(57)【要約】  本出願によれば、とりわけ、偏光依存性問題を改善し、光が光源に反射され戻すことを防止するのに役立つ干渉計の実施形態が提示される。干渉計の実施形態は、光源（１０１）に結合されたアイソレータ（４０２）と、アイソレータに結合された、光をリファレンスアーム（１０４）およびサンプルアーム（１０５）に提供するための偏光依存光学素子（４０３）とを含むことができ、光検出器（４１７、４１８）に提供される反射光は、検出器に結合された光信号プロセッサ（４１０）で偏光非依存光信号が形成され得るようなものであり、アイソレータは、リファレンスアームおよびサンプルアームからの反射光が光源に入ることを阻止する。いくつかの実施形態では、平衡検出システムが、雑音を低減するために利用されることができる。
2007522456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源に結合されたアイソレータと、
前記アイソレータに結合された偏光依存光学素子と、
前記偏光依存光学素子に結合されたリファレンスアームと、
前記偏光依存光学素子に結合されたサンプルアームと、
前記偏光依存光学素子に結合された１つまたは複数の光検出器とを含み、
前記偏光依存光学素子は、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームに光を結合し、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームから反射光を受光し、前記１つまたは複数の光検出器に結合された光信号処理ユニットで偏光非依存光信号が形成され得るように光を前記１つまたは複数の検出器に提供し、
前記アイソレータは、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームからの反射光が前記光源に入ることを阻止する干渉計。
【請求項２】
光を受光し、パワー信号を提供するように結合されたパワーモニタをさらに含む、請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記アイソレータは、第１のポートで前記光源から光を受光するように結合されたサーキュレータを含む、請求項１に記載の干渉計。
【請求項４】
前記偏光依存光学素子は、
前記サーキュレータの第２のポートから光を受光するように結合され、第１の偏光の光を提供し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射された光を受光し、偏光に応じて前記１つまたは複数の光検出器の第１の検出器と前記サーキュレータの前記第２のポートに光を提供する偏光依存ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから前記第１の偏光の前記光を受光するように結合され、前記第１の偏光の前記光を前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームに結合し、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームからの反射光を前記偏光依存ビームスプリッタに結合し戻すビームスプリッタとを含み、
前記サーキュレータは、第３のポートを介して前記１つまたは複数の光検出器の第２の検出器に光を提供する、請求項３に記載の干渉計。
【請求項５】
前記アイソレータは、前記光源から光を受光し、第１の偏光で第１のビームを、第２の偏光で第２のビームを提供するビームスプリッタを含む、請求項１に記載の干渉計。
【請求項６】
前記アイソレータは、前記第１のビームおよび前記第２のビームの前記偏光を約４５度回転させるファラデー回転子と、前記第１のビームおよび前記第２のビームの前記偏光をさらに回転させる半波長板とをさらに含む、請求項５に記載の干渉計。
【請求項７】
前記偏光依存光学素子は、
前記第１のビームおよび前記第２のビームを受光するように結合されたファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子に結合され、前記第１のビームの前記偏光が前記第２の偏光に回転され、前記第２のビームの前記偏光が前記第２の偏光に回転される波長板と、
前記波長板から前記第１のビームおよび前記第２のビームを受光し、前記第１のビームを前記第２のビームと合成するように結合されたプリズムと、
前記プリズムに結合され、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームに光を提供し、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームから反射光を受光するビームスプリッタとを含み、
前記反射光は、前記プリズムで偏光によって分割光ビームに分割され、前記分割光ビームの各々の前記偏光は、前記波長板および前記ファラデー回転子によって回転され、前記ビームスプリッタは、前記分割光ビームを再合成し、合成ビームを第２の偏光ビームスプリッタに結合し、
前記第２の偏光ビームスプリッタは、偏光に従って前記ビームを分割し、前記１つまたは複数の光検出器に結合される、請求項５に記載の干渉計。
【請求項８】
前記アイソレータは、
前記リファレンスアームに結合された第１のサーキュレータと、
前記サンプルアームに結合された第２のサーキュレータとを含む、請求項１に記載の干渉計。
【請求項９】
前記偏光依存光学素子は、
前記光源からの光を受光し、偏光する直線偏光子と、
前記直線偏光子から前記偏光された光を受光し、前記リファレンスアームの前記第１のサーキュレータの第１のポートおよび前記サンプルアームの前記第２のサーキュレータの第１のポートに光ビームを提供するように結合された第１のビームスプリッタであって、前記第１のサーキュレータの第２のポートはリファレンスに結合され、前記第２のサーキュレータの第２のポートはサンプルに結合される第１のビームスプリッタと、
前記第１のサーキュレータの第３のポートおよび前記第２のサーキュレータの第３のポートから光を受光し、合成ビームを提供するように結合された第２のビームスプリッタと、
前記合成ビームを受光し、第１の偏光の第１のビームおよび第２の偏光の第２のビームを前記１つまたは複数の光検出器に提供するように結合された偏光依存ビームスプリッタとを含む、請求項８に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記アイソレータは、前記光源から光を受光し、第１の偏光のビームを提供するように結合された偏光依存ビームスプリッタを含む、請求項１に記載の干渉計。
【請求項１１】
前記アイソレータは、前記第１の偏光の前記ビームの偏光を受光し、回転させる、ファラデー回転子と、半波長板とをさらに含む、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記偏光依存光学素子は、
前記第１の偏光の前記ビームを受光し、前記第１の偏光の前記ビームを出力するように結合されたファラデー回転子および波長板と、
前記ファラデー回転子および前記波長板から前記第１の偏光の前記ビームを受光し、前記第１の偏光の前記ビームを透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第２の偏光ビームスプリッタから前記第１の偏光の前記ビームを受光し、前記第１の偏光の前記ビームを前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームに結合し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射ビームを受光し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームからの前記反射ビームを合成反射ビームに合成するように結合されたビームスプリッタとを含み、
前記合成反射ビームは、前記第２の偏光ビームスプリッタによって前記第１の偏光の前記合成反射ビームと第２の偏光の合成反射ビームに分割され、前記第２の偏光の前記合成反射ビームは、前記１つまたは複数の光検出器の１つに結合され、
前記第１の偏光の前記合成反射ビームは、前記ファラデー回転子および前記波長板によって前記第２の偏光に偏光回転され、前記偏光ビームスプリッタによって前記１つまたは複数の光検出器の別の１つに結合される、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１３】
前記偏光依存光学素子は、
前記第１の偏光の前記第１のビームを受光し、前記偏光を第２の偏光に回転させるように結合されたファラデー回転子および波長板と、
前記ファラデー回転子および波長板から前記第２の偏光の前記ビームを受光するように結合された第２のプリズムと、
前記第２のプリズムから前記第２の偏光の前記ビームを受光し、光を前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームに結合し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射ビームを受光し、合成反射ビームに提供するように結合されたビームスプリッタとを含み、
前記合成反射ビームは、前記第２のプリズムで偏光によって前記第１の偏光の第１の反射ビームと前記第２の偏光の第２の反射ビームに分割され、
前記ファラデー回転子および波長板は、前記第２の偏光の前記第２の反射ビームの偏光を前記第１の偏光に回転させ、
前記偏光依存ビームスプリッタは、前記第２の反射ビームを前記１つまたは複数の光検出器に結合する、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１４】
前記ビームスプリッタに結合されたパワーモニタをさらに含む、請求項１３に記載の干渉計。
【請求項１５】
前記偏光依存光学素子は、
前記第１の偏光の前記第１のビームを受光し、前記第１の偏光の前記第１のビームを透過させるように結合されたファラデー回転子および波長板と、
前記ファラデー回転子および波長板から前記第１の偏光の前記第１のビームを受光するように結合された第２のプリズムと、
