JP5296814B2 - Wavelength swept light source - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problems that, in a wavelength sweeping light source of the prior art using a polygon mirror, an oscillation wavelength is changed approximately linearly in the shape of a convex upward slightly with respect to time, in a wavelength sweeping light source of SS-OCT, on the other hand, it is required to change the wavelength as a wavenumber (inverse of wavelength) is changed linearly on a time axis, in the wavelength sweeping light source of the prior art, such a wavelength change cannot be implemented, nonlinear distortion occurs in a resultant OCT image and a point image cannot be kept sharp. <P>SOLUTION: In a wavelength sweeping light source utilizing an electro-optical deflector including KTN or the like, a part of oscillation output is made incident to an interferometer comprising a difference between two optical path lengths, and on the basis of an electric signal including an AC component of interference light intensity, a VCO input signal in PLL circuit pull-in operation is applied to a gain control voltage of a high voltage amplifier. Regardless of nonlinearity caused by a diffraction grating equation, wavelength sweep of which the wavenumber is changed linearly with respect to the time can be implemented. Variation or nonlinearity in control voltage couple deflection angle characteristics caused by nonuniformity, temperature distribution, change or individual variation in materials of the electro-optical deflector is also canceled. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、光学機器や電子機器等に使用可能な光源に関する。より詳細には、波長掃引した光を利用したイメージングに使用可能な波長掃引光源に関する。   The present invention relates to a light source that can be used in an optical apparatus, an electronic apparatus, and the like. More specifically, the present invention relates to a wavelength swept light source that can be used for imaging using wavelength swept light.

光学機器を使ったイメージング技術は、カメラやプリンタ、ファクシミリなどの民生用の電子機器だけでなく、医療分野にも広がっている。生体内部の断層を非侵襲的にイメージングするために、既に、X線を使用したX線撮影や超音波を使用した診断が広く利用されている。X線を使用した方法は、被爆の問題のため使用頻度や使用部位に大幅な制限があり、また、その分解能はフィルムの等倍撮影の分解能に制限される。超音波を使用した方法は、被爆の問題がないためX線のような使用の制限は無いが、分解能は通常1cm程度に過ぎない。したがって、細胞レベルサイズでのイメージングは不可能である。   Imaging technology using optical devices is spreading not only to consumer electronic devices such as cameras, printers and facsimiles, but also to the medical field. In order to non-invasively image a tomography inside a living body, X-ray imaging using X-rays and diagnosis using ultrasonic waves are already widely used. In the method using X-rays, due to the problem of exposure, the use frequency and the use site are greatly limited, and the resolution is limited to the resolution of the same magnification photographing of the film. In the method using ultrasonic waves, there is no problem of exposure, so there is no limitation of use like X-ray, but the resolution is usually only about 1 cm. Therefore, imaging at the cell level size is impossible.

医療現場では、生体表皮下の断層イメージをミクロンオーダーの分解能で生成することのできる新たな技術が望まれていた。これを実現する技術として、1990年代から開発が進められてきた光コヒーレントトモグラフィー(Optical Coherence Tomography:以下OCTと呼ぶ)が知られている。   In the medical field, a new technique capable of generating a tomographic image of the living body under the skin with micron order resolution has been desired. As a technique for realizing this, optical coherence tomography (hereinafter referred to as OCT), which has been developed since the 1990s, is known.

OCTは、マイケルソン干渉計の原理を利用しており、低コヒーレンスな光を光源として使用して、この低コヒーレンス光を生体へ照射する。参照光と生体からの反射光との干渉光に基づいて、生体表皮下のイメージが得られる。OCTは、網膜の診断のために眼科の必須の診断機器として実用化されている。   OCT uses the principle of a Michelson interferometer, and uses low-coherence light as a light source to irradiate the living body with this low-coherence light. Based on the interference light between the reference light and the reflected light from the living body, an image of the living body under the skin is obtained. OCT has been put to practical use as an indispensable diagnostic instrument in ophthalmology for retinal diagnosis.

図5は、OCTの基本原理を説明する図である(非特許文献1)。以下、簡単に基本原理の概要のみを述べる。低コヒーレンス光源1からは、コヒーレンス長Δlを持つ低コヒーレンスな光が、生体4への入射光として供給される。光源1からの出射光6は、ビームスプリッタ2に入射して2等分される。2等分された光の一方の光7は可動ミラー3へ進み、可動ミラー3において反射して、再び参照光8としてビームスプリッタ2へ向かう。2等分された光のもう一方の光9は、生体4の内部の異なる深さの反射面A、BまたはCにおいて反射を受け、それぞれ信号光11a、11b、11cが得られる。各信号光は、ビームスプリッタ2を経て、参照光10と干渉する。この干渉によって、生体中の余分な散乱によって波面が歪んだ反射光は取り除かれ、元の平面波を維持した反射光のみが選択的に検出される。 FIG. 5 is a diagram for explaining the basic principle of OCT (Non-Patent Document 1). In the following, only the outline of the basic principle will be briefly described. From the low-coherence light source 1, low-coherence light having a coherence length Δl C is supplied as incident light to the living body 4. The outgoing light 6 from the light source 1 enters the beam splitter 2 and is divided into two equal parts. One of the halved lights 7 travels to the movable mirror 3, is reflected by the movable mirror 3, and travels again to the beam splitter 2 as reference light 8. The other light 9 of the bisected light is reflected on the reflection surfaces A, B, or C at different depths inside the living body 4 to obtain signal lights 11a, 11b, and 11c, respectively. Each signal light interferes with the reference light 10 through the beam splitter 2. By this interference, the reflected light whose wavefront is distorted due to excessive scattering in the living body is removed, and only the reflected light maintaining the original plane wave is selectively detected.

ここで、反射面Aで反射する光が干渉を生じるのは可動ミラー3がA´の位置にある場合である。このときビームスプリッタ2の中心と可動ミラー3との距離をL、ビームスプリッタ2の中心と反射面Aとの距離をLとすると、次式の関係を満たすときに、参照光と信号光とが干渉して、光検出器5から電気信号が得られる。
|L―L|<Δl 式(1)
上式は、反射面Aおよび可動ミラーの位置A´、反射面Bおよび可動ミラーの位置B´、反射面Cおよび可動ミラーの位置C´に、それぞれ一対一に対応して成り立つ。従って、可動ミラー3を連続的に一定速度vで移動させることによって、生体4内の光軸(z軸)方向に沿った生体表皮下の反射光強度分布を、Δlの空間分解能で測定することができる。スキャンミラーなどによって生体への入射光をx方向にスキャンすることによって、x−z面内の生体表皮下の反射光強度分布が得られ、これが最終的なOCTイメージとなる。図5におけるマイケルソン干渉計の構成は、光ファイバカップラーを利用することができるため、臨床現場にも十分利用可能な検査機器が実現されている。
Here, the light reflected by the reflecting surface A causes interference when the movable mirror 3 is at the position A ′. At this time, if the distance between the center of the beam splitter 2 and the movable mirror 3 is L R , and the distance between the center of the beam splitter 2 and the reflecting surface A is L S , the reference light and the signal light satisfy the relationship of the following formula: And an electric signal is obtained from the photodetector 5.
| L R −L S | <Δl Formula C (1)
The above expression is established in a one-to-one correspondence with the reflecting surface A and the position A ′ of the movable mirror, the reflecting surface B and the position B ′ of the movable mirror, and the reflecting surface C and the position C ′ of the movable mirror. Therefore, by continuously moving the movable mirror 3 at a constant speed v, the reflected light intensity distribution under the living body surface along the optical axis (z-axis) direction in the living body 4 is measured with a spatial resolution of Δl C. be able to. By scanning the light incident on the living body in the x direction with a scanning mirror or the like, a reflected light intensity distribution on the surface of the living body in the xz plane is obtained, and this is the final OCT image. The configuration of the Michelson interferometer in FIG. 5 can use an optical fiber coupler, so that an inspection apparatus that can be used in clinical settings is realized.

図5に示した構成のOCTでは、可動ミラーを移動させてイメージデータを時系列に取得するため、時間領域(Time Domain:TD)OCT(以下TD−OCT)と呼ばれる。TD−OCTでは、質量を持つ可動ミラーを移動する必要があるため、スキャン速度に限界がある。ところが、検査の状況によって生体自体を完全に固定するのが難しいことが多く、できるだけ短時間でスキャンを行なって必要なイメージデータを得るのが好ましい。また、生体内で血管が存在する深さの部分までスキャンを行うと、血管内を移動する赤血球による散乱のためにイメージ取得に困難が生じる。このため、OCTでは、できるだけ速く深さ方向の情報を取得したい要請があった。   The OCT having the configuration shown in FIG. 5 is called a time domain (TD) OCT (hereinafter referred to as TD-OCT) because image data is acquired in time series by moving a movable mirror. In TD-OCT, since it is necessary to move a movable mirror having a mass, the scanning speed is limited. However, it is often difficult to completely fix the living body itself depending on the state of the examination, and it is preferable to perform scanning in as short a time as possible to obtain necessary image data. Further, when scanning is performed up to a depth where a blood vessel exists in a living body, it is difficult to acquire an image due to scattering by red blood cells moving in the blood vessel. For this reason, OCT has been requested to acquire information in the depth direction as quickly as possible.

