JP5135324B2 - サンプルの偏光感応性光周波数領域画像形成のための方法、構成およびシステム - Google Patents

Description

（関連出願に対する相互参照）
本出願は、２００６年４月５日に出願された米国特許出願第６０／７８９，７３９号に基づき、それから優先権の利益を主張する。その全開示は、本明細書中に参考として援用される。

（連邦政府支援の声明）
本発明に関する調査は、国立衛生研究所ＮＣＲＲによって付与された認可番号Ｒ０１９７６８号および国立衛生研究所ＮＥＩによって付与された認可番号ＥＹ０１４９７５号によって、少なくとも一部分支持されている。従って、米国政府は本発明において特定の権利を有し得る。

本発明は、光学顕微鏡法を使用して解剖学的構造またはサンプルに関する情報を取得する方法、構成およびシステムに関し、より具体的には、解剖学的構造／サンプルの偏向感応性光周波数領域画像形成を提供するような方法、構成およびシステムに関する。

掃引光源すなわちフーリエ領域光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）技術としてもまた公知であり得る光周波数領域画像形成（ＯＦＤＩ）技術は、一般に、掃引レーザー光源を使用するＯＣＴ手段である。例えば、光源レーザー波長は迅速かつ繰り返して掃引されるため、光ビームは、組織の中に焦点を合わせられ、異なる深度における組織の微細構造からのエコー遅延時間および反射された光の振幅が、組織サンプルと参照物と間のスペクトル的に分解された干渉を検出することによって測定される。信号のフーリエ変換によって、一般に、軸線（例えば、Ａライン）に沿って画像データが形成される。Ａラインは、画像形成ビームが軸線に対して直交する１つまたは２つの方向において組織の上を横方向に走査するため、連続的に取得される。生じる２次元または３次元のデータセットは、全体のスクリーニングについての任意の方向において画像表示されて見ることができ、個々の高解像度断面は、目的の特定の場所に表示されることができる。この例示的な手段は、臨床医が生きている患者の組織の微細な内部構造を見ることを可能にし、疾患調査および診断から手術中の組織性状治療および画像誘導治療までの広範囲の臨床応用を容易にするかまたは可能にする。

ＯＦＤＩ技術におけるコントラスト機構は、一般に、サンプルまたは組織内の空間の反射率の変化から生じる光後方反射である。この結果は、代表的に２μｍ〜２０μｍの範囲である空間分解能を有する深度において数ミリメートルまでの組織の解剖学的構造を示すことができる、いわゆる強度画像であり得る。強度画像は多くの量の形態学的情報を提供することができるが、組織内の複屈折は、いくつかの適用（例えば、組織内のコラーゲン含有量を定量すること、および組織内の複屈折変化に関与する疾患を評価すること）において有用な別のコントラストを与えることができる。特定の方法および装置（いわゆる偏光感応性ＯＦＤＩまたはＯＣＴ）が使用されている。従来の方法において、プローブビームはサンプルの上を横方向に走査されるが、プローブビームの偏光状態は、連続する軸線（Ａライン）走査において２つの状態の間で変えることができる。連続する偏光測定の各対は、ベクター解析を介してサンプルの単一の軸複屈折プロファイルを形成することができる。この従来の方法は、スペックル誘導誤用を回避するために２つのＡライン走査の間のサンプルにおいてプローブビームの十分なオーバーラップを利用する。従って、複屈折測定における精度と画像の収集速度との間の折り合いが調べられてもよい。さらに、Ａライン走査の間の比較的長い遅延に起因して、従来の方法は、サンプルまたはカテーテルの機械的な動きに感知しやすい。

偏光感応性情報を取得するための例示的なシステムおよび方法は、特許文献１に記載されている。例示的なＯＦＤＩ技術およびシステムは、特許文献２に記載されている。組織の偏光特性を測定するための方法およびシステムは、特許文献３に記載されている。例示的なＯＦＤＩ技術を用いて、平衡検出を実施することが望まれ得る。
米国特許第６，２０８，４１５号明細書 国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０４／０２９１４８明細書 国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０５／０３９３７４明細書

しかしながら、平衡検出は、偏光感応性および偏波ダイバーシティのファイバ実施を複雑にし得る。なぜなら、平衡である２つの信号チャネルが異なる偏光状態を有し得るからである。

従って、上記の欠点を克服する必要性が存在する。

上記の問題および／または欠点を取り扱うおよび／または克服するために、例えば、チャネルが、２つの信号伝播チャネルによって平衡にならないが、信号伝播チャネルおよび参照チャネルによって平衡になる平衡検出スキームを可能にするシステム、構成、およびプロセスの例示的な実施形態を提供することができる。

例えば、本発明の例示的な実施形態に従って、偏光感応性ＯＦＤＩのための方法、システムおよび構成を提供することができ、高速ＯＦＤＩ適用において上記の重大な欠点を克服する。特に、Ａライン走査よりもむしろ連続的な波長サンプルにわたってプローブビームの偏光状態を迅速に変更することが可能である。この例示的な技術は、（１波長あたり）即座に取得すべき各対の偏光測定を可能にし、横方向の走査速度および動きアーチファクトにおける問題をかなり軽減する。本発明の別の例示的な実施形態に従って、２つの偏光状態の間の位相遅延および群遅延を独立して制御することができる迅速な偏光モジュレータを使用することができる。本発明の例示的な実施形態は、冠動脈、消化管および眼の臨床的なボリュメトリックイメージングに使用することができる。

