(57)【要約】【課題】光断層画像表示システムにおいて、狭帯域で高速走査してもスペクトルの広がりのない光源を用いて高分解能の画像を得ること。【解決手段】波長走査型光源１０としてゲイン素子４０と波長可変フィルタ５０を用いる。ゲイン素子４０の自然放射光を波長可変フィルタ５０に入射し、選択された波長によって発振させる。この波長走査型光源１０を用いて光断層画像表示システムを構成する。そして波長可変フィルタ５０の選択波長を高速で走査することによって、光断層画像表示システムの高分解能化を図ることができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、
前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、
前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、
物体の測定位置に反射物を配置したときに、前記受光素子からの出力に基づいて得られた信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備する光断層画像表示システムにおいて、
前記波長走査型光源は、
発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子と、
周期的に選択波長を走査させる波長可変フィルタと、を有し、
前記ゲイン素子の自然放出光が前記波長可変フィルタに入射され、選択された波長の光を前記ゲイン素子に再び入射して増幅させることによって、発振波長を走査させた光を出力することを特徴とする光断層画像表示システム。
【請求項２】
前記波長走査型光源の波長走査周波数は、１０ｋＨｚ以上である請求項１記載の光断層画像表示システム。
【請求項３】
前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、
前記ゲイン素子から入射された自然放射光の波長を選択的に反射して再び前記ゲイン素子に入力する反射型の波長可変フィルタである請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。
【請求項４】
前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、
前記波長可変フィルタの側方に配置され、前記波長可変フィルタを透過して選択された波長の光を再び前記波長可変フィルタに入射するように反射するミラーを更に有する請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。
【請求項５】
前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、
前記ゲイン素子と前記波長可変フィルタとの間に配置され、ゲイン素子より出射される自然放射光を前記波長可変フィルタに入射すると共に、前記波長可変フィルタを透過した光を再び前記ゲイン素子に帰還させる光サーキュレータを更に具備する請求項１又は２記載の光断層画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は物体の表面下部の内部構造の画像、あるいは生体組織の表皮下層断層の画像を観察する光断層画像表示システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年内視鏡治療などの医療技術の進歩に伴って、病理組織を非深襲かつリアルタイムに診断する方法が望まれている。従来例えばＣＣＤを用いた電子内視鏡や、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波による画像化が診断方法として用いられている。電子内視鏡は生体の表面の観察に限定され、また後者の画像診断システムはミクロンオーダーの分解能で観察するには技術的な限界があった。このような方法を補完する技術として、光干渉断層計測技術が注目されている。
【０００３】
干渉断層計測技術の中には、時間領域の断層計測と周波数領域の断層計測の２種類があり、また周波数領域の断層計測の中にもスペクトロメータタイプと波長走査型光源タイプの２つがある。波長走査型光源タイプは、生体に光を照射し、照射光の波長を連続的に変化させ、参照光と生体内の異なる深さから戻ってくる反射光とを干渉計で干渉させ、その干渉信号の周波数成分を分析することによって、断層画像を得るシステムである。この技術は物体内部からの信号の周波数分析から極めて高分解能の断層画像を構築することができるため、高度なシステムとして期待されている。波長走査型光源タイプは測定感度も高く、動的ノイズに強いという点で内視鏡などの実使用に好適である。ここで照射する光の波長走査の帯域が広いほど周波数分析の帯域が上がるので、深さ方向の分解能が上がる。
【０００４】
断層画像表示装置の光源としては、高速で単一波長を走査することができる波長走査型光源が求められる。狭スペクトルで広帯域の波長走査型光源としては、外部共振器型レーザ光源が一般的である。
