JP6720051B2 - 光画像計測装置、光画像計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、光を用いて測定対象を観察する技術に関する。

光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は光の干渉を用いて測定対象の断層画像を取得する技術であり、眼底検査の分野で１９９６年より実用化されており、近年では心臓病学、歯科学、腫瘍学、食品産業や再生医療など様々な分野への適用が検討されている。

ＯＣＴにおいては、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測定信号を得る。

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スキャンを実施する。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。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においては、出射光の波長を走査することが可能な波長掃引光源を使用し、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を得る。スペクトルドメインＯＣＴにおいては、光源として広帯域光源を用い、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を得る。

ＯＣＴの測定対象となる生体組織のうち、例えば人の肌に含まれるコラーゲンや、人の眼球の水晶体などは、複屈折性を有することが知られている。これらの複屈折性を可視化することができれば測定対象のより多様な情報を得ることができる。しかし、反射率分布を測定している通常のＯＣＴは、複屈折性を可視化することができない。複屈折性を可視化するための技術として、偏光感受型ＯＣＴの開発が行われている（特許文献１）。

下記特許文献２は、ＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて入射ビームの偏光状態を高速変調することにより、測定対象のジョーンズベクトルを取得する技術について記載している。

特開２００４−０２８９７０号公報 特開２００７−２９８４６１号公報

特許文献１記載のような従来の偏光感受型ＯＣＴ装置においては、測定対象の複屈折情報（ジョーンズ行列やミュラー行列）を取得するため、測定対象に入射させる測定光の偏光状態と参照光の偏光状態を変えて走査（測定）する必要がある。これら行列が４要素によって形成され、各要素が複素数で表される場合、各要素の実数成分と虚数成分をそれぞれ１回の測定によって取得するので、全ての要素を得るためには少なくとも８回の走査をする必要がある。

特許文献２記載の偏光感受光画像計測装置は、ＥＯ変調器を用いることにより１度の走査で測定対象のジョーンズベクトルを得ることを図っている。しかしＥＯ変調器は一般に大型かつ高価であり、その結果として装置のサイズやコストが増大する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、装置のサイズやコストを抑制しつつ測定対象の複屈折に関する情報を取得することができる光画像計測装置を提供することを目的とする。

本発明においては、第１偏光状態とは異なる第２偏光状態の光を生成するパッシブ光学素子を用いて、第１測定光とは異なる第２測定光を生成し、前記第１測定光を測定対象に対して照射する時刻を第１時刻に調整するとともに、前記第２測定光を前記測定対象に対して照射する時刻を前記第１時刻とは異なる第２時刻に調整する。第１および第２測定光が前記測定対象によって反射もしくは散乱されることにより得られる第１および第２の信号光を検出して電気信号として出力させる。これにより、１度の走査で、２つの異なる偏光状態の測定光に対応する情報を同時に得ることができるので、安価で簡素な構成で、測定対象の複屈折に関する情報を従来よりも多く取得することができる。ここで、パッシブ光学素子とは、その素子が機能を果たす上で、何らかの電気的・磁気的・力学的制御を要求しない光学素子を指す。

一例として、第１および第２測定光を遮光する遮光部を設け、前記遮光部が前記第１測定光を遮光する時刻と前記遮光部が前記第２測定光を遮光する時刻を調整することにより、前記第１および第２時刻を調整することとした。遮光部により測定光の照射タイミングを制御するので、第１および第２測定光を生成するために複数の光源を設ける必要がないという利点がある。

一例として、第１および第２光源を設け、前記第１光源が出射する光を前記第１測定光として前記測定対象に対して照射するとともに、前記第２光源が出射する光を前記第２測定光として前記測定対象に対して照射し、前記第１光源が光を出射する時刻と前記第２光源が光を出射する時刻を制御することにより、前記第１および第２時刻を調整することとした。光源の発光タイミングの制御により測定光の照射タイミングを制御することができるので、簡素な構成で照射タイミングを高速に制御することができる。

一例として、前記第１信号光を第３偏光状態の成分と第４偏光状態の成分に分離するとともに前記第２信号光を第３偏光状態の成分と第４偏光状態の成分に分離し、前記第１信号光の前記第３および第４偏光状態の成分をそれぞれ検出するとともに、前記第２信号光の前記第３および第４偏光状態の成分をそれぞれ検出することとした。これにより、１度の走査で測定対象の複屈折に関するさらに多くの情報を取得することができる。ここで、第３および第４偏光状態は、それぞれ第１および第２偏光状態と同じであっても、異なっていても良い。

一例として、前記光源が出射する光を分岐して前記第１および第２測定光を生成するとともに第１および第２参照光を生成し、前記第１信号光を前記第１参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成するとともに、前記第２信号光を前記第２参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成し、これらの干渉光を検出し電気信号として出力することとした。これにより、第１および第２信号光の位相情報を得ることができるので、１度の走査で測定対象の複屈折に関するさらに多くの情報を取得することができる。

