JP2006047264A - オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置及びこれに用いる可変波長光発生装置並びに可変波長発光光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置においてＯＣＴ信号の分解能を向上させ、サイドローブの増大を防止することを課題する。
【解決手段】 オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の光源として、波数掃引範囲の異なる複数の可変波長光源４１の出力を合わせて出力する発光部４３と、前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源４１の波数掃引範囲を超えた波数掃引を可能にする制御装置４４とを有してなるスイッチ光源（可変波長光発生装置）１３１を用いる。また、スイッチ光源（可変波長光発生装置）を、掃引波数の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する発光部と、前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源の出力可能波数を互いに補うように波数掃引を可能にする制御装置とを有してなる構成とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置及びこれに用いる可変波長光発生装置に関するものである。即ち、この発明は、生体や塗装面等各種構造物の断層像を光の干渉現像を利用して測定する装置及びその光源として用いる可変波長光発生装置に関するものである。

オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー法（ＯＣＴ法）は、網膜等の断層像の撮影に有効な光学的な断層撮影法である（非特許文献１）。ＯＣＴ法は、生体への無侵襲性と高い分解能が注目され、目以外の他の臓器への応用も試みられている（非特許文献１）。この測定法の特徴は、深さ方向の空間分解能が高い点にあり、〜10μｍ程度の分解能を有する測定装置が実用化されている。分解能は光源のスペクトル幅で決まるが、実用化されているＯＣＴでは、操作の容易性・信頼性・小型軽量性を考慮して半導体発光素子、具体的には近赤外域スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）を用いるのが一般的である。即ち、実用化されたＯＣＴ装置の分解能は、ＳＬＤのスペクトル幅によって制限されている。ＯＣＴの空間分解能は光源のスペクトル幅に反比例するので、分解能を高くするためには光源のスペクトル幅を広くすれば良い。しかし、ＳＬＤのスペクトル幅はその発光層等の物理的性質により決まるので、今以上にスペクトル幅を拡大するのは困難である。

この限界を乗り越える試みとして、中心波長の異なる複数のＳＬＤを組み合わせて、実質的に広帯域の光源を実現しようという試みが佐藤等によって提案されている（非特許文献２）。

陳 健培 OPTRONICS（２００２）, NO７,１７９ 応用光学 ２００３．２ 第７頁〜第１１頁 佐藤 学 応用物理：７１巻、第１１号、ｐ．１３６２、吉國 裕三 第２８回光学シンポジウム予稿集第３９頁〜第４０頁（２００３年６月１９日発行） Handbook of Optical Coherence Tomography（edited by Brett E．Bouma．Guillermo J．Tearney），ｐ３６４−ｐ３６７ 特願２００３−３３５２０７号

佐藤等は、（１）発光波長の異なる複数のＳＬＤを合波して構成した光源によれば分解能が向上し、（２）光源の合成によって発生するサイドローブも光源強度、中心波長、波長幅を最適化することによって抑制できると主張している。しかしながら、以下に述べる通り、（１）分解能は必ずしも合成後のスペクトル幅に反比例して狭くはならず、（２）大きなサイドローブが発生し、（３）しかも合成する光源の数が増えるほどサイドローブの振幅が大きくなることを、合成光源に対するＯＣＴ信号を解析することによって本願発明者は発見した。

図１０に佐藤等が提案した光源（以下、合成光源）の概略図を、図１１（ａ）に前記合成光源を用いたＯＣＴ装置の一例を示す。式（１）にはこの合成光源５を用いて得られる試料１内部の反射面３からのＯＣＴ信号Ｆ(x) を示す。

ここで、ｘは参照ミラー８とビームスプリッタ７との光路長Ｌ₁と、反射面３とビームスプリッタ７との光路長Ｌ₂との差（Ｌ₁−Ｌ₂）である。ｒ_r及びｒ_sはそれぞれ参照ミラー８及び反射面３の光反射率である。Ｉ_iは合成光源５のｉ番目の光源の積分強度を表す。Ｃは光速である。合成光源５は、図１０に示す通り中心波長の異なる複数の光源２１、具体的にはＳＬＤの出力が光結合器２２によって合波されたものである。ΔＺ_iはｉ番目の光源単独によって得られるＯＣＴ信号の半値全幅であり、ｆci はｉ番目の光源の中心周波数である。

佐藤等の用いた図１１（ａ）に示すＯＣＴ装置は広帯域光源５を用い、参照ミラー８を速度ｖで動かす方法である。
この場合ｘは測定する時刻ｔとｘ＝ｖｔの関係にあり、式（１）は時間ｔの関数として次式で与えられる。

