JP2019523414A - 全視野干渉撮像システム及び方法 - Google Patents

Abstract

一実施形態によれば、本発明は、サンプル（Ｓ）の全視野干渉撮像用のシステム（１００）であって、光源（１１１）を備えた照明経路（１０１）と、少なくとも１つの第１の対物レンズ（１１２）を備えた干渉計（１０３）と、入射面（１３０Ａ）を介して入射光波を受信するための、且つサンプル（Ｓ）を受け入れるための対象アームと反射装置（１３４）が配置される基準アームとを形成するための分割素子（１３０）であって、前記反射装置が、入射方向と相異なる方向に入射光波を反射するために用いられる分割素子（１３０）と、を含むシステム（１００）に関する。分割素子は、対象アームに送信される入射光波の光パワーの割合が、基準アームに送信される光波の光パワーの割合より厳密に高いように、等しくない反射係数及び透過係数を有する。システム（１００）はまた、２次元画像取得装置（１２１）を含む検出経路（１０２）を含み、照明経路（１０１）及び検出経路（１０２）は、分割素子（１３０）の前記入射面を含み、且つ反射素子（１５１）によって分離される共通経路を含む。

Description

本説明は、全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像方法及びシステムに関する。特に、本説明は、指紋の取得及び皮膚の撮像に適用される。

インコヒーレント光を用いる全視野光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）撮像によって画像を取得するための技術が、干渉顕微鏡検査用途のために説明され、それらの技術は、生物組織の深部で画像を取得するための非常に有効な非侵襲的で非破壊的な方法である。

全視野干渉顕微鏡検査技術が、例えば、“Ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”ｂｙ Ａ．Ｄｕｂｏｉｓ ａ Ｃ．Ｂｏｃｃａｒａ，ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｏｒｋ “Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”−Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｄｒｅｘｌｅｒ−Ｊａｍｅｓ Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ−Ｅｄｉｔｏｒｓ−Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ２００９の記事で説明され、その実験装備が、図１Ａに再現されている。

先行技術から周知の、且つ特に図１Ａに再現されている干渉顕微鏡検査システム１０は、低コヒーレンス光源１１を備えた照明チャネル１と、撮像するのが望ましいサンプルＳの平面及びカメラの検出面を光学的に共役にできるようにするカメラ２１及びレンズ２２（いわゆるチューブレンズ）を備えた検出チャネル２と、を含む。システム１０は、光源１１によって放射された光波を受信するために、且つサンプルＳが配置される対象アーム及び基準ミラー３４が配置される基準アームにそれぞれ光波を送るために適した分割素子３０を含む干渉計３−この例ではリニク（Ｌｉｎｎｉｋ）装置−を更に含む。対象アーム及び基準アームのそれぞれには、図１Ａにおいてそれぞれ３１及び３２の符号を付けられた同一の顕微鏡対物レンズが配置される。軸方向移動装置３３、３５、例えば圧電モータは、サンプルＳ及び基準ミラー３４が、顕微鏡対物レンズ３１の光学軸に沿って、且つ顕微鏡対物レンズ３２の光学軸に沿ってそれぞれ移動できるようにする。実際に、サンプルＳ、例えば生物組織のサンプルは、サンプル表面の平面性を保証し、且つ従ってサンプルの表面における地形的な不規則性が引き起こす可能性がある収差を回避するシリカ窓に当てられてもよい。窓の表面からの反射の寄生信号を低減するために、反射防止処理が、窓の表面上に施されるか、又はシリカの屈折率に似た屈折率を有するカップリング液を備えた液浸対物レンズが用いられてもよい。

全視野ＯＣＴ撮像技術は、サンプルが、小さなコヒーレンス長の光源によって照明される場合に、サンプルによって後方散乱された光の利用、及び特に生体サンプルの場合に細胞及び組織の微細構造によって後方散乱させた光の利用に基づく。この技術は、サンプルの深部に位置する仮想スライスによって後方散乱された光を分離するために、光源の低時間コヒーレンスを利用する。干渉計の使用によって、サンプルにより後方散乱された光波と基準ミラーにより反射された光波との間の干渉を介して、サンプルの所与のスライスから生じる光を選択的に表す干渉信号を生成することができるようになり、且つサンプルの残りから生じる光を除去できるようになる。この技術は、約１μｍの典型的な分解能を備えた３次元画像を取得できるようにする。

ごく最近、Ｅ．Ａｕｋｓｏｒｉｕｓ ｅｔ ａｌ．（“Ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１４（２０１５））は、特にサンプルを保持するための要素の窓によって形成された空気／ガラス界面からの正反射の抑制によって、図１Ａに示されているタイプの全視野干渉顕微鏡検査システムにおいて、画像のコントラストがどのように明確に改善され得るかを示した。

