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JP4620577B2 - Optical coherence tomographic image measuring method and apparatus - Google Patents
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Description

本発明は、光パルスを用いて例えば物体の内部構造を可視化する光コヒーレンス断層画像測定方法および装置に関するものである。   The present invention relates to an optical coherence tomographic image measurement method and apparatus for visualizing, for example, the internal structure of an object using light pulses.

眼球、内臓等の生体器官の機能の解明のために、その組織構造を生体内で計測できるようなシステムが必要とされている。それらの目的のために、現在、光コヒーレンス断層画像(Optical Coherence Tomography、OCT)装置が広く使用されている。光コヒーレンス断層画像(OCT)測定装置は、広帯域で時間的に低コヒーレンスである光源を用いたマイケルソン干渉計型の装置である。マイケルソン干渉計を利用した光コヒーレンス断層画像(OCT)測定装置では、被計測試料(物体)からの光を物体光、もう一方の光路の光を参照光とし、これら物体光と参照光の二つの光を干渉させることで物体光の時間的なコヒーレンス情報を読み出し、このコヒーレンス情報から被計測試料(物体)の深さ方向の構造を検出する。従来技術として、このような方式の光コヒーレンス断層画像測定装置が開示されている(例えば特許文献1、特許文献2参照)。   In order to elucidate the functions of biological organs such as the eyeball and internal organs, a system that can measure the tissue structure in vivo is required. For these purposes, optical coherence tomography (OCT) devices are now widely used. An optical coherence tomographic image (OCT) measuring apparatus is a Michelson interferometer type apparatus using a light source that is broadband and has low temporal coherence. In an optical coherence tomographic image (OCT) measurement apparatus using a Michelson interferometer, light from a sample to be measured (object) is object light, and light in the other optical path is reference light. The temporal coherence information of the object light is read out by causing two lights to interfere, and the structure in the depth direction of the sample to be measured (object) is detected from this coherence information. As a conventional technique, an optical coherence tomographic image measurement apparatus of this type is disclosed (for example, refer to Patent Document 1 and Patent Document 2).

このような光コヒーレンス断層画像測定装置によれば、チタンサファイアレーザ等の低コヒーレンス光源を用いることにより、深さ方向で10μm以下の高空間分解能の性能を得ることが可能となっている。現在、光コヒーレンス断層画像測定装置は、生体眼の網膜の断層構造を非侵襲的に光学組織切片に近い精度で画像化することができる。しかし、上記のように低コヒーレンス光源を利用するため、被計測試料(物体)の水平方向の2次元空間分解能の性能は数10μm程度である。したがって、光細胞診断のような1μm以下の2次元空間分解能を必要とする画像診断に光コヒーレンス断層画像測定装置を利用することはできない。   According to such an optical coherence tomographic image measuring apparatus, it is possible to obtain a high spatial resolution performance of 10 μm or less in the depth direction by using a low coherence light source such as a titanium sapphire laser. Currently, an optical coherence tomographic image measurement apparatus can image a tomographic structure of a retina of a living eye noninvasively with an accuracy close to that of an optical tissue section. However, since the low-coherence light source is used as described above, the performance of the two-dimensional spatial resolution in the horizontal direction of the sample (object) to be measured is about several tens of μm. Therefore, the optical coherence tomographic image measurement apparatus cannot be used for image diagnosis that requires a two-dimensional spatial resolution of 1 μm or less, such as photocytodiagnosis.

水平方向の空間分解能を向上させる技術として、ピコ秒レーザを使用した材料の非線形特性から回折限界以上に空間分解能を向上させる顕微鏡技術が報告されている(例えば非特許文献1参照)。この技術では、2波長のレーザ(励起用と消去用のレーザ)を使用することにより、従来の蛍光顕微鏡よりも高分解能な顕微鏡を実現している。空間分解能を向上させる方法は以下のとおりである。まず、励起レーザを試料に照射して上準位に励起する。無放射遷移し、下準位に落ちる際、ビームウエストの位置ではドーナツ状の光電界分布をしているため、ビーム周辺部は誘導放出が起こり、ビーム中心部は蛍光放射が観測される。その結果、回折限界以下の蛍光を観測することが可能となる。   As a technique for improving the spatial resolution in the horizontal direction, a microscope technique has been reported that improves the spatial resolution beyond the diffraction limit due to nonlinear characteristics of a material using a picosecond laser (for example, see Non-Patent Document 1). In this technique, a two-wavelength laser (excitation and erasing laser) is used to realize a microscope with higher resolution than a conventional fluorescence microscope. The method for improving the spatial resolution is as follows. First, the sample is irradiated with an excitation laser to be excited to the upper level. When the transition to non-radiation occurs and falls to the lower level, a doughnut-shaped optical electric field distribution is generated at the position of the beam waist, so that stimulated emission occurs at the beam periphery and fluorescence emission is observed at the beam center. As a result, fluorescence below the diffraction limit can be observed.

光コヒーレンス断層画像における垂直方向の分解能Lは、L=λ/Δλ(λは中心波長、Δλはレーザスペクトル幅)と表せる。したがって、垂直方向に高分解能な断層画像を取得するには、広帯域なスペクトル幅をもつレーザパルス(例えば、フェムト秒チタンサファイアレーザ)を使用しなければならない。現在では、半値全幅が200nm程度のスペクトル帯域を持つチタンサファイアレーザを使用し、垂直方向に高分解能な光断層画像が得られている(例えば非特許文献2参照)。従来の技術では、λ/2遅延板や光空間変調器等を使用し、レーザパルス包絡線に空間長にしてλ/2の遅延時間を与える。そのレーザパルスは、光搬送波電界位相が擬似的に反転したレーザパルスとなる。それらのレーザパルスを重ねることにより、ビーム中心部の光電界がゼロになり、リング状のビームプロファイルができる。   The vertical resolution L in the optical coherence tomographic image can be expressed as L = λ / Δλ (λ is the center wavelength, and Δλ is the laser spectrum width). Therefore, in order to acquire a high-resolution tomographic image in the vertical direction, a laser pulse (for example, a femtosecond titanium sapphire laser) having a wide spectrum width must be used. At present, a high-resolution optical tomographic image is obtained in the vertical direction using a titanium sapphire laser having a spectral band with a full width at half maximum of about 200 nm (see, for example, Non-Patent Document 2). In the conventional technique, a λ / 2 delay plate, an optical spatial modulator, or the like is used, and a delay time of λ / 2 is given to the laser pulse envelope as a spatial length. The laser pulse is a laser pulse in which the optical carrier electric field phase is pseudo-inverted. By superimposing these laser pulses, the optical electric field at the center of the beam becomes zero, and a ring-shaped beam profile is formed.