そこで、干渉信号をフーリエ変換して光軸に沿った反射光強度を求めるフーリエ領域(Fourier Domain:FD)−OCT(以下FD−OCT)が提案された。FD−OCTでは、図5の光検出器5の前に、生体からの信号光を各波長の光に分解する分光器を配置して、干渉スペクトルを光検出器の検出器要素アレイで検出する。すなわち各波長に対応した、多数の検出器要素素子が配置された並列ディテクタによって、干渉スペクトルを求める。並列ディテクタで検出したスペクトルをフーリエ変換して、光軸に沿った反射光強度部分布が得られる。しかしながら、FD−OCTにおいては、多数の検出器要素素子を持った並列ディテクタが必要となる。多い場合には1000個を越える検出器要素素子において、同時に、各波長の信号を検出する必要がある。このような並列ディテクタは、1.1μm以下の波長帯域でシリコンCCDまたはCMOSによるものが実現されているだけであって、より長い波長においては並列ディテクタの入手が難しい。   Therefore, a Fourier domain (FD) -OCT (hereinafter referred to as FD-OCT) has been proposed in which the interference signal is Fourier-transformed to obtain the reflected light intensity along the optical axis. In FD-OCT, a spectroscope that decomposes signal light from a living body into light of each wavelength is disposed in front of the photodetector 5 in FIG. 5, and an interference spectrum is detected by a detector element array of the photodetector. . That is, an interference spectrum is obtained by a parallel detector in which a large number of detector element elements corresponding to each wavelength are arranged. The spectrum detected by the parallel detector is Fourier transformed to obtain a reflected light intensity portion distribution along the optical axis. However, in FD-OCT, a parallel detector having a large number of detector element elements is required. In many cases, it is necessary to detect signals of respective wavelengths simultaneously in more than 1000 detector element elements. Such a parallel detector is only realized by a silicon CCD or CMOS in a wavelength band of 1.1 μm or less, and it is difficult to obtain a parallel detector at a longer wavelength.

従って現時点でFD−OCTは、可視光が利用可能な網膜診断などには適用可能であるが、より長波長領域での動作を必要とする皮膚等の組織に対するOCTには適用できない。また、血管の断層イメージングなどに適用するにあたっては、赤血球のヘモグロビンによる散乱のために1.3μm程度まで長波長側の光を使用しないと、ヘモグロビンによる吸収が無視できない。一方で、光源の波長が1.5μm近傍にまで至ると、今度は水による吸収が顕著となる。1.6μmを越えると、光検出器の入手に困難が生じる。これらの理由のため、皮膚等に対してOCTを利用するためには、1.3μm帯の光源を使用したい要請があった。   Therefore, at present, FD-OCT can be applied to retinal diagnosis and the like in which visible light can be used, but cannot be applied to OCT for tissues such as skin that require operation in a longer wavelength region. In addition, when applied to tomographic imaging of blood vessels, absorption by hemoglobin cannot be ignored unless light on the long wavelength side is used up to about 1.3 μm due to the scattering of red blood cells by hemoglobin. On the other hand, when the wavelength of the light source reaches about 1.5 μm, the absorption by water becomes remarkable. If it exceeds 1.6 μm, it will be difficult to obtain a photodetector. For these reasons, there has been a demand for using a light source in the 1.3 μm band in order to use OCT on the skin and the like.

そこで新たに注目されているのが、FD−OCTを変形して、光源の周波数の掃引を行う掃引光源(Swept Source:SS)―OCT(以下SS−OCT)である。SS−OCTでは、FD−OCTのように低コヒーレンス光源からの光を生体に照射して得られた信号光を分光器によって分光して、一度に多数に波長の信号を生成するのでなく、光源波長を規則正しく掃引する。光源からの光の波長掃引を行うことによって、1つの検出器を使用して、時分割で各波長の信号を検出できる。すなわち、FD−OCTでは分光器によって空間的な位置によって波長分割していたのに対して、SS−OCTでは時間によって波長分割を行って、検出器を1つで済ませることができる。多数の検出器要素素子を持った並列ディテクタが不要となり、検出器の選択の制限が無くなるため、1.3μm帯域の光源も使用できる。   Accordingly, a newly attracting attention is a swept source (SS) -OCT (hereinafter referred to as SS-OCT) which transforms the FD-OCT and sweeps the frequency of the light source. In SS-OCT, signal light obtained by irradiating a living body with light from a low-coherence light source as in FD-OCT is split by a spectroscope to generate a plurality of wavelength signals at one time. Regularly sweeps the wavelength. By performing the wavelength sweep of the light from the light source, a single detector can be used to detect signals of each wavelength in a time division manner. That is, in FD-OCT, wavelength division is performed according to a spatial position by a spectroscope, whereas in SS-OCT, wavelength division is performed according to time, and a single detector can be used. Since a parallel detector having a large number of detector element elements is not required and there is no restriction on the selection of detectors, a light source of 1.3 μm band can also be used.

図6は、SS−OCTの原理を説明するための模式的に示した図である(非特許文献1)。SS−OCTでは、生体24に対して、光周波数(波長)掃引光源21から、時間に対して直線的にその光周波数を掃引した光信号26を供給する。光周波数掃引光源21は、例えば、波長可変レーザが使用される。図6に示したSS−OCTにおいては、ミラー23はその位置を固定されている。ビームスプリッタ22の中心とミラー23の距離をL、ビームスプリッタ22の中心と生体表面31との距離をLとすると、L=Lとなるように各要素が配置されている。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the principle of SS-OCT (Non-Patent Document 1). In SS-OCT, an optical signal 26 in which the optical frequency is swept linearly with respect to time is supplied from the optical frequency (wavelength) sweep light source 21 to the living body 24. As the optical frequency sweep light source 21, for example, a wavelength variable laser is used. In the SS-OCT shown in FIG. 6, the position of the mirror 23 is fixed. When the distance between the center and the mirror 23 of the beam splitter 22 L R, the distance between the center and the biological surface 31 of the beam splitter 22 and L S, are arranged the elements such that L R = L S.

このとき、参照光28と、生体内の反射面32および反射面33からのそれぞれの反射光29b、29cとの光周波数の差は、時間に関係なく一定となる。これらの光周波数の差をfおよびfとすれば、参照光28と反射光29b、29cとの干渉によって、反射面32および反射面33に対応したビート周波数f、fが混在した信号光が得られる。この信号光をフーリエ変換すると、ビート周波数f、fにおける反射光強度が得られる。光源21からの光周波数が直線的に掃引されれば、ビート周波数f、fと、深さd、深さdは正比例する。生体内では、各所から反射光が生じるため、干渉光をフーリエ変換することによって、光軸(z軸)方向に沿った、反射光強度の分布を得ることができる。x軸方向にもビームスキャンを行えば、x−z面内でのOCTイメージが得られる。 At this time, the difference in optical frequency between the reference light 28 and the reflected lights 29b and 29c from the reflecting surface 32 and the reflecting surface 33 in the living body is constant regardless of time. If the difference between these optical frequencies is f 2 and f 3 , beat frequencies f 2 and f 3 corresponding to the reflective surface 32 and the reflective surface 33 are mixed due to interference between the reference light 28 and the reflected light 29b and 29c. Signal light is obtained. When this signal light is Fourier transformed, the reflected light intensity at beat frequencies f 2 and f 3 is obtained. If it is optical frequency sweep linearly from the light source 21, and the beat frequency f 2, f 3, the depth d 2, the depth d 3 is directly proportional to. In the living body, reflected light is generated from various places. Therefore, the reflected light intensity distribution along the optical axis (z-axis) direction can be obtained by Fourier transforming the interference light. If beam scanning is also performed in the x-axis direction, an OCT image in the xz plane can be obtained.

SS−OCTでは、光検出器25は、異なるビート周波数の干渉光が混在した信号光を単一の検出素子で検出すれば良いので、従来のFD−OCTのように並列ディテクタが不要となる。皮膚等の診断に好適な1.3μm帯域の掃引光源を使用することが可能となる。SS−OCTは、光ファイバカプラを使用した安定な構成、可動ミラーが不要なことによる高速イメージ取得、および多様な光検出器の利用容易性から、眼科診療以外の領域においてもさらに実用化が進められている。   In SS-OCT, the photodetector 25 only needs to detect signal light mixed with interference light having different beat frequencies with a single detection element, so that no parallel detector is required as in conventional FD-OCT. It is possible to use a 1.3 μm band swept light source suitable for diagnosing skin and the like. SS-OCT is being put to practical use in areas other than ophthalmic practice because of its stable configuration using optical fiber couplers, high-speed image acquisition by eliminating the need for movable mirrors, and ease of use of various photodetectors. It has been.

国際公開公報WO2006/137408 明細書International Publication WO2006 / 137408 Specification

春名正光 「光コヒーレンストモグラフィーの進展」、応用物理 第77巻 第9号、p1085−1092、2008年Masamitsu Haruna “Progress of Optical Coherence Tomography”, Applied Physics Vol. 77, No. 9, p1085-1922, 2008

上述のSS−OCTにおいては掃引、光波長掃引光源が重要な構成要素の一つとなる。従来技術における光波長掃引光源としては、例えば、ポリゴンミラーを用いたものが用いられていた。   In the SS-OCT described above, the sweep and light wavelength sweep light source is one of the important components. As a light wavelength sweeping light source in the prior art, for example, a light source using a polygon mirror has been used.

図7は、従来技術のポリゴンミラーを用いた波長掃引光源の構成を示した図である。この波長掃引光源100は、ポリゴンミラー120と、リトロー構成で配置された回折格子106および利得媒質101などからなるレーザ発振器とから構成される。レーザ発振器は、利得媒質101の両端に集光レンズ102、111を備え、出力結合鏡112から出力光113が得られる。利得媒質101からの入射光はポリゴンミラー120の反射面Aにおいて反射して、次の回折格子方程式の条件を満たす入射角θ(110)で回折格子106に入射する。
2Λsinθ=mλ 式(2)
上式で、Λは回折格子のピッチであり、λは発振波長、mは回折次数である。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a wavelength swept light source using a conventional polygon mirror. The wavelength swept light source 100 includes a polygon mirror 120 and a laser oscillator including a diffraction grating 106 and a gain medium 101 arranged in a Littrow configuration. The laser oscillator includes condensing lenses 102 and 111 at both ends of the gain medium 101, and output light 113 is obtained from the output coupling mirror 112. Incident light from the gain medium 101 is reflected by the reflecting surface A of the polygon mirror 120 and enters the diffraction grating 106 at an incident angle θ (110) that satisfies the following condition of the diffraction grating equation.
2Λsin θ = mλ Formula (2)
In the above equation, Λ is the pitch of the diffraction grating, λ is the oscillation wavelength, and m is the diffraction order.