図１Ｂは、上記で引用されたＥ．Ａｕｋｓｏｒｉｕｓらによる記事に説明されている実験装備の概略図を示す。図１Ｂに示されている干渉顕微鏡検査システム２０は、ちょうど図１Ａに示されている干渉顕微鏡検査システムのように、照明チャネル１、検出チャネル２、及び干渉計３を含む。干渉計３は、分割素子３０によって形成された対象アーム及び基準アームのそれぞれに、３１及び３２の符号を付けられた顕微鏡対物レンズをそれぞれ含む。照明チャネルは、光源１１に加えて、顕微鏡対物レンズの画像焦点面に光源１１を結像するための光学系１２、１３を含む。顕微鏡対物レンズ３１、３２の画像焦点面は、顕微鏡対物レンズ３１及び３２の瞳平面Ｐ１、Ｐ２とそれぞれ一致する。光源１１の開口絞りとほぼ一致する、平面１４に配置された開口絞りは、光源の空間的広がりを調整できるようにし、基準ミラーと共役である平面１５に配置された視野絞りは、サンプル上の視野を調整できるようにする。検出チャネル２は、カメラ２１及びチューブレンズ２２に加えて、光中継システム２３、２４を含み、光中継システム２３、２４は、瞳平面Ｐ１、Ｐ２と共役である瞳平面Ｐを形成できるようにする。正反射の抑制は、瞳平面Ｐ１、Ｐ２の共役平面Ｐにおける、検出チャネルに配置された不透明ディスク２５によって得られる。更に、基準アームにおける基準ミラーは、０次が、不透明ディスクによってブロックされるように、ブレーズド格子３６によって取り替えられ、光干渉は、格子によって回折された一次（ブレーズ効果を介して支配的である）とサンプルによって後方散乱された光との間で発生し、後方散乱された光は、不透明ディスクによって部分的にのみブロックされる。平面１４における開口絞りの寸法は、不透明ディスク２５の平面における開口絞りの画像の寸法が、不透明ディスク２５の寸法より小さいように調整される。従って、干渉計から発せられた正反射の全てがブロックされる。かかるシステムは、特に液浸顕微鏡対物レンズと共に動作することが不可能な場合に、サンプルを保持するための要素の窓における反射防止処理なしで済ますことを可能にする。

しかしながら、用いられる全視野ＯＣＴ撮像システムが何であっても、システムの感度は、カメラによって検出され得るサンプルから来る光量によって制限される。特に、Ｒが、分割素子３０の反射係数であり、Ｔが、その透過係数である場合で、且つ分割素子が、光学的に無損失である（Ｒ＝１−Ｔ）と仮定される場合に、サンプルから来る収集することが可能な最大光量は、Ｒ×Ｔ＝Ｔ（１−Ｔ）と等しく、且つＲ＝Ｔ＝０．５の最適条件を有し、これは、光源によって放射される光量の２５％に等しいサンプルから来る最大光量に相当する。

サンプルから来るより高い光束を収集する可能な１つの方法は、光源の光強度を増加させることであろうが、しかしこれは、特に、用いられる光源の光子予算に対する制限故に、且つあるサンプルの感光性故に常に可能とは限らない。１つの別の方法は、反射された光束及び分割素子によって透過された光束の両方を収集するために、検出チャネルを二重にすることであろうが、しかしこれは、２台のカメラを必要とすることになろう。

"Ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ"ｂｙ Ａ．Ｄｕｂｏｉｓ ａ Ｃ．Ｂｏｃｃａｒａ，ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｏｒｋ"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"−Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｄｒｅｘｌｅｒ−Ｊａｍｅｓ Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ−Ｅｄｉｔｏｒｓ−Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ２００９ Ｅ．Ａｕｋｓｏｒｉｕｓ ｅｔ ａｌ．（"Ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．１４（２０１５））

本説明は、しかしながらサンプルに入射する光束もカメラの数も増加させずに、周知の先行技術システムに対して、カメラによって検出され得るサンプルから来る光量を増加できるようにする全視野ＯＣＴ撮像システム用のオリジナルのアーキテクチャを提案する。かかる全視野ＯＣＴ撮像システムは、指紋の取得及び皮膚の撮像などの用途のための低コストシステムに特に適している。

第１の態様によれば、本説明は、入射光波を放射するための光源を含む照明チャネルと、干渉計と、２次元画像を取得するための装置を含む検出チャネルと、処理ユニットと、を一般に含む、サンプルを撮像するための全視野光コヒーレンストモグラフィシステムに関する。

第１の態様による撮像システムの干渉計は、少なくとも１つの第１の対物レンズと、第１の対物レンズの画像焦点面の近くに、又は第１の対物レンズの画像焦点面と共役である平面近くに配置される光源と、入射面を介して、入射光波を受信するのに適した、且つサンプルを受け入れるように意図された対象アーム及び反射装置が配置される基準アームを形成するのに適した分割素子と、を含む。分割素子は、対象アームに送信される入射光波の光パワーの割合が、基準アームに送信される入射光波の光パワーの割合より厳密に高いように、等しくない反射係数及び透過係数を有する。対象アームにおける反射装置は、入射の方向とは異なる方向に入射光波を導くのに適している。

更に、第１の態様による撮像システムの干渉計は、サンプルが干渉計の対象アームに配置された場合に、撮像フィールドの各ポイントにおいて、撮像フィールドの前記ポイントに対応する反射装置の基本面からの入射光波の反射によって取得された基準波と、所与の深さにおけるサンプルのスライスのボクセルによる入射光波の後方散乱によって取得された対象波との間の干渉を生成するのに適しており、前記ボクセルは、撮像フィールドの前記ポイントに対応する。

２次元画像を取得するための装置は、反射装置の共役平面に配置され、且つ撮像フィールドの各ポイントにおいて生成された干渉に起因する２次元干渉信号を取得するのに適している。

照明チャネル及び検出チャネルは、分割素子の前記入射面を含む共通チャネルを含み、且つ反射素子によって分離され、反射素子は、前記第１の対物レンズの画像焦点面の近くに、又は第１の対物レンズの前記画像焦点面の共役平面の近くに配置され、前記反射素子は、検出チャネルにおいて、基準アームの反射装置によって導かれる光波の少なくとも１つの部分を通過させるのに、照明チャネルにおいて、入射光波の少なくとも１つの部分を通過させるのに適している。