本発明の１つの例示的な実施形態において、サンプル由来の偏光依存性後方反射の測定によって生体サンプルの断面の画像化を実施するための構成、システムおよび方法を提供することができる。１つの例示的な実施形態に従って、光源の各波長走査の間、波長（または時間）に応じて画像化光ビームの偏光状態を迅速および周期的に変化させるために偏光を変調する構成部を使用することができる。例えば、偏光モジュレータは、電気光学モジュレータもしくは音響光学モジュレータおよび／または複屈折媒体であってもよい。

本発明の別の例示的な実施形態に従って、サンプルに関するデータを取得するための構成部および方法を提供することができる。例えば、少なくとも１つの第１の電磁放射をサンプルに与えることができ、少なくとも１つの第２の電磁放射を参照物（例えば、無反射参照物）に与えることができる。そのような放射周波数は、第１の固有周期の時間にわたって繰り返し変化させることができる。さらに、第１の電磁放射、第２の電磁放射、第３の電磁放射（第５の放射に関連する）または第４の電磁放射（第６の放射に関連する）の偏光状態は、第１の周期より短い第２の周期の時間にわたって繰り返し変化させることができる。サンプルの少なくとも一部分を画像化するためのデータを、偏光状態に応じて提供することができる。さらにまたはあるいは、第３および第４の電磁放射は、サンプルの少なくとも一部分の軸反射率プロファイルを測定するために合成することができる。

本発明のさらに別の例示的な実施形態に従って、第１および／または第２の電磁放射を、偏光源を介して提供することができる。偏光状態は、偏光モジュレータ、遅延干渉計、周波数シフタおよび／または複屈折媒体を用いて導くことができる。第１、第２、第３および／または第４の電磁放射を偏光するために構成することができる偏光構成部を提供することができる。第１および／または第２の電磁放射を提供することができ、偏光状態を、偏光変調光源を介して得ることができる。第３の電磁放射をサンプルから与えることができ、第４の電磁放射を参照物から与えることができる。

本発明のさらなる別の実施形態において、第１の偏光状態において第３の放射と第４の放射との間に第１の干渉信号、ならびに第２の偏光状態において第３の電磁放射と第４の電磁放射との間に第２の干渉信号を検出することが可能であり、第１の偏光状態および第２の偏光状態は互いに異なる。第１および第２の干渉信号はデジタル化されてもよく、サンプルの少なくとも１部分の偏光特性を測定することができる。第１および第２の偏光状態は、互いに対してほぼ直交していてもよい。

本発明のさらに別の例示的な実施形態に従って、サンプルの偏光特性のうちの少なくとも１つの画像を作り出すことができる。偏光特性は、複屈折、複屈折の軸、非減衰および／または非減衰の軸を含むことができる。

本発明のさらに別の例示的な実施形態に従って、第１の固有周期は、第２の固有周期より約１００マイクロ秒短くてもよい。第１および／または第２の電磁放射走査の周波数は、第１の固有周波数内で少なくとも約１テラＨｚ、および／または第２の固有周期内で多くとも１００ＧＨｚまで変えられる。第２の周期は、第１の周期の約１／１０より短くてもよい。

本発明のこれらおよび他の目的、特性および利点は、添付の特許請求の範囲と合わせて以下の本発明の実施形態の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。

本発明のさらなる目的、特性および利点は、本発明の例示的な実施形態を示す図面と合わせて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

別段の説明がない限りは、これらの図面を通して同じ符合や文字が、例示した実施形態について同様の特徴、要素、部品または例示した実施形態の一部を示すために用いられる。さらに、図面を参照して本発明を詳細に説明するが、これは例示した実施形態と関連して行う。添付の特許請求の範囲に示したように、本発明の実際の範囲および趣旨から逸脱せずに説明した実施形態に対して、変更および改変がなされることは意図される。

図１は、例示的な従来のＯＦＤＩシステムのブロック図を例示し、このシステムは、Ｓ．Ｈ．Ｙｕｎら「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｉｍａｇｉｎｇ」，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ１１，２９５３−２９６３（２００３年）に記載されるように光源１０、光ファイバ干渉計、および検出構成部を備える。光源１０によって与えられる電磁放射の出力波長は、スペクトル領域にわたる時間に掃引され得る。好ましくは、チューニング（例えば出力波数ｋ）が時間の線形関数として与えられる。しかしながら、通常、ｋは、時間の非線形関数として与えられてもよく、非線形性は信号処理において補正されてもよい。干渉計は、シングルモード光ファイバからなる融合カプラ２０を備えてもよい。カプラ２０の１つのポートは、参照ミラー２４を備える参照アーム２２として役立ち得る。カプラ２０のもう１つのポートは、プローブ４０に連結されるサンプルアーム３０として作動し得る。プローブ４０は、概して、サンプル４４を行き来するそれぞれのサンプル光４２に焦点を合わせて集める。例えば、光源１０の出力は、単独で偏光され得る。

偏光制御装置５０を、ミラー２４から戻ってくる参照光と組織４４から戻ってくるサンプル光との間の偏光状態を調整するために使用してもよい。参照光とサンプル光との間の干渉信号を、光検出器６０を使用して測定することができる。検出信号は、アナログ−デジタルボード７０でデジタル化され得、コンピューター７２で処理され得、画像に変換され得る。検出器の出力は時間内に均一に抽出され得、抽出データの補間が演算されて、離散フーリエ変換の前に線形ｋ空間において干渉信号が生成される。あるいは、検出信号は、不均一な抽出の時間間隔でｋ空間において直線的に抽出され得る。画像内の軸線（Ａライン）は、光源１０の各波長スキャンの間に獲得されるデジタルデータの離散フーリエ変換によって取得することができる。プローブビーム４２はサンプル４４の上を横方向に走査するため、複数のＡラインを獲得することによって断面像を生成することができる。単一の光検出器６０の使用によって、主に、サンプル光における偏光成分は、検出され得る参照偏光状態に調整されやすくなる。一方で、直交偏光成分は損失されやすくなる。しかしながら、偏波ダイバーシティはこの問題を解決することができる。