前記第２のプリズムから前記第１の偏光の前記第１のビームを受光し、光を前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームに結合し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射ビームを受光し、合成反射ビームに提供するように結合されたビームスプリッタとを含み、
前記合成反射ビームは、前記第２のプリズムで偏光によって前記第１の偏光の第１の反射ビームと前記第２の偏光の第２の反射ビームに分割され、
前記ファラデー回転子および波長板は、前記第１の偏光の前記第１の反射ビームを透過させ、
前記偏光依存ビームスプリッタは、前記第１の反射ビームを前記１つまたは複数の光検出器に結合する、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１６】
前記第２のプリズムは、前記第２の偏光の前記第２の反射ビームを前記１つまたは複数の光検出器に結合する、請求項１５に記載の干渉計。
【請求項１７】
前記ビームスプリッタに結合されたパワーモニタをさらに含む、請求項１５に記載の干渉計。
【請求項１８】
前記偏光依存ビームスプリッタは、プリズムである、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項１９】
前記偏光依存光学素子は、
前記偏光依存ビームスプリッタと前記光源の間に結合され、第１の偏光と第２の偏光を有するビームを提供する直線偏光子と、
前記偏光依存ビームスプリッタから前記第２の偏光の光を受光するように結合された４分の１波長板と、
前記４分の１波長板から光を受光し、前記４分の１波長板を通して光を反射し戻して、前記偏光依存ビームスプリッタに前記第１の偏光の光を提供するように結合されたミラーと、
前記偏光依存ビームスプリッタから前記第１の偏光の光を受光し、円偏光された光を前記リファレンスアームに提供するように結合された第２の４分の１波長板であって、前記リファレンスアームからの反射光は、前記偏光依存ビームスプリッタでの前記第２の偏光の光である第２の４分の１波長板と、
前記第１の偏光および前記第２の偏光から等しい光の部分を通過させるように配置された直線偏光子であって、前記ミラーから反射された光と前記リファレンスアームから反射された光を含む合成ビームを前記偏光依存ビームスプリッタから受光するように結合された直線偏光子と、
前記直線偏光子から光を受光し、光を前記サンプルアームに提供するように結合されたビームスプリッタであって、前記サンプルアームからの反射光が、前記ビームスプリッタによって前記１つまたは複数の検出器に結合されるビームスプリッタとを含む、請求項１０に記載の干渉計。
【請求項２０】
前記偏光依存光学素子は、
前記サーキュレータの第２のポートから光を受光するように結合され、第１のビームを提供する偏光依存ビームスプリッタと、
第１のビームを受光し、光を前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームに提供し、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射ビームを受光するように結合されたビームスプリッタとを含み、
前記反射ビームの第１の部分は、前記ビームスプリッタによって１つまたは複数の光検出器に結合され、前記反射ビームの第２の部分は、前記ビームスプリッタによって前記偏光依存ビームスプリッタに結合され、
第１の偏光を有する前記第２の部分は、前記サーキュレータの前記第２のポートに結合され、前記サーキュレータの前記第３のポートは、前記１つまたは複数の光検出器に結合され、
第２の偏光を有する前記第２の部分は、前記偏光依存ビームスプリッタによって前記１つまたは複数の光検出器に結合される、請求項３に記載の干渉計。
【請求項２１】
干渉計試験を実行する方法であって、
光源から光を提供するステップと、
前記光源からの光をリファレンスアームおよびサンプルアームに結合するステップと、
前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームから反射光を受光するステップと、
前記光源を前記サンプルアームからの前記反射光および前記リファレンスアームからの前記反射光から分離するステップと、
前記反射光を検出システムに誘導するステップとを含み、
前記検出システムが偏光非依存信号を提供することができる方法。
【請求項２２】
前記光源からの光をリファレンスアームおよびサンプルアームに結合するステップは、前記光源からの光を第１の偏光の光と第２の偏光の光に分割するステップと、第１の偏光の光を前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームに提供するステップとを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームから反射光を受光するステップは、前記リファレンスアームおよび前記サンプルアームからの反射光を合成するステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記反射光を検出システムに誘導するステップは、前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームからの反射光を第１の偏光および第２の偏光の光に分割するステップと、前記第１の偏光の前記光を第１の検出器に結合し、前記第２の偏光の前記光を前記第２の検出器に結合するステップとを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記光源を前記反射光から分離するステップは、前記光源と前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームとの間に少なくとも１つのサーキュレータを設けるステップを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
光源と、
前記光源から光を受光するように結合された第１のポートを有し、光を前記第１のポートから第２のポートに、前記第２のポートから第３のポートに誘導するサーキュレータであって、前記サーキュレータの前記第３のポートは、第１の検出器に結合されるサーキュレータと、
前記サーキュレータの前記第２のポートから光を受光するように結合された偏光依存ビームスプリッタであって、第１の偏光の光を透過させ、また前記第１の偏光の反射光を前記サーキュレータの前記第２のポートに、第２の偏光の反射光を第２の検出器に結合する偏光依存ビームスプリッタと、
前記第１の偏光の光を受光し、前記第１の偏光の前記光をサンプルアームおよびリファレンスアームに結合するビームスプリッタであって、さらに前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームからの反射光を前記偏光依存ビームスプリッタおよび第３の検出器に結合するビームスプリッタとを含む干渉計。
【請求項２７】
前記リファレンスアームからの反射光は、前記第１の検出器と前記第２の検出器とに均等に分割される、請求項２６に記載の干渉計。
【請求項２８】
光源からの光をサーキュレータの第１のポートに結合するステップと、
前記サーキュレータの第２のポートからの光を第１の偏光の光と第２の偏光の光に分割するステップと、
前記第１の偏光の前記光をサンプルアームおよびリファレンスアームに結合するステップと、
前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームからの反射光の一部を第３の検出器に結合するステップと、
前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームからの反射光を前記第１の偏光の反射光と前記第２の偏光の反射光に分割するステップと、
前記第１の偏光の前記反射光を前記サーキュレータの前記第２のポートおよび第３のポートを介して第１の検出器に結合するステップと、
前記第２の偏光の前記反射光を第２の検出器に結合するステップと、
前記第１の検出器、前記第２の検出器、および前記第３の検出器からの信号に基づいて偏光非依存信号を生成するステップとを含む干渉法の方法。
【請求項２９】
前記偏光非依存信号は、光源雑音から免れている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記リファレンスアームからの反射光は、前記第３の検出器と前記第１および第２の検出器とに均等に分割される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
光ビームを発生する手段と、
前記光ビームをサンプルアームおよびリファレンスアームに結合する手段と、
前記サンプルアームおよび前記リファレンスアームから反射光を受光する手段と、
光ビームを発生する手段を前記反射光から分離する手段と、
前記サンプルアームから反射された光と前記リファレンスアームから反射された光の合成に関する偏光非依存信号を生成する手段とを含む干渉計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｊａｙ  Ｗｅｉによって２００４年２月１０日に出願された「High Efficiency Low Coherence Interferometry」と題する仮出願第60/543,767号に基づく優先権を主張し、同仮出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、干渉法に関し、詳細には、光コヒーレンス断層撮影法や光コヒーレンス反射測定法など、非侵襲的な光学撮像装置および測定装置で利用され得る高効率干渉計に関する。
【背景技術】
【０００３】
古典的な白色光干渉計に由来する低コヒーレンス干渉法は、光コヒーレンス反射測定法および光コヒーレンス断層撮影法への応用のため、過去１０年ほどの間にますます注目を集めるようになった。光コヒーレンス反射測定法と光コヒーレンス断層撮影法は共に、眼の像をマッピングするための技法であり、眼の欠陥を診断し治療するのに大いに役立てることができる。さらに低コヒーレンス干渉法は、内視鏡検査、腹腔鏡検査、顕微鏡検査、および干渉技法が有用であり得るその他の任意の技法で利用されることができる。
