光断层观察装置以及光断层观察方法.pdf

本发明提供一种光断层观察装置以及光断层观察方法，通过与OCT不同的手法进行光断层观察，同时显示检查对象物质的断层方向分布。将从光源单元（103）射出的包含不同波长的激光的光束分割为2个光束，使第1光束通过物镜（123）聚光到试样（124），第2光束不照射到试样而作为参照光。使从试样反射的信号光和参照光通过偏振光分束器（119）合波，在光检测单元（103）中，使信号光和参照光在4个光检测器上以相互不同的相位关系干涉。信号处理部（105）针对每个波长进行以多个光检测器的输出为输入的运算来取得检测信号，针对试样内的每个位置，计算检测信号相对不同的波长的比，从而求出试样内的检查对象的断层分布。

权利要求书
1.  一种光断层观察装置，其特征在于，
具有光源单元、光观察头单元、光检测单元、控制部、信号处理部以及信息输入输出部，
所述光源单元射出不同的波长的激光，
所述光观察头单元具有：第1光学元件，将从所述光源单元射出的包含所述不同的波长的激光的光束分割为第1光束及第2光束；物镜，使所述第1光束聚光照射到试样，并接收从试样反射的反射光作为信号光；反射镜，使所述第2光束不照射到试样而作为参照光反射；第2光学元件，使所述信号光和所述参照光合波；以及致动器，在至少光轴方向上驱动所述物镜，
所述光检测单元具有：多个光检测器；以及干涉光学系统，使所述信号光和所述参照光在各光检测器上以相互不同的相位关系干涉，
所述控制部控制所述致动器以及所述不同的波长的激光的发光状态，
所述信号处理部针对每个波长进行以所述多个光检测器的输出为输入的运算来取得检测信号，针对试样内的每个位置计算检测信号相对所述不同的波长的比，从而求出试样内的检查对象的断层分布，
所述信息输入输出部具有：输入部，输入应通过所述光观察头单元观察的试样内的位置；以及显示部，显示所述检查对象的断层分布。

2.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光源单元具有：至少2个激光元件，用于射出不同的波长的光；以及光学元件，使来自所述至少2个激光元件的光束合波，
所述物镜对应于所述不同的波长。

3.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光源单元具备能够选择性地射出2个波长的光的双波长半导体激光器，
所述光检测单元具备4个光检测器，
所述干涉光学系统具备用于向所述4个光检测器上导入光束的衍射光栅。

4.  根据权利要求3所述的光断层观察装置，其特征在于，
在将所述双波长半导体激光器的射出面上的发光点的偏移量设为ΔS，将所述衍射光栅的间距间隔设为d、将所述衍射光栅至所述4个光检测器的检测面的距离设为L、将所述双波长半导体激光器的发光点面和所述检测面的成像倍率设为M、将在所述4个光检测器中最大的光检测器的大小设为A、将所述双波长半导体激光器的波长设为λ1、λ2时，A满足下式，
L×{tan(arcsin(λ1d))-tan(arcsin(λ2d))}+ΔMΔS≤Amin≤L×tan(arcsin(λ1d))]]>
其中，λ1>λ2。

5.  根据权利要求3所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述信号处理部具有储存与所述双波长半导体激光器的发光点偏移量相伴的试样上的聚光点偏移量的存储器部，使用从所述存储器部提取的聚光点偏移量以使在与所述物镜的光轴垂直的方向的位置取得的检测信号在所述2个波长下成为相同的位置的检测信号的方式进行选择，运算检测信号相对所述2个波长的比。

6.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光源单元、所述光观察头单元、所述光检测单元、所述控制部以及所述信号处理部具备接续连接器，
所述光源单元、所述光观察头单元以及所述光检测单元经由各自包括布线的连接单元和所述接续连接器电连接到所述控制部和所述信号处理部。

7.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光源单元、所述光观察头单元以及所述光检测单元具有布线连接器以及光纤连接器，
所述控制部以及所述信号处理部具有所述布线连接器，
所述光源单元、所述光观察头单元以及所述光检测单元经由各自包括布线的连接单元和所述布线连接器电连接到所述控制部以及所述信号处理部，
所述光观察头单元经由各自包括光纤的连接单元和所述光纤连接器光学地连接到所述光源单元以及所述光检测单元。

8.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
针对试样分时地照射所述多个波长的激光。

9.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光检测器的个数是4个，
所述4个光检测器上的干涉相位相互相差大致90度的整数倍，
将所述信号光和所述参照光的干涉相位相互相差大致180度的2个光检测器的差动信号作为第1差动信号，将剩余的2个光检测器的差动信号作为第2差动信号，将所述第1差动信号和所述第2差动信号的平方和作为所述检测信号。

10.  根据权利要求1所述的光断层观察装置，其特征在于，
所述光检测器的个数是3个，3个光检测器上的干涉相位相互相差120度的整数倍，对所述3个光检测器的信号进行2次多项式运算而得到所述检测信号。

11.  一种光观察头单元，其特征在于，具有：
第1光纤连接器；
第2光纤连接器；
布线连接器；
准直透镜，使从所述第1光纤连接器导入的激光成为平行光束；
第1光学元件，将通过了所述准直透镜的光束分割为第1光束及第2光束；
物镜，使所述第1光束聚光照射到试样，并接收从试样反射的反射光作为信号光；
致动器，在至少光轴方向上驱动所述物镜；
反射镜，使所述第2光束不照射到试样而作为参照光反射；
第2光学元件，使所述信号光和所述参照光合波；
聚光透镜，使由所述第2光学元件合波了的光束聚光到所述第2光纤连接器；以及
布线，将从所述布线连接器输入的致动器驱动信号传递到所述致动器。

12.  根据权利要求11所述的光观察头单元，其特征在于，具备：
第3光学元件，配置于所述第1光束的光路中，取出所述第1光束的一部分；
光检测器，检测由所述第3光学元件取出的光束；以及
故障检测单元，监视所述光检测器的输出以及所述致动器驱动信号而进行故障检测。

