JP2003090792A

JP2003090792A - 光断層画像化装置

Info

Publication number: JP2003090792A
Application number: JP2001286690A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Toida; 昌宏戸井田
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2003-03-28
Also published as: US20030055342A1

Abstract

(57)【要約】【課題】低コヒーレンス干渉を用いて断層情報を取得
する光断層画像化装置において、大型で高価な光源を使
用せずに、高い分解能で断層情報を取得する。【解決手段】ファイバカプラ201 において、光源部10
から出射された低コヒーレンス光を、被測定部１に照射
する信号光と、ピエゾ素子203 で周波数シフトされる参
照光とに分割し、また、被測定部１の所定の深部で反射
された信号光と参照光とを合波する。この合波された干
渉光の光強度をバランス差分検出部50で検出し、信号処
理部60で画像処理を行い、画像表示部70に光断層画像と
して表示する。モード同期Ｅｒ添加ファイバレーザから
なるパルス光源部101 から射出されるパルス光は、負分
散特性を有する零分散ファイバ111 において、スペクト
ル幅が拡大され、コヒーレンス長が短くなる。従来光源
部に使用される大型で高価なKLM,Ti:sapphire Laserが
不要になり、光源部10が小型で安価なものとなる。

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
である信号光を被測定部に照射して被測定部の断層画像
を取得する光断層画像化装置に関し、特に被測定部の表
面および深部の微細構造情報を信号光の反射光に基づい
て、画像化する光断層画像化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、低コヒーレンス光を用いた光断層
画像化装置、特に低コヒーレンス干渉光の光強度をヘテ
ロダイン検波により測定することにより、被測定部の断
層画像を取得する光断層画像化装置が、眼底網膜下の微
細構造の光断層画像の取得等に用いられている。

【０００３】この光断層画像化装置は、ＳＬＤ(Super L
uminescent Diode）等から成る光源から出射された低コ
ヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、ピエゾ素子等
により参照光の周波数を僅かにシフトさせ、信号光を被
測定部に入射させて該被測定部の所定の深度で反射した
反射光と参照光とを干渉させ、その干渉光の光強度をヘ
テロダイン検波により測定し、断層情報を取得するもの
であり、参照光の光路上に配置した可動ミラー等を微少
移動させ、参照光の光路長を僅かに変化させることによ
り、参照光の光路長と信号光の光路長が一致した、被測
定部の深度での情報を得ていた。

【０００４】このような光断層画像化装置においては、
被測定部の所望の深度における断層情報を得るために、
信号光と参照光の干渉は参照光の光路長と信号光の光路
長とが完全一致した時にのみ生じることが理想である
が、実際には信号光と参照光の光路長差が光源のコヒー
レンス長以下であれば、干渉が生じてしまう。すなわ
ち、低コヒーレンス干渉における分解能は、光源のコヒ
ーレンス長により定められるものとなる。

【０００５】コヒーレント長は、光源の種類や、発振モ
ード、あるいは雑音等により左右されるが、通常、上記
低コヒーレント光としてはパルスレーザから射出される
超短パルス光が利用され、このような超短パルス光にお
いては、パルス幅とコヒーレンス長はほぼ比例している
とみなすことができる。例えば、中心波長８００nm、パ
ルス幅２５fs（１０^−１５sec）のパルスレーザを用い
た場合、コヒーレンス長は、約１４μｍとなる。

【０００６】近年、臨床分野において、生体組織等の断
層画像の有用性が広く知られるようになり、眼球部位に
留まらず、眼球部位に比べ、光散乱の大きい生体組織の
断層画像を高い分解能で取得することが望まれるように
なった。このためには、出力が大きく、かつコヒーレン
ス長の短い低コヒーレンス光を出射可能な光源が必要で
ある。しかし、ＳＬＤでは、出力の向上が難しく、また
バンドギャップによりスペクトル幅が決まるため、スペ
クトル幅を拡げてパルス幅を狭め、コヒーレンス長を短
くすることも難しいという問題があった。また、原理的
には、通常の白色光源等から射出されるインコヒーレン
ト光を使用すれば、高い分解能で光断層画像を取得する
ことができるが、光断層画像化装置を実用的に使用する
ためには、ファイバを用いたファイバ干渉計として構成
することが望ましく、スペクトル帯域の広いインコヒー
レント光を回折限界近くに収束し、ファイバ内へ導光す
ることはほぼ不可能であるという問題があった。

【０００７】このため、例えば「Optics Letters Vol.2
1,No22 P1839-1841」(by B.E.Boumaet.al 1996）には、
光源にKLM（Kerr-Lenz Modelocked) Ti:sapphire Lase
r を備え、このレーザから射出されたパルス幅が数fsで
ある超短パルス光を利用して、高出力、短パルス幅の低
コヒーレンス光を実現し、信号光および参照光として使
用することにより、高い分解能で断層画像を取得できる
装置が提案されている。

【０００８】また、「Optics Letters Vol.26,No9 P608
-610」(by Ｉ.Hartl et.al 2001）には、光源としてKLM
（Kerr-Lenz Modelocked) Ti:sapphire Laserおよびフ
ォトニッククリスタルファイバを備え、この光源から射
出された超短パルス光を利用して、高い分解能で断層画
像を取得できる装置が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記KL
M Ti:sapphire Laser を光源に備えた光断層画像化装置
では、光源部分が大型で高価なものとなり、また、光源
部の取り扱いも難しく、実用化の面から考えると大き
さ、コスト、使い勝手等の面で問題があった。

