JP2007086428A - 共焦点顕微鏡装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 OCT計測を用いた共焦点顕微鏡装置において、高速に断層画像の取得を行う。
【解決手段】 測定対象Sからの反射光L3と参照光L2が合波され、その干渉光L4が干渉光検出手段6により検出され測定対象Sの断層画像が取得される共焦点顕微鏡装置において、参照光L2の周波数変調を行う光変調部20が設けられている。この光変調部20は、参照光L2を分光する回折格子素子22と、分光された参照光L2を平行光にするコリメータレンズ23と、コリメータレンズ23を透過した参照光を再びコリメータレンズ23側に反射させる反射ミラー24と、コリメータレンズ23の光軸からずれた位置を中心にして反射ミラー24とを備えている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、測定対象の所定の深さの画像を取得する共焦点顕微鏡装置に関し、特にOCT(Optical Coherence Tomography)計測技術を共焦点顕微鏡装置に用いて測定対象の所定の深さの画像を取得する共焦点顕微鏡装置に関するものである。
従来、体内の内視鏡検査を行う際に共焦点顕微鏡装置が用いられることが知られているが、さらに、この共焦点顕微鏡装置において、ヘテロダイン検出を用いたOCT計測の原理と共焦点顕微鏡の原理とを組み合わせたものが提案されている(たとえば特許文献1参照)。特許文献1の共焦点顕微鏡装置において、光源から射出されたレーザ光が測定光と参照光とに分割され、参照光は参照光の光軸方向に移動する参照ミラーに入射されることにより周波数変調が施される。
一方、測定光は光ファイバを用いて測定対象まで導波され、光ファイバから射出した測定光が集光レンズにより測定対象に集光される。そして、測定対象からの反射光が再び集光レンズにより集光され光ファイバに入射される。このとき、光ファイバの測定光射出部分と測定対象における焦点位置とは共焦点関係にあり、測定対象の焦点位置以外からの反射光は光ファイバに入射できないようになっている。
その後、周波数変調が施された参照光と光ファイバにより導波された測定対象からの反射光との干渉光をヘテロダイン検波を行うことにより焦点位置における反射情報が取得される。そして、集光レンズの焦点位置を測定対象の深さ方向に対し直交する方向に移動させることにより、所定の深さ位置における断層画像を取得することができる。
特表2002−517011号公報
ここで、ヘテロダイン検波を行う際に、測定光と参照光との間には周波数差を与えるために参照ミラーを移動もしくは振動させる必要がある。しかし参照ミラーを移動等させたときには測定対象の深さ方向のヘテロダイン検波を行っていることになる。よって、上述した共焦点顕微鏡装置のように所定の深さ位置における断層画像を得るような場合には、参照ミラーを移動させたときに参照光の光路長が集光レンズの焦点位置までの測定光の光路長に一致したときは干渉光を検出することができるが、それ以外は干渉光の検出ができないため、断層画像を取得する際に冗長な時間が存在しているという問題がある。
そこで、本発明は、高速に断層画像の取得を行うことができるOCT計測を用いた共焦点顕微鏡装置を提供することを目的とするものである。
本発明の共焦点顕微鏡装置は、測定対象の所定の深さの画像を取得する共焦点顕微鏡装置において、光を射出する光源ユニットと、光源ユニットから射出される光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、光分割手段により分割された測定光と参照光との間に周波数の差を与える光変調部と、光分割手段により分割された測定光を測定対象に集光するとともに、測定光を測定対象に集光したときの測定対象からの反射光を集光する共焦点光学系と、共焦点光学系により集光された反射光と参照光とを合波する合波手段と、合波手段により合波された反射光と参照光とが干渉したときの干渉光を検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により検出された干渉光から測定対象の所定の深さの画像を取得する画像取得手段とを有するものであり、光変調部が、光分割手段により分割された参照光を分光する回折格子素子と、回折格子素子により分光された参照光を平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズを透過した参照光を再びコリメータレンズ側に反射し回折格子素子に入射させる、コリメータレンズの光軸からずれた位置を中心に揺動する反射ミラーと、反射ミラーから回折格子素子に入射され回折格子素子において分光された参照光を再び回折格子素子側に反射するミラーとを備えたものであることを特徴とするものである。
