JP2015523578A

JP2015523578A - 敏捷な画像化システム

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Publication number: JP2015523578A
Application number: JP2015524498A
Authority: JP
Inventors: ケーブル、アレックス、エズラ; ジャヤラマン、ヴィジャイシェカー; ポッドセッド、ベンジャミン、ミッシェル; ハイム、ピーター; デイビス、アンジュル; ジャン、ジェイムズ、イ; バリー、スコット
Original assignee: ソルラブス、インコーポレイテッド; プラエビウムリサーチ、インコーポレイテッド
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-08-13
Also published as: CN107252302A; US10281256B2; JP2018128460A; US20140028997A1; CN104755908B; CN104755908A; CA2880038C; WO2014018950A1; US20180156600A1; US10215551B2; CA2880038A1; US20170205223A1; EP2877835A4; EP2877835A1; CN107252302B; JP6781727B2

Abstract

波長チューニング可能なＶＣＬレーザを含むチューニング可能な光源を使用する、光干渉断層撮影画像化のための敏捷な光画像化システムを開示する。チューニング可能な光源は、長いコヒーレンス長を有し、複数のＯＣＴ画像化モードをサポートするために、掃引軌道、掃引スピード、掃引反復レート、掃引線型性および実行中の発光波長範囲を変化させるとともに、高掃引反復レートが可能である。画像化システムは、明るい反射に適応するための、新規の向上されたダイナミックレンジの画像化能力ももたらす。マルチスケール画像化能力により、数桁の次元スケールにわたる測定が可能になる。柔軟かつ敏捷な動作モードでチューニング可能なレーザを駆動するために波形を発生させる画像化システムおよび方法も説明する。

Description

関連出願の相互参照

本願は、２０１２年７月２７日に出願された米国仮特許出願第６１／６７６，８７６号の利益を主張する。米国仮特許出願第６１／６７６，８７６号の開示および教示全体は参照によりここに組み込まれる。

本発明は、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）画像化の分野に関する。

光干渉断層撮影（ＯＣＴ）は、組織ならびに他の散乱または反射物質のミクロン分解能の２Ｄおよび３Ｄ画像を生成し得る非侵襲性の光干渉計画像化技法である。ＯＣＴは、生体医学的な画像化または物質検査のために使用されることが多い。１９９１年に人間の眼および冠動脈の画像化について最初に実証して以来、ＯＣＴは、眼の疾患の診断および治療のモニタリングの臨床的な標準規格として確立されている。ＯＣＴはまた、心疾患を評価するためのプラークの血管内画像化、癌生検の画像化、発展的な生態調査、芸術作品の保存、工業検査、計量学および品質保証のためにも使用される。一般に、ＯＣＴは、表面下の画像化、表面のプロファイリング、動作の特徴付け、流体流動の特徴付け、屈折測定の指標、複屈折の特徴付け、散乱の特徴付けまたは距離測定の恩恵を受ける適用に有用である。

光干渉断層撮影は、図１Ａに示すように、サンプルの空間依存的特性を決定するために、参照アームからの光と、サンプルからの後方散乱または後方反射した光とを合成することにより得られる干渉パターンを使用する。時間ドメインＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）画像化の原則は、ＯＣＴの最初の実証および商業製品において使用された。しかし、ＴＤ−ＯＣＴは、ＯＣＴデータの捕捉が遅い技術として知られている。フーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）により、画像化スピードをＴＤ−ＯＣＴよりも数桁速くすることができ、ＦＤ−ＯＣＴは、現在の調査および商業的な標準規格となっている。図１Ｂに示すように、フーリエドメインＯＣＴは、広帯域光源、干渉計、分光計およびラインスキャンカメラにより実現でき、スペクトルドメインＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）と呼ばれる。サンプルにわたって光をスキャニングすることにより（図１Ｃ）、調査の各ポイントに対する、Ａ−スキャン（図１Ｄ）と呼ばれる、完全な反射対深度プロファイルの収集が可能になる。スキャニングし、シーケンシャルに捕捉されたＡ−スキャンを集めることにより、Ｂ−スキャン（図１Ｅ）と呼ばれる２Ｄ画像を形成できる。サンプルにわたって２方向にスキャニングすることにより、３Ｄ容積も形成される（図１Ｆ）。図２Ａおよび図２Ｂにおいて示すように、波長掃引光源、干渉計、検出器、アナログ・デジタル・コンバータ（Ａ／Ｄ）によってもフーリエドメインＯＣＴを実現でき、掃引源ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）または光周波数ドメイン画像化（ＯＦＤＩ）と呼ばれる。本開示の目的のために、掃引源ＯＣＴおよびＯＦＤＩは均等物である。フーリエドメインＯＣＴの２つのバリエーションである、スペクトルドメインＯＣＴおよび掃引源ＯＣＴは、最先端のＯＣＴ画像化技術を表す。

スペクトルドメインＯＣＴは、画像化の深度が増すにつれて、感度ロールオフ、感度フォールオフまたは感度低下と呼ばれることが多い、ＯＣＴ感度に固有の、問題となる損失を被る。非特許文献１ならびに非特許文献２の文書に記載されているように、深度増加に伴うＯＣＴ感度の損失は、分光計の分解能の制限に起因する干渉縞可視度の低下、ピクセル幅にわたる複数の波長の統合およびピクセル間クロストークによって引き起こされる。

非特許文献３の文書では、特有に設計されたプリズムを使用した波長数での分光計のスペクトル分散の線形化を教示している。この波長数でのスペクトル線型性は、結果としてスペクトルドメイン光干渉断層撮影画像化に固有の画像化範囲を有する信号のフォールオフの改善をもたらす。改善が見られるが、画像化深度に伴う感度の損失は依然として顕著であり、優れたＯＣＴ軸分解能を達成するために特に広域スペクトル波長源とともに使用されるときに顕著である。

非特許文献２の文書では、スペクトルドメインＯＣＴシステムにおいてファブリペロー光周波数コームを使用し、深度依存的な感度の低下を減少させることを教示している。アプローチは、複数の顕著な欠点を有する。周波数コームの挿入により、光電力レベルが減少し、これはベースラインのＯＣＴ感度を妥協する。アプローチはまた、ファブリペローフィルタによりフィルタアウトされるスペクトルデータコンテンツ中のギャップを埋めるために、光周波数コームが能動的にチューニングされ、全てのＡ−スキャンに対して複数の分光器測定が実施されることを要求する。実際には、ＯＣＴ画像化を可能にするために４つのカメラ露出が示され、これは結果としてＯＣＴ画像化スピードの顕著な低下をもたらす。

画像化範囲を拡張し、スペクトルドメインＯＣＴに関係する感度ロールオフの問題を緩和するために、いわゆる「最大範囲」または「複素共軛」のような様々なアプローチが提案されてきた。これらのアプローチは、画像中の複素共軛アーチファクトを完全に抑制せず、かなりの計算を必要とし、各Ａ−スキャンを構築するのに複数の捕捉を要求することが多いため、高ダイナミックレンジおよび高スピードのＯＣＴ捕捉には適さない。さらに、スペクトルドメインＯＣＴによる最大画像化スピードは、ラインスキャンカメラスピートの限界により、数百ｋＨｚのＡ−スキャンレートに制限される。これらの組み合わされた固有の特性および欠陥は、スペクトルドメインＯＣＴが、長い範囲で、高スピードの、高ダイナミックレンジの画像化のための技術の選択肢ではないことを示唆している。

掃引源ＯＣＴは、光源としての波長掃引レーザおよび干渉計ＯＣＴ信号を標本化する高スピードＡ／Ｄコンバータを持つ検出器を使用する。掃引源ＯＣＴにおける感度ロールオフ性能は、一般にスペクトルドメインＯＣＴよりも顕著に良好である。掃引源ＯＣＴは、スペクトルドメインＯＣＴよりも速い画像化スピードおよびスペクトルドメインＯＣＴよりも長い画像化範囲も達成する。

波長選択共振器内フィルタまたは波長選択レーザ共振器エンドミラーのいずれかを備える多くの異なる掃引レーザ構成および波長チューニングメカニズムが掃引源ＯＣＴに対して実現されてきた。例は以下を含む：ガルボグレーティング波長選択エンドミラー設計（非特許文献４）、回転ポリゴンミラー−グレーティングフィルタ設計（非特許文献５）、共振器内波長選択フィルタを持つファイバリングレーザ（非特許文献６）および短共振器微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）フィルタベースのチューニング可能なレーザ（特許文献１）。これらの掃引レーザ設計の全てにおいて、フィルタは光子の往復時間が顕著になるようにチューニングされるため、自然放射増幅光（ＡＳＥ）からのレーザ構築は、共振器効率およびフィルタ幅とともに、光利得媒体の完全な飽和を維持しながらレーザを掃引できる最大の掃引スピードを規定する。一般的に、数十ｋＨｚから数百ｋＨｚでの掃引反復レートは、これらの技術により可能であるが、掃引スピードは比較的長い光子往復時間により依然として基本的に制限される。

特許文献２は、フーリエ・ドメイン・モード同期（ＦＤＭＬ）レーザと呼ばれる、異なる掃引源レーザ技術を教示する。ＦＤＭＬレーザはより速い掃引スピードを可能にする原則で動作する。ＦＤＭＬレーザでは、波長掃引を保存するために長ファイバループが使用され、光増幅の前または後のいずれかに、戻り掃引波長と同期するようにフィルタがチューニングされる。ＦＤＭＬアプローチは、最高約５００ｋＨｚの軸スキャンレートの高い基本掃引反復レートを達成するように、ＡＳＥからのレーザを構築する必要性を低下させる。掃引の複製、遅延および多重化を通して、単一の画像化スポットに対して最高約５ＭＨｚの軸スキャンレートのバッファスピードを達成できる（非特許文献７）。典型的なＦＤＭＬレーザの顕著な欠点は、約４〜１０ｍｍの短い干渉長であり、これは、ＯＣＴ画像化範囲を顕著に制限する。

掃引源ＯＣＴでは、波長をチューニング可能なレーザ源の干渉長により感度ロールオフは制限され、これは、レーザの瞬間的な線幅により決定される。ここまで説明した掃引レーザは全て、レーザのフィルタが、複数のレーザ縦モードをチューニングするように設計されている。特許文献１および非特許文献６により教示されるように、従来の掃引レーザ設計における波長選択フィルタは、高掃引レートを達成し、レーザ電力の低下およびモードホッピングによるレーザノイズを防ぐために、複数の縦レーザモードに広がる。ＦＤＭＬレーザのケースでは、比較的広いスペクトルフィルタ幅を設計する理由は、波長依存的な往復時間を引き起こすファイバループにおける分散に関連し、ファイバループにおける遅い波長から速い波長までの最大範囲を伝達するのに十分なほど広いフィルタを必要とする。複数のレーザ縦モードに広がる広いフィルタを使用する必要がある理由にかかわらず、結果として、妥協された干渉長、ＯＣＴ画像化範囲およびＯＣＴ感度ロールオフを持ち、比較的広い瞬間的な線幅を持つレーザとなる。

非特許文献８の文書は、ファイバループの分散特性を改善するために、チャープファイバブラッググレーティング分散補償モジュールを追加することにより、ＦＤＭＬレーザの干渉長を改善する方法を教示している。約２１ｍｍに改善されたレーザ干渉長と、前方向および後方向の双方の掃引を使用する能力とが得られる。

現在までのほぼ全ての実現において、スペクトルドメインＯＣＴシステムおよび掃引源ＯＣＴシステムは、固定の画像化スピード、固定の画像化範囲および固定のＯＣＴ軸分解能にて動作するように設計されてきた。一般に、ＯＣＴ画像化システム全体は、特有の適用に対して最適化される。

プログラム可能なスピードおよびプログラム可能な有効なピクセル数を持つ高スピード相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ラインスキャンカメラ技術を導入することにより、スペクトルドメインＯＣＴにおいてピクセル数を利得画像化スピードとトレードオフすることが可能になる。

非特許文献９の文書は、以下を達成するために異なる構成において調節可能な有効なピクセル数を持つＣＭＯＳカメラを使用したスペクトルドメインＯＣＴシステムの動作を教示する：優れた軸分解能を持つ長い画像化範囲および中等度のＯＣＴ画像化スピード、より速い画像化スピードでの優れた軸分解能を持つ短い画像化範囲、ならびに、超高速の画像化スピードでの妥協された軸分解能を持つ短い画像化範囲。各構成は、感度および画像化性能に対して最適化される。アプローチの顕著な欠点は、光源が交替しなければならないことと、分光計が、複数構成および動作モードのために異なるコンポーネントにより再構築されることである。

非特許文書１０の文書は、スペクトルを間引きすることによって、より速い画像化スピードを達成するために、カメラ中で使用されるピクセル数を減少させた、固定光源を持つプログラム可能なＣＭＯＳカメラを使用した、ＯＣＴ画像化システムを教示している。この方法の顕著な欠点は、異なる動作モードのための光源帯域幅に対して分光計が再最適化されないため、より速いスピードの画像化構成のために使用されないピクセル上にも光が落ち、ＯＣＴ感度の関係する損失があることである。

非特許文献１１の文書は、ＯＣＴ軸分解能を利得画像化範囲とトレードオフするＦＤＭＬレーザを使用する掃引源ＯＣＴ画像化システムを教示する。このアプローチの欠点は、ＦＤＭＬレーザが掃引周波数の調波で走らなければならないため、顕著な再構成をすることなく、ＯＣＴ画像化システムの掃引反復レートを変更できないことである。

以前のＯＣＴ技術に関係する上述の制限の多くを克服する、掃引源ＯＣＴにより使用するための新規の掃引光源が開発されてきた。

特許文献３は、静電的な振れにより可動である一体化型ＭＥＭｓチューニング可能ミラーを持つ垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を含む掃引源光干渉断層撮影システム（ＳＳ−ＯＣＴ）を教示する。非特許文献１２の文書は、１００ｎｍ超のチューニング範囲を持つ、最初の幅広くチューニング可能なシングルモード１３１０ｎｍＭＥＭＳＶＣＳＥＬ、および、最高７６０ｋＨｚの軸スキャンレートでの超高スピードの掃引源ＯＣＴ画像化に対するこれらのＶＣＳＥＬの最初の適用を実験的に実証している。短共振器および共振器内フィルタを使用する他の掃引レーザ源とは異なり、ＶＣＳＥＬは、モードの組の代わりに、真に単一の縦モードで動作する。真に単一の縦モードでの動作は、結果として、ＶＣＳＥＬ技術に対する長いコヒーレンス長になる。さらに、他の掃引源とは対照的に、前方向および後方向スキャンは、比較可能な性能を示し、ＯＣＴ画像化に対する前方向および後方向の双方の掃引を可能にする。

制限された画像化スピード、制限された画像化範囲、画像化深度の増加に伴う感度の損失および以前のＯＣＴ技術の主に固定化された画像化モードでの動作は、結果として、ＯＣＴ画像化性能とＯＣＴ技術の限定的な適用との妥協になる。

国際公開第２０１０／１１１７９５号米国特許出願公開第２００６／０１８７５３７号米国特許第７４６８９９７号明細書

「Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ−ｂａｓｅｄｔｗｏ−ｂｅａｍｓｐｅｃｔｒａｌｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ」，Ｈｕ、ＰａｎａｎｄＲｏｌｌｉｎｓ，ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．４６，Ｎｏ．３５，ｐｐ．８４９９−８５０５，２００７「Ｉｍｐｒｏｖｅｄｓｐｅｃｔｒａｌｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｕｓｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂ」，Ｂａｊｒａｓｚｅｗｓｋｉｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．６，ｐｐ．４１６３−４１７６，２００８「Ｆｏｕｒｉｅｒｄｏｍａｉｎｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｗｉｔｈａｌｉｎｅａｒ−ｉｎ−ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」，ＨｕａｎｄＲｏｌｌｉｎｓ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．２４，ｐｐ．３５２５−３５２７，２００７Ｃｈｉｎｎ，Ｓｗａｎｓｏｎ，ａｎｄＦｕｊｉｍｏｔｏ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．５，ｐｐ．３４０−３４２，１９９７Ｙｕｎｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２０，ｐｐ．１９８１−１９８３，２００３Ｈｕｂｅｒｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．９，２００５Ｗｉｅｓｅｒｅｔ．ａｌ，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１４，２０１０「ＥｘｔｅｎｄｅｄｃｏｈｅｒｅｎｃｅｌｅｎｇｔｈＦｏｕｒｉｅｒｄｏｍａｉｎｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄｌａｓｅｒｓａｔ１３１０ｎｍ」，Ａｄｌｅｒｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２１，ｐｐ．２０９３１−２０９３９，２０１１「ＵｌｔｒａｈｉｇｈｓｐｅｅｄＳｐｅｃｔｒａｌ／ＦｏｕｒｉｅｒｄｏｍａｉｎＯＣＴｏｐｈｔｈａｌｍｉｃｉｍａｇｉｎｇａｔ７０，０００ｔｏ３１２，５００ａｘｉａｌｓｃａｎｓｐｅｒｓｅｃｏｎｄ」，Ｐｏｔｓａｉｄｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．１９，ｐｐ．１５１４９−１５１６９，２００８「Ｈｉｇｈ−ＳｐｅｅｄＨｉｇｈ−ＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＯｐｔｉｃＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙａｔ８００ａｎｄ１０６０ｎｍ」，Ｐｏｖａｚａｙｅｔ．ａｌ．，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ，ｖｏｌ．７１３９，ｐｐ．７１３９０Ｒ−１−７，２００８「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄｓｗｅｐｔｓｏｕｒｃｅＯＣＴｉｍａｇｉｎｇｏｆｔｈｅａｎｔｅｒｉｏｒｓｅｇｍｅｎｔｏｆｈｕｍａｎｅｙｅａｔ２００ｋＨｚｗｉｔｈａｄｊｕｓｔａｂｌｅｉｍａｇｉｎｇｒａｎｇｅ」，Ｇｏｒａｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１７，Ｎｏ．１７，ｐｐ．１４８８０−１４８９４，２００９「ＯＣＴＩｍａｇｉｎｇｕｐｔｏ７６０ｋＨｚＡｘｉａｌＳｃａｎＲａｔｅＵｓｉｎｇＳｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ１３１０ｎｍＭＥＭＳ−ＴｕｎａｂｌｅＶＣＳＥＬｓｗｉｔｈ＞１００ｎｍＴｕｎｉｎｇＲａｎｇｅ」，Ｊａｙａｒａｍａｎｅｔａｌ．，ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，ＣＬＥＯＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．ＰＤＰＢ１−ＰＤＰＢ２，２０１１

本発明の実施形態は、垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）源を使用した光干渉断層撮影画像化システムおよびその動作の方法である。本発明の実施形態の独特かつ好適な能力および機能性は、新たなチューニング可能なＶＣＬ源技術を新規の画像化システムアーキテクチャに組み込むことにより可能になる。本発明の実施形態は既存のアプローチに対するスピード、画像化範囲およびサイズの改善をもたらす。さらに、本発明の実施形態は、画像化スピード、画像化範囲および画像化分解能により規定された異なる画像化モード間でスイッチすることと、既存のアプローチと比較したときに使用中に本発明をより敏捷かつ柔軟なものにすることとを可能にする。１つの実施形態は、明るい反射に適応するための、向上されたダイナミックレンジの画像化能力をもたらす。１つの実施形態は、数桁の次元スケールにわたって測定するためのマルチスケール画像化能力をもたらす。柔軟かつ敏捷な動作モードでチューニング可能なレーザを駆動するために波形を発生させる画像化システムおよび方法もまた説明する。使用の可能性のある領域は、医学的な画像化、生物学的画像化、工業検査、物質検査、表面下の画像化、表面のプロファイリング、距離の範囲および測定、流体流動の特徴付けおよび解析、物質の偏光特性の調査および特徴付けを含む。

１つの実施形態は、以下を備える光画像化システムを提供する：波長チューニング可能な垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）と波長掃引を発生させるための発光波長範囲にわたってチューニング可能な単一の縦モード出力を発生させる共振器内チューニングエレメントとを含むチューニング可能な光源；チューニングドライバ；チューニングドライバは、掃引軌道、掃引スピード、掃引反復レート、掃引線型性および発光波長範囲を決定するチューニングエレメントに影響を与える１以上の波長チューニング波形を発生できる；出力発光放射電力を調整するためにチューニング可能な光源内の利得物質に電流を供給する電流ドライバ；チューニング可能な光源に対する障害を補正するために、および、波長のチューニング波形を発生させるために、チューニング応答の属性を測定し、フィードバックを提供するモニタリング検出器；前記チューニング可能な光源により照射される参照アームおよびサンプルアームによる光干渉計；光干渉計からの光干渉縞信号を電気アナログ信号に変換する１以上の光検出器；１以上の検出器からの電気アナログ信号出力をデジタルデータに変換するデータ捕捉デバイス。

別の実施形態は以下を含む光干渉断層撮影画像化システムを提供する：調節可能な深度範囲、軸分解能にわたって、および、継続的に調節可能なスピードで、画像化できる特性を有するＶＣＬ源。光干渉断層撮影システムは、ＶＣＬ源の長いコヒーレンス長によりイネーブルされた拡張された画像化範囲にわたって画像化することができる。

別の実施形態は、先の光画像化システムのチューニング波形を発生させるための方法を提供し、方法は以下を含む：チューニング波形表現を生成するために、調節可能な入力パラメータ値の関数としてチューニング波形を表現すること；少なくとも１つの実験測定またはシミュレーションされた波長掃引を発生させるために、チューニング波形をチューニングエレメントまたはチューニング可能な光源の力学の数学的モデルに適用すること；実験測定またはシミュレーションされた波長掃引に基づいて、性能メトリックまたは目的関数の値を計算すること；性能メトリックまたは目的関数の値を最適化するために入力パラメータの値を調節すること。

ＯＣＴシステムレイアウトおよびＯＣＴスキャニングを示す図の組である。

掃引源ＯＣＴシステムレイアウトを示す図の組である。

掃引源ＯＣＴの縞形成を示す図およびプロットの組である。

ＯＣＴ捕捉ならびに点拡がり関数形成における掃引の軌道および縞包絡線効果を示すプロットの組である。

画像化システムのブロック図である。

ＭＥＭＳチューニング可能な垂直共振器面発光レーザ（ＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬ）を示す図、写真およびプロットの組である。

チューニング可能なＭＥＭＳ−ＶＣＳＥＬの波長掃引範囲を示すプロットの組である。

マルチモードおよびシングルモードのチューニング原則およびＯＣＴ画像化技術の干渉長を示す図およびプロットの組である。

ＭＥＭＳアクチュエータのダイナミック応答に対するＭＥＭＳアクチュエータジオメトリの影響を示すプロットおよび写真の組である。

１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの異なる掃引反復レートで駆動している単一のチューニング可能な光源を示すオシロスコープのスクリーン画像の集合である。

１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの異なる掃引反復レートで駆動している単一のチューニング可能な光源のスペクトル応答を示すプロットである。

単一のチューニング可能な光源の可変波長範囲のチューニングを示すプロットである。

本発明のチューニング可能な光源の実施形態を示すブロック図の組である。

光増幅器を含む本発明のチューニング可能な光源の実施形態を示すブロック図の組である。

波長チューニングサブシステムのブロック図の組である。

カスタム波長により駆動される線形化された掃引による１００ｋＨｚで駆動するＶＣＳＥＬのチューニング応答を示すオシロスコープのスクリーン画像の組である。

線形化された掃引性能を示すプロットの集合である。

カスタム波長により駆動される１００ｋＨｚで駆動されるＶＣＳＥＬの光スペクトルを示すプロットである。

双方向の線形化された掃引の軌道を示すオシロスコープのスクリーンのキャプチャである。

５００ｋＨｚの掃引反復レートで得られたチューニング可能な光源のチューニング応答および人間の指の関係する画像を示すプロットおよび画像である。

２つの異なる画像化範囲での画像化を示す画像の集合である。

波長生成の閉ループ方法のブロック図である。

チューニングドライバ波形合成のための方法を示すフローチャートである。

閉ループ波長チューニングサブシステムのブロック図である。

光増幅器を持つ閉ループ波長チューニングサブシステムのブロック図である。

光増幅器および電流ドライバを持つ閉ループ波長チューニングサブシステムのブロック図である。

干渉計縞に基づく掃引測定の方法を示す図およびプロットの組である。

分割電力レベルの検出に基づく掃引測定の方法を示す図およびプロットの組である。

電流ドライバ波形合成の方法を示すフローチャートである。

波長掃引および包絡線制御のためのフィードバックによる波長掃引測定を示す図の組である。

光および電気の相互接続を示すＯＣＴ画像化システムのブロック図である。

光路遅延参照アーム、光クロッキングおよび光波長トリガを使用する画像化システムの詳細を示すＯＣＴ画像化システムのブロック図である。

計算機、光波長トリガおよび光クロッキングを使用する画像化システムの詳細を示すＯＣＴ画像化システムのブロック図である。

調節可能な光クロッキングモジュールを持つチューニング可能な光源のブロック図である。

調節可能な路長干渉計および分散補償を示す図の組である。

リトロリフレクタおよびサーキュレータを持つ調節可能な路長干渉計を示す図の組である。

干渉計の１つのアームにおいて光路を選択するための方法を示す図の組である。

干渉計において分散補償を使用するために、または、干渉計の１つのアームにおける光路を選択するための方法を示す図の組である。

カウンティング論理を示す電子略図の組である。

周波数分割および周波数多重化と組み合わされた干渉計のアームにおける路長を選択する組み合わせを示す図である。

拡大されたダイナミックレンジ画像化を示すＯＣＴ断面図の組である。

捕捉システムのトリガに対する入力を使用する、掃引データ初期化を示すブロック図の組である。

同期化を実行するためにＡ／Ｄ変換の複数のチャネルを使用する掃引位相安定化を示すブロック図の組である。

チューニング可能な光トリガ生成器を示すブロック図である。

ファブリペローフィルタを使用する掃引位相安定化を示すブロック図およびプロットである。

高速および遅いＡ／Ｄコンバータを持つファブリペローフィルタを使用する掃引位相安定化を示すブロック図およびプロットである。

異なるＯＣＴシステム動作モードに適用される時間遅延推定を使用する位相安定化を示すプロットの集合である。

データ処理、データ記憶およびデータ表示能力を持つ画像化システムのブロック図である。

データの圧縮およびＲＡＩＤアレイでのデータの記憶を示すデータストリームのブロック図である。

複数のＶＣＬ源を使用する掃引反復レート逓倍器のブロック図である。

単一のＶＣＬ源を使用する掃引反復レート逓倍器のブロック図である。

閉ループ波長チューニングサブシステムならびにサイドモードおよび自然放射増幅光を抑制するチューニング可能なフィルタを持つ光増幅器のブロック図である。

複数の光増幅器ならびにサイドモードおよび自然放射増幅光を抑制するために増幅器間に位置付けられたチューニング可能なフィルタを持つ閉ループ波長チューニングサブシステムのブロック図である。

