JP2008309613A - 光断層画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察対象物体の断層像を、高速にかつ高い解像力、諧調性、コントラストを持って観察できる光断層画像化装置を提供する。
【解決手段】低干渉性の光ビーム（１、２）が探索光として観察対象物体（２５）に照射され、ガルバノミラー（１６ａ）で所定の周波数で１次元走査される。この探索光（９ｃ）と参照光（９ｂ）はビームスプリッター（１０）で干渉光（９ｄ）として合成され、ガルバノミラー（１６ａ）で上記走査と同一の走査周波数および同一の走査方向に再走査される。再走査された干渉光は、その走査周波数に応じたフレームレートで２次元撮像手段（３２）により検出され、その映像信号から干渉情報が抽出されて対象物体内部の反射強度情報が取得される。このような構成では、２次元撮像手段を採用し、そのフレームレートに応じた低速の走査手段と低速な再走査手段で干渉情報が得られるので、走査型光学系を簡単に構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光断層画像化装置、更に詳細には、光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、当該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置に関する。

従来から、低干渉性光ビーム（部分的コヒーレント光）の干渉現象を利用した観察対象物体の断層情報の画像化装置（Optical Coherence Tomography：ＯＣＴ）は、非接触、非侵襲に対象物体の任意の断層像を画像化して観察できるために、特に生体の観察には有用とされ、眼科の一般臨床検査や皮膚科の診断、内視鏡への応用等の医学分野で利用され始めており、あるいは産業分野の検査機器として、応用が検討されている。

例えば、下記特許文献１には、初期のＯＣＴとして、照射光の周波数をシフトさせた参照光を生成する手段と、測定対象物体からの反射光を参照光との間で合成して出力されるビート成分を検出することで、対象物体の反射断層像を画像化する構成が示されている。

下記特許文献２には、短コヒーレンス長の特性を有する光源と光ファイバーを用いた干渉計と、サンプル試料へ向かう探索光の光路に配置された位相変調手段と横方向走査機構、参照光の光路に配置された超音波光変調素子と光軸方向の光路長の移動制御手段等を有する構成が開示されている。この特許文献２では、光ファイバーを介して導かれる探索光と参照光との間に生ずる干渉光を検出処理することにより、サンプル試料の断層像を画像化するための基本的な技術が示されている。

下記特許文献３には、低干渉性の光を発生する光源と光ファイバー干渉計を用いた光断層観察装置を、干渉計の光路の一つを介して内視鏡や体腔鏡等の端部の構造と巧みに組み合わせる構成が開示されている。この特許文献３では、体腔内に装入する内視鏡等の利用によって、従来の観察装置として備えられたＣＣＤ等による２次元的な反射像と共に、干渉計を介して得られる干渉信号の検出処理によって患部組織の深さ方向の断層像を画像化できる技術が示されている。

下記特許文献４には、光源からの光ビームをサンプルビーム経路と基準ビーム経路とに分け、両経路を介して戻ってくる光を重ね合わせて検出ビーム経路へと導き、検出器で得られる干渉信号を処理することによって被検眼の角膜の断層像を得る構成が示されている。この特許文献４では、参照光路に設けられたヘリカル基準ミラーによって光軸方向の走査を行ない、更に参照光路中に配置された反射ミラーを移動して奥行走査を角膜の湾曲に合わせる様にして、データ収集時間の短縮を図る技術等が開示されている。

下記特許文献５には、光周波数の掃引が可能な半導体レーザー光源と、マイケルソン型干渉計と、１次元または２次元の撮像素子とを備え、光周波数の掃引期間中に出力された画像信号をフーリエ変換処理して断層画像を算出する構成が開示されている。この方式では、光軸方向の機械的な移動を伴う走査機構が不要となり、安定な干渉光学系を構成できると共に、短時間での測定が可能になるというメリットのあることが示されている。

下記特許文献６には、光ビームを参照アームと測定アームとに分割し、測定アームを介した測定光が参照アームを介した参照光との間で干渉して現れる光の強度を、分光器を介して検出する構成が開示されている。参照アームには、光の位相を変化させる手段が付加され、分光器からの信号を分析処理することにより、透明、一部透明および不透明物体等に対して光学的な断層撮影を行う構成が示されている。

下記特許文献７には、光ファイバー干渉計とバルク型の干渉計を組み合わせ、光路の一つに変調手段を導入すると共に、光路の長さを変更する手段を備え、干渉計からの出力信号に基づいて、対象物体の奥行き方向の断層情報の解像を行う光学マッピング装置の構成が開示されている。

