(57)【要約】光源と、前記光源が発生した光を、搬送波がコヒーレントで、隣接する波形間の干渉が低く、測定対象物の観察目標領域の深さ範囲よりパルス幅の空間長が小さい光パルス列を生成する生成器と、前記生成器によって変調された光パルス列の周波数を変換する周波数シフタと、前記光パルス列の光路長を変更する光路長変更部と、光路長変更部から出力される光パルス列と、測定対象物からの後方散乱波とが入力される光検出部と、前記光検出器から出力される、前記周波数シフタのシフト周波数を有する差信号を抽出するフィルタと、前記フィルタが抽出した差信号と、前記周波数シフタのシフト周波数に同期した基準信号とを合成する復調器と、前記復調器が出力した信号を解析する解析部と、を備える。
2019017392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断層画像撮影装置であって、
コヒーレントな光を発生する光源と、
前記光源が発生した光を、搬送波がコヒーレントで、隣接する波形間の干渉が低いパルス列を、自己相関特性を有するＰＮ符号で２相位相変調して、測定対象物の観察目標領域の深さ範囲よりパルス幅の空間長が小さい光パルス列を生成する生成器と、
前記生成器によって変調された光パルス列の周波数を変換する周波数シフタと、
前記周波数シフタが周波数を変換した光パルス列の光路長を変更する光路長変更部と、
光路長変更部から出力される光パルス列と、前記生成器から出力された光パルス列を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの後方散乱波とが入力される光検出部と、
前記光検出器から出力される、前記周波数シフタのシフト周波数を有する差信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタが抽出した差信号と、前記周波数シフタのシフト周波数に同期した基準信号とを合成する復調器と、
前記復調器が出力した信号を解析する解析部と、を備え、
前記解析部は、前記復調器が出力した信号を解析して、測定対象物の反射点の位置を算出することを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の断層画像撮影装置であって、
前記生成器を、光パルス生成器及び波形成形器によって構成し、
前記光パルス生成器は、前記光源が発生したコヒーレント光から周期的なパルス光を生成し、
前記波形整形器は、前記光パルス生成器が生成したパルス光をスペクトラム分解し、各スペクトラム成分の、位相と振幅を調整した後にスペクトラム合成することにより、パルス光を整形・複製して前記光パルス列を生成することを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項３】
請求項２に記載の断層画像撮影装置であって、
前記波形成形器は、前記光パルス列の各パルスが互いに干渉せず、独立して存在する光パルス列を生成することを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項４】
請求項３に記載の断層画像撮影装置であって、
前記波形成形器は、チェビシェフ形にパルスを成形して、光パルス列を生成することを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項５】
請求項２に記載の断層画像撮影装置であって、
前記波形成形器は、空間位相変調器で構成されることを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項６】
請求項１に記載の断層画像撮影装置であって、
前記生成器を、光パルス生成器及び光変調器で構成し、
前記光パルス生成器は、前記光源が発生したコヒーレント光から周期的なパルス光を生成することを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項７】
請求項１に記載の断層画像撮影装置であって、
前記光源は、観測される反射波の位相情報及び振幅情報から、反射点の位置及び反射強度を分離算出できるステップで、出力する光の波長をデジタル的に変化し、
前記光路長変更部は、前記周波数シフタを経由して前記参照用リフレクタで反射した光のパルス光を時間軸上に並べた場合に、隣接するパルス光で間隔が空かないステップで光路長を変化させた光を生成し、
前記光検出部は、複数の第１の光検出器と複数の第１のＡＤ変換器とを含み、
前記第１の光検出器の各検出素子には、前記光路長に変更された複数の光が各々入力されることを特徴とする断層画像撮影装置。
【請求項８】
請求項１に記載の断層画像撮影装置であって、
前記光源は、前記パルス光の時間幅Ｔと前記パルス光の間隔との間で出力する光の波長を変化し、
前記光路長変更部は、Ｃを測定対象物における光速とした場合に、Ｃ×Ｔ／２以下のステップで光路長を変化させた光を生成し、
前記光検出部は、複数の第１の光検出器と複数の第１のＡＤ変換器とを含み、
前記第１の光検出器の各検出素子には、前記光路長に変更された複数の光が各々入力されることを特徴とする断層画像撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の断層画像を撮影する断層画像撮影装置に関し、特に、Ｍ系列符号などの所定周期での繰り返す特性を有する符号（例えば、繰り返す疑似雑音、自己相関特性を有する符号）を用いた断層画像撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、以下の先行技術がある。