JP3796550B2 - 光干渉トモグラフィ装置 - Google Patents
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Description
低コヒーレント光を利用した光干渉トモグラフィ(Optical Coherence Tomography;OCT)は、生体の表面近傍の断層像を十数μm程度の分解能で観察可能にする新しい医療計測技術である。OCTは既に眼組織の臨床観察で実用化されており、眼組織の病変(例えば、網膜はく離)の断層観察を顕微鏡的精度で可能にしている(非特許文献1)。この技術の臨床応用は緒についたばかりであるが、内視鏡と組み合わせた生体内部の断層観察への展開等、今後の発展が期待されている。
現時点で実用化されているOCTは、OCDR(Optical Coherence Domain Reflectometory)−OCTと呼ばれる機械的走査を必要とする測定技術である。一方、機械的走査を必要としないFD(Frequency Domain) −OCT(OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometory)−OCTと呼ばれることもあるが、本発明との混同を防止するため以後FD法と呼ぶ)と呼ばれる技術が、最近研究され始めている。以下、それぞれの技術について説明する。
OCDR−OCTの測定原理は、図7のように試料(生体)1に測定光2を照射しその光が試料1の内部の組織境界面3で反射(又は後方散乱、以後単に「反射」という)され再び試料1の外に出射するまでに通過する光路長を、低コヒーレント光源を光源とするマイケルソン干渉計によって測定するものである。即ち、図7に示すように、試料1に入射した光2は、組織境界面3の屈折率変化によってその一部が反射され試料1の外に再出射される。この再出射された光4が通過して来た光路長を測定することにより、試料1の内部の深さ方向の構造を知ることができる(深さの基準点である試料1の表面の位置は、表面反射光によって与えられる。)。従って、測定光2の入射位置を試料1の表面に対して走査することにより、試料1の内部の断面像や三次元像を得ることができる。
この方法の分解能は、使用する光源のコヒーレント長で決まり、通常10〜15μm程度である。また、一回の測定に要する時間は、参照光ミラー8の走査に必要な時間で決まり、通常は速くても1秒程度である(非特許文献1)。
OCDR−OCTには、参照光ミラー8の機械的走査が必須であるため機械的振動の発生が不可避であり、速い速度での走査距離に制限があり、走査速度も制限される。走査速度が制限されるため、測定中は試料(生体)を制止しておかなければならない等の課題がある。このため比較的制止の容易な眼組織の断面観察以外への適用は容易ではない。
参照光ミラー8の走査を不要とする試みとして、図10のようにマイケルソン干渉計の出力側にグレーテイグ21とCCD16を配置し、参照光ミラー8を固定したままで出力光の分光特性をCCD16で測定し、その結果からコヒーレント波形を計算・構築する周波数領域(Frequency Domain)OCT(以下FD−OCTと呼ぶ。以前の文献では、この方法がOFDR−OCTと呼ばれたこともあるが、最近の文献では、FD−OCTと呼ばれている。ここでは、この最近の呼称を用いる。)が提案されている(非特許文献2)。
FD−OCTでは参照光ミラー8の移動が不要なため測定時間が短く、150msec程度の短時間観測の例も報告されている。しかしながら、この方法には、以下のような問題点もある。
スペクトル密度関数を算出する際、試料内部で反射面は一定の深さに広がっていると仮定して計算処理するので、反射面の深さが水平方向(y’軸方向)に対して急激に変化する試料では正確なスペクトル密度関数が得られない。従って、試料の表面に水平な方向(y’軸方向)での分解能は高くなく、100μm程度の値が報告されるのみである。
深さ方向の測定可能範囲Lmは、CCDで検出する各周波数成分に対するコヒーレント長で決まる。各周波数成分におけるスペクトル幅をΔf、cを光速とすると、測定可能範囲Lmは式(1)で与えられる(非特許文献2中に記載の式による。)。但し、ここで測定範囲と呼んでいるものは、試料の深さ方向に対する測定可能範囲ではなく、試料に照射された光と参照光との光路差によって測定可能範囲を表したものである。従って、非特許文献2に記載した測定範囲は、試料の深さ方向に対する測定範囲の2倍になっている。
従って、信号光をいかに効率良く検出するかが重要である。しかし、FD−OCTでは信号光は回折格子21を通ってから光検出器(CCD)に入射するので、その一部が回折格子21によって失われてしまい信号光の検出効率が悪いという課題がある。
(問題点4)また,CCDを用いた検出の場合、測定可能な強度の桁数を表すダイナミックレンジが約70dB以下であり、網膜の測定には適用できるとの報告もあるが、生体の観測には必ずしも十分とはいえない。
(問題点5)更に、測定時間がCCDの速度に制限され、測定の高速化に限界があるという問題点もある。
例えば数mm/秒の速さで動く部分をOCDR−OCTで観察をする場合、測定時間中(約1秒)に観察対象の移動する距離(数mm)が分解能(数十μm)に比べ著しく大きくなるため断層像の撮影は不可能である。
OCDR−OCTに比べFD−OCTによる断層撮影は高速であるが、現在得られている測定時間(150msec)は上記のような部分の測定にはまだ不十分である。これは、コヒーレント干渉波形を構築する過程が複雑なため計算機処理に時間がかかるためである。即ち、現在のOCTには、制止困難な生体部分の観察には適したものがないという課題がある。更に、上記の通り水平方向の分解能が低く又深さ方向の測定範囲も狭いという問題点もある。
即ち、第一の発明の光干渉トモグラフィ装置は、波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を第一の光線と第二の光線に分割する手段と、第一の光線を測定対象に照射する手段と、前記測定対象によって反射又は後方散乱された第一の光線と第二の光線を合波する手段と、前記合波する手段によって合波された出力光の強度を前記可変波長光発生装置の波数毎に測定する手段と、前記測定する手段によって前記波数毎に得られる前記出力光の強度の集合から第一の光線が測定対象によって反射され又は後方散乱された位置又は位置と強度を前記測定対象の深さ方向に対して特定する手段とを有することを特徴とする。
