JP4804820B2 - 光断層画像表示システム - Google Patents

Description

本発明は物体の表面下部の内部構造の画像、あるいは生体組織の表皮下層断層の画像を観察する光断層画像表示システムに関する。

近年内視鏡治療などの医療技術の進歩に伴って、病理組織の診断を非深襲かつリアルタイムに行う診断方法が望まれている。従来例えばＣＣＤを用いた電子内視鏡や、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波による画像化が診断方法として用いられている。電子内視鏡は生体の表面の観察に限定され、また後者の画像診断システムはミクロンオーダーの分解能で観察するには技術的な限界があった。このような方法を補完する技術として、光コヒーレンストモグラフィーシステム（ＯＣＴ）が注目されている。

ＯＣＴの中には、時間領域ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）と周波数領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）の２種類があり、またＦＤ−ＯＣＴの中にもスペクトロメータタイプと波長走査型光源タイプの２つがある。波長走査型ＯＣＴは、非特許文献１に記されているように、生体に光を照射し、照射光の波長を連続的に変化させ、参照光と生体内の異なる深さから戻ってくる反射光とを干渉計で干渉させ、その干渉信号の周波数成分を分析することによって、断層画像を得るシステムである。この技術は物体内部からの信号の周波数分析から極めて高分解能の断層画像を構築することができるため、高度なシステムとして期待されている。波長走査型ＯＣＴは測定感度も高く、動的ノイズに強いという点で内視鏡などの実使用に好適である。ここで照射する光の波長走査の帯域が広いほど周波数分析の帯域が上がるので、深さ方向の分解能が上がる。

画像診断システムにおいて、従来、２次元画像を生成するための深さ方向の位置スキャンに対応するトリガ信号として、一定周波数範囲を走査した光の一部を分岐し、スキャン開始波長（例えば最短波長）に中心透過波長をもつ狭半値幅のフィルタを用いて、その出力側に受光素子を置いてモニタし、その電圧出力のスパイク波形をトリガ信号に変換する方法が用いられる。

更に１回の波長走査の中で画像の分解能に合わせて例えば等周波数間隔で１０２４ポイントをとり、フーリエ変換を行うタイミング信号として与える必要がある。通常これをｋトリガという。このｋトリガ信号を生成する方法として、光源の出力の一部をファイバカプラなどで分岐して、そこにサンプリングの周波数間隔と同じＦＳＲをもったエタロンを介して、フォトダイオードでの受光信号のスパイク応答を矩形のトリガ信号に変換して生成する方法がある。トリガ信号の間隔Δｋは観察深さ範囲に比例し、より細かく取るほど深くまで解析できる。このトリガ信号の間隔Δｋは等周波数間隔である必要がある。これが周波数間隔でなければ、波長走査が非線形となり、画像が歪んだりノイズの影響を受けるという問題点が生じる。
Handbook of Optical Coherence Tomography，p41-43, Mercel Dekker, Inc. 2002

従来の時間領域ＯＣＴの場合には、広帯域な光を当て生体内部からの反射光の干渉成分を周波数分析していたが、この方法だと干渉光の中に異なる深さからの反射光も重なりあうために、ある特定の深さからの信号光だけを感度良く検出できなかった。

波長走査型ＯＣＴはこの欠点を解消するものであり、単色性の強い光の波長を走査できる光源を使用することによって、特定の深さに対応する周波数成分を個々に分析でき、理論的に時間領域ＯＣＴの１００倍以上の感度が得られる。しかし波長走査型ＯＣＴに用いることができる光源がなく、実用化されていなかった。

通常この深さ方向の分析を特定範囲の波長の１走査で行い、水平方向にも光ビームをスキャンして２次元の断層画像を構築する。断層画像の１フレーム当りにかかる時間は波長の走査時間と光ビームの水平走査時間の積である。１秒にビデオレートの３０フレームを表示する場合、横方向解像度を５００とすると、１秒間に垂直方向に繰返して３０×５００＝１５０００回の走査、つまり１５ＫＨｚという高速な走査を必要とする。しかし既存の波長走査型光源では、１回の走査に数十秒掛かっていた。このように従来の波長走査型光源では、数十ＫＨｚの高速走査と、広帯域可変、狭線幅を実現するのが困難であった。そのため従来の技術では、内視鏡応用下での実使用環境に耐えうる丈夫で、高感度、高画質を実現できていない。

又光の一部を分岐してフィルタから抽出した光によりトリガ信号を生成する方法だと分岐比分、光出力を無駄にし、極めて狭い半値幅のフィルタを作製する必要が生じる。更にエタロンを用いてｋトリガを生成する場合、波長走査型光源の動的線幅より細かくなると、つまり光源線幅＞エタロンのＦＳＲとなると、シャープな応答出力が得られなくなってくる。例えば、１０２４本のトリガ信号が必要なとき、波長走査範囲を１００ｎｍとすると、ΔｋはΔλで約０．１ｎｍとなる。高速で波長を走査する場合には、光源のスペクトルの動的線幅が太くなる。動的線幅がこれに等しい０．１ｎｍ程度となってくると、分解できず、出力ができなくなることがあった。又応答出力の形状がだれて、パルスのタイミング検出の精度が悪化したり、外部のファイバカプラの分岐比の波長依存性などによって、タイミングを決める電圧の閾値が変動して、トリガ生成回路に複雑なアルゴリズムが必要となる。