近年の可視・近赤外波長領域の極短パルスレーザ技術によって、パルスの半値全幅(パルス幅)が光の振動時間に極めて近い極短光パルスを容易に生成することができる。この極短光パルス中における電界振動の位相は、光搬送波絶対位相と呼ばれ、ΔφCEで定義される。図6に光パルスの電界(光搬送波電界)Eと、時間0で尖頭値をとる電界振動のパルス包絡線ENVを示す。図6に示すように光パルスの強度波形の尖頭値に対応する時刻と電界振動の極大値に対応する時刻との時間差がΔφCEである。極短レーザパルスでは、λ/2遅延板や光空間変調器等を使用して光搬送波電界位相を擬似的に反転させたとしても、ビーム中心部の光電界を完全にゼロにすることはできない。図7の例では、遅延時間0のレーザパルスと遅延時間π/2のレーザパルスとが電界0の横軸に対して線対称になっていないため、これらのレーザパルスを重ねたとしても、光電界はゼロにならないことが分かる。 With the ultrashort pulse laser technology in the visible / near infrared wavelength region in recent years, it is possible to easily generate an ultrashort optical pulse whose full width at half maximum (pulse width) is very close to the oscillation time of light. The poles of the electric field oscillating in the optical short pulse phase is called the optical carrier absolute phase is defined by [Delta] [phi CE. FIG. 6 shows an electric field (optical carrier electric field) E of an optical pulse and a pulse envelope ENV of electric field oscillation that takes a peak value at time zero. Time difference between the time corresponding to the maximum value of the time and the electric field vibration corresponding to the peak value of the intensity waveform of the optical pulse as shown in FIG. 6 is a [Delta] [phi CE. With an ultrashort laser pulse, the optical electric field at the center of the beam cannot be made completely zero even if the optical carrier electric field phase is artificially inverted using a λ / 2 delay plate or an optical spatial modulator. . In the example of FIG. 7, since the laser pulse with the delay time 0 and the laser pulse with the delay time π / 2 are not line-symmetric with respect to the horizontal axis of the electric field 0, even if these laser pulses are overlapped, You can see that the world does not become zero.

そこで、極短レーザパルスを使用し、ビーム中心部の光電界を完全にゼロにするには、光パルス間の光搬送波絶対位相のずれを一定にする技術が必要となる。通常の光パルスにおいて各パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量は一定でない。近年、各パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量を一定にする制御技術が確立された(例えば非特許文献3参照)。この制御技術を利用すると、完全に位相が反転したレーザパルスを作ることができる。この制御技術を利用して、図8に示すように光搬送波電界位相が完全に反転したレーザパルスを重ねることにより、極短パルスレーザのビーム中心部の光電界を完全にゼロにすることができる。   Therefore, in order to use an extremely short laser pulse and completely reduce the optical electric field at the center of the beam to zero, a technique for making the optical carrier absolute phase shift between the optical pulses constant is required. In a normal optical pulse, the shift amount of the optical carrier absolute phase between the pulses is not constant. In recent years, a control technique has been established that makes the shift amount of the optical carrier absolute phase between each pulse constant (for example, see Non-Patent Document 3). By using this control technique, it is possible to produce a laser pulse whose phase is completely reversed. By utilizing this control technique, the optical electric field at the center of the beam of the ultrashort pulse laser can be made completely zero by superimposing laser pulses whose optical carrier electric field phase is completely inverted as shown in FIG. .

特許第3539726号公報Japanese Patent No. 3539726 特許第3626110号公報Japanese Patent No. 3626110 M.Dyba et al.,「Focal Spots of Size λ/23 Open Up Far-Field Florescence Microscopy at 33 nm Axial Resolution」,PHYSICAL REVIEW LETTERS,2002,Vol.88,No.16M.Dyba et al., “Focal Spots of Size λ / 23 Open Up Far-Field Florescence Microscopy at 33 nm Axial Resolution”, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2002, Vol.88, No.16 A.D.Aguirre et al.,「High-resolution optical coherence microscopy for high-speed,in vivo cellular imaging」,OPTICS LETTERS,2003,Vol.28,No.21,p.2064-2066A.D.Aguirre et al., “High-resolution optical coherence microscopy for high-speed, in vivo cellular imaging”, OPTICS LETTERS, 2003, Vol.28, No.21, p.2064-2066 D.J.Jones et al.,「Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis」,SCIENCE,2000,Vol.288,p.635-639D.J. Jones et al., “Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis”, SCIENCE, 2000, Vol.288, p.635-639

以上のように、チタンサファイアレーザ等の低コヒーレンス光源を用いた従来の光コヒーレンス断層画像測定方法では、水平方向の2次元空間分解能は数10μm程度であり、光細胞診断等に利用するには水平方向の2次元空間分解能を更に向上させる必要があった。しかし、光コヒーレンス断層画像測定方法において水平方向の2次元空間分解能を向上させる方法は現時点では確立されていない。   As described above, in the conventional optical coherence tomographic image measurement method using a low-coherence light source such as a titanium sapphire laser, the two-dimensional spatial resolution in the horizontal direction is about several tens of μm. It was necessary to further improve the two-dimensional spatial resolution of directions. However, a method for improving the horizontal two-dimensional spatial resolution in the optical coherence tomographic image measurement method has not been established at present.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は光コヒーレンス断層画像測定方法および装置において水平方向の2次元空間分解能を向上させることである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve horizontal two-dimensional spatial resolution in an optical coherence tomographic image measurement method and apparatus.

