JP2014134499A - Optical interference tomographic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光干渉断層装置に関し、詳細には、被検体に低干渉光を照射して得られる反射光を用いて被検体の光断層画像を生成する光干渉断層装置に関する。 The present invention relates to an optical coherence tomography apparatus, and more particularly to an optical coherence tomography apparatus that generates an optical tomographic image of a subject using reflected light obtained by irradiating the subject with low interference light.
モレキュラーイメージングの分野では、光情報を利用してターゲット分子を高感度に検出する方法が主力となっている。そのなかで、低干渉光を利用して深さ方向の情報を高分解能で取得することができるOCT装置(Optical Coherent Tomography:光干渉断層撮影)が注目されている。 In the field of molecular imaging, a method for detecting a target molecule with high sensitivity using optical information is the main force. Among them, an OCT apparatus (Optical Coherent Tomography) capable of acquiring information in the depth direction with high resolution by using low interference light is drawing attention.
また、眼科領域では、網膜の表面情報(表面画像)だけでなく、その深さ方向の情報まで取得することで、より正確な診断を行いたいというニーズがあり、OCT装置が眼底撮影装置として実用化されている。 In the ophthalmologic field, there is a need for more accurate diagnosis by acquiring not only the retina surface information (surface image) but also the depth direction information, and the OCT apparatus is practically used as a fundus imaging apparatus. It has become.
OCT装置で3次元情報を収集するためには、SLD(Super Luminescent Diode)と呼ばれる光源から出力される光ビームを水平・垂直方向に走査する必要がある。例えば、特許文献1に記載された光干渉断層装置を図13に示す。この光干渉断層装置では、SLD光源1からコリメータ2を介して出力された光ビームをビームスプリッタ3で参照光と測定光に分離し、分離された測定光に対して2軸ガルバノミラー17、18を利用して機械的に光ビームを水平・垂直方向に走査している。走査された測定光は、対物レンズ9を介して入力された測定対象物Tの各層で反射して、駆動信号Sとして再びビームスプリッタ3まで戻る。ビームスプリッタ3において、駆動信号Sとして戻ってきた測定光が可動ミラー10で反射されて戻ってきた参照光と再び合流し、PD11に入る。信号処理装置12は、合流の際に、測定光と参照光とにより生じる干渉現象に基づいて測定光の強度と時間ずれを検知し、空間的位置関係(3次元情報)を導いている。
In order to collect three-dimensional information with an OCT apparatus, it is necessary to scan a light beam output from a light source called SLD (Super Luminescent Diode) in the horizontal and vertical directions. For example, an optical coherence tomography apparatus described in Patent Document 1 is shown in FIG. In this optical coherence tomography apparatus, the light beam output from the SLD light source 1 via the
低コヒーレンス干渉を利用して断層画像と取得するOCT装置には、TD−OCT(Time domain optical coherence tomography)、と、SD−OCT(Spectral domain optical coherence tomography)がある。 OCT apparatuses that acquire tomographic images using low coherence interference include TD-OCT (Time domain optical coherence tomography) and SD-OCT (Spectral domain optical coherence tomography).
ガルバノミラー17、18の応答性能は一般的に100Hz程度、最高でも1kHzが限界であるため、光ビームを水平・垂直方向に高速に走査することができない。よって従来のOCT装置では、高速で2次元、及び、3次元データを収集することができないという問題があった。例えば、比較的高速に画像情報を取得できるOCT装置であるSD−OCT装置を例にとると、一般的なものであっても、2次元画像情報取得速度は0.01秒程度、3次元画像情報取得時間に至っては2秒程度必要になる。これらはガルバノミラーが高速に動かないことに起因している。 Since the response performance of the galvanometer mirrors 17 and 18 is generally about 100 Hz, and the maximum is 1 kHz, the light beam cannot be scanned at high speed in the horizontal and vertical directions. Therefore, the conventional OCT apparatus has a problem that it cannot collect two-dimensional and three-dimensional data at high speed. For example, taking an SD-OCT apparatus, which is an OCT apparatus that can acquire image information at a relatively high speed, as an example, the two-dimensional image information acquisition speed is about 0.01 seconds even if it is a general one. It takes about 2 seconds to reach the information acquisition time. These are due to the fact that the galvanometer mirror does not move at high speed.
高速のビームスキャンを実現する観点から、音響光学偏向素子(圧電結晶に数十MHzから数GHzの高周波電圧をかけて形成した回折格子に光ビームを当て、回折を利用して光ビームを偏向させる素子)を用いることが考えられるが、偏向角が大きくない。このため、仮にOCT装置に導入した場合、高速なスキャンが可能になるが、スキャン範囲を大きくとることができないという問題があった。 From the viewpoint of realizing high-speed beam scanning, an acousto-optic deflector (a light beam is applied to a diffraction grating formed by applying a high frequency voltage of several tens of MHz to several GHz on a piezoelectric crystal, and the light beam is deflected using diffraction. Element) may be used, but the deflection angle is not large. For this reason, if it is introduced into the OCT apparatus, high-speed scanning is possible, but there is a problem that the scanning range cannot be increased.
