JP4472991B2 - 対象の研究方法およびその光学干渉計(変型) - Google Patents

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Description

本発明は物理工学に関し、特に光学測定手段を利用する対象となる内構造の研究に関する。さらに低干渉性反射計および光学干渉性トモグラフィー装置に利用できる。上記の低干渉性反射計および光学干渉性トモグラフィー装置は特に人間内臓器官医療診断、そのうち「IN VIVO」或いは「IN VITRO」における人間身体器官の診断、産業技術診断、例えば技術的な工程の制御のために利用できる。
低干渉性光学放射を使って、対象の研究のために利用する光学干渉計の利点は高空間的分解能のある混濁的媒体の像を得ることが出来、そして医療検査および様々な設備の技術診断を行う時、非侵襲的診断および非破壊的コントロールが出来るようになる。
低干渉性反射計および光学干渉性トモグラフィー装置の成分となる光学干渉計はかなりよく知られている。(例えば、米国特許第5321501号明細書(特許文献1),米国特許第5383467号明細書(特許文献2),米国特許第5459570号明細書(特許文献3),米国特許第5582171号明細書(特許文献4),米国特許第6134003号明細書(特許文献5),国際公開第WO00/16034号パンフレット(特許文献6)、その他を参照)。時々干渉計の光学図式は完全にあるいは部分的に集中したパラメーター光学素子を利用して実現する(米国特許第5383467号明細書)、それよりもっと頻繁には、このような用途の光学干渉計はファイバ形られる(米国特許第5321501号明細書、米国特許第5459570号明細書、米国特許第5582171号明細書を参照)。
普通、上記の光学干渉計はマイケルソン干渉計(例えば、X.Clivaz et al. “High resolution reflectometry in biological tissues”,Opt.Lett./Vol.17,No.1/January 1,1992(非特許文献1); J.A.Izatt,J.G.Fujimoto et al, “Optical coherence microscopy in scattering media”,Opt.Lett./Vol.19,No.8/April 15,1994,p.590−592(非特許文献2)を参照)、あるいはマッハ・ゼンデル干渉計の形られる(例えば、J.A.Izatt,J.G.Fujimoto et al. “Micron−resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography”,Optics & Photonic News,October 1993,Vol.4,No.10,p.14−19(非特許文献3);米国特許第5582171号明細書を参照)。その具体的な光学図式に関わらず、光学干渉計は恒例的に一つあるいは二つの光ビームスプリッター、測定腕と支持腕、そして少なくとも光受信器を含有する。原則として測定腕は探針を有し、その探針は大抵ファイバ探針である(例えば、A.Sergeev et al, “In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure”, Proc.SPIE, v.2328, 1994, p.144(非特許文献4); X.J.Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt. Lett./Vol.20, No.5, 1995, рр.524−526(非特許文献5)を参照)。
マイケルソン干渉計(図1)において、測定腕と支持腕は双方向性であり、支持腕の先に対照ミラーが設置されている。研究する対象の深部走査を確保するように対照ミラーはその機械的移動を確保する素子に接続される(米国特許第5321501号明細書,1994;米国特許第5459570号明細書,1995を参照),あるいは対照ミラーの位置を固定して、例えば、深部走査は圧電走査素子を利用して(露国特許第2100787号明細書,1997(特許文献7))、分散・格子遅延線を利用して、あるいは別の光学素子たとえば、回転ミラー、プリズム、らせん面ミラー、その他を利用して実行する(K.F.Kwong,D.Yankelevich et al. 400−Hz mechanical scanning optical delay line, Optics Letters,Vol.18,No.7,April 1,1993(非特許文献6)を参照)。
実際には知られているマイケルソン干渉計はたとえば、米国特許第5321501号明細書、米国特許第5383467号明細書、米国特許第5459570号明細書そして露国特許第2148378号明細書(特許文献8)に説明されるような同じような対象の研究する方法を実現する。この方法によって、低干渉性光学放射を形成し、その低干渉性光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。上記した第1低干渉性光学放射のビームは測定光路を伝わって、研究する対象へ向けられ、第2低干渉性光学放射のビームは支持光路に向けられる。そして、前向きおよび後ろ向きに測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は前向きおよび後ろ向きに支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合される。測定光路および支持光路は双方向性につくられる。研究する対象についてのインフォメーションを持ち、測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である干渉強度変調の信号を利用する。
