JP2014228306A - Ｏｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができるＯＣＴ装置を提供する。【解決手段】ＯＣＴ装置１は、測定対象物４０の光断層画像を取得するものであって、ＯＣＴ装置１、光源１０、光分岐器１１、光合波器１２、偏波ビームスプリッタ１３、光検出器１４、光検出器１５、ＰＭＤ補償素子２０、光サーキュレータ２１、ＰＭＤ補償素子２２、ロータリージョイント２３、光プローブ２４、ミラー２５、ＰＭＤ補償素子３０、光サーキュレータ３１、ＰＭＤ補償素子３２、レンズ３３、参照鏡３４および偏波コントローラ３５を備える。ＰＭＤ補償素子は、光サーキュレータの固有偏波状態ストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルの固有偏波状態を有し、光サーキュレータの偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＯＣＴ装置に関するものである。

ＯＣＴ装置は、光干渉断層撮像（Optical CoherenceTomography : ＯＣＴ）技術を用いて、測定対象物の光断層画像を取得することができる。ＯＣＴでは、光源から出力された光が光分岐器により測定光と参照光とに２分岐される。光分岐器から出力されて測定対象物によって反射（後方散乱を含む。以下同様。）された測定光と、光分岐器から出力された参照光とは、光合波器により合波され干渉して当該干渉光が出力される。光合波器から出力された干渉光は光検出器により検出される。これにより、測定対象物における測定光の反射点までの光伝搬時間および反射率が測定され、さらに、測定対象物への測定光入射位置が走査されることで、測定対象物の２次元または３次元の光断層画像が取得される。

ＯＣＴの方式として、ＳＳ-ＯＣＴ（SweptSource Optical Coherence Tomography），ＳＤ-ＯＣＴ（Spectral Domain Optical Coherence Tomography）およびＴＤ-ＯＣＴ（Time Domain Optical CoherenceTomography）が知られている。ＳＳ-ＯＣＴは、発振波長が時間とともに掃引される波長掃引光源を用いて干渉光のスペクトルを測定する。ＳＤ-ＯＣＴは、広帯域光源および分光検出器を用いて干渉光のスペクトルを測定する。ＴＤ-ＯＣＴは、参照光の遅延時間を掃引しながら干渉光を検出することで測定光と参照光との相互相関関数を測定する。

特許文献１に開示されたＯＣＴ装置は、非相反素子である光サーキュレータを用いている。この光サーキュレータは、第１ポート，第２ポートおよび第３ポートを有し、光分岐器から出力された測定光を第１ポートに入力して第２ポートから測定対象物へ向けて出力し、測定対象物によって反射または散乱された測定光を第２ポートに入力して第３ポートから光合波器へ向けて出力する。光サーキュレータ等の非相反素子を用いたＯＣＴ装置は、光カプラ等の相反素子を用いたＯＣＴ装置と比べて、光分岐による光学損失を回避することができ、光の利用効率が高まるので、測定対象物による反射を検出する感度が改善される。

特表２００３−５２４７５８号公報 米国特許第４４６４０２２号明細書

Zhang et al., Optics Express, Vol.19,No.18, pp.16830-16842 (2011).

しかしながら、光サーキュレータは偏波モード分散（Polarization ModeDispersion : ＰＭＤ）を有していることから、光サーキュレータを用いたＯＣＴ装置は、光サーキュレータの偏波モード分散によって空間分解能の性能が劣化する問題がある。光サーキュレータの偏波モード分散がＯＣＴ測定性能に与える影響は非特許文献１においても指摘されている。

特許文献１に開示されたＯＣＴ装置は、このような問題を解消することを意図して、偏光無依存型の光サーキュレータを用いている。偏光無依存型の光サーキュレータは、典型的には、特許文献２に記載されているように、入力された光を偏光状態に従って２つの光路に分割し、それぞれの光路において偏光方向を非相反的に回転させた後に、２つの偏光状態の光を１つの光路に合波する構造を持っている。

上記の構造において、２つの光路それぞれの伝搬遅延が互いに一致していれば、合波後の光では偏波モード分散は生じない。しかし、実用上は、材料の異方性や部品形状の精度不足により２つの光路の間に伝搬遅延が生じ、その結果として光サーキュレータは偏波モード分散を持つ。実用的な光サーキュレータを用いた場合、光サーキュレータの偏波モード分散がＯＣＴ測定性能に与える影響は無視し得ないほど大きい。

