JP2007151631A - 光断層イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料照射レンズ周りを大型化することなく到達深度を向上させ、光断層イメージング装置を、内視鏡などの小型機器に適用できるようにする。
【解決手段】中心波長の異なる複数の低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂを備え、かつ、複数の低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂからの光を被測定部Ｓに照射したときの反射光に基づいて、被測定部Ｓの断層画像を得る光断層イメージグ装置１において、複数の複数の低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂとして、被測定部Ｓにおける深度成分の浅い断層画像を作成するための短波長の光源１０Ａと、被測定部Ｓにおける深度成分の深い断層画像を作成するための長波長の光源１０Ｂと、を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、工業用あるいは医療用途の照明に用いられる光断層イメージング装置に関するものである。特に、医療用の内視鏡用のＯＣＴ（Optical Coherence tomography）に用いられる光断層イメージング装置に関するものである。

光断層イメージング装置であるＯＣＴは、眼科領域で網膜の断層画像を観察する手段として確立されている。ＯＣＴは、内視鏡に応用することで、従来の超音波内視鏡の１０倍近い光軸方向分解能を実現する可能性があるために、様々な開発が進められている。

ＯＣＴを内視鏡に適用する場合には、到達深度および解像度を向上させる必要があり、また、ＯＣＴの到達深度および解像度を向上させるために様々な研究もされており、ＯＣＴを内視鏡に適用するに当たって、いくつかの着目すべき研究成果も発表されている。

たとえば、光源の波長が到達深度に与える影響について検討したもの（たとえば非特許文献１参照）、低コヒーレンス光源のスペクトラム形状に着目したものがある（たとえば非特許文献２参照）。これらの研究成果によれば、試料に照射する光として波長の長いものを用いることにより到達深度を大きくでき、光源としてスペクトラム波形がガウシャン形状のものを使用することにより断層イメージの解像度を向上できることが示唆されている。

図１０には、代表的ＯＣＴの概略構成を示した（たとえば特許文献１参照）。同図に示したＯＣＴ９は、マイケルソン干渉計の構成を採用したものであり、光源９０として、単一波長の光であるレーザとは異なり、ある波長幅を持った低コヒーレンス光源（広帯域光源）を使用したものである。

このＯＣＴ９では、低コヒーレンス光源９０からの光が、光カプラ９１を用いて二つに分割され、一方の光は試料照射レンズ９２を介して試料（物体）９３に照射され、他方の光は可動ミラー９４に照射される。試料９３および可動ミラー９４からの反射光は、再び光カプラ９１で合流される。試料（物体）９３からの反射光と可動ミラー９４からの反射光とは、それぞれの光路長が光の可干渉距離（通常のＯＣＴでは約１０〜２０ｕｍ）で一致したときに干渉しあう。従って、可動ミラー９４を光軸方向に移動させたときの干渉を光検出器９５において検出することによって、可動ミラー９４の位置に対応した生体組織の奥行き方向における特定の反射・散乱光を検出できる。ＯＣＴ９ではさらに、試料（物体）９３側の光を走査し、得られる反射・散乱光をもとに二次元の断層画像を得ることができる。

一方、ＯＣＴとしては、構造的な情報（断層画像）ばかりでなく、波長の異なる光を用いることにより、酸素飽和度などの機能的情報を得るように構成されたものも提案されている（たとえば特許文献２参照）。この文献に開示されたＯＣＴは、波長の異なる光源を用いて、それらから得られるデータ間を演算することで、酸素飽和度などの生体組織の機能的情報を得ようとするものである。従って、使用する光源の波長は測定する物質に応じて選定する。例えば酸素飽和度測定の場合は血中のヘモグロビンと酸化ヘモグロビンの吸光度波長依存性を考慮し、波長は６５０ｎｍ〜１０００ｎｍから選んでいる。

ＯＣＴでは、通常、試料照射レンズ（図１０の符号９２参照）が光軸方向に固定されているが、試料照射レンズの開口数（ＮＡ）を選択することによって、到達深度および解像度を調整することが可能である。すなわち、試料照射レンズのＮＡ（開口数）を大きくすることで横方向（走査方向）の分解能を向上させることができ、試料照射レンズのＮＡ（開口数）を小さくすることで、焦点深度を大きくして到達深度を大きくすることができる。

しかしながら、試料照射レンズのＮＡ（開口数）を大きくすれば焦点深度が小さくなって到達深度を小さくなり、試料照射レンズのＮＡ（開口数）を小さすれば、横方向（走査方向）の分解能が低下する。このように、試料照射レンズを固定した場合、横方向解像度と到達深度はトレードオフの関係にあり、両者を両立させるのは困難である。

これを回避する対策の一つとして、試料照射レンズを光軸方向に移動させ、ＯＣＴ到達深度を向上させる方法もある（たとえば非特許文献３参照）。この場合には、試料照射レンズを移動させる機構が必要になってくるが、試料照射レンズは試料の近くに配置するものであるから、ＯＣＴを内視鏡に適用する場合には、試料照射レンズのサイズを数ｍｍにしなければならない。そのため、レンズを光軸方向に移動させる機構を内視鏡プローブ内に内蔵するのは困難である。