本発明の光コヒーレンス断層画像測定方法は、光パルス出力手段から放射された光パルスを2分して、一方を被計測試料への照射光とし、他方を参照光とする分離ステップと、前記照射光から第1、第2の2種類のビームプロファイルの光パルスを順次生成する生成ステップと、前記被計測試料に順次照射された前記2種類のビームプロファイルの光パルスによる前記被計測試料からの反射光と前記参照光との干渉強度をビームプロファイル毎に測定する干渉強度測定ステップと、前記第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度と前記第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度との差分値を算出する干渉強度差分算出ステップと、前記干渉強度の差分値を記憶する記憶ステップと、前記参照光の光路長を所定量変化させる光路長制御ステップとを、前記参照光の光路長を変化させながら繰り返し行い、前記記憶ステップで記憶した一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する光コヒーレンス断層画像測定方法であって、前記2種類のビームプロファイルの光パルスは、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相差が0の光パルスと前記光搬送波絶対位相差がπの光パルスであることを特徴とするものである。
また、本発明の光コヒーレンス断層画像測定方法の1構成例において、前記光パルス出力手段から放射される光パルスは、光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量が一定値に固定されたものである
The optical coherence tomographic image measurement method according to the present invention includes a separation step in which the light pulse emitted from the light pulse output means is divided into two, one is irradiated to the sample to be measured, and the other is the reference light. A generation step for sequentially generating light pulses of the first and second types of beam profiles from light, and reflection from the sample to be measured by the light pulses of the two types of beam profiles sequentially irradiated on the sample to be measured. An interference intensity measuring step for measuring the interference intensity between the light and the reference light for each beam profile; and the interference intensity obtained by the optical pulse of the first beam profile and the optical pulse of the second beam profile. An interference intensity difference calculating step for calculating a difference value from the interference intensity obtained, a storing step for storing the difference value of the interference intensity, and the reference And an optical path length control step of the optical path length is a predetermined change in the amount of light, repeated while changing the optical path length of the reference light, and outputs a difference value of a series of interference intensity stored in said storing step as an optical tomographic image light In the coherence tomographic image measurement method, the optical pulses having the two types of beam profiles are an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of 0 at a central portion and a peripheral portion of the beam and an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of π. It is characterized by being.
In one configuration example of the optical coherence tomographic image measurement method of the present invention, the optical pulse emitted from the optical pulse output means has a fixed shift amount of the optical carrier absolute phase between the optical pulses. There is .

また、本発明の光コヒーレンス断層画像測定装置は、光パルス出力手段と、この光パルス出力手段から放射された光パルスを2分して、一方を被計測試料への照射光とし、他方を参照光とするビームスプリッタと、前記照射光から第1、第2の2種類のビームプロファイルの光パルスを順次生成する生成手段と、前記被計測試料に順次照射された前記2種類のビームプロファイルの光パルスによる前記被計測試料からの反射光と前記参照光との干渉強度をビームプロファイル毎に測定する光検出手段と、前記第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度と前記第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度との差分値を算出する干渉強度差分算出手段と、前記干渉強度の差分値を記憶する記憶手段と、前記参照光の光路長を所定量変化させる光路長制御手段とを有し、前記参照光の光路長を変化させながら前記干渉強度の差分値算出を繰り返し行い、前記記憶手段に記憶された一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する光コヒーレンス断層画像測定装置であって、前記2種類のビームプロファイルの光パルスは、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相差が0の光パルスと前記光搬送波絶対位相差がπの光パルスであることを特徴とするものである。 Further, the optical coherence tomographic image measuring apparatus of the present invention divides the light pulse output means and the light pulse emitted from the light pulse output means into two parts, one of which is used as the irradiation light to the sample to be measured, and the other reference A beam splitter for generating light, a generating means for sequentially generating light pulses of first and second types of beam profiles from the irradiated light, and light of the two types of beam profiles sequentially irradiated on the sample to be measured A light detecting means for measuring the interference intensity between the reflected light from the sample to be measured and the reference light by a pulse for each beam profile; the interference intensity obtained by the light pulse of the first beam profile; An interference intensity difference calculating means for calculating a difference value from the interference intensity obtained by the optical pulse of the beam profile of, and a memory for storing the difference value of the interference intensity And optical path length control means for changing the optical path length of the reference light by a predetermined amount, repeatedly calculating the difference value of the interference intensity while changing the optical path length of the reference light, and stored in the storage means An optical coherence tomographic image measurement apparatus that outputs a series of interference intensity difference values as an optical tomographic image , wherein the optical pulse of the two types of beam profiles has an optical carrier absolute phase difference of 0 between the central part and the peripheral part of the beam. The optical pulse is an optical pulse whose optical carrier absolute phase difference is π .

