JP4559636B2 - イメージングシステムにおける高速縦方向走査方法および装置 - Google Patents
イメージングシステムにおける高速縦方向走査方法および装置 Download PDFInfo
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Description
本発明は、光学遅延の高速走査に関する。特に本発明は、光干渉性断層撮影イメージングシステム(OCT)のための光学遅延の高速走査を行う方法および装置に関する。
【従来の技術】
光干渉性断層撮影(OCT)は新しいイメージングの形式である。OCTによれば、高解像度かつ高感度の微細構造の断面の撮像を行う能力を有している。OCTを使用することにより、標準的な光学的なイメージング技術や超音波イメージング技術に対していくつかの顕著な利点が得られる。第一に、OCTは、微細構造の断面をミクロンスケールで直接測定することができる。第二に、OCTは、構造のイメージングを、構造が存在するその位置でかつ接触することなく行うことができる。第三に、イメージングをリアルタイムで行うことができ、第四に、OCT技術は光ファイバベースであり、広範囲の医学、顕微鏡への応用、あるいは産業への応用に結びつけられ得る。
OCTは、音ではなく光を用いる点、および微細構造からの光の後方散乱強度を測定することによってイメージングを行う点をのぞいては、超音波Bモードイメージングと類似している。OCTは、撮像されるべき対象物に光ビームをあて、ビームが対象物を横切って走査されるときの後方散乱光を測定することによって、一次元、二次元、あるいは三次元の画像を生成する。OCT画像は、断面平面における後方散乱光強度を、階調を有するように、あるいは偽色彩で、二次元で表したものである。医用イメージングにおいては、OCT画像は異なる組織のタイプの間の差分の後方散乱コントラストをミクロンスケールで表す。
OCTシステム用の干渉計には様々な実施形態がある。ある代表的な実施例は、ファイバ光カプラをMichelson干渉計に使用している。干渉計のアームの1つは光ビームを届け、試料上を光ビームで走査するために用いられ、もう一方のアームは基準アームとして機能し、高速長軸方向走査機構を有している。試料内の反射部位までのパスの長さが基準アームのパスの長さと合っているとき、光検出器において光の干渉が生じる。干渉信号は、入射ビームの任意の横向きの位置について後方散乱光強度対深さを生じるように、検出され、復調され、処理され、格納され、ならびに/あるいは表示される。
縦方向の走査機構は、OCTシステムのキーテクノロジーである。多くのOCTシステムの要件は、高速かつ高デューティサイクルのほぼ均一な速度の縦方向スキャナを得ることである。現在、大半の市販のOCTシステムは、ガルバノメトリックビームステアラ上に搭載された小型の移動式レトロリフレクタか、PZTアクチュエータを用いたファイバストレッチャを使用している。これまでに実際に示されている技術は、リアルタイムの医用内視鏡処置のような高速走査を必要とするようなアプリケーションへのシステムニーズを満たしていない。
以前の研究では、縦方向走査を実現するための回転式CAMのコンセプトが特定されている。Hecht(米国特許第3,776,637号)は、円形のインボリュートリフレクタをパス長可変の基準アームを提供するために用いること、およびインボリュートリフレクタをフーリエ分光計用の干渉計において用いることを開示している。しかしながら、HechtはこのコンセプトをOCTシステムで用いること、およびこの使用にともなう独自の特徴を開示しておらず、また遅延ライン走査のための他の回転式メカニズムも開示していない。Tasaka(日本特許出願第58-24005号)はポテンシオメータとしてのCAMの使用と、測定干渉計とともにCAMを使用することを開示している。しかしながら、Tasakaは、回転角に比例して変化する半径を開示している。このような装置は、OCTに必要な条件である再帰反射されたビームを確実にはしない。Marantette(米国特許第5,387,969号)は、フォトディテクタへの入射光をブロックする回転式のCAMを用いること、および他のアプリケーションに関連する。Morrisら(米国特許5,007,721号)は、パス長調整のためのスパイラルの実施形態を用いた機械的に回転するドップラー周波数シフタに関連している。ここで述べられている実施形態は、作成することが非常に困難である。Frangineas(米国特許5,033,853号)は、光相関器において用いられる、光放射信号の自己相関をとる装置を開示している。しかしながら、この装置の基本的な実施形態は、移動式のコーナーキューブへのリンクが必要であるために高速での駆動は不可能である。
現在、OCTシステムにおいて使用するための高速の縦方向の(パス長)走査装置は、重要な医学的な市場に対応するために強い必要性があるにもかかわらず、市販されていない。OCTシステムにおけるCAM(あるいはこの開示において述べられている他の装置)のような回転素子の使用についての詳細を扱った関連技術もないし、固有の光学的なアライメントの問題、製造についての問題、およびOCTシステムにおける使用に必要となるタイミング、較正、ならびに補正技術を扱ったものもない。さらに、関連技術は、高解像度のOCTイメージング能力、あるいはOCTシステムに特有の他の観点を得るための作製、較正、リアルタイムで動作上の欠陥を克服する技術の必要等、重要な設計の問題を扱っていない。
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、関連技術は様々な不都合を有している。第一に、開示されているシステムは、医学的な市場、ならびに、遅いイメージングレートからの動きによって引き起こされるアーティファクトが解像度やオンライン非破壊評価(NDE)アプリケーションにおけるスループットスピードを損ない得る他の「ハイエンド」市場に必要とされるより速いイメージングレートを達成することができない。また、関連技術の大半において本質的に困難であるのは、高速での塊のスタートおよび停止の反復である。これにより、不均一なドップラー信号処理要件を必要とする不均一な走査速度が引き起こされ得、レシーバ回路を複雑にし、かつ、より重要なことであるが、信号対雑音比および画像が得られるレートにおいて顕著な非効率さをもたらすことになる。劣化は、理想値から10dBを超え得る。また、レトロリフレクタは大きくなり得るため、高速は達成不可能である。また、ガルバノメータのシャフトの角運動からレトロリフレクタの変位への変換は線形ではない。
上記文献はさらなる、あるいは代替的な詳細、特徴および/あるいは技術的な背景を適切に教示するのに適しており、ここに援用される。
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、先行技術の不都合によって引き起こされる上述した問題の少なくとも1つを実質的に克服するイメージングシステムを提供することを目的とする。また、本発明は、高速という特徴、様々なスピード、線形性および反復性をプログラムする能力の特徴を有する、回転素子を用いる縦方向スキャナを提供することを他の目的とする。スキャナは、3mmより大きい走査範囲を有し、多くのOCT市場に必要とされる1秒あたり1から30フレームの間、もしくはそれ以上のイメージ獲得レートを有し得る。
本発明は、計測可能であり、信号対雑音比および画像獲得レートの点で効率的であり、レシーバの複雑さを最小限にし、大きな回転モータ技術のベースから利点を得ることができるイメージングシステムを提供することを他の目的とする。
回転角の関数としてほぼ線形に変化する光学パス長およびほぼ一定の強度を生成するように入射する光ビームを変える表面を有する高速の回転運動装置を提供することを他の目的とする。
本発明は、高速のほぼ均一な縦方向走査およびそれに関連する試料の光学特性の光学画像を生成するようにOCTイメージングシステムにおける迅速に変化する光学パス長を提供することを他の目的とする。
本発明は、モータ制御および/あるいはOCT画像の同期した獲得を可能にする較正、トリガおよび同期方法を提供することを他の目的とする。
本発明は、装置が駆動されるときに、所定の(かつ固定された)パス長補正をリアルタイムで適用することによって、縦方向スキャナの光学表面あるいは他の部分の作製における不具合を補正するための走査補正プロセッサを提供することを他の目的とする。
本発明は、高解像度のOCTイメージング能力を得るように製作、較正および動作上の不具合をリアルタイムで克服する技術を提供することを他の目的とする。
本発明は、OCTイメージングシステムの水平フレームレートを含むレートで高速スキャナのストロークを超えて試料アーム距離を調整することを可能にするための縦方向のパス長補正機構を提供することを他の目的とする。
上記目的の少なくともいくつかをまとめてあるいは部分的に実現するために、画像を生成するパス長遅延機構を用いるイメージングシステムが提供される。遅延機構は、回転運動を光学遅延を生成するように変換し、較正技術を用いて光学遅延機構における不具合をリアルタイムで較正する。
より具体的には、OCT他の干渉計によるイメージングあるいはレンジングシステムにおける光学遅延の走査を行う装置が提供される。装置は、イメージングシステムからの光学信号を第一に受け取り、イメージングシステムに光学信号を戻すのに先立ち、光学信号の光学遅延を反復的に調整するように適応され得る。ある実施形態において、装置は、回転運動可能なモータを備え得、これは、光学信号と光学的に連絡している少なくとも1つの光学素子と機械的に連絡している。他の実施形態では、機械的な連絡はモータの回転運動を光学素子の動きを介して光学信号のほぼ線形な遅延に変換する。本発明のある実施形態においては、装置は、イメージングシステムと電気的に連絡している同期システムをさらに備えており、装置はパスレングススキャニングにおける不具合を考慮に入れて較正され得る。動機システムおよび較正情報は、イメージングシステムによってリアルタイムでパスレングススキャニングにおける不具合を補償するために用いられ得る。
この実施形態の一改変例において、光学素子はシングルパス幾何構成あるいはダブルパス幾何構成のいずれかに構成されたマルチセグメントCAMであり得る。CAM実施形態を用いると、イメージングシステムは干渉計と光学的に連絡しているブロードバンド光源を備える。干渉計は光源からの光を試料プローブモジュールに連結し、試料プローブモジュールは光を試料上に連結し、試料によって変えられた光を集める。また、干渉計は、基準アームモジュールに光を連結し、基準アームモジュールは光をミラー処理された表面を有するマルチセグメント回転式CAM上に連結する。そして、回転式CAMによって所定の方法で変えられた光を集める。CAM表面は、基準アームモジュールからCAM表面への光学遅延のほぼ線形の時間変化反復的スキャニングを生成するように設計される。干渉計はまた、試料によって変えられた光と回転式CAMによって変えられた光との光学的な干渉を検出する検出器と光学的に連絡している。さらに、検出器はプロセッサと電気的に連絡しており、プロセッサは、CAMの特定のセグメントが照明にさらされていることを監視する同期システムを含んでおり、CAM表面上の不具合をリアルタイムで補正するために較正テーブルに格納された情報を用いる。その結果得られるのは、試料の光学特性の高解像度画像である。
あるいは、光学素子は回転式ヘリカルミラーであり得る。さらに他の改変例では、光学素子は透過型の回転ディスクであり得る。このディスクはまた、角度において変化する屈折率を有し得、あるいは透過型ではなく反射型であり得る。
他の代替例は、光学素子が回転ベルトに取り付けられている反射表面である。また、他の改変例では、光学素子は、ガルバノメトリックモータと連携して用いられるミラー表面であり得る。この改変例では、ミラー表面は前記光学信号の中央光線を再帰反射するように設計されている。また、ガルバノメトリックモータを機械的な共鳴で駆動させることも可能である。
