JP6405037B2 - 瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィ - Google Patents

Description

本開示は、分光機器および方法に関し、より詳細には、瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィ（ｉＴＤ−ＯＣＴ）システムおよび方法に関する。

光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）は、光を少なくとも一部反射する試料材料の構造検査のための干渉分析技法である。ＯＣＴでは、基準ビームと、試料材料に相互作用する試料ビームとの間で生じる光干渉に基づいて距離および深さプロファイルを測定するために、光が使用される。

試料材料は、光屈折率が変化する内部界面または他の機能構造を備えるので、試料ビームからの入射光の一部は、反射し返されまたは後方散乱され、基準ビームと重畳して、ＯＣＴ機器での干渉検出のために使用することができる。試料材料は、一般に、ＯＣＴ機器によって使用される光学波長に関してある程度の透過性を示す任意の試料物体またはその一部でよい。ＯＣＴは、屈折率変化に関連付けられる比較的複雑な外部および内部構造を備える試料材料を分析するためのものである。例えば、ＯＣＴ分析用の試料材料は、とりわけ、透明プラスチックまたは生物学的組織を含んでいてよい。

市販の診断および臨床ＯＣＴ機器は、生物学的組織の生体内（ｉｎ ｖｉｖｏ）撮像のため、特にヒトの眼での微細構造を撮像するために開発されている。具体的には、ＯＣＴ機器は、ヒトの眼の様々な区域の幾何学的および光学的特性を測定するために使用される。そのようなＯＣＴ分析によって提供される幾何学的および光学的特性は、患者の個々の眼の生物力学的または生理学的モデリングを可能にして、眼科的健康状態を診断し、適切な治療プランを開発する。ＯＣＴによって提供される、他の方法に比べて比較的高い軸方向解像度では、散乱する生物学的組織での貫入深さが比較的大きいので、また患者に入射光を当てるのが容易であるので、ＯＣＴは、眼科での様々な用途のための効果的な機能的撮像技法である。特に、ＯＣＴは、多くの眼病の病因の早期検出に使用することができる。例えば、角膜は、ＯＣＴによる測定および分析によく適しており、ＯＣＴは、角膜に関連付けられる様々な生体構造を分析するために広く使用されている。

従来のＯＣＴ機器は様々な原理に従って動作し、各原理は、何らかの機能的または商業的側面で特に制限されることがある。特定のタイプのＯＣＴ機器の動作を以下にさらに詳細に述べる。これらの機器は、入射光ビームに対する軸方向（Ｚ）での試料材料の１次元（１Ｄ）光学的深さプロファイル（「Ａスキャン」と呼ばれる）を取得するために、様々な方法を使用して動作する。さらに、様々なタイプのＯＣＴ機器が、２次元（２Ｄ）および３次元（３Ｄ）画像データを取得するために、横方向に（すなわちＸおよびＹ方向に）機械的に走査され得ることを理解されたい。

ＯＣＴの一実装形態は、時間領域ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）であり、広帯域の低コヒーレンス光源が、干渉法により重畳された基準ビームと試料ビームに分割される。ＴＤ−ＯＣＴで、基準ビームの光路長は、軸方向で時間的に調整され、試料ビームの入射光の測定深さに対応し、試料材料の光学的深さプロファイルを得る。したがって、ＴＤ−ＯＣＴで、基準ビーム偏向デバイス（例えば基準ビームミラー）の定期的な運動を使用して軸方向深さ走査が行われ、重畳された基準変調ビームの強度（すなわちインターフェログラム）が、シングルチャネル光強度検出器（すなわち光検出器）を使用して捕捉される。したがって、ＴＤ−ＯＣＴ機器は、比較的単純に構成された検出器を有するが、依然として基準変調走査処置で動作し、これはコストや複雑さを増すことがあり、撮像目的での動作を比較的遅くする。

ＯＣＴ機器の他の実装形態は、周波数領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）（時としてフーリエ領域ＯＣＴとも呼ばれる）を含み、これは、スペクトル領域ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）および波長掃引型ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）を含む。ＦＤ−ＯＣＴ機器は、様々な軸方向深さでの試料材料内の物理的機能構造との試料ビームの相互作用（すなわち後方散乱）によって得られるインターフェログラムでの周波数情報に基づいて動作する。したがって、軸方向で光学的深さプロファイル（すなわちＡスキャン）を得るために、ＦＤ−ＯＣＴでのインターフェログラム信号に対してフーリエ変換が行われる。さらに、ＦＤ−ＯＣＴでは準光路長の調整が省かれるので固定基準ビームを有するＦＤ−ＯＣＴ機器は、可動光学部品を省いてよく、それにより、時間的に安定した測定感度でＡスキャンの迅速な収集を可能にする。

ＳＤ−ＯＣＴで、典型的には広帯域の低コヒーレンス光源が採用され、検出器は、分光計を含み、インターフェログラムでの周波数情報を解像する。したがって、ＳＤ−ＯＣＴ機器は、比較的高速の撮像を可能にすることができるが、アライメント感受性カメラデバイスを備える比較的高価な分光計を含むことがあり、これは、コストを比較的高くし、物理的寸法を大きくする。ＳＳ−ＯＣＴで、狭帯域の高コヒーレンス光源（すなわち同調可能なレーザ）が所望の周波数帯域にわたって同調され、光源同調と並行して、周波数帯域にわたってインターフェログラムを獲得するために光検出器が使用される。したがって、ＳＳ−ＯＣＴ機器は、高い感度および比較的低いコストの検出器を有する比較的高速の撮像を可能にすることができるが、軸方向または横方向撮像解像度は、望まれるよりも低いことがある。