【００１０】本発明は上記問題に鑑みてなされたもので
あり、低コヒーレンス干渉を用いてて断層画像を取得す
る光断層画像化装置において、大型で高価で取り扱いの
難しい光源を使用することなく、高い分解能で断層情報
を取得可能な光断層画像化装置を提供することを目的と
するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の光断層画
像化装置は、低コヒーレンス光を射出する光源部と、前
記低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、前記参
照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるよう
に、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数
をシフトさせ、前記信号光を被測定部に照射し、前記信
号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と前記参
照光とを干渉させる分波・合波手段と、前記反射光と参
照光の干渉光の光強度を測定し、該光強度に基づいて、
前記被測定部の光断層画像を取得する画像検出手段とを
有する光断層画像化装置において、前記光源部が、パル
ス光を射出するモード同期ファイバレーザと、該パルス
光を伝搬させ、かつ該パルス光の波長帯域において負分
散特性を有するファイバとを備えてなるものであること
を特徴とするものである。

【００１２】また、本発明の第２の光断層画像化装置
は、低コヒーレンス光を射出する光源部と、前記低コヒ
ーレンス光を信号光と参照光に分割し、前記参照光の周
波数と前記信号光の周波数に差が生じるように、前記参
照光または信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさ
せ、前記信号光を被測定部に照射し、前記信号光の前記
被測定部の所定の深部からの反射光と前記参照光とを干
渉させる分波・合波手段と、前記反射光と参照光の干渉
光の光強度を測定し、該光強度に基づいて、前記被測定
部の光断層画像を取得する画像検出手段とを有する光断
層画像化装置において、前記光源部が、パルス光を射出
するモード同期半導体レーザと、該パルス光を伝搬さ
せ、かつ該パルス光の波長帯域において負分散特性を有
するファイバとを備えてなるものであることを特徴とす
るものである。

【００１３】ここで、「参照光の周波数と前記信号光の
周波数に差が生じるように、前記参照光または信号光の
少なくとも一つの周波数をシフトさせる」とは、シフト
させた後の参照光と信号光を干渉させた場合に、上記信
号光と参照光との差周波数で強弱を繰り返すビート信号
が生じるような周波数差が生じるように、前記参照光ま
たは信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさせるこ
とを意味している。なお、「干渉光強度を測定する」と
は、上記信号光と参照光との差周波数で強弱を繰り返す
ビート信号（干渉光）の強度を計測することを意味し、
例えば、ヘテロダイン干渉計等による計測を意味する。

【００１４】また「負分散特性」とは、波長が長くなる
と波長分散（ps/nm/km）の値が小さくなることを意味
し、上記パルス光が、このような特性を備えるファイバ
を伝搬すると、そのパルス幅が圧縮される。またこのパ
ルス幅が圧縮されたパルス光は、光源部から低コヒーレ
ンス光として射出されるものである。

【００１５】上記モード同期ファイバレーザとしては、
モード同期Ｅｒ添加ファイバレーザを用いることができ
る。また、上記負分散特性を有するファイバとしては、
零分散ファイバあるいはフォトニッククリスタルファイ
バを用いることができる。

【００１６】さらに、上記各光断層画像化装置は、反射
光を光増幅する光増幅手段をさらに備えたものであって
もよい。光増幅手段としては、光ファイバ増幅器あるい
はファイバラマン増幅器等のファイバ増幅器を用いるこ
とができる。なお、光ファイバ増幅器とは、希土類ある
いは色素等を添加した光ファイバを用いて、光信号を光
のまま増幅するファイバ増幅器であり、光ファイバとし
ては、石英、フッ化物ガラスあるいはテルライトガラス
等のガラス系や、プラスチック系等の光ファイバが使用
されることが多い。またファイバラマン増幅器とは、誘
導ラマン散乱過程を利用して、光信号を増幅するファイ
バ増幅器である。さらに、光増幅手段としては、半導体
光増幅器を用いることもできる。

【００１７】また、上記被測定部が生物組織の一部であ
る場合には、上記低コヒーレンス光の波長としては、６
００nm以上２０００nm以下の範囲内の波長が好適であ
る。

【００１８】

【発明の効果】一般にパルスレーザから射出される超短
パルス光においては、パルス幅の逆数がスペクトル幅に
ほぼ比例するため、パルス幅が狭いほど、広いスペクト
ル幅を持ち、そのためコヒーレント長も短くなる。

【００１９】すなわち、光断層画像化装置の光源部から
射出される低コヒーレンス光のパルス幅を狭くすれば、
コヒーレント長が短くなり、高い分解能で断層画像を取
得できる。

【００２０】本発明の第１の光断層画像化装置において
は、モード同期ファイバレーザから射出されたパルス光
を、該パルス光の波長帯域に対して負分散特性を有する
ファイバを伝搬させ、パルス圧縮することにより、パル
ス幅の狭いパルス光すなわち低コヒーレンス光を得るこ
とができるので、従来必要であった、大型で、高価でか
つ取り扱いの難しい超短パルスレーザ等を備える光源を
用いることなく、小型で安価で、かつ取り扱いも容易な
光源を設けるのみで、低コヒーレンス光を得ることがで
き、低コヒーレンス干渉における分解能を向上させるこ
とができる。

【００２１】本発明の第２の光断層画像化装置において
は、モード同期半導体レーザから射出されたパルス光
を、該パルス光の波長帯域に対して負分散特性を有する
ファイバを伝搬させ、パルス圧縮することにより、パル
ス幅の狭いパルス光すなわち低コヒーレンス光を得るこ
とができるので、従来必要であった、大型で、高価でか
つ取り扱いの難しい超短パルスレーザ等を備える光源を
用いることなく、小型で安価で、かつ取り扱いも容易な
光源を設けるのみで、低コヒーレンス光を得ることがで
き、低コヒーレンス干渉における分解能を向上させるこ
とができる。

