WO2006077921A1 - オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置 - Google Patents

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Kohji Ohbayashi
Kimiya Shimizu
Takeo Miyazawa
Ryoko Yoshimura
Hiroyuki Ishii
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Scool Juridical Person Kitasato Gakuen
Nippon Telegraph And Telephone Corporation
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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G—PHYSICS
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    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence

Definitions

  • the present invention relates to an optical 'coherent' tomography apparatus, for example, to measure various structures such as a coating film and a tomographic image of a living body by utilizing a light interference phenomenon.
  • the optical 'coherent' tomography method is a method of photographing a structure such as a coating film or a tomographic image of a living body using the interference phenomenon of light (Non-patent Document 1).
  • the OCT method has already been put into practical use in the medical field, and is used for tomographic imaging of fine tissues such as the retina by taking advantage of a high resolution of more than a dozen / zm.
  • This is not suitable for high-speed measurement because there is a mechanical drive part in the measurement system that not only has a positive reasoning force of high resolution, and for this reason, it is not suitable for a short period of time when the living body can rest.
  • Measurable range force There is a negative reason that it is limited to a narrow region of 1 to 2 mm at most in the depth direction.
  • Non-patent Document 2 a novel OCT method
  • Non-patent Document 5 This method is a completely new method using a variable wavelength light source as a light source, and there is no mechanical drive part! Therefore, extremely high-speed measurement is possible.
  • the present inventors refer to this method as the OFDR-OCT method (Optic-requency-domain-reflectory-O).
  • the conventional OCT method is called the OCDR-OCT method (Optical-coherence-domain-reflectometory-uCT).
  • FIG. 21 shows a tomographic imaging apparatus for the anterior segment by the OFDR-OCT method developed by the present inventors.
  • variable wavelength light generation device 171 that is a variable wavelength light generation means that can emit light while changing the wavelength, such as a super-periodic structure diffraction grating distributed reflection semiconductor laser light generation device (Non-patent Document 3)
  • the directional coupler that splits the light into two parts is also a force Optically connected to the light receiving port of the first force bra 172.
  • the light transmission outlet on one side (division ratio 90% side) of the first force bra 172 composed of a directional coupler or the like is composed of a directional coupler or the like that divides light into two (for example, 70:30). It is optically connected to the light receiving port of the second force bra 173 which is the dividing means.
  • the light transmission outlet on one side (division ratio 70% side) of the second force bra 173 is optically connected to the light receiving opening of the traveling direction control means composed of an optical circulator 175 (hereinafter abbreviated as a circulator). Connected to.
  • the light transmission port on the other side (division ratio 30% side) of the second force bra 173 is a third coupler 176 that is a multiplexing means that also has a directional coupler equal force that divides light into two (for example, 50:50). It is optically connected to the light receiving port.
  • the light transmission port of the sillator 175 is optically connected to the light reception port of the third coupler 176.
  • the light sending Z light receiving port of the circulator 175 is connected to a measuring head 190 (measuring light irradiation means) as shown in FIG.
  • This measuring head 190 also functions as means for capturing signal light reflected or backscattered by the eye 196 that is a measurement target (signal light capturing means). That is, the measuring head 190 serves as a measuring light irradiation Z signal light capturing means.
  • a measuring head 190 includes a collimating lens 192 that shapes measuring light that has passed through an optical fiber into a parallel beam, a focusing lens 194 that condenses the parallel beam on the anterior segment, The galvanometer mirror 193 that scans the traveling direction of the measuring beam and the force are also configured.
  • the measuring head 190 is attached to the vacant space after removing the slit light (slit light) irradiation system from the slit lamp microscope 195 supported by the support 185.
  • the measurement light can be guided near the desired position of the eye 196 of the subject.
  • the light transmission ports on one side and the other side of the third force bra 176 are optically connected to the light reception port of the first differential amplifier 177 having a light detection function. Yes.
  • the Log output section of the first differential amplifier 177 is electrically connected to one input section of the second differential amplifier 178 that corrects the fluctuation of the input signal strength.
  • the light transmission port on the other side (division ratio 10% side) of the first force bra 172 is optically connected to the light reception port of the photodetector 179.
  • the output of the photodetector 179 is It is electrically connected to the input section.
  • the Log output of Log Amplifier 180 is electrically connected to the other input of Second Differential Amplifier 178! /
  • the output section of the second differential amplifier 178 is electrically connected to the coherence interference waveform, that is, an analog Z-digital change, not shown in the input section of the arithmetic control device 181 that synthesizes the reflected or backscattered intensity distribution. Connected to.
  • the output unit of the calculation control device 181 is electrically connected to the input unit of the display device 182 such as a monitor or a printer that displays the calculation result.
  • the arithmetic and control unit 181 can control the variable wavelength light generator 171 and the galvanometer mirror 193 based on the input information.
  • the signal light generated by the measurement light (laser light divided into 70% by the second force bra 173) reflected or back-scattered by the object to be measured, for example, the anterior eye portion, is referred to by the third force bra 176 as the reference light (
  • the second power bra 173 is combined with the variable wavelength light (divided into 30%) and interferes.
  • the combined light is the sum of the DC component and the interference component, but the first differential amplifier 177 extracts only this interference component.
  • the following equation (1) represents the magnitude of the interference component Id (k) detected by the first differential amplifier 177 when the measurement target has only one reflecting surface 205 as shown in FIG. Is.
  • I d (k 1 ) 2V3 ⁇ 4 cos (2L xk 1 ) (1)
  • 2L is divided by the second force bra 173, and the optical path length traveled by the first split light (division ratio 70%) before being combined by the third force bra 176 (the refractive index in the travel distance of the light) The same applies hereinafter.)
  • the second split light (split ratio 30%) that is, the difference between the optical path length traveled by the reference light, and k is the i th emission of the variable wavelength light generator 171.
  • the first differential amplifier 177 has an output proportional to the above I (k) (more precisely,
  • the second differential amplifier 178 corrects fluctuations in the output of the variable wavelength light generator 171.
  • the tomogram is synthesized by Fourier transforming I (k) by the arithmetic and control unit 181.
  • N is the total number of wave numbers emitted from the variable wavelength light source 171.
  • k is expressed by the following equation (4).
  • Y t 2 (z) Y c 2 (z) + Y s 2 ( Z ) ... (5) [0027] Y 2 (z) in the above formula (5) or its square root Y (z) force Tt against depth direction of measurement object
  • B (z) is expressed by the following equation (7), and forms part of the noise floor c
  • the optical path length is adjusted so that there is no measurement object at X 0, and Y 2 (2x) is plotted only for x ⁇ 0. Therefore, even if ⁇ 2 (2 ⁇ ) is plotted against X, a folded image does not appear, and the distribution of reflection (or backscattering) intensity in the depth direction can be obtained by the above plot.
  • Non-Patent Document 1 Ken Feng Chen 0PTRONICS (2002), N07, 179
  • Non-Patent Document 2 T. Amano, H. Hiro— Oka, D. Choi, H. Furukawa, F. Kano, M. Takeda, M. Nakanishi, K. Shimizu, K. Obayashi, Proceeding of SPIE, Vol.5531 , p .375, 200 4.
  • Non-Patent Literature 3 Yuzo Yoshikuni, Applied Physics 71-11 (2002), pl362-1366.
  • Non-Patent Document 4 Handbook of Optical Coherence Tomography, edited by Brett E. Bouma and Guillermo J. Tearney, p.364—p.367.
  • Non-Patent Document 5 40th Annual Meeting of the Japan Ophthalmology Society 19th Ophthalmology Association of ME Association General Meeting Program ⁇ Abstracts 2004 p.61.
  • ⁇ A 1st optical coherent tomography device
  • Equation (6) The first and second terms of Equation (6) are periodic functions with respect to z, and the period is 2 ⁇ A k. Therefore, when the equation (6) is converted into a coordinate in the depth direction, that is, a function of X, a periodic function having a period of ⁇ / ⁇ k is obtained.
  • the normal image 201 and the folded image position 202 cross each other, so the OFDR—OCT can construct the image at the correct position because the surface that reflects (or backscatters) the measurement light is 0 ⁇ ⁇ Only if it exists in ⁇ Z (2 ⁇ k).
  • OFDR-OCT has the problem of aliasing image 202 in that the measurable range is half of the expected value from the period ⁇ Z A k of the first term.
  • the problem of the present invention is to extend the measurement range of OFDR-OCT by removing the influence of the folded image as described above.
  • ⁇ B Second optical 'coherent' tomography device
  • Dynamic range means the ratio of noise to signal strength. Its theoretical limit is the maximum value N 2 of signal strength (Equation (6)) and the noise floor (z>> 0). It depends on the intensity ratio of (6).
  • FIG. 24 shows the change in signal intensity (formula (6)) with respect to the position coordinate X in the depth direction.
  • the horizontal axis represents the position coordinate X in the depth direction of the measurement target, and the vertical axis represents the logarithm of the signal strength Y 2 (2x) expressed by equation (6) (standardized by the value of Y 2 (0)). ) 0 This figure is
  • the noise floor 212 due to the surface reflection is gentle with respect to the position coordinate X and does not decrease in force.
  • Target internal force OFDR—OCT signal 213 stronger.
  • tomographic imaging is not possible at a position deeper than the intersection 214, that is, the ratio of the peak 211 to the noise floor 212, that is, the larger the dynamic range, the deeper the position of tomographic imaging. Is possible.
  • Equation (6) The noise floor determined by Equation (6) is expressed as Y (z) and Y ( When calculating z), multiply the measured value I (k) by a window function (e.g., Gaussian function)
  • a window function e.g., Gaussian function
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical “coherent” tomography apparatus that eliminates the cause of degradation of the dynamic range and widens the measurement range.
  • the first invention is a variable wavelength light generating means, a demultiplexing means for demultiplexing light output from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light, An irradiating means for irradiating the measurement object with the measurement light; a capturing means for capturing the signal light reflected or back-scattered by the measurement object; a multiplexing means for combining the signal light and the reference light; Based on a set of measuring means for measuring the intensity of the output light combined by the combining means for each wave number of the variable wavelength light generating means, and the intensity of the output light measured for each wave number, In an optical 'coherent' tomography apparatus, comprising: a specifying means for specifying a reflection or backscattering position and a reflection intensity or a backscattering intensity of the measurement light with respect to an irradiation direction of the measurement light on a measurement object.
  • the specifying means is based on the first intensity set and the second intensity set of the output light by the phase shift means measured by the measuring means, While suppressing the occurrence of a folded image,
  • An optical “coherent” tomography apparatus characterized by specifying a reflection or backscattering position and reflection intensity or backscattering intensity of the measurement light with respect to the irradiation direction of the measurement light.
  • the specifying unit is configured to calculate from the first intensity and the second intensity, The value of k (z ⁇ 2L) or k (z + 2L) for each wave number k of the light output from the variable wavelength light generating means (where z is a variable, 2L is the optical path length of the measurement light) After calculating at least one of the cosine function and sine function with respect to the sum of the signal light path length and the reference light path length), the proportionality is proportional to the function.
  • An optical 'coherent' tomography apparatus characterized in that a function is obtained and a sum of the proportional functions calculated at each wave number k is obtained.
  • the specifying means performs a first Fourier cosine transform and a first Fourier sine transform on the first intensity set.
  • a second Fourier cosine transformation and a second Fourier sine transformation are performed on the set of the second intensity components while keeping the sign unchanged.
  • the second intensity is an inverse sign function of a sine function
  • the second Fourier cosine transform and the second Fourier sine transform are performed by reversing the sign with respect to the second set of intensity components.
  • the specifying means obtains a sum of the first Fourier cosine transform and the second Fourier sine transform, and the first Fourier sine transform.
  • An optical 'coherent' tomography device characterized in that a difference between a second transform and the second Fourier cosine transform is obtained to obtain a sum of a square of the sum and a square of the difference.
  • the specifying means obtains a difference between the first Fourier cosine transformation and the second Fourier sine transformation, and the first Fourier sine transformation.
  • An optical 'coherent' tomography device characterized in that a sum of a transformation and the second Fourier cosine transform is obtained to obtain a sum of a square of the sum and a square of the difference It is.
  • the specifying means obtains a sum of the first Fourier cosine transform and the second Fourier sine transform, and removes a high-frequency component of the sum It is an optical 'coherent' tomography device.
  • the specifying means obtains a difference between the first Fourier cosine transformation and the second Fourier sine transformation, and removes a high-frequency component of the difference. It is an optical 'coherent' tomography device.
  • the phase shift means is disposed in any one of the measurement light, the reference light, and the signal light.
  • An optical 'coherent' tomography device characterized by an optical phase modulator
  • An ninth invention is an optical 'coherent' tomography device according to any one of the first to eighth inventions, wherein the demultiplexing means and the multiplexing means are used in combination. is there.
  • a tenth invention is an optical 'coherent' tomography device according to any one of the first to ninth inventions, wherein the irradiation means and the capturing means are used in combination.
  • An eleventh invention for solving the above-mentioned problems is a variable wavelength light generating means, a dividing means for dividing output light from the variable wavelength light generating means into measurement light and reference light, and the measurement light as a measurement object.
  • a traveling direction control means having a light sending Z light receiving port for outputting and inputting the signal light from the bidirectional optical path, and a light sending port for outputting the inputted signal light; and the signal light and the A multiplexing means for multiplexing the reference light;
  • an optical 'coherent' tomography device having a specifying means for specifying the depth direction of a target, leaked light in which the measurement light leaks directly from the light receiving port to the light sending port of the traveling direction control means And an optical coherent tomography device provided with interference preventing means for preventing interference with the reference light.
  • the interference preventing means includes an optical path length of the measurement light from the dividing means to the traveling direction control means, and the traveling direction control.
  • the optical path length of the reference light from the dividing means to the multiplexing means is determined by the sum of the optical path length of the signal light from the means to the multiplexing means, and the coherence of each output light of the variable wavelength light generating means
  • An optical 'coherent' tomography device characterized in that the optical path is set to be longer than the maximum distance.
  • the measurement light from the dividing means to the measurement object via the traveling direction control means and the bidirectional optical path via the traveling direction control means and the bidirectional optical path.
  • the sum of the optical path length and the optical path length of the signal light from the measurement object to the multiplexing means via the bidirectional optical path and the traveling direction control means, and the dividing means to the multiplexing means An optical 'coherent' tomography apparatus characterized in that the optical path length of the bidirectional optical path is set to be substantially equal to the optical path length of the reference light.
  • the sum of the optical path length of the measurement light from the dividing means to the traveling direction control means and the optical path length of the signal light from the traveling direction control means to the multiplexing means, and the reference light from the dividing means to the multiplexing means If the optical path length of the bidirectional optical path is set to half of the optical path length of the reference light from the splitting means to the multiplexing means, the splitting means to the traveling direction control means, the bidirectionality is set.
  • the interference preventing means is characterized in that the traveling direction control means is incident on the light receiving port.
  • An optical 'coherent' tomography apparatus characterized in that the leakage light with respect to the measurement light is attenuated by 60 dB or more.
  • the optical path length of the measurement light from the dividing means to the traveling direction control means When the sum of the optical path length of the signal light from the traveling direction control means to the multiplexing means and the optical path length of the reference light from the dividing means to the multiplexing means are different, the interference prevention means And an optical extinguishing means for intermittently extinguishing the output light from the variable wavelength light generating means so that the leakage light and the reference light do not enter the multiplexing means at the same time.
  • Coherent tomography device When the sum of the optical path length of the signal light from the traveling direction control means to the multiplexing means and the optical path length of the reference light from the dividing means to the multiplexing means are different, the interference prevention means And an optical extinguishing means for intermittently extinguishing the output light from the variable wavelength light generating means so that the leakage light and the reference light do not enter the multiplexing means at the same time.
  • the multiplexing means is configured such that the intensity of the signal light and the reference light is the variable wavelength light source.
  • the third component having a constant light intensity with respect to the wave number and the light intensity oscillates with respect to the wave number, which is opposite to the second component.
  • a second output port that outputs interference light consisting of a fourth component of the phase, and the measuring means includes the first input port optically coupled to the first output port, The second output port has the second input port optically coupled, and the intensity of light incident on the first input port and the second input port are input.
  • a Optical 'Kohi one rent tomography apparatus characterized by the is to measure the difference between the intensity of light.
  • a seventeenth invention for solving the above-mentioned problem
  • light reflected by the first input port between the first output port and the first input port is the first output.
  • Antireflection means for preventing return to the output port is provided, and light reflected by the second input port returns to the second output port between the second output port and the second input port.
  • This is an optical 'coherent' tomography apparatus characterized by providing other antireflection means for preventing the above.
  • an adjusting means for reducing a difference between the first component and the third component measured by the measuring means is provided. It is an optical 'coherent' tomography device.
  • the adjustment means is a variable optical attenuator, and between the first output port and the first input port, or the An optical 'coherent' tomography apparatus, wherein the variable attenuator is disposed at least between a second output port and the second input port.
  • the adjusting means has an intensity of light incident on the first input port and an intensity of light incident on the second input port.
  • An optical 'coherent' tomography apparatus characterized in that either or both are weighted to reduce the difference between the first component and the third component.
  • variable wavelength light generating means comprises an optical wavelength laser.
  • Coherent tomography device in any one of the eleventh to twentieth inventions, the variable wavelength light generating means comprises an optical wavelength laser.
  • the measuring means generates the intensity of the output light from the multiplexing means by generating the variable wavelength light.
  • the optical 'coherent' tomography apparatus is characterized in that the position scattered back and the reflection intensity or backscattering intensity at the position are specified with respect to the depth direction of the measurement object.
  • the specifying means includes: the intensity of the output light from the multiplexing means measured for each wave number by the measuring means;
  • An optical 'coherent' tomography apparatus characterized by specifying a reflection intensity or a backscattering intensity with respect to a depth direction of the measurement object by performing Fourier transform on a real number combination of wave number forces.
  • the measuring means changes the intensity of the output light of the multiplexing means force as a cosine function with respect to the wave number
  • Both the first output light intensity and the second output light intensity can be measured when the intensity of the output light from the multiplexing means changes as a sine function or its inverse sign function with respect to the wave number.
  • the specifying means determines, from the set of the first output light intensity and the second output light intensity, the position where the measurement light is reflected or backscattered by the measurement object, and the reflection or backscattering intensity at the position. Is an optical 'coherent' tomography device characterized in that it is specified without folding back in the depth direction of the measurement object.
  • z is a variable indicating a position map.
  • 2L is calculated from the sum of the optical path length of the measurement light from the splitting means to the measurement target and the optical path length of the signal light from the measurement target to the multiplexing means. Assuming a value obtained by subtracting the optical path length of the reference light reaching the means, kX (z) for each wave number k of the output light of the variable wavelength light generating means from the first output light intensity and the second output light intensity.
  • a function that is proportional to either or both of the cosine or sine function is calculated for only one of kL (z + 2L) and calculated for each wave number k.
  • ⁇ A 1st optical coherent tomography device
  • an unfolded tomographic image can be constructed in an OCT apparatus that obtains a tomographic image by Fourier transforming an interference signal in the optical frequency region.
  • noise flow caused by Fourier transform can be reduced.
  • the interference preventing means since the interference preventing means is used, the degradation of the dynamic range can be prevented and the measurement range (measurement depth) in the OFDR-OCT method can be expanded.
  • other OCT methods using a variable wavelength laser light source for example, the chirp OCT method (Non-Patent Document 4)
  • the interference prevention means of the invention it is possible to prevent deterioration of the dynamic range in other OCT methods and to expand the measurement range.
  • FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of an embodiment of an optical “coherent” tomography apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a measurement head of the optical “coherent” tomography apparatus of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an operation explanatory diagram of a directional coupler.
  • FIG. 4 is a time chart of the wave number of the emitted light and the phase modulation of the reference light of the variable wavelength light generator.
  • FIG. 5 is a graph showing observation results when using the optical coherent tomography apparatus according to the present invention.
  • FIG. 6 A graph showing the observation results of the conventional OFDR-OCT method.
  • FIG. 7 A graph showing the observation results obtained by the conventional OFDR-OCT method.
  • FIG. 8 Another graph showing the observation results of the conventional OFDR-OCT method.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a procedure for specifying a reflected light generation point in an optical component that constitutes an optical coherent tomography apparatus.
  • FIG. 10 is a view showing a state in which an attenuator is inserted in an optical component constituting an optical coherent tomography apparatus.
  • FIG. 11 is a diagram showing a state where the connector is removed to identify the reflected light generation point in the circulator of the optical “coherent” tomography apparatus.
  • FIG. 12 is a diagram showing a state in which the optical path length is increased in the optical “coherent” tomography apparatus.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a Michelson interferometer for measuring a coherence distance.
  • FIG. 14 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of an optical coherent tomography device according to the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a measuring head of the optical “coherent” tomography apparatus in FIG.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining the adjustment of the attenuator in the optical “coherent” tomography apparatus of FIG.
  • FIG. 17 is a time chart of the wave number of emitted light with a variable wavelength generator.
  • FIG. 18 is a diagram showing a weighted differential amplifier.
  • FIG. 19 is a schematic configuration diagram showing another example of the embodiment of the optical “coherent” tomography device according to the present invention.
  • FIG. 20 is a time chart between the wave number of the emitted light of the variable wavelength generator force and the phase modulation of the reference light.
  • FIG. 21 is a schematic configuration diagram showing a conventional optical “coherent” tomography apparatus.
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram of a measurement head of the optical “coherent” tomography apparatus in FIG. 21.
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram of a measurement head of the optical “coherent” tomography apparatus in FIG. 21.
  • FIG. 23 is a diagram for explaining the measurement principle of a conventional optical “coherent” tomography apparatus.
  • FIG. 24 is a graph showing changes in signal intensity with respect to position coordinates in the depth direction.
  • Focusing lens Support
  • Variable wavelength light generator 2 First power bra
  • Variable isolator Variable attenuator
  • ⁇ A 1st optical coherent tomography device
  • optical 'Coherent Tomography Device According to the Present Invention Based on the Drawings
  • the optical 'coherent tomography device according to the present invention is not limited to the following embodiments.
  • the equation (6) is obtained by substituting the equation (2) and the equation (3) into the equation (5).
  • the equations (2) and (3) are based on the measured value I (k) by the differential amplifier 17.
  • J is an imaginary unit.
  • ⁇ 3 (2) and 3 (1 ⁇ 2) are quantities directly obtained from the wave number k and are to be measured.
  • I and L are quantities directly obtained from the wave number k and are to be measured.
  • 2 (II) 1/2 X cos (k2L) and 2 (II) 1/2 X sin (k2L) are calculated as rs 1 rsl Is.
  • 2 ( ⁇ ) 1/2 X cos (k ⁇ 2L) has already been proposed by the present inventors! / ⁇ RU OF rs
  • equation (11) can also be expressed as the following equation (13), if sin (k′2L) can be obtained, the equation (11) can also be synthesized. Obviously, since the equation (11) can also be expressed as the following equation (13), if sin (k′2L) can be obtained, the equation (11) can also be synthesized. Obviously, since the equation (11) can also be synthesized. Obviously, since the equation (11) can also be expressed as the following equation (13), if sin (k′2L) can be obtained, the equation (11) can also be synthesized. Become.
  • An image can be constructed.
  • FIG. 1 shows an apparatus configuration for measuring 2 (1 1) 1/2 X sin (k ′ 2L). OF shown in Figure 21
  • an optical phase modulator 14 as a phase shift means for shifting the phase of the interference light is provided in the optical path of the reference light.
  • the output from the differential amplifier 17 can be expressed by the following equation (19) (represented by the following equation (19)). The reason will be described later.)
