JP2016075513A - 光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＣＴは生体計測に利用されるため、生体が動かないうちに安定した３次元画像を取得する必要があり高速な計測が求められる。被測定物の３次元形状を取得するには、一点における高速波長掃引光源ＨＳＬのスキャン時間に被測定物内での位置分解点の数を乗じた時間が掛かる。測定感度やダイナミックレンジを改善するには、測定を複数回行うのが好ましい。従来技術の機械的な駆動機構を含むＳＳ−ＯＣＴ装置では、広い範囲の生体観測を優れた測定感度およびダイナミックレンジで行うことに限界があった。【解決手段】本発明の光計測装置は、光スキャニング部において回折格子を利用する。回折格子を利用することで、波長掃引光源の信号光を波長（周波数）掃引するだけで、機械的なスキャン駆動機構を備える必要なしに、高速化した計測による断層イメージを得ることができる。光スキャニング部に２つの回折格子を備え、各波長分散方向が直交するように配置することで、３次元の断層イメージを高速に得ることもできる。【選択図】図１

Description

本発明は、光計測装置に関する。より詳細には、光コヒーレンストモグラフィ装置に関する。

光学機器を使ったイメージング技術は、カメラやプリンタ、ファクシミリなどの民生用の電子機器だけでなく、医療分野にも広がっている。医療現場では、生体表皮下の断層イメージ（プロファイル）をミクロンオーダーの分解能で生成することのできる新たな技術が望まれていた。光コヒーレンストモグラフィ(ＯＣＴ: Optical Coherence Tomography)は１９９１年にＭＩＴのＦｕｊｉｍｏｔｏのグループにより提案されて以来、近年では実用化にまで至っている。光コヒーレンストモグラフィの中でも、光源として周波数掃引光源を使うＳｗｅｐｔ−Ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ （ＳＳ−ＯＣＴ：光周波数掃引型ＯＣＴ）は、測定感度が高くリファレンスアームの機械的なスキャンが不要といった利点があるため、有望な方式として知られている。

図１２は、従来技術の典型的なＳＳ−ＯＣＴ装置の構成を示す図である。ＳＳ−ＯＣＴ装置７０は、被測定物７６に対して、高速波長掃引した光を照射して、コンピュータ８１等の制御の下で以下のように動作する。高速波長掃引光源（ＨＳＬ）７１より出力された光波は、光ファイバを介して９０：１０光カプラ７２により分岐される、９０％に分岐された一方の光波は信号光として利用され、１０％に分岐された他方の光波は参照光として利用される。信号光は、サーキュレータ８０を経由した後に２Ｄガルバノミラー７４によって空間的に位置をスキャンされる。スキャンされた信号光は、レンズ７５を介して被測定対象物（Ｓａｍｐｌｅ）７６により散乱される。散乱光が、再び２Ｄガルバノミラー７４およびサーキュレータ８０を経由して光ファイバへと戻る。戻った光波は、５０：５０の合波側光カプラ７７の一方の端子へと伝搬する。

光源７１からの分岐された参照光は、サーキュレータ７３を介してミラー７８により反射された後、再びサーキュレータ７３を介して５０：５０の合波側光カプラ７７のもう一方の端子へと伝搬する。参照光および信号光は、５０：５０カプラ７７で干渉して、干渉光が差動レシーバＢＲ７９にて光検出される。

上述の装置７０の構成において、高速波長掃引光源ＨＳＬ７１からの光波の波長を掃引することで、参照光および信号光の干渉光の波長依存性、すなわち干渉縞の繰り返しピーク周波数間隔を計測することができる。装置７０の光学系の長さを、信号光の光路長と参照光の光路長とがほぼ等しくなるように設定しておくと、被測定対象物７６での散乱位置とミラー７３の位置の差によって干渉縞の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ：Free Spectral Range, Ｈｚ）が決まる。このため、この干渉縞を解析することで被測定対象物７６での散乱位置の特定が可能になる。さらに、２Ｄガルバノミラー７４によって被測定対象物７６での光の進行方向に対して垂直な２次元の面内で信号光の位置をスキャンすることができるため、被測定対象物７６の３次元構造を計測することが可能となる。

Yoshiaki Yasuno, Violeta Dimitrova Madjarova, Shuichi Makita, Masahiro Akiba, Atsushi Morosawa, Changho Chong, Toru Sakai, Kin-Pui Chan, Masahide Itoh, and Toyohiko Yatagai, 「Three-dimensional and high-speed swept-source optical coherence tomography for in vivo investigation of human anterior eye segments」Optics Express, Vol. 13, Issue 26, pp. 10652-10664 (２００５年)http://dx.doi.org/10.1364/OPEX.13.010652 計測自動制御学会５０年記念サイト、オンラインハンドブック、ヘテロダイン干渉計の頁http://www.sice.jp/handbook/%E3%83%98%E3%83%86%E3%83%AD%E3%83%80%E3%82%A4%E3%83%B3%E5%B9%B2%E6%B8%89%E8%A8%88

一般に、ＯＣＴは生体計測に利用されるため高速な計測が求められる。これは、生体が動かないうちに、安定した３次元画像を取得する必要があるためである。しかしながら、図１２で説明したＳＳ−ＯＣＴ装置においては、３次元形状を計測するためにガルバノミラーによって信号光をスキャンする必要がある。被測定対象物内の全範囲の各点において、高速波長掃引光源ＨＳＬの波長スキャンを少なくとも一回は行う必要があり、被測定対象物内の位置分解点の数の回数分のスキャン計測を実施する必要がある。したがって、被測定対象物の３次元形状を取得するには、最短でも、位置分解点の１つにおける高速波長掃引光源ＨＳＬのスキャン時間（光源の波長掃引時間）に被測定対象物内での位置分解点の数を乗じた時間が掛かることになる。例えば、ガルバノミラーによる２次元内の位置分解点の数を１０００×１０００とすると、１つの３次元画像を取得するにあたり、光源の掃引回数は１００万回も必要になる。さらに測定感度やダイナミックレンジを改善するには、各位置分解点において上述の波長スキャンを伴う測定を複数回行うのが好ましい。

したがって、従来技術のガルバノミラーのような機械的な駆動機構を含むＳＳ−ＯＣＴ装置では、広い範囲の生体観測をすぐれた測定感度およびダイナミックレンジで行うことには限界があった。機械的な駆動機構を持つ装置は、その取り扱いに注意が必要であり、小型化も難しく、故障の発生頻度も多い。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ガルバノミラー等による機械的な駆動機構を省き、計測の高速化を実現したＯＣＴ装置およびＯＣＴ測定方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、周波数の掃引幅ΔＦを有する掃引された信号光を供給する波長可変光源と、前記波長掃引された信号光を入力する第１のポートと、前記波長掃引された信号光を分岐して参照光を出力する第２のポートおよび被測定物への信号光を出力する第３のポートを少なくとも有するカプラと、前記参照光が伝搬する伝搬路を有し、所定の第１の光路長を経て前記第２のポートに前記参照光を再入力する参照光処理部と、前記カプラからの信号光を、該信号光の進行方向に垂直な第１の方向にスキャンしながら空間に出力して前記被測定物に入射させる往路と、前記被測定物の表層または内部から反射または散乱された信号光が前記往路を逆方向に伝搬する復路とを有し、前記カプラの前記第３のポートに前記反射または散乱された信号光を入力するよう構成された光スキャンニング部と、前記カプラの第４のポートから、前記第２のポートに再入力された前記参照光、および、前記第３のポートに入力された前記反射または散乱された信号光の干渉光が入力され、前記干渉光の干渉縞の繰り返しピーク周波数間隔と、前記参照光処理部における前記所定の第１の光路長、並びに、前記光スキャンニング部における前記被測定物までの前記往路および前記復路で決定される第２の光路長の差分に基づいて、前記光進行方向における前記被測定物の反射または散乱点の位置を特定するよう構成された受光部とを備え、前記光スキャニング部は、前記第１の方向に波長分波作用を持つ回折格子を含むことを特徴とする光計測装置である。

参照光処理部は、参照光が伝搬する伝搬路の端部にミラーなどの参照光の反射手段を設置して構成することができる。回折素子としては、これらだけに限定されないがＡＷＧやＶＩＰＡなどを利用することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１の光計測装置であって、前記回折格子のＦＳＲは、前記掃引幅ΔＦよりも狭いことを特徴とする。ここでＦＳＲは、自由スペクトルレンジを意味する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２の光計測装置であって、前記光スキャニング部は、前記信号光の進行方向および前記第１の方向に直交する第２の方向に波長分波作用を持つ第２の回折格子をさらに含むことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３の光計測装置であって、前記回折格子は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であってその回折次数をｍａとし、前記第２の回折格子の回折次数をｍｇとするとき、２≦ｍｇ＜ｍａの関係を満たすように各回折次数が設定されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４の光計測装置であって、前記掃引幅ΔＦは、前記回折格子のＦＳＲ、および、前記第２の回折格子のＦＳＲの、それぞれ整数倍の関係にあり、前記掃引された信号光の掃引開始周波数が、前記回折格子のＦＳＲの開始周波数に一致していることを特徴とする。ここでＦＳＲの開始周波数は、回折素子の回折次数が現在の次数から次の次数に切り替わるときの周波数を意味する。

