JP3479069B2 - 光学的イメージ形成および測定の方法および装置 - Google Patents

光学的イメージ形成および測定の方法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、生物学的試料および他の試料において高精
度測定を行うためイメージを用いることを含む光学的イ
メージ形成に関する。
（背景技術） 生物学的試料または他の試料の距離、厚さおよび光学
的特性の高解像度（一般に、10μｍ以下）のイメージお
よびその測定が要求される多くの産業、医療および他の
用途が存在する。
このような測定を実施するための現在ある手法は、コ
ヒーレンス領域反射計（OCDR）、光学的時間領域反射計
（OTDR）、超音波走査レーザ顕微鏡、走査共焦点顕微
鏡、走査レーザ検眼鏡、および光学的三角測量法を含
む。現在あるOCDRシステムは、通常は、動的運動エネル
ギを有する生物学的試料または他の試料の測定のため要
求される迅速なデータ取得速度を備えていないが、OTDR
システムは非常に高価であり、制限された分解能および
ダイナミック・レンジを持つに過ぎない。
おそらくは最も一般的に用いられる技法である超音波
は、人間の目における測定を行う如き用途に対しては、
要求される音響インピーダンス整合を達成するために、
かつこれによりビーム損および歪みを避けるために、超
音波ヘッドまたはプローブと物体即ち走査される患者と
の間に対比が一般に要求される点において不利である。
このような対比は、例えば患者の胸部について走査が行
われる時は問題にならないが、このようなプローブは、
水晶体移植の強さを計算するため眼内距離の測定のため
に使用される如き眼球測定を行うため使用される時患者
にひどい苦痛を生じ得る。
超音波において用いられる比較的長い波長もまた、空
間的分解能を制限する。更に、超音波は、組織または他
の問題となる境界の記録または表示を弁別して許容する
ために種々の超音波反射および吸収特性に依存する。従
って、測定されるべき隣接層の音響的特性が著しく異な
らない時、超音波このような境界の認識が難しい。
走査レーザまたは共焦点の顕微鏡および走査レーザ検
眼鏡（SLO）は、例えば数μｍの横方向分解能で目の実
時間ビデオ・イメージを生じることができる高度に空間
的に分解されたイメージを提供する。しかし、SLOの深
さの分解能は、開口数が減少するに伴い急速に低下す
る。例えば、瞳孔開口を介する網膜のSLO測定は、深さ
の分解能をおおよそ200μｍに制限する。SLOはまた高価
であり、数千万円（数十万ドル）にも達する。
光学的三角測量はやや高い分解能を供するが、平行境
界を要求する。このような装置もまた比較的低い信号対
雑音比を持ち、比較的大きな深さでの分解能を低下さ
せ、この場合開口数が制限される。
従って、高い分解能測定の実施のため、特にかかる光
学的な測定の実施のための改善された方法および装置に
対する需要が存在しており、この改善された技法は測定
される対象物との対比を必要とせず、得られる開口サイ
ズの如何に拘わらず問題となる走査深さにわたり実質的
に一定した高い分解能を維持し、かつ比較的コンパクト
で製造が安価である。このようなシステムはまた、試料
層間に弁別を行うことができ、層材料もしくはその選択
された特性の同定が可能であり、走査される対象物の１
次元、２次元および３次元イメージを提供でき、かつ測
定される試料が比較的短い時間間隔にわたり変化する生
物学的および他の用途における使用で充分に迅速でなけ
ればならない。最後に、この技法が試料の複屈折特性お
よび空間特性に関する情報を提供できることが望まし
い。
更に、縦方向における走査能力と共に、少なくとも１
つの横方向における試料の走査を実施する手段に対する
需要が存在する。更に、特に医療用途において、血管、
肺の気管支、消化管、性器管あるいは泌尿器管の如き管
状あるいは他の構造の内部に血管内視鏡または内視鏡を
用いてこのような走査を行うことがしばしば望ましい。
このような走査を実施するためには、内部走査の実施の
ための内視鏡または血管内視鏡に装着が可能なプローブ
が提供されなければならない。
典型的には、走査は次の位置へ偏移する前に所与の横
方向および（または）縦方向位置において全深さ範囲に
わたり走査が完了されるが、これは存在する装置の能力
以上の速度で縦方向範囲即ち深さの走査を行うために使
用されるミラーまたは他の要素の走査を必要とする。こ
のことは、縦方向の走査が干渉信号周波数に、従ってシ
ステムの感度に影響を及ぼすドップラー・シフト周波数
を生じる場合に特に妥当する。従って、このような走査
が一定の速度で行われることが要求される。しかし、２
次元または３次元の走査が行われる、一定の速度におけ
る非常に高速な縦方向走査の達成が難しいため、他の走
査パターンが要求される。更に、ある用途においては、
選択された縦方向位置即ち深さにおける１次元または２
次元の横方向走査を行うことが望ましい。
縦方向走査が行われる時に特に深刻になる別の問題
は、システムの固有のドップラー周波数シフトを越えて
受信した信号の帯域幅が増加することである。このよう
な場合、アライアジング（aliasing、即ち、イメージ強
さにおける変動）が生じ得る。従って、このような強さ
の変動を排除するか平均化することにより分解能を強化
する技法が提供されることが望ましい。
従来システムにおける別の問題は、走査が拡張された
深さ範囲にわたり行われるならば、焦点深さを拡げるた
めにより小さな開口数が用いられねばならないことであ
る。しかし、このことは、横方向の分解能および範囲全
体にわたる受信光信号エネルギを低下する。従って、試
料内の拡張された深さ範囲にわたり大きな開口数の使用
を許容する技法に対する需要が存在する。
更に、ミラーまたは他の要素を機械的に移動すること
により縦方向走査を行う結果から生じる本文に述べた問
題のあるものは、この走査を電子的に、例えば光源から
の入射光の光周波数即ち振幅を変化させることにより行
うことにより克服することができる。しかし、例えば目
の如き動的な生物的試料をイメージ化するためのある用
途に対しては、３次元走査を行うために要求される走査
速度は、平行走査法が望ましいかあるいは要求される如
きものである。
（発明の概要） 以上の如く、改善された光学的コヒーレンス領域反射
計（OCDR）の光イメージ形成および測定システム、ある
いは他のイメージ形成および測定システム、特に内部ま
たは外部の試料に対して選択され、または拡張された縦
方向即ち深さ範囲にわたり鮮鋭かつ高い分解能および感
度で１次元、２次元および３次元走査および測定の実施
が可能である、電子的に走査されるシステムに対する需
要が存在する。
以上のことに従って、本発明は、望ましい実施態様に
おいては短いコヒーレンス長さを有する光放射をそれぞ
れ第１および第２の光経路を介して基準光反射器および
試料に対して行うことにより、試料における光イメージ
形成および測定を行うための方法および装置を提供す
る。この光経路は、光ファイバ経路であることが望まし
い。イメージ形成情報が得られる試料内の縦方向範囲
は、例えば、経路の相対的長さを変えることにより、あ
るいは予め定めたプロファイルに従って光源の周波数ま
たは強さを変化することにより制御される。イメージ形
成または測定が行われる試料における横方向または縦方
向位置もまた、選択的に変更することができる。この結
果、試料において少なくとも１つの縦方向次元における
イメージ形成を行うことができる。縦方向走査のための
プロファイルが段階的プロファイルである場合は、１次
元または２次元における縦方向走査は選択された縦方向
範囲で行うことができる。第１の光経路による反射器か
らの反射および第２の光経路により受取られる試料から
の反射が合成され、結果として得る合成光出力は、２つ
の経路における例えば長さが一致する点である整合点に
おける干渉縞を有し、かつ相対的経路長さがプロファイ
ルにおける各点において瞬間的速度Ｖをもつ速度プロフ
ァイルで変化させられる実施態様の場合に周波数fD〜NV
/λにおけるドップラー・シフト周波数を含む瞬間的変
調周波数を有する。この合成出力は検出され、検出され
た出力は処理されて試料の選択されたイメージおよび
（または）選択された測定に関する情報を得る。
Ｖが走査範囲にわたり実質的に一定である実施例にお
いては、第１の経路長さにおける変化がランプされ、１
つの方向における変化が速度Ｖで生じ、他の方向におけ
る変化ははるかに迅速に生じる。第１の経路長さにおけ
る変化はまた三角パターンを持ち得、少なくとも１つの
方向における変化は速度Ｖである。この走査パターンは
また正弦波パターンでもあり得る。均一な速度では、測
定は速度Ｖにおいて生じ、かつ三角形状ドライブにより
両方向における経路長さ変化に対して生じる変位の間に
行われる。正弦波ドライブの場合は、非線形性が検出さ
れ、以降の処理において勘案される。
本システムは、光経路における光ファイバを用いて実
現されることが望ましいが、本システムはまたバルク光
学系あるいは他の光学的要素を用いても実現することが
できる。光ファイバが用いられる場合は、経路の長さお
よび経路におけるファイバの長さは共に実質的に等しい
ことが望ましい。
第１の光経路における変化は、ミラーまたは他の基準
反射器を光経路と実質的に直角をなす方向に往復運動さ
せることにより行われることが望ましい。反射器を移動
および移動時の揺動の代わりに整合状態に保持するため
の適当な手段が提供される。試料に対して結合される開
口数もまた、測定が行われるべき試料内の予め定めた深
さに等しい深さフィールドと対応しなければならない。
少なくとも１つの複屈折層における測定が必要なら
ば、本システムは選択された第１の保持に光源からの光
エネルギを偏光させる手段を含み、光の偏光は反射器お
よび試料に与えられるエネルギに対して個々に変更され
る。偏光を変更する要素はまた、反射器からの反射光エ
ネルギを第２の選択された方向に偏光させ、かつ試料か
らの反射光エネルギを複屈折試料の複屈折に依存する方
向で偏光させる。相互干渉縞を含む合成出力は分割され
て、直交偏光を有する２つの出力として検出される。次
に、これら２つの出力は個々に処理されて個々の相互干
渉信号を得、個々の相互干渉信号は合成されて選択され
た複屈折表示を提供する。
類似の光特性を持つ層間の境界を弁別するシステムの
能力を強化し、かつこのような層間に関して他の情報を
得るために、材料の光吸収、インピーダンスおよび他の
光学的特性が波長と共に変化するという利点が利用され
る。このため、１つの接合層は光エネルギの第１の波長
で更に容易に検出され、他の層は異なる波長において更
に容易に検出される。本発明の一実施例では、２つ以上
の短コヒーレンス長さの光源が、異なる波長、例えばλ
１およびλ２における光放射を生じ、試料はこれらの異
なる波長で受取られる入力に様々に応答する。この結
果、周波数fD1＝2V/λ１で変調された第１の相互干渉光
出力を生じ、かつ周波数fD2＝2V/λ２で変調された第２
