JP2006250848A - 光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法及び位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 不安定なドップラー周波数変調に頼ることなく、また、回転体による高速走査を生かしたまま回転角速度に拘束されることなく独立に安定した、かつ狭帯域なビート周波数で光検出を行い、高いＳＮ比で断層画像を得る、光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法及び位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置を提供する。
【解決手段】 光コヒーレンストモグラフィーにおける回転反射体による高速光遅延発生方法において、広帯域波長光源１からの光を２分割用ハーフミラー２で被検査物１０への物体光と参照光とに２分割し、この光路中に位相変調素子６を具備して、前記参照光は回転反射体による光遅延反射機構４より反射回帰して、被検査物１０から回帰する物体光とともに２分割用ハーフミラー２で合波し、位相変調素子６に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法及び光コヒーレンストモグラフィーにおける位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置に関するものである。

広帯域な波長幅を有する光源を用いた光コヒーレンストモグラフィー装置が既に開発され、現在実用化されて医療分野で使用され、広く利用されている（例えば、下記特許文献１および非特許文献１参照）。従来の回転反射体による高速光遅延反射機構における光ヘテロダイン干渉ビート信号の発生方法としては、高速回転する反射体からの反射光がドップラーシフト周波数変調を受けることを利用して、合波干渉光より、そのビート周波数信号を検出する方法が知られている（例えば、下記特許文献２参照）。

図４は従来の光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。

この図において、１０１は低コヒーレンス光源〔例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）光源〕、１０２はハーフミラー（２分割用ハーフミラー）、１０３は回転体、１０４は回転反射体（例えば、コーナーキューブミラー）、１０５は固定ミラー、１０５ａは固定ミラー１０５の位置調節器、１０７はＸ軸走査ミラー、１０８はＹ軸走査ミラー、１０９は対物レンズ、１１０は被検査物、１１１は光検出器、１１２は信号処理器、１１３はコンピュータ表示器である。
特許第２０１００４２号公報 特許第３５５３４５１号公報 光学、２８巻３号、１９９９年 ｐｐ． １１６−１２５

しかしながら、上記した従来の光コヒーレンストモグラフィーにおけるドップラー周波数変調を用いる方法では、前記回転反射体（コーナーキューブミラー）１０４の回転角速度は速く、その結果生じるドップラービート信号周波数は数十ＭＨｚと高く、また回転に伴って中心周波数が数ＭＨｚシフトしてゆき、狭帯域検出が不可能であった。さらに、回転体の回転むらや該反射体の取り付け角度などによって、複数の反射体からのドップラー周波数がずれてゆくなど問題があった。

よって、光検出におけるビート周波数の狭帯域化や安定化ができず、信号対雑音比（ＳＮ比）が悪い断層画像しか得られないという欠点があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、不安定なドップラー周波数変調に頼ることなく、また、回転体による高速走査を生かしたまま回転角速度に拘束されることなく独立に安定した、かつ狭帯域なビート周波数で光検出を行い、高いＳＮ比で断層画像を構築できる、光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法及び位相変調光コヒーレンストモグラフィー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〕光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法において、低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、この光路中に位相変調素子を具備して、前記参照光は回転反射体による光遅延反射機構より反射回帰して、前記被検査物から回帰する物体光とともに前記２分割用ハーフミラーで合波し、前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出することを特徴とする。

〔２〕位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光を被検査物への物体光と参照光とに２分割する２分割用ハーフミラーと、この光路途中に設けた所定の周波数で動作する位相変調素子と、前記参照光を回転反射体により遅延反射させる光遅延反射機構と、前記被検査物から回帰する物体光と前記光遅延反射機構から回帰する参照光とを合波する前記２分割用ハーフミラーと、前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する光検出器とを具備することを特徴とする。

〔３〕位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、低コヒーレンス光源と、この低コヒーレンス光源からの光を被検査物への物体光と参照光とに２分割する２分割用ハーフミラーと、この光路途中に設けた所定の周波数で動作する位相変調素子と、前記参照光を回転反射体により遅延反射させる光遅延反射機構と、前記物体光で、Ｘ軸走査ミラー及びＹ軸走査ミラーを用い面内を走査する面走査機構と、対物レンズと、前記被検査物から回帰する物体光と前記光遅延反射機構から回帰する参照光とを合波する前記２分割用ハーフミラーと、前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する光検出器とを具備することを特徴とする。