請求項６に記載の発明は、請求項３または４の光計測装置であって、前記回折格子および前記第２の回折格子のうち、少なくとも１つは、その出力フィールドが矩形形状を持っていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６いずれかの光計測装置であって、前記受光部は、前記光スキャニング部に含まれた前記回折格子と同一のＦＳＲを持ち、前記光スキャニング部からの前記干渉光が入力される第３の回折格子と、前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記干渉光を収束させる集光レンズと、前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子を含むセンサアレイであって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイと、前記センサアレイの前記複数のセンサ素子の各々において、前記光スキャニング部における信号光の前記第１の方向のスキャンと同期して、前記干渉光から光電気変換された電気信号を、それぞれディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器と、前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、前記被測定物の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置とを含むことを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、周波数の掃引幅ΔＦを有する掃引された信号光を供給する波長可変光源と、前記波長掃引された信号光を入力する第１のポートと、前記波長掃引された信号光を分岐して参照光を出力する第２のポートおよび被測定物への信号光を出力する第３のポートを少なくとも有するカプラと、前記参照光が伝搬する伝搬路を有し、所定の第１の光路長を経て前記第２のポートに前記参照光を再入力する参照光処理部と、前記カプラからの信号光を、該信号光の進行方向に垂直な第１の方向にスキャンしながら空間に出力して前記被測定物に入射させる往路と、前記被測定物の表層または内部から反射または散乱された信号光が前記往路を逆方向に伝搬する復路とを有し、前記カプラの前記第３のポートに前記反射または散乱された信号光を入力するよう構成された光スキャンニング部と、前記カプラの第４のポートから、前記第２のポートに再入力された前記参照光、および、前記第３のポートに入力された前記反射または散乱された信号光の干渉光が入力され、前記干渉光の干渉縞の繰り返しピーク周波数間隔と、前記参照光処理部における前記所定の第１の光路長、並びに、前記光スキャンニング部における前記被測定物までの前記往路および前記復路で決定される第２の光路長の差分に基づいて、前記光進行方向における前記被測定物の反射または散乱点の位置を特定するよう構成された受光部とを備え、前記光スキャニング部は、前記掃引幅ΔＦよりも狭いＦＳＲを有し、前記第１の方向に波長分波作用を持し、その出力フィールドが矩形形状を持っている回折格子と、前記回折格子の波長分波方向について、前記掃引された信号光を収束させる集光レンズとを含み、前記受光部は、前記光スキャニング部に含まれた前記回折格子と同一のＦＳＲを持ち、前記光スキャニング部からの前記干渉光が入力される第３の回折格子と、前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記干渉光を収束させる集光レンズと、前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子を含むセンサアレイであって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイと、前記センサアレイの前記複数のセンサ素子の各々において、前記光スキャニング部における信号光の前記第１の方向のスキャンと同期して、前記干渉光から光電気変換された電気信号を、それぞれディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器と、 前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、前記被測定物の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置とを含むことを特徴とする光計測装置である。

以上説明したように、本発明によって、ガルバノミラー等による機械的な駆動機構を省き、計測の高速化および高精度化、広いダイナミックレンジを実現したＯＣＴ装置およびＯＣＴ測定方法を提供することができる。

図１は、本発明の光計測装置の概略の構成を示す図である。 図２は、本発明の光計測装置における光スキャニング部の構成を示す図である。 図３は、本発明の光計測装置における光ビームウェストのスキャンの様子を示す図である。 図４は、受光部において検出される干渉縞と、被測定物の特定の位置における反射散乱光に寄与する信号光の各周波数成分との関係を示す図である。 図５は、本発明の実施例２の光計測装置における光スキャニング部の構成を示す図である。 図６は、実施例２の光計測装置において被測定物のｘ´−ｙ´−ｚ´座標系での光ビームがスキャンされる様相を示す図である。 図７は、本発明の実施例３の光計測装置における受光部の構成を示した図である。 図８は、本発明の実施例４の光計測装置における受光部の構成を示した図である。 図９は、本発明の実施例６の光計測装置においてエイリアシングに起因するゴーストを低減する方法を説明する図である。 図１０は、実施例６の光計測装置における被測定物上の信号光の電界分布を示す図である。 図１１は、実施例６の光計測装置における信号光において、ｚ軸上の電界分布をプロットした図である。 図１２は、従来技術の典型的なＳＳ−ＯＣＴ装置の構成を示す図である。

本発明の光計測装置は、光スキャニング部において回折格子を利用する。回折格子を利用することで、波長掃引光源の信号光を波長（周波数）掃引するだけで、機械的な駆動機構を備える必要なしに、高速化した計測によるイメージを得ることができる。光スキャニング部に２つの回折格子を備え、各波長分散方向が直交するように配置することで、３次元の断層イメージを高速に得ることができる。参照光と被測定物からの反射・散乱光との干渉光の解析を高速に行い、広い範囲の生体イメージングをすぐれた測定感度およびダイナミックレンジで行う構成も開示する。回折格子としては、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）を利用することができる。以下、より詳細な実施例について説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の光計測装置の概略の構成を示す図である。光計測装置１００は、ＳＳ−ＯＣＴ装置として動作し、光源１からの信号光によって被測定対象物（以下、被測定物とする）１０の内部の内部イメージを取得することが可能である。測定の対象物は生体だけに限られず、信号光の反射散乱が得られる限り、本発明は非生体の工業製品などにも適用できる。

図１において、波長可変光源１から出力された信号光は光ファイバ２に入力され、さらに光カプラ３の入力ポート１０１を介して、出力ポート１０４への信号光および出力ポート１０３への参照光に分岐される。参照光ファイバ５を伝搬した参照光は、参照光ミラー６により反射され、再び光カプラ３のポート１０３へと伝搬し、その一部はポート１０２から受光ファイバ７を介して受光部８へ入力される。参照光ファイバ５および参照光ミラー６は、参照光処理部を構成する。

一方、信号光ファイバ４に分岐した信号光は、光スキャニング部９を介して被測定物１０へと入射する（往路）。被測定物１０によって反射・散乱された信号光は、再び光スキャニング部９および信号光ファイバ４を逆方向に伝搬し（復路）、参照光と同様に光カプラ３のポート１０４を介して、その一部がポート１０２から受光部８へと入力される。光カプラ３では、参照光および信号光が干渉して干渉光が生じる。この干渉光に基づいて、被測定物１０からの反射・散乱に関する情報を抽出することが可能になる。

図２は、本発明の光計測装置における光スキャニング部の構成を示す図である。図１における光スキャニング部９は、高速波長掃引光源として機能する波長可変光源１から出力された波長掃引された信号光に基づいて、空間的にスキャンされた信号光を被測定物１０に入射するよう構成されている。光スキャニング部９は、高い次数を持つ回折格子およびその周辺光学系から構成される。以下に述べる本発明の光計測装置の各実施例の光スキャニング部９においては、回折素子としてアレイ導波路格子（ＡＷＧ：Arrayed-Waveguide Grating）１１を用いた構成例を説明するが、後述するようにＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）による回折素子を用いても同様の効果を得ることができる。

図２において、信号光ファイバ４から伝搬した信号光は、ＡＷＧ１１に入力される。ＡＷＧ１１に入力した信号光は、その内部に形成されたアクセス導波路１１ａを介してスラブ導波路１１ｂ、アレイ導波路１１ｃへと伝搬し、ＡＷＧ１１の端面から自由空間へ出射される。アレイ導波路１１ｃは、複数の光導波路から構成され、隣り合う光導波路間に一定の光路長差ｄＬが設定されている、さらに、アレイ導波路１１ｃは、ＡＷＧ１１の出力端において、ＡＷＧ基板の端面に垂直に交わるように構成されている。

ＡＷＧ１１から自由空間へと出力される信号光は、基板端面から出射した直後には、ＡＷＧ基板面に平行な方向（図２のｘ軸方向）に太いビーム径を持ち、垂直方向（ｙ軸方向）には細いビーム径を持っている。したがって、信号光はｙ軸方向には拡散し、ｘ軸方向には平行光として空間を伝搬する。本実施例では、ＡＷＧ基板の端面直近にｙ軸方向の拡散を抑制するシリンドリカルレンズ１２が設置される。この結果、シリンドリカルレンズ１２を経た信号光は、ｙ軸方向にも平行光として自由空間を伝搬する。