発振光は、回折格子106において入射角と同じ出射角θで回折して、回折格子106と出力結合鏡112との間の光路を往復する。ポリゴンミラー120は、一定速度で方向121の向きに回転するため、ポリゴンミラー120の反射面Aにおける発振光の入射・反射角が回転と共に周期的に変化する。従って、回折格子106への入射角θによって、回転とともに、式(2)によって決まる発振波長λが変化する。ポリゴンミラー120は、一定回転速度で回転するため、回折格子106への入射(反射)角θは、等速に変化する。従って、波長掃引光源100の発振波長λは時間に対して概ね直線的に変化する。   The oscillating light is diffracted by the diffraction grating 106 at the same emission angle θ as the incident angle, and reciprocates in the optical path between the diffraction grating 106 and the output coupling mirror 112. Since the polygon mirror 120 rotates at a constant speed in the direction 121, the incident / reflection angle of the oscillation light on the reflection surface A of the polygon mirror 120 changes periodically with rotation. Therefore, the oscillation wavelength λ determined by the equation (2) changes with rotation according to the incident angle θ to the diffraction grating 106. Since the polygon mirror 120 rotates at a constant rotation speed, the incident (reflection) angle θ to the diffraction grating 106 changes at a constant speed. Therefore, the oscillation wavelength λ of the wavelength swept light source 100 changes substantially linearly with respect to time.

図8は、ポリゴンミラーを用いた従来技術の波長掃引光源によって得られる発振波長の時間変化を示した図である。実線40で示したように発振波長は、横軸の時間tに対してやや上に凸であって概ね線形的(直線的)に変化している。しかしながら、SS−OCTに対して求められる波長の時間変化のプロファイルは、ポリゴンミラーを用いた波長掃引光源によって得られるような、発振波長が線形に変化するような時間変化とは異なるものであった。   FIG. 8 is a diagram showing the time variation of the oscillation wavelength obtained by the conventional wavelength swept light source using the polygon mirror. As indicated by the solid line 40, the oscillation wavelength is slightly convex with respect to the time t on the horizontal axis and changes in a substantially linear (linear) manner. However, the time change profile of the wavelength required for SS-OCT is different from the time change in which the oscillation wavelength changes linearly as obtained by a wavelength swept light source using a polygon mirror. .

ここで、再び図5で説明したOCTの基本原理を参照する。OCTにおいては、生体内部を光軸(z軸)方向に直線性良く線形的にスキャンするためには、参照光7、8の遅延時間が線形的に変化する必要がある。言い換えると、可動ミラー3の位置が、可動範囲の全域においてA´からC´に向かって等速に移動することによって、生体内も等速にスキャンされる。このような動作が、OCTイメージの線形性の観点から、最も理想的となる。ミラーが等速に移動しないと、結果として得られるOCTイメージは、光軸(z軸)方向について非線形で歪曲したものとなる。   Here, the basic principle of OCT described with reference to FIG. 5 will be referred to again. In OCT, in order to linearly scan the inside of a living body in the optical axis (z-axis) direction with good linearity, the delay times of the reference beams 7 and 8 need to change linearly. In other words, the position of the movable mirror 3 moves at a constant speed from A ′ to C ′ over the entire movable range, so that the living body is also scanned at a constant speed. Such an operation is most ideal from the viewpoint of the linearity of the OCT image. If the mirror does not move at a constant speed, the resulting OCT image will be non-linearly distorted in the optical axis (z-axis) direction.

さらに、上記の可動ミラーの等速移動の理想動作を、図6のSS−OCTの構成へ適合する場合を考える。ミラーの位置をフーリエ変換すると、位置の逆数となる。位置の逆数は、すなわち波数に相当する。したがって、時間とともに、波数(波長の逆数)が直線的に変化するように、波長が変化するような波長掃引光源が理想的となる。そうでないと、生体内の一つの反射面に対応するビート周波数が単一でなくなり、その結果、OCTイメージの尖鋭度が損なわれる。   Further, consider the case where the above-mentioned ideal movement of the movable mirror at constant speed is adapted to the SS-OCT configuration of FIG. When the mirror position is Fourier transformed, it becomes the reciprocal of the position. The reciprocal of the position corresponds to the wave number. Therefore, a wavelength swept light source whose wavelength changes so that the wave number (reciprocal of wavelength) changes linearly with time is ideal. Otherwise, the beat frequency corresponding to one reflecting surface in the living body is not single, and as a result, the sharpness of the OCT image is impaired.

図8には、波数が時間に対して直線的に変化する場合の波長変化を、破線41によって、望ましい波長変化として同時に示してある。ポリゴンミラーを用いた従来技術の波長掃引光源の場合の波長変化と見比べて、下に凸に湾曲し、発振波長が長波長側(図8の縦軸の上方側)となるほど変化率が増えるような波長変化プロファイルが適切である。   In FIG. 8, the wavelength change when the wave number changes linearly with respect to time is simultaneously shown as a desirable wavelength change by a broken line 41. Compared with the wavelength change in the case of the wavelength swept light source of the prior art using a polygon mirror, the curve is convex downward and the rate of change increases as the oscillation wavelength becomes longer (upward on the vertical axis in FIG. 8). A suitable wavelength change profile is appropriate.

しかしながら、ポリゴンミラーを用いている場合、ポリゴンミラーは大きな慣性モーメントを持っているため、一定回転速度以外の方法で回転速度を制御することは極めて困難である。また、図8に示したポリゴンミラーを使用した従来技術による、上に凸であって概ね直線状の波長変化は、式(2)の回折格子方程式のsin項に由来する形状であって、通常の手段を用いてもこの湾曲の向きを変えることは出来ない。   However, when a polygon mirror is used, since the polygon mirror has a large moment of inertia, it is extremely difficult to control the rotation speed by a method other than a constant rotation speed. Further, according to the prior art using the polygon mirror shown in FIG. 8, the upward convex and substantially linear wavelength change is a shape derived from the sin term of the diffraction grating equation of Equation (2), and is usually The direction of the curve cannot be changed even if the above means is used.

上述のように、従来技術の波長掃引光源では、SS−OCTに適合した波長変化を実現することができず、尖鋭なOCTイメージが得られない問題があった。   As described above, the wavelength swept light source of the prior art cannot realize a wavelength change suitable for SS-OCT, and has a problem that a sharp OCT image cannot be obtained.

本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、OCTイメージの深さ方向の線形性のひずみを排除し、尖鋭なOCTイメージを得ることが可能であって、SS−OCTに適用可能な波長掃引光源を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and can eliminate the distortion of linearity in the depth direction of the OCT image, obtain a sharp OCT image, and can be applied to SS-OCT. An object is to provide a possible wavelength swept light source.

請求項1に係る発明は、時間的に出力波長が周期的に変化する光源において、電気光学偏向器を含む発振器部と、光路長の間に差を設けた2つの光路に前記発振器部からの発振出力光の一部を伝搬させて、前記光路長差および前記発振出力光の波数の変化率に比例する周波数の交流成分を含む干渉光強度を表す電気信号を出力する干渉計、前記電気信号の前記交流成分の周波数を一定に保つためのフィードバック信号を発生する誤差信号発生回路、およびランプ電圧信号に対する利得に前記フィードバック信号を作用させて、前記電気光学偏向器へ供給する補正された制御電圧を生成する制御電圧発生回路を有するフィードバック制御部とを備えたことを特徴とする波長掃引光源である。   According to the first aspect of the present invention, in the light source whose output wavelength periodically changes with time, an oscillator unit including an electro-optic deflector and two optical paths provided with a difference between optical path lengths from the oscillator unit An interferometer that propagates a part of the oscillation output light and outputs an electrical signal representing an interference light intensity including an AC component having a frequency proportional to the optical path length difference and the wave number change rate of the oscillation output light; An error signal generating circuit for generating a feedback signal for keeping the frequency of the alternating current component constant, and a corrected control voltage supplied to the electro-optic deflector by operating the feedback signal on a gain with respect to a lamp voltage signal And a feedback control unit having a control voltage generation circuit for generating the wavelength sweeping light source.

電気光学偏向器としては、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−x Nb (0<x<1):KTN)や、さらにリチウムをドープした(K1−yLiTa1−xNb(0<x<1、0<y<1))を利用するのが好ましい。
請求項2に係る発明は、請求項1の波長掃引光源であって、前記誤差信号発生回路は、前記電気信号が入力され、前記電気信号の前記周波数の所定の周波数からの偏倚量に比例した前記フィードバック信号を出力する位相ロックループ回路であり、前記制御電圧発生回路は、前記フィードバック信号が利得制御信号として印加され、前記ランプ電圧信号を増幅する高電圧増幅器であることを特徴とする。
As an electro-optic deflector, potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): KTN) or lithium-doped (K 1-y Li y Ta 1-x Nb) It is preferable to use xO 3 (0 <x <1, 0 <y <1).
The invention according to claim 2 is the wavelength swept light source according to claim 1, wherein the error signal generation circuit is input with the electrical signal and is proportional to a deviation amount of the frequency of the electrical signal from a predetermined frequency. The phase lock loop circuit outputs the feedback signal, and the control voltage generation circuit is a high voltage amplifier that amplifies the ramp voltage signal when the feedback signal is applied as a gain control signal.

請求項3に係る発明は、請求項1または2の波長掃引光源であって、前記発振器部は、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子と、前記回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記回折格子を介して、前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the wavelength swept light source according to claim 1 or 2, wherein the oscillator unit includes a gain medium, a diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident, and the diffraction grating And an end mirror to which the diffracted light of the incident light is directly incident, and is configured by a resonator in which the gain medium and the end mirror are optically connected via the diffraction grating. , Between the gain medium and the diffraction grating, and disposed on an optical path formed by the resonator.

請求項4に係る発明は、請求項1または2の波長掃引光源であって、前記発振器部は、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子とを含み、前記利得媒質と前記回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されていることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the wavelength swept light source according to claim 1 or 2, wherein the oscillator unit includes a gain medium and a diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident, and the gain medium And the diffraction grating are optically connected to each other, and the electro-optic deflector is disposed between the gain medium and the diffraction grating on an optical path formed by the resonator. It is characterized by being.

