(57)【要約】  分散型構造化照明を使用する共焦点顕微鏡法のための方法及び装置を提示する。ある実施形態では、装置はまた、光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）系を含み、サンプルの２又は３以上の領域から取得されたＯＣＴ画像が、共焦点顕微鏡系を用いて取得された２又は３以上のより大きい面積画像の対応する組を使用して位置合わせされる。好ましい実施形態では、装置は、眼の網膜を分析するのに適している。共焦点顕微鏡系は、純粋強度モードで又はコヒーレントモードで作動させることができる。他の実施形態では、分散型構造化照明を使用する共焦点顕微鏡系は、面測定に関して利用される。【選択図】図１
2019521763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを分析するための装置であって、
第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と該第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させるための波長分散要素とを含む第１の光学系と、
前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記分散型構造化照明場から光を収集し、前記波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償し、かつ該分散補償かつ収集された光を少なくとも１つの開口に通すための第２の光学系と、
前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記収集された光をスペクトル分析するための２次元センサアレイを含む分光計と、
を含む共焦点顕微鏡系、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記共焦点顕微鏡系は、眼の後部セグメント内の構造を該眼の屈折力要素が前記第１の光学系と協働して該構造での前記分散型構造化照明場を使用時に発生させるように分析するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記共焦点顕微鏡系は、眼の網膜を分析するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の光学系は、前記第１の領域にわたって実質的に連続する分散型構造化照明場を発生させるために、ビームレットのグリッドの軸に対して角度の付いた方向に沿って前記第１の波長帯域内の前記光を分散させるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の領域に少なくとも部分的に重複する第２の領域で前記サンプルのＯＣＴ分析を実行するための光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）系を含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記ＯＣＴ系は、前記２次元センサアレイの異なる部分の上への分散のために前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域内の光を利用することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ＯＣＴ系は、前記第２の波長帯域内の光を放出するための光源を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記共焦点顕微鏡系及び前記ＯＣＴ系は、異なる偏光状態の光を利用して前記サンプルを分析するように構成されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記分光計は、前記ＯＣＴ系及び前記共焦点顕微鏡系に共通であることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＯＣＴ系は、前記サンプルの前記第２の領域から反射又は散乱された光をフーリエ場でサンプリングするように構成されることを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＯＣＴ系は、該ＯＣＴ系の分析系の空間ナイキスト限界の外側である光をフィルタ除去するための開口を含むことを特徴とする請求項５から請求項１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記サンプルの連続する第１及び第２の領域の複数の共焦点顕微鏡及びＯＣＴ画像を取得するために、前記分散型構造化照明場と前記ＯＣＴ系のサンプルビームとを該サンプルに対して移動するように構成されることを特徴とする請求項５から請求項１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記サンプル上の前記分散型構造化照明場及び前記サンプルビームの各位置に対して、前記２次元センサアレイの単一フレームに共焦点顕微鏡画像及びＯＣＴ画像を取得するように構成されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の共焦点顕微鏡画像から取得された情報を使用して前記複数のＯＣＴ画像を位置合わせするようになったプロセッサを含むことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第２の領域の各々が、全体的にそれぞれの第１の領域内にあることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記サンプルから反射又は散乱された前記第１の波長帯域内の光と干渉させるための基準ビームを形成するために前記１又は２以上の光源からの光の一部分を切り離すための光学スプリッタを含むことを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の光学系は、前記サンプル上で離間した分散波長の１又は２以上の重複するシーケンスを含む分散型構造化照明場を発生させるために、ビームレットのグリッドの軸に実質的に平行な方向に沿って前記第１の波長帯域の前記光を分散させるように構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
前記波長分散要素は、前記分散型構造化照明場の波長依存集束を可能にするための屈折力を有することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記サンプル上の１又は２以上の点で分散波長の前記シーケンスの前記重複を使用して該１又は２以上の点で軸線方向位置の干渉法的決定のためのサブサンプリングされた光学スペクトルを提供するようになったプロセッサを含むことを特徴とする請求項１７又は請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記サンプルの追加領域を分析するために、前記分散型構造化照明場を該サンプルに対して移動するように構成されることを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の光学系は、前記第１の波長帯域内の光を含有するビームレットのグリッドを生成するための光源及びレンズレットアレイを含むことを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の光学系は、前記第１の波長帯域内の光を含有するビームレットのグリッドを生成するための複数の光源を含むことを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項２３】
サンプルを分析する方法であって、
第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と波長分散要素とを使用して、該第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場を前記サンプルの第１の領域で発生させる段階と、
前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記分散型構造化照明場からの光を収集する段階と、
前記波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償する段階と、
前記分散補償かつ収集された光を少なくとも１つの開口に通す段階と、
２次元センサアレイを含む分光計を使用して、前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記収集された光をスペクトル分析する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２４】
