JP2004105708A - 光学的イメージを形成するシステム、方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生物学的試料のイメージを形成して高解像度の測定を行うことを提案する。
【解決手段】眼の中で光イメージ形成を行うシステムが、光ビームを発生する光源１２と、光路長変更装置を含む基準経路３０と、光学走査手段を含むプローブ・モジュール８０を含むサンプル経路２６と、光路長変更装置により変更される光および眼の中からの反射光のビーム組合わせ手段と、干渉レスポンスに対応する出力信号を生じさせる検出器５２と、出力信号を処理するプロセッサ７２を具備している。
【選択図】　　　図１Ｃ

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物学的試料および他の試料において高精度測定を行うためイメージを用いることを含む光学的イメージを形成するシステム、方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
生物学的試料または他の試料の距離、厚さおよび光学的特性の高解像度（一般に、１０μｍ以下）のイメージおよびその測定が要求される多くの産業、医療および他の用途が存在する。
【０００３】
このような測定を実施するための現在ある手法は、コヒーレンス領域反射計（ＯＣＤＲ）、光学的時間領域反射計（ＯＴＤＲ）、超音波走査レーザ顕微鏡、走査共焦点顕微鏡、走査レーザ検眼鏡、および光学的三角測量法を含む。現在あるＯＣＤＲシステムは、通常は、動的運動エネルギを有する生物学的試料または他の試料の測定のため要求される迅速なデータ取得速度を備えていないが、ＯＴＤＲシステムは非常に高価であり、制限された分解能およびダイナミック・レンジを持つに過ぎない。
【０００４】
おそらくは最も一般的に用いられる技法である超音波は、人間の眼における測定を行う如き用途に対しては、要求される音響インピーダンス整合を達成するために、かつこれによりビーム損および歪みを避けるために、超音波ヘッドまたはプローブと物体即ち走査される患者との間に対比が一般に要求される点において不利である。このような対比は、例えば患者の胸部について走査が行われる時は問題にならないが、このようなプローブは、水晶体移植の強さを計算するため眼内距離の測定のために使用される如き眼球測定を行うため使用される時患者にひどい苦痛を生じ得る。
【０００５】
超音波において用いられる比較的長い波長もまた、空間的分解能を制限する。更に、超音波は、組織または他の問題となる境界の記録または表示を弁別して許容するために種々の超音波反射および吸収特性に依存する。従って、測定されるべき隣接層の音響的特性が著しく異ならない時、超音波このような境界の認識が難しい。
【０００６】
走査レーザまたは共焦点の顕微鏡および走査レーザ検眼鏡（ＳＬＯ）は、例えば数μｍの横方向分解能で眼の実時間ビデオ・イメージを生じることができる高度に空間的に分解されたイメージを提供する。しかし、ＳＬＯの深さの分解能は、開口数が減少するに伴い急速に低下する。例えば、瞳孔開口を介する網膜のＳＬＯ測定は、深さの分解能をおおよそ２００μｍに制限する。ＳＬＯはまた高価であり、数千万円（数十万ドル）にも達する。
【０００７】
光学的三角測量はやや高い分解能を供するが、平行境界を要求する。このような装置もまた比較的低い信号対雑音比を持ち、比較的大きな深さでの分解能を低下させ、この場合開口数が制限される。
【０００８】
従って、高い分解能測定の実施のため、特にかかる光学的な測定の実施のための改善された方法および装置に対する需要が存在しており、この改善された技法は測定される対象物との対比を必要とせず、得られる開口サイズの如何に拘わらず問題となる走査深さにわたり実質的に一定した高い分解能を維持し、かつ比較的コンパクトで製造が安価である。このようなシステムはまた、試料層間に弁別を行うことができ、層材料もしくはその選択された特性の同定が可能であり、走査される対象物の１次元、２次元および３次元イメージを提供でき、かつ測定される試料が比較的短い時間間隔にわたり変化する生物学的および他の用途における使用で充分に迅速でなければならない。最後に、この技法が試料の複屈折特性および空間特性に関する情報を提供できることが望ましい。
【０００９】
更に、縦方向における走査能力と共に、少なくとも１つの横方向における試料の走査を実施する手段に対する需要が存在する。更に、特に医療用途において、血管、肺の気管支、消化管、性器管あるいは泌尿器管の如き管状あるいは他の構造の内部に血管内視鏡または内視鏡を用いてこのような走査を行うことがしばしば望ましい。このような走査を実施するためには、内部走査の実施のための内視鏡または血管内視鏡に装着が可能なプローブが提供されなければならない。
【００１０】
典型的には、走査は次の位置へ偏移する前に所与の横方向および（または）縦方向位置において全深さ範囲にわたり走査が完了されるが、これは存在する装置の能力以上の速度で縦方向範囲即ち深さの走査を行うために使用されるミラーまたは他の要素の走査を必要とする。このことは、縦方向の走査が干渉信号周波数に、従ってシステムの感度に影響を及ぼすドップラー・シフト周波数を生じる場合に特に妥当する。従って、このような走査が一定の速度で行われることが要求される。しかし、２次元または３次元の走査が行われる、一定の速度における非常に高速な縦方向走査の達成が難しいため、他の走査パターンが要求される。更に、ある用途においては、選択された縦方向位置即ち深さにおける１次元または２次元の横方向走査を行うことが望ましい。
【００１１】
縦方向走査が行われる時に特に深刻になる別の問題は、システムの固有のドップラー周波数シフトを越えて受信した信号の帯域幅が増加することである。このような場合、アライアジング（ａｌｉａｓｉｎｇ、即ち、イメージ強さにおける変動）が生じ得る。従って、このような強さの変動を排除するか平均化することにより分解能を強化する技法が提供されることが望ましい。
【００１２】
従来システムにおける別の問題は、走査が拡張された深さ範囲にわたり行われるならば、焦点深さを拡げるためにより小さな開口数が用いられねばならないことである。しかし、このことは、横方向の分解能および範囲全体にわたる受信光信号エネルギを低下する。従って、試料内の拡張された深さ範囲にわたり大きな開口数の使用を許容する技法に対する需要が存在する。
【００１３】
更に、ミラーまたは他の要素を機械的に移動することにより縦方向走査を行う結果から生じる本文に述べた問題のあるものは、この走査を電子的に、例えば光源からの入射光の光周波数即ち振幅を変化させることにより行うことにより克服することができる。しかし、例えば眼の如き動的な生物的試料をイメージ化するためのある用途に対しては、３次元走査を行うために要求される走査速度は、平行操作法が望ましいあるいは要求される如きものである。
【００１４】
【発明の概要】
以上の如く、改善された光学的コヒーレンス領域反射計（ＯＣＤＲ）の光イメージ形成および測定システム、あるいは他のイメージ形成および測定システム、特に内部または外部の試料に対して選択され、または拡張された縦方向即ち深さ範囲にわたり鮮鋭かつ高い分解能および感度で１次元、２次元および３次元走査および測定の実施が可能である、電子的に走査されるシステムに対する需要が存在する。
【００１５】
以上のことに従って、本発明は、望ましい実施態様においては短いコヒーレンス長さを有する光放射をそれぞれ第１および第２の光経路を介して基準光反射器および試料に対して行うことにより、試料における光イメージ形成および測定を行うための方法および装置を提供する。この光経路は、光ファイバ経路であることが望ましい。イメージ形成情報が得られる試料内の縦方向範囲は、例えば、経路の相対的長さを変えることにより、あるいは予め定めたプロファイルに従って光源の周波数または強さを変化することにより制御される。イメージ形成または測定が行われる試料における横方向または縦方向位置もまた、選択的に変更することができる。この結果、試料において少なくとも１つの縦方向次元におけるイメージ形成を行うことができる。縦方向走査のための輪郭が段階的プロファイルである場合は、１次元または２次元における縦方向走査は選択された縦方向範囲で行うことができる。第１の光経路による反射器からの反射および第２の光経路により受取られる試料からの反射が合成され、結果として得る合成光出力は、２つの経路における例えば長さが一致する点である整合点における干渉縞を有し、かつ相対的経路長さが輪郭における各点において瞬間的速度Ｖをもつ速度プロファイルで変化させられる実施態様の場合に周波数ｆ_Ｄ〜ＮＶ／λにおけるドップラー・シフト周波数を含む瞬間的変調周波数を有する。この合成出力は検出され、検出された出力は処理されて試料の選択されたイメージおよび（または）選択された測定に関する情報を得る。
【００１６】
Ｖが走査範囲にわたり実質的に一定である実施例においては、第１の経路長さにおける変化がランプされ、１つの方向における変化が速度Ｖで生じ、他の方向における変化ははるかに迅速に生じる。第１の経路長さにおける変化はまた三角パターンを持ち得、少なくとも１つの方向における変化は速度Ｖである。この走査パターンはまた正弦波パターンでもあり得る。均一な速度では、測定は速度Ｖにおいて生じ、かつ三角形状ドライブにより両方向における経路長さ変化に対して生じる変位の間に行われる。正弦波ドライブの場合は、非線形性が検出され、以降の処理において勘案される。
【００１７】
本システムは、光経路における光ファイバを用いて実現されることが望ましいが、本システムはまたバルク光学系あるいは他の光学的要素を用いても実現することができる。光ファイバが用いられる場合は、経路の長さおよび経路におけるファイバの長さは共に実質的に等しいことが望ましい。
【００１８】
第１の光経路における変化は、ミラーまたは他の基準反射器を光経路と実質的に直角をなす方向に往復運動させることにより行われることが望ましい。反射器を移動および移動時の揺動の代わりに整合状態に保持するための適当な手段が提供される。試料に対して結合される開口数もまた、測定が行われるべき試料内の予め定めた深さに等しい深さフィールドと対比しなければならない。
【００１９】
少なくとも１つの複屈折層における測定が必要ならば、本システムは選択された第１の保持に光源からの光エネルギを偏光させる手段を含み、光の偏光は反射器および試料に与えられるエネルギに対して個々に変更される。偏光を変更する要素はまた、反射器からの反射光エネルギを第２の選択された方向に偏光させ、かつ試料からの反射光エネルギを複屈折試料の複屈折に依存する方向で偏光させる。相互干渉縞を含む合成出力は分割されて、直交偏光を有する２つの出力として検出される。次に、これら２つの出力は個々に処理されて個々の相互干渉信号を得、個々の相互干渉信号は合成されて選択された複屈折表示を提供する。
【００２０】
類似の光特性を持つ層間の境界を弁別するシステムの能力を強化し、かつこのような層間に関して他の情報を得るために、材料の光吸収、インピーダンスおよび他の光学的特性が波長と共に変化するという利点が利用される。このため、１つの接合層は光エネルギの第１の波長で更に容易に検出され、他の層は異なる波長において更に容易に検出される。本発明の一実施例では、２つ以上の短コヒーレンス長さの光源が、異なる波長、例えばλ_１およびλ_２における光放射を生じ、試料はこれらの異なる波長で受取られる入力に様々に応答する。この結果、周波数ｆ_Ｄ１＝２Ｖ／λ_１で変調された第１の相互干渉光出力を生じ、かつ周波数ｆ_Ｄ２＝２Ｖ／λ_２で変調された第２の相互干渉光出力を生じることになる。この２つの出力は個々に復調され、次いで個々に処理されるかあるいは一緒に処理される。