以上説明したように、発明により、SS−OCTに適合した波長変化を実現した波長掃引光源を提供することができる。発振出力光の一部を、2つの光路長の間に差を設けた干渉計に入射し、得られる電気信号の交流成分周波数を一定に保つフィードバック制御部の動作により、波長変化が波数について直線的に変化する波長掃引電圧が生成・印加され、OCTイメージの線形性を大幅に改善し尖鋭なOCTイメージを得ることができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a wavelength swept light source that realizes a wavelength change suitable for SS-OCT. A part of the oscillation output light is incident on an interferometer having a difference between the two optical path lengths, and the operation of the feedback control unit that keeps the AC component frequency of the obtained electrical signal constant makes the wavelength change linear with respect to the wave number A wavelength sweep voltage that varies with time is generated and applied, and the linearity of the OCT image is greatly improved, and a sharp OCT image can be obtained.

図1は、本発明の波長掃引光源の第1の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first configuration of a wavelength swept light source according to the present invention. 図2は、本発明の波長掃引光源に使用される偏向器の構成および動作を説明する図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration and operation of a deflector used in the wavelength swept light source of the present invention. 図3は、本発明の波長掃引光源のフィードバック制御部の構成を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the feedback control unit of the wavelength swept light source of the present invention. 図4は、本発明の波長掃引光源の第2の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a second configuration of the wavelength swept light source of the present invention. 図5は、OCTの基本原理を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the basic principle of OCT. 図6は、SS−OCTの原理を模式的に示した図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing the principle of SS-OCT. 図7は、従来技術のポリゴンミラーを用いた波長掃引光源の構成を示した図である。FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a wavelength swept light source using a conventional polygon mirror. 従来技術のポリゴンミラーを用いた波長掃引光源によって得られる発振波長の時間変化を示した図である。It is the figure which showed the time change of the oscillation wavelength obtained by the wavelength swept light source using the polygon mirror of a prior art.

本発明は、KTNなどを含む電気光学偏向器を利用した波長掃引光源において、発振出力の一部を2つの光路長の間に差を設けた干渉計に入射し、生成された干渉光の強度の交流成分を電気信号に変換する。この電気信号に基づいて位相ロックループの引き込み動作時の電圧制御発振器(VCO)入力信号を、高電圧増幅器のゲインに帰還させる。後述する回折格子方程式に由来する非線形性や電気光学偏向器自体の偏向制御特性の不安定性があっても、波数が時間に対して直線的に変化する波長掃引を実現できる。本発明の波長掃引光源は、電気光学偏向器を構成する材料の不均一性、温度変化または個体ばらつきにより偏向角度の制御電圧に対する非線形性がある場合でも、波数が時間に対して直線的に変化するように発振波長を掃引することができる。   The present invention relates to a wavelength swept light source using an electro-optic deflector including KTN, etc., and a part of the oscillation output is incident on an interferometer having a difference between two optical path lengths, and the intensity of the generated interference light Is converted into an electrical signal. Based on this electric signal, a voltage controlled oscillator (VCO) input signal at the time of pull-in operation of the phase lock loop is fed back to the gain of the high voltage amplifier. Even if there is nonlinearity derived from the diffraction grating equation described later and instability of the deflection control characteristic of the electro-optic deflector itself, wavelength sweep in which the wave number changes linearly with respect to time can be realized. The wavelength swept light source of the present invention has a wave number that changes linearly with respect to time even when there is non-linearity with respect to the control voltage of the deflection angle due to non-uniformity of the material constituting the electro-optic deflector, temperature change or individual variation. Thus, the oscillation wavelength can be swept.

以下、最初に本発明の波長掃引光源の発振器部の構成について説明する。次に、電気光学偏向器の構成および動作について説明する。さらに、電気光学偏向器への制御電圧を供給するフィードバック制御部の構成と動作について詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the oscillator unit of the wavelength swept light source of the present invention will be described first. Next, the configuration and operation of the electro-optic deflector will be described. Further, the configuration and operation of the feedback control unit that supplies the control voltage to the electro-optic deflector will be described in detail.

図1は、本発明の波長掃引光源の第1の構成を示す図である。波長掃引光源200は、発振器部200aおよびフィードバック制御部200bから構成される。発振器部200aは、回折格子106と端面鏡110とがリトマン配置された構成のレーザ発振器である。利得媒質101は、第1の集光レンズ111および第2の集光レンズ102の間に配置される。利得媒質101は、第2の集光レンズ102を経て、電気光学偏向器103、回折格子106および直入射する端面鏡110から構成される波長フィルタに結合されている。回折格子106を介して、利得媒質101および端面鏡110が光学的に接続され、共振器が構成される。さらに、第1の集光レンズ111は、出力結合鏡112に相対し、全体で、出力結合鏡112と端面鏡110とを両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡112からは、この光共振器によるレーザ作用による出力光113が得られる。電気光学偏向器103は、利得媒質101と回折格子106との間であって、共振器により形成される光路上に配置されている。   FIG. 1 is a diagram showing a first configuration of a wavelength swept light source according to the present invention. The wavelength swept light source 200 includes an oscillator unit 200a and a feedback control unit 200b. The oscillator unit 200a is a laser oscillator having a configuration in which the diffraction grating 106 and the end surface mirror 110 are arranged in a Littman manner. The gain medium 101 is disposed between the first condenser lens 111 and the second condenser lens 102. The gain medium 101 is coupled to a wavelength filter including an electro-optic deflector 103, a diffraction grating 106, and a direct incident end mirror 110 through a second condenser lens 102. The gain medium 101 and the end mirror 110 are optically connected via the diffraction grating 106 to form a resonator. Further, the first condenser lens 111 is opposed to the output coupling mirror 112 and constitutes an optical resonator having the output coupling mirror 112 and the end face mirror 110 as both ends as a whole. From the output coupling mirror 112, output light 113 is obtained by the laser action of this optical resonator. The electro-optic deflector 103 is disposed between the gain medium 101 and the diffraction grating 106 and on the optical path formed by the resonator.

本発明の波長掃引光源において、回折格子106への集光レンズ102に面する側からの入射角θと、端面鏡110に面する側からの入射角φとの間に特段の制限は無い。しかし、より強いフィルタ効果を得る観点からは、上述の波長フィルタにおいて、回折格子106への集光レンズ102に面する側からの入射角θは、端面鏡110に面する側からの入射角φと比較して、絶対値が大きく設定されるのが好ましい。その結果、回折格子106への回折格子入射光束107に比して、回折格子出射光束108が伸張され、太く広がり角の小さい光束として端面鏡110で反射される。したがって、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。発振波長の掃引は、フィードバック制御部200bから供給され電気光学偏向器103に印加される制御電圧源104を通じ、回折格子入射光束107を偏向することにより行われる。   In the wavelength swept light source of the present invention, there is no particular limitation between the incident angle θ from the side facing the condenser lens 102 to the diffraction grating 106 and the incident angle φ from the side facing the end mirror 110. However, from the viewpoint of obtaining a stronger filter effect, in the above-described wavelength filter, the incident angle θ from the side facing the condenser lens 102 to the diffraction grating 106 is equal to the incident angle φ from the side facing the end mirror 110. It is preferable that the absolute value is set larger than that. As a result, the diffraction grating outgoing light beam 108 is expanded as compared with the diffraction grating incident light beam 107 to the diffraction grating 106, and is reflected by the end mirror 110 as a thick light beam having a small divergence angle. Therefore, the selected wavelength width of the wavelength filter can be narrowed. The oscillation wavelength is swept by deflecting the diffraction grating incident light beam 107 through the control voltage source 104 supplied from the feedback control unit 200b and applied to the electro-optic deflector 103.

すなわち、電気光学偏向器103による偏向によって、回折格子106への入射角θを変化させる。フィードバック制御部200bから供給され電気光学偏向器103に印加する電圧104を変えることによって、可動部の介在なしに高速に波長を掃引することができる。フィードバック制御部200bの動作の詳細については後述し、次に、本発明の波長可変光源に使用するのに好適な電気光学偏向器について説明する。   That is, the incident angle θ to the diffraction grating 106 is changed by the deflection by the electro-optic deflector 103. By changing the voltage 104 supplied from the feedback control unit 200b and applied to the electro-optic deflector 103, the wavelength can be swept at high speed without the intervention of the movable unit. Details of the operation of the feedback control unit 200b will be described later. Next, an electro-optic deflector suitable for use in the wavelength tunable light source of the present invention will be described.

最近、特定の電気光学効果結晶において、新たな現象が見出された。この電気光学効果結晶では、電圧印加による電界に伴って、結晶に電荷の注入が行なわれる。その結果、結晶内に、その注入電荷の形成する空間電荷分布、または、注入電荷がさらに電気光学結晶中に捕捉されて生成されるトラップ電荷分布が生じる。そして、この電荷分布による非一様な電界分布が屈折率の勾配を惹起し、この勾配に直交する光線の進路を屈曲させる現象が生じる。   Recently, a new phenomenon has been found in specific electro-optic effect crystals. In this electro-optic effect crystal, charges are injected into the crystal in accordance with an electric field generated by applying a voltage. As a result, a space charge distribution formed by the injected charges or a trap charge distribution generated by trapping the injected charges in the electro-optic crystal is generated in the crystal. A non-uniform electric field distribution due to the charge distribution causes a refractive index gradient, and a phenomenon occurs in which the path of the light beam orthogonal to the gradient is bent.