13.  一种光断层观察方法，其特征在于，
将包含光学灵敏度针对作为检查对象的材料而不同的多个波长的激光的光束分割为第1光束及第2光束，
使所述第1光束聚光照射到试样，
将从所述试样反射的信号光导入多个光检测器，
使所述第2光束不照射到所述试样而作为参照光导入所述多个光检测器，
在所述多个光检测器上使所述信号光和所述参照光以两者的光学性的相位关系相互不同的状态光学地干涉，
针对所述多个波长的每一个，进行以来自所述多个光检测器的输出为输入的运算，
取得所述运算的结果，作为反映了在所述第1光束的聚光点处的试样内构造的检测信号，
运算所述试样内的同一聚光点处的各波长下的所述检测信号的强度比，
通过在变更所述试样内的所述第1光束的聚光位置的同时取得所述检测信号，使所述试样内的断层方向上的所述检查对象的存在分布可视化，进行所述试样的断层观察。

说明书光断层观察装置以及光断层观察方法
技术领域
本发明涉及光断层观察装置以及光断层观察方法，特别涉及使检查对象物质的光断层方向上的分布可视化的光学观察技术。
背景技术
近年来，使用来自激光光源等的光束形成表示被测定物体的表面形态、内部形态的图像的光相干断层扫描（OCT：Optical CoherenceTomography）得到了瞩目（非专利文献1、2）。OCT不具有X射线CT那样的针对人体的侵袭性，所以特别期待医疗领域、生物学领域中的应用展开。例如，在眼科领域中，形成眼底、角膜等的图像的装置进入实用化阶段。
在这样的OCT装置中，采用了频域OCT方式。在该方式中，无需如以往的时域OCT方式那样在测定时驱动参照镜，所以能够实现高速测定。在频域OCT方式中，例如，已知如下眼科装置（专利文献1）：朝向被检眼照射近红外域的低相干长的测定光（测量光）、即具有宽带的波谱的测定光，在使其反射光与参照光干涉之后，使用衍射光栅等而将干涉光分光为各波长分量，使受光元件接收分光了的光束，解析该受光信号，从而得到被检眼的深度方向的诸多信息。利用这样的高速OCT装置，通过信号处理从三维断层图像数据抽出血管等特定的构造信息，通过使其易于观察地显示，从而期待实现提示对医疗诊断有效的信息的功能。
另一方面，作为使用分光信息来测量血管的分布的方法，已知通过分光检测（Sensing）血管中包含的血红蛋白分量并大致地区分血管的深度来进行可视化的手法（窄带光观察；窄带成像（NBI：NarrowBand Imaging））、测量血红蛋白的局部性的浓度分布的手法（血红 蛋白索引：IHb）等。专利文献2记载有NBI、专利文献3记载有IHb。
进而，作为通过图像处理组合OCT装置和通过上述血液分析装置取得的结果的诊断装置例，有专利文献4。
专利文献1：日本特开平11-325849号公报
专利文献2：日本专利第3559755号公报
专利文献3：日本特开平10-210454号公报
专利文献4：日本特开2012-10776号公报
非专利文献1：Medical Photonics No.1（2010），pp.29-33.
非专利文献2：Medical Photonics No.7（2011），pp.58-64.
发明内容
但是，在专利文献1那样的OCT的测量结果中，所得到的信息仅为构造信息，例如，在血管和淋巴管等虽然同为管状构造但功能不同的器官的信号中无大的差别。因此，存在在通过信号处理检测血管时，淋巴管等血管以外的管状构造也同时被检测的问题。其另一方面，在专利文献2、3所示的利用分光信息的NBI、IHb的手法中，深度分辨率降低，所以无法以能通过够OCT实现的高的分辨率得到血管的深度信息。即使在兼用了OCT和利用分光的血液分析装置的专利文献4的手法中，得到分光信息的主要仅为观察试样表面，可通过OCT取得的断层方向的血液分析比较困难。
在此前的讨论中，将血液分析列举为例子，但即使将血管中包含的血液以外的成分作为检查对象而同时进行分光评价和OCT测量的做法，在各自的测量原理上也比较困难。OCT为了取得光断层图像需要照射低相干长的测定光（测量光）、即具有宽带的波谱的测定光，并在高速测定时为取得深度方向的构造信息而利用该波谱。另一方面，在分光评价中，从所取得的分光谱抽出检查对象特有的光学变化。也就是说，难以同时评价两者，在专利文献4中也成为不得不采用组合各个评价装置的结构的理由。
本发明是鉴于这样的情况而完成的，提供一种光断层观察装置以 及方法，关注检查对象物质的分光特性，能够通过与OCT不同的手法进行光断层观察，并同时显示检查对象物质的断层方向分布。
本发明的光断层观察装置优选具有光源单元、光观察头单元、光检测单元、控制部、信号处理部以及信息输入输出部。
光源单元射出至少2个不同的波长的激光。光观察头单元具有：第1光学元件，将包含从光源单元射出的不同的波长的激光的光束分割为第1光束及第2光束；物镜，使第1光束聚光照射到试样，并接收从试样反射的反射光作为信号光；反射镜，使第2光束不照射到试样而作为参照光反射；第2光学元件，使信号光和参照光合波；以及致动器，在至少光轴方向上驱动物镜。光检测单元具有多个光检测器、以及使信号光和参照光在各光检测器上以相互不同的相位关系干涉的干涉光学系统。控制部控制致动器以及不同的波长的激光的发光状态。信号处理部针对每个波长进行以多个光检测器的输出为输入的运算来取得检测信号，针对试样内的每个位置计算检测信号相对不同的波长之比，从而求出试样内的检查对象的断层分布。信息输入输出部具有输入应通过光观察头单元观察的试样内的位置的输入部、和显示检查对象的断层分布的显示部。
由此，能够通过多个光检测器将参照光和照射到试样而反射来的信号光合波，通过干涉效应对信号光进行放大，所以能够以高S/N检测微小的反射信号。即，能够实现高灵敏度的光断层观察。进而，多个波长下的检测信号之比反映成为检查对象的物质的存在比，所以也能够同时显示检查对象的断层分布结果。
作为第1具体的光断层观察装置的结构，光源单元具有用于射出不同的波长的至少2个激光元件、以及使来自至少2个激光元件的光束合波的光学元件，光观察头单元中使用的物镜成为与至少2个不同的波长对应的结构。通过增加可通过光源单元对应的波长，能够使检查对象物质增加、提高检查对象的测定精度。