本発明は、高速スキャンと大きいスキャン範囲とを両立することができ、光ビームを水平・垂直方向に高速にスキャンし、2次元データ、さらには、3次元データの高速での収集を可能とする光干渉断層装置を提供することを目的とする。 The present invention can achieve both high-speed scanning and a large scanning range, and can scan light beams at high speeds in the horizontal and vertical directions to collect two-dimensional data and further three-dimensional data at high speed. An object is to provide an optical coherence tomography apparatus.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、被検体に低干渉光を照射して得られる反射光を用いて該被検体の光断層画像を生成する光干渉断層装置であって、低干渉光を出力する光源と、前記低干渉光を2つの方向に分割して参照光と測定光として出力するビームスプリッタと、前記被検体に対して前記測定光を平面走査して照射し、該被検体から反射された反射光を再びビームスプリッタへ入力する平面走査手段と、前記ビームスプリッタから出力された参照光を反射して再びビームスプリッタへ入力する参照光ミラーと、前記参照光と前記反射光とが前記ビームスプリッタで結合した光を検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された光の干渉を解析して前記被検体の光断層画像を生成する信号処理装置とを備え、前記平面走査する手段は、電気光学結晶を用いた光ビーム偏向手段を有することを特徴とする光干渉断層装置である。 In order to solve the above problem, the invention described in one embodiment is an optical coherence tomography apparatus that generates an optical tomographic image of a subject using reflected light obtained by irradiating the subject with low interference light. A light source that outputs low-interference light, a beam splitter that divides the low-interference light into two directions and outputs it as reference light and measurement light, and the measurement light is scanned in plane with respect to the subject. A plane scanning unit that irradiates and reflects the reflected light reflected from the subject to the beam splitter; a reference light mirror that reflects the reference light output from the beam splitter and inputs the reflected light to the beam splitter; and the reference A light detection means for detecting light in which light and the reflected light are combined by the beam splitter; and a signal processing device for analyzing the interference of the light detected by the light detection means to generate an optical tomographic image of the subject. And Means for serial flatbed scanning is an optical coherence tomography apparatus characterized by having a light beam deflecting means using the electro-optical crystal.
本発明によれば、光ビームを水平・垂直方向に高速に走査することができ、2次元データ、または3次元データを高速に収集することができる。 According to the present invention, a light beam can be scanned at high speed in the horizontal and vertical directions, and two-dimensional data or three-dimensional data can be collected at high speed.
以下に添付図面を参照して、この発明に係る光干渉断層装置(OCT装置)の実施形態について、詳細に説明する。 Exemplary embodiments of an optical coherence tomographic apparatus (OCT apparatus) according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
第1の実施形態の光干渉断層装置は、TD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段(ビームスキャン部)として、KTNおよび凹レンズと、ガルバノミラー系とを有している構成である。
(First embodiment)
The optical coherence tomography apparatus according to the first embodiment has a configuration having a KTN, a concave lens, and a galvanomirror system as means (beam scanning unit) for plane scanning a light beam of TD-OCT low interference light. is there.
<TD−OCTと3次元画像について>
まず、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成を示し、図2は、図1の破線で囲まれた部分であるビームスキャン部の構成例を示している。図1に示すように、この光干渉断層装置は、光源1と、コリメータ2と、ビームスプリッタ3と、KTN素子(X)4と、X偏向用電極対5と、X偏向用KTN用電源6と、凹レンズ7と、試料用可動ミラー8と、対物レンズ9と、参照光用可動ミラー10と、PDなどの光検出器11と、信号処理部装置12とを備えて構成されている。ビームスキャン部は、ビームスプリッタ3と対物レンズ9との間の測定ビームの光路上に配置された、測定ビームを平面スキャン(平面走査)するための構成である。すなわち、本実施形態では、図2に示すように、ビームスキャン部には、TD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段として、KTN素子4および電極対5と、1枚の凹レンズ7と、ガルバノミラー系8とを有している。
<About TD-OCT and 3D images>
First, the configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a configuration of an optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, and FIG. 2 shows a configuration example of a beam scanning unit that is a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 1, this optical coherence tomography apparatus includes a light source 1, a
試料用可動ミラー8の一般的な動作機構はガルバノミラー方式であり、その動作速度は最速で1kHzである。参照光用可動ミラー10の一般的な動作機構はステッピングモーターであり、その動作速度は数10Hz程度である。
A general operation mechanism of the sample
光源1としてはSLD(Super Luminescent Diode)と呼ばれる光源を用いることができる。SLDは、直線偏光であり、その偏光方向がKTNに印加する電界と同じ向きになるように設置されている。光源1は低干渉性の光ビームを発生し、発生された光ビームはコリメータによりビーム径0.5mmの平行光になる。その後、ビームスプリッタ2によって測定用の光ビームと参照用の光ビームに分割される。
As the light source 1, a light source called SLD (Super Luminescent Diode) can be used. The SLD is linearly polarized light, and is installed so that the polarization direction is the same as the electric field applied to the KTN. The light source 1 generates a light beam having low coherence, and the generated light beam is converted into parallel light having a beam diameter of 0.5 mm by a collimator. Thereafter, the beam is split by the
測定用の光ビームはKTN素子4、凹レンズ7を通り、試料用可動ミラー8により試料に向けられた後、対物レンズ9によって集光され、試料Tに到達する。到達した光は、試料T内部の各反射面により反射光Sとして反射され、反射光Sは、対物レンズ9と、試料用可動ミラー8と、凹レンズ7と、KTN素子4と、ビームスプリッタ3とを経て測定光の光ビームとして光検出器(PD)11に入射する。
