JP2010175271A

JP2010175271A - Optical tomographic image display system

Info

Publication number: JP2010175271A
Application number: JP2009015300A
Authority: JP
Inventors: Changho Chong; 昌鎬鄭
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-08-12

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain an image of high resolving power using a light source having no expanse of a spectrum even if high speed scanning is performed in a narrow band in an optical tomographic image display system. <P>SOLUTION: A gain element 40 and a wavelength variable filter 50 are used as a wavelength scanning type light source 10. The natural emission light of the gain element 40 is projected on the wavelength variable filter 50 to oscillate it by a selected wavelength. The optical tomographic image display system is constituted using this wavelength scanning type light source 10. The enhancement of the resolving power of the optical tomographic image display system is achieved by scanning the selected wavelength of the wavelength variable filter 50 at a high speed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は物体の表面下部の内部構造の画像、あるいは生体組織の表皮下層断層の画像を観察する光断層画像表示システムに関する。 The present invention relates to an optical tomographic image display system for observing an image of an internal structure under a surface of an object or an image of a subepidermal layer tomography of a biological tissue.

近年内視鏡治療などの医療技術の進歩に伴って、病理組織を非深襲かつリアルタイムに診断する方法が望まれている。従来例えばＣＣＤを用いた電子内視鏡や、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波による画像化が診断方法として用いられている。電子内視鏡は生体の表面の観察に限定され、また後者の画像診断システムはミクロンオーダーの分解能で観察するには技術的な限界があった。このような方法を補完する技術として、光干渉断層計測技術が注目されている。 In recent years, with advances in medical technology such as endoscopic treatment, a method for non-intrusive and real-time diagnosis of a pathological tissue is desired. Conventionally, for example, an electronic endoscope using a CCD, imaging using CT, MRI, and ultrasonic waves are used as diagnostic methods. The electronic endoscope is limited to observation of the surface of a living body, and the latter diagnostic imaging system has a technical limit in observing with a resolution of micron order. Optical coherence tomography technology has attracted attention as a technology that complements such methods.

干渉断層計測技術の中には、時間領域の断層計測と周波数領域の断層計測の２種類があり、また周波数領域の断層計測の中にもスペクトロメータタイプと波長走査型光源タイプの２つがある。波長走査型光源タイプは、生体に光を照射し、照射光の波長を連続的に変化させ、参照光と生体内の異なる深さから戻ってくる反射光とを干渉計で干渉させ、その干渉信号の周波数成分を分析することによって、断層画像を得るシステムである。この技術は物体内部からの信号の周波数分析から極めて高分解能の断層画像を構築することができるため、高度なシステムとして期待されている。波長走査型光源タイプは測定感度も高く、動的ノイズに強いという点で内視鏡などの実使用に好適である。ここで照射する光の波長走査の帯域が広いほど周波数分析の帯域が上がるので、深さ方向の分解能が上がる。 There are two types of coherent tomography techniques, time domain tomography and frequency domain tomography, and there are two types of frequency domain tomography: a spectrometer type and a wavelength scanning light source type. The wavelength scanning light source type irradiates a living body with light, continuously changes the wavelength of the irradiation light, and interferes the reference light and reflected light returning from different depths in the living body with an interferometer. This is a system for obtaining a tomographic image by analyzing a frequency component of a signal. This technology is expected as an advanced system because it can construct a tomographic image with extremely high resolution from frequency analysis of signals from inside the object. The wavelength scanning light source type is suitable for actual use such as an endoscope because it has high measurement sensitivity and is resistant to dynamic noise. Here, the wider the wavelength scanning band of the irradiated light, the higher the frequency analysis band, so that the resolution in the depth direction increases.

断層画像表示装置の光源としては、高速で単一波長を走査することができる波長走査型光源が求められる。狭スペクトルで広帯域の波長走査型光源としては、外部共振器型レーザ光源が一般的である。 As a light source for a tomographic image display device, a wavelength scanning light source capable of scanning a single wavelength at high speed is required. An external resonator type laser light source is generally used as a narrow-spectrum and wide-band wavelength scanning light source.

次に外部共振器型レーザの発振原理について説明する。一般的な外部共振器型レーザにおいては、図１に示すように半導体レーザ等のゲイン媒質１０１と外部のミラー１０４とを外部共振器とし、この間にコリメートレンズ１０２、光バンドパスフィルタ１０３を設けている。ここでバンドパスフィルタ１０３の特性と外部共振器モードとの一致点でレーザ発振が得られる。ここでバンドパスフィルタ１０３の選択波長をシフトさせると、外部共振器モードのうち一番ロスが少なくなる隣の外部共振器モードに発振モードが変化する。これをモードホップという。 Next, the oscillation principle of the external resonator type laser will be described. In a general external resonator type laser, as shown in FIG. 1, a gain medium 101 such as a semiconductor laser and an external mirror 104 are used as external resonators, and a collimating lens 102 and an optical bandpass filter 103 are provided therebetween. Yes. Here, laser oscillation is obtained at the point where the characteristics of the bandpass filter 103 and the external resonator mode coincide. Here, when the selected wavelength of the bandpass filter 103 is shifted, the oscillation mode changes to the adjacent external resonator mode in which the loss is the smallest among the external resonator modes. This is called a mode hop.

