JPWO2008029506A1 - オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置 - Google Patents

オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置 Download PDF

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康二 大林
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Abstract

光発生装置と、干渉計と、光検出装置からなるオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、干渉計の試料光路に光増幅器を配置ことによって、測定感度を向上させたオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置に関し、特に、光増幅器を利用した高感度オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置に関する。
（１）OCTの現状
オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー（Optical
Coherence Tomography：OCT）は、光の干渉現象を利用した高分解能光断層撮影技術である。光の干渉現象を利用するので、光の波長に近い高分解能（10μｍ程度）が、OCTでは容易に実現できる。また、断層像撮影のためのプローブが光なので、X線CT（Computed
Tomography）のように X線被爆が問題になることはない。この高分解能且つ無侵襲という特徴を活かして、眼底や前眼部を顕微鏡レベルの高分解能で観察する診断装置が、OCTによって実現されている。
OCTには、実用化済みのTD−OCTと、研究開発段階のSD−OCT及びOFDR−OCTの３方式がある。TD−OCTは、タイム・ドメイン（Time
Domain）方式のことであり、最初に開発された方式である。SD−OCTは、スペクトル・ドメイン（Spectral domain）方式のことであり、比較的古くから研究されている。OFDR−OCTは、オプティカル・フリーケンシ・ドメイン・リフレクトメトリ（Optical
frequency domain reflectometry）のことであり、最近開発されたものである（非特許文献１）。
TD−OCTは装置構成が簡単ではあるが、測定速度の高速化に限界があり、断層像の動画撮影には適していない。これに対して、SD−OCT及びOFDR−OCTは高速測定が容易であり、断層像の動画の撮影も可能である。
眼の水晶体等一部の組織を除く殆どの人体組織は、光を強く散乱または反射（以下、単に「散乱」と記載する）する。OCTは、この光散乱を利用した測定技術である。人体に光を照射すると、その光は組織内部で後方散乱または反射（以下、単に「後方散乱」と記載する）される。OCTは、この後方散乱光を補足して断層像を構築する。しかし、人体の組織による光の散乱は、激烈である。従って、照射光は組織内部で急激に減衰し深部には到達しない。このため、人体表面から僅か数mm入った位置で後方散乱された光でさえ、OCTの測定限界近くまで減衰している。このためOCTで測定が可能な範囲は、人体の表面から高々数mmの深さに限定されている。
OCTの測定可能な深さは、その感度によって決定される。上記３方式のOCTの中で最も感度の高い方式はOFDR-OCTであり、SD-OCT、TD-OCTは、この順に感度が低くなる。これらの中で、OFDR-OCTの感度の高さは際立っており、TD-OCT方式の数百倍に達している（非特許文献２）。
（２）OFDR-OCT装置の構成
以下、測定速度・感度等の観点から最も優れているOFDR-OCTについて、その装置構成と原理について簡単に説明する。図４は、OFDR-OCTの装置構成を示している。
超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装置（非特許文献３）のような、波長を変化させながら光を出射できる可変波長光発生装置1の光出射口は、光を二分割（例えば90:10）する方向性結合器からなる第１のカプラ2（光分岐器）の光受入口に光学的に接続されている。光学的接続は、実線で示された光ファイバによって行われる。
第１のカプラ2の一方側（分割割合９０％側）の光送出口は、オプティカルサーキュレータ3の光受入口に光学的に接続されている。オプティカルサーキュレータ3の光出射口/光受入口は、測定対象4に測定光を照射する共に測定対象4によって後方散乱された信号光を捕捉する第１の光照射/捕捉装置5に接続されている。オプティカルサーキュレータ3の光出射口は、方向性結合器（分割比50:50）からなる第２のカプラ6（光結合器）の一方側の光受入口に接続されている。
尚、測定光とは、第１のカプラ2で分割された可変波長光発生装置1の出射光のうち、測定対象4に照射されるものを言う。また、第１のカプラ2で分割された可変波長光発生装置1の出射光の他方側は、参照光と呼ばれる。測定光が測定対象4によって後方散乱され、再度干渉計（第１および第２のカプラ2,6と第１および第２のサーキュレータ3,7からなる光学系）に入射した光は信号光と呼ぶれる。
第１の光照射/捕捉装置5は、オプティカルサーキュレータ3の光出射口/光受入口から出射された測定光を平行ビームに整形するコリメートレンズ14と、この平行ビームを測定対象4に集光するフォーカシングレンズ16と、測定光を偏向することによって測定対象4の表面で直線状に走査するガルバノミラー15とを備えている。
第１のカプラ2の他方側（分割割合１０％側）の光送出口は、オプティカルサーキュレータ7の光受入口に光学的に接続されている。オプティカルサーキュレータ7の光出射口/光受入口は、参照ミラー8に参照光を照射する共に参照ミラー8によって後方散乱された参照光を捕捉する第２の光照射/捕捉装置9に接続されている。オプティカルサーキュレータ7の光出射口は、方向性結合器（分割比50:50）からなる第２のカプラ6の他方側の光受入口に光学的に接続されている。参照ミラー8は、前後に移動可能な支持体に担持され、参照光路17と試料光路18の光路長が略等しくなるようにその位置が調整されている。
