JP2007298461A - Instrument for measuring polarized light light-receiving image - Google Patents

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    • A61B3/102Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for optical coherence tomography [OCT]

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure polarization data (birefringence distribution) of a sample 17 with a single B-scanning, for continuously modulating the polarization state of an incident beam, using an EO modulator (polarization modulator), for solving the problem, wherein an instrument for measuring conventional polarized light light-receiving needs a plurality of tomographic images to be acquired by respectively measuring the tomographic images at each different polarization state. <P>SOLUTION: The light coming out of a light source 2 is linearly polarized by a polarizer 3, and the polarized light is continuously modulated in synchronism with B-scanning by the EO modulator 4. This continuously modulated beam is used to perform B-scanning of the sample 17 (specimen) by a galvanomirror 16, while a beam wherein reference light and the matter light from a sample arm 7 are superimposed on each other is spectrally diffracted by the diffraction lattice 19 of a spectrometer 8. Of the vertical and horizontal polarized components in this spectrum, interfering component are simultaneously detected by two line CCD cameras 22 and 23, and a Jones vector, showing the polarization characteristics of the sample 17, is obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光コヒーレンストモグラフィー(OCT:Optical coherence tomography)に関し、特に、B−スキャンと同時に直線偏光したビームの偏光状態を連続変調し、試料(被検物体)のもつ偏光情報を捉え、試料のより微細な構造および屈折率の異方性を計測可能とする偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置(偏光感受光画像計測装置)に関する。   The present invention relates to optical coherence tomography (OCT), and in particular, continuously modulates the polarization state of a linearly polarized beam simultaneously with B-scan to capture polarization information of a sample (test object), The present invention relates to a polarization-sensitive optical coherence tomography device (polarization-sensitive light-receiving image measuring device) capable of measuring a finer structure and refractive index anisotropy.

従来、物体の内部情報、つまり屈折率分布の微分構造を非破壊、高分解能で捉えるために、OCTを用いることが行われている。   Conventionally, OCT has been used to capture internal information of an object, that is, a differential structure of a refractive index distribution, in a nondestructive and high resolution manner.

医療分野等で用いられる非破壊断層計測技術の1つとして、光断層画像化法「光コヒーレンストモグラフィー」(OCT)がある(特許文献1参照)。OCTは、光を計測プローブとして用いるため、被計測物体の屈折率分布、分光情報、偏光情報(複屈折率分布)等が計測できるという利点がある。   One of the non-destructive tomographic techniques used in the medical field or the like is an optical tomographic imaging method “optical coherence tomography” (OCT) (see Patent Document 1). Since OCT uses light as a measurement probe, it has the advantage that it can measure the refractive index distribution, spectral information, polarization information (birefringence distribution), etc. of the measured object.

基本的なOCT43は、マイケルソン干渉計を基本としており、その原理を図2で説明する。光源44から射出された光は、コリメートレンズ45で平行化された後に、ビームスプリッター46により参照光と物体光に分割される。物体光は、物体アーム内の対物レンズ47によって被計測物体48に集光され、そこで散乱・反射された後に再び対物レンズ47、ビームスプリッター46に戻る。   The basic OCT 43 is based on a Michelson interferometer, and its principle will be described with reference to FIG. The light emitted from the light source 44 is collimated by the collimator lens 45 and then divided into reference light and object light by the beam splitter 46. The object light is condensed on the measurement object 48 by the objective lens 47 in the object arm, scattered and reflected there, and then returns to the objective lens 47 and the beam splitter 46 again.

一方、参照光は参照アーム内の対物レンズ49を通過した後に参照鏡50によって反射され、再び対物レンズ49を通してビームスプリッター46に戻る。このようにビームスプリッター46に戻った物体光と参照光は、物体光とともに集光レンズ51に入射し光検出器52(フォトダイオード等)に集光される。   On the other hand, the reference light passes through the objective lens 49 in the reference arm, is reflected by the reference mirror 50, and returns to the beam splitter 46 through the objective lens 49 again. The object light and the reference light that have returned to the beam splitter 46 in this way are incident on the condensing lens 51 together with the object light and are collected on the photodetector 52 (photodiode or the like).

OCTの光源44は、時間的に低コヒーレンスな光(異なった時刻に光源から出た光同士は極めて干渉しにくい光)の光源を利用する。時間的低コヒーレンス光を光源としたマイケルソン型の干渉計では、参照アームと物体アームの距離がほぼ等しいときにのみ干渉信号が現れる。この結果、参照アームと物体アームの光路長差(τ)を変化させながら、光検出器52で干渉信号の強度を計測すると、光路長差に対する干渉信号(インターフェログラム)が得られる。   The light source 44 of the OCT uses a light source of light having low temporal coherence (light emitted from the light source at different times is extremely difficult to interfere with each other). In a Michelson interferometer using temporally low coherence light as a light source, an interference signal appears only when the distance between the reference arm and the object arm is approximately equal. As a result, when the intensity of the interference signal is measured by the photodetector 52 while changing the optical path length difference (τ) between the reference arm and the object arm, an interference signal (interferogram) for the optical path length difference is obtained.

そのインターフェログラムの形状が、被計測物体48の奥行き方向の反射率分布を示しており、1次元の軸方向走査により被計測物体48の奥行き方向の構造を得ることができる。このように、OCT43では、光路長走査により、被計測物体48の奥行き方向の構造を計測できる。   The shape of the interferogram shows the reflectance distribution in the depth direction of the measurement object 48, and the structure in the depth direction of the measurement object 48 can be obtained by one-dimensional axial scanning. Thus, in the OCT 43, the structure in the depth direction of the measurement object 48 can be measured by optical path length scanning.