このように実際の計測は時間変化する信号を計測するが、以下では計測される結果として位置情報を示す関数Ｆ(x) について述べる。
尚、図１１（ａ）に示すＯＣＴの方法はＯＣＤＲ（オプティカル・コヒーレント・ドメイン・リフレクメトリー）ＯＣＴと呼ぶ。
式（１）で注視すべき点は、合成光源によるＯＣＴ信号は個々の光源によるＯＣＴ信号の重ね合わせに過ぎないことである。即ち、上記式（１）で表される合成光源によるＯＣＴ信号は、下記式（３）で表されるｉ番目の光源によるＯＣＴ信号を重ね合わせたものである。

それにも拘わらずＯＣＴ信号の半値幅が狭くなったように見えるのは、式（３）の振動項、

が、光源毎に少しずつ異なった周波数を持っているため重ね合わせるとビート信号が発生するからである。

このビート信号の振幅の減少によって式（３）の包絡線項

が変調されるため、ｘ＝０の近傍ではＯＣＴ信号の幅が狭くなるようにも見える。しかし、実際はｘ＝０より離れるに従いビート信号の振幅が一たん元に戻るためサイドローブ３１が発生する（図１２）。サイドローブは、個々の光源２１に発生する包絡線と振動を繰り返すビート信号の積によって発生する。従って、大きなサイドローブ３１が発生する。

以下、この現象を、具体例に基づいて説明する。光源のスペクトルを表すには、波長λを用いるより波数ｋ（＝２π／λ）を用いた方が便利である。合成光源は、中心波数がｋ₁及びｋ₂で同一のスペクトル幅σと同一の積分強度Ｉを持ちスペクトル形状がガウシアン型の光源１及び光源２によって構成されているとする。従って、合成光源のスペクトルＳ(k) は以下のように表される。

ここで、個々の光源の半値半幅Ｗ_fは以下の通りになっている。

Ｗ_fを用いるとＯＣＴ信号の半値全幅は次式で与えられる。
ΔＺ＝（２ｌｎ２）／Ｗ_f

ここで、光源１と光源２の中心波数が半値半幅Ｗ_fの２倍離れているとすると合成光源のスペクトル形状３１は図１３の様になる。縦軸は個々の光源の積分強度Ｉで規格化されている。ここでスペクトル３２及びスペクトル３３は、それぞれ光源１及び光源２のスペクトルである。

次に、合成光源のＯＣＴ信号ｆ(x) を、光源１及び光源２のスペクトル幅σと波数を用いて表すと以下のようになる。

ここで、

は、ｋ₁（又はｋ₂）と同程度の周期の振動を与える。一方、

は、上記振動のビートの包絡線を与える。そして、

は、個々の光源のＯＣＴ信号の包絡線を与える。

図１４に、振動項（９）を除いた合成光源によるＯＣＴ信号の包絡線（右半分）を示す。横軸はｘを１／σで規格化したものであり、縦軸はｘ＝０の時の値で規格化してある。包絡線４２が、上記合成光源によるものである。包絡線４１は個々の光源の包絡線を、包絡線４３は光源を４つにした場合の包絡線である。尚、光源が４つの場合のＯＣＴ信号の式は示さないが、光源が２つの場合と同様ビート信号が発生する。

この図からは、ＯＣＴ信号の半値幅は確かに光源の数を増やすと減少していくが、その減り方は光源の数に反比例していないことが分かる。即ち、合成光源のスペクトル幅の増加に反比例しては半値幅が減少しない。具体的には、光源が二つの場合の半値幅は光源が１つの場合の０．６２倍、４つの場合は０．３３倍にしかならず、分解能がスペクトル幅に反比例する場合に期待される０．５倍及び０．２５倍にはなっていない。一方、同図には、零を挟んで大きく上下に振動するサイドローブが観察される（ＯＣＴ信号が負の値にまで亘るのは、式（８）が干渉成分のみを表しそのバックグランドとなる参照光と信号光の強度を省略してあるからである。）。そして、サイドローブの振幅は光源が２つの場合より、４つの場合の方が明らかに大きい。

即ち、合成光源のＯＣＴ信号形状は個々の光源のスペクトル幅によって決定される包絡線４１に拘束されており、一見するとＯＣＴ信号の幅が狭くなったように見えてもその狭窄化の程度は緩慢である一方、大きなサイドローブが発生する。従って、合成光源を用いても、実はＯＣＴ像の解像度はあまり改善されないという問題点がある。即ち、合成光源を用いても期待されるほどには分解能は向上しない一方、大きなサイドローブが発生してＯＣＴ像にゴーストが生じてしまう。
従って、本発明はオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置においてＯＣＴ信号の分解能を向上させ、サイドローブの増大を防止することを課題とする。

上記課題を解決する第１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置は、波数掃引範囲の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する発光部と、
前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源の波数掃引範囲を超えた波数掃引を可能にする制御装置とを有してなることを特徴とする。

また、第２発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置
は、第１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置において、
第１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置可変波長範囲が波数に対して０．２μｍ^-1以上であることを特徴とする。

