JP6571352B2 - 光干渉断層計測装置 - Google Patents

Description

本開示は、被測定物に低コヒーレント光を照射して得られる反射光を用いて被測定物の光断層画像を生成する際に用いられる光干渉断層計測装置に関する。

被測定物の光断層画像を取得するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）技術は、被測定物象の奥行き方向の構造を非侵襲かつ高分解能で検出することができることから、様々な分野で実用化されている。

ＯＣＴ装置で光断層画像報を収集するためには、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）と呼ばれる光源から出力される光ビームを被測定物に照射し、その反射光を受光可能な光干渉断層計測装置が必要である。

例えば、特許文献１に記載された光干渉断層計測装置では、光源を出て光ファイバーを通ってハーフミラーに入射する入射光は、ハーフミラーで非測定光（参照光）と測定光に分離される。分離された非測定光は、光ファイバーを通って光ファイバーの端面で反射して光ファイバーを通ってハーフミラーに再入射する。

一方、ハーフミラーで分離された測定光は、光ファイバーを通って被測定物の表面で反射され、再びハーフミラーに入射する。ハーフミラーに再入射したそれぞれの反射光はハーフミラー上で干渉して、２本の干渉光を生ずる。一つの干渉光は光検出器に向かい、他方の干渉光は光源に向かう。

ハーフミラーで干渉光が発生するためには、非測定光が光ファイバーの端面で反射して光ファイバーを通ってハーフミラーに再入射するまでの復路の光路長と、反射光が被測定物の表面で反射して光ファイバーを通ってハーフミラーに再入射するまでの復路の光路長とを同一にする必要がある。また、干渉光の発生には、非測定光と測定光の復路の光路長の同一性の他に、非測定光と測定光の往路の光路長の同一性が必要である。なお、非測定光と測定光の往路と復路が異なる経路を有した干渉計の場合も、往路と復路の夫々の光路長の同一性が必要となる。このため、特許文献１に記載された光干渉断層計測装置には、それぞれの光路の光路長を可変可能な圧電ファイバー長可変装置が設けられている。

この圧電ファイバー長可変装置は、長尺（例えば、数十メートル）の光ファイバーを円筒形の圧電素子に多数回巻き付け、圧電素子に設けられた電極に電圧を印加して、円筒形の圧電素子の直径を変化させて、光ファイバーに張力を与えて光ファイバーの長さを変化させる。

特開２００３−１８５４１６

圧電ファイバー長可変装置の円筒形の圧電素子に巻回された光ファイバーは数十メートルあるが、光ファイバーの伸びは、１０ｍあたり１ｍｍ程度である。このため、光ファイバーが数十メートルである場合には、２〜３ｍｍ程度しか伸びない。また、光ファイバーは、長尺になると、温度や湿度や振動の影響を受け易くなるので、光ファイバーの長さを必要最小限にする必要性がある。干渉計と被測定物との間の距離を保つ必要があることから、干渉計の非測定光と測定光の光路長さはいずれも１０ｃｍ以上が望ましい。そこで、干渉計の非測定光と測定光の光路長さを最大１０ｍとすると、特許文献１に記載の圧電ファイバー長可変装置を備える光干渉断層装置では、非測定光と測定光の光路長を同一にすることができなくなる。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、光ファイバーの長さを変えても非測定光と測定光の光路長を同一に調整可能な光干渉断層計測装置を提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態に係わる光干渉断層計測装置は、
少なくとも低コヒーレント光を含む光源と、前記光源から発する低コヒーレンス光を導く測定光路及び非測定光路の２本の光路を備える干渉計と、を備え、前記非測定光路は、光ファイバーのみからなって空間伝播光路を含まない光路であるとともに、該光路の先端側端面に反射鏡が形成されてなる光干渉断層計測装置であって、
前記測定光路は、前記光源が発する前記低コヒーレンス光を被測定物に投射するために前記光ファイバーの端面に接続されるコリメートレンズと、前記光ファイバーの端面から前記被測定物までの所定長の空間伝播光路上に置いた投射光学手段と前記コリメートレンズとの間の空間伝播光路の長さを変更可能な光路長変更手段とを有するように構成される。