第２のカプラ6の一方側及び他方側の光送出口は、量子効率が同一の第１及び第２の光検出器10,11に光学的に接続されている。第１及び第２の光検出器10,11の出力は、差動増幅器12に電気的に接続されている。
差動増幅器12の出力部は、反射率分布（reflectivity
profile）即ち、反射又は後方散乱強度分布を合成する演算制御装置13の入力部に図示しないアナログ／デジタル変換機を介して電気的に接続されている。演算制御装置13の出力部は、演算結果を表示するモニタやプリンタ等の表示装置（図示せず）の入力部に電気的に接続されている。この演算制御装置13は、入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置1及び第１の光照射/捕捉装置5のガルバノミラー15を制御する。
断層像の構築は、以下のように行う。可変波長光発生装置1から、レーザ光の波数(＝２π/波長)を極狭い波数間隔で連続的に切替ながら出射する。可変波長光発生装置1の出射光は、第１および第２のカプラ2,6と第１および第２のサーキュレータ3,7からなる干渉計に入射し、測定対象4によって散乱された信号光と参照ミラー8によって反射された参照光が第２のカプラ6で干渉する。干渉光の強度は第１及び第２の光検出器10,11で検出され、干渉光に含まれる直流成分（参照光強度と信号光強度の和に比例）が差動増幅器12によって除去され干渉成分（以下、信号電流と呼ぶ）のみが演算制御装置13に入力される。演算制御装置13は、可変波長光発生装置1の出射するレーザ光の波数と、当該レーザ光に対する信号強度を全ての波数に対して記録する。可変波長光発生装置1の波数走査が終わると、演算制御装置13は記録した信号強度を波数に対してフーリエ変換する。フーリエ変換された結果は、測定光が測定対象4によって後方散乱された位置とその後方散乱光の強度の関数になる。すなわち、測定対象に関する後方散乱率の深さ方向分布（正確には、測定光の照射方向に対する測定対象に関する後方散乱率の分布）が得られる。演算制御装置13は、測定光の照射位置を測定対象4の表面で直線に沿って少しずつ移動させながら、この分布を測定する。最後に、測定した分布を束ねて測定対象4の断層像を構築する。測定光の照射位置の移動は、第１の光照射/捕捉装置5が演算制御装置13の指令に基づいて行う（非特許文献１）。
T.Amano, H.Hiro-oka,D.Choi, H.Furukawa, F.Kano, M.Takeda, M.Nakanishi, K.Shimizu, and K.Obayashi,Proceeding of SPIE, Vol.5531, p.375, 2004. S.H.Yun,G.J.Tearnery, J.F.de Boer, N.Iftimia ,and B.E.Bouma, OPTICS EXPRESS, Vol.11,p.2953, 2003. 吉國 裕三，「波長可変レーザーの開発動向とそのシステム応用への期待」，応用物理，応用物理学会，２００２年，第７１巻，第１１号，p.１３６２−１３６６. 中川清司,中沢正隆,相田一夫,萩本和夫,「光増幅器とその応用」,オーム社,1992,p.22. 中川清司,中沢正隆,相田一夫,萩本和夫,「光増幅器とその応用」,オーム社,1992,p.32.
上述した通り、OFDR-OCTの感度は、TD-OCTに比べ数百倍改善されている。しかし、この様な高感度をもってしても、測定可能な深さは人体の表面から高々2〜3mmである。
測定可能な範囲がこのように狭いので、OCTの応用範囲は限られたものになっている。もし、測定範囲（a depth
range）があと１〜2mm深くなれば、OCTの適用分野は大きく広がる。例えば、OCTによる前眼の断層撮影では、虹彩の背後に隠れた毛様体の観察は今だ不可能である。しかし、測定可能な深さが、あと１〜2mm深くなるだけで毛様体の観察が可能になる。毛様体の観察は、緑内障の診断にとって重要であり、眼科医療において切望されている。また、OCTを内視鏡と組み合わせて癌組織の診断をしよとする構想があるが、測定深さが組織表面から2〜3mmでは不充分であり、更に数mmの測定範囲の拡大が期待されている。
一方、動画撮影のためにはOCTを高速で動作させなければならないが、測定速度を上げるとOCTは感度が低下する（非特許文献２）。従って、深い位置での画像が不鮮明になり、動画撮影が可能な範囲は表面近くの1〜2ｍｍの深さに限られてしまう。
そこで、本発明の目的は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能な深度を拡大したOCT装置を提供することである。
上記の目的を達成するために、第１の発明は、光発生装置と、前記光発生装置から出力された光を、測定光と参照光とに分割する光分岐器と、前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する光照射/捕捉装置と、前記信号光と前記参照光とを結合する光結合器と、前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する光検出装置と、前記光検出装置の出力に基づいて、前記測定対象における前記測定光の照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制御装置とを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、前記信号光を増幅する光増幅器を有することを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第１の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。