The light beam for measurement passes through the KTN element 4 and the
一方、参照用の光ビームは、参照光用可動ミラー10で反射され、ビームスプリッタ3を経て参照光の光ビームとして光検出器11に入射する。光検出器11は干渉光の光強度を検出し、検出した光強度を信号処理装置12に出力する。なお、参照用可動ミラー10の前に測定用ビームが通過する対物レンズ9と同様のものを挿入することで、測定用の光ビームとの光の分散を補償することが可能である。
On the other hand, the reference light beam is reflected by the reference light
ここで、参照光用可動ミラー10を微小移動させ、参照光の光路長を僅かに変化させることによって、参照光と測定光との光路長が一致した深度での試料Tの情報を干渉光の光強度として得ることができる。すなわち、参照光用可動ミラー10を微小移動させることにより、試料T内の深さ方向(Z方向)の情報得ることができる。参照光用可動ミラー10を微小移動による深さ方向スキャンに加えてさらに、試料用可動ミラー8により試料Tに入射するビームを入射に対して垂直方向(X方向、Y方向)にスキャン(平面スキャン)することができれば、試料TのX方向、Y方向、及び、Z方向に情報を得ることができ、試料Tの3次元断層画像を構築できる。
Here, by moving the reference light
<KTN特性について>
次にKTNに関して説明する。タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1-xNbxO3(0<x<1):KTN)結晶や、さらにリチウムをドープした(K1-yLiyTa1-xNbxO3(0<x<1、0<y<0.1):KLTN)結晶は、電気光学偏向器として機能すると共に凸レンズ機能(効果)を併せ持ち得る(非特許文献1参照)。例えば、KTNチップの上下面を一様なチタン電極にすると、DC電圧を印加することにより結晶中に電子が注入される。KTN結晶中には電子トラップが存在するため、DC電圧印加後も結晶中のトラップに捕獲された電子が存在する。ここではトラップに捕獲された電子は空間的に一様であると仮定し、その電荷密度をρとする。この状態でKTNチップに対して変調電圧を印加すると、ガウスの法則により、電極からの距離をxとした場合の電界分布E(x)は以下の式(1)で表される。式(1)においてρは電荷密度、εは比誘電率、dはKTN結晶の厚み、Vは電極に印加する電圧をそれぞれ示す。
<About KTN characteristics>
Next, KTN will be described. Potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): KTN) crystal and lithium-doped (K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O 3 (0 < x <1, 0 <y <0.1): KLTN) The crystal functions as an electro-optic deflector and can also have a convex lens function (effect) (see Non-Patent Document 1). For example, when the upper and lower surfaces of the KTN chip are made to be uniform titanium electrodes, electrons are injected into the crystal by applying a DC voltage. Since an electron trap exists in the KTN crystal, an electron trapped in the trap in the crystal exists even after the DC voltage is applied. Here, it is assumed that electrons trapped in the trap are spatially uniform, and the charge density is ρ. When a modulation voltage is applied to the KTN chip in this state, the electric field distribution E (x) when the distance from the electrode is x is expressed by the following formula (1) according to Gauss's law. In Equation (1), ρ is the charge density, ε is the relative dielectric constant, d is the thickness of the KTN crystal, and V is the voltage applied to the electrode.
また、電気光学偏向器の屈折率分布Δn(x)は、式(2)で表すことができる。式(2)においてgijは電気光学係数、n0はDC電圧を印加する前の電気光学偏向器の屈折率である。 Further, the refractive index distribution Δn (x) of the electro-optic deflector can be expressed by Expression (2). In equation (2), gij is the electro-optic coefficient, and n0 is the refractive index of the electro-optic deflector before the DC voltage is applied.
図12は、KTN結晶内における屈折率分布を説明する図である。式(1)および式(2)からわかるように、KTN結晶4の両側に設けられた電極5に電圧を印加することにより、KTN結晶4内に発生する電界分布E(x)は、xの関数で線形であるが、屈折率変化Δnはxの二次関数となっている。従って、屈折率分布は、図12の破線ではなく実線の二次関数状のプロファイルを持つ。
FIG. 12 is a diagram for explaining the refractive index distribution in the KTN crystal. As can be seen from the equations (1) and (2), by applying a voltage to the
屈折率分布プロファイルが破線の線形プロファイルであれば、ビームは発散したり、収束したりはしない。しかし、屈折率分布プロファイルが実線のようにプラス側に山の状態で傾斜すると、レンズでいう凸状態の屈折率の傾斜となる。これによりKTN結晶内のビームは、この屈折率のレンズ効果で収束するようになる。このように、チップ断面において屈折率分布が空間的に凸となり、KTN結晶自体が凸レンズの機能を持つ。 If the refractive index profile is a linear profile with a broken line, the beam will not diverge or converge. However, when the refractive index distribution profile is tilted in the state of a mountain on the plus side as shown by the solid line, the refractive index tilt in the convex state referred to as a lens is obtained. As a result, the beam in the KTN crystal is converged by the lens effect of this refractive index. Thus, the refractive index distribution is spatially convex in the chip cross section, and the KTN crystal itself has the function of a convex lens.
KTNによる光の偏向効果は、KTN結晶4の両端面に設置された電極対5に電圧を印加することにより生じる。KTN結晶4を挟み込む形で直交する位置に設けたX偏向用電極5に電圧を印加すると、KTN結晶4内の屈折率状況が変化することにより、KTN結晶4に印加する電圧を変化させることにより、KTN結晶4に発現した凸レンズの焦点がx軸と水平に移動するため、光が偏向する。したがって、X偏向用電極に印加する電圧を変化させることによって、光をX方向にスキャンすることができる。
The light deflection effect by KTN is caused by applying a voltage to the
この応答速度としては500MHzまでは可能との報告があり、一般的な機械式の可動装置よりも高速にスキャンすることができる。 It has been reported that the response speed can be up to 500 MHz, and scanning can be performed faster than a general mechanical movable device.
KTNによる光を偏向できる角度、すなわち、スキャン角は電気光学結晶の中でも非常に大きい。4×4×1.5mmのKTN素子に、1.5mmの間隙に波長1300nm帯の近赤外光を入射させ、4mm角の両面に形成された電極に、初期電圧としてDC±500Vを印加した後、AC電圧±400Vを印加した場合、±5度程度光ビームが偏向した。 The angle at which light by KTN can be deflected, that is, the scan angle is very large among electro-optic crystals. Near infrared light with a wavelength of 1300 nm was incident on a 4 × 4 × 1.5 mm KTN device in a 1.5 mm gap, and DC ± 500 V was applied as an initial voltage to electrodes formed on both sides of a 4 mm square. Later, when an AC voltage of ± 400 V was applied, the light beam was deflected by about ± 5 degrees.
