专利名称：光图像计测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特别是向光散射媒质的被测定物体照射光束，并利用其反射光或透射光对被测定物体的表面形态和内部形态进行计测，且形成其图像的光图像计测装置。特别是涉及一种利用光外差检测法对被测定物体的表面形态和内部形态进行计测，并形成图像的光图像计测装置。
背景技术：
近年来，利用激光光源等形成被测定物体的表面和内部的图像的光图像计测技术集中了人们的注目。该光图像计测技术因为不具有像现有习知的X射线CT(computer tomography，断层扫瞄)那样对人体的有害性，所以其在医疗领域方面的应用开展特别受到期待。
作为光图像检测技术的代表性方法的一个例子，有一种低相干(coherence)干涉法(也称作光相干断层图像化法等)。该方法利用例如超辐射发光二极管(Super Luminescent Diode；SLD)这样的具有宽光谱(spectrum)宽度的宽频带光源的低干涉性，并可对来自被测定物体的反射光和透射光，以μm级的优良的距离分解能力进行检测(参照例如下述的非专利文献1)。
作为利用了该低相干干涉法的装置的一个例子，根据麦克逊(Michelson)干涉仪的现有习知的光图像计测装置的基本构成如图8所示。该光图像计测装置200的构成包括宽频带光源201、镜202、分光器203及光检测器204。被测定物体205由散射媒质形成。宽频带光源201发出的光束，由分光器203被分割为朝向镜202的参照光R和朝向被测定物体205的信号光S两部分。参照光R为利用分光器203的反射光，信号光S为分光器203的透射光。
这里，如图8所示，在信号光S的行进方向上设定为z轴，并将对信号光S的行进方向的直交面定义为x-y面。镜202可沿同图中的两侧箭形符号方向(z-扫描方向)进行位移。
参照光R在被反射到镜202上时，藉由该z-扫描而接受多谱勒(Doppler)频率位移。另一方面，信号光S在照射到被测定物体205上时，信号光S在其表面及内部层被反射。由于被测定物体为散射媒质，所以可认为信号光S的反射光为具有多重散射的杂乱相位的扩散波面。经由被测定物体205的信号光，和经由镜202并接受了频率位移的参照光R，利用分光器203进行重叠并生成干涉光。
在利用低相干干涉方法的图像计测中，只有信号光S和参照光R的光路长差在光源的μm级的相干长度(可干涉距离)以内，且与参照光R具有相位相关的信号光S的成分，才会与参照光R产生干涉。即，只是信号光S的相干信号光成分有选择地与参照光R相互进行干涉。根据该原理，藉由对镜202的位置进行z-扫描而使参照光R的光路长变化，可对被测定物体205的内部层的光反射轮廓(profile)进行测定。另外，也对向被测定物体205所照射的信号光S沿x-y面方向进行扫描。藉由进行这种z方向及x-y面方向的扫描，并利用光检测器204检测干涉光，且对作为其检测结果被输出的电气信号(外差信号)进行解析，而取得被测定物体205的2维断层图像(参照非专利文献1)。
另外，如设利用分光器203进行重叠的参照光R及信号光S的强度分别为Ir及Is，并设两光波间的频率差及相位差分别为fif及Δθ，则从光检测器输出如下式所示的外差信号(例如参照非专利文献2)。
i(t)∝Ir+Is+2IrIscos(2πfift+Δθ)---(1)]]>式(1)的右边第3项为交流电信号，其频率fif等于参照光R和信号光S的差拍(beat，拍)频率。外差信号的交流成分的频率fif被称作拍率等。而且，式(1)的右边第1项及第2项为外差信号的直流成分，并与干涉光的背景光的信号强度相对应。
但是，为了利用这种现有习知的低相干干涉法取得2维断层图像，需要藉由对被测定物体205扫描光束，从而依次检测来自被测定物体205的深度方向(z方向)及断层面方向(x-y面方向)的各部位的反射光波。因此，为了计测被测定物体205而需要较长的时间，而且考虑其计测原理可发现，难以谋求计测时间的缩短。
鉴于这些问题，研究了一种用于缩短计测时间的光图像计测装置。图9所示为这种装置的一个例子的基本构成。同图所示的光图像计测装置300的构成包括宽频带光源301、镜302、分光器303、作为光检测器的2维光传感器数组304及透镜306，307。从光源301所射出的光束，由透镜306、307而形成平行光束，且将其波束径扩大，并利用分光器303而将其分为参照光R和信号光S两部分。参照光R藉由镜302的z-扫描而被付以多谱勒频率位移。另一方面，信号光S由于其波束径扩大，所以可在x-y面的大范围内入射被测定物体305。藉此，信号光S形成含有该入射范围中的被测定物体305的表面和内部的信息的反射光。参照光R和信号光S利用分光器303进行重叠，并利用在2维光传感器数组304上所并列载置的组件(光传感器)进行检测。因此，可不对光束进行扫描，而实时取得被测定物体305的2维断层图像。
作为这种非扫描型的光图像计测装置，已知有一种非专利文献3所记述的装置。在同文献所记述的装置中，可将从2维光传感器数组所输出的复数个外差信号输入并列配置的复数个信号处理系统，并对各外差信号的振幅和相位进行检测。
但是，在该构成中，为了提高图像的空间分解能力，需要增加数组的组件数，另外，必须准备具有与该组件数相对应的信道(channel)数的信号处理系统。因此，其被认为难以在需要高分解能力的图像的医疗和工业等领域上进行实用化。
因此，本发明者们在下述的专利文献1中，提出了一种以下这样的非扫描型的光图像计测装置。关于该提案的光图像计测装置包括光源，用于射出光束；干涉光学系统，用于将该光源所射出的光束分为经由配置有被检测体的被检测体配置位置的信号光，和经由与前述经由被检测体配置位置的光路不同的光路的参照光两部分，且将经由了前述被检测体配置位置后的信号光，和经由了前述不同的光路的参照光彼此进行重叠，而生成干涉光；频率位移器，用于将该干涉光学系统的前述信号光的频率和前述参照光的频率相对进行位移；光遮蔽装置，前述干涉光学系统为了接受前述干涉光，藉由将前述干涉光进行二分割，再对该被二分割了的干涉光进行周期性地遮蔽，而生成彼此的相位差为90度的2列干涉光脉冲；光传感器，分别接受前述2列干涉光脉冲；信号处理部，该光传感器具有空间性排列且分别独立地得到受光信号的复数个受光组件，并将前述光传感器所得到的复数个受光信号进行合并，而生成与前述被检测体配置位置上所配置的被检测体的表面或内部层的，在前述信号光的传输路径上的各关心点相对应的信号。
该光图像计测装置采用将参照光和信号光的干涉光进行二分割，并以2台光传感器(2维光传感器数组；检测装置)受光，且在两传感器数组前分别配置光遮蔽装置，以对干涉光进行抽样的构成。而且，可藉由在被分割的2个干涉光的抽样周期中设置π/2的相位差，而对构成干涉光的背景光的信号光和参照光的强度、和干涉光的相位的直交成分(sin成分和cos成分)进行检测，且藉由将来自两传感器数组的输出中所包括的背景光的强度，从两传感器数组的输出中去除，而计算干涉光的2个相位直交成分，并利用该计算结果求得干涉光的振幅。
但是，在专利文献1所记述的光图像计测装置中，因为干涉光的抽样频率的设定不能自动化，所以需要花费功夫对其进行设定。而且，在该文献的光图像计测装置中，不能简便地设定对应拍率的抽样频率，难以轻松地进行高精度的抽样。
而且，虽然本发明者们在例如日本专利的特申2004-52195号等中，提出了一种利用3台光传感器对干涉光进行检测的构成的光图像计测装置，但考虑到制造成本和构造简单化方面，认为最好可以较少个数的光传感器进行同样的计测，特别是交流成分的计测。
另外，作为以上那样的光图像计测装置的2维光传感器数组，广泛利用CCD(Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)照相机等市售的影像传感器。但是，目前市售的CCD照相机，习知以来已认识到存在频率响应特性低，无法追随从数KHz到数MHz左右的外差信号的拍率的问题。可以说，由本发明者们提出的专利文献1所记述的光图像计测装置的特征在于，在充分认识该问题点后，利用其低响应特性而进行计测。
日本专利早期公开的特开2001-330558号公报(权利要求项，说明书段落 - ，第1图)[非专利文献1]丹野直弘《光学》(日本光学杂志)第28卷第3号，116(1999)[非专利文献2]吉泽、濑田编，《光外差技术(修订版)》，新技术通讯(2003)，p.2[非专利文献3]K.P.Chan，M.Yamada，H.Inaba，[ElectronicsLetters]，Vol.30，1753，(1994)发明内容本发明的目的在于，提供一种鉴于以上问题的，可利用更少个数的光传感器，有效地取得干涉光特别是其交流成分的光图像计测装置。
而且，本发明的另一目的在于，提供一种可轻松地进行干涉光的高精度的取样的光图像计测装置。