〔４〕上記〔２〕又は〔３］記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記位相変調素子は電歪素子を密着した固定ミラーであり、この固定ミラーを参照光路あるいは物体光路中に具備したことを特徴とする。

〔５〕上記〔２〕又は〔３〕記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記位相変調素子は光を透過する部材よりなる電歪素子であり、この電歪素子を参照光路あるいは物体光路中に具備したことを特徴とする。

〔６］上記〔２〕又は〔３〕記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記光検出器よりの出力から、前記位相変調素子に基づく一定の周波数成分のみを取り出す電気フィルターを具備したことを特徴とする。

以上、詳細に述べたように、本発明によれば、従来の回転反射体による不安定なドップラー周波数変調に頼ることなく、また、回転体による高速走査を生かしたまま回転角速度に拘束されることなく独立に安定したかつ狭帯域なビート周波数で光検出を行うことができ、高いＳＮ比で断層画像を得ることができる。

本発明の光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法は、低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、この光路中に位相変調素子を具備して、前記参照光は回転反射体による光遅延反射機構より反射回帰して、前記被検査物から回帰する物体光とともに前記２分割用ハーフミラーで合波し、前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する。よって、回転反射体とは独立の位相変調素子を設けて、帯域幅を狭めて高ＳＮ比での検出可能な低周波数で位相変調を施し、光源のコヒーレンス長で決まる分解能を最小限で維持できるサンプリング定理に従った数ＫＨｚで、ビート信号を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
〔実施例１〕
図１は本発明の第１実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。この図において、１は広帯域波長光源〔例えば、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）光源］、２はハーフミラー（２分割用ハーフミラー）、３は回転体、４は回転反射体（例えば、コーナーキューブミラー）、５は固定ミラー、５ａは固定ミラー５の位置調節器、６は電歪素子（トランスデューサー）（位相変調素子）、６ａはその電歪素子の変調周波数電源であり、この電歪素子の変調周波数電源６ａは電歪素子（例えば、ピエゾ圧電素子）６で固定ミラー５を振動させて反射光に位相変調を与える位相変調素子を構成している。７はＸ軸走査ミラー、８はＹ軸走査ミラー、９は対物レンズ、１０は被検査物、１１は光検出器、１２は電気フィルターおよび信号処理器、１３はコンピュータ表示器である。

低コヒーレンス光源である広帯域波長幅を有するＳＬＤ光源１からの光波をハーフミラー２にて、一方は被検査物１０への物体光、他方は参照光とに分割し、２分割された参照光は回転反射体４を経て固定ミラー５で位相変調を受けて反射され、同一光路を反射回帰し、ハーフミラー２に戻る。このとき、この反射回帰する参照光は、回転反射体４によるドップラー周波数変調も同時に受けている。本実施例では、位相変調素子を反射型とし、参照光路中の固定ミラー５に電歪素子６を密着して構成するようにしている。

一方、２分割された物体光は面走査機構（Ｘ軸走査ミラー７、Ｙ軸走査ミラー８）、対物レンズ９を経て被検査物１０に入射し、その物体反射光は同一光路を反射回帰してハーフミラー２に戻る。

光遅延反射機構は、回転体３と回転反射体４および固定ミラー５より構成され、回転反射体４は回転体３上に放射状に、かつ回転体３の接線方向に光を反射するように配置し、複数個配置しておく（図では１個のみを示している）。回転反射体４は光軸に対し前進または後退方向に高速回転しているので、紫方または赤方へのドップラー周波数シフトを反射参照光に与える。

本実施例では、広帯域波長光源１にＳＬＤを用いる例を示したが、波長幅の広いコヒーレンス長の短いレーザーを光源として用いても良いことは明らかである。

以上の構成により、参照光はその位相変調と同時にドップラー周波数シフトを受けたものとなる。その位相変調は光波の位相に対する時間的変移であるために、良く知られたその変調周波数でのベッセル関数展開で基本周波数とその倍波の周波数成分をふくむ周波数シフトを生じる。その結果、ハーフミラー２で合波された参照光と物体光との干渉から、光検出器１１ではこれらの周波数を含む複数のビート信号周波数が出力される。

