JP4804977B2 - 波長可変レーザ装置および光断層画像化装置 - Google Patents

Description

本発明は、発振波長が可変な波長可変レーザ装置、および該波長可変レーザ装置を用いて測定対象の光断層画像を取得する光断層画像化装置に関する。

従来、発振波長が可変な波長可変レーザ装置としては、例えば特許文献１に記載の図８に示す外部共振器型の装置が知られている。図８に示す装置では、半導体レーザ媒質１１１の低反射面からの射出光をコリメートレンズ１１２で平行光に変換した後、回折光学素子１１３の回折面へ入射させ、回折光学素子１１３により波長分散された回折光をリレー用の２つのレンズ１２４ａ、１２４ｂを経て、ポリゴンミラー１２５に入射させる。波長分散された光のうち、ポリゴンミラー１２５の反射面に直交する特定波長とその近傍の波長成分の光のみが戻り光となり、半導体レーザ媒質１１１に帰還する。半導体レーザ媒質１１１は、この特定波長の光に誘導されて定在波をつくり、その特定波長（以下、発振波長という）の光を射出する。ポリゴンミラー１２５を回転させることにより、戻り光の波長を連続的に変化させることができ、発振波長を掃引することができる。図８に示す装置では、時間に対する波長変化はｓｉｎθ（θは光軸からの傾き角）に比例し、略線形になる。

また、特許文献１には、図８に示す装置のレンズ１２４ａ、１２４ｂおよびポリゴンミラー１２５を、レンズ１３４および回転円盤１３５に置換した構成の図９に示す波長可変レーザ装置が記載されている。この装置では、回転円盤１３５の盤面に配設された径方向に直線的に伸びるスリット状のミラー１４５ａにより、特定波長の光のみが半導体レーザ媒質１１１に帰還する。回転円盤１３５を回転させることにより、帰還する光の波長を連続的に変化させることができ、発振波長を掃引することができる。図９に示す装置では、時間に対する波長変化はｔａｎθ（θは回転角）に比例し、略線形正弦波状になる。

波長可変レーザ装置の別の例としては、図１０に示すような半導体光増幅器１４１の両端に接続された光ファイバ１４２によるファイバーリング共振器において、チューナブル・ファブリーペローフィルター１４３を用いて発振波長を選択する装置が非特許文献１に記載されている。この装置では、アイソレータ１４４，１４５により光の透過方向を規制し、ファイバーリングの一部に設けられた光カプラ１４６から外部へ出力する。図１０に示す装置では、チューナブル・ファブリーペローフィルターの特性により、時間に対する波長変化は正弦波状になる。

ところで、上記のような波長掃引が可変なレーザ装置の重要な用途として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測を利用した光断層画像化装置が知られている。光断層画像化装置は、光源から射出されたコヒーレンス光を測定光と参照光とに分割した後、測定光が測定対象に照射されたときの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。ＳＳ−ＯＣＴ計測の光断層画像化装置では、光源から射出される光の周波数を時間的に変化させながら干渉光の検出を行うものであり、マイケルソン型干渉計を用いて、光源から射出されるレーザ光の周波数を時間的に変化させながら反射光と参照光との干渉が行われる。そして、光周波数領域のインターフェログラムから所定の測定対象の深さ位置における反射強度を検出し、これを用いて断層画像を生成する。
米国特許第２００５／００３５２９５号明細書 "Amplified, frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles", OPTICS EXPRESS, 2 May 2005, Vol.13,No.9, p3513-3528

しかしながら、図８〜図１０に示す波長可変レーザ装置では、時間に対する波長変化が略線形、あるいは正弦波状である。上記のような波長可変レーザ装置を光源として用いる光断層画像化装置等では、取得データに対してフーリエ変換等を用いて周波数解析をすることが多く、その際に変数として用いられるのは、波長ではなく周波数である。解析においては、変数に対して離散的に分布しているデータよりも、変数に対してほぼ等間隔に分布しているデータの方が良好な結果が得られる。そのため、取得データの分布を考えると、時間に対する周波数変化が線形であるような波長可変レーザ装置が要望されていた。