为了达到上述目的，本发明提供一种光图像计测装置，包括光束输出装置，使光束以设定的频率进行强度调制并输出；第1转换装置，将前述光束的偏光特性转换为直线偏光；分割装置，将前述光束分割为经由被测定物体的信号光和经由参照物体的参照光；振动装置，使前述参照物体以设定的频率及设定的振幅进行振动；第2转换装置，将直线偏光的前述信号光或前述参照光的偏光特性进行转换；重叠装置，分别具有利用前述第1及第2转换装置被转换的偏光特性，并使经由前述被测定物体的前述信号光和经由前述振动的前述参照物体的前述参照光进行重叠而生成干涉光；抽出装置，抽出利用前述重叠装置所生成的干涉光的不同的2个偏光成分；一对检测装置，对前述抽出的前述2个偏光成分分别进行检测；信号处理装置，根据利用前述各检测装置分别检测的各偏光成分，计算前述干涉光的信号强度或相位，并形成前述被测定物体的图像；其特征在于利用前述光束输出装置的前述光束的强度调制的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，且前述振动的前述设定的振幅小于等于前述干涉光的波长。另外，所谓的“干涉光的频率”，表示干涉光的差拍的频率(拍率)(以下相同)。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，包括光源，用于射出光束；分割装置，将前述射出的光束分割为经由被测定物体的信号光和经由参照物体的参照光；振动装置，使前述参照物体以设定的频率及设定的振幅进行振动；重叠装置，使经由前述被测定物体的前述信号光和经由前述参照物体的前述参照光进行重叠而生成干涉光；光路分割装置，将前述生成的干涉光的光路进行二分割；一对强度调制装置，将前述二分割的各光路的前述干涉光的强度以设定的频率分别进行周期性调制；一对检测装置，对利用前述各强度调制装置被强度调制的前述各光路的前述干涉光分别进行检测；信号处理装置，计算利用前述各检测装置分别被检测的前述干涉光的信号强度或相位，并形成前述被测定物体的图像；其特征在于利用前述各强度调制装置的前述干涉光的前述强度调制的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定频率，与前述干涉光的频率同步，且前述振动的前述设定的振幅小于等于前述干涉光的波长。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述振动装置包括安装在前述参照物体上的压电元件(piezo device)。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由利用前述振动装置进行振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；振动控制装置，根据利用前述辅助检测装置的检测结果，对前述振动装置进行控制。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述光束输出装置包括射出光束的光源、以与前述干涉光的频率相同步的频率具有设定的相位差并周期性地使前述光束输出的形态，将前述光源进行驱动的光源驱动装置。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述光束输出装置的光源驱动装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，生成与前述辅助干涉光的频率同步的频率的脉冲信号，且前述光源由前述生成的前述脉冲信号被驱动，输出与该脉冲信号相等频率的脉冲形的光束。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述光束输出装置包括输出连续的光束的光源、将前述输出的连续的光束以与前述干涉光的频率同步的频率进行周期性的遮蔽的光束遮蔽装置。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述光束遮蔽装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，将前述连续的光束进行前述周期性的遮蔽。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述第1转换装置为使前述光束的设定方向的振动成分透过的偏光板。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述第2转换装置为对直线偏光的前述信号光或前述参照光的彼此直交的P偏光成分和S偏光成分间付与相位差，将偏光特性进行转换的波长板。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述抽出装置包括使前述干涉光的P偏光成分透过，并反射S偏光成分的偏光分光器。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，包括脉冲信号产生装置，输出与前述干涉光的频率同步的频率的脉冲信号；相位位移装置，使前述输出的前述脉冲信号的相位相对地进行位移，并向前述一对强度调制装置分别进行输出；其特征在于前述各强度调制装置接受利用前述相位位移装置使相位相对位移的前述脉冲信号，并对前述干涉光的强度进行调制。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述脉冲信号产生装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，输出与前述辅助干涉光的频率同步的频率的前述脉冲信号。
而且，本发明又提供一种光图像计测装置，其特征在于前述各强度调制装置包括对前述干涉光的强度以设定的频率分别进行周期性的遮蔽的遮光器装置。
本发明采用使利用光束输出装置的光束的强度调制的频率与干涉光的频率同步，并使利用振动装置的参照物体的振动的频率与干涉光的频率同步，且使该振动的振幅小于等于干涉光的波长，而且对利用抽出装置被抽出的2个偏光成分利用一对检测装置分别进行检测，并根据其检测结果计算干涉光的信号强度或相位，而形成被测定物体的图像的构成。因此，可只利用一对即2个检测装置，而检测干涉光特别是其交流成分，并形成被测定物体的图像。而且，由于可自动设定利用强度调制装置的干涉光的强度调制的频率，和参照物体的振动的频率及振幅，所以能够轻松地进行干涉光的高精度的抽样。
图1所示为关于本发明的光图像计测装置的第1实施形态的光学系统构成的一个例子的概略图。
图2所示为关于本发明的光图像计测装置的第1实施形态的控制系统构成的一个例子的概略图。
图3为用于说明关于本发明的光图像计测装置的第1实施形态的干涉光的检测形态的标绘图。
图3(A)所示为频率进行强度调制并从宽频带光源输出的光束的时间波形。
图3(B)所示为从宽频带光源所输出的光束为连续光时的干涉光的S偏光成分的时间波形。
图3(C)所示为从宽频带光源所输出的光束为连续光时的干涉光的P偏光成分的时间波形。
图3(D)所示为从宽频带光源所输出的光束进行强度调制的情况下的干涉光的S偏光成分的时间波形。
图3(E)所示为从宽频带光源所输出的光束进行强度调制的情况下的干涉光的P偏光成分的时间波形。
图4所示为关于本发明的光图像计测装置的第1实施形态的变形例的光学系统构成的一个例子的概略图。
图5所示为关于本发明的光图像计测装置的第2实施形态的光学系统构成的一个例子的概略图。
图6所示为关于本发明的光图像计测装置的第2实施形态的控制系统构成的一个例子的概略图。
图7为用于说明关于本发明的光图像计测装置的第2实施形态的利用一对强度调制装置(遮光器)的干涉光抽样动作的标绘图。
图7(A)所示为干涉光的时间波形。
图7(B)所示为通过一对强度调制装置的一个进行受光的干涉光的时间波形。
图7(C)所示为通过一对强度调制装置的另一个进行受光的干涉光的时间波形。
图8所示为现有习知的光图像计测装置的构成的概略图。
图9所示为现有习知的光图像计测装置的构成的概略图。
1、1’光图像计测装置2宽频带光源3偏光板4、5透镜6半透镜7波长板8参照镜9压电元件9’频率位移器10成像用透镜群11偏光分光器21、22CCD(照相机)31光源32分光器33反射镜34光电探测器(PD)35光源驱动器36压电驱动器37显示装置38控制部39分光器41、42遮光器50脉冲信号发生器51、52相位位移器100光图像计测装置200光图像计测装置
201宽频带光源202镜203分光器204光检测器205被测定物体300光图像计测装置301宽频带光源302镜303半透明镜3042维光传感器数组305被测定物体306、307透镜L干涉光L1S偏光成分L2P偏光成分M、M1、M2干涉光O被测定物体S信号光R参照光具体实施方式
