JPWO2016002693A1 - 断層像撮影装置 - Google Patents

Abstract

ビームスプリッタ２０によって分割された測定光を対象物体に入射させる測定光学系３０と、同ビームスプリッタによって分割された参照光を参照ミラー４９に入射させる参照光学系４０を備え、対象物体で反射され戻ってくる測定光と参照ミラーで反射されて戻ってくる参照光を重畳させて生成される干渉光に基づき対象物体の断層画像が形成される。測定光学系と参照光学系を構成する各レンズ、ミラーなどの光学部品はそれぞれ対応しており、対応関係にある光学部品の波長分散特性が同一ないし等価になっている。

Description

本発明は、被検眼などの対象物体からの測定光を参照光と重畳させて生成される干渉光に基づいて対象物体の断層像を撮影する断層像撮影装置に関する。

眼科診断機の一つで、眼底の断層像を撮影するＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)という光干渉を利用した断層像撮影装置がある。このような断層像撮影装置は広帯域な低コヒーレント光を眼底に照射し、眼底からの反射光を参照光と干渉させて眼底の断層像を高分解能に撮影することができる。

このような断層像撮影装置において、測定光学系と参照光学系のいずれか一方に光学ガラスを挿入した場合、ガラス材の厚さと屈折率に応じた光学距離分だけ挿入側の光の位相が遅延し、この遅延量は光学ガラスの屈折率分散によって、波長ごとに異なる位相遅延量となる。一つの反射面からの信号は、分散がない場合はその位相遅延量に対応した周期の干渉分光スペクトルとなるはずであるが、屈折率分散を受けた場合は短波長側と長波長側とで異なる位相遅延を受けることにより、干渉分光スペクトルの周期がチャープし、得られる断層像としてはぼけた像となる。

このような光学ガラス挿入による測定光学系と参照光学系の光路の位相遅延を補償するために、下記の特許文献１、２では、参照光路側に分散補償ガラスを挿入し、また下記特許文献３では、測定光光路あるいは参照光光路中に異なる分散特性を有する厚さが可変な光学物質を配置している。

特開２０１０−１６９５０２号公報 特開２００９−１０３６８８号公報 特表２００８−５０１１１８号公報

従来では、測定光学系や参照光学系に配置されたレンズやミラーなどの光学部品個々の屈折率分散特性の相違を一つあるいは複数の分散補償素子で補償しようとしているので、光学部品個々の屈折率分散特性の相違を完全には補償しきれない。特に広帯域光においては高次分散の補償が難しく、撮影される断層像が屈折率分散の影響を受けて不鮮明なものになってしまう、という問題があった。

光学部品には、このような屈折率分散の他に、位相差に起因する位相分散もあって断層像を不鮮明にする要因となっている。これら屈折率分散と位相分散の両方を含めて波長分散といわれており、波長分散を補償することが鮮明な断層像を取得するための重要な課題となっている。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、測定光学系と参照光学系に配置される光学部品の波長分散を補償して鮮明な断層像を撮影することが可能な断層像撮影装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明は、
光源から出力された光を測定光と参照光に分割する分割光学素子と、
前記分割光学素子によって分割された測定光を対象物体に入射させる測定光学系と、
前記分割光学素子によって分割された参照光を参照物体に入射させる参照光学系と、
対象物体で反射され測定光学系を経由して戻ってくる測定光と、参照物体で反射され参照光学系を経由して戻ってくる参照光を重畳させて生成される干渉光に基づき対象物体の断層画像を形成する断層画像形成手段と、を備え、
前記参照光学系は前記測定光学系を構成する光学部品にそれぞれ対応する光学部品により構成されており、
それぞれ対応関係にある測定光学系と参照光学系の光学部品の波長分散特性が同一ないし等価になっていることを特徴とする。
また、対象物体の波長分散を補償するための分散補償光学素子が参照光学系に配置される。この分散補償光学素子は、複数の光学素子を選択して挿脱する機構であり、厚さ及び／又は材料の異なるガラスを複数備え、そのいずれかを組み合わせて選択できるターレットとして構成される。
ダイクロイックミラーが測定光学系に配置されている場合には、入射角度等が該ダイクロイックミラーと同一になるように、測定光学系のダイクロイックミラーと同じ波長分散特性を持つダイクロイックミラーが参照光学系に配置される。