信号光は、さらにｘ軸方向に光学パワー（すなわち曲率）を有するシリンドリカルレンズ１３を経由して集光ビームに変換される。シリンドリカルレンズ１３は、集光ビームが被測定物１０の表層または内部にビームウェストＰを持つように、その焦点距離ｆを設定するのが好ましい。ＡＷＧ１１およびシリンドリカルレンズ１３の間の距離もｆに設定される。被測定物１０の表層または内部において反射・散乱された信号光は、その反射・散乱位置に応じた光位相を持って、上述の光路（往路）と同じ光路を今度は逆方向（復路）に伝搬し、ＡＷＧ１１の端面に入射して信号光ファイバ４へと入力される。図１において、光スキャニング部９および参照光ミラー６から波長可変光源１方向への戻り光を抑制するために、波長可変光源１と光カプラ３との間にアイソレータを配置しても良い。

ここで、本発明の光計測装置１００において、波長可変光源１からの波長掃引光が、被測定物への信号光として空間的にスキャンされる動作を説明する。波長可変光源１から出力される信号光の波長（周波数）が掃引されて変化すると、ＡＷＧ１１の波長分散効果（波長分解作用）によってビームウェストＰはｘ軸方向に移動する。ＡＷＧ１１の自由スペクトルレンジ（ＦＳＲ:Free Spectral range）により決まるｘ軸方向におけるスキャン範囲を［ｘｓ，ｘｅ］とする。本発明の光計測装置においては、ＡＷＧ１１の回折次数ｍ（＝ｎ_Ｃ・ｄＬ／λ_０）は十分大きく、ＡＷＧのＦＳＲ（＝ｃ／（ｄＬ・Ｎｃ））が、波長可変光源１の波長掃引範囲よりも十分に狭く設定される。ここで、ｃは光速、ｎ_ＣはＡＷＧの導波路コアの屈折率、λ_０はλ回折次数ｍにおけるＡＷＧ１１の中心波長、Ｎｃはアレイ導波路１１cの群屈折率をそれぞれ示す。上述のようにＡＷＧの回折次数ｍおよびＦＳＲを設定することで、波長可変光源１により掃引可能な最大掃引波長範囲を１回掃引するごとに、信号光が形成するビームウェストＰは、被測定物１０の表層または内部を複数回スキャンし、ｘ軸上を繰り返し移動する。ｘ軸上の１回のスキャンを経るごとに動作中のＡＷＧの回折次数ｍは１つずつ増加する。

図３は、本発明の光計測装置における光ビームウェスト部のスキャンの様子を示す図である。図３では、波長掃引光源による最大掃引波長範囲の掃引中に、被測定物１０をＮ＝３回繰り返しスキャンする例を示している。尚、光ビームスキャンの繰り返しスキャン回数Ｎは、波長可変光源１の周波数掃引範囲をΔＦ[Ｈｚ]としたとき、次式によって決定される。
Ｎ＝ΔＦ／ＦＳＲ 式（１）
したがって、光ビームスキャンの往復回数Ｎは、ＡＷＧ１１の設計パラメータを適切に選択することによって任意に設定できる。式（１）からも、前記回折格子のＦＳＲは、前記掃引幅ΔＦよりも狭いことになる。

ここで、１回のｘ軸方向のスキャンすなわち１つのＦＳＲに対応し、波長可変光源１の最大掃引波長範囲ΔＦ（波長可変範囲）をＮ個に分割した波長範囲において、第１（最初）のＦＳＲに対応する回折次数を簡単のため１、第２（２番目）のＦＳＲの回折次数を２、・・・、第Ｎ（Ｎ番目）のＦＳＲの回折次数をＮとする。各ＦＳＲにおける開始周波数および終了周波数をｆ_１ｓおよびｆ_１ｅ、ｆ_２ｓおよびｆ_２ｅ、・・・、ｆ_Ｎｓおよびｆ_Ｎｅとすると、ｘ軸方向のある位置ｘｐにおいては、信号光のうちのＮ波の信号光成分、ｆ_１ｐ、ｆ_２ｐ、・・・ｆ_Ｎｐが位置ｘｐにおける反射・散乱光の発生に寄与する。各信号光成分、ｆ_１ｐ、ｆ_２ｐ、・・・ｆ_Ｎｐはアレイ導波路格子の特性から等周波数間隔である。図３では、ｘ軸方向のスキャン範囲ｘｓからｘｅにおいて、対応する開始波長λ_１ｓ、λ_２ｓ、・・λ_Ｎｓおよび終了波長λ_１ｅ、λ_２ｅ、・・λ_Ｎｅを示している。

図３に示したように、光ビームスキャンの繰り返し回数がＮ＝３の場合には、波長可変光源１が周波数掃引範囲ΔＦを掃引する間に、ビームウェストの位置は、ｘ軸上でｘｓからｘｅまでのスキャンを３回繰り返す。図３では、３回の繰り返しスキャンを説明するために、スキャンの軌跡の位置をずらした３本の矢印の直線で示しているが、実際にはｘ軸上の同じ経路を繰り返しスキャンする。

被測定物１０内における反射散乱光は、ビームウェストの近傍の被測定物の断層イメージを反映させながら図１の受光部８へと伝搬し、参照光と干渉縞を作る。横軸に周波数を取ったときの干渉光のレベル変動（周波数特性）を描いたとき、その干渉縞の隣り合うピーク同士の間隔は、被測定物の反射散乱点および光カプラ３間の距離と、参照光ミラー６および光カプラ３間の距離の差Δ、すなわち２つの光学系の経路差Δ（光路長差）に応じて変化する。干渉縞のピーク周波数間隔は、被測定物１０の屈折率をｎ_Ｓとして、次式によって表される。
干渉縞のピーク周波数間隔＝ｃ／（ｎ_Ｓ・Δ） 式（２）
一般に、用語「干渉縞」は、例えば、２つのスリットから出た光が相互に干渉して、空間的に明暗のパターン（縞）を生じるように物理空間で観察されるものを言う。本発明では、時間的な変動（経過）により認識される干渉光のレベル変動をすなわち干渉縞として使用されている点に留意されたい。例えば、時間的な干渉光のレベル変動としての「干渉縞」については、非特許文献２を参照されたい。

被測定物の断層イメージがビームウェストの位置よりｚ軸方向に前後にずれていても、ｘ軸方向およびｙ軸方向の反射散乱点位置の検出分解能が低下するだけで、同様の干渉縞のピーク周波数間隔（周期）の測定は可能である。上述のように、受光部８において観測され、被測定物の反射散乱位置の特定に使用される干渉縞のピーク周波数間隔は、被測定物からの反射散乱光が発生するz軸方向での位置に対応することに留意されたい。したがって、干渉縞のピーク周波数間隔を同定することで、対応する反射散乱光のz軸方向に置ける発生位置を特定することができる。また、干渉縞のレベルから反射量の特定も可能となる。

図４は、受光部において検出される干渉縞と、被測定物の特定の位置ｘ_ｐにおける反射散乱光に寄与する信号光の各周波数成分との関係を示す図である。図４の横軸は、波長可変光源からの掃引された信号光の周波数ｆ（または波長）を示している。図４の横軸において、信号光の周波数ｆは掃引時刻ｔと１対１に対応しているので、横軸は時間軸を表していることにも留意されたい。先にも説明したように、図４に示した干渉縞２１では、横軸が掃引時刻ｔに対応しており、干渉縞２１は、受光部における干渉光レベルの時間変動に対応する。図４では、ピーク周波数間隔ｃ／（ｎ_Ｓ・Δ）の振幅変動を持つ干渉縞が、ｆ_１ｐ、ｆ_２ｐ、・・・、ｆ_Ｎｐの各点においてサンプリングされ再現される状態を示している。信号光の波長（周波数）掃引に対応して、ｆ_１ｐ、ｆ_２ｐ、・・・ｆ_Ｎｐの各周波数成分における反射散乱された信号光を検出することで、干渉縞を再現することができる。干渉縞のピーク周波数間隔ｃ／（ｎｓ・Δ）から経路差Δを求めることによって、反射散乱点（ｘｐ）のｚ軸方向の任意の位置（ｚ、ｘｐ）を検出することができる。ｚ軸方向の反射散乱点の位置を、スキャンを実行するｘ軸方向の位置分解点（分解能距離）ごとに求めることで、反射散乱点の位置情報を連ねてゆくことにより、被測定物１０の断層プロフィールを求めることができる。

上述ように、本発明の光計測装置では、ｘ軸方向の機械的な駆動機構を実装していなくても、波長可変光源１の波長を掃引することによって、ｘ軸方向の光ビームスキャンが自動的に実行され、ＳＳ−ＯＣＴ装置の簡便化および高信頼化を図ることができる。