本発明は上記課題に着目し、高速走査と、広帯域可変、狭線幅を実現する波長走査型光源を用い、この画像表示システムに適したトリガ信号が得ることができるトリガ回路を有し、高分解能、高感度、高速で画像表示することができる光断層画像表示システムを提供することを目的とする。

この課題を解決するために本発明の光断層画像表示システムは、周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、前記波長走査型光源の波長走査毎にトリガ信号を発成するスキャントリガ発生部と、前記スキャントリガ発生部より得られるトリガ信号をトリガとして、１走査の期間内に前記波長走査型光源の光の等周波数間隔でのｋトリガ信号を発生するｋトリガ発生部と、前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、前記受光素子からの出力及び前記ｋトリガ発生部からのｋトリガ信号にタイミングを合せて干渉信号に対してフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備し、前記波長走査型光源は、レーザ発振の光路となる光ファイバループと、前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、前記光ファイバループより複数の光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、前記光分岐入射部で分岐された複数の分岐光が与えられ、夫々同一の波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、前記波長可変フィルタは、前記光分岐入射部より得られる光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部と、前記光ビーム偏向部で偏向された光が入射され、入射角と同一方向に入射角に応じて変化する選択波長の光を反射する回折格子と、を具備するものである。

ここで前記スキャントリガ発生部は、前記光ビームの偏向部の偏向の範囲内の所定の角度の照射時に、その正反射光を受光する位置に設けられた第２の受光素子と、前記第２の受光素子からの出力を整形する波形整形回路を有し、前記波形整形回路からの出力に基づいて波長の走査毎にスキャントリガを発生するようにしてもよい。

ここで前記干渉光学計は、中間に結合部を有する第１，第２の光ファイバを含み、前記第１の光ファイバは、前記波長走査型光源から発生した光を前記結合部を介して参照ミラーに導き、参照ミラーで反射された光を再び結合部に導くものであり、前記第２の光ファイバは、前記波長走査型光源の光を前記結合部を介して測定対象まで導き、該測定対象からの反射光を再び結合部に導くと共に、結合部を介して得られた干渉光を前記受光素子に伝送するものであり、前記結合部と参照ミラーまでの光学距離と、及び前記結合部と測定領域までの光学距離とを等しくしてもよい。

ここで前記ｋトリガ発生回路は、前記波長走査型光源の発振周波数ｆ（ｆ１≦ｆ≦ｆ２）を時間の関数として次式
ｆ＝ｆ（ｔ）
で表すものとし、周波数の変化範囲δｆが等間隔になるタイミングをｔ₁，ｔ₂・・・ｔ_m・・・ｔ_n（ｍ＝１〜ｎ）とすると、次式で示される発振周波数
ｆ（ｔ_m）＝ｆ１＋（ｍ−１）δｆ
となるタイミング
ｔ_m＝ｆ^-1｛ｆ１＋（ｍ−１）δｆ｝
をテーブルとして保持するメモリと、前記スキャントリガ発生部よりスキャントリガ信号が与えられる毎に、前記メモリに保持されたテーブルを読み出し、等周波数間隔のｋトリガ信号を生成するトリガ生成回路と、を具備し、前記メモリには、δｆの等周波数間隔の波長選択特性を持つ櫛歯状の干渉フィルタに前記波長走査型光源からの光を入力したときに、前記干渉フィルタよりピーク値が得られる時間間隔のデータをストアするようにしてもよい。

ここで前記ｋトリガ発生回路は、前記波長走査型光源の発振周波数ｆ（ｆ１≦ｆ≦ｆ２）を時間の関数として次式
ｆ＝ｆ（ｔ）
で表すものとし、周波数の変化範囲δｆが等間隔になるタイミングをｔ_１，ｔ_２・・・ｔ_ｍ・・・ｔ_ｎ（ｍ＝１〜ｎ）とすると、次式で示される発振周波数
ｆ（ｔ_ｍ）＝ｆ１＋（ｍ−１）δｆ
となるタイミング
ｔ_ｍ＝ｆ^−１｛ｆ１＋（ｍ−１）δｆ｝
を関数として記憶するメモリと、前記スキャントリガ発生部よりスキャントリガ信号が与えられる毎に、前記メモリの関数に基づいて等周波数間隔のｋトリガ信号を生成するトリガ生成回路と、を具備するようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、ｋトリガ発生部により周波数軸で等間隔なサンプリングをするので、歪みとノイズの少ない断層画像が得られる。又高速で波長走査することによって動画像を得ることも可能となる。

