JP2002168770A - 光路長可変光学系及びそれを用いた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 稼動部が小さく、制御が簡単で、光路長のス
キャン範囲が広く、高速スキャニングが可能な透過型光
路長可変光学系及びそれを用いた装置を提供する。 【解決手段】 光導入部１と、第１の回折格子４と第１
の正レンズとで構成されたスペクトル分散要素と、光透
過性素材でできたクサビ形状のプリズム６を光の進行方
向に対して略平行な方向を軸として回転させるようにし
て構成され、前記スペクトル分散要素で分散させられた
光を角振動数に対して略線形に位相を変調させる位相変
調素子と、第２の正レンズ７と第２の回折格子８とで構
成され、前記位相変調素子を介して位相変調をかけられ
かつ空間的に分散させられた光を１つの光路に統一させ
るスペクトル統一要素と、光導入部１とは別個に設けら
れた光取り出し部１１とを互いに光学的に接続させて構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低コヒーレンス光
を用いた光断層構造観測装置（ＯＣＴシステム）およ
び、ＯＣＴシステムに用いられる光路長可変光学系に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＯＣＴシステムといわれる可干渉
距離が短い低コヒーレンス光を用いた生体の断層構造を
観測する装置が開発されている。

【０００３】コヒーレンス光を用いた光断層構造観測装
置は、低コヒーレンス光を発生させる光源からの光をサ
ンプル光と参照光とに分離し、サンプル光を測定対象に
照射させた後に、測定対象からの反射光を再び参照光と
合成して両方の光の干渉信号を検出する方法を用いた構
成となっている。その場合、サンプル光と参照光の光路
長が一致したときだけ干渉信号が得られるので、参照側
またはサンプル側の光路長を変化させることによって測
定対象の観察している部位をスキャンしているのと同じ
効果が得られ、測定対象の断層構造を観測することが可
能となる。

【０００４】また、ＯＣＴシステムの特徴としては、光
ヘテロダイン検出という手法を用いて、生体の散乱光な
どの非常に弱い信号でも高ＳＮ比で観測することが可能
なことが挙げられる。光ヘテロダイン検出の原理は、参
照側またはサンプル側の少なくとも一方の光の周波数を
シフトさせた後に、サンプル光と参照光を干渉させる
と、干渉信号としては、参照側とサンプル側との差の周
波数成分をもつビート信号が観測されるが、このビート
信号をディテクタで電気信号に変換した後、このビート
周波数に合わせたバンドパスフィルタを通すことで他の
ノイズ成分を除去し、ＳＮ比を飛躍的に向上させるとい
うものである。

【０００５】図２２は、内視鏡に応用したＯＣＴシステ
ムの一従来例である。本従来例においては、光学系はマ
イケルソン干渉計として構成されている。具体的に説明
すると、低コヒーレンス光源５１からの射出光はシング
ルモードファイバ５２を介して、光サーキュレータ５３
を通りカップラー５４へと導かれ、導かれた光はカップ
ラー５４を介してサンプル側と参照側とに分離される。

【０００６】参照側に分離された光は、シングルモード
ファイバ５５を介して光路長可変光学系５６に導かれ
る。光路長可変光学系５６は、レンズ５７と可動ミラー
５８とで構成されており、可動ミラー５８の位置を変化
させることによって、サンプル側の光の干渉する位置の
スキャニングをおこなうことができるようになってい
る。

【０００７】光路可変長光学系５６に導かれた光は、レ
ンズ５７を経た後に可動ミラー５８で反射されてレンズ
５７を経て光路長可変光学系５６から戻される。光路長
可変光学系５６から戻された光は、再びシングルモード
ファイバ５５でカップラー５４に導かれる。

【０００８】一方、サンプル側に分離された光は、参照
側のシングルモードファイバ５５とは別個に設けられた
シングルモードファイバー５９を介してサンプル側先端
光学系６０に導かれ、そこから被写体（測定対象）６１
に向けて照射される。さらに、被写体６１で反射された
光は、再びサンプル側先端光学系６０、シングルモード
ファイバ５９を通り、カップラー５４を介して参照側経
路からの戻り光と合成され、干渉する。

【０００９】カップラー５４からの干渉光は一方がシン
グルモードファイバ６２を介して第１のディテクタ６３
に直接導かれ、もう一方の干渉光がシングルモードファ
イバ５２を介して光サーキュレータ５３を通り、第２の
ディテクタ６４側へ選択的に導かれる。導かれたこれら
２つの光は、それぞれ第１ディテクタ６３、第２ディテ
クタ６４を介して光信号から電気信号に変換される。電
気信号に変換されたこれら２つの信号は、干渉成分のみ
位相が反転しているので、差分検出によって、直流成分
（非干渉成分）が除去されて干渉信号成分だけが残り、
バンドパスフィルタ６５を通過した後に復調器６６を介
して復調される。

【００１０】参照側の光路長可変光学系としては、上述
のミラーを光軸方向に動かす方法を用いた構成の光路長
可変光学系以外に、K.F.Kwong et. al ,Opt.Lett.18,55
8-560(1993)の光路長可変光学系がある。

【００１１】この光路長可変光学系は、図２３に示すよ
うに、回折格子６７と、フーリエレンズ６８と、ガルバ
ノミラー６９とで構成されており、ガルバノミラー６９
の傾きを変化させることにより、波長ごとに位相の変化
を与え、結果として光学系内の光の群速度を変化させる
ことで見かけ上の光路差を変化させるようになってい
る。

【００１２】図２３では、K.F.Kwongらによる光路長可
変光学系を、内視鏡に使いやすいようにシングルモード
ファイバ７０と結合させている。K.F.Kwongらによる光
路長可変光学系においては、回折格子６７に入射させる
光は平行光であることが望ましいが、シングルモードフ
ァイバ７０から射出される光は一般的には拡がりを持っ
ている。

【００１３】そこで、図２３の光学系では、回折格子６
７に平行光を入射させるために、シングルモードファイ
バ７０と回折格子６７との間にコリメータレンズ７１を
設けてシングルモードファイバ７０からの拡がりを持つ
射出光をほぼ平行な光に変えている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＯＣＴシス
テムにおいて生体からの反射光などの弱い信号を観察し
たい場合は、差分ディテクタを使用することは重要であ
る。

【００１５】測定対象からの反射光が非常に弱い場合の
干渉光の強度は、図２４に示すように、グラフ形状が、
非常に強い直流成分（Ｌ）の上に小さな干渉信号成分
（Ｉ）がのっているような形になる。

【００１６】このような信号を通常の差分を用いないデ
ィテクタで検出した場合には、検出される電気信号は、
直流成分が非常に大きく、干渉成分が非常に弱い信号と
して検出される。そして、直流成分が大きい電気信号
を、バンドパスフィルターに入力すると、信号が飽和し
やすくなるだけでなく、光源の出力揺らぎに起因する電
気信号の直流成分の揺らぎによるノイズが増加してしま
うため好ましくない。

【００１７】一方、差分ディテクタを用いて検出する
と、直流成分が除去されて干渉信号の成分だけを信号と
して取り出すことができ、信号をバンドパスフィルター
に入力しても蝕和することが無くなる。また光源の出力
揺らぎに起因する直流成分の揺らぎも同時にキャンセル
することができるため、ノイズの増加も抑えることがで
きる。

【００１８】しかし、上述のような従来のマイケルソン
型の干渉計と差分ディテクタの両方を用いて構成する場
合には、差分ディテクタを構成する第１ディテクタと第
２ディテクタの直流成分の大きさを一致させるために、
カップラーの分配比を１：１にする必要があり、サンプ
ル側と参照側の光の分配比を自由に変えることができな
い。

【００１９】一方、本件出願人の今までの実験結果か
ら、生体を観察する場合には、生体からの反射光が弱い
ためにサンプル側に光を多く分配し、参照側の光量を少
なくしたほうがＳＮ比がよくなることが分かっている。

【００２０】そこで、サンプル側と参照側との光量分配
比を変えることができ、かつ差分ディテクタを使用する
ことができる光路長可変光学系を構成するのが理想的で
ある。

【００２１】サンプル側と参照側の光量分配比を変える
ことができ、かつ、差分ディテクタを用いる構成として
は図１に示すようなマハツェンダー型の干渉計を構成す
るのがよい。

【００２２】すなわち、図１に示すマハツェンダー型の
干渉計では、低コヒーレンス光源２１から射出された光
は、シングルモードファイバ２２を通り第１のカップラ
ー２３へと導かれ、導かれた光は、第１カップラー２３
を介してサンプル側と参照側とに分離される。

【００２３】サンプル側に分離された光は、シングルモ
ードファイバ２４、光サーキュレータ２５、シングルモ
ードファイバ２６、サンプル側先端光学系２７を経て被
写体（測定対象）２８に照射される。被写体２８で反射
された光は、再びサンプル側先端光学系２７、シングル
モードファイバ２６を経て、光サーキュレータ２５へ戻
ってくる。光サーキュレータ２５へ戻ってきたサンプル
側の光は、第２のカップラー２９に接続しているシング
ルモードファイバ３０の方へ選択的に導かれる。

【００２４】一方、参照側に分離された光は、光路長可
変光学系３１への光導入用シングルモードファイバ３２
を介して光路長可変光学系３１へと導かれる。光路長可
変光学系３１に入射した光は、光路長が変化させられた
後に、光取り出し用のシングルモードファイバ３３を介
して、第２のカップラー２９へと導かれる。

【００２５】サンプル側経路から導かれた光と参照側経
路から導かれた光とは、第２のカップラー２９で合成さ
れ、それにより干渉信号を生じて第２のカップラー２９
から出力される。第２のカップラー２９で合成されて生
じた干渉信号は、シングルモードファイバー３５，３６
を介して第１のディテクター３７，第２のディテクター
３８へと分配されて導かれる。第１のディテクター３７
と第２のディテクター３８では、それぞれ光の強度の検
出が行なわれる。第２のカップラー２９における光量分
配比を１：１とし、第１のディテクター３７と第２のデ
ィテクター３８とで差分ディテクター３９を構成するこ
とにより、直流成分が除去され、干渉信号の成分のみが
出力される。

【００２６】ところで、マハツェンダー型干渉計を構成
する場合には、図１からもわかるように、参照光の導入
部と取り出し部とが異なった光路長可変光学系、すなわ
ち、透過型光路長可変光学系が必要になる。

【００２７】この透過型光路長可変光学系には、米国特
許第５，３２１，５０１号の図１０に示されるように、
レトロリフレクターを往復運動させて光路長のスキャン
を行なう方法を用いた構成のものがあるが、この方法で
は、レトロリフレクターを往復運動させるのに大きな力
が必要になるので、レトロリフレクターを垂直方向に十
分な幅で高速にスキャンすることは不可能である。

【００２８】この問題点を解決した透過型光路長可変光
学系としては、本件発明者本人の発明による特願平１１
−１５９２７０号に記載のものがある。この発明の概要
は、互いに同じ素材、互いに同じ形状の平行平板プリズ
ムを同位相で反対の方向に回転させて光路長を変化させ
るというものである。この光路長可変光学系は、回転運
動を利用しているため、スキャニングスピードを高速化
することができるようになっている。しかし、この発明
では、スキャン範囲を広く取る場合にはプリズムを大型
化する必要があった。

