JP6166697B2

JP6166697B2 - 光干渉断層装置

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Publication number: JP6166697B2
Application number: JP2014153975A
Authority: JP
Inventors: 上野　雅浩; 雅浩上野; 坂本　尊; 尊坂本; 雄三佐々木; 豊田　誠治; 誠治豊田; 小林　潤也; 潤也小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: JP2016031294A

Description

本発明は、光干渉断層装置に関し、詳細には、主に医療で使用されている３次元断層画像を取得するための光干渉断層装置に関する。

時間に対して光の波数が連続的に変化（掃引）する光源を波長掃引光源と呼ぶが、その様な光源において、時間に対して光の波数が線形的に（1次関数的に）掃引する光源を波数リニアな波長掃引光源と呼ぶ。

光干渉断層装置としては、波数リニアではない波長可変光源を用いた場合に得た干渉波形信号を、波数リニアとなる波長可変光源を用いた場合と同等の干渉波形信号に変換（リサンプリング）して３次元断層画像を取得するＳｗｅｐｔＳｏｕｒｃｅＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ）システムが知られている（非特許文献１）。非特許文献１には図１に示す構成のＳＳ−ＯＣＴシステムが記載されている。図１に示すＳＳ−ＯＣＴシステムは、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行なう光源１０１と、カップラ１０２と、干渉計１０３と、フォトディテクタ１０４と、ピーク時刻取得部１１０６と、リサンプリング部１０７と、フーリエ変換部１０８とを備えている。さらに干渉計１０３は、バランスフォトディテクタ１０３１と、サーキュレータ１０３２と、カップラ１０３３と、ファイバコリメータ１０３８と、ミラー１０３５と、ファイバコリメータ１０３９と、光偏向器１０３７とを有している。図中の各構成は光ファイバ（二重線）または電気ケーブル（一本線）で接続されている。カップラ１０３３からファイバコリメータ１０３８を通ってミラー１０３５までの光路を参照アーム１０３４と呼び、また、カップラ１０３３からファイバコリメータ１０３９と光偏向器１０３７を通って観察対象Ｏの中の反射面Ｂまでの光路をサンプルアーム１０３６呼ぶこととする。参照アーム１０３４にあるファイバコリメータ１０３８からミラー１０３４の間と、サンプルアーム１０３６にあるファイバコリメータ１０３９から光偏向器１０３７を経由した反射面Ｂまでの光路は空間系となっており、空間中（通常は空気中）を光が伝播する。

光源１０１は上述の通り櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行う光源であるが、これを実現するため、レーザ共振器内に、所定の自由スペクトル間隔（ｆｒｅｅｓｐｅｃｔｒａｌｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）を持つフィルタ（櫛歯型スペクトルの透過率を持つフィルタ：櫛歯フィルタ）を入れている。このようなフィルタをレーザ共振器内に挿入したレーザは、フィルタの透過率に応じて出力光強度が変化する。たとえば、フィルタの透過率が極大／極小となる光の周波数となった場合は、出力光強度は極大／極小となる。このため、レーザ共振器の光の共振周波数を連続的に時間変化させた場合に、共振する光の周波数に応じて出力光強度が変わるが、この様子を分散分光方式（モノクロメータを使用する方式）の光スペクトルアナライザで観測すると、光源１０１のスペクトルは、ＦＳＲの間隔でピークを持つ櫛歯型となる。

ＳＳ−ＯＣＴでは、光源のコヒーレンス長が、ＳＳ−ＯＣＴで得られる断層画像で観測できる奥行（深達長）を決め、コヒーレンス長が長ければ深達長が長くなる。このため、コヒーレンス長の長い光源であることがＳＳ−ＯＣＴにおいて重要である。

上記に示す櫛歯型フィルタを共振器に挿入したレーザは、フィルタの透過率が極大、つまり、レーザ出力が極大となる波長の出力光のコヒーレンス長が長くなることが知られている。したがって、光源光強度の強い光、つまり、コヒーレンス長が長い光で得られた干渉計出力のみを抽出して信号処理すると、深達長の長い観測が可能となる。以下に説明する方法は上記抽出を行う方法であり、光源光１０１の出力光の強度変調のピーク値で干渉計１０３の出力をサンプリングする方法である。

光源１０１からは、周期的に波長が掃引された光が出力される。その光強度は、レーザ共振器内に挿入された櫛歯型フィルタの透過率とレーザ共振器の共振周波数に応じて、時間的に変化している。その光強度の極大値（ピーク値）の間隔は、時間をｔ、光源出力光の波数をｋ（ｔ）、ｈを定数としたときの、ｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の正のピーク間隔と同じである。ｈの値は観測対象において観測したいもっとも深い位置についての情報によって設計するが、これについては後述する。