ここで、反射ミラーは、光変調部から射出される参照光に対し光路長の変更を生じることなく周波数変調のみ生じるように揺動するものであって、参照光の波長をλ、コリメータレンズと反射ミラーとの距離をl、回折格子素子の格子ピッチをp、反射ミラーが揺動するときの中心とコリメータレンズの光軸とのずれ量をxとしたときに、x=lλ/pとなるように反射ミラーを揺動させるものであることが好ましい。
なお、反射ミラーは等速で揺動するものであることが好ましい。このとき、画像取得手段が、干渉光検出手段において検出された干渉光のうち、反射ミラーの揺動速度で決まる干渉光の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを有するものであってもよい。
また、共焦点光学系はその構成を問わず、たとえば光分割手段から測定対象まで測定光を導波する光ファイバの光射出部分と、光ファイバの光射出部分から射出された測定光を測定対象に対し集光する集光レンズとを備えたものであってもよい。
本発明の共焦点顕微鏡装置によれば、光変調部が、光分割手段により分割された参照光をスペクトル毎に分光する回折格子素子と、回折格子素子により分光された参照光を平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズを透過した参照光を再び該コリメータレンズ側に反射し回折格子素子に入射させる、コリメータレンズの光軸からずれた位置を中心に揺動する反射ミラーと、反射ミラーから回折格子素子に入射され該回折格子素子において分光された参照光を再び回折格子素子側に反射するミラーとを備えたことにより、参照光の光路長を変化させることなく周波数変調のみを高速に行うことが可能となるため、断層画像の取得の高速化を図ることができる。
なお、反射ミラーが、参照光の波長をλ、コリメータレンズと反射ミラーとの距離をl、回折格子素子の格子ピッチをp、反射ミラーが揺動するときの中心とコリメータレンズの光軸とのずれ量をxとしたときに、x=lλ/pとなるように揺動するものであれば、光変調部から射出される参照光に対し光路長の変更を生じることなく周波数変調のみを高速に行うことができるため、断層画像の取得の高速化を図ることができる。
また、反射ミラーが等速で揺動するものであり、画像取得手段が、干渉光検出手段において検出された干渉光のうち、反射ミラーの揺動速度で決まる干渉光の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを有するものであれば、測定したい部位からの干渉光のみを確実に検出することができるようになるため、従来の共焦点顕微鏡装置で得られる画像よりもノイズが少ないS/Nの良い画像を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の共焦点顕微鏡装置の実施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明の共焦点顕微鏡装置の好ましい実施の形態を示す構成図である。共焦点顕微鏡装置1は、OCT(Optical Coherence Tomography)技術を用いた共焦点顕微鏡装置であって、光を射出する光源ユニット2と、光源ユニット2から射出される光Lを測定光L1と参照光L2とに分割する光分割手段3と、光分割手段3により分割された参照光L2に対し周波数変調を行う光変調部20と、光分割手段3により分割された測定光L1を測定対象Sに対し集光するとともに、測定対象Sにおいて反射した反射光L3を集光する共焦点光学系10と、光変調部20により周波数変調された参照光L2と共焦点光学系10により集光された反射光L3とを合波する合波手段4と、合波手段4により合波された参照光L2と反射光L3とが干渉したときの干渉光L4を検出する干渉光検出手段6と、干渉光検出手段6により検出された干渉光から測定対象Sの所定の深さの画像を取得する画像取得手段8と有している。
ここで、光源ユニット2は、たとえばSLD(Super Luminescent Diode)等の広帯域なスペクトルを有する低コヒーレンス光を射出するものであって、射出された光は光ファイバFB1に入射されるようになっている。光分割手段3はたとえば光ファイバカプラからなっており、光ファイバFB1を介して伝搬された光Lを測定光L1と参照光L2とに分割する機能を有する。ここで、測定光L1は光ファイバFB3側に射出され、参照光L2は光ファイバFB2側に射出される。なお、この光ファイバは測定対象Sからの反射光L3と参照光L2とを合波する合波手段4としても機能する。
光ファイバFB3を導波した測定光L1は共焦点光学系10を介して測定対象Sに照射される。共焦点光学系10は光分割手段3により分割された測定光L1を測定対象Sに対し集光するとともに、測定対象Sにおいて反射した反射光を集光するものであって、光ファイババンドル部11と、光ファイババンドル部11のコア11C(図2参照)から射出された測定光L1を測定対象Sに対し集光する集光レンズ13とを有している。