また、第３発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置は、掃引波数の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する発光部と、
前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源の出力可能波数を互いに補うように波数掃引を可能にする制御装置とを有してなることを特徴とする。

また、第４発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置は、第１〜第３発明の何れかのオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置において、
前記掃引波数の異なる複数の可変波長光源が、波数を離散的に切り替え可能であることを特徴とする。

また、第５発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置は、第１〜第４発明の何れかのオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置において、
前記発光部が光スイッチを備え、前記光スイッチによって前記出力を合わせて出力することを特徴とする。

また、第６発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置は、第１〜第５発明の何れかのオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置において、
前記可変波長光源が、可変波長レーザからなることを特徴とする。

また、第７発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、可変波長光発生装置と、
前記可変波長光発生装置の出力光を測定光と参照光に分割する手段と、
前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段と、
前記信号光と前記参照光とを合波する手段と、
前記合波する手段によって合波された出力光の強度を前記可変波長光発生装置の波数毎に測定する手段と、
前記測定する手段によって前記波数毎に計測された前記合波された出力光の強度の集合から前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された位置と反射又は後方散乱強度とを前記測定対象の奥行き方向に対して特定する手段とを有するオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記可変波長光発生装置が、第１〜第６発明の何れかの可変波長光発生装置であることを特徴とする。

また、第８発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第７発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記分割する手段と前記合波する手段が、同一の手段であることを特徴とする。

また、第９発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第７又は第８発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段に代えて、
前記測定光を測定対象に照射する手段と、
前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段とを有することを特徴とする。
また、第１０発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第７発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記特定する手段が、前記合波された出力光の強度と前記波数からなる実数の組み合わせをフーリエ変換するものであることを特徴とする。

また、第１１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第１０発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記特定する手段が、前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度の変動の影響を無くすように前記合波された出力光の強度を補正するものであることを特徴とする。

また、第１２発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第１１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記補正が、
前記オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の測定時に、前記波数を切り替える毎に前記可変波長光発生装置の出力光の強度を逐次測定して得た値の逆数又は前記逆数に比例する数値を、前記合波された出力光の強度に乗ずるものであることを特徴とする。

また、第１３発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第１１発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記補正が、
前記可変波長光発生装置の出力光の強度を前記波数毎に予め測定して得た値の逆数又は前記逆数に比例する数値を、前記合波された出力光の強度に乗ずるものであることを特徴とする。

また、第１４発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第１０〜第１３発明の何れかのオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記特定する手段が、前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度の変動の影響を無くすように補正された前記合波された出力光の強度又は前記合波された出力光の強度を窓関数を使って修正することを特徴とする。

また、第１５発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、第１０発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
前記特定する手段が、
前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度分布が、所望の窓関数と一致する場合に得られる測定結果と同じ測定結果が得られるように、
前記合波された出力光の強度を補正することを特徴とする。

また、第１６発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長発光光源は、波数掃引範囲又は掃引波数の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力することを特徴とする。

また、第１７発明のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置は、
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の可変波長光発生装置を用いたことを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。

本発明は、可変波長光源を組み合わせた新規なスイッチ光源と、この光源とＯＦＤＲ−ＯＣＴ装置とを組み合わせたものであり、この新規なスイッチ光源によれば合成光源とは異なり複数の光源を用いることによって拡大した光スペクトル幅に反比例してＯＣＴ信号の分解能が向上するという効果が奏される。また、合成光源に見られるような合波によるサイドローブの増大という問題も発生しない。

（上記課題の原因）
実際のＯＣＤＲ−ＯＣＴ測定では、参照ミラーを、速度ｖで動かす。このとき、観測位置はｘ＝ｖt の関係で時間の関数となり、信号は式（２）のＦ_t(t) で表される。この信号を構成するｉ番目の成分は、周波数が

で振動し、その包絡線が次式のガウス型の時間依存性で与えられる。

このように時間変化する信号Ｆ_t(t)から、包絡線の信号（１３）を抽出しｖt＝ｘと置き直して位置ｘの関数としての反射率の位置信号を得る信号処理においては、（１２）式の全ての周波数を丁度通過させるバンド・パス・フィルターを通して余分な信号を除去し、これを二乗検波し、さらにロー・パス・フィルターを用いて（１３）式の包絡線情報のみを求める。

ＯＣＴで計測される奥行き方向の信号を位置ｘの関数として示すと、対数スケールでは信号に付随して、サイドローブが現れ、信号位置から離れた位置でもノイズフロアーが観測される。これは、ＯＣＤＲ−ＯＣＴに用いられる光源のスペクトル形状が、完全なガウシアンではないことに起因する。従って、サイドローブとノイズフロアーを出来るだけ小さくするために、ＯＣＤＲ−ＯＣＴの光源は出来るだけガウシアンに近いスペクトル形状の広帯域光源が望ましい。合成光源を用い帯域幅を広げる場合も、合成光源のスペクトル形状はガウシアンが望ましい。