なお、擬似的に時間に対する周波数変化が線形となるように、電気信号処理を用いる方法もあるが、この場合は高速演算処理回路が必要となり、装置全体のコストが高くなるため、好ましくない。

そこで、本発明は、上記問題点を鑑み、時間に対する周波数変化が線形的である波長可変レーザ装置、および該波長可変レーザ装置を備えた光断層画像化装置を提供することを目的とする。

本発明の波長可変レーザ装置は、外部共振器型の波長可変レーザ装置において、レーザ媒質と、前記レーザ媒質からの射出光を空間的に波長分散する分散手段と、前記分散手段により波長分散された光を横切るように移動する反射面を有し、該反射面により前記光の一部を戻り光として選択的に反射する波長選択手段とを備え、前記波長選択手段が、前記戻り光の波長の逆数が時間に対して線形変化するように構成されており、前記反射面が、所定軸の周りに回転する回転体に部分的に設けられたものであり、該回転体の略径方向に延び、前記回転体の回転方向前方に向け凹型となる曲線状であることを特徴とするものである。

なお、「分散手段」としては、例えば回折光学素子、プリズムまたはグリズム等を使用できる。また、「戻り光の波長の逆数が時間に対して線形変化する」とは、「戻り光の周波数が時間に対して線形変化する」および「戻り光の波数が時間に対して線形変化する」と同義である。これは、波長λ、周波数ν、波数ｋ、光速ｃが、ν＝ｃ／λ、ｋ＝２π／λの関係にあることから導かれる。また、本発明の波長可変レーザ装置において、所定周期で波長掃引が繰り返されるときには、その周期内における変化について、波長の逆数が時間に対して線形変化するものとする。なお、「線形変化」は厳密なものに限定されず、実質的に線形変化するものであればよい。

また、前記反射面を含む前記所定軸に垂直な面内において、前記分散手段により波長分散された光が、前記回転体の径方向と交わる方向に直線状に位置し、各波長の光から前記所定軸までの距離が、波長順に単調減少または単調増加しているように構成してもよい。

さらに、本発明の光断層画像化装置は、上記波長可変レーザ装置と、前記波長可変レーザ装置から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、前記合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の波長可変レーザ装置によれば、分散手段により波長分散された光は、その一部が選択的に波長選択手段の反射面により戻り光として帰還し、この戻り光の波長を発振波長とする光が波長可変レーザ装置から射出される。波長選択手段は、戻り光の波長の逆数が時間に対して線形変化するように構成されているため、射出される光の周波数が時間に対して線形変化する波長可変レーザ装置を得ることができる。

また、反射面が、所定軸の周りに回転する回転体に部分的に設けられたものであり、該回転体の略径方向に延びるものであれば、分散手段により波長分散された光と反射面とを対向配置することにより、回転体の回転に伴い、反射面が波長分散された光を横切り、該光の一部を選択的に反射する構成が容易に得られる。また、反射面が回転方向前方に向け凹型となる曲線状であれば、時間に対する波長変化が正弦状になる図９に示す装置とは異なるものとなり、曲線形状を適宜設定することにより、戻り光の周波数を時間に対して線形変化させることができる。

さらに、上記構成において、前記反射面を含む前記所定軸に垂直な面内において、前記分散手段により波長分散された光が、前記回転体の径方向と交わる方向に直線状に位置し、各波長の光から前記所定軸までの距離が、波長順に単調減少または単調増加していれば、略径方向に延びる反射面における光を反射する各点と、戻り光の波長とが、一対一の対応関係を満たすため、前記各点の座標と戻り光の波長とを変数として、波長の逆数が時間に対して線形変化するように、反射面の形状を設計することができる。