前記サンプルは、眼の後部セグメント内の構造を含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記サンプルは、眼の網膜を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の領域に少なくとも部分的に重複する第２の領域で前記サンプルのＯＣＴ分析を実行する段階を更に含むことを特徴とする請求項２３から請求項２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記分散型構造化照明場と前記ＯＣＴ分析に使用されるサンプルビームとを前記サンプルに対して移動する段階と、該サンプルの連続する第１及び第２の領域の複数の共焦点顕微鏡及びＯＣＴ画像を取得する段階とを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記サンプル上の前記分散型構造化照明場及び前記サンプルビームの各位置に対して、共焦点顕微鏡画像及びＯＣＴ画像が、前記２次元センサアレイの単一フレームに取得されることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記複数の共焦点顕微鏡画像から取得された情報を使用して前記複数のＯＣＴ画像を位置合わせする段階を更に含むことを特徴とする請求項２７又は請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
サンプルの拡張された領域にわたって光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）撮像を実行するための装置であって、
第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と該第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させるための波長分散要素とを含む第１の光学系と、
前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記分散型構造化照明場からの光を収集し、そして前記波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償するための第２の光学系と、
前記サンプルの前記第１の領域から反射又は散乱された前記収集された光をスペクトル分析するための２次元センサアレイを含む分光計と、
前記第１の領域に少なくとも部分的に重複する第２の領域で前記サンプルのＯＣＴ画像を取得するためのＯＣＴ系と、
少なくとも１つの追加の第１の領域から反射又は散乱された光を収集し、かつ少なくとも１つの追加の第２の領域からＯＣＴ画像を取得するために、前記分散型構造化照明場と前記ＯＣＴ系のサンプルビームとを前記サンプルにわたって移動するための機構と、
２又は３以上の第１の領域から収集された光の前記スペクトル分析から取得された情報を使用して２又は３以上の第２の領域から取得されたＯＣＴ画像を位置合わせするようになったプロセッサと、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項３１】
サンプルの拡張された区域にわたって光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）撮像を実行する方法であって、
（ｉ）第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と波長分散要素とを使用して、該第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場を前記サンプルの第１の領域で発生させる段階と、
（ｉｉ）前記第１の領域から反射又は散乱された前記分散型構造化照明場からの光を収集する段階と、
（ｉｉｉ）前記波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償する段階と、
（ｉｖ）前記第１の領域から反射又は散乱された前記収集された光をスペクトル分析する段階と、
（ｖ）前記サンプルを照明するサンプルビームを有するＯＣＴ系を用いて、前記第１の領域に少なくとも部分的に重複する該サンプルの第２の領域のＯＣＴ画像を取得する段階と、
（ｖｉ）前記分散型構造化照明場及び前記サンプルビームを前記サンプルに対して移動し、かつ少なくとも１つの追加の第１の領域及び少なくとも１つの追加の第２の領域に対して段階（ｉ）から（ｖ）を繰り返す段階と、
（ｖｉｉ）２又は３以上の第１の領域から前記収集された光の前記スペクトル分析から取得された情報を使用して２又は３以上の第２の領域から取得された前記ＯＣＴ画像を位置合わせする段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
複数の偏光された光ビームのスペクトルを分析するための分光計であって、
偏光状態に応じて光パワーを差し向けるための偏光ビームスプリッタと、
複数の偏光された光ビームを分散させるための波長分散要素と、
前記複数の偏光された光ビームの偏光を変換するための偏光変換系と、
前記複数の偏光された光ビームの前記スペクトルを記録するための２次元センサアレイであって、分光計が、使用時に前記偏光ビームスプリッタが入射する偏光された光ビームを前記波長分散要素に差し向け、そして該分散かつ偏光された光ビームを該２次元センサアレイに差し向けるように構成される前記２次元センサアレイと、
を含むことを特徴とする分光計。
【請求項３３】
前記波長分散要素は、回折格子を含むことを特徴とする請求項３２に記載の分光計。
【請求項３４】
前記偏光変換系は、ミラー及び４分の１波長板を含み、使用時に前記複数の偏光された光ビームが前記ミラーから反射される前及び後で前記４分の１波長板を横切るように構成されていることを特徴とする請求項３２又は請求項３３に記載の分光計。
【請求項３５】
前記分散かつ偏光された光ビームのスペクトル成分を前記２次元センサアレイの上に結像させるための集束要素を含むことを特徴とする請求項３２から請求項３４のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項３６】
前記複数の偏光された光ビームの前記偏光を該偏光された光ビームが前記偏光ビームスプリッタを横切る前に分析するための偏光子を含むことを特徴とする請求項３２から請求項３５のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項３７】
前記波長分散要素は、前記複数の偏光された光ビーム内の各光ビームが前記２次元センサアレイのピクセルの個別の組の上に分散されるように方向付けられることを特徴とする請求項３２から請求項３６のいずれか１項に記載の分光計。
【請求項３８】
請求項１から請求項２２又は請求項３０のいずれか１項に記載の装置を作動させるように又は請求項２３から請求項２９又は請求項３１のいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体、
を含むことを特徴とする製造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型構造化照明を使用する共焦点顕微鏡法のための装置及び方法、特に、共取得光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）画像の位置合わせのための装置及び方法に関する。しかし、本発明は、この特定の使用分野に限定されないことは認められるであろう。
【０００２】
〔関連出願〕
本出願は、引用により本明細書にその内容が組み込まれている２０１６年７月１日出願の「分散型構造化照明を使用する共焦点顕微鏡法のための装置及び方法」という名称のオーストラリア仮特許出願第２０１６９０２６０２号からの優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００３】
本明細書を通じての従来技術のいずれの説明も、そのような従来技術が公知である又は当業技術での共通の一般的知識の一部を形成することの容認として決して見なすべきではない。
【０００４】
光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）は、反射又は散乱光の振幅及び位相内に含有された情報を使用して、横方向及び深度分解能を用いてヒトの眼のような生体内組織を含む生体サンプルを研究するのに広く使用されている干渉法技術である。ＯＣＴ系は、一般的に、マイケルソン干渉計構成を利用し、時間領域ＯＣＴ及びスペクトル領域ＯＣＴである２つの主な手法が使用される。
【０００５】
時間領域ＯＣＴでは、数ミクロンのコヒーレンス長を有する超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）のような部分コヒーレント光源のコヒーレンス特性は、サンプルから反射された光を同じ光源によって提供されるが時変経路長を有する基準ビームと干渉させることによって利用される。基準アーム内の経路長遅延に対応するサンプル内の特定深度では、組み合わされた後方反射信号内に干渉縞エンベロープが検出されることになり、深度次元での反射プロファイルが再構成されることを可能にする。一般的に、これは、一度に単一サンプル点に対してだけ行われ、対応する深度の走査は、「Ａ−走査」として公知である。
【０００６】
遅延ラインを走査する代わりに、スペクトル領域ＯＣＴ技術は、反射光を基準ビームにそれを干渉させることによって分析し、それは、波長の時変関数（掃引光源ＯＣＴ）としてのものであるか又は回折格子又は他のスペクトルデマルチプレクサを使用して異なる波長を分散させて検出器アレイに沿ってそれらを同時に検出することによるものである。スペクトル領域情報は、空間（深度）反射プロファイルのフーリエ変換であり、従って、空間プロファイルは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって復元することができる。一般的には、スペクトル領域ＯＣＴ系は、それらが約２０から３０ｄＢ感度優位性を有するので時間領域ＯＣＴ系よりも好ましい。
