JP3688608B2 - Optical coherence tomographic image measuring device with spectroscopic function - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体、特に、光散乱媒質に光ビームを照射し、その被検体を伝搬(反射もしくは透過)した光を利用して、その被検体の表面もしくは内部の形態および機能情報を画像化する分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、社会の高齢化に伴い、生活者のニーズに対応した健康管理の促進や病気の予防などが希求されている。これを背景に、医用画像診断の分野では無症状、無自覚の人を対象として検査が繰り返されることを想定すると、検査方法は簡便で患者にかかる苦痛や負担が少ないことへの配慮が不可欠となる。
【0003】
このような観点から、光波の生体センシングに大きな期待が寄せられている。光センシングは非侵襲で安全(脱アイソトープ、脱放射線)、高精度化、高分解能化が可能であるほか、分光測定による物質の同定や定量分析の潜在能力を備えている。特に分光による機能イメージングの実現は、病患の実態の診断に大きく貢献すると期待される。
【0004】
しかし、例えば、人体や生体組織のような不均一な構成物質をもつ試料(被検体)は、その内部で光を顕著に多重散乱するために、その内部形態は一般的には不可視である。こうした散乱媒質を光計測する場合の最大難点は、被検体から四方八方に出射する透過光あるいは反射光のうち追跡が可能な光路を辿った信号光をどのようにして抽出するかということにある。
【0005】
これを可能にする方法の1つとして、優れた距離分解能をもつ光コヒーレンス断層画像化法が挙げられる〔例えば、丹野直弘、‘光学’、28巻3号、116(1999)参照〕。
【0006】
光コヒーレンス断層画像化法は広帯域なスペクトル幅を持つ光源の時間領域の低コヒーレンス性(空間領域で短い可干渉距離とも表現する)に着目して、干渉計において生体内部からの反射光波をμmオーダーの距離分解能で検出する方法である。
【0007】
図6にマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す。この図において、61は低コヒーレント光源(広帯域光源)、62はビームスプリッタ(半透明鏡)、63は鏡、64は被測定体(被検体)、65は光検出器、66はエンベロープ検出器である。
【0008】
そこで、低コヒーレント光源(広帯域光源)61からの光ビームをビームスプリッタ62によって二分割する。一方の光ビームに、例えば鏡63の位置走査(Z−スキャン)によるドップラー周波数シフトを与えて参照光波とし、他方を被測定体64に照射して物体の深層からの後方散乱光を得る。被測定体64が散乱媒質である場合、反射光波は多重散乱を含む乱雑な位相をもった拡散波面であると考えられる。
【0009】
光コヒーレンス断層画像計測では、光源61の低コヒーレンス性により、信号光と参照光の光路長差が光源61のμmオーダーのコヒーレント長以内で、かつ、参照光波と位相相関のある成分、すなわちコヒーレントな信号光成分のみが選択的に参照光波と干渉し合う。それゆえに鏡63の位置をスキャンして参照光路長を変化することで光反射分布像を計測することができる。図7はその様子を示すものである。
【0010】
しかし、図7で見られるように、現行の光コヒーレンス断層画像計測は光路長差及び光ビームの走査によって各部位からの反射光波を順次に検出するものである。その際、反射光波と参照光波との光干渉は光源の全スペクトル域で発生し、その干渉信号の振幅が画像信号の強度となる。従って、図7の結果では、光コヒーレンスを保った反射光波の強度が検出されるが、サンプルを伝搬した信号光のスペクトルの変化量を抽出していないことが明白である。
【0011】
信号光のスペクトル分布を分析(分光分析)してサンプルの内部構造のみならず、波長に依存する光吸収や散乱特性を同時に画像化するために、例えば、図8に示す方法がある。ここでは、光干渉信号の時間波形を記録して、波形のエンベロープから反射光の強度を計測するほかに、波形についてフーリエ変換を行うことにより反射光の周波数情報、すなわちスペクトル情報を抽出している〔例えば、U.Morgner,W.Drexler,F.X.Kartner,X.D.Li,C.Pitris,E.P.Ippen,J.G.Fujimoto,“Optics Letters”,Vol.25,111(2000)参照〕。
【0012】
この方法は、時間領域での測定方法であると理解される。
【0013】
一方、周波数領域での測定方法として、図9に示すように、干渉光を例えば、回折格子69のような波長分散素子を用いて分光し、分光された干渉光を例えばCCD(charge−coupled device)カメラ71のようなイメージセンサで検出する例が報告されている〔例えば、W,Watanabe,Y.Matsuda,K.Itoh,“Optical Review”,Vol.6,455(1999)参照〕。なお、図9において、67,68,70はレンズである。
【0014】
原理的には波長毎に検出される干渉光強度をフーリエ変換することで、鏡63の変位によるZ−スキャンを行わずに反射光の深さおよびスペクトル情報を同時に取得することができる。その際、深さ方向の分解能はフーリエ変換の窓関数幅に逆比例する。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の分光分析機能を備えた光コヒーレンス断層画像化装置は、例えば図8もしくは図9に示すように、いずれもフーリエ変換などの演算処理方法を用いるため、処理時間がかかり、画像計測の高速化に限界がある。
【0016】
一方、光コヒーレンス断層画像化法における深さ方向の分解能Δzはフーリエ変換の窓関数幅Δkに逆比例していることから、Δkを狭くしてスペクトル分解能をあげることはΔzの低下につながる。
【0017】
本発明は、上記状況に鑑み、実時間で反射光の深さおよび分光情報を同時に取得できる分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置を提供することを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した目的を達成するために、