ここで、図2は光ファイババンドル部11の一例を示す模式図である。光ファイババンドル部11は、マルチコアの光ファイバであって、クラッド11G内に複数のコア11Cが収容された構造を有している。光ファイバFB3と光ファイババンドル部11との間にはコア選択手段12が接続されており、コア選択手段12は、光ファイバFB3内を導波した測定光L1をいずれのコア11Cに導波させるか選択する機能を有している。特にコア選択手段12は、矢印X方向(主走査方向)に向かってコアの選択の走査を、矢印Y方向(副走査方向)に向かって繰り返すようになっている。このように、矢印XY方向にコア11Cの選択を行うことにより、測定対象Sの所定の深さ位置zにおけるXY平面の反射光L3を得ることができる。
図1の集光レンズ13は、各コア11Cから射出される測定光L1を測定対象Sに集光するものであるとともに、測定対象Sからの反射光L3を各コア11Cに集光するようになっている。ここで、各コア11Cには測定対象S側の焦点位置から反射した反射光L3のみ入射され、焦点位置以外からの反射光L3は入射されない。よって、測定対象S内における集光レンズ13の焦点位置が形成される深さ位置からの反射光L3のみが各コア11Cに入射されることになる。
合波手段4は、光分割手段3としても機能するビームスプリッタからなり、光変調部20により周波数変調された参照光L2と測定対象Sからの反射光L3とを合波し干渉光検出手段6側に射出するようになっている。
干渉光検出手段6は、合波手段4により合波された反射光L3と参照光L2との干渉光L4を検出するものであって、画像取得手段8は、干渉光検出手段6により検出された干渉光L4の周波数および光強度に基づいて、測定対象Sの断層画像を取得するようになっている。
次に、図3は光変調部20の一例を示す模式図であり、図1と図3を参照して光変調部20について説明する。光変調部20は、いわゆる「RSOD:Rapid Scanning Optical Delay line」と呼ばれている光変調部であって、このRSODの詳細な原理については、「Andrew M.Rollins,Manish D.Kulkarni,Siavash Yazdanfar,Rujchai Ung-arunyawee and Joseph A.Izatt,”IN vivo video rate optical coherence tomography”Opt.Express 6,219-229(1998)(以下、「RSOD文献」という)」および特表2001−127659号公報に記載されている。光変調部20は、参照光に対し光路長の変更を行わず周波数変調のみを行うものであってRSODからなっている。具体的には、光変調部20は、参照光L2をスペクトル毎に分散する回折格子素子22と、回折格子素子22により分散された参照光L2を平行光にするコリメータレンズ23と、コリメータレンズ23により平行光にされた参照光L2を再びコリメータレンズ23側に反射する反射ミラー24と、反射ミラー24から回折格子素子22に入射され回折格子素子22において分光された参照光L2を再び回折格子素子22側に反射するミラー25とを備えている。
回折格子素子22は、光ファイバFB2からコリメータレンズ21を介して一定の角度で入射された参照光L2を各スペクトル毎に分光し、コリメータレンズ23側に射出する。コリメータレンズ23はたとえばフーリエ変換レンズからなっており、回折格子素子22により分光された参照光L2を平行光にする機能を有している。
反射ミラー24は、コリメータレンズ23の焦点距離lだけ離れた位置に配置されている。反射ミラー24はコリメータレンズ23の光軸LLから外れた位置を中心として矢印σ方向に高速に揺動し、参照光L2にドップラーシフトによる周波数変調を生じさせる機能を有する。そして、周波数シフトされた参照光L2が光ファイバFB4を介して光変調部20に再び入射されることになる。
つまり、参照光L2は回折格子素子22、コリメータレンズ23、反射ミラー24の順に進み、再び反射ミラー24、コリメータレンズ23、回折格子素子22を経てミラー25に到達する。さらに、参照光L2はミラー25において反射し、回折格子素子22、コリメータレンズ23、反射ミラー24の順に進み、再び反射ミラー24、コリメータレンズ23、回折格子素子22を経て光ファイバFB2に入射される。
次に、図1から図3を参照して共焦点顕微鏡装置1の動作例について説明する。まず、光源ユニット2から広帯域な低コヒーレンス光Lが射出されたとき、低コヒーレンス光Lは光分割手段3により測定光L1と参照光L2とに分割される。参照光L2は光変調部20により周波数シフトが施される。一方、測定光L1はプローブ20により体腔内に導波され測定対象Sに照射される。そして、測定対象Sからの反射光L3と参照光L2とが合波され、反射光L3と参照光L2との干渉光L4がビート信号として干渉光検出手段6により検出される。この検出された干渉光L4に基づいて所定の深さの画像(断層画像)が画像取得手段8により取得される。