処理ユニットは、前記２次元干渉信号からサンプルの画像を計算するように構成される。

本出願人は、全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムのこのオリジナルのアーキテクチャが、周知の先行技術システムに対して、サンプルによって後方散乱され、且つカメラによって検出され得る光パワーを増加させることが可能であるが、サンプルに入射する光パワーもカメラの数も増加させずに可能であることを示した。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、分割素子の反射係数及び透過係数は、分割素子に入射する光波の光パワーの少なくとも９０％が、対象アームに送信されるようにされる。本出願人は、かかる構成を用いれば、サンプルによって後方散乱され、且つカメラによって検出され得る光パワーが、周知の先行技術システムの３倍を超えて増加されることを示した。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、反射素子は、第１の対物レンズの光学軸に対して傾斜されるミラーを含み、ミラーは、入射光波の通過用にアパーチャをあけられ、アパーチャの寸法は、検出チャネルの中に導かれる光の全てをブロックするわけではないように十分に小さい。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、反射素子は、入射光波を共通チャネルの方へそらすために、第１の対物レンズの光学軸に対して傾斜されるミラーであって、検出チャネルの中に導かれる波の全てをブロックするわけではないように十分に小さい寸法を有するミラーを含む。

これらの例示的な実施形態の１つ又は複数において、所与の幾何学的広がりの空間インコヒーレント光源の場合に、アパーチャの−又は傾斜ミラーの−最大寸法は、恐らく、ミラーにおける光源の画像の幾何学的広がりの最大寸法より小さいか又はほぼ等しく選択される。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、基準アームの反射装置は、反射回折格子、例えばブレーズド格子を含む。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、基準アームの反射装置は、傾斜ミラーを含む。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、干渉計は、マイケルソン干渉計であり、前記第１の対物レンズは、照明チャネル及び検出チャネルの共通チャネルに配置される。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、干渉計は、リニク干渉計であり、且つ干渉計の基準アームにおける前記第１の対物レンズ及び干渉計の対象アームにおける第２の対物レンズを含む。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、前記対物レンズは、顕微鏡対物レンズである。

第２の態様によれば、本説明は、第１の態様による撮像システムによってサンプルを撮像するための全視野光コヒーレンストモグラフィ方法を含む。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、方法は、
− 干渉計の対象アームにサンプルを配置することと、
− 前記干渉計によって、撮像フィールドの各ポイント用に、干渉計の基準アームの反射装置から入射光波の反射によって取得された基準波であって、前記基本面が、撮像フィールドの前記ポイントに対応する基準波と、所与の深さにおけるサンプルのスライスのボクセルによる入射波の後方散乱によって取得された対象波であって、前記ボクセルが、撮像フィールドの前記ポイントに対応する対象波との間の干渉を生成することと、
− 対象アームと基準アームとの間の光路差の少なくとも１つの値用に、撮像フィールドの各ポイント用の干渉に起因する少なくとも１つの２次元干渉信号を取得することと、
− 前記２次元干渉信号からサンプルの画像を計算することと、
を含む。

撮像システムに関して言及された利点は、本説明の第２の態様による撮像方法へと置き換えることが可能である。

本説明の第２の態様による撮像方法の様々な実施形態は、一緒に組み合わせてもよい。

本説明の様々な態様の様々な特徴及び実施形態もまた、一緒に組み合わせてもよい。

上記で提示した撮像技術の他の利点及び特徴は、以下の詳細な説明を読むことで明らかになろう。詳細な説明は、図を参照して提示される。

（既に説明した）先行技術による第１の全視野干渉顕微鏡検査システムを示す。 （既に説明した）先行技術による第２の全視野干渉顕微鏡検査システムを示す。 本説明の第１の実施形態による全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムの例示的な実施形態の概略図を示す。 本説明の第１の実施形態による全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムの例示的な実施形態の概略図を示す。 格子型反射装置（図３Ａ）からの、且つミラー型反射装置（図３Ｂ）からの光波の反射を概略図を介して示す。 格子型反射装置（図３Ａ）からの、且つミラー型反射装置（図３Ｂ）からの光波の反射を概略図を介して示す。 本説明の第２の実施形態による全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムの例示的な実施形態の概略図を示す。 本説明の第２の実施形態による全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムの例示的な実施形態の概略図を示す。 図２Ｂに示されているような全視野光コヒーレンストモグラフィ撮像システムによって、生体内で取得された皮膚要素の断面の実験画像を示す。

本説明に従ってサンプルＳを撮像するための方法を実行するのに適した光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）撮像システム１００、２００の２つの例が、図２Ａ及び２Ｂに概略的に示されている。

これらの例のそれぞれにおいて、ＯＣＴ撮像システムは、特に入射光波を放射するための光源１１１を備えた照明チャネル１０１と、特に２次元画像を取得するための装置１２１を含む検出チャネル１０２と、少なくとも１つの対物レンズ、この例では１１２の符号を付けられた対物レンズ、及び入射面１３０_Ａを介して入射光波を受信するのに適した分割素子１３０を含む干渉計１０３と、を含む。分割素子１３０は、画像、例えば所与の深さにおけるトモグラフィ画像を生成することが望ましいサンプルＳを受け入れるように意図される対象アームと、反射装置（図２Ａの１３４及び図２Ｂの１３５）が配置される基準アームと、を形成するのに適している。基準アームにおいて、反射装置は、両方向矢印１３３によって表された軸方向移動装置、例えば圧電モータ、ステッパモータ、又はそれら両方の組み合わせに実装されてもよい。軸方向移動装置は、反射装置が、軸方向に移動できるように、即ち対物レンズ１１２の光学軸Δによって画定され、図２Ａにおいてドット破線によって表された光学軸に沿って移動できるようにし、且つ対象アームと基準アームとの間の光路差を特に修正できるようにする。対象アームにおいて、サンプルＳは、例えば、入射光波に対して透過性の窓１３１、例えばシリカで作製された窓に当てられる。１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、サンプルＳはまた、サンプルの軸方向移動を保証するために、且つ画像を形成することが望ましい深さを調整するために、軸方向移動装置（図２Ａ及び２Ｂには示されていない）、例えば圧電モータ、ステッパモータ、又は両方の組み合わせに実装されてもよい。代替として、反射装置を軸方向に移動させるための軸方向移動装置１３３が、この機能を実行してもよい。ＯＣＴ撮像システムは、一方で２次元画像を取得するために装置１２１に、他方で移動可能な装置に接続された処理ユニット１０４を更に含む。