〔1〕分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、光ビームを出射する光源と、この光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、この被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、この干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、この二分割された干渉光のうちの一方を受光し、前記信号光と前記参照光との光干渉を光源の全スペクトル域で発生させて高い深さ分解能の断層画像計測を行うための単一光検出器と、前記二分割された干渉光のうちの他方を分光するための波長分散素子と、この分光された干渉光を独立にヘテロダイン検出する光センサと、この光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立にヘテロダイン検出する複数の受光素子を有し、さらに、前記光センサで得られた複数のヘテロダイン信号の振幅を検出するための振幅検出部と、この振幅検出部で得られた複数のヘテロダイン信号振幅を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備することを特徴とする。
【0019】
〔2〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記波長分散素子が回折格子であることを特徴とする。
【0020】
〔3〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系として、マイケルソン干渉計を用いることを特徴とする。
【0021】
〔4〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記光源がスーパールミネセントダイオードであることを特徴とする。
【0022】
〔5〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする。
【0023】
〔6〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記光源がフェムトレーザー光源であることを特徴とする。
【0024】
〔7〕上記〔1〕記載の分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置において、前記被検体が光散乱媒質であることを特徴とする。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って詳細に説明する。
【0026】
図1は本発明の分光機能を備えた光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【0027】
この図において、1は広いスペクトル幅をもつ低コヒーレント光源(広帯域光源)であり、例えばスーパールミネセントダイオード(SLD)、1A,1Bは光のビーム径を広げるためのレンズ、2は第1のビームスプリッタ(BS1)、3は鏡(全反射鏡)、4はZ方向スキャンを行うためのPZT、5は被測定体(被検体)、6は第2のビームスプリッタ(BS2)、7は単一光検出器、8は回折格子、9はセンサアレイ、10はエンベロープ検出器、11は断層画像処理系、12は分光画像処理系である。
【0028】
広いスペクトル幅をもつ低コヒーレント光源1、例えばスーパールミネセントダイオード(SLD)から出射した光ビームはレンズ1Aとレンズ1Bによってビーム径を広げられ、さらに第1のビームスプリッタ(BS1)2により、信号光と参照光とに2分される。参照光と分かれた信号光は、例えば散乱媒質からなる被測定体5に入射する。被測定体5からの反射光波の一部は第1のビームスプリッタ(BS1)2によって反射され、第2のビームスプリッタ(BS2)6へ伝送される。
【0029】
一方、参照光は鏡(全反射鏡)3へ伝送されて、その反射光波は、例えば鏡3の位置走査によるドップラー周波数の周波数シフトを受ける。周波数シフトを受けた参照光の一部は第1のビームスプリッタ(BS1)2を透過して、信号光と重畳することにより干渉光を生成する。
【0030】
図1はマイケルソン干渉計の原理に基づいて構成されているが、本発明は次のような機構を干渉計に備えることにより、反射光の深さと分光情報を同時に取得できる光コヒーレンス断層画像計測装置を提供する。すなわち、ここでは、上記第1のビームスプリッタ(BS1)2による光波重畳の手段で得た干渉光を第2のビームスプリッタ(BS2)6で二分割する。この二分割された干渉光ビームの1つは単一光検出器7により検出され、もう1つは例えば回折格子8のような波長分散素子に入射する。回折格子8より分光された干渉光は1次元ないし2次元光センサアレイ9で検出される。
【0031】
本発明は、上記方法で反射光波と参照光波との光干渉を光源の全スペクトル域で発生させて高い深さ分解能の断層画像計測を行う一方、分光された干渉光をセンサアレイで検出することで、めいめいの波長における断層画像を計測することが特徴である。これにより、フーリエ変換などの信号処理を行う必要がなく、実時間での分光分析光断層画像計測が可能となる。
【0032】
以下に、本発明による測定原理を説明する。
【0033】
図1に示す低コヒーレント干渉計において、被測定体5が例えば鏡のようなハードターゲットである場合を考える。被測定体5の表面反射率をR(Z)とし、被測定体5の表面から反射されてくる信号光を、e2 (t)=E2 √Rexp〔−j(2πft−2kl2 −ψ)〕とすると、鏡3からの参照光e1 (t)=E1 exp〔−j(2πft−2kl1 −ψ)〕との干渉で発生する干渉信号は次のように与えられる。
【0034】
【数1】
ただし、k=2πf/cは波数、fは光周波数、cは光の速度、2Δl=2(l1 −l2 )は光路長差、S(f)は広帯域光源のパワースペクトル関数である。
【0035】
単一光検出器7を用いて光干渉信号を検出する場合、上記式(1)における周波数積分は光源のスペクトル全域にわたって行われると考えることができる。ここで、説明の便宜上S(f)を中心周波数f0 、半値全幅Δfのガウス型とすると、干渉信号はガウス関数によって振幅変調を受け、その振幅はΔl=0の時最大値となるが、ΔfΔlに比例して指数的に減衰する〔例えば、陳建培、丹野直弘、“O plus E”、Vol.22,No.4,461(2000)参照〕。すなわち、可干渉距離はΔfによって制限されている。
【0036】
また、被測定体5からの反射光強度(=R・E2 2 )を測定するためには、上記式(1)で与えられる干渉信号の振幅il を二乗すればよく、そこで、il 2 半値全幅に対応する深さを干渉測定の空間分解能Δzと定義すると、Δzが光源のコヒーレント長の半分に等しいことが察知できる。ただし、lC は、
【0037】
【数2】
で与えられる。この原理から、連続光を用いた光反射実験でも、光源のスペクトルが広ければ、優れた深さ(距離)分解能が得られることが分かる。小型で便利な半導体光源であるスーパールミネセントダイオード(SLD)を例とすると、市販品(中心波長0.8μm、半値幅30nm)では、lC =14μmとなり、約7μmの深さ分解能が期待できる。
【0038】
次に、図1に示した光干渉断層計測装置において被測定体5が例えば生体組織のような散乱媒質である場合について説明する。被測定体内深さzにある反射点からの反射光と参照鏡からの参照光との干渉信号は次のように与えられる。