又特許文献１には光ファイバのループを用い、外部共振器長を長くしモードホップの影響を除いた多モード型レーザ光源が示されている。光ファイバループによるレーザ光源は、光ファイバループに半導体増幅器を含んで形成され、ループの一部に波長を選択する波長可変光フィルタが設けられる。 Patent Document 1 discloses a multimode laser light source that uses an optical fiber loop, lengthens the external resonator length, and eliminates the effects of mode hops. A laser light source using an optical fiber loop is formed by including a semiconductor amplifier in an optical fiber loop, and a wavelength variable optical filter for selecting a wavelength is provided in a part of the loop.

又多モード型レーザ光源の発振では、図２（ａ）に示すようにフィルタ内に含まれる複数の外部共振器縦モードが同時に共振する。図２（ｂ）はフィルタの特性、図２（ｃ）は出力特性を示している。多モード型レーザ光源では、発振ロスが一番少ないフィルタの中心近くのモードが共振増幅され、レーザ光源より取り出された出力の線幅は図２（ｃ）に示すように光フィルタの特性よりも狭くなる。 In the oscillation of the multimode laser light source, as shown in FIG. 2A, a plurality of external resonator longitudinal modes included in the filter resonate simultaneously. FIG. 2B shows filter characteristics, and FIG. 2C shows output characteristics. In the multimode laser light source, the mode near the center of the filter with the least oscillation loss is resonantly amplified, and the line width of the output extracted from the laser light source is larger than the characteristics of the optical filter as shown in FIG. Narrow.

特開２００５−３４７６６８号JP-A-2005-347668

特許文献１に示す波長走査型レーザ光源では、ファイバを用いて外部共振器長を長くし、多モードで発振させている。波長可変フィルタの選択波長を掃引する場合、波長移動に伴って、抑圧されていた縦モードが励起され、発振していたモードは抑圧されるプロセスを連続的に繰り返す。このとき波長掃引を高速とし、励起された光が共振器を周回する時間と同等程度か、それよりも早いレートでフィルタを掃引すると、ゲイン素子を通過する回数が少なくなる。そのため十分な利得、つまり共振増幅を得られないまま、隣接するモード群へと次々移動していく。その結果図２（ｄ）に示すように、フィルタ幅と同等程度に飽和したり、それ以上の太い線幅の出力となってしまうという欠点があった。即ち図３に示すように走査速度が上昇するにつれてレーザ光源のスペクトル幅も広がってしまうという欠点があった。このように従来は、狭線幅、広帯域、高速可変を実現する波長走査型光源を用いた光断層画像表示システムは実現されていなかった。 In the wavelength scanning laser light source disclosed in Patent Document 1, a fiber is used to increase the external resonator length and oscillate in multiple modes. When the selected wavelength of the tunable filter is swept, the longitudinal mode that has been suppressed is excited as the wavelength moves, and the process in which the oscillating mode is suppressed is continuously repeated. At this time, if the wavelength sweep is performed at a high speed and the filter is swept at a rate equivalent to or faster than the time for which the excited light circulates the resonator, the number of times of passing through the gain element is reduced. Therefore, it moves to the adjacent mode group one after another without obtaining a sufficient gain, that is, resonance amplification. As a result, as shown in FIG. 2D, there is a drawback that the output is saturated to the same extent as the filter width or has a thicker line width than that. That is, as shown in FIG. 3, there is a drawback in that the spectral width of the laser light source increases as the scanning speed increases. Thus, conventionally, an optical tomographic image display system using a wavelength scanning light source that realizes a narrow line width, a wide band, and a high-speed variable has not been realized.

本発明は上記課題に着目し、発振スペクトル線幅が狭く波長を広い帯域に渡って高速で走査することができる波長走査型光源を用いることによって、広い測定深度で画像表示することができる光断層画像表示システムを提供することを目的とする。 The present invention pays attention to the above-mentioned problems, and by using a wavelength scanning light source capable of scanning at a high speed over a wide band with a narrow oscillation spectrum line width, an optical tomography capable of displaying an image at a wide measurement depth. An object is to provide an image display system.

この課題を解決するために、本発明の光断層画像表示システムは、周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、物体の測定位置に反射物を配置したときに、前記受光素子からの出力に基づいて得られた信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備する光断層画像表示システムにおいて、前記波長走査型光源は、発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子と、周期的に選択波長を走査させる波長可変フィルタと、を有し、前記ゲイン素子の自然放出光が前記波長可変フィルタに入射され、選択された波長の光を前記ゲイン素子に再び入射して増幅させることによって、発振波長を走査させた光を出力することを特徴とするものである。 In order to solve this problem, an optical tomographic image display system according to the present invention includes a wavelength scanning light source that periodically scans the oscillation wavelength of light, and irradiates the reference light and the object with light from the wavelength scanning light source. An interference optical meter that branches into light and generates interference light between reflected light from the object and reference light, a light receiving element that receives the interference light obtained from the interference optical meter and obtains a beat signal, and measurement of the object An optical tomographic image display comprising: a signal processing unit that calculates a tomographic image of the object by Fourier-transforming a signal obtained based on an output from the light receiving element when a reflector is disposed at a position; In the system, the wavelength scanning light source includes a gain element having a gain in an oscillation wavelength band and a wavelength variable filter that periodically scans a selected wavelength, and the spontaneous emission light of the gain element is the wavelength variable filter. In Isa is, by amplifying incident again to the gain element light of a selected wavelength, and is characterized in that outputs light obtained by scanning the oscillation wavelength.