  • an optical phase modulator should be installed in one of the optical paths divided by the interferometer.
  • the process and the value of the phase difference force S produced in the interference signal vary depending on the structure of the interferometer and the optical path on which side the optical phase modulator is inserted.
  • a Matsuhatsu interferometer using a directional coupler as a multiplexer and a demultiplexer will be described.
  • Fig. 3 is an explanatory diagram of the operation of the directional coupler.
  • the expressions A (z) and B (z) representing the z-direction dependence of the amplitude intensity of the light A and B propagating through the first optical waveguide 71 and the second optical waveguide 72 are expressed by the following expressions (20), (21).
  • the time-dependent term e jfflt is omitted.
  • a and B are initial values of A (z) and B (z), and those of the first and second optical waveguides 71 and 72.
  • the phase difference between the measurement light and the reference light demultiplexed by the second force bra 13 that also has a directional coupler force will be examined.
  • (z) has a phase advance of ⁇ 2 from the light A (z) output from the first optical waveguide 71. Accordingly, in FIG. 1, the initial values A ′ and B ′ of light input to the second force bra 13 that also has a directional coupler force are values obtained by the following equations (28) and (29).
  • the third force bra 13 is a 3 dB force bra composed of a directional coupler.
  • the output of the first differential amplifier 17 is a value obtained by the following equation (34).
  • the output of the first differential amplifier 17 takes a log. This is because the output fluctuation of the variable wavelength light generator 11 is caused by the second differential amplifier 18. It is for correction (details are described later).
  • FIG 1 and 2 are schematic configuration diagrams of an embodiment in which an optical “coherent” tomography apparatus according to the present invention is applied to a tomography apparatus.
  • the object to be measured is the human anterior eye segment, similar to the OFDR-OCT device described in the prior art.
  • a variable wavelength capable of emitting light while changing the wavelength such as a super-periodic structure grating distributed reflection semiconductor laser light generation device (see, for example, Non-Patent Document 3).
  • the light output port of the variable wavelength light generator 11 that is a light generating means is optically connected to the light receiving port of the first force bra 12 that also serves as a directional coupler equal force that divides the light into two (for example, 90:10).
  • the light transmission port on one side (division ratio 90% side) of the first force bra 12 is a second force that is a demultiplexing means that also has a directional coupler equal force that divides light into two (eg, 70:30).
  • the light transmission port on one side (the division ratio 70% side) of the second force bra 13 is optically connected to the light reception port of the optical circulator 15.
  • the light transmission port on the other side (the division ratio 30% side) of the second coupler 13 is optically connected to the light reception port of the optical phase modulator 14 which is a phase shift means.
  • the light transmission port of the optical phase modulator 14 is optically connected to one light reception port of a third force bra 16 that is a multiplexing means that also has a directional coupler equal force that divides light into two (for example, 50:50). Connected.
  • the optical phase modulator 14 for example, the LN level A phase modulator and its control device can be applied.
  • the optical circulator 15 is optically connected to the other light receiving port of the third coupler 16 and is also connected to the measuring head 40.
  • the measuring head 40 is attached to a movable stage 51 provided on a support 50 and has a structure as shown in FIG.
  • the measuring head 40 is supported by the movable stage 51 of the support arm 50, and a main body cylinder 41 in which an entrance / exit light window 41a is formed on a part of the peripheral wall on the front end side;
  • a collimating lens 42 optically connected to the optical circulator 15 disposed on the proximal end side inside the main body cylinder 41, and an orientation direction thereof disposed on the front end side inside the main body cylinder 41.
  • a galvanometer mirror 43 that can be moved and moved, and a focusing lens 44 disposed between the collimator lens 42 and the galvanometer mirror 43 inside the main body cylinder 41.
  • the support tool 50 is provided with support arms 52 and 53 for fixing and supporting the subject's face in a sitting position with the subject's eye 100 oriented horizontally, and a slit lamp microscope 60 is attached.
  • the measurement head 40 is attached to an empty space by removing the slit light (slit light) irradiation system from the slit lamp microscope 60, and by using the alignment function of the slit lamp microscope 60. The measurement light can be guided near the desired position of the eye 100 of the subject.
  • the optical circulator 15 has a force of 15 and the measurement light incident on the collimating lens 42 inside the main body cylinder 41 of the measuring head 40 is formed into a parallel beam and condensed by the focusing lens 44, and then the galvanometer mirror.
  • the signal light emitted from the entrance / exit light window 41a of the main body cylinder 41 through 43 and reflected (or backscattered) by being irradiated on the eye 100 enters the inside through the input / output light window 4la of the main body cylinder 41.
  • the base end side force of the main body cylinder 41 is also incident on the optical circulator 15 through the focusing lens 44 and the collimating lens 42 after being reflected by the galvanometer mirror 43! /.
  • the optical circulator 15, the measurement head 40, etc. irradiate the measurement target eye 100 with measurement light, and the signal light reflected or backscattered by the eye 100.
  • an irradiation-capturing means that serves as both the measuring light irradiation means and the signal light capturing means is configured.
  • the light transmission ports on one side and the other side of the third force bra 16 are optically connected to the light reception port of the first differential amplifier 17 having a light detection function. Connected.
  • the Log output section of the first differential amplifier 17 is electrically connected to one input section of the second differential amplifier 18 that corrects and calculates fluctuations in the input signal strength.
  • the light transmission port on the other side (division ratio 10% side) of the first force bra 12 is optically connected to the light reception port of the photodetector 19.
  • the output section of the photodetector 19 is electrically connected to the input section of the Log amplifier 20.
  • the Log output unit of the Log amplifier 20 is electrically connected to the other input unit of the second differential amplifier 18.
  • the output section of the second differential amplifier 18 is electrically connected to the input section of the arithmetic control device 21 for synthesizing the coherence interference waveform, that is, the backscattering intensity distribution, via an analog Z-digital converter (not shown). Connected.
  • the output unit of the arithmetic control device 21 is electrically connected to the input unit of the variable wavelength light generation device 11, the optical phase modulator 14, and a display device 22 such as a monitor or printer for displaying the calculation result, and the
  • the calculation control device 21 is also electrically connected to the measurement head 40 (not shown). Based on the input information, the calculation control device 21 is configured to output the variable wavelength light generator 11, the optical phase modulator 14, and the measurement head. It is now possible to control 40 galvano mirrors 43 etc.
  • the first differential amplifier 17, the second differential amplifier 18, the photodetector 19, the log amplifier 20, the arithmetic control device 21, the display device 22, and the like are used for measuring means and specifying. Means.
  • the output of the first differential amplifier 17 is obtained by using the log of the equation (36) derived in the aforementioned "principle of the present invention".
  • the output of the Log amplifier 20 is a value proportional to logl
  • the output of the second differential amplifier 18 is a value obtained by the following equation (37) (the constant term is omitted).
  • Equation 27 the log includes the case where there is one reflecting surface 205 as described in the “Principle of the Invention”, but for the sake of simplicity, the reflecting surface 205 will continue to be 1 in the following. In one case Think about it.
  • the arithmetic and control unit 21 emits light from the variable wavelength light generator 11 while switching the wave number in a stepwise manner with respect to time.
  • the arithmetic and control unit 21 controls the optical phase modulator 14 simultaneously with the control of the wave number scanning of the variable wavelength light generator 11.
  • the optical phase modulator 14 Based on the signal from the arithmetic and control unit 21, the optical phase modulator 14 synchronizes with the wave number switching of the variable wavelength light generator 11, and changes the phase of the reference light to O (md ) And — Z2 (md, radians) alternately.
  • the reference light is phase-modulated by 0 (rad, radians) during the first half of the wavenumber holding period and by ⁇ 2 ( ⁇ : & (1, radians) during the second half.
  • the second differential amplifier 18 outputs a signal proportional to the following equation (38 ') in the first half of the holding time of each wave number k, and a signal proportional to the following equation (39') in the second half. Is output.
  • I (k, 0) is a cosine function with respect to the wave number
  • I (k, ⁇ / 2) is a sine function with respect to the wave number.
  • the intensity of the output light whose intensity is a cosine function with respect to the wave number when there is only one reflecting surface 205 as in the above I (k, 0) is defined as the “first intensity”
  • the above I (k (k, ⁇ ⁇ 2), when there is only one reflecting surface 205, the intensity is sinusoidal.
  • the intensity of the output light that is a number (or its inverse sign function) is the “second intensity”.
  • the intensity of the output light is converted into a digital signal by analog Z-digital conversion, and transmitted to the arithmetic control device 21.
  • the arithmetic and control unit 21 controls the galvanometer mirror 43 to slightly move the irradiation position of the variable wavelength light on the surface of the eye 100 to be measured on one straight line in the horizontal direction. The same measurement as described above is performed for a new irradiation position.
  • the arithmetic and control unit 2 1 calculates the distribution Y " 2 (z) of reflection intensity or backscattering intensity in the depth direction for each measurement point according to the following formulas (40) to (42) based on the collected data. Build a tomogram based on
  • Y c (z) ⁇ I i Cki.Oj xcosCk, xz) + Ii 'one Xs / n (k, XzJ (40)
  • the expressions (40) to (42) can be easily derived by comparing the expressions (12), (13), (18), (38), and (39).
  • the first term on the right side of Equation (40) is a Fourier cosine transform of the output light intensity (first intensity) that is a cosine function with respect to the wave number, and the second term is the wave number.
  • the output light intensity (second intensity), which is a sine function is subjected to Fourier sine transformation.
  • the first term on the right side of the equation (41) is a Fourier sine transform of the output light intensity (first intensity) that is a cosine function with respect to the wave number, and the second term is the wave number.
  • the output light intensity (second intensity) which is a sine function, is subjected to Fourier cosine transform.
  • Y " 2 (z) represents the distribution of reflected or backscattering intensity.
  • the absolute value of Y "(z) or Y" (z) may be averaged within a certain range centering on the position Z where the high frequency component is to be removed.
  • the range of z to be averaged should be several times the value (d) below. It is also possible to obtain wz or m Y "(z) (Equation (45) or Equation (46)) shown at the end of this section and obtain the high-frequency component.
  • Figure 5 shows the variable wavelength range from 1533.17 to 1574.14 nm (wave width 1.07 X 10— ⁇ m), the wave number scan number is 400, and the wave number holding time per step is 1 ⁇ m.
  • the distribution Y " 2 (z) of the reflection intensity or backscattering intensity when measuring a glass with a thickness of 6 mm was calculated. It is.
  • the two reflecting surfaces observed correspond to the front and back surfaces of the glass. Only two reflection surfaces were observed, and it can be seen that no folded image was generated. Forces measured by OFDR OCT method for comparison In this case, as shown in Fig. 6, folding occurred and four reflecting surfaces were observed.
  • phase modulation such that ⁇ 2 ⁇ to obtain an output with an opposite sign to the above example.
  • the above-described case where the signs of all outputs are inverted is included when the intensity of the output light is a cosine function or a sine function, although the signs of the signs are reversed.
  • force Fourier cosine transformation and Fourier sine transformation by reversing the signs of both outputs are also included in Fourier cosine transformation and Fourier sine transformation.
  • the optical phase modulator 14 is arranged in the optical path (second optical path) of the reference light. However, it can be arranged in the optical path (first optical path) of signal light and measurement light. It is.
  • equation (19) becomes the following equation (e)
  • the equations (40) to (41) are used, that is, when the intensity of the output light that is a sine function is used.
  • ⁇ ⁇ 2.
  • the intensity of the output light with the sine function reversed the “+” or “one” in front of the second term on the right side of Equations (40) and (41) is used. Can be reversed.
  • a tomographic image can also be constructed using a complex number display corresponding to the equations (40) and (42). That is, it is also possible to calculate the absolute value of the collected data force by calculating the following equation (43).
  • ⁇ ⁇ ) ⁇ (i, 0) -jxl, (k ,, e (43)
  • the tomogram is folded by obtaining the sum of the cosine function and the sine function with respect to k X (z-2L) as in the equations (10) and (11). It is clear that the sum of cosine and sine functions for k X (z + 2L) may be obtained. However, in this case, the obtained image is a mirror image with respect to the origin.
  • the expressions corresponding to the expressions (40) and (41) are the following expressions (45) and (46).
  • the force phase that changes the phase in one step of the wave number is fixed, the wave number scan is performed once, then the phase is changed, and the same wave number scan is performed again. Is possible.
  • the wave number is scanned stepwise.
  • the scanning order does not necessarily need to be stepped, and all the necessary wave numbers may be scanned within a predetermined time.
  • the wave number may gradually decrease only when the wave number gradually increases stepwise, or the wave number necessary for constructing a tomographic image may be scanned at random.
  • the intensity of the interference light is measured at each holding time by changing the wave number discontinuously (discretely) with respect to time so that the wave number is held for a certain time.
  • a Matsuhatsu interferometer is used as an interferometer.
  • usable interferometers are not limited to this type.
  • a Michelson interferometer or the like can be used.
  • Other interferometers can also be used. If a Michelson interferometer is used, the means for demultiplexing the variable wavelength light and the means for multiplexing the signal light and the reference light are the same. Become one.
  • the measurement head 40 that can perform the measurement light emission guide and the signal light incidence guide in the same optical path is applied.
  • the optical circulator is omitted, and two optical fibers are provided in parallel inside the main body of the measuring head.
  • the measurement light is emitted by one optical fiber, and the signal is transmitted by the other optical fiber. It is also possible to guide the incidence of light.
  • the phase of the reference light is dynamically changed by the optical phase modulator 14, but for example, a phase shift in which the optical path of the reference light is divided into two parts to statically shift the phase. It is also possible to arrange a means (for example, a phase modulator with a fixed phase) in one optical path. In this case, since it is necessary to combine the reference light divided into two with the signal light, the signal light is also divided into two, and the divided reference light and the signal light are combined on a one-to-one basis. Like that. At this time, the optical path lengths of both of the divided reference lights are made equal, and the optical path lengths of both of the divided signal lights are made equal.
  • an interference signal that is a cosine function with respect to the wave number and an interference signal that is a sine function with respect to the wave number can be obtained simultaneously.
  • the phase to be shifted is, for example, ⁇ 2.
  • a phase difference ⁇ ⁇ 2 is generated between the light immediately after splitting, and it is necessary to perform signal processing in consideration of this influence. is there.
  • one of the two interfering lights is a cosine function and the other is a sine function (including the case where the sign is reversed).
  • phase shift means for example, an optical component that generates a phase difference ⁇ 2 in the divided light, such as a directional coupler, can be applied.
  • the phase difference of the combined light can be set to ⁇ ⁇ 2, for example, as a cosine function and a sine function with respect to the wave number. Interfering light that changes can be obtained.
  • noise floor based on the measurement principle described above
  • a noise floor can also be generated by various types of noise.
  • thermal noise of the amplifier is a problem.
  • the present inventors have determined that the above (1) to (4) are not the main causes of the noise floor (hereinafter referred to as “excessive noise floor”). It was. The remaining cause is the interference noise (5).
  • the reflection of the reference light and the measurement light can occur at all the connection points of the optical components constituting the apparatus shown in FIG. 21, and the identification thereof is not easy.
  • Step 1 Identification of reflected light generation point
  • Fig. 9 shows an outline of the experimental apparatus and briefly describes its configuration.
  • a force bra 102 that divides light into two is optically connected to the light exit of the variable wavelength light generator 101, and the divided optical path 103 is connected to the force brace via the circulator 105.
  • the optical path 104 on the other side divided is optically connected to the force bra 106 directly.
  • the light supplied from the Circulator 105 is the collimator lens 107, the galvanometer mirror 108, and the focusing lens 109.
  • isolators were sequentially inserted at positions a to g shown in Fig. 9 to observe changes in the noise floor. No change in a, no change when paired with b and c, no change when paired with d and e, and a few dB reduction in noise floor seen by paired with f and g It was. This is considered to be a result of the isolator blocking the reflected light of the detector power in the photo receiver 111 (corresponding to the first differential amplifier 177 in FIG. 21).
  • the method of using the first differential amplifier 177 with the third force bra 176 having a division ratio of 50:50 is known as a balance detection method, which removes the DC component of the signal and reduces the interference signal of (1). It is known as an effective way to extract the fruit.
  • the split ratio of the third force bra 176 cannot be strictly 50:50, and a slight deviation increases the noise floor. Therefore, a variable attenuator (Attenuator 114) is inserted at the position of f or g where the DC component of the output at positions f and g in Fig. 9 is slightly larger (see Fig. 10), and the attenuation is adjusted. As a result, an improvement of several dB was observed.
  • the noise floor still has some noise sources other than the interference noise caused by the reflection of the large reference light and measurement light.
  • the performance of the circulator 105 can be improved to eliminate the crosstalk.
  • the circulator used was often used when assembling fiber optics, and the crosstalk was 50-60 dB. When switching to a crosstalk with a crosstalk of 60 dB or more, the noise floor decreased. Therefore, using a circulator with a crosstalk force of S60 dB or higher, preferably 70 dB or higher, and more preferably 80 dB or higher is considered as one solution.
  • the present inventors have sought an apparatus that does not contribute to the formation of a noise floor even if crosstalk light is generated in the circulator 105.
  • the difference between the optical path length on the crosstalk light side (sample light side) and the optical path length of the reference light S2 is calculated as the coherence distance of the variable wavelength light generator 101 (for example, a semiconductor laser such as SSG-DBR laser light).
  • the variable wavelength light generator 101 for example, a semiconductor laser such as SSG-DBR laser light.
  • an optical fiber 118 having a length equivalent to the coherence distance of the semiconductor laser 7m (optical path length (optical length) 10m) is inserted between the optical paths mn of the reference light S2.
  • the half of the length of the optical fiber 118 inserted between the mns is between the light receiving port Z of the circulator 105 and the light transmitting port kl.
  • An optical fiber 117 (3.5 m) was inserted. As a result, the noise floor was reduced by 15 dB.
  • the preferred length of the optical fiber to be inserted is determined by the coherence distance of the variable wavelength semiconductor laser used as the light source.
  • the coherence distance of the laser beam of the semiconductor laser can be measured using an interferometer, for example, a Michelson interferometer as shown in FIG.
  • the output i of the photodetector 121 is expressed by the following equation (47).
  • the bar above the character expression means time average.
  • the delay time is the distance L between the first mirror 122 and the mirror 123 and the distance L between the half mirror 122 and the movable mirror 124.
  • ⁇ ⁇ ⁇ (48) [0206]
  • c the speed of light.
  • Equation (47) consists of a component that does not depend on ⁇ and a component that depends on it. If the component that depends on ⁇ is C ( ⁇ ), it is known that it is expressed by the following equation (49).
  • ⁇ is the angular frequency of the light
  • parameter ⁇ is the coherent time of the laser electromagnetic field
  • C ( ⁇ ) is a term representing the interference component. From Eqs. (48) and (49), the envelope of C ( ⁇ ) is the difference between the sample optical path and the reference optical path “2 ⁇ I L — L
  • the optical path length difference “2 ⁇ IL — LI” when C ( ⁇ ) (interference signal component dependent on delay time ⁇ ) is half of C (0) is defined as the coherent distance. I will do it.
  • the value of the optical length of the optical fiber 118 inserted between mn is the coherence distance (the maximum of the coherence distances of all scanning wave numbers; the same applies hereinafter). Desirably, more preferably 2 times the coherence distance, further 4 times, further 8 times, and even 16 times.
  • the above preferable value is a value based on the assumption that there is no difference in optical path length between the optical path of the sample light and the optical path of the reference light S2 in a state where no fiber is inserted between mn.
  • the optical path length of the optical fiber to be inserted (the value along the optical path multiplied by the refractive index. If the refractive index differs, the preferred value of the sum of the length of each part multiplied by the refractive index of that part.) Is more than 5m between mn (between kl: 2.5m or more), Preferably it is 10m or more between mn (between kl: 5m or more), more preferably 20m or more between mn (between kl: 10m or more), and most preferably 40m or more between mn (between kl: 20m or more) .
  • the coherence distance of the G-DBR laser is typical for semiconductors, and is preferred for variable wavelength lasers with other semiconductor laser powers. The values are almost the same.
  • variable wavelength light is allowed to travel intermittently in the interferometer, and crosstalk
  • the reference light is turned off when the light reaches the force bra 106.
  • a means for turning on the reference light when the force signal light arrives is also applicable (intermittent light-off means).
  • an optical modulator such as a Mach-Zehnder modulator (preferably not generating a wavelength chirp) may be disposed between the SSG-DBR laser 101 and the coupler 102. .
  • FIG. 14 is an OFDR-OCT tomographic imaging apparatus with a reduced noise floor developed by the present inventors.
  • the object to be measured is the human anterior segment.
  • variable wavelength light generator 131 which is a variable wavelength light generator capable of emitting light while changing the wavelength, such as a super-periodic structure grating distributed reflection semiconductor laser light generator (Non-patent Document 3)
  • the mouth is optically connected to the light receiving port of the first force bra 132 which also has a directional coupler equal force that divides the light into two (eg 90:10).
  • the light transmission outlet on one side (division ratio 90% side) of the first force bra 132 composed of a directional coupler etc. consists of a directional coupler etc. that divides the light into two (eg, 70:30). It is optically connected to the light receiving port of the second force bra 133 as a dividing means. That is, the output light from the variable wavelength light generator 131 is divided into the measurement light side (division ratio 70% side) and the reference light side (division ratio 30% side).
  • the optical transmission outlet on one side (division ratio 70% side) of the second force bra 133 is optically connected to the optical inlet of the traveling direction control means composed of the circulator 135 (crosstalk 50 to 60 dB). Yes.
  • the light transmission outlet on the other side (division ratio 30% side) of the second force bra 133 is a third force that is a multiplexing means composed of a directional coupler or the like that divides light into two parts (for example, 50:50). It is optically connected to the light receiving port of Bra 136.
  • the Z light receiving port is connected to a measuring head 150 as shown in FIG. 15 via an optical fiber 143 that forms a bidirectional optical path that allows measurement light and signal light to travel in opposite directions.
  • the light transmission port of the circulator 135 is optically connected to the light reception port of the third force bra 136. That is, in the circulator 135, the measurement light split by the second force bra 133 is input to the light receiving port, and the input measuring light is output to the optical transmission Z light receiving locuser to the optical fiber 143.
  • Signal light from optical fiber 143 is transmitted Z The signal light that has been input to the light receiving port is being output to the third force bra 136.
  • the measuring head 150 is a means for irradiating the measurement object with the measurement light (measurement light irradiation means), and also receives the signal light reflected or backscattered by the eye 166 as the measurement object. It also functions as a capturing means (signal light capturing means) (measurement light irradiation Z signal light capturing means).
  • the measurement head 150 is provided on a movable stage 161 supported by a support 160, is supported by the movable stage 161, and is a part of the peripheral wall on the tip side.
  • the main body cylinder 151 having an entrance / exit light window 15 la formed in the central portion thereof, and disposed on the proximal end side inside the main body cylinder 151 and optically connected to the circulator 135, the measurement light passing through the optical fiber 143 is parallelized.
  • a collimating lens 152 for shaping the beam a galvanometer mirror 153 which is disposed on the front end side of the main body cylinder 151 and can change the orientation direction and scan the measurement light in the horizontal direction, and the main body cylinder 151 And a focusing lens 154 that is disposed between the collimating lens 152 and the galvanometer mirror 153 and collects a parallel beam on the anterior eye part.
  • the support tool 160 is provided with support arms 162 and 163 for fixing and supporting the subject's face in a sitting position with the subject's eye 166 horizontally oriented, and is an irradiation position confirmation means.