マイケルソン干渉計の主要な欠陥はその干渉計実現される方法と同じように光学放射線源の利用の不十分な有効性である。その理由は光ビームスプリッタの最適分裂係数あっても(その係数はノンレシプロカルな配図の場合に0.5である)入力パワーの大分は支持腕、そして光ビームスプリッタから放射線源への逆路損失するからである。尚、光ビームスプリッタから放射線源へ戻ってくる光学放射は可変成分を含み、その可変成分は利用できる干渉信号に対応する。その信号の振幅は検波器の出力パワーの信号振幅に比例する。その成分は信号対雑音比を改良するため、別の配図の干渉計では用いられる可能性がある、マイケルソン干渉計はその成分は損失し、更に多数知られている広帯域光学放射源泉(例えば、半導体スーパールミネセンス・ダイオード、ドープト コア ファイバーのスーパールミネセンス放射線源、スーパールミネッセント自発放射レーザー、固体および光ファイバーフェムト秒レーザー)に悪影響を与える。
マッハ・ゼンデル干渉計(図2)の利点は光パワーの本質的な部分放射線源に返らないことである。しかも、光パワーの分割と結合のために異なる光ビームスプリッターが使われるので支持腕および測定腕の間に光パワーの分割と結合の広い可能性がある。
更に逆位相干渉成分を含有する第2の光学チャネルを得ることが可能であり、差動検波用の装置に信号対雑音比を改良するため使われる。マッハ・ゼンデル干渉計において、測定腕および支持腕は単方向性であり、それゆえ、反射的研究する対象で機能するため、光学循環器を測定腕に加入することが必要である。低干渉性光学放射で過を使って、生物組織の像をつくるのは、実際に不可能である。なぜなら光散乱のために、低干渉性光学放射は奥深くに浸透することが原則的に2〜3mmに限られるのに、人間と動物の組織および器官はもっと大きな厚あるからである。マッハ・ゼンデル干渉計深さの走査することがビルトインされた透過の遅延線、例えばファイバ圧電遅延線を使って実現可能である。単方向性のため、その遅延線は同様反射の遅延素子よりった50%光路長さの変化(従って、50%の深さの走査すること)しかできないっとも普及された遅延線はマイケルソン干渉計に使われる遅延線の様な反射遅延線である。しかし、その遅延線の利用はもう一つの光学循環器の加入が要り、その結果、構造はもっと複雑、そして高になる。
知られているマッハ・ゼンデル干渉計は例えば、国際公開第WO00/16034号パンフレット,米国特許第6485413号明細書(特許文献9)に説明される少しだけ別の研究方法を実現する。この方法によって、低干渉性光学放射を形成し、その低干渉性光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。上記した第1低干渉性光学放射のビームは単方向性の測定光路の第1部を伝わって、研究する対象へ向けられ、第2低干渉性光学放射のビームは単方向性の支持光路に向けられる。補足の光学システムを使って、研究する対象についてのインフォメーションを持っている低干渉性光学放射を単方向性の測定光路の第2部る。そして、前向きに測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は前向きに支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する。それから、研究する対象についてのインフォメーションを持ち、測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である光学放射の干渉強度変調の信号を利用する。その方法は、その実現する装置と同じように、光学放射線源パワーのもっと高い有効的な利用を確保する。
研究する対象の深部走査することは第1、第2方法において、そしてその方法を実現する干渉計においても同じように、研究する対象へ向けたおよび支持光路向けた低干渉性光学放射のため光路の光学長の差を変化させて実施される。必要に応じて、研究する対象の方向走査を実施する。
国際公開第WO00/16034号パンフレットに説明された対象研究するためのハイブリッド方法も知られている。この方法によると、低干渉性光学放射を形成し、その低干渉性光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。上記した第1低干渉性光学放射のビームは単方向性の測定光路の第1部を伝わって、研究する対象に焦点をあわせ、研究する対象に向けられ、第2低干渉性光学放射のビームは双方向性の支持光路を伝わる。補足の光学システムを使って、研究する対象についてのインフォメーションを持っている低干渉性光学放射を単方向性の測定光路の第2部る。そして、前向きに測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は前向きおよび後ろ向きに支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する。研究する対象についてのインフォメーションを持っている測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である光学放射の干渉強度変調のすくなくとも一つの信号を利用する。
国際公開第WO00/16034号パンフレットによって上記した方法を実現するハイブリッド光学干渉計が知られている。この干渉計(図3を参照)は光学的に結合された低干渉性光学放射線源、第1の光ビームスプリッター、測定腕と支持腕、第2の光ビームスプリッター、そして少なくとも一つの光受信器を含有する。低干渉性光学放射線源は第1の光ビームスプリッターの第1ポーと光学的に結合される。測定腕は単方向性に作られ、二つの部があり、その一つの部は第1の光ビームスプリッターの第2ポーと結線している。測定腕の第1部は光学システムが含む探針を含有する。光学システムは研究している対象に低干渉性光学放射の第1の光ビームの焦点をあわせること確保する。測定腕の第2部は補足の光学システム含む。補足の光学システムは研究する対象についてのインフォメーションを持っている低干渉性光学放射を第2の光ビームスプリッターの第1ポーに届けること確保する。第1の光ビームスプリッターの第3ポーは第2の光ビームスプリッターの第3ポーと接合され。第1の光ビームスプリッターの第4ポーは双方向性に作らた支持腕と接合して、支持腕の先に対照ミラーが設置される。第2の光ビームスプリッターの第2ポーおよび第4ポーに適当な光受信器が結線される。対照ミラーは研究する対象の深部走査を確保する適当な装置接合される