【0039】
【数3】
ただし、ψ(f,z)は位相差、E2 (f,z)は反射光波の振幅であって、
【0040】
【数4】
ここで、P0 (f)は被測定体の表面から反射されて干渉に寄与する信号光(周波数f)の強度、μt は吸収係数μa と散乱係数μs を含めた減衰係数で、
【0041】
【数5】
となる。式(2)で説明した原理から、光断層画像化計測は例えば生体組織のような散乱媒質を、
【0042】
【数6】
の厚みで光学的に切り出して画像化すると考えることができる。ただし、nは媒質の光屈折率である。従って、式(3)より、光断層画像を構成する反射光強度を次のように近似できる。
【0043】
【数7】
式(7)から明らかなように、従来の単一光検出器を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置では、周波数積分が光源のスペクトル全域にわたって行われるため、分解能が式(6)で与えられる値に達するが、分光情報が抽出されないことになる。
【0044】
本発明は、図1に示すように、二分割された干渉光の一方を単一検出器で検出して高分解能の断層画像計測を行うと同時に、もう一方の干渉光ビームを例えば回折格子のような波長分散素子で分光させてセンサアレイで検出することを特徴とする。センサアレイの1素子の受光面で観測される干渉光のスペクトル幅をδλとし、またj番目の素子に入射する干渉光の周波数をfj とすると、該素子で検出される反射光の強度は次のようになる。
【0045】
【数8】
ここで、分解能δzはアレイ素子で観測されるスペクトル幅δλで制限されて低下し、
【0046】
【数9】
となる。
【0047】
本発明では、分光分解能を上げることは光コヒーレンス断層画像の空間分解能の低下につながることを十分に認識した上で、図1に示すように分光画像計測を別途に行う。また、上記式(8)から明らかなように、本発明による分光画像測定は時間領域で行われるものであり、フーリエ変換などの演算処理を用いた従来の周波数領域での分光画像計測方法と根本的に異なる。
【0048】
以下、本発明による分光情報の抽出方法について説明する。
【0049】
上記式(8)によれば、センサアレイのj番目の素子で検出される、m−1番層〔深さ(m−1)δz〕およびm番層(深さmδz)からの反射光強度の比を取ることで、m番層における光減衰係数を次のように算出することが出来る。
【0050】
【数10】
そこで、μt の測定をm=1,2,3...Nの順に行えば、μt (fj )の深さ方向分布が計測されることになる。同様の測定をセンサアレイの各素子からの出力について行えば、めいめいの光周波数における減衰係数の分布を計測することができる。このように求められた減衰係数の分光情報を画像化するために、例えば図2に示す3次元表示法が有効である。
【0051】
さらに、本発明によれば、2つもしくは2つ以上の光周波数における減衰度の差分値を画像化することも容易である。以下、その方法について説明する。
【0052】
被測定体のm番層(深さmδz)に局在する、周波数fj とfk 間の差分減衰度αjk,mを次のように定義する。
【0053】
【数11】
一方、式(8)から、それれぞれの光周波数で検出される反射光の強度比は次のようである。
【0054】
【数12】
ただし、初期値〔In (Poj/Pok)〕は予め測定できるもので、Poj=Pokの場合ゼロとなる。式(12)で与えられる強度比から、αjk,mを次のように算出することができる。
【0055】
【数13】
上記のように求められた差分減衰度を画像化するために、例えば図3に示す3次元表示法が有効である。
【0056】
単一光検出器を用いた従来の光コヒーレンス断層画像計測法によって得られる光断層像(図7参照)は、構造に依存した反射光強度の変化を画像情報としているが、図3は吸収および散乱特性の波長依存性による差分減衰度の変化を画像情報としている点が大きな特徴である。
【0057】
さらに、図1に示す、本発明による光干渉断層画像計測装置は、単一光検出器を用いた断層画像計測機能と、波長分散素子及びセンサアレイを用いた分光画像計測機能を両備することから、一測定で被測定体の内部に関する構造的及び分光的情報を同時に得ることが可能となり、分光的構造を可視化する画像が構成できる特徴を有する。
〔実施例1〕
図4は、本発明による図1の光干渉断層画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のSLDを用いた実施例を示す。
【0058】
この図において、21はSLD(光源)、22は第1のレンズ、23は光ファイバからなる光ファイバカプラ24の第1のアーム、24は光ファイバカプラ、25は光ファイバからなる光ファイバカプラ24の第2のアーム、26,27は第2及び第3のレンズ、28はガルバノスキャナ、29は被測定体(被検体)、30は光ファイバからなる光ファイバカプラの第3のアーム、31は第4のレンズ、32はZスキャンの鏡(反射鏡)、33は光ファイバからなる光ファイバカプラの第4のアーム、34は第5のレンズ、35はビームスプリッタ、36は単一光検出器、37は回折格子、38はセンサアレイである。
【0059】
ここで、市販されている近赤外域SLD21を用いる場合、コヒーレント長はlc≒30μm、発光ダイオード(LED)の場合はlc≒10μm程度である。
【0060】
さらに、図4の実施例は、本発明による図1の信号光及び参照光の伝送手段として光ファイバを用いることにより、被測定体29の配置を光画像計測装置から分離することを特徴とする。
【0061】
SLD(光源)21からの出力光は第1のレンズ22によって光ファイバカプラ24の第1のアーム23に結合された後、信号光と参照光に二分される。信号光は第2のアーム25によって被測定体29側へ伝搬される。第2のアーム25から出射する信号光は第2のレンズ26と第3のレンズ27によって被測定体29へフォーカスされて入射する。横方向スキャナを行うために、例えばガルバノスキャナ28を使用することが望ましい。被測定体29からの反射光は第3のレンズ27と第2のレンズ26によって再び光ファイバカプラ24の第2のアーム25に結合されて光ファイバカプラ24へ返送される。
【0062】
他方、参照光は光ファイバカプラ24の第3のアーム30によって反射鏡32へ伝送される。反射鏡32からの反射光は光ファイバカプラ24の第3のアーム30によって光ファイバカプラ24へ返送されて被測定体29からの反射光と合波される。
【0063】
低コヒーレント光源21を用いた図4の実施例では、信号光と参照光との光路長差が光源の極めて短いコヒーレント長以内にあるときのみ、光干渉が生成される。そのため、例えば反射鏡32の位置をスキャンして参照光の光路長を信号光の光路長に等しくなるように差調節することが望ましい。
【0064】
