(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を用いて複数の光学結晶又は活性イオンから得られるそれぞれの蛍光を励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いる光波断層画像測定用高空間分解能合成光源であって、前記複数の光学結晶が、第１のレーザ結晶と第２のレーザ結晶からなり、前記第１のレーザ結晶と第２のレーザ結晶を直列に配置し、前記第２のレーザ結晶から得られる蛍光を、前記励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いることを特徴とする光波断層画像測定用高空間分解能合成光源。
【請求項２】
請求項１記載の光波断層画像測定用高空間分解能合成光源において、前記励起光は５３２ｎｍ、前記第１のレーザ結晶はＴｉ：サファイア、前記第２のレーザ結晶はＣｒ：フォーステライトからなることを特徴とする光波断層画像測定用高空間分解能合成光源。
【請求項３】
励起光により活性イオンをコア部分にドープした第１のファイバーと第２のファイバーを励起して得られる蛍光を励起光カットフィルターで励起光をカットし合成された蛍光のみを用いる光波断層画像測定用高空間分解能合成光源であって、前記第１のファイバーと前記第２のファイバーを直列に配置し、前記第２のファイバーから得られる蛍光を、前記励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いることを特徴とする光波断層画像測定用高空間分解能合成光源。
【請求項４】
請求項３記載の光波断層画像測定用高空間分解能合成光源において、前記励起光は５３２ｎｍ、前記第１のファイバーのコアにＴｉイオンをドープし、前記第２のファイバーのコアにＣｒイオンをドープすることを特徴とする光波断層画像測定用高空間分解能合成光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波断層画像測定用高空間分解能合成光源に係り、特に多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術文献としては、以下に挙げられるようなものがあった。
【０００３】
〔１〕Ｂｒｅｔｔ  Ｅ．Ｂｏｕｍａ，Ｌｙｎｎ  Ｅ．Ｎｅｌｓｏｎ，Ｇｕｉｌｌｅｒｍｏ  Ｊ．Ｔｅａｒｎｅｙ，Ｄａｖｉｄ  Ｊ．Ｊｏｎｅｓ，Ｍａｒｋ  Ｅ．Ｂｒｅｚｉｎｓｋｉ，  ａｎｄ  Ｊａｍｅｓ  Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，“Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  Ｈｕｍａｎ  Ｔｉｓｓｕｅ  ａｔ  １．５５μｍ  ａｎｄ  １．８１μｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｅｒ−  ａｎｄ  Ｔｍ−ｄｏｐｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ  １９９８，ｐｐ．７６−７９
〔２〕Ｍａｒｖｉｎ  Ｊ．Ｗｅｂｅｒ，Ｐｈ．Ｄ．“Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒｓ”，ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，ｐｐ．１２−１３
〔３〕Ｗａｌｔｅｒ  Ｋｏｅｃｈｎｅｒ，“Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ”，Ｔｈｉｒｄ  Ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ  Ｒｅｖｉｓｅｄ  ａｎｄ  Ｕｐｄａｔｅｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ，ｐｐ．７４−７９
〔４〕Ｙａｎ  Ｚｈａｎｇ，Ｍａｎａｂｕ  Ｓａｔｏ  ａｎｄ  Ｎａｏｈｉｒｏ  Ｔａｎｎｏ，“Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｂｙ  Ｏｐｔｉｍａｌ  Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．４，Ｆｅｂｒｕａｒｙ  １５，２００１，ｐｐ．２０５−２０７
0003626149.tif 000002
