JP2006064610A - 同軸型空間光干渉断層画像計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コヒーレント光源を用いた空間干渉による深さ方向情報の並列検出を、簡便な構成かつ高速でかつ有効に実行できる、空間相関波を利用した同軸型空間光干渉断層画像計測装置を提供する。
【解決手段】同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、干渉計の参照光波の光路に回折格子９を配置し、位相波面と角度を成す相関波面を持った回折光波を信号光波と同軸上で合波する同軸型空間光干渉計を構築し、空間干渉信号を光アレイセンサ１２で並列検出し、被検体６の断層像を取得する。参照光波と信号光波の相関波面が干渉し、光アレイセンサ１２の検出面上横方向に被検体の深さ方向の形態情報が投影される。位相波面は平行であるため、空間干渉縞の空間周期は無限大となり干渉信号の包絡線を直接検出できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体、特に不均一な構造をもつ光散乱媒質に光波ビームを照射し、その被検体の表面又は内部から反射する光を利用して、その被検体の断層像を光計測する同軸型空間光干渉断層画像計測装置に関するものである。

１９６０年代のレーザの発明と１９７０年代の光ファイバの実用化以来、様々な光波を利用した計測法の研究が進められている。光波を用いた計測法には基本的に高感度、高分解能、高精度、高速検出などの特徴があり、様々な光波を利用した計測技術が開発され、多くの計測装置が市販されている。さらに、非接触、無侵襲計測が可能な光波は生体計測にも適しており、光波の中でも可視域に近い近赤外光は生体中を比較的透過し易いため、光波を用いた画像診断技術にはこの波長域の光が用いられている。しかし、この波長域の光が比較的生体中を透過し易いとはいえ、不均一で複雑な微細構造を持つ生体組織が高散乱媒体であるという事実は、光波を用いた診断装置の実現の大きな障害となっていた。

１９８０年代後半から、光波による生体画像診断への道を切り開くため、生体中の光波の伝播特性を計測する研究が積極的に行われるようになり、それに伴い、光波を用いた多種多様な計測法が考案された。それらの計測法の中で、近年、高い関心が向けられている一つの計測法として波長帯域が広い低コヒーレント光源の干渉を利用した光コヒーレンス断層画像化法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）がある（例えば、下記特許文献１および非特許文献１を参照）。この計測法は低コヒーレント光源をプローブとし、波長帯域の広い低コヒーレント光源の干渉性のなさを利用して、生体内部の形態をミクロンオーダの空間分解能で計測するものである。また、生体内部から反射してきた散乱・拡散成分が支配的な光の中から、後方散乱光を光ヘテロダイン法で選択的に検出し、干渉信号が持つ位置と振幅の情報を断層画像化するものである。

光コヒーレンス断層画像化法は、例えば、マイケルソン干渉計において、低コヒーレント光源を用いる。その基本構成を図１０に示す。低コヒーレント光源８１からの光波ビームを半透明鏡８２により参照光波と信号光波に２分割する。参照光波は反射鏡８３に照射され反射する。一方、信号光波は被検体８４に照射され、被検体８４の表面や内部からの後方散乱光が参照光波と半透明鏡８２により再び合波され、点光センサ８５で検出される。この参照光波と信号光波は、光路長差が光源のコヒーレント長（低コヒーレント光源のコヒーレント長は数十μｍ）以下の時、相関がある成分のみが干渉し合う。従って、反射鏡８３の位置を光軸方向に走査し、参照光の光路長を変化させることにより、信号光波照射位置での被検体８４の形態情報をもつ反射強度プロファイルを検出することができる。さらに、信号光波の横方向の走査により２次元断層画像を計測することができる。

しかし、上記のような２次元断層画像計測は、反射鏡の光軸方向の走査と信号光波ビームの横方向走査を必要とするため、計測時間の短縮には制約がある。より高速に画像計測を行うためには、機械的な走査機構を持たないことが望ましく、これには２次元断層画像をＣＣＤカメラのような２次元アレイセンサを用いて空間的に並列検出する方法が有効である。

その空間並列検出法の１つとして低コヒーレント光源を用いた軸外し干渉計がある（例えば、下記非特許文献２参照）。図１１に示す軸外し干渉計において、参照光波ｅ_r と信号光波ｅ_s が光アレイセンサ９１の中心位置Ｏに対して左右からそれぞれ角度θで入射する。光の伝播方向と垂直な位相波面と２光波の干渉に寄与する相関波面は等しく、２光波が交差する検出面で検出される光強度は、

で与えられる。ただし、ｚは光アレイセンサ９１の検出面上の位置、Ｅ_r 、Ｅ_s はそれぞれ参照光波と信号光波の電界振幅、ｆは光周波数、ｃは光速、Δｚは参照光波と信号光波の光路長差である。

