JP5463473B2 - 光断層画像表示システム - Google Patents
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Description
TL=nL/c ・・・(1)
ただし、n:屈折率
c:光速
として表される。
また、FとTLとの関係は、
F=m/TL ・・・(2)
ただし、m(整数)>0
の関係がある。通常のモードロックレーザでは、図1(a)において外部共振器内に挿入される半導体光増幅器などのゲイン媒体のゲイン特性を曲線Aで示し、外部共振器長によって決まるスペクトルを同時に示すものとすると、fcとFが一致したときに図1(b)に示すようにゲイン特性の範囲内で広帯域の発振が想定される。尚このスペクトルのモード間隔はFSR(=c/L)により決定される。
L=L(λ)
TL=TL(λ)
従って繰り返し周波数Fも発振波長λに依存する。図2(a)はこの場合の発振可能なスペクトルを示し、同時に半導体光増幅器のゲイン特性を曲線Aとして示している。この場合、あるクロック周波数fcで変調駆動した際、
fc=F(λ) ・・・(3)
が満足される波長λで安定なモードロック発振が起こる。他の波長λでは、式(3)の条件が満足されていないため、発振が起きない。よって、クロック周波数fcを例えばfc1とすると、図2(b)に示すスペクトルの光のみが発振する。クロック周波数を変化させfc2とすると、図2(c)に示すスペクトルの光を発振させることができる。更に、クロック周波数fcを連続的に変化させることによって、レーザ光の発振周波数を連続して変化させることが可能となる。この場合、縦モードの間隔はFSR(=c/L(f))により決定される。
図4は本発明の第1の実施の形態による波長走査型光源を用いた光断層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には一定の周波数範囲の光信号を発振する波長可変型のモードロック型のレーザ光源を用いる。この波長走査型光源10の出力は光ファイバ11の一端に与えられる。光ファイバ11の他端にはコリメートレンズ12及び参照ミラー13が設けられている。又光ファイバ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結合部14が設けられる。光ファイバ15の一端には、波長走査型光源10から結合部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るものである。集束レンズ18はこの反射光を受光する位置に配置し、測定部位へ光を集束すると共に水平方向にスキャニング(走査)する。ここで結合部14から参照ミラー13までの光学距離L1と、結合部14から測定部位の表面までの光学距離L2とを等しくしておく。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と結合部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、集束レンズ18は干渉光学計を構成している。
λ=a(sinθ1+sinθ2) ・・・(4)
ここで波長走査型光源の発振波長が最も短い波長をλ1、最も長い波長をλ2とする。ここで入射角θ1は一定であるが、反射角θ2は波長によって異なるので、波長λ1,λ2のときの反射角θ2を夫々θ2(λ1),θ2(λ2)とする。又最も短い波長の場合にミラー31と回折格子32との間の長さをL4とし、図5に示すように回折格子33とSOA35の反射面との距離をL5とする。このとき最も短い波長λ1の外部共振器長L(λ1)は次式で示される。
L(λ1)=L3/cosθ2(λ1)+L4+L5 ・・・(5)
又最も長い波長λ2の場合には外部共振器長L(λ2)は次式で示される。
L(λ2)=L3/cosθ2(λ2)+L4+L3sinθ1(tanθ2(λ2)
−tanθ2(λ1))+L5 ・・・(6)
そして外部共振器長の往復分の差は次式で示される。
2ΔL=L(λ1)−L(λ2)
=2L3{(1/cosθ2(λ1)−1/cosθ2(λ2))
−sinθ1(tanθ2(λ2)−tanθ2(λ1))} ・・・(7)
θ2(λ1)=49deg
θ2(λ2)=62deg
又外部共振器長の変化分ΔLについては
2ΔL=−270mm
と求められる。
Δτ=ΔL/c=-900psec
遅延量Δτを発振波長1260nmから1360nmへの変化分Δλ(100nm)で割ると、分散値Dとして-9psec/nmが求められる。これは非特許文献1に示されている分散型光ファイバの分散値、即ち単位長さ当たりの分散が-100psec/nm/km程度の光ファイバを100m用いた場合の分散値とほぼ等しい。例えば、非特許文献1で言及されている分散可変に必要な|-90ps/nm/kmx100m|=10ps/nmを得るのに、本実施の形態のように一対の回折格子を用いた場合は、そのおよそ千分の1程度の長さで同程度の分散値の分散素子を得ることができる。従って下記構成では、発振波長が1260nmから1360nmまでの100nmの可変範囲のレーザ光源を例えば5m以下の共振器長で実現できる。
Δλ=−(n0/cDmFSR)・ΔF
=−(L/Dm)・ΔF
次に本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態においてモードロック周波数は掃引された周波数分変化するので、A/D変換部51のサンプリングのタイミングが等時間間隔である場合、一走査の間に、光源の発振パルスのタイミングとA/D変換のタイミングとがずれてくる場合があり得る。このためモードロック信号の掃引範囲が大きければ見掛け上、非線形特性が重畳され、光断層画像の深さ方向の分解能が劣化する可能性がある。第2の実施の形態では、この問題点を解消するものである。
次に本発明の第3の実施の形態について説明する。この実施の形態も光源の発振パルスのタイミングとA/D変換のサンプリングのタイミングとのいずれに基づく時間に応じた光周波数が非線形に変化する場合に、逆関数で補正した時間応答でクロック周波数を掃引することによって非線形性を相殺するものである。
t=g-1(f)
を満たすようにモードロック周波数を変化させる。これは図13(a)に示すように非線形の変調信号を用いてモードロック信号を変調することに相当する。こうすれば発振周波数を直線的に変化させることができ、光断層画像の深さ方向の分解能を向上させることができる。
11,15 光ファイバ
12,16,19 コリメートレンズ
13 ミラー
14 結合部
17 スキャニングミラー
18 集束レンズ
20 フォトダイオード
21 増幅器
22 信号処理部
31 ミラー
32,33 回折格子
34 レンズ
35 半導体光増幅器
37 変調信号部
38 モードロック信号発生部
39 バイアスティ
40 電流源
51 A/D変換器
52 フーリエ変換回路
53 CPU
55 モニタ
Claims (5)
- 波長可変型レーザを含み、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、
前記受光素子からの出力をA/D変換するA/D変換部を有し、干渉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形成する信号処理部と、を具備し、
前記波長走査型光源は、
外部共振器と、
前記外部共振器の内部に設けられ、対向する一対の回折格子を有する波長分散素子と、
前記外部共振器内の光を増幅する半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器に加えるモードロック信号の周波数を変化させるモードロック信号発生部と、を有し、モードロック信号を変調することによって波長を可変するものである光断層画像表示システム。 - 前記波長走査型光源の外部共振器の共振器長は、10m以下である請求項1記載の光断層画像表示システム。
- 前記信号処理部のA/D変換部は、モードロック信号の周波数の整数倍及び整数分の1のいずれかのサンプリング周波数でA/D変換するものである請求項1記載の光断層画像表示システム。
- 前記信号処理部は、モードロック信号を外部クロックとして用いて前記A/D変換部にてサンプリングする請求項1記載の光断層画像表示システム。
- 前記モードロック信号発生部は、前記波長走査型光源のレーザ発振周波数が時間的に直線的に掃引するよう補正した関数でモードロック信号の周波数を変化させるものである請求項1記載の光断層画像表示システム。
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