本発明では、測定光学系を構成する光学部品にそれぞれ対応する光学部品を配置することにより参照光学系が構成されており、それぞれ対応関係にある両光学系の光学部品が波長分散特性に関して同一ないし等価であるので、両光学系に分散補償を必要とするような位相差が発生することはなくなる。従って、光学系のみを対象とするならば、参照光学系あるいは測定光学系に分散補償する光学素子を別途必要とすることなく、鮮明な断層像を取得することができる、という効果が得られる。

また、対象物体の波長分散を補償する分散補償光学素子が参照光学系に配置されるので、対象物体の波長分散を補償した鮮明な対象物体の断層画像を取得することが可能になる。その場合、測定光学系と参照光学系のそれぞれ対応する光学部品が波長分散特性に関して同一ないし等価であり、分散補償を必要としていないので、対象物体の波長分散を補償することに専念することができ、対象物体に依存した分散補償を効果的に行うことができる。

断層像撮影装置の一実施例の全体構成を示す光学図である。 図１の参照光学系の詳細を示した光学斜視図である。 断層像撮影装置の他の実施例の全体構成を示す光学図である。 図３の参照光学系の詳細を示した光学斜視図である。 分散補償ガラスターレットの正面図である。 参照光学系の変形例を示す光学図である。 参照光学系の他の変形例を示す光学図である。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１には、断層像撮影装置全体の光学系が図示されている。符号１０で示す部分は分波／合波光学系で、この光学系には、波長が７００ｎｍ〜１１００ｎｍで数μｍ〜数十μｍ程度の時間的コヒーレンス長の光を発光する例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）からなる広帯域な低コヒーレンス光源１１が設けられる。

低コヒーレンス光源１１で発生した低コヒーレンス光は、光量調整機構１２を介して光量が調整され、光ファイバ１３ａにより光カプラ１３に入射し、続いて光ファイバ１３ｂ、コリメートレンズ１４を介して分割光学素子としてのビームスプリッタ２０に導かれる。なお、光カプラ１３の代わりに光サーキュレータを用いて分波、合波するようにしてもよい。

ビームスプリッタ２０に入射した光は参照光と測定光に分割される。測定光はフォーカスレンズ３１に入射し、測定光が対象物体（不図示）に合焦される。対象物体にピントの合った測定光はミラー３２で反射されてレンズ３３を通過し、ｘ軸走査ミラー（ガルバノミラー）３４、ｙ軸走査ミラー（ガルバノミラー）３５で任意の方向に走査される。ｘ軸、ｙ軸走査ミラー３４、３５で走査された測定光は、スキャンレンズ３６を通過し、ダイクロイックミラー３７で反射された後、対物レンズ３８を通過して対象物体に入射し、対象物体が測定光でｘ、ｙ方向に走査される。対象物体で反射された測定光は上記の経路を逆にたどってビームスプリッタ２０に戻ってくる。

このような光学系で、ビームスプリッタ２０から後のフォーカスレンズ３１、ミラー３２、レンズ３３、ｘ軸走査ミラー３４、ｙ軸走査ミラー３５、スキャンレンズ３６、ダイクロイックミラー３７、対物レンズ３８は断層像撮影装置の測定光学系３０を構成している。

一方、ビームスプリッタ２０で分割された参照光は、図２に詳細に図示されているように、ミラー４１で反射された後、対物レンズ用分散補償ガラス４２、レンズ４３、４４を通過した後、ミラー４５、ダイクロイックミラー４６で反射され、集光レンズ４７、光量を調整する開口径が可変な可変開口絞り４８を通過し、参照ミラー４９に到達する。光路長を合わせるために集光レンズ４７、可変開口絞り４８と参照ミラー４９は、図１で２重矢印で図示したように、一体で光軸方向に移動する。参照ミラー４９で反射された参照光は上記の光路を逆にたどってビームスプリッタ２０に戻ってくる。

