WO2016059939A1 - 光断層イメージング法、その装置およびプログラム - Google Patents

光断層イメージング法、その装置およびプログラム Download PDF

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    • G06T2207/10101—Optical tomography; Optical coherence tomography [OCT]

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for acquiring a tomographic image of a measurement target such as a biological tissue using the coherence of light waves.
  • OCT Optical Coherence Tomography
  • Patent Document 1 The measurement principle of acquiring a tomographic image using the coherence of light waves is called OCT (Optical Coherence Tomography), and is currently in practical use as a medical device for acquiring a tomographic image of the retina (for example, Patent Document 1). And Non-Patent Document 1).
  • this device low coherence light is separated into measurement light and reference light, an object to be measured is installed on the measurement light side, a reference mirror is installed on the reference light side, and the reflected light from both is superimposed to produce an interference signal
  • a tomogram is acquired by obtaining Therefore, the lower the coherence, that is, the wider the spectral width of the light source, the higher the depth resolution (hereinafter, resolution) can be obtained.
  • this equipment can be broadly classified into time domain OCT (TD-OCT) and spectral domain OCT (SD-OCT: Spectral-domain OCT).
  • TD-OCT time domain OCT
  • SD-OCT spectral domain OCT
  • OCT has a feature that the resolution decreases when the group velocity dispersion (hereinafter referred to as dispersion) existing in the measurement optical path and the reference optical path is different. Therefore, if there is dispersion in the object to be measured and the optical system in the vicinity thereof, there is a drawback that the resolution is lowered due to the influence.
  • Non-Patent Document 2 a spectral intensity coherence tomographic imaging apparatus has been developed that automatically cancels the influence even when the dispersion existing in the measurement optical path and the reference optical path is different.
  • the principle is similar to that of SD-OCT, but it has a slightly more complicated and large-scale device configuration compared to normal SD-OCT, such as requiring two spectrometers.
  • the measurement by OCT has a feature that the resolution decreases when the dispersion existing in the measurement optical path and the reference optical path is different. For this reason, if there is dispersion in the object to be measured and the optical system in the vicinity thereof (that is, in the measurement optical path), the resolution is lowered.
  • a method has been used in which the same dispersion as that existing in the measurement optical path is intentionally introduced into the reference optical path to cancel the effect (see, for example, Patent Document 2). .
  • the present invention as with the SD-OCT device, as a method for realizing this with one spectroscopic device, a case where no phase difference is introduced between the measurement light and the reference light, and a case where a phase difference of ⁇ is introduced.
  • the intensity of the two spectral interference fringes (the interference signal from the broadband light is wavelength-resolved by the spectroscopic device and becomes an interference fringe) is acquired in time series, and necessary calculations are performed based on the two intensities to obtain the tomographic information. Methods and apparatus for obtaining are provided.
  • the present invention extends the above-described analysis method of spectral interference fringe intensity data acquired by two measurements with a phase difference, and is equivalent to analyzing spectral interference fringe intensity data by simpler one measurement.
  • a method and apparatus for acquiring tomographic information having resolution is provided.
  • the phase difference with respect to light having a wavelength other than the center wavelength does not strictly become ⁇ , and therefore an error occurs as the spectrum of the light source becomes wider.
  • a method for generating a similar phase difference by controlling the polarization states of the measurement light and the reference light, a change in the geometric phase associated therewith can be used (for example, see Non-Patent Document 3). Since this method allows phase shift independent of the spectrum, an error depending on the spectrum width of the light source does not occur.
  • the entire device can be realized at low cost.
  • the optical adjustment becomes simpler than the conventional apparatus configuration using two spectroscopic apparatuses, and the factors causing measurement errors can be reduced.
  • each arrow represents an optical path.
  • the converted value of pixel pair length of the present invention (b) is half that of the SD-OCT device (a).
  • FIG. (b) is a diagram showing the same experimental results when a dispersion medium (heavy flint glass) is installed in the measurement optical path immediately before the object to be measured.
  • the converted value of the pixel pair length in (a) and (b) is half that of the SD-OCT device, FIG. (a) is a signal acquired before moving the detector, and (b) is a signal acquired after moving the detector a distance of about 6 pixels.
  • the pixel-to-length conversion value is half that of the SD-OCT device, FIG.
  • a mechanism or means for generating a phase difference ⁇ between measurement light and reference light is added to an existing SD-OCT apparatus (Example 1) or not added (Example 3), and the principle is realized.
  • a tomographic image of the object to be measured is created by performing arithmetic processing (according to equations (2) to (4)).
  • FIG. 1 shows an optical system of a spectral intensity coherence tomographic imaging apparatus proposed by the present invention.
  • each arrow represents an optical path.
  • This optical system is basically the same as a conventional SD-OCT device, but the reference mirror is placed on a fine movement stage driven by a piezo element so that the incident light strikes vertically, and the fine movement stage propagates the light. The difference is that it can move back and forth along the direction.