本発明の光断層画像化装置は、上記波長可変レーザ装置から射出された光を用いて断層画像を取得するものであるため、測定光は、時間に対して周波数が線形変化するものとなる。このため、周波数に対するデータ分布がほぼ等間隔となるようにデータを取得することが容易に可能であり、画像取得時の周波数解析において、良好な結果を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の波長可変レーザ装置および該波長可変レーザ装置を備えた光断層画像化装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による光断層画像化装置の構成を示す図である。光断層画像化装置１は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像を前述のＳＳ−ＯＣＴ計測により取得するものである。光断層画像化装置１は、発振波長を一定の周期で掃引させながら光Ｌを射出するレーザ装置１０と、レーザ装置１０から射出された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割された参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２０と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するプローブ３０と、プローブ３０から測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたとき測定対象Ｓで反射した反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段４０と、干渉光検出手段４０により検出された干渉光Ｌ４を周波数解析することにより測定対象Ｓの断層画像を取得する画像取得手段５０とを有している。

レーザ装置１０は、発振波長を一定の周期で掃引させながら光Ｌを射出する外部共振器型の波長可変レーザ装置である。本例におけるレーザ媒質としては、半導体レーザに使用される半導体レーザ媒質が用いられている。具体的にレーザ装置１０は、半導体レーザ媒質１１と、コリメートレンズ１２と、回折光学素子１３と、集光レンズ１４と、回転体１５とを備えている。半導体レーザ媒質１１のコリメートレンズ１２側の射出端面１１ｂには反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ｂとは逆側の射出端面１１ａと、外部導波用の光ファイバＦＢ０との間には光結合用のレンズ１６が配置されている。

回折光学素子１３は、反射型の素子であり、半導体レーザ媒質１１からの射出光を空間的に波長分散する分散手段として機能する。回折光学素子１３において生じた回折光は、波長ごとに異なる方向に進行する。

回転体１５は、集光レンズ１４に対向する盤面に光を反射する複数の反射面１５ａを配設したものであり、本発明の波長選択手段として機能するものである。回転体１５は、所定軸の周りに回転する略円盤状の形態をとり、不図示の駆動手段により等角速度で回転する。回転体１５の集光レンズ１４に対向する盤面には光を反射する複数の反射面１５ａが部分的に設けられている。反射面１５ａは、回転体１５の略径方向に延び、回転体１５の回転方向前方に向け凹型となる曲線状である。反射面１５ａの詳細な構成については後述する。なお、図１では図の煩雑化を避けるため、反射面１５ａの符号は代表的に１つの反射面のみに付し、一部の反射面１５ａの図示を省略している。

回転体１５の盤面の反射面１５ａ以外の部分には非反射処理が施されている。具体的には、例えば、黒塗り、ＡＲ（反射防止）コーティング、エッチング・サンドブラスト等の散乱処理等を施す。このような処理を施すことにより、ノイズ成分が小さくなり、反射光のＳ／Ｎ比が向上し、これにより所望の波長以外の発振（リップル）を抑えることができる。なお、上記非反射処理は、図９に示すような従来の反射部と非反射部を有する回転円盤を用いる装置にも適用可能である。

半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ｂからコリメートレンズ１２へ向かって射出した光は、コリメートレンズ１２により平行光に変換された後、回折光学素子１３により、波長λ_１・・・λｎごとに分散されて、波長ごとに異なる方向に進行する。この波長分散された光は、集光レンズ１４により回転体１５の盤面に集光される。該盤面には波長λ_１・・・λｎの光の配列が形成される。

回転体１５の回転に伴い、反射面１５ａはこの波長分散された光の配列を横切るように移動し、この光の一部を戻り光として選択的に反射する。戻り光は、逆光路を通り、集光レンズ１４を通り、回折光学素子１３を経て、コリメートレンズ１２を通り、半導体レーザ媒質１１に帰還する。半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａと回転体１５とを両端部とする外部共振器が構成されて、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａから、光Ｌが射出される。なお、この光Ｌの発振波長は戻り光の波長である。

戻り光の波長は、回転体１５の回転に伴い変化し、１つの反射面１５ａについて波長λ_１から波長λｎまでの1周期分の波長掃引が行われる。複数の反射面１５ａが所定間隔で設けられているため、この波長掃引が一定の周期で繰り返される。