下記特許文献８には、光源からの光ビームを、測定対象となる被検体を経由する信号光路と、所定の反射鏡を経由する参照光路とに分割すると共に、干渉光学系は検出光を二分割して受光するためのＣＣＤセンサを二つ備え、かつ二分割された干渉光を周期的に遮断して受光する方式が開示されている。二つのＣＣＤセンサは、位相の異なる干渉光パルスを受光して、かつ簡単な信号処理を介することで、被検体の内部層の画像情報が得られることが示されている。

下記特許文献９には、干渉計を利用したＯＣＴ装置において、時間的に位相が異なる複数の干渉画像を発生させる手段と、複数の干渉画像を高速スイッチングにより切り出す手段とを備え、これら複数の切り出した干渉画像をＣＣＤ等のイメージセンサで検出して、複数の画像の間の演算を行うことにより断層画像を計測する装置が開示されている。

下記特許文献１０には、干渉計とスペクトロメータ（分光器）から構成される計測装置において、光源からの光ビームは被計測体に対してライン状に光を集光させて、被計測体からの観察光は、分光器を介して２次元の画像センサにより検出する構成が開示されている。画像センサからの検出信号に対して、フーリエ変換等の演算処理を施すことにより、被計測体の断面情報が、計算速度に応じて高速に得られることが示されている。

下記特許文献１１には、光源からの光ビームを探索光と参照光とに分割し、探索光の光ビームを、光軸方向に移動するための移動手段、および光軸と直交方向に走査するための走査手段とを介して測定対象物体に照射する構成が示されている。測定対象物体からの反射光は、固定反射面を介した参照光との間で合成されて干渉光となり、この干渉光を前記移動手段と走査手段の走査に応じて検出処理することにより、対象物体内部の反射強度情報を取得する方式が開示されている。
特開平４−１７４３４５号（特公平６−３５９４６号）公報 特表平６−５１１３１２号（特許第３４７９０６９号）公報 特開２０００−１２６１８８号（特許第３３１８２９５号）公報 特開平８−２０６０７５号（特許第３５４９９６１号）公報 特開平１０−３３２３２９号（特許第３３３２８０２号）公報 特開平１１−３２５８４９号公報 特表２００３−５１６５３１号公報 特開２００１−３３０５５８号（特許第３５９４８７５号）公報 特開２００５−２４５７４０号公報 特開２００６−１１６０２８号公報 特開２００６−３２２７６７号公報

しかしながら、特許文献１〜４までに示された構成では、観察対象物体の奥行き方向（深さ方向）の走査は参照光に対する反射ミラーの光軸方向の移動制御によって行っているために、観察対象物体に向かう照射光（探索光）のフォーカス状態を断層画像の全域に渡って最適に維持することが出来ず、光軸（深さ方向）と直交する面内方向の高解像力化が困難である。また、これらの特許文献に示された構成では、参照光の光路における反射ミラーの移動によって、検出信号処理の速度も制限を受けるために、対象物体の断層画像を高速に得ることは困難である。

一方、特許文献５に示された構成では、光源の波長掃引を用いたＯＣＴの方式（「スウェプトソース法」とも呼ばれる）を開示している。この方式では、光の周波数を所望の範囲にわたって安定的に制御可能な特殊なレーザー光源が必要であり、この種の光源は品種や波長も限られており、光源自体が高価になるという問題がある。

また、特許文献６に示された構成では、検出系に分光器を用いたＯＣＴの方式（「スペクトラルドメイン法」とも呼ばれる）を開示している。この方式は、数値的な演算処理に基づき断層画像情報を抽出するため、深度方向のメカニカルな走査が不要というメリットはあるものの、深度方向の測定範囲が分光器の特性によって制限されるという難点があり、また深度方向とは直交する方向の解像力を向上させ難いという問題がある。

さらに、特許文献７に示された構成では、走査反射像と断層像が同時に得られるというメリットはあるものの、撮像速度が光ビームの２軸方向の走査に依存しており、高価な変調手段や特殊な走査系を利用しない限り撮像速度の高速化は困難、という問題がある。

また、特許文献８に示された構成では、簡単な演算処理を介して断層像をＣＣＤカメラのビデオレートに応じて高速に抽出できるメリットがある。しかし、この方式では、二つのＣＣＤ素子の厳密な位置合わせが難しく、また、生体等の強い散乱体を観察した場合は検出器に直流成分として重畳する強い背景光の存在によって、断層情報を有する信号成分の諧調性を向上させ難いという問題がある。