  • the spectroscopic device is configured by the combination of the diffraction grating G and the detector Detector, but the same applies to other types of spectroscopic devices, generally combinations of spectroscopic elements and detectors.
  • the fine movement stage is not limited to driving by a piezo element.
  • the beam splitter may be a demultiplexer / multiplexer, and can be configured using a 2 ⁇ 2 optical fiber coupler.
  • Light from a broadband light source having a wide spectral width is separated into reference light and measurement light by a beam splitter BS1.
  • the light source is, for example, a superluminescent diode or a supercontinuum light source, but may be another type of light source as long as the spectrum is broadband.
  • the reference light is reflected by the reference mirror, the measurement light is reflected by the object to be measured, and the respective return lights are combined and interfered by the beam splitter BS1.
  • the interference light is decomposed into a spectrum by the diffraction grating, and the spectrum interference fringe intensity is detected by the detector.
  • the reference mirror is installed on the fine movement stage.
  • the spectral interference fringe intensity before moving the fine movement stage is detected and stored in a computer (with a display device).
  • a computer with a display device.
  • the intensity is recorded as a function of the wavelength ⁇ in the detector.
  • the center frequency ⁇ 0 of the incident light is adjusted so as to coincide with the center of the detector.
  • the fine movement stage is moved forward or backward along the light wave propagation direction by a distance that is half the center wavelength of the incident light (that is, the phase of the reference light is shifted by ⁇ ), and the same as above.
  • the spectral interference fringe intensity is detected and stored in a computer (with a display device), and the same conversion is performed. This is I 2 ( ⁇ ).
  • the spectral interference fringe intensity at the frequency shifted in the positive direction by the center frequency ⁇ 0 to ⁇ ′ is I 1 ( ⁇ 0 + ⁇ ′), and after the phase shift, the center frequency ⁇ 0 to ⁇ ′.
  • the spectral interference fringe intensity at a frequency shifted in the negative direction is I 2 ( ⁇ 0 ⁇ ′).
  • ⁇ ′ As a function of ⁇ ′, Fourier transform is performed on ⁇ ′ in a computer (with a display device). As a result, although the Fourier transform of C ( ⁇ ′) is generally a complex number, a target signal having information about the position of the object to be measured and reflectance is obtained in its real part. On the other hand, when the absolute value of the Fourier transform of C ( ⁇ ′) is evaluated, an unnecessary signal adjacent to the target signal is also confirmed, but this appears in the imaginary part, so that both can be easily separated. Is possible.
  • FIG. Fig. 3 (a) shows the experimental results obtained with the conventional SD-OCT device when a simple reflecting mirror is installed as the object to be measured
  • Fig. 3 (b) shows the experimental results obtained with the proposed device. ing.
  • the reference mirror is placed on the piezo-drive fine movement stage and moved back and forth, but the object to be measured may be placed on the fine movement stage.
  • ⁇ phase difference may be introduced (see Non-Patent Document 3). Furthermore, when performing the above calculation, how to take the spectral interference fringe intensity before and after the phase shift,
  • FIG. 4 shows the same experimental results when a heavy flint glass, which is an example of a dispersion medium, is installed in the measurement optical path immediately before the object to be measured in order to evaluate the influence of dispersion of the proposed apparatus.
  • FIG. 4A shows the result obtained by the conventional SD-OCT apparatus
  • FIG. 4B shows the result obtained by the proposed apparatus.
  • FIG. 4 (a) the signal of the conventional SD-OCT is spread due to the influence of dispersion and causes a reduction in resolution.
  • FIG. 4 (b) of the present invention the width of the target signal is as shown in FIG. 3 (b). It can be seen that no change due to the dispersion is observed at all, and the resolution is not lowered.
  • a reference mirror is installed on a fine movement stage driven by a piezo element so that the fine movement stage can be moved back and forth along the light propagation direction.
  • this fine movement stage is not necessary, and it is sufficient that a general reference mirror distance adjustment mechanism (not shown, for example, a moving stage) provided in a conventional SD-OCT apparatus is provided.
  • the reference mirror is fixed to the fine movement stage for convenience.
  • the intensity of the spectral interference fringes detected by the detector adjusted so that the center frequency ⁇ 0 of the incident light coincides with the center of the detector is measured by the computer (with display device). ).
  • this spectral interference fringe intensity is positive from the center frequency ⁇ 0 to ⁇ ′ with respect to the spectral interference fringe intensity I ( ⁇ ) converted to be a function of the frequency ⁇ using Equation 1.
  • the spectral interference fringe intensity at the frequency shifted in the direction of is I ( ⁇ 0 + ⁇ ′), and the frequency shifted from the center frequency ⁇ 0 in the negative direction by ⁇ ′ (negative sideband)
  • the intensity of the spectral interference fringe in the wave) is I ( ⁇ 0 ⁇ ′).
