(57)【要約】【課題】高分解能、高速、かつ安価な、光干渉断層撮影法を用いた動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡を提供すること。【解決手段】シングルモードファイバ１０１に、波長が掃引されているレーザー光が入射される。入射された光はファイバカプラ１０２によって分割され、一方は被測定物１２０に向かい、もう一方は参照光としてミラー１０８で反射される。被測定物１２０内で反射された光は、レンズ１０５、可変焦点レンズ１０４、レンズ１０３を経由してシングルモードファイバ１０１に再結合する。この時、シングルモードファイバ入射位置と被測定物内の焦点とは共焦点の関係にあり、被測定物１２０内からの反射光のうちシングルモードファイバ１０１に再結合するのは焦点位置からの反射光のみである。焦点位置は、可変焦点レンズ１０４を用いて変更可能であり、奥行き方向の反射率分布を求めることが可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物内で焦点を持つレンズを備えた光干渉断層顕微鏡であって、
光の中心周波数が時間的に掃引される波長掃引光を出力する光源と、
前記波長掃引光を前記測定対象物の焦点位置に照射し、前記焦点位置からの反射光を選択的に取り出す共焦点光学系と、
前記焦点位置を光軸方向に移動可能な可変焦点レンズと、
前記焦点位置からの反射光を受光するフォトディテクタと、
前記焦点位置と同期してフィルタ周波数を変化可能な周波数可変バンドパスフィルタと、
を備えたことを特徴とする動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡。
【請求項２】
光合分波器と、
ミラーと、
をさらに備え、前記光合分波器は、前記波長掃引光を前記測定対象物に照射する光と前記ミラーに照射する光とに分波し、前記測定対象物および前記ミラーからの反射光を合波して前記フォトディテクタに出射し、前記ミラーは、前記光合分波器からの光路長が前記光合分波器と前記測定対象物の焦点位置間の光路長と等しくなるよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡。
【請求項３】
前記可変焦点レンズは、電気光学結晶Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3を用いた可変焦点レンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡。
【請求項４】
前記光合分波器は、光導波路型の合分波器およびビームスプリッタのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡。
【請求項５】
前記周波数可変バンドパスフィルタは、前記フィルタ周波数が前記焦点位置からの反射光のビート周波数と一致するよう設定されることを特徴とする請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光干渉断層撮影法（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）を用いた動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療における生体断層撮影、製造業における内部応力検査や内部構造検査において、光干渉断層撮影法（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）が用いられてきた。
【０００３】
ＯＣＴは、大きく二つに分類するとＴｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）とＦｏｕｒｉｅｒ  Ｄｏｍａｉｎ  ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）に分けられる。前者のＴＤ−ＯＣＴは、可干渉距離の短い光源を二光束に分け、一方を信号光、もう一方を参照光とする。参照光は参照ミラーによって反射され、信号光は測定対象物によって反射され、両者の光を干渉させ、干渉信号の大きさで対象物の反射率を求める。ここで、使用光の可干渉距離が短いので、参照光と信号光の光路長が等しいときのみ干渉信号が現れる。参照ミラーを光軸方向に前後させることで、対象物の異なる深さの反射率を求めることができる。
【０００４】
