JP2011113048A - 波長掃引光源、波長掃引光源を備えたｓｓ−ｏｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速かつ広帯域に波長を掃引することができ、掃引された波長を順に並べて出射することが可能となる波長掃引光源を提供する。
【解決手段】波長掃引光源であって、
波長掃引された光パルス列を発生させる光パルス発生手段と、
前記光パルス列の強度の一部を取り出すための分岐手段と、
前記分岐手段で取り出した光パルス列の波長を、シフトさせる波長シフト手段と、
前記波長シフト手段によって波長がシフトした光パルス列と、前記光パルス発生手段が発生する光パルス列とを合成し、出射光波長を広帯域化して取り出すためのスイッチ手段と、
前記光パルス発生手段からの光と波長シフト手段からの光が波長軸に沿って順に出射され、前記合成されるパルス列が順に波長掃引された光パルス列になるように、前記スイッチ手段を制御する制御手段と、を有する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長掃引光源、波長掃引光源を備えたＳＳ−ＯＣＴ装置に関するものである。

近年、医療用途を中心に網膜に代表される生体組織の断層画像撮影装置としてオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が注目されている。
上記ＯＣＴにおいては測定対象が生体であるため、画像取得の高速化が望まれている。
高速方式ＯＣＴとして、特に波長掃引光源を用いたスエプトソースＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）が着目されている。
これによると、波長掃引された光がＯＣＴの干渉計において、固定したミラーからの参照光と、生体組織からの反射光として干渉することで断層画像が取得される。
稼動部の無いＳＳ−ＯＣＴ方式では、画像取得速度が光源の波長掃引速度に依存しているため、高速化が期待できる。そのため、掃引速度の速い波長掃引光源が求められている。

高速に波長を掃引できる光源として、分散チューニングの手法を用いたものが挙げられる（非特許文献１）。
これは、光ファイバを用いて形成されたリングキャビティ内に色分散が存在するとき、能動モード同期をかけるための変調周波数が波長依存性を持つことを利用した波長掃引光源である。
なお、非特許文献１では、数百ｋＨｚの掃引速度まで達成可能であることが示唆されている。

一方で、ＯＣＴの深さ方向分解能を向上させるために、光源の波長掃引幅を広帯域化させることも望まれている。
深さ分解能は、波長掃引幅Δλ、中心波長λ０、とするとき、つぎの式（１）で示すことができ、したがってΔλが大きくなるほど深さ分解能は向上する。

ところが、レーザー光源は利得媒質を含んでいるので、利得媒質の物性により発振できる帯域が制限されてしまう。
このように、Δλの値を制限する原因の一つは、利得媒質の物性によるものである。
また、先述の分散チューニングの手法を用いた波長掃引光源では、波長掃引の原理からもΔλは制限される。
これに対し、利得媒質の帯域に制限されないで光を発振させる手法として、誘導ラマン散乱を用いたファイバラマンレーザーが知られている（特許文献１）。
誘導ラマン散乱とは、ファイバのコア中に含まれる分子や格子のフォノンと光が相互作用を起こし、周波数がシフトした光が散乱される現象である。
入射される光はポンプ光、周波数シフトされた光はストークス光と呼ばれる。
ポンプ光がラマン閾値以上の強度を持って入射されるとストークス光が増幅され、周波数シフトされた光が出射される。
ストークス光の周波数シフト量はコアに含まれる分子の種類によって決まり、一般的な石英系のファイバでは約−１３．２ＴＨｚである。
これによると、ポンプ光の波長に依存せず分子種によって決まるため、利得媒質の帯域に制限されないで光を発振させることができる。

特開２００９−４７７７１号公報

Ｓ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ，ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．Ｖｏｌ．１４，ｐｐ．９２９９（２００６）

上記したように、ＳＳ−ＯＣＴ光源には波長掃引の高速性と、波長掃引幅の広帯域化が求められている。
しかしながら、上述の非特許文献１にあるような能動モード同期による分散チューニング方式では、波長掃引の高速化は可能であるものの、利得媒質の帯域および掃引の原理から波長掃引幅は制限されてしまう。
また、特許文献１に示したようなファイバラマンレーザーでは、利得媒質による波長掃引幅の制限は受けないが、光源自身に高速波長掃引できる機構を持たせるのは難しい。
さらに、これら２種の光源を組み合わせたものにおいても、つぎのような課題を有する。
すなわち、分散チューニング方式に代表される波長掃引光源と、その光をファイバラマンレーザーのポンプ光に用いた光源を組み合わせて一つの光源とすることは、掃引された波長を波長順に並べて取り出すことが容易ではない。