の相互干渉光出力を生じることになる。この２つの出力
は個々に復調され、次いで個々に処理されるかあるいは
一緒に処理される。
第２の光経路は、試料の縦方向位置を制御するための
手段と、少なくとも１次元におけるこの位置を選択的に
変更する手段と含むことが望ましいプローブ・モジュー
ルで終る。速度Ｖは、ドップラー・シフト周波数がシス
テムおよび信号のアライアジングに対する優勢な低周波
数ノイズを克服する帯域幅要件を満たすために充分に高
くなるよう充分に高い。そうでない場合は、変調周波数
fMにおける振動または他の変化を生じる手段が設けら
れ、その結果fDおよびfMの選択された組合わせである変
調周波数を生じることになる。この変化は、少なくとも
１つの光経路における圧電トランスジューサまたは少な
くとも１つの音響光変調器（AOM）によって行われる。
一実施例では、光経路の１つに２つのAOMが存在し、fM
は２つのAOMにより生じる差の周波数シフトである。プ
ローブ位置コントローラは、第２の光経路の端部、また
は試料の２次元または３次元走査を生じるように光放射
が試料に加えられる方向と略々直角をなす少なくとも１
つの次元における第２の光経路を形成する光ファイバ要
素の遠端部におけるプローブを移動する手段を含む。
他の実施例では、プローブ・モジュールは、試料にお
けるある位置に対して光放射を指向させ、かつ光放射が
試料に加えられる方向と略々直角をなす少なくとも１つ
の次元における縦方向位置を光学的に変化させるミラー
または他の手段を含む。３次元走査が要求される場合
は、縦方向位置は２つの方向に変更される。縦方向位置
を光学的に変更させる手段は、ミラー位置に従って放射
をある角度で変位させるの光放射経路における少なくと
も１つの可動ミラーを含む。１つのミラーは、２次元で
変化する方向に放射を角度的に変位させるよう２つの直
交方向に運動自在であり、これにより３次元走査が達成
され、あるいはこの目的は、光経路に沿って連続的に隔
てられた、異なる略々直交する方向に運動可能な２つの
ミラーを用いて達成することもできる。
他の実施例では、プローブ・モジュールは、血管内視
鏡または内視鏡の如き体内経路を走査するための機構で
ある。このような用途では、プローブ・モジュールは外
側の鞘部を含む。一実施例では、このプローブ・モジュ
ールはまた、外側鞘部内に回転自在に取付けられた内側
鞘部と、第２の光経路から内側鞘部を通るように放射を
指向させる光学手段と、体内経路における選択された位
置における放射を指向するため内側鞘部と共に運動自在
の手段とを含み、この選択された位置は内側鞘部が回転
される時に変化する。この実施例は、外側鞘部の端部を
越えて選択された方向に内側鞘部を通るよう放射を反射
するように内側鞘部を回転させるべく取付けられたミラ
ーを使用することが望ましい。
別の実施例では、光ファイバ束が外側鞘部に取付けら
れている。このような光ファイバの選択された１本以上
の第１の端部が、第２の光経路に光学的に接続され、第
２の光経路が接続される光ファイバを制御するための手
段が設けられる。また、光ファイバの各々に対して選択
された縦方向位置を確立し、かつ各光ファイバの第２の
端部を対応する選択された横方向位置に光学的に接続す
る手段も存在する。
第１および第２の光経路がそれぞれ第１および第２の
光ファイバの形態である更に別の実施例では、プローブ
は、鞘部の内壁部に対して第２の光ファイバの遠端部を
固定する手段を含む。この手段は、前記遠端部を前記壁
部に向かうかあるいは離れる方向に移動する手段を含
む。また、光ファイバの遠端部を試料に対して光学的に
接続するための手段も設けられ、この手段は壁部に対す
る遠端部の各位置に対する試料における選択された焦点
位置を確立する． ある実施例では、プローブ・モジュールは、この深さ
の焦点が、試料の縦方向走査の間試料内のある地点が周
期的に変化させられるイメージ形成情報が得られる前記
地点に実質的に維持されるように、試料内のモジュール
に対する焦点を制御するための手段を含む。このような
焦点面は、焦点深さを制御するため透過する放射の方向
にプローブ・モジュールの焦点レンズを移動することに
より確保される。
多次元走査は、少なくとも３つの異なる走査パターン
を用いて達成される。１つの走査パターンでは、光経路
の相対的長さが変化させられかつ試料における横方向位
置が変化させられる速度は、新しい縦方向位置における
イメージ形成を開始するため走査ビームが移動される前
に、問題となる全ての縦方向範囲における点が所与の試
料の縦方向位置に対して走査される如きものである。あ
るいはまた、縦方向の範囲が変化し試料の縦方向位置が
変化する速度は、縦方向の範囲が新しい範囲における走
査を実施させるよう変更される前に、少なくとも１つの
縦方向DIMNにおける全てのイメージ形成位置が試料内で
所与の縦方向範囲で走査される如きものである。後者の
走査手順は、第１の走査パターンが用いられたならば、
非常に高い速度で均一速度の縦方向走査が要求される場
合に望ましい。第３の走査パターンは、縦方向位置の制
御を選択された縦方向位置へ歩進させ、次いでこのよう
な縦方向位置で１次元または２次元における走査を実施
することである。
ある実施例においては、試料における平行走査を行う
ため複数の光経路が提供される。更に、ある実施例で
は、周波数または強さの如き光源の特性が、イメージ形
成される試料における縦方向の地点を制御するように制
御あるいは変更され、受取られた反射がその時イメージ
形成される試料における縦方向の地点または面に対する
光経路の長さに比例する周波数を持つ出力を結果として
生じる。この出力が検出され処理されて、イメージを得
る。
アライアジングまたは他の問題のゆえに、２次元また
は３次元の走査の結果として生じるイメージに見かけ上
の強さの変動が生じる。この問題を克服するために、AO
Mを前に示したように用いることができ、あるいは複数
の走査を１つの試料に対して行うことができ、走査は強
さの変動を補償するため平均化される。
望ましい実施態様においては、測定とは、生物学的試
料における非侵入断面イメージ形成および測定を含む。
本発明に対する１つの特定の有効な用途は、色々な目の
部分の断面イメージを生成することにある。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点につい
ては、添付図面に示される如き本発明の望ましい実施態
様の以降の更に詳細な記述から明らかになるであろう。
（図面の簡単な説明） 図1Aは、本発明の望ましい実施例による光コヒーレン
ス領域反射計の概略ブロック図、 図1Bは、周波数変調された光源を用いる本発明の別の
実施例の概略ブロック図、 図1Cは、本発明の別の光ファイバ実施例の概略ブロッ
ク図、 図1Dは、分解能を強化するため２つの別個の波長の使
用を示す本発明のバルク光学系実施例の概略ブロック
図、 図2Aは、図１の実施例を用いて得られる走査出力の特
性を示すグラフ、 図2Bは、エンベロープが重ねられた変調周波数を示す
図2Aに示した如き出力波形の一部の拡大グラフ、 図2Cは、復調後の図2Bの波形のグラフ、 図3Aは、多次元走査を達成するプローブ・モジュール
の一実施例を示すブロック図、 図3Bは、２次元または３次元走査を実施するための別
のプローブ・モジュールの図、 図3Cは、３次元走査を達成するための別のプローブ・
モジュールの図、 図3Dは、円形走査を行うための別のプローブ・モジュ
ールの図、 図4Aおよび図4Bは、多次元走査を実施するための別の
２つのプローブ・モジュール実施例の図、 図５は、内視鏡プローブ・モジュールの一実施例の断
面側面図、 図６は、内視鏡プローブ・モジュールの第２の実施例
の断面側面図、 図７は、内視鏡プローブ・モジュールの第３の実施例
の断面側面図、 図8Aは、本発明の教示による試料の２次元走査のため
の第１の走査パターンを示す図、 図8Bは、本発明の教示による試料の２次元走査のため
の第２の走査パターンを示す図、 図8Cは、本発明の教示による試料の２次元走査のため
の第３の走査パターンを示す図、 図９は、平行走査の実施例の概略ブロック図、 図10は、平衡型レシーバの実施例の概略ブロック図、 図11は、偏光を用いて複屈折を検出する本発明の別の
光ファイバ実施例の概略ブロック図、 図12A乃至図12Cは、それぞれ正常なもの、脂肪性斑点
を含むもの、およびカルシウム沈積硬化した斑点を含む
ものである人間の大動脈を走査するため各図に示された
如き実施例を用いて得られる図である。
（実施例） まず図1Aにおいて、本発明の教示を盛込んだ光学的コ
ヒーレンス領域反射計（OCDR）10が示される。特に、短
いコヒーレンス長さ（広スペクトル帯域幅）光源12から
の出力が、光結合器14に対して１つの入力として接続さ
れている。このような結合は、望ましい実施例では光フ
ァイバ経路16である適当な光経路を介して行われる。光
源12は、例えば、発光ダイオード、超発光ダイオードま
たは適当な波長の他の白光源でよく、あるいは短パルス
・レーザでもよい。このような光源は、望ましい実施例
では10μｍ以下のコヒーレンス1tを持つことが望まし
い。後で述べるように、光源12のコヒーレンス長さはシ
ステムの分解能を強化するため最小化されることが望ま
しい。
結合器14に対する他の入力は、光ファイバ経路20を介
して結合器に与えられる可視出力を生じるレーザ18から
のものである。後で更に詳細に述べるように、レーザ18
はシステムの正常な動作には寄与せず、ダイオード12か
らの光が赤外線領域にあり従って目に見えない時、試料
と適正に整合するように可視光の光源を提供するため用
いられるに過ぎない。
結合器14からの出力は、光ファイバ経路24を介して結
合器22に対して入力として与えられる。結合器22におい
て受取られる光即ち光エネルギは、走査／試料組立体28
に至る第１の光ファイバ経路26と、基準組立体32に至る
第２の光ファイバ経路30との間で分けられる。組立体28
は、走査される試料における光経路26から受取る光を集
束する１つ以上のレンズと、試料に対する光の横方向、
横断方向または縦方向の運動を生じるための種々の機構
とから形成されるレンズ組立体を含む。特に、望ましい
実施例では、縦方向走査が基準組立体における運動によ
り行われるが、試料またはプローブが縦方向、あるいは
組立体28で他の方法で行われる縦方向走査のため移動さ
れることもまた可能である。この組立体はまた、縦方向
の走査位置と関連して焦点の縦方向即ち深さの位置を制
御する機構も含む。組立体28のプローブ・モジュール部
分は、患者の目における走査およびイメージ形成あるい
は測定の実行のため試料の外面に隣接して、例えば患者
の目に隣接して位置決めを行うように設計することもで
き、あるいは例えば体内または他の経路を走査する血管
内視鏡または内視鏡の一部として、試料の内部に定置す
るようにすることもできる。図1Aの目的のため、走査お
よび（または）イメージ形成される試料は組立体28内部
に含まれる。本発明の色々な実施例により組立体28とし