この現象の発生には、屈折率変化または電界の二乗に比例して生じる2次の電気光学効果が必要である。さらに、この効果を示す結晶が、大きい誘電率および小さい易動度を有して初めて、現実的な値の印加電圧や電流に伴って、この偏向現象が発現する。この種の結晶の代表的な例として、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTa1−x Nb (0<x<1):KTN)や、さらにリチウムをドープした(K1−yLiTa1−xNb(0<x<1、0<y<1))が知られている。 The occurrence of this phenomenon requires a secondary electro-optic effect that occurs in proportion to the refractive index change or the square of the electric field. In addition, the deflection phenomenon appears only with practical values of applied voltage and current when a crystal exhibiting this effect has a large dielectric constant and small mobility. As a typical example of this type of crystal, potassium tantalate niobate (KTa 1-x Nb x O 3 (0 <x <1): KTN) or lithium-doped (K 1-y Li y Ta) 1-x Nb x O 3 (0 <x <1, 0 <y <1)) is known.

このような結晶においては、結晶内のすべての部分が偏向作用を担う。光線の伝搬経路上の各部分での作用が累積された偏向を受けて、光線は結晶から出射する。即ち、得られる偏向量は結晶内の光の伝搬長に比例する。この点において、従来用いられていたプリズム型の光偏向器と比べて、その動作機序を全く異にしている。その特有の偏向機序の結果、偏向動作が高速であって、かつ、偏向角範囲が大きく取れるという特徴を有する。このような電気光学偏向器は、特許文献1に詳細が開示されている。   In such a crystal, all parts in the crystal are responsible for the deflection action. The light beam is emitted from the crystal in response to the accumulated deflection of the action in each part of the light beam propagation path. That is, the amount of deflection obtained is proportional to the light propagation length in the crystal. In this respect, the operation mechanism is completely different from that of the conventionally used prism type optical deflector. As a result of the unique deflection mechanism, the deflection operation is fast and the deflection angle range is large. Details of such an electro-optic deflector are disclosed in Patent Document 1.

図2は、本発明の波長掃引光源に使用される電気光学偏向器の構成および動作を説明する図である。図2は、偏向器の偏向面内を見た、基本的な構成および動作を説明している。電気光学結晶301の対向面には、それぞれ電極302および接地電極303が形成される。入射光305は、これら2つの電極の中間を通る中心光軸308に沿って伝搬する。ここで、制御電圧源304によって電極302に電圧を印加すると、結晶内の光線は負極(正電圧印加時を示す図3では、接地電極303)側に屈曲した偏向光路307を辿り、偏向した出射光306として結晶301から出射する。   FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration and operation of an electro-optic deflector used for the wavelength-swept light source of the present invention. FIG. 2 illustrates the basic configuration and operation of the deflector viewed from the deflection surface. On the opposing surface of the electro-optic crystal 301, an electrode 302 and a ground electrode 303 are formed, respectively. Incident light 305 propagates along a central optical axis 308 that passes between these two electrodes. Here, when a voltage is applied to the electrode 302 by the control voltage source 304, the light beam in the crystal follows the deflecting optical path 307 bent toward the negative electrode (the ground electrode 303 in FIG. The light is emitted from the crystal 301 as the incident light 306.

偏向光路307を出射端面Aの「結晶側(内部)」において観察すると、あたかも結晶中心に位置する偏光中心310から、光線が発しているように見える。すなわち、偏向作用によって光線が、この偏光中心310の周りに回転するように見える。これを結晶の「外部」の出射光306について観察すると、今度は、あたかも偏向作用によって射出中心309の周りに回転するように見える。このような射出中心309は、出射端面Aにおける屈折作用によって出射端面側に近づき、結晶長をLとすると、出射端面AからL/(2n)の場所に位置する。ここでnは結晶の屈折率である。   When the polarization optical path 307 is observed on the “crystal side (inside)” of the emission end face A, it appears as if a light beam is emitted from the polarization center 310 located at the crystal center. That is, the light beam appears to rotate around the polarization center 310 due to the deflection action. When this is observed with respect to the outgoing light 306 “outside” the crystal, it now appears to rotate around the exit center 309 due to the deflection action. Such an exit center 309 approaches the exit end face side due to the refraction action at the exit end face A, and is located at L / (2n) from the exit end face A when the crystal length is L. Here, n is the refractive index of the crystal.

電気光学偏向器において得られる上述の偏向量は結晶長に比例する。しかしながら、結晶を長くしようとすると、結晶の均一性の確保がより困難となる。また、結晶を長くすると、静電容量が大きくなるため制御電圧源304に要求される皮相電力が増加する。この結果、電気光学偏向器の高速駆動に障害を来す。このような種類の電気光学偏向器では、実際に必要な長さの結晶を用いる替わりに、内部反射による光路の折り返しを利用することによって、結晶長を増したのと等価な効果を得ることもできる。   The amount of deflection obtained in the electro-optic deflector is proportional to the crystal length. However, when trying to lengthen the crystal, it becomes more difficult to ensure the uniformity of the crystal. Further, when the crystal is lengthened, the apparent power required for the control voltage source 304 increases because the capacitance increases. As a result, the high-speed driving of the electro-optic deflector is hindered. In this type of electro-optic deflector, instead of using the crystal of the actually required length, an effect equivalent to increasing the crystal length can be obtained by using the folding of the optical path by internal reflection. it can.

上述のようにKTNなどを利用した電気光学偏向器では、偏向動作が高速で、かつ、偏向角範囲が大きく取れるという特徴を有する。一方で、結晶材料の均一性の問題や、個体ばらつき、2つの電極の電化注入特性のばらつき、さらにトラップ電荷の不均一のために、制御電圧に対する偏向角の変化には非線形性が残る問題がある。こうした非線形性は、結晶の個体、また印加電圧や掃引周波数にも依存して変化するため、オープンループでの補正は一般的に困難である。   As described above, the electro-optic deflector using KTN or the like has the characteristics that the deflection operation is performed at a high speed and the deflection angle range is large. On the other hand, there is a problem of uniformity of crystal material, individual variation, variation of electrification and injection characteristics of two electrodes, and non-uniformity of trap charge. is there. Such nonlinearity changes depending on the crystal, the applied voltage, and the sweep frequency, so that correction in an open loop is generally difficult.

本発明の波長掃引光源では、最小発振波長から最大発振波長までの一定の発振波長幅で掃引するために、電気光学偏向器へ供給する制御電圧をフィードバック制御部から供給する。   In the wavelength swept light source of the present invention, a control voltage supplied to the electro-optic deflector is supplied from the feedback control unit in order to sweep with a constant oscillation wavelength width from the minimum oscillation wavelength to the maximum oscillation wavelength.

一般に、KTNなどを利用した電気光学偏向器では、δを電気光学偏向器によって受ける回折格子への入射角変化量とすると、電気光学偏向器内の光路が図1のy軸の下方側に偏向してδが負となるとき、制御電圧は正の電圧となる。簡単のため、制御電圧104とδの関係が線形であるとして、所望の制御電圧を説明する。すなわち、制御電圧104とδとは正比例の関係にあるものとする。   In general, in an electro-optic deflector using KTN or the like, the optical path in the electro-optic deflector is deflected to the lower side of the y-axis in FIG. 1, where δ is the change in the incident angle to the diffraction grating received by the electro-optic deflector. When δ becomes negative, the control voltage becomes a positive voltage. For simplicity, the desired control voltage will be described assuming that the relationship between the control voltage 104 and δ is linear. That is, it is assumed that the control voltage 104 and δ are in a directly proportional relationship.

図1に示した構成の場合では、δが正の値となるに従ってδの変化率が大きくなるような制御電圧104をKTNに印加することによって、発振波長の時間変化が下に凸となるような波長掃引プロファイルを得ることができる。言い換えると、制御電圧が、発振波長が長波長側に掃引されるほど、発振波長の変化率が大きくなるように制御されれば良い。本発明では、フィードバック制御部200bにおいて、発振出力光の一部から生成した干渉光から波数の変化率を検出し、この変化率情報に基づいてランプ信号を逐次補正して所望の制御電圧に補正を行う。フィードバック制御部200bの作用により、発振波長が長波長側となるほど、発振波長がより速く変化して、発振波長の時間変化は、下に凸の形状となる。このとき、本発明の波長掃引光源では、時間軸上で波数が線形的に変化するように掃引波長が制御される。しかも電気光学偏向器を含むフィードバックループによる制御を行うことにより、上述した対電圧の偏向角の非線形性も補正されるのである。したがって、本発明をSS−OCTに適用すれば、対象物の生体の深さ方向について線形性が良く、尖鋭なOCTイメージが得られる。   In the case of the configuration shown in FIG. 1, by applying a control voltage 104 to KTN such that the rate of change of δ increases as δ becomes a positive value, the time change of the oscillation wavelength becomes convex downward. Wavelength sweep profile can be obtained. In other words, the control voltage may be controlled so that the rate of change of the oscillation wavelength increases as the oscillation wavelength is swept to the longer wavelength side. In the present invention, the feedback control unit 200b detects the rate of change of the wave number from the interference light generated from part of the oscillation output light, and sequentially corrects the ramp signal based on this rate of change information to correct it to a desired control voltage. I do. Due to the action of the feedback control unit 200b, the longer the oscillation wavelength is, the faster the oscillation wavelength changes, and the time variation of the oscillation wavelength becomes a downwardly convex shape. At this time, in the wavelength sweep light source of the present invention, the sweep wavelength is controlled so that the wave number linearly changes on the time axis. In addition, by controlling with a feedback loop including an electro-optic deflector, the above-described nonlinearity of the deflection angle of the counter voltage is also corrected. Therefore, when the present invention is applied to SS-OCT, a linear OCT image having a good linearity in the depth direction of the living body of the object can be obtained.

図3は、本発明の波長掃引光源のフィードバック制御部200bの構成を示すブロック図である。図1に示した発振出力光113の一部は、光ビームタップ121によって取り出されてフィードバック制御部200bに与えられる。フィードバック制御部200bは、2つの光路長の間に差を設けた光干渉計部と、それ以外の電気信号処理部から構成される。   FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the feedback controller 200b of the wavelength swept light source of the present invention. A part of the oscillation output light 113 shown in FIG. 1 is extracted by the light beam tap 121 and given to the feedback control unit 200b. The feedback control unit 200b includes an optical interferometer unit that provides a difference between two optical path lengths, and an electrical signal processing unit other than that.