一態様では、時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための開示される方法は、試料ビームおよび基準ビームを発生するステップと、基準ビームを、固定光路に沿って、定在波型導波路分光計の光軸に伝播するステップとを含む。また、この方法は、試料ビームを試料に伝播するステップを含む。試料ビームの一部は、試料によって後方散乱されて、測定ビームを生じることがある。この方法は、定在波型導波路分光計の光軸に測定ビームを伝播するステップと、干渉信号を定在波型導波路分光計から受信するステップとを含んでいてよい。干渉信号は、定在波型導波路分光計内部での基準ビームと測定ビームとの光干渉を示し得る。

特定の実施形態では、この方法は、試料の光学的深さプロファイルを生成するために干渉信号を処理するステップをさらに含む。この方法は、試料を示す画像データを生成するために試料を走査するステップを含んでいてよい。試料ビームは、試料での様々な横方向位置に向けられ得て、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成される。

別の開示される態様では、ｉＴＤ−ＯＣＴを実施するための測定機器は、光源と、光源からの光を試料ビームと基準ビームに分割するためのビームスプリッタとを含む。測定機器は、光軸を有する定在波型導波路分光計を備える検出器を含んでいてよい。基準ビームは、ビームスプリッタから定在波型導波路分光計の光軸に伝播してよい。試料ビームは試料に伝播することができ、試料ビームの一部は、試料によって後方散乱され、測定ビームをもたらす。測定ビームは、試料から、定在波型導波路分光計の光軸に伝播することができる。定在波型導波路分光計は、定在波型導波路分光計内部での基準ビームと測定ビームとの光干渉を示す干渉信号を生成することができる。

特定の実施形態では、光干渉は、定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じてよく、それにより、第１の幅は、試料内部の試料ビームの貫入深さに線形に対応する。測定ビームは、貫入深さ内部で試料によって後方散乱された光子を含んでいてよい。干渉信号は、定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成することができ、検出器画素は、光干渉に対する感受性を有する。

いくつかの実施形態では、測定機器は、試料の光学的深さプロファイルを生成するために干渉信号を処理するための信号処理モジュールをさらに含んでいてよい。干渉ビームの光路長は、干渉信号が処理されるときに固定されたままでよい。測定機器は、試料ビームを試料での様々な横方向位置に向けるための走査要素をさらに含んでいてよい。各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成され得る。

本発明ならびにその特徴および利点のより完全な理解のために、次に、添付図面に関連して述べられる以下の説明を参照する。

ＴＤ−ＯＣＴ機器の従来技術のブロック図である。 ｉＴＤ−ＯＣＴ機器の一実施形態の選択された要素のブロック図である。 ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器の一実施形態の選択された要素のブロック図である。 ｉＴＤ−ＯＣＴを実施するための方法の選択された要素の流れ図である。

以下の説明では、開示される主題の論述を容易にするために、例として詳細を述べる。しかし、開示される実施形態は例示であり、すべての可能な実施形態を包含するものではないことを当業者には理解されたい。

本明細書で使用するとき、参照番号のハイフン付きの形式は、要素の具体的な例を表し、参照番号のハイフンなしの形式は、集合的な要素を表す。したがって、例えば、デバイス「１２−１」は、集合的にデバイス「１２」と称され得るデバイスクラスのうちの１つを表し、また、デバイスクラスの任意の１つが一般的にデバイス「１２」と表され得る。

ここで図面を参照すると、従来技術の図１は、時間領域光コヒーレンストモグラフィ（ＴＤ−ＯＣＴ）機器１００を示すブロック図である。ＴＤ−ＯＣＴ機器１００は、縮尺通りには描かれておらず、概略図である。図示されるように、ＴＤ−ＯＣＴ１００は、試料１１２を分析するために使用され、試料１１２は、ヒトの眼、特にヒトの眼の角膜でよい。また、ＴＤ−ＯＣＴ１００で、座標系１２０は、Ｚで軸方向を定義し、ＸおよびＹで横方向を定義し、これらは試料１１２に対する方向であり、したがって、試料ビーム１３０は、軸方向Ｚで試料１１２に向かって伝播する。

図示されるように、ＴＤ−ＯＣＴ１００は光源１０２を含み、光源１０２から低コヒーレンス光源ビーム１２３が生成され、光源光路１２２に沿って導入される。光源ビーム１２３は、光源光路１２２に沿って、ビームスプリッタ１０４に向けて伝播する。ビームスプリッタ１０４は、基準光路１２４に沿って伝播する基準ビーム１３４と、試料光路１２８に沿って伝播する試料ビーム１３０とを生成する。基準ビーム１３４は、光路１２４に沿って、ビームスプリッタ１０４から基準ミラー１０６に向かって伝播し、次いでビームスプリッタ１０４に戻る。試料ビーム１３０は、試料光路１２８に沿って、走査ミラー１０８を通って、試料１１２に向かって伝播する。測定ビーム１３２は、試料１１２から、やはり走査ミラー１０８を通って、試料光路１２８に沿って伝播して戻る。

試料ビーム１３０は、ビームスプリッタ１０４から、試料光路１２８に沿って伝播し、走査ミラー１０８で反射して、試料１１２に向かう。走査ミラー１０８は、試料１１２に対する２Ｄまたは３Ｄ走査操作に関して、横方向ＸおよびＹでの走査を可能にするように機械的に傾けられる。測定ビーム１３２は光子を含み、光子は、試料１１２によって後方散乱されて、走査ミラー１０８で反射した後、試料光路１２８に沿ってビームスプリッタ１０４に向けて戻る。