【０００５】
次に外部共振器型レーザの発振原理について説明する。一般的な外部共振器型レーザにおいては、図１に示すように半導体レーザ等のゲイン媒質１０１と外部のミラー１０４とを外部共振器とし、この間にコリメートレンズ１０２、光バンドパスフィルタ１０３を設けている。ここでバンドパスフィルタ１０３の特性と外部共振器モードとの一致点でレーザ発振が得られる。ここでバンドパスフィルタ１０３の選択波長をシフトさせると、外部共振器モードのうち一番ロスが少なくなる隣の外部共振器モードに発振モードが変化する。これをモードホップという。
【０００６】
又特許文献１には光ファイバのループを用い、外部共振器長を長くしモードホップの影響を除いた多モード型レーザ光源が示されている。光ファイバループによるレーザ光源は、光ファイバループに半導体増幅器を含んで形成され、ループの一部に波長を選択する波長可変光フィルタが設けられる。
【０００７】
又多モード型レーザ光源の発振では、図２（ａ）に示すようにフィルタ内に含まれる複数の外部共振器縦モードが同時に共振する。図２（ｂ）はフィルタの特性、図２（ｃ）は出力特性を示している。多モード型レーザ光源では、発振ロスが一番少ないフィルタの中心近くのモードが共振増幅され、レーザ光源より取り出された出力の線幅は図２（ｃ）に示すように光フィルタの特性よりも狭くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４７６６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示す波長走査型レーザ光源では、ファイバを用いて外部共振器長を長くし、多モードで発振させている。波長可変フィルタの選択波長を掃引する場合、波長移動に伴って、抑圧されていた縦モードが励起され、発振していたモードは抑圧されるプロセスを連続的に繰り返す。このとき波長掃引を高速とし、励起された光が共振器を周回する時間と同等程度か、それよりも早いレートでフィルタを掃引すると、ゲイン素子を通過する回数が少なくなる。そのため十分な利得、つまり共振増幅を得られないまま、隣接するモード群へと次々移動していく。その結果図２（ｄ）に示すように、フィルタ幅と同等程度に飽和したり、それ以上の太い線幅の出力となってしまうという欠点があった。即ち図３に示すように走査速度が上昇するにつれてレーザ光源のスペクトル幅も広がってしまうという欠点があった。このように従来は、狭線幅、広帯域、高速可変を実現する波長走査型光源を用いた光断層画像表示システムは実現されていなかった。
【００１０】
本発明は上記課題に着目し、発振スペクトル線幅が狭く波長を広い帯域に渡って高速で走査することができる波長走査型光源を用いることによって、広い測定深度で画像表示することができる光断層画像表示システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決するために、本発明の光断層画像表示システムは、周期的に光の発振波長を走査する波長走査型光源と、前記波長走査型光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、物体からの反射光と参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、物体の測定位置に反射物を配置したときに、前記受光素子からの出力に基づいて得られた信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を算出する信号処理部と、を具備する光断層画像表示システムにおいて、前記波長走査型光源は、発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子と、周期的に選択波長を走査させる波長可変フィルタと、を有し、前記ゲイン素子の自然放出光が前記波長可変フィルタに入射され、選択された波長の光を前記ゲイン素子に再び入射して増幅させることによって、発振波長を走査させた光を出力することを特徴とするものである。
【００１２】
ここで前記波長走査型光源の波長走査周波数は、１０ｋＨｚ以上としてもよい。
【００１３】
ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、前記ゲイン素子から入射された自然放射光の波長を選択的に反射して再び前記ゲイン素子に入力する反射型の波長可変フィルタとしてもよい。
【００１４】
ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、前記波長可変フィルタの側方に配置され、前記波長可変フィルタを透過して選択された波長の光を再び前記波長可変フィルタに入射するように反射するミラーを更に有するようにしてもよい。
【００１５】
ここで前記波長走査型光源の波長可変フィルタは、透過型の波長選択フィルタであり、前記ゲイン素子と前記波長可変フィルタとの間に配置され、ゲイン素子より出射される自然放射光を前記波長可変フィルタに入射すると共に、前記波長可変フィルタを透過した光を再び前記ゲイン素子に帰還させる光サーキュレータを更に具備するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１６】
