JP5079755B2 - 光コヒーレンストモグラフィーの構成機器の較正方法 - Google Patents

Description

本発明は、光コヒーレンストモグラフィーの構成機器の較正方法に関し、特に、波長走査型光コヒーレンストモグラフィーの波長走査型光源又はモノクロメーターの較正方法に関し、さらに、フーリエドメイントモグラフィー及び偏光感受型光コヒーレンストモグラフィーの分光器の較正方法に関する。

医療分野等で用いられる非破壊断層計測技術の１つとして、時間的に低コヒーレンスな光をプローブ（探針）として用いる光断層画像化法「光コヒーレンストモグラフィー」（ＯＣＴ）がある（特許文献１参照）。ＯＣＴは、光を計測プローブとして用いるため、被計測物体の屈折率分布、分光情報、偏光情報（複屈折率分布）等が計測できるという利点がある。

基本的なＯＣＴ４３は、マイケルソン干渉計を基本としており、その原理を図６で説明する。光源４４から射出された光は、コリメートレンズ４５で平行化された後に、ビームスプリッター４６により参照光と物体光に分割される。物体光は、物体アーム内の対物レンズ４７によって被計測物体４８に集光され、そこで散乱・反射された後に再び対物レンズ４７、ビームスプリッター４６に戻る。

一方、参照光は参照アーム内の対物レンズ４９を通過した後に参照鏡５０によって反射され、再び対物レンズ４９を通してビームスプリッター４６に戻る。このようにビームスプリッター４６に戻った物体光と参照光は、物体光とともに集光レンズ５１に入射し光検出器５２（フォトダイオード等）に集光される。

ＯＣＴの光源４４は、時間的に低コヒーレンスな光（異なった時刻に光源から出た光同士は極めて干渉しにくい光）の光源を利用する。時間的低コヒーレンス光を光源としたマイケルソン型の干渉計では、参照アームと物体アームの距離がほぼ等しいときにのみ干渉信号が現れる。この結果、参照アームと物体アームの光路長差（τ）を変化させながら、光検出器５２で干渉信号の強度を計測すると、光路長差に対する干渉信号（インターフェログラム）が得られる。

そのインターフェログラムの形状が、被計測物体４８の奥行き方向の反射率分布を示しており、１次元の軸方向走査により被計測物体４８の奥行き方向の構造を得ることができる。このように、ＯＣＴ４３では、光路長走査により、被計測物体４８の奥行き方向の構造を計測できる。

このような軸方向の走査のほかに、横方向の機械的走査を加え、２次元の走査を行うことで被計測物体の２次元断面画像が得られる。この横方向の走査を行う走査装置としては、被計測物体を直接移動させる構成、物体は固定したままで対物レンズをシフトさせる構成、被計測物体も対物レンズも固定したままで、対物レンズの瞳面付近においたガルバノミラーの角度を回転させる構成等が用いられている。

以上の基本的なＯＣＴが発展したものとして、光源の波長を走査してスペクトル干渉信号を得る波長走査型ＯＣＴ（Swept Source OCT、略して「ＳＳ−ＯＣＴ」という。）と、分光器を用いてスペクトル信号を得るスペクトルドメインＯＣＴがあり、後者としてフーリエドメインＯＣＴ（Fourier Domain OCT、略して「ＦＤ−ＯＣＴ」という。特許文献２参照）、及び偏光感受型ＯＣＴ（Polarization-Sensitive OCT、略して「ＰＳ−ＯＣＴ」という。特許文献３参照）がある。

波長走査型ＯＣＴは、高速波長スキャニングレーザーにより光源の波長を変え、スペクトル信号と同期取得された光源走査信号を用いて干渉信号を最配列し、信号処理を加えることで３次元光断層画像を得るものである。なお、光源の波長を変える手段として、モノクロメーターを利用したものでも、波長走査型ＯＣＴとして利用可能である。

フーリエドメインＯＣＴは、被計測物体からの反射光の波長スペクトルを、スペクトロメーター（スペクトル分光器）で取得し、このスペクトル強度分布に対してフーリエ変換することで、実空間（ＯＣＴ信号空間）上での信号を取り出すことを特徴とするものであり、このフーリエドメインＯＣＴは、奥行き方向の走査を行う必要がなく、ｘ軸方向の走査を行うことで被計測物体の断面構造を計測可能である。