光源１０１からの出力光はカップラ１０２で分岐する。カップラ１０２から出た一方の光を干渉計１０３に入れ、サーキュレータ１０３２を経由後、カップラ１０３３にて光を２つに分け、参照アーム１０３４とサンプルアーム１０３６に入れる。参照アーム１０３４ではミラー１０３５にて反射する。サンプルアーム１０３６では観測対象の物体Ｏの中の反射面にて反射される。参照アーム１０３４とサンプルアーム１０３６から返ってきた光は再度カップラ１０３３に入って合波されて干渉光（フリンジ光）となる。この干渉光（フリンジ光）は一方はサーキュレータ１０３２を経由し、もう一方は直接バランスフォトディテクタ１０３１に入れ光電変換し、それによって生じた電気信号であるフリンジ信号をリサンプリング部１０７に入れる。

参照アーム１０３４とサンプルアーム１０３６との光路長差ｚは、参照アーム中のミラーの配置位置である基準面Ａと物体Ｏ内の反射面Ｂとの間の距離によって決まる光路長差である。そのフリンジ信号には、光路長差ｚに比例する周波数を持つ信号成分が含まれている。たとえば、時間をｔとしてｋ（ｔ）という関数で光源１０１の出力光の波数を表すと、フリンジ信号にはｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））の信号が含まれる。つまり、時刻ｔにはｚｋ’（ｔ）／πとなる周波数の信号が含まれる。ここで、ｋ’（ｔ）はｋ（ｔ）を時間微分した関数であり、ｋ’（ｔ）＝ｄｋ／ｄｔである。物体Ｏの中の反射面Ｂは、一般に１つとは限らず、複数ある場合がある。たとえば、ｚ_１、…、ｚ_ＮのＮ個の反射面がある場合は、フリンジ信号はｃｏｓ（２ｚ_１ｋ（ｔ））、…、ｃｏｓ（２ｚ_Ｎｋ（ｔ））のＮ個の成分を持つこととなる。

カップラ１０２から出たもう一方の光はフォトディテクタ１０４が光電変換し、ピーク時刻取得部１１０６へ渡す。ピーク時刻取得部１１０６は、入力した電気信号のピークの時刻を測定してリサンプリング部１０７に出力する。

図２は図１に示す構成のＳＳ−ＯＣＴシステムの、フォトディテクタ１０４と干渉計１０３から出力された電気信号の処理手順である。

非特許文献１に記載のピーク時刻取得方法は、ピーク検出対象のデータ（フォトディテクタ１０４から出力された電気信号）をアップサンプリングした上でローパスフィルタをかけるものであり、高周波ノイズを除去してアップサンプリングのサンプリング間隔の時間精度でピーク時刻を取得する（Ｓ−１２０１）。

リサンプリング部１０７は、ピーク時刻取得部１０６から入力したピーク時刻に従って、バランスフォトディテクタ１０３１から入力したフリンジ信号をサンプリングし、フーリエ変換部１０８に出力する。（Ｓ−１２０２）フーリエ変換部１０８は、リサンプリング部１０７から入力した、フリンジ信号のサンプリング信号をフーリエ変換して出力する。（Ｓ−１２０３）

リサンプリング部１０７はフリンジ信号に含まれるｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））の成分がｃｏｓ（２ｚ（Δｋ／ΔＴ）ｔ）となるようにフリンジ信号を時間的に伸縮するものである。ここで、Δｋは光源の掃引波数幅、ΔＴはΔｋだけ掃引する時間である。リサンプリング前のフリンジ信号にはｚｋ’（ｔ）／πで表される周波数を含み、ｋ’（ｔ）がｔに対して線形でなければ（ｔの一次関数でなければ）時間によって周波数が変わる。リサンプリングはフリンジ信号をｚ（Δｋ／ΔＴ）ｔ／πという時間変動しない周波数を持つ信号になるように、フリンジ信号を時間的に伸縮処理するものである。これは、光源１０１の出力光がピークとなる時刻がｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の正のピークとなる時刻となる性質を使って、そのピーク時刻でフリンジ信号をサンプリングことにより得られる。このとき、リサンプリングによってフリンジ信号は、時間当たりΔｋ／ΔＴとなるような、ｋの時間変動が時間に対して線形となるように変換される。このようにｋが時間に対して線形になることを波数リニアと呼ぶ。