一例として、前記第１信号光を前記第１参照光と合波することにより第１および第２合成光を生成するとともに、前記第２信号光を前記第２参照光と合波することにより第３および第４合成光を生成し、前記第１合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度と前記第２合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度が互いに異なるように構成するとともに、前記第３合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度と前記第４合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度が互いに異なるように構成することとした。これにより干渉光学系を共通化できるので、装置の大型化やコスト増加を抑制できる。

一例として、前記第１および第２測定光を特定方向に繰り返し走査し、前記測定対象の画像の前記特定方向におけるピクセル数をＮとするとき、前記光照射部が前記第１および第２測定光を走査する周波数のＮ倍以上の周波数で、前記測定対象に対して前記第１測定光を照射する動作と前記測定対象に対して前記第２測定光を照射する動作を切り替えることとした。これにより、第１および第２信号光それぞれについてＮピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることができる。

一例として、前記第１および第２測定光を特定方向に繰り返し走査し、前記測定対象の画像の前記特定方向におけるピクセル数をＮとするとき、前記光照射部が前記第１および第２測定光を走査する周波数の約Ｎ倍以上かつ約２Ｎ倍以下の周波数で、前記測定対象に対して前記第１測定光を照射する動作と前記測定対象に対して前記第２測定光を照射する動作を切り替えることとした。これにより、第１測定光を測定対象に照射するタイミングと第２測定光を測定対象に照射するタイミングを異ならしめる手段として必要以上に高性能な素子・デバイスを用いることなく、第１および第２信号光それぞれについてＮピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることができる。

本発明によれば、従来に比べて少ない走査回数で測定対象の複屈折に関する情報を取得し、あるいは１度の走査で従来よりも多くの測定対象の複屈折に関する情報を取得することができる。上記した以外の、課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施形態１に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。 光遮光素子１０５の構造例を示す正面図である。 対物レンズ１０８の焦点位置（測定光の照射位置）の移動の時間スケールと、光遮光素子１０５による第１および第２測定光の照射タイミングの時間スケールを説明する図である。 実施形態２に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。 第１および第２測定光をサンプル１１０に対して照射するタイミングの例を示す図である。 図４に示した直線ＩＶにおける干渉光学系４０９の断面図である。 実施形態３に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。 実施形態４に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。

＜実施の形態１：光学系の構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。光源１０１から出射されたレーザ光はコリメートレンズ１０２によって平行光に変換され、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１０３によって偏光を４５度直線偏光に調整された後、ビームディスプレイサ１０４によってＰ偏光成分である第１レーザ光とＳ偏光成分である第２レーザ光とに強度比１対１で偏光分離される。第１および第２レーザ光は、光遮光素子１０５によって所定のタイミングで遮光され、ビームディスプレイサ１０６によって合波された後、ハーフビームスプリッタ１０７に入射する。光遮光素子１０５は、第１および第２レーザ光を交互に通過させるように構成されている。光遮光素子１０５の構成例については後述する。

第１レーザ光は、ハーフビームスプリッタ１０７によって第１測定光と第１参照光に２分岐され、第２レーザ光は、ハーフビームスプリッタ１０７によって第２測定光と第２参照光に２分岐される。

Ｐ偏光状態の第１測定光とＳ偏光状態の第２測定光は、対物レンズ１０８によってサンプル１１０に集光して照射される。対物レンズ１０８の位置は対物レンズアクチュエータ１０９によって例えばｘ軸方向に周波数ｆ_ｓｉｇで正弦波状に繰り返し駆動されつつ、ｙ方向に線形に駆動され、これにより測定光の照射位置（集光位置）をｘｙ方向に走査する。走査周波数と遮光周波数の関係について、後述の図３を用いて改めて説明する。

サンプル１１０としては、非侵襲的に内部構造の観察、特に複屈折の構造の観察が望まれるものであればどのようなものでもよい。例としては、食品、植物、培養細胞、ヒトの組織などが考えられる。サンプル１１０から第１および第２測定光が反射または散乱することによりそれぞれ得られる第１および第２信号光は、対物レンズ１０８およびハーフビームスプリッタ１０７を透過した後に偏光ビームスプリッタ１１４へ入射する。第１および第２信号光は、第１および第２測定光の偏光状態によらず、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分をともに含んでいる場合がある。

Ｐ偏光状態の第１参照光とＳ偏光状態の第２参照光は、ミラー１１１と１１２によって反射された後、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／２板１１３によって偏光状態をそれぞれ４５度直線偏光と−４５度直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１４へ導かれる。４５度偏光により、λ／２板１１３を通過した後の光はＰ偏光成分とＳ偏光成分をともに含むことになる。

偏光ビームスプリッタ１１４に入射した時点における第１信号光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１４によって第１参照光のＳ偏光成分と合波され、第１合成光となって第１干渉光学系１２２に入射する。偏光ビームスプリッタ１１４に入射した時点における第１信号光のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１４によって第１参照光のＰ偏光成分と合波され、第２合成光となってミラー１２８により反射された後、第２干渉光学系１３６に入射する。第１干渉光学系１２２と第２干渉光学系１３６の構成は同一であるから、以下では主に第１干渉光学系１２２の構成について説明する。