  • ⁇ ′ As a function of ⁇ ′, Fourier transform is performed on ⁇ ′ in a computer (with a display device). As a result, the Fourier transform of C ( ⁇ ′) is always a real number, and unnecessary signals are also confirmed adjacent to each other.
  • the position of the reference mirror is adjusted by adjusting the position of the reference mirror. A target signal having information on the position of the measurement target and reflectance can be obtained separately from unnecessary signals.
  • the height of the signal is proportional to the square of the reflectance of the object to be measured (reflection mirror).
  • the target signal and unnecessary signals can be separated. It is possible to acquire only a target signal having information on a measurement target.
  • FIG. 6B shows the same experimental results when a heavy flint glass, which is an example of a dispersion medium, is installed in the measurement optical path immediately before the object to be measured.
  • the corresponding experimental results obtained with a conventional SD-OCT apparatus are shown in FIG.
  • the target signal width is the same as the result shown in FIG. 6A, and it can be seen that there is no change affected by the dispersion. Therefore, the resolution does not decrease.
  • the target signal can be acquired separately from unnecessary adjacent signals by adjusting the position of the reference mirror as described above.
  • Non-Patent Document 2 In the theory of the spectral intensity coherence tomographic imaging apparatus (see Non-Patent Document 2), it is clear that the size of the artifact varies depending on the center frequency ⁇ 0 of the incident light.
  • the detector incorporated in the spectroscopic apparatus is arranged in the spectral dispersion direction and is about several percent of the detector size. Move within the range.
  • FIG. 7 shows the experimental results obtained with the proposed apparatus when a microscope cover glass is used as the measurement target having the two discrete reflecting surfaces described above. In FIG. 7, only a target signal having information on the measurement target including artifacts is displayed.
  • FIG. 7 (a) is a signal acquired before moving the detector
  • FIG. 7 (b) shows a detector having 2048 pixel structures in the spectral dispersion direction, and about 6 pixels along the direction. It is a signal acquired after moving the distance.
  • FIG. 7A it is confirmed that there is an artifact at the center in addition to the signals corresponding to the two reflecting surfaces to be measured.
  • FIG. 7B it is confirmed that only the central artifact is reduced and the signals corresponding to the two reflecting surfaces to be measured hardly change.
  • the data processing in the computer was performed by creating a program in the Visual C ++ (registered trademark) language.
  • Visual C ++ registered trademark
  • any type of information processing apparatus can be used. You may create and implement a program by language.
  • the spectral intensity coherence tomographic imaging apparatus which acquires and uses two spectral interference fringe intensities before and after introducing a phase difference of ⁇ in the reference light or measurement light in time series, It can be used for medical devices such as skin tomographic diagnosis and skin tomographic diagnosis.
  • Source 2 Beam splitter (BS1) 3 Object to be measured (Sample) 4 Reference Mirror 5 Fine movement stage (PZT) driven by piezo element 6 Grating and detector (Grating, Detector) 7 Computer (with display device) (Computer) 8 Beam splitter (BS2) 9 Grating and detector (Grating, Detector) 10 Grating and detector (Grating, Detector)

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Abstract

　OCT による計測では、被測定対象やその近傍の光学系内に分散が存在すると、その分解能は低下する。　測定光と参照光との間に位相差を導入せずに、第1 のスペクトル干渉縞強度を取得し、続いて、πの位相差を導入して、第2 のスペクトル干渉縞強度を取得し、その強度に基づき必要な演算を行い、分散による分解能が低下しない断層情報を取得する。　または、測定光と参照光とのスペクトル干渉縞強度から生成した、光源から射出された光の中心周波数からω'だけずれた２つの側帯波のスペクトル干渉縞強度に基づき必要な演算を行い、分散による分解能が低下しない断層情報を取得する。

Description

光断層イメージング法、その装置およびプログラム
　本発明は、光波の干渉性を利用して生体組織などの被測定対象の断層像を取得する方法および装置に関する。
　光波の干渉性を利用して断層像を取得する計測原理は、OCT(Optical Coherence Tomography)と呼ばれ、現在では網膜の断層像を取得する医療機器として実用化されている(例えば、特許文献１および非特許文献１参照)。
　この装置では、干渉性の低い光を測定光と参照光に分離し、測定光側に被測定対象を、参照光側に参照ミラーを設置して、両者からの反射光を重畳して干渉信号を得ることにより断層像を取得する。そのため、干渉性が低いほど、すなわち、光源のスペクトル幅が広いほど、高い深さ分解能(以下、分解能)が得られる。
　また、この装置は大別すると、時間領域OCT(TD-OCT：Time-domain OCT)とスペクトル領域OCT(SD-OCT：Spectral-domain OCT)に分類することができ、現在では断層像を取得する際に、干渉信号を分光分析することによって参照ミラーの機械的な走査が不要となるSD-OCTが主流となっている。
　OCTは、一般に、測定光路と参照光路に存在する群速度分散(以下、分散)が異なると、分解能が低下する特徴をもっている。そのため、被測定対象やその近傍の光学系に分散があると、その影響により分解能が低下してしまう欠点があった。
　最近、SD-OCTを高度化し、測定光路と参照光路に存在する分散が異なる場合であっても、その影響を自動的に相殺するスペクトル強度干渉断層イメージング装置が開発された(非特許文献２参照)。
　その原理は、SD-OCTに類似しているが、分光装置が２台必要になるなど，通常のSD-OCTに比べてやや複雑かつ大がかりな装置構成となっていた。
特許第５５５８７３５号公報 特開２００７－２６７９２７号公報
A. F. Fercher, W. Drexler, C. K. Hitzenberger, and T. Lasser,"Optical coherence tomography - principles and applications,"Reports on Progress in Physics, vol.66, pp.239-303, (2003). T. Shirai and A. T. Friberg, "Intensity-interferometric spectral-domain optical coherence tomography with dispersion cancellation,"Journal of the Optical Society of America, Part A, vol.31, pp.258-263 (2014). S. S. Helen, M. P. Kothiyal, and R. S. Sirohi, "Achromatic phase shifting by a rotating polarizer,"Optics Communications, vol.154, pp.249-254 (1998).