作为第2具体的光断层观察装置的结构，关于光源单元中能够选择性地射出2个波长的双波长半导体激光器，在光检测单元中使用4 个光检测器，在干涉光学系统中为了向多个光检测器上导入光束而使用衍射光栅，从而能够实现光学系统的小型化。此时，如果将双波长半导体激光器的波长设为λ1、λ2（λ1>λ2）、将双波长半导体激光器中的射出面上的发光点的偏移量设为ΔS、将衍射光栅的间距间隔设为d、将衍射光栅至4个光检测器的检测面的距离设为L、将双波长半导体激光器的发光点面和光检测器的检测面中的成像倍率设为M、将在4个光检测器中最大的光检测器的大小设为A，则A满足式（1），从而能够通过同一光检测器接收不同的波长的干涉光，所以能够实现光检测部的小型化。
【式1】
L×{tan(arcsin(λ1d))-tan(arcsin(λ2d))}+ΔMΔS≤Amin≤L×tan(arcsin(λ1d))...(1)]]>
进而，在信号处理部中将与双波长半导体激光器的发光点偏移量相伴的试样上的聚光点偏移量储存到存储器部中，通过对从存储器部提取的聚光点偏移量进行校正而得到的位置数据，运算2个波长下的检测信号之比，显示检查对象的断层分布结果，从而能够使由于使用双波长半导体激光器而发生的发光点偏移的影响无效化。通过具备双波长半导体激光器、衍射光栅、上式（1）所示的优选的尺寸的光检测器、校正聚光点偏移量的信号处理部，能够在测定不同的波长时使大量的光学部件共用化，所以能够实现光断层观察装置的小型化/低成本化。
作为第3具体的光断层观察装置的结构，光源单元、光观察头单元、光检测单元、控制部以及信号处理部具有接续连接器，光源单元、光观察头单元以及光检测单元经由各自包括布线的连接单元和接续连接器，电连接到控制部和信号处理部。通过设为这样的结构，能够使由控制部和信号处理部构成的解析装置，只要通过延长布线长度就能够远离模块化了的光源单元、光观察头单元、光检测单元，能够实 现使解析装置退避到后部的状态下的光断层观察。
作为第4具体的光断层观察装置的结构，光源单元、光观察头单元以及光检测单元具有布线连接器以及光纤连接器，控制部和信号处理部具有布线连接器。另外，光源单元、光观察头单元以及光检测单元经由各自包括布线的连接单元和布线连接器而电连接到控制部和信号处理部。进而，光观察头单元经由各自包括光纤的连接单元和光纤连接器而光学地连接到光源单元和光检测单元。通过设为这样的结构，不仅光观察头单元的更换、维护变得简易，而且通过延长布线长度，能够仅使光观察单元移动至远处，能够如使用了显微镜的简便的观察那样进行光断层观察。
在本发明的光断层观察方法中，将包含光学灵敏度针对作为检查对象的材料而不同的多个波长的激光的光束分割为第1光束及第2光束，使第1光束聚光照射到试样，将从试样反射的信号光导入多个光检测器，使第2光束不照射到试样而作为参照光导入多个光检测器，在多个光检测器上使信号光和参照光以两者的光学性的相位关系相互不同的状态光学地干涉。然后，针对多个波长的各个进行以来自多个光检测器的输出为输入的运算，取得运算的结果作为反映了第1光束的聚光点处的试样内构造的检测信号，运算试样内的同一聚光点处的各波长下的检测信号的强度比，通过在变更试样内的第1光束的聚光位置的同时取得检测信号，从而使试样内的断层方向上的检查对象的存在分布可视化，进行试样的断层观察。
通过这样使用与OCT不同的零差光干涉技术，能够实现使用了一般的半导体激光器那样的高相干光源、即单一波长光源的光断层观察。进而，通过准备可利用检查对象物质的光学灵敏度不同的多个波长的光源单元，比较多个波长下的测定结果，从而能够实现检查对象物质的光断层方向的存在分布的可视化。
另外，通过对试样分时地照射具有多个波长的光束，能够共用用于针对多个波长取得检测信号的光检测器。这对光断层观察装置的小型化、信号传送的简化是有用的。
进而，通过进行运算的调整，即使在光学系统不完全或者不稳定的状况下，也能够得到不依赖于干涉状态的检测信号。具体而言，在取得干涉信号的光检测器是4个的情况下，参照光与信号光之间的相位关系设为在第1光检测器上和第2光检测器上相互相差大致180度，在第3光检测器上和第4光检测器上相互相差大致180度，在第1光检测器上和第3光检测器上相差大致90度。由此，能够同时检测大致360度的相位关系中的、逐次错开大致90度的4个相位状态。检测信号根据光的相位状态的360度的变化而正弦波状地变化，所以通过观测逐次错开大致90度的相位状态的4个信号，能够通过运算再现任意的相位状态下的信号状态。即，实现任意的相位状态下的稳定的检测。作为运算，设为第1光检测器和第2光检测器的差动信号、第3光检测器和第4光检测器的差动信号的平方和。
此时，即使在取得4个干涉信号的光学系统等偏离了理想的状态的情况下，也能够通过被称为相位分集检测的运算而得到不依赖于干涉相位的恒定的输出信号。另外，也可以使取得干涉信号的光检测器为3个，将参照光与信号光之间的相位关系设为从第1光检测器上至第3光检测器相互相差120度，对第1光检测器至第3光检测器的信号进行2次多项式运算，作为检测信号。通过减少光检测器能够实现光检测单元的小型化、电气电路的简化。
根据本发明，能够提供同时进行基于与OCT不同的手法的干涉型的光断层观察、检查对象物质的断层方向分布显示的光断层观察装置。
上述以外的课题、结构以及效果通过以下的实施方式的说明将更加明确。
附图说明
图1是本发明的实施例1的光断层观察装置的框图。
图2是示出作为检查对象的物质的分光特性（透射率）的图。
图3是示出在第1波长下取得的标准化检测信号强度的光断层方 向分布的图。
图4是示出在第2波长下取得的标准化检测信号强度的光断层方向分布的图。
图5是示出第1/第2波长下的检测信号强度比计算结果以及检查对象含有率分布的图。
图6是本发明的实施例2的光断层观察装置的框图。
图7是说明集成光检测模块的各光学元件的功能的概略图。
图8是集成光检测模块的结构图。
图9是双波长半导体激光器的结构图。
图10是说明集成零差检测模块中的4分割光检测器配置的图。
图11是本发明的实施例3中的光断层观察装置的框图。
图12是故障判别单元的动作流程图。
图13是本发明的实施例4中的光断层观察装置的框图。