  • a microscope 165 for visual confirmation is attached. That is, the measuring head 150 is usually attached to an empty space by removing a slit light (slit light) irradiation system from a slit lamp microscope used for ophthalmologic diagnosis. Then, by using the alignment function of the slit lamp microscope, it becomes possible to guide the measurement light near the desired position of the eye 166 of the subject!
  • the measurement light input to the light receiving port of the circulator 135 is also incident on the collimating lens 152 inside the main body cylinder 151 of the measuring head 150 and shaped into a parallel beam. Then, after being focused by the focusing lens 154, it is emitted from the entrance / exit light window 151 a of the main body cylinder 151 via the Garno mirror 153 and is irradiated to the eye 166.
  • the measurement light applied to the eye 166 is reflected (or back-scattered) by the eye 166 to become signal light, and the reflected (or back-scattered) signal light passes through the input / output light window 151a of the main body tube 151.
  • the light is reflected by the galvanometer mirror 153, passes through the focusing lens 154 and the collimating lens 152, and enters the light sending / receiving port of the circulator 135 from the base end side of the main body cylinder 151.
  • the incident signal light is output from the light transmission port of the circulator 135 and input to the third force bra 136.
  • the signal light and the reference light are combined and divided into two. (For example, 50:50) and output.
  • the optical path length of the reference optical path (division ratio 30%) between the second force bra 133 and the third force bra 136 is the optical path length between the second force bra 133 and the circulator 135 and
  • the length of the optical fiber 144 that constitutes the optical path of the reference light so that the maximum coherence distance of the variable wavelength light generator 131 is 10 m longer than the sum of the optical path length between the circuit regulator 135 and the third force bra 136. Is adjusted. In other words, by appropriately adjusting the length of the optical fiber 144, it is possible to prevent interference between the leaked light of the measurement light leaked directly from the light receiving port of the circuit 135 to the light transmitting port and the reference light. (Interference prevention means).
  • the optical fiber 143 between the circulator 135 and the measurement target is set so that the optical path length between the circulator 135 and the measurement target is equal to 5m, which is half the maximum coherence distance of the variable wavelength light generator 131. Adjust the length. This is the sum of the optical path length between the second coupler 133 and the circulator 135 and the optical path length between the circulator 135 and the third force bra 136, and the second force bra 133 and the third force bra 136 excluding the optical fiber 144.
  • the second power bra 133 to the circulator 135 The optical path length of the measurement light reaching the measurement target (eye 166) via the optical fiber 143 and the signal light reaching the third force bra 136 from the measurement target (eye 166) via the optical fiber 144 and the circulator 135 Means the sum of the optical path length and the optical path length of the reference light between the second force bra 133 and the third force bra 136.
  • the light transmission outlet (first output port) on one side of the third force bra 136 is connected via an isolator 145 serving as an antireflection means and a variable attenuator 147 serving as an adjusting means. And optically connected to a light receiving port (first input port) of a first differential amplifier 137 (measuring means) having a light detecting function for detecting light intensity.
  • the other optical transmission port (second output port) of the third force bra 136 is connected to the first differential amplifier 137 via an isolator 146 serving as an antireflection means. It is optically connected to another light receiving port (second input port).
  • the Log output section of the first differential amplifier 137 is electrically connected to the input section of the second differential amplifier 138 that corrects the fluctuation of the input signal strength.
  • the light transmission port on the other side (the division ratio 10% side) of the first force bra 132 is optically connected to the light reception port of the photodetector 139.
  • the output part of the photodetector 139 is electrically connected to the input part of the Log amplifier 140.
  • the Log output unit of the Log amplifier 140 is electrically connected to the input unit of the second differential amplifier 138.
  • the output section of the second differential amplifier 138 is electrically connected to the input section of the arithmetic control device 141 (identifying means) via an analog Z digital converter (not shown).
  • the arithmetic and control unit 141 obtains the position where the measurement light is reflected or backscattered from the measured light intensity and the reflection intensity or backscattering intensity at the position, and calculates the depth direction (depth direction) of the measurement target.
  • a backscattering intensity distribution, ie, a coherence interference waveform is synthesized.
  • the output unit of the calculation control device 141 is electrically connected to the input unit of the display device 142 such as a monitor or a printer that displays the calculation result.
  • the arithmetic and control unit 141 can control the variable wavelength light generator 131 and the galvanometer mirror 153 based on the input information.
  • variable attenuator 147 variable attenuator
  • the optical path into which 147 is inserted is determined as follows.
  • the split ratio of 3dB power bra that can be used in reality is not completely 50:50.
  • the sensitivity of the photodetector in the differential amplifier is also slightly different between the two inputs. For this reason, as shown in FIG. 16, when the optical path of the signal light is cut at the positions 148a and 148b and only the reference light is input to the third coupler 136, the light originally having a differential amplification function is used.
  • the output of the detector Auto-balanced photoreceiver
  • the attenuation rate of the variable attenuator 147 is adjusted so that the output of the photodetector becomes smaller than that before insertion of the variable attenuator 147 in a state where the optical path of the signal light is cut off at 148a and 148b.
  • the attenuation rate of the variable attenuator 147 may be adjusted so that the noise floor is minimized while actually observing the A-line (scanning in the depth direction).
  • the intensity of the signal light and the reference light is constant regardless of the wave number of the variable wavelength light generator 131
  • the light with respect to the first component and the wave number is constant with respect to the wave number.
  • the interference light consisting of the second component whose intensity oscillates is output from one light transmission port (first output port) of the third force bra 136, and the third component and the wave number whose light intensity is constant with respect to the wave number.
  • the light intensity oscillates with respect to the first differential so that the interference light consisting of the fourth component having the opposite phase to the second component is output from the other light transmission port (second output port).
  • the attenuation factor of the variable attenuator 147 may be adjusted so that the light intensity difference between the first component and the third component measured by the amplifier 137 becomes small.
  • a command is issued from the arithmetic and control unit 141, and light is emitted from the variable wavelength light generator 131 while switching the wave number in a stepwise manner with respect to time (see Fig. 17), and measurement is performed for each wave number.
  • the second differential amplifier 138 outputs a signal proportional to the following equation (50) for each wave number k.
  • This output is converted into a digital signal by analog Z digital conversion, and the control unit 14
  • the arithmetic and control unit 141 stores this value in association with k, whereby a set (data) of measurement results for each wave number is collected.
  • a command is issued from the arithmetic and control unit 141 to the galvanometer mirror 153, and the irradiation position of the variable wavelength light on the surface of the measurement object is slightly moved on one straight line in the horizontal direction.
  • New light The same measurement as described above is performed for the shooting position.
  • the arithmetic and control unit 141 calculates the distribution Y of the reflection or backscattering intensity in the depth direction for each measurement point based on the equations (2) to (5). 2 Calculate (z) and calculate fault t
  • the noise floor was improved by 5 dB by inserting the isolators 145 and 146, and was improved by 5 dB by adjusting the attenuation of the variable attenuator 147, and the optical path length was adjusted. As a result, it improved by 15dB, and reduced by 25dB in total.
  • variable attenuator 147 may be arranged behind both the isolators 145 and 146. In this case, it is not necessary to examine in advance the output port of the third force bra 136 that outputs larger interference light.
  • Example 2 the scanning of the power wave number that is performed to increase the wave number in a stepwise manner is not necessarily performed in this manner, but the wave number that is required within a predetermined time is not necessarily calculated. Any scanning method may be used as long as all scanning is possible. For example, the wave number may gradually decrease rather than gradually increasing in a stepwise manner, or the wave number necessary to construct a tomographic image may be scanned randomly.
  • variable attenuator 147 is used to correct the output imbalance of the third force bra 136.
  • the input light intensity is weighted.
  • R and R are variable resistors, the weights of voltages V and V can be changed. Configuration above fl f2 1 2
  • the first light output port (first output port) of the third force bra 136 is output from the first component whose light intensity is constant with respect to the wave number, and the other light output port (first output port) of the third force bra 136 is selected. It is possible to weight the third component that is output from the (2 output port) and has a constant light intensity with respect to the wave number, and to correct these differences (adjustment means).
  • Example 2 force that requires logarithmic output. This further converts V into logarithm.
  • the gain for each input is adjusted so that the output of the differential amplifier becomes smaller with the optical path of the signal light cut at 148a and 148b (see Fig. 16).
  • the gain for each input may be adjusted so that the noise floor is minimized while actually observing the A-line (scanning in the depth direction).
  • Example 3 is an OFDR that has recently been newly developed by the present inventors and does not generate a folded image.
  • FIG. 19 shows an example of an OFDR-OCT apparatus using the present invention.
  • the object to be measured is the human anterior eye segment, similar to the OFDR-OCT device described in the prior art.
  • variable wavelength light generating device 131 which is a variable wavelength light generating means capable of emitting light while changing the wavelength, also serves as a directional coupler equal force that divides the light into two (for example, 90:10). Optically connected to the light receiving port of the force bra 132.
  • the light transmission outlet on one side (division ratio 90% side) of the first force bra 132 consisting of a directional coupler etc. consists of a directional coupler etc. that divides light into two (eg, 70:30) It is optically connected to the light receiving port of the second coupler 133 which is the dividing means.
  • the light transmission outlet on one side of the second force bra 133 is the circulator 135 (coupler). It is optically connected to a light receiving port with a loss talk of 50 to 60 dB.
  • the optical transmission port on the other side of the second coupler 133 (30% splitting side) is connected to the input of the optical phase modulator 134, and the output of the optical phase modulator 134 splits the light into two parts (for example, 50: 50) It is optically connected to one light receiving port of the third force bra 136 which is a multiplexing means composed of a directional coupler or the like.
  • an optical phase modulator for example, an LN modulator and one that also has a control device power can be used.
  • the light transmission port of the circulator 135 is optically connected to the light reception port of the third coupler 136, and the light transmission Z light reception port is connected to a measurement head 150 as shown in FIG.
  • the measurement head 150 is a means for irradiating the measurement light to the measurement target and also functions as a means for capturing the signal light reflected or backscattered by the eye that is the measurement target (measurement light irradiation Z signal). Light capturing means).
  • the measurement head 150 converts the measurement light that has passed through the optical fiber 143 into a parallel beam. It is also composed of a collimating lens 152 for shaping, a focusing lens 154 for condensing this parallel beam on the anterior segment, and a galvanometer mirror 153 for scanning the measurement light in the horizontal direction. It is installed in a vacant space with the light (slit light) irradiation system removed. By utilizing the alignment function of the slit lamp microscope, the measurement light can be guided near the desired position of the eye 166 of the subject.
  • the optical path length of the reference optical path (division ratio 30%) between the second force bra 133 and the third force bra 136 is the optical path length between the second force bra 133 and the circulator 135 and
  • the length of the optical fiber 144 constituting the optical path of the reference light is so long that the maximum coherence distance of the variable wavelength light source 131 is 10 m longer than the sum of the optical path length between the circuit regulator 135 and the third force bra 136.
  • the length of the optical fiber 143 between the circulator 135 and the measurement target is set so that the optical path length between the circulator 135 and the measurement target is equal to half the maximum coherence distance of the variable wavelength light generation device 131, 5 m. Is adjusted.
  • the optical path length between the second force bra 133 and the circuit 135 and the optical path length between the circuit 135 and the third coupler 136, and the second force bra 133 and the third force bra 136 excluding the optical fiber 144 It is assumed that the optical path length of the reference optical path (division ratio 30%) between them is equal.
  • isolators 145 and 146 serving as antireflection means are inserted between the first differential amplifier 137 having the light detection function and the third force bra 136.
  • a variable attenuator 147 serving as an adjusting means is inserted after one of the isolators connected to the two output ports of the third coupler 136, for example, after the isolator 145.
  • the optical path into which the variable attenuator 147 is inserted may be determined by a method similar to the method described in the second embodiment.
  • the light transmission port (first output port) on one side of the third force bra 136 is the first having a light detection function for detecting the light intensity via the isolator 145 and the variable attenuator 147.
  • the other light transmission port (second output port) of the third force bra 136 is optically connected to another light receiving port (second input port) of the first differential amplifier 137 via the isolator 146.
  • the Log output section of the first differential amplifier 137 is electrically connected to one input section of the second differential amplifier 138 that corrects the fluctuation of the input signal strength.
  • the light transmission port on the other side (the division ratio 10% side) of the first force bra 132 is optically connected to the light reception port of the photodetector 139.
  • the output part of the photodetector 139 is electrically connected to the input part of the Log amplifier 140.
  • the Log output unit of the Log amplifier 140 is electrically connected to the input unit of the second differential amplifier 138.
  • the output section of the second differential amplifier 138 is electrically connected to the input section of the arithmetic and control unit 141 (identifying means) via an analog Z digital converter (not shown).
  • the arithmetic and control unit 141 obtains the position where the measurement light is reflected or backscattered from the measured light intensity and the reflection intensity or backscattering intensity at the position, and calculates the depth direction (depth direction) of the measurement target.
  • a backscattering intensity distribution, ie, a coherence interference waveform is synthesized.
  • the output unit of the calculation control device 141 is electrically connected to the input unit of the display device 142 such as a monitor or a printer that displays the calculation result.
  • the arithmetic and control unit 141 can control the variable wavelength light generator 131, the optical phase modulator 134, and the galvanometer mirror 153 based on the input information.
  • the output of the log amplifier 140 is proportional to logl, the output of the second differential amplifier 138 is (52) (Constant term is omitted) ⁇
  • a command is issued from the arithmetic and control unit 141, and light is emitted from the variable wavelength light generator 131 while switching the wave number in a stepped manner with respect to time (lower part of FIG. 20).
  • the arithmetic and control unit 141 issues a command to the optical phase modulator 134 simultaneously with the wave number scanning command. Based on this command, the optical phase modulator 134 synchronizes with the wave number switching of the variable wavelength light generator 131 and changes the phase of the reference light to 0 (rad, radians) and one ⁇ Z2 (md, Alternate between radians). That is, the reference light is phase-modulated by 0 (md, radians) in the first half of the wavenumber holding period and by ⁇ w Z2 (md, radians) in the second half.
  • I (k, 0) is a cosine function with respect to wave number (first output light intensity)
  • I (k ⁇ / 2) is a sine function (second output light intensity).
  • the output light whose intensity is a cosine function with respect to wave number when there is only one reflecting surface as in I (ki, 0) above is ⁇ output light that changes as a cosine function with respect to wave number. '' I will call it.
  • the output light whose intensity becomes a sine function when there is only one reflecting surface like I (ki, — ⁇ ⁇ 2) is called “output light that changes as a sine function with respect to wave number”. To do.
  • This output is converted into a digital signal by analog to digital conversion and read by the arithmetic control unit 141.
  • the arithmetic and control unit 141 distributes the reflection or backscattering intensity distribution in the depth direction for each measurement point according to the following formulas (57) to (59) ⁇ " 2 ( ⁇ )
  • a tomographic image is constructed based on this distribution.
  • Y c (z) XI x (k t, 0) ⁇ cos (k 1 xz) + XI t (k t - -) ⁇ sin (k 1 xz) ⁇ ⁇ ⁇ (57)
  • Y s (z) XI, (k t , 0) x sin (k 1 xz) - ⁇ I s (k,--) x cos (k l xz)... (58)
  • Equation (57) Y c (z) + Y s (z)
  • the first term of equation (57) is a Fourier cosine transform of the intensity of output light that changes as a cosine function with respect to the wave number.
  • the second term of Equation (57) is a Fourier sine transform of the intensity of output light that changes as a sine function with respect to the wave number.
  • the first term in equation (58) is the Fourier sine transform of the intensity of the output light that changes as a cosine function with respect to the wave number.
  • the second term in equation (58) is the sine function with respect to the wave number.
  • the intensity of the output light that changes as follows is Fourier cosine transformed.
  • z is a variable indicating the position map
  • 2L is the optical path length of the measurement light from the second force bra 133 to the measurement target (eye 166) and the measurement target (eye 166) force. This is the value obtained by subtracting the optical path length of the reference light from the second power bra 133 to the third power bra 136 from the sum of the optical path lengths of the signal light to reach.
  • the above calculation is based on the first output light intensity and the second output when the object to be measured consists of only one reflecting surface (or scatterer). From the light intensity, a function proportional to the cosine function and sine function is calculated for each wave number k of the output light of the variable wavelength light generator 131 for k X (z-2L), and calculated for each wave number k. By calculating the sum of these functions, the reflection intensity or backscattering intensity in the depth direction of the measurement object can be specified without return. It should be noted that a function proportional to the cosine function and sine function may be calculated for k X (z + 2L) less than k X (z-2L) to obtain the sum.
  • the obtained image is a mirror image with respect to the origin.
  • ⁇ (2-2 or 1 ⁇ X (z + 2L) a function proportional to either the cosine function or sine function is calculated and the sum is calculated. You may ask for.
  • the noise floor is improved by 5 dB by inserting the isolators 145 and 146, improved by 5 dB by inserting the variable attenuator 147 and adjusting the attenuation, and the optical path length is increased. By adjusting, it improved by 15dB and reduced by 25dB in total.
  • the variable attenuator 147 may be disposed behind both the isolators 145 and 146. In this case, it is not necessary to examine in advance the output port of the third force bra 136 that outputs a larger amount of interference light.
  • the wave number is scanned so as to increase stepwise, but the wave number scan is not necessarily performed in this manner.
  • the wave number required in a predetermined time is not necessarily required. Any scanning method can be used as long as it can scan all of the above.
  • the wave number may gradually decrease rather than gradually increasing in a stepwise manner, or the wave number necessary to construct a tomographic image may be scanned randomly.
  • the optical phase modulator that dynamically changes the phase of the reference light is used as means for modulating (shifting) the phase of the reference light.
  • the optical path of the reference light is divided into two.
  • means for statically shifting the phase for example, an optical phase modulator having a fixed phase
  • the signal light since the reference light divided into two is combined with the signal light, the signal light also needs to be divided into two, and the optical paths of the divided reference light and signal light must be combined one-on-one. In this way, it is possible to simultaneously obtain an interference signal that changes as a cosine function and an interference signal that changes as a sine function with respect to the wave number.
  • the phase to be shifted is, for example, ⁇ ⁇ 2.
  • the at this time it is necessary to adjust the optical path lengths of the divided reference lights so that both are equal.
  • a phase difference ⁇ Z2 occurs between the light immediately after splitting into two, and it is necessary to perform signal processing in consideration of this effect.
  • one of the two interference lights changes as a cosine function and the other changes as a sine function (including the case where the sign is reversed).
  • an optical component that causes a difference of ⁇ ⁇ 2 in the phase of the divided light such as a directional coupler, can be used.
  • the phase difference after multiplexing can be set to ⁇ ⁇ 2, for example, and the interference changes as a cosine function and a sine function with respect to the wave number. You can also get light.
  • variable attenuator variable attenuator
  • differential amplifier with gain adjustment function for each input shown in Example 3 Fig. 18
  • the optical fibers 143 and 144 for adjusting the optical path length in the second and third embodiments are not inserted into the reference optical path or the like, and the circulator 135 has a crosstalk of 50d to 60 dB. It was constructed by changing the power of the power to 60-70dB.
  • the circuit unit 135 attenuates the leakage light with respect to the measurement light incident on the light receiving port by 60 dB or more, and thus serves as an interference prevention means for preventing the leakage light and the reference light from interfering with each other.
  • the noise floor was improved by 5dB by inserting the isolators 145 and 146, and by 10dB by changing the circulator 135, the noise floor was reduced by 15dB in total.
  • force using a Mach-Zehnder interferometer as the interferometer is not limited to this type.
  • Other interferometers such as a Michelson interferometer can also be used. It is.
  • the Michelson interferometer is used, the means for dividing the variable wavelength light and the means for combining the signal light and the reference light are the same.
  • the force using Fourier transform for the analysis of the measurement signal is always required.
  • any other analysis method can be used as long as it can extract a large number of frequency components from a signal that must be Fourier transformed.
  • the reflected light (or backscattered light) from the measurement object interferes with the reference light and the light intensity is measured while changing the wave number, it corresponds to the position of the reflected light (or backscatterer). It becomes a function of many cosine functions that oscillate at a frequency. Therefore, if a function having a frequency component corresponding to each position can be extracted from this signal, a tomographic image can be constructed.
  • the Fourier transform is included in a more general wavelet transform, and the present invention can also be applied to the case where the wavelet transform is used for analysis of a measurement signal.
  • an optical circuit was used as the traveling direction control means, but other optical elements, for example, a 3 dB force bra that also has a directional coupler force, can be used. it can.
  • the wave number of the variable wavelength generator is changed discontinuously (discretely) with respect to time, and the wave number is maintained for a certain period of time, while the intensity of the interference light is increased. Is measured.
  • the present invention is naturally applicable to OCT that measures interference light while continuously changing the wave number, such as chirp OCT (Non-Patent Document 4).
  • the intensity of interference light is measured while continuously changing the wave number, and the output of the photodetector is sampled when the wave number reaches a predetermined value. You may do it.
  • the interference light intensity is averaged over a certain range of wave numbers around a predetermined wave number, the SZN ratio is improved.
  • optical “coherent” tomography apparatus is used in the manufacturing industry for precision instruments by producing the optical “coherent” tomography apparatus.
  • optical “coherent” tomography apparatus can be used in the manufacturing industry of precision instruments and the like using only a living body.

