JP6166697B2 - Optical coherence tomography device - Google Patents
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Description
本発明は、光干渉断層装置に関し、詳細には、主に医療で使用されている3次元断層画像を取得するための光干渉断層装置に関する。 The present invention relates to an optical coherence tomography apparatus, and more particularly to an optical coherence tomography apparatus for acquiring a three-dimensional tomographic image mainly used in medicine.
時間に対して光の波数が連続的に変化(掃引)する光源を波長掃引光源と呼ぶが、その様な光源において、時間に対して光の波数が線形的に(1次関数的に)掃引する光源を波数リニアな波長掃引光源と呼ぶ。 A light source in which the wave number of light continuously changes (sweep) with respect to time is called a wavelength-swept light source. In such a light source, the wave number of light sweeps linearly (linearly) with respect to time. The light source to be called is called a wave number linear wavelength swept light source.
光干渉断層装置としては、波数リニアではない波長可変光源を用いた場合に得た干渉波形信号を、波数リニアとなる波長可変光源を用いた場合と同等の干渉波形信号に変換(リサンプリング)して3次元断層画像を取得するSwept Source Optical Coherence Tomography(SS−OCT)システムが知られている(非特許文献1)。非特許文献1には図1に示す構成のSS−OCTシステムが記載されている。図1に示すSS−OCTシステムは、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行なう光源101と、カップラ102と、干渉計103と、フォトディテクタ104と、ピーク時刻取得部1106と、リサンプリング部107と、フーリエ変換部108とを備えている。さらに干渉計103は、バランスフォトディテクタ1031と、サーキュレータ1032と、カップラ1033と、ファイバコリメータ1038と、ミラー1035と、ファイバコリメータ1039と、光偏向器1037とを有している。図中の各構成は光ファイバ(二重線)または電気ケーブル(一本線)で接続されている。カップラ1033からファイバコリメータ1038を通ってミラー1035までの光路を参照アーム1034と呼び、また、カップラ1033からファイバコリメータ1039と光偏向器1037を通って観察対象Oの中の反射面Bまでの光路をサンプルアーム1036呼ぶこととする。参照アーム1034にあるファイバコリメータ1038からミラー1034の間と、サンプルアーム1036にあるファイバコリメータ1039から光偏向器1037を経由した反射面Bまでの光路は空間系となっており、空間中(通常は空気中)を光が伝播する。
As an optical coherence tomography device, the interference waveform signal obtained when using a wavelength variable light source that is not wave number linear is converted (resampled) into an interference waveform signal equivalent to that when a wavelength variable light source that is wave number linear is used. There is known a Swept Source Optical Coherence Tomography (SS-OCT) system that acquires a three-dimensional tomographic image (Non-Patent Document 1). Non-Patent Document 1 describes an SS-OCT system configured as shown in FIG. The SS-OCT system shown in FIG. 1 includes a
光源101は上述の通り櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行う光源であるが、これを実現するため、レーザ共振器内に、所定の自由スペクトル間隔(free spectral range:FSR)を持つフィルタ(櫛歯型スペクトルの透過率を持つフィルタ:櫛歯フィルタ)を入れている。このようなフィルタをレーザ共振器内に挿入したレーザは、フィルタの透過率に応じて出力光強度が変化する。たとえば、フィルタの透過率が極大/極小となる光の周波数となった場合は、出力光強度は極大/極小となる。このため、レーザ共振器の光の共振周波数を連続的に時間変化させた場合に、共振する光の周波数に応じて出力光強度が変わるが、この様子を分散分光方式(モノクロメータを使用する方式)の光スペクトルアナライザで観測すると、光源101のスペクトルは、FSRの間隔でピークを持つ櫛歯型となる。
The
SS−OCTでは、光源のコヒーレンス長が、SS−OCTで得られる断層画像で観測できる奥行(深達長)を決め、コヒーレンス長が長ければ深達長が長くなる。このため、コヒーレンス長の長い光源であることがSS−OCTにおいて重要である。 In SS-OCT, the coherence length of the light source determines the depth (depth depth) that can be observed in the tomographic image obtained by SS-OCT, and if the coherence length is long, the depth depth becomes long. For this reason, it is important in SS-OCT that the light source has a long coherence length.
