(57)【要約】  本明細書の開示に従った装置の例示的な実施態様が提供される。例えば、電子放射を構造物に提供する装置が提供される。一つの例示的な実施態様において、装置は、少なくとも一つの電磁放射を提供することができ、かつ、時間と共に変化する少なくとも一つの波長をもつ電磁放射を生じるように構成された少なくとも第一の構成を含むことができる。例示的な装置はまた、外部電源からは独立して、第一の構成に電力を供給するように構成された少なくとも一つの第二の構成を含むことができる。他の例示的な実施態様において、装置は、時間と共に変化する少なくとも一つの波長をもつ電磁放射を生じるように構成された少なくとも一つの特別の構成を含むことができる。特別の構成は、おおよそ０．７ナノ秒より小さい往復光移動時間をもつ共振空洞を含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの電磁放射を提供する装置であって、
時間とともに変化する少なくとも一つの波長をもつ少なくとも一つの電磁放射を作り出すように構成された少なくとも一つの第一の構成、および
外部電源から独立して該少なくとも一つの第一の構成に電力を供給するように構成された少なくとも一つの第二の構成、
を含む装置。
【請求項２】
少なくとも一つの第二の構成が、少なくとも一つの第一の構成に電力を供給することに関して内臓型である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも一つの波長が、８０ｎｍより略大きい範囲で変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
一つの特定の時間ポイントにおいて、少なくとも一つの電磁放射は、おおよそ０．０５ｎｍと０．３ｎｍの間のスペクトル幅をもつ、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも一つの波長の変化が、１５ｋＨｚよりも略大きい固有振動数で繰り返される、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも一つ第一の構成が、０．７ナノ秒よりも略小さい往復光移動時間をもつ共振空洞を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも一つの波長が、ミリ秒あたり１００THｚよりも略大きい速度で変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも一つの電磁放射を提供する装置であって、
時間とともに変化する少なくとも一つの波長をもつ少なくとも一つの電磁放射を生じるように構成された少なくとも一つの特別の構成、
ここで、該少なくとも一つの特別の構成は、０．７ナノ秒よりも略小さい往復光移動時間をもつ共振空洞を含む。
を含む装置。
【請求項９】
少なくとも一つの波長が、８０ｎｍよりも略大きい範囲で変化する、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
一つの特定の時間ポイントにおいて、少なくとも一つの電磁放射は、おおよそ０．０５ｎｍと０．３ｎｍの間のスペクトル幅をもつ、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも一つの波長の変化が、１５ｋＨｚよりも略大きい固有振動数で繰り返される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも一つの波長が、８０ｎｍよりも略大きな範囲で変化する、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
さらに、外部の電源からは独立して、少なくとも一つの特別の構成に電力を供給するように構成されている、少なくとも一つのさらなる構成を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも一つの波長が、ミリ秒あたり１００THｚよりも略大きい速度で変化する、請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の開示は、光学システムに関し、より具体的には、波長掃引電磁放射および小型の波長掃引照射レーザーを提供するように構成された装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
（関連出願の表示）