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Abstract

　折り返し像の影響を除去して測定範囲を拡大することができるオプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置を提供する。 　第３のカプラ１６で合波された出力光の強度から、波数に対して余弦関数となる第1の強度の測定と、波数に対して正弦関数又はその逆符号関数となる第２の強度の測定とを作動アンプ１７，１８及び演算制御装置２１等で可能にさせる光位相変調器１４を備え、前記演算制御装置２１が、作動アンプ１７，１８等で測定された光位相変調器１４による出力光の第1の強度の集合及び第２の強度の集合に基づくことにより、折り返し像の発生を抑制しつつ、測定対象での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できるようにした。

Description

明 細 書
オプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置
技術分野
[0001] 本発明は、オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置に関し、例えば、塗装膜 等の各種構造物や生体の断層像を、光の干渉現象を利用して測定するものである。 背景技術
[0002] (l) OFDR— OCT法の特徴
オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー法 (OCT法）は、光の干渉現象を利用した 塗装膜等の構造物や生体の断層像の撮影法である (非特許文献 1)。
[0003] OCT法は、医療分野で既に実用化されており、十数/ z mという高い分解能を生か して、網膜等の微細組織の断層像撮影に用いられている。これは、分解能が高いと いう積極的な理由力もだけではなぐ測定系に機械的駆動部分が存在するため、高 速測定には不向きであり、このため、生体が静止可能な短時間の間に測定可能な範 囲力 深さ方向で高々 l〜2mmの狭い領域に限られるという消極的理由〖こもある。
[0004] 本発明者等は、この問題を解決すべく新 ヽ OCT法を開発し (非特許文献 2)、前 眼部の広い範囲の測定に成功している（非特許文献 5)。この方法は、光源として可 変波長光源を用いた全く新 、方法であり、機械的駆動部分が存在しな!、ため極め て高速な測定が可能である。本発明者等は、この方法を OFDR—OCT法 (Optic -f requency— domain— reflectmetory—Oし T)と呼んでレ、る。
[0005] 以下に、この方法について説明する。なお、従来の OCT法は、 OCDR— OCT法（ Optical— coherence— domain— reflectometory—uCT)と呼ふこととす 。
[0006] (2) OFDR—OCT装置の構成
図 21は、本発明者等が開発した OFDR— OCT法による前眼部の断層像撮影装 置である。
[0007] 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手段である可変波長光発生 装置 171の光出射口を、光を 2分割（例えば、 90 : 10)する方向性結合器等力もなる 第 1力ブラ 172の光受入口に光学的に接続する。
[0008] 方向性結合器等からなる第 1力ブラ 172の一方側（分割割合 90%側）の光送出口 は、光を 2分割 (例えば、 70 : 30)する方向性結合器等からなる分割手段である第 2 力ブラ 173の光受入口に光学的に接続して 、る。
[0009] 第 2力ブラ 173の一方側（分割割合 70%側）の光送出口は、オプティカルサーキュ レータ 175 (以降、サーキユレータと省略する。）からなる進行方向制御手段の光受入 口に光学的に接続している。この第 2力ブラ 173の他方側（分割割合 30%側）の光送 出口は、光を 2分割（例えば、 50 : 50)する方向性結合器等力もなる合波手段である 第 3カプラ 176の光受入口に光学的に接続している。サーユレータ 175の光送出口 は、第 3カプラ 176の光受入口に光学的に接続している。又、サーキユレータ 175の 光送出 Z光受入口は、図 22に示すような測定ヘッド 190 (測定光照射手段）に接続 する。この測定ヘッド 190は、測定対象である眼 196によって測定光が反射又は後 方散乱された信号光を捕捉する手段としても機能する (信号光捕捉手段)。つまり、 測定ヘッド 190は、測定光照射 Z信号光捕捉手段となる。
[0010] 図 22に示すように、測定ヘッド 190は光ファイバを通ってきた測定光を平行ビーム に整形するコリメートレンズ 192と、この平行ビームを前眼部に集光するフォーカシン グレンズ 194と、測定光の進行方向を走査するガルバノミラー 193と力も構成されて いる。
[0011] この測定ヘッド 190は、支持具 185に支持された細隙灯顕微鏡 195からスリット光（ 細隙光)照射系を外し、その空いた空間に取り付ける。細隙灯顕微鏡 195の位置合 わせ機能を利用することによって、被検者の眼 196の所望の位置近くに測定光を誘 導することができる。
[0012] 図 21に示すように、第 3力ブラ 176の一方側及び他方側の光送出口は、光検出機 能を有する第 1差動増幅器 177の光受入口に光学的に接続している。第 1差動増幅 器 177の Log出力部は、入力された信号強度の変動を補正演算する第 2差動増幅 器 178の一方の入力部に電気的に接続している。
[0013] 他方、第 1力ブラ 172の他方側（分割割合 10%側）の光送出口は、光検出器 179 の光受入口に光学的に接続している。光検出器 179の出力部は、 Logアンプ 180の 入力部に電気的に接続している。 Logアンプ 180の Log出力部は、第 2差動増幅器 178の他方の入力部に電気的に接続して！/、る。
[0014] 第 2差動増幅器 178の出力部は、コヒーレンス干渉波形、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 181の入力部に図示しな 、アナログ Zデジタル 変 を介して電気的に接続している。演算制御装置 181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 182の入力部に電気的に接続している。こ の演算制御装置 181は、入力された情報に基づいて可変波長光発生装置 171及び ガルバノミラー 193を制御することができるようになつている。
[0015] (3) OFDR— OCT法の測定原理
測定対象、例えば、前眼部によって、測定光 (第 2力ブラ 173で 70%に分割された レーザ光）が反射又は後方散乱されて生じた信号光は、第 3力ブラ 176によって参照 光 (第 2力ブラ 173で 30%に分割された可変波長光）と合波され干渉する。
[0016] 合波された光は直流成分と干渉成分の和であるが、第 1差動増幅器 177はこの干 渉成分のみを抽出する。下記式（1)は、測定対象が図 23のように反射面 205を 1つ だけ有するとした場合に、第 1差動増幅器 177によって検知される干渉成分 Id(k)の 大きさを表したものである。
[0017] [数 1]
Id(k1) = 2V¾ cos(2L x k1) · · · (1)
[0018] 2Lは、第 2力ブラ 173で分割され、第 3力ブラ 176で合波されるまでに第 1分割光（ 分割比 70%)が走行した光路長 (光の走行距離に屈折率を乗じたもの。以下同じ。 ) と第 2分割光 (分割比 30%)、即ち、参照光が走行した光路長との差であり、 kは可変 波長光発生装置 171が第 i番目に放射する光の波数（ = 2 π Z λ、えは波長）、 I及 び Iは、それぞれ測定対象によって反射又は後方散乱された光 (信号光)の強度及 び参照光の強度である。第 1差動増幅器 177は上記 I (k)に比例した出力（正確には
d i
、その対数)を生成し、第 2差動増幅器 178は可変波長光発生装置 171の出力の揺 らぎを補正する。
[0019] 図 23は、 2L = 0となる位置力 距離 Dだけ離れた位置に、反射面 205が存在する 場合を示している。反射面 205で反射された光が 2L=0の位置まで戻るまでに走行 する距離は 2Dになので、反射面の位置では 2L= 2Dとなる。従って、反射面の位置 に対応する Lの値は Dである。
[0020] 断層像は、演算制御装置 181によって、 I (k)をフーリエ変換することによって合成
d i
される。以下に、断層像が構築される過程を説明する。
[0021] まず、 I (k)についてフーリエ余弦変換及びフーリエ正弦変換を行う。即ち、下記式 (
d i
2)、（3)を算出する。
[0022] [数 2]
Yc(z) =∑Id(k1)xcos(k1xz) … (2)
Figure imgf000006_0001
[0023] ここで、 zは位置座標である。 Nは可変波長光源 171の出射する波数の総数であり 、波数間隔を Ak、波数走査の起点を k + Akとすると、 kは以下の式 (4)で表される
0 i
。なお、 i=l, 2, ···, Nである。
[0024] [数 3]
Figure imgf000006_0002
[0025] 次に、算出した Y (z)及び Y (z)から下記 Y (z)を求める。
c s t
[0026] 画
Yt 2(z) = Yc 2(z) + Ys 2(Z) ... (5) [0027] 上記式（5)の Y 2 (z)、又は、その平方根 Y (z)力 測定対象の深さ方向に対する反 t t
射面 (又は散乱面)の反射強度 (又は後方散乱強度)の分布を表す。反射面が 1つで ある本例の場合は、以下の式 (6)で表される反射分布強度が得られる。
[0028] [数 5] z-2L) (z + 2L)
sin 「( Ντ A Λk sin xNxAk
2 2
Yt (z) = IrIs + 1上 + B(z)
"(z-2L) " (z + 2L)
sin -xAk sm
2 2
… （6)
[0029] ここで B(z)は、以下の式（7)で表され、ノイズフロアの 1部を形成する c
[0030] [数 6]
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0002
Figure imgf000007_0003
[0031] 式（6)の第 1項で x=(z— 2L)Z2X Akとおくと、第 1項は、 (sin(N'x)Zsinx)と なる。
[0032] この式は、 x = 0、即ち、 z = 2Lで大きな値 N2になり、 z = 2Lから離れると急激にゼロ に近づく。又、第 2項においても、同様に、 z=— 2Lで大きな値 N2になり、 z=— 2Lか ら離れると急激にゼロに近づく。即ち、この項は、折り返し像を生成する。
[0033] 従って、 x=zZ2を横軸にとり、縦軸 yに Y 2 (2x)をプロットすることにより、 x=士 Lで y=N2-I ·Ιとなり、それ以外の位置では略 0となる。
[0034] 通常は、 Xく 0には測定対象が存在しないように光路長を調整し、 x≥0に対しての み、 Y2(2x)をプロットする。従って、 Υ 2 (2χ)を Xに対してプロットしても折り返し像は 現れず、上記プロットにより反射 (又は後方散乱)強度の深さ方向の分布を得ることが できる。
非特許文献 1:陳 健培 0PTRONICS(2002), N07, 179
非特許文献 2: T. Amano, H. Hiro— Oka, D. Choi, H. Furukawa, F. Kano, M. Takeda, M. Nakanishi, K. Shimizu, K. Obayashi, Proceeding of SPIE, Vol.5531, p .375, 200 4.
非特許文献 3:吉國 裕三、応用物理 第 71卷 第 11号 (2002), pl362〜1366. 非特許文献 4： Handbook of Optical Coherence Tomography, edited by Brett E. Bou ma and Guillermo J. Tearney, p.364— p.367.
非特許文献 5 :第 40回日本眼光学会第 19回眼科 ME学会合同学会総会プログラム · 抄録集 2004 p.61.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0035] 《A》第 1オプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置
前記式 (6)の第 1項及び第 2項は、 zについての周期関数であり、その周期は 2 π Ζ A kである。従って、前記式 (6)を深さ方向の座標、即ち、 Xの関数に直すと、 π / Δ kの周期を持った周期関数となる。
[0036] 前記式 (6)の第 2項の影響を無視すれば、この周期内に存在する測定対象の像は 、正しい位置に構築されるので、この周期が OFDR— OCT法の測定可能範囲といえ なくもない (実際の測定ではこの周期より深い位置にも生体組織等は当然存在する 力 反射光 (又は後方散乱光)の強度が深さ方向に対して急激に弱くなるので測定 の妨げにはならない。 ) o
[0037] しかし、本発明者等が先に提案した OFDR— OCT法では、図 7に示すように、正規 な像 201以外にも、上記第 2項の存在により、 x=— L及び χ= ( π Ζ ΔΙ — Lにも像 202が現れる。 Lが小さいうちは問題がないが、 π Ζ(2 Δ1 より大きくなると、図 8に 示すように、前記第 1項による正規の像 201は、 π Ζ ΔΙ^の半分、即ち、 π Ζ(2 Δ1 より大きな位置に現れるのに対して、前記第 2項による折り返し像 202が π Ζ (2 A k) より小さい位置に現れてしまう。即ち、正規の像 201と折り返し像の位置 202がクロス してしまう。このため、 OFDR— OCTで正しい位置に像を構築ができるのは、測定光 を反射 (又は後方散乱)する面が 0<χ< π Z (2 Δ k)に存在する場合に限られる。
[0038] 以上のように、 OFDR— OCTには、測定可能な範囲が第 1項の周期 π Z A kから 期待される値の半分になってしまうという折り返し像 202の問題がある。本発明の課 題は、以上のような折り返し像の影響を除去して OFDR— OCTの測定範囲を拡大す ることにめる。
[0039] 《B》第 2オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置 (1)ダイナミックレンジと深さ方向の測定限界の関係
OCT法の性能を決める重要な要因の 1つにダイナミックレンジがある。
[0040] ダイナミックレンジとは、ノイズと信号強度の比を意味し、その理論的限界は信号強 度 (式 (6) )の最大値 N2とノイズフロア (z > >0とした時の式 (6)の値)の強度比によつ て決まる。
[0041] 図 24は、深さ方向の位置座標 Xに対する信号強度 (式 (6) )の変化を表したもので ある。横軸は測定対象の深さ方向に対する位置座標 Xを、縦軸は式 (6)で表される信 号強度 Y 2 (2x)の対数を表している (Y 2 (0)の値で規格ィ匕されている。 ) 0この図は、
L = 0、即ち、 x=0で Y 2 (2x)が最大値を持つ例を示したものであり、 χ≥0に対して プロットした (即ち、信号強度のピーク 211の片側半分のみを示している。 )0
[0042] 生体組織等力ゝらの OFDR— OCT信号は、殆どの場合、表面からの反射光強度が 内部からの後方散乱光強度より格段に強い。このため、表面反射ピークのノイズフロ ァが測定対象内部からの後方散乱光の測定を妨げる。図 24を用いて、この状況を具 体的に説明する。 L = 0の位置に表面があるとし、ピーク 211は表面反射による OFD R— OCT信号を表すとする。仮に、測定対象内部における後方散乱率 (散乱体に入 射する測定光の強度に対する後方散乱された光の強度の比）と測定対象表面にお ける反射率が等し力つたとする。測定光は、測定対象内部に進むに従って散乱され 指数関数的に減少する。従って、測定対象内部の散乱体からの OFDR— OCT信号 のピーク強度は、図 24の減衰直線 213のように深さ方向に対して直線的に減少する
[0043] 一方の表面反射によるノイズフロア 212は、位置座標 Xに対して緩やかにし力減少 しな 、ので両者は!、ずれ交わり、この交点 214より深!、位置ではノイズフロア 212の 方が測定対象内部力もの OFDR— OCT信号 213より強くなる。
[0044] 従って、断層像の撮影は交点 214より深い位置では不可能であり、即ち、ピーク 21 1のノイズフロア 212に対する比、即ち、ダイナミックレンジが大きいほど、深い位置ま で断層像の撮影が可能である。
[0045] (2)現実のダイナミックレンジ
式（6)で決まるノイズフロアは、式（2)及び式（3)によって Y (z)及び Y ( z)を計算する際に、測定値 I (k)に窓関数 (例えば、ガウス関数)を乗ずれば劇的に
d i
減少させることができる（但し、分解能は劣化する。特願 2004— 202957号)。しかし ながら、図 21に示した装置で生体組織の OFDR— OCT信号を測定すると、通常反 射光強度が最も強くなる組織表面の信号強度を OdBとしてノイズフロアを評価する場 合、適当な窓関数を用いて理論上のノイズフロアの値を— 70dBとしても、測定値は — 45dB以上となり、期待される値— 70dBより格段に大きな値になってしまう。このた め、従来の OFDR— OCT装置には、測定範囲を十分にとれないという問題があった
[0046] (3)本発明が解決しょうとする課題
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、ダイナミックレンジの劣化の原因を除去 し、測定範囲を広くしたオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置を提供すること を目的とする。
課題を解決するための手段
[0047] 《A》第 1オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置
前述した課題を解決するための、第 1の発明は、可変波長光発生手段と、前記可 変波長光発生手段から出力された光を測定光と参照光とに分波する分波手段と、前 記測定光を測定対象に照射する照射手段と、前記測定対象によって反射又は後方 散乱された信号光を捕捉する捕捉手段と、前記信号光と前記参照光とを合波する合 波手段と、前記合波手段で合波された出力光の強度を前記可変波長光発生手段の 波数毎に測定する測定手段と、波数毎に測定された前記出力光の強度の集合に基 づ 、て、前記測定対象での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特定手段とを備えるォ プティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、前記合波手段で合波された前 記出力光の強度から、前記波数に対して余弦関数となる第 1の強度の測定と、前記 波数に対して正弦関数又はその逆符号関数となる第 2の強度の測定とを前記測定手 段で可能にさせる位相シフト手段を備え、前記特定手段が、前記測定手段で測定さ れた前記位相シフト手段による前記出力光の前記第 1の強度の集合及び前記第 2の 強度の集合に基づくことにより、折り返し像の発生を抑制しつつ、前記測定対象での 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ものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレン ト 'トモグラフィー装置である。
[0048] 第 2の発明は、第 1の発明において、前記特定手段が、 1つの反射面によってのみ 前記測定対象が構成されているときに、前記第 1の強度及び前記第 2の強度から、前 記可変波長光発生手段から出力された前記光の波数 k毎の、 k(z— 2L)又は k(z + 2 L)の値 (ただし、 zは変数、 2Lは測定光の光路長と信号光の光路長との和から参照 光の光路長を差し引いた値）に対して、余弦を取った関数及び正弦を取った関数の 少なくとも一方を算出した後、当該関数に対して比例する比例関数を求めて、前記 波数 k毎に算出した当該比例関数の総和を求めるものであることを特徴とするォプテ ィカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0049] 第 3の発明は、第 1又は第 2の発明において、前記特定手段が、前記第 1の強度の 集合に対して、第 1のフーリエ余弦変換及び第 1のフーリエ正弦変換を行うと共に、 前記第 2の強度が正弦関数として変化する場合には、前記第 2の強度成分の集合に 対して、符号をそのままにして、第 2のフーリエ余弦変換及び第 2のフーリエ正弦変換 を行い、前記第 2の強度が正弦関数の逆符号関数である場合には、前記第 2の強度 成分の集合に対して、符号を逆転して、第 2のフーリエ余弦変換及び第 2のフーリエ 正弦変換を行うものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー 装置である。
[0050] 第 4の発明は、第 3の発明において、前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変 換と前記第 2のフーリエ正弦変換との和を求めると共に、前記第 1のフーリエ正弦変 換と前記第 2のフーリエ余弦変換との差を求めて、前記和の二乗と前記差の二乗との 和を求めるものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置 である。
[0051] 第 5の発明は、第 3の発明において、前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変 換と前記第 2のフーリエ正弦変換との差を求めると共に、前記第 1のフーリエ正弦変 換と前記第 2のフーリエ余弦変換との和を求めて、前記和の二乗と前記差の二乗との 和を求めるものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置 である。
[0052] 第 6の発明は、第 3の発明において、前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変 換と前記第 2のフーリエ正弦変換との和を求めて、当該和の高周波成分を除去する ことを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0053] 第 7の発明は、第 3の発明において、前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変 換と前記第 2のフーリエ正弦変換との差を求めて、当該差の高周波成分を除去する ことを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0054] 第 8の発明は、第 1から第 7の発明のいずれかにおいて、前記位相シフト手段が、 前記測定光、前記参照光、前記信号光のうちのいずれかの光路に配設された光位 相変調器であることを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である
[0055] 第 9の発明は、第 1から第 8の発明のいずれかにおいて、前記分波手段と前記合波 手段とが兼用されて 、ることを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装 置である。
[0056] 第 10の発明は、第 1から第 9の発明のいずれかにおいて、前記照射手段と前記捕 捉手段とが兼用されて 、ることを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー 装置である。
[0057] 《B》第 2オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置
上記課題を解決する第 11の発明は、可変波長光発生手段と、前記可変波長光発 生手段からの出力光を、測定光と参照光に分割する分割手段と、前記測定光を測定 対象に照射する共に、照射された前記測定光が前記測定対象により反射又は後方 散乱された信号光を捕捉する測定光照射 Z信号光捕捉手段と、前記測定光照射 Z 信号光捕捉手段に接続され、前記測定光と前記信号光が逆方向に走行する双方方 向性光路と、分割手段により分割された前記測定光を入力する光受入口と、入力さ れた前記測定光を前記双方方向性光路に出力すると共に前記双方方向性光路から の前記信号光を入力する光送出 Z光受入口と、入力された前記信号光を出力する 光送出口とを有する進行方向制御手段と、前記信号光と前記参照光とを合波する合 波手段と、前記合波手段からの出力光の強度を測定する測定手段と、前記測定手 段によって測定された前記合波手段からの出力光の強度から、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た位置と、その位置での反射強度又は後 方散乱強度とを、前記測定対象の奥行き方向に対して特定する特定手段と、を有す るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、前記進行方向制御手段の 前記光受入口から前記光送出口へ前記測定光が直接漏洩した漏洩光と前記参照 光とが干渉することを防止する干渉防止手段を設けたことを特徴とするオプティカル · コヒーレント ·トモグラフィー装置である。
[0058] 上記課題を解決する第 12の発明は、上記第 11の発明において、前記干渉防止手 段は、前記分割手段から前記進行方向制御手段に至る前記測定光の光路長と前記 進行方向制御手段から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和より、前記 分割手段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長が、前記可変波長光発生 手段の各出力光の可干渉距離の最大値以上に長くなるように設定した光路であるこ とを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0059] 上記課題を解決する第 13の発明は、上記第 12の発明において、前記分割手段か ら前記進行方向制御手段、前記双方向性光路を経由して前記測定対象に至る前記 測定光の光路長と前記測定対象から前記双方向性光路、前記進行方向制御手段を 経由して前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和と、前記分割手段から前 記合波手段に至る前記参照光の光路長と略等しくなるように、前記双方向性光路の 光路長を設定したことを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置であ る。