特公平６−３５９４６号公報 特開平６−１６５７８４号公報 Brett E.Bouma,et al，"OPTICAL COHERENCETOMOGRAPHIC IMAGING OF HUMAN TISSUE AT 1.55um AND 1.81um USING ER-AND TM-DOPEDFIBER" ，JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS 3(1)，米国，１９９８年１月，p.76-79 A.Ceyhum Akcay and Jannick P.Rolland，"Spectralshaping to improve the point of spread function in optical coherence tomography"，OPTICS LETTERS，米国，ＯＳＡ，２００３年１０月，Vol.28,No.20 近江雅人他，「第３２回光波センシング技術研究会講演論文集」，応用物理学会，２００３年１２月，p.59-64

本発明は、試料照射レンズ周りを大型化することなく到達深度を向上させ、光断層イメージング装置を、内視鏡などの小型機器に適用できるようにすることを課題としている。

本発明により提供される光断層イメージング装置は、中心波長の異なる複数の低コヒーレント光を出射可能な光源系を備え、かつ、前記複数の低コヒーレント光を被測定部に照射したときの反射光に基づいて、前記被測定部の断層画像を得る光断層イメージグ装置であって、前記光源系は、前記被測定部における深度成分の浅い断層画像を作成するための短波長の低コヒーレンス光と、前記被測定部における深度成分の深い断層画像を作成するための長波長の低コヒーレンス光と、を出射できるように構成されていることを特徴としている。

光源系は、たとえば互いに中心波長の異なる低コヒーレントを出射可能な複数の低コヒーレンス光源を備えたものとして構成される。この場合、複数の低コヒーレンス光源は、被測定部における深度成分の浅い断層画像を作成するための短波長の光源と、被測定部における深度成分の深い断層画像を作成するための長波長の光源と、を含んだものとされる。

本発明の光断層イメージング装置は、たとえば複数の低コヒーレント光源からの光を被測定部に照射したときの反射光を干渉させたときの干渉信号に基づいて、被測定部の断層画像を得るように構成されている。

好ましくは、複数の低コヒーレンス光源を非同時に順次点灯させ、複数の低コヒーレンス光源の順次点灯と同期させて各低コヒーレンス光源に対する干渉信号を検出するように構成される。

本発明の光断層イメージング装置は、複数の低コヒーレンス光源に対応する干渉信号を検出するための複数の検出器と、各低コヒーレント光源に対応した波長の光を分離するための波長分離手段と、をさらに備えたものとして構成することもできる。

複数の低コヒーレント光源は、中心波長が０．８μｍ帯、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯、または１．６μｍ帯の光を出射可能な光源のうち、２つ以上の光源を含んでいるのが好ましい。

本発明の光断層イメージング装置は、たとえば低コヒーレント光源からの光を前記被測定部に照射するためのレンズ機能部材をさらに備えたものとされる。この場合、レンズ機能部材は、複数の低コヒーレント光源から出射される光のうち、最も短波長な光の焦点位置と最も長波長な光の焦点位置とを、１ｍｍ以上ずらすことが可能な色収差を有するものとするのが好ましい。このようなレンズ機能部材としては、たとえば屈折分布型のレンズまたは屈折分布型の光ファイバが用いられる。

本発明の光断層イメージング装置は、たとえばマイケルソン干渉計あるいはマッハツェンダ干渉計をベースとした低コヒーレンス干渉計を利用するものとされ、複数の低コヒーレント光源からの光により得られる複数の干渉信号のうち、少なくとも２つの干渉信号の断層画像を重ね合わせて表示するように構成される。

本発明では、短波長の低コヒーレンス光により被測定部における深度成分の浅い断層画像を作成する一方で、長波長の低コヒーレンス光により深度成分の深い断層画像を作成するようにしている。そのため、１つのピーク波長を有する光源を用いて断層画像を得る場合に比べて、到達深度を大きく確保することが可能となり、また、到達深度を大きく確保することによっても、中心付近の分解能が大きく損なわれることはない。

また、複数の低コヒーレント光源からの光を被測定部に照射したときの反射光を干渉させたときの干渉信号に基づいて被測定部の断層画像を得るように構成すれば、被測定部の深さ方向の断層情報を、より確実に、しかも連続的に得ることができるようになり、光軸方向の分解能を高めることができる。

さらに、複数の光源を非同時に順次点灯させ、複数の光源の順次点灯と同期させて各光源に対する干渉信号を検出するようにし、あるいは複数の低コヒーレンス光源に対応する干渉信号を波長に応じて分離し、それらを複数の検出器において個別に検出するようにすれば、複数の光源に基づく干渉信号をより確実に区別して得ることができ、複数の光源の干渉信号が互いにノイズとして重畳することを回避できるために、被測定部の深さ方向の断層情報を適切に得ることができるため、光軸方向の分解能を高めることができる。

また、複数の低コヒーレント光源として、中心波長が０．８μｍ帯、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯、または１．６μｍ帯の光を出射可能な光源を用いれば、水分での光吸収を抑制できるために、生体組織の断層画像を得るときに水分での光吸収に起因する解像度の低下を抑制できる。そのため、本発明の光断層イメージング装置は、内視鏡などの生体組織を観察するときに、適切な断層画像を得ることができる。