上記に示す櫛歯型フィルタを共振器に挿入したレーザは、フィルタの透過率が極大、つまり、レーザ出力が極大となる波長の出力光のコヒーレンス長が長くなることが知られている。したがって、光源光強度の強い光、つまり、コヒーレンス長が長い光で得られた干渉計出力のみを抽出して信号処理すると、深達長の長い観測が可能となる。以下に説明する方法は上記抽出を行う方法であり、光源光101の出力光の強度変調のピーク値で干渉計103の出力をサンプリングする方法である。
It is known that the laser in which the comb filter shown above is inserted into a resonator has a maximum filter transmittance, that is, the coherence length of output light having a wavelength at which the laser output is maximized. Therefore, if only the output of the interferometer obtained by the light having a strong light source light intensity, that is, the light having a long coherence length is extracted and signal-processed, observation with a long depth can be performed. The method described below is a method of performing the above extraction, and is a method of sampling the output of the
光源101からは、周期的に波長が掃引された光が出力される。その光強度は、レーザ共振器内に挿入された櫛歯型フィルタの透過率とレーザ共振器の共振周波数に応じて、時間的に変化している。その光強度の極大値(ピーク値)の間隔は、時間をt、光源出力光の波数をk(t)、hを定数としたときの、cos(2hk(t))の正のピーク間隔と同じである。hの値は観測対象において観測したいもっとも深い位置についての情報によって設計するが、これについては後述する。
The
光源101からの出力光はカップラ102で分岐する。カップラ102から出た一方の光を干渉計103に入れ、サーキュレータ1032を経由後、カップラ1033にて光を2つに分け、参照アーム1034とサンプルアーム1036に入れる。参照アーム1034ではミラー1035にて反射する。サンプルアーム1036では観測対象の物体Oの中の反射面にて反射される。参照アーム1034とサンプルアーム1036から返ってきた光は再度カップラ1033に入って合波されて干渉光(フリンジ光)となる。この干渉光(フリンジ光)は一方はサーキュレータ1032を経由し、もう一方は直接バランスフォトディテクタ1031に入れ光電変換し、それによって生じた電気信号であるフリンジ信号をリサンプリング部107に入れる。
Output light from the
参照アーム1034とサンプルアーム1036との光路長差zは、参照アーム中のミラーの配置位置である基準面Aと物体O内の反射面Bとの間の距離によって決まる光路長差である。そのフリンジ信号には、光路長差zに比例する周波数を持つ信号成分が含まれている。たとえば、時間をtとしてk(t)という関数で光源101の出力光の波数を表すと、フリンジ信号にはcos(2zk(t))の信号が含まれる。つまり、時刻tにはzk’(t)/πとなる周波数の信号が含まれる。ここで、k’(t)はk(t)を時間微分した関数であり、k’(t)=dk/dtである。物体Oの中の反射面Bは、一般に1つとは限らず、複数ある場合がある。たとえば、z1、…、zNのN個の反射面がある場合は、フリンジ信号はcos(2z1k(t))、…、cos(2zNk(t))のN個の成分を持つこととなる。
The optical path length difference z between the
カップラ102から出たもう一方の光はフォトディテクタ104が光電変換し、ピーク時刻取得部1106へ渡す。ピーク時刻取得部1106は、入力した電気信号のピークの時刻を測定してリサンプリング部107に出力する。
The other light emitted from the
図2は図1に示す構成のSS−OCTシステムの、フォトディテクタ104と干渉計103から出力された電気信号の処理手順である。
FIG. 2 shows a procedure for processing electrical signals output from the
非特許文献1に記載のピーク時刻取得方法は、ピーク検出対象のデータ(フォトディテクタ104から出力された電気信号)をアップサンプリングした上でローパスフィルタをかけるものであり、高周波ノイズを除去してアップサンプリングのサンプリング間隔の時間精度でピーク時刻を取得する(S−1201)。 The peak time acquisition method described in Non-Patent Document 1 applies a low-pass filter after up-sampling peak detection target data (electric signal output from the photodetector 104), and removes high-frequency noise to up-sample. The peak time is acquired with the time accuracy of the sampling interval (S-1201).
リサンプリング部107は、ピーク時刻取得部106から入力したピーク時刻に従って、バランスフォトディテクタ1031から入力したフリンジ信号をサンプリングし、フーリエ変換部108に出力する。(S−1202) フーリエ変換部108は、リサンプリング部107から入力した、フリンジ信号のサンプリング信号をフーリエ変換して出力する。(S−1203)
The
リサンプリング部107はフリンジ信号に含まれるcos(2zk(t))の成分がcos(2z(Δk/ΔT)t)となるようにフリンジ信号を時間的に伸縮するものである。ここで、Δkは光源の掃引波数幅、ΔTはΔkだけ掃引する時間である。リサンプリング前のフリンジ信号にはzk’(t)/πで表される周波数を含み、k’(t)がtに対して線形でなければ(tの一次関数でなければ)時間によって周波数が変わる。リサンプリングはフリンジ信号をz(Δk/ΔT)t/πという時間変動しない周波数を持つ信号になるように、フリンジ信号を時間的に伸縮処理するものである。これは、光源101の出力光がピークとなる時刻がcos(2hk(t))の正のピークとなる時刻となる性質を使って、そのピーク時刻でフリンジ信号をサンプリングことにより得られる。このとき、リサンプリングによってフリンジ信号は、時間当たりΔk/ΔTとなるような、kの時間変動が時間に対して線形となるように変換される。このようにkが時間に対して線形になることを波数リニアと呼ぶ。
The
光源101の出力光の強度変調の周期を決めるhは、観測対象において観測したいもっとも深い位置における、参照アーム1034とサンプルアーム1036の光路長差zmaxによって決める。リサンプリング部107は、光源101の出力光の強度のピーク時刻でフリンジ信号をサンプリングするが、zに関するフリンジ光の強度変調の時間tにおける周波数はzk’(t)/πであり、光源出力光の強度変調のそれはhk’(t)/πであるため、zが0からzmaxとなる全てのフリンジ信号cos(2zk(t))(ただし、0≦z≦zmax)を取得するために、サンプリング定理に基づいてサンプリング周波数はzmaxの周波数の2倍以上、つまり、2zmaxk’(t)/π≦hk’(t)/π、すなわち、2z≦hとなるようにhを決める。光源のhをどのように実現するかについては、たとえば、非特許文献1では、ファイバレーザ中にファイバファブリーペローフィルタ(fiber Fabry−Perot filter:FFPF)のFSRがc/(2h)となるように設計した例がある。ここでcは光速である。
H that determines the period of intensity modulation of the output light of the