これらの上述した実施形態は、迅速な調整に加えて光学遅延の粗調整を可能にするパス長補正機構も含み得、粗調整は試料内の目標領域をトラッキングするために用いられる。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、光ビームの光学遅延を変える装置が提供される。この装置は、回転運動を光学遅延に変換し、光学遅延機構に不具合を較正し、較正技術およびアルゴリズムを用いてリアルタイムで不具合を補正する。
ある実施形態において、光学信号の光学遅延の走査を行う装置は、光学信号を受け取る入力ポート、および遅延された光学信号が戻ってくる出力を有し得る。この装置はまた、光学信号と光学的に連絡しており、かつ回転運動可能なモータと機械的に連絡している少なくとも1つの光学素子を含み得る。機械的な連絡は、回転運動を光学信号のほぼ線形な遅延に変換する。また、光学遅延は、機械加工の許容範囲または他の影響による不具合を有し得るので、装置は、光学阻止の動きをトラッキングする同期システムを有し、同期システムに対して遅延の不具合を較正する。同期システムおよび較正情報は、パス長の走査における不具合をリアルタイムで補償するために用いられる。
上記実施形態における光学素子は、マルチセグメントのCAMであり得る。これはシングルパスまたはダブルパス構成のいずれかにおいて用いられることができる。あるいは、光学素子は回転式ヘリカルミラーであり得る。さらに他の改変例では、光学素子は透過型回転ディスクであり得る。このディスクはまた、角度において変化する屈折率を有し得、あるいは透過型ではなく反射型であり得る。
本実施形態の他の代替は、光学素子が回転ベルトに取り付けられた反射性の表面であることである。また、他の改変例においては、この少なくとも1つ光学素子は、ガルバノメトリックミラーと連携して用いられるミラー表面であり得る。このシナリオにおいては、ミラー表面は、光学信号の中央光線を再帰反射するように設計される。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、干渉計と連絡する光学放射源を備えているOCTイメージングシステムが提供される。このシステムでは、干渉計は光を試料上に連結し、試料によって変えられた光を集める。干渉計はまた、光を走査光学遅延機構に連結し、ここで走査光学遅延は、走査範囲および走査中心を有する。このシステムはまた、試料によって変えられた光と走査光学遅延機構によって変えられた光とを組み合わせるビーム結合機構も含んでいる。さらに、このシステムは、結合された光を検出する検出器を有しており、検出器は信号プロセッサと連絡しており、信号プロセッサは試料の光学特性の画像を生成する。プロセッサはまた、試料における特徴を検出し、走査範囲が目標とする走査領域をカバーするように走査中心を調整する。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、OCTあるいは他の干渉計を使ったイメージングあるいはレンジングシステムにおける光学遅延の走査を行う装置が提供される。装置は、イメージングシステムからの光学信号を受け取り、イメージングシステムへ光学信号が戻されるのに先立って光学信号の光学遅延を迅速にかつ反復的に調整する。装置は、回転運動可能なモータを含み、このモータは光学信号と光学的な連絡をしている少なくとも1つの光学素子と機械的に連絡している。機械的な連絡は、モータの回転運動を前記少なくとも1つの光学素子の動きを介して光学信号のほぼ線形な光学遅延に変換する。装置はさらに、イメージングシステムと電気的に連絡している同期システムを備えており、装置はパス長走査における不具合を考慮して較正される。同期システムおよび較正情報は、パス長走査における不具合をリアルタイムで補償するためにイメージングシステムによって用いられる。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、装置は、ブロードバンド光を受け取り、試料戻り信号を生成する試料に向けられる基準出力信号およびプローブ信号を出力する干渉計と、前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する光学パスレングススキャニングユニットであって、前記干渉計は前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせ、干渉計出力信号を出力する、光学パスレングスユニットと、前記干渉計出力信号を受け取り、検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、前記検出器ユニットと連結されており、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有するスキャンアナライザおよび補正ユニットと、前記光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラとを備えており、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析し、操作補正情報を決定する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される装置は、ブロードバンド光を受け取り、試料戻り信号を生成する試料に向けられた基準出力信号およびプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する回転式光学パスレングススキャニングユニットであって、前記干渉計は、前期基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて干渉計出力信号を出力する、回転式光学パスレングススキャニングユニットと、前記干渉計出力信号を受け取って検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、前記検出器ユニットに連結されたスキャンアナライザおよび補正ユニットであって、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有しているスキャンアナライザおよび補正ユニットと、前記回転式光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記回転式パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラとを備えており、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析して、走査補正情報を決定する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、光を受け取り、前記光を戻り光として反射する少なくとも1つのリフレクタと、前記少なくとも1つのリフレクタに連結されており、前記1つのリフレクタを平行移動可能なベルトと、前記ベルトを動かして前記少なくとも1つのリフレクタの平行移動を生じさせるユニットとを備えており、前記戻り光が伝搬するパス長は、前記少なくとも1つのリフレクタの前記平行移動の関数として変化する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、軸のまわりを回転可能であり、光を受け取って前記光を戻り光として反射する面を有しているディスクと、前記ディスクを前記軸のまわりで回転させるユニットとを備えており、前記ディスクの前記面は、前記ディスクが前記軸のまわりを回転すると、前記戻り光の伝搬するパス長が変化するような形状を有している。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、軸のまわりを回転可能であり、第一の面と第二の面とを有しており、光は前記第一の面で受け取られて、前記ディスクを前記第二の面に向けて透過するディスクと、前記光を戻り光として反射するリフレクタと、前記ディスクを前記軸のまわりで回転させるユニットとを備えており、前記ディスクが前記軸のまわりを回転すると、前記戻り光が伝搬するパス長が変化し、それにより可変のパス長を生成する。
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図1Aは、本発明によるイメージングシステム2の一実施形態を示している。干渉計20はブロードバンド光3を受け取り、プローブ信号185を出力する。プローブ信号185は試料25が受け取る。その後、試料25は試料戻り信号186を干渉計20に返す。また干渉計20は、基準出力信号195を出力し、光学パスレングススキャニング(OPS)ユニット175がこれを受け取る。OPSユニット175はその後基準戻り信号196を生成し、干渉計20がこの基準戻り信号196を受け取る。図1Aには干渉計20、OPSユニットおよび試料のそれぞれの間にスペースを示しているが、本実施形態の干渉計は試料およびOPSユニットまで延伸し得る。また、プローブ信号185と基準出力信号195は別個の信号として示されているが、プローブ信号185および基準出力信号195の両方として機能する1つの信号185’(図示せず)を構成してもよい。信号185’を含むこのような実施形態の一例は、まず部分透過性のOPSユニット175に達し、試料25にまで続く。簡便のために、別個のプローブ信号185および基準出力信号195を用いるシステムを説明する。
干渉計20は信号186および196を統合し、ライン149を介して検出器ユニット150に干渉計出力信号を出力する。そして検出器ユニット150はライン151上に検出器出力信号を生成する。検出器出力信号はスキャンアナライザおよび補正ユニット160が受け取る。さらに光学パスレングス位置決めユニット95も検出器出力信号を受け取る。素子間の接続を述べるために「ライン」という用語を用いているが、他の接続の中から、例えば光ファイバ、同軸ケーブル、および無線周波数伝送といった適した接続を用いてもよい。
また、スキャンアナライザおよび補正ユニット160は、ライン171でOPSユニットコントローラ170から情報を受け取り、その情報を光学パスレングス位置決めユニット95に入力する。OPSユニットコントローラ170は、結合177を介してOPSユニット175に結合されている。制御信号およびライン151上の検出器出力信号における情報を用いて、光学パスレングス位置決めユニット95は走査補正データを生成する。本実施の形態、およびその他は、処理、解析、および制御を行ういくつかの機能素子を有するものとして説明されるが、これらのサブシステムを単一のサブシステムあるいは回路に組み合わせることも可能であるし、いかなる数のサブシステムあるいは回路に分割することも可能であることに留意されたい。
本発明の一実施形態によると、光学パスレングス位置決めユニット95は、走査補正ユニット90およびマーカ検出器80を備えている。マーカ検出器80はOPSユニット170から制御信号を受け取って解析し、結合81を介して走査補正ユニット90にマーカ情報を出力する。走査補正ユニット90はまた、検出器ユニット150から検出器出力信号を受け取る。走査補正ユニット90はこれらの2つの信号を必要なスキャン補正を決定するために用い、そしてスキャン補正データを生成する。また、スキャンアナライザおよび補正ユニット160は信号補正プロセッサ100を備えており、これが結合98を介して走査補正データを受け取り、走査補正データを用いて検出器出力信号を修正して、ライン161に走査補正されたサンプルデータを出力する。プロセッサ100が走査補正されたサンプルデータを受け取り、そこでさらなる解析または画面への表示が行われ得る。
図1Bは、本発明の一実施形態によるOCTシステム2の付加的な詳細を示している。OPSユニットコントローラ170は、OPSユニット位置センサ172とモータおよびコントローラユニット120とを備えている。OPSユニット位置センサ172はOPSユニット175から、OPSユニットのどの部分が信号195を受け取っているかについての情報を受け取る。そしてOPSユニットコントローラ170は、OPSユニット175の位置決めについての情報をスキャンアナライザおよび補正ユニット160に渡す。さらに、OPSユニットコントローラ170はスキャンアナライザおよび補正ユニット160からのフィードバックを受けてもよい。モータおよびコントローラユニット120はOPSユニット175の速度を整える。