このような特徴を有する本発明によれば、波長可変フィルタの選択波長を連続的に変化させることにより、発振波長を連続して高速で走査することができる。波長可変フィルタの波長選択特性は走査速度が上昇しても変化しないので、狭帯域のままで高速に走査することができる。従って干渉信号の検出感度が高く、内部深達度も高い光断層画像表示システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は従来の一般的な外部共振器型レーザの構成を示す図である。
【図２】図２は多モード型レーザ光源の特性を示す図である。
【図３】図３は多モード型レーザ光源の走査速度とスペクトル幅の関係を示す図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態による波長走査型光断層画像表示システムの全体構成を示す図である。
【図５】図５は参照光と反射光との周波数の時間的変化を示すグラフである。
【図６】図６は本実施の形態による波長走査型光源のブロック図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態による波長走査型光源の波長可変フィルタの一例を示す図である。
【図８】図８は本実施の形態による波長走査型光源の他の例を示す図である。
【図９】図９は本実施の形態による波長走査型光源の発振状態を示すグラフである。
【図１０】図１０は本実施の形態による波長走査型光源の走査速度とスペクトル幅の関係を示す図である。
【図１１】図１１は本実施の形態の波長可変フィルタとゲイン素子との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図４は本発明の実施の形態による光断層画像表示システムの全体構成を示すブロック図である。本図において波長走査型光源１０は一定の範囲、例えば２２０〜２５０ＴＨｚの光信号を発振する波長走査型の光源であって、その出力は光ファイバ１１に与えられる。光ファイバ１１の他端にコリメートレンズ１２及び参照ミラー１３が設けられる。又この光ファイバ１１の中間部分には、他の光ファイバ１５を接近させて干渉させる合分岐部１４が設けられている。光ファイバ１５の一端には、波長走査型光源１０から合分岐部１４を介して得られた光信号を平行光とするコリメートレンズ１６、光をスキャニングするスキャニングミラー１７が設けられる。スキャニングミラー１７の反射光を受光する位置に、光を測定物に照射するためのレンズ１８が設けられる。スキャニングミラー１７は紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動することによって、平行光の反射角度を変化させ、光の集束位置を水平方向にスキャニング（走査）するものである。さて光ファイバ１５の他端にはレンズ１９を介してフォトダイオード２０を接続する。フォトダイオード２０は、参照ミラー１３からの反射光と測定部位で反射された光の干渉光を受光することによって、そのビート信号を電気信号として得る受光素子である。ここで光ファイバ１１，１５と合分岐部１４、コリメートレンズ１２、参照ミラー１３、コリメートレンズ１６、スキャニングミラー１７、レンズ１８は干渉光学計を構成している。
【００１９】
さてフォトダイオード２０の出力は増幅器２１を介して信号処理部２２に入力される。又波長走査型光源１０は光の走査の開始時点でトリガ信号を生成するものとし、その出力は信号処理部２２に与えられる。信号処理部２２は図示のように光干渉信号の折り返し歪みを除去するローパスフィルタ（ＬＰＦ）３１が設けられ、この出力がＡ／Ｄ変換器３２に与えられる。Ａ／Ｄ変換器３２は所定の等時間間隔でＡ／Ｄ変換を行い、その出力をＣＰＵ３３に出力する。ＣＰＵ３３はこのデータを保持し、後述するアルゴリズムに基づいてフーリエ変換回路３４によってフーリエ変換を行い、得られた画像をモニタ３６に出力するものである。又Ｄ／Ａ変換器３５はＡ／Ｄ変換器３２から出力されるトリガ信号に基づいて、のこぎり波状の画像掃引信号を生成してモニタ３６に出力するものである。
【００２０】
次に、波長走査型光源を用いた光干渉断層計測の原理について説明する。光源から光周波数が連続的にかつ周期的に変化するコヒーレント光を対象物体に照射させ、干渉光学計を用いて物体内部、あるいは生体表皮下層で反射した後方散乱光と参照光とを干渉させる。この干渉光の強度分布を計測し、光周波数の変化に対応した強度分布の変化を測定することによって、深さ方向に沿った断層画像を構築できる。さらに物体上で１次元、２次元に空間ビームを走査することによって、夫々２次元、３次元の断層画像を構築することができる。
【００２１】