さらに、レンズ機能部材によって複数の低コヒーレント光源から出射される光のうち、最も短波長な光の焦点位置と最も長波長な光の焦点位置とを、１ｍｍ以上ずらすようにすれば、複数の光源の焦点を光軸方向に並んだ状態とし、それらの光源の焦点深度を少なくとも１ｍｍの広範囲にわたって連続したものとすることが可能となる。これにより、到達深度を高めることが可能となる。

また、レンズ機能部材を屈折分布型のレンズまたは屈折分布型の光ファイバにより構成する場合には、レンズ機能部材に色収差を容易に持たせることができ、複数の波長の光の焦点を光軸上に並べ、また最も短波長な光の焦点位置と最も長波長な光の焦点位置との距離を容易かつコスト的に有利に１ｍｍ以上ずらすことができる。

一方、レンズ機能部材として、通常用いられている色収差の少ないもの、たとえば収束レンズを用いた場合には、異なる波長の複数の低コヒーレンス光源どうしが光軸上における略同一の位置に焦点を結び、短波長の焦点深度と、長波長の焦点深度とが相互に重なり合う。その一方で、短波長の焦点深度を利用して断層画像を得る場合には焦点深度が小さい代わり解像度が高く、それとは逆に、長波長の焦点深度を利用して断層画像を得る場合には焦点深度が大きい代わり解像度が低くなる。そのため、短波長の低コヒーレンス光により深度成分の浅い断層画像を作成し、長波長の低コヒーレンス光により深度成分の深い断層画像を作成するようにすれば、深度成分の浅い断層画像は解像度が高くなるとともに、短波長の低コヒーレンスの焦点深度よりも深度成分が深い部分については長波長の低コヒーレンス光により断層画像を得ることができるようになる。その結果、中心波長の異なる２つ以上の低コヒーレント光を用いて、深度成分の異なる画像を得るようにすれば、到達深度が大きく、さらに中心付近の分解能が高い断層イメージを得ることができる。

さらに、光断層イメージング装置をマイケルソン干渉計あるいはマッハツェンダ干渉計をベースとした低コヒーレンス干渉計を利用したものとすれば、簡易かつ設計容易な構成により、上述の効果を得ることができるようになる。

以下、本発明の第１ないし第５の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の第１の実施の形態について図１ないし図３を参照して説明する。

図１に示した光断層イメージング装置１は、マイケルソン干渉計ベースの低コヒーレント干渉計を採用したものであり、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂ、ＷＤＭ光カプラ１１、光カプラ１２、試料照射レンズ１３、参照側レンズ１４、可動ミラー１５、光検出器１６、制御部１７、信号処理部１８および表示装置１９を備えている。

低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂは、試料Ｓに照射する光を出射するためのものであり、互いに中心波長の異なる光を出射するものである。低コヒーレント光源１０Ａは、低コヒーレンス光源１０Ｂに比べて短波長な光を出射するものであり、深度成分の浅い断層画像を得るために利用されるものである。一方、低コヒーレンス光源１０Ｂは、深度成分の深い断層画像を得るために利用されるものである。

光イメージング装置１を内視鏡として利用する場合には、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしては、水分に対する吸収の少ない波長域の光を出射可能なものを使用するのが好ましい。この点からすれば、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしては、たとえば中心波長が０．８μｍ帯、１．３μｍ帯、または１．６μｍ帯の光を出射可能なものを使用するのが好ましい。このような低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしては、たとえば高輝度発光ダイオード（ＳＬＤ： Super Luminescent Diode）を使用することができる。また、入手の容易さを考慮に入れた場合、比較的に水分での吸収の少ない波長域である１．５５μｍ帯の光を出射可能なＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源を使用することもできる。その一方で、水分においては、短波長の光のほうが吸収が少なくなるため、その点を考慮すれば、中心波長が比較的に短波長な光源を使用するのが好ましく、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしては、中心波長が０．８μｍ帯のものを使用するのが最も適切である。

また、断層画像の解像度を高める観点からは、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしては、これらの光源１０Ａ，１０Ｂのスペクトラム波形がガウシャン形状のものを使用するのが好ましい。これは、スペクトラム波形がガウシャン形状でなければ、ゴーストが発生して測定データが乱れてしまう場合があるからである。

ＷＤＭ光カプラ１１は、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂから出射された光の光路を共通化させるためのものであり、シングルモードファイバ２０，２１によって低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂに光学的に結合されている。

光カプラ１２は、ＷＤＭカプラ１１からの光を分波するとともに、分波光の戻り光を合波するためのものである。この光カプラ１２は、シングルモードファイバ２２によってＷＤＭ光カプラ１１に、シングルモードファイバ２３によって試料照射レンズ１３に、シングルモードファイバ２４によって参照側レンズ１４にそれぞれ光学的に結合されている。

試料照射レンズ１３は、光カプラ１２において分波されてシングルモードファイバ２３を介して出射された光を集光して試料Ｓに照射するためものであり、シングルモードファイバ２３の端面との距離が一定となるように位置固定されている。この試料照射レンズ１３は、色収差を有するものであり、たとえば低コヒーレント光源１０Ａから出射される光の焦点位置と低コヒーレンス光源１０Ｂから出射される光の焦点位置とを、１ｍｍ以上ずらすことが可能なように構成されている。このような試料照射レンズ１３としては、たとえば屈折分布型のレンズまたは屈折分布型の光ファイバを使用することができる。