上記式（１）は単一周波数ｆの光波における光強度を表したものであり、低コヒーレント（広周波数帯域）光源を用いた場合の検出光強度は、式（１）を光源の周波数分布において積分することにより求めることができる。計算の便宜上、光源の周波数分布関数をガウシアン型と仮定すると、検出される干渉成分は光源の中心波長λ₀ と波長幅Δλを用いて、

となる。

上記式（２）は空間周期λ₀ ／（２ｓｉｎθ）の正弦関数で変調されたガウシアン関数を表し、ガウシアン関数のプロファイルが干渉信号の包絡線に対応する。また、ガウシアン関数のピーク（Δｚ−２ｚｓｉｎθ＝０）が２光波の光路長差Δｚに対応する。式（２）から、低コヒーレント光源を用いた場合、被検体の内部の各部位から反射してくる信号光波と別の光路をとる参照光波の相関成分が重なる位置、すなわち２光波の光路長が一致する位置で局所的に干渉し、被検体の深さ方向の情報が光アレイセンサ９１の検出面上の横方向に投影され並列検出される。
特公平６−３５９４６号公報 「光学」２８巻３号、１９９９年、ｐ．１１６ 「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」 ｖｏｌ．１８，１９９３，ｐ．２１２９

しかし、上記式（２）で与えられる干渉信号は空間周期が波長オーダと短いため、この干渉信号のプロファイルを実サイズで検出することは難しく、また、高い空間分解能を持つ光アレイセンサが必要である。例えば、中心波長８４０ｎｍの低コヒーレント光源を用い、光アレイセンサへの光の入射角を４５°とすると、検出される干渉信号の空間周期は約６００ｎｍであり、その干渉信号を検出するためには、ナイキストのサンプリング定理より最低でも３００ｎｍの空間分解能をもつ光アレイセンサが必要である。また、検出した干渉信号から２次元断層画像を得るためには、フーリエ変換などの煩雑な演算が必要である。この演算の必要性は、低コヒーレント光源を用いた軸外し干渉計による計測の高速化を困難にするものである。

本発明は、上記事情に鑑み、低コヒーレント光源を用いた空間干渉による深さ方向情報の並列検出を、簡便な構成かつ高速でかつ有効に実行できる、空間相関波を利用した同軸型空間光干渉断層画像計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、広帯域な波長幅をもつ光源を用いる光干渉法による断層画像計測用干渉光学系において、参照光波を回折格子を経由させ、前記回折格子の入射位置に依存して遅延する、回折光の等位相面と角度を成す信号光波との干渉に寄与する相関波面をもつ回折光波を発生させ、この回折光波を信号光波と略同軸で干渉させ、前記遅延に依存する位置に局在した空間干渉信号を発生させるとともに、同軸干渉系を構成することを特徴とする。

〔２〕同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、波長帯域幅の広い光波を射出する光源と、その光源から射出した光波のビーム径を拡大し、平行光束に変換するレンズと、前記並行光束を、被検体が配置される光路を辿る信号光波と、前記被検体を経由する光路とは異なる、回折格子が配置される光路を辿る参照光波に２分し、前記被検体へ照射され、その内部より後方散乱する信号光波または前方散乱する信号光波と、前記参照光波の光路長を調整するための半透明鏡と反射鏡による遅延機構と、その遅延機構を経由した参照光波をさらに回折格子を経由させることにより、位相波面と角度を成す信号光波との干渉に寄与する前記空間遅延相関波面を持たせ、該空間遅延相関波面をもつ参照光波と前記信号光波とを、略同軸で合波し空間的な干渉信号を生成する干渉光学系と、その干渉光学系で生成される干渉光を受光検出する空間的に受光素子が多数配列される光アレイセンサと、その光アレイセンサの多数の受光素子で検出された光干渉信号を統合・処理し、信号光波が照射された位置での被検体の表面もしくは内部の形態情報を構成する信号処理系とを具備することを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系の参照光波側において、前記参照光波が前記回折格子を経由することによって発生する回折光の波長分散を補正するため、前記回折格子からの回折光をレンズ系により光アレイセンサ上に投影することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、前記信号光波側において、前記被検体へ入射する光波をレンズ系を経て照射し、前記被検体からの信号光波をレンズ系を用いて集光し、さらに円柱レンズ系を用いて前記光アレイセンサの検出面上に投影することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、前記信号光波側において、前記被検体へ入射する光波をその光波の入射方向と垂直な縦方向に線状に絞るために円柱レンズと集光レンズとを用い、前記被検体からの信号光波をレンズ系を用いて集光し、さらに前記円柱レンズを用いて前記光アレイセンサの検出面上に投影することを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕又は〔５〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記被検体へ入射する光波を、偏向走査する機構を設けたことを特徴とする。