図２は、偏波ダイバーシティスキームを使用する別の従来のＯＦＤＩシステムを示し、この図に与えられる同じ参照番号は、上記の図１に関して記載した部品／特性と関連する。この従来のシステムはさらに、音響光学周波数シフタ１００、１０２および磁気光学サーキュレータ１０６、１０８を備える。周波数シフタ１００、１０２のうちの１つは、必要でなくてもよい。周波数シフタ１００、１０２は、正の深さと負の深さとの間の干渉信号における曖昧性を除去することができ、深さの範囲を効果的に増大させる。参照ミラー２４およびサンプル４４から戻ってくる光は、５０／５０融合カプラを用いて合成され得る。偏波ダイバーシティ検出は、点線で囲んだ部分１２０に示される。カプラ２０の各出力ポートは、偏光制御装置１３６および／または１３８を介して偏光ビームスプリッタ１３０および／または１３２に連結され得る。偏光制御装置１３６、１３８は、カプラからの２つのファイバチャネルの複屈折が、偏光スプリッタ１３０、１３２においてほぼ等しい割合で参照光に適合することを可能にする。偏光状態を対応させた後、（ｘまたはｙで示した）スプリッタは２つの平衡検出器１４０、１４２に方向付けられ得る。検出器信号は低域周波数を通過させ得、２つのチャネルのアナログ−デジタルボード１５０およびコンピューター１５２でデジタル化され得る。２つのチャネルデータは独立して処理されて２つの強度画像を与え得る。２つの画像は、非常に抑制された偏光誘導アーチファクトを有する偏光分岐画像を生成するために加算されてもよい。

偏光感応性ＯＣＴは、米国特許第６，２０８，４１５号明細書に記載されるように、コントラストとして組織の複屈折を用いて組織の少なくとも一部分の断面像を取得するために用いられ得る技術である。例えば、使用され得る偏光モジュレータは、ポアンカレ球において互いに直交する２つの状態の間のサンプルに入る光の偏光状態を変え、本明細書中の以下において「半直交」偏光状態と言及される。一組の２つの状態の例は、互いに対して４５度の角度で直線偏光状態になり得る（例えば、ＸおよびＸ＋Ｙの状態）。２つの入力偏光状態のうちの少なくとも１つは、組織の複屈折軸に配置され、深さに依存する複屈折の測定を容易にする。ＰＳ−ＯＣＴの原理および信号処理アルゴリズムは、当該分野において周知である。

米国特許第６，２０８，４１５号明細書に提供されるような掃引レーザーを用いて、Ｊ．Ｚｈａｎｇら、「Ｆｕｌｌ ｒａｎｇｅ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ１２，６０３３−６０３９（２００４年）に記載されるように、同様の技術がＯＦＤＩシステムで使用され得る。例えば、図３Ａは、上記で参照したＺｈａｎｇの公報に記載される別の従来のシステムのブロック図を示し、この図に示される同じ参照番号は、図１および図２についての上記の部品／特性と関連する。例えば、電気光学偏光モジュレータ１７０は、光源アーム３０に配置され得る。図３Ｂに例示したように、この構成部１７０は、２つの「半直交」偏光状態の間の時間内に光源の偏光状態を周期的に変調することができる。変調周期は、波長走査と同期化され得る。検出ポートは、偏光ビームスプリッタ１８０および２つ以上の光検出器１９０、１９２を備えてもよい。参照光の偏光状態は、偏光制御装置５０を用いて制御され得、偏光スプリッタ１８０において参照物を等しい強度に分ける。干渉信号は、２つのチャネルのアナログ−デジタル変換器およびコンピューター１５２で収集され得る。完全な偏光変調周期の間の連続的な偏光測定の各組は、当該分野において公知のベクター解析を介してサンプルの単一の軸複屈折プロファイルを形成し得る。この例示的な技術の１つの欠点は、スペックル誘導誤用を回避するために、２つのＡライン走査の間のサンプルにおいてプローブビームの実質的なオーバーラップを信頼することである。さらに、Ａラインスキャンの間の比較的長い遅延に起因して、このような技術は、サンプルまたはカテーテルの機械的な動きに感応され得る。

従って、複屈折の測定における精度と画像取得速度との間の平衡を測定することは有益であり、他の欠点を扱うことができる。

本発明の１つの例示的な実施形態に従って、少なくともいくらかの上記の欠点は克服することができ、高速ＯＦＤＩ適用において利点がある。例えば、各Ａラインスキャンの間にプローブビームの偏光状態を変調することは利点があり得る。図４は、概念を示す。図４のグラフに示すように、プローブビームの偏光状態は、２つの状態（例えば、互いに半直交）の間で周期的に変化することができる。変調周波数は、実質的に、波長掃引またはＡラインスキャンの周波数より高くなり得る。変調周波数は、好ましくは、抽出率の半分または４分の１であり得、それによって、２つの近接するサンプルは、プローブビームの２つの異なる偏光状態と関連してもよい。