また、第二の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一の発明の光干渉トモグラフィ装置において、前記第一の光線を測定対象に照射する手段が、第一の光線の前記測定対象に対する照射位置を走査可能であり、且つ、前記特定する手段によって特定された情報と前記照射位置に関する情報に基づいて、前記測定対象の断層像を構築する手段を有することを特徴とする。
また、第三の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一又は第二の発明の光干渉トモグラフィ装置において、前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換するものであることを特徴とする。
また、第四の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一又は第二の発明の光干渉トモグラフィ装置において、前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換して絶対値をとるものであることを特徴とする。
また、第五の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一乃至第四の発明の何れかの光干渉トモグラフィ装置において、測定対象の複数の断層像を構築することによって、測定対象の断層像の動画を構築する手段を有することを特徴とする。
また、第六の発明の光干渉トモグラフィ装置は、波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路の前記出力光の一部を前記試料光路に沿ってもどす部分反射機構と、前記試料光路に沿った試料からの反射光又は後方散乱光と前記部分反射機構からの反射光とを光検出手段に導く光検出光路と、前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段とを有し、前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記検出手段の出力を計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、前記試料の断層像を構築することを特徴とする。
また、第七の発明の光干渉トモグラフィ装置は、波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路において所望の偏光特性を持たせて前記試料光路に沿って一部の前記出力光を反射する部分反射機構と、前記試料光路において部分反射機構を透過した前記出力光を所望の偏光特性を持たせた後試料に照射する試料光偏光特定機構と、試料からの反射光又は後方散乱光と部分反射機構からの反射光とを、入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段に導く光検出光路と、前記入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段の2つの出力をそれぞれ光検出する手段と、前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段を有し、前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記検出する手段の出力をそれぞれ計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、試料の偏光特性を示す断層像を構築することを特徴とする。
また、第八の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第六又は第七の発明の光干渉トモグラフィ装置において、前記計算処理が、前記出力と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換することを特徴とする。
また、第九の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第六又は第七の発明の光干渉トモグラフィ装置において、前記計算処理が、前記出力と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換して絶対値をとるものであることを特徴とする。
また、第十の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第六乃至第九の発明の何れかの光干渉トモグラフィ装置において、前記計算機では、複数の前記断層像を構築して、前記試料の断層像の動画を構築することを特徴とする。
また、第十一の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一乃至第十の発明の何れかの光干渉トモグラフィ装置において、前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として可変波長レーザを用いることを特徴とする。
また、第十二の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一乃至第十一の発明の何れかの光干渉トモグラフィ装置において、前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として超周期構造回折格子分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする。
また、第十三の発明の光干渉トモグラフィ装置は、第一乃至第十一の発明の何れかの光干渉トモグラフィ装置において、前記可変波長光発生装置を構成する発光素子としてサンプルド・グレーティング分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする。
更に付言すると、上記課題を解決するための手段は次のとおりである。