<凹レンズの挿入>
ここで初期電圧DC±500Vをすることにより、KTNには、前述したような凸レンズ効果が発現した。この時の凸レンズ効果は、レンズの焦点距離にしてf=15mm程度であった。KTNのレンズ効果については、結晶ごとの個体差や印加電圧差に対する依存性はあるが、概ねf4〜20程度が発現する。また初期電圧条件に対する凸レンズ効果は、同じ結晶であれば、毎回異なることは無く、再現する。
<Inserting concave lenses>
Here, by applying an initial voltage of DC ± 500V, the convex lens effect as described above was exhibited in KTN. The convex lens effect at this time was about f = 15 mm as the focal length of the lens. About the lens effect of KTN, although there exists dependence with respect to the individual difference for every crystal | crystallization, or an applied voltage difference, about f4-20 is expressed. Further, the convex lens effect with respect to the initial voltage condition is reproduced without being different each time if the same crystal is used.
KTN素子の光出射面から試料までの距離、すなわち作動距離は、装置設計にもよるが、試料固定部品などの大きさを考慮すると少なくとも50mm程度は必要と考えられる。発現する凸レンズ効果による焦点距離に比べて2倍以上長い距離となるため、KTNを出射した光が試料に到達する時のビーム径は、出射した時に比べて広がっている。このように試料に照射された時のビーム径が十分に集光されていない場合、試料からの反射光強度が十分に得られず、また、反射点が広範囲にわたるため画像がぼける原因になる。 Although the distance from the light emitting surface of the KTN element to the sample, that is, the working distance depends on the device design, it is considered that at least about 50 mm is necessary in consideration of the size of the sample fixing part and the like. Since the distance is more than twice as long as the focal length due to the developed convex lens effect, the beam diameter when the light emitted from the KTN reaches the sample is wider than when the light is emitted. In this way, when the beam diameter when irradiated onto the sample is not sufficiently collected, the reflected light intensity from the sample cannot be obtained sufficiently, and the reflection point covers a wide range, causing an image blur.
そこで、KTN素子の前、もしくは後、もしくは前後に、前述のレンズ効果を補償できるような凹レンズを挿入し、さらに試料表面にて集光するための対物レンズを試料の近傍に挿入する。なお、本実施形態においては、凹レンズ7は、KTN素子4の後ろ(試料用可動ミラー側)に挿入している構成を示している。本構成により、KTN素子に凸レンズ効果が発現したとしても、挿入した凹レンズにより平行光とし、試料近くの対物レンズの調整により光を試料上で十分に集光する。このため、KTN素子から試料までの作動距離を十分に確保することができる。
Therefore, a concave lens that can compensate for the lens effect described above is inserted before, after, or before and after the KTN element, and an objective lens for condensing light on the sample surface is inserted in the vicinity of the sample. In the present embodiment, a configuration is shown in which the
KTN素子の後ろ(試料用可動ミラー側)に凹レンズを挿入した場合、平行光にするだけでなく、偏向角を広げる効果もある。4×4×1.5mmのKTN素子に、1.5mmの間隙に波長1300nm帯の近赤外光を入射させ、4mm角の両面に形成された電極に、初期電圧としてDC±500Vを印加した後、AC電圧±400Vを印加した場合において、f=−20mmレンズを挿入した場合の偏向角は±10度程度に拡大した。このため、凹レンズをKTN素子の後ろに挿入することにより、光の偏向角を増加させることができる。 When a concave lens is inserted behind the KTN element (on the sample movable mirror side), not only is it made parallel light, but there is also an effect of widening the deflection angle. Near infrared light with a wavelength of 1300 nm was incident on a 4 × 4 × 1.5 mm KTN device in a 1.5 mm gap, and DC ± 500 V was applied as an initial voltage to electrodes formed on both sides of a 4 mm square. Later, when an AC voltage of ± 400 V was applied, the deflection angle when an f = −20 mm lens was inserted expanded to about ± 10 degrees. For this reason, the deflection angle of light can be increased by inserting the concave lens behind the KTN element.
挿入される凹レンズは、平行光がKTN素子に入力されたときに凹レンズからコリメート光が出力されるように配置する。なお、この時挿入する凹レンズは、平凹レンズである場合、調整が容易となる。すなわち、平凹レンズは片面が平面部となっており、挿入する場合、平凹レンズの平面部とKTN素子端面が向き合うように配置するためにそれぞれの位置を簡便に定めることが可能となる。 The concave lens to be inserted is arranged so that collimated light is output from the concave lens when parallel light is input to the KTN element. If the concave lens to be inserted at this time is a plano-concave lens, adjustment is easy. That is, one side of the plano-concave lens is a flat part, and when it is inserted, each plane can be easily determined because the plane part of the plano-concave lens and the end face of the KTN element face each other.
<KTNによる光偏向特性について>
KTNによる光の偏向効果は、KTNに入射する光ビームのうち、内部電界方向の偏光成分、すなわちTEモードのみに影響を与える。このためKTNより、測定用の光の進行方向を効率よく偏向させるためには、KTNに入射する光ビームは直線偏光であり、且つ、その偏光方向はKTNに加える電界方向と同方向が望ましい。このため、光源の偏光成分はTEモードのみであること、または、光源から出射直後に偏光子を透過させることが望ましい。なお、本実施形態では、光源はKTNに印加する電界方向を同じ方向の直線偏光の光を出射する。
<About optical deflection characteristics by KTN>
The light deflection effect by KTN affects only the polarization component in the direction of the internal electric field, that is, the TE mode, of the light beam incident on KTN. For this reason, in order to efficiently deflect the traveling direction of the measurement light from KTN, the light beam incident on KTN is linearly polarized light, and the polarization direction is preferably the same as the direction of the electric field applied to KTN. For this reason, it is desirable that the polarization component of the light source is only the TE mode, or that the polarizer is transmitted immediately after emission from the light source. In the present embodiment, the light source emits linearly polarized light having the same electric field direction applied to the KTN.
