(57)【要約】【課題】波長可変光源において、コンパクトで簡素化された構成とする。【解決手段】  光源ユニット１０は、光増幅手段である半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１からの光が入射され、入射位置に応じた波長の光を選択的に反射する波長選択手段と、入射位置が変化するように、半導体レーザ１１からの光と波長選択手段とを相対移動させる相対移動手段である偏向手段１３とを備える。波長選択手段として、前記相対移動の方向に沿って格子間隔が変化するように構成されたブラッグ・グレーティング１５を用いる。【選択図】図１
2008047730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅手段と、
該光増幅手段からの光が入射され、入射位置に応じた波長の光を選択的に反射する波長選択手段と、
前記入射位置が変化するように、前記光増幅手段からの光と前記波長選択手段とを相対移動させる相対移動手段とを備え、
前記波長選択手段が、前記相対移動の方向に沿って格子間隔が変化するように構成されたブラッグ・グレーティングであることを特徴とする波長可変光源。
【請求項２】
前記光増幅手段の射出面と前記ブラッグ・グレーティングとを光学的に共役な位置関係にする光学系をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
【請求項３】
前記相対移動手段が、前記光増幅手段からの光を偏向する偏向手段、または前記ブラッグ・グレーティングを移動させる移動手段であることを特徴とする請求項１または２記載の波長可変光源。
【請求項４】
前記相対移動手段が、回転体を前記光増幅手段からの光の光軸と略平行な回転中心軸の周りに回転させるものであり、
前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体に、前記回転中心軸を中心とする円周方向に格子間隔が変化するように設けられたものであることを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
【請求項５】
前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体が１周する間に、前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長の単調変化が複数回起こるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の波長可変光源。
【請求項６】
前記相対移動により前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長が掃引され、
前記掃引の方向が常に一方向であるように構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の波長可変光源。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の波長可変光源と、
前記波長可変光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
前記合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段と、を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振波長が可変な外部共振器型の波長可変光源、および該波長可変光源を用いてＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測により測定対象の光断層画像を取得する光断層画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、広い波長幅を高速に波長掃引可能な光源としては、例えば図１３〜図１５に示すような、外部共振器の光路中に回折格子等の波長分散素子を挿入し、その素子自体の角度または素子に入射する光線の角度を高速に変化させることで、光増幅器に帰還する光の波長を高速に切り替える方式のものが考案されている。
【０００３】
図１３に示すＬｉｔｔｒｏｗ型の光源は、半導体レーザ１１１の射出光をコリメートレンズ１１２で平行光に変換した後、回折格子１１３へ入射させて、波長分散された回折光のうち、特定の波長の光のみを半導体レーザ１１１に帰還させて発振波長を選択する。回折格子１１３を回転させることにより帰還する光の波長が変化して、波長掃引がなされる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１４に示すＬｉｔｔｍａｎ型の光源は、半導体レーザ１１１の射出光をコリメートレンズ１１２で平行光に変換した後、回折格子１１３へ入射させて、波長分散された回折光をミラー１１４で反射する。そして、ミラー１１４の反射面に直交する特定の波長の光のみを回折格子１１３へ逆光路で再入射させて半導体レーザ１１１に帰還させることにより、発振波長を選択する。ミラー１１４を回転させることにより帰還する光の波長が変化して、波長掃引がなされる。
【０００５】
なお、図１３および図１４に示す構成のように、光増幅器が半導体レーザの様な点光源の場合には、半導体レーザ１１１や半導体レーザ１１１と光結合する光ファイバ（不図示）の端面を正確に捉え続ける必要がある。回折格子やミラーに傾き誤差がある場合には、帰還光の集光位置ずれが発生し、半導体レーザへの帰還光量変動が生じ、これにより出力されるレーザ光の波長安定性や出力安定性が損なわれる。
【０００６】
