JP3681608B2 - Spectroscopic sectional image measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断層画像と同時に分光を行い分光学的測定を行う分光学的断面画像測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、断面画像測定装置における断面画像に関して、スペクトル情報が得られていなかった。信号処理によってスペクトル情報を得た報告もあるが、直接測定でなく、信号処理のため信頼性に問題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来、断面画像測定において得られていなかったスペクトル情報が、信頼性の高い直接測定によって断層画像に加わることは、生体の代謝を始め活動状態が測定できることとなり、生化学的分野において重要なことである。
【0004】
本発明は、上記状況に鑑みて、断層構造情報とその画像でのスペクトル情報を得ることができ、精確で信頼性の高い分光学的断面画像測定装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を発明するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕分光学的断面画像測定装置において、広帯域波長光源と、この広帯域波長光源に接続される光ファイバと、この光ファイバに接続されるコリメータレンズと、このコリメータレンズの後方に配置されるビームスプリッタと、このビームスプリッタからの光波の一部を受ける空間分割型位相変調器と、この空間分割型位相変調器に接続される高電圧信号発生器と、前記空間分割型位相変調器の後方に配置されるハーフミラーと、このハーフミラーの後方に配置され、生体試料に信号光を照射するコリメータレンズと、前記ビームスプリッタの出力光を受ける集光レンズと、この集光レンズに接続される第1の光ファイバ及び第2の光ファイバと、前記第1の光ファイバに接続されるマルチチャンネル分光器と、前記第2の光ファイバに接続される光検出器と、前記マルチチャンネル分光器と光検出器からの出力信号を取り込む画像データ処理用コンピュータとを備え、前記生体試料からの断層画像を測定するとともに、前記マルチチャンネル分光器からの散乱光の波長スペクトルも同時に測定することを特徴とする。
【0006】
〔2〕上記〔1〕記載の分光学的断面画像測定装置において、前記広帯域波長光源を非線形光学結晶の結晶軸を周期的に反転させた周期ドメイン反転結晶を用いて創成することを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【0008】
図1は本発明の実施例を示す分光学的断面画像測定装置の全体構成図である。
【0009】
この図において、1は広帯域波長光源、2はその広帯域波長光源1に接続される光ファイバ、3はその光ファイバ2に接続されるコリメータレンズ、4はビームスプリッタ、5はビームスプリッタ4からの光波の一部を受ける空間分割型位相変調器、6はその空間分割型位相変調器5に接続される高電圧信号発生器、7はハーフミラー、8はコリメータレンズ(対物レンズ)、9は生体試料、10は集光レンズ、11は第1の光ファイバ、12はその第1の光ファイバ11に接続されるマルチチャンネル分光器、13は第2の光ファイバ、14はその第2の光ファイバ13に接続される光検出器、15は上記したマルチチャンネル分光器12と光検出器14からの出力信号を取り込む画像データ処理用コンピュータである。
【0010】
図1に示したように、この実施例の分光学的断面画像測定装置は、広帯域波長光源1と、照射光学系(2,3,4)、ビームスプリッタ4からの光波の一部を受ける空間分割型位相変調器5、その空間分割型位相変調器5に接続される高電圧信号発生器6、ハーフミラー7、コリメータレンズ(対物レンズ)8、生体試料9、集光レンズ10、第1の光ファイバ11、その第1の光ファイバ11に接続されるマルチチャンネル分光器12、第2の光ファイバ13、その第2の光ファイバ13に接続される光検出器14、画像データ処理用コンピュータ15で構成される。
【0011】
そこで、広帯域波長光源1、照射光学系(2,3,4)、空間分割型位相変調器5、高電圧信号発生器6、ハーフミラー7、コリメータレンズ(対物レンズ)8、生体試料9、集光レンズ10、第1の光ファイバ11、第2の光ファイバ13、光検出器14で、従来のOCT原理に基づいて断層画像を測定するが、マルチチャンネル分光器12(高速分光器)を用いることにより、散乱光の波長スペクトルも同時に測定する。
【0012】
ここで、広帯域の光源について説明する。
【0013】
現在、非線形光学結晶の結晶軸を周期的に反転させた周期ドメイン反転結晶を用いると波長変換が高効率に実現できることが実証されているが、コヒーレント光源(スペクトル幅が狭い)への応用のみである。そこで、ここではこれをインコヒーレント光源へ拡張して断層画像測定に有効な広帯域波長光源の創成に用いるように構成する。
【0014】