又請求項２の発明によれば、光ファイバループをレーザ発振の光路として用いることによって光路長を長くし、波長可変フィルタで発振波長を変化させる。波長可変フィルタは光ビーム偏向部で光を偏向し、回折格子に入射する。回折格子は入射角に応じて波長が変化するフィルタとして用い、入射光と同一方向に光を反射させる。こうすれば波長可変フィルタが光路の一部を構成することとなり、フィルタの選択波長によって発振波長を決めることができる。そして回折格子への入射角を連続的に変化させ、波長可変フィルタの選択波長を連続的に変化させることにより、発振波長を変化させることができる。この光ビーム偏向部の偏向速度を十分高くすることによって、高速で波長走査を行うことができる。この回折格子に同一方向より複数回光を入射することにより、高速で波長を走査しても選択幅を狭く保ち、挟帯域のレーザ光を得ることができるという効果が得られる。このため画像表示のフレームレートが速くできるので、生体内の帯同、拍動などがある場合でも、物体の動きによるぶれなどの影響を受けにくく、鮮明な画像を表示可能となる。又この光源を用いることにより、光周波数走査範囲が広いため、高分解能な画像表示を実現できる。

生体内部に照射された光はほとんどが拡散され、後方散乱光として干渉計に結合される率は−４０ｄＢ〜−５０ｄＢと非常に小さい。また反射の位置が深いほどビート信号の周期が短くなるので、光源としては高出力、狭い線幅でなければ深い位置での検出ができなくなる。本発明の光源では出力密度とコヒーレンスが高い（線幅が細い）ため、干渉信号の検出感度が高く、内部深達度も高い。このことによって高速な画像表示を高感度で広範囲に観察可能となる。

請求項５，６の発明では波長走査型光源の発生する光周波数が周波数軸上で一定の間隔となるように発生タイミングを記憶したメモリよりスキャントリガ信号に基づいて読み出すことによってトリガパルスを生成している。このため高い精度で等間隔のサンプリングを行うことができる。

図１は本発明の実施の形態による波長走査型光断層表示システムの全体構成を示すブロック図である。本図において波長走査型光源１０は一定の範囲、例えば２２０〜２５０ＴＨｚの光信号を発振する波長走査型の光源であって、その出力は光ファイバ１１に与えられる。光ファイバ１１の他端にコリメートレンズ１２及び参照ミラー１３が設けられる。又この光ファイバ１１の中間部分には、他の光ファイバ１５を接近させて干渉させる結合部１４が設けられている。光ファイバ１５の一端には、波長走査型光源１０から結合部１４を介して得られた光信号を平行光とするコリメートレンズ１６、光をスキャニングするスキャニングミラー１７が設けられる。スキャニングミラー１７は紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動することによって平行光の反射角度を変化させるものである。この反射光を受光する位置に集束レンズ１８が設けられ、測定部位へ光を集束される光の位置が前記機構によって水平方向にスキャニング（走査）する。ここで結合部１４から参照ミラー１３までの光学距離Ｌ１と、結合部１４から測定部位の表面までの光学距離Ｌ２とを等しくしておく。さて光ファイバ１５の他端にはレンズ１９を介してフォトダイオード２０を接続する。フォトダイオード２０は、参照ミラー１３からの反射光と測定部位で反射された光の干渉光を受光することによって、そのビート信号を電気信号として得る受光素子である。ここで光ファイバ１１，１５と結合部１４、コリメートレンズ１２、参照ミラー１３、コリメートレンズ１６、スキャニングミラー１７、集束レンズ１８は干渉光学計を構成している。

さてフォトダイオード２０の出力は増幅器２１を介して信号処理部２２に入力される。又波長走査型光源１０は後述するように光の走査の一端でトリガ信号を生成することができるものとし、その出力はスキャントリガ発生部２３に与えられる。スキャントリガ発生部２３は波長の走査のタイミング毎にトリガ信号を発生する回路であって、そのトリガ信号はｋトリガ発生部２４に与えられる。ｋトリガ発生部２４は後述するように波長走査型光源の光の１走査の範囲内で、等周波数間隔で多数のｋトリガ（サンプリングトリガ）を発生させるものである。このｋトリガ信号は信号処理部２２に入力される。

次に波長走査型光源１０の一例について説明する。図２は本発明の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態の波長走査型光源１０は光ファイバ３１を含んでループを形成している。このループの一部に、ゲイン媒体３２、光サーキュレータ３３、光カップラ３４及び偏波コントローラ３５を設ける。ゲイン媒体３２は、光ファイバループの一部に設けられるエルビウムイオン（Ｅｒ３^＋）を添加したエルビウムドープドファイバ３６と、このエルビウムドープドファイバ３６にポンプ光を入射するファイバ励起用の半導体レーザ３７、及びＷＤＭカップラ３８を有している。この光ファイバループは、例えば３０〜５０ｍの長さを有するものとする。この励起用半導体レーザ３７は例えば１４８０ｎｍや９８０ｎｍの波長が用いられ、エルビウムドープドファイバ３６を透過する光を増幅するものである。光サーキュレータ３３は、光ファイバ３１を透過する光の方向を図示のように矢印方向に規制する３ポート型のサーキュレータであって、光分岐入射部を構成している。光サーキュレータ３３の端子３３ａ，３３ｃが光ファイバループに接続されており、端子３３ａから入射した光は光サーキュレータの端子３３ｂより出射される。又光サーキュレータ３３ｂより入射した光は端子３３ｃより出射される。端子３３ｃより入射した光は端子３３ａより出射される。又光カップラ３４は光ファイバループの光の一部を抽出するものである。偏波コントローラ３５は、光ファイバループを透過する光の偏波方向を一定方向に規定するものである。