また、特許文献９に示された構成では、簡単な演算処理により高速な断層画像の取得が行えるというメリットがある一方で、光源の利用効率が悪く、実用化には高価で特殊なスイッチング光源その他の構成が必要になるという難点がある。また、生体等の強い散乱体を観察した場合は検出器に重畳する強い背景光の存在によって、断層情報を有する信号成分の諧調性を向上させ難いという、特許文献８と同様な問題がある。

さらに、特許文献１０に示された構成では、特許文献６による発明を改良したスペクトラルドメイン法を開示しており、機械的な走査が一切不要で、かつ断面情報を高速に画像化できる可能性がある。しかしながら、この方式では、深度方向の測定範囲が分光器の特性によって制限されることと、深度方向とは直交する方向の解像力を向上させ難いという問題は、特許文献６による発明と同様に残っている。

また、特許文献１１による構成では、光軸と直交する方向の解像力を向上させると共に、装置のコストや光学系の調整の容易性等の現実面も考慮して改良を行い、実用性の高い方式を提案している。しかし、この発明による構成では、特に変調手段の高速化が困難であり、一枚の断層画像を得るのに要する時間に関して、例えば、毎秒２〜３コマ程度よりも早く高速化することは困難なため、動きの早い生体に応用するには問題がある。

従って、本発明は上述の問題点を解決するために案出されたものであり、従来方式よりも低価格で簡単な装置構成を用いて、観察対象物体の断層像を、例えば毎秒３０コマ、またはそれ以上高速に、かつ高い解像力、諧調性、コントラストを持って観察できる実用性の高い光断層画像化装置を提供することにある。

本発明（請求項１）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
前記対象物体を介した探索光と前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明（請求項３）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための再走査手段と、
前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明（請求項１１）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を前記光走査手段へ導く回帰光学系と、
前記回帰光学系を通過した干渉光を、前記光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

また、本発明（請求項１３）は、
光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
低干渉性の光ビームを発生する光源と、
前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための第１の光走査手段と、
前記参照光の光ビームを前記第１の光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記第１の光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための第２の光走査手段と、
前記第２の光走査手段を通過した干渉光を、前記第１および第２の光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の構成によれば、干渉光を検出する検出器として２次元撮像手段を採用し、光ビームを走査する走査手段として当該撮像手段のフレームレートに応じた低速の走査手段と低速な再走査手段を使用しているので、走査型光学系を簡単に構成することができ、電気的な制御も容易である、という効果が得られる。

また、同時に、共焦点光学系と低コヒーレンス干渉計の効果を合わせ持ち、解像力が高く背景ノイズが少なく、諧調性とコントラストの高い断層画像（光軸に垂直な断面像）を撮像素子のフレームレートに応じて高速に取得することが可能である。特に、背景光を除去するための計算処理は、２次元撮像素子の水平方向に隣接する画素間での引き算を基本としているため処理が容易であり、画素間での露光の時間差が小さいことによって動きの早い対象物体に対してもブレが少なく、常に高精度な断層画像の観察が可能になる。

そして、これらの特性を活かして、光ビームの深度走査手段を活用すれば、深度方向の走査に応じて光軸に垂直な断面像を連続的に収集することが可能であり、対象物体内部の３次元的な画像情報（３Ｄ画像）を取得することも可能になる。更に、２次元撮像素子をより高精細、高感度、高速なものに変更すれば、簡単に装置のバージョンアップも実現できるという、極めて実用的かつ経済的な光断層画像化装置を実現することができる。

以下に、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１において、符号１及び２で示すものは、部分的コヒーレント光を射出する高輝度の発光ダイオード（Super Luminescent Diode：ＳＬＤ）であり、断層画像を観察するために必要な低干渉性（少しの干渉性）の性質を有する光源である。中心波長は、例えばそれぞれが、８３０ｎｍ、及び９５０ｎｍという赤外線（不可視）の異なる帯域の光を発生するものとする。光源１、２からの光ビームは、レンズ３、４でコリメートされ、ミラー５とダイクロイックミラー６を介して同一の光軸上に合成される。

光源１と２に関して、二つの波長域を合成して広帯域の光源として利用することも可能であり、あるいは、必要に応じて波長域を使い分ける様にしても良い。また、図１の光源として、可能光（例えば、波長６７０ｎｍ程度の赤色）の光を射出するＳＬＤまたはＬＤ（Laser Diode：半導体レーザー）等の光源を一つ備え、これは、測定用の不可視の赤外線に対して、可視光で光ビームの光路を確認するための補助光源として利用することもできる。