【００２１】
第２の光経路は、試料の縦方向位置を制御するための手段と、少なくとも１次元におけるこの位置を選択的に変更する手段と含むことが望ましいプローブ・モジュールで終わる。速度Ｖは、ドップラー・シフト周波数がシステムおよび信号のアライアジングに対する優勢な低周波数ノイズを克服する帯域幅要件を満たすために充分に高くなるよう充分に高い。そうでない場合は、変調周波数ｆ_Ｍにおける振動または他の変化を生じる手段が設けられ、その結果ｆ_Ｄおよびｆ_Ｍの選択された組合わせである変調周波数を生じることになる。この変化は、少なくとも１つの光経路における圧電トランスジューサまたは少なくとも１つの音響光変調器（ＡＯＭ）によって行われる。一実施例では、光経路の１つに２つのＡＯＭが存在し、ｆ_Ｍは２つのＡＯＭにより生じる差の周波数シフトである。プローブ位置コントローラは、第２の光経路の端部、または試料の２次元または３次元走査を生じるように光放射が試料に加えられる方向と略々直角をなす少なくとも１つの次元における第２の光経路を形成する光ファイバ要素の遠端部におけるプローブを移動する手段を含む。
【００２２】
他の実施例では、プローブ・モジュールは、試料におけるある位置に対して光放射を指向させ、かつ光放射が試料に加えられる方向と略々直角をなす少なくとも１つの次元における縦方向位置を光学的に変化させるミラーまたは他の手段を含む。３次元走査が要求される場合には、縦方向位置は２つの方向に変更される。縦方向位置を光学的に変更させる手段は、ミラー位置に従って放射をある角度で変位させるの光放射経路における少なくとも１つの可動ミラーを含む。１つのミラーは、２次元で変化する方向に放射を角度的に変位させるよう２つの直交方向に運動自在であり、これにより３次元走査が達成され、あるいはこの目的は、光経路に沿って連続的に隔てられた、異なる略々直交する方向に運動可能な２つのミラーを用いて達成することもできる。
【００２３】
他の実施例では、プローブ・モジュールは、血管内視鏡または内視鏡の如き体内経路を走査するための機能である。このような用途では、プローブ・モジュールは外側の鞘部を含む。一実施例では、このプローブ・モジュールはまた、外側鞘部内に回転自在に取付けられた内側鞘部と、第２の光経路から内側鞘部を通るように放射を指向させる光学手段と、体内経路における選択された位置における放射を指向するため内側鞘部と共に運動自在の手段とを含み、この選択された位置は内側鞘部が回転される時に変化する。この実施例は、外側鞘部の端部を越えて選択された方向に内側鞘部を通るよう放射を反射するように内側鞘部を回転させるべく取付けられたミラーを使用することが望ましい。
【００２４】
別の実施例では、光ファイバ束が外側鞘部に取付けられている。このような光ファイバの選択された１本以上の第１の端部が、第２の光経路に光学的に接続され、第２の光経路が接続される光ファイバを制御するための手段が設けられる。また、光ファイバの各々に対して選択された縦方向位置を確立し、かつ各光ファイバの第２の端部を対応する選択された横方向位置に光学的に接続する手段も存在する。
【００２５】
第１および第２の光経路がそれぞれ第１および第２の光ファイバの形態である更に別の実施例では、プローブは、鞘部の内壁部に対して第２の光ファイバの遠端部を固定する手段を含む。この手段は、前記遠端部を前記壁部に向かうかあるいは離れる方向に移動する手段を含む。また、光ファイバの遠端部を試料に対して光学的に接続するための手段も設けられ、この手段は壁部に対する遠端部の各位置に対する試料における選択された焦点位置を確立する。
【００２６】
ある実施例では、プローブ・モジュールは、この深さの焦点が、試料の縦方向走査の同試料内のある地点が周期的に変化させられるイメージ形成情報が得られる前記地点に実質的に維持されるように、試料内のモジュールに対する焦点を制御するための手段を含む。このような焦点面は、焦点深さを制御するため透過する放射の方向にプローブ・モジュールの焦点レンズを移動することにより確保される。
【００２７】
多次元走査は、少なくとも３つの異なる走査パターンを用いて達成される。１つの走査パターンでは、光経路の相対的長さが変化させられかつ試料における横方向位置が変化させられる速度は、新しい縦方向位置におけるイメージ形成を開始するため走査ビームが移動される前に、問題となる全ての縦方向範囲における点が所与の試料の縦方向位置に対して走査される如きものである。あるいはまた、縦方向の範囲が変化し試料の縦方向位置が変化する速度は、縦方向の範囲が新しい範囲における走査を実施させるよう変更される前に、少なくとも１つの縦方向ＤＩＭＮにおける全てのイメージ形成位置が試料内で所与の縦方向範囲で走査される如きものである。後者の走査手順は、第１の走査パターンが用いられたならば、非常に高い速度で均一速度の縦方向走査が要求される場合に望ましい。第３の走査パターンは、縦方向位置の制御を選択された縦方向位置へ歩進させ、次いでこのような縦方向位置で１次元または２次元における走査を実施することである。
【００２８】
ある実施例においては、試料における平行操作を行うため複数の光経路が提供される。更に、ある実施例では、周波数または強さの如き光源の特性が、イメージ形成される試料における縦方向の地点を制御するように制御あるいは変更され、受取られた反射がその時イメージ形成される試料における縦方向の地点または面に対する光経路の長さに比例する周波数を持つ出力を結果として生じる。この出力が検出され処理されて、イメージを得る。
【００２９】
アライアジングまたは他の問題のゆえに、２次元または３次元の走査の結果として生じるイメージに見かけ上の強さの変動が生じる。この問題を克服するために、ＡＯＭを前に示したように用いることができ、あるいは複数の走査を１つの試料に対して行うことができ、走査は強さの変動を補償するため平均化される。
【００３０】
望ましい実施態様においては、測定とは、生物学的試料における非侵入断面イメージ形成および測定を含む。本発明に対する１つの特定の有効な用途は、色々な眼の部分の断面イメージを生成することにある。
【００３１】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点については、添付図面に示される如き本発明の望ましい実施態様の以降の更に詳細な記述から明らかになるであろう。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に本発明を実施の形態に基づき図を用いて詳細に説明する。
【００３３】
まず図１Ａにおいて、本発明の教示を盛込んだ光学的コヒーレンス領域反射計（ＯＣＤＲ）１０が示される。特に、短いコヒーレンス長さ（広スペクトル帯域幅）光源１２からの出力が、光結合器１４に対して１つの入力として接続されている。このような結合は、望ましい実施例では光ファイバ経路１６である適当な光経路を介して行われる。光源１２は、例えば、発光ダイオード、超発光ダイオードまたは適当な波長の他の白光源でよく、あるいは短パルス・レーザでもよい。このような光源は、望ましい実施例では１０μｍ以下のコヒーレンス１_ｔを持つことが望ましい。後で述べるように、光源１２のコヒーレンス長さはシステムの分解能を強化するため最小化されることが望ましい。
【００３４】
結合器１４に対する他の入力は、光ファイバ経路２０を介して結合器に与えられる可視出力を生じるレーザ１８からのものである。後で更に詳細に述べるように、レーザ１８はシステムの正常な動作には寄与せず、ダイオード１２からの光が赤外線領域にあり従って眼に見えない時、試料と適正に整合するように可視光の光源を提供するため用いられるに過ぎない。
【００３５】
結合器１４からの出力は、光ファイバ経路２４を介して結合器２２に対して入力として与えられる。結合器２２において受取られる光即ち光エネルギは、走査／試料組立体２８に至る第１の光ファイバ経路２６と、基準組立体３２に至る第２の光ファイバ経路３０との間で分けられる。組立体２８は、走査される試料における光経路２６から受取る光を集束する１つ以上のレンズと、試料に対する光の横方向、横断方向または縦方向の運動を生じるための種々の機構とから形成されるレンズ組立体を含む。特に、望ましい実施例では、縦方向走査が基準組立体における運動により行われるが、試料またはプローブが縦方向、あるいは組立体２８での他の方法で行われる縦方向走査のため移動されることもまた可能である。この組立体はまた、縦方向の走査位置と関連して焦点の縦方向即ち深さの位置を制御する機構も含む。組立体２８のプローブ・モジュール部分は、患者の眼における走査およびイメージ形成あるいは測定の実行のため試料の外面に隣接して、例えば患者の眼に隣接して位置決めを行うように設計することもでき、あるいは例えば体内または他の経路を走査する血管内視鏡または内視鏡の一部として、試料の内部に定置するようにすることもできる。図１Ａの目的のため、走査および（または）イメージ形成される試料は組立体２８内部に含まれる。本発明の色々な実施例により組立体２８として機能する種々の機構が図３乃至図７に示される。
【００３６】
全ての実施例において、プローブにより試料に対して送られる光は、プローブ・モジュールを介して再びファイバ２６へ戻るように試料により反射される。経路２６の光ファイバは、印加された電気信号に応答して振動（即ち、伸縮）して光ファイバの僅かな伸縮を生じ、これによりファイバを通る光信号を変調する圧電性の結晶トランスジューサまたはアクチュエータ３４の周囲に巻付けられる。後で述べるように、この付加される変調は検出を容易にする。
【００３７】
基準組立体３２は、コリメーティング・レンズ３６と、第１および第２の音響光変調器３８，４０と、コーナー・キューブ逆反射体４２と、端部ミラー４４とを含む。望ましい実施例では、コーナー・キューブ４６は、このコーナー・キューブを光経路３０と端部ミラー４４の双方に対してあるいはこれから離れるように特定のパターンで往復運動させて試料の縦方向走査を行う機構４６に取付けられる。後で更に詳細に述べるように、コーナー・キューブは均一な比較的高い速度（例えば、１ｃｍ／秒以上）で移動されて、ヘテロダイン検出を行うため用いられるドップラー・シフト変調を生じることが望ましい。キューブ４２の機構４６による運動の長さ即ち程度は、少なくとも試料における所要の走査深さの半分より僅かに大きい。機構４６に対する走査パターンは、少なくとも走査が生じる部分において均一な速度Ｖを有することが望ましく、例えばランプ・パターンまたは鋸歯状パターンである。ランプ・パターンの場合は、測定またはイメージ形成はランプにおいて行われるが、両側で速度Ｖの鋸歯状パターンでは、走査は一方向または両方向にいずれかで移動するコーナー・キューブにより行うことができる。更に、係属中の出願で述べたように、回路の他の要素における適当な補償により正弦波または他の走査パターンを用いることができる。
【００３８】
あるいはまた、縦方向即ち深さ次元における走査は、コーナー・キューブ４２ではなく機構４６の如き適当な機構により端部ミラー４４を往復運動させることにより行われる。しかし、これが行われると、有効行程は５０％減少されて、端部ミラー４４は所定の深さ範囲を止めるに等しい経路によるのではなく前記範囲より僅かに大きい経路にわたって運動させられねばならないことになる。本例における端部ミラー４４に要求されるより大きな移動行程は、達成し得る走査速度に悪影響を及ぼし、また変調ドップラー・シフト周波数を制限し、別の変調要素の使用を必要とする。機構４６が完全に取除かれるならば、システムは端部ミラーが往復運動する時、ウォブルの結果生じる誤差の影響を更に受け易くなる。
【００３９】