本発明によれば、2種類のビームプロファイルの光パルスを生成して、第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた干渉強度と第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた干渉強度との差分値を算出することにより、光パルスの回折限界以下の水平方向分解能を有する光断層画像を得ることができる。   According to the present invention, optical pulses having two types of beam profiles are generated, and the interference intensity obtained by the optical pulse having the first beam profile and the interference intensity obtained by the optical pulse having the second beam profile are calculated. By calculating the difference value, an optical tomographic image having a horizontal resolution equal to or lower than the diffraction limit of the optical pulse can be obtained.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は本発明の実施の形態に係る光コヒーレンス断層画像測定装置の構成を示すブロック図である。この光コヒーレンス断層画像測定装置は、光パルス出力手段である極短パルスレーザ装置1と、ビームスプリッタ3,4と、偏光ビームスプリッタ5と、2種類のビームプロファイルの光パルスを生成する生成手段である照射光ビームプロファイル生成装置6と、集光用光学素子12と、参照光の光路長を所定量変化させる光路長制御手段である第1の光遅延機構14と、光検出器15と、コンピュータ16と、偏光回転素子19とから構成される。ビームスプリッタ4と集光用光学素子12と偏光ビームスプリッタ5と光検出器15と偏光回転素子19とは、被計測試料13からの反射光と参照光との干渉強度を測定する光検出手段を構成し、コンピュータ16は、干渉強度の差分値を算出する干渉強度差分算出手段と干渉強度の差分値を記憶する記憶手段とを構成している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical coherence tomographic image measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. This optical coherence tomographic image measuring device is an ultrashort pulse laser device 1 which is an optical pulse output means, beam splitters 3 and 4, a polarizing beam splitter 5, and a generating means for generating optical pulses of two types of beam profiles. An irradiation light beam profile generation device 6, a condensing optical element 12, a first optical delay mechanism 14 that is an optical path length control means for changing the optical path length of the reference light by a predetermined amount, a photodetector 15, and a computer 16 and a polarization rotation element 19. The beam splitter 4, the condensing optical element 12, the polarizing beam splitter 5, the photodetector 15, and the polarization rotating element 19 are light detection means for measuring the interference intensity between the reflected light from the sample 13 to be measured and the reference light. The computer 16 comprises an interference intensity difference calculating means for calculating the difference value of the interference intensity and a storage means for storing the difference value of the interference intensity.

極短パルスレーザ装置1は、光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量がπに固定された直線偏光の極短パルスレーザ光2を放射する。光搬送波絶対位相のシフト量をπに固定する技術としては、例えば非特許文献3に開示された技術を利用することができる。
ビームスプリッタ3は、極短パルスレーザ装置1から放射された極短パルスレーザ光2を被計測試料13への照射光と光遅延機構14に向かう参照光とに分離する。
The ultrashort pulse laser device 1 emits linearly polarized ultrashort pulse laser light 2 in which the shift amount of the optical carrier absolute phase between optical pulses is fixed to π. As a technique for fixing the shift amount of the optical carrier absolute phase to π, for example, the technique disclosed in Non-Patent Document 3 can be used.
The beam splitter 3 separates the ultrashort pulse laser light 2 emitted from the ultrashort pulse laser device 1 into irradiation light for the sample 13 to be measured and reference light toward the optical delay mechanism 14.

照射光ビームプロファイル生成装置6は、2種類のビームプロファイルを生成するために、真空容器内にマイケルソン干渉計型の光学系が構成されている。照射光ビームプロファイル生成装置6の真空容器内に入射した極短パルスレーザ光2は、まずビームスプリッタ7で反射光と透過光に分けられる。ビームスプリッタ7は、図2に示すように同じ材質と厚さの基板70と71に分岐面72が挟まれた構造をしている。この構造は、反射光と透過光の分散値を等しくすることを考慮したものである。   The irradiation light beam profile generation device 6 includes a Michelson interferometer type optical system in a vacuum vessel in order to generate two types of beam profiles. The ultrashort pulse laser beam 2 that has entered the vacuum container of the irradiation light beam profile generator 6 is first divided into reflected light and transmitted light by the beam splitter 7. The beam splitter 7 has a structure in which a branch plane 72 is sandwiched between substrates 70 and 71 having the same material and thickness as shown in FIG. This structure takes into account that the dispersion values of reflected light and transmitted light are equal.

ビームスプリッタ7の反射光はミラー8,9からなる第2の光遅延機構に入射し、ビームスプリッタ7の透過光はミラー10,11からなる第3の光遅延機構に入射する。第2の光遅延機構に入射した反射光は、ミラー8と9との間で反射を繰り返した後にビームスプリッタ7に戻る。同様に、第3の光遅延機構に入射した透過光は、ミラー10と11との間で反射を繰り返した後にビームスプリッタ7に戻る。反射光と透過光でレーザパルスの分散値を等しくするため、ミラー8と9との間の反射回数とミラー10と11との間の反射回数が等しくなるように設定されている。   Reflected light from the beam splitter 7 enters a second optical delay mechanism composed of mirrors 8 and 9, and transmitted light from the beam splitter 7 enters a third optical delay mechanism composed of mirrors 10 and 11. The reflected light incident on the second optical delay mechanism repeats reflection between the mirrors 8 and 9 and then returns to the beam splitter 7. Similarly, the transmitted light incident on the third optical delay mechanism returns to the beam splitter 7 after being repeatedly reflected between the mirrors 10 and 11. In order to make the dispersion value of the laser pulse equal between the reflected light and the transmitted light, the number of reflections between the mirrors 8 and 9 and the number of reflections between the mirrors 10 and 11 are set to be equal.

また、ミラー8と9との間の光路上には、ビーム中心部を遮断するドット17が設置され、一方、ミラー10と11との間の光路上には、ビーム周辺部を遮断するアパチャ18が設置されている。第2の光遅延機構から戻ったパルスレーザ光と第3の光遅延機構から戻ったパルスレーザ光とは、ビームスプリッタ7で合成され、照射光ビームプロファイル生成装置6から放出される。   On the optical path between the mirrors 8 and 9, a dot 17 that blocks the beam central portion is provided. On the other hand, on the optical path between the mirrors 10 and 11, an aperture 18 that blocks the beam peripheral portion. Is installed. The pulse laser light returned from the second optical delay mechanism and the pulse laser light returned from the third optical delay mechanism are combined by the beam splitter 7 and emitted from the irradiation light beam profile generation device 6.