このような光学系で、ミラー４１、対物レンズ用分散補償ガラス４２、レンズ４３、４４、ミラー４５、ダイクロイックミラー４６、集光レンズ４７、参照物体としての参照ミラー４９は断層像撮影装置の参照光学系４０を構成している。

ビームスプリッタ２０に戻ってきた測定光と参照光は重畳されて干渉光となり、コリメートレンズ１４、光カプラ１３を通り光ファイバ１３ｃを介して分光器１６に入射する。分光器１６は回折格子１６ａ、結像レンズ１６ｂ、ラインセンサ１６ｃなどを有しており、干渉光は、回折格子１６ａで低コヒーレンス光の波長に応じたスペクトルに分光されて結像レンズ１６ｂによりラインセンサ１６ｃに結像される。

ラインセンサ１６ｃからの信号は、コンピュータ１７のＣＰＵなどで実現される断層画像形成手段でフーリエ変換を含む信号処理が行われ、対象物体の深度方向（ｚ方向）の情報を示す深さ信号が生成される。対象物体の走査の各サンプリング時点での干渉光によりそのサンプリング時点での深さ信号（Ａスキャン画像）が得られるので、１走査が終了すると、その走査方向に沿ったｚ方向画像（Ａスキャン画像）からなる２次元の断層画像（Ｂスキャン画像）を形成することができる。

このような断層像撮影装置において、測定光学系３０の測定光光路と、参照光学系４０の参照光光路には、レンズやミラーなどの波長分散特性の異なる種々の光学部品が配置されている。光学部品の波長分散特性が異なると、波長ごとに異なる位相遅延量となって分光器１６から得られる干渉分光スペクトルの周期がチャープし、フーリエ変換された断層像はぼけた断層像となる。

本発明では、このような問題を、測定光学系を構成する光学部品と参照光学系を構成する光学部品を、波長分散特性に関して同一ないし等価な部品とし、測定光学系と参照光学系にそれぞれ配置された光学部品に対称性を持たせることにより解決している。

まず、レンズなど光が透過する光学部品では、波長分散のうちレンズのガラス材の厚さと屈折率に応じ屈折率分散が発生するので、測定光学系３０の各レンズと同一ないし等価な分散特性をもつレンズないし光学ガラスを参照光学系４０に使用する。例えば、測定光学系３０の対物レンズ３８に対しては、対物レンズ３８の屈折率分散特性と同一ないし等価な対物レンズ用分散補償ガラス４２を参照光学系４０の参照光路に配置する。同様に、測定光学系３０のスキャンレンズ３６に対しては、その屈折率分散特性と同一ないし等価な集光レンズ４７を参照光学系４０に用い、測定光学系３０のレンズ３３に対しては、その屈折率分散特性と同一ないし等価なレンズ４４を参照光学系４０に用い、測定光学系３０のフォーカスレンズ３１に対しては、その屈折率分散特性と同一ないし等価なレンズ４３を用いている。

なお、図１、図２では、簡略化のために各レンズは単レンズとして図示されているが、測定光学系のレンズが、複数のレンズから構成される複合レンズの場合には、複合レンズをひとつのレンズと考えて、そのレンズの屈折率分散特性が同一ないし等価である単レンズあるいは複合レンズを参照光学系に使用する。

測定光学系３０のスキャンレンズ３６は走査範囲を決める働きをし、これに対応する参照光学系４０の集光レンズ４７は光を集光させる機能を持つもので、それぞれ機能は異なるが屈折率分散特性は同一ないし等価であるので、これらのレンズ３６、４７の測定光学系と参照光学系への挿入によって両光学系に分散補償を必要とするような位相差が発生することを回避することができる。同様に、対物レンズ３８とそれに対応する対物レンズ用分散補償ガラス４２、レンズ３３とそれに対応するレンズ４４、フォーカスレンズ３１とそれに対応するレンズ４３は、測定光学系３０と参照光学系４０で機能が異なるところがあっても、それぞれ屈折率分散特性は同一ないし等価であるので、各対応するレンズの測定光学系と参照光学系への挿入によって両光学系に分散補償を必要とするような位相差の発生を防ぐことができる。