(1)第一の手段
上記課題を解決するための第一の手段は<波数を階段状に切り替え可能な手段を有する光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置>を用いることである。このような手段により、断層像の高速撮影が可能になる。
上記課題を解決するための第二の手段は、<波数の可変範囲の幅が4.7×10-2μm-1以上且つ出射光の周波数幅が13GHz以下の可変波長光発生装置であって、3.1×10-4μm-1以下の波数間隔且つ530μs以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段を有することを特徴とする可変波長光発生装置を光干渉トモグラフィ用の光源>として用いることである。光干渉トモグラフィ用の光源として、この可変波長光源(可変波長光発生装置)を用いることによって、制止困難な生体部分の断層観察が可能になる。ここで波数とは,波長の逆数に2πを乗じたものである。
上記課題を解決するための第三の手段は、<波数の可変範囲の幅が4.7×10-2μm-1以上且つ出射光の周波数幅が52GHz以下の可変波長光発生装置であって、12.4×10-4μm-1以下の波数間隔且つ530μs以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段を有することを特徴とする可変波長光発生装置を光干渉トモグラフィ用の光源>として用いることである。光干渉トモグラフィ用の光源として、この可変波長光源(可変波長光発生装置)を用いることによって、第二の手段に比べ、測定可能距離は短くなるが、より高速で動く制止困難な生体部分の断層観察が可能になる。
従来のOCTでは、SLDが出射する広帯域(低コヒーレント)直流光(CW光)を測定光として用い、OCDR−OCTでは干渉パターン(図9)を、FD−OCTではフリンジ(図11)を測定していた。一方、本発明の構成要件「波数を階段状に切り替え可能な手段を有する」によれば、測定に用いる光源の波数を例えば図1(a)のように少しずつ階段状に変えて、各波数における干渉計の応答を測定することが可能になる。この特徴によって、以下に述べる通り断層撮影の高速化と水平方向分解能の向上が図られる。また、FD-OCTで問題になっていた回折格子の存在による信号強度の検出効率の低下、CCDの性能に起因する不十分なダイナミックレンジ、及びCCDの応答速度によって断層撮影速度が律速されるという諸問題が解決される。
また、波数の変化は離散的であることが望ましいが、一定時間特定の波数を保持できるものであればその変化は連続的であっても良い。
他方、本発明では、各波数における干渉計の出力光強度を束ねた分光特性(図2)からコヒーレント干渉波形を構築するので、FD−OCTのように強度情報と位相情報の双方を含むスペクトル密度関数を計算処理してコヒーレント干渉波形を構築する必要はない。このため本発明では、簡単な計算機処理によってコヒーレント干渉波形を構築することができる。また、スペクトル密度関数の算出自体が不要なので、従来のFD−OCTに比べデータ処理が短時間で済み高速測定が可能になる(なお、本発明で用いる計算処理については、実施の形態例1において説明する。)。
即ち、本発明を用いて実施される断層撮影には参照光ミラー走査の様な機械的動作が介在せず、また後述する通り本発明を用いる断層撮影では簡単な手順でコヒーレント干渉波形が構築可能なので、断層撮影の高速化が可能である。また、本発明を用いて実施される断層撮影では、従来のFD−OCTの様な水平方向の分解能を劣化させる仮定も存在しないので水平方向分解能の劣化もない。
更に、回折格子及びCCDを用いるFD−OCTに特有な問題であった<回折格子の存在による信号強度の検出効率の低下、CCDの性能に起因する不十分なダイナミックレンジ、及びCCDの応答速度によって断層撮影速度が律速されるという諸問題>は、回折格子及びCCDを必要としない本手段においては当然解消される。
この様に本発明は断層撮影の高速化に適しているが、特に<波数の可変範囲の幅が4.7×10-2μm-1以上且つ出射光の周波数幅が13GHz以下の可変波長光発生装置であって、3.1×10-4μm-1以下の波数間隔且つ530μs以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段を有する可変波長光発生装置>に、使用する可変波長光発生装置を限定することによって、分解能80μm及び測定範囲10mmを確保しつつ、1mm/秒以下の速さで動く試料の観察が可能になる。即ち、上記第一の手段によれば、1mm/秒で動く制止困難な生体部分の観察が可能になる。
ところで深さ方向の測定範囲は、各波数における測定光のコヒーレント長に依存する。従って、測定範囲は測定光の周波数幅Δfによって制限される。(試料の深さ方向に対する)測定範囲Lmと周波数幅Δf(半値全幅)の間には次の式(3)の関係が成り立つので、10mmの測定範囲を確保するためには出射光の周波数幅が13GHz以下でなければならない。これは、上記第二の手段の構成要件「出射光の周波数幅が13GHz以下の可変波長光発生装置であって」に相当する。また,出射光の周波数幅が52GHz以下に設定することによって、測定範囲2.5mmを確保することができる。これは、上記第三の手段の構成要件「出射光の周波数幅が52GHz以下の可変波長光発生装置であって」に相当する。
ここでcは光速を表す。なお、単一縦モードで発振する半導体LDでは、この様な値は容易に達成できる。
一方、後に実施の形態例1で述べるように、(試料の深さ方向に対する)測定範囲Lmは測定光の波数間隔Δkによっても制限される。即ち、Nyquistの定理によれば、測定範囲Lmは次の式(4)によって表される。
また,波数間隔を12.4×10-4μm-1以下に設定すれば、式(4)より測定範囲2.5mmとなる。これは、上記第三の手段の構成要件「12.4×10-4μm-1以下の波数間隔」に相当する。
上記要件の下、波数切替時間thを以下に示す通り十分短くすることによって、測定範囲10mmを確保しつつ、1mm/秒の速さで動く試料を動的分解能80μmで観察可能になる。波数切替時間に要求される条件は、以下の通りである。
