JP6188521B2 - 光計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、光計測装置に関し、特に光断層観察を行うための光計測装置に関する。

近年、光を用いて測定対象の表面構造や内部構造を反映した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（特許文献１）。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。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。

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。

特開２０１１−２１８１５５号公報

Optics Express Vol.19, 5536-5550 (2011)

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からの反射光、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考える。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。図２に、光軸方向分解能が５μｍのＯＣＴ装置を用いて図１に示したｚスキャン軸に沿って信号を取得した場合の波形の例を示した。ここでは２つの反射点（培養容器底面及び細胞の頂点）は光路長換算で１０μｍ離れているとした。図２より、培養容器底面に対応するピークの振幅が非常に大きいため、細胞の頂点からの信号が埋もれてしまい識別が困難であることが分かる。

このように、従来のＯＣＴ装置では測定対象の表面あるいは測定対象保持部と測定対象の界面からの強い反射光を検出してしまうため、当該強い反射光が発生する領域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。

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光を信号光と参照光と制御光とに分岐し、対物レンズによって信号光を測定対象に集光して照射し、測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を制御光と合波することにより被制御信号光を生成し、被制御信号光を参照光と合波させて互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成し、それらを検出する。信号光の集光位置は集光位置走査部により走査する。また、制御光のデフォーカスは、信号光に含まれる測定対象の表面あるいは測定対象保持部から反射された光と同じデフォーカスを有するように制御し、制御光の位相は信号光と１８０°異なるように制御する。

これにより、制御光成分と測定対象表面あるいは測定対象保持部からの反射光成分が相殺されるため、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造を鮮明に可視化することができる。

一例として、第１の光束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。

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。

一例として、制御光に球面収差を付与する球面収差付与部を設けることとした。

これにより、制御光と測定対象表面あるいは測定対象保持部からの反射光の干渉効率が向上するため、測定対象表面あるいは測定対象保持部からの反射光の寄与をより抑制することが可能となる。

一例として、レーザ光の波長をλ、対物レンズの開口数をＮＡとするとき、制御光のデフォーカス量と、信号光に含まれる測定対象の表面あるいは測定対象を保持する保持部から反射された光のデフォーカス量との差異が０．８５６λ／（ＮＡ）²以下となるように制御光のデフォーカス量を制御する。

これにより、制御光と測定対象の表面あるいは測定対象保持部からの反射光の干渉効率向上するため、測定対象表面あるいは測定対象保持部からの反射光の寄与をより抑制することが可能となる。

一例として、レーザ光を２分岐し、分岐された一方の光束の光路中に挿入されたレーザ光に対してほぼ透明な平板からの反射光を制御光として用いることとし、透明な平板の光軸方向の位置を制御することにより制御光のデフォーカスを制御することとした。

これにより、簡素で小型な光学系構成において、制御光成分と測定対象表面あるいは測定対象保持部からの反射光成分が相殺し、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造を鮮明に可視化することができる。

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し、得られた２つの検出信号に対して例えば二乗和の演算を施すこととした。

これにより、信号光と参照光の位相差に依存しない、信号光の強度に比例した安定した信号を得ることができる。また、得られた２つの検出信号の比をとり逆正接の演算を施すことにより、信号光の位相情報を取得することも可能となる。さらに、電流差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、電流差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。

一例として、光路長変調部によって信号光と参照光の光路長差を、信号光の集光位置の走査により発生する信号光の光路長の変化速度よりも高速に変調させ、干渉光学系において干渉光を２つ生成し、これらの干渉光を電流差動型の光検出器によって検出し、検出信号に対して包絡線検波を行うこととした。

これにより、少ない検出器で所望の信号を取得することが可能となる。

本発明によれば、測定対象の表面あるいは測定対象保持部からの反射光の影響を抑制し、測定対象の表面あるいは測定対象保持部近傍の構造を可視化可能な光計測装置を提供することが出来る。