温度制御された利得物質およびレーザノイズを減少させるノイズイータを持つ閉ループ波長チューニングサブシステムのブロック図である。

本発明の原則にしたがった例示的な実施形態の説明は、記述される説明全体の一部分と考えられる添付図面とともに読まれるように意図されている。ここで開示する発明の実施形態の説明では、方向または向きに対する任意の言及は、単に、説明の便宜上意図されており、本発明の範囲を制限するようには何ら意図されていない。「より低い」、「より高い」、「水平の」、「垂直な」、「上回る」、「下回る」、「上に」、「下に」、「最も上に」、「最も下に」のような相対的な用語とともにこれらの派生語（例えば、「水平に」、「下方向に」、「上方向に」等）は、その後に説明されるような、または、議論されている図面において示されているような向きのことを指すように解釈されるべきである。これらの相対的な用語は、説明の便宜上のためにのみあり、そうであるように明確に示されない限り、装置が特定の向きで構築されるまたは動作することを要求しない。「取り付けられた」、「添付された」、「接続された」、「結合された」、「相互接続された」およびこれらに類するものは、介在構造を通して構造が互いに直接的または間接的に固定される、または取り付けられる関係性とともに、そうではないと明確に記述されていない限り、動作可能なまたは固定の双方の取り付けまたは関係性のことを指す。さらに、発明の特徴および利益は、例示的な実施形態を参照することにより示される。したがって、発明は、単独で存在することがある特徴のいくつかの可能性ある非限定的な組み合わせを示す、あるいは、特徴の他の組み合わせにおけるこのような例示的な実施形態に、明確に限定されるべきではない。発明の範囲は、ここに添付された特許請求の範囲により規定されている。

本開示は、現在考えられる、発明を実施する最良のモードを説明する。本説明は、限定的な意味で理解されることを意図されておらず、当業者に利点および発明の構成を知らせるために、添付図面を参照することにより例示的な目的のためにのみ提示される発明の例を提供する。図面の様々な観点において、同一の参照記号は、同一または類似の部分を示す。

本詳細な説明は、発明の実施形態を説明し、明確さのために本発明の異なる態様に関するセクションに分けられる。

好ましい実施形態のＯＣＴ画像化適用

本発明の好ましい実施形態は、本開示の背景セクションで説明されている、眼の画像化、血管内の画像化、癌生検の画像化、発展的な生態調査、医学的な診断、外科手術のガイダンス、芸術作品の保存、工業検査、計量学および品質保証を含む適用のような、多くの既存のＯＣＴ適用において使用されるときに、以前に実証されたＯＣＴ技術より優れた従来のＯＣＴ画像化性能を提供する。さらに一般的には、本発明は、表面下の画像化、表面のプロファイリング、動作の特徴付け、流体流動の特徴付け、屈折測定の指標、複屈折の特徴付け、散乱の特徴付けまたは距離測定の恩恵を受ける適用のために実施できる。ＯＣＴ画像化が考えられる全分野で、好ましい実施形態を実施できる。

好ましい実施形態は、以前に利用可能でなかった以下のＯＣＴ画像化能力を提供する：極端に長い画像化範囲、高い基本画像化スピード、画像化スピードを変更する能力、画像化掃引軌道、画像化分解能およびＯＣＴ画像化の複数のモードをサポートする実行中の画像化範囲。好ましい実施形態はまた、数桁の次元スケールにわたる測定用の明るい反射およびマルチスケール画像化能力に適応するための、新規の向上されたダイナミックレンジの画像化能力を提供する。好ましい実施形態の新規の能力により、本発明がＯＣＴの新規適用が可能になる。例えば、本発明により、画像化、プロファイリングならびに製造環境、診断環境、医学的環境または調査環境にある大きな物体およびサンプルの測定が可能になる。新規のアプローチの例は、サンプルの伝送光学またはスキャナをロボットアームの端または表面のプロファイリングおよび距離測定による製造品の検査用の台に置くことと、アセンブリ中の部品の配置を測定することと、摩耗または損傷について部品を検査することと、物質のストレスレベルを調査することと、他の適用とを含む。手元の画像化アプリケーションにより要求されるように、ユーザによりＯＣＴシステムの異なる画像化モードを選択でき、製造環境で有用なように、スケジュールまたは計画にしたがってスイッチするように予めプログラムでき、あるいは、リアルタイムで実行されるＯＣＴ測定に基づくアルゴリズムにより適合できる。

相手先商標製造会社（ＯＥＭ）の観点から、本発明の好ましい実施形態の柔軟な動作により、シングルコアＯＣＴモジュールまたはエンジンの、複数の製品中での使用、または、複数の適用のための単一の製品中での使用が可能になり、それにより、より高い価値を顧客に提供するとともに、システム設計、仕入れおよび在庫管理が簡略化される。

ＯＣＴ検出方法および原則

好ましい実施形態は、サンプルからの後方散乱光および反射光を干渉計により検出することによって動作する、ＯＣＴ検出方法を使用する。図１Ａに示すように、全ＯＣＴシステムは、最低限、光源１１０、サンプルアームを持つ干渉計１２０および参照アーム１３０、ならびに干渉計信号を捕捉するための検出器１４０を備える。

好ましい実施形態は、サンプルにわたってサンプル光をスキャンするためのスキャナを使用する。１つの実施形態におけるスキャナは、眼科ＯＣＴにおいて一般的な回転ミラー、血管内ＯＣＴにおいて一般的なサイドビューイング回転プローブ、左右スキャニング能力を持つ前方視プローブ、または、サンプルにわたって光をスキャンするための他の何らかの方法である。１つの実施形態におけるスキャナは、ＯＣＴ光学が静的およびアクチュエートされないままであり続けることを可能にする、移動ステージまたはコンベヤベルトである。別の実施形態におけるスキャナは、モバイルロボット、ロボティックアーム、台、または他のアクチュエートされた動作発生プラットフォームであり、アクチュエートされないサンプルアーム光学または統合されたスキャニング能力を持つサンプルアーム光学のいずれかである。ＯＣＴにおいて一般的であり、図１Ｃに示されている検流計およびミラーベースのスキャナ１５０の例を使用して、ＯＣＴデータ捕捉を次に説明する。ＯＣＴシステムは、一般的に、光点の焦点をサンプルに合わせ、Ａ−スキャン（図１Ｄ）と呼ばれる、サンプル上の単一の横位置における反射対深度のプロファイルを収集する。サンプル上の光点は、サンプルにわたってスキャンでき、複数の深度の調査が実行され、各深度の調査がＡ−スキャンである。サンプルにわたってビームがスキャンされたときに得られたシーケンシャルなＡ−スキャンを集めることは、Ｂ−スキャン（図１Ｅ）またはあるときにはＯＣＴ断面画像と呼ばれる、サンプルの２Ｄ画像を生成する。３Ｄの容積的なデータセット（図１Ｆ）を収集するためにラスタースキャニングパターンを使用して複数のＢ−スキャンを捕捉できる。円、同心円、螺旋または同一の位置から複数のＡ−スキャンを取得するために１つの位置にスキャナを留めることのような、他のスキャンパターンが可能であり、これはＭ−モード画像化と呼ばれる。Ｍ−モード画像化は、ダイナミックプロセスの画像化に有用であり、高速の力学を捕捉するための時間的に高いサンプルレートを達成できる。しかし、Ｍ−モード画像化は、実行されるスキャニングがないため、Ａ−スキャンの位置に対応するサンプル中の線に局所化した情報を得ることに制限される。サンプル上の同一の位置からの複数の３Ｄデータセットの捕捉は、サンプルの容積時間依存的な動画を形成するための４ＤのＯＣＴデータを生成できるが、Ｍ−モード画像化と比較してフレームレートは減少している。２Ｄの動画を作成するために、同一の位置におけるＢ−スキャンの反復のような、より低い次数の時間依存的な捕捉物を捕捉できる。Ｂ−スキャンの反復は、サンプルにおける経時的な小さな変化を検出するのにも使用され、サンプル内のアクションまたは動きを示す。３Ｄ容積の集合の一部としてのＢ−スキャンの反復は、完全な３Ｄ容積を反復することにより可能になるよりも速い時間スケールでの動きを特徴とする３Ｄ容積を生成できる。これまで説明したスキャンのパターンは、一般的に、ポイントサンプリングまたはポイントスキャニングのＯＣＴ方法に関する。１Ｄアレイカメラまたは２Ｄアレイをそれぞれ使用して、ラインスキャンＯＣＴまたは全フィールドのＯＣＴを実現することにより、あるいは、現在の発明のいくつかの実施形態にも含まれる、複数のスポットにより画像化することにより、並行的な検出を実行することも可能になる。

本発明の好ましい実施形態は、掃引源ＯＣＴを実現する。多くの光学的設計を使用してＯＣＴ干渉計を構築でき、好ましい設計は適用およびコストに特有である。２つの可能性ある干渉計の設計を図２Ａおよび図２Ｂに示す。これらの図は、異なるサンプルアームの光伝送光学を示し、１つの設計は、人間の眼における光学と一致するものであり（図２Ａ）、１つは、一体化型光学のないさらに標準的なサンプルの画像化のためのものである（図２Ｂ）。画像適用に適するように、サンプルアームの伝送光学および干渉計の設計を交換できる。示されているものとは異なる干渉計の設計およびサンプルの光学が可能であり、本発明の実施形態に含まれる。一般に、干渉計およびサンプルアームの光学は、特有の適用または適用のクラスに対して最適化される。バルク光学干渉計も使用できるが、干渉計で使用される光ファイバコンポーネントは、アラインメントの簡略化および安定性の改善ができる。本発明の１つの実施形態は、バルク光学を含む干渉計を使用する。本発明の別の実施形態は、光ファイバコンポーネントを備える干渉計を使用する。ＯＣＴシステムは、バルク光学干渉計またはファイバ干渉計または双方の組み合わせにより組み立てられる。図２Ａに示す干渉計の設計は、全波長におけるＯＣＴ画像化に作用するが、サンプルにより収集された光の一部は第１のファイバカプラ２１０を通して源に戻され、検出器には決して届かず、結果として干渉計の効率性の損失となる。図２Ｂに示す設計は、サーキュレータ２２０、２３０を備える。効率性の高いサーキュレータは１３１０ｎｍおよび他の波長において利用可能であるのに対し、８５０ｎｍおよび１０５０ｎｍの波長におけるサーキュレータは効率性が低い。本発明の１つの実施形態は、干渉計の効率性を改善するためにサーキュレータを使用する。

図３Ａに示すように、掃引源ＯＣＴシステムは、発光波長を時間で掃引し、発光をＯＣＴ干渉計に対する入力として使用し、干渉計から干渉計信号を検出し、解析のために信号をデジタル化することにより動作する。例示の目的のために、図３Ａに示す例示的な縞３１０は、掃引源ＯＣＴシステムにより記録されるような単一のミラー反射から予測されるおおよその縞のパターンである。掃引源ＯＣＴ画像化の原則およびシステムの制限を理解するために、異なる画像化構成下でのミラー反射からのＯＣＴ信号を考えることが助けとなる。以下の数式１を参照すると、ここで、ｋ_ｍは、サンプルポイントｍにおける波長数であり、Ｉ［ｋ_ｍ］はサンプルポイントｍにおける瞬間的な光流であり、ρ［ｋ_ｍ］は、サンプルポイントｍにおける反応的な検出器であり、Ｓ［ｋ_ｍ］は、サンプルポイントｍにおけるサンプル上の瞬間的な電力であり、Ｒ_Ｒは参照ミラーの反射性であり、Ｒ_Ｓはサンプルミラーの反射性であり、ｚ_ｒは、参照ミラーの深度であり、ｚ_ｓは、サンプルアームミラーの深度である。数式１は、Ｊ．Ａ．ＩｚａｔｔａｎｄＭ．Ａ．Ｃｈｏｍａ，Ｓｅｃｔｉｏｎ２．７，Ｗ．ＤｒｅｘｌｅｒａｎｄＪ．Ｇ．ＦｕｊｉｍｏｔｏＥｄ．，「ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，２００８から適合された。実際には、光流Ｉは、Ａ／Ｄデジタル化の前にトランスインピーダンス増幅器により電圧に一般に変換される。

余弦関数内の項は、ＯＣＴ縞の位相を表す。位相が増加（または減少）するにつれて、ＯＣＴ縞は、２^＊πラジアン毎に発生する発振の完全な期間により発振する。波長掃引は、開始の波長数ｋ_{ｓｔａｒｔ}および最後の波長数ｋ_ｅｎｄを有する。ＯＣＴ縞における発振の数は、掃引にわたる総位相差ΔΦの大きさに比例し、以下のように与えられる。

数式２は、画像深度が増加するにつれて縞周波数が増加する（すなわち、掃引にわたる発振の数がより大きい）ことを示す。この理由は、図３Ｂに示すように、余弦関数内の逓倍項（ｚ_ｒ−ｚ_ｓ）が総縞位相を増加させるためである。図３Ｃに示すように、他の全ての掃引特性が等しいときに、縞周波数は、所定のミラーポジションに対する掃引反復レートが増加するにつれて増加する。この理由は、同数の縞発振がより短い時間に起こるためである。同様に、図３Ｄに示すように、他の全ての掃引特性が等しいとすると、縞周波数は、所定のミラーポジションに対する波長掃引範囲が増加するにつれて増加する。この理由は、より大きな（ｋ_ｅｎｄ−ｋ_{ｓｔａｒｔ}）項が原因で総位相差が増加するためである。図４Ａは、縞周波数は掃引の軌道によっても決定されるという点での、縞周波数に対するさらなる効果を示す。例えば、正弦波軌道４１０により生成されるような、遅い部分および速い部分を有する掃引は、波長数（ｋ）の変化のレート対時間が最も大きいピーク縞周波数を有する。ＯＣＴ画像化システムの設計者にとって、縞を検出およびデジタル化することに関係する制限および課題が理由で、縞周波数に対するこれらの効果の結果は重要である。縞信号のエリアシングを防ぐために、アナログ・デジタル・コンバータ（Ａ／Ｄ）３２０は、ナイキストサンプリング基準にしたがって、縞周波数の少なくとも２倍の速さでサンプリングしなければならない。そのため、図４Ａ下において示すように、ｋ−空間（波長数）対時間において掃引が線形４２０であるように、掃引周波数を線形化することが優先され、さらに一般的には、所定の最大デジタル化レートに対するＯＣＴ画像化範囲を最大化するピーク縞周波数を最小化することが優先される。Ａ／Ｄコンバータのサンプリングレートが増加するにつれて、Ａ／Ｄ自体のコストが、関係するサポート電子機器、データストリーミングメカニズムおよびデータ記憶装置のコスト、複雑性およびタイミング要件とともに増加する。そのため、高速Ａ／Ｄコンバータレートを単純に選ぶことが実現可能でないことが多く、意図された画像化適用に対して市場がサポートするだろうものにしたがって、最大の取得可能なデータ帯域幅（アナログ検出帯域幅、Ａ／Ｄレート、データストリーミングおよび記憶）で妥協が行われなければならない。

所定の最大捕捉帯域幅およびＡ／Ｄ変換レートに対して、器械画像化範囲と、掃引反復レート（関係するＯＣＴ器械の感度による）と、軸分解能との間で、ＯＣＴシステム設計におけるトレードオフが行われなければならない。ＯＣＴ軸点拡がり関数および分解能に影響を与えるさらなる考慮事項は、縞包絡線の形である。広いスペクトル包絡線を持つ縞（図４Ｄ−１）は、優れた軸分解能を持つＯＣＴ軸点拡がり関数を生成するが、サイドローブは大きい（図４Ｅ−１）。サイドローブは、ＯＣＴデータ中にゴースト画像を作成する。同一の総掃引範囲に対して、ガウスプロファイル（図４Ｄ−２）にさらに近似するようにスペクトル包絡線を形作ることにより、サイドローブを減少させるが、ＯＣＴ軸分解能はわずかに妥協させる。スペクトル包絡線を形作ること（図４Ｄ−３）はさらに、サイドローブ性能の改善をもたらすが、ＯＣＴ軸分解能を犠牲にする（図４Ｅ−３）。図４Ｆに、ケース１〜３に対するＯＣＴ軸点拡がり関数の比較を示す。典型的に、掃引源ＯＣＴシステムは、特有の適用に対して最適化されている一方で、画像化性能における捕捉帯域幅制限および関係するトレードオフを考慮した、単一の動作モードに対して設計されている。ＯＣＴ器械の設計は、多くの掃引源レーザ技術において顕著に制限されている、動作スピードおよび掃引帯域幅における境界を含む、掃引源技術自体の制限により、さらに複雑化し、制約される。現在まで開発された多くのＯＣＴ画像化システムでは、掃引源技術の短い干渉長もまた、以前の掃引源技術を使用するときに長いＯＣＴ画像化範囲を基本的に排除する重要な考慮事項である。発明の好ましい実施形態は、ＯＣＴ画像化能力および性能に影響を与えるこれらの設計の考慮事項に取り組み、以前の技術の欠点の多くを克服する。

敏捷な画像化システム

好ましい実施形態は、ＯＣＴ画像化システムにおいてＳＳ−ＯＣＴ検出方法を使用し、新規の垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）ベースのチューニング可能な光源技術の利点を活用する。ＶＣＬチューニング可能な光源技術は、超高速の掃引スピード、広いスペクトルチューニング範囲、掃引の軌道における調節可能性および極端に長いコヒーレンス長の組み合わせを達成し、これらは、他の何らかの以前に実証されたＯＣＴ光源技術では同時に達成できない。

本発明の実施形態を導入する目的のために、図５は、敏捷な画像化システムの概観を提供する。本発明の好ましい実施形態では、ＯＣＴ画像化システムにおける光源は、波長チューニング可能なＶＣＬ源５１０と、波長掃引を発生させるために発光波長範囲にわたってチューニング可能な単一の縦モード出力を発生させる共振器内チューニングエレメント５２０とを含むチューニング可能な光源５００を備える。単一の縦モード出力発光により、ＶＣＬ源５１０の干渉長を、以前のＯＣＴ技術の他のチューニング可能な光源よりも顕著に長くすることが可能になる。源の長いコヒーレンス長により、本発明の実施形態の拡張された画像範囲が可能になる。発光の波長または周波数は、共振器内チューニングエレメントにより決定される。本発明の好ましい実施形態はまた、チューニングドライバ５４０を備え、チューニングドライバは、掃引軌道、掃引スピード、掃引反復レート、掃引線型性および発光波長範囲を決定するチューニングエレメント５２０にレーザで影響を与える１以上の波長チューニング波形を発生できる。チューニングドライバ５４０により提供されるチューニングエレメント５２０に対する入力信号は、チューニングエレメント５２０のチューニングに影響を与える。チューニングエレメント５２０に適用される異なる入力信号は、時間の関数として、異なる波長チューニング応答を生成する。チューニングメカニズムの力学は、チューニングエレメントの入力−出力関係を規定する。出力波長のチューニングは、時間の関数となり、反復されることが多い掃引軌道にしたがう。この軌道は、関係する掃引スピード、掃引反復レート、掃引線型性および発光波長範囲を有するであろう。チューニングドライバを通してチューニングエレメントに適用される異なる駆動波形を使用することにより、異なるチューニング応答を実現できる。チューニング応答は、時間の関数としての発光の波長である。好ましい実施形態は、出力発光放射電力を調節するためにチューニング可能な光源内の利得物質５３０に電流を供給する少なくとも１つの電流ドライバ５５０を備える。利得物質５３０は、例えば、電気的に励起されたＶＣＬのケースでは、ＶＣＬ５１０の内部にあってもよい。例えば、光増幅器のケースでは、利得物質５３０は、ＶＣＬ５１０の外部にあってもよい。利得物質５３０は、例えば、光的に励起されたＶＣＬを使用するケースと同様に、ポンプレーザでは、ＶＣＬ５０の外部にあってもよい。例示の目的のために、チューニング可能な光源５００の実際の設計および製造が、利得物質の相対的なジオメトリおよび正確な位置を規定するが、利得物質５１０は、ブロック図のコンポーネントとして示される。利得または出力スペクトルを形作るのが望ましいケースでは、利得物質に対する電流は時間の関数として変更できる。本発明の好ましい実施形態は、チューニング可能な光源に対する妨害を補正するために、および、ＯＣＴ画像化の複数のモードをサポートするためのチューニング波形を発生させるために、チューニング応答の属性を測定し、フィードバックを提供するモニタリング検出器（モニタ）５６０を備える。図５では、モニタ５６０をチューニングドライバ５４０および電流ドライバ５５０に接続する線は、情報のフィードバックを表す。情報を使用するためのフィードバックメカニズムの詳細および実施形態を後に説明する。好ましい実施形態はまた、チューニング可能な光源により照射される参照アームおよびサンプルアームによる光干渉計５７０と、光干渉計からの光干渉縞信号を電気アナログ信号に変換する１以上の光検出器５８０と、１以上の検出器からの電気アナログ信号出力をデジタルデータに変換するデータ捕捉デバイス５９０とを備える。本発明の実施形態は、波長掃引チューニング可能な光源を使用するＯＣＴの全形態に適用する。

チューニング可能な光源

チューニング可能な光源は、モニタリング検出器およびＯＣＴ干渉計の入力に向けられる光を発生させる。好ましい実施形態では、チューニング可能な光源はＶＣＬを含む。図６Ａに示すように、１つの好ましい実施形態では、ＶＣＬは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、または、代替的に、ＭＥＭＳ−チューニング可能なＶＣＳＥＬと呼ばれる。図６Ｂに示すように、ＶＣＳＥＬは、ウエハ製造技術を使用して製造される。図６Ｃにおける拡大図は、ウエハによる単一のＶＣＳＥＬデバイスを示す。好ましい実施形態における利得物質６１０は、利得物質を刺激する適切な波長の外部ポンプレーザからの光により光励起される。ＶＣＳＥＬレーザ共振器は、２つのミラー間に利得物質を配置することにより形成される。下のミラーは静的である６２０。上のミラー６３０は、出力カプラとしてふるまい、柔軟な構造により吊るされる。ミラーは、チューニングされた発光の波長がミラーの分離距離に比例するようにファブリペローフィルタを形成する。アクチュエータ接触パッドにわたって電圧を印加することにより、上のミラーを引き下げるＭＥＭＳアクチュエータにおいて静電引力を生成し、それにより、共振器長を減少させ、より短い発光の波長をチューニングする。図６Ｄは、アクチュエータにわたってＤＣ電圧を印加することにより得られるＶＣＳＥＬデバイスの静的な波長チューニングを示す。数式３に示すように、引力Ｆ_ａは、電圧Ｖおよび振れδでは非線形であり、ここで、ｇは、振れのないアクチュエータギャップ距離であり、εは誘電率であり、Ａは領域である。

アクチュエータの復元力Ｆ_ｓは、一般に振れに対する線形比例アクチュエータであり、スプリングのための数式は以下のようであり、Ｆ_ｓ＝ｋ_ｓδ、ここでｋ_ｓは、アクチュエータのスプリング定数である。特定の臨界ＤＣ電圧および対応する振れにおいて、静電引力はＭＥＭＳ柔軟構造の復元力を超え、アクチュエータは適切にならない。アクチュエータの急速な加速は、アクチュエータの上半分にアクチュエータの底部との衝突を引き起こし、イベントはＭＥＭＳ静電アクチュエータ群において「プルイン」または「スナップダウン」と呼ばれる。多くのＭＥＭＳアクチュエータジオメトリにとって、スナップダウンは、静的なチューニングに対する総ギャップ距離の約３分の１の振れにおいて生じる。図６Ｄにおいて特徴付けられているデバイスにとって、スナップダウンは、振れ対電圧曲線が垂直になるときに生じ、これは、５２ボルトをわずかに上回る。ＤＣスナップダウン電圧および静的チューニング応答曲線は、異なるＭＥＭＳアクチュエータ設計に特有であり、物質の選択およびジオメトリに依存する。電圧はより高い振れにおいて減少することがあり、ＭＥＭＳアクチュエータの力学は、アクチュエータの運動量を使用してスナップダウン位置を通してアクチュエータを運ぶため、ＭＥＭＳデバイスの動的チューニング中の振れは、静的なスナップダウンの振れを上回ることがある。図６Ｅに示すように、ＯＣＴ画像化に適切な波長掃引は、時間的に可変な電圧波形をアクチュエータに印加することによって得られ得る。一般に、ＶＣＬは、掃引反復レートで波長掃引を発生させる。より速い掃引反復レートは、より速い画像化スピードを可能にする。好ましいチューニング波形の詳細およびこれらの合成方法を本文書で後に説明する。