また、単一パス形態のためコーナー・キューブを配置することにより端部ミラーを取外すことも可能である。このような形態においては、コーナー・キューブに対する進入光がコーナー・キューブの頂点と整合される。この結果もまた有効行程の５０％の減少を生じる結果となる。更に、先に述べたように、機構４６は基準組立体３２において取外すことができ、縦方向走査がプローブまたは試料のいずれか一方を縦方向に運動させることにより組立体２８において行われる。このことについては後で述べる。これが行われるならば、コーナー・キューブ４２は必要でなく、光経路３０からの光は直接ミラー４４に当たる。
【００４０】
最後に、ドップラー・シフト周波数を用いる望ましい実施例の場合は、機構４６がコーナー・キューブまたは端部ミラーを、先に述べたように走査範囲において実質的一定である速度で受けさせるが、これから述べるある実施例の場合は、縦方向におけるドップラー・シフト変調は用いられず主として所要の走査深さを制御するようにミラーの運動が生じる。このような実施例および他の実施例では、機構４６は所要の走査深さを制御するため歩進状に動作する。
【００４１】
結合器２２と走査される試料の選択された深さ点との間の経路２６の合計長さと、結合器２２とミラー４４間の経路３０の合計長さとは、選択された深さ範囲の走査中試料の各深さ点に対して実質的に等しくしなければならない。更に、空間分解能を低下させるグループの速度分散を防止するため、経路２６および３０における光ファイバの長さもまた実質的に等しくなければならない。あるいはまた、グループ速度分散は、不均衡を補償するため既知のグループ速度分散と厚さの光学的物質を光経路に置くことにより等しくすることができる。例えば、基準経路におけるファイバが試料プローブにおけるそれよりも短いことを必要とする場合は、構成分散材料の長さを基準経路に含めることができる。このシステムにおいて使用される光ファイバの終端が反射を最小化し処理能力を最大化するため付角研磨および（または）反射防止コーティングが施されることもまた重要である。
【００４２】
機構４６は、変位機能を実施するための種々の装置のどれかでよい。例えば、機構４６はステッピング・モータでよく、その運動が均等な速度が要求される実施例に対する平均化機構を介してコーナー・キューブ４２またはミラー４４に与えられる。ＤＣサーボ・モータもまた、所要の運動を得るため使用することができる種々の電磁アクチュエータ、例えばスピーカ・コイルもまたこの機能のために用いることができる。このような電磁アクチュエータにより、必要な場所において均等な運動を生じるためにミラー位置の検出およびそのサーボ制御が要求される。更に、均等運動システムにおいて、ミラー移動経路の各地点における所要のミラー位置を示す信号を、実際のミラー位置の検出器からの信号、および運動するミラーを所要の一定速度に維持するようにアクチュエータを制御するため使用される結果として生じるエラー信号と対比することができる。機構４６に対するサーボ制御検流計が駆動する直線的変位装置を使用することもできる。
【００４３】
基準組立体３２における１つのあり得る問題は、距離の決定精度に悪影響を及ぼすおそれがある変位されつつあるミラーの揺動である。このような揺動は、図１Ａの実施例においてコーナー・キューブ４２により部分的に補償され、このコーナー・キューブは一般にビームが入射する角度の如何に拘わらずビームが常にビームが入射した正確に同じ方向に戻るという特性を有する。当技術において公知の他の手法もまた揺動問題に対処するために用いることができる。
【００４４】
組立体２８および３２から受取る反射は、それぞれ光経路２６，３０を介して光結合器２２へ与えられる。これらの信号は結合器２２において合成され、長さと一致する反射（即ち、基準経路長の差が光源のコヒーレンス長さより小さい場合の反射）に対する干渉縞を結果として生じ、この結果として得た合成出力が光ファイバ経路５０に結合される。
【００４５】
基準および試料光経路から戻る光間の干渉を最大化するためには、それらの偏光が実質的に同じでなければならない。この偏光の一致を確保するため、偏光コントローラが光経路２６または３０の１つに配置される。例示の目的のため、偏光コントローラ５１が図１Ａにおいて光経路３０に示されている。このような偏光コントローラは、光ファイバ経路における偏光の変化を補償する。あるいはまた、所要の結果を達成するために偏光を維持するファイバおよび結合器をシステムにおいて用いることができる。更に、偏光が不規則に変化する用途においては、信号のフェージングを取除くために偏光の発散受取り装置をシステムにおいて用いることができる。このような偏光の発散受取り装置は当技術において公知である。
【００４６】
光ファイバ経路５０における光信号は、経路５０からの光合成信号を対応する電流で変化する電気信号へ変換するフォトダイオード５２に与えられる。フォトダイオード５２からの出力線５４における電流で変化する電気信号は、相互インピーダンス増幅器（ＴＩＡ）５５または他の適当な手段により電圧で変化する信号へ変換されることが望ましく、ＴＩＡ出力は復調器５６に対して入力として与えられる。
【００４７】
本発明の教示を実施する際に種々の復調形態を用いることができる。その最も簡単な形態においては、復調器５６は、合成出力信号の変調周波数付近を中心とする帯域通過フィルタ５８と、エンベローブ検出器とからなる。このフィルタは、問題となる信号のみが探されて出力からノイズを除去することを保証する。このため、システムの信号対雑音比を強化し、これによりシステムの感度を強化する。フィルタされた信号は次にエンベローブ検出器へ与えられる。
【００４８】
復調器５６におけるエンベローブ検出器は、整流器６２と以降の低域通過フィルタ６４とからなる。この２番目のフィルタは、ベースバンド信号から高周波成分を除去する。復調器はまた、整流器の前後のいずれかにおける、ダイナミック・レンジ圧縮のための対数増幅器６６をも含む。対数増幅器が使用されない場合は、対数圧縮はシステムのどこか他の場所、例えば処理用コンピュータで行われる。対数圧縮がなければ、境界からの強い反射がスケールオフするかあるいは弱い反射が眼に見えないかのいずれかである。
【００４９】
先に述べた例示の復調器は、ヘテロダイン復調器の１形式である。しかし、当技術において公知である種々の他の復調器機能を実施するため使用することができる。
【００５０】
回路５６からの復調出力は、問題となる干渉エンベローブ信号である。種々の目的のための医者、技術者あるいは他の人員により使用されるこのようなアナログ信号の視聴覚的記録を得るため、適当なプリンタ６８が使用される。望ましい実施例では、復調器５６からのアナログ出力が、プリンタ６８に加えあるいはその代わりに、アナログ／ディジタル・コンバータ７０を介して所要のアナログ表示を行うようにプログラムされる適当なコンピュータ７２へ送られる。１つ以上の記憶装置７４がコンピュータ７２に設けられる。コンピュータ７２は、例えば、陰極線管モニターの如き適当な表示装置７６上の復調された信号の表示を制御し、あるいは所要の記録を生じるように適当なプリンタを制御する。
【００５１】
プリンタまたはコンピュータの表示を用いて走査されたイメージを再生する場合、走査イメージの濃度の如き特性はグレースケール・レベル（即ち、高い密度に対しては暗く、低い密度に対しては明るく）を用いて再生されるか、あるいは「類似カラー」イメージが特性を表わすカラー・スペクトルにおける青から赤のカラーで生成される。更に、コンピュータ７２は、復調されたエンベローブ信号における種々の問題点を検出し、また測定を行いあるいはこのような検出に基いて他の有効な決定を行う。コンピュータ７２は、適当にプログラムされた標準的なプロセッサでよく、あるいは特殊目的のプロセッサが所要の機能の一部または全てを実施するために提供される。
【００５２】
ある実施例においては、図１Ａに示されるＯＣＤＲが用いられ、コーナー・キューブ４２が中間的であるが均一な速度で機構４６により走査される。本論の目的のために、コーナー・キューブまたはミラーの運動により生じるドップラー周波数シフトが無視し得ないが、システムに対する主たる低周波ノイズに該当するに充分なだけ中間的な走査速度について考察する。ノイズ・スペクトルは、光源１２、機械的構成要素および電気回路における変動の結果生じるノイズを含む。高い走査速度の時は、ドップラー周波数シフトが主な低周波ノイズより高くなる。ドップラー・シフト周波数ｆ_Ｄはコーナー・キューブ４２の変位から結果として生じ、コーナー・キューブの場合、式：ｆ_Ｄ〜４Ｖ／λにより与えられる。ここでＶは、キューブが所与の時間に移動される速度、λは光源Ｎの光波長である。コーナー・キューブが使用されない場合は、ｆ_Ｄ〜２Ｖ／λとなる。このように、ミラーが変位される時、ウォブルを補償することに加えて、コーナー・キューブはまたドップラー・シフト周波数を倍増し、機構４６の所与の速度Ｖに対する有効走査行程を倍増する。
【００５３】
ドップラー・シフトがノイズの克服のため必要な帯域幅より小さい場合（ドップラー・シフト周波数が実質的にゼロであリ、歩進状の縦方向走査が行われる場合及び縦方向走査が行われない場合も含む。）、変調周波数を主たるノイズ・スペクトル以上にシフトさせるためには別の変調が必要とされる。図１Ａにおいて、これは、圧電トランスジューサ３４の使用により正弦波位相変調を生じることにより行われる。図１Ａでは別の変調が試料経路２６における発振器またはトランスジューサの使用により誘起されるが、このような変調は経路３０においても生じることができる。端部ミラー４４の相等する圧電変調もまた使用することができる。更に、圧電トランスジューサ３４に加えて、このような付加的な変調に必要な小さな運動が、電磁要素、静電要素、または小さな略々正弦波形運動を生じるための当技術において公知の他の要素を用いて達成可能である。
【００５４】
あるいはまた、図１Ａに示されるように、このような付加的な変調は、音響光変調器（ＡＯＭ）を介して光を基準アームおよび（または）試料アームに通すことにより達成可能である。このような変調器は、光ビームの周波数シフトを生じ、またこれによりビームをシフトするドップラー・シフトと略々等価である効果を生じる。このような音響光変調器は、ある場合には、ミラーまたはコーナー・キューブの運動の代わりに用いることができる。図１Ａに示される如きバルク光学装置であり得、あるいは比較的小さな直線的光ファイバＡＯＭでもよいＡＯＭは、キャリヤ周波数を有効に増加させて高速度走査を可能にする。このような目的のためには１つのＡＯＭで充分であるが、図１Ａに示されるように２個のＡＯＭを使用することができる。２個のＡＯＭに対する理由は、ＡＯＭが通常はこのような用途に要求されるよりもはるかに高い周波数で駆動されること、検出周波数が２個のＡＯＭを異なる周波数で駆動することにより所要の周波数へ下げられることであり、検出器の周波数は差の周波数であるためである。
【００５５】
要素３４から、あるいは光経路長さを変調する他の適当な手段からの付加的な変調は、周波数ｆ_Ｍであり、この変調器の発振振幅は、ピーク・ピーク発振運動または光遅れの変化が光源１２の波長λの略々半分であるように変化される。付加的な変調音響ドップラー・シフト周波数の合成結果は、出力エンベローブを変調周波数ｆ_Ｄ、ｆ_Ｍ＋ｆ_Ｄ、ｆ_Ｍ−ｆ_Ｄ、およびｆ_Ｍ±ｆ_Ｄのより高い高周波にさせる。ｆ_Ｍは通常はノイズ・スペクトルおよびアライアジング問題を克服するに充分な高さになるように選定される。
【００５６】