なお、光断層画像化装置１における波長掃引は、戻り光の波長の逆数が時間に対して線形変化するように構成されている。ここで、波長λ、周波数ν、光速ｃは、ν＝ｃ／λの関係にあるから、戻り光の周波数が時間に対して線形変化するよう構成されていることになり、光断層画像化装置１は、図２に示すように、１周期分の掃引時間Ｔの間に、戻り光の周波数ν（ｔ）が時間ｔに線形変化するように波長掃引する。図２において、１周期分の掃引開始時ｔ＝０での戻り光の周波数をν_０、１周期分の掃引終了時ｔ＝Ｔでの戻り光の周波数をν_Ｔとしている。

以下に、反射面１５ａの詳細構成と合わせて、上記波長掃引方法を実現する反射面１５ａの設計方法について図３を参照しながら説明する。図３に示すように、戻り光を反射する反射面１５ａを含み回転軸に垂直な回転体１５の盤面において、軸の位置を原点Ｏとして、原点Ｏを通り直交する２軸をそれぞれ図３に示すようにｘ軸、ｙ軸とする。

反射面１５ａは、回転体１５の略径方向に延び、回転体１５の回転方向前方に向け凹型となる細い曲線形状を有している。一方、回折光学素子１３により空間的に波長分散された光の配列１６は、波長λ_１・・・λｎ順に第４象限（ｘ＜０，ｙ＞０）の領域内にｙ軸に平行に位置しており、原点Ｏから各波長の光までの距離は、波長順に単調減少または単調増加している。

反射面１５ａと波長分散された光の配列１６とが交わったときに光の配列１６の一部が反射されて戻り光となることから、反射面１５ａと光の配列１６の交点の位置が、戻り光の反射位置１７となる。回転体１５の回転に伴い、反射面１５ａが移動するため、戻り光の反射位置１７も変わる。なお、反射位置１７は光の配列１６を波長順に連続的に走査したものであり、その走査の軌跡は光の配列１６と同じになるが、反射位置１７と光の配列１６を別の概念として説明するため、図３では概念的に反射位置１７を点の集合で表している。

なお、図３では反射位置１７および光の配列１６は所定の太さの幅をもつよう図示しているが、必ずしも原寸どおりではない。光の配列１６は集光レンズ１４により平行光を集光されたものであるため、その幅はビームウエスト径と同等である。また、反射面１５ａの幅も、掃引波長の高分解能を維持するために、ビームウエスト径と同等であることが好ましい。

以下、式を用いて、反射面１５ａの設計方法について説明する。まず、本実施形態の光断層画像化装置１では、戻り光の周波数ν（ｔ）は時間ｔに比例するから、下式の関係を満たす。
ν（ｔ）＝ν_０＋（ν_Ｔ−ν_０）／（Ｔ・ｔ）

次に、戻り光の反射位置１７の（ｘ、ｙ）座標を時間ｔの関数として、それぞれ（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））で表す。ｘ（ｔ）＝ｘ_０、ｙ（０）＝ｙ_０、ｙ（T）＝ｙ_Tとおく。反射位置と戻り光の周波数を一対一対応にするため、ｙ（ｔ）をν（ｔ）に比例させる。このとき、下式の関係を満たす。
ｙ（ｔ）＝ｙ_０−（ｙ_Ｔ−ｙ_０）・（ν（ｔ）−ν_０）／（ν_Ｔ−ν_０）

上記条件下で、反射面１５ａのなかで戻り光を反射する位置の（ｒ，θ）座標を時間ｔの変数として決定する。この（ｒ，θ）座標は、半径ｒ、ｙ軸からの回転角θであり、それぞれｒ（ｔ），θ（ｔ）とおくと、上記ｘ（ｔ），ｙ（ｔ）および、回転体１５の回転角速度α（単位はｒａｄ／秒）を用いて、下式のように表される。
ｒ（ｔ）＝ｙ（ｔ）／ｃｏｓθ（ｔ）
θ（ｔ）＝ｔａｎ^−１（ｘ_０／ｙ（ｔ））＋α・ｔ