图14是故障判别单元的动作流程图。
符号说明
101：光源单元；102：光观察头单元；103：光检测单元；104：控制部；105：信号处理部；106：信息输入输出部；115：第一光源；116：第二光源；119：偏振光分束器；122：致动器；123：双波长互换物镜；124：试样；126：光点；128：反射镜；130：无偏振半透半反分束器；132：沃拉斯顿棱镜；133：差动检测器；137：沃拉斯顿棱镜；138：差动检测器；601：双波长半导体激光器；603：衍射光栅；604：相位板；605：λ/2板；606：沃拉斯顿棱镜；612：差动检测器；1101：连接单元；1103：故障检测单元；1301：光纤；1316：光电二极管；1317：故障检测单元。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
[实施例1]
图1是本发明的实施例1的光断层观察装置的框图。该光断层观 察装置具备光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103、控制部104、信号处理部105以及信息输入输出部106。
首先，说明用于通过本装置观察光断层构造的动作。
控制部104中包含的微处理器111制作从通过控制信号电缆112连接的信息输入输出部106中包含的输入装置113送来的、与光断层观察条件对应的测定用调制信号，将调制信号发送到激光驱动器114。
光源单元101具备第1光源115、第2光源116以及分色镜117。第1光源115以及第2光源116都通过从激光驱动器114输出的调制信号被交替分时驱动。在本实施例中，在第1光源中使用了波长780nm的半导体激光器，在第2光源中使用了波长660nm的半导体激光器。另外，分色镜117通过设计为透射第1光源115的波长、反射第2光源116的波长，调整为在通过分色镜117之后任一光源的光束都成为同一光轴。由此，实现了使用多个波长的光学系统的简化。
从第1光源115或者第2光源116射出并通过了分色镜117的光束被导入到光观察头单元102中。接下来，导入到光观察头单元102中的光束透射λ/2板118。此处，λ/2板118的光学轴方向被设定为相对水平方向成22.5度，光束的偏振方向旋转45度。偏振光分束器119具有反射垂直偏振光并透射水平偏振光的性质（在本发明中使用的任意一个偏振光分束器都具有同一性质），偏振光的旋转了的光通过偏振光分束器119被分割为反射的垂直偏振光的光束和透射的水平偏振光的光束。其中所反射的光束通过第一准直透镜120成为平行光之后，通过λ/4板（轴方向：相对水平偏振方向成45度）121，通过致动器122中搭载的双波长用互换物镜123聚光到试样124的内部。此处，使用来自位置控制器125的控制信号来驱动搭载有双波长用互换物镜123的致动器122，使光点126在光轴方向（光断层方向）上扫描，从而从试样124得到与光断层深度对应的反射光。
致动器例如能够通过由磁轭和永久磁铁构成的磁回路、安装了物镜和驱动线圈的可动部、保持该可动部的固定部、以及与固定部连接而对可动部进行弹性支撑的支撑部件构成。在由磁轭和永久磁铁构成 的磁回路中产生的磁场中，如果在第1驱动线圈中流过电流，则发生洛伦茨力而在光轴方向上驱动可动部。同样地，在由磁轭和永久磁铁构成的磁回路中产生的磁场中，如果在第2驱动线圈中流过电流，则发生洛伦茨力而在与光轴正交的方向上驱动可动部。即，致动器能够通过使施加给驱动线圈的电流变化而使物镜在光轴方向以及与其正交的方向上扫描，适合用于扫描光点来取得光断层图像。另外，双波长用互换物镜是能够使不同的双波长的光束聚光到相同的光点位置的既知的结构的透镜，在本实施例中使用了能够将波长780nm的光束和波长660nm的光束聚光到相同的位置的透镜。
来自试样124的反射光（以后称为信号光）沿着与照射时相反的光路，以水平偏振光的状态入射到偏振光分束器119。另一方面，透射了偏振光分束器119的光束（以后称为参照光）在通过准直透镜127被设为平行光束之后，通过反射镜128向正相反的方向反射，往返通过λ/4板129（轴方向：相对水平偏振方向成45度），从而使偏振方向成为垂直偏振，再次入射到偏振光分束器119。此处，信号光和参照光在偏振光正交的状态下合波，并被导入光检测单元103。
导入到光检测单元103中的合波光束通过无偏振半透半反分束器130两分割为透射光和反射光。透射光通过光学轴相对水平方向被设定为22.5度的λ/2板131，偏振旋转45度，通过沃拉斯顿棱镜132被分离为p偏振光分量和s偏振光分量。分离了的光束被分别入射差动检测器133的光电二极管134、135，从差动检测器133输出与强度之差成比例的电信号。同样地，在无偏振半透半反分束器130中反射了的光束在通过了光学轴相对水平方向被设定为45度的λ/4板136之后，通过沃拉斯顿棱镜137被分离，并通过差动检测器138检测。如后所述，由沃拉斯顿棱镜132、137分离之后的光束都是信号光和参照光干涉了的干涉光，差动检测器133、138的输出成为抽出了干涉分量的信号。
差动检测器133、138的输出被送到信号处理部105。输出信号被送到设置在信号处理部105中的数字信号处理电路139，此处能够 取得作为反映了光断层构造的反射光的光强度的检测信号。针对所得到的检测信号，在通过解调电路140解调之后，送到解码电路141而储存到存储器部142中。通过控制部104中具备的图形处理器143将存储器部142中储存的检测信号送到信息输入输出部106中具备的显示设备144，从而操作者能够确认指定的位置的光断层观察像。
此处，叙述通过上述动作生成干涉光，由此根据与OCT不同的原理得到起因于光断层构造的反射光的原理。在入射到无偏振半透半反分束器130的光束中，作为p偏振光分量包含信号光，作为s偏振光分量包含参照光，所以如果用琼斯矢量来表示其偏振光状态，则如下式所示。
【式2】
ErEs...(2)]]>
此处，Es是信号光的电场、Er是参照光的电场。另外，该矢量的第一分量表示p偏振光，第二分量表示s偏振光。该光束透射无偏振半透半反分束器130并通过了λ/2板131之后的琼斯矢量如下式。
【式3】