偏光感受型ＯＣＴは、フーリエドメインＯＣＴと同様に、被計測物体からの反射光の波長スペクトルをスペクトル分光器で取得するものであるが、入射光及び参照光をそれぞれ１／２波長板、１／４波長板等を通して水平直線偏光、垂直直線偏光、４５°直線偏光、円偏光として、被計測物体からの反射光と参照光を重ねて１／２波長板、１／４波長板等を通して、例えば水平偏光成分だけをスペクトル分光器に入射させて干渉させ、物体光の特定偏光状態をもつ成分だけを取り出してフーリエ変換するものである。この偏光感受型ＯＣＴも、奥行き方向の走査を行う必要がない。
特開２００２−３１０８９７号公報 特開平１１−３２５８４９号公報 特開２００４−０２８９７０号公報

波長走査型ＯＣＴ（モノクロメーター利用したものを含む）における時間信号、あるいはＦＤ−ＯＣＴでは分光器からの空間信号のフーリエ変換が被計測物体の深さ方向の散乱分布、すなわち光断層像となる。正確な光断層像を得るためにはもとの信号は光の波数（２π／波長）について等間隔である必要がある。

一般に波長走査光源や分光器は波長に対して線型に設計することが多い。また、その線型性は完全ではなく、較正は困難である。この較正や波数への変換を行わないと、得られる光断層画像の解像力は著しく低下し、また、深さ方向の線型性も失われてしまう。従って光源の走査特性や分光器の出力を波数に較正する事が必要不可欠である。

そして、フーリエドメインＯＣＴ及び偏光感受型ＯＣＴでは広帯域光源を用い、その出力光を、分光器において回折格子で分光し受光素子（ＣＣＤ）でスペクトル干渉信号を得る構成であるが、分光信号と深さ情報を線形に保つための較正が必要であり、具体的には、分光器の受光素子の較正をするが必要である。

従来、これら波長走査型光源、モノクロメーター、分光器等の較正には、オシロスコープや干渉フィルター等の特殊機材が必要であった。本発明は、これらの較正を、特殊機材を使用することなく、波長走査型ＯＣＴ、フーリエドメインＯＣＴ及び偏光感受型ＯＣＴ等の光断層画像化測定器そのもので行えるようにすることを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、参照光と被計測物体からの反射光の波長スペクトルを、分光器でスペクトル干渉信号として取得し、該スペクトル干渉信号をフーリエ変換し実空間上での信号を取り出すフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーの前記分光器を較正する較正方法において、前記フーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーにより前記分光器をモニタリングしてスペクトル干渉信号から波長の分光器において空間的に展開された波長成分の分布状態を求め、分光特性の空間分布を較正することを特徴とする較正方法を提供する。

前記フーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーは、入射光及び参照光をそれぞれ水平直線偏光、垂直直線偏光、４５°直線偏光又は円偏光して、被計測物体からの反射光と参照光を重ねて、これらの偏光のうち特定の偏光成分だけをスペクトル分光器に入射させて干渉させ、物体光の特定偏光状態をもつ成分だけを取り出してフーリエ変換する偏光感受型のフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーであることが好ましい。

前記スペクトル干渉信号をフーリエ変換し、周波数成分の１次のピークを検出し、切り出し、その部分のみ逆フーリエ変換し、スペクトル信号空間にもどし、その複素周波数信号の位相情報を取り出し、２πの不確定性をアンラッピングし、多項式関数でフィッティングを行い、該関数から波長の空間分布特性を較正することが好ましい。

前記スペクトル干渉信号をヒルベルト変換し、前記干渉スペクトル干渉信号との比の逆正接をとることにより、位相情報を取り出し、２πの不確定性をアンラッピングし、多項式数でフィッティングを行い、該関数から掃引特性の空間分布特性を較正することが好ましい。