ここで前記波長走査型光源の波長走査周波数は、１０ｋＨｚ以上としてもよい。 Here, the wavelength scanning frequency of the wavelength scanning light source may be 10 kHz or more.

ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、前記ゲイン素子から入射された自然放射光の波長を選択的に反射して再び前記ゲイン素子に入力する反射型の波長可変フィルタとしてもよい。 Here, the wavelength tunable filter of the wavelength scanning light source may be a reflective wavelength tunable filter that selectively reflects the wavelength of the naturally radiated light incident from the gain element and inputs the reflected light to the gain element again.

ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、前記波長可変フィルタの側方に配置され、前記波長可変フィルタを透過して選択された波長の光を再び前記波長可変フィルタに入射するように反射するミラーを更に有するようにしてもよい。 Here, the wavelength tunable filter of the wavelength scanning light source is a transmissive wavelength selection filter, and is disposed on the side of the wavelength tunable filter, and transmits light having a wavelength selected through the wavelength tunable filter again. You may make it further have a mirror which reflects so that it may inject into a wavelength tunable filter.

ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、前記ゲイン素子と前記波長可変フィルタとの間に配置され、ゲイン素子より出射される自然放射光を前記波長可変フィルタに入射すると共に、前記波長可変フィルタを透過した光を再び前記ゲイン素子に帰還させる光サーキュレータを更に具備するようにしてもよい。 Here, the wavelength tunable filter of the wavelength scanning light source is a transmission-type wavelength selection filter, and is disposed between the gain element and the wavelength tunable filter, and the natural radiated light emitted from the gain element is tunable. You may make it further comprise the optical circulator which injects into the filter and returns the light which permeate | transmitted the said wavelength variable filter to the said gain element again.

このような特徴を有する本発明によれば、波長可変フィルタの選択波長を連続的に変化させることにより、発振波長を連続して高速で走査することができる。波長可変フィルタの波長選択特性は走査速度が上昇しても変化しないので、狭帯域のままで高速に走査することができる。従って干渉信号の検出感度が高く、内部深達度も高い光断層画像表示システムを提供することができる。 According to the present invention having such characteristics, the oscillation wavelength can be continuously scanned at a high speed by continuously changing the selection wavelength of the wavelength tunable filter. Since the wavelength selection characteristic of the wavelength tunable filter does not change even when the scanning speed increases, it is possible to scan at a high speed while maintaining a narrow band. Therefore, it is possible to provide an optical tomographic image display system having high interference signal detection sensitivity and high internal depth.

図１は従来の一般的な外部共振器型レーザの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional general external resonator type laser. 図２は多モード型レーザ光源の特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the characteristics of the multimode laser light source. 図３は多モード型レーザ光源の走査速度とスペクトル幅の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the scanning speed and the spectral width of the multimode laser light source. 図４は本発明の実施の形態による波長走査型光断層画像表示システムの全体構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an overall configuration of a wavelength scanning optical tomographic image display system according to an embodiment of the present invention. 図５は参照光と反射光との周波数の時間的変化を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing temporal changes in the frequencies of the reference light and the reflected light. 図６は本実施の形態による波長走査型光源のブロック図である。FIG. 6 is a block diagram of the wavelength scanning light source according to the present embodiment. 図７は本発明の実施の形態による波長走査型光源の波長可変フィルタの一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a wavelength tunable filter of the wavelength scanning light source according to the embodiment of the present invention. 図８は本実施の形態による波長走査型光源の他の例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing another example of the wavelength scanning light source according to the present embodiment. 図９は本実施の形態による波長走査型光源の発振状態を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the oscillation state of the wavelength scanning light source according to this embodiment. 図１０は本実施の形態による波長走査型光源の走査速度とスペクトル幅の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the scanning speed and the spectral width of the wavelength scanning light source according to this embodiment. 図１１は本実施の形態の波長可変フィルタとゲイン素子との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the wavelength tunable filter and the gain element of the present embodiment.

