JP5547402B2 - 光コヒーレンストモグラフィにおいて偏光に基づく直交復調を実行する装置、方法及び記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、光コヒーレンストモグラフィ技術に基づいて信号を処理するための装置、方法及び記憶媒体、より詳細には、様々な生体サンプルを含む、混濁サンプル、やや混濁したサンプル及び透明なサンプルの高解像度の断面画像形成のために有用なフーリエ領域光コヒーレンストモグラフィ信号の復調に関する。
（関連出願の相互参照）

参照により本明細書に組み込まれる、本出願は２００５年８月９日に出願された米国特許出願第６０／７０８，２７１号を基礎とする優先権の利益に基づくものであり、その利益を請求するものである。
（連邦政府により支援された研究に関する声明）

本発明をもたらした研究は、国立衛生研究所により、認可番号Ｒ３３ ＣＡ１１０１３０及びＲ０１ ＨＬ０７６３９８として、少なくとも一部が援助されている。したがって、米国政府は、本発明における一定の権利を有することができる。

光コヒーレンストモグラフィ（「ＯＣＴ」；ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）技術は、一般に、数ミクロンから数十ミクロンのスケールの解像度で生体サンプルの断面画像を生成する。時間領域ＯＣＴ（「ＴＤ−ＯＣＴ」；ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）技術などの従来のＯＣＴ技術は、サンプル内の深さ測定のために低コヒーレンス干渉分光法の処理を用いることができる。反対に、フーリエ領域ＯＣＴ（「ＦＤ−ＯＣＴ」；フーリエ領域 ＯＣＴ）技術は、サンプル内の深さ測定のためにスペクトルレーダ処理を用いることができる。ＦＤ−ＯＣＴ技術は、信号対雑音比性能を改善し、機械的にスキャンする干渉計基準アームを除いたことにより、画像形成速度を比較的速くすることができる。ＦＤ−ＯＣＴシステムによるスペクトル測定技術（ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）の標準的実現形態では、干渉法でパスマッチングした深さに対する変位が正である対象物と負にある対象物同士を区別することはできない。この発生し得る深さの縮重（或いは複素共役の不確定性と呼ばれる）は、画像形成で当該サンプル内の深さを正又は負の深さに制限する可能性があり（これにより深さ測定の不確定性を回避しうる）、その固有の画像形成における深さを所定の倍率（例えば２倍）で事実上縮減させる。

ＦＤ−ＯＣＴシステムにおいて深さ縮重は、概して、サンプルアームと基準アームとの間の複素数の干渉縞の実成分だけを検出することに起因しうる。この複素数のインターフェログラムを検出すれば、上述の深さ縮重を排除又は少なくとも低減することができる。その複素インターフェログラムを考慮できるように、様々な復調技術が実施されてきた。このような従来の技術として、位相シフト法、融合３×３結合復調（ＦＵＳＥＤ ３Ｘ３ ＣＯＵＰＬＥＲ ＤＥＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）技術及び周波数偏移技術があげられる。位相シフト法は、一般に、干渉計の可変型（ａｃｔｉｖｅ）位相変調要素を用いてサンプルアームと基準アームとの相対位相を動的に調整する。様々な位相シフトで複数のインターフェログラムを測定し、組み合わせて、複素インターフェログラムを生成してもよい。この従来技術の課題の点の１つは、インターフェログラムを時間的に連続して測定する点にある。この種の測定は、システムの画像形成速度を低下させ、干渉計に位相ドリフトを発生させて測定精度を低下させる可能性がある。融合３×３結合器は、相互に位相がシフトする３出力ポートの各々にインターフェログラムを生成できる。この位相シフトは、その結合比に依存しうる。相対位相の関係が既知であれば、例えば、これら出力を検出し、再び組み合わせて複素インターフェログラムを生成することができる。融合３×３（一般的には融合Ｎ×Ｎ）結合器の高温、波長及び偏光感度は、正確な復調を必要とするような数多くの干渉計復調法において限られた態様で用いられる。従来の周波数偏移技術は、光周波数領域画像形成システムに良好に適用されてきた。しかしながら、これらの技術が、ＳＤ−ＯＣＴシステムに用いられたことは知られていない。その理由の１つは、このような周波数偏移技術は通常、能動素子を用い、光学帯域幅を限定する可能性があったことにある。さらに、これらの技術は、一般的に、ソース掃引非線形性を除去するための非線形トリガと直接的な互換性がない。

したがって、ここでこれまで述べたような課題を克服する必要がある。

上述の問題及び／又は課題に対処し、及び／又は克服するため、ＦＤ−ＯＣＴ干渉出力の全光学的、受動型の直交復調を行う、本発明の代表的な実施の形態のシステム、方法及びソフトウェア構成を提供する。特定の光学素子を用いて、複素インターフェログラムの直交成分を光学的に生成できる。これら直交出力を検出し、適切に再合成することにより、その複素インターフェログラムの測定を測定することができる。これによって、本発明の代表的な実施の形態は、深さの縮減による画像範囲の制限を排除又は少なくとも減少することを容易にする。