ビームスプリッタ１０４で、基準ビーム１３４は測定ビーム１３２を重畳され、重畳されたビームは、検出光路１２６に沿って伝播する。検出光路１２６は、重畳された基準ビーム１３４と測定ビーム１３２を光検出器１１０に向けて伝播する。基準ビーム１３４に関する光路長（ビームスプリッタ１０４から、基準ミラー１０６を通り、ビームスプリッタ１０４を通り、光検出器１１０まで延びる合計光路長）は、基準ミラー１０６の機械的な変位によって調整され得る。この調整は、軸方向Ｚで走査試料１１２に対応し、光学的深さプロファイル（すなわちＡスキャン）を得る。

光路長の差により、重畳された基準ビーム１３４と測定ビーム１３２は、検出光路１２６に沿って光学的に干渉して、光検出器１１０に向けて伝播する。光検出器１１０は、光検出器１１０での入射光強度を示す電気信号を生成するフォトダイオードまたは同様のデバイスを備えていてよい。図示されるように、光検出器１１０は、電気信号を信号処理モジュール１１４に出力し、信号処理モジュール１１４は、信号コンディショニング、復調、デジタル化、およびデジタル信号処理のための対応する回路構成を含んでいてよい。信号処理モジュール１１４は画像データ１１６を生成し、画像データ１１６は、ＴＤ−ＯＣＴ１００を使用して獲得された１Ｄ、２Ｄ、または３Ｄ画像データを表すことがある。

動作時、基準ビーム１３４に関する光路長と、試料ビーム１３０と測定ビーム１３２との合計に関する光路長との間の光路長の差は、基準ミラー１０６によって正確に調整され、それにより、干渉パターンは、検出光路１２６に沿って、特に検出器１１０で生じる。測定ビーム１３２が試料１１２内部の後方散乱要素から生じるので、基準ミラー１０６の所与の位置に関して光検出器１１０に達して光検出器１１０によって検知される干渉パターン強度は、試料１１２での特定の分析深さに正確に対応する。しかし、基準ミラー１０６の機械的な変位は、ＴＤ−ＯＣＴ１００の動作の様々な態様における制限要因であり、例えば、特に２Ｄおよび３Ｄ撮像用途に関して、ＴＤ−ＯＣＴ１００によって達成可能な全体の走査速度を制限する。

ここで図２を参照すると、瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィ（ｉＴＤ−ＯＣＴ）機器２００の一実施形態の選択された要素のブロック図が示されている。

図２に示されるように、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、試料２１２を分析するために使用され、試料２１２は、ヒトの眼、特に、ヒトの眼の角膜または水晶体でよい。ｉＴＤ−ＯＣＴ２００機器で、座標系２２０は、Ｚで軸方向を定義し、ＸおよびＹで横方向を定義し、これらは試料２１２に対するものであり、したがって、試料ビーム２２６は、軸方向Ｚで試料２１２に向かって伝播する。様々な実施形態において、横方向ＸおよびＹに関する様々な向きを使用することができることに留意されたい。

図２で、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、従来技術の図１に関して前に論じたＴＤ−ＯＣＴ機器１００とは対照的に、基準ミラーの機械的な調整によって制限されない、光学的深さプロファイル（Ａスキャン）の非常に高速の信号獲得を可能にする１タイプのＴＤ−ＯＣＴ機器を表す。図示されるように、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、基準ビーム２３０に関する固定基準光路２２２を使用して、Ａスキャン全体の実質的に同時の捕捉と測定を可能にし、これは、基準ミラーの機械的な運動をなくす。Ａスキャンの捕捉および獲得は、分光検出器によって可能にされ、分光検出器は、軸方向（Ｚ）での光学的深さプロファイル全体にわたって、試料２１２でのすべての後方散乱要素に関する干渉信号を瞬時に捕捉する。図２に示されるように、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、分光検出器のための定在波型導波路分光計２１０を含む。他の実施形態では、他のタイプの分光検出器が使用され得る。例えば、定在波型導波路分光計２１０ではなく、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００が、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ： ｓｃａｎｎｉｎｇ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）センサアレイと共に使用されてもよい。ＳＮＯＭセンサアレイでは、干渉パターンに関連付けられるエバネッセント場が、非常に小さい直径を有する一連の光ファイバのそれぞれの端部に結合され得て、光検出器のアレイを使用して検知される。

したがって、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、分光計を有するＳＤ−ＯＣＴ機器と同様に、内部で較正されて光学的に調節される、機械的に安定でありロバストなＯＣＴ機器でよい。さらに、以下にさらに詳細に述べるように、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は時間領域干渉に基づいて動作するので、スペクトル情報のフーリエ変換を用いた後処理を省略してよく、これは、同様にＡスキャン全体を同時に獲得するＳＤ−ＯＣＴに関する同等の信号処理モジュールに比べて、信号処理モジュール２１４を実質的に高速化することができる。さらに、ＦＤ−ＯＣＴで実施されるような波数（ｋ）空間への生のセンサ信号の線形化は、ｉＴＤ−ＯＣＴでは省略してよい。ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００のさらなる利点は、様々な構成要素を小型化し、単一のコンパクトなソリッドステートユニットとして一体化することによって実現され得て、これは、他のタイプのＯＣＴ機器と比較してさらにコストを低減し、機能を改良することができる。