【０００４】
図１は、従来の低コヒーレンス干渉計１００の一例を示している。図１に示される低コヒーレンス干渉計１００は、光源１０１と、ビームスプリッタ１０２と、光信号処理ユニット１１０とを含む、簡単なマイケルソン干渉計である。図１に示されるように、ビームスプリッタ１０２は、ソースアーム１０３から受光された光源１０１からの低コヒーレンス光ビームを、リファレンスアーム１０４に結合されるリファレンスビームとサンプルアーム１０５に結合されるサンプルビームとに分割する、２×２ビームスプリッタとすることができる。リファレンスアーム１０４のリファレンスビームは、リファレンス１１２によってビームスプリッタ１０２に反射され戻り、サンプルアーム１０５のサンプルビームは、サンプル１１１によってビームスプリッタ１０２へと反射され戻る。ビームスプリッタ１０２は、反射されたリファレンスビームを、ソースアーム１０３と信号アーム１０６とに分割する。同様に、ビームスプリッタ１０２は、サンプル１１１からの反射ビームを、ソースアーム１０３と信号アーム１０６とに分割する。したがって、サンプル１１１およびリファレンス１１２からの反射ビームは、ビームスプリッタ１０２によって、ソースアーム１０３に結合される合成ビームに合成される。信号アーム１０６の信号ビームは、光検出器および透過率増幅器ＴＩＡ  １０７によって受光され、そこで光信号が電子信号に変換される。電子信号は、さらなる処理のため、光信号処理ユニット１１０に結合される。光信号処理ユニット１１０で請け負われる光信号処理の機能は、バンドパスフィルタリング、信号増幅、復調、ローパスフィルタリング、およびその他の処理機能を含むことができる。光信号処理ユニット１１０で取得される光信号は、サンプル１１１（試験下サンプル）の構造および光学的属性を撮像し分析するためのハードウェアまたはソフトウェアによって処理されることができる。
【０００５】
図１に示されるようなマイケルソン干渉計に基づく光コヒーレンス領域反射率計の一例が、Optics Letter 12, 158-160, Mar. 1987の中でＹｏｕｎｇｑｕｉｓｔとＤａｖｉｓによって説明されている。断層撮影撮像のための横断走査機構を有する光反射測定法は、Applied Optics 1987の中でＰａｒｋによって説明されている。生体組織像を得るために干渉法に基づいて生体組織を撮像するための光コヒーレンス断層撮影法が、米国特許第5,321,501号でも説明されている。
【０００６】
図１に示されたマイケルソン干渉計の例では、サンプルアーム１０５とリファレンスアーム１０４からの反射信号の一部は、ソースアーム１０３にも伝播する。これは光学的性能にとって不都合である。第１に、有用な信号が、ソースアーム１０３の方にとられて失われる。第２に、ソースアーム１０３に進入した反射光が、光源１０１によって発生される光ビームの雑音を増大させる。
【０００７】
ソースアーム１０３に進入する反射光に対する解決策が、Optics Letters Vol 24, No. 21, Nov. 1999の中のＲｏｌｌｉｎの論文で説明されている。図２に示されるように、光サーキュレータ２０２が、干渉計２００のソースアーム１０３に挿入される。ビーム経路２０３が、ビームスプリッタ１０２とサーキュレータ２０２の間に光学的に結合される。図２に示されるように、ビームスプリッタ１０２からビーム経路２０３を逆進する反射光は、サーキュレータ２０２に入り、ビーム経路２０５を介して検出器２０７に転送される。検出器１０７および２０７からの出力信号は、差動増幅器２０８において合成され、その後、光信号処理ユニット１１０に入力される。そのような構成は、第１に、反射ビームを検出器ビーム経路２０５および１０６に転送することと、第２に、サーキュレータ２０２をアイソレータとしても機能させて反射光を光源１０１に寄せ付けないようにすることの２つの目的にとって役に立つ。
【０００８】
別の方法が、米国特許第6,501,551号に開示されている。米国特許第6,501,551号で説明されている解決策では、サンプルアーム１０５とリファレンスアーム１０４が共に、光サーキュレータを含む。その場合、サンプル１１１およびリファレンス１１２からの反射信号は、ビームスプリッタ１０２とは異なる別のビームスプリッタに転送される。新しいビームスプリッタの２つの出力信号は、個別に受光、復調、および処理されることができ、その後、平衡検出受信器において、一方のチャネルが他方のチャネルから減算される。
【０００９】
しかし、検出器１０７で測定される信号強度は、サンプル１１１から反射された光ビームの偏光状態にも影響されやすい。これは特に、サンプル１１１のサンプル素材が高い複屈折性を示す場合に不都合である。図３は、Ｓｏｒｉｎによって米国特許第5,202,745号で開示された干渉計システム３００の一例を示している。干渉計システム３００は、検出器アーム１０６が偏光ダイバシティ受光器に光学的に結合され得るので、サンプル１１１から反射された光ビームの偏光状態から独立であることができる。図３に示されるように、偏光ダイバシティ受光器は、伝送アーム３０６および３０７によってそれぞれ光検出器３１０および３１１に結合される偏光ビームスプリッタ３０５を含むことができる。図３に示されるように、光源１０１は最初に、ソースアーム１０３からの光を直線偏光子３０２に結合することによって直線偏光される。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０５は、ビームを２つの直交偏光ビーム経路３０６および３０７に分割するため、検出器アーム１０６に配置される。偏光コントローラ３０８も、リファレンスアーム１０４に結合され、偏光ダイバシティ受光器の各偏光アーム３０６および３０７で等しいリファレンス信号パワーを生み出すように調整されることができる。これら２つの偏光アーム信号は、個別に復調、および処理され、その後、光信号処理ユニット１１０において加算される。干渉計システム３００の例では、サンプルアーム１０５での反射ビームの偏光状態がどのようであろうと、サンプルアーム１０５からの反射ビームは最終的に、それ用に適切に偏光されたリファレンスビームと干渉し合い、その結果のビームが加算される。信号は、サンプルビームの偏光状態の変化に対して一定である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、図２および図３に示されたシステムは、偏光の問題と反射されて光源に戻る光の問題を両方一緒には解決しない。従来技術の上述の不都合およびその他の短所を考慮すると、サンプルに起因する偏光の変化に合わせて検出器への信号を最大化すること、および光源からの雑音レベルを低減することが望ましいので、単一の干渉計で偏光の問題と反射されて光源に戻る光の問題を両方とも解決する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、偏光および反射光の問題を両方とも解決する干渉計の実施形態が提示される。本発明の実施形態による干渉計は、光源と、光源に結合されたアイソレータと、アイソレータに結合された偏光依存光学素子と、偏光依存光学素子に結合されたリファレンスアームと、偏光依存光学素子に結合されたサンプルアームと、偏光依存光学素子に結合された１つまたは複数の光検出器とを含むことができ、偏光依存光学素子は、リファレンスアームおよびサンプルアームに光を結合し、リファレンスアームおよびサンプルアームから反射光を受光し、１つまたは複数の光検出器に結合された光信号プロセッサで偏光非依存光信号が形成され得るように、光を検出器に提供し、アイソレータは、リファレンスアームおよびサンプルアームからの反射光が光源に入ることを阻止する。
【００１２】
本発明のいくつかの実施形態では、アイソレータは、第１のポートで光源から光を受光するように結合されたサーキュレータを含むことができる。いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、サーキュレータの第２のポートから光を受光するように結合され、第１の偏光の光を提供し、サンプルアームおよびリファレンスアームから反射された光を受光し、偏光に応じて１つまたは複数の光検出器の第１の検出器とサーキュレータの第２のポートに光を提供する偏光依存ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタから第１の偏光の光を受光するように結合され、第１の偏光の光をリファレンスアームおよびサンプルアームに結合し、リファレンスアームおよびサンプルアームからの反射光を偏光依存ビームスプリッタに結合し戻すビームスプリッタとを含むことができ、サーキュレータは、第３のポートを介して１つまたは複数の光検出器の第２の検出器に光を提供する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、アイソレータは、光源から光を受光し、第１の偏光で第１のビームを、第２の偏光で第２のビームを提供するビームスプリッタを含む。いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、第１のビームおよび第２のビームを受光するように結合されたファラデー回転子と、ファラデー回転子に結合され、第１のビームの偏光が第２の偏光に回転され、第２のビームの偏光が第１の偏光に回転される波長板と、波長板から第１のビームおよび第２のビームを受光し、第１のビームを第２のビームと合成するように結合されたプリズムと、プリズムに結合され、リファレンスアームおよびサンプルアームに光を提供し、リファレンスアームおよびサンプルアームから反射光を受光するビームスプリッタとを含み、反射光はプリズムで偏光によって分割され、偏光は波長板およびファラデー回転子によって回転され、ビームスプリッタは、ビームを再合成し、合成ビームを第２の偏光ビームスプリッタに結合し、第２の偏光ビームスプリッタは、偏光に従ってビームを分割し、１つまたは複数の光検出器に結合される。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタからの反射光を受光するように結合されたパワーモニタが含まれ得る。
【００１４】