ミラー５とダイクロイックミラー６を介した光ビームは、ビームエキスパンダー７とシリンドリカルレンズ（円柱状レンズ）８を介して扁平なラインビーム（焦点面において線状に結像する光ビーム）へと変形された後、ビームスプリッター（ＢＳ）１０に入射する。ビームスプリッター１０の位置において、光路は、光源側の光路９ａ、参照光路９ｂ、探索光路９ｃ、検出光路９ｄの４方向に分割されている。

参照光路９ｂを進むラインビームは、シリンドリカルレンズ１１を介して、再び断面が円形（または楕円形）の光ビームに変換される。レンズ１１を通過した光ビームは、ミラー１２と、レンズ１３を介して、光路に垂直な平面ミラー（参照ミラー）１４に到達し、そこで反射される。ミラー１４は、圧電素子（圧電振動子）１５に装着されており、この振動子は例えば数十ｋＨｚ程度の高周波で光軸方向（矢印１５ａの方向）にミラー１４を微細振動させ、光ビームの変調（周期的な位相シフト）を行なうものである。これらの参照ミラーと圧電振動子は、参照光路における光の変調手段を構成している。

なお、参照光路９ｂの光路長は、探索光路９ｃの光路長と距離が等しくなるように合わせる必要があり、適宜設定される。また、参照光路９ｂの途中には、必要に応じて、光量を調節するためのＮＤフィルター等（不図示）が配置されるものとする。

一方、探索光路９ｃを進むラインビームは、ガルバノメーター１６に装着されたミラー（ガルバノミラー）１６ａに入射する。ガルバノミラー１６ａは、光軸に対して直交する方向に、光ビームの１次元的な走査を行う光走査手段を構成する。ガルバノミラー１６ａによる走査は、通常のＴＶカメラのフレーム周波数と同一の、例えば３０Ｈｚ（または、６０Ｈｚ等）の走査周波数で行われる。

ガルバノミラー１６ａによって走査されたラインビームは、ミラー１７を介した後、ミラー１８ａ、１８ｂで反射され、更にレンズ１９を介して導かれる。ミラー１８ａ、１８ｂは、部材２０を介してモーター２１（ステッピングモーター等）に接続されており、一方レンズ１９は、部材２２を介してモーター２３（または、モーター２１に連動した所定の制御機構２３）に接続されている。ミラー１８ａ、１８ｂとレンズ１９は、モーター２１、２３等の作用によって光軸方向（矢印２０ａ、２２ａの方向）に移動させることができる。

この時、二つの部材の移動（矢印２０ａ、２２ａの移動）を同時に行うと共に、二つの部材の移動量は、１対２に設定しておく。この移動量の条件によって、レンズ１９とガルバノミラー１６ａとの共役関係を維持したまま、光ビームの深度方向の走査（光路長の伸縮と焦点位置の移動）を行うことができる。すなわち、これらのミラー１８ａ、１８ｂと、レンズ１９は、探索光の光路において、光ビームの焦点位置と光路長を所定の範囲で変化させるための深度走査手段を形成している。

ミラー１８ａ、１８ｂで反射され、レンズ１９を介した光ビームは、ミラー２４を介した後、観察対象物体２５の所定位置に線状にフォーカスされる。このフォーカスされたラインビームは、ガルバノミラー１６ａ（光走査手段）の作用によって、ビームの線状方向（Ｙ軸、紙面に垂直な方向）とは直交する方向（Ｘ軸、矢印２５ａの方向）に走査される。これによって、観察対象物体２５の内部の所定面（Ｘ−Ｙ断面）を走査することが可能である。同時に、前述した深度走査手段の作用によって、深さ方向（Ｚ軸、矢印２５ｂの方向）の走査を行うことも可能である。なお、この図１の実施例では、観察対象物体２５として、生体の皮下組織等の生物試料、あるいは食品や植物のサンプル、高分子性工業用部品等、光に対してある程度の透過性を示すものであれば任意の観察対象を想定している。

観察対象物体２５からの反射光は、上述した光学系を逆進し、すなわちミラー２４、レンズ１９、ミラー１８ｂ、１８ａ、ミラー１７、ガルバノミラー１６ａを経由して、ビームスプリッター１０に至る。探索光路９ｃを逆進して、ビームスプリッター１０のところで反射された観察対象物体２５からの反射光は、参照光路９ｂから戻ってくる参照光と合成され、検出光路９ｄにおいて干渉光が発生する。この干渉光は、検出光としてレンズ２６とミラー２７を介して、ガルバノミラー１６ａの走査方向に間隙の制限された検出開口（スリット）２８を通過し、更にミラー２９とレンズ３０を介して、ガルバノミラー１６ａの裏側の鏡面に入射し反射される。ガルバノミラー１６ａを介した検出光は、レンズ３１によって２次元撮像素子（ＣＣＤカメラ等の２次元撮像手段）３２の撮像面上に投影される。