干渉光学計において合分岐部１４から２つの腕の光路、すなわち参照ミラー１３までの光路Ｌ１と、物体中の反射面までの光路Ｌ２とが等しいときには、干渉光のビート周波数はゼロとなる。次に、反射光が物体内部のある深さｚから反射するとき、光周波数が時間的に変化していると、その光路差の分、物体からの反射光と参照ミラー１３からの反射光の周波数に差が生じ、干渉光にビートが生じる。ここで、例えば光源の光周波数が時間的に線形に走査されているとする。干渉計の腕の長さが等しい位置に物体の表面があり、物体の反射面は表面から深さｚの位置にのみあるとする。合分岐部１４での参照光の周波数と物体からの反射光（物体光）の周波数の時間的変化は、夫々図５の直線Ａ，Ｂのようになる。ここで光周波数は走査レートα［Ｈｚ／ｓ］で、時間Ｔ［ｓ］内で周波数幅Δｆ＝αＴ［Ｈｚ］にわたって走査されるとする。参照光に対する物体光の遅れ時間τは、物体の屈折率をｎとすると、
τ＝２ｎｚ／ｃ
となる。従ってフォトダイオード２０で受光される干渉光は、ビート周波数
ｆｂ＝ατ＝（Δｆ／Ｔ）（２ｎｚ／ｃ）  ・・・（１）
で変動することになる。
【００２２】
実際は反射光は物体内部の深さに沿って連続的に異なった位置から発生するので、反射光はそれぞれの深さに対応した異なったビート周波数成分をもつ。従って干渉光の強度変化を周波数分析することによって、ビート周波数に対応するある特定の深さからの反射光強度を検出することができる。この反射強度の空間分布をとることで、断層画像を構築できる。
【００２３】
数学的にはこの周波数分析は次式（２）で示される干渉光信号Ｉdctをフーリエ変換することによって得られる。
【数１】
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第１，２項はそれぞれ参照ミラーと、物体からの反射光の直流成分であり、第３項が干渉信号光成分である。これをフーリエ変換することによって、物体中の任意の深さに対応する散乱光強度の関係を得ることができる。
干渉光信号：Ｆ（ｚ）＝ΣＩdct［ｋm］ｅｘｐ（−ｊ２ｋmｚn）  ・・・（３）
ｋm＝ｋ（ｔm）＝２π／λ（ｔm）＝２πｆ（ｔm）／ｃ
上記干渉光信号はｋ空間で均等なサンプリングでフーリエ変換することによって、歪みのない画像が得られる。
【００２４】
このサンプリングのタイミングを与えるトリガ信号は、波長走査型光源１０の走査する光周波数と同期する必要があり、加えて波数、即ち周波数軸上で均等である必要がある。
【００２５】
ここで深さ方向の分解能δｚは式（４）で表され、走査範囲の逆数に比例する、即ち走査範囲が広くなるほど高分解能となる。
δｚ＝（２ｌｎ２／π）・（λ02／Δλ）  ・・・（４）
ここでλ0は中心波長であり、Δλは波長走査範囲である。
【００２６】
次にコヒーレント長Ｌｃは次式で表される。
Ｌｃ＝（２ｌｎ２／π）・（Ｃ／Δν）  ・・・（５）
ここでΔνは動的線幅、即ち波長がシフトしている途中のスペクトル線幅である。
【００２７】
次に式（５）で表されるコヒーレント長Ｌｃは深さ方向の測定距離の２倍に相当し、線幅に反比例して広くなる。つまり波長走査型光源１０としては、広い波長走査範囲と、狭線幅を持つ光源であることが好ましい。
【００２８】
次に本実施の形態による波長走査型光源１０について詳細に説明する。本実施の形態による波長走査型光源１０は、図６にブロック図を示すように、発振波長帯域にゲインを有するゲイン素子４０とそのゲインを制御する制御部４１、及び波長可変フィルタ５０とその制御部６０によって構成されている。又波長可変フィルタ５０は狭帯域の波長を選択するための光フィルタであり、制御部６０はその選択波長を高速に走査するためのものである。
【００２９】
この実施の形態による波長走査型光源は、ゲイン素子４０からの自然放射光を狭帯域の波長可変フィルタ５０に入射し、波長可変フィルタ５０によってその一部の波長を切り出してゲイン素子４０でこの光を増幅することにより、発振する。従って本発明による波長走査型光源は、外部共振器を用いたものではない。
【００３０】
ゲイン素子４０は、例えばＳＯＡ（半導体光増幅器）によって構成される。この場合は制御部４１はＳＯＡに電流を供給する電流供給回路であり、電流値によってＳＯＡのゲインを調整することができる。
【００３１】
又波長可変フィルタ５０とその制御部６０の一例について説明する。波長可変フィルタ５０は図７に示すように回折格子５１を用いることができる。この場合、制御部６０は回折格子５１に入射する光の入射角度を変化することによって選択波長を変化させる機能を有する手段、例えばポリゴンミラー６１と駆動部６２によって構成することができる。この場合に入射光を同一方向に反射させるリトロー配置とすれば、反射型の波長可変フィルタとなる。又制御部６０としては、スキャニングミラーやガルバノミラーとその駆動部によっても構成することができる。
【００３２】