国際公開第WO00/16034号パンフレットによって知られている対象のハイブリッド研究方法、そしてその方法を実現するハイブリッド光学干渉計の欠陥は研究する対象についてのインフォメーションを持っている低干渉性光学放射を収集および届けのために補足の光学システムを利用する必要性であることである。研究している対象に低干渉性光学放射の焦点をあわせるように利用される光学システムおよび記載した補足の光学システムは調整されて同時にミクロン精度(研究している対象の表面の上にビームの直径は15〜30μ必要である)を守って同じ点へ向けられなければならない。その理由は一つビーム直径量の偏差でも測定腕の第2部へ届パワーの絶対的な損失に導くからである。更に支持腕から光パワーの部分は不可避的に線源に戻り、線源の作動に悪影響をあたえる可能がある
米国特許第5321501号明細書 米国特許第5383467号明細書 米国特許第5459570号明細書 米国特許第5582171号明細書 米国特許第6134003号明細書 国際公開第WO00/16034号パンフレット 露国特許第2100787号明細書 露国特許第2148378号明細書 米国特許第6485413号明細書 X.Clivaz et al. "High resolution reflectometry in biological tissues",Opt.Lett./Vol.17,No.1/January 1,1992 J.A.Izatt,J.G.Fujimoto et al, "Optical coherence microscopy in scattering media",Opt.Lett./Vol.19,No.8/April 15,1994,p.590−592 J.A.Izatt,J.G.Fujimoto et al. "Micron−resolution Biomedical Imaging with optical coherence tomography", Optics & Photonic News,October 1993,Vol.4,No.10,p.14−19 A.Sergeev et al,"In vivo optical coherence tomography of human skin microstructure",Proc.SPIE, v.2328,1994,p.144 X.J.Wang et al. Characterization of human scalp hairs by optical low coherence reflectometry. Opt.Lett./Vol.20,No.5,1995,рр.524−526 K.F.Kwong, D.Yankelevich et al. 400−Hz mechanical scanning optical delay line,Optics Letters,Vol.18,No.7,April 1,1993
提案する発明は最適の信号対雑音比が確保され、光学放射線源パワーの利用の高い有効性を確保する低干渉性光学放射を使って対象を研究するため利用される方法および光学干渉計の列挙を増やすことを目的とする。少なくとも、従来の技術から知られている最良の類似のものの動作特性に負けない動作特性のある方法および光学干渉計変型の創造を目的とする。
対象研究方法の開発された第1の変型は国際公開第WO00/16034号パンフレットから知られているハイブリッド研究方法と同じように以下に述べる。この方法によって、低干渉性光学放射を形成し、その低干渉性光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。第1低干渉性光学放射のビームは測定光路を伝わて研究する対象に向けられ、第2低干渉性光学放射のビームは支持光路を伝わる。そして、測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する。研究する対象についてのインフォメーションを持っている測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である光学放射の干渉強度変調のすくなくとも一つの信号を利用する。
知られている方法と違って、発明に従って第1低干渉性光学放射のビームは前向きおよび後ろ向きに双方向性で作った測定光路を伝わって過し、第2低干渉性光学放射のビームは前向きに単方向性で作った支持光路を伝わって過する。
具体的な場合に研究している対象へ向けたおよび対照光路へ向けた低干渉性光学放射のため光路の光学長の差を変化させて、研究している対象の深部走査を実施する。
その場合の具体的な実施例において研究している対象へ向けたおよび対照光路へ向けた低干渉性光学放射光路の光学長の差を少なくとも低干渉性光学放射の動作波長数十ほど変化さる。別の具体的な場合に上記の光学放射の伝播方向に対してほとんど直交である表面に研究している対象へ向けた低干渉性光学放射に対して指定法則で走査を実施する。
別の具体的な場合に生きた有機体の生物組織が研究している対象である。
その具体的な場合の具体的な実施例において生きた有機体の内臓器官が研究している対象である。
具体的な実施例において上記した低干渉性光学放射として、見える或いは近い波長の周波数の赤外線光学放射を利用する。
対象を研究方法の開発された第2の変型は国際公開第WO00/16034号パンフレットから知られているハイブリッド研究方法と同じように以下に述べる。この方法によって、低干渉性光学放射を形成し、その低干渉性光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。第1低干渉性光学放射のビームは測定光路を伝わって、第2低干渉性光学放射のビームは支持光路を伝わる。そして、測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する。研究する対象についてのインフォメーションを持っている測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である光学放射の干渉強度変調のすくなくとも一つの信号を利用する。