光サーキュレータ３３の端子３３ｂは、光ファイバ４１を介して図示のようにコリメートレンズ４２に接続される。コリメートレンズ４２は光ファイバ４１からの光を平行光とするもので、その光軸上にはポリゴンミラー４３が設けられる。ポリゴンミラー４３は駆動部４４によって紙面に垂直な軸に沿って回転するものであって、ポリゴンミラーの面で反射した光は回折格子（グレーティング）４５に入射される。回折格子４５は一定のピッチで連続して断面のこぎり波形状の面が形成された格子である。そしてこの実施の形態では、リトロー配置によって入射方向が変わっても、入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。そして入射角度によって選択波長が変化する。ここで選択波長は例えば１２６０〜１３６０ｎｍの範囲とする。ここでポリゴンミラー４３と駆動部４４とは、光ビームの角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部を構成している。この光ビーム偏向部と回折格子４５によって波長可変光フィルタを構成している。

ここでリトロー配置について説明する。回折格子に対する光ビームの入射角をγ、反射角をδとすると、以下の式によって回折光が得られる。
Λ（sinγ＋sinδ）＝ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。Λはグレーティングのピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数ａ（本／ｍｍ）の逆数である。

さて回折光にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しい。従って（１）式においてγ＝δ_−１とすると、（１）式より回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２Λsinγ ・・・（２）
尚、リットマン配置では入射光と反射光の角度は一致していない。

光ファイバループの長さは回折格子によるバンドパスフィルタの半値全幅中に複数本の縦モードが含まれるような長さを選択することが必要である。この縦モードの本数は好ましくは１０本以上とし、更に好ましくは１００本以上とし、多いほど好ましい。但し縦モードを多くするためには光ファイバを長くする必要があり、実用的には数十ｍの長さの光ファイバが用いられる。このように波長走査型光源を構成することによって、再現性がよく温度変化や経年変化の影響を受け難い波長走査型光源とすることができる。

次に図３はスキャントリガ発生部２３、ｋトリガ発生部２４の構成を示す図である。スキャントリガ発生部２３は、図２に示すように、光ビーム偏向部の光の偏向角度範囲の所定角度、例えば最も低い周波数を発生するポリゴンミラー４３の回転角度で光が入射したときに、その正反射光を受光することができる位置に、アパチャ６１を介して受光素子、例えばフォトダイオード６２を設ける。フォトダイオード６２は光の走査の一端にあることを検出するためのスキャントリガ信号を発生する第２の受光素子である。この出力が増幅器６３を介して波形整形回路６４に与えられる。これらのブロックによってスキャントリガ発生部２３が構成される。又ｋトリガ発生部２４はクロック発生回路６５及びトリガ生成回路６６及びメモリ６７を有している。クロック発生回路６５は一定のタイミングでクロック信号を発生するものである。メモリ６７は読み書きを制御するＲＷ制御部６８によってデータを任意に書き換えることができるものとする。このトリガ生成回路６７はトリガ信号が入力される毎に後述するように、メモリ６７のデータを読み出すことによって等周波数間隔のタイミングのｋトリガ信号を発生するものである。

次に、波長走査型光源を用いた光コヒーレントトモグラフィの原理について説明する。光源から光周波数が連続的にかつ周期的に変化するコヒーレント光を対象物体に照射させ、マイケルソン、あるいはマッハツェンダなどの干渉光学計を用いて物体内部、あるいは生体表皮下層で反射した後方散乱光と参照光とを干渉させる。この干渉光の強度分布を計測し、光周波数の変化に対応した強度分布の変化を測定することによって、深さ方向に沿った断層画像を構築できる。さらに物体上で１次元、２次元に空間ビームを走査することによって、夫々２次元、３次元の断層画像を構築することができる。