いくつかの実施形態では、アイソレータは、リファレンスアームに結合された第１のサーキュレータと、サンプルアームに結合された第２のサーキュレータとを含むことができる。いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、光源からの光を受光し、偏光する直線偏光子と、直線偏光子から偏光された光を受光し、リファレンスアームの第１のサーキュレータの第１のポートおよびサンプルアームの第２のサーキュレータの第１のポートに光ビームを提供するように結合された第１のビームスプリッタであって、第１のサーキュレータの第２のポートはリファレンスに結合され、第２のサーキュレータの第２のポートはサンプルに結合される第１のビームスプリッタと、第１のサーキュレータの第３のポートおよび第２のサーキュレータの第３のポートから光を受光し、合成ビームを提供するように結合された第２のビームスプリッタと、合成ビームを受光し、第１の偏光の第１のビームおよび第２の偏光の第２のビームを１つまたは複数の光検出器に提供するように結合された偏光依存ビームスプリッタとを含むことができる。いくつかの実施形態では、パワーモニタが、第２のビームスプリッタに結合される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、アイソレータは、光源から光を受光し、第１の偏光のビームを提供するように結合された偏光依存ビームスプリッタを含むことができる。いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、第１の偏光のビームを受光し、第１の偏光のビームを出力するように結合されたファラデー回転子および波長板と、ファラデー回転子および波長板から第１の偏光のビームを受光し、第１の偏光のビームを透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、第２の偏光ビームスプリッタから第１の偏光のビームを受光し、第１の偏光のビームをサンプルアームおよびリファレンスアームに結合し、サンプルアームおよびリファレンスアームから反射ビームを受光し、サンプルアームおよびリファレンスアームからの反射ビームを合成反射ビームに合成するように結合されたビームスプリッタとを含むことができ、合成反射ビームは、第２の偏光ビームスプリッタによって第１の偏光の合成反射ビームと第２の偏光の合成反射ビームに分割され、第２の偏光の合成反射ビームは、１つまたは複数の光検出器の１つに結合され、第１の偏光の合成反射ビームは、ファラデー回転子および波長板によって第２の偏光に偏光回転され、偏光ビームスプリッタによって１つまたは複数の光検出器の別の１つに結合される。いくつかの実施形態では、パワーモニタが、ビームスプリッタに結合され得る。
【００１６】
アイソレータが偏光依存ビームスプリッタであるいくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、第１の偏光の第１のビームを受光し、その偏光を第２の偏光に回転させるように結合されたファラデー回転子および波長板と、ファラデー回転子および波長板から第２の偏光のビームを受光するように結合された第２のプリズムと、第２のプリズムから第２の偏光のビームを受光し、光をリファレンスアームおよびサンプルアームに結合し、サンプルアームおよびリファレンスアームから反射ビームを受光し、合成反射ビームに提供するように結合されたビームスプリッタとを含むことができ、合成反射ビームは、第２のプリズムで偏光によって第１の偏光の第１の反射ビームと第２の偏光の第２の反射ビームに分割され、ファラデー回転子および波長板は、第２の偏光の第２の反射ビームの偏光を第１の偏光に回転させ、偏光依存ビームスプリッタは、第２の反射ビームを１つまたは複数の光検出器に結合する。いくつかの実施形態では、パワーモニタが、ビームスプリッタに結合され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、第１の偏光の第１のビームを受光し、第１の偏光の第１のビームを透過させるように結合されたファラデー回転子および波長板と、ファラデー回転子および波長板から第１の偏光の第１のビームを受光するように結合された第２のプリズムと、第２のプリズムから第１の偏光の第１のビームを受光し、光をリファレンスアームおよびサンプルアームに結合し、サンプルアームおよびリファレンスアームから反射ビームを受光し、合成反射ビームに提供するように結合されたビームスプリッタとを含むことができ、合成反射ビームは、第２のプリズムで偏光によって第１の偏光の第１の反射ビームと第２の偏光の第２の反射ビームに分割され、ファラデー回転子および波長板は、第１の偏光の第１の反射ビームを透過させ、偏光依存ビームスプリッタは、第１の反射ビームを１つまたは複数の光検出器に結合する。いくつかの実施形態では、パワーモニタが、ビームスプリッタに結合され得る。いくつかの実施形態では、第２のプリズムは、第２の偏光の第２の反射ビームを１つまたは複数の光検出器に結合する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、偏光依存ビームスプリッタと光源の間に結合され、第１の偏光と第２の偏光を有するビームを提供する直線偏光子と、偏光依存ビームスプリッタから第２の偏光の光を受光するように結合された４分の１波長板と、４分の１波長板から光を受光し、４分の１波長板を通して光を反射し戻して、偏光依存ビームスプリッタに第１の偏光の光を提供するように結合されたミラーと、偏光依存ビームスプリッタから第１の偏光の光を受光し、円偏光された光をリファレンスアームに提供するように結合された第２の４分の１波長板であって、リファレンスアームからの反射光は、偏光依存ビームスプリッタでの第２の偏光の光である第２の４分の１波長板と、第１の偏光および第２の偏光から等しい光の部分を通過させるように向き付けられた直線偏光子であって、ミラーから反射された光とリファレンスアームから反射された光を含む合成ビームを偏光依存ビームスプリッタから受光するように結合された直線偏光子と、直線偏光子から光を受光し、光をサンプルアームに提供するように結合されたビームスプリッタであって、サンプルアームからの反射光が、ビームスプリッタによって１つまたは複数の検出器に結合されるビームスプリッタとを含むことができる。
【００１９】
アイソレータがサーキュレータであるいくつかの実施形態では、偏光依存光学素子は、サーキュレータの第２のポートから光を受光するように結合され、第１のビームを提供する偏光依存ビームスプリッタと、第１のビームを受光し、光をサンプルアームおよびリファレンスアームに提供し、サンプルアームおよびリファレンスアームから反射ビームを受光するように結合されたビームスプリッタとを含むことができ、反射ビームの第１の部分は、ビームスプリッタによって１つまたは複数の光検出器に結合され、反射ビームの第２の部分は、ビームスプリッタによって偏光依存ビームスプリッタに結合され、第１の偏光を有する第２の部分は、サーキュレータの第２のポートに結合され、サーキュレータの第３のポートは、１つまたは複数の光検出器に結合され、第２の偏光を有する第２の部分は、偏光依存ビームスプリッタによって１つまたは複数の光検出器に結合される。
【００２０】
上記およびその他の実施形態がさらに、添付の図面を参照して以下で説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図面において、好都合である場合は、同じ呼称を有する要素は、同じまたは類似の機能を有する。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態によれば、光コヒーレンス断層撮影や光コヒーレンス反射測定など、非侵襲的な光学撮像装置および測定装置で利用され得る高効率干渉計が提供される。さらに、本発明による光コヒーレンス断層撮影装置のいくつかの実施形態は、生体組織を撮像し、測定するのに使用され得る。
【００２３】
図１４は、本発明による干渉計の実施形態のいくつかの特徴を示している。上で説明されたように、一般にマイケルソン干渉計は、ビームスプリッタによって結合された、ソースアームと、リファレンスアームと、サンプルアームと、検出器アームとを含む。光は、光源からリファレンスアームおよびサンプルアームをそれぞれ介してリファレンスおよびサンプルに送られる。リファレンスおよびサンプルからの反射光は、検出器アームで合成され、その光の強度測定を行うことができる。測定されるデータは、リファレンスアームおよびサンプルアームからの光を再合成し、その光を検出器アームに誘導することよって生み出される干渉パターンに関するものである。
【００２４】
図１４に示されるように、本発明のいくつかの実施形態による干渉計は、光アイソレータ１４０１に結合された光源１０１を含む。光アイソレータ１４０１は、光源１０１から光を受光し、光を透過させるが、光が反射され光源１０１に戻ることを防止する。その後、アイソレータ１４０１からの光は、偏光依存光学素子１４０３に結合される。偏光依存光学素子１４０３は、光をリファレンスアーム１０４およびサンプルアーム１０５に結合し、リファレンスアーム１０４およびサンプルアーム１０５からの反射光を受光する。さらに、偏光依存光学素子１４０３は、サンプル１１１に関する偏光依存効果が光信号処理ユニット４１０からの出力信号において最小化され得るように、光信号を処理する。上述したように、リファレンスアーム１０４は、リファレンス１１２に結合される。サンプルアーム１０５は、光学的にサンプル１１１に結合される。さらに、偏光依存光学素子１４０３は、リファレンスアーム１０４およびサンプルアーム１０５からの反射光信号を検出器１４０４に供給するように結合される。その後、検出器１４０４からの出力信号は、光信号処理ユニット４１０に入力され、光信号処理ユニットは、検出器１４０４で測定された反射光の強度に基づいて、偏光非依存信号を提供することができる。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態では、サンプル１１１を走査できるように、サンプル走査光学素子１４０２が、サンプルアーム１０５に挿入されることができる。そのような走査機能は、例えば、断層撮影の適用例で重要になり得る。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態は、光コヒーレンス反射測定および光コヒーレンス断層撮影の適用するための高効率干渉計を提供する。本発明のいくつかの実施形態では、アイソレータ１４０１は、光サーキュレータとすることができ、偏光依存光学素子１４０３は、偏光ビームスプリッタを含むことができる。高効率性能は、サーキュレータおよび偏光ビームスプリッタが干渉計のソースアームに結合された場合に達成されることができる。いくつかの実施形態では、偏光ダイバシティ干渉計の各アームで等しいリファレンス信号を生成するために、偏光コントローラ３０８が、リファレンスアーム１０４に配置されることができる。したがって、光信号処理ユニット４１０によって生成される干渉計信号は、試験下デバイスまたは試験下サンプルとも呼ばれるサンプル１１１からの反射信号の偏光状態とは独立に作成されることができる。アイソレータ１４０１内の光サーキュレータは、高いシステム信号対雑音比性能を達成するために、光源１０１に戻る反射信号の高い分離性を提供することもできる。いくつかの実施形態では、１つの光サーキュレータが、サンプルアーム１０５に配置され、別の光サーキュレータが、リファレンスアーム１０４に配置される。これらの実施形態における偏光ビームスプリッタおよび偏光ダイバシティ受光器は、検出器アームに配置されることができる。