光源１０１の出力光の強度変調の周期を決めるｈは、観測対象において観測したいもっとも深い位置における、参照アーム１０３４とサンプルアーム１０３６の光路長差ｚ_ｍａｘによって決める。リサンプリング部１０７は、光源１０１の出力光の強度のピーク時刻でフリンジ信号をサンプリングするが、ｚに関するフリンジ光の強度変調の時間ｔにおける周波数はｚｋ’（ｔ）／πであり、光源出力光の強度変調のそれはｈｋ’（ｔ）／πであるため、ｚが０からｚ_ｍａｘとなる全てのフリンジ信号ｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））（ただし、０≦ｚ≦ｚ_ｍａｘ）を取得するために、サンプリング定理に基づいてサンプリング周波数はｚ_ｍａｘの周波数の２倍以上、つまり、２ｚ_ｍａｘｋ’（ｔ）／π≦ｈｋ’（ｔ）／π、すなわち、２ｚ≦ｈとなるようにｈを決める。光源のｈをどのように実現するかについては、たとえば、非特許文献１では、ファイバレーザ中にファイバファブリーペローフィルタ（ｆｉｂｅｒＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｆｉｌｔｅｒ：ＦＦＰＦ）のＦＳＲがｃ／（２ｈ）となるように設計した例がある。ここでｃは光速である。

フーリエ変換部１０８から出力された信号は、ＳＳ−ＯＣＴの深さ方向のスキャン信号であり、この深さ信号のスキャンのことをＡスキャンという。また、このスキャン信号のことをＡスキャン信号と呼ぶこととする。Ａスキャンとは光偏向器等で偏向する等、物理的な光の操作を意味するのではなく、上記の通り、フリンジ信号をフーリエ変換することにより奥行方向の情報を得ることを言う。

Ａスキャン信号はリサンプリングされたフリンジ信号のフーリエ変換であるため、周波数に対する強度を示す信号であるが、周波数ｆは深さ方向の距離ｚに換算でき、それらの関係はｚ＝πｆ／ｋ’と表される。ここで、ｋ’はリサンプリング後のＡスキャン信号においては、理想的にはｋ’＝Δｋ／ΔＴとなるので、リサンプリング後はｚ＝πｆΔＴ／Δｋとなる。

観測対象の物体Ｏ内の反射面は、Ａスキャン信号では信号強度で表されるが、Ａスキャン信号上では、反射面がある位置に相当する周波数の信号が強くなる。反射面が複数ある場合は、それら反射面に対応する、参照アームとサンプルアームの光路長差に応じた成分の信号がフリンジ信号に含まれる。たとえば、Ｎ個の反射点があり、それらに対応する光路長差がｚ_１、…、ｚ_Ｎであった場合、フリンジ信号にはｃｏｓ（２ｚ_１ｋ（ｔ））、…、ｃｏｓ（２ｚ_Ｎｋ（ｔ））のＮ個の成分が含まれる。リサンプリングされたフリンジ信号にも同様にｃｏｓ（２ｚ_１Δｋ／ΔＴｔ）、…、ｃｏｓ（２ｚ_ＮΔｋ／ΔＴｔ）のＮ個の成分が含まれ、それらの周波数はｆ_１＝ｚ_１Δｋ／（πΔＴ）、…、ｆ_Ｎ＝ｚ_ＮΔｋ／（πΔＴ）となる。このリサンプリングされたフリンジ信号をフーリエ変換すると、観測対象の物体Ｏ内の反射強度に応じて、上記ｆ_１、…、ｆ_Ｎに相当する周波数の位置の強度が大きい信号が現れる。これらの周波数をｚ＝πｆΔＴ／Δｋで換算すると、奥行距離と反射の強度の対応を取ることができる。

観測対象の物体Ｏ内の反射面が１つのみであり、その反射面がこの時の参照光とサンプル光の光路長差ｚに相当する箇所にある場合は、Ａスキャン信号のｚに相当する箇所、つまり、周波数ｆ＝ｚ（Δｋ／ΔＴ）／πの信号が強くなり、それ以外の周波数の信号は０（デルタ関数）になることが望ましい。このような、１つの反射点を持つ場合のフリンジ信号から得られるＡスキャン信号を点広がり関数（ｐｏｉｎｔｓｐｒｅａｄｆｕｎｃｔｉｏｎ：ＰＳＦ）と呼ぶ。しかし、ΔＴ内での光源光強度の変調や、光学的および電気的なノイズ、リサンプリング等の信号処理の不十分さ等が原因で、実際のＰＳＦはデルタ関数とはならず、ＰＳＦの半値幅は大きくなり、また、ＳＮＲ（ＰＳＦのピーク／ノイズフロアレベル）は低く（悪く）なる。

リサンプリングとは、波数リニアでないフリンジ信号を波数リニアとなるようにする処理であるが、サンプリングする時刻に誤差が生じると（正確なリサンプリングができないと）、正確な波数リニアなフリンジ信号を生成することはできなくなり、ＰＳＦの半値幅は大きくなり、また、ＰＳＦのＳＮＲは悪化する。