図４Ｂは、別の可能性のある例示的な変調フォーマット（すなわち、正弦波変調）のグラフを示す。偏光状態は、ポアンカレ球の円の後に、Ｘの状態とＹの状態の間に変化させることができる。この例示的な場合において、変調周波数は抽出率の４分の１であり得る（１つの変調周期の間に４サンプルを獲得することができる）。図４Ｃのグラフに示すように、４サンプルの最初のセットは１から１’’’まで、次のセットは２から２’’’まで、そして最後のセットはＮからＮ’’’までで示されることができ、波長掃引または単一のＡライン走査の周期の間に合計で４Ｎのサンプルが獲得されると仮定する。図５に示す本発明に従う方法の例示的な実施形態のフローチャートに例示したように、このセットは、４グループ（１，２．．．，Ｎ），（１’，２’．．，Ｎ’），（１’’，２’’．．，Ｎ’’），（１’’’，２’’’．．，Ｎ’’’）で復調され得る。その結果、強度画像および／または複屈折画像を提供することができる。例えば、復調は、時間領域または周波数領域において実施することができる。各グループは処理されて、異なる偏光状態に関連する画像を作成する。公知のベクター解析により、複屈折の大きさ、複屈折軸、および減衰の空間地図が決定され得る。

本発明の例示的な実施形態に従うこの例示的な方法および技術は、適切な電圧分配器を備える偏光モジュレータ１７０を操作することによって実行され得る。例えば、共鳴電気光学モジュレータが、正弦波変調のために使用され得る。図６は、偏光変調についての代替のスキームを示す。図６Ａは、サンプルアーム３０において受動型複屈折遅延２００を利用する本発明に従うシステムの例示的な実施形態のブロック図を示し、この図に示される同じ参照番号は、図１および図２についての上記の部品／特性と関連する。例示的な複屈折遅延２００は、２つ以上の偏光ビームスプリッタ２１０、２１２を備えることができる光ファイバ干渉計および／または自由空間干渉計を備えてもよい。アーム２２０、２２２の偏光状態は、互いに直交してもよい。

この例示的な構成部は、光源の波長が変化するため、効果的な偏光変調を生じることができる。アーム２１０と２１２との間の遅延、ΔＬは、方程式ΔＬ^*Δｋ＝π／ｍを満たすように選択され得、ここで、Δｋは、２つの近接するサンプルまたはスペクトルの間隔の間の波数の差異を示し、ｍは整数である。整数でないｍの値も可能であり、周波数領域の復調を使用することができる。しかしながら、好ましくは、例えば、ｍ＝１または２である。本発明の別の例示的な実施形態に従って、複屈折遅延は、ΔＬ＝Δｎ^*Ｌを有する高複屈折光ファイバの一部であり得、ここで、Δｎは、２つの固有偏光状態の間の屈折率の差を示し、Ｌはファイバの長さである。複屈折遅延に対する入力偏光状態は、遅延構成部の各固有状態が等価電力で作動されるように調節され得る。図６Ｂは、光ファイバ干渉計を備える本発明に従う偏光変調構成部の別の例示的な実施形態の図を示す。例えば、図６Ｂ（図６Ａの複屈折遅延２００について使用される）に示す偏光制御装置２４０、２４２は、互いに２つのアームの半直交の偏光状態を作製するために調節され得る。２つの半直交状態の間の遅延は、好ましくは、ΔＬ^*Δｋ＝π／２を満たす。

図６Ａおよび６Ｂに示される例示的な実施形態において、偏光調節は、２つの偏光状態の間の群遅延を誘発することによって達成され得る。掃引光源１０のコヒーレンス長さが有限である場合、しばしば、これらの例示的な構成部が、有意なシグナル対ノイズ比（ＳＮＲ）の減少を生じ得るという場合があり得る。なぜなら、可視性は光学遅延とともに減少するからである。この問題を扱うために、群遅延に依存せず、変わりに位相遅延を考慮する本発明のさらに別の例示的な実施形態に従う偏光調節構成部が使用され得る。例えば、図３に示すように電気光学変調構成部は、本質的にゼロ、または非常に小さな群遅延を誘発するように本発明に従って使用され得る。

図６Ｃは本発明のさらに別の例示的な実施形態を示し、図６Ａの複屈折遅延２００について使用される２つの偏光状態の間の連続的な位相遅延を誘発するように音響光学周波数シフタ２５０、２５２を使用する。例えば、図６Ｃに示されるように、別の周波数シフタ２５４が、参照アーム２２に使用され得る。図６Ｃの構成部を使用する例示的な操作方法は、以下の通りであり得る：（ａ）周波数シフタ２５０は、ｆ＿ｓ／８によりアップシフトを生じ得、ここで、ｆ＿ｓはサンプリング率である。シフタ２５２は、ｆ＿ｓ／４によりアップシフトを生成し得、参照シフタ２５４は、ゼロ周波数シフトを生じ得る；そして／または（ｂ）装置２５０、２５２、２５４による周波数シフトの大きさは、それぞれ、ゼロ、＋ｆ＿ｓ／８、および−ｆ＿ｓ／８である。例えば、２つの異なる偏光状態に関する２つの画像は、フーリエ領域において分離され得、さらに複屈折の情報または画像を取得するために処理され得る。本発明に従う他の任意の例示的な処理手順は、周波数領域逆多重化の前に、バックグラウンド除去法、補間、ウィンドウイングまたは振幅補正を包含することができる。信号は、必要に応じて、収集に起因する任意のアーチファクトを除去するために、さらに補正され得る。この方法において、変調構成部における周波数シフタまたは２つのアーム間の正確な経路長差に起因する信号間の位相変化を扱うことができる。