図７Ａは、ＶＣＳＥＬ中心の約１３１０ｎｍの静的な波長チューニングを示し、図７Ｂは、ＶＣＳＥＬ中心の約１０６０ｎｍの動的チューニングを示す。ＯＣＴの異なる適用は、最適な性能に対して異なる波長を要求する。より長い波長がよりまばらな組織中での散乱を表し、他の物質がより短い波長を表すことが知られている。散乱は、ＯＣＴ画像化に対する適切な波長を選んだときの唯一の考慮事項ではない。ウエハ吸収は、サンプル中の光信号を減衰させ、規制安全性標準規格が、生体内画像化のためにサンプル上で許容される最大の曝露を制限する。約８５０ｎｍおよび１０６５ｎｍのウエハ吸収窓は、光ビームが硝子体液中の約２０〜２５ｍｍの液を通って往復で横断しなければならない人間の網膜のＯＣＴ画像化のために選択されることが多い。液が非常に多くの光電力を吸収することから、約１１００ｎｍより長い波長は、一般に網膜の画像化のために使用されない。従来、７５０ｎｍより短い波長は、眼科のＯＣＴ画像化に対して使用されることはめったになかった。その理由は、ＡＮＳＩ標準規格が眼上で許容される光曝露をこれらの波長における小さい電力レベルに制限し、光がこれらの波長で非常に散乱し、患者がスキャニングされているときにビームを頻繁に追跡するようにＯＣＴビームは患者に可視的であり、画像データに動きのアーチファクトを導入する。しかし、可視的な波長ＯＣＴが実行され、これらのより短い波長で得られる異なる定数のため、医学的な診断の対象である。したがって、可視スペクトルで動作するＯＣＴシステムは対象である。本発明の１つの好ましい実施形態は、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの間の発光波長範囲の中心波長を使用する。より長い波長における散乱が減少することから、可視を超える赤外線はＯＣＴ画像にとって特に有用である。赤外線はまた、患者にとって可視しにくく、または、可視できないため、眼または網膜に照射される赤外線ビームを患者が意図せずに追ったり、または、追跡したりする可能性は少ない。ウエハ吸収は、約９００ｎｍで増加し始め、約９７０ｎｍでピークに達するため、この吸収ピークに近づく赤外線の低吸収窓は、ＯＣＴ画像化にとって特に有用である。本発明の１つの好ましい実施形態は、７５０ｎｍ〜９７０ｎｍの間の発光波長範囲の中心波長で動作する。ほぼ全ての商業用の網膜ＯＣＴ画像化器械は、８００ｎｍの範囲にある波長で動作していた。第２のウエハ吸収窓は約１０６５ｎｍに存在する。１０６５ｎｍでのＯＣＴ画像化は、網膜の脈絡膜および視神経頭への進入の増加を達成するために、ならびに、より高齢の患者を画像化するときに白内障を被ることが少ないことが実証されている。規制標準規格により、８００ｎｍの波長ではなく１０６５ｎｍの波長で、眼内への大きい電力が可能になる。皮膚サンプルおよび網膜サンプルを画像化するときに、１０６５ｎｍ〜８００ｎｍの間の波長で異なる造影が観察されている。中心が約１０６５ｎｍの波長を使用し、ウエハ吸収窓の幅が広がるＯＣＴ画像化システムは、ＯＣＴ画像化にとって有用である。本発明の１つの好ましい実施形態は、９７０ｎｍ〜１１００ｎｍの間の発光波長範囲の中心波長で動作する。皮膚ならびに他の散乱組織および物質サンプルのＯＣＴ画像化は、一般的に、１３１０ｎｍの波長を使用して実行される。ＯＣＴは、１５５０ｎｍの波長でも実行される。本発明の１つの好ましい実施形態は、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの間の発光波長範囲の中心波長で動作する。最近の調査結果では、より長い波長でのＯＣＴがＯＣＴの対象とはっていることが示されている。本発明の１つの好ましい実施形態は、１８００ｎｍ〜２１００ｎｍの間の発光波長範囲の中心波長で動作する。波長が増加するにつれて、比較可能なＯＣＴ軸分解能を達成するために、より大きい波長掃引が要求される。したがって、優れた分解能のＯＣＴ画像化のためにより短い波長が使用され、好まれることが多く、より長い波長が、散乱組織および物質を通る深い進入のＯＣＴ画像化に対して使用され、好まれることが多い。ＶＣＬはこれらの波長の全てで動作するように設計され得る。

好ましい実施形態におけるチューニング可能なＶＣＬ技術の１つの重大な利点は、長いコヒーレンス長である。源の長いコヒーレンス長により、以前の技術よりも非常に長い、長い光路長遅延でのクリーンな干渉計縞サイクルの発生が可能になる。図８Ａは、掃引源ＯＣＴにとって実証されている以前の光源技術のチューニングを示す。以前の技術の比較的長いセンチメートルからメートルの共振器長は、共振器内に複数の縦レーザモードを発生させる。図８Ａに示すように、共振器内フィルタまたはチューニング可能な波長選択エンドミラーのいずれかからなるチューニングメカニズムは、レーザ出力発光を形成するように縦チューニングモードのクラスターをフィルタアウトする。図８Ｂに示すように、好ましい実施形態で使用されるＶＣＬは、数ミクロン長のファブリペロー共振器がレーザ共振器全体を含む異なる形態で動作し、レーザのチューニング範囲を超える自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）をプッシュし、ＦＳＲ全体にわたるモードホップフリーシングルモードチューニングを可能にする。図８Ｃは、スペクトルドメインＯＣＴおよび掃引源ＯＣＴを使用して、以前のＯＣＴ技術に対するＯＣＴ感度損失対シングルパス干渉計遅延を示す。２４ｍｍ（ＦＤＭＬ）および１０ｍｍ（ＭＥＭＳチューニング可能な短共振器レーザ）での掃引源技術に対する少なくとも１０ｄＢの低下があり、４〜１２ｍｍの光路遅延のみにわたってスペクトルドメインＯＣＴに対する２０ｄＢを大きく超える低下があることが分かる。顕著に対照的に、図８Ｄは、１００ｍｍの干渉計光遅延にわたって２ｄＢより少なく低下する、好ましい実施形態で使用されるＶＣＳＥＬのＯＣＴ感度低下、任意の以前のＯＣＴ画像化技術より少なくとも数桁良好な性能を示す。ＶＣＬの長いコヒーレンス長により、本発明の実施形態の長い画像化画像が可能になる。長いコヒーレンス長はまた、縞較正および光クロッキングを簡略化し、これについて本文書で後に説明する。

現在の発明の好ましい実施形態では、ＶＣＬレーザは、広範囲の画像化スピードにわたって動作し、ＯＣＴ画像化に優先的な波長チューニングプロファイルを発生可能である。ＶＣＬにおけるアクチュエータの設計は、広範囲のチューニングプロファイル、掃引反復レートおよび波長掃引範囲を達成するのに重要である。図９は、チューニングメカニズムの周波数応答においてＶＣＳＥＬにおけるアクチュエータのジオメトリを変化させる影響を示す。約３０μｍの小さなプレート直径に対して、デバイスは、軽くダンプされた（高Ｑファクタの）約２９０ｋＨｚの共鳴ピークを示す。このデバイスは、正弦波掃引軌道を持つ２９０ｋＨｚ付近で動作する強い好みを有し、二次スプリング−質量−ダンパーシステムと一致する動的な応答を有する。

ここで、Ｍは、アクチュエータの集中質量であり、Ｂは集中粘性ダンピングであり、ｋ_ｓは、集中スプリング定数であり、Ｆ（ｔ）は、時間関数ｔとしての力である。プレートの直径の増加はダンピング係数Ｂを増加させるが、圧迫フィルムダンピング効果も加わり始める。動的な実際の安定した極および圧迫フィルムダンピングに関係する実際の安定した０は、動的応答で明らかになる。結果的に、８７μｍおよび１０３μｍの設計に対する周波数応答曲線に見られるように、３０μｍのプレート直径を持つＶＣＳＥＬで観察される強い共鳴ピークは、大幅に広がる。同時に、より短いフレキシャアームに関係する剛性のアクチュエータのために、より大きな８７μｍおよび１０３μｍの設計は、約４００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚのより高い共鳴周波数を有する。これらは、より大きなアクチュエータのプレートデバイスのより高い共鳴周波数およびより広い共鳴ピーク（低Ｑファクタ）により、広範囲のスキャン反復レートにわたる使用およびマルチ動作モード能力に対する掃引軌道の形に好ましくなる。本発明の１つの好ましい実施形態は、低Ｑファクタを持つ広い共鳴ピークおよび高い自然共鳴周波数によるアクチュエータの設計を使用する。広範囲の掃引反復レートおよびＶＣＬ源で得られる掃引範囲により、シングルデバイスを使用する数桁の次元スケールにわたる測定のためのマルチスケール画像化能力を可能にする。非常に長い画像化範囲が要求される適用に対して、数ｋＨｚの低反復レートでの安定した掃引を達成するために、アクチュエータの質量をより大きくさせ、剛性を小さくさせる。本発明の１つの好ましい実施形態は、２０ｋＨｚ未満の掃引反復レートでの安定した掃引性能を達成するために、大質量のアクチュエータおよび低剛性を使用する。

１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの掃引反復周波数の範囲にわたって動作しているシングルＶＣＳＥＬデバイスを示す実験データを、図１０に示す。入力デバイス波形は、図で示されているような正弦駆動波形である。レーザ共振器強度は、図にも示されているように、掃引軌道を示す。１００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの対応するスペクトルの動作ポイントを図１１に示す。スペクトルは、長い波長付近で、異なる時間量を経過する異なる掃引プロファイルに起因するわずかな変動でほぼ同一であり、広範囲の掃引反復レートにわたって動作するシングルＶＣＳＥＬの能力を示し、可変の動作スピードを達成するために好ましい実施形態で使用される掃引光源の重要な特性を示す。

異なる掃引範囲にわたって動作しているシングルＶＣＳＥＬデバイスを示す実験データを図１２に示す。スペクトルは、多数の異なる掃引範囲にわたる均等な電力分布を示し、広範囲の掃引範囲にわたって動作するシングルＶＣＳＥＬの能力を示し、可変の掃引範囲および分解能画像化を達成するために好ましい実施形態で使用される掃引光源の重要な特性を示す。

好ましい実施形態のチューニング可能な光源は、レーザの共振器内に少なくとも１つの利得物質を含む。利得物質は光励起または電気励起できる。光励起のケースでは、ポンプレーザからの光は利得物質を刺激する。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＶＣＬ中の利得物質の光励起を使用する。図１３Ａは、敏捷な画像化システム中の光励起されたＶＣＬ１３７０の例を示す。光ポンプレーザ１３１０自体は、電流ドライバ１３３０により刺激されるそれ自体の利得物質１３２０を有する。電気励起のケースでは、電流が利得物質１３６０を直接刺激する。光励起されたＶＣＬは、組み立てが容易であるが、外部ポンプレーザおよび支持光学系および電子機器を必要とする。ポンプ波長の選択は共振器中の利得物質のスペクトル利得応答に影響を与える。９８０ｎｍのポンプ波長は、中心が約１３１０ｎｍであり、リン化インジウムの利得物質を使用しているＶＣＬに適している。７８０ｎｍ〜８５０ｎｍのポンプ波長は、中心が約１０６５ｎｍであり、インジウムガリウムヒ化物の利得物質を使用している。ＶＣＬに適している電気励起されたＶＣＬの設計および組み立ては、光励起されたＶＣＬよりもさらに課題が多いが、最終的には、ポンプレーザならびに関係する光子および電子をなくすことにより達成されるコスト節約およびサイズにおける利点の可能性がある。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＶＣＬ内部の利得物質１３６０の電気励起を使用する。図１３Ｂは、利得物質１３６０が敏捷な画像化システム中の電流ドライバ１３５０により電気励起される、電気励起されたＶＣＬ１３４０の例を示す。

ＯＣＴシステムの信号対ノイズおよび感度は、検出器に向けられるサンプルからの光を収集する効率性およびサンプルを照射する発光電力を含む、複数の要因に依存する。サンプル上の放射電力が上界であるケースでは、高い光収集効率の干渉計の設計は、高い割合のサンプルからの光を検出器へ向ける分割比を使用するが、より高い光源電力がサンプル照射の適切な電力レベルを達成するように要求する。その理由は、分割比は、光源からサンプル上への光を減少させるように作用するためである。ＶＣＬ単独の出力電力は、ＯＣＴ画像化適用に対して十分に高くてもよく、または、高くなくてもよい。出力発光電力を増加させるために、１つの好ましい実施形態におけるチューニング可能な光源は１以上の光増幅器を含む。１つの好ましい実施形態では、チューニング可能な光源は、より高い出力電力が、高いＯＣＴ感度を達成するためにサンプル上への電力を増加させる少なくとも１つの光増幅器を含む。１つの好ましい実施形態では、チューニング可能な光源は、システム感度性能の改善のために、より高い出力電力により高い光収集効率の干渉計設計を可能にする、少なくとも１つの光増幅器を含む。光増幅器の例は、ブースタ光増幅器（ＢＯＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、垂直共振器半導体光増幅器（ＶＣＳＯＡ）およびドープされたファイバであるが、チューニング可能な光源の発光電力出力を増加させるために任意の光増幅器を使用できる。１つの好ましい実施形態では、チューニング可能な光源は、ポンプレーザ、光励起されたＶＣＬおよび１以上の光増幅器を含む。図１４Ａは、光励起されたＶＣＬ１４１０および光増幅器１４２０の例示的なシステムを示す。１つの好ましい実施形態では、チューニング可能な光源は、電気励起されたＶＣＬおよび１以上の光増幅器も含むことがある。図１４Ｂは、電気励起されたＶＣＬ１４３０および光増幅器１４４０を備える例示的なシステムを示す。

光増幅器は、光増幅器の入力ポートに照射される光を増幅する。しかし、利得物質が飽和していない場合に、利得物質自体からの自然発光も増幅される。光のこの自然放射増幅光（ＡＳＥ）の寄与は、サンプル上への曝露としてみなされるが、有効なＯＣＴ縞形成には寄与しない。そのため、チューニングされていない光は、規制曝露がサンプル適用において制限されるときに、器械の感度を低下させることがある。このチューニングされていない光の寄与は、測定にノイズも追加させ得る。そのため、１つの好ましい実施形態は、主に飽和された動作形態中で使用される少なくとも１つの増幅器を含むチューニング可能な光源を使用する。

光増幅器への入力がないときに、光増幅器は、自然放射増幅光（ＡＳＥ）のみの光を発生させる。例えば、増幅器への入力を除去することおよびＡＳＥスペクトルを測定するための光スペクトル解析器を使用することにより、このＡＳＥを測定できる。ＡＳＥスペクトルは、光増幅器を特徴付けるのに使用されることが多く、商業的な増幅器に対するデータシート中で示されることが多い。しかし、ＡＳＥスペクトルは、必ずしも増幅器の利得プロファイルを表す必要はない。この理由のため、ＡＳＥの中心波長がチューニングの中心波長にシフトすることに利益があることがある。バランスのとれたＢＯＡからの出力スペクトルを得るために、例えば、ＡＳＥの中心波長は、ＶＣＬの中心波長に対してシフトされた短い波長であることが望ましいことがある。本発明の実施形態は、チューニングの波長にわたる改善された利得応答のために、光増幅器のＡＳＥの中心波長がチューニング波長の中心からのオフセットされるケースを含む。１つの好ましい実施形態では、ＡＳＥの中心波長は、ＶＣＬ源の中心波長に対してシフトされた短い波長である。大きなチューニング範囲は、大きな帯域幅利得応答を要求する。大きな帯域幅利得応答は、多重量子状態増幅器により得ることができる。１つの好ましい実施形態は、少なくとも２つの制限された量子状態での量子井戸利得領域を組み込んだ１以上の光増幅器を使用する。

好ましい実施形態では、電流ドライバがチューニング可能な光源内の利得物質に電流を供給し、電流は出力発光放射電力を変化させるように調節できる。利得物質に対する電流の調節の詳細および好ましい波形の合成方法は、本文書で後に説明する。

本発明の好ましい実施形態は、出力発光の波長においてチューニング可能なＶＣＬ源を使用する。ＶＣＬ源における光共振器の光路長が変化するため、源は異なる波長をチューニングする。１つの好ましい実施形態では、光路長は、共振器を規定する２つのレーザミラー間の物理的な距離を変化させることにより変化する。図１５Ａは、２つのレーザミラー１５１０、１５２０間の物理的な距離を変化させることにより達成される調節可能な路長での例示的なＶＣＬを示す。別の好ましい実施形態では、光路長は、光共振器を規定する２つのレーザミラー間の任意の１以上の物質の屈折の指標ｎを変化させることにより変化する。図１５Ｂは、光共振器を規定する２つのレーザミラー間の任意の１以上の物質１５３０の屈折の指標を変化させることにより達成される調節可能な路長での例示的なＶＣＬを示す。これらは、ＶＣＬの光共振器の光路長における変化を達成することができる多くの実現である。１つの好ましい実施形態は、ＶＣＬ源の光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、静電的にアクチュエートされるＭＥＭＳ構造またはメカニズムであるチューニングエレメントを備える。別の好ましい実施形態は、ＶＣＬ源の光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、圧電変換器アクチュエート構造またはメカニズムであるチューニングエレメントを備える。別の好ましい実施形態は、ＶＣＬ源の光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、変換器アクチュエート構造またはメカニズムであるチューニングエレメントを備え、変換器はミクロンレベルの動きが可能である。先述したように、チューニングエレメントは、レーザ共振器を規定する２つのミラー間のスペーシングを物理的に調節でき、または、チューニングエレメントは、レーザにおける光共振器を規定する２つのミラー間の屈折の指標を変化させる一方で、２つのミラー間の物理的スペーシングを同じままにしてもよい。１つの好ましい実施形態は、ＶＣＬ源の光共振器の光路長を調節可能な液晶デバイスであるチューニングエレメントを備える。別の好ましい実施形態は、ＶＣＬ源の光共振器の光路長を調節可能な半導体物質であるチューニングエレメントを備える。本発明の別の好ましい実施形態は、屈折の指標を変化させることにより、ＶＣＬ源の光共振器の光路長を調節可能なデバイスまたは物質であるチューニングエレメントを備える。１つの好ましい実施形態では、レーザの光共振器長を調節するために複数のメカニズムが組み合わされる。例えば、１つの好ましい実施形態は、ミラー間のスペーシングを調整するために静電的にアクチュエートされたＭＥＭＳ構造と組み合わされた圧電変換器を備え、屈折の指標における変化を被る物質とさらに組み合わせることができる。ＶＣＬのレーザの共振器の光路長に影響を与えるデバイスおよびの全ての組み合わせが本発明下に組み込まれることが理解される。

以前のチューニング可能な光源技術に対するＶＣＬ源の顕著な利点は、ＶＣＬ源のミクロンスケールの共振器長により、光利得物質を通る非常に多くの往復が短時間で可能になったことである。以前に示した大半の従来のバルク光学系および短共振器レーザ設計は、ＡＳＥがレーザ発光をチューニングするために増強する時間が比較的長いため、スピードが制限されていた。より長い共振器レーザがそれらの最大掃引に制限されるのに対し、ＶＣＬ源はより速いレートでの掃引を可能にする利得物質の飽和をすばやく達成できる。本発明の１つの好ましい実施形態は、チューニングエレメントの力学により許容される全スピードで動作できる。ＶＣＬ源の高速光子力学はまた、高品質で双方向の波長チューニングを可能にする。本発明の１つの実施形態は、波長掃引の双方の方向を使用して、ＯＣＴ画像化を実行する。長い範囲の画像化またはドップラーＯＣＴのような、ある適用では、掃引の１方向のみで画像化することが好ましい。本発明の１つの実施形態は、波長掃引の前方向または後方向のいずれかを使用してＯＣＴ画像化を実行する。前方向の掃引は、短い波長から長い波長への掃引であり、後方向の掃引は、長い波長から短い波長への掃引である。本発明の実施形態の敏捷な画像化システムは、波長の掃引の双方の方向または波長の掃引の１方向、動作中のモードの可能性ある混合、手元にある画像アプリケーションの要件に基づいて行われる動作モードの選択により画像化が可能であることがあり得る。

チューニング可能な光源の設計はまた、画像化システムの性能に影響を与える。どのモードでレーザ共振器が動作するかにより、サイドモード分離が決定される。本発明の好ましい実施形態は、望んでいないサイドモードの抑制または除去を促進するために、サイドモードが一次レーザラインから分離するように、ｍ＝１付近でレーザ共振器を動作させる。一般に、画像化アーチファクトを減少させるようにサイドモードを抑制することが望ましい。本発明の１つの好ましい実施形態は、レーザ出力周波数がチューニング制御信号により静的にチューニングされるときに、２０ｄＢより高いサイドモード抑制比を有する。ＶＣＬレーザは単一の縦モードをチューニングでき、これは、非常に長いコヒーレンス長を可能にする。好ましい実施形態は、レーザ出力周波数がチューニング制御信号により継続的にチューニングされるときに、３０ｍｍより長いコヒーレンス長でのチューニング可能な光源を有する。多くの画像化適用に対して、より長いコヒーレンス長が可能であり、望ましい。

軌道および駆動波形合成のチューニング

チューニング波形が、チューニングエレメントの自然力学からチューニングエレメントのチューニング応答を変化させる場合に、本発明の実施形態におけるＯＣＴ画像化性能は改善され得る。掃引源ＯＣＴでは、最大ピークのＯＣＴ縞周波数は、ナイキストサンプリングの要件ならびにＡ／Ｄデータ捕捉サンプリングレートおよび帯域幅における上限のため、器械の最大画像化範囲を規定する。好ましい実施形態は、ピークＯＣＴ縞周波数を最小化するようにふるまう掃引軌道を実行する。ピーク縞周波数は、波長掃引が生じる時間を拡張することにより減少され得る。したがって、非掃引時間に対する画像化掃引時間の高デューティーサイクルは、ＯＣＴにとって利益がある。ピーク縞周波数はまた、開始の波長と終了の波長をとつなぐ軌道にわたる変化のピーク波数レートを最小化することにより減少でき、その最適な解決策は、波数ポジションにおける波数速度直線および波数速度における定数である。理想的な掃引軌道は、ｋ−空間（波数）における高デューティーサイクルと線形の双方であってもよい。実際には、アクチュエータの力学は、得られ得る加速度を制限し、励起され得る複数の共鳴モードがある。そのため、ピーク縞周波数を最小化するために、アクチュエータの力学を考慮した最適な掃引軌道は完璧に線形でなくてもよい。本発明の好ましい実施形態は、アクチュエータの力学内のピーク縞周波数を最小化または減少する掃引軌道を発生させるようにふるまう。時には、線形掃引を強調し、ピーク縞周波数の目的を妥協することが望ましい。例えば、あるＡ／Ｄ変換器は、ＯＣＴシステムにより光クロッキングされたときに一定のクロック周波数で最良に動作する。１つの好ましい実施形態は、妥協されたピーク縞周波数を潜在的に犠牲にして、掃引を線形化するようにふるまる掃引軌道を発生させる。現在の発明の実施形態の縞の実験的な例を図１６および図１７に示し、これは、ピーク縞周波数を減少し、掃引中の縞周波数定数を維持するために、波数に関して掃引軌道を線形化するようにふるまう波形により駆動されている。図１６Ａおよび図１６Ｂは、複数の期間にわたる駆動波形および縞応答と、１つの期間にわたるズームとをそれぞれ示す。掃引は、主にｋにおいて線形であり、１方向の掃引画像化を実行するための長い画像化掃引および短いフライバック掃引によりデューティーサイクルは高い。図１７Ａは、１つの縞にわたる詳細なズームを示し、図１７Ｂは、時間における縞位相展開を示し、図１７Ｃは、最適な縞スペーシングと比較した実験的な縞スペーシングを示し、図１８は、対応する増幅したスペクトルを示す。この例では、チューニング可能な光源は、約１．２より良好な線形化比による時間において線形化された出力周波数を有する。この波形は、アクチュエータの自然な正弦波応答に対する所定のＡ／Ｄコンバータレートに対するＯＣＴ画像化範囲を改善する。本発明の１つの好ましい実施形態は、チューニング波形を使用して、所定の最大Ａ／Ｄサンプリングクロックレートに対するより長いＯＣＴ画像化範囲を可能にするために掃引直線性を改善する。

チューニングエレメントは開始の波長への完全なフライバックおよび戻りを実行する必要がないため、ＯＣＴの高スピード適用は、一般に、双方向掃引を使用することから恩恵が得られ、それにより、デューティーサイクルは改善される。図１９は、マッハ・ツェンダー干渉計からの、線形化された高デューティーサイクルの双方向掃引の実験的なＯＣＴ縞データを示す。本発明の１つの好ましい実施形態は、前方向および後方向の掃引の双方を使用して、データを捕捉する。アクチュエータの共鳴周波数に近づくと、掃引を線形化することは必ずしも可能ではない。図２０Ａは、共鳴付近の５００ｋＨｚで動作するＶＣＳＥＬデバイスに対する駆動波形および掃引軌道を示す一方、図２０Ｂは、この双方向掃引の掃引の方向を双方とも使用して、１ＭＨｚの軸スキャンレートで捕捉された人間の指腹の対応するＯＣＴ画像を示す。しかし、長い画像化範囲のＯＣＴ適用は、所定のＶＣＬ反復レートに対する時間との波長チューニングのレートを減少させる１方向のスキャニングから恩恵を得ることができる。図２１Ａおよび図２１Ｂは、テープのロールの長い範囲のＯＣＴ画像を示す。このような方法は、隣接する双方向掃引を使用して得ることができない波長間の正確および固定の時間差に依存するため、ドップラーＯＣＴのような、あるＯＣＴ画像化モダリティは、１方向の掃引からも恩恵を得ることができる。１つの好ましい実施形態は、ＯＣＴ画像化のために前方向または後方向の掃引のみを使用する。本発明のさらに別の好ましい実施形態は、ＯＣＴ画像化適用により要求されるように、双方向の画像化のために前方向および後方向の掃引の双方とも使用することと、１方向の画像化のために前方向または後方向の掃引のみを使用することとの間で、切り替えることができる。

ＯＣＴでは、波長掃引の長さ、波長掃引の軌道および波長反復レートは全て、ピーク縞周波数に寄与し、これは、所定のＡ／Ｄ捕捉レートに対する最大の画像化範囲を決定する。したがって、掃引源ＯＣＴ画像化において、掃引範囲（ＯＣＴ軸分解能に関係する）、掃引反復レートおよび画像化範囲の間に固有のトレードオフがある。ＯＣＴシステム感度および軸スキャンレートの間にも固有のトレードオフがある。これらの理由のために、レーザの掃引反復レートを変化させ、異なる画像化適用に対して適応および最適化できることが望ましい。