ＯＣＤＲ−ＯＣＴの合成光源を得るために非特許文献２では、図１０に示すような、複数の中心波長の異なるガウシアンの光源の和を作っている。この場合の光源のスペクトルは、式（６）に示すような複数の山からなる多峰性のスペクトル形状になり、単峰のガウシアンでないため、サイドローブが増大して現れてしまう。これは波長帯幅拡張のために合成光源を用いるＯＣＤＲ−ＯＣＴ法では避けられない問題である。

（本発明の原理）
本発明は、合成光源に関する上記考案に基づいてなされたものである。本発明は、複数の光源を組み合わせてスペクトル幅を拡大する点は合成光源と共通するが、組み合わせ後各々の光源は同時には用いず時系列的にそれぞれの光源を順次使用するようにした点で合成光源とは相違する。この様な光源（以後、「スイッチ光源」と呼ぶ）を用いる場合には、ＯＣＴ信号の分解能と光源のスペクトル幅の関係は単一光源を用いる場合となんら変わらず、従って組み合わせる光源の数が増えてスペクトル幅が広がれば広がるほど単一光源の場合と同様に組合せ後のスペクトル幅に反比例してＯＣＴ信号の幅が狭くなる。しかも、合成に伴なうサイドローブの増大という問題も生じない。

この様な光源を実現するため、本発明によるＯＣＴ装置では、合成光源が用いられるＯＣＤＲ−ＯＣＴ法ではなく本願発明者等が発明したＯＦＤＲ−ＯＣＴ法（Optical Frequency Domain Reflectometry法）を選択し、可変掃引波長範囲の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する様に構成した光源を用いて、各可変波長光源の波長掃引を一つずつ行っていく。使用する可変波長光源が切り替わっても、任意の波数における測定光の強度を可変波長光源を制御することによって任意に設定できる点では可変波長光源の数が一つの場合と何ら変わりはないのでスイッチ光源のスペクトル形状は可変波長光源が一つの場合でも複数の場合でも本質的な相違はない（ここで言う光のスペクトルはスイッチ光源の波数掃引によって得られるスペクトルであり、合成光源のスペクトルのように同時に出射される光を波長を分解して得られるスペクトルとは異なる。）。従って、スイッチ光源によれば形状は光源が一つの場合と同じで波数幅の広がったスペクトルを容易に実現できる。従って、広帯域化しても分解能は波数幅に反比例して狭くなりしかもサイドローブの増大という問題も発生しない。

ここでＯＦＤＲ−ＯＣＴ法について、少し詳しく説明する。
ＯＦＤＲ−ＯＣＴ法では、試料に一時に照射する光は単一波数成分によって構成されており、この波数を走査することによって得られる干渉信号をフーリエ変換することによってＯＣＴ信号を合成する（非特許文献４）。正確には、干渉信号に対するフーリエ余弦変換の自乗とフーリエ正弦変換の自乗との和（又はその平方根）をとる。

図１１（ｂ）に、ＯＦＤＲ−ＯＣＴ法の概念図を示す。図１１（ａ）に示すＯＣＤＲ−ＯＣＴ法との違いは、図１１（ａ）では光源が広帯域光源５であるのに対し、図１１（ｂ）では波長が可変な極めて狭帯域の光源１３１であり、また、図１１（ａ）では参照ミラー８を速さｖで動かすのに対し、図１１（ｂ）では参照ミラー８は固定されている。

図１１（ｂ）において光源の波数がｋ₁のとき観測される１つの反射面３からの信号は次式で与えられる。

ここで、Ｉ₀は光源の強度で、波数が変化しても一定とする。差動検出を行うと、右辺［ ］内の第１項と第２項の直流成分は打ち消せるので、検出する信号は干渉項のみとなり、次式になる。

試料が連続的な場合は、反射面は連続的に分布するので、試料全体からの波数ｋ_iのときの反射光の干渉項の強度Ｐ_iは、ｘについて積分して、次式となる。

波数ｋ_iが等間隔でｉ＝１からＮまで走査されるものとし、試料の奥行き方向の位置ｘにおける反射率に比例する信号Ｒ(x)は、次式の離散的なフーリエ変換で求められる。

スイッチ光源にしてスペクトルを広げると、走査する波数の数Ｎが増し、スペクトルの分解能が増し、サイドローブは増大しない。
スイッチ光源の出力光のスペクトルの一例を図４に、この様な光源を用いて得られたＯＣＴ信号の一例を図５に示す（このグラフは、フーリエ余弦変換の自乗とフーリエ正弦変換の自乗との和に対するものである。）。