屈折率分布型のレンズおよび光ファイバは、放射方向（半径方向）に屈折率の分布を持つものであり、入射光線はレンズ軸に沿って正弦的な光路を取る。この光路は、波長によって異なるものであり、同一寸法の屈折率分布型のレンズおよび光ファイバに異なる波長の光を入射させた場合には、出射光はレンズ軸（光軸）上の異なる位置に焦点を取ることとなる。そのため、屈折率分布型のレンズなどの色収差のあるレンズを試料照射レンズ１３として使用し、一定帯域（半値幅）をもつ光（低コヒーレンス光）を試料照射レンズ１３に入射させた場合には、図２（ａ）に示したように、中心波長の光の焦点Ｆを中心として、光軸方向に一定の長さ範囲に光が集束された領域（焦点深度）が得られる。そのため、中心波長の異なる低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂからの光を試料照射レンズ１３に入射させた場合には、その出射光は、低コヒーレント光源１０Ａからの光のうちの中心波長の光による焦点位置Ｆ１と、低コヒーレント光源１０Ｂからの光のうちの中心波長の光による焦点位置Ｆ２とが光軸上に並んだ状態でずれることとなる。その一方で、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂを用いた場合には、各低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂからの光が一定長さの焦点深度を示すこととなる。そのため、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂの距離Ｌを適宜調整することにより、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂ相互の焦点深度が連続的に繋がった状態とすることができる。そして、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂを１つの光源としてみなした場合には、連続的に繋がった焦点深度の全体が光断層イメージング装置１での到達深度となる。

また、屈折率分布型のレンズおよび光ファイバでは、屈折率分布を調整するだけで容易に大きな色収差を持たせることができるため、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂ相互の焦点位置Ｆ１，Ｆ２の距離Ｌを容易に１ｍｍ以上ずらすことができる。そのため、光断層イメージング装置１では、波長の大きな光を用いることなく、簡易な手法により大きな到達深度を確保できるようになるばかりか、波長の大きな光を用いる場合のように到達深度を大きく確保することにともなって横方向分解能が大きく低下することもない。

参照側レンズ１４は、光カプラ１２において分波されてシングルモードファイバ２４を介して出射された光を、平行化してから可動ミラー１５に照射するためのものである。

可動ミラー１５は、参照側レンズ１４によって照射された光を反射させるものであるとともに、反射光の光路長を調整するものである。この可動ミラー１５は、光軸方向に移動可能に構成されており、可動ミラー１５を可動させることによって、可動ミラー１５からの反射光の光路長と試料Ｓからの反射光の光路長を光の可干渉距離（光源のコヒーレンス長で決まる）に一致させ、それらの反射光を干渉させることができる。可動ミラー１５の可動は、公知のアクチュエータなどを用いた駆動機構により行なうことができる。

光検出器１６は、光カプラ１２において合波された試料Ｓからの反射光と可動ミラー１５からの反射光との干渉光を受光し、その受光量に応じた干渉信号を信号処理部１８に転送するためのものである。この光検出器１６は、シングルモードファイバ２５を介して、光カプラ１２に光学的に結合されており、信号処理部１８に電気的に導通されている。光検出器１６としては、たとえばフォトダイオード使用することができる。

制御部１７は、各種の動作を制御するものであるが、たとえば低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂの点灯・消灯を制御し、可動ミラー１５の位置を制御し、信号処理部１８での演算動作を制御し、表示装置１９で表示される内容を制御するように構成されている。

信号処理部１８は、光検出器１６から転送されてきた干渉信号を処理し、断層画像を作成するためのものである。

表示装置１９は、信号処理部１８において作成された断層画像を表示するためものであり、たとえばＬＣＤにより構成されている。

次に、光断層イメージング装置１の動作について説明する。

光断層イメージング装置１では、断層画像を得るときに低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂが制御部１７によって点灯させられる。これらの低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂは非同時的に順次点灯させられる。

低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂから出射された光は、シングルモードファイバ２０，２１を介してＷＤＭ光カプラ１１に入射した後に、シングルモードファイバ２２を介して光カプラ１２に導入される。この光カプラ１２に入射した光は、２つの光成分、すなわち測定光と参照光とに分割される。

測定光は、シングルモードファイバ２３を介して試料照射レンズ１３に照射される。試料照射レンズ１３に照射された光は、集光されてから試料Ｓに照射される。そして、試料Ｓにおいて反射した光は、試料照射レンズ１３およびシングルモードファイバ２３を介して光カプラ１２に導入される。

一方、参照光は、シングルモードファイバ２４を介して参照側レンズ１４に照射される。参照側レンズ１４に照射された光は、参照側レンズ１４において平行光とされてから可動ミラー１５に照射される。この可動ミラー１５においては、平行光が反射され、参照側レンズ１４およびシングルモードファイバ２４を介して光カプラ１２に導入される。

光カプラ１２に導入された測定光と参照光は、光カプラ１２において合波された後に、シングルモードファイバ２５によって光検出器１６に導かれる。

ここで、試料Ｓからの反射光（測定光）のうち、可動ミラー１５からの反射光（参照光）の光路長と可干渉距離において光路長が一致した光成分が可動ミラー１５からの反射光（参照光）と干渉しあう。この干渉光は、光検出器１６において検出され、干渉信号として信号処理部１８に転送される。このような干渉光の検出は、制御部１７によって低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂを交互に点灯させるとともに、この交互点灯に同期させて行なわれる。信号処理部１８では、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂの点灯に同期させられた干渉信号を互いに区別し、それらの干渉信号に基づいた信号処理が行なわれる。