て機能する種々の機構が図３乃至図７に示される。
全ての実施例において、プローブにより試料に対して
送られる光は、プローブ・モジュールを介して再びファ
イバ26へ戻るように試料により反射される。経路26の光
ファイバは、印加された電気信号に応答して振動（即
ち、伸縮）して光ファイバの僅かな伸縮を生じ、これに
よりファイバを通る光信号を変調する圧電性の結晶トラ
ンスジューサまたはアクチュエータ34の周囲に巻付けら
れる。後で述べるように、この付加される変調は検出を
容易にする。
基準組立体32は、コリメーティング・レンズ36と、第
１および第２の音響光変調器38、40と、コーナー・キュ
ーブ逆反射体42と、端部ミラー44とを含む。望ましい実
施例では、コーナー・キューブ46は、このコーナー・キ
ューブを光経路30と端部ミラー44の双方に対してあるい
はこれから離れるように特定のパターンで往復運動させ
て試料の縦方向走査を行う機構46に取付けられる。後で
更に詳細に述べるように、コーナー・キューブは均一な
比較的高い速度（例えば、1cm/秒以上）で移動されて、
ヘテロダイン検出を行うため用いられるドップラー・シ
フト変調を生じることが望ましい。キューブ42の機構46
による運動の長さ即ち程度は、少なくとも試料における
所要の走査深さの半分より僅かに大きい。機構46に対す
る走査パターンは、少なくとも走査が生じる部分におい
て均一な速度Ｖを有することが望ましく、例えばランプ
・パターンまたは鋸歯状パターンである。ランプ・パタ
ーンの場合は、測定またはイメージ形成はランプにおい
て行われるが、両側で速度Ｖの鋸歯状パターンでは、走
査は一方向または両方向にいずれかで移動するコーナー
・キューブにより行うことができる。更に、係属中の出
願で述べたように、回路の他の要素における適当な補償
により正弦波または他の走査パターンを用いることがで
きる。
あるいはまた、縦方向即ち深さ次元における走査は、
コーナー・キューブ42ではなく機構46の如き適当な機構
により端部ミラー44を往復運動させることにより行われ
る。しかし、これが行われると、有効行程は50％減少さ
れて、端部ミラー44は所定の深さ範囲を止めるに等しい
経路によるのではなく前記範囲より僅かに大きい経路に
わたって運動させられねばならないことになる。本例に
おける端部ミラー44に要求されるより大きな移動行程
は、達成し得る走査速度に悪影響を及ぼし、また変調ド
ップラー・シフト周波数を制限し、別の変調要素の使用
を必要とする。機構46が完全に取除かれるならば、シス
テムは端部ミラーが往復運動する時、ウォブルの結果生
じる誤差の影響を更に受け易くなる。
また、単一パス形態のためコーナー・キューブを配置
することにより端部ミラーを取外すことも可能である。
このような形態においては、コーナー・キューブに対す
る進入光がコーナー・キューブの頂点と整合される。こ
の結果もまた有効行程の50％の減少を生じる結果とな
る。更に、先に述べたように、機構46は基準組立体32に
おいて取外すことができ、縦方向走査がプローブまたは
試料のいずれか一方を縦方向に運動させることにより組
立体28において行われる。このことについては後で述べ
る。これが行われるならば、コーナー・キューブ42は必
要でなく、光経路30からの光は直接ミラー44に当たる。
最後に、ドップラー・シフト周波数を用いる望ましい
実施例の場合は、機構46がコーナー・キューブまたは端
部ミラーを、先に述べたように走査範囲において実質的
一定である速度で受けさせるが、これから述べるある実
施例の場合は、縦方向におけるドップラー・シフト変調
は用いられず主として所要の走査深さを制御するように
ミラーの運動が生じる。このような実施例および他の実
施例では、機構46は所要の走査深さを制御するため歩進
状に動作する。
結合器22と走査される試料の選択された深さ点との間
の経路26の合計長さと、結合器22とミラー44間の経路30
の合計長さとは、選択された深さ範囲の走査中試料の各
深さ点に対して実質的に等しくなければならない。更
に、空間分解能を低下させるグループの速度分散を防止
するため、経路26および30における光ファイバの長さも
また実質的に等しくなければならない。あるいはまた、
グループ速度分散は、不均衡を補償するため既知のグル
ープ速度分散と厚さの光学的物質を光経路に置くことに
より等しくすることができる。例えば、基準経路におけ
るファイバが試料プローブにおけるそれよりも短いこと
を必要とする場合は、構成分散材料の長さを基準経路に
含めることができる。このシステムにおいて使用される
光ファイバの終端が反射を最小化し処理能力を最大化す
るため付角研磨および（または）反射防止コーティング
が施されることもまた重要である。
機構46は、変位機能を実施するための種々の装置のど
れかでよい。例えば、機構46はステッピング・モータで
よく、その運動が均等な速度が要求される実施例に対す
る平均化機構を介してコーナー・キューブ42またはミラ
ー44に与えられる。DCサーボ・モータもまた、所要の運
動を得るため使用することができる。種々の電磁アクチ
ュエータ、例えばスピーカ・コイルもまたこの機能のた
めに用いることができる。このような電磁アクチュエー
タにより、必要な場所において均等な運動を生じるため
にミラー位置の検出およびそのサーボ制御が要求され
る。更に、均等運動システムにおいて、ミラー移動経路
の各地点における所要のミラー位置を示す信号を、実際
のミラー位置の検出器からの信号、および運動するミラ
ーを所要の一定速度に維持するようにアクチュエータを
制御するため使用される結果として生じるエラー信号と
対比することができる。機構46に対するサーボ制御検流
計が駆動する直線的変位装置を使用することもできる。
基準組立体32における１つのあり得る問題は、距離の
決定精度に悪影響を及ぼすおそれがある変位されつつあ
るミラーの揺動である。このような揺動は、図1Aの実施
例においてコーナー・キューブ42により部分的に補償さ
れ、このコーナー・キューブは一般にビームが入射する
角度の如何に拘わらずビームが常にビームが入射した正
確に同じ方向に戻るという特性を有する。当技術におい
て公知の他の手法もまた揺動問題に対処するために用い
ることができる。
組立体28および32から受取る反射は、それぞれ光経路
26、30を介して光結合器22へ与えられる。これらの信号
は結合器22において合成され、長さと一致する反射（即
ち、基準経路長の差が光源のコヒーレンス長さより小さ
い場合の反射）に対する干渉縞を結果として生じ、この
結果として得た合成出力が光ファイバ経路50に結合され
る。
基準および試料光経路から戻る光間の干渉を最大化す
るためには、それらの偏光が実質的に同じでなければな
らない。この偏光の一致を確保するため、偏光コントロ
ーラが光経路26または30の１つに配置される。例示の目
的のため、偏光コントローラ51が図1Aにおいて光経路30
に示されている。このような偏光コントローラは、光フ
ァイバ経路における偏光の変化を補償する。あるいはま
た、所要の結果を達成するために偏光を維持するファイ
バおよび結合器をシステムにおいて用いることができ
る。更に、偏光が不規則に変化する用途においては、信
号のフェージングを取除くために偏光の発散受取り装置
をシステムにおいて用いることができる。このような偏
光の発散受取り装置は当技術において公知である。
光ファイバ経路50における光信号は、経路50からの光
合成信号を対応する電流で変化する電気信号へ変換する
フォトダイオード52に与えられる。フォトダイオード52
からの出力線54における電流で変化する電気信号は、相
互インピーダンス増幅器（TIA）55または他の適当な手
段により電圧で変化する信号へ変換されることが望まし
く、TIA出力は復調器56に対して入力として与えられ
る。
本発明の教示を実施する際に種々の復調形態を用いる
ことができる。その最も簡単な形態においては、復調器
56は、合成出力信号の変調周波数付近を中心とする帯域
通過フィルタ58と、エンベロープ検出器とからなる。こ
のフィルタは、問題となる信号のみが探されて出力から
ノイズを除去することを保証する。このため、システム
の信号対雑音比を強化し、これによりシステムの感度を
強化する。フィルタされた信号は次にエンベロープ検出
器へ与えられる。
復調器56におけるエンベロープ検出器は、整流器62と
以降の低域通過フィルタ64とからなる。この２番目のフ
ィルタは、ベースバンド信号から高周波成分を除去す
る。復調器はまた、整流器の前後のいずれかにおける、
ダイナミック・レンジ圧縮のための対数増幅器66をも含
む。対数増幅器が使用されない場合は、対数圧縮はシス
テムのどこか他の場所、例えば処理用コンピュータで行
われる。対数圧縮がなければ、境界からの強い反射がス
ケールオフするかあるいは弱い反射が目に見えないかの
いずれかである。
先に述べた例示の復調器は、ヘテロダイン復調器の１
形式である。しかし、当技術において公知である種々の
他の復調法もまた復調器機能を実施するため使用するこ
とができる。
回路56からの復調出力は、問題となる干渉エンベロー
プ信号である。種々の目的のため医者、技術者あるいは
他の人員により使用されるこのようなアナログ信号の視
覚的記録を得るため、適当なプリンタ68が使用される。
望ましい実施例では、復調器56からのアナログ出力が、
プリンタ68に加えあるいはその代わりに、アナログ／デ
ィジタル・コンバータ72を介して所要のアナログ表示を
行うようにプログラムされる適当なコンピュータ72へ送
られる。１つ以上の記憶装置74がコンピュータ72に設け
られる。コンピュータ72は、例えば、陰極線管モニター
の如き適当な表示装置76上の復調された信号の表示を制
御し、あるいは所要の記録を生じるように適当なプリン
タを制御する。
プリンタまたはコンピュータの表示を用いて走査され
たイメージを再生する場合、走査イメージの濃度の如き
特性はグレースケール・レベル（即ち、高い密度に対し
ては暗く、低い密度に対しては明るく）を用いて再生さ
れるか、あるいは「疑似カラー」イメージが特性を表わ
すカラー・スペクトルにおける青から赤のカラーで生成
される。更に、コンピュータ72は、復調されたエンベロ
ープ信号における種々の問題点を検出し、また測定を行
いあるいはこのような検出に基いて他の有効な決定を行
う。コンピュータ72は、適当にプログラムされた標準的
なプロセッサでよく、あるいは特殊目的のプロセッサが
所要の機能の一部または全てを実施するため提供され
る。
ある実施例においては、図1Aに示されるOCDRが用いら
れ、コーナー・キューブ42が中間的であるが均一な速度
で機構46により走査される。本論の目的のために、コー
ナー・キューブまたはミラーの運動により生じるドップ
ラー周波数シフトが無視し得ないが、システムに対する
主たる低周波ノイズに該当するに充分なだけ中間的な走
査速度について考察する。ノイズ・スペクトルは、光源
12、機械的構成要素および電気回路における変動の結果