光検出器５４からの出力の復調は、通常は（ｆ_Ｍ±ｆ_Ｄ）および（または）（ｆ_Ｍ−ｆ_Ｄ）における。例示の目的ため、復調が（ｆ_Ｍ±ｆ_Ｄ）におけるものと仮定する。このため、帯域通過フィルタ５８に対する中心周波数は、周波数（ｆ_Ｍ±ｆ_Ｄ）に対してセットされる。フィルタ５８に対する帯域幅は、信号の拡張および歪みを避けるため、受取られる信号の半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅の略々２乃至３倍でなければならない。低域通過フィルタ６４の帯域幅は、典型的には帯域通過フィルタ５８のそれと略々同じである。結果として生じるドップラー・シフト周波数が主たるノイズ・スペクトルよりも高くなるようにキューブ４２が移動しつつある速度が充分に高い速度を有し、かつ横方走査が信号のアライアジングを生じないように充分に広い間は、変調器３４，３８，４０の如き装置による付加的な変調は不要であり、このことは関わる広帯域の故に２次元または３次元の走査ではあり得ない。
【００５７】
この点に対して論述した実施例では、キューブ４２の走査は少なくとも走査間隔では一定速度であった。しかし、サーボ制御される一定速度の機械的装置により達成できない高い反復率での非常に高い走査の場合は、共振的に（正弦波形）駆動される機械的アクチュエータをキューブ４２またはミラー４４の駆動のために使用することができる。これらのアクチュエータは、機械的アクチュエータ・システムの共振周波数で電流磁気的または電磁気的に駆動することができる。正弦波形駆動を許容するために要するシステムに対する調整については、図１Ｃに関して後で論述する。あるいはまた、より高い速度の走査が要求される場合は、走査を行うために機械的手法の代わりに光電気的手法を用いることができる。例えば、光経路を変更するために音響光変調器または他の光電気変調器を用いることができる。しかし、このような装置は現在では高価であり、範囲が制限されており、従ってこのような装置はほとんどの用途に対しては選好されない。
【００５８】
図１Ｂは、縦方向のレンジ情報が、光コヒーレンス領域反射法ではなく光周波数領域の反射法により得られる本発明の別の実施例を示している。同図では、また残りの図においては、共通の要素を示すため同じ参照番号が用いられる。要素が僅かに変更された前の図における共通要素を示すためにはプライムを付した番号が用いられる。
【００５９】
図１Ｂは、当技術において公知の多くの方法の１つにおいて周波数変調可能なスペクトル的にコヒーレントな光源７９を用いる光周波数領域反射計を示す。光源７９は、信号発生器７８により線形ＦＭチャープの形態で周波数変調される。光源７９からの出力は、図１Ａに関して述べた同じ光経路を通って走査／試料組立体２８および端部ミラー４４に至る。光経路の長さの変化は縦方向走査の実施のため本発明の本実施例のために用いられないため、図１Ａに示した基準組立体の残部は不要であり、変調器３４，３８および４０もまた同様である。レンズ３６の如きレンズは必要であるかあるいは不要である。
【００６０】
組立体２８における試料および基準ミラー４４からの反射光は、光ファイバ結合器２２において合成されて光経路５０を経て広帯域光検出器５２′へ送られ、ここでこれらの光は光学的に干渉する。広帯域光検出器５２′および相互インピーダンス増幅器５５′は、検出された信号を増幅するため使用される。検出された光干渉は、試料の反射と基準ミラー４４からの反射との間で差の経路長さに比例するＲＦ周波数を生じる。電気的プロセッサ８１においてこのような周波数情報を空間情報へ変換する当技術において公知の種々の方法が存在する。これらは、逆フーリエ変換手法による波形レコーダの使用を含む。線形性、スペクトル・コヒーレンス、変調帯域幅および周波数偏差を確保することの要件およびその手法は全て当技術において公知であり、かかる手法は図１Ｂの実施例において用いることができる。プロセッサ８１からの出力は、Ａ／Ｄコンバータ７０を用いてディジタル化され、図１Ａに関して述べた方法でコンピュータ７２により処理される。プリンタおよびディスプレイは、図１Ａに示された実施例に対する如く、本発明の本実施例に対して提供される。適当な修正により、本発明の教示もまた線形的にチャープされた強さを修正した光源を用いて実施することができる。
【００６１】
先に述べたように、アクチュエータ４６が正弦波形または他の非線形速度特性を有する場合、ドップラー・シフト周波数ｆ_Ｄはもはや一定ではなく、復調器５６をこのキャリヤ周波数の変動に対応させねばならない。この目的を達成するための少なくとも２つの方法がある。いずれの場合も、図１Ｃにおけるシステム１０Ｃに対して示した如く、出力線８７がアクチュエータ４６における位置センサから設けられる。簡単にするため、同図における基準組立体はアクチュエータ４６により線方向に移動される端部ミラー４４として示される。線８７における電圧は、通常アクチュエータの位置、このためミラー４４に対する位置の関数として変化するが、位置センサ出力もまた電流で変化する。センサがディジタル出力を生じるならば、線８７はＡ／Ｄコンバータ７０′を介することなくコンピュータ７２に接続される。コンピュータ７２で受取られる強さおよび他の入力が試料における走査位置と相関させられるようにアクチュエータ４６′が非線形速度特性を有する時、線８７における信号が要求される。このような相関関係は、位置が入力が受取られる時から決定できる線形走査では必要とされない。
【００６２】
より簡単な手法では、帯域通過フィルタ５８および低域通過フィルタ６４に対する受入れ帯域が増やされて、ミラー４４の正弦波形運動の大きな部分にわたりドップラー・シフト周波数ｆ_Ｄにおける変動を許容する。これらの変動は、Ｖにおける変動と共にｆ_Ｄが直接変化する故に生じる。このように増やされた復調器の受入れ帯域幅は、ノイズの受入れの増加を導き、これにより低下した検出感度を結果としてもたらす。しかし、この手法は簡単であり、検出感度の要件が厳しくない場合に用いることができる。更に、受入れ帯域幅のこのような増加は、信号帯域幅Δｆ_ＦＷＨＭが既にｆ_Ｄに対して大きい時は比較的小さく、この状態はコヒーレンス長さが非常に小さい時に生じる。
【００６３】
図１Ｃは、復調周波数がスーパーヘテロダイン・システムを用いて瞬間的なドップラー・シフト周波数に動的に同調される第２の手法を示している。アクチュエータ即ち駆動機構４６′におけるセンサは、電圧制御発振器９５に与えられる前に利得回路９１およびバイアス回路９３により修正される線８９における速度依存電圧を生じる。発振器９５からの出力は、増幅器５５を介して検出器５２からの出力により回路９７において乗じられる。ＶＣＯ９５に与えられる信号の利得およびバイアスは、乗算器９７からの出力における変調周波数が帯域通過フィルタ５８に対する中心周波数として選択される所要の中心周波数において実質的に一定であるように調整される。図１Ａの実施例におけるように、フィルタ５８の帯域幅はピーク信号の帯域幅の２乃至３倍にセットされ、線８７における位置センサ出力の必要を除いて、検出および処理の残部は図１Ａに関して先に述べたものと略々同じである。
【００６４】
図１Ｄは、光ファイバではなくバルク光学系が用いられること、および異なる波長である２つの光源１２Ａおよび１２Ｂを提供することにより空間特性を観察する能力が強化されることを除いて、図１Ａと似たシステム１０Ｄを示す。多数の波長オプションがバルク光学系の実施例に関して例示の目的のため示されるが、多数の波長もまた光ファイバの実施例で使用できかつ使用できることが望ましいことを理解すべきである。光源１２Ａおよび１２Ｂは、異なる波長で動作するよう設計された同じ形式の光源でよく、あるいは異なる形式の光源でもよい。光源１２Ａおよび１２Ｂからの出力は結合器６０において組合わされ、その光出力は結合器５９に与えられる。結合器５９に対する他の入力は、レーザ１８、例えばヘリウム・ネオン・レーザからの出力であり、その利得は整合目的のためにのみ使用される。結合器６０および５９は、例えば、２色ビーム・スプリッタ、偏光ビーム・スプリッタまたは通常のビーム・スプリッタでよい。
【００６５】
結合器５９からの出力は、ビーム・スプリッタ６１および６５へ与えられる。ビーム・スプリッタ６１は、その入力の一部をレンズ３６を経てミラー４４へ与え、また光線をビーム・スプリッタ６５へ通し、このビーム・スプリッタがこの光線をレンズ８２を経て試料８４へ与える。ミラー４４からの反射は、レンズ３６、ビーム・スプリッタ６１およびミラー６７を介して相互干渉結合器６９へ与えられる。ミラー４４およびレンズ３６は、図１Ｃに関して述べた機構４６′の如き機構により運動させられる変位段の一部である。先に述べたように、このような変位が主たるノイズ・スペクトルより下方のｆ_Ｄの如き速度で行われるならば、例えばミラー４４を変調器７５の制御下で振動させられる圧電クリスタル６３へ取付けることもまた必要である。これを実施するための他の方法については先に述べた。試料８４からの反射は、レンズ８２およびビーム・スプリッタ６５を介して相互干渉結合器６９へ与えられる。
【００６６】
結合器６９からの出力は、整合目的のため使用されるＣＣＤカメラ７へ与えられ、またレンズ７３を介して光検出器５２へ与えられる。検出器からの出力は、２つの別個の経路を介して与えられる。各経路は、所与の光源１２に対するドップラー・シフト周波数ｆ_Ｄと対応する中心周波数を持つ帯域通過フィルタ５８を含む復調器５６Ａ，５６Ｂを含んでいる。ｆ_Ｄが光源の波長の関数として逆方向に変化するため、各復調器は適当な光源の波長と対応する信号のみを復調して、２つの光源波長から結果として得る出力を分けることを許容する。対応するＡ−Ｄコンバータ７０を介して与えられた後、この２つの出力はコンピュータ７２へ与えられて、これにより適当に処理される。
【００６７】
あるいはまた、検出器５２は各損失の波長に対応して設けられ、この場合各光検出器の前には適当な通過帯域を持つ適当な波長のみを伝送する光波長フィルタが設けられる。ビーム・スプリッタは、復調器を検出器出力側に置いて光波長フィルタの前に設けられる。
【００６８】
図１Ｄおよび先の論議においては僅かに２つの個々の信号λが示されたが、このことは本発明に対する限定ではなく、より多数の光源および検出器（および（または）復調器回路）を適当な用途のため設けることができる。
【００６９】
例えばシステム１０Ａまたは１０Ｄの動作を説明する目的のため、試料８４が人間または動物の患者の眼であると仮定しよう。測定が行われる時、重要である３つの整合が存在する。第１に、ビームは所要の角度で試料に進入するように試料に対して整合されねばならない。この角度は、通常は眼の層の角度と直角をなす角度である。第２に、ビームは問題となる試料領域上に側方に配置されねばならない。これは、ビームの側方位置の対照点である。最後に、ビームは眼における問題のレベルで集束されねばならない。これらの整合機能の各々を実施するため多数の手法が用いられる。
【００７０】
特に、所要の入射角度を得るために多数の異なる手法を用いることができる。ビームが前記層即ち、反射される前に対して直角となる反射が一般に実質的に最大化されるため、整合を達成する１つの簡単な方法は、プローブ８０、ビーム・スプリッタ６５またはレンズ８２および（または）試料（即ち、患者の眼）の位置即ち角度を調整することであり、基準アームを固定して試料からの反射を検出することである。このため、検出された反射のエネルギが最大となる整合は、所要の整合角度となる。通常は、この手法を用いて比較的迅速に所要の角度を見出すことが可能である。
【００７１】
角度の整合を達成するための第２の手法は、基準アームが固定されないことを除いて第１の方法と似ており、通常の読みがシステムから行われると、整合は出力を最大化する整合が得られるまで手動により調整される。
【００７２】
第３の方法は、ビームの整合を検出するためビームが反射される方向に見ることである。これを直接行うことは、特にファイバを用いる時に難しいため、このような決定は一般に、試料からビームの位置を測定することができるＣＣＤカメラ７１（図１Ｄ）の如き装置に対して反射されるビームの一部を指向するビーム・スプリッタを提供することにより行われる。この装置は、ビームが試料に対して適正に整合される時カメラにビームが当たる地点が決定されるように、最初にシステムにより較正される。次いで、動作において、先に決定された地点におけるＣＣＤカメラにビームが当たる整合角度が得られるまで試料およびプローブを調整することができる。