第２の発明は、第１の発明において、前記参照光の強度が、前記光増幅器を配置しない状態で、前記オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置の感度が最良になるよう最適化した前記参照光の強度より大きく、且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第２の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度（観察可能な、測定対象の表面からの深さ）を拡大するという効果を確実に奏する。
第３の発明は、第１の発明において、前記光検出装置に入射する前記参照光の強度が、１５μＷより大きく１０ｍＷより小さいことを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第２の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度（観察可能な、測定対象の表面からの深さ）を拡大するという効果を確実に奏する。
第４の発明は、第１乃至３の発明において、前記光発生装置が、出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第４発明は、OCTの中で最も高感度であるOFDR-OCTの測定感度を更に向上させ、断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。
第５の発明は、光発生装置と、前記光発生装置の光出射口が光受入口に接続され、前記光発生装置から出力された光を、測定光と参照光とに分割する光分岐器と、前記光分岐器の一方側の光送出口が光受入口に接続された第１のオプティカルサーキュレータと、第１のオプティカルサーキュレータの光送出口／光受入口が接続され、前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する第１の光照射/捕捉装置と、第１のオプティカルサーキュレータの光出射口が光受入口に接続され、前記信号光を増幅する光増幅器と、前記光分岐器の他方側の光送出口が光受入口に接続された第２のオプティカルサーキュレータと、第２のオプティカルサーキュレータの光出射口／光受入口が接続され、前記参照光を参照ミラーに照射すると共に、前記参照ミラーによって反射された前記参照光を捕捉する第２の光照射/捕捉装置と、前記光増幅器の光出射口が一方側の光受入口に接続され、第２のオプティカルサーキュレータの光出射口が他方側の光受入口に接続され、前記信号光と前記参照光とを結合する光結合器と、前記光結合器の一方側の光送出口が接続され、前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する第１の光検出装置と、前記光結合器の他方側の光送出口が接続され、前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する第２の光検出装置と、第１及び第２の光検出装置の出力が電気的に接続された差動増幅器と、前記差動増幅器が電気的に接続され、第１および第２の光検出装置の出力に基づいて、前記測定対象における前記測定光の照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制御装置とを有する。
このような構成を採用したことにより、第５の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。
第６の発明は、第５の発明において、前記参照光の強度が、前記光増幅器を配置しない状態で、前記オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きく、且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第２の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度（観察可能な、測定対象の表面からの深さ）を拡大するという効果を確実に奏する。
第７の発明は、第５の発明において、第１および第２の光検出装置に入射する前記参照光の強度が、１５μＷより大きく１０ｍＷより小さいことを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第２の発明は、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能深度（観察可能な、測定対象の表面からの深さ）を拡大するという効果を確実に奏する。
第８の発明は、第５乃至７の発明において、前記光発生装置が、出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする。
このような構成を採用したことにより、第８の発明は、OCTの中で最も高感度であるOFDR-OCTの測定感度を更に向上させ、断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。
本発明によれば、OCTの測定感度を向上させ、断層像の観察可能な深度を拡大することできる。
本発明によるOFDR-OCT装置の構成図である。 従来のOFDR-OCT装置の感度である。 本発明によるOFDR-OCT装置のSNRである。 従来のOFDR-OCT装置の構成図である。
符号の説明
１ 可変波長光発生装置
２ 第１のカプラ
３ 第１のオプティカルサーキュレータ
４ 測定対象
５ 第１の光照射/捕捉装置
６ 第２のカプラ
７ 第２のオプティカルサーキュレータ
９ 第２の光照射/捕捉装置
１３ 演算制御装置
１９ 光増幅器
以下，図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し，本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず，特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
（１）装置構成
図１に、本実施の形態によるOCT装置の構成を示す。本装置は、図４に示した従来のOFDR-OCT装置の試料光路18に、光増幅器19を配置した構成になっている。新たに導入した光増幅器19は、試料光路18のサーキュレータ3と第２のカプラ6の間に配置されている。