本出願は、２００８年７月１４日出願の米国特許出願第６１／０８０，５８０号と関連し、その出願の優先権を主張するものであり、かつその米国出願のすべての開示は引用することにより本明細書の一部である。
【０００３】
光反射率測定、生物医学イメージング、センサーインテロゲイション、試験および測定のための、素早くそして広範囲に可変波長のレーザー光源を開発するために著しい努力が充てられてきた。狭い線幅で、広範囲に、そして素早い可変は、空洞内の狭帯域波長走査フィルターの使用によって実現されてきた。例えば、モードホッピングがない単調操作は、複雑な回析格子フィルター設計を用いた拡大空洞半導体レーザーによって実証されてきた。しかしながら、このようなアプローチを用いて今まで示されてきた可変速度は、１００ｎｍ／ｓ未満に制限されていた。多くの用途、例えば、生物医学イメージングにおいては、１０ＧＨｚという瞬間的な線幅は、光コヒーレンス・トモグラフィー（ＯＣＴ）で組織において数ミリメーターの測距深度（ｒａｎｇｉｎｇ  ｄｅｐｔｈ）を、そしてスペクトルコード化共焦点顕微鏡でマイクロメーターレベルの横断分解能を提供できるので、十分に狭い。１０ＧＨｚオーダーの線幅は、空洞波長可変要素、例えば、音響光学フィルター、ファブリペローフィルタおよび検流計駆動回析格子フィルターを用いて達成できる。回転多面鏡ビームスキャナーを組み込むことにより、空洞波長可変は、１００ｋＨｚを超える繰り返し速度を実現してきた。
【０００４】
しかしながら、繰り返し速度が増加するにともない、レーザー共振器内の循環光のスペクトルと、可変要素の瞬間的スペクトルとの重なりが増加し、結果として、放射出力の減少および放射光の時間的コヒーレンスの減少を引き起こす。共振器長を数ｋｍに増加することにより、レーザー共振器の一往復移動（ｒｏｕｎｄ−ｔｒｉｐ  ｔｒａｎｓｉｔ）のための遅延時間を減少して走査フィルターの繰り返し操作と同期化することができ、それによって、レーザー共振器内の循環光のスペクトルと波長可変要素の瞬間的なスペクトルとの緊密な重なりを維持することができる。
【０００５】
しかしながらこのアプローチは、長い長さの光ファイバを要求し、そのため、複屈折性が、温度依存的におよび一時的に変化する傾向がある。さらに。このアプローチ一は、光学共振器の一往復移動時間と光学フィルターの繰り返し速度の同期を要求する。
【０００６】
上記の特性をもつレーザーは、光周波数領域測距および光周波数領域イメージングに適用できることが従来から示されてきた。後者は、アナログ技術、光コヒーレンス・トモグラヒィーからの延長である。
【０００７】
ポイントオブケアの光周波数領域イメージング（ＯＦＤＩ）装置、例えば、ニードル誘導における使用のためのＯＦＤＩは、小型の波長掃引レーザーの使用が好ましい。ポイントオブケア（ＰＯＣ）技術は、患者に直接かかわる医療技術の進歩をもたらすことを目指している。成功するＰＯＣ技術は、小さく、安価で、軽量で、正確で、頑丈で、そして取扱いが簡単であるべきである。ＰＯＣ検査、イメージングおよび診断は、一次医療、自宅医療、および救急治療を含む多くの医療機関において、益々普通のものとなってきている。（C. P. PriceおよびL. J. Kricka、「ポイントオブケアを通じた改善されたヘルスケアの利用可能性」、Clinical Chemistry 53, 1665-1675 (2007) を参照）。
【０００８】
イメージング技術は、新たなＰＯＣ技術の領域において有益である可能性があり、医師が、裸眼に比べて、より高い解像度でかつより大きなコントラストをもって、深く観察することを容易にする。ポイントオブケアにおいては、イメージングは、重大な診断情報（Y. Beaulieu、「重大な病気の評価におけるベッドサイド心エコー検査」、Crit Care Med 35, S235-S249 (2007)参照）、案内手順（S. GuptaおよびD. Madoff、「癌診断におけるイメージ−ガイド経皮ニードル生検」、Tech Vase Interv Radiol 10, 88-101 (2007); および B. D. Goldberg, N. V. Iftimia, J. E. Bressner, M. B. Pitman, E. Halpern, B. E. Bouma,およびG. J. Tearney、「細針吸引による胸部生検のための低コヒーレンス干渉法を用いたヒト胸部組織の区別のための自動化アルゴリム」、Journal of Biomedical Optics 13, 014014 (2008) 参照）、および外科生検中の癌の境界の確認（A. M. ZyskおよびS. A. Boppart「光学コヒーレンストモグラフィイメージでのヒト胸部癌組織分析のための計算方法」、Journal of Biomedical Optics 11(2006) 参照）を提供できる。