Ｔｓｕｎｇ−ＨａｎＴｓａｉａ，ＣｈａｏＺｈｏｕａ，ＤｅｓｍｏｎｄＡｄｌｅｒａ，ａｎｄＪａｍｅｓＧ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ， "ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｍｂＳｗｅｐｔＬａｓｅｒｓｆｏｒＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ，" Ｐｒｏｃ．ｏｆＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．７５５４，ｐｐ．７５５４Ｅ−１−１０（２０１０）．

光源１０１の出力光をカップラ１０２で分けるので、干渉計１０３から物体に照射される光が弱くなる。物体に照射される光が弱くなると、物体から反射されてくる光も弱くなり、干渉計１０３内のバランスフォトディテクタ１０３１で受光する干渉光も弱くなる。したがって、光源１０１から干渉計１０３内のバランスフォトディテクタ１０３１に至るまでに発生する光ノイズの影響を受け易くなるという理由や、干渉計１０３内のバランスフォトディテクタ以降、またはフォトディテクタ１０４以降に生じる電気ノイズの影響を受け易くなるという理由のため、フーリエ変換部１０８から出力されるＡスキャン信号のＳＮＲが悪くなり易くなる。

カップラ１０２以降は別々の光路を通るので、光路の波長分散や光路長差に起因する光のディレイの影響を受け、ピーク時刻取得部で取得したピーク時刻が、干渉計１０３からリサンプリング部１０７に入力されるフリンジ信号に合わなくなってしまう。つまり、ピーク時刻検出精度が劣化してしまう。ピーク時刻検出精度が低い場合は、その後の処理で正確なリサンプリングが難しくなるため、光源１０１の出力光のコヒーレンス長の長い光で干渉計１０３で干渉させて得たフリンジ信号のみを抽出することが難しくなる。その結果、Ａスキャン信号の深達長が長くならない、つまり、断層画像が深くまで見ることができないという問題がある。また、同じ原因により、フーリエ変換部１０８から出力されるＡスキャン信号のＰＳＦの半値幅が大きくなりやすいという問題と、ＳＮＲが悪くなりやすいという問題がある。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、ＳＮＲの低下や波数掃引からの乖離を少なくする光干渉断層装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引する光源と、前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の成分を持つ信号を分離するハイパスフィルタ部と、前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えることを特徴する光干渉断層装置である。

従来のＳＳ−ＯＣＴシステムの構成例を示す図である。図１のＳＳ−ＯＣＴシステムのフォトディテクタから出力された信号の処理フローを示す図である。第１の実施形態のＳＳ−ＯＣＴシステムの構成例を示す図である。空間光学系で構成した光源の構成例を示す図である。図３の装置のフォトディテクタから出力された信号の処理フローを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明の光干渉断層装置は、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引する光源と、前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の基本成分およびその高調波成分の信号を分離するハイパスフィルタ部と、前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えている。

上記光干渉断層装置においては、櫛歯型スペクトル波長掃引光源の時間的な強度変調周波数ν_ｓに対して、上記のハイパスフィルタ部のカットオフ周波数ｆ_ｃはν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓと設定されることが好ましい。

上記光干渉断層装置によれば、光源からの出力光を全て干渉計に入れられるため、干渉計から物体に入射する光強度が従来よりも強くなるため、フリンジのＳＮＲ低下が防げる。

また、ピーク時刻を取得するための光路と、フリンジ信号を取得するための光路とを同じ（干渉計１０３）とすることができるので、正確なリサンプリングが可能となる。これにより、光源の出力光強度のピーク時刻に現れるコヒーレンス長の長い光の干渉信号を正確にサンプリングすることが可能となり、断層画像の深達長を長くすること、つまり、観察対象の物体を深くまで観測することが可能となる。

また、上記の通り、正確なリサンプリングが可能となることにより、リサンプリング部から出力されるフリンジ信号は光源が正確に波数リニアな掃引した場合のフリンジ信号と同一となるため、フーリエ変換部から出力されるＡスキャン信号のＰＳＦの半値幅は細くなり、また、ＳＮＲが大きくなるため、鮮明度は高くなる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光干渉断層装置について説明する。図３は、第１の実施形態のＳＳ−ＯＣＴシステムの構成例を示す図である。本実施形態のＳＳ−ＯＣＴシステムは、図３に示すように、櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引を行なう光源１０１と、干渉計１０３と、ハイパスフィルタ部１０５と、ピーク時刻取得部１０６と、リサンプリング部１０７と、フーリエ変換部１０８とを備えている。さらに干渉計１０３は、バランスフォトディテクタ１０３１と、サーキュレータ１０３２と、カップラ１０３３と、ファイバコリメータ１０３８と、ミラー１０３５と、ファイバコリメータ１０３９と、光偏向器１０３７とを有している。カップラ１０３３からファイバコリメータ１０３８を通ってミラー１０３５までの光路が参照アーム１０３４であり、カップラ１０３３からファイバコリメータ１０３９と光偏向器１０３７を通って観察対象Ｏの中の反射面Ｂまでの光路がサンプルアーム１０３６である。図中の各構成は光ファイバ（二重線）または電気ケーブル（一本線）で接続されている。

