(57)【要約】【課題】高分解能でありながら従来よりも高速のデータ取得レートを実現できる光干渉装置、及び、それを用いたＯＣＴ装置を提供する。【解決手段】所定の波長域を有するパルス光を射出する光源を具備する入射光学系と、前記パルス光のうちの一部が分岐された光である測定光を被測定物に照射する測定光学系と、前記パルス光のうちの一部が分岐された光である参照光が照射される所定位置に固定された参照ミラーを具備する参照光学系と、前記被測定物で反射又は散乱された前記測定光と、前記参照ミラーで反射された前記参照光とが合波された干渉光が検出される光検出器を具備する干渉光学系と、前記光検出器において前記干渉光が複数の波長ごとに時間的に分離して検出されるように光を遅延させる遅延要素と、を備えた。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長域を有するパルス光を射出する光源を具備する入射光学系と、
前記パルス光のうちの一部が分岐された光である測定光を被測定物に照射する測定光学系と、
前記パルス光のうちの一部が分岐された光である参照光が照射される所定位置に固定された参照ミラーを具備する参照光学系と、
前記被測定物で反射又は散乱された前記測定光と、前記参照ミラーで反射された前記参照光とが合波された干渉光が検出される光検出器を具備する干渉光学系と、
前記光検出器において前記干渉光が複数の波長ごとに時間的に分離して検出されるように光を遅延させる遅延要素と、を備えた光干渉装置。
【請求項２】
前記遅延要素が、所定長さを有する光ファイバで構成されている請求項１記載の光干渉装置。
【請求項３】
前記所定長さが１ｋｍ以上である請求項２記載の光干渉装置。
【請求項４】
前記入射光学系から前記パルス光が入力され、当該パルス光を前記測定光と前記参照光に分岐して出力する光カプラをさらに備え、
前記光カプラが、前記被測定物で反射又は散乱された前記測定光と、前記参照ミラーで反射された前記参照光とを合波するように構成されている請求項１乃至３いずれかに記載の光干渉装置。
【請求項５】
前記遅延要素が、前記入射光学系において前記光源と前記光カプラとの間に設けられている請求項１乃至４いずれかに記載の光干渉装置。
【請求項６】
前記光検出器が、複数の波長ごとに時間的に分離された前記干渉光を同じ検出点で検出するように構成されている請求項１乃至５いずれかに記載の光干渉装置。
【請求項７】
前記光源が、射出する前記パルス光の波長域が固定されている請求項１乃至６いずれかに記載の光干渉装置。
【請求項８】
前記光源から射出された時点での前記パルス光のパルス幅が１ｐｓ以下であり、前記遅延要素を通過した後の前記パルス光のパルス幅が１００ｎｓ以下である請求項５記載の光干渉装置。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の光干渉装置と、
前記光検出器において検出される干渉信号をフーリエ変換して前記被測定物に各深さにおける反射率を算出するフーリエ解析部と、を備えたＯＣＴ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＯＣＴ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置は、光の干渉性を利用して被測定物の例えば内部構造を光断層画像として撮像するものである。
【０００３】
従来からあるＯＣＴ装置の方式としては、TD-OCT (Time Domain Optical Coherence Tomography)、SD-OCT (Spectral Domain Optical Coherence Tomography) 、SS-OCT (Swept Source Optical Coherence Tomography)が知られている（図７及び特許文献１参照）。以下では各方式について光源１１から射出された光をハーフミラー５で測定光と参照光に分割し、被測定物Ｗで反射された測定光と、参照ミラー３１で反射された参照光をハーフミラー５で合波して干渉光を光検出器４１で検出するように構成された光干渉装置１００を備えたＯＣＴ装置２００を例として説明する。
【０００４】
TD-OCTでは、参照ミラー３１を動かすことで測定光と参照光が干渉して強め合う位置を変化させ、被測定物Ｗ内のどの深さに反射面があるかの情報を得ている。