特許文献１（特開２０１１−１１７７８９号公報）には、所定の波長帯域を有する広帯域光パルスを生成する広帯域光パルス生成ユニットと、前記広帯域光パルスを分波して、波長帯域が前記所定の波長帯域より狭い複数の狭帯域光パルスを発生し、夫々の前記狭帯域光パルスを異なる時間遅延させた後合波して、中心波長の異なる複数の光パルスからなる光パルス列を生成する光パルス分波遅延合波ユニットと、前記光パルス列を、測定光パルス列と参照光パルス列に分岐する光分岐器と、前記測定光パルス列を測定対象に照射し、且つ前記測定光パルス列が前記測定対象により後方散乱されて発生した後方散乱光パルス列を補足する光パルス照射／補足ユニットと、前記参照光パルス列と前記後方散乱光パルス列を結合して、結合光パルス列を形成する光結合器と、前記結合光パルス列の各光パルスの光強度を測定する光パルス強度測定ユニットと、前記結合光パルス列の各光パルスの波数により、前記光強度に対応する測定データをフーリエ変換し、フーリエ変換した前記測定データに基づいて、前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットを有する、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置が記載されている。【０００３】
また、特許文献２（特開２００６−１８４２８４号公報）には、波数を階段状に切り替え可能な手段を有する光干渉トモグラフィ装置の光源が記載されている。【０００４】
また、特許文献３（特開２００７−２６７７６１号公報）に記載されている光干渉断層計では、光出射部は光源から異なる特定波長を有する近赤外線可干渉光を光干渉部に出射する。光干渉部のビームスプリッタは入射した光を眼底に透過するとともに一部を光波長シフターに向けて反射する。シフターは発振信号Ｓに従い光の周波数を変調し、可動ミラーによって反射された光の周波数を再度変調する。そして、ビームスプリッタは眼底で反射した計測光とミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光を光検出部に出射する。光検出部は干渉光を受光すると、同干渉光の光強度を表す検出信号を、発振信号Ｓを用いて復調するとともに高周波成分をフィルタ処理する。そして、光検出部はこの検出信号を用いて眼底の断面形状と酸素飽和度ＳＯ２を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１１７７８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１８４２８４号公報
【特許文献３】特開２００７−２６７７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した従来の光干渉断層画像撮影装置では、パルス光を測定対象に照射して、測定対象内での散乱光を捕捉する。このため、パルス幅内での減衰量の差が大きく、すなわち、光の入射側の散乱光の信号が強く、奥側の散乱光の信号が弱くなる。このため、所定の深さにわたる鮮明な断層画像の撮影が困難になる。特に、照射する光のパルスの幅が大きく、深度範囲が広いと、画像情報を有する直進光の強度が深度の浅い部分と深度の深い部分の比が大きく、深い部分の反射直進光は、浅い部分の反射直進光にマスクされる。【０００７】
また、深さ方向の分解能（スライス幅）を向上し、高分解能・高信号対雑音比の断層画像を得ることが望まれている。このため、パルス光の幅を小さくする必要がある。生体組織の光特性は、減衰は少ないが散乱特性が強く、直進性の光の強度は散乱特性のために指数関数的に急激に減衰する。組織の種類により散乱特性は異なり、直進光の減衰は１ｍｍあたり２０ｄＢから５０ｄＢとなる。後述するようにパルス幅が目標の深度範囲を決定する。しかし、特許文献３に記載された方法では、スペクトラム拡散変調した駆動信号（変調駆動信号）でレーザ光源１４を駆動（発光）させるので、電気回路に用いるトランジスタの動作限界速度によって、光パルスの幅を小さくすることが困難である。例えば、電子回路で１０ｐ秒のパルスを生成することを考えると、周期１０ｐ秒は１００ＧＨｚに相当し、パルス状の波形にするためには多くの高調波を含まなければならないので、トランジスタを更に高速で動作させることになり、このようなパルスの電子回路による生成は不可能である。【０００８】
さらに、直進光は進行方向に対して安定した位相波面を有しており、有効な画像情報を含んでいる。一方、散乱波は様々な光路で受光部に到達するため、コヒーレント長が寸断され、一定せず雑音となる。このため、深度範囲が狭ければ、散乱波に起因する雑音エネルギーは小さくなる。【０００９】
上記理由により、直進光の減衰量によって深度範囲を決定し、例えば深度の浅い部分と深度の深い部分の減衰量の比を３０ｄＢとし、観察組織の減衰量を２０ｄＢ／ｍｍと仮定すると１．５ｍｍとなる。深度範囲１．５ｍｍに相当するパルス幅は１．５ｍｍ×２／３×１０−１１＝１０ｐ秒となる。この値は短ければ短いほど信号対雑音比が向上する。【００１０】
さらに、シンボル長が長い符号を使って分解能を向上することが検討されているが、弱い反射光を集めるために測定時間が長くなる。特に、生体は鼓動などで動いているので、測定時間が長いと画像が不鮮明になる問題が生じる。【００１１】
本発明は、光源で生成された光を直接に拡散符号で変調した光パルス信号を測定対象物に照射することによって、短い測定時間で、かつ、測定対象物の深部においても高い分解能で、かつ高い信号対雑音比の断層画像を得られる断層画像撮影装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、断層画像撮影装置であって、コヒーレントな光を発生する光源と、前記光源が発生した光を、搬送波がコヒーレントで、隣接する波形間の干渉が低いパルス列を、自己相関特性を有するＰＮ符号で２相位相変調して、測定対象物の観察目標領域の深さ範囲よりパルス幅の空間長が小さい光パルス列を生成する生成器と、前記生成器によって変調された光パルス列の周波数を変換する周波数シフタと、前記周波数シフタが周波数を変換した光パルス列の光路長を変更する光路長変更部と、光路長変更部から出力される光パルス列と、前記生成器から出力された光パルス列を測定対象物に照射し、前記測定対象物からの後方散乱波とが入力される光検出部と、前記光検出器から出力される、前記周波数シフタのシフト周波数を有する差信号を抽出するフィルタと、前記フィルタが抽出した差信号と、前記周波数シフタのシフト周波数に同期した基準信号とを合成する復調器と、前記復調器が出力した信号を解析する解析部と、を備え、前記解析部は、前記復調器が出力した信号を解析して、測定対象物の反射点の位置を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様によれば、測定対象物の深部においても高分解能で高信号対雑音比（ＳＮＲ）の断層画像を高速に撮影できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【図２】第１の実施例の変調器の出力光の例を示す図である。