上記光干渉断層計測装置によれば、非測定光路は、光ファイバーのみからなる光路であるとともに、光路の先端側端面に反射鏡が形成されているので、非測定光路の長さを変更することができない。一方、光ファイバーの端面から被測定物までの所定長の空間伝播光路上に置いた投射光学手段とコリメートレンズとの間の空間伝播光路の長さを光路長変更手段によって変更することができるので、非測定光路の光路長に応じて測定光路の光路長を変更して測定光路を非測定光路の光路長と同一長さに調整することができる。よって、光ファイバーの長さを短縮化しても非測定光路と測定光路の光路長を同一に調整可能な光干渉断層計測装置を実現できる。

また、幾つかの実施形態では、
前記光路長変更手段は、前記光ファイバーの端面から前記被測定物までの所定長の空間伝播光路に沿って前記コリメートレンズを移動させるレンズ移動手段を有するように構成される。

この場合、コリメートレンズはレンズ移動手段によって空間伝播光路に沿って移動可能であるので、コリメートレンズの移動量に制限はない。測定光路を形成する光ファイバーの長さを短くしても、コリメートレンズの移動量を調整することで、測定光路の光路長と非測定光路の光路長とを同一長さに容易に調整することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記光路長変更手段は、前記光ファイバーの端面から前記被測定物までの所定長の空間伝播光路が通る空間と異なる屈折率を有した材料で形成されて、前記投射光学手段と前記コリメートレンズとの間の空間伝播光路上に配置されたプリズムと、前記プリズムを前記空間伝播光路に対して接近及び離反可能に移動させるプリズム移動手段と、を有するように構成される。

この場合、光路長変更手段は、光ファイバーの端面から被測定物までの所定長の空間伝播光路が通る空間と異なる屈折率を有した材料で形成されて、投射光学手段とコリメートレンズとの間の空間伝播光路上に配置されたプリズムと、プリズムを空間伝播光路に対して接近及び離反可能に移動させるプリズム移動手段と、を有して構成されるので、プリズム移動手段によってプリズムを移動させることで、プリズム内を通過する低コヒーレンス光の光路長を容易に変化させることができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記コリメートレンズと前記投射光学手段との間の空間伝播光路上に、前記低コヒーレンス光が前記光ファイバーを通る際の光ファイバーの屈折率と、前記低コヒーレンス光が前記空間伝播光路を通る際の該空間伝播光路の屈折率との相違に起因して生じる低コヒーレンス光の分散を補償するための光分散補償部材が設けられているように構成される。

この場合、光は通過する材料によって波長ごとの伝播速度の違いによる群速度分散が生じる。このため、従来、測定光路と非測定光路では、空気、光ファイバー、レンズやウィンドウに使われるガラスや樹脂などを同じ距離にしてバランスして構成する方法をとるか、分散が同等になるような材料を経路に挿入する方法で「分散補償」という調整を行う場合がある。これにより空間分解能（深さ方向分解能）を改善することができる。しかしながら、本願の実施形態の非測定光路は光ファイバーの先端側端面に反射鏡が形成されているので、分散補償が困難であるが、測定光路では、投射光学手段とコリメートレンズとの間の空間伝播光路があるので、「分散補償」が可能である。そこで、コリメートレンズと投射光学手段との間の空間伝播光路上に光分散補償部材を設けることで、測定光路を通る光の分散補償を行って、光路長の変化をキャンセルして空間分解能（深さ方向分解能）を改善することができる。

また、幾つかの実施形態では、
前記プリズムは、前記低コヒーレンス光が前記光ファイバーを通る際の該光ファイバーの屈折率と、前記低コヒーレンス光が前記空間伝播光路を通る際の該空間伝播光路の屈折率との相違に起因して生じる低コヒーレンス光の分散を補償可能な部材で形成されている。