対象物による反射は参照ミラーの位置にかかわらず常に生じているが、参照ミラーの位置に対応していない反射光は使われずに捨てられる。従って、ＴＤ−ＯＣＴの光利用効率は高くないが、一般的に後者のＦＤ−ＯＣＴに比べて奥行き方向の解像度がよい。ＴＤ−ＯＣＴでは、特長である高分解能を進ませ、奥行き方向を法線とする面内方向の分解能を向上させ、かつ、深達度を高める方法として、レンズを用いたインフォーカスＯＣＴと呼ばれる手法も検討されている（非特許文献１）。
【０００５】
また、ＴＤ−ＯＣＴに比べて感度の良いＦＤ−ＯＣＴは、さらにＳｐｅｃｔｒａｌ  Ｄｏｍａｉｎ  ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）とＳｗｅｐｔ  Ｓｏｕｒｃｅ  ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）に分類され、ＳＤ−ＯＣＴはＴＤ−ＯＣＴと同様に可干渉距離の短い光源を用いるが、ＳＳ−ＯＣＴは可干渉距離の長い光源を用い、その中心波長を掃引する。ＦＤ−ＯＣＴは、光の有効活用による高感度性に特長を持つが、干渉信号取得にＴＤ−ＯＣＴの様な参照ミラー移動機構を必要としないことから、ＴＤ−ＯＣＴよりも高速な測定が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２８６７３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】近江雅人、垣本晃宏、西垣恵、春名正光、「照射レンズの集光効果を利用したインフォーカスＯＣＴ」、第３２回光波センシング技術研究会講演論文集、ｐｐ．５９−６４、Ｄｅｃ．２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このインフォーカスＯＣＴでは、レンズによる集光深さを高速に移動させることが困難であって光利用効率が悪いこと、かつ、参照ミラーを機械的に駆動する必要があることから、高速化が困難であるという課題がある。
【０００９】
また、ＳＳ−ＯＣＴでは、フォトディテクタ（ＰＤ）で受光した干渉信号をフーリエ変換したとき、周波数が奥行きに対応することを用いているため、ＳＳ−ＯＣＴでは機械的可動部分がないので高速化に適している一方で、電気処理の負荷は大きい。通常、ＰＤの信号はＡＤ変換され、フーリエ変換は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うＤＳＰやＦＰＧＡにて行われる。例えば、波長掃引が２．５μｓで行われ、それを４０９６点のサンプリングにて実行する場合、ＡＤコンバーターは１．６４ＧＳＰＳのサンプリング速度を持たねばならないし、４０９６サンプル点のＦＦＴをデータ転送を含めて２．５μｓで完了しなければならない。これらは、現在では実現可能な値ではあるが、数百万円を要し、高コストであるという課題がある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、高分解能、高速、かつ安価な、光干渉断層撮影法を用いた動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、測定対象物内で焦点を持つレンズを備えた光干渉断層顕微鏡であって、光の中心周波数が時間的に掃引される波長掃引光を出力する光源と、前記波長掃引光を前記測定対象物の焦点位置に照射し、前記焦点位置からの反射光を選択的に取り出す共焦点光学系と、前記焦点位置を光軸方向に移動可能な可変焦点レンズと、前記焦点位置からの反射光を受光するフォトディテクタと、前記焦点位置と同期してフィルタ周波数を変化可能な周波数可変バンドパスフィルタと、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡において、光合分波器と、ミラーと、をさらに備え、前記光合分波器は、前記波長掃引光を前記測定対象物に照射する光と前記ミラーに照射する光とに分波し、前記測定対象物および前記ミラーからの反射光を合波して前記フォトディテクタに出射し、前記ミラーは、前記光合分波器からの光路長が前記光合分波器と前記測定対象物の焦点位置間の光路長と等しくなるよう配置されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡において、前記可変焦点レンズは、電気光学結晶Ｋ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3を用いた可変焦点レンズを含むことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡において、前記光合分波器は、光導波路型の合分波器およびビームスプリッタのいずれかであることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡において、前記周波数可変バンドパスフィルタは、前記フィルタ周波数が前記焦点位置からの反射光のビート周波数と一致するよう設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、高分解能、高速、かつ安価な光干渉断層撮影法を用いた動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す図である。