【図３】光検出器及び光路長変更部の概念を示す図である。
【図４】光路長変更部の構成例を示す図である。
【図５】光路長変更部の構成例を示す図である。
【図６】光検出器から出力される信号から測定対象物の内部の反射位置と反射率を求める方法を示す図である。
【図７】自己相関による反射点の観測範囲を示す図である。
【図８】光検出器から出力される信号を示す図である。
【図９】本実施例の断層画像撮影装置による測定範囲を示す図である。
【図１０】第２の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【図１１】第２の実施例の変調器の出力光の例を示す図である。
【図１２】第３の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【図１３】第３の実施例の変調器の出力光の例を示す図である。
【図１４】第１の実施例の断層画像撮影装置の構成の変形例を示す図である。
【図１５】第１の実施例の断層画像撮影装置の構成の変形例を示す図である。
【図１６】第１の実施例の断層画像撮影装置の構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１６】
＜第１実施例＞
図１は、本発明の第１の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【００１７】
第１の実施例の断層画像撮影装置は、光源１００、光パルス発生器１０１、波形成形器１０２、周波数シフタ１０４、光路長変更部１１４、光検出器１０７、１０８、フィルタ１１０、１１１、ＡＤ変換器１１２、１１３、復調器１０９及びフーリエ変換器１１５を有する。
【００１８】
光源１００は、コヒーレントな連続光１２１を発生する光源で、例えばレーザ光源を用いることができる。また、光源１００から出射する光は、所定の波長範囲において、所定の周波数ステップで波長が変化するように制御する。光源１００から出射する光の周波数の帯域幅（周波数変化の範囲）は、測定対象物１０６の画像の分解能に対応しており、出力する光から生成される光パルスの時間幅Ｔと光パルスの間隔Ｔ１との間で、出力する光から生成されるパルス光に含まれる観測点を分離観測できる、すなわち、観測される反射波の位相情報及び振幅情報から、反射点の位置及び反射強度を分離して算出できるようなステップで、出力する光の波長を変化させている。
【００１９】
光パルス発生器１０１は、光源１００が発生した光（連続光）を、所定幅かつ所定形状のパルス光１２２に変換する。具体的には、光パルス発生器１０１は、光コム発生器で構成され所定のマイクロ波あるいはミリ波高周波信号で光コム発生器を励振することにより一定間隔のフェムト秒パルス光を得ることできる。例えば、２５ＧＨｚの信号で制御すると、図２に示すように、４０ピコ秒間隔（２５Ｇｂｐｓ）のフェムト秒パルス光を生成できる。望ましくは、パルス光１２２の幅は１０ピコ秒以下であればよい。なお、パルス光の幅、振幅の半値幅ではなく、振幅が０になる時間幅で定めるとよい。
【００２０】
光パルス発生器１０１が発生するフェムト秒光パルス信号１２２のデューティ比は非常に小さいので、パルス光が互いに干渉せず、各パルス光が独立して存在する光パルス列が生成される。このため、一つのパルス光による測定対象範囲が狭くなり、光軸方向以外からの散乱光の影響を小さくできる。また、測定対象範囲内の減衰量の変化量を小さくでき、良質な画像を得ることができる。これによって、測定対象物１０６での反射光の信号対雑音比が向上する。
【００２１】
一方、光パルス信号１２２のデューティ比が小さ過ぎると、安全上から光のピーク値に制限があるとすると、光の平均エネルギーが小さくなり、測定対象物１０６に照射した場合に検出可能な深さが浅くなるか、又は、反射パルスの積算回数が増大し測定対象点に対する測定時間が長くなる。
【００２２】
波形成形器１０２は、光パルス発生器１０１から出力された、一定の時間間隔で繰り返す光パルス信号１２２を所定の時間幅を有するパルス波形に成形し、さらに、必要なパルス数を必要な時間軸上の点に複製した信号を出力する。また、前記パルス波形と同じ包絡線波形で位相を反転したπ相の光パルスを生成し同様に必要な位置に必要な数を複製した信号を出力する。これらの機能により波形整形器１０２はシンボル長２ｎ−１のＭ系列符号を生成し信号１２３を出力する。
【００２３】
本実施例では波形整形器１０２は、入力信号１２２を、分光器でスペクトル分解し、スペクトル毎に位相と振幅を位相空間変調器を用いて調整し、再度スペクトル合成を行うことにより所定のＭ系列符号を生成し出力する。これにより固定されたＭ系列符号信号を繰り返し生成し出力する。空間位相変調器を使用することによって、高速で変調でき、Ｍ系列符号の１ビットに対応するパルスを所定の幅に設定できることから、測定対象範囲を所定の範囲に設定できる。所定の測定範囲は測定する対象の光の減衰特性、散乱特性により異なるが、所定の全範囲において十分な信号対雑音比が得られることが望ましい。実際の生体の観測においては、１ビットのパルスで決まる測定範囲は０．５ｍｍ程度以下であることが要求される。