このような軸方向の走査のほかに、横方向の機械的走査を加え、2次元の走査を行うことで被計測物体の2次元断面画像が得られる。この横方向の走査を行う走査装置としては、被計測物体を直接移動させる構成、物体は固定したままで対物レンズをシフトさせる構成、被計測物体も対物レンズも固定したままで、対物レンズの瞳面付近においたガルバノミラーの角度を回転させる構成等が用いられている。   In addition to the scanning in the axial direction, a two-dimensional cross-sectional image of the object to be measured can be obtained by performing a two-dimensional scanning by adding a horizontal mechanical scanning. The scanning device that performs the horizontal scanning includes a configuration in which the object to be measured is directly moved, a configuration in which the objective lens is shifted while the object is fixed, and a pupil of the objective lens while the object to be measured and the objective lens are fixed. The structure etc. which rotate the angle of the galvanometer mirror in the surface vicinity are used.

以上の基本的なOCTが発展したものとして、光源の波長を走査してスペクトル干渉信号を得る波長走査型OCT(Swept Source OCT、略して「SS−OCT」という。)と、分光器を用いてスペクトル信号を得るスペクトルドメインOCTがあり、後者としてフーリエドメインOCT(Fourier Domain OCT、略して「FD−OCT」という。特許文献2参照)、及び偏光感受型OCT(Polarization-Sensitive OCT、略して「PS−OCT」という。特許文献3参照)がある。   As a development of the above basic OCT, a wavelength scanning OCT (Swept Source OCT, abbreviated as “SS-OCT” for short) that scans the wavelength of a light source to obtain a spectrum interference signal, and a spectroscope are used. There is a spectral domain OCT for obtaining a spectral signal. The latter includes Fourier domain OCT (Fourier Domain OCT, abbreviated as “FD-OCT”; see Patent Document 2), and polarization-sensitive OCT (Polarization-Sensitive OCT, abbreviated as “PS”. -OCT "(see Patent Document 3).

波長走査型OCTは、高速波長スキャニングレーザーにより光源の波長を変え、スペクトル信号と同期取得された光源走査信号を用いて干渉信号を最配列し、信号処理を加えることで3次元光断層画像を得るものである。なお、光源の波長を変える手段として、モノクロメーターを利用したものでも、波長走査型OCTとして利用可能である。   The wavelength scanning type OCT obtains a three-dimensional optical tomographic image by changing the wavelength of a light source with a high-speed wavelength scanning laser, rearranging interference signals using a light source scanning signal acquired in synchronization with a spectrum signal, and applying signal processing Is. As a means for changing the wavelength of the light source, a device using a monochromator can be used as the wavelength scanning OCT.

フーリエドメインOCTは、被計測物体からの反射光の波長スペクトルを、スペクトロメーター(スペクトル分光器)で取得し、このスペクトル強度分布に対してフーリエ変換することで、実空間(OCT信号空間)上での信号を取り出すことを特徴とするものであり、このフーリエドメインOCTは、奥行き方向の走査を行う必要がなく、x軸方向の走査を行うことで被計測物体の断面構造を計測可能である。   In the Fourier domain OCT, the wavelength spectrum of the reflected light from the object to be measured is acquired with a spectrometer (spectrum spectrometer), and Fourier transform is performed on this spectrum intensity distribution, so that the real space (OCT signal space) is obtained. This Fourier domain OCT does not need to scan in the depth direction, and can measure the cross-sectional structure of the object to be measured by scanning in the x-axis direction.

偏光感受型OCTは、フーリエドメインOCTと同様に、被計測物体からの反射光の波長スペクトルをスペクトル分光器で取得するものであるが、入射光及び参照光をそれぞれ1/2波長板、1/4波長板等を通して水平直線偏光、垂直直線偏光、45°直線偏光、円偏光として、被計測物体からの反射光と参照光を重ねて1/2波長板、1/4波長板等を通して、例えば水平偏光成分だけをスペクトル分光器に入射させて干渉させ、物体光の特定偏光状態をもつ成分だけを取り出してフーリエ変換するものである。この偏光感受型OCTも、奥行き方向の走査を行う必要がない。   Like the Fourier domain OCT, the polarization-sensitive OCT acquires the wavelength spectrum of the reflected light from the object to be measured with a spectrum spectrometer. For example, horizontal linearly polarized light, vertical linearly polarized light, 45 ° linearly polarized light, and circularly polarized light passed through a four-wavelength plate, etc. Only the horizontally polarized component is incident on the spectrum spectrometer to cause interference, and only the component having a specific polarization state of the object light is extracted and subjected to Fourier transform. This polarization sensitive OCT also does not need to be scanned in the depth direction.

ドップラーOCTは、スペクトル干渉情報のフーリエ変換によって得られる位相の変化量がドップラー信号として被検体の移動速度に対応することを利用し、血流などの速度を求める方法であり、波長走査型OCT、フーリエドメインOCTなどに摘要することができる(非特許文献1参照)。   Doppler OCT is a method for obtaining the velocity of blood flow and the like by utilizing the fact that the amount of phase change obtained by Fourier transform of spectral interference information corresponds to the moving speed of the subject as a Doppler signal. It can be summarized in the Fourier domain OCT or the like (see Non-Patent Document 1).

以上、従来のOCTの概略を説明したが、物体の屈折率分布の微分構造は、非破壊、高分解能で捉えることはできるものの、物体そのものが本来持っている偏光依存性を十分捉えることはできない。   The outline of the conventional OCT has been described above, but the differential structure of the refractive index distribution of the object can be grasped with nondestructive and high resolution, but the polarization dependence inherent in the object itself cannot be sufficiently grasped. .

特に、OCTを生体計測へ応用することを考える場合、繊維状の構造(繊維の伸長方向等)や歯のエナメル質の相違に起因する複屈折による偏光依存性を持つ生物試料の測定においては、解像度の低下とともに、構造を捉えられないなどの問題が生じてしまう。   In particular, when considering the application of OCT to biological measurement, in the measurement of biological samples having polarization dependence due to birefringence due to differences in fibrous structure (e.g. fiber elongation direction) and tooth enamel, As the resolution decreases, problems such as inability to capture the structure arise.