第１干渉光学系１２２へ入射した第１合成光は、ハーフビームスプリッタ１１５によって透過光と反射光に２分岐される。第１合成光の透過光は、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１１６を透過した後、集光レンズ１１７によって集光されるとともにウォラストンプリズム１１８によって２分岐されることにより、互いに位相関係が１８０度異なる第１干渉光と第２干渉光が生成される。電流差動型の光検出器１２３は第１および第２干渉光を検出し、それらの強度の差に比例した信号１２５を出力する。

第１合成光の反射光は、光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板１１９を透過した後、集光レンズ１２０によって集光されるとともにウォラストンプリズム１２１によって２分岐されることにより、互いに位相関係が１８０度異なる第３干渉光と第４の干渉光が生成される。電流差動型の光検出器１２４は第３および第４干渉光を検出し、それらの強度の差に比例した信号１２６を出力する。

同様にして、第２干渉光学系１３６は第２合成光から４つの干渉光を生成し、電流差動型の光検出器１３７と１３８はこれら干渉光をそれぞれ検出し、信号１３９と信号１４０を生成する。

偏光ビームスプリッタ１１４に入射した時点における第２信号光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１４によって第２参照光のＳ偏光成分と合波され、第３合成光となって第１干渉光学系１２２に入射する。偏光ビームスプリッタ１１４に入射した時点における第２信号光のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１１４によって第２参照光のＰ偏光成分と合波され、第４合成光となってミラー１２８により反射された後、第２干渉光学系１３６に入射する。

第３および第４合成光は、第１および第２合成光と同様に、第１干渉光学系１２２と第２干渉光学系１３６によってそれぞれが４つの干渉光に変換され、検出される。このとき光遮光素子１０５によって、常に第１レーザ光と第２レーザ光のどちらか一方は遮光されているので、第１および第２合成光がそれぞれ４つの干渉光に変換されて検出されるタイミングと、第３および第４合成光がそれぞれ４つの干渉光に変換され検出されるタイミングとは、互いに異なる。

信号１２５、１２６、１３９、１４０は、画像生成部１４１に入力される。画像生成部１４１は、信号１２５、１２６、１３９、１４０に基づいて、サンプル１１０の反射率や複屈折についての情報を反映した画像を生成し、画像表示部１４２上に表示する。画像表示部１４２が表示する画像としては、例えば測定対象のジョーンズ行列の各要素の絶対値に対応する画像や、サンプル１１０によって生じた信号光のＰ偏光とＳ偏光の位相差に対応する画像などが考えられる。

本実施形態１に係る光画像計測装置の光軸方向の空間分解能について説明する。本実施形態１においては、信号光に含まれる対物レンズ１０８の焦点以外からの反射光成分は、デフォーカス収差を有しており、平坦な波面を持った参照光と波面形状が一致しない。そのため、参照光と空間的に一様に干渉せず、検出器の受光面上で多数の干渉縞が形成される。この様な干渉縞が形成されると、検出される干渉光の強度を受光部面内で積分した値は、単に信号光と参照光の強度和とほぼ等しくなるので、対物レンズ１０８の焦点以外からの反射光成分に対応する信号１２５、１２６、１３９、１４０の成分はほぼ０になる。このような原理により、対物レンズ１０８の焦点以外からの反射光成分は実効的に参照光と干渉しなくなり、対物レンズ１０８の焦点からの反射光成分だけが選択的に検出され、光軸方向の高い空間分解能が達成される。光軸方向の空間分解能は、対物レンズの開口数ＮＡと、レーザ光の波長λによって決まり、λ／ＮＡ^２に比例する。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１０８の開口数を０．４以上とすると、波長６００ｎｍ〜１３００ｎｍにおける光軸方向の空間分解能は約３．３μｍ〜約７．２μｍとなる。

図２は、光遮光素子１０５の構造例を示す正面図である。光遮光素子１０５は、円盤の回転方向に沿って光透過部と光遮光部が交互に設けられた構造を有している。円盤を回転させることにより第１レーザ光と第２レーザ光が周期的に交互に遮光され、第１レーザ光と第２レーザ光のうち常にどちらか一方のレーザ光だけがビームディスプレイサ１０６に導かれる。

図３は、対物レンズ１０８の焦点位置（測定光の照射位置）の移動の時間スケールと、光遮光素子１０５による第１および第２測定光の照射タイミングの時間スケールを説明する図である。図３（ａ）に示すように、対物レンズアクチュエータ１０９による対物レンズ１０８の焦点位置が画像の１ライン分に相当する距離だけ移動するのに要する時間は１／２ｆ_ｓｉｇである。したがって、本実施形態１に係る光画像計測装置が取得するサンプル１１０の画像のピクセル数をＮ×Ｎとすると、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動するのに要する時間は平均的には１／２Ｎｆ_ｓｉｇとなる（図３（ｂ））。本実施形態１においては、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動する間（平均的には１／２Ｎｆ_ｓｉｇの時間）に光遮光素子１０５が第１および第２レーザ光のいずれを通過（または遮光）するかを少なくとも１回以上切り替えることとした。言い換えると、少なくとも２Ｎｆ_ｓｉｇ以上の周波数で第１および第２レーザ光を交互に遮光することとした。これにより、例えば図３（ｃ）に示すように、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する時間の間に第１および第２測定光を測定対象に照射することができるので、第１および第２測定光それぞれについてＮピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることができる。