また、前述したように、本発明はセンサアレイ38、例えば空間的に受光素子が配置される1次元ないし2次元光検出器アレイを用いて回折格子37によって分光された干渉光を並列検出することを特徴としている。そのための並列信号処理系として複数の整流検波器を並列に配置されるエンベロープ検出器アレイが有用であると考えられる。
〔実施例2〕
図5は本発明による図1に示した光断層画像計測装置にセンサアレイとしてイメージセンサ、例えばCCD(電荷結合素子)カメラを用いた実施例を示す。
【0065】
図5において、41は広いスペクトル幅をもつ低コヒーレント光源(広帯域光源)であり、例えばスーパールミネセントダイオード(SLD)、42は第1のビームスプリッタ、43は鏡、44はPZT、45は被測定体、46は第2のビームスプリッタ、47は単一光検出器、48は回折格子、49はレンズ、50は第3のビームスプリッタ、51は第1のシャッター、52は第1のCCDカメラ、53は第2のシャッター、54は第2のCCDカメラである。
【0066】
ここで、市販品のCCDカメラは数十万ないし数百万の受光素子を有するので、これら極めて多数の受光素子を有効に利用すれば、高分解能の分光画像計測が可能となる。
【0067】
図5に示すように、回折格子48によって分光された干渉光はレンズ49でコリメートされた後、第3のビームスプリッタ50によって二分割される。二分割された両光ビームはそれぞれ第1のCCDカメラ52と第2のCCDカメラ54に入射する。市販品のカメラは一般的に応答性が低く(30Hz程度)、数100Hzもしくはそれ以上のビート周波数をもつ干渉信号の検出に適用するために、本実施例はCCDカメラの前に高速シャッターを配置することを特徴とする。
【0068】
図5では、第1の光シャッター51と第2の光シャッター53としたが、例えば液晶素子または電気光学素子を用いた高速シャッターが望ましい。この両シャッター51,53は干渉光のビート周波数と同じ周波数で干渉光を周期的に遮断して、互いに位相差が90度である2列の干渉光パルスを生成する。この2つの光パルス列はそれぞれ第1のCCDカメラ52と第2のCCDカメラ54に入射し、各CCDカメラ52,54の受光時間内で光電荷が蓄積される。
【0069】
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排除するものではない。
【0070】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、フーリエ変換などの信号処理を行う必要がなく、実時間で反射光の深さおよび分光情報を同時に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の分光機能を備えた光コヒーレンス断層画像計測装置の構成図である。
【図2】 本発明の光コヒーレンス断層画像計測装置における3次元表示例(その1)を示す図である。
【図3】 本発明の光コヒーレンス断層画像計測装置における3次元表示例(その2)を示す図である。
【図4】 本発明による光断層画像計測装置に低コヒーレント光源として連続出力のSLDを用いた実施例を示す図である。
【図5】 本発明による光断層画像計測装置にセンサアレイとしてイメージセンサを用いた実施例を示す図である。
【図6】 従来のマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成図である。
【図7】 従来の断層画像計測装置における3次元表示例を示す図である。
【図8】 従来のマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の他の構成を示す図である。
【図9】 従来のマイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の更なる他の構成を示す図である。
【符号の説明】
1,41 低コヒーレント光源(広帯域光源)
1A,1B,49 レンズ
2 第1のビームスプリッタ(BS1)
3,43 鏡
4,44 PZT
5,29,45 被測定体(被検体)
6 第2のビームスプリッタ(BS2)
7,36,47 単一光検出器
8,37,48 回折格子
9,38 センサアレイ
10 エンベロープ検出器
11 断層画像処理系
12 分光画像処理系
21 SLD
22 第1のレンズ
23 光ファイバからなる光ファイバカプラの第1のアーム
24 光ファイバカプラ
25 光ファイバからなる光ファイバカプラの第2のアーム
26 第2のレンズ
27 第3のレンズ
28 ガルバノスキャナ
30 光ファイバからなる光ファイバカプラの第3のアーム
31 第4のレンズ
32 Zスキャンの鏡(反射鏡)
33 光ファイバからなる光ファイバカプラの第4のアーム
34 第5のレンズ
35 ビームスプリッタ
42 第1のビームスプリッタ
46 第2のビームスプリッタ
50 第3のビームスプリッタ
51 第1のシャッター
52 第1のCCDカメラ
53 第2のシャッター
54 第2のCCDカメラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses an image of a subject, in particular, a light scattering medium irradiated with a light beam and propagated (reflected or transmitted) through the subject to form an image of the surface or internal form and functional information of the subject. The present invention relates to an optical coherence tomographic image measuring apparatus having a spectroscopic function.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the aging of society, promotion of health management corresponding to the needs of consumers and prevention of illness have been demanded. Against this background, in the field of medical diagnostic imaging, assuming that the test is repeated for asymptomatic and unconscious persons, it is essential to consider that the test method is simple and less painful and burdening the patient. .