この問題を解決するために、すでに、OCTのような低コヒーレンス干渉計で、ある特定部分からの散乱光成分とある偏光状態の参照光とを干渉させて、その干渉成分には偏光特性が強く反映され、その結果、奥行き方向の断面のある特定部分の偏光情報を捉える偏光感受光画像計測装置が提案されている(特許文献3参照)。
特開2002−310897号公報 特開平11−325849号公報 特開2004−028970号公報 B. R. White他, Optics Express, 11巻25号(2003年)3490頁
In order to solve this problem, a low-coherence interferometer such as OCT has already caused the scattered light component from a specific part to interfere with the reference light in a certain polarization state, and the interference component has strong polarization characteristics. As a result, there has been proposed a polarization-sensitive light-receiving image measuring device that captures polarization information of a specific portion having a cross section in the depth direction (see Patent Document 3).
JP 2002-310897 A JP 11-325849 A JP 2004-028970 A BR White et al., Optics Express, 11:25 (2003) 3490

しかし、従来提案されている偏光感受光画像計測装置では、偏光情報を取得するためには、異なった偏光状態毎にそれぞれ断層画像を計測し、複数枚の断層画像を入手しなければならないという問題があった。   However, in the conventionally proposed polarization-sensitive light-receiving image measuring apparatus, in order to acquire polarization information, it is necessary to measure tomographic images for each different polarization state and obtain a plurality of tomographic images. was there.

本発明は、このような従来の問題を解決することを目的とするものであり、計測に用いる入射ビーム光の偏光状態を、EO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)を用いて連続的に変調し、1回のBスキャンによって、試料の偏光情報(複屈折分布)を計測する偏光感受光画像計測装置を実現するものである。   An object of the present invention is to solve such a conventional problem. The polarization state of incident beam light used for measurement is continuously measured using an EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulator). Thus, a polarization-sensitive received-light image measuring device is realized that measures the polarization information (birefringence distribution) of the sample by one B scan.

本発明は上記課題を解決するために、光源、偏光子、EO変調器、カプラー、参照アーム、試料アーム及び分光器を備えた偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置であって、 前記偏光子は、前記光源からのビームを直線偏光し、前記EO変調器は、前記直線偏光されたビームの偏光状態を試料の深さ方向に直交する一方向のスキャンと同時に連続的に変調し、前記試料アームは、前記連続的に変調したビームをガルバノ鏡で前記試料の前記一方向のスキャンを行い、前記分光器は、回折格子と2つ光検出器を備えており、前記回折格子は、前記参照アームからの参照光と前記試料アームからの物体光が重畳された干渉光を分光し、前記2つの光検出器は、前記回折格子で分光されたスペクトル干渉成分のうち、垂直偏光成分と水平偏光成分をそれぞれ同時に測定することを特徴とする偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置を提供する。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is a polarization-sensitive optical coherence tomography device including a light source, a polarizer, an EO modulator, a coupler, a reference arm, a sample arm, and a spectrometer, The beam from the light source is linearly polarized, and the EO modulator continuously modulates the polarization state of the linearly polarized beam simultaneously with a unidirectional scan perpendicular to the depth direction of the sample. The continually modulated beam is scanned in the unidirectional direction of the sample with a galvanometer mirror, the spectrometer comprises a diffraction grating and two photodetectors, the diffraction grating from the reference arm The interference light in which the reference light and the object light from the sample arm are superimposed is dispersed, and the two photodetectors are a vertical polarization component and a horizontal polarization among the spectral interference components dispersed by the diffraction grating. Provided is a polarization-sensitive optical coherence tomography device characterized by measuring components simultaneously.

前記光源、偏光子、EO変調器及びカプラーは、順次、ファイバーで接続されており、該カプラーに参照アーム、試料アーム及び分光器がそれぞれ接続されている構成とすることが好ましい。   It is preferable that the light source, the polarizer, the EO modulator, and the coupler are sequentially connected by a fiber, and a reference arm, a sample arm, and a spectroscope are respectively connected to the coupler.

前記参照アーム及び試料アームには、それぞれ偏波コントローラが設けられている構成とすることが好ましい。   The reference arm and the sample arm are each preferably provided with a polarization controller.

前記垂直偏光成分と水平偏光成分により、前記試料の偏光特性を表すジョーンズベクトルを得る構成であることが好ましい。   It is preferable that a Jones vector representing a polarization characteristic of the sample is obtained from the vertical polarization component and the horizontal polarization component.

本発明に係る偏光感受光画像計測装置によれば、従来の偏光感受光画像計測装置のように、偏光情報を取得するためには、異なった偏光状態毎にそれぞれ断層画像を計測し、複数枚の断層画像を入手するという必要はなく、計測に用いる入射ビーム光の偏光状態を、EO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)を用いて連続的に変調し、1回のBスキャンによって、試料の偏光情報(複屈折分布)を計測することができる。   According to the polarization-sensitive light-receiving image measuring device according to the present invention, as in the conventional polarization-sensitive light-receiving image measuring device, in order to acquire polarization information, a tomographic image is measured for each different polarization state, and a plurality of images are obtained. There is no need to obtain a tomographic image of an incident beam, and the polarization state of incident beam light used for measurement is continuously modulated using an EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulator), and one B scan is performed. The polarization information (birefringence distribution) of the sample can be measured.

本発明に係る偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置(偏光感受光画像計測装置)を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out a polarization-sensitive optical coherence tomography apparatus (polarization-sensitive light-receiving image measuring apparatus) according to the present invention will be described with reference to the drawings.

(全体構成)
「背景技術」の項で説明したとおり、光コヒーレンストモグラフィー装置(OCT)では、光源からのビームを参照アームと試料アームに分離して送り、試料アームでは試料(被検体)の深さ方向(A方向)に垂直な方向に走査(Bスキャン)して試料を照射し、この反射光と参照アームから反射される参照光との干渉スペクトルからA−B画像を得る(OCT計測を行う)ものであり、本発明は、FD−OCT(フーリエドメインOCT)等に適用される。
(overall structure)
As described in the “Background Art” section, in the optical coherence tomography apparatus (OCT), the beam from the light source is sent separately to the reference arm and the sample arm, and in the sample arm, the depth direction (A The sample is irradiated in a direction perpendicular to (direction) (B-scan), and an AB image is obtained from the interference spectrum between the reflected light and the reference light reflected from the reference arm (performs OCT measurement). The present invention is applied to FD-OCT (Fourier domain OCT) and the like.