知られている方法と違って、発明に従って支持光路はループ状に作って、第1低干渉性光学放射のビーム第3低干渉性光学放射のビームおよび第4低干渉性光学放射のビームに分ける。上記した第3低干渉性光学放射のビームは研究している対象に向けられ、上記した第4低干渉性光学放射のビームは時計回りに対照光路を伝わって、上記した第2低干渉性光学放射のビームは反時計回りに対照光路を伝わる。しかも、第3低干渉性光学放射のビームは前向きおよび後ろ向きに双方向性で作った測定光路を伝わって過する。研究している対象から戻ってきた低干渉性光学放射は反時計回りに支持光路を過した第2低干渉性光学放射のビームと混合し、上記の混合の結果である光学放射の部分は時計回りに支持光路を過した第4低干渉性光学放射のビームと混合する。
開発された光学干渉計の第1の変型は国際公開第WO00/16034号パンフレットから知られているハイブリッド光学干渉計と同じように光学的に結合された低干渉性光学放射線源、第1の光ビームスプリッター、測定腕と支持腕、第2の光ビームスプリッター、そして第2の光ビームスプリッターの適当なポーに結線した少なくとも一つの光受信器を含有する。
知られているハイブリッド光学干渉計と違って、発明に従って測定腕は双方向性で作り、支持腕は単方向性で作った。
具体的な場合に光学干渉計のすくなくとも一つの腕は光学遅延線を含有する。
別の具体的な場合に光学干渉計のすくなくとも一つの腕は位相変調器を含有する。
別の具体的な場合に光学干渉計の測定腕はその離れた先に設された探針を有する
別の具体的な場合に探針を含める干渉計のすくなくとも測定腕の部分はファイバで作られる。
別の具体的な場合に光学干渉計のすくなくとも一つの腕はファイバで作られる。
別の具体的な場合にすくなくとも一つの光ビームスプリッターはファイバで作られる。
別の具体的な場合に探針は着脱式で作り、光学干渉計の別の部分とコネクタを使って接合した。
別の具体的な場合に第1の光ビームスプリッターはノンレシプロカルに作った。
別の具体的な場合に第1の光ビームスプリッターは偏感度で作られ、測定腕に偏スイッチが加入された。
開発された光学干渉計の第2の変型は国際公開第WO00/16034号パンフレットに説明したハイブリッド光学干渉計と同じように光学的に結合された低干渉性光学放射線源、第1の光ビームスプリッター、測定腕と支持腕、第2の光ビームスプリッター、少なくとも光受信器を含有する。
知られているハイブリッド光学干渉計と違って、発明に従って測定腕は双方向性で作り、支持腕はループ状である。しかも、第1の光ビームスプリッターは第2の光ビームスプリッターのポーを通じ、研究している対象と光学的に結合され、そして少なくとも一つの光ビームスプリッターは適当な光受信器と結線した。
具体的な場合に光学干渉計のすくなくとも一つの腕は光学遅延線を含有する。
別の具体的な場合に光学干渉計の測定腕はその離れた先に設された探針を有する
別の具体的な場合に光学干渉計のすくなくとも一つの腕はファイバで作られる。
別の具体的な場合に探針は着脱式で作り、光学干渉計の別の部分とコネクタを使って接合した。
別の具体的な場合に第1の光ビームスプリッターはノンレシプロカルに作った。
別の具体的な場合に第1の光ビームスプリッターは偏感度で作られ、測定腕に偏スイッチが加入された。
対象の開発した研究方法の変型およびその方法を実現するハイブリッド光学干渉計は研究している対象に向ける低干渉性光学放射のために双方向性光路の実行、支持低干渉性光学放射のために単方向性光路の実行を規定する。第1の変型において、それは分裂係数および光学放射混合係数の絶対的な独立を確保し、それによって光学放射線源パワーの最適制御を実現できる。第2の変型において、支持光路はループ状に作って、しかも、支持放射の部分は時計回りに支持光路を過し、別の支持放射の部分は反時計回りに支持光路を過する。この変型において、分裂係数は光ビームスプリッターをノンレシプロカルに、あるいは偏光依存性に作り、そして光ビームスプリッターの間および/あるいは測定腕と支持腕に光学放射の偏を変化さる素子を加入して最適化できる。提案した対象の研究方法の変型およびその方法を実現するハイブリッド光学干渉計に分裂係数および光学放射混合係数は光学放射線源の指定したパワーを持ち、最良の信号対雑音比を確保するように取り決めることが出来る。
従って、提案した技術的ソリュションは最適の信号対雑音比を持って、光学放射線源パワーの利用の高い有効性を確保する。そして、その動作特性は少なくとも従来の技術から知られている低干渉性光学放射および光学干渉計を使って対象を研究する最良の方法の動作特性に負けない。
本発明の本質以下の発明の実施例の変型において図解する。
発した研究方法の変型およびその方法を実現する光学干渉計の変型は光学低干渉性トモグラフィー装置の成分となるファイバ干渉計の例によって図解される。けれども、その変型は集中したパラメーター光学素子を利用して実現できることは明らかである。このような実現は医療用、特に内診鏡検査法に利用するのに適している。内鏡検査法に利用する時にファイバの伸縮性は内鏡検査法を使って内臓を含め、様々な組織および器官に便利なアクセスを確保する。けれども、光学干渉計は全体として、または、その部分としては恒例的な集中したパラメターの光学素子を使って作る可能である。ミラー、プリズ、等々。その任意の光学干渉計の単方向性の支持腕および双方向性の測定腕の作りは本発明に含まれる
光学干渉計の第1変型の作動は以下に述べた対象を研究する方法の第1変型の実施例から明らかになる。
構成上の図が図4された光学干渉計を利用して対象を研究する方法は以下のように実現する。
具体的な実施例において線源1を使って、見える或いは近い波長の周波数の赤外線低干渉性光学放射を形成する。