〔７〕上記〔４〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが、受光素子が空間的に線形配列され、空間的な干渉信号をそれぞれ独立・並列検出できる光アレイセンサであり、その光アレイセンサの検出面は前記回折格子からの参照光波と前記被検体からの信号光波が投影される面に配置され、前記光アレイセンサの１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の信号光波照射位置での伝播方向の形態情報を構築するものであり、前記偏向走査により前記信号光波照射位置を順次移動して信号光波を検出・統合・処理することにより２次元断層画像を構築することを特徴とする。

〔８〕上記〔５〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが、受光素子が空間的に２次元配列され、空間的な干渉信号をそれぞれ独立・並列検出できる２次元光アレイセンサであり、その２次元光アレイセンサの検出面は前記回折格子からの１次回折参照光波と前記被検体からの信号光波が投影される面に配置され、前記２次元光アレイセンサの１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の信号光波照射位置での伝播方向の形態情報を構築し、一方、前記２次元光アレイセンサの他の１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の線状信号光波照射位置での光伝播方向と垂直な縦方向の形態情報を構築する信号処理部を備えたことを特徴とする。

〔９〕上記〔６〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、上記〔８〕記載の干渉光学系が、前記参照光波側において、前記被検体へ入射する光波または前記被検体を、光波の伝播方向と垂直に１次元走査することにより、前記被検体の３次元形態情報を取得する機能を備えたことを特徴とする。

〔１０〕上記〔１〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、前記被検体への照射光波の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする。

〔１１〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、振動機構により前記参照光波と前記信号光波の光路長差を伸縮することにより空間干渉信号に周波数シフトを与える周波数シフタを備え、背景光から干渉成分のみを抽出する機能をもつことを特徴とする。

〔１２〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする。

〔１３〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離５０μ以下の発光ダイオードであることを特徴とする。

〔１４〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記被検体が光散乱媒体であることを特徴とする。

〔１５〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記参照光波と信号光波間の光路長差を走査する遅延機構を設けたことを特徴とする。

〔１６〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサがＣＣＤあるいはＭＯＳ素子で構成されていることを特徴とする。

〔１７〕上記〔２〕記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが電子増倍機構付き撮像デバイスであることを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）低コヒーレント干渉計において、参照光波の光路に回折格子を配置し、回折光が持つ位相波面と角度を成す相関波面を利用し、また、回折格子による波長分散をレンズを使用して検出面上で補正することにより、同軸型の空間干渉計が構築できる。

（Ｂ）同軸型の干渉計であるため、参照光波と信号光波の位相波面は並行であり、空間周波数が無限小の干渉信号、すなわち、干渉縞の包絡線を直接検出できる。

（Ｃ）被検体の２次元断層像を非走査・高速で検出できることから、被検体への光照射位置を任意の方向に走査することにより、被検体内の３次元断層画像を容易に描画できる。

（Ｄ）広帯域偏光ビームスプリッタおよび波長板を使用することにより、被検体への入射光波および反射光波の偏光状態を制御して検出することができる。

（Ｅ）参照光波側に振動機構による位相変調装置を備えた場合には、光アレイセンサによって検出される光干渉信号は、背景光による直流成分から分離することが可能である。

（Ｆ）参照光波のみが回折格子を通過することから、信号光波が回折効率に制限されない計測システムが構築できる。

（Ｇ）同軸型の空間光干渉計であるため、簡素な構成で容易に装置を構築できる。

（Ｈ）光アレイセンサには市販のＣＣＤカメラやＭＯＳ型カメラを容易に使用でき、さらには光電子増倍機構付きの各種撮像装置の使用が可能で、被検体深部からの極微弱光信号の像増倍検出をも可能とする特徴がある。

本発明は、同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、広帯域な波長幅をもつ光源を用いる光干渉法による断層画像計測用干渉光学系において、参照光波を回折格子を経由させ、前記回折格子の入射位置に依存して遅延する、回折光の等位相面と角度を成す信号光波との干渉に寄与する相関波面をもつ回折光波を発生させ、信号光波と略同軸で干渉させ、前記遅延に依存する位置に局在した空間干渉信号を発生させるにもかかわらず同軸干渉系を構成することを特徴とする。よって、参照光波の光路に回折格子を配置し、回折光が持つ位相波面と角度を成す相関波面を利用し、また、回折格子による波長分散をレンズを使用して検出面上で補正することにより、同軸型の空間干渉計が構築できる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例を示す空間相関波を利用した同軸型空間光干渉断層画像計測装置の構成図である。この図において、１は低コヒーレント光源、２、５、１０はレンズ、３、７、１１は半透明鏡、４、８は反射鏡、６は被検体、９は透過型回折格子、１２は光アレイセンサである。