従来の回転反射体によるドップラービート信号周波数は数十ＭＨｚと高く、また、回転による帯域幅を有し、さらに回転むらや、反射体の取り付け角度の差異などにより数ＭＨｚの広帯域特性を有している。そのため、検出信号周波数の帯域幅に反比例するＳＮ比は小さく、後段の構成画像の質を悪くしていた。

本発明では、この実施例に示すように、回転反射体４とは独立の位相変調素子（固定ミラー５、電歪素子６で構成）を具備してこれらの問題を解決するものである。すなわち、帯域幅を狭め高ＳＮ比での検出可能な低周波数で位相変調を施し、光源のコヒーレンス長で決まる分解能を最小限で維持できるサンプリング定理に従った数ＫＨｚで、ビート信号を検出できるようにしたものである。複数のビート信号周波数の出力から、位相変調の基本波周波数成分のみを電気フィルターと信号処理器１２で抽出し増幅する。その結果、数十ＭＨｚのドップラービート信号検出に対し、１００乃至１０００倍のＳＮ比の増大を図ることが可能となる。

この位相変調素子に所定の固定した周波数でピエゾ振動子等を駆動して固定のビート信号のみを検出すればよいので、ＳＮ比の低減を招く広帯域増幅器を必要とせず、音声周波数に近い電気信号の狭帯域な増幅処理であるため、電子回路や伝送媒体での熱雑音の低減も図られる特徴がある。また、装置も高周波でないので安価に製造できる利点がある。

さらに、光軸（Ｚ軸）方向の走査速度を回転体３の回転速度で可変にしても、検出すべきビート信号周波数は一定で不変であり、ドップラー周波数の場合と異なり信号処理回路等の切り替えを必要としない特徴がある。

以上の特徴により、画像信号としてのその出力から容易に高いＳＮ比の、すなわち背景雑音の少ない鮮明な画像を得て、コンピュータ表示器１３などで被検査物１０の断層画像を映像化することができる。

２次元あるいは３次元の断層画像信号は、一般にガルバノメータといわれる高速且つ高精度で動揺運動を行う装置の動揺部にミラーを取り付けたものを、Ｘ軸用、Ｙ軸用にそれぞれ配置し面走査機構（Ｘ軸走査ミラー７、Ｙ軸走査ミラー８）として用い、物体光をＸ−Ｙ面上で走査してその都度そのビート信号のＺ軸方向の包絡線分布を検出して取得する。
〔実施例２〕
図２は本発明の第２実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。この実施例では物体光路に透明ピエゾ振動子を配置したものである。

この図において、１４は透明結晶体よりなるピエゾ振動子（ピエゾ圧電素子）、６ｂが駆動電極であり、これらによって位相変調器を構成する。他の構成要素は図１と同じであるので説明は省略する。

透明結晶体のピエゾ振動子１４は電界の印加によって厚みを微少に変化するものであるので、透過光は交流駆動電界の周波数の位相変調を受ける。

この実施例では物体光がこのピエゾ振動子（透明結晶体）１４を透過することにより位相変調を受け、参照光と合波して、図１の実施例と同様に、ヘテロダイン干渉により光検出器１１から位相変調周波数のビート信号が得られる。

本実施例では、透明ピエゾ振動子１４を物体光路に具備する例を示したが、透明ピエゾ振動子を参照光路に具備しても、同様の効果を奏することができるものである。また、変調周波数を異ならせた複数の透明ピエゾ振動子をそれぞれ参照光路と物体光路に具備して、変調周波数の差の周波数のビート信号を検出してもよい。一般に、透明ピエゾ振動子の駆動周波数は高周波になる場合があり、低周波数のビート信号を検出して高いＳＮ比を得て信号処理をしたい場合には、このような複数の透明ピエゾ振動子を用いるのも一方法である。
〔実施例３〕
図３は、本発明の第３実施例を示す光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。この実施例は物体光路に反射型位相変調素子を配置したものである。