この場合、プリズムが低コヒーレンス光の分散を補償可能な部材で形成されることで、測定光路長を変更可能であるとともに、測定光路を通る光の分散補償が行われて空間分解能（深さ方向分解能）を改善することができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、光ファイバーの長さを変えても非測定光と測定光の光路長を同一に調整可能な光干渉断層計測装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係わる光干渉断層計測装置の概略構成図である。 同図（ａ）はコリメートレンズと対物レンズとの間の空間伝播光路上に板状の分散補償部材を設けた場合の干渉計の部分構成図を示し、同図（ｂ）はコリメートレンズと対物レンズとの間の空間伝播光路上に２枚のプリズムからなる分散補償部材を設けた場合の干渉計の部分構成図を示す。 本発明の他の実施形態に係わるコリメートレンズと対物レンズとの間の空間伝播光路上に分散補償機能を備えるプリズムを設けた場合の干渉計の部分構成図を示す。

以下、添付図面に従って本発明の光干渉断層計測装置の実施形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

光干渉断層計測装置１は、図１に示すように、光源３と、光源３から発する低コヒーレンス光を導く測定光路Ｌ１及び非測定光路Ｌ２の２本の光路を備える干渉計１０とを備える。干渉計１０は、光分岐合流部１１と、光強度検出器１３と、コリメートレンズ１５と、光走査用ミラー１７と、対物レンズ１９とを有してなる。コリメートレンズ１５、光走査用ミラー１７、対物レンズ１９は、プローブヘッド２５に設けられている。

プローブヘッド２５は、内部が中空な箱状に形成されたヘッド本体部２６と、ヘッド本体部２６の側壁に取り付けられてコリメートレンズ１５を移動可能に保持するレンズ移動支持部２９とを有してなる。ヘッド本体部２６内には、光走査用ミラー１７と対物レンズ１９が設けられている。レンズ移動支持部２９は、コリメートレンズ１５を移動可能に嵌合する孔部２９ａを有して筒状に形成されている。レンズ移動支持部２９の側壁部には止めねじ３１が螺合して設けられている。コリメートレンズ１５は、孔部２９ａに挿入された状態で測定光路Ｌ１に沿って（孔部２９ａの軸心方向に沿って）移動可能であり、孔部２９ａの任意位置で止めねじ３１を介してレンズ移動支持部２９に固定される。なお、レンズ移動支持部２９は、モータ等のアクチュエータやボールネジ機構による精密な送り動作を用いてレンズ移動支持部２９に対してコリメートレンズ１５を移動自在に設けてもよい。

光源３と光分岐合流部１１は光ファイバーＫ１を介して接続されている。光分岐合流部１１では、光源３からの光を分岐して、それぞれの光を測定光路Ｌ１及び非測定光路Ｌ２の２本の光路に導く。非測定光路Ｌ２は、光ファイバーＫ２のみからなって空間伝播光路を含まない光路であり、光ファイバーＫ２の先端側端面には反射鏡Ｋ２ａが形成されている。反射鏡Ｋ２ａは、光ファイバー切断面での端面反射を大きくするために、光ファイバーＫ２の端面をフラットに研磨したフラット研磨面が形成されている。なお、反射鏡Ｋ２ａは、フラット研磨面よりも端面反射が小さくなる球面加工するＰＣ（Physical contact）研磨面や、ＰＣ研磨面よりも端面反射がさらに小さくなる斜研磨するＡＰＣ（Angled physical contact）研磨面でもよい。また、反射鏡Ｋ２ａは、光ファイバー切断面に小型ミラーＭを接触又は接着して形成されたものでもよい。

測定光路Ｌ１は、光分岐合流部１１とコリメートレンズ１５とを繋ぐ光ファイバーＫ３と光ファイバーＫ３の端面から被測定物４０の表面までの所定長の空間伝播光路Ｌ３からなる。この空間伝播光路Ｌ３には、コリメートレンズ１５、光走査用ミラー１７、対物レンズ１９が配設されている。

ここで、光源３を出た光は光分岐合流部１１で２本の光に分けられ、その一方の光は被測定物４０へ照射され、他方の光は光ファイバーＫ２の反射鏡Ｋ２ａへ照射される。そして、それぞれの対応する光は被測定物４０および反射鏡Ｋ２ａで反射され、それぞれの反射光が光分岐合流部１１で再度合流して干渉される。コリメートレンズ１５はレンズ移動支持部２９のレンズ移動支持部２９に移動自在に設けているので、コリメートレンズ１５を移動させることで測定光路Ｌ１の光路長を変更することができる。