図１に示すように、広い周波数帯域幅を持つ低コヒーレント光源１から射出した光はレンズ２により幅広い平行光束に変換される。その平行光束は干渉計に入射し、半透明鏡３により信号光波と参照光波に２分される。信号光波は、反射鏡４で反射され、半透明鏡１１を通過し、レンズ５により点に集光され、例えば不均一で光散乱を生じる構成物質からなる被検体６へ照射される。被検体６から内部反射してくる光はレンズ５で集められ、半透明鏡１１に送られる。一方、参照光波は遅延機構（７、８）を経由して、透過型回折格子９に入射し、例えばその１次回折光がレンズ（結像レンズ）１０で光アレイセンサ１２の検出面上に結像する。ここで、遅延機構は半透明鏡７と反射鏡８からなり、この遅延機構中で参照光波は半透明鏡７を通過し、反射鏡８で全反射し、再び半透明鏡７に戻る。この時に反射鏡８を光の伝播方向に動かすことにより、干渉計における光路長を変化させ遅延させる。参照光波と信号光波は半透明鏡１１で合波され、干渉信号が光アレイセンサ１２で検出される。

なお、上記した光源としては、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネッセントダイオードを用いることができる。

また、上記した光源としては、可干渉距離５０μ以下の発光ダイオードをことができる。

従来の低コヒーレント光の空間干渉を利用した計測装置は、軸外し光干渉計を応用して構成されているが、本発明は、干渉計において参照光波を透過型回折格子９へ経由させ、透過型回折格子９上の光照射位置に依存して遅延され、信号光との干渉に寄与する相関波面を持つ回折光波を利用して、同軸光干渉計において空間干渉信号を検出する同軸型空間光干渉断層画像計測装置を提供する。

以下に、本発明による同軸型空間光干渉断層画像計測装置の動作原理を説明する。

図２は、透過型回折格子への光照射位置に依存した遅延相関波面の発生の原理について示したものである。透過型回折格子９がＺ軸上に配置され、その法線がＹ方向と平行になるようにした。低コヒーレント光源から出た光は、位相波面と信号光波との干渉に寄与する相関波面が平行にある。透過型回折格子９に幅のある低コヒーレント光（参照光ｅ_r ）が回折格子面の垂直軸に対して角度θで入射する場合、回折格子方程式（ｓｉｎθ―ｓｉｎβ＝ｍλ₀ ／ｄ、ここで、ｍは次数、λ₀ は光源の中心波長、ｄは格子間隔）を満たす角度βでｍ次回折光が射出する。本実施例では１次回折光を対象にして説明するが、２次以上の回折光においても同様の原理が適用できる。例えばこのときホイヘンスの原理より１次回折光の位相波面の法線方向が伝播方向となる。

前記空間遅延相関波面に基づく相対的な最大遅延距離、即ち、最大深度測定可能距離Ｚｍａｘは、透過型回折格子９への入射波のビームの直径をＤとすると、Ｚｍａｘ＝ｍλ₀ Ｄ／２ｄ ｃｏｓθで与えられる。数値例として、例えば１次回折光を対象にするとｍ＝１、として、中心波長λ₀ ＝８３５ｎｍ、格子間隔ｄ＝１．２μｍ、角度θ＝４５度、ビーム直径Ｄ＝１０ｍｍとすると、深度Ｓ＝３．５ｍｍを得る。現在使用されている眼底などの断層像観測では、およそ２ｍｍ程度の範囲で深部が観測できれば充分であるので、本発明におけるＺ軸方向の観測深度は充分に実用に供与することができる。

また、透過型回折格子９に低コヒーレント光（広周波数帯域の光）を入射させると、回折格子方程式に従い波長分散が発生する。上記した回折格子方程式から、透過型回折格子９における角分散Δβは、

で与えられる。ただし、ｚは透過型回折格子９上の位置座標、λは任意の光波長、λ₀ は光源の中心波長である。

従って、波長分散した回折光波の位相差Δφは

である。上記式（４）は中心波長λ₀ の光と波長λの光の、中心点Ｏを通過する光に対する任意座標Ｚを通過する光の相関波面の距離的な遅れのずれを表したものである。その透過型回折格子９での波長分散を補正するため、各波長における１次回折光波をレンズ（結像レンズ）１０を使って光アレイセンサ１２の検出面上に投影する必要がある。

この１次回折参照光波と信号光波は半透明鏡１１により合波される。

図３は参照光波側の波長分散補正と信号光波の合波を示したものである。本発明は図３に示すような同軸型の空間干渉計を構築することを特徴とする。参照光波ｅ_r 側において、波長分散補正のため、適宜な焦点距離のレンズ１０により、過型回折格子９から射出する１次回折光が光アレイセンサ１２の検出面上に投影される。干渉に寄与する相関波面は、位相波面と角度θ₁ 〔＝ｔａｎ^-1（ｃｏｓθ）、θは回折格子への参照光波ｅ_r の入射角〕を成す。一方、信号光波ｅ_s 側においては、光照射された被検体６からの反射光がレンズ５で集められ、並行光束にされ参照光波ｅ_r と半透明鏡１１により合波される。信号光波ｅ_s の干渉に寄与する相関波面は被検体６の各深さから連続的な位相波面と平行な波面である。低コヒーレント光源を使用するため、参照光波ｅ_r と信号光波ｅ_s の相関波面が交差するところでのみ干渉が発生し、被検体６内の各深さの信号が光アレイセンサ１２の検出面上の異なる位置Ｚで検出される。