<KTN−TD−OCTの測定について>
本実施形態では、KTN4に振幅±400V、200kHzで周期的に変動する電圧を印加し、試料用可動ミラー8を1kHz駆動させて、光を偏向させて試料Tをスキャンする。これにより、平面方向の2次元スキャンができる。さらに、前述したように参照光用ミラー10を10Hz程度で駆動することにより深さ方向の情報を得ることができ、信号処理装置12は、光検出器11が検出した光強度、X偏向用電極5の電圧、試料用可動ミラー8の駆動電圧、参照光用可動ミラー10の位度に基づいて試料Tの情報を整理し、画像を再構成し表示する。これにより3次元画像を撮像することができる。
<Measurement of KTN-TD-OCT>
In the present embodiment, a voltage that periodically fluctuates with an amplitude of ± 400 V and 200 kHz is applied to KTN4, the sample
<KTNの印加電圧波形>
KTNは印加電圧波形の形状に応じた応答を示す。したがって、例えばAC電圧を印加した場合は、光は正弦波の速度で偏向する。一般的なOCT装置にて2次元画像、もしくは3次元画像を取得するため光ビームをスキャンし反射光を測定する場合、測定サンプリング間隔は一定であることから、試料Tのスキャン速度も一定であることが望ましい。このため、KTN4への印加電圧波形は、ノコギリ波、三角波などが望ましい。しかしながら、仮に一定でなかった場合、試料Tの計測部分ごとに計測点数の差ができてしまう。この場合は、サンプリング間隔をKTN4のスキャン速度に応じて変化させる必要がある。
<Applied voltage waveform of KTN>
KTN indicates a response corresponding to the shape of the applied voltage waveform. Thus, for example, when an AC voltage is applied, the light is deflected at a sinusoidal speed. When a reflected beam is measured by scanning a light beam to acquire a two-dimensional image or a three-dimensional image with a general OCT apparatus, the scanning speed of the sample T is also constant because the measurement sampling interval is constant. It is desirable. For this reason, the applied voltage waveform to KTN4 is preferably a sawtooth wave, a triangular wave, or the like. However, if it is not constant, there is a difference in the number of measurement points for each measurement part of the sample T. In this case, it is necessary to change the sampling interval according to the scanning speed of KTN4.
前述したように本実施形態では、光を制御する構成部分の動作速度は、KTN素子4が200kHz、試料用可動ミラー8が1kHz、参照光用可動ミラー10が10Hzである。このため3次元画像を取得する場合、KTN素子4と試料用可動ミラー8とで試料T表面に沿ってスキャンした後、参照光用可動ミラー10を動かし、再度表面をスキャンして次の層の情報をとるような方法での測定方法、信号処理が望ましい。これは、参照光用可動ミラー10を徐々に動かし、試料Tのある一点での深さ方向を取得した後に平面方向に動かす場合、参照光用可動ミラー10の動作速度がデータ取得速度を律速してしまうためである。
As described above, in the present embodiment, the operating speed of the component that controls the light is 200 kHz for the KTN element 4, 1 kHz for the sample
本実施形態の場合、KTNによるスキャン方向の測定点数を200点としたとき。200点(X)×200点(Y)×100点(Z)の3次元画像データを0.1秒で取得することができる。このように、KTN素子4と試料用可動ミラー8とを駆動させて光を偏向させ、試料Tをスキャンすることによって、高速に3次元データを収集することができる。
In the case of this embodiment, when the number of measurement points in the scanning direction by KTN is 200 points. 200 points (X) × 200 points (Y) × 100 points (Z) of three-dimensional image data can be acquired in 0.1 seconds. In this way, by driving the KTN element 4 and the sample
また、本実施形態に係る光干渉断層装置を眼底撮像装置に用いることによって、患者の瞬きなどのモーションアーティファクトに起因する画像のボケや、姿勢保持のための患者の負担を減らすことができる。 In addition, by using the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for the fundus imaging apparatus, it is possible to reduce image blurring due to motion artifacts such as blinking of the patient and a burden on the patient for posture maintenance.
(第2の実施形態)
第2の実施形態の光干渉断層装置は、光源の後段に偏向フィルタを有し、TD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段(ビームスキャン部)として、1個のKTNおよび1枚の凹レンズと、ガルバノミラー系とを有している構成である。
(Second Embodiment)
The optical coherence tomography apparatus according to the second embodiment has a deflection filter in the subsequent stage of the light source, and includes one KTN and 1 as means (beam scanning unit) for planar scanning with a light beam of low interference light of TD-OCT. This is a configuration having a single concave lens and a galvanometer mirror system.
まず、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成について説明する。図3は、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成を示し、図4は、図3の破線で囲まれた部分であるビームスキャン部の構成例を示している。図3に示すように、この光干渉断層装置は、光出射部にコリメータ2を含んだ光源1と、偏光フィルタ13と、ビームスプリッタ3と、KTN素子(X)4と、X偏向用電極対5と、X偏向用KTN用電源6と、凹レンズ7と、試料用可動ミラー8と、対物レンズ9と、参照光用可動ミラー10と、PDなどの光検出器11と、信号処理部装置12とを備えて構成される。また、本実施形態では、図4に示すように、ビームスキャン部には、TD−OCTの低干渉光の光ビームを走査する手段として、KTN素子4および電極対5と、1枚の凹レンズ7と、ガルバノミラー系8とを有している。
First, the configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 3 shows a configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, and FIG. 4 shows a configuration example of a beam scanning unit that is a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 3, the optical coherence tomography apparatus includes a light source 1 including a
光源1は、KTN素子に印加する電界方向を同じ方向、すなわちTEモードだけでなく、TMモードも含んでいる。 The light source 1 includes the TM mode as well as the TE mode in the same electric field direction applied to the KTN element.