[0003]
From this point of view, great expectations are placed on biological sensing of light waves. Optical sensing is non-invasive and safe (de-isotope, de-radiation), high accuracy and high resolution, and has the potential for identification and quantitative analysis of substances by spectroscopic measurement. In particular, the realization of functional imaging by spectroscopy is expected to greatly contribute to the diagnosis of the actual condition of diseases.
[0004]
However, for example, a sample (subject) having a non-uniform constituent material such as a human body or a living tissue significantly scatters light inside thereof, and thus the internal form thereof is generally invisible. The biggest difficulty in optical measurement of such a scattering medium lies in how to extract signal light that follows a traceable optical path from transmitted light or reflected light emitted in all directions from the subject. .
[0005]
One method that makes this possible is optical coherence tomography with excellent distance resolution (see, for example, Naohiro Tanno, 'Optics', Vol. 28, No. 3, 116 (1999)).
[0006]
Optical coherence tomography is focused on the low coherence of the light source with a wide spectral width in the time domain (also expressed as a short coherence distance in the spatial domain), and the reflected light wave from the inside of the living body in the interferometer is on the order of μm. It is a method of detecting with the distance resolution of.
[0007]
FIG. 6 shows a basic configuration of an optical coherence tomographic image measurement apparatus using a Michelson interferometer. In this figure, 61 is a low-coherent light source (broadband light source), 62 is a beam splitter (translucent mirror), 63 is a mirror, 64 is an object to be measured (subject), 65 is a photodetector, and 66 is an envelope detector. is there.
[0008]
Therefore, the light beam from the low coherent light source (broadband light source) 61 is divided into two by the
[0009]
In the optical coherence tomographic image measurement, due to the low coherence of the
[0010]
However, as can be seen in FIG. 7, the current optical coherence tomographic image measurement is to sequentially detect the reflected light wave from each part by scanning the optical path length difference and the light beam. At this time, optical interference between the reflected light wave and the reference light wave occurs in the entire spectrum region of the light source, and the amplitude of the interference signal becomes the intensity of the image signal. Therefore, in the result of FIG. 7, it is obvious that the intensity of the reflected light wave maintaining the optical coherence is detected, but the amount of change in the spectrum of the signal light propagated through the sample is not extracted.
[0011]
For example, there is a method shown in FIG. 8 in order to simultaneously analyze not only the internal structure of the sample but also the light absorption and scattering characteristics depending on the wavelength by analyzing the spectral distribution of the signal light (spectral analysis). Here, the time waveform of the optical interference signal is recorded and the intensity of the reflected light is measured from the waveform envelope, and the frequency information of the reflected light, that is, the spectral information is extracted by performing Fourier transform on the waveform. [For example, U.S. Pat. Morganer, W.M. Drexler, F.M. X. Kartner, X. et al. D. Li, C.I. Pitris, E .; P. Ippen, J. et al. G. Fujimoto, “Optics Letters”, Vol. 25, 111 (2000)].
[0012]
This method is understood to be a measurement method in the time domain.
[0013]
On the other hand, as a measurement method in the frequency domain, as shown in FIG. 9, as shown in FIG. 9, the interference light is dispersed using, for example, a wavelength dispersion element such as a
[0014]
In principle, by performing Fourier transform on the interference light intensity detected for each wavelength, the depth and spectral information of the reflected light can be acquired simultaneously without performing a Z-scan due to the displacement of the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional optical coherence tomographic imaging apparatus having the spectroscopic analysis function uses an arithmetic processing method such as Fourier transform as shown in FIG. 8 or FIG. 9, for example. There is a limit to speedup.
[0016]
On the other hand, since the resolution Δz in the depth direction in the optical coherence tomographic imaging method is inversely proportional to the window function width Δk of Fourier transform, increasing the spectral resolution by narrowing Δk leads to a decrease in Δz.