また、ｘ軸上のある位置ｘｐにおける被測定物１０からの反射散乱点は、ｚを任意の光軸方向（ｚ軸）の任意の位置として、同一の光軸上（ｚ、ｘｐ）に複数ある場合が一般的である。受光部８により検出される干渉縞は、複数の反射散乱点からの反射・散乱光が参照光とそれぞれ干渉して形成される干渉縞であり、被測定物の各反射散乱点の位置の特定は干渉縞のフーリエ解析を実施することによってなされる。

したがって、本発明は、周波数の掃引幅ΔＦを有する掃引された信号光を供給する波長可変光源１と、前記波長掃引された信号光を入力する第１のポート１０１と、前記波長掃引された信号光を分岐して参照光を出力する第２のポート１０３および被測定物１０への信号光を出力する第３のポート１０４を少なくとも有するカプラ３と、前記参照光が伝搬する伝搬路５を有し、所定の第１の光路長を経て前記第２のポートに前記参照光を再入力する参照光処理部と、前記カプラからの信号光を、該信号光の進行方向に垂直な第１の方向にスキャンしながら空間に出力して前記被測定物に入射させる往路と、前記被測定物の表層または内部から反射または散乱された信号光が前記往路を逆方向に伝搬する復路とを有し、前記カプラの前記第３のポートに前記反射または散乱された信号光を入力するよう構成された光スキャンニング部９と、前記カプラの第４のポート１０２から、前記第２のポートに再入力された前記参照光、および、前記第３のポートに入力された前記反射または散乱された信号光の干渉光が入力され、前記干渉光の干渉縞２１の繰り返しピーク周波数間隔（式２）と、前記参照光処理部における前記所定の第１の光路長、並びに、前記光スキャンニング部における前記被測定物までの前記往路および前記復路で決定される第２の光路長の差分に基づいて、前記光進行方向における前記被測定物の反射または散乱点の位置を特定するよう構成された受光部８とを備え、前記光スキャニング部は、前記第１の方向に波長分波作用を持つ回折格子１１を含むことを特徴とする光計測装置として実現できる。

本発明の光計測装置では、ｘ軸上のある位置ｘｐにおける反射散乱光に寄与する信号光の各周波数成分、すなわち、図４における各サンプリング周波数ｆ_１ｐ、ｆ_２ｐ、・・・、ｆ_Ｎｐは等周波数間隔である。このため、本発明では反射散乱位置を特定する演算処理の際のフーリエ変換時に、波長領域から周波数領域への変換をする必要がなく、信号処理が容易になるという利点も持っている。

一方、本発明の光計測装置では、干渉縞のピーク周波数間隔を求めるためのサンプリング周期が、ＡＷＧ１１のＦＳＲ[Ｈｚ]に対応する。すなわち、２ＦＳＲ以下の短い周期で振動する干渉縞を検出することは、サンプリング定理から困難である。この制約は、従来技術のＯＣＴにおける光源のコヒーレンス長による制限に相当する。

すなわち、被測定物１０のｚ軸方向の深度、言い換えると測定可能なｚ軸方向の距離に制限を与える。たとえば、ｚ軸上の位置を任意として位置ｘｐにおける反射散乱点が同一の光軸上（ｚ、ｘｐ）に複数あり、そのｚ軸方向の位置がｃ／（２ＦＳＲ）［ｍ］よりも外側、すなわちｚ軸方向の被測定物のより内部側にある場合は、その内部側の反射散乱点からの散乱光は干渉縞の信号周波数内にエイリアシング効果（雑音）として見える。したがって、本実施例の光計測装置は、被測定物１０からの反射散乱光の発生位置が、次式における経路差Δの関係を満たす範囲であるときに好適である。
Δ＜ｃ／（２ＦＳＲ） 式（３）
ここで、経路差Δは、先にも定義したように、図１における被測定物の反射散乱点および光カプラ３間の距離と、参照光ミラー６および光カプラ３間の距離の差Δである。すなわち本実施例の光計測装置は、被測定物１０の光軸（ｚ軸）方向の厚みが上記条件、ｃ／（２ＦＳＲ）以下であることを満たすことが分かっている場合に好適な構成例である。

本実施例では、波長可変光源１から出力される信号光の波長掃引によって、被測定物に対して単一の方向、すなわちｘ軸方向にのみビームスキャンするだけで、実質的にｘｚ面内における断層イメージが得られる。３次元画像の取得には不十分であり、次の実施例では、より広い３次元範囲での断層イメージを取得可能な本発明の光測定装置の構成例を提示する。

（実施例２）
図５は、本発明の実施例２の光計測装置における光スキャニング部の構成を示す図である。本実施例では、光計測装置全体の構成は図１に示したものと同一であり、光スキャニング部９の構成だけが実施例１と異なっている。実施例２の光スキャニング部９は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）１１、ＡＷＧ１１から出力された信号光を平行光とするためのシリンドリカルレンズ１２、回折格子３１、および集光レンズ３２から構成される。本実施例では、第２の波長分散素子として動作する回折格子３１をさらに含んでいる点で実施例１の光スキャニング部と相違している。回折格子３１の波長分散の方向は、第１の波長分散素子であるＡＷＧ１１の分散方向（ｘ軸方向）と直交する方向、すなわちｙ軸方向に設定される。回折格子３１は、例えば、高次の回折次数をもつエシェル格子でとすることができる。さらに、回折格子３１の回折次数をｍｇ、ＡＷＧ１１の回折次数ｍａとするとき、次式の関係を満たすように各回折次数が設定される。
２≦ｍｇ＜ｍａ 式（４）
したがって、本発明の光計測装置では、光スキャニング部９は、信号光の進行方向（ｚ軸）および第１の方向（ｘ軸）に直交する第２の方向（ｙ軸）に波長分波作用を持つ第２の回折格子３１をさらに含むことができる。また、第１の回折格子１１は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であってその回折次数をｍａとし、前記第２の回折格子３１の回折次数をｍｇとするとき、２≦ｍｇ＜ｍａの関係を満たすように各回折次数が設定されることになる。

図５に示すように２つの波長分散素子を各波長分散の方向が直交するように配置することで、被測定物１０上におけるビームウェストは、波長可変光源１からの信号光の波長（光周波数）を掃引することにより、２次元状にスキャンされる。被測定物１０上では光の進行方向は、回折格子３１を通過した後であるので、アレイ導波路格子１１を出射した直後の座標系ｘ−ｙ−ｚ座標系とは異なる。したがって、被測定物１０における新たな座標系を図５に示すように、ｘ´−ｙ´−ｚ´と定義する。ここでｚ´は光の進行方向すなわち光軸方向である。

図６は、実施例２の光計測装置において被測定物のｘ´−ｙ´−ｚ´座標系において光ビームがスキャンされる様相を示す図である。図６では、回折素子３１および集光レンズ３２を経た後で、光の進行方向（ｚ´軸方向）に向かって被測定物１０を見た図となっている。図６では、被測定物１０の表層上において、実線、破線、一点鎖線の３本が一組となった矢印付き直線の５つの組が描かれている。１つの組の中の３本の直線は、３回のスキャンが行われることを説明するためにずらして描いたものであって、実際には同一の軌跡上を繰り返し辿ることに留意されたい。

信号光の掃引開始周波数（波長）において、被測定物１０上の点Ａに存在した光ビームは、同一のＦＳＲの範囲内で周波数（波長）掃引されることによって、ＡＷＧ１１の波長分散動作により、実線の矢印で示されるように点Ｂまでスキャンされ移動する。点Ａから点Ｂまでのスキャン範囲が、ＡＷＧ１１の第１のＦＳＲにおける分波作用に対応する。信号光の周波数がさらに同一のＦＳＲの範囲を越えて掃引されると、ＡＷＧ１１の次の回折次数の波長分散動作の状態に移動し、光ビームは、もし回折格子３１がなければｘ´軸方向には点Ａの位置に戻るが、本実施例ではｙ´軸方向に若干ずれた点Ｃに現れる。これは、第２の波長分散素子である回折格子３１の波長分散作用によりｙ´軸方向にもビーム位置が移動するためである。点Ｃの光ビームは、ＡＷＧ１１の波長分散作用によって、点Ａから点Ｂへの移動と同様に、点Ｄに移動する。

上述の第１の分波素子であるＡＷＧ１１によるスキャン作用および第２の分波素子である回折素子３１による波長分波動作を繰り返すことで、光ビームは点Ｅまで移動する。実線の経路で点Ａから点Ｅに到達するまでに、ＡＷＧ１１のＦＳＲの５倍に対応する範囲で周波数掃引が行われていることになる。点Ｅに到達すると同時に、第２の波長分散素子である回折格子３１の回折次数が１つ変化するような関係にあれば、光ビームは再び点Ａに戻る。回折格子３１の同一のＦＳＲの範囲にある間は、光ビームは点線の経路を通って、点Ａから点Ｅまで移動する。再び回折格子３１の回折次数が変化すると、光ビームは。点Ｅから点Ａへと戻り、今度は一点鎖線の経路を通って再び点Ｅまで移動する。

