JP2011196694A

JP2011196694A - オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置

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Publication number: JP2011196694A
Application number: JP2010060502A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Yoshikuni; 裕三吉國
Original assignee: Kitasato Institute
Current assignee: Kitasato Institute
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: JP5590523B2

Abstract

【課題】光遅延器による光路長の微調節を必要としないＯＣＴ装置を提供すること。
【解決手段】時間と共に波長が変化する可変波長光を発生する可変波長光発生ユニットと、前記可変波長光を参照光と測定光に分岐し、前記測定光を測定対象に照射して後方散乱光を発生させ、前記後方散乱光と前記参照光を結合して干渉光を生成する干渉計ユニットと、前記干渉光の強度を測定し、測定した前記強度と前記波長の関係に基づいて前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットとを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、前記干渉計ユニットは、前記可変波長光の波長に基づいて前記参照光の位相を変調することで、前記干渉光の強度を、前記参照光の光路長を変化させた場合の前記干渉光の強度にする光位相変調ユニットを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置に関する。

オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー（Optical Coherence Tomography; OCT）装置は、光の干渉現象を利用して人の眼等の断層像を撮影する装置である。

ＯＣＴ装置は、光源と、光源に接続された干渉計と、干渉計の出力光強度を測定して断層像を導出する断層像導出ユニットとを有している。ＯＣＴ装置による断層像の撮影手順は、以下の通りである。まず、測定対象を、干渉計の一方のアーム（以下、計測アームと呼ぶ）に配置する。次に、干渉計の他方のアーム（以下、参照アームと呼ぶ）に設けた光遅延器を調節して、参照アームと計測アームの光路長が略等しくなるようにする。その後、光源の波長を変化させながら、干渉計の出力光強度を測定して、その測定結果に基づいて断層像を導出する。

特開２００６−２０１０８７号公報

ところで、参照アームに設ける光遅延器は、光の進行方向に反射鏡を前後させて、その光路長を微調節する装置である。光遅延器は、このように反射鏡の機械的運動により光路長を調節するので、その操作性は必ずしも高くない。このため光遅延器は、ＯＣＴ装置の操作性向上を妨げる一因になっている。又、光遅延器は精密な光学部品・機械部品で構成されるため高価であり、OCTシステムのコストアップの一因となっている。

そこで、本発明の目的は、光遅延器による光路長の微調節を必要としないＯＣＴ装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、時間と共に波長が変化する可変波長光を発生する可変波長光発生ユニットと、前記可変波長光を参照光と測定光に分岐し、前記測定光を測定対象に照射して後方散乱光を発生させ、前記後方散乱光と前記参照光を結合して干渉光を生成する干渉計ユニットと、前記干渉光の強度を測定し、測定した前記強度と前記波長の関係に基づいて前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットとを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、前記干渉計ユニットは、前記可変波長光の波長に基づいて前記参照光の位相を変調することで、前記干渉光の強度を、前記参照光の光路長を変化させた場合の前記干渉光の強度にする光位相変調ユニットを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置が提供される。

本発明によれば、光遅延器による光路長の微調節を必要としないＯＣＴ装置を提供することができる。

実施の形態のＯＣＴ装置の構成を説明する概略図である。可変波長光発生ユニットが生成する可変波長光の波数の時間変化を説明する図である変調前と変調後の参照光の位相差φと可変波長光の波数ｋの変化の関係を説明する図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１は、本実施の形態のＯＣＴ装置２の構成を説明する概略図である。図１に示した実線は、下記各光学部材を接続する光ファイバーである。尚、本実施の形態は、１次元断層像を撮影するＯＣＴ装置に関するものであるが、本実施の形態を２次元断層像又は３次元画像を撮影するＯＣＴ装置に拡張することは容易である。このためには、例えば、後述する光照射/補足ユニット２６にガルバノミラー等の光走査装置を設ければよい。

本実施の形態のＯＣＴ装置２は、図１に示すように、時間と共に波長が変化する可変波長光６を発生する可変波長光発生ユニット４を有している。また、ＯＣＴ装置２は、可変波長光６を参照光８と測定光１０に分岐し、測定光１０を測定対象１８に照射して後方散乱光１２を発生させ、後方散乱光１２と参照光８を結合して干渉光１４ａ, １４ｂを生成する干渉計ユニット１６を有している。また、ＯＣＴ装置２は、干渉光１４ａ, １４ｂの強度を測定し、測定した強度と可変波長光６の波長の関係に基づいて測定対象１８の断層像を導出する断層像導出ユニット２０を有している。

そして、干渉計ユニット１６は、可変波長光６の波長に基づいて参照光８の位相を変調することで、干渉光１４ａ,１４ｂの強度を、参照光６の光路長を変化させた場合の干渉光１４ａ,１４ｂの強度に実質的に等しくする光位相変調ユニット２２を有している。

