JP2014103357A

JP2014103357A - 光源装置、光干渉断層撮像装置

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Publication number: JP2014103357A
Application number: JP2012256208A
Authority: JP
Inventors: Makoto Oigawa; 誠大井川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-06-05
Also published as: US20140139844A1

Abstract

【課題】偏向器での偏向角を小さくしても、所定の波長可変範囲に拡大することが可能となる光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光源装置であって、
偏向器は、利得媒体から発せられた光を第一の方向に偏向する第一の偏向器と、利得媒体から発せられた光を第一の方向と交差する第二の方向に偏向する第二の偏向器と、によって構成され、
波長選択素子が、偏光器を介して照射される光のうち第一の波長範囲の光のいずれかの波長の光を選択する第一の領域と、偏光器を介して照射される光のうち、第一の波長範囲とは異なる第二の波長範囲のいずれかの波長の光を選択する第二の領域とを有し、
第一の領域は、第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、
第二の領域は、第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、第二の領域は第一の領域に対して第二の方向に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、該光源装置による光源部を備えた光干渉断層撮像装置に関する。

従来、各種測定用途や通信用途に波長可変光源が知られている。中でも外部共振器型、特に回折格子や波長選択フィルターとビーム偏向器を組み合わせたものが知られている。
偏向器にはポリゴンミラーやピエゾ素子で駆動するミラーなどが用いられるが、機械的な駆動部を持つため、その動作速度で波長の可変速度は律速される。
そこで、さらに高速な波長可変速度を達成するために電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）効果を用いた偏向器（以下、これをＥＯ偏向器と記す。）によってビーム偏向を行う機構の波長可変光源が提案されている。
一般的なＥＯ偏向器はプリズム形状をしており、ＥＯ結晶へ電圧を印加することでＥＯ効果による屈折率変化を誘起し、出射角を変化させるものである。

特許文献１では、このようなＥＯ偏向器を用いた次のような波長可変型外部共振器が提案されている。
この装置では、リットマン型の外部共振器において、回折格子とミラーの間に配置されたＥＯ偏向器に、電圧を印加することによってミラーへ垂直に入射する波長を変化させ、共振器内での発振波長を変化させるように構成されている。ＥＯ偏向器によって偏向させる角度を大きくさせることで、波長可変範囲の拡大および発振波長の線幅を狭めることが可能とされている。
また、特許文献２に記載されているものでは、半導体基板上に集積されたモノリシックな構成において、共振器片側の反射面を波長選択フィルターと凹面鏡の組とし、利得媒体との間に配置されたＥＯ偏向器によって波長を選択するように構成されている。ＥＯ偏向器を多段構成とすることで偏向角を大きくとり、波長可変範囲および発振線幅の狭窄化を行っている。

特開２００３−１９８０５６号公報米国特許第７，０６５，１０８号明細書

上記した従来例で挙げたように、ＥＯ結晶に電圧を印加し、ＥＯ効果によって屈折率を変化させることでビームを偏向させる場合、大きな偏向角を得るために大きな屈折率変化を誘起させることが望まれる。
ＥＯ効果による屈折率変化の割合は印加する電圧に比例し、電圧を印加する膜厚に反比例するため、薄膜に高電圧を印加することが望まれる。
しかしながら、絶縁破壊に対する耐電圧が存在するため、薄膜化と高電圧を印加することは相反する関係にあり、一つのＥＯ偏向器で得られる最大の偏向角には限界がある。
また、ＥＯ偏向器を同一平面状に多段に作製した構成の場合、前段の偏向器によるビーム偏向のため後段の偏向器への入射角が変わり、大きな偏向角が得られないという課題を有している。
これらのことから、波長可変範囲や発振線幅を保ったまま、偏向器での偏向角を小さくする構成の波長可変光源装置が望まれる。

本発明は、上記課題に鑑み、偏向器での偏向角を小さくしても、所定の波長可変範囲に拡大することが可能となる光源装置、該光源装置による光源部を備えた光干渉断層撮像装置の提供を目的とする。