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。

従来のＯＣＴ装置及び本発明のＯＣＴ装置の測定対象の例を示す模式図。 従来のＯＣＴ装置で測定される信号の例を示す摸式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 本発明のＯＣＴ装置で測定される信号の例を示す摸式図。 本発明のＯＣＴ装置で測定される信号の例を示す摸式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 本発明の光計測装置の構成例を示す摸式図。 対物レンズを光軸方向に走査する様子を示す模式図。 ピエゾ素子を駆動しない場合の信号の模式図。 ピエゾ素子を駆動した場合の信号の模式図。

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］
図３は、本発明による光計測装置の基本的な実施例を示す模式図である。

光源３０１からレーザ光が出射される。レーザ光はコリメートレンズ３０２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３０３によって偏光方向を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐される。偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐された一方の光束は参照光として偏光ビームスプリッタ３２４に入射する。偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐された他方の光束は光学軸方向を調整可能なλ／２板３０６によって偏光方向を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ３０７によって信号光と制御光に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度に設定されたλ／４板３０８を透過して偏光状態をｐ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３０９によってサンプル容器３１１に配置された測定対象３１２に集光して照射される。ここで、対物レンズ３０９は制御部３２３による制御のもとで対物レンズアクチュエータ３１０によって走査され、これにより対物レンズ３０９による信号光の集光位置（測定位置）の走査がなされる。測定対象から反射又は散乱された信号光は再び対物レンズ３０９を通過した後、λ／４板３０８によって偏光状態が円偏光からｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ３０７へ入射する。

制御光はピエゾ素子３１３に取り付けられたミラー３１４によって反射され、光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板３１５を透過し偏光状態をｓ偏光から円偏光に変換された後、対物レンズ３０９と同一の対物レンズ３１６によって裏面に反射膜が蒸着された平板３１８に照射される。平板３１８で反射した制御光は再び対物レンズ３１６を通過した後、λ／４板３１５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３０７へ入射する。ここで、平板３１８の厚みと材料は、平板３１８によって制御光に付与される球面収差が、サンプル容器３１１によってサンプル容器からの反射光に付与される球面収差と等しくなるように設定されている。平板３１８としては、例えばサンプル容器３１１と同一の容器を用いてもよい。

制御光と信号光は偏光ビームスプリッタ３０７によって合波され、合波された光は光学軸方向を調整可能なλ／２板３１９によって偏光方向を回転された後、偏光ビームスプリッタ３２０によって２分岐される。偏光ビームスプリッタ３２０によって２分岐された光束の一方は集光レンズ３２１によって集光されて検出器３２２で検出される。偏光ビームスプリッタ３２０によって２分岐された光束の他方は被制御信号光として偏光ビームスプリッタ３２４へ入射する。

ここで、制御光の位相は、検出器３２２で検出される光束の強度が最大となるように制御部３２３がピエゾ素子３１３を駆動することによって制御される。また、制御光のデフォーカスは、信号光に含まれるサンプル容器３１１の底面（より正確にはサンプル容器３１１と測定対象３１２の界面）からの反射光のデフォーカスと等しくなるように、制御部３２３が対物レンズアクチュエータ３１７を駆動することによって制御される。

被制御信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ３２４によって合波され、合成光が生成される。合成光はミラー３２５を反射した後、ハーフビームスプリッタ３２６、λ／２板３２７、λ／４板３２８、集光レンズ３２９ａ，３２９ｂ、ウォラストンプリズム３３０，３３１から成る干渉光学系３３３へ導かれる。

干渉光学系３３３へ入射した合成光は、ハーフビームスプリッタ３２６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３２７を透過した後、集光レンズ３２９ａによって集光され、ウォラストンプリズム３３０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３３４によって検出され、それらの強度の差に比例した信号３３６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３２８を透過した後、集光レンズ３２９ｂによって集光され、ウォラストンプリズム３３１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３３５によって検出され、それらの強度の差に比例した信号３３７が出力される。このようにして生成された信号３３６，３３７は信号処理部３３８に入力され、演算されることにより信号光の振幅に比例した信号が得られる。この信号を元に形成された測定対象の断層画像が画像表示部３３９に表示される。