スキャンアナライザおよび補正ユニット160は、第一の信号プロセッサ70、走査補正ユニット90、信号補正プロセッサ100、およびマーカ検出器80を備えている。信号プロセッサ70は、検出器ユニット150からの検出器出力信号をフィルタリングし、検出し、そしてデジタル化するように動作する。信号補正プロセッサ100は、走査補正ユニット90からのデータを解析し、OPSユニット175における不具合を補償し、補正されたサンプルデータを与える。
干渉計20は、プローブアーム31と基準アーム41とを備えている。プローブアーム31はプローブ信号185を試料25に連結し、基準アーム41は基準アーム信号195をOPSユニット175に連結する。あるいは干渉計20は、試料25とOPSユニット175との両方を操作するアームを1つだけ備えてもよい。簡便のために、どのような干渉計で置き換えてもよいか、以下の説明では別個のアームを有する干渉計を説明する。
図1Cは、本発明の一実施形態によるイメージングシステム2の他の特徴を示している。光源10が光源ファイバ34を通してブロードバンド光を発する。ブロードバンド光は、システム2に関してZ方向において望ましい解像度を与える帯域を有する光として定義される。ブロードバンド光のコヒーレンス長が小さければ、システムの計測の解像度は高くなる。
光源10は、光源ファイバ34を介してスプリッタ21にブロードバンド光を与える。スプリッタ21はブロードバンド光を分割入力光の第一の部分180と分割入力光の第二の部分190とに分ける。第一の部分180は、プローブアームファイバ36によってプローブモジュール30に与えられる。第二の部分190は、基準アームファイバ35によって基準アームモジュール40に与えられる。基準アームモジュール40は、点線のボックスとして大まかに示されている粗パス長調整機構45を備えており、これはコンピュータ110によって制御される。粗パス長調整機構45は、目標領域トラッキングの特定の実施例であり、試料内での測定位置の修正や、異なる光学遅延を有し得る異なるタイプのプローブモジュールを収容することを可能にする。焦点を変える方法には様々なものがあるが、そのいくつかは後述する。粗パス長調整は、OPSユニット175に対して速いことは必要とされない。粗パス長調整の方法には、例えば、図1Cに示されているようにレンズ44またはレンズ42を左右に動かすことによってパス長を変化させることが含まれる。一般的には、ファイバ35からレンズ42までの距離を固定し、これらを一体として左右に動かし、それによってレンズ42および46の間の距離を変えることが有用である。本例では、第一のレンズ42は基準光190を平行光とし、第二のレンズ44は光をOPSユニット175の表面上で焦点を結ばせる。光は2つのレンズの間で平行光化されているので、レンズ間距離が調整されていれば、パワーの損失は最小である。あるいは、ファイバ35、36の特性は、当該分野で知られているように、例えば、一方または両方の屈折率を微修正する、あるいはファイバのスプールを伸ばす等によって修正することができ、得られる光学パス長が結果的に変更される。また、基準アームモジュール40のプリズム対46を光学パス長を変えるために用いてもよい。当該分野では他にも粗パス長の変更の方法が知られており、この結果を実現するためにいずれを用いることもできる。また、粗パス長調整の特徴は、後のセクションで説明するように、目標領域トラッキングを行う能力を可能にする。
干渉計20は、試料25およびOPSユニット175から信号186および196をそれぞれ受け取り、これらを結合して干渉計出力信号を生成する。干渉計出力信号は、検出器ユニットファイバ33によって検出器ユニット150に送られる。
より具体的には、本実施形態においては、干渉計20は2つのアーム、すなわち試料アーム(プローブアームとしても知られている)31および基準アーム41を有している(図1B)。図示されている干渉計は例として示されたものであり、他のいかなる干渉計でも代替可能であることに留意されたい。
試料アーム31は、分割入力光180の第一の部分をプローブモジュール30に連結する。プローブモジュール30は、試料25に光185を結合し、試料によって変えられた光を試料アーム31に結合し返す光学素子を有している(図1B)。またプローブモジュール30は、光185を試料25を横切って横方向に走査して二次元あるいは三次元の画像を生成するための一次元あるいは二次元横方向走査機構を有している。あるいは、試料は、ウェブインスペクションアプリケーションにおけるポリマーフィルムの製造におけるように走査されることもできる。この場合には、プローブは固定され、試料25が走査されるように移動する。プローブモジュールの例には、顕微鏡、カテーテル、内視鏡、腹腔鏡、ハンドヘルドプローブ、射出成型機用のプローブ、ウェブインスペクション機などが含まれる。
基準アームファイバ35は、分割入力光の第二の部分190を基準アームモジュール40に結合する。このモジュールは、基準アームファイバからの光をOPSユニット175に結合する光学素子を含んでいる。OPSユニットは、続くセクションで説明するように、多くの異なる表面タイプを有し得ることに留意されたい。さらに、OPSユニットの動きは、回転、平行移動、あるいはこれら両方の組み合わせであり得る。また、基準アームモジュール40は、前述したように、2つのレンズ42、44の間の光学パス長を調整することによって粗パス長を調整する能力を有している。
試料アーム31と基準アーム41との間で分散のバランスが取れていることは重要である。基準アームにおける基準アームモジュール40(あるいは試料アーム31におけるプローブモジュール30)は、プリズムの対46または分散をつりあわせるための他の適切な装置を含み得る。あるいは、レシーバにおいて位相感知型の同期検出を行えば、当該分野で知られているように、分散は電子的に補償することができる。
反射光186および196は組み合わされて、干渉計20から出て検出器ユニット150を通過する。検出器ユニット150は、干渉計20からの信号を検出して増幅し、信号をスキャンアナライザおよび補正ユニット160に渡す。これが、OPSコントローラ170およびコンピュータ110と連携して、プローブモジュール31における横方向の走査と基準モジュールの縦方向の走査との同期を制御する。同期は、試料25の正確な計測を行うために必要である。この同期はOPSユニット175の精密な較正に依存しており、較正はリアルタイムで行われる必要は必ずしもないが、補正は、後述するように、リアルタイムで行われることが好ましい。
公称のモータスピードは、オンボードクロックから生成され得、あるいはコンピュータ110から命じられ得る。OPSユニットコントローラ170は、1回転に1回のセンサ(1/Revセンサ)およびオプションの1回転に複数のパルスのセンサ(M/Revセンサ)、あるいはOPSユニット175上の固定された点を決定する他の好適な手段を有している。これらのセンサは、光学センサ、電磁センサ、磁気センサ、電子センサ、容量センサ、機械式センサ、あるいは当該分野で知られている他のいかなるタイプのセンサであってもよい。OPSコントローラ170のOPSセンサ172(図1B)は、スキャンアナライザおよび補正ユニット160との組み合わせで、OPSユニット175の位置のトラッキングを維持する。スキャンアナライザおよび補正ユニット160を用いて、OPSユニットにおける欠陥は、リアルタイムで補正することができる。これは、光学式エンコーダ、あるいはパターン認識アルゴリズムを含むいくつかの他の方法を用いて行われうる。較正方法は、続くセクションで説明する。
システムの基本コンセプトは、スキャンアナライザおよび補正ユニット160と連携して、OPSユニットコントローラ170によって整えられたスピードで回転、平行移動あるいは他の動きをするOPSユニット175上に光を集光することにある。光はその後基準アームファイバ35に戻される。OPSユニット175が均一な、しかし選択可能なスピードで移動すると、光学パス長が均一に走査され、したがって略一定のドップラーシフトが得られる。このドップラーシフトは、検出器ユニット150によって復調され、試料25の測定を決定するために用いられる。一定ではないドップラー周波数シフトもまた考えられ、これは当該分野で知られているようにして復調され得る。
図1Dは、図1Cに示されている実施形態のOCTシステムの構成要素をより詳細に示している。検出器ユニット150は、フロントエンド増幅器60と検出器15とを備えている。スキャンアナライザおよび補正ユニット160は、第一信号プロセッサ70,マーカ検出器80、走査補正ユニット90、および第二信号プロセッサ100備えている。OPSコントローラ170は、センサ172、モータ制御回路120、およびモータ122を備えている。このシステムもまた、OPSユニットとして回転素子50を備えている。
検出器15は干渉計から干渉計出力信号を受け取り、これを増幅のためにフロントエンド増幅器60に渡す。フロントエンド増幅器60は、結合151を介して信号プロセッサ70、および結合152を介してマーカ検出器80の両方に随意に結合され得る。次の素子は走査補正ユニット90であるが、これは信号プロセッサ70、マーカ検出器80、および信号プロセッサ100に結合されている。マーカ検出器80はまた、モータ制御回路120にも結合されており、モータ制御回路120はモータ122およびコンピュータ110に結合されている。信号プロセッサ100もまた、コンピュータ110に結合されている。これらの構成要素の動作については、具体的な実施形態を参照しながら後で説明する。また、干渉計20は2つのアーム、すなわち試料アーム(プローブアームとしても知られている)31および基準アーム41を備え得る、あるいは試料25とOPSユニット175との両方を走査する単一のアームを備え得ることに留意されたい。いかなる干渉計でも代替可能であるが、簡便のために、以下の説明では別個のアームを有する干渉計を説明する。
図1Eは、本発明の一実施形態による高速の調整可能なレートでの縦方向走査OCTシステム5を得るための一実施形態を示している。試料の縦方向の光学反射率プロファイルを素早く走査するために、本実施形態の回転素子は、マルチセグメントCAM50’である。CAM50’は例としてのみ用いられるものであり、いかなる回転素子50(図1D)で代替してもよいことはもちろんである。 本実施形態は、干渉計20に結合されているブロードバンド光源10を備えている。Mach/Zehender、ファブリペロー、およびソースまたは試料アーム基準干渉計等の他のいかなる干渉計を用いることができるが、簡易なMichelson干渉計が図1Eでは示されている。また、偏光を維持するあるいは偏光化するファイバが、偏光を維持するために用いられ得、また偏光分離または偏光分散レシーバを使用することができる。本実施形態では、干渉計20は、2つの出力アーム、すなわち試料アーム31および基準アーム41を有する50/50シングルモードファイバカプラ21(あるいはスプリッタ)を有している。
試料アーム31は、分割入力光の第一の部分180をプローブモジュール30に結合する。プローブモジュール30は、試料25上に光185(図1A)を結合し、試料によって変えられた光186(図1A)を試料アーム31に戻すように結合する光学素子を有している。本実施形態は、再帰反射モードで動作するが、透過モードのような他の実施形態もまた考えられる。また、プローブモジュール30は、(示されているように)試料25に沿って横方向に光を走査して二次元あるいは三次元の画像を生成するための一次元あるいは二次元の横方向走査機構を有している。あるいは、試料は、ウェブインスペクションでのポリマーフィルムの製造におけるように走査されることもできる。この場合には、プローブは試料25に固定され、試料25が走査されるように動く。プローブモジュールの例には、顕微鏡、カテーテル、内視鏡、腹腔鏡、ハンドヘルドプローブ、射出成型機用のプローブまたはウェブインスペクション機が含まれ得る。プローブモジュール30の横方向走査と基準アーム41の縦方向走査との同期は、コンピュータ110によって制御される。