[0017]
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide an optical coherence tomographic image measurement apparatus having a spectral function capable of simultaneously obtaining the depth of reflected light and spectral information in real time.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In an optical coherence tomographic image measurement apparatus having a spectroscopic function, a light source that emits a light beam, and a light beam emitted from the light source and a signal light that passes through a subject placement position where the subject is placed The reference light passing through a different optical path from the optical path passing through the subject arrangement position is divided into two, and the signal light after passing through the subject placement position and the reference light passing through the different optical path are mutually connected. An interference optical system that generates interference light by superimposing, a frequency shifter that relatively shifts the frequency of the signal light and the frequency of the reference light, and the interference optical system includes the interference light In order to receive the light, the interference light is divided into two, and one of the two divided interference lights is received, and the optical interference between the signal light and the reference light is performed in the entire spectral range of the light source. Generate high A single photodetector for performing tomographic image measurement resolution is, said bisected interference light wavelength dispersion element for spectrally other of, for heterodyne detection of the split interference light independently An optical sensor and the optical sensor are spatially arranged, each of which has a plurality of light receiving elements that independently detect heterodyne, and further detects amplitudes of a plurality of heterodyne signals obtained by the optical sensor. Each interest on the propagation path of the signal light of the amplitude detector and the surface or inner layer of the subject arranged at the subject placement position by integrating the plurality of heterodyne signal amplitudes obtained by the amplitude detector A signal processing unit that generates a signal corresponding to a point is provided.
[0019]
[2] In the optical coherence tomographic image measurement apparatus having the spectral function described in [1] above, the wavelength dispersion element is a diffraction grating.
[0020]
[3] In the optical coherence tomographic image measurement apparatus having the spectroscopic function described in [1], a Michelson interferometer is used as the interference optical system.
[0021]
[4] In the optical coherence tomographic image measurement apparatus having the spectral function described in [1] above, the light source is a superluminescent diode.
[0022]
[5] The optical coherence tomographic image measuring apparatus having the spectral function described in [1] above, wherein the light source is a light emitting diode.
[0023]
[6] In the optical coherence tomographic image measurement apparatus having the spectral function described in [1] above, the light source is a femto laser light source.
[0024]
[7] The optical coherence tomographic image measurement apparatus having the spectral function described in [1] above, wherein the subject is a light scattering medium.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical coherence tomographic image measuring apparatus having a spectral function according to the present invention.
[0027]
In this figure, 1 is a low coherent light source (broadband light source) having a wide spectral width, for example, a superluminescent diode (SLD), 1A and 1B are lenses for expanding the beam diameter of light, and 2 is a first beam. Splitter (BS1), 3 is a mirror (total reflection mirror), 4 is PZT for Z-direction scanning, 5 is an object to be measured (subject), 6 is a second beam splitter (BS2), and 7 is a single unit A photodetector, 8 is a diffraction grating, 9 is a sensor array, 10 is an envelope detector, 11 is a tomographic image processing system, and 12 is a spectral image processing system.
[0028]
A light beam emitted from a low-coherent
[0029]
On the other hand, the reference light is transmitted to the mirror (total reflection mirror) 3, and the reflected light wave undergoes a frequency shift of the Doppler frequency due to position scanning of the mirror 3, for example. Part of the reference light that has undergone the frequency shift passes through the first beam splitter (BS1) 2 and is superimposed on the signal light to generate interference light.
[0030]
FIG. 1 is constructed based on the principle of a Michelson interferometer. In the present invention, an optical coherence tomographic image measurement capable of simultaneously obtaining the depth of reflected light and spectral information by providing the interferometer with the following mechanism. Providing equipment. That is, here, the interference light obtained by the light wave superimposing means by the first beam splitter (BS1) 2 is divided into two by the second beam splitter (BS2) 6. One of the two divided interference light beams is detected by a single photodetector 7, and the other is incident on a wavelength dispersion element such as a diffraction grating 8. The interference light dispersed by the diffraction grating 8 is detected by a one-dimensional or two-dimensional photosensor array 9.
[0031]
According to the present invention, optical interference between a reflected light wave and a reference light wave is generated in the whole spectrum region of the light source by the above method to perform tomographic image measurement with high depth resolution, while detecting the dispersed interference light with a sensor array. Thus, it is characterized by measuring a tomographic image at each wavelength. Thereby, it is not necessary to perform signal processing such as Fourier transform, and spectroscopic optical tomographic image measurement in real time is possible.
[0032]
The measurement principle according to the present invention will be described below.
[0033]
In the low coherent interferometer shown in FIG. 1, consider a case where the measured object 5 is a hard target such as a mirror. The surface reflectance of the measured object 5 is R (Z), and the signal light reflected from the surface of the measured object 5 is e 2 (t) = E 2 √Rexp [−j (2πft−2kl 2 −ψ )], The interference signal generated by the interference with the reference light e 1 (t) = E 1 exp [−j (2πft−2kl 1 −ψ)] from the mirror 3 is given as follows.
[0034]
[Expression 1]
Where k = 2πf / c is the wave number, f is the optical frequency, c is the speed of light, 2Δl = 2 (l 1 −l 2 ) is the optical path length difference, and S (f) is the power spectrum function of the broadband light source.
[0035]
When an optical interference signal is detected using the single photodetector 7, it can be considered that the frequency integration in the above equation (1) is performed over the entire spectrum of the light source. Here, for convenience of explanation, if S (f) is a Gaussian type having a center frequency f 0 and a full width at half maximum Δf, the interference signal is subjected to amplitude modulation by a Gaussian function, and the amplitude becomes a maximum value when Δl = 0. Decreases exponentially in proportion to ΔfΔl [for example, Chen Jianmei, Naohiro Tanno, “O plus E”, Vol. 22, no. 4, 461 (2000)]. That is, the coherence distance is limited by Δf.