本発明の光源装置は、反射ミラーと、照射された光の中から特定の波長の光を選択する波長選択素子とにより構成される共振器の光路内に、
利得媒体と、前記利得媒体から発せられた光が前記波長選択素子に照射される位置を変える偏向器とを備え、
前記部材から発せられた光が前記偏向器を介して前記波長選択素子に照射されることにより選択された波長の光を、前記反射ミラー側から出射する光源装置であって、
前記偏向器は、前記利得媒体から発せられた光を第一の方向に偏向する第一の偏向器と、前記利得媒体から発せられた光を前記第一の方向と交差する第二の方向に偏向する第二の偏向器と、によって構成され、
前記波長選択素子が、前記偏光器を介して照射される光のうち第一の波長範囲の光のいずれかの波長の光を選択する第一の領域と、
前記偏光器を介して照射される光のうち、前記第一の波長範囲とは異なる第二の波長範囲のいずれかの波長の光を選択する第二の領域とを有し、
前記第一の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、
前記第二の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、
前記第二の領域は前記第一の領域に対して第二の方向に位置していることを特徴とする。
また、本発明の光干渉断層撮像装置は、上記した光源装置による光源部と、
前記光源部からの光を検体に照射し、該検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、、偏向器での偏向角を小さくしても、所定の波長可変範囲に拡大することが可能となる光源装置、該光源装置による光源部を備えた光干渉断層撮像装置を実現することできる。

本発明の実施形態における光源装置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図１を紙面の上方向から見た光源装置の構成を示す図。本発明の実施形態における波長選択素子を面内方向に対して垂直な方向から見た図。本発明の実施形態における図３の波長選択素子を紙面の上方向から見た図。従来の１つの偏向器を用いた波長可変の構成を説明するための図である。本実施形態に係る光源装置における波長可変の構成を説明するための図である。本発明の実施例における光源装置の構成例について説明する図。従来例における１つの偏向器を用いた場合の構成について説明する図。本発明の実施例における光源装置の波長可変の構成を説明するための図である。本発明の実施例に係る光源装置を用いて波長可変する方法について説明するための図である。本発明の実施例に係る光源装置を用いた結果得られる波長変化を示した図である。本発明の実施形態における光源装置による光源部を備えた光干渉断層撮像装置であるＳＳ−ＯＣＴの構成例について説明する図。

本発明の実施形態に係る光源装置について説明する。
本実施形態に係る光源装置は、反射ミラーと、照射された光の中から特定の波長の光を選択する波長選択素子とにより構成される共振器の光路内に、利得媒体と、前記利得媒体から発せられた光が前記波長選択素子に照射される位置を変える偏向器とを備え、前記部材から発せられた光が前記偏向器を介して前記波長選択素子に照射されることにより選択された波長の光を、前記反射ミラー側から出射する光源装置である。また、前記偏向器は、前記利得媒体から発せられた光を第一の方向に偏向する第一の偏向器と、前記利得媒体から発せられた光を前記第一の方向と交差する第二の方向に偏向する第二の偏向器と、によって構成され、前記波長選択素子が、前記偏光器を介して照射される光のうち第一の波長範囲の光のいずれかの波長の光を選択する第一の領域と、前記偏光器を介して照射される光のうち、前記第一の波長範囲とは異なる第二の波長範囲のいずれかの波長の光を選択する第二の領域とを有し、前記第一の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、前記第二の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、前記第二の領域は前記第一の領域に対して第二の方向に位置していることを特徴とする。
本実施形態に係る光源装置における波長選択素子の例として、第一の領域および第二の領域に、格子間隔が等しい回折格子を第一の方向に沿って勾配をつけて設けたものが挙げられる。ここでいう勾配をつけて設ける、とは、第一の方向と第二の方向とで形成される面に対して角度をつけて設けるという意味である。また、波長選択素子の例として、ファブリーペロー（ＦａｂｒｙＰｅｒｏｔ、ＦＰ）フィルターのような特定の波長の光を選択する波長選択器を用いた例が挙げられ、具体的には、互いに選択する波長が異なるＦＰフィルターを第一の方向に沿って設けたものである。
本実施形態における波長選択素子について、第一の領域や第二の領域において、第一の方向に沿って選択される光の波長が大きくなるように構成してもよいし、小さくなるように構成してもよい。また、第一の領域や第二の領域において、第一の方向に沿って選択される光の波長が連続的に変化する構成であることが好ましい。
本実施形態において、利得媒体から発せられた光が、第一の偏光器に入射した後に第二の偏光器に入射する構成でも、第二の偏光器に入射した後に第一の偏光器に入射する構成でもよい。
本実施形態において、第一の波長範囲と第二の波長範囲とは、異なる波長範囲であればよく、第一の波長範囲外の波長範囲を第二の波長範囲が含んでいればよい。第一の波長範囲と第二の波長範囲とは重複していてもよい。また、波長選択素子は、第一の波長範囲および第二の波長範囲と異なる第三の波長範囲のいずれかの波長の光を選択する第三の領域を有していてもよく、合計Ｎ個の領域（Ｎは４以上の整数）を有していてもよい。