例示的な一実施形態によれば、干渉計１０３は、一方で干渉計の基準アームの反射装置１３４、１３５の表面の各基本面による、光源１１１によって放射された光の反射によって取得された基準波と、他方でサンプルの深部に位置するサンプルＳのスライスの各ボクセルによる、同じ光源によって放射された光の後方散乱によって取得された対象波との間の光干渉を生成するのに適しており、サンプルＳは、干渉計の対象アームに配置され、前記ボクセル及び前記基本面は、撮像フィールドの同じポイントに対応する。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、光源１１１は、時間インコヒーレント光源、又は小さな時間コヒーレンス長（１〜１００μｍに含まれるコヒーレンス長を有利に有する）光源である。それは、例えばハロゲンランプ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。

取得装置１２１は、基準波と対象波との間の干渉に起因する少なくとも１つの２次元干渉信号を取得できるようにする。取得装置１２１は、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラなどの画像センサである。かかる取得装置は、高速で、例えば数百Ｈｚより高い、又は１ｋＨｚさえ超える周波数で画像を取得することができる。

処理ユニット１０４は、取得装置１２１によって取得された少なくとも１つの２次元干渉信号を処理する少なくとも１つのステップ、及び／又はサンプルＳのスライスの少なくとも１つの画像を生成するために、本説明による撮像方法の少なくとも１つに従って画像を生成する少なくとも１つのステップを実行するように構成される。

一実施形態において、処理ユニット１０４は、デジタル画像を格納するための第１のメモリＣＭ１（図示せず）と、プログラム命令を格納するための第２のメモリＣＭ２（図示せず）と、データプロセッサと、を含み、データプロセッサは、取得装置１２１によって取得された少なくとも１つの２次元干渉信号を処理する少なくとも１つのステップ、及び／又は本説明による撮像方法の少なくとも１つに従って画像を計算する少なくとも１つのステップの実行を特に制御するために、この第２のメモリＣＭ２に格納されたプログラム命令を実行することができる。処理ユニットはまた、処理ユニットに関してこの文献で説明される１つ又は複数の機能を実行するのに適した電子コンポーネントを含む集積回路の形を取ってもよい。処理ユニット１０４はまた、１つ又は複数の物理的に別個の装置によって実現されてもよい。

図２Ａ及び２Ｂに示されている干渉計１０３は、マイケルソン干渉計であり、対物レンズ１１２を含み、光源１１１は、対物レンズ１１２の画像焦点面の近くに配置される。従って、光源１１１によって放射され、対物レンズ１１２から出力される入射光波は、分割素子１３０の入射面１３０_Ａに当たるときに、ほぼ平行にされる。１つ又は複数の実施形態によれば、光源１１１は、対物レンズ１１２の画像焦点面と共役である平面の近くに配置されてもよく、その場合に、照明チャネルは、対物レンズの画像焦点面に光源の画像を伝達するための光学系を含む。

図２Ａ及び２Ｂに示されているように、分割素子１３０は、対象アームに送信される入射光波（残りの説明ではより簡単に「入射光パワー」と呼ばれる）の光パワーが、基準アームに送信される入射光波の光パワーより厳密に高いように、等しくない反射係数及び透過係数を有する。図２Ａ及び２Ｂの例において、入射光波用の反射係数は、入射面に入射する光パワーのより大きな部分が、サンプルＳが位置する対象アームの方へ反射されるように、透過係数より厳密に高い。代替として、透過係数は、反射係数より厳密に高くてもよく、その場合に、図２Ａ及び２Ｂにおいて、対象アーム及び基準アームの位置は、逆にされることになろう。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、分割素子の反射係数及び透過係数は、分割素子に入射する光パワーの少なくとも７５％、有利には少なくとも９０％が、対象アームに送信されるようにされる。

従って、図２Ａ及び２Ｂに示されているように、検出チャネル１０２は、対象アーム及び基準アームに加えて、分割素子１３０の前記入射面１３０_Ａを含む共通チャネルを照明チャネル１０１と共に含む。検出チャネル及び照明チャネルは、対物レンズ１１２の画像焦点面の近くに、又は対物レンズ１１２の画像焦点面と共役である平面の近くに配置される反射素子１５１によって分離される。図２Ａ及び２Ｂの例において、反射素子は、放射光源１１１の平面とほぼ一致する平面に配置される。

より正確には、これらの例において、反射素子１５１は、検出チャネルにおいて、基準アームの反射装置によって導かれた光波の少なくとも１つの部分を通過させることができ、且つ照明チャネルにおいて、放射光源１１１によって放射された光波の少なくとも１つの部分を通過させることができるアパーチャミラーである。これを行うために、基準アームの反射装置は、以下でより詳細に説明されるように、入射波の入射方向とは異なる方向に入射光波を導くことに適している。従って、この例において、放射光源１１１によって放射された光波が、アパーチャを通過するのに対して、基準アームの反射装置によって反射された波は、検出チャネルの取得装置１２１の方へ導かれる。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、光源１１１は、低時間コヒーレンスを有するが、空間コヒーレントである。例えば、光源１１１は、スーパールミネッセントダイオード、モード同期チタンサファイアレーザ、スーパーコンティニウムファイバレーザ（即ち非線形ファイバ、例えばフォトニック結晶ファイバにおけるスーパーコンティニウムの生成に基づいたレーザ）である。この場合に、入射光波の焦点が非常に小さいので、ミラー１５１におけるアパーチャは、非常に小さく、典型的には５μｍ〜１００μｍに含まれる最大横断寸法（例えば円形アパーチャの場合の直径の寸法）であり、アパーチャ故の後方散乱信号の損失は、無視できる。しかしながら、空間コヒーレント源は、クロストークを導入するリスクがある。