【００２９】本発明は、上述の問題点に鑑み、稼動部が
小さく、制御が簡単で、光路長のスキャン範囲が広く、
高速スキャニングが可能な透過型光路長可変光学系及び
それを用いた装置を提供することを目的とする。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本第１の発明による光路
長可変光学系は、光導入部と、前記光導入部から導入さ
れた光のスペクトルを空間的に分散させるスペクトル分
散要素と、前記スペクトル分散要素で分散させられた光
を角振動数に対して略線形に位相を変調させる位相変調
素子と、前記位相変調素子を介して位相変調をかけられ
かつ空間的に分散させられた光を１つの光路に統一させ
るスペクトル統一要素と、前記光導入部とは別個に設け
られた光取り出し部とで構成され、前記これらの構成要
素が互いに光学的に接続され、かつ前記位相変調素子の
光の角振動数に対する位相変調量の傾きを時間の経過と
ともに変化させるようにした光路長可変光学系である
か、又は、該光路長可変光学系における前記スペクトル
分散要素が第１の回折格子と第１の正レンズとで構成さ
れ、前記スペクトル統一要素が第２の回折格子と第２の
正レンズとで構成されている光路長可変光学系であっ
て、前記位相変調素子が光透過性素材でできたクサビ形
状のプリズムで構成され、該クサビ形状のプリズムを光
の進行方向に対して略平行な方向を軸として回転させる
ようにしたことを特徴とする。

【００３１】本第２の発明による光路長可変光学系は、
光導入部と、前記光導入部から導入された光のスペクト
ルを空間的に分散させるスペクトル分散要素と、前記ス
ペクトル分散要素で分散させられた光を角振動数に対し
て略線形に位相を変調させる位相変調素子と、前記位相
変調素子を介して位相変調をかけられかつ空間的に分散
させられた光を１つの光路に統一させるスペクトル統一
要素と、前記光導入部とは別個に設けられた光取り出し
部とで構成され、前記これらの構成要素が互いに光学的
に接続され、かつ前記位相変調素子の光の角振動数に対
する位相変調量の傾きを時間の経過とともに変化させる
ようにした光路長可変光学系であるか、又は、該光路長
可変光学系における前記スペクトル分散要素が第１の回
折格子と第１の正レンズとで構成され、前記スペクトル
統一要素が第２の回折格子と第２の正レンズとで構成さ
れている光路長可変光学系であって、前記位相変調素子
が光透過性の液体を少なくとも２枚の表面が平らな光透
過性の板で挟んだ態様で構成され、前記少なくとも２枚
の光透過性の板がなす角度を時間とともに変化させるよ
うにしたことを特徴とする。

【００３２】本第３の発明による光路可変長光学系は、
光導入部と、前記光導入部から導入された光のスペクト
ルを空間的に分散させるスペクトル分散要素と、前記ス
ペクトル分散要素で分散させられた光を角振動数に対し
て略線形に位相を変調させる位相変調素子と、前記位相
変調素子を介して位相変調をかけられかつ空間的に分散
させられた光を１つの光路に統一させるスペクトル統一
要素と、前記光導入部とは別箇に設けられた光取り出し
部とで構成され、前記これらの構成要素が互いに光学的
に接続され、かつ前記位相変調素子の光の角振動数に対
する位相変調量の傾きを時間の経過とともに変化させる
ようにした光路長可変光学系であるか、又は、該光路長
可変光学系における前記スペクトル分散要素が第１の回
折格子と第１の正レンズとで構成され、前記スペクトル
統一要素が第２の回折格子と第２の正レンズとで構成さ
れている光路長可変光学系であって、前記位相変調素子
が少なくとも１つの光透過性素材でできたクサビ形状の
プリズムで構成され、該クサビ形状のプリズムを光のス
ペクトルが空間的に分散されている方向に対して略垂直
な方向を軸として振動させるようにしたことを特徴とす
る。

【００３３】本第４の発明による光路可変長光学系を用
いた装置は、コヒーレンス長が短い光を発生させる光源
からの光を光分離手段を介してサンプル側経路と参照側
経路とに分離し、前記参照側経路に導かれた光を光合成
手段へと導き、前記サンプル側経路に導かれた光を光学
系を介して被写体に集光し、前記被写体で散乱又は反射
された光を前記光学系を通った後に前記光合成手段に導
き、前記参照側経路を通った光と前記サンプル側経路を
通った光とを前記光合成手段で合成して干渉させ、前記
干渉信号がディテクタで検出された後に電気的処理をお
こなう光断層構造観測装置であって、前記参照側経路中
または前記サンプル側経路中の少なくとも一方に本第１
〜３のいずれかの光路長可変光学系を配置して前記サン
プル側の光の干渉する位置を時間の経過とともに変化さ
せるとともに、前記参照側経路中または前記サンプル側
経路中の少なくとも一方に光の中心角振動数をシフトさ
せる光学要素を配置して参照側とサンプル側の光が干渉
したときにビート信号を発生させて光ヘテロダイン検出
をおこなうようにしたことを特徴とする。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明の実施例の説明に先立ち、
本発明の原理について説明する。本発明は、以下のフー
リエ変換の性質を光学系に応用したものである。

【００３５】時間的に変化する関数ｘ（ｔ）があり、そ
れをフーリエ変換して、角振動数領域ωで表現したもの
をＸ（ω）とする。 ｘ（ｔ） ⇔ Ｘ（ω） Ｘ（ω）に対して、位相を角振動数に対して傾きＴｇで
線形に変調をかけると次のようになる。

【００３６】Ｘ（ω）・ｅｘｐ（−ｉωＴｇ） ただし、ｉは虚数単位である。これを逆フーリエ変換す
ると、時間領域では、 ｘ（ｔ−Ｔｇ） となる。

【００３７】すなわち、ある時間的に変化する信号をフ
ーリエ変換し、角振動数成分に対して傾き−Ｔｇで線形
に位相変調をかけると変調された信号は実時間ではＴｇ
遅れることを示している。

【００３８】本発明は、光路長可変光学系に入射した光
を角振動数の成分に分散した後、角振動数に対して線形
に位相変調をかけるときに位相変調量の傾きＴｇを時間
的に変化させることで、光路長可変光学系から射出され
る光の信号の時間的遅延量（群遅延時間という）を変化
させるという原理を使っている。

【００３９】群遅延時間Ｔｇを距離に換算した値ｃ・Ｔ
ｇ（但し、ｃは真空中の光の速度）を群遅延距離Ｌｇと
いうが、群遅延距離Ｌｇの時間的な変化は、ＯＣＴシス
テムにおいてはサンプル側の干渉位置をスキャンしてい
ることに相当する。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について述べる。なお、本実施形態では、特
に断らないない限り光導入部側を前側、光取り出し部側
を後側ということにする。実施例１ 本発明の光断層構造観測装置およびそれに用いられる光
路長可変光学系の第１実施例を図１〜図４に示す。

【００４１】図１は本発明の光路長可変光学系を用いた
光断層構造観測装置のシステム図、図２は本発明の光路
長可変光学系の第１実施例を示す概略構成図、図３は本
実施例の光路長可変光学系を構成するクサビ形状のプリ
ズムの配置及び動きを示す説明図、図４は本実施例のク
サビ形状のプリズムを中心波長の光が通るときの群遅延
距離及び干渉信号のビート周波数の時間経過の一例を示
すグラフである。

【００４２】本実施例のＯＣＴシステムは図１に示すマ
ハツェンダー型干渉計を基本としている。なお、後述の
第２〜５実施例のＯＣＴシステムも光路長可変光学系内
部の構成以外は図１の構成と同様である。

【００４３】図１に示すように、本実施例の光断層構造
観測装置では、低コヒーレンス光源２１から射出された
光は、シングルモードファイバ２２を通り第１のカップ
ラー２３へと導かれ、導かれた光は、第１のカップラー
２３を介してサンプル側と参照側とに分離される。

【００４４】サンプル側に分離された光は、シングルモ
ードファイバ２４、光サーキュレータ２５、シングルモ
ードファイバ２６、サンプル側先端光学系２７を経て被
写体（測定対象）２８に照射される。被写体２８で反射
された光は、再びサンプル側先端光学系２７、シングル
モードファイバ２６を経て、光サーキュレータ２５へ戻
ってくる。光サーキュレータ２５へ戻ってきたサンプル
側の光は、第２のカップラー２９に接続しているシング
ルモードファイバ３０の方へ選択的に導かれる。

【００４５】一方、参照側に分離された光は、光路長可
変光学系３１への光導入用シングルモードファイバ３２
を介して光路長可変光学系３１へと導かれる。光路長可
変光学系３１に入射した光は、光路長が変化させられた
後に、光取り出し用のシングルモードファイバ３３を介
して、第２のカップラー２９へと導かれる。

【００４６】サンプル側経路から導かれた光と参照側経
路から導かれた光とは、第２のカップラー２９で合成さ
れ、それにより干渉信号が第２のカップラー２９から出
力される。第２のカップラー２９で合成されて生じた干
渉信号は、シングルモードファイバー３５，３６を介し
て第１のディテクター３７，第２のディテクター３８へ
と分配されて導かれる。第１のディテクター３７と第２
のディテクター３８では、それぞれ光の強度の検出が行
なわれる。本実施例では、第２のカップラー２９におけ
る光量分配比を１：１にし、第１のディテクター３７と
第２のディテクター３８とで差分ディテクター３９を構
成している。従って、干渉信号を検出するときには、直
流成分が除去され、干渉信号の成分のみが出力される。

【００４７】この光断層構造観測装置に用いられる本実
施例の光路長可変光学系３１は、図２に示すように、光
導入用シングルモードファイバ１と正のパワーを持つ第
３の正レンズ２とからなる光導入部３と、光のスペクト
ルを空間的に分散させるスペクトル分散要素である第１
の回折格子４と正のパワーを持つ第１の正レンズ５との
ペアと、前記スペクトル分散要素で分散させられた光を
角振動数に対して略線形に位相を変化させる位相変調素
子であるクサビ形状のプリズム６と、前記位相変調をか
けられかつ空間的に分散させられた光を１つの光路に統
一させるスペクトル統一要素である正のパワーを持つ第
２の正レンズ７と第２の回折格子８とのペアと、正のパ
ワーを持つ第４の正レンズ９と光取り出し用シングルモ
ードファイバ１０とからなる光取り出し部１１とで構成
され、これらの光学要素が光学的に接続されている。

【００４８】クサビ形状のプリズム６は、光を透過する
素材であるガラスでできている。また本実施例では、第
１の正レンズ５と第２の正レンズ７には、焦点距離が同
じレンズが使用されており、かつ、第１の正レンズ５と
第２の正レンズ７は、光軸が一致するように配置されて
いる。また、第１の回折格子４は、第１の正レンズ３の
前側焦点位置に、クサビ形状のプリズム６は第１の正レ
ンズ５の後側焦点と第２の正レンズ７の前側焦点位置
に、第２の回折格子８は第２の正レンズ７の後側焦点位
置にほぼ一致するように、それぞれ配置されている。

【００４９】また、クサビ形状のプリズム６は、光の進
行方向に対して略平行な方向を軸として回転可能に設け
られている。クサビ形状のプリズム６の回転軸は、光導
入部３から導入される光の中心波長の光が通る位置から
ずれて位置している。

【００５０】ここで、本実施例の光路長可変光学系３１
の座標系を次のように定義しておく。クサビ状のプリズ
ム６の回転軸をz軸とする。また、回折格子４，８の格
子の方向（回折格子の格子が切ってある方向）をｘ軸、
ｘ軸とz軸に垂直な方向をy軸とする。なお、このとき、
第１の正レンズ５および第２の正レンズ７の光軸は、ｚ
軸方向と平行にセッティングされているものとする。

【００５１】また、クサビ形状のプリズム６の向きは、
クサビ形状のプリズム６を回転させたときにクサビ形状
のプリズム６の前側の面の法線単位ベクトルＮ１および
後側の面の法線単位ベクトルＮ２のｘｙ平面側への正射
影のベクトルＰ１，Ｐ２の絶対値が変化しないようにす
る。

