JP5463473B2 - Optical tomographic image display system - Google Patents
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Description
本発明はモードロックレーザ発振器を用いた光断層画像表示システムに関するものである。 The present invention relates to an optical tomographic image display system using a mode-locked laser oscillator.
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、光断層画像表示システム(光コヒーレンストモグラフィーシステム,OCTともいう)が注目されている。 In recent years, with the advancement of medical techniques such as endoscopic treatment, a diagnostic method that performs non-intrusive and real-time diagnosis of a pathological tissue is desired. Conventionally, for example, an electronic endoscope using a CCD, imaging using CT, MRI, and ultrasonic waves are used as diagnostic methods. The electronic endoscope is limited to observation of the surface of a living body, and the latter diagnostic imaging system has a technical limit in observing with a resolution of micron order. An optical tomographic image display system (also referred to as an optical coherence tomography system or OCT) has attracted attention as a technique for complementing such a method.
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(SD−OCT)と波長走査型光源タイプ(SS−OCT)の2つがある。時間領域OCTの場合には、広帯域の光を生体に当てて、そこからの反射光の干渉成分を抽出していたが、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。 There are two types of OCT: time-domain OCT (TD-OCT) and frequency-domain OCT (FD-OCT). Also in FD-OCT, spectrometer type (SD-OCT) and wavelength scanning light source There are two types (SS-OCT). In the case of time domain OCT, broadband light is applied to a living body, and interference components of reflected light from the light are extracted. However, with this method, reflected light from different depths overlaps with the interference light. Therefore, only signal light from a specific depth could not be detected with high sensitivity.
一方波長走査型OCTは、生体に狭スペルトルの波長の光を照射し、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。波長走査型光源を用いたSS−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。 On the other hand, the wavelength scanning type OCT irradiates a living body with light having a narrow spectral wavelength, continuously changes the wavelength of the irradiation light, and generates a reference light and reflected light returning from different depths in the living body with an interferometer. This is a system for obtaining a tomographic image by causing interference and analyzing the frequency component of the interference signal. This technology is expected as an advanced system because it can construct a tomographic image with extremely high resolution from frequency analysis of signals from inside the object. SS-OCT using a wavelength scanning light source is suitable for practical use such as an endoscope because it has high measurement sensitivity and is resistant to dynamic noise. Here, the wider the wavelength scanning band of the irradiated light, the higher the frequency analysis band, so that the resolution in the depth direction increases.
特にSS−OCTは波長1μmの以上の赤外光が必要な部位の断層撮影や、光ファイバを使用する内視鏡でのアプリケーションに有利である。一方で、眼科や心臓血管の断層撮影では、生体の動きによる影響を除去するため、あるいは短時間で大きなエリアを撮影する必要から、より高速に撮影することが要求される。そのため高速の走査速度を有する光源が要求される。 In particular, SS-OCT is advantageous for tomography of a site that requires infrared light having a wavelength of 1 μm or more, and for applications in an endoscope using an optical fiber. On the other hand, in ophthalmology and cardiovascular tomography, in order to remove the influence of the movement of a living body or to photograph a large area in a short time, it is required to photograph at higher speed. Therefore, a light source having a high scanning speed is required.
従来の波長走査型光源は、ポリゴンミラーやMEMSミラーなどを用いて光を機械的に偏向させて外部共振器内のフィルタ波長選択特性を変化させることで波長を走査していた。このような光源では、100kHz以上の高速走査は複雑な機構を用いなければならず、低価格で実現するのは困難であった。また、機械的な動作を伴うため信頼性が低いという欠点があった。 A conventional wavelength scanning light source scans a wavelength by mechanically deflecting light using a polygon mirror, a MEMS mirror, or the like to change a filter wavelength selection characteristic in an external resonator. With such a light source, high-speed scanning of 100 kHz or more has to use a complicated mechanism, and it has been difficult to realize at low cost. In addition, there is a drawback that reliability is low due to mechanical operation.