図２は、可変波長光発生ユニット４が生成する可変波長光６の波数（＝２π／波長）の時間変化を説明する図である。図２の横軸は時間である。図２の縦軸は波数である。

可変波長光６の波数は、図２に示すように、時間と共に連続的に変化する。このような可変波長光を発生する可変波長光発生ユニット４としては、例えば、共振器長が時間と共に変化するファイバーリング共振器と光利得媒体を有する波長スイープ光源がある。

干渉計ユニット１６は、図１に示すように、可変波長光６を測定光６と参照光８に分岐する光分岐器２４（例えば、方向性結合器）を有している。また、干渉計ユニット１６は、測定光１０を測定対象１８に照射し且つ測定光１０が測定対象１８により後方散乱されて発生した後方散乱光１２を補足する光照射/補足ユニット２６を有している。また、干渉計ユニット６は、参照光８と後方散乱光１２を結合して第１の干渉光１４ａと第２の干渉光１４ｂを出射する光結合器２８（例えば、分岐比が１：１の方向性結合器）を有している。ここで、第１の干渉光１４ａと第２の干渉光１４ｂの強度は可変波長光６の波数に対して周期的に変化し、その位相はπずれている。

光照射/補足ユニット２６は、図１に示すように、光分岐器２４により分岐されその光入射口ａに入射した測定光１０を、光入出射口ｂから出射させる光サーキュレータ４６を有している。また、光照射/補足ユニット２６は、光サーキュレータ４６の光入出射口ｂから出射した測定光を平行光線に変換するコリメータレンズ６０を有している。また、光照射/補足ユニット２６は、この平行光線を集光して測定対象１８に照射するフォーカシングレンズ６２を有している。

測定対象１８に照射された測定光１０は、測定対象１８により後方散乱されて後方散乱光１２になる。この後方散乱光１２は、測定光が進行して来た光路を逆行して光サーキュレータ４６の光入出射口ｂに入射し、光サーキュレータ４６の光出射口ｃから出射する。

また、断層像導出ユニット２０は、図１に示すように、第１の干渉光１４ａを受光してその光強度に対応する信号（例えば、光電流）を出力する第１の光検知器３０（例えば、pinフォトダイオード）と、第２の干渉光１４ｂを受光してその光強度に対応する信号（例えば、光電流）を出力する第２の光検知器３２（例えば、pinフォトダイオード）とを有している。また、断層像導出ユニット２０は、第１の光検知器３０の出力と第２の光検知器３２の出力の差を増幅する差動増幅器３４を有している。また、断層像導出ユニット２０は、差動増幅器３４の出力をアナログデジタル変換するＡＤ変換器３６を有している。以上の構成により、断層像導出ユニット２０は、第１の干渉光１４ａと第２の干渉光１４ｂの強度の差を測定する。

また、断層像導出ユニット２０は、ＡＤ変換器３６の出力を得て、第１の干渉光１４ａの強度Ｉ₊と第２の干渉光１４ｂの強度Ｉ_-の差を可変波長光６の波数に関してフーリエ変換し、その絶対値（または、その２乗）を算出する演算制御装置３８を有している。上記絶対値は測定光の進行方向に沿った位置座標の関数であり、測定対象の後方散乱光強度の深さ方向の分布すなわち１次元断層像に対応している。

演算制御装置３８は、例えば、ＯＣＴ装置２の動作を制御し且つ断層像を導出するプログラムがロードされたコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０と主メモリ４２(例えば、Random Access Memory）と補助メモリ４４（例えば、磁気ディスク）を有している。

―光位相変調ユニット―
光位相変調ユニット２２は、図１に示すように、光位相変調器４８とその制御ユニット５０を有している。光位相変調器４８は、制御ユニット５０の出力信号５２にしたがって入射光の位相を変調して出射する。光位相変調器４８は、例えば、強誘電体結晶ニオブ酸リチウム（LiNbO₃:LN）等の光学結晶からなる光導波路を有している。光位相変調器４８は、このような光導波路に電圧を印加することでその屈折率を変化させ、出射光の位相を変調する。

制御ユニット５０は、演算制御装置３８の命令にしたがって、上記出力信号５２を光位相変調器４８に供給する。

光位相変調ユニット２２は、参照光８の光路（参照光アーム５６）に配置され、上述したように、可変波長光６の波長の変化に基づいて参照光８の位相を変調して、干渉光１４ａ,１４ｂの強度を、参照光８の光路長を変化させた場合の強度にする。