【００２４】
本実施例で例示する空間位相変調器は、図２に示すように、波形成形器１０２が複製した光パルス信号をチェビシェフ形などの所定の波形に整形した信号１２３を出力する。チェビシェフ形の波形を使用することによって、周波数ドメインにおけるサイドローブを低減し、隣接する波形間での干渉を低減できるので、測定対象物１０６における分解能を向上できる。なお、空間位相変調器の出力信号の波形は、チェビシェフ形でなくても、サイドローブが十分に小さい波形であればよい。
【００２５】
図示した波形成形機１０２では、４０ピコ秒の中に１２７個のパルス（１２７ビットの符号）を生成しており、３．２ＴＨｚで変調された光信号１２３が生成される。なお、一つの光パルスから空間位相変調器が生成するパルス、すなわち、Ｍ系列符号のシンボル長は１２７ビットではなく、より長い２５５ビット以上でも、より短い６３ビット以下でもよい。
【００２６】
Ａｒｒａｙｅｄ−Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ（ＡＷＧ）を用いて波形整形器１０２を構成しても、空間位相変調器を用いた時と同様、高速で変調できる。このほか周波数ドメインでスペクトラムを静的に位相と振幅を制御して、固定したＭ系列２相位相変調信号を作ることができる。
【００２７】
また、図２に示すように、隣接するパルスは離れており、パルス間でレベルがゼロになってもよいし、サイドローブが繋がっており、パルス間でレベルがゼロにならなくてもよい。
【００２８】
波形整形器１０２から出力された信号１２３は、信号１２４と信号１２９とに分岐し、信号１２９は周波数シフタ１０４に入力される。一方、信号１２４は、信号１２５と信号１２７とにさらに分岐し、信号１２７は参照用リフレクタ１０５によって反射して信号１２８となり、進行方向を変えて光検出器１０８に導かれる。また、信号１２５は測定対象物１０６に照射され、測定対象物１０６で反射散乱し（例えば、後方散乱波）、信号１２６として光検出器１０７に導かれる。測定対象物１０６からの反射光１２６には、測定対象物１０６内の有限区間の反射点の情報が含まれる。なお、有限区間以外の反射点の情報は非常に高い周波数の雑音として散乱される。参照用リフレクタは、必ずしもリフレクタである必要はなく信号１３０と信号１２７が同期して、同じ光路長を保ちつつ信号１３１と信号１２８に折り返される機能を持てばよい。例えば、外部電界で実効長が変化するファイバ内で折り返す構造とし、外部電界を変えることにより、高速に実効長を高速に変えることができる。
【００２９】
周波数シフタ１０４は、入力された信号１２８の周波数を変換し信号１３０を出力する。この周波数シフタ１０４で周波数が変換された信号は、光検出器１０７、１０８で合成され、周波数シフト量のビートとして周波数差信号１４０、１４１が検出される（図８（Ａ）参照）。このため、周波数シフト量は、光検出器１０７、１０８以後に電気信号として処理しやすい周波数（例えば、１００ＭＨｚ）が望ましい。周波数シフタ１０４から出力された信号１３０は参照用リフレクタ１０５によって反射して信号１３１となり、その一部が分岐して光検出器１０７に導かれる信号１３３となる。信号１３３は、光路長変更部１１４を経由して光路長が異なる（すなわち、波面が異なる）光が並列して進行する光信号となり、光検出器１０７に導かれる。また、反射した信号１３１の一部が分岐した信号１３２は光検出器１０８に導かれる。
【００３０】
なお、図１では、周波数シフタ１０４を参照用リフレクタ１０５に入射される光１３０の経路に配置したが、図１４や図１６に示すように、測定系において測定対象物１０６に照射される光の経路１２４（これに対応する基準系で参照用リフレクタ１０５に入射する光７の経路）に配置してもよい。すなわち、光検出器１０７、１０８の各々に入力される二つの光が所定の周波数差を持っており、光検出器１０７、１０８が差周波数（周波数シフタ１０７によるシフト周波数）の信号を検出できればよい。
【００３１】
また、図１では、光路長変更部１１４を参照用リフレクタ１０５からの反射光１３３の経路に配置したが、図１５や図１６に示すように、測定対象物１０６で反射した光の経路１２６に配置してもよい。光路長変更部１１４は、後述するように、光検出器１０７に入力される光を複数の光路長に変更するものであり、光検出器１０７で差周波数の信号を検出できればよいことから、入力される二つの光のいずれかの光路長が変更されればよい。
【００３２】
基準系の光検出器１０８には、周波数シフタ１０４を経由して参照用リフレクタ１０５で反射した信号１３２と、参照用リフレクタ１０５で反射した信号１２８と、つまり、信号１３２の振幅・位相と信号１２８の振幅・位相とが加算された光信号が入力される。光検出器１０８に入力される二つの信号の相関が取れれば、二つの信号の周波数差信号１４１が出力される。光検出器１０８に入力される二つの信号は同じ参照用リフレクタ１０５で反射して光検出器１０８に導かれるので、光路長が同じであり、常にＭ系列符号の相関が取れるため、光検出器１０８からは二つの信号の周波数差信号１４１が出力される。
【００３３】
測定系の光検出器１０７には、参照用リフレクタ１０５で反射して、周波数シフタ１０４を経由した信号１３１と、測定対象物１０６で反射散乱した信号１２６と、つまり、信号１３２の振幅と信号１２６の振幅とが加算された光信号が入力される。光検出器１０８でも、光検出器１０７と同様に、入力される二つの信号の相関が取れれば、二つの信号の周波数差信号１４０が出力される。一方、光検出器１０７に入力される二つの信号の相関が取れなければ、超高速のＭ系列信号でスペクトル拡散されたノイズと直流信号しか検出されない（図８（Ｃ）参照）。
【００３４】