この光学系において、スリット２８は、不要な迷光や散乱光によるノイズを排除して、検出される干渉信号のＳＮ（信号対雑音特性）を向上させると共に、バックグラウンドの光量レベルを減らすことによって、撮像素子からの映像信号に関して信号成分の諧調性を向上させる、という効果的な役割を果たしている。すなわち、ガルバノミラー１６ａは、表面での反射作用によって探索光路の光ビームを走査すると同時に、裏面での反射作用によって、スリット２８を通過したラインビームを再走査して、撮像素子３２の撮像面への２次元的な結像を可能にするためのものである。

言い換えれば、レンズ２６、ミラー２７、スリット２８、ミラー２９とレンズ３０は、ガルバノミラー（光走査手段）１６ａとビームスプリッター１０を介して導かれる検出光を、再びガルバノミラー（再走査手段）１６ａを経由して撮像素子３２の２次元的な撮像面へと導く回帰光学系を形成している。図１の実施例において、ガルバノミラー１６ａは、その鏡の表面と裏面での反射作用により、探索光の光走査手段と、検出光の再走査手段とを兼用したものと考えることができる。

２次元撮像素子３２からの出力信号は、それに続く信号処理回路３３に送られ、映像信号に関わる各種の信号処理が行われる。信号処理回路３３は、内部に対数増幅回路、フィルター回路、遅延回路、引き算回路、Ａ／Ｄコンバーター、各種のデジタル信号処理回路等、アナログとデジタルの両技術による信号処理を行なうための複数の電子回路を含んでおり、そこで処理され生成された出力信号が、コンピューター（Personal Computer：ＰＣ）３４に送られる。

ＰＣ３４は、光学系の動作全般を制御すると共に、２次元撮像素子３２と信号処理回路３３を介して得られる映像信号を、液晶テレビモニター等の表示装置３５に出力して表示をさせると共に、必要に応じて、記憶装置３６に転送して記憶させる制御等を行うことができる。

図２は、図１の構成において、２次元撮像素子３２から得られる映像信号を、信号処理回路３３を介して処理する場合の原理を説明するための模式図である。図２（ａ）において、横軸（Ｘ軸）は２次元撮像素子３２の撮像面の水平方向に、縦軸（Ｙ軸）は当該撮像面の垂直方向に対応するものとする。撮像素子３２の撮像面上には、前述した光学系の作用により、所定の瞬間のスリット像３７が、暗いバックグラウンド３８の中に写りこんでいる。このスリット像３７は、光走査手段と再走査手段（図１のガルバノミラー１６ａ）の走査に応じて、時間経過と共に図２(ａ)のＸ軸方向（矢印３７ａの方向）に周期的に移動することとなる。

一方、光変調手段（図１における１４、１５）の作用によって、参照光路の光ビームは光軸方向の微細振動（周期的な位相シフト）を受けるが、その状況が図２（ｂ）において、振動波形３９として模式的に描かれている。図２（ｂ）においては、光走査手段（ガルバノミラー）の走査周期が、波形４０として模式的に描かれており、この図のとおり、光変調手段による微細振動３９は、ガルバノミラーの走査周波数（波形４０、撮像素子３２のフレームレートに対応）よりも高速に高い周波数で制御される。実施例の一つとして、撮像素子３２が毎秒６０コマで撮像を行うとすれば、光走査手段（及び再走査手段）１６ａの走査周波数も６０Ｈｚであり、それに対して、光変調手段の変調周波数は、例えば３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度に設定される。この変調周波数は、圧電素子１５の制御によって容易に実現可能である。

ＯＣＴの干渉光学系によれば、参照光路と探索光路のそれぞれの光路長が一致し、かつ対象物体の内部からの反射成分（すなわち反射率の異なる境界面からの反射成分等）があった場合に、所定のパターンの干渉縞が撮像素子から検出される。この検出された干渉縞の信号に対して各種の信号処理を行い、結果的に得られた検出波形の一例が、図２（ｃ）において模式的に、波形４１として示されている。検出波形４１は、更に処理が施された後に、対象物体内部の反射強度情報を示す信号成分へと変換される。