図３は、光位相変調ユニット２２による変調前と変調後の参照光８の位相差φ（すなわち、位相変調量）と、可変波長光６の波数ｋ（＝２π／波長）の変化との関係を説明する図である。ここで、変調前の位相とは、ある位置（例えば、光変調器４８の光出射口）における、光位相変調器４８に電圧を印加する前の参照光８の電界強度の位相φ_ａである。また、変調後の位相とは、同じ位置における、光位相変調器４８に電圧を印加した後の参照光８の電界強度の位相φ_ｂである。そして、変調前と変調後の参照光８の位相差φとは、φ_ａとφ_ｂの差φ_ｂ−φ_ａである。

図３の縦軸は上記位相差φである。横軸は、可変波長光６の波数ｋである。尚、図３の破線は、可変波長光発生ユニット４が生成しない波長範囲の波数に対応する位相差φである。

光位相変調ユニット２２は、図３に示すように、変調前と変調後の参照光８の（電界強度の）位相差φを、波数ｋに比例し２π(rad)に達すると0（rad）に戻る値になるように、参照光８を変調する。或いは、光位相変調ユニット２２は、位相差φが、可変波長光６の波長λの波数ｋ（＝２π／λ）に比例し−２π(rad)に達すると0（rad）に戻る値になるように、参照光８を変調する。従って、位相差φは、次式で表すことができる。

ここで、ｎは整数である。

ところで、上述したように、測定対象の断層像は、第１の干渉光１４ａの強度Ｉ₊と第２の干渉光１４ｂの強度Ｉ_-の差ΔＩ（＝Ｉ₊−Ｉ_-）を波数に関してフーリエ変換し得られる関数の絶対値（又は、その２乗）である。この干渉光強度の差ΔＩは、次式で表されることが知られている（例えば、特許文献１）。但し、測定対象１８は、反射面を一つだけ有するとする。

ここで、Ｉ_ｒ及びＩ_sは、夫々、後方散乱１２及び参照光８の強度である。また、Ｌ_ｒは、測定光１０と後方散乱光１２が走行する光路（計測アーム５４）の光学長である。Ｌ_ｓは、参照光８が走行する光路（参照アーム５６）の光学長である。

実際の測定対象は多数の反射面を有し、夫々の反射面が測定光を後方散乱する。そして、断層像導出ユニット２０が導出する分布は、夫々の反射面からの後方散乱光のフーリエ変換の絶対値（又は、その２乗）の重ね合わせである。従って、式（２）を検討することにより、本ＯＣＴ装置２の断層像を説明することができる。

ここで、測定対象１８において、測定光１０の進路に沿った座標軸を考える。そして、測定対象１８の反射面の位置座標をｘとする。また、上記座標軸の原点に対応するＬ_ｒをＬ_０とする。すると、上記反射面の位置座標ｘに対応するＬ_ｒは、Ｌ_０＋２ｘになる。従って、式（２）は、以下のようになる。

従来のＯＣＴ装置２は、光位相変調ユニット２２を有していない。したがって、φは０(rad）になる。従来のＯＣＴ装置では、このようなΔＩに対してＬ_０−Ｌ_ｓが略零になるように、参照アーム５６の光学長Ｌ_ｓを光遅延器で調節する。このようにＬ_０−Ｌ_ｓを略零にしないと、波数ｋの係数が大きくなり過ぎて、ΔＩが波数ｋに対して短周期で振動する。その結果、フーリエ変換の精度が低下する。

本実施の形態では、参照アーム５６の光学長Ｌ_ｓを調節する代わりに、参照光８の位相を式（１）にしたがって変化させる。この場合、式（３）は以下のようになる。

従って、位相変調量の傾きｍを調整することにより、Ｌ_０−Ｌ_ｓ＋ｍを所望の値にすることができ、Ｌ_ｓを変えずに波数ｋの係数を調整することができる。例えば、波数に対する位相差変化量の傾きｍが、波長が０．１ｎｍ増加した場合に位相差φを２π増加させる場合、参照アーム５６の光学長Ｌ_ｓを２４ｍｍ長くした場合と同じ効果を得ることができる。但し、可変波長光６の波長は１．５５μｍとする。尚、波数の増分Δｋは、波長λの増分をΔλとすると、−２πΔλ／λ^２で表すことができる。

ここで、ｍは位相変調量φの傾きなので、位相変調器４８の制御ユニット５０により電気的に容易に調節することができる。従って、本ＯＣＴ装置２の操作性は、光遅延器を用いる光位相変調ユニット２２より格段に優れている。

ところで、よく知られているように、余弦関数（cos(kx))のフーリエ変換の絶対値（又は、その２乗）は、余弦関数の変数kxに定数を加えても変化しない。すなわち、cos(kx)とcos(kx＋c)のフーリエ変換の絶対値（又は、その２乗）は、同じ値になる（cは定数）。従って、位相変調量φは、以下の通りであってもよい。