図示されるように、図２でのｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は光源２０２を含み、光源２０２は、低コヒーレンス光源である。光源２０２は、試料ビーム２２６と基準ビーム２３０とのための単一の光源である。したがって、干渉に関して、試料ビーム２２６と基準ビーム２３０との両方に関する光路長がビームスプリッタ２０４で始まる。すなわち、ビームスプリッタ２０４は、試料ビーム２２６と基準ビーム２３０とによって共有される光学開始点である。

図２において、試料ビーム２２６は、試料光路２２４−１および２２４−２に沿って、ビームスプリッタ２０４から試料２１２に伝播する。測定ビーム２２８は、試料光路２２４−１、２２４−２、および２２４−３に沿って、試料２１２から定在波型導波路分光計２１０に伝播する。試料ビーム２２６は、走査ミラー２１８で再指向されて、横方向ＸおよびＹでの試料２１２の走査を可能にする。この走査は、試料ビーム２２６および測定ビーム２２８中の光子のそれぞれの光路長を実質的に変えない。したがって、試料光路２２４は、固定経路である。図２に示される例示的な構成では、測定ビーム２２８は、試料ビーム２２６からの光子を含み、これらの光子は、試料２１２によって後方散乱され、光路２２４−２に沿って部分ミラー２０５に向けて戻る。測定ビーム２２８は、光路２２４−３に沿って、部分ミラー２０５から定在波型導波路分光計２１０の第１の端部２１１に伝播する。

図２の例示的実施形態に示されるように、基準ビーム２３０は、基準光路２２２に沿って、定在波型導波路分光計２１０の第２の端部２１３に向けて伝播する。基準光路２２２は、固定光路であり、光路２２２−１、２２２−２、および２２２−３を備える。固定ミラー２０６−１は、基準ビーム２３０を光路２２２−１から光路２２２−２に偏向する。固定ミラー２０６−２は、基準ビーム２３０を光路２２２−２から光路２２２−３に偏向する。他の実施形態では、基準光路２２２に関する様々な構成が使用され得ることに留意されたい。

したがって、測定ビーム２２８は、定在波型導波路分光計２１０の第１の端部２１１に入射し、基準ビーム２３０は、定在波型導波路分光計２１０の第２の端部２１３に入射する。基準ビーム２３０と測定ビーム２２８とは、図２に示される例示的な構成では逆方向に伝播して、定在波型導波路分光計２１０内部で重畳される。他の構成では、基準ビーム２３０または測定ビーム２２８に関する異なる伝播方向が使用されてもよい。

定在波型導波路分光計２１０内部での重畳されたビームに関して、式１によって与えられる光路長の等式が、ビーム同士の光路長の差がゼロであるときの条件を定義する。
Ｌ_Ｓａｍｐ＝Ｌ_Ｒｅｆ 式（１）
式１で、Ｌ_Ｓａｍｐは、試料ビーム２２６と測定ビーム２２８に関する光路長の和によって与えられる、試料光路２２４にわたる合計光路長である。Ｌ_Ｒｅｆは、基準ビーム２３０の光路長によって与えられる、基準光路２２２全体にわたる合計光路長である。図２に示される光路長に関して、式１は、式２によって与えられるように記述され得る。
Ｌ１＋２×Ｌ２＋Ｌ３＝Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６ 式（２）
式２で、Ｌ１は、光路２２４−１に沿って伝播する試料ビーム２２６の光路長である。Ｌ２は、光路２２４−２に沿って伝播する試料ビーム２２６の光路長である。Ｌ３は、光路２２４−３に沿って伝播する測定ビーム２２８の光路長である。Ｌ４は、光路２２２−１に沿って伝播する基準ビーム２３０の光路長である。Ｌ５は、光路２２２−２に沿って伝播する基準ビーム２３０の光路長である。Ｌ６は、光路２２２−３に沿って伝播する基準ビーム２３０の光路長である。

図示されるように、光路２２４−３および２２２−３は、定在波型導波路分光計２１０内部の共通の終点まで延ばされている。共通の終点が、光路長の差に関するゼロ点であるとき、（例えば干渉パターンの形での）光干渉は、定在波型導波路分光計２１０内部のゼロ点に隣接して生じ得る。光干渉を引き起こす光路長の差は、測定ビーム２２８中の光子に関する光路長Ｌ３の変化により生じ、この変化は、異なる位置にある試料２１２内部の反射機能構造によるものである。したがって、定在波型導波路分光計２１０内部での光干渉は、試料２１２のそれぞれの機能構造に関する距離および強度情報を含み、試料２１２の光学的深さプロファイルを取得するために使用される。

定在波型導波路分光計２１０は、図３に関してさらに詳細に説明するように、内部で光干渉に対する感受性を有し、基準ビーム２３０と測定ビーム２２８との光干渉を示す干渉信号を生成することができる。干渉信号は、信号処理モジュール２１４によって受信され、信号処理モジュール２１４は、干渉信号を処理して、画像データ２１６を生成する。信号処理モジュール２１４による処理は、信号コンディショニング（例えば、増幅、フィルタリング、窓掛けなど）、復調、デジタル化、およびデジタル信号処理を含んでいてよい。ＸおよびＹでの横方向走査が、走査ミラー２１８などの走査要素を使用してｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００で行われるとき、例えば２Ｄ画像を生成するために、試料２１２の走査ラインにわたって複数の光学的深さプロファイルが獲得され得る。横方向走査が複数の走査ラインにわたって行われるとき、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、３Ｄ画像を生成することができる。したがって、試料２１２の画像データ２１６は、１Ｄ、２Ｄ、または３Ｄであり得る。