【図２】フォトディテクタに接続された周波数可変バンドパスフィルタの構成を示す図である。
【図３】（ａ）は、フォトディテクタから出力された信号強度の時間変化を示す図であり、（ｂ）は、バンドパスフィルタから出力された信号強度の時間変化を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す図である。
【図５】本発明の一実施例に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１９】
本発明は、ＴＤ−ＯＣＴで用いられているインフォーカスＯＣＴと、奥行き情報を取得するときに機械駆動部分のないＳＳ−ＯＣＴの利点を組合せ、高速でかつ高精細なＯＣＴ像を取得することを特徴とする。
【００２０】
（実施形態１）
図１に、本発明の一実施形態に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す。図１では、奥行き方向のデータ取得に関する部分のみを示しており、奥行き方向を法線とする面内方向のデータ取得は示されていない。
【００２１】
シングルモードファイバ１０１に、線幅δλのレーザー光が入射される。このレーザー光は周期Ｔ、波長掃引幅Δλ、中心波長λ0にて波長が掃引されているものとする。入射された光はファイバカプラ１０２によって分割され、一方は被測定物１２０に向かい、もう一方は参照光としてミラー１０８で反射される。被測定物１２０に向かった光は、レンズ１０３でコリメートされた後、可変焦点レンズ１０４と焦点距離が固定のレンズ１０５を経由して、被測定物１２０の内側で集光される。
【００２２】
被測定物１２０内で反射された光は、レンズ１０５、可変焦点レンズ１０４、レンズ１０３を経由してシングルモードファイバ１０１に再結合する。この時、シングルモードファイバ入射位置と被測定物内の焦点とは共焦点の関係にあり、被測定物１２０内からの反射光のうちシングルモードファイバ１０１に再結合するのは焦点位置からの反射光のみであり、焦点位置以外からの反射光はシングルモードファイバ１０１に再結合しない。焦点位置は、可変焦点レンズ１０４を用いて変更可能であり、奥行き方向の反射率分布を求めることが可能である。
【００２３】
散乱や吸収の小さな被測定物１２０の場合、参照光との干渉を使わなくても通常の共焦点顕微鏡と同じ分解能を達成可能である。しかし、散乱や吸収の大きな被測定物１２０の場合、表面近傍からの反射光が強いために迷光の強度レベルが大きく、焦点位置からの反射光が埋もれてしまい、測定が出来なくなる。
【００２４】
そこで、迷光の中から信号光を取り出すために、参照光との干渉を用いる。被測定物１２０からの反射光と、ミラー１０８からの反射光はファイバカプラ１０２を通じて合波され、フォトディテクタ１０９にて受光される。
【００２５】
フォトディテクタ１０９以降の信号処理について、図２、３を用いて説明する。
【００２６】
図２に、フォトディテクタに接続された周波数可変バンドパスフィルタの構成を示す。周波数可変バンドパスフィルタ１１０は、フィルタ周波数を調整することで、フォトディテクタ１０９から出力された信号から任意の周波数成分のみ抽出することができる。被測定物１２０の表面にて、参照光との光路長差が０として、表面からの深さＬからの反射光と参照光のビート周波数ｆは、
【００２７】
【数１】
2014115161.tif 000003
【００２８】
で表される。ここで、ｎは被測定物１２０の屈折率である。可変焦点レンズ１０４によって、焦点位置がＬの時に、周波数可変バンドパスフィルタ１１０のフィルタ周波数を（１）式で与えられるｆにすれば、表面からの迷光とは関係なく、焦点位置からの信号のみビート信号として抽出することが可能である。例えば、典型的な例として、被測定物１２０の表面からの深さＬ＝１ｍｍ、屈折率ｎ＝１．３、およびレーザー光の波長掃引幅Δλ＝１００ｎｍ、周期Ｔ＝５μｓ、中心波長λ0＝１．３μｍのとき、ビート周波数ｆ＝３０ＭＨｚである。
【００２９】