本実施形態の光干渉断層装置では、ピーク時刻を取得するための光の光路と、フリンジ信号を取得するための光路が同一となるため、光路による波長分散等の、光を変調する影響はピーク時刻取得とフリンジ信号取得で同一となり、リサンプリングが正確に行われる。これにより、光源の出力光強度のピーク時刻に現れるコヒーレンス長の長い光の干渉信号を正確にサンプリングすることが可能となり、断層画像の深達長を長くすること、つまり、観察対象の物体を深くまで観測することが可能となる。また、上記の通り正確なリサンプリングが可能となるため、リサンプリング部１０７から出力されるフリンジ信号は光源１０１が時間に対して正確に線形的に光の波数を掃引した場合（波数リニアな場合）のフリンジ信号と同一となるため、フーリエ変換部１０８から出力されるＡスキャン信号のＰＳＦの半値幅は細くなり、また、ＳＮＲが大きくなるため、鮮明度は高くなる。

光源１０１は、時間的に光の波長（周波数）が推移する（掃引する）レーザであり、その発振スペクトルのピークは周波数に対して等間隔に離散的な値をとる。その発振スペクトルを１掃引分重ね合わせた（１掃引分を時間積分した）スペクトルは、周波数に対して等間隔にピークがある櫛歯型のスペクトルとなる。この光源１０１は、周波数が時間的に推移するので、レーザ発振は時間的に強くなったり弱くなったりを繰り返す。つまりこの光源１０１の出力光は強度変調する。この強度変調はｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の基本成分とその高調波成分を持つ。ここで、ｃｏｓ（ｘ）はｘの余弦、ｈは定数、ｋ（ｔ）は光の波数であり、時間ｔにより変化する。このｈは光源内のレーザ共振器中にある光学部品のパラメータであるが、測定対象の物体の最大深さに基づいて決定される定数である。

強度変調がｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））となる光源１０１は、その光源１０１で生じる櫛歯型のスペクトルの隣同士の櫛歯の周波数間隔（自由スペクトル間隔：ＦＳＲ）がｃ／（２ｈ）となる光源である。ここでｃは光速である。その光源１０１の構成としては、ファイバレーザ中にファイバファブリーペローフィルタ（ｆｉｂｅｒＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｆｉｌｔｅｒ：ＦＦＰＦ）を挿入したものや、空間光学系で構成したレーザ共振器内にエタロンを挿入したものがある。このときのＦＦＰＦやエタロンはそのＦＳＲがｃ／（２ｈ）となるものを使用することで、ＦＳＲがｃ／（２ｈ）となる光源が実現する。

図４に空間光学系で構成した光源１の構成例を示す。図４に示す構成は空間光学系で構成されたＬｉｔｔｍａｎ―Ｍｅｔｃａｌｆ型共振器であり、半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｌｅｒ：ＳＯＡ）３０４から発した光は、コリメータレンズ３０６でコリメートされた後、エタロン３０７を通して光偏向器３０８で偏向されて回折格子３１０に入射し、回折した光をミラー３１１に送る。ミラー３１１に垂直入射された光のみが、逆の経路をたどってＳＯＡ３０４に戻り、ＳＯＡ反射面３０５で折り返され、最終的にはＳＯＡ反射面３０５とミラー３１１の間でレーザ共振する。ＳＯＡ反射面３０５はハーフミラーとなっており、レーザ発振した光の一部がＳＯＡ反射面を通って結合レンズ３０３、アイソレータ３０２を介して光ファイバ３０１に至り、共振器外部に出力される。なお、エタロンの光路長はｈである物を使う。たとえば、エタロンの屈折率をｎ、エタロンの厚みをｄとすると、ｈ＝ｎｄとなる。レーザ共振器の光の共振周波数は、光偏向器３０８から回折格子３１０への入射角度によって変化するので、光偏向器制御器３０９によって光偏向器３０８から出射する光の角度（偏向角）を時間的に連続的に変えることによって、光源１０１の出力光の周波数を連続的に変える（掃引する）。