図１５に示す光源は、高速波長掃引を目指したものであり、図１４のミラー１１４をポリゴンミラー１２５に置換し、回折格子１１３とポリゴンミラー１２５の間にリレー用の２つのレンズ１２４ａ、１２４ｂを設けている。図１５に示す光源では、ポリゴンミラー１２５の回転により帰還光の波長が変化して、波長掃引がなされる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、特許文献３には、光偏向素子から射出される光の走査方向に沿って、透過させる光の波長が連続的に変化するように構成された光フィルタを用いた光源が記載されている。この構成では、走査に伴い光フィルタで選択される波長が変化し、その波長の光をミラーで帰還させることにより波長掃引がなされる。
【０００８】
特許文献４には、半導体素子からの射出光を外部共振器の一端に配置された回折格子で反射し、途中の光路に配置された揺動ミラーにより回折格子への入射角を変更することにより、発振波長を選択して変化させる光源が記載されている。この光源では、外部共振器の他端に、半導体素子からの射出光を反射させるとともに、発振光を外部へ透過させるチャープド・ブラッグ・グレーティングを配置し、さらにこのチャープド・ブラッグ・グレーティングにより共振器長を調節するようにしている。
【０００９】
一方、上記のような波長掃引が可能な波長可変光源の重要な用途として、ＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ  ｓｏｕｒｃｅ  ＯＣＴ）計測を利用した光断層画像化装置（ＳＳ−ＯＣＴ装置）が知られている。光断層画像化装置は、光源から射出されたコヒーレンス光を測定光と参照光とに分割した後、測定光が測定対象に照射されたときの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得するものである。ＳＳ−ＯＣＴ装置では、光源から射出される光の周波数を時間的に変化させながら、反射光と参照光とを干渉させ、得られる干渉光を検出して、光周波数領域のインターフェログラムから所定の測定対象の深さ位置における反射強度を検出し、これを用いて断層画像を生成する。
【特許文献１】特開平９−６４４３９号公報
【特許文献２】米国特許第２００５／００３５２９５号明細書
【特許文献３】特開平２００６−２４８７６号公報
【特許文献４】米国特許第５９５６３５５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、図１３〜図１５に示す回折格子等の波長分散素子を用いた光源では、波長分解能を確保するために波長分散素子に入射する光束径を大きくする必要があり、結果として光学系が大きくなってしまい、装置の大型化を招くという問題がある。
【００１１】
さらに、図１５に示すポリゴンミラーを用いた光源では、ポリゴンミラーの反射面の中心と回折格子とを共役位置にするための光学系が必要となり、これもまた装置の大型化を招くことになる。
【００１２】
特許文献３に記載された光フィルタとミラーを組み合わせた構成では、光増幅器射出端面とミラーとが共役位置にあり、この点では光学系は安定しているが、光フィルタとミラーを組み合わせているために、以下（１）、（２）の制約条件が生じ、設置を難しくしている。（１）光フィルタは、透過させる選択波長以外の波長の光を反射するため、光フィルタからの反射光が光増幅器に帰還しないように光フィルタを光軸に対し傾けて配置する必要がある。（２）光増幅器射出端面とミラーとが共役位置にあるため、ミラーはビームウエスト位置に配置されるが、波長分解能を高くするには光フィルタをビームウエスト位置のビームの焦点深度内、すなわちミラーの近傍に配置する必要がある。また、実際には、特許文献３に記載されているような誘電体多層膜によりサブｎｍの波長幅で、かつ選択波長が連続的に変化するバンドパスフィルタを作製するのは技術的に非常に困難である。
【００１３】
そこで、本発明は上記事情を鑑みなされたもので、コンパクトで簡素化された構成の波長可変光源、および該波長可変光源を備えた光断層画像化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】
【００１４】
本発明の波長可変光源は、光増幅手段と、該光増幅手段からの光が入射され、入射位置に応じた波長の光を選択的に反射する波長選択手段と、前記入射位置が変化するように、前記光増幅手段からの光と前記波長選択手段とを相対移動させる相対移動手段とを備え、前記波長選択手段が、前記相対移動の方向に沿って格子間隔が変化するように構成されたブラッグ・グレーティングであることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、「ブラッグ・グレーティング」は、内部に形成された回折格子の格子間隔に基づくブラッグ回折条件に合致した波長の光のみを選択的に反射させることができるものである。
【００１６】
上記波長可変光源が、波長掃引するものである場合は、ブラッグ・グレーティングの格子間隔は連続的に変化していることが好ましいが、用途によっては、段階的に変化しているようにしてもよい。
【００１７】
前記光増幅手段としては、例えば半導体レーザを用いることができ、その場合には該半導体レーザの射出端面の１つを共振器の端部を構成する反射面として利用することができる。
【００１８】
上記波長可変光源において、光増幅手段の射出面とブラッグ・グレーティングとを光学的に共役な位置関係にする光学系をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
前記相対移動手段が、前記光増幅手段からの光を偏向する偏向手段、または前記ブラッグ・グレーティングを移動させる移動手段であってもよい。
【００２０】
ここで、偏向手段としては、ポリゴンミラー等の回転偏光ミラーでもよく、あるいはガルバノミラーやトーションミラー等の往復偏向ミラーでもよい。また、移動手段としては、例えばリニアモータ等の平行移動手段を用いてもよい。
【００２１】
前記相対移動手段が、回転体を前記光増幅手段からの光の光軸と略平行な回転中心軸の周りに回転させるものであり、前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体に、前記回転中心軸を中心とする円周方向に格子間隔が変化するように設けられたものであってもよい。
【００２２】