図４は本発明の実施の形態による光断層画像表示システムの全体構成を示すブロック図である。本図において波長走査型光源１０は一定の範囲、例えば２２０〜２５０ＴＨｚの光信号を発振する波長走査型の光源であって、その出力は光ファイバ１１に与えられる。光ファイバ１１の他端にコリメートレンズ１２及び参照ミラー１３が設けられる。又この光ファイバ１１の中間部分には、他の光ファイバ１５を接近させて干渉させる合分岐部１４が設けられている。光ファイバ１５の一端には、波長走査型光源１０から合分岐部１４を介して得られた光信号を平行光とするコリメートレンズ１６、光をスキャニングするスキャニングミラー１７が設けられる。スキャニングミラー１７の反射光を受光する位置に、光を測定物に照射するためのレンズ１８が設けられる。スキャニングミラー１７は紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動することによって、平行光の反射角度を変化させ、光の集束位置を水平方向にスキャニング（走査）するものである。さて光ファイバ１５の他端にはレンズ１９を介してフォトダイオード２０を接続する。フォトダイオード２０は、参照ミラー１３からの反射光と測定部位で反射された光の干渉光を受光することによって、そのビート信号を電気信号として得る受光素子である。ここで光ファイバ１１，１５と合分岐部１４、コリメートレンズ１２、参照ミラー１３、コリメートレンズ１６、スキャニングミラー１７、レンズ１８は干渉光学計を構成している。 FIG. 4 is a block diagram showing the overall configuration of the optical tomographic image display system according to the embodiment of the present invention. In this figure, a wavelength scanning light source 10 is a wavelength scanning light source that oscillates an optical signal in a certain range, for example, 220 to 250 THz, and its output is given to an optical fiber 11. A collimating lens 12 and a reference mirror 13 are provided at the other end of the optical fiber 11. Further, an intermediate branch portion 14 is provided at the middle portion of the optical fiber 11 to allow another optical fiber 15 to approach and interfere. At one end of the optical fiber 15, a collimator lens 16 that converts the optical signal obtained from the wavelength scanning light source 10 through the coupling / branching unit 14 into parallel light, and a scanning mirror 17 that scans the light are provided. A lens 18 for irradiating the measurement object with light is provided at a position where the reflected light of the scanning mirror 17 is received. The scanning mirror 17 rotates within a certain range about an axis perpendicular to the paper surface, thereby changing the reflection angle of parallel light and scanning (scanning) the light focusing position in the horizontal direction. A photodiode 20 is connected to the other end of the optical fiber 15 via a lens 19. The photodiode 20 is a light receiving element that receives the reflected light from the reference mirror 13 and the interference light of the light reflected by the measurement site to obtain the beat signal as an electrical signal. Here, the optical fibers 11 and 15, the coupling / branching unit 14, the collimating lens 12, the reference mirror 13, the collimating lens 16, the scanning mirror 17, and the lens 18 constitute an interference optical meter.

さてフォトダイオード２０の出力は増幅器２１を介して信号処理部２２に入力される。又波長走査型光源１０は光の走査の開始時点でトリガ信号を生成するものとし、その出力は信号処理部２２に与えられる。信号処理部２２は図示のように光干渉信号の折り返し歪みを除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１が設けられ、この出力がＡ／Ｄ変換器３２に与えられる。Ａ／Ｄ変換器３２は所定の等時間間隔でＡ／Ｄ変換を行い、その出力をＣＰＵ３３に出力する。ＣＰＵ３３はこのデータを保持し、後述するアルゴリズムに基づいてフーリエ変換回路３４によってフーリエ変換を行い、得られた画像をモニタ３６に出力するものである。又Ｄ／Ａ変換器３５はＡ／Ｄ変換器３２から出力されるトリガ信号に基づいて、のこぎり波状の画像掃引信号を生成してモニタ３６に出力するものである。 The output of the photodiode 20 is input to the signal processing unit 22 via the amplifier 21. The wavelength scanning light source 10 generates a trigger signal at the start of light scanning, and its output is given to the signal processing unit 22. The signal processing unit 22 is provided with a low-pass filter (LPF) 31 for removing the aliasing distortion of the optical interference signal as shown in the figure, and this output is given to the A / D converter 32. The A / D converter 32 performs A / D conversion at predetermined equal time intervals and outputs the output to the CPU 33. The CPU 33 holds this data, performs a Fourier transform by a Fourier transform circuit 34 based on an algorithm to be described later, and outputs the obtained image to the monitor 36. The D / A converter 35 generates a sawtooth image sweep signal based on the trigger signal output from the A / D converter 32 and outputs it to the monitor 36.

次に、波長走査型光源を用いた光干渉断層計測の原理について説明する。光源から光周波数が連続的にかつ周期的に変化するコヒーレント光を対象物体に照射させ、干渉光学計を用いて物体内部、あるいは生体表皮下層で反射した後方散乱光と参照光とを干渉させる。この干渉光の強度分布を計測し、光周波数の変化に対応した強度分布の変化を測定することによって、深さ方向に沿った断層画像を構築できる。さらに物体上で１次元、２次元に空間ビームを走査することによって、夫々２次元、３次元の断層画像を構築することができる。 Next, the principle of optical coherence tomography measurement using a wavelength scanning light source will be described. The target object is irradiated with coherent light whose optical frequency continuously and periodically changes from the light source, and the backscattered light reflected from the inside of the object or the subsurface layer of the living body is caused to interfere with the reference light using an interference optical meter. By measuring the intensity distribution of the interference light and measuring the change in the intensity distribution corresponding to the change in the optical frequency, a tomographic image along the depth direction can be constructed. Further, by scanning a spatial beam in one dimension and two dimensions on the object, a two-dimensional and three-dimensional tomographic image can be constructed, respectively.