【００５２】但し、法線単位ベクトルＮ１，Ｎ２は、ｚ
軸とクサビ形状のプリズム６の前側または後ろ側の面と
の交点を基点として、ベクトルＮ１又はＮ２と光の進行
方向とのなす角度が鋭角になる方向に取ることとする。

【００５３】具体的には、クサビ形状のプリズム６の配
置と動きは、図３(a)〜(d)に示すようになる。図３(b)
中の実線で書かれた部分はある時刻にｚ軸方向からみた
クサビ形状のプリズム６、図３(a)は図３(b)と同じ時刻
にｘ軸方向からみたクサビ形状のプリズム６を示してい
る。

【００５４】図３(a)の状態より少し時間が経過する
と、クサビ形状のプリズム６が回転して、ｚ軸方向から
見て図３(b)中の点線で示す位置に来る。更に時間が経
過すると更にクサビ形状のプリズム６が回転して、ｚ軸
方向から見て図３(d)中の実線で示す位置、ｘ紬から見
て図３(c)の位置に来る。更に時間が経過すると、クサ
ビ形状のプリズム６は図３(d)中の点線で示す位置に達
し、更に時間が経過すると図３(a)及び(b)中の実線で示
す位置に戻る。以上の動作は繰り返し行われる。

【００５５】このように構成された本実施例の光路長可
変光学系３１の作用を説明する。クサビ形状のプリズム
６を回転させると、クサビ形状のプリズム６部分での光
の角振動数に対する位相変調量の傾きが変化するので、
群遅延量が時間とともに変化する。その結果サンプル側
の被写体の干渉する位置を時間の経過とともに変えるこ
とができ、被写体の断層構造が観察できるようになる。

【００５６】また、クサビ形状のプリズム６を回転させ
ると、光導入部３からの入射光の中心周波数の位相が時
間とともに変化するので、光取り出し部１１における光
の中心周波数が光導入部３の中心周波数からシフトす
る。このため、サンプル側の光と参照側の光を干渉させ
るとビート信号が発生し、光ヘテロダイン検出が可能に
なる。

【００５７】ここで、クサビ形状のプリズム６による位
相変調と群遅延量の変化、中心周波数のシフトについて
詳細に述べる。本実施例では、第１の回折格子４とクサ
ビ形状のプリズム６が、それぞれ第１の正レンズ５の前
側焦点位置と後側焦点位置に配置されているため、クサ
ビ形状のプリズム６の面においては、第１の回折格子４
での情報がフーリエ変換されている。

【００５８】また、クサビ形状のプリズム６と第２の回
折格子８が、それぞれ第２の正レンズ７の前側焦点位置
と後側焦点位置に位置しているので、クサビ形状のプリ
ズム６の面においてフーリエ変換されている場合は、第
２の回折格子８の面ではそれが逆フーリエ変換されてい
る。

【００５９】第１の回折格子４ではスペクトル幅を持っ
た光が分散されるので、クサビ形状のプリズム６におい
ては、光は第１の回折格子４に入射した光の角振動数ご
とにy軸方向に沿って分布することになる。

【００６０】格子の空間周波数Ｎ（格子の間隔の逆数）
の第１の回折格子４に角度θｉで入射した波長λの光は
次のような角度θに回折される。 ｓｉｎθ − ｓｉｎθｉ ＝ ｍＮλ 但し、ｍは整数である。なお、ここでは、ｍ＝１とす
る。

【００６１】従って、光導入部３から導入される光の中
心波長をλｏとしたときに、第１の回折格子１から射出
された波長λｏと波長λ＝λｏ＋Δλの光とがなす角度
Δθは、次式(1)として表すことができる。

【００６２】 Δθ ＝ＮΔλ／ｃｏｓθ ……（1） 第１の回折格子４と第１の正レンズ５との間隔および第
１の正レンズ５とクサビ形状のプリズム６との間隔は第
１の正レンズ５の焦点距離ｆ１に等しいので、クサビ形
状のプリズム６の位置での波長λｏと波長λ＝λｏ＋Δ
λの光の位置の差ΔＹ（Δλ）は次式(1.1)のように表
すことができる。

【００６３】 ΔＹ（Δλ）＝ ｆ１・Δθ ……(1.1) 従って、Δθの値として上記式(1)を式(1.1)に代入する
と、次式(2)になる。 ΔＹ（Δλ）＝ ｆ１・Ｎ・Δλ／ｃｏｓθ ……(2) ここで、波長λ＝λｏの光はクサビ形状のプリズム６の
回転軸からずれた位置を通るので、波長λ＝λｏの光が
通る位置をＹｏとすると、波長λ＝λｏ＋Δλの光がク
サビ形状のプリズム６を通る位置Ｙ（Δλ）は、次式
(3)として表すことができる。

【００６４】 Ｙ（Δλ）＝ Ｙｏ ＋ ΔＹ（Δλ） ＝ Ｙｏ ＋ｆ・Ｎ・Δλ／ｃｏｓθ ……(3) 但し、ｆは第１の正レンズ５および第２の正レンズ７の
焦点距離であり、ｆ＝ｆ１＝ｆ２である（但し、ｆ２は
第２の正レンズ７の焦点距離である）。

【００６５】ここで、クサビ形状のプリズム６の正射影
ベクトルＰ１（またはＰ２）とｙ軸とのなす角度をα、
クサビ形状のプリズム６の前側、後側の面の法線単位ベ
クトルＮ１と法線単位ベクトルＮ２とのなす角度をφと
して、クサビ形状のプリズム６を通過して第２の回折格
子８に達するまでの光路長について考察する。

【００６６】クサビ形状のプリズム６の回転軸を通過す
る光は、クサビ形状のプリズム６が回転しても光路長が
変化しないので、クサビ形状のプリズム６の回転軸から
Ｙ（λ）だけ離れた位置を通る光とクサビ形状のプリズ
ム６の回転軸を通る光との光路長差Ｚ（Ｙ）は、φ＜＜
π／２のとき次式(4)のように近似できる。

【００６７】 Ｚ（Ｙ）＝Ｙ（λ）・（ｎ−１）φｃｏｓα ……(4) 但し、ｎはクサビ形状のプリズム６の屈折率である。中
心周波数の光がクサビ形状のプリズム６を通る位置はＹ
ｏであるので、α＝０のときの波長λｏと、αが任意の
値のときの波長λｏ＋Δλとの光の位相差Ψ（λ、α）
は、 Ψ（λ、α）＝２π・Ｚ（Ｙ）／λｏ 上記式(4)より、 Ψ（λ、α）＝（２π／λｏ）・（Ｙｏ＋ΔＹ）・（ｎ
−１）φｃｏｓα 従って、上記式(3)より、 Ψ（λ、α）＝（２π／λｏ）・（Ｙｏ＋ｆ・Ｎ・ｃｏｓθ）・Ｋ・ｃｏｓα ……(5) となる。

【００６８】但し、Ｋ＝（ｎ−１）φとおいている。群
遅延量を見積もるためには、位相を光の角振動数の関数
で表す必要があるので、波長λの光を角振動数ωで置き
換えて、α＝０のときの光の中心角振動数ωｏに対す
る、αが任意で角振動数ω＝ωｏ＋Δωの光の位相差Ψ
（ω、α）は、次式(6)のように表すことができる。

【００６９】 Ψ（ω、α）＝Ｙｏ・Ｋ・ω・ｃｏｓα／ｃ −２π・（Ｋ／ｃｏｓθ）・ｆ・Ｎ・ｃｏｓα・（Δω／ωｏ） ……(6) 但し、ｃは真空中での光の速度である。

【００７０】式(6)に注目すると、クサビ形状のプリズ
ム６は、光の角振動数ωに対して位相を線形に変化させ
ていることになるため、群遅延量を変化させる作用があ
ることがわかる。

【００７１】群遅延距離Ｌｇは、 ｃ×Ｔｇ （Ｔｇは
群遅延時間）であり、Ｔｇ＝−ｄφ（ω）／ｄω｜ω=
ω_o で求めることができるので、 Ｌｇ＝−Ｋ・Ｙｏ・ｃｏｓα＋Ｋ・ｆ・Ｎ・（λｏ／ｃｏｓθ）・ｃｏｓα ……(7) と表すことができる。

【００７２】ここで、クサビ形状のプリズム６を回転さ
せる（αを変化させる）とｃｏｓαの値が−１から＋１
まで変化するので、群遅延距離Ｌgは、 ２Ｋ｜ｆ・Ｎ・λｏ／ｃｏｓθ−Ｙｏ｜ の幅で変化することになる。これは、サンプル側の光の
干渉する位置を ΔＬｓ＝Ｋ｜ｆ・Ｎ・λｏ／ｃｏｓθ−Ｙｏ｜ だけスキャンできることを意味している（本実施例の構
成では、サンプル側の光は往復しているので、サンプル
側の光の干渉する位置の変動量は群遅延距離の変動量の
半分になる）。

【００７３】一方、中心波長での位相遅延距離Ｌｐは、
ｃ×Ｔｐ（Ｔｐは位相遅延時間）であり、Ｔｐ ＝ Ψ
（ωｏ）／ωｏであるので、上記式(6)より、 Ｌｐ＝Ｋ・Ｙｏ・ｃｏｓα ……(8) と表すことができる。

【００７４】本実施例ではＹｏ≠０であるので、クサビ
形状のプリズム６を回転させるとαが変化するので、位
相遅延距離Ｌｐが時間的に変化し、ドップラーシフトが
発生する。

【００７５】ドップラーシフトによる光の中心周波数の
シフト量ΔＦは次のように表される。 ΔＦ＝−（１／λｏ）・ｄＬｐ／ｄｔ 但し、ｔは時刻である。

【００７６】本実施例では、サンプル側の光は変調がか
けられていないので、参照側の光とサンプル側の光を干
渉させる際に、干渉信号は Ｆｂ＝（１／λｏ）・｜ｄＬｐ／ｄｔ｜ の周波数をもつビート信号として現れる。これにより光
ヘテロダイン検出が可能になる。

【００７７】一例として、クサビ形状のプリズム６を単
位時間あたりＲｒ回転で等速回転運動させた場合を考え
る。クサビ形状のプリズム６が単位時間あたりＲｒ回転
するので、αの値は、 α＝２π・Ｒｒ・ｔ＋αｏ になる。

【００７８】但し、αｏはｔ＝０のときのクサビ形状の
プリズム６のｙ軸に対する傾き角である。時刻ｔでの群
遅延距離Ｌｇ（ｔ）および干渉信号のビート周波数ΔＦ
ｂ（ｔ）は、それぞれ Ｌｇ（ｔ）＝−Ｋ・｛Ｙｏ−ｆ・Ｎ・（λｏ／ｃｏｓθ）｝ ・ｃｏｓ（２πＲｒ・ｔ＋αｏ） ……(9) ΔＦｂ（ｔ）＝｜２π・Ｒ・Ｋ・（Ｙｏ／λｏ） ・ｓｉｎ（２πＲｒ・ｔ＋αｏ）｜ ……(10) になる。

【００７９】式(9)および式(10)に注目すると、群遅延
距離Ｌｇがｃｏｓ関数で変化するのに対して、ビート周
波数ΔＦｂがｓｉｎ関数で変化することがわかる。具体
的な例として、図４に、第１の正レンズ５及び第２の正
レンズ７の焦点距離ｆ＝５０ｍｍ、第１の回折格子４及
び第２の回折格子８の空間周波数Ｎ＝６００本／ｍｍ、
クサビ形状のプリズム６の角度φ＝６°、クサビ形状の
プリズム６の屈折率ｎ＝１．５、低コヒーレンス光源の
中心波長λｏ＝１．３１μｍ、クサビ形状のプリズム６
の回転数Ｒ＝１０００ｒｐｓ、中心波長の光がクサビ形
状のプリズム６を通るときの座標Ｙｏ＝２ｍｍの場合に
おける群遅延距離及び干渉信号のビート周波数の時間経
過を示す。