上述ように、ＡＷＧ１１および回折格子３１の２つの回折素子の波長分散方向を直交させて配置して、波長可変光源１から出力される信号光を波長掃引することによって、被測定物１０上で２次元状（ｘ´−ｙ´）にビームをスキャンすることができる。すなわち、被測定物１０上の表層または内部において光ビームの２次元スキャンを行いながら、反射散乱光によって光進行方向ｚ´軸方向の深度方向の断層プロファールを求めることによって、機械的なスキャン駆動機構を備えることなしに被測定物の１０３次元イメージの取得が可能になる。

図６に示した実施例２の光スキャニング部によるビームスキャンの例では、波長可変光源１の周波数スキャン範囲内に、第１の回折素子のＡＷＧ１１のＦＳＲが１５個、第２の回折素子の回折格子３１のＦＳＲが３個含まれる例を示した。すなわち、図６において、実線、破線、一点鎖線の３本が一組として示されているのは、周波数スキャン範囲における回折格子３１のＦＳＲの個数に対応する。また、３本×５組で合計１５本の矢印線が示されているは、周波数スキャン範囲におけるＡＷＧ１１のＦＳＲの個数に対応する。波長可変光源１の周波数スキャン範囲の中で、ＡＷＧ１１および回折格子３１の２つの回折素子の各ＦＳＲがいくつ含まれるかは、各波長分散素子の設計パラメータに依存する。したがって、当然に図６の構成だけに何ら限定されない。

また、図６では説明を簡単にするために、光源の掃引開始周波数が、アレイ導波路格子１１および回折格子３１の各ＦＳＲの開始周波数と一致し、かつ、回折格子３１の第２のＦＳＲがアレイ導波路格子１１の第１のＦＳＲのちょうど５倍となる例について説明した。すなわち、本発明の光計測装置では、好ましくは、波長可変光源１の前記掃引幅ΔＦは、回折格子１１のＦＳＲ、および、第２の回折格子３１のＦＳＲの、それぞれ整数倍の関係にあり、前記掃引された信号光の掃引開始周波数が、前記回折格子のＦＳＲの開始周波数に一致している。

しかしながら、光スキャニング部の実装にあたってはこの例の限りではなく、波長可変光源の掃引開始周波数は２つの波長分散素子のＦＳＲの端の周波数と一致しなくても良い。また、第１の波長分散素子（ＡＷＧ１１）の第１のＦＳＲと、第２の波長分散素子（回折格子３１）の第２のＦＳＲとが、必ずしも、周波数スキャン範囲（掃引幅ΔＦ）に対してそれぞれ整数倍の関係にある必要もない。

（実施例３）
図７は、本発明の実施例３の光計測装置における受光部の構成を示した図である。本実施例の受光部８は、上述の図１の構成を持つ実施例１、実施例２の受光部にそれぞれ適用可能である。受光部８は、大別して、干渉光を解析する検出部と検出タイミングを生じさせるタイミング信号生成部４７から構成される。受光ファイバ７を伝搬する、反射散乱光と参照光の干渉光は、フォトディテクタ４１へ入力され、干渉光は電気信号に変換される。この電気信号はアナログ信号であり、アナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器４２によりディジタル信号へ変換される。Ａ／Ｄ変換器２は、どのタイミングでどの周波数の光が検出されているかを知ることが必要である。波長可変光源１からの信号光の特定の光周波数におけるタイミング検出を実現するには、一例として、以下に述べるエタロンフィルタを利用した方法を用いることができる。

エタロンフィルタは、その透過域が、周波数軸上でＦＳＲ間隔に櫛型状に並んでいるフィルタとして知られている。周波数掃引した光をエタロンフィルタに入力すると、透過域ごとに光が透過するので、信号光の周波数の掃引とともに、エタロンフィルタ出力からあたかもパルス状に光が出る。波長可変光源１から出力された信号光は、タイミング信号生成部４７へ入力される。信号光は光ファイバカプラ４６などによりタップされて、エタロンフィルタ４３へと入力する。前述のように、エタロンフィルタ４３は入力された信号光の周波数が掃引され変化するのに伴って、パルス状の信号光を生成する。このパルス信号をフォトディテクタ４４により電気信号へ変換し、トリガ信号としてＡ／Ｄ変換器４２に与えられる。Ａ／Ｄ変換器４２は、このトリガ信号が入力されたタイミングで、前述のフォトディテクタ４１からの電気信号をサンプリング（Ａ／Ｄ変換処理）する。

波長掃引光源１の掃引周波数範囲とエタロンフィルタ４３の透過域の特性を予め適切に設定することによって、図７の構成によって所望のタイミングでの干渉信号の検出・解析が可能になる。本実施例の光計測装置では、図２の光スキャニング部における被測定物１０上のｘ軸方向の位置分解点の数に対応する頻度で、エタロンフィルタからトリガ信号を発生させる必要がある。より具体的には、本実施例では、エタロンフィルタのＦＳＲは、図３に示したようなｘ軸方向のスキャンにおける所望の位置分解能（位置分解点の数）を実現するようなタイミングでパルスを発生するように設定するのが好ましい。

Ａ／Ｄ変換器４２から出力されたディジタル信号は、ディジタル信号処理装置４５によりフーリエ変換処理等がなされ、被測定物１０の表層または内部における反射散乱点のｚ軸方向の位置が特定される。

（実施例４）
ＳＳ−ＯＣＴ装置などの光計測装置においては、生体などの被測定物の安定した断層イメージを取得するために、通常、光源の周波数スキャンをできるだけ高速に行うことが望ましい。しかしながら、実施例３のタイミング信号生成部４７の構成では、エタロンフィルタ４３のＦＳＲが狭くなると、フォトディテクタ４４から出力されるトリガ信号のパルス周波数（パルスの出力頻度）は非常に高速になる。このため、Ａ／Ｄ変換器４２に要求されるサンプリング周波数（変換時間）も同程度に高速である必要がある。また、一般に、高速なＡ／Ｄ変換器は変換分解能が良くないことも知られている。このように、Ａ／Ｄ変換器のサンプリング速度の上限は、本発明の光測定装置の高速スキャン動作にも制限を与える。そこで以下においては、干渉光のより高速なサンプリングおよび解析が可能な光測定装置のいくつかの実施例について、詳細に説明する。

図８は、本発明の実施例４の光計測装置における受光部の各部の構成を示した図である。図８の（ａ）は、受光部８の主に干渉光を検出する光学系の構成を示している。図８の（ｂ）は、タイミング信号生成部４７を含み、（ａ）に示した干渉光を検出する光学系以外の干渉光を解析する部分を含む受光部８の概ね全体の構成を示している。

図８の（ａ）を参照すると、受光ファイバ７から伝搬した、反射散乱光および参照光の干渉光は、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）５１により波長分解される。ＡＷＧ５１からの出射光は、さらに、第１のシリンドリカルレンズ５２および第２のシリンドリカルレンズ５３を経由して、受光センサのアレイであるリニアセンサ５４へと入射する。ＡＷＧ５１および２つのシリンドリカルレンズ５２、５３は、図２で示した実施例１の光スキャニング部９における光学系と同一の構成とするのが好ましい。本実施例の干渉光を検出する光学系では、光スキャニング部９における被測定物１０に代えて、同じ位置にリニアセンサ５４を備える。

図８の（ａ）および（ｂ）に示した受光部を持つ本実施例の光計測装置では、実施例３において１つのみであったＡ／Ｄ変換器４２を複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋに置き換えて並列構成とすることによって、１つ１つのＡ／Ｄ変換器に必要とされる変換速度を低減することができる。上述のように、図８の（ａ）に示した干渉光を波長分解する光学系は、図２に示した光スキャニング部９と同じ構成を持つ回折格子５１および光学系（レンズ５２、５３）によって波長分解され、干渉光の光信号は、さらにリニアセンサ５４により受光される。

本実施例のリニアセンサ５４は、実施例３におけるフォトディテクタ４１に対応する。すなわち、リニアセンサ５４は、ピクセルを構成する複数のフォトディテクタ（センサ素子）が１つの方向（ｘ軸方向）に配列されたものである。リニアセンサ５４は、干渉光から変換された電気信号群５５を出力する。すなわち、回折格子（ＡＷＧ）５１によるｘ軸方向の干渉光のスキャンに対応して、各々のフォトディテクタ（センサ素子）から順次、電気信号を出力される。したがって、リニアセンサ５４上の各ピクセルは、図２の光スキャニング部９におけるｘ軸方向の被測定物１０上のビームウェストの位置（たとえば、Ｐ）に対応させることができる。図２のスキャニング部９の光学系の構成と、図８の干渉光の波長分解をする光学系の構成が同一であれば、被測定物１０上のｘ軸上の特定の位置ｘｐにビームウェストがあるときに、受光リニアセンサ５４の点ｘｐに対応する特定位置のセンサ素子にもビームウェストがある。したがって、被測定物１０上のビームウェストの位置と、受光リニアセンサ５４のセンサ素子の位置とが１対１に対応することになる。このように、光スキャニング部９の回折格子１１と、検出部９の回折格子５１を同一構成のものとすることによって、スキャン中におけるｘ軸方向の光ビームの位置の可視化も容易になる。