【００７３】
側方位置の整合は、この時手動により最もよく行われる。この操作を行うために、レーザ１８が投入される。光源１２は、この操作のためにはオンの状態でもオフの状態でもよい。レーザ１８は、ビームが当たる眼の側方位置の狭いビームの視覚的表示を行い、次にビームが所要の位置に当たるまでプローブ・ビームまたは患者のいずれかの位置が手動により調整される。光源１２からの光が可視帯域にあるならば、レーザ１８は必要がなく、光源１２からの光を整合のため使用することができる。
【００７４】
読みを行うため用いられる集束円錐角が、できるだけ大きな開口数（円錐角）を持つことの要求度を、公報散乱または反射された光が有効にファイバ（あるいは、ファイバが用いられない場合他の光経路２６）へ戻るよう接続されるフィールドの所要の縦方向範囲即ち深さが得られることに対して均衡化することにより決定される。大きな開口数は、試料面上の鉛直入射を生じるための、また戻る光線が広い立体角にわたり分散される後方散乱の測定のための角度整合の厳密さを緩和し、広い円錐角はファイバに対する結合を増す。しかし、大きな円錐角は縦方向の範囲を減少する。このため、開口数即ちＦナンバーは、測定が行われるべき眼または他の試料における領域の縦方向の限度に等しい視野の深度と対応するように選定されるべきである。この論議の目的のために、視野の深度はファイバに対する背面結合効率が半分に減じる焦点面からの縦方向距離として定義される。
【００７５】
他の整合における如く、試料および（または）プローブは、システムが試料内即ち眼の内部の所要の点に集束されるまで相互に移動される。レーザによる場合でも、焦点の視覚的決定は難しいため、含焦を行う望ましい方法は、例えばディスプレイ７６上に得られる出力でシステムを操作することである。後で論議するように、このような出力におけるある高い振幅点は、特定の層または眼における移動を表わし、焦点はこの移動が走査における所要の点において生じるまで調整することができる。
【００７６】
整合が一端行われると、システムは所要の測定を行うように用いることができる。このような測定を行うため、測定レーザ１８がオフにされ、光源１２がオンにされる。既にオンでなければ機構４３または４３′もまたオンにされて、キューブ、またはミラーの所要の運動を生じる。機構４３，４３′が充分に高い速度で運動しなければ、圧電変調器３４または６３をオンにすることも必要である。
【００７７】
先に述べたように、光源１２は、当たる低コヒーレンス長さがスペクトル的に広くなければならない。このため、略々１０μｍのコヒーレンス長さを持つ先に述べた形式の光源の場合は、１０μｍまでの空間的な分離、従って分解能が得られる。これは、他の現在入手可能な装置において得られるものよりもはるかに高い分解能である。
【００７８】
経路の長さ２６，３０は、最初は試料２８における所要の初期走査深さにおいて集束されるビームと等しい。ミラー４４（または、キューブ４２）がレンズ３６から遠去るように移動されるに伴い、経路長さが等しい試料における点が試料内の連続的に増加する深さまで走査される。走行における各点において反射が生じ、光が通過する物質に対す屈折率およびかかる屈折率の境界域の関数である光の散乱が生じる。干渉縞は、試料における地点までの経路長さ（Ｌ_Ｓ）と電流ミラーの位置までの経路長さ（Ｌ_ｍ）との間の差が光源のコヒーレンス長さ（ＣＬ）より小さい（即ち、Ｌ_Ｓ−Ｌ_ｍ＜ＣＬ）試料における深さ点に対して生じる。従って、光源のコヒーレンス長さが得られるシステムの分解能を決定する。これは、コヒーレンス長さをできるだけ小さく保持する理由である。
【００７９】
結合器２２または６９からの干渉出力は、このように試料内の特定深さで得られる反射または散乱を表わす。走査中に得られる連続的な干渉計出力は、走査深さにおける媒体の散乱特性に従って、反射が通常最大となる試料内の光学的接合点におけるピーク値を持ち、予め定めたパターンにおけるある小さいピークを持つ図２Ａに示されるものの如きエンベローブ信号を形成する。
【００８０】
ミラーが速度Ｖで走査されつつある時、周波数ｆ_Ｄ〜２Ｖ／λ（コーナー・キューブが移動される図１Ａの場合は、〜４Ｖ／２）を有するドップラー・シフト周波数は、図２Ｂにおける強さの出力の小さな部分について示される如くエンベローブ信号に重ねられる。但し、Ｖはミラーが移動される速度、λが光源１２の波長である。図２Ｃは、復調後のこの同じ出力部分を示している。
【００８１】
先に示した式から、ドップラー・シフト周波数が光源１２の波長に依存することが判る。このため、２つの別個の光エネルギ源１２Ａおよび１２Ｂが提供される図１Ｄに示した実施例の場合は、結合部６９からの干渉計出力は異なる波長における吸収および反射における差の関数である２つの個々のエンベローブを含み、各干渉出力が異なるドップラー・シフト周波数で変調されることになる。このため、先に示したように、各復調器５６における帯域通過フィルタ５８は、ドップラー・シフト周波数の別の１つに対する中心周波数および帯域幅を持つように選択され、あるいは多数の検出器による光の濾波が用いられてこれら２つの信号の検出および分離を可能にする。
【００８２】
２つ以上の異なる波長における干渉計検出を行うことができることは、特異な利点を提供する。これらの利点は、種々の試料素材の吸収、反射および他の光学的特性が波長と共に変化するという事実から起生する。このため、２つ以上の波長における測定を行うことにより、波長に依存する吸収および散乱の如き試料の光学的特性のスペクトル特性を許容する。特に、後方散乱の対数減衰率は、異なる物質に対しては異なり、ある所与の物質では、波長と共に変化し得る。物質からの異なる波長における後方散乱パターンを観察することにより、またおそらくは試料の層からの後方散乱または反射減衰の平均率を観察することにより、この層の物質に関する情報または種々の物質特性が得られる。種々のスペクトル特性の測定は、それ自体が問題となり、また２つの試料層、例えば類似する光学的特性の故に１つの波長測定では弁別することが通常は困難である２つの組織層の間を弁別するためにも使用される。特に、不整合の如き見かけ上の効果は、境界を更に容易かつ正確に識別することを可能にするように補償される。基本的には、このような境界は、絶対値ではなく比で調べることにより識別される。
【００８３】
図３Ａは、図１Ａ〜図１Ｂの組立体２８に対する１つの比較的な実施例を示す。この実施例では、ファイバ２６はプローブ・モジュール８０で終る。このプローブ・モジュールは、１つ以上のイメージ形成レンズを含み、ファイバ２６の出力と走査される試料８４との間に位置された１つのレンズ８２が図に示されている。適当な線形変位段または他の機構８６が、２次元走査を行うためプローブ・モジュール８０を試料８４に対して横断方向または側方に移動させるように接続される。同様な機構（図示せず）が、試料８４の３次元走査を行うためプローブを横断方向または側方の前記とは別の方向に移動させるため設けられている（以下本文においては、時に横断方向および側方走査はまとめて横断方向走査と呼ばれる。）。機構８６は、ステッピング・モータあるいは他の適当な位置決め機構であり、コンピュータ７２は（図１）によるか、あるいは試料８４における走査の位置がコンピュータにより知られるようにコンピュータ７２に位置決め情報を提供する位置決めコンピュータにより制御されることが望ましい。あるいはまた、プローブ・モジュール８０は静止状態のままであり、試料８４は矢印８８で示される如く所要の多次元走査を行うため１次元または２次元で変位することができる。更に、先に述べたように、プローブ・モジュール８０または試料８４は、走査のための縦方向位置を生じるように適当な変位機構により縦方向に移動することができる。これは、コーナー・キューブまたは端部ミラーの移動の代わりにあるいはこの移動と関連して行われることになる。
【００８４】
図３Ｂは、プローブ・モジュールが第１のコリメーティング・レンズ９０と、時に瞳孔面と呼ばれる面内の１つ以上の軸の周囲に検流計または他の適当な機構１００により回転することができる変向ミラー９２と、２つの別の集束レンズ９４，９６とを含む本発明の別の実施例を示している。この試料は、眼８４′として示される。図３Ｂでは、焦点は眼８４′の後方またはその付近にあり、ビームは、、ミラー９２が枢軸９８および（または）これに直角をなす枢軸の周囲で機構１００により回転させられる時、眼の背面に沿って異なる地点を走査するため略々接眼レンズの位置における眼のノード点の周囲に枢動させられる。この場合もまた、ミラー９２の位置は適当な方法でコンピュータ７２に対して通信される。
【００８５】
更に、先に述べたように、コーナー・キューブ４２が機構４６によって移動される時、検出が生じる眼８４′における縦方向または深さ地点が変化させられる。しかし、図３Ｂに示されるように、眼における光ビーム１０２に対する焦点深さは一定のままである。このため、所与の深さの走査の多くは、ビーム１０２が読取りが行われる地点に対して焦点が外れる。この問題を克服するため、走査機構４６と同期されかつ集束レンズ９０を光が通る方向と平行な方向に移動させる走査機構１０４が提供される。これは、試料８４′におけるビーム１０２に対する焦点深さにおける変化を生じる。ドライブ４６および１０４が同期されると、眼８４′におけるビーム１０２の焦点は、各時点において眼で走査される地点と実質的に等しくさせることができ、測定およびイメージ形成のための最適の解決法を提供する。焦点を縦方向に変更するための技術において公知の他の手法もまた、焦点と検出を同期させるために用いることができる。
【００８６】
図３Ｂにおいて、１つの瞳孔面内で１つまたは２つの横断方向次元で走査が行われる。図３Ｃは、２つの１軸走査ミラーが用いられ、別の走査ミラー１０６が第２の瞳孔面内に設けられ、このミラーが検流計または他の適当な機構１１０により軸１０８の周囲でミラー９２の回転方向に対して直角の方向に走査される。ミラー１０６から反射された光は、レンズ１１２，１１４を通って眼８４′の開口を通過して眼における選定された焦点に達し、この焦点は３次元で変化し得る。図３Ｂおよび図３Ｃにおけるこの検流計で駆動されるミラー９２および１０６は、回転する多角形ミラーまたは他のビーム指向装置により置換することができる。先に述べた実施例における如く、位置に関する情報は、適正なイメージ形成および処理を可能にするためコンピュータ７２へ通信される。
【００８７】
図３Ｄは、組立体２５の更に別の実施例を示し、これにおいては、瞳孔面内のミラー９２が適当な回転運動機構９５により軸９３の周囲に回転させられ、またそのピッチがピッチ変更機構９７により変更される。その結果、眼８４′の円形走査を生じ、円の大きさ（即ち、直径）がミラー９２のピッチ角に従って走査される。図３Ｄの構成は、例えば、患者の眼の感光神経頭の周囲を走査するため用いることができ、この走査は２次元走査を提供するように処理される。機械的な指向機構について先に述べたが、当技術において公知である光電指向機構もまた用いることができる。
【００８８】