図４は矩形のスペクトル形状を持つ可変波長光源を、二つ組み合わせた場合が記載されている。図５の縦軸は、ｘ＝０の時の値で規格化してある。横軸は、スペクトルの半値半幅Ｗ_k／２の逆数で規格化してある。Ａは可変波長光源が１つの場合、Ｂの可変波長光源が２つの場合、Ｃは可変波長光源が４つの場合である（各光源のスペクトル半値幅、強度は同一と仮定し、掃引する波数の全総数は光源の数に比例するとした。）。ＯＣＴピークの半値半幅は、光源の数に反比例して０．６９５、０．３４８、０．１７４と小さくなっていく。光源のスペクトル形状が矩形であるため、サイドローブが発生しているが、合成光源によるものよりは明らかに小さくしかも光源の数が増えても大きくならない。尚、サイドローブの大きさはｘの増加と共に小さくなり、その最大値は掃引する可変波長光源の数を増やしても変わらない。

更に、この様なフーリエ変換によるサイドローブは、適当な窓関数を干渉信号に掛けてからフーリエ変換することによって取り除くことができる。図６には、ガウシアン窓を用いた場合の結果を示す。Ａは窓関数を掛けない場合のＯＣＴ信号であり、Ｂはガウシアン窓関数を掛けた場合の結果である。小さなサイドローブも確認できるように、縦軸はLOG表示とした。尚、横軸は任意単位とした。ガウシアン窓を用いることによって、サイドローブは６０ｄＢ近く減少している。パラメータを適当に選べば、サイドローブを更に減少させることもできる。また、ノイズフロアーも４０ｄＢ以上低下している。
窓関数を使用するとサイドローブを取り除くと共にノイズフロアーを大幅に低減することも出来るが、一方図６からも分かるように分解能は劣化する。従って、単一可変波長光源を用いたＯＦＤＲ−ＯＣＴに窓関数を使用することには、必要な分可能が確保できないという負の側面がある。しかし、広帯域にされたスイッチ光源を用いる場合には、元々が高分解能なので窓関数による分解能の低下を考慮しても十分な分解能が得られるという利点がある。
なお、窓関数としてはガウシアン窓以外にも、Welch窓、Parzen窓、Hanning窓、Hamming窓等を用いることができる。

また、スイッチ光源を用いたＯＦＤＲ−ＯＣＴの利点は、数値解析によって、各光源の各波数における強度の変動を補正することが出来る点にある。幅広いスペクトルのスイッチ光源を実際に作成した場合、全ての波数で強度一定を実現することは難しく、むしろ強度は波数の関数として変動することの方が多いであろう。特に、光源を切り替えた場合には、その前後で出力光の強度を一定に保つのは極めて困難である。光源強度の各波数における強度を測定時に計測するか、または、再現性がよければあらかじめ補正値を求めておき、各測定値Ｐ_iに補正係数Ｃ_i（波数を切り替える毎に、前記可変波長光発生装置の出力光の強度を測定して得た値の逆数又は前記逆数に比例する数値。）を乗じれば、一定の強度の光源を用いて測定したことに相当するので、窓関数Ｗ_iを取り入れた離散的フーリエ変換は、式（１７）に対応するものとして、次式となる。

窓関数を用いることは、実効的には、光源のスペクトル形状を窓関数の型にすることに対応する。補正係数Ｃ_iを乗ずることは、実効的な光源のスペクトルを、出来るだけ近似よく設定したい窓関数の形状に近づけることに対応する。このように、ＯＦＤＲ−ＯＣＴの利点は、スイッチ光源の場合も、数値計算において、全体の実効的な光源スペクトル形状を、望ましい関数型に設定できる点にもある。なお、式（１８）においてＷ_iとＣ_iをまとめて一つの係数と考えてＰ_iに乗ずるように演算又は処理しても良いことは言うまでもない。

尚、図４には可変波長光源のスペクトルが隣接した場合が記載されているが、間隔が開いていてもかまわない。この場合に得られるＯＣＴ信号は、間隔が開いていない場合に得られるＯＣＴ信号から、上記開いている間隔に存在する全波数を使って得られるＯＣＴ信号を差し引いたものになる。従って、この間隔が広すぎない限り、差し引くべきＯＣＴ信号はブロードな小さなピークなので、信号の変形は僅かなものである。

また、上記第３発明において、出力可能波数を互いに補うように波数掃引を可能にするとは、図７のように、波数範囲を広げるように（即ち、可変波長光源の波数掃引範囲を超えた波数掃引を可能にするように）する場合も考えられるし、図９のように、２つの光源の波数間隔が同じものを、互いの波数を少しずらして２つの光源を合わせ、結果的に波数間隔を狭くした一つの光源として考えられるようにする場合もある。