特許文献1,2には、分散素子を外部共振器内に入れることで、モードロック用のクロック信号の周波数を変化させることによって発振波長を変化させることができる波長可変モードロックレーザが提案されている。モードロックレーザは、外部共振器モードの周波数間隔と同じあるいはその整数倍の周波数でレーザを変調して、その周波数でレーザを繰り返しパルス発振させるレーザである。外部共振器型レーザに波長分散を用いた波長可変方式を利用することにより、機械的な機構をなくし100kHz以上の高速走査を実現することができる。これは構成が単純で、高速の波長可変が可能である。
次にモードロック発振をする条件と波長可変の原理について説明する。まず、一般的には、共振器内部の光強度を変調するためのクロック信号の周波数(以下、クロック周波数あるいはモードロック周波数という)fcと、光が外部共振器内を伝搬する時間に対応する繰り返し周波数Fとが一致した場合に、安定したモードロック発振が実現される。クロック周波数fcは、波形シンセサイザー、ファンクションジェネレータなどから、自由に変化させることができる。一方繰り返し周波数Fは、光がレーザの外部共振器内を1周あるいは1往復伝搬する伝搬時間TLに対応する周波数である。伝搬時間TLは、外部共振器の共振器長をLとすると、
TL=nL/c ・・・(1)
ただし、n:屈折率
c:光速
として表される。
また、FとTLとの関係は、
F=m/TL ・・・(2)
ただし、m(整数)>0
の関係がある。通常のモードロックレーザでは、図1(a)において外部共振器内に挿入される半導体光増幅器などのゲイン媒体のゲイン特性を曲線Aで示し、外部共振器長によって決まるスペクトルを同時に示すものとすると、fcとFが一致したときに図1(b)に示すようにゲイン特性の範囲内で広帯域の発振が想定される。尚このスペクトルのモード間隔はFSR(=c/L)により決定される。
Next, the conditions for mode-locked oscillation and the principle of variable wavelength will be described. First, in general, a frequency corresponding to the frequency fc of a clock signal for modulating the light intensity inside the resonator (hereinafter referred to as a clock frequency or a mode-lock frequency) fc and a repetition time corresponding to the time that light propagates in the external resonator. When the frequency F matches, stable mode-lock oscillation is realized. The clock frequency fc can be freely changed from a waveform synthesizer, a function generator, or the like. On the other hand, the repetition frequency F is a frequency corresponding to a propagation time TL in which light propagates in one round or one round trip in the external resonator of the laser. Propagation time T L is L when the resonator length of the external resonator is L.
T L = nL / c (1)
Where n is the refractive index and c is the speed of light.
The relationship between F and T L is
F = m / T L (2)
However, m (integer)> 0
There is a relationship. In a normal mode-locked laser, the gain characteristic of a gain medium such as a semiconductor optical amplifier inserted in the external resonator in FIG. 1A is shown by a curve A, and the spectrum determined by the external resonator length is shown at the same time. , Fc and F coincide with each other, broadband oscillation is assumed within the gain characteristic range as shown in FIG. The mode interval of this spectrum is determined by FSR (= c / L).
次に波長可変の原理について説明する。モードロックレーザにおいて、外部共振器内に分散素子を内包した場合には、外部共振器長Lが発振波長λに依存し、伝搬時間TLも波長λに依存することとなる。このため外部共振器長L及び伝搬時間TLは、以下のように波長λの関数となる。
L=L(λ)
TL=TL(λ)
従って繰り返し周波数Fも発振波長λに依存する。図2(a)はこの場合の発振可能なスペクトルを示し、同時に半導体光増幅器のゲイン特性を曲線Aとして示している。この場合、あるクロック周波数fcで変調駆動した際、
fc=F(λ) ・・・(3)
が満足される波長λで安定なモードロック発振が起こる。他の波長λでは、式(3)の条件が満足されていないため、発振が起きない。よって、クロック周波数fcを例えばfc1とすると、図2(b)に示すスペクトルの光のみが発振する。クロック周波数を変化させfc2とすると、図2(c)に示すスペクトルの光を発振させることができる。更に、クロック周波数fcを連続的に変化させることによって、レーザ光の発振周波数を連続して変化させることが可能となる。この場合、縦モードの間隔はFSR(=c/L(f))により決定される。
Next, the principle of variable wavelength will be described. In a mode-locked laser, when a dispersive element is included in an external resonator, the external resonator length L depends on the oscillation wavelength λ, and the propagation time TL also depends on the wavelength λ. Therefore, the external resonator length L and the propagation time T L are functions of the wavelength λ as follows.