一方、制御部１７は、可動ミラー１５を光軸方向に移動させ、そのときの干渉光を光検出器１６において連続的に検出させる。すなわち、光検出器１６では、可動ミラー１５の位置に対応した試料Ｓの奥行き方向の反射・散乱光が連続的に検出される。そして、光断層イメージング装置１では、低波長の低コヒーレンス光源１０Ａと高波長の低コヒーレンス光源１０Ｂを併用して全体としての到達深度を高めているので、奥行き方向（Ｚ方向）について、広い範囲にわたって干渉信号を得ることができる。

このような奥行き方向の反射・散乱光の検出は、試料Ｓに照射する光を光軸に直交する方向（Ｘ，Ｙ方向）に走査させることにより、試料Ｓについて、光軸方向に直交する方向において一定の範囲で行なわれる。そして、信号処理部１８では、奥行き方向（Ｚ方向）の干渉信号と走査方向（Ｘ，Ｙ方向）の干渉信号に基づいて、３次元の断層画像、あるいは任意の断面についての２次元の断層画像を作成する。

表示装置１９では、制御部１７の制御にしたがって、先に信号処理部１８で作成された２次元あるいは３次元の断層画像を表示する。

光断層イメージング装置１の動作は、概ね先に説明した通りであるが、以下に説明するように、光断層イメージング装置１では、到達深度が大きく、分解能が高い断層画像を得ることができる。

一般に、光源がガウシャン型スペクトラムの場合には、光軸方向分解能はコヒーレント長で与えられ、横方向分解能はレンズへの入射ビームの直径で与えられるものと考えられており、光軸方向分解能および横方向分解能は、それぞれ下記数式１，２によって表現されている。

また、光軸方向の到達深度（走査範囲）は焦点深度が目安となるが、焦点深度（ｂ）下記数式３として表現できる。

数式１からは、光軸方向分解能を上げるには、帯域幅Δλの広い光源を使えばよいことがわかる。例えば、波長１．３μｍのＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源では、Δλ＝２５ｎｍを使えば光軸方向分解能は３０μｍとなり、さらに、中心波長１．３μｍ、帯域幅２５０ｎｍの広帯域光源であるスーパーコンテニアム（ＳＣ）光源を使用した場合には、光軸方向分解能は３μｍとなることが分かる。

一方、数式２，３は関連付けることができ、その場合の関係を３種類の波長（０．８２μｍ、１．３μｍ、１．６５μｍ）について図３に示した。ただし、図３においては、３種類の波長について、照射レンズ（図１の符号１３参照）は同一のものを用いることを前提とした。また、照射レンズへの入射ビームの直径（スポット径）は、波長が異なれば実際には異なるものであるが、図３の横軸においては、いずれの波長の場合についても、光源波長が０．８２μｍの場合のスポット径を基準として用いている。

図３から分かるように、同一波長の場合には、スポット径が大きいほど焦点深度が大きくなり、スポット径が同一の場合には、波長が大きいほど焦点深度は大きくなることが分かる。その一方で、数式２によれば、スポット径と波長との関係は比例関係にあるため、波長が大きいとスポット径も大きくなる。したがって、波長が大きい場合には、図３において基準としたスポット径よりも実際のスポット径が大きく、焦点深度もまた図３に示したものよりも大きなものとなっており、図３に表されている以上に、波長が大きくなるほど焦点深度が大きくなり、横方向分解能Δｘが低くなる。

以上のように、波長が大きいと焦点深度（到達深度）が大きくなる一方で分解能が小さくなり、これとは逆に、波長が小さいと焦点深度（到達深度）が小さく一方で分解能が大きくなる。そのため、光断層イメージング装置１のように、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとして、互いに中心波長の異なる光を出射するもの（短波長光源と長波長光源）を併用し、各々の低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂの焦点位置をずらして互いの焦点深度が繋がる状態にすることで、横方向分解能を低下させずに到達深度が大きい断層イメージを得ることが可能となる。

また、光断層イメージング装置１では、波長の異なる低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂを用いることで、大きな到達深度を確保できるため、到達深度を大きく確保するために試料照射レンズ１３を光軸方向に移動させる必要もない。そのため、光断層イメージング装置１は、試料照射レンズ１３を駆動させる機構が必要ないために、小型なものとすることができるため、光断層イメージング装置１を採用した内視鏡などの小型化に寄与することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について、図４を参照して説明する。なお、図４においては、図１に示した光断層イメージング装置１と同様な要素については同一の符号を付してあり、以下における重複説明は省略する。

図４に示した光断層イメージング装置１Ａは、図１に示した光イメージング装置１において、ＷＤＭ光カプラ１１Ａと光検出器１６Ａとを加えたものである。ＷＤＭ光カプラ１１Ａは、光カプラ１２からの合流信号を波長ごとに分岐するものである。光検出器１６，１６Ａは、ＷＤＭ光カプラ１１Ａにおいて分岐させられた光を、個別に検出するものである。より具体的には、光検出器１６は、低コヒーレント光源１０Ａによる干渉信号は検出するものであり、光検出器１６Ａは、低コヒーレント光源１０Ｂによる干渉信号を検出するものである。