前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体が１周する間に、前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長の単調変化が複数回起こるようにしてもよい。
【００２３】
前記相対移動により前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長が掃引され、前記掃引の方向が常に一方向であるように構成されていることが好ましい。
【００２４】
ここで「掃引の方向」とは、波長の変化の方向、すなわち、短波長から長波長へ変化する方向、あるいは長波長から短波長へ変化する方向を意味する。
【００２５】
さらに、本発明の光断層画像化装置は、前記波長可変光源と、前記波長可変光源から射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、前記合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の波長可変光源によれば、ブラッグ・グレーティングの格子間隔の変化方向に沿って光増幅手段からの光のブラッグ・グレーティングへの入射位置を変化させることができるので、格子間隔に基づいたブラッグ回折条件に一致した波長の光のみを選択的にブラッグ・グレーティングで反射し、かつその波長を変化させることができる。本発明の波長可変光源を従来の平面型回折格子を用いた光源に比べると、少ない構成部品で同様の効果が得られ、また、光束径を大きくする必要がないため、コンパクトで簡素化された構成の波長可変光源を実現することができる。
【００２７】
本発明の波長可変光源において、光増幅手段の射出面とブラッグ・グレーティングとを光学的に共役な位置関係にする光学系をさらに備えた場合には、各光学部品の調整精度が低くてもブラッグ・グレーティングからの戻り光を安定して光増幅手段の射出面に帰還させることができ、光増幅手段からの出力の安定性を確保できる。
【００２８】
前記相対移動手段が、回転体を前記光増幅手段からの光の光軸と略平行な回転中心軸の周りに回転させるものであり、前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体に、前記回転中心軸を中心とする円周方向に格子間隔が変化するように設けられたものである場合には、高速の波長掃引が可能になる。
【００２９】
前記ブラッグ・グレーティングが、前記回転体が１周する間に、前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長の単調変化が複数回起こるように構成されている場合には、より高速の波長掃引が可能になる。
【００３０】
前記相対移動により、前記ブラッグ・グレーティングからの反射光の波長が掃引され、前記掃引の方向が常に一方向であるように構成すれば、光増幅器が波長の掃引方向に依存して出力光のスペクトル形状に大きな差異を生じるものであっても、出力光のスペクトル形状を一定にできる。
【００３１】
また、本発明の光断層画像化装置は、コンパクトで簡素化された構成の波長可変光源を備えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の波長可変光源および該波長可変光源を備えた光断層画像化装置の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施形態による光断層画像化装置１の構成を示す図である。光断層画像化装置１は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像を前述のＳＳ−ＯＣＴ計測により取得するものである。
【００３３】
光断層画像化装置１は、発振波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光Ｌ０を射出する光源ユニット１０と、光源ユニット１０から射出された光Ｌ０を測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割された参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２０と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するプローブ３０と、プローブ３０から測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたとき測定対象Ｓで反射した反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段４０と、干渉光検出手段４０により検出された干渉光Ｌ４を周波数解析することにより測定対象Ｓの断層画像を取得する画像取得手段５０とを有している。
【００３４】
光源ユニット１０は、光増幅手段としての半導体レーザ１１と、波長選択手段としてのブラッグ・グレーティング１５と、相対移動手段としての偏向手段１３を備えた外部共振器型の波長可変光源である。光源ユニット１０についての詳細は後述する。
【００３５】
光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源ユニット１０から光ファイバＦＢ０、ＦＢ１を介して導波した光Ｌ０を測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２により導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３により導波される。なお、本実施形態における光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。
【００３６】
光ファイバＦＢ２にはプローブ３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２からプローブ３０へ導波される。プローブ３０は、たとえば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ３１により光ファイバＦＢ２に対し着脱可能に取り付けられている。