L = L (λ)
T L = T L (λ)
Therefore, the repetition frequency F also depends on the oscillation wavelength λ. FIG. 2A shows a spectrum in which oscillation is possible in this case, and simultaneously shows a gain characteristic of the semiconductor optical amplifier as a curve A. FIG. In this case, when modulation driving is performed at a certain clock frequency fc,
fc = F (λ) (3)
Stable mode-locked oscillation occurs at a wavelength λ that satisfies the above. At other wavelengths λ, the condition of the expression (3) is not satisfied, and thus oscillation does not occur. Therefore, if the clock frequency fc is, for example, fc 1 , only the light having the spectrum shown in FIG. 2B oscillates. When fc 2 by changing the clock frequency, it is possible to oscillate the light of the spectrum shown in Figure 2 (c). Furthermore, by continuously changing the clock frequency fc, it is possible to continuously change the oscillation frequency of the laser light. In this case, the longitudinal mode interval is determined by FSR (= c / L (f)).
非特許文献1では、この原理に基づき分散素子として分散光ファイバを用いて高速で波長を掃引することができるレーザ光源が報告されている。
Non-Patent
しかし非特許文献1の波長掃引レーザは分散素子として、例えば100mの長い分散補償光ファイバを用いている。しかし外部共振器長が長い場合、共振器モードが密になり発振可能なスペクトルは図3(a)となる。従ってクロック周波数fcを変化させた場合に図3(b),(c)に示すように、波長掃引中のモードロックされる共振器モードの選択性が落ち、結果的に隣接する複数のモード、即ち多モードで発振してしまう。また共振器長が長い場合、波長掃引中にその波長を発振している間の光が共振器中を周回する回数が減り、レーザの共振増幅が弱くなり、これによっても発振スペクトルが拡がる要因となる。従ってモードロックレーザの波長を高速走査させた場合には、波長走査型光コヒーレンストモグラフィで必要とされる高コヒーレンス性つまり狭発振スペクトル線幅が維持できず、スペクトルが太くなってしまうという問題があった。さらに前述のように波長選択性が劣化したり共振増幅が弱くなると、波長掃引範囲を狭くする要因ともなる。従ってこのレーザ光源を光断層画像表示システムに適用した場合には、画像の深達度、分解能が低下するという欠点があった。
However, the wavelength sweep laser of Non-Patent
本発明はこのような従来の分散型モードロックレーザの問題点に鑑みてなされたものであって、波長を変化させることができ、高速で高コヒーレンスのレーザ光源を実現し、これを用いて高深達、高分解能の光断層画像表示システムを提供することを技術的課題とする。 The present invention has been made in view of the problems of such a conventional distributed mode-locked laser, which can change the wavelength and realize a high-speed and high-coherence laser light source. Therefore, it is a technical object to provide a high-resolution optical tomographic image display system.
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、波長可変型レーザを含み、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をA/D変換するA/D変換部を有し、干渉信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を形成する信号処理部と、を具備し、前記波長走査型光源は、外部共振器と、前記外部共振器の内部に設けられ、対向する一対の回折格子を有する波長分散素子と、前記外部共振器内の光を増幅する半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器に加えるモードロック信号の周波数を変化させるモードロック信号発生部と、を有し、モードロック信号を変調することによって波長を可変するものである。 In order to solve this problem, an optical tomographic image display system of the present invention includes a wavelength scanning type light source that includes a wavelength tunable laser and periodically scans an oscillation wavelength of light, and outputs light from the wavelength scanning type light source. An interference optical meter that branches into reference light and irradiation light to the object, generates interference light between the reflected light from the object and the reference light, and receives the interference light obtained from the interference optical meter to obtain a beat signal A light receiving element, and an A / D conversion unit that performs A / D conversion on the output from the light receiving element, and a signal processing unit that forms a tomographic image of the object by Fourier transforming the interference signal. The wavelength scanning light source includes an external resonator, a wavelength dispersion element having a pair of opposing diffraction gratings provided inside the external resonator, and a semiconductor optical amplifier that amplifies the light in the external resonator; , Modal mode added to the semiconductor optical amplifier Has a mode-locked signal generator for changing the frequency of click signal, a, is to vary the wavelength by modulating the mode-locked signal.
ここで前記波長走査型光源の外部共振器の共振器長は、10m以下としてもよい。 Here, the resonator length of the external resonator of the wavelength scanning light source may be 10 m or less.