他の医療機関においては、新しいイメージング技術は、生検の必要性を完全に除去しうる方法で、包括的なスクリーニングとして機能している。（M. J. Suter, B. J. Vakoc, N. S. Nishioka, P. S. Yachimski, M. Shishkov, R. Motaghiannezam, B. E. Bouma,およびG. J. Tearney、「ヒト食道下部のビデオ３Ｄ広範囲顕微鏡検査」、Gastrointestinal Endoscopy 65, AB154-905 (2007); B. J. Vakoc, M. Shishko, S. H. Yun, W.-Y. Oh, M. J. Suter, A. E. Desjardins, J. A. Evans, N. S. Nishioka, G. J. Tearney,およびB. E. Bouma、「（ビデオを用いた）光周波数領域イメージングを用いた広範囲の食道顕微鏡検査」、Gastrointestinal Endoscopy 65, 898-905 (2007); およびJ. A. Evans, J. M. Poneros, B. E. Bouma, J. Bressner, E. F. Halpern, M. Shishkov, G. Y. Lauwers, M. Mino-Kenudson, N. S. Nishioka, およびG. J. Tearney、「バレット食道での粘膜内癌および光悪性異形成を同定するための光学コヒーレンストモグラフィ」、Clinical Gastroenterology and Hepatology 4, 38-43 (2006)）。
【０００９】
光周波数領域イメージング（ＯＦＤＩ）は、高解像度（例えば、〜１０μｍ）の、断面の、光ファイバイメージング方法および／または処理であり、組織の微細構造、複屈折性（血管外膜中に見つかるコラーゲンと相関している）、血流（ドップラー血流測定）、および吸収の測定を容易にする。（S. H. Yun, C. Boudoux, G. J. Tearney, およびB. E. Bouma、「多角面スキャナーベースの波長フィルターを用いた高速波長掃引半導体レーザー」、Optics letters 28, 1981-1983 (2003); および M. A. Choma, K. Hsu, およびJ. A. Izatt、「オールファイバ１３００ｎｍリングレーザー光源を用いた、掃引光源光学コヒーレンストモグラフィ」、Journal of biomedical optics 10, 44009 (2005) 参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０４７８１３号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００９３２７６号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００５／００１８２０１号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】C. P. Priceら、Clinical Chemistry 53, 1665-1675 (2007)
【非特許文献２】Y. Beaulieu、Crit Care Med 35, S235-S249 (2007)
【非特許文献３】S. Guptaら、Tech Vase Interv Radiol 10, 88-101 (2007)
【非特許文献４】B. D. Goldbergら、Journal of Biomedical Optics 13, 014014 (2008)
【非特許文献５】A. M. Zyskら、Journal of Biomedical Optics 11(2006)
【非特許文献６】M. J. Suterら、Gastrointestinal Endoscopy 65, AB154-905 (2007)
【非特許文献７】B. J. Vakocら、Gastrointestinal Endoscopy 65, 898-905 (2007)