偏光フィルタ13は、光源1の光を、KTN素子に印加する電界方向と同じ方向の直線偏光の光に揃えて出射する。
The
参照光用可動ミラー10の一般的な動作機構はステッピングモーターであり、その動作速度は数10Hz程度である。
A general operation mechanism of the reference light
動作方法、KTNの特性などについては第1の実施形態と同様なので割愛する。 Since the operation method, KTN characteristics, and the like are the same as those in the first embodiment, they are omitted.
偏光フィルタ13にてKTNの偏向方向に無関係なTMモードも含まれていた場合、TMモードによる干渉成分が所望の信号に対してノイズとして計測されることになり、その結果、SN比を劣化させてしまうことになる。偏光フィルタ13により、KTNによって偏向されない成分をフィルタし、測定のSN比を向上させる。
If the
また、本実施形態に係る光干渉断層装置を眼底撮像装置に用いることによって、患者の瞬きなどに起因する画像のボケや、姿勢保持のための患者の負担を減らすことができる。また、本実施形態に係る光干渉断層装置の光ビーム偏向部分を血管内視鏡に用いることによって、血管壁を観察するための微小ミラーを機械的に回転させる機構が不要となり、空間分解能を低下させずに血管内を3次元撮影することができる。 In addition, by using the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for the fundus imaging apparatus, it is possible to reduce the blur of the image due to the blink of the patient and the burden on the patient for maintaining the posture. In addition, by using the light beam deflection portion of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for a blood vessel endoscope, a mechanism for mechanically rotating a micromirror for observing a blood vessel wall becomes unnecessary, and spatial resolution is reduced. It is possible to take a three-dimensional image inside the blood vessel without doing so.
(第3の実施形態)
第3の実施形態の光干渉断層装置は、TD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段(ビームスキャン部)として、2個のKTNと、λ/2板と、1枚の凹レンズ系とを有している構成である。
(Third embodiment)
The optical coherence tomography apparatus according to the third embodiment has two KTN, a λ / 2 plate, and one concave lens as means (beam scanning unit) for plane scanning a light beam of TD-OCT low interference light. The system has a system.
まず、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成について説明する。図5は、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成を示し、図6は、図5の破線で囲まれた部分であるビームスキャン部の構成例を示している。図5に示すように、この光干渉断層装置は、光出射部にコリメータ2を含んだ光源1と、ビームスプリッタ3と、KTN素子(X)4aと、X偏向用電極対5aと、X偏向用KTN用電源6aと、偏光子14と、KTN素子(Y)4bと、Y偏向用電極対5bと、Y偏向用KTN用電源6bと、凹レンズ7と、対物レンズ9と、参照光用可動ミラー10と、PDなどの光検出器11と、信号処理部装置12とを備えて構成される。また、本実施形態では、図6に示すように、ビームスキャン部には、TD−OCTの低干渉光の光ビームを走査する手段として、2組のKTN素子4a、4bおよび電極対5a、5bと、λ/2板14と、1枚の凹レンズ7とを有している。
First, the configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 5 shows a configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, and FIG. 6 shows a configuration example of a beam scanning unit that is a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 5, the optical coherence tomography apparatus includes a light source 1 including a
光源1はKTN素子(X)に印加する電界方向を同じ方向の直線偏光の光を出射する。 The light source 1 emits linearly polarized light having the same electric field direction applied to the KTN element (X).
動作方法、KTNの特性などについては第1の実施形態と同様なので割愛する。 Since the operation method, KTN characteristics, and the like are the same as those in the first embodiment, they are omitted.
本実施形態では、2つのKTNを用いて2軸(X、Y軸)に対してスキャンする。それぞれのKTN素子4の電極対5は、もう一方のKTN素子4の電極対5と直交する側面に設置されており、2軸(X、Y軸)に対してスキャンする場合は、2対の電極5に印加する電圧を制御すること所望の部分にビームを導く。
In this embodiment, scanning is performed with respect to two axes (X and Y axes) using two KTNs. The
前述したKTN素子4に発現する凸レンズ効果は、X、及び、Y軸の凸レンズ効果を補償できるような凹レンズ7を、KTN素子の直前、若しくは、直後に挿入することで補償する。なお、本実施形態では、試料用可動ミラーの前に挿入することにより補償する。
The convex lens effect appearing in the KTN element 4 described above is compensated by inserting a
挿入される凹レンズ7は、2つのKTNの凸レンズパワー、両KTNから凹レンズまでの距離を基に選定される。挿入されるレンズの種類としては、球面平凹レンズや、球面両凹レンズや、GRINレンズなどが望ましい。本実施形態では、球面平凹レンズにより、2つそれぞれのKTNの凸レンズパワーを補償している。
The
また、前述したように、KTNによる光の偏向はKTNの電圧方向と同方向、すなわちTMモードのみである。このため、2つのKTNを用いてビームをスキャンする場合は、2つのKTNの間に、λ/2板のような偏光子を挿入し、光を偏向させる方向に偏向成分を回転させる必要がある。仮に、2つのKTN間にλ/2板のような偏光子14が挿入されていない場合は、片一方のKTNによる光の偏向は得られないため、2軸のスキャンはできない。
As described above, the deflection of light by KTN is the same direction as the voltage direction of KTN, that is, only the TM mode. For this reason, when scanning a beam using two KTNs, it is necessary to insert a polarizer such as a λ / 2 plate between the two KTNs and rotate the deflection component in the direction of deflecting the light. . If a
また、本実施形態に係る光干渉断層装置を眼底撮像装置に用いることによって、患者の瞬きなどに起因する画像のボケや、姿勢保持のための患者の負担を減らすことができる。また、本実施形態に係る光干渉断層装置の光ビーム偏向部分を血管内視鏡に用いることによって、血管壁を観察するための微小ミラーを機械的に回転させる機構が不要となり、空間分解能を低下させずに血管内を3次元撮影することができる。 In addition, by using the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for the fundus imaging apparatus, it is possible to reduce the blur of the image due to the blink of the patient and the burden on the patient for maintaining the posture. In addition, by using the light beam deflection portion of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for a blood vessel endoscope, a mechanism for mechanically rotating a micromirror for observing a blood vessel wall becomes unnecessary, and spatial resolution is reduced. It is possible to take a three-dimensional image inside the blood vessel without doing so.