基準アームファイバ135は、分割入力光の第二の部分190を基準アーム光学モジュール40に導く。このモジュールには、基準アームからの光195(図1D)をCAM50’に結合する光学素子が含まれる。具体的には、モジュールは、基準アームモジュール40のレンズ44を用いて光195(図1D)をCAM50’上に集光する。その後光は、基準アーム戻り信号196として基準アームファイバ35に反射される。CAM50’が均一であるが選択可能なスピードで回転すると、一定のドップラーシフトをほぼ得ることができるように光学パス長ができるだけ均一に走査され、したがってスキャンアナライザおよび補正ユニット160における後段の信号処理電子工学系を簡易にする。一定ではないドップラー周波数シフトもまたあり得、当該分野で知られているようにして復調することができる。後のセクションにおいて、CAMの複合表面51を、公称の半径、セグメントの数、線形走査対角度、および走査深度等の様々なシステムパラメータの関数として説明する一群の精密な数学的関係が導かれており、スキャンアナライザおよび補正ユニット160の一部として実現される。
基準アームモジュール40は、粗パス長調整機構を用いて2つのレンズ42、44の間の距離を調整することによって、パス長を調整する能力を有している。他の利点の中で、この特徴は、後のセクションで説明するように、目標領域トラッキングを可能にする。本実施形態においては、第一のレンズ42が基準アームファイバ35の出力を平行光化し、第二のレンズ44がCAM50’の表面上に光を集光させる。光は2つのレンズの間で平行光化されているので、レンズ間距離が調整されていれば、パワーの損失は最小である。先に述べた通り、用いることのできる代替可能なパス長調整がある。
試料アーム31と基準アーム41との間で分散のバランスが取れていることは重要である。基準アームにおける基準アームモジュール40(あるいは試料アーム31におけるプローブモジュール30)は、プリズムの対46または分散をつりあわせるための他の適切な装置を含み得る。あるいは、レシーバにおいて位相感知型の同期検出を行えば、当該分野で知られているように分散を電子的に補償することができる。
CAMの表面51は、CAMが回転するとMichelsonビームスプリッタ21からCAMの表面までの距離が線形に増加するように構成されている。さらにこの表面は、CAM表面51上に正確に向けられている光ビーム195(図1D)の主光線が入射光に対して一定の角度で反射されるような(例えば再帰反射される、あるいは他の目標に向けて反射されるような)幾何学形状を有している。CAM50’が回転するとき、光学パス長はほぼ直線状に走査されることに留意されたい。CAM表面51はまた、回転されると略一定の反射率が維持されるように光学的になめらかな特性を有している。
CAM50’のスピードはOPSユニットコントローラ170によって整えられており、OPSユニットコントローラ170は、スピードを整えるために、ファセットフィードバックか、光学式エンコーダあるいはHallセンサといった固有のセンサのいずれかを用いることができる。モータの制御については後のセクションで説明する。
図1Eに示されているシステムの一実施形態は、ポリゴンスキャナで用いられるものと類似している、モータ122(図1D)によって駆動されるマルチセグメントCAM50’を備えている。しかしながら、このCAM50’は、移動式ミラーの実施形態等の今日使用されている市販のものとは全く異なっている。なぜなら、ポリゴンスキャナは、多角形状に構成された簡略なフラットなミラーを用いているのに対し、CAMは、後述するように複合表面を有しているからである。モータはOPSコントローラ170によって駆動、制御される。 公称のモータスピードは、オンボードクロックから生成することができ、あるいはコンピュータ110から命じられ得る。OPSコントローラは、1回転に1回のセンサ(1/Revセンサ)およびオプションの1回転に複数のパルスのセンサ(M/Revセンサ)、あるいはCAM表面51上の固定された点を決定する他の好適な手段を有している。この1つのバージョンには、OPSコントローラ170の具体的な実施形態を表す光学検出器ユニット123がある。これらのセンサの1つまたは両方、ならびに可能であれば遷移検出器との組み合わせは、CAM50’のどのファセットがアクティブに照明されているかのトラッキングを維持する。予め計算されたルックアップテーブルまたは他の手段を用いて、CAM50’の機械加工における不具合はリアルタイムに較正することができる。これは、光学式エンコーダ、あるいはパターン認識アルゴリズムを含む当該分野で知られているいくつかの他の方法を用いて行われうる。較正方法は、続くセクションで説明する。
CAM表面51は、図示されているように実現され得、あるいは偶数個のセグメントについては、隣接するセグメントを互いにミラーにすることができる。つまり、低から高への遷移を繰り返す代わりに、CAM表面51は低−高−低の遷移を有することになる。これは、鋸刃状の不連続がなくなるために、機械加工を容易にし、デッドタイムを最小にし、高速での空気抵抗を制限するという付加的な利点をもたらす。トレードオフは、信号(画像)処理の複雑さにおいて、ささやかに増加する。
目標領域のトラッキング
図2Aおよび2Bは、心血管のアプリケーションにおいて見られ得るような円周上の走査システムあるいはプローブについて、目標領域のトラッキングを示している。目標領域のトラッキングは、CAM50’の走査深度内において目標領域内の試料の位置決めである。前述したように、いかなる回転素子50(図1D)を用いることもでき、CAM50’は例として用いられる。図2Aは走査範囲を示す。これは、縦方向の走査の全体の増加する距離であり、R1(内側)とR2(外側)との間の濃い黒の円として示される。したがって、走査の中心はR1とR2との間の中間点である。目標領域のトラッキングは、血管の壁のような特徴を検出することにより試料内の目標領域内に走査範囲を保つように自動的に走査の中心を動的に調整する。
図2Aにおいて、OCTプローブは、走査されるべき目標領域、本実施例では動脈に対してずれている。表面の境界を検出して、基準アームのパス長をそれにしたがって調整することにより、走査の効率を劇的に向上させることができる。図2Bは補正後の目標領域のトラッキングの例を示している。
目標領域のトラッキングは、カテーテルが腔内でずれるかもしれず、CAM50’によって提供される走査深度は腔壁へのオフセットプラス所望の計測距離をカバーするには十分でないようなカテーテル/内視鏡の処置等のアプリケーションにおいては重要である。図2Aにおいて、示されている走査深度は、試料壁の右側を失い、試料壁の左側には突出しすぎるであろう(管表面を逃してしまう)。しかしながら、腔壁を検出するための検出アルゴリズム(例えば、しきい値を用いたアルゴリズムあるいは他の画像処理アルゴリズム)を用いることによって、信号補正プロセッサ100(図1A、1B、1D)が粗パス長調整機構45を調整することができ、したがって走査中心を調整することができる。カテーテルは腔内で回転するので、腔壁内の走査距離は、図2Bに示すように一定に保つことができる。CAMがより広い走査範囲を有するように設計され得るアプリケーションにおいてであっても、より広い領域の画像を得ることは、信号対雑音、あるいは得られるまでの時間の見通しからは効率的ではないであろう。ゆえに目標領域のトラッキングは、(例えば、調整可能な走査光学遅延ラインのような)粗い走査範囲を調整することができる縦方向の走査機構を有するOCTシステムにおいては決定的に重要である。
同期
OCT画像を生成するためには、信号処理およびコンピュータ表示をOPSユニット175の回転と同期させる必要がある。図1Aを参照して、スキャンアナライザおよび補正ユニット160はOPSユニットコントローラ170とともに、いかなる任意の時間においても基準アーム信号195によってOPSユニット175のどの部分が照明にさらされているかを決定するように構成されている。同期は、シンクマスターモードあるいはシンクスレーブモードにおいて行われる。シンクスレーブモードでは、OPSユニットコントローラ170(あるいは、OPSユニットコントローラ170と連携した、OPSユニット175、例えばCAM50’)がマスタークロックであり、コンピュータ110(プロセッサ)がOPSユニット175に(例えばその水平走査レートを)同期する。シンクマスターにおいては、OPSコントローラユニット170またはモータ制御回路120(図1D)がコンピュータ110によって提供されるクロックに同期する。いずれの場合においても、機械加工の不具合およびOPSユニットシステムの不具合は、高解像度画像を得るようにリアルタイムで較正されることが好ましい。このための方法については後述する。
同期を得るためにはいくつもの方法を利用可能である。これらの方法の全てがOPSユニット175、OPSユニットコントローラ170および/あるいは回転素子50(図1D)からの情報を、OPSユニットの本質的な幾何学を用いるか、光学検出器ユニット123あるいはOPSセンサ172(図1Eおよび1B)等の外部センサをセンサのトリガとなるように改変されたOPSユニット175と連携して用いるかのいずれによって、あるやり方で用いる。以下の説明では、図1Eに示されるOPSユニット175としてのCAMの具体的な実施形態の同期を主に述べる。同期は、説明する具体的なOPSユニットのいずれについても、あるいは当該分野で知られている他のものについても、類似した方法で実現可能であることを理解されたい。
同期をとるための最も簡単なしかし効率的ではない方法は、セグメント化されたCAM50’を用い、CAM50’のセグメントの変わり目52で後方反射光のパワーが落ちることを利用する。パワー降下はCAM50’の幾何学形状には本質的なものである。
図3は、8セグメントCAM50’について、回転角の関数として測定された後方反射光パワーを示したものである(後述するものと類似している)。好ましい実施形態において、CAMフォーカシングレンズ44の焦点深度は、CAM50’の走査範囲にほぼ等しいか、それよりも大きく、CAMが回転されるときのパワー反射における変化を最小限にする。焦点深度が長ければ、CAM表面51上の集光された光スポットも大きくなる。これにより、フォーカスエラーによるパワー変化がより小さくなり、小さい機械加工マークに対する許容誤差がより大きくなる。しかしながら、フォーカススポットが大きくなれば、理想的ではない表面の傾きにより敏感になり、機械加工の不具合がより大きくなる。また、CAM50’のセグメント境界52を横切っての完全な移行にはフル回転のより大きなパーセントを費やすために、デューティサイクルはより低くなる。
図3に示す測定において、共焦点パラメータは約5mmであり、CAMの縦方向の走査範囲は約4mmであり、CAMは1秒間に250回転で回転された。それぞれのセグメント内で、(正規化された)反射パワーは(CAM表面が焦点からずれているので)〜60%で始まり、セグメントの中心で(表面が合焦しているとき)〜100%に増え、そして再び〜60%に減少する。そして、セグメント境界52を越えるフォーカスされたビームの移動として急なパワーの損失がある。このパワー損失の検出を、後述するようにセグメントによるトリガに用いることができる。より長い共焦点パラメータが用いられれば(例えば8mm)、各セグメント内でのパワー変化はより小さくなるであろうが、より高い傾き安定性が要求されることに留意されたい。本例では、光は、球面の光学素子を用いてCAM表面近傍にフォーカスされた。円柱状のフォーカシングもまた、高い効率を得るために使用することができる。また、よりモードに合った効率を得るために、光を(円柱状あるいは球面状レンズを用いて)CAMファセットの曲率半径の中心のより近くにフォーカスすることもできる。他の同期方法は、より高い精度を実現することができ、後で説明する。