[0036]
Further, in order to measure the reflected light intensity (= R · E 2 2 ) from the measured object 5, it is only necessary to square the amplitude i l of the interference signal given by the above equation (1), where i l If the depth corresponding to the full width at half maximum is defined as the spatial resolution Δz of interferometry, it can be seen that Δz is equal to half the coherent length of the light source. Where l C is
[0037]
[Expression 2]
Given in. From this principle, it can be seen that even in a light reflection experiment using continuous light, an excellent depth (distance) resolution can be obtained if the spectrum of the light source is wide. Taking a superluminescent diode (SLD), which is a small and convenient semiconductor light source, as an example, a commercially available product (center wavelength 0.8 μm,
[0038]
Next, the case where the measured object 5 is a scattering medium such as a living tissue in the optical coherence tomography measuring apparatus shown in FIG. 1 will be described. The interference signal between the reflected light from the reflection point at the measurement object depth z and the reference light from the reference mirror is given as follows.
[0039]
[Equation 3]
Where ψ (f, z) is the phase difference, E 2 (f, z) is the amplitude of the reflected light wave,
[0040]
[Expression 4]
Here, P 0 (f) is the intensity of the signal light (frequency f) reflected from the surface of the object to be measured and contributes to interference, μ t is the attenuation coefficient including the absorption coefficient μ a and the scattering coefficient μ s ,
[0041]
[Equation 5]
It becomes. From the principle described in Equation (2), optical tomographic imaging measurement is performed using a scattering medium such as biological tissue,
[0042]
[Formula 6]
It can be considered that an image is optically cut out with a thickness of 10 mm. Here, n is the optical refractive index of the medium. Therefore, from the formula (3), the reflected light intensity constituting the optical tomographic image can be approximated as follows.
[0043]
[Expression 7]
As apparent from the equation (7), in the optical coherence tomographic image measurement apparatus using the conventional single photodetector, the frequency integration is performed over the entire spectrum of the light source, and therefore the resolution is a value given by the equation (6). However, spectral information is not extracted.
[0044]
In the present invention, as shown in FIG. 1, one of the two divided interference lights is detected by a single detector and high-resolution tomographic image measurement is performed. At the same time, the other interference light beam is, for example, a diffraction grating. It is characterized in that it is dispersed by such a wavelength dispersion element and detected by a sensor array. If the spectral width of the interference light observed on the light receiving surface of one element of the sensor array is δλ, and the frequency of the interference light incident on the j-th element is f j , the intensity of the reflected light detected by the element is It becomes as follows.
[0045]
[Equation 8]
Here, the resolution δz is limited and decreased by the spectral width δλ observed by the array element,
[0046]
[Equation 9]
It becomes.
[0047]
In the present invention, it is fully recognized that increasing the spectral resolution leads to a reduction in the spatial resolution of the optical coherence tomographic image, and then spectral image measurement is separately performed as shown in FIG. Further, as is clear from the above equation (8), the spectral image measurement according to the present invention is performed in the time domain, and the conventional spectral image measurement method in the frequency domain using arithmetic processing such as Fourier transform and the fundamental method. Is different.
[0048]
The spectral information extraction method according to the present invention will be described below.
[0049]
According to the above equation (8), the intensity of reflected light from the m-1th layer [depth (m-1) δz] and the mth layer (depth mδz) detected by the jth element of the sensor array. by taking the ratio of, it is possible to calculate the light attenuation coefficient as follows in the m-th layer.
[0050]
[Expression 10]
Therefore, the measurement of μ t is performed with m = 1, 2, 3,. . . If it is performed in the order of N, the distribution in the depth direction of μ t (f j ) is measured. If the same measurement is performed on the output from each element of the sensor array, the distribution of the attenuation coefficient at each of the optical frequencies can be measured. For example, the three-dimensional display method shown in FIG. 2 is effective for imaging the spectral information of the attenuation coefficient thus obtained.
[0051]
Furthermore, according to the present invention, it is also easy to image the difference value of attenuation at two or more optical frequencies. The method will be described below.
[0052]
The differential attenuation α jk, m between the frequencies f j and f k that is localized in the m-th layer (depth mδz) of the object to be measured is defined as follows.
[0053]
[Expression 11]
On the other hand, from the equation (8), the intensity ratio of reflected light detected at each optical frequency is as follows.
[0054]
[Expression 12]
However, the initial value [I n (P oj / P ok )] can be measured in advance, and becomes zero when P oj = P ok . From the intensity ratio given by equation (12), α jk, m can be calculated as follows.
[0055]
[Formula 13]
For example, the three-dimensional display method shown in FIG. 3 is effective for imaging the difference attenuation degree obtained as described above.
[0056]
An optical tomographic image (see FIG. 7) obtained by a conventional optical coherence tomographic image measurement method using a single photodetector uses the change in reflected light intensity depending on the structure as image information. A major feature is that image information is a change in differential attenuation due to the wavelength dependence of the scattering characteristics.
[0057]
Furthermore, the optical coherence tomographic image measurement apparatus according to the present invention shown in FIG. 1 has both a tomographic image measurement function using a single photodetector and a spectral image measurement function using a wavelength dispersion element and a sensor array. It is possible to obtain structural and spectral information on the inside of the measured object at the same time in one measurement, so that an image for visualizing the spectral structure can be constructed.
[Example 1]
FIG. 4 shows an embodiment in which a continuous output SLD is used as a low coherent light source in the optical coherence tomographic image measurement apparatus of FIG. 1 according to the present invention.
[0058]
In this figure, 21 is an SLD (light source), 22 is a first lens, 23 is a first arm of an
[0059]
Here, when a commercially available near-infrared region SLD21 is used, the coherent length is lc≈30 μm, and in the case of a light emitting diode (LED), lc≈10 μm.