生じるノイズを含む。高い走査速度の時は、ドップラー
周波数シフトが主な低周波ノイズより高くなる。ドップ
ラー・シフト周波数fDはコーナー・キューブ42の変位か
ら結果として生じ、コーナー・キューブの場合、式:fD
〜4V/λにより与えられる。ここでＶは、キューブが所
与の時間に移動される速度、λは光源Ｎの光波長であ
る。コーナー・キューブが使用されない場合は、fD〜2V
/λとなる。このように、ミラーが変位される時、ウォ
ブルを補償することに加えて、コーナー・キューブはま
たドップラー・シフト周波数を倍増し、機構46の所与の
速度Ｖに対する有効走査行程を倍増する。
ドップラー・シフトがノイズの克服のため必要な帯域
幅より小さい場合（ドップラー・シフト周波数が実質的
にゼロであり、歩進状の縦方向走査が行われる場合及び
縦方向走査が行われない場合も含む。）、変調周波数を
主たるノイズ・スペクトル以上にシフトさせるためには
別の変調が必要とされる。図1Aにおいて、これは、圧電
トランスジューサ34の使用により正弦波位相変調を生じ
ることにより行われる。図1Aでは別の変調が試料経路26
における発振器またはトランスジューサの使用により誘
起されるが、このような変調は経路30においても生じる
ことができる。端部ミラー44の相等する圧電変調もまた
使用することができる。更に、圧電トランスジューサ34
に加えて、このような付加的な変調に必要な小さな運動
が、電磁要素、静電要素、または小さな略々正弦波形運
動を生じるための当技術において公知の他の要素を用い
て達成可能である。
あるいはまた、図1Aに示されるように、このような付
加的な変調は、音響光変調器（AOM）を介して光を基準
アームおよび（または）試料アームに通すことにより達
成可能である。このような変調器は、光ビームの周波数
シフトを生じ、またこれによりビームをシフトするドッ
プラー・シフトと略々等価である効果を生じる。このよ
うな音響光変調器は、ある場合には、ミラーまたはコー
ナー・キューブの運動の代わりに用いることができる。
図1Aに示される如きバルク光学装置であり得、あるいは
比較的小さな直線的光ファイバAOMでもよいAOMは、キャ
リヤ周波数を有効に増加させて高速度走査を可能にす
る。このような目的のためには１つのAOMで充分である
が、図1Aに示されるように２個のAOMを使用することが
できる。２個のAOMに対する理由は、AOMが通常はこのよ
うな用途に要求されるよりもはるかに高い周波数で駆動
されること、検出周波数が２個のAOMを異なる周波数で
駆動することにより所要の周波数へ下げられることであ
り、検出器の周波数は差の周波数であるためである。
要素34から、あるいは光経路長さを変調する他の適当
な手段からの付加的な変調は、周波数fMであり、この変
調器の発振振幅は、ピーク・ピーク発振運動または光遅
れの変化が光源12の波長λの略々半分であるように変化
される。付加的な変調音響ドップラー・シフト周波数の
合成効果は、出力エンベロープを変調周波数fD、fM＋
fD、fM−fD、およびfM±fDのより高い高調波にさせる。
fMは通常はノイズ・スペクトルおよびアライアジング問
題を克服するに充分な高さになるように選定される。
光検出器54からの出力の復調は、通常は（fM±fD）お
よび（または）（fM−fD）における。例示の目的のた
め、復調が（fM＋fD）におけるものと仮定する。このた
め、帯域通過フィルタ58に対する中心周波数は、周波数
（fM＋fD）に対してセットされる。フィルタ58に対する
帯域幅は、信号の拡張および歪みを避けるため、受取ら
れる信号の半値全幅（FWHM）帯域幅の略々２乃至３倍で
なければならない。低域通過フィルタ64の帯域幅は、典
型的には帯域通過フィルタ58のそれと略々同じである。
結果として生じるドップラー・シフト周波数が主たるノ
イズ・スペクトルよりも高くなるようにキューブ42が移
動しつつある速度が充分に高い速度を有し、かつ横方向
走査が信号のアライアジングを生じないように充分に広
い間は、変調器34、38、40の如き装置による付加的な変
調は不要であり、このことは関わる広帯域の故に２次元
または３次元の走査ではあり得ない。
この点に対して論述した実施例では、キューブ42の走
査は少なくとも走査間隔では一定速度であった。しか
し、サーボ制御される一定速度の機械的装置により達成
できない高い反復率での非常に高い速度の走査の場合
は、共振的に（正弦波形）駆動される機械的アクチュエ
ータをキューブ42またはミラー44の駆動のために使用す
ることができる。これらのアクチュエータは、機械的ア
クチュエータ・システムの共振周波数で電流磁気的また
は電磁気的に駆動することができる。正弦波形駆動を許
容するために要するシステムに対する調整については、
図1Cに関して後で論述する。あるいはまた、より高い速
度の走査が要求される場合は、走査を行うために機械的
手法の代わりに光電気的手法を用いることができる。例
えば、光経路を変更するために音響光変調器または他の
光電気変調器を用いることができる。しかし、このよう
な装置は現在では高価であり、範囲が制限されており、
従ってこのような装置はほとんどの用途に対しては選好
されない。
図1Bは、縦方向のレンジ情報が、光コヒーレンス領域
反射法ではなく光周波数領域の反射法により得られる本
発明の別の実施例を示している。同図では、また残りの
図においては、共通の要素を示すため同じ参照番号が用
いられる。要素が僅かに変更された前の図における共通
要素を示すためにはプライムを付した番号が用いられ
る。
図1Bは、当技術において公知の多くの方法の１つにお
いて周波数変調可能なスペクトル的にコヒーレントな光
源79を用いる光周波数領域反射計を示す。光源79は、信
号発生器78により線形FMチャープの形態で周波数変調さ
れる。光源79からの出力は、図1Aに関して述べた同じ光
経路を通って走査／試料組立体28および端部ミラー44に
至る。光経路の長さの変化は縦方向走査の実施のため本
発明の本実施例のために用いられないため、図1Aに示し
た基準組立体の残部は不要であり、変調器34、38および
40もまた同様である。レンズ36の如きレンズは必要であ
るかあるいは不要である。
組立体28における試料および基準ミラー44からの反射
光は、光ファイバ結合器22において合成されて光経路50
を経て広帯域光検出器52′へ送られ、ここでこれらの光
は光学的に干渉する。広帯域光検出器52′および相互イ
ンピーダンス増幅器55′は、検出された信号を増幅する
ため使用される。検出された光干渉は、試料の反射と基
準ミラー44からの反射との間で差の経路長さに比例する
RF周波数を生じる。電気的プロセッサ81においてこのよ
うな周波数情報を空間情報へ変換する当技術において公
知の種々の方法が存在する。これらは、逆フーリエ変換
手法による波形レコーダの使用を含む。線形成、スペク
トル・コヒーレンス、変調帯域幅および周波数偏差を確
保することの要件およびその手法は全て当技術において
公知であり、かかる手法は図1Bの実施例において用いる
ことができる。プロセッサ81からの出力は、A/Dコンバ
ータ70を用いてディジタル化され、図1Aに関して述べた
方法でコンピュータ72により処理される。プリンタおよ
びディスプレイは、図1Aに示された実施例に対する如
く、本発明の本実施例に対して提供される。適当な修正
により、本発明の教示もまた線形的にチャープされた強
さを修正した光源を用いて実施することができる。
先に述べたように、アクチュエータ46が正弦波形また
は他の非線形速度特性を有する場合、ドップラー・シフ
ト周波数fDはもはや一定ではなく、復調器56をこのキャ
リヤ周波数の変動に対応させねばならない。この目的を
達成するための少なくとも２つの方法がある。いずれの
場合も、図1Cにおけるシステム10Cに対して示した如
く、出力線87がアクチュエータ46における位置センサか
ら設けられる。簡単にするため、同図における基準組立
体はアクチュエータ46により縦方向に移動される端部ミ
ラー44として示される。線87における電圧は、通常アク
チュエータの位置、このためミラー44に対する位置の関
数として変化するが、位置センサ出力もまた電流で変化
する。センサがディジタル出力を生じるならば、線87は
A/Dコンバータ70′を介することなくコンピュータ72に
接続される。コンピュータ72で受取られる強さおよび他
の入力が試料における走査位置と相関させられるように
アクチュエータ46′が非線形速度特性を有する時、線87
における信号が要求される。このような相関関係は、位
置が入力が受取られる時から決定できる線形走査では必
要とされない。
より簡単な手法では、帯域通過フィルタ58および低域
通過フィルタ64に対する受入れ帯域が増やされて、ミラ
ー44の正弦波形運動の大きな部分にわたりドップラー・
シフト周波数fDにおける変動を許容する。これらの変動
は、Ｖにおける変動と共にfDが直接変化する故に生じ
る。このように増やされた復調器の受入れ帯域幅は、ノ
イズの受入れの増加を導き、これにより低下した検出感
度を結果としてもたらす。しかし、この手法は簡単であ
り、検出感度の要件が厳しくない場合に用いることがで
きる。更に、受入れ帯域幅のこのような増加は、信号帯
域幅ΔfFWHMが既にfDに対して大きい時は比較的小さ
く、この状態はコヒーレンス長さが非常に小さい時に生
じる。
図1Cは、復調周波数がスーパーヘテロダイン・システ
ムを用いて瞬間的なドップラー・シフト周波数に動的に
同調される第２の手法を示している。アクチュエータ即
ち駆動機構46′におけるセンサは、電圧制御発振器95に
与えられる前に利得回路91およびバイアス回路93により
修正される線89における速度依存電圧を生じる。発振器
95からの出力は、増幅器55を介して検出器52からの出力
により回路97において乗じられる。VCO95に与えられる
信号の利得およびバイアスは、乗算器97からの出力にお
ける変調周波数が帯域通過フィルタ58に対する中心周波
数として選択される所要の中心周波数において実質的に
一定であるように調整される。図1Aの実施例におけるよ
うに、フィルタ58の帯域幅はピーク信号の帯域幅の２乃
至３倍にセットされ、線87における位置センサ出力の必
要を除いて、検出および処理の残部は図1Aに関して先に
述べたものと略々同じである。
図1Dは、光ファイバではなくバルク光学系が用いられ
ること、および異なる波長である２つの光源12Aおよび1
2Bを提供することにより空間特性を観察する能力が強化
されることを除いて、図1Aと似たシステム10Dを示す。
多数の波長オプションがバルク光学系の実施例に関して
例示の目的のため示されるが、多数の波長もまた光ファ
イバの実施例で使用できかつ使用できることが望ましい
ことを理解すべきである。光源12Aおよび12Bは、異なる
波長で動作するよう設計された同じ形式の光源でよく、
あるいは異なる形式の光源でもよい。光源12Aおよび12B
からの出力は結合器60において組合わされ、その光出力