本発明に係る偏光感受光画像計測装置は、Bスキャンと同時に(同期して)光源からの偏光ビーム(偏光子により直線的に偏光されたビーム)をEO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)によって連続的に変調し、この連続的に偏光を変調した偏光ビームを分けて、一方を入射ビームとして走査して試料に照射し、その反射光(物体光)を得ると共に、他方を参照光として、両者のスペクトル干渉によりOCT計測を行うものである。   The polarization-sensitive light-receiving image measuring apparatus according to the present invention converts a polarization beam (a beam linearly polarized by a polarizer) from a light source into an EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulation) simultaneously (synchronously) with a B-scan. The polarized light beam is continuously modulated by the device, and the polarized light beam whose polarization is continuously modulated is divided, and one of the beams is scanned as an incident beam to irradiate the sample, and the reflected light (object light) is obtained. As light, OCT measurement is performed by spectral interference between the two.

そして、このスペクトル干渉成分のうち、垂直偏光成分(H)と水平偏光成分(V)を同時に2つの光検出器で測定することにより、試料の偏光特性を表すジョーンズベクトルを得る(H画像とV画像)構成を特徴とするものである。   Of the spectral interference components, the vertical polarization component (H) and the horizontal polarization component (V) are simultaneously measured by two photodetectors, thereby obtaining a Jones vector representing the polarization characteristics of the sample (H image and V). Image) structure.

図1は、本発明に係る偏光感受光画像計測装置の光学系の全体構成を示す図である。図1に示す偏光感受光画像計測装置1は、光源2、偏光子3、EO変調器4、ファイバーカプラー(光カプラー)5、参照アーム6、試料アーム7、分光器8等の光学要素を備えている。この偏光感受光画像計測装置1の光学系は、光学要素が互いにファイバー9で結合されているが、ファイバーで結合されていないタイプの構造(フリースペース型)であってもよい。   FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an optical system of a polarized light-sensitive received image measuring device according to the present invention. 1 includes optical elements such as a light source 2, a polarizer 3, an EO modulator 4, a fiber coupler (optical coupler) 5, a reference arm 6, a sample arm 7, a spectroscope 8, and the like. ing. The optical system of this polarization-sensitive received light image measuring apparatus 1 may have a structure of a type (free space type) in which optical elements are coupled to each other by a fiber 9 but not coupled to a fiber.

光源2は、広帯域スペクトルを有するスーパールミネッセントダイオード(SLD:Super Luminessent Diode)を使用する。なお、光源2は、パルスレーザでもよい。光源2には、コリメートレンズ11、光源2からの光を直線偏光にする偏光子3、進相軸を45°の方向にセットされたEO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)4、集光レンズ13及びファイバーカプラー5が、順次、接続されている。   The light source 2 uses a super luminescent diode (SLD) having a broadband spectrum. The light source 2 may be a pulse laser. The light source 2 includes a collimator lens 11, a polarizer 3 that linearly polarizes light from the light source 2, an EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulator) 4 whose fast axis is set in a 45 ° direction, The condenser lens 13 and the fiber coupler 5 are sequentially connected.

EO変調器4は、進相軸を45°の方向に固定して、該EO変調器4にかける電圧を正弦的に変調することで、進相軸とそれに直交する遅相軸との間の位相差(リタデーション)を連続的に変えるもので、これにより、光源2から出て偏光子3で(縦)直線偏光となった光がEO変調器4に入射すると、上記変調の周期で、直線偏光→楕円偏光→直線偏光………などのように変調される。EO変調器4は、市販されているEO変調器を使用すればよい。   The EO modulator 4 fixes the fast axis in a 45 ° direction and modulates the voltage applied to the EO modulator 4 sinusoidally, so that the phase between the fast axis and the slow axis orthogonal thereto is obtained. The phase difference (retardation) is continuously changed. As a result, when light that has been emitted from the light source 2 and changed into (longitudinal) linearly polarized light by the polarizer 3 is incident on the EO modulator 4, the light is linearly changed at the above-described modulation period. Polarized light → elliptical polarized light → linearly polarized light, etc. As the EO modulator 4, a commercially available EO modulator may be used.

ファイバーカプラー5には分岐するファイバー9を介して、参照アーム6と試料アーム7が接続されている。参照アーム6には、偏波コントローラ(polarization controller)10、コリメートレンズ11、偏光子12、集光レンズ13及び参照鏡(固定鏡)14が、順次、設けられている。参照アーム6の偏光子12は、上記のとおり偏光状態を変調しても参照アーム6から戻ってくる光の強度が変化しないような方向を選択するために用いている。この偏光子12の方向(直線偏光の偏光方向)の調整は偏波コントローラ10とセットで行う。   A reference arm 6 and a sample arm 7 are connected to the fiber coupler 5 via a branching fiber 9. The reference arm 6 is sequentially provided with a polarization controller 10, a collimating lens 11, a polarizer 12, a condenser lens 13, and a reference mirror (fixed mirror) 14. The polarizer 12 of the reference arm 6 is used to select a direction in which the intensity of light returning from the reference arm 6 does not change even when the polarization state is modulated as described above. Adjustment of the direction of the polarizer 12 (polarization direction of linearly polarized light) is performed as a set with the polarization controller 10.

試料アーム7では、偏波コントローラ15、コリメートレンズ11、固定鏡24、ガルバノ鏡16、集光レンズ13が、順次、設けられ、ファイバーカプラー5からの入射ビームが2軸のガルバノ鏡16により走査されて試料17に照射される。試料17からの反射光は物体光として再びファイバーカプラー5に戻り、参照光と重畳されて干渉ビームとして分光器8に送られる。   In the sample arm 7, a polarization controller 15, a collimator lens 11, a fixed mirror 24, a galvano mirror 16, and a condenser lens 13 are sequentially provided, and an incident beam from the fiber coupler 5 is scanned by a biaxial galvano mirror 16. The sample 17 is irradiated. The reflected light from the sample 17 returns to the fiber coupler 5 again as object light, is superimposed on the reference light, and is sent to the spectrometer 8 as an interference beam.