光周波数領域画像形成（“ＯＦＤＩ”；Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｉｍａｇｉｎｇ）に用いる場合、本発明の代表的な実施の形態は、ソース強度ノイズの除去又は低減のために偏光ダイバーシティ検出及び平衡検出の両方を行うことができる。本発明の代表的な実施の形態は非線形トリガと組み合わせて、例えば、高速画像形成のために重要となりうる、後処理要件の軽減を促進することができる。

ＳＤ−ＯＣＴシステムと共に用いると、本発明の代表的な実施の形態は、画像形成の深さの範囲を容易に増加（例えば２倍増）する。

したがって、本発明の一代表的な実施の形態による装置、方法及び記憶媒体は、少なくとも一つの第１の電磁放射をサンプルに、少なくとも一つの第２電磁放射を基準体に供給し、当該第１の電磁放射及び／又は第２の電磁放射が時間とともに変化するスペクトルを有するようにできる。また、第１の放射に関連する少なくとも一つの第３の放射の第１の偏光成分を、第２の放射に関連する少なくとも一つの第４の放射の第２の偏光成分と互いに組み合わせることができる。第１の偏光と第２の偏光は、少なくとも相互に略直交するように明確に制御してもよい。また、第１の偏光成分と第２の偏光成分の間の干渉から導かれる少なくとも一つの信号を検出することができる。信号及び／又は更なる信号を、それぞれ、所定のデータの関数として、第１の補正信号及び／又は第２の補正信号に補正してもよい。信号及び／又は更なる信号を含む複数の信号を取得して、複数の信号の統計学的特性を決定し、統計学的特性に基づいて所定のデータを導いてもよい。

本発明の他の代表的な実施の形態によれば、第１の補正信号と第２の補正信号の位相の差は、信号又は第１の信号の位相の差より、略ｎπ＋π／２に近くすることができる。ここで、ｎは０以上の整数である。干渉の位相と更なる干渉の位相は相互に略異なってもよい。干渉の位相と更なる干渉の位相の差は、略ｎπ＋π／２であってもよい。ここで、ｎは０以上の整数である。第４の放射と第３の放射の少なくとも一部分とが、相互に対して少なくとも一つの遅延を有してもよい。遅延、信号及び更なる信号の関数として、画像を生成することができる。遅延は、少なくとも一つの正の部位と少なくとも一つの負の部位を含んでもよい。正の部位と負の部位を有する画像の少なくとも部分を区別することができる。遅延の符号と大きさを測定することができる。

本発明のまたさらに他の実施の形態の装置、方法及び記憶装置は、少なくとも一つの第１の電磁放射をサンプルに供給し、少なくとも一つの第２の電磁放射を基準体に供給することができ、第１の電磁放射及び／又は第２の電磁放射は、時間にわたって変化するスペクトルを有する。また、第１の信号を、少なくとも一つの第１の電磁放射に関係づけられた少なくとも一つの第３の放射と、少なくとも一つの第２の電磁放射に関係づけられた少なくとも一つの第４の放射との間の第１の干渉の関数として生成し、第２の信号を、関係づけられた第３の放射と第４の放射の間の第２の干渉の関数として生成することができる。第１の干渉と第２の干渉は相互に異なることができる。自身と関連付けられた複屈折を有し、第１の干渉と第２の干渉の位相の差を、複屈折の関数として明確に制御してｎπを排除することができる。ｎは０以上の整数である。

本発明のこれらの目的、特徴及び利点並びにその他の目的、特徴及び効果は、添付の特許請求の範囲とともに、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明から明らかになる。

本発明のさらなる目的、特徴及び利点は、本発明の例示的な実施の形態を説明する添附の図面とあわせ、以下の詳細な説明から明になるであろう。

特に説明のない限り、例示の実施の形態の同様の機能、要素、部品又は部分には図面中、同様の参照番号及び文字を付す。以下、例示の実施の形態を用いて図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。添付の請求項により規定される本発明の真の範囲及び主旨を逸脱することなく、説明される実施の形態に対して変更や変形をなすことができることは明らかである。

フーリエ領域ＯＣＴ技術は、一般に、サンプルからの反射が基準ビームと干渉して得られるインターフェログラムを、光学波長の関数として測定することのできるスペクトルレーダ技術を用いて深さ測定を実行する。本発明の代表的な実施の形態のＦＤ−ＯＣＴシステムの概略を図１に示す。図１の代表的なシステムは、結合器１０５によりサンプルアームと基準アームとに分けられる出力を発生するソース１００を含む。サンプルアーム光は、画像を形成するサンプル１３０に導くことができる。集束レンズ１２５は、高い横方向解像度を得るために用いることができる。このサンプルからの反射は、同一のファイバにより集められ、第２の結合器１１５を介して出力結合器１１０に返される。基準アーム光は、この出力結合器１１０の他のポートの入力となる。干渉は、波長の関数として受光器１２０により検出される。本発明の代表的な実施の形態のＯＦＤＩシステムにおいて、この受光器は、時間関数として当該出力を検出する単一の受光器（ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏ−ｒｅｃｅｉｖｅｒ）とすることができるとともに、狭帯域ソースは、時間関数としてその出力波長を掃引する。本発明の代表的な実施の形態のＳＤ−ＯＣＴシステムにおいて、このような受光器は、ラインスキャンカメラと組み合わせて回折格子を用いることによって多くの波長でパワーを記録する分光計とすることができる。ここで、ｚ＝０をサンプルアーム光と基準アーム光との間のゼロ光路長不整合に相当するものとして、深さｚの反射に対して、波数ｋの関数としての受光器出力の干渉の項を、次式により表すことができる。