光干渉計部は、半透鏡201、第1の反射鏡202、第2の反射鏡203、第1の光検出器204および第2の光検出器205から構成される。各反射鏡は、直交する2つの反射面を有しており、図2に示すように、入射光に平行で逆向き方向に反射光を出射する。   The optical interferometer unit includes a semi-transparent mirror 201, a first reflecting mirror 202, a second reflecting mirror 203, a first photodetector 204 and a second photodetector 205. Each reflecting mirror has two orthogonal reflecting surfaces, and emits the reflected light in the opposite direction parallel to the incident light, as shown in FIG.

光干渉計部において、光ビームタップ121からの結合光は、まず半透鏡201のa点で2方向に分岐し、それぞれ第1の反射鏡202および第2の反射鏡203に向かう。第1の反射鏡202を経由する第1の光路を進む光は、半透鏡201のb点でさらに分岐して、それぞれ第1の光検出器204および第2の光検出器205で検出される。第2の反射鏡203を経由する第2の光路を進む光も、同様に半透鏡201のb点で分岐して、それぞれ第1の光検出器204および第2の光検出器205で検出される。したがって、第1の検出器204では、第1の光路および第2の光路の2つの光路をそれぞれ辿った光の干渉光の強度レベルを表す電気信号が得られる。これら2つの電気信号は、常に互いに逆相の関係にある。同様に、第2の検出器205でも、第1の光路および第2の光路の2つの光路をそれぞれ辿った光の干渉光の強度レベルを表す電気信号が得られる。   In the optical interferometer unit, the combined light from the light beam tap 121 is first branched in two directions at point a of the semi-transparent mirror 201 and directed to the first reflecting mirror 202 and the second reflecting mirror 203, respectively. The light traveling on the first optical path via the first reflecting mirror 202 is further branched at the point b of the semi-transparent mirror 201 and detected by the first photodetector 204 and the second photodetector 205, respectively. . Similarly, the light traveling on the second optical path via the second reflecting mirror 203 branches at the point b of the semi-transparent mirror 201 and is detected by the first photodetector 204 and the second photodetector 205, respectively. The Therefore, in the first detector 204, an electric signal representing the intensity level of the interference light of the light that has respectively traveled along the two optical paths of the first optical path and the second optical path is obtained. These two electrical signals are always in opposite phase to each other. Similarly, the second detector 205 can also obtain an electric signal representing the intensity level of the interference light of the light that has passed the two optical paths, the first optical path and the second optical path.

ここで、第1の光路と第2の光路との間には、図3に示すようにTの遅延時間に相当する光路長差が設定されている。第2の反射鏡203を経由する第2の光路は、第1の光路と比べて、図3のx軸方向に半透鏡201からT/2遅延時間に相当する距離(光速×T/2)だけ伸びている。   Here, an optical path length difference corresponding to a delay time of T is set between the first optical path and the second optical path, as shown in FIG. Compared with the first optical path, the second optical path passing through the second reflecting mirror 203 is a distance (light speed × T / 2) corresponding to the T / 2 delay time from the semi-transparent mirror 201 in the x-axis direction of FIG. Only stretched.

2つの光検出器から出力される干渉光の強度を表す電気信号は、いずれも、利得媒質のゲイン波長依存性などによる発振光強度の変化に対応したDC変動成分と、遅延時間Tに相当する光路長差に対応した交流信号とを含む信号となる。しかし、2つの電気信号の交流成分の位相はお互いにπだけずれており、一方の電気信号の交流成分の瞬時振幅の最大値は他方の電気信号の交流成分の瞬時振幅の最小値に対応している。したがって、2つの光検出器からの各電気信号は、減算回路206に入力されて、DC成分が除去されるとともに振幅が倍となった交流成分のみを持つ電気信号が得られる。この交流信号の周波数は、光路長差に依存しており、光路長差が大きい程、周波数は大きくなる。   Both of the electrical signals representing the intensity of the interference light output from the two photodetectors correspond to the DC fluctuation component corresponding to the change in the oscillation light intensity due to the gain wavelength dependency of the gain medium and the delay time T. The signal includes an AC signal corresponding to the optical path length difference. However, the phases of the AC components of the two electrical signals are shifted from each other by π, and the maximum instantaneous amplitude of the AC component of one electrical signal corresponds to the minimum instantaneous amplitude of the AC component of the other electrical signal. ing. Therefore, each electric signal from the two photodetectors is input to the subtracting circuit 206, and an electric signal having only an AC component in which the DC component is removed and the amplitude is doubled is obtained. The frequency of the AC signal depends on the optical path length difference, and the frequency increases as the optical path length difference increases.

ここで、光検出器で得られる干渉光の強度を表す電気信号の交流成分の周波数が、発振器部における発振波長λの逆数である波数kの変化率を表していることについて、以下簡単に説明する。光検出器で得られる干渉光の強度は、次式で表される。
S(t) ∝ I(t)+ I(t)cos(2πν(t)T + φ) 式(3)
ここで、I(t)は光強度である。φは、半透鏡で受ける位相変化であって、これには、2つの光検出器でそれぞれ検出される干渉光の間で、必ずπの差がある。したがって、2つの光検出器の間の差信号は次式で表され、DC成分が除去されたものとなる。
ΔS(t) ∝ 2I(t) cos(2π ν(t)T + φ) 式(4)
式(4)中で、ν(t)は、波長掃引光源の出力する時間的に変化する光周波数を表し、光周波数と波長との関係を用いて、次のように書き換えられる。
2πν(t)=2πc/λ(t) = ck(t) 式(5)
ここで、cは光速であり、k(t)=2π/λ(t)は波数に他ならない。
Here, the fact that the frequency of the AC component of the electrical signal representing the intensity of the interference light obtained by the photodetector represents the rate of change of the wave number k which is the reciprocal of the oscillation wavelength λ in the oscillator unit will be briefly described below. To do. The intensity of the interference light obtained by the photodetector is expressed by the following equation.
S (t) ∝I (t) + I (t) cos (2πν (t) T + φ) Equation (3)
Here, I (t) is the light intensity. φ is a phase change received by the semi-transparent mirror, and there is always a difference of π between the interference lights detected by the two photodetectors. Therefore, the difference signal between the two photodetectors is expressed by the following equation, and the DC component is removed.
ΔS (t) ∝ 2I (t) cos (2π ν (t) T + φ) Equation (4)
In Expression (4), ν (t) represents a temporally changing optical frequency output from the wavelength swept light source, and is rewritten as follows using the relationship between the optical frequency and the wavelength.
2πν (t) = 2πc / λ (t) = ck (t) Equation (5)
Here, c is the speed of light, and k (t) = 2π / λ (t) is nothing but the wave number.

時間的に振動するΔS(t)の周波数は、(dν/dt) T=(c/2π)(dk/dt)Tである。ここで、dν/dtは光周波数の変化率、dk/dtは波数の変化率である。これら変化率が一定であれば、ν(t)およびk(t)が時間とともに直線的に変化する。すなわち、ΔS(t)の周波数が一定であることが、波数が時間に対して直線的に変化するために、必要にして十分な条件である。   The frequency of ΔS (t) that vibrates with time is (dν / dt) T = (c / 2π) (dk / dt) T. Here, dν / dt is the change rate of the optical frequency, and dk / dt is the change rate of the wave number. If these change rates are constant, ν (t) and k (t) change linearly with time. That is, a constant frequency of ΔS (t) is a necessary and sufficient condition because the wave number changes linearly with respect to time.

したがって、ランプ電圧信号を電気光学偏向器に印加して概ね線形的に発振波長の掃引を行っているときに、光検出器から得られる電気信号の交流成分の周波数を検出し、この交流成分の周波数を一定に保つ動作を行うことによって、波数が時間に対して直線的に変化する波長掃引を実現できる。交流成分の周波数を一定に保つ動作は、以下に述べる電気信号処理部によって行われる。   Therefore, when the lamp voltage signal is applied to the electro-optic deflector to sweep the oscillation wavelength approximately linearly, the frequency of the AC component of the electrical signal obtained from the photodetector is detected, and the AC component By performing the operation of keeping the frequency constant, a wavelength sweep in which the wave number changes linearly with respect to time can be realized. The operation of keeping the frequency of the AC component constant is performed by an electric signal processing unit described below.

再び図3を参照すれば、減算回路206からの出力電気信号ΔS(t)は、交流信号成分の周波数を一定に保つため、位相ロックループ(PLL)回路207に入力される。PLL回路207は、マスタクロック発振器および電圧制御発振器(VCO)とともに使用される発振器周波数の同期の用途などで一般によく知られている。一般には、発振周波数に同期する交流信号が入力され、この交流信号の変動を反映した制御電圧をVCOへ供給して、所定の発振周波数を維持するよう動作する。   Referring to FIG. 3 again, the output electric signal ΔS (t) from the subtraction circuit 206 is input to the phase lock loop (PLL) circuit 207 in order to keep the frequency of the AC signal component constant. The PLL circuit 207 is generally well known for applications such as oscillator frequency synchronization used with a master clock oscillator and a voltage controlled oscillator (VCO). In general, an AC signal synchronized with the oscillation frequency is input, and a control voltage reflecting the fluctuation of the AC signal is supplied to the VCO to operate to maintain a predetermined oscillation frequency.