一般的に、ＯＣＴによって人の生体組織や生物試料等の拡散性の強い物体を観察した場合、背景光として重畳する直流成分（ＤＣ成分）の影響により、検出される干渉縞のコントラストは低く、断層像の信号成分（ＡＣ成分）は、ＤＣ成分に比較して桁違いに小さくなる場合が多い。このＤＣ成分の影響は、２次元撮像素子３２からの映像信号に関して、隣接する画素間での演算を行うことによって取り除くことができる。すなわち、水平方向（Ｘ軸方向）に隣接する画素間で引き算を行えば、不要なＤＣ成分は除去されると共に、対象物体の内部からの反射強度情報は、ＡＣ成分として抽出される。

上述の概念を、より分かり易く簡単な数式を用いて説明すると、以下のとおりである。例えば、２次元撮像素子３２において、水平方向に隣接する画素（一例として３つの画素）で検出される干渉縞の信号は、簡易的に、以下のように記述できる。

Ｉ_ｎ−１＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（−sinα）
Ｉ_ｎ ＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（cosα）
Ｉ_ｎ＋１＝Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ（sinα）
ここで、Ｉ_ｎ−１ 、Ｉ_ｎ 、Ｉ_ｎ＋１ はそれぞれ隣接する画素での信号強度、Ｉ_Ｄは直流成分、Ｉ_Ａは交流成分（断層像の信号成分）、αは干渉縞の位相である。上述の式では、隣接する画素間での干渉縞の位相差が、互いに９０度であること想定しており、このような条件は、光変調手段の駆動周波数と振幅を、光走査手段の制御に応じて適切に設定することで実現できる。

実際の測定系においては、通常、Ｉ_Ｄ ≫Ｉ_Ａ 、すなわち直流成分は、求めようとする信号成分よりも圧倒的に大きい場合が多いため、ここでは一例として、以下のような計算を行う。

（Ｉ_ｎ − Ｉ_ｎ−１）^２ ＝ Ｉ_Ａ ^２（１＋２cosα×sinα）
（Ｉ_ｎ＋１ − Ｉ_ｎ）^２ ＝ Ｉ_Ａ ^２（１−２cosα×sinα）
従って、
（Ｉ_ｎ − Ｉ_ｎ−１）^２ ＋（Ｉ_ｎ＋１ − Ｉ_ｎ）^２ ＝２Ｉ_Ａ ^２
すなわち、隣接する画素間で引き算を行うことにより、不要なＤＣ成分は確実に除去することができ、更に、隣接する３画素の検出信号に関して加減算と乗算を含む簡単な計算を実行すれば、付随する位相項も排除することができる。このような演算処理によって、必要とするＡＣ成分（信号成分）は、簡単に抽出することが可能である。

実用的には、上述した水平方向の画素間の引き算を含む演算は、アナログ的な遅延回路と引き算回路等によって簡単かつ高速に、しかもデジタル的な諧調に依存することなく高精度に実行可能である。このようなアナログ処理の後に、Ａ／Ｄ変換回路とデジタル演算回路を介することによって、更にノイズの低減や画質の改善を考慮した、より複雑な演算を実行することも可能であり、比較的簡単に対象物体内部の反射強度情報を抽出することができる。また、本発明の方式によれば、光学的な原理として、隣接する画素間における露光時刻の違いは極めて小さいため、仮に、対象物体が動きを伴う生体であったとしても、撮像時のブレが少なく、解像力や諧調性、コントラストの優れた高精度な画像を得ることが可能である。

図３は、本発明の実施例として図１とは異なるシステムの構成を示したものである。図３では、観察対象物体として人の目の眼球を想定しており、検眼を行なうのに好適な光学系の実施例を示している。図３においては、図１の構成要素と同等の要素には共通の符号を付けて示しており、以下、図１との相違点について主に説明する。

断層像観察用の光源（ＳＬＤ）１または２からの光ビーム（シリンドリカルレンズ８を介して、焦点位置で線状となるラインビーム）は、ビームスプリッター１０において、参照光路９ｂと探索光路９ｃの二つの方向に分割される。参照光路９ｂを進んだ光ビームは、シリンドリカルレンズ１１、ミラー１２、レンズ１３を介して、更にレンズ４２を介して導かれた後、ミラー１４で反射される。ミラー１４は、圧電素子１５に装着されており、参照光の光ビームの変調（周期的な位相シフト）を行うことができる。

参照光路の途中、ミラー１４の近傍には、シャッター４３が備えられている。このシャッター４３は、必要に応じて、参照光路を遮断することによって、干渉像とは異なる通常の反射像を得るために利用することができる。

一方、探索光路９ｃを進む光ビームは、ガルバノミラー１６ａによって１次元方向に走査される。この走査された光ビームは、ミラー１８ａ、１８ｂ、レンズ１９、ミラー２４を介した後、更にレンズ４４を通過して、被検眼４５（前眼部４５ａ、または眼底４５ｂ）に入射する。ここで、レンズ１９と４４は、テレセントリック光学系を構成しており、ガルバノミラーと被検眼との共役関係が一定に保たれているものとする。

