JP3628615B2 - ヘテロダインビート画像同期測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロダインビート信号にランダムな位相揺らぎが存在しても、ヘテロダインビート画像が安定に測定できるヘテロダインビート画像同期測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
図４はかかる従来のヘテロダインビート画像測定システムの模式図、図５はその検出原理の説明図である。
【０００４】
図４には、反射型マッハ・ツェンダ型干渉計をベースとした実験光学系が示されており、低コヒーレンス光源として波長λ＝８１３ｎｍ、波長幅Δλ＝１６ｎｍのスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた。入射光はレンズＬ１を通り、ビームスプリッタ（ＢＳ１）にて信号光と参照光に２分される。信号光と参照光は２つの音響光学素子（ＡＯＭ）にて７９．９ＭＨｚと７９．９６ＭＨｚにそれぞれ周波数シフトされ、（Δｆ＝４０ｋＨｚ）のビート周波数を得る。被検体から後方散乱した信号光はＢＳ２において参照光と再び合波され、２倍の倍率に拡大するレンズペアＬ２，Ｌ３を通してＣＣＤカメラに撮像する。
【０００５】
電荷蓄積型センサであるＣＣＤアレイを光ヘテロダイン検波に応用するため、光ヘテロダイン検出法に新たに周波数同期法を導入した。図４の干渉計において、両ＡＯＭをビート周波数Δｆに等しい周波数の方形波で駆動して、信号光と参照光をともに周波数Δｆのパルス列にする。図５に示すように、ＣＣＤの検出面において光干渉信号の時間波形は、Δｆでサンプリングされている。ＣＣＤ素子の低い応答特性（〜３０Ｈｚ）により、各素子は低周波通過フィルタとして機能し、高い周波数をもつヘテロダイン信号に対応する電荷量を観測時間内で蓄積して出力する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
２次元の断層画像測定のために結像干渉光学系を用いる場合、従来のＡＯＭなどはビーム系が細いために不適切であり、ピエゾ付きハーフミラーなどによる位相変調か、電気光学効果による非線型結晶を用いた位相変調になる。
【０００７】
後者の場合、ビーム幅を考慮すると数ミリになり、高い電圧が必要になり、十分高い周波数特性を有する高電圧電源は容易ではない。
【０００８】
また、これより、ヘテロダインビート信号は高次高調波を含む。また、参照波と信号波との位相揺らぎは温度などの環境の揺らぎによって容易に発生する。これらのことは実用化に対して重要な問題である。
【０００９】
このように、上記した従来の周波数同期法は、ヘテロダインビート信号に高次高調波が含まれるときには、対応できない。
【００１０】
また、ヘテロダインビート信号に位相揺らぎがランダムに含まれるときに対応できないといった問題があった。
【００１１】
本発明は、上記状況に鑑みて、ヘテロダインビート信号に含まれる高次高調波をも考慮に入れて検討を行い、ヘテロダインビート信号に、ランダムな位相揺らぎが存在しても、安定にヘテロダインビート画像が測定できるヘテロダインビート画像同期測定装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ヘテロダインビート画像同期測定装置において、光強度が制御できる光源と、この光源のドライバーと、前記光源からの光を信号光と参照光に２分するビームスプリッタと、前記参照光の位相を変調する位相変調器と、この位相変調器のドライバーと、前記信号光をサンプルに照射してこのサンプルからの信号光と、変調された参照光とを前記ビームスプリッタで合波し、干渉画像を面上に結像する撮像装置と、この撮像装置のコントローラと、画像処理とシステム全体の制御を行うコンピュータとを備え、前記位相変調器のドライバーからの変調信号〔図２（ｅ）〕に同期して、前記光源のドライバーによる照射信号〔図２（ｄ）〕により前記光源は断続的にスイッチングされ、最初の照射信号〔図２（ｄ）〕の最初のパルスの中心は、変調信号〔図２（ｅ）〕より周期／４だけ遅れており、パルス幅はほぼ周期／４であり、第１照射により画像Ｉ ₀ が得られ、第２照射により画像Ｉ ₁ が得られ、第３照射により画像Ｉ ₂ が得られ、前記コンピュータによって、下記の式に従って演算処理することにより、前記撮像装置の画素上でのヘテロダインビート信号に含まれる高次高調波を考慮するとともに、信号光強度Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、ランダムな位相揺らぎが存在しても安定にヘテロダインビート画像を測定することを特徴とする。
【００１３】
Ｉ _S ＝（１／４Ｉ _r ）｛（Ｓ ₁ ／Ａ） ² ＋（Ｓ ₂ ／Ｂ） ² ｝
ここで、Ｉ _r は参照光強度、Ｓ ₁ はＩ ₀ −Ｉ ₁ 、Ｓ ₂ はＩ ₀ ＋Ｉ ₂ −２Ｉ ₁ 、Ａ，Ｂは定数である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
まず、本発明のヘテロダインビート画像同期測定方法〔ＩＬＭ（Ｉｍａｇｅ Ｌｏｃｋ−ｉｎ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）〕の原理について説明する。
【００１６】
干渉結像光学系において、１画素は通常のヘテロダインビート信号と同じ式、Ｉ_HB（ｔ）＝Ｉ_r ＋Ｉ_S ＋２√（Ｉ_r ・Ｉ_S ）×ｃｏｓ〔φ（ｔ）＋δ〕 …（１）
で表わされる。
【００１７】
ここで、Ｉｒ：参照光強度、Ｉｓ：信号光強度、φ（ｔ）：位相変調成分、δ：位相揺らぎ成分である。
【００１８】
ここでの最終目的は、信号強度Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求めること、つまり、δを用いないでＩ_S を表わすことである。標準的な正弦波の位相変調を仮定して、ベッセル関数を用いると
【００１９】
【数１】