　一般に、OCTによる計測では、測定光路と参照光路に存在する分散が異なると、分解能が低下する特徴があることが知られている。そのため、被測定対象やその近傍の光学系内(すなわち、測定光路内)に分散が存在すると、その分解能は低下してしまう。
　この分解能の低下を防ぐために、従来は、測定光路に存在する分散と全く同じ分散を意図的に参照光路に導入し、その効果を相殺する方法がとられていた(例えば、特許文献２参照)。
　しかし、この方法では、未知もしくは複雑な分散特性をもった被測定対象については、その影響を完全に相殺することは困難であるため、このような被測定対象を計測する際には分解能の低下は避けられなかった。
　この問題を解決する新しい原理として、最近、未知もしくは複雑な分散が存在しても、それを自動的に相殺して分解能の低下を防ぐ、図５に示すスペクトル強度干渉断層イメージング装置が考案されたが、原理的に、２台の分光装置が必要になるなど構成が複雑であった。
　本発明では、これをSD-OCT装置と同様に、１台の分光装置で実現する方法として、測定光と参照光との間に位相差を導入しない場合と、πの位相差を導入する場合の２つのスペクトル干渉縞(広帯域光による干渉信号が分光装置によって波長分解され干渉縞となったもの)の強度を時系列に取得し、その２つの強度に基づき必要な演算を行い、断層情報を取得する方法と装置を提供する。
　また、本発明は位相差を設けた２回の計測で取得した上述のスペクトル干渉縞強度データの解析手法を拡張して、より簡便な１回の計測によるスペクトル干渉縞強度データの解析により同等の分解能を有する断層情報を取得する方法と装置を提供する。
　測定光と参照光の間にπの位相差を発生させる方法として、被測定対象もしくは参照ミラーを微動ステージに設置して、光源の中心波長の半分の距離を光の伝搬方向に沿って前方向もしくは後方向に移動させる。
　この方法では、中心波長以外の波長の光に対する位相差は、厳密にはπにはならないため、光源のスペクトルが広帯域になるほど誤差が生じる。
　一方、同様の位相差を発生させる方法として、測定光および参照光の偏光状態を制御することにより、それに伴う幾何学的位相の変化を利用することができる(例えば、非特許文献３参照)。
　この方法は、スペクトルに依存しない位相シフトが可能であるため、光源のスペクトル幅に依存した誤差は生じない。
　当該原理に基づき、一般的な被測定対象の断層像を取得すると、実際には物体(被測定対象)が存在しない場所にも不要な像(以下、アーティファクト)が生じることが知られている。このアーティファクトを除去するには、複数のデータを取得して平均化処理を追加すればよい。
　２台の分光装置を使う従来の装置構成よりも、１台の分光装置で良いため、当該装置全体を低コストで実現できる。
　また、２台の分光装置を使う従来の装置構成よりも、光学調整が簡単になり、測定誤差を生み出す要因を削減できる。
　既に普及しているSD-OCT装置にわずかに改良変更を加えることで、分散の影響を受けないスペクトル強度干渉断層イメージング装置が実現される。
　すなわち、製品化の際に、独立した装置としての販売ではなく、既存のOCT装置を高度化するオプションとして位置付けた販売が可能となる。
　スペクトル強度干渉断層イメージング装置の基本性能として、全く同じスペクトル幅の光源を使った場合、一般的なSD-OCT装置よりも約１.４倍の分解能の向上が期待される。
本発明が提案する、スペクトル強度干渉断層イメージング装置の光学系を表す図である。図中、各矢印は光行路を表す。 微動ステージの移動の前後に取得した、位相がπ変化したスペクトル干渉縞強度を表す図である。 単純な反射ミラーを被測定対象とした場合の、SD-OCT装置(ａ)と本発明(ｂ)の実験結果を比較するための図である。本発明(ｂ)のピクセル対長さの換算値は、SD-OCT装置(ａ)の半分である。 被測定対象の直前の測定光路に分散媒質(重フリントガラス)を設置した場合の同様の実験結果を比較するための図である。本発明(ｂ)のピクセル対長さの換算値は、SD-OCT装置(ａ)の半分である。 従前の、スペクトル強度干渉断層イメージング装置の光学系を表す図である。図中、各矢印は光行路を表す。 (ａ)は単純な反射ミラーを被測定対象とした場合の、測定光と参照光との間に位相差πを発生させる機構または手段を追加しないで取得した、本発明の実験結果を表した図である。(ｂ)は被測定対象の直前の測定光路に分散媒質(重フリントガラス)を設置した場合の、同様の実験結果を表した図である。(ａ)と(ｂ)のピクセル対長さの換算値は、SD-OCT装置、図３(ａ)の半分である。 (ａ)は検出器を移動させる前に取得した信号であり、(ｂ)は検出器を６ピクセル程度の距離を移動した後で取得した信号である。ピクセル対長さの換算値は、SD-OCT装置、図３(ａ)の半分である。
　既存のSD-OCT装置に、測定光と参照光の間に位相差πを発生させる機構または手段を追加し(実施例１)、もしくは、追加しないで(実施例３)、当該原理を実現する演算処理(数式(２)乃至数式(４)による)を行って被測定対象の断層画像を作成する。