[0060]
Further, the embodiment of FIG. 4 is characterized in that the arrangement of the measured
[0061]
The output light from the SLD (light source) 21 is coupled to the
[0062]
On the other hand, the reference light is transmitted to the reflecting
[0063]
In the embodiment of FIG. 4 using the low-
[0064]
Further, as described above, the present invention detects in parallel the interference light dispersed by the
[Example 2]
FIG. 5 shows an embodiment in which an image sensor such as a CCD (Charge Coupled Device) camera is used as a sensor array in the optical tomographic image measuring apparatus shown in FIG. 1 according to the present invention.
[0065]
In FIG. 5, 41 is a low coherent light source (broadband light source) having a wide spectral width, for example, a superluminescent diode (SLD), 42 is a first beam splitter, 43 is a mirror, 44 is PZT, and 45 is measured. Body, 46 is a second beam splitter, 47 is a single photodetector, 48 is a diffraction grating, 49 is a lens, 50 is a third beam splitter, 51 is a first shutter, 52 is a first CCD camera, 53 is a second shutter, and 54 is a second CCD camera.
[0066]
Here, since a commercially available CCD camera has hundreds of thousands to millions of light receiving elements, high-resolution spectral image measurement can be performed by effectively using such a large number of light receiving elements.
[0067]
As shown in FIG. 5, the interference light dispersed by the
[0068]
Although the first
[0069]
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.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is not necessary to perform signal processing such as Fourier transform, and the depth of reflected light and spectral information can be simultaneously acquired in real time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical coherence tomographic image measurement apparatus having a spectral function according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a three-dimensional display example (part 1) in the optical coherence tomographic image measurement apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a three-dimensional display example (No. 2) in the optical coherence tomographic image measurement apparatus of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an embodiment in which a continuous output SLD is used as a low coherent light source in the optical tomographic image measurement apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment in which an image sensor is used as a sensor array in the optical tomographic image measurement apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a basic configuration diagram of an optical coherence tomographic image measurement apparatus using a conventional Michelson interferometer.
FIG. 7 is a diagram illustrating a three-dimensional display example in a conventional tomographic image measurement apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing another configuration of an optical coherence tomographic image measurement apparatus using a conventional Michelson interferometer.
FIG. 9 is a diagram showing still another configuration of an optical coherence tomographic image measurement apparatus using a conventional Michelson interferometer.
[Explanation of symbols]
1,41 Low coherent light source (broadband light source)
1A, 1B, 49 Lens 2 First beam splitter (BS1)
3,43 mirror 4,44 PZT
5, 29, 45 Object to be measured (subject)
6 Second beam splitter (BS2)
7, 36, 47
DESCRIPTION OF
33 4th arm of optical fiber coupler comprising
Claims (7)
(b)該光源から出射された光ビームを、被検体が配置される被検体配置位置を経由する信号光と、該被検体配置位置を経由する光路とは異なる光路を経由する参照光とに二分するとともに、前記被検体配置位置を経由した後の信号光と、前記異なる光路を経由した参照光とを互いに重畳することにより干渉光を生成する干渉光学系と、
(c)該干渉光学系が、前記信号光の周波数と前記参照光の周波数を相対的にシフトさせる周波数シフタと、
(d)前記干渉光学系が、前記干渉光を受光するために、前記干渉光を二分割して、さらに、該二分割された干渉光のうちの一方を受光し、前記信号光と前記参照光との光干渉を光源の全スペクトル域で発生させて高い深さ分解能の断層画像計測を行うための単一光検出器と、
(e)前記二分割された干渉光のうちの他方を分光するための波長分散素子と、
(f)該分光された干渉光を独立にヘテロダイン検出する光センサと、
(g)該光センサが、空間的に配列され、それぞれが独立にヘテロダイン検出する複数の受光素子を有し、さらに、前記光センサで得られた複数のヘテロダイン信号の振幅を検出するための振幅検出部と、
(h)該振幅検出部で得られた複数のヘテロダイン信号振幅を統合して前記被検体配置位置に配置された被検体の表面もしくは内部層の、前記信号光の伝搬経路上の各関心点に対応する信号を生成する信号処理部を具備することを特徴とする分光機能を備えた光干渉断層画像計測装置。(A ) a light source that emits a light beam;
(B) The light beam emitted from the light source is converted into signal light that passes through the subject placement position where the subject is placed and reference light that passes through an optical path different from the optical path that passes through the subject placement position. And an interference optical system that generates interference light by superimposing the signal light after passing through the subject arrangement position and the reference light passing through the different optical paths,
(C) the interference optical system includes a frequency shifter that relatively shifts the frequency of the signal light and the frequency of the reference light;
(D) The interference optical system divides the interference light into two parts to receive the interference light, and further receives one of the two divided interference lights, and the signal light and the reference A single photodetector for measuring tomographic images with high depth resolution by generating optical interference with light in the entire spectral range of the light source;
( E ) a wavelength dispersion element for splitting the other of the two divided interference lights;
( F ) an optical sensor for heterodyne detection of the separated interference light independently;
( G ) The optical sensor has a plurality of light receiving elements that are spatially arranged and independently detect heterodyne, and further detects an amplitude of a plurality of heterodyne signals obtained by the optical sensor. A detection unit;
(H) A plurality of heterodyne signal amplitudes obtained by the amplitude detection unit are integrated to each point of interest on the propagation path of the signal light on the surface or inner layer of the subject placed at the subject placement position. An optical coherence tomographic image measurement apparatus having a spectroscopic function, comprising a signal processing unit that generates a corresponding signal.
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