図６Ｄは、２つの偏光状態の間の連続的な位相遅延を誘発するように音響光学周波数シフタ２５０、２５２を使用する本発明のさらに別の例示的な実施形態を示し、これは、図６Ａの複屈折遅延２００について使用され得る。別の周波数シフタ２５４が、参照アーム２２において使用され得る。構成部／システムのこの例示的な実施形態の例示的な部分は、互いに直交する偏光状態を有する２つのビームｘ、ｙを入力ビームに分けるように第１の偏光ビームスプリッタ２５６を利用することができる。周波数シフタ２５０、２５２を通った後、２つのビームｘ、ｙは、第２の偏光ビームスプリッタ２５８を用いて合成される。この装置の合成された光出力は、波長または時間に応じて迅速に偏光を変化させる。上記の段落に記載したような同様の方法が、干渉信号を復調するために使用され得る。復調は、時間領域または周波数領域のいずれかにおいて実行され得る。

１つより多い偏光基材において干渉信号を検出するための種々の構造は、当該分野において公知である。これらの構造は、偏光ビームスプリッタおよび複数の検出器を使用することができる。参照ビームは、検出器内で例えば等価電力に分けられ得る。光源および自己干渉ノイズの強度ノイズを抑制するために二重の平衡検出を実行することが可能である。偏光感応性および２重の平衡検出を同時に発生させるための種々のファイバおよび自由空間に基づいたスキームは、当該分野において公知である。

上記のように、ＯＦＤＩ技術および構成部を用いて、平衡検出技術を実行することが所望され得る。しかしながら、平衡検出技術は、偏光感応性および偏波ダイバーシティのファイバ実行を複雑にし得る。これは、平衡検出技術および構成部を用いるからであり、平衡状態である２つの信号チャネルは、異なる偏光状態を有し得る。

図７は、１つより多い信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第１の例示的な実施形態のブロック図を示し、さらなる詳細において単一の伝播チャネルを有する平衡検出技術／構成部を用いる不都合な点を示す。例えば、光源１０から放出される電磁放射または光は、偏光制御装置４００に接続され得るかまたは転送され得、この偏光制御装置４００は、必要に応じて、偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４０５（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示される実施形態の部分）に接続され得る。サーキュレータ１０６は、必要に応じて、偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４１０（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示されるような例示的な実施形態の１つ以上の部分）に電磁放射／光を方向付け得る。融合カプラ２０は、任意の偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４１２（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示されるような例示的な実施形態の１つより多い部分）によってサンプルアーム３０に電磁放射／光を方向付け得、そして可変減衰器および／または偏光制御装置４３０を有する参照アーム２２に電磁放射／光を方向付け得る。

融合カプラ４２０は、サンプルアーム３０および参照アーム２２から生じる電磁放射／光を合成し得、この合成された信号／光／放射を、平衡検出のための２つの部分Ａ、Ｂに分割する。偏光ビームスプリッタ１３０、１３２は、合成された信号／光／放射を平衡検出器のチャネル対Ｄ１（１４０）、Ｄ２（１４２）に分割し得る。セクションＡ、Ｂの両方は、逆位相を有する参照アーム２２およびサンプル３０の干渉信号を伝播し得る。セクションＡ、Ｂに続いて与えられ得る偏光スプリッタは、それぞれ、直交偏光において参照信号を分割する。理想的な例示の場合において、平衡検出チャネル（Ｄ１）１４０は、逆位相および等しい偏光状態を有する干渉信号を平衡にし得る。同様のことが、平衡検出チャネル（Ｄ２）１４２について起こり得る。しかしながら、セクションＡ、Ｂが異なるセクションＡ、Ｂにおける偏光状態において変化を可能にすることに起因して、平衡検出チャネル（Ｄ１）１４０、（Ｄ２）１４２は、等しくない偏光状態を平衡にし得る。

図７および上記に例示するように、本明細書中で異なる平衡状態を被らない平衡検出器の構成部／システム／技術が所望され得る。例えば、図８〜１６および関連する以下の説明は、平衡検出器の構成部／システム／技術の種々の例示的な実施形態を例示および記載し、ここで、チャネルは、２つの信号伝播チャネルによって平衡にされる必要はなく、単一の信号伝播チャネルおよび参照チャネルによって可能にされる。これらの例示的な平衡検出器の実施形態において、光源からの相対強度ノイズは、このような例示的な構成部／システム／技術によって抑制され得る。

例えば、単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出の構成部／システムの第２の例示的な実施形態のブロック図を示す図８において、光源１０は偏光制御装置４００に接続され得、この偏光制御装置４００は、任意の偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４０５（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示される例示的な実施形態の部分）に接続される。電磁放射／光は、サーキュレータ１０６に方向付けられ得、このサーキュレータ１０６は、電磁放射／光を融合カプラ２０に方向付け得、この融合カプラ２０は、電磁放射／光をサンプルアーム３０および参照アーム２２に分割し得る。サンプルアーム３０からの電磁放射／光は、融合カプラ２０を通って往復し得る。この融合カプラ２０は、サンプルアーム３０から反射される電磁放射／光を干渉し得、サーキュレータ１０６によって、電磁放射／光を直交状態に分割する偏光制御装置４００および偏光スプリッタ４４０に方向付ける。干渉縞は、平衡検出器（Ｄ１）１４０、（Ｄ２）１４２によって検出され得る。