は結合器59に与えられる。結合器59に対する他の入力
は、レーザ18、例えばヘリウム・ネオン・レーザからの
出力であり、その利得は整合目的のためにのみ使用され
る。結合器60および59は、例えば、２色ビーム・スプリ
ッタ、偏光ビーム・スプリッタまたは通常のビーム・ス
プリッタでよい。
結合器59からの出力は、ビーム・スプリッタ61および
65へ与えられる。ビーム・スプリッタ61は、その入力の
一部をレンズ36を経てミラー44へ与え、また光線をビー
ム・スプリッタ65へ通し、このビーム・スプリッタがこ
の光線をレンズ82を経て試料84へ与える。ミラー44から
の反射は、レンズ36、ビーム・スプリッタ61およびミラ
ー67を介して相互干渉結合器69へ与えられる。ミラー44
およびレンズ36は、図1Cに関して述べた機構46′の如き
機構により運動させられる変位段の一部である。先に述
べたように、このような変位が主たるノイズ・スペクト
ルより下方のfDの如き速度で行われるならば、例えばミ
ラー44を変調器75の制御下で振動させられる圧電クリス
タル63へ取付けることもまた必要である。これを実施す
るための他の方法については先に述べた。試料84からの
反射は、レンズ82およびビーム・スプリッタ65を介して
相互干渉結合器69へ与えられる。
結合器69からの出力は、整合目的のため使用されるCC
Dカメラ71へ与えられ、またレンズ73を介して光検出器5
2へ与えられる。検出器からの出力は、２つの別個の経
路を介して与えられる。各経路は、所与の光源12に対す
るドップラー・シフト周波数fDと対応する中心周波数を
持つ帯域通過フィルタ58を含む復調器56A、56Bを含んで
いる。fDが光源の波長の関数として逆方向に変化するた
め、各復調器は適当な光源の波長と対応する信号のみを
復調して、２つの光源波長から結果として得る出力を分
けることを許容する。対応するＡ−Ｄコンバータ70を介
して与えられた後、この２つの出力はコンピュータ72へ
与えられて、これにより適当に処理される。
あるいはまた、検出器52は各損失の波長に対応して設
けられ、この場合各光検出器の前には適当な通過帯域を
持つ適当な波長のみを伝送する光波長フィルタが設けら
れる。ビーム・スプリッタは、復調器を検出器出力側に
置いて光波長フィルタの前に設けられる。
図1Dおよび先の論議においては僅かに２つの個々の信
号λが示されたが、このことは本発明に対する限定では
なく、より多数の光源および検出器（および（または）
復調器回路）を適当な用途のため設けることができる。
例えばシステム10Aまたは10Dの動作を説明する目的の
ため、試料84が人間または動物の患者の目であると仮定
しよう。測定が行われる時、重要である３つの整合が存
在する。第１に、ビームは所要の角度で試料に進入する
ように試料に対して整合されねばならない。この角度
は、通常は目の層の角度と直角をなす角度である。第２
に、ビームは問題となる試料領域上に側方に配置されね
ばならない。これは、ビームの側方位置の対照点であ
る。最後に、ビームは目における問題のレベルで集束さ
れねばならない。これらの整合機能の各々を実施するた
め多数の手法が用いられる。
特に、所要の入射角度を得るために多数の異なる手法
を用いることができる。ビームが前記層即ち、反射され
る面に対して直角となる反射が一般に実質的に最大化さ
れるため、整合を達成する１つの簡単な方法は、プロー
ブ80、ビーム・スプリッタ65またはレンズ82および（ま
たは）試料（即ち、患者の目）の位置即ち角度を調整す
ることであり、基準アームを固定して試料からの反射を
検出することである。このため、検出された反射のエネ
ルギが最大となる整合は、所要の整合角度となる。通常
は、この手法を用いて比較的迅速に所要の角度を見出す
ことが可能である。
角度の整合を達成するための第２の手法は、基準アー
ムが固定されないことを除いて第１の方法と似ており、
通常の読みがシステムから行われると、整合は出力を最
大化する整合が得られるまで手動により調整される。
第３の方法は、ビームの整合を検出するためビームが
反射される方向に見ることである。これを直接行うこと
は、特にファイバを用いる時に難しいため、このような
決定は一般に、試料からビームの位置を測定することが
できるCCDカメラ71（図1D）の如き装置に対して反射さ
れるビームの一部を指向するビーム・スプリッタを提供
することにより行われる。この装置は、ビームが試料に
対して適正に整合される時カメラにビームが当たる地点
が決定されるように、最初にシステムにより較正され
る。次いで、動作において、先に決定された地点におけ
るCCDカメラにビームが当たる整合角度が得られるまで
試料およびプローブを調整することができる。
側方位置の整合は、この時手動により最もよく行われ
る。この操作を行うために、レーザ18が投入される。光
源12は、この操作のためにはオンの状態でもオフの状態
でもよい。レーザ18は、ビームが当たる目の側方位置の
狭いビームの視覚的表示を行い、次にビームが所要の位
置に当たるまでプローブ・ビームまたは患者のいずれか
の位置が手動により調整される。光源12からの光が可視
帯域にあるならば、レーザ18は必要がなく、光源12から
の光を整合のため使用することができる。
読みを行うため用いられる集束円錐角が、できるだけ
大きな開口数（円錐角）を持つことの要求度を、後方散
乱または反射された光が有効にファイバ（あるいは、フ
ァイバが用いられない場合他の光経路26）へ戻るよう接
続されるフィールドの所要の縦方向範囲即ち深さが得ら
れることに対して均衡化することにより決定される。大
きな開口数は、試料面上の鉛直入射を生じるための、ま
た戻る光線が広い立体角にわたり分散される後方散乱の
測定のための角度整合の厳密さを緩和し、広い円錐角は
ファイバに対する結合を増す。しかし、大きな円錐角は
縦方向の範囲を減少する。このため、開口数即ちＦナン
バーは、測定が行われるべき目または他の試料における
領域の縦方向の限度に等しい視野の深度と対応するよう
に選定されるべきである。この論議の目的のために、視
野の深度はファイバに対する背面結合効率が半分に減じ
る焦点面からの縦方向距離として定義される。
他の整合における如く、試料および（または）プロー
ブは、システムが試料内即ち目の内部の所要の点に集束
されるまで相互に移動される。レーザによる場合でも、
焦点の視覚的決定は難しいため、合焦を行う望ましい方
法は、例えばディスプレイ76上に得られる出力でシステ
ムを操作することである。後で論議するように、このよ
うな出力におけるある高い振幅点は、特定の層または目
における移動を表わし、焦点はこの移動が走査における
所要の点において生じるまで調整することができる。
整合が一旦行われると、システムは所要の測定を行う
ように用いることができる。このような測定を行うた
め、標定レーザ18がオフにされ、光源12がオンにされ
る。既にオンでなければ機構43または43′もまたオンに
されて、キューブまたはミラーの所要の運動を生じる。
機構43、43′が充分に高い速度で運動しなければ、圧電
変調器34または63をオンにすることも必要である。
先に述べたように、光源12は、当たる低コヒーレンス
長さがスペクトル的に広くなければならない。このた
め、略々10μｍのコヒーレンス長さを持つ先に述べた形
式の光源の場合は、10μｍまでの空間的な分離、従って
分解能が得られる。これは、他の現在入手可能な装置に
おいて得られるものよりもはるかに高い分解能である。
経路の長さ26、30は、最初は試料28における所要の初
期走査深さにおいて集束されるビームと等しい。ミラー
44（または、キューブ42）がレンズ36から遠去るように
移動されるに伴い、経路長さが等しい試料における点が
試料内の連続的に増加する深さまで走査される。走査に
おける各点において反射が生じ、光が通過する物質に対
する屈折率およびかかる屈折率の境界域の関数である光
の散乱が生じる。干渉縞は、試料における地点までの経
路長さ（Ls）と電流ミラーの位置までの経路長さ（Lm）
との間の差が光源のコヒーレンス長さ（CL）より小さい
（即ち、Ls−Lm＜CL）試料における深さ点に対して生じ
る。従って、光源のコヒーレンス長さが得られるシステ
ムの分解能を決定する。これは、コヒーレンス長さをで
きるだけ小さく保持する理由である。
結合器22または69からの干渉出力は、このように試料
内の特定深さで得られる反射または散乱を表わす。走査
中に得られる連続的な干渉計出力は、走査深さにおける
媒体の散乱特性に従って、反射が通常最大となる試料内
の光学的接合点におけるピーク値を持ち、予め定めたパ
ターンにおけるある小さいピークを持つ図2Aに示される
ものの如きエンベロープ信号を形成する。
ミラーが速度Ｖで走査されつつある時、周波数fD〜2V
/λ（コーナー・キューブが移動される図1Aの場合は、
〜4V/2）を有するドップラー・シフト周波数は、図2Bに
おける強さの出力の小さな部分について示される如くエ
ンベロープ信号に重ねられる。但し、Ｖはミラーが移動
される速度、λは光源12の波長である。図2Cは、復調後
のこの同じ出力部分を示している。
先に示した式から、ドップラー・シフト周波数が光源
12の波長に依存することが判る。このため、２つの別個
の光エネルギ源12Aおよび12Bが提供される図1Dに示した
実施例の場合は、結合器69からの干渉計出力は異なる波
長における吸収および反射における差の関数である２つ
の個々のエンベロープを含み、各干渉出力が異なるドッ
プラー・シフト周波数で変調されることになる。このた
め、先に示したように、各復調器56における帯域通過フ
ィルタ58は、ドップラー・シフト周波数の別の１つに対
する中心周波数および帯域幅を持つように選択され、あ
るいは多数の検出器による光の濾波が用いられてこれら
２つの信号の検出および分離を可能にする。
２つ以上の異なる波長における干渉計検出を行うこと
ができることは、特異な利点を提供する。これらの利点
は、種々の試料素材の吸収、反射および他の光学的特性
が波長と共に変化するという事実から起生する。このた
め、２つ以上の波長における測定を行うことにより、波
長に依存する吸収および散乱の如き試料の光学的特性の
スペクトル特性を許容する。特に、後方散乱の対数減衰
率は、異なる物質に対しては異なり、ある所与の物質で
は、波長と共に変化し得る。物質からの異なる波長にお
ける後方散乱パターンを観察することにより、またおそ
らくは試料の層からの後方散乱または反射減衰の平均率
を観察することにより、この層の物質に関する情報また
は種々の物質特性が得られる。種々のスペクトル特性の
測定は、それ自体が問題となり、また２つの試料層、例
えば類似する光学的特性の故に１つの波長測定では弁別
することが通常は困難である２つの組織層の間を弁別す
るためにも使用される。特に、不整合の如き見かけ上の
効果は、境界を更に容易かつ正確に識別することを可能
にするように補償される。基本的には、このような境界
は、絶対値ではなく比で調べることにより識別される。