【００３７】
光プローブ３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒３２と、このプローブ外筒３２の内部空間に、該外筒３２の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ３３と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１をプローブ外筒３２の周方向に偏向させるプリズムミラー３４と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１を、プローブ外筒３２の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ３５と、プリズムミラー３４を光ファイバ３３の軸を回転軸として回転させるモータ３６とを備えている。
【００３８】
一方、光ファイバＦＢ３における参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段２０が配置されている。光路長調整手段２０は、測定対象Ｓに対する断層画像の取得を開始する位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変更するものであって、光ファイバＦＢ３から射出された参照光Ｌ２を反射させる反射ミラー２２と、反射ミラー２２と光ファイバＦＢ３との間に配置された第１光学レンズ２１ａと、第１光学レンズ２１ａと反射ミラー２２との間に配置された第２光学レンズ２１ｂとを有している。
【００３９】
第１光学レンズ２１ａは、光ファイバＦＢ３のコアから射出された参照光Ｌ２を平行光にするとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を光ファイバＦＢ３のコアに集光する機能を有している。また、第２光学レンズ２１ｂは、第１光学レンズ２１ａにより平行光にされた参照光Ｌ２を反射ミラー２２上に集光するとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を平行光にする機能を有している。
【００４０】
したがって、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２は、第１光学レンズ２１ａにより平行光になり、第２光学レンズ２１ｂにより反射ミラー２２上に集光される。その後、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２は、第２光学レンズ２１ｂにより平行光になり、第１光学レンズ２１ａにより光ファイバＦＢ３のコアに集光される。
【００４１】
さらに光路長調整手段２０は、第２光学レンズ２１ｂと反射ミラー２２とを固定した基台２３と、該基台２３を第１光学レンズ２１ａの光軸方向に移動させるミラー移動手段２４とを有している。そして基台２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更するよう構成されている。
【００４２】
合波手段４は、前述のとおり２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２０により光路長が変更された参照光Ｌ２と、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波し光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段４０側に射出するように構成されている。
【００４３】
干渉光検出手段４０は、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する。なお本例の装置においては、干渉光検出手段４０に、干渉光Ｌ４を光分割手段３で二分した光を光検出器４０ａと光検出器４０ｂとに導き、演算手段４１においてバランス検波を行う機構を有している。この機構により、光強度ゆらぎの影響を抑え、より鮮明な画像を得ることが出来る。
【００４４】
上記演算手段４１は例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムからなる画像取得手段５０に接続され、画像取得手段５０はＣＲＴや液晶表示装置等からなる表示装置６０に接続されている。画像取得手段５０は干渉光検出手段４０において検出された干渉光Ｌ４をフーリエ変換することにより、測定対象Ｓの各深さ位置における反射情報を取得する。そして、画像取得手段５０は、測定対象Ｓの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を用いて測定対象Ｓの断層画像を取得し、この断層画像が表示装置６０において表示される。
【００４５】
ここで、干渉光検出手段４０および画像取得手段５０における干渉光Ｌ４の検出および画像の生成について簡単に説明する。なお、この点の詳細については「武田  光夫、「光周波数走査スペクトル干渉顕微鏡」、光技術コンタクト、２００３、Ｖｏｌ４１、Ｎｏ７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。
【００４６】
測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたとき、測定対象Ｓの各深さからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とがいろいろな光路長差をもって干渉しあう際の各光路長差ｌに対する干渉縞の光強度をＳ（ｌ）とすると、干渉光検出手段４０において検出される光強度Ｉ（ｋ）は、
Ｉ（ｋ）＝∫０∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ  ・・・（１）