〔６〕Ｙ．Ｊ．Ｒａｏ，Ｙ．Ｎ．Ｎｉｎｇ，ａｎｄ  Ｄ．Ａ．Ｊａｃｋｓｏｎ，“Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ  Ｓｅｎｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”，Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．６，Ｍａｒｃｈ  １５，１９９３，ｐｐ．４６２−４６４
〔７〕Ｄ．Ｎ．Ｗａｎｇ，Ｙ．Ｎ．Ｎｉｎｇ，Ｋ．Ｔ．Ｖ．Ｇｒａｔｔａｎ，Ａ．Ｗ．Ｐａｌｍｅｒ，ａｎｄ  Ｋ．Ｗｅｉｒ，“Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ  Ｍｕｌｔｉｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ  Ｕｓｅ”，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．３１，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １，１９９４，ｐｐ．７３２６−７３３３
〔８〕Ａｎｇｅｌａ  Ｂａｕｍｇａｒｔｎｅｒ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈ  Ｋ．Ｈｉｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｈａｒａｌｄ  Ｓａｔｔｍａｎｎ，Ｗｏｌｆｇａｎｇ  Ｄｒｅｘｌｅｒ，ａｎｄ  Ａｄｏｌｆ  Ｆ．Ｆｅｒｃｈｅｒ，“Ｓｉｇｎａｌ  ａｎｄ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｄｕａｌ  Ｂｅａｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｕｍａｎ  Ｅｙｅ”，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ  １９９８，ｐｐ．４５−５４
図１はスペクトル関数とコヒーレンス関数との間のフーリエ変換による変換の説明図である。
【０００４】
スペクトル関数は、ウィーナーキンチンの定理でコヒーレンス関数と図１に示すようにフーリエ変換で関係付けられている。よって、スペクトル関数をガウス分布と仮定すると、中心波長λ0 、スペクトル幅Δλよりコヒーレンス長ＬC は厳密に後述する式（１）式で与えられる。
【０００５】
光波コヒーレンス断層画像化法では、奥行き空間分解能は原理的にコヒーレンス長ＬC の半分で与えられる。よって、如何にコヒーレンス長ＬC の短い光源を実現するかが問題となる。これに対して、米国のＭＩＴのグループは、レーザ光源にモードロックの技術を用いて、１μｍ程度のコヒーレンス長を有する光源を実現させているが、実用面では装置が大型、高価、操作が困難などの問題がある（文献〔５〕参照）。そこで、従来、複数の光源を組み合わせてコヒーレンス長を短くする試みがなされてきた（文献〔６〕参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の複数の光源を組み合わせてコヒーレンス長を短くしようとする試みは、光波コヒーレンス断層画像化法への応用を意図したものでないために、図２に示すようなサイドローブの問題があり、従来この問題に対しては、詳細な検討がなされていなかった（文献〔７〕参照）。
【０００７】
これに対して、本願発明者らはすでに多光波光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源（特願２００１−７５０１）を提案している。
【０００８】
本発明は、その提案された高空間分解能合成光源をレーザ結晶から得られる蛍光に応用することにより、半導体素子の限られた光学特性を超えて、さらなる高空間分解能を実現することができる光波断層画像測定用高空間分解能合成光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕励起光を用いて複数の光学結晶又は活性イオンから得られるそれぞれの蛍光を励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いる光波断層画像測定用高空間分解能合成光源であって、前記前記複数の光学結晶が、第１のレーザ結晶と第２のレーザ結晶からなり、前記第１のレーザ結晶と第２のレーザ結晶を直列に配置し、前記第２のレーザ結晶から得られる蛍光を、前記励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いることを特徴とする。