第１および第２測定光をサンプル１１０に対して照射するタイミングは、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する間に、第１および第２測定光がそれぞれ少なくとも１回ずつサンプル１１０に対して照射されれば、どのようなタイミングでもよい。図３（ｃ）に示すように対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する間に第１および第２測定光を１回ずつ照射する場合、図３（ｄ）に示すように２回ずつ照射する場合、などあらゆるパターンが考えられる。

一方で、第１および第２レーザ光を交互に遮光する周波数を大きくしすぎると、光遮光素子１０５や光検出器１２３、１２４、１３７、１３８が高い性能（高速性）を有していることが必要になるので、コストの増大を招く。したがって、第１および第２レーザ光を交互に遮光する周波数は必要以上に大きくせず、例えば約２Ｎｆ_ｓｉｇ以上から約４Ｎｆ_ｓｉｇ以下程度の範囲に設定するのが好ましい。

＜実施の形態１：光学系の動作原理＞
以下では本実施形態１に係る光画像計測装置の動作原理および効果について数式を用いて詳細に説明する。測定対象のジョーンズ行列、第１および第２測定光のジョーンズベクトルをそれぞれ下記式１〜式３によって表す。

偏光ビームスプリッタ１１４を透過した後の第１および第２信号光のジョーンズベクトルは、それぞれ下記式４と式５によって表すことができる。

第１および第２参照光のジョーンズベクトルを下記式６と式７によって表すと、第１〜第４合成光のジョーンズベクトルはそれぞれ下記式８〜式１１によって与えられる。

第１干渉光学系１２２に入射した第１合成光について考えると、偏光ビームスプリッタ１１４を透過し、さらにλ／２板１１６を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは下記式１２で表される。

式１２で示される合成光は、ウォラストンプリズム１１８によって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１２３によって差動検出される。したがって第１合成光に対応する信号１２５は、下記式１３で表される。θ_ｐｐはｒ_ｐｐの位相、φはＥ_ｐｒｏｂとＥ_ｒｅｆの位相差である。簡単のため検出器１２３の変換効率は１とした。

一方、偏光ビームスプリッタ１１４で反射され、さらにλ／４板１１９を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは、下記式１４で表される。

式１４で示される合成光は、ウォラストンプリズム１２１によって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１２４によって差動検出される。したがって第１合成光に対応する信号１２６は、下記式１５で表される。

同様にして、第２〜４合成光に対応する差動検出信号を導くと、それぞれ下記式１６〜式２１のように表される。

画像生成部１４１は、式１３、式１５、および式１６〜式２１で表される合計８つの作動検出信号に対して、下記式２２で表される演算を実施することにより、サンプル１１０のジョーンズ行列に比例した信号を導く。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る光画像計測装置は、パッシブ光学素子であるビームディスプレイサ１０４を用いて偏光状態の異なる第１および第２測定光を生成し、光遮光素子１０５（照射時刻制御部）を用いてこれら測定光を交互に照射する。これにより、大型で高価な偏光変調素子を用いることなく、従来よりも少ない（１回の）走査によりサンプル１１０のジョーンズ行列を求めることができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。図１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。本実施形態２に係る光画像計測装置は、２つの異なる光源を用いている点が実施形態１とは異なる。さらに同一の干渉光学系を用いて各測定光を検出する点が実施形態１とは異なる。その他は概ね実施形態１と同様であるので、以下では差異点を中心に説明する。

第１光源４０１から出射されたＰ偏光状態の第１レーザ光は、コリメートレンズ４０２によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。第２光源４０４から出射されたＰ偏光状態の第２レーザ光は、コリメートレンズ４０５によって平行光に変換され、光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／２板４０６によってＳ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。第１および第のレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４０３によって合波された後、ハーフビームスプリッタ１０７に入射する。偏光ビームスプリッタ４０３はパッシブ光学素子である。

発光時刻制御部４０７は、第１光源４０１と第２光源４０４が周期的に交互に発光するように制御する。具体的には、実施形態１における光遮光素子１０５による遮光時刻と同様に、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセルに相当する距離分だけ移動する間（平均的には１／２Ｎｆ_ｓｉｇの時間）に第１光源４０１と第２光源４０４のいずれが発光するかを少なくとも１回以上切り替えることとした。言い換えると、少なくとも２Ｎｆ_ｓｉｇ以上の周波数で第１，第２の光源を交互に発光することとした。これにより、例えば図３（ｃ）に示すように、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する時間の間に第１および第２測定光を測定対象に照射することができる。したがって第１および第２測定光それぞれについて、Ｎピクセルの画像を生成するのに十分な信号をサンプリングすることができる。また、２つの光源を設けてそれぞれの光源の発光タイミングを制御することにより、実施形態１のように光遮光素子１０５を用いる場合に比べて、より簡素な構成で高速に第１および第２測定光の照射タイミングを制御することができる。