光断層イメージング装置１Ａでは、２つの光検出器１６，１６Ａによって異なる波長の光の干渉信号をそれぞれ検出するため、低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ａを同時に点灯させて断層画像を得ることができる。これにより、目的とする断層画像を得るための干渉信号を検出する時間を短縮することができるようになる。

なお、光断層イメージング装置１Ａでは、ＷＤＭ光カプラ１１Ａに代えて、ビームスプリッタを用いることもできる。

次に、本発明の第３の実施の形態について、図５を参照して説明する。なお、図５においては、図１に示した光断層装置と同様な要素については同一の符号を付してあり、以下における重複説明は省略する。

図５に示した光断層イメージング装置１Ｂは、基本的な構成が図１に示した光断層イメージング装置１Ｂと同様であるが、光サーキュレータ３０および波長分散補償器３１を用いている点において異なっている。すなわち、光断層イメージング装置１Ｂでは、カプラ１２において分割された光の一部（測定光）は、光サーキュレータ３０を介して試料Ｓに照射される。その一方で、試料Ｓにおいて反射した測定光は、光カプラ１２に導入されることなく、光サーキュレータ３０および波長分散補償器３１を介した後に、光カプラ３２に導入される。この光カプラ３２においては、測定光が可動ミラー１５において反射した参照光と混合されてから光検出器１６に導入される。

波長分散補償器３１としては、例えばファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を用いるものを使用することができる。このＦＢＧは、光ファイバにおけるコア中に軸方向への屈折率を周期的に変化させた構造のものであり、一種の回折格子である。そのため、ＦＢＧを分散補償に用いる場合は、波長に対する反射位置を徐々に変化させることで波長ごとの遅延量を異ならせることができる。

ここで、波長分散とは、光の波長により伝播速度が異なる現象であり、波長分散が大きくなると、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。その一方で、皮膚、眼、レンズにも波長分散がある。たとえば眼底を観察する場合には眼内媒質の波長分散が問題になり、上述のように、照射レンズ１３に故意に波長分散性（色収差）を持たせる場合には波長分散について対応する必要も生じ得る。特に半値幅が大きい低コヒーレンス光源、たとえば半値幅が２５０ｎｍであるＳＣ光源のように広帯域な低コヒーレント光源を使う場合には、波長分散の問題がより顕著になる。

したがって、光断層イメージング装置１Ｂに波長分散補償器３１を設けておけば、Ｓ／Ｎ比の劣化を抑制することができ、とくに光軸方向の分解能を高めるために半値幅の大きな光源を用いる場合、到達深度を高めるために照射レンズ１３に波長分散性（色収差）を持たせる場合に、それらの場合に生じる得るＳ／Ｎ比の劣化を抑制できる。

次に、本発明の第４の実施の形態について、図６を参照して説明する。なお、図６においては、図５に示した光断層装置と同様な要素については同一の符号を付してあり、以下における重複説明は省略する。

図６に示した光断層イメージング装置１Ｃは、マッハツェンダ干渉計ベースの低コヒーレント干渉計を採用したものである。光断層イメージング装置１Ｃは、図５に示した光断層イメージング装置１Ｃにおいて、光カプラ１２と可動ミラー１５との間（光カプラ１２において分岐された参照光の光路）上に、第２の光サーキュレータ３３を挿入したものである。

この光断層イメージング装置１Ｃでは、光カプラ１２において分割された光の一部（測定光）は、光サーキュレータ３０を介して試料Ｓに照射される。試料Ｓにおいて反射した測定光は、光カプラ１２に導入されることなく、光サーキュレータ３０および波長分散補償器３１を介した後に、光カプラ３２に導入される。その一方で、光カプラ１２において分割された光の一部（参照光）は、第２の光サーキュレータ３３を介して可動ミラー１５に照射される。可動ミラー１５での反射した参照光は、第２の光サーキュレータ３３を介して光カプラ３２に導入される。光カプラ３２では、測定光と参照光が混合されてから、光検出器１６に導かれる。

マッハツェンダ干渉計ベースの低コヒーレント干渉計を採用した光断層イメージング装置１Ｃにおいても、マイケルソン干渉計ベースの低コヒーレント干渉計を採用した光断層イメージング装置１（図１参照）と同様に、２つの低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂを用いることで、可動ミラー１５を光軸方向に移動させる構成を採用することなく、横方向分解能を低下させずに到達深度が大きい、断層イメージを得ることが可能となり、内視鏡など機器に採用する場合に小型・細径化にも寄与することができる。

次に、本発明の第５の実施の形態について、図７および図８を参照して説明する。なお、図７においては、図１に示した光断層装置と同様な要素については同一の符号を付してあり、以下における重複説明は省略する。

図７に示した光断層イメージング装置１Ｄは、基本的な構成が図１を参照して説明した光断層イメージング装置１と同様であり、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂの順次非同時に点灯させ、この順次点灯に同期させて得られる干渉信号に基づいて、低コヒーレンス光源１０Ａからの短波長の低コヒーレンス光により深度成分の浅い画像を、低コヒーレンス光源１０Ｂからの長波長の低コヒーレンス光により深度成分の深い画像を得るように構成されている。