干渉光学計において合分岐部１４から２つの腕の光路、すなわち参照ミラー１３までの光路Ｌ１と、物体中の反射面までの光路Ｌ２とが等しいときには、干渉光のビート周波数はゼロとなる。次に、反射光が物体内部のある深さｚから反射するとき、光周波数が時間的に変化していると、その光路差の分、物体からの反射光と参照ミラー１３からの反射光の周波数に差が生じ、干渉光にビートが生じる。ここで、例えば光源の光周波数が時間的に線形に走査されているとする。干渉計の腕の長さが等しい位置に物体の表面があり、物体の反射面は表面から深さｚの位置にのみあるとする。合分岐部１４での参照光の周波数と物体からの反射光（物体光）の周波数の時間的変化は、夫々図５の直線Ａ，Ｂのようになる。ここで光周波数は走査レートα［Ｈｚ／ｓ］で、時間Ｔ［ｓ］内で周波数幅Δｆ＝αＴ［Ｈｚ］にわたって走査されるとする。参照光に対する物体光の遅れ時間τは、物体の屈折率をｎとすると、
τ＝２ｎｚ／ｃ
となる。従ってフォトダイオード２０で受光される干渉光は、ビート周波数
ｆｂ＝ατ＝（Δｆ／Ｔ）（２ｎｚ／ｃ）・・・（１）
で変動することになる。 In the interference optical meter, when the optical path of the two arms from the coupling / branching unit 14, that is, the optical path L1 to the reference mirror 13 and the optical path L2 to the reflecting surface in the object are equal, the beat frequency of the interference light is zero. Next, when the reflected light is reflected from a certain depth z inside the object, if the optical frequency changes with time, the reflected light from the object and the reflected light from the reference mirror 13 are equivalent to the difference in the optical path. A difference occurs in frequency, and a beat occurs in the interference light. Here, for example, it is assumed that the optical frequency of the light source is scanned linearly in terms of time. It is assumed that the surface of the object is at a position where the lengths of the arms of the interferometer are equal, and the reflecting surface of the object is only at a position at a depth z from the surface. The temporal changes in the frequency of the reference light and the frequency of the reflected light (object light) from the object at the combining / branching unit 14 are as shown by straight lines A and B in FIG. Here, the optical frequency is assumed to be scanned over a frequency width Δf = αT [Hz] within a time T [s] at a scanning rate α [Hz / s]. The delay time τ of the object light with respect to the reference light is expressed as follows:
τ = 2 nz / c
It becomes. Therefore, the interference light received by the photodiode 20 has a beat frequency fb = ατ = (Δf / T) (2 nz / c) (1)
Will fluctuate.

実際は反射光は物体内部の深さに沿って連続的に異なった位置から発生するので、反射光はそれぞれの深さに対応した異なったビート周波数成分をもつ。従って干渉光の強度変化を周波数分析することによって、ビート周波数に対応するある特定の深さからの反射光強度を検出することができる。この反射強度の空間分布をとることで、断層画像を構築できる。 Actually, since the reflected light is continuously generated from different positions along the depth inside the object, the reflected light has different beat frequency components corresponding to each depth. Therefore, the intensity of reflected light from a specific depth corresponding to the beat frequency can be detected by frequency analysis of the intensity change of the interference light. A tomographic image can be constructed by taking the spatial distribution of the reflection intensity.

数学的にはこの周波数分析は次式（２）で示される干渉光信号Ｉ_dctをフーリエ変換することによって得られる。

第１，２項はそれぞれ参照ミラーと、物体からの反射光の直流成分であり、第３項が干渉信号光成分である。これをフーリエ変換することによって、物体中の任意の深さに対応する散乱光強度の関係を得ることができる。
干渉光信号：Ｆ（ｚ）＝ΣＩ_dct［ｋ_m］ｅｘｐ（−ｊ２ｋ_mｚ_n）・・・（３）
ｋ_m＝ｋ（ｔ_m）＝２π／λ（ｔ_m）＝２πｆ（ｔ_m）／ｃ
上記干渉光信号はｋ空間で均等なサンプリングでフーリエ変換することによって、歪みのない画像が得られる。 Mathematically, this frequency analysis is obtained by Fourier transforming the interference optical signal I _dct represented by the following equation (2).

The first and second terms are the direct current components of the reference mirror and the reflected light from the object, respectively, and the third term is the interference signal light component. By performing a Fourier transform on this, it is possible to obtain a relationship of scattered light intensity corresponding to an arbitrary depth in the object.
Coherent light _{signal: F (z) = ΣI dct} [k m] exp (-j2k m z n) ··· (3)
_{_{k m = k (t m)}} = 2π / λ (t m) = 2πf (t m) / c
The interference light signal is Fourier-transformed with uniform sampling in the k space, thereby obtaining an image without distortion.

このサンプリングのタイミングを与えるトリガ信号は、波長走査型光源１０の走査する光周波数と同期する必要があり、加えて波数、即ち周波数軸上で均等である必要がある。 The trigger signal that gives the sampling timing needs to be synchronized with the optical frequency scanned by the wavelength scanning light source 10, and in addition, needs to be equal on the wave number, that is, on the frequency axis.

ここで深さ方向の分解能δｚは式（４）で表され、走査範囲の逆数に比例する、即ち走査範囲が広くなるほど高分解能となる。
δｚ＝（２ｌｎ２／π）・（λ₀ ²／Δλ）・・・（４）
ここでλ₀は中心波長であり、Δλは波長走査範囲である。 Here, the resolution δz in the depth direction is expressed by Equation (4), and is proportional to the reciprocal of the scanning range, that is, the higher the scanning range, the higher the resolution.
δz = (2ln2 / π) · (λ ₀ ² / Δλ) (4)
Here, λ ₀ is the center wavelength, and Δλ is the wavelength scanning range.

次にコヒーレント長Ｌｃは次式で表される。
Ｌｃ＝（２ｌｎ２／π）・（Ｃ／Δν）・・・（５）
ここでΔνは動的線幅、即ち波長がシフトしている途中のスペクトル線幅である。 Next, the coherent length Lc is expressed by the following equation.
Lc = (2ln2 / π) · (C / Δν) (5)
Here, Δν is the dynamic line width, that is, the spectral line width in the middle of the wavelength shift.