ここで、2種類のビームプロファイルは、第2の光遅延機構を通る光と第3の光遅延機構を通る光の光路長差によって生成される。第1のビームプロファイルのパルスレーザ光は、レーザ繰り返し周波数の2(N−1)(Nは自然数)倍の光路長差で生成され、第2のビームプロファイルのパルスレーザ光は、レーザ繰り返し周波数の2N−1倍の光路長差で生成される。レーザ繰り返し周波数の2(N−1)倍の光路長差をつけた場合、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相の差はゼロとなる。一方、レーザ繰り返し周波数の2N−1倍の光路長差をつけた場合、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相の差はπとなる。   Here, the two types of beam profiles are generated by the optical path length difference between the light passing through the second optical delay mechanism and the light passing through the third optical delay mechanism. The pulse laser beam having the first beam profile is generated with an optical path length difference of 2 (N−1) (N is a natural number) times the laser repetition frequency, and the pulse laser beam having the second beam profile has the laser repetition frequency. It is generated with an optical path length difference of 2N-1 times. When an optical path length difference of 2 (N-1) times the laser repetition frequency is given, the difference in optical carrier absolute phase between the center portion and the peripheral portion of the beam is zero. On the other hand, when an optical path length difference of 2N-1 times the laser repetition frequency is given, the difference in the optical carrier absolute phase between the center portion and the peripheral portion of the beam is π.

真空容器内のミラー8,9の位置またはミラー10,11の位置は、後述するコンピュータ16からの指示に応じて調整可能である。これにより、照射光ビームプロファイル生成装置6は、第2の光遅延機構を通る光と第3の光遅延機構を通る光の光路長差をレーザ繰り返し周波数の2(N−1)倍又は2N−1倍のいずれか一方に設定(すなわち、ビームプロファイルを第1のビームプロファイル又は第2のビームプロファイルのいずれか一方に設定)することができる。   The positions of the mirrors 8 and 9 or the positions of the mirrors 10 and 11 in the vacuum vessel can be adjusted according to an instruction from the computer 16 described later. As a result, the irradiation light beam profile generation device 6 sets the optical path length difference between the light passing through the second optical delay mechanism and the light passing through the third optical delay mechanism to 2 (N−1) times the laser repetition frequency or 2N−. It can be set to either one (ie, the beam profile is set to either the first beam profile or the second beam profile).

照射光ビームプロファイル生成装置6で生成されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ4を透過する。
集光用光学素子12は、ビームスプリッタ4を透過した第1のビームプロファイルのパルスレーザ光又は第2のビームプロファイルのパルスレーザ光を集光して被計測試料13へ照射する。
The pulsed laser light generated by the irradiation light beam profile generation device 6 passes through the beam splitter 4.
The condensing optical element 12 condenses the pulse laser beam having the first beam profile or the pulse laser beam having the second beam profile that has passed through the beam splitter 4 and irradiates the sample 13 to be measured.

ビーム中心部と周辺部の位相差がゼロである第1のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13ヘ照射した場合、被計測試料13上の集光スポット形状は図3(a)に示すように円形となる。一方、ビーム中心部と周辺部の位相差がπである第2のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13ヘ照射した場合、集光時に中心部で光搬送波絶対位相が反転したレーザパルスが重なるため、被計測試料13上の集光スポット形状は図3(b)に示すように円環形となる。   When the pulsed laser beam having the first beam profile in which the phase difference between the beam center portion and the peripheral portion is zero is irradiated onto the sample 13 to be measured, the shape of the focused spot on the sample 13 to be measured is shown in FIG. So that it becomes circular. On the other hand, when the measurement sample 13 is irradiated with pulsed laser light having a second beam profile in which the phase difference between the central portion of the beam and the peripheral portion is π, a laser pulse whose optical carrier absolute phase is inverted at the central portion during condensing. Since they overlap, the focused spot shape on the sample 13 to be measured has an annular shape as shown in FIG.

なお、光学系のばらつきによっては集光スポット形状が円形や円環形にならない場合もあるが、このような場合には、パルスレーザ光の光路長を調整する手段を集光用光学素子12に設けるようにしてもよい。これにより、ビームウエストが被計測試料13の表面に位置するように調整することができ、集光スポット形状を円形又は円環形にすることができる。   Depending on the variation of the optical system, the condensing spot shape may not be circular or annular. In such a case, means for adjusting the optical path length of the pulsed laser light is provided in the condensing optical element 12. You may do it. Thereby, it can adjust so that a beam waist may be located in the surface of the to-be-measured sample 13, and a condensing spot shape can be made circular or an annular shape.

次に、被計測試料13からの反射光は、集光用光学素子12を再び通過して、ビームスプリッタ4で反射され、偏光ビームスプリッタ5に入射する。
一方、第1の光遅延機構14は、ビームスプリッタ3で反射した参照光の光路長を後述するコンピュータ16からの指示に応じて調整可能な機能を有する。
Next, the reflected light from the sample 13 to be measured passes through the condensing optical element 12 again, is reflected by the beam splitter 4, and enters the polarizing beam splitter 5.
On the other hand, the first optical delay mechanism 14 has a function capable of adjusting the optical path length of the reference light reflected by the beam splitter 3 in accordance with an instruction from the computer 16 described later.

偏光回転素子19は、第1の光遅延機構14を通過した参照光の偏光面を回転させる。このとき、偏光回転素子19は、被計測試料13からの反射光と第1の光遅延機構14を通過した参照光との干渉強度が最大になるように回転角があらかじめ調整されている。
偏光ビームスプリッタ5は、被計測試料13からの反射光と偏光回転素子19を通過した参照光とを合成する。
The polarization rotation element 19 rotates the polarization plane of the reference light that has passed through the first optical delay mechanism 14. At this time, the rotation angle of the polarization rotation element 19 is adjusted in advance so that the interference intensity between the reflected light from the sample 13 to be measured and the reference light that has passed through the first optical delay mechanism 14 is maximized.
The polarization beam splitter 5 combines the reflected light from the sample 13 to be measured and the reference light that has passed through the polarization rotation element 19.