さらに、実際には、増幅周波数と可変焦点レンズ１０４のレンズパワーは、波長掃引光源の波長掃引と同期して変調する。図３（ａ）に、フォトディテクタから出力された信号強度の時間変化を示し、図３（ｂ）に、バンドパスフィルタから出力された信号強度の時間変化を示す。フォトディテクタ１０９からの信号が図３（ａ）に示されるような迷光を含む複数の反射面からの合成であるとき、波長掃引に同期してフィルタ周波数と焦点位置を変調された信号は図３（ｂ）の様に、奥行き情報が時間に変換されて得られる。この方法により、高価な高速ＡＤ変換器や高速ＦＦＴ回路無しに、対象物の異なる深さの反射率を高速に測定可能としている。
【００３０】
ここで、可変焦点レンズ１０４として、ＫＴＮ結晶を用いた可変焦点レンズを用いると、高速焦点移動が可能となる（特許文献１参照）。
【００３１】
また、図１において、シングルモードファイバ１０１とファイバカプラ１０２を用いた光学系を例示したが、本発明で重要なのは、共焦点光学系、参照光と信号光の干渉、波長掃引光源の組合せであり、他の空間光学系を用いた構成においても実施可能である。
【００３２】
（実施形態２）
図４に、本発明の一実施形態に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す。波長掃引光はビームスプリッタ２０１によって２つに分岐され、一方は参照光としてミラー２０２で反射されフォトディテクタ２０３へ進む。もう一方の光束はレンズ２０４によってピンホール２０５に集光され、レンズ２０６でコリメートされた後、可変焦点レンズ２０７とレンズ２０８によって被測定物２２０内で集光される。反射光はレンズ２０８、可変焦点レンズ２０７、レンズ２０６を通ってピンホール２０５を透過後、レンズ２０４、ビームスプリッタ２０１を経由してフォトディテクタ２０３に進む。フォトディテクタ２０３以降の処理は、実施形態１と同じである。
【実施例】
【００３３】
図５に、本発明の一実施例に係る動的焦点移動型光干渉断層顕微鏡の光学系を示す。波長掃引光は、中心波長１．３μｍ、掃引幅１００ｎｍ、掃引周波数２００ｋＨｚ（デューティ９０％）、ビーム径３ｍｍφの直線偏光した光とする。
【００３４】
ビームは偏向ビームスプリッタ３０１によって２光束に分岐され、図面上方に進行する光を参照光、図面右方向に進む光を信号光とする。
【００３５】
参照光は、λ／４波長板３０２を経由し、ミラー３０３で反射され、再びλ／４波長板３０２と偏向ビームスプリッタ３０１を経由してフォトディテクタ３０４に達する。
【００３６】
信号光は、λ／４波長板３０２を経由し、焦点距離７．５ｍｍのレンズ３０５を経由し、直径７μｍのピンホール３０６を経由し、同じく焦点距離７．５ｍｍのレンズ３０７によってコリメートされる。ＫＴＮ可変焦点レンズ３０８は４個用い、中央に半波長板３０９を挟む。４個のＫＴＮ可変焦点レンズ３０８と半波長板３０９とは、それら全体として焦点距離が∞〜２０ｃｍの間で変化可能なように電圧制御される。
【００３７】
次いで、信号光は、１ｋＨｚで駆動する可動ミラー（ガルバノミラー）３１０によって方向を変調させる機構を経由して、焦点距離２０ｍｍのレンズ３１１を経由して被測定物３２０内で集光させる。
【００３８】
ＫＴＮ可変焦点レンズ３０８とレンズ３１１の合成による、焦点位置可変幅は約２ｍｍとなる。被測定物３２０の屈折率を１．３とすると、集光スポットサイズは１３μｍであるから、面内分解能は約１０μｍとなる。焦点深度は１３０μｍであるから、参照光との干渉を用いなければ、奥行き方向の分解能は面内方向に比べて格段に劣化する。
【００３９】
２００ｋＨｚのデューティ９０％にて、ビームの周期Ｔ＝４．５μｓであるから、奥行き分解能ΔＬ＝１０μｍを要求すると、周波数可変バンドパスフィルタのバンド幅は３４０ｋＨｚが要求される。尚、波長掃引、可変焦点レンズ、周波数可変バンドパスフィルタの波長は、実施形態１，２と同様に同期させている。
【符号の説明】
【００４０】
１０１  シングルモードファイバ
１０２  ファイバカプラ
１０３、１０５、１０６、１０７、２０４、２０６、２０８、３０５、３０７、３１１  レンズ
１０４、２０７  可変焦点レンズ
１０８、２０２、３０３  ミラー
１０９、２０３、３０４  フォトディテクタ
１２０、２２０、３２０  被測定物
１１０  周波数可変バンドパスフィルタ
２０１、３０１  ビームスプリッタ
２０５、３０６  ピンホール
３０２  λ／４波長板
３０８  ＫＴＮ可変焦点レンズ
３０９  半波長板
３１０  可動ミラー
【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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