干渉計において結合部１４から２つの腕の光路、すなわち参照ミラー１３までの光路Ｌ１と、物体中の反射面までの光路Ｌ２とが等しいときには、干渉光のビート周波数はゼロとなる。次に、反射光が物体内部のある深さｚから反射するとき、光周波数が時間的に変化していると、その光路差の分、物体からの反射光と参照ミラー１３からの反射光の周波数に差が生じ、干渉光にビートが生じる。ここで、例えば光源の光周波数が時間的に線形に走査されているとする。干渉計の腕の長さが等しい位置に物体の表面があり、物体の反射面は表面から深さｚの位置にのみあるとする。結合部１４での参照光の周波数と物体からの反射光（物体光）の周波数の時間的変化は、夫々図４の直線Ａ，Ｂのようになる。ここで光周波数は走査レートα［Ｈｚ／ｓ］で、時間Ｔ［ｓ］内で周波数幅Δｆ＝αＴ［Ｈｚ］にわたって走査されるとする。参照光に対する物体光の遅れ時間τは、物体の屈折率をｎとすると、
τ＝２ｎｚ／ｃ
となる。従ってフォトダイオード２０で受光される干渉光は、ビート周波数
ｆｂ＝ατ＝（Δｆ／Ｔ）（２ｎｚ／ｃ） ・・・（３）
で変動することになる。

実際は反射光は物体内部の深さに沿って連続的に異なった位置から発生するので、反射光はそれぞれの深さに対応した異なったビート周波数成分をもつ。従って干渉光の強度変化を周波数分析することによって、ビート周波数に対応するある特定の深さからの反射光強度を検出することができる。この反射強度の空間分布をとることで、断層画像を構築できる。

数学的にはこの周波数分析は次式（４）で示される干渉光信号Ｉ_ｄｃｔをフーリエ変換することによって得られる。

第１，２項はそれぞれ参照ミラーと、物体からの反射光の直流成分であり、第３項が干渉信号光成分である。これをフーリエ変換することによって、物体中の任意の深さに対応する散乱光強度の関係を得ることができる。
干渉光信号：Ｆ（ｚ）＝ΣＩ_dct［ｋ_m］ｅｘｐ（−ｊ２ｋ_mｚ_n） ・・・（５）
ｋ_m＝ｋ（ｔ_m）＝２π／λ（ｔ_m）＝２πｆ（ｔ_m）／ｃ
上記干渉光信号はｋ空間で均等なサンプリングでフーリエ変換することによって、歪みのない画像が得られる。

このサンプリングのタイミングを与えるトリガ信号は、波長走査型光源１０の走査する光周波数と同期する必要があり、加えて波数、即ち周波数軸上で均等である必要がある。もし波長走査自体が図４のように時間的に線形でなく、非線形であれば、周波数軸上で均等なトリガは、時間的には不均等となる。従って単純に時間的に等間隔のクロックトリガでサンプリングしてしまうと、波長走査の非線形性の分、画像が歪んだり、ノイズの影響を受ける。

ここで深さ方向の分解能δｚは式（６）で表され、走査範囲の逆数に比例する、即ち走査範囲が広くなるほど高分解能となる。
δｚ＝（２ｌｎ２／π）・（λ_０ ^２／Δλ） ・・・（６）
ここでλ_０は中心波長であり、Δλは波長走査範囲である。

次にコヒーレント長Ｌｃは次式で表される。
Ｌｃ＝（２ｌｎ２／π）・（Ｃ／Δν） ・・・（７）
ここでΔνは動的線幅、即ち波長がシフトしている途中のスペクトル線幅である。

次に式（７）で表されるコヒーレント長Ｌｃは深さ方向の測定距離の２倍に相当し、線幅に反比例して広くなる。つまり画像表示システムとしては、広い波長走査範囲と、狭線幅（高コヒーレント）を持つ波長走査型光源であることが好ましい。

次にこの実施の形態の動作について説明する。前述した励起用の半導体レーザ３７を駆動し、ＷＤＭカップラ３８を介して光ファイバループをポンピングする。図５（ａ）はゲイン媒体１２の利得を示す。こうすれば光サーキュレータ３３の作用によって端子３３ａから加わった光が端子３３ｂより光ファイバ４１に入り、コリメートレンズ４２によって平行光となる。そしてポリゴンミラー４３の回転角度によって決まる角度で反射された光が回折格子４５に加わる。そして回折格子４５のリトロー配置によって選択された反射光がそのまま同一方向に反射され、ポリゴンミラー４３を介してコリメートレンズ４２に加わる。更にコリメートレンズ４２を介して光サーキュレータ３３より光ファイバループに加わる。又偏波コントローラ３５は光ファイバループを透過する光の偏波を一定方向に調整する。

図５（ｂ）は光ファイバループの長さと光ファイバの屈折率で定まる光学長に応じて定まる外部共振モード（縦モード）を示している。例えばこの光学長を３０ｍとすると、約１０ＭＨｚの間隔の縦モードが存在する。図５（ｃ）は回折格子４５の特性Ｂ１を示している。この特性Ｂ１に応じた波長で図５（ｄ）に示すように複数の縦モードを含んで多モード発振する。発振波長は例えば１２００ｎｍとなる。こうして光ファイバループで発振したレーザ光の一部、例えばレーザ光の９０％のレベルの光を光カップラ３４を介して取り出す。尚、多モードの発振での光信号は光波長多重通信で伝送する際には問題となるが、分光分析や光ファイバセンシング、光部品評価などでは発振線幅（厳密には、多モード発振時スペクトルの包絡線の半値幅）が被測定対象の分解能より十分狭ければ、問題となるものではない。光ファイバ３１の長さは光フィルタの半値全幅内に複数本、好ましくは少なくとも１０本以上、更に好ましくは１００本以上のモードが立つような長さを選択しておくものとする。