可変波長光源が、波数を離散的に切り替え可能である場合の、波数の走査法の例を、図７〜図９に示す。

図７の場合、個々の波数掃引範囲の幅が限定されているとき、波数範囲が丁度隣接する２つの離散的可変波長光源を順次走査し、走査範囲を広げる場合が示してある。波数範囲を広げることによって、ＯＣＴ測定の分解能を向上させることができる。
なお、図７では、各光源の波数が波数走査時間に対して漸増しているが、波数の掃引は必ずしも漸増する必要は無く漸減する場合であっても何ら問題はない。また、必ずしも波数が漸次変化する必要は無く例えば各走査範囲内において不規則に波数が変化したとしても、測定時間内に等間隔に並んだ波数を総て掃引できさえすれば何ら問題はない。これは、波数と干渉信号の対応が取れさえすればフーリエ変換処理には何ら支障がないからである。また、波数間隔は厳密に等間隔でなくても問題はない。フーリエ変換処理即ち断層像構築の際の計算処理において、不等間隔の影響を除去することは可能であるからである。

図８は、波数の走査が必ずしも漸増又は漸減である必要はなく、不規則に走査しても、測定時間内に所定の波数を全て走査できさえすればよいことを示している。ここで「所定の波数」とは、＜等間隔で並んだ波数の集合＞であることが望ましいが、必ずしもこれに限られるものではなく、波数間隔が一定でない波数の集合であってもよい。波数間隔が一定でない場合は、断層像構築のための計算処理において、それを考慮すればよい。不規則に走査が出来ることによって、ある１つの光源では出射できない波長を、他の光源で出射して、所定の波数を得ることが出来る。

図９は、２つの光源の波数の走査が、互いに波数間隔を補完する場合が示してある。波数間隔の逆数が、試料の測定距離に比例する。１つの光源では最小の波数間隔が制限されているが、別の光源で同じ波数間隔でも、波数領域を丁度補完できる場合、図９に示す走査によって、波数間隔を縮め、測定可能な試料の深さを増すことができる。

＜実施の形態例＞
図１に、本発明によるオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の一例を示す。また、図２には前記オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の光源として用いる可変波長光発生装置の構成を示し、図３には前記可変波長光発生装置の他の構成を示す。

図１に示すオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置では、その光源（可変波長光発生装置）としてスイッチ光源１３１を用いている。スイッチ光源１３１は、図２に示すように波数掃引範囲の異なる複数の可変波長光源４１の出力を合わせて出力するように構成された発光部４３と、各可変波長光源４１を順次掃引することによって個々の可変波長光源の波数掃引範囲を超えた波数掃引を可能にする制御装置４４とからなる。尚、波数掃引は、一方向の掃引には限らず、例えば不規則に波数を選択し最終的に全波数範囲を選択するものであっても良い。

スイッチ光源１３１は、図２の光結合器４２に代えて図３の様に光スイッチ４５を用いても良い。異なる波長の光を光結合器を用いて結合しようとすると、結合損失が起きやすい。しかし、光スイッチ特に機械式のものを用いれば結合損失は原理的にはなくすことができる。この場合、制御装置４４は波数掃引中の可変波長光源４１が出力側に接続される様に光スイッチ４５を制御する。また、スイッチ光源特に発光部４３のモノリシック化は可能である。

可変波長光源４１は、例えば超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ（非特許文献３）を用いることができる。可変波長範囲（簡単のため、波長で表現する）としては、例えば１４５０ｎｍ〜１４９０ｎｍ、１４９０ｎｍ〜１５３０ｎｍ、１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍ、１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍの４つの可変波長光源４１を用いる。この波長範囲で、波数間隔を等間隔として１６００波数の走査を行う。可変波長光源４１としては、サンプルド・グレーティング・分布反射型半導体レーザ（ＳＧ−ＤＢＲレーザ、ＵＳ４８９６３２５）及びグレーティング・カプラ・リフレクタ・レーザ（Grating Coupler Sampled Reflector Laser、ＧＣＳＲレーザ）を用いることもできる。

スイッチ光源１３１から出射された光は、第一のカプラ１３３によって７０：３０の割合で２分割される。そして、ここで分割された光の一方（分割割合７０％）は測定光として、オプティカルサーキュレイター１３４を介して測定対象１３７に導かれる。測定対象１３７によって反射（又は、後方散乱）された信号光１４５は再び光ファイバ１４７に入射し、オプティカルサーキュレイター１３４によって第二のカプラ１３８に導かれる。信号光は第二のカプラ１３８によって、第一のカプラ１３３で分割された他方の光（参照光）と合波される。オプティカルサーキュレイター１３４を利用することによって、マッハツェンダー型の干渉計を構築することができる。尚、光ファイバ１４７から出力する測定光は、レンズ１３５によって細い平行ビームに整形してから測定対象１３７に照射する。