本発明は、上記課題に鑑み、高速かつ広帯域に波長を掃引することができ、掃引された波長を順に並べて出射することが可能となる波長掃引光源、該波長掃引光源を備えたＳＳ−ＯＣＴ装置の提供を目的とする。

本発明は、つぎのように構成した波長掃引光源、該波長掃引光源を備えたＳＳ−ＯＣＴ装置を提供するものである。
本発明の波長掃引光源は、波長掃引された光パルス列を発生させる光パルス発生手段と、
前記光パルス列の強度の一部を取り出すための分岐手段と、
前記分岐手段で取り出した光パルス列の波長を、シフトさせる波長シフト手段と、
前記波長シフト手段によって波長がシフトした光パルス列と、前記光パルス発生手段が発生する光パルス列とを合成し、出射光波長を広帯域化して取り出すためのスイッチ手段と、
前記光パルス発生手段からの光と波長シフト手段からの光が波長軸に沿って順に出射され、前記合成されるパルス列が順に波長掃引された光パルス列になるように、前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする。
また、本発明のスエプトソースＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）装置は、上記した本発明の光源を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、高速かつ広帯域に波長を掃引することができ、掃引された波長を順に並べて出射することが可能となる波長掃引光源、該波長掃引光源を備えたＳＳ−ＯＣＴ装置を実現することができる。

本発明の実施形態における波長掃引光源について説明する図。 本発明の実施例１における波長掃引光源の構成例について説明する図。 本発明の実施形態における合成したパルス列の概要を説明する図。 本発明の実施形態における光パルス発生手段の信号源の変調周波数を三角波を用いて周波数変調し波長掃引するようにした例について説明する図。 本発明の実施例２における波長掃引光源を備えたＳＳ−ＯＣＴ装置の構成例について説明する図。

つぎに、図１を用いて、本発明の実施形態における波長掃引光源について説明する。
本実施形態における波長掃引光源は、図１に示すように、高速に波長掃引できる機構を備えた光パルス発生手段１０１と、該光パルス列の強度の一部を取り出すための分岐手段１０２と、波長シフト手段１０３を備える。
また、光パルス発生手段１０１からの光と波長シフト手段１０３からの光を合成して出射するスイッチ手段１０４を備える。
さらに、光パルス発生手段１０１からの光と波長シフト手段１０３からの光を波長軸に沿って順に出射するようにスイッチ手段１０４を制御する制御手段１０５と、波長モニタ１０７、１０８と、所定の遅延時間を与える遅延経路１０６を備える。
後述するように、波長シフト手段１０３において誘導ラマン散乱の効果により光パルス発生手段１０１からの光を波長シフトさせ、もとの光パルス発生手段１０１からの光と合成し出射光波長の広帯域化を図る。

以下に、各構成要素について説明する。
光パルス発生手段１０１は、光パルスの中心波長が高速に掃引された光パルス列を生成する光源により構成されている。
例えば、非特許文献１で挙げた分散チューニングを用いたモード同期レーザーにより構成されている。
これを用いた場合、上記したように数百ｋＨｚの速度で波長掃引された光パルス列が得られる。
また、後述するようにラマン閾値が存在するため生成される光は光パルスであることが望ましい。
光パルス発生手段１０１にて生成された光パルス列は分岐手段１０２によってスイッチ手段１０４への経路を進むものと、波長シフト手段１０３への経路を進むものに分岐される。
分岐手段１０２はカプラによって形成される。カプラの分割比は出射口で求められる光強度によって、任意のものを選択すればよい。

波長シフト手段１０３にて、光パルス列は中心波長を長波長側へシフトされる。
この波長シフト手段１０３は、光パルス列を増幅するための利得媒質３０１と誘導ラマン散乱を起こすファイバ３０２によって構成される。
誘導ラマン散乱が起こるためにはラマン閾値が存在するため、光パルス列は利得媒質３０１によりラマン閾値以上の光強度に増幅される。
利得媒質３０１は希土類を添加したファイバや、ＳＯＡを用いて構成される。増幅された光パルス列はファイバ３０２へと導かれる。
ファイバ３０２へと入射した光パルス列は、背景技術で述べたようにファイバのコア中の分子と相互作用を起こし中心波長がシフトする。
波長シフト手段１０３において中心波長がシフトした光パルス列は、遅延経路１０６へと進む。
ここで制御手段１０５から求まる所定の遅延時間を与えられ、スイッチ手段１０４へと導かれる。