　図１に、本発明が提案する、スペクトル強度干渉断層イメージング装置の光学系を示した。図中、各矢印は光行路を表している。
　この光学系は基本的には従来型のSD-OCT装置と同じであるが、参照ミラーをピエゾ素子で駆動する微動ステージ上に入射光が垂直に当たるように設置して、微動ステージを光の伝搬方向に沿って前後移動可能とした点が異なる。
　この図では、回折格子Ｇと検出器Detectorの組み合わせによって分光装置を構成しているが、他のタイプの分光装置、一般的には分光素子と検出器の組み合わせであっても同様である。微動ステージは、ピエゾ素子による駆動に限定されない。
　また、図１は光源、ビームスプリッタ、参照ミラー、被測定対象、検出器からなるマイケルソン型の干渉計を構成しているが、他のタイプの干渉計であっても同様である。さらに、ビームスプリッタは分波合波器であればよく、２×２の光ファイバカプラを使って構成することもできる。
　スペクトル幅の広い広帯域光源からの光を、ビームスプリッタBS1によって参照光と測定光に分離する。光源は、例えば、スーパールミネセントダイオードやスーパーコンティニウム光源であるが、スペクトルが広帯域であれば他のタイプの光源であっても良い。
　参照光は参照ミラーによって反射され、測定光は被測定対象によって反射され、それぞれの戻り光はビームスプリッタBS1によって合波され干渉する。
　干渉光は回折格子によってスペクトルに分解され、検出器によってスペクトル干渉縞強度が検出される。
　参照ミラーは微動ステージの上に設置されている。
　最初に、微動ステージを移動する前のスペクトル干渉縞強度を検出してコンピュータ(表示装置付き)内に保存する。
　一般に、回折格子を使って光をスペクトルに分解すると、その強度は検出器に波長λの関数として記録されるため、これを関係式、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　を利用して、周波数ωの関数となるように変換する(ｃは光の速度)。
　これをＩ1(ω)とする。
　なお、スペクトル干渉縞強度を検出するとき、入射光の中心周波数ω0が検出器の中心に一致するように調整しておくものとする。
　次に、上記の微動ステージを、光波の伝搬方向に沿って前方向もしくは後方向に入射光の中心波長の半分の距離だけ移動させ(つまり、参照光の位相をπシフトさせ)、上記と同様にスペクトル干渉縞強度を検出してコンピュータ(表示装置付き)内に保存し、同様の変換を行う。これをＩ2(ω)とする。
　位相シフト前について、中心周波数ω0からω’だけ正の方向に移動した周波数でのスペクトル干渉縞強度はＩ1(ω0＋ω’)であり、位相シフト後について、中心周波数ω0からω’だけ負の方向に移動した周波数でのスペクトル干渉縞強度はＩ2(ω0－ω’)である。この両者の積、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　をω’の関数として、コンピュータ(表示装置付き)内でω’についてのフーリエ変換を行う。
　その結果、Ｃ(ω’)のフーリエ変換は一般に複素数となるが、その実部に、被測定対象の位置と反射率の情報をもった目的の信号が得られる。
　一方、Ｃ(ω’)のフーリエ変換の絶対値を評価すると、上記の目的の信号に隣接した不要な信号も確認されるが、これはその虚部に現れるため、両者を容易に分離することが可能となる。
　上記の演算処理によって得られたＣ(ω’)のフーリエ変換の実部と虚部の２つの信号の絶対値を図３に示した。
　図３(ａ)は、被測定対象として単純な反射ミラーを設置した場合の、従来型のSD-OCT装置で取得した実験結果、図３(ｂ)が当該提案装置で取得した実験結果を表している。
　従来型SD-OCTでは、被測定対象として設置された反射ミラーの反射率および位置に依存した信号が、横軸ｘ＝６０付近に確認される。具体的には、その信号の高さは被測定対象(反射ミラー)の反射率に比例し、その信号の位置はビームスプリッタから被測定対象(反射ミラー)および参照ミラーまでの距離の差に比例する。そのため、その距離の差が大きくなれば、信号はｘ＝６０付近ではなく、より大きなｘ値付近に出現する。なお、ｘ＝０近傍は干渉信号のバイアス成分であり、被測定対象の情報は含んでいない。
　一方、当該提案装置では、スペクトル強度干渉断層イメージング装置の理論どおり(非特許文献２参照)、SD-OCTの信号の位置の２倍の位置に、すなわち、横軸ｘ＝１２０付近に反射ミラーの反射率に依存した信号が確認される。なお、この場合の信号の高さは、被測定対象(反射ミラー)の反射率の２乗に比例する。
　本発明においては、図３(ａ)におけるSD-OCT信号と同じ位置(つまり、横軸ｘ＝６０付近)にも不要な信号が確認されるが、これは虚数となるため、演算結果について実部のみ取ることにより、被測定対象の情報をもった目的の信号を正確に分離することができ、鮮明な断層画像を得る事ができる。