そして、光断層イメージング装置１Ｄでは、図１に示した光断層イメージング装置１とは異なり、試料照射レンズ１３Ｄとして、意図的に大きな色収差を持たせたものではなく、色収差の少ない汎用されている収束レンズを用いている。このような試料照射レンズ１３Ｄを用いた場合には、用いるレンズの色収差が少ないことから、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂは、光軸上において同様な位置に焦点を結ぶこととなり、図７に示したように、短波長の焦点深度と、長波長の焦点深度とが相互に重なり合い、低コヒーレンス光源１０Ａ，１０Ｂとしての到達深度が長波長の低コヒーレンス光源１０Ｂからの低コヒーレンス光の焦点深度に一致する。

一方、低コヒーレンス光源１０Ａからの短波長の低コヒーレンス光を試料照射レンズ１３Ｄに通過させた場合には、焦点深度が小さく、焦点位置での収束度が比較的に大きな光となる。そのため、低コヒーレンス光源１０Ａからの短波長の低コヒーレンス光を用いた場合には、比較的に深度成分が浅い位置までしか断層画像を得ることができない代わりに、分解能が高く、解像度の高い断層画像を得ることができる。これに対して、低コヒーレンス光源１０Ｂからの長波長の低コヒーレンス光を試料照射レンズ１３Ｄに通過させた場合には、焦点深度が大きく、焦点位置での収束度が比較的に小さくなる。そのため、低コヒーレンス光源１０Ｂからの長波長の低コヒーレンス光を用いた場合には、比較的に深度成分が深い位置まで断層画像を得ることができる代わりに、分解能が低く、高い解像度の断層画像得ることができない。

そのため、低コヒーレンス光源１０Ａからの短波長の低コヒーレンス光により深度成分の浅い画像を得るようにすれば、深度成分の浅い部分については、分解能の高く、解像度の高い断層画像が得られる。その一方で、低コヒーレンス光源１０Ｂからの長波長の低コヒーレンス光により深度成分の深い画像を得るようすれば、低コヒーレンス光源１０Ａからの短波長の低コヒーレンス光では測定することのできない深さの画像を得ることができる。その結果、中心波長の異なる２つの低コヒーレント光を用い、短波長の低コヒーレンス光により深度成分の浅い断層画像を得る一方で、長波長の低コヒーレンス光により深度成分の深い断層画像を得るようにすれば、到達深度が大きくしつつも、中心（焦点）付近の分解能が高い断層イメージを得ることができる。

光断層イメージング装置１Ｄでは、第２の実施の形態の光イメージング装置１Ａと同様に、２つの光検出器および光カプラなどの波長分離手段を設け、それらの光検出器において、短波長の低コヒーレンス光と長波長の低コヒーレンス光とを個別に検出するようにしてもよい。この場合には、２つの低コヒーレンス光源は、必ずしも非同時的に点灯させる必要はなく、同時に点灯させて干渉信号を取得するようにしてもよい。

なお、上述の実施の形態においては、２つの光源を用いた光断層イメージング装置を例にとって説明したが、光源の数は２つには限定されない。すなわち、本発明は、中心波長の異なる低コヒーレンス光を用いるとともに、断層画像を得るべき試料の深さに応じて、低コヒーレンス光の波長を選択して使用する点に特徴があり、複数のピーク波長を有する光を出射可能な１つの光源を用いてもよく、またブロードな特性を有する光を出射可能な光源を用いるとともに光源からの出射光の複数のピーク波長を有する光にフィルタリングして用いる構成であってもよい。さらに、互いに中心波長の異なる低コヒーレンス光を出射可能な３つ以上の光源を用いて断層画像を得るようにしてもよい。

図１の実施形態に基づき実施例を説明する。

図９に低コヒーレント光源のスペクトラム波形を示す、低コヒーレント光源１０Ａは中心波長８２０ｎｍ、半値幅２５ｎｍのＳＬＤ光源で、低コヒーレント光源１０Ｂは中心波長１．５７μｍ、半値幅８０μｍのＡＳＥ光源である。ＡＳＥ光源はスペクトラムがガウシャン形状になるように波形整形してある。波形整形は、多層膜誘電体フィルタをＡＳＥ光源の出力側に配置することで行っている。

ＷＤＭ光カプラ１１、及び光カプラ１２はシングルモードファイバを融着延伸して作成したものである。ＷＤＭ光カプラ１１は低コヒーレント光源１０Ａの波長と低コヒーレント光源１０Ｂの波長を合波するよう作成されている。また、光カプラ１２の分岐被は５０：５０である。

試料照射レンズ１３の焦点距離ｆを２０ｍｍ、光ビーム径ｄをφ１ｍｍとすれば上記数式１〜３より次の表１が得られる。

この計算値は屈折率１（空気中）の場合であるが、媒質である屈折率ｎ（皮膚では１．３〜１．５程度）とすれば媒質での波長が１／ｎになるので媒質中でのコヒーレンス長、ビームスポットサイズは上記数式１，２から共に１／ｎになる。また焦点深度は上記数式３からｎ倍になる。