【００２２】また、上記各光断層画像化装置において、
モード同期ファイバレーザとしてモード同期Ｅｒ添加フ
ァイバレーザを用いれば、光断層画像の取得に適した波
長帯域で、かつ高出力なパルス光を容易に得ることがで
きる。

【００２３】また、上記負分散特性を有するファイバと
して、零分散ファイバを用いれば、低コストでパルス幅
圧縮が可能である。さらに、上記負分散特性を有するフ
ァイバとして、フォトニッククリスタルファイバを用い
れば、所望の波長帯域において負分散特性を実現するこ
とができる。

【００２４】さらに、反射光を増幅する光増幅手段を備
えた場合であれば、反射光の伝送経路内に容易に光増幅
手段を配設する事ができ、反射光の信号強度を増幅す
る。この光増幅器として、光ファイバ増幅器やファイバ
ラマン増幅器などのファイバ増幅器を用いれば、増幅用
のファイバは巻回して設置可能であるため、光増幅手段
を大型化することなく、増幅用の光ファイバの長さを所
望の増幅率が得られる長さまで、長くすることができる
ので、小型なファイバ増幅器を設置するのみで、反射光
を高い増幅率で増幅することができる。さらに、ファイ
バ増幅器の特徴の１つは、低雑音性であり、微弱な反射
光を精度良く増幅することができる。光増幅手段とし
て、半導体光増幅器を用いれば、一層光増幅手段を小型
化することができる。

【００２５】また、被測定部が生物組織の一部であり、
低コヒーレンス光の波長が、６００nm以上２０００nm以
下の範囲内であれば、信号光が被測定部において、望ま
しい透過性および散乱性を有するので、所望の断層画像
を取得することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な第１の実
施形態である光断層画像化装置について図１を参照して
説明する。図１は本発明による光断層画像化装置の概略
構成図である。

【００２７】この光断層画像化装置は、パルス幅が約10
fs、中心波長1.56μｍでスペクトル幅が約800nmの低コ
ヒーレンス光L1を出射する光源部10と、この光源部10か
ら出射された低コヒーレンス光L1の参照光L2および信号
光L3への分割および合波を行うファイバ結合光学系20
と、参照光L2の光路上に配され、参照光L2の光路長を変
化させる光路遅延部30と、信号光L3で生体組織の被測定
部１を走査する光走査部40と、被測定部１の所定の深度
で反射された反射光L4と参照光L2との干渉光L5の強度を
検出するバランス差分検出部50と、バランス差分検出部
50で検出された干渉光L5の光強度から被測定部１の所定
の深度で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイ
ン検出を行い、画像信号に変換する信号処理部60と、信
号処理部60で得られた画像信号を断層画像として表示す
る画像表示部70とから構成されるものである。なお、フ
ァイバ結合光学系20、光路遅延部30および光走査部40
は、本発明における分波・合波手段を構成し、バランス
差分検出部50および信号処理部60は画像検出手段を構成
するものである。

【００２８】光源部10は、波長1.56μｍのパルスレーザ
光（以下パルス光と記載）を射出するパルス光源部101
と、該パルス光源部110 から射出されたパルス光のパル
ス幅を圧縮するパルス圧縮部102 とを備えている。

【００２９】パルス光源部101 は、パルス幅約100fs、
中心波長1.56μｍでスペクトル幅が約20nmの低コヒーレ
ンス光を射出するモード同期Ｅｒ添加ファイバレーザで
あり、Ｅｒ添加ファイバ103 と、該Ｅｒ添加ファイバ10
3 に導入される９８０nmの励起光を射出する励起用半導
体レーザ104 と、該励起光を導光するファイバ105 と、
励起光をＥｒ添加ファイバ103 へ導入するファイバカプ
ラ106 と、過飽和吸収ミラーである全反射ミラー107
と、パルス光を後段のパルス圧縮部102 へ導入する光コ
ネクタ108 とから構成されている。なおＥｒ添加ファイ
バ103 の出射端側には出力ミラーとなるファイバブラッ
ググレーティング109 が形成されている。

【００３０】パルス圧縮部102 は、図２に示すように波
長1.56μｍ前後において、負分散特性を有する零分散フ
ァイバ111 および零分散ファイバ111 でパルス圧縮され
たパルス光をファイバ結合光学系20へ導入する光コネク
タ112とから構成されている。一般に、パルスレーザか
ら射出され、パルス幅がfsオーダーとなる超短パルス光
では、自己位相変調効果により、図３に示すように、パ
ルス時間波形中の長波長成分３が先に進み短波長成分２
が後になっている。このような超短パルス光を負分散特
性を有するファイバで伝搬させると、パルス幅が圧縮さ
れる。また、超短パルス光においては、不確定性の関係
から、パルス幅が狭まると、スペクトル幅が広がる。こ
のため、パルス光源部101 から射出され、パルス圧縮部
102 においてパルス圧縮されたパルス光は、パルス幅約
10fsとなり、スペクトル幅は図４に示すように約800nm
となる。