１つ又は複数の例示的な実施形態によれば、光源１１１は、低時間コヒーレンスを有し、且つ空間インコヒーレントである。それは、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、ハロゲンランプ、又はアークランプである。従って、クロストーク効果は、回避される。この場合に、アパーチャミラー１５１のアパーチャは、後方散乱された光束をそれほど失わずに、−光源の可能な最も高い光パワーから利益を得るために−光源の可能な最も大きな幾何学的広がりをカバーする寸法にされる。従って、典型的には、アパーチャ用の最大寸法（例えば直径）として、アパーチャを備えた光源レベルの幾何学的広がりの最大寸法より小さいか又はほぼ等しい寸法、例えば光源の空間的広がりに依存して、１ｍｍ〜５ｍｍに含まれる寸法を選択することが可能である。例えば、ＬＥＤは、一般に、１ｍｍ×１ｍｍサイズの放射エリアを有する。しかしながら、放射された光波は、非常に発散性であり、発散を低減させるために、例えば４ｍｍ×４ｍｍに放射エリアを増加させることが必要になり得、その結果、全ての光は、対物レンズ１１２によって収集することができる。次に、対応する寸法のアパーチャ、例えば約４ｍｍの直径の円形アパーチャが、恐らく選択される。

相異なる反射係数及び透過係数を備えた分割素子１３０を使用すると、上記の照明チャネル及び検出チャネルの配置によって、先行技術において識別された、光源によって放射された光量の２５％と等しいサンプルから来る最大量を超過することが可能になる。

特に、Ｒが、分割素子１３０の反射係数であり、Ｔが、その透過係数である場合に、且つ分割素子が、光学的に無損失であると仮定される場合に、収集することが可能なサンプルから生じる最大発光パワーは、Ｒ＞Ｔ（図２Ａ及び２Ｂにおけるように）を仮定した場合に、対象アームにおけるＲ×Ｒ及び基準アームにおけるＴ×Ｔと今や等しい。従って、例えば、Ｒ＝９０％及びＴ＝１０％である場合に、且つ反射装置１３４が、入射光波の１００％を反射すると仮定される場合に、光の１％が、基準アームにおける分割素子を通る二重の通過後に透過されることになる。これは、ほとんどの生物組織の撮像用に最適な光の割合である。何故なら、反射装置によって且つサンプルによって反射されるほぼ同じ光量を有することが求められるからである。サンプルＳが、入射光の１００％を反射すると仮定される場合に、サンプルから来る収集することが可能な最大光パワーは、先行技術で説明されるような５０／５０分割素子で取得される光パワー即ち光量の３倍を超えることになる。

図２Ａの例において、反射装置１３４は、反射回折格子、例えばブレーズド格子であり、光干渉は、格子によって回折された１次（ブレーズ効果を介して支配的な）と、サンプルによって後方散乱された光との間で生じる。

格子を必要な大きさにするために、第１に、格子によって回折された光が、アパーチャから離れるように導かれるようにできる角度αが決定される。ｆが、対物レンズ１１２の焦点距離であり、Ｄが、アパーチャミラー１５１におけるアパーチャの直径である場合に、角度αは、
α＝Ａｒｃｔａｎ（Ｄ／ｆ） （１）
に従う。

次に、入射波が角度αで回折されるようにできる格子が選択される。例えば、次の格子式を用いることが可能である。
ｄ＝λ／ｓｉｎ（α） （２）
この式で、ｄは、格子の２つの線間の距離であり、λは、波長である。

従って例えば、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ及び直径Ｄ＝４ｍｍに対して、α＝２．３°が計算される。そこからｄ＝λ／ｓｉｎ（α）≒λ×ｆ／Ｄ＝０．８５μｍ×１００ｍｍ／４ｍｍ＝２１．２５μｍ、又は線密度の点から１ミリメートル当たり４７行（ｌｐｍ）を推定することが可能である。

回折格子以外の反射装置が可能である。

従って、図２Ｂの例において、反射装置１３５は、単一の傾斜ミラーを含み、その傾斜ミラーはまた、入射波の入射の方向とは異なる方向に入射光波を導くのに適している。この場合に、ミラー１３５の傾斜は、ミラーによって反射された波が、アパーチャの中に導かれないように、同じように選択されなければならない。この目的で、対物レンズ１１２の光学軸に対してα／２に等しい角度で傾斜されたミラーが、例えば選択されよう。

実際に、本説明によるＯＣＴ撮像システムにおいて、図３Ａ及び３Ｂに関連して説明される理由で、反射装置として回折格子又は傾斜ミラーを使用することが恐らく好ましい。

回折格子は、例えば、サンプルの正面画像が望ましい場合に用いられてもよい。特に、図３Ａに示されているように、格子１３４によって回折されるビーム３０３のコヒーレンススライス３１３の向きは、格子に入射するビーム３０１のコヒーレンススライス３１１の向きと同じである。サンプルによって後方散乱された光もまた、そのコヒーレンススライスを入射ビームと平行に保持するので、後方散乱された光は、正面において−視野のどこでも−基準ビームと干渉し、従って正面画像を生成する。例えば、正面撮像は、指紋の撮像において好ましい。何故なら、内部指紋が、この向きを有するからである。