二つの光検出器１０７、１０８から出力された信号１４０、１４１は、フィルタ１１０、１１１によって必要周波数帯域の信号を抽出した（直流成分と周波数シフタ１０７によるシフト周波数に等しい周波数差信号＝１００ＭＨｚのｎ倍波、その他のノイズを除去した）後、ＡＤ変換器１１２、１１３によってデジタル信号へ変換される。復調器１０９は、ＡＤ変換された基準系の周波数差信号１４５を基準信号として、測定対象物１０６の反射光から生成された測定系の周波数差信号１４４を複素（ＩＱ）復調する。なお、図１では、一つの復調器１０９を設けたが、測定系の信号１４４と基準系の信号１４５とで別の複素（ＩＱ）復調器を設け、復調後のＩＱ信号を合成して、測定対象物１０６で反射した信号を抽出してもよい。この詳細は図６を用いて説明する。なお、周波数差信号１４５は、周波数シフタ１０７で変換される周波数信号（例えば、１００ＭＨｚ）に等しいので、周波数シフタ１０７の励振信号をそのまま採用してもよい。このとき、周波数シフタ１０７の励振信号をそのまま採用してもよい。このとき、周波数シフタ１０７の励振信号は、信号１４３としてＡＤ変換器１１３に入力されるとよい。この場合、光検出器１０８及びフィルタ１１１は不要となる。
【００３５】
ここではＩＱ復調器１０９はデジタルで構成されているが、アナログ型のＩＱ復調器を用いてもよい。この場合、ＡＤ変換器のサンプリング周波数を大幅に下げられるので複数の光検出器を採用した場合に有利になる。
【００３６】
フーリエ変換器１１５は、反射点の位置と反射強度を解析する解析部として機能し、復調器１０９で得られた反射点の情報、すなわち、周波数ドメインスペクトラムをフーリエ逆変換し、反射点の位置と反射強度を得る。具体的には、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）又はフーリエ級数展開を行うことによって反射点の位置及び当該位置での反射光の強さを知ることができる。離散フーリエ変換を行う場合、さらに補間をするとよい。
【００３７】
次に、光路長変更部１１４の構成を説明する。光路長変更部１１４としては、鏡面を階段状に形成した鏡、実効長が異なるファイバを含む光路、移動機能を有する鏡などを採用できる。以下、各機構を説明する。
【００３８】
図３は、光検出器１０７及び光路長変更部１１４の概念を示す図である。
【００３９】
光検出器１０７の各検出素子（例えば、フォトダイオード）１０７１には、測定対象物１０６で反射した光１２６と、参照用リフレクタ１０５で反射した光１３３が導入される。図３では、説明の便宜上、各検出素子１０７１への反射光１２６の光路長が異なって図示されているが、実際は測定対象物１０６から各検出素子１０７１までの光路長は同じである。
【００４０】
また、光検出器１０７について説明するが、光検出器１０８は、光検出器１０７と同じ構成を有するが、光路長変更部１１４を経由しない光が導入される。
【００４１】
前述したように、参照用リフレクタ１０５で反射した光１３３は光路長が異なる光成分を含んでおり、各検出素子１０７１に入射する光の光路長が異なっている。図３では、左側の検出素子１０７１への光路長は短く、右側の検出素子１０７１への光路長は長くなっている。
【００４２】
各検出素子１０７１への光路長の差は、Ｍ系列符号の１ビット以下に設定して、特定の検出素子１０７１でＭ系列符号の自己相関が取れ、他の検出素子１０７１ではＭ系列符号の自己相関が取れないようにする。このようにすることで、測定対象物１０６の深さ方向の特定の範囲からの（光路長が特定の範囲の）反射光を抽出できる。
【００４３】
各検出素子１０７１への光路長の差は、Ｍ系列符号の波形によって変えるとよい。すなわち、パルス光を時間軸上に並べた場合に、隣接するパルス光で間隔が空かない光路長差（すなわち、遅延時間）を用いるとよい。より具体的には、後述する数式（１２）に示すように、相関Ｓ（ω）の加算範囲は、ｒが−ＣＴ／２からＣＴ／２の範囲であり、この中で最低でも１点の観測点が得られる必要がある。つまり、光路長変更部１１４の光路長差は、Ｃ×Ｔ／２以下となる。例えば、Ｍ系列符号のパルス波形の半周期だけずれた状態でもパルス波形が重なる場合でも符号間の自己相関が取れて、重なりの程度に応じた大きさの周波数差信号が得られる（図８（Ｂ）参照）。一方、Ｍ系列符号のパルス波形の半周期だけずれた状態ではパルス波形が重ならない場合は、符号間の自己相関が取れずに、周波数差信号は得られない（図８（Ｃ）参照）。このため、パルス波形の重なりが小さい場合には光路長の差を大きくし、パルス波形の重なりが大きい場合には光路長の差を小さくするとよい。
【００４４】
光検出器１０７で、測定対象物１０６で反射した光１２６と、参照用リフレクタ１０５で反射した光１３３とが加算されると、反射光１２６と反射光１３３との周波数差の信号が得られ、この周波数差の信号にはＭ系列符号が重畳されている。すなわち、反射光１２６に含まれるＭ系列符号と反射光１３３に含まれるＭ系列符号とのビット位置が同じであれば、二つのＭ系列符号の自己相関が取れ、前述した周波数差の信号の位相に対応する信号１４０が得られる。一方、反射光１２６に含まれるＭ系列符号と反射光１３３に含まれるＭ系列符号とのビット位置が異なっていれば、二つのＭ系列符号の相関が取れずに、光検出器１０７からはノイズレベルの信号１４０が出力される。
【００４５】
このため、光検出器１０７の各検出素子１０７１では、測定対象物１０６で反射した光路長が異なる光、すなわち、光検出器１０７は、測定対象物１０６の異なる深さの箇所で反射した光の振幅・位相を有する差信号を検出できる。
【００４６】
光検出器１０７から出力される信号１４０は、フィルタ１１０によって不要な周波数成分が除去され、信号１４２としてＡＤ変換器１１２に入力される。ＡＤ変換器１１２は、入力されたアナログ信号１４２をデジタル信号１４４に変換し、ＩＱ復調器１０９に入力する。
【００４７】