図５は、第１および第２測定光をサンプル１１０に対して照射するタイミングの例を示す図である。照射タイミングは、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する間に、第１および第２測定光がそれぞれ少なくとも１回ずつサンプル１１０に対して照射されれば、どのようなタイミングでもよい。一例として図５（ａ）に示すように、対物レンズ１０８の焦点位置が１ピクセル分移動する間に第１および第２測定光を１回ずつ照射することができる。測定光の波形は図５（ａ）に示すような矩形波に限らず、例えば図５（ｂ）に示すような正弦波の上端部を切り取ったような波形でも良い。このような波形は、例えば光源としてレーザダイオードを用い、発光閾値電流を中心にした正弦波電流でレーザダイオードを駆動することにより得られる。この場合には、図中に矢印で示したように測定光のパワーがもっとも大きいタイミングで信号をサンプリングすることが好ましい。その他の例として、図５（ｃ）（ｄ）に示すように、第１および第２測定光が照射される時間が互いに重複するように照射することもできる。この場合には、図中に矢印で示したように、どちらか一方の測定光が照射されていないタイミング（あるいは照射パワーが十分に小さいタイミング）で信号をサンプリングすることが望ましい。

第１光源４０１と第２光源４０４を交互に発光する周波数を大きくしすぎると、これら光源、発光時刻制御部４０７、および光検出器１２３、１２４、１３７、１３８が高い性能（高速性）を有することが必要になるので、コストの増大を招く。したがって、第１光源４０１と第２光源４０４を交互に発光する周波数は必要以上に大きくせず、約２Ｎｆ_ｓｉｇ以上から約４Ｎｆ_ｓｉｇ以下程度の範囲に設定するのが好ましい。典型的な値であるｆ_ｓｉｇ＝１００Ｈｚ、Ｎ＝１０００の場合には、各光源を交互に発光するのに好ましい周波数範囲は２００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚであり、これは一般的なレーザドライバーで十分に対応可能な周波数である。

第１および第２レーザ光がハーフビームスプリッタ１０７に入射してから、第１〜４合成光が生成されるまでは、実施形態１と同じである。したがってこれら過程についての説明は省略する。

第１合成光は、干渉光学系４０９に対して図中の矢印αの方向から入射し、実施形態１と同様に４つの干渉光に変換される。電流差動型の光検出器１２３ａと１２４ａはこれら干渉光を検出し、信号１２６ａと１２６ｂを生成する。第２合成光はミラー１２８と４０８によって干渉光学系４０９に対して図中の矢印βの方向から入射し、４つの干渉光に変換される。電流差動型の光検出器１２３ｂと１２４ｂはこれら干渉光を検出し、信号１２６ａと１２６ｂを生成する。

図６は、図４に示した直線ＩＶにおける干渉光学系４０９の断面図である。干渉光学系４０９に対する第１合成光の入射角度と第２合成光の入射角度は、紙面に垂直な方向に相対的に傾いている。第１合成光（実線）と第２合成光（破線）の角度を相対的に傾けているので、同一の干渉光学系４０９により第１および第２合成光からそれぞれ４つの干渉光を生成しつつ、これらの干渉光を異なる検出器により検出することができる。したがって干渉光学系を２つ設ける必要がなくなり、光画像計測装置を小型化・低コスト化することができる。

第３および第４合成光は、第１および第２合成光と同様に、干渉光学系４０９によってそれぞれが４つの干渉光に変換され、検出される。検出器が出力する信号１２５ａ、１２５ｂ、１２６ａ、１２６ｂを処理する方法は、実施形態１における信号１２５、１２６、１３９、１４０を処理する方法と同一である。

＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施形態３に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。図１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。本実施形態３に係る光画像計測装置は、タイムドメインＯＣＴとして構成されている。本実施形態３においては、第１光源４０１と第２光源４０４から出射される光が広帯域光である点、および参照光の光路長を調整する手段を有している点において、実施形態２と異なる。その他の構成は概ね実施形態２と同様なので、以下では差異点を中心に説明する。

第１光源４０１と第２光源４０４から出射された第１および第２広帯域光は、実施形態２と同様にハーフビームスプリッタ１０７に入射し、第１および第２測定光と、第１および第２参照光が生成される。第１および第２測定光は、サンプル１１０によって反射された後、第１および第２信号光となって偏光ビームスプリッタ１１４に導かれる。第１および第２参照光は、直角プリズムミラー７０１を反射した後、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／２板１１３によって偏光状態をそれぞれ４５度直線偏光と−４５度直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１４へ導かれる。直角プリズムミラー７０１はステージ７０２の上に設置されており、ステージ７０２を光軸方向に動かすことにより、第１および第２参照光の光路長を調整することができる。