ここで前記信号処理部のA/D変換部は、モードロック信号の周波数の整数倍及び整数分の1のいずれかのサンプリング周波数でA/D変換するものとしてもよい。 Here, the A / D conversion unit of the signal processing unit may perform A / D conversion at a sampling frequency that is an integral multiple of the frequency of the mode-locked signal or a fraction of an integer.
ここで前記信号処理部は、モードロック信号を外部クロックとして用いて前記A/D変換部にてサンプリングするようにしてもよい。 Here, the signal processing unit may sample the A / D conversion unit using a mode lock signal as an external clock.
ここで前記モードロック信号発生部は、前記波長走査型光源のレーザ発振周波数が時間的に直線的に掃引するよう補正した関数でモードロック信号の周波数を変化させるものとしてもよい。 Here, the mode-lock signal generator may change the frequency of the mode-lock signal with a function corrected so that the laser oscillation frequency of the wavelength scanning light source sweeps linearly in terms of time.
このような特徴を有する本発明によれば、モードロックのためゲイン媒体である半導体光増幅器に電流を注入する際にその注入電流のクロック信号周波数を連続的に掃引することにより、波長走査が可能となる。本発明では分散補償用のファイバを使う場合に比較して、短い外部共振器長で相対的に大きな分散値を得ることができる。従って外部共振器長を短くすることによって、レーザ発振するスペクトルの隣接モード数を減らし、狭スペクトルのレーザ光を発振させることができる。この光源を用いることによって断層画像の深達度を向上させることができるという効果が得られる。 According to the present invention having such features, wavelength scanning is possible by continuously sweeping the clock signal frequency of the injected current when injecting the current into the semiconductor optical amplifier which is a gain medium for mode locking. It becomes. In the present invention, a relatively large dispersion value can be obtained with a short external resonator length as compared with the case of using a dispersion compensating fiber. Therefore, by shortening the external cavity length, the number of adjacent modes of the laser oscillation spectrum can be reduced, and the laser light with a narrow spectrum can be oscillated. By using this light source, it is possible to improve the depth of the tomographic image.
(第1の実施の形態)
図4は本発明の第1の実施の形態による波長走査型光源を用いた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には一定の周波数範囲の光信号を発振する波長可変型のモードロック型のレーザ光源を用いる。この波長走査型光源10の出力は光ファイバ11の一端に与えられる。光ファイバ11の他端にはコリメートレンズ12及び参照ミラー13が設けられている。又光ファイバ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。集束レンズ18はこの反射光を受光する位置に配置し、測定部位へ光を集束すると共に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。
(First embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of the optical tomographic display system using the wavelength scanning light source according to the first embodiment of the present invention. In this figure, a wavelength-tunable mode-locked laser light source that oscillates an optical signal in a certain frequency range is used as the wavelength
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。信号処理部22は後述するように干渉計から得られる受光信号をフーリエ変換することによって、断層画像信号を得るものである。
The output of the