接下来，通过沃拉斯顿棱镜132而被分离为p偏振光分量和s偏振光分量，所以所分离的光束的电场分别如下所示，成为信号光和参照光的重叠、即干涉光。
【式4】
12(Er-Es)...(4)]]>
12(Er+Es)...(5)]]>
另一方面，在无偏振半透半反分束器130中反射了的光通过了λ/4板136之后的琼斯矢量如下所示。
【式5】

接下来，通过沃拉斯顿棱镜137被分离为p偏振光分量和s偏振光分量，所以所分离的光束的电场分别成为
【式6】
i2(Er+iE5)...(7)]]>
12(Er-iEs)...(8),]]>
仍为信号光和参照光的重叠、即干涉光。因此，4个干涉光的强度分别成为
【式7】
|12(Er-Es)|2=14|Er|2+14|Es|2-12|ErEs|cosΔφ...(9)]]>
|12(Er+Es)|2=14|Er|2+14|Es|2+12|ErEs|cosΔφ...(10)]]>
|i2(Er+iEs)|2=14|Er|2+14|Es|2+12|ErEs|sinΔφ...(11)]]>
|12(Er-iEs)|2=14|Er|2+14|Es|2-12|ErEs|sinΔφ...(12)]]>
第1项、第2项分别是表示信号光、参照光的强度分量的项，第3项是表示信号光与参照光的干涉的项。Δ是以参照光的相位为基准的信号光的相位，其是应被检测的调制信号。差动检测器133、138的输出与这些分支光的强度的差分成比例，所以分别如下式所示，成为与表示上述干涉的项成比例的输出。另外，为了简化说明，将光检测器的变换效率设为1。
【式8】
D1=|ErEs|cosΔφ...(13)]]>
D2=|ErEs|sinΔφ...(14)]]>
上述差动检测器133、138的输出在数字信号处理电路139中首先被A/D变换，之后输入到运算电路，输出下述运算的结果。
【式9】
D12+D22=|ErEs|...(15)]]>
还能够如以上那样，生成信号光和参照光的干涉光，并对其进行检测，从而得到与信号光的强度值的平方根成比例的信号。如果省略式（15）的平方根，则成为与信号光的强度值成比例的信号。式（15）不包含电场的相位项，所以其表示变得不再需要在既存的光放大技术中需要的纳米精度的高度的光路长校正。即，通过使用本检测方法，实现了简易的光干涉放大技术。
接下来，说明能够使用本检测技术进行光断层观察的理由。在本检测手法中，通过双波长互换物镜123聚光的光点126的物体面、和4个光电二极管134、135的观察面处于成像的关系。此时，在光断层方向上从物体面离开的位置，光点126散焦，成为光的相位分布散乱的状态。这表示在成为观察面的光电二极管134、135上，信号光和参照光的相位关系散乱的状态，此时无法实现充分的信号放大。
另一方面，聚焦状态下的信号光和参照光成为在光检测器上相位对齐的状态，所以实现式（15）所示的信号放大。这些结果即表示在物体面存在异种材料边界时、即仅在引起反射率变化时进行信号放大，另一方面能够截断在一般的光学观察手法中在散焦状态下发生的杂散光分量。
在本实施例中，在检查对象的物质中，使用了在20mm的厚度时具有图2所示那样的分光特性的水。如从图2可知，针对第1波长780nm的光具有95%的透射率，针对第2波长660nm的光具有100%的透射率。另外，准备了包含2wt.%的该物质的厚度10μm的膜而作为光断层观察用样品。在膜材料中，使用了对第1、第2波长都不吸收的光学塑料材料。
图3示出在第1波长下取得的标准化检测信号强度的光断层方向分布。如观察图3可知，在本光检测手法中，在使双波长互换物镜123在光断层方向上移动了时，能够确认2个检测峰值。该检测峰值间距离是10.1μm，表示光断层观察用样品的厚度自身。另外，在图3中，检测峰值的幅度反映了该光断层观察中的测定精度，在本实施例中，第1波长780nm下的测定精度是半值全宽3μm。在本光检测技术的 原理上该检测峰值幅度是与光点126的焦点深度相符的值。
另外，图4示出在第2波长下取得的标准化检测信号强度的光断层方向分布。如观察图4可知，与图3同样地，在使双波长互换物镜123在光断层方向上移动时，能够确认2个检测峰值。另外，检测峰值间距离也大致等于10.0μm。另一方面，相对图3，在以下2点不同。第一个不同点在于，相比于图3，检测峰值幅度在图4中变窄。这即表示测定精度提高。作为其主要原因，是因为由于使用了短波长以及高数值孔径（高倍率透镜），所以光点126的焦点深度变窄了。第二个不同点在于，相比于图3，在图4中，膜内部的光量变化变小。在图3的使用了第1波长的测定中，随着移动量变少（朝向负侧），检测峰值的高度、以及其中间地点的信号强度也减少。这表示在图3的第1波长下的测定中，当光在膜内部传播时发生光吸收。另一方面，在图4的第2波长下的测定中未发生光吸收，所以未确认出膜内部的信号强度减少。该倾向与图2的检测对象物质的分光特性一致。此处，根据图3以及图4的测定结果，通过取得第1及第2信号强度比，能够推测在膜内包含的检查对象的含有量。
图5示出第1/第2波长下的检测信号强度比计算结果以及检查对象含有率分布。在针对去除了在光断层观察中起因于构造的检测峰值的、移动量0～－4μm的范围求出了检测信号强度比时，该强度比与在装置校正时通过含有率2%的参考样品求出的直线大致相同一致。这即表示在本膜内，在光断层方向上分布有均匀的2wt.%的检查对象物质。关于参考样品的测定结果，在装置组装之后进行测定，并将该测定数据储存到存储器部142中，从而在以后的测定中不需要参考测量。
[实施例2]