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。式（１）は波数ｋを変数とする光周波数領域のインターフェログラムとして与えられていると考えることができる。このため、画像取得手段５０において、干渉光検出手段４０が検出したスペクトル干渉縞をフーリエ変換にかけて周波数解析を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、測定対象Ｓの測定開始位置からの距離情報と反射強度情報とを取得し、断層画像を生成することができる。
【００４７】
次に、上記構成を有する光断層画像化装置１の動作例について説明する。まず、可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、測定可能領域内に測定対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット１０から光Ｌ０が射出され、光Ｌ０は光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１はプローブ３０により体腔内に導波され測定対象Ｓに照射される。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波手段４により合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段４０により検出される。この検出された干渉光Ｌ４の信号が画像取得手段５０において周波数解析されることにより断層画像が取得される。
【００４８】
なお、プローブ３０を回転させて、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を１次元方向に走査させれば、この走査方向に沿った各部分において測定対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。また、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
【００４９】
以下、光源ユニット１０についての詳細な説明を記載する。光源ユニット１０は、半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の射出端面１１ｂ側に配置されたコリメートレンズ１２と、偏向手段１３と、集光レンズ１４と、ブラッグ・グレーティング１５と、半導体レーザ１１の射出端面１１ａ側に配置された光結合用のレンズ１６とを有する。射出端面１１ｂには反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。
【００５０】
ブラッグ・グレーティング１５は、内部に回折格子が形成され、その格子間隔に基づくブラッグ回折条件に合致した波長の光のみを選択的に反射するものである。さらに、本実施形態のブラッグ・グレーティング１５は、入射光の光軸と直交する方向のうちの一方向に沿って、格子間隔が連続的に変化するように構成されたチャープ・ブラッグ・グレーティングであり、そのため、ブラッグ・グレーティング１５により反射される光の波長は入射位置に応じて選択されたものとなる。また、ブラッグ・グレーティング１５は、上記一方向および入射光の光軸方向の両方に直交する方向（図1の紙面に垂直な方向）には、入射ビーム径以上の幅を有している。
【００５１】
偏向手段１３は、半導体レーザ１１からの光を偏向して、該光のブラッグ・グレーティング１５における入射位置を格子間隔の変化方向に沿って変化させる。本実施形態では、偏向手段１３を、ガルバノミラー等の往復偏向ミラーにより構成しているが、ポリゴンミラー等の回転偏向ミラーにより構成してもよい。
【００５２】
半導体レーザ１１の射出端面１１ｂから射出した光は、コリメートレンズ１２により平行光に変換された後、偏向手段１３により偏向されて、集光レンズ１４により集光されて、ビームの集光位置に配置されたブラッグ・グレーティング１５に入射する。ブラッグ・グレーティング１５では、入射位置の格子間隔に基づくブラッグ回折条件に合致した狭帯域の特定波長の光のみが反射されて戻り光となる。この戻り光は、逆光路を通り、集光レンズ１４、偏向手段１３、コリメートレンズ１２を経て、半導体レーザ１１に帰還する。そして、半導体レーザ１１の射出端面１１ａとブラッグ・グレーティング１５とを両端部として構成された外部共振器により発振した狭帯域の波長のレーザ光Ｌ０が半導体レーザ１１の射出端面１１ａから射出される。
【００５３】
光源ユニット１０では、偏向手段１３によりビームが格子間隔の変化方向に沿ってブラッグ・グレーティング１５を走査するので、戻り光の波長はλ１…λｎのように連続的に変化し、半導体レーザ１１から発振光として射出されるレーザ光Ｌ０の波長もλ１…λｎのように連続的に変化し、波長掃引することができる。偏向ミラーとして、トーションミラーを使用すれば、ブラッグ・グレーティング１５上を高速に走査することが可能となり、数１０ｋＨｚでの波長掃引が可能となる。
【００５４】
ブラッグ・グレーティング１５は、集光レンズ１４によるビームウエスト位置、またはビームウエスト位置前後の焦点深度が確保可能な範囲に配置されている。また、ブラッグ・グレーティング１５の格子間隔の変化する方向と、偏向手段１３により偏向される光の移動方向とを一致させている。これらのことから、波長分解能の高い光学系が構成され、戻り光の波長帯域を狭くできる。
【００５５】
ブラッグ・グレーティング１５の波長選択幅Δλとブラッグ・グレーティング１５の厚さｄの関係は下式（１）で表される。ここで、λＢ：ブラッグ波長、ｎ：ブラッグ・グレーティング１５の屈折率である。
【数１】
2008047730.tif 000003
【００５６】
波長選択幅Δλを小さく、すなわち波長分解能は高くするためには、ブラッグ・グレーティング１５の厚さは厚い方が好ましい。λＢ＝１μｍ、ｎ＝１．５でΔλ＝０．１ｎｍとすると、ｄ＝３．３ｍｍとなる。一方、ビームウエスト位置でのビーム半径ｗ０と焦点深度ｚ０（ビーム径が√２ｗ０になる光軸方向におけるビームウエスト位置からの距離）の関係は下式（２）で表される。