そして駆動部４４によってポリゴンミラー４３を回動させる。こうすれば回折格子４５への入射角度が変化し、これによって選択波長が図５（ｃ）のＢ１〜Ｂ２〜Ｂ３のように変化する。従ってポリゴンミラー４３を回動させることによって、図６に示すように発振波長を変化させることができる。この場合に、駆動部４４によってポリゴンミラー４３を回転させることによって、選択波長を例えば５０ｎｍの範囲内で高速の走査速度で変化させることができる。例えばポリゴンミラー４３の回転速度を３万ｒｐｍとし、ポリゴンミラー４３の反射面数を１２とすると、１５．４ＫＨｚの走査速度でファイバレーザ光源の発振波長を変化させることができる。

この実施の形態による発振の場合には、図５（ｄ）に示すように多モードの状態の発振となる。ここで図５（ｂ）のように縦モードの間隔が極めて狭いので、波長可変時の発振モードの移動は包絡線状に連続であり、従来の単一モード発振の外部共振器型半導体レーザのようなモードホップとそれに伴う出力や波長の不安定な状態はなく、波長を連続的に可変できる。

次に信号処理部２２の構成について説明する。増幅器２１の出力はローパスフィルタ５１に与えられ、高周波成分が除去されてフーリエ変換回路５２に加わる。フーリエ変換回路５２はスキャントリガ発生部２３及びｋトリガ発生部２４からのトリガ信号に基づいてローパスフィルタ５１の出力をフーリエ変換するものであって、その出力はＣＰＵ５３に伝える。ＣＰＵ５３ではこれに対して前述した信号処理を行い、画像信号としてモニタ５４に伝える。

次にスキャントリガ信号とｋトリガ信号の生成方法について説明する。図２に示すように回折格子４５からの０次回折光が偏向される範囲内の一端にフォトダイオード６２を配置し、固定の角度で０次回折光を検出し、その検出信号を生成する。０次の回折光は式（１）においてγ＝−δとなる角度、つまり正反射光であり、１次回折光と同じ波長成分が回折される。０次光は図２に示すように回折格子４５で反射されポリゴンミラーの回転に伴って繰返し偏向される。従ってフォトダイオードより偏向走査の繰返し周期毎に図６（ｂ）に示すようにスキャントリガ信号を生成することができる。

スキャントリガは後述のｋトリガを発生するタイミングを与えるトリガ信号として重要である。このタイミングをもって波長走査（Ａスキャン）の開始を判定し、横方向の空間的光ビームの走査（Ｂスキャン）と同期させる。Ｂスキャンは図１に示すスキャニングミラー１７によって行う。

回折光の光周波数は、偏向角度に対して式（２）に示されるように正弦関数的に変化する。光周波数ｆは次式で示される。
ｆ＝ｃ／２Λsinγ
ここで光周波数ｆはｆ１〜ｆ２まで変化するものとする。図７はこの関係の一例を示すグラフである。この周波数の走査範囲をΔｆ（＝ｆ２−ｆ１）とし、その間を１０２４に等分割すると、周波数分割幅δｆは次式で示される。
δｆ＝（Δｆ）／１０２４
一方、ポリゴンミラー４３を用いた場合、光の偏向角は等速、即ち線形に変化する。ここでｂを変化の係数とすると、
γ＝ｂ・ｔ
＝sin^−１（ｃ／２Λｆ）
∴ ｔ＝sin^−１（ｃ／２Λｆ）／ｂ

さて波長走査型光源が一様に繰返し精度高く偏向を繰り返すなら、周波数軸上で線形、等間隔となるよう時間軸上でトリガを補正することができる。トリガ信号のタイミングｔ_ｍは、ｍ＝１〜１０２４の整数とすると、式（８）のように以下の関数で表すことができる。
ｔ_ｍ＝｛sin^−１（ｃ／２Λ（ｆ１＋（ｍ−１）δｆ））−sin^−１（ｃ／２Λｆ１）｝／ｂ
・・・（８）

従ってこの関係をｋトリガ発生部２４のメモリ６７にテーブルとしてストアし、そのテーブルを読み出してトリガ（パルス）を生成する。こうすればテーブルの読み出しをスキャントリガにタイミングを合わせて開始することによって、波長走査毎に１０２４の等周波数間隔でｋトリガ信号を発生することができる。図６（ｃ）はこのｋトリガ信号を示している。ｋトリガ信号は図７に簡略化して示すように、等周波数のタイミングで発生する。