傾斜ミラー（１３５、図３Ｂ）を使用する場合に、反射ビームのコヒーレンススライス３１２は、入射ビーム３０１のコヒーレンススライス３１１に対して傾斜される。従って、かかる基準ビームが、サンプルによって後方散乱されたビームと干渉する場合に、画像が、上記の正面状況に対して非ゼロ角度で生成される。この撮像モードは、表面に対して傾斜される断面を備えた画像を取得することが望ましい場合に、又は表面と平行に向けられた様々な層が、単一画像において捕捉されなければならない場合に、用いられてもよい。

図２Ａ及び２Ｂの例において、残りの説明では「中間レンズ」と呼ばれる光学部品１２２、例えば色消しダブレットは、検出チャネル１０２に配置され、この中間光学部品は、干渉計によって生成された干渉信号を取得装置によって取得できるようにするために、対物レンズ１１２の合焦対象面及び取得装置１２１の検出面を共役にできるようにする。中間レンズの焦点距離は、取得装置１２１によるサンプルＳの適切なサンプリングを可能にするように選択される。光学部品１２２の焦点距離は、例えば３０ｍｍ〜３００ｍｍに含まれ、且つ例えば約１００ミリメートルである。

図４は、図２Ａに示されているものに似たＯＣＴ撮像システムの別の実施形態を示すが、しかしその実施形態において、反射素子は、光源１１１によって生成された入射光波を共通チャネルの方へそらすために、対物レンズ１１２の光学軸に対して傾斜される小さなミラー１５２を含む。ミラー１５２は、対物レンズ１１２の画像焦点面に配置される。ミラー１５２の寸法は、検出チャネルの中に導かれる波の全てをブロックするわけではないように十分に小さい。実際に、ミラー１５２は、アパーチャミラー１５１のアパーチャ用に説明された制約と同じ制約に沿うような大きさにされる。従って、ミラーの最大寸法は、一例によれば、ミラーの平面における光源の画像の幾何学的広がりの最大寸法より小さいか、又はそれとほぼ等しくてもよい。

図４に示されているように、この例示的な実施形態において、照明チャネル１０１は、光源１１１の画像を対物レンズ１１２の画像焦点面に伝達するための光学系１１３を含む。

図４の例において、反射装置１３４は、反射回折格子である。もちろん、上記のように、類似のＯＣＴ撮像システムが、反射回折格子を傾斜ミラーと取り替えることによって取得され得る。

図２Ａ、２Ｂ及び４に示されているＯＣＴ撮像システムの例において、干渉計は、マイケルソン干渉計であり、且つ分割素子１３０の上流に配置される対物レンズ１１２を含む。もちろん、他のタイプの干渉計、及び特にリニク干渉計が、本説明によるＯＣＴ撮像システム用に構想されてもよい。

従って、図５は、図４に示されているＯＣＴ撮像システムにほぼ似ているが、しかしリニク干渉計を含むＯＣＴ撮像システムの例を示す。

次に、干渉計１０３は、干渉計の基準アームにおける第１の対物レンズ１３８と、干渉計の対象アームにおける第２の対物レンズ１３７を含む。

これらの素子は、全て、前の例（図２Ａ、２Ｂ及び４）と同じ方法で必要な大きさにされてもよいが、しかし対物レンズ１１２ではなく第１の対物レンズ１３８を考える。

図５に示されている例において、照明チャネル１０１及び検出チャネル１０２に共通のチャネルは、反射素子、この例ではミラー１５２を第１の対物レンズ１３８の画像焦点面と共役にできるようにする光中継器１１４、１１５を更に含む。

図５で分かるように、この例において、対象アームは、分割素子１３０によって透過された入射光波を受信し、分割素子１３０の透過係数は、その反射係数より厳密に高い。しかし別の例において、対象アームは、分割素子１３０の反射係数が、その透過係数より厳密に高い場合に、分割素子１３０によって反射された入射光波を受信することが可能である。

上記の例において、示されている分割素子１３０は、キューブビームスプリッタである。もちろん、入射光パワーを不均一な部分に分割するのに適した任意の装置が用いられてもよい。例えば、分割素子１３０は、２つのプリズムからなるキューブビームスプリッタ、ペリクルビームスプリッタ、又はガラスプレートにエッチングされた回折格子である。

本説明はまた、本説明によるＯＣＴ撮像システム、例えば上記の実施形態の１つによるＯＣＴ撮像システムによって、サンプルＳを撮像するための全視野ＯＣＴ方法に関する。

ＯＣＴ撮像方法は、第１に、干渉計１０３の対象アームにサンプルＳを配置することを含む。サンプルＳの配置は、求められる用途に依存する。例えば、サンプルは、表層から又は指の内部のより深くから指紋を取得する場合に、人間の皮膚、例えば指の皮膚の区域であってもよく、その場合に、指は、図において１３１の符号を付けられた透明窓に対して恐らく押し付けられる。皮膚の診断への適用の場合に、窓のサイズは、最小限に、例えば５〜１０ｍｍの直径の円に低減され、窓は、人体の様々な区域（顔、腋の下）への接近を容易にするために、チューブの一端に配置される。装置は、コンパクトで軽いので、多関節腕の端部に容易に配置され得ることが注目される。