このような構成においては、信号光に含まれる参照光と光路長が一致する反射光成分だけが選択的に参照光と干渉するという広帯域光の性質を利用することにより、光軸方向の高い空間分解能を達成することができる。このような原理を用いているので、深さ方向の測定位置の調整は、ステージ７０２によって参照光の光路長を変化させることによって実現される。光軸方向の空間分解能は広帯域光のコヒーレンス長によってのみ決まり、典型的には１０μｍ程度である。すなわち本実施形態２においては、光軸方向の分解能が対物レンズ１０８の開口数に依存しないので、実施形態１〜２とは異なり、光軸方向の分解能を高くするために高ＮＡの対物レンズ１０８を用いる必要がない。したがって、ワーキングディスタンスの長い対物レンズ１０８を用いることができ、測定の簡便性を向上させることができる。

＜実施の形態４＞
図８は、本発明の実施形態４に係る光画像計測装置の構成例を示す模式図である。図１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。本実施形態４に係る光画像計測装置は、共焦点顕微鏡として構成されている。

第１光源４０１から出射されたＰ偏光状態の第１レーザ光は、コリメートレンズ４０２によって平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。第２光源４０４から出射されたＰ偏光状態の第２レーザ光は、コリメートレンズ４０５によって平行光に変換され、光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／２板４０６によってＳ偏光状態に変換された後、偏光ビームスプリッタ４０３に入射する。第１および第２レーザ光は、偏光ビームスプリッタ４０３によって合波された後、結晶軸方向を回転調整可能なλ／２板８０１とλ／４板８０２によって偏光状態を調整された後にハーフビームスプリッタ１０７に入射する。ハーフビームスプリッタ１０７を反射した第１および第２レーザ光は、走査光学系８０３を通った後、第１および第２測定光として対物レンズ１０８によってサンプル１１０に集光して照射される。サンプル１１０に対する第１および第２測定光の照射位置は、走査光学系８０３によって光軸の傾きを制御することにより、２次元的に走査される。走査光学系８０３としては、例えば２枚のガルバノミラーなどを用いることができる。

第１および第２測定光がサンプル１１０によって反射されることにより得られる第１および第２信号光は、対物レンズ１０８、走査光学系８０３、ハーフビームスプリッタ１０７を通り、結晶軸方向が調整可能なλ／２板８０４とλ／４板８０５によって偏光状態を調整された後、偏光ビームスプリッタ８０６によってＰ偏光成分とＳ偏光成分とに偏光分離される。

第１および第２信号光のＰ偏光成分は集光レンズ８０７によって集光され、集光レンズ８０７の焦点位置に配置されたピンホール８０９を透過した成分が検出器８１１によって検出され、検出信号８１３が生成される。同様に、第１および第２信号光のＳ偏光成分は集光レンズ８０８によって集光され、集光レンズ８０８の焦点位置に配置されたピンホール８１０を透過した成分が検出器８１２によって検出され、検出信号８１４が生成される。画像生成部１４１は、検出信号８１３と８１４に基づいて、サンプル１１０の反射率や複屈折情報を反映した画像を生成し、画像表示部１４２上に表示する。

本実施形態４においては、例えば合計で４回の測定（それぞれの測定を第１測定〜第４測定と称する）を実施することにより、測定対象のジョーンズ行列を取得することができる。以下では、本実施形態４の動作原理と効果について数式を用いて詳細に説明する。
λ／２板８０１に入射する前の第１および第２レーザ光のジョーンズベクトルを下記式２３と式２４で表すこととする。

第１測定においては、λ／２板８０１の結晶軸方向の角度は０度、λ／４板８０２の結晶軸方向の角度は２２．５度、λ／２板８０４の結晶軸方向の角度は０度、λ／４板８０５の角度は０度に設定されている。このとき、サンプル１１０に照射される第１および第２測定光のジョーンズベクトルはそれぞれ下記式２５と式２６で表される。第１測定光は４５度直線偏光、第２測定光は−４５度直線偏光となる。

式２５と２６で表される第１および第２測定光がサンプル１１０から反射されることにより得られる第１および第２信号光が、λ／４板８０５を透過した後のジョーンズベクトルは、下記式２７と２８で表される。ただし偏光状態および振幅に無関係な位相因子は省略した。

第１測定によって得られる、第１および第２信号光のＰ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（１） _１，ｐとＤ^（１） _２，ｐ、第１および第２信号光のＳ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（１） _１，ｓとＤ^（１） _２，ｓ、のように表すと、これらは下記式２９〜式３２で表される。

第２測定においては、λ／２板８０１の結晶軸方向の角度は０度、λ／４板８０２の結晶軸方向の角度は４５度、λ／２板８０４の結晶軸方向の角度は０度に設定されている。このとき、サンプル１１０に照射される第１および第２測定光のジョーンズベクトルはそれぞれ下記式３３と３４で表される。第１測定光は右回り円偏光、第２測定光は左回り円偏光となる。