ここで、反射ミラー24は参照光L2に光遅延(光路長変化)が生じないように駆動するようになっている。具体的には、反射ミラー24は、参照光の中心波長をλ、コリメータレンズ23と反射ミラー24との距離をl、回折格子素子の格子ピッチをpのとき、コリメータレンズ23の光軸LLから揺動中心までのずれ量x=lλ/pとなるように反射ミラー24を揺動させるようになっている。
つまり、光変調部20において反射ミラー24を揺動させることにより、参照光L2に生じる光遅延量Δlgは、
Δlg=4σx−4σlλ/p ・・・(1)
で表すことができる。なおσは反射ミラー24の傾き量である。よって、光遅延量Δlg=0になるためには式(1)より、光軸LLからのずれ量x=lλ/pとなる位置で反射ミラー24を揺動させればよい。
このように、光変調部20に周波数変調のみを行い光路長変更を行わないRSODを用いることにより、周波数シフトを高速に行うことができ断層画像の取得を高速に行うことができる。すなわち、従来のOCT計測を用いた共焦点顕微鏡装置の場合、参照光L2に周波数シフトを施すために参照ミラーを移動させたとき、同時に光路長も変化してしまう。このため、参照ミラーによる光路長の変化にあわせて集光レンズ13の焦点位置の調整を行わなければならず、断層画像の取得に時間が掛かってしまう。一方、図2の光変調部20においては、参照光L2の光路長変化を生じさせることなく周波数変調だけを行うことができるため、参照光L2の光路長変化に合わせた集光レンズ13の焦点位置の調整が不要であり、高速に断層画像の取得を行うことができる。
さらに、反射ミラー24を揺動させることにより周波数シフトさせたときの中心周波数fおよび周波数シフト幅Δfは、
0=4x/λ・δσ(t)/δt ・・・(2)
Δf=2Δλ/λ 2(2x−2lfλ/p)・δσ(t)/δt・・・(3)
で表すことができる。
ここで、反射ミラー24を等速度ω(=δσ(t)/δt)で揺動させたとき、式(2)により中心周波数f=4xω/λとなる。さらに、式(3)にずれ量x=lλ/pを代入するとΔf=0となる。つまり、反射ミラー24がずれ量x=lλ/pとなる位置を中心に等速で揺動することにより、周波数f=4xω/λ=4ωl/pの一定の周波数からなる参照光L2が出力されることになる。
したがって、測定光L1の周波数fと参照光L2の周波数fとの差周波数は不変となり、干渉光検出手段6はこの差周波数のビート信号を取得すればよい。このため、図1に示すように、画像取得手段8が、干渉光検出手段6において検出された干渉光L4のうち、反射ミラー24の揺動速度で決まる干渉光L4の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタ(BPF)7を有するようにした場合、差周波数以外の周波数からなる信号を除去することができ、従来の共焦点顕微鏡装置で得られる画像よりもS/N比の良い画像を得ることができる。なお、帯域通過フィルタ(BPF)7のバンド幅を理論的に0にすることができ、実現できる最も帯域の小さいバンド幅のものを用いることができる。
具体的には、上述した帯域通過フィルタ7を用いた場合にはノイズが除去され、図4の実線で示すように干渉光L4のピークは鋭い状態で検出され、鮮鋭な断層画像を得ることができる。一方、従来の共焦点顕微装置を用いた場合、図5の実線で示すようにピークが繋がった包絡線状のものが干渉光L4として検出され画質が劣化してしまう。つまり、参照光L2と反射光L3との差周波数を一定にし、帯域通過フィルタ7を限りなく0に近いバンド幅にすることにより、S/N比の良い画像を得ることができる。
なお、光変調部20とコア選択手段12とは同期制御手段により制御されており、図6(A)のような反射ミラー24の動作と、図6(B)のようなコア選択手段12のコア11Cの選択とが同期してガルバノ走査するようになっている。つまり、反射ミラー24を傾ける動作をしているとき、コア選択手段12は矢印X方向に対しコア11Cの選択を走査するようになっている。これにより、矢印X方向に対しコア11Cの選択を走査している最中に反射ミラー24がδ=0°に戻る動作を行うことによる画質の劣化を防止することができる。
上記実施の形態によれば、光変調部20が、光分割手段3により分割された参照光L2をスペクトル毎に分光する回折格子素子22と、回折格子素子22により分光された参照光L2を平行光にするコリメータレンズ23と、コリメータレンズ23を透過した参照光L2を再びコリメータレンズ側に反射させる反射ミラー24とを備えたことにより、参照光L2の光路長を変化させることなく周波数変調を高速に行うことができるため、断層画像の取得の高速化を図ることができる。