【０００５】
SD-OCTでは、光源１１として広帯域光源を用いるとともに、光検出器４１として分光器４１Ａとエリアセンサ４１Ｂを具備する分光検出器を用いて干渉光のスペクトルを取得する。SS-OCTでは、光源１１として発振波長が時間とともに掃引される波長掃引光源を用いて干渉光のスペクトルを取得する。SD-OCT、SS-OCTはそれぞれ得られた干渉光のスペクトルをフーリエ変換することで、被測定物のどの深さに反射面があるかの情報を得ている。
【０００６】
TD-OCTでは、参照ミラー３１を物理的に動かして駆動しているため、同じ計測時間であれば感度はSD-OCT、SS-OCTに劣ってしまう。
【０００７】
一方、SD-OCTでは分光された干渉光を検出するためにエリアセンサを用いているため、単一点で検出を行うフォトディテクタと比較して干渉信号のデータ取得レートが低い。また、SS-OCTでは波長掃引光源の走査レートが干渉信号のデータ取得レートを制限してしまう。
【０００８】
これらのことから、従来の方式によって分解能を高めつつ、さらに高速での計測を実現することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１４−２２８３０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上述したような問題に鑑みてなされたものであり、高分解能でありながら従来よりも高速のデータ取得レートを実現できる光干渉装置、及び、それを用いたＯＣＴ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明に係る光干渉装置は、所定の波長域を有するパルス光を射出する光源を具備する入射光学系と、前記パルス光のうちの一部が分岐された光である測定光を被測定物に照射する測定光学系と、前記パルス光のうちの一部が分岐された光である参照光が照射される所定位置に固定された参照ミラーを具備する参照光学系と、前記被測定物で反射又は散乱された前記測定光と、前記参照ミラーで反射された前記参照光とが合波された干渉光が検出される光検出器を具備する干渉光学系と、前記光検出器において前記干渉光が複数の波長ごとに時間的に分離して検出されるように光を遅延させる遅延要素と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
このようなものであれば、前記遅延要素が前記光検出器において前記干渉光が複数の波長ごとに時間的に分離して検出されるように光を遅延させるので、前記光源において波長掃引を行わずに波長を固定していても、SS-OCTと同様に干渉光のスペクトルを取得することが可能となる。
【００１３】
したがって、SS-OCTのように波長掃引の走査レートによる制限が存在しないため、より高速の干渉信号のデータ取得レートを実現できる。また、干渉信号のスペクトルを取得できるので、TD-OCTよりも高分解能や高感度を実現できる。
【００１４】
前記光源において波長掃引を行わずに、実質的に同等の効果を得られるようにする前記遅延要素の具体的な構成としては、前記遅延要素が、所定長さを有する光ファイバで構成されているものが挙げられる。
【００１５】
前記パルス光を十分に波長分散させて、前記光検出器において干渉光が複数の波長ごとに時間的に分離して検出できる前記光ファイバの長さとしては、前記所定長さが１ｋｍ以上であるものが挙げられる。
【００１６】
光の伝搬に光ファイバを全体で使用できるようにし、装置全体の構成を簡素なものにできるようにするには、前記入射光学系から前記パルス光が入力され、当該パルス光を前記測定光と前記参照光に分岐して出力する光カプラをさらに備え、前記光カプラが、前記被測定物で反射又は散乱された前記測定光と、前記参照ミラーで反射された前記参照光とを合波するように構成されていればよい。
【００１７】
前記遅延要素を設ける個数を少なくでき、従来のSS-OCTとほぼ同様の光学系を構成できるようにするには、前記遅延要素が、前記入射光学系において前記光源と前記光カプラとの間に設けられていればよい。
【００１８】
干渉信号のデータ取得レートを高速化できるようにするには、前記光検出器が、複数の波長ごとに時間的に分離された前記干渉光を同じ検出点で検出するように構成されていればよい。