式２５と２６で表される第１および第２測定光がサンプル１１０によって反射されることにより得られる第１および第２信号光が、λ／４板８０５を透過した後のジョーンズベクトルは、下記式３５と３６で表される。ただし偏光状態に無関係な因子は省略した。

第２測定によって得られる、第１および第２信号光のＰ偏光成分に対応する検出信号８１３を、それぞれＤ^（２） _１，ｐとＤ^（２） _２，ｐ、第１および第２信号光のＳ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（２） _１，ｓとＤ^（２） _２，ｓ、のように表すと、これらは下記式３７〜式４０で表される。

第３測定においては、λ／２板８０１の結晶軸方向の角度は０度、λ／４板８０２の結晶軸方向の角度は０度、λ／２板８０４の結晶軸方向の角度は２２．５度に設定されている。このとき、サンプル１１０に照射される第１および第２測定光のジョーンズベクトルはそれぞれ下記式４１と４２で表される。第１測定光はＰ偏光、第２測定光はＳ偏光となる。

式４１と４２で表される第１および第２測定光がサンプル１１０によって反射されることにより得られる第１および第２信号光が、λ／２板８０４を透過した後のジョーンズベクトルは、下記式４３と４４で表される。ただし偏光状態に無関係な因子は省略した。

第３測定によって得られる、第１および第２信号光のＰ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（３） _１，ｐとＤ^（３） _２，ｐ、第１および第２信号光のＳ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（３） _１，ｓとＤ^（３） _２，ｓ、のように表すと、これらは下記式４５〜式４８で表される。

第４測定においては、λ／２板８０１の結晶軸方向の角度は０度、λ／４板８０２の結晶軸方向の角度は０度、λ／２板８０４の結晶軸方向の角度は２２．５度に設定されている。このとき、サンプル１１０に照射される第１および第２測定光のジョーンズベクトルはそれぞれ下記式４９と５０で表される。第１測定光はＰ偏光、第２測定光はＳ偏光となる。

式４１と４２で表される第１および第２測定光がサンプル１１０によって反射されることにより得られる第１および第２信号光が、λ／２板８０４を透過した後のジョーンズベクトルは、下記式５１と５２で表される。ただし偏光状態に無関係な因子は省略した。

第４測定によって得られる、第１および第２信号光のＰ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（４） _１，ｐとＤ^（４） _２，ｐ、第１および第２信号光のＳ偏光成分に対応する検出信号８１３をそれぞれＤ^（４） _１，ｓとＤ^（４） _２，ｓ、のように表すと、これらは下記式５３〜式５６で表される。

画像生成部１４１は、実施形態１と同様に式２９〜３２、式３７〜４０、式４５〜４８、式５３〜５６で表される合計１６個の信号に対して演算処理を施すことにより、サンプル１１０のジョーンズ行列を導く。

本実施形態４によれば、実施形態１〜３とは異なり光の干渉を用いていないので、干渉信号を得るための信号光と参照光との光軸調整や光路長調整を実施することなく、サンプル１１０のジョーンズ行列を得ることができる。

＜本発明の変形例について＞
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。

１０１：光源
１０２：コリメートレンズ
１０３，１１３，１１６，１３０：λ／２板
１０４，１０６：ビームディスプレイサ
１０５：光遮光素子
１０７，１１５，１２９：ハーフビームスプリッタ
１０８：対物レンズ
１０９：対物レンズアクチュエータ
１１０：サンプル
１１１，１１２，１２８：ミラー
１１４：偏光ビームスプリッタ
１１９，１３３：λ／４板
１１７，１２０，１３１，１３４：集光レンズ
１１８，１２１，１３２，１３５：ウォラストンプリズム
１２２：第１干渉光学系
１２３，１２４，１３７，１３８：電流差動型の光検出器
１３６：第２干渉光学系
１４１：画像生成部
１４２：画像表示部

Claims (11)

