５０１から出射されたレーザー光の光路は第一の実施例と全く同様であり、信号光の集光位置の走査が対物レンズアクチュエータではなく可動サンプルステージ８１６によって測定対象位置を走査することによりなされる点でのみ異なる。

【0078】

前述のように、第二の参照光の光路長は第二の信号光に含まれる測定対象の表面から反射された反射光の光路長とほぼ等しくなるように調整されているため、第二の信号光に含まれる測定対象表面からの反射光成分だけが選択的に第二の参照光と干渉することを考慮すると、差動出力信号８１２は近似的に以下のように表わされる。

【0079】

【数26】

【0080】

ここで、Ｅ_sig2，Ｅ_ref2はそれぞれ偏光ビームスプリッタ５０４で合波された時点での第二の信号光と第二の参照光の複素電場振幅、k’は低コヒーレンス光の波数。位相制御部８１３は（数２６）で与えられる差動出力信号８１２の値が常にほぼ０に等しくなるように（z₀-z_ref＝０となるように）ピエゾ素子８１５を制御する。第二の信号光と第二の参照光が分岐されてから合波されるまでの光路は、光源５０１から出射されたレーザー光から生成される信号光と参照光（以下、第一の信号光と第一の参照光と称する）が分岐されてから合波されるまでの光路と全く同一であるため、上記の制御により外乱によって測定対象の位置が変動した場合でも、第一の信号光と第一の参照光の間の光路長差はほぼ一定に保たれる。これにより、集光位置を光軸方向に走査している間に（数１３）の値が変動することがほぼなくなるため、図６に示した手順による表面反射光の減算を精度よく実施することができ、より鮮明な像を得ることが可能となる。

【実施例3】

【0081】

図９は本発明に関わる光計測装置における、信号処理方法の別の実施形態を示した図である。本実施例は複数個の反射光成分を減算する点において第一の実施例と異なる。信号処理方法以外の構成は図５に示す第一の実施例と同様であるためその説明を省略する。以下、本実施例の光計測装置を用いて図１０に示すような、４つの界面を有する構造を測定する場合について、図９に従って説明する。

【0082】

始めに対物レンズをz方向に走査して差動出力信号５２１，５２２（以下、I(z),Q(z)と称する）を取得し、それらの２乗和信号を画像表示部５２５に表示させる。そこでユーザーは、表示された測定結果に基づき、測定結果に悪影響を及ぼしていると考えられる強い反射の生じている部位を選択する。そのような部位の例としては、カバーガラス上に設置されたサンプルを測定する場合にはカバーガラスの表面や裏面、何らかの溶液に満たされた容器内に設置されたサンプルの場合には容器の表面と裏面、及び溶液の液面などが考えられる。図１１は図１０の構造物を測定した際に得られるI(z),Q(z)の２乗和信号である。０umと１５umの位置にある界面からの強い反射の影響で、５umと１０um位置の界面の存在が識別困難であることが分かる。以下では０um位置の界面（表面）と１５um位置の界面（第３界面）からの反射光成分を減算する場合について説明する。

【0083】

信号処理部５２３はユーザーが選択した減算対象の界面位置ζ_jとその位置での検出信号値I(ζ_j)，Q(ζ_j)を取得し、以下の式で表わされる減算対象界面からの反射光成分を算出する。

【0084】

【数27】

【0085】

【数28】

【0086】

これら減算対象界面からの反射光成分をI(z),Q(z)から減算した後、２乗和の演算を施すことにより、画像化信号sig(z)を得る。

【0087】

【数29】

【0088】

図１２はI(z),Q(z)それぞれから表面と第３界面からの反射光成分を減算した後に２乗和を施して得られる画像化信号sig(z)である。図１１に示した結果とは異なり、第１界面と第２界面の存在をはっきりと識別することが可能である。

【0089】

このように本実施例においては、強い反射光が生じる部位が複数個存在する場合でも、当該複数個の界面から反射光成分を減算することにより、光の干渉の効果を考慮してこれらの影響を抑制し、測定対象の強い反射が生じる部位近傍の構造を従来のＯＣＴ装置よりも鮮明に可視化することができる。

【実施例4】

【0090】

図１３は本発明に関わる光計測装置における、信号処理方法の別の実施形態を示した図である。本実施例は第一の実施例に対して、減算する表面反射光成分を最適化するプロセスを含んでいるという点で異なる。信号処理方法以外の構成は図５と同様であるためその説明を省略する。以下、本実施例の光計測装置を用いて、図２に示す構造を測定する場合について、図１３に従って説明する。

【0091】

始めに対物レンズをz方向に走査して差動出力信号５２１，５２２（以下、I(z),Q(z)と称する）を取得し、これらの２乗和の信号波形から推定反射位置ζ_j、及び各反射位置における検出信号値I(ζ_j)，Q(ζ_j)を取得する。ここで、推定反射位置とは、反射が生じていると推定される位置を意味しており、実際に反射が生じている位置とは必ずしも一致しない。当該推定反射位置の取得は、例えば表面反射位置よりも奥に存在するある閾値以上の値を持つ極大点を抽出することによりなされる。

【0092】

次に信号処理部５２３は、上記のζ_i，I(ζ_i)，Q(ζ_i)を用いて、以下の式で表わされるI(z),Q(z)に対する０次フィッティング関数を計算する。

【0093】

【数30】

【0094】

【数31】

【0095】

ここで、

【0096】

【数32】

【0097】

である。一般的には０次フィッティング関数とI(z),Q(z)は一致しないため、信号処理部５２３は０次フィッティング関数におけるα⁽⁰⁾_j、ζ⁽⁰⁾_jを、以下の目的関数が最小となるように最適化する。

【0098】

【数33】

【0099】

（数３３）が最小となるときのα⁽⁰⁾_j、ζ⁽⁰⁾_jを、α_j、ζ_jとすると、最適化されたフィッティング関数は

【0100】

【数34】

【0101】

【数35】

【0102】

と表わされる。表面反射光成分は（数３４），（数３５）におけるｊ＝０の項であり、以下の式で表わされる。

【0103】

【数36】

【0104】

【数37】

【0105】

信号処理部５２３では（数３６）（数３７）で与えられる表面反射光成分を検出信号から減算した後、２乗和の演算を施すことにより、画像化信号sig(z)を得る。

【0106】

【数38】

【0107】

本実施例においては、減算する表面反射光成分を最適化することにより、第一の実施例よりも高精度に表面反射光の影響を抑制することができるため、測定対象表面近傍の構造をより鮮明に可視化することができる。

【符号の説明】

【0108】

５０１：光源
５０２：コリメートレンズ
５０３，５１３：λ／２板
５０４：偏光ビームスプリッタ
５０５，５０９，５１４：λ／４板
５０６：対物レンズ
５０７：対物レンズアクチュエータ
５０８：測定対象
５１０：ミラー
５１１：干渉光学系
５１２：ハーフビームスプリッタ
５１５，５１６：集光レンズ
５１７，５１８：ウォラストンプリズム
５１９，５２０：電流差動型の光検出器
５２３：信号処理部
５２５：画像表示部
８０１：低コヒーレンス光源
８０５：可動ステージ
８０６：ダイクロイックミラー
８１５：ピエゾ素子
８１６：可動サンプルステージ

【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】