本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーの構成機器の較正方法よれば波長走査型光源、モノクロメーター、分光器等の較正において、オシロスコープや干渉フィルター等の特殊機材を使用することなく、波長走査型ＯＣＴ、フーリエドメインＯＣＴ及び偏光感受型ＯＣＴ等の光断層画像化測定器そのもので行える。

本発明の実施例１の較正対象である波長走査型光源を有するＳＳ−ＯＣＴの全体構成を示す図である。 実施例１の原理、作用を説明するための模擬的な説明図である。 本発明の実施例２の較正対象である分光器を備えたＦＤ−ＯＣＴの全体構成を示す図である。 実施例２の原理、作用を説明するための模擬的な説明図である。 本発明の実施例３の較正対象である分光器を備えたＰＳ−ＦＤ−ＯＣＴの全体構成を示す図である。 ＯＣＴを説明する図である。

本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーの構成機器の較正方法を実施するための最良の形態を実施例に基づき図面を参照して、以下説明する。

図１は、本発明の実施例１の較正方法の対象である波長走査型ＯＣＴ１の全体構成を示す図である。波長走査型光源２から出射された出力光を、ファイバ３を通してファイバカップラー４に送る。この出力光を、ファイバカップラー４において、ファイバ５を通して被計測物体６への照射する物体光と、ファイバ７を通して固定参照鏡８に照射する参照光に分割する。

物体光は、ファイバ５、レンズ９、角度が可変な走査鏡１０及びレンズ１１を介して、被計測物体６（較正時には反射鏡）に照射、反射され、同じルートでファイバカップラー４に戻る。参照光は、ファイバ７、レンズ１２及びレンズ１３を介して固定参照鏡８に照射、反射されて同じルートでファイバカップラー４に戻る。

そして、これらの物体光と参照光はファイバカップラー４で重ねられ、ファイバ１４を通して光検知器１５（ＰＤ（フォトダイオード）等のポイントセンサが使用される。）に送られ、スペクトル干渉信号として検出され、コンピュータ１６に取り込まれる。光検知器１５における検知出力に基づいて、被計測物体６の奥行き方向（Ａ方向）と走査鏡１０の走査方向（Ｂ方向）の断面画像が形成される。１７はコンピュータ１６に接続されたディスプレーである。

ここで、波長走査型光源２は、時間的に波長を変化させて走査する光源であり、即ち波長が時間依存性を有する光源である。これにより、参照鏡８を走査（移動。Ａスキャン）することなく、 被計測物体６の奥行き方向の反射率分布を得て奥行き方向の構造を取得することができ、１次方向の走査（Ｂスキャン）をするだけで、二次元の断層画像を形成することができる。

波長走査型光源２は、その光の波長が時間依存性を有し、これを模擬的に時間軸と波長のグラフで示すと図２（ａ）に示すとおりである。本発明は、この図２（ａ）に示すような予め決められた時間従属性を示す特性から、波長走査型光源２の特性が変化していないか、較正を行うものである。なお、本発明とは直接関連はないが、較正結果に応じて二次元の断層画像を修正することができる。

本発明の実施例１の波長走査型光源２の較正方法では、波長走査型ＯＣＴ１により波長走査型光源２をモニタリングしてスペクトル干渉信号を時間信号として検出する。ここで、波長走査型ＯＣＴ１による波長走査型光源２のモニタリングは、次のように行う。

即ち、波長走査型ＯＣＴ１において、 被計測物体６に替えて反射鏡（図示せず。）を設置し、波長走査型光源２の出力光（走査波長の時間依存性をν（ｔ）とする。）を、ファイバカップラー４で物体光（光の強度Ｐ_ｐ）と参照光（光の強度Ｐ_ｒ）に分割して、それぞれ反射鏡と固定参照鏡８に照射、反射させて、ファイバカップラー４に戻して重ね合わせ、これを光検知器１５で検知して、スペクトル干渉信号を時間信号として検出する。その際、物体側と参照側に光路差（ｚ_０）をつけておく。このスペクトル干渉信号（Ｉ）を時間信号として検出したデータは、時間と光の強度データであり、これを、模擬的に示すと、図２（ｂ）に示すようなデータとなる。