のようになる。さらに、３つのタイミングで照射した画像、つまり、３つの時間領域で時間積分した画像を、Ｉ₀ 、Ｉ₁ 、Ｉ₂ とする。すなわち、
Ｉ_HB（ｔ）に対して以下の３つの時間領域で積分したものをＩ₀ ，Ｉ₁ ，Ｉ₂ とする。
【００２０】
Ｉ： ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝０）
II： ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝１）
III ：ｔ₀ ＋ＮＴ／４−τ／２≦ｔ≦ｔ₀ ＋ＮＴ／４＋τ／２ （Ｎ＝２）
…（３）
変調信号に対する全体の時間遅延ｔ₀ で、それぞれの時間遅延は、０、周期／４、周期／２であり、積分時間はτである。その結果、画像信号Ｉ₀ ，Ｉ₁ ，Ｉ₂ はそれぞれ、
【００２１】
【数２】

【００２２】
【数３】

【００２３】
【数４】

になる。ここで、
【００２４】
【数５】

【００２５】
【数６】

のようにＳ₁ 、Ｓ₂ を求める。
【００２６】
ここで、ｔ₀ については、ｔ₀ ＝Ｔ／４が１つのよい条件である。
【００２７】
そこで、ｔ ₀ ＝Ｔ／４が望ましい理由について、以下説明する。
【００２８】
まず、第１に、δによらずＩ_S が求められる条件としてＳ₂ のｓｉｎδの項（第２番目の項）が０になる必要がある。つまり、ｃｏｓ（２ｎ＋１）ωｔ₀ ＝０である。
【００２９】
このとき、
（２ｎ＋１）ωｔ₀ ＝（２ｎ＋１）２πｔ₀ ／Ｔ＝（ｎ′＋１／２）π
（全てのｎに対してｎ′が対応すればよい）