【００８０】図４より、α＝＋−π／２の付近におい
て、図中符号Ｈで示すような比較的広い範囲にわたって
ビート信号の周波数変化は少なくなり、光路長（群遅延
距離）もほぼ時間に対して線形にスキャンできているこ
とがわかる。

【００８１】次に、光取り出し部について述べる。本実
施例のような構成の光路長可変光学系では、第２の正レ
ンズ７と第４の正レンズ９の焦点距離が次の条件式(11)
を満たすのが望ましい。

【００８２】 ＮＡ＞ｆ２（ｎ−１）φ／ｆ４ ……(11) 但し、ｆ２は第２の正レンズ７の焦点距離、ｆ４は第４
の正レンズ９の焦点距離、ｎはクサビ形状のプリズム６
のクサビの角度（法線単位ベクトルＮ１と法線単位ベク
トルＮ２とのなす角度）、ＮＡは光取り出し用シングル
モードファイバの開口数である。

【００８３】条件式(11)は、第４の正レンズ９で集光さ
れた光が光取り出し部１１のシングルモードファイバ１
０に結合されるための条件である。２つの正レンズ７，
９の焦点距離が条件式(11)から外れた場合、光取り出し
側のシングルモードファイバ１０に入射する光の角度が
大きくなりすぎて光がファイバ中を伝播しなくなる。

【００８４】この点について説明する。本実施例では、
クサビ形状のプリズム６で光が曲げられるので、第２の
回折格子８に当たる光はクサビ形状のプリズム６の回転
に伴い所定の半径の円周上を回転運動する。そのときの
円の半径Ｒは、次式(12)として表すことができる。

【００８５】 Ｒ＝ｆ２・（ｎ−１）φ ……(12) 第２の回折格子８から射出される光は、入射する光に対
してｙｚ平面内で曲げられ、ｘｚ平面内では曲げられな
い。このため、第２の回折格子８から射出される光は楕
円運動する。楕円の長軸の方向はｘｚ平面内にあり、そ
のときの長軸の半径Ｒｘは右辺が上記式(12）と同じ
く、 Ｒｘ＝ｆ２・（ｎ−１）φ になる。

【００８６】一方、短軸の半径Ｒｙは、 Ｒｙ＝Ｒ｜ｃｏｓβ｜ になる。

【００８７】但し、βは第２の回折格子８に入射する中
心波長の主光線と第２の回折格子８から射出する光との
なす角度である。以上の結果より、第４の正レンズ９の
位置で入射する光の径が最大になるのは光がｘｚ平面を
横切るときであり、そのときに光取り出し用シングルモ
ードファイバヘ入射する光の最大の入射角γは次式(13)
のようになる。

【００８８】 γ＝Ｒｘ／ｆ４ ＝ｆ２・（ｎ−１）φ／ｆ４ ……(13) 一方、開口数ＮＡのシングルモードファイバは、γｍａ
ｘ＝ｓｉｎ-1（ＮＡ）より大きな角度の光は伝播しない
ので、光を常に取り出すためには次式(14)を満たす必要
がある。

【００８９】 γｍａｘ＞γ ……(14) 一般にシングルモードファイバはＮＡが０．２以下であ
るので、γｍａｘ≒ＮＡと近似することができ、このた
め、 ＮＡ≒γｍａｘ＞ γ＝ｆ２・（ｎ−１）φ／ｆ４ とおくことができる。

【００９０】したがって、第２の正レンズ７と第４の正
レンズ９の焦点距離は、上記条件式(11)を満たすように
しなければならない。これは光が光取り出し部１１のシ
ングルモードファイバ１０に結合するための最低の条件
である。実際には、光取り出し部１１のシングルモード
ファイバ１０への結合効率を上げるために、次の条件式
(15)を満たすことがより望ましい。

【００９１】 ０．７ＮＡ＞ｆ２・（ｎ−１）φ／ｆ４ ……(15） さらに本実施例の構成においては、光導入部３の正のパ
ワーを持つ第３の正レンズ２の焦点距離ｆ３と光取り出
し部１１の正のパワーを持つ第４の正レンズ９の焦点距
離ｆ４は次の条件式(16)を満たすことが望ましい。

【００９２】 ０．５＜Ｄｉ・ｆ４／（Ｄｏ・ｆ３）＜１０ ……(16) 但し、Ｄｉは光導入用シングルモードファイバ１のモー
ドフィールド径、Ｄｏは光取り出し用シングルモードフ
ァイバ１０のモードフィールド径である。

【００９３】この条件式(16)は、光取り出し部１１のシ
ングルモードファイバ１０への光の結合効率を大幅に下
げないための条件である。光導入用シングルモードファ
イバ１０の端面での光のモードフィールド径Ｄｉと光取
り出し部１１の第４の正レンズ９を介して集光される光
の最小スポットサイズ（ウエストサイズ）Ｗｏは、第１
の回折格子４と第２の回折格子８の間の光学系がほぼ１
倍系のアフォーカル光学系であることを考慮すると、次
式のように近似できる。

【００９４】Ｗｏ＝Ｄｉ・ｆ４／ｆ３ 第４の正レンズ９で集光した光を光取り出し用シングル
モードファイバ１０へ効率よく結合するには、光取り出
し用シングルモードファイバ１０ヘ集光させたときの光
のスポットサイズＷｏと光取り出し用シングルモードフ
ァイバ１０のモードフィールド径Ｄｏとをできるだけ一
致させるのが良い。

【００９５】Ｄｉ・ｆ４／（ｆ３・Ｄｏ）＞１０になる
と、光取り出し用シングルモードファイバ１０ヘ集光さ
せたときの光のスポットサイズＷｏが、ファイバのモー
ドフィールド径Ｄｏよりも非常に大きくなり、ファイバ
ヘの光の結合効率が大幅に下がる不具合が発生する。

【００９６】また、Ｄｉ・ｆ４／（Ｄｏ・ｆ３）＜０．
５の場合は、光取り出し用シングルモードファイバ１０
に入射する光のＮＡが大きくなり過ぎるので、ファイバ
ヘの光の結合効率が大幅に下がる不具合が発生する。

【００９７】次に、本実施例において使用するクサビ形
状のプリズム６の大きさについて述べる。クサビ形状の
プリズム６の位置においては、第１の回折格子４と第１
の正レンズ２との作用によって光が空間的に広がってい
るが、クサビ形状のプリズム６の大きさΔＹｂｒは上記
式(2)より、 ΔＹｂｒ＝ ｆ１・Ｎ・Δλｂｒ／ｃｏｓθ ……(17) になる。

【００９８】但し、Δλｂｒは、光路長可変光学系に入
射される光の波長の広がり幅である。ＯＣＴシステムで
は、光の波長の広がりの半値全幅（ＦＷＨＭ）Δλ_FWHM
は数十ｎｍ〜百ｎｍ程度のものが使用されるので、実際
の波長の広がり幅Δλｂｒは、Δλ_FWHMの数倍と考えて
も数百ｎｍである。また、回折格子の格子周波数は数百
本／ｍｍ〜千本／ｍｍであり、正レンズの焦点距離も長
くても数百ｍｍ程度であるので、ΔＹｂｒは、数ｍｍ〜
数十ｍｍ程度になり、クサビ形状のプリズム６の大きさ
をコンパクトにすることができる。

【００９９】このため本実施例によれば、稼動部が小さ
く、制御が簡単で、光路長のスキャン範囲が広く、高速
にスキャニングが可能な透過型光路長可変光学系を達成
することができる。実施例２ 第２実施例は、第１実施例の光路長可変光学系における
第２の回折格子より後ろ側の光学要素の構成についての
変形例である。

【０１００】図５は第２実施例の光路長可変光学系にお
ける第２の回折格子より後ろ側の光学要素を示す概略構
成図である。なお、第２の回折格子８よりも前側の光学
要素は、第１実施例と同じ構成であるので図示を省略す
る。また、光路長可変光学系以外の本発明の断層観察診
断装置のその他の構成は第１実施例と同様なので、全体
のシステム図は省略する。

【０１０１】第２実施例の光路長可変光学系は、第２の
回折格子８より後ろ側が、第１のコーンレンズ１２と、
第２のコーンレンズ１３と、正のパワーを持つ第４の正
レンズ９と、光取り出し用シングルモードファイバ１０
とで構成されている。

【０１０２】なお、コーンレンズとは、片方の面が平面
で、もう片方の面が円錐状になったレンズのことであ
る。本実施例の作用を以下に説明する。

【０１０３】第１実施例の説明で光取り出し用シングル
モードファイバ１０に光を結合するためには、光取り出
し用シングルモードファイバ１０に入射する光の角度γ
を、 ＮＡ＞γ にしなければならないことは述べたが、光取り出し用シ
ングルモードファイバ１０に入射する光のスポット径が
変化しない限り、γをさらに小さく取れば光取り出し用
シングルモードファイバ１０ヘの光の結合効率が高くな
る。

【０１０４】本実施例では、第１実施例と同様に第２の
回折格子８から射出された光は、クサビ形状のプリズム
の回転に伴い、図６の符号ａで示すように楕円運動をす
る。一方、光取り出し用シングルモードファイバ１０に
入射する光の最大角度γは、楕円運動をして第４の正レ
ンズ９に入射する光の長軸の半径Ｒに対して γ＝Ｒ／ｆ４ の関係がある。

【０１０５】従って、第４の正レンズ９の焦点距離ｆ４
を長くすることでγの値を小さくすることができる。し
かし、第４の正レンズ９の焦点距離ｆ４を長くすると、
実施例１の条件式(3)に関して説明したように、第４の
正レンズ９で集光される光の最小スポットサイズ（ウエ
ストサイズ）Ｗｏが大きくなってしまい、結合効率を高
くすることができない。

【０１０６】しかし、楕円運動をして第４の正レンズ９
へ入射する光の長軸の半径Ｒを、例えば図６の符号ｂで
示すように、小さくすることができれば第４の正レンズ
９の焦点距離ｆ４を長くしなくてもγを小さくすること
が可能になり、その結果、光取り出し用シングルモード
ファイバ１０への光の結合効率を高くすることができ
る。

【０１０７】そこで本実施例では、楕円運動をして第４
の正レンズ９へ入射する光の長軸の半径Ｒを小さくする
手段として、２つのコーンレンズ１２，１３を組合せた
光学系を用いている。

【０１０８】図７(a)は２つのコーンレンズ１２，１３
の距離が近いときの光の経路であり、図７(b)は２つの
コーンレンズ１２，１３の距離が離れているときの光の
経路を表わしている。

【０１０９】２つのコーンレンズ１２，１３の間の距離
が近い場合は、Ａ面（Ｂ面）に入射した光はＣ面（Ｄ
面）に当たるため第２のコーンレンズ１３を出た光は、
第１のコーンレンズ１２に入射した光と平行にならない
ので、光り取り出し用シングルモードファイバ１０に入
射させることが出来ない。しかし、２つのコーンレンズ
１２，１３を離していくと、Ａ面（Ｂ面）に入射した光
がＤ面（Ｃ面）を通るようになり、所定量離したときに
コーンレンズ２を出た光がコーンレンズ１に入射した光
と平行になり、この後に配置されている第４の正レンズ
９によって集光されて光取り出し用シングルモードファ
イバ１０に結合させることができる。