このようなモニタリングで得られたスペクトル干渉信号（時間に対する光の強度のデータ）（式１参照）をコンピュータ１６に取り込む。

そして、このスペクトル干渉信号を、コンピュータ１６のＣＰＵの演算機能を利用して、フーリエ変換を行い（式２参照）、図２（ｃ）に示すようなフーリエ変換データを得る。

このフーリエ変換データのうち、１次のピーク部分を検出して、その周囲を適当な周波数範囲で切り出して、これを逆フーリエ変換を行い（式３参照）、解析信号（Ｉ’）（複素数）を得る。

この解析信号は、図２（ｄ）に示すように、時間に対する位相情報として示される（式４参照）が、位相成分は２πで折返しがあるので、アンラッピング後、多項式など適当な関数でフィッティングを行い（式５参照）、図２（ｆ）に模擬的に示すような、走査波長の時間依存性を示す関数として求められる。ａ_０〜３、ｂ_０〜３は、フィッティングで決まる定数である。

以上のようにして、スペクトル干渉信号から走査波長の時間依存性（ν（ｔ））を求められるが、この関数について、図２（ａ）に示す波長走査型光源２の特性と比較して、波長走査型光源２の時間依存特性の較正が行われる。

なお、上記の方法では、前記スペクトル干渉信号は、コンピュータ１６のＣＰＵの演算機能を利用して、フーリエ変換を行い、その１次のピーク部分を逆フーリエ変換を行い、解析信号（複素数）を得た（これを本明細書では、「フーリエ変換法」という。）が、スペクトル干渉信号をヒルベルト変換したもの（Ｉ_Ｈ）を虚部とし前記スペクトル干渉信号を実部として解析信号（複素数）を得てもよい。

要するに、スペクトル干渉信号（式６参照）をヒルベルト変換し（式７参照）、このスペクトル干渉信号との比の逆正接をとることにより（式８参照）、位相情報を取り出してもよい（これを本明細書では、「ヒルベルト変換法」という。）。

図３は、ＦＤ−ＯＣＴ１８の全体構成を示す図である。広帯域光源１９、低コヒーレンス干渉計２０、及び分光器（スペクトロメーター）２１とを備えている。このＦＤ−ＯＣＴ１８は、低コヒーレンス干渉の原理を用いて奥行き方向の分解能を得ているため、光源として、ＳＬＤ（ スーパールミネツセントダイオード）や超短パルスレーザー等の広帯域光源１９が用いられる。

広帯域光源１９から出た光は、まずビームスプリッター２２で物体光と参照光に分割される。このうち物体光は、レンズ２３を通してガルバノミラー２４で反射され被計測物体２５を照射し、そこで反射、散乱された後に分光器２１に導かれる。一方、参照光はレンズ２６を通して参照鏡（平面鏡）２７で反射された後に物体光と並行に分光器２１に導かれる。これらの二つの光は分光器２１の回折格子２８によって同時に分光され、スペクトル領域で干渉し、結果、スペクトル干渉縞がＣＣＤ２９によって計測される。

このスペクトル干渉縞に対して適当な信号処理を行うことで、被計測物体２５のある点における深さ方向１次元の屈折率分布の微分、つまり、反射率分布を得ることが可能となる。さらに、被計測物体２５上の計測点をガルバノミラー２４を駆動し１次元走査することにより２次元断層画像（ＦＤ−ＯＣＴ画像）を得ることができる。

通常のＯＣＴでは、２次元断層画像を得るために２次元の機械的走査が必要なのに対して、１次元の機械的走査しか必要とされない。これにより、ＦＤ−ＯＣＴ１８では通常のＯＣＴよりも高速な断層計測が可能となる。

本発明の実施例２の較正方法は、分光器２１を較正する方法である。分光器２１に入射した光をその回折格子２８で分光しＣＣＤ２９で受光した場合に、ＣＣＤ２９の面に沿ったｘ軸方向に対する波長成分の分布（分光器の空間分布特性）を、図４（ａ）において模擬的に示す。

この実施例２の較正方法は、このような分光器２１の空間分布特性（回折格子２８において空間的に展開された波長成分の分布状態）をモニタリングして求め、分光特性の空間分布を較正する方法である。これを、以下、より具体的に説明する。