このように本発明は、同軸干渉計であるにもかかわらず、空間干渉信号を検出できる優れた特徴がある。干渉信号の空間周波数に寄与する位相波面は、参照光波ｅ_r と信号光波ｅ_s とで平行である、すなわち交差角はゼロであるため、空間周波数が無限小となる。従って、２光波の干渉信号の包絡線が直接検出できることとなる。

解析的に本発明の原理を説明する。光アレイセンサの検出面上での２光波の位相差は参照光波側、信号光波側ともにその結像系の結像倍率が１であるとすると、

で与えられる。ただし、Δｚは参照光波と信号光波の合波までの光路長差である。検出面で検出される光強度Ｉは次式のように計算される。

上記式（６）における右辺第２項の干渉項を光源のスペクトル分布がガウス分布と仮定して、中心波長λ₀ 、波長幅Δλとして積分すると、

と計算される。この干渉項は、荷重として正弦関数が掛けられたガウス関数を表している。

従来の空間干渉法での検出光強度を表す上記式（２）と比較すると、干渉信号の包絡線を表すガウシアン関数は等しく、荷重としてかけられる正弦関数の位相が異なる。信号光波と参照光波の相関波面が交差し干渉する位置ｚ
ｚ＝Δλ／ｓｉｎθ （８）
を中心に干渉信号が局在する。先に説明した軸外し空間干渉法と同様に、干渉信号のピーク位置、すなわちガウシアン関数の中心位置は２光波の光路長差Δｚによって決まり、干渉信号の局在する干渉領域は光源のコヒーレント長に依存する。また、空間干渉法とは異なり正弦関数の位相に位置の変数ｚが存在しないことから、発生する干渉信号の空間周波数は無限小であり、すなわち、干渉信号の包絡線を直接検出できる特徴をもっている。

図１１に示されるような軸外し干渉計を用いた空間干渉法でも、信号光波と参照光波の相関波面の交差位置において干渉信号が発生し、被検体の深さ方向（光照射方向）の情報が光アレイセンサ９１の検出面上の横方向に投影される。軸外し干渉計では、また、位相波面も交差するため、交差角に反比例した高い空間周波数の干渉縞が発生する。本発明による同軸型空間光干渉断層画像計測装置においては、参照光波と信号光波の相関波面のみが交差し、位相波面は平行であるため空間周波数が無限小の干渉信号、すなわち、干渉縞の包絡線のみを検出できることとなる。

以上のことは、検出された空間的な光干渉信号の演算処理により、干渉信号の包絡線を求める従来の空間干渉計測とは根本的に異なるものである。

図４は、本発明による光軸方向非走査断層画像計測装置の実施例図である。この図において、１３は円柱レンズ、１４は線形光アレイセンサ、１５、１６は被検体６のＸ−Ｙ面走査用可動ミラーで例えばガルバノミラーである。他の素子は図１と同様であるので説明は省略する。

本実施例は、図１の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、透過型回折格子９からの空間相関波面の参照光波をレンズ（結像レンズ）１０を経て、さらに円柱レンズ１３により、線形光アレイセンサ１４の検出面に線状に集光する。他方、信号光波はＸ−Ｙ面走査用可動ミラー１５および１６を用いて、被検体６の所定の位置に集光照射する。被検体６の表面あるいは深部からの反射信号光波はレンズ５により集光し、Ｘ−Ｙ面走査用可動ミラー１６、１５を経て半透明鏡１１で反射され、円柱レンズ１３により参照光波と同様に線状にされ、参照光波と合波し干渉光として線形光アレイセンサ１４に投影される。その結果、上記原理で述べたように被検体６の内部反射情報が干渉の法絡線となって線形光アレイセンサ１４から１次元の位置と反射強度分布情報として描写できる出力を得る。さらに、可動ミラー１５，１６を動かし信号光波の照射点を偏向制御して所望の方向に移動走査し、暫時反射強度分布を得て、信号の統合・処理系を経て２次元断層画像を観測することができる。

本実施例は、従来の断層画像化技術（例えば、上記非特許文献１参照）において、光軸（ここではＺ軸）方向に参照光波を高速遅延するのに、機械的な反射鏡の移動や回転プリズムなどを用いた、機械的走査によって行う遅延走査は不要な技術を提供するものである。すなわち、空間遅延相関波面の発生が遅延走査の役目を担うため、機械的走査を一切必要としないで、Ｚ軸方向の反射信号強度を一括して検出するものである。１次元線形光アレイセンサ１４の検出速度は、通常数十ＭＨｚであるので、照射点の移動走査速度が、例えばガルバノミラーなどを用いて数十ＫＨｚであれば、後者によってサンプリング速度が決まり、従来のＡスキャン最高速度１０００Ｈｚに比較して数十倍の高速化が実現されるものである。なお、半透明鏡７と反射鏡８で構成される遅延機構は、Ｚ軸上の断層検出の走査開始位置を決めるものとして使用するものである。