【０１１０】図８は楕円運動をする光の、コーンレンズ
通過後のｙｚ平面と平行な方向およびｘ軸と平行な方向
の径を、第１のコーンレンズ１２と第２のコーンレンズ
１３との間の距離を変数としてとったグラフである。但
し、２つのコーンレンズ１２，１３の間の距離が近すぎ
る領域Ｖは第２のコーンレンズ１３からの射出光が発散
するので表示していない。この領域Ｖでは、図７を用い
て説明したように、光が光取り出し用シングルモードフ
ァイバ１０に結合されない。しかし、２つのコーンレン
ズ１２，１３の間の距離を少しずつ離していくと、図８
の矢印Ｗで示すように、第２のコーンレンズ１３を通過
後の楕円運動をする光の長軸方向および短軸方向の径を
第１のコーンレンズ１２を通過前の径に比べて小さくす
ることができる領域が存在する。

【０１１１】そして、本実施例では、第１のコーンレン
ズ１２および第２のコーンレンズ１３の間隔を前記した
楕円運動をする光の長軸方向および短軸方向の径を小さ
くなるところに設定している。このため、第４の正レン
ズ９の焦点距離が短くても、光取り出し用シングルモー
ドファイバ１０ヘの光の入射角γを小さくすることがで
き、光取り出し用シングルモードファイバ１０ヘの光の
結合効率を大幅に向上させることができる。

【０１１２】なお、本実施例では２つのコーンレンズ１
２，１３を組合せて楕円運動をする光の径を小さくした
が、図９に示すように、両面が円錐形状に形成された１
つのコーンレンズ１２’をコーンレンズ１２，１３の代
わりに用いても同様の効果が得られる。実施例３ 第３実施例は、第１実施例の光路長可変光学系における
位相変調素子であるクサビ形状のプリズムを別の光学要
素に置き換えた例である。

【０１１３】図１０は本実施例の光路長可変光学系の概
略構成図である。なお、光路長可変光学系以外の本発明
の断層観察診断装置のその他の構成は第１実施例と同様
なので全体のシステム図は省略する。

【０１１４】本実施例の光路長可変光学系は、光導入用
シングルモードファイバ１と正のパワーを持つ第３の正
レンズ２とからなる光導入部３と、光のスペクトルを空
間的に分散させるスペクトル分散要素である第１の回折
格子４と正のパワーを持つ第１の正レンズ５とのペア
と、前記スペクトル分散要素で分散させられた光を角振
動数に対して略線形に位相を変化させる位相変調素子で
あるプリズム６’と、前記位相変調をかけられかつ空間
的に分散させられた光を１つの光路に統一させるスペク
トル統一要素である正のパワーを持つ第２の正レンズ７
と第２の回折格子８とのペアと、正のパワーを持つ第４
の正レンズ９と光取り出し用シングルモードファイバ１
０とからなる光取り出し部１１とで構成され、これらの
光学要素が光学的に接続されている。

【０１１５】また、本実施例では、第１の正レンズ５と
第２の正レンズ７には、焦点距離が同じレンズが使用さ
れており、かつ、第１の正レンズ５と第２の正レンズ７
は、光軸が一致するように配置されている。また、第１
の回折格子４は、第１の正レンズ３の前側焦点位置に、
プリズム６’は、第１の正レンズ５の後側焦点と第２の
正レンズ７の前側焦点位置に、第２の回折格子８は、第
２の正レンズ７の後側焦点位置にほぼ一致するように、
それぞれ配置されている。

【０１１６】プリズム６’は図１１に示すように、光透
過性の液体を少なくとも２枚の表面が平らな光透過性の
ガラス板である、ガラス１４，１５で挟んだ態様で構成
され、２枚の光透過性のガラス板のなす角度φを時間と
ともに変化させることができるようになっており、第１
の回折格子４側のガラス１４は固定され、第２の回折格
子８側のガラス１５を第１の回折格子４及び第２の回折
格子８の格子と同じ方向を向いた軸Ｃに対して振動させ
ることができるようになっている。

【０１１７】ガラス１５の振動のさせかたとしては、例
えばガルバノ機構をつけた軸にガラス１５を取り付ける
方法があるが、ガラス１４とガラス１５とのなす角度を
変えることができればその他の方法を用いても構わな
い。

【０１１８】本実施例の位相変調素子であるプリズム
６’による群遅延について詳しく述べる。本実施例で
は、第１実施例と同様の座標系を取ると、ガラス１５の
振動軸Ｃを通る光と高さＹを通る光の光路長差Ｚは Ｚ＝（ｎ−１）・Ｙ・φ になる。

【０１１９】ここで、ｎは光透過性液体の屈折率、φは
プリズム６’のガラス１４とガラス１５とのなす角度で
ある。従って、中心波長の光がプリズム６’を通る高さ
をＹ、Ｎを格子の空間周波数（格子の間隔の逆数）、θ
を第１の回折格子４の後ろ側の面の法線と中心波長の光
が射出される光とのなす角度、λｏを低コヒーレンス光
源の中心波長、ｆを第１の正レンズ５および第２の正レ
ンズ７の焦点距離とすると、角振動数ωｏの光と角振動
数ω＝ωｏ＋Δωの光との位相差Ψ（ω）は、次式(18)
で表すことができる。

【０１２０】 Ψ（ω）＝Ｙｏ・（ｎ−１）・ω・φ／ｃ −２π・（ｎ−１）・ｆ・Ｎ・φ・Δω／（ωｏ・ｃｏｓθ） ……(18) 従って、式(18)よりガラス１４とガラス１５とのなす角
度がφであるプリズム６’は、光の角振動数ωに対して
位相を線形に変化させていることになるため、プリズム
６’は、群遅延量を変化させる作用があることがわか
る。

【０１２１】ここで、第１実施例と同様にプリズム６’
による位相変調と群遅延量の変化、中心周波数のシフト
についての考察をおこなうと、群遅延距離Ｌｇと位相遅
延距離Ｌｐ、光の中心集周波数のシフト量ΔＦは、次式
(19)〜(21)のようになる。

【０１２２】 Ｌｇ＝−（ｎ−１）・Ｙｏ・φ＋（ｎ−１）・ｆ・Ｎ・（λｏ／ｃｏｓθ）・ φ ……(19) Ｌｐ＝（ｎ−１）・Ｙｏ・φ ……(20) ΔＦ＝−（ｎ−１）・Ｙｏ・ｄφ／ｄｔ ……(21) 以上の結果より、ガラス１４とガラス１５とのなす角度
φを時間的に変化させれば群遅延量を変化させることが
でき、結果として光断層構造観測装置の参照側の光路長
を変えることができることがわかる。

【０１２３】また、ガラス１５の振動軸Ｃと中心波長の
光が通る位置とをずらすことによって位相遅延量を時間
的に変化させて、ドップラーシフトを発生させ、これを
サンプル側の信号と合成することで、ビート信号を発生
させ、光ヘテロダイン検出が可能になる。

【０１２４】ガラス１４とガラス１５とのなす角度φの
時間的な変化のさせかたとしては、例えば、正弦波、三
角波などが考えられる。本実施例では、ガラス１４とガ
ラス１５とのなす角度φが変化すると、第２の回折格子
８から射出される光は、図１２に示すように直線上を動
くようになる。このため、第４の正レンズ９を通過し
て、光取り出し用シングルモードファイバ１０ヘ入射す
る光の入射角γが変化する。

【０１２５】従って、第４の正レンズ９からの射出光を
光取り出し用シングルモードファイバ１０に結合させる
ためには、第２の正レンズ７の焦点距離ｆ２と第４の正
レンズ９の焦点距離ｆ４が次の条件式(22)を満足するよ
うにするのが望ましい。

【０１２６】 ＮＡ＞ｆ２（ｎ−１）Δφｍａｘ／（２・ｆ４） ……(22) 但し、Δφｍａｘは前記２つの光透過性の板であるガラ
ス１４と１５とのなす角度φの変化量の最大値である。

【０１２７】上記条件式(22)を満たさない場合は、プリ
ズム６’のガラス１４とガラス１５とのなす角度φを変
化させたときに、光取り出し用シングルモードファイバ
１０ヘ入射する光の入射角γが大きくなりすぎて光が光
取り出し用シングルモードファイバ１０に結合されなく
なる部分が出てくる。

【０１２８】ガラス１４とガラス１５とのなす角度φを
変化させたときに光取り出し用シングルモードファイバ
１０ヘの光の結合効率をより上げるためには、次の条件
式(23)を満たすことが望ましい。

【０１２９】 ０．７ＮＡ＞ｆ２（ｎ−１）Δφｍａｘ／（２・ｆ４） ……(23) また、第１実施例と同様な議論から、光取り出し用シン
グルモードファイバ１０のモードフィールド径と第４の
正レンズ９で集光する光のスポットサイズとの差を小さ
くして、光取り出し用シングルモードファイバ１０への
光の結合効率を大幅に下げないために、光導入部３の第
３の正レンズ２の焦点距離ｆ３と光取り出し部１１の第
４の正レンズ９の焦点距離ｆ４とを次の条件式(24)を満
たすように設定することが望ましい。

【０１３０】 ０．５＜Ｄｉ・ｆ４／（Ｄｏ・ｆ３）＜１０ ……(24) 但し、Ｄｉは光導入部３のシングルモードファイバ１の
モードフィールド径、Ｄｏは光取り出し部１１のシング
ルモードファイバ１０のモードフィールド径である。

【０１３１】本実施例では、ガラス１５を振動させる角
度を大きくとらなくても第１の正レンズ５および第２の
正レンズ７の焦点距離ｆを大きく取れば光路長のスキャ
ン幅を大きくとることができるので、ガラスを振動させ
るときの角度が数十ミリラジアン程度の小さい角度でも
って十分に広いスキャンがおこなえる。

【０１３２】ガラスの振動量が小さいと、ガラスを高速
に振動させることができるとともに制御も安定して行な
えるというメリットがある。したがって、本実施例のよ
うなプリズムを使用すれば、稼動部が小さく、制御が簡
単で、光路長のスキャン範囲が広く、高速にスキャニン
グが可能な透過型光路長可変光学系を達成することがで
きる。

【０１３３】なお、本実施例ではガラス１４を固定し、
ガラス１５を振動させるように構成したが、ガラス１４
を振動させ、ガラス１５を固定するように構成しても、
或いは、ガラス１４とガラス１５の両方を同時に振動さ
せるように構成しても、同様の効果が得られる。実施例４ 第４実施例は、第３実施例における第２の回折格子８よ
り後ろ側の光取り出し部１１の構成のみを変えた例であ
る。

【０１３４】図１３は本実施例の光路長可変光学系にお
ける第２の回折格子８より後ろ側の光学要素の構成を示
す概略構成図であり、(a)は第２軸から見た図、(b)は第
１軸から見た図を夫々示している。

【０１３５】但し、本実施例では、第２軸をスペクトル
分散要素によって空間的に分散させられた光の方向に垂
直な方向、すなわち、第１の回折格子の格子の方向と平
行な方向にとり、第２軸に垂直な方向に第１軸をとって
いる。

【０１３６】なお、第２の回折格子８よりも前側の光学
要素は、第１実施例と同じ構成であるので図示を省略す
る。また、光路長可変光学系以外の本発明の断層観察診
断装置のその他の構成も第１実施例と同様なので全体の
システム図は省略する。

【０１３７】本実施例の第２の回折格子８より後ろ側の
光取り出し部１１’は、第１軸の方向に正のパワーを持
ち第１軸に垂直な第２軸の方向にパワーを持たないレン
ズ１６と、第１軸の方向にパワーを持たず第２軸の方向
に正のパワーを持つレンズ１７と、光取り出し用シング
ルモードファイバ１０とで構成されている。