　なお、位相をπ変化させるための手段として、参照ミラーをピエゾ駆動の微動ステージに設置して前後移動したが、被測定対象を微動ステージに設置しても良い。
　また、微動ステージではなく、偏光板、１／４波長板、１／２波長板などを用いて参照光と測定光の偏光状態を制御することによって発生する幾何学的位相の変化を利用して、πの位相差を導入しても良い(非特許文献３参照)。
　さらに、上述の演算を行う際に、位相シフト前後のスペクトル干渉縞強度の取り方を、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　のように、交換しても良い。
　図４に、当該提案装置の分散の影響を評価するために、被測定対象の直前の測定光路に分散媒質の一例である重フリントガラスを設置した場合の同様の実験結果を示した。
　図４(ａ)は、従来型のSD-OCT装置で取得した結果、図４(ｂ)が当該提案装置で取得した結果を表している。
　図４(ａ)では、分散の影響により従来型のSD-OCTの信号は広がり分解能の低下を引き起こすが、本発明の図４(ｂ)では、目的の信号の幅は図３(ｂ)に示す結果と変わらず、分散の影響を受けた変化が全く見られないことがわかり、よって、分解能の低下は生じない。
　図１を用いて本発明を説明する。
　実施例１における図１に示すスペクトル強度干渉断層イメージング装置の光学系では、参照ミラーをピエゾ素子で駆動する微動ステージ上に設置して、微動ステージを光の伝搬方向に沿って前後移動可能としている。
　しかし、本実施例３では、この微動ステージは不要であり、従前のSD-OCT装置に備わっている一般的な参照ミラー距離調節機構(図示せず、例えば移動ステージ)が備わっていればよい。
　図１では、便宜上、参照ミラーをこの微動ステージに固定した。
　実施例１と同様、入射光の中心周波数ω0が検出器の中心に一致するように調整された検出器で検出された、参照ミラーと被測定対象によるスペクトル干渉縞強度をコンピュータ(表示装置付き)内に保存する。
　実施例１と同様に、このスペクトル干渉縞強度を、数式１を用いて、周波数ωの関数となるように変換されたスペクトル干渉縞強度Ｉ(ω)について、中心周波数ω0からω’だけ正の方向に移動した周波数(正の側帯波とよぶ)でのスペクトル干渉縞強度はＩ(ω0＋ω’)であり、中心周波数ω0からω’だけ負の方向に移動した周波数(負の側帯波とよぶ)でのスペクトル干渉縞強度はＩ(ω0－ω’)である。
　この両者の積、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　をω’の関数として、コンピュータ(表示装置付き)内でω’についてのフーリエ変換を行う。
　その結果、Ｃ(ω’)のフーリエ変換は常に実数となり、不要な信号も隣接して確認されるが、従来型SD-OCTと同様に移動ステージにより参照ミラーの位置を調整することで、被測定対象の位置と反射率の情報をもった目的の信号を、不要な信号から分離して得ることができる。
　上記の演算処理によって得られたＣ(ω’)のフーリエ変換の絶対値を図６(ａ)に示した。
　この図は、被測定対象として単純な反射ミラーを設置した場合に当該提案装置で取得した実験結果であり、従来型のSD-OCT装置で取得した対応する実験結果は図３(ａ)に示されている。
　図３(ａ)に示された従来型のSD-OCT装置で取得した対応する実験結果と比較すると、当該提案装置ではSD-OCTの信号の位置の２倍の位置に、すなわち、横軸ｘ＝１２０付近に反射ミラーの反射率に依存した信号が確認される。
　なお、この場合の信号の高さは、被測定対象(反射ミラー)の反射率の２乗に比例する。
　本発明においては、図３(ａ)におけるSD-OCT信号と同じ位置(つまり、横軸ｘ＝６０付近)にも不要な信号が確認される。
　しかし、参照ミラーの位置を調整し、ビームスプリッタから被測定対象(反射ミラー)および参照ミラーまでの距離の差を大きくすることで、目的の信号と不要な信号を分離することができるため、被測定対象の情報をもった目的の信号のみを取得することが可能となる。
　図６(ｂ)に、被測定対象の直前の測定光路に分散媒質の一例である重フリントガラスを設置した場合の同様の実験結果を示した。
　従来型のSD-OCT装置で取得した対応する実験結果は図４(ａ)に示されている。
　実施例２と同様に、本発明の図６(ｂ)では、目的の信号の幅は図６(ａ)に示す結果と変わらず、分散の影響を受けた変化が全く見られないことがわかり、よって、分解能の低下は生じない。
　なお、目的の信号は、前述のように参照ミラーの位置を調整することで、隣接する不要な信号から分離して取得することができる。
　当該原理に基づき、一般的な被測定対象の断層像を取得すると、実際には物体(被測定対象)が存在しない場所にも、その内部に不要な像(アーティファクト)が生じることが知られている。