参照アーム２２の電磁放射／光は、より大きなフラクションを偏光子４６０に方向付け得る融合カプラ４５０に接続され得る。反射の際に、電磁放射／光はさらなる偏光子４６０および別の融合カプラ４５０を通って往復し得、サンプルアーム３０と一緒に干渉のために融合カプラ２０に接続する参照アーム部分に分割され得る。他の部分は、平衡検出器についての非信号伝播参照チャネルであり得、この平衡検出器は、可変減衰器および／または偏光制御装置４３０に方向付けられ得、平衡受信機（Ｄ１）１４０、（Ｄ２）１４２についての平衡信号を形成し得る。図８に示すように、平衡受信機は、１つの信号伝播チャネルおよび信号を伝播しない１つの参照チャネルを受信するが、光源１０の電磁放射／光の相対強度ノイズを平衡にし得る。

単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出器の構成部／システムの第３の例示的な実施形態のブロック図を示す図９において、融合カプラ４５０の代替ポートは、非信号伝播参照チャネルのために使用され得る。

単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出器の構成部／システムの第４の例示的な実施形態のブロック図を示す図１０において、非信号伝播参照チャネルは、サーキュレータ１０６の前に配置され得るさらなる融合カプラ４７０によって取得され得る。

単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出器の構成部／システムの第５の例示的な実施形態のブロック図を示す図１１において、非信号伝播参照チャネルは、サーキュレータ１０６の後に配置され得るさらに別の融合カプラ４８０によって取得され得る。

単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出器の構成部／システムの第６の例示的な実施形態のブロック図を示す図１２において、非信号伝播参照チャネルは、偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４０５（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示される例示的な実施形態の部分）の前に配置され得るさらに別の融合カプラ４９０によって取得され得る。

図１３は、単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照アームを有する平衡検出器の構成部／システムの第７の例示的な実施形態のブロック図を示す。この例示的な実施形態において、融合カプラ５００は、参照アーム２２からの電磁放射／光を、減衰器および／または偏光調節装置４３０に方向付けられる非信号伝播参照物、ならびに偏光制御装置４００およびさらなる融合カプラ５１０に方向付けられる参照部分に分割し得る。これは、単一の信号伝播チャネルおよび参照アーム２２とサンプルアーム３０の干渉からの無反射参照物／光を有する平衡検出器の構成部／システムの第７の例示的な実施形態のブロック図である。

図１４は、単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照アームを有する平衡検出器の構成部／システムの第８の例示的な実施形態のブロック図を示し、ここで、非信号伝播参照チャネルは、サーキュレータ１０６の前に配置され得る融合カプラ４７０によって取得される。

図１５は、単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照アームを有する平衡検出器の構成部／システムの第９の例示的な実施形態のブロック図を示す。例えば、非信号伝播参照チャネルは、サーキュレータ１０６の後に配置され得る融合カプラ４８０によって取得され得る。

図１６は、単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照アームを有する平衡検出器の構成部／システムの第１０の例示的な実施形態のブロック図を示す。この例示的な実施形態における非信号伝播参照チャネルは、偏光モジュレータおよび／または複屈折材料４０５（および／または図６Ｂもしくは６Ｃに示される例示的な実施形態の部分）の前に配置され得る融合カプラ４９０によって取得され得る。

本発明のさらに別の例示的な実施形態に従って、ほとんどまたは全ての通信が、自由空間伝播を通して、または光ファイバ（例えばシングルモードファイバ）によって提供され得る。

上述は、単に、本発明の原理を例示しているだけである。記載された実施形態に対する種々の改変および代替物は、本明細書中の教示を考慮して当業者には明らかであろう。実際に、本発明の例示的な実施形態に従う構成部、システムおよび方法は、任意のＯＣＴシステム、ＯＦＤＩシステム、ＳＤ−ＯＣＴシステムまたは他の画像化形成システム、例えば上記の２００４年９月８に出願された国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２９１４８明細書、２００５年１１月２日に出願された米国特許出願第１１／２６６，７７９号明細書、および２００４年７月９日に出願された米国特許出願第１０／５０１，２７６号明細書に記載されたものを用いて使用され得、それらの開示は、その全体が本明細中に参照として援用される。従って、当業者はまた、本明細書中に明確に提示または説明されていなくても、多数のシステム、構成部および方法を考案し、本発明の原理を具現化するこが可能であり、それらが本発明の趣旨および範囲内に含まれることは理解されるだろう。さらに、上記の本明細書中の参照によって明確に援用されていない先行技術の知識は、ある程度まで本明細書中にその全体が明確に援用される。本明細書中に参照された全ての文献は、その全体が本明細書中に参照として援用される。