フーリエ変換部108から出力された信号は、SS−OCTの深さ方向のスキャン信号であり、この深さ信号のスキャンのことをAスキャンという。また、このスキャン信号のことをAスキャン信号と呼ぶこととする。Aスキャンとは光偏向器等で偏向する等、物理的な光の操作を意味するのではなく、上記の通り、フリンジ信号をフーリエ変換することにより奥行方向の情報を得ることを言う。
The signal output from the
Aスキャン信号はリサンプリングされたフリンジ信号のフーリエ変換であるため、周波数に対する強度を示す信号であるが、周波数fは深さ方向の距離zに換算でき、それらの関係はz=πf/k’と表される。ここで、k’はリサンプリング後のAスキャン信号においては、理想的にはk’=Δk/ΔTとなるので、リサンプリング後はz=πfΔT/Δkとなる。 Since the A scan signal is a Fourier transform of the resampled fringe signal, it is a signal indicating the intensity with respect to the frequency, but the frequency f can be converted to a distance z in the depth direction, and their relationship is z = πf / k ′. It is expressed. Here, k ′ is ideally k ′ = Δk / ΔT in the A-scan signal after resampling, and therefore z = πfΔT / Δk after resampling.
観測対象の物体O内の反射面は、Aスキャン信号では信号強度で表されるが、Aスキャン信号上では、反射面がある位置に相当する周波数の信号が強くなる。反射面が複数ある場合は、それら反射面に対応する、参照アームとサンプルアームの光路長差に応じた成分の信号がフリンジ信号に含まれる。たとえば、N個の反射点があり、それらに対応する光路長差がz1、…、zNであった場合、フリンジ信号にはcos(2z1k(t))、…、cos(2zNk(t))のN個の成分が含まれる。リサンプリングされたフリンジ信号にも同様にcos(2z1Δk/ΔTt)、…、cos(2zNΔk/ΔTt)のN個の成分が含まれ、それらの周波数はf1=z1Δk/(πΔT)、…、fN=zNΔk/(πΔT)となる。このリサンプリングされたフリンジ信号をフーリエ変換すると、観測対象の物体O内の反射強度に応じて、上記f1、…、fNに相当する周波数の位置の強度が大きい信号が現れる。これらの周波数をz=πfΔT/Δkで換算すると、奥行距離と反射の強度の対応を取ることができる。 The reflection surface in the object O to be observed is represented by the signal intensity in the A scan signal, but on the A scan signal, a signal having a frequency corresponding to the position where the reflection surface is located becomes strong. When there are a plurality of reflection surfaces, the fringe signal includes a component signal corresponding to the reflection surface and corresponding to the difference in optical path length between the reference arm and the sample arm. For example, there are N of the reflection point, the optical path length difference z 1 corresponding to them, ..., if it was z N, the fringe signal cos (2z 1 k (t) ), ..., cos (2z N N components of k (t)) are included. Similarly, the resampled fringe signal includes N components of cos (2z 1 Δk / ΔTt),..., Cos (2z N Δk / ΔTt), and their frequencies are f 1 = z 1 Δk / ( πΔT),..., f N = z N Δk / (πΔT). When the resampled fringe signal is Fourier-transformed, a signal having a high intensity at a frequency position corresponding to f 1 ,..., F N appears in accordance with the reflection intensity in the object O to be observed. When these frequencies are converted into z = πfΔT / Δk, the correspondence between the depth distance and the reflection intensity can be taken.
観測対象の物体O内の反射面が1つのみであり、その反射面がこの時の参照光とサンプル光の光路長差zに相当する箇所にある場合は、Aスキャン信号のzに相当する箇所、つまり、周波数f=z(Δk/ΔT)/πの信号が強くなり、それ以外の周波数の信号は0(デルタ関数)になることが望ましい。このような、1つの反射点を持つ場合のフリンジ信号から得られるAスキャン信号を点広がり関数(point spread function:PSF)と呼ぶ。しかし、ΔT内での光源光強度の変調や、光学的および電気的なノイズ、リサンプリング等の信号処理の不十分さ等が原因で、実際のPSFはデルタ関数とはならず、PSFの半値幅は大きくなり、また、SNR(PSFのピーク/ノイズフロアレベル)は低く(悪く)なる。 When there is only one reflecting surface in the object O to be observed and the reflecting surface is at a position corresponding to the optical path length difference z between the reference light and the sample light at this time, it corresponds to z of the A scan signal. It is desirable that the signal at the location, that is, the frequency f = z (Δk / ΔT) / π is strong, and the signal at the other frequency is 0 (delta function). Such an A-scan signal obtained from a fringe signal in the case of having one reflection point is called a point spread function (PSF). However, due to modulation of the light source light intensity within ΔT, optical and electrical noise, inadequate signal processing such as resampling, etc., the actual PSF does not become a delta function, and half of the PSF. The value range becomes large, and the SNR (PSF peak / noise floor level) becomes low (bad).