[0060] 例えば、分割手段から進行方向制御手段に至る測定光の光路長と進行方向制御 手段から合波手段に至る信号光の光路長との和と、分割手段から合波手段に至る参 照光の光路長とを等しくした場合、双方向性光路の光路長を、分割手段から合波手 段に至る参照光の光路長の半分に設定すれば、分割手段から進行方向制御手段、 双方向性光路を経由して測定光照射 Z信号光捕捉手段に至る測定光の光路長と測 定光照射 Z信号光捕捉手段から双方向性光路、進行方向制御手段を経由して合波 手段に至る信号光の光路長との和と、分割手段から合波手段に至る参照光の光路 長と略等しくなる。 [0061] 上記課題を解決する第 14の発明は、上記第 11から第 13の発明のいずれかにお いて、前記干渉防止手段は、前記進行方向制御手段が、前記光受入口に入射する 前記測定光に対する前記漏洩光を 60dB以上減衰するものであることを特徴とする オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0062] 上記課題を解決する第 15の発明は、上記第 11、第 12、第 14の発明のいずれかに において、前記分割手段から前記進行方向制御手段に至る前記測定光の光路長と 前記進行方向制御手段から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和と、前 記分割手段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長とが異なる場合、前記干 渉防止手段は、前記漏洩光と前記参照光とが前記合波手段に同時に入射しないよう に、前記可変波長光発生手段からの出力光を間歇的に消灯する間歇消灯手段であ ることを特徴とするオプティカル 'コヒーレント ·トモグラフィー装置である。
[0063] 上記課題を解決する第 16の発明は、上記第 11から第 15の発明のいずれかにお いて、前記合波手段は、前記信号光及び前記参照光の強度が前記可変波長光発 生手段の波数によらず一定の場合に、波数に対して光強度が一定の第 1成分と波数 に対して光強度が振動する第 2成分とからなる干渉光を出力する第 1出力口と、前記 信号光及び前記参照光の強度が波数によらず一定の場合に、波数に対して光強度 が一定の第 3成分と波数に対して光強度が振動し、前記第 2成分とは逆相の第 4成 分とからなる干渉光を出力する第 2出力口とを有するものであり、前記測定手段は、 前記第 1出力口が光学的に結合された前記第 1入力口と、前記第 2出力口が光学的 に結合された前記第 2入力口とを有し、第 1入力口に入射した光の強度と第 2入力口 に入射した光の強度との差を測定するものであることを特徴とするオプティカル'コヒ 一レント ·トモグラフィー装置である。
[0064] 上記課題を解決する第 17の発明は、上記第 16の発明において、前記第 1出力口 と前記第 1入力口の間に、前記第 1入力口によって反射された光が前記第 1出力口 に戻ることを防止する反射防止手段を設け、且つ、前記第 2出力口と前記第 2入力口 の間に、前記第 2入力口によって反射された光が前記第 2出力口に戻ることを防止す る他の反射防止手段を設けたことを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィ 一装置である。 [0065] 上記課題を解決する第 18の発明は、上記第 16又は第 17の発明において、前記 測定手段により測定される前記第 1成分と前記第 3成分の差を小さくする調整手段を 設けたことを特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0066] 上記課題を解決する第 19の発明は、上記第 18の発明において、前記調整手段を 可変光減衰器とすると共に、前記第 1出力口と前記第 1入力口の間、又は、前記第 2 出力口と前記第 2入力口の間の少なくとも一方に、前記可変減衰器を配置したことを 特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0067] 上記課題を解決する第 20の発明は、上記第 18の発明において、前記調整手段は 、前記第 1入力口に入射した光の強度と前記第 2入力口に入射した光の強度のいず れか一方又は双方に重み付けをして、前記第 1成分と前記第 3成分の差を小さくする ものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0068] 上記課題を解決する第 21の発明は、上記第 11から第 20の発明のいずれかにお いて、前記可変波長光発生手段は、可変波長レーザからなることを特徴とするォプテ ィカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0069] 上記課題を解決する第 22の発明は、上記第 11から第 21の発明のいずれかにお いて、前記測定手段は、前記合波手段からの出力光の強度を前記可変波長光発生 手段の波数毎に測定する手段であり、前記特定手段は、前記測定手段によって前記 波数毎に計測された前記合波手段からの出力光の強度の集合から、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た位置と、その位置での反射強度又 は後方散乱強度とを、前記測定対象の奥行き方向に対して特定するものであること を特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0070] 上記課題を解決する第 23の発明は、上記第 22の発明において、前記特定手段は 、前記測定手段によって前記波数毎に計測された前記合波手段からの前記出力光 の強度と前記波数力 なる実数の組み合わせをフーリエ変換することで、前記測定 対象の奥行き方向に対する反射強度又は後方散乱強度を特定するものであることを 特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置である。
[0071] 上記課題を解決する第 24の発明は、上記第 22の発明において、前記測定手段は 、前記合波手段力 の出力光の強度が前記波数に対して余弦関数として変化する 第 1出力光強度と、前記合波手段からの出力光の強度が前記波数に対して正弦関 数又はその逆符号関数として変化すると第 2出力光強度との双方を測定可能とする ものであり、前記特定手段は、前記第 1出力光強度及び前記第 2出力光強度の集合 から、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た位置と、その位 置での反射又は後方散乱強度とを、前記測定対象の奥行き方向に対して折り返しな く特定するものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置 である。
[0072] 上記課題を解決する第 25の発明は、上記第 24の発明において、前記特定手段は 、前記測定対象が 1つの反射面のみから構成される場合、 zを、位置座表を示す変数 、 2Lを、前記分割手段から前記測定対象に至る前記測定光の光路長と前記測定対 象から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和から、前記分割手段から前 記合波手段に至る前記参照光の光路長を差し引いた値とすると、前記第 1出力光強 度及び前記第 2出力光強度から、前記可変波長光発生手段の出力光の波数 k毎に 、 kX (z— 2L)、又は、 kX (z + 2L)のいずれか一方のみに対して、余弦又は正弦を 取った関数のいずれか一方又は双方に比例する関数を算出し、前記波数 k毎に算 出した前記関数の総和を求めることで、前記測定対象の奥行き方向に対する反射強 度又は後方散乱強度を折り返しなく特定するものであることを特徴とするォプティカ ル 'コヒーレント ·トモグラフィー装置である。
発明の効果
[0073] 《A》第 1オプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置
本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置によれば、光周波数領 域における干渉信号をフーリエ変換して断層像を得る OCT装置において、折り返し のない断層像を構築することができる。また、フーリエ変換に伴って生じるノイズフロ を低減することもできる。
[0074] 《B》第 2オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置
本発明によれば、干渉防止手段を用いるので、ダイナミックレンジの劣化を防止し、 OFDR— OCT法での測定範囲（測定深さ）を拡大させることができる。又、可変波長 レーザ光源を用いる他の OCT法 (例えば、チヤープ OCT法 (非特許文献 4) )に、本 発明の干渉防止手段を適用することで、他の OCT法でのダイナミックレンジの劣化も 防止し、その測定範囲を拡大させることができる。
図面の簡単な説明
[図 1]本発明に係るオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置の実施形態の全体 概略構成図である。
[図 2]図 1のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置の測定ヘッドの概略構成図 である。
[図 3]方向性結合器の作用説明図である。
[図 4]可変波長光発生装置力 の出射光の波数と参照光の位相変調とのタイムチヤ ートである。
[図 5]本発明に係るオプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置を用いた場合の観 測結果を表わすグラフである。
[図 6]従来の OFDR— OCT法での観測結果を表わすグラフである。
[図 7]従来の OFDR— OCT法での観測結果を表わすグラフである。
[図 8]従来の OFDR— OCT法での観測結果を表わす他のグラフである。
[図 9]オプティカル 'コヒーレント ·トモグラフィー装置を構成する光学部品にお 、て、 反射光発生点を特定する手順を説明する図である。
[図 10]オプティカル 'コヒーレント ·トモグラフィー装置を構成する光学部品にお 、て、 アテネータを挿入した状態を示す図である。
[図 11]オプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置のサーキユレータにお 、て、反 射光発生点を特定するため、コネクタを外した状態を示す図である。
[図 12]オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、光路長を長くした状 態を示す図である。
[図 13]可干渉距離を測定するマイケルソン干渉計を説明する図である。
[図 14]本発明に係るオプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置の実施形態の 1例 を示す概略構成図である。
[図 15]図 14のオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置の測定ヘッドの概略構成 図である。 [図 16]図 12のオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置にお!/、て、アテネータの 調整を説明する図である。
[図 17]可変波長発生装置力もの出射光の波数のタイムチャートである。
[図 18]重み付き差動増幅器を示す図である。
[図 19]本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置の実施形態の他 の 1例を示す概略構成図である。
[図 20]可変波長発生装置力 の出射光の波数と参照光の位相変調とのタイムチヤ一 トである。
[図 21]従来のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置を示す概略構成図である
[図 22]図 21のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置の測定ヘッドの概略構成 図である。
[図 23]従来のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置の測定原理を説明する図 である。
[図 24]深さ方向の位置座標に対する信号強度の変化を表したグラフである。
符号の説明
11：可変波長光発生装置
12 :第 1の力ブラ
13 :第 2の力ブラ
14 :光位相変調器
15：オプティカルサーキユレータ
16 :第 3の力ブラ
17 :第 1の差動アンプ
18 :第 2の差動アンプ
19 :光検出器
20 : Logアンプ
21 :演算制御装置
22 :表示装置 :測定ヘッド
:本体筒
a:入出光窓
:コリメートレンズ
:ガルバノミラー
：フォーカシングレンズ:支持具
:可動ステージ
, 53:支持アーム
:細隙灯顕微鏡
0:眼
1:可変波長光発生装置2:第 1力ブラ
3:第 2力ブラ
:光位相変調器
5:オプティカルサーキユレータ6:第 3力ブラ
7:第 1差動増幅器
:第 2差動増幅器
9:光検出器
: Logアンプ
1:演算制御装置
:表示装置
、 144:光ファイノ
、 146:可変アイソレータ :可変アテネータ
:測定ヘッド
:コリメートレンズ 153 :ガルバノミラー
154：フォーカシングレンズ
160 :支持具
161 :可動ステージ
165 :顕微鏡
発明を実施するための最良の形態
[0077] 《A》第 1オプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置
本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置の実施形態を図面に基 づ 、て以下に説明する力 本発明に係るオプティカル'コヒーレント ·トモグラフィー装 置は、以下の実施形態に限定されるものではない。
[0078] [課題の原因]
まず、前記課題を解決するにあたっては、前記 (6)式の第 2項がなぜ発生するか明 らかにすることが重要である。
[0079] 前記式 (6)は、前記式（5)に前記式（2)及び前記式（3)を代入することによって得 られる。前記式（2)及び前記式（3)は、差動増幅器 17による測定値 I (k)に基づい
d i
て算出される。 I (k)は、前記式（1)で表されるので、前記式（1)を前記式（2)及び前
d i
記式（3)に代入すると以下の通りとなる。
[0080] [数 7]
Y,(z)=∑Id(ki) x cos(ki χζ) -∑l^Tsx cos(2L x k;) χ cos(k; χζ) i=1 /=/
Figure imgf000021_0001
x∑cos [k, x(Z-2L) } + 7S x∑cos {k; x(Z+2L) sin Z—2L x N x Ak
= 7 2
sx cos '(Z-2L)x{Ko^ k
sin
Figure imgf000021_0002
sin 'Z+2L
x N x厶 k
TS x sin [ Z+2L) x [κ0 + 2
Δ A〕]
Z+2L xAk
2
Figure imgf000021_0003
[0081] 以上の式の計算には、下記に示す式（9')を用いた。なお、 jは虚数単位である。
[0082] [数 8]
(9，)
Figure imgf000021_0004
Jf-r s/" [0083] 前記式 (8)を観察すると明らかなように、折り返し像を発生する前記式 (6)の右辺の 第 2項は、前記式（8)の第 3番目の式の項 cos (2L'k) Xcos(k'Z)を展開した際に、 cos{k X (Z— 2L) }と同時に生じる cos{k X (Z + 2L) }、及び同じく式（9)で第 3番目 の式の項 cos(2L'k) Xsin(k 'Z)を展開した際に、 sin{k X (Z—2L) }と同時に生じ る sin{k X (Z + 2L) }の両項に起因する。
[0084] [本発明の原理]
〈1〉断層像の構築
従って、折り返し像を除去するためには、 cos{k (Z + 2L) }及び sin{k (Z + 2L) }の 発生を防止すればょ 、ことが分かる。
[0085] 例えば、前記式 (8)及び前記式（9)の第 4番目の式の第 1項に相当する以下のよう な関数で表わされる式（10)及び式（11)力 測定値力 合成できればよ!、と考えられ る。
[0086] [数 9]
N
Y'c(z) = 2 JrIs ^ οοε{^ X (Z - 2 L)} (10)
Y's(z) 2 J s x2 sin [k; x (Z - 2 L)} (H)
[0087] まず、どうすれば前記式（10)が合成できるかを考えてみる。前記式（10)の右辺の cos{kX (Z— 2L)}を分解すると、下記の式（12)のようになる。
[0088] [数 10]
N
Y'c (z) =2 Jrls x Xcos{ k, x(Z-2 L)}
N N
= 2HrIs x y cos (ki x2 L)y. cosん. x z) +2Hrい sin (ki x2L)x sin (k, x z)
i=1 i=l
…… (12)
[0089] 前記式（12)の第 3番目の式を構成する各成分のうち、∞3( 2)及び3 (1^2)は 、波数 kカゝら直接求められる量であり、測定対象に関する情報 (I及び L)を含む項で
1 S
ある 2 (I I ) 1/2 X cos (k · 2L)及び 2 (I I ) 1/2 X sin (k · 2L)は、測定により求められるべき r s 1 r s l ものである。このうち、 2 (Π ) 1/2 X cos (k · 2L)は、本発明者等が既に提案して！/、る OF r s
DR— OCTにおいて測定される干渉成分である。従って、 2(II)1/2Xsin(k'2L)を r s
求めることができれば、前記式（10)を合成することが可能になる。
[0090] 同様に、前記式（11)も下記に示す式（13)と表わすことができるので、 sin(k'2L) を求めることができれば、前記式（11)も合成することが可能になる。
-；
[0091] [数 11]
Figure imgf000023_0001
■ 2ilr x " cos (¾·, x2Ljy- sin (k,- x z) -2 lr Is x^ sin (k, x2L x cos(k, x z)
(13)
[0092] このようにして Y '(ζ)及び Y ' (z)を求めることができたならば、以下のようにして Y ' c s t
(ζ) =Υ '2(ζ) +Υ ' 2 (ζ)を計算することによって折り返しのない断層像を構築するこ
C S
とがでさる。
[0093] まず、 Υ '(ζ)及び Υ '(ζ)を計算すると、下記の式（14), (15)のようになる。
C S
[0094] [数 12]
Y'c (z) - 2 J S 2~cos{ k; x(Z-2L)}= 2^JS x cos | (Z-2L) x { + AMM±V_^ | sin (Z-2L)
x N x Ak
2 (14)
■2 L
2
Y's (z) 2 J S x∑ cos [kiX(Z-2 L)} = 2 ils x sin ^Z~2L) x { + 〕 }]
Figure imgf000023_0002
[0095] 前記式（14)の具体的な導出過程は、以下の通りである。
[0096] 前記式（14)を計算する際には、以下の式（16)及び式（17)を利用すると便利であ る。ここで、 jは虚数単位である。
[0097] [数 13] oos =e …… （
Figure imgf000024_0001
…… (17)
[0098] なお、前記式（17)は、既に示した式（9 ')と同じである。
[0099] まず、前記式（14)の第 2番目の式において、 a =k X (Z— 2L)と置き、前記式（1 6)に基づいて、∞3ひを 、 "で展開する。∑e' ∑e— ΐγの計算には前記式（17) を用いる。この際、 γ = AkX (Z— 2L)と置き、下記に示す関係式 (a)を利用する。
[0100] [数 14]
」 = jx kix (Z-2L)=jx (ko+Ak xi)x (Z- 2L)
ニゾ xk0x (Z-2L) +j x (Akxi)x (Z-2L)ニゾ x k0x (Z-2L) +j xixr
…… (a)
[0101] ∑e' ∑e— ΐγを計算した後、最後に前記式（16)を再度用いると、前記式（14)にな る。また、前記式（15)も同様にして算出することができる。
[0102] 前記式（14)及び前記式（ 15)に基づ 、て、 Υ ' 2 (ζ) = Υ ' 2 (ζ) + Υ ' 2 (ζ)を計算す ると、下記の式（18)を得ることができる。
[0103] [数 15] k(NHj〕}]
Figure imgf000025_0001
(1 8)
[0104] この式を観察すると明らかなように、前記式 (6)には存在していた折り返し像を発生 させる第 2項が存在せず、正規の像を表わす第 1項のみ力 なっている。即ち、前記 式（ 12)及び前記式（ 13)の第 3番目の式に基づ 、て、 Y ' (z)及び Y ' (z)が計算でき
C S
れば、折り返しのない断層像が得られることになる。また、 OFDR— OCT法では発生 するノイズフロア B (z)も発生しな!、。
[0105] 〈2〉必要なデータの取得法
前記式（12)及び前記式（13)で計算するために測定しなければならな!/、値は、 2 (I I ) 1/2 X cos (k · 2し)及び 2 (I I ) 1/2 X sin (k · 2L)である。既に述べたように、 2 (11 ) 1 2 r s 1 r s l r s
X cos (k - 2L)は、本発明者等が既に提案している OFDR— OCTにおいても測定さ れるものなので、 2 (Π ) 1/2 X sin (k · 2L)を求めることができれば折り返しのな 、断層
r s 1
像が構築できる。
[0106] 図 1に 2 (1 1 ) 1/2 X sin (k ' 2L)を測定するための装置構成を示す。図 21に示した OF
r s l
DR OCT装置との主な相違点は、干渉光の位相をシフトする位相シフト手段である 光位相変調器 14を参照光の光路に設けたことである。このような装置構成によれば、 参照光に位相変調 φを与えることにより、差動増幅器 17による出力を下記の式（19) のようにすることができる（下記式（ 19)で表される理由は後述する。 )。
[0107] [数 16]
Figure imgf000025_0002
つまり、前記式（19)から明らかなように、位相変調量 φを制御することによって、 φ = 0 (rad、ラジアン）の場合には、従来の OFDR— OCTで用いていた値 2 (11 ) 1/2 X os (k · 2L)が得られ、 φ =— π Z2 (rad、ラジアン）の場合には、新たに求めなけれ ばならない 2(11) 1/2 X sin (k'2L)を得ることができる。従って、図 1に示すような装置 r s
を用いれば、折り返しのない断層像を構築することが可能になる。
[0109] 〈3〉式（19)の導出
干渉信号に位相変化を与えるためには、干渉計で二分割された光路の一方に光 位相変調器を設ければょ ヽ。干渉信号に位相差力 Sもたらされる過程及びその値は、 干渉計の構造や、光位相変調器がどちら側の光路に挿入されるか等によって異なる 。ここで、合波器及び分波器に方向性結合器を用いたマツハツヱンダ干渉計につい て説明する。
[0110] 図 3は、方向性結合器の作用説明図である。第 1の光導波路 71及び第 2の光導波 路 72を伝播する光 A, Bに関する振幅強度の z方向依存性を表す式 A (z)及び B (z) は、下記の式（20), (21)で表すことができる。なお、時間依存項 ejffltは省略した。
[0111] [数 17]
A(z) cos rz + j sin Ao-jySinrz-Bc xe iAz
(20)
B(z). sin^z ·Α0 + cos z ~J - sin Bo x e (21)
[0112] ここで、 A及び Bは A(z), B(z)の初期値であり、第 1, 2の光導波路 71, 72のそれ
0 0
ぞれの伝播定数を ι8 , β とし、モード結合定数を Κとすると、下記の式（22), (23)
1 2
が成り立つ。
[0113] [数 18]
Figure imgf000026_0001
(23)
[0114] 方向性結合器では、通常、 Δ =0であるため、 γ = κとなる。従って、前記式（20) 及び前記式（21)は、下記の式（24), (25)となる。
[0115] [数 19] A(z) - cos z ' A0~j sin z'Bo (24)
B(z) =-jsin z m A0+ cos /< Z'BQ (25)
[0116] まず、図 1において、方向性結合器力もなる第 2の力ブラ 13によって分波される測 定光及び参照光の位相差について検討する。第 2の力ブラ 13には、入力端の一方 に可変波長光発生装置 11からの光が入力され、他方の入力端には何も入射されな い。従って、可変波長光発生装置 11からの光を Bとすると、 A =0となり、前記式 (2
0 0
4)及び前記式（25)は下記の式 (26) , (27)のようになる。
[0117] [数 20]
A(z) - -ゾ sin Kz ■ B0 = sin K z ·Β0 eJ 2 (26)
B(z) - cos Cz■ B0 (27)
[0118] 前記式（26)及び前記式（27)を観察すると、第 2の光導波路 72から出力される光 B
(z)は、第 1の光導波路 71から出力される光 A (z)より位相が πΖ2進んでいることが 分かる。従って、図 1において、方向性結合器力もなる第 2の力ブラ 13に入力する光 の初期値 A ', B 'は、下記の式（28), (29)で求められる値となる。
0 0
[0119] [数 21]
Α0' = e-jk (28)
[0120] 次に、第 3の力ブラ 13の入出力特性を求める。第 3の力ブラ 13は、方向性結合器か らなる 3dB力ブラである。方向性結合器では、出力端力 = πΖ4 κとなるようにする ことにより 3dB力ブラを実現している。従って、第 1, 2の光導波路 71, 72の出力は、 Α(π/4κ), Β(πΖ4κ)となるので、第 3の力ブラ 13の入出力特性は、下記の式（ 30), (31)で求められる値となる。
[0121] [数 22] A Ό-jB'o
A ( ) (30)
-jA'o+ΒΌ
B ( )ー- (31)
[0122] これらの式を導くためには、前記式（20)及び前記式（21)において、 ζ= πΖ4 κと すればよい。従って、図 1において、第 1の差動アンプ 17の入力が検知する光強度 (I , I )は、下記の式（32), (33)で求められる値となる（比例定数は省略、以下同じ。 )
[0123] [数 23]
Α'ο-Α'ο+Β'ο-Β'ο .Α'ο-Β'ο-ΑΌ-ΒΌ
1 + - ΑΦ· Α ( e +J-
(32)
Figure imgf000028_0001
(33)
[0124] なお、 *は複素共役を表わしている。
[0125] 従って、第 1の差動アンプ 17の出力は、下記の式（34)で求められる値となる。
[0126] [数 24]
I + -I-=J [Α'ο-ΒΌ- A'Q-B'O (34)
[0127] なお、図 1に示した装置では、第 1の差動アンプ 17の出力は logをとっている力 こ れは可変波長光発生装置 11の出力変動を第 2の差動アンプ 18によって補正するた めである（詳細は後述する。）。
[0128] 最後に、前記式（34)に前記式（28)及び前記式（29)を代入すると、下記の式（35 )が求められる。
[0129] [数 25] し- 1— 二』、 A '0 -B'o- A 'ο -Β'ο) = J k, (Lr-Ls -J -0j - 2- J s cos k; (Lr-Ls ) +
Figure imgf000029_0001
[0130] ここで、 L -L = 2Lなので、波数 kにおける第 1の差動アンプ 17の出力 I (k , φ )は 下記の式（36)で求められる値となる。
[0131] [数 26]
Kki. Φ)二
Figure imgf000029_0002
cos(2L xki+ ) (36)
[0132] この式（36)は、前記式（19)と一致する。
実施例 1
[0133] 〈装置構成〉