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の光波断層画像測定用高空間分解能合成光源において、前記励起光は５３２ｎｍ、前記第１のレーザ結晶はＴｉ：サファイア、前記第２のレーザ結晶はＣｒ：フォーステライトからなることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕励起光により活性イオンをコア部分にドープした第１のファイバーと第２のファイバーを励起して得られる蛍光を励起光カットフィルターで励起光をカットし合成された蛍光のみを用いる光波断層画像測定用高空間分解能合成光源であって、前記第１のファイバーと前記第２のファイバーを直列に配置し、前記第２のファイバーから得られる蛍光を、前記励起光カットフィルターで励起光をカットし、合成された蛍光のみを用いることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔３〕記載の光波断層画像測定用高空間分解能合成光源において、前記励起光は５３２ｎｍ、前記第１のファイバーのコアにＴｉイオンをドープし、前記第２のファイバーのコアにＣｒイオンをドープすることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
まず、本発明に関連する従来の技術（上記従来技術と重複するが）から順次、詳細に説明することにする。
【００１５】
光波コヒーレンス断層画像化法では、得られる断層データは、生体試料の屈折率分布と光源のコヒーレンス関数との畳み込み積分であるので、コヒーレンス関数において中心のメインピーク幅の半分が光軸方向の空間分解能になる。
【００１６】
通常は、コヒーレンス関数のメインピーク幅（半値全幅）がコヒーレンス長と呼ばれ、この１／２が深さ方向の分解能となる。
【００１７】
よって、光軸方向分解能ΔＺ、コヒーレンス長ｌC 、スペクトル幅Δλなどは次式で示される（図１参照）。
【００１８】
ΔＺ＝ｌc ／２＝（２ｌn ２／π）（λ0 2 ／Δλ）              …（１）
一方、コヒーレンス関数にサイドローブがあり、それが無視できない場合は、バックグランドになり画像の分解能を低下させる。そこで、複数の波長の異なる光源の光波を合成させた場合、中心のメインピークの幅を狭くする事は容易であるが、一般に大きなサイドローブが発生してしまう。
【００１９】
よって、複数の波長の異なる光源の光波を合成させた場合、コヒーレンス長ＬC とサイドローブ強度ＩS を同時に減少させるパラメータ条件が重要である。
【００２０】
これに対して、従来、複数の光源の波長、スペクトル幅をパラメータとして検討が行われたが十分ではない。そこで、実現可能な半導体発光素子でのそれぞれの光波の強度を制御することによって、コヒーレンス長ＬC の減少と同時にサイドローブ強度ＩS の抑圧を可能とする方法を提案し、すでに特許出願を行った。
【００２１】
その場合の数値解析例を以下に簡単に述べる。
【００２２】
図２は半導体発光素子でのそれぞれの光波の強度を制御することによって、コヒーレンス長ＬC の減少と同時にサイドローブ強度Ｉｓの抑圧を行う場合の説明図である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、仮に３つの光源の場合、コヒーレンス関数γ(x)は次式となる。
【００２４】
【数１】
0003626149.tif 000003
ここで、Ｎは光源の数、Ｉi はｉ番目の光強度、ｌciはＩ番目のコヒーレンス長、νI はｉ番目の光の周波数、ｃは光速である。この時に、３つの光源の強度、中心波長、波長幅を最適化のパラメータとする。制限条件は、実際のデバイスを考慮して、中心波長：７００ｎｍ−８３０ｎｍ、光強度：Ｉ1 ＝１，Ｉ2,3 ＝０．２〜５、波長幅：＜４０ｎｍのようにした。この時、評価関数Ｆとして次式を定義する。
【００２５】
Ｆ＝Ｗ1 ＋Ｗ2                                               …（３）
ここで、Ｗ1 はコヒーレンス関数の中心のメインピークの半値全幅で、Ｗ2 は中心のメインピークの５％の強度での半値全幅である。この評価関数を用いる場合、サイドローブを５％以下に押え込んだ状態で、ピーク幅の最小パラメータ条件が得られる。
【００２６】