分光器8は、順次接続される偏波コントローラ18、コリメートレンズ11、(偏光感受型体積位相ホログラフィック)回折格子19、フーリエ変換レンズ20、偏光ビームスプリッター21及び2つの光検出器22、23を備えている。この実施例では、光検出器22、23として、ラインCCDカメラ(1次元CCDカメラ)を利用する。ファイバーカプラー5から送られてくる干渉ビームは、コリメートレンズ11でコリメートされ、回折格子19によって干渉スペクトルに分光される。   The spectroscope 8 includes a polarization controller 18, a collimator lens 11, a (polarization-sensitive volume phase holographic) diffraction grating 19, a Fourier transform lens 20, a polarization beam splitter 21, and two photodetectors 22 and 23 that are sequentially connected. I have. In this embodiment, a line CCD camera (one-dimensional CCD camera) is used as the photodetectors 22 and 23. The interference beam sent from the fiber coupler 5 is collimated by the collimating lens 11 and dispersed into an interference spectrum by the diffraction grating 19.

回折格子19で分光された干渉スペクトルビームは、フーリエ変換レンズ20でフーリエ変換され偏光ビームスプリッター21で水平及び垂直成分に分けられ、それぞれ2つラインCCDカメラ(光検出器)22、23で検出される。この2つラインCCDカメラ22、23は、水平および垂直偏光信号両方の位相情報を検知するために使われるので、2つのラインCCDカメラ22、23は同一の分光器の形成に寄与するものでなくてはならない。   The interference spectrum beam dispersed by the diffraction grating 19 is Fourier transformed by a Fourier transform lens 20 and divided into horizontal and vertical components by a polarization beam splitter 21 and detected by two line CCD cameras (photodetectors) 22 and 23, respectively. The Since the two line CCD cameras 22 and 23 are used to detect the phase information of both the horizontal and vertical polarization signals, the two line CCD cameras 22 and 23 do not contribute to the formation of the same spectrometer. must not.

なお、光源2、参照アーム6、試料アーム7及び分光器8には、それぞれ偏波コントローラ10、15、18が設けられているが、これらは、光源2から参照アーム6、試料アーム7、分光器8に送られるそれぞれのビームの初期偏光状態を調整して、EO変調器4で連続的に変調された偏光状態が、参照光と物体光においても互いに一定の振幅と一定の相対偏光状態の関係が維持され、さらにファイバーカプラー5に接続された分光器8において一定の振幅と一定の相対偏光状態を保たれるようにコントロールする。   The light source 2, the reference arm 6, the sample arm 7, and the spectrometer 8 are provided with polarization controllers 10, 15, and 18, respectively. The initial polarization state of each beam sent to the device 8 is adjusted so that the polarization state continuously modulated by the EO modulator 4 has a constant amplitude and a constant relative polarization state in the reference light and the object light. The relationship is maintained, and the spectroscope 8 connected to the fiber coupler 5 is controlled so as to maintain a constant amplitude and a constant relative polarization state.

また、2つラインCCDカメラ22、23を含む分光器8を校正するときはEO変調器4は止める。参照光をブロックし、スライドガラスと反射鏡を試料アーム7におく。この配置は水平および垂直偏光成分のピークの位置が同じであることを保証する。そして、スライドガラスの後ろの面と反射鏡からのOCT信号は2つの分光器8で検知される。OCT信号のピークの位相差はモニターされる。   Further, when the spectroscope 8 including the two line CCD cameras 22 and 23 is calibrated, the EO modulator 4 is stopped. The reference light is blocked, and the slide glass and the reflecting mirror are placed on the sample arm 7. This arrangement ensures that the positions of the peaks of the horizontal and vertical polarization components are the same. The OCT signals from the rear surface of the slide glass and the reflecting mirror are detected by the two spectrometers 8. The phase difference of the peak of the OCT signal is monitored.

この位相差はすべての光軸方向の深さでゼロであるべきである。次に、信号は2つラインCCDカメラ22、23を含む分光器8で複素スペクトルを得るために、ウィンドウされ逆フーリエ変換される。この位相差はすべての周波数でゼロであるべきなので、これらの値をモニターすることによって2つラインCCDカメラ22、23の物理的な位置は位相差が最小になるようにアライメントされる。   This phase difference should be zero at all optical axis depths. The signal is then windowed and inverse Fourier transformed to obtain a complex spectrum with a spectrometer 8 that includes two line CCD cameras 22,23. Since this phase difference should be zero at all frequencies, by monitoring these values, the physical positions of the two line CCD cameras 22, 23 are aligned so that the phase difference is minimized.

(原理)
本発明の特徴は、次のとおりである。光源2からの光を直線偏光し、この直線偏光されたビームをEO変調器4により連続的に偏光状態の変調を行う。即ち、EO変調器4は、進相軸を45°の方向に固定して、該EO変調器4にかける電圧を正弦的に変調することで、進相軸とそれに直交する遅相軸との間の位相差(偏光角:リタデーション)を連続的に変えるもので、これにより、光源2から出て直線偏光子で(縦)直線偏光となった光がEO変調器4に入射すると、上記変調の周期で、直線偏光→楕円偏光→直線偏光………などのように変調される。
(principle)
The features of the present invention are as follows. The light from the light source 2 is linearly polarized, and the linearly polarized beam is continuously modulated in the polarization state by the EO modulator 4. That is, the EO modulator 4 fixes the fast axis in a 45 ° direction and modulates the voltage applied to the EO modulator 4 in a sine manner, so that the fast axis and the slow axis orthogonal to the fast axis are obtained. The phase difference (polarization angle: retardation) is continuously changed. When light that has been emitted from the light source 2 and converted into (longitudinal) linearly polarized light by the linear polarizer enters the EO modulator 4, the above modulation is performed. In this period, the light is modulated as linearly polarized light → elliptical polarized light → linearly polarized light.