また、光検出器１０８で参照用リフレクタ１０５で反射した光１２８と光１３２とが加算されると、反射光１２８と反射光１３２との周波数差の信号が得られ、この周波数差の信号にはＭ系列符号が重畳されている。光検出器１０８の場合、反射光１２８と反射光１３２との光路長は同じなので、反射光１２８に含まれるＭ系列符号と反射光１３２に含まれるＭ系列符号とのビット位置が同じとなり、二つのＭ系列符号の自己相関が取れ、前述した周波数差の信号の振幅・位相に対応する信号１４０が得られる。
【００４８】
光検出器１０８から出力される信号１４１は、フィルタ１１０によって不要な周波数成分が除去され、信号１４３としてＡＤ変換器１１３に入力される。ＡＤ変換器１１３は、入力されたアナログ信号１４３をデジタル信号１４５に変換し、ＩＱ復調器１０９に入力する。
【００４９】
ＩＱ復調器１０９は、参照用リフレクタ１０５からの反射光の成分のみを含む信号１４５を局部発振信号として、測定対象物１０６からの反射光の成分を含む信号１４４を復調する。そして、ＩＱ復調器１０９からは、測定対象物１０６の深さ（光路長に対応する位置）からの反射光の振幅・位相に対応する信号が得られる。
【００５０】
図４は、光路長変更部１１４の具体的な構成例を示す図である。
【００５１】
光路長変更部１１４は、参照用リフレクタ１０５で反射した光の光路長を変えるため、図４に示すように、鏡面が階段状に形成された鏡１１４３を有する。
【００５２】
光路長変更部１１４に導入された光は、凹レンズ１１４１で拡散され、凸レンズ１１４２で平行光となり、鏡１１４３で反射する。鏡１１４３は、鏡面が階段状に形成されているので、各段階で反射した光は異なる光路長で出力される。
【００５３】
１段階の鏡面の光路長の差は、図４に示す鏡面の段階の横方向の段差の大きさによって定まる。
【００５４】
光路長変更部１１４から出射する光は、光検出器１０７の検出素子１０７１のピッチと等しくなるように出力される。
【００５５】
図５は、光路長変更部１１４の別の構成を示す図である。
【００５６】
図５に示す光路長変更部１１４では、長さが異なる光ファイバ１１４７を用いて、光路長を変更する。具体的には、光路長変更部１１４に入力した光は、スラブ導波路１１４５で拡散し、長さが異なる複数の光ファイバ１１４７へ導出する。そして、各光ファイバ１１４７を伝搬した光は、スラブ導波路１１４６によって、光検出器１０７の検出素子１０７１のピッチと等しくなるように集約され、光路長変更部１１４から出力される。
【００５７】
図５に示す光路長変更部１１４では、各光ファイバ１１４７の長さを異ならせたが、一部又は全部の光ファイバ１１４７の長さを等しくして、各光ファイバ１１４７に電界をかけて光の伝搬速度を制御してもよい。
【００５８】
さらに、光路長変更部１１４は、鏡を動かして光路長を変更するものでもよい。
【００５９】
図６は、光検出器１０７から出力される信号１４０から測定対象物１０６の内部の反射位置と反射率を求める方法を示す図である。図６では、参照用リフレクタ１０５で反射した参照光１３３と測定対象物１０６で反射した反射光１２６とに含まれるＭ系列符号を時間軸上に表している。なお、反射光１２６には、測定対象物１０６の内部の複数の位置で反射した光が含まれるが、説明の便宜上、１点からの反射光を用いて説明する。
【００６０】
測定系の光検出器１０７において、参照光１３３と反射光１２６とは、元々は同じ信号ではあるが反射点の位置がｒ（すなわち光路長が２ｒ）だけ異なるため、光路長の差の分だけ信号の位相がずれる。光検出器１０７において、参照光１３３と反射光１２６とが加算されると、Ｍ系列符号が重畳されている搬送波である光の周波数差の信号（本実施例では１００ＭＨｚ）が出力される。
【００６１】
一方、基準系の光検出器１０８では、参照光１３２と参照光１２８とは、元々は同じ信号ではあり、反射点の位置（光路長）は同じである。このため、光検出器１０７において、参照光１３２と反射光１２８とが加算されると、Ｍ系列符号が重畳されている搬送波である光の周波数差の信号（本実施例では１００ＭＨｚ）が出力される。
【００６２】
この基準系の周波数差信号と測定系の周波数差信号とは、位相がφだけずれている。光路長の差２ｒをパラメータとすると、φ＝２ｒω／ｃで表すことができる（ωは光源１００から出力される光の周波数）。
【００６３】
光検出器１０７の一つの検出素子１０７１では、Ｍ系列符号の自己相関特性によって特定のタイミングで光検出器１０７に入射した光が抽出される。光源１００は波長を変化させて光を出力するので、複数周波数において振幅と位相が異なる複数の信号が得られる。振幅は測定対象物１０６の内部の反射点における反射率によって決まり、位相は光路差によって決まることから、振幅と位相との組のデータを複数集めて解析することによって、各反射点における反射率を算出する。
【００６４】
以上に説明した算出方法を、数式を用いて説明する。
【００６５】
測定対象物１０６に照射される照射光を送信信号ｘ（ω，ｔ）とし、測定対象物１０６で反射・散乱する反射光を受信信号ｙ（ω，ｔ）として、照射光と反射光との相関Ｓ（ｔ）を求める。以下の計算では、パルス列ではなく、一般化して自己相関を計算することとする。
【００６６】
送信信号ｘ（ω，ｔ）は、数式（１）で表される。
【００６７】
【数１】
2019017392.tif 000003
【００６８】
ここで、Ｍ系列符号のパルス波形を表す関数として、数式（２）で表される関数をｆ（ｔ）を定める。
【００６９】
【数２】
2019017392.tif 000004
【００７０】
そして、Ｍ系列信号の1ビットのみに着目すると、送信信号パルスは数式（３）で表される。
【００７１】
【数３】
2019017392.tif 000005
【００７２】
そして、受信信号パルスは数式（４）で表される。
【００７３】
【数４】
2019017392.tif 000006
【００７４】
測定対象物１０６の反射点は、参照用リフレクタ１０５の反射点と比べて、距離ｒだけ離れている。参照用リフレクタ１０５の反射点位置は（Ｃ・ｔｄ）／２で表され、測定対象物１０６の反射点の位置はｒ＋（Ｃ・ｔｄ）／２で表される。測定対象物１０６内の位置は（Ｃ・ｔｄ）／２の近傍の反射係数をＡ（ｒ）で表すと、相関Ｓ（ｔ）は数式（５）、（６）で表される。