まず、第1例として、図2(a)に示すように、コヒーレント光源λ0 〔図2(b)参照〕の光波を周期ドメイン反転非線形光学結晶16に入射して、複数の周期でもって、連続又は不連続な波長λ1 〜λ2 〔図2(c)参照〕を得ることができる。上記した周期ドメイン反転非線形光学結晶16では反転できる周期を自由に変えられるので発生光のスペクトルを自由に実現できる。つまり、断層画像測定に理想的な光源が実現できる。
【0015】
また、第1例として、図2(d)に示すように、励起光(連続又はパルス)を広帯域反射ミラー17を具備する共振器18に入射して、連続又は不連続な波長λ1 〜λ2 〔図2(c)参照〕を得ることができる。
【0016】
次に、2次元のアレイ状光検出器に入射される光波とその処理について説明する。
【0017】
図3はその全体システムの説明図、図4は2次元のアレイ状光検出器の斜視図、図5はその2次元のアレイ状光検出器のc−dでの断面における光波を示す図である。
【0018】
図3において、21は低コヒーレンス光源、22はレンズ、23はスリット、24はビームスプリッタ(BS)、25は対物レンズ、26は生体試料、27はレンズ、28は振動ミラー、29はピエゾデバイス(PZT)、30は高圧アンプ、31は発振器、32はレンズ、Fは焦点距離である。
【0019】
図3において、振動ミラー28が周波数fで振動することにより、光波Sに対して、光波Rがシフトする。つまり、生体試料26に、平面P1で高散乱点a,bがある場合に、平面P1からの後散乱光が2次元のアレイ状光検出器1の平面P2に結像するが、その強度が周波数fで時間的に変化する。
【0020】
次に、光波Sと光波Rがビームスプリッタ24で合波され、レンズ32で結像されることにより、2次元のアレイ状光検出器1の平面P2上に時間的に変化する光強度分布が生じる。その状態を図4及び図5に示している。つまり、2次元のアレイ状光検出器1のc−dでの断面においては光強度a′,b′が時間的に周波数fで変化する。
【0021】
図6は2次元光ヘテロダイン走査検出システムの模式図、図7はその各部における信号強度を示す図である。
【0022】
これらの図に示すように、時間T0 のスイッチング時間で順次2次元のアレイ状光検出器1がi=1〜Nまで走査部によって切り換えられていき、最終的に端子cによって出力される。つまり、2次元のアレイ状光検出器1の外部出力端子a〔光強度〕は図7(a)に示すような信号強度を示している。ここで、CACは交流成分、CDCは直流成分を示している。また、第1段目の検波回路部3Aの出力端子b〔検波後〕は図7(b)に示すような信号強度を示し、第2段目の検波回路部3Bの出力端子c〔帯域フィルタ通過後〕は図7(c)に示すような信号強度を示す。すなわち、図7(c)ではビート信号の振幅に応じた信号強度が画素信号として出力される。
【0023】
図8はヘテロダイン光検出システムの模式図である。
【0024】
この図において、41は光源、42は光ファイバ、43はレンズ、44はビームスプリッタ、45はコリメータレンズ、46は生体試料、47は光変調器、48は高圧アンプ、49は発振器、50はレンズ、51は光ファイバ、52は光検出器である。
【0025】
別に記述している原理に従って光波Sと光波Rの光路がコヒーレンス長以内で等しいときに光検出器52からはヘテロダインビート信号が測定され、散乱点46Aからの後散乱光強度が測定されることになる。よって、この場合、生体試料46をx方向に走査すれば、深さ方向のプロファイル、y方向に走査すれば、横方向のプロファイルが測定される。
【0026】
これにより、x方向走査→y方向1ステップ走査→x方向走査→y方向1ステップ走査を繰り返せば、x,y面断層像が測定できる。
【0027】
図9は本発明の分光学的断面画像測定装置の構成図である。
【0028】
この図において、61は光源、62はレンズ、63はビームスプリッタBS、64はハーフミラー、65はコリメータレンズ、66は生体試料、67は空間分割型位相変調器、68は集光レンズ、69は第2の光ファイバ、71は第1の光ファイバ、70は光検出器、72はマルチチャンネル分光器、73は画像データ処理用コンピュータである。
【0029】
図10は本発明にかかるマルチチャンネル分光器の構成図である。
【0030】
この図において、81は分光器本体、82はその分光器本体81に形成されるスリット、83は凹面鏡M1、84は回折格子であり、この回折格子84は波長によって出射角が異なる。85は凹面鏡M2、86はフォトダイオードアレイ、87はマルチチャンネルディテクター、88はレンズである。
【0031】
第1の光ファイバ71(図9参照)を介して得られた多波長光波はレンズ88を経てスリット82から分光器本体81に取り込まれ、凹面鏡83、回折格子84、凹面鏡85を経てフォトダイオードアレイ86を有するマルチチャンネルディテクター87で検出する。ここで、マルチチャンネル分光器72は、本来の分光器の出射スリットの位置にフォトダイオードアレイなどのマルチチャンネルディテクター87を配置したものである。これにより、旧タイプでの回析格子を機械的に回転することなく瞬時にスペクトル情報を測定できる。
【0032】
そこで、測定Aでは、図11(a)に示すように、生体試料66内のa点からの散乱光の強度を測定する。測定Bでは、図11(b)に示すように、生体試料66のa点からの散乱光のスペクトルを測定することができ、スペクトル測定では、特定の波長λ1 ,λ2 ,λ3 ,λ4 に対する測定やλ1 〜λ2 の連続スペクトル測定も可能である。