リサンプリングとは、波数リニアでないフリンジ信号を波数リニアとなるようにする処理であるが、サンプリングする時刻に誤差が生じると(正確なリサンプリングができないと)、正確な波数リニアなフリンジ信号を生成することはできなくなり、PSFの半値幅は大きくなり、また、PSFのSNRは悪化する。 Resampling is a process that makes a wavenumber linear that is not wavenumber linear, but if there is an error in the sampling time (if accurate resampling is not possible), an accurate wavenumber fringe signal is generated. The half width of the PSF becomes large, and the SNR of the PSF deteriorates.
光源101の出力光をカップラ102で分けるので、干渉計103から物体に照射される光が弱くなる。物体に照射される光が弱くなると、物体から反射されてくる光も弱くなり、干渉計103内のバランスフォトディテクタ1031で受光する干渉光も弱くなる。したがって、光源101から干渉計103内のバランスフォトディテクタ1031に至るまでに発生する光ノイズの影響を受け易くなるという理由や、干渉計103内のバランスフォトディテクタ以降、またはフォトディテクタ104以降に生じる電気ノイズの影響を受け易くなるという理由のため、フーリエ変換部108から出力されるAスキャン信号のSNRが悪くなり易くなる。
Since the output light of the
カップラ102以降は別々の光路を通るので、光路の波長分散や光路長差に起因する光のディレイの影響を受け、ピーク時刻取得部で取得したピーク時刻が、干渉計103からリサンプリング部107に入力されるフリンジ信号に合わなくなってしまう。つまり、ピーク時刻検出精度が劣化してしまう。ピーク時刻検出精度が低い場合は、その後の処理で正確なリサンプリングが難しくなるため、光源101の出力光のコヒーレンス長の長い光で干渉計103で干渉させて得たフリンジ信号のみを抽出することが難しくなる。その結果、Aスキャン信号の深達長が長くならない、つまり、断層画像が深くまで見ることができないという問題がある。また、同じ原因により、フーリエ変換部108から出力されるAスキャン信号のPSFの半値幅が大きくなりやすいという問題と、SNRが悪くなりやすいという問題がある。
Since the
本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、SNRの低下や波数掃引からの乖離を少なくする光干渉断層装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an optical coherence tomography apparatus that reduces the SNR and the deviation from the wave number sweep.
上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引する光源と、前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の成分を持つ信号を分離するハイパスフィルタ部と、前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えることを特徴する光干渉断層装置である。 In order to solve the above problems, the invention described in one embodiment includes a light source that sweeps a wavelength so as to have a comb-shaped spectrum, and light output from the light source is incident on an object to be observed. An interferometer that outputs a fringe signal that is an interference signal corresponding to the structure of the object to be observed, and a high-pass filter that separates a signal having an intensity modulation frequency component of the light source from the fringe signal output from the interferometer A peak time acquisition unit that acquires a peak time that is a time at which a peak of the signal separated by the high-pass filter unit appears, and a resampling unit that samples a fringe signal at the peak time. It is a tomographic device.
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明の光干渉断層装置は、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引する光源と、前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の基本成分およびその高調波成分の信号を分離するハイパスフィルタ部と、前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The optical coherence tomography apparatus of the present invention includes a light source that sweeps a wavelength so as to have a comb-shaped spectrum, and an interference according to the structure of the object to be observed by making the light output from the light source incident on the object to be observed. An interferometer that outputs a fringe signal that is a signal; a high-pass filter that separates a fundamental component of the intensity modulation frequency of the light source and a signal of its harmonic component from the fringe signal output from the interferometer; and the high-pass filter A peak time acquisition unit that acquires a peak time that is a time at which a peak of the signal separated by the unit appears, and a resampling unit that samples a fringe signal at the peak time.
上記光干渉断層装置においては、櫛歯型スペクトル波長掃引光源の時間的な強度変調周波数νsに対して、上記のハイパスフィルタ部のカットオフ周波数fcはνs/2≦fc<νsと設定されることが好ましい。 In the optical coherence tomography apparatus, the cut-off frequency f c of the high-pass filter unit is ν s / 2 ≦ f c <ν s with respect to the temporal intensity modulation frequency ν s of the comb-shaped spectral wavelength swept light source. Is preferably set.
上記光干渉断層装置によれば、光源からの出力光を全て干渉計に入れられるため、干渉計から物体に入射する光強度が従来よりも強くなるため、フリンジのSNR低下が防げる。 According to the optical coherence tomography apparatus, since all the output light from the light source can be put into the interferometer, the intensity of light incident on the object from the interferometer becomes stronger than before, so that the SNR of the fringe can be prevented from decreasing.
また、ピーク時刻を取得するための光路と、フリンジ信号を取得するための光路とを同じ(干渉計103)とすることができるので、正確なリサンプリングが可能となる。これにより、光源の出力光強度のピーク時刻に現れるコヒーレンス長の長い光の干渉信号を正確にサンプリングすることが可能となり、断層画像の深達長を長くすること、つまり、観察対象の物体を深くまで観測することが可能となる。 In addition, since the optical path for acquiring the peak time and the optical path for acquiring the fringe signal can be the same (interferometer 103), accurate resampling is possible. This makes it possible to accurately sample the interference signal of light with a long coherence length that appears at the peak time of the output light intensity of the light source, and to increase the depth of the tomographic image, that is, to deepen the object to be observed. It becomes possible to observe up to.