对关于本发明的光图像计测装置的较佳的实施形态，参照图示详细地进行说明。下面，对利用光的偏光特性进行图像计测的第1实施形态，和藉由利用遮光器的抽样而进行图像计测的第2实施形态，分别进行说明。
(第1实施形态)(装置的构成)首先，对本发明的第1实施形态的光图像计测装置的构成，参照图1及图2详细地进行说明。图1所示为关于本实施形态的光图像计测装置的(主体)光学系统的概略构成。而且，图2所示为本实施形态的光图像计测装置的控制系统的构成。
(光学系统的构成)本实施形态的光图像计测装置，为可利用于例如医疗方面和工业方面的被测定物体的断层图像和表面图像的计测的装置。这里，被测定物体为例如在医疗方面，由人眼等散射媒质形成的物体。
图1所示的本实施形态的光图像计测装置1包括输出低相干的光束的宽频带光源2、将该光束的偏光特性转换为直线偏光的偏光板3、使光束为平行光束且扩大其波束径的透镜4，5、将光束分割为信号光S和参照光R且将它们进行重叠而生成干涉光L的半透镜6、将参照光R的偏光特性从直线偏光转换为圆偏光的波长板7、利用对参照光R的行进方向直交的反射面而使参照光R进行全反射的参照镜8、在参照镜8的反射面的背面所安装的压电元件9。这里，利用半透镜6所生成的干涉光L，相当于本发明中所说的“干涉光”。
宽频带光源2相当于本发明中所说的“光源”，由SLD和LED(发光二极管)等构成。另外，市售的近红外区SLD的相干长为30μm左右，在LED的情况下为10μm左右。
图1中所示的xyz座标系统将从宽频带光源2所输出的光束的行进方向作为z轴方向，并将与其直交的光束的振动面定义为xy平面。x轴方向、y轴方向被定义为与光束的电场成分的振动面、磁场成分的振动面一致。
偏光板3相当于本发明中所说的“第1转换装置”，为使来自宽频带光源3的光束的设定方向的振动成分透过的偏光转换元件。本实施形态的偏光板3采用使对上述xy平面的x轴(及y轴)形成45°的角度方向的振动成分透过的构成。藉此，透过了偏光板3的光束具有角度45°的直线偏光。因此，所说的光束的x轴方向及y轴方向的偏光成分，分别具有相等的振幅。换言之，该光束的P偏光成分和S偏光成分分别具有相等的振幅。
半透镜6构成将形成平行光束的直线偏光的光束，分割为朝向被测定物体O的信号光S和朝向参照镜8的参照光R的本发明的“分割装置”。半透镜6使光束的一部分(一半)透过形成信号光S，并将剩余的光束进行反射形成参照光R。
而且，半透镜6构成藉由将经由被测定物体O的信号光S的一部分进行反射且使经由参照镜8的参照光R的一部分透过，而使信号光S和参照光R进行重叠生成干涉光L的本发明的“重叠装置”。
另外，在本实施形态中，因为利用由作为反射体的被测定物体O及参照镜8、半透镜6所形成的米切尔森型的干涉仪，所以使分割装置和重叠装置由相同的半透镜6(的不同的反射面)构成。另一方面，在利用马赫-曾德型等其它干涉仪的情况下，分割装置和重叠装置也可分别由不同的光学元件构成。而且，作为分割装置及重叠装置，可应用对光束(信号光S、参照光R)的偏光特性不施加影响的无偏光型的任意的分光器。
波长板7构成本发明的“第2转换装置”，为将直线偏光的参照光R的偏光特性进行转换的偏光转换元件。作为本实施形态的波长板7，采用1/8波长板。藉此，在参照光R通过波长板7时，对其P偏光成分和S偏光成分间付以相位差π/4。参照光R在由半透镜6朝向参照镜8时，和被参照镜8反射而再次入射半透镜6时，分别被付以该相位差，所以结果被付以相位差π/2。因此，对具有45°的直线偏光的参照光R，与1/4波长板同样地进行作用，所以再次入射半透镜6的参照光R被转换为圆偏光。另外，在如上述那样利用马赫-曾德型等其它干涉仪的情况下，可应用1/4波长板。
参照镜8构成本发明的“参照物体”，藉由沿参照光R的光路方向进行移动，而抽出在被测定物体O的各种深度(z座标)所形成的信号光S的反射光。更具体地进行说明，因为来自宽频带光源2的光束为低相干光，所以只有与参照光R经由大致相等距离的信号光S有助于干涉光L的生成。即，对半透镜6，只有来自与参照镜8大致相等距离的被测定物体O的z位置的反射光，与参照光R进行干涉而形成干涉光L。因此，藉由使参照镜8的位置变化(z-扫描)，可依次抽出来自被测定物体O的各种z座标区域的反射光。
而且，参照镜8起到利用压电元件9而沿参照光R的光路方向进行z-扫描，使参照光R的频率进行位移的作用。有时将利用这种参照镜8的移动而付与的频率位移，称作多谱勒频率位移。而且，压电元件9也可使参照镜8进行振动。该振动也可与z-扫描同时进行。压电元件9构成本发明的“振动装置”。
在本实施形态的光图像计测装置1中，还包括使利用作为重叠装置的半透镜6所生成的干涉光L进行成像的成像用透镜群10、将干涉光L的光路依据偏光特性进行分割的偏光分光器11、在分割了的干涉光L的各光路上所设置的CCD(照相机)21，22、对分别由CCD21，22所形成的检测结果进行处理的信号处理部20。
偏光分光器11构成抽出干涉光L的不同的复数个偏光成分的本发明中所说的“抽出装置”。更具体地说，偏光分光器11起到将干涉光L的S偏光成分L1进行反射并入射CCD21，且使P偏光成分L2透过并入射CCD22的作用。在这里，干涉光L的S偏光成分L1及P偏光成分L2，具有彼此相等的振幅(即最大强度)。
CCD21、22构成本发明中所说的“一对检测装置”，为干涉光检测用的积蓄型的2维光传感器数组。CCD21藉由对利用偏光分光器11所抽出的干涉光L的S偏光成分L1进行检测，并进行光电转换，而生成检测信号，且将其输出到信号处理部20。同样，CCD22藉由对抽出的干涉光L的P偏光成分L2进行检测，并进行光电转换，而生成检测信号，且将其输出到信号处理部20。从各CCD21、22所输出的检测信号为前述的外差信号。
信号处理部20为根据CCD21、22所分别输出的检测信号，执行后述的运算处理，并形成被测定物体O的2维断面图像等各种图像的本发明的“信号处理装置”。信号处理部20的构成含有例如用于存储设定的运算程序的ROM等存储装置、用于执行该运算程序的CPU等运算控制装置。
另外，本实施形态的光图像计测装置1形成一种用于对被付以参照光R的频率位移进行监视，且将来自宽频带光源2的光束进行强度调制的构成，包括光源31、分光器32、反射镜33、光电探测器(PD)34。
光源31相当于本发明的“激光光源”，由与宽频带光源2相比，发出具有长相干长度的激光光的激光二极管等构成。分光器32将光源31发出的激光光，分割为经由参照镜8的第1激光光(反射光)和经由固定配置的反射镜33的第2激光光(透过光)，且将利用压电元件9的作用而受到了频率位移的第1激光光和由反射镜33被反射的第2激光光进行重叠，生成干涉光。这里，分光器32、反射镜33及参照镜8构成本发明中所说的“干涉光学系统”，而且，由该干涉光学系统所生成的干涉光相当于“辅助干涉光”。辅助干涉光与由半透镜6所生成的干涉光L具有相等的频率及波长。
光电探测器34构成本发明的“辅助检测装置”，对由该干涉光学系统所生成的辅助干涉光进行检测，并输出与该辅助干涉光相等频率及波长的电气信号。
(控制系统的构成)下面，参照图2，对本实施形态的光图像计测装置1的控制系统进行说明。光图像计测装置1的控制系统的构成包括驱动宽频带光源的光源驱动器35、驱动压电元件9的压电驱动器36、显示形成的图像的显示装置37及进行装置各部的控制的控制部38。对控制部38，输入由光电探测器34产生的检测信号、由信号处理部20所形成的图像(图像信号)。
光源驱动器35在控制部38的控制下，以生成与光电探测器34所输出的电气信号同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)的脉冲信号，并输出到宽频带光源2的形态进行动作。宽频带光源2由光源驱动器35所输出的脉冲信号被驱动，并输出与该脉冲信号相等频率的脉冲形的光束。另外，来自宽频带光源2的光束作为例如50％duty的矩形列的脉冲光被输出。光源驱动器35构成本发明的“光源驱动装置”。
另外，宽频带光源2、光源31、分光器32、反射镜33、光电探测器(PD)34及光源驱动器35，构成将光束以设定的频率进行强度调制并输出的本发明的“光束输出装置”。
压电驱动器36在控制部38的控制下，以生成具有与从光电探测器34所输出的电气信号同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)，且使压电元件9的振动的振幅形成该电气信号的波长的例如2分之1这种振幅的电气信号，并输出到压电元件9的形态进行动作。这里，被送到压电元件9的电气信号的振幅和压电元件9的振动的振幅的关系已知，且压电驱动器36将由该关系所求得的振幅的电气信号输出到压电元件9。另外，该压电驱动器36构成本发明所说的“振动控制装置”。