図 1, 2は、本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィ装置を断層撮影装 置に適用した場合の実施形態の概略構成図である。測定対象は、従来技術で述べ た OFDR— OCT装置と同様に人の前眼部である。
[0134] 図 1に示すように、例えば、超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装 置 (例えば非特許文献 3等参照)のような、波長を変化させながら光を出射できる可 変波長光発生手段である可変波長光発生装置 11の光出射口は、光を二分割 (例え ば 90： 10)する方向性結合器等力もなる第 1の力ブラ 12の光受入口に光学的に接続 している。この第 1の力ブラ 12の一方側（分割割合 90%側）の光送出口は、光を二分 割（例えば 70： 30)する方向性結合器等力もなる分波手段である第 2の力ブラ 13の 光受入口に光学的に接続して 、る。
[0135] 前記第 2の力ブラ 13の一方側（分割割合 70%側）の光送出口は、オプティカルサ ーキユレータ 15の光受入口に光学的に接続している。この第 2のカプラ 13の他方側 (分割割合 30%側）の光送出口は、位相シフト手段である光位相変調器 14の光受 入口に光学的に接続している。この光位相変調器 14の光送出口は、光を二分割（例 えば 50： 50)する方向性結合器等力もなる合波手段である第 3の力ブラ 16の一方の 光受入口に光学的に接続している。なお、光位相変調器 14としては、例えば、 LN位 相変調器とその制御装置力もなるものが適用可能である。
[0136] 前記オプティカルサーキユレータ 15は、上記第 3のカプラ 16の他方の光受入口に 光学的に接続すると共に、測定ヘッド 40に接続している。この測定ヘッド 40は、支持 具 50に設けられた可動ステージ 51に取り付けられると共に、図 2に示すような構造と なっている。
[0137] 図 2に示すように、上記測定ヘッド 40は、前記支持アーム 50の前記可動ステージ 5 1に支持されて先端側の周壁の一部に入出光窓 41aを形成した本体筒 41と、上記 本体筒 41の内部の基端側に配設されて前記オプティカルサーキユレータ 15と光学 的に接続されたコリメートレンズ 42と、上記本体筒 41の内部の先端側に配設されて その配向方向を変更できる走査移動可能なガルバノミラー 43と、上記本体筒 41の内 部の上記コリメートレンズ 42と上記ガルバノミラー 43との間に配設されたフォーカシン グレンズ 44とを備えている。また、前記支持具 50には、被験者の眼 100を水平方向 に向けたままの状態で被験者の顔を座位で固定支持する支持アーム 52, 53が設け られると共に、細隙灯顕微鏡 60が取り付けられており、測定ヘッド 40は、細隙灯顕微 鏡 60からのスリット光 (細隙光）照射系を外して空いた空間に取り付けられて、細隙灯 顕微鏡 60の位置合わせ機能を利用することによって、被検者の眼 100の所望の位 置近くに測定光を誘導することができるようになって 、る。
[0138] つまり、オプティカルサーキユレータ 15力も測定ヘッド 40の本体筒 41内部のコリメ 一トレンズ 42に入射した測定光は、平行ビームに成形されてフォーカシングレンズ 4 4で集光された後、ガルバノミラー 43を介して本体筒 41の前記入出光窓 41 aから出 射し、眼 100に照射されて反射 (又は後方散乱)した信号光は、本体筒 41の入出光 窓 4 laから内部に入射し、ガルバノミラー 43で反射してフォーカシングレンズ 44及び コリメートレンズ 42を介して本体筒 41の基端側力も前記オプティカルサーキユレータ 15に入射するようになって!/、るのである。
[0139] このような本実施形態においては、オプティカルサーキユレータ 15、測定ヘッド 40 等により、測定対象である眼 100に測定光を照射すると共に、眼 100によって反射又 は後方散乱された信号光を捕捉することができるようにした、測定光の照射手段と信 号光の捕捉手段とを兼用する照射'捕捉手段を構成している。 [0140] 図 1に示すように、前記第 3の力ブラ 16の一方側及び他方側の光送出口は、光検 出機能を有する第 1の差動アンプ 17の光受入口に光学的に接続している。第 1の差 動アンプ 17の Log出力部は、入力された信号強度の変動を補正演算する第 2の差 動アンプ 18の一方の入力部に電気的に接続している。他方、前記第 1の力ブラ 12の 他方側 (分割割合 10%側）の光送出口は、光検出器 19の光受入口に光学的に接続 している。光検出器 19の出力部は、 Logアンプ 20の入力部に電気的に接続している 。 Logアンプ 20の Log出力部は、前記第 2の差動アンプ 18の他方の入力部に電気 的に接続している。
[0141] 前記第 2の差動アンプ 18の出力部は、コヒーレンス干渉波形、即ち、後方散乱強度 分布を合成する演算制御装置 21の入力部に図示しないアナログ Zデジタル変換機 を介して電気的に接続している。この演算制御装置 21の出力部は、前記可変波長 光発生装置 11、前記光位相変調器 14及び演算結果を表示するモニタやプリンタ等 の表示装置 22の入力部に電気的に接続すると共に、前記測定ヘッド 40にも電気的 に接続しており（図示省略)、当該演算制御装置 21は、入力された情報に基づいて、 前記可変波長光発生装置 11、前記光位相変調器 14、前記測定ヘッド 40のガルバ ノミラー 43等を制御することができるようになって 、る。
[0142] なお、本実施形態では、第 1の差動アンプ 17、第 2の差動アンプ 18、光検出器 19 、 Logアンプ 20、演算制御装置 21、表示装置 22等により、測定手段及び特定手段 を構成している。
[0143] 前記第 1の差動アンプ 17の出力は、前述の「本発明の原理」で導出した式（36)の Logをとつたものとなる。一方、 Logアンプ 20の出力は、 loglに比例した値となるので 、第 2の差動アンプ 18の出力は、下記の式（37)で求められる値となる（定数項は省 略)。
[0144] [数 27]
Figure imgf000031_0001
なお、式（37)において、 logの中は、「発明の原理」で説明したように、反射面 205 が 1つの場合であるが、説明を簡単にするために、以後も反射面 205が 1つの場合に ついて考える。
[0146] 〈操作方法〉
まず、前記演算制御装置 21は、図 4の下方側に示すように、可変波長光発生装置 11から時間に対して波数を階段状に切り替えながら光を出射させる。演算制御装置 21は、可変波長光発生装置 11の波数走査の制御と同時に、光位相変調器 14も制 御する。光位相変調器 14は、演算制御装置 21からの信号に基づいて、可変波長光 発生装置 11の波数切り替えに同期して、図 4の上方側に示すように、参照光の位相 を O(md)と— Z2(md、ラジアン)との間で交互に変調する。即ち、波数保持期間 の前半分の期間は 0(rad、ラジアン）、後半部の期間は πΖ2(ι:&(1、ラジアン)だけ 参照光を位相変調する。
[0147] 第 2の差動増幅器 18は、各波数 kの保持時間の前半において、下記の式（38' )に 比例した信号を出力し、後半において、下記式（39' )に比例した信号を出力する。
[0148] [数 28] log{l(ki,0)}=iog cos(2L Xk, ) (38')
Figure imgf000032_0001
[0149] 前記式（38'), (39 ')で logを外すと、下記の式（38), (39)となる。
[0150] [数 29]
I(k 0) = -^ cos(2L Xki) (38)
!( - n(2L xk;) (39)
[0151] 即ち、 I(k, 0)は、波数に対して余弦関数となり、 I(k, - π/2)は、波数に対して 正弦関数となる。なお、上記 I (k, 0)のように、反射面 205が 1つだけの場合にその 強度が波数に対して余弦関数となる出力光の強度を「第 1の強度」とし、上記 I (k, πΖ2)のように、反射面 205が 1つだけの場合にその強度が正弦関 数 (又はその逆符号関数)となる出力光の強度を「第 2の強度」とする。
[0152] そして、上記出力光の強度をアナログ Zデジタル変 でデジタル信号に変換し、 演算制御装置 21に送信される。演算制御装置 21は、この値を k及び φ =0, — τι / 2と関連付けて記憶する。次に、演算制御装置 21は、ガルバノミラー 43を制御し、測 定対象の眼 100の表面上での可変波長光の照射位置を水平方向の 1直線上で僅か に移動させる。新たな照射位置に対しても、上述と同様な測定を行う。
[0153] 以上の操作を繰り返し行うことによって、断層像の構築に必要なデータを収集する（ 水平方向での走査点の数は、例えば 100点である。 )0測定終了後、演算制御装置 2 1は、収集したデータに基づいて、下記の式 (40)〜（42)に従って、測定点ごとの深 さ方向の反射強度又は後方散乱強度の分布 Y "2(z)を算出し、この分布に基づいて 、断層像を構築する。
[0154] [数 30]
N N
Yc(z) =∑ I i Cki.Oj xcosCk, xz) + Ii '一 Xs/n(k, XzJ (40)
N N
Ys(z) =∑ (k O) x sin(ki Xz) -∑ I, [ — j xcosCk^z) (41 )
Yt 2(z) = Y:2(z) + Y (z) (42)
[0155] 前記式 (40)〜 (42)は、前記式（12) , (13) , (18) , (38) , (39)を比較することに より容易に導くことができる。なお、前記式 (40)の右辺の第 1項は、波数に対して余 弦関数となる出力光の強度 (第 1の強度)をフーリエ余弦変換するものであり、第 2項 は、波数に対して正弦関数となる出力光の強度 (第 2の強度)をフーリエ正弦変換す るものである。また、前記式 (41)の右辺の第 1項は、波数に対して余弦関数となる出 力光の強度 (第 1の強度)をフーリエ正弦変換するものであり、第 2項は、波数に対し て正弦関数となる出力光の強度 (第 2の強度)をフーリエ余弦変換するものである。
[0156] 反射面又は後方散乱体が 1つの場合、 Y "2(z)が反射又は後方散乱強度の分布を
t
表すことは、式（12)〜（18)より明らかである。即ち、下記の式 (b)となる。
[0157] [数 31] Yt (z) = 4
Figure imgf000034_0001
[0158] 従って、以上の操作により折り返しのな 、断層像が得られる。
[0159] なお、反射面 (又は散乱体)が複数ある場合には、複数の反射面 (又は散乱体)か らの信号に対応した下記に示す項 (c)と無視できる程度に小さな項との和になる。こ こで、 2 は i番目の反射面に対する光路長差、 Nは反射面の数である。このことは、 簡単な計算によって導き出せる。従って、反射面 (又は散乱体)が複数存在する場合 であっても、折り返しのな 、断層像を得ることができる。
[0160] [数 32]
2
N I sin - 2 L]
x Ak
2 ' N x
X ( Ο
Z - 2 L
sin 'χ厶 k
2
[0161] 上述した例では、断層像を構築するため、 Y "2 (z)を求めている力 Υ " (ζ)のみを 求めて、その高周波成分を求めるようにすることも可能である。前記式 (14)から明らか なように、 Y " (z)は、高周波成分 k + ( Δ k (N+ 1) ) Z2を持って 、る。高周波成分を
0
除去するためには、高周波成分を除去しょうとしている位置 Zを中心として一定の範 囲内において、 Y "(z)、又は、 Y "(z)の絶対値を平均化すればよい。平均化する zの 範囲は、下記の値 (d)の数倍程度であればよい。なお、本節の最後に示 · wz 又は、 mY "(z) (式 (45)又は式 (46) )を求めて、その高周波成分を求めるようにするこ とも可能である。
[0162] [数 33]
2π
△k(N+1) (d)
κ0+
2
[0163] 図 5は、可変波長範囲を 1533. 17~1574. 14nm (波数幅 1. 07 X 10—ゝ m)とし 、波数の走査数を 400とし、 1ステップ当たりの波数保持時間を 1 μ sとして、厚さ 6m mのガラスを測定した場合の反射強度又は後方散乱強度の分布 Y "2(z)を算出したも のである。波数間隔は 2. 67 Χ 10—4 /ζ πιであり、この波数間隔 A kから決まる測定範 囲は 12mm(= π Ζ ΔΙ である。
[0164] 観察された 2つの反射面は、ガラスの表面及び裏面に対応する。観察された反射 面は 2つだけであり、折り返し像が発生していないことが分かる。対比のため OFDR OCT法でも測定してみた力 この場合には、図 6に示すように、折り返しを生じて 反射面が 4つ観測された。
[0165] 上述した例では、 φ =— π /2として断層像を得るために Υ "2(ζ)を算出しているが
、 φ = π Z2としても折り返しのない断層像を構築することができる。即ち、前記式 (4 0)及び前記式 (41)の右辺の第 2項の前にある「 +」又は「一」を逆にすればよ!、ので ある。また、 φ =2ηπ士 π Ζ2(ただし、 η= ± 1, ±2· · ·)であってもよいことは明ら かである。
[0166] なお、 φ = (2η+ 1) · π、及び、 φ = (2η+ 1) · π ± π
2 Ζ2(ただし、 η=0, ± 1,
1
± 2· · となるような二種類の位相変調を施し、以上の例とは逆符号の出力を得るよ うにすることも可能である。その場合には、出力の符号を逆転してから信号処理をす ればよいのであって、符号が反転していない場合と何ら本質的な相違はない。このよ うなものも、本発明の 1実施形態である。即ち、全ての出力の符号が反転するような上 述の場合も、正負の符号の逆転はあるが、出力光の強度が余弦関数又は正弦関数 となる場合に含まれる。また、双方の出力の符号を逆転して力 フーリエ余弦変換及 びフーリエ正弦変換することも、フーリエ余弦変換及びフーリエ正弦変換することに 含まれる。
[0167] なお、断層像を構築するために、 Υ "2(ζ) =Υ "2(ζ) +Υ "2(ζ)を算出する場合、出 力の符号を逆転して力 信号処理をする必要はな 、。
[0168] 本実施形態では、光位相変調器 14を参照光の光路 (第 2の光路）に配設したが、 信号光や測定光の光路 (第 1の光路）に配設することも可能である。その場合には、 前記式（19)は、下記に示す式 (e)となるので、前記式 (40)〜 (41)を用いる場合、 即ち、正弦関数となる出力光の強度を利用する場合には、例えば、 φ = π Ζ2とする 。また、 φ = π Ζ2として、正弦関数を逆符号にした出力光の強度を利用する場合に は、式 (40) , (41)の右辺の第 2項の前にある「 +」又は「一」を逆にすればよい。 [0169] [数 34]
Id (ki ) = 2 1Hi cos(2L x kr ) (e)
[0170] また、信号光や測定光の光路 (第 1の光路)と参照光の光路 (第 2の光路)との双方 に光位相変調器 14をそれぞれ配置することも可能である。この場合には、各光位相 変調器 14による位相変調量を φ 及び φ とすると、 I (k)=2(ll)12cos(2L-k+
1 2 d i r s i 2
— Φ で、 Φ
1 )となるの
1及び Φ
2を適宜選定することにより、所望の位相差を得ることが できる。
[0171] また、前記式 (40) (42)に対応する複素数表示を用いても断層像を構築すること ができる。即ち、収集したデータ力も下記に示す式 (43)を算出して、その絶対値を 求めるようにすることも可能である。
[0172] [数 35]
Ν
Υ ζ) =∑ (i ,0)-jxl, [k,, e (43)
[0173] つまり、反射面が 1つの場合には、下記に示す式 (43')となり、下記に示す式 (44) の関係となるのである。
[0174] [数 36]
Figure imgf000036_0001
[0175] なお、前記式 (43), (44)は、三角関数を用いた前述の計算過程と表現方法が異 なるだけであって本質的に異なることはなぐ前記式 (43) , (44)を計算しょうとすると 、前記式 (40) (42)と同じ計算をすることになる。
[0176] 上述した例では、前記式（10)及び前記式（11)のように、 k X (z- 2L)に対する余 弦関数及び正弦関数の総和を求めることによって、断層像に折り返しが発生すること を防止したが、 k X (z + 2L)に対する余弦関数及び正弦関数の総和を求めてもよい ことは明らかである。ただし、この場合、得られる像は、原点に対する鏡像となる。なお 、前記式 (40)及び前記式 (41)に対応する式は、下記の式 (45) , (46)となる。
[0177] [数 37] m „ N N
γο ) =λ K .Oj cosCk, xz)-∑i - \ Xsin(k;, xz) (45)
Ys (z) =∑ Ii CkiM xsi^k^z) ^∑ iiki r - ^ ] xCos(kh ><z) (46)
,一/ - / V
[0178] 本実施形態では、波数の 1ステップの中で位相を変化させるようにした力 位相を 固定し、波数走査を 1回行った後に位相を変化させて、再度同じ波数走査を行うこと も可能である。
[0179] 本実施形態では、波数の走査を階段状に行うようにしたが、走査の順番は必ずしも 階段状である必要はなぐ所定の時間内に必要な波数を全て走査するようにすれば よい。例えば、波数が階段状に漸次増加するものだけでなぐ漸次減少するものや、 断層像の構築に必要な波数をランダムに全て走査するものであってもよい。
[0180] 本実施形態では、可変波長光発生装置 11において、波数を一定時間保持するよ うに時間に対して不連続的 (離散的）に変化させて各保持時間毎に干渉光の強度を 測定するようにしたが、波数を連続的に変化させて所定の波数になるごとに干渉光の 強度を測定するようにすることも可能である。
[0181] 本実施形態では、干渉計としてマツハツヱンダ干渉計を用いるようにしたが、使用可 能な干渉計は、このようなタイプに限られるものではなぐ例えば、マイケルソン干渉 計等のようなその他の干渉計も使用可能である。なお、マイケルソン干渉計を用いた 場合には、可変波長光を分波する手段と信号光及び参照光を合波する手段とが同 一となる。
[0182] 本実施形態では、オプティカルサーキユレータ 15を用いることにより、測定光の出 射案内と信号光の入射案内とを同一の光路で実施できる測定ヘッド 40を適用するよ うにしたが、例えば、オプティカルサーキユレータを省略して、測定ヘッドの本体筐体 の内部に二本の光ファイバを並列に設けて、一方の光ファイバで測定光の出射を案 内し、他方の光ファイバで信号光の入射を案内できるようにすることも可能である。
[0183] 本実施形態では、光位相変調器 14により参照光の位相を動的に変化させるように したが、例えば、参照光の光路を二分割して、位相を静的にシフトさせる位相シフト 手段 (例えば、位相を固定した位相変調器)を一方の光路に配設するようにすること も可能である。なお、この場合には、二分割した参照光を信号光とそれぞれ合波する 必要があるため、信号光も二分割して、分割した参照光と信号光とをそれぞれ 1対 1 で合波するようにする。このとき、分割した参照光の双方の光路長を等しくすると共に 分割した信号光の双方の光路長を等しくしておく。このようにすると、波数に対して余 弦関数となる干渉信号と波数に対して正弦関数となる干渉信号とを同時に得ることが できる。シフトさせる位相は、例えば π Ζ2である。ここで、上記光を分割する手段とし て方向性結合器を適用した場合には、分割直後の光の間に位相差 π Ζ2を生じるの で、この影響を考慮して信号処理を行う必要がある。ただし、合波の仕方によらず、 二つの干渉光は、一方が余弦関数となり、他方が正弦関数となる (符合が逆の場合も 含めて。）。
[0184] また、位相シフト手段として、例えば、方向性結合器等のように、分割後の光に位相 差 π Ζ2を生じさせる光学部品等を適用することも可能である。このような光学部品等 を信号光の光路や参照光の光路に適宜設けることにより、合波された光の位相差を 例えば π Ζ2とすることができ、波数に対して余弦関数及び正弦関数として変化する 干渉光を得ることができる。
[0185] 《Β》第 2オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置
(I)ダイナミックレンジ劣化の原因
(a)考えられるノイズフロアの発生原因
現実の測定においては、上述した測定原理に基づくノイズフロアだけでなぐ以下 に示す種々のノイズによってもノイズフロアを発生しうる。
(1)熱雑音
通常、アンプの熱雑音が問題となる。
(2)ショットノイズ
電流が電子の電荷素量で量子化されていることによるノイズ
(3) AZDボードの量子化ノイズ等
、4) RIN (relative intensity noise)
波数の切り替えにともなうレーザ光強度の揺らぎ、波数の設定値からの揺らぎ、干 渉計の機械的'熱的な揺らぎ等による測定光強度や参照光強度の揺らぎによって生 じるノイズ
(5)干渉ノイズ
意図しない参照光の反射によってもたらされる参照光自身の自己干渉、意図しない 測定光の反射によってもたらされる参照光との干渉等
[0186] (b)ノイズフロア発生原の解明
本発明者等は、詳細に検討した結果、上記（1)〜(4)は、上記ノイズフロア（以下、 「過大ノイズフロア」と呼ぶこととする。）の主たる発生原因ではな 、ことを突き止めた。 残る原因としては（5)の干渉ノイズが考えられる。
[0187] 参照光及び測定光の反射は、図 21に示す装置を構成する光学部品の接続点す ベてにおいて起こり得るものであり、その特定は容易ではない。
[0188] し力しながら、本発明者等は、以下に示す通り、鋭意検討した結果、発生源の特定 することに成功した。
[0189] (1)ステップ 1 :反射光発生点の特定
まず、測定系を構成する各光学部品の前後に適宜アイソレータを挿入し、反射光 発生点の特定を試みた。図 9に実験装置の概要を示し、その構成を簡単に説明する 。実験装置においては、可変波長光発生装置 101の光出射口に、光を 2分割する力 ブラ 102を光学的に接続し、分割された一方側の光路 103を、サーキユレータ 105を 介して、力ブラ 106へ光学的に接続し、分割された他方側の光路 104を、直接力ブラ 106へ光学的に接続する。サーキユレータ 105から供給される光は、コリメータレンズ 107、ガルバノミラー 108、フォーカシングレンズ 109を経て、サンプル 110に照射さ れ、サンプル 110から反射（後方散乱）された光は、再び、フォーカシングレンズ 109 、ガルバノミラー 108、コリメータレンズ 107を経て、カプラ 106へ入力される。そして、 光を合波する力ブラ 106からの 2つの光路を、フォトレシーバ 111に光学的に接続し て、その出力を AZD変 112にて変換して、コンピュータ 113へ入力し、コンビュ ータ 113により可変波長光発生装置 101の出力を制御している。
[0190] 最初に、アイソレータを図 9に示す位置 a〜gに順次挿入し、ノイズフロアの変化を観 察した。 aでは変化なし、 bと cにペアで挿入しても変化なし、 dと eにペアで挿入しても 変化なし、 fと gにペアで挿入することにより数 dBのノイズフロアの減少が見られた。こ れは、フォトレシーバ 111内（図 21の第 1差動増幅器 177に相当）のディテクタ力もの 反射光をアイソレータがブロックした結果と考えられる。
[0191] (2)ステップ 2: RINの部分的除去
図 21において、第 3力ブラ 176を分割比 50 : 50にし、第 1差動増幅器 177を用いる 方法は、バランス検出法として知られ、信号の直流成分を除去し、（1)の干渉信号の みを取り出すための効果的な方法として知られている。しかし、第 3力ブラ 176の分割 比を厳密に 50 : 50とすることはできず、わずかなずれがノイズフロアを増大させる。そ こで、図 9での位置 fと gの出力の直流成分がわずかに大きい側の f又は gの位置に可 変減衰器 (アテネータ 114)を挿入し（図 10参照）、減衰量を調整したところ、数 dBの 改善が見られた。
[0192] しかし、依然ノイズフロアは大きぐ参照光や測定光の反射に起因する干渉ノイズ以 外にも何らかのノイズ発生源が存在することが示唆された。
[0193] (3)ステップ 3 :クロストーク光の影響
その後、鋭意検討を進めた結果、遂にサーキユレータ 105の光受入口と光送出口 の間に残存していたクロストーク力 上記過大ノイズフロアの主たる発生源であること を突き止めた。
[0194] 以下に、その解明過程を示す。
[0195] 図 11のように、サーキユレータ 105から測定対象（サンプル 110)に至る光路におい て、コリメーター 107から先の部分を外し (光コネクタ（115a、 115b)を取り外す。）、ノ ィズフロアの変化を観察した。この状態では、試料光の光路 (測定光、信号光の光路
、即ち光路 103と、サーキユレータ 105を経由し試料 110に至り試料 110により反射 され再度サーキユレータ 105を経由して力ブラ 106に至る光路）が遮断され、力ブラ 1 06からなる合波手段には信号光が到達しないので、本来ならばノイズフロアは発生 しないはずである。しかし、驚くべきことに、このようにしてもノイズフロアは減少しなか つた。この現象を説明するため、サーキユレータ 105の光受入口 hから入射した測定 光の一部が、光送出口 jに漏れて漏洩光 (クロストーク光）となり、この漏洩光 S1と参 照光 S 2とが干渉して、ノイズフロアを形成して 、るではな 、かとの仮説を立てた。
[0196] そこで、試料光の光路を確実に遮断するため、サーキユレータ 105の後に配置した 光コネクタ 116を外して、ノイズフロアの変化を観察した。結果は、ノイズフロアが十数 dBも減少し、上記仮説が裏付けられた。
[0197] OCT装置において、このような現象（測定光が信号光の光路へ漏れることによって ノイズフロアが発生するという現象）が報告された例はかってな力 た。従って、過大 ノイズフロアの発生原因として、サーキユレータ 105のクロストーク光を予見することは 当業者にとって極めて困難であり、本発明者等の洞察力によって初めて解明された 現象と確信する。
[0198] (II)干渉の除去
(1)サーキユレータ自体のクロストークの低減
クロストーク光の影響を除去するためには、サーキユレータ 105の性能をあげクロス トークを無くせばよい。使用したサーキユレータはファイバ光学系を組み立てる際、よ く用いられるものであり、そのクロストークは、 50〜60dBであった。クロストーク 60dB 以上のサーキユレータに替えたところ、ノイズフロアは減少した。従って、クロストーク 力 S60dB以上、好ましくは 70dB以上、更に好ましくは 80dB以上のサーキユレータを 用いること力 1つの解決策と考えられる。
[0199] (2)可干渉距離を考慮した装置構成
し力し、サーキユレータ 105のクロストークを少なくすることは容易ではない。そこで、 本発明者等は、サーキユレータ 105でクロストーク光が発生してもノイズフロアの形成 には寄与しな 、ような装置を探求することとした。 [0200] そのためには、クロストーク光と参照光が干渉しない手段を構築することが最も効果 的と考え、幾つか方法を試みた。その中でも、クロストーク光側 (試料光側）の光路長 と参照光 S2の光路長の差を、可変波長光発生装置 101 (例えば、 SSG— DBRレー ザ光等の半導体レーザ)の可干渉距離よりも長くすることが、もっとも簡便で有効であ ることを本発明者等は見出した。