又波長可変フィルタとその制御部の他の例について説明する。図８に示すように波長可変フィルタ５０はファブリペローエタロン５２によって構成することができる。ファブリペローエタロン５２は平行に配置された一対のミラー５３，５４によって構成される。このミラー５３，５４の相対向する面は高反射コートが施され、各ミラー５３，５４の外側の面には無反射コートが施されている。このエタロンフィルタに光を入射するために光ファイバ５５、コリメートレンズ５６が設けられる。そしてファブリペローエタロン５２を通過した光を集光するため、集光レンズ５７と光ファイバ５８が設けられる。この場合には制御部６０はファブリペローエタロン５２の一対のミラーの間隔を制御する機能を有するものであればよく、例えば圧電素子６３とその駆動回路６４を用いることができる。
【００３３】
更に波長可変フィルタ５０は干渉多層膜フィルタを用い、干渉多層膜フィルタに入射する角度を微小に変化させることによって波長を選択するように構成することもできる。
【００３４】
次にこの実施の形態による波長走査型光源の動作について説明する。図９（ａ）はゲイン素子４０の自然放出光（ＡＳＥ光）の発光スペクトルを示している。又図９（ｂ）は自然放出光の発光帯域の一部にピークを有する波長可変フィルタ５０の透過率特性を示している。ゲイン素子４０から光が入射されると、図９（ｃ）に示すように、フィルタリングされた自然放出光が得られる。この光を再びゲイン素子４０で増幅することによって図９（ｄ）に示すように、増幅された自然放出光が得られることとなる。このように自然放射光を狭帯域の波長可変フィルタで切り出すことにより、高速で波長を走査した場合であってもフィルタの特性はそのまま現れ、走査速度の上昇に応じてスペクトル幅が拡大することはない。
【００３５】
図１０はこの波長走査速度とスペクトル幅との関係を示すグラフである。従来の外部共振器型の波長可変フィルタでは、走査周波数を上昇させるにつれて発振スペクトル幅が図３に示すように徐々に上昇していく。一方本実施の形態による波長走査型光源では、図１０に示すように走査速度にかかわらずスペクトル幅は一定となる。従って図３に示す従来の特性に比べて１０〜２０ｋＨｚ以上の走査速度で従来に比べて効果がある。従ってこの波長走査型光源１０は高速の走査が必要な光断層画像表示システムの光源として好適に使用することができる。
【００３６】
次に波長可変フィルタとゲイン素子の種々の配置例について図１１を用いて説明する。尚図１１では、制御部４１，６０を省略している。図１１（ａ）は波長可変フィルタ５０が反射型の場合である。この場合にはゲイン素子４０からの出力を波長可変フィルタ５０に入射し、その反射光を再びゲイン素子４０で増幅することによって発振することができる。
【００３７】
又図１１（ｂ）は波長可変フィルタ５０が透過型の場合である。この場合には波長可変フィルタ５０の外側にミラー７１を設け、ゲイン素子４０より出射した自然放射光を波長可変フィルタ５０を介してミラー７１に入射する。ミラー７１で反射された光は再び波長可変フィルタ５０を介してゲイン素子４０に戻る。このため波長可変フィルタ５０を２回透過することとなって波長選択特性を改善することができる。この場合には前述したエタロンフィルタなどが用いられる。
【００３８】
図１１（ｃ）は波長可変フィルタが透過型フィルタであり、ゲイン素子４０の自然放射光を光サーキュレータ７２を介して波長可変フィルタ５０に入射するものである。波長可変フィルタ５０を透過した光は光サーキュレータ７２を介して再びゲイン素子４０に帰還する。この場合にも波長可変フィルタ５０の波長選択特性によって狭帯域の波長とすることができる。
【００３９】
本発明は波長走査型光源として外部共振器型のレーザ光源を用いず、ゲイン素子の自然放射光を狭帯域フィルタで切り取ることによって狭帯域の波長としている。従って高速で走査してもスペクトルの広がりがなく、光断層画像表示システムに適用することにより、光断層画像を広い測定深度で表示することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は高速で走査してもスペクトルの広がりがない波長走査型光源を光断層画像表示システムに適用している。従って本発明は光断層画像を広い測定深度で表示することができ、物体の表面下部の内部構造の画像、あるいは生体組織の表皮下層断層の画像を観察する光断層画像表示システムに好適に使用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０  波長走査型光源
１１，１５  光ファイバ
１３  参照ミラー
１７  スキャニングミラー
２０  フォトダイオード
２１  増幅器
２２  信号処理部
４０  ゲイン素子
４１  制御部
５０  波長可変フィルタ
５１  回折格子
５２  ファブリペローエタロン
６０  制御部
６１  ポリゴンミラー
６２  駆動部
６３  圧電素子
６３  駆動回路
７１  ミラー
７２  光サーキュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010175271.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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