【数２】
2008047730.tif 000004
【００５７】
ビームウエスト位置でのビーム直径が５０μｍφ（すなわちｗ０＝２５μｍ）、λＢ＝１μｍの場合、ｚ０＝１．９６ｍｍとなるので、光軸方向における焦点深度が確保可能な範囲は、ビームウエスト位置を中心としてその前後の計３．９ｍｍの範囲となる。したがって、上記のｄ＝３．３ｍｍのブラッグ・グレーティング１５の厚さ内では十分細いビーム径を維持できる。
【００５８】
また上記ビーム径において拡がり角は下式（３）からθ＝１２．７ｍｒａｄ＝０．７３°となる。
【数３】
2008047730.tif 000005
【００５９】
ブラッグ・グレーティング１５への入射角度θと選択波長であるブラッグ波長λＢの式は、格子間隔をΛとして、下式（４）で表される。
【数４】
2008047730.tif 000006
【００６０】
式（４）より、入射角度０（垂直入射）〜１２．７ｍｒａｄにおけるブラッグ波長λＢのずれは０．０８ｎｍ程度であるので、上記ビーム径の拡がりによる反射光の波長幅の実質的な拡がりはないと言える。なおここでは、格子間隔Λは、λＢ＝１μｍ、θ＝０（垂直入射）に対して最適化されているものとして、Λ＝１／（２×１．５）として計算している。
【００６１】
光源ユニット１０の光学系では、偏向手段１３を瞳位置とし、集光レンズ１４のブラッグ・グレーティング１５側がテレセントリックとなるように構成している。かかる構成により、集光レンズ１４からブラッグ・グレーティング１５へ向かう光の主光線は走査位置によらず集光レンズ１４の光軸に平行となるので、ブラッグ・グレーティング１５を集光レンズ１４の光軸に垂直に配置することにより、ブラッグ・グレーティング１５で反射された戻り光が入射光と同一光路を逆向きに帰還させることができる。
【００６２】
また、光源ユニット１０のコリメートレンズ１２および集光レンズ１４からなる光学系では、半導体レーザ１１の射出端面１１ｂとブラッグ・グレーティング１５が光学的に共役な位置関係にあるように構成している。かかる構成により、各光学部品の調整精度が低くても、安定して戻り光を半導体レーザ１１に帰還させることができる。
【００６３】
以上述べた光源ユニット１０によれば、従来の平面型回折格子を用いた光源に比べると光束径を大きくする必要がないため、装置の大型化を招くこともなく、単純かつコンパクトな構成を実現でき、高い波長分解能で安定して波長掃引が可能である。
【００６４】
なお、ブラッグ・グレーティングを用いた波長掃引は、ブラッグ・グレーティングにおける入射位置、すなわち、ブラッグ・グレーティングとその入射光との相対位置が変化すればよいため、以下に述べる第２の実施形態の光源ユニットのように、入射光を固定してブラッグ・グレーティングを移動させることによっても実現可能である。
【００６５】
以下、本発明の別の実施形態による光源ユニットについて説明する。以下に説明する光源ユニットは、図１に示す光源ユニット１０同様に光断層画像化装置１に適用可能であり、その場合は、光源ユニット以外の構成は同様となるため、以下では光源ユニットのみ図示して説明し、他の構成の説明は省略する。
【００６６】
本発明の第２の実施形態による光源ユニット２１０について、図２を参照しながら説明する。光源ユニット２１０は、図１の光源ユニット１０と比較すると、ブラッグ・グレーティング１５を移動させるＢＧ移動手段２１６を設けて、偏向手段１３を除去した点が特徴である。また、光源ユニット２１０では、光源ユニット１０のコリメートレンズ１２と集光レンズ１４の代わりにそれぞれコリメートレンズ２１２と集光レンズ２１４を用いているが、光を偏向させないため、集光レンズ２１４は集光レンズ１４よりも小径にできる。
【００６７】
ブラッグ・グレーティング１５は、格子間隔の変化する方向が、入射光の光軸と直交するように配置されている。そして、ＢＧ移動手段２１６により、格子間隔の変化する方向にブラッグ・グレーティング１５が移動し、これにより、ブラッグ・グレーティング１５における入射位置が変化し、本実施形態においても第１の実施形態の光源ユニット１０と同様に波長掃引することができる。
【００６８】
ＢＧ移動手段２１６としては、リニアモータ等の平行移動体にブラッグ・グレーティング１５を設置して所定速度でブラッグ・グレーティング１５を移動させるものなどを用いることができる。
【００６９】
図３に、図２の光源ユニット２１０の変形例の光源ユニット２１１を示す。光源ユニット２１１は、光源ユニット２１０のブラッグ・グレーティング１５の代わりに格子間隔が連続的ではなく階段状に変化する階段型ブラッグ・グレーティング２１５を用いたものであり、この場合は、時間に対して波長が階段状に変化するように波長変化させることができる。
【００７０】
上記第１、第２の実施形態の光源ユニット１０、２１０の波長掃引は、偏向手段１３、またはＢＧ移動手段２１６によるブラッグ・グレーティング１５の往復運動のため、図４に示すように、最短波長λ１、から最長波長をλｎ、最長波長をλｎから最短波長λ１となっている。つまり、掃引の周期Ｔ内の波長の掃引方向が、短波長から長波長、長波長から短波長の両方向となっている。半導体レーザ等を光増幅器として用いた波長可変光源では、文献「R. Huber et. al. “Three-dimensional and C-mode OCT imaging with a compact, frequency swept laser source at 1300 nm” OPTICS EXPRESS Vol. 13, No. 26, 10523-10538」に記載されているように、光増幅器の特性のために、発生する光のスペクトル分布の形状が波長の掃引方向によって大きな差異が生じるという不具合がある。以下に述べる第３、第４の実施形態の光源ユニットは、この点を考慮したものである。
【００７１】