【０００７】
ＯＣＴ技術は、サンプルビームをサンプルに対して１つの軸で走査することによる横方向分解「Ｂ−走査」、又は２つの軸で走査することによる「Ｃ−走査」を提供するように適応させることができる。特に、生体内サンプルに対する運動誘発性アーチファクトを低減するために、より高速な取得が、走査のタイプに関らず一般的に望ましく、かつより高速な掃引光源走査速度及び光検知器アレイ読み出し速度を含むいくつかの分野での進歩によって過去２０から２５年にわたって大きく改善している。しかし、走査スポットスキームによる、特に、生体内用途に関する根本的な制約がレーザ安全性規制によって提示されており、印加電力を増大することなく走査速度を上げるために滞留時間を低減することは、必然的に信号対ノイズ比を低下させることになる。
【０００８】
その結果、拡張サンプル区域が横方向分解能を用いて探査されるか又はサンプルスポットのアレイが同時に探査される「並列化」ＯＣＴ系に向けた研究も行われてきた。時間領域ＯＣＴを並列化することは、例えば、「ＣＣＤ検出器アレイを使用して横断方向スキャナなしで画像を取得する方法及び装置」という名称の米国特許第５，４６５，１４７号明細書に説明されているようにＣＣＤカメラ及び結像光学系を利用することによって比較的簡単である。これは、２次元（２−Ｄ）ｅｎ  ｆａｃｅ画像を提供し、深度分解能は、時間領域ＯＣＴでは通常である基準ミラーを走査することによって与えられる。
【０００９】
掃引光源スペクトル領域ＯＣＴは、Ｂｏｎｉｎ他著「１５０万のＡ−ライン／秒を用いたヒト網膜の生体内フーリエ領域全視野ＯＣＴ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３５（２０）、３４３２−３４３４（２０１０）に説明されるものと同様な様式で並列化することができる。しかし、各フレームは、単一波長に対応するので、各Ａ−走査に対する取得時間は、フレーム周期と取得されたｋ−点（波長サンプル）の数との積に等しい。フレームレートが数百ｋＨｚの超高速カメラに対してさえも、これは、特に生体内サンプルでは運動アーチファクトに至る可能性がある何ミリ秒ものＡ−走査取得時間に至る可能性がある。「マルチチャネル光受信機」という名称の国際公開ＷＯ  ２０１６／０９４９４０  Ａ１は、より高速な取得を可能にする代替並列化掃引光源ＯＣＴスキームを開示している。１つの特定の実施形態では、サンプル上の複数スポットが同時に照明され、反射又は散乱された信号光は、基準ビームと混合されて独特な搬送波周波数を有する複数のインターフェログラムを形成する。
【００１０】
分光計ベースのスペクトル領域ＯＣＴは、２次元センサアレイの多くのピクセルにわたって波長を分散させる必要性に起因して、並列化するのが幾らかより困難である。「ライン−視野ホロスコープ」という名称の米国特許出願公開第２０１４／００２８９７４  Ａ１号明細書に説明された構成では、サンプル上及び基準ミラー上にライン照明を生成するのに円柱レンズが使用される。２次元センサアレイの１つの軸に沿って組み合わされた戻りサンプルビーム及び基準ビームの分散は、単一ショットＢ−走査取得を可能にする。しかし、完全３次元（Ｃ−走査）撮像に対して、照明ラインは直交方向に走査され、かつ２次元センサアレイは繰り返し読み出される必要があり、繰り返された線形走査間で位相コヒーレンスを保持することは一般的に困難である。
【００１１】
単一ショットＣ−走査取得は、２Ｄサンプル区域が照明され、かつ組み合わされた戻りサンプル波面及び基準波面が、例えば、２Ｄレンズレットアレイを用いて、２つの横方向次元でサンプリングされる場合に達成することができ、得られるサンプリング点は、２Ｄセンサアレイのピクセルの別々の組の上に分散される。この一般的なスキームの効果は、２つの横方向次元及び１つのスペクトル次元と同等である３つの空間次元からのデータを２Ｄセンサアレイの上に押し込むことである。ピクセルの別々の組の上に分散されたサンプリング点のマッピングは、波長分散要素に対するサンプリング点の適切な位置決めによって保証することができる。「画像マップ型光コヒーレンス断層撮影」という名称の米国特許第９，２４３，８８８号明細書は、いくつかの異なる角度が付けられたファセットを有する「画像マップ器」が、異なる画像部分からの光を分散要素の異なる区域の上に及び従って２Ｄセンサアレイのピクセルの別々の組の上に反射する代替手法を開示している。
【００１２】
網膜及び他のサンプルからの１００μｍ×１００μｍ×１０００μｍ程度の小体積からの画像の単一ショット取得に対してレンズレットベースのサンプリング技術を適用するための構成は、「高解像度３Ｄスペクトル領域光学撮像装置及び方法」という名称の米国特許出願公開第２０１６／０３４５８２０  Ａ１号明細書、及びＡｎｄｅｒｓｏｎ他著「３Ｄスペクトル領域コンピュータ撮像」、Ｐｒｏｃ  ＳＰＩＥ  第９６９７巻（２０１６年３月８日）、ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１７／１２．２２１４８０１に開示されている。組み合わされた戻り波面は、分散要素の分散軸に対して角度が付けられた直線レンズレットアレイを用いてサンプリングされ、サンプリングは、「ホロスコープ」の形態、すなわち、ホログラフィックＯＣＴを提供するフーリエ面、すなわち、遠視野でのものであるか、又は像平面、すなわち、近視野でのものである。いずれの場合にも、空間分解能は、対物レンズのＮＡに大きく依存し、例えば、約３μｍである場合がある。サンプル上の照明区域は、多重散乱の影響を低減するために、かつ同じく市販レンズレットアレイによって提供されるサンプリング点の数が限られるために、１００μｍ×１００μｍ程度に比較的小さく保たれることが好ましい。複数の隣接又は重複する体積の像は、原理的には、取得して互いに縫い合わせてより大きいサンプル体積を結像することができるが、全体取得速度は、２Ｄセンサアレイのフレームレートによって制限される。個々の体積の取得は０．１ｍｓ程度に高速とすることができるが、適度に費用効果の高い電子機器に対しては、フレームレートは、現在は取得速度を数百Ｈｚに制限している。眼の動きはｍｓ時間スケールで有意である可能性があるので、位置合わせの浪費なしにフレームを互いに縫い合わせることによって網膜のより大きい区域を取得することを可能にするために、改善された位置合わせ技術が必要である。改善された位置合わせ技術はまた、当該区域を識別しながら設定中に網膜のより広い視野を臨床ユーザに提供するのに有利であると考えられる。網膜の個別の光画像を取得してＯＣＴ画像に多重化することもできるであろうが、これは、劣った分解能詳細を与えると考えられ、かつ個別の撮像系は緊密に統合されない。
【００１３】
文脈上明らかに他を必要としない限り、説明及び特許請求の範囲を通して「含んでいる」及び「含む」などのような語は、排他的又は網羅的な意味とは対照的に包含的な意味に解釈されるものとする。すなわち、それらは、「含むが、それに限定されない」という意味に解釈されるものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５，４６５，１４７号明細書
【特許文献２】国際公開  ＷＯ  ２０１６／０９４９４０  Ａ１
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１４／００２８９７４  Ａ１号明細書
【特許文献４】米国特許第９，２４３，８８８号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１６／０３４５８２０  Ａ１号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１６／０１３５６７９  Ａ１号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１６／０１３５６８０  Ａ１号明細書
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｂｏｎｉｎ他著「１５０万のＡ−ライン／秒を用いたヒト網膜の生体内フーリエ領域全視野ＯＣＴ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３５（２０）、３４３２−３４３４（２０１０）
【非特許文献２】Ａｎｄｅｒｓｏｎ他、「３Ｄスペクトル領域コンピュータ撮像」、Ｐｒｏｃ  ＳＰＩＥ  ９６９７（２０１６年３月８日）、ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１７／１２．２２１４８０１