次に、被制御信号光が生成されるまでの光学系の機能について説明する。測定対象及びサンプル容器の底面から反射された後に偏光ビームスプリッタ３０７へ入射する時点での信号光のジョーンズベクトルを次のように表わす。

ここで、Ｅ_sigは測定対象から（対物レンズの焦点位置から）反射された信号光成分の複素振幅を、Ｅ_strはサンプル容器の底面から反射された信号光の複素振幅を表わしており、これらは一般に異なるデフォーカス量を有している。また、平板３１８を反射した後に偏光ビームスプリッタ３０７へ入射する時点での制御光のジョーンズベクトルを次のように表わす。

ここで、制御光Ｅ_regの位相及びデフォーカス量はピエゾ素子３１３及び対物レンズアクチュエータ３１７によって制御されている。式（１）で表わされる信号光と式（２）で表わされる制御光が偏光ビームスプリッタで合波されることにより生成される光束のジョーンズベクトルは次式で表わされる。

λ／２板３１９の光軸方向の角度をθ度とすると、λ／２板３１９透過後の光束のジョーンズベクトルは以下のように表わされる。

これより、偏光ビームスプリッタ３２０を透過後に検出器３２２で検出される信号Ｉ_FBは、次のように表わされる。

ここでｒ＝（ｘ，ｙ）は光束断面の座標ベクトル、Ｄは検出領域を表し、∫_Dｄｒは光束内全域での積分演算を意味する。φ_sig，φ_str，φ_regはそれぞれ測定対象から反射された信号光の波面、サンプル容器底面から反射された信号光の波面、制御光の波面を表わしており、それぞれの光束の位相情報とデフォーカス情報を含んでいる。上述のように、制御光のデフォーカスは、サンプル容器底面から反射された信号光のデフォーカス量と常に等しくなるように対物レンズアクチュエータ３１７によって制御されている。言い換えると、φ_regとφ_strの空間座標ｒの絶対値の２乗に依存する成分は等しくなるように制御されている。上記デフォーカス量の制御は、対物レンズ３１６の光軸方向の動きを対物レンズ３０９の光軸方向の動きと同期させることによって実施することができる。

また、制御光の位相はピエゾ素子３１３によって式（５）で表わされるＩ_FBが最大となるように制御される。式（５）において、制御光の位相によって値が変化する項は第４項及び第５項である。第４項は制御光と測定対象から反射した信号光の干渉を表しており、｜Ｅ_sig｜≪｜Ｅ_reg｜，｜Ｅ_str｜であるため、第５項の寄与に比べて小さい。さらに、制御光と測定対象から反射した信号光成分はデフォーカス量が異なるため、検出器３２２上でリング状の干渉縞が形成されており、検出器３２２上で一様に強め合いもしくは弱め合うことがない。これにより、第５項は第４項に比べて制御光の位相変化に対する値の変化割合が小さい。従って、ピエゾ素子３１３による制御光の位相制御は近似的に式（５）中の第５項を最大化するように実施される。従って、デフォーカス制御と位相制御の結果、制御光の波面とサンプル容器の底面からの信号光成分の波面の関係はφ_reg＝φ_strとなる。

一方、偏光ビームスプリッタ３２０を反射することにより生成される被制御信号光のジョーンズベクトルは、φ_reg＝φ_strの関係を用いると以下のように表すことができる。

式（６）より、λ／２板３０６の光軸方向の角度調整によって制御光の強度（｜Ｅ_reg｜²）を調整、あるいはλ／２板３１９の光学軸方向の角度調整によりtan２θの値を調整することにより、｜Ｅ_reg｜tan２θ≒｜Ｅ_str｜が満たされるようにすることで、サンプル容器からの反射光を制御光と相殺させることが可能であることが分かる。このような調整は、事前にサンプル容器の反射率を測定しておくことで容易に実施することができる。

被制御信号光は偏光ビームスプリッタ３２４によって参照光と合波され、生成された被制御信号光と参照光の合成光はミラー３２５によって反射された後、干渉光学系３３３へ入射する。干渉光学系３３３へ入射する時点での合成光のジョーンズベクトルは