線源1は見える或いは近い波長の周波数の赤外線低干渉性光学放射線源である。線源1として、例えば半導体スーパールミネセンス・ダイオード、スーパールミネッセント自発放射レーザー、固体および光ファイバーフェムト秒レーザー利用することが可能である。図4の具体的な実施例において線源1は光学的に第1の光ビームスプリッター(2)の第1ポー(6)と結合されている。第1の光ビームスプリッター(2)を使って、この光学放射を第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分ける。第1低干渉性光学放射のビームは研究する対象(8)に向けられる。具体的な実施例において研究する対象は光学的に第1の光ビームスプリッター(2)の第2ポー(7)と結合されている。上記した第1低干渉性光学放射のビームは具体的な実施例において第1の光ビームスプリッター(2)の第2ポー(7)と結線した測定腕(3)を使って、測定光路を伝わって、研究する対象(8)へ向けられる。研究する対象(8)に便利なアクセスを確保するために測定腕(3)の離れた先に探針(19)配置することが可能である
対象の研究方法の優先的実現の変型において探針(19)は着脱式で作り、測定腕(3)の別の部分とファイバコネクタを使って接合した。もし光学干渉計が偏光保持型ファイバを使って作られる場合、コネクタも偏光保持型に作らなければならない。探針(19)は従来の技術から知られている任意の構成可能である。例えば、内鏡、内鏡探針、カテーテル、導体カテーテル、針が挙げられ、あるいは内臓に対する瞬間的なアクセスを確保するため身体に移植することが可能である。もし探針(19)周辺のイメージ(例えば、血管の内部)を写像するために構成されるならば、探針は干渉計の別の部分と回転コネクタを使って接合することが可能である
測定腕(3)で形成した測定光路は双方向性で作られる。それゆえ、第1低干渉性光学放射のビームは測定光路を伝わって前向きに光ビームスプリッター(2)の第2ポー(7)から光学遅延線(17)を通じ、研究する対象(8)へ届く。少なくとも、第1低干渉性光学放射のビームの一部は研究する対象(8)から反射して、測定光路を伝わって後ろ向きに光学遅延線(17)を通じ、光ビームスプリッター(2)の第2ポーへ届く。測定光路を伝わって過した、研究する対象(8)についてのインフォメーションを持っている低干渉性光学放射は光ビームスプリッター(2)の第3ポー(9)から光ビームスプリッター(2)と光学的に結合された光ビームスプリッター(5)の第3ポー(10)へ届く。
第2低干渉性光学放射のビームは光ビームスプリッター(2)と光学的に結合された支持腕(4)を使って、支持光路を伝わる。具体的な実施例において支持腕(4)の一つの先は光ビームスプリッター(2)の第4ポー(15)と結線し、その他方の先は光ビームスプリッター(5)の第1ポー(16)と結線する。支持腕(4)で形成した支持光路は単方向性で作られる。それゆえ、第2低干渉性光学放射のビームは支持光路を伝わって前向きに光ビームスプリッター(2)の第4ポー(15)から光学遅延線(18)を通じ、光ビームスプリッター(5)の第1ポー(16)へ届く。光学遅延線(17、18)は定速度(V)で測定腕(3)および支持腕(4)の光学長の差変化させるつまり、研究する対象(8)の深部走査を行う
図4で示した好ましい実施例において光学遅延線(17、18)は露国特許第2100787号明細書によるような、同ビルトインされたファイバ遅延線の形で作り、効果を合算するため、制御装置(図示せず)を使って、適切な偏光を守って、同時に始動させる。けれども、従来の技術から知られている光学長の変化させるための任意の手段を利用することが可能である。例えば、ミラー、プリズム移動に基づいている遅延線、回折遅延線、回転ミラー、回転プリズム、カムシャフト機械およびヘリコイドミラーが挙げられる
それから測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射は光ビームスプリッター(5)を使って支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する。光学遅延線(17、18)によって測定腕(3)および支持腕(4)の光学長の差変化する時、光ビームスプリッター(5)の第2ポー(11)と第4ポー(12)にドップラー周波数(f=ν/λ)で混合光学放射の干渉強度変調が行われる。
ν=dΔ/dt,
ν−光学長の差(Δ)の速度
λ−線源(1)の中央の波長
それに干渉変調の法則は研究している対象(8)の様々な深さから反射したあるいは逆分散した光学放射の強度の変化に応する。それから、研究する対象についてのインフォメーションを持っている測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射の強度を写像する。そのために、上記の混合の結果である光学放射の干渉強度変調のすくなくとも一つの信号(具体的な実施例において二つの信号)を利用する。それは以下のように実行する。
光受信器(13、14)はする光ビームスプリッター(5)の第2ポー(11)と第4ポー(12)に結線した。光受信器(13、14)として光ダイオード使うことが可能である。光受信器(7、8)は二つの干渉信号の逆位相可変成分を受信する。上記した干渉信号の逆位相可変成分は適当に支持腕(3)および測定腕(4)からのドップラー周波数で偏移した放射(一定速度で深部走査するによって)の混合によって形成される。光受信器(13、14)は光ビームスプリッター(5)の第2ポー(11)と第4ポー(12)からの混合光学放射を電気信号に変換すること確保する。この電気信号は差動増幅(図示せず)、それから処理と表示ブロック(図示せず)に届く。処理と表示ブロックは露国特許第2148378号明細書に説明される直列接続した帯域フィルタ、対数増幅器、振幅検波器、アナログジタル変換器とコンピュータを含む処理と表示ブロックと同じように作ることが可能である。処理と表示ブロックの帯域フィルタはドップラー周波数で信号選択を行う。それは信号対雑音比の改良を確保する。増幅の後、信号はこの信号包絡線比例する信号を選択する振幅検波器に届く。処理と表示ブロックの振幅検波器で選択した信号は混合光学放射の干渉強度変調の信号比例する。処理と表示ブロックのアナログジタル変換器は振幅検波器の出力からの信号をジタル形式に変換する。処理と表示ブロックのコンピュータはディスプレーでジタル信号の強度のイメージが示すように確保する。(上述したイメージングは例えば、「H.E.Burdick. Digital imaging: Theory and Applications,304pp.,MGrawHill,1997」という本によって実現することが可能である。)なぜならヂジタル信号は研究している対象(8)の様々な深さからの反射したあるいは逆分散した光学放射の強度の変化に応するので、ディスプレーでのイメージは研究している対象(8)のイメージに応する。