そして、直線偏光された偏光ビームをEO変調器4により連続的に偏光状態の変調を行うと同時に、Bスキャンを同期して行う。即ち、1回のBスキャンの間に、EO変調器4による偏光の連続的な変調を複数周期行う。ここで、1周期とは、偏光角(リターデーション)φが0〜2πと変化する期間である。要するに、この1周期の間に、偏光子からの光の偏光が、直線偏光(垂直偏光)→楕円偏光→直線偏光(水平偏光)………などのように連続的に変調する。   The linearly polarized polarized beam is continuously modulated in the polarization state by the EO modulator 4, and at the same time, the B scan is performed in synchronization. That is, during one B scan, the EO modulator 4 continuously modulates the polarization for a plurality of periods. Here, one period is a period during which the polarization angle (retardation) φ changes from 0 to 2π. In short, during this one cycle, the polarization of light from the polarizer is continuously modulated as linearly polarized light (vertical polarized light) → elliptical polarized light → linearly polarized light (horizontal polarized light).

このように偏光ビームの偏光を連続的に変調しながら、試料アーム7では、入射ビームをガルバノ鏡16により試料17に走査してBスキャンを行い、分光器8において、その反射光である物体光と参照光の干渉スペクトルについて、その水平偏光成分および垂直偏光成分を2つのラインCCDカメラ22、23で検出する。これにより、1回のBスキャンによって、それぞれ水平偏光成分及び垂直偏光成分に対応する2枚のA−Bスキャン画像が得られる。   In this way, while continuously modulating the polarization of the polarized beam, the sample arm 7 scans the incident beam on the sample 17 by the galvano mirror 16 to perform the B scan, and the spectroscope 8 performs the object light as the reflected light. As for the interference spectrum of the reference light, the horizontal polarization component and the vertical polarization component are detected by the two line CCD cameras 22 and 23. Thus, two AB scan images corresponding to the horizontal polarization component and the vertical polarization component are obtained by one B scan.

上記のとおり、1回のBスキャンの間に、偏光ビームの偏光の連続的な変調を複数周期行うが、各周期(1周期)の連続的な変調の間に2つのラインCCDカメラ22、23で検出した水平偏光成分および垂直偏光成分それぞれの偏光情報が1画素分の偏光情報となる。1周期の連続的な変調の間に2つのラインCCDカメラ22、23で偏光情報を検出タイミング信号に同期して行い、1周期に検出回数(取込回数)を、4回、8回等、適宜決めればよい。   As described above, during one B-scan, continuous modulation of the polarization of the polarized beam is performed for a plurality of periods, but the two line CCD cameras 22 and 23 are continuously modulated during each period (one period). The polarization information of each of the horizontal polarization component and the vertical polarization component detected in step 1 becomes polarization information for one pixel. Polarization information is synchronized with the detection timing signal by two line CCD cameras 22 and 23 during one period of continuous modulation, and the number of detections (number of acquisitions) is four times, eight times, etc. What is necessary is just to decide suitably.

このようにして1回のBスキャンの間に得た2枚のA−Bスキャン画像のデータを、Bスキャン方向に1次元フーリエ変換を行う。すると、0次、1次、−1次のピークが出る。ここで、0次のピークをそれぞれ抽出し、そのデータのみを用いて逆フーリエ変換すると、H0、V0画像が得られる。同様に、1次のピークをそれぞれ抽出し、そのデータのみを用いて逆フーリエ変換すると、H1、V1画像が得られる。   Two-dimensional AB scan image data obtained during one B scan in this way is subjected to a one-dimensional Fourier transform in the B scan direction. Then, 0th, 1st and −1st order peaks appear. Here, when 0th-order peaks are extracted and inverse Fourier transform is performed using only the data, H0 and V0 images are obtained. Similarly, H1 and V1 images are obtained by extracting primary peaks and performing inverse Fourier transform using only the data.

H0、H1画像から、試料17の偏光特性である式(後記する式(18)参照)のジョーンズマトリックスの成分のうち、J(1,1)およびJ(1,2)を求める事ができる。そして、V0、V1画像から、試料17の偏光特性である式(1)のジョーンズマトリックスの成分のうち、J(2,1)およびJ(2,2)を求める事ができる。   From the H0 and H1 images, J (1,1) and J (1,2) can be obtained from the Jones matrix components of the equation (see equation (18) below) which is the polarization characteristic of the sample 17. From the V0 and V1 images, J (2,1) and J (2,2) among the components of the Jones matrix of the expression (1), which is the polarization characteristic of the sample 17, can be obtained.

このようにして、1回のBスキャンにおついて4つの偏光特性を含む情報が得られる。そして、この4つの情報をそれぞれ、通常のFD−OCTと同様にAスキャン方向にフーリエ変換すると、1次のピークが試料17の深さ方向の情報を有し、しかもそれぞれ偏光特性に応じた4枚のA−B画像が得られる。   In this way, information including four polarization characteristics can be obtained for one B-scan. Then, when these four pieces of information are Fourier-transformed in the A-scan direction in the same manner as in ordinary FD-OCT, the primary peak has information in the depth direction of the sample 17, and each 4 corresponds to the polarization characteristic. A sheet of AB image is obtained.

以上の原理をさらに複素表示の式を用いて説明する。ここでXYZは直交座標でXおよびYは1次元CCDカメラ22、23に平行および垂直方向で、Zは高さである。θは1次元CCDカメラのティルト、αはXZ面のティルトである。   The above principle will be further described using a complex expression. Here, XYZ is orthogonal coordinates, X and Y are parallel and perpendicular to the one-dimensional CCD cameras 22 and 23, and Z is the height. θ is the tilt of the one-dimensional CCD camera, and α is the tilt of the XZ plane.

参照アーム6と試料アーム7の干渉光強度の水平偏光成分を、I(x、ω)で表すと、これは式(1)で示される。 When the horizontal polarization component of the interference light intensity of the reference arm 6 and the sample arm 7 is expressed by I h (x, ω), this is expressed by Expression (1).

Figure 2007298461
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式(1)の第3項を逆フーリエ変換し、式(2)の複素OCT信号を得る。   The third term of equation (1) is inverse Fourier transformed to obtain the complex OCT signal of equation (2).

Figure 2007298461
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EO変調器4の進相軸の方向がπ/4のとき、EO変調器4のジョーンズ行列は、式(3)で表される。   When the direction of the fast axis of the EO modulator 4 is π / 4, the Jones matrix of the EO modulator 4 is expressed by Expression (3).