ここでＰ（ｋ）はソースパワーであり、Ｒ_ｒｅｆは、当該ソースから受光器までの結合損失を含む基準アームパワー伝達であり、Ｒ_ｓは深さｚでの反射によるサンプルアームのパワー反射であり、

はサンプルアーム反射率の位相である。

当該反射の振幅及び深さは、波数の関数として測定された信号の大きさ及び周波数により表すことができる。検出された縞のフーリエ変換（ＦＴ）は、非干渉の項を適切に減算して、複素反射率を深さの関数ａ（ｚ）として生成する。
ａ（ｚ´）＝ＦＴ（Ｓ（ｋ））

深さ位置の符号（ｚの符号）は、結果として得られる周波数（正の周波数又は負の周波数）の符号に符号化される。Ｓ（ｋ）は実数値なので、正の周波数と負の周波数との区別をすることは難しいと考えられる。したがって、＋ｚでの反射率は、−ｚでの反射率と区別できない可能性がある。これが、フーリエ領域ＯＣＴ技術の深さの縮重を発生する原因である。直交出力、例えば相互に相対的に９０°位相を有する干渉信号を検出すると、この深さ縮重を除去できる。直交成分Ｓ_Ｑ（ｋ）及びＳ_Ｉ（ｋ）の検出を考えると、

となり、これらから、複素信号

を

とすることができ、深さ反射率

は、この複素信号のＦＴにより与えられる。

は、複素数なので、正の周波数と負の周波数とを区別することができ、この結果、正の深さと負の深さとの間の縮重を排除することができる。従来のＦＤ−ＯＣＴシステムにおいて、画像の深さは、正の深さからの信号と負の深さからの信号との間の縮重／多義性を回避するために正の深さに限定される。このような従来のシステムにおける画像形成可能な最大範囲は、深さが増大しても信号振幅は減少する干渉縞の消去によって制限される。そして、従来のＦＤ−ＯＣＴシステムにおける画像形成の深さは、ｚ＝０ないしｚ＝＋ｚ１の間である。本発明の代表的な実施の形態の複素復調技術を用いると、深さ縮重を減少又は除去することができ、これにより−ｚ１から＋ｚ１までの画像形成を可能とし、もって従来のＦＤ−ＯＣＴシステムの画像の深さ範囲を２倍にすることができる。
（代表的な実施の形態の光学的復調回路／装置）

本発明の代表的な実施の形態によると、複素復調のために利用できる直交信号Ｓ_Ｑ（ｋ）及びＳ_Ｉ（ｋ）を発生する、光学回路／装置を提供可能である。図２に、一代表的な実施の形態に係わる光学的復調回路／装置を示す。本代表的な回路構成において、基準アーム光は、コリメート光学素子４１５によってコリメートされ、偏光ビームスプリッタ（「ＰＢＳ」）４２０の第１のポート４２０ｂに導かれる。偏光コントローラ４０１は、基準アーム光が出力ポート４２０ｃへ反射されることを可能にする。本代表的な回路／装置により生成されたサンプルアーム４０５の光は、コリメート光学素子４１０によりコリメートされ、ＰＢＳ４２０の第２の入力ポート４２０ａへ導かれる。サンプルアームのＳ偏光された光は、出力ポート４２０ｃへ導くことができる。こうして合成された基準アーム光及びサンプルアーム光は、ビームスプリッタ（例えば非偏光のもの）４２５に伝播する。このビームスプリッタ４２５は、この光を出力ポート４２５ａ，４２５ｂに略等分に分離できる。ポート４２５ａで出力される光は、第１の複屈折素子４３０を通り、その後に、伝送された偏光の状態を画像の面に対して垂直となるように指向された偏光子４３５へと進む。そしてこの光は、フォーカシング光学素子４５０を介して出力ファイバ４６０により集光される。こうして集光された光は検出器４６１によって検出される。この検出器４６１は、スペクトル領域ＯＣＴシステム用の分光計又は光周波数領域画像形成システム用の単一の受光器を含むことができる。同様の分析が、ポート４２５ｂを出てから複屈折素子（１）４４０へアクセスし、その後、場合によっては、検出器４６６によって検出が行われる光にも適用される。

位置ｚにおける単一反射率のために出力２で検出された干渉信号は、次のように得ることができる。

ここでＢ_２（ｋ）及びχ_２（ｋ）は、複屈折素子（２）４３０の関数である。ファイバ４６５の出力１も同様に、次のように得ることができる。

ここでＢ_１（ｋ）及びχ_１（ｋ）は、複屈折素子（１）４４０の関数である。これら複屈折素子を適切に選択することにより、９０°の相対位相シフトを有する信号の出力を容易にすることができる。例えば、複屈折素子（１）４４０をその速軸又は遅軸が当該画像の面に垂直なベクトルに対して４５°の指向性を有した４分の１波長板となるよう選択し、複屈折素子（２）４３０を４５°ファラデー回転子になるよう選択すると、出力の位相差χ_２（ｋ）−χ_１（ｋ）は、略９０°であるため、Ｂ_１（ｋ）＝Ｂ_２（ｋ）となり、次のようになる。