[0201] 具体的には、図 12のように参照光 S2の光路 mn間に、半導体レーザの可干渉距離 に匹敵する長さ 7m (光路長（光学長） 10m)の光ファイバ 118を挿入した。又、試料 光の光路と参照光 S2の光路の光路長の調整するため、サーキユレータ 105の光受 口 Z光送出口 先の kl間には、 mn間に挿入した光ファイバ 118の半分の長さ（3 . 5m)の光ファイバ 117を挿入した。この結果、ノイズフロアが 15dB減少した。このよ うにノイズフロアが大幅に減少し、測定に用いたレーザの揺らぎ、即ち、 RINの観測 が可能になった。このことは、もはや干渉ノイズがノイズフロア発生の主たる原因では ないことを示している。このような大幅なノイズフロアの低減は、測定可能範囲を大幅 に拡大するものである。
[0202] なお、挿入する光ファイバの好ましい長さは、光源として用いる可変波長の半導体 レーザの可干渉距離によって決まる。半導体レーザのレーザ光の可干渉距離は、干 渉計、例えば、図 13のようなマイケルソン干渉計を用いて測定することができる。マイ ケルソン干渉計に入射する光の電界を E (t)、遅延時間を τとすると、光検出器 121 の出力 iは、以下の式 (47)のようになる。
d
[0203] [数 38] id oc E2 + E(t) - E(t + x) … (47)
但し、 E2≡E2(t) = E2(t + T) とする。
[0204] ここで、文字式の上に付けたバーは時間平均を意味する。又、遅延時間ては、ノ、 一フミラー 122とミラー 123の距離 L及びハーフミラー 122と可動ミラー 124の距離 L
1 2 から、以下の式 (48)によって求めることができる。
[0205] [数 39]
2|L, -LJ
τ = ^ ■■■ (48) [0206] ここで、 cは光の速度を表す。
[0207] 式 (47)は、 τに依存しない成分と依存する成分からなっている。 τに依存する成 分を、 C ( τ )とすると以下の式 (49)で表されることが知られて 、る。
[0208] [数 40]
C(T) OC 2 cos(ro0x) εχρ(-τ / τ0 ) · · · (49)
[0209] ここで、 ωは光の角周波数、パラメータ τ はレーザ電磁界のコヒーレント時間と呼
0 c
ばれている。
[0210] C ( τ )は干渉成分を表す項であり、式 (48)及び式 (49)から、 C ( τ )の包絡線は、 試料光路と参照光路の差「2 · I L — L
1 2 I」に対して指数関数的に減少することが分 かる。そこで、本発明では、 C ( τ ) (遅延時間 τに依存する干渉信号成分)が C (0) の半分になる際の光路長の差「2 · I L — L I」を可干渉距離と定義することとする。
1 2
[0211] 以上のように定義すると、 mn間に挿入する光ファイバ 118の光学長の値としては、 可干渉距離 (全走査波数の可干渉距離の中で最大のもの。以下、同じ。）が望ましく 、更に好ましくは可干渉距離の 2倍、更には 4倍、更には 8倍、更には 16倍が望まし い。なお、上記好ましい値は、 mn間にファイバを挿入しない状態では、試料光の光 路と参照光 S2の光路との光路長の差はないもとした場合の値である。
[0212] SSG— DBRレーザで実際にノイズフロアが効果的に低減できる値を確認したところ 、挿入する光ファイバの光路長 (光の道筋に沿った長さに屈折率を乗じた値。場所に より、屈折率が異なる場合には、各部分の長さに、その部分の屈折率を乗じたものの 総和。）の好ましい値は、 mn間で 5m以上（kl間： 2. 5m以上）、更に好ましくは mn間 で 10m以上（kl間： 5m以上）、更に好ましくは mn間で 20m以上（kl間： 10m以上）、 更に最も好ましくは mn間で 40m以上（kl間： 20m以上）であった。 SS
G— DBRレーザの可干渉距離は、半導体としては典型的なものであり、他の半導体 レーザ力もなる可変波長レーザでも好ま 、値は、略同じ値となる。
[0213] (3)信号光と参照光が同時に到達しない装置構成
クロストーク光を参照光と干渉させない手段 (干渉防止手段）としては、上記光路長 を調整する手段以外にも、可変波長光を干渉計内で間歇的に走行させ、クロストーク 光が力ブラ 106に到達した時には参照光が消灯している力 信号光が到達した場合 には参照光が点灯するようにした手段も適用可能である（間歇消灯手段)。可変波長 光を間歇的に走行させるためには、 SSG— DBRレーザ 101とカプラ 102の間に光変 調器、例えば、マッハツエンダ変調器 (波長チヤープが生じないものが好ましい。）を 配置すれば良い。
実施例 2
[0214] 図 14は、本発明者等が開発したノイズフロアを低減させた OFDR— OCT断層像撮 影装置である。測定対象は人の前眼部である。
[0215] 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手段である可変波長光発生 装置 131の光出射口を、光を 2分割（例えば、 90 : 10)する方向性結合器等力もなる 第 1力ブラ 132の光受入口に光学的に接続する。
[0216] 方向性結合器等からなる第 1力ブラ 132の一方側（分割割合 90%側）の光送出口 は、光を 2分割 (例えば、 70 : 30)する方向性結合器等からなる分割手段である第 2 力ブラ 133の光受入口に光学的に接続している。つまり、可変波長光発生装置 131 からの出力光を測定光側 (分割割合 70%側)と参照光側 (分割割合 30%側）に分割 している。
[0217] 第 2力ブラ 133の一方側（分割割合 70%側）の光送出口は、サーキユレータ 135 (ク ロストーク 50〜60dB)からなる進行方向制御手段の光受入口に光学的に接続して いる。この第 2力ブラ 133の他方側（分割割合 30%側）の光送出口は、光を 2分割（例 えば、 50 : 50)する方向性結合器等からなる合波手段である第 3力ブラ 136の光受入 口に光学的に接続している。
[0218] サーキユレータ 135の光送出 Z光受入口は、測定光と信号光が逆方向に走行可能 な双方向性光路となる光ファイバ 143を介して、図 15に示すような測定ヘッド 150に 接続されており、サーキユレータ 135の光送出口は、第 3力ブラ 136の光受入口に光 学的に接続されている。つまり、サーキユレータ 135においては、第 2力ブラ 133によ り分割された測定光が光受入口に入力され、入力された測定光が光送出 Z光受入 ロカも光ファイバ 143に出力されると共に、光ファイバ 143からの信号光が光送出 Z 光受入口に入力され、入力された信号光が光送出口力 第 3力ブラ 136へ出力され ている。
[0219] 又、上記測定ヘッド 150は、測定光を測定対象に照射する手段 (測定光照射手段) であると共に、測定対象である眼 166によって測定光が反射又は後方散乱された信 号光を捕捉する手段 (信号光捕捉手段)としても機能する (測定光照射 Z信号光捕 捉手段)。
[0220] 詳細には、図 15に示すように、測定ヘッド 150は、支持具 160に支持された可動ス テージ 161上に設けられており、可動ステージ 161に支持され、先端側の周壁の一 部に入出光窓 15 laを形成した本体筒 151と、本体筒 151の内部の基端側に配設さ れると共にサーキユレータ 135と光学的に接続され、光ファイバ 143を通ってきた測 定光を平行ビームに整形するコリメートレンズ 152と、本体筒 151の内部の先端側に 配設され、その配向方向を変更して、測定光を水平方向に走査することが可能なガ ルバノミラー 153と、本体筒 151の内部のコリメートレンズ 152とガルバノミラー 153と の間に配設され、平行ビームを前眼部に集光するフォーカシングレンズ 154とを備え ている。
[0221] 又、支持具 160には、被験者の眼 166を水平方向に向けたままの状態で被験者の 顔を座位で固定支持する支持アーム 162、 163が設けられると共に、照射位置確認 手段である目視確認用の顕微鏡 165が取り付けられている。すなわち、測定ヘッド 1 50は、通常、眼科診断に用いられている細隙灯顕微鏡からスリット光 (細隙光）照射 系を外して空いた空間に取り付けられている。そして、細隙灯顕微鏡の位置合わせ 機能を利用することによって、被検者の眼 166の所望の位置近くに測定光を誘導す ることができるようになって!/、る。
[0222] つまり、サーキユレータ 135の光受入口に入力された測定光は、サーキユレータ 13 5の光送出 Z光受入口力も測定ヘッド 150の本体筒 151内部のコリメートレンズ 152 に入射し、平行ビームに整形されてフォーカシングレンズ 154で集光された後、ガル ノ ノミラー 153を介して本体筒 151の入出光窓 151aから出射し、眼 166に照射され る。眼 166に照射された測定光は、眼 166により反射 (又は後方散乱)されて信号光 となり、反射 (又は後方散乱)された信号光は、本体筒 151の入出光窓 151aから内 部に入射し、ガルバノミラー 153で反射し、フォーカシングレンズ 154、コリメートレン ズ 152を経由して、本体筒 151の基端側からサーキユレータ 135の光送出/光受入 口に入射する。そして、入射された信号光は、サーキユレータ 135の光送出口から出 力されて、第 3力ブラ 136に入力され、第 3力ブラ 136において、信号光と参照光が合 波されると共に 2分割（例えば、 50： 50)されて出力される。
[0223] 実施例 2においては、第 2力ブラ 133と第 3力ブラ 136の間にある参照光路 (分割比 30%)の光路長が、第 2力ブラ 133とサーキユレータ 135間の光路長及びサーキユレ ータ 135と第 3力ブラ 136間の光路長との和より、可変波長光発生装置 131の最大可 干渉距離 10mだけ長くなるように、参照光の光路を構成する光ファイバ 144の長さが 調節されている。つまり、光ファイバ 144の長さを適切に調節することで、サーキユレ ータ 135の光受入口から光送出口へ直接漏洩した測定光の漏洩光と参照光との干 渉を防止することになる (干渉防止手段)。
[0224] 又、サーキユレータ 135と測定対象との間の光路長が可変波長光発生装置 131の 最大可干渉距離の半分 5mに等しくなるように、サーキユレータ 135と測定対象との 間の光ファイバ 143の長さを調整する。これは、第 2カプラ 133とサーキユレータ 135 間の光路長及びサーキユレータ 135と第 3力ブラ 136間の光路長との和と、光フアイ ノ 144を除いた第 2力ブラ 133と第 3力ブラ 136の間にある参照光路 (分割比 30%) の光路長とが等しい場合に、光ファイバ 143の光路長を、光ファイバ 144の光路長の 半分に設定すれば、第 2力ブラ 133からサーキユレータ 135、光ファイバ 143を経由 して測定対象（眼 166)に至る測定光の光路長と測定対象（眼 166)から光ファイバ 1 43、サーキユレータ 135を経由して第 3力ブラ 136に至る信号光の光路長との和と、 第 2力ブラ 133と第 3力ブラ 136の間の参照光の光路長と略等しくすることを意味する
[0225] 又、図 14に示すように、第 3力ブラ 136の一方側の光送出口（第 1出力口）は、反射 防止手段となるアイソレータ 145、調整手段となる可変アテネータ 147を介して、光の 強度を検出する光検出機能を有する第 1差動増幅器 137 (測定手段)の光受入口（ 第 1入力口）に光学的に接続している。又、第 3力ブラ 136の他方側の光送出口（第 2 出力口）は、反射防止手段となるアイソレータ 146を介して、第 1差動増幅器 137の 他の光受入口（第 2入力口）に光学的に接続している。つまり、第 1差動増幅器 137と 第 3力ブラ 136の間にアイソレータ 145、 146挿入することで、第 1差動増幅器 137か ら反射された光が第 3力ブラ 136の光送出口に戻ることを防止している。そして、第 1 差動増幅器 137の Log出力部は、入力された信号強度の変動を補正演算する第 2 差動増幅器 138の入力部に電気的に接続している。
[0226] 他方、第 1力ブラ 132の他方側（分割割合 10%側）の光送出口は、光検出器 139 の光受入口に光学的に接続している。光検出器 139の出力部は、 Logアンプ 140の 入力部に電気的に接続している。 Logアンプ 140の Log出力部は、第 2差動増幅器 138の入力部に電気的に接続している。
[0227] 第 2差動増幅器 138の出力部は、演算制御装置 141 (特定手段)の入力部に、図 示しないアナログ Zデジタル変 を介して電気的に接続している。演算制御装置 141では、測定された光の強度から、測定光が反射又は後方散乱された位置と、そ の位置での反射強度又は後方散乱強度を求め、測定対象の奥行き方向（深さ方向） に対する後方散乱強度分布、即ち、コヒーレンス干渉波形を合成している。又、演算 制御装置 141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 142 の入力部に電気的に接続している。この演算制御装置 141は、入力された情報に基 づ 、て可変波長光発生装置 131及びガルバノミラー 153を制御することができるよう になっている。
[0228] 図 14においては、第 3カプラ 136の 2つの光出力口の何れか一方、具体的には、ァ イソレータ 145側に可変アテネータ 147 (可変減衰器）が挿入されている力 可変ァ テネータ 147が挿入される光路は、以下のように定められる。
[0229] 現実に使用し得る 3dB力ブラの分割比は完全には 50 : 50でない。又、差動増幅器 における光検出器の感度も 2つの入力の間で僅かに異なる。このため、図 16のように 、信号光の光路を 148a、 148bの位置で切断し、参照光のみが第 3カプラ 136に入 力するようにした場合、本来は、差動増幅機能を有する光検出器 (Auto-balanced ph otoreceiver)の出力は零となるはずである力 完全には零とならない。そこで、上記光 検出器の出力の正負から光信号が強く検知されている側の干渉光路を特定し、特定 した光路に可変アテネータ 147を挿入する。 [0230] そして、信号光の光路が 148a、 148bで切断された状態で、光検出器の出力が可 変アテネータ 147の挿入前より小さくなるように、可変アテネータ 147の減衰率を調 整する。又は、実際に、 A-line (奥行き方向の走査）を観察しながら、ノイズフロアが極 小になるように、可変アテネータ 147の減衰率を調整してもよい。
[0231] 又、例えば、信号光、参照光の強度が可変波長光発生装置 131の波数によらず一 定の場合に、波数に対して光強度が一定の第 1成分と波数に対して光強度が振動 する第 2成分とからなる干渉光を、第 3力ブラ 136の一方の光送出口（第 1出力口）か ら出力し、波数に対して光強度が一定の第 3成分と波数に対して光強度が振動し、 上記第 2成分とは逆相の第 4成分とからなる干渉光を、他方の光送出口（第 2出力口 )から出力するようにして、第 1差動増幅器 137に測定された上記第 1成分と上記第 3 成分の光の強度差が小さくなるように、可変アテネータ 147の減衰率を調整してもよ い。
[0232] (操作方法）
最初に、細隙灯顕微鏡の位置合わせ機能を利用することによって、被検者の眼 16
6の所望の位置近くに測定光を誘導する。
[0233] 次に、演算制御装置 141からの指令を出し、可変波長光発生装置 131から時間に 対して波数を階段状に切り替えながら光を出射させ (図 17参照）、波数毎に測定を行
[0234] 従って、第 2差動増幅器 138は、各波数 kに対して、以下の式（50)に比例した信 号を出力する。
[0235] [数 41]
Figure imgf000048_0001
[0236] この出力をアナログ Zデジタル変 でデジタル信号に変換し、演算制御装置 14
1で読み取る。演算制御装置 141は、この値を kに関連付けて記憶することで、波数 毎の測定結果の集合 (データ）が収集されて 、く。
次に、演算制御装置 141よりガルバノミラー 153に指令を出し、測定対象の表面上 での可変波長光の照射位置を水平方向の 1直線上で僅かに移動させる。新しい照 射位置に対しても、上に述べたものと同様の測定を行う。以上の操作を繰り返し行う ことによって、断層像の構築に必要なデータを収集する。水平方向での走査点の数 は、例えば 100点である。
[0238] 測定終了後、収集したデータを用いて、演算制御装置 141は、式 (2)〜式 (5)に基 づいて、測定点毎に深さ方向の反射又は後方散乱強度の分布 Y 2 (z)を算出し断層 t
像を構築する。
[0239] 構築された断層像では、ノイズフロアが、アイソレータ 145、 146を挿入したことによ り 5dB改善し、可変アテネータ 147の減衰量を調整することによって 5dB改善し、光 路長を調整したことにより 15dB改善し、トータルで 25dB低減した。
[0240] なお、アイソレータ 145、 146の後ろの双方に可変アテネータ 147を配置してもよい 。この場合には、より大きな干渉光を出力する第 3力ブラ 136の出力口を、予め調べ ておく必要がない。
[0241] 実施例 2では、波数を階段状に増加するように走査している力 波数の走査は必ず しもこのようにしなければならな 、わけではなく、所定の時間内に必要な波数を全て 走査することができるものであれば、どのような走査方法でも良い。例えば、波数が階 段状に漸次増加するのではなぐ漸次減少するものであって良いし、断層像の構築 に必要な波数総てをランダムに走査するものであっても良 、。
[0242] 又、実施例 2では、第 3力ブラ 136の出力のアンバランスを補正するために、可変ァ テネータ 147を用いたが、例えば、以下に示すように、入力光の強度に重み付けをし て差をとる差動増幅器を用いてもょ 、。
[0243] 通常、差動増幅器は、 2つの入力 Vと Vの差に比例する出力 V = j8 (V— V )を
1 2 0 2 1 出力するように作られている。図 18の A3と 4つの抵抗値 Rの抵抗の組み合わせの回 路は、 j8 = 1の差動増幅器になっていて、 V =V ' -V，である。
0 2 1
[0244] 差動増幅器の出力を、 2つの入力電圧の等価な引き算でなぐ重みを付けた引き 算回路にする方法としては、例えば、図 18に示すように、通常の差動増幅器の前に 、増幅器 (Al、 A2)を入れ、これらの増幅度を望ましい重みにするように、増幅度を 調整する。
[0245] 図 18において、 V '、 V '及び出力電圧 Vは、以下の式（51)となる。 [0246] [数 42]
¼' = - ^¼ , V2' = -|^V2 ， V0 = ¾ V, - ^V2 … （51)
Ksl Ks2 Ksl Ks2
[0247] Rと Rを可変抵抗にすれば、電圧 Vと Vの重みを変えることができる。上記構成 fl f2 1 2
により、第 3力ブラ 136の一方の光送出口（第 1出力口）から出力され、波数に対して 光強度が一定の第 1成分と、第 3力ブラ 136の他方の光送出口（第 2出力口）から出 力され、波数に対して光強度が一定の第 3成分に重みを付けて、これらの差を小さく するように補正することが可能となる (調整手段)。
[0248] なお、実施例 2では、対数出力を必要とする力 これは、 Vを更に対数に変換する
0
回路によって容易に実現できる。
[0249] 上記差動増幅器では、信号光の光路が 148a、 148bで切断された状態で（図 16参 照）、差動増幅器の出力が、より小さくなるように各入力に対する利得を調整する。又 は、実際に、 A-line (奥行き方向の走査）を観察しながら、ノイズフロアが極小になるよ うに、各入力に対する利得を調整してもよい。
実施例 3
[0250] 実施例 3は、本発明者等が最近新たに開発した折り返し像の発生しない OFDR—
OCT装置に本発明を適用した場合の例である（特願 2005— 14650)。
[0251] (装置構成）
図 19は、本発明を用いた OFDR— OCT装置の 1例である。測定対象は、従来技 術で述べた OFDR— OCT装置と同様に、人の前眼部である。
[0252] 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手段である可変波長光発生 装置 131の光出射口を、光を 2分割（例えば、 90 : 10)する方向性結合器等力もなる 第 1力ブラ 132の光受入口に光学的に接続する。
[0253] 方向性結合器等からなる第 1力ブラ 132の一方側（分割割合 90%側）の光送出口 は、光を 2分割 (例えば、 70 : 30)する方向性結合器等からなる分割手段である第 2 カプラ 133の光受入口に光学的に接続して 、る。
[0254] 第 2力ブラ 133の一方側（分割割合 70%側）の光送出口は、サーキユレータ 135 (ク ロストーク 50〜60dB)の光受入口に光学的に接続している。この第 2カプラ 133の他 方側 (分割割合 30%側）の光送出口は光位相変調器 134の入力に接続され、光位 相変調器 134の出力は光を 2分割（例えば、 50 : 50)する方向性結合器等からなる 合波手段である第 3力ブラ 136の一方の光受入口に光学的に接続している。光位相 変調器としては、例えば、 LN変調器とその制御装置力もなるものが使用可能である
[0255] サーキユレータ 135の光送出口は、第 3カプラ 136の光受入口に光学的に接続す ると共に、その光送出 Z光受入口は図 15に示すような測定ヘッド 150に接続する。 測定ヘッド 150は、測定光を測定対象に照射する手段であると共に、測定対象であ る眼によって測定光が反射又は後方散乱された信号光を捕捉する手段としても機能 する (測定光照射 Z信号光捕捉手段)。
[0256] 図 15については、実施例 2において説明したので、その詳細な説明を省略するが 、図 15に示すように、測定ヘッド 150は、光ファイバ 143を通ってきた測定光を平行 ビームに整形するコリメートレンズ 152と、この平行ビームを前眼部に集光するフォー カシングレンズ 154と、測定光を水平方向に走査するガルバノミラー 153と力も構成さ れており、細隙灯顕微鏡力 スリット光 (細隙光)照射系を外して空いた空間に取り付 けられている。細隙灯顕微鏡の位置合わせ機能を利用することによって、被検者の 眼 166の所望の位置近くに測定光を誘導することができる。
[0257] 実施例 3においても、第 2力ブラ 133と第 3力ブラ 136の間にある参照光路 (分割比 30%)の光路長が、第 2力ブラ 133とサーキユレータ 135間の光路長及びサーキユレ ータ 135と第 3力ブラ 136間の光路長との和より、可変波長光源 131の最大可干渉距 離 10mだけ長くなるように、参照光の光路を構成する光ファイバ 144の長さが調節さ れる。そして、サーキユレータ 135と測定対象との間の光路長が、可変波長光発生装 置 131の最大可干渉距離の半分 5mに等しくなるように、サーキユレータ 135と測定 対象との間の光ファイバ 143の長さが調整される。なお、第 2力ブラ 133とサーキユレ ータ 135間の光路長及びサーキユレータ 135と第 3カプラ 136間の光路長の和と、光 ファイバ 144を除いた第 2力ブラ 133と第 3力ブラ 136の間にある参照光路 (分割比 3 0%)の光路長とは、等しいとする。 [0258] 又、光検出機能を有する第 1差動増幅器 137と第 3力ブラ 136の間に、反射防止手 段となるアイソレータ 145、 146を挿入する。更に、第 3カプラ 136の 2つの出力口に 接続されたアイソレータの何れか一方、例えば、アイソレータ 145の後に、調整手段と なる可変アテネータ 147を挿入する。なお、可変アテネータ 147が挿入される光路は 、実施例 2で説明した方法と同様な方法により定めればよい。
[0259] このように、第 3力ブラ 136の一方側の光送出口（第 1出力口）は、アイソレータ 145 、可変アテネータ 147を介して、光の強度を検出する光検出機能を有する第 1差動 増幅器 137 (測定手段)の光受入口（第 1入力口）に光学的に接続している。又、第 3 力ブラ 136の他方側の光送出口（第 2出力口）は、アイソレータ 146を介して、第 1差 動増幅器 137の他の光受入口（第 2入力口）に光学的に接続している。そして、第 1 差動増幅器 137の Log出力部は、入力された信号強度の変動を補正演算する第 2 差動増幅器 138の一方の入力部に電気的に接続している。
[0260] 他方、第 1力ブラ 132の他方側（分割割合 10%側）の光送出口は、光検出器 139 の光受入口に光学的に接続している。光検出器 139の出力部は、 Logアンプ 140の 入力部に電気的に接続している。 Logアンプ 140の Log出力部は、第 2差動増幅器 138の入力部に電気的に接続している。
[0261] 第 2差動増幅器 138の出力部は、演算制御装置 141 (特定手段)の入力部に、図 示しないアナログ Zデジタル変 を介して電気的に接続している。演算制御装置 141では、測定された光の強度から、測定光が反射又は後方散乱された位置と、そ の位置での反射強度又は後方散乱強度を求め、測定対象の奥行き方向（深さ方向） に対する後方散乱強度分布、即ち、コヒーレンス干渉波形を合成している。又、演算 制御装置 141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 142 の入力部に電気的に接続している。この演算制御装置 141は、入力された情報に基 づいて可変波長光発生装置 131、光位相変調器 134、及びガルバノミラー 153を制 御することができるようになって!/ヽる。
[0262] 第 1差動増幅器 137の出力は、 I (k , φ ) = 2 (1 1 ) 1/2cos (2L X k + φ )の Logをとつ たものとなる。なお、 φは、光位相変調器 134の位相変調量である。一方、 Logアン プ 140の出力は loglに比例した値となるので、第 2差動増幅器 138の出力は、以下 の式（52)となる（定数項は省略) <
[数 43]
Figure imgf000053_0001
[0264] なお、式（52)の logの中は、反射面が 1つの場合の式である力 説明を簡単にする ため以後も反射面が 1つの場合について考える。
[0265] (操作方法）
演算制御装置 141からの指令を出し、可変波長光発生装置 131から時間に対して 波数を階段状に切り替えながら光を出射させる（図 20の下部)。
[0266] 演算制御装置 141からは、波数走査の指令と同時に、光位相変調器 134にも指令 を出す。光位相変調器 134は、この指令に基づき可変波長光発生装置 131の波数 切り替えに同期させて、参照光の位相を図 20の上部のように 0(rad、ラジアン)と一 π Z2(md、ラジアン)の間で交互に変調する。即ち、波数保持期間の前半分の期間は 0(md、ラジアン)、後半部の期間は— w Z2(md、ラジアン)だけ参照光を位相変調 する。
[0267] 第 2差動増幅器 138において、各波数 kの保持時間の前半は、以下の式（53)に 比例した信号を出力する。
[0268] [数 44]
Figure imgf000053_0002
[0269] 又、各波数 k;の保持時間の後半は、以下の式（54)に比例した信号を出力する。
[0270] [数 45]
Figure imgf000053_0003
以上の式で logを外すと、以下の式（55)、（56)となる。
[0272] [数 46]
Figure imgf000054_0001