更に、図１のOFDR-OCT装置が具備する第１のカプラ2は、図４に示したOFDR-OCT装置が具備する第１のカプラ2とは分割比が異なっている。図４に示した従来のOFDR-OCT装置が具備する第１のカプラ2の分割比は、「背景技術」の欄で説明したとおり10:90（参照光路17：試料光路18＝10:90）である。しかし、図１の第１のカプラ2の分割比は、50:50（参照光路：試料光路＝50:50）である。このため、図１の第１のカプラ2が参照光路17に出射する光の強度は、図４の装置に比べ５倍大きくなっている。この様な装置構成によって、本実施の形態のOFDR-OCTの感度は大幅に改善されている。以下、図１に示した本実施の形態に係るOFDR-OCT装置構成について詳しく説明する。尚、図４と共通する部分には、同一の符号を付してある。
図１のOFDR-OCT装置では、超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装置（非特許文献3）のような、波長を変化させながら光を出射できる可変波長光発生装置1の光出射口は、光を二分割する方向性結合器（分割比50:50）からなる第１のカプラ2の光受入口に、光ファイバによって光学的に接続されている。ここで光学的な接続とは、光ファイバによって接続されていることを意味する。以下の説明でも、同様である。
可変波長光発生装置1の出力光強度は4mWであり、光検出器10,11に到達する参照光の強度は400μwである。また、可変波長光発生装置1は、波長走査範囲1530nm〜1570nmの間を、波数間隔2.62×10-7nm-1で波数を切り替えながらレーザ光を出射する。従って、測定に用いる波長（又は波数）の数は400である。波数が切り替えられてから、次の波数に切り替えられるまでの波数保持時間は500nsである。第１のカプラ2の一方側（分割割合50％）の光送出口は、第１のオプティカルサーキュレータ3の光受入口に光学的に接続されている。第１のオプティカルサーキュレータ3の光出射口/光受入口は、測定対象4に測定光を照射する共に測定対象4によって後方散乱された信号光を捕捉する第１の光照射/捕捉装置5に光学的に接続されている。第１のオプティカルサーキュレータ3の光出射口は、半導体光増幅器または光ファイバ増幅器からなる光増幅器19の光受入口に光学的に接続されている。光増幅器19の光出射口は、方向性結合器（分割比50:50）からなる第２のカプラ6の一方側の光受入口に光学的に接続されている。
光増幅器は、可変波長光発生装置1の波長走査範囲1530nm〜1570nm内に波長が存在する光（可変波長光発生装置1が出射する総ての波長）を、増幅できるものでなければならない。更に、光利得は、なるべく波長依存性がなく且つ最大利得が20dB以上であることが好ましい。このような条件を満たす光増幅器としては、光増幅層がInGaAsPからなる進行波型半導体光増幅器がある。また、このような条件を満たす光ファイバ増幅器としては、光通信で用いられるＣバンド・エルビウム添加光ファイバ（EDFA）がある。
第１の光照射/捕捉装置5の構成は、図４に示した従来のOFDR-OCTと同じである。
第１のカプラ2の他方側（分割割合50％）の光送出口は、第2のオプティカルサーキュレータ7の光受入口に光学的に接続されている。第2のオプティカルサーキュレータ7の光出射口/光受入口は、参照ミラー8に参照光を照射する共に参照ミラー8によって反射された参照光を捕捉する第２の光照射/捕捉装置9に接続されている。第2のオプティカルサーキュレータ7の光出射口は、方向性結合器（分割比50:50）からなる第２のカプラ6の他方側の光受入口に光学的に接続されている。参照ミラー8は、前後に移動可能な支持体に担持され、参照光路17と試料光路18の光路長が略等しくなるようにその位置が調整されている。
第２のカプラ6の一方側及び他方側の光送出口は、量子効率が同一の第１及び第２の光検出器10,11に光学的に接続されている。第１及び第２の光検出器10,11の出力は差動増幅器12に電気的に接続されている。
差動増幅器12の出力部は、反射率分布（reflectivity
profile） 即ち、反射又は後方散乱強度分布を合成する演算制御装置13の入力部に図示しないアナログ／デジタル変換機を介して電気的に接続されている。演算制御装置13の出力部は、演算結果を表示するモニタやプリンタ等の表示装置（図示せず）の入力部に電気的に接続している。この演算制御装置13は、入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置1及び第１の光照射/捕捉装置5を制御する。
断層像の構築は、以下のように行う。可変波長光発生装置1から、レーザ光の波数(＝２π/波長)を極狭い波数間隔（本実施の形態では、上記2.62×10-7nm-1）で連続的に切替ながらに出射する。可変波長光発生装置1の出射光は、第１および第２のカプラ2,6と第１および第２のサーキュレータ3,7からなる干渉計に入射し、測定対象4によって散乱された信号光と参照ミラー8によって反射された参照光が第２のカプラ6で干渉する。干渉光の強度は第１及び第２の光検出器10,11で検出され、干渉光に含まれる直流成分（参照光強度と信号光強度の和に比例）が差動増幅器12によって除去され干渉成分（以下、信号電流と呼ぶ）のみが演算制御装置13に入力される。
演算制御装置13は、可変波長光発生装置1の出射するレーザ光の波数と、当該レーザ光に対する信号強度を全ての波数に対して記録する。可変波長光発生装置1の波数走査が終わると、演算制御装置13は記録した信号強度を波数に対してフーリエ変換する。フーリエ変換された結果は、測定光が測定対象4によって後方散乱された位置とその後方散乱強度の関数になる。すなわち、測定対象に関する後方散乱率の深さ方向分布が得られる。演算制御装置13は、測定光の照射位置を測定対象4の表面で直線に沿って少しずつ移動させながら、この分布を測定する。最後に、測定した分布を束ねて測定対象4の断層像を構築する。測定光の照射位置の移動は、第１の光照射/捕捉装置5が演算制御装置13の指令に基づいて行う（非特許文献１）。
（２）原理
次に、図１のような装置によって、感度が飛躍的に向上する理由について説明する。