ＶＣＬが静電ＭＥＭＳチューニングエレメントを使用する１つの好ましい実施形態のケースでは、掃引反復レートが１台、１０台または１００台のｋＨｚの範囲にあるときに、約１つの掃引期間内で軌道を変化させることが可能である。駆動エレメントに対する波形はデータセットの捕捉間で変化し得るが、データ捕捉中にも変化し得る。本発明の１つの実施形態により、シングルデータセット内の動作モードの混合の捕捉が可能になる。例えば、容積的な３Ｄ捕捉は、サンプルについて追加の情報を得るために、Ｂ−スキャンを繰り返すことができ、長い画像化範囲、緩やかな軸分解能および短い画像化範囲、優れた分解能捕捉の間で交替できる。掃引スピードまたは掃引範囲のいずれかをトレードすることにより、捕捉帯域幅内にありながら、画像化範囲を調節できる。捕捉中に掃引範囲および掃引反復レートを共に変化させることに関して画像化モードを混合することは、本発明の高い程度の柔軟性および敏捷性を示す。しかし、１つの好ましい実施形態は、チューニング波形が主に固定の反復レートでＶＣＬ源を掃引するように現在の発明を動作させる。別の好ましい実施形態は、チューニング波形が主に固定の波長チューニング範囲にわたってＶＣＬ源を掃引するように、現在の発明を動作させ、軸分解能を保存する。１つの好ましい実施形態は、固定の反復レート、固定の波長掃引および固定の軌道で現在の発明を動作させる。この動作のモードは、複数の製品中の標準規格のＯＣＴエンジンを再使用するＯＥＭサプライヤにとって恩恵があることがある。さらに一般的なケースでは、１つの実施形態は、掃引反復レートに関して異なる動作モードを達成するために、様々な駆動波形で駆動されるチューニング可能な光源を含む。また、さらに一般的なケースでは、１つの実施形態は、掃引反復レートに関して異なる動作モードを達成するために、様々な駆動波形で駆動されるチューニング可能な光源を含む。

波形駆動のチューニングエレメントは、アナログ源またはデジタル源から合成できる。波形を発生させる電子機器の重要な特徴は、入力パラメータを変化させることにより波形の形を調節する能力である。現在の発明の好ましい実施形態は、Ｄ／Ａコンバータを使用して、データの記憶された表現から読み取られるか、または実行中に合成できるデジタルストリームのデータから、波形を発生させる。マイクロプロセッサ、マイクロ制御装置、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、メモリおよびカウンティング（アドレス指定）能力を持つ回路、または、類似のデジタル処理ユニットは、データフローを制御し、波形データをロードするためにＤ／Ａに接続され得る。駆動波形は、数学的な関数として表現でき、または、恣意的な波形値のシーケンスとすることができる。その中で各値を個別に調節できるメモリアレイとして表現されるような、個別に制御可能な恣意的な波形値のシーケンスは、一連のデルタ関数のとして表現できる。本発明の別の好ましい実施形態は、アナログ発振器のバンク、アナログ発振器の調節できる振幅および位相を使用し、発振器の出力をＤＣオフセット電圧と合計することにより波形を発生させる。適切な駆動電子機器は、波形信号をチューニング変換器またはチューニング物質にインターフェースするために含まれる。本発明の好ましい実施形態は、以下の少なくとも１つを改善することにより、画像化に対して好ましいチューニング応答を達成するために、チューニングエレメントの自然力学から、チューニングエレメントのチューニング応答を変化させるチューニング波形を使用する：掃引反復レート、掃引スピード、掃引加速度、掃引範囲、掃引直線性および掃引デューティーサイクル。最も一般的なケースでは、好ましい実施形態は、ＯＣＴ画像化性能を改善するためにチューニング応答を決定する。

非常に多くの異なる駆動波形を使用して、本発明のチューニング可能な光源を駆動できる。１つの好ましい実施形態では、数学的モデルのチューニング軌道を最適化でき、最適化されたモデルの結果の駆動波形が実験装置に適用される。このアプローチは、あるチューニングエレメント力学に対して、および、モデルが実験的な力学に厳密に一致するときに、よく作用する。最適化ループ中でチューニング可能な光源で波形を実験的に最適化することも可能である。いずれのケースでも、波形はパラメータ化され、モデルまたは実験的なハードウェアに適用される。手動で波形のパラメータを調節することが可能である。しかし、好ましい実施形態では、波形のパラメータは最適化アルゴリズムにより調節される。

図２２に示すように、本発明の１つの実施形態は、モニタ２２３０によりＶＣＬからの出力発光の光特性を測定し、ＶＬＣ２２４０を駆動するチューニングドライバ２２２０に対する軌道を調節することにより、波形合成を自動化する。調節は、モニタ信号を入力としてとり、波形を調節するためにモニタ信号中の情報を使用する制御装置２２１０によって行うことができる。制御装置は、プロセッサ、ＦＰＧＡ、マイクロ制御装置、アナログ回路または適切な補正を計算できる他の電子回路とすることができる。制御装置は、チューニングドライバに組み込むことができ、または、外部計算ユニットとすることができる。制御装置は、ＯＣＴ画像化システムに接続された、または、そうでなければＯＣＴ画像化システムと通信するコンピュータとすることもできる。図２３は、図２２のフィードバック配列を考慮すると、波形を合成するための１つの方法のフローチャートを示す。本発明の１つの実施形態は、チューニング波形表現を生成するために、調節可能な入力パラメータ値の関数としてチューニング波形を表現すること２３１０と、少なくとも１つの実験測定またはシミュレーションされた波長掃引を発生させるために、チューニング波形をチューニングエレメントまたはチューニング可能な光源の力学の数学的モデルに適用すること２３２０と、実験測定またはシミュレーションされた波長掃引に基づいて、性能メトリックまたは目的関数の値を計算すること２３３０と、性能メトリックまたは目的関数の値を最適化するために入力パラメータの値を調節すること２３４０とを含む、駆動波形を合成するための方法を使用する。一般に、方法は、終了基準が満たされる２３５０まで、各反復に対して入力パラメータに適用される調節または補正による最適化プロセスの一部として、ステップを複数回繰り返す。好ましい実施形態では、設計の目的は、最も一般的には、最適化されることになる目的関数または性能メトリックに公式化されることである。入力および出力上の制約もシステムに適用でき、目的関数に含まれることがあり、または、最適化プロセスに対する制約として含まれることがある。さらに、複数の性能メトリックを組み合わせ、複数の性能の目的メトリックを形成することが可能である。

波形は、数学的公式を使用して表現でき、あるいは、単純に調節可能な全データポイントを持つデータのアレイまたは調節可能なデータポイントのグループであってもよい。１つの実施形態は基底関数の組み合わせを含むチューニング波形を使用し、チューニング波形は、チューニングエレメントの自然力学からチューニングエレメントのチューニング応答を変化させる。数式４は、時間ｔの関数として表現される、電圧波形Ｖの汎用表現を示し、これは、ｎ個の基底関数ｂ_ｉ（ｔ）の組み合わせであり、ここで各ａ_ｉはｉ番目の基底関数に対する基底係数であり、駆動波形を規定する調節可能な入力パラメータとしてふるまう。

駆動波形を合成するための方法は、調節可能な入力パラメータとしてのＤＣオフセット値を含む表現を含む。駆動波形を合成するための方法は、異なる周波数によるシヌソイド関数の合計を含む表現を含んでもよく、シヌソイド関数は、調節可能な入力パラメータとして調節可能な振幅および位相を有し、あるいは、正弦および余弦の相対的な寄与のバランスをとることにより位相調節可能性を提供するために、固定された位相での正弦関数および余弦関数の双方を均等に含む。駆動波形を合成するための方法は、調節可能な入力パラメータによるチャープ余弦関数を含む表現を含んでもよい。駆動波形を合成するための方法は、調節可能な入力パラメータとして制御ポイントを持つスプライン関数を含む表現を含んでもよい。さらに一般的なケースでは、駆動波形を合成するための方法は、調節可能な入力パラメータとして入力値を持つ数学的関数を含む表現を含んでもよいが、以下のうちの１つ以上の選択に制限されない：平方根関数、Ｎが整数、小数または分数の値であるＮ番目の次数のルート関数、指数関数、対数関数、立方関数、Ｎが整数、小数または分数の値であるＮ番目のべき関数、三角関数、ステップ関数、インパルス関数、ガンマ関数、ガウス関数、線形関数、三角形関数、区分関数および信号表現の技術において知られている他の関数。最も一般的なケースでは、駆動波形を合成するための方法は、調節可能な入力パラメータとして入力値を持つ数学的関数を含む表現を含んでもよい。実現できない多くの可能性ある数学的関数が存在する。以下に続くのは実際の数例である。数式５
は、シヌソイド関数の合計と組み合わされたＤＣ値を示す。シヌソイド関数の周波数は、掃引反復レートωの基本であり、調波は以下の通りである。

アクチュエート力における電圧立方項を補償するために（数式３参照）、収束のルートを改善するため、数式６に示すように、数学的関数の立方根として電圧を計算することに利益があることがある。

数式７に示すように、別の有効な波形は、チャープ余弦関数の区分連結を含み、図１６Ａ、図１６Ｂ、図１９および図２０に示す駆動信号を発生させるのに使用される。波形のｍ個のセグメントのそれぞれはチャープ余弦関数および関数がポジションにおいてスムーズであり、境界においてより高い次数の派生物であるように選ばれたパラメータＡ_ｎ、ｓ_ｎ、Ｐ_ｎ、Ｌ_ｎ、Ｄ_ｎおよびＥ_ｎにより規定され、ここでは、Ａ_ｎはｎ番目の合成波形の相対的な振幅であり、ｓ_ｎは、ｎ番目の合成波形に対する、べき項内の位相シフトファクタであり、Ｌ_ｎは、ｎ番目の合成波形の持続時間におけるスケーリングファクタであり、Ｄ_ｎは、ｎ番目の合成波形の相対的な位相遅延ファクタであり、Ｐ_ｎは、ｎ番目の合成波形のべきファクタであり、Ｅ_ｎは、ｎ番目の合成波形の相対的なオフセットであり、ｔ_ｎは、ｍ個のチャープ余弦関数のそれぞれに対する区分スイッチング時間であり、ｔは時間である。

ここで、以下の通りである。

数式７により説明した先の方法では、ｔ_ｍは、一般に駆動波形の期間に等しく、ｔは、ｔ≧ｔ_ｍのときに波形を繰り返すために０にリセットされる。Ｖ_ＤＣはＤＣオフセットの項であり、Ｖ_ＡＣは反復波形成分Ｖ_Ｐ（ｔ）におけるスケーリングファクタである。図１６および図１９に示すように、波形に対する微小摂動は、好ましい掃引動作を達成するために、ＭＥＭＳアクチュエータ中で共鳴を打ち消し合うように含まれ得る。

数学的モデルおよび実験が実質的に同じようにふるまうような、チューニングエレメントの力学の数学的モデルを識別することが可能である。数学的モデルは、実験データと一致するように調節されたモデリングパラメータによる第１の原則から導出されてもよい。数学的モデルはまた、システム識別方法を使用することにより、得られてもよい。１つの有用なモデリングアプローチは、モーションコントロールの分野からのサブ空間識別方法を使用して、異なる振れポジションでの線形近似モデルを識別し、チューニングポジションの関数として線形モデルを補間する。波形を合成するための方法の一部として、波形は、波形チューニング応答を決定または予測するために、実験装置またはモデルに適用されてもよい。

本発明の好ましい実施形態では、性能メトリックは波長チューニング応答と関係する。例えば、ＯＣＴでは、捕捉システム帯域幅における所定の制約に関する長い範囲の画像化を達成するために、最大ピーク縞周波数を最小化することが望ましい。１つの好ましい実施形態では、モニタからの実験測定は、チューニングエレメントが掃引するようなチューニング可能な光源の発光からの干渉計の縞である。縞の０交差は、等しい波数スペーシングの位置を示す。１つの好ましい実施形態は、時間における最小の光縞０交差スペーシングまたはそれに対する均等物として性能メトリックを規定し、これは、縞速度を減少させるために最大化される。縞速度はまた、縞データに適用されるヒルベルト変換から決定され得る。同様に、本発明の１つの好ましい実施形態は、最小化されることになる性能メトリックとして最大ピーク縞周波数を使用する。推定が、実験装置の実験測定から、または、掃引の画像化部分にわたるシミュレーションモデルから計算される、推定される縞周波数

のベクトルと、調節可能な入力パラメータ

のベクトルとを考慮すると、最小化される性能メトリックＧは、以下の数式により与えられる。

オプティマイザは縞周波数を最小化するために波長掃引範囲を０に下げて駆動するため、縞周波数自体を最小化することは、最適化の目的を規定するのに十分でない。そのため、最適化の間に、所望の掃引範囲を最低限広げるようにオプティマイザに要求することが必要である。所望の開始（短い）および終了（長い）波長は、それぞれ、

および

として規定でき、制約として最適化に含めることができる。例えば、

かつ、

の場合に、数値的な最適化に制約を加える外部ペナルティ法を使用でき、ここで、

および

は、実験測定あるいは開始および終了の波長の推定からそれぞれ決定される。性能メトリックをペナルティ関数および調節可能なペナルティパラメータｃと組み合わせると、目的関数は以下のようになる。

調節可能なペナルティパラメータｃの値が増加するにつれて、外部ペナルティ関数の影響はさらに大きくなる。ピーク縞周波数を最小化することと、所望の掃引範囲を公式として達成することとの間にバランスがある。典型的に、十分な波長チューニング範囲が達成されるまでｃの値を漸進的に増加させることがあるだろう。実際には、ｃの適度の値を使用する一方で、チューニング範囲の目的をなおも達することができるように、所望のチューニング範囲をわずかに超えて

および

を設定することが望ましい。外部ペナルティ関数法の従来の公式を説明してきた。外部ペナルティ法の他の公式、内部ペナルティ法および設計の目的を達成するための他の方法を含む、最適化の他の方法もまた本発明中に含まれる。

代替的に、予め規定された軌道を決定でき、モデルまたは実験のトラッキングエラーは性能メトリックとして最小化される。本発明の１つの好ましい実施形態は、所望の応答軌道を規定し、実験応答軌道と所望の応答軌道との間のトラッキングエラーを最小化するようにふるまう。軌道は、波長または波数に関して規定できる。便宜上、ＭＥＭＳチューニング可能なＶＣＳＥＬは、アクチュエータの転置に比例して波長をチューニングするため、波数に関して均等な公式が存在し、２つの方法を交互に使用できるが、波長はこの例に対して使用される。所望の軌道は、駆動電子機器の最大速度、最大加速度、最大スルーレートに関してアクチュエータの力学を制限する理由の説明となるはずである。所望の軌道は、ポジションに関してスムーズ（継続的な派生物）になるべきである。ＭＥＭＳアクチュエータにおける共鳴の励起を回避するために、所望の軌道はまた、速度および加速度のような、ポジションのより高次の派生物においてスムーズであるべきである。柔軟なアクチュエートシステムの存在下でポジションまたは速度の目的に対する急速な収束を達成するために、効率的な軌道を発生させるためのモーションコントロールの分野で、非常に多くの方法が開発されてきた。軌道は、遷移点においてスムーズさを維持することおよび速度および加速度の制約を守ることを考慮して、軌道セグメントの区分連結によりスムーズさの目的を達成し、例えば、台形プロファイル、Ｓ−曲線、サイクロイド、半余弦、多項式および他のパラメータ化された曲線である。１方向のスキャニングに対する例示的な所望の軌道は、掃引の線形部分を達成するために、波数における一定の速度のセグメントにより開始および終了の波長を結合する。掃引の終点において、軌道は、アクチュエータの加速度制限を超えることなく、方向を逆転する。掃引のフライバック部分は、ＭＥＭＳチューニングエレメントが方向を再度逆転させ、要求される速度および次の一定の速度の波数掃引の開始のポジションまで加速するように、開始波長のポジションをわずかに超えるポジションにＭＥＭＳチューニングエレメントを戻す。
実験的な波長軌道

および、所望の波長軌道

を考慮すると、
トラッキングエラーベクトル

は、以下のように形成され得る。

トラッキングエラーベクトルのサイズの測定である最適化性能メトリックが規定される。１つの可能性あるメトリックは、自乗差の合計（ＳＳＤ）であり、これは、Ｌ２ノルムの自乗形である。エラーベクトルに対してＳＳＤ測定を適用するための最適化メトリックは、以下の通りである。

無限ノルムを含む、より高いべきノルム（Higher powered norms）を使用して、高いトラッキングエラーの領域に関係するトラッキングペナルティも増加できる。所望の軌道への接近の任意の測定は、これらに限定されないが、最大トラッキングエラー、トラッキングエラーの自乗差の合計およびトラッキングエラーに関する任意のノルムを含む、メトリックとして使用できる。掃引の異なる部分に異なる重みを適用することも可能である。例えば、重み係数または重み関数を使用して、掃引の画像化部分のトラッキング品質を強調するために、ターンアラウンドおよびフライバックの領域より高い掃引の画像化部分の領域に重み付けできる。

波形の解析的表現が、駆動電子機器の能力を超える電圧を発生させる場合に、多くの最適化アルゴリズムに関係する有限差の摂動のような、微小摂動に対する表現の感度は低下し、これは、最適化プロセスの効果を減少させ得る。最適化の間、電圧増幅器の飽和を回避するために、および、負の電圧を発生させるのを回避するために、駆動波形表現により発生される出力電圧に制約を加えることが好適であることがある。最大電圧Ｖ_ｍａｘおよび最小電圧Ｖ_ｍｉｎのそれぞれと、波形における電圧のベクトル

を考慮すると、追加の制約が最適化目的関数に含まれ得る。以下のような、最大および最小の制約関数を定義でき、以下のような目的関数に含まれ得る。

性能メトリックの計算は、掃引軌道の推定または掃引軌道の特性の測定を必要とする。測定は、一般に、チューニングエレメントが掃引するような、チューニング可能な光源の発光からの波長対時間応答またはシミュレーションされた出力応答に関係付けられるだろう。掃引応答を測定するために、モニタが本発明に含まれる。図２４は、ＶＣＬの出力を測定する光モニタ２４１０を持つチューニング可能な光源のブロック図である。光モニタは、モニタリング検出器、モニタリングモジュール、またはモニタと呼ばれ、そのいずれも本発明中で均等である。モニタは、測定の目的のためにＶＣＬの出力から光の小さな部分をとり、光の大部分を画像化の目的のためにＯＣＴ干渉計にパスする。掃引についての情報は、モニタから制御装置２４２０への入力として使用され、制御装置２４２０が次に、実験装置に適用されることになる波形軌道２４３０を発生させる。図２４は、ＶＣＬの出力を直接モニタリングすることを示す。図２５は、増幅２５２０前にＶＣＬの出力をモニタリングすること２５１０を示す。ＶＣＬの出力を直接または増幅の前にモニタリングすることまたは結果として、増幅器からのＡＳＥの潜在的な影響のない改善された測定となり得る。図２６は、増幅２６７０後にＶＣＬの出力をモニタリングすること２６１０を示し、これは、増幅器からのＡＳＥが測定に悪影響を与えない場合に望ましい。図２６は、波形発生器２６３０に接続されたモニタ２６１０および制御装置２６２０、ＶＣＬ２６６０および光増幅器２６７０のためのチューニングドライバ２６４０ならびに電流ドライバ２６５０を示す。この図における波形発生器はＤ／Ａコンバータとすることができる一方、電流ドライバ２６５０は、例えば、掃引をなくすために制御装置から電源をオンまたはオフにされ得る。一般に、Ｄ／Ａコンバータおよび制御装置は、チューニングドライバに一体化され得る。Ｄ／Ａコンバータおよび制御装置はまた、電流ドライバから分離され得る。電流ドライバに波形発生能力を提供するために、Ｄ／Ａコンバータを電流ドライバの前に含めるか、または、電流ドライバの一部とすることも可能である。一般に、Ｄ／Ａコンバータおよび制御装置は、電流ドライバと一体化されるか、または、電流ドライバの前に存在し得る。

図２７は、ＶＣＬ源のチューニング応答をモニタの一部として測定するための方法を示す。図２７Ａに示すように、波長が掃引されるときに、マッハ・ツェンダー干渉計が干渉計縞を発生させる。マッハ・ツェンダー干渉計が分散平衡されている場合に、縞０交差（または位相）は、等しいｋ（波数）間隔を表す。ＭＺＩの光路長は既知であるか、または、実験的に較正されており、ｋ間隔のサイズもまた既知である。全てのファイバＭＺＩと同様に、ＭＺＩが分散平衡されていない場合に、分散は計算されるか、または、実験的に決定でき、ｋ間隔を推定するために使用され得る。図２７Ｂに示すように、較正信号は、ファイバ・ブラッグ・グレーティングから到来し得る。この目的に関するＦＢＧ３３４０を図３３に示す。波長較正信号の同時捕捉は、較正された波長からの波数のインクリメントを数えることにより、波長掃引対時間の絶対較正が可能になる。ファイバ・ブラッグ・グレーティング、ファブリペローフィルタ、グレーティングおよび検出器、あるいは他の何らかの光フィルタを使用して、波長選択信号を発生させることができる。図２７Ｃに示すように、較正信号は、光スペクトル解析器または他のスペクトル解析デバイスにより捕捉されるような掃引スペクトルの測定からも到来し得る。縞が任意の静的なポイントを有さない（掃引において方向が反転する）場合に、最大および最小の極スペクトル信号は掃引の開始または終了の波長を表し、波数は、掃引軌道を較正するためにｋ間隔を直接数えることが可能になるように、単調に増加または減少する。波長較正信号は、Ａ／ＤコンバータがＭＺＩ縞を捕捉するときに、同じ信号をクロッキングオフするＡ／Ｄコンバータにより捕捉され得る。較正信号は、ＭＺＩ縞と比較して時間において信号を配置するカウンティング回路からも到来し得る。捕捉されたデータは、スペクトルピークを解像する能力を改善するために処理または電子機器においてフィルタリングされ得る。

異なる波長測定方法および実験装置を図２８に示す。図２８Ａに示すように、光ファイバカプラ２８１０は、入力光を受け取り、２つの路に光を分割し、各路は光検出器２８２０により検出される。ファイバカプラの分割比は波長に依存する。図２８Ｂは、１０５０ｎｍの波長付近で動作する光ファイバカプラの伝達の実験測定を示す。出力１により伝達される電力が減少するにつれて、出力２により伝達される電力がそれにしたがって増加するように、カプラを通る電力は保存される。正規化センサ測定Ｓ_ｅｓｔおよび電力推定Ｐ_ｅｓｔは、検出器の電力レベルおよび波長依存ｇ（Ｓ_ｅｓｔ）に対して不変であるファイバカプラ出力に接続された２つの検出器Ｄ_１およびＤ_２の出力から、時間ｔの関数として計算でき、以下のようになる。

および

図２８Ｃに示すように、センサ測定Ｓ_ｅｓｔと測定された光の波長との間に１対１の関係があり、較正ポイントの組におけるセンサの出力および波長測定器械の実験測定により決定され得る。センサ測定を考慮すると、光の対応する波長は、入力光の波長を決定するために、図２８Ｃに示すデータの補間により決定され得る。光の波長を知ることにより、検出器の波長依存の利得ｇ（Ｓ_ｅｓｔ）を計算することが可能になる。各検出器チャネルに対するＡ／Ｄコンバータを持つ２つの検出器からデータを捕捉することにより、光の波長の時間的な履歴を記録することが可能になる。図２８Ｄに実験的に示すように、センサ測定の時間的な履歴におけるポイントを較正することにより、光の波長対時間を推定することが可能になる。同様に電力を計算できる。本発明の１つの好ましい実施形態は、モニタの波長センサにおいて光ファイバカプラを使用する。波長感度光スプリッタまたはフィルタを使用する波長センサを実現する他の方法もまた可能である。波長依存フィルタは、光の一部を第１の検出器に伝達し、光の他の部分を第２の検出器に反射する。本発明の１つの好ましい実施形態は、波長センサにおいて絶縁または多層コーティングから作られるフィルタを使用する。１つの好ましい実施形態は、波長の関数として光を複数のチャネルに分割するための波長依存コンポーネントおよび測定された光の異なるチャネルの相対的な電力を含むモニタリング検出器を含む。１つの好ましい実施形態は、波長の関数として光を複数のチャネルに分割するための波長依存コンポーネントおよび波長対掃引の時間を推定するために測定された光の異なるチャネルの相対的な電力を含むモニタリング検出器を含む。１つの好ましい実施形態は、波長依存カプラ、ビームスプリッタ、または、波長の関数として光を複数のチャネルに分割するためのフィルタおよび波長対掃引の時間を推定するために光の異なるチャネルの相対的な電力を測定する２つの検出器ダイオードを含むモニタリング検出器を含む。

好ましい実施形態は、波形パラメータの組に基づいて波形を合成し、波形を適用し、応答における性能メトリックを計算し、掃引性能を改善する目的のため波形パラメータを更新する。１つの好ましい実施形態では、ステップが複数回繰り返され、最適化アルゴリズムにより入力パラメータが調節される。１つの好ましい実施形態では、ステップが複数回繰り返され、各反復に対して入力パラメータに補正が適用される。数値的な最適化の分野で知られている多くの最適化アルゴリズムのうちの任意のものから、適切な最適化アルゴリズムを選ぶことができる。好ましい実施形態では、以下のうちの任意の１つ以上から最適化アルゴリズムを選択できる：ニュートン法、準ニュートン法、勾配降下法、並列確立勾配降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズム、焼きなまし法、山登り法、または、数値的な最適化技術において知られている他の何らかの最適化アルゴリズム。多くの最適化アルゴリズムは、サーチ方向ベクトルを決定することと、サーチ方向ベクトルに沿ったラインサーチを実行することとの間で交替する。１つの好ましい実施形態では、最適化アルゴリズムは、最適化の一部として、サーチ方向ベクトルに沿ったラインサーチを実行する。１つの実施形態では、掃引源が動作し、性能を改善しようと絶えず試み、所望の軌道を維持している間、最適化プロセスが継続する。別の実施形態では、最適化アルゴリズムは、終了基準が満たされるまで繰り返す。１つの実施形態では、最適化は所望の掃引軌道を得るためにＯＣＴ器械の販売前に工場で実行される。波形が保存され、器械が野外で波形を再生する。別の実施形態では、新たな所望のチューニング軌道を発生させるために、最適化アルゴリズムが画像化システムの使用中に繰り返す。これは、手元にあるユーザアプリケーションまたは画像化タスクにより要求されるように、器械の販売後に生じることもある。