なお、当業者であれば、複屈折素子（１）及び（２）の付加的な組み合わせを用いて直交信号を生成することができ、また、偏光子４４５，４３５の指向性を調整しても、当該直交信号を生成できることは明らかである。本発明によると、これらの信号を、複素干渉信号を生成するよう検出後に組み合わせてもよい。

図３に、サンプルからソース強度ノイズも自己相関ノイズも除去する、平衡検出により直交検出を達成するように構成された本発明による他の代表的な実施の形態の復調光学回路／装置を示す。図３の装置の動作は、図４の偏光子が偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）立方体（ｃｕｂｅ）５００，５３０と置き換えられる点を除けば、図２のものとほぼ同様である。ＰＢＳ立方体５００の二つの出力ポートは検出可能であり、それらの信号は、平衡（ｂａｌａｎｃｅｄ）受光器において減算するのが好ましい。この代表的な構成では、干渉信号を増強することができ、当該ノイズからのノイズ変動分を減算してもよい。この代表的な構成の平衡受光器５２５，５５５の出力は、合成して複素干渉信号を形成する直交干渉信号を提供する。

図４に、本発明による他の代表的な実施の形態の光学回路装置を示す。本装置は図３の装置の改変例である。特に、図４の装置は、偏光ダイバーシティの検出を可能にしている。偏光ダイバーシティは、サンプルの二つの偏光の光により生じうる干渉縞の検出を可能にする。図４の装置の偏光コントローラ６００は、基準アームパワーを第１のＰＢＳ６０１の両出力ポートに略当分に導くように構成できる。第１のＰＢＳ６０１の各出力ポートは、所与の偏光状態で到達するサンプルアーム光を検出する。回路５９０は、図３に示すものとほぼ同様であり、第４のＰＢＳ出力ポート５９２において繰り返すことができる。この代表的な構成において、出力Ａ及びＢは、一つの信号の偏光を示し、出力Ｃ及びＤは、他の信号の偏光を示す。

図５に、光ファイバ部品から構成し、図４の回路／装置と機能的に等価又は同様となりうる、本発明による他の代表的な実施の形態を復調光学回路／装置を示す。例えば、図４の複屈折素子は、出力ポート６２５ａ及び６２５ｂにおいて直交する信号を生成し、同様に出力ポート６２５ｃ及び６２５ｄにおいても直交する信号を生成できるように調整した偏光コントローラ６１０ｂ，６１５ａ，６１０ａ，６１５ｂで置き換えることができる。

バルク複屈折光学素子を用いた代表的な構成（図２〜図４に示されるようなもの）では、複屈折素子を、９０°位相シフトした直交成分を発生するように選択することができる。図５の光ファイバ構成では、略９０°の位相シフトが誘導されるような干渉縞がモニタできるようにしながら、偏光コントローラを調整してもよい。位相シフトの９０°からのズレは、以下に説明するように測定して補正できる。
較正

例えば、測定される信号は、厳密には直交状態にはならないので、較正処理を用いて当該測定された信号から直交信号を生成する必要がある。測定された信号が以下のように与えられる場合について考える。
Ｓ_Ｑ （ｋ）＝Ａ_Ｑ（ｋ）＋Ｂ_Ｑ（ｋ）ｃｏｓ（φ）
Ｓ_Ｉ（ｋ）＝Ａ_Ｉ（ｋ）＋Ｂ_Ｉ（ｋ）ｓｉｎ（φ＋ζ（ｋ））
ここで、φは、深さ情報を含む干渉位相差である。パラメータＡ_Ｑ，Ｂ_Ｑ，Ａ_Ｉ，Ｂ_Ｉ及びζは、ソーススペクトル及び復調回路によって決定することができる。これらパラメータが既知である場合、正確な直交信号は、次のように構築できる。
Ｓ´_Ｑ＝Ｂ_Ｑ ｃｏｓ（φ）＝Ｓ_Ｑ−Ａ_Ｑ

なお、これらパレメータのｋに対する明示的な依存については、明確にするためここでは説明しない。Ａ_Ｑ及びＡ_Ｉは、次の方法（ａ）及び／又は（ｂ）のいずれかを用いて測定することができる。

（ａ）サンプルアーム光を遮光して、出力をｋの関数として記録することができる。戻りのサンプルアームパワーは、基準アームパワーよりもかなり小さいので、Ａ_Ｑ（ｋ）及びＡ_Ｉ（ｋ）は、検出された基準アームパワーによって干渉を伴うことなく決定される。