遷移検出器および1/Revセンサとしてフロントエンド増幅器を用いる同期
一実施形態において、CAM50’の同期は、DC光電流に現れる短いパルス(あるいは空白)を検知することによって実現される。これらのパルスは、CAM50’上にフォーカスされた光がセグメントの境界52を通過し、一時的に再帰反射されないときに、まずフロントエンド増幅器60で検出される。パルスのそれぞれが、各セグメントについてのトリガを生じる。
一実施形態による同期の方法を図1Aおよび1Eを参照して図4に示される。この方法は、CAM50’上に基準アーム信号195を照らすステップ401を含んでいる。CAM50’は信号196を干渉計20の方に、そして続いてフロントエンド増幅器60に反射する。次に、ステップ402は、干渉計出力信号をフロントエンド増幅器60を通して信号プロセッサ70に与えることを含んでいる。ステップ403では、信号プロセッサ70において干渉計出力信号がフィルタされ、検出され、そしてデジタル化される。ステップ404は、CAM50’上に集光されている光がセグメントの境界52に当たったときのDC光電流におけるブランクをマーカ検出器80を用いて検出する。光がセグメント境界52に当たったとき、光は一時的に再帰反射されないという現象が生じる。続いてステップ405では、セグメントの変わり目を表すブランクを用いて、1/Revセンサの後の最初の変わり目が一意的に最初のファセットを特定し、続くブランク信号のそれぞれが続くファセットを特定するようにCAM50’の位置を正確に同期させる。最後に、ステップ406において、表面51の不規則さを補正するようにCAM50’の各セグメントについて、各ピクセルを時間においてずらす。
この同期方法は、OCT光による照明にアクティブにさらされているCAM50’の特定のファセットのトラッキングを行うように、マーカ検出器80(図1A)と組み合わせての1回転に1回のセンサ(1/Revセンサ)の使用に頼っている。1/Revセンサは、光学センサ、電磁センサ、磁気センサ、電子センサ、容量センサ、機械式センサを含むいかなるタイプのセンサであってもよく、あるいは当該分野で知られている他のいかなるタイプのセンサであってもよい。一実施形態において、センサは、LEDのような、CAM表面51に対して垂直に配置された光学式中断スイッチである。これは、CAM表面51上に事前に置かれた、CAM50’の位置を一意的に特定するマークを検知する。CAM50’は周期的に動き、マークはセンサを通り過ぎ、そのトリガとなる。センサは、トリガによって起動されると、時間における任意の点についてCAMの位置を特定する。同様の技術をいかなる任意のOPSユニットについても用いることができることを理解されたい。
また、1/Revセンサの機能を、1/Revセンサまたは検出器を必要とすることなく実現することもできる。CAM50’のセグメント境界52の1つを例えば急勾配の部位としてではなく、一意的とすることによって、その一意的な境界を越える図3に示すようなパワーの降下は他のセグメントの変わり目とは異なるであろう。スキャンアナライザおよび補正ユニット160はこの差を検出し、システムを同期させるためにこの情報を用いることができる。この技術は、1/Revセンサの代わりに、あるいは1/Revセンサに加えて、いかなる回転素子50とともに用いることができる。
先のCAMシステムの不具合の較正と組み合わせられたこのタイプのセグメントトラッキングによって、走査の補正が可能になる。一実施形態において、フロントエンド増幅器60は信号プロセッサ70に干渉計信号を与え、信号プロセッサ70が干渉計信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。基準アーム信号195がCAMセグメントの変わり目52を通り過ぎると、CAM位置を正確に同期するために用いることができるパワーの急激な損失(図3に示された)がみられる。例えば、1/Revセンサの後の最初のCAMの変わり目は、第1番目のファセットを特定する。CAMの各セグメントについて、各ピクセルは、走査補正ブロックにおける表面の不規則さを補正するように、時間(あるいは同等にサンプルの深さ)および振幅においてオフセットされる。
多くの例において、傾斜およびオフセットを補正することが必要であり、補正アルゴリズムは単純な線形な演算である。他の例においては、オフセットを補正することのみが必要である。したがって、1つのアルゴリズムは単純である。すなわち、適切なオフセットを満たすように各セグメントのスタートで所定数のブランクピクセルを配置する。しかしながら、このアプローチは、フロントエンド増幅器60を「見えなくする」ような試料からの大きな信号によって、潜在的にだめにされ得る。見えなくするということは、フォトディテクタ15を飽和させる試料からの大きな反射によって引き起こされ、基準アームにおけるパワー降下をもはや検出することができないということを暗示している。この問題を解消する1つの方法は、OCTにおいて別のセンサ172(図1D、1E)を配することである。他の方法は次で説明する。
1/RevセンサおよびM/Revセンサを用いる同期
同期の他の方法は、OPSユニット175からの2つのセンサ、つまり1/RevセンサおよびM/Revセンサ(ここでMはファセットの数である)を用いる。M/Revセンサは、各ファセットがトリガーとなる信号を有するようにOPSユニットの端部あるいはOPSユニットの他の適切にマークされた位置にターゲットを合わせられている。このアプローチは、試料からの大きな信号でもマーカ検出器80は「見えなく」されないという利点を有している。
好ましい実施形態による同期方法が、図1Aおよび1Eを参照しつつ図5に示されている。この方法は、ステップ501を含んでいる。ステップ501では、CAM50’上に、各ファセットが独自のマークを有するようにCAMのいずれかのフラットな表面上の様々な位置のいずれかにマークが配置される。あるいは、CAM50’の既存のセグメント端部52をセグメントマークとして用いることもできる。次に、ステップ502では、各ファセットがトリガーとなる信号を有するようにCAM50’のマークされた部分にM/Revセンサのターゲットを合わせる。ステップ503がそれに続き、ここでは干渉計出力信号をフロントエンド増幅器60を通して信号プロセッサ70に与える。信号プロセッサ70は、ステップ504において、干渉計出力信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。続いて、ステップ506によると、CAM50’がM/Revセンサの信号を用いて、1/Revセンサの後の各変わり目が一意的にファセットを特定するように、正確に同期される。最後に、ステップ507において、CAM50’の各セグメントについて、表面51の不規則さを補正するように、各ピクセルが時間および振幅においてオフセットされる。
したがって、この方法によると、マーク(例えば、引かれたり、描かれたり、接着された線)がOPSユニット175上につけられる。このマークは、OPSユニット175のフラット面(頂部、底部あるいは側部)上のような様々な位置に配置されることができ、センサ172(図1B)(例えば、光学センサ、機械式センサ、電磁センサ等)によって読みとられるとOPSユニットの位置を示す。さらに、CAM50’上の既存のかつ固有のセグメント端部52、あるいはいかなる回転素子50の固有の他のセグメント境界を用いることもできる。したがって、スキャンアナライザおよび補正ユニット160は検出を行うことができる。また、前述したように、1つのセグメントの変わり目は一意的であり、スキャンアナライザおよび補正ユニット160が1/Revセンサの機能を行うことが可能になる。
M/Rev検出方法は、1/Revセンサと同様の原理で動作するが、各ファセットに対して較正される。ある作製の実施形態において、表面にマークをすること(あるいは表面にプラスチックステッカーを置き、ステッカーをマークすることでさえ)は、トリムを機械加工し、OPSユニットをモータのシャフトに正確に搭載することよりも簡単であり、粗っぽい。このようなマーキングは、位置の誤差が決定的であるときには、トリガリングとともに問題を解決するのに有効である。この処理は、光学式遷移検出器を用いて、あるいは光学式遷移検出器なしで実現可能である。したがって、1/RevセンサおよびM/Revセンサの両方が実現されているときには、干渉計からの光学的なフィードバックの必要はなく、同期情報の全ては、マーキングおよび1/RevセンサならびにM/Revセンサを用いて確立される。
1/Revセンサのみを用いる同期
図6を参照して、他の実施の形態においては、OPSユニットの一回転の中における速度変化は比較的一定である。このようなシナリオでは、1/Revセンサのみを用いることができる。OPSユニット175がCAMである場合、CAMの各セグメントは、1/Revセンサからスタートするマスタークロックからカウントダウンすることによって特定され得る。例えば、8つのファセットがある場合、カウント回路がシンクパルスのトリガーとして用いる8つの値が存在する。このアプローチは、最もコストが安いという利点があり、大きな試料アーム反射のせいで生じ得るシンクの欠落にも苦しめられない。
したがって、図6および1Eを参照して、干渉計出力信号は、ステップ600によると、フロントエンド増幅器60を通して信号プロセッサ700に供給される。信号プロセッサ70は、ステップ601により、干渉計出力信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。1/Revセンサは、ステップ602において示されるように、トリガにより起動されてシステムをセットする。続いて、ステップ603において、マスタークロックをカウントダウンし、CAM50’の各ファセットを特定する。ステップ604において、シンクパルスはCAM50’の各ファセットについてトリガを引かれる。そして、ステップ605により、各ピクセルはCAM50’の各セグメントについて時間においてオフセットされ、表面51の不規則さを補正する。
較正
次の説明は、主に、OPSユニット175としてのCAM50’の具体的な実施形態の較正に関連する。較正は、説明される具体的なOPSユニットのいずれについても、あるいは当該分野で知られている他のものについても、類似したようにしてなされ得ることを理解されたい。
多くの例において、CAM50’を光源のコヒーレンス長よりも小さい精度で機械加工することは難しい。これは、各CAMセグメントの始まり部分における欠陥(例えば、8個のセグメントを有するCAMについて、セグメントの境界は45度ちょうどではない)やCAMの半径53に沿った欠陥のせいであり得る。さらに、CAM50’がモータのシャフト上に中心からずれて搭載される(偏心)と、回転の関数として、各CAMファセットのシステム上の位置誤差が生じ得る。CAMの搭載は非常に敏感である。なぜなら、回転軸の位置誤差は、2倍も大きい位置誤差をもたらすからである。したがって、CAMの回転軸が5μm中心からずれていると、あるファセットは5μm中心に近すぎ、対向するファセットは5μm中心から遠すぎることになるので、全体の誤差は10μmになる。その結果、多くのCAM製作技術は、モータシャフトへの搭載後の較正を必要とする。
これらの、および他の例において、OCT画像の画質は、機械加工誤差あるいはアライメントの誤差に比例して劣化する。他の較正誤差には、不完全なCAM/モータ制御ループの影響が含まれる。テストされた多くのモータから明らかであるように、モータ制御ループにおける欠陥は、ランダムあるいは周期的な速度の不具合をもたらす。したがって、もしCAM50’がシンクマスターモードで駆動されていると、OCT画像の解像度を劣化させる位置誤差をもたらすタイミングの誤差が生じることになる。