例示的な従来のＯＦＤＩシステムの構造のブロック図である。 偏波ダイバーシティ検出構成部／技術を使用する別の従来のＯＦＤＩシステムのブロック図である。 さらなる従来の偏光感応性ＯＦＤＩシステムのブロック図である。 図３ＡのＯＦＤＩシステムによって与えられる偏光状態および出力のプロットである。 本発明の例示的な実施形態に従う、高速偏光変調技術を使用する、偏光感応性ＯＦＤＩシステム、方法および構成部についての状態、クロック出力および信号のプロットである。 本発明の例示的な実施形態に従う、高速偏光変調技術を使用する、偏光感応性ＯＦＤＩシステム、方法および構成部についての状態、クロック出力および信号のプロットである。 本発明の例示的な実施形態に従う、高速偏光変調技術を使用する、偏光感応性ＯＦＤＩシステム、方法および構成部についての状態、クロック出力および信号のプロットである。 本発明の例示的な実施形態に従う、信号処理技術および方法のハイレベルのフローチャートである。 図６Ａは本発明に従う、偏光変調構成部／システムの１つの例示的な実施形態のブロック図である。図６Ｂは本発明に従う、偏光変調構成部／システムの別の例示的な実施形態のブロック図である。図６Ｃは本発明に従う、偏光変調構成部／システムのさらに別の例示的な実施形態のブロック図である。図６Ｄは本発明に従う、偏光変調構成部／システムのなおさらに別の例示的な実施形態のブロック図である。 １つより多い信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第１の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第２の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第３の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第４の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第５の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルを有する平衡検出構成部／システムの第６の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照物を有する平衡検出構成部／システムの第７の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照物を有する平衡検出構成部／システムの第８の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照物を有する平衡検出構成部／システムの第９の例示的な実施形態のブロック図である。 単一の信号伝播チャネルおよび無反射参照物を有する平衡検出構成部／システムの第１０の例示的な実施形態のブロック図である。

Claims (40)