次に式（５）で表されるコヒーレント長Ｌｃは深さ方向の測定距離の２倍に相当し、線幅に反比例して広くなる。つまり波長走査型光源１０としては、広い波長走査範囲と、狭線幅を持つ光源であることが好ましい。 Next, the coherent length Lc represented by Expression (5) corresponds to twice the measurement distance in the depth direction, and becomes wider in inverse proportion to the line width. That is, the wavelength scanning light source 10 is preferably a light source having a wide wavelength scanning range and a narrow line width.

次に本実施の形態による波長走査型光源１０について詳細に説明する。本実施の形態による波長走査型光源１０は、図６にブロック図を示すように、発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子４０とそのゲインを制御する制御部４１、及び波長可変フィルタ５０とその制御部６０によって構成されている。又波長可変フィルタ５０は狭帯域の波長を選択するための光フィルタであり、制御部６０はその選択波長を高速に走査するためのものである。 Next, the wavelength scanning light source 10 according to the present embodiment will be described in detail. As shown in the block diagram of FIG. 6, the wavelength scanning light source 10 according to the present embodiment includes a gain element 40 having a gain in the oscillation wavelength band, a control unit 41 that controls the gain, a wavelength tunable filter 50, and its control. The unit 60 is configured. The wavelength tunable filter 50 is an optical filter for selecting a narrow-band wavelength, and the control unit 60 is for scanning the selected wavelength at high speed.

この実施の形態による波長走査型光源は、ゲイン素子４０からの自然放射光を狭帯域の波長可変フィルタ５０に入射し、波長可変フィルタ５０によってその一部の波長を切り出してゲイン素子４０でこの光を増幅することにより、発振する。従って本発明による波長走査型光源は、外部共振器を用いたものではない。 In the wavelength scanning light source according to this embodiment, the naturally radiated light from the gain element 40 is incident on the narrow-band tunable filter 50, and a part of the wavelength is cut out by the tunable filter 50, and this light is output by the gain element 40. It oscillates by amplifying. Therefore, the wavelength scanning light source according to the present invention does not use an external resonator.

ゲイン素子４０は、例えばＳＯＡ（半導体光増幅器）によって構成される。この場合は制御部４１はＳＯＡに電流を供給する電流供給回路であり、電流値によってＳＯＡのゲインを調整することができる。 The gain element 40 is configured by, for example, an SOA (semiconductor optical amplifier). In this case, the control unit 41 is a current supply circuit that supplies current to the SOA, and can adjust the gain of the SOA according to the current value.

又波長可変フィルタ５０とその制御部６０の一例について説明する。波長可変フィルタ５０は図７に示すように回折格子５１を用いることができる。この場合、制御部６０は回折格子５１に入射する光の入射角度を変化することによって選択波長を変化させる機能を有する手段、例えばポリゴンミラー６１と駆動部６２によって構成することができる。この場合に入射光を同一方向に反射させるリトロー配置とすれば、反射型の波長可変フィルタとなる。又制御部６０としては、スキャニングミラーやガルバノミラーとその駆動部によっても構成することができる。 An example of the wavelength tunable filter 50 and its control unit 60 will be described. As the wavelength tunable filter 50, a diffraction grating 51 can be used as shown in FIG. In this case, the control unit 60 can be configured by means having a function of changing the selection wavelength by changing the incident angle of the light incident on the diffraction grating 51, for example, the polygon mirror 61 and the drive unit 62. In this case, if the Littrow arrangement is used to reflect incident light in the same direction, a reflection type wavelength tunable filter is obtained. The control unit 60 can also be configured by a scanning mirror, a galvano mirror, and its driving unit.

又波長可変フィルタとその制御部の他の例について説明する。図８に示すように波長可変フィルタ５０はファブリペローエタロン５２によって構成することができる。ファブリペローエタロン５２は平行に配置された一対のミラー５３，５４によって構成される。このミラー５３，５４の相対向する面は高反射コートが施され、各ミラー５３，５４の外側の面には無反射コートが施されている。このエタロンフィルタに光を入射するために光ファイバ５５、コリメートレンズ５６が設けられる。そしてファブリペローエタロン５２を通過した光を集光するため、集光レンズ５７と光ファイバ５８が設けられる。この場合には制御部６０はファブリペローエタロン５２の一対のミラーの間隔を制御する機能を有するものであればよく、例えば圧電素子６３とその駆動回路６４を用いることができる。 Another example of the wavelength tunable filter and its control unit will be described. As shown in FIG. 8, the tunable filter 50 can be constituted by a Fabry-Perot etalon 52. The Fabry-Perot etalon 52 includes a pair of mirrors 53 and 54 arranged in parallel. The opposing surfaces of the mirrors 53 and 54 are provided with a highly reflective coating, and the outer surfaces of the mirrors 53 and 54 are provided with a non-reflective coating. An optical fiber 55 and a collimating lens 56 are provided to allow light to enter the etalon filter. A condensing lens 57 and an optical fiber 58 are provided to condense the light that has passed through the Fabry-Perot etalon 52. In this case, the control unit 60 only needs to have a function of controlling the distance between the pair of mirrors of the Fabry-Perot etalon 52. For example, the piezoelectric element 63 and its drive circuit 64 can be used.

更に波長可変フィルタ５０は干渉多層膜フィルタを用い、干渉多層膜フィルタに入射する角度を微小に変化させることによって波長を選択するように構成することもできる。 Furthermore, the wavelength tunable filter 50 can be configured to use an interference multilayer filter and select the wavelength by minutely changing the angle of incidence on the interference multilayer filter.