【非特許文献８】J. A. Evansら、Clinical Gastroenterology and Hepatology 4, 38-43 (2006)
【非特許文献９】S. H. Yunら、Optics letters 28, 1981-1983 (2003);
【非特許文献１０】M. A. Chomaら、Journal of biomedical optics 10, 44009 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＯＦＤＩシステムは、一般に、３つの典型的な要素：ａ）素早い掃引レーザー、ｂ）ファイバ干渉計、およびｃ）検出および処理の電子機器を含むことができる。ポータブルなＯＦＤＩシステムは、３つすべての要素について小型の構成部品を用いていることが好ましい。従って、上記した欠点の少なくともいくつかを注目および／または克服することが必要であろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような欠点の少なくともいくつかを解決するために、波長掃引電磁放射、および波長掃引放射を与える小型のレーザーを提供するように構成された装置の例示的な実施態様、例えば、小型の波長掃引レーザーが提供されうる。
【００１４】
本明細書の開示の例示的な実施態様は、小型化することができ、かつ波長掃引光放射を作り出すことができる、レーザー光源または装置を記載している。例えば、レーザー光源は、高い繰り返し速度で広い波長レンジ上を掃引される中心波長をもった狭帯域のスペクトルを放射できる。
【００１５】
例えば、レーザー共振器に関する本明細書の開示のある例示的な実施態様は、共振器内の光の往復移動時間が、光ファイバの走査速度に対して短くなるように、共振器の寸法を減ずることができる。本明細書の開示の例示的な実施態様は、放射出力または時間コヒーレンスを減少することなく、高い繰り返し速度での波長掃引放射の作成を容易にすることができる。
【００１６】
本明細書の開示の一つの特別の例示的な実施態様において、レーザー共振器長は、約０．７ナノ秒より小さい往復光移動時間に対応することができ、レーザーは、１０ｍＷより大きい平均出力を出し、一方、波長は、８０ｎｍより大きい波長範囲で繰り返し掃引されることができる。レーザーの瞬間的な線幅は、約０．０５ｎｍと０．３ｎｍの間にすることができ、この例示的な範囲は、干渉測距および生物医学的イメージング処理のために有益である。より狭い線幅は、コヒーレント干渉を通した背景ノイズの増加をもたらし、より広い線幅は、コヒーレンス長の減少をもたらす。例示的な実施態様の繰り返し速度は、サンプルを描写する構造的および組成的な情報を素早く取得するのに適しているであろう、典型的な速度である約１５ｋＨｚよりも高くすることができる。
【００１７】
本明細書の開示のさらなる例示的な実施態様に従って、反射回析格子および小型の共振走査鏡を用いた可変光ファイバに基づく、レーザー光源が提供されうる。例示的なレーザー光源は、約１３１０ｎｍに中心をもつ１００ｎｍのバンド幅、おおよそ０．１５ｎｍの瞬間的な線幅、および、おおよそ１０ｍＷの出力で約１または１６ｋＨｚの繰り返し速度を持つことができる。完全な例示的なレーザー光源システムは、概略で、図１（ｂ）に示すように、トランプカードの大きさであり、市販のレーザーおよび温度コントローラーを用いて完全な電池式とできる。
【００１８】
本明細書の開示の一つの例示的な実施態様において、電磁放射を構造物に提供するための装置が提供される。このような例示的な実施態様においては、装置は、少なくとも一つの電磁放射を提供し、そして、少なくとも一つの第一の構成を含むことができ、第一の構成は、時間とともに変化する少なくとも一つの波長をもつ電磁放射を生じるように構成される。例示的な装置はまた、少なくとも一つの第二の構成を含むことができ、第二の構成は、外部の電源とは独立して、第一の構成に電力を供給する。
【００１９】
例えば、このような第二の構成は、第一の構成に電力を供給することについて、内蔵式とすることもできる。波長は、８０ｎｍよりも略大きな範囲で変化できる。一つの特定の時間ポイントにおいて、電磁放射は、おおよそ０．０５ｎｍと０．３ｎｍの間のスペクトル幅を持つことができる。波長の変化は、１５ｋＨｚよりも略大きい固有振動数で繰り返されうる。第一の構成は、０．７ナノ秒よりも略小さい往復光移動時間をもつ共振空洞を含むことができる。さらに、波長は、ミリ秒あたり１００ＴＨｚよりも略大きい速度で変化できる。