【００３１】ファイバ結合光学系20は、光源部10から出
射された低コヒーレンス光L1を信号光L3と参照光L2とに
分割し、また、信号光L3の被測定部１の所定の深部から
の反射である反射光L4と参照光L2を合波し、干渉光L5を
得るファイバカプラ201 と、光源部10とファイバカプラ
201 の間に設けられるファイバカプラ202 と、参照光L2
に僅かな周波数シフトを生じさせるピエゾ素子203 と、
光源部10とファイバカプラ202 を繋ぐファイバ204 と、
ファイバカプラ201 および202 を介して光路遅延部30と
バランス差分検出部50を繋ぐファイバ205 と、ファイバ
カプラ201 を介して光走査部40とバランス差分検出部50
を繋ぐファイバ206 とを備えている。なお、ファイバ20
4 、205 および206 はシングルモード光ファイバであ
る。

【００３２】光路遅延部30は、ファイバ205 から射出さ
れた参照光L2を平行光に変換し、また反射された参照光
L2をファイバ205 へ入射させるレンズ301 と、図１にお
ける水平方向への移動により参照光L2の光路長を変化さ
せるプリズム302 とを備えている。

【００３３】光走査部40は、信号光L3を図１における垂
直方向に移動し、また被測定部１で反射した反射光L4を
ファイバ206 に入射させるレンズ401 およびレンズ402
とを備えている。

【００３４】バランス差分検出部50は、干渉光L5の光強
度を測定する光検出器501 および502 と、光検出器501
の検出値と光検出器502 の検出値の入力バランスを調整
し、ノイズ成分やドリフト成分を相殺した上で、差分を
増幅する差動増幅器503 とを備えている。

【００３５】次に本実施の形態の光断層画像化装置の動
作について説明する。まず、パルス光源部101 において
モード同期Ｅｒイオン添加ファイバレーザから射出され
たパルス幅約100fs、中心波長1.56μｍ、スペクトル幅
約20nmのパルスレーザ光は、光コネクタ108 を介してパ
ルス幅圧縮部102 に射出される。

【００３６】パルス幅圧縮部102 では、パルス光は零分
散ファイバ111 を伝搬し、パルス圧縮され、光コネクタ
112 を介してファイバ結合光学系20のファイバ204 へ導
入される。この際には、パルス光は、パルス幅約10fs、
中心波長1.56μｍ、スペクトル幅約800nmの低コヒーレ
ンス光L1となっている。

【００３７】ファイバ204 を透過した低コヒーレンス光
L1は、ファイバカプラ202 で、ファイバ205 に導入さ
れ、さらに、ファイバカプラ201 で、ファイバ205 内を
光路遅延部30の方向へ進行する参照光L2と、ファイバ20
6 内を光走査部40の方向へ進行する信号光L3とに分割さ
れる。

【００３８】参照光L2は光路上に設けられたピエゾ素子
203 により変調され、参照光L2と信号光L3には、僅かな
周波数差△ｆが生じる。

【００３９】信号光L3は光走査部40のレンズ401 および
402 を経て被測定部１へ入射される。被測定部１に入射
された信号光L3のうち被測定部１の所定の深度で反射さ
れた反射光L4は、レンズ402 および401 により、ファイ
バ206 に帰還せしめられる。ファイバ206 に帰還せしめ
られた反射光L4は、ファイバカプラ201 において、後述
するファイバ205 に帰還せしめられた参照光L2と合波さ
れる。

【００４０】一方、ピエゾ素子203 で変調された後の参
照光L2は、ファイバ205 を通過し光路遅延部30のレンズ
301 を介して、プリズム302に入射し、このプリズム302
で反射され再度レンズ301 を透過して、ファイバ205 に
帰還せしめられる。ファイバ205 に帰還せしめられた参
照光L2はファイバカプラ201 で、上述した反射光L4と合
波される。

【００４１】ファイバカプラ201 で合波された反射光L4
および参照光L2は、再び同軸上に重なることになり所定
の条件の時に反射光L4と参照光L2が干渉し、干渉光L5と
なり、ビート信号を発生する。

【００４２】参照光L2および反射光L4は、可干渉距離の
短い低コヒーレンス光L1であるため、低コヒーレンス光
L1が信号光L3と参照光L2に分割されたのち、信号光L3
（反射光L4）がファイバカプラ201 に到達するまでの
光路長が、参照光L2がファイバカプラ201 に到達するま
での光路長に略等しい場合に両光が干渉し、この干渉す
る両光の周波数差（△ｆ）で強弱を繰り返すビート信号
が発生する。

【００４３】干渉光L5は、ファイバカプラ201 で分割さ
れ、一方は、ファイバ205 を透過してバランス差分検出
部50の光検出器501 に入力され、他方はファイバ206 を
透過して光検出器502 に入力される。

【００４４】光検出器501 および502 では、干渉光L5か
ら上記ビート信号の光強度を検出し、差動増幅器503
で、光検出器501 の検出値と光検出器502 の検出値の差
分を求め、信号処理部60へ出力する。なお、差動増幅器
503 は、その入力値の直流成分のバランスを調整する機
能を備えているため、たとえ光源部10から出射された低
コヒーレンス光L1にドリフトが生じている場合でも、直
流成分のバランスを調整した上で差分を増幅することに
より、ドリフト成分は相殺され、ビート信号成分のみが
検出される。

【００４５】なお、このときに、プリズム302 をその光
軸方向（図中水平方向）に移動すると、参照光L2がファ
イバカプラ201 に到達するまでの光路長が変化する。こ
のため参照光L2と干渉する信号光L3（反射光L4）の光路
長も変化するため、断層情報を取得する被測定部１の深
度も変化する。

【００４６】上記の動作により、被測定部１の所定点に
おける表面から所望の深度までの断層情報を取得したの
ち、光走査部40のレンズ401 およびレンズ402 により、
信号光L3の入射点を図１の垂直方向に僅かに移動させ、
同様に所定の深度までの断層情報を取得する。このよう
な動作を繰り返すことにより、被測定部１の断層画像を
得ることができる。