図５は、本発明による図１の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、信号光波側のみに円柱レンズを具備し線状に集光した光波を被検体に照射し、信号光波側に結像光学系を導入し、機械的な動作をせずに２次元断層画像の計測を可能にした実施例である。この図において、１２は２次元光アレイセンサ（例えばＣＣＤカメラあるいはＭＯＳ型カメラ、さらには電子増倍機構付き各種撮像デバイス）、１３は円柱レンズ、１７と１９はフーリエ変換レンズ、１８は開口である。他の素子は図１と同様であるので説明は省略する。

図５において、信号光波は、円柱レンズ１３とレンズ５により光照射方向と垂直な縦方向に線状に収束され、例えば不均一な構成物質からなる被検体６へ照射される。被検体６から内部反射してくる光をレンズ５で集め、円柱レンズ１３を介して半透明鏡１１を経て光アレイセンサ１２の検出面に投影される。

図６はその信号光波側の光の伝送について、図の直交軸を参照し、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面について描写したものである。この図６において、被検体６への信号光の照射と被検体６からの内部反射光の捕捉は図左から右へ連続的に図解している。焦点距離ｆ₁ の円柱レンズ１３と物側焦点距離ｆ_2b、像側焦点距離ｆ_2fのレンズ５は、被検体上６に線状収束ビームを照射するだけでなく、線状収束ビーム照射位置上の像を光アレイセンサ１２の検出面上に結像するように配置される。一方、参照光波は図５に示すように遅延機構（７、８）を経由して、回折格子９に入射し、その１次回折光が結像レンズ系（１７、１９）で光アレイセンサ１２の検出面上に結像する。参照光波と信号光波は半透明鏡１１で合波され、前記２次元光アレイセンサ１２上で干渉し検出される。２次元光アレイセンサ１２の２次元に並んだ受光素子の一方向には被検体６の光照射軸方向すなわちＺ軸方向に対応した深部断層反射光分布の干渉信号が、他方の一方向には線状の光波が照射される方向に対応した干渉信号が投影され、それらの干渉信号が各受光素子で並列に２次元座標で検出される。

この実施例では、上記の説明のように被検体６の２次元断層画像を非走査かつ高速で並列検出できる。また、半透明鏡７と反射鏡８で構成される遅延機構は、Ｚ軸上の断層検出の走査開始位置を決めるものとして使用するものである。さらには、被検体６をＺ軸方向に移動することにより、同様に検査位置を制御しても計測できる。

さらに、図５の実施例は、本発明による図１の参照光波側、回折格子９―光アレイセンサ１２の検出面間の結像光学系を４ｆ光学系（１７，１９）に変更したものである。レンズ１７のフーリエ変換面側に適宜な直径の開口１８を配置することにより、回折格子９からの１次回折光波以外の散乱光などを除去する効果をもつものである。

図７は、本発明の図５の同軸型空間光干渉断層画像計測装置に、被検体入射点走査機構を配備した実施例を示すものである。この図７において、１５、１６は偏向制御用可動ミラー（例えばガルバノミラー）などで構成してもよい。例えば、図６のようにＹ軸方向に被検体６へ線状の照射をした場合には、可動ミラー１５あるいは１６を傾斜してその照射位置を偏向制御して順次照射点を移動して走査すれば、３次元断層画像情報を取得でき、それらの信号を統合・処理して任意の切り口で３次元断層画像を表示できる。

図８は、本発明による図５の同軸型空間光干渉断層画像計測装置に、帯域偏光ビームスプリッタを用いた偏光制御による実施例である。

図８において、２０は広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２１は半透明反射鏡、２２はλ／４波長板である。他の素子は図１の場合と同様であるので説明は省略する。４４は反射鏡である。

ＳＬＤやＬＥＤなどの低コヒーレント光源の出力は一般的に無偏光、すなわち、特定の電界ベクトル方向成分すなわち直線偏光特性を持っていない。図８では、低コヒーレント光源１からの光がＰＢＳ２０によりＳ偏光成分とＰ偏光成分に分けられ、参照光波がＳ偏光成分を持ち、信号光波がＰ偏光成分を持つようにした。直線Ｐ偏光成分の信号光波はλ／４波長板２２を通過し円偏光に変換され、円柱レンズ１３とレンズ５により線状に集光され被検体６へ入射する。