（ｂ）パラメータＡ_Ｑ（ｋ）及びＡ_Ｉ（ｋ）は、サンプルアームからの反射を伴う又は反射を伴わない信号を記録し、極めて多数の測定結果の平均をとることによって測定することができる。干渉ドリフトにより干渉の項はゼロに平均化されるので、その平均はＡ_Ｑ，Ａ_Ｉとなる。或いは、位相変調器を、基準アーム又はサンプルアームの何れかの干渉計に配置することができる。図６に、基準アームに位相変調器７００を配置した、このような代表的な実施の形態の回路／装置を示す。この位相変調器７００は、Ａを測定している時間期間にわたり干渉計位相を確実にランダム化するために用いることができる。この位相変調が１つのＡラインの時間期間においてπよりもかなり小さければ、この位相変調器７００は、画像形成の間、アクティブなままとすることができる。そうでなければ、画像形成処理の間、オフにするのが良い。

Ｂ_Ｑ（ｋ）のＢ_Ｉ（ｋ）に対する比は、サンプルアームにおける反射を伴う出力を、理想的には図６の位相変調７００をオンにして、或いは、位相の分布が確実にランダムとなるために十分に長い時間記録することによって測定することができる。この比は、次のようにして得ることができる。

ここで、

であり、
総和ｉは、所与の波数ｋにおけるサンプルについてのものである。パラメータζは、次のように計算することができる。

図７に、このような測定を行うための本発明の代表的な実施の形態の処理を示す。具体的に述べると、ステップ６５５において、偏光コントローラ（「ＰＣ」）は、略９０度の位相の出力信号を供給するように構成できる（図５のファイバ構成を用いる場合）。ステップ６６０において、信号Ｓ_Ｑ（ｋ）及びＳ_Ｉ（ｋ）を測定するとともに、基準アームの位置又は位相を変調する。ステップ６６５において、次の計算を行う。上記式（２）及び（３）を用いたＡ_Ｑ（ｋ）＝＜Ｓ_Ｑ（ｋ）＞とＡ_Ｉ（ｋ）＝＜Ｓ_Ｉ（ｋ）＞である。これらステップは、システム較正の間に行われる。以下に説明するステップは、システムを使用している間に行われる。例えば、ステップ６７０において、信号Ｓ_Ｑ（ｋ）及びＳ_Ｉ（ｋ）を測定し、ステップ６７５において、式（１）を用いて干渉縞を計算する。そして、ステップ６８０で、複素信号Ｓ_Ｑ´＋√（−１）＊Ｓ_Ｉ´が構成される。

図８に、本発明の代表的な実施の形態のシステム（例えば、代表的なＯＦＤＩシステム）を示す。代表的なシステムに、例えば、１３２５ｎｍを中心として１０５ｎｍにわたる掃引レーザ７００の出力を提供することができる。この代表的なソースは、サンプルアーム７０５（に例えば９０％）と基準アーム７１０（に例えば１０％）とに分離させることができる。基準アーム光の一部は、ファイバブラッグ格子（「ＦＢＧ」；ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ）７１５に導くことができ、これによって、検出されてＴＴＬトリガ信号に変換される反射光パルスを発生する。基準アーム光の残りの部分は、可変光学遅延（例えば、干渉計を経路長マッチングするために用いられる）を通過することができ、ファイバピグテール型の偏光ビーム合成器（「ＰＢＣ」）７２０の一方のポートに供給される。基準アーム７１０の偏光コントローラ７２５（「ＰＣ」）は、基準アーム光のＰＢＣ出力ポートとの結合を最大化するために用いることができる。反射したサンプルアーム光は、ＰＢＣの他の入力ポートに導かれる。この光の１つの偏光状態は、ＰＢＣ出力ポートに結合可能である。ＰＢＣに続いて、干渉縞毎に同相信号Ｓ_Ｉ及び直交信号Ｓ_Ｑを発生するように偏光に基づくバイアスをかける光復調回路がある。

このようにして、複素干渉信号（Ｓ_Ｉ＋ｉＳ_Ｑ）を構築できる。この複素信号は、位相流の方向を示すので、正の光学遅延と負の光学遅延との区別を明確にできるので、深さの縮重を排除できる。この復調回路を例示すると、基準アーム光とサンプルアーム光を、図８における第１のＰＢＣの出力ポートで直交偏光することができ、これによって、強度の代わりに、当該光の偏光状態を変調する。この光は、５０／５０結合器７３０により分離することができ、各出力を、ＰＣ７３５ａ，７３５ｂに導いた後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７４０ａ，７４０ｂで偏光変調を強度変調に変換してもよい。適宜、上側経路からの信号をＳ_Ｉと定義し、下側経路からの信号をＳ_Ｑと定義する。各々の経路において、偏光コントローラ７３５ａ，７３５ｂは基準アーム光をＰＢＳ７４０ａ，７４０ｂの２つの出力ポートに等分に分離するように設定されている。これらの出力部は平衡受光器７４５ａ，７４５ｂに接続され、強度ノイズを減算するようになっている。基準アームパワーを出力ポート間で等分に分離するという制約の範囲内であれば、Ｓ_Ｉ及びＳ_Ｑの位相は、対応するＰＣの操作によって任意に設定可能である。本システムでは、Ｓ_ＩとＳ_Ｑとで９０°の相対位相が誘導されると見込まれる。