光源１からの光が入力される干渉計１０３では、入力された光をサーキュレータ１０３２を介してカップラ１０３３に入れ、カップラ１０３３で２分岐した後、参照アーム１０３４とサンプルアーム１０３６に入力する。カップラ１０３３で分岐された一方の光は、参照アーム１０３４の基準位置Ａに設けられたミラー１０３５で反射して再びカップラ１０３３に戻る。カップラ１０３３で分岐されたもう一方の光は、観測対象の物体Ｏ内の反射面Ｂ（反射面Ｂは物体内の一か所とは限らない）で反射されて再びカップラ１０３３に戻る。光源が１掃引するごとに光偏向器１０３７で幅方向ＷにＡスキャンを行う位置を少しずつ移動させる。このように、物理的に光を観測対象にあてる位置（Ａスキャンを行う位置）を連続的に変える操作をＢスキャンという。

カップラ１０３３では参照アーム１０３４およびサンプルアーム１０３６からの２つの戻り光を合波して干渉させる。つまり、カプラ１０３３は干渉機構として働く。これら２つの戻り光から生じた干渉光（フリンジ光）を、お互いに位相が反転した状態で２分岐し、一方はサーキュレータ１０３２を介して、他方は直接バランスフォトディテクタ１０３１に入射する。バランスフォトディテクタ１０３１は、それぞれの入射光を電気信号に変換し、それらの差分信号をリサンプリング部１０７に出力する。この出力信号を干渉信号（フリンジ信号）と呼ぶこととする。

干渉計１０３から出力されるフリンジ信号（電気信号）は、参照アームとサンプルアームとの光路長差ｚに応じて変化する信号である。具体的には、フリンジ信号はｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））の成分を持つ。また、光源１０１からの出力光はｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））で強度変調しているので、フリンジ信号はｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））およびｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））で表される２つの基本成分とその高調波成分を持つこととなる。観測対象の物体Ｏ内の反射面の基準面Ａからの最深の位置ｚをｚ_ｍａｘとすると、光源１０１の強度変調の周波数を決定し、また、リサンプリングする時間間隔を決定するｈは２ｚ_ｍａｘ以上（ｈ≧２ｚ_ｍａｘ）となるようにする。このようにする理由は次に示すような原理による。ｚに対するフリンジ信号はｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））で変調されており、その時刻ｔにおける周波数ν_ｆ（ｔ）はｚｋ’（ｔ）／πとなる。ただし、ｋ’（ｔ）は時刻ｔにおけるｋ（ｔ）の微分した関数でありｋ’（ｔ）＝ｄｋ／ｄｔである。一方、光源１０１の光出力はｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））で変調されており、その時刻ｔにおける周波数ν_ｓ（ｔ）はｈｋ’（ｔ）／πとなる。光源１０１の光出力のピークの時刻でフリンジ信号をサンプリングするので、時刻ｔあたりではｈｋ’（ｔ）／πで表されるサンプリング周波数でフリンジ信号をサンプリングすることになる。観測対象の物体Ｏ内の反射点によるフリンジの最高周波数はｚ_ｍａｘとなる反射点からの光で生じる干渉光の周波数ｚ_ｍａｘｋ’（ｔ）／πであるので、この周波数の信号成分の情報をすべて取得するには、サンプリング定理から、２ｚ_ｍａｘｋ’（ｔ）／π≦ｈｋ’（ｔ）／πである必要がある。したがって、ｈは２ｚ_ｍａｘ以上（、ｈ≧２ｚ_ｍａｘ）となるようにする。

ここで、ν_ｓとｚ_ｍａｘについて、光源１０１の光の櫛歯型スペクトルの櫛歯間である自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）との関係について述べておく。ＦＳＲ＝ｃ／（２ｈ）（あるいは、ｈ＝ｃ／（２ＦＳＲ））であることから、光源１０１の光の強度変調信号の成分は、ｃｏｓ（ｃｋ（ｔ）／ＦＳＲ）とその高調波となり、ｔにおけるその周波数ν_ｓは（ｃ／（２πＦＳＲ））・ｋ’（ｔ）となる。ただし、ｋ’（ｔ）はｋ（ｔ）をｔで微分した関数であり、ｋ’（ｔ）＝ｄｋ（ｔ）／ｄｔである。また、ｈ≧２ｚ_ｍａｘであることからｃ／（４ＦＳＲ）≧ｚ_ｍａｘ（あるいは、ＦＳＲ≦ｃ／（４ｚ_ｍａｘ））となる。

図５は、干渉計１０３から出力された電気信号の、ハイパスフィルタ部１０５と、ピーク時刻取得部１０６と、リサンプリング部１０７と、フーリエ変換部１０８とによる処理手順である。

まず、ハイパスフィルタ１０５は、入力したフリンジ信号から、光源１０１の強度変調周波数成分、つまりｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の基本成分およびその高調波成分の信号を分離する。（Ｓ−２０１）ハイパスフィルタ１０５のカットオフ周波数ｆ_ｃにより所定の周波数成分を分離する。ここでフリンジ信号からｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の基本成分およびその高調波成分を分離するためのカットオフ周波数ｆ_ｃについて以下に説明する。フリンジ信号に含まれるｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））とｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））の各成分のｔ＝ｔ_０時の周波数ν_ｓ、ν_ｆはそれぞれ