半導体表面上の欠陥の検出への適用の場合に、対照的に大きな平坦エリアが、その上に半導体表面を配置できるようにするために必要とされる。

本発明によるＯＣＴ撮像方法は、干渉計１０３によって、所望の撮像フィールドの各ポイント用に、干渉計の基準アームの反射装置から、入射光波の反射によって取得された基準波であって、前記基本面が、撮像フィールドの前記ポイントに対応する基準波と、所与の深さに位置するサンプルのスライスのボクセルによる入射波の後方散乱によって取得された対象波であって、前記ボクセルが、撮像フィールドの前記ポイントに対応する対象波との間の干渉を生成することを含む。従って、対象アームと基準アームとの間の光路差の少なくとも１つの値用に、撮像フィールドの各ポイント用の干渉に起因する少なくとも１つの２次元干渉信号が取得され、そのとき、サンプルの画像は、前記２次元干渉信号から計算される。

より正確には、光源１１１が、小さな時間コヒーレンス長を有する場合に、反射表面（１３４、１３５）によって反射された光（基準波）と、サンプルＳによって後方散乱された光との間の干渉は、２つのアームにおける光路が、コヒーレンス長内で等しい場合にのみ発生する。従って、干渉は、サンプルにおける所与の深さで、基準波と、対象アームの光学軸に垂直な平面に位置するスライスの各ボクセルによって後方散乱された光との間で発生し、その深さは、コヒーレンススライスと呼ばれ、ボクセルは、コヒーレンススライスにおいて規定された基本体積である。各ボクセルによって後方散乱された光は、このボクセルにおける基本的な分散構造の全てによって後方散乱された波のコヒーレント和の振幅を表す。

基準波と、様々なボクセルによって後方散乱された波との間の光干渉に起因する干渉信号は、取得装置１２１によって時刻ｔに並列に取得される。コヒーレンススライスの所与の時刻ｔにおける干渉状態に対応する干渉画像Ｓが結果として生じる。取得装置１２１に関連する２次元座標系に対して規定された所与の位置（ｘ、ｙ）に位置する干渉画像ピクセル又は画像要素は、時刻ｔにおいて位置（ｘ、ｙ）用に取得された干渉信号の強度に対応する値Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）であって、サンプルにおける対応する位置のボクセルによって後方散乱された波と、対応する位置の基準アームの反射表面の基本エリアによって反射された基準波との間の干渉に起因した値Ｓ（ｘ、ｙ、ｔ）を有する。

処理ユニット１０４は、取得装置１２１によって取得された少なくとも１つの２次元干渉信号からサンプルＳの画像を生成するように構成される。

様々な周知の先行技術方法は、サンプルの画像を計算できるようにする。例えば、４つの位相を用いる変調を含む方法が、記事“Ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”ｂｙ Ａ．Ｄｕｂｏｉｓ ａｎｄ Ｃ．Ｂｏｃｃａｒａ，ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｗｏｒｋ“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”−Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｄｒｅｘｌｅｒ−Ｊａｍｅｓ Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ−Ｅｄｉｔｏｒｓ−Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ２００９に説明されている。この方法において、干渉信号は、４つの位相シフト値用に取得装置によって取得され、サンプルの画像は、（Ｉ_０−Ｉ_１８０）^２＋（Ｉ_９０−Ｉ_２７０）^２の平方根を計算することによって再構成され、この式でＩ_０、Ｉ_９０、Ｉ_１８０、Ｉ_２７０は、これらの４つの位相シフト値用に取得された干渉信号である。

図６は、皮膚の深部で撮像され、且つ本説明による全視野ＯＣＴ撮像システム、より正確には図２Ｂに示されているような全視野ＯＣＴ撮像システムによって取得された皮膚のサンプルの実験画像を示す。

システムは、３０ｎｍのスペクトル幅を備えた、８５０ｎｍの波長でインコヒーレント光を放射するＬＥＤ（ＬＥＤ Ｍ８５０Ｌ３、Ｔｈｏｒｌａｂｓ（登録商標））から形成された光源１１１を含む。システムは、マイケルソン干渉計１０３と、毎秒７００画像まで撮ることができるＣＭＯＳカメラ１２１（Ａｄｉｍｅｃ（登録商標）ＣＸＰ）を含む。光源の幾何学的広がりは、ＬＥＤから出現する光の発散を低減させるために、１組のレンズ（図２Ｂには示されていない）によって４倍に拡大され、その結果、ほとんどの放射光は、対物レンズ１１２の受光角の中に放射される。ＬＥＤは、ミラー１３１のアパーチャ上に合焦され、ミラー１３５のアパーチャは、円形であり、４ｍｍの直径である。傾斜ミラー１３５で形成された反射装置が用いられ、傾斜角は、１．１５°であり、その結果、反射光は、検出チャネル１０２の方へミラー１５１によって反射される。圧電素子１３３は、カメラによって検出された干渉パターンを変調するために用いられる。画像は、４つの位相シフト値用に取得され、サンプルの画像は、（Ｉ_０−Ｉ_１８０）^２＋（Ｉ_９０−Ｉ_２７０）^２の平方根を計算することによって再構成され、この式でＩ_０、Ｉ_９０、Ｉ_１８０、Ｉ_２７０は、これらの４つの位相シフト値用に取得された干渉信号である。

図６において、皮膚の表面上の区域６０１、皮膚の表面の下の区域６０２、及び皮膚の下の深部に位置する区域６０３が見られる。

この例において、傾斜ミラー１３５の使用によって、（位相を変調するために用いられる圧電移動を除いて、サンプル又は基準ミラーの軸方向移動なしに）単一画像で、サンプル内の深部からの情報を取得することが可能にされる。従って、区域６０１が、４４μｍの深さであること、区域６０２が、１２３μｍの深さであること、区域６０３が、３１２μｍの深さであることを推測することが可能である。強度差は、生物組織による弾道光の減衰と関係する。

上記のＯＣＴ撮像方法及びシステムは、指紋の取得又は皮膚の撮像に特に適用可能である。それらはまた、一般に、光子予算が制限される任意の状況に適用されてもよい。それらは、サンプルが生物学的であろうとなかろうと、任意のサンプルに更に適用可能である。