【００４７】信号処理部60では、バランス差分検出部50
で検出された干渉光L5の光強度から被測定部１の所定の
深度で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイン
検出を行い、画像信号に変換し、断層画像として画像表
示部70に表示する。

【００４８】上記のように、モード同期Ｅｒ添加ファイ
バレーザからなるパルス光源部101から射出されたパル
スレーザ光を、パルス圧縮部102 によりパルス圧縮する
ことにより、低コヒーレンス光L1を生成したため、光源
部10は、小型で安価で、かつ使い勝手のよいものとなっ
た。また、パルス圧縮部102 に零分散ファイバを用いた
ため、低コストパルス幅を圧縮することができる。

【００４９】また、光源部10から出射される低コヒーレ
ンス光L1は、パルス幅約10fs、中心波長1.56μｍ、スペ
クトル幅約800nmであり、コヒーレンス長は約３μｍと
なる。すなわち、低コヒーレンス干渉における分解能も
約３μｍとなる。

【００５０】このため、従来必要であった、大型で、高
価でかつ取り扱いの難しい超短パルスレーザ等を備える
光源を用いることなく、低コヒーレンス干渉における分
解能を、向上させることができる。

【００５１】また、上記パルス光源部101 から射出され
るパルス光のパルス幅が約100fsであるため、効率良
く、所望のパルス幅まで圧縮できる。

【００５２】なお、本実施の形態の変型例として、光源
部10の代わりに、図５に示すようなモード同期ファイバ
リングレーザを用いたパルス光源部121 およびパルス圧
縮部102 から構成される光源部12を用いたものも考えら
れる。パルス光源部121 は、偏波依存型アイソレータ12
2 、出力カプラ123 、回転型偏光子124 、合波カプラ12
5 、Ｅｒ添加ファイバ126 、1.48μｍの励起光を射出す
る励起用半導体レーザ127 、励起光を導光するファイバ
128 から構成されるモード同期ファイバリングレーザ
と、出力用ファイバ129 と、光コネクタ130 、とから構
成されている。パルス光源部121 から射出されたパルス
幅約100fs、中心波長1.56nm、スペクトル幅約20nmの超
短パルス光は、光コネクタ130 を介してパルス幅圧縮部
102 に射出され、零分散ファイバ111 を伝搬し、パルス
圧縮されて、光コネクタ112 を介してファイバ結合光学
系20のファイバ204 へ導入される。この際には、パルス
光は、パルス幅約10fs、スペクトル幅約800nmの低コヒ
ーレンス光となっている。モード同期ファイバリングレ
ーザの構成および動作原理の詳細は、「レーザ研究第27
巻11号 P756−761、中沢正隆他著、1999年」に記載
されている。ファイバリングレーザでは、利得帯域を最
大限に用いた発振が可能であるため、小型で安価で、か
つ使い勝手のよい光源を用いて、容易に高出力、短パル
スのパルス光を得ることができる。

【００５３】さらに、本実施の形態の他の変型例とし
て、光源部10の代わりに、図６に示すようなモード同期
半導体レーザを用いたパルス光源部141 およびパルス圧
縮部142 から構成される光源部14を用いたものも考えれ
る。パルス光源部141 は、モード同期半導体レーザ143
および該モード同期半導体レーザ143 から射出されたパ
ルス光をパルス圧縮部142 へ導入する集光レンズ144 と
から構成されている。またパルス圧縮部142 は、波長80
0nm前後において負分散特性を有するフォトニッククリ
スタルファイバ145 および光コネクタ146 から構成され
ている。モード同期半導体レーザの構成および動作原理
の詳細は、「レーザ研究第27巻11号 P750−755、横
山弘之著、1999年」に記載されている。またフォトニ
ッククリスタルファイバ145 の構成および動作原理の詳
細は、「Optics Letters Vol.25,No1 P25-27」(by Andr
ew J. Stentz et.al 2001）に記載されている。フォト
ニッククリスタルファイバは、構造分散値を選択可能で
あるため所望の波長帯域において、負分散特性を実現す
ることができる。なお、このようなフォトニッククリス
タルファイバを、パルス光源部101 やパルス光源部121
と組み合わせて、光源部を構成してもよい。

【００５４】次に、本発明の第２の具体的な実施形態で
ある光断層画像化装置について図７を参照して説明す
る。図７は本発明による光断層画像化装置の概略構成図
である。

【００５５】なお、図１に示す第１の具体的な実施形態
と共通の要素については同番号を付し、特に必要のない
限りその説明は省略する。

【００５６】この光断層画像化装置は、低コヒーレンス
光L1を出射する光源部10と、この光源部10から出射され
た低コヒーレンス光を参照光L2および信号光L3へ分割
し、また反射光L4と参照光L2の合波を行うファイバ結合
光学系80と、参照光L2の光路上に配され、参照光L2の光
路長を変化させる光路遅延部30と、信号光L3で生体組織
の被測定部１を走査する光走査部40と、被測定部１の所
定の深度で反射された信号光L3の反射光L4を増幅する光
ファイバ増幅器からなる光増幅部90と、増幅された反射
光L4’と参照光L2との干渉光L5の強度を検出するバラン
ス差分検出部50と、バランス差分検出部50で検出された
干渉光L5の光強度から被測定部１の所定の深度で反射さ
れた反射光L4の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、
画像信号に変換する信号処理部60と、信号処理部60で得
られた画像信号を断層画像として表示する画像処理部70
とから構成されるものである。