一方、偏波モード分散の値が十分低く管理された光サーキュレータを用いることによって上記の問題を解決し得る。しかし、一般にそのような光サーキュレータは製造上の困難を有するので、この方法による解決は製造コストの増大という別の問題を生じさせる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができるＯＣＴ装置を提供することを目的とする。

本発明のＯＣＴ装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を測定光と参照光とに２分岐して、これら測定光および参照光を出力する光分岐器と、(3) 光分岐器から出力されて測定対象物によって反射または散乱された測定光を入力するとともに、光分岐器から出力された参照光を入力し、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を出力する光合波器と、(4) 光合波器から出力された干渉光を検出する光検出器と、(5) 第１ポート，第２ポートおよび第３ポートを有し、光分岐器から出力された測定光を第１ポートに入力して第２ポートから測定対象物へ向けて出力し、測定対象物によって反射または散乱された測定光を第２ポートに入力して第３ポートから光合波器へ出力する光サーキュレータと、(6) 光サーキュレータの第１ポートと光分岐器との間の測定光の光路、光サーキュレータの第２ポートと測定対象物との間の測定光の光路、および、光サーキュレータの第３ポートと光合波器との間の測定光の光路のうちの何れか１以上の光路上に設けられ、光サーキュレータの固有偏波状態のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有するＰＭＤ補償素子と、を備えることを特徴とする。なお、原理的に固有偏波状態は、互いに逆方向のストークスベクトルを有し群速度が最大及び最少となる２つの状態が対として存在するが、本明細書では、特記しない限り群速度最大の固有偏波状態の方を指すものとする。

本発明のＯＣＴ装置は、光サーキュレータの第１ポートと光分岐器との間の測定光の光路、および、光サーキュレータの第３ポートと光合波器との間の測定光の光路それぞれに、ＰＭＤ補償素子が設けられているのが好適である。ＰＭＤ補償素子は、光サーキュレータの偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有するのが好適である。ＰＭＤ補償素子は、所定の長さ及び所定の回転方向を有する偏波保持光ファイバであってもよいし、所定の曲げ半径で巻かれた光ファイバであってもよいし、また、所定の強さの側圧が付与された光ファイバであってもよい。

本発明のＯＣＴ装置は、実用的な光サーキュレータを用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができる。

本実施形態のＯＣＴ装置１の構成を示す図である。 典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの差動群遅延の波長依存性の測定結果を示すグラフである。 典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの固有偏波状態のストークスベクトルの方向の波長依存性の測定結果を示すグラフである。 ＰＭＤ補償素子２０の第１構成例を示す図である。 ＰＭＤ補償素子２０の第２構成例を示す図である。 ＰＭＤ補償素子２０の第３構成例を示す図である。 本実施形態のＯＣＴ装置１における光サーキュレータ２１およびＰＭＤ補償素子２０，２２の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、ＯＣＴの方式の一つであるＳＤ-ＯＣＴに発明を適用した実施形態を示すが、本発明はＳＳ-ＯＣＴやＴＤ-ＯＣＴなどの他のＯＣＴ方式にも同様に適用可能である。

図１は、本実施形態のＯＣＴ装置１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、測定対象物４０の光断層画像を取得するものであって、ＯＣＴ装置１、光源１０、光分岐器１１、光合波器１２、偏波ビームスプリッタ１３、光検出器１４、光検出器１５、ＰＭＤ補償素子２０、光サーキュレータ２１、ＰＭＤ補償素子２２、ロータリージョイント２３、光プローブ２４、ミラー２５、ＰＭＤ補償素子３０、光サーキュレータ３１、ＰＭＤ補償素子３２、レンズ３３、参照鏡３４および偏波コントローラ３５を備える。

光源１０は、広帯域光を出力する。光分岐器１１は、光源１０から出力された光を測定光と参照光とに２分岐して、測定光をＰＭＤ補償素子２０へ出力するとともに、参照光をＰＭＤ補償素子３０へ出力する。