と表すことができる。ここで、Ｅ_refは参照光の複素電場振幅、Ｅ’_sigは被制御信号光の複素電場振幅であり、｜Ｅ_reg｜tan２θ≒｜Ｅ_str｜を用いると近似的に以下の式で表される。

ハーフビームスプリッタ３２６を透過し、さらにλ／２板３２７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。

ウォランストンプリズム３３０によって式（９）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３３４によって差動検出されるので、検出信号３３６は以下のように表される。

ここで、φ’_sig，φ_refはそれぞれ複素数Ｅ’_sig，Ｅ_refを極座標表示で表した際の位相である。簡単のため検出器の変換効率は１とした。

一方、ハーフビームスプリッタ３２６で反射され、さらにλ／４板３２８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。

ウォランストンプリズム３３１によって、式（１１）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３３５によって差動検出されるので、検出信号３３７は以下のように表される。

これらの出力に対して、信号処理部３３８にて以下の演算を行うことにより、位相に依存しない、被制御信号光の強度に比例した信号が得られる。

上記のように干渉光学系３３３では位相が互いに９０度づつ異なる４つの干渉光を生成して検出することにより位相に依存しない信号を得るが、原理的には生成される干渉光が３つ以上であれば干渉光がいくつであっても同様の信号を得ることができる。例えば、位相が互いに６０度づつ異なる３つの干渉光を生成して検出することにより、式（１３）に示されるのと同一の信号を得ることができる。

本実施例においては、信号光に対してデフォーカスと位相が制御された制御光を重ね合わせることで、信号光に含まれるサンプル容器からの反射光を相殺させることができる。

本実施例のＯＣＴ装置を用いて図１に示した測定対象からの反射信号を取得した結果の例を図４及び図５に示した。垂直分解能は図２に示した従来のＯＣＴ装置の測定結果の場合と同様に、５μｍである。図４と図５はいずれも本実施例のＯＣＴ装置による測定結果であるが、図５は参照光強度の大きさあるいは検出器のゲインの大きさを図４の場合よりも大きくした場合の結果である。

図４では、図２の従来のＯＣＴ装置を用いた場合とは異なりサンプル容器からの強い反射が抑制されているため、ｚ＝１０μｍの位置に細胞からの反射に対応するピークを確認することができる。これにより、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造を鮮明に可視化することができる。また、サンプル容器からの強い反射光が抑制されたことにより検出器が飽和しにくくなったため、参照光の強度や検出器のゲインを増大させることにより、図５に示したように測定対象からの信号を増幅させることが可能となる。これにより、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造をより鮮明に可視化することができる。

次に、本発明のＯＣＴ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ピークの半値全幅として定義する。焦点位置が反射面からｚだけずれた際の式（１３）に対応する信号は以下の式により表わされる。

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ように表わされる。

ここで、λはレーザ光の波長、ＮＡは対物レンズ３０９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３．３μｍ〜約７．２μｍ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。

また、本実施例においては、平板３１８によって制御光に付与される球面収差が、サンプル容器３１１によってサンプル容器からの反射光に付与される球面収差と等しくなるように平板３１８の光束が通過する領域の厚みが設定されているため、制御光とサンプル容器からの反射光の干渉効率が向上する。これにより、サンプル容器からの反射光をより高精度に相殺させ、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造をより鮮明に可視化することができる。

また、本実施例においては、以下の演算を行うことにより参照光の位相を基準にした信号光の位相情報を取得することも可能である。

信号光の位相情報の活用方法としては、非特許文献１に挙げられているような細胞の活性度のイメージングなどが挙げられる。

最後に、本発明におけるデフォーカス制御に要求される精度について述べる。制御光とサンプル容器からの反射光のデフォーカス量（対物レンズの焦点位置から反射面までの距離）をそれぞれｚ_reg，ｚ_strとすると、制御光とサンプル容器からの反射光の間の干渉効率は以下の式で表わされる。