図８の（ｂ）に示したように、リニアセンサ５４の各ピクセルのフォトディテクタ（センサ素子）により光電変換された電気信号は、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋに供給される。Ａ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋは、トリガ信号生成部４７により生成されたトリガ信号のタイミングでアナログディジタル変換を行う。したがって、トリガ信号も光スキャニング部９におけるＡＷＧ１１のスキャン、すなわちＦＳＲと同じ周期で発生させれば良い。光ビームのスキャンとともに、リニアセンサ５４の各フォトディテクタ（センサ素子）から順次電気信号が供給されるので、Ａ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋが、ディジタル信号に変換を行うタイミングは、実際には個々のＡ／Ｄ変換器ごとに若干ずれている必要がある。

このＡ／Ｄ変換器の変換タイミングの調整は、一例として、個々のＡ／Ｄ変換器のアナログ信号側に適切な時定数をもつコンデンサを配置して、フォトディテクタ（センサ素子）からの電気信号を積分しても良い。すなわち、センサ素子出力と各Ａ／Ｄ変換器との間に、図８の（ｂ）に例示的に１つのみを示したサンプルホールド回路７０を設けることができる。このようなサンプルホールド回路は、Ａ／Ｄ変換器の機能として含まれている場合もある。また別の例として、個々のＡ／Ｄ変換器へのトリガ信号に遅延を付加して、変換タイミングを制御しても良い。

したがって、本実施例の複数のＡ／Ｄ変換器を持つ構成に適合したトリガ信号は、図８の（ｂ）に示したトリガ信号生成部４７によりさまざまな方法によって供給できる。すなわち、トリガ信号生成部４７は、図８の（ｂ）のように、波長可変光源１からの光信号に基づいて、既存のデジタルパルス回路または論理回路などによってトリガ信号を生成し、リニアセンサ５４の各センサ素子からの電気信号に同期して、Ａ／Ｄ変換処理を行うことができればどのような方法で生成しても良い。また、波長可変光源１からの光信号ではなく、光スキャニング部からの干渉光を基に、トリガ信号生成部４７が動作しても良い。

一例を挙げれば、図８の（ｂ）のように、トリガ信号生成部４７で、波長可変光源１からの光信号に基づいて、実施例３の構成と同様にエタロンフィルタ５８およびフォトディテクタ５９を利用してトリガ信号を生成し、複数のＡ／Ｄ変換器へ供給できる。本実施例の場合、エタロンフィルタ５８のＦＳＲは、光スキャニング部のＡＷＧ１１のＦＳＲおよび受光部８のＡＷＧ５１のＦＳＲと同一で良い。実施例４のエタロンフィルタ５８は、実施例３におけるエタロンフィルタのパルス出力と比べて、パルスの頻度が非常に少なくて済み、トリガ信号の帯域幅も実施例３と比べて狭いもの（遅いもの）で済む。

したがって、本発明の光計測装置において、受光部８は、光スキャニング部９に含まれた回折格子１１と同一のＦＳＲを持ち、前記光スキャニング部９からの干渉光が入力される第３の回折格子（ＡＷＧ）５１と、前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記干渉光を収束させる集光レンズ５３と、前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子５４−１、５４−２・・・５４−Ｋを含むセンサアレイ（リニアセンサ）であって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイと、前記センサアレイの前記複数のセンサ素子の各々において、前記光スキャニング部における信号光の前記第１の方向（ｘ軸方向）のスキャンと同期して、前記干渉光から光電気変換された電気信号を、それぞれディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器５６−１〜５６−Ｋと、前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、前記被測定物の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置５７とを含むものとして実現できる。

上述のように本実施例の光測定装置では、リニアセンサ５４を使用して、干渉光の検出および電気信号への変換をリニアセンサ５４の個々のセンサ素子により分担している。光スキャニング部９における光ビームのｘ軸方向のスキャンと同期して、干渉光から変換した個々のセンサ素子からの電気信号を、複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋへ順次供給している。いわば、複数のＡ／Ｄ変換器へ、干渉光から変換された電気信号を時分割で供給している。１つのＡ／Ｄ変換器当たりのサンプリング（Ａ／Ｄ変換処理）の頻度を少なくすることで、Ａ／Ｄ変換器の変換速度の問題を解決できる。

上述の実施例４では、ＡＷＧおよび複数のセンサ素子を持つリニアセンサ５４を、光スキャニング部９からの干渉光の検出および変換のために使用していたが、実施例４の構成を変形して、トリガ信号の生成のためにＡＷＧおよびリニアセンサ５４を利用することもできる。実施例４の変形バージョンは、以下のように図８に示した実施例４の各部の構成を変更することによって得られる。

実施例４の変形バージョンでは、光スキャニング部９と同一の構成を持つ、図８の（ａ）の回折格子５１を含む光学系およびリニアセンサ５４は、複数のＡ／Ｄ変換器への複数のトリガ信号の発生のために利用される。したがって、 実施例４の変形バージョンでは、図８の（ａ）において、干渉光をＡＷＧ５１に入力するのではなく、図７に示した実施例３のように波長可変光源１からの光信号の一部を分岐してＡＷＧ５１に入力する。実施例４の変形バージョンでは、リニアセンサ５４の各センサ素子からの変換された電気信号は、複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋのアナログ入力端子ではなくて、Ａ／Ｄ変換のタイミングを決めるトリガ端子に入力される。従って、実施例４の変形バージョンでは、図８の（ｂ）におけるトリガ信号生成部４７は不要となる。

複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋのアナログ入力端子へは、図７で示した実施例３のように、光スキャニング部９からの干渉光を単一のフォトディテクタ４１で電気信号に変換して、変換された電気信号を複数に分岐して供給すれば良い。したがって、実施例４の変形バージョンでは、干渉光を変換した電気信号は、複数に分岐された後で、複数のＡ／Ｄ変換器に、同時に常時供給される。先に述べた、光スキャニング部９と同一の回折格子を持つ光学系およびリニアセンサ５４の各センサ素子からは、光スキャニング部９における光ビームのｘ軸方向のスキャンに同期して、順次、トリガ信号としての電気信号が出力されて、複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋのトリガ信号端子へ供給される。

単一のフォトディテクタ４１において干渉光から変換され、複数のＡ／Ｄ変換器に常時供給されている電気信号は、リニアセンサ５４の各センサ素子からの独立したトリガ信号のタイミングによって、それぞれサンプリングされる。いわば、複数のＡ／Ｄ変換器へ、時分割されたトリガ信号を供給し、Ａ／Ｄ変換を実行する。この実施例４の変形バージョンでも、１つのＡ／Ｄ変換器当たりの変換頻度を少なくすることで、Ａ／Ｄ変換器の変換速度の問題を解決できる。また、この実施例４の変形バージョンでは、Ａ／Ｄ変換器に対するタイミング生成のジッタ調整が簡単になるというメリットもある。

したがって、本発明の光計測装置の実施例４の変形バージョンは、受光部８は、光スキャニング部９に含まれた回折格子１１と同一のＦＳＲを持ち、波長可変光源１からの前記掃引された信号光の一部が入力される第３の回折格子５４と、前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記掃引された信号光を収束させる集光レンズ５３と、前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子５４−１、５４−２・・・５４−Ｋを含むセンサアレイ５４であって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイ（リニアセンサ）と、前記センサアレイの複数のセンサ素子の各々から出力されるトリガ信号のタイミングによって、前記カプラ３の第４のポート１０２から入力された干渉光を光電気変換した電気信号を、ディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器５６−１〜５６−Ｋと、前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、被測定物１０の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置５７とを含むものとしても実現できる。

実施例４およびその変形バージョンのいずれにおいても、Ｋ個のＡ／Ｄ変換器から出力された各ディジタル信号は、ディジタル信号処理装置５７によりフーリエ変換処理等がなされ、被測定物１０の表層または内部における反射散乱点のｚ軸上の位置が特定される。ＡＷＧ５１のＦＳＲの開始周波数および終了周波数は、それぞれ、リニアセンサ５４の概ね両端にあるセンサ素子に対応していれば良い。したがって、センサ素子の数は、ＡＷＧの波長分散方向（ｘ軸）方向における位置分解点の数だけあれば良い。位置分解点の数と一致している必要はない。