CAM50’が一定の角速度で駆動されていると、パス長の変化は反復的であり、時間において線形に変化する。画像データおよび/あるいは速度の制御の同期は、図3に示すように光ビームがCAM50’のセグメント境界52を横切るときの再帰反射信号のパワーの損失を検出することによって、あるいは上述したような他の方法によって得ることができる。CAM表面51の精密な製作の能力の限界のために、CAMの各セグメント表面の間でわずかなパス長の変化があり得る。これは、OCTシステムのイメージング能力あるいは解像度を容赦なく減少させ得る。しかし、もし表面が較正されていれば、適切な同期回路あるいはシステムが前述したようにして実現されているときに、表面における不具合をリアルタイムで補正することができる。
CAM表面51上の仕上げ材料、その搭載、モータアセンブリ、および制御ループの質に依存して、CAM表面51は、較正技術を用いて較正され、画質を回復することができるようにルックアップテーブル(または他の手段)に永久に格納される必要がある。このルックアップテーブルは、リアルタイムで(もしくは非リアルタイムで)、再位置合わせの後検出を用いていかなる表面の不規則さをも較正するために用いられる。
図7Aおよび7Bは、8つのセグメントを有するCAMの好ましい実施形態の測定されたタイミング(あるいは同等にパス長)の変化対ステッパモータの位置を4mmおよび400μmスケールでそれぞれ示している。8つのセグメントの傾斜は非常に類似しているが、図7Bに示すように、約10から20μm相当のオフセットの変化があることに留意されたい。これは、CAM50’が回転角に対して非常に線形であるということと、OCTシステムにおけるCAM50’の適切な使用のために較正される必要があるセグメントからセグメントへのわずかな不具合があることとを示している。必要なオフセットを格納してルックアップテーブルにおいてこれらのカーブの8つ全てが重なるようにし、かつ走査補正ブロックにおいて可変数のブランクピクセルを挿入してこのオフセットを適用することによって、精度はOCT画像に対して回復され得る。この較正は、工場において一度だけ行われる必要があるか、あるいは実際に使われて自動化された方式で行われることができる。正確なステッパモータに加えて他の較正技術もまた用いることができる。
一実施形態による較正の方法が、図1Eを参照して図8に示されている。この方法は、ステップ801を含み、ステップ801において、プローブモジュール30がミラーを検知し、走査するように、システム内の精密なステッパステージ上に位置するミラーを置く。次に、CAM50’は、ステップ802により、急いで回転する。ステップ803では、CAM50’の走査範囲にわたってステッパモータをリニアにステップさせる。ステップ804において、時間においてピークの干渉計信号がCAM50’の各セグメントについてステッパ位置の関数として記録される。ステップ805では、信号対ステッパ位置のカーブが重なるようにするために必要なオフセットを計算し、これを記録する。最後に、ステップ806において、ブランクピクセルを挿入してその数を変えることによって、あるいはスキャンアナライザおよび補正ユニット160におけるトリガーパルスを遅延させることによってオフセットを与える。また、ピーク干渉計信号の反転によって記録されるパルスを整数倍して、振幅を補正することができる。
図8に示されているCAM表面の較正方法をさらに説明する。精密ステッパステージ上に配置されたミラーを試料25の代わりに用いる。CAM50’を急いでで回転させ、ステッパモータをCAM50’の走査範囲にわたってリニアにステップさせる。CAMの各セグメントについて、ピーク干渉計信号(時間において)をステッパ位置の関数として記録することができる。この技術は、8つのセグメントを有するCAMについて用いられたものであり、詳細は続くセクションで説明する。
図9を参照して、オフセットのみが関連する場合、精密フラット面を走査することができる。この走査の画像が得られて格納され、線対線の相関アルゴリズムを用いて、CAMのオフセットが計算され、ルックアップテーブルに格納され得る。
したがって、一実施形態による較正方法が、図1Eを参照して図9に示される。この方法には、ステップ901が含まれており、ステップ901ではプローブモジュール30がフラット面を検知し、それを走査するように、精密フラット面がシステム内に置かれる。好ましくは、このフラット面は、走査領域の中心に名目上置かれる。次に、ステップ902によると、CAM50’が速く回転される。そして、ステップ904に示すように、CAM50’の各セグメントについて、時間における各縦方向走査のピーク干渉計信号がCAMファセットの番号の関数として記録される。この場合には、各ファセットについて、1つのピークを記録する。このピークは、ファセットの位置と精密フラット面が光学パス長において合致する時間上の点に対応する。各ファセットについて、1つのピークのみを記録する。ステップ905において、信号対ステッパ位置のカーブが互いに重なるように、必要なオフセットを計算し、格納する。最後に、ステップ906で、スキャンアナライザおよび補正ユニット160においてブランクピクセルを挿入し、その数を変えることによって、オフセットが与えられる。
図10を参照して、OCT走査補正および信号処理機構の必要をなくしてOCT画像の再位置合わせをするように補正され得るCAM走査機構の不具合の他の分類がある。したがって、オフセット補正のみが必要である実施形態においては、遷移検出器および走査補正処理の必要をなくすことができる。例えば、上述したようにCAMの頂面および底面のマーキングを用い、CAMセグメント境界52およびCAM半径53に対してマークを正確に置くと、較正の全ては走査のトリガ機構に実質的に埋め込まれ、さらなる処理の必要なく、信号補正プロセッサ100(図1A)に直接供給することができる。
図10および図1A〜1Eを参照して、これらのマークあるいはfudicialsを実現するために、ステップ1001によると、CAM50’がモータ122に搭載され得、ステップ102に示すように、ジグおよびステッピングステージ(図示せず)を介してゆっくりと回され、OCTあるいは通常使用可能な精密機械面測定機器を用いてCAMファセットの表面51の位置を測定する。次にステップ1003によると、CAMファセットの表面が干渉計20あるいは同期信号を所望する他の基準から任意の距離にあるときに、CAM50’のフラット面(頂面、底面あるいは側面)が、繰り返しマークするジグを用いてマークされる(例えば線を引かれたり、描かれたりする)。そしてステップ1004は、CAM50’に次のファセットに回転することを要求し、処理が繰り返される。これにより、各ファセット距離に、較正されるマークがもたらされる。CAMの好ましい実施形態についてのファセット距離は、CAMの外の境界における弧の長さの約4倍ゆっくり変化するので、走査位置の正確さはマーキングの正確さよりも4倍高くなる。最後に、ステップ1005によると、通常の動作の中で、前のステップからの情報がスキャンアナライザおよび補正ユニット160に直接供給される。
これまでの説明では、高解像度OCTシステムの要件である走査の機械的な不具合をどのようにして補正するかの例を示している。数多くの他の方法を実行することができる。多くの例がCAMという観点において処理を説明したが、いかなる任意のOPSユニットにでもこのような技術を適用することができるのはもちろんである。
図11を参照して、本発明の一実施形態による他の較正方法は、例えば、ある縦方向の走査から次の縦方向走査への相互相関をとり、オフセット補正を示すものとして最大となる相互相関値を採用する信号処理技術を使用する。これは、図9に示した手順と類似しているが、ミラーや精密フラット面ではなく実際の試料を基準として用いる。上述したように、どのピクセルも調整し、適切な座標系にマップすることができる。本発明のこの観点の1つの重要な特徴は、OPSユニットの不具合が補正されるとき、OPSユニットのどのセクションが照明されているかをトラッキングする手段があることである。これは、マーカ検出器80、M/Revセンサ、および1/Revセンサ、あるいはこれらの組み合わせ、あるいは同等の方法を用いて、かつリアルタイムで走査の不具合を較正する走査補正処理を用いて行われ得る。このような方法により、高解像度のOCT画像が表示され、あるいは格納されることが可能となる。
したがって、一実施形態による補正方法は、図1Eを参照して図11に示される。この方法には、ステップ1101が含まれ、それにより試料25が、好ましくは同じスポットにおいて繰り返し走査され、補正されていない走査データがスキャンアナライザおよび補正ユニット160に送られる。次に、ステップ1102において、データについて、ある縦方向走査から次の縦方向走査へと相互相関がとられる。ステップ1103において、オフセット補正を示すものとして、最大の相互相関値を採用する。最後に、ステップ1104において、各ピクセルが調整され、適切な座標系にマップされる。
CAMの作製
CAMを作製する方法は様々ある。これらには、まず、多軸ダイアモンド旋回機を用い、第二に蒸気研磨および/あるいは精密(0.0005")ジググランドベースに厚い金属のオーバーコートを塗布し、第三に、精密ベースに薄いフレキシブル金属ミラーを接着し、第四に精密ベースに対して機械研磨技術を利用することが含まれる。さらに、用いることができる他の方法も当該分野では知られている。1つの付加的な例は、機械加工されたCAM表面にマイクロレトロリフレクタを接着することである。マスターが一旦作製されると、射出成型技術を用いて必要な許容誤差でCAMを製作することができる。これにより、他の製作技術に比べて、著しいコスト削減となる。また、CAMは回転軸(すなわち、CAMの薄い端部)に平行な方向にフラットな面を有している必要はない。つまり、表面は、機械加工工程を簡単にするために、(旋回軸に沿って)わずかに丸くなっていてもよい。これにより、多軸ダイアモンド旋回機において1つの軸がなくなり、射出成型アプリケーションにおいてファセットに斜面を持たせる必要もなくなる。
図12はCAM表面51のあるセグメントの好ましい実施形態を示している。単純にするために、本実施の形態では、入射光がCAMの動きと対向するように移動する座標系を使用するものと仮定する。
Pを、入射光がCAM50’への光路上で横切る基準点へのベクトルとする。Fを、入射光がCAM表面51にあたる点を表すベクトルとする。Zを、CAM50’が角度θ回転するときの縦方向のパス長の増加を表すベクトルとする。αを、回転角θ=0のときの入射光とx軸との間の角度とする。CAM50’が適切に動作するために、入射光の主光線は、いかなる角度θについてもCAM表面51から再帰反射しなければならない。Rを、x軸に沿ったCAMの半径53とする。
精査によって、
【数1】
【数2】
均一な速度プロファイルについては、Zは、θとともにある定数kで線形に増加しなければならない。したがって
【数3】
【数4】
ゆえに、
【数5】
【数6】
Tを、CAM表面に対するFのタンジェントであるベクトルとする。そうすると、
【数7】
である。
CAM表面51と交差する光195が基準アームに向けて確実に再帰反射されるようにするために、表面のタンジェントTは光のパスZに対して直交しなければならない。したがって、TおよびRのベクトルドット積はゼロでなければならず、
【数8】
この式を解くと、
【数9】
したがって、まとめると、θ=0におけるパス長の増加、CAM表面の輪郭F、Fの大きさ、並びにαとkとの関係を示す式は、
【数10】
【数11】
【数12】
【数13】
で与えられる。
OCTシステムにとって重要なCAMシステムの一例として、以下のシステムを説明する(このCAMシステムはこの文書中のどこにでも記載されている)。典型的なポリゴンスキャナモータは、5000から45000RPMの間で動作する。15000RPMのモータスピードを用いて2kHzの縦方向の基準アームの走査レートを得るためには、システムは、8CAMセグメントを要する。すなわち、8*15000/60=2kHzである。これらのポリゴンスキャナシステムは、R=1.5”=38.1mmのCAM半径53を収容することができる。典型的なOCTバイオメディカルイメージングシステムは、約4mmの走査長(データの3mmとエクストラウィンドウの1mm)を必要とする。したがって、