【００２７】
本発明による干渉計のいくつかの実施形態は、光源１０１にフィードバックされる反射光によって引き起こされる問題を、光源１０１を分離する光アイソレータを使用することによって解決する。本発明による干渉計のいくつかの実施形態は、サンプルアームからの偏光状態に依存する信号の問題を、偏光依存光学素子１４０３で偏光ダイバシティ受光器を使用することによって解決する。本発明による干渉計のいくつかの実施形態は、コヒーレント領域干渉法の応用例に、高出力効率、サンプルアーム１０５の偏光状態に対する非感受性、高い信号対雑音比を提供する。上述したように、偏光依存性は、サンプル材質の複屈折特性の結果とすることができ、または干渉計内の環境的変化に起因することができる。本発明による高品質干渉計の実施形態は、例えば、光コヒーレンス断層撮影法や光コヒーレンス反射測定法など、様々な目的で使用されることができる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、干渉計の光源１０１は、広帯域スペクトル光源とすることができ、干渉計の深さ分解能は、光源のコヒーレンス長によって決定されることができる。いくつかの実施形態では、光源１０１は、低コヒーレンス光源とすることができる。いくつかの実施形態では、光源１０１は、波長掃引光源を含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、リファレンス１１２は、リファレンスアーム１０４から反射されるリファレンス信号において光路遅延を生成するために、所定の速度で走査され得る光遅延線を含むことができる。いくつかの実施形態では、光コヒーレンス断層撮影法の応用例において撮像される対象物を走査するため、２次元横断走査機構１４０２が、干渉計のサンプルアーム１０５に配置されることができる。いくつかの実施形態では、サンプルアーム１０５とリファレンスアーム１０４の間の分散差に対する補償が提供されることができる。分散差を補償するため、例えば、１対のプリズム、格子ベースの光学システム、ならびに光ファイバ遠隔通信および短パルスレーザの応用例で広く利用されているその他のよく知られた分散補償器を始めとする複数の異なる方法が、偏光依存光学素子１４０３で利用可能である。分散補償器は、これら２つのアームの間の分散差の符号に応じて、サンプルアームまたはリファレンスアームに配置されることができる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施形態では、光源１０１からの光は、最初に光サーキュレータに、次に偏光ビームスプリッタに結合され、その後、光源からの光をサンプルアーム１０５とリファレンスアーム１０４に分割するビームスプリッタに結合される。ビームスプリッタの比率は、サンプルアーム１０５から光サーキュレータに反射される光を最大化しながら、同時にリファレンスアーム１０４から光サーキュレータに反射されて戻る光の十分な強度を依然として維持するように選択されることができる。
【００３１】
本発明による干渉計のいくつかの実施形態では、光源１０１は、高速波長掃引コヒーレント光源とすることができる。いくつかの実施形態では、リファレンス１１２は、固定反射器とすることができる。いくつかの実施形態では、光周波数領域反射測定法の原理が利用され得る。
【００３２】
本発明による干渉計のいくつかの実施形態では、像距離は、サンプル１１１の動きに対する非感受性を有する。さらに、本発明による干渉計のいくつかの実施形態では、検出器１４０４で測定される信号強度は、偏光の変化に対する非感受性を有することができる。
【００３３】
図４は、本発明による干渉計の一実施形態を示している。図４に示されるように、本発明のいくつかの実施形態は、偏光効果を使用して、光ビームを特定の光路に転送する。図４に示される実施形態は、干渉信号を生成するための２つの直交偏光状態用の経路への分割を含み、２つの直交偏光状態は、高効率で偏光非依存の干渉法性能を達成するため、別々に処理されることができる。
【００３４】
図４に示されるように、干渉計４００は、光源１０１を含む。光源１０１からの光は、最初に光サーキュレータ４０２のポート１に結合される。図４に示される実施形態では、光アイソレータ１４０１は、サーキュレータ４０２を含む。光サーキュレータ４０２は、偏光非依存光学デバイスであり、ポート１に入ったすべての偏光状態のすべての光は、光サーキュレータ４０２のポート２から干渉計４００のソースアーム４０５に出る。その後、ソースアーム４０５からの光は、偏光依存ビームスプリッタ４０３に結合される。偏光依存ビームスプリッタ４０３では、ソースアーム４０５からの光は、Ｐ偏光およびＳ偏光と呼ばれる２つの直線偏光ビームに偏光される。
【００３５】
従来から言われているように、伝播する光の波面において、Ｓ偏光は、入射面と垂直な電界ベクトルを有し、Ｐ偏光は、入射面と平行な電界ベクトルを有する。入射面は、本開示のすべての図面において紙面と平行とする。Ｐ偏光だけが、ビーム光路４２０に結合され、したがって、ビーム光路４２０を介してビームスプリッタ４０３に結合された光ビームスプリッタ４０４に結合される。Ｓ偏光は、ビームスプリッタ４０３からの別のビーム光路に結合されことによって除去され、またはパワーをモニタするために利用されることができる。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態では、光学成分は、バルク光学素子で形成され得る。しかし、いくつかの実施形態は、光ファイバ成分（すなわち、光ファイバに形成された、または光ファイバの部分として形成された成分）を利用することができる。光ファイバ成分は、ミスアラインメントを最小化する利点を有する。
【００３７】
いくつかの実施形態の低コヒーレンス光源１０１などの大部分の低コヒーレンス光源は、部分的に偏光されるに過ぎない。最大効率を達成するため、偏光ビームスプリッタ４０３に結合されるとき、大部分の偏光が入射面（Ｐ偏光）と平行にアラインメントされるように、光源１０１は回転されることができる。
【００３８】
ビームスプリッタ４０４の分割率は、大部分の光がサンプルアーム１０５に伝播され、適切な測定を実行するのに十分なだけの光がリファレンスアーム１０４に伝播するように最適化されることができる。分割率は、光遅延スキャナの反射率と、干渉計４００のリファレンスアーム１０４から反射された光の全透過率とによって決定されることができる。ショット雑音制限検出性能を達成するため、リファレンスアーム１０４でリファレンス１１２によって反射された光は、サンプルアーム１０５でサンプル１１１から反射された光よりも強度が大きくなるべきである。生体組織とすることができるサンプル１１１に対応するリファレンス１１２からの反射は、リファレンス１１２の反射率と比べて通常は非常に小さいので、ソースアーム４２０で受光される光の９０パーセントがサンプルアーム１０５に誘導され、１０パーセントがリファレンスアーム１０４に誘導される９０／１０の一般的な分割率が、ショット雑音性能のために利用されることができる。
【００３９】
当業者であればよく理解されるように、リファレンス１１２は、例えば、反射成分および光遅延成分を含むことができる。さらに、いくつかの実施形態では、リファレンス１１２は、光信号処理ユニット４１０と結合され得る走査機能も含むことができる。
【００４０】
サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射された光のうちの少量は、スプリッタ４０４によって光路４１２に結合されることができる。この少量の光は、検出器４１３と、パワーモニタ回路４１４に結合される検出器４１３からの電気信号に結合されることができる。したがって、この少量の光は、サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射された光パワーをモニタするために利用されることができる。偏光ビームスプリッタ４０３によって出力されるＳ偏光に基づいてパワーをモニタするため、同様の回路が、ビーム偏光ビームスプリッタ４０３に結合されることができる。
【００４１】
サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射された光は一般に、サンプル１１１およびリファレンス１１２の光学的属性によってＳ偏光とＰ偏光の両方を含む。偏光依存ビームスプリッタ４０３はやはり、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分を２つの別個の経路１０６および４０５に分割する。リファレンスアーム１０４の偏光コントローラ３０８は、リファレンス１１２からＰ偏光経路１０６のＰ偏光とＳ偏光経路４０５のＳ偏光を等しい量だけ生成するように調整されることができる。いくつかの実施形態では、偏光コントローラ３０８は、各ループが４分の１波長板またはその他の偏光依存光学デバイスに相当する３つの光ファイバループから作成されることができる。