ここで、Δｚ＝ｚ_reg−ｚ_strである。従って、例えばサンプル容器からの反射光の寄与を従来の１０％以下にする場合には、式（１７）の値が０．９５以上でなければならない。このとき、許容可能なデフォーカス制御のずれ量Δｚは

と表わされる。ここで、φ₀はsincφ₀＝０．９５を満たす定数であり、約０．５５１９である。従って、この値を代入すると式（１８）の右辺は、０．８５６λ／（ＮＡ）²と表され、式（１８）の右辺の値は、例えばλ＝０．７８０μｍ、ＮＡ＝０．４のときには０．８６μｍとなり、これは対物レンズアクチュエータ３１７の制御により実現可能な値である。式（１７）の値を０．９５以上とすることによりサンプル容器からの反射光の寄与が従来の１０％以下となるため、従来よりも測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造をより鮮明に可視化することができる。

［実施例２］
図６は、本発明による光計測装置の別の実施例を示す模式図である。なお、図３に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施例は第一の実施例と制御光の生成方法及び制御光のデフォーカス調整方法が異なる。

光源３０１からレーザ光が出射される。レーザ光はコリメートレンズ３０２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３０３によって偏光方向を回転させられた後、偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐される。偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐された一方の光束は信号光として光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板３０８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３０９によってサンプル容器３１１に配置された測定対象３１２に集光して照射される。ここで、対物レンズ３０９は制御部３２３による制御のもとで対物レンズアクチュエータ３１０によって走査され、これにより対物レンズ３０９による信号光の集光位置（測定位置）の走査がなされる。測定対象から反射又は散乱された信号光は再び対物レンズ３０９を通過した後、λ／４板３０８によって偏光状態を円偏光からｓ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ３０４へ入射する。

偏光ビームスプリッタ３０４によって２分岐された他方の光束は参照光として光学軸方向が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／４板５０１を透過し偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換された後、ピエゾ素子３１３に取り付けられたミラー３１４によって反射され、対物レンズ３０９と同一の対物レンズ５０２によって集光されつつ平板用アクチュエータ５０４によって光軸方向の位置が制御されたレーザ光に対してほぼ透明な平板５０３へ入射する。平板５０３へ入射された参照光の一部は、平板５０３の（光束の入射方向から見て）裏面によって制御光として反射され、再び対物レンズ５０２を透過してミラー３１４によって反射されてλ／４板５０１によって偏光状態を円偏光からｓ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ３０４へ入射する。ここで、平板５０３の厚みと材料は、制御光の球面収差がサンプル容器（より正確にはサンプル容器３１１と測定対象３１２の界面）からの反射光が有する球面収差と等しくなるように設定されている。

制御光と信号光は偏光ビームスプリッタ３０４によって合波され、合波された光は光学軸方向を調整可能なλ／２板５０９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３２４によって２分岐される。偏光ビームスプリッタ３２４によって２分岐された光束の一方は集光レンズ３２１によって集光されて検出器３２２で検出される。偏光ビームスプリッタ３２４によって２分岐された光束の他方は被制御信号光となる。

ここで、制御光の位相は、検出器３２２で検出される光束の強度が最大となるように制御部３２３がピエゾ素子３１３を駆動することによって制御される。また、制御光のデフォーカスは、信号光に含まれるサンプル容器３１１の底面（より正確にはサンプル容器３１１と測定対象３１２の界面）からの反射光のデフォーカスと等しくなるように、制御部３２３が平板用アクチュエータ５０４を、対物レンズアクチュエータ３１０と同期するように駆動することによって制御される。さらに、制御光の球面収差は上述のように平板５０３の厚みと材料によって調整される。

平板５０３へ入射されて平板５０３を透過した参照光は、平板５０５を透過して対物レンズ３０９と同一の対物レンズ５０６によって平行光に変換され、ミラー５０７で反射され、光学軸方向が水平方向に対して約−２２．５度に設定されたλ／４板５０８によって偏光状態を円偏光からｓ偏光に変換された後、偏光ビームスプリッタ３２４に入射する。ここで、平板５０５の光束が通過する領域の厚みと材料は、平板５０３の光束が通過する領域の厚みと等しい。これにより、参照光の有する球面収差が信号光の球面収差と等しくなり、信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。被制御信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ３２４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３２６、λ／２板３２７、λ／４板３２８、集光レンズ３２９ａ，３２９ｂ、ウォラストンプリズム３３０，３３１から成る干渉光学系３３３へ導かれる。その後の動作は実施例１と同様であるため説明を省略する。