このメモリ６７にストアするデータを得るために、δｆの間隔を持つ櫛歯状の波長選択特性を持つ干渉フィルタ、例えばエタロンやマイケルソン干渉フィルタ、マッハツェンダ干渉フィルタを用いてもよい。図８（ａ）は波長走査型光源１０からの光の周波数特性、図８（ｂ）は干渉フィルタの特性を示す。この場合に波長走査型光源１０からの光をこの干渉フィルタに通すと、図６（ａ）に示すような光源の発振波長の変化特性により、フィルタから選択された出力が得られる。この出力が得られるタイミングを図８（ｃ）に示す。このグラフより明らかなように、出力タイミングは等時間間隔ではなく、等周波数間隔である。従ってピーク値が得られる時間をデータとして、メモリ６７にストアしておく。こうすれば以後このような干渉フィルタを用いる必要がなく、メモリ６７からのデータをスキャントリガ信号に応じて読出すことによって、図６（ｃ）に示す等周波数間隔のｋトリガ信号を得ることができる。

この方法に代えて、式（８）を時間の関数としてｋトリガ発生部２４にプログラムして、スキャントリガをトリガとしてクロックに応じてｋトリガ信号を発生させるようにしてもよい。

又この実施の形態では波長走査型光源として図２に示した光ファイバループを用いた光源としている。ここでポリゴンミラーを用いて光を偏向させているが、このポリゴンミラーに代えて他の光の偏向方法、例えばガルバノメータを用いて光を偏向するようにしてもよい。

又波長走査型光源として半導体レーザの一端を無反射型面とし、外部にミラーを設けて外部共振型の光源としてもよい。この場合に外部共振器内部に光の透過波長を連続的に変化させる光バンドパスフィルタを設け、外部共振器長と光バンドパスフィルタの透過周波数とを連動して変化させることによって、一定範囲で光の波長を連続的に変化させる波長走査型光源とすることができる。この場合にはこの光源から得られた光を走査の一端の波長を通過させる光バンドパスフィルタを介して結合部１４に導く。この光バンドパスフィルタからスキャントリガを得るようにしてもよい。

次により一般的に、任意の波長走査型光源を用いた場合のｋトリガ発生部２４の構成について説明する。波長走査型光源の発振周波数ｆを時間の関数として次式で表せるものとする。
ｆ＝ｆ（ｔ）
そしてｆ１からｆ２までの周波数の変化範囲が等間隔になるタイミングをｔ_１，ｔ_２・・・ｔ_ｍ・・・ｔ_ｎ（ｍ＝１〜ｎ）とすると、各タイミングでの発振周波数ｆ（ｔ_ｍ）は、次式で示される。
ｆ（ｔ_ｍ）＝ｆ１＋（ｍ−１）δｆ
従って波長ｆ１からｆ２までの波長の走査を行い、この時間に対する発振波長の関係をメモリに記憶しておく。即ち次式
ｔ_ｍ＝ｆ^−１｛ｆ１＋（ｍ−１）δｆ｝ ・・・（９）
をテーブルとして記憶しておく。スキャントリガ信号に応じてこのメモリのテーブルを読み出すことによって、時間軸上では等間隔でなく、周波数軸上で等間隔となるｋトリガ信号を得ることができる。このように等周波数間隔でｋトリガ信号を用いてフーリエ変換することによって、高分解能でノイズのない断面画像を得ることができる。

更に式（９）の関数のみを保持しておき、これを読み出すことによってｋトリガ信号とすることもできる。

本発明は高速走査と、広帯域可変、狭線幅を実現できる波長走査型光源を用い、この画像表示システムに適したトリガ信号を得るトリガ回路を設けることにより、物体の表面内部の内部構造や生体組織の表皮下層断面の画像を観察する光断層画像表示システムに好適に利用することができる。

本発明の一実施の形態による波長走査型光断層表示システムの全体構成を示すブロック図である。 本実施の形態による波長走査型光源を示す概略図である。 本実施の形態によるスキャントリガ発生部２３及びｋトリガ発生部２４の構成を示すブロック図である。 走査時間と発振周波数の関係の一例を示すグラフである。 本実施の形態のレーザ光源のゲイン媒体の利得、発振モード、バンドパスフィルタ及び発振出力を示すグラフである。 本実施の形態の発振波長及びスキャントリガ信号、ｋトリガ信号の時間的な変化を示すグラフである。 波長走査型光源の発振波長とポリゴンミラーの回転角度の関係を示すグラフである。 波長走査型光源の周波数変化を示すグラフ、及び干渉フィルタの特性、及びメモリに書込むデータを得るためにこのフィルタを通過させたときのピーク値のタイミングを示すグラフである。

符号の説明

１０ 波長走査型光源
１１，１５，３１，４１ 光ファイバ
１２，１６，１８，１９ レンズ
１３ 参照ミラー
１７ スキャニングミラー
２０ フォトダイオード
２１ プリアンプ
２２ 信号処理部
２３ スキャントリガ発生部
２４ ｋトリガ発生部
３２ ゲイン媒体
３３ 光サーキュレータ
３４ 光カップラ
３５ 偏光コントローラ
３６，３７ 半導体レーザ
３８ ＷＤＭカップラ
４３ ポリゴンミラー
４４ 駆動部
４５ 回折格子
５１ ローパスフィルタ
５２ フーリエ変換回路
５３ ＣＰＵ
５４ モニタ
６２ フォトダイオード
６４ 波形整形回路
６５ クロック発生回路
６６ トリガ生成回路
６７ メモリ
６８ ＲＷ制御部