【００５７】ファイバ結合光学系80は、光源部10から出
射された低コヒーレンス光L1を参照光L2と信号光L3とに
分割し、また、信号光L3の被測定部１の所定の深部から
の反射である反射光L4’と参照光L2とを合波し、干渉光
L5を得るファイバカプラ801と、光源部10とファイバカ
プラ801 の間に設けられるファイバカプラ802 と、３つ
のポートを有し、信号光L3および反射光L4’をポート間
で伝送する光サーキュレータ804、３つのポートを有
し、信号光L3および反射光L4をポート間で伝送する光サ
ーキュレータ805 と、参照光L2に僅かな周波数シフトを
生じさせるピエゾ素子803 と、光源部10とファイバカプ
ラ802 を繋ぐファイバ806 と、ファイバカプラ801 およ
び802 を介して光路遅延部30とバランス差分検出部50の
一方の入力を繋ぐファイバ807 と、ファイバカプラ801
を介してバランス差分検出部50の他方の入力と光サーキ
ュレータ804 を繋ぐファイバ808 と、光サーキュレータ
804と光サーキュレータ805 を繋ぐファイバ809 と、光
サーキュレータ805 と光走査部40を繋ぐファイバ810
と、光サーキュレータ805 と後述する光増幅部90の光コ
ネクタ903 を繋ぐファイバ811 と、光サーキュレータ80
4 と後述する光増幅部90のファイバカプラ907 を介して
光コネクタ902 を繋ぐファイバ812 とを備えている。な
お、ファイバ806〜811は、シングルモード光ファイバで
ある。

【００５８】光増幅部90は、励起状態において、信号光
が入射されると、その信号光を増幅するＥｒ添加光ファ
イバ901およびＰｒ添加光ファイバ902 と、ファイバ811
とＥｒ添加光ファイバ901 を接続する光コネクタ903
と、Ｅｒ添加光ファイバ901およびＰｒ添加光ファイバ
902 とを接続する光コネクタ904 と、Ｐｒ添加光ファイ
バ902 とファイバ812 とを増幅する光コネクタ905 と、
Ｅｒ添加光ファイバ901 に供給する980nmの励起光L6を
射出する励起用半導体レーザ906 と、励起光L6を導光す
るファイバ907 と、該ファイバ907 により導光された励
起光L6をＥｒ添加光ファイバ901 に導入するファイバカ
プラ908と、Ｐｒ添加光ファイバ902 に供給する1017nm
の励起光L7を射出する励起用半導体レーザ909 と、励起
光L7を導光するファイバ910 と、該ファイバ910 により
導光された励起光L7をＰｒ添加光ファイバ902 に導入す
るファイバカプラ911 とを備えている。

【００５９】Ｅｒ添加光ファイバ901 は、1.56μｍ近傍
に利得を有するＥｒが添加されたコアを備えるＥｒ添加
光ファイバからなり、該光ファイバは巻回された状態で
設置されている。Ｐｒ添加光ファイバ902 は、1.３μｍ
近傍に利得を有するＰｒが添加されたコアを備えるＰｒ
添加光ファイバからなり、該光ファイバも巻回された状
態で設置されている。

【００６０】次に本実施の形態の光断層画像化装置の動
作について説明する。まず、光源部10から射出された中
心波長1.56μｍの低コヒーレンス光L1は、ファイバ806
に入射する。

【００６１】ファイバ806を透過した低コヒーレンス光L
1は、ファイバカプラ802 で、ファイバ807 に導入さ
れ、さらに、ファイバカプラ801 で、ファイバ807 内を
光路遅延部30の方向へ進行する参照光L2と、ファイバ80
8 内を光サーキュレータ804 の方向へ進行する信号光L3
とに分割される。

【００６２】参照光L2は光路上に設けられたピエゾ素子
803 により変調され、参照光L2と信号光L3には、僅かな
周波数差△ｆが生じる。

【００６３】信号光L3 は光サーキュレータ804 のポー
ト804aに入射し、ポート804b からファイバ809 へ射出
され、光サーキュレータ805 のポート805aへ入射され、
ポート805bからファイバ810 へ射出され、光走査部40の
レンズ401 および402 を経て被測定部１へ入射される。

【００６４】被測定部１に入射された信号光L3のうち被
測定部１の所定の深度で反射された反射光L4は、レンズ
402 および401 により、ファイバ810 に帰還せしめられ
る。ファイバ810 に帰還せしめられた反射光L4は、光サ
ーキュレータ805 のポート805bに入射し、ポート805cか
らファイバ811 に射出される。ファイバ811 から光増幅
部90に入射された反射光L4は光増幅部90で増幅され、反
射光L4’となって、ファイバカプラ801 において、ファ
イバ807 に帰還せしめられた参照光L2と合波される。な
お、光増幅部90における作用の詳細は後述する。

【００６５】一方、ピエゾ素子803 で変調された後の参
照光L2は、ファイバ807 を通過し光路遅延部30のレンズ
301 を介して、プリズム302に入射し、このプリズム302
で反射され再度レンズ301 を透過して、ファイバ807 に
帰還せしめられる。ファイバ807 に帰還せしめられた参
照光L2はファイバカプラ801 で、上述した反射光L4’と
合波される。

【００６６】ファイバカプラ801 で合波された反射光L
4’および参照光L2は、再び同軸上に重なることになり
所定の条件の時に反射光L4’と参照光L2が干渉し、干渉
光L5となり、ビート信号を発生する。