本実施例においては、透過型の素子（平板５０３）によって制御光を生成するため、実施例１と比べて簡素で小型な光学系で測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造を鮮明に可視化することができる。

本実施例では制御光を生成するための平板５０３を参照光の光路中に挿入したが、平板５０３を信号光の光路中に挿入しても同様の機能を達成できる。この場合、対物レンズ５０２，５０６、平板５０３，５０５、平板用アクチュエータ５０４は偏光ビームスプリッタ３０４とλ／４板３０８の間に挿入され、λ／４板３０８と対物レンズ３０９の間に信号光の位相を制御する素子を挿入して信号光の位相を制御することで信号光と制御光の間の位相差が制御される。

また本実施例においては、平板５０３によって制御光に付与される球面収差が、サンプル容器３１１によってサンプル容器からの反射光に付与される球面収差と等しくなるように平板５０３の光束が通過する領域の厚みを設定しておくことにより、制御光とサンプル容器からの反射光の干渉効率が向上する。これにより、サンプル容器からの反射光をより高精度に相殺させ、測定対象表面あるいは測定対象保持部近傍の測定対象の構造をより鮮明に可視化することができる。

［実施例３］
図７は、本発明による光計測装置の別の実施例を示す模式図である。なお、図３に示した部品と同じものには同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施例は、干渉光学系で生成される干渉光が２つであるという点、及び参照光の位相を高速に変調するためのピエゾ素子を有しているという点において実施例２と異なる。

光源３０１からレーザ光が出射され、被制御信号光と参照光が合波されることにより合成光が生成されるまでの構成は実施例２とほぼ同様である。ただし、ミラー５０７が参照光の位相を高速に変調するためのピエゾ素子６０１に搭載されているという点で異なる。合成光はλ／２板６０３、集光レンズ６０４、ウォラストンプリズム６０５から成る干渉光学系６０２へ導かれる。干渉光学系６０２へ入射した合成光は、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６０３を透過した後、集光レンズ６０４によって集光され、ウォラストンプリズム６０５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３３４によって検出され、それらの強度の差に比例した信号３３６が出力される。信号３３６は以下の式で表される。

本実施例では、信号取得時にピエゾ素子６０１を駆動して対物レンズ３０９の走査により発生する信号光の位相変化よりも高速に参照光の位相を変調する。図８〜１０は、本実施例のＯＣＴ装置を用いて対物レンズ３０９をｚ方向に走査した際に検出される信号について説明する図である。ここでは、図８のように測定対象に反射面が３つ存在する場合の検出信号を図９、図１０に示している。

図９は、ピエゾア素子６０１を駆動しない場合の信号の模式図である。この場合には、ある反射面からの信号の包絡線に含まれる波の数は近似的に（信号のピーク幅）÷（波長）により与えられる。信号のピーク幅はレーザ光の波長をλ、対物レンズのＮＡとしたときにλ／ＮＡ^２と表わされるから、（信号のピーク幅）÷（波長）＝１／ＮＡ^２となる。例えばＮＡ＝０．６の場合、この値は約２．８である。従って、包絡線の周波数と、それに含まれる波の周波数が２．８倍程度しか異ならないため包絡線検波の適用が困難であり、検出信号を元に画像データを生成することができない。一方で、ピエゾ素子６０１を駆動する場合には、図１０に示したような信号が得られる。この場合には、信号光の焦点位置が反射面を通過する間に参照光の位相が高速変調されているので、ある反射面からの信号の包絡線に含まれる波の数が位相変調のスピードに応じて増加する。これにより、包絡線の周波数とそれに含まれる波の周波数が大きく異なるため、包絡線検波の適用が可能となり検出信号を元に画像データを生成することができる。すなわち、本実施例においては、実施例２とは異なり検出信号から包絡線検波により所望の信号を取得することができるため、実施例２よりも少ない検出器で同様の機能を実現することが出来る。