(第4の実施形態)
第4の実施形態の光干渉断層装置は、TD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段(ビームスキャン部)として、2個のKTNと、λ/2板と、2枚の平凹レンズ系とを有している構成である。
(Fourth embodiment)
The optical coherence tomography apparatus according to the fourth embodiment has two KTNs, a λ / 2 plate, and two flat planes as means for scanning a light beam of a low interference light of TD-OCT (beam scanning unit). And a concave lens system.
まず、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成について説明する。図7は、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成を示し、図8は、図7の破線で囲まれた部分であるビームスキャン部の構成例を示している。図7に示すように、この光干渉断層装置は、光出射部にコリメータ2を含んだ光源1と、ビームスプリッタ3と、KTN素子(X)4aと、X方向偏向用電極5aと、X偏向用KTN用電源6aと、凹レンズ7aと、偏光子14と、KTN素子(Y)4bと、Y方向偏向用電極5bと、X偏向用KTN用電源6bと、凹レンズ7bと、対物レンズ9と、参照光用可動ミラー10と、PDなどの光検出器11と、信号処理部装置12とを有する。また、本実施形態では、図8に示すように、ビームスキャン部には、TD−OCTの低干渉光の光ビームを走査する手段として、2組のKTN素子4a、4bおよび電極対5a、5bと、λ/2板14と、2枚の凹レンズ7a、7bとを有している。
First, the configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 7 shows a configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, and FIG. 8 shows a configuration example of a beam scanning unit that is a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 7, the optical coherence tomography apparatus includes a light source 1 including a
光源1はKTN素子(X)4aに印加する電界方向と同じ方向の直線偏光の光を出射する。 The light source 1 emits linearly polarized light in the same direction as the direction of the electric field applied to the KTN element (X) 4a.
参照光用可動ミラー10の一般的な動作機構はステッピングモーターであり、その動作速度は数10Hz程度である。
A general operation mechanism of the reference light
動作方法、KTNの特性などについては第1の実施形態と同様なので割愛する。 Since the operation method, KTN characteristics, and the like are the same as those in the first embodiment, they are omitted.
前述したKTN素子4a、4bに発現する凸レンズ効果は、X、及び、Y軸の凸レンズ効果を補償できるような凹レンズを、それぞれのKTN素子4a、4bの直後、若しくは、直前、若しくは、両側に挿入することにより補償する。なお、本実施形態では、それぞれのKTN素子4a、4bの直後に挿入している。
The convex lens effect appearing in the
挿入される凹レンズ7a、7bは、補償するべきKTNの凸レンズパワー、KTN素子から凹レンズまでの距離に基に選定される。挿入されるレンズの種類としては、球面平凹レンズや、球面両凹レンズや、シリンドリカルレンズ、GRINレンズなどが望ましい。本実施形態では、2つのシリンドリカルレンズにより、2つそれぞれのKTNの凸レンズパワーを補償している。
The
本実施形態では、2つのKTNを用いて2軸(X、Y軸)に対してスキャンする。それぞれのKTNの電極対は、もう一方のKTNの電極対と直交する側面に設置されており、2軸(X、Y軸)に対してスキャンする場合は、2対の電極に印加する電圧を制御することで所望の部分にビームを導く。 In this embodiment, scanning is performed with respect to two axes (X and Y axes) using two KTNs. Each KTN electrode pair is installed on the side surface orthogonal to the other KTN electrode pair. When scanning with respect to two axes (X and Y axes), the voltage applied to the two pairs of electrodes is The beam is guided to a desired part by controlling.
前述したように、KTNによる光の偏向はKTNの電圧方向と同方向、すなわちTMモードのみである。このため、2つのKTN4a、4bを用いてビームをスキャンする場合は、2つのKTN4a、4bの間に、λ/2板のような偏光子14を挿入し、光を偏向させる方向に偏向成分を回転させる必要がある。仮に、2つのKTN4a、4b間にλ/2板のような偏光子14が挿入されていない場合は、片一方のKTN4a、4bによる光の偏向は得られないため、2軸のスキャンはできない。
As described above, light deflection by KTN is in the same direction as the voltage direction of KTN, that is, only in the TM mode. For this reason, when a beam is scanned using two
また、本実施形態に係る光干渉断層装置を眼底撮像装置に用いることによって、患者の瞬きなどに起因する画像のボケや、姿勢保持のための患者の負担を減らすことができる。また、本実施形態に係る光干渉断層装置の光ビーム偏向部分を血管内視鏡に用いることによって、血管壁を観察するための微小ミラーを機械的に回転させる機構が不要となり、空間分解能を低下させずに血管内を3次元撮影することができる。 In addition, by using the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for the fundus imaging apparatus, it is possible to reduce the blur of the image due to the blink of the patient and the burden on the patient for maintaining the posture. In addition, by using the light beam deflection portion of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for a blood vessel endoscope, a mechanism for mechanically rotating a micromirror for observing a blood vessel wall becomes unnecessary, and spatial resolution is reduced. It is possible to take a three-dimensional image inside the blood vessel without doing so.