显示装置37由例如液晶显示器和CRT显示器等显示器装置构成，并根据控制部38所输出的图像信号显示图像。
(测定形态)接着，对利用本实施形态的光图像计测装置1所执行的干涉光L的信号强度和相位的空间分布的测定形态，即外差信号的信号强度和其相位信息的测定形态进行说明。以下所详细说明的信号处理，利用图1所示的信号处理部20而执行。
本实施形态的光图像计测装置1的特征在于藉由形成偏光特性不同的信号光S和参照光R，并将它们的干涉光L作为外差信号进行检测，而得到被测定物体O的表面图像和断层图像。
首先，对藉由光图像计测装置1的利用光的偏光特性的测定形态的基本原理进行说明。
从宽频带光源2所输出的光束，由偏光板3而转换为对上述x轴形成45°的角度方向的直线偏光，并利用透镜4、5扩大波束径，且形成平行光束而入射半透镜6，被二分为信号光S和参照光R。
信号光S入射由散射媒质构成的被测定物体O，并由其表面和各种深度的断层面被反射。来自被测定物体O的反射光波的一部分，由半透镜6被反射，并传送到成像用透镜群10。
另一方面，参照光R通过波长板7向参照镜8被传送。此时，参照镜8利用压电元件9而沿参照光R的光路方向被驱动(z-扫描)。而且，参照光R利用由压电元件9被移动的参照镜8而接受设定量的频率位移，并再次通过波长板7。这里，参照光R的偏光特性为角度45°的直线偏光，波长板7为1/8波长板，所以2次通过波长板7的参照光R的偏光特性可被转换为圆偏光。形成圆偏光的参照光R的一部分透过半透镜6，而被传送到成像用透镜群10。
此时，半透镜6将由被测定物体O所反射的直线偏光的信号光S，和频率进行位移并转换为圆偏光的参照光R进行重叠而生成干涉光L，并使该干涉光L被传送到成像用透镜群10。干涉光L经由成像用透镜群10，被传送到偏光分光器11。
偏光分光器11起到将干涉光L的S偏光成分L1进行反射，并透过P偏光成分L2的作用。干涉光L的S偏光成分L1由CCD21被检测，P偏光成分L2由CCD22被检测。这里，干涉光L的S偏光成分L1包括信号光S的S偏光成分Ess、参照光R的S偏光成分Ers，且干涉光L的P偏光成分L2包括信号光S的P偏光成分Esp、参照光R的P偏光成分Erp。信号光S的S偏光成分Ess及P偏光成分Esp、参照光R的S偏光成分Ers及P偏光成分Erp，如下式所示。
Ess=Isssin(2πft+φ)---(2)]]>Esp=Irpsin(2πft+φ)---(3)]]>Ers=Irssin(2π(f+fD)t+φ′)---(4)]]> 这里，分别以f表示从宽频带光源2所输出的光束的频率，fD表示频率位移，φ表示信号光S的初期相位，φ’表示参照光R的初期相位。另外，将信号光S和参照光R的初期相位的差表示为Δφ(＝φ-φ’)。参照[数2]所示的式(2)～(5)，干涉光的S偏光成分L1和P偏光成分L2利用CCD21、22，分别作为下式那样的外差信号i1、i2被检测。
i1∝|Ess+Ers|2∝Irs+Iss+2IrsIsscos(2πfDt+Δφ)---(6)]]>i2∝|Esp+Erp|2∝Irp+Isp+2IrpIspsin(2πfDt+Δφ)---(7)]]>比较式(6)、(7)可知，因为各式的第3项的交流信号为同相位的cos函数和sin函数，所以具有90°的相位差。本发明藉由利用该特征且将周期性强度调制的光束作为测定光使用，可实现不利用基于遮光器的抽样处理的光外差检测，并藉此对干涉光L的信号强度及相位的空间分布进行测定。在习知的光图像计测技术中，藉由将单一的干涉光以相位不同的复数个函数进行抽样，可对其cos成分和sin成分进行检测，但本发明的特征在于采用将参照光R和信号光S的偏光特性进行转换而生成相位不同的复数个(在这里为2个)干涉光，并对它们分别进行检测的构成。下面，对本实施形态中的测定原理进行说明。
本实施形态的光图像计测装置1的特征在于，利用光源31、分光器32、反射镜33、光电探测器(PD)34及光源驱动器35，对从宽频带光源2所输出的光束的强度调制的频率进行控制，且控制利用压电元件9的参照镜8的振动的频率及振幅。
从光源31所输出的激光光，由分光器32被分割为参照镜8方向的光路(反射光)和反射镜33方向的光路(透过光)。参照镜8方向的光路的激光光，可经由利用压电元件9进行z-扫描的参照镜8，并接受因它们所产生的频率位移且再次入射分光器32。另一方面，反射镜33方向的光路的激光光，作为由反射镜33所产生的反射光(不使频率进行位移)而再次入射分光镜32。经由两光路的激光光利用分光器33被重叠而形成干涉光，且由光电探测器34被检测。
由光电探测器34被检测的干涉光，接受参照光R和同样地利用参照镜8所形成的多谱勒频率位移，所以与参照光R接受同量的频率位移。因此，该干涉光具有与信号光S和参照光R所形成的干涉光L相等的频率及波长。
光电探测器34将与所检测的干涉光相对应的电气信号输出到光源驱动器35。该电气信号具有与式(1)所示的外差信号同样的直流成分和交流成分，且其交流成分的频率如上面所说明的，与干涉光L的拍率相等。
光源驱动器35将与来自光电探测器34的电气信号同步的频率的脉冲信号输出到宽频带光源2。宽频带光源2由来自脉冲驱动器35的脉冲信号被驱动，以与该脉冲信号同步的频率即与干涉光L的频率同步的频率，输出脉冲形的光束。
而且，压电驱动器36生成与来自光电探测器34的电气信号同步的频率的，且为使压电元件9的振动的振幅为该电气信号的波长的2分之1这种振幅的电气信号，并输出到压电元件9。藉此，参照镜8利用压电元件9，以与干涉光L的频率同步的频率及干涉光L的波长的2分之1的振幅，进行振动。
这样，在本实施形态中，可对被付与到参照光R的频率位移的位移量进行监视，并利用与该位移量(＝干涉光L的频率)同步的频率的脉冲状的光束，进行被测定物体O的测定，且以与干涉光L同步的频率及干涉光L的波长的2分之1的振幅，使参照镜8进行振动。
来自宽频带光源2的光束，作为例如50％duty的矩形列的脉冲光被输出。另外，该光束的duty比并不限定于50％，且其脉冲形状也可不为矩形列(可为例如三角形列或梯形列等)。而且，也可取代转换输出强度0和100所得到的脉冲光，而应用例如将输出强度在50和100间进行调制所得到的光束。即，这里重要的并不是光束的强度调制的程度，而是进行控制，以使该强度调制的频率与干涉光L的拍率大致相等。
而且，关于参照镜8的振幅，只要小于等于干涉光L的波长即可。这是因为，如以超过干涉光L的波长的振幅使参照镜8振动，则由参照镜8所反射的参照光R会形成不连续的波形等而产生问题。而且，考虑参照光R的S/N比，使参照镜8的振幅大于等于干涉光L的波长的10分之1小于等于该波长为佳。另外，为了应对这种问题，使参照光8的振幅小于等于干涉光L的波长的2分之1为佳。
图3所示为这种测定形态的一个例子。以下，将从宽频带光源2所输出的光束的强度调制频率设为fm。而且，如前面所说明的，fD表示被付与参照光R的频率位移(干涉光L的拍率)，光束的调制频率fm与频率位移fD相等(同步)。
图3(A)所示为由频率fm进行强度调制并从宽频带光源2所输出的光束的时间波形。图3(B)所示为光束为连续光，因此使参照光R和信号光S都为连续光的情况下的干涉光L的S偏光成分L1(拍率fD)的时间波形。图3(D)所示为参照光R和信号光S都为连续光的情况下的干涉光L的P偏光成分L2的时间波形。这里，图3(B)、(C)所示的S偏光成分L1和P偏光成分L2的相位差为90°。
而且，图3(D)所示为来自宽频带光源2的光束如图3(A)那样进行强度调制的情况下的干涉光L的S偏光成分L1的时间波形(与图3(B)对应)。图3(E)所示为来自宽频带光源2的光束如图3(A)那样进行强度调制的情况下的干涉光L的P偏光成分L2的时间波形(与图3(C)对应)。图3(D)、(E)所示的S偏光成分L1和P偏光成分L2具有90°的相位差。
CCD21检测图3(D)所示的时间波形的S偏光成分L1。来自宽频带光源2的光束为频率fm、50％duty的矩形列的光脉冲，且当其调制频率fm和干涉光L的拍率fD的差δf＝|fm-fD|，与作为积蓄型光传感器的CCD21的响应频率相比足够小时，从CCD21所输出的S偏光成分L1的检测信号与检测时间内所积蓄的光电荷量成比例，可如下式那样得到。(参照例如M.Akiba.K.P.Chan.N.Tanno.Japanese Journal of AppliedPhysics，Vol.39，L1194(2000))。
S1(t)=⟨K1m(t)i1(t)⟩=K1[12Iss+12ID+2πIssIrscos(2πδft+β)]---(8)]]>这里，<->表示基于CCD21的积蓄效果的时间平均，K1表示包含偏光分光器11的反射率和CCD21的光电转换率的光检测效率，m(t)表示对宽频带光源2的输出进行强度调制的函数(表示矩形脉冲的函数)，而且β表示测定中的初期相位值。由式(8)可知，在CCD21所输出的检测信号中，除了关于信号光S和参照光R的强度的项(背景光成分)以外，还包括关于干涉光L的S偏光成分L1的振幅 及相位2πδft+β的项。