【0033】
それらの情報をコンピュータ73(図9参照)で処理する。
【0034】
このように構成したので、断層構造情報とその画像でのスペクトル情報を得ることができるので、新しい医療応用が期待される。
【0035】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から除外するものではない。
【0036】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0037】
従来、断層画像を計測する際に、得られていなかったスペクトル情報が、信頼性の高い直接測定によって断層画像に加わることになり、生体の代謝を始め活動状態が測定できることになり、特に、生化学的分野における実用的効果は著大である。
【0038】
すなわち、断層画像に加えて、スペクトル情報も測定できることから、生化学的に新しい知見が得られ、医学分野では新しい臨床診断・基礎研究への応用が期待され、さらに、半導体や他の産業分野への幅広い応用が期待されその波及効果は多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す分光学的断面画像測定装置の全体構成図である。
【図2】 本発明の実施例を示す広帯域波長光源の説明図である。
【図3】 2次元光ヘテロダインシステムの説明図である。
【図4】 本発明の実施例を示す2次元のアレイ状光検出器の斜視図である。
【図5】 図4のアレイ状光検出器のc−dでの断面における光波を示す図である。
【図6】 本発明の実施例を示す2次元光ヘテロダイン走査検出システムの模式図である。
【図7】 図6の各部における信号強度を示す図である。
【図8】 ヘテロダイン光検出システムの模式図である。
【図9】 本発明に係る分光学的断面画像測定装置の構成図である。
【図10】 本発明に係るマルチチャンネル分光器の構成図である。
【図11】 本発明に係る光検出器の出力とスペクトル情報を示す図である。
【符号の説明】
1 広帯域波長光源
2,42,51, 光ファイバ
3,8,45,65 コリメータレンズ
4,24,44,63 ビームスプリッタ
5,67 空間分割型位相変調器
6 高電圧信号発生器
7,64 ハーフミラー
9,26,46,66 生体試料
10,68 集光レンズ
11,71 第1の光ファイバ
12,72 マルチチャンネル分光器
13,69 第2の光ファイバ
14,52,70 光検出器
15,73 画像データ処理用コンピュータ
16 周期ドメイン反転非線形光学結晶
17 広帯域反射ミラー
18 共振器
21 低コヒーレンス光源
22,27,32,43,50,62,88 レンズ
23,82 スリット
25 対物レンズ
28 振動ミラー
29 ピエゾデバイス(PZT)
30,48 高圧アンプ
31,49 発振器
41,61 光源
46A 散乱点
47 光変調器
81 分光器本体
83 凹面鏡M1
84 回折格子
85 凹面鏡M2
86 フォトダイオードアレイ
87 マルチチャンネルディテクター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus that performs spectroscopic measurement by performing spectroscopic measurement simultaneously with a tomographic image.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, spectral information has not been obtained for a cross-sectional image in a cross-sectional image measuring apparatus. Some reports have obtained spectral information through signal processing, but there is a problem in reliability due to signal processing rather than direct measurement.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Spectral information that has not been obtained in conventional cross-sectional image measurement can be added to a tomographic image through highly reliable direct measurement, which means that the activity state can be measured, including metabolism in the living body, which is important in the biochemical field. is there.