また、上記の通り、正確なリサンプリングが可能となることにより、リサンプリング部から出力されるフリンジ信号は光源が正確に波数リニアな掃引した場合のフリンジ信号と同一となるため、フーリエ変換部から出力されるAスキャン信号のPSFの半値幅は細くなり、また、SNRが大きくなるため、鮮明度は高くなる。 In addition, as described above, since accurate resampling is possible, the fringe signal output from the resampling unit is the same as the fringe signal when the light source is accurately swept in a wavenumber linear form. Since the half width of the PSF of the output A scan signal becomes narrower and the SNR becomes larger, the sharpness becomes higher.
(第1の実施形態)
第1の実施形態の光干渉断層装置について説明する。図3は、第1の実施形態のSS−OCTシステムの構成例を示す図である。本実施形態のSS−OCTシステムは、図3に示すように、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行なう光源101と、干渉計103と、ハイパスフィルタ部105と、ピーク時刻取得部106と、リサンプリング部107と、フーリエ変換部108とを備えている。さらに干渉計103は、バランスフォトディテクタ1031と、サーキュレータ1032と、カップラ1033と、ファイバコリメータ1038と、ミラー1035と、ファイバコリメータ1039と、光偏向器1037とを有している。カップラ1033からファイバコリメータ1038を通ってミラー1035までの光路が参照アーム1034であり、カップラ1033からファイバコリメータ1039と光偏向器1037を通って観察対象Oの中の反射面Bまでの光路がサンプルアーム1036である。図中の各構成は光ファイバ(二重線)または電気ケーブル(一本線)で接続されている。
(First embodiment)
The optical coherence tomography apparatus according to the first embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the SS-OCT system according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, the SS-OCT system of the present embodiment includes a
本実施形態の光干渉断層装置では、ピーク時刻を取得するための光の光路と、フリンジ信号を取得するための光路が同一となるため、光路による波長分散等の、光を変調する影響はピーク時刻取得とフリンジ信号取得で同一となり、リサンプリングが正確に行われる。これにより、光源の出力光強度のピーク時刻に現れるコヒーレンス長の長い光の干渉信号を正確にサンプリングすることが可能となり、断層画像の深達長を長くすること、つまり、観察対象の物体を深くまで観測することが可能となる。また、上記の通り正確なリサンプリングが可能となるため、リサンプリング部107から出力されるフリンジ信号は光源101が時間に対して正確に線形的に光の波数を掃引した場合(波数リニアな場合)のフリンジ信号と同一となるため、フーリエ変換部108から出力されるAスキャン信号のPSFの半値幅は細くなり、また、SNRが大きくなるため、鮮明度は高くなる。
In the optical coherence tomography apparatus according to the present embodiment, the optical path for acquiring the peak time is the same as the optical path for acquiring the fringe signal. The time acquisition and fringe signal acquisition are the same, and resampling is performed accurately. This makes it possible to accurately sample the interference signal of light with a long coherence length that appears at the peak time of the output light intensity of the light source, and to increase the depth of the tomographic image, that is, to deepen the object to be observed. It becomes possible to observe up to. In addition, since accurate resampling is possible as described above, the fringe signal output from the
光源101は、時間的に光の波長(周波数)が推移する(掃引する)レーザであり、その発振スペクトルのピークは周波数に対して等間隔に離散的な値をとる。その発振スペクトルを1掃引分重ね合わせた(1掃引分を時間積分した)スペクトルは、周波数に対して等間隔にピークがある櫛歯型のスペクトルとなる。この光源101は、周波数が時間的に推移するので、レーザ発振は時間的に強くなったり弱くなったりを繰り返す。つまりこの光源101の出力光は強度変調する。この強度変調はcos(2hk(t))の基本成分とその高調波成分を持つ。ここで、cos(x)はxの余弦、hは定数、k(t)は光の波数であり、時間tにより変化する。このhは光源内のレーザ共振器中にある光学部品のパラメータであるが、測定対象の物体の最大深さに基づいて決定される定数である。
The
強度変調がcos(2hk(t))となる光源101は、その光源101で生じる櫛歯型のスペクトルの隣同士の櫛歯の周波数間隔(自由スペクトル間隔:FSR)がc/(2h)となる光源である。ここでcは光速である。その光源101の構成としては、ファイバレーザ中にファイバファブリーペローフィルタ(fiber Fabry−Perot filter:FFPF)を挿入したものや、空間光学系で構成したレーザ共振器内にエタロンを挿入したものがある。このときのFFPFやエタロンはそのFSRがc/(2h)となるものを使用することで、FSRがc/(2h)となる光源が実現する。
In the