这里，为了取得高精度的图像，如图3(B)、(D)所示，利用CCD21所检测的S偏光成分L1的一部分，包括S偏光成分L1的“波谷”部分即强度极小的部分，且如图3(C)、(E)所示，利用CCD22所检测的P偏光成分L2的一部分，包括P偏光成分L2的“波峰”部分即强度极大的部分为佳。另外，也可相反地对S偏光成分L1的“波峰”的部分及P偏光成分L2的“波谷”的部分进行检测。
同样，CCD22检测图3(E)所示的时间波形的P偏光成分L2，并输出下式那样的检测信号。
S2(t)=K2[12Isp+12Irp+2πIspIrpsin](2πδft+β)]---(9)]]>这里，K2表示包含偏光分光器11的反射率和CCD22的光电转换率的光检测效率。
下面，对根据从CCD21、22所分别输出的检测信号(8)、(9)的干涉光L的信号强度的计算处理进行说明。
由于参照光R由波长板7被转换为圆偏光，所以可认为其S偏光成分Ers的强度Irs和P偏光成分Erp的强度Irp相等(表示Irs＝Irp＝Ir)。
另一方面，关于信号光S，因为来自被测定物体O的反射光被认为并不显著依存于入射光的偏光特性，所以可认为其S偏光成分Ess的强度Iss和P偏光成分Esp的强度Isp大致相等或为接近值(表示Iss＝Isp＝Is)。而且，因为信号光S由被测定物体O被散射、吸收，所以其强度在通常情况下可认为较参照光R足够小(Is＜＜Ir)。
而且，式(8)及式(9)的右边的第1项和第2项表示背景光的强度，其值可在事前或另外的进行测定。例如，藉由利用宽频带光源2输出由连续光形成的光束，并利用CCD21等进行检测，且将其只积分1波长量(或其整数倍)并取消第3项(交流成分；相位直交成分)，可取得背景光的强度(背景光成分)。
藉由从来自各CCD21、22的检测信号的强度除去所取得的背景光成分，而计算各检测信号的相位直交成分，即干涉光L的S偏光成分L1及P偏光成分L2的相位直交成分S1’(t)、S2’(t)(参照下式)。
S′1(t)=K12πIsIrcos(2πδft+β)---(10)]]>S′2(t)=K22πIsIrsin(2πδft+β)---(11)]]>
如利用这些式(10)、(11)，干涉信号的振幅如下式所示。
IsIr∝S112+S212---(12)]]>另外，本实施形态的光图像计测装置1如下面那样，将干涉光L的相位的空间分布图像化。
在某测定时间t＝t1，当干涉光L的S偏光成分L1的相位直交成分S1’(t1)由CCD21被检测，P偏光成分L2的相位直交成分S2’(t1)由CCD22被检测时，取这两相位直交成分的比，得到以下那样的信号。
S3=S′2(t1)S′1(t1)=tan(2πδft1+β)---(13)]]>可知该式(13)所示的信号S3，不依存于干涉光L的振幅，而只由相位信息构成。在本实施形态中，由于利用具有复数个像素呈2维排列的受光面的CCD21、22，对S偏光成分L1和P偏光成分L2进行检测，所以在各像素所检测的信号的相位β(x、y、t1)，如下式那样进行表示(在这里，(x、y)表示在各像素的受光面上的座标)。
β(x,y,t1)=tan-1[S′2(x,y,t1)S′1(x,y,t1)]-2πδft1---(14)]]>该式(14)的第2项为具有0或大致为0的频率 的交流信号在测定时间t1的瞬时相位值，所以可认为与CCD21、22的像素的位置即座标x、y无关而为均匀值。因此，如以在例如位于CCD21、22的受光面上的某一特定点(x＝x1，y＝y1)上的像素所检测的相位Φ(x1、y1、t 1)作为基准，求在各像素所检测的检测信号的相位差，则可使外差信号的相位差的空间分布，即干涉光L的相位差的空间分布图像化。
另一方面，也可由干涉光L的相位信息取得其频率信息。如使在2个测定时间t＝t1及t＝t2的干涉光L的S偏光成分L1及P偏光成分L2的相位分别为β(x、y、t1)及β(x、y、t2)，则干涉光L的拍率fD与来自宽频带光源2的光束的调制频率fm的差δf，如下式所示。
δf=12π|β(x,y,t1)-β(x,y,t2)t1-t2|---(15)]]>在这里，由于光束的调制频率fm为己知，所以由式(10)和式(11)可计算外差频率即干涉光L的拍率fD。该外差频率的测定方法在例如利用外差干涉法的多谱勒速度计测中是有效的。
如利用这种本实施形态的光图像计测装置1，可利用较习知技术少的个数(2个)CCD取得干涉光L的交流成分。而且，因为光束的频率、参照镜8的振动的频率及振幅被自动设定，所以可轻松地进行干涉光L的高精度的抽样。
在上述的构成中，作为用于对参照光R付以频率位移的构成，利用藉由压电元件9的参照镜8的z-扫描，但也可在参照光R的光路上设置频率位移器(电光调制器和声光调制器等)(该情况的构成例在后面进行说明；参照图4)。另外，频率位移器也可设置在信号光S的光路上。这是因为，在关于本发明的图像计测中，使重叠时的信号光S的频率和参照光R的频率相对地进行位移就足够了。
而且，在上述构成中，是将来自宽频带光源2的光束首先形成直线偏光，然后再分割为信号光S和参照光R，但也可在光束的分割后将信号光S和参照光R分别转换为直线偏光。但是，在这种情况下，需要在信号光S和参照光R双方的光路上设置偏光板，形成较上述构成多少有些复杂的构成，所以在实用上认为以上述构成较为适当。
而且，在上述构成中，是使参照光R的偏光特性转换为圆偏光，但也可使信号光S转换为圆偏光，并与保持直线偏光的参照光进行重叠。但是，如上所述，由于信号光S的因被测定物体O所形成的反射光，与参照光R相比较为微弱，所以如在信号光S的光路上设置波长板，则在通过它们时信号光S会变弱。象这样含有被测定物体O的信息的信号光S的强度减弱，有可能对测定的灵敏度带来不良影响。因此，可以说象上述构成那样将参照光R的偏光特性进行转换的较为有利。另外，关于频率位移器的配置也是同样的。
而且，在上述构成中，设置对参照光R的频率的位移量进行监视的光源31、分光器32、固定镜33及光电探测器34，并将其监视结果反馈到光束的强度调制中，但在例如对付与参照光R的频率位移量进行设定等时，也可设置自发地生成与其同步的频率的脉冲信号的光源驱动器35，并控制光束的强度调制。同样，在预先知道所生成的干涉光L的频率及波长的情况下，也可设置压电驱动器36，用于生成与该频率同步的频率的，且为以其波长的2分之1(小于等于该波长，较佳为10分之1～该波长，更佳为～该波长的2分之1)的振幅使参照镜8进行振动这种振幅的电气信号。
而且，也可藉由取代利用光源驱动器35的宽频带光源2的脉冲驱动，并设置发出连续的光束(连续光)的宽频带光源2、将该连续的光束以与干涉光L同步的频率周期性的进行遮蔽的遮光器，从而使光束的强度周期性的进行调制。在这种情况下，该遮光器构成本发明的“光束遮蔽装置”，且宽频带光源2及该遮光器构成本发明的“光束输出装置”。
在以上的说明中，是对一种使参照镜8进行z-扫描并取得被测定物体O的各种深度的断层像的计测形态进行了说明，但藉由固定参照镜8的位置并进行计测，可精度良好地求取在被测定物体O的某一深度的静止图像和动态图像。
而且，藉由在信号光S的光路上，即半透镜6和被测定物体O之间设置波长板(1/2波长板)，可对因经由被测定物体O时的相位的变化所造成的信号光S的偏光方向的倾斜进行修正。
而且，光图像计测装置1的检测装置，并不限定于前述的CCD，可为例如具有积算电路的线路传感器等，具有检测干涉光并进行光电转换的机能、将所检测的电荷进行积蓄的机能这两项机能的检测装置，而且既可为1维的传感器也可为2维的传感器。
而且，虽然是对具有麦克逊型(Michelson)的干涉仪的光图像计测装置1进行了说明，但当然也可采用例如马赫-曾德型(Mach-Zehuder)等其它的干涉仪(例如，参照本发明者们所提供的日本专利第3245135号)。
而且，藉由在干涉仪的一部分上设置光纤(束)而作为导光构件使用，可提高装置设计上的自由度，或谋求装置的简洁化(compact)，或提高被测定物体的配置自由度(例如，参照上述的日本专利第3245135号)。
如将本实施形态的光图像计测装置应用在例如眼科的领域上，则除了上述眼底的血流状态的测定以外，还可得到网膜或角膜的2维断面图像等。藉此，可对例如角膜的内皮细胞数目等进行测定。另外，当然还可进行其它的各种应用。
图4所示为本实施形态的变形例的构成。同图所述的光图像计测装置1’，与本实施形态的光图像计测装置1具有大致相同的构成。光图像计测装置1’具有将参照光R的频率进行位移的上述那样的频率位移器9’。在本变形例中，干涉光L的频率与利用频率位移器9’的频率位移量相等。