光検出器15は、偏光ビームスプリッタ5で合成された反射光と参照光の干渉強度を測定する。この光検出器15は例えば光電子増倍管あるいは半導体光検出器で構成される。
図4にコンピュータ16の1構成例を示す。コンピュータ16は、ビームプロファイル選択部21と、光遅延制御部22と、干渉強度記憶部23と、干渉強度差分算出部24と、光断層画像出力部25とを有する。
The photodetector 15 measures the interference intensity between the reflected light and the reference light synthesized by the polarization beam splitter 5. The photodetector 15 is composed of, for example, a photomultiplier tube or a semiconductor photodetector.
FIG. 4 shows an example of the configuration of the computer 16. The computer 16 includes a beam profile selection unit 21, an optical delay control unit 22, an interference intensity storage unit 23, an interference intensity difference calculation unit 24, and an optical tomographic image output unit 25.

ビームプロファイル選択部21は、第1、第2のビームプロファイルのうちいずれか一方のビームプロファイルを選択して、選択したビームプロファイルのパルスレーザ光を出力するよう照射光ビームプロファイル生成装置6に指示する。
光遅延制御部22は、参照光の光路長を所定量だけ変更するよう第1の光遅延機構14に指示する。
The beam profile selection unit 21 selects one of the first and second beam profiles, and instructs the irradiation light beam profile generation device 6 to output pulse laser light of the selected beam profile. .
The optical delay control unit 22 instructs the first optical delay mechanism 14 to change the optical path length of the reference light by a predetermined amount.

干渉強度記憶部23は、光検出器15で測定された干渉強度の値を記憶すると共に、干渉強度差分算出部24で算出された干渉強度の差分値を記憶する。
干渉強度差分算出部24は、第1のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13に照射したときの干渉強度と第2のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13に照射したときの干渉強度との差分値を算出する。
The interference intensity storage unit 23 stores the interference intensity value measured by the photodetector 15 and also stores the interference intensity difference value calculated by the interference intensity difference calculation unit 24.
The interference intensity difference calculation unit 24 interferes when the measurement sample 13 is irradiated with the pulse intensity of the first beam profile and the sample 13 with the pulse intensity of the second beam profile. The difference value from the intensity is calculated.

光断層画像出力部25は、参照光の光路長を変更しつつ算出した一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する。
以上のようなコンピュータ16は、CPU、記憶装置およびインタフェースを備えたハードウェアとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って処理を実行する。
The optical tomographic image output unit 25 outputs a series of interference intensity difference values calculated while changing the optical path length of the reference light as an optical tomographic image.
The computer 16 as described above can be realized by hardware including a CPU, a storage device, and an interface, and a program that controls these hardware resources. The CPU executes processing according to a program stored in the storage device.

次に、本実施の形態の光コヒーレンス断層画像測定装置の動作を図5を用いて説明する。まず、コンピュータ16のビームプロファイル選択部21は、第1、第2のビームプロファイルのうちいずれか一方のビームプロファイルを選択して、選択したビームプロファイルのパルスレーザ光を出力するよう照射光ビームプロファイル生成装置6に指示する(図5ステップS1)。   Next, the operation of the optical coherence tomographic image measurement apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. First, the beam profile selection unit 21 of the computer 16 selects one of the first and second beam profiles, and generates an irradiation light beam profile so as to output pulse laser light of the selected beam profile. The device 6 is instructed (step S1 in FIG. 5).

極短パルスレーザ装置1は、極短パルスレーザ光2を放射する。照射光ビームプロファイル生成装置6は、ビームスプリッタ3を経由して入射した極短パルスレーザ光2から、ステップS1で選択されたビームプロファイルのパルスレーザ光を生成する。照射光ビームプロファイル生成装置6で生成されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタ4と集光用光学素子12を経由して被計測試料13に照射される(ステップS2)。
被計測試料13へ照射されたレーザパルスの反射光は、偏光ビームスプリッタ5で参照光と干渉する。干渉強度記憶部23は、光検出器15で測定された干渉強度の値を記憶する(ステップS3)。
The ultrashort pulse laser device 1 emits an ultrashort pulse laser beam 2. The irradiation light beam profile generation device 6 generates pulse laser light having the beam profile selected in step S <b> 1 from the ultrashort pulse laser light 2 incident through the beam splitter 3. The pulsed laser light generated by the irradiation light beam profile generation device 6 is irradiated to the sample 13 to be measured via the beam splitter 4 and the condensing optical element 12 (step S2).
The reflected light of the laser pulse irradiated on the sample 13 to be measured interferes with the reference light by the polarization beam splitter 5. The interference intensity storage unit 23 stores the value of the interference intensity measured by the photodetector 15 (step S3).

次に、ビームプロファイル選択部21は、全てのビームプロファイルで干渉強度を測定したかどうかを判定する(ステップS4)。例えば第2のビームプロファイルを選択していない場合、ビームプロファイル選択部21は、ステップS1に戻って第2のビームプロファイルを選択し、第2のビームプロファイルのパルスレーザ光を出力するよう照射光ビームプロファイル生成装置6に指示する。
前述と同様にステップS2,S3の処理により干渉強度の値が干渉強度記憶部23に記憶される。こうして、第1、第2のビームプロファイルを順次選択して、2種類のビームプロファイルについてそれぞれ干渉強度を測定し終えるまで、ステップS1〜S4の処理が繰り返される。
Next, the beam profile selection unit 21 determines whether or not the interference intensity has been measured for all the beam profiles (step S4). For example, when the second beam profile is not selected, the beam profile selection unit 21 returns to step S1, selects the second beam profile, and outputs the irradiation light beam so as to output the pulse laser light of the second beam profile. Instructs the profile generation device 6.
Similarly to the above, the interference intensity value is stored in the interference intensity storage unit 23 by the processing of steps S2 and S3. Thus, the processes in steps S1 to S4 are repeated until the first and second beam profiles are sequentially selected and the interference intensities of the two types of beam profiles are measured.