【０１３８】レンズ１６は、後ろ側の面が平面で前側の
面が第２軸の方向と平行な方向を軸として円筒形状に形
成されたシリンドリカルレンズである。また、レンズ１
７は、後ろ側の面が平面で前側の面が第１軸の方向と平
行な方向を軸として円筒形状に形成されたシリンドリカ
ルレンズである。

【０１３９】レンズ１６およびレンズ１７は、第１軸方
向のビームウエスト位置と、第２軸方向のビームウエス
ト位置が光取り出し用シングルモードファイバ１０の端
面とほぼ一致するように配置されている。

【０１４０】レンズ１６およぴレンズ１７の焦点距離は
次のように設定することが望ましい。光取り出し部１１
‘のシングルモードファイバ１０に光を結合するため
に、レンズ１６の第１軸方向の焦点距離ｆ４ａが次の条
件式(25)を満足するようにする。

【０１４１】 ＮＡ＞ｆ２（ｎ−１）Δφｍａｘ／（２・ｆ４ａ） ……(25) 但し、Δφｍａｘは前記２つの光透過性の板のなす角度
φの変化量の最大値である。

【０１４２】上記条件式(25)を満たさない場合は、図１
０に示すプリズム６’のガラス１４とガラス１５とのな
す角度φが大きくなったときに光取り出し用シングルモ
ードファイバ１０に入射する光の入射角が大きくなりす
ぎるため、入射光のうち光取り出し用シングルモードフ
ァイバ１０に結合されない部分ができてしまう。

【０１４３】さらに、光取り出し用シングルモードファ
イバ１０ヘの光の結合効率を大幅に下げないために、光
導入部の第３の正レンズの焦点距離ｆ３、光取り出し部
１１’のレンズ１６の第１軸方向の焦点距離ｆ４ａ、レ
ンズ１７の第２軸方向の焦点距離ｆ４ｂを次の条件式(2
6)，(27)を満たすように設定することが望ましい。

【０１４４】 ０．２５＜Ｄｉ・ｆ４ａ／（Ｄｏ・ｆ３）＜１０ ……(26) ０．５＜Ｄｉ・ｆ４ｂ／（Ｄｏ・ｆ３）＜５ ……(27) 但し、Ｄｉは光導入部のシングルモードファイバのモ−
ドフィールド径、Ｄｏは光取り出し部のシングルモード
ファイバ１０のモードフィールド径である。

【０１４５】群遅延距離Ｌｇの変化量を大きく取るため
には、上記式(19)より第２の正レンズの焦点距離ｆ２を
長くするか、前記２つの光透過性の板であるガラス１
４，１５のなす角度φの変化量の最大値Δφｍａｘを大
きくする必要がある。光路長可変光学系の光取り出し部
１１’のレンズ１６，１７に通常のレンズを使用する場
合において、ｆ２やΔφｍａｘを大きくしたときは、上
記条件式(22)を満たすために光取り出し部１１’のレン
ズ１６，１７の焦点距離を長くする必要がある。

【０１４６】しかし、レンズ１６，１７の焦点距離を長
くすると、図１４(a)に示すように、光取り出し部１
１’のシングルモードファイバ１０のファイバ端面での
光のスポットサイズがシングルモードファイバ１０のモ
ードフィールド径に比べて大きくなりすぎてしまうの
で、シングルモードファイバ１０ヘの光の結合効率が落
ちてしまう。

【０１４７】そこで、本実施例のように第１軸方向と第
２軸方向のパワーを独立に設定できるようにして、光が
振れる第１軸の方向では、レンズ１６の第１軸の方向の
焦点距離を上記条件式(25)，(26)に合うように設定し、
光が振れない第２軸の方向では、レンズ１７の第２軸の
方向の焦点距離を上記条件式(27)に合うように設定する
と、光取り出し部のファイバ端での光のスポット形状が
図１４(b)に示すようになり、スポットサイズが光取り
出し部１１’のシングルモードファイバ１０のモードフ
ィールド径に極力近づいて、ファイバーヘの光の結合効
率が大幅に向上する。

【０１４８】このため、本実施例によれば、光路長のス
キャン幅を大きくし、かつ、光取り出し部のファイバー
ヘの結合効率が高い光路長可変光学系を達成できる。実施例５ 実施例５は、第３実施例のプリズム６’の部分を第１の
プリズムと第２のプリズムに置き換えて構成した例であ
る。

【０１４９】図１５は本実施例の光路長可変光学系を示
す概略構成図である。なお、光路長可変光学系以外の本
発明の断層観察診断装置のその他の構成は第１実施例と
同様なので全体のシステム図は省略する。

【０１５０】本実施例の光路長可変光学系は、光導入用
シングルモードファイバ１と正のパワーを持つ第３の正
レンズ２とからなる光導入部３と、光のスペクトルを空
間的に分散させるスペクトル分散要素である第１の回折
格子４と正のパワーを持つ第１の正レンズ５のペアと、
前記スペクトル分散要素で分散させられた光を角振動数
に対して略線形に位相を変化させる位相変調素子である
前側のプリズム１８と、光路補正用の後ろ側のプリズム
１９と、前記位相変調をかけられかつ空間的に分散させ
られた光を１つの光路に統一させるスペクトル統一要素
である正のパワーを持つ第２の正レンズ７と第２の回折
格子８のペアと、正のパワーを持つ第４の正レンズ９と
光取り出し用シングルモードファイバ１０とからなる光
取り出し部１１とで構成され、これらは光学的に接続さ
れている。

【０１５１】また、本実施例では、第１の正レンズ５と
第２の正レンズ７には、焦点距離が同じレンズが使用さ
れている。また、第１の回折格子４は、第１の正レンズ
３の前側焦点位置に、前側のプリズム１８は、第１の正
レンズ５の後側焦点と第２の正レンズ７の前側焦点位置
に、第２の回折格子８は、第２の正レンズ７の後側焦点
位置にほぼ一致するように、それぞれ配置されている。

【０１５２】前側のプリズム１８は、光透過性素材のガ
ラスでできたクサビ形状のプリズムであり、図１６に矢
印で示すように、プリズムを光が進行している方向及び
光のスペクトルが空間的に分散されている方向のいずれ
に対しても略垂直な方向を軸として振動させることによ
り、時間の経過とともに群遅延量を変化させて、光路長
を変化させることができるようになっている。

【０１５３】前側のプリズム１８を振動させる方法とし
ては、例えば、ガルバノ機構を付けた軸に前側のプリズ
ム１８を取り付ける方法があるが、その他の方法を用い
ても構わない。

【０１５４】また、光路補正用の後ろ側のプリズム１９
は、前側のプリズム１８を介して大きく曲げられた光の
進行方向を元の方向に近づけるためのものであり、本実
施例では、前側のプリズム１８と同じクサビ角で、同じ
屈折率のものが、前側のプリズム１８の直後に上下逆向
きにして配置されている。また、後ろ側のプリズム１９
は、稼動部を備えてなく固定されている。

【０１５５】図１７は第１の回折格子４に対する前側の
プリズム１８の傾き角を変化させたときの、前側のプリ
ズム１８に入射する光の位置に関する位相の傾き量を示
すグラフである。

【０１５６】図１７より、前側のプリズム１８の傾き角
を変えると、位相の傾き量が変化することがわかる。本
実施例の構成では、前側のプリズム１８の近傍では第１
の回折格子４を介して光が角振動数の成分によって空間
的に分散されているため、前側のプリズム１８の傾き角
を時間の経過とともに変えて、位相の傾き量を時間の経
過とともに変化させることによって群遅延量が変化し、
結果的に光路長を変化させることができるようになって
いる。

【０１５７】本実施例では、前側のプリズム１８を高速
で振動させるために前側のプリズム１８を振動させる角
度を数十ミリラジアンと小さくしても、第１の正レンズ
５および第２の正レンズ７の焦点距離を長くするか、第
１の回折格子４及び第２の回折格子８の格子周波数を高
くするか、回折格子を傾けて光の分散量を大きくするこ
とによって群遅延距離を増幅することができるので、高
速で光路長の振れ幅が広い光路長可変光学系を達成する
ことができる。

【０１５８】なお、本実施例では、第２の回折格子８よ
りも後ろ側に配置された第４の正レンズ９に通常の軸対
称のレンズを用いたが、第４実施例と同様にシリンドリ
カルレンズで構成すれば、光取り出し部のファイバへの
結合効率がより高い光路長可変光学系が得られる。

【０１５９】また、図１８に示すように、クサビ形状を
した後ろ側のプリズム１９’を第１の正レンズ５の後ろ
側焦点位置と第２の正レンズ７の前側焦点位置にほぼ一
致するように配置し、後ろ側のプリズム１９’と同じク
サビ角、同じ屈折率のクサビ形状の前側のプリズム１
８’を後ろ側のプリズム１９’の直前に配置し、前側の
プリズム１８’を固定して、後ろ側のプリズム１９’を
光が進行している方向及び光のスペクトルが空間的に分
散されている方向のいずれに対しても略垂直な方向を軸
として振動させても本実施例と同様な効果が得られる。実施例６ 本発明の光断層構造観測装置およびそれに用いられる光
路長可変光学系の第６実施例を図１９〜図２１に示す。

【０１６０】図１９は本実施例の光路長可変光学系を用
いた光断層構造観測装置のシステム図、図２０は本実施
例の光路長可変光学系の概略構成図、図２１は本実施例
の光路長可変光学系を構成するクサビ形状のプリズムの
配置を示す説明図である。

【０１６１】本実施例のＯＣＴシステムは、マハツェン
ダー型干渉計を基本としている。図１９に示すように、
本実施例の光断層構造観測装置では、低コヒーレンス光
源２１から射出された光は、シングルモードファイバ２
２を通り第１のカップラー２３へと導かれ、導かれた光
は、第１のカップラー２３を介してサンプル側と参照側
とに分離される。

【０１６２】サンプル側に分離された光は、シングルモ
ードファイバ２４、光サーキュレータ２５、シングルモ
ードファイバ２６、サンプル側先端光学系２７を経て被
写体（測定対象）２８に照射される。被写体２８で反射
された光は、再びサンプル側先端光学系２７、シングル
モードファイバ２６を経て、光サーキュレータ２５へ戻
ってくる。光サーキュレータ２５へ戻ってきたサンプル
側の光は、第２の音響光学素子（ＡＯＭ）４０へつなが
っているシングルモードファイバ３０の方へ選択的に導
かれ、第２のＡＯＭ４０を通った後にシングルモードフ
ァイバ４２を介して第２のカップラー２９へと導かれ
る。

【０１６３】一方、参照側に分離された光は、光路長可
変光学系３１’への光導入用シングルモードファイバ３
２を介して光路長可変光学系３１’まで導かれる。光路
長可変光学系３１’に入射した光は光路長が変化させら
れた後に、光取り出し用のシングルモードファイバ３３
に取込まれ、第１の音響光学素子（ＡＯＭ）４１を通っ
た後にシングルモードファイバ４３を介して第２のカッ
プラー２９へと導かれる。

【０１６４】サンプル側経路から導かれた光と参照側経
路から導かれた光とは、第２のカップラー２９で合成さ
れ、それにより生じる干渉信号が第２のカップラー２９
から出力される。第２のカップラー２９で合成されて生
じた干渉信号は、シングルモードファイバー３５，３６
を介して第１のディテクター３７，第２のディテクター
３８へと分配されて導かれる。第１のディテクター３７
と第２のディテクター３８では、それぞれ光の強度の検
出が行なわれる。第１のディテクター３７と第２のディ
テクター３８とで差分ディテクター３９を構成してお
り、干渉信号を検出するときには、干渉信号の成分のみ
が出力され、それ以外の成分（直流成分）は除去される
ようになっている。