[0004]
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide an accurate and highly reliable spectroscopic cross-sectional image measurement apparatus that can obtain tomographic structure information and spectral information in an image thereof.
[0005]
[Means for Invention]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a spectroscopic sectional image measurement apparatus, a broadband wavelength light source, an optical fiber connected to the broadband wavelength light source, a collimator lens connected to the optical fiber, and a beam disposed behind the collimator lens A splitter, a spatial division type phase modulator that receives a part of the light wave from the beam splitter, a high voltage signal generator connected to the spatial division type phase modulator, and behind the spatial division type phase modulator A half mirror to be disposed; a collimator lens disposed behind the half mirror to irradiate a biological sample with signal light; a condenser lens that receives output light from the beam splitter; and a first lens connected to the condenser lens. A first optical fiber, a second optical fiber, a multi-channel spectrometer connected to the first optical fiber, and a second optical fiber. And a multi-channel spectroscope and a computer for image data processing that captures an output signal from the photo-detector, measure a tomographic image from the biological sample, and from the multi-channel spectroscope The wavelength spectrum of scattered light is also measured simultaneously.
[0006]
[2] In the spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus according to [1], the broadband wavelength light source is created using a periodic domain inversion crystal in which a crystal axis of a nonlinear optical crystal is periodically inverted. .
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0008]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus showing an embodiment of the present invention.
[0009]
In this figure, 1 is a broadband wavelength light source, 2 is an optical fiber connected to the broadband
[0010]
As shown in FIG. 1, the spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus of this embodiment is a space that receives a part of a light wave from a broadband
[0011]
Therefore, the broadband
[0012]
Here, a broadband light source will be described.
[0013]
At present, it has been demonstrated that wavelength conversion can be realized with high efficiency by using a periodic domain inversion crystal in which the crystal axis of a nonlinear optical crystal is periodically inverted, but it can only be applied to a coherent light source (narrow spectral width). is there. Therefore, here, this is extended to an incoherent light source and used to create a broadband wavelength light source effective for tomographic image measurement.
[0014]
First, as a first example, as shown in FIG. 2A, a light wave of a coherent light source λ 0 (see FIG. 2B) is incident on the periodic domain inversion nonlinear
[0015]
Further, as a first example, as shown in FIG. 2D, excitation light (continuous or pulsed) is incident on a
[0016]
Next, a description will be given of the light wave incident on the two-dimensional array photodetector and its processing.
[0017]
FIG. 3 is an explanatory diagram of the entire system, FIG. 4 is a perspective view of a two-dimensional array-type photodetector, and FIG. 5 is a diagram showing light waves in a cross section at cd of the two-dimensional array-type photodetector. is there.
[0018]
In FIG. 3, 21 is a low coherence light source, 22 is a lens, 23 is a slit, 24 is a beam splitter (BS), 25 is an objective lens, 26 is a biological sample, 27 is a lens, 28 is a vibrating mirror, and 29 is a piezo device ( PZT), 30 is a high-voltage amplifier, 31 is an oscillator, 32 is a lens, and F is a focal length.
[0019]
In FIG. 3, the light wave R is shifted with respect to the light wave S by the
[0020]
Next, the light wave S and the light wave R are combined by the
[0021]
FIG. 6 is a schematic diagram of a two-dimensional optical heterodyne scanning detection system, and FIG. 7 is a diagram showing signal intensities at respective portions.
[0022]
As shown in these drawings, the two-dimensional
[0023]
FIG. 8 is a schematic diagram of a heterodyne light detection system.
[0024]
In this figure, 41 is a light source, 42 is an optical fiber, 43 is a lens, 44 is a beam splitter, 45 is a collimator lens, 46 is a biological sample, 47 is a light modulator, 48 is a high voltage amplifier, 49 is an oscillator, and 50 is a lens. , 51 are optical fibers, and 52 is a photodetector.
[0025]
According to the principle described separately, when the optical paths of the light wave S and the light wave R are equal within the coherence length, the heterodyne beat signal is measured from the
[0026]
As a result, the x- and y-plane tomographic images can be measured by repeating x-direction scanning → y-direction 1-step scanning → x-direction scanning → y-direction 1-step scanning.
[0027]
FIG. 9 is a block diagram of the spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus of the present invention.