【００１９】
干渉信号のデータ取得レートについて前記光源による制限が発生しないようにするには、前記光源が、射出する前記パルス光の波長域が固定されていればよい。
【００２０】
従来よりも高速のＯＣＴを実現できる前記光源及び前記遅延要素の具体的な特性としては、前記光源から射出された時点での前記パルス光のパルス幅が１ｐｓ以下であり、前記遅延要素を通過した後の前記パルス光のパルス幅が１００ｎｓ以下であるものが挙げられる。
【００２１】
本発明に係る光干渉装置と、前記光検出器において検出される干渉信号をフーリエ変換して前記被測定物に各深さにおける反射率を算出するフーリエ解析部と、を備えたＯＣＴ装置であれば、従来のいずれの方式のＯＣＴ装置よりも高分解能と高速のデータ取得レートを実現できる。
【発明の効果】
【００２２】
このように本発明に係る光干渉装置によれば、前記光源から射出されるパルス光が波長掃引されていなくても、前記遅延要素によって前記干渉光において時間的な波長分散を生じさせ、前記光検出器により干渉光のスペクトルを得ることができる。したがって、高分解能、高感度を実現しつつ、光源において波長掃引を行うようにした場合のようなデータ取得レートの制限をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光干渉装置、及び、ＯＣＴ装置を示す模式図。
【図２】第１実施形態における遅延要素の作用について示す模式図。
【図３】第１実施形態における測定光、参照光、干渉光の関係を示す模式図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光干渉装置、及び、ＯＣＴ装置を示す模式図。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光干渉装置、及び、ＯＣＴ装置を示す模式図。
【図６】本発明の第４実施形態に係る光干渉装置、及び、ＯＣＴ装置を示す模式図。
【図７】従来のＯＣＴ装置を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の第１実施形態に係るＯＣＴ装置２００について図１を参照しながら説明する。
【００２５】
第１実施形態のＯＣＴ装置２００は、被測定物Ｗの干渉信号を取得する光干渉装置１００と、光干渉装置１００で得られた干渉信号から干渉光のスペクトルを得て、被測定物Ｗの光断層画像を生成する演算部と、を備えている。
【００２６】
光干渉装置１００では、光源１１から射出されたパルス光を光カプラ５によって測定光と参照光とに分岐され、測定光が被測定物Ｗに照射され、参照光が参照ミラー３１へ照射される。また、被測定物Ｗで反射された測定光と、参照ミラー３１で反射された参照光は前述した光カプラ５に戻されて合波され干渉光が形成される。形成された干渉光は光カプラ５から出力されて光検出器４１で検出される。
【００２７】
すなわち、この光干渉装置１００は、光カプラ５に対して光を入力する入射光学系１と、被測定物Ｗに対して光カプラ５において分岐された測定光を照射する測定光学系２と、参照ミラー３１に対して光カプラ５において分岐された参照光を照射する参照光学系３と、光カプラ５において形成される干渉光を光検出器４１に対して射出する干渉光学系４と、を備えている。本実施形態では光の導波のために各光学系は光ファイバを具備している。
【００２８】
各部について詳述する。
【００２９】
光カプラ５は例えば２本の光ファイバを融着させた２×２カプラのである。この光カプラ５の４つのポートにはそれぞれ入射光学系１、測定光学系２、参照光学系３、干渉光学系４が接続されている。
【００３０】
入射光学系１は、パルス光を射出する光源１１と、光源１１と光カプラ５との間に設けられた遅延要素６と、を備えている。
【００３１】
光源１１は、所定の波長域を有するパルス光を射出するレーザ光源１１である。第１実施形態では例えばパルス光の中心波長は１０４０ｎｍで１０１５ｎｍ以上１０４５ｎｍ以下の波長域を有するものである。また、このパルス光のパルス幅は１ｐｓ以下のものであり、具体的には６７０ｆｓである。また、パルス繰り返し数は４０ＭＨｚである。この光源１１は、射出されるパルス光の波長域が実質的に一定で保たれるように構成されている。すなわち、この光源１１は波長掃引機能を有していない。