複数、たとえばＮ個（Ｎ≧２）の反射面１５ａを設けるときは、ｒ（ｔ），θ（ｔ）は下式のように表される。
ｒ（ｔ）＝ｙ（ｔ）／ｃｏｓθ（ｔ）
θ_Ｎ（ｔ）＝θ（ｔ）＋Ｎ・α・ｔ
図４に上記式に基づく計算例を示す。図４は１つの反射面１５ａについて計算したものであり、図４の表において＊を付したパラメータの値は入力値である。複数の反射面について同様に計算して得られた反射面１５ａと、光の配列１６および反射位置１７を図５に示す。図５では、光の配列１６および反射位置１７を重ねて黒い線で示している。

なお、図９に示した従来の装置における反射面１３５ａ、光の配列１１６および反射位置１１７を図６に示す。図６では、図３と同様に概念的に図示している。図６に示すように、従来の装置では、波長分散された光の配列１１６は、第３象限および第４象限に渡って位置しており、原点Ｏから各波長の光までの距離は、波長順に単調減少または単調増加しておらず、その結果、反射位置と戻り光の周波数が一対一対応にならない。

これに対して、本実施形態の光断層画像化装置１では、図３，図５に示すように、光の配列１６は、波長順に第４象限（ｘ＜０，ｙ＞０）の領域内にｙ軸に平行に位置しており、原点Ｏから各波長の光までの距離は、波長順に単調減少または単調増加しており、その結果、反射位置と戻り光の周波数が一対一対応になり、戻り光の周波数が時間に対して線形変化するように設計可能である。

なお、図１に示す本例では、平行光を回折光学素子１３に入射させ、集光レンズ１４と回転体１５の距離が集光レンズ１４の焦点距離と等しくなるように配置している。このように、集光レンズ１４の集光位置となる焦点面に回転体１５を配置しているため、回転体１５上でのビーム径を小さくすることができる。ビーム径が小さいほど、回転体１５の反射面１５ａの幅を小さくすることができ、反射面１５ａの走査により掃引される波長の分解能を高くすることができる。

また、本例では、集光レンズ１４と回折光学素子１３の距離を集光レンズ１４の焦点距離と等しくし、集光レンズ１４の回転体１５側がテレセントリックとなるように構成している。さらに、回転体１５の反射面１５ａを集光レンズ１４の光軸に垂直に配置している。上記構成により、集光レンズ１４から回転体１５へ向かう光の主光線は、集光レンズ１４の光軸に平行で、回転体１５の反射面１５ａに垂直となり、回転体１５で反射された後、逆光路を通って帰還することになる。

以上詳細に説明したレーザ装置１０において、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａから射出された光Ｌは、光結合用のレンズ１６により集光された後、光ファイバＦＢ０に入射して導波される。そして、光ファイバカプラ２を経由した後、光ファイバＦＢ１により光分割手段３に導波される。

光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、レーザ装置１０から光ファイバＦＢ０、ＦＢ１を介して導波した光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２により導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３により導波される。なお、本実施形態における光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。

光ファイバＦＢ２にはプローブ３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２からプローブ３０へ導波される。プローブ３０は、たとえば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ３１により光ファイバＦＢ２に対し着脱可能に取り付けられている。

光プローブ３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒３２と、このプローブ外筒３２の内部空間に、該外筒３２の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ３３と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１をプローブ外筒３２の周方向に偏向させるプリズムミラー３４と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１を、プローブ外筒３２の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ３５と、プリズムミラー３４を光ファイバ３３の軸を回転軸として回転させるモータ３６とを備えている。