試料の運動による分解能の劣化を防ごうとするならば、測定時間内に試料の移動する距離が静的分解能以下になるように測定時間tmを短くすれば良い(即ち、静的分解能以下のブレは許容することとする。)。この考え方にたてば、静的分解能をΔz、試料の移動速度をvとすると、試料の運動による分解能の劣化を防ぐために必要な測定時間tmは以下の式(5)で表される。
また,波数間隔Δkが12.4×10-4μm-1以下の場合、試料の移動速度vが4mm/sの試料を測定するためには、波数切替時間間隔thは530μs以下でなければならないことが分かる。
これは、上記第二の手段及び第三の手段の構成要件「530μs以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段」に相当する。
また,可変波長光発生装置を<波数の可変範囲の幅が4.7×10-2μm-1以上且つ出射光の周波数幅が52GHz以下の可変波長光発生装置であって、12.4×10-4μm-1以下の波数間隔且つ530μs以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段を有する可変波長光発生装置>に限定することによって、分解能80μm及び測定範囲2.5mmを確保しつつ、4mm/秒の速さで動く試料の観察が可能になる。
なお、上記説明では波数走査は一回のみを想定しているが、この様な場合であっても、試料に横長の測定光を照射しCCDを光検出器として用いることによって断層撮影が可能である。また、式(2)及び式(4)は、測定光を束ねた場合のスペクトル形状が矩形の場合に対する厳密な式である。しかし、スペクトル形状をガウシアン形状等別のものに変えても、分解能等は大きくは変わらず得られる効果も矩形の場合とほぼ同じである。
以上の説明から明らかなように、好ましい波数範囲等は、分解能、測定範囲、測定可能な試料の移動速度が決まれば式(2)〜(6)によって自動的に決定される。分解能等の好ましい一例は上述の通りのものであるが、更に好ましい分解能・測定範囲・試料の移動速度は、それぞれで40μm以下・100mm以上・3mm/s以下である。最も好ましい値は、それぞれ20μm以下・1000mm以上・9mm/s以下である。従って、それぞれの要請に答える波数範囲等は、以下の通りになる。
試料速度が1mm/s以下の場合の波数間隔、周波数幅、可変波数幅、及び波数切替時間の組み合わせは以下の通りである。
ここで、波数間隔と周波数幅の値、3.1×10-4μm-1以下と13GHz以下、3.1×10-5μm-1以下と1.3GHz以下、3.1×10-6μm-1以下と130MHz以下は、それぞれ測定範囲、10mm以上、100mm以上、1000mm以上に対応する。また、可変波数幅の値、4.7×10-2μm-1以上、9.5×10-2μm-1以上、1.9×10-1μm-1以上は、分解能、80μm以下、40μm以下、20μm以下に対応する。
ここで、測定範囲が100mm以上に対応する場合には、測定範囲が十分に広いので測定点を変えても参照光ミラーの位置合わせが不要になるという効果も奏される。また、測定範囲が10mm以上に対応する場合であっても、参照光ミラーの位置合わせが容易になるという効果が奏される。
なお、<波数間隔が一定値以下>という表現を用いているが、波数間間隔が0μm-1の場合は当然含まれない。何故ならば、波数間隔というからには、当然有限の間隔で複数の波数が存在することを前提としているからである。波数間間隔が0μm-1では、波数は一本になってしまう。
表1中の各波数切替時間を3分の1にすれば良い。
表1中の各波数切替時間を9分の1にすれば良い。
走査する測定点の数をn(例えば、n=10、50,100,200,400,800)以上とする場合には、(a)〜(c)に示した波数切替時間をn分の1以下にすれば良い。
以上の例では、波数切替時間を短縮化することにより試料速度の高速化に対処している。試料速度の高速化への対処方法としては、測定範囲を狭めることも有効である。具体的には、表1の最上段に記載した波数間隔(及び周波数幅)を2倍、4倍とすることによって、表1に記載された波数切替時間で、試料速度が2mm/s以下及び試料速度が4mm/s以下の場合に対応できる。
なお、走査する測定点の数をn(例えば、n=10、50,100,200,400,800)以上とする場合には、(a)〜(c)に示した波数切替時間をn分の1以下にすれば良い点が上述の通りである。
或いは、上記光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置は、上記(ロ)又は(ハ)に記載の「波数の可変範囲の幅」を有する広帯域発光素子と、上記(ロ)又は(ハ)に記載の「波数の可変範囲の幅」「周波数幅」「波数間隔」及び「時間間隔」で広帯域発光素子の出力光を階段状に抽出可能な可変波長フィルタとその制御回路であっても良い。
上記第一及び第二の手段は、以下の様にも表現することができる。即ち、第一及び第二の手段を別の側面から表現すると、上記課題を解決するための第四の手段は、<分解能が80μm以下になるように波数の可変範囲の幅を広くし、測定範囲が10mm以上になるように出射光の周波数幅及び波数間隔を狭くし、且つ、前記分解能を速度1mm/sで除した第一の値を前記可変範囲の幅を前記波数間隔で除した第二の値で除して得られる時間以下の時間間隔で波数を階段状に切り替え可能な手段を有することを特徴とする光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置>となる。
なお、例えば光干渉トモグラフィ装置によって多層膜の膜厚を計測するような場合には、前記特定する手段では、第一の光線が測定対象によって反射又は後方散乱された位置を求めればよい。
また、好ましい値の組合せとしては、以下の様なものもある。即ち、分解能値は40μm以下又は20μm以下であり、測定範囲は5mm以上であり、分解能を除する速度は、2mm/sである。
また、走査する測定点の数をn(例えば、n=10、50,100,200,400,800)以上とする場合には、波数切替時間をn分の1以下にすれば良い。