【非特許文献３】Ｂｅｓｏｌｄ他著「周期的マイクロレンズアレイに関する部分的Ｔａｌｂｏｔ効果」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、３６（４）、１０９９−１１０５（１９９７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、従来技術の制限の少なくとも１つを克服又は軽減し、又は有用な代替物を提供することである。位置合わせの浪費なしに２又は３以上の画像を互いに縫い合わせることによって拡張されたサンプル体積の光コヒーレンス断層撮影画像を取得するための装置及び方法を好ましい形態で提供することが本発明の目的である。分散型構造化照明場を使用してサンプルを分析するための装置及び方法を好ましい形態で提供することが本発明の別の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の第１の態様により、サンプルを分析するための装置を提供し、装置は、第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させるための波長分散要素とを含む第１の光学系と、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された分散型構造化照明場から光を収集し、波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償し、かつ分散補償かつ収集された光を少なくとも１つの開口に通すための第２の光学系と、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された収集光をスペクトル分析するための２次元センサアレイを含む分光計とを含む共焦点顕微鏡系を含む。
【００１８】
ある実施形態では、共焦点顕微鏡系は、使用時に眼の屈折力要素が第１の光学系と協働してその構造での分散型構造化照明場を発生させるように眼の後部セグメント内の構造を分析するように構成される。好ましい実施形態では、共焦点顕微鏡系は、眼の網膜を分析するように構成される。
【００１９】
ある実施形態では、第１の光学系は、第１の領域にわたって実質的に連続する分散型構造化照明場を発生させるために、ビームレットのグリッドの軸に対して角度の付いた方向に沿って第１の波長帯域内の光を分散させるように構成される。
【００２０】
ある実施形態では、装置は、少なくとも部分的に第１の領域に重複する第２の領域でサンプルのＯＣＴ分析を実行するための光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）系を含む。好ましい実施形態では、ＯＣＴ系は、２次元センサアレイの異なる部分の上に分散させるために第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域内の光を利用する。好ましくは、ＯＣＴ系は、第２の波長帯域内の光を放出するための光源を含む。代替実施形態では、共焦点顕微鏡系及びＯＣＴ系は、異なる偏光状態の光を利用してサンプルを分析するように構成される。
【００２１】
分光計は、好ましくは、ＯＣＴ系と共焦点顕微鏡系に共通である。好ましくは、ＯＣＴ系は、サンプルの第２の領域から反射又は散乱された光をフーリエ場でサンプリングするように構成される。好ましくは、ＯＣＴ系は、ＯＣＴ系の分析系の空間ナイキスト限界の外側である光をフィルタ除去するための開口を含む。
【００２２】
好ましい実施形態では、装置は、サンプルの連続する第１及び第２の領域の複数の共焦点顕微鏡画像及びＯＣＴ画像を取得するために分散型構造化照明場とＯＣＴ系のサンプルビームとをサンプルに対して移動するように構成される。装置は、好ましくは、サンプル上の分散型構造化照明場及びサンプルビームの各位置に対して、２次元センサアレイの単一フレームに共焦点顕微鏡画像とＯＣＴ画像とを取得するように構成される。好ましくは、装置は、複数の共焦点顕微鏡画像から取得された情報を使用して複数のＯＣＴ画像を位置合わせするようになったプロセッサを含む。好ましい実施形態では、第２の領域の各々は、全体的にそれぞれの第１の領域内である。
【００２３】
好ましくは、装置は、サンプルから反射又は散乱された第１の波長帯域内の光と干渉させるための基準ビームを形成するために１又は２以上の光源からの光の一部分を切り離すための光学スプリッタを含む。
【００２４】
ある実施形態では、第１の光学系は、サンプル上で離間した分散波長の１又は２以上の重複シーケンスを含む分散型構造化照明場を発生させるためにビームレットのグリッドの軸と実質的に平行な方向に沿って第１の波長帯域内の光を分散させるように構成される。
【００２５】
ある実施形態では、波長分散要素は、分散型構造化照明場の波長依存集束を可能にするための屈折力を含む。好ましくは、装置は、サンプル上の１又は２以上の点での分散波長のシーケンスの重複を使用して１又は２以上の点での軸線方向位置の干渉法的決定のためのサブサンプリングされた光学スペクトルを提供するようになったプロセッサを含む。装置は、好ましくは、サンプルの追加領域を分析するために分散型構造化照明場をサンプルに対して移動するように構成される。
【００２６】
ある実施形態では、第１の光学系は、第１の波長帯域内の光を含有するビームレットのグリッドを生成するための光源とレンズレットアレイとを含む。他の実施形態では、第１の光学系は、第１の波長帯域内の光を含有するビームレットのグリッドを生成するための複数の光源を含む。
【００２７】
本発明の第２の態様により、サンプルを分析する方法を提供し、本方法は、第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と波長分散要素とを使用して、第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態の分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させる段階と、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された分散型構造化照明場からの光を収集する段階と、波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償する段階と、分散補償かつ収集された光を少なくとも１つの開口に通す段階と、２次元センサアレイを含む分光計を使用して、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された収集光をスペクトル分析する段階とを含む。
【００２８】
ある実施形態では、サンプルは、眼の後部セグメント内の構造を含む。好ましくは、サンプルは、眼の網膜を含む。
【００２９】
好ましい実施形態では、本方法は、少なくとも部分的に第１の領域に重複する第２の領域でサンプルのＯＣＴ分析を実行する段階を更に含む。好ましくは、本方法は、分散型構造化照明場とＯＣＴ分析に使用されるサンプルビームとをサンプルに対して移動する段階と、サンプルの連続する第１及び第２の領域の複数の共焦点顕微鏡画像及びＯＣＴ画像を取得する段階とを更に含む。好ましくは、サンプル上の分散型構造化照明場及びサンプルビームの各位置に対して、共焦点顕微鏡画像及びＯＣＴ画像は、２次元センサアレイの単一フレームで取得される。好ましい実施形態では、本方法は、複数の共焦点顕微鏡画像から取得された情報を使用して複数のＯＣＴ画像を位置合わせする段階を更に含む。
【００３０】
本発明の第３の態様により、サンプルの拡張された領域にわたって光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）撮像を実行するための装置を提供し、装置は、第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させるための波長分散要素とを含む第１の光学系と、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された分散型構造化照明場から光を収集し、かつ波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償するための第２の光学系と、サンプルの第１の領域から反射又は散乱された収集光をスペクトル分析するための２次元センサアレイを含む分光計と、少なくとも部分的に第１の領域に重複する第２の領域でサンプルのＯＣＴ画像を取得するためのＯＣＴ系と、少なくとも１つの追加の第１の領域から反射又は散乱された光を収集し、かつ少なくとも１つの追加の第２の領域からのＯＣＴ画像を取得するために、サンプルにわたって分散型構造化照明場とＯＣＴ系のサンプルビームとを移動するための機構と、２又は３以上の第１の領域から収集された光のスペクトル分析から取得された情報を使用して２又は３以上の第２の領域から取得されたＯＣＴ画像を位置合わせするようになったプロセッサとを含む。
【００３１】
本発明の第４の態様により、サンプルの拡張された領域にわたって光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）撮像を実行する方法を提供し、本方法は、（ｉ）第１の波長帯域内の光を放出するための１又は２以上の光源と波長分散要素とを使用して、第１の波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態の分散型構造化照明場をサンプルの第１の領域で発生させる段階と、（ｉｉ）第１の領域から反射又は散乱された分散型構造化照明場からの光を収集する段階と、（ｉｉｉ）波長分散要素によって課せられたスペクトル分散を補償する段階と、（ｉｖ）第１の領域から反射又は散乱された収集光をスペクトル分析する段階と、（ｖ）サンプルを照明するサンプルビームを有するＯＣＴ系を用いて、少なくとも部分的に第１の領域に重複するサンプルの第２の領域のＯＣＴ画像を取得する段階と、（ｖｉ）サンプルに対して分散型構造化照明場及びサンプルビームを移動し、かつ少なくとも１つの追加の第１の領域及び少なくとも１つの追加の第２の領域に対して段階（ｉ）から（ｖ）を繰り返す段階と、（ｖｉｉ）２又は３以上の第１の領域から収集された光のスペクトル分析から取得された情報を使用して２又は３以上の第２の領域から取得されたＯＣＴ画像を位置合わせする段階とを含む。