一方、光ファイバＦＢ３における参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段２０が配置されている。光路長調整手段２０は、測定対象Ｓに対する断層画像の取得を開始する位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変更するものであって、光ファイバＦＢ３から射出された参照光Ｌ２を反射させる反射ミラー２２と、反射ミラー２２と光ファイバＦＢ３との間に配置された第１光学レンズ２１ａと、第１光学レンズ２１ａと反射ミラー２２との間に配置された第２光学レンズ２１ｂとを有している。

第１光学レンズ２１ａは、光ファイバＦＢ３のコアから射出された参照光Ｌ２を平行光にするとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を光ファイバＦＢ３のコアに集光する機能を有している。また、第２光学レンズ２１ｂは、第１光学レンズ２１ａにより平行光にされた参照光Ｌ２を反射ミラー２２上に集光するとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を平行光にする機能を有している。

したがって、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２は、第１光学レンズ２１ａにより平行光になり、第２光学レンズ２１ｂにより反射ミラー２２上に集光される。その後、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２は、第２光学レンズ２１ｂにより平行光になり、第１光学レンズ２１ａにより光ファイバＦＢ３のコアに集光される。

さらに光路長調整手段２０は、第２光学レンズ２１ｂと反射ミラー２２とを固定した可動ステージ２３と、該可動ステージ２３を第１光学レンズ２１ａの光軸方向に移動させるミラー移動手段２４とを有している。そして可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更するよう構成されている。

合波手段４は、前述のとおり２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２０により光路長が変更された参照光Ｌ２と、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波し光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段４０側に射出するように構成されている。

干渉光検出手段４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する。なお本例の装置においては、干渉光L4を光ファイバカプラである光分割手段3で二分した光を光検出器40aと40bに導き、演算手段４１においてバランス検波を行う機構を有している。

上記演算手段４１は例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムからなる画像取得手段５０に接続され、画像取得手段５０はＣＲＴや液晶表示装置等からなる表示装置６０に接続されている。画像取得手段５０は干渉光検出手段４０において検出された干渉光Ｌ４をフーリエ変換することにより、測定対象Ｓの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を検出し、測定対象Ｓの断層画像を取得する。そして、この取得された断層画像が表示装置６０に表示される。

ここで、干渉光検出手段４０および画像取得手段５０における干渉光Ｌ４の検出および画像の生成について簡単に説明する。なお、この点の詳細については「武田 光夫、「光周波数走査スペクトル干渉顕微鏡」、光技術コンタクト、２００３、Ｖｏｌ４１、Ｎｏ７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。

測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたとき、測定対象Ｓの各深さからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とがいろいろな光路長差をもって干渉しあう際の各光路長差ｌに対する干渉縞の光強度をＳ（ｌ）とすると、干渉光検出手段４０において検出される光強度Ｉ（ｋ）は、
Ｉ（ｋ）＝∫_０ ^∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ ・・・（１）
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。式（１）は波数ｋを変数とする光周波数領域のインターフェログラムとして与えられていると考えることができる。このため、画像取得手段５０において、干渉光検出手段４０が検出したスペクトル干渉縞をフーリエ変換にかけて周波数解析を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、測定対象Ｓの測定開始位置からの距離情報と反射強度情報とを取得し、断層画像を生成することができる。

次に、上記構成を有する光断層画像化装置１の動作例について説明する。まず、可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、測定可能領域内に測定対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、レーザ装置１０から光Ｌが射出され、光Ｌは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１はプローブ３０により体腔内に導波され測定対象Ｓに照射される。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波手段４により合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段４０により検出される。この検出された干渉光Ｌ４の信号が画像取得手段５０において周波数解析されることにより断層画像が取得される。

なお、プローブ３０を回転させて、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を１次元方向に走査させれば、この走査方向に沿った各部分において測定対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。また、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。

以上説明したように、本実施形態の光断層画像化装置１では、発振する光の周波数が、時間に対して線形変化するよう構成されているため、周波数解析の際に、データ分布が離散的にならず、周波数に対して等間隔となるようなデータ取得が容易に可能であり、従来に比べて周波数解析の精度を向上させることができる。例えば、深さ2mmの測定対象の光断層画像信号を検出する場合には、時間に対する周波数の線形性が０.1％必要であるとの報告があるが、本実施形態の光断層画像化装置１によれば、この条件を容易に満たすことができる。