図4に空間光学系で構成した光源1の構成例を示す。図4に示す構成は空間光学系で構成されたLittman―Metcalf型共振器であり、半導体光増幅器(semiconductor optical amplifiler:SOA)304から発した光は、コリメータレンズ306でコリメートされた後、エタロン307を通して光偏向器308で偏向されて回折格子310に入射し、回折した光をミラー311に送る。ミラー311に垂直入射された光のみが、逆の経路をたどってSOA304に戻り、SOA反射面305で折り返され、最終的にはSOA反射面305とミラー311の間でレーザ共振する。SOA反射面305はハーフミラーとなっており、レーザ発振した光の一部がSOA反射面を通って結合レンズ303、アイソレータ302を介して光ファイバ301に至り、共振器外部に出力される。なお、エタロンの光路長はhである物を使う。たとえば、エタロンの屈折率をn、エタロンの厚みをdとすると、h=ndとなる。レーザ共振器の光の共振周波数は、光偏向器308から回折格子310への入射角度によって変化するので、光偏向器制御器309によって光偏向器308から出射する光の角度(偏向角)を時間的に連続的に変えることによって、光源101の出力光の周波数を連続的に変える(掃引する)。
FIG. 4 shows a configuration example of the light source 1 configured by a spatial optical system. The configuration shown in FIG. 4 is a Littman-Metcalf type resonator composed of a spatial optical system. Light emitted from a semiconductor optical amplifier (SOA) 304 is collimated by a
光源1からの光が入力される干渉計103では、入力された光をサーキュレータ1032を介してカップラ1033に入れ、カップラ1033で2分岐した後、参照アーム1034とサンプルアーム1036に入力する。カップラ1033で分岐された一方の光は、参照アーム1034の基準位置Aに設けられたミラー1035で反射して再びカップラ1033に戻る。カップラ1033で分岐されたもう一方の光は、観測対象の物体O内の反射面B(反射面Bは物体内の一か所とは限らない)で反射されて再びカップラ1033に戻る。光源が1掃引するごとに光偏向器1037で幅方向WにAスキャンを行う位置を少しずつ移動させる。このように、物理的に光を観測対象にあてる位置(Aスキャンを行う位置)を連続的に変える操作をBスキャンという。
In the
カップラ1033では参照アーム1034およびサンプルアーム1036からの2つの戻り光を合波して干渉させる。つまり、カプラ1033は干渉機構として働く。これら2つの戻り光から生じた干渉光(フリンジ光)を、お互いに位相が反転した状態で2分岐し、一方はサーキュレータ1032を介して、他方は直接バランスフォトディテクタ1031に入射する。バランスフォトディテクタ1031は、それぞれの入射光を電気信号に変換し、それらの差分信号をリサンプリング部107に出力する。この出力信号を干渉信号(フリンジ信号)と呼ぶこととする。
In the
干渉計103から出力されるフリンジ信号(電気信号)は、参照アームとサンプルアームとの光路長差zに応じて変化する信号である。具体的には、フリンジ信号はcos(2zk(t))の成分を持つ。また、光源101からの出力光はcos(2hk(t))で強度変調しているので、フリンジ信号はcos(2zk(t))およびcos(2hk(t))で表される2つの基本成分とその高調波成分を持つこととなる。観測対象の物体O内の反射面の基準面Aからの最深の位置zをzmaxとすると、光源101の強度変調の周波数を決定し、また、リサンプリングする時間間隔を決定するhは2zmax以上(h≧2zmax)となるようにする。このようにする理由は次に示すような原理による。zに対するフリンジ信号はcos(2zk(t))で変調されており、その時刻tにおける周波数νf(t)はzk’(t)/πとなる。ただし、k’(t)は時刻tにおけるk(t)の微分した関数でありk’(t)=dk/dtである。一方、光源101の光出力はcos(2hk(t))で変調されており、その時刻tにおける周波数νs(t)はhk’(t)/πとなる。光源101の光出力のピークの時刻でフリンジ信号をサンプリングするので、時刻tあたりではhk’(t)/πで表されるサンプリング周波数でフリンジ信号をサンプリングすることになる。観測対象の物体O内の反射点によるフリンジの最高周波数はzmaxとなる反射点からの光で生じる干渉光の周波数zmaxk’(t)/πであるので、この周波数の信号成分の情報をすべて取得するには、サンプリング定理から、2zmaxk’(t)/π≦hk’(t)/πである必要がある。したがって、hは2zmax以上(、h≧2zmax)となるようにする。
The fringe signal (electric signal) output from the
ここで、νsとzmaxについて、光源101の光の櫛歯型スペクトルの櫛歯間である自由スペクトル間隔(FSR)との関係について述べておく。FSR=c/(2h)(あるいは、h=c/(2FSR))であることから、光源101の光の強度変調信号の成分は、cos(ck(t)/FSR)とその高調波となり、tにおけるその周波数νsは(c/(2πFSR))・k’(t)となる。ただし、k’(t)はk(t)をtで微分した関数であり、k’(t)=dk(t)/dtである。また、h≧2zmaxであることからc/(4FSR)≧zmax(あるいは、FSR≦c/(4zmax))となる。
Here, the relationship between ν s and z max and the free spectral interval (FSR) between the comb teeth of the comb-shaped spectrum of the light from the
図5は、干渉計103から出力された電気信号の、ハイパスフィルタ部105と、ピーク時刻取得部106と、リサンプリング部107と、フーリエ変換部108とによる処理手順である。
FIG. 5 shows a processing procedure of the electrical signal output from the
まず、ハイパスフィルタ105は、入力したフリンジ信号から、光源101の強度変調周波数成分、つまりcos(2hk(t))の基本成分およびその高調波成分の信号を分離する。(S−201)ハイパスフィルタ105のカットオフ周波数fcにより所定の周波数成分を分離する。ここでフリンジ信号からcos(2hk(t))の基本成分およびその高調波成分を分離するためのカットオフ周波数fcについて以下に説明する。フリンジ信号に含まれるcos(2hk(t))とcos(2zk(t))の各成分のt=t0時の周波数νs、νfはそれぞれ
First, the high-