このコリメートレンズ１５の位置を、被測定物４０からの反射光の光軸方向に移動させ、非測定光路Ｌ２と測定光路Ｌ１の光路長が同一になるように被測定物４０からの反射光の光路長を変更することにより、被測定物４０からの反射光と反射鏡Ｋ２ａからの反射光の干渉波形を計測・記録する。光の強度は、光強度検出器１３で検出することができる。

また、被測定物４０からの反射光の強度は一般的に弱いため、プローブヘッド２５のヘッド本体部２６内に設けられた対物レンズ１９は、このような集光部（対物レンズ１９）に光を集光して焦点を形成し、その焦点位置付近に被測定物４０からの反射が生じるように設定されている。このような手段を採用することにより、焦点付近に入射光を集中させるとともに、いろいろな角度に散乱反射される被測定物４０からの反射光を対物レンズ１９で集光して干渉計１０で利用することができる。また、乱反射面や傾いた面からも被測定物４０の反射光が得られ、干渉信号を得ることが可能となる。さらに、干渉最大点で焦点を結ぶように調整することで、焦点位置での干渉効率が最大となり、空間的な分解能を高めることができる。

コリメートレンズ１５は、高精度の平行光を作るための光学系を構成してなる。このため、光ファイバーＫ３から出る光を平行光にして光走査用ミラー１７を介して対物レンズ１９に導くことができる。

光分岐合流部１１は、少なくとも低コヒーレント光を含む光源３からの光線を２本の光線に分岐するものであり、例えば、光ビームスプリッタ、光ファイバーカプラ等が例として挙げられる。光ビームスプリッタは、プレート型またはキューブ型のいずれを用いてもよい。特に、光軸のシフトがなく使用が容易であるという点からはキューブ型が、重量・価格の点からはプレート型が好ましい。光線の分岐する角度は特に定めないが、好ましくは９０度である。

光源３は、低コヒーレント光を含む光源である。このため、従来の単一波長光源を用いたマイケルソン光干渉と異なり、低コヒーレント光を含む光源は、コヒーレンス長が短い（ローカルなピークを数回繰り返し、そのピーク値がある点を中心に前後では減衰する）ので、絶対位置の計測を容易に行うことができる。本発明でいう低コヒーレント光源とは、特定の幅の波長帯を含む光源で、空間干渉可能距離が短いものをいう。具体的には、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）、超短パルスレーザ、ＬＥＤ、白熱電球、キセノンランプ、メタルハライドランプが挙げられる。この中でもＳＬＤは小型、低価格であり、光ファイバーへの結合効率も高く、良好な平行光線（コリメート光）に変換することが容易である点から好ましい。

このように、光干渉断層計測装置１の非測定光路Ｌ２は、光ファイバーＫ２のみからな光路であるとともに、光ファイバーＫ２の先端側端面に反射鏡Ｋ２ａが形成されているので、非測定光路Ｌ２の長さを変更することができない。一方、光ファイバーＫ３の端面から被測定物４０の表面（または被測定物４０内部の特定位置）までの所定長の空間伝播光路Ｌ３上に置いた対物レンズ１９とコリメートレンズ１５との間の空間伝播光路の長さをコリメートレンズ１５の移動によって変更することができるので、非測定光路Ｌ２の光路長に応じて測定光路Ｌ１の光路長を変更して測定光路Ｌ１を非測定光路Ｌ２の光路長と同一長さに調整することができる。よって、光ファイバーＫ２、Ｋ３の長さを短縮化しても非測定光路Ｌ２と測定光路Ｌ１の光路長を同一に調整可能な光干渉断層計測装置１を実現できる。

また、コリメートレンズ１５は、プローブヘッド２５のヘッド本体部２６内を移動自在に挿入されているので、ヘッド本体部２６の長さを長くすれば、コリメートレンズ１５の移動量を容易に増大することができるので、コリメートレンズ１５の移動量に制限はない。このため、測定光路Ｌ１を形成する光ファイバーＫ３の長さを短くしても、コリメートレンズ１５の移動量を調整することで、測定光路Ｌ１の光路長と非測定光路Ｌ２の光路長とを同一長さに容易に調整することができる。