一方、被検体６から反射した円偏光の信号光波は、再びレンズ５と円柱レンズ１３とを通過し、その後、再びλ／４波長板２２を通過することにより直線Ｓ偏光に変換される。他方、直線Ｓ偏光を持つ参照光波は透過型回折格子９を通過し、同じ直線Ｓ偏光を持つ信号光波と半透明鏡２１により合波され、実施例４の図７の場合と同様に干渉信号が検出される。この実施例は、広帯域偏光ビームスプリッタ２０及びλ／４波長板２２を用いることにより、被検体６への入射光の偏光方向を制御することができ、被検体６の内部構造の高効率な検出と被検体６が複屈折率特性などを持つことを検出するのに極めて有効な方法である。

図９は、本発明による図５の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、遅延機構中の反射鏡８を高速振動機構２３上に配置し、この振動機構２３の動作により干渉信号に周波数シフトを与え、背景光による直流成分から干渉成分を分離する機能を備えた実施例である。

図９において、２３は高速振動機構、２４は反射鏡、２５は反射型回折格子である。他の素子は図１と同様であるので説明は省略する。

図９において、低コヒーレント光源１からの出力は半透明鏡３により参照光波と信号光波に２分される。参照光波は、遅延機構（７、８）に入射する。遅延機構中の反射鏡８は高速振動機構（例えばピエゾ振動子）２３上に配置され、この高速遅延機構２３から戻る光はピエゾ振動子により光路長が微少に伸縮され位相変調を受けている。位相変調を受けた参照光波は、その後、反射型回折格子２５に入射し、その１次回折光が４ｆ光学系（１７、１９）で光アレイセンサ１２の検出面上に結像する。

この実施例において、ピエゾ振動子のような高速振動機構２３を周期的に振動させることにより、参照光波は周期的に位相変調を受け、光アレイセンサ１２によって検出される光干渉信号は、位相変調と同じ周波数をもつ交流信号となり、この交流信号を選択的に検出することで、上記式（６）に示されるように背景光と信号成分が重なり合う干渉信号から干渉成分のみを分離検出できる。

一方、位相シフト検出の導入も可能である。ピエゾ振動子のような高速振動機構２３を離散的に走査することにより、位相が異なる複数の干渉信号を検出し、これらの干渉信号を演算することにより、背景光と信号成分が重なり合う干渉信号から干渉成分のみを分離検出できる。

さらに、図９の実施例は、本発明による図４の透過型回折格子９の代わりに高い回折効率の反射型回折格子２５を用い、参照光波の強度を高めＳＮ比を上げる効果が得られるものである。

図９において、遅延機構（７、８）から戻る参照光波は反射鏡２４により反射され、反射型回折格子２５へ照射される。反射型回折格子２５からの例えば１次回折光が、２枚のレンズ（１７、１９）で検出面上に投影され信号光波との干渉信号が検出される。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形、組み合わせが可能であり、これらを発明の範囲から排除するものではない。

本発明の同軸型空間光干渉断層画像計測装置は、光波による生体画像診断のためのツールとして利用可能である。

本発明の実施例を示す空間相関波を用いた同軸型光空間干渉断層画像計測装置を示す図である。 本発明にかかる透過型回折格子への光照射位置に依存した遅延相関波面の発生の原理を示す図である。 本発明の原理である参照光波側の波長分散補正と信号光波の合波を示す図である。 本発明の光軸方向非走査断層画像計測装置の実施例図である。 本発明による図１の同軸型光空間干渉断層画像計測装置の信号光波側に２次元断層画像計測のため円柱レンズ系を導入した実施例を示す図である。 図５の同軸型光空間干渉断層画像計測装置の結像光学系について示す図である。 本発明の図５の同軸型光空間干渉断層画像計測装置に、被検体入射位置走査機構を配備した実施例を示すものである。 本発明による図５の同軸型光空間干渉断層画像計測装置に偏光制御を用いた実施例を示す図である。 本発明による図５の同軸型光空間干渉断層画像計測装置の参照光波側に干渉成分分離のための高速振動機構を用いた実施例を示す図である。 マイケルソン干渉計を用いた光コヒーレンス断層画像計測装置の基本構成を示す図である。 従来の低コヒーレント光源を用いた軸外し干渉計の基本構成とその原理を示す図である。

符号の説明

１ 低コヒーレント光源
２，５，１０ レンズ
３，７，１１，２１ 半透明鏡
４，８，２４，４４ 反射鏡
６ 被検体
９ 透過型回折格子
１２，１４ 光アレイセンサ
１３ 円柱レンズ
１５，１６ Ｘ−Ｙ面走査用可動ミラー（ガルバノミラー）
１７，１９ フーリエ変換レンズ
１８ 開口
２０ 広帯域偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２２ λ／４波長版
２３ 高速振動機構（ピエゾ振動子）
２５ 反射型回折格子

Claims (17)