Figure 2007298461
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そして、試料17からのラインCCDカメラ22、23に向かうジョーンズベクトルは式(4)で表され、一周のジョーンズ行列は、式(5)で表される。   The Jones vector from the sample 17 toward the line CCD cameras 22 and 23 is expressed by Expression (4), and the Jones matrix of one round is expressed by Expression (5).

Figure 2007298461
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Figure 2007298461
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式(5)で(H,VはEO変調器出射後、ファイバーカプラー5の手前のジョーンズベクトルである。そして、EO変調器4への入力光は垂直偏光であるので、式(6)が成り立つ。 In equation (5), (H i , V i ) T is a Jones vector before the fiber coupler 5 after exiting the EO modulator. Since the input light to the EO modulator 4 is vertically polarized light, Expression (6) is established.

Figure 2007298461
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ジョーンズベクトル(Hsam,Vsamは、式(7)となる。 Jones vector (H sam , V sam ) T is given by equation (7).

Figure 2007298461
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分光器8上での参照光のジョーンズベクトルについては、式(8)のとおりである。   The Jones vector of the reference light on the spectroscope 8 is as shown in Equation (8).

Figure 2007298461
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ラインCCDカメラ22、23の感度は、フラットでEO変調器4の位相遅れに依存しない。   The sensitivity of the line CCD cameras 22 and 23 is flat and does not depend on the phase delay of the EO modulator 4.

以上からして、式(2)のxについてのフーリエ変換は、式(9)、式(10)のとおりである。   From the above, the Fourier transform for x in Equation (2) is as shown in Equation (9) and Equation (10).

Figure 2007298461
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Figure 2007298461
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ここで、次の式(11)、式(12)の関係から、上記式(10)は次の式(13)のとおり書き直すことができる。   Here, from the relationship between the following equations (11) and (12), the above equation (10) can be rewritten as the following equation (13).

Figure 2007298461
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さらに、式(10)の第1項と第2項については、式(14)、式(15)のとおりのことが言える。   Furthermore, the first term and the second term of the formula (10) can be said to be as in the formula (14) and the formula (15).

Figure 2007298461
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J(1,1)とJ(1,2)は、式(16)、式(17)で計算できる。   J (1,1) and J (1,2) can be calculated by equations (16) and (17).

Figure 2007298461
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同様の手順で、Vγ(2,1)とVγ(2,2)もスペクトルIν(x,ω)の垂直偏光成分から計算することができる。│Hγ│と│Vγ│は等しく、γ≡arg(Hγ)−arg(Vγ)はファイバーの複屈折を含んでいるのでHγとVγは消去することができる。結局、式(18)の行列が得られる。 In the same procedure, V γ J * (2, 1) and V γ J * (2, 2) can also be calculated from the vertical polarization components of the spectrum I ν (x, ω). Since | H γ | and | V γ | are equal, and γ≡arg (H γ ) −arg (V γ ) includes the birefringence of the fiber, H γ and V γ can be eliminated. Eventually, the matrix of equation (18) is obtained.

Figure 2007298461
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図1に示す本発明に係る偏光感受光画像計測装置1の実施例を説明する。光源2は、中央波長840nmで50nmバンド幅を持つSLDで、軸方向の解像度は6.2μmである。偏光子3で直線偏光にし、この直線偏光を進相軸が45°の方向に固定されたEO変調器4に正弦的に変化する電圧を加えることで干渉計への入射偏光の状態を連続的に変調する。連続的に偏光状態が変調された光は、その入射光を30対70の強度比に分波することができる、ファイバーカプラー5に入れられる。ファイバーカプラー5は、この分波された入射光を参照アーム6に30、試料アーム7に70の強度比で送る。   An embodiment of the polarization-sensitive received light image measuring apparatus 1 according to the present invention shown in FIG. 1 will be described. The light source 2 is an SLD having a central wavelength of 840 nm and a bandwidth of 50 nm, and the axial resolution is 6.2 μm. The state of the incident polarized light to the interferometer is continuously changed by making the linearly polarized light by the polarizer 3 and applying a sinusoidally changing voltage to the EO modulator 4 whose fast axis is fixed in the direction of 45 °. Modulate to The light whose polarization state is continuously modulated is put into a fiber coupler 5 that can demultiplex the incident light into an intensity ratio of 30 to 70. The fiber coupler 5 sends the split incident light to the reference arm 6 at an intensity ratio of 30 and to the sample arm 7 at an intensity ratio of 70.

試料アーム7では、焦点距離50mmのコリメートレンズ11で直径1.5mmに絞られた入射ビームが2軸のガルバノ鏡16により走査される。ファイバーカップラー5で重畳された物体光及び参照光は、干渉ビームとして分光器8において、焦点距離120mmのコリメートレンズ11でコリメートされてから、1200lp/mmの偏光感受型体積位相ホログラフィック回折格子19によって分光(分散)される。   In the sample arm 7, an incident beam focused to a diameter of 1.5 mm by a collimator lens 11 having a focal length of 50 mm is scanned by a biaxial galvanometer mirror 16. The object beam and the reference beam superimposed by the fiber coupler 5 are collimated as an interference beam by the collimator lens 11 having a focal length of 120 mm in the spectroscope 8, and then by a polarization sensitive volume phase holographic diffraction grating 19 of 1200 lp / mm. Spectroscopic (dispersed).

分光された干渉スペクトルビームは、焦点距離250mmのフーリエ変換レンズ20でフーリエ変換され、偏光ビームスプリッター21で水平および垂直偏光成分に分けられ、2048画素で画素サイズ14μmの2つラインCCDカメラ22、23で検出される。   The split interference spectrum beam is Fourier-transformed by a Fourier transform lens 20 having a focal length of 250 mm, divided into horizontal and vertical polarization components by a polarizing beam splitter 21, and two line CCD cameras 22 and 23 having 2048 pixels and a pixel size of 14 μm. Is detected.