なお、図２（ａ）に示すように、コリメートレンズ１５と対物レンズ１９（図１参照）との間の空間伝播光路Ｌ３上に、分散補償部材４５を配置してもよい。この分散補償部材４５は、低コヒーレンス光が光ファイバーＫ３を通る際の光ファイバーＫ３の屈折率と、低コヒーレンス光が空間伝播光路Ｌ３を通る際の空間伝播光路Ｌ３の屈折率との相違によって生じる低コヒーレンス光の分散のアンバランスに起因する測定光路Ｌ１の波長毎の光路長の変化をキャンセルして空間分解能（深さ方向分解能）を改善する。分散補償部材４５は、板状に形成され、光路長の変化量に対応した厚さｗ、ｗ'、ｗ''の分散補償部材４５が使用される。

また、分散補償部材４５は、図２（ｂ）に示すように、空間伝播光路Ｌ３上に２つのプリズム４６を接触した状態で対向配置するとともに、それぞれのプリズム４６をプリズム移動機構部５０を介して互いに摺動可能に支持することで、これらのプリズム４６を通る空間伝播光路Ｌ３の長さを変更することができる。よって、異なる厚さを有した分散補償部材４５を複数用意する場合と比較して、低コヒーレンス光の分散のアンバランスに起因する測定光路Ｌ１の光路長の変化をより容易にキャンセルすることができる。

また、図３に示すように、光ファイバーＫ３の端面から被測定物４０の表面までの所定長の空間伝播光路Ｌ３が通る空間Ａと異なる屈折率を有した材料で形成されて、対物レンズ１９とコリメートレンズ１５との間の空間伝播光路Ｌ３上にプリズム４９を配置してもよい。この場合、プリズム４９はプリズム移動機構部５１を介して空間伝播光路Ｌ３に対して接近及び離反可能に構成される。

プリズム移動機構部５１によってプリズム４９を移動させることで、プリズム４９内を通る低コヒーレンス光の光路長を容易に変化させることができる。本実施形態では、コリメートレンズ１５はヘッド本体部２６に固定されている。なお、コリメートレンズ１５は、前述したように、レンズ移動支持部２９に対して移動可能に設けられてもよい。このようにすると、測定光路Ｌ１の光路長の変更量をより大きくすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、上述した各種実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 光干渉断層計測装置
３ 光源
１０ 干渉計
１１ 光分岐合流部
１３ 光強度検出器
１５ コリメートレンズ
１９ 対物レンズ（投射光学手段）
２５ プローブヘッド
２６ ヘッド本体部
２９ レンズ移動支持部（光路長変更手段、レンズ移動手段）
３１ 止めねじ
４０ 被測定物
４５、４７ 分散補償部材
４６、４９ プリズム
５０、５１ プリズム移動機構部（プリズム移動手段）
Ａ 空間
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ 光ファイバー
Ｋ２ａ 反射鏡
Ｌ１ 測定光路
Ｌ２ 非測定光路
Ｍ 小型ミラー

Claims (2)

1. 少なくとも低コヒーレント光を含む光源と、前記光源から発する低コヒーレンス光を導く測定光路及び非測定光路の２本の光路を備える干渉計と、を備え、前記非測定光路は、光ファイバーのみからなって空間伝播光路を含まない光路であるとともに、該光路の先端側端面に反射鏡が形成されてなる光干渉断層計測装置であって、
   前記測定光路は、前記光源が発する前記低コヒーレンス光を被測定物に投射するために前記光ファイバーの端面に接続されるコリメートレンズと、前記光ファイバーの端面から前記被測定物までの所定長の空間伝播光路上に置いた投射光学手段と前記コリメートレンズとの間の空間伝播光路の長さを変更可能な光路長変更手段とを有し、
   前記光路長変更手段は、前記光ファイバーの端面から前記被測定物までの所定長の空間伝播光路に沿って前記コリメートレンズを移動させるレンズ移動手段を有する
   ことを特徴とする光干渉断層計測装置。
2. 前記コリメートレンズと前記投射光学手段との間の空間伝播光路上に、前記低コヒーレンス光が前記光ファイバーを通る際の光ファイバーの屈折率と、前記低コヒーレンス光が前記空間伝播光路を通る際の該空間伝播光路の屈折率との相違に起因して生じる低コヒーレンス光の分散を補償するための光分散補償部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光干渉断層計測装置。

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