次にこの実施の形態による波長走査型光源の動作について説明する。図９（ａ）はゲイン素子４０の自然放出光（ＡＳＥ光）の発光スペクトルを示している。又図９（ｂ）は自然放出光の発光帯域の一部にピークを有する波長可変フィルタ５０の透過率特性を示している。ゲイン素子４０から光が入射されると、図９（ｃ）に示すように、フィルタリングされた自然放出光が得られる。この光を再びゲイン素子４０で増幅することによって図９（ｄ）に示すように、増幅された自然放出光が得られることとなる。このように自然放射光を狭帯域の波長可変フィルタで切り出すことにより、高速で波長を走査した場合であってもフィルタの特性はそのまま現れ、走査速度の上昇に応じてスペクトル幅が拡大することはない。 Next, the operation of the wavelength scanning light source according to this embodiment will be described. FIG. 9A shows an emission spectrum of spontaneous emission light (ASE light) of the gain element 40. FIG. 9B shows the transmittance characteristics of the wavelength tunable filter 50 having a peak in a part of the emission band of spontaneous emission light. When light is incident from the gain element 40, filtered spontaneous emission light is obtained as shown in FIG. By amplifying this light again by the gain element 40, amplified spontaneous emission light is obtained as shown in FIG. 9 (d). By cutting out naturally radiated light with a narrow-band tunable filter in this way, the characteristics of the filter appear as it is even when the wavelength is scanned at high speed, and the spectrum width increases as the scanning speed increases. Absent.

図１０はこの波長走査速度とスペクトル幅との関係を示すグラフである。従来の外部共振器型の波長可変フィルタでは、走査周波数を上昇させるにつれて発振スペクトル幅が図３に示すように徐々に上昇していく。一方本実施の形態による波長走査型光源では、図１０に示すように走査速度にかかわらずスペクトル幅は一定となる。従って図３に示す従来の特性に比べて１０〜２０ｋＨｚ以上の走査速度で従来に比べて効果がある。従ってこの波長走査型光源１０は高速の走査が必要な光断層画像表示システムの光源として好適に使用することができる。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the wavelength scanning speed and the spectrum width. In the conventional external resonator type tunable filter, the oscillation spectrum width gradually increases as the scanning frequency is increased as shown in FIG. On the other hand, in the wavelength scanning light source according to the present embodiment, the spectrum width is constant regardless of the scanning speed as shown in FIG. Therefore, compared with the conventional characteristic shown in FIG. 3, it is more effective than the conventional one at a scanning speed of 10 to 20 kHz or more. Therefore, the wavelength scanning light source 10 can be suitably used as a light source for an optical tomographic image display system that requires high-speed scanning.

次に波長可変フィルタとゲイン素子の種々の配置例について図１１を用いて説明する。尚図１１では、制御部４１，６０を省略している。図１１（ａ）は波長可変フィルタ５０が反射型の場合である。この場合にはゲイン素子４０からの出力を波長可変フィルタ５０に入射し、その反射光を再びゲイン素子４０で増幅することによって発振することができる。 Next, various arrangement examples of the wavelength tunable filter and the gain element will be described with reference to FIG. In FIG. 11, the control units 41 and 60 are omitted. FIG. 11A shows a case where the wavelength tunable filter 50 is a reflection type. In this case, the output from the gain element 40 is incident on the wavelength tunable filter 50, and the reflected light can be again amplified by the gain element 40 to oscillate.

又図１１（ｂ）は波長可変フィルタ５０が透過型の場合である。この場合には波長可変フィルタ５０の外側にミラー７１を設け、ゲイン素子４０より出射した自然放射光を波長可変フィルタ５０を介してミラー７１に入射する。ミラー７１で反射された光は再び波長可変フィルタ５０を介してゲイン素子４０に戻る。このため波長可変フィルタ５０を２回透過することとなって波長選択特性を改善することができる。この場合には前述したエタロンフィルタなどが用いられる。 FIG. 11B shows a case where the wavelength tunable filter 50 is a transmission type. In this case, a mirror 71 is provided outside the wavelength tunable filter 50, and natural radiation emitted from the gain element 40 is incident on the mirror 71 through the wavelength tunable filter 50. The light reflected by the mirror 71 returns to the gain element 40 through the wavelength variable filter 50 again. For this reason, the wavelength selection characteristic can be improved by passing through the wavelength tunable filter 50 twice. In this case, the etalon filter described above is used.

図１１（ｃ）は波長可変フィルタが透過型フィルタであり、ゲイン素子４０の自然放射光を光サーキュレータ７２を介して波長可変フィルタ５０に入射するものである。波長可変フィルタ５０を透過した光は光サーキュレータ７２を介して再びゲイン素子４０に帰還する。この場合にも波長可変フィルタ５０の波長選択特性によって狭帯域の波長とすることができる。 In FIG. 11C, the wavelength tunable filter is a transmission filter, and the naturally radiated light from the gain element 40 is incident on the wavelength tunable filter 50 via the optical circulator 72. The light transmitted through the wavelength tunable filter 50 returns to the gain element 40 again via the optical circulator 72. Also in this case, the wavelength can be set to a narrow band by the wavelength selection characteristic of the wavelength tunable filter 50.