また、ミラーなど光が反射する光学部品では、波長分散のうち位相分散が発生するが、測定光学系３０のダイクロイックミラー３７と位相分散特性が同一ないし等価のダイクロイックミラー４６が参照光学系４０で使用されており、測定光学系３０のミラー３２、ｘ軸走査ミラー３４、ｙ軸走査ミラー３５と、参照光学系４０のミラー４１、４５、参照ミラー４９が位相分散特性に関してそれぞれ同一ないし等価となっているので、測定光学系３０と参照光学系４０での各ミラーの使用によって分散補償を必要とするような位相差が発生することはない。

また、参照光学系の光量の調整にＮＤフィルタを使用することがあるが、本実施例では測定光学系と参照光学系の屈折率分散の差が生じないように、分散を発生させずに光量を調整できるような光量調整機構が望ましいので、開口径が可変な可変開口絞り４８を使用している。なお、可変開口絞り４８の配置位置は、図１に示した位置に限定されるものでなく、参照光学系４０の他の光路に配置することができる。

また、屈折率分散を発生させずに光量を調整する方法として、集光レンズ４７と参照ミラー４９との距離を可変して行うことも可能である 。この実施例が図６に示されており、集光レンズ４７を光軸に沿って移動させることにより、集光レンズ４７と参照ミラー４９との距離を変えて参照光学系４０の光量を調整している。

また、集光レンズ４７と参照ミラー４９との距離を変える代わりに、レンズ４３とレンズ４４との距離を変えることによっても、参照光学系４０の光量を調整することが可能である。この実施例が図７に示されており、レンズ４４を光軸方向に移動させることによってレンズ４３とレンズ４４との距離を変えて参照光学系４０の光量を調整している。図７では、レンズ４４を移動させてレンズ４３とレンズ４４との距離を変えているが、レンズ４３を移動させてレンズ４３と４４の距離を変えるようにしてもよい。

このように、本実施例では、測定光学系３０を構成する光学部品にそれぞれ対応する光学部品を配置することにより参照光学系４０が構成されており、それぞれ対応関係にある測定光学系３０と参照光学系４０の光学部品が波長分散特性に関して同一ないし等価であるので、両光学系に分散補償を必要とするような位相差が発生することがなくなる。従って、参照光学系あるいは測定光学系に分散補償する光学素子を別途必要とすることなく、鮮明な断層像を取得することができる。

また、測定光学系３０にダイクロイックミラー３７を使用する場合、その位相分布がなだらかに変化せず、急峻な変化を示す場合、波長ごとに異なる位相変化が発生し、干渉信号のパターンが乱れて断層像が不鮮明になってしまう。また、入射光の偏光方向ごとに発生する位相変化が異なる。

本実施例のように、測定光学系３０のダイクロイックミラー３７と同じダイクロイックミラー４６を参照光学系４０に使用すると、このような位相変化をキャンセルすることが可能になる。ただし、位相変化には入射角依存性があるので、図１に示したように、ダイクロイックミラー３７が走査ミラー３４、３５の後に配置されている場合には、走査ミラー３４、３５での走査によってダイクロイックミラー３７への入射角が変化し、反射位相特性も変化してしまう。そのため、位相分布が急峻に変化する箇所を持つダイクロイックミラーの場合、測定光学系３０と参照光学系４０に同じダイクロイックミラーを使用しても、完全に位相変化を補償することはできない。しかし位相変化がなだらかであれば、図１に示したように、位相分散特性が同じないし等価なダイクロイックミラー３７、４６をそれぞれ測定光学系と参照光学系に使用することにより、位相変化を補償することが可能となる。さらに、参照光学系に配置されるダイクロイックミラー４６は、それへの入射角が測定光学系のダイクロイックミラー３７への入射角と同じになるような位置に配置すると、更に良好に位相変化を補償することができる。