光サーキュレータ２１は、第１ポート２１ａ，第２ポート２１ｂおよび第３ポート２１ｃを有する。光サーキュレータ２１は、光分岐器１１から出力されてＰＭＤ補償素子２０を経た測定光を第１ポート２１ａに入力して、その入力した測定光を第２ポート２１ｂからロータリージョイント２３へ出力する。光サーキュレータ２１は、ロータリージョイント２３から到達した測定光を第２ポート２１ｂに入力して、その入力した測定光を第３ポート２１ｃからＰＭＤ補償素子２２へ出力する。

光サーキュレータ２１の第２ポート２１ｂから出力された測定光は、ロータリージョイント２３を経て光プローブ２４に入り、光プローブ２４の先端に接続されたミラー２５によって側方の測定対象物４０に向けて照射される。測定対象物４０において反射された測定光は、ミラー２５，光プローブ２４およびロータリージョイント２３を経て、光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｂに入力される。

光サーキュレータ３１は、第１ポート３１ａ，第２ポート３１ｂおよび第３ポート３１ｃを有する。光サーキュレータ３１は、光分岐器１１から出力されてＰＭＤ補償素子３０を経た参照光を第１ポート３１ａに入力して、その入力した参照光を第２ポート３１ｂからレンズ３３へ出力する。光サーキュレータ３１は、レンズ３３から到達した参照光を第２ポート３１ｂに入力して、その入力した参照光を第３ポート３１ｃからＰＭＤ補償素子３２へ出力する。

光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂから出力された参照光は、レンズ３３を経て参照鏡３４に照射されて反射される。参照鏡３４で反射された参照光は、レンズ３３を経て光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂに入力される。

光合波器１２は、光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃから出力されてＰＭＤ補償素子２２を経た測定光を入力するとともに、光サーキュレータ３１の第３ポート３１ｃから出力されてＰＭＤ補償素子３２および偏波コントローラ３５を経た参照光を入力する。光合波器１２は、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を偏波ビームスプリッタ１３へ出力する。

偏波ビームスプリッタ１３は、光合波器１２から出力された干渉光を入力し、この入力した干渉光を２つの偏光状態に分離して、一方の偏光状態の光を光検出器１４へ出力し、他方の偏光状態の光を光検出器１５へ出力する。光検出器１４および光検出器１５それぞれは、偏波ビームスプリッタ１３から到達した光を受光し、その受光した光のスペクトルを検出する。

ＯＣＴ装置１は、この検出したスペクトルに基づいて信号処理を行って、測定対象物４０の内部の測定光入射方向に沿った反射率分布を得る。ＯＣＴ装置１は、光プローブ２３の先端を回転および並進させながら上記のような測定を繰り返し行うことで、測定対象物４０の光断層画像を取得することができる。

ＰＭＤ補償素子２０，２２は、光サーキュレータ２１の偏波モード分散を補償する。また、ＰＭＤ補償素子３０，３２は、光サーキュレータ３１の偏波モード分散を補償する。ここで、先ず光サーキュレータの偏波モード分散等について説明し、その後にＰＭＤ補償素子について説明する。

図２は、典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの差動群遅延の波長依存性の測定結果を示すグラフである。図３は、典型的な偏波無依存型の光サーキュレータの固有偏波状態のストークスベクトルの方向の波長依存性の測定結果を示すグラフである。ここで測定に用いた光サーキュレータはAgiltron製OCPI-30L111135である。差動群遅延（Differential Group Delay : ＤＧＤ）は、２つの固有偏波状態（Eigenstateof Polarization : ＥＳＯＰ）の間の群遅延の差である。偏波モード分散（ＰＭＤ）は、一定の波長範囲で差動群遅延（ＤＧＤ）を平均した値である。固有偏波状態（ＥＳＯＰ）は、全ての偏光状態のうちで群遅延が最大の偏光状態および最小の偏光状態である。固有偏波状態は、光の偏波状態を表すストークス・ベクトル（ｓ1,ｓ2,ｓ3）を用いて、下記式により求められる方向（θ,φ）で表される。