次に本発明の第1の実施の形態で用いる波長走査型光源10について更に説明する。図5はこの波長走査型光源10の全体構成を示す図である。図5においてミラー31の側方には一対の回折格子32,33が回折面を対向させて平行に図示のように傾斜して配置されている。本実施の形態では波長分散素子を回折格子32,33の対により構成し、波長走査範囲の短波側と長波側での共振器長に差をつけ、波長に応じた遅延量を発生させている。そしてこの回折格子33の側方には外部共振器内を通過する光を集束させるレンズ34と半導体光増幅器(以下、SOAという)35が設けられる。SOA35はその図示の右端が反射面として構成されており、ミラー31とSOA35の右端との間が外部共振器を構成する。SOA35の端面を反射面とせず、SOA35の外側に更にミラーを設けて外部共振器をすることもできる。そしてこのSOA35からは一部の光がレーザ光としてレンズ36を介して外部に出力される。
Next, the wavelength
さて変調信号部37は所定ののこぎり波状の信号を変調信号としてモードロック信号発生部38に与えるものである。モードロック信号発生部38は変調信号に基づいて周波数が連続的に変化する信号をモードロック信号としてバイアスティ39に加えるものである。バイアスティ39には電流源40も接続され、注入電流が変調されて強度変調信号としてSOA35に与えられる。
The
次に分散デバイスを構成する一対の回折格子32,33とミラー31との位置関係について図6を用いて説明する。ここで回折格子32,33の格子ピッチをaとし、回折格子33への入射角と反射角をθ1,θ2とすると、これらの間には次式の関係が成り立つ。
λ=a(sinθ1+sinθ2) ・・・(4)
ここで波長走査型光源の発振波長が最も短い波長をλ1、最も長い波長をλ2とする。ここで入射角θ1は一定であるが、反射角θ2は波長によって異なるので、波長λ1,λ2のときの反射角θ2を夫々θ2(λ1),θ2(λ2)とする。又最も短い波長の場合にミラー31と回折格子32との間の長さをL4とし、図5に示すように回折格子33とSOA35の反射面との距離をL5とする。このとき最も短い波長λ1の外部共振器長L(λ1)は次式で示される。
L(λ1)=L3/cosθ2(λ1)+L4+L5 ・・・(5)
又最も長い波長λ2の場合には外部共振器長L(λ2)は次式で示される。
L(λ2)=L3/cosθ2(λ2)+L4+L3sinθ1(tanθ2(λ2)
−tanθ2(λ1))+L5 ・・・(6)
そして外部共振器長の往復分の差は次式で示される。
2ΔL=L(λ1)−L(λ2)
=2L3{(1/cosθ2(λ1)−1/cosθ2(λ2))
−sinθ1(tanθ2(λ2)−tanθ2(λ1))} ・・・(7)
Next, the positional relationship between the pair of
λ = a (sin θ 1 + sin θ 2 ) (4)
Here, the shortest wavelength of the wavelength scanning light source is λ 1 , and the longest wavelength is λ 2 . Here the incident angle theta 1 is constant, the reflection angle theta 2 is because it depends on the wavelength, the wavelength lambda 1, each reflection angle theta 2 in the case of lambda 2 s θ 2 (λ 1), θ 2 (λ 2) And In the case of the shortest wavelength, the length between the
L (λ 1 ) = L 3 / cos θ 2 (λ 1 ) + L 4 + L 5 (5)
In the case of the longest wavelength λ 2 , the external resonator length L (λ 2 ) is expressed by the following equation.
L (λ 2 ) = L 3 / cos θ 2 (λ 2 ) + L 4 + L 3 sin θ 1 (tan θ 2 (λ 2 )
−tan θ 2 (λ 1 )) + L 5 (6)
The difference between the round trip of the external resonator length is expressed by the following equation.
2ΔL = L (λ 1 ) −L (λ 2 )
= 2L 3 {(1 / cos θ 2 (λ 1 ) −1 / cos θ 2 (λ 2 ))
-Sinθ 1 (tanθ 2 (λ 2 ) -tanθ 2 (λ 1))} ··· (7)
ここで回折格子32,33の格子ピッチaを0.74μm、波長λ1を1260nm、λ2を1360nm、L3を100mm、θ1を72degとする。図示のようにx軸に平行な光が回折格子33に入射し、その入射角をθ1とすると、波長λ1,λ2の光ビームに対する回折格子33の反射角(回折角度)θ2(λ1),θ2(λ2)は以下のようになる。
θ2(λ1)=49deg
θ2(λ2)=62deg
又外部共振器長の変化分ΔLについては
2ΔL=−270mm
と求められる。
Here, the grating pitch a of the
θ 2 (λ 1 ) = 49 deg
θ 2 (λ 2 ) = 62 deg
The change ΔL of the external resonator length is 2ΔL = −270 mm.
Is required.
この分散値から遅延量Δτは次式で示される。
Δτ=ΔL/c=-900psec
遅延量Δτを発振波長1260nmから1360nmへの変化分Δλ(100nm)で割ると、分散値Dとして-9psec/nmが求められる。これは非特許文献1に示されている分散型光ファイバの分散値、即ち単位長さ当たりの分散が-100psec/nm/km程度の光ファイバを100m用いた場合の分散値とほぼ等しい。例えば、非特許文献1で言及されている分散可変に必要な|-90ps/nm/kmx100m|=10ps/nmを得るのに、本実施の形態のように一対の回折格子を用いた場合は、そのおよそ千分の1程度の長さで同程度の分散値の分散素子を得ることができる。従って下記構成では、発振波長が1260nmから1360nmまでの100nmの可変範囲のレーザ光源を例えば5m以下の共振器長で実現できる。
From this dispersion value, the delay amount Δτ is expressed by the following equation.