加えて、実施例４およびその変形バージョンを組み合わせて信号処理をすることも可能である。すなわち、実施例４の変形バージョンのＡＷＧおよびリニアセンサを含む構成によってトリガ信号を生成する。同時に、図８に示した実施例４のＡＷＧ５１およびリニアセンサ５４を含む構成によって干渉光の検出および電気信号への変換を行い、上述の実施例４の変形バージョンによるトリガ信号を使用して、図８に示した実施例４のＡＤ変換器５６−１〜ＫでＡ／Ｄ変換を実行するように信号処理しても良い。したがって、この場合には、光スキャニング部のＡＷＧ１１（第１のＡＷＧ）と、受光部８において、リニアセンサと組み合わせた干渉光の検出・電気信号への変換用のＡＷＧ５１（第２のＡＷＧ）と、リニアセンサと組み合わせたトリガ信号生成用のＡＷＧ（第３のＡＷＧ）とを備える構成となる。

また、実施例４の別のさらなる変形として、図８の（ｂ）におけるリニアセンサ５４の各センサ素子によって変換された後であって、サンプルホールド回路７０によるサンプルホールド処理の前の電気信号を、Ａ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋの各トリガ信号端子に供給しても良い。この構成では、干渉光の電気信号への変換タイミングに同期して、この電気信号自体で各Ａ／Ｄ変換器のトリガ信号を生成することになり、実施例４のトリガ信号生成回路４７に代替することで、受光部８の構成をより簡略化できる。

実施例３の受光部の構成とは異なり、図８の本実施例の光計測装置によれば、受光リニアセンサ５４上の個々のセンサ素子のその位置に干渉光が到達したタイミングは、光スキャニング部９において被測定物上の対応する位置ｘｐにビームウェストが到達したタイミングを示すことになる。リニアセンサ５４上の個々のセンサ素子では、ＡＷＧ１１、ＡＷＧ５１のＦＳＲに対応する時間間隔ごとに変換電気信号を出力する。したがって、Ｋ個のＡ／Ｄ変換器の各々は、対応するセンサ素子からの変換電気信号のタイミングで動作すれば良い。

前述の実施例３の受光部では、ｘ軸方向に所要の分解能を得るために、ビームウェスト位置ｘｐが移動して、位置分解点（分解能距離）が１つだけ変化するたびにタイミング信号生成部４７からトリガ信号が出力され、単一のＡ／Ｄ変換器４２で連続的にサンプリング処理がされる必要があった。一方、本実施例のリニアセンサ５４を含む構成によれば、リニアセンサの内の１つのセンサ素子が、変換された電気信号を複数のＡ／Ｄ変換器５６−１〜５６−Ｋへ出力するその速度（頻度）は、ｘ軸方向の位置分解点数分の１に低減される。各Ａ／Ｄ変換器におけるサンプリング（Ａ／Ｄ変換）動作も、ｘ軸方向の位置分解点数分の１の比較的遅い速度で実行されれば良い。

前述の実施例３の受光部では、干渉光を解析するために、単一の高速なＡ／Ｄ変換器を使用して新しい位置分解点ごとに高速で連続的な信号処理（Ａ／Ｄ変換）が必要であった。本実施例では、リニアセンサ５４を使用することによって、より低速なパラレル信号処理（Ａ／Ｄ変換）とすることができる。処理のパラレル化は電気信号処理だけではなく、本実施例のようにリニアセンサ５４を使用して光信号処理レベルで行う。Ａ／Ｄ変換器５６−１、５６−２、・・５６−Ｋの個々に要求される変換速度は、ＡＷＧ１１のＦＳＲにより決まるタイミングで済むため、すなわちセンサ素子数（Ｋ）分の１の速度で良い。したがって、Ａ／Ｄ変換の速度は程々で良いため、より高精度なＡ／Ｄ変換器を用いることも可能になり、光計測装置の測定ダイナミックレンジの向上につながる。

尚、本実施例では、センサ素子の数Ｋと、Ａ／Ｄ変換器の数Ｋとが同じで、１対１に対応しているものとして説明してきたが、本実施例の要点は、Ａ／Ｄ変換器に求められる高速な動作要件を緩和するために、信号処理のパラレル化を、電気信号処理だけではなくリニアセンサ（センサアレイ）５４を使用して光信号処理レベルで行うところにある。Ａ／Ｄ変換器の数は回路規模に比例するため、Ａ／Ｄ変換器の数を光測定装置の位置分解点の数まで増やすことが難しい場合もあり得る。

このような場合、実施例４の変形バージョンでは、リニアセンサにおけるセンサ素子の数を、間引きした状態で位置分解点の数より少なくし、同様にＡ／Ｄ変換器の数も間引きして少なくした構成として、センサ素子からの複数のトリガ信号を、さらに別の論理回路と組み合わせて、間引きした数のＡ／Ｄ変換器を動作させることができる。実施例３のようにが、ビームウェストが隣り合う別個の位置分解点に到達するたびごとに、単一のＡ／Ｄ変換器を高速に連続的な信号処理で動作させることを回避できる。間引きした数の複数のＡ／Ｄ変換器が交互に利用されるようにして、個々のＡ／Ｄ変換器に求められる変換速度（変換頻度）を遅くして、Ａ／Ｄ変換器の変換速度の制限を回避する構成をとることができる。複数のＡ／Ｄ変換器を交互に動作させるようなトリガ信号は、センサ素子からのトリガ信号と他の電気回路（論理回路、パルス回路、遅延回路など）を組み合わせて、様々な方法により生成される。

（実施例５）
上述の実施例４では、Ａ／Ｄ変換器による干渉光の検出において、１次元のリニアセンサを使用していた。このセンサアレイを２次元配置のものとすることによって、さらに低速の電気回路によって、受光部を構成できる。本実施例では、センサアレイを２次元配置とすることで、実施例２の３次元スキャンが可能な光計測装置に対応した受光部を構成することができる。

すなわち、光受光部の回折格子を含む光学系の構成を、図５のＡＷＧ１１および第２の回折素子３１を含む光学系として、被測定物１０の位置に、２次元のエリアセンサを設置した構成とすることで、実施例４における１次元リニアセンサを使用した場合と同様の効果を得ることが可能となる。２次元のエリアセンサの個々のセンサは、第２の波長分散素子である回折格子３１のＦＳＲがスキャンされるタイミングで信号検出をすれば良く、低速のエレクトロニクス回路を用いることで、干渉光の変換電気信号を順次、個々のＡ／Ｄ変換器へ供給する信号処理が可能になる。

尚、実施例２で、図６に示したように、光源の掃引開始周波数が、アレイ導波路格子１１および回折格子３１の各ＦＳＲの開始周波数と一致し、かつ、回折格子３１の第２のＦＳＲがアレイ導波路格子１１の第１のＦＳＲのちょうど５倍となる例について説明した。このような場合には、上述の２次元のエリアセンサの構成にする必要はなく、実施例４と同様に１次元のリニアセンサで済む。被測定物の位置分解点は、ｘｙ面上でズレなく整然と並び、ｙ軸上の位置が異なっても、ｘ軸上の各位置分解点の位置はそれぞれ同一であるからである。したがって、波長可変光源１の掃引幅ΔＦは、回折格子１１のＦＳＲ、および、第２の回折格子３１のＦＳＲの、それぞれ整数倍の関係にあり、前記掃引された信号光の掃引開始周波数が、前記回折格子１１のＦＳＲの開始周波数に一致している場合には、実施例２の光スキャニング部の構成と、実施例４のタイミング生成部における一次元のリニアセンサを組み合わせることもできることに留意されたい。また、実施例４の変形バージョンで説明したように、トリガ信号の生成のために、位置分解点の数よりも間引きした数のセンサ素子を持つエリアセンサを利用できることも同様である。

（実施例６）
前述のように、実施例１の光計測装置では、被測定物の反射散乱点が式（３）によって規定される位置よりも、ｚ軸方向の被測定物のより内部側にある場合は、その内部側の反射散乱点からの散乱光は干渉縞の信号周波数内にエイリアシング効果として見えていた。本実施例の光計測装置では、上述のエイリアシングに起因するゴーストを低減する構成を説明する。

図９は、本発明の実施例６の光計測装置においてエイリアシングに起因するゴーストを低減する方法を説明する図である。図９の（ａ）では、図４に示したのと同様に、干渉縞６１と被測定物の特定の位置における反射散乱光に寄与する信号光の各周波数成分との関係を示している。パルス信号に相当するサンプリング列は、ｓｉｎｃ関数６２状の形状を持つ。これにより、被測定物１０上におけるコヒーレンス関数は、図９の（ｂ）における実線で示したように矩形の窓関数が掛ることになり、ゴースト信号６５、６６をフィルタリングして除去できる。上述のｓｉｎｃ関数状のフィールドは、図２におけるＡＷＧ１１の設計パラメータを調整することによって簡単に実現できる。すなわち、ＡＷＧ１１のアレイ導波路１１ｃからの出力電界分布の形状を矩形にすれば良い。