【０１６５】この光断層構造観測装置に用いられる本実
施例の光路長可変光学系３１’は、図２０に示すよう
に、第１実施例と異なり、クサビ形状のプリズム６の回
転軸と中心波長の主光線が通る位置とを一致させてい
る。なお、それ以外の構成は第１実施例と同じである。

【０１６６】すなわち、本実施例の光路長可変光学系３
１’は、光導入用シングルモードファイバー１と正のパ
ワーを持つ第３の正レンズ２とからなる光導入部３と、
光のスペクトルを空間的に分散させるスペクトル分散要
素である第１の回折格子４と正のパワーを持つ第１の正
レンズ５のペアと、前記スペクトル分散要素で分散させ
られた光を角振動数に対して略線形に位相を変化させる
位相変調素子であるクサビ形状のプリズム６と、前記位
相変調をかけられかつ空間的に分散させられた光を１つ
の光路に統一させるスペクトル統一要素である正のパワ
ーを持つ第２の正レンズ７と第２の回折格子８のペア
と、正のパワーを持つ第４の正レンズ９と光取り出し用
シングルモードファイバ１０とからなる光取り出し部１
１とで構成され、これらは光学的に接続されている。

【０１６７】クサビ形状のプリズム６は、光を透過する
素材であるガラスでできている。また本実施例では、第
１の正レンズ５と第２の正レンズ７には、焦点距離が同
じレンズが使用されており、かつ、第１の正レンズ５と
第２の正レンズ７は、光軸が一致するように配置されて
いる。また、第１の回折格子４は、第１の正レンズ３の
前側焦点位置に、クサビ形状のプリズム６は、第１の正
レンズ５の後側焦点と第２の正レンズ７の前側焦点位置
に、第２の回折格子８は、第２の正レンズ７の後側焦点
位置にほぼ一致するように、それぞれ配置されている。

【０１６８】クサビ形状のプリズム６は、光の進行方向
に対して略平行な方向を軸として回転可能に設けられて
いる。また、クサビ形状のプリズム６の回転軸は、図２
１に示すように、光導入部３から導入される光の中心波
長の光の主光線が通る位置と一致している。

【０１６９】また、クサビ形状のプリズム６の向きは、
クサビ形状のプリズム６を回転させたときにクサビ形状
のプリズム６の前側の面の法線単位ベクトルＮ１および
後側の面の法線単位ベクトルＮ２のｘｙ平面側への正射
影のベクトルＰ１，Ｐ２の絶対値が変化しないようにし
てある。

【０１７０】但し、法線単位ベクトルＮ１，Ｎ２は、ｚ
軸とクサビ形状のプリズム６の前側または後ろ側の面と
の交点を基点として、ベクトルＮ１又はＮ２と光の進行
方向のなす角度が鋭角になる方向に取ることとする。

【０１７１】本実施例の群遅延距離Ｌｇ、位相遅延距離
Ｌｐ、光の中心周波数のシフト量ΔＦは、第１実施例で
導いた式(7),(8)等において、クサビ形状プリズムの回
転軸が中心波長の光の主光線が通る位置と一致させてあ
る条件 Ｙｏ＝ ０とおいた値と一致する。

【０１７２】すなわち、次式(34)〜(36)となる。 Ｌｇ＝ （Ｋ／ｃｏｓθ）・ｆ・Ｎ・λｏ・ｃｏｓα ……(34) Ｌｐ＝ ０ ……(35) ΔＦ＝ ０ ……(36) 上記式(34)〜(36)より、本実施例では、クサビ形状のプ
リズム６が回転すると光路長は変化するが、光の中心周
波数のシフトは起こらないことがわかる。

【０１７３】なお、光ヘテロダイン検出をおこなうため
には、参照側とサンプル側の少なくとも一方で光の周波
数のシフトをおこなう必要がある。第１〜５実施例はこ
れを光路長可変光学系３１でおこなっていたが、本実施
例においては、光ヘテロダイン検出をおこなうための光
の周波数のシフトを参照側の第１の音響光学素子（ＡＯ
Ｍ）４１とサンプル側の第２の音響光学素子（ＡＯＭ）
４０とでおこなっている。第１のＡＯＭ４１および第２
のＡＯＭ４０における光の周波数シフト量をそれぞれＦ
ａ１，Ｆａ２、光源の中心周波数をＦｏとすると、第１
のＡＯＭ４１を通過後の参照側の光の中心周波数はＦｏ
＋Ｆａ１、第２のＡＯＭ４０を通過後のサンプル側の光
の中心周波数はＦｏ＋Ｆａ２となるので、本実施例で得
られる干渉光のビート信号の周波数Ｆｂは、 Ｆｂ ＝｜Ｆａ１−Ｆａ２｜ となる。

【０１７４】一般にＡＯＭの周波数のシフト量Ｆａ１お
よびＦａ２は一定であるので、干渉光のビート周波数Ｆ
ｂも一定になる。そして、ビート周波数が一定の場合、
干渉信号が電気信号に変換された後のバンドパスフィル
ターの帯域を狭くすることができＳＮ比を向上させるこ
とができる。

【０１７５】一方、第１〜５実施例の構成によれば、光
路長可変光学系が光の中心角振動数をシフトさせる光学
要素を兼ねているので、構成が簡単で安価なシステムが
構築できるというメリットがある。

【０１７６】なお、本第６実施例では音響光学素子を参
照側とサンプル側の両方に配置しているが、音響光学素
子を参照側とサンプル側のいずれか一方に配置して構成
しても本実施例と同様の効果が得られる。

【０１７７】また、光取り出し部を第２実施例と同様の
コーンレンズを使用して構成しても同様な効果が得られ
る。さらに、本実施例では光路長可変光学系３１’にお
ける位相変調素子としてクサビ形状のプリズム６を使用
したが、実施例３、４、５と同様の光路長可変光学系で
用いている位相変調素子及び光取り出し部の構成を用い
ても、位相変調素子の位相が変化しない位置と、中心角
振動数の光が通る位置とを合わせることによって、本実
施例と同様の効果が得られる。

【０１７８】以上説明したように、本発明による光路長
可変光学系及びそれを用いた装置は、特許請求の範囲に
記載された特徴のほかに下記に示すような特徴も備えて
いる。 （１）光導入部と、前記光導入部から導入された光のス
ペクトルを空間的に分散させるスペクトル分散要素と、
前記スペクトル分散要素で分散させられた光を角振動数
に対して略線形に位相を変調させる位相変調素子と、前
記位相変調素子を介して位相変調をかけられかつ空間的
に分散させられた光を１つの光路に統一させるスペクト
ル統一要素と、前記光導入部とは別個に設けられた光取
り出し部とで構成され、前記これらの要素が、互いに光
学的に接続され、かつ前記位相変調素子の光の角振動数
に対する位相変調量の傾きを時間の経過とともに変化さ
せるようにしたことを特徴とする光路長可変光学系。 （２）前記スペクトル分散要素が、第１の回折格子と第
１の正レンズとで構成されており、前記スペクトル統一
要素が、第２の回折格子と第２の正レンズとで構成され
ていることを特徴とする上記（１）に記載の光路長可変
光学系。 （３）前記光導入部が、前記光路長可変光学系の外部か
ら該光路長可変光学系に光を取り入れるための光導入用
シングルモードファイバーと第３の正レンズとで構成さ
れ、前記光取り出し部が第４の正レンズと前記光路長可
変光学系の外部へ光を取り出すための光取り出し用シン
グルモードファイバーとで構成されていることを特徴と
する請求項１に記載の光路長可変光学系。 （４）前記第２の正レンズの焦点距離と前記第４の正レ
ンズの焦点距離が次の条件式(11)を満たすことを特徴と
する上記（３）に記載の光路長可変光学系。

【０１７９】 ＮＡ ＞ ｆ２（ｎ−１）φ／ｆ４ ……(11) 但し、ｆ２は第２の正レンズの焦点距離、ｆ４は第４の
正レンズの焦点距離、ｎはクサビ形状のプリズムの屈折
率、φはクサビ形状のプリズムのクサビの角度、ＮＡは
光取り出し用シングルモードファイバの開口数である。 （５）前記第２の回折格子と前記第４の正レンズとの間
に少なくとも１つのコーンレンズが設けられていること
を特徴とする上記（３）に記載の光路長可変光学系。 （６）前記光導入部が、前記光路長可変光学系の外部か
ら該光路長可変光学系に光を取り入れるための光導入用
シングルモードファイバーと正のパワーを持つ第３の正
レンズとで構成され、前記光取り出し部が、第１軸の方
向に正のパワーを持ちかつ前記第１軸に垂直な第２軸の
方向にパワーを持たないレンズと、前記第１軸の方向に
パワーを持たず前記第２軸の方向に正のパワーを持つレ
ンズと、前記光路長可変光系の外部へ光を取り出すため
の光取り出し用シングルモードファイバーとで構成され
ており、前記第２軸が前記スペクトル分散要素を介して
光が空間的に分散させられる方向に対して垂直な方向を
向いていることを特徴とする請求項２に記載の光路長可
変光学系。 （７）前記光導入部が、前記光路長可変光学系の外部か
ら該光路長可変光学系に光を取り入れるための光導入用
シングルモードファイバーと正のパワーを持つ第３の正
レンズとで構成され、前記光取り出し部が、正のパワー
を持つ第４の正レンズと前記光路長可変光学系の外部へ
光を取り出すための光取り出し用シングルモードファイ
バーとで構成されていることを特徴とする請求項２に記
載の光路長可変光学系。 （８）前記第２の正レンズの焦点距離と前記第４の正レ
ンズの焦点距離とが次の条件式(22)を満たすことを特徴
とする上記（７）に記載の光路長可変光学系。