　アーティファクトは、被測定対象に存在する各反射面から反射した光が干渉することによって生じるため、反射面が離散的でありかつその数がＮ個の場合、アーティファクトの数は、Ｎ×(Ｎ－１)／２個となる。
　アーティファクトの大きさは、スペクトル強度干渉断層イメージング装置の理論では(非特許文献２参照)、入射光の中心周波数ω0に依存して変化することが明らかとなっている。
　これと等価な効果を得るために、図１に示すスペクトル強度干渉断層イメージング装置の光学系では、分光装置に組み込まれている検出器をスペクトルの分散方向に、検出器の大きさの数パーセント程度の範囲で移動させる。
　こうして、被測定対象の情報をもった目的の信号を殆ど変化させることなく、アーティファクトの大きさのみを変化させることができる。
　被測定対象の反射面が離散的であり、その数がＮ＝２の場合には、前述の式によりアーティファクトは１個となる。
　上述した２つの離散的な反射面が存在する被測定対象として、顕微鏡用のカバーガラスを使用した場合に、当該提案装置で取得した実験結果を図７に示した。
　なお、この図７では、アーティファクトを含む被測定対象の情報をもった目的の信号のみを表示している。
　図７(ａ)は検出器を移動させる前に取得した信号であり、図７(ｂ)はスペクトルの分散方向に２０４８個のピクセル構造をもつ検出器を、その方向に沿って６ピクセル程度の距離を移動した後で取得した信号である。
　図７(ａ)では、被測定対象の２つの反射面に対応する信号の他に、その中央にアーティファクトが存在することが確認される。
　しかし、図７(ｂ)では、中央のアーティファクトのみが低減され、被測定対象の２つの反射面に対応する信号は殆ど変化しない様子が確認される。
　被測定対象の反射面が離散的であっても、その数がＮ＝３以上の場合や、反射面が連続的に変化する場合には、検出器の位置の調整のみで全てのアーティファクトを除去することはできない。
　この場合には、検出器の移動距離を変化させて複数のデータを取得し、それらの平均処理を行うことによりアーティファクトを除去することができる。
　また、スペクトル強度を取得する際に検出器を物理的に移動せずに、コンピュータ内で検出器の移動のシミュレーションを行いその信号処理によって同様の結果を得ることも可能である。
　以上の実施例において、コンピュータ内のデータ処理はVisual C++(登録商標)言語のプログラムを作成して実施したが、同等の結果を得られれば、情報処理装置の種類は問わず、また別のプログラム言語によりプログラムを作成して実施してもよい。
　本発明の、参照光もしくは測定光にπの位相差を導入する前後の２つのスペクトル干渉縞強度を時系列に取得して利用するスペクトル強度干渉断層イメージング装置は、既存の眼底の断層診断、歯の断層診断、皮膚の断層診断等の医療機器に用いる事ができる。
　被測定対象の分散の影響を受けない特長が活かされる対象として、特に歯茎に埋もれた歯根内部の診断に効果的と推測される。
　また、使用する光の波長帯域を適宜選択することにより、工業材料の内部診断にも適用可能である。
　１　　光源(Source)
　２　　ビームスプリッタ(BS1)
　３　　被測定対象(Sample)
　４　　参照ミラー(Reference Mirror)
　５　　ピエゾ素子駆動の微動ステージ(PZT)
　６　　回折格子と検出器(Grating、Detector)
　７　　コンピュータ(表示装置付き)(Computer)
　８　　ビームスプリッタ(BS2)
　９　　回折格子と検出器(Grating、Detector)
１０　　回折格子と検出器(Grating、Detector)

Claims (14)

  1. 　測定光と参照光との干渉光の情報により被測定対象の断層画像を生成するスペクトル強度干渉断層イメージング法であって、
    　光源と参照ミラーと分波合波器と分光素子と検出器とコンピュータ(表示装置付き)、および測定光と参照光の間に位相差πを発生させる手段を備え、
    　分光素子と検出器によって分光器が構成され、
    　光源から射出された光を分波合波器で分波し、
    　一の分波光が被測定対象に入射して反射した測定光と、他方の分波光が参照ミラーで反射した参照光とを、再び該分波合波器で合波して干渉させた干渉光のスペクトル干渉縞強度の情報を分光器によって取得し、
    　続いて、該測定光と、該参照光とを前記手段によりその光行路で位相差πだけずらし、再び該分波合波器で合波して干渉させた光のスペクトル干渉縞強度の情報を分光器によって取得し、