【００２０】
他の例示的な実施態様において、装置は、時間とともに変化する少なくとも一つの波長をもつ電磁放射を生じるように構成された、少なくとも一つの特別の構成を含むことができる。特別の構成は、０．７ナノ秒よりも略小さい、往復光移動時間をもつ共振空洞を含むことができる。
【００２１】
例えば、波長は、８０ｎｍよりも略大きい範囲で変化できる。一つの特定に時間ポイントにおいて、電磁放射は、おおよそ０．０５ｎｍと０．３ｎｍの間のスペクトル幅を持つことができる。波長の変化は、１５ｋＨｚよりも略大きい固有振動数で繰り返されうる。波長はまた、８０ｎｍよりも略大きな範囲で変化できる。例示的な装置はまた、外部の電源とは独立して特別の構成に電力を供給するように構成された、少なくとも一つのさらなる構成を含むことができる。さらに、波長は、ミリ秒あたり１００ＴＨｚよりも略大きい速度で変化できる。
【００２２】
本明細書の開示の例示的な実施態様のこれらおよび他の対象、特徴および利点は、添付の特許請求の範囲との関連において、本明細書の開示の例示的な実施態様の以下の詳細な記載を読むことにより明らかとなろう。
【００２３】
本発明のさらなる対象、特徴および利点は、本明細書の開示の実施態様を説明している添付の図との関連において、以下の詳細な記載から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１（ａ）は、本発明に従った、比較的小さくまたは小型化した波長掃引光源（例えば、レーザー）の例示的な実施態様のブロック図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示された例示的な実施態様である波長掃引光源の例示的な写真である。
【図２】図２は、本明細書の開示に従った小型化波長掃引レーザーの例示的な放射特性を示したグラフである。
【図３】図３は、本明細書の開示に従った前方掃引方向における深度に応じた、例示的なシグナルロールオフのグラフである。
【図４】図４は、明細書の開示に従った後方掃引方向における深度に応じた、例示的なシグナルロールオフのグラフである。
【図５】図５は、本明細書の開示に従った、前方および後方掃引方法における、例示的な軸点広がり関数のグラフである。
【図６】図６は、本明細書の開示に従った、小型化波長掃引レーザーの、例示的な出力の安定なトレースを示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図面においては、同じ参照番号及び符号は、特に断りのない限り、図解された実施態様の、同様の特徴、要素、構成要素又は部分を示すために用いられる。さらに、本発明の主題の開示は、図面を参照して詳細に記載されるが、それは、図解の実施態様と関連してなされる。添付の特許請求の範囲で定められた主題の開示の本来の範囲及び精神から離れることなしに、記載された例示的な実施態様に対して変更及び修正することができると、意図されている。
【００２６】
本明細書の開示に従った、例示的な実施態様のレーザー構成５０が、図１に示される。例えば、図１（ａ）に示された例示的なレーザー構成５０は、例えば反射回析格子１１０および小型の共振走査ミラー１２０を用いた可変光学フィルターに基づいたものであることができる。レーザー構成５０の増幅構成１００（それは、増幅要素１０５を含む）は、半導体光増幅器であるかまたはそれを含むことができ、そこでは、波長は、垂入射ファセットによって一端で遮られ、出力カプラーを形成し、そして傾斜ファセットによって第二の端で遮られ、そしてそこから外部の空洞へと光を伝えることができる。波長選択は、１２００Ｉ／ｍｍの回析格子を用いて達成され、略８０度の入射角に合わせられ、そして共振走査検流計ミラー１２０および固定ミラー１３０と続く。共振ミラー１２０は回転できるので、レーザー構成の出力波長は、時間内に掃引できる。固定ミラー１３０は、レーザー構成が、いわゆる「２Ｘコンフィグレーション」（広範囲の可変バンド幅および改善された軸解像度を提供できる）で操作するのを容易にする。
【００２７】
例示的な共振ミラー１２０は、非常に低い電気出力を利用できる、高Q共振電気駆動回路で駆動されうる。例えば、共振ミラー１２０は、９Ｖバッテリーで長時間操作できる。加えて、レーザー構成（例えば、レーザー光源）は、市販の小型レーザーおよび温度コントローラーによって駆動され、そして例えば、３Ｖリチウム電池によって電力が供給される。完全な例示的なレーザー構成は、光学要素および電子機器を含み、図１（ｂ）に示すように、おおよそトランプカードのサイズであることができるフォームファクターによって構成されうる。