チューニング可能な光源は異なる環境条件で動作することが可能である。チューニング可能な光源におけるコンポーネントは経年することもあり得る。１つの実施形態では、最適化アルゴリズムは、チューニングエレメント力学に対する変化を補償するために、画像化システムの使用中に繰り返す。１つの好ましい実施形態では、再生のために波形が合成され、記憶され、アクチュエータ力学が時間または環境条件とともに変化しない場合によく作用する方法である。別の好ましい実施形態では、最適化プロセスは、動作中に実行でき、可能であれば実行中に、力学の変化または新規軌道の発生の存在下で、所望の軌道を維持するための配置とすることができる。

掃引性能における変化を感知し、完全な最適化を実行することなく補償するために、駆動波形に対する小さな修正を行うことが可能である。１つの好ましい実施形態は、環境変化、温度変化、内部充電、デバイスの経年、または、デバイスのアクチュエーションまたは力学に対する他の何らかの摂動の存在下で、所望の掃引軌道を維持するために閉ループ制御を使用する。さらに詳細には、好ましい実施形態は、環境変化、温度変化、内部充電、デバイスの経年または他の摂動の存在下で、所望の掃引軌道を維持するために、閉ループ制御を持つチューニング可能なレーザを使用し、閉ループ制御は、波長感度トリガ信号を読み出し、単一または小さなサブセットの波形パラメータを変化させることにより、ＶＣＬ源のチューニングメカニズムのアクチュエータあるいは変換器に対して駆動波形を適切に調節する。１つの好ましい実施形態は、閉ループにおける波形パラメータとして駆動波形のＤＣ電圧を変化する。チューニング可能な光源内のコンポーネントが動作中に電気的変化を展開することが可能になる。本発明の１つの好ましい実施形態は、アクチュエータの電気的充電の影響を補償または無効化するために電極を反転させ得るチューニングエレメントに対して駆動信号を使用する。本発明の好ましい実施形態は、一般に、充電に抵抗する設計の、レーザにおけるチューニングエレメントを使用する。

以前に言及したように、多目的の最適化のために複数の個別のメトリックを組み合わせることが可能である。好ましい実施形態の方法は、性能メトリックまたは目的関数は掃引または掃引に対する均等物の間に、最大ピーク光波数速度を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が最大ピーク光縞周波数または最大ピーク光縞周波数に対する均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が時間における最小の光縞０交差スペーシングまたは時間における最小の光縞０交差スペーシングに対する均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が波数対時間に関する掃引の線形化の程度または波数対時間に関する掃引の線形化の程度に対する均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が掃引のデューティーファクタまたは掃引のデューティーファクタに対する均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が掃引範囲または掃引範囲に対する均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が実験的な掃引軌道またはシミュレーションされた掃引軌道と所望の掃引軌道との間の差の測定あるいは実験的な掃引軌道またはシミュレーションされた掃引軌道と所望の掃引軌道との間の差の測定の均等物を含むケースを含む。方法は、性能メトリックまたは目的関数が実験的な掃引軌道またはシミュレーションされた掃引軌道と所望の掃引軌道との間の差の測定を含むケースを含み、ここで、これらに限定されないが、最大トラッキングエラー、トラッキングエラーの自乗差の合計、およびトラッキングエラーにおける任意のノルムあるいはこれらに対する均等物を含む、所望の軌道に対する接近の任意の測定をメトリックとして使用できる。

スペクトル包絡線成形

図４Ｄおよび図４Ｅに示すように、波長掃引および関係する干渉計縞のスペクトル包絡線は、ＯＣＴ軸点拡がり関数（ＰＳＦ）の形を決定する。図４Ｄおよび図４Ｅのケースで示すように、スペクトル包絡線が掃引の開始または終了において急なまたはハードエッジな遷移を有する場合に、顕著なサイドローブが発生される。これらのサイドローブは、ＯＣＴデータにおいてアーチファクト（複製されたゴースト画像）を発生させ、ＯＣＴデータの補間に関してミスリードでき、画像処理セグメンテーションエラーを引き起こすことができ、結果としてエラーのある距離または厚さの測定になる。ハミング関数、ハン関数、余弦関数、ブラックマン関数、ナトール関数または信号処理技術において知られている他の何らかの窓関数のような、ガウスプロファイルまたは多くの窓関数、アポディゼイション関数またはテーパー関数を近似するために包絡線スペクトルを成形することによりサイドローブを減少できる。図４Ｄおよび図４のケース２で示すように、近似ガウスに対するスペクトル包絡線の成形は、ケース１と比較したときにサイドローブを顕著に減少させる。図４Ｄおよび図４Ｅのケース３に示すように、開始および終了のエッジの遷移を駆動するためのガウス包絡線を０付近のスムーズ遷移に狭めることは、サイドローブをさらに減少させる。しかし、図４Ｆに示すように、ＯＣＴ軸分解能の漸進的な損失とともにアポディゼイションが増加する。一般に、アポディゼイションによるスペクトルのさらに積極的な成形は、結果としてサイドローブの減少となるが、ＯＣＴ軸分解能を犠牲にする。しかし、スペクトル包絡線が短い波長と長い波長の間でよくバランスがとれていない場合に、または、スペクトルにディップがある場合に、スペクトル成形は、さらに優先的なスペクトルの形およびスペクトルの幅を得ることにより、サイドローブを減少させるとともに、ＯＣＴ軸分解能を改善することができる。

ＯＣＴシステムにおいて、数値的技法を使用した処理後にスペクトル包絡線を成形することが一般的である。しかし、サンプルにおける最大の許容光曝露があるＯＣＴ画像化のケースでは、処理後のスペクトル成形は、掃引のアポディゼイション減衰領域における過剰な光は曝露としてカウントするため、結果として必ず最適以下のＯＣＴ感度になり、それにより、より少ない掃引のアポディゼイション領域に適用され得る実際の光量を減少させる。そのため、サンプルから戻る光が既に好ましいスペクトルの形であるように、光源におけるスペクトルを成形することが優先される。

本発明の好ましい実施形態は、波長掃引のスペクトル包絡線に影響を与えることができる少なくとも１つの電流ドライバを含む。電流ドライバは、出力発光レベルを制御するためにチューニング可能な光源中の利得物質を刺激する。１つの好ましい実施形態では、電流ドライバは、チューニング可能な光源中のポンプに接続される。別の実施形態では、電流ドライバは、ＶＣＬ利得物質を直接刺激する。別の実施形態では、電流ドライバは、光増幅器中の利得物質を刺激する。掃引中に電流ドライバ中の電流を適切に調節することは、スペクトル掃引の包絡線の成形を可能にする。

非常に多くの異なる電流ドライバの実現を使用できる。好ましい実施形態は、レーザ相対強度ノイズ（ＲＩＮ）を減少させるために低ノイズを持つ電流ドライバを有する。利得または出力スペクトルを時間の関数として成形することが望ましいケースでは、利得物質に対する電流は掃引との同期において変化し得る。このケースでは、電流ドライバは、器械の最高の掃引反復レートまでスペクトル包絡線の動的成形をサポートするために高い帯域幅を有することが望ましい。

望ましい包絡線の形は、ＯＣＴ画像化または測定アプリケーションに依存する。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＯＣＴ点拡がり関数のサイドローブを減少させるように出力発光をスペクトル的に成形するために、電流ドライバの出力電流を時間の関数として調節する。光の吸収はサンプルの特性に依存する。例えば、眼の硝子体液は、波長の関数として光を吸収する。優れた軸分解能を維持するため、サンプルからの戻り光が、ＯＣＴ軸分解能およびＯＣＴ点拡がり関数サイドローブ性能に対する所望のスペクトル組成を有するようにサンプルの特性を補償するために、サンプルアームからの光の出力スペクトルを予め成形することが望ましいことがある。本発明の１つの好ましい実施形態は、サンプルの光特性を補償するように出力発光をスペクトル的に成形するために、電流ドライバの出力電流を時間の関数として調節する。本発明の別の好ましい実施形態は、光曝露制限があるときに、サンプルに対する光曝露を最適化するように出力発光をスペクトル的に成形するために、電流ドライバの出力電流を時間の関数として調節する。

前方向および後方向の双方の掃引が画像化のために使用されるときに、前方向および後方向の双方の掃引に対するスペクトル包絡線は双方とも個別に最適化され得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、各掃引方向に対して個別に最適化されたスペクトル包絡線による画像化のために、前方向および後方向の双方の掃引を使用する。前方向または後方向の掃引のいずれかが画像化のために使用されるときに、チューニング可能な光源の前方向または後方向の掃引のいずれかをなくすために、電流ドライバの出力電流を時間の関数として調節することに利益があることがある。１方向掃引画像化のための前方向または後方向の掃引をなくすことにより、サンプルに対する蓄積されたまたは平均的な光曝露を減少させることができ、電力を掃引の有効な部分に集中させることが可能になる。本発明の１つの好ましい実施形態は、掃引またはなくされた掃引の一部により画像化する。本発明の別の好ましい実施形態では、掃引または試料に対する光曝露を減少させるためになくされた掃引の一部により画像化する。本発明の１つの好ましい実施形態は、画像化のために使用される前方向の掃引のみによって動作する。本発明の別の好ましい実施形態は、画像化のために使用される後方向の掃引のみによって動作する。サンプルに対する光曝露が問題ではないときに、使用しない掃引をなくす必要はない。電流ドライバが一定の電流で駆動されるときに、チューニング可能な光源の出力のスペクトル包絡線が満足のいくものである場合に、電流制御を通してスペクトル成形を実行する必要はない。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、電流ドライバの出力電流が時間において主に固定されるように、電流ドライバを動作する。

本発明の好ましい実施形態は、チューニング可能な光源の出力発光の測定に基づいて、電流ドライバに対する電流プロファイルを自動的に決定する。出力測定は、現在の発明のモニタ部分から到来し得る。モニタ信号を入力としてとり、モニタ信号中の情報を使用して波形を調整する制御装置により調節を行うことができる。制御装置はプロセッサ、ＦＰＧＡ、マイクロ制御装置、アナログ回路または適切な補正を計算できる他の電子回路とすることができる。制御装置は電流ドライバに組み込むことができ、または、外部計算ユニットとすることができる。制御装置はまた、ＯＣＴ画像化システムに接続されたコンピュータまたは処理ユニットとすることができる。図２９は、適切な電流プロファイルを自動的に決定する方法の図を示す。調節可能な入力パラメータに関して電流プロファイルが規定される。入力パラメータが初期化される（２９１０）。入力パラメータの初期値は、以前の経験、最も有力な推測、全て同じ値の定数、または、全てが０であることに基づくことがある。他の初期値も可能であるが、一般に、最適化のための時間を減少させる解決策に近い初期値のセットを選ぶことが望ましい。最適化アルゴリズムは、入力パラメータの値を調節し（２９６０）、電流軌道は計算され（２９２０）、電流軌道は実験装置に適用され（２９３０）、応答が捕捉される（２９４０）。その後、実験的な応答において性能メトリックが計算される（２９５０）。終了要件が満たされている場合に、最適化は中止される（２９７０）。終了要件が満たされていない場合に最適化は進行する（２９６０）。

電流ドライバの帯域幅が、所望の掃引包絡線軌道と比較して十分に速い場合に、電流ドライバの力学は無視でき、最適化は簡略化される。１つの好ましい実施形態では、電流駆動波形は、一連のサンプルポイントとしてパラメータ化される。電流ドライバに接続された各サンプルポイントはＤ／Ａコンバータに対する入力であり、ここで、波形は、サンプルポイントのベクトル

として表現され、コンピュータメモリ中のアレイとして実現される。波形は、実験装置に適用され、応答が記録される。１つの好ましい実施形態では、縞の包絡線は、ＭＺＩ縞に適用されるヒルベルト変換から決定される。図２８に示すように、別の好ましい実施形態では、縞の包絡線は波長センサから決定され、ここで、時間の関数としての縞の電力は、適切にスケーリングされた２つの検出器の測定を合計することにより決定される。包絡線を決定する他の方法が現在の発明に含まれる。所望の縞包絡線ベクトル

および実験的な縞包絡線

を考慮すると、エラーベクトルは

として計算できる。駆動波形Ｄ／ＡおよびセンサＡ／Ｄのサンプリングレートが同じである場合に、サンプルポイントのベクトルに対する更新は、エラーにおいて利得αを使用して、反復ｉにおいて以下のように計算できる。

。

大きな利得αは、結果として、各反復における駆動波形軌道の急速で大きな更新となるが、解決策に近い発振を引き起こし得る。より小さな利得は、結果として、より遅い初期収束となるが、解決策付近の発振を防ぐ。電流ドライバの力学が顕著である場合に、電流ドライバの力学に関係する位相遅延は、周波数成分の関数として時間においてエラーベクトルをシフトすることにより、更新中に含まれ得る。駆動波形合成について説明したもののような、他の波形のパラメータ化および最適化アルゴリズムは、現在の発明に含まれる。

図３０Ａに示すように、単一の波長センサを使用して、ＶＣＬ出力および増幅された出力の特性を測定することが可能である。高い電力分割比を持つカプラ３０１０は、ＶＣＬ３０８０からの光の大部分を光増幅器３０２０に向ける。診断のために使用されることになるＶＣＬ３０８０からの光の残りの部分は、合成カプラ３０３０に向けられ、合成カプラ３０３０は、さらに、波長センサ３０５０において使用されるカプラ３０４０に接続される。同様に、光増幅器３０２０の出力に接続されたカプラ３０６０は、光の大部分をＯＣＴ画像化システムに向ける。光の残りの部分は合成器３０３０の他の入力に向けられる。オプション的な減衰器３０７０は、ＶＣＬ３０８０から検出器への電力と光増幅器３０２０から検出器への電力をおよそ一致させるのに使用できる。電流ドライバの電源がオフにされているときに、光増幅器はセンサ測定に寄与せず、ＶＣＬの出力が直接測定される。測定は、掃引軌道およびＶＣＬの出力電力対時間についての情報を提供できる。掃引軌道および電力対時間の知識により、ＶＣＬ発光の電力対波長の計算が可能になる。検出器Ｄ１および検出器Ｄ２からの測定の時間履歴はＶＣＬのみによって有効と記録され、メモリ中に記憶される。光増幅器の電源がオンでるときに、センサはＶＣＬおよび光増幅器の合成された出力を測定する。合成されたＶＣＬおよび光増幅器の時間履歴は、記録され得る。単にＶＣＬに関して以前に記憶された測定の時間履歴を、合成されたＶＣＬおよび光増幅器の測定から引くことにより、増幅器出力の寄与が決定され得る。増幅された出力の電力対時間および波長対時間についての情報により、縞包絡線を推定することが可能になる。本発明の１つの好ましい実施形態は、駆動波形最適化中で使用するための掃引軌道を計算するために、波長センサから得られた情報を使用する。本発明の１つの好ましい実施形態は、電流ドライバ波形最適化中で使用するための縞包絡線プロファイルを計算するために、波長センサから得られた情報を使用する。波長センサから得られた情報は、ＶＣＬまたは増幅器における変化を検出する診断の目的のためにも使用できる。図３０Ｂは、駆動波形軌道および電流ドライバ波形軌道最適化を実現するために、比較的低スピードのＡ／ＤおよびＤ／Ａ能力を持つＦＰＧＡに波長センサがどのように接続され得るかを示す。図３０Ｂは、計算ユニットして使用されるＦＰＧＡを示すが、最適化アルゴリズムを実行できる多くのプロセッサまたは制御装置のうちのいずれか１つを使用できる。

ＯＣＴ画像化システムおよび画像化モダリティ

図３１に示すように、チューニング可能な光源３１１０からの光はモニタリングモジュール３１２０およびＯＣＴ画像化干渉計３１３０に向けられる。この特定の実施形態では、光クロック発生および掃引トリガがモニタリングモジュール中に一体化されている。好ましい干渉計設計は、動作波長、コスト制約および特有のＯＣＴ画像化アプリケーションに依存する。ＯＣＴ画像化のために使用される１つの一般的な構成は、マイケルソン構成の干渉計である。図２は、２つの例示的な干渉計設計を示すが、非常に多くの代替的な干渉計設計および実現が可能である。図２Ａに示すように、干渉計設計の第１の好ましい実施形態は、波長掃引光源からの光をサンプルアーム２５０に対するファイバ路と、参照アーム２６０に対するファイバ路とに分割する第１のカプラ２１０による光ファイバカプラを使用する。サンプルアーム２５０から戻る光は、第１のカプラ２１０を通して第２のカプラ２４０に戻り、第２のカプラは参照アーム２６０からの光も受け取る。光は、第２のカプラにおいて干渉し、干渉パターンを捕捉するために平衡検出器２７０に向けられる。干渉パターンまたは干渉図は、深度でエンコードされたサンプルからの反射情報を含む。サンプルに対する光曝露レベルに対する制限がない場合に、ＯＣＴ画像化器械感度を最適化するために、５０％（５０：５０）の分割比を持つ第１のカプラを使用することが望ましい。サンプルに対する光曝露レベルに対する制限および利用可能な掃引源電力がある場合に、等しくない分割比を持つ第１のカプラを使用することにより、収集効率およびＯＣＴ器械感度の増加が得られる。本発明の１つの好ましい実施形態は、効率を改善するために６０：４０よりも大きい分割比を持つ第１のカプラを含む干渉計を使用し、より高い比の路がサンプルアームを第２のカプラに接続する。したがって、サンプルからの光は優先的に検出器に向けられ、低い比の側に対応する光は、源に戻るように向けられ、検出に関しては損失となる。検出器に接続された第２のカプラの分割比は、優先的に５０：５０であり、応答は、ＲＩＮを消去し、背景信号を平衡にするために、動作波長の範囲にわたってフラットにされた波長である。この基本的な設計の干渉計は全ての波長に対してよく作用する。１０５０ｎｍの波長で動作するように設計されたこの構成の干渉計設計の詳細な例は、図３２に示す。

１３１０ｎｍのようなある波長において、サーキュレータは、非常に高い効率を有する。そのため、図２Ｂに示すように、検出器に対する光収集効率を改善するために、サーキュレータ２２０、２３０を持つ干渉計を使用することが好ましい。本発明の１つの好ましい実施形態は、効率を改善するために１以上のサーキュレータを含む干渉計を使用する。サーキュレータを使用し、１３１０ｎｍの波長で動作するように設計された構成の干渉計設計の詳細な例は、図３３に示す。サーキュレータを使用した他の設計もまた可能である。

本発明では、示されているもののほかに多くの異なる構成で干渉計を構築できる。しかし、参照アームおよびサンプルアームからの光を干渉する干渉計の任意の構成が本発明に含まれる。干渉計の参照アームは干渉計における光路遅延を発生させる。１つの好ましい実施形態では、参照アームは、参照光路長を発生させるミラーを含む。別の好ましい実施形態では、参照アームは、参照光路長を発生させるファイバループを含む。別の好ましい実施形態では、参照アーム信号を発生させるために、サンプルアーム光および参照アーム光が共通の光路を共有する共通路干渉設計が使用される。サンプルアームに沿って位置する反射面により参照反射が得られるケースでは、サンプルアームは、参照アームとしてふるまうことがある。サンプルアームおよび参照アームが共通路を共有するときに、例えば、ガラスのカバースリップあるいは画像化されるサンプルに触れるまたは近くにある窓を使用することにより、反射面がサンプルアームの外側に位置することもある。別の好ましい実施形態では、参照アームは参照光路長を発生させるエアパスを含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、参照アーム光路遅延または光路長が調節可能である参照アームを含む。光路長を調節する方法の例は、参照ミラーを動かすこと、コリメータ間の距離を変化させること、ファイバの長さを含めること、屈折の指標を変化させること、または、光路長を変化させるための他の何らかの方法である。本発明のＯＣＴ干渉計は、バルク光学干渉計または光ファイバ干渉計またはバルク光学コンポーネントおよび光ファイバコンポーネントの双方の組み合わせにより組み立てることができる。

本発明のいくつかの実施形態にしたがったＯＣＴ干渉計設計は、光干渉計からの光干渉縞信号を電気アナログ信号に変換する１以上の光検出器に、干渉光を向けるだろう。検出器は、一般的に、フォトダイオードからの電流を電圧に変換するために、フォトダイオードおよびトランスインピーダンス増幅器を含む。ＯＣＴシステムからのアナログ信号は、調査時点でのサンプルの反射対深度についての、干渉計によりエンコードされた情報を含む。現在の発明の高い掃引スピードおよび長い画像化範囲は、高周波数干渉計縞を発生させる。高帯域幅、低ノイズおよび高利得を持つ検出器が、器械の画像化の可能性を実現するのに望ましい。利得は、デジタル化ノイズを克服するために十分に高くあるべきである。本発明の１つの好ましい実施形態は、高い掃引反復レート、広い波長掃引および長い画像化範囲の適用をサポートするために、１ＧＨｚより大きい帯域幅を有する少なくとも１つの光検出器を使用する。画像化システムは柔軟であり、さらに従来のＯＣＴ画像化スピードおよび画像化範囲で動作し得る。低コストに関する本発明の好ましい実施形態は、１０ＭＨｚより大きい帯域幅を有する少なくとも１つの光検出器を使用する。平衡検出器および干渉計設計を使用して、改善された信号対ノイズ比のために源からのランダム強度ノイズ（ＲＩＮ）を抑制できる。平衡検出器はまた、ファイバカプラならびに他のビーム分割器または合成器における波長依存に起因する低周波数背景を減少させ得る。背景を減少させることにより、Ａ／Ｄコンバータのダイナミックレンジのより良い利用が可能になる。本発明の好ましい実施形態は、平衡検出を実行する少なくとも１つの光検出器を使用する。高周波数ノイズは測定中にエリアシングするため、過剰な検出器帯域幅は問題となることがある。検出器帯域幅は、Ａ／Ｄデジタル化レート最大サポートナイキスト規定のデジタル化帯域幅と一致するように選ばれるべきである。

１以上の検出器からの電気アナログ信号出力をデジタルデータに変換するためにデータ捕捉デバイスが使用される。このデジタルデータストリームは、サンプルからのエンコードされた深度依存反射情報を含む。デジタルデータストリームは、処理ユニットにより記憶または処理することができ、処理ユニットは、コンピュータ、ＣＰＵ、マイクロ制御装置、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ＦＰＧＡ、またはデジタルデータを処理することが可能な他のデバイスとすることができる。多くの掃引源ＯＣＴシステムは、光クロッキングまたはｋ−クロッキングと呼ばれる、Ａ／Ｄコンバータに対するクロック信号を発生させるために干渉計を使用する。ＯＣＴデータチャネルに関して以前に言及した平衡検出器の同じ利点がクロッキングモジュールにも適用される。本発明の１つの好ましい実施形態は、平衡検出を実現するクロッキング干渉計３３１０およびクロッキング検出器３３２０を使用する。

光ビームのスキャニングを促進するためにサンプルアーム中でビームステアリングエレメントを使用することが多い。本発明の好ましい実施形態は、サンプルアーム光ビームをステアリングするために、サンプルアームが少なくとも１つのスキャニングミラーまたは他のビームステアリングエレメントを含む画像化システムを含む。

ＯＣＴの最も一般的な実現は、後方散乱光または後方反射光の大きさについての情報を捕捉し、強度ＯＣＴ画像化と呼ばれることが多い。ＯＣＴ画像化はまた、ＯＣＴ縞の位相においてエンコードされた情報を使用でき、位相感度ＯＣＴと呼ばれる。ドップラーＯＣＴは、２以上のＡ−スキャンからの位相情報を使用して、流体流動における散乱体の速度の軸成分を決定する。サンプルの複屈折特性についての情報が得られる偏光感度ＯＣＴもまた実行され得る。偏光感度ＯＣＴは干渉計において２つの検出器および偏光感度ビーム分割器を使用することにより実現されることが多い。全てではないがいくつかの、偏光感度ＯＣＴのバリエーションは、異なる偏光状態の光でサンプルを照射する。偏光状態はレーザ源のオルタネート掃引でエンコードされ得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、位相感度ＯＣＴを実行する。本発明の別の好ましい実施形態は、ドップラーＯＣＴを実行する。本発明の別の好ましい実施形態は、偏光感度ＯＣＴを実行する。

ＶＣＬ源の長いコヒーレンス長により、長い画像化範囲が可能になる。しかし、画像化範囲は、サンプルアーム中の光学系の被写界深度により依然として管理される。本発明の１つの好ましい実施形態は、光画像化システムの有効な画像化範囲を増加させるために、サンプルアーム中にアキシコンレンズまたは類似のエレメントを含む。１以上のアクチュエートされた光エレメントを使用することによりダイナミックフォーカスを実現することも可能である。現在の発明の別の好ましい実施形態は、アクチュエートされた調節可能なフォーカス手段を含む。