Δτ = ΔL / c = -900psec
When the delay amount Δτ is divided by the change Δλ (100 nm) from the
さて図4において信号処理部22は増幅器21からの出力をA/D変換するA/D変換部51、A/D変換出力をフーリエ変換するフーリエ変換回路52と、フーリエ変換した信号を画像情報とするCPU53によって構成されている。CPU53の出力は画像を表示するモニタ54に与えられる。
In FIG. 4, the
次に本実施の形態の動作について説明する。信号変調部37は図7(a)に示すように時刻t1〜t2,t3〜t4・・・の間に連続的に変化するのこぎり波状の波形をモードロック信号発生部38に出力する。モードロック信号発生部38はこの変調信号に応じて周波数fc1〜fc2までのサイン波状のクロック周波数を連続的に変化させつつ連続的に変化させたモードロック信号を発生させる。この信号は電流信号として一定のバイアス電流に重畳するようにバイアスティ39に加えられる。これによって図8(a)に示すように、クロック信号の周波数fcがfc1では1260nmのレーザ光がパルス発振し、クロック周波数がfc2では1360nmのレーザ光がパルス発振する。パルス発振繰り返し周波数は夫々fc1(240MHz),fc2(231MHz)の周波数に対応している。図8(a)は時刻t1,t3でのレーザ光の発振スペクトル、図8(b)は時刻t2,t4でのレーザ光の発振スペクトルである。ここで図7(a)に示す変調信号の繰り返し周期は任意に選択することができ、機械的な動作部分がないので周期を短くしたとしてもレーザのパルス発振波長がこれに追従して高速に発振波長を掃引することができる。
Next, the operation of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 7A, the
さて図6に示す分散素子の分散が一次分散だけであると仮定すると、クロック周波数fcを線形に掃引する場合、発振波長λは線形に変化する。しかし、レーザ発振はクロック周波数fcに応じたパルス発振であるため、A/D変換部51のサンプリング周波数とタイミングを合わせる必要がある。つまり、A/D変換部51のサンプリング周波数はモードロック周波数の整数倍あるいは整数分の1とする必要がある。 Assuming that the dispersion of the dispersion element shown in FIG. 6 is only the primary dispersion, the oscillation wavelength λ changes linearly when the clock frequency fc is swept linearly. However, since laser oscillation is pulse oscillation corresponding to the clock frequency fc, it is necessary to match the timing with the sampling frequency of the A / D converter 51. That is, the sampling frequency of the A / D conversion unit 51 needs to be an integral multiple of the mode lock frequency or a fraction of an integer.
図9,図10はこの干渉信号とサンプリング列及び光パルスの夫々異なる例を示している。図9(a)〜(c)はフォトダイオード20に得られる干渉信号、サンプリング列、及びレーザ発振によって得られる光パルスの関係を示している。本図に示すように光パルスに同期させて干渉信号をサンプリングすることによって情報の漏れなく干渉信号をサンプリングすることができる。又図10に示すように、サンプリング周波数をモードロック周波数の1/2とした場合にも漏れなくデータを収集することができる。図示していないが、整数倍及び整数分の1の場合も同様に情報の漏れなくデータを得ることができる。
9 and 10 show different examples of the interference signal, the sampling train, and the optical pulse. 9A to 9C show the relationship between an interference signal obtained from the
ここで分散可変型の波長掃引レーザでは、波長可変範囲Δλは、繰り返し周波数の可変範囲をΔF、共振器内の分散素子の分散値をD、次数をmとすると、次のように表される。
Δλ=−(n0/cDmFSR)・ΔF
=−(L/Dm)・ΔF
Here, in the dispersion variable wavelength sweep laser, the wavelength variable range Δλ is expressed as follows, where the variable range of the repetition frequency is ΔF, the dispersion value of the dispersion element in the resonator is D, and the order is m. .