測定された信号Ｓ_Ｉ及びＳ_Ｑを用いて（例えば、検出後の補正を伴わずに）複素干渉信号を直接形成することにより、正の深さと負の深さとの間の減光を緩やかにすることができる。図９Ａに、測定したＳ_Ｉ及びＳ_Ｑを直接使用することによって計算した、＋１．７ｍｍの深さにおける測定した固定ミラーのＡラインのグラフを示す。このグラフでは、結果として生じる減光は、３０ｄＢである。この減光を改善するため、光学的復調回路の状態を表わす、以前に取得した較正データを用いて、測定した信号Ｓ_Ｉ及びＳ_Ｑから、補正信号

を計算することができる。所与の波数ｋにおける同相信号は、Ｓ_Ｉ＝Ｂｓｉｎ（φ）として表してもよく、直交信号はＳ_Ｑ＝αＢｃｏｓ（φ−ε）として得られる。ここでα及びεは、真の直交信号からのＳ_Ｑの偏差を表す（真の直交信号ではα＝１及びε＝０）。ＤＣ成分を減算したと仮定することができる。測定した同相信号Ｓ_Ｉに対する補正後の直交信号

は、

として表される。

統計学的方法を用いて、光学的復調回路の所与の設定に対してパラメータα及びε（波数ｋの全ての関数）を測定できる。サンプルアームの反射が存在する場合は、基準アームの位置をピエゾトランスレータ（ｐｉｅｚｏ−ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）を用いて数ミクロンにわたり緩やかに変位させて複数の干渉縞を記録できる。こうして得られるデータセットは、（基準アームディザリングによって）位相（φ）で準ランダム化した分布を有する波数毎に信号Ｓ_Ｑ及びＳ_Ｉを含みうる。較正パラメータは、以下のように統計学的に計算できる。

ここで、σ_ｘは、測定された信号ｘの（サンプル数にわたる）標準偏差であり、波数の関数である。こうした実験において、基準ミラーは、３０Ｈｚの三角波により数ミクロンだけ移動し、１５．６ｋＨｚのＡラインのレートで３秒の時間期間にわたって信号が記録された。図９Ｂに、図９Ａと同様であるが、補正した複素信号

を用いた、Ａラインを示す。減光は、３０ｄＢから５０ｄＢを超えるまでに改善されている。図９Ｃ及び図９Ｄに、＋０．４ｍｍ及び−１．３ｍｍのミラーの深さで測定したＡラインを示す。図９Ｂ及び図９Ｄの各々は、以前に導き出した同様の較正パラメータα及びεを用いており、減光は５０ｄＢを超えている。光学的復調回路の周囲を適切に囲シールディングすることにより、較正係数の有効性は、６０分を超える期間にわたって保たれた。測定した当該システムの感度は、＋０．２ｍｍの深さ近傍で１０７ｄＢから＋２．０ｍｍの深さで１０３ｄＢまで変化した。

チャープしたクロックサンプリングを実証するため、クロック発生器７５０（図８参照）は電圧制御発振回路を用いる。出力されるクロック周波数は、アナログ電圧入力により制御する。アナログ入力波形を円滑に変化させることによって位相に連続性をもたせて掃引できる。この波形は、データ取得（ＤＡＱ）電子構成部７６５によって発生され、当該ソースの掃引毎に繰り返される。この波形は、データ取得のために用いる同様のトリガ信号からトリガされるため、ソース掃引と同期する。図１０Ａに、一定の周波数クロック信号とチャープした周波数クロック信号の双方を用いて、ゼロ遅延差点から略−１．１ｍｍ変位した位置で測定したミラーの軸点広がり関数を示す。図１０Ｂに、一定の周波数クロック信号とチャープした周波数クロック信号の双方の、ＶＣＯクロック回路へのアナログ波形入力を示す。簡単な反復ルーチンを用いて、所与のソース構成で最適なＶＣＯアナログ波形を見つけるよう設定した。この波形は、当該ソースが再構成されるまで有効なままである。チャープした周波数クロック信号を用いた場合、その測定される軸解像度は、空中で１３．５〜１４．５μｍであり、画像形成の深さの全範囲にわたり変換が制限されている。

図１１に、１５．６ｋＨｚのＡラインのレートで得られた、人の指の生体内画像を示す。この画像サイズは、横方向が５ｍｍで深さが４．３ｍｍである（５００×４０８）。深さ解像度は、空中で１４μｍであり、横方向の解像度は、２５μｍである。画像形成のフレームレートは、３０ｆｐｓである。図１１Ａの画像は同相信号Ｓ_Ｉのみに基づいて生成され、深さ縮重の効果を示している。図１１Ｂでは、複素信号を用いて、深さ縮重アーチファクトを除去することによって、４．３ｍｍにわたり明瞭な画像形成が可能となっている。