【００７５】
【数５】
2019017392.tif 000007
【００７６】
【数６】
2019017392.tif 000008
【００７７】
ここで、数式（７）の条件からｒの範囲が決定され、数式（６）の積分範囲は有限に決定される。まず、ｔについて積分を行う。
【００７８】
【数７】
2019017392.tif 000009
【００７９】
【数８】
2019017392.tif 000010
【００８０】
従って、ｒの範囲は、数式（９）の条件を満たすことが必要であり、数式（９）は数式（１０）、（１１）に書き換えることができる。さらに、相関Ｓ（ｔ）は数式（１２）で表される。なお、以後の数式において、ＴはＭ系列符号のビット長である。
【００８１】
【数９】
2019017392.tif 000011
【００８２】
【数１０】
2019017392.tif 000012
【００８３】
【数１１】
2019017392.tif 000013
【００８４】
【数１２】
2019017392.tif 000014
【００８５】
相関Ｓ（ω）は積分範囲が有限であるので、Ａ（ｒ）はフーリエ級数で表すことができる。ここでωを数式（１３）で定義し、ａ（ｒ）を数式（１４）で定義すると、相関Ｓ（ｎ，ω）は数式（１５）で表すことができる。
【００８６】
【数１３】
2019017392.tif 000015
【００８７】
【数１４】
2019017392.tif 000016
【００８８】
【数１５】
2019017392.tif 000017
【００８９】
従ってｅｘｐ［−ｊ・ωＳ・（−２ｒ／Ｃ）］Ｓの周期をＣＴとすると、ａ（ｒ）のＦＳ係数が求まる。従って、ωＳは数式（１６）（１７）で表され、ｅｘｐ［−ｊ・ωＳ・（−２ｒ／Ｃ）］は、数式（１８）で表される。
【００９０】
【数１６】
2019017392.tif 000018
【００９１】
【数１７】
2019017392.tif 000019
【００９２】
【数１８】
2019017392.tif 000020
【００９３】
以上を用いると、光源１０１が発生する光の波長（周波数）毎の相関は数式（１９）で表され、ａ（ｒ）のＦＳ係数が得られる。そして、ａ（ｒ）は数式（２０）で表される。
【００９４】
【数１９】
2019017392.tif 000021
【００９５】
【数２０】
2019017392.tif 000022
【００９６】
ここで、前述した数式（１４）を用いると、距離の関数として反射率Ａ（ｒ）を数式（２１）で求めることができる。
【００９７】
【数２１】
2019017392.tif 000023
【００９８】
図７は、自己相関による反射点の観測範囲ＣＴを示す図であり、図８は、光検出器から出力される信号を示す図である。
【００９９】
図中Ｂの位置にある反射用リフレクタ１０５で反射した光は、光路長ＡＢＣで光検出器１０７に入力される。一方、測定対象物１０６で反射した光は、光路長ＡＤＥで光検出器１０７に入力される。前述したように、光路長が完全に等しければ、図７（Ａ）に示すように、Ｍ系列符号のシンボル長全てにわたって相関が取れ、図８（Ａ）に示すように、レベルが高い周波数差信号１４０が得られる。
【０１００】
一方、図７（Ｂ）に示すように、光路長の差がＭ系列符号の１ビットの幅（ＣＴ）に満たなければ、弱いレベルで自己相関が取れる。Ｍ系列符号のシンボル長全てにわたって相関が取れ、図８（Ｂ）に示すように、レベルが低い周波数差信号１４０が得られる。
【０１０１】
一方、図７（Ｃ）に示すように、光路長の差がＭ系列符号の１ビットの幅（ＣＴ）を超えると、反射用リフレクタ１０５で反射した光と測定対象物１０６で反射した光とは、全く相関が取れず、図８（Ｃ）に示すように、ノイズレベルの信号が得られる。
【０１０２】
第１の実施例では、検出素子１０７１が一次元（線状）に並んで配置された光検出器１０７を用いて、１点の深さ方向を測定する断層画像撮影装置を説明したが、複数の光源１００を線状に並べて設け、検出素子１０７１が二次元（面状）に並んで配置された光検出器１０７を用いることによって、深さ方向を含む２次元の断層画像が得られる。また、光源１００を面状に並べて設け、検出素子１０７１が三次元（立体状）又は二次元（面状）に並んで配置された光検出器１０７を用いることによって、深さ方向を含む３次元の断層画像を得られる。
【０１０３】
次に、第１の実施例の断層画像撮影装置の効果を説明する。図９は、測定範囲のシミュレーション結果を示す図である。図９には、測定対象物１０６の反射率９００が深さの関数として示されている。なお、シミュレーションに用いた反射率９００は、測定対象物１０６の光の伝搬による減衰を既に考慮しており、奥の方の反射率を低くしてある。また、線９０１は第１の実施例の断層画像撮影装置による撮影結果のシミュレーションを示し、線９０２は従来の断層画像撮影装置による撮影結果のシミュレーションを示す。
【０１０４】
図９において、破線で示す範囲９０３が、Ｍ系列符号によって自己相関が取れる範囲であり、第１の実施例の断層画像撮影装置は、この範囲で測定対象物１０６の反射率が深さの関数として得られる。なお、破線で示す範囲の中央では強い相関が得られることから、反射率は大きな値が得られ、両側に行くにつれて反射率は小さな値となる。正確な反射率を知るためには、相関の強さによる補正が必要である。
【０１０５】
第１の実施例の断層画像撮影装置では、図３に示す方法を用いて、光路長の差を順次切り替えることによって、自己相関が取れる範囲９０３を移動して、深さ方向に広い範囲の断層画像を撮影できる。
【０１０６】
従来の断層画像撮影装置では、線９０２が示すように、測定対象物１０６の奥からの反射は弱くなり、ある地点でノイズに埋もれて、それより深い箇所からの反射光を測定できなくなる。一方、本実施例の断層画像撮影装置では、Ｍ系列符号の自己相関特性を用いることによって、狭い測定範囲の中で詳細な画像を得ることができる。また、光路長が異なる参照光を用いることによって、Ｍ系列符号の自己相関特性が取れる範囲を変えて、広い範囲の断層画像を撮影できる。