Claims (10)

1. サンプル（Ｓ）を撮像するための全視野光コヒーレンストモグラフィシステム（１００、２００、３００、４００）であって、
   − 入射光波を放射するための光源（１１１）を含む照明チャネル（１０１）と、
   − 干渉計（１０３）であって、
   ○少なくとも１つの第１の対物レンズ（１１２、１３８）であって、前記光源が、前記第１の対物レンズの画像焦点面の近くに、又は前記第１の対物レンズの画像焦点面と共役である平面近くに配置される少なくとも１つの第１の対物レンズ（１１２、１３８）と、
   ○入射面（１３０_Ａ）を介して、前記入射光波を受信するのに適し、且つ前記サンプル（Ｓ）を受け入れるように意図された対象アーム及び反射装置（１３４、１３５）が配置される基準アームを形成するのに適した分割素子（１３０）であって、
   ■前記対象アームに送信される前記入射光波の光パワーの割合が、前記基準アームに送信される前記光波の前記光パワーの割合より厳密に高いように、前記分割素子（１３０）が、等しくない反射係数及び透過係数を有し、
   ■前記反射装置が、前記入射方向とは異なる方向に前記入射光波を導くのに適しており、
   ■前記干渉計が、前記サンプルが前記干渉計の前記対象アームに配置された場合に、撮像フィールドの各ポイントにおいて、前記撮像フィールドの前記ポイントに対応する前記反射装置の基本面からの入射光波の反射によって取得された基準波と、所与の深さにおける前記サンプルのスライスのボクセルによる入射光波の後方散乱によって取得された対象波との間の干渉を生成するのに適しており、前記ボクセルが、前記撮像フィールドの前記ポイントに対応する分割素子（１３０）と、
   を含む干渉計（１０３）と、
   − ２次元画像を取得するための装置（１２１）を含む検出チャネル（１０２）であって、
   ○２次元画像を取得するための前記装置が、前記反射装置（１３４、１３５）の共役平面に配置され、且つ前記撮像フィールドの各ポイントにおいて生成された前記干渉に起因する２次元干渉信号を取得するのに適しており、
   ○前記照明チャネル（１０１）及び前記検出チャネル（１０２）が、前記分割素子（１３０）の前記入射面を含む共通チャネルを含み、且つ反射素子（１５１、１５２）によって分離され、前記反射素子（１５１、１５２）が、前記第１の対物レンズ（１１２、１３８）の画像焦点面の近くに、又は前記第１の対物レンズの前記画像焦点面の共役平面の近くに配置され、前記反射素子が、前記検出チャネルにおいて、前記基準アームの前記反射装置によって導かれる前記光波の少なくとも１つの部分を通過させるのに適し、且つ前記照明チャネルにおいて、前記入射光波の少なくとも１つの部分を通過させるのに適している検出チャネル（１０２）と、
   − 前記２次元干渉信号から前記サンプルの画像を計算するように構成された処理ユニット（１０４）と、
   を含む全視野光コヒーレンストモグラフィシステム（１００、２００、３００、４００）。
2. 前記分割素子の前記反射係数及び前記透過係数が、前記分割素子に入射する前記光波の前記光パワーの少なくとも９０％が前記対象アームに送信されるようにされる、請求項１に記載の撮像システム。
3. 前記反射素子が、前記第１の対物レンズの前記光学軸に対して傾斜され、且つ前記入射光波の通過用にアパーチャをあけられるミラーを含み、前記アパーチャの寸法が、前記検出チャネルの中に導かれる前記光波の全てをブロックするわけではないように十分に小さい、請求項１又は２に記載の撮像システム。
4. 前記反射素子が、前記入射光波を前記共通チャネルの方へそらすために、前記第１の対物レンズの前記光学軸に対して傾斜され、且つ前記検出チャネルの中に導かれる前記波の全てをブロックするわけではないように十分に小さい寸法を有するミラーを含む、請求項１又は２に記載の撮像システム。
5. 前記反射装置が、反射回折格子、例えばブレーズド格子を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像システム。
6. 前記反射装置が、傾斜ミラーを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像システム。
7. 前記干渉計（１０３）が、マイケルソン干渉計であり、前記第１の対物レンズ（１１２）が、前記照明チャネル（１０１）及び検出チャネル（１０２）の前記共通チャネルに配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像システム。
8. 前記干渉計（１０３）が、リニク干渉計であり、且つ前記干渉計の前記基準アームにおける前記第１の対物レンズ（１３８）及び前記干渉計の前記対象アームにおける第２の対物レンズを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の撮像システム。
9. 前記対物レンズが、顕微鏡対物レンズである、請求項８に記載の撮像システム。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の撮像システムによって、サンプル（Ｓ）を撮像するための全視野光コヒーレンストモグラフィ方法であって、
    − 前記干渉計（１０３）の前記対象アームに前記サンプル（Ｓ）を配置することと、
    − 前記干渉計によって、撮像フィールドの各ポイント用に、前記干渉計の前記基準アームの前記反射装置から、入射光波の反射によって取得された基準波であって、前記基本面が、前記撮像フィールドの前記ポイントに対応する基準波と、所与の深さにおける前記サンプルのスライスのボクセルによる前記入射波の後方散乱によって取得された対象波であって、前記ボクセルが、前記撮像フィールドの前記ポイントに対応する対象波との間の干渉を生成することと、
    − 前記対象アームと前記基準アームとの間の光路差の少なくとも１つの値用に、前記撮像フィールドの各ポイント用の干渉に起因する少なくとも１つの２次元干渉信号を取得することと、
    − 前記２次元干渉信号から前記サンプルの画像を計算することと、
    を含む方法。

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