次に、本発明の第３の実施形態による光源ユニット３１０について、図５を参照しながら説明する。光源ユニット３１０は、半導体レーザ１１と、コリメートレンズ１２と、偏向ミラー群３１３と、集光レンズ３１４と、ブラッグ・グレーティング群３１５とを備えている。
【００７２】
偏向ミラー群３１３は、偏向手段として機能する２つの偏向ミラー３１３ａ、３１３ｂからなる。偏向ミラー３１３ａ、３１３ｂは共にガルバノミラー等の往復偏向ミラーであるが、偏向方向が略直交するように配置されており、偏向ミラー群３１３により偏向された光は２次元的に光走査することになる。本実施形態では、偏向ミラー３１３ａ、３１３ｂを交互に駆動させ、偏向ミラー３１３ａ、３１３ｂの一方の偏向ミラーの駆動による光走査終了後に他方の偏向ミラーを駆動させて光路を切替え、光が長方形の辺上を一方向に周回走査するようにしている。
【００７３】
ブラッグ・グレーティング群３１５は、波長選択手段として機能する２つのブラッグ・グレーティング３１５ａ、３１５ｂからなる。ブラッグ・グレーティング３１５ａ、３１５ｂは共に図１に示すブラッグ・グレーティング１５と同様に、格子間隔が連続的に変化するように構成されたチャープ・ブラッグ・グレーティングであり、チャープの方向、すなわち格子間隔の変化方向が互いに逆向きになるように並列に隣接配置されている。そして、偏向ミラー３１３ａ、３１３ｂの光走査の長方形の長辺方向が、ブラッグ・グレーティング３１５ａ、３１５ｂの格子間隔の変化方向となるように配置されている。
【００７４】
光源ユニット３１０において、半導体レーザ１１を射出した光は、コリメートレンズ１２により平行光に変換され、偏向ミラー３１３ａ、偏向ミラー３１３ｂによりこの順に偏向され、集光レンズ３１４により集光された後、ブラッグ・グレーティング群３１５に入射し、ブラッグ・グレーティング３１５ａ、３１５ｂの上を長方形を描くように走査する。
【００７５】
ここで、光が格子間隔の変化方向を走査しているときには半導体レーザ１１を発光させ、光が格子間隔の変化方向に直交する方向を走査しているときには半導体レーザ１１を発光させないようにしておけば、光源ユニット３１０における波長掃引は図６に示すようになる。つまり、ブラッグ・グレーティング３１５ａとブラッグ・グレーティング３１５ｂは、チャープの方向が逆向きに配置されているため、戻り光は、最短波長λ１から最長波長λｎへ変化するように常に短波長から長波長への一方向になる。したがって、光源ユニット３１０によれば、光増幅器が波長の掃引方向に依存して出力光のスペクトル形状に大きな差異を生じるものであっても、出力光のスペクトル形状を一定にすることができる。なお、波長掃引の方向は、上記方向に限定されず、長波長から短波長の方向でもよい。
【００７６】
次に、本発明の第４の実施形態による光断層画像化装置について、図７を参照しながら説明する。光源ユニット４１０は、図２の光源ユニット２１０と比較すると、基本的に、図２のブラッグ・グレーティング１５およびＢＧ移動手段２１６をそれぞれ、回転体４１５の円盤上に設置されたブラッグ・グレーティング４１５ａ（図７の斜線部）およびＢＧ回転手段４１６に置換したものである。
【００７７】
ＢＧ回転手段４１６は、回転体４１５を、半導体レーザ１１からの光の光軸と略平行な回転中心軸４１７の周りに回転させるものであり、相対移動手段として機能する。ブラッグ・グレーティング４１５ａは、回転体４１５に回転中心軸４１７を中心とする円周方向に格子間隔が変化するように設けられたリング状のチャープ・ブラッグ・グレーティングであり、波長選択手段として機能する。ＢＧ回転手段４１６により、ブラッグ・グレーティング４１５ａは、回転体４１５と一体的に回転する。
【００７８】
光源ユニット４１０において、半導体レーザ１１を射出した光は、コリメートレンズ２１２により平行光に変換され、集光レンズ２１４により集光された後、ブラッグ・グレーティング４１５ａに入射する。回転体４１５の回転に伴い、ブラッグ・グレーティング４１５ａの格子間隔の異なる部分に光が入射し、戻り光の波長が変化して、波長掃引がなされる。
【００７９】
回転体４１５の回転方向に対してブラッグ・グレーティング４１５ａの格子間隔がなめらかに変化するよう構成すれば、回転体４１５の回転に伴い、戻り光の波長がなめらかに変化し、発振波長を掃引することができる。回転体４１５の高速回転により、高速な波長掃引が可能である。
【００８０】
また、ブラッグ・グレーティング４１５ａからの反射光の波長の単調変化が複数回起こるように、回転体４１５が１周する間に、ブラッグ・グレーティング４１５ａの格子間隔の単調変化が複数回起こるように構成しておけば、１周の間で複数回の波長掃引が行われるため、より高速な波長掃引が可能になる。その際には、前述した波長の掃引方向によって発生する光のスペクトル分布の形状に大きな差異が生じるという光増幅器の特性を考慮して、回転体４１５の回転による波長の掃引の方向が同一になるように構成されていることが望ましい。
【００８１】
なお、円盤上に設けられたブラッグ・グレーティング４１５ａについても、図３に示すブラッグ・グレーティング２１５のように階段状に格子間隔が変化するよう構成してもよい。
【００８２】
次に、図８〜図１１を参照しながら、ブラッグ・グレーティングの作製方法の例について説明する。まず、簡単のために、格子間隔が一定のブラッグ・グレーティングの作製方法について説明する。図８に示すように、単一の光源から射出した平行光の記録光７０をプリズム等の光分割手段７１により２つのビームに分割する。分割後の各光路にミラー７２、７３を配置して各ビームの光路を折り曲げて再び交わるようにし、この交点に感光体７４を配置する。このとき、感光体７４の法線が２つのビームの交差角の２等分線と一致するように配置する。このような配置により、感光体７４内部で２つのビームが干渉して干渉縞が形成され、図９（Ａ）に概念的に示すように、感光体７４内部に回折格子が形成され、ブラッグ・グレーティングを作製することができる。この感光体７４に所定の波長幅をもつ光Ｌが入射すると、図９（Ｂ）に示すように、このブラッグ・グレーティングがもつ選択波長の光ＬＢのみを反射するようになる。