(第5の実施形態)
第5の実施形態の光干渉断層装置は、SD−OCTとして使用される場合の構成である。
(Fifth embodiment)
The optical coherence tomographic apparatus according to the fifth embodiment has a configuration when used as SD-OCT.
まず、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成について説明する。図9は、本実施形態に係る光干渉断層装置の構成を示し、図10は、図9の破線で囲まれた部分であるビームスキャン部の構成例を示している。図9に示すように、この光干渉断層装置は、光出射部にコリメータ2を含んだ光源1と、ビームスプリッタ3と、KTN素子(X)4と、X偏向用電極対5と、X偏向用KTN用電源6と、凹レンズ7と、試料用可動ミラー8と、対物レンズ9と、参照光用ミラー10と、回折格子15と、CCDアレイ16と、信号処理部装置12とを備えて構成される。また、本実施形態では、図10に示すように、ビームスキャン部には、SD−OCTの低干渉光の光ビームを平面走査する手段として、KTN素子4および電極対5と、1枚の凹レンズ7と、ガルバノミラー系8とを有している。
First, the configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 9 shows a configuration of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, and FIG. 10 shows a configuration example of a beam scanning unit that is a portion surrounded by a broken line in FIG. As shown in FIG. 9, this optical coherence tomography apparatus includes a light source 1 including a
光源1は、KTN素子4に印加する電界方向を同じ方向、すなわちTEモードだけでなく、TMモードも含んでいる。 The light source 1 includes the TM mode as well as the TE mode in the same electric field direction applied to the KTN element 4.
動作方法、KTNの特性などについては第1の実施形態と同様なので割愛する。 Since the operation method, KTN characteristics, and the like are the same as those in the first embodiment, they are omitted.
参照光用ミラー10からの反射光と、測定対象物Tからの反射光は、ビームスプリッタの部分で合わさる際に干渉し、その干渉光は回折格子15にて分光され、CCDアレイ16にて測定される。
The reflected light from the
信号処理装置12は、それぞれのCCD16で測定された信号を基に、フーリエ変換処理などを行い、深さ方向の情報に変換する。
The
測定光は、KTN素子(X)4と試料用可動ミラー8とにより測定対象物Tの表面をスキャンする。このため、前述した深さ方向の情報に加え、横方向の情報もえられるため、測定対象物Tの3次元データを取得することができる。ここで、KTN素子4は高速でスキャンすることができるため、従来に比べて早い速度でスキャンできる。
The measurement light scans the surface of the measuring object T by the KTN element (X) 4 and the movable mirror for
なお、TD−OCTと用いられる光干渉断層装置である第2の実施形態2から第4の実施形態までの構成において、光検出器11に代えて回折格子15とCCDアレイ16とし、参照光用可動ミラー10に変えて参照光ミラー(固定)19に変えることにより、光干渉断層装置をSD−OCTとして動作させることができる。
In the configuration from the second embodiment to the fourth embodiment, which is an optical coherence tomography apparatus used with TD-OCT, a
また、本実施形態に係る光干渉断層装置を眼底撮像装置に用いることによって、患者の瞬きなどに起因する画像のボケや、姿勢保持のための患者の負担を減らすことができる。また、本実施形態に係る光干渉断層装置の光ビーム偏向部分を血管内視鏡に用いることによって、血管壁を観察するための微小ミラーを機械的に回転させる機構が不要となり、空間分解能を低下させずに血管内を3次元撮影することができる。 In addition, by using the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for the fundus imaging apparatus, it is possible to reduce the blur of the image due to the blink of the patient and the burden on the patient for maintaining the posture. In addition, by using the light beam deflection portion of the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment for a blood vessel endoscope, a mechanism for mechanically rotating a micromirror for observing a blood vessel wall becomes unnecessary, and spatial resolution is reduced. It is possible to take a three-dimensional image inside the blood vessel without doing so.
本発明は、生体の表面近傍の3次元断層画像撮像装置に有用である。 The present invention is useful for a three-dimensional tomographic imaging apparatus near the surface of a living body.
1 光源
2 コリメータ
3 ビームスプリッタ
4 KTN素子
5 電極対
6 KTN用電源
7 凹レンズ
8 試料用可動ミラー
9 対物レンズ
10 参照光用可動ミラー
11 光検出器
12 信号処理部装置
40 指紋
41 表皮
42 汗腺
T 試料
S 反射光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
低干渉光を出力する光源と、
前記低干渉光を2つの方向に分割して参照光と測定光として出力するビームスプリッタと、
前記被検体に対して前記測定光を平面走査して照射し、該被検体から反射された反射光を再びビームスプリッタへ入力する平面走査手段と、
前記ビームスプリッタから出力された参照光を反射して再びビームスプリッタへ入力する参照光ミラーと、
前記参照光と前記反射光とが前記ビームスプリッタで結合した光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段で検出された光の干渉を解析して前記被検体の光断層画像を生成する信号処理装置とを備え、
前記平面走査する手段は、電気光学結晶を用いた光ビーム偏向手段を有することを特徴とする光干渉断層装置。 An optical coherence tomography apparatus that generates an optical tomographic image of a subject using reflected light obtained by irradiating the subject with low interference light,
A light source that outputs low interference light,
A beam splitter that divides the low interference light into two directions and outputs it as reference light and measurement light;
Plane scanning means for irradiating the subject with the measurement light by plane scanning, and inputting the reflected light reflected from the subject again to the beam splitter;
A reference light mirror that reflects the reference light output from the beam splitter and inputs it again to the beam splitter;
A light detecting means for detecting light in which the reference light and the reflected light are combined by the beam splitter;
A signal processing device that analyzes the interference of light detected by the light detection means and generates an optical tomographic image of the subject,
The optical coherence tomographic apparatus according to claim 1, wherein the plane scanning unit includes a light beam deflecting unit using an electro-optic crystal.
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