1. 少なくとも１つの第１の電磁放射をサンプルに与え、少なくとも１つの第２の電磁放射を参照物に与えるように構成される少なくとも１つの第１の構成部であって、前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる放射周波数は、第１の固有周期の時間にわたって繰り返し変化する、少なくとも１つの第１の構成部と、
   第２の固有周期の時間にわたって前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、第３の電磁放射または第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの偏光状態を繰り返し変化させるように構成される少なくとも１つの第２の構成部と、
   前記偏光状態に応じて前記サンプルの少なくとも一部分を画像化するためのデータを与えるように構成される少なくとも１つの第３の構成部と、を備える装置であって、前記第３の電磁放射は前記少なくとも１つの第１の放射と関連し、前記第４の電磁放射は前記少なくとも１つの第２の電磁放射と関連し、前記第２の周期は前記第１の周期より短く、
   前記第３の電磁放射は、前記サンプルから与えられ、前記第４の電磁放射は、前記参照物から与えられる、装置。
2. 前記少なくとも１つの第１の構成部は偏光源である、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの第２の構成部は、遅延干渉計、周波数シフタまたは複屈折媒体のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の装置。
4. 前記少なくとも１つの第１の構成部は、非偏光源であり、前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、前記第３の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つを偏光するように構成される偏光構成部をさらに備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１および第２の構成部は、偏光変調された光源において与えられる、請求項１に記載の装置。
6. 第１の偏光状態において前記第３の放射と前記第４の放射との間に第１の干渉信号を検出するように構成される少なくとも１つの第４の構成部と、
   第２の偏光状態において前記第３の電磁放射と前記第４の電磁放射との間に第２の干渉信号を検出するように構成される少なくとも１つの第５の構成部と、をさらに備え、前記第１の偏光状態および前記第２の偏光状態は互いに異なる、請求項１に記載の装置。
7. 前記第４の構成部または前記第５の構成部のうちの少なくとも１つは、前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの一部分を受信するように構成され、前記第４の電磁放射は前記参照物から与えられる、請求項６に記載の装置。
8. 前記第１の干渉信号および前記第２の干渉信号をデジタル化するように構成され、前記サンプルの少なくとも一部分の偏光特性を測定する、少なくとも１つの第６の構成部をさらに備える、請求項６に記載の装置。
9. 前記第１の偏光状態および前記第２の偏光状態は、互いに対してほぼ直交する、請求項６に記載の装置。
10. 前記少なくとも１つの第３の構成部は、前記サンプルの偏光特性のうちの少なくとも１つの画像を生成する、請求項１に記載の装置。
11. 前記偏光特性は、複屈折、前記複屈折の軸、非減衰または前記非減衰の軸のうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記参照物は、無反射参照物である、請求項１に記載の装置。
13. 前記第１の固有周期は、約１００マイクロ秒より短い、請求項１に記載の装置。
14. 前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる前記放射周波数は、前記第１の固有周期内で少なくとも約１テラＨｚまで変化する、請求項１に記載の装置。
15. 前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる前記放射周波数は、前記第２の固有周期内に多くても約１００ＧＨｚまで変化する、請求項１に記載の装置。
16. 前記第２の周期は、前記第１の周期の約１／１０より短い、請求項１に記載の装置。
17. 導波管を含み、前記第１の固有周期の間に前記サンプルの少なくとも一部分の軸反射率プロファイルを測定するために、前記第３の電磁放射と前記第４の電磁放射とを合成するように構成される、少なくとも１つの第２の構成部をさらに備える、請求項１に記載の装置。
18. 前記データは、前記サンプルの偏光特性を含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記少なくとも１つの導波管の第２の構成部は、少なくとも１つの光ファイバを備える、請求項１７に記載の装置。
20. 少なくとも１つの第１の電磁放射をサンプルに与え、少なくとも１つの第２の電磁放射を参照物に与えるように構成される少なくとも１つの第１の構成部であって、前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる放射周波数は、第１の固有周期の時間にわたって繰り返し変化する、少なくとも１つの第１の構成部と、
    第３の電磁放射と第４の電磁放射とを合成するように構成される少なくとも１つの導波管の第２の構成部であって、前記サンプルの少なくとも一部分の軸反射率プロファイルを測定するために、前記第３の電磁放射および前記第４の電磁放射は、それぞれ、前記第１の電磁放射および前記第２の電磁放射と関連する、少なくとも１つの導波管の第２の構成部と、
    第２の固有周期の時間にわたって前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、前記第３の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの偏光状態を繰り返し変化させるように構成される少なくとも１つの第３の構成部と、
    前記偏光状態に応じて前記サンプルの少なくとも一部分を画像化するためのデータを与えるように構成される、少なくとも１つの第４の構成部と、を備える装置であって、前記第２の周期は前記第１の周期より短く、
    前記第３の電磁放射は、前記サンプルから与えられ、前記第４の電磁放射は、前記参照物から与えられる、装置。
21. 前記少なくとも１つの第１の構成部は、偏光源である、請求項２０に記載の装置。
22. 前記少なくとも１つの第３の構成部は、遅延干渉計、周波数シフタまたは複屈折媒体のうちの少なくとも１つである、請求項２０に記載の装置。
23. 前記少なくとも１つの第１の構成部は、非偏光源であり、前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、前記第３の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つを偏光するように構成される偏光構成部をさらに備える、請求項２０に記載の装置。
24. 前記第１の構成部および前記第３の構成部は、偏光変調された光源において与えられる、請求項２０に記載の装置。
25. 第１の偏光状態において前記第３の放射と前記第４の放射との間に第１の干渉信号を検出するように構成される少なくとも１つの第５の構成部と、
    第２の偏光状態において前記第３の電磁放射と前記第４の電磁放射との間に第２の干渉信号を検出するように構成される、少なくとも１つの第６の構成部と、をさらに備え、前記第１の偏光状態および前記第２の偏光状態は、互いに異なる、請求項２０に記載の装置。
26. 前記第５の構成部または前記第６の構成部のうちの少なくとも１つは、前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの一部分を受信するように構成され、前記第４の電磁放射は前記参照物から与えられる、請求項２５に記載の装置。
27. 前記第１の干渉信号および前記第２の干渉信号をデジタル化するように構成され、前記サンプルの少なくとも一部分の偏光特性を測定する、少なくとも１つの第７の構成部をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
28. 前記第１の偏光状態および前記第２の偏光状態は、互いに対してほぼ直交する、請求項２５に記載の装置。
29. 前記少なくとも１つの第４の構成部は、前記サンプルの偏光特性のうちの少なくとも１つの画像を生成する、請求項２０に記載の装置。
30. 前記偏光特性が、複屈折、前記複屈折の軸、非減衰または前記非減衰の軸のうちの少なくとも１つを含む、請求項２９に記載の装置。
31. 前記参照物は、無反射参照物である、請求項２０に記載の装置。
32. 前記第１の固有周期は、約１００マイクロ秒より短い、請求項２０に記載の装置。
33. 前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる前記放射周波数は、前記第１の固有周期内で少なくとも約１テラＨｚまで変化する、請求項２０に記載の装置。
34. 前記少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる前記放射周波数は、前記第２の固有周期内で多くても約１００ＧＨｚまで変化する、請求項２０に記載の装置。
35. 前記第２の固有周期は、前記第１の周期の約１／１０より短い、請求項２０に記載の装置。
36. 前記軸反射率プロファイルは、第１の固有周期の間に測定される、請求項２０に記載の装置。
37. 前記データは、前記サンプルの偏光特性を含む、請求項２０に記載の装置。
38. 前記少なくとも１つの導波管の第２の構成部は、少なくとも１つの光ファイバを備える、請求項２０に記載の装置。
39. サンプルに関するデータを提供するための方法であって、該方法は、
    少なくとも１つの第１の電磁放射を前記サンプルに与え、少なくとも１つの第２の電磁放射を参照物に与える工程であって、前記第１の放射および前記第２の放射のうちの少なくとも１つの周波数は、第１の固有周期の時間にわたって繰り返し変化する、工程と、
    第２の固有周期の時間にわたって前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、第３の電磁放射または第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの偏光状態を繰り返し変化させる工程と、
    前記偏光状態に応じて前記サンプルの少なくとも一部分を画像化するためのデータを提供する工程と、を包含する方法であって、前記第３の電磁放射は、前記少なくとも１つの第１の放射と関連し、前記第４の電磁放射は、前記少なくとも１つの第２の放射と関連し、前記第２の周期は前記第１の周期より短く、
    前記第３の電磁放射は、前記サンプルから与えられ、前記第４の電磁放射は、前記参照物から与えられる、方法。
40. サンプルに関するデータを提供するための方法であって、該方法は、
    少なくとも１つの第１の電磁放射を前記サンプルに与え、少なくとも１つの第２の電磁放射を参照物に与える工程であって、少なくとも１つの第１の構成部によって与えられる放射周波数は、第１の固有周期の時間にわたって繰り返し変化する、工程と、
    第３の電磁放射と第４の電磁放射とを合成する工程であって、前記サンプルの少なくとも一部分の軸反射率プロファイルを測定するために、前記第３の電磁放射および前記第４の電磁放射は、それぞれ、前記第１の電磁放射および前記第２の電磁放射と関連する、工程と、
    第２の固有周期の時間にわたって前記第１の電磁放射、前記第２の電磁放射、前記第３の電磁放射または前記第４の電磁放射のうちの少なくとも１つの偏光状態を繰り返し変化させる工程と、
    前記偏光状態に応じて前記サンプルの少なくとも一部分を画像化するための前記データを提供する工程と、を包含する方法であって、前記第２の周期は、前記第１の周期より短く、
    前記第３の電磁放射は、前記サンプルから与えられ、前記第４の電磁放射は、前記参照物から与えられる、方法。

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