図２に示されるように、典型的な光サーキュレータは、第１ポートに入力されて第２ポートから出力される光に対して略０.０２ｐｓの偏波モード分散を生じさせ（同図（ａ））、第２ポートに入力されて第３ポートから出力される光に対しても略０.０２ｐｓの偏波モード分散を生じさせる（同図（ｂ））。光サーキュレータは、測定光を２回通過させるから、測定光に対して略０.０４ｐｓの偏波モード分散を生じさせる。略０.０４ｐｓの偏波モード分散は、空気中での光の伝搬距離に換算すると略１２μｍに相当する。したがって、光サーキュレータにおける偏波モード分散によって、測定対象物の反射点までの片道距離の測定値には略６μｍの誤差が生じる。一方で、ＯＣＴ測定の典型的な空間分解能は１０〜２０μｍであるので、上記の偏波モード分散による誤差は無視できない影響を生じうる。

そこで、本実施形態では、ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａから第２ポート２１ｂまでの光路における測定光の偏波モード分散を補償する。ＰＭＤ補償素子２２は、光サーキュレータ２１の第２ポート２１ｂから第３ポート２１ｃまでの光路における測定光の偏波モード分散を補償する。ＰＭＤ補償素子３０は、光サーキュレータ３１の第１ポート３１ａから第２ポート３１ｂまでの光路における参照光の偏波モード分散を補償する。また、ＰＭＤ補償素子３２は、光サーキュレータ３１の第２ポート３１ｂから第３ポート３１ｃまでの光路における参照光偏波モード分散を補償する。

以下ではＰＭＤ補償素子２０について主に説明するが、他のＰＭＤ補償素子２２，３０，３２についても同様である。ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の固有偏波状態のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有する。また、ＰＭＤ補償素子２０は、光サーキュレータ２１の偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有するのが好適である。図４〜図６それぞれは、ＰＭＤ補償素子２０の構成例を示す図である。

図４に示される第１構成例のＰＭＤ補償素子２０Ａは、所定の長さを有する偏波保持光ファイバを所定の方向に回転させて光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに接続した構成を有する。例えば、６.２ｃｍの長さで０.１ｐｓの偏波モード分散を発生させることができる偏波保持光ファイバが知られている。図５に示される第２構成例のＰＭＤ補償素子２０Ｂは、通常の（偏波保持でない）光ファイバを円柱体に所定の曲げ半径で所定の長さだけ巻くことで該光ファイバに複屈折を誘起した構成を有する。図６に示される第３構成例のＰＭＤ補償素子２０Ｃは、通常の光ファイバの所定の長さ部分に対して所定の大きさの側圧を与えることで該光ファイバに複屈折を誘起した構成を有する。これら何れの構成のＰＭＤ補償素子も低コストで実現され得る。

図４〜図６それぞれに示されるような構成による偏波モード分散付与方法では、差動群遅延（ＤＧＤ）の大きさ及び固有偏波状態（ＥＳＯＰ）のストークスベクトルの方向それぞれは、波長によらず略一定である。これは、高次の偏波モード分散を無視することができることを意味する。一方、図２および図３に示されるように、光サーキュレータの差動群遅延（ＤＧＤ）の大きさ及び固有偏波状態（ＥＳＯＰ）のストークスベクトルの方向それぞれも、波長によらず略一定である。したがって、図４〜図６それぞれに示されるような構成を有するＰＭＤ補償素子は、光サーキュレータの偏波モード分散を効果的に補償することができる。

図１に示されるＯＣＴ装置１の構成において、図２，図３に示されるような差動群遅延（ＤＧＤ）の大きさ及び固有偏波状態（ＥＳＯＰ）のストークスベクトルの方向を有する光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに、図４に示されるような構成を有するＰＭＤ補償素子２０を接続する場合、具体的には以下のようになる。この場合、光サーキュレータ２１の偏波モード分散ＰＭＤ１は０.０２０ｐｓである。光サーキュレータ２１の固有偏波状態のストークスベクトルの方向（θ１,φ１）は、θ１＝５５度であり、φ１＝１０１度である。そこで、ＰＭＤ補償素子２０の偏波保持光ファイバは、偏波モード分散ＰＭＤ２＝ＰＭＤ１＝０.０２０ｐｓとなる長さにカットされ、θ２＝１８０＋θ１＝２３５度かつφ２＝１８０−φ１＝７９度となるような方向（θ２,φ２）に回転されて、光サーキュレータ２１の第１ポート２１ａに接続される。