【００３２】
遅延要素６は、所定長さを有する光ファイバで構成されており、パルス光に含まれる各波長の光にそれぞれ異なる量の遅延を発生させるものである。言い換えると、遅延要素６はパルス光に波長分散を生じさせ、パルス光のパルス幅を広げるものである。具体的には遅延要素６は円筒状部材に対して光ファイバがコイル状に巻回されたものである。
【００３３】
図２に示すように、光源１１から射出された時点のパルス光のパルス幅は１ｐｓ以下であったのに対して、遅延要素６を通過した後のパルス光のパルス幅は４ｎｓに拡大される。すなわち、遅延要素６を通過している間にパルス光に含まれている波長成分のうち、波長の長いものから順次射出されることでパルス幅が大きくなる。第１実施形態では、このような遅延を生じさせるために１ｋｍ以上１０ｋｍ以下の所定長さを有するシングルモード光ファイバで遅延要素６を形成してある。なお、遅延要素６を通過させた後のパルス光のパルス幅は１００ｎｓ以下に拡大されるものであってもよい。
【００３４】
測定光学系２は、光カプラ５から出力された測定光を被測定物Ｗに対して射出し、被測定物Ｗで反射又は散乱された測定光を光カプラ５に対して戻すように構成されている。被測定部に対する測定光の照射点は逐次走査されるように構成されている。測定光も遅延要素６によって波長分散された状態の光であり、長波長側の光から短波長側の光が順次被測定物Ｗに照射されることになる。なお、測定光学系２は、光ファイバの光出入射端と被測定物Ｗとの間に設けられた図示しないレンズ等の光学素子を含み得る。
【００３５】
参照光学系３は、光カプラ５から出力された参照光を参照ミラー３１に対して射出し、参照ミラー３１で反射された参照光を光カプラ５に対して戻すように構成されている。第１実施形態では参照ミラー３１の設置位置は固定されており、移動しないようにしてある。参照光も遅延要素６によって波長分散された状態の光であり、長波長側の光から短波長側の光が順次被測定物Ｗに照射されることになる。なお、参照光学系３は、光ファイバの光出入射端と参照ミラー３１との間に設けられた図示しないレンズ等の光学素子を含み得る。
【００３６】
干渉光学系４は、光カプラ５において合波された干渉光を光検出器４１に対して入射させるように構成されている。光検出器４１は、フォトダイオードであり、１点で光強度の検出するものである。すなわち、干渉光の各波長成分の強度については同じ検出点で検出される。また、干渉光は、遅延要素６の作用によって光検出器４１において複数の波長ごとに時間的に分離して検出される。図３の模式図に示すように、測定光と参照光が合波されて干渉が生じると時間方向及び波長方向に対して干渉縞が発生し、光検出器４１ではビード信号として検出されることになる。このように光源１１から射出された１つのパルス光が、遅延要素６によって時間方向に波長ごとに分離されて、干渉光が形成されているので、被測定物Ｗの１点での各深さの反射面の情報を得ることができる。
【００３７】
次に演算部について説明する。
【００３８】
演算部は、光検出器４１から得られる干渉信号に基づいて被測定物Ｗの光断層画像を生成するものであり、少なくともフーリエ解析部７を備えるものである。フーリエ解析部７は、光検出器４１において検出される干渉信号をフーリエ変換して被測定物Ｗに各深さにおける反射率を算出する。被測定物Ｗの各点における深さごと反射率を例えば濃淡等に対応させることで光断層画像を得ることができる。
【００３９】
このように第１実施形態のＯＣＴ装置２００によれば、入射光学系１が光源１１から射出されたパルス光を波長分散させる遅延要素６を備えているので、光源１１において波長掃引を行わなくても、被測定物Ｗに対して複数の波長に光を測定光として順次照射することが可能となる。このため、被測定物Ｗの１点について干渉光のスペクトルを得ることができるので、高分解能と高感度を実現できる。
【００４０】
また、例えば光源１１自体に印加する電圧を掃引することで、射出される光の波長を掃引しようとした場合、１０ｎｓ程度の短い時間で所定の波長域すべてを掃引することは困難であるが、遅延要素６は屈折率の波長依存性により波長ごとに異なる遅延を発生させるので、パルス幅が短くてもそれぞれの波長に分離することができる。
【００４１】