なお、光の配列の配置や、反射面の形状等の構成および配置は、上記例や図５で示したものに限定されるわけではなく、種々の変形例が考えられる。例えば、図７（Ａ）に示すように、回転体２１５の盤面において光の配列２１６のｘ座標の絶対値が大きくなるよう配置させたものでは、光の配列２１６と反射面２１５ａとの交差角が垂直に近づき、戻り光は狭い波長幅の光となり、掃引波長分解能が高くなる。しかし、ｘ座標の絶対値が大きすぎると、光の配列２１６のｙ方向の長さを十分にとれず、光の配列２１６における波長分解能が低くなることに注意する必要がある。また、この場合、反射面２１５ａの曲率がきつくなるため、隣接する反射面２１５ａ間の間隔を広くとる必要が生じ、その結果、掃引周期が長くなり、掃引速度が低下し、回転体１５の盤面に配設可能な反射面１５ａの数も少なくなる。

これに対して、図７（B）に示すように、回転体３１５の盤面において光の配列３１６のｘ座標の絶対値が小さくなるよう配置させたものでは、反射面２１５ａの曲率がゆるくなり、光の配列３１６と反射面３１５ａとの交差角が小さくなり、掃引波長分解能は低くなるが、掃引速度の向上や、回転体１５の盤面に配設可能な反射面１５ａの数を多くとることができる。光の配列や反射面の構成および配置については、波長可変レーザ装置または光断層画像化装置が要求される仕様に応じて適宜決めることが望ましい。

本発明の第１の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図 図１のレーザ装置の波長掃引の様子を示す図 図１のレーザ装置の波長選択手段の構成を説明するための図 本実施形態における計算例を示す図 図４の計算例に基づいた反射面等の構成および位置関係を示す図 従来の装置における波長選択手段を説明するための図 （A）、（B）ともに本発明のレーザ装置の変形例による波長選択手段の構成を説明するための図 従来の波長可変レーザ装置の概略構成図 従来の波長可変レーザ装置の概略構成図 従来の波長可変レーザ装置の概略構成図

符号の説明

１ 光断層画像化装置
２ 光ファイバカプラ
３ 光分割手段
４ 合波手段
１０ レーザ装置
１１ 半導体レーザ媒質
１１ａ、１１ｂ 射出端面
１２ コリメートレンズ
１３ 回折光学素子
１４ 集光レンズ
１５ 回転体
１５ａ 反射面
１６ 光の配列
１７ 反射位置
２０ 光路長調整手段
３０ プローブ
４０ 干渉光検出手段
４０ａ、４０ｂ 光検出器
４１ 演算手段
５０ 画像取得手段
６０ 表示装置
Ｌ 光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｓ 測定対象

Claims (3)

1. 外部共振器型の波長可変レーザ装置において、
   レーザ媒質と、
   前記レーザ媒質からの射出光を空間的に波長分散する分散手段と、
   前記分散手段により波長分散された光を横切るように移動する反射面を有し、該反射面により前記光の一部を戻り光として選択的に反射する波長選択手段とを備え、
   前記波長選択手段が、前記戻り光の波長の逆数が時間に対して線形変化するように構成されており、
   前記反射面が、所定軸の周りに回転する回転体に部分的に設けられたものであり、該回転体の略径方向に延び、前記回転体の回転方向前方に向け凹型となる曲線状であることを特徴とする波長可変レーザ装置。
2. 前記反射面を含む前記所定軸に垂直な面内において、前記分散手段により波長分散された光が、前記回転体の径方向と交わる方向に直線状に位置し、各波長の光から前記所定軸までの距離が、波長順に単調減少または単調増加していることを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
3. 請求項１または２記載の波長可変レーザ装置と、
   前記波長可変レーザ装置から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
   前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
   前記合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
   前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段と、を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。

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