[0273] 即ち、 I (k, 0)は波数に対して余弦関数となり (第 1出力光強度)、 I (k π /2) は正弦関数となる（第 2出力光強度)。なお、上記 I (ki, 0)のように反射面が 1つだけ の場合にその強度が波数に対して余弦関数になる出力光を、「波数に対して余弦関 数として変化する出力光」と呼ぶこととする。又、 I (ki, — π Ζ2)のように反射面が 1つ だけの場合にその強度が正弦関数になる出力光を、「波数に対して正弦関数として 変化する出力光」と呼ぶこととする。
[0274] この出力をアナログ Ζデジタル変 でデジタル信号に変換し、演算制御装置 14 1で読み取る。演算制御装置 141は、この値を、 k及び φ = 0、 一 π Ζ2に関連付け 飞 feす。。
[0275] なお、 φ = π Ζ2としてもよぐその場合には出力の符号を逆転して力 信号処理を すれば良!、のであって、符号が反転して!/、な ヽ場合と何ら本質的な相違はな 、。
[0276] 次に、演算制御装置 141よりガルバノミラー 153に指令を出し、測定対象の表面上 での可変波長光の照射位置を水平方向の 1直線上で僅かに移動させる。新しい照 射位置に対しても、上に述べたものと同様の測定を行う。以上の操作を繰り返し行う ことによって、断層像の構築に必要なデータを収集する。水平方向での走査点の数 は、例えば、 100点である。
[0277] 測定終了後、収集したデータを用いて演算制御装置 141は以下の式（57)〜（59) に従って、測定点毎に深さ方向の反射又は後方散乱強度の分布 Υ "2 (ζ)を算出し、
t
この分布に基づき断層像を構築する。
[0278] [数 47]
„ N N
Yc (z) = X Ix (kt ,0) χ cos(k1 x z) + X It (kt - -) χ sin(k1 x z) · · · (57)
i=l i=l 2
„ N N
Ys (z) = X I, (kt ,0) x sin(k1 x z) -∑ Is (k, - -) x cos(k l x z) … (58)
Yt (z) = Yc (z) + Ys (z) [0279] なお、式（57)の第 1項は、波数に対して余弦関数として変化する出力光の強度を フーリエ余弦変換するものである。同様に、式（57)の第 2項は、波数に対して正弦関 数として変化する出力光の強度をフーリエ正弦変換するものである。又、式（58)の 第 1項は、波数に対して余弦関数として変化する出力光の強度をフーリエ正弦変換 するものであり、式（58)の第 2項は、波数に対して正弦関数として変化する出力光の 強度をフーリエ余弦変換するものである。
[0280] 反射面又は後方散乱体が 1つの場合は、以下の式 (60)となる。
N
[0281] [数 48] 2L) M <
sin 「( z - - x N x Ak
2
sin
L 2 」
[0282] 式（60)で表される関数は z = 2Lで大きな値をとり、 z = 2L力 遠ざかると急速に小 さくなる。そして、式 (6)の右辺第 2項のような折り返し断層像を生成する項は、存在し ない。即ち、式 (60)に基づけば、折り返し像のない断層像を構築することができる。 なお、 zは、位置座表を示す変数であり、 2Lは、第 2力ブラ 133から測定対象（眼 166 )に至る測定光の光路長と測定対象（眼 166)力 第 3力ブラ 136に至る信号光の光 路長との和から、第 2力ブラ 133から第 3力ブラ 136に至る参照光の光路長を差し引 いた値である。
[0283] 特願 2005— 14650に記載されているように、以上の演算は、測定対象が 1つの反 射面 (又は散乱体)のみから構成される場合、第 1出力光強度及び第 2出力光強度 から、可変波長光発生装置 131の出力光の波数 k毎に、 k X (z- 2L)に対して、余 弦関数、正弦関数に比例する関数を算出し、波数 k毎に算出したこれらの関数の総 和を求めることで、測定対象の奥行き方向に対する反射強度又は後方散乱強度を 折り返しなく特定するものである。なお、 k X (z— 2L)ではなぐ k X (z + 2L)に対し て、余弦関数、正弦関数に比例する関数を算出して、総和を求めてもよい。但し、こ の場合、得られる像は、原点に対する鏡像となる。又、 Χ (2— 2 又は1^ X (z + 2L )に対して、余弦関数又は正弦関数の何れか一方に比例する関数を算出して、総和 を求めてもよい。
[0284] 反射面又は散乱体が複数ある場合には、複数の反射面 (又は散乱体)からの信号 に対応した以下の式 (61)力 なる項と、無視できる程度に小さな項の和になる（2L は i番目の反射面に対する光路長差、 Mは反射面の数を表す。 )0従って、反射面（ 又は散乱体）が複数存在する場合であっても、折り返しのない断層像が得られる。
[0285] [数 49]
Figure imgf000056_0001
Figure imgf000056_0002
[0286] 構築された断層像では、ノイズフロアが、アイソレータ 145、 146を挿入したことによ り 5dB改善し、可変アテネータ 147を挿入し、減衰量を調整することにより 5dB改善し 、光路長を調整したことにより 15dB改善し、トータルで 25dB低減した。なお、ァイソ レータ 145、 146の双方の後ろに可変アテネータ 147を配置してもよい。この場合に は、より大きく干渉光を出力する第 3力ブラ 136の出力口を、予め調べておく必要が ない。
[0287] 実施例 3では、波数は階段状に増加するように走査して 、るが波数の走査は必ず しもこのようにしなければならな 、わけではなく、所定の時間内に必要な波数を全て 走査することができるものであればどのような走査方法でも良い。例えば、波数が階 段状に漸次増加するのではなぐ漸次減少するものであって良いし、断層像の構築 に必要な波数総てをランダムに走査するものであっても良 、。
[0288] 又、実施例 3では、参照光の位相を変調 (シフト)する手段として、参照光の位相を 動的に変化させる光位相変調器を用いたが、参照光の光路を 2分割し、一方の光路 に位相を静的にシフトさせる手段 (例えば、位相を固定した光位相変調器)を配置し ても良い。但し、 2分割された参照光をそれぞれ信号光と合波するため、信号光も 2 分割し、分割した参照光と信号光の光路をそれぞれ 1対 1に合波する必要がある。こ のようにすれば、波数に対して余弦関数として変化する干渉信号と正弦関数として変 化する干渉信号を同時に得ることができる。シフトさせる位相は、例えば、 π Ζ2であ る。この際、分割後の参照光の光路長を双方等しくなるように調整する必要がある。 分割後の信号光の光路長についても同じである。なお、光を分割する手段として方 向性結合器を使用した場合には、 2分割直後の光の間で位相差 π Z2が生じるので 、この影響を考慮して信号処理を行う必要がある。但し、合波の仕方によらず、 2つの 干渉光の一方は余弦関数として変化し、他方は正弦関数として変化する (符号が逆 になる場合も含めて。）。
[0289] 又、方向性結合器のように分割後の光の位相に π Ζ2の差が生じさせる光学部品 を使用することもできる。これらを複数信号光の光路と参照光の光路に適宜配置する とによって、合波後の位相差が、例えば、 π Ζ2にすることができ、波数に対して余弦 関数及び正弦関数として変化する干渉光を得ることもできる。
[0290] 又、可変減衰器 (可変アテネータ）の代わりに、実施例 3 (図 18)で示した各入力の 利得調整機能付き差動増幅器を用いてもょ ヽ。
実施例 4
[0291] 上記実施例 2、 3では、光路長を調整することでクロストーク光による干渉ノイズをな くすようにしている力 このようにしなくても、サーキユレータ 135のクロストークを減ら すことによってノイズフロアを低減することができる。
[0292] 具体的には、実施例 4は、実施例 2、実施例 3における光路長調整用の光ファイバ 143、 144を参照光路等に挿入せず、サーキユレータ 135をクロストークが 50d〜60 dBのもの力も 60〜70dBのものに変えることによって構成した。つまり、サーキユレ一 タ 135が、光受入口に入射する測定光に対する漏洩光を 60dB以上減衰するもので あるため、漏洩光と参照光とが干渉することを防止する干渉防止手段となる。
[0293] 上記構成を用いて構築された断層像では、ノイズフロアが、アイソレータ 145、 146 を挿入したことにより 5dB改善し、サーキユレータ 135を変えたことにより 10dB改善し 、トータルで 15dB低減した。
[0294] なお、上記実施例 2〜4では、干渉計としてマッハツエンダ干渉計を用いた力 使用 可能な干渉計はこのタイプに限られるわけではなぐマイケルソン干渉計等、その他 の干渉計も使用可能である。マイケルソン干渉計を用いた場合、可変波長光を分割 する手段と信号光と参照光を合波する手段が同一となる。 [0295] 又、上記実施例 2〜4では、測定信号の解析にフーリエ変換を用いている力 必ず しも
フーリエ変換でなければいけないわけでなぐ信号中から多数の周波数成分を抽出 することができる解析法であれば他の方法でもよい。詳細には、測定対象からの反射 光 (又は後方散乱光)と参照光とを干渉させ、波数を変化させながら光強度測定をす ると、反射光 (又は後方散乱体)の位置に対応した周波数で振動する多数の余弦関 数の関数になる。従って、この信号の中から、それぞれの位置に対応した周波数成 分をもった関数が抽出できるならば、断層像を構築できることになる。例えば、フーリ ェ変換は、より一般的なウェーブレット変換に包含されるものであり、本発明は、測定 信号の解析にウェーブレット変換を用いた場合にも適用可能である。
[0296] 更に、上記実施例 2〜4では、進行方向制御手段としてオプティカルサーキユレ一 タを用いたが、その他の光素子、例えば、方向性結合器力もなる 3dB力ブラ等も利用 することができる。
[0297] 加えて、上記実施例 2〜4では、可変波長発生装置の波数を時間に対して不連続（ 離散的）に変化させて、一定時間その波数を保持し、その間に干渉光の強度を測定 している。しかし、波数を連続的に変化させつつ干渉光を測定する OCT、例えば、チ ヤープ OCT (非特許文献 4)〖こも、当然、本発明を適用可能である。又、上記実施例 2〜4に記載した測定法にぉ 、ても、波数を連続的に変化させながら干渉光強度を 測定し、所定の波数になったときに光検出器の出力サンプリングするようにしてもよい 。この際、所定の波数を中心に一定範囲の波数に対して、干渉光強度を平均化する と、 SZN比が改善する。
産業上の利用可能性
[0298] 《A》第 1オプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置
本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置は、これを生産すること によって精密機器等の製造業において利用されるものである。
[0299] 《B》第 2オプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置
本発明に係るオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置は、これを用いることに より、生体だけでなぐ精密機器等の製造業において利用可能なものである。

Claims

請求の範囲
[1] 可変波長光発生手段と、
前記可変波長光発生手段から出力された光を測定光と参照光とに分波する分波 手段と、
前記測定光を測定対象に照射する照射手段と、
前記測定対象によって反射又は後方散乱された信号光を捕捉する捕捉手段と、 前記信号光と前記参照光とを合波する合波手段と、
前記合波手段で合波された出力光の強度を前記可変波長光発生手段の波数毎に 測定する測定手段と、
波数毎に測定された前記出力光の強度の集合に基づいて、前記測定対象での前 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特定手段と
を備えるオプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置にぉ 、て、
前記合波手段で合波された前記出力光の強度から、前記波数に対して余弦関数と なる第 1の強度の測定と、前記波数に対して正弦関数又はその逆符号関数となる第 2の強度の測定とを前記測定手段で可能にさせる位相シフト手段を備え、
前記特定手段が、前記測定手段で測定された前記位相シフト手段による前記出力 光の前記第 1の強度の集合及び前記第 2の強度の集合に基づくことにより、折り返し 像の発生を抑制しつつ、前記測定対象での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ものであ る
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[2] 請求項 1において、
前記特定手段が、 1つの反射面によってのみ前記測定対象が構成されているとき に、前記第 1の強度及び前記第 2の強度から、前記可変波長光発生手段から出力さ れた前記光の波数 k毎の、 1^ (2— 2し）又は1^ （z + 2L)の値 (ただし、 zは変数、 2L は測定光の光路長と信号光の光路長との和から参照光の光路長を差し引いた値）に 対して、余弦を取った関数及び正弦を取った関数の少なくとも一方を算出した後、当 該関数に対して比例する比例関数を求めて、前記波数 k毎に算出した当該比例関 数の総和を求めるものである
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[3] 請求項 1又は 2において、
前記特定手段が、前記第 1の強度の集合に対して、第 1のフーリエ余弦変換及び 第 1のフーリエ正弦変換を行うと共に、前記第 2の強度が正弦関数として変化する場 合には、前記第 2の強度成分の集合に対して、符号をそのままにして、第 2のフーリ ェ余弦変換及び第 2のフーリエ正弦変換を行 、、前記第 2の強度が正弦関数の逆符 号関数である場合には、前記第 2の強度の集合に対して、符号を逆転して、第 2のフ 一リエ余弦変換及び第 2のフーリエ正弦変換を行うものである
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[4] 請求項 3において、
前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変換と前記第 2のフーリエ正弦変換との 和を求めると共に、前記第 1のフーリエ正弦変換と前記第 2のフーリエ余弦変換との 差を求めて、前記和の二乗と前記差の二乗との和を求めるものである
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[5] 請求項 3において、
前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変換と前記第 2のフーリエ正弦変換との 差を求めると共に、前記第 1のフーリエ正弦変換と前記第 2のフーリエ余弦変換との 和を求め
て、前記和の二乗と前記差の二乗との和を求めるものである
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[6] 請求項 3において、
前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変換と前記第 2のフーリエ正弦変換との 和を求めて、当該和の高周波成分を除去する
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[7] 請求項 3において、
前記特定手段が、前記第 1のフーリエ余弦変換と前記第 2のフーリエ正弦変換との 差を求めて、当該差の高周波成分を除去する
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[8] 請求項 1から 7のいずれか一項において、
前記位相シフト手段が、前記測定光、前記参照光、前記信号光のうちのいずれ力ゝ の光路に配設された光位相変調器である
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[9] 請求項 1から 8のいずれか一項において、
前記分波手段と前記合波手段とが兼用されている
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[10] 請求項 1から 9の!、ずれか一項にお 、て、
前記照射手段と前記捕捉手段とが兼用されている
ことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[11] 可変波長光発生手段と、
前記可変波長光発生手段からの出力光を、測定光と参照光に分割する分割手段 と、
前記測定光を測定対象に照射する共に、照射された前記測定光が前記測定対象 により反射又は後方散乱された信号光を捕捉する測定光照射 Z信号光捕捉手段と 前記測定光照射 Z信号光捕捉手段に接続され、前記測定光と前記信号光が逆方 向に走行する双方方向性光路と、
分割手段により分割された前記測定光を入力する光受入口と、入力された前記測 定光を前記双方方向性光路に出力すると共に前記双方方向性光路からの前記信号 光を入力する光送出 Z光受入口と、入力された前記信号光を出力する光送出口とを 有する進行方向制御手段と、
前記信号光と前記参照光とを合波する合波手段と、
前記合波手段からの出力光の強度を測定する測定手段と、
前記測定手段によって測定された前記合波手段からの出力光の強度から、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た位置と、その位置での反射 強度又は後方散乱強度とを、前記測定対象の奥行き方向に対して特定する特定手 段とを有するオプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィー装置にぉ 、て、
前記進行方向制御手段の前記光受入口から前記光送出口へ前記測定光が直接 漏洩した漏洩光と前記参照光とが干渉することを防止する干渉防止手段を設けたこ とを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[12] 請求項 11に記載のオプティカル'コヒーレント ·トモグラフィー装置にぉ 、て、
前記干渉防止手段は、
前記分割手段から前記進行方向制御手段に至る前記測定光の光路長と前記進行 方向制御手段から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和より、前記分割 手段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長が、前記可変波長光発生手段 の各出力光の可干渉距離の最大値以上に長くなるように設定した光路であることを 特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[13] 請求項 12に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記分割手段から前記進行方向制御手段、前記双方向性光路を経由して前記測 定対象に至る前記測定光の光路長と前記測定対象から前記双方向性光路、前記進 行方向制御手段を経由して前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和と、前 記分割手段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長と略等しくなるように、前 記双方向性光路の光路長を設定したことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモ グラフィー装置。
[14] 請求項 11から 13のいずれか一項に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィ 一装置において、
前記干渉防止手段は、
前記進行方向制御手段が、前記光受入口に入射する前記測定光に対する前記漏 洩光を 60dB以上減衰するものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモ グラフィー装置。
[15] 請求項 11、 12又は 14のいずれか一項に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグ ラフィー装置において、
前記分割手段から前記進行方向制御手段に至る前記測定光の光路長と前記進行 方向制御手段から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和と、前記分割手 段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長とが異なる場合、
前記干渉防止手段は、
前記漏洩光と前記参照光とが前記合波手段に同時に入射しないように、前記可変 波長光発生手段力 の出力光を間歇的に消灯する間歇消灯手段であることを特徴と するオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[16] 請求項 11から 15のいずれか一項に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィ 一装置において、
前記合波手段は、
前記信号光及び前記参照光の強度が前記可変波長光発生手段の波数によらず 一定の場合に、波数に対して光強度が一定の第 1成分と波数に対して光強度が振 動する第 2成分とからなる干渉光を出力する第 1出力口と、
前記信号光及び前記参照光の強度が波数によらず一定の場合に、波数に対して 光強度が一定の第 3成分と波数に対して光強度が振動し、前記第 2成分とは逆相の 第 4成分とからなる干渉光を出力する第 2出力口とを有するものであり、
前記測定手段は、
前記第 1出力口が光学的に結合された第 1入力口と、前記第 2出力口が光学的に 結合された第 2入力口とを有し、前記第 1入力口に入射した光の強度と前記第 2入力 口に入射した光の強度との差を測定するものであることを特徴とするオプティカル'コ ヒーレント ·トモグラフィー装置。
[17] 請求項 16に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記第 1出力口と前記第 1入力口の間に、前記第 1入力口によって反射された光が 前記第 1出力口に戻ることを防止する反射防止手段を設け、
且つ、前記第 2出力口と前記第 2入力口の間に、前記第 2入力口によつて反射され た光が前記第 2出力口に戻ることを防止する他の反射防止手段を設けたことを特徴と するオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[18] 請求項 16又は 17に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において 前記測定手段により測定される前記第 1成分と前記第 3成分の差を小さくする調整 手段を設けたことを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[19] 請求項 18に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記調整手段を可変光減衰器とすると共に、
前記第 1出力口と前記第 1入力口の間、又は、前記第 2出力口と前記第 2入力口の 間の少なくとも一方に、前記可変減衰器を配置したことを特徴とするオプティカル'コ ヒーレント ·トモグラフィー装置。
[20] 請求項 18に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記調整手段は、
前記第 1入力口に入射した光の強度と前記第 2入力口に入射した光の強度のいず れか一方又は双方に重み付けをして、前記第 1成分と前記第 3成分の差を小さくする ものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[21] 請求項 11力ら 20の!、ずれか一項に記載のオプティカル ·コヒーレント ·トモグラフィ 一装置において、
前記可変波長光発生手段は、可変波長レーザからなることを特徴とするォプティカ ル 'コヒーレント ·トモグラフィー装置。
[22] 請求項 11から 21のいずれか一項に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィ 一装置において、
前記測定手段は、
前記合波手段からの出力光の強度を前記可変波長光発生手段の波数毎に測定 する手段であり、
前記特定手段は、
前記測定手段によって前記波数毎に計測された前記合波手段からの出力光の強 度の集合から、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た位置 と、その位置での反射強度又は後方散乱強度とを、前記測定対象の奥行き方向に 対して特定するものであることを特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー 装置。
[23] 請求項 22に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、 前記特定手段は、
前記測定手段によって前記波数毎に計測された前記合波手段からの前記出力光 の強度と前記波数力 なる実数の組み合わせをフーリエ変換することで、前記測定 対象の奥行き方向に対する反射強度又は後方散乱強度を特定するものであることを 特徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[24] 請求項 22に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記測定手段は、
前記合波手段力 の出力光の強度が前記波数に対して余弦関数として変化する 第 1出力光強度と、前記合波手段からの出力光の強度が前記波数に対して正弦関 数又はその逆符号関数として変化すると第 2出力光強度との双方を測定可能とする ものであり、
前記特定手段は、
前記第 1出力光強度及び前記第 2出力光強度の集合から、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た位置と、その位置での反射又は後方散乱 強度とを、前記測定対象の奥行き方向に対して折り返しなく特定するものであること を特徴とするオプティカル 'コヒーレント'トモグラフィー装置。
[25] 請求項 24に記載のオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置において、
前記特定手段は、
前記測定対象が 1つの反射面のみから構成される場合、
zを、位置座表を示す変数、 2Lを、前記分割手段から前記測定対象に至る前記測 定光の光路長と前記測定対象から前記合波手段に至る前記信号光の光路長との和 から、前記分割手段から前記合波手段に至る前記参照光の光路長を差し引いた値 とすると、
前記第 1出力光強度及び前記第 2出力光強度から、前記可変波長光発生手段の 出力光の波数 k毎に、 k X (z— 2L)、又は、 k X (z + 2L)のいずれか一方のみに対し て、余弦又は正弦を取った関数のいずれか一方又は双方に比例する関数を算出し 前記波数 k毎に算出した前記関数の総和を求めることで、前記測定対象の奥行き 方向に対する反射強度又は後方散乱強度を折り返しなく特定するものであることを特 徴とするオプティカル'コヒーレント'トモグラフィー装置。
PCT/JP2006/300731 2005-01-21 2006-01-19 オプティカル・コヒーレント・トモグラフィー装置 WO2006077921A1 (ja)

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