図２に示されるように、信号処理モジュール２１４がデータ処理機能を含むとき、信号処理モジュール２１４は、プロセッサおよびメモリ媒体を含んでいてよく、これは、メモリ媒体へのアクセス権を有するプロセッサによって実行可能な命令（すなわち、実行可能なコード）を記憶する。プロセッサは、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００またはその一部に、本明細書で述べる機能および動作を実施させる命令を実行し得る。本開示においては、メモリ媒体は、少なくともある期間にわたってデータおよび命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体を含んでいてよい。メモリ媒体は、永続的および揮発性媒体、固定およびリムーバブル媒体、ならびに磁気および半導体媒体を備えていてよい。メモリ媒体は、限定はしないが、ダイレクトアクセス記憶デバイス（例えばハードディスクドライブまたはフロッピーディスク）、シーケンシャルアクセス記憶デバイス（例えばテープディスクドライブ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、非一時的媒体、および前述のものの様々な組合せなど、記憶媒体を含んでいてよい。

図２で、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００は、縮尺通りには描かれておらず、概略図である。本開示の範囲から逸脱することなく、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００への修正、追加、または省略を行うことができる。本明細書で述べるようなｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の構成要素および要素は、特定の用途に従って一体化されても分離されてもよい。さらに、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の動作は、より多数、より少数、または他の構成要素によって実施されてもよい。

ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の様々な実施形態または構成において、ビームの様々な実装、レイアウト、および偏向を使用することができることに留意されたい。例えば、光路２２２および２２４の特定の部分が、光ファイバを含んでいてよい。いくつかの実施形態では、光路２２２および２２４の特定の部分が、光導波路を含んでいてよい。光路２２２および２２４の特定の部分が、真空、自由空間、ガス環境、または大気などの媒体内部の光路であってもよい。所与の実施形態では、基準ビーム２３０と測定ビーム２２８とは、定在波型導波路分光計２１０で同じ方向で一致し得る。別の構成では、走査ミラー２１８が省略されてもよく、別の走査要素が使用されてもよい。走査ミラー２１８の代わりとなる走査要素は、（圧電）変形可能なミラー、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ： ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、液晶デバイス（ＬＣＤ）作動要素、光学対物レンズ、またはそれらの様々な組合せを含んでいてよい。特定の実施形態では、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００と共に含まれる光学構成要素の少なくとも一部を小型化し、比較的小さい質量および外寸を有するコンパクトなユニットとして組み合わせることができ、したがって、コンパクトなユニット全体が、外部走査要素によって保持され、試料２１２に対して移動される。例えば、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の特定の部分を、半導体製造技術を使用して集積回路として実装することができる。いくつかの実施形態では、集積回路は、走査要素を含んでいてよい。また、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の特定の実施形態では、座標系２２０の異なる向きを使用することもできる。

ここで図３を参照すると、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００の一実施形態の選択された要素のブロック図が示されている。図３に示されているように、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００は、図２に関して述べたように、定在波型導波路分光計２１０を含む。特定の実施形態では、定在波型導波路分光計２１０は、定常波積分型フーリエ変換分光計の一例である。図示されるように、定在波型導波路分光計２１０は光軸３１２を含み、光軸３１２は、内部導波路の光路を表し、光路に沿って、外部ビームが第１の端部２１１または第２の端部２１３で導入される。光ビーム（またはビームの重畳）が光軸３１２に沿って進むとき、定在波型導波路分光計２１０内部に一定の間隔で配置されたナノ素子が、光ビームと関連付けられるエバネッセント（すなわち近接）波と相互作用する。ナノ素子とエバネッセント波との局所的な相互作用は、光軸３１２に沿った画素の線形アレイとして図３に示される検出器画素３１０のうちの特定の画素によって検出される。このようにすると、検出器画素３１０は、定在波型導波路分光計２１０内部で生成されるエバネッセント波に対する感受性を有する。ナノ素子は、ナノドットなどのナノ粒子でよい。検出器画素３１０は、光干渉パターンから生じる変化を含めた小さい局所的な光強度変化を記録および捕捉する。様々な実施形態において、定在波型導波路分光計２１０は、約３０ｍｍまでの全長を有していてよく、互いに約１μｍ未満の検出器画素３１０の間隔を有していてよい。

図３に、図２でのｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００と比較したときにわずかに異なるｉＴＤ−ＯＣＴの構成が示されている。図３での説明を分かりやすくするために、走査ミラーが取り除かれており、光路２２４−２は、走査のために試料ビームを偏向せず、試料２１２は、光路２２４−２に垂直に配置される。図３に示される構成が、外部走査要素と共に使用されるｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の一実施形態を表すことができることに留意されたい。ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００で、基準ビーム２３０は、光路２２２−３に沿って伝播し、光軸３１２に沿って第２の端部２１３で入射する。測定ビーム２２８（説明を分かりやすくするために、図３では試料ビーム２２６なしで示されている）は、試料２１２からの後方散乱された光子を含み、光路２２４−２および光路２２４−３に沿って伝播される。第１の端部２１１で、測定ビーム２２８は、光軸３１２と一致し、基準ビーム２３０とは逆方向に伝播する。