上記課題を解決するための第八の手段は、<前記第一の光線を測定対象に照射する手段が、第一の光線の前記測定対象に対する照射位置を走査可能であり、且つ、前記特定する手段によって特定された情報と前記照射位置に関する情報に基づいて、前記測定対象の断層像を構築する手段を前記光干渉トモグラフィ装置が有することを特徴とする上記第六の手段又は第七の手段の光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置>を用いることである。この手段によって、測定対象の断層像を効率的に得ることが可能となる。
上記課題を解決するための第九の手段は、< 前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組み合わせをフーリエ変換するものであることを特徴とする上記第六の手段乃至第八の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波光長光発生装置>を用いることである。フーリエ変換の方法には,非常に高速で処理できる高速フーリエ変換(FFT)の手法が確立されており、実数の組み合わせからなるデータのFFTによって,高速のOFDR−OCTが実現できる。
上記課題を解決するための第十の手段は、<測定対象の複数の断層像を構築することによって、測定対象の断層像の動画を構築する手段を有する光干渉トモグラフィ装置の可変波長光源に用いることを特徴とする上記第一の手段乃至第九の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置>を用いることである。本発明によれば、高速測定が可能となるため、消化器のぜん動や脈動する血管などの断層像の動画の測定が可能となり、医療診断に応用できる。
上記課題を解決するための第十一の手段は、<前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として可変波長レーザを用いることを特徴とする上記第一の手段乃至第十の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第十二の手段は、上記第一乃至第十の手段の何れかの「可変波長光発生装置」を構成する発光素子として「超周期構造回折格子分布反射型半導体レーザ」(特許文献1、特許文献2、非特許文献4)を用いることである。「超周期構造回折格子分布型反射半導体レーザ」は、上記第一の手段などの可変波長光発生装置に求められる要件を総て充足している。即ち、可変幅は100nm(Δk=0.261μm-1)を超え、波数の切替時間間隔が数ns程度の高速応答も可能である。また、連続的な波長変化が可能であり、発振スペクトルの周波数幅は数MHzである。
上記課題を解決するための第十三の手段は、上記第一乃至第十の手段の何れかの「可変波長光発生装置」を構成する発光素子として「サンプルド・グレーティング分布反射型半導体レーザ」を用いることである。「サンプルド・グレーティング分布反射型半導体レーザ」は、上記第一の手段などの可変波長光発生装置に求められる要件を総て充足している。即ち、可変幅は100nm(Δk=0.261μm-1)を超え、波数の切替時間間隔が数ns程度の高速応答も可能である。また、連続的な波長変化が可能であり、発振スペクトルの周波数幅は数MHzである。
上記課題を解決するための第十四の手段は、<上記第一の手段乃至第十三の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置を可変波長光源として用いることを特徴とする光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第十五の手段は、<上記第一の手段乃至第十三の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を第一の光線と第二の光線に分割する手段と、第一の光線を測定対象に照射する手段と、前記測定対象によって反射又は後方散乱された第一の光線と第二の光線を合波する手段と、前記合波する手段によって合波された出力光の強度を前記可変波長光発生装置の波数毎に測定する手段と、前記測定する手段によって前記波数毎に得られる前記出力光の強度の集合から第一の光線が測定対象によって反射され又は後方散乱された位置又は位置と強度を前記測定対象の深さ方向に対して特定する手段とを有することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。この光干渉トモグラフィ装置は、上記第一の手段乃至第十二の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置を用いているので、上述の通り上記課題を解決することができる。
上記課題を解決するための第十五の手段は、<前記第一の光線を測定対象に照射する手段が、第一の光線の前記測定対象に対する照射位置を走査可能であり、且つ、前記特定する手段によって特定された情報と前記照射位置に関する情報に基づいて、前記測定対象の断層像を構築する手段を有することを特徴とする上記第十四の手段又は第十五の手段の光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第十七の手段は、<前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換するものであることを特徴とする上記第十五の手段又は第十六の手段の光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第十八の手段は、<測定対象の複数の断層像を構築することによって、測定対象の断層像の動画を構築する手段を有することを特徴とする上記第十四の手段乃至第十七の手段の何れかの光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第十九の手段は、<上記第一の手段乃至第五の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路の出力光の一部を試料光路に沿ってもどす部分反射機構と、前記試料光路に沿った試料からの反射光又は後方散乱光と部分反射機構からの反射光とを光検出手段に導く光検出光路とを有することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