【００８３】
このときの記録波長（記録光の波長）：λ、交差角：φとすると、感光体７４に形成される格子間隔Λは下式（５）で与えられる。
【数５】
2008047730.tif 000007
【００８４】
垂直入射時を考えると、式（４）と式（５）から、λＢ＝ｎλ／ｓｉｎ（φ／２）である。ここで、φ／２は感光体７４の法線と感光体７４へ入射するビームとのなす角であるからφ／２＜π／２である。よって、ｓｉｎ（ψ／２）＜１である。また、ｎ＞１である。以上より、選択波長（ブラッグ波長）λＢは記録波長λより長くなる。記録波長を５３２ｎｍとした場合、一般的なＯＣＴ装置に用いられる光源の波長１０００ｎｍ程度の選択波長を得るにはφ／２＝５３°とすればよい。
【００８５】
図１に示したようなチャープ・ブラッグ・グレーティングの作製方法としては、スリット状のビームを感光体７４へのビームの入射角度を徐々に変えながら感光体に照射する方法が考えられるが、以下に説明する方法を使えば一括記録が可能である。
【００８６】
まず、図１０に示すような、断面が三角形でその頂角が徐々に変化するプリズム７５とフォトポリマー等の積層型の感光体７６を用意する。このプリズム７５の頂角に対向する面が、感光体７６の入射面に密着するように配置して、プリズム７５の両側から２つのビームに分割された記録光７０を等角度で入射させる。感光体７６への入射角はプリズム７６の頂角の変化に沿って徐々に変化するため、感光体７６に形成される干渉縞の間隔も徐々に変化していき、格子間隔が徐々に変化したチャープ・ブラッグ・グレーティングを作製することができる。
【００８７】
また、図３に示すような階段型ブラッグ・グレーティングを作製する場合は、図１１に示すような、頂角が階段状に変化するプリズム７７を図１０のプリズム７５の代わりに用いればよい。
【００８８】
なお、本発明に使用可能なブラッグ・グレーティングは上記作製方法で作製されたものに限定されず、如何なる方法で作製されたものであってもよい。
【００８９】
なお、本発明の実施形態は上記実施形態に限定されず、発明の要旨を変更しない限りにおいて、種々の変形が可能である。例えば、第１の実施形態の光源ユニット１０の代わりに、図１２に示すような、コリメートレンズ１２と半導体レーザ１１の間に光ファイバ５１１と結合レンズ５１２を配置して、半導体レーザ１１と偏向手段１３の間を光ファイバで接続した構成の光源ユニット５１０を採用してもよい。
【００９０】
また、波長掃引を示す例として、図４および図６では、時間に対して波長が線形変化する例を挙げたが、時間に対する波長変化は、上記例に限定されるものではなく、例えば時間に対して波長の逆数が線形変化するようにしてもよく、任意に選択可能である。時間に対する波長変化は、ブラッグ・グレーティングの格子間隔の分布、または相対移動手段の速度変化等を適宜設定することにより、任意に選択可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光断層画像化装置の概略構成図
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる光源ユニットの概略構成図
【図３】本発明の変形例にかかる光源ユニットの概略構成図
【図４】図１および図２の光源ユニットの波長掃引の様子を示す図
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる光源ユニットの概略構成図
【図６】図３の光源ユニットの波長掃引の様子を示す図
【図７】本発明の第４の実施形態にかかる光源ユニットの概略構成図
【図８】ブラッグ・グレーティングの作製方法を説明するための図
【図９】図９（Ａ）はブラッグ・グレーティングを概念的に示す図、図９（Ｂ）はブラッグ・グレーティングによる波長選択性を示す図
【図１０】チャープ・ブラッグ・グレーティングの作製方法を説明するための図
【図１１】階段状ブラッグ・グレーティングの作製方法を説明するための図
【図１２】本発明の変形例にかかる光源ユニットの概略構成図
【図１３】従来の波長可変光源の概略構成図
【図１４】従来の波長可変光源の概略構成図
【図１５】従来の波長可変光源の概略構成図
【符号の説明】
【００９２】
１     光断層画像化装置
２     光ファイバカプラ
３     光分割手段
４     合波手段
１０   光源ユニット
１１   半導体レーザ
１１ａ、１１ｂ        射出端面
１２   コリメートレンズ
１３   偏向手段
１４   集光レンズ
１５、４１５ａ        ブラッグ・グレーティング
２０   光路長調整手段
３０   プローブ
４０   干渉光検出手段
４０ａ、４０ｂ        光検出器
４１   演算手段
５０   画像取得手段
６０   表示装置
２１６ ＢＧ移動手段
３１３ 偏向ミラー群
３１５ ブラッグ・グレーティング群
４１５ 回転体
４１６ ＢＧ回転手段
４１７ 回転中心軸
Ｌ０   光
Ｌ１   測定光
Ｌ２   参照光
Ｌ３   反射光
Ｌ４   干渉光
Ｓ     測定対象
【図１】
2008047730.tif 000008
【図２】
2008047730.tif 000009
【図３】
2008047730.tif 000010
【図４】
2008047730.tif 000011
【図５】
2008047730.tif 000012
【図６】
2008047730.tif 000013
【図７】
2008047730.tif 000014
【図８】
2008047730.tif 000015
【図９】
2008047730.tif 000016
【図１０】
2008047730.tif 000017
【図１１】
2008047730.tif 000018
【図１２】
2008047730.tif 000019
【図１３】
2008047730.tif 000020
【図１４】
2008047730.tif 000021
【図１５】
2008047730.tif 000022