なお、反射ミラー24が、参照光の波長をλ、フーリエ変換レンズと反射ミラーとの距離をl、回折格子素子の格子ピッチをp、反射ミラーが揺動するときの中心とフーリエ変換レンズの光軸とのずれ量をxとしたときに、x=lλ/pとなるように反射ミラーを揺動するものであれば、光変調部20から射出される参照光L2に対し光路長の変更を生じることなく周波数変調を生させるようにすることができるため、断層画像の取得の高速化を図ることができる。
また、反射ミラー24が等速で揺動するものであり、画像取得手段が、干渉光検出手段6において検出された干渉光のうち、反射ミラーの揺動速度で決まる干渉光の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを有するものであれば、測定したい部位から反射した反射光に基づく干渉光のみを確実に検出することができるようになるため、従来の共焦点顕微鏡装置で得られる画像よりもノイズが少ないS/Nの良い画像を得ることができる。
本発明の実施の形態は、上記実施の形態に限定されない。たとえば、図1における共焦点顕微鏡装置1において、光L、測定光L1、参照光L2、反射光L3、干渉光L4は光ファイバ中を伝搬させる場合について例示しているが、それぞれ大気中もしくは真空中を伝搬するようにしてもよい。
本発明の共焦点顕微鏡装置の好ましい実施の形態を示す模式図 図1の共焦点顕微鏡装置における光ファイバの一例を示す模式図 図1の共焦点顕微鏡装置における光変調部の一例を示す模式図 図1の共焦点顕微鏡装置により得られる干渉光の波形を示す図 従来の共焦点顕微鏡装置により得られる干渉光の波形を示す図 図1の共焦点顕微鏡装置においてコアの選択と反射ミラーの走査が同期する様子を示すグラフ図
符号の説明
1 共焦点顕微鏡装置
2 光源ユニット
3 光分割手段
4 合波手段
6 干渉光検出手段
7 帯域通過フィルタ
8 画像取得手段
10 共焦点光学系
11G クラッド
20 光変調部
21 コリメータレンズ
22 回折格子素子
23 コリメータレンズ
24 反射ミラー
25 ミラー
周波数
L 光
L1 測定光
L2 参照光
L3 反射光
L4 干渉光
LL 光軸
S 測定対象

Claims (3)

  1. 測定対象の所定の深さの画像を取得する共焦点顕微鏡装置において、
    光を射出する光源ユニットと、
    該光源ユニットから射出される光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
    前記光分割手段により分割された前記測定光と前記参照光との間に周波数の差を与える光変調部と、
    前記光分割手段により分割された前記測定光を前記測定対象に集光するとともに、前記測定光を前記測定対象に集光したときの該測定対象からの反射光を集光する共焦点光学系と、
    前記共焦点光学系により集光された前記反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
    該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光とが干渉したときの干渉光を検出する干渉光検出手段と、
    該干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の所定の深さの画像を取得する画像取得手段と
    を有するものであり、
    前記光変調部が、
    前記光分割手段により分割された前記参照光を分光する回折格子素子と、
    該回折格子素子により分光された前記参照光を平行光にするコリメータレンズと、
    該コリメータレンズを透過した前記参照光を再び該コリメータレンズ側に反射し前記回折格子素子に入射させる、前記コリメータレンズの光軸からずれた位置を中心に揺動する反射ミラーと、
    該反射ミラーから前記回折格子素子に入射され該回折格子素子において分光された前記参照光を再び前記回折格子素子側に反射するミラーと
    を備えたものであることを特徴とする共焦点顕微鏡装置。
  2. 前記反射ミラーが、前記参照光の波長をλ、前記コリメータレンズと前記反射ミラーとの距離をl、前記回折格子素子の格子ピッチをp、前記コリメータレンズの光軸と前記反射ミラーが揺動するときの中心とのずれ量をxとしたときに、x=lλ/pとなる位置を中心に揺動するものであることを特徴とする請求項1記載の共焦点顕微鏡装置。
  3. 前記反射ミラーが等速で揺動させるものであり、前記画像取得手段が、前記干渉光検出手段において検出された前記干渉光のうち、前記反射ミラーの揺動速度で決まる前記干渉光の周波数の信号のみを通過させる帯域通過フィルタを有するものであることを特徴とする請求項2記載の共焦点顕微鏡装置。
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