光图像计测装置1’具有与本实施形态的光图像计测装置1同样的光源驱动器35、压电驱动器36及控制部38。而且，虽然图示省略，但还设置有显示装置37。
频率位移器9’向控制部38发送表示参照光R的频率的位移量的电气信号，例如与该位移量具有相等频率的电气信号。控制部38根据该电气信号，分别对光源驱动器35及压电驱动器36进行控制。
光源驱动器35与上述的实施形态的构成同样地，生成与该电气信号的频率同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)的脉冲信号，并输出到宽频带光源2。宽频带光源2由该脉冲信号被驱动，并输出与该脉冲信号相等频率的脉冲形的光束。藉此，光束以与干涉光L的频率同步的频率进行强度调制。
而且，压电驱动器36也可与上述的实施形态的构成同样地，生成具有与来自频率位移器9’的电气信号的频率同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)，且使压电元件9的振动的振幅为该电气信号的波长的2分之1这种振幅的电气信号，并输出到压电元件9。藉此，使压电元件9的振动形成与干涉光L的频率同步的频率，且其振幅形成干涉光L的波长的2分之1(以下的设定的振幅)。
如利用这种本变形例的构成，即使在为了生成干涉光L而使用频率位移器的情况下，也可利用较习知技术少的个数(2个)CCD取得干涉光L的交流成分，而且，可使光束的频率、参照镜8的振动的频率及振幅的设定自动化，高精度且轻松地进行干涉光L的抽样。
另外，在利用压电元件9和频率位移器9’这两者进行频率的位移的情况下，如组合利用上述实施形态的构成和本变形例的构成，则可分别使干涉光的强度调制的频率及压电元件9的振动的频率与干涉光L的频率同步，而且可使压电元件9的振动的振幅小于等于干涉光L的波长的设定的振幅。
(第2实施形态)接着，对关于本发明的光图像计测装置的第2实施形态进行说明。本实施形态采用如前述那样，利用遮光器进行干涉光L的抽样的构成。
首先，对本实施形态的光图像计测装置的构成进行说明。图5所示为本实施形态的光图像计测装置的(主体)光学系统的构成，图6所示为其控制系统的构成。下面，对与第1实施形态相同的构成部分，付以相同的符号进行说明。
本实施形态的光图像计测装置100如图5所示，包括由输出低相干的连续光的SLD和发光二极管(LED)等构成的宽频带光源2(光源)、将来自该光源2的光束形成平行光束且扩大其波束径的透镜4，5、将光束分割为信号光S和参照光R且将它们进行重叠而生成干涉光M的半透镜6(分割装置、重叠装置)、由全反射镜构成的参照镜8(参照物体)、使该参照镜8进行z-扫描而且使参照镜8振动的压电元件9(振动装置)。
另外，也可在参照镜8的面前等参照光R的光路上，设置由电光调制器和声光调制器等构成的频率位移器。
而且，在光图像计测装置100上，设置有使利用半透镜6所生成的干涉光M进行成像的成像用透镜群10、将该干涉光M分割为2个干涉光M1，M2的分光器12(光路分割装置)、作为干涉光检测用的积蓄型的2维光传感器数组的CCD21，22(一对检测装置)、由配置在这些CCD的面前，对干涉光M1，M2分别进行周期性遮蔽的液晶遮光器等高速遮光器等构成的遮光器41，42(一对强度调制装置)。
另外，遮光器41、42可不必分别配置在CCD21、22的面前，而设置在从分光器12所形成的干涉光M1、M2的分支点与CCD21、22连结的各光路上的任意的位置上。即，使遮光器41、42配置在可切换各干涉光M1、M2的遮断与通过，而使利用CCD21、22的受光光量在0和100间进行切换的位置上即可。
另外，光图像计测装置100具有产生遮光器驱动用的脉冲信号的脉冲信号发生器50、使该脉冲信号发生器50所产生的脉冲信号的相位进行位移并分别供给到遮光器41，42的相位位移器51，52。遮光器41、42将来自相位位移器51、52的脉冲信号作为时序信号，分别独立地切换干涉光M1、M2的遮蔽/通过。
各遮光器41、42藉由根据来自相位移位器51、52的时序信号，以设定的频率将干涉光M1、M2分别周期性地进行遮蔽，而对各干涉光M1、M2进行抽样。藉此，CCD21、22分别周期性地接受对应的干涉光M1、M2并进行光电转换，且将其转换结果即外差信号输出到信号处理部20。信号处理部20(信号处理装置)与第1实施形态同样地，进行后述的运算处理而形成被测定物体O的图像。
这里，相位位移器51、52对遮光器41、42的开关动作付以设定的相位差。该相位差既可例如与第1实施形态相同为90°(π/2)，也可为180°(π)(可任意地进行设定)。藉此，也可不必在遮光器41、42两者的前面设置相位位移器，而只在其一个的前面设置。例如在遮光器41的前面不配置相位位移器，而只在遮光器42的前面配置相位位移器。
另外，脉冲信号发生器50构成本发明的“脉冲信号发生装置”，相位位移器51、52构成本发明的“相位位移装置”。而且，遮光器41、42构成本发明的“遮光器装置”。
从光源2所射出的光束，由透镜4、5而扩大其光束径，并利用半透镜6而分割为信号光S和参照光R。信号光S入射被测定物体O，并作为含有其表面形态及内部形态的信息的反射光波，而再次入射半透镜6。
另一方面，参照光R藉由利用压电元件9的参照镜8的z-扫描，而使频率进行位移，并再次入射半透镜6。
来自被测定物体O的信号光S的一部分由半透镜6被反射，同时接受了频率位移的参照光R的一部分透过半透境6。藉此，使信号光S和参照光R进行重叠，而生成干涉光M。干涉光M经由成像用透镜群10，向分光器12进行传送。
干涉光M利用分光器12而使其光路被分割为2部分。利用分光器12被反射的干涉光M1，通过遮光器51而由CCD21被检测。而且，透过了分光器12的干涉光M2，通过遮光器42而由CCD22被检测。
另外，最好使利用分光器12的干涉光的分割率，即被反射的干涉光M1和透过的干涉光M2的强度比为1∶1。藉此，利用各CCD21、22被检测的干涉光M1、M2，分别形成相等的强度水平，适于进行后述的运算处理。但是，进行分割的干涉光的强度比并不限定于此，可酌情进行设定。
另外，光图像计测装置100包括由发出激光光的激光二极管等所构成的光源31(激光光源)、使该光源31所发出的激光光的一部分透过的分光器32、将透过了该分光器32的激光光分割为朝向参照镜8的光路和朝向反射镜33的光路，且使在两光路上分别传送的激光光进行重叠而生成干涉光(辅助干涉光)的分光器39、接受该干涉光的光电探测器(PD)34(辅助检测装置)。这里，分光器39和参照镜8之间的距离，被设定得与分光器39和反射镜33之间的距离大致相等。
从光源31所输出的激光光，其一部分透过分光器32，并利用下一分光器39被分割为参照镜8方向的光路(第1激光光)和反射镜33方向的光路(第2激光光)。
在参照镜8方向的光路上传送的第一激光光，可在利用进行z-扫描的参照镜8被反射时，，接受频率位移并再次入射分光器39。此时，对第1激光光的频率位移，形成与对参照光R的频率位移相等的位移量。
另一方面，在反射镜33方向的光路上进行传送的第2激光光，由反射镜33被反射而再次入射分光镜39。
利用参照镜8被反射的第1激光光的一部分，由分光器39被反射，并向分光器32行进。而且，利用反射镜33被反射的第2激光光的一部分，透过分光器39并向分光器32行进。此时，两激光光由分光器39被重叠，生成辅助干涉光。该辅助干涉光具有与干涉光M相等的频率。
利用分光器39所生成的辅助干涉光，由分光器32使其一部分被反射，并使光电探测器34受光。光电探测器34输出与接受了的干涉光对应的电气信号。该电气信号与式(1)所示的外差信号同样地具有直流成分和交流成分。该交流成分的频率如上述那样，与干涉光M的拍率相等。
(控制系统的构成)下面，参照图6，对光图像计测装置100的控制系统的构成进行说明。光图像计测装置100的控制系统的构成与第1实施形态同样地，包括驱动压电元件9的压电驱动器36、显示图像的显示装置37及进行装置各部的控制的控制部38。对控制部38，输入由光电探测器34所形成的检测信号，和由信号处理部20所形成的图像(图像信号)。
压电驱动器36构成本发明所说的[振动控制装置]，在控制部38的控制下，以生成具有与从光电探测器34所输出的电气信号同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)，且使压电元件9的振动的振幅形成该电气信号的波长的例如2分之1这种振幅的电气信号，并输出到压电元件9的形态进行动作。这里，被送到压电元件9的电气信号的振幅和压电元件9的振动的振幅的关系已知，且压电驱动器36将由该关系所求得的振幅的电气信号输出到压电元件9。藉此，参照镜8以与干涉光M的频率同步的频率进行振动，且其振幅为干涉光M的波长的2分之1。
显示装置37由例如液晶显示器和CRT显示器等显示器装置构成，并根据控制部38所输出的图像信号显示图像。