なお、ダイクロイックミラー３７が位相分散補償がなされているダイクロイックミラーである場合には、位相分散の影響も殆どないので、測定光学系のダイクロイックミラー３７に対応するミラーを設ける必要がなく、通常の金属全反射ミラーとすることができる。

また、本実施例では、図１に示すように、光源１１と光源１１からの光を測定光と参照光に分割するビームスプリッタ２０間に、光ファイバ又は光サーキュレータを使用する分波／合波光学系１０を配置している。一般的な測定光、参照光の分割に光ファイバを使用する方式では、その使用によってモード分散、波長分散の影響を受けるが、本実施例では、光ファイバは分波／合波光学系に設けられており、測定光学系、参照光学系には光ファイバを使用していないので、光ファイバによるモード分散、波長分散の影響を参照光学系あるいは測定光学系で補償する必要性が少なくなる、という利点が得られる。

上述した実施例１では、屈折率分散と位相分散を含む波長分散特性に関して測定光学系で使用している光学部品と同一な光学部品を参照光学系にも採用しているため、ほぼ完全な波長分散補償が実現されている。

しかし、被検眼など屈折率分散のある対象物体が測定光学系に配置されると、測定光学系と参照光学系において対応する光学部品の波長分散が同一ないし等価であっても、測定光学系と参照光学系には、対象物体の屈折率分散に起因する位相差が発生し、それを補償しないと、得られる断層像はぼけた像となってしまう。

そこで、対象物体を人眼として、その屈折率分散を補償する構成が、実施例２として図３〜図５に示されている。以下の説明では、実施例１と同様な素子、部品、装置には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略している。

図２において、被検眼Ｅの屈折率分散を補償するために、参照光学系に分散補償光学素子が配置される。この分散補償光学素子は、それぞれ円周に沿って等間隔に複数の開口が形成された２つのターレット６０、６１から構成され、各ターレット６０、６１に形成された開口の一つがそれぞれスルーホールと遮蔽板になっていて、その他の開口にそれぞれ材料及び／又は厚さの異なるガラスが配置されている。

図５に示すように、ターレット６０には、例えば同種ガラス材で厚さがそれぞれ異なるガラス６０ａ〜６０ｈが配置されており、６０ｉは遮蔽板、６０ｊはスルーホールとなっていて、そのいずれかが参照光学系の光路に挿入できるようになっている。また、ターレット６１には、ターレット６０で使用されているガラス材とは異なるものが使用され、さらに厚さも異なるガラス６１ａ、６１ｂ、．．．．．が配置されており、遮蔽板とスルーホールも同様に設けられていて、そのいずれかが参照光学系の光路に挿入できるようになっている。このようなターレット６０、６１を回転させ、各ターレット６０、６１のガラスのいずれか一つを参照光学系４０の光路に挿入することにより、種々の分散補償ガラスの組み合わせが得られる。

ターレット６０、６１の最適な分散補償ガラスの組み合わせは、次のようにして決定する。まず、フォーカスレンズ３１を移動させて被検眼視度に応じたフォーカス調整を行い、得られる断層像をコンピュータ１７に接続される表示器（不図示）に表示させ、被検眼の視度補正量を判断する。そして、その視度に最適と推測される分散補正ガラスをターレット６０、６１のガラスの組み合わせから選択し、それを初期値として記憶しておく。その後、ターレット６０、６１を回転させながら分散補正量を変化させ撮影された断層像の画質を評価する画質パラメータ値が最も大きくなるように最適な補正量の組み合わせを自動的に確定する。これにより、被検眼の屈折率分散を最適に補償することができる。