【００３２】
本発明の第５の態様により、複数の偏光された光ビームのスペクトルを分析するための分光計を提供し、分光計は、偏光状態に応じて光パワーを差し向けるための偏光ビームスプリッタと、複数の偏光された光ビームを分散させるための波長分散要素と、複数の偏光された光ビームの偏光を変換するための偏光変換系と、複数の偏光された光ビームのスペクトルを記録するための２次元センサアレイであって、分光計が、使用時に偏光ビームスプリッタが入射する偏光された光ビームを波長分散要素に差し向け、かつ分散かつ偏光された光ビームを２次元センサアレイに差し向けるように構成される上記２次元センサアレイとを含む。
【００３３】
好ましくは、波長分散要素は回折格子を含む。好ましい実施形態では、偏光変換系は、ミラーと、使用時に複数の偏光された光ビームがミラーから反射される前及び後に４分の１波長板を横切るように構成された４分の１波長板とを含む。分光計は、好ましくは、分散かつ偏光された光ビームのスペクトル成分を２次元センサアレイの上に結像させるための集束要素を含む。ある実施形態では、分光計は、偏光された光ビームが偏光ビームスプリッタを横切る前に複数の偏光された光ビームの偏光を分析するための偏光子を含む。好ましくは、波長分散要素は、複数の偏光された光ビーム内の各光ビームが２次元センサアレイのピクセルの個別の組の上に分散されるように方向付けられる。
【００３４】
本発明の第６の態様により、第１又は第３の態様による装置を作動させるように又は第２又は第４の態様による方法を実施するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含む製造品を提供する。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態を単なる例として添付の図面を参照してここで以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】眼の網膜を検査するための一体型共焦点顕微鏡及びスペクトル領域ＯＣＴ系を含む装置を概略的な形態に示す図である。
【図２Ａ】図１に示す一体型共焦点顕微鏡及びスペクトル領域ＯＣＴ系からの光によって形成されたサンプル網膜上の好ましい照明パターンを概略的な形態に示す図である。
【図２Ｂ】図１に示す一体型共焦点顕微鏡及びスペクトル領域ＯＣＴ系からの光によって形成された別の照明パターンを概略的な形態に示す図である。
【図３】面測定装置を概略的な形態に示す図である。
【図４】サンプルとの相互作用に関して図３の装置によって生成された重複する波長分散ラインの離間した組を示す図である。
【図５】２Ｄセンサアレイの上に分散されたビームレットの２Ｄグリッドのマッピングを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
背景技術の項目で言及したように、典型的に１００μｍ×１００μｍ程度の照明区域を使用して網膜のような比較的小体積の単一スナップショットの３Ｄ画像を取得するためのＯＣＴベースの技術は、Ａｎｄｅｒｓｏｎ他、Ｐｒｏｃ  ＳＰＩＥ  ９６９７（２０１６年３月８日）、ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１１７／１２．２２１４８０１、及び米国特許出願公開第２０１６／０３４５８２０  Ａ１号明細書に開示されている。より大きい体積は、隣接するか又は僅かに重複する体積の画像を互いに縫い合わせることによって原理的に画像化することができるが、これは、特にヒトの眼のような生体内サンプルの場合にサンプルの動きによって悪影響を受ける可能性がある。この制限を克服するために、走査型レーザ検眼鏡（ＳＬＯ）のような共焦点顕微鏡系によって提供されるものに同等の空間分解能を有するが、それ自体運動アーチファクトを有することのある高速レーザサンプリングを必要としない、スナップショット測定を提供する位置合わせ及び観察技術を提示する。
【００３８】
図１は、眼１１８の後部セグメントにある１又は２以上の構造を検査するための一体型共焦点顕微鏡及びスペクトル領域ＯＣＴ系を含む装置１００を概略的な形態に示している。この装置は網膜１１６を検査するのに特に適し、この用途に関連して説明されるが、これはまた、脈絡膜のような他の後部セグメント構造を検査するのにも適している。この例示的実施形態では、２Ｄセンサアレイ１７４の異なる部分の上に分散させるために、互いに異なる第１及び第２の波長帯域内の光を放出する第１及び第２の光源１０２、１０４を有する２つの系に対して波長多重化を使用する。代替実施形態では、光ファイバ又はバルク光学系ダイクロイックスプリッタのような波長選択光学系を使用して単一光源から異なる波長帯域が取得される。波長多重化は、共焦点顕微鏡法及びＯＣＴのデータを同時に取得することを可能にし、これは、以下で説明するような眼球運動の確実な補償にとって好ましい。好ましい実施形態では、第１及び第２の波長帯域の各々は単一波長範囲を含むが、他の実施形態ではそれらはインターリーブ（交互配置）される。本明細書で詳細に説明しない他の実施形態では、共焦点顕微鏡法及びＯＣＴ系のための波長多重化の代わりに、直交偏光状態又は高速時間多重化を使用することができる。例えば、偏光逆多重化を使用して照明ビームを２つの偏光状態に分離し、その後にサンプルに差し向けられる光を偏光再結合要素が再結合する前に光の角度的に分散した共焦点顕微鏡法部分を１つの偏光状態に符号化することができるであろう。この実施形態では、本明細書ではこれ以上説明しないが、検出系は、一体型共焦点顕微鏡及びＯＣＴ系を有効にするために、反射された光の両方の偏光状態を分解する。
【００３９】
好ましい実施形態では、光源は、近ＩＲスペクトル領域の光を放出するが、一般的に、ＩＲ、可視、又はＵＶスペクトル領域の光を用途に応じて使用することができるであろう。
【００４０】
最初に、約８７０ｎｍの波長の光で作動する高分解能スペクトル領域ＯＣＴ撮像系の作動を説明する。説明する系では、網膜１１６のＯＣＴ画像は、画像のフーリエ平面が取り込まれる「ホロスコープ」技術と、物理的レンズの役割を数学的に模擬して網膜の高分解能像を構築するのに使用される高速フーリエ変換（ＦＦＴ）とを使用して取得される。これに代えて、近視野技術を使用することができる。中心波長８７０ｎｍ及び約４０ｎｍの帯域幅を有する光ファイバ結合型超発光ダイオード（ＳＬＤ）の形態の第２の光源１０４からの光は、９０／１０比率２×２カプラ１０６によってサンプル経路１０８（９０％）及び基準経路１１０（１０％）に分割される。経路長整合条件が、一般的にＯＣＴ系の干渉部分に必要とされることになり、製造中にそれぞれの光ファイバ経路の長さを調節することにより、又は例えば切換可能な遅延ラインのような長さ調節手段を設けることによって達成することができる。サンプル経路ファイバ１０８からの光は、レンズ１１２によってコリメート（collimate）され、サンプル眼１１８の網膜１１６上の望ましい照明スポットサイズに反比例的に対応するＦＷＨＭが例えば数１００μｍの比較的小さい直径のサンプルビーム１１４を形成する。すなわち、より小さい直径のサンプルビームは、網膜上により大きい照明スポットサイズを生成することになる。８７０±１８ｎｍの光を通過させ、８４０±８ｎｍの光を反射するように設計されたダイクロイックビームスプリッタ１２０形態のダイクロイック光学系は、サンプルビーム１１４を後述する第１の光源１０２からの光１２２と結合させることを可能にする。装置内の別のダイクロイックビームスプリッタ１３８、１４８及び１５６は、ダイクロイックビームスプリッタ１２０と類似の設計である。
【００４１】
サンプルビーム１１４は、レンズ１２８及び１３０を含む４Ｆレンズ系を通してサンプル眼１１８にリレーされる前に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２４及び４分の１波長板１２６を通過する。ある実施形態では、例えば、光ファイバ偏光コントローラ又は直線偏光子（図示せず）を使用して第２の光源１０４からの光の偏光を制御し、ＰＢＳ１２４を通過してサンプル眼１１８に向う透過率を最大にする。網膜１１６に入射する光の位置及び角度の調節は、角度偏向デバイス１３２、１３４のようなビームステアリング光学系を通して達成することができ、ここでは便宜上プリズムのような透過型デバイスとして示すが、角度調節可能なミラーのような非分散性反射型デバイスが一般的に好ましい。第１の偏向デバイス１３２は、サンプルビーム１１４と、同一経路に沿って戻る対応する反射ビームとを網膜１１６上の異なる位置まで移動することができる。第２の偏向デバイス１３４は、網膜上の照明角度を調節することを可能にし、これは、スペックルの減少及び分解能の改善により画像品質を改善するのに重要となり得る。当業技術で良く理解されているように、検査中の眼の変動を受け入れるために追加の屈折力要素をそのリレーに挿入することができる。
【００４２】