となる。ここで「||」は絶対値を表す。上記の通り、h>2zmax≧2zなので、常にνs>2νf(つまり、νs/2>νf)となる。ハイパスフィルタのカットオフ周波数fcはνf≦fc<νsであればフリンジ信号からνsの信号のみを分離できるわけであるが、上記のように、常にνs/2>νfであるので、νs/2以上νs未満の間にカットオフ周波数fc(つまり、νs/2≦fc<νsとなるfc)のあるハイパスフィルタを用いることにより、cos(2hk(t))の成分のみをフリンジから分離できる。 It becomes. Here, “||” represents an absolute value. As described above, since h> 2z max ≧ 2z, ν s > 2ν f (that is, ν s / 2> ν f ) is always satisfied. If the cut-off frequency f c of the high-pass filter is ν f ≦ f c <ν s , only the signal ν s can be separated from the fringe signal. However, as described above, always ν s / 2> ν f . since, by using a high-pass filter with a [nu s / 2 or more cut in less than [nu s-off frequency f c (i.e., the ν s / 2 ≦ f c < ν s f c), cos (2hk ( Only component t)) can be separated from the fringe.
ところで、dk(t)/dtが時間tに関して定数とならない場合(つまり、dk(t)/dtが時間変動する場合)は、フリンジ信号に含まれる信号の周波数νsとνfとは上記の式から分かるように時間変動する。この時間変動のため、fcが時間的に固定であるハイパスフィルタを使った場合は、k(t)を表す関数によっては、fc>νsとなる時間と、fc<νfとなる時間とが生じる場合がある。すなわち、時間に対して固定のfcとなるハイパスフィルタを使った場合は、fc>νsの時間帯ではcos(2hk(t))の成分のみをフリンジから分離できず、一方でfc<νfの時間帯ではcos(2hk(t))の成分にcos(2zk(t))の成分が混ざった信号がハイパスフィルタから出力されることとなってしまう。このように、カットオフ周波数fcが時間的に変動しないフィルタは使用できない場合がある。その場合は、カットオフ周波数を時間的に変動させる動的フィルタを使用すればよい。 By the way, when dk (t) / dt does not become a constant with respect to time t (that is, when dk (t) / dt fluctuates over time), the frequencies ν s and ν f of the signal included in the fringe signal are As can be seen from the equation, it varies with time. Due to this time variation, when a high-pass filter with f c fixed in time is used, depending on the function representing k (t), the time when f c > ν s and f c <ν f are satisfied. Time may occur. That is, when a high-pass filter having a fixed f c with respect to time is used, only the component of cos (2hk (t)) cannot be separated from the fringe in the time zone of f c > ν s , while f c In the time zone of <ν f , a signal in which a component of cos (2hk (t)) and a component of cos (2zk (t)) are mixed is output from the high-pass filter. Thus, the filter cut-off frequency f c is not changed temporally may not be used. In that case, a dynamic filter that temporally varies the cutoff frequency may be used.
動的フィルタとは、たとえば、ディジタルフィルタの場合には、時間的にフィルタの係数を変動させるものである。また、アナログフィルタの場合には、回路を構成する抵抗の抵抗値、コンデンサの静電容量値、インダクターのインダクタンスを時間的に変動させるものである。たとえば、バリキャップを使えば、バリキャップへの印加電圧を時間的に変動させることにより、静電容量を時間的に変動させることができるので、ハイパスフィルタのfcを時間変動させることができる。 For example, in the case of a digital filter, the dynamic filter is one that fluctuates the coefficient of the filter over time. In the case of an analog filter, the resistance value of the resistor constituting the circuit, the capacitance value of the capacitor, and the inductance of the inductor are temporally varied. For example, if you use a varicap, by temporally varying the voltage applied to the varicap, it is possible to vary the capacitance in time, it is possible to vary the f c of the high-pass filter time.
具体的には、使用するハイパスフィルタのカットオフ周波数fcをνf≦fc<νsとなるように時間的に変動させる。さらに、νsとνfとの関係は上記で説明したとおりνs/2>νfであるので、使用するハイパスフィルタのカットオフ周波数fcをνsとνfとの時間変動にかかわらず常にνs/2≦fc<νsを満たすように時間的に変動させればよい。 Specifically, the cut-off frequency f c of the high-pass filter used ν f ≦ f c <ν s temporally varied so. Further, since the relationship between [nu s and [nu f is the above as described in the ν s / 2> ν f, regardless of cut-off frequency f c of the high-pass filter used in the time variation of the [nu s and [nu f What is necessary is just to change temporally so that it may always satisfy (nu) s / 2 <= fc <(nu) s .