光学干渉計の第2の変型の作動は以下に述べた対象の研究方法の第2の変型の実現の説明から明らかになる。
構成上の図が図5された光学干渉計を利用して対象を研究する方法は以下のように実現する。
線源(20)によって具体的な実施例において見える或いは近い波長の周波数の赤外線光学放射を形成する。線源(20)は図4された装置と同じように作ることが可能である。図5された具体的な実施例において線源(20)は、光学的に第1の光ビームスプリッター(21)の第1ポー(25)と結合される。その低干渉性光学放射は光ビームスプリッター(21)によって第1低干渉性光学放射のビームおよび第2低干渉性光学放射のビームに分けられる。光ビームスプリッター(21)の第2ポー(26)は第2光ビームスプリッター(24)の第1ポー(28)と第2ポー(29)を通じて研究している対象(27)と光学的に結合される。第1低干渉性光学放射のビームは光ビームスプリッター(24)の第1ポー(28)に届く。光ビームスプリッター(24)によって第1低干渉性光学放射のビームは第3低干渉性光学放射のビームおよび第4低干渉性光学放射のビームに分けられる。上記した第3低干渉性光学放射のビームは測定腕(22)を使って、測定光路を伝わって、研究している対象(27)に向けられる。研究する対象(27)に便利なアクセスを確保するために測定腕(22)の離れた先に探針(38)配置することが可能である。測定光路は測定腕(22)で形成して双方向性に作った。第3低干渉性光学放射のビームは測定光路を伝わって前向きに光ビームスプリッター(24)の第2ポー(29)から光学遅延線(36)を通じ、研究する対象(27)へ届く。少なくとも、第3低干渉性光学放射のビームの一部は研究する対象(27)から反射して、測定光路を伝わって後ろ向きに光学遅延線(36)を通じ、光ビームスプリッター(24)の第2ポー(29)へ届く。
支持光路は支持腕(23)で形成し、ループ状に作った。上記した第4低干渉性光学放射のビームは支持腕(23)によって支持光路を伝わって時計回りに光ビームスプリッター(24)の第4ポー(31)から光学遅延線(37)を通じ、光ビームスプリッター(21)の第4ポー(30)へ届く。上記した第2低干渉性光学放射のビームは支持腕(23)によって支持光路を伝わって反時計回りに光ビームスプリッター(21)の第4ポー(30)から光学遅延線(37)を通じ、光ビームスプリッター(24)の第4ポー(31)へ届く。研究する対象(27)から戻っきた低干渉性光学放射は光ビームスプリッター(24)によって反時計回りに支持光路を過した第2低干渉性光学放射のビームと混合する。上記した混合の結果である光学放射の部分は光ビームスプリッター(24)の第1ポー(28)を通じ、光ビームスプリッター(21)の第2ポー(26)へ届く。その光学放射は光ビームスプリッター(21)によって時計回りに支持光路を過した第4低干渉性光学放射のビームと混合する。光学遅延線(36、37)は定速度(ν)で光学干渉計の測定腕(22)および支持腕(23)の光学長の差変化させるつまり、研究する対象(27)の深部走査を行う。測定腕(22)および支持腕(23)の光学長の差変化する時、光ビームスプリッター(21)の第3ポー(32)と光ビームスプリッター(24)の第3ポー(34)にドップラー周波数(f=ν/λ)で混合光学放射の干渉強度変調が行われる。
図5での光学干渉計の今後の作動は図4での光学干渉計の作動と同様である。
図5での光学干渉計の線源(20)、光受信器(33,35)、光学遅延線(36、37)、探針(38)は図4での光学干渉計の適な素子と同じように作ることが可能である
対象の第1と第2の研究方法の好ましい実現の変型において探針(19、38)は着脱式で作り、相応的に測定腕(3、22)の別の部分とファイバコネクタを使って接合した。もしハイブリッド光学干渉計が偏光保持型ファイバを使って作られた場合、コネクタも偏光保持型に作らなければならない。探針(19、38)は従来の技術から知られている任意の構成可能である。例えば、内鏡、内鏡探針、カテーテル、導体カテーテル、針が挙げられ、あるいは内臓に対する瞬間的なアクセスを確保するため身体に移植することが可能である。もし探針(19、38)周辺のイメージ(例えば、血管の内部のイメージを写像するためカテーテル)を写像するために構成されるならば、探針は干渉計の別の部分と回転コネクタを使って接合することが可能である
探針(19、38)は方向走査システム含むことが可能である方向走査システムは例えば、露国特許第2148378号明細書で説明される装置と同じように作ることが可能である
一定速度で深部走査は第1変型の方法を実現するハイブリッド光学干渉計においても、第2変型の方法を実現するハイブリッド光学干渉計においても、任意の腕に加入された一つの遅延線によって実行することが可能である。けれども、光学遅延線は大量のファイバを含むファイバ遅延線の形で作ることが好ましい。別の腕は同じような長さの光路を有するべきで、従って同様量のファイバを有するべきである。それゆえ、図4と図5での好ましい変型において遅延線は光路の長さの変化もっと有効であるように支持腕に、測定腕にも加入され。深部走査は位相変調によっても実行可である。その場合には位相変調器任意の腕、あるいは両方ともの腕(図で示さない)に配置することが可能である