網膜１１６から反射又は散乱されたサンプルビーム１１４からの光１３６の一部分は、収集されてリレーを通って戻る。次に、戻り光は、４分の１波長板１２６を再度横切り、従って、その有意な部分は、使用時にレンズ１４２、１２８、１３０と眼１１８の屈折力要素、すなわち、そのレンズ１０３及び角膜１０１との組合せによって定められる８Ｆ網膜平面に対応する位置に位置付けられた任意的なホロスコープ開口１４０に向けてダイクロイックビームスプリッタ１３８を通してＰＢＳ１２４による方向に関して、入射するサンプルビーム１１４に対して直交偏光される。任意ではあるが、この開口１４０は、有利なことに、後続分析系の空間ナイキスト限界外にあって、ファントム信号又はノイズの一因になる可能性がある光をフィルタ除去する働きをする。ホロスコープ開口１４０は８Ｆ網膜平面に位置付けられて示されているが、これに代えて、例えば、１２Ｆ網膜平面などに位置決めすることができる。
【００４３】
次に、リレーされた網膜像は、ミラー１４６によって反射されてダイクロイックビームスプリッタ１４８を透過した後でレンズ１４４によってコリメートされる。ビームスプリッタ１５０は、好ましくは偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であるが必ずしもそうである必要はなく、レンズ１５４によってコリメートされてダイクロイックビームスプリッタ１５６を通過する適切に経路長調節された基準ビーム１５２と網膜像の遠視野を結合することを可能にする。次に、好ましくは迷光を低減するために対応する２Ｄ開口アレイ１６２との組み合わせで２次元（２Ｄ）レンズレットアレイ１６０のような空間サンプリング要素によって決定された空間位置のグリッドで組合せビームの偏光状態を分析することができる分光計１５８を使用して、網膜像の遠視野は基準ビーム１５２と比較される。組合せビームの偏光状態は、両方の偏光状態に対してある角度を成すように調節されたＰＢＳ１６４によって分析され、それにより、網膜像の遠視野にわたる相対位相に関する情報を提供することができる基準及び信号経路間の干渉を生成する。ここに使用される分光計１５８は、複数のグリッド点、ビーム、又はビームレットが、透過型回折格子１６６の形態の適切に方向付けられた波長分散要素によって回折格子に対してある角度で分散されるので、それらを同時に分析することができるコンパクトな反射型分光計である。レンズ１６８又は軸外放物面鏡のような集束要素は、回折格子１６６による分散のためにグリッド点をコリメートした後で、ミラー１７２からの反射を通して４分の１波長板１７０を二度通過して偏光状態を９０度回転させる。４分の１波長板１７０とミラー１７２は、組み合わされて偏光変換系を形成し、この特定の例では９０度の回転を含む偏光変換をもたらす。反射光の分散されたスペクトル成分は、ＰＢＳ１６４を通過した後で、レンズ１６８によってＣＭＯＳカメラのような２Ｄセンサアレイ１７４上に結像される。２Ｄセンサアレイにより検出されたインターフェログラムは、適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ１７６によるその後の分析のために、単一フレームで読み出される。プロセッサは、例えば、公知のフーリエ変換技術を適用して深度分解像、すなわち、サンプルビーム１１４によって照明された網膜１１６の領域に対応する体積の３次元（３Ｄ）画像を取得することができる。好ましい実施形態では、回折格子１６６は、２Ｄレンズレットアレイ１６０及び対応する２Ｄ開口アレイ１６２によって決定される空間位置のグリッドに対して方向付けられるので、分光計１５８に入る組合せビームの各々は、２Ｄセンサアレイ１７４のピクセルの個別の組の上に分散される。
【００４４】
広い意味では、分光計１５８は、サンプリング点のグリッドでの光の分散及び偏光変換に対して構成され、分散は、異なる波長の分析を可能にし、偏光変換は、偏光ビームスプリッタでの屈折力の方向転換を可能にする。有利なことに、それは、グリッドサンプリング分光計の低損失でコンパクトな実現を提供し、偏光ビームスプリッタは、干渉分析器の追加の機能を提供することができる。
【００４５】
ここで、分散型構造化照明を使用する共焦点顕微鏡系の作動、及び上述のホロスコープスペクトル領域ＯＣＴ撮像系との統合について説明する。図１を参照して説明したある実施形態では、共焦点顕微鏡系は、第１の光源１０２からの中心波長８４０ｎｍ及び約１６ｎｍの帯域幅を有する光１２２を光ファイバ結合型ＳＬＤの形態で利用する。必要に応じて、この光源からの光の一部分、例えば、１０％は、例えば、より高感度を得るために又は例えば血管造影位相コントラストに対する相対位相測定値を取得するために干渉測定が望ましい場合に、２×２カプラ１７７を使用して基準経路１７８に分割される。この任意的な基準経路１７８はまた、非干渉測定のために基準ビームを遮断する光スイッチ１７９と共に、干渉測定のための切換可能な遅延ラインのような経路長調節手段を含むことができる。
【００４６】
第１の光源１０２からの光１２２は、レンズ１８０によって比較的大きいビーム、例えば、直径が数ｍｍ、好ましくは直径がＯＣＴサンプルビーム１１４よりも大きいビームにコリメートされ、次に、２Ｄレンズレットアレイ１８１のような空間サンプリング要素に入射し、後続レンズ１８２によってフーリエ変換される。フーリエ変換されたサンプルビームレットは、透過型回折格子１８４の形態の波長分散要素によって分散され、ダイクロイックビームスプリッタ１２０によってホロスコープＯＣＴ系と同じトレーンに結合される。重要なことは、レンズレットアレイ１８１と回折格子１８４が好ましくは互いに対して角度が付けられるので、後述するように、分散されたサンプルビームレット１８３のグリッドがサンプル眼１１８の網膜１１６上に再結像された時に、拡張されて好ましくは実質的に連続した領域を覆う分散型構造化照明場を提供することになるということである。エンベロープ１８３によって概略的に示す波長分散されたフーリエ変換済みサンプルビームレットのグリッドは、レンズ１２８、１３０、及び偏向子１３２、１３４を有する光学リレー系により、ＯＣＴサンプルビーム１１４と同様に眼１１８にリレーされる。次に、眼の屈折力要素は、分散されたサンプルビームレットに作用して、図２Ａに示すように、網膜１１６において第１の波長帯域内、すなわち、第１の光源１０２によって放出される波長帯域内にある各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場２００を生成する。第１の波長帯域の分散エンベロープ２０２内の２つの特定波長に対するビームレットの代表的なグリッドは、点２０４及び２０６のアレイで示されている。上述のようにレンズレットアレイ１８１と回折格子１８４が互いに適切に角度が付けられる場合に、分散型構造化照明場２００を網膜上の第１の領域２０８にわたって実質的に連続させることができる。すなわち、この第１の領域内には、分散型構造化照明場によって照明されない網膜の部分がほとんど又は全く存在しない。分散エンベロープ２０２が少なくとも第１の領域２０８の一部分内で部分的に重なっているので、グリッド点と波長との各組合せは、幾らかの冗長性を有して網膜上の特定位置２１０を定める。ＯＣＴ撮像系のサンプルビーム１１４は、第１の領域２０８に少なくとも部分的に重複する網膜の第２の領域２１２を照明する。好ましくは、第２の領域２１２は、ＯＣＴビーム１１４によって照明される網膜上の各点が共焦点顕微鏡系の分散型構造化照明場２００によっても照明されるように、図示のように全体が第１の領域２０８内にある。ある実施形態では、第１の領域２０８は、第２の領域２１２の累積面積の１０倍から数百倍広くすることができる。第２の領域は図示のように連続し、又はＯＣＴ光学トレーン（図１には示さない）内のレンズレットアレイ又は別の空間サンプリング要素によって生成されたサンプリング点（Ａ−走査）のグリッドとすることができ、所与の領域の各々が累積面積を与える。図１に戻ると、ある実施形態では、例えば、チャープの程度のような回折格子１８４の適切な設計により、幾らかの屈折力を提供することができ、それにより、冗長波長が異なる深度で結像され、分析されている眼１１８の眼球屈折力の変動に対してより大きい許容範囲を与えることができる。
【００４７】
装置１００が図１に示すように眼１１８の網膜１１６を分析するのに使用されている時に、眼の屈折力要素、すなわち、角膜１０１及びレンズ１０３は、レンズレットアレイ１８１、フーリエ変換レンズ１８２、回折格子１８４、及びトレーン内の他の光学構成要素と協働し、網膜１１６に分散型構造化照明場を発生させる。非眼球サンプルを分析するために、装置１００は、眼の屈折力要素の代わりに追加の集束要素を含むことができる。同様に、強膜、前部又は後部の角膜面、又は前部又は後部のレンズ面のような眼の前部セグメントの構造を分析するために、装置１００は、眼の屈折力要素の一部又は全部の代わりに追加の集束要素を適宜含むことができる。これらの追加の集束要素も、ＯＣＴサンプルビーム１１４をサンプルの上に集束させる働きをすることになる。
【００４８】