図３に、試料２１２に関するさらなる詳細が示されている。特に、試料２１２からの後方散乱源となり得る例示的な境界層Ａ、Ｂ、およびＣが示されており、ここで、光子は測定ビーム２２８に導入される。図示されるように、境界層ＡおよびＢは、角膜の上縁部および底縁部（例えば上皮Ａおよび内皮Ｂ）を概略的に表すことがあり、境界層Ｃは、水晶体嚢の前面を概略的に表すことがある。説明を分かりやすくするために、図３には比較的粗い生体構造の解像が示されているが、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００は、ヒトの眼内の微細な生体構造の解像に適していることを理解されたい。例えば、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００は、涙液層、上皮、ボーマン膜、基質、デスメ膜、および内皮など、様々な角膜層を解像するために使用することができる。様々な実施形態において、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００は、ヒトの角膜基質中のフィブリルまたはミクロフィブリルなど、角膜内層生体構造を特徴付けるまたは分析するために使用され得る。

図３では、測定ビーム２２８が、入射試料ビーム（図２参照）から後方散乱（すなわち反射）された光子から構成されるので、境界層Ａに対して、境界層ＢとＣからの光子の反射の時間遅延が生じる。具体的には、境界層Ｂからの反射は、境界層Ａに対して２×Δｔ_Ａ−Ｂだけ遅延され、境界層Ｃからの反射は、境界層Ａに対して２×Δｔ_Ａ−Ｂ＋２×Δｔ_Ｂ−Ｃだけ遅延され、ここで、Δｔ_Ａ−Ｂは、境界層ＡからＢへの光に関する時間遅延に対応し、Δｔ_Ｂ−Ｃは、境界層ＢからＣへの光に関する時間遅延に対応する。したがって、測定ビーム２２８は、境界層Ａ、Ｂ、およびＣが試料ビームを後方散乱する限り、境界層ＢおよびＣそれぞれについて表される境界層Ａに対する時間遅延を伴って、反射された光子を含む。

図３で、基準ビーム２３０と測定ビーム２２８との重畳により、基準ビーム光子と測定ビーム光子との光路長の差による光干渉が生じる。光干渉は、境界層Ａ、Ｂ、およびＣから生じる時間遅延に対応する光軸３１２に沿った正確な位置で生じる。さらに、光干渉は、検出器画素３１０が検出し得る点拡がり関数（ＰＳＦ： ｐｏｉｎｔ−ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を有する干渉パターン３１４として現れる。図示されるように、干渉パターン３１４−Ａは境界層Ａに関連付けられ、干渉パターン３１４−Ｂは境界層Ｂに関連付けられ、干渉パターン３１４−Ｃは境界層Ｃに関連付けられる。図示されるように、干渉パターン３１４−Ａと３１４−Ｂは、光軸３１２に沿って距離Δｚ’_Ａ−Ｂだけ離隔され、干渉パターン３１４−Ｂと３１４−Ｃは、光軸３１２に沿って距離Δｚ’_Ｂ−Ｃだけ離隔される。干渉パターン３１４は時間領域干渉により生じるので、Δｚ’_Ａ−Ｂは、Δｔ_Ａ−Ｂに線形に対応することがあり、Δｚ’_Ｂ−Ｃは、Δｔ_Ｂ−Ｃに線形に対応することがある。それぞれのＲＳＦは、検出器画素３１０のうちの特定の画素によって、干渉パターン３１４−Ａ、３１４−Ｂ、および３１４−Ｃに関してそれぞれ強度値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、およびＩ_Ｃとして記録される。光軸３１２に沿った検出器画素３１０の固定位置により、干渉パターン３１４−Ａ、３１４−Ｂ、および３１４−Ｃは、ＰＳＦを検出する検出器画素３１０のうちの特定の画素を識別することによって、Δｚ’_Ａ−ＢおよびΔｚ’_Ｂ−Ｃの測定を可能にする。このようにすると、Δｚ’_Ａ−ＢおよびΔｚ’_Ｂ−Ｃと共に強度値Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、およびＩ_Ｃが測定され、試料２１２に関する光学的深さプロファイルを生成するために使用される。

図３に示されるようなｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００の動作時、試料２１２内部の軸Ｚを線形に表す光軸３１２に沿った軸Ｚ’のゼロ点が、望み通りに調節され得る。基準ビーム２３０は、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００の走査中には固定されたままであるが、基準ビーム２３０または試料ビーム２２６は、例えば異なる分析深さを可能にするために任意の所望のゼロ点に較正することができる。したがって、軸Ｚ’に関する所望のゼロ点（干渉ビームの光路長が等しい）が、定在波型導波路分光計２１０の内部にあるように構成されても、定在波型導波路分光計２１０の外部に構成されてもよい。基準ビーム２３０と測定ビーム２２８との一方の伝播方向を定在波型導波路分光計２１０に対して逆にすることによって、軸Ｚ’の方向３２０を逆にすることができることに留意されたい。軸Ｚ’のゼロ点は、ｉＴＤ−ＯＣＴの特定の用途に対する望みに応じて、定在波型導波路分光計２１０の特定の寸法に基づいて選択することができる。さらに、軸Ｚ’の時間的または空間的較正は、各検出器画素３１０の物理的位置によって決定されるので、この較正は、本来的に安定であり、経時的に一定である。

ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００は、縮尺通りには描かれておらず、概略図であることに留意されたい。本開示の範囲から逸脱することなく、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００への修正、追加、または省略を行うことができる。本明細書で述べるようなｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００の構成要素および要素は、特定の用途に従って一体化されても分離されてもよい。さらに、ｉＴＤ−ＯＣＴ検出器３００の動作は、より多数、より少数、または他の構成要素によって実施されてもよい。例えば、特定の実施形態では、複数の定在波型導波路分光計２１０を並列に使用することができ、複数のＡスキャン（すなわちラインスキャン）を同時に生成し、それにより２Ｄまたは３Ｄ画像の測定を高速化する。