（i）従来のOFDR-OCTの感度（ショット雑音限界）
干渉計を利用した図４のような光検出装置では、参照光の強度を十分強くすると感度がショット・ノイズ限界まで高まることが知られている（非特許文献２）。まず、この点について説明する。
光検出器が検出する光電流に含まれている雑音電流は、光検出器が接続されている増幅器の熱雑音、光電流が光検出器に流れることによって発生するショット・ノイズ、及び光検出器に入射する参照光および信号光に含まれている光雑音（所謂、相対雑音強度RIN :relative intensity noise）が原因となって発生する雑音電流からなっている。すなわち、雑音電流は、次のように表すことができる。
Figure 2008029506
 ここで、i2 thは光検出器が接続された増幅器の熱雑音、ηは光検出器の感度、Prは参照光の強度、Psは信号光の強度である。また、ｑは電子の電荷、hはプランク定数、νは信号光及び参照光の光周波数である。BWは、光検出器の周波数帯域である。また、＜＞は時間平均を表す。
式（１）は、図４のような二つの光検出器10,11と差動増幅器12とを用いるジュアル・バランス検出（dual
balanced detection）に対する雑音を表したものではなく、一つの光検出器と一入力の増幅器を用いる光検出方式に対する雑音を表したものである。しかし、両者に、本質的な差はなく、且つ式（１）を用いた方が説明が簡単になる。従って、以下、式（１）に基づいて従来のOFDR-OCT装置の感度について説明する。尚、ジュアル・バランス検出における正確な雑音は、後の説明で用いる式（８）によって表される。この式では、差動増幅器12の出力が接続されているアナログ/デジタル変換機が発生する量子ノイズも考慮されている。
式（１）の右辺第１項は、光検出器が接続された増幅器の熱雑音である。第２項は光検出器のショット雑音ある。第３の項は、参照光及び信号光のRINノイズである。
式（１）の右辺各項に表された雑音のうち、参照光によるショット雑音は、参照光強度を増減することによって容易に制御可能である。右辺第３項すなわちRINノイズも参照光強度に依存するが、通常はRINの値が非常に小さいので、この項の存在は無視できる。
式（１）から明らかなように、参照光の強度を大きくすると、参照光のショット・ノイズが大きなり、信号光によるショット・ノイズ、熱雑音およびRINノイズは無視できるようになる。この状態では、雑音は参照光強度に比例する。一方、信号電流の二乗平均は、式（２）のように表される（非特許文献２）。式（２）によれば、信号電流の二乗平均もまた参照光強度に比例する。
Figure 2008029506
 SNR（信号対雑音比:signal to
noise ratio）は、信号電流is(t)に基づいて計算される演算制御装置13の出力と、雑音電流in(t)から計算されている演算制御装置13の出力の比である。この比は、式（３）に示す関係式を用いて、信号電流の時間平均＜i2 s(t)＞と雑音電流の時間平均＜i2 ｎ(t)＞から求めることができる。
Figure 2008029506
 ここで、Nsは、可変波長光発生装置1が一回の波長走査の間に出射する波数の数である。なお、光検出器を流れる光電流i(t)は、is(t)とiｎ(t)の和すなわちi(t)=
is(t)+iｎ(t)である（但し、説明を簡単にするため、この式では干渉光の直流成分による光電流は省かれている。）。
式（１）〜（３）に基づいて、参照光強度が十分に強い場合のSNRを導出すると、以下のようになる。
Figure 2008029506
 ここで、fAは、可変波長光発生装置1が波数を繰り返し走査する時の周波数である（全波数を走査するのに要する時間の逆数）。式（４）によれば、参照光が大きくなった極限では、SNRは信号光の強度Psのみに依存し、参照光の強度Prとは無関係になる。（但し、ｆAは一定とする。）。
ショット雑音は、荷電粒子の動きが各々独立にランダムであるために生じる電流の自然なゆらぎに基づくものであり、電子やホールといった荷電粒子が動く半導体素子には不可避的に存在する。
干渉計を利用した、図４のような光検出装置では、ショット雑音が支配的なった状態で、SNRが最も強くなることが知られている（非特許文献２）。この状態は、ショット雑音限界と呼ばれている。式（４）は、このショット雑音限界におけるOFDR-OCT装置のSNRを示したものである。
ところで、OFDR-OCT装置の感度は、雑音と等しい信号電流を発生させるような、（測定対象の）後方散乱率r2に基づいて定義されている（r2=Po/Ps、Poは測定対象に照射される直前の測定光の強度）。生体組織における後方散乱率r2は数桁に亘るので、r2の対数を計算し10倍したものを、OFDR-OCT装置の感度と定義している。
ショット雑音限界にあるOFDR-OCTの感度は、式（４）から次のように導くことができる（非特許文献２）。具体的には、式（４）の右辺が１に等しいとおき、Ps=r2Poを式（４）に代入してr2を算出する。
Figure 2008029506
 式（５）から明らかように、ショット雑音限界ではOFDR-OCTの感度は、参照光の強度Prとは無関係に、測定光の強度Poのみによって決まる。従って、OFDR-OCTの感度を高くするためには、測定光の強度Poを大きくすることが有効である。
このため従来は、OFDR-OCTの感度を高くするため、第１のカプラ2の分割比を試料光路18側でなるべく大きくするようにしていた。このようにすれば、OFDR-OCT装置がショット雑音限界（または、その近傍）にある限り、OFDR-OCTの感度を十分に高めることができる(非特許文献２)。
(ii) 本実施の形態における感度
図１に示した本実施の形態に係るOFDR-OCT装置では、試料光路18に光増幅器19を配置し信号光を増幅している。更に、第１のカプラ2の分割比を等しくして、参照光の強度を強くしOFDR-OCT装置の感度を改善している。
光増幅器19の利得をgとすると、増幅後の信号光の強度はg・Psとなる。従って、式（２）の＜is 2(t)>はＰｓではなくｇ・Ｐｓに比例することになる。もし、光増幅器19が発生する雑音が参照光によるショット雑音より十分小さければ、図１に示したOFDR-OCT装置の感度は、式（５）のPoをg・Poに置き換えた以下のような式で表すことができる。