ＯＣＴ撮像系によって提供される３次元ホロスコープ測定とは対照的に、図２Ａに示す分散型構造化照明場２００は、網膜１１６上の各照明点２１０での共焦点測定を可能にする。しかし、共焦点測定を取得するためは、全ての波長で同時に作用することができるピンホール又は開口アレイを作成しなければならない。これは、回折格子１８４によって課せられた分散をほぐすための透過型回折格子１８５の形態の分散要素と、レンズレットアレイ１８１によって生成されたサンプリンググリッドに好ましくは密接に相関する開口アレイ１８６とを含む第２の光学系によって与えられる。より一般的に、開口アレイ１８６は、レンズレットアレイ１８１によって生成されたサンプリンググリッドの少なくとも一部と密接に相関する少なくとも１つの開口を有するべきである。回折格子１８５による分散補償は、網膜１１６から収集された共焦点ビームレット１８７が、ダイクロイックビームスプリッタ１３８によって戻りホロスコープＯＣＴビーム１０５から分離された後に生じる。共焦点ビームレット１８７を開口アレイ１８６の上に集束させるのに使用されるレンズ１８８は、全波長範囲及びグリッド点にわたって開口アレイ１８６での位置合わせを保証するために、生産時に能動焦点距離調節を必要とする場合がある。第２の回折格子１８５も、第１の回折格子１８４内に設計されたあらゆる屈折力を逆転させるように設計しなければならない。レンズ１９０及び１４４の調節は、実際に妥当な効率で適切であると判っているが、任意的なレンズレットアレイ１８９を使用して、レンズアレイ１６０を通り、その後の開口アレイ１８６上への投射を低い結合損失で最適化することができる。分散補償されたビームレット１９１のグリッドは、分光計１５８による分析のために、ダイクロイックビームスプリッタ１４８内の戻りＯＣＴビーム１０５と再結合される。この分光計は、分散要素１６６及び集束レンズ１６８の設計により、共焦点顕微鏡点のグリッド及びレンズレットアレイ１６０でサンプリングされた戻りＯＣＴビーム１０５を８３０〜８９０ｎｍの範囲にわたって分析することができる。共焦点顕微鏡及びＯＣＴ系は異なる波長帯域内の光を使用するので、共焦点顕微鏡点のグリッド及びサンプリングされた戻りＯＣＴビームは、２Ｄセンサアレイ１７４の異なる部分の上に投射され、２Ｄセンサアレイの単一フレーム内で共焦点顕微鏡データとＯＣＴデータの両方の取得を可能にすることが認められるであろう。
【００４９】
上記で及び図２Ａを参照して言及したように、角度偏向デバイス１３２を調節することにより、ＯＣＴサンプルビーム１１４によって照明される領域２１２を網膜１１６上の異なる位置に移動することができ、より大きい区域の検査が可能になる。ＯＣＴ及び共焦点顕微鏡系が統合されているので、この調節は、共焦点顕微鏡系の分散型構造化照明場２００によって照明される領域２０８も移動する。重要なことは、領域２１２がより大きい区域２０８と少なくとも部分的に重なり、好ましくはその全体がより大きい区域２０８内にあるので、共焦点顕微鏡系を利用してＯＣＴサンプルビーム１１４によって照明される連続的な体積の正確な位置合わせを保証することができる。例えば、プロセッサ１７６は、自己相関法を使用して、より大きい区域２０８の重複する画像に基づいて変位ベクトルを決定することができる。仮に眼球運動がＯＣＴサンプルビーム１１４を網膜上に位置決めする時に誤差を生じさせる場合に、この誤差は、共焦点顕微鏡系によって取得された、より大きい区域の網膜像と整合させることによって検出及び補正することができる。図２Ａを参照して上述したように、分散型構造化照明場２００がビームレットグリッド２０４、２０６に対して角度が付けられることが好ましいのは、連続するＯＣＴ体積の正確な位置合わせを保証するためである。回折格子１８４の分散軸がレンズレットアレイ１８１の軸に平行な場合に、網膜での分散型構造化照明場２００は、図２Ｂに示すように現れることができる。この状況では、分散型構造化照明場２００に間隙２１４が存在し、ＯＣＴサンプルビームによって照明される領域２１２の有意な部分が分散エンベロープ２０２と重ならないことになることは認められるであろう。
【００５０】
２Ｄセンサアレイ１７４の各フレーム内では、実際の照明時間は、運動アーチファクトに起因するフリンジ減衰を低減するために非常に短く、約１００μｓ程度とすることができる。位置合わせの精度を最大にするために、共焦点顕微鏡点及びレンズレットでサンプリングされたＯＣＴビームのグリッドは、好ましくは実質的に同時に取得され、例えば、それぞれのＯＣＴ及び共焦点顕微鏡の像が２Ｄセンサアレイ１７４の単一フレームで取得される。例えば、単一広帯域光源から取得された異なる波長帯域を遮蔽することにより、又は別々の光源をパルス駆動することにより、共焦点顕微鏡及びＯＣＴの画像を連続するフレームで取得することも可能であるが、フレーム間の時間は眼球運動を確実に補償することができるように短くするべきである。共焦点顕微鏡及びＯＣＴ系に関して照明のタイミングを独立して選択する機能は有用であると考えられる。一例では、フレームの終わりに共焦点顕微鏡系光源１０２をパルス駆動することにより、偏向デバイス１３２の微調節によって共焦点顕微鏡測定のシフトに基づいて予想された位置からホロスコープＯＣＴ測定の次のフレームの正確な位置合わせを調節する機能が与えられる。網膜１１６の大きい区域にわたって測定して相関させる機能により、眼球運動により誘発される別々の体積間の間隙又は縫い合わせ誤差のないことを保証することができる。更に、再取得を必要とする場合に、いずれの網膜領域にも正確に戻ることができる。共焦点顕微鏡系によって照明される領域２０８は、典型的にＯＣＴ系によって照明される領域２１２よりもかなり大きいので、網膜上の点は、多くの場合にいくつかの共焦点像、一部の事例では数百の像に現れることになる。有利なことに、これらの多重露光は、異なる照明波長で各点を複数回測定することによって高度に平均化された像を生成することを可能にし、画像品質を改善してあらゆるスペックルアーチファクトを低減する。
【００５１】
共焦点顕微鏡系は、従来のＳＬＯ又は走査型共焦点顕微鏡の場合のように純粋に強度モードで、すなわち、基準アーム１７８を使用することなく、又は網膜１１６から反射されたビームレット１９１のグリッドがレンズ１９３によってコリメートされた基準ビーム１９２と干渉するコヒーレントモードで作動させることができる。コヒーレントな信号は、その強度が既知の場合に、より容易に解釈することができることに着目すると、光スイッチ１７９の作動により、連続するフレームにおいて両モードでの取得が可能である。コヒーレントモードでの干渉は、位置合わせ処理に関して不要な複雑さをもたらす場合があるので、多くの場合に純粋に強度モードの方が好ましい。これに代えて、共焦点顕微鏡信号の相対位相及び振幅を解釈する又は決定するために、位相分解干渉スペクトルを取得することが可能である。
【００５２】
図１の装置内のいくつかの要素は、例えば、光源１０２及び１０４、角度偏向デバイス１３２及び１３４、光スイッチ１７９及び２Ｄセンサアレイ１７４を含めて連携様式で作動させる必要があることが認められるであろう。この全体的な制御レベルは、例えば、プロセッサ１７６に適切な機械可読プログラムコードを備えることによって提供することができる。
【００５３】
好ましい実施形態では、構成要素の統合を高めてＯＣＴ画像の位置合わせを確実に強化するために、分光計１５８は、図１に示すような一体型ＯＣＴ及び共焦点顕微鏡系に共通である。しかし、一部の事例では、例えば、各分光計の個別の最適化を可能にするために、２つの独立した分光計を有することが有利であると考えられる。
【００５４】
ＯＣＴ系によって照明される連続的な体積の位置合わせのために、統合される顕微鏡系が共焦点であることは必須ではないことに注意されたい。すなわち、開口アレイ１８６及びレンズレットアレイ１８９を装置１００から省略し、非共焦点顕微鏡系に統合されたＯＣＴ撮像系を得ることができる。しかし、軸線方向変位の存在下でノイズ除去の改善及び位置合わせ精度の改善のために、共焦点顕微鏡検査系が好ましい。
【００５５】
装置１００の共焦点顕微鏡及びＯＣＴ系は、分離して作動させることが可能であることは認められるであろう。例えば、共焦点顕微鏡系のみを使用して網膜１１６の１又は２以上の領域、又は眼１１８の後部セグメントにある別の構造を分析することができる。
【００５６】
上述のような繰り返しスナップショット３次元ＯＣＴ画像の位置合わせに使用される波長帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場を発生させる機能は、測定用途に使用することもできる。図３は、物体３２０の面測定のための装置３００を概略的な形態に示している。中心波長８４０ｎｍ及び約２０ｎｍの帯域幅を有する偏光型超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）の形態の光源３０２からの光は、軸外放物面鏡３０４によってコリメートされ、次に２Ｄレンズレットアレイ３１０又は回折光学系（ＤＯＥ）のアレイのような空間サンプリング要素を通され、サンプルビームレットのグリッドを生成する。サンプルビームレットは、用途に応じた焦点距離の選択によって拡大又は縮小することができるレンズ３１１及び３１２の系を通してリレーされる。レンズリレー内には、例えば、１５００ライン／ｍｍを有する透過型回折格子３０６の形態の波長分散要素が設けられる。光源３０２、レンズレットアレイ３１０、回折格子３０６、及びレンズ３１１、３１２は組み合わされ、光源の放出帯域内の各波長に対するビームレットのグリッドの形態で分散型構造化照明場３１４を発生させる光学系を形成する。すなわち、光源３０２の各波長成分は、回折格子３０６の分散軸においてオフセットされた対応するグリッドを有することになる。代替実施形態では、分散型構造化照明場を発生させるためのサンプルビームレットのグリッドは、ＬＥＤアレイのような複数光源によって提供される。分散型構造化照明場３１４は、ビームスプリッタを通って、かつ必ずしもそうである必要はないが好ましくはサンプルアーム３２４及び基準アーム３２６に分割する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２２を通って、サンプル３２０へ進み、サンプル３２０及び基準アームミラー３２８からの反射光は、それぞれの偏光が４分の１波長板３３０及び３３２によって回転された後でＰＢＳ３２２によって再結合される。