この方法によれば,従来の干渉計を用いる方法と比べ,使用する光学部品の数を大幅に減少出来,製造コストを下げることが出来,装置をより安定化できる。
上記課題を解決するための第二十の手段は、<上記第一の手段乃至第五の手段の何れかの光干渉トモグラフィ用の可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路において所望の偏光特性を持たせて前記試料光路に沿って一部の前記出力光を反射する部分反射機構と、前記試料光路において部分反射機構を透過した前記出力光を所望の偏光特性を持たせた後試料に照射する試料光偏光特定機構と、試料からの反射光又は後方散乱光と部分反射機構からの反射光とを、入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段に導く光検出光路とを有し、前記入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段の2つの出力をそれぞれ光検出手段で検出することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十一の手段は、<前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段を備え、且つ、前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記光検出手段の出力を計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、試料の断層像を構築することを特徴とする上記第十九の手段の光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十二の手段は、<前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段を備え、且つ、前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記光検出手段の出力をそれぞれ計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、試料の偏光特性を示す断層像を構築することを特徴とする上記第二十の手段の光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十三の手段は、<前記計算処理が、前記出力と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換することを特徴とする上記第二十一の手段又は第二十二の手段の光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十四の手段は、<前記計算機では、複数の前記断層像を構築して、試料の断層像の動画を構築することを特徴とする上記第二十一の手段乃至第二十三の手段の何れかの光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十五の手段は、<前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として可変波長レーザを用いることを特徴とする上記第十九の手段乃至第二十四の手段の何れかの光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十六の手段は、<前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として超周期構造回折格子分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする上記第十九の手段乃至第二十五の手段の何れかの光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
上記課題を解決するための第二十七の手段は、<前記可変波長光発生装置を構成する発光素子としてサンプルド・グレーティング分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする上記第十九の手段乃至第二十五の手段の何れかの光干渉トモグラフィ装置>を用いることである。
従って、本発明は、波数を階段状に走査する新しい光干渉トモグラフィ装置及びその光源を発明したものであると同時に、この装置(又は光源)に対して制止困難な生体部分の断層撮影装置(又は光源)としての用途を発明したものといえる。同じく、生命活動によって動く部位に対する断層像の動画撮像装置(又は光源)としての用途を発明したものといえる。
図3に本発明による光干渉トモグラフィ装置の一例を示す。
図3に示す光干渉トモグラフィ装置では可変波長光源として、可変波長光発生装置31を有している。可変波長光発生装置31は、超周期構造回折格子分布反射型半導体レーザとその制御回路から構成されている。可変波長光発生装置31の可変波長範囲は1533.17〜1574.14nm(Wk=1.07×10-1μm-1)、スペクトルの周波数幅は10MHz以下である。走査速度は1ステップ当たり1μsであり、400波数の走査を行う(従って、1ステップ当たりの波数幅は2.67×10-4μmである。)。走査速度1μs/stepで400波数の走査を行うので、Aスキャン(深さ方向のみについての走査)の計測時間は0.4msで、50のAスキャンでBスキャン(Aスキャンを繰り返しながら行う水平方向の測定点の走査)を構成すると計測時間は20msとなる。
式(2)から静的分解能を求めると、
ΔZ=36μm
となる(屈折率1.36の生体中での分解能は26μmである。屈折率は試料の組成に依存するので、本発明では屈折率の分解能への影響は考慮しないこととした。上記の様に生体の屈折率はそれほど大きくないので、屈折率の影響を無視しても得られる効果はほぼ同じである。)。たとえ生体試料が1mm/sで移動したとしても、Bスキャンの間に試料の動く距離は20μmでしかなく静的分解能36μmに比べ小さいので動的分解能に劣化は生じない。
また、測定範囲は、波数間隔により定まり、式(4)から分かるように12mmである(なお、周波数幅から計算される測定範囲は13mである(式(3)参照)。)。