本実施形態において利得媒体とは、波長幅を有する自然放出光を発生し、利得媒体に入射する入射光に対しては誘導放出による光増幅機能を有するものであれば特に限定されない。本実施形態における利得媒体の動作波長は７００ｎｍ乃至２０００ｎｍのうち、波長帯域５０ｎｍ乃至２００ｎｍ程度を有するものが望ましい。特に、利得媒体から発せられる光は７８０ｎｍ乃至９００ｎｍ、９８０ｎｍ乃至１１００ｎｍ、または１２５０ｎｍ乃至１４００ｎｍの範囲の波長帯域を有することが好ましい。利得媒体の代表的なものとして半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ、以下、ＳＯＡと略すことがある）が挙げられる。ＳＯＡの他には、エルビウムやイットリビウム、ネオジウムなどを含有した希土類添加ファイバ、色素を光増幅材として含有した光ファイバや基板などが挙げられる。ＳＯＡの活性層を構成する材料は、一般的な半導体レーザの活性層を構成する化合物半導体を用いることができ、具体的にはＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＡｓ系等が挙げられる。ＳＯＡが持つ利得の中心波長は８４０ｎｍ、１０６０ｎｍ、１３００ｎｍなどを代表として挙げることができる。

本実施形態に係るＯＣＴ装置は以下のように説明することもできる。
以下に、本発明の実施形態における光源装置、波長掃引光の形成方法の構成例について、図１を用いて説明する。
本実施形態の光源装置では、反射ミラーと波長選択素子とにより構成された共振器内に、利得媒体と偏向器とを備える。
そして、前記利得媒体から出射された光を前記偏向器を介して前記波長選択素子へ照射箇所を変えて照射することにより波長を変化させた光を、前記共振器を構成する前記反射ミラー側から出射する外部共振器型波長可変光源装置が構成されている。
その際、共振器内の光路を偏向する手段が、二段に構成される。
具体的には、図１に示すように、取り出し用ハーフミラー（反射ミラー）１０１と波長選択素子１０２によって光共振器が形成され、その中に利得媒体１０３が配置されている。
利得媒体１０３から出射された複数の波長からなる光束はコリメータレンズ１０４および１０５によって平行光となる。
コリメータレンズ１０５によって平行光となった光は第一の偏向器１０６によって図１における紙面水平方向（第一の方向）である１０７で示す方向に偏向される。
その後、第二の偏向器１０８によって紙面垂直方向（第二の方向）である１０９で示す方向に偏向され、１０９方向にパワーを持つシリンドリカルレンズ１１０を介し、波長選択素子１０２へ導かれる。

図２に、上記図１とは垂直な関係となる１０７方向から見た様子を示す。
また、図３に波長選択素子１０２についての詳細を示す。この波長選択素子１０２は等ピッチの反射型回折格子を基板面に対して角度を変えて配置したものである。図３は波長選択素子１０２を基板に対し正面から見た図である。
図３における波長選択素子１０２の上方向３０１から見た際、位置３０２での断面図を図４の（ａ）に、位置３０３での断面図を図４の（ｂ）に、位置３０４での断面図を図４の（ｃ）にそれぞれ示す。
このように基板４０１に対し、それぞれ異なる角度を持つ。このような構成により同じ波長可変範囲を確保しながら、ひとつの偏向器による偏向角を小さくできることを説明する。
従来の同一平面上におけるビーム偏向器と回折格子の組み合わせによる波長可変の構成を図５に示す。
偏向器５０１によって角度３θ₀に対応する角度の範囲でビームを偏向させ、反射型回折格子５０２へ入射させる。
このとき、回折格子と入射光のなす角によって異なる波長が同一光路へ強く反射される。
光線５０３となす角θ₁のときは波長λ₁が、光線５０４となす角θ₂のときは波長λ₂が、光線５０５となす角θ₃のときは波長λ₃が、光線５０６となす角θ₄のときは波長λ₄が反射される。