Δλ = − (n 0 / cDmFSR) · ΔF
=-(L / Dm) · ΔF
ここで係数であるL/Dmは、繰り返し周波数Fに対する波長可変の感度(傾斜)を表す。そして感度L/Dmが小さいほど波長の選択性が高くなる。逆に感度L/Dmが高すぎると、モード間隔が近い成分が多いということなので波長選択性が悪くなり、その結果発振時のスペクトル幅が拡がる。共振器長Lが小さいか、分散Dが大きいか、次数mが大きい(Fが高い)ほど、感度値が小さくなる。分散補償ファイバでは分散値Dを大きくするためにはファイバの長さを長くしなければならないので、共振器長Lが長くなり、逆に共振器長Lを短くするためには分散値Dが小さくなり、感度を小さく設定できる条件の範囲に制約がある。 Here, L / Dm, which is a coefficient, represents wavelength-variable sensitivity (tilt) with respect to the repetition frequency F. And the selectivity of a wavelength becomes high, so that sensitivity L / Dm is small. On the other hand, if the sensitivity L / Dm is too high, there are many components with close mode spacing, so that the wavelength selectivity is deteriorated, and as a result, the spectrum width during oscillation is widened. The smaller the resonator length L, the larger the dispersion D, or the larger the order m (F is higher), the smaller the sensitivity value. In the dispersion compensating fiber, in order to increase the dispersion value D, the length of the fiber must be increased. Therefore, the resonator length L is increased, and conversely, in order to reduce the resonator length L, the dispersion value D is decreased. Therefore, the range of conditions under which the sensitivity can be set small is limited.
一方本発明では分散D、共振器長Lを夫々独立に設定できるため、Dは大きくとれ、共振器長Lも短くして、感度を小さくすることが可能となる。これにより波長選択性の高い条件を設定することができる。 On the other hand, in the present invention, since the dispersion D and the resonator length L can be set independently, D can be set large and the resonator length L can be shortened to reduce the sensitivity. Thereby, conditions with high wavelength selectivity can be set.
例えば前述のように、同じ分散を得るのに、分散補償ファイバでは100mファイバ長が必要であるのに対して、本発明では共振器長Lを従来より短く、10m以下、好ましくは1m以下とすることができ、感度を小さくするように設計可能となる。更に感度が小さくなることによって選択性が上がる効果に合わせて、共振器長が短い場合、共振器内の光が周回する回数が増えるので、共振効果も高まり、発振スペクトルを更に狭線化できる。つまり結果的にコヒーレンス長を大きく改善することができる。 For example, as described above, in order to obtain the same dispersion, the dispersion compensating fiber requires a fiber length of 100 m, whereas in the present invention, the resonator length L is shorter than the conventional one and is 10 m or less, preferably 1 m or less. Can be designed to reduce sensitivity. Further, when the resonator length is short, the number of times the light in the resonator circulates increases in accordance with the effect of increasing the selectivity by decreasing the sensitivity, so that the resonance effect is enhanced and the oscillation spectrum can be further narrowed. That is, as a result, the coherence length can be greatly improved.
(第2の実施の形態)
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態においてモードロック周波数は掃引された周波数分変化するので、A/D変換部51のサンプリングのタイミングが等時間間隔である場合、一走査の間に、光源の発振パルスのタイミングとA/D変換のタイミングとがずれてくる場合があり得る。このためモードロック信号の掃引範囲が大きければ見掛け上、非線形特性が重畳され、光断層画像の深さ方向の分解能が劣化する可能性がある。第2の実施の形態では、この問題点を解消するものである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, since the mode lock frequency changes by the swept frequency, when the sampling timing of the A / D converter 51 is an equal time interval, the timing of the oscillation pulse of the light source during one scan And A / D conversion timing may deviate. For this reason, if the sweep range of the mode lock signal is large, apparently non-linear characteristics are superimposed, and the resolution in the depth direction of the optical tomographic image may deteriorate. In the second embodiment, this problem is solved.
図11は第2の実施の形態の全体構成を示すブロック図であり、前述した実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では図4に示す波長走査型光源10のモードロック信号発生部38からの信号を整形し外部クロックとして信号処理部22のA/D変換部51に与えている。A/D変換部51はモードロック信号のタイミングに応じてサンプリングを行うものである。こうすることによって、A/D変換のサンプリングのタイミングが一致し、この問題を解決することができる。
FIG. 11 is a block diagram showing the overall configuration of the second embodiment. The same parts as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In this embodiment, the signal from the mode
(第3の実施の形態)
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。この実施の形態も光源の発振パルスのタイミングとA/D変換のサンプリングのタイミングとのいずれに基づく時間に応じた光周波数が非線形に変化する場合に、逆関数で補正した時間応答でクロック周波数を掃引することによって非線形性を相殺するものである。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, when the optical frequency corresponding to the time based on either the timing of the oscillation pulse of the light source or the sampling timing of the A / D conversion changes nonlinearly, the clock frequency is set by the time response corrected by the inverse function. By sweeping, the nonlinearity is canceled out.