スイッチ手段１０４では、光パルス発生手段１０１からの光パルス列と、波長シフト手段１０３からの波長がシフトされた光パルス列を合成して取り出す。
このようなスイッチ手段１０４は、電気光学変調器を用いて構成することができる。
合成したパルス列の概要を図３に示す。
光パルス発生手段１０１からの光パルス列４０１はλ１からλ２まで掃引され、波長シフト手段１０３からの波長がシフトした光パルス列４０２はλ３からλ４まで掃引されているとする。
後述する制御手段１０５の信号によってスイッチ手段１０４は光路を切り替え、λ１からλ４まで掃引された光パルス列４０３を出射する。
また、スイッチ手段１０４の光路を切り替える応答速度は光パルスの繰り返し周波数よりも速いものとする。例えば電気光学効果を用いたものなどである。

つぎに、制御手段１０５にてスイッチ手段１０４の光路を切り替える機構について説明する。
この制御手段１０５は、微分回路とオフセット調整回路によって構成される。
図４に、光パルス発生手段の信号源２０６の変調周波数を三角波５０１を用いて周波数変調し波長掃引するようにした例について説明する図を示す。
信号５０１を微分すると信号５０２のようになる。信号５０２に適宜オフセットを加えて中心レベル５０５を調整し、信号５０２の上レベル５０３と下レベル５０４をスイッチ手段１０４の信号として用いる。
例えば、スイッチ手段１０４は、上レベル５０３のとき光パルス発生手段１０１からの光を通し、下レベル５０４のとき波長シフト手段１０３からの光を通すものとする。
さらに、制御手段１０５は、光パルス発生手段１０１にて発生した光パルス列が出射口においてλ１からλ２の掃引となり、
なおかつ波長シフト手段１０３からの光パルス列が出射口においてλ３からλ４の掃引となるように、波長モニタ１０７、１０８からの信号をもとにスイッチ手段１０４を制御する。
波長モニタ１０７、１０８は、エタロンとフォトダイオードによって構成されている。
波長モニタ１０７のエタロンはλ２の波長を通過させるフィルタ特性を持ち、同様に波長モニタ１０８ではλ３の透過特性を持つものとする。
波長モニタ１０７にて、フォトダイオードがλ２の光パルスを受信する時刻と、微分された信号５０２の上レベル５０３から下レベル５０４への切り替え部５０６が同時刻になるように、信号５０２のタイミングを調整する。
次に、光パルス波長モニタ１０８にてフォトダイオードがλ３の光パルスを受信する時刻と先述の信号切り替え部５０６が同時刻になるように、遅延経路１０６の長さを物理的に調整し、光に所望の遅延時間を与える。
このようにして、λ１からλ４まで波長掃引された光パルス列として出射される。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、図２を用いて波長掃引光源の構成例について説明する。
以下に、本実施例の波長掃引光源における各構成要素について説明する。
まず、光パルス発生手段１０１を構成する高速波長掃引光源の一例を説明する。
なお、本発明は以下の例に示す分散チューニング法を用いた波長掃引光源に限定されるものではなく、高速に波長掃引した光パルスを出射する光源であればよい。
利得媒質２０１、カプラ２０２、アイソレータ２０３、分散付与ファイバ２０４が、光ファイバを通じて光学的に結合されリング共振器を形成している。
本実施例では利得媒質に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｅｒ）を用いて説明するが、利得媒質はこの形態に何ら限定されるものではない。例えば、希土類を添加したファイバであってもよい。
ＳＯＡ２０１から出た光はアイソレータ２０３により定義された方向に周回し、ＳＯＡ２０１の利得が共振器内の損失に勝ったとき、レーザー光として発振する。
ここでは、ＳＯＡ２０１へ信号源２１５から変調信号を加え、ＳＯＡ２０１を直接変調駆動させる場合について説明する。
変調周波数が共振器のＦＳＲの整数倍となったとき、能動モード同期がかかる。さらに、分散付与ファイバ２０４が存在することで、キャビティ内のＦＳＲ間隔が波長依存性を持ち、信号源２１５の周波数を掃引することで波長掃引光源が達成される。
このとき、共振器内には中心波長が掃引された光パルスの列が信号源２１５からの信号の周波数間隔で並んでいる。
変調を加えモード同期を達成する方法は、ＳＯＡを直変するだけでなく、電気光学（ＥＯＭ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ）効果を用いた変調器や他のものであってもよい。
そして、カプラ２０２からは光パルス列の強度の一部が取り出され、カプラ２０５へと導かれる。カプラ２０５ではそのまま出射口へ向かう光路２３０と、波長をシフトさせ遅延を与える光路２３１に光パルス列を分割する。