1. 広帯域な波長幅をもつ光源を用いる光干渉法による断層画像計測用干渉光学系において、参照光波を回折格子を経由させ、前記回折格子の入射位置に依存して遅延する、回折光の等位相面と角度を成す信号光波との干渉に寄与する相関波面をもつ回折光波を発生させ、該回折光波を信号光波と略同軸で干渉させ、前記遅延に依存する位置に局在した空間干渉信号を発生させるとともに、同軸干渉系を構成することを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
2. （ａ）波長帯域幅の広い光波を射出する光源と、
   （ｂ）該光源から射出した光波のビーム径を拡大し、平行光束に変換するレンズと、
   （ｃ）前記並行光束を、被検体が配置される光路を辿る信号光波と、前記被検体を経由する光路とは異なる、回折格子が配置される光路を辿る参照光波に２分し、前記参照光波の光路長を調整するための半透明鏡と反射鏡よりなる遅延機構を経由した参照光波をさらに回折格子を経由させることにより、位相波面と角度を成す信号光波との干渉に寄与する前記空間遅延相関波面を持たせ、該空間遅延相関波面をもつ参照光波と、前記被検体へ照射され、その内部より後方散乱する信号光波または前方散乱する信号光波とを、略同軸で合波し空間的な干渉信号を生成する干渉光学系と、
   （ｄ）該干渉光学系で生成される干渉光を受光検出する空間的に受光素子が多数配列される光アレイセンサと、
   （ｅ）該光アレイセンサの多数の受光素子で検出された光干渉信号を統合・処理し、信号光波が照射された位置での被検体の表面もしくは内部の形態情報を構成する信号処理系とを具備することを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
3. 前記干渉光学系の参照光波側において、前記参照光波が前記回折格子を経由することによって発生する回折光の波長分散を補正するため、前記回折格子からの回折光をレンズ系により光アレイセンサ上に投影することを特徴とする請求項１又は２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
4. 前記干渉光学系が、前記信号光波側において、前記被検体へ入射する光波をレンズ系を経て照射し、前記被検体からの信号光波を前記レンズ系を用いて集光し、さらに円柱レンズ系を用いて前記光アレイセンサの検出面上に投影することを特徴とする請求項３記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
5. 前記干渉光学系が、前記信号光波側において、前記被検体へ入射する光波を該光波の入射方向と垂直な縦方向に線状に絞るために円柱レンズと集光レンズとを用い、前記被検体からの信号光波をレンズ系を用いて集光し、さらに前記円柱レンズを用いて前記光アレイセンサの検出面上に投影することを特徴とする請求項３記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
6. 請求項４又は５記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記被検体へ入射する光波を、偏向走査する機構を設けたことを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
7. 前記請求項４記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが、受光素子が空間的に線形配列され、空間的な干渉信号をそれぞれ独立・並列検出できる光アレイセンサであり、該光アレイセンサの検出面は前記回折格子からの参照光波と前記被検体からの信号光波が投影される面に配置され、前記光アレイセンサの１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の信号光波照射位置での伝播方向の形態情報を構築するものであり、前記偏向走査により前記信号光波照射位置を順次移動して信号光波を検出・統合・処理することにより２次元断層画像を構築することを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
8. 請求項５の記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが、受光素子が空間的に２次元配列され、空間的な干渉信号をそれぞれ独立・並列検出できる２次元光アレイセンサであり、該２次元光アレイセンサの検出面は前記回折格子からの１次回折参照光波と前記被検体からの信号光波が投影される面に配置され、前記２次元光アレイセンサの１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の信号光波照射位置での伝播方向の形態情報を構築し、一方、前記２次元光アレイセンサの他の１方向に並んだ受光素子で検出された光干渉信号は、統合・処理により、前記被検体の線状信号光波照射位置での光伝播方向と垂直な縦方向の形態情報を構築する信号処理部を備えたことを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
9. 前記請求項８記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、前記参照光波側において、前記被検体へ入射する光波または前記被検体を、光波の伝播方向と垂直に１次元走査することにより、前記被検体の３次元形態情報を取得する機能を備えたことを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
10. 請求項１記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、前記被検体への照射光波の偏光方向を制御する偏光素子を備えることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
11. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記干渉光学系が、振動機構により前記参照光波と前記信号光波の光路長差を伸縮することにより空間干渉信号に周波数シフトを与える周波数シフタを備え、背景光から干渉成分のみを抽出する機能をもつことを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
12. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離１００μｍ以下のスーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
13. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光源が、可干渉距離５０μ以下の発光ダイオードであることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
14. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記被検体が光散乱媒体であることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
15. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記参照光波と信号光波間の光路長差を走査する遅延機構を設けたことを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
16. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサがＣＣＤあるいはＭＯＳ素子で構成されていることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。
17. 請求項２記載の同軸型空間光干渉断層画像計測装置において、前記光アレイセンサが電子増倍機構付き撮像デバイスであることを特徴とする同軸型空間光干渉断層画像計測装置。

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