【数14】
ここで、θの単位は度であり、0°から45°まで変化する。
一実施形態において、CAMは中央に0.625”の穴と、モータシャフトへの搭載のための3つの0.120”のスルーホールとを有するように設計された。約1”の半径で中央から溝が切られ、CAMのバランスを集めるようエポキシを注入するために用いられた。これは、製作し得るよりも幅広いCAMパラメータの一実施形態にすぎない。CAMの製作では、以下の条件が満足されることが必須ではないが有用である。
1) CAMはほぼ同一のセグメントを有する。
2) z軸において、CAMは光学的な精度密に対してなめらかでなければならない(必ずしもフラットでz軸に直交する必要はない)。
3) 段差の変わり目での曲面半径は最小にすべきである。
4) 表面は、光学的な精度(例えば、弧に対して〜1波長)に対して、理想的なCAM表面の輪郭、すなわちF(θ,k,α)をたどるように、十分な解像度で切断されるべきである。
5) CAMが0°から360°まで回転するときの表面上にフォーカスされたスポットについての反射率は、セグメント間の変わり目の近傍を除いて、ほぼ一定でなければならない。
本発明の好ましい実施形態は、CAMシステムの不具合の影響をリアルタイムで(あるいは非リアルタイムで)較正することに関連していることに留意されたい。アルゴリズムを強度変化を補正するために用いることもできる。例えば、図3は、CAM表面51が合焦していき、焦点から外れていくときに、CAMの各セグメントを横切ってのパワー変化があることを示している。焦点距離がより長ければ、アライメントの誤差(例えばチルト)に対する感度を増すことによってこの変化は減少される。これらの強度変化は容易に記録できる(あるいは数学的に導かれる)ので、表面の不規則さと類似したようにして較正することができ、またピクセル単位で較正することができる。したがって、好ましい実施形態において、走査補正ブロックは、空間的な解像度の劣化を与える表面の不規則さと、振幅の解像度の劣化を与える強度変化の両方を補正することができる。
他の実施形態
OCTシステムにおいて用いられるマルチセグメントCAM表面51の動作を先に説明した。しかしながら、本発明の他の実施の形態は、回転式のCAM表面よりもさらに広い素子をも包含する。一般的に、本発明のある好ましい実施形態は、回転運動を、高解像度の高速OCTイメージングのための光学的なパス長の走査に変換することに関連している。このセクションでは、本発明の他の実施形態を説明する。
図13Aおよび13Bは、本発明のある実施形態を示す図であり、ダプルパスの幾何学的構成に配置されている回転素子50を有する。ダブルパスで回転素子50を使用することにより、2倍のストロークを得ることができる。ドップラーシフトもまた2倍になり、これを信号プロセッサにおいて考慮しなければならないことはもちろんである。これにより、シングルパスの幾何学的構成に対して試料プローブの走査深度は実質的に2倍になる。ダプルパスの機構は、基準モジュール40内に置かれるか、図13Aおよび13Bに点線で示されるように基準モジュール40から分けられ得る。ここでは、ダプルパスの2つの実施形態を示している。図13Aでは、基準アーム41からの光550は、回転素子50上にわずかな角度(誇張された角度が示されている)に集光される。光550はレンズ510に反射され、レンズ510が光を平行光化して、ミラー520に渡す。光は、ミラー520で再帰反射され、回転素子の表面を横切って基準アーム41に再び戻る。
本実施形態において、信号のパワー損失を最小にするためには、より長い共焦点パラメータを用いることが望ましい。被写界深度がより大きいフォーカスレンズを用いることにより、回転素子の表面が焦点に合ってきて、外れていくときのパワー変化は最小になることに留意されたい。本発明の他の実施形態においては、命令を受けると、ユーザにとってより融通がきくようにするために、回転素子50上の光ビームがシングルパスからダブルパスに自動的に調整されるように、レンズの位置を調整するための機構が存在する。これは、図13Aのフォーカスレンズ510上に縦方向の矢印530で示されている。
あるいは、図13Bに示すように、他の実施形態はブロック540を用いる。ブロック540は、ガラスあるいは他の材料であり得、機械的な旋回および手動あるいは自動モータ(ソレノイド)(図示せず)を用いてある場所にめくることができる。ブロック540は、所定の場所にあるときにダブルパス動作のためにフォーカスレンズ510に入射する光560を与えるように、ある角度で配置される。ブロック540がないときには、光560はレンズ510の中心を横切って、シングルパスモードで動作する。この実施形態は、ブロック540の角度および長さを選択することで、ブロック540を所定の場所に動かすことによって光を正確にもたらすことができるという魅力的な特徴を有している。さらに光560は、ブロック540の正確な位置決めには比較的感度が低い。ガラスブロック540の調整は、ステッパモータ、ソレノイド、電気光学または他の適した手段を介して行うことができる。また、ダブルパスの幾何構成に1つのレンズだけを用いる必要は必ずしもない。
図13Cはダブルパスの他の実施形態を示している。先の実施形態では、一回の反射動作と二回の反射動作との切り替えがレンズの動きに関連した。これは、反射位置での遅延を補償するためのパス長の調整機構を必要とする。図13Cを参照して、他の実施形態は、ファイバカプラ570を用いて基準アーム干渉計を2つのパスREF1およびREF2に分割し、各ファイバ出力195Aおよび195Bを別々に回転素子50上に一列に並べることによって遅延を解消する。第一のアームREF1は一回反射モードで動作され得、第二のアームREF2は回転素子50の異なる部分に並べられて、ダブルパス反射モードで動作される。シングルパスアームにおける見かけ上の遅延とダブルパスアームにおけるそれとは、(中央で、あるいは走査画像および分散の所定の位置での絶対遅延で)つり合っている。OCT機器は、基準アームの一方または他方をブロックするように機械的なシャッターを用いることによって2つの遅延を切り替えてもよい。あるいは、1:2シングルモードファイバ光学スイッチを50/50ファイバカプラ570の代わりに用いることもできる。後者のアプローチは、基準アーム反射パワーにおいて6dBの損失を解消する。しかしながら、典型的には余剰な基準アームパワーがあるので、性能は弱められない。
図13Dを参照して、本発明の他の実施形態は、異なる走査深度を有する2つ以上の回転素子、例えばCAM50Aおよび50Bを含んでおり、それぞれが他のものの上面に搭載され、同じモータ122で駆動される。しかしながら、これらは、図示されているように異なる径を有する必要はない。異なるCAMについての走査スピードが一定に保たれていれば、ドップラー周波数は不変のままにすることができ、したがって、より簡易なレシーバ設計が可能である。また、これは、CAM表面の異常を一定にしておくという利点も有している。下表は例を示している。下表中の積は、ドップラーシフトに比例する数である。
【表1】
本実施形態では、CAM1および2が適当な同期を有している。すなわち、4ファセットCAMの位置センサは、8ファセットCAMについての位置センサを分割することによって読まれ得る。
あるいは、他の実施形態では、干渉計の基準アームは、先に述べたように2つに分割され得る。
簡単にするために、先の説明は主に、OPSユニット175として回転素子50の具体的な実施形態に関連していた。この説明は、説明された具体的なOPSユニットのいずれにも適用され、あるいは当該分野で知られている他のものにも適用されるのはもちろんである。
図14Aは、リニアに平行移動するステージで駆動されるガルバノメータ600を用い、かつリニアな走査を行うためにカスタムミラー610を用いる本発明の他の実施形態を示す図である。今日の市販のOCT方法の大半は、ガルバノメータの端部に配置された小型レトロリフレクタを用いている。これは2つの問題を有している。第一に、レトロリフレクタは大きくて重く、高速を実現することはできない。第二に、ガルバノメータのシャフトの角運動からレトロリフレクタの変位への変換は線形ではない。CAM表面についての上述した数学的処理とほぼ同じ処理を用いることによって、ガルバノメータのミラー表面が、光ビームの再帰反射の条件を維持しつつ、シャフト運動を線形なミラーの平行移動に正確に変換するように得られ得る。これは、標準的な市販の技術に対して、ミラーは質量においてレトロリフレクタよりも小さく、したがって高速を実現することができるという利点を有している。また、回転運動から焦点の変位への変換は線形である。本例において、ミラー610は、時間において線形な変位を実現するようにランプ状の波形あるいは三角形の波形で回転される。
今日の最も高速なガルバノメータの多くは、レゾナントガルバノメータであり、時間においてシヌソイドでのみ駆動され得る。これらのガルバノメータは、ドップラートラッキングレシーバがスキャンアナライザおよび補正ユニット160において実現されていれば、用いることができる。しかしながら、シヌソイドの角回転から焦点の線形の変位への変換を生成するように異なるミラー表面を用いることができる。つまり、ガルバノメータのシャフトが時間においてシヌソイドで駆動されるとき、再帰反射された光ビームの線形な平行移動が実現される。これにより、ドップラートラッキングレシーバで得ることができるよりも高い全体のOCTシステムの効率が生み出される。具体的には、あるいは同じ信号のパワーについて信号対雑音比あるいは画像のフレームレートでほぼ6倍の向上がみられる。その結果、OCTシステムのための高速低コストの基準アームの変換器を得ることができる。
図14Bにおいて、ミラーが回転するとき、パス長Zは角度において線形に増加し、主光線が再帰反射される。図12に関して上で説明した式は、図14Bに示すベクトルとともに用いることができる。
図15は、回転ベルト720上に搭載された小型の移動ミラー710あるいはレトロリフレクタを用いる本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態は、他の縦方向走査機構の例であるが、高速での非常に大きいストロークの可能性を有している。本実施形態において、基準アーム光ビーム730は、一連の小型移動ミラー710あるいはレトロリフレクタに導かれる。表面が平行移動すると、ミラー710が平行移動され、基準アームパスレングスも平行移動される。この装置は、回転式のモータが素早くミラーを平行移動させることを可能にするように、小型の「コンベアベルト状の」装置上に構成され得る。ミラー間のスペースは、様々なデューティサイクルを実現するように調整することができる。この技術を用いると、最小のデッドタイムで大きな迅速な変位を実現することができる。
図16は、回転式のヘリカルミラーを用いる本発明の他の実施形態を示している。ここで、基準アームファイバ35は基準アームモジュール40に連結されており、光820は回転ヘリカルミラー810上に集光される。この装置は、旋回ディスク810の端部830が用いられないことを除いては、CAMベースの設計と似たようにして動作する。代わりに、旋回ディスク810の面840が、光の光路長を変えるように用いられる。CAMについて述べられたものと類似した一群の数式が本実施形態を説明するために得ることができる。ある実施形態において、パス長は回転とともに線形に増加し、集光されるビーム820の主(すなわち中央の)光線は、基準アームファイバ35の方に再帰反射される。示されている単一のセグメントのミラー810に加えて、より速いスピードを実現するために複数のセグメントを有するミラーを用いることができる。大半の例において、製作の不具合のために、高解像度を実現するためには走査補正機構が必要である。したがって、もしミラーが複数のセグメントを有していれば、表面におけるマッチングの不具合を、前述したアルゴリズムと類似したアルゴリズムを用いて、リアルタイムで(あるいは非リアルタイムで)較正し、補正することができる。