実施例２の較正方法を実施するモニタリングでは、被計測物体２５の代わりに通常の平面鏡（図示せず。）の反射面を置く。そして、広帯域光源１９から光をビームスプリッター２２で回折格子２８に向けて照射すると、物体光及び参照光は回折格子２８で分光されスペクトル領域で干渉され、このスペクトル干渉縞（スペクトル干渉信号）がＣＣＤ２９によって計測される。このスペクトル干渉信号の、ＣＣＤ２９の面に沿ったｘ軸方向に対す強度Ｔの分布（空間分布特性）を模擬的に示すと、図４（ｂ）のようになる。

このようなモニタリングで得られたスペクトル干渉信号（空間に対する光の強度のデータ）をコンピュータ（図示せず。）に取り込む。そして、このスペクトル干渉信号を、コンピュータのＣＰＵの演算機能を利用して、フーリエ変換を行い、図４（ｃ）に示すようなフーリエ変換データを得る。このフーリエ変換データのうち、１次のピーク部分を検出して、その周囲を適当な周波数範囲で切り出して、これを逆フーリエ変換を行い、解析信号（複素数）を得る。

この解析信号は、図４（ｄ）に示すように、空間に対する位相情報として示されるが、位相成分は２πで折返しがあるので、アンラッピング後、多項式など適当な関数でフィッティングを行い、図４（ｅ）に模擬的に示すような、波長の空間分布性を示す関数として求められる。以上のようにして、スペクトル干渉信号から波長の空間依存性を求められるが、この関数について、図４（ａ）に示す分光器２１の特性と比較して、分光器２１の空間分布特性の較正が行われる。

図５は、実施例３のＰＳ−ＦＤ−ＯＣＴ３０（偏光感受型スペクトル干渉トモグラフィー装置）の全体構成を示す図である。実施例２と同様に、広帯域光源１９、低コヒーレンス干渉計３１（マイケルソン干渉計）、及び分光器２１（スペクトロメーター）とを備えている。具体的な構成について、以下、作用とともに説明する。

広帯域光源１９から出た光は、光ウェッジ３２によりパワーを減少された後、偏光子３３により水平直線偏光（以下「Ｈ」という）となる。そして、入射光の偏光状態を、１／２波長板３４と１／４波長板３５により、水平直線偏光（Ｈ）、垂直直線偏光（以下「Ｖ」という）、４５°直線偏光（以下「Ｐ」という）及び右周り円偏光（以下「Ｒ」という）の４通りのいずれかに選択的に調整し、ビームスプリッター３６で参照光と被計測物体２５に入射する光とに分ける。

ビームスプリッター３６で分けられた参照光は、参照光光学系の２枚の１／４波長板３７により、偏光状態がＨ、Ｖ、Ｐ、Ｒとなるように調整されビームスプリッター３６に入射される。一方、被計測物体２５に入射する光はレンズ３８により被計測物体２５上の１点に集光され、反射され物体光としてビームスプリッター３６に向かう。ビームスプリッター３６は、上記入射してくる参照光を透過させ物体光を４５°反射させて、両者を重ね合わせる。

このようにして重ね合わせられてビームスプリッター３６から出てくる偏光状態がＨ、Ｖ、Ｐ、Ｒとなるように調整された参照光と、被計測物体２５から反射してきた物体光は、ミラー３９で反射されてから１／４波長板４０及び１／２波長板４１を通して偏光状態をＨにされ、回折格子２８、レンズ４２及びＣＣＤ２９からなる分光器２１に入射する。

このように特定偏光の参照光（Ｈ、Ｖ、Ｐ、Ｒのいずれかの偏光状態の参照光）と物体光を干渉させることにより、物体光の特定偏光成分だけがＣＣＤ２９上にスペクトル干渉縞を作り、その結果、物体光のうち参照光と同じ偏光状態をもつ成分だけを信号として取り出すことができる。そして、このスペクトル干渉縞をコンピュータ（図示せず。）に取り込み、画像のｙ軸のある１点から横１行を抜き取って離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier transform、ＦＦＴ：Fast Fourier transform）により空間的なフーリエ変換を計算する。