以上の例では、マッハツェンダー型の干渉計を用いているが、マイケルソン干渉計（図１１（ｂ））を用いることもできる。この場合には、スイッチ光源１３１から出射される光を分割する手段と信号光と参照光を合波する手段は同一のもの（例えば、ビームスプリッタ７）となる。更に、測定対象に測定光を照射する手段とその反射光を捕捉する手段が同一の場合を例示したが、これらは別々であって良い。例えば、オプティカルサーキュレイター１３４から走査ミラー１３６までの光学装置に代え、先端にレンズを備え平行ビームを出射できるようにした光ファイバＡを第一のカプラ１３３に接続すると共に、第二のカプラ１３８に光ファイバＡと同じ構造で光ファイバＡに平行に密着させた光ファイバＢ（レンズ同士も密着させる）を接続しても良い。

断層像を得るためのＢスキャンは、光ファイバ１４７と測定対象１３７との間に介在させた走査ミラー１３６によって測定光を測定対象１３７の表面で一直線に走査することによって実現される。波数の走査はＡスキャンと称する。尚、第一、及び第二のカプラ１３３，１３８は、方向性結合器によって構成されている。
第二のカプラ１３８の出力は、光検出機能を有する差動アンプ１３９で検出される。この検出によって式（１４）における直流成分が除かれる。
差動アンプ１３９の出力は、アナログ／デジタル変換機（図示せず）に入力され、そのデジタル出力は計算機１４１に導かれ、計算機１４１で計算処理されてコヒーレント干渉波形すなわち後方散乱強度分布を合成する（特許文献１、非特許文献４）。尚、上記計算機１４１は、スイッチ光源１３１の制御装置４４に対する波数掃引などの制御命令も行う。

この様なＯＦＤＲ−ＯＣＴ装置によれば、干渉光をフーリエ変換して得られるＯＣＴ信号Ｒ(x) の半値全幅は次式で表されるので、波数掃引範囲１４５０ｎｍ〜１６１０ｎｍのスイッチ光源を用いることによって生体内（屈折率１．３８）の分解能６．４μｍを実現できる。更に、可変波長光源の数を増やした波数掃引範囲１．３０μｍ〜１．６１μｍのスイッチ光源を用いることによって生体内（屈折率１．３８）の分解能３．０μｍを実現できる。

分解能は、Ｒ(x)信号よりＲ(x)²の方が優れている。Ｒ(x)²を信号として用いた場合の半値全幅は

となるので、生体中の分解能は、波数掃引範囲１４５０ｎｍ〜１６１０ｎｍのスイッチ光源を用いると４．７μｍ、波数掃引範囲１．３０μｍ〜１．６１μｍのスイッチ光源を用いると２．２μｍを実現できる。詳しくは、波長範囲１．５７μｍ〜１．６１μｍの単一光源では生体中の半値幅が２０μｍ、２つの光源を合成した場合（波長範囲１．５３μｍ〜１．６１μｍ）には９．９μｍ、４つの光源を合成した場合（波長範囲１．４５〜１．６１μｍ）には４．７μｍ、８つの光源を合成した場合（波長範囲１．３０μｍ〜１．６１μｍ）には２．２μｍである。サイドローブの大きさは、光源の数には関係なくメインピークの大きさの０．０４７倍である。
上記波長範囲を波数範囲に置き換えると以下の様なことが言える。即ち、波数範囲がそれぞれ０．２０μｍ^-1（例えば、波長範囲１５３０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）以上、０．４３μｍ^-1（例えば、波長範囲１４５０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）以上、０．９３μｍ^-1（例えば、波長範囲１３１０ｎｍ〜１６１０ｎｍ）以上であれば、生体中の分解能はそれぞれ９．９μｍ以下、４．７μｍ以下、２．２μｍ以下となる。

一方、合成光源（中心波長のみが異なる広帯域光源を合成したもの）では、波長範囲１．５７μｍ〜１．６１μｍの単一の広帯域光源では生体中の半値幅が２０μｍ、２つの光源を合成した場合（波長範囲１．５３μｍ〜１．６１μｍ）には１３μｍ、４つの光源を合成した場合（波長範囲１．４６μｍ〜１．６１μｍ）には６．７μｍである。サイドローブの大きさは、４つの光源を合成した場合でメインピークの大きさに対して０．２７倍となる。

以上の説明では、波数を離散的に切り替える可変波長光発生装置についてのみ説明してきたが、波数を連続的に切り替えてもよい。この場合には、ＯＦＤＲ−ＯＣＴではなくチャープＯＣＴ（非特許文献５）に対する可変波長光発生装置として本発明は機能し、サイドローブを増大させることなく分解能を向上させられる等の効果はＯＦＤＲ−ＯＣＴに対するものと同様に奏される。