而且，在控制部38上连接有产生用于驱动遮光器41、42的脉冲信号的脉冲信号发生器50。脉冲信号发生器50在控制部38的控制下，生成与光电探测器34所输出的电气信号同步的频率(例如与该电气信号相等的频率)的脉冲信号，并分别输出到相位位移器51、52。相位位移器51、52使该脉冲信号的相位相对地进行位移，并分别输出到遮光器41、42。遮光器41、42由相位相对位移的脉冲信号被驱动，并以与该脉冲信号相等的频率反复进行开关动作。藉此，CCD21、22可以与干涉光M的频率同步的频率，分别接受干涉光M、M2。
接着，对利用本实施形态的光图像计测装置100的干涉光M的测定形态进行说明。
首先，操作者接通光图像计测装置1的电源，并使被测定物体O配置在设定的测定位置(图5所示的被测定物体O的位置)。当进行用于测定开始的设定操作时，从光源2射出光束，且从光源31射出激光光。
从光源31所射出的激光光，由分光器39被分割为参照镜8方向的光路和反射镜33方向的光路，且彼此重叠生成辅助干涉光，并由光电探测器34受光。光电控制器34输出与接受的辅助干涉光的频率同步的频率的电气信号。
脉冲信号发生器50根据来自光电探测器34的电气信号，产生与该电气信号同步的频率的脉冲信号，并发送到各相位位移器51、52。相位位移器51、52使该脉冲信号的相位进行位移，并分别输出到遮光器41、42。遮光器41、42由该脉冲信号的频率而切换开放/遮蔽。
而且，压电驱动器36生成与来自光电探测器34的电气信号同步的频率的，且为使压电元件9的振动的振幅为该电气信号的波长的2分之1这种振幅的电气信号，并输出到压电元件9。藉此，参照镜8利用压电元件9，以与干涉光L的频率同步的频率及干涉光L的波长的2分之1的振幅进行振动。
这样，在本实施形态中，可对被付与到参照光R的频率位移的位移量进行监视，并利用与该位移量(＝干涉光L的频率)同步的频率，使遮光器41、42开关并进行干涉光M1、M2的抽样，且以与干涉光L同步的频率及干涉光L的波长的2分之1的振幅，使参照镜8进行振动。
用于控制遮光器41的开关时序的抽样函数m1(t)，由例如50％duty的矩形波的信号列构成。这里，如来自光源31的激光光和来自光源2的激光光的中心波长大致相同，则抽样函数m1(t)的频率(抽样函数)fsm与式(1)所示的拍率fif相等，或形成与其接近的值(即fsm＝fit或fsm≈fif)。抽样函数m1(t)的频率fsm和式(1)所示的外差信号的拍率fif的差表示为δf＝|f1f-fsm|。该δf与CCD21的响应频率相比，被设定得足够小。藉此，在干涉光M1的各周期可使大致相同相位的部分被抽样。此时，来自接受了干涉光M1的CCD21的输出i1(t)，与在测定时间内于CCD21上所积蓄的光电荷量成比例，具体可由下式得到(例如参照M.Akiba，K.P.Chan，N.Tanno，[Optics Letters]，Vol.28，816(2003))。
i1(t)=⟨K1i(t)m1(t)⟩=K1[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ)]---(16)]]>这里，<->表示利用CCD21的积蓄效果的时间平均。而且，φ表示测定的初期相位值，K1表示包括分光器12的反射率和CCD21的光电转换率的光检测效率。
同样，遮光器42依据基于从脉冲信号发生器50以频率fsm输出的脉冲信号的抽样函数m2(t)，控制其开关时序，并执行干涉光M2的抽样。利用遮光器42进行抽样的干涉光M2，由CCD22进行检测。抽样函数m2(t)与对干涉光M1进行抽样的抽样函数m1(t)具有相同的频率fsm，并具有50％duty的矩形列的波形。而且，抽样函数m2(t)对抽样函数m1(t)，具有相位差Δθ1，2(例如180°、90°等)。该相位差Δθ1，2藉由预先设定利用相位位移器51、52的相位的位移量而生成。在以上那种条件下，可利用与式(16)同样的原理，从CCD22得到以下那种输出i2(t)。
i2=K2[12Is+12Ir+2πIsIrcos(2πδft+φ+Δθ1,2)]---(17)]]>但是，K2为包含分光器12的透过率和CCD22的光电转换率的光检测效率。
由式(16)和式(17)可知，在来自CCD21、22的输出中，分别包含信号光S和参照光R的强度Is、Ir的项，以及关于干涉光M1、M2的振幅 (IsIr)及相位(2πδft+Φ)、(2πδft+Φ1，2)的项。
图7为用于说明当使50％duty的抽样函数m1(t)和m2(t)的相位差Δθ1，2为180°(π)时，利用遮光器41、42所形成的干涉光M1、M2的抽样动作。图7(A)所示为干涉光M的时间波形。图7(B)所示为通过遮光器41而使CCD21受光的干涉光M1的时间波形。图7(C)所示为通过遮光器42而使CCD22受光的干涉光M2的时间波形。
由同图可知，遮光器41可在干涉光M的相位为0°时被放开，而在其相位为180°时被遮蔽，且干涉光M1(干涉光M)的相位0°～180°的部分可由CCD21进行检测。而且，遮光器42可在干涉光M的相位为180°时被放开，而在其相位为360°＝0°时被遮蔽，且干涉光M2(干涉光M)的相位180°～360°的部分可由CCD22进行检测。
这里，为了取得高精度的图像，如图7(B)所示，使利用CCD21所检测的干涉光M1的一部分，含有该干涉光M1的“波峰”部分即强度极大的部分，且如图7(C)所示，使利用CCD22所检测的干涉光M2的一部分，含有该干涉光M2的“波谷”部分即强度极小的部分为佳。另外，反之，也可对干涉光M1的“波谷”的部分及干涉光M2的“波峰”的部分进行检测。
信号处理部20藉由从利用各CCD21、22的检测结果，求干涉光M的信号强度和相位的空间分布并形成图像，且求它们的图像的差分，而形成表示干涉光M的强度分布和相位分布的图像，即表示被测定物体O的表面形态或内部形成的图像。所形成的图像利用控制部38而作为图像信号被输出到显示装置，并进行图像显示。
如利用这种本实施形态的光图像计测装置100，则可利用较习知技术少的个数(2个)CCD取得干涉光M的交流成分。而且，因为遮光器41，42的开关时序、参照镜8的振动的频率及振幅可自动设定，所以可高精度且轻松地进行干涉光M的抽样。
以上所详细说明的各实施形态，只不过是用于实施关于本发明的光图像检测装置的构成的一个例子。因此，在本发明的要旨范围内可施以各种变形。
例如，在第1实施形态中的对光束的强度进行调制的方法，并不限定于上述的对光源进行脉动驱动的方法和利用遮光器进行周期性的遮蔽的方法，可应用任意的方法。例如，可藉由在光束的光路上周期性地插拔减光滤光器，而对光束的强度进行调制。
而且，作为使参照物体振动的振动装置，可应用除了压电元件以外的任意的构成。
在第1实施形态中，只要光束的强度调制的频率与干涉光的频率同步即可，且为了实现该同步可以采用任意的构成。同样，在第2实施形态中，只要利用强度调制装置(遮光器)的干涉光的强度调制的频率与干涉光的频率同步即可，且为了实现该同步可以采用任意的构成。例如，在干涉光的频率(信号光与参照光的相对频率差)总是构成一定的光图像计测装置的情况下，可将光束和干涉光的强度调制频率设定为一定的值。
而且，在第1及第2实施形态中，只要使利用振动装置(压电元件)的参照物体的振动的频率与干涉光的频率同步，且振幅小于等于干涉光的波长即可，而为了实现这些状态的构成是任意的。例如，在干涉光的频率(信号光和参照光的相对频率)总是构成一定的光图像计测装置的情况下，可将利用振动装置的参照物体的振动频率及振幅设定为一定的值。
权利要求
1.一种光图像计测装置，包括光束输出装置，使光束以设定的频率进行强度调制并输出；第1转换装置，将前述光束的偏光特性转换为直线偏光；分割装置，将前述光束分割为经由被测定物体的信号光和经由参照物体的参照光；振动装置，使前述参照物体以设定的频率及设定的振幅进行振动；第2转换装置，将直线偏光的前述信号光或前述参照光的偏光特性进行转换；重叠装置，分别具有利用前述第1及第2转换装置被转换的偏光特性，并使经由前述被测定物体的前述信号光和经由前述振动的前述参照物体的前述参照光进行重叠而生成干涉光；抽出装置，抽出利用前述重叠装置所生成的干涉光的不同的2个偏光成分；一对检测装置，对前述抽出的前述2个偏光成分分别进行检测；信号处理装置，根据利用前述各检测装置分别检测的各偏光成分，计算前述干涉光的信号强度或相位，并形成前述被测定物体的图像；其特征在于利用前述光束输出装置的前述光束的强度调制的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，且前述振动的前述设定的振幅小于等于前述干涉光的波长。