图6是本发明的实施例2的光断层观察装置的框图。在本实施例中，通过在光源单元101中使用双波长半导体激光器601、并在光检测单元103中使用集成光检测模块，实现了光断层观察装置的小型化、简化。装置的基本的结构以及动作与实施例1相同。如果着眼于结构的不同点，则在从光观察头单元102向光检测单元103导入光时追加 准直透镜602，设为向集成光检测模块入射准直光（平行光）。另外，集成光检测模块具备衍射光栅603、相位板604、λ/2板605、沃拉斯顿棱镜606、聚光透镜607、4个光电二极管608～611、差动检测器612。
首先，说明集成光检测模块的功能以及结构。
图7是说明集成光检测模块的各光学元件的功能的概略图。在集成光检测模块内，信号光和参照光被合波而产生的光束（1）通过衍射光栅603被分割为±1次的衍射光、即2个光束（2），接下来，通过以在该2个光束之间附加π/2的相位差的方式倾斜配置的相位板604（3）。之后，通过倾斜了45度的λ/2板605而旋转偏振方向（4），通过沃拉斯顿棱镜606进一步被分割为各两个、各自的偏振方向逐次相差90度的合计4种偏振光（5）。
图8示出集成光检测模块的结构图。通过了沃拉斯顿棱镜606的各自的偏振方向逐次相差90度的4个光束通过聚光透镜607分别聚光到不同的4个光电二极管608～611。之后，从差动检测器612输出的信号与实施例1相同，所以详细省略。
如图9所示，在双波长半导体激光器中，在半导体激光器基板901上通过结晶生长工艺形成半导体芯片（第1光源）902、半导体芯片（第2光源）903，任一半导体激光器芯片都设为大致长方体的形状。半导体激光器基板901与子固定架904经由金属层905粘接。
子固定架904是通过AlTiC（Al2O3·TiC）等形成的导电体。另外，金属层905是为了将半导体激光器物理地固定到子固定架并且形成与半导体激光器的底面电气接触而设置的，能够使用AuSn等焊锡材料。在双波长半导体激光器中，能够使用具有多重量子井构造的半导体激光器。在这些半导体激光器中，在多层构造的劈开面的前后，成膜了用于激励基于全反射产生的振荡的、由SiO2、Al2O3等构成的反射膜。双波长半导体激光器也可以是使用了GaAlAs系等其他半导体材料的其他结构的激光器。
在本实施例中，作为半导体激光器基板901的材料选择了GaAs基板，作为半导体芯片（第1光源）902的材料选择了GaAlAs，作为 半导体芯片（第2光源）903的材料选择了InGaAlP。此时，第1光源的波长是780nm、第2光源的波长是660nm，成为与实施例1同样的波长。另外，第1光源902和第2光源903能够通过激光驱动器114交替进行分时发光。双波长半导体激光器能够在同一基板上大量生产具有2种振荡波长的光源，所以具有低成本、小型化、节能驱动等各种优点，但其另一方面，发生下述那样的问题。
在双波长半导体激光器中，位于半导体芯片（第1光源）902内的第1光源中的发光点906、以及位于半导体芯片（第2光源）903内的第2光源中的发光点907存在于不同的场所，所以必然存在发光点偏移ΔS。关于该发光点偏移ΔS，在实施例1中说明的通过物镜聚光的试样内的成为光点焦点面的物体面、以及成为光电二极管的检测面的观察面中的任意一个中都成为同样的发光点偏移。
因此，在本实施例中，通过研究光电二极管的大小以及配置，即使在使用了存在发光点偏移的双波长半导体激光器时，也能够通过简易的结构进行光断层观察。图10示出其详细情况。在集成零差检测模块中，需要在观察面中配置D1至D4这4个光电二极管。如图7的说明所述，在观察面中，通过衍射光栅603以及沃拉斯顿棱镜606，针对各波长的每一个，被分割为4个光束。此时，如果将从衍射光栅开始的衍射角设为α、将向衍射光栅的入射角设为β、将衍射光栅间距设为d、将入射光的波长设为λ，则满足下述关系式。
【式10】
dSinα+dSinβ＝nλ ...(16)
n是衍射次数。在本实施例中，入射光是准直光，所以β是0度，所以从衍射光栅开始的衍射角α能够如下述那样表示。
【式11】
α=arcsin(nλd)...(17)]]>
此处，如果仅关注±1次的衍射光（n=1），将衍射光栅至光检测器的检测面的距离设为L、将双波长半导体激光器的射出面上的发光 点的偏移量设为ΔS、将双波长半导体激光器发光点面和光检测器面的成像倍率设为M，则能够求出观察面中的双波长半导体激光器的不同的波长的光点间距离。该光点间距离是光检测器要求的尺寸A的最小值，能够如下式表示。
【式12】
Amin≥L×{tan(arcsin(λ1d))-tan(arcsin(λ2d))}+MΔS...(18)]]>
另外，成像倍率M能够通过双波长半导体激光器的准直透镜和光检测器跟前的物镜的数值孔径比求出。进而，光检测器要求的尺寸A的最大值等于通过衍射光栅所分离的±1次光的光点间的距离，成为下式。
【式13】
Amin≤L×tan(arcsin(λ1d))...(19)]]>
由此，通过整理式（18）、（19），通过使用满足下式的光检测器，即使在使用了存在发光点偏移的双波长半导体激光器时，也能够通过同一光检测器对不同波长的光点进行光检测。
【式14】
L×{tan(arcsin(λ1d))-tan(arcsin(λ2d))}+MΔS≤Amin≤L×tan(arcsin(λ1d))]]>
以上是针对光电二极管的检测面中的发光点偏移的问题的对策，但通过物镜123在试样内形成的第1波长的点位置和第2波长的点位置也因为双波长半导体激光器的发光点偏移ΔS，而在与物镜的光轴垂直的方向上偏移。因此，在本实施例中，在信号处理部105的存储器部142中预先储存与双波长半导体激光器的发光点偏移量相伴的试样上的聚光点偏移量，参照该聚光点偏移量以使第1波长下的检测信号和第2波长下的检测信号成为相同的光点位置的检测信号的方式，选择2个检测信号的组，运算检测信号相对2个波长的比。为此，优选将利用致动器122进行的向与物镜123的光轴方向垂直的方向的移动 量设定为试样上的聚光点偏移量的整数倍或者整数分之一等。