ここで図４を参照すると、本明細書で述べるｉＴＤ−ＯＣＴを実施するための方法４００の一実施形態の選択された要素のブロック図が、流れ図の形で示されている。方法４００は、ｉＴＤ−ＯＣＴ機器２００（図２参照）によって実施することができる。方法４００で述べられる特定の操作は、任意選択でよく、または様々な実施形態で構成変更することもできることに留意されたい。

方法４００は、ステップ４０２で、光源から試料ビームおよび基準ビームを発生することによって始まる。ステップ４０４で、基準ビームは、固定光路に沿って、定在波型導波路分光計の光軸に伝播する。ステップ４０６で、試料ビームが試料に伝播され、それにより、試料ビームの一部は、試料によって後方散乱され、測定ビームをもたらす。ステップ４０８で、干渉信号が定在波型導波路分光計から受信され、干渉信号は、定在波型導波路分光計内部での基準ビームと測定ビームとの光干渉を示す。ステップ４１０で、干渉信号は、試料の光学的深さプロファイルを生成するために処理される。ステップ４１２で、試料を示す画像データを生成するように試料が走査され、試料ビームは、試料での様々な横方向位置に向けられ、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成される。

本明細書で開示するように、瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィ（ｉＴＤ−ＯＣＴ）用の方法およびシステムは、散乱特性を有するまたは少なくとも一部反射性を有する試料に対して軸方向で瞬時光学的深さプロファイルを提供する。ｉＴＤ−ＯＣＴ機器は、内部光軸と、検出器画素のアレイとを有する分光検出器を含む。固定光路長を有する基準ビームは、光軸に沿って、試料からの後方散乱された光子を含む測定ビームと重畳される。検出器画素は、基準ビームからの光子と測定ビームからの光子との光路長の差により分光検出器内部で生じる時間領域干渉パターンを捕捉する。ｉＴＤ−ＯＣＴ機器は、可動部を有さないロバストなソリッドステートデバイスとして実装することができる。

上で開示した主題は、限定ではなく例示とみなされるべきであり、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の精神および範囲に入るすべてのそのような修正形態、改良形態、および他の実施形態を網羅することを意図される。したがって、本開示の範囲は、法律によって認められる最大限の範囲で、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等形態の最も広い解釈によって決定することができ、上記の詳細な説明によっては限定または制限されないものとする。
本明細書に開示される発明は以下の態様を含む。
〔態様１〕
時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための方法であって、
光学開始点を共有する試料ビームと基準ビームを発生するステップと、
前記基準ビームを、固定光路に沿って、定在波型導波路分光計の光軸に伝播するステップと、
前記試料ビームを試料に伝播するステップであって、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱されて、測定ビームを生じるステップと、
前記測定ビームを、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播するステップと、
前記定在波型導波路分光計から干渉信号を受信するステップであって、前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部での前記基準ビームと前記測定ビームとの光干渉を示すステップと
を含む方法。
〔態様２〕
前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含む態様１に記載の方法。
〔態様３〕
前記基準ビームの光子と前記測定ビームの光子との間での前記光学開始点に対する光路長の差に関するゼロ点が、前記定在波型導波路分光計内部にある態様１に記載の方法。
〔態様４〕
前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に対する感受性を有する態様１に記載の方法。
〔態様５〕
前記干渉信号を処理して、前記試料の光学的深さプロファイルを生成するステップ
をさらに含む態様１に記載の方法。
〔態様６〕
前記試料を示す画像データを生成するために前記試料を走査するステップであって、前記試料ビームが、前記試料での様々な横方向位置に向けられ、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成されるステップ
をさらに含む態様５に記載の方法。
〔態様７〕
時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための測定機器であって、
光源からの光を試料ビームと基準ビームに分割するためのビームスプリッタと、
光軸を有する定在波型導波路分光計を備える検出器と
を備え、
前記基準ビームが、前記ビームスプリッタから、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
前記試料ビームが試料に伝播し、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱され、測定ビームを生じ、前記測定ビームが、前記試料から、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
前記定在波型導波路分光計が、光干渉を示す干渉信号を生成し、前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で前記基準ビームと前記測定ビームとの間で生じる
測定機器。
〔態様８〕
前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含み、
前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に対する感受性を有する
態様７に記載の方法。
〔態様９〕
前記試料の光学的深さプロファイルを生成するために前記干渉信号を処理するための信号処理モジュールであって、前記干渉ビームの光路長が、前記干渉信号が処理されるときに固定されたままである信号処理モジュール
をさらに備える態様７に記載の測定機器。
〔態様１０〕
前記試料での様々な横方向位置に前記試料ビームを向けるための走査要素であって、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成される走査要素
をさらに備える態様９に記載の測定機器。
〔態様１１〕
前記信号処理モジュールおよび走査要素が、
前記試料の走査ラインにわたって生成される複数の光学的深さプロファイルに対応する２次元画像を生成するため、および
複数の前記走査ラインにわたって生成される複数の光学的深さプロファイルに対応する３次元画像を生成するため
のものである態様１０に記載の測定機器。
〔態様１２〕
前記定在波型導波路分光計が、前記光干渉に関連付けられるエバネッセント波に対する感受性を有する態様７に記載の測定機器。
〔態様１３〕
前記基準ビームおよび前記測定ビームが、前記光軸に沿って逆方向に伝播する態様７に記載の測定機器。
〔態様１４〕
前記基準ビームおよび前記測定ビームが、前記光軸に沿って同方向に伝播する態様７に記載の測定機器。
〔態様１５〕
時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための測定機器であって、
低コヒーレンス光を生成するための光源と、
前記光源からの前記低コヒーレンス光を試料ビームと基準ビームに分割するためのビームスプリッタと、
光軸を有する定在波型導波路分光計を備える検出器と
を備え、
前記基準ビームが、前記ビームスプリッタから前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
前記試料ビームが試料に伝播し、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱され、測定ビームを生じ、前記測定ビームが、前記試料から、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
前記定在波型導波路分光計が、光干渉を示す干渉信号を生成し、前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で前記基準ビームと前記測定ビームとの間で生じ、
前記基準ビームの光路長が、前記干渉信号が生成されるときに固定されたままであり、
前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含み、
前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に関連付けられるエバネッセンス波に対する感受性を有する
測定機器。