適応可能な縞較正

共振器長がチューニング波長を規定するため、ＯＣＴ画像化において、レーザの共振器は波長の自然関数として掃引されることが多い。さらに、アクチュエータ力学、加速度制限、および共鳴モードが、掃引軌道の形に影響を与え、掃引対掃引の変動を引き起こすことがある。ＯＣＴ画像化において、サンプルからの深度依存反射情報を得るために、フーリエ変換の前に等しいｋ（波数）間隔でサンプルポイントのスペースを空けるように、干渉計データは波数に関して線形化されなければならない。補助ＭＺＩは、掃引軌道の縞エンコーディングを記録するために使用されることが多い。固定のサンプルレートでデータが捕捉されるときに、フーリエ変換の前にＯＣＴ縞データに数値的な較正ステップを適用するのが一般的である。この数値的な較正ステップは、計算コストがかかる。本発明の１つの実施形態は、単一の参照ＯＣＴ縞を捕捉し、適切な較正を決定し、この単一の較正に関する補正をサンプルから捕捉したＯＣＴデータに適用する。位相展開較正曲線から縞を等しいｋ間隔に補間することにより、補正の適用が実行される。ＯＣＴ処理に一般的なように、縞０交差スペーシングを解析することにより、または、ヒルベルト変換から位相を決定することにより、位相展開較正曲線は決定され得る。代替的なアプローチは、データが等しい波数間隔で正確にサンプリングされるように不均一なサンプリングレートでデータを捕捉する。この予め較正する方法においてデータを捕捉する１つの方法は、Ａ／Ｄコンバータをクロッキング干渉計からの信号にクロッキングすることである。光クロッキングのこの方法は、時には、ｋ−クロッキングと呼ばれ、掃引の遅い領域をオーバーサンプリングしないようにデータ捕捉を最適化する追加の利益を有し、結果として、データの減少ならびにより効率的なデータ記憶、送信および処理になる。光クロッキング方法はまたは、掃引対掃引の変動の理由も説明する。本発明の１つの好ましい実施形態は、データ捕捉デバイスをクロッキングするために使用される光クロッキング信号を発生させる、クロッキング干渉計とクロッキング検出器とを含む、光クロッキングモジュールを使用する。本発明で使用できる、非常に多数の可能性あるクロッキング干渉計がある。２つの一般的な干渉計構成は、マイケルソンタイプおよびマッハ・ツェンダータイプである。潜在的な干渉計構成の全てが本発明中に含まれる。

本発明の実施形態のＯＣＴ画像化システムの動作中に、掃引反復レート、掃引軌道および掃引範囲が調節されてもよい。異なる動作モードに対する波数の変化のレートが顕著に異なる場合に、固定光路遅延の較正干渉計は全ての動作モードに適切でないかもしれない。光路遅延が動作モードに対して非常に短い場合に、縞周波数および縞密度は、ソフトウェア較正技法が使用される場合に、良好な較正を得るには低すぎるだろう。同様に、光クロッキング法が使用される場合に、非常に短い光路遅延は、結果として、ＯＣＴ画像化範囲を不必要に妥協させるＡ／Ｄコンバータの低サンプリングレートとなる。動作モードに対して光路遅延が非常に長い場合に、縞周波数および縞密度は、高すぎ、ソフトウェア較正技法に対する検出器およびＡ／Ｄ帯域幅を超えるかもしれない。同様に、光クロッキング方法が使用される場合に、長すぎる光路遅延は、Ａ／Ｄコンバータの能力を超えるＡ／Ｄクロック信号を発生させるだろう。

図３４に示すように、従来の固定路長の較正干渉計の制限に取り組むために、本発明の好ましい実施形態は、調節可能な光クロッキングモジュール３４１０を使用する。調節可能な光クロッキングモジュールの出力が所望の画像化モードに調整できる多くの可能性ある方法がある。

図３５Ａは、ソフトウェア較正のために光クロックまたは参照縞を発生させる分散平衡光ファイバＭＺＩを示す。偏光制御装置３５１０は、縞振幅を最大化するために、２つのアームの間の偏光状態のアラインメントを促進するように含まれる。掃引軌道に対する調節のため、クロッキング干渉計からのクロック信号の周波数はそれにしたがって変化する。これらの変化に適応するため、および、捕捉デバイスの帯域幅制限内にクロッキング周波数が確実にあるために、クロッキング干渉計の光路長は変化し得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、干渉計の光路遅延を調節することにより、異なる掃引軌道をサポートする光クロッキングモジュールを使用する。図３５Ａでは、干渉計における光路差は、１以上のコリメータ３５２０を動かすことにより調整され得る。動きはアクチュエータされるか、または、手動のユーザ制御または選択下にある。等しくスペースが空けられたｋ間隔で縞を発生させるための２つの干渉計アーム間の適切な分散平衡を得るために、ファイバ長を完全に一致させるのは難しいことが多い。図３５Ｂは、光干渉計の１つのアームに分散補償ガラスを挿入することを示す。路長の調整性を持つガラスブロック３５３０、ガラスプリズム、光フラット、ガラスブロックのスタック３５５０、またはスライディングガラスウェッジ３５４０を分散補償媒体として使用できる。図３５Ａで示したアプローチの１つの欠点は、コリメータの動きが、結果としてファイバに対する妨害となることであり、これは、複屈折のふるまいにおける変化を引き起こし、２つの干渉計アーム間の偏光の不一致により縞振幅を減少させ得る。図３６Ａは、可動リトロリフレクタ３６１０を含む改善された設計を示し、図３６Ｂは、干渉計において可動ミラー３６２０およびサーキュレータ３６３０、３６４０を使用する改善された設計を示す。これらの設計の双方では、システムの偏光アラインメントを妨害することなくミラーを動かすことができる。

複数の干渉計路間でスイッチすることも可能である。図３７は、干渉計路長差を調節するために、異なる長さの干渉計路間でスイッチするための方法を示す。図３７Ａでは、複数の光路３７１０、３７２０は、干渉計の１つのアーム中に存在し、光ブロッキングメカニズム３７３０は、有効な路を選択する。図３７Ｂでは、光スイッチ３７４０は、利用可能な複数の路から有効な路を選択する。図３７は、２つの路からの選択を示す。干渉計ネットワークを拡大することにより、２つより多い路からの選択も可能である。

図３８Ａおよび図３８Ｂは、異なる光路長に位置する異なるミラーリフレクタ３８１０、３８２０、３８３０に１つのアームからの光を向けることにより、干渉計アームのうちの１つにおける光路長を変化させるための方法を示す。図３８Ａは、非平衡検出に適した光学レイアウトを使用し、図３８Ｂは、平衡検出に適した光学レイアウトを示す。これらの図では、回転ミラー３８４０が光路を選択する。回転ミラー３８４０は、ガルボ駆動、ＭＥＭＳミラー、または、光ビームをステアリングする他の何らかのデバイスとすることができる。

エアスペース干渉計アームを使用することは、分散平衡を達成するための１つの方法である。全てのファイバ干渉計は、アラインメントおよびアセンブリを容易にするという利点を有する。図３８Ｃは、２つの異なる長さの干渉計アームを分散平衡するために分散補償ファイバ３８５０を使用することを示す。図３８Ｄは、分散補償を実現するためにチャープ・ファイバ・ブラッグ・グレーティング３８６０を使用することを示す。図３８Ｄは、単一のＦＢＧを使用する分散補償を示す。追加ポートを持つサーキュレータを使用する複数のＦＢＧも、本発明中に含まれる。光路のスイッチング、光路のブロッキング、あるいは干渉計信号の周波数逓倍または周波数分割を含む、本願において提示される概念のいずれかにより分散補償するための手段を含む全てのファイバ干渉路設計を組み合わせることが可能である。

クロッキング干渉計は調節されてもよく、または、されなくてもよく、路長差においてクロッキング干渉計が固定されることが可能である。本発明の実施形態におけるチューニング可能なＶＣＬ技術の１つの顕著な利点は、長いコヒーレンス長である。源のこの長いコヒーレンス長により、以前の技術よりもかなり長い、長い光路長遅延でのクリーンな干渉計縞サイクルの発生が可能になる。他のチューニング可能な光源技術のより短いコヒーレンス長は、長い光路遅延でのクリーンな干渉計縞の発生を試みるのを妨げている。このため、以前の技術は、適切なＯＣＴ画像範囲を達成するために光クロッキング信号の電子的な周波数２倍化を必要としていた。本発明の実施形態は、非常に長い光遅延での光クロッキングに対してクリーンな干渉計縞を発生させることができ、これは、高縞周波数に対応する。したがって、本発明の実施形態は、電子的な周波数２倍化を必要とすることなく、光クロッキングを実行し得る。さらに、光クロッキング周波数は、非常に高くなり得る。路長を調節する能力にかかわらず、本発明の１つの好ましい実施形態は、チューニング可能な光源の異なる掃引軌道をサポートするために周波数分割または電気的カウンティングにより周波数において減少し得る、光クロッキングモジュールからの信号を使用する。図３９は、クロック信号の周波数分割を実行する電子回路を示す。図３９Ａは、周波数入力を分割し得る非同期リップルカウンタを示す。しかし、波長掃引軌道が掃引レートにおいて変化する場合に、リップルカウンタに関係する伝播遅延は、位相エラーを引き起こすかもしれない。図３９Ｂは、クロック入力信号のエッジ遷移における状態を変化させ、ＯＣＴクロッキング適用中での使用のためにさらに望ましくした、好ましい同期カウンティング回路を示す。カウンティング回路は、個別の論理エレメントの構築とすることができるが、さらに好ましくは、専用のカウンティングチップまたは他の高速論理を使用して実現される。ＶＣＬの長いコヒーレンス長により、基本クロック周波数を非常に大きくし、長い路遅延と関係付けることができ、周波数分割アプローチが実用的なものになる。周波数逓倍もまた可能である。周波数逓倍フィルタの１つの方法は、基本入力クロック信号の調波をフィルタアウトする。別の好ましい実施形態は、チューニング可能な光源の異なる掃引軌道をサポートするために少なくとも１つの周波数逓倍器により周波数において増加し得る、光クロッキングモジュールからの信号を使用する。

図４０は、クロッキング周波数オプションの拡大された組を達成するために、クロック分割回路４０２０およびオプション的な周波数逓倍回路４０３０により、光路長の変化、選択またはスイッチング４０１０の方法を組み合わせることが可能であることを示す。周波数逓倍器４０３０は、この図ではオプション的なコンポーネントとして示されているが、逓倍回路のフィルタ中心周波数が縞周波数をトラックする必要があるため、周波数分割は、周波数を変化させるケースでは縞を較正するためのさらにロバストなアプローチである。

本発明の１つの好ましい実施形態は、データ捕捉帯域幅内の可変の測定画像化範囲をサポートするために、調節可能な路遅延を持つマイケルソン干渉計またはマッハ・ツェンダー干渉計を含む光クロッキングモジュールを使用する。

クロッキング干渉計を分散一致させないことが可能である。このケースでは、光クロッキングは繰り返すことが可能であるが、結果的にデータポイントの正確に等しい波数スペーシングにならない。この光クロッキングの実現は、掃引対掃引の可変性を減少させるのに、および、データ記憶、計算および送信要件を減少させるのに、依然として有用である。図３２および図３３は双方ともこの目的のためのＭＺＩ較正干渉計３２１０、３３１０を示す。これらの図におけるＭＺＩ３２１０、３３１０は、固定長のファイバの構築であるが、これは、ある周波数でおよび比較的短い波長掃引にわたって作用する。分散平衡ＭＺＩは、全ての波長でおよび大きな掃引範囲にわたって動作するのに好ましい。

主に等しいサンプルスペーシングを達成するために分散制御および光分散一致の方法を使用できる。各アームにおいて等しいファイバおよびコリメーティングレンズを持つエアスペースマッハ・ツェンダー干渉計を使用することは、等しい波数縞スペーシングを持つ分散のないクロック信号を発生させる１つの方法である。本発明の１つの実施形態は、データ捕捉デバイスをクロッキングするため光クロック信号を発生させる、クロッキング干渉計とクロッキング検出器とを含む、光クロッキングモジュールを使用する。さらに詳細には、本発明の好ましい実施形態は、主に等しいまたは反復可能な光ｋ−間隔（波数間隔）でデータ捕捉デバイスをクロッキングするための光クロック信号を発生させる、クロッキング干渉計とクロッキング検出器とを含む、光クロッキングモジュールを含む。

適応可能な画像化ダイナミックレンジ

Ｊ．Ａ．ＩｚａｔｔａｎｄＭ．Ａ．Ｃｈｏｍａ，Ｓｅｃｔｉｏｎ２．７，Ｗ．ＤｒｅｘｌｅｒａｎｄＪ．Ｇ．ＦｕｊｉｍｏｔｏＥｄ．，「ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，２００８により規定されているように、ＯＣＴにおける感度は、「理想のリフレクタと比較した最低限検出可能な反射された光電力」であり、ダイナミックレンジは、「単一の捕捉または画像内で観察可能な光反射の範囲」である。

ＯＣＴにおける感度は、一般的に非常に良好であり、ショットノイズリミットに近くなり、これは、検出器の応答性、画像化スピード、デジタル化レート、波長、サンプルへの光電力および光学系の伝達効率を考慮すると、達成しうる理論的に最高の感度である。高いＯＣＴ感度は、サンプル曝露に対する制限内でサンプルに入射される電力を最大にし、源から利用可能な電力を考慮することにより達成される。ＯＣＴシステムに対する典型的な感度は、約８０ｄＢ〜１３０ｄＢの範囲にある。

ＯＣＴにおけるダイナミックレンジはデジタル化の影響、Ａ／Ｄ飽和および検出器のダイナミックレンジにより制限される。ＯＣＴシステムに対するダイナミックレンジの典型的な値は、約３０ｄＢ〜６０ｄＢである。ＯＣＴの制限されたダイナミックレンジは、高い正反射の領域を持つ生物サンプルを画像化するときに問題となることが多い。例えば、角膜およびレンズがＯＣＴビームとほぼ垂直の面を有する眼の前部のＯＣＴ画像で、大きな飽和アーチファクトが観察されることが多い。制限されたダイナミックレンジはまた、カバースリップ、レンズ、または高い正反射を生成する窓のような、ガラス面を通して画像化するときに問題となり得る。非常に大きなサンプルアーム電力も計量学のために使用され得る。高い正反射または大きな戻り信号は、製造部品のような、生物でないサンプルを画像化および測定するときに、問題となることがあり、飽和アーチファクトを発生させ得る。図４１Ａは、ガラスレンズのＯＣＴ画像に対する飽和の影響を示す。図４１Ａ中の縞の図に示すように、正反射がある場合に生じることが多い、高い反射の領域は、検出を飽和する大きなＯＣＴ縞を発生させる。掃引源の出力電力を減少させることにより、飽和を除去することが可能である。図４１Ｂは、飽和を除去する減少した電力レベルでスキャンされた同じオブジェクトの例示的なＯＣＴ断面画像を示す。図４１Ａおよび図４１Ｂからのデータは統合され、飽和がない小さな戻り信号を検出する高い感度を有し、検出を飽和することなく高い戻り信号を受け入れる、改善されたダイナミックレンジを持つ合成断面画像を発生させる。本発明の１つの好ましい実施形態は、検出における飽和を除去するためにチューニング可能な光源の出力電力を調節する。チューニング可能な光源の出力電力は、本発明の電流ドライバ中の電流を調節することにより制御され得る。例えば、光増幅器またはＶＣＬ利得物質に対する電流が調節され得る。捕捉中に飽和を検出し、データセットの領域からのデータを減少された出力電力により２回目に再捕捉することによって、飽和が生じた領域を再スキャンすることが可能である。感度を最大化し、飽和を回避する飽和電力を特定するために、複数回の再スキャンが必要とされるかもしれない。この方法は、変化するまたは時間とともに変化し、オブジェクトの反射特性についての先験的な知識がない、サンプルからのＯＣＴデータを捕捉するのによく作用する。産業製造および検査の適用では、類似のジオメトリおよび反射特性のオブジェクトを繰り返し画像化することが一般的である。サンプルの予想される反射特性をスキャニング軌道の関数として知ることが可能である。サンプルの領域を再訪する必要のない単一の捕捉の間に、適切な電力レベルでオブジェクトを画像化するように、各Ａ−スキャンまたはＡ−スキャンの領域に対する適切なチューニング可能な光源の出力電力がその後実行される。本発明の１つの好ましい実施形態では、デジタルデータが飽和についてチェックされ、飽和が判明した場合に、利得物質に対する電流が調節される。本発明の１つの好ましい実施形態では、データセット中のデジタルデータは飽和についてチェックされ、飽和が判明したデータセット中の位置にある利得物質に対する電流が調節され、新規のデータは調節された電流レベルで捕捉される。光クロッキング方法が使用される場合に、強いクロック信号を維持することが望ましく、そのため、調節可能な利得エレメントは、画像化される光路にのみ置かれてもよい。

掃引アラインメントおよび位相安定化

ＯＣＴ縞のフーリエ変換（または逆フーリエ変換）は、大きさと位相の双方の情報を含む。大半の適用は、大きさの情報のみを使用して、強度ＯＣＴ画像を発生させる。ドップラーＯＣＴに対して、および、非常に小さな偏光および振動の測定に対して、位相情報を使用できる。チューニング可能な光源からの発光における任意の掃引対掃引の変動がある場合に、バリエーションはＯＣＴ縞により得られた位相情報中に現れることがある。位相安定化がなければ、サンプル内の変化に由来する位相変化からチューニング可能な光源における変動により引き起こされる位相摂動を分離することは難しい。捕捉システムの光クロッキングは、掃引対掃引の変動の影響を減少または除外し得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、位相感度ＯＣＴに対するＯＣＴ縞の位相安定化を改善するために、光クロッキングを使用する。光クロッキングは、掃引対掃引の変動の影響を除去するのを助けるが、最初の位相に対する不明確さがあるため、データが、データ捕捉フレーム（Ａ−スキャン）からデータ捕捉フレーム（Ａ−スキャン）まで同様に整列しない可能性が依然としてある。本発明の１つの好ましい実施形態は、位相感度ＯＣＴに対するＯＣＴ縞情報の位相を安定化するために、波長信号または干渉計信号を使用する。位相安定化の複数の実施形態を次に説明する。

ＯＣＴ画像化中に、捕捉システムはサンプルから干渉計縞を捕捉する。予め定められた数のデータポイントが、各波長掃引に対してデータキャプチャフレームまたはウィンドウ内で規定されること、および、データの捕捉は電気的なエッジ遷移において開始することが一般的である。データ捕捉システムが予め定められた数のポイントに依存せず、低レベルまたは高レベルの制御信号におけるデータを収集することによって動作することも可能である。双方の方法では、捕捉は、トリガ信号の遷移においてまたはトリガ信号の遷移付近で開始する。動作における通常の変動および予想される変動と合成される、大半のＯＣＴシステム中の複数の非同期クロックは、波長掃引に対して捕捉の実際の開始が不明確な１〜数個のサンプルポイントの可能性を生成する。掃引間の単一のサンプルポイント差でさえ、位相情報を顕著に劣化させ得る。さらに、掃引源ＯＣＴにおいてよく実施されるのと同様に、強度画像化に対して、位相摂動は、掃引の背景差分が実行されるときに、画像中にアーチファクトを発生させる。この潜在的なアラインメントエラーを補正する位相安定化は、背景差分の品質を改善し、ＯＣＴ画像中の固定パターンのアーチファクトを除去するように示されている。

図４２Ａに示すように、各Ａ−スキャンに対してＡ／Ｄコンバータ捕捉を開始するために、チューニング可能な光源のチューニングと同期される電気トリガ信号４２１０を使用することが可能である。本発明の１つの好ましい実施形態は、チューニング可能な光源のチューニングと同期され、適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントのために使用されるトリガ信号を使用する。しかし、図４２Ｂに示すように、掃引対掃引の変動がある場合に、チューニング可能な光源の駆動信号との純粋な一時的な同期に依存する代わりに、ＦＢＧベースの検出器４２２０を使用して波長信号をトリガオフすることが望ましいことがある。この目的のためのＦＢＧ３３３０は図３３に示す。

本発明の１つの好ましい実施形態は、適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントに対して光波長信号を使用する。波長トリガ信号は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）、分散プリズムまたはグレーティング、リフレクタを持つ分散プリズムまたはグレーティング、ファプリペローフィルタ、波長デマルチプレクサ（ＷＤＭ）、あるいは他の何らかの波長選択デバイスにより発生され得る。

データアラインメントのこうした以前の例では、トリガは一般的に対象となるデータの開始と一致する。対象となるデータの開始時間と終了時間との間のどこかでトリガが生じることもあり得る。このケースでは、捕捉されたデータに対する光波長トリガのポジションまたは時間が捕捉され、ポジションまたは時間情報は、捕捉されたデータのデータフレームへのアラインメントを適切に調節するために使用される。図４３Ａに示すように、例えば、トリガは、Ａ／Ｄ捕捉の追加チャネル４３２０において捕捉され得るか、または、カウンタがデータ捕捉の開始に対してトリガがどこで生じたかを決定し得る。１つの好ましい実施形態は、ファイバ・ブラッグ・グレーティングからなる波長トリガは、チューニング範囲の中心付近に置かれ、これにより、チューニング可能な光源が、異なるモードのＯＣＴ動作に対する異なる掃引軌道を実行するときに、捕捉要件の変化に対する適切なフレームアラインメントおよび適応が可能になる。図４３Ｂに示すように、アラインメント信号は干渉計によるものとすることもでき、ここで、光干渉計信号は適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントのために使用される。Ａ／Ｄ変換の第２のチャネルにより捕捉される参照縞のアラインメントは、同時サンプリングＡ／Ｄにより捕捉されたＡ／Ｄ捕捉の双方のチャネルとＯＣＴデータを整列させる。アラインメントは、相関により、あるいはエラーベクトルを形成し、ノルムにより測定されるときに最小化されることになるエラーベクトルとメトリックを関係付けることにより、実行される。本文書で先に説明した数値的な掃引較正方法を使用しても、アラインメントは実行され得る。図４３Ｂに示すように、Ａ／Ｄコンバータを光クロッキングすることにより、多くの位相安定化アプローチに適用可能な追加の改善を得ることができる。クロック信号４３３０、Ａ／Ｄの第１のチャネル４３１０上のＯＣＴデータおよびＡ／Ｄの第２のチャネル４３２０上のアラインメント縞は、同じ光信号から導出されるため、信号チャネル間に相対的な位相シフトはない。捕捉されたデータ内で整数の間隔でデータをシフトすることにより、参照縞と現在の縞を一致させ、エラーメトリックを見ることによるアラインメント縞の単純なアラインメントにより、ＯＣＴデータの適切な位相アラインメントが可能になる。実際には、各Ａ−スキャンからのデータはコンピュータ中のメモリ位置に捕捉される。アラインメント縞の一致からの適切なデータシフトは、全ての信号の光源への同期のため、データを適切に整列させる整数のシフトを生成する。整数のシフトｍは、データのアレイのメモリ位置表示に対するオフセットとして使用できる。有効なデータの予想される開始よりも十分に前にあるデータｉ＿ｓｔａｒｔ＿ｎｏｍｉｎａｌと、有効なデータの予想される終了の後のデータｉ＿ｅｎｄ＿ｎｏｍｉｎａｌとが捕捉される。前後でどのくらいの量のデータが捕捉されるかの推定は、掃引捕捉における予想されるジッタに基づき、１〜１０データポイントである可能性がある。掃引に関係するデータが、例えばｍ個のデータポイントのシフトを必要とする場合に、データは名目上の開始メモリ位置ｉ＿ｓｔａｒｔ＿ｒｅａｄ＝ｉ＿ｓｔａｒｔ＿ｎｏｍｉｍａｌ＋ｍから、名目上の終了メモリｉ＿ｅｎｄ＿ｒｅａｄ＝ｉ＿ｅｎｄ＿ｎｏｍｉｎａｌ＋ｍに読み出されることがある。２つのポイントｉ＿ｓｔａｒｔ＿ｒｅａｄおよびｉ＿ｓｔａｒｔ＿ｅｎｄの間のデータは、位相整列された掃引データを表し、これは、処理または記憶のためにこれらのメモリインデックスからコピーされ得る。

図４４に示すように、固定波長トリガを使用する代わりに、チューニング可能な光トリガ４４１０を使用することも可能である。チューニング可能な波長トリガは、異なる掃引軌道およびＯＣＴ画像モードに適応することにおいて高い柔軟性を提供する。本発明の１つの好ましい実施形態は、捕捉フレーム窓を波長掃引と適切に整列するために、データの捕捉を開始するためのチューニング可能な光トリガを含む。さらに詳細には、本発明の１つの好ましい実施形態は、異なる掃引範囲に適応するように捕捉フレーム窓を波長掃引と適切に整列するために、データの捕捉を開始するためにチューニング可能な光トリガが使用されるケースを含む。チューニング可能なフィルタは、多くの異なる方法によりチューニングされ得る。例えば、ファブリペローフィルタにおけるスペーシングを変更でき、ファブリペローフィルタにおける物質の屈折の指標を変更でき、または、分散プリズムまたはグレーティングに対する検出器のポジションを変更でき、または、所望の波長に対して選択的であるようにグレーティング自体の分散特性を変更する。光トリガを調節する他の方法も本発明中に含まれる。

掃引範囲にわたって単一の固定波長トリガを発生させる光デバイスを使用することは、器械の掃引範囲を変化させるときに課題を提示することがある。その理由は、トリガデバイスの波長を広げるために掃引範囲が制限されるためである。ＦＢＧのような、波長における鋭い遷移を発生させる光デバイスを使用することは、改題を提示することがある。その理由は、遷移の変化のレートが波長掃引速度に非常に依存しているからである。出力対時間において急速な変化によりピークが狭い場合に、ピークおよび信号遷移は高い掃引スピードにおいて欠落し得る。ピークが遅い遷移を有している場合に、ピークの絶対的なポジションを決定することは、ノイズの存在下では困難なことがある。