物体Oの測定したい最深のzをzmaxとすると、エタロンの光路長hは、上記の通り2zmax以上(つまり、h≧2zmax)となるように設計されるので、νs、νfはそれぞれ上記の式の通りに決まる。つまりzmaxを決めると、ある時刻に対するνs、νfは決まる。したがって、ハイパスフィルタのカットオフ周波数fcはある時刻に対して上記の通りνf≦fc<νs(または、νs/2≦fc<νs)と決めればよいので、本実施形態の光干渉断層装置の動作中に、光源1や干渉計3からの出力信号のνsやνfを測定してカットオフ周波数fcを算出する必要はない。つまり、zmaxとそれに合ったhを決めてしまえば、ある時刻に対するカットオフ周波数fcの範囲は決まるので、本実施形態の光干渉断層装置を動作させる前に時刻ごとのカットオフ周波数fcをあらかじめ算出しておき、本実施形態の光干渉断層装置の動作時に、その時刻に対するカットオフ周波数が、該算出したカットオフ周波数fcとなるようにハイパスフィルタを動作させる。あるいは、時間に対して光源光の波数k(t)の関数が分かっていれば、νs(t)の関数も分かるので、本実施形態の光干渉断層装置の動作時にリアルタイムにカットオフ周波数fcを算出して、ハイパスフィルタを動作させる。このようにしてハイパスフィルタ部105で分離した信号には、光源101の出力信号の強度変調周波数であるcos(2hk(t))の基本成分およびその高調波成分の信号が含まれている。
Assuming that the deepest z to be measured of the object O is z max , the optical path length h of the etalon is designed to be 2z max or more (that is, h ≧ 2z max ) as described above, so ν s and ν f are Each is determined according to the above formula. That is, when z max is determined, ν s and ν f for a certain time are determined. Therefore, the cutoff frequency f c of the high-pass filter may be determined as ν f ≦ f c <ν s (or ν s ≦≦ f c <ν s ) for a certain time as described above. down during operation of the optical coherence tomography apparatus, it is not necessary to calculate the cut-off frequency f c by measuring the [nu s and [nu f of the output signal from the light source 1 and the interferometer 3. That, z max and once you decide h that matches it, since the range of the cut-off frequency f c for a time determined, cut-off frequency f c of the each time before operating the optical coherence tomography apparatus of the present embodiment the calculated in advance, during the operation of the optical coherence tomography apparatus of the present embodiment, the cutoff frequency for that time, to operate the high-pass filter such that the cut-off frequency f c of the calculated. Alternatively, if the function of the wave number k (t) of the light source light with respect to time is known, the function of ν s (t) is also known, so that the cutoff frequency f is real-time during the operation of the optical coherence tomography apparatus of the present embodiment. c is calculated and the high-pass filter is operated. The signal separated by the high-
ピーク時刻取得部106は、ハイパスフィルタ部105で分離した信号のピークを検出し、そのピークが現れる時刻を求め、サンプリング部107へ出力する。(S−202)
The peak
リサンプリング部107は、ピーク時刻取得部106で取得したピーク時刻で、干渉計103から出力されたフリンジ信号をサンプリングする。(S−203)
The
フーリエ変換部108は、リサンプリング部107でサンプリングしたフリンジ信号をフーリエ変換する。このフーリエ変換後の信号がSS−OCTシステムのAスキャン信号となる。(S−204)
The
以上の光干渉断層装置によれば、光源からの出力光を全て干渉計に入れられるため、干渉計から物体に入射する光強度が従来よりも強くなるため、フリンジのSNR低下が防げる。また、ピーク時刻を取得するための光路と、フリンジ信号を取得するための光路とを同じ(干渉計103)とすることができので、正確なサンプリングが可能となる。 According to the optical coherence tomography apparatus described above, since all the output light from the light source can be put into the interferometer, the light intensity incident on the object from the interferometer becomes stronger than before, so that the SNR of the fringe can be prevented from decreasing. In addition, since the optical path for acquiring the peak time and the optical path for acquiring the fringe signal can be the same (interferometer 103), accurate sampling can be performed.
101 光源
102 カップラ
103 干渉計
1031 バランスフォトディテクタ
1032 サーキュレータ
1033 カップラ
1034 参照アーム
1035 ミラー
1036 サンプルアーム
1037 光偏向器
1038 ファイバコリメータ
1039 ファイバコリメータ
105 ハイパスフィルタ部
106 ピーク時刻取得部
107 リサンプリング部
108 フーリエ変換部
301 光ファイバ
302 アイソレータ
303 結合レンズ
304 SOA
305 SOA反射面
306 コリメータレンズ
307 エタロン
308 光偏向器
309 光偏向器制御器
310 回折格子
311 ミラー
DESCRIPTION OF
305
Claims (8)
前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、
前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の成分を持つ信号を分離するハイパスフィルタ部と、
前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、
前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えることを特徴する光干渉断層装置。 A light source that sweeps the wavelength so that it has a comb-shaped spectrum;
An interferometer that inputs light output from the light source to an object to be observed and outputs a fringe signal that is an interference signal according to the structure of the object to be observed;
A high-pass filter for separating a signal having a component of an intensity modulation frequency of the light source from a fringe signal output from the interferometer;
A peak time acquisition unit that acquires a peak time that is a time at which a peak of the signal separated by the high-pass filter unit appears;
An optical coherence tomography apparatus comprising: a resampling unit that samples a fringe signal at the peak time.
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