Claims (13)

1. 瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための方法であって、
   光学開始点を共有する試料ビームと基準ビームを発生することと、
   前記基準ビームを、固定光路に沿って、定在波型導波路分光計の光軸に伝播することと、
   前記試料ビームを試料に伝播することであって、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱されて、測定ビームを生じることと、
   前記測定ビームを、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播することであって、前記基準ビームと前記測定ビームとは、前記光軸に沿って逆方向に伝播することと、
   前記定在波型導波路分光計から干渉信号を受信することであって、前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部での前記基準ビームと前記測定ビームとの光干渉を示すことと、を含む方法。
2. 前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記基準ビームの光子と前記測定ビームの光子との間での前記光学開始点に対する光路長の差に関するゼロ点が、前記定在波型導波路分光計内部にある請求項１に記載の方法。
4. 前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に対する感受性を有する請求項１に記載の方法。
5. 前記干渉信号を処理して、前記試料の光学的深さプロファイルを生成することをさらに含む請求項１に記載の方法。
6. 前記試料を示す画像データを生成するために前記試料を走査することであって、前記試料ビームが、前記試料での様々な横方向位置に向けられ、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成されることをさらに含む請求項５に記載の方法。
7. 瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための測定機器であって、
   光源からの光を試料ビームと基準ビームに分割するためのビームスプリッタと、
   光軸を有する定在波型導波路分光計を備える検出器と
   を備え、
   前記基準ビームが、前記ビームスプリッタから、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
   前記試料ビームが試料に伝播し、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱され、測定ビームを生じ、前記測定ビームが、前記試料から、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
   前記基準ビームと前記測定ビームとは、前記光軸に沿って逆方向に伝播し、
   前記定在波型導波路分光計が、光干渉を示す干渉信号を生成し、前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で前記基準ビームと前記測定ビームとの間で生じる
   測定機器。
8. 前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含み、
   前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に対する感受性を有する
   請求項７に記載の測定機器。
9. 前記試料の光学的深さプロファイルを生成するために前記干渉信号を処理するための信号処理モジュールであって、前記基準ビームの光路長が、前記干渉信号が処理されるときに固定されたままである信号処理モジュール
   をさらに備える請求項７に記載の測定機器。
10. 前記試料での様々な横方向位置に前記試料ビームを向けるための走査要素であって、各横方向位置で光学的深さプロファイルが生成される走査要素
    をさらに備える請求項９に記載の測定機器。
11. 前記信号処理モジュールおよび走査要素が、
    前記試料の走査ラインにわたって生成される複数の光学的深さプロファイルに対応する２次元画像を生成するため、および
    複数の前記走査ラインにわたって生成される複数の光学的深さプロファイルに対応する３次元画像を生成するため
    のものである請求項１０に記載の測定機器。
12. 前記定在波型導波路分光計が、前記光干渉に関連付けられるエバネッセント波に対する感受性を有する請求項７に記載の測定機器。
13. 瞬時時間領域光コヒーレンストモグラフィを実施するための測定機器であって、
    低コヒーレンス光を生成するための光源と、
    前記光源からの前記低コヒーレンス光を試料ビームと基準ビームに分割するためのビームスプリッタと、
    光軸を有する定在波型導波路分光計を備える検出器と
    を備え、
    前記基準ビームが、前記ビームスプリッタから前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
    前記試料ビームが試料に伝播し、前記試料ビームの一部が、前記試料によって後方散乱され、測定ビームを生じ、前記測定ビームが、前記試料から、前記定在波型導波路分光計の前記光軸に伝播し、
    前記基準ビームと前記測定ビームとは、前記光軸に沿って逆方向に伝播し、
    前記定在波型導波路分光計が、光干渉を示す干渉信号を生成し、前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で前記基準ビームと前記測定ビームとの間で生じ、
    前記基準ビームの光路長が、前記干渉信号が生成されるときに固定されたままであり、
    前記光干渉が、前記定在波型導波路分光計内部で第１の幅にわたって生じ、前記第１の幅が、前記試料内部の前記試料ビームの貫入深さに線形に対応し、前記測定ビームが、前記貫入深さ内部で前記試料によって後方散乱された光子を含み、
    前記干渉信号が、前記定在波型導波路分光計内部の複数の検出器画素によって同時に生成され、前記検出器画素が、前記光干渉に関連付けられるエバネッセンス波に対する感受性を有する
    測定機器。

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