【００２８】
レーザー構成５０の例示的な実施態様は、中心が約１３４０ｎｍである約７５ｎｍの可変範囲、および約０．２４ｎｍの瞬間的線幅を生じることができる。これらの例示的な規格は、約８μｍのＯＦＤＩ距離分解能および約３．５ｍｍより大きいコヒーレンス長に相当する（図３および４に示す）。レーザーの双方向性の波長掃引パターン（例えば、約８７．６％のデューティサイクルにおける）は、約１ｋＨｚまたは１５．３ｋＨｚのいずれかで共振スキャナーを操作している間、約６ｍＷの平均出力を生じることができる。本明細書の開示の例示的な実施態様に従った、前方および後方掃引方向での、例示的な軸点広がり関数のグラフを図５に示す。加えて、本明細書の開示の例示的な実施態様に従った、小型の波長掃引レーザーの出力の安定なトレースの例示的なグラフを図６に示す。
【００２９】
高Q共振電気駆動回路を用いた共振ミラー１２０の駆動は、非常に低い電力消費をもたらすことができる。例えば、ミラーは、一つの９Ｖ電池を用いて、１時間を超えて駆動することができる。加えて、例示的な半導体光源は、市販の小型レーザーおよび温度コントローラーを用いて操作でき、３Ｖのリチウム電池で電力供給できる。例えば、電池で電力供給された装置は、１時間を超えて試験されても、ほんの極微の電力低下であった。この例示的な操作時間は、約１０〜１５分の操作およびそれに続く使用間の充電が期待されているポイントオブケアの開発のためには十分である。
【００３０】
本明細書の開示の他の例示的な実施態様に従って、レーザー構成５０は、１ｋＨｚのシステムでありうる。このような例示的なシステムは、例えば、約１０ｍＷの平均出力、６５％のデューティサイクル、９７．５ｎｍの可変範囲、２ｍｍより大きい測距深度を提供できる。このシステムの例示的な回析格子１１０は、約８３０Ｉ／ｍｍでありうる。本明細書の開示の他の例示的な実施態様において、レーザー構成５０は、１５．３ｋＨｚのシステムでありうる。このような例示的なシステムは、例えば、約６．０ｍＷの平均出力、８５．７％のデューティサイクル、７５ｎｍの可変範囲、約１．７５ｍｍより大きい例示的な測距深度を提供できる。このシステムの例示的な回析格子１１０は、約１２００Ｉ／ｍｍでありうる。
【００３１】
上記は、本発明の原理を単に説明するものである。記載された実施態様に対しての、種々の変更及び置換は、本明細書に記載された教示より当業者にとって明らかである。確かに、本発明の例示的な実施態様に従った構成、システム及び方法は、任意のＯＣＴシステム、ＯＦＤＩシステム、ＳＤ−ＯＣＴシステムまたは他のイメージングシステムにおいておよび／またはその実施において用いることができ、そして、例えば、２００４年９月８日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２９１４８号（それは、２００５年５月２６日に、国際公開ＷＯ２００５／０４７８１３号として公開された）、２００５年１１月２日に出願された米国特許出願第１１／２６６，７７９号（それは、２００６年５月４日に米国特許出願公開第２００６／００９３２７６号として公開された）、および２００４年７月９日に出願された米国特許出願第１０／５０１，２７６号（それは、２００５年１月２７日に米国特許出願公開第２００５／００１８２０１号として公開された）に記載されたシステムにおいて用いることができる。それらの公報の開示のすべては、ここで引用することにより本明細書の一部である。従って、本技術分野の当業者は、本明細書に明白に示され又は記載されてはいないが、本発明の原理を具現化する多数のシステム、構成及び方法を考えることができるということが理解され、それらは本発明の範囲に含まれる。加えて、本明細書中に明示的に引用されていない従来技術の知識も、ここにおいて、それらのすべての開示は本明細書に明示的に引用される。本明細書で参照された上記すべての公報及び文献の開示のすべては、引用されることにより本明細書の一部である。
【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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【国際調査報告】
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