図４Ａおよび図４Ｂは、組立体２８に対する更に別の実施例を示し、これにおいては、ファイバ２６が枢着点１０３を介して静止ハウジング１０５に取付けられる鞘部１０１に埋設される。鞘部１０１はハウジング１０５に固定された機構１０７上に静置し、この機構は例えば圧電クリスタル、ステッピング・モータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエータなどでよい。機構１０７が鞘部１０１を移動させるに伴い、ファイバ２６の先端部は横方向に移動させられる。この運動は、眼８４′における固定された進入点（図４Ａ）の周囲で付角走査、従って眼の焦点面における横方向走査か、あるいは試料８４の如き試料（図４Ｂ）に沿う横方向走査のいずれかにレンズにより交換される。レンズ１０９は、縦方向走査を制御するかあるいは試料８４における集束を図１Ａ〜図１Ｂに関して前に述べた方法の１つにおいて行われる縦方向走査と同期させるため、図４Ｂにおける縦方向に運動し得る如く示される。必要に応じて、枢動部１０３は取除くことができ、その結果鞘部１０１は、ある角度方向に運動する代わりに機構１０７の動作の結果として上下に直線的に運動する。
【００８９】
図５は、プローブ・モジュールが、血管、食道などの如き管状構造１２０のイメージ形成を行うために使用される血管内視鏡または内視鏡の一部である別の実施例を示している。ファイバ２６の遠端部は、外側鞘部１２４の内部に回転自在に支持される内側鞘部１２２に埋設されている。内側鞘部１２２は、ファイバ２６の遠端部に形成されたレンズ１２６を有し、外側鞘部１２４の端部を越えて延長する付角ミラー面１２８で終わっている。プローブ・モジュール１２１は、血管壁を１次元で走査するため、血管壁１２０に沿って（即ち、矢印１３０の方向に）側方に手動あるいは適当な駆動機構により移動させられ、一部をなすミラー１２８を含む内側鞘部１２２は２次元で血管壁を走査するため外側鞘部１２４に対して回転させることができる。機構４６の制御下でのコーナー・キューブ４２の連動は、血管壁の深さ次元での走査を生じて３次元走査を行い、あるいは深さ次元におけるかかる走査は先に述べた手法の１つによって達成される。図５に示される実施例の場合は、経路２６に対して所要の等しい長さを維持するためには、プローブ・モジュール１２１が血管壁に沿う方向１３０で実質的な距離だけ移動するため、ファイバ２６は最初ある量の弛みを与えることができ、あるいはこの方向の運動を許容するためカール即ちコイル状にすることもできる。
【００９０】
図６に示される内視鏡プローブ１４０は、ファイバ２６の遠端部のレンズ９０と、検流計で制御するミラー９２と、図３Ｂにおける対応する要素と同じ方法で機能し略々同じ機能を生じる集束レンズ９４とを有する。レンズ９４からの出力ビーム１４２は、光ファイバ束１４４における１本以上の単一モード光ファイバに与えられる。ビーム１４２が与えられるこの光ファイバ束１４４は、ミラー９２の走査位置に依存する。ファイバ束１４４の遠端部では、束１４４からの出力がレンズ１４６，１４８をへて試料８４へ送られる。試料８４における走査ビーム１５０の横方向位置は、ビーム１４２が与えられる束１４４におけるファイバと共に変化し、このためミラー９２の位置と共に変化する。ビーム１５０は、このように、ミラー９２の回転により試料８４を横切って直線的に走査される。ミラー９２が２次元で走査されるか、あるいは図３Ｃの３次元走査機構のレンズ１１２からの出力がレンズ９４からの出力の代わりに用いられ、光ファイバ束１４４が１次元ではなく２次元にファイバを有するならば、ビーム１５０は試料８４の表面を横切って２次元パターンで走査させられて、３次元走査を行うことを可能にする。
【００９１】
図７は、本発明の教示を用いて構成される更に別の内視鏡プローブ・モジュール１６０を示す。本例では、ファイバ２６の遠端部はばね１６２により鞘部１２４の内壁部に接続されている。ばね１６２は圧電トランジューサ１６４、あるいは鞘部１２４の壁部に沿って延びる電線１６６によりドライバ１６８に接続される当技術において公知である電磁アクチュエータ、静電アクチュエータまたは他のアクチュエータ上に装置してこれにより振動させられる。ファイバ２６の横方向運動は、屈折率が変化するレンズ（ＧＲＩＮレンズ）または他の適当なレンズ１７２に与えられる光ビーム１７０の対応する横方向運動を生じる。レンズ１７２からの出力光ビームは、試料８４の横方向走査を生じる。
【００９２】
血管内視鏡／内視鏡プローブの３つの異なる形態が図５乃至図７に示されるが、本発明の教示を用いて他の血管内視鏡／内視鏡プローブ・モジュールに内側または外側の光学系を設け、ファイバ自体または外側レンズまたはミラーの運動を与え、また用途の応じて異なる走査パターンを用いることができる。
【００９３】
先に述べたように、本発明の種々の実施例に対する典型的な走査パターンは、プローブ組立体を試料に対して選択された横方向位置に配置させ、図１Ａ〜図１Ｂに関して述べた機構４６または他の縦方向走査機構を所与の横方向位置における縦方向または深さ走査を完了するように動作させることである。この横方向位置は、例えば図３〜図７に関して述べた方法で変更され、深さ走査は、新たな横方向位置で完了される。このプロセスは、全ての所要の横方向位置で走査が行われるまで繰返される。これは、図８Ａに示される走査パターンである。
【００９４】
しかし、図８Ａに示される走査パターンは高速の縦方向走査を必要とする。先に述べたように、ある実施例においては、この縦方向走査は、回路５６（図１Ａ）において復調することができる均一なドップラー・シフトを生じるためには、一定速度におけることが望ましい。しかし、非常に高速の一定速度走査は達成が難しい。従って、横方向走査のための一定速度に関する要件が比較的少ないため、また共振するように駆動される検流計またはファイバ反射器を横方向走査の非常に高い速度を生じるため、図８Ｂに示される如き走査パターンは、特に大量の横方向点がイメージに対して用いられる時に望ましい。図８Ｂにおいて、完全な横方向走査が縦方向位置毎に行われる。換言すれば、例えば図３Ａによれば、機構８６は機構４６（図１Ａ）の各位置毎に完全な１サイクルを実施することになる。このような走査パターンでは、機構４６は連続的に回転させられるのではなく歩進運動させることができる。
【００９５】
図８Ｃは、本発明の教示の実施において用いられる更に別の走査パターンを示す。この走査パターンでは、試料における縦方向位置が、例えば端部ミラー４４の位置を選択された位置へ歩進させることにより前に述べた縦方向の位置決めのための手法の１つを用いて制御され、次いで試料におけるこのような深さ即ち縦方向位置において縦方向の１次元または２次元で走査が行われる。一旦このような走査が完了すると、走査は同じ深さで反復されるか、あるいは縦方向位置の制御が以降の走査を異なる深さで行わせるように歩進状に進められる。角深さレベルにおける走査が１次元ではなく２次元で行われ、このような２次元走査が全ての選択深さではなく１つ以上の選択深さでのみ行われることを除いて、この３次元走査が図８Ｂのそれと似ていることに注意すべきである。
【００９６】
以上の記述において、横方向次元における走査パターンは直線を用いて行われる必要がない。湾曲即ち円形走査パターンは、湾曲しない特定面に沿って深さおよび断面のイメージ情報を得ることが要求される場合に用いられる。図３Ｄおよび図５の走査実施例はこの点を示している。
【００９７】
ここまで述べてきた本発明の実施例におけるあり得る１つの難しいことは、試料の完全な２次元または３次元走査がかなりな期間を要することである。これはある機械的または半導体試料の如く時間と共に変化しない試料に対しては受入れられるが、時間と共に急速に変化する生物試料に対しては受入れられない。図９は本発明の別の実施例を示し、この実施例ではこの問題は、多数の光源１２Ａ〜１２Ｃおよび多数の検出器５２Ａ〜５２Ｃを用いるが１つの可動基準ミラー４４′を用いて試料を並行に走査することにより克服される。各光源１２Ａ〜１２Ｃに対しては個々の光源が提供され、あるいは１つ以上の光源からの光線が所要数の光源を提供するため分けられる。同様に、多数の基準点が設けられる。多数の検出器５２Ａ〜５２Ｃからの出力は、コンピュータ７２へ与えられる前に特殊な処理回路１８０により処理される。少数の並行走査が行われる場合は、このような光源を側方に走査ことも依然必要であろう。例えば、図９における試料８４に与えられる各ビームもまた３次元の走査を行うように図に対して出入りする方向に走査することもできる。あるいはまた、並行走査は３次元で行うこともできる。電子的処理回路１８０の容量が充分であるものとして、ビームの別の側方または横方向走査が必要でないように、２次元または３次元における充分な回数の並行走査を行うことができる。並行走査はまた、図１Ｂの走査技術を用いて行うこともできる。
【００９８】
図１０は、過大な強さのノイズが存在する場合に用いられる１つの可能な均衡された受信機の実施例を示している。この実施例では、２個の光検出器５２Ａおよび５２Ｂが過大な強さのノイズを除去するため当技術において公知の方法で用いられ、このノイズは減算回路１８２において打消される。本例では、試料およびコーナー・キューブ４２の２面からの反射から入力を受取る別の光結合器１８４が提供される。均衡化された検出を行うための当技術において公知の他の多くの技術もまた使用される。図１０に示される本発明の実施例の動作は、他の点では例えば図１Ａに関して述べたものと同じものである。
【００９９】
横方向走査パターンを有する実施例においてあり得る問題は、これら実施例が必要とする高い横方向走査速度では、使用される信号帯域幅が非常に大きいため、この信号のアライアジングがイメージに生じ得ることである。信号のアライアジングは、例えばドップラー・シフト周波数（ｆ_Ｄ）で変化し得る所与のイメージに対するイメージ強さにおける変動を含む。このようなアライアジングの１つの補償方法は、１つの試料において多数の走査を行い、各走査の結果をメモリー７４に格納して、コンピュータ７２において種々の走査からの値を平均化してアライアジングの変動を取除くことである。アライアジングを取除く他の望ましい方法は、先に述べた手法の１つを用いて信号帯域幅より高い変調を得ることである。
【０１００】
図１１は、複屈折を検出するため偏光を用いる本発明の別の実施例を示す。本発明のこの実施例では、光源１２からの光が、偏光を含む（高い複屈折の）ファイバ１９４へ与えられる前に、１対のレンズ１９２間に挟持された偏光器１９０において偏光される。例示の目的のため、偏光器１９０は光源１２からの光を縦方向に偏光する如く示され、縦方向の偏光はファイバ１９４のモードの１つである。ファイバ１９４は、偏光を含むファイバ１９８，２００に対して縦方向に偏光された光を出力する偏光を含む結合器１９６に結合される。ファイバ１９８は集束レンズ２０２で終り、このレンズからの光出力は４分の１波長遅延プレート２０４を介して試料８４′へ与えられる。プレート２０４は、円偏光された光が試料８４′に入射するように配置され指向されたゼロ次または低次のプレートであることが望ましい。試料の複屈折が存在しない場合は、プレート２０４はこれを通してファイバ１９８へ進む反射光を横方向偏光に変換する。偏光に従って光を異なる速度で層に伝搬させる試料の複屈折が存在する時は、複屈折を生じる試料構造を呈しあるいはこれにより深い試料層から反射された光は、一般に楕円偏波状態でファイバに戻ることになる。
【０１０１】
基準アームにおいて、ファイバ２００における縦方向に変更された光はレンズ２０２および４分の１波長遅延プレート２１０によりミラー４４に対して集束される。これもゼロ次または低次であることが望ましいプレート２１０は、ミラーに与えられる光が楕円偏波され、ファイバ２００へ戻されるミラーからの反射は等しい横方向および縦方向成分を持つ直線偏波状態にあるように配向される。試料および基準反射は結合器１９６において干渉縞と再び合成されて偏光を含むファイバ２１２へ与えられる。ファイバ２１２は、偏光ビーム・スプリッタ２１６に向いたレンズ２１４で終わり、ビームスプリッタからの横方向に偏波された光は検出器５２Ｃへ与えられ、ビームスプリッタからの縦方向に偏波された光は検出器５２Ｄへ与えられる。レンズ２１４および偏光ビーム・スプリッタ１１６は、ファイバ偏光ビーム・スプリッタにより置換することができる。