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。

３０１：光源
３０２：コリメートレンズ
３０３，３０６，３１９，３２７：λ／２板
３０４，３０７，３２０，３２４：偏光ビームスプリッタ
３０８，３１５，３２８，５０１：λ／４板
３０９，３１６，５０２，５０６：対物レンズ
３１０，３１７：対物レンズアクチュエータ
３１１：サンプル容器
３１２：測定対象
３１３：ピエゾ素子
３１４，３２５，５０７：ミラー
３３３：干渉光学系
３２６：ハーフビームスプリッタ
３２１，３２９：集光レンズ
３３０，３３１：ウォラストンプリズム
３３４，３３５：電流差動型の光検出器
３３８：信号処理部
３２３：制御部
３３９：画像表示部
３１８，５０３，５０６：平板

Claims (8)

1. レーザ光を出射する光源と、
   前記レーザ光を信号光と参照光と制御光に分岐する光分岐部と、
   前記信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、
   前記信号光の集光位置を走査する集光位置走査部と、
   前記制御光のデフォーカス量を制御するデフォーカス制御部と、
   前記制御光と信号光の間の位相差を制御する位相制御部と、
   測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記制御光と合波して、被制御信号光を生成する被制御信号光生成部と、
   前記被制御信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光を検出する光検出器と、
   を有し、
   前記デフォーカス制御部は、前記制御光のデフォーカス量が、前記信号光に含まれる測定対象の表面あるいは測定対象を保持する保持部から反射された光のデフォーカス量と同じになるように前記制御光のデフォーカス量を制御することを特徴とする光計測装置。
2. レーザ光を出射する光源と、
   前記レーザ光を信号光と参照光と制御光に分岐する光分岐部と、
   前記信号光を測定対象に集光して照射する対物レンズと、
   前記信号光の集光位置を走査する集光位置走査部と、
   前記制御光のデフォーカス量を制御するデフォーカス制御部と、
   前記制御光と信号光の間の位相差を制御する位相制御部と、
   測定対象によって反射もしくは散乱された信号光を前記制御光と合波して、被制御信号光を生成する被制御信号光生成部と、
   前記被制御信号光を前記参照光と合波し、互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光を検出する光検出器と、
   を有し、
   前記レーザ光の波長をλとし、前記対物レンズの開口数をＮＡとするとき、
   前記デフォーカス制御部は、前記制御光のデフォーカス量と、前記信号光に含まれる測定対象の表面あるいは測定対象を保持する保持部から反射された光のデフォーカス量との差異が
   ０．８５６λ／（ＮＡ） ²
   以下となるように前記制御光のデフォーカス量を制御することを特徴とする光計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   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光計測装置。
4. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   前記制御光に球面収差を付与する球面収差付与部を有することを特徴とする光計測装置。
5. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   前記光分岐部は、前記レーザ光を信号光と参照光に２分岐する光分岐素子と、前記信号光あるいは前記参照光の光路中に挿入された平板とを備え、
   前記平板は前記信号光あるいは前記参照光の一部を制御光として反射させることを特徴とする光計測装置。
6. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   前記被制御信号光に含まれる制御光の強度を調整する手段を有することを特徴とする光計測装置。
7. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   前記干渉光学系において生成される干渉光は４つであり、
   前記信号光と前記参照光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度異なる干渉光の対が電流差動型の光検出器によって検出されることを特徴とする光計測装置。
8. 請求項１又は２に記載の光計測装置において、
   前記信号光と前記参照光の光路長差を、前記信号光の集光位置の走査により発生する信号光の光路長の変化速度よりも高速に変調させる光路長変調部を有し、
   前記干渉光学系において生成される干渉光は２つであり、これらの干渉光を電流差動型の光検出器によって検出することを特徴とする光計測装置。

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