2.一种光图像计测装置，包括光源，用于射出光束；分割装置，将前述射出的光束分割为经由被测定物体的信号光和经由参照物体的参照光；振动装置，使前述参照物体以设定的频率及设定的振幅进行振动；重叠装置，使经由前述被测定物体的前述信号光和经由前述参照物体的前述参照光进行重叠而生成干涉光；光路分割装置，将前述生成的干涉光的光路进行二分割；一对强度调制装置，将前述二分割的各光路的前述干涉光的强度以设定的频率分别进行周期性调制；一对检测装置，对利用前述各强度调制装置被强度调制的前述各光路的前述干涉光分别进行检测；信号处理装置，计算利用前述各检测装置分别被检测的前述干涉光的信号强度或相位，并形成前述被测定物体的图像；其特征在于利用前述各强度调制装置的前述干涉光的前述强度调制的前述设定的频率，与前述干涉光的频率同步，利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定频率，与前述干涉光的频率同步，且前述振动的前述设定的振幅小于等于前述干涉光的波长。
3.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的振动装置包括安装在前述参照物体上的压电元件。
4.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的振动装置包括安装在前述参照物体上的压电元件。
5.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由利用前述振动装置进行振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；振动控制装置，根据利用前述辅助检测装置的检测结果，对前述振动装置进行控制。
6.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于其包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由利用前述振动装置进行振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；振动控制装置，根据利用前述辅助检测装置的检测结果，对前述振动装置进行控制。
7.根据权利要求3所述的光图像计测装置，其特征在于其包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由利用前述振动装置进行振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；振动控制装置，根据利用前述辅助检测装置的检测结果，对前述振动装置进行控制。
8.根据权利要求4所述的光图像计测装置，其特征在于其包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由利用前述振动装置进行振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；振动控制装置，根据利用前述辅助检测装置的检测结果，对前述振动装置进行控制。
9.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
10.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
11.根据权利要求3所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
12.根据权利要求4所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
13.根据权利要求5所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
14.根据权利要求6所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
15.根据权利要求7所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
16.根据权利要求8所述的光图像计测装置，其特征在于利用前述振动装置的前述参照物体的振动的前述设定的振幅，大于等于前述干涉光波长的10分之1，且小于等于前述波长。
17.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的光束输出装置包括射出光束的光源、以与前述干涉光的频率相同步的频率具有设定的相位差并周期性地使前述光束输出的形态，将前述光源进行驱动的光源驱动装置。
18.根据权利要求17所述的光图像计测装置，包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述光束输出装置的光源驱动装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，生成与前述辅助干涉光的频率同步的频率的脉冲信号，且前述光源由前述生成的前述脉冲信号被驱动，输出与该脉冲信号相等频率的脉冲形的光束。
19.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于前述光束输出装置包括输出连续的光束的光源、将前述输出的连续的光束以与前述干涉光的频率同步的频率进行周期性的遮蔽的光束遮蔽装置。
20.根据权利要求19所述的光图像计测装置，包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述光束遮蔽装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，将前述连续的光束进行前述周期性的遮蔽。
21.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的第1转换装置为使前述光束的设定方向的振动成分透过的偏光板。
22.根据权利要求1所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的第2转换装置为对直线偏光的前述信号光或前述参照光的彼此直交的P偏光成分和S偏光成分间付与相位差，将偏光特性进行转换的波长板。
23.根据权利要求22所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的抽出装置包括使前述干涉光的P偏光成分透过，并反射S偏光成分的偏光分光器。
24.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其包括脉冲信号产生装置，输出与前述干涉光的频率同步的频率的脉冲信号；相位位移装置，使前述输出的前述脉冲信号的相位相对地进行位移，并向前述一对强度调制装置分别进行输出；其特征在于前述各强度调制装置接受利用前述相位位移装置使相位相对位移的前述脉冲信号，并对前述干涉光的强度进行调制。
25.根据权利要求24所述的光图像计测装置，其包括激光光源，用于输出激光光；干涉光学系统，用于将前述输出的激光光分割为经由前述振动的前述参照物体的第1激光光，和经由固定配置的反射镜的第2激光光，并使经由了前述参照物体的前述第1激光光和由前述反射镜被反射的前述第2激光光进行重叠，生成辅助干涉光；辅助检测装置，对前述生成的辅助干涉光进行检测；其特征在于前述脉冲信号产生装置根据利用前述辅助检测装置的检测结果，输出与前述辅助干涉光的频率同步的频率的前述脉冲信号。
26.根据权利要求2所述的光图像计测装置，其特征在于其中所述的各强度调制装置包括对前述干涉光的强度以设定的频率分别进行周期性遮蔽的遮光器装置。
全文摘要
本发明提供一种光图像计测装置，可利用更少的光传感器，有效地取得干涉光特别是交流成分。该光图像计测装置包括将来自宽频带光源(2)的光束转换为直线偏光的偏光板(3)、将光束分割为信号光(S)和参照光(R)的半透镜(6)、使参照镜(8)振动的压电元件(9)、将参照光(R)转换为圆偏光的波长板(7)、将利用半透镜(6)进行重叠的由信号光(S)和参照光(R)所生成的干涉光(L)的不同的2个偏光成分抽出的偏光分光器(11)、分别检测这2个偏光成分的CCD(21，22)、根据被检测的各偏光成分形成被测定物体(O)的图像的信号处理部(20)；光束的强度调制的频率与干涉光(L)的拍率同步，参照镜(8)的振动的频率与干涉光(L)的拍率同步，且其振幅小于等于干涉光(L)的波长。
文档编号G01N21/84GK1749733SQ200510103420
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月15日 优先权日2004年9月15日
发明者秋叶正博, 陈建培, 福间康文, 大塚浩之, 塚田央, 弓挂和彦 申请人:株式会社拓普康