本発明においては、光干渉計部からの干渉光強度の交流成分がPLL回路207に入力され、交流成分の周波数変化に比例した出力信号(VCO入力信号:VCOin)を、電気光学偏向器を駆動する高電圧増幅器211のゲイン制御電圧(Gain)として印加する。既に述べたようにKTNなどを用いた電気光学偏向器は、偏向のために数百V程度の駆動電圧を必要とする。このため、波長掃引のためのランプ電圧を生成するランプ信号発生器210からの駆動信号は、高電圧増幅器211で所要電圧レベルまで増幅されて電気光学偏向器104へ印加される。本発明では、PLL回路207回路からの出力電圧(VCOin)は減算器208で基準電圧209から減じられた上で、高電圧増幅器211のゲイン制御入力(Gain)へ印加される。基準電圧209を適切に設定して、所望の波数変化率が得られるように、高電圧増幅器211の平均ゲインを設定する。   In the present invention, the alternating current component of the interference light intensity from the optical interferometer unit is input to the PLL circuit 207, and an output signal (VCO input signal: VCOin) proportional to the frequency change of the alternating current component is driven to the electro-optic deflector. It is applied as a gain control voltage (Gain) of the high voltage amplifier 211 to be applied. As already described, an electro-optic deflector using KTN or the like requires a drive voltage of about several hundred volts for deflection. Therefore, the drive signal from the ramp signal generator 210 that generates the ramp voltage for wavelength sweep is amplified to a required voltage level by the high voltage amplifier 211 and applied to the electro-optic deflector 104. In the present invention, the output voltage (VCOin) from the PLL circuit 207 circuit is subtracted from the reference voltage 209 by the subtracter 208 and then applied to the gain control input (Gain) of the high voltage amplifier 211. The average gain of the high voltage amplifier 211 is set so that the reference voltage 209 is appropriately set and a desired wave number change rate is obtained.

ランプ信号発生器210からのランプ電圧そのままで電気光学偏向器を駆動する場合は、波長が概ね線形的に変化する。つまり、波数が時間に対して線形的に変化するようなSS−OCTに適合した波長変化を実現することはできない。したがって、ランプ電圧は、近似的な掃引電圧にしかなり得ない。本発明では、発振出力からの結合光に基づいて干渉光を生じさせ、PLL回路207によって干渉光の強度信号の交流成分周波数を一定に保つような引き込み動作を行う。PLL回路207からは、交流成分の周波数変化に比例した制御電圧(VCOin)が得られる。このPLL回路207からの制御電圧(VCOin)を高電圧増幅器211のゲイン制御電圧(Gain)に帰還することで、ランプ電圧が補正されて波数が時間に対して線型的に変化するように波長掃引が行われる。フィードバック制御部200bは、PLL回路207の出力を高電圧増幅器211におけるランプ信号の増幅率に帰還することにより、単純な鋸歯状波のランプ電圧の掃引電圧に対して、波数が時間に対して線形的に変化するような発振波長掃引プロファイルとなるように刻々と電圧補正を行っていることになる。   When the electro-optic deflector is driven with the lamp voltage from the lamp signal generator 210 as it is, the wavelength changes substantially linearly. That is, it is not possible to realize a wavelength change suitable for SS-OCT in which the wave number changes linearly with respect to time. Therefore, the ramp voltage is not very good at an approximate sweep voltage. In the present invention, interference light is generated based on the combined light from the oscillation output, and the PLL circuit 207 performs a pull-in operation to keep the AC component frequency of the intensity signal of the interference light constant. From the PLL circuit 207, a control voltage (VCOin) proportional to the frequency change of the AC component is obtained. By feeding back the control voltage (VCOin) from the PLL circuit 207 to the gain control voltage (Gain) of the high voltage amplifier 211, the wavelength sweep is performed so that the lamp voltage is corrected and the wave number changes linearly with respect to time. Is done. The feedback control unit 200b feeds back the output of the PLL circuit 207 to the amplification factor of the ramp signal in the high voltage amplifier 211, so that the wave number is linear with respect to time with respect to the sweep voltage of the ramp voltage of a simple sawtooth wave. Thus, voltage correction is performed every moment so as to obtain an oscillation wavelength sweep profile that changes with time.

より具体的には、波長が短い側から長い側に掃引される場合、電気光学偏向器による偏向角δは,負から正へと単調に増す変化を行う。KTN電気光学偏向器の場合、このために印加する制御電圧としては、正から負へと単調に減じる鋸歯状波が求められる。   More specifically, when the wavelength is swept from the short side to the long side, the deflection angle δ by the electro-optic deflector changes monotonously from negative to positive. In the case of a KTN electro-optic deflector, a sawtooth wave that monotonously decreases from positive to negative is required as the control voltage applied for this purpose.

一定負勾配のランプ電圧を印加する場合、掃引初期の短波長端近傍では、電圧の変化率(の大きさ)が過大であり、それゆえΔS(t)の周波数が高く、VCOinが基準電圧209を上回る。その結果、減算器208から負の補正信号が高電圧増幅器211のゲイン制御入力(Gain)に与えられ、それにより、電圧の変化率(の大きさ)を低減しΔS(t)の周波数を低める方向に作用する。   When a ramp voltage having a constant negative gradient is applied, the rate of change of voltage is excessive in the vicinity of the short wavelength end at the beginning of the sweep, and therefore the frequency of ΔS (t) is high, and VCOin is the reference voltage 209. It exceeds. As a result, a negative correction signal is supplied from the subtracter 208 to the gain control input (Gain) of the high voltage amplifier 211, thereby reducing the voltage change rate and reducing the frequency of ΔS (t). Acts on direction.

他方、掃引末期の長波長端近傍では、電圧の変化率(の大きさ)が過小であり、それゆえΔS(t)の周波数は低く、VCOinが基準電圧209を下回る。その結果、減算器208からは正の補正信号が高電圧増幅器211のゲイン制御入力(Gain)に与えられ、それにより、電圧の変化率(の大きさ)を増大しΔS(t)の周波数を高める方向に作用するのである。   On the other hand, in the vicinity of the end of the long wavelength at the end of the sweep, the voltage change rate (the magnitude) is too small, and therefore the frequency of ΔS (t) is low, and VCOin is below the reference voltage 209. As a result, a positive correction signal is supplied from the subtracter 208 to the gain control input (Gain) of the high voltage amplifier 211, thereby increasing the voltage change rate (magnitude) and increasing the frequency of ΔS (t). It works in the direction of increasing.

図1に示した構成のリトマン配置された構成のレーザ発振器においては、発振波長λは、次の回折格子方程式によって決定される。
Λ(sin(θ+δ)+sinφ)=mλ 式(6)
ここで、Λは回折格子のピッチであり、λは発振波長、mは回折次数である。θおよびφは、図1に示したように回折格子への入射角および出射角である。δは、電気光学偏向器によって受ける回折格子への入射角変化量である。式(2)とともに従来技術の場合について説明したように、図1の本発明の波長掃引光源でも波長λの変化の形状は、式(6)左辺のδを含むsin項の影響を受ける。したがって、式(6)で、δを一定速度で変化させても、図8において破線41で示したような、波数が時間に対して直線的に変化する所望の波長変化は実現できない。
In the laser oscillator having the configuration shown in FIG. 1 and having the Litman arrangement, the oscillation wavelength λ is determined by the following diffraction grating equation.
Λ (sin (θ + δ) + sinφ) = mλ Equation (6)
Here, Λ is the pitch of the diffraction grating, λ is the oscillation wavelength, and m is the diffraction order. θ and φ are the incident angle and the exit angle to the diffraction grating as shown in FIG. δ is an incident angle change amount to the diffraction grating received by the electro-optic deflector. As described in the case of the prior art together with the equation (2), the shape of the change of the wavelength λ is also affected by the sin term including δ on the left side of the equation (6) in the wavelength swept light source of the present invention in FIG. Therefore, even if δ is changed at a constant speed in equation (6), the desired wavelength change in which the wave number changes linearly with respect to time as shown by the broken line 41 in FIG. 8 cannot be realized.

その上に、すでに述べたように、KTNなどを利用した電気光学偏向器では、結晶材料の均一性の問題や、個体ばらつき、2つの電極の電化注入特性のばらつき、さらにトラップ電荷の不均一のために、制御電圧に対する偏向角の変化には非線形性が残る。したがって、上式(6)のδに対する波長λの変化にはさらに別箇の非線形成分が含まれ、また、印加電圧に対するδの変化は温度によっても変動し、一定に保ち難い。   In addition, as described above, in the electro-optic deflector using KTN or the like, there is a problem of uniformity of crystal material, individual variation, variation of charge injection characteristics of two electrodes, and non-uniformity of trap charge. Therefore, non-linearity remains in the change of the deflection angle with respect to the control voltage. Accordingly, the change of the wavelength λ with respect to δ in the above formula (6) further includes another nonlinear component, and the change of δ with respect to the applied voltage varies depending on the temperature and is difficult to keep constant.

しかしながら、本発明のフィードバック制御部200bによる制御によれば、式(6)のsin項に由来する発振波長の変化を、波数が時間に対して線型的に変化する発振波長の変化に是正する。さらには、KTNなどに内在する結晶材料の均一性の問題や、個体ばらつき、等による偏向角δの変化に伴う非線形性や不安定性も同時に解消することができる。   However, according to the control by the feedback control unit 200b of the present invention, the change in the oscillation wavelength derived from the sin term in the equation (6) is corrected to the change in the oscillation wavelength in which the wave number changes linearly with respect to time. Furthermore, the problem of uniformity of the crystal material inherent in KTN or the like, and non-linearity and instability associated with changes in the deflection angle δ due to individual variations, etc. can be eliminated at the same time.

図4は、本発明の波長掃引光源の第2の構成を示す図である。図4の波長掃引光源400は、図1における発振器部の構成をリトマン構成の200aからリトロー構成400aへ置き換えた点で相違しているだけである。利得媒質101からの入射光107は、回折格子109へ入射し、同じ角度方向に回折して利得媒質101へ戻る。すなわち、発振器部400aは、利得媒質101と、回折格子109を一方の端とする共振器から構成されている。他のフィードバック制御部200bの構成は、図1と全く同様で良い。本発明のフィードバック制御部200bの動作は、上述の図1の場合と同じであるので、説明は省略する。   FIG. 4 is a diagram showing a second configuration of the wavelength swept light source of the present invention. The wavelength swept light source 400 of FIG. 4 is different only in that the configuration of the oscillator unit in FIG. 1 is replaced from the Littman configuration 200a to the Littrow configuration 400a. Incident light 107 from the gain medium 101 enters the diffraction grating 109, diffracts in the same angular direction, and returns to the gain medium 101. That is, the oscillator unit 400a includes a gain medium 101 and a resonator having the diffraction grating 109 as one end. The configuration of the other feedback control unit 200b may be exactly the same as in FIG. The operation of the feedback control unit 200b of the present invention is the same as in the case of FIG.