図17Aは、高速の縦方向走査を有するOCTシステムを作成するように、可変屈折率か可変厚さのいずれかを有する回転ディスク910を用いる本発明の他の実施形態を示している。ある実施形態において、回転ディスク910は透過性である。光は、ディスク910を一旦通過した後に用いられることができるが、好ましくは、レンズ920およびミラー930を用いてディスク910を通して反射し返される。あるいは、ディスクは、外部レンズ920およびミラー930の必要をなくすようにミラー処理された第二の表面915を有してもよい。さらに、ディスク910は、物理的に可変の厚さか、図17Bに示すように、物理的に一定の厚さおよび角張って可変の屈折率のどちらかを有し得る。他の実施形態では、ディスク910は、物理的に可変の厚さと可変の屈折率との両方を有し得る。したがって、いかなる改変においても、ディスク910が旋回すると、光路長は変わる。ある実施形態において、ディスクが一定の角速度で回転されると、光路長においてほぼ均一な増加が得られる。
このような設計は、Michelson干渉計とは反対の透過型の干渉計の実施形態(例えばMach/Zehnder干渉計)においても、用いることができる。
他のアプリケーション
本発明の様々な実施形態は、高速のほぼ連続した回転運動をほぼ直線状の縦方向のパス長の動きに変換することに留意されたい。
上述の実施例は、単に例示的なものであり、本発明を限定するようなものではない。本教示は、他のタイプの装置にも容易に適用可能である。本発明は、OCTの分野外でのいくつもの他の用途を有しており、これにはfemptosecondオプティクスのための光学的な自己相関器、高速ウェーブメータ、レーザレーダ、および他のものが含まれる。この装置はまた、レーザキャビティ(ファブリペローレーザのような)内で、レーザ出力の周波数を素早くかつ滑らかに調整するためにも用いることができる。本発明の説明は、例示的なものであり、請求項の範囲を限定するものではない。多くの代替、修正、および改変が当業者には明らかである。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)はイメージングシステムの一実施形態を示す図である。
(B)はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
(C)はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
(D)はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
(E)はマルチセグメントCAMを有するOCTイメージングシステムの一実施形態の概略図である。
【図2】(A)は本発明の他の実施形態による補正前の目標領域のトラッキングの例を示す。
(B)は本発明の他の実施形態による補正後の目標領域のトラッキングの例を示す。
【図3】 図3は本発明の他の実施形態による8セグメントCAMの測定された反射率プロファイルを示す。
【図4】 図4は本発明の一実施形態による、CAMのどのファセットがOCT光による照明にアクティブにさらされているかのトラッキングを行う、マーカ検出器と組み合わせられた1回転に1回のセンサ(1/Revセンサ)を用いる同期方法を示す。
【図5】 本発明の一実施形態による、1/RevセンサおよびM/Revセンサを用いるシステムの同期方法を示す。
【図6】 本発明の一実施形態による、1/Revセンサのみを用いるシステムの同期方法を示す。
【図7】(A)は8セグメントCAMの実施形態の測定されたタイミング変化(あるいは同等のパス長)対ステッパモータの位置を400μmスケールで示す。
(B)は8セグメントCAMの実施形態の測定されたタイミング変化(あるいは同等のパス長)対ステッパモータの位置を4mmスケールで示す。
【図8】 図8は、本発明の一実施形態による、精密ステッパステージ上に配置されたミラーを用いる光学パスレングススキャニングユニットの較正方法を示す。
【図9】 図9は、本発明の一実施形態による、精密フラット面を用いる較正方法を示す。
【図10】 図10は、本発明の一実施形態による、OCT走査補正および信号走査補正処理機構の必要をなくす較正方法を示す。
【図11】 図11は、本発明の一実施形態による、ある縦方向走査から次の縦方向走査への相互相関を取り、オフセット補正を示すものとして最大の相互相関値を採用する信号処理技術を用いる較正方法を示す。
【図12】 図12は、本発明の一実施形態によるCAM表面の一セグメントの一子形態を示す。
【図13】(A)は、走査の深度を増加させるために、ダブルパス幾何構成において回転素子を用いる実施形態を示す。
(B)は、走査の深度を増加させるために、ダブルパス幾何構成において回転素子を用いる他の実施形態を示す。
(C)は、ファイバカプラに連結された2つの基準アームを用いるダブルパス構成の他の実施形態を示す図である。
(D)は、異なる走査深度を有し、それぞれが他のものの頂部に載せられている2以上のCAMを用いる本発明の一実施形態を示す。
【図14】(A)は、線形の平行移動を行うためのガルバノメータおよびカスタムミラーを含む実施形態を示す。
(B)は、線形の平行移動を行うためのガルバノメータを有するミラーを含む実施形態を示す。
【図15】 図15は、回転ベルト上に搭載された小型移動ミラー(あるいはレトロリフレクタ)を用いる本発明の実施形態を示す。
【図16】 図16は、回転式ヘリカルミラーの実施形態を示す図である。
【図17】(A)は、変化する屈折率または厚さを有する回転ディスクを用いる本発明の実施形態を示す。
(B)は、一定の物理的厚さおよびラジカルに変化する屈折率を有する回転ディスクを用いる本発明の実施形態を示す。
【符号の説明】
2 イメージングシステム
3 ブロードバンド光
20 干渉計
25 試料
80 マーカ検出器
90 走査補正ユニット
95 光学パスレングス位置決めユニット
100 信号補正プロセッサ
110 プロセッサ
150 検出器ユニット
160 スキャンアナライザおよび補正ユニット
170 OPSユニットコントローラ
175 光学パスレングススキャニングユニット
Claims (19)
- ブロードバンド光を受け取り、基準出力信号、および試料戻り信号を生成する試料に向けられるプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する光学パスレングススキャニングユニットと、
前記干渉計が前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて出力した干渉計出力信号を受け取り、検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、
前記検出器ユニットと連結されており、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有するスキャンアナライザおよび補正ユニットと、
前記光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラと
を備え、
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析し、走査補正情報を決定する、装置。 - 前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を受け取り、走査補正データを生成する光学パスレングス位置決めユニットを備えている、請求項1に記載の装置。
- 前記光学パスレングス位置決めユニットは、走査補正ユニットおよびマーカ検出器を備えており、前記マーカ検出器は前記制御信号を受け取って前記走査補正ユニットにマーカ情報を出力し、前記走査補正ユニットは前記検出器出力信号および前記マーカ情報を解析して前記走査補正データを出力する、請求項2に記載の装置。
- 前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記走査補正データを受け取り、前記走査補正データを用いて前記検出器出力信号を改変し、走査補正されたサンプルデータを出力する信号補正プロセッサをさらに備えている、請求項3に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転素子である、請求項1から4の何れか1項に記載の装置。
- 前記回転素子はカムである、請求項5に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、反射面を備えており、前記スキャニングユニットコントローラはガルバノメトリックモータを有している、請求項1から6の何れか1項に記載の装置。
- 前記干渉計はダブルパスユニットを備えている、請求項1から7の何れか1項に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転式ヘリカルミラーを備えている、請求項1から4の何れか1項に記載の装置。
- 前記回転式ヘリカルミラーは、一定の回転スピードで駆動されるときに、時間の経過に従って前記干渉計からのパス長が線形に変化する、請求項9に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転ディスクを備えている、請求項1から10の何れか1項に記載の装置。
- 前記回転ディスクは透過型である、請求項11に記載の装置。
- 前記回転ディスクは反射型である、請求項11に記載の装置。
- 前記回転ディスクは、回転角とともに変化する屈折率を有している、請求項11から13の何れか1項に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、平行移動素子を備えている、請求項1から4の何れか1項に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転素子および平行移動素子を備えている、請求項1から4の何れか1項に記載の装置。
- 前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転ベルトに機械的に連結された反射面を備えている、請求項1から4の何れか1項に記載の装置。
- 粗パス長調整機構をさらに備えている、請求項1から17の何れか1項に記載の装置。
- ブロードバンド光を受け取り、基準出力信号、および試料戻り信号を生成する試料に向けられたプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する回転式光学パスレングススキャニングユニットと、
前記干渉計が前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて出力した干渉計出力信号を受け取って検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、
前記検出器ユニットに連結されたスキャンアナライザおよび補正ユニットであって、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有しているスキャンアナライザおよび補正ユニットと、
前記回転式光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記回転式光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラと、
を備えている装置であって、
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析して、走査補正情報を決定する、装置。
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