Figure 2008029506
 式（６）は、図１のOFDR-OCT装置の感度（logの内部）が、光増幅器の利得ｇに比例することを示している。半導体光増幅器または光ファイバー増幅器を用いれば、光増幅器の利得ｇは容易に20dB以上にすることができる。すなわち、光増幅器を用いれば、容易にOFDR-OCTの感度を20dB以上向上させるこができることになる。このような感度の改善は、OFDR-OCTの測定可能範囲を約2mm広げるものである。
しかし、式（６）導出の前提条件である「光増幅器19が発生する雑音が参照光によるショット雑音より十分小さい」との仮定が、図１のようなOFDR-OCT装置で成立するとの保障は何もない。むしろ、光増幅器の発生するASE（Amplified
Spountaneous Emission：増幅された自然放光）等の雑音によって、かえって感度が劣化すると考えるのが自然である。このような理由のためと考えられるが、本発明者の知る限り、光増幅器を用いてOCTの感度を改善しようとした試みは、報告されていない。
実際に参照光の強度を大きくした状態で、図１に示すOFDR-OCT装置の感度を測定した。その結果、本実施の形態によれば、OFDR-OCT装置の感度が大幅に改善されることを確認できた。
以下、単に光増幅器を試料光路18に配置しただけでは、なぜ感度が劣化する虞が高いと考えられるのか、その理由を下記「（iV）光増幅器による感度劣化」で詳しく説明する。最後に、図１に示すOFDR-OCT装置で試みた感度改善の結果について、「（３）動作（感度改善）」で説明する。
（iii）従来のOFDR-OCT装置の感度の詳細
まず、従来のOFDR-OCT装置のSNRについて説明する。
既に述べたように、図４に示す従来のOFDR-OCT装置のSNRは、式（３）で表すことができる。非特許文献２によれば、＜i2 s(t)＞および＜i2 ｎ(t)＞は、以下のように表される。
Figure 2008029506
Figure 2008029506
 ここで、pr=Pr/2およびps=Ps/2である。
式（７）及び式（８）について、少し詳しく説明する。尚、非特許文献２に記載された装置と図４の装置には、一部相違する点はある。しかし、当該相違は本質的なものではないので、式（７）および式（８）は、図４の装置にそのまま当て嵌まる。
pr及びpsは夫々光検出器10,11に入射する参照光および信号光の強度である。式（８）の右辺第一項はDAQボード（アナログ／デジタル変換機のD/Aコンバータ・ボード）の（最低のビットが１か０かに揺らぐことによる）量子化ノイズ，第２項はDAQボードが量子化ノイズ以外にノイズを出していればその過剰ノイズ，Ｇは差動増幅器12の増幅度である。第３項は，差動増幅器12の熱雑音である。第４項は光検出器10,11で生じるショット雑音の和である。第5項は，RINノイズで、ξは差動増幅器の共通信号除去率(common mode rejection efficiency)である。差動増幅器12によってRINが除去できるのは（ξが乗ぜられて，小さくなるのは）参照光または信号光それぞれの２乗（自己ビート）の項だけである。参照光と信号光が非干渉的に相互ビートすることによって生じるノイズには、共通信号除去率ξは掛からない。ξ<<1の場合、相互ビートのRIN雑音は、prがpsより弱くても、自己ビートノイズに比べて無視できないことがありうる。
量子化ノイズと過剰雑音は、例えばG=2×105という大きな値にすることにより、無視できる。図２は、非特許文献２に記載されているもので、式（７），（８），（３）を用いて計算した理論曲線と実験値を比べたものである。理論曲線を計算するために用いられたパラメータの値は、以下の通りである。ps=3.8nW、ith=6pA/Hz-1/2、η=1、RIN=1×10-11/Hz(-110dB/Hz)、ξ=3.16×10-3（-25dB）、BW=5×106HZ、およびNs/2=260である。
横軸は、光検出器10,11が検出する参照光の強度である。縦軸は、OFDR-OCT装置の感度である。図２から明らかように、参照光の強度が10〜20μＷの領域で感度が最も高くなる。上述したパラメータに基づいて計算すると、参照光の強度が10〜20μＷより低い領域では熱雑音が支配的であり、参照光の強度が10〜20μＷより高い領域で感度が除々に悪くなっている原因は参照光によるRINであることが分かる。この図を基づいて、従来は参照光の強度を15μW前後（一検出器当り）に設定して断層像を撮影していた。
（iv）光増幅器による感度劣化
次に、光増幅器によって感度が劣化すると考えるのが自然である理由について説明する。試料光路に配置された光増幅器19は、信号光を増幅するだけでなく増幅された自然放光すなわちASEも発生する。このASEの強度は、上述した参照光強度の最適値15μWに比べ、通常一桁以上大きい。例えば、利得19dBで動作している半導体光増幅器のASEの強度を、光検出器10,11の直前で測定したところ、350μWであった。
ASEも参照光と同様、光検出器10,11に入射してショット雑音を発生する。具体的には、式（８）の第４項に追加される。この様な状況では、光増幅器の利得に比例して感度が改善されると考える根拠となっていた式（６）は、もはや成立しない。
しかも、ASE強度自体の揺らぎよるショット雑音、信号―AESビート信号、AES間ビート信号等、種々の雑音が、光増幅器で発生する（非特許文献４）。これらの雑音は、当然式（８）の右辺に追加される。しかも、これらの雑音は、利得ｇの１乗または２乗に比例する。従って、利得が大きくなるほどOFDR-OCTの感度は、急激に悪化することになる。
光増幅器を光検出器の前に配置する、光増幅器本来の利用方法であれば、微弱な光信号を熱雑音以上に増幅することによって、光検出装置のSNRを改善することができる。しかし、図４や図１のような干渉計を利用する光検出装置では、光増幅器を用いなくても、参照光の強度を強くすることによって熱雑音の影響が無くなるショット雑音限界が容易に達成できる。従って、干渉計を利用した光検出系では、光増幅器の利用は意味がないと考えられていた（非特許文献５）。