これに対し、本発明に係る波長選択の様子を図６に示す。
図６の（ａ）から（ｃ）は図４の（ａ）から（ｃ）の構成と同様に基板に対し各々異なる角度傾けて配置したものである。
偏向器における偏向角の範囲がθ₀であっても、回折格子とのなす角は図６（ａ）においてθ₁からθ₂まで、図６（ｂ）においてθ₂からθ₃まで、図６（ｃ）においてθ₃からθ₄まで変化させることができる。
つまり、反射される波長を波長λ₁から波長λ₄まで変化させることができる。

このようにして、本発明に係る図１に示した構成により、第一の偏向器１０６での偏向方向に加え、第二の偏向器１０８での偏向方向も加えることによって、第一の偏向器での偏向角が従来に比べ小さい範囲で、同等の波長可変範囲を得ることができる。
すなわち、第一の偏向器１０６により小さい偏向角で偏向された光を、
第二の偏向器１０８によって偏向して基板に対する角度を変えて配置された反射型回折格子への入射角または入射位置を変化させて波長選択素子に入射させ、光を所定の波長可変範囲に拡大することが可能となる。
第一の偏向器による偏向角の方向１０７と、第二の偏向器による偏向角の方向１０９との組み合わせはこの組み合わせに限らず、波長選択素子１０２の面上を任意に選択できる方向の組み合わせであれば良い。
中でも、方向１０７と方向１０９が互いに垂直な組み合わせであることは、発振波長を選択する際に制御性の容易さから好適である。

本発明の実施形態における光源装置による光源部を備えた光干渉断層撮像装置であるＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ−ＳｏｕｒｃｅＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置について説明する。
本実施形態のＳＳ−ＯＣＴ装置は、光を検体に照射する光源部、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部、光を参照ミラーに照射して参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部を備える。
また、これらの２つの反射光を干渉させる干渉部、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部を備える。
具体的には、図１２に示すように、光源部を構成する波長可変光源１２０１から出た光をカプラ１２０２を通じて検体１２０３へと導かれるサンプル光１２０４と、固定ミラー１２０５へと導かれる参照光１２０６とに分割する。
分割されたあと、サンプル光１２０４はコリメータレンズ１２０７と走査鏡１２０８および対物レンズ１２０９を経て、検体１２０３へと導かれる。
検体１２０３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１２０２に戻る。
一方、参照光１２０６はコリメータレンズ１２１０、対物レンズ１２１１を通過したのち固定ミラー１２０５にて反射され、もと来た光路を戻り再びカプラ１２０２へと戻りサンプル光と共にフォトダイオード１２１２へと導かれ干渉信号を生成する。
計算処理機１２１３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できる。本発明に係る波長掃引光源を用いることで高速な波長掃引を行うことができ、ＯＣＴ画像を取得する速度が向上する。
これにより、測定中に検体が動くことによる画像の劣化を防ぐことができ、ＯＣＴ画像のＳ／Ｎ比が向上する。

本発明を適用した実施例における光源装置、波長掃引光の形成方法の構成例について、図７を用いて説明する。図７（ａ）と図７（ｂ）は互いに垂直な方向から見た図である。
本実施例の光源装置は、図７に示すように、取り出し用ハーフミラー７０１と反射型回折格子７０２によって光共振器が形成される。
その中に利得媒体である半導体光増幅器（ＳＯＡ：ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）７０３が配置されている。
ＳＯＡ７０３は波長８００ｎｍから波長８８０ｎｍまで利得の帯域を持ち、本実施例の光源はこの範囲で波長可変を行う。
ＳＯＡ７０３からの複数波長からなる出射光はコリメータレンズ７０４と７０５によって平行光となる。
コリメータレンズ７０５によって平行光となった光は第一のＥＯ偏向器（電気光学効果を利用した偏向器）７０６によって７０７方向内に偏向される。
次に、第二のＥＯ偏向器（電気光学効果を利用した偏向器）７０８によって７０９方向へと偏向され、７０９方向にパワーを持つシリンドリカルレンズ７１０を介して反射型回折格子７０２へと照射される。