前述したように図7(a)に示すようにモードロック信号を時間軸に対して直線的なのこぎり波とすると、共振器内に高次の分散成分がある場合図12に示すように時間軸に対してレーザ光の発振周波数fが非線形に変化する。ここで等時間間隔でレーザ光の発振周波数を検出し、その変化をf=g(t)とした関数を得る。そしてこの時間に対する周波数の変化が直線的となるように、即ちf=−at+bとなるように、逆関数となる変調信号を生成する。即ち次式
t=g-1(f)
を満たすようにモードロック周波数を変化させる。これは図13(a)に示すように非線形の変調信号を用いてモードロック信号を変調することに相当する。こうすれば発振周波数を直線的に変化させることができ、光断層画像の深さ方向の分解能を向上させることができる。
As described above, when the mode-lock signal is a sawtooth wave linear with respect to the time axis as shown in FIG. 7A, when there is a high-order dispersion component in the resonator, the time axis as shown in FIG. In contrast, the oscillation frequency f of the laser light changes nonlinearly. Here, the oscillation frequency of the laser beam is detected at equal time intervals, and a function with the change as f = g (t) is obtained. Then, a modulation signal that is an inverse function is generated so that the change in frequency with respect to time is linear, that is, f = −at + b. That is, the following equation t = g −1 (f)
The mode lock frequency is changed to satisfy This corresponds to modulating the mode-locked signal using a nonlinear modulation signal as shown in FIG. In this way, the oscillation frequency can be changed linearly, and the resolution in the depth direction of the optical tomographic image can be improved.
本発明は狭帯域で発振し、高速走査が実現できる波長走査型光源を用いることにより、物体の表面、および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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for an optical tomographic image display system for observing an image of the surface of an object, the internal structure and the subepidermal layer of a living tissue by using a wavelength scanning light source that oscillates in a narrow band and can realize high-speed scanning. Can be used.
10 波長走査型光源
11,15 光ファイバ
12,16,19 コリメートレンズ
13 ミラー
14 結合部
17 スキャニングミラー
18 集束レンズ
20 フォトダイオード
21 増幅器
22 信号処理部
31 ミラー
32,33 回折格子
34 レンズ
35 半導体光増幅器
37 変調信号部
38 モードロック信号発生部
39 バイアスティ
40 電流源
51 A/D変換器
52 フーリエ変換回路
53 CPU
55 モニタ
DESCRIPTION OF
55 Monitor
Claims (5)
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をA/D変換するA/D変換部を有し、干渉信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を形成する信号処理部と、を具備し、
前記波長走査型光源は、
外部共振器と、
前記外部共振器の内部に設けられ、対向する一対の回折格子を有する波長分散素子と、
前記外部共振器内の光を増幅する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に加えるモードロック信号の周波数を変化させるモードロック信号発生部と、を有し、モードロック信号を変調することによって波長を可変するものである光断層画像表示システム。 A wavelength scanning light source that includes a wavelength tunable laser and periodically scans the oscillation wavelength of light;
An interference optical meter for branching light from the wavelength scanning light source into reference light and irradiation light to the object, and generating interference light between the reflected light from the object and the reference light;
A light receiving element that receives interference light obtained from the interference optical meter and obtains a beat signal;
A signal processing unit that has an A / D conversion unit that performs A / D conversion on an output from the light receiving element, and that forms a tomographic image of the object by Fourier-transforming the interference signal;
The wavelength scanning light source is:
An external resonator,
A wavelength dispersion element provided inside the external resonator and having a pair of opposing diffraction gratings;
A semiconductor optical amplifier for amplifying the light in the external resonator;
An optical tomographic image display system comprising: a mode-lock signal generating unit that changes a frequency of a mode-lock signal applied to the semiconductor optical amplifier, and changing a wavelength by modulating the mode-lock signal.
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