但し、ｃは定数である。

すなわち、光位相変調ユニットは、変調前と変調後の参照光８の（電界強度の）位相差が、可変波長光６の波長λの波数（＝２π／λ）の一次関数として変化し、２π(rad)又は−２π(rad)に達すると0（rad）に戻る値になるように、参照光８を変調すればよい。従って、波数掃引の初期値ｋ_０に対応する位相変調量φ_０を自由に設定することができる。例えば、位相変調量φ_０は、0(rad)であってもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、光位相変調ユニット２２により、参照アーム５６の光学長を擬似的に調整することができるので、光遅延器による光路長の微調節を必要としないＯＣＴ装置を提供することができる。

（２）動作
次に、ＯＣＴ装置２の動作を説明する。

まず、可変波長光発生ユニット４が、断層像導出ユニット２０の命令にしたがって、
時間と共に波長が連続的に変化する可変波長光６を発生する。波長の初期値は、例えば1530nmである。一方、波長の最終値は、例えば、1570nmである。

次に、光分岐器２４が、この可変波長光６を参照光８ａと測定光１０に分岐する。

次に、光照射/補足ユニット２６が、測定光１０を測定対象１８に照射して、後方散乱光１２を発生させる。一方、光位相変調ユニット２２は、上述したように、断層像導出ユニット２０の命令にしたがって、可変波長光６の波長に基づいて参照光８ａの位相を変調する。

次に、光結合器２８は、変調された参照光８ｂと後方散乱光１２とを結合して第１の干渉光１４ａと第２の干渉光１４ｂを生成する。

次に、断層像導出ユニット２０が、第１の干渉光１４ａの強度と第２の干渉光１４ｂの強度を測定し、第１の干渉光１４ａと第２の干渉光１４ｂの強度の差をフーリエ変換しその絶対値（または、絶対値の２乗）を求めることで、測定対象１８の断層像を導出する。

ここで、参照光８ａの位相変調量の変化率ｍを調整することにより、参照アーム５６の光学長を微調整することができる。すなわち、断層像の原点を移動することができる。

本実施の形態では、上述したように、可変波長光発生ユニット４が、時間と共に波長が連続的に変化する可変波長光を発生する。しかし、可変波長光発生ユニット４は、時間と共に波長が離散的に変化する可変波長光（例えば、時間と共に波長がステップ状に変化する光）を発生してもよい。その場合、この波長変化に対応して、光位相変調ユニット２２も、参照光８ａの位相を離散的に変調する。更に、可変波長光発生ユニット４は、離散的に変化する各波長を中心として、波長が小さく振動する可変波長光を発生してもよい。この場合にも、この波長変化に対応して、光位相変調ユニット２２は、離散的に変化する位相を中心として、参照光８ａの位相を小さく振動させる。

また、以上の例では、干渉光の強度差をフーリエ変換しているが、一方の干渉光の強度を直接フーリエ変換してもよい。

２・・・ＯＣＴ装置
４・・・可変波長光発生ユニット
１６・・・干渉計ユニット
２０・・・断層像導出ユニット
２２・・・光位相変調ユニット

Claims

時間と共に波長が変化する可変波長光を発生する可変波長光発生ユニットと、
前記可変波長光を参照光と測定光に分岐し、前記測定光を測定対象に照射して後方散乱光を発生させ、前記後方散乱光と前記参照光を結合して干渉光を生成する干渉計ユニットと、
前記干渉光の強度を測定し、測定した前記強度と前記波長の関係に基づいて前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットとを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、
前記干渉計ユニットは、前記可変波長光の波長に基づいて前記参照光の位相を変調して、前記干渉光の強度を、前記参照光の光路長を変化させた場合の前記干渉光の強度にする光位相変調ユニットを有することを
特徴とするオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
請求項１に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、
前記光位相変調ユニットは、
変調前と変調後の前記参照光の位相差が、前記波長の波数の一次関数として変化し、２π(rad)又は−２π(rad)に達すると0（rad）に戻る値になるように、前記参照光を変調することを
特徴とするオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。
請求項１又は２に記載のオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置において、
前記干渉計ユニットは、前記可変波長光を前記測定光と前記参照光に分岐する光分岐器と、前記測定光を測定対象に照射し且つ前記測定光が前記測定対象により後方散乱されて発生した後方散乱光を補足する光照射/補足ユニットと、前記参照光と前記後方散乱光を結合して前記干渉光を生成する光結合器とを有し、
前記光位相変調ユニットは、前記光分岐器と前記光結合光の間に配置されていることを、
特徴とするオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。