ｔ₀ がｎにならず、ある一定値になるには、ｎ＝ｎ′であり、
∴ｔ₀ ＝Ｔ／４
となればよい。
【００３０】
このように、変調信号に対する全体の時間遅延ｔ₀ は、周期／４が好ましいことが解析的に得られる。
【００３１】
更に、ｔ ₀ ＝Ｔ／４であれば、第２に、上記Ｓ ₂ 式において、δによらずＩ _S が求められる条件としてＳ ₂ のｃｏｓδの項（第１番目の項）も０にすることができる。
【００３２】
以下、その点にＩついて説明する。
【００３３】
また、τについても周期／４にすると値が安定することが、図３に示すように、数値計算より明らかとなる。
【００３４】
なお、図３（Ａ）において
τ＝ａＴ、ｓｉｎ２ｎπ（τ／Ｔ）＝ｓｉｎ２ｎπａ
ｎ＝１，２，３，４，…
であり、ｎが偶数のときはｓｉｎ２ｎπａ＝０、奇数のときはｓｉｎ２ｎπａ≠０である。
【００３５】
このように、周期／４にすると、ｓｉｎ２ｎπａ＝０を得ることができ、上記Ｓ ₂ 式において、δによらずＩ _S が求められる条件としてＳ ₂ のｃｏｓδの項（第１番目の項）も０にすることができる。
【００３６】
また、図３（Ｂ）において、
τ＝ａＴ、ｓｉｎ（２ｎ＋１）π（τ／Ｔ）
ｎ＝１，２，３，４，…，に対して、
ｓｉｎ（２ｎ＋１）π（τ／Ｔ）＝ｓｉｎ（２ｎ＋１）πａ≠０
以上より、ａ＝０．２５又は０．７５〔τ＝（Ｔ／４）又は（３Ｔ／４）〕のとき値は０とならずに安定に求まる。
【００３７】
これより、Ｓ₁ ，Ｓ₂ は、
【００３８】
【数７】

【００３９】
【数８】

になる。この時、
Ｉ_A ² ＝（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ＝４Ｉ_r Ｉ_S …（７）
より、求めるＩ_S は、
∴Ｉ_S ＝（１／４Ｉ_r ）｛（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ｝ …（８）
のように求められる。Ｉ_S は、高次高調波を含んだ解析にも関らずδを含んでいないので、位相揺らぎに対して安定であることがわかる。
【００４０】
次に、本発明の測定システムについて説明する。
【００４１】
図１は本発明のヘテロダインビート画像同期測定システムの構成図である。
【００４２】
この図に示されるように、断続的なＯＮ、ＯＦＦが出来る光源１、そのドライバー２、サンプル４からの干渉画像を撮像デバイス（ＣＣＤカメラ）７面上に結像する結像干渉光学系３、参照光の位相変調器５、その位相変調器５のドライバー６、撮像デバイス７のコントローラ８、画像処理とシステム全体制御を行うコンピュータ９で構成される。
【００４３】
図２は本発明にかかるヘテロダインビート画像同期測定タイミングチャートである。つまり、図２（ａ）は全体のシーケンスを示しており、Ｎ周期の画像データは蓄積・表示・クリアを繰り返す。図２（ｂ）はそのシーケンスのエレメントの拡大図、図２（ｃ）はシーケンス図であり、Ｅｘｐは照射、Ｓは画像データセーブ、Ｃａｌは演算を示している。図２（ｄ）は照射信号のタイミングチャート、図２（ｅ）は変調信号の波形図、図２（ｆ）はヘテロダインビート信号の波形図である。
【００４４】
このヘテロダインビート信号の計測には、浜松ホトニクスＣ−４８８０−８０を用い、ビニング（２×２）３２８（Ｈ）×２４７（Ｖ）、フレームレート５３Ｈｚ（１９ｍｓ）、Ｔ／４＝４．７５ｍｓ、変調周波数５３Ｈｚ、１フレーム／ｓｅｃとすると５３回の積算である。
【００４５】
変調信号〔図２（ｅ）〕に同期して、照射信号〔図２（ｄ）〕により光源は断続的にスイッチングされる。最初の照射信号〔図２（ｄ）〕の最初のパルスの中心は、変調信号〔図２（ｅ）〕より周期／４だけ遅れており、パルス幅はほぼ周期／４である。Ｅｘｐ１により画像Ｉ₀ が得られセーブ（Ｓ１）、Ｅｘｐ２により画像Ｉ₁ が得られセーブ（Ｓ２）、Ｅｘｐ３により画像Ｉ₂ が得られ、式（８）に従って演算処理され、セーブ（Ｓ３）される。この一連の処理を１周期（Ｐ１）とする。以後、Ｓ３によって得られた画像をＮ回積算して最終画像とする。つまり、Ｎ回積算・表示・クリア・Ｎ回積算・表示・クリアを繰り返す。最終的にＮ回積算を行った画像を断層画像として出力する。
【００４６】
上記したように、
位相揺らぎ抑制方法としては、
〔方法１〕
もし、Ａ（φ_o ，τ＝Ｔ／４）＝Ｂ（φ_o ，τ＝Ｔ／４）を満たすφ_o が求まれば、