なお、対象物体を被検眼とした場合、被検眼の眼底に焦点を合わせて眼底の断層像を撮影できるとともに、前眼部に焦点を合わせれば前眼部の断層像を撮影することができる。

また、実施例２においても、参照光学系４０の光量を調整するのに、図６、図７に示した構成を用いるようにしてもよいことはもちろんである。

このように、実施例２では、対象物体の屈折率分散を補償する分散補償光学素子が参照光学系に配置されるので、対象物体の屈折率分散を補償した鮮明な対象物体の断層画像を取得することが可能になる。その場合、測定光学系を構成する各光学部品とそれに対応する参照光学系の光学部品とが波長分散特性に関して同一ないし等価であり、各対応光学部品の配置に起因した分散補償を必要としていないので、対象物体の屈折率分散を補償することに専念することができ、対象物体に依存した分散補償を効果的に行うことができる。

１０ 分波／合波光学系
１１ 低コヒーレンス光源
１２ 光量調整機構
１３ 光カプラ
１４ コリメートレンズ
２０ ビームスプリッタ
３０ 測定光学系
３１ フォーカスレンズ
３４ ｘ軸走査ミラー
３５ ｙ軸走査ミラー
３６ スキャンレンズ
３７ ダイクロイックミラー
３８ 対物レンズ
４０ 参照光学系
４２ 対物レンズ用分散補償ガラス
４６ ダイクロイックミラー
４７ 集光レンズ
４８ 可変開口絞り
４９ 参照ミラー
６０、６１ ターレット

Claims (13)

1. 光源から出力された光を測定光と参照光に分割する分割光学素子と、
   前記分割光学素子によって分割された測定光を対象物体に入射させる測定光学系と、
   前記分割光学素子によって分割された参照光を参照物体に入射させる参照光学系と、
   対象物体で反射され測定光学系を経由して戻ってくる測定光と、参照物体で反射され参照光学系を経由して戻ってくる参照光を重畳させて生成される干渉光に基づき対象物体の断層画像を形成する断層画像形成手段と、を備え、
   前記参照光学系は前記測定光学系を構成する光学部品にそれぞれ対応する光学部品により構成されており、
   それぞれ対応関係にある測定光学系と参照光学系の光学部品の波長分散特性が同一ないし等価になっていることを特徴とする断層像撮影装置。
2. 前記対象物体の波長分散を補償するための分散補償光学素子が前記参照光学系に配置されることを特徴とする請求項１に記載の断層像撮影装置。
3. 前記分散補償光学素子は、複数の光学素子を選択して挿脱する機構であることを特徴とする請求項２に記載の断層像撮影装置。
4. 前記複数の光学素子を選択して挿脱する機構が、厚さ及び／又は材料の異なるガラスを複数備え、そのいずれかを組み合わせて選択できるターレットであることを特徴とする請求項３に記載の断層像撮影装置。
5. ダイクロイックミラーが前記測定光学系に配置されており、該ダイクロイックミラーと分散特性が同じないし等価なダイクロイックミラーが前記参照光学系に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の断層像撮影装置。
6. 前記参照光学系に配置されるダイクロイックミラーは、該ダイクロイックミラーへの入射角が測定光学系のダイクロイックミラーへの入射角と同じになる位置に配置されることを特徴とする請求項５に記載の断層像撮影装置。
7. 前記参照光学系に、測定光学系と参照光学系の屈折率分散の差を生じさせないように、分散を発生させずに光量を調整できるような光量調整機構が配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の断層像撮影装置。
8. 前記光量調整機構は、開口径が可変な可変開口絞りであることを特徴とする請求項７に記載の断層像撮影装置。
9. 前記光量調整機構は、参照光学系を構成するレンズ位置を光軸方向に移動させることにより参照光学系の光量を調整することを特徴とする請求項７に記載の断層像撮影装置。
10. 前記光源と分割光学素子間に、光源からの光を分波ないし合波する分波／合波光学系が配置されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の断層像撮影装置。
11. 前記分波／合波光学系は、光ファイバ並びに光ファイバで導かれる光を分波ないし合波する光カプラ又は光サーキュレータを備えることを特徴とする請求項１０に記載の断層像撮影装置。
12. 前記対象物体が被検眼であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の断層像撮影装置。
13. 前記対象物体の屈折率分散の補償量の初期値が被検眼の視度によって定められることを特徴とする請求項１２に記載の断層像撮影装置。

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