本発明は波長走査型光源として外部共振器型のレーザ光源を用いず、ゲイン素子の自然放射光を狭帯域フィルタで切り取ることによって狭帯域の波長としている。従って高速で走査してもスペクトルの広がりがなく、光断層画像表示システムに適用することにより、光断層画像を広い測定深度で表示することができる。 In the present invention, the external resonator type laser light source is not used as the wavelength scanning light source, and the natural radiated light of the gain element is cut by a narrow band filter to obtain a narrow band wavelength. Therefore, the spectrum does not spread even when scanned at high speed, and the optical tomographic image can be displayed at a wide measurement depth by applying it to the optical tomographic image display system.

本発明は高速で走査してもスペクトルの広がりがない波長走査型光源を光断層画像表示システムに適用している。従って本発明は光断層画像を広い測定深度で表示することができ、物体の表面下部の内部構造の画像、あるいは生体組織の表皮下層断層の画像を観察する光断層画像表示システムに好適に使用することができる。 In the present invention, a wavelength scanning light source that does not spread spectrum even when scanned at high speed is applied to an optical tomographic image display system. Therefore, the present invention can display an optical tomographic image at a wide measurement depth, and is suitably used for an optical tomographic image display system for observing an image of an internal structure below the surface of an object or an image of a subepidermal layer tomographic image of a living tissue. be able to.

１０波長走査型光源
１１，１５光ファイバ
１３参照ミラー
１７スキャニングミラー
２０フォトダイオード
２１増幅器
２２信号処理部
４０ゲイン素子
４１制御部
５０波長可変フィルタ
５１回折格子
５２ファブリペローエタロン
６０制御部
６１ポリゴンミラー
６２駆動部
６３圧電素子
６３駆動回路
７１ミラー
７２光サーキュレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Wavelength scanning light source 11,15 Optical fiber 13 Reference mirror 17 Scanning mirror 20 Photodiode 21 Amplifier 22 Signal processing part 40 Gain element 41 Control part 50 Wavelength variable filter 51 Diffraction grating 52 Fabry-Perot etalon 60 Control part 61 Polygon mirror 62 Drive Unit 63 Piezoelectric element 63 Drive circuit 71 Mirror 72 Optical circulator

Claims

周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、
前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、
前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、
物体の測定位置に反射物を配置したときに、前記受光素子からの出力に基づいて得られた信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備する光断層画像表示システムにおいて、
前記波長走査型光源は、
発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子と、
周期的に選択波長を走査させる波長可変フィルタと、を有し、
前記ゲイン素子の自然放出光が前記波長可変フィルタに入射され、選択された波長の光を前記ゲイン素子に再び入射して増幅させることによって、発振波長を走査させた光を出力することを特徴とする光断層画像表示システム。 A wavelength scanning light source that periodically scans the oscillation wavelength of light;
An interference optical meter for branching light from the wavelength scanning light source into reference light and irradiation light to the object, and generating interference light between the reflected light from the object and the reference light;
A light receiving element that receives interference light obtained from the interference optical meter and obtains a beat signal;
A signal processing unit that calculates a tomographic image of the object by Fourier-transforming a signal obtained based on the output from the light receiving element when a reflector is disposed at the measurement position of the object; In the tomographic image display system,
The wavelength scanning light source is:
A gain element having a gain in the oscillation wavelength band;
A wavelength tunable filter that periodically scans the selected wavelength;
The spontaneous emission light of the gain element is incident on the wavelength tunable filter, and light having a selected wavelength is incident on the gain element again to be amplified, thereby outputting light whose oscillation wavelength is scanned. Optical tomographic image display system.

前記波長走査型光源の波長走査周波数は、１０ｋＨｚ以上である請求項１記載の光断層画像表示システム。 The optical tomographic image display system according to claim 1, wherein a wavelength scanning frequency of the wavelength scanning light source is 10 kHz or more.

前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、
前記ゲイン素子から入射された自然放射光の波長を選択的に反射して再び前記ゲイン素子に入力する反射型の波長可変フィルタである請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。 The wavelength tunable filter of the wavelength scanning light source is:
3. The optical tomographic image display system according to claim 1, wherein the optical tomographic image display system is a reflective wavelength tunable filter that selectively reflects the wavelength of spontaneously emitted light incident from the gain element and inputs the reflected light to the gain element again.

前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、
前記波長可変フィルタの側方に配置され、前記波長可変フィルタを透過して選択された波長の光を再び前記波長可変フィルタに入射するように反射するミラーを更に有する請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。 The wavelength tunable filter of the wavelength scanning type light source is a transmission type wavelength selection filter,
3. The light according to claim 1, further comprising a mirror that is disposed on a side of the wavelength tunable filter and reflects the light having a selected wavelength that is transmitted through the wavelength tunable filter so as to be incident on the wavelength tunable filter again. Tomographic image display system.

前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、
前記ゲイン素子と前記波長可変フィルタとの間に配置され、ゲイン素子より出射される自然放射光を前記波長可変フィルタに入射すると共に、前記波長可変フィルタを透過した光を再び前記ゲイン素子に帰還させる光サーキュレータを更に具備する請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。
The wavelength tunable filter of the wavelength scanning type light source is a transmission type wavelength selection filter,
Arranged between the gain element and the wavelength tunable filter, the natural radiation emitted from the gain element enters the wavelength tunable filter, and the light transmitted through the wavelength tunable filter is fed back to the gain element again. The optical tomographic image display system according to claim 1, further comprising an optical circulator.