27.7kHzで動作する2つのラインCCDカメラ22、23のライントリガーはDAQボード(データ収録用ボード)で作られ、試料アーム7のガルバノ鏡16とEO変調器4と同期されている。ガルバノ鏡16をドライブする波形は鋸波であり、EO変調器4は正弦波でドライブされる。両方のラインCCDカメラ22、23からのデータはフレームグラバーによって収集される。偏光感受光画像計測装置1の系の感度は水平と垂直方向のチャンネルの和で101.4dBである。プローブ光の強度は700μWで位相安定度は0.17°である。   The line triggers of the two line CCD cameras 22 and 23 operating at 27.7 kHz are made by a DAQ board (data recording board) and synchronized with the galvanometer mirror 16 and the EO modulator 4 of the sample arm 7. The waveform for driving the galvanometer mirror 16 is a sawtooth wave, and the EO modulator 4 is driven by a sine wave. Data from both line CCD cameras 22, 23 is collected by a frame grabber. The sensitivity of the system of the polarization-sensitive light-receiving image measuring device 1 is 101.4 dB as the sum of the horizontal and vertical channels. The intensity of the probe light is 700 μW and the phase stability is 0.17 °.

以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。   The best mode for carrying out the present invention has been described above based on the embodiments. However, the present invention is not limited to such embodiments, and the technical matters described in the claims are not limited. It goes without saying that there are various embodiments within the scope.

本発明に係る偏光感受光画像計測装置は、Bスキャンと同時に、プローブ光の偏光状態をEO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)を用いて連続的に変調することで、試料の偏光特性を含むA−B画像を簡単に得ることができるので、眼科における網膜の可視化や、歯科におけるエナメル質の検査等、きめ細かい検査を要する医療分野等に最適である。   The polarization-sensitive light-receiving image measuring apparatus according to the present invention continuously modulates the polarization state of the probe light using an EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulator) simultaneously with the B scan, thereby polarizing the sample. Since an AB image including characteristics can be easily obtained, it is optimal for medical fields that require detailed examinations such as visualization of the retina in ophthalmology and examination of enamel in dentistry.

本発明に係る偏光感受光画像計測装置の全体構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of the polarization sensitive light reception image measuring device which concerns on this invention. 従来のOCTを説明する図である。It is a figure explaining the conventional OCT.

符号の説明Explanation of symbols

1 偏光感受光画像計測装置
2 光源
3、12 偏光子
4 EO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)
5 ファイバーカプラー(光カプラー)
6 参照アーム
7 試料アーム
8 分光器
9 ファイバー
10、15、18 偏波コントローラ(polarization controller)
11 コリメートレンズ
13 集光レンズ
14 参照鏡(固定鏡)
16 ガルバノ鏡
17 試料
19 回折格子
20 フーリエ変換レンズ
21 偏光ビームスプリッター
22、23 光検出器(ラインCCDカメラ)
24 固定鏡
1 Polarized light receiving image measuring device
2 Light source
3, 12 Polarizer
4 EO modulator (polarization modulator, electro-optic modulator)
5 Fiber coupler (optical coupler)
6 Reference arm
7 Sample arm
8 Spectrometer
9 Fiber
10, 15, 18 Polarization controller
11 Collimating lens
13 Condensing lens
14 Reference mirror (fixed mirror)
16 Galvano mirror
17 samples
19 Diffraction grating
20 Fourier transform lens
21 Polarizing beam splitter
22, 23 Photodetector (Line CCD camera)
24 Fixed mirror

Claims (4)

光源、偏光子、EO変調器、カプラー、参照アーム、試料アーム及び分光器を備えた偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置であって、
前記偏光子は、前記光源からのビームを直線偏光し、
前記EO変調器は、前記直線偏光されたビームの偏光状態を試料の深さ方向に直交する一方向のスキャンと同時に連続的に変調し、
前記試料アームは、前記連続的に変調したビームをガルバノ鏡で前記試料の前記一方向のスキャンを行い、
前記分光器は、回折格子と2つ光検出器を備えており、
前記回折格子は、前記参照アームからの参照光と前記試料アームからの物体光が重畳された干渉光を分光し、
前記2つの光検出器は、前記回折格子で分光されたスペクトル干渉成分のうち、垂直偏光成分と水平偏光成分をそれぞれ同時に測定することを特徴とする偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置。
A polarization-sensitive optical coherence tomography device comprising a light source, a polarizer, an EO modulator, a coupler, a reference arm, a sample arm, and a spectrometer,
The polarizer linearly polarizes the beam from the light source,
The EO modulator continuously modulates the polarization state of the linearly polarized beam simultaneously with a unidirectional scan perpendicular to the depth direction of the sample;
The sample arm scans the sample in one direction with the galvano mirror on the continuously modulated beam,
The spectrometer includes a diffraction grating and two photodetectors,
The diffraction grating splits interference light in which the reference light from the reference arm and the object light from the sample arm are superimposed,
The two light detectors simultaneously measure a vertical polarization component and a horizontal polarization component among spectral interference components dispersed by the diffraction grating, respectively, and a polarization-sensitive optical coherence tomography device.
光源、偏光子、EO変調器及びカプラーは、順次、ファイバーで接続されており、該カプラーに参照アーム、試料アーム及び分光器がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項1記載の偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置。   2. The polarization sensitive device according to claim 1, wherein the light source, the polarizer, the EO modulator, and the coupler are sequentially connected by a fiber, and a reference arm, a sample arm, and a spectroscope are connected to the coupler. Type optical coherence tomography system. 前記参照アーム及び試料アームには、それぞれ偏波コントローラが設けられていることを特徴とする請求項2記載の偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置。   The polarization-sensitive optical coherence tomography apparatus according to claim 2, wherein a polarization controller is provided for each of the reference arm and the sample arm. 前記垂直偏光成分と水平偏光成分により、前記試料の偏光特性を表すジョーンズベクトルを得る構成であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の偏光感受型光コヒーレンストモグラフィー装置。   4. The polarization-sensitive optical coherence tomography apparatus according to claim 1, wherein a Jones vector representing a polarization characteristic of the sample is obtained from the vertical polarization component and the horizontal polarization component.
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