となる。ここで「｜｜」は絶対値を表す。上記の通り、ｈ＞２ｚ_ｍａｘ≧２ｚなので、常にν_ｓ＞２ν_ｆ（つまり、ν_ｓ／２＞ν_ｆ）となる。ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_ｃはν_ｆ≦ｆ_ｃ＜ν_ｓであればフリンジ信号からν_ｓの信号のみを分離できるわけであるが、上記のように、常にν_ｓ／２＞ν_ｆであるので、ν_ｓ／２以上ν_ｓ未満の間にカットオフ周波数ｆ_ｃ（つまり、ν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓとなるｆ_ｃ）のあるハイパスフィルタを用いることにより、ｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の成分のみをフリンジから分離できる。

ところで、ｄｋ（ｔ）／ｄｔが時間ｔに関して定数とならない場合（つまり、ｄｋ（ｔ）／ｄｔが時間変動する場合）は、フリンジ信号に含まれる信号の周波数ν_ｓとν_ｆとは上記の式から分かるように時間変動する。この時間変動のため、ｆ_ｃが時間的に固定であるハイパスフィルタを使った場合は、ｋ（ｔ）を表す関数によっては、ｆ_ｃ＞ν_ｓとなる時間と、ｆ_ｃ＜ν_ｆとなる時間とが生じる場合がある。すなわち、時間に対して固定のｆ_ｃとなるハイパスフィルタを使った場合は、ｆ_ｃ＞ν_ｓの時間帯ではｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の成分のみをフリンジから分離できず、一方でｆ_ｃ＜ν_ｆの時間帯ではｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の成分にｃｏｓ（２ｚｋ（ｔ））の成分が混ざった信号がハイパスフィルタから出力されることとなってしまう。このように、カットオフ周波数ｆ_ｃが時間的に変動しないフィルタは使用できない場合がある。その場合は、カットオフ周波数を時間的に変動させる動的フィルタを使用すればよい。

動的フィルタとは、たとえば、ディジタルフィルタの場合には、時間的にフィルタの係数を変動させるものである。また、アナログフィルタの場合には、回路を構成する抵抗の抵抗値、コンデンサの静電容量値、インダクターのインダクタンスを時間的に変動させるものである。たとえば、バリキャップを使えば、バリキャップへの印加電圧を時間的に変動させることにより、静電容量を時間的に変動させることができるので、ハイパスフィルタのｆ_ｃを時間変動させることができる。

具体的には、使用するハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_ｃをν_ｆ≦ｆ_ｃ＜ν_ｓとなるように時間的に変動させる。さらに、ν_ｓとν_ｆとの関係は上記で説明したとおりν_ｓ／２＞ν_ｆであるので、使用するハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_ｃをν_ｓとν_ｆとの時間変動にかかわらず常にν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓを満たすように時間的に変動させればよい。

物体Ｏの測定したい最深のｚをｚ_ｍａｘとすると、エタロンの光路長ｈは、上記の通り２ｚ_ｍａｘ以上（つまり、ｈ≧２ｚ_ｍａｘ）となるように設計されるので、ν_ｓ、ν_ｆはそれぞれ上記の式の通りに決まる。つまりｚ_ｍａｘを決めると、ある時刻に対するν_ｓ、ν_ｆは決まる。したがって、ハイパスフィルタのカットオフ周波数ｆ_ｃはある時刻に対して上記の通りν_ｆ≦ｆ_ｃ＜ν_ｓ（または、ν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓ）と決めればよいので、本実施形態の光干渉断層装置の動作中に、光源１や干渉計３からの出力信号のν_ｓやν_ｆを測定してカットオフ周波数ｆ_ｃを算出する必要はない。つまり、ｚ_ｍａｘとそれに合ったｈを決めてしまえば、ある時刻に対するカットオフ周波数ｆ_ｃの範囲は決まるので、本実施形態の光干渉断層装置を動作させる前に時刻ごとのカットオフ周波数ｆ_ｃをあらかじめ算出しておき、本実施形態の光干渉断層装置の動作時に、その時刻に対するカットオフ周波数が、該算出したカットオフ周波数ｆ_ｃとなるようにハイパスフィルタを動作させる。あるいは、時間に対して光源光の波数ｋ（ｔ）の関数が分かっていれば、ν_ｓ（ｔ）の関数も分かるので、本実施形態の光干渉断層装置の動作時にリアルタイムにカットオフ周波数ｆ_ｃを算出して、ハイパスフィルタを動作させる。このようにしてハイパスフィルタ部１０５で分離した信号には、光源１０１の出力信号の強度変調周波数であるｃｏｓ（２ｈｋ（ｔ））の基本成分およびその高調波成分の信号が含まれている。