【００４２】
偏光依存ビームスプリッタ４０３によってソースアーム４０５に結合され戻る光、すなわちＳ偏光成分は、サーキュレータ４０２によって経路４１６に転送され、それによって、低コヒーレンス光源１０１を分離する。そのような構成は、干渉計４００からの光を光源１０１に結合し戻すことから生じる雑音を低減する。
【００４３】
リファレンス経路１０４からの光と同様に、サンプルアーム１０５からのＳ偏光は、光路４１６に伝播し、サンプルアーム１０５からのＰ偏光は、光路１０６に伝播する。各偏光経路４１６および１０６における干渉信号は、それぞれ光検出器４１７および４１８によって受光される。その後、光検出器４１７および４１８からの電気信号は、光信号処理ユニット４１０で個別に処理される。いくつかの実施形態では、光信号処理ユニット４１０は、検出器４１７および４１８によって測定された光の強度の総和を示す合成信号を出力することができる。光信号処理ユニット４１０から出力される信号は、Ｐ偏光およびＳ偏光干渉成分の総和とすることができ、その結果、処理の間、光信号処理ユニット４１０からの出力信号によって示される信号強度は、サンプルアーム１０５におけるサンプル１１１から反射された光の偏光状態から独立したものとなっている。この実施形態のこの特徴は、例えば、コラーゲン線維から構成される生体組織など、サンプルが高い複屈折性を有する場合に特に有利である。
【００４４】
図５Ａは、本発明による干渉計５００の一実施形態を示している。図５Ａに示されるように、光源１０１からの光は、プリズム５０１の偏光ビームスプリッタ被覆面５０２のため、プリズム５０１によってＳ偏光およびＰ偏光光ビームに分割される。プリズムとして示されてはいるが、プリズム５０１は、任意の偏光ビーム分割デバイスとすることができる。Ｓ偏光ビームは、面５０２によって反射され、ミラーまたは好ましい全内反射（ＴＩＲ）面５０３によって反射される。Ｓ偏光ビーム５２１は、ビーム５２１を伝播方向とは逆向きから観察した場合、ファラデー回転子５０５によって反時計回り（ＣＣＷ）に４５度回転される。光ビームを回転させるファラデー効果は、ファラデー回転子における磁界の方向に依存し、回転角は、ファラデー回転子における磁界の大きさに依存することはよく知られている。ファラデー効果過程は非相互的であり、つまり、回転はビームの伝播方向に依存しない。
【００４５】
λ／２波長板５０６は、垂直軸に対して２２．５度に向き付けられ、ファラデー回転子５０５の後方に配置される。その場合、ファラデー回転子５０５から出力されたビームは、さらに４５度回転し、λ／２波長板５０６を通過した後、Ｐ偏光ビームになる。図５Ｂから図５Ｅは、光源１０１からの光が、プリズム５０１、ファラデー回転子５０５、およびλ／２波長板５０６を通過する際に受ける偏光回転を示している。図５Ｂは、プリズム５０１から出力されたＳ偏光ビーム５２１を示す。図５Ｃは、ファラデー回転子５０５から出力されたビームの４５°半時計周りを示す。図５Ｄは、λ／２波長板５０６を通過した回転を示す。図５Ｅは、プリズム５０７に入力される結果のＰ偏光ビームを示す。その後、Ｐ偏光ビームは、プリズム５０７の偏光ビームスプリッタ被覆面５０８を透過する。
【００４６】
一方、Ｐ偏光ビーム５２２は、やはりファラデー回転子５０５によって４５度回転され、その後、λ／２波長板５０６によってＳ偏光ビームへと回転される。Ｓ偏光は、プリズム５０７の面５０９（ミラーまたはＴＩＲ）および面５０８によってビームスプリッタ（またはカプラ）４０４に反射される。この構成では、光源１０１からのＳ偏光とＰ偏光の両方が、ビームスプリッタ４０４に結合される。
【００４７】
図５Ｆから図５Ｉは、サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射される光が受ける偏光回転を示している。リファレンス１１２またはサンプル１１１から反射される光のＳ偏光成分は、プリズム５０７の面５０８、プリズム５０７の面５０９、λ／２波長板５０６、およびファラデー回転子５０５を通って伝播し、その後、プリズム５０１に結合される。先に説明されたように、ファラデー効果は非相互的なので、上記の経路を通過後も、Ｓ偏光は依然として、Ｓ偏光面の向きを向いている。Ｓ偏光は、プリズム５０１の面５０２で、さらに面５０４で反射され、偏光ビームスプリッタ５１３の偏光スプリッタ被覆面５１４で反射され、その後、光検出器４１８によって受光される。図５Ｆは、Ｓ偏光ビームを示す。図５Ｇは、λ／２波長板５０６を通過後のＳ偏光ビームの回転を示す。図５Ｈは、ファラデー回転子５０５を通過後にビームが受ける回転を示す。最後に、図５Ｉは、偏光依存ビームスプリッタ５１３に入射するＳ偏光ビームを示す。
【００４８】
リファレンスアーム１０４またはサンプルアーム１０５から反射される光のＰ偏光成分も、偏光を変化させずに、λ／２波長板５０６およびファラデー回転子５０５を通って伝播する。Ｐ偏光成分は、面５０３で反射され、面５０２、面５０４、および面５１４を通過して、その後、光検出器４１７によって受光される。偏光コントローラ３０８は、偏光ダイバシティ検出のため、光路１０６および４１６において等しいＳ偏光およびＰ偏光リファレンス光を生成するように調整されることができる。その後、２つの直交する偏光ビームは、個別に復調、および処理され、その後、光信号処理ユニット４１０において全体的な強度信号に処理される。
【００４９】
図５Ａに示された実施形態では、図１４のアイソレータ１４０１などのアイソレータは、プリズム５０１を含み、図１４の偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、プリズム５０１、ファラデー回転子５０５、λ／２波長板５０６、プリズム５０７、ビームスプリッタ４０４、および偏光依存ビームスプリッタ５１３を含む。
【００５０】
図６は、本発明による干渉計の別の実施形態を示している。図６に示されるような干渉計６００は、２つの光サーキュレータ６１２および６１３を用いて、光効率を高め、光源１０１への光反射フィードバックを低減することができる。光サーキュレータ６１３は、リファレンスアーム１０４に配置される。光サーキュレータ６１２は、サンプルアーム１０５に配置される。図６に示される干渉計６００は、従来のマッハ−ツェンダ干渉計に類似している。光源１０１からの光は、直線偏光子６０７に入力される。ビームスプリッタ６０２は、偏光子６０７から受光した直線偏光を分割する。図６に示されるように、ある量の光αは、サンプルアーム１０５に誘導され、残りの光１−αは、リファレンスアーム１０４に誘導される。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ６０２の分割率は、ビーム経路の相対効率によって決定されることができる。
【００５１】
リファレンスアーム１０４において、光は、サーキュレータ６１３の第１のポートに誘導される。その後、サーキュレータ６１３の第２のポートから出る光は、リファレンス１１２に誘導され、リファレンス１１２からの反射光は、再びサーキュレータ６１３の第２のポートに誘導される。サーキュレータ６１３の第３のポートから出る光は、偏光コントローラ３０８に誘導される。偏光コントローラ３０８を出る光は、ビームスプリッタ６０６に入力される。
【００５２】
同様に、サンプルアーム１０５の光は、サーキュレータ６１２の第１のポートに誘導される。サーキュレータ６１２の第２のポートを出る光は、サンプル１１１に結合される。その後、サンプル１１１からの反射光は、サーキュレータ６１２の第２のポートに結合され戻す。サーキュレータ６１２の第３のポートを出る光は、ビームスプリッタ６０６に誘導される。
【００５３】
その後、リファレンスアーム１０４からの光とサンプルアーム１０５からの光は、ビームスプリッタ６０６で合成され、ビーム経路６０８に誘導される。ビーム経路６０８は、光を偏光依存ビームスプリッタ６０９に結合する。偏光依存ビームスプリッタ６０９は、光ビームを、ビーム経路６１１に結合されるＳ偏光ビームとビーム経路６１０に結合されるＰ偏光ビームとに分割する。本発明のいくつかの実施形態では、偏光コントローラ３０８は、偏光ダイバシティ検出のため、等しい強度のＳ偏光およびＰ偏光リファレンス光をそれぞれ光路６１１および６１０において生成するように調整されることができる。
【００５４】
図６に示されるように、ビーム経路６１１の光ビームの強度は、光検出器６１２で検出され、ビーム経路６１０の光ビームの強度は、光検出器６１３で検出される。検出器６１２および６１３で生成される電気信号は、光信号処理ユニット６１４に入力される。いくつかの実施形態では、検出器６１３で測定されるＰ偏光干渉信号および検出器６１２で測定されるＳ偏光干渉信号は、個別に復調、および処理され、その後、光信号処理ユニット６１４によって出力される全体的な干渉信号に合算される。
【００５５】
図６にさらに示されるように、ビームスプリッタ６０６からの混合光の一部は、ビーム経路６１５に結合され、検出器６１６によって検出されることができる。その後、検出器６１６からの電気的出力信号は、パワーモニタ６１７に入力される。
【００５６】
図６に示される実施形態では、図１４のアイソレータ１４０１などのアイソレータは、サーキュレータ６１３およびサーキュレータ６１２を含む。さらに、図１４の偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、直線偏光子６０７、ビームスプリッタ６０２、ビームスプリッタ６０６、および偏光ビームスプリッタ６０９を含む。
【００５７】