（３）動作（感度改善）
しかし、本発明者は、参照光の強度を大きくすればこのような感度劣化の虞はなくなると考え、第１のカプラ2の分割比を、参照光路側で従来のOFDR-OCT装置より高くした。このようにすれば、参照光によるショット雑音が光増幅器19を発生源とするAES等の雑音より大きくなり、再びショット雑音限界（またはそれに近い状態）を実現できると考えられる。
すなわち、本発明者は、参照光の強度を、（光増幅器19を配置しない状態における）参照光強度の最適値より大きくすれば、上述したような感度劣化が緩和されると考えた。このようにすれば、雑音全体に占める、参照光に起因するショット雑音の割合が増え、その結果、ショット雑音限界に再び近づくと考えた。そこで、本発明者等は、第１のカプラ2の分割比を、参照光路側で従来のOFDR-OCT装置より高くして、参照光路側17により多くの光が供給されるようにした。
なお、「（光増幅器19を配置しない状態における）参照光強度の最適値」とは、光増幅器19を配置しない状態においてOFDR-OCT装置の感度が、最も高くなる（最も小さいに相当）なる参照光強度のことを言う。
具体的には、非特許文献２と同じ方法で求めた参照光強度の最適値のことを言う。まず、SNRを参照光強度の関数として求める。測定対象4は、光減衰器(neutral-density filers：NDフィルタ)と金属ミラーで構成する。感度は、測定したSNRから算出する。参照光強度は、参照ミラー8の前に配置した可変光減衰器（variable
neutral-density filer）によって、強度を調整する。また、参照ミラー8の位置は、OFDR-OCT信号のピーク位置が測定範囲（a depth range 又は the ranging window）の中央になるように調整する。なお、最高値付近では感度は緩やかに変化するので、感度の測定値から参照光の最適値を直接決定するのは容易ではない。そのような場合には、最高値より感度が僅かに劣化する参照光強度（２点存在する）の中央値を、参照光強度の最適値とすれば良い。
以下、図１に示したOFDR-OCT装置を動作させ、この考えを実証した結果について説明する。
可変波長光発生装置１から出射された光は、第１のカプラ２により５０：５０の割合で２分割されている。ここで分割された光の一方（測定光）は、第１のオプティカルサーキュレータ３および第１の光照射/捕捉装置5によって測定対象4に導かれ、測定対象4からの信号光は再び第１の光照射/捕捉装置5およびオプティカルサーキュレータ3によって光増幅器19の光受入口に導かれる。光増幅器19で増幅された光は、第２のカプラ6の一方側の光受入口に導かれる。
第１のカプラ2で分割された光の他方（参照光）は、オプティカルサーキュレータ7および第２の光照射/捕捉装置9によって参照ミラー8に導かれ、参照ミラー8によって反射された参照光は再び第2の光照射/捕捉装置9および第２のオプティカルサーキュレータ7によって第２のカプラ6の他方側の光受入口に導かれる。
第２のカプラ6に導かれた信号光および参照光は結合され、第１および第２の光検出器10,11に導かれ電気信号に変換されている。第１および第２の光検出器10,11で検出された電気信号は、差動増幅器12に導かれ信号電流（干渉成分）が抽出される。この信号電流は、図示しないアナログ／デジタル変換機によってデジタル信号に変換され演算制御装置13に入力される。演算制御装置13は入力されたデジタル信号に基づいて断層像を構築する。
図３は、光増幅器19の利得を変化させて測定した、図１に示すOFDR-OCT装置のSNRである。横軸は光増幅器19の利得を表し、縦軸はSNRを表す。図中のパラメータは、信号光の強度である。可変波長光発生装置1の出力は4mWであり、光検出器10,11が受光する参照光の強度は400μwである。参照光の強度は、本発明者が発明した従来のOFDR-OCT装置に比べ４倍、非特許文献２に比べ27倍大きい。
SNRは期待通り、光増幅器19によって信号光を増幅することによって改善されている。また、SNRは利得が大きくなるほど、改善されている。特に、利得が10dB以下の領域では、ほぼ利得に比例してSNRが増加している。これは、式（６）に示された理想的な増幅そのものである。
図３で特筆すべき点は、信号光の強度が0.006nWと0.02nwの場合である。光増幅器19の利得が0dBすなわち光増幅が全く行われない状態では、このように微弱な光信号は雑音に埋もれて観測できなかった。しかし、利得を大きくするに従い信号光も増幅され、ついには雑音レベルを超えOFDR-OCT信号が観察できるようになった。図３には、この様子が良く現れている。
すなわち、参照光の強度を強くした状態で信号光を光増幅すれば、OFDR-OCT装置の感度が改善されることが確認された。参照光の強度としては、上述した400μWに限らない。参照光の強度は、光増幅器を配置しない状態で、感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きければ良い。このようにすれば、参照光を大きくした程度に応じて感度が改善される。但し、参照光強度が大きくなりすぎると光検出器や差動増幅器が正常に動作しなくなる虞がある。従って、好ましい参照光の強度には上限がる。従って、参照光の強度は、光検出器と増幅器からなる光検出装置が正常に動作する入力光強度より小さくなければならない。
具体的には、光検出器に入射する参照光の強度は、光増幅器を配置しない状態で感度が最良になるよう最適化した参照光より大きく且つ光検出器と増幅器からなる光検出装置が正常に動作する入力光強度の最大値より小さいことが好ましく、更に好ましくは、前記最適化した参照光の強度の２倍以上且つ前記正常に動作する入力光強度の最大値の0.9倍以下であり、更に好ましくは、前記最適化した参照光の強度の６倍以上且つ前記正常に動作する入力光強度の最大値の0.8倍以下であり、更に好ましくは、前記最適化した参照光の強度の２０倍以上且つ前記正常に動作する入力光強度の最大値の0.7倍以下である。更に、具体的には、光検出器に入射する参照光の強度を、好ましくは、15μWより大きく10mWより小さく、更に好ましくは30μW以上且つ9mW以下であり、更に好ましくは、90μW以上且つ8mW以下であり、最も好ましくは、300μW以上且つ7mW以下である。