    　当該時系列に取得した２のスペクトル干渉縞強度の情報に基づいてフーリエ変換演算処理を行い、その結果得た複素数の虚部の信号位置の２倍の距離に現れた実部の信号位置から、被測定対象の断層画像を生成することを特徴とするスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  2. 　前記分波合波器は、ビームスプリッタまたは光ファイバカプラのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  3. 　前記手段は、前記参照ミラーを保持するピエゾ駆動ステージからなり、ピエゾ駆動ステージをずらすことにより、その光行路で前記測定光との位相差πを発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  4. 　前記手段は、前記被測定対象を保持するピエゾ駆動ステージからなり、ピエゾ駆動ステージをずらすことにより、その光行路で前記参照光と位相差πを発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  5. 　前記手段は、前記参照光と測定光の偏光状態を制御することによって発生する幾何学的位相の変化を利用して、前記測定光と前記参照光の間に位相差πを発生させることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  6. 　前記生成した被測定対象の断層画像に現れるアーティファクトを、前記時系列に取得した２のスペクトル干渉縞強度を複数組取得して、平均化することで除去することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  7. 　測定光と参照光との干渉光の情報により被測定対象の断層画像を生成するスペクトル強度干渉断層イメージング法であって、
    　光源と参照ミラーと分波合波器と分光素子と検出器とコンピュータ(表示装置付き)を備え、
    　分光素子と検出器によって分光器が構成され、
    　光源から射出された光を分波合波器で分波し、
    　一の分波光が被測定対象に入射して反射した測定光と、他方の分波光が参照ミラーで反射した参照光とを、再び該分波合波器で合波して干渉させた干渉光のスペクトル干渉縞強度の情報を分光器によって取得し、
    　そのスペクトル干渉縞強度から生成した、前記光源から射出された光の中心周波数からω’だけずれた２の側帯波のスペクトル干渉縞強度の積に基づいてフーリエ変換演算処理を行い、その結果得た実数の信号から、被測定対象の位置と反射率の情報を有する部分を抽出し、被測定対象の断層画像を生成することを特徴とするスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  8. 　前記分波合波器は、ビームスプリッタまたは光ファイバカプラのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  9. 　前記被測定対象の断層画像に現れるアーティファクトを、前記検出器をスペクトルの分散方向に若干移動させることで低減・除去することを特徴とする請求項１または請求項７のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  10. 　前記被測定対象の断層画像に現れるアーティファクトを、前記検出器をスペクトルの分散方向に若干移動させ取得した２のスペクトル干渉縞強度を複数組取得して平均化処理することで低減・除去することを特徴とする請求項１に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  11. 　前記被測定対象の断層画像に現れるアーティファクトを、前記検出器をスペクトルの分散方向に若干移動させ取得した１のスペクトル干渉縞強度を複数取得して、平均化処理することで低減・除去することを特徴とする請求項７に記載のスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  12. 　前記被測定対象の断層画像に現れるアーティファクトを、前記検出器を物理的に移動せずに、前記コンピュータ内で前記検出器移動のシミュレーションを行い取得した情報で、低減・除去することを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載のスペクトル強度干渉断層イメージング法。
  13. 　光源と参照ミラーと分波合波器と分光素子と検出器とコンピュータ(表示装置付き)を備え、
    　請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載するスペクトル強度干渉断層イメージング法を実行する事を特徴とする光断層イメージング装置。
  14. 　請求項１３に記載する光断層イメージング装置において、前記分光器によって取得した前記干渉光のスペクトル干渉縞強度の情報を前記コンピュータに読み込み、所定の前記フーリエ変換演算処理を行いその結果得られた複素数の信号の実部、または実数の信号から、被測定対象の断層画像を生成して当該表示装置に表示することを特徴とするスペクトル強度干渉断層イメージング・プログラムおよび該プログラムを記録したメディア媒体。
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