この第一の差動アンプ39のLog出力信号を第二の差動アンプ40に入力する。第一のカプラ32で分割された光の他方(分割割合10%)は、光検出器42によって検出された後、Logアンプ43を通して、第二の差動アンプ40に導かれる。第二の差動アンプ40は、入力光強度の変動を補正する割り算を行う。従って、第二の差動アンプ40の出力は、以下の式(8)で表される(定数項は省略した)。
この様な装置構成をとることによって、従来困難であった消化器管のように制止困難な器官についても断層撮影が可能になった。そして、この断層像を連続的に撮影することによって、動画の撮影も可能になる。即ち、複数の断層像を構築することによって、測定対象の断層像の動画を構築する。この動画の構築も、計算機41によって行われる。
図5は、人の爪を測定対象として断層撮影した結果である。爪の表面から厚さ80μm程度の層が5層識別でき、その後ろに300μmの厚い層が存在することが分かる。測定に際し指の固定は特段行わなかったが、ブレのない鮮明な像が得られた。
コヒーレント干渉波形を得るために行なった計算処理の原理は以下の通りのものである。
式(8)のlogの中の項は、Is/Irの平方根とcosの項からなっている。ここで、Is/Irは、kn依存性が小さいので定数と考えられる。従って、第二の差動アンプ40の出力を計算処理しlogを外すことによって、cos(2L・kn)に比例した出力Idを得ることができる。
総てのknについて出力Idを測定しその値をフーリエ変換して絶対値をとると、x=2Lの位置に鋭いピークを持つ関数が得られる。即ち出力Idを、フーリエ変換することによって試料内部の反射面の位置を表す値2Lを得ることができる。
以下に、フーリエ変換の絶対値が、x=2Lの位置に鋭いピークを持つ関数であることを示す。
出力Idのフーリエ変換のcos成分Yc(x)、sin成分Ys(x)、及び絶対値Yt(x)はそれぞれ以下の式(9)、(10)、(11)、(12)のようになる(比例係数は省略。以下、同じ。)。
まず、cos 成分Yc(x)について考える。
数学公式から以下の式(13)、(14)が導かれる。
まず、式(13)でα=x×kn,β=2L×knと置き、式(9)に代入する。式(13)は4つの項からなるが、まず前2項だけについてΣを計算する。Σの計算には式(14)を用いる。この際、γ=(x+2L)×Δkと置き、j×(α+β)=j×(x+2L)×kn=j(x+2L)×(ks+Δk・n)=j(x+2L)×ks+j(x+2L)・Δk・n=j(x+2L)×ks+j・γ・nなる関係式を利用する。最後にcos(x)=[exp(jx)+exp(−jx)]/2の関係式を用いると式が簡単になる。後ろ2項についても同様の手順を踏むと以下の式(15)が得られる。
従って、x=2Lの近傍では、次の式(19)となる。
式(19)はxについての周期関数であり、その周期は式(19)の分母のsin関数によって決まる(図6)。Nyquistの定理によれば、測定可能範囲Lmは以下の式(20)、(21)で表される。
sin(x)はx=0の近傍ではxで近似できるので、x=2Lにおける式(19)の値は(N+1)であることは明らかである。従って、以下の式(22)をxについて解けば、半値幅すなわち分解能ΔZが分かる。
本実施の形態2における光干渉トモグラフィ装置の構成は図3と同様とする。そして、本実施の形態2では、可変波長光発生装置31の可変波長範囲は1511.74〜1588.26nm(Wk=2.0×10-1μm)であり、スペクトルの周波数幅は10MHz以下である。走査速度は1ステップ当たり2ns/stepであり、8000波数の走査を行う(従って、一ステップ当たりの波数幅は2.5×10-5μmである。)。走査速度2ns/stepで8000波数の走査を行うので、Aスキャン(深さ方向のみについての走査)の計測時間は16μsで、800のAスキャンでBスキャン(Aスキャンを繰り返しながら行う水平方向の測定点の走査)を構成すると計測時間は13msとなる。式(2)から静的分解能を求めると
ΔZ=19μm
となる。たとえ生体試料が1mm/sで移動したとしても、Bスキャンの間に試料の動く距離は13μmでしかなく静的分解能19μmに比べ小さいので動的分解能に劣化は生じない。
本実施の形態3の光干渉トモグラフィ装置では、マイケルソン干渉計とシリンドリカルレンズにより、Aスキャンのみによって断層像を得られるように光学系を構成する。即ち、上記のように図10の構成において、光源5を可変波長光発生装置に代えた構成とする(グレーテイグ21は不要)。そして、本実施の形態3では、可変波長光発生装置の可変波長範囲は1511.74〜1588.26nm(Wk=2.0×10-1μm)、スペクトルの周波数幅は10MHz以下にする。走査速度は1ステップ当たり25ns/stepであり、80000波数の走査を行う(従って、一ステップ当たりの波数幅は2.5×10-6μmである。)。走査速度25ns/stepで80000波数の走査を行うので、計測時間(Aスキャンの測定時間)は2.0msとなる。式(2)から静的分解能を求めると
ΔZ=19μm
となる。たとえ生体試料が9mm/sで移動したとしても、測定時間に試料の動く距離は18μmでしかなく静的分解能19μmに比べ小さいので動的分解能に劣化は生じない。
本発明に基づく可変波長光発生装置を用いると、式(3)で与えられる光のコヒーレント長を長く出来、式(4)で与えられる測定範囲も長くとれるため、従来の光干渉トモグラフィで用いられている、マイケルソン干渉計やマッハツェンダー干渉計を用いることなく、少ない部品構成の光学系で、リフレクトメータ装置やトモグラフィ装置を実施できる。
部分反射された光と試料からの反射および後方散乱光は干渉し、光検出手段としての光検出器9で検出される光の強度は式(26)となる。
図13は、図12に示した実施例に、試料の偏光特性の断層像を測定可能にする発明を図示したものである。
円偏光した光を照射し、試料が偏光特性が等方的であれば、2つの偏光方向の散乱光Is⊥とIs=は等しい。試料に偏光特性があると、これに差が生じ、この差から試料の偏光特性を決定できる。
2 測定光
3 組織境界面
4 反射光
5 光源