以上、本発明の原理のみを例示した。本明細書の教示を考慮して、説明した実施の形態にさまざまな修正や変更を行うことは、当業者にとって自明であろう。実際に、本発明の代表的な実施の形態の装置、システム、及び方法は、如何なるＯＣＴシステム、ＯＦＤＩシステム、ＳＤ−ＯＣＴシステム、又はその他の画像形成システム、例えば、参照によってその内容の全てを援用する、２００４年９月８日出願の国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２９１４８号、２００５年１１月２日出願の米国特許出願第１１／２６６，７７９号、及び２００４年７月９日出願の米国特許出願第１０／５０１，２７６号に記載されているものにも適用可能である。当業者であれば、本明細書に明示的に図示又は説明されていなくても、本発明の原理を具現化するシステム、装置、及び方法を多数案出することが可能であり、従って、これらも本発明の趣旨と範囲内であることが理解されるであろう。また、参照により従来技術の知識が明示的に本明細書に編入されていなないものであっても、その全ては本明細書に編入するものとする。これまでここで参照した全ての刊行物は、それらの全部が参照により本明細書に組み込まれる。

代表的な実施の形態のＦＤ−ＯＣＴシステムの概略ブロック図。 本発明による、バルク光学部品を用いる偏光を基礎とする代表的な実施の形態の復調光学装置のブロック図。 図２の装置を、ソースノイズ減算のために平衡検出を行えるように改変した、他の代表的な実施の形態のブロック図。 図３の装置を、平衡検出及び偏光ダイバーシティ検出の両方を行えるように改変した、更なる代表的な実施の形態のブロック図。 図４の装置と機能的に等価であり、光ファイバ部品の殆ど又は全てを用いるよう改変できる、他の代表的な実施の形態の光復調装置のブロック図。 図２〜図５に示す代表的な装置の構成に用いる位相変調器を組み込むために改変した、本発明の他の代表的な実施の形態のＦＤ−ＯＣＴシステムのブロック図。 本発明の代表的なシステムの較正及び当該システムの動作のための本発明の代表的な実施の形態の方法のフロー図。 本発明の代表的な復調光学装置を用いることのできる本発明の一代表的実施の形態のＯＦＤＩシステムのブロック図。 図８の代表的なシステムで受光され、測定される代表的なＡラインのグラフ。 図８の代表的なシステムで受光され、測定される代表的なＡラインのグラフ。 図８の代表的なシステムで受光され、測定される代表的なＡラインのグラフ。 図８の代表的なシステムで受光され、測定される代表的なＡラインのグラフ。 チャープクロックを伴うものと伴わないものとで測定した、代表的な軸点広がり関数のグラフ。 チャープしてない（例えば定電圧カーブ）クロック及びチャープしたクロックに対する、代表的な電圧制御発振器（「ＶＣＯ」）駆動波形のグラフ。 複素復調を用いない場合の人の肌の画像を示す図。 複素復調を用いた場合の人の肌の画像を示す図。

Claims (29)