従って屈折率ｎが１．４の場合は、次の表２が得られる。

表２から分かるように、低コヒーレンス光源１０Ｂは低コヒーレンス光源１０Ａに比べ２倍のスポットサイズと焦点深度を有している。

以上のように、ＯＣＴにおいて、二つの光源から得られる断層イメージを重ねあわせることで、到達深度が大きく、さらに中心付近の分解能が高い断層イメージを得られる効果がある。特に内視鏡などのプローブ内部にレンズを移動させるための可動機構部を設ける必要がないので、プローブの小型・細径化にも寄与できる効果がある。

また、図１において試料照射レンズ１３として屈折率分布型のロッドレンズを使用した場合は、表３のようになる。ただし、低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂの中心長波をそれぞれ１．３μｍ、１．５７μｍとする。ロッドレンズとしては、長さを５．３５ｍｍ、放射方向に屈折率の勾配をもつ材料であるＳＥＬＦＯＣ材料（日本板硝子社製）で形成されたものを使用した。入射ビーム径はφ１ｍｍとした。

この条件では、低コヒーレント光源１０Ａ，１０Ｂの焦点位置を１．９ｍｍずらすことができ、各々の光源に対する焦点を光軸上に並べることができる、すなわち各々の光源に対する焦点深度が連続的に繋がった状態となる。ＯＣＴの到達深度はレンズの焦点深度で決まるので、横方向分解能を低下させずに到達深度を大きく出来る効果がある。

本発明の第１の実施の形態における光断層イメージング装置の概略構成図である。 屈折率分布レンズを用いた場合の焦点位置および焦点深度を示す模式図である。 波長０．８２ｕｍの集光スポット径と焦点深度の関係を示すである。 本発明の第２の実施の形態における光断層イメージング装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態における光断層イメージング装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施の形態における光断層イメージング装置の概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態における光断層イメージング装置の概略構成図である。 中心波長の異なる２つの低コヒーレンス光の焦点深度を示す模式図である。 低コヒーレント光源のスペクトラム波形を示す図である。 従来のＯＣＴの概略構成図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 光断層イメージング装置
１０Ａ，１０Ｂ 低コヒーレンス光源
１１Ａ 光カプラ（波長選択手段）
１３ 試料照射レンズ（レンズ機能部材）
１６，１６Ａ 光検出器
Ｓ 試料

Claims (9)

1. 中心波長の異なる複数の低コヒーレント光を出射可能な光源系を備え、かつ、
   前記複数の低コヒーレント光を被測定部に照射したときの反射光に基づいて、前記被測定部の断層画像を得る光断層イメージング装置であって、
   前記光源系は、前記被測定部における深度成分の浅い断層画像を作成するための短波長の低コヒーレンス光と、前記被測定部における深度成分の深い断層画像を作成するための長波長の低コヒーレンス光と、を出射できるように構成されていることを特徴とする光断層イメージング装置。
2. 前記光源系は、互いに中心波長の異なる低コヒーレントを出射可能な複数の低コヒーレンス光源を備え、かつ、
   前記複数の低コヒーレンス光源は、前記被測定部における深度成分の浅い断層画像を作成するための短波長の光源と、前記被測定部における深度成分の深い断層画像を作成するための長波長の光源と、を含んでいる、請求項１に記載の光断層イメージング装置。
3. 前記複数の低コヒーレント光源からの光を前記被測定部に照射したときの反射光を干渉させたときの干渉信号に基づいて、前記被測定部の断層画像を得るように構成されている、請求項２に記載の光断層イメージング装置。
4. 前記複数の低コヒーレンス光源を非同時に順次点灯させ、前記複数の低コヒーレンス光源の順次点灯と同期させて前記各低コヒーレンス光源に対する干渉信号を検出するように構成されている、請求項３記載の光断層イメージング装置。
5. 前記複数の低コヒーレンス光源に対応する干渉信号を検出するための複数の検出器と、
   前記各低コヒーレント光源に対応した波長の光を分離するための波長分離手段と、
   をさらに備えている、請求項３または４に記載の光断層イメージング装置。
6. 前記複数の低コヒーレント光源は、中心波長が０．８μｍ帯、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯、または１．６μｍ帯の光を出射可能な光源のうち、２つ以上の光源を含んでいる、請求項３ないし５のいずれかに記載の光断層イメージング装置。
7. 前記低コヒーレント光源からの光を前記被測定部に照射するためのレンズ機能部材をさらに備えており、
   前記レンズ機能部材は、前記複数の低コヒーレント光源から出射される光のうち、最も短波長な光の焦点位置と最も長波長な光の焦点距離とを、１ｍｍ以上ずらすことが可能な色収差を有している、請求項３ないし６のいずれかに記載の光断層イメージング装置。
8. 前記レンズ機能部材は、屈折分布型のレンズまたは屈折分布型の光ファイバである、請求項７に記載の光断層イメージング装置。
9. マイケルソン干渉計あるいはマッハツェンダ干渉計をベースとして低コヒーレンス干渉計を利用するものであり、かつ、
   前記複数の低コヒーレント光源からの光により得られる複数の干渉信号のうち、少なくとも２つの低コヒーレンス光源による干渉信号の断層画像を重ね合わせて表示するように構成されている、請求項３ないし８のいずれかに記載の光断層イメージング装置。
   

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