最適パラメータは、Ｉ1 ：Ｉ2 ：Ｉ3 ＝１．００：２．１７：０．６５，λ1 ＝７００ｎｍ，λ2 ＝７３０ｎｍ，λ3 ＝７７０ｎｍ，ＬC1＝１４．７μｍ，ＬC2＝１２．４μｍ，ＬC3＝１３．２μｍと得られた。また、Δλは式（１）より求められる。
【００２７】
コヒーレンス関数は図３に示すように、サイドローブが抑制されつつコヒーレンス長も単独の光源のコヒーレンス長１５μｍに比べて７．３μｍと約４９％に低減されており、本発明の有効性が示されている。具体的には、図４に示すように、それぞれの光源の中心波長、スペクトル幅、強度が最適条件を満たすようにセットして、多光波光源からの出力を光ファイバーカップラーＡで結合し、単一のファイバー合成光源とする。
【００２８】
以上に対して、本発明は、多光波光源の各光源にレーザ結晶から発せられる蛍光を用いることである。蛍光をＯＣＴの光源に用いる例は、文献〔１〕に示すようにすでにあるが、複数の蛍光光源を用いて空間分解能を高める方法はまだ報告されていない。これの大きな特徴は、中心波長が生体に有用な近赤外領域にあり、スペクトル幅が半導体素子に比較して、非常に広く発光効率も良いことである。これにより、高空間分解能化が実現される。また、昨今の全固体レーザ技術の進展に伴って小型化が容易であり、コスト的にも実用化に向けて大きな問題はない。
【００２９】
文献〔２〕では、各レーザ結晶での波長可変領域が示されており、生体に対して比較的減衰が少ない近赤外領域をカバーしているのが分かる。ここで、代表的なレーザ結晶、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ（Ｔｉ：サファイア）とＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ（Ｃｒ：フォーステライト）について、数値検討結果を述べる。
【００３０】
それぞれの蛍光は、レーザ光源として一般的であるＮｄ：ＹＡＧの第二高調波である５３２ｎｍの光波で励起され、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅでは、中心波長７５５ｎｍ、波長幅（半値全幅）１６１ｎｍでコヒーレンス長３．１１μｍ、Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅでは、中心波長１０３５ｎｍ、波長幅（半値全幅）３００ｎｍでコヒーレンス長は３．１４μｍとなり、奥行き方向分解能はその半分となる。
【００３１】
これに対して、図５にＴｉ：ＳのみとＴｉ：ＳとＣｒ：Ｆの強度比を１：１にした場合のコヒーレンス関数の光路差依存性を示した。後者の方が同じピーク値に関わらず全体の幅が狭くなっているのが分かる。
【００３２】
また、図６にＴｉ：ＳのみとＴｉ：ＳとＣｒ：Ｆの強度比を２．２：１にした場合のコヒーレンス関数の光路差依存性を示した。図５と同様に同じピーク値に関わらず後者の方が全体の幅が狭くなり、空間分解能が改善されているのが分かる。このシミュレーション結果と実験結果が対応することは、本願発明者らが論文で実証している（文献〔４〕参照）。
【００３３】
具体構成例を以下に述べる。レーザ結晶は、母体結晶に吸収・蛍光放出のようなレーザ発振の中心的な役割を果たすＴｉ，Ｃｒ，Ｎｄなどの活性イオンをある濃度で含むものである。それぞれのレーザ結晶は、その吸収スペクトル、蛍光スペクトルで最適な励起波長、発振波長が決まっている。先の例ではＳａｐｐｈｉｒｅとＦｏｒｓｔｅｒｉｔｅにそれぞれＴｉとＣｒがドープされているものである。
【００３４】
図７は本発明の第１実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【００３５】
この図に示すように、一般的なＮｄ：ＹＡＧレーザの２倍高調波である波長５３２ｎｍの励起光をハーフミラー３で２分割して、第１のレーザ結晶１（Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ）と第２のレーザ結晶２（Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ）を励起して、それぞれの蛍光をハーフミラー６で合波後、励起光カットフィルター７で励起光をカットし合成された蛍光のみを得る。なお、４はハーフミラー３からの励起光を反射して第２のレーザ結晶２に照射するミラー、５は第２のレーザ結晶２からの蛍光を反射してハーフミラー６へ照射するミラーである。
【００３６】
各強度は、ドープ濃度、結晶長などのパラメータで制御可能である。