図７は、本発明のいくつかの実施形態による別の干渉計７００を示している。図７に示されるように、光源１０１からの光は最初に、偏光ビームスプリッタ７０２の偏光ビームスプリッタ面７０３によって偏光される。Ｓ偏光は、面７０３で反射され、除去されるか、またはパワーモニタリングで利用されることができる。光の喪失を最小化するため、部分的に偏光され得る光源１０１は、偏光ビームスプリッタ７０２に入るＰ偏光の強度を最大化するように回転されることができる。ファラデー回転子７０４およびλ／２波長板７０５は、Ｐ偏光がλ／２波長板７０５を出たときにＰ偏光を保っているように、配置されることができる。その後、Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ７０６の偏光ビームスプリッタ被覆面７０７を透過させられ、ビームスプリッタ４０４に結合される。ビームスプリッタ４０４は、上で説明されたように、光をサンプルアーム１０５およびリファレンスアーム１０４に結合する。
【００５８】
（サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射されたＳ偏光の合成である）ビームスプリッタ４０４からの反射Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ７０６の面７０７で反射されて光路７１２に入る。（サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射されたＰ偏光の合成である）ビームスプリッタ４０４からのＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ７０６を透過させられ、λ／２波長板７０５とファラデー回転子７０４の組み合わせによってＳ偏光に回転される。Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ７０２の面７０３で反射されて光路７１３に入る。信号経路７１２の光ビームは、検出器７１４で検出され、信号経路７１３の光ビームは、検出器７１５で検出される。その後、検出器７１４および７１５からの電気的信号は、光信号処理ユニット４１０に結合される。サンプル１１１のＰ偏光情報を含む信号経路７１３とサンプル１１１のＳ偏光情報を含む光路７１２の２つの干渉信号経路は、個別に受光、復調、および処理され、その後、光信号処理ユニット４１０によって全体的な強度信号に合算される。
【００５９】
先に説明されたように、サンプル１１１およびリファレンス１１２から反射された光のうちの少量は、光路４１２を介して検出器４１３に分配されることができる。したがって、パワーモニタ４１４は、リファレンスアーム１０４およびサンプルアーム１０５からの全体的な反射光の強度をモニタすることができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、光源１０１自体のパワーは、例えば、プリズム７０２で反射されたＳ偏光を検出するパワーモニタリング装置を追加することによってモニタされることができる。そのようなパワーモニタは、サンプル１１１からの反射光によって影響されない。
【００６１】
図７に示される実施形態では、図１４のアイソレータ１４０１などのアイソレータは、偏光ビームスプリッタ７０２、ファラデー回転子７０４、およびλ／２波長板７０５を含む。さらに、図１４の偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、偏光ビームスプリッタ７０２、ファラデー回転子７０４、およびλ／２波長板７０５、偏光ビームスプリッタ７０６、およびビームスプリッタ４０４を含む。
【００６２】
図８は、本発明による干渉計の別の実施形態を示す干渉計８００を示している。図５に示された干渉計５００の実施形態と比べて、干渉計８００では、偏光ビームスプリッタ５１３が除去される。光源１０１からの光は、プリズム５０２に入り、偏光ビームスプリッタ被覆面５０３によって偏光分割される。Ｓ偏光は、面５０３で反射され、したがって、除去されるか、またはパワーモニタリングで利用される。Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタ５０２の面５０３を通過して伝播し、ファラデー回転子５０５およびλ／２波長板５０６の組み合わせによってＳ偏光に回転される。Ｓ偏光は、プリズム５０７の面５０９（ミラーまたはＴＩＲ）および偏光ビームスプリッタ被覆面５０８で反射されてビームスプリッタ４０４に入る。先に説明されたように、ビームスプリッタ４０４は、光をサンプルアーム１０５およびリファレンスアーム１０４に分割する。先に説明されたように、ビームスプリッタ４０４の分割率は、性能を最適化するように設定されることができる。
【００６３】
サンプルアーム１０５およびリファレンスアーム１０４から反射された合成Ｓ偏光は、先に説明されたのと逆方向の経路を通ってプリズム５０７に伝播する。λ／２波長板５０６とファラデー回転子５０５の組み合わせは、先に説明されたように、プリズム５０７から入ったＳ偏光の偏光の向きを変化させない。したがって、プリズム５０２の面５０３および５０４で反射されたＳ偏光は、光検出器８１３に結合されることができる。サンプルアーム１０５およびリファレンスアーム１０４から反射された合成Ｐ偏光は、図８に示されるように、面５０８、λ／２波長板５０６、およびファラデー回転子５０５を通って、Ｓ偏光とは異なる光路を伝播する。その後、Ｐ偏光は、光検出器８１４に結合されることができる。その場合、検出器８１３からの電気的信号８１６は、サンプル１１１およびリファレンス１１２からのＳ偏光信号の強度に対応し、検出器８１４からの電気的信号８１５は、サンプル１１１およびリファレンス１１２からのＰ偏光信号の強度に対応する。干渉信８１５および８１６は、個別に復調、および処理され、その後、光信号処理ユニット４１０において全体的な干渉強度を表すために合算される。先程と同様、偏光コントローラ３０８は、偏光ダイバシティ検出のため、信号８１５および８１６によって示される等しい光パワーを提供するように調整されることができる。
【００６４】
図８に示される実施形態では、アイソレータ１４０１などのアイソレータは、プリズム５０２、ファラデー回転子５０５、およびλ／２波長板５０６を含むことができる。さらに、偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、プリズム５０２、ファラデー回転子５０５、λ／２波長板５０６、プリズム５０７、およびビームスプリッタ４０４を含む。
【００６５】
図９は、本発明のいくつかの実施形態による別の干渉計９００を示している。干渉計９００は、干渉計８００に類似しており、ファラデー回転子９０５と、λ／２波長板５０６と、プリズム５０２から成る類似の構成を有している。しかし、干渉計９００では、プリズム９１０は、Ｐ偏光が、偏光を変化させることなく、プリズム５０２、ファラデー回転子９０５、およびλ／２波長板５０６を透過するように配置される。ファラデー回転子９０５の磁界は、ファラデー回転子５０５の磁界とは方向が逆転される。サンプルアーム１０５またはリファレンスアーム１０４からのＳ偏光成分は、プリズム５０２で反射され、検出器８１３に入る。Ｐ偏光成分は、入射ビーム経路を介して伝播し、検出器８１４に入る。その他のすべての動作は、先に説明されたのと同様である。
【００６６】
図９に示される実施形態では、アイソレータ１４０１などのアイソレータは、プリズム５０２、ファラデー回転子９０５、およびλ／２波長板５０６を含む。さらに、偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、プリズム５０２、ファラデー回転子９０５、λ／２波長板５０６、プリズム９１０、およびビームスプリッタ４０４を含む。
【００６７】
図１０は、本発明のいくつかの実施形態による干渉計の別の実施形態である干渉計１０００の一実施形態を示している。干渉計１０００は、図８および図９に示された干渉計の実施形態と類似しているが、対称的な光学的構成を有している。光源１０１のＰ偏光成分は、プリズム１００２、ファラデー回転子９０５、λ／２波長板５０６、およびプリズム１００５を透過し、ビームスプリッタ４０４に入る。反射経路では、Ｓ偏光成分は、プリズム１００５で反射され、光路１００７に入る。Ｐ偏光成分は、λ／２波長板５０６およびファラデー回転子９０５によってＳ偏光に回転され、プリズム１００２で反射され、光路１００８に入る。やはり、ビーム経路１００７の光ビームは、検出器１００９によって検出され、ビーム経路１００８の光ビームは、検出器１０１０によって検出される。その後、やはり、光信号処理ユニット４１０が、サンプル１１１から反射されたＰ偏光に対応する１つの信号と、サンプル１１１から反射されたＳ偏光に対応する１つの信号を受け取る。
【００６８】
図１０に示される実施形態では、アイソレータ１４０１などのアイソレータは、プリズム１００２、ファラデー回転子９０５、およびλ／２波長板５０６を含むことができる。さらに、偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、プリズム１００２、ファラデー回転子９０５、波長板５０６、プリズム１００５、およびビームスプリッタ４０４を含むことができる。
【００６９】
図１１は、図４、図５Ａ、図６、図７、図８、図９、および図１０に示された本発明の実施形態に示されるような低コヒーレント光源の代わりに使用できる光源１１００を示している。光源１１００は、レーザなどのコヒーレント光源１１０１を利用する。コヒーレント光源の波長は、光学格子１００５と反射器１１０６とを含むスキャナ１１０２を走査し、光を光学ミラー１１０６で反射することによって、広い波長範囲の間を高速に掃引されることができる。図１１に示されるように、レーザ１１０１からのビームは、コリメータ１１０３で照準され、レンズ系１１０４で成形または集束されることができ、その後、格子１１０５に入射する。当業者であれば、本発明の実施形態で利用され得る複数の構成の高速波長掃引光源１１００が存在することを理解されよう。光源１１００は、図４から図１４で開示されるものを含む任意の実施形態の干渉計に結合されることができる。そのような実施形態では、リファレンス１１２は、光遅延を含まなくてよい。
【００７０】