よく知られているのは静および動的の偏光のひずみは信号のフェーディングを起こさせ、光学干渉計の任意の腕に起こる可能性がある。その効果は提案したハイブリッド光学干渉計の変型を含み、任意の知られている配図の光学干渉計に起こる可能性がある。その効果の予防、あるいは補整するため、様々な知られている手段利用することが可能である。その手段に関するのは偏光保持型(複屈折がある)あるいは偏光保存型(不必要な偏の高吸収がある)ファイバ、ノンレシプロカル素子(ファラデー素子、ファラデー効果に基づいた偏回転機)、偏度受信器である。更に、偏状態の変化を用いることが可能である。そして、幾つかの順次に出来たイメージから偏についてのインフォメーションを受け取るようにすることが可能である。その全ての手段は従来の技術から知られている、以前に説明した他の図式のように新しいハイブリッド光学干渉計の図式と適合する。尚、任意の必要な偏状態の保存、あるいは除去のために任意の腕に偏コントローラおよび偏光器入可である
従来の技術からよく知られているように、最良の信号対雑音比を確保するため、測定腕と支持腕の間に放射線源のパワーの不等分配が必要とされる。提案した対象の研究する方法の変型および、それを実現する光学干渉計の変型はマッハ・ゼンデル光学干渉計のように、分裂係数および混合係数絶対に独立であるので、パワーの最適な制御を実行できる。そのために、例えば、図4での光学干渉計には光ビームスプリッター(2)はノンレシプロカルであるべき、あるいは光ビームスプリッター(2)光依存性で作り、測定腕(3)に偏を変化さる素子、例えば、ファラデー回転機、あるいは複屈折の平たい平行した平板、あるいは偏コントローラ(図4示さ加入すべきである。この場合に必要な三つ全ての分裂係数[光ビームスプリッター(2)の前向きに、光ビームスプリッター(2)の後ろ向き、そして光ビームスプリッター(5)の]は最適化可能である。最適化は線源(1)、中央波長、帯域幅、様々な素子光学損失、光受信器(13,14)の有効性および暗いノイズのレベル、予増幅器の光電流の電流ノイズおよび潜在的のノイズ、データ収集の速度、その他を考慮することによって実現することが可能である。その計算はかなり標準的である。800〜1300ナノメートル(中央波長)および10〜15μm干渉性長がある分光範囲の数ミリワットの電力の低干渉性光学放射線源を利用する光学干渉計の代表的な図式にとって、光ビームスプリッター(2)前向きに通過する場合、パワーの95%を測定腕(3)に伝えるべきである。どんな場合にも支持放射と混合するために、出来る限り大きなパワーが測定腕(3)から光ビームスプリッター(2)へ伝えられるべきである。指摘すべきことは光ビームスプリッター(2)の任意の分裂係数に対して、線源(1)へ反射した光パワーは実際にゼロであ、なぜなら生物対象から反射したパワーレベルはめったに0.1%を超えないからであるということである。最適の一致の場合、一寸したパワーは線源(1)へ戻らない。
図5にする光学干渉計の配図に対して、分裂係数はほとんど同じような方法で、光ビームスプリッター(21、24)をノンレシプロカルあるいは偏光依存性で作り、光ビームスプリッター(21)と光ビームスプリッター(24)の間に、および/あるいは測定腕(22)と支持腕(23)に、を変化させる素子を加入によって、最適化可能である
方の変型において、探針および測定する対象の間の距離の補整のために、あるいは探針―測定する対象の光学遅延の変化の補整のために、補足の遅延線の加入便利であり得る。探針―測定する対象の光学遅延線の変化は、望遠焦点あるいは様々な探針の光学長の相違によって起こる可能性がある。その補足の遅延は指定した長さのファイバを任意の腕に加入することによって確保することが可能である。上記したファイバの加入は例えば、機械的接合を使って、あるいは溶解接合を使って、その他の光ファイバ接合を使って実行することが可能である。尚、遅延はコリメーテッド放射が過する隙間の機械的調整を使い、放射をスペースに、そして逆にファイバに向けることによって作ることが可能である。尚、その目的のために、マイケルソン干渉計に恒例的に利用する遅延線のような機械的遅延線利用することが可能である。遅延線はファラデー回転機と結合した偏光器の形で作ることが可能である光学循環器あるいは4分の1λ複屈折平板と結合する。その構成は腕に偏の変化が必要である時有利である反射する機械的遅延線は逆フレクター(「猫目」あるいは逆フレクターのプリズム)の利用によって、機械的な偏差あるいは振動に対して、著しく縮小した感度性(二桁のオーダーを有するように作ることが可能である。従って、光学機械的システムでの隙間の調整することの技術的要求及び実行コスト減らすことが可能である
よく知られているのは低干渉性光学干渉計において方の腕の光学長の平等だけではな、波の分散の平等も必要であるということである。なぜなら、支持腕および測定腕の波の分散の任意の相違は干渉性のクロス相互関係の機能の拡大そして軸分解能(深部分解能)の減少を導くからである。支持腕および測定腕の波の分散の相違を補整するために、干渉計の上記した腕にファイバの素子加入することが可能である。上記したファイバの素子は機械的接合、あるいは溶接、あるいはファイバ接合を使って、腕のその他の部分と結合され。その素子は干渉計に利用するその他のファイバの分散特性と違う分散特性があるファイバの一切れで作ることが可能である。更に、任意の腕からの放射スペースに送り、それから逆にファイバに送ることが可能である。コリメーション(好ましくは)あるいは放射の焦点をあわせること/焦点の転位が行われる隙間に分散を補整するため適当な集中したパラメターのある光学素子置可である。このような素子は上記した単方向性、あるいは双方向性の機械的光学遅延線と合わせることが可能である
本発明は光学装置の対象となる内構造の研究、すなわち低干渉性反射計および光学干渉性トモグラフィー装置に利用できる。上記の低干渉性反射計および光学干渉性トモグラフィー装置は特に人間内臓器官医療診断、そのうち「IN VIVO」における人間身体器官の診断、産業技術診断、例えば技術的な工程の制御のために利用できる。指摘しておかなければならないのは本発明標準的な手段によって実施できるということである。