図3Aは、図1A〜図1Bの組立体28に対する１つの比較的
簡単な実施例を示す。この実施例では、ファイバ26はプ
ローブ・モジュール80で終る。このプローブ・モジュー
ルは、１つ以上のイメージ形成レンズを含み、ファイバ
26の出力と走査される試料84との間に位置された１つの
レンズ82が図に示されている。適当な線形変位段または
他の機構86が、２次元走査を行うためプローブ・モジュ
ール80を試料84に対して横断方向または側方に移動させ
るように接続される。同様な機構（図示せず）が、試料
84の３次元走査を行うためプローブを横断方向または側
方の前記とは別の方向に移動させるため設けられている
（以下本文においては、時に横断方向および側方走査は
まとめて横断方向走査と呼ばれる。）。機構86は、ステ
ッピング・モータあるいは他の適当な位置決め機構であ
り、コンピュータ72（図１）によるか、あるいは試料84
における走査の位置がコンピュータにより知られるよう
にコンピュータ72に位置決め情報を提供する位置決めコ
ンピュータにより制御されることが望ましい。あるいは
また、プローブ・モジュール80は静止状態のままであ
り、試料84は矢印88で示される如く所要の多次元走査を
行うため１次元または２次元で変位することができる。
更に、先に述べたように、プローブ・モジュール80また
は試料84は、走査のための縦方向位置を生じるように適
当な変位機構により縦方向に移動することができる。こ
れは、コーナー・キューブまたは端部ミラーの移動の代
わりにあるいはこの移動と関連して行われることにな
る。
図3Bは、プローブ・モジュールが第１のコリメーティ
ング・レンズ90と、時に瞳孔面と呼ばれる面内の１つ以
上の軸の周囲に検流計または他の適当な機構100により
回転することができる変向ミラー92と、２つの別の集束
レンズ94、96とを含む本発明の別の実施例を示してい
る。この試料は、目84′として示される。図3Bでは、焦
点は目84′の後方またはその付近にあり、ビームは、ミ
ラー92が枢軸98および（または）これに直角をなす枢軸
の周囲で機構100により回転させられる時、目の背面に
沿って異なる地点を走査するため略々接眼レンズの位置
における目のノード点の周囲に枢動させられる。この場
合もまた、ミラー92の位置は適当な方法でコンピュータ
72に対して通信される。
更に、先に述べたように、コーナー・キューブ42が機
構46によって移動される時、検出が生じる目84′におけ
る縦方向または深さ地点が変化させられる。しかし、図
3Bに示されるように、目における光ビーム102に対する
焦点深さは一定のままである。このため、所与の深さの
走査の多くは、ビーム102が読取りが行われる地点に対
して焦点が外れる。この問題を克服するため、走査機構
46と同期されかつ集束レンズ90を光が通る方向と平行な
方向に移動させる走査機構104が提供される。これは、
試料84′におけるビーム102に対する焦点深さにおける
変化を生じる。ドライブ46および104が同期されると、
目84′におけるビーム102の焦点は、各時点において目
で走査される地点と実質的に等しくさせることができ、
測定およびイメージ形成のための最適の解決法を提供す
る。焦点を縦方向に変更するための技術において公知の
他の手法もまた、焦点と検出点を同期させるために用い
ることができる。
図3Bにおいて、１つの瞳孔面内で１つまたは２つの横
断方向次元で走査が行われる。図3Cは、２つの１軸走査
ミラーが用いられ、別の走査ミラー106が第２の瞳孔面
内に設けられ、このミラーが検流計または他の適当な機
構110により軸108の周囲でミラー92の回転方向に対して
直角の方向に走査される。ミラー106から反射された光
は、レンズ112、114を通って目84′の開口を通過して目
における選定された焦点に達し、この焦点は３次元で変
化し得る。図3Bおよび図3Cにおけるこの検流計で駆動さ
れるミラー92および106は、回転する多角形ミラーまた
は他のビーム指向装置により置換することができる。先
に述べた実施例における如く、位置に関する情報は、適
正なイメージ形成および処理を可能にするためコンピュ
ータ72へ通信される。
図3Dは、組立体25の更に別の実施例を示し、これにお
いては、瞳孔面内のミラー92が適当な回転運動機構95に
より軸93の周囲に回転させられ、またそのピッチがピッ
チ変更機構97により変更される。その結果、目84′の円
形走査を生じ、円の大きさ（即ち、直径）がミラー92の
ピッチ角に従って走査される。図3Dの機構は、例えば、
患者の目の感光神経頭の周囲を走査するため用いること
ができ、この走査は２次元走査を提供するように処理さ
れる。機械的な指向機構について先に述べたが、当技術
において公知である光電指向機構もまた用いることがで
きる。
図4Aおよび図4Bは、組立体28に対する更に別の実施例
を示し、これにおいては、ファイバ26が枢着点103を介
して静止ハウジング105に取付けられる鞘部101に埋設さ
れる。鞘部101はハウジング105に固定された機構107上
に静置し、この機構は例えば圧電クリスタル、ステッピ
ング・モータ、電磁アクチュエータ、静電アクチュエー
タなどでよい。機構107が鞘部101を移動させるに伴い、
ファイバ26の先端部は横方向に移動させられる。この運
動は、目84′における固定された進入点（図4A）の周囲
で付角走査、従って目の焦点面における横方向走査か、
あるいは試料84の如き試料（図4B）に沿う横方向走査の
いずれかにレンズにより変換される。レンズ109は、縦
方向走査を制御するかあるいは試料84における集束を図
1A〜図1Bに関して前に述べた方法の１つにおいて行われ
る縦方向走査と同期させるため、図4Bにおける縦方向に
運動し得る如く示される。必要に応じて、枢動部103は
取除くことができ、その結果鞘部101は、ある角度方向
に運動する代わりに機構107の動作の結果として上下に
直線的に運動する。
図５は、プローブ・モジュールが、血管、食道などの
如き管状構造120のイメージ形成を行うために使用され
る血管内視鏡または内視鏡の一部である別の実施例を示
している。ファイバ26の遠端部は、外側鞘部124の内部
に回転自在に支持される内側鞘部122に埋設されてい
る。内側鞘部122は、ファイバ26の遠端部に形成された
レンズ126を有し、外側鞘部124の端部を越えて延長する
付角ミラー128で終っている。プローブ・モジュール121
は、血管壁を１次元で走査するため、血管壁120に沿っ
て（即ち、矢印130の方向に）側方に手動あるいは適当
な駆動機構により移動させられ、一部をなすミラー128
を含む内側鞘部122は２次元で血管壁を走査するため外
側鞘部124に対して回転させることができる。機構46の
制御下でのコーナー・キューブ42の運動は、血管壁の深
さ次元での走査を生じて３次元走査を行い、あるいは深
さ次元におけるかかる走査は先に述べた手法の１つによ
って達成される。図５に示される実施例の場合は、経路
26に対して所要の等しい長さを維持するためには、プロ
ーブ・モジュール121が血管壁に沿う方向130で実質的な
距離だけ移動するため、ファイバ26は最初ある量の弛み
を与えることができ、あるいはこの方向の運動を許容す
るためカール即ちコイル状にすることもできる。
図６に示される内視鏡プローブ140は、ファイバ26の
遠端部のレンズ90と、検流計で制御するミラー92と、図
3Bにおける対応する要素と同じ方法で機能し略々同じ機
能を生じる集束レンズ94とを有する。レンズ94からの出
力ビーム142は、光ファイバ束144における１本以上の単
一モード光ファイバに与えられる。ビーム142が与えら
れるこの光ファイバ束144は、ミラー92の走査位置に依
存する。ファイバ束144の遠端部では、束144からの出力
がレンズ146、148をへて試料84へ送られる。試料84にお
ける走査ビーム150の横方向位置は、ビーム142が与えら
れる束144におけるファイバと共に変化し、このためミ
ラー92の位置と共に変化する。ビーム150は、このよう
に、ミラー92の回転により試料84を横切って直線的に走
査される。ミラー92が２次元で走査されるか、あるいは
図3Cの３次元走査機構のレンズ112からの出力がレンズ9
4からの出力の代わりに用いられ、光ファイバ束144が１
次元ではなく２次元にファイバを有するならば、ビーム
150は試料84の表面を横切って２次元パターンで走査さ
せられて、３次元走査を行うことを可能にする。
図７は、本発明の教示を用いて構成される更に別の内
視鏡プローブ・モジュール160を示す。本例では、ファ
イバ26の遠端部はばね162により鞘部124の内壁部に接続
されている。ばね162は圧電トランスジューサ164、ある
いは鞘部124の壁部に沿って延びる電線166によりドライ
バ168に接続される当技術において公知である電磁アク
チュエータ、静電アクチュエータまたは他のアクチュエ
ータ上に静置してこれにより振動させられる。ファイバ
26の横方向運動は、屈折率が変化するレンズ（GRINレン
ズ）または他の適当なレンズ172に与えられる光ビーム1
70の対応する横方向運動を生じる。レンズ172からの出
力光ビームは、試料84の横方向走査を生じる。
血管内視鏡／内視鏡プローブの３つの異なる形態が図
５乃至図７に示されるが、本発明の教示を用いて他の血
管内視鏡／内視鏡プローブ・モジュールに内側または外
側の光学系を設け、ファイバ自体または外側レンズまた
はミラーの運動を与え、また用途の応じて異なる走査パ
ターンを用いることができる。
先に述べたように、本発明の種々の実施例に対する典
型的な走査パターンは、プローブ組立体を試料に対して
選択された横方向位置に配置させ、図1A〜図1Bに関して
述べた機構46または他の縦方向走査機構を所与の横方向
位置における縦方向または深さ走査を完了するように動
作させることである。この横方向位置は、例えば図３〜
図７に関して述べた方法で変更され、深さ走査は、新た
な横方向位置で完了される。このプロセスは、全ての所
要の横方向位置で走査が行われるまで繰返される。これ
は、図8Aに示される走査パターンである。
しかし、図8Aに示される走査パターンは高速の縦方向
走査を必要とする。先に述べたように、ある実施例にお
いては、この縦方向走査は、回路56（図1A）において復
調することができる均一なドップラー・シフトを生じる
ためには、一定速度におけることが望ましい。しかし、
非常に高速の一定速度走査は達成が難しい。従って、横
方向走査のための一定速度に関する要件が比較的少ない
ため、また共振するように駆動される検流計またはファ
イバ反射器を横方向走査の非常に高い速度を生じるため
使用することができるため、図8Bに示される如き走査パ
ターンは、特に大量の横方向点がイメージに対して用い
られる時に望ましい。
図8Bにおいて、完全な横方向走査が縦方向位置毎に行
われる。換言すれば、例えば図3Aによれば、機構86は機
構46（図1A）の各位置毎に完全な１サイクルを実施する