【００５７】
ある実施形態では、透過型回折格子３０６は、当業技術で公知のように、ラインの曲率又はチャープライン間隔又はその両方により、１つ又は２つの軸で屈折力を提供するように設計される。この場合に、回折格子の屈折力は波長の関数であるので、光のその後の集束は、湾曲した波面３０９によって表されるような有効波長依存の焦点面を有することになる。この特徴は、複数波長での光の位相情報と組み合わせて色集束を使用することにより、拡張された焦点深度にわたって高い横方向分解能を可能にするので、サンプルの面変動が大きい工業測定系に対して特に有利であり、以下に説明する干渉ＯＣＴ測定を通して利用される。
【００５８】
測定装置３００では、回折格子３０６及びレンズレットアレイ３１０は、回折格子の分散軸がレンズレットアレイの軸に整合するように互いに対して方向付けられることが好ましい。これは、回折格子１８４の分散軸がレンズレットアレイ１８１の軸に対してある角度を成すことが好ましい図１に示す上述の共焦点顕微鏡／ＯＣＴ装置１００とは対照的である。図４に概略的に示すように、レンズレットアレイの軸に沿う分散は、サンプルとの相互作用に関して、一連の投射ライン４０４上に離間した分散波長４０２の重複シーケンスを含む分散型構造化照明場４００をもたらす。図２Ａ及び２Ｂに示す状況と同様に、点４０６及び４０８のアレイは、光源３０２によって放出される波長帯域の分散エンベロープ４１０内の２つの特定波長に対するビームレットのグリッドを表している。
【００５９】
組み合わされた反射基準及びサンプル光の場は、リレーレンズ３３６及び３３８を含む分散光学リレー３３４と、回折格子３０６によって課せられるスペクトル分散及び色集束を補償するように設計された開口数制限回折格子３４０とを通して変換される。それにより、分散補償されたビームレット３４１のグリッド内にある全波長をレンズレットアレイ３１０によって生成された照明グリッドに対応するように設計された開口グリッド３４２によって同時に取り込むことが可能になる。開口グリッド３４２内の開口のサイズ及び回折格子３４０によって定められる分散リレー開口のサイズは、サンプル３２０での十分な被写界深度からの光の収集を最適化し、多重散乱光からのクロストークを低減するように選択される。一般的に、より小さい開口は、より低い信号レベルと共に被写界深度の改善と横方向分解能の減少とを与える。１つの特定の例では、長さ４ｍｍの回折格子３４０と焦点距離７０ｍｍのレンズ３３６との組合せは、回折格子３４０の角度に応じて約０．０２の開口数を提供することになる。任意的なレンズレットアレイ３４４を使用して、入射するビームレット３４１の開口数を調節し、開口サイズ及び従って分光計３４６の要求される分解能に整合させることができる。ある実施形態では、調節可能な偏光器３４８が含まれ、各アームで予期されるパワーレベルに従って組み合わされたサンプルビーム及び基準ビームのパワーの少量を取り込み、その相対位相に従ってサンプル光と基準光を干渉させることができる。これに代えて、図１に示す装置内の分光計１５８の場合と同様に、組み合わされたビームの偏光状態は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３５０によって分析することができる。偏光器３４８を含むことにより、ＰＢＳ３５０とは実質的に独立して偏光を分析することができる。
【００６０】
分光計３４６に入るサンプリング点の分散補償されたグリッドは、サンプル３２０の照明部分からの反射又は散乱から取得されたサンプル情報を含み、引用により本明細書にその内容が組み込まれている「反射光のスペクトル波面分析を使用する眼球測定」という名称の米国特許出願公開第２０１６／０１３５６７９  Ａ１号明細書、及び「波面分析器」という名称の米国特許出願公開第２０１６／０１３５６８０  Ａ１号明細書に説明されている２Ｄ分光計技術によって分析することができる。図３に示す例示的実施形態では、小型分光計３４６は、ＰＢＳ３５０と、平坦フィールドリレーレンズ３５２又は他の集束要素と、透過型回折格子３５６の形態の波長分散要素と、４分の１波長板３５８及びミラー３６０を有する偏光変換系３５４とを含む。偏光変換系は、分散された光の偏光状態を９０度だけ回転させ、適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ３６４による分析のためにＣＭＯＳカメラのような２Ｄセンサアレイ３６２上へのＰＢＳ３５０での方向転換を可能にする。回折格子３５６は、好ましくは、その分散が開口グリッド３４２に対応するサンプリンググリッドに対してある角度を成すように方向付けられ、サンプリンググリッド内の各点に対して各分解可能波長の独立した干渉測定を可能にする。すなわち、各グリッド点５００は、図５に示すように２Ｄセンサアレイ５０４のピクセル５０２の別々の組の上に分散される。
【００６１】
図４に示すサンプル上の分散型構造化照明場４００の寸法は、それを生成する光学構成要素の詳細に依存することになる。一例示的実施形態では、分散波長４０２の各重複シーケンスは、約２００μｍの中心間隔４１６で約１０ｍｍの長さ４１２と約２０μｍの幅４１４とを有し、投射ライン４０４の数はレンズレットアレイ３１０内のレンズレットの行の数によって決定される。分散波長４０２の重複シーケンスの１つの中にあるサンプル上の各点４１８は、複数の波長によって照明されることになり、それにより、干渉測定技術は、サブサンプリングされたスペクトルを使用して特定の深度にわたって各軸線方向反射点の明確な測定値を決定することができる。回折格子３０６が屈折力を有する実施形態では、反射点での相対屈折力は、波長依存性集束によってかなり決定されることになる。それによって反射点に関する情報が更に与えられ、深度の明確な決定が可能になる範囲を更に広げることができる。これに加えて、多くの場合に連続性の制約を使用して、測定の相対精度を改善することができる。
【００６２】
ここで、分散型構造化照明場４００をサンプル３２０に対して制御された様式で、例えば、ステージ上のサンプルを平行移動させることにより、又はビームステアリング光学系を使用することによって、走査することの効果を考察する。２Ｄセンサアレイ３６２及びプロセッサ３６４が、１つの設定位置での分散波長４０２の離間した重複シーケンスに対応するサンプル体積を取得して分析した後で、完全な連続体積を取得するために重複シーケンス間の間隙４２０が埋まるまで、例えば、１０μｍのステップでその取得を繰り返すことができる。次に、隣接するサンプル領域の上に大きいジャンプを行い、この処理を繰り返すことができる。好ましくは、これらのステップは、投射ライン４０４の垂線に対して小角度にされ、波長の異なる組での各サンプル点４１８のオーバサンプリングを可能にする。分散型構造化照明場４００が図４に示すように分散波長４０２の複数の重複シーケンスを含むことは必須ではないが、拡張された領域にわたるサンプルの高速測定には有利であると考えられる。その一方、例えば、１次元レンズレットアレイ又は他の１次元空間サンプリング要素で生成することができる分散波長４０２の１つの重複シーケンスのみを有する分散型構造化照明場の使用は、より迅速なデータ読取には有利である可能性がある。
【００６３】
代替実施形態では、例えば、２Ｄレンズレットアレイで生成された波長分散ビームレットのアレイを干渉させることにより、波長分散型構造化照明場が生成される。Ｂｅｓｏｌｄ他著「周期的マイクロレンズアレイに関する部分的Ｔａｌｂｏｔ効果」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、３６（４）、１０９９−１１０５（１９９７）に説明されているように、複数の分散ビームレットのコヒーレント重畳は、個々のビームレットの同等サイズアレイの対応するレイリー長さよりも遥かに長い距離にわたってコヒーレント重畳で伝播することができる高強度「ロッド」のグリッドを形成する。
【００６４】
本発明を特定の実施例を参照して説明したが、本発明は多くの他の形態に具現化することができることは当業者によって認められるであろう。
【符号の説明】
【００６５】
１００  一体型共焦点顕微鏡及びスペクトル領域ＯＣＴ系を含む装置
１１８  眼
１２４  偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１６６  透過型回折格子
１９１  分散補償されたビームレット
【図１】
2019521763.tif 000003
【図２Ａ】
2019521763.tif 000004
【図２Ｂ】
2019521763.tif 000005
【図３】
2019521763.tif 000006
【図４】
2019521763.tif 000007
【図５】
2019521763.tif 000008
【国際調査報告】
2019521763.tif 000009
2019521763.tif 000010
2019521763.tif 000011
2019521763.tif 000012
2019521763.tif 000013
2019521763.tif 000014