1. 光を出射する光源、
   前記光源が出射する光を用いて第１偏光状態の第１測定光と第２偏光状態の第２測定光を照射する光照射部、
   前記第１測定光を測定対象に対して照射する時刻を第１時刻に調整するとともに、前記第２測定光を前記測定対象に対して照射する時刻を前記第１時刻とは異なる第２時刻に調整する、照射時刻制御部、
   前記第１および第２測定光が前記測定対象によって反射もしくは散乱されることにより得られる第１および第２信号光を検出して電気信号として出力する光検出部、
   を備え、
   前記光照射部は、前記第１偏光状態とは異なる前記第２偏光状態の光を生成するパッシブ光学素子を用いて、前記第２測定光を生成し、
   前記光源は、第１および第２光源を備え、
   前記光照射部は、前記第１光源が出射する光を前記第１測定光として前記測定対象に対して照射するとともに、前記第２光源が出射する光を前記第２測定光として前記測定対象に対して照射し、
   前記照射時刻制御部は、前記第１光源が光を出射する時刻と前記第２光源が光を出射する時刻を制御することにより、前記第１および第２時刻を調整する
   ことを特徴とする光画像計測装置。
2. 前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光を第３偏光状態の成分と第４偏光状態の成分に分離するとともに前記第２信号光を前記第３偏光状態の成分と前記第４偏光状態の成分に分離する偏光分離器を備え、
   前記光検出部は、前記第１信号光の前記第３および第４偏光状態の成分をそれぞれ検出するとともに、前記第２信号光の前記第３および第４偏光状態の成分をそれぞれ検出する ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
3. 前記光画像計測装置はさらに、前記光源が出射する光を分岐して前記第１および第２測定光を生成するとともに第１および第２参照光を生成する光分岐部を備え、
   前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光を前記第１参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成するとともに、前記第２信号光を前記第２参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成する、干渉光学系を備え、
   前記光検出部は、前記干渉光を検出して電気信号として出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
4. 前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光を第３偏光状態の成分と第４偏光状態の成分に分離するとともに前記第２信号光を前記第３偏光状態の成分と前記第４偏光状態の成分に分離する偏光分離器を備え、
   前記光画像計測装置はさらに、前記光源が出射する光を分岐して前記第１および第２測定光を生成するとともに第１および第２参照光を生成する光分岐部を備え、
   前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光の前記第３偏光状態の成分を前記第１参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成するとともに、前記第２信号光の前記第３偏光状態の成分を前記第２参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成する、第１干渉光学系を備え、
   前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光の前記第４偏光状態の成分を前記第１参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成するとともに、前記第２信号光の前記第４偏光状態の成分を前記第２参照光と合波することにより互いに位相関係が異なる３つ以上の干渉光を生成する、第２干渉光学系を備え、
   前記光検出部は、前記干渉光を検出して電気信号として出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
5. 前記光画像計測装置はさらに、前記第１信号光を前記第１参照光と合波することにより第１および第２合成光を生成するとともに、前記第２信号光を前記第２参照光と合波することにより第３および第４合成光を生成する、偏光分離器を備え、
   前記干渉光学系は、前記第１合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度と前記第２合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度が互いに異なるように構成されているとともに、前記第３合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度と前記第４合成光が前記干渉光学系に対して入射する角度が互いに異なるように構成されている
   ことを特徴とする請求項３記載の光画像計測装置。
6. 前記光照射部は、前記第１および第２測定光を特定方向に繰り返し走査し、
   前記照射時刻制御部は、前記測定対象の画像の前記特定方向におけるピクセル数をＮとするとき、前記光照射部が前記第１および第２測定光を走査する周波数のＮ倍以上の周波数で、前記測定対象に対して前記第１測定光を照射する動作と前記測定対象に対して前記第２測定光を照射する動作が切り替わるように、前記第１および第２時刻を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
7. 前記光照射部は、前記第１および第２測定光を特定方向に繰り返し走査し、
   前記照射時刻制御部は、前記測定対象の画像の前記特定方向におけるピクセル数をＮとするとき、前記光照射部が前記第１および第２測定光を走査する周波数の約Ｎ倍以上かつ約２Ｎ倍以下の周波数で、前記測定対象に対して前記第１測定光を照射する動作と前記測定対象に対して前記第２測定光を照射する動作が切り替わるように、前記第１および第２時刻を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
8. 前記第１測定光の偏光状態と前記第２測定光の偏光状態は、互いに直交している
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
9. 前記光照射部は、前記第１測定光が伝搬する第１光路と、前記第２測定光が伝搬し前記第１光路とは異なる第２光路と、を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
10. 前記光検出部は、前記第１時刻において前記第１信号光を検出し、前記第２時刻において前記第２信号光を検出する
    ことを特徴とする請求項１記載の光画像計測装置。
11. 光源が光を出射するステップ、
    前記光源が出射する光を用いて第１偏光状態の第１測定光と第２偏光状態の第２測定光を照射する光照射ステップ、
    前記第１測定光を測定対象に対して照射する時刻を第１時刻に調整するとともに、前記第２測定光を前記測定対象に対して照射する時刻を前記第１時刻とは異なる第２時刻に調整する、照射時刻制御ステップ、
    前記第１および第２測定光が前記測定対象によって反射もしくは散乱されることにより得られる第１および第２信号光を検出して電気信号として出力する光検出ステップ、
    を有し、
    前記光照射ステップにおいては、前記第１偏光状態とは異なる前記第２偏光状態の光を生成するパッシブ光学素子を用いて、前記第２測定光を生成し、
    前記光源は、第１および第２光源を備え、
    前記光照射ステップにおいては、前記第１光源が出射する光を前記第１測定光として前記測定対象に対して照射するとともに、前記第２光源が出射する光を前記第２測定光として前記測定対象に対して照射し、
    前記照射時刻制御ステップにおいては、前記第１光源が光を出射する時刻と前記第２光源が光を出射する時刻を制御することにより、前記第１および第２時刻を調整する
    ことを特徴とする光画像計測方法。

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