【０１０２】
共に同じドップラー・シフト周波数にある２個の検出器により検出された干渉信号は、復調器５６とＡ／Ｄコンバータ７０において個々に処理されて（個々の復調器およびＡ／Ｄコンバータは図１１に単一のユニットとして簡略に示される）２つの干渉信号と、１つの横方向振幅成分１１と、１つの縦方向振幅成分１２を生じる。これらの信号は、コンピュータ７２へ与えられ、ここで試料光経路における周回複屈折遅延φ
【０１０３】
【数１】

【０１０４】
を決定するために、また試料反射のための振幅｜ｌ_ｔ｜
｜Ｉ_ｔ｜＝｜Ｉ_１｜^２＋｜Ｉ_２｜^２
を決定するために使用することができる。
【０１０５】
このように、２つの検出器出力の相対的振幅および位相を測定することにより、試料の主軸に沿った相対位相の遅延についての情報が試料の深さの関数として得られる。
【０１０６】
複屈折は、網膜の神経繊維層の如き眼における構造、ならびに他の高次の生物組織、水晶体および他の構造物において観察される。１０乃至２０μｍの眼の神経繊維層の厚さにおける変化は緑内障における著しい間隔の変化であり得、また感光神経頭の放血および他の視野の喪失の進行を予見することができる。網膜の厚さを測定するための従来技術の手法は、単に４０μｍ程度の分解能を持つに過ぎなかった。しかし、図１１に示される装置は、１０μｍの分解能で複屈折を生じる網膜神経繊維層の厚さを検出することができる。網膜神経繊維層（ＲＮＦＬ）の内部からの後方散乱は、ＲＮＦＬの内部からの後方散乱の屈折の遅れが他の複屈折面に対する深さと共に増加する故に、識別することができる。複屈折の遅れが変化する深さの範囲はＲＮＦＬの厚さであり、複屈折の遅れの変化率（ＲＮＦＬの厚さで除した全遅れ）はＲＮＦＬ内部の神経軸系密度の測定値を提供することができる。ＲＮＦＬより深い層からの後方散乱および反射は、一定料の複屈折遅れを得ることになる。
【０１０７】
このような神経繊維層の測定を行う能力は、緑内障の早期の検出および緑内障の損傷の進行の客観的な評価に顕著な利点を提供する。このため、網膜構造からの弱い後方散乱信号を測定することができると共に、網膜の全厚さのみならず構成する下位層の厚さの直接的な検出もまた生じることが可能である。
【０１０８】
後方散乱光もまた、動脈斑および正常な動脈壁の如き最初の数ｍｍの混濁組織試料から検出するも可能である。図１２Ａ〜図１２Ｃは、正常な動脈壁と色々な種類の斑が沈着したものから得た後方散乱パターンを示している。後方散乱に対する対数減衰率もまた動脈壁に対するよりも脂肪斑に対して異なり、斑を弁別する別の方法を提供する。図５〜図７に示した形式の光ファイバ・プローブは、レーザ血管形成術および砕石術において使用される高解像度イメージを提供するため所要の場所に内視鏡の使用により送ることができる。これは、意図的でない血管の損傷および破裂の危険を低減することにより、このような処置の可能性を高めることになる。これは、この技術が従来技術の超音波法で得られるよりも微小な分解能を提供することができる許りでなく、動脈斑および正常な動脈斑を弁別する能力を、複屈折およびスペクトル特性の測定を含む多くの方法で提供する故である。動脈の内部の弾力に富む網膜は複屈折を高度に生じるが、その斑はそうではない、斑はまた他の異なるスペクトル特性を呈する。このような差別は、超音波法では容易に得られない。
【０１０９】
更に、特定の光ファイバおよびバルク光学系の構成を示したが、本発明が他の光学的構成を用いて実施することもできること、および機能の実施のため示した特定の装置における他の変更が用途に応じて可能であることが明らかである。このため、本発明については本文において遷好された実施態様に関して特に記述したが、形態ならびに細部における上記および他の変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者により可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の望ましい実施例による光コヒーレンス領域反射計の概略ブロック図である。
【図１Ｂ】周波数変調された光源を用いる本発明の別の実施例の概略ブロック図である。
【図１Ｃ】本発明の別の光ファイバ実施例の概略ブロック図である。
【図１Ｄ】分解能を強化するため２つの別個の波長の使用を示す本発明のバルク光学系実施例の概略ブロック図である。
【図２Ａ】図１の実施例を用いて得られる走査出力の特性を示すグラフである。
【図２Ｂ】エンベローブが重ねられた変調周波数を示す図２Ａに示した如き出力波形の一部の拡大グラフである。
【図２Ｃ】復調後の図２Ｂの波形のグラフである。
【図３Ａ】多次元走査を達成するプローブ・モジュールの一実施例を示すブロック図である。
【図３Ｂ】２次元または３次元走査を実施するための別のプローブ・モジュールの図である。
【図３Ｃ】３次元走査を達成するための別のプローブ・モジュールの図である。
【図３Ｄ】円形走査を行うための別のプローブ・モジュールの図である。
【図４Ａ】多次元走査を実施するための別の２つのプローブ・モジュール実施例の図である。
【図４Ｂ】多次元走査を実施するための別の２つのプローブ・モジュール実施例の図である。
【図５】内視鏡プローブ・モジュールの一実施例の断面側面図である。
【図６】内視鏡プローブ・モジュールの第２の実施例の断面側面図である。
【図７】内視鏡プローブ・モジュールの第３の実施例の断面側面図である。
【図８Ａ】本発明の教示による試料の２次元走査のための第１の走査パターンを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の教示による試料の２次元走査のための第２の走査パターンを示す図である。
【図８Ｃ】本発明の教示による試料の２次元走査のための第３の走査パターンを示す図である。
【図９】平行走査の実施例の概略ブロック図である。
【図１０】平衡型レシーバの実施例の概略ブロック図である。
【図１１】偏光を用いて複屈折を検出する本発明の別の光ファイバ実施例の概略ブロック図である。
【図１２】図１２Ａ乃至図１２Ｃは、それぞれ正常なもの、脂肪性斑点を含むもの、およびカルシウム沈積硬化した斑点を含むものである人間の大動脈を走査するため各図に示された如き実施例を用いて得られる図である。
【符号の説明】
１０　光学的コヒーレンス領域反射計（ＯＣＤＲ）
１２　光源
１４　光結合器
１６　光ファイバ経路
１８　レーザ
２０，２４，２６　光ファイバ経路
２２　結合器
２８，３２　組立体
３４　アクチュエータ
３６　コリメーティング・レンズ
３８，４０　音響光変調器
４２　コーナー・キューブ逆反射体
４４　端部ミラー
４６　機構
５０　光ファイバ経路
５２　フォトダイオード
５４　出力線
５６　復調器
５８　帯域通過フィルタ
６２　整流器
６４　低域通過フィルタ
６６　対数増幅器
６８　プリンタ
７０　アナログ／ディジタル・コンバータ
７２　コンピュータ
７４　記憶装置
７６　表示装置
８０　プローブ

Claims (56)

1. 短コヒーレンス長さを有する光のビームを発生する光源と、
   前記光源に結合され、光路長変更装置を含み、第１の光ファイバを含む基準経路と、
   光源に結合され、ビームの焦点を眼の中に合わせるための光学素子を含み、さらに眼の中でビームを走査するための光学走査手段を含むプローブ・モジュールを含み且つ第２の光ファイバを含むサンプル経路と、
   前記光路長変更装置により変更される光と、眼の中からの反射光を組合わせ、組合わせ光出力を生じさせるためのビーム組合わせ手段と、
   前記組合わせ光出力に光学的に結合され、干渉レスポンスに対応する出力信号を生じさせる検出器と、
   出力信号を処理し、前記眼の内部構造のイメージを得るために前記光路長変更装置及び前記検出器と接続されたプロセッサであって、前記光路長変更装置が、イメージ形成情報が得られることになる前記眼の中の縦方向範囲を変更するプロセッサと、
   を備えてなる眼の中で光イメージ形成を行うシステム。
2. 眼の中の特性によって分散された光の変動に相当するイメージの変動を伴った、眼のイメージを表示するためのディスプレイをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記イメージが、眼の中の密度の変動に相当する変動を含む、請求項２に記載のシステム。
4. イメージの変動が階調の変動で表される、請求項３に記載のシステム。
5. イメージの変動が色の変動で表される、請求項３に記載のシステム。
6. 光源からの光が第３の光ファイバに結合され、ビームが光ファイバ結合器によりサンプル経路と基準経路に分割される、請求項１に記載のシステム。
7. 光ファイバ結合器がビーム組合わせ手段としても機能する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記光学走査手段が少なくとも１つの可動ミラーを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 光学走査手段が、眼の後部面でビームを走査するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
10. 光学走査手段が、眼の結節点の回りで回転させられる横方向の走査機構を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 光学走査手段が、ミラーの位置に応じた角度で光を指向させるための少なくとも１つの可動ミラーを含む、請求項１に記載のシステム。
12. 走査手段が円形走査を達成するために回転式ミラーを含む、請求項１に記載のシステム。
13. プローブ・モジュールがさらにコリメーティングレンズを含む、請求項１に記載のシステム。
14. 眼の中の焦点面が、コリメーティングレンズを移動することによりイメージ形成情報が得られる前記眼の中の縦方向範囲と同期される、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記組合わせ光出力を、サンプルから戻る光の偏光状態に反応しない縦方向に分解能を有するイメージを生じさせるよう、前記プロセッサが各検出器出力を干渉計的に処理する少なくとも１つの検出器にそれぞれが結合される少なくとも２つのはっきりと偏光した組合わせ光出力に分割する偏光素子をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
16. 前記組合わされた光出力を、サンプルの複屈折に関する情報を含む縦方向に分解能を有するイメージを生じさせるよう、前記プロセッサが各検出器出力を干渉計的に処理する少なくとも１つの検出器にそれぞれが結合される少なくとも２つのはっきりと偏光した組合わせ光出力に分割する偏光素子をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
17. 基準経路またはサンプル経路のどちらかに周波数シフトを与えるための手段をさらに含み、干渉情報がサンプル経路と基準経路間の差周波数で監視される、請求項１に記載のシステム。
18. 光学走査手段及び光路長変更装置が、眼の二次元イメージを発生するために協調して動作する、請求項１に記載のシステム。
19. 光学走査手段及び光路長装置が、眼の三次元イメージを発生するために協調して動作する、請求項１に記載のシステム。
20. 短コヒーレンス長さを有する光のビームを発生するステップと、
    基準経路に沿って前記ビームの第１の部分を向け、前記経路が光路長変更装置を含むステップと、
    サンプル経路に沿ってビームの第２の部分を向けるステップと、