上記波長シフト手段１０３は、光パルス列を増幅するための利得媒質２０６と誘導ラマン散乱を起こすファイバ２０７から構成される。
利得媒質２０６は希土類を添加したファイバや、ＳＯＡで構成される。利得媒質２０６によりラマン閾値以上のエネルギーに増幅された光パルス列はファイバ２０７へと入る。
誘導ラマン散乱は、正常分散を持ったどのようなファイバでも起こり得るが、ここでは石英系のシングルモードファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）が用いられる。
誘導ラマン散乱による波長のシフト量はコアを構成する物質によって決まり、通常の石英系ＳＭＦならば−１３．２ＴＨｚほどである。
中心波長が１０５０ｎｍであれば、シフト量は約５０ｎｍである。光パルス発生手段１０１がλ１＝１０５０ｎｍからλ２＝１１００ｎｍまで掃引しているとき、光シフト部１０３からはλ３＝１１００ｎｍからλ４＝１１５０ｎｍまで掃引された光が出射される。
つまり、これらを合成して光源として用いれば掃引帯域は２倍となる。

上記したように、スイッチ手段２１３にてλ１からλ４まで波長掃引された光パルス列として取り出すよう光路を切り替える。
そのための信号はカプラ２０９、２１０および波長モニタ２１１、２１２をもとに、制御手段２１４が制御する。
制御手段２１４はオペアンプから成る微分回路と、可変抵抗から成るオフセット調整回路から成る。ここで、遅延経路２０８の概算を見積もる。
いま、信号源２１５はひと山が１００ｋＨｚの三角波を用いて波長掃引していたとする。
このときλ１からλ２までの掃引時間は５μｓｅｃとなる。同様にλ３からλ４までの掃引時間も５μｓｅｃとなる。
掃引する波長の帯域が５０ｎｍであり波長分割を０．５ｎｍずつ行うとすると、１分割の時間は５０ｎｓｅｃとなる。ファイバの屈折率を約１．５とすると、この５０ｎｓｅｃの時間の間に光はファイバ中を５ｍ進む。
よって、所望の遅延量を与えるために調整する長さは５ｍ単位となり、十分制御可能な加工オーダーである。
このようにして、スイッチ手段２１３にて合成された出射光はλ１からλ４まで連続に掃引された光として取り出され、掃引幅の広帯域化が可能となる。

［実施例２］
実施例２では、図５を用いて、本発明の波長掃引光源を備えたスエプトソースＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）装置の構成例について説明する。
波長掃引光源６０１から出た光をカプラ６０２を通じて被検体６０３へと導かれるサンプル光６０４と、固定ミラー６０５へと導かれる参照光６０６とに分割する。
分割されたあと、サンプル光６０４はコリメータレンズ６０７と走査鏡６０８および対物レンズ６０９を経て、被検体６０３へと導かれる。被検体６０３の深さ情報を持って反射された光はもと来た光路を戻り、再びカプラ６０２に戻る。
一方、参照光６０６はコリメータレンズ６１０、対物レンズ６１１を通過したのち固定ミラー６０５にて反射され、もと来た光路を戻り再びカプラ６０２へと戻りサンプル光と共にフォトダイオード６１２へと導かれ干渉信号を生成する。
計算処理機６１３においてこの干渉信号を光源走査信号をもとに再配列し、フーリエ変換を中心とした信号処理をすることで、深さ方向断層画像を取得することができる。

１０１：光パルス発生手段
１０２：分岐手段
１０３：波長シフト手段
１０４：スイッチ手段
１０５：制御手段
１０６：遅延経路
１０７：波長モニタ
１０８：波長モニタ

Claims (7)

1. 波長掃引光源であって、
   波長掃引された光パルス列を発生させる光パルス発生手段と、
   前記光パルス列の強度の一部を取り出すための分岐手段と、
   前記分岐手段で取り出した光パルス列の波長を、シフトさせる波長シフト手段と、
   前記波長シフト手段によって波長がシフトした光パルス列と、前記光パルス発生手段が発生する光パルス列とを合成し、出射光波長を広帯域化して取り出すためのスイッチ手段と、
   前記光パルス発生手段からの光と波長シフト手段からの光が波長軸に沿って順に出射され、前記合成されるパルス列が順に波長掃引された光パルス列になるように、前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする波長掃引光源。
2. 前記波長シフト手段が、前記分岐手段で取り出した光パルス列の波長を誘導ラマン散乱によってシフトさせる構成を備えていることを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。
3. 前記制御手段が、微分回路とオフセット調整回路によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長掃引光源。
4. 前記制御手段は、エタロンとフォトダイオードによって構成された波長モニタからの信号をもとにし、前記スイッチ手段を制御することが可能に構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波長掃引光源。
5. 前記制御手段は、遅延経路によって光パルスに与えられる遅延時間をもとにし、前記スイッチ手段を制御することが可能に構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長掃引光源。
6. 前記スイッチ手段が、電気光学変調器を用いて構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の波長掃引光源。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の光源を備えていることを特徴とするスエプトソースＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）装置。

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