図１０は、実施例６の光計測装置における被測定物上における信号光の電界分布を示す図である。アレイ導波路１１ｃの出射端の出力電界分布が矩形である場合は、シリンドリカルレンズ１３のフーリエ変換作用によって、被測定物１０内ではｘ軸方向にｓｉｎｃ形状になる。この電界分布は、ｘ軸上の点を固定してｘ＝ｘｐなる位置においてｚ軸方向を見ても、ｓｉｎｃ形状となっている。

図１１は、実施例６の光計測装置における信号光の電界分布において、図１０の線分Ａ−Ｂに沿ってｚ軸上の電界分布をプロットした図である。ｓｉｎｃ状の電界分布をｚ軸方向にも持つため、そのフーリエ変換は、すなわち矩形のフィルタを被測定物１０内から生じる反射散乱光の信号光にｚ軸方向にも掛けることになる。従って、本発明の光測定装置では、好ましくは、回折格子１１および前述の第２の回折格子３１のうち、少なくとも１つは、その出力フィールドが矩形形状を持っているものとして実現することができる。

一方で、この本実施例のエイリアシングに起因するゴーストを低減する方法を使用する場合では、ｘ軸方向の分解能やダイナミックレンジを犠牲にするので、断層プロファイルを取得しようとする被測定物１０の性状に合わせて、実施例１の構成または実施例２の構成を選択するのが好ましい。

上述のすべての実施例において、第１の回折格子としては、ＡＷＧの例を示したが、ＶＩＰＡ（Ｖｉｒｔｕａｌｌｙ Ｉｍａｇｅｄ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ）を利用することもできる。また、第２の回折格子については、エシェル格子として、第一の回折格子よりも次数を低く設定したＡＷＧやＶＩＰＡ、または次数の高い回折格子を利用できる。

以上詳細に説明をしてきたように、本発明によって、ガルバノミラー等による機械的な駆動機構を省き、計測の高速化および高精度化、広いダイナミックレンジを実現したＯＣＴ装置およびＯＣＴ測定方法を提供することができる。

本発明は、光計測装置に利用できる。特に、生体などのイメージを取得するＳＳ−ＯＣＴ装置に利用できる。

１、７１ 波長可変光源
２、５，７、４ 光ファイバ
３、７２、７７ 光カプラ
６、７９ ミラー
８ 光検出部
９ 光スキャニング部
１０、７６ 被測定物
１１、５１ ＡＷＧ
１２、１３、３２、５２ シリンドリカルレンズ
３１ 回折格子
４１、４４ ディテクタ
４２、５６−１、５６−２〜５６−Ｋ Ａ／Ｄ変換器
４３、５８ エタロンフィルタ
４５、５７ ディジタル信号処理装置
５４ リニアセンサ（センサアレイ）
５４−１、５４−２〜５４−Ｋ センサ素子
７０、１００ 光計測装置
７５ レンズ
１０１、１０２ 入力ポート
１０３、１０４ 出力ポート

Claims (8)

1. 周波数の掃引幅ΔＦを有する掃引された信号光を供給する波長可変光源と、
   前記波長掃引された信号光を入力する第１のポートと、前記波長掃引された信号光を分岐して参照光を出力する第２のポートおよび被測定物への信号光を出力する第３のポートを少なくとも有するカプラと、
   前記参照光が伝搬する伝搬路を有し、所定の第１の光路長を経て前記第２のポートに前記参照光を再入力する参照光処理部と、
   前記カプラからの信号光を、該信号光の進行方向に垂直な第１の方向にスキャンしながら空間に出力して前記被測定物に入射させる往路と、前記被測定物の表層または内部から反射または散乱された信号光が前記往路を逆方向に伝搬する復路とを有し、前記カプラの前記第３のポートに前記反射または散乱された信号光を入力するよう構成された光スキャンニング部と、
   前記カプラの第４のポートから、前記第２のポートに再入力された前記参照光、および、前記第３のポートに入力された前記反射または散乱された信号光の干渉光が入力され、前記干渉光の干渉縞の繰り返しピーク周波数間隔と、前記参照光処理部における前記所定の第１の光路長、並びに、前記光スキャンニング部における前記被測定物までの前記往路および前記復路で決定される第２の光路長の差分に基づいて、前記光進行方向における前記被測定物の反射または散乱点の位置を特定するよう構成された受光部と
   を備え、
   前記光スキャニング部は、前記第１の方向に波長分波作用を持つ回折格子を含むことを特徴とする光計測装置。
2. 前記回折格子のＦＳＲは、前記掃引幅ΔＦよりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
3. 前記光スキャニング部は、
   前記信号光の進行方向および前記第１の方向に直交する第２の方向に波長分波作用を持つ第２の回折格子をさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光計測装置。
4. 前記回折格子は、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）であってその回折次数をｍａとし、前記第２の回折格子の回折次数をｍｇとするとき、２≦ｍｇ＜ｍａの関係を満たすように各回折次数が設定されることを特徴とする請求項３に記載の光計測装置。
5. 前記掃引幅ΔＦは、前記回折格子のＦＳＲ、および、前記第２の回折格子のＦＳＲの、それぞれ整数倍の関係にあり、前記掃引された信号光の掃引開始周波数が、前記回折格子のＦＳＲの開始周波数に一致していることを特徴とする請求項３または４に記載の光計測装置。
6. 前記回折格子および前記第２の回折格子のうち、少なくとも１つは、その出力フィールドが矩形形状を持っていることを特徴とする請求項３または４に記載の光計測装置。
7. 前記受光部は、
   前記光スキャニング部に含まれた前記回折格子と同一のＦＳＲを持ち、前記光スキャニング部からの前記干渉光が入力される第３の回折格子と、
   前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記干渉光を収束させる集光レンズと、
   前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子を含むセンサアレイであって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイと、
   前記センサアレイの前記複数のセンサ素子の各々において、前記光スキャニング部における信号光の前記第１の方向のスキャンと同期して、前記干渉光から光電気変換された電気信号を、それぞれディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器と、
   前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、前記被測定物の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置と
   を含むことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の光計測装置。
8. 周波数の掃引幅ΔＦを有する掃引された信号光を供給する波長可変光源と、
   前記波長掃引された信号光を入力する第１のポートと、前記波長掃引された信号光を分岐して参照光を出力する第２のポートおよび被測定物への信号光を出力する第３のポートを少なくとも有するカプラと、
   前記参照光が伝搬する伝搬路を有し、所定の第１の光路長を経て前記第２のポートに前記参照光を再入力する参照光処理部と、
   前記カプラからの信号光を、該信号光の進行方向に垂直な第１の方向にスキャンしながら空間に出力して前記被測定物に入射させる往路と、前記被測定物の表層または内部から反射または散乱された信号光が前記往路を逆方向に伝搬する復路とを有し、前記カプラの前記第３のポートに前記反射または散乱された信号光を入力するよう構成された光スキャンニング部と、
   前記カプラの第４のポートから、前記第２のポートに再入力された前記参照光、および、前記第３のポートに入力された前記反射または散乱された信号光の干渉光が入力され、前記干渉光の干渉縞の繰り返しピーク周波数間隔と、前記参照光処理部における前記所定の第１の光路長、並びに、前記光スキャンニング部における前記被測定物までの前記往路および前記復路で決定される第２の光路長の差分に基づいて、前記光進行方向における前記被測定物の反射または散乱点の位置を特定するよう構成された受光部と
   を備え、
   前記光スキャニング部は、
   前記掃引幅ΔＦよりも狭いＦＳＲを有し、前記第１の方向に波長分波作用を持し、その出力フィールドが矩形形状を持っている回折格子と、
   前記回折格子の波長分波方向について、前記掃引された信号光を収束させる集光レンズとを含み、
   前記受光部は、
   前記光スキャニング部に含まれた前記回折格子と同一のＦＳＲを持ち、前記光スキャニング部からの前記干渉光が入力される第３の回折格子と、
   前記第３の回折格子の波長分波方向について、前記干渉光を収束させる集光レンズと、
   前記第３の回折格子の波長分波方向に平行に配列された複数のセンサ素子を含むセンサアレイであって、前記同一のＦＳＲの開始周波数に対応するセンサ素子と、前記同一のＦＳＲの終了周波数に対応するセンサ素子とが、前記配列された複数のセンサ素子の概ね両端に配置されたセンサアレイと、
   前記センサアレイの前記複数のセンサ素子の各々において、前記光スキャニング部における信号光の前記第１の方向のスキャンと同期して、前記干渉光から光電気変換された電気信号を、それぞれディジタル信号へ変換する複数のアナログディジタル変換器と、
   前記複数のアナログディジタル変換器の各々からのディジタル信号に基づいて、前記被測定物の反射または散乱点の位置の特定を行うよう構成されたディジタル信号処理装置とを含むこと
   を特徴とする光計測装置。

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