また、図１に示されるＯＣＴ装置１の構成において、図２，図３に示されるような差動群遅延（ＤＧＤ）の大きさ及び固有偏波状態（ＥＳＯＰ）のストークスベクトルの方向を有する光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃに、図４に示されるような構成を有するＰＭＤ補償素子２２を接続する場合、具体的には以下のようになる。この場合、光サーキュレータ２１の偏波モード分散ＰＭＤ１は０.０２２ｐｓである。光サーキュレータ２１の固有偏波状態のストークスベクトルの方向（θ１,φ１）は、θ１＝８２度であり、φ１＝３４度である。そこで、ＰＭＤ補償素子２２の偏波保持光ファイバは、偏波モード分散ＰＭＤ２＝ＰＭＤ１＝０.０２２ｐｓとなる長さにカットされ、θ２＝１８０＋θ１＝２６２度かつφ２＝１８０−φ１＝１４６度となるような方向（θ２,φ２）に回転されて、光サーキュレータ２１の第３ポート２１ｃに接続される。

図７（ａ）は、本実施形態のＯＣＴ装置１における光サーキュレータ２１およびＰＭＤ補償素子２０の全体の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。図７（ｂ）は、本実施形態のＯＣＴ装置１における光サーキュレータ２１およびＰＭＤ補償素子２２の全体の差動群遅延の波長依存性を示すグラフである。同図に示されるように、光サーキュレータおよびＰＭＤ補償素子の全体の差動群遅延は０.００２ｐｓに低減される。この偏波モード分散は距離に換算して０.６μｍであり、ＯＣＴ測定の空間分解能１０〜２０μｍに比べて十分小さいので、偏波モード分散の影響は無視できる大きさとなる。このように、本実施形態のＯＣＴ装置１は、実用的な光サーキュレータ２１，３１を用いて高い空間分解能でＯＣＴ測定を行うことができる。

１…ＯＣＴ装置、１０…光源、１１…光分岐器、１２…光合波器、１３…偏波ビームスプリッタ、１４…光検出器、１５…光検出器、２０…ＰＭＤ補償素子、２１…光サーキュレータ、２２…ＰＭＤ補償素子、２３…ロータリージョイント、２４…光プローブ、２５…ミラー、３０…ＰＭＤ補償素子、３１…光サーキュレータ、３２…ＰＭＤ補償素子、３３…レンズ、３４…参照鏡、３５…偏波コントローラ、４０…測定対象物。

Claims (6)

1. 光を出力する光源と、
   前記光源から出力された光を測定光と参照光とに２分岐して、これら測定光および参照光を出力する光分岐器と、
   前記光分岐器から出力されて測定対象物によって反射または散乱された測定光を入力するとともに、前記光分岐器から出力された参照光を入力し、これら入力した測定光と参照光とを合波し干渉させて当該干渉光を出力する光合波器と、
   前記光合波器から出力された干渉光を検出する光検出器と、
   第１ポート，第２ポートおよび第３ポートを有し、前記光分岐器から出力された測定光を前記第１ポートに入力して前記第２ポートから前記測定対象物へ向けて出力し、前記測定対象物によって反射または散乱された測定光を前記第２ポートに入力して前記第３ポートから前記光合波器へ出力する光サーキュレータと、
   前記光サーキュレータの前記第１ポートと前記光分岐器との間の測定光の光路、前記光サーキュレータの前記第２ポートと前記測定対象物との間の測定光の光路、および、前記光サーキュレータの前記第３ポートと前記光合波器との間の測定光の光路のうちの何れか１以上の光路上に設けられ、前記光サーキュレータの固有偏波状態のストークスベクトルと逆方向のストークスベクトルで表される固有偏波状態を有するＰＭＤ補償素子と、
   を備えることを特徴とするＯＣＴ装置。
2. 前記光サーキュレータの前記第１ポートと前記光分岐器との間の測定光の光路、および、前記光サーキュレータの前記第３ポートと前記光合波器との間の測定光の光路それぞれに、前記ＰＭＤ補償素子が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
3. 前記ＰＭＤ補償素子は前記光サーキュレータの偏波モード分散と実質的に等しい大きさの偏波モード分散を有することを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
4. 前記ＰＭＤ補償素子は所定の長さ及び所定の回転方向を有する偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
5. 前記ＰＭＤ補償素子は所定の曲げ半径で巻かれた光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
6. 前記ＰＭＤ補償素子は所定の強さの側圧が付与された光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載のＯＣＴ装置。
   

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