ミラー１８ａと１８ｂは、図１の実施例と同様に、部材２０によって不図示のモーター（図１のモーター２１に対応）に固定されており、光軸方向の移動（矢印２０ａの方向）が可能となっている。一方、レンズ１９は、不図示のモーター（図１のモーター２３に対応）により移動される部材２２に保持されており、部材２０の移動と同時に、部材２２の移動（矢印２２ａの方向）が可能な構造となっている。この時、部材２０と２２の移動量を１対２に設定しておけば、ガルバノミラー１６ａと被検眼の前眼部４５ａとの共役関係を維持したまま、光ビームの深度方向の走査（光路長の伸縮と、焦点位置の移動）を正確に行うことができる。

被検眼の所定部位、例えば眼底４５ｂからの反射光は、上述の光路を逆行して、ビームスプリッター１０において参照光路９ｂを介した参照光と合成され、検出光路９ｄに導かれ、そこで干渉信号は、レンズ２６を介して検出開口（スリット）２８を通過する。検出開口２８は、不要な光ノイズを除去して干渉信号のＳＮを向上させると共に、信号のコントラストと階調性を向上させる効果がある。

この検出開口を通過した干渉光は、レンズ３０を介して、ガルバノメーター４６に装着されたガルバノミラー４６ａに導かれる。ガルバノミラー４６ａ（第２の光走査手段）は、ガルバノミラー１６ａ（第１の光走査手段）と同一の走査方向に、検出光の走査を行うための再走査手段であり、その走査周波数は二つのガルバノミラー１６ａ、４６ａに関して、それぞれ同一に設定されている。ガルバノミラー４６ａで再走査された検出光（干渉光）は、レンズ３１を介して、ＣＣＤ等で構成される２次元撮像素子３２に結像される。

図３の構成では、一例として、２次元撮像素子３２のフレームレートが、毎秒６０コマであれば、ガルバノミラー１６ａと４６ａの走査周波数も、それぞれ６０Ｈｚである。この図の構成では、ガルバノミラーを結果的に２つ使っているが、図１の構成で必要としていた折り返し用のミラー（２７、２９）が不要となり、検出光学系の効率を向上できると共に、光路の調整も容易になるというメリットがある。

撮像素子３２から出力される映像信号は、信号処理回路３３を介して隣接画素間での処理に基づく各種の演算処理が行われ、所定の断層画像が抽出される。得られた断層画像は、ＰＣ３４を介して液晶モニター等の表示手段３５に表示され、必要に応じて、記憶装置３６に記憶させることができる。

図４は、測定対象物体として、人の眼球を想定した場合の説明図であり、図４（ａ）では、眼球に関して想定され得る座標系を示している。図４（ａ）に示したように、人眼の測定系では、被検眼４５の光軸（眼球軸）に対して直交する方向のＸ−Ｙ画像と、被検眼の光軸に沿った方向のＹ−Ｚ画像（または、図４（ａ）で不図示のＸ−Ｚ画像等）が考えられる。本発明における光学系においては、撮像素子３２と信号処理回路３３を介して得られる映像信号は、光軸に直交する方向の断面を検出したＸ−Ｙ画像を示している。従って、これらのＸ−Ｙ画像を、図４（ｂ）に示した如く、深度走査手段（図３の１８ａ、１８ｂ、１９）の走査に応じて、Ｚ軸方向に複数枚、採取して行けば、被検眼内部の３次元情報を収集することが可能である。

図４（ｃ）は、被検眼内部の、例えば眼底の３次元情報を採取した後に、ソフトウェアによる各種の画像処理をＰＣ３４（図３参照）によって行い、視覚的に表示できるように処理して表示装置３５のモニター画面に表示したところの例示図である。

図４（ｄ）は、（ｂ）に示した様式で採取した画像データに対して更なる画像処理を行い、眼底のＸ−Ｚ方向の断面を表示したところの例示図である。このような眼底の断面画像は、ＯＣＴの臨床医学における重要な応用例の一つとして、各種の網膜変性症や網膜剥離等の重篤な眼科疾患の精密診断や手術計画に際して効果的に活用することができる。

本発明に関わる光断層画像化装置の一実施例を示したシステムの構成図である。 本発明の信号処理の方式を説明するための説明図である。 本発明に関わる光断層画像化装置の、図１とは異なる他の実施例を示したシステムの構成図である。 医学的な応用の一つとして、被検眼の測定を想定した場合の説明図である。