図８に示すようなひとつの反射型回折格子８０２と偏向器８０１の組み合わせで波長８００ｎｍから波長８８０ｎｍまで発振波長を変化させるとき、１８００本／ｍｍの回折格子と、偏向器での偏向角±３°が必要となる。
これを本実施例の構成で行う場合、図９に示す三段構成の反射型回折格子を作製し、各々を基板に対し０°、±２°傾けて配置させることで構成した。
これにより偏向器での偏向角が±１°に対し、回折格子から反射される波長は波長８００ｎｍから波長８８０ｎｍまで変化する。
このようにして第一の偏向器７０６と第二の偏向器７０８の組み合わせにより、反射型回折格子７０２の面上への入射角を変化させれば、所望の波長可変範囲を得るのに対し、一つの偏向器の偏向角を小さくできる。
また、前記第一の偏向器と前記第二の偏向器を、ＥＯ偏向器とポリゴンミラーとの組み合わせによって構成することも好適である。
また、前記第一の偏向器と前記第二の偏向器を、ＥＯ偏向器とＭＥＭＳミラーとの組み合わせによって構成することも好適である。
これにより、ＥＯ偏向器と比べて大きな偏向角を得ることができ、回折格子をさらに複数段配置することで、より第一の偏向器の偏向角を小さくすることができる。

上記本実施例に係る光源を用いて、時間と共に一方向へ発振波長を変化させる波長掃引光の形成方法について説明する。
波長選択素子７０２を光が照射される正面から見た図を図１０に示す。図１０における方向１００１から見た際に位置１００３での断面図が図９（ａ）に、位置１００４での断面図が図９（ｂ）に、位置１００５での断面図が図９（ｃ）に、それぞれ対応する。
第一の偏向器７０６によって方向１００２へ光は走査され、第二の偏向器７０８によって方向１００１へ光は走査される。
第一の偏向器７０６によって光線が往復走査されるとき、時刻ｔ＝ｔ０からｔ＝ｔ１の間に位置１００３の回折格子上を走査し、ｔ＝ｔ１からｔ＝ｔ２の間に位置１００４の回折格子上へ光が走査されるよう第二の偏向器７０８を駆動する。以降、同様にｔ＝ｔ６まで光線の走査がラスター走査となるよう偏向器でのビーム偏向を繰り返す。
このようにして、時間と共に順次発振波長を変化させる。この様子を図１１に示す。

１０１：取り出し用ハーフミラー
１０２：波長選択素子
１０３：利得媒体
１０４：コリメータレンズ
１０５：コリメータレンズ
１０６：第一の偏向器
１０８：第二の偏向器
１１０：シリンドリカルレンズ

Claims

反射ミラーと、照射された光の中から特定の波長の光を選択する波長選択素子とにより構成される共振器の光路内に、
利得媒体と、前記利得媒体から発せられた光が前記波長選択素子に照射される位置を変える偏向器とを備え、
前記部材から発せられた光が前記偏向器を介して前記波長選択素子に照射されることにより選択された波長の光を、前記反射ミラー側から出射する光源装置であって、
前記偏向器は、前記利得媒体から発せられた光を第一の方向に偏向する第一の偏向器と、前記利得媒体から発せられた光を前記第一の方向と交差する第二の方向に偏向する第二の偏向器と、によって構成され、
前記波長選択素子が、前記偏光器を介して照射される光のうち第一の波長範囲の光のいずれかの波長の光を選択する第一の領域と、
前記偏光器を介して照射される光のうち、前記第一の波長範囲とは異なる第二の波長範囲のいずれかの波長の光を選択する第二の領域とを有し、
前記第一の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、
前記第二の領域は、前記第一の方向に沿って選択される光の波長が互いに異なるように構成され、
前記第二の領域は前記第一の領域に対して第二の方向に位置していることを特徴とする光源装置。
前記第二の方向に偏向される光は、前記第一の方向に偏向される光に対して垂直方向に偏向されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記第一の偏向器と前記第二の偏向器が、電気光学効果を利用した偏向器の組み合わせ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に記載の光源装置。
前記第一の偏向器と前記第二の偏向器が、電気光学効果を利用した偏向器とポリゴンミラーとの組み合わせ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に記載の光源装置。
前記第一の偏向器と前記第二の偏向器が、電気光学効果を利用した偏向器とＭＥＭＳミラーとの組み合わせ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に記載の光源装置。
前記波長選択素子に対してラスター走査を行うことで、時間と共に順次発振波長を変化させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置による光源部と、
前記光源部からの光を検体に照射し、該検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
を有することを特徴とする光干渉断層撮像装置。