2種類のビームプロファイルの干渉強度のデータを取得した後(ステップS4においてYES)、干渉強度差分算出部24は、第1のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13に照射したときの干渉強度と第2のビームプロファイルのパルスレーザ光を被計測試料13に照射したときの干渉強度との差分値を算出する(ステップS5)。この干渉強度の差分値は、レーザパルスの回折限界以下の空間からの干渉信号に相当するものである。干渉強度記憶部23は、干渉強度の差分値を記憶する(ステップS6)。   After acquiring the interference intensity data of the two types of beam profiles (YES in step S4), the interference intensity difference calculation unit 24 causes the interference intensity when the pulsed laser beam of the first beam profile is irradiated to the sample 13 to be measured. And a difference value between the interference intensity when the measured sample 13 is irradiated with the pulse laser beam having the second beam profile (step S5). This difference value of the interference intensity corresponds to an interference signal from a space below the diffraction limit of the laser pulse. The interference intensity storage unit 23 stores the difference value of the interference intensity (step S6).

続いて、光遅延制御部22は、第1の光遅延機構14に指示して、参照光の光路長を所定量だけ変化させる(ステップS7)。
次に、ビームプロファイル選択部21は、所定回数測定し終えたかどうかを判定する(ステップS8)。この所定回数は、所定の測定範囲を光遅延機構14の1回あたりの光路長変化量で割った値である。こうして、所定回数測定し終えるまで、ステップS1〜S8の処理が繰り返され、参照光の光路長を増加または減少させながら、参照光の光路長が変化する度に干渉強度の差分値を算出して記憶する。
Subsequently, the optical delay control unit 22 instructs the first optical delay mechanism 14 to change the optical path length of the reference light by a predetermined amount (step S7).
Next, the beam profile selection unit 21 determines whether or not the measurement has been completed a predetermined number of times (step S8). This predetermined number of times is a value obtained by dividing the predetermined measurement range by the amount of change in optical path length per one time of the optical delay mechanism 14. In this way, the processes of steps S1 to S8 are repeated until the measurement is completed a predetermined number of times, and the difference value of the interference intensity is calculated each time the optical path length of the reference light changes while increasing or decreasing the optical path length of the reference light. Remember.

所定回数測定し終えた場合(ステップS8においてYES)、光断層画像出力部25は、干渉強度記憶部23に記憶された一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する(ステップS9)。以上で測定が終了する。   When the measurement is completed a predetermined number of times (YES in step S8), the optical tomographic image output unit 25 outputs a series of interference intensity difference values stored in the interference intensity storage unit 23 as an optical tomographic image (step S9). This completes the measurement.

本実施の形態では、参照光の光路長を被計測試料13の深部位置に対応して変化させ、参照光の光路長と被計測試料13の深層の反射点までの光路長とが一致したときのみ、最大の干渉信号が得られることを利用して、光断層画像として得ることができる。また、本実施の形態では、光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量が一定値に固定された極短パルスレーザ光を使用し、この極短パルスレーザ光から2種類のビームプロファイルのパルスレーザ光を生成して、第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた干渉強度と第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた干渉強度との差分値を算出することにより、光パルスの回折限界以下の水平方向分解能を有する光断層画像を得ることが可能である。   In the present embodiment, when the optical path length of the reference light is changed corresponding to the deep position of the sample 13 to be measured, and the optical path length to the reflection point of the deep layer of the sample 13 to be measured matches. Only by using that the maximum interference signal can be obtained, it can be obtained as an optical tomographic image. In this embodiment, an ultrashort pulse laser beam in which the shift amount of the optical carrier absolute phase between the optical pulses is fixed to a constant value is used, and a pulse laser having two types of beam profiles is obtained from the ultrashort pulse laser beam. By generating light and calculating a difference value between the interference intensity obtained by the optical pulse of the first beam profile and the interference intensity obtained by the optical pulse of the second beam profile, the diffraction limit of the optical pulse is calculated. It is possible to obtain an optical tomographic image having the following horizontal resolution.

本発明は、光コヒーレンス断層画像測定装置に適用することができる。   The present invention can be applied to an optical coherence tomographic image measurement apparatus.

本発明の実施の形態に係る光コヒーレンス断層画像測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the optical coherence tomographic image measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 図1の光コヒーレンス断層画像測定装置における照射光ビームプロファイル生成装置で使用するビームスプリッタの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the beam splitter used with the irradiation light beam profile production | generation apparatus in the optical coherence tomographic image measuring apparatus of FIG. 本発明の実施の形態において被計測試料へ照射されるレーザパルスの集光スポット形状を示す図である。It is a figure which shows the condensing spot shape of the laser pulse irradiated to the to-be-measured sample in embodiment of this invention. 図1の光コヒーレンス断層画像測定装置におけるコンピュータの1構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one structural example of the computer in the optical coherence tomographic image measuring apparatus of FIG. 図1の光コヒーレンス断層画像測定装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the optical coherence tomographic image measuring apparatus of FIG. 時間領域における極短光パルスの光搬送波絶対位相を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical carrier absolute phase of the ultrashort optical pulse in a time domain. 遅延時間を与えて光搬送波電界位相を反転させた場合の極短光パルスの光電界を示す図である。It is a figure which shows the optical electric field of the ultrashort optical pulse at the time of giving a delay time and inverting the optical carrier electric field phase. 光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量を一定にする制御技術を使用して光搬送波絶対位相を反転させた場合の極短光パルスの光電界を示す図である。It is a figure which shows the optical electric field of the ultrashort optical pulse at the time of reversing the optical carrier absolute phase using the control technique which makes the shift amount of the optical carrier absolute phase between optical pulses constant.