6 マイケルソン干渉計
7 ビームスプリッタ
8 参照光ミラー
9 光検出器
10 参照光
11 信号光
12 検出器の出力
13 参照光ミラーの移動距離
14 光路長が一致した付近
15 干渉パターン
16 CCD
17 試料表面
18 測定光
19,20 シリンドリカルレンズ
21 グレーテイグ
22 フリンジ
31 可変波長光発生装置
32 第一のカプラ
33 第二のカプラ
34 オプティカルサーキュレータ
35 ファイバ・ソース・カプラ
36 走査ミラー
37 試料
38 第三のカプラ
39 第一の差動アンプ
40 第二の差動アンプ
41 計算機
42 光検出器
43 Logアンプ
44 エイミング・ライト・ソース
45 信号光
46 参照光
47 光ファイバ
48 光検出光路
49 アンプ
50 参照光反射素子
51 フォーカシングレンズ
52 偏光素子
53 第一の波長板
54 第二の波長板
55 偏光ビームスプリッタ
56 第一のアンプ
57 第二のアンプ
58 部分反射機構
Claims (13)
- 波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を第一の光線と第二の光線に分割する手段と、第一の光線を測定対象に照射する手段と、前記測定対象によって反射又は後方散乱された第一の光線と第二の光線を合波する手段と、前記合波する手段によって合波された出力光の強度を前記可変波長光発生装置の波数毎に測定する手段と、前記測定する手段によって前記波数毎に得られる前記出力光の強度の集合から第一の光線が測定対象によって反射され又は後方散乱された位置又は位置と強度を前記測定対象の深さ方向に対して特定する手段とを有することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置。
- 前記第一の光線を測定対象に照射する手段が、第一の光線の前記測定対象に対する照射位置を走査可能であり、
且つ、前記特定する手段によって特定された情報と前記照射位置に関する情報に基づいて、前記測定対象の断層像を構築する手段を有することを特徴とする請求項1に記載の光干渉トモグラフィ装置。 - 前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換するものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記特定する手段が、前記出力光の強度と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換して絶対値をとるものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 測定対象の複数の断層像を構築することによって、測定対象の断層像の動画を構築する手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路の前記出力光の一部を前記試料光路に沿ってもどす部分反射機構と、前記試料光路に沿った試料からの反射光又は後方散乱光と前記部分反射機構からの反射光とを光検出手段に導く光検出光路と、前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段とを有し、
前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記光検出手段の出力を計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、前記試料の断層像を構築することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置。 - 波数を階段状に切り替え可能な可変波長光発生装置と、前記可変波長光発生装置の出力光を分割することなく試料に導く試料光路と、前記試料光路において所望の偏光特性を持たせて前記試料光路に沿って一部の前記出力光を反射する部分反射機構と、前記試料光路において部分反射機構を透過した前記出力光を所望の偏光特性を持たせた後試料に照射する試料光偏光特定機構と、試料からの反射光又は後方散乱光と部分反射機構からの反射光とを、入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段に導く光検出光路と、前記入射光を偏光方向が直交する二成分に分割する手段の2つの出力をそれぞれ光検出する手段と、前記試料に照射される前記出力光の位置を走査する手段を有し、
前記可変波長光発生装置の波数毎に検出した前記光検出する手段の出力をそれぞれ計算機に取り込み、計算機の計算処理によって、試料の偏光特性を示す断層像を構築することを特徴とする光干渉トモグラフィ装置。 - 前記計算処理が、前記出力と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換することを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記計算処理が、前記出力と前記波数からなる実数の組合せをフーリエ変換して絶対値をとるものであることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記計算機では、複数の前記断層像を構築して、前記試料の断層像の動画を構築することを特徴とする請求項6乃至請求項9の何れか1項に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として可変波長レーザを用いることを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記可変波長光発生装置を構成する発光素子として超周期構造回折格子分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載の光干渉トモグラフィ装置。
- 前記可変波長光発生装置を構成する発光素子としてサンプルド・グレーティング分布反射型半導体レーザを用いたことを特徴とする請求項1乃至請求項11の何れか1項に記載の光干渉トモグラフィ装置。
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