【０１０７】
＜第２実施例＞
図１０は、本発明の第２の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【０１０８】
第２の実施例の断層画像撮影装置は、光源１００、光パルス発生器１０１、変調器１０３、周波数シフタ１０４、光路長変更部１１４、光検出器１０７、１０８、フィルタ１１０、１１１、ＡＤ変換器１１２、１１３、復調器１０９及びフーリエ変換器１１５を有する。
【０１０９】
第２の実施例では、波形成形器１０２が設けられておらず、変調器１０３の構成が第１の実施例と異なる。なお、第２の実施例において、前述した実施例との相違点のみを説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【０１１０】
第２の実施例の変調器１０３は、光パルス発生器１０１から出力された信号１２２をＭ系列符号を用いて位相変調し、信号１２３を出力する。本実施例では、変調器１０３をＬＮ変調器で構成する。ＬＮ変調器は、ＬｉＮｂＯ３結晶のポッケルス効果による屈折率変化を利用して、電圧を印加しない状態では光を出力し、電圧を印加しない状態では光を出力しない特性を有する。
【０１１１】
図１１は、第２の実施例の断層画像撮影装置において、変調器１０３から出力される光の例を示す図である。
【０１１２】
第２の実施例では、光パルス発生器１０１は、光源１００が発した光（連続光）を、例えば、２５ＧＨｚの信号で光の振幅を制御して、４０マイクロ秒間隔のパルス状の光信号１２２を生成する。
【０１１３】
変調器１０３は、光パルス発生器１０１から出力された信号１２２をＭ系列符号を用いて位相変調し、信号１２３を出力する。本実施例では、変調器１０３をＬＮ変調器で構成する。
【０１１４】
第２の実施例では、変調器１０３に入力される信号の周波数が低く、比較的低速でＭ系列符号を変調する。このため、変調器１０３を安価なＬＮ変調器で構成でき、装置のコストを低減できる。
【０１１５】
＜第３実施例＞
図１２は、本発明の第３の実施例の断層画像撮影装置の構成を示す図である。
【０１１６】
第３の実施例の断層画像撮影装置は、光源１００、変調器１０３、周波数シフタ１０４、光路長変更部１１４、光検出器１０７、１０８、フィルタ１１０、１１１、ＡＤ変換器１１２、１１３、復調器１０９及びフーリエ変換器１１５を有する。
【０１１７】
第３の実施例では、光パルス発生器１０１及び波形成形器１０２が設けられておらず、変調器１０３の構成が第１の実施例と異なる。なお、第３の実施例において、前述した実施例との相違点のみを説明し、前述した実施例と同じ構成には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【０１１８】
第３の実施例では、光パルス発生器１０１及び波形成形器１０２が設けられていない。第３の実施例の変調器１０３は、光源１００から入力された連続光をＭ系列符号を用いて位相変調し、信号１２３を出力する。第３の実施例では、第２の実施例と同様に、変調器１０３をＬＮ変調器で構成する。
【０１１９】
図１３は、第３の実施例の断層画像撮影装置において、変調器１０３から出力される光の例を示す図である。
【０１２０】
第３の実施例では、光パルス発生器１０１は、光源１００が発した光（連続光）を、例えば、２５ＧＨｚのＭ系列符号を用いて位相変調する。このため、変調器１０３の出力は、パルス状ではなく、連続した信号（同じ値が続く場合にレベルが０に低下しない信号）となる。
【０１２１】
第３の実施例では、変調器１０３に入力される信号の周波数が低く、比較的低速でＭ系列符号を変調する。このため、変調器１０３を安価なＬＮ変調器で構成でき、装置のコストを低減できる。
【０１２２】
以上、複数周波数を用いた測定によって特定の深さからの反射光を抽出する断層画像撮影装置について説明したが、共焦点光学系を用いて特定の深さからの反射光を抽出してもよい。
【０１２３】
以上、本発明を添付の図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこのような具体的構成に限定されるものではなく、添付した請求の範囲の趣旨内における様々な変更及び同等の構成を含むものである。
【０１２４】
本出願は、平成２８年（２０１６年）１月１５日に出願された日本出願である特願２０１６−６２１０、及び２０１７年７月１９日に出願された国際出願であるＰＣＴ／ＪＰ２０１７／２６０９１の内容を参照することにより、本出願に取り込む。
【図１】
2019017392.tif 000024
【図２】
2019017392.tif 000025
【図３】
2019017392.tif 000026
【図４】
2019017392.tif 000027
【図５】
2019017392.tif 000028
【図６】
2019017392.tif 000029
【図７】
2019017392.tif 000030
【図８】
2019017392.tif 000031
【図９】
2019017392.tif 000032
【図１０】
2019017392.tif 000033
【図１１】
2019017392.tif 000034
【図１２】
2019017392.tif 000035
【図１３】
2019017392.tif 000036
【図１４】
2019017392.tif 000037
【図１５】
2019017392.tif 000038
【図１６】
2019017392.tif 000039
【国際調査報告】
2019017392.tif 000040
2019017392.tif 000041
2019017392.tif 000042
2019017392.tif 000043