符号の説明Explanation of symbols

1…極短パルスレーザ装置、2…極短パルスレーザ光、3,4,7…ビームスプリッタ、5…偏光ビームスプリッタ、6…照射光ビームプロファイル生成装置、8,9,10,11…ミラー、12…集光用光学素子、13…被計測試料、14…光遅延機構、15…光検出器、16…コンピュータ、17…ドット、18…アパチャ、19…偏光回転素子、21…ビームプロファイル選択部、22…光遅延制御部、23…干渉強度記憶部、24…干渉強度差分算出部、25…光断層画像出力部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultra short pulse laser apparatus, 2 ... Ultra short pulse laser beam, 3, 4, 7 ... Beam splitter, 5 ... Polarizing beam splitter, 6 ... Irradiation light beam profile production | generation apparatus, 8, 9, 10, 11 ... Mirror, DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 ... Optical element for condensing, 13 ... Sample to be measured, 14 ... Optical delay mechanism, 15 ... Photo detector, 16 ... Computer, 17 ... Dot, 18 ... Aperture, 19 ... Polarization rotating element, 21 ... Beam profile selection part , 22: an optical delay control unit, 23: an interference intensity storage unit, 24: an interference intensity difference calculation unit, 25: an optical tomographic image output unit.

Claims (4)

光パルス出力手段から放射された光パルスを2分して、一方を被計測試料への照射光とし、他方を参照光とする分離ステップと、
前記照射光から第1、第2の2種類のビームプロファイルの光パルスを順次生成する生成ステップと、
前記被計測試料に順次照射された前記2種類のビームプロファイルの光パルスによる前記被計測試料からの反射光と前記参照光との干渉強度をビームプロファイル毎に測定する干渉強度測定ステップと、
前記第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度と前記第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度との差分値を算出する干渉強度差分算出ステップと、
前記干渉強度の差分値を記憶する記憶ステップと、
前記参照光の光路長を所定量変化させる光路長制御ステップとを、
前記参照光の光路長を変化させながら繰り返し行い、前記記憶ステップで記憶した一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する光コヒーレンス断層画像測定方法であって、
前記2種類のビームプロファイルの光パルスは、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相差が0の光パルスと前記光搬送波絶対位相差がπの光パルスであることを特徴とする光コヒーレンス断層画像測定方法。
A separation step in which the light pulse emitted from the light pulse output means is divided into two and one is used as irradiation light to the sample to be measured and the other is used as reference light;
A generation step of sequentially generating optical pulses of the first and second types of beam profiles from the irradiation light;
An interference intensity measuring step for measuring, for each beam profile, an interference intensity between the reflected light from the measurement sample and the reference light by the light pulses of the two types of beam profiles sequentially irradiated on the measurement sample;
An interference intensity difference calculating step for calculating a difference value between the interference intensity obtained by the optical pulse of the first beam profile and the interference intensity obtained by the optical pulse of the second beam profile;
A storage step of storing a difference value of the interference intensity;
An optical path length control step of changing the optical path length of the reference light by a predetermined amount;
An optical coherence tomographic image measurement method that repeatedly performs while changing the optical path length of the reference light, and outputs a series of interference intensity difference values stored in the storage step as an optical tomographic image,
The optical pulses of the two types of beam profiles are an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of 0 between a central portion and a peripheral portion of the beam and an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of π. Tomographic image measurement method.
請求項1に記載の光コヒーレンス断層画像測定方法において、
前記光パルス出力手段から放射される光パルスは、光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量が一定値に固定されていることを特徴とする光コヒーレンス断層画像測定方法。
The optical coherence tomographic image measurement method according to claim 1,
The optical coherence tomographic image measuring method, wherein the optical pulse emitted from the optical pulse output means has a fixed shift amount of the optical carrier absolute phase between the optical pulses.
光パルス出力手段と、Optical pulse output means;
この光パルス出力手段から放射された光パルスを2分して、一方を被計測試料への照射光とし、他方を参照光とするビームスプリッタと、A beam splitter that divides the light pulse emitted from the light pulse output means into two parts, one of which is irradiated to the sample to be measured and the other as reference light;
前記照射光から第1、第2の2種類のビームプロファイルの光パルスを順次生成する生成手段と、Generating means for sequentially generating light pulses of first and second types of beam profiles from the irradiation light;
前記被計測試料に順次照射された前記2種類のビームプロファイルの光パルスによる前記被計測試料からの反射光と前記参照光との干渉強度をビームプロファイル毎に測定する光検出手段と、A light detection means for measuring, for each beam profile, an interference intensity between the reflected light from the measurement sample and the reference light by the light pulses of the two types of beam profiles sequentially irradiated on the measurement sample;
前記第1のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度と前記第2のビームプロファイルの光パルスによって得られた前記干渉強度との差分値を算出する干渉強度差分算出手段と、Interference intensity difference calculating means for calculating a difference value between the interference intensity obtained by the optical pulse of the first beam profile and the interference intensity obtained by the optical pulse of the second beam profile;
前記干渉強度の差分値を記憶する記憶手段と、Storage means for storing a difference value of the interference intensity;
前記参照光の光路長を所定量変化させる光路長制御手段とを有し、Optical path length control means for changing the optical path length of the reference light by a predetermined amount,
前記参照光の光路長を変化させながら前記干渉強度の差分値算出を繰り返し行い、前記記憶手段に記憶された一連の干渉強度の差分値を光断層画像として出力する光コヒーレンス断層画像測定装置であって、An optical coherence tomographic image measurement apparatus that repeatedly calculates a difference value of the interference intensity while changing an optical path length of the reference light, and outputs a series of interference intensity difference values stored in the storage unit as an optical tomographic image. And
前記2種類のビームプロファイルの光パルスは、ビームの中心部と周辺部の光搬送波絶対位相差が0の光パルスと前記光搬送波絶対位相差がπの光パルスであることを特徴とする光コヒーレンス断層画像測定装置。The optical pulses of the two types of beam profiles are an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of 0 at the central part and a peripheral part of the beam and an optical pulse having an optical carrier absolute phase difference of π. Tomographic image measuring device.
請求項3に記載の光コヒーレンス断層画像測定装置において、
前記光パルス出力手段は、光パルス間の光搬送波絶対位相のシフト量が一定値に固定された光パルスを放射することを特徴とする光コヒーレンス断層画像測定装置
The optical coherence tomographic image measurement apparatus according to claim 3,
The optical pulse output means emits an optical pulse in which the shift amount of the optical carrier absolute phase between the optical pulses is fixed to a constant value .
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