これにより、参照光と物体光との一次元相関信号が得られる。さらにこれらの信号強度を組み合わせてミュラー行列（Mueller matrix）を求めることにより、被計測物体２５の内部の偏光情報を捉えることができる。

この実施例３の較正方法は、分光器２１を構成する方法であり、分光器２１の空間分布特性をモニタリングして求め、分光特性の空間分布を較正する方法である。この実施例３の較正方法は、実施例２の分光器２１の較正方法と全く同様であるから、その説明は省略する。

以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る光コヒーレンストモグラフィーの波長走査型光源、モノクロメータ、分光器等の構成機器の較正方法は光源や分光器等を設置された本体装置で較正できるようにするものであり、ＳＳ−ＯＣＴ、ＦＤ−ＯＣＴ、ＰＳ−ＦＤ−ＯＣＴだけでなく、眼科等の医療分野、その他工業計測の分野における非破壊断層計測技術その他の光断層画像化装置の較正機器の較正方法としても適用可能である。

１ 波長走査型ＯＣＴ
２ 波長走査型光源
３、５、７、１４ ファイバ
４ ファイバカップラー
６、２５、４８ 被計測物体
８ 固定参照鏡
９、１１、１２、１３、２３、２６、３８、４２ レンズ
１０ 角度が可変な走査鏡
１５ 光検知器
１６ コンピュータ
１７ ディスプレー
１８ ＦＤ−ＯＣＴ
１９ 広帯域光源
２０ 低コヒーレンス干渉計
２１ 分光器（スペクトロメーター）
２２ ビームスプリッター
２４ ガルバノミラー
２７、５０ 参照鏡（平面鏡）
２８ 回折格子
２９ ＣＣＤ
３０ ＰＳ−ＦＤ−ＯＣＴ
３１ 低コヒーレンス干渉計（マイケルソン干渉計）
３２ 光ウェッジ
３３ 偏光子
３４、４１ １／２波長板
３５、３７、４０ １／４波長板
３６ ビームスプリッター
３９ ミラー
４３ ＯＣＴ
４４ 光源
４５ コリメートレンズ
４６ ビームスプリッター
４７ 物体アーム内の対物レンズ
４９ 参照アーム内の対物レンズ
５１ 集光レンズ
５２ （フォトダイオード等）光検出器

Claims (4)

1. 参照光と被計測物体からの反射光の波長スペクトルを、分光器でスペクトル干渉信号として取得し、該スペクトル干渉信号をフーリエ変換し実空間上での信号を取り出すフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーの前記分光器を較正する較正方法において、
   前記フーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーにより前記分光器をモニタリングしてスペクトル干渉信号から波長の分光器において空間的に展開された波長成分の分布状態を求め、分光特性の空間分布を較正することを特徴とする較正方法。
2. 前記フーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーは、入射光及び参照光をそれぞれ水平直線偏光、垂直直線偏光、４５°直線偏光又は円偏光して、被計測物体からの反射光と参照光を重ねて、これらの偏光のうち特定の偏光成分だけをスペクトル分光器に入射させて干渉させ、物体光の特定偏光状態をもつ成分だけを取り出してフーリエ変換する偏光感受型のフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィーであることを特徴とする請求項１記載の較正方法。
3. 前記スペクトル干渉信号をフーリエ変換し、周波数成分の１次のピークを検出し、切り出し、その部分のみ逆フーリエ変換し、スペクトル信号空間にもどし、その複素周波数信号の位相情報を取り出し、２πの不確定性をアンラッピングし、多項式関数でフィッティングを行い、該関数から波長の空間分布特性を較正することを特徴とする請求項１又は２記載の較正方法。
4. 前記スペクトル干渉信号をヒルベルト変換し、前記干渉スペクトル干渉信号との比の逆正接をとることにより、位相情報を取り出し、２πの不確定性をアンラッピングし、多項式数でフィッティングを行い、該関数から掃引特性の空間分布特性を較正することを特徴とする請求項１又は２記載の較正方法。

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