【０１８０】 ＮＡ ＞ ｆ２・（ｎ−１）・Δφmax／（２・ｆ４）……(22) 但し、ｆ２は第２正レンズの焦点距離、ｆ４は第４の正
レンズの焦点距離、ｎは光透過性液体の屈折率、Δφma
xは２つの光透過性の板のなす角度φの変化量の最大
値、ＮＡは光取り出し用シングルモードファイバの開口
数である。 （９）前記位相変調素子であるクサビ形状プリズムと前
記第２正レンズとの間に前記クサビ形状プリズムのクサ
ビの角度と屈折率と同一のクサビの角度と屈折率を有す
るクサビ形状プリズムが配置されていることを特徴とす
る請求項３に記載の光路長可変光学系。 （１０）前記位相変調素子であるクサビ形状プリズムと
前記第１正レンズとの間に前記クサビ形状プリズムのク
サビの角度と屈折率と同一のクサビの角度と屈折率を有
するクサビ形状プリズムが配置されていることを特徴と
する請求項３に記載の光路長可変光学系。 （１１）前記光導入部が、前記光路長可変光学系の外部
から該光路長可変光学系に光を取り入れるための光導入
用シングルモードファイバーと正のパワーを持つ第３の
正レンズとで構成され、前記光取り出し部が、正のパワ
ーを持つ第４の正レンズと前記光路長可変光学系の外部
へ光を取り出すための光取り出し用シングルモードファ
イバーとで構成されていることを特徴とする請求項３、
上記（９）、（１０）のいずれかに記載の光路長可変光
学系。 （１２）前記光導入部が、前記光路長可変光学系の外部
から該光路長可変光学系に光を取り入れるための光導入
用シングルモードファイバーと正のパワーを持つ第３の
正レンズとで構成され、前記光取り出し部が、第１軸の
方向に正のパワーを持ちかつ前記第１軸に垂直な第２軸
の方向にパワーを持たないレンズと、前記第１軸の方向
にパワーを持たず前記第２軸の方向に正のパワーを持つ
レンズと、前記光路長可変光学系の外部へ光を取り出す
ための光取り出し用シングルモードファイバーとで構成
されており、前記第２軸が、前記スペクトル分散要素を
介して光が空間的に分散させられる方向に対して垂直な
方向を向いていることを特徴とする請求項３、上記
（９）、（１０）のいずれかに記載の光路長可変光学
系。 （１３）コヒーレンス長が短い光を発生させる光源から
の光を光分離手段を介してサンプル側経路と参照側経路
とに分離し、前記参照側経路に導かれた光を光合成手段
へ導き、前記サンプル側経路に導かれた光を集光レンズ
で被写体に集光し、前記被写体で散乱又は反射された光
を前記集光レンズを通った後に前記光合成手段に導き、
前記参照側経路を通った光と前記サンプル側経路を通っ
た光とを前記光合成手段で合成して干渉させ、前記干渉
信号がディテクタで検出された後に電気的処理をおこな
う装置であって、前記参照側経路中または前記サンプル
側経路中の少なくとも一方に上記（１）〜（１２）のい
ずれかに記載の光路長可変光学系を配置して前記サンプ
ル側の光の干渉する位置を時間の経過とともに変化させ
るとともに、前記参照側経路中または前記サンプル側経
路中の少なくとも一方に光の中心角振動数をシフトさせ
る光学要素を配置して参照側とサンプル側の光が干渉し
たときにビート信号を発生させて光ヘテロダイン検出を
おこなうようにしたことを特徴とする断層構造観察装
置。 （１４）前記光分離手段と前記光合成手段をそれぞれ独
立して配置してマハツェンダー干渉計を構成し、かつ前
記干渉信号を検出するディテクタを差分型ディテクタで
構成したことを特徴とする請求項４又は上記（１３）に
記載の断層構造観察装置。 （１５）前記光路長可変光学系が、光の中心角振動数を
シフトさせる光学要素を兼ねていることを特徴とする請
求項４、上記（１３）、（１４）のいずれかに記載の断
層構造観察装置。 （１６）前記光路長可変光学系と前記光の中心角振動数
をシフトさせる光学要素とが、分離されていることを特
徴とする請求項４、上記（１３）、（１４）のいずれか
に記載の断層構造観察装置。 （１７）前記光路長可変光学系が、前記光路長可変光学
系から出力される光の中心角振動数を入力される光の中
心角振動数に対してシフトさせないように構成されてい
ることを特徴とする上記（１６）に記載の断層構造観察
装置。 （１８）前記光の中心角振動数をシフトさせる光学要素
は音響光学素子であること特徴とする請求項４、上記
（１３）、（１４）、（１６）、（１７）のいずれかに
記載の断層構造観察装置。

【０１８１】

【発明の効果】本発明によれば、稼動部が小さく、制御
が簡単で、光路長のスキャン範囲が広く、高速スキャニ
ングが可能な透過型光路長可変光学系を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１〜５実施例の光路長可変光学
系を用いた光断層観測装置のシステム図である。

【図２】第１実施例の光路長可変光学系の概略構成図で
ある。

【図３】第１実施例の光路長可変光学系を構成するクサ
ビ形状のプリズムの配置及び動きを示す説明図である。

【図４】第１実施例のクサビ形状のプリズムを中心波長
の光が通るときの群遅延距離及び干渉信号のビート周波
数の時間経過の一例を示すグラフである。

【図５】第２実施例の光路長可変光学系における第２の
回折格子より後ろ側の光学要素を示す概略構成図であ
る。

【図６】クサビ形状のプリズムの回転に伴い第２の回折
格子から射出された光が楕円運動をする状態を示す説明
図である。

【図７】図７は、２つのコーンレンズの間の距離とコー
ンレンズを通過する光の経路を示す説明図であり、(a)
は２つのコーンレンズの距離が近いときの光の経路、
(b)は２つのコーンレンズの距離が離れているときの光
の経路を表わしている。

【図８】２つのコーンレンズの間の距離に対する、楕円
運動をする光の、コーンレンズ通過後のｙｚ平面と平行
な方向およびｘ軸と平行な方向の径を示すグラフであ
る。

【図９】第２実施例に用いるコーンレンズの変形例を示
す説明図である。

【図１０】第３実施例の光路長可変光学系の概略構成図
である。

【図１１】第３実施例の要部説明図である。

【図１２】第３実施例による２枚のガラスのなす角度φ
が変化したときの第２の回折格子から射出される光の状
態を示す説明図である。

【図１３】第４実施例の光路長可変光学系における第２
の回折格子より後ろ側の光学要素の構成を示す概略構成
図であり、(a)は第２軸から見た図、(b)は第１軸から見
た図を示している。

【図１４】光取り出し部のファイバ端での光のスポット
形状及びファイバのモードフィールド径の大きさを示す
説明図である。

【図１５】第５実施例の光路長可変光学系の概略構成図
である。

【図１６】第５実施例の要部説明図である。

【図１７】第５実施例における第１の回折格子に対する
前側のプリズムの傾き角を変化させたときの、前側のプ
リズムに入射する光の位置に関する位相の傾き量を示す
グラフである。

【図１８】第５実施例の変形例を示す概略構成図であ
る。

【図１９】第６実施例の光路長可変光学系を用いた光断
層構造観測装置のシステム図である。

【図２０】第６実施例の光路長可変光学系の概略構成図
である。

【図２１】第６実施例の光路長可変光学系を構成するク
サビ形状のプリズムの配置を示す説明図である。

【図２２】従来のＯＣＴシステムのシステム図である。

【図２３】従来の光路長可変光学系の概略構成図であ
る。

【図２４】直流成分と干渉信号成分の強度の比較を示す
グラフである。

【符号の説明】

１ 光導入用シングルモードファイバ ２ 第３の正レンズ ３ 光導入部 ４ 第１の回折格子 ５ 第１の正レンズ ６ クサビ形状のプリズム ６’ プリズム ７ 第２の正レンズ ８ 第２の回折格子 ９ 第４の正レンズ １０ 光取り出し用シングルモードファイバ １１ 光取り出し部 １２，１２’，１３ コーンレンズ １４，１５ ガラス １６，１７ レンズ １８，１９ プリズム ２１ 低コヒーレンス光源 ２２，２４，２６，３０ シングルモードファイ
バ ２８ 測定対象 ３１，３１’ 光路長可変光学系 ３２ 光導入用シングルモードファイバ ３３ 光取り出し用シングルモードファイバ ３５ 第１のディテクタ ３６ 第２のディテクタ ３７ 差分ディテクタ ３８ 第１の音響光学素子（ＡＯＭ） ３９ 第２の音響光学素子（ＡＯＭ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光導入部と、前記光導入部から導入され
   た光のスペクトルを空間的に分散させるスペクトル分散
   要素と、前記スペクトル分散要素で分散させられた光を
   角振動数に対して略線形に位相を変調させる位相変調素
   子と、前記位相変調素子を介して位相変調をかけられか
   つ空間的に分散させられた光を１つの光路に統一させる
   スペクトル統一要素と、前記光導入部とは別個に設けら
   れた光取り出し部とで構成され、前記これらの構成要素
   が互いに光学的に接続され、かつ前記位相変調素子の光
   の角振動数に対する位相変調量の傾きを時間の経過とと
   もに変化させるようにした光路長可変光学系であるか、 又は、該光路長可変光学系における前記スペクトル分散
   要素が第１の回折格子と第１の正レンズとで構成され、
   前記スペクトル統一要素が第２の回折格子と第２の正レ
   ンズとで構成されている光路長可変光学系であって、 前記位相変調素子が光透過性素材でできたクサビ形状の
   プリズムで構成され、該クサビ形状のプリズムを光の進
   行方向に対して略平行な方向を軸として回転させるよう
   にしたことを特徴とする光路長可変光学系。
2. 【請求項２】 光導入部と、前記光導入部から導入され
   た光のスペクトルを空間的に分散させるスペクトル分散
   要素と、前記スペクトル分散要素で分散させられた光を
   角振動数に対して略線形に位相を変調させる位相変調素
   子と、前記位相変調素子を介して位相変調をかけられか
   つ空間的に分散させられた光を１つの光路に統一させる
   スペクトル統一要素と、前記光導入部とは別個に設けら
   れた光取り出し部とで構成され、前記これらの構成要素
   が互いに光学的に接続され、かつ前記位相変調素子の光
   の角振動数に対する位相変調量の傾きを時間の経過とと
   もに変化させるようにした光路長可変光学系であるか、
   又は、該光路長可変光学系における前記スペクトル分散
   要素が第１の回折格子と第１の正レンズとで構成され、
   前記スペクトル統一要素が第２の回折格子と第２の正レ
   ンズとで構成されている光路長可変光学系であって、 前記位相変調素子が光透過性の液体を少なくとも２枚の
   表面が平らな光透過性の板で挟んだ態様で構成され、前
   記少なくとも２枚の光透過性の板がなす角度を時間とと
   もに変化させるようにしたことを特徴とする光路長可変
   光学系。
3. 【請求項３】 光導入部と、前記光導入部から導入され
   た光のスペクトルを空間的に分散させるスペクトル分散
   要素と、前記スペクトル分散要素で分散させられた光を
   角振動数に対して略線形に位相を変調させる位相変調素
   子と、前記位相変調素子を介して位相変調をかけられか
   つ空間的に分散させられた光を１つの光路に統一させる
   スペクトル統一要素と、前記光導入部とは別箇に設けら
   れた光取り出し部とで構成され、前記これらの構成要素
   が互いに光学的に接続され、かつ前記位相変調素子の光
   の角振動数に対する位相変調量の傾きを時間の経過とと
   もに変化させるようにした光路長可変光学系であるか、 又は、該光路長可変光学系における前記スペクトル分散
   要素が第１の回折格子と第１の正レンズとで構成され、
   前記スペクトル統一要素が第２の回折格子と第２の正レ
   ンズとで構成されている光路長可変光学系であって、 前記位相変調素子が少なくとも１つの光透過性素材でで
   きたクサビ形状のプリズムで構成され、該クサビ形状の
   プリズムを光のスペクトルが空間的に分散されている方
   向に対して略垂直な方向を軸として振動させるようにし
   たことを特徴とする光路長可変光学系。
4. 【請求項４】 コヒーレンス長が短い光を発生させる光
   源からの光を光分離手段を介してサンプル側経路と参照
   側経路とに分離し、 前記参照側経路に導かれた光を光合成手段へと導き、 前記サンプル側経路に導かれた光を光学系を介して被写
   体に集光し、前記被写体で散乱又は反射された光を前記
   光学系を通った後に前記光合成手段に導き、 前記参照側経路を通った光と前記サンプル側経路を通っ
   た光とを前記光合成手段で合成して干渉させ、前記干渉
   信号がディテクタで検出された後に電気的処理をおこな
   う装置であって、 前記参照側経路中または前記サンプル側経路中の少なく
   とも一方に請求項１〜３のいずれかに記載の光路長可変
   光学系を配置して前記サンプル側の光の干渉する位置を
   時間の経過とともに変化させるとともに、 前記参照側経路中または前記サンプル側経路中の少なく
   とも一方に光の中心角振動数をシフトさせる光学要素を
   配置して参照側とサンプル側の光が干渉したときにビー
   ト信号を発生させて光ヘテロダイン検出をおこなうよう
   にしたことを特徴とする断層構造観察装置。