尚、光増幅器19を配置する位置は、第1の光照射/捕捉装置5と第２のカプラの間が好ましい。第１のカプラと第1の光照射/捕捉装置5との間に配置すると、強い測定光が人体に照射され人体に損傷を与える虞があるからである。特に、測定対象が眼である場合には、重大な損傷が生じる虞がある。すなわち、光増幅器は、信号光のみを増幅し測定光は増幅しないように配置することが好ましい。
上記実施の形態は、OFDR-OCT装置、特に波数が階段状に変化する装置について説明した。しかし、本発明は、波数が連続的に変化するOFDR-OCT装置やSD-OCT装置、更にはTD-OCT装置にも適用可能である。
この発明は、医療機器分野、特に眼科診断機器の製造業で利用可能である。

Claims (8)

  1. 光発生装置と、
    前記光発生装置から出力された光を、測定光と参照光とに分割する光分岐器と、
    前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する光照射/捕捉装置と、
    前記信号光と前記参照光とを結合する光結合器と、
    前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する光検出装置と、
    前記光検出装置の出力に基づいて、前記測定対象における前記測定光の照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制御装置とを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、
    前記信号光を増幅する光増幅器を有することを特徴とするオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  2. 前記参照光の強度が、
    前記光増幅器を配置しない状態で、前記オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きく、
    且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴とする請求項１に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  3. 前記光検出装置に入射する前記参照光の強度が、
    １５μＷより大きく１０ｍＷより小さいことを特徴とする請求項１に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  4. 前記光発生装置が、出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  5. 光発生装置と、
    前記光発生装置の光出射口が光受入口に接続され、前記光発生装置から出力された光を、測定光と参照光とに分割する光分岐器と、
    前記光分岐器の一方側の光送出口が光受入口に接続された第１のオプティカルサーキュレータと、
    第１のオプティカルサーキュレータの光送出口／光受入口が接続され、前記測定光を測定対象に照射すると共に、前記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する第１の光照射/捕捉装置と、
    第１のオプティカルサーキュレータの光出射口が光受入口に接続され、前記信号光を増幅する光増幅器と、
    前記光分岐器の他方側の光送出口が光受入口に接続された第２のオプティカルサーキュレータと、
    第２のオプティカルサーキュレータの光出射口／光受入口が接続され、前記参照光を参照ミラーに照射すると共に、前記参照ミラーによって反射された前記参照光を捕捉する第２の光照射/捕捉装置と、
    前記光増幅器の光出射口が一方側の光受入口に接続され、第２のオプティカルサーキュレータの光出射口が他方側の光受入口に接続され、前記信号光と前記参照光とを結合する光結合器と、
    前記光結合器の一方側の光送出口が接続され、前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する第１の光検出装置と、
    前記光結合器の他方側の光送出口が接続され、前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する第２の光検出装置と、
    第１及び第２の光検出装置の出力が電気的に接続された差動増幅器と、
    前記差動増幅器が電気的に接続され、第１および第２の光検出装置の出力に基づいて、前記測定対象における前記測定光の照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制御装置とを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  6. 前記参照光の強度が、
    前記光増幅器を配置しない状態で、前記オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きく、
    且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴とする請求項５に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  7. 第１および第２の光検出装置に入射する前記参照光の強度が、
    １５μＷより大きく１０ｍＷより小さいことを特徴とする請求項５記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
  8. 前記光発生装置が、出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする請求項５乃至７に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
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