【００６７】干渉光L5は、ファイバカプラ801 で分割さ
れ、一方は、ファイバ807 を透過してバランス差分検出
部50の光検出器501 に入力され、他方はファイバ808 を
透過して光検出器502 に入力される。

【００６８】光検出器501 および502 では、干渉光L5か
ら上記ビート信号の光強度を検出し、差動増幅器503
で、光検出器501 の検出値と光検出器502 の検出値の差
分を求め、信号処理部60へ出力する。信号処理部60で
は、バランス差分検出部50で検出された干渉光L5の光強
度から被測定部１の所定の深度で反射された反射光L4の
強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換
し、断層画像として画像表示部70に表示する。

【００６９】なお、プリズム302 をその光軸方向（図中
水平方向）に移動すると、参照光L2がファイバカプラ80
1 に到達するまでの光路長が変化する。このため参照光
L2と干渉する反射光L4’（L4）の光路長も変化するた
め、断層情報を取得する被測定部１の深度も変化する。

【００７０】上記の動作を繰り返し、被測定部１の所定
点における表面から所望の深度までの断層情報を取得し
たのち、光走査部40のレンズ401 およびレンズ402 によ
り、信号光L3の入射点を図４の垂直方向に僅かに移動さ
せ、同様に所定の深度までの断層情報を取得する。この
ような第１の実施形態と同様の動作を繰り返すことによ
り、被測定部１の断層画像を得ることができる。

【００７１】ここで、光増幅部90の動作の詳細を説明す
る。励起用半導体レーザ906 から射出された波長980nm
の励起光L6は、ファイバカプラ908 を介してＥｒ添加光
ファイバ901 に導入される。励起光L6は、Ｅｒ添加光フ
ァイバ901 内を伝播しながら、コアに添加されたＥｒに
吸収される。励起光L6を吸収したＥｒは、基底状態から
励起状態に遷移する。この状態において、Ｅｒ添加光フ
ァイバ901 の一端に、反射光L4が入射し、Ｅｒ添加光フ
ァイバ901 のコア内を伝播すると、反射光L4と同一位相
の光が誘導放出され、Ｅｒは基底状態へ戻る。このよう
な誘導放出が繰り返され、増幅された反射光は、光カプ
ラ904 を介してＰｒ添加光ファイバ902へ入射する。

【００７２】Ｐｒ添加光ファイバ902においても、同様
に励起用半導体レーザ909 から射出された波長1017nmの
励起光L7が、ファイバカプラ910 を介してＰｒ添加光フ
ァイバ902 に導入され、Ｐｒ添加光ファイバ902 内を伝
播しながら、コアに添加されたＰｒに吸収される。励起
光L7を吸収したＰｒは、基底状態から励起状態に遷移す
る。この状態において、Ｐｒ添加光ファイバ902 の一端
に、反射光が入射し、Ｐｒ添加光ファイバ902 のコア内
を伝播すると、反射光と同一位相の光が誘導放出され、
増幅された反射光L4’がＰｒ添加光ファイバ902 の他端
から射出され光カプラ905 を介してファイバ812 へ入射
する。反射光L4’は、反射光L4が増幅された同位相の信
号であるため、この反射光L4’と参照光L2を干渉させた
干渉光から断層画像情報を取得することができる。

【００７３】なお、上記光増幅部90における利得を、図
８に破線で示す。光増幅部90における利得は、Ｅｒ添加
光ファイバ901 における利得と、Ｐｒ添加光ファイバ90
2 における利得が重ね合わされたものとなり、このた
め、図３に示すような広いスペクトル幅を有している反
射光L4を効率良く増幅することができる。

【００７４】上記の動作により、第１の実施形態におけ
る効果に加え、被測定部１で反射した反射光L4を増幅し
た反射光L4’と、参照光L2とを干渉させた干渉光L5の光
強度を測定することにより、信号光の光強度を生体の被
測定部の安全性を確保できる光強度に保ちつつ、Ｓ／Ｎ
が向上した光断層情報を取得することができるという効
果を得ることができる。また、従来の光断層画像化装置
では断層画像情報を取得することのできない被測定部１
の深度で反射された反射光L4に関しても、増幅すること
により、この反射光L4’と参照光L2との干渉光L5も検出
可能となるため、断層画像を取得できる深度が増加す
る。

【００７５】さらに、増幅用の光ファイバは巻回して設
置可能であるため、光増幅部90を大型化することなく、
増幅用の光ファイバの長さを所望の増幅率が得られる長
さまで、長くすることができるので、小型な光増幅部90
を設置するのみで、反射光L4を高い増幅率で増幅するこ
とができる。また光増幅部90の特徴の１つは、低雑音性
であり、微弱な反射光L4を精度良く増幅することができ
る。

【００７６】また、本実施の形態の変形例として、図９
に示すように、光増幅部90の代わりに、ファイバラマン
増幅器からなる光増幅部92を用いたものも考えられる。
光増幅部92は、誘導ラマン散乱過程を利用して、光信号
を増幅する光ファイバ921 と、該光ファイバ921 と、フ
ァイバ811 および812 を接続する光コネクタ923 および
924 と、波長1.48μｍの励起光L6を射出する励起用半導
体レーザ925 、励起光L6を導光するファイバ926 と、該
ファイバ926 により導光された励起光L6を光ファイバ92
1 に導入するファイバカプラ927 と、波長1.017μｍの
励起光L7を射出する励起用半導体レーザ928 、励起光L7
を導光するファイバ929 と、該ファイバ929 により導光
された励起光L7を光ファイバ921 に導入するファイバカ
プラ930とを備えている。上記の様なファイバラマン増
幅器の構成および動作原理の詳細は、「O plus E Vol.2
1,No8 P990-997」( 江森芳博他著 1999年）に記載
されている。上記のようなファイバラマン増幅器におい
ては、励起光の波長を適宜選択することにより、所望の
波長帯域の光を増幅するすることができので、低コヒー
レンス光L1の波長帯域に合わせた増幅を容易に実現する
ことができる。