1. 少なくとも一つの第１の電磁放射をサンプルに供給し、少なくとも一つの第２の電磁放射を基準体に供給するように構成され、時間にわたって変化するスペクトルを有する、前記第１の電磁放射と前記第２の電磁放射を生ずるように構成された、少なくとも一つの第１の構成部と、
   前記少なくとも一つの第１の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第３の放射の第１の偏光成分と、前記少なくとも一つの第２の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第４の放射の第２の偏光成分とを相互に結合させるように構成され、第１の偏光と第２の偏光は、少なくとも相互に略直交するように制御される、少なくとも一つの第２の構成部と、
   直交復調の実行のために、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の間の干渉から導かれる少なくとも略直交成分を含む、少なくとも一つの信号を検出するように構成された少なくとも一つの第３の構成部とを備えた装置。
2. 前記少なくとも一つの信号は光信号である、請求項１記載の装置。
3. 前記少なくとも一つの第３の構成部は更に、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の間の更なる干渉から導かれる少なくとも略更なる直交成分を含む、少なくとも一つの更なる信号を検出するように構成され、
   前記少なくとも一つの更なる信号は光信号である、請求項２記載の装置。
4. 更に、前記少なくとも一つの信号、又は前記少なくとも一つの更なる信号の少なくとも一つを、それぞれ、少なくとも一つの検出構成部の検出に先行して、予め決定されたデータの関数として補正するように構成された少なくとも一つの第４の構成部を備える、請求項３記載の装置。
5. 前記所定のデータが、前記少なくとも一つの第４の構成部の特性又は状態の少なくとも一つに基づいて得られる、請求項４記載の装置。
6. 前記少なくとも一つの第４の構成部は、前記少なくとも一つの信号又は前記少なくとも一つの更なる信号の少なくとも一つを含む複数の信号を生成し、前記複数の信号の統計学的特性を決定し、前記統計学的特性に基づいて前記所定のデータを導く、請求項４記載の装置。
7. 前記少なくとも一つの第４の構成部は、第１の補正信号と第２の補正信号の位相の差を補正して、前記少なくとも一つの信号又は前記少なくとも一つの第１の信号の位相の差より、略ｎπ＋π／２に近づけ、ｎが０以上の整数である、請求項４記載の装置。
8. 前記少なくとも一つの第４の構成部は、前記干渉の位相と前記更なる干渉の位相をそれぞれ、相互に略異なるように制御する、請求項３記載の装置。
9. 前記少なくとも一つの第４の構成部は、それぞれ前記干渉の位相と前記更なる干渉の位相の差を、略ｎπ＋π／２となるように制御し、ｎが０以上の整数である、請求項３記載の装置。
10. 前記第４の放射と前記第３の放射の少なくとも一部分とが、相対して少なくとも一つの遅延を有し、
    更に、前記遅延、前記信号及び前記更なる信号の関数として、画像を生成することができる、少なくとも一つの第５の構成部を備える、請求項４記載の装置。
11. 前記少なくとも一つの遅延が、少なくとも一つの正の遅延成分と少なくとも一つの負の遅延成分を含み、
    前記少なくとも一つの第４の構成部が、少なくとも、実質的に正と負の遅延成分を有する電磁放射から導かれる前記画像の部分間を区別することができ、
    前記画像の少なくとも一つの部位が前記基準体の位置に関連している、請求項１０記載の装置。
12. 前記少なくとも一つの第４の構成部が、前記少なくとも一つの遅延の符号と大きさを測定することができる、請求項１１記載の装置。
13. 少なくとも一つの第１の電磁放射をサンプルに供給し、少なくとも一つの第２の電磁放射を基準体に供給し、前記第１の電磁放射と前記第２の電磁放射の少なくとも一つは、時間にわたって変化するスペクトルを有する、ステップと、
    前記少なくとも一つの第１の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第３の放射の第１の偏光成分と、前記少なくとも一つの第２の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第４の放射の第２の偏光成分とを相互に結合させ、第１の偏光と第２の偏光は、少なくとも相互に略直交するように制御される、ステップとを含み、
    直交復調の実行のために、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の間の干渉から導かれる少なくとも略直交成分を含む、少なくとも一つの信号を検出するステップを含む、方法。
14. 前記少なくとも一つの信号は光信号である、請求項１３記載の方法。
15. 更に、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の間の更なる干渉から導かれる少なくとも略更なる直交成分を含む、少なくとも一つの更なる信号を検出するステップを含み、
    前記少なくとも一つの更なる信号は光信号である、請求項１４記載の方法。
16. 更に、前記少なくとも一つの信号、又は前記少なくとも一つの更なる信号の少なくとも一つを、それぞれ、検出される前に所定のデータの関数として補正するステップを含む、請求項１５記載の方法。
17. 更に、前記少なくとも一つの信号又は前記少なくとも一つの更なる信号の少なくとも一つを含む複数の信号を得て、前記複数の信号の統計学的特性を決定し、前記統計学的特性に基づいて所定のデータを導くステップを含む、請求項１５記載の方法。
18. 第１の補正信号と第２の補正信号の位相の差を、前記少なくとも一つの信号又は前記少なくとも一つの第１の信号の位相の差より、略ｎπ＋π／２に近づけるために補正するステップを含み、ｎが０以上の整数である、請求項１５記載の方法。
19. 前記干渉の位相と前記更なる干渉の位相が相互に略異なる、請求項１５記載の方法。
20. 前記干渉の位相と前記更なる干渉の位相の差が、略ｎπ＋π／２であり、ｎが０以上の整数である、請求項１５記載の方法。
21. 前記第４の放射と前記第３の放射の少なくとも一部分とが、相対して少なくとも一つの遅延を有し、
    更に、前記遅延、前記信号及び前記更なる信号の関数として、画像を生成するステップを含む、請求項１５記載の方法。
22. 前記少なくとも一つの遅延が、少なくとも一つの正の遅延成分と少なくとも一つの負の遅延成分を含み、
    更に、少なくとも、実質的に正と負の遅延成分を有する電磁放射から導かれる前記画像の部分間を区別するステップを含み、
    前記画像の少なくとも一つの部位が前記基準体の位置に関連している、請求項２１記載の方法。
23. 更に、前記少なくとも一つの遅延の符号と大きさを測定するステップを含む、請求項２２記載の方法。
24. ソフトウェアを有する記憶媒体であって、前記ソフトウェアは、
    サンプルに供給される少なくとも一つの第１の電磁放射と、基準体に供給される少なくとも一つの第２の電磁放射とを制御し、前記第１の電磁放射と前記第２の電磁放射の少なくとも一つは、時間にわたって変化するスペクトルを有する、手順と、
    前記少なくとも一つの第１の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第３の放射の第１の偏光成分と、前記少なくとも一つの第２の電磁放射に関連づけられた少なくとも一つの第４の放射の第２の偏光成分とを相互の結合に関する情報を決定し、第１の偏光と第２の偏光は、少なくとも相互に略直交するように制御される、手順と、
    直交復調の実行のために、前記第１の偏光成分と前記第２の偏光成分の間の干渉から導かれる少なくとも略直交成分を含む、少なくとも一つの信号を検出する手順と、を処理部に実行させる記憶媒体。
25. 前記少なくとも一つの第２の構成部は、前記第１の偏光と前記第２の偏光を少なくとも相互に略直交するように制御する、請求項１記載の装置。
26. 前記第１の偏光と前記第２の偏光を少なくとも相互に略直交するように制御する更なる構成部を備える、請求項１記載の装置。
27. 前記第２の構成部は偏光ビーム分割部を有する、請求項１記載の装置。
28. 前記第１の偏光と前記第２の偏光は相互に直交するように制御される、請求項１記載の装置。
29. 前記少なくとも一つの第３の構成部は非生物学的構造の形態である、請求項２記載の装置。

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