従来の技術から知られているマイケルソン光学干渉計の構成上の図である。 従来の技術から知られているマッハ・ゼンデル光学干渉計の構成上の図である。 従来の技術から知られているハイブリッド光学干渉計の構成上の図である。 光学干渉計の構成上の図の変型である。その変型によって開発した方法の第1の変型実現できる。 光学干渉計の構成上の図の変型である。その変型によって開発した方法の第2の変型実現できる。
1,20 線源
2 第1の光ビームスプリッター
3,22 測定腕
4,23 支持腕
5,21,24 光ビームスプリッター
6,16,25,28 第1ポー
7,11,26,29 第2ポー
8,27 対象
9,10,32,34 第3ポー
12,15,30,31 第4ポー
13,14,33,35 光受信器
17,18,36,37 光学遅延線
19,38 探針

Claims (12)

  1. (人体を除く)を研究する方法であって、
    低干渉性光学放射を形成する段階と、
    前記低干渉性光学放射を第1の低干渉性光学放射のビームおよび第2の低干渉性光学放射のビームに分ける段階と、
    前記第1の低干渉性光学放射のビーム測定光路に沿ってえる段階と
    前記第2の低干渉性光学放射のビーム支持光路に沿って伝える段階と
    前記測定光路を伝わって過した低干渉性光学放射を、前記支持光路を伝わって過した低干渉性光学放射と混合する段階と
    前記混合の結果である光学放射の干渉強度変調の少なくとも一つの信号を利用して、研究する対象についてのインフォメーションを持ち測定光路を伝わって透過した低干渉性光学放射の強度を写像する段階とを備え
    前記支持光路がループ状に形成され、
    前記第1の低干渉性光学放射のビームが第3の低干渉性光学放射のビームおよび第4の低干渉性光学放射のビームに分けられ、
    前記第3の低干渉性光学放射のビームが前記対象に向けられ、
    前記第4の低干渉性光学放射のビームが時計回りに前記支持光路のループに向けられ、
    前記第2の低干渉性光学放射のビームが反時計回りに前記支持光路のループに向けられ、
    前記第3の低干渉性光学放射のビームが双方向性の測定光路を前向きおよび後ろ向きに前記測定光路に沿って伝わり、
    前記対象から戻ってきた低干渉性光学放射が、反時計回りに前記支持光路を通過した前記第2の低干渉性光学放射のビームと混合され、
    前記混合の結果である光学放射の部分が時計回りに前記支持光路を通過した前記第4の低干渉性光学放射のビームと混合されることを特徴とする方法。
  2. 光学放射線源と、第1の光ビームスプリッターと、測定腕と、支持腕と、第2の光ビームスプリッターと、少なくとも一つの光受信器とを備えた光学干渉計であって、
    前記測定腕が双方向性であり、前記第2の光ビームスプリッターの一つに接続されていて、
    前記支持腕が前記第1の光ビームスプリッターのポートの一つから前記第2の光ビームスプリッターのポートの一つにループ状に接続されていて、
    前記第1の光ビームスプリッターが前記第2の光ビームスプリッターのポートを介して対象と光学的に結合され、
    前記光ビームスプリッターのうちの少なくとも一方が前記光受信器に光学的に結合されていることを特徴とする光学干渉計。
  3. 該光学干渉計の少なくとも一方の腕が光学遅延線を備えることを特徴とする請求項2に記載の光学干渉計。
  4. 該光学干渉計の少なくとも一方の腕が位相変調器を備えることを特徴とする請求項2に記載の光学干渉計。
  5. 前記測定腕の端部に探針が設置されていることを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の光学干渉計。
  6. 前記探針を備えた測定腕の少なくとも一部が光ファイバで作られていることを特徴とする請求項5に記載の光学干渉計。
  7. 該光学干渉計の少なくとも一方の腕が光ファイバで作られていることを特徴とする請求項2から4のいずれか一項に記載の光学干渉計。
  8. 前記光ビームスプリッターの少なくとも一方が光ファイバで作られていることを特徴とする請求項2から7のいずれか一項に記載の光学干渉計。
  9. 前記探針が着脱式に作られていて、該光学干渉計の別の部分とコネクタを使って接続されていることを特徴とする請求項5または6に記載の光学干渉計。
  10. 前記第1の光ビームスプリッターがノンレシプロカルに作られていることを特徴とする請求項2から9のいずれか一項に記載の光学干渉計。
  11. 前記第1の光ビームスプリッターが偏光感度性に作られていて、前記測定腕に偏光スイッチが加入されていることを特徴とする請求項2から10のいずれか一項に記載の光学干渉計。
  12. 光学放射源と、
    低干渉性光学放射を第1の低干渉性光学放射のビームおよび第2の低干渉性光学放射のビームに分けるための第1の光ビームスプリッターと、
    双方向性の測定腕と、
    支持腕であって、低干渉性光学放射が第1及び第2の双方向に該支持腕に沿って伝播するようにループ状に形成された支持腕と、
    前記第1の低干渉性光学放射のビームを第3の低干渉性光学放射のビームおよび第4の低干渉性光学放射のビームに分けて、前向きおよび後ろ向きに前記双方向性の測定腕に沿って伝わった前記第3の低干渉性光学放射のビームを、前記第1の方向に前記支持腕のループに沿って伝わった前記第2の低干渉性光学放射のビームと混合することによって第1の混合光学放射を形成するための第2の光ビームスプリッターと、
    少なくとも一つの光受信器とを備えた光学干渉計であって、
    前記第1の光ビームスプリッターが、前記第2の光ビームスプリッターのポートを介して対象と光学的に結合され、前記第1の光ビームスプリッターが、第1の低干渉性光学放射のビームの一部を、前記第2の方向に前記支持腕のループに沿って伝わった前記第4の低干渉性光学放射のビームと混合することによって、第2の混合光学放射を形成し、
    前記光ビームスプリッターのうちの少なくも一方が、前記少なくとも一つの光受信器に接続されている、光学干渉計。
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