以下、より具体的な実施例について述べる。   Hereinafter, more specific examples will be described.

図1に示した本発明の波長掃引光源の第1の構成において、回折格子は600l/mmの線刻密度を持ち、入射角θを52.31°、入射角φを0.04°に設定したところ、中心波長1.32μmで動作した。光干渉計部の光路長差は3mm、すなわち遅延時間T=10psに相当する値に設定した。掃引動作の繰返し周波数は100kHzとし、2つの光検出器の差信号ΔS(t)の周波数が17.2MHzになるように、フィードバック制御部を構成した。すなわち、PLL回路内のVCOの周波数の入力電圧感度10MHz/Vに対応して、基準電圧を1.72Vに設定した。   In the first configuration of the wavelength swept light source of the present invention shown in FIG. 1, the diffraction grating has a line marking density of 600 l / mm, the incident angle θ is set to 52.31 °, and the incident angle φ is set to 0.04 °. As a result, it operated at a center wavelength of 1.32 μm. The optical path length difference of the optical interferometer unit was set to 3 mm, that is, a value corresponding to the delay time T = 10 ps. The repetition frequency of the sweep operation was 100 kHz, and the feedback control unit was configured so that the frequency of the difference signal ΔS (t) between the two photodetectors was 17.2 MHz. That is, the reference voltage was set to 1.72 V corresponding to the input voltage sensitivity of 10 MHz / V at the VCO frequency in the PLL circuit.

この結果、波長1.35μmを中心として、幅100nmの範囲において、発振出力光の波数の変化率が安定化され、理想的な波長変化が得られた。この時、掃引中の光周波数の変化率は1.72THz/μs、波数の変化率は2π×57.4cm−1/μsの、何れも一定値に保たれた。 As a result, the change rate of the wave number of the oscillation output light was stabilized in the range of the width of 100 nm around the wavelength of 1.35 μm, and an ideal wavelength change was obtained. At this time, the change rate of the optical frequency during the sweep was 1.72 THz / μs, and the change rate of the wave number was 2π × 57.4 cm −1 / μs, both of which were kept constant.

図4に示した本発明の波長掃引光源の第2の構成において、回折格子は300l/mmの線刻密度を持ち、入射角θを11.7°に設定したところ、中心波長1.35μmで動作した。上述した実施例1同様に、光干渉計部の光路長差は3mm、すなわち遅延時間T=10psに相当する値に設定し、掃引動作の繰返し周波数は100kHzとした。この場合、2つの光検出器の差信号ΔS(t)の周波数が16.5MHzになるように、フィードバック制御部を構成した。すなわち、PLL回路内のVCOの周波数の入力電圧感度10MHz/Vに対応して、基準電圧を1.65Vに設定した。   In the second configuration of the wavelength-swept light source of the present invention shown in FIG. 4, the diffraction grating has a line marking density of 300 l / mm, and the incident angle θ is set to 11.7 °, and the center wavelength is 1.35 μm. It worked. As in the first embodiment, the optical path length difference of the optical interferometer unit is set to 3 mm, that is, a value corresponding to the delay time T = 10 ps, and the repetition frequency of the sweep operation is 100 kHz. In this case, the feedback control unit was configured such that the frequency of the difference signal ΔS (t) between the two photodetectors was 16.5 MHz. That is, the reference voltage was set to 1.65 V corresponding to the input voltage sensitivity of 10 MHz / V at the VCO frequency in the PLL circuit.

この結果、波長1.35μmを中心として、幅100nmの範囲において、発振出力光の波数の変化率が安定化され、理想的な波長変化が得られた。この時、掃引中の光周波数の変化率は1.65THz/μs、波数の変化率は2π×54.9cm−1/μsの、何れも一定値に保たれた。 As a result, the change rate of the wave number of the oscillation output light was stabilized in the range of the width of 100 nm around the wavelength of 1.35 μm, and an ideal wavelength change was obtained. At this time, the change rate of the optical frequency during the sweep was 1.65 THz / μs, and the change rate of the wave number was 2π × 54.9 cm −1 / μs, both of which were kept constant.

以上詳細に述べたように、本発明により、SS−OCTに適合した波長変化を実現した波長掃引光源を提供することができる。出力発振光の一部を、2つの光路長の間に差を設けた干渉計に入射し、得られる電気信号の交流成分周波数を一定に保つフィードバック制御部の動作により、発振波長が波数について直線的に変化するような波長掃引電圧が生成・印加され、OCTイメージの線形性を大幅に改善し尖鋭なOCTイメージを得ることができる。   As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide a wavelength swept light source that realizes a wavelength change suitable for SS-OCT. A part of the output oscillation light is incident on an interferometer with a difference between the two optical path lengths, and the oscillation wavelength is linear with respect to the wave number by the operation of the feedback control unit that keeps the AC component frequency of the electric signal constant A wavelength sweep voltage that changes with time can be generated and applied, and the linearity of the OCT image can be greatly improved and a sharp OCT image can be obtained.

本発明は、光信号処理装置に使用できる。特に、光コヒーレントトモグラフィーに利用できる。   The present invention can be used for an optical signal processing apparatus. In particular, it can be used for optical coherent tomography.

1 光源
2、22 ビームスプリッタ
3、23、110 ミラー
4、24 生体
5、25、204、205 光検出器
21、100、200、400 波長掃引光源
31、32、33 反射面
101 利得媒質
102、111 集光レンズ
103 電気光学偏向器
104、304 制御電圧
19、106、109 回折格子
110 端面鏡
112 出力結合鏡
120 ポリゴンミラー
121 光ビームタップ
200a、400a 発振器部
200b フィードバック制御部
201 半透鏡
202、203 反射鏡
207 PLL回路
210 ランプ信号発生器
211 高電圧増幅器
300 電気光学結晶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2, 22 Beam splitter 3, 23, 110 Mirror 4, 24 Living body 5, 25, 204, 205 Photodetector 21, 100, 200, 400 Wavelength sweep light source 31, 32, 33 Reflecting surface 101 Gain medium 102, 111 Condensing lens 103 Electro-optic deflector 104, 304 Control voltage 19, 106, 109 Diffraction grating 110 End mirror 112 Output coupling mirror 120 Polygon mirror 121 Optical beam tap 200a, 400a Oscillator unit 200b Feedback control unit 201 Semi-transparent mirror 202, 203 Reflection Mirror 207 PLL circuit 210 Ramp signal generator 211 High voltage amplifier 300 Electro-optic crystal

Claims (4)

時間的に出力波長が周期的に変化する光源において、
電気光学偏向器を含む発振器部と、
光路長の間に差を設けた2つの光路に前記発振器部からの発振出力光を伝搬させて、前記2つの光路長差により生じる干渉光に対して、前記光路長差および前記発振出力光の波数の変化率に比例する周波数の交流成分を含む干渉光強度を表す電気信号を出力する干渉計、
前記電気信号の前記交流成分の周波数を一定に保つためのフィードバック信号を発生する誤差信号発生回路、および
ランプ電圧信号に対する利得に前記フィードバック信号を作用させて、前記電気光学偏向器へ供給する補正された制御電圧を生成する制御電圧発生回路を有するフィードバック制御部と
を備えたことを特徴とする波長掃引光源。
In a light source whose output wavelength changes periodically over time,
An oscillator unit including an electro-optic deflector;
The oscillation output light from the oscillator unit is propagated to two optical paths having a difference between the optical path lengths, and the optical path length difference and the oscillation output light are compared with respect to the interference light generated by the two optical path length differences. An interferometer that outputs an electrical signal representing the intensity of interference light including an alternating current component of a frequency proportional to the rate of change of wave number;
An error signal generation circuit for generating a feedback signal for keeping the frequency of the AC component of the electrical signal constant, and a correction for supplying the feedback signal to the gain of the lamp voltage signal to supply to the electro-optic deflector And a feedback control unit having a control voltage generation circuit for generating a control voltage.
前記誤差信号発生回路は、前記電気信号が入力され、前記電気信号の前記周波数の所定の周波数からの偏倚量に比例した前記フィードバック信号を出力する位相ロックループ回路であり、
前記制御電圧発生回路は、前記フィードバック信号が利得制御信号として印加され、前記ランプ電圧信号を増幅する高電圧増幅器であること
を特徴とする請求項1に記載の波長掃引光源。
The error signal generation circuit is a phase-locked loop circuit that receives the electrical signal and outputs the feedback signal proportional to a deviation amount of the frequency of the electrical signal from a predetermined frequency;
The wavelength sweep light source according to claim 1, wherein the control voltage generation circuit is a high voltage amplifier that amplifies the lamp voltage signal when the feedback signal is applied as a gain control signal.
前記発振器部は、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子と、前記回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記回折格子を介して、前記利得媒質と前記端面鏡とが光学的に接続された共振器から構成され、
前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の波長掃引光源。
The oscillator unit includes a gain medium, a diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident, and an end face mirror on which the diffracted light of the incident light directly enters the diffraction grating, through the diffraction grating. The gain medium and the end mirror are configured by a resonator optically connected,
3. The wavelength sweep according to claim 1, wherein the electro-optic deflector is disposed between the gain medium and the diffraction grating on an optical path formed by the resonator. light source.
前記発振器部は、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子とを含み、前記利得媒質と前記回折格子とが光学的に接続された共振器から構成され、前記電気光学偏向器は、前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の波長掃引光源。   The oscillator unit includes a gain medium and a diffraction grating on which light from one end of the gain medium is incident. The oscillator unit includes a resonator in which the gain medium and the diffraction grating are optically connected. 3. The wavelength swept light source according to claim 1, wherein the deflector is disposed between the gain medium and the diffraction grating on an optical path formed by the resonator.
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