このため、光源１１において波長掃引を行う場合のように波長掃引の走査レートによる干渉光のデータ取得レートの制限が存在せず、従来よりも高速のデータ取得が可能となる。
【００４２】
別の表現をすると、第１実施形態のＯＣＴ装置２００は、光源１１に波長掃引機能が存在しないにもかかわらず、より高速でSS-OCTと同様のアルゴリズムで光断層画像を得ることが可能となる。また、光源１１に波長掃引機能を持たせる必要が無いので、非常に小さいパルス幅のパルス光を非常に高い周波数で利用することが可能となる。
【００４３】
本発明の第２実施形態のＯＣＴ装置２００について図４を参照しながら説明する。
【００４４】
第２実施形態のＯＣＴ装置２００は、入射光学系１に遅延要素６に設けるのではなく、干渉光学系４に遅延要素６が設けられている。すなわち、干渉光学系４において光カプラ５と光検出器４１との間に遅延要素６が設けられている。このようなものであって、光検出器４１に入射する干渉光については波長成分ごとに分離した状態にして干渉光のスペクトルを検出することができる。
【００４５】
本発明の第３実施形態のＯＣＴ装置２００について図５を参照しながら説明する。
【００４６】
第３実施形態のＯＣＴ装置２００では、遅延要素６が入射光学系１と干渉光学系４のそれぞれに設けられている。この実施形態では、入射光学系１に設けられている遅延要素６を構成する光ファイバよりも干渉光学系４に設けられている遅延要素６の光ファイバのほうが長く設定してあるが、この関係は逆であってもよい。
【００４７】
このように第３実施形態では、光源１１から射出されたパルス光を一度波長分散した後、干渉光についてもさらに波長分散が生じるようにして、最終的に光検出器４１において波長成分ごとに時間的に分離して検出できるようにしている。
【００４８】
本発明の第４実施形態のＯＣＴ装置２００について図６を参照しながら説明する。
【００４９】
第４実施形態のＯＣＴ装置２００では、測定光学系２と参照光学系３のそれぞれに遅延要素６を設けてある。ここで、それぞれの遅延要素６を構成する光ファイバの長さは同じ長さに設定してあり、測定光と参照光で同じだけの波長分散が生じるように構成されている。
【００５０】
これらのように構成された第２、第３、第４実施形態のいずれのＯＣＴ装置２００であっても、第１実施形態と同様の効果を奏し得る。
【００５１】
その他の実施形態について説明する。
【００５２】
本発明に係る光干渉装置は、ＯＣＴ装置だけでなく、その他の用途にも用いることができる。例えば、本発明に係る光干渉装置を備えたレーザ測距計として構成しても構わない。
【００５３】
遅延要素については所定長さを有した光ファイバ以外のものであっても構わない。すなわち、各波長にそれぞれ異なる遅延を発生させ、光検出器において検出される干渉光が波長ごとに検出可能に波長分散するものであればよい。例えば、光ファイバの屈折率を調整して充分な大きさの波長分散が得られるようにしてもよい。また、光ファイバに対して傷をつけることで波長分散が生じるようにしてもよい。
【００５４】
各実施形態では、各光学系は光ファイバで光を導光するとともに、光カプラを用いて光の分岐、合波を行うようにしていたが、例えばハーフミラーを用いて光の分岐、合波を行うようにして本発明に係る光干渉装置やＯＣＴ装置を構成してもよい。
【００５５】
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わない。
【符号の説明】
【００５６】
２００・・・ＯＣＴ装置
１００・・・光干渉装置
１    ・・・入射光学系
１１  ・・・光源
２    ・・・測定光学系
３    ・・・参照光学系
３１  ・・・参照ミラー
４    ・・・干渉光学系
４２  ・・・光検出器
５    ・・・光カプラ
６    ・・・遅延要素
７    ・・・フーリエ解析部
Ｗ    ・・・被測定物
【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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【図６】
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【図７】
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