ピーク時刻取得部１０６は、ハイパスフィルタ部１０５で分離した信号のピークを検出し、そのピークが現れる時刻を求め、サンプリング部１０７へ出力する。（Ｓ−２０２）

リサンプリング部１０７は、ピーク時刻取得部１０６で取得したピーク時刻で、干渉計１０３から出力されたフリンジ信号をサンプリングする。（Ｓ−２０３）

フーリエ変換部１０８は、リサンプリング部１０７でサンプリングしたフリンジ信号をフーリエ変換する。このフーリエ変換後の信号がＳＳ−ＯＣＴシステムのＡスキャン信号となる。（Ｓ−２０４）

以上の光干渉断層装置によれば、光源からの出力光を全て干渉計に入れられるため、干渉計から物体に入射する光強度が従来よりも強くなるため、フリンジのＳＮＲ低下が防げる。また、ピーク時刻を取得するための光路と、フリンジ信号を取得するための光路とを同じ（干渉計１０３）とすることができので、正確なサンプリングが可能となる。

１０１光源
１０２カップラ
１０３干渉計
１０３１バランスフォトディテクタ
１０３２サーキュレータ
１０３３カップラ
１０３４参照アーム
１０３５ミラー
１０３６サンプルアーム
１０３７光偏向器
１０３８ファイバコリメータ
１０３９ファイバコリメータ
１０５ハイパスフィルタ部
１０６ピーク時刻取得部
１０７リサンプリング部
１０８フーリエ変換部
３０１光ファイバ
３０２アイソレータ
３０３結合レンズ
３０４ＳＯＡ
３０５ＳＯＡ反射面
３０６コリメータレンズ
３０７エタロン
３０８光偏向器
３０９光偏向器制御器
３１０回折格子
３１１ミラー

Claims

櫛歯型のスペクトルとなるように波長掃引する光源と、
前記光源から出力された光を観測対象の物体に入射して観測対象の物体の構造に応じた干渉信号であるフリンジ信号を出力する干渉計と、
前記干渉計から出力されたフリンジ信号から、前記光源の強度変調周波数の成分を持つ信号を分離するハイパスフィルタ部と、
前記ハイパスフィルタ部で分離された信号のピークが現れる時刻であるピーク時刻を取得するピーク時刻取得部と、
前記ピーク時刻におけるフリンジ信号をサンプリングするリサンプリング部とを備えることを特徴する光干渉断層装置。
前記ハイパスフィルタ部のカットオフ周波数ｆ_ｃは、前記光源の時間的な強度変調周波数ν_ｓに対して、ν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓと設定されることを特徴とする請求項１に記載の光干渉断層装置。
前記ハイパスフィルタ部は、前記光源から出力された光の波数の時間変動がある場合にもν_ｓ／２≦ｆ_ｃ＜ν_ｓを満たすようにカットオフ周波数ｆ_ｃを時間的に変動させることを特徴とする請求項１または２に記載の光干渉断層装置。
前記ν_ｓは、前記光源から出力された光の波数をｋ（ｔ）、ｋ（ｔ）の時間微分をｋ’（ｔ）、前記光源から出力された光のスペクトルの自由スペクトル間隔をＦＳＲ、高速をｃとすると、ν_ｓ＝（ｃ／（２πＦＳＲ））・ｋ’（ｔ）となることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光干渉断層装置。
前記定数ＦＳＲは、観測対象の物体中において、前記参照アームとサンプルアームの光路長差が最も長い時の値をｚ_ｍａｘとしたときに、ＦＳＲ≦ｃ／（４ｚ_ｍａｘ）となるように決定されることを特徴とする請求項４に記載の光干渉断層装置。
前記干渉計は、入力された光を２分岐し一方の光を参照アームに入力して基準位置に配置されたミラーで反射させた光と、他方の光をサンプルアームに入力して観測対象の物体中の反射面で反射させた光とを合波して干渉光を生じさせる干渉機構と、該干渉光を電気信号に変換して出力するフォトディテクタとを備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光干渉断層装置。
前記光源がレーザであり、レーザの共振器中の光路に櫛歯型フィルタが挿入され、その櫛歯型フィルタのＦＳＲが前記光源の櫛歯型スペクトルの櫛歯の間隔であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光干渉断層装置。
前記櫛歯型フィルタがエタロンであり、そのエタロンの光路長ｈは、観測対象の物体中において、前記参照アームとサンプルアームの光路長差が最も長い時の値をｚ_ｍａｘとしたときに、ｈ≧２ｚ_ｍａｘとなるように決定されることを特徴とする請求項７に記載の光干渉断層装置。