異なる掃引範囲および掃引レートを適応する一方で位相安定化を実行することは、所望のレートの遷移により複数の波長信号を発生させる静的な光エレメントを使用してロバスト的に実行され得る。例えば、小さなギャップ長を持つファブリペローフィルタは、チューニング可能な光源の掃引範囲内に複数の送信ピークを発生させ得る。図４５Ａは、ファブリペローフィルタを使用した位相安定化の方法を例示する図を示す。チューニング可能な光源４５１０からの光の大部分はＯＣＴシステム４５２０に向けられ、ここで検出器４５３０は、第１のＡ／Ｄコンバータ４５４０によりデジタル化される光信号を測定する。チューニング可能な光源からの光の小さな部分はファブリペローフィルタ４５５０に向けられる。検出器４５６０は、ファブリペローフィルタからの光信号を測定し、Ａ／Ｄコンバータ４５４０は、ファブリペロー信号をデジタル化する。２つのＡ／Ｄコンバータは、信号を同時にサンプリングし、同じクロックから離れて動作する。４０ミクロンのギャップ長と０．５のミラー反射とを持つファブリペローフィルタの例示的な正規化された送信対波長プロットを図４５Ｂに示す。ファブリペロー送信ピークのスペーシングは、チューニング可能な光源の掃引範囲内の任意の１つのピークが第１の参照掃引の参照ピークとして選ばれるのに十分なほど粗く、掃引対掃引の変動により引き起こされるトリガジッタまたは位相ジッタあるいは後続する掃引における電気トリガジッタが、参照ピークと混同されるのに十分なほど、後続する掃引における隣接ピークをシフトさせるほど十分に大きいことはあり得ない。さらに、ファブリペローからの信号に複数のピークがあるため、複数のピークを整列させることは、ノイズにより引き起こされる位相の不確かさを減少させ、それにより、アプローチのロバスト性を改善する。ファブリペローフィルタは、ソフトウェア較正アプローチまたは光クロッキングアプローチを使用した位相アラインメントのために使用され得る。ソフトウェア較正のケースでは、伝達関数のピークは、絶対的な波長のポジションを示すため、改善された位相アラインメントを達成するために、ＯＣＴ縞データに対してサブサンプルシフトが実行され得る。光クロッキングのケースでは、干渉計からのクロック信号を波長の絶対関数として発生させ、エタロンからのファブリペロー信号を波長の絶対関数として発生させ、または、同じ光源からＯＣＴ信号を発生させることにより生成される密接な関係は、電子的な駆動信号または掃引対掃引変動にかかわらず、３つの信号間に位相コヒーレンスを生成する。結果的に、掃引捕捉間の任意のサンプルシフトはデータ捕捉システム中のトリガの不確かさから生じ、位相アラインメントは、クロッキング干渉計が安定している場合に、捕捉されたデータの整数のシフトにより達成され得る。捕捉されたデータの整数のシフトを実行することは、縞データを補間することに比べて、計算コストを大幅に少なくする。ファブリペローデータのアラインメントおよび整数のシフティングは、処理のためのメモリへの送信前に、または、記憶のための他の媒体への送信前に、処理ユニットにおいて実行され得る。

ＯＣＴ画像化を実行するために使用される多くの人気のあるＡ／Ｄコンバータカードは、同時サンプリングＡ／Ｄ変換の２つのチャネルを有し、多くは、搭載型のＦＰＧＡ処理能力を有し、図４５に示す方法は、１チャネルのＯＣＴデータのみを必要とする、強度ＯＣＴ画像化、位相感度ＯＣＴ画像化およびドップラーＯＣＴ画像化に対してよく作用する。１つの高スピードＡ／Ｄコンバータのみが利用可能である適用では、または、各チャネルのＯＣＴデータに対して２チャネルの高スピードのＡ／Ｄ変換が必要とされる偏光感度ＯＣＴ画像化を実行するケースでは、減少されたスピードでデジタル化する補助Ａ／Ｄコンバートを使用することが望ましいかもしれない。１０〜２５０ＭＳＰＳＡ／Ｄコンバータは、現在、掃引源ＯＣＴに対して使用されることが多い４００ＭＳＰＳ〜３．６ＧＳＰＳＡ／Ｄコンバータよりも顕著にコストがかからない。

図４６Ａは、高速Ａ／ＤコンバータにおけるＯＣＴ信号のデジタル化および遅いＡ／Ｄコンバータにおけるファブリペロー信号のデジタル化を示す。光クロック検出器および電子機器４６２０は、チューニング可能な光源４６１０の出力からクロック信号を発生させる。高速Ａ／Ｄコンバータは、光クロック検出器および電子機器の出力から離れて直接クロッキングされる一方、周波数分割器４６３０またはカウンタは、遅いＡ／Ｄコンバータに対してＮのファクタだけクロックレートを減少させる。チューニング可能な光源からの光の大部分はＯＣＴシステム４６４０に向けられる。ＯＣＴシステム４６４０からの光は、検出器４６５０により検出され、高速Ａ／Ｄコンバータ４６６０によりデジタル化される。チューニング可能な光源からの光の少ない部分は、ファブリペローフィルタ４６７０に向けられ、ファブリペローフィルタ４６７０の出力は遅いＡ／Ｄコンバータ４６８０によりデジタル化される。２つのＡ／Ｄコンバータ間のジッタを除去するために、高速Ａ／Ｄコンバータおよび遅いＡ／Ｄコンバータからのトリガは双方とも、Ａ／Ｄコンバータの待ち時間を補償するために、各トリガ信号においてオプション的な個別にチューニング可能な遅延４６９０を持つ共通の信号によりトリガされる。遅延はまた、Ａ／Ｄコンバータのそれぞれにおけるトリガイベントが欠落する可能性を低下させるために、２つの隣接するクロック信号遷移間の時間の中心付近でトリガイベントが確実に生じるように使用され得る。図４６Ａに示すシステムでは、高速Ａ／Ｄコンバータと遅いＡ／Ｄコンバータとを同期するために、トリガ信号は周波数分割器４６３０またはカウンタの出力に起因する。波形発生器４６００からの信号は、高速Ａ／Ｄコンバータと遅いＡ／Ｄコンバータとの間で共有されるトリガ信号が、Ｎ個のカウンタにより分割される出力の遷移において生じるように、周波数分割器４６３０またはカウンタをリセットおよびイネーブルし、それにより、高速Ａ／Ｄコンバータと遅いＡ／Ｄコンバータとの間でデータサンプルを同期する。図４６Ｂは、高速（上のプロット）Ａ／Ｄコンバータおよび遅い（下のプロット）Ａ／Ｄコンバータによる光クロッキングを使用してデジタル化されたファブリペローフィルタから発生される信号を示す。高速Ａ／Ｄコンバータによりキャプチャされた場合、伝達ピーク波形の形は容易に区別される。遅いＡ／Ｄコンバータによりキャプチャされた場合、伝達ピークのサンプリングはまばらであり、データ中のピークの位置を特定するのはさらに難しい。時間遅延推定のために開発された方法を使用して、データを適切に整列させるために、類似する信号間のサブサンプリング精度に対するシフトを特定できる。

複数のチャネルの捕捉に対する到着の時間差を推定することができるように、時間遅延推定（ＴＤＥ）法が開発された。多くのＴＤＥ法は、２つの信号の相互相関関数のピークを見つけることに基づく。サブサンプル時間遅延推定と呼ばれる、時間遅延推定技法のクラスは、相互相関関数のピークを補間し、補間された最大値を見つけることにより、ＴＤＥの性能を改善することを求めている。ガウス補間法、放物線補間法および余弦補間法は、サブサンプルＴＤＥのために使用されている数例の補間関数である。他の補間およびサブサンプルＴＤＥ法も可能であり、本発明中に含まれる。入力信号は、改善されたＴＤＥ精度のためにフィルタリングし得る。相互相関関数も、ピークのポジションの推定を支援するためにフィルタリングされ得る。

本発明の実施形態は、異なる動作モードで動作することが可能である。図４７Ａ〜図４７Ｃは、以下の例示的な動作モードに対する、５０ミクロンのミラー分離および４０％のミラー反射を持つファブリペローフィルタから予想される信号を示す：（Ａ）１０５０ｎｍに中心がある波長チューニングの１００ｎｍにわたる５０ｋＨｚの反復レート画像化、（Ｂ）１０５０ｎｍに中心がある波長チューニングの１００ｎｍにわたる２００ｋＨｚの反復レート画像化、および（Ｃ）１０４５ｎｍに中心がある波長チューニングの１０ｎｍにわたる５０ｋＨｚの反復レート画像化。高速（上）Ａ／Ｄコンバータおよび遅い（下）Ａ／Ｄコンバータからの対応する信号を、図４７Ａ〜図４７Ｃに示す動作ポイントに対応する図４７Ｄ〜図４７Ｆに示す。図４７Ａ〜図４７Ｃでは、高速Ａ／Ｄコンバータに関する４サンプルのサンプル遅延は、捕捉ハードウェアから予想される整数値の掃引対掃引ジッタを表すために、高速Ａ／Ｄコンバータ波形に適用されている。０〜１０サンプルからのジッタは、一般に、掃引間で予想される。遅いＡ／Ｄコンバータによりサンプリングされるような信号は、４サンプルシフトによりサンプリングされているように示される。時間遅延推定は遅いＡ／Ｄコンバータ信号に適用され、結果は表１に示す。ＡおよびＣのケースでは、システムは、高いサンプリング密度を持つファブリペロー信号をサンプリングするモードで動作される。結果的に、ケースＡおよびケースＣに対するＴＤＥからの遅延推定は非常に正確である。ケースＢでは、システムは、ファブリペロー信号をまばらにサンプリングするモードで動作される。ケースＢにおいてさえ、ＴＤＥ推定は１つのサンプルポイント内では正確であり、データの適切な位相安定化を可能にする。これは、単一の固定ファブリペローフィルタを使用して、いかに、広範囲の動作ポイントにわたるデータを位相安定化できるかを示している。調節可能なファブリペローフィルタおよび複数のファブリペローフィルタの使用、あるいは、他の類似する波長特有のデバイスもまた、本発明のいくつかの実施形態に含まれる。

１つの好ましい実施形態では、時間遅延推定法は、デジタルデータを位相安定化するために使用される。１つの好ましい実施形態では、デジタルデータに対する調節は、デジタルデータを位相安定化するために実行され、調節は、時間遅延推定（ＴＤＥ）技法を使用して計算される。

ピークの重心ベースの推定もまた実行でき、本発明の文脈で説明したＴＤＥ技法に含まれる。

偏光制御

チューニング可能な光源におけるエレメントのいくつかは偏光状態に対する感度が高い。例えば、ＢＯＡおよびＳＯＡの光増幅器とともに、いくつかの光アイソレータも、偏光感度が高いことが多い。そのため、偏光の入る偏光感度エレメントを整列させ、スループットを最大化することおよび異なる偏光状態に関係するわずかに異なる路長により引き起こされる画像化アーチファクトの導入を回避することに利益がある。本発明の好ましい実施形態は、望ましくない偏光アーチファクトを消去するか、または、損失を減少させるために、光回路において１以上の偏光制御エレメントを使用する。偏光感度エレメントは、偏光状態の整列により支援され得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、閉ループ、手動、またはそれ以外の方法での偏光感度アイソレータに対する入力ファイバ偏光状態の調節可能な制御を持つ少なくとも１つの偏光感度アイソレータを使用するチューニング可能な光源を含む。適切な偏光は、偏光感度アイソレータの電力スループットを最大化することにより決定され得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、閉ループ、手動、またはそれ以外の方法での偏光感度光増幅器に対する入力ファイバ偏光状態の調節可能な制御を持つ少なくとも１つの偏光感度光増幅器を使用するチューニング可能な光源を含む。標準的な光ファイバは、入ってくる光の偏光状態を維持せず、ファイバ内のストレスに起因する複屈折効果により偏光状態を変化させる。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、偏光を維持しないファイバを通過することにより状態が摂動した後に、所望の偏光状態を発生させるために、偏光制御装置を使用する。代替的に、偏光維持ファイバを使用して、アラインメントおよび画像化システムおよびチューニング可能な光源の動作を簡略化できる。本発明の１つの好ましい実施形態は、選択的な光サブコンポーネント間の偏光制御装置に対する必要性をなくすために、偏光維持ファイバを使用して、光サブコンポーネントを接続する。本発明の１つの好ましい実施形態は、望ましくない偏光アーチファクトを検出および消去するために、光回路内で能動的な偏光制御を使用する。偏光アラインメントの程度の測定は、出力の電力または強度とすることができる。単純なダイオードまたは電力測定デバイスを使用できる。１つの実施形態は、図２８または図３０に示したもののように、モニタリングモジュールにより複数の波長にわたって電力を測定する。

データストリーミング、処理および記憶

いったん、ＯＣＴデータストリームの捕捉が開始すると、ＯＣＴデータストリームは処理され、記憶され、表示され、送信され、あるいは、リアルタイムフィードバックおよび制御のために使用され得る。データ記憶装置４８１０にデータを記憶し、ディスプレイ４８２０においてデータを表示する好ましい実施形態を図４８に示す。別の好ましい実施形態は、必ずしも、データを記憶または表示しないが、閉ループプロセスにおいてＯＣＴ測定を使用する。リアルタイムフィードバックおよび制御からの恩恵を受ける適用は、ポジショニングシステム、ロボティックシステム、処理システム、製造システム、チューニングシステム、およびプロセスのパラメータを調節するためにリアルタイムでＯＣＴデータを利用する他の何らかのシステムを含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、捕捉されたデータを記憶する手段を備える。捕捉されたデータを記憶する手段は、メモリ、ディスク、テープ、光記録媒体、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、磁気媒体、光メモリ、または、データ記憶技術において知られている他の何らかのデータ記憶手段とすることができる。ＯＣＴ画像化システムは、短い時間フレームにおいて大きなデータ容量を発生させることができる。記憶のための単一のデバイスは、データフローレートにより圧倒されることがある。データフローの分割およびデータストリームの複数の記憶デバイスへの区分けは、許容可能なデータスループットを増加させ得る。図４９に示すように、現在の発明の１つの好ましい実施形態は、ＲＡＩＤアレイ４９１０上にデータを記憶する。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、サンプルの画像を構築するために捕捉されたデータを処理する手段を備える。捕捉されたデータを処理する手段は、プロセッサ、ＣＰＵ、マイクロ制御装置、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、コンピュータのネットワーク、ステートマシン、または、データ処理技術において知られている他の何らかのデータ処理手段とすることができる。本発明の１つの好ましい実施形態は、捕捉されたデータを表示する手段を備える。捕捉されたデータを表示する手段は、モニタ、コンピュータモニタ、テレビジョン、プロジェクタ、プリントアウト、ハンドヘルドコンピュータ、ハンドヘルドタブレット、携帯電話機、ＬＣＤスクリーン、ＬＥＤスクリーン、ＬＥＤアレイ、または画像表示の分野において知られている他の何らかの手段とすることができる。データを圧縮することにより、記憶または送信要件を減少させることに利益があることがある。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、データを圧縮する。現在の発明は、損失のないアルゴリズムによりデータが圧縮されるケースも含む。データ利用の組み合わせは現在の発明中に含まれる。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、システムが、画像データを発生させるためにデータを処理する処理ユニットを含み、画像データがホストコンピュータ、記憶装置、またはディスプレイデバイスに送信されるケースを含む。現在の発明の１つの好ましい実施形態は、電気ケーブル、光通信リンク、光ファイバ通信リンク、または無線送信機を通してデータを送信する手段を備える。データを送信する手段は、電圧送信機、電流送信機、周波数変調器および振幅変調器、光源、無線送信機、またはデータ送信技術において知られている他の何らかのデータ送信手段とすることができる。現在の発明は、システムが任意の種類のデータ送信機を含むケースを含む。

小さなサイズのＶＣＬ源は、小さくて軽量なＯＣＴシステムを可能にする。本発明の１つの好ましい実施形態は、ハンドヘルドである画像化システムである。本発明の１つの好ましい実施形態は、野外ポータブルである画像化システムである。本発明の１つの好ましい実施形態は、バッテリー電源式である画像化システムである。

本発明のいくつかの実施形態の、特有のおよびより一般的な実現を説明してきた。本発明の１つの好ましい実施形態は、以下を含む光干渉断層撮影画像化システムである：調節可能な深度、範囲、軸分解能にわたって、および、継続的に調節可能なスピードで、画像化できる特性を有するＶＣＬ源。光干渉断層撮影システムは、ＶＣＬ源の長いコヒーレンス長によりイネーブルされた拡張された画像化範囲にわたって画像化することができる。動作モードにおいて柔軟であるが、１つの実施形態は実質的に固定の掃引反復レートで動作する。別の実施形態は、実質的に固定の画像化範囲で動作する。別の実施形態は、実質的に固定のＯＣＴ軸分解能で動作する。１つの実施形態は、クロッキング干渉計、クロッキング検出器および電子回路クロック、Ａ／Ｄコンバータを含み、クロッキング干渉計は、異なるスピード、軸分解能、捕捉帯域幅内の深度範囲での動作が可能になるように、調節可能な光遅延を有する。１つの実施形態は、クロッキング干渉計、クロッキング検出器および電子回路クロック、Ａ／Ｄコンバータを含み、クロッキング信号は、異なるスピード、軸分解能、捕捉帯域幅内の深度範囲での動作が可能になるように、周波数において逓倍または分割される。１つの実施形態は、データ捕捉帯域幅を超えることなく、より高い分解能およびより遅いスピードあるいはより低い分解能およびより速いスピードの２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために、軸分解能およびスピードにおける調節可能性を利用する。１つの実施形態は、データ捕捉帯域幅を超えることなく、より長い画像化範囲およびより遅いスピードあるいはより短い画像化範囲およびより速いスピードの２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために、画像化範囲およびスピードにおける調節可能性を利用する。１つの実施形態は、データ捕捉帯域幅を超えることなく、より高い分解能およびより短い画像化範囲あるいはより低い分解能およびより長い画像化範囲の２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために、軸分解能および画像化範囲における調節可能性を利用する。

複数のＶＣＬ実現

本発明の実施形態の基本的な実現は、チューニング可能な光源において１つのＶＣＬのみを使用する。図５０に示すように、さらに好ましいチューニング可能な光源出力発光を発生させるために、２以上のＶＣＬが共に動作することが可能である。ＶＣＬ５０１０、５０２０の出力は、スイッチ、スプリッタ／合成器、ＷＤＭ、カプラ、サーキュレータ、ビームスプリッタ、偏光感度ビームスプリッタ、マルチプレクサまたは２つ以上の光信号を合成する他の何らかの手段５０３０により合成することができる。複数のＶＣＬが合成されるときに、掃引の部分をなくす、または、複数のＶＣＬまたは同じＶＣＬからの掃引を合成できるように、掃引の一部にわたって本質的に発光を有さないようにＶＣＬを設計することに利益がある。本発明の１つの好ましい実施形態は、複数のＶＣＬを含むチューニング可能なレーザを使用し、ここで、複数のＶＣＬの掃引は、効果的な掃引反復レートを増加させるためにインターリーブされる。本発明の１つの好ましい実施形態は、掃引線形性を改善するために、複数のＶＣＬを含むチューニング可能な光源を使用し、ここで、ＶＣＬ掃引はインターリーブされ、掃引範囲は１つのＦＳＲよりも大きく、掃引の中央にある最も線形的な部分のみが画像化のために使用される。

ＯＣＴ画像中の複屈折アーチファクトは、異なる偏光状態の発光によりサンプルを照射することにより、時には改良されることがある。いくつかの偏光感度画像化システムは、１より多い偏光状態によりサンプルを照射する。異なる偏光状態は、画像化システム中の１つより多いＶＣＬ源を使用することにより発生され得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、異なる偏光状態の発光を発生させるために、少なくとも２つのＶＣＬ源を使用する。さらに、本発明の１つの好ましい実施形態は、異なる偏光状態を発生させるために、少なくとも２つのＶＣＬ源を使用し、異なる偏光状態からの掃引は、偏光感度ＯＣＴを実行するためにインターリーブされる。本発明の１つの好ましい実施形態は、異なる偏光状態を発生させるために、少なくとも１つのＶＣＬ源および偏光変調器を使用する。図５１に示すように、単一のＶＣＬ源５１１０はまた、コピーおよびマルチプレクサデバイス５１２０による掃引インターリーブモードにおいても使用され得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、掃引の光的なコピーおよび時間遅延のためにファイバループを使用し、コピーされた掃引はオリジナルの掃引と合成され、および、インターリーブされ、レーザの効果的な掃引反復レートを増加させる。掃引をインターリーブするときに、利得物質によりサポートされるＦＳＲと波長範囲の比は、好ましい掃引特性を発生させるのに使用できる。本発明の１つの好ましい実施形態は、掃引を多重化する方法として、同じチューニング可能な光源からの掃引のコピーまたは異なるチューニング可能な光源からの掃引の挿入を促進するのにレーザ・デューティー・ファクタが低いように、チューニング可能な光源の全チューニング範囲にわたってスキャンすることを要求されているものより実質的に大きいチューニングエレメントのＦＳＲを使用する。本発明の１つの好ましい実施形態は、掃引の線形化を改善するために１つのＦＳＲより大きい範囲を掃引するチューニングエレメントを使用する。本発明の別の好ましい実施形態は、掃引の線形化を改善するために１つのＦＳＲより大きい範囲を掃引するチューニングエレメントを使用し、ここで、ＦＳＲの外側の掃引領域は、利得物質に対する電流変調によりなくされるか、捕捉システムにより捕捉されないか、あるいは、源の出力において変調されるかのいずれかである。本発明の１つの好ましい実施形態は、同じレーザからの掃引のコピーまたは異なるレーザからの掃引の挿入が可能になるようにデューティーファクタを減少させるために、１つのＦＳＲより大きい範囲を掃引するチューニングエレメントを使用する。

この時点まで論じてきた複数のＶＣＬ源を組み合わせる実現は、さらに所望の掃引特性を達成するために、実質的に類似するＶＣＬ源を組み合わせている。実質的に異なるＶＣＬ源を組み合わせることにも利益があり得る。本発明の１つの好ましい実施形態は、源の効果的な波長掃引範囲を増加させるためにインターリーブされる、異なる中心波長を持つ２以上のＶＣＬ源からの掃引を使用する。本発明の別の好ましい実施形態は、サンプルから異なるスペクトル情報を得るのに十分な分離を持つ異なる波長においてＯＣＴ情報を得るためにインターリーブされる、異なる中心波長を持つ２以上のＶＣＬ源からの掃引を使用する。

付加的な向上

チューニング可能な光源は、ＡＳＥおよびサイドモードからの光とともに、チューニングされた発光を出力する。ＡＳＥがサンプルまたは任意の光増幅ステージに達しないように、ＡＳＥをフィルタアウトすることに利益がある。図５２に示すように、１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥをフィルタアウトするために、チューニング可能なフィルタを使用し、チューニング可能な光源とフィルタを同期的にチューニングする。チューニング可能なフィルタ５２２０を使用でき、サイドモードをフィルタアウトするために、チューニング可能な光源５２１０と同期的にチューニングする。チューニング可能なフィルタを置くことができる光回路内の主な位置があり、チューニング可能なフィルタおよび増幅器は潜在的に組み合わせることができる。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＶＣＬ源と同期的にチューニングされる垂直共振器増幅器である少なくとも１つの光増幅器を含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために、ＶＣＬ５２１０と、ＶＣＬと同期的にチューニングされた増幅器５２３０との間のどこかに位置するチューニング可能なフィルタ５２２０を使用する。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために、ＶＣＬと同期的にチューニングされたＶＣＬ源の後のどこかに位置するチューニング可能なフィルタも含む。図５３に示すように、本発明の１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために、ＶＣＬ５３１０と同期的にチューニングされた任意の増幅器５３２０の後に位置するチューニング可能なフィルタ５３３０を含む。

チューニング可能なフィルタと電流制御とを使用して、どのようにＡＳＥノイズを減少し、スペクトルを成形し、サイドモードを抑制し、および、サンプルに対する曝露を減少し得るかが示されている。受動デバイスを使用して、類似する機能性を得ることが可能である。本発明の１つの好ましい実施形態は、スペクトルを成形するために光路に沿ってシステム内に挿入された、固定の波長フィルタリング応答を持つ光フィルタを含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥを抑制するために光路に沿ってシステム内に挿入された、固定の波長フィルタリング応答を持つ光フィルタを含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、発光のスペクトルを成形するために、光路に沿ってＶＣＬまたは増幅器出力の後に置かれる、固定の波長フィルタリング応答を持つ光フィルタを含む。本発明の１つの好ましい実施形態は、ＡＳＥを減少させるために、光路に沿ってＶＣＬまたは増幅器出力の後に置かれる、固定の波長フィルタリング応答を持つ光フィルタを含む。本発明の別の好ましい実施形態は、スペクトルに影響を与えるために、能動デバイスのみ、受動デバイスのみ、または、能動デバイスと受動デバイスとの任意の組み合わせを使用する。

チューニング可能な光源における利得物質のふるまいは、動作温度により影響を受ける。本発明の１つの好ましい実施形態は、図５４に示すように、増加した出力発光電力を達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための、熱的規制のための手段である、温度制御装置５４１０を備える。本発明の１つの好ましい実施形態は、好ましい発光スペクトルを達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための熱的規制のための手段を備える。本発明の１つの好ましい実施形態は、減少した発光ノイズを達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための熱的規制のための手段を備える。熱的規制手段は能動または受動とすることができる。熱的規制手段は開ループ制御または閉ループ制御され得る。熱的規制の例は、これらに限定されないが、以下を含む：熱的電気クーリングエレメント（ＴＥＣ）、温度センサおよびフィードバックループと組み合わされたＴＥＣ、開ループ中で動作するＴＥＣ、温度センサと組み合わされ、閉ループ中で動作する液体クーリング、開ループ中で動作する液体クーリング、ヒートシンク、ファン、対流型熱除去デバイス、伝導性熱除去デバイス、あるいは、熱管理の技術において知られている他の何らかのデバイスまたは方法。

一般に、電子機器におけるノイズは、データの品質を劣化させ得る。本発明の好ましい実施形態は、電子機器中のノイズを、画像の品質に影響を与えるレベルを下回るレベルに管理する。図５４に示すように、レーザノイズを減少させるために、検出器およびフィードバックループを含むノイズイータ５４２０が電流ドライバの出力電流を調節することも可能である。