符号の説明

１、２ 光源
８、１１ シリンドリカルレンズ
１０ ビームスプリッター
１４ 参照ミラー
１６ａ、４６ａ ガルバノミラー
２５ 観察対象物体
２８ 検出開口
３２ ２次元撮像素子
３５ 表示装置
４５ 被検眼

Claims (15)

1. 光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
   低干渉性の光ビームを発生する光源と、
   前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
   前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
   前記対象物体を介した探索光と前記参照光路を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための再走査手段と、
   前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
   前記２次元撮像手段から出力される映像信号から対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
2. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項１に記載の光断層画像化装置。
3. 光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
   低干渉性の光ビームを発生する光源と、
   前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
   前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
   前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
   前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための再走査手段と、
   前記再走査手段を介した干渉光を、前記光走査手段および再走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
   前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
   を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
4. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去して干渉情報を抽出し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項３に記載の光断層画像化装置。
5. 前記探索光の光路には、光ビームの焦点位置と光路長を変化させるための深度走査手段が付加されており、当該手段による深度方向の走査によって、対象物体内部の３次元的な断層画像情報が取得可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
6. 前記光ビームは、スリット状の光ビームであり、前記干渉光は、前記光走査手段と再走査手段の間に配置されたスリット状の検出開口を介して前記２次元撮像手段へと導かれることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
7. 前記光走査手段は、ガルバノメーターに装着された反射ミラーによって構成され、該走査手段による走査方向は、前記２次元撮像手段の水平撮像方向に対応することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
8. 前記再走査手段は、前記光走査手段とガルバノメーターを共通に利用し、該光走査手段による反射ミラーとは反対側の反射面を利用して２次元撮像手段への干渉光の走査が行われることを特徴とする請求項７に記載の光断層画像化装置。
9. 前記再走査手段は、前記光走査手段のガルバノメーターとは異なる第２のガルバノメーターを利用し、該第２のガルバノメーターに装着された反射ミラーによって２次元撮像手段への干渉光の走査が行われることを特徴とする請求項７に記載の光断層画像化装置。
10. 前記光変調手段による位相シフトの繰返し周波数は、前記光走査手段と再走査手段の走査周波数、及び前記２次元撮像手段のフレームレートよりも２桁以上高速に設定されることを特徴とする請求項３から９のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。
11. 光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
    低干渉性の光ビームを発生する光源と、
    前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
    前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための光走査手段と、
    前記参照光の光ビームを前記光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
    前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を前記光走査手段へ導く回帰光学系と、
    前記回帰光学系を通過した干渉光を、前記光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
    前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
    を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
12. 前記回帰光学系の光路には、前記光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口が配置され、前記干渉光は、該検出開口を介して前記２次元撮像手段へと導かれることを特徴とする請求項１１に記載の光断層画像化装置。
13. 光源からの光ビームを走査して観察対象物体の所定部位に照射し、該対象物体からの反射光を光学的な干渉現象を利用して検出処理することにより対象物体の断層画像情報を取得する光断層画像化装置において、
    低干渉性の光ビームを発生する光源と、
    前記光源からの光ビームを対象物体へ向かう探索光と、所定の参照光路へ向かう参照光とに分割するための光分割部材と、
    前記探索光の光ビームを所定の周波数で１次元走査するための第１の光走査手段と、
    前記参照光の光ビームを前記第１の光走査手段の走査周波数よりも高い周波数で周期的に位相シフトさせるための光変調手段と、
    前記対象物体を介した探索光と前記光変調手段を介した参照光との間で合成される干渉光を、前記第１の光走査手段と同一の走査周波数および同一の走査方向に走査するための第２の光走査手段と、
    前記第２の光走査手段を通過した干渉光を、前記第１および第２の光走査手段の走査周波数に応じたフレームレートで検出するための２次元撮像手段と、
    前記２次元撮像手段から出力される映像信号から前記光変調手段による光変調に応じた干渉情報を抽出して対象物体内部の反射強度情報を取得する信号処理手段と、
    を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
14. 前記第１および第２の光走査手段の間の光路には、該光走査手段の走査方向に間隙の制限された所定の検出開口が配置され、前記干渉光は、該検出開口を介して前記２次元撮像手段へと導かれることを特徴とする請求項１３に記載の光断層画像化装置。
15. 前記２次元撮像手段から出力される映像信号の隣接する画素間の演算処理によって該映像信号から直流成分を除去して干渉情報を抽出し、対象物体内部の反射強度情報を取得することを特徴とする請求項１１から１４のいずれか１項に記載の光断層画像化装置。

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