[实施例3]
图11是本发明的实施例3中的光断层观察装置的框图。在本实施例中，对光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103进行模块化，经由连接单元1101进行与控制部104以及信号处理部105的电气布线，从而实现了电气布线的处理扩展性。通过改变电气布线的长度，能够改变从控制部104以及信号处理部105至光观察头单元102的距离、即至测定对象的距离，能够拉开由控制部104以及信号处理部105构成的解析装置和模块化了的检查装置的距离。与该变更配合地，在光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103、控制部104、信号处理部105的任意一个中都追加了布线连接器1102。进而，在模块了的光观察头单元102中追加了故障判别单元1103。故障判别单元1103与光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103电连接。
针对双波长半导体激光器601中设置的背监视光检测器，进行了故障判别单元1103的与光源单元101的电连接。背监视光检测器是通过一般的半导体激光器模块封装化的器件，用于测量半导体激光器的输出功率。例如，进行如下控制：通过以使该背监视信号成为固定强度的方式调整来自激光驱动器的电流量，即使在环境条件变化了的情况下仍能够得到期望的输出功率。即，通过检查来自该背监视检测器的信号，能够判断是否需要更换由于热经历所致的劣化、电气的主要原因所致的故障而易于损伤的半导体激光器、即光源单元101。
针对致动器122，进行故障判别单元1103的与光观察头单元102的电连接。致动器122被用于通过如上所述地对线圈提供电流而对物镜进行扫描，由于进行扫描、即机械的驱动，所以不仅易于产生物理的劣化（磨损）等，而且如果对线圈施加了设想外的电流，则有时发生在致动器内由于电气电路的焦尔发热等而布线被切断的、导致无法进行物镜扫描的故障。因此，通过检查对致动器122施加的电流，能够判别是否发生了上述故障。
针对光电二极管134、135，进行故障判别单元1103的与光检测单元103的电连接。光电二极管134、135也与半导体激光器同样地，是由于热经历所致的劣化、电气的主要原因所致的故障而易于损伤的元件，但除此以外在本发明那样的光干涉仪中，即使在光电二极管自身未破坏的情形下，由于光观察头单元102、光检测单元103内的光学部件（透镜/棱镜/偏振光板/光电二极管等）的位置偏移，仍得不到期望的光干涉信号。关于这样的位置偏移，由于温度变化的反复、落下/剧烈碰撞等物理性的冲击造成的情形较多。因此，根据来自光电二极管134、135的输出电压，检查在本发明的装置起动时是否得到期望的光干涉信号强度，从而能够判别是否发生了上述故障。
故障判别单元1103包括：判别电路，用于判别上述故障；显示部，用于明示引起了故障的单元；以及电池部，用于即使未从装置提供驱动电源也能够独立驱动。
其他基本的结构、动作与实施例1以及实施例2相同。参照图12，说明利用本实施例的故障检测单元的故障判别的步骤。在对控制部104接通了电源之后，进入步骤11，故障检测单元检查半导体激光器601、致动器122以及光电二极管134、135的通电。此时，如果检测到异常，则进入步骤21，故障检测单元1103在其显示部中使“需要检查布线”的报警灯点亮。如果在步骤11中无异常则进入步骤12，通过控制部104驱动激光驱动器114，故障检测单元1103根据双波长半导体激光器601的背监视光检测器的输出确认半导体激光器输出。此时，如果探测到异常则进入步骤22，故障检测单元1103在其显示部中使“更换光源单元”的报警灯点亮。在步骤12中无异常的情况下进入步骤13，通过控制部104驱动致动器122，通过故障检测单元1103监视致动器中流过的电流来进行致动器的动作确认。此处，如果探测到异常则进入步骤23，故障检测单元1103在其显示部中使“更换光断层观察单元（致动器）”的报警灯点亮。
如果在步骤13中无异常则进入步骤14，通过控制部104驱动激光驱动器114，通过故障检测单元1103确认光电二极管134、135的 输出。此时，如果未检测到来自某一个光电二极管的输入信号则进入步骤24，故障检测单元1103在其显示部中使“更换光检测单元（光电二极管）”的报警灯点亮。另外，在检测到来自多个光电二极管的输入信号强度平衡偏差时，进入步骤25，故障检测单元1103在其显示部中使“更换光检测单元（光干涉仪不佳）”的报警灯点亮。
在本实施例中，通过进行图12那样的故障判别流程，作为光干涉仪能够将易于受到机械振动以及热影响的模块化了的光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103一并更换，能够实现高的维护性。
[实施例4]
图13是本发明的实施例4中的光断层观察装置的框图。在本实施例中，在连接单元1101中，通过不仅包括实施例3那样的电气布线，而还包括光纤1301，从而设为能够仅将光观察头单元102从装置主体分离而使用。通过仅将光观察头单元102设为单体的单元，进一步实现轻量化，能够与既存的纤维镜（fiber scope）同样地随意使用。与该变更配合地，在光源单元101、光观察头单元102、光检测单元103的任意一个中都追加了光纤连接器1302。进而，通过在光纤连接器1302的前后设置准直透镜1303、聚光透镜1304，作为光学系统的功能而设为与实施例1至实施例3相同。