図１２は、本発明による干渉計の別の実施形態である干渉計１２００の一実施形態を示している。干渉計１２００は、低コヒーレンス光源１０１を利用することができ、いくつかの実施形態では、図１１に示されるような光源を利用することができる。光は、最初にコリメータ１２０２によって照準され、次に直線偏光子１２０３によって偏光される。偏光子１２０３は、Ｓ偏光とＰ偏光の特定の比率で光を分割するように、偏光ビームスプリッタ１２０４と共に配置される。Ｓ偏光ビームは、偏光ビームスプリッタ１２０４によって反射され、ビーム伝播方向に対して４５度の光軸を有する４分の１波長板１２０９を通過する。ビームは、４分の１波長板１２０９を通過すると、円偏光になる。ビームは、ミラー１２１０によって反射されると、左右像を変える（例えば、反時計回りの円偏光ビームは、時計回りの円偏光ビームになる）。ミラー１２１０の方向からの４分の１波長板１２０９の２回目の通過は、ビームをＰ偏光にする。
【００７１】
元のＰ偏光ビームは、偏光ビームスプリッタ１２０４を透過させられ、４分の１波長板１２０５によって円偏光にされ、再帰反射光学集成装置１２０８によって反射され、Ｓ偏光ビームとして同様の光学的構成を通って偏光ビームスプリッタ１２０４に戻り、Ｓ偏光になって偏光ビームスプリッタ１２０４に帰る。図１２に示されるように、再帰反射光学集成装置１２０８は、レンズ１２０６と凹面鏡１２０７、または簡単にコーナキューブを含むことができる。ミラー１２１０で反射されたＰ偏光ビームと再帰反射光学集成装置１２０８で反射されたＳ偏光ビームの２つのビームは、偏光ビームスプリッタ１２０４によって合成され、光軸に対して４５度に向き付けされた直線偏光子１２１１に結合される。ビームは、レンズ１２１３によって光ビームスプリッタ１２１５のソースアーム１２１４に集束される。その後、ビームは、サンプルアーム１２１６に結合され、サンプル１１１に向う。サンプル１１１で反射されたビームは、検出アーム１２１７に反射され、その強度が検出器によって検出され、結果の電気的信号が光信号プロセッサに入力される。
【００７２】
ビームスプリッタ１２１５は、集束レンズ１２１３がいくつかの実施形態で必要ないように、バルク光学素子で作成されることができる。逆反射集成装置１２０８の位置を変えることによって、光学距離が測定され得る。さらに、横断走査機構がビームのサンプルアーム１２１６に組み込まれた場合、サンプルの横断面像が獲得され得る。各偏光タイプの光ビームはサンプル１１１の２つの面で別個に干渉を引き起こされるので、測定はサンプルの動きに対して非感受性を有する。また、信号は両方の偏光タイプの総和なので、信号強度は干渉計の偏光変化に対して非感受性を有する。
【００７３】
図１２に示される実施形態では、図１４のアイソレータ１４０１などのアイソレータは、偏光子１２０３、偏光ビームスプリッタ１２０４、および４分の１波長板１２０９、１２０４を含む。さらに、偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、偏光子１２０３、偏光ビームスプリッタ１２０４、４分の１波長板１２０９、および直線偏光子１２１１を含む。
【００７４】
図１３は、光源１０１からの雑音を低減するために平衡検出を使用する本発明の別の実施形態である干渉計１３００を示している。さらに、この実施形態では、光信号プロセッサによって出力される信号は、システムにおける偏光状態の変化およびサンプル１１１のサンプル組織から独立であることができる。干渉計１３００は、光源１０１として低コヒーレント光源または図１１に示されたような光源を利用することができる。光は、サーキュレータ１３１１のポート１に入り、サーキュレータ１３１１のポート２から出ていく。サーキュレータ１３１１からの光ビームは、偏光ビームスプリッタ１３１２によって偏光される。Ｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１３１２から出て、いくつかの実施形態では、パワーモニタリングのために利用されることができる。その場合、偏光ビームスプリッタ１３１２からのＰ偏光は、ファイバビームスプリッタ１３１３に結合され、ファイバビームスプリッタは、光をサンプルアーム１０５およびリファレンスアーム１０４に結合する。いくつかの実施形態では、ファイバビームスプリッタ１３１３は、光をサンプルアーム１０５とリファレンスアーム１０４に等しく結合することができる。サンプル１１１およびリファレンス１１２からの反射光は、ビームスプリッタ１３１３によって受光される。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ１３１３に反射され戻された光の半分は、検出器１３１６に結合される。反射光の他の半分は、偏光ビームスプリッタ１３１２に結合され、偏光ビームスプリッタ１３１２に到達したときの光の偏光状態に従って、検出器１３１４と検出器１３１５の間で分割される。
【００７５】
図１３に示される実施形態では、アイソレータ１４０１などのアイソレータは、サーキュレータ１３１１を含む。さらに、偏光依存光学素子１４０３などの偏光依存光学素子は、偏光ビームスプリッタ１３１２、およびビームスプリッタ１３１３を含む。
【００７６】
干渉計１３００が、
１）サンプル１１１から反射され戻す光がリファレンス１１２から反射される光よりはるかに小さい強度を有し、
２）検出器１３１４と検出器１３１５がリファレンスアーム１０４から同じ光強度を受光するように、リファレンスアーム１０４の偏光コントローラ３０８が調整され、
３）サーキュレータ１３１１、偏光ビームスプリッタ１３１２、およびビームスプリッタ１３１３において実質的に光放射の過剰損失がなく、そのため、検出器１３１６（検出器Ｃ）によってリファレンスアーム１０４から受光される光パワーが、検出器１３１４（検出器Ａ）および検出器１３１５（検出器Ｂ）によってリファレンスアーム１０４から受光される光パワーの総和に等しく、
４）すべての検出器が光強度に対して実質的に同じ感度を有するという条件で構成される場合、各検出器における光は、以下のように処理されることができる。検出器１３１４および検出器１３１５によって発生される光電流は、以下のように表現され得る。
【数１】
2007522456.tif 000003
【００７７】
ここで、Ｒは光検出器の感度、Ｐｒはリファレンスアーム１０４から反射され戻す光パワー、Ｐｓはサンプルアーム１０５から反射され戻す光パワー、φはサンプルアーム１０５からの光の偏光位相である。検出器Ｃ１３１６における光電流は、以下のように表現され得る。
【数２】
2007522456.tif 000004
【００７８】
以下の式が利用され得る。
【数３】
2007522456.tif 000005
【００７９】
上記の式に示されるように、ＰｒおよびＰｓは、２つの直立偏光モードでもある。これら２つの信号が別個に復調される場合、偏光状態φから独立な、サンプルパワーについての以下の偏光独立信号が獲得され得る。
【数４】
2007522456.tif 000006
【００８０】
検出器１３１４、１３１５、および１３１６に結合された光信号プロセッサ４１０の出力信号を表す、上記の式に示されたＩｕおよびＩｖの表現は、ＤＣ成分を有しておらず、そのため、ＩｕおよびＩｖは、光源からの過剰強度雑音から免れていることに留意されたい。これは、上で説明された検出および信号処理方法の感度が、ショット雑音によってのみ制限されることを意味する。
【００８１】
本発明のその他の実施形態は、本明細書を考察し、本明細書で開示された本発明を実施することから当業者に明らかとなろう。本明細書および実施例は単に例示的なものと見なされ、本発明の真の範囲および主旨は添付の特許請求の範囲によって指示されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】マイケルソン干渉計構成を備える従来の低コヒーレンス干渉計を示す図である。
【図２】ソースアームに光サーキュレータを備え、検出器アームに平衡検出器を備える従来の低コヒーレンス干渉計を示す図である。
【図３】ソースアームにマイケルソン干渉計の光源を偏光させるための直線偏光子を、検出器アームに偏光ダイバシティ受光器を有する別の低コヒーレンス干渉計を示す図である。
【図４】ソースアームに光サーキュレータと偏光ビームスプリッタを有し、干渉計で偏光ダイバシティ検出を行う本発明のいくつかの実施形態による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図５】干渉計の実施形態の光学的動作を示す図である。
【図６】サンプルアームとリファレンスアームの両方に光サーキュレータを有し、偏光ダイバシティ検出を行う本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図７】２つの偏光ビームスプリッタと、ファラデー回転子と、波長板とを有する本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図８】プリズムと、ファラデー回転子と、波長板とを有する本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図９】プリズムと、ファラデー回転子と、波長板とを有する本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図１０】プリズムと、ファラデー回転子と、波長板とが対称的に配置された本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図１１】本発明のいくつかの実施形態による干渉計で利用され得る高速波長掃引光源の一実施形態を示す図である。
【図１２】干渉状態およびサンプルの動きに対して非感受性を有する本発明によるダブルビーム干渉計の一実施形態を示す図である。
【図１３】本発明による干渉計の一実施形態を示す図である。
【図１４】本発明による干渉計の実施形態の特徴を示す図である。
【図１】
2007522456.tif 000007
【図２】
2007522456.tif 000008
【図３】
2007522456.tif 000009
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2007522456.tif 000019
【図１４】
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【国際調査報告】
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