∴Ｉ_S ＝Ｉ_C ² ／８Ａ² Ｉ_r
として、Ｉ_S が求まる。
〔方法２〕
Ｉ_A ² ＝（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ＝４Ｉ_r Ｉ_S …（７）
∴Ｉ_S ＝（１／４Ｉ_r ）｛（Ｓ₁ ／Ａ）² ＋（Ｓ₂ ／Ｂ）² ｝ …（８）
として、Ｉ_S が求められる。これが１画素でのサンプルからの後方散乱光強度であり、この処理を全ての画素に対して行うことにより画像データが得られる。
【００４７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、高次高調波を考慮した上で、画像全体に有効な位相揺らぎを抑制する方法を講じたために、大変有効である。
【００４９】
したがって、実時間表示の生体用鉛直断面画像測定装置が実現され、基礎医学から臨床医学の分野にわたって、いままでわからなかった様々なことが解明可能である。よって、医学分野、さらに、半導体や他の産業分野への波及効果は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘテロダインビート画像同期測定システムの構成図である。
【図２】本発明にかかるヘテロダインビート画像同期測定タイミングチャートである。
【図３】変調信号に対する全体の時間遅延の数値結果を示す図である。
【図４】従来のヘテロダインビート画像測定システムの模式図である。
【図５】従来のへテロダインビート画像検出原理の説明図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ ドライバー
３ 結像干渉光学系
４ サンプル
５ 参照光の位相変調器
６ 位相変調器のドライバー
７ 撮像デバイス（ＣＣＤカメラ）
８ 撮像デバイスのコントローラ
９ 画像処理とシステム全体制御を行うコンピュータ

Claims (1)

1. （ａ）光強度が制御できる光源と、
   （ｂ）該光源のドライバーと、
   （ｃ）前記光源からの光を信号光と参照光に２分するビームスプリッタと、
   （ｄ）前記参照光の位相を変調する位相変調器と、
   （ｅ）該位相変調器のドライバーと、
   （ｆ）前記信号光をサンプルに照射して該サンプルからの信号光と、変調された参照光とを前記ビームスプリッタで合波し、干渉画像を面上に結像する撮像装置と、
   （ｇ）該撮像装置のコントローラと、
   （ｈ）画像処理とシステム全体の制御を行うコンピュータとを備え、
   （ｉ）前記位相変調器のドライバーからの変調信号に同期して、前記光源のドライバーによる照射信号により前記光源は断続的にスイッチングされ、最初の照射信号の最初のパルスの中心は、変調信号より周期／４だけ遅れており、パルス幅はほぼ周期／４であり、第１照射により画像Ｉ ₀ が得られ、第２照射により画像Ｉ ₁ が得られ、第３照射により画像Ｉ ₂ が得られ、前記コンピュータによって、下記の式に従って演算処理することにより、前記撮像装置の画素上でのヘテロダインビート信号に含まれる高次高調波を考慮するとともに、信号光強度Ｉ_S を位相揺らぎ成分δに依存しないで求め、ランダムな位相揺らぎが存在しても安定にヘテロダインビート画像を測定することを特徴とするヘテロダインビート画像同期測定装置。
   Ｉ _S ＝（１／４Ｉ _r ）｛（Ｓ ₁ ／Ａ） ² ＋（Ｓ ₂ ／Ｂ） ² ｝
   ここで、Ｉ _r は参照光強度、Ｓ ₁ はＩ ₀ −Ｉ ₁ 、Ｓ ₂ はＩ ₀ ＋Ｉ ₂ −２Ｉ ₁ 、Ａ，Ｂは定数である。

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