进而，在本实施例中，变更光检测单元103的结构，采用了将个数从此前的实施例的4个光检测器削减了1个的3个光检测器的简易的结构。在光检测单元103中，通过无偏振光分束器1305、1306将入射光束分割为3个，使其中的1个光束通过s偏振光相对p偏振光产生120度的相位差的相位板1307、使其他光束通过s偏振光相对p偏振光产生240度的相位差的相位板1308，3个光束都透射仅使45度偏振光透射的偏振光子1309、1310、1311，通过光检测器1312、1313、1314进行检测。这些光检测器的输出如下式（20）（21）（22）所示。此处，积分是针对电场的分量的积分。
【式15】
I1=∫-∞∞∫-∞∞|13Es+13Er|2dxdy=13∫-∞∞∫-∞∞(|Es|2+|Er|2)dxdy+13∫-∞∞∫-∞∞Er*Esdxdy+C.C....(20)]]>
I2=∫-∞∞∫-∞∞|13Es+13eiπ/3Er|2dxdy=13∫-∞∞∫-∞∞(|Es|2+|Er|2)exdy+13∫-∞∞∫-∞∞eiπ/3Er*Esdxdy+C.C....(21)I3=∫-∞∞∫-∞∞|13Es+13ei2π/3Er|2dxdy=13∫-∞∞∫-∞∞(|Es|2+|Er|2)dxdy+13∫-∞∞∫-∞∞ei2π/3Er*Esdxdy+C.C....(22)]]>
根据这些输出，进行用式（23）表示的运算，根据这些而得到与式（24）相当的输出。
【式16】
(∫-∞∞∫-∞∞|EsEr|dxdy)2=(3(-2I1+3I2-I3)2)2+(3(I2-I3)2)2...(23)]]>
D12+D22=(∫-∞∞∫-∞∞|ErEs1|dxdycosφ)2+(∫-∞∞∫-∞∞|ErEs1|dxdysinφ)2=(∫-∞∞∫-∞∞|ErEs1|dxdy)2...(24)]]>
式（24）表示能够与上述干涉光是4个的情况完全相同地取得信号光强度。此处，说明了检测3个不同的相位的干涉光强度的例子，但通过这样调整相位、偏振光，即使检测4个、5个等3个以上的多个相位的干涉光强度，也能够取得信号光强度。
进而，在光观察头单元102中，通过追加偏振光分束器1315而使测定光的一部分分离，并使用聚光透镜1304聚光到光电二极管1316上。关于该偏振光分束器1315，考虑光断层观察所需的光量，而设计成使透射/反射的分光比为95：5、并将所取出的光设为最小限。在光电二极管1316中，生成与检测光功率相当的电压信号，与实施例3同样地，与故障检测单元1317电连接。另外，致动器122也与实施例3同样地，与故障检测单元1317电连接。另外，经由将控制部104的布线连接器和光观察头单元102的布线连接器之间连接起来的连接 单元1101的布线，供给驱动致动器122的信号，故障检测单元1317通过监视该驱动信号来进行致动器的故障检测。
另一方面，光源单元101以及光检测单元103配置于控制部104、信号处理部105的附近，所以构成为与一般的机械装置同样地，通过控制部104进行这些单元的故障检测。
参照图14，说明通过本实施例的故障检测单元执行的故障判别的步骤。在对控制部104接通了电源之后，进入步骤31，故障检测单元检查半导体激光器601、致动器122以及光电二极管1316的通电。此时，如果检测到异常则进入步骤41，故障检测单元1103在其显示部中使“需要检查布线”的报警灯点亮。如果在步骤31中无异常则进入步骤32，通过控制部104驱动激光驱动器114，通过故障检测单元1317监视光电二极管1316的信号来确认半导体激光器115、116的输出。此处，如果检测到异常则进入步骤42，故障检测单元1317在其显示部中使“需要检查光纤布线”的报警灯点亮。
如果在步骤32中无异常则进入步骤33，通过控制部104在变更输出电流的同时驱动激光驱动器114，通过故障检测单元1317监视光电二极管1316的信号来确认半导体激光器115、116的输出。此处，如果检测到异常则进入步骤43，故障检测单元1317在其显示部中使“更换光源单元”的报警灯点亮。如果在步骤33中无异常则进入步骤34，通过控制部104驱动致动器122，通过故障检测单元确认致动器的动作。此处，如果检测到异常则进入步骤44，故障检测单元1317在其显示部中使“更换光断层观察单元（致动器）”的报警灯点亮。
如果在步骤34中无异常则进入步骤35，使“光断层观察单元正常动作”的报警灯点亮。然后，进入步骤36，通过控制部实施光检测单元的动作检查。
另外，本实施例的基本的结构、动作与实施例1、实施例2以及实施例3相同。在本实施例中，通过进行图14那样的故障判别流程，作为光干涉仪能够将易于受到机械振动以及热影响的模块化了的光观察头单元102一并更换，能够实现高的维护性。
另外，本发明不限于上述实施例，而包括各种变形例。例如，上述实施例是为了便于理解本发明而进行的详细说明，不必限定为具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，并且还能够对某实施例的结构增加其他实施例的结构。另外，能够针对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加/删除/置换。
产业上的可利用性
根据本发明，能够提供如下装置：不受实际的光学系统中产生的各种特性的偏差的影响而能够输出稳定的放大信号，进行与OCT不同的手法的干涉型的光断层观察，同时关注检查对象物质的分光特性而显示检查对象物质的断层方向分布。