ことになる。このような走査パターンでは、機構46は連
続的に回転させられるのではなく歩進運動させることが
できる。
図8Cは、本発明の教示の実施において用いられる更に
別の走査パターンを示す。この走査パターンでは、試料
における縦方向位置が、例えば端部ミラー44の位置を選
択された位置へ進歩させることにより前に延べた縦方向
の位置決めのための手法の１つを用いて制御され、次い
で試料におけるこのような深さ即ち縦方向位置において
縦方向の１次元または２次元で走査が行われる。一旦こ
のような走査が完了すると、走査は同じ深さで反復され
るか、あるいは縦方向位置の制御が以降の走査を異なる
深さで行わせるように歩進状に進められる。各深さレベ
ルにおける走査が１次元ではなく２次元で行われ、この
ような２次元走査が全ての選択深さではなく１つ以上の
選択深さでのみ行われることを除いて、この３次元走査
が図8Bのそれと似ていることに注意すべきである。
以上の記述において、横方向次元における走査パター
ンは直線を用いて行われる必要がない。湾曲即ち円形走
査パターンは、湾曲しない特定面に沿って深さおよび断
面のイメージ情報を得ることが要求される場合に用いら
れる。図3Dおよび図５の走査実施例はこの点を示してい
る。
ここまで述べてきた本発明の実施例におけるあり得る
１つの難しいことは、試料の完全な２次元または３次元
走査がかなりな期間を要することである。これはある機
械的または半導体試料の如く時間と共に変化しない試料
に対しては受入れられるが、時間と共に急速に変化する
生物試料に対しては受入れられない。図９は本発明の別
の実施例を示し、この実施例ではこの問題は、多数の光
源12A〜12Cおよび多数の検出器52A〜52Cを用いるが１つ
の可動基準ミラー44′を用いて試料を並行に走査するこ
とにより克服される。各光源12A〜12Cに対しては個々の
光源が提供され、あるいは１つ以上の光源からの光線が
所要数の光源を提供するため分けられる。同様に、多数
の基準点が設けられる。多数の検出器52A〜52Cからの出
力は、コンピュータ72へ与えられる前に特殊な処理回路
180により処理される。少数の並行走査が行われる場合
は、このような光源を側方に走査することも依然必要で
あろう。例えば、図９における試料84に与えられる各ビ
ームもまた３次元の走査を行うように図に対して出入り
する方向に走査することもできる。あるいはまた、並行
走査は３次元で行うこともできる。電子的処理回路180
の容量が充分であるものとして、ビームの別の側方また
は横方向走査が必要でないように、２次元または３次元
における充分な回数の並行走査を行うことができる。並
行走査はまた、図1Bの走査技術を用いて行うこともでき
る。
図10は、過大な強さのノイズが存在する場合に用いら
れる１つの可能な均衡された受信機の実施例を示してい
る。この実施例では、２個の光検出器52Aおよび52Bが過
大な強さのノイズを除去するため当技術において公知の
方法で用いられ、このノイズは減算回路182において打
消される。本例では、試料およびコーナー・キューブ42
の２面からの反射から入力を受取る別の光結合器184が
提供される。均衡化された検出を行うための当技術にお
いて公知の他の多くの技術もまた使用される。図10に示
される本発明の実施例の動作は、他の点では例えば図1A
に関して述べたものと同じものである。
横方向走査パターンを有する実施例においてあり得る
問題は、これら実施例が必要とする高い横方向走査速度
では、使用される信号帯域幅が非常に大きいため、この
信号のアライアジングがイメージに生じ得ることであ
る。信号のアライアジングは、例えばドップラー・シフ
ト周波数（fD）で変化し得る所与のイメージに対するイ
メージ強さにおける変動を含む。このようなアライアジ
ングの１つの補償方法は、１つの試料において多数の走
査を行い、各走査の結果をメモリー74に格納して、コン
ピュータ72において種々の走査からの値を平均化してア
ライアジングの変動を取除くことである。アライアジン
グを取除く他の望ましい方法は、先に述べた手法の１つ
を用いて信号帯域幅より高い変調を得ることである。
図11は、複屈折を検出するため偏光を用いる本発明の
別の実施例を示す。本発明のこの実施例では、光源12か
らの光が、偏光を含む（高い複屈折の）ファイバ194へ
与えられる前に、１対のレンズ192間に挟持された偏光
器190において偏光される。例示の目的のため、偏光器1
90は光源12からの光を縦方向に偏光する如く示され、縦
方向の偏光はファイバ194のモードの１つである。ファ
イバ194は、偏光を含むファイバ198、200に対して縦方
向に偏光された光を出力する偏光を含む結合器196に結
合される。ファイバ198は集束レンズ202で終り、このレ
ンズからの光出力は４分の１波長遅延プレート204を介
して試料84′へ与えられる。プレート204は、円偏光さ
れた光が試料84′に入射するように配置され指向された
ゼロ次または低次のプレートであることが望ましい。試
料の複屈折が存在しない場合は、プレート204はこれを
通してファイバ198へ進む反射光を横方向偏光に変換す
る。偏光に従って光を異なる速度で層に伝搬させる試料
の複屈折が存在する時は、複屈折を生じる試料構造を呈
しあるいはこれより深い試料層から反射された光は、一
般に楕円偏波状態でファイバに戻ることになる。
基準アームにおいて、ファイバ200における縦方向に
偏光された光はレンズ202および４分の１波長遅延プレ
ート210によりミラー44に対して集束される。これもゼ
ロ次あるいは低次であることが望ましいプレート210
は、ミラーに与えられる光が楕円偏波され、ファイバ20
0へ戻されるミラーからの反射は等しい横方向および縦
方向成分を持つ直線偏波状態にあるように配向される。
試料および基準反射は結合器196において干渉縞と再び
合成されて偏光を含むファイバ212へ与えられる。ファ
イバ212は、偏光ビーム・スプリッタ216に向いたレンズ
214で終り、ビーム・スプリッタからの横方向に偏波さ
れた光は検出器52Cへ与えられ、ビーム・スプリッタか
らの縦方向に偏波された光は検出器52Dへ与えられる。
レンズ214および偏光ビーム・スプリッタ116は、ファイ
バ偏光ビーム・スプリッタにより置換することができ
る。
共に同じドップラー・シフト周波数にある２個の検出
器により検出された干渉信号は、復調器56とA/Dコンバ
ータ70において個々に処理されて（個々の復調器および
A/Dコンバータは図11に単一のユニットとして簡略に示
される）２つの干渉信号と、１つの横方向振幅成分I1
と、１つの縦方向振幅成分I2を生じる。これらの信号
は、コンピュータ72へ与えられ、ここで試料光経路にお
ける周回複屈折遅延φ を決定するために、また試料反射のための振幅|It| |It|＝|I1|2＋|I2|2 を決定するために使用することができる。
このように、２つの検出器出力の相対的振幅および位
相を測定することにより、試料の主軸に沿った相対位相
の遅延についての情報が試料の深さの関数として得られ
る。
複屈折は、網膜の神経繊維層の如き目における構造、
ならびに他の高次の生物組織、水晶体および他の構造物
において観察される。10乃至20μｍの目の神経繊維層の
厚さにおける変化は緑内障における著しい間隔の変化で
あり得、また感光神経頭の放血および他の視野の喪失の
進行を予見することができる。網膜の厚さを測定するた
めの従来技術の手法は、単に40μｍ程度の分解能を持つ
に過ぎなかった。しかし、図11に示される装置は、10μ
ｍの分解能で複屈折を生じる網膜神経繊維層の厚さを検
出することができる。網膜神経繊維層（RNFL）の内部か
らの後方散乱は、RNFLの内部からの後方散乱の屈折の遅
れが他の複屈折面に対する深さと共に増加する故に、識
別することができる。複屈折の遅れが変化する深さの範
囲はRNFLの厚さであり、複屈折の遅れの変化率（RNFLの
厚さで除した全遅れ）はRNFL内部の神経軸索密度の測定
値を提供することができる。RNFLより深い層からの後方
散乱および反射は、一定料の複屈折遅れを得ることにな
る。
このような神経繊維層の測定を行う能力は、緑内障の
早期の検出および緑内障の損傷の進行の客観的な評価に
顕著な利点を提供する。このため、網膜構造からの弱い
後方散乱信号を測定することができると共に、網膜の全
厚さのみならず構成する下位層の厚さの直接的な検出も
また生じることが可能である。
後方散乱光もまた、動脈斑および正常な動脈壁の如き
最初の数mmの混濁組織試料から検出するも可能である。
図12A〜図12Cは、正常な動脈壁と色々な種類の斑が沈着
したものから得た後方散乱パターンを示している。後方
散乱に対する対数減衰率もまた動脈壁に対するよりも脂
肪斑に対して異なり、斑を弁別する別の方法を提供す
る。図５〜図７に示した形式の光ファイバ・プローブ
は、レーザ血管形成術および砕石術において使用される
高解像度イメージを提供するため所要の場所に内視鏡の
使用により送ることができる。これは、意図的でない血
管の損傷および破裂の危険を低減することにより、この
ような処置の可用性を高めることになる。これは、この
技術が従来技術の超音波法で得られるよりも微小な分解
能を提供することができる許りでなく、動脈斑および正
常な動脈壁を弁別する能力を、複屈折およびスペクトル
特性の測定を含む多くの方法で提供する故である。動脈
の内部の弾力に富む薄膜は複屈折を高度に生じるが、そ
の斑はそうではない。斑はまた他の異なるスペクトル特
性を呈する。このような差別は、超音波法では容易に得
られない。
更に、特定の光ファイバおよびバルク光学系の構成を
示したが、本発明が他の光学的構成を用いて実施するこ
ともできること、および機能の実施のため示した特定の
装置における他の変更が用途に応じて可能であることが
明らかである。このため、本発明については本文におい
て選好された実施態様に関して特に記述したが、形態な
らびに細部における上記および他の変更が、本発明の趣
旨および範囲から逸脱することなく当業者により可能で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フジモト，ジェームズ・ジー アメリカ合衆国マサチューセッツ州 02139，ケンブリッジ，マサチューセッ ツ・アベニュー 2592 (72)発明者 プリアフィート，カーメン・エイ アメリカ合衆国マサチューセッツ州 02193，ウエストン，グレン・ロード 236 (72)発明者 リン，チャールズ・ピー アメリカ合衆国マサチューセッツ州 02144，サマーヴィル，オーチャード・ プレース 123 (72)発明者 シューマン，ジョゼフ・エス アメリカ合衆国マサチューセッツ州 02114，ボストン，ホィッティアー・ス トリート ８ (72)発明者 スワンソン，エリック・エイ アメリカ合衆国マサチューセッツ州 01754，メイナード，リンカーン・スト リート４ (56)参考文献 特開 平４−174345（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−189349（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−155827（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−151509（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 9/02 A61B 1/00 300 A61B 10/00 G01B 11/06