【００７７】また他の変形例として、光増幅器として図
１０に示すように、半導体光増幅器94を用いたものも考
えられる。半導体光増幅器の構成および動作原理の詳細
は、「O plus E Vol.21,No8 P1006-1012」( 佐々木達
也著 1999年）に記載されている。このような半導体光
増幅器94を使用することにより光増幅部を超小型化する
ことが可能となる。

【００７８】なお、上記第２の実施形態においては、パ
ルス光源としてモード同期Ｅｒ添加ファイバレーザを用
い、パルス圧縮部として零分散ファイバを用いた光源部
10が用いられたが、これに限定されるものではなく、例
えばパルス光源としてはモード同期ファイバリングレー
ザやモード同期半導体レーザを用いることができ、また
パルス圧縮部としては、フォトニッククリスタルファイ
バ等も好適である。

【００７９】さらに、上記各実施形態においては、ピエ
ゾ素子を参照光の光路に挿入し、参照光の周波数をシフ
トさせたが、これに限定されるものではなく、信号光の
周波数をシフトさせてもよい。あるいは参照光および信
号光の両者の周波数をシフトさせて、両者の周波数に差
を設けるものであってもよい。

【００８０】また、低コヒーレンス光L1の波長帯域が1.
2μｍ〜2.0μｍであるため、生体組織である被測定部１
において、望ましい透過性および散乱性を有するので、
所望の光断層画像を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による光断層画像化装
置の概略構成図

【図２】零分散ファイバにおける波長分散の説明図

【図３】パルス光における波長分布の説明図

【図４】低コヒーレンス光におけるスペクトル強度の説
明図

【図５】第１の実施形態における光源部の変型例の概略
構成図

【図６】光源部の他の変型例の概略構成図

【図７】本発明の第２の実施形態による光断層画像化装
置の概略構成図

【図８】光増幅部における利得特性の説明図

【図９】第２の実施形態における光増幅部の変型例の概
略構成図

【図１０】光増幅部の他の変型例の概略構成図

【符号の説明】

１被測定部 10,12,14 光源部 101,121,141 パルス光源部 102,142 パルス幅圧縮部 111 零分散ファイバ 145 フォトニッククリスタルファイバ 20,80 ファイバ結合光学系 203 ピエゾ素子 30 光路遅延部 302 プリズム 40 光走査部 50 バランス差分検出部 501,502 光検出器 503 差動増幅器 60 信号処理部 803 ピエゾ素子 804,805 光サーキュレータ 90,92 光増幅部 93 半導体光増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低コヒーレンス光を射出する光源部と、前記低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、前記
参照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるよう
に、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数
をシフトさせ、前記信号光を被測定部に照射し、前記信
号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と前記参
照光とを干渉させる分波・合波手段と、前記反射光と参照光の干渉光の光強度を測定し、該光強
度に基づいて、前記被測定部の光断層画像を取得する画
像検出手段とを有する光断層画像化装置において、前記光源部が、パルス光を射出するモード同期ファイバ
レーザと、該パルス光を伝搬させ、かつ該パルス光の波
長帯域において負分散特性を有するファイバとを備えて
なるものであることを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項２】低コヒーレンス光を射出する光源部と、前記低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、前記
参照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるよう
に、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数
をシフトさせ、前記信号光を被測定部に照射し、前記信
号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と前記参
照光とを干渉させる分波・合波手段と、前記反射光と参照光の干渉光の光強度を測定し、該光強
度に基づいて、前記被測定部の光断層画像を取得する画
像検出手段とを有する光断層画像化装置において、前記光源部が、パルス光を射出するモード同期半導体レ
ーザと、該パルス光を伝搬させ、かつ該パルス光の波長
帯域において負分散特性を有するファイバとを備えてな
るものであることを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項３】前記モード同期ファイバレーザがモード
同期Ｅｒ添加ファイバレーザであることを特徴とする請
求項１記載の光断層画像化装置。
【請求項４】前記負分散特性を有するファイバが、零
分散ファイバであることを特徴とする請求項１から３い
ずれか１項記載の光断層画像化装置。
【請求項５】前記負分散特性を有するファイバが、フ
ォトニッククリスタルファイバであることを特徴とする
請求項１から３いずれか１項記載の光断層画像化装置。
【請求項６】前記反射光を光増幅する光増幅手段をさ
らに備えたことを特徴とする請求項１から５いずれか１
項記載の光断層画像化装置。
【請求項７】前記光増幅手段がファイバ増幅器である
ことを特徴とする請求項６記載の光断層画像化装置。
【請求項８】前記ファイバ増幅器が、光ファイバ増幅
器であることを特徴とする請求項７記載の光断層画像化
装置。
【請求項９】前記ファイバ増幅器が、ファイバラマン
増幅器であることを特徴とする請求項７記載の光断層画
像化装置。
【請求項１０】前記光増幅手段が、半導体光増幅器で
あることを特徴とする請求項６記載の光断層画像化装
置。
【請求項１１】前記被測定部が生物組織の一部であ
り、前記低コヒーレンス光の波長が、６００nm以上２０
００nm以下の範囲内であることを特徴とする請求項１か
ら１０いずれか１項記載の光断層画像化装置。