本発明は、複数の説明した実施形態に関して、いくつか長さにて、および、いくつかの特定性にて、説明してきたが、任意のこのような特定物または実施形態または任意の特定の実施形態に対して制限されることを意図していない。しかし、本発明は、先行技術の観点から添付の特許請求の範囲の最も広い可能性ある解釈を提供するために、それゆえ、本発明の意図された範囲を効果的に含むために、このような特許請求の範囲に対する参照により解釈されるべきである。さらに、先述では、可能な説明が利用可能になるように発明者により予想される実施形態を考慮して発明を説明しているが、現在予想されていない、発明の実質的でない修正はなおも発明に対する均等物であってもよい。

Claims

光画像化システムであって、
波長チューニング可能な垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）（５１０）と、波長掃引を発生させるための発光波長範囲にわたってチューニング可能な単一の縦モード出力を発生させる共振器内チューニングエレメント（５２０）とを含むチューニング可能な光源（５００）と、
掃引軌道、掃引スピード、掃引反復レート、掃引線型性および発光波長範囲を決定するチューニングエレメントに影響を与える１以上の波長チューニング波形を発生できるチューニングドライバ（５４０）と、
出力発光放射電力を調整するために前記チューニング可能な光源（５００）内の利得物質（５３０）に電流を供給する電流ドライバ（５５０）と、
前記チューニング可能な光源に対する妨害を補正するために、および、波長のチューニング波形を発生させるために、チューニング応答の属性を測定し、フィードバックを提供するモニタリング検出器（５６０）と、
前記チューニング可能な光源により照射される参照アームおよびサンプルアームによる光干渉計（５７０）と、
前記光干渉計からの光干渉縞信号を電気アナログ信号に変換する１以上の光検出器（５８０）と、
前記１以上の検出器からの前記電気アナログ信号出力をデジタルデータに変換するデータ捕捉デバイス（５９０）とを備える
光画像化システム。
前記ＶＣＬは垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源はポンプレーザ（１３１０）をさらに含み、前記ＶＣＬは光励起されたＶＣＬ（１３７０）である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記ＶＣＬは電気励起されたＶＣＬ（１３４０）である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、ポンプレーザと出力発光電力を増加させるための１以上の光増幅器（１４２０）とをさらに含み、前記ＶＣＬは光励起されたＶＣＬである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、出力発光電力を増加させるための１以上の光増幅器（１４４０）をさらに含み、前記ＶＣＬは電気励起されたＶＣＬである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記発光波長範囲の中心波長は３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの間である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記発光波長範囲の中心波長は７５０ｎｍ〜９７０ｎｍの間である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記発光波長範囲の中心波長は９７０ｎｍ〜１１００ｎｍの間である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記発光波長範囲の中心波長は１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの間である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記発光波長範囲の中心波長は１８００ｎｍ〜２１００ｎｍの間である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記ＶＣＬの光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、静電的にアクチュエートされる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造またはメカニズムである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記ＶＣＬの光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、圧電変換器アクチュート構造またはメカニズムである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記ＶＣＬの光共振器長を規定する少なくとも１つのレーザミラーを動かす、変換器アクチュート構造またはメカニズムであり、前記変換器はミクロンレベルの動きが可能である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記ＶＣＬの光共振器の光路長を調節可能な液晶デバイスである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記ＶＣＬの光共振器の光路長を調節可能な半導体物質である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、屈折の指標の変化により前記ＶＣＬの光共振器の光路長を調節可能なデバイスまたは物質である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は主に固定の反復レートで前記ＶＣＬを掃引する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は主に固定の波長チューニング範囲にわたって前記ＶＣＬを掃引する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、掃引反復レートに関して異なる動作モードを達成するために、可変の駆動波形により駆動される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、掃引範囲に関して異なる動作モードを達成するために、可変の駆動波形により駆動される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は、前記チューニングエレメントの前記チューニング応答を前記チューニングエレメントの自然力学から変化させる
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は、基底関数の組み合わせから計算され、前記チューニング波形は、前記チューニングエレメントの前記チューニング応答を前記チューニングエレメントの自然力学から変化させる
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は、掃引反復レート、掃引スピード、掃引加速度、掃引範囲、掃引直線性および掃引デューティーサイクルのうちの少なくとも１つを改善することにより、画像化に対して好ましいチューニング応答を達成するために、前記チューニングエレメントの前記チューニング応答を前記チューニングエレメントの自然力学から変化させる
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング波形は、所定の最大Ａ／Ｄサンプリングクロックレートに対するより長いＯＣＴ画像化範囲を可能にするために掃引直線性を改善する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、より高い出力発光電力を発生させるための少なくとも１つの光増幅器を含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記少なくとも１つの光増幅器は、ブースタ光増幅器（ＢＯＡ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、垂直共振器半導体光増幅器（ＶＣＳＯＡ）またはドープされたファイバのうちの少なくとも１つである
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、改善されたシステム感度性能のための高い光収集効率の干渉計設計を可能にするために、より高い出力電力のための少なくとも１つの光増幅器を含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記少なくとも１つの増幅器は、主に飽和された動作形態中で使用される
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記少なくとも１つの光増幅器の自然放射増幅光（ＡＳＥ）の中心波長は、チューニングの波長にわたる改善された利得応答のために、前記チューニング波長の中心からオフセットされる
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記少なくとも１つの光増幅器は、少なくとも２つの制限された量子状態での量子井戸利得領域を組み込む
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記少なくとも１つの光増幅器は、前記ＶＣＬにより同期的にチューニングされる垂直共振器増幅器である
請求項２６に記載の光画像化システム。
チューニング可能なフィルタをさらに備え、前記チューニング可能なフィルタは、光路に沿って、前記ＶＣＬと前記少なくとも１つの光増幅器との間に配置され、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために前記ＶＣＬにより同期的にチューニングされる
請求項２６に記載の光画像化システム。
チューニング可能なフィルタをさらに備え、前記チューニング可能なフィルタは、光路に沿って、前記ＶＣＬの後に配置され、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために前記ＶＣＬにより同期的にチューニングされる
請求項２６に記載の光画像化システム。
チューニング可能なフィルタをさらに備え、前記チューニング可能なフィルタは、光路に沿って、前記少なくとも１つの光増幅器のうちのいずれかの後に配置され、ＡＳＥを抑制し、サイドモード抑制比を改善するために前記ＶＣＬにより同期的にチューニングされる
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記電流ドライバの電流は、出力発光をスペクトル的に成形するために時間の関数として調節される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記電流ドライバの電流は、サンプルの光特性を補償するように出力発光をスペクトル的に成形するために、時間の関数として調節される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記電流ドライバの電流は、サンプルに対する光曝露を最適化するように出力発光をスペクトル的に成形するために、時間の関数として調節される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記電流ドライバの電流は、前記チューニング可能な光源の前方向または後方向の掃引のいずれかをなくすために、時間の関数として調節される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記デジタルデータは飽和についてチェックされ、飽和が判明した場合に、前記利得物質に対する電流は調節される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記デジタルデータはデータセット中に収集され、前記データセット内の前記デジタルデータは飽和についてチェックされ、飽和が判明した前記データセット中の位置にある前記利得物質に対する調節された電流により物体またはサンプルは再画像化され、新規のデジタルデータは前記調節された電流レベルで捕捉される
請求項１に記載の光画像化システム。
時間遅延推定法は前記デジタルデータを位相安定化させるために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記デジタルデータを位相安定化させるために前記デジタルデータに対する調節が実行され、前記調節は、時間遅延推定（ＴＤＥ）技法を使用して計算される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記モニタリング検出器は、波長の関数として光を複数のチャネルに分割する波長依存コンポーネントおよび測定された光の異なるチャネルの相対的なパワーを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記モニタリング検出器は、波長の関数として光を複数のチャネルに分割するための波長依存コンポーネントおよび波長対掃引の時間を推定するために測定された光の異なるチャネルの相対的なパワーを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記モニタリング検出器は、波長依存カプラ、ビームスプリッタ、または、波長の関数として光を複数のチャネルに分割するためのフィルタおよび波長対掃引の時間を推定するために光の異なるチャネルの相対的なパワーを測定する２つの検出器ダイオードを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
光フィルタをさらに備え、前記光フィルタは、固定の波長フィルタリング応答を有し、スペクトルを成形するために光路に沿って前記システム内に挿入される
請求項１に記載の光画像化システム。
光フィルタをさらに備え、前記光フィルタは、固定の波長フィルタリング応答を有し、ＡＳＥを抑制するために光路に沿って前記システム内に挿入される
請求項１に記載の光画像化システム。
光フィルタをさらに備え、前記光フィルタは、固定の波長フィルタリング応答を有し、発光のスペクトルを成形するために光路に沿って前記ＶＣＬまたは増幅器出力の後に置かれる
請求項２６に記載の光画像化システム。
光フィルタをさらに備え、前記光フィルタは、固定の波長フィルタリング応答を有し、ＡＳＥを減少させるために光路に沿って前記ＶＣＬまたは増幅器出力の後に置かれる
請求項２６に記載の光画像化システム。
前方向および後方向の双方の掃引が画像化のために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記干渉計は光ファイバコンポーネントを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記干渉計はバルク光学を含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記干渉計はマイケルソン構成である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記干渉計は効率を改善するために１以上のサーキュレータを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記干渉計は、効率を改善するために６０：４０より大きい分割比による１以上のファイバカプラを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記参照アームは、参照光路長を発生させるためのミラーを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記参照アームは、参照光路長を発生させるためのファイバループを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記参照アームの光路遅延は調節可能である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記サンプルアームは、サンプルアーム光ビームをステアリングするための少なくとも１つのスキャニングミラーを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
掃引の１方向または掃引の部分がなくされる
請求項１に記載の光画像化システム。
試料に対する光曝露を減少させるために掃引の１方向または掃引の部分がなくされる
請求項１に記載の光画像化システム。
前方向の掃引のみが画像化のために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
後方向の掃引のみが画像化のために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
データ捕捉デバイスをクロッキングするための光クロック信号を発生させる、クロッキング干渉計（３３１０）とクロッキング検出器（３３２０）とを含む、光クロッキングモジュールをさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
主に等しいまたは反復可能な光ｋ−間隔（波数間隔）でデータ捕捉デバイスをクロッキングするための光クロック信号を発生させる、クロッキング干渉計とクロッキング検出器とを含む、光クロッキングモジュールをさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
前記光クロッキングモジュールは、前記クロッキング干渉計の光路遅延を調節することにより、異なる掃引軌道をサポートする
請求項６５に記載の光画像化システム。
前記光クロッキングモジュールからの信号は、前記チューニング可能な光源の異なる掃引軌道をサポートするために周波数分割または電気的カウンティングにより周波数において減少される
請求項６５に記載の光画像化システム。
前記光クロッキングモジュールからの信号は、前記チューニング可能な光源の異なる掃引軌道をサポートするために少なくとも１つの周波数逓倍器により周波数において増加される
請求項６５に記載の光画像化システム。
前記光クロッキングモジュールは、データ捕捉帯域幅内の可変の測定画像化範囲をサポートするために、調節可能な路遅延を持つマイケルソン干渉計またはマッハ・ツェンダー干渉計を含む
請求項６５に記載の光画像化システム。
前記光クロッキングモジュールは、データ捕捉帯域幅内の可変の測定画像化範囲をサポートするために、調節可能な路遅延を持つ干渉計を含む
請求項６５に記載の光画像化システム。
クロッキング干渉計および検出器をさらに備え、前記クロッキング干渉計および前記クロッキング検出器は、クロッキング信号を発生させ、前記干渉計における光路遅延は長さにおいて調節可能である
請求項１に記載の光画像化システム。
トリガ信号を発生させる手段をさらに備え、前記トリガ信号は、前記チューニング可能な光源のチューニングと同期され、適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントのために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
光波長信号を発生させる手段をさらに備え、前記光波長信号は適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントのために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）をさらに備え、前記光波長信号は、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）により発生される
請求項７４に記載の光画像化システム。
光干渉計信号を発生させる手段をさらに備え、前記光干渉計信号は適切なＡ／Ｄ捕捉データアラインメントのために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
光波長トリガ信号を発生させる手段をさらに備え、前記捕捉されたデジタル信号に対する前記光波長トリガ信号のポジションが捕捉され、前記ポジション情報は、前記捕捉されたデジタルデータのアラインメントをデータフレームに適切に調節するために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
チューニング可能な光トリガ信号を発生させる手段をさらに備え、前記チューニング可能な光トリガ信号は、前記捕捉フレーム窓を前記波長掃引に適切に整列するために、前記デジタルデータの捕捉を開始するために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
チューニング可能な光トリガ信号を発生させる手段をさらに備え、前記チューニング可能な光トリガ信号は、異なる掃引範囲に適応するため、前記捕捉フレーム窓を前記波長掃引に適切に整列するために、前記データの捕捉を開始するために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
チューニング可能な光トリガ信号を発生させる手段をさらに備え、前記チューニング可能な光トリガ信号は、異なる掃引反復レートに適応するため、前記捕捉フレーム窓を前記波長掃引に適切に整列するために、前記データの捕捉を開始するために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
増加した出力発光電力を達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための熱的規制のための手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
好ましい発光スペクトルを達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための熱的規制のための手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
減少した発光ノイズを達成するために、１以上の利得物質を温度規制するための熱的規制のための手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
熱的規制のための手段をさらに備え、前記熱的規制のための手段は、増加した出力発光電力を達成するために、１以上の利得物質を温度規制するために使用される
請求項２６に記載の光画像化システム。
前記電子機器中のノイズは、前記画像の品質に影響を与えるレベルを下回るレベルに管理される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記ＶＣＬの前記レーザ共振器は、望ましくないサイドモードの抑制または除去を促進するためにサイドモードが一次レーザラインから分離されるように、ｍ＝１付近で動作する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、前記レーザ出力周波数がチューニング制御信号により静的にチューニングされるときに、２０ｄＢより高いサイドモード抑制比を有する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、前記レーザ出力周波数がチューニング制御信号により継続的にチューニングされるときに、３０ｍｍより長いコヒーレンス長を有する
請求項１に記載の光画像化システム。
閉ループ制御は、環境変化、温度変化、内部充電、デバイスの経年、または、デバイスのアクチュエーションまたは力学に対する他の何らかの摂動の存在下で、所望の掃引軌道を維持する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能なレーザは、環境変化、温度変化、内部充電、デバイスの経年、または、他の摂動の存在下で、所望の掃引軌道を維持するために閉ループ制御を有し、前記閉ループ制御は、波長感度トリガ信号を読み出し、前記ＶＣＬのチューニングメカニズムのアクチュエータまたは変換器に対して駆動波形を適切に調節する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントに対する駆動信号は、前記アクチュエータの電気的充電の影響を補償または無効化するために電極を反転させ得る
請求項１に記載の光画像化システム。
前記レーザにおけるチューニングエレメントは、充電に抵抗する設計である
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能なレーザは、複数のＶＣＬを含み、前記複数のＶＣＬの掃引は、効果的な掃引レートを増加させるためにインターリーブされる
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、掃引の直線性を改善するために複数のＶＣＬを含み、前記ＶＣＬの掃引はインターリーブされ、前記掃引範囲は、１つの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）より大きく、前記掃引の中央にある最も線形的な部分のみが画像化のために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
１以上の偏光制御エレメントをさらに備え、前記１以上の偏光制御エレメントは、望ましくない偏光アーチファクトを消去し、または、損失を減少させるために前記光回路において使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニング可能な光源は、少なくとも１つの偏光感度アイソレータを含み、閉ループ、手動、またはそれ以外の方法での前記偏光感度アイソレータに対する入力ファイバ偏光の調節可能な制御を使用する
請求項１に記載の光画像化システム。
偏光維持ファイバをさらに備え、前記偏光維持ファイバは、選択的な光サブコンポーネント間の偏光制御装置に対する必要性をなくすために、光サブコンポーネントを接続する
請求項１に記載の光画像化システム。
望ましくない偏光アーチファクトを検出および消去するために、光回路内で能動的な偏光制御が使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
位相感度ＯＣＴが実行される
請求項１に記載の光画像化システム。
ドップラーＯＣＴが実行される
請求項１に記載の光画像化システム。
偏光感度ＯＣＴが実行される
請求項１に記載の光画像化システム。
位相感度ＯＣＴに対する前記ＯＣＴ縞の位相安定化を改善するために前記光クロッキングモジュールが使用される
請求項６５に記載の光画像化システム。
波長信号または干渉計信号を発生させる手段をさらに備え、前記波長信号または前記干渉計信号は、位相感度ＯＣＴに対するＯＣＴ縞情報の位相を安定化させるために使用される
請求項９９に記載の光画像化システム。
少なくとも２つのＶＣＬを備え、前記少なくとも２つのＶＣＬは、異なる偏光状態の発光を発生させるために使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
少なくとも２つのＶＣＬを含み、前記少なくとも２つのＶＣＬは、異なる偏光状態を発生させるために使用され、前記異なる偏光状態からの掃引は、偏光感度ＯＣＴを実行するためにインターリーブされる
請求項１に記載の光画像化システム。
偏光変調器をさらに備え、異なる偏光状態を発生させるために、少なくとも１つのＶＣＬおよび偏光変調器が使用される
請求項１に記載の光画像化システム。
ファイバループをさらに備え、前記ファイバループは、掃引の光的なコピーおよび時間遅延のために使用され、前記コピーされた掃引はオリジナルの掃引と合成され、および、インターリーブされ、効果的な掃引反復レートを増加させる
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）は、掃引を多重化する方法として、同じチューニング可能な光源からの掃引のコピーまたは異なるチューニング可能な光源からの掃引の挿入を促進するのにレーザ・デューティー・ファクタが低いように、前記チューニング可能な光源の全チューニング範囲にわたってスキャンすることを要求されているものより実質的に大きい
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、前記掃引の線形化を改善するために１つの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）より大きい範囲を掃引する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、掃引の線形化を改善するために１つの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）より大きい範囲を掃引し、ここで、前記ＦＳＲの外側の掃引領域は、利得物質に対する電流変調によりなくされるか、前記捕捉システムにより捕捉されないか、あるいは、前記源の出力において変調されるかのいずれかである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記チューニングエレメントは、同じレーザからの掃引のコピーまたは異なるレーザからの掃引の挿入が可能になるようにデューティーファクタを減少させるために、１つの自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）より大きい範囲を掃引する
請求項１に記載の光画像化システム。
異なる中心波長を持つ２以上のＶＣＬ源からの掃引は、前記源の効果的な波長掃引範囲を増加させるためにインターリーブされる
請求項１に記載の光画像化システム。
異なる中心波長を持つ２以上のＶＣＬ源からの掃引は、サンプルから異なるスペクトル情報を得るのに十分な分離を持つ異なる波長においてＯＣＴ情報を得るためにインターリーブされる
請求項１に記載の光画像化システム。
少なくとも１つの光検出器は、１ＧＨｚより大きい帯域幅を有する
請求項１に記載の光画像化システム。
少なくとも１つの光検出器は、平衡検出を実行する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記光干渉計および前記１以上の光検出器は、平衡検出を実行する
請求項１に記載の光画像化システム。
前記クロッキング干渉計およびクロッキング検出器は、平衡検出を実行する
請求項６５に記載の光画像化システム。
前記サンプルアームは、前記光画像化システムの有効な画像化範囲を増加させるために、アキシコンレンズまたは類似のエレメントを含む
請求項１に記載の光画像化システム。
前記捕捉されたデータを記憶する手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
前記データはＲＡＩＤアレイ上に記憶される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記捕捉されたデータを表示する手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
サンプルの画像を構築するために前記捕捉されたデータを処理する手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
前記デジタルデータは圧縮される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記デジタルデータは損失のないアルゴリズムにより圧縮される
請求項１に記載の光画像化システム。
前記データ捕捉デバイスは画像データを発生させるために前記デジタルデータを処理する処理ユニットを含み、前記画像データはホストコンピュータ、記憶装置またはディスプレイデバイスに送信される
請求項１に記載の光画像化システム。
電気ケーブル、光通信リンク、光ファイバ通信リンクまたは無線送信機を通してデータを送信する手段をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
データ送信機をさらに備える
請求項１に記載の光画像化システム。
前記画像化システムはハンドヘルドである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記画像化システムは野外ポータブルである
請求項１に記載の光画像化システム。
前記画像化システムはバッテリー電源式である
請求項１に記載の光画像化システム。
光干渉断層撮影画像化システムであって、
調節可能な深度、範囲、軸分解能にわたって、および、継続的に調節可能なスピードで、画像化できる特性を有する垂直共振器レーザ（ＶＣＬ）を含み、前記光干渉断層撮影システムは、ＶＣＬの長いコヒーレンス長によりイネーブルされた拡張された画像化範囲にわたって画像化することができる
光干渉断層撮影画像化システム。
前記画像化システムは実質的に固定の掃引反復レートで動作する
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
前記画像化システムは実質的に固定の画像範囲で動作する
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
前記画像化システムは実質的に固定のＯＣＴ軸分解能で動作する
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
クロッキング干渉計、クロッキング検出器およびＡ／Ｄコンバータをクロックする電子回路をさらに含み、前記クロッキング干渉計は、異なるスピード、軸分解能、前記捕捉帯域幅内の深度範囲での動作が可能になるように、調節可能な光遅延を有する
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
クロッキング干渉計、クロッキング検出器およびＡ／Ｄコンバータをクロックする電子回路をさらに含み、前記クロッキング信号は、異なるスピード、軸分解能、前記捕捉帯域幅内の深度範囲での動作が可能になるように、周波数において逓倍または分割される
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
軸分解能およびスピードにおける調節可能性は、前記データ捕捉帯域幅を超えることなく、より高い分解能およびより遅いスピードあるいはより低い分解能およびより速いスピードの２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために使用される
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
画像化範囲およびスピードにおける調節可能性は、前記データ捕捉帯域幅を超えることなく、より長い画像化範囲およびより遅いスピードあるいはより短い画像化範囲およびより速いスピードの２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために使用される
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
軸分解能および画像化範囲における調節可能性は、前記データ捕捉帯域幅を超えることなく、より高い分解能およびより短い画像化範囲あるいはより低い分解能およびより長い画像化範囲の２以上のモードでＯＣＴ画像化システムを動作するために使用される
請求項１３１に記載の光干渉断層撮影画像化システム。
請求項１に記載の光画像化システムのチューニング波形を発生させるための方法であって、前記方法は、
チューニング波形表現を生成するために、調節可能な入力パラメータ値の関数として前記チューニング波形を表現する（２３１０）ステップと、
少なくとも１つの実験測定またはシミュレーションされた波長掃引を発生させるために、前記チューニング波形をチューニングエレメントまたはチューニング可能な光源の力学の数学的モデルに適用する（２３２０）ステップと、
前記少なくとも１つの実験測定またはシミュレーションされた波長掃引に基づいて、性能メトリックまたは目的関数の値を計算する（２３３０）ステップと、
前記性能メトリックまたは前記目的関数の値を最適化するために前記入力パラメータの値を調節する（２３４０）ステップとを含む
方法。
前記チューニング波形表現は、調節可能な入力パラメータとしてＤＣオフセット値を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記チューニング波形表現は、異なる周波数によるシヌソイド関数の合計を含み、前記シヌソイド関数は、調節可能な入力パラメータとして調節可能な振幅および位相を有する
請求項１４０に記載の方法。
前記チューニング波形表現は、調節可能な入力パラメータによるチャープ余弦関数を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記チューニング波形表現は、調節可能な入力パラメータとして制御ポイントを持つスプライン関数を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記チューニング波形表現は、調節可能な入力パラメータとして入力値を持つ数学的関数を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記チューニング波形表現は、調節可能な入力パラメータとして、これらに限定されないが、平方根関数、Ｎが整数、小数または分数の値であるＮ番目の次数のルート関数、指数関数、対数関数、立方関数、Ｎが整数、小数または分数の値であるＮ番目のべき関数、三角関数、ステップ関数、インパルス関数、ガンマ関数、ガウス関数、線形関数、三角形関数、区分関数および信号表現の技術において知られている他の関数のうちの１つ以上の選択を含む、入力値を持つ数学的関数を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記少なくとも１つの実験測定は、前記チューニングエレメントが掃引するような前記チューニング可能な光源の発光からの干渉計の縞である
請求項１４０に記載の方法。
前記少なくとも１つの実験測定は、チューニングエレメントが掃引するような、前記チューニング可能な光源の発光からの波長対時間応答またはシミュレーションされた出力応答である
請求項１４０に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、掃引中の最大のピーク光波数速度を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、最大のピーク光縞周波数を含む
請求項１４７に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、時間における最小の光縞０交差スペーシングを含む
請求項１４７に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、波数対時間に関する前記掃引の線形化の程度を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、前記掃引のデューティーファクタを含む
請求項１４０に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、掃引範囲を含む
請求項１４０に記載の方法。
前記性能メトリックまたは目的関数は、実験的な掃引軌道またはシミュレーションされた掃引軌道と所望の掃引軌道との間の差の測定を含み、これらに限定されないが、最大トラッキングエラー、前記トラッキングエラーの自乗差の合計、および前記トラッキングエラーにおける任意のノルムを含む、前記所望の軌道に対する接近の任意の測定をメトリックとして使用できる
請求項１４０に記載の方法。
前記ステップは複数回繰り返され、各反復に対して前記入力パラメータに補正が適用される
請求項１４０に記載の方法。
前記ステップは複数回繰り返され、前記入力パラメータは最適化アルゴリズムにより調節される
請求項１４０に記載の方法。
前記最適化アルゴリズムは、ニュートン法、準ニュートン法、勾配降下法、共役勾配法、遺伝的アルゴリズム、焼きなまし法、山登り法、または、数値的な最適化技術において知られている他の最適化アルゴリズムのうちの少なくとも１つを使用する
請求項１５７に記載の方法。
前記最適化アルゴリズムはラインサーチを実行する
請求項１５７に記載の方法。
前記最適化アルゴリズムは終了基準が満たされる（２３５０）まで反復する
請求項１５７に記載の方法。
前記最適化アルゴリズムは、チューニングエレメントの力学に対する変更を補償するために前記画像化システムを使用中に反復する
請求項１５７に記載の方法。
前記最適化アルゴリズムは、新規の所望のチューニング軌道を発生させるために前記画像化システムを使用中に反復する
請求項１５７に記載の方法。