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光源と、 光反射器と、 反射器に対する第１の光経路と、 プローブ・モジュールで終る、試料に対する第２の光経
    路とを設け、該プローブ・モジュールは、イメージ形成
    が行われる前記試料における横方向位置を制御する手段
    を含み、該試料位置は少なくとも１つの横方向次元にお
    いて試料を走査するよう制御する前記手段により選択的
    に変更され、 前記光源からの光線を第１の光経路を経て前記反射器
    へ、かつ前記プローブ・モジュールを含む第２の光経路
    を経て試料へ与える手段と、 イメージ形成情報が得られる試料による縦方向位置を制
    御する手段と、 前記第１の光経路を経て受取った反射器からの反射と、
    前記第２の光経路を経て受取った試料からの反射とを組
    合わせる手段とを設け、結果として生じる組合わせ光出
    力は光干渉縞を有し、 前記出力を検出する手段と、 前記光経路の少なくとも１つに対して周波数fMで変調す
    る手段と、選択された試料イメージを得るために検出さ
    れた出力を処理する処理手段と を設け、 前記縦方向位置制御手段は、予め定めた速度プロファイ
    ルにおける各点における瞬時速度Ｖを有するプロファイ
    ルに従って前記光経路の相対長さを制御し、 システムに対する主要な低周波ノイズおよびシステムの
    エイリアシングを補償する帯域幅要件が存在し、速度Ｖ
    が前記帯域幅条件を満たすに充分なドップラ・シフト周
    波数fDを結果として生じるために充分でなく、前記処理
    手段が、fD＋fMの選択された組合せである変調周波数を
    復調する復調器を含む、試料における光イメージ形成を
    行うシステム。
  2. 【請求項２】前記光源が短コヒーレンス長さ光源であ
    る、請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】前記プローブ・モジュールは、試料におけ
    る横方向位置に光線を指向する手段を含み、前記横方向
    位置制御手段は、光線が試料に与えられる方向と略直角
    をなす少なくとも１つの次元において前記横方向位置を
    光学的に変更する手段を含む、請求項１に記載のシステ
    ム。
  4. 【請求項４】前記光学的に変更する手段は、ミラー位置
    に応じた角度で前記光線を指向させるためビームの光経
    路において少なくとも１つの可動ミラーを含む請求項３
    に記載のシステム。
  5. 【請求項５】円形走査を行うため、前記ミラーをそのピ
    ッチを変更するように回転させる手段を設ける、請求項
    ３に記載のシステム。
  6. 【請求項６】前記プローブ・モジュールが内部経路を走
    査する機構である請求項３記載のシステム。
  7. 【請求項７】前記縦方向位置制御手段が、前記第１の光
    経路の長さを周期的に変更する手段を含み、前記第２の
    光経路の長さ一致点に対する前記試料における深さ位置
    の周期的変化を結果として生じ、 前記プローブ・モジュールが、前記試料におけるモジュ
    ールに対する深さの焦点を制御する手段を含み、前記点
    が周期的に変化させられると、前記深さ焦点が前記長さ
    一致点に実質的に維持されるようにする、 請求項１に記載のシステム。
  8. 【請求項８】前記縦方向位置制御手段および横方向位置
    制御手段が移動させられる速度は、横方向位置制御手段
    がプローブ・モジュールをして新たな横方向位置におけ
    る走査を開始させる前に、問題となる全ての縦方向範囲
    における点が試料における所与の横方向位置について走
    査される如きものである、請求項１に記載のシステム。
  9. 【請求項９】前記縦方向位置制御手段および前記横方向
    位置制御手段が移動させられる速度は、少なくとも１つ
    の次元において走査される全ての横方向位置における点
    が、前記縦方向位置制御手段が新たな縦方向範囲におけ
    る走査を行わせる前に、試料における所与の縦方向範囲
    で走査される如きものである、請求項１に記載のシステ
    ム。
  10. 【請求項１０】前記横方向位置制御手段が、前記縦方向
    位置制御手段により決定される試料における縦方向位置
    において２次元の横方向走査を実施する手段を含む、請
    求項１項に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】前記光源は周波数変調可能なスペクトル
    的にコヒーレントな光源であり、前記縦方向位置制御手
    段は、前記光源出力の周波数を変調する手段を含み、信
    号に結果として生じる前記干渉が前記第１および第２の
    経路長さ間の差に比例する周波数を有し、前記処理手段
    が、前記信号をイメージ形成情報に変換する手段を含
    む、請求項１に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】複数の第１および第２の光経路を設け、
    各経路の近端部に光源があり、各第１の光経路の遠端部
    に基準反射器が、各前記第２の光経路の遠端部に試料に
    おける横方向点があり、前記処理手段が、前記試料の並
    行走査を行うように複数の経路から受取るイメージを処
    理する手段を含む、請求項１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】波長λにおける短コヒーレンス長さの光
    源と、 基準光反射器と、 前記反射器に至る第１の光経路と、 試料に至る第２の光経路と、 前記光源からの光線を前記第１の光経路を経て前記反射
    器へ、かつ前記第２の光経路を経て前記試料へ供給する
    手段と、 所定の速度プロファイルに従って前記光経路の相対的長
    さを変化させる手段と、該プロファイルは、前記相対的
    長さの継続した変化のために、イメージ測定が実施され
    る少なくともプロファイルの領域におけるプロファイル
    の各点の瞬時速度を与え、 前記第１の経路を経て受取った前記反射器からの反射
    と、前記第２の光経路を経て受取った前記試料からの反
    射とを組合わせる手段とを設け、結果として得る組合わ
    せた光出力は２つの経路における長さが一致する点にお
    いて干渉縞と、周波数fDNV/λにおけるドップラー・シ
    フト周波数を含む瞬時変調周波数とを有し、 前記出力を復調する手段と、 前記復調された出力を処理して前記選択された測定に関
    する情報を得る手段と、 前記復調手段が、復調手段により受入れられる前記変調
    周波数付近の周波数帯域を制御するフィルタ手段を含
    み、前記供給手段が、前記復調手段により受入れられる
    前記変調周波数付近の周波数帯域を拡張する手段を含
    む、 試料における選択された光イメージ形成および／または
    測定を実施するシステム。
  14. 【請求項１４】波長λにおける短コーヒーレンス長さ光
    源と、該放射は第１の状態に偏光されており、 前記光源からの放射は双方向に通過できる基準光経路と
    試料光経路を画定する手段と、 前記経路において前記光源からの放射が異なる偏光状態
    を有し、前記試料からの反射放射が前記層の複屈折の機
    能として変化する状態に偏光を有する、ような方法で前
    記経路の少なくとも１つを経て通る放射の偏光を変更す
    る手段と、 前記光経路からの反射された放射を相互干渉的に合成す
    る手段と、 相互干渉的に放射を合成するために関連する経路長さに
    被制御変量を与える手段と、 ２つの出力が直交偏光状態を有するように相互干渉的に
    合成された出力を分割しそして検出する手段と、 ２つの出力を個々に処理して個々の相互干渉信号を得る
    手段と、 前記相互干渉信号を合成して生物学的プロフィールの選
    択された表示を得る手段と、 を含む少なくとも１つの生物学的層を有する試料上で選
    択された光測定を実行する装置。
  15. 【請求項１５】前記光経路は偏光を保つファイバーで形
    成され、前記基準光経路は反射計に終端し、前記被制御
    変動を与える手段は基準経路の長さを制御する、請求項
    14に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記２つの出力は水平振幅構成要素と垂
    直振幅構成要素であり、前記合成する手段は、前記振幅
    構成要素を利用して試料と該試料反射の振幅における少
    なくとも１つの生物学的遅延を決定する手段を含む、請
    求項14に記載の装置。
  17. 【請求項１７】前記２つの出力は偏光検知測定を得るた
    めに合成される、請求項14に記載の装置。
  18. 【請求項１８】少なくとも２つの異なる波長λ１とλ２
    における短コーヒーレンス長さ光線を与える手段と、試
    料の少なくとも１つのスペクトル特性は波長λ１とλ２
    の間で異なり、 異なる波長における前記放射が双方向に通過できる基準
    光経路と試料光経路を画定する手段と、 前記光経路からの反射された放射を相互干渉的に合成す
    る手段と、該合成する手段は周波数f1で変調された第１
    の合成光出力と周波数f2で変調された第２の合成光出力
    とを有し、 相互干渉的に合成された放射のために関連する経路長さ
    に被制御変量を与える手段と、 前記第１と第２の合成光出力を個々に復調する手段と、 前記２つの出力を処理して前記選択された測定に関して
    の情報を得る手段と、を含む、試料上で選択された光測
    定を実行する装置。
  19. 【請求項１９】前記基準光経路は反射計に終端し、そし
    て被制御変量を与える手段は基準経路の長さを制御す
    る、請求項18に記載の装置。
  20. 【請求項２０】前記個々に復調する手段は、適切な変調
    周波数に中心のある選択された帯域において各前記合成
    光出力をフィルタする手段を含む、請求項18に記載の装
    置。
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