【００３７】
図８は本発明の第２実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【００３８】
上記した本発明の第１実施例では、ハーフミラーを用いたが、この実施例では、ハーフミラーを用いないように構成する。つまり、図８に示すように、励起光を第１のレーザ結晶１１と第２のレーザ結晶１２を直列に用いて励起し、蛍光を重ねて、その蛍光を励起光カットフィルター１３で励起光をカットし合成された蛍光のみを得る。
【００３９】
図９は本発明の第３実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【００４０】
現在、活性イオンをファイバーのコアの部分にドープしたファイバーレーザやファイバーアンプが一般に用いられている。そこで、Ｔｉ，Ｃｒイオンをコアにドープしたファイバーを、それぞれ第１のファイバー２１，第２のファイバー２２として、２つのファイバーを直列に接続し、励起光を第１のファイバー２１から導入して励起し、第２のファイバー２２から得られる出力光を励起光カットフィルター２３により励起光をカットし合成された蛍光のみを得る。すなわち、励起光カットフィルター２３で励起光をカットして２つの重なった蛍光のみを取り出す。各強度は、ドープ濃度、ファイバー長などで制御可能である。
【００４１】
なお、図示しないが、第１のファイバーと第２のファイバーとを並列に配置して、それぞれのファイバーからの蛍光をハーフミラーで合波後、励起光カットフィルターで励起光をカットして２つの重なった蛍光のみを取り出すようにしてもよい。
【００４２】
以上、述べたように多数の光源の光波を合成する考えを、一般のレーザ結晶や活性イオンを含むファイバからの蛍光に応用することにより、半導体素子の限られた光学特性を超えて、さらなる高空間分解能を実現することができる。
【００４３】
また、上記したように、本発明によれば、汎用の安価なレーザ結晶を用いた合成光源で高空間分解能化が可能になることから、コストダウン、小型・軽量化、光源の簡素化から安定化・信頼性の向上が期待される。
【００４４】
よって、医学分野では汎用化に伴う医療サービスの向上、さらに、半導体産業分野への需要拡大などの波及効果も考えられる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、波長幅や出力で制約の大きい半導体発光素子に比べて、汎用の安価なレーザ結晶を用いた合成光源で高空間分解能化が可能になることから、コストダウン、小型・軽量化、光源の簡素化から安定化・信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スペクトル関数とコヒーレンス関数との間のフーリエ変換による変換の説明図である。
【図２】従来技術の問題点（サイドローブ）の説明図である。
【図３】多光波光源によるサイドローブが改善された状態を示す図である。
【図４】サイドローブが改善された単一のファイバー合成光源を示す図である。
【図５】Ｔｉ：ＳのみとＴｉ：ＳとＣｒ：Ｆの強度比を１：１にした場合のコヒーレンス関数の光路差依存性を示す図である。
【図６】Ｔｉ：ＳのみとＴｉ：ＳとＣｒ：Ｆの強度比を２．２：１にした場合のコヒーレンス関数の光路差依存性を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【図８】本発明の第２実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【図９】本発明の第３実施例を示す多蛍光源による光波断層画像測定用高空間分解能合成光源の構成図である。
【符合の説明】
１，１１    第１のレーザ結晶
２，１２    第２のレーザ結晶
３，６    ハーフミラー
４，５    ミラー
７，１３，２３    励起光カットフィルター
Ａ    光ファイバーカップラー
２１    第１のファイバー
２２    第２のファイバー
【図１】
0003626149.tif 000004
【図２】
0003626149.tif 000005
【図３】
0003626149.tif 000006
【図４】
0003626149.tif 000007
【図５】
0003626149.tif 000008
【図６】
0003626149.tif 000009
【図７】
0003626149.tif 000010
【図８】
0003626149.tif 000011
【図９】
0003626149.tif 000012