[0028]
In this figure, 61 is a light source, 62 is a lens, 63 is a beam splitter BS, 64 is a half mirror, 65 is a collimator lens, 66 is a biological sample, 67 is a spatial division phase modulator, 68 is a condensing lens, and 69 is A second optical fiber, 71 is a first optical fiber, 70 is a photodetector, 72 is a multichannel spectroscope, and 73 is a computer for image data processing.
[0029]
FIG. 10 is a block diagram of a multichannel spectrometer according to the present invention.
[0030]
In this figure, 81 is a spectroscope body, 82 is a slit formed in the
[0031]
The multiwavelength light wave obtained through the first optical fiber 71 (see FIG. 9) is taken into the
[0032]
Therefore, in measurement A, as shown in FIG. 11A, the intensity of scattered light from point a in the
[0033]
Such information is processed by the computer 73 (see FIG. 9).
[0034]
Since it comprised in this way, since the tomographic structure information and the spectrum information in the image can be obtained, a new medical application is expected.
[0035]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0036]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0037]
Spectral information that has not been obtained in the past when measuring a tomographic image is added to the tomographic image by a reliable direct measurement, and the activity state can be measured including the metabolism of the living body. The practical effects in the chemical field are significant.
[0038]
In other words, in addition to tomographic images, spectral information can also be measured, so new biochemical knowledge can be obtained. In the medical field, it is expected to be applied to new clinical diagnosis and basic research, and further to semiconductor and other industrial fields. A wide range of applications are expected and its ripple effect is enormous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a broadband wavelength light source showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a two-dimensional optical heterodyne system.
FIG. 4 is a perspective view of a two-dimensional array photodetector showing an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing light waves in a cross section taken along line cd of the arrayed photodetector in FIG. 4; FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram of a two-dimensional optical heterodyne scanning detection system showing an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing signal intensities at various parts in FIG. 6;
FIG. 8 is a schematic diagram of a heterodyne light detection system.
FIG. 9 is a configuration diagram of a spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a multichannel spectrometer according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing the output and spectral information of the photodetector according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
30, 48 High-
84 Diffraction grating 85 Concave mirror M2
86
Claims (2)
(b)該広帯域波長光源に接続される光ファイバと、
(c)該光ファイバに接続されるコリメータレンズと、
(d)該コリメータレンズの後方に配置されるビームスプリッタと、
(e)該ビームスプリッタからの光波の一部を受ける空間分割型位相変調器と、
(f)該空間分割型位相変調器に接続される高電圧信号発生器と、
(g)前記空間分割型位相変調器の後方に配置されるハーフミラーと、
(h)該ハーフミラーの後方に配置され、生体試料に信号光を照射するコリメータレンズと、
(i)前記ビームスプリッタの出力光を受ける集光レンズと、
(j)該集光レンズに接続される第1の光ファイバ及び第2の光ファイバと、
(k)前記第1の光ファイバに接続されるマルチチャンネル分光器と、
(l)前記第2の光ファイバに接続される光検出器と、
(m)前記マルチチャンネル分光器と光検出器からの出力信号を取り込む画像データ処理用コンピュータとを備え、
(n)前記生体試料からの断層画像を測定するとともに、前記マルチチャンネル分光器からの散乱光の波長スペクトルも同時に測定することを特徴とする分光学的断面画像測定装置。(A) a broadband wavelength light source;
(B) an optical fiber connected to the broadband wavelength light source;
(C) a collimator lens connected to the optical fiber;
(D) a beam splitter disposed behind the collimator lens;
(E) a space division type phase modulator that receives a part of the light wave from the beam splitter;
(F) a high voltage signal generator connected to the spatial division phase modulator;
(G) a half mirror disposed behind the spatial division phase modulator;
(H) a collimator lens disposed behind the half mirror and irradiating a biological sample with signal light;
(I) a condenser lens that receives the output light of the beam splitter;
(J) a first optical fiber and a second optical fiber connected to the condenser lens;
(K) a multichannel spectrometer connected to the first optical fiber;
(L) a photodetector connected to the second optical fiber;
(M) an image data processing computer for capturing an output signal from the multi-channel spectroscope and a photodetector;
(N) A spectroscopic cross-sectional image measuring apparatus that measures a tomographic image from the biological sample and simultaneously measures a wavelength spectrum of scattered light from the multichannel spectrometer.
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