本発明の実施の形態例に係るオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の構成図である。 前記オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の光源として用いる可変波長光発生装置の構成を示す図である。 前記オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の光源として用いる可変波長光発生装置の他の構成を示す図である。 本発明のスイッチ光源（可変波長光発生装置）のスペクトルの一例を示す図である。 前記スイッチ光源を用いて得られたＯＣＴ信号の一例を示す図である。 ガウシアン窓を用いた場合のＯＣＴ信号の結果を示す図である。 本発明のスイッチ光源（可変波長光発生装置）において走査波数範囲を広げるように各光源の波数掃引をする場合の例を示す図である。 本発明のスイッチ光源（可変波長光発生装置）において個々の可変波長光源の出力可能波数を互いに補うように波数掃引をする場合の他の例を示す図である。 本発明のスイッチ光源（可変波長光発生装置）において個々の可変波長光源の出力可能波数を互いに補うように波数掃引をする場合の他の例を示す図である。 従来の合成光源の概略構成を示す図である。 （ａ）は前記合成光源を用いたＯＣＴ装置の例を示す図、（ｂ）は波長が可変な極めて狭帯域の光源を用いたＯＣＴ装置の例を示す図である。 従来の合成光源を用いた場合のＯＣＴ信号強度（サイドローブの発生）を示す図である。 従来の合成光源のスペクトル形状を示す図である。 振動項を除いた従来の合成光源によるＯＣＴ信号の包絡線（右半分）を示す図である。

符号の説明

１ 試料
３ 反射面
５ 合成光源
７ ビームスプリッタ
８ 参照ミラー
９ 光検出器
１０ 参照光
１１ 信号光
２１ 光源
２２ 光結合器
４１ 可変波長光源
４２ 光結合器
４３ 発光部
４４ 制御装置
４５ 光スイッチ
１３１ スイッチ光源（可変波長光発生装置）
１３３ 第一のカプラ
１３４ オプティカルサーキュレイター
１３５ レンズ
１３６ 走査ミラー
１３７ 測定対象
１３８ 第二のカプラ
１３９ 差動アンプ
１４１ 計算機
１４５ 信号光
１４７ 光ファイバ

Claims (17)

1. 波数掃引範囲の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する発光部と、
   前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源の波数掃引範囲を超えた波数掃引を可能にする制御装置とを有してなることを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
2. 可変波長範囲が波数に対して０．２μｍ^-1以上であることを特徴とする請求項１に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
3. 掃引波数の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力する発光部と、
   前記可変波長光源を一つずつ掃引することによって個々の可変波長光源の出力可能波数を互いに補うように波数掃引を可能にする制御装置とを有してなることを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
4. 前記掃引波数の異なる複数の可変波長光源が、波数を離散的に切り替え可能であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
5. 前記発光部が光スイッチを備え、前記光スイッチによって前記出力を合わせて出力することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
6. 前記可変波長光源が、可変波長レーザからなることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長光発生装置。
7. 可変波長光発生装置と、
   前記可変波長光発生装置の出力光を測定光と参照光に分割する手段と、
   前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段と、
   前記信号光と前記参照光とを合波する手段と、
   前記合波する手段によって合波された出力光の強度を前記可変波長光発生装置の波数毎に測定する手段と、
   前記測定する手段によって前記波数毎に計測された前記合波された出力光の強度の集合から前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された位置と反射又は後方散乱強度とを前記測定対象の奥行き方向に対して特定する手段とを有するオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置において、
   前記可変波長光発生装置が、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の可変波長光発生装置であることを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
8. 前記分割する手段と前記合波する手段が、同一の手段であることを特徴とする請求項７に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
9. 前記反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段に代えて、
   前記測定光を測定対象に照射する手段と、
   前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段とを有することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
10. 前記特定する手段が、前記合波された出力光の強度と前記波数からなる実数の組み合わせをフーリエ変換するものであることを特徴とする請求項７に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
11. 前記特定する手段が、前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度の変動の影響を無くすように前記合波された出力光の強度を補正するものであることを特徴とする請求項１０に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
12. 前記補正が、
    前記オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置の測定時に、前記波数を切り替える毎に前記可変波長光発生装置の出力光の強度を逐次測定して得た値の逆数又は前記逆数に比例する数値を、前記合波された出力光の強度に乗ずるものであることを特徴とする請求項１１に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
13. 前記補正が、
    前記可変波長光発生装置の出力光の強度を前記波数毎に予め測定して得た値の逆数又は前記逆数に比例する数値を、前記合波された出力光の強度に乗ずるものであることを特徴とする請求項１１に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
14. 前記特定する手段が、前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度の変動の影響を無くすように補正された前記合波された出力光の強度又は前記合波された出力光の強度を窓関数を使って修正することを特徴とする請求項１０〜請求項１３の何れか１項に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
15. 前記特定する手段が、
    前記可変波長光発生装置の出力光の波数に対する強度分布が、所望の窓関数と一致する場合に得られる測定結果と同じ測定結果が得られるように、
    前記合波された出力光の強度を補正することを特徴とする請求項１０に記載のオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。
16. 波数掃引範囲又は掃引波数の異なる複数の可変波長光源の出力を合わせて出力することを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー用可変波長発光光源。
17. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の可変波長光発生装置を用いたことを特徴とするオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置。

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