    サンプル経路から眼の中に光の焦点を合わせるステップと、
    前記光路長変更装置によって変更される光と、眼の中からの反射により変更される光を組合わせ、組合わせ光出力を生じさせるステップと、
    前記組合わせ光出力を監視し、干渉レスポンスに相当する出力信号を発生するステップと、
    基準経路の光路長の変化に応えて眼の中で縦方向の深さの関数として眼のミクロ構造の変動を決定するステップと、
    眼の中のミクロ構造の変化に相当する画像の変動とともに眼のイメージを表示するステップと、
    を備えてなる眼の中のミクロ構造のイメージを発生する方法。
21. 前記イメージが組織のの中の密度の変動に相当する変動を含む、請求項２０に記載の方法。
22. イメージ変動が階調の変動で表される、請求項２１に記載の方法。
23. イメージ変動が色の変動で表される、請求項２１に記載の方法。
24. 基準経路が光ファイバを含む、請求項２０に記載の方法。
25. サンプル経路が光ファイバを含む、請求項２０に記載の方法。
26. ビームが眼に関して横方向に走査され、二次元イメージが表示される請求項２０に記載の方法。
27. 短コヒーレンス長さを有する光のビームを発生する光源と、
    前記光源に結合され、光路長変更装置を含む基準経路と、
    光源に結合され、組織に対して光学的に結合されたプローブモジュールを含み、前記プローブモジュールは光ファイバを含んでおり、前記光ファイバは、体腔を測定するように構成されたアンギオスコープまたはエンドスコープ等の装置のチャネル内において支持されているサンプル経路と、
    前記光路長変更装置により変更される光と、組織からの反射光とを組合わせ、組合わせ光出力を生じさせるためのビーム組合わせ手段と、
    前記組合わせ光出力に光学的に結合され、干渉レスポンスに対応する出力信号を生じさせる検出器と、
    出力信号を処理することによって、前記組織のイメージを得るために前記光路長変更装置及び前記検出器と接続されたプロセッサであって、前記光路長変更装置が、イメージ形成情報が得られることになる前記組織の縦方向範囲を変更するプロセッサと、
    を備えてなる体腔の中で組織光イメージ形成を行うシステム。
28. 体腔は管腔であり、プローブ・モジュールは、前記管腔に対する円周方向の走査を行うための回転走査素子を含んでいる、請求項２７に記載のシステム。
29. プローブ・モジュールは、組織を軸方向に走査するための横方向走査素子を含んでいる、請求項２７に記載のシステム。
30. プローブ・モジュールは、組織を前方向に走査するための横方向走査素子を含んでいる、請求項２７に記載のシステム。
31. 前記組合わせ光出力を、少なくとも２つのはっきりと偏光した組合わせ光出力に分割する偏光素子を含んでおり、それぞれの分割された組合わせ光出力は、少なくとも１つの検出器に結合されており、前記プロセッサはそれぞれの検出器出力を処理し、組織から戻る光の偏光状態に感応しない、縦方向に分解能を有するイメージを生じさせる、請求項２７に記載のシステム。
32. 前記組合わせ光出力を、少なくとも２つのはっきりと偏光した組合わせ光出力に分割する偏光素子を含んでおり、それぞれの分割された組合わせ光出力は、少なくとも１つの検出器に結合されており、前記プロセッサはそれぞれの検出器出力を処理し、組織の複屈折に関する情報を含む、縦方向に分解能を有するイメージを生じさせる、請求項２７に記載のシステム。
33. 基準経路またはサンプル経路のどちらか一方の光に周波数シフトを与える手段を含んでおり、干渉情報は、サンプル経路と基準経路との間の差周波数で監視されている、請求項２７に記載のシステム。
34. 組織の中の特性によって分散された光の変動に相当するイメージの変動を伴った、組織のイメージを表示するためのディスプレイを含んでいる、請求項２７に記載のシステム。
35. 前記イメージが、組織の中の密度の変動に相当する変動を含んでいる、請求項３４に記載のシステム。
36. イメージの変動が階調で表される、請求項３４に記載のシステム。
37. イメージの変動が色の変動で表される、請求項３５に記載のシステム。
38. サンプル経路及び基準経路の往復群速度分散は、実質的に合致している、請求項３５に記載のシステム。
39. 光源は、少なくとも２つの異なる波長１，２を有するビームを発生させ、組合わせ光出力は、２つの周波数ｆ_１及びｆ_２で変調され、２つの周波数で出力を別個に復調するための手段が設けられている、請求項２７に記載のシステム。
40. 短コヒーレンス長さを有する光のビームを発生するステップと、
    基準経路に沿って前記ビームの第１の部分を向け、前記経路が光路長変更装置を含むステップと、
    サンプル経路に沿ってビームの第２の部分を向けるステップと、
    前記サンプル経路は検査モジュールを含み、前記検査モジュールは、体腔内を移動するように構成された血管鏡または内視鏡のような装置の通路内に支持されている光ファイバを含むステップと、
    イメージを表示されることになる組織に向かって体腔内に前記装置及び検査モジュールを前進させるステップと、
    前記光路長変更装置によって変更される光と、組織の中からの反射により変更される光を組合わせ、組合わせ光出力を生じさせるステップと、
    前記組合わせ光出力を監視し、干渉レスポンスに相当する出力信号を発生するステップと、
    基準経路の光路長の変化に応えて組織の中で縦方向の深さの関数として組織の構造の変動を決定するステップと、
    組織の中の構造の変化に相当する画像の変動とともに組織のイメージを表示するステップと、
    を備えてなる体腔内の組織の光学的イメージを発生する方法。
41. 前記体腔は、内腔であり、さらに内腔内の光線を円周方向に走査するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
42. 体腔内の特性により散乱した光の変化に相当するイメージの変動による組織のイメージを表示するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
43. 前記イメージが組織の中の密度の変動に相当する変動を含む、請求項４０に記載の方法。
44. サンプル経路と基準経路の往復群速度分散がほぼ一致している請求項４０に記載の方法。
45. 試料における光イメージ形成および測定を実施するシステムにおいて、
    短コヒーレンス長さの光源と、
    基準光反射器と、
    前記反射器に至る第１の光経路と、
    試料に至る第２の光経路と、
    前記光源からの光線を前記第１の光経路を経て前記反射器へ、かつ前記第２の光経路を経て前記試料へ送る手段と、
    前記第２の光経路の長さを変化させて予め定めた速度プロファイルに従って前記光経路の相対長さを変化させる、該プロファイルにおける各点における瞬時速度Ｖを有する手段と、
    前記第１の経路を経て受取った前記反射器からの反射と、前記第２の光経路を経て受取った前記試料からの反射とを組合わせる手段とを設け、結果として得る組合せた光出力は２つの経路における長さが一致する点において干渉縞を有し、前記光経路の長さ変更手段が、前記第２の光経路の長さが一致した点に対する試料における縦方向範囲位置における周期的な変化を生じ、
    前記第２の光経路を成端するプローブ・モジュールを設け、該プローブ・モジュールは、前記点が周期的に変化させられる時、縦方向範囲焦点が実質的に前記長さ一致点に維持されるように、試料におけるモジュールに対する縦方向範囲の焦点を制御する手段を含み、
    前記出力を検出する手段と、
    該検出された出力を処理して試料の選択されたイメージを得る手段とを設けてなるシステム。
46. 選択された波長において短コーヒーレンス長さ光信号を発生する手段と、
    生物学的組織に終端する基準光経路および試料光経路と、前記光信号は各前記経路を経て前記生物学的組織へと通り、前記各経路は双方向であり反射された放射を通し、
    前記光経路からの反射光信号を相互干渉的に合成する手段と、
    相互干渉的に合成されたビームの前記関連する経路長さにおいて被制御変量を与える手段と、
    前記相互干渉的に合成する手段からの出力を検出する手段と、
    前記検出手段からの出力を処理して前記微細構造の特徴に関する情報を得る手段と、を備え、
    前記生物学的組織は網膜組織であり、前記試料光経路は患者の眼の内部に終端し、前記相互干渉的に合成される反射放射は前記網膜組織を含む、
    選択された生物学的組織の微細構造の特徴を光学的に測定する装置。
47. 前記選択された生物学的組織は患者の眼の網膜下組織、網膜組織そして視神経組織であり、前記試料光経路は患者の眼の内部に終端し、そして前記相互干渉的に合成された反射放射は患者の眼の前記組織からの放射を含む、請求項４６に記載の装置。
48. 網膜神経繊維層の厚さを測定し、そして前記相互干渉的に合成された反射放射は前記網膜神経繊維層からの反射放射を含む、請求項４６に記載の装置。
49. 前記生物学的組織は複屈折の組織層であり、前記発生する手段は第１の状態に偏光されている光信号を発生し、前記経路において発生する手段からの信号が異なる偏光を有し、前記複屈折の組織層からの反射放射が複屈折の層の機能として変化する状態に偏光を有する、ような方法で前記経路の少なくとも１つを経て通る放射の偏光状態を変更する手段と、
    前記検出する手段は干渉的に合成された出力に直交偏光状態を有する２つの出力に分割する手段を含み、
    前記処理する手段は個々の相互干渉信号を得るために前記２つの出力を分離して処理する手段、そして前記組織層の構造に関する情報を配給するために相互干渉信号を合成する手段とを含む、
    請求項４６に記載の装置。
50. 前記生物学的組織は複屈折の網膜組織であり、前記試料光経路は患者の眼に終端し、そして相互干渉的合成された反射放射は前記網膜組織からの放射を含む、請求項４９に記載の装置。
51. 前記装置は視神経繊維層の厚さを測定し、前記視神経繊維層は複屈折層であり、前記相互干渉的に合成された反射放射は前記視神経層からの放射を含む、請求項５０に記載の装置。
52. 前記装置は視神経軸索密度を測定し、視神経繊維層は複屈折層であり、前記処理する手段は神経繊維層の厚さによる複屈折の遅れの変化率を決定する手段を含む、請求項４９に記載の装置。
53. 前記発生する手段は、少なくとも２つの異なる波長λ_１とλ_２における短コーヒーレンス長さ光放射を発生する手段を含み、前記生物学的組織の少なくとも１つのスペクトル特性は波長λ_１とλ_２の間で異なり、
    前記相互干渉的に合成する手段は、周波数ｆ_１で変調された第１の合成光出力と周波数ｆ_２で変調された第２の合成光出力を与える手段を含み、
    前記検出する手段は前記第１と第２の合成光出力を個々に復調する手段を含み、前記処理する手段は、２つの出力を処理し前記微細構造の特徴を得る手段を含む、
    請求項４６に記載の装置。
54. 前記復調する手段は適切な変調周波数に中心のある選択された帯域にフィルタする手段を含む、請求項５３に記載の装置。
55. 前記処理する手段は、異なる波長で試料のスペクトル特性における検出差を利用して試料の物質の少なくとも１つと試料物質の性質とを決定する手段を含む、請求項５３に記載の装置。
56. 前記試料は、波長λ_１とλ_２の少なくとも１つにおいて異なるスペクトル特性を有する物質で構成される少なくとも２層で形成され、そして前記処理する手段は、異なる波長における試料のスペクトル特性における検出された差を利用して前記層の境界を決定する手段を含む、請求項５３に記載の装置。

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