Claims (5)

1. 周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、
   前記波長走査型光源の波長走査毎にトリガ信号を発成するスキャントリガ発生部と、
   前記スキャントリガ発生部より得られるトリガ信号をトリガとして、１走査の期間内に前記波長走査型光源の光の等周波数間隔でのｋトリガ信号を発生するｋトリガ発生部と、
   前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、
   前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、
   前記受光素子からの出力及び前記ｋトリガ発生部からのｋトリガ信号にタイミングを合せて干渉信号に対してフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備し、
   前記波長走査型光源は、
   レーザ発振の光路となる光ファイバループと、
   前記光ファイバループに接続され、発振する波長に利得を有するゲイン媒体と、
   前記光ファイバループより複数の光を分岐すると共に、分岐光と同一の光路で光を前記光ファイバループに戻す光分岐入射部と、
   前記光分岐入射部で分岐された複数の分岐光が与えられ、夫々同一の波長を連続的に可変させつつ選択し、選択した波長の光を同一の光路で光分岐入射部に与える波長可変光フィルタと、
   前記光ファイバループに接続され、前記光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備し、
   前記波長可変フィルタは、
   前記光分岐入射部より得られる光ビームの反射角度を一定範囲で周期的に変化させる光ビーム偏向部と、
   前記光ビーム偏向部で偏向された光が入射され、入射角と同一方向に入射角に応じて変化する選択波長の光を反射する回折格子と、を具備する光断層画像表示システム。
2. 前記スキャントリガ発生部は、
   前記光ビーム偏向部の偏向の範囲内の所定の角度の照射時に、その正反射光を受光する位置に設けられた第２の受光素子と、
   前記第２の受光素子からの出力を整形する波形整形回路を有し、
   前記波形整形回路からの出力に基づいて波長の走査毎にスキャントリガを発生する請求項１記載の光断層画像表示システム。
3. 前記干渉光学計は、
   中間に結合部を有する第１，第２の光ファイバを含み、
   前記第１の光ファイバは、前記波長走査型光源から発生した光を前記結合部を介して参照ミラーに導き、参照ミラーで反射された光を再び結合部に導くものであり、
   前記第２の光ファイバは、前記波長走査型光源の光を前記結合部を介して測定対象まで導き、該測定対象からの反射光を再び結合部に導くと共に、結合部を介して得られた干渉光を前記受光素子に伝送するものであり、
   前記結合部と参照ミラーまでの光学距離と、及び前記結合部と測定領域までの光学距離とを等しくした請求項１記載の光断層画像表示システム。
4. 前記ｋトリガ発生回路は、
   前記波長走査型光源の発振周波数ｆ（ｆ１≦ｆ≦ｆ２）を時間の関数として次式
   ｆ＝ｆ（ｔ）
   で表すものとし、周波数の変化範囲δｆが等間隔になるタイミングをｔ₁，ｔ₂・・・ｔ_m・・・ｔ_n（ｍ＝１〜ｎ）とすると、次式で示される発振周波数
   ｆ（ｔ_m）＝ｆ１＋（ｍ−１）δｆ
   となるタイミング
   ｔ_m＝ｆ^-1｛ｆ１＋（ｍ−１）δｆ｝
   をテーブルとして保持するメモリと、
   前記スキャントリガ発生部よりスキャントリガ信号が与えられる毎に、前記メモリに保持されたテーブルを読み出し、等周波数間隔のｋトリガ信号を生成するトリガ生成回路と、を具備し、
   前記メモリには、δｆの等周波数間隔の波長選択特性を持つ櫛歯状の干渉フィルタに前記波長走査型光源からの光を入力したときに、前記干渉フィルタよりピーク値が得られる時間間隔のデータをストアするようにした請求項１〜３のいずれか１項記載の光断層画像表示システム。
5. 前記ｋトリガ発生回路は、
   前記波長走査型光源の発振周波数ｆ（ｆ１≦ｆ≦ｆ２）を時間の関数として次式
   ｆ＝ｆ（ｔ）
   で表すものとし、周波数の変化範囲δｆが等間隔になるタイミングをｔ₁，ｔ₂・・・ｔ_m・・・ｔ_n（ｍ＝１〜ｎ）とすると、次式で示される発振周波数
   ｆ（ｔ_m）＝ｆ１＋（ｍ−１）δｆ
   となるタイミング
   ｔ_m＝ｆ^-1｛ｆ１＋（ｍ−１）δｆ｝
   を関数として記憶するメモリと、
   前記スキャントリガ発生部よりスキャントリガ信号が与えられる毎に、前記メモリの関数に基づいて等周波数間隔のｋトリガ信号を生成するトリガ生成回路と、を具備する請求項１〜３のいずれか１項記載の光断層画像表示システム。

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