この図において、物体光路中の遅延用固定プリズム１５の反射面にピエゾ振動子（ピエゾ圧電素子）６を設け、電歪素子の変調周波数電源（駆動電源）６ａにより所定の周波数で、位相変調するものである。

位相変調を受けた物体光は参照光と合波して光検出器１１において、上記第１，第２実施例と同様に、位相変調周波数のヘテロダイン干渉ビート信号を検出することができる。図３において、１６，１７は物体光の反射ミラーである。他の構成要素は、図２と同じであるので説明は省略する。

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。

本発明の光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法及び位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置は、医療分野において、広く利用可能である。

本発明の第１実施例を示す位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。 本発明の第２実施例を示す物体光路に透明ピエゾ振動子を配置した位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。 本発明の第３実施例を示す物体光路に反射型位相変調素子を配置した位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。 従来のドップラー周波数シフトによる光コヒーレンストモグラフィー装置の模式図である。

符号の説明

１ 広帯域波長光源（ＳＬＤ光源）
２ ハーフミラー
３ 回転体
４ 回転反射体
５ 固定ミラー
５ａ 固定ミラーの位置調節器
６ 電歪素子（トランスデューサー）（位相変調素子）
６ａ 電歪素子の変調周波数電源
６ｂ 駆動電極
７ Ｘ軸走査ミラー
８ Ｙ軸走査ミラー
９ 対物レンズ
１０ 被検査物
１１ 光検出器
１２ 電気フィルターおよび信号処理器
１３ コンピュータ表示器
１４ 透明結晶体よりなるピエゾ振動子
１５ 物体光路中の遅延用固定プリズム
１６，１７ 物体光の反射ミラー

Claims (6)

1. 低コヒーレンス光源からの光を２分割用ハーフミラーで被検査物への物体光と参照光とに２分割し、該光路中に位相変調素子を具備して、前記参照光は回転反射体による光遅延反射機構より反射回帰して、前記被検査物から回帰する物体光とともに前記２分割用ハーフミラーで合波し、前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出することを特徴とする光コヒーレンストモグラフィーにおける高速光遅延発生方法。
2. （ａ）低コヒーレンス光源と、
   （ｂ）該低コヒーレンス光源からの光を被検査物への物体光と参照光とに２分割する２分割用ハーフミラーと、
   （ｃ）該光路途中に設けた所定の周波数で動作する位相変調素子と、
   （ｄ）前記参照光を回転反射体により遅延反射させる光遅延反射機構と、
   （ｅ）前記被検査物から回帰する物体光と前記光遅延反射機構から回帰する参照光とを合波する前記２分割用ハーフミラーと、
   （ｆ）前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する光検出器とを具備することを特徴とする位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置。
3. （ａ）低コヒーレンス光源と、
   （ｂ）該低コヒーレンス光源からの光を被検査物への物体光と参照光とに２分割する２分割用ハーフミラーと、
   （ｃ）該光路途中に設けた所定の周波数で動作する位相変調素子と、
   （ｄ）前記参照光を回転反射体により遅延反射させる光遅延反射機構と、
   （ｅ）前記物体光で、Ｘ軸走査ミラー及びＹ軸走査ミラーを用い面内を走査する面走査機構と、
   （ｆ）対物レンズと、
   （ｇ）前記被検査物から回帰する物体光と前記光遅延反射機構から回帰する参照光とを合波する前記２分割用ハーフミラーと、
   （ｈ）前記位相変調素子に基づくヘテロダイン干渉ビート信号を検出する光検出器とを具備することを特徴とする位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置。
4. 請求項２又は３記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記位相変調素子は電歪素子を密着した固定ミラーであり、該固定ミラーを参照光路あるいは物体光路中に具備したことを特徴とする位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置。
5. 請求項２又は３記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記位相変調素子は光を透過する部材より成る電歪素子であり、該電歪素子を参照光路あるいは物体光路中に具備したことを特徴とする位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置。
6. 請求項２又は３記載の位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置において、前記光検出器よりの出力から、前記位相変調素子に基づく一定の周波数成分のみを取り出す電気フィルターを具備したことを特徴とする位相変調光コヒーレンストモグラフィー装置。

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