(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブロードバンド光を受け取り、基準出力信号、および試料戻り信号を生成する試料に向けられるプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する光学パスレングススキャニングユニットと、
前記干渉計が前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて出力した干渉計出力信号を受け取り、検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、
前記検出器ユニットと連結されており、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有するスキャンアナライザおよび補正ユニットと、
前記光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラと
を備え、
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析し、走査補正情報を決定する、装置。
【請求項２】
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を受け取り、走査補正データを生成する光学パスレングス位置決めユニットを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記光学パスレングス位置決めユニットは、走査補正ユニットおよびマーカ検出器を備えており、前記マーカ検出器は前記制御信号を受け取って前記走査補正ユニットにマーカ情報を出力し、前記走査補正ユニットは前記検出器出力信号および前記マーカ情報を解析して前記走査補正データを出力する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記走査補正データを受け取り、前記走査補正データを用いて前記検出器出力信号を改変し、走査補正されたサンプルデータを出力する信号補正プロセッサをさらに備えている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転素子である、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記回転素子はカムである、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、反射面を備えており、前記スキャニングユニットコントローラはガルバノメトリックモータを有している、請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記干渉計はダブルパスユニットを備えている、請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転式ヘリカルミラーを備えている、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記回転式ヘリカルミラーは、一定の回転スピードで駆動されるときに、時間の経過に従って前記干渉計からのパス長が線形に変化する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転ディスクを備えている、請求項１から１０の何れか１項に記載の装置。
【請求項１２】
前記回転ディスクは透過型である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記回転ディスクは反射型である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記回転ディスクは、回転角とともに変化する屈折率を有している、請求項１１から１３の何れか１項に記載の装置。
【請求項１５】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、平行移動素子を備えている、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転素子および平行移動素子を備えている、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１７】
前記光学パスレングススキャニングユニットは、回転ベルトに機械的に連結された反射面を備えている、請求項１から４の何れか１項に記載の装置。
【請求項１８】
粗パス長調整機構をさらに備えている、請求項１から１７の何れか１項に記載の装置。
【請求項１９】
ブロードバンド光を受け取り、基準出力信号、および試料戻り信号を生成する試料に向けられたプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する回転式光学パスレングススキャニングユニットと、
前記干渉計が前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて出力した干渉計出力信号を受け取って検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、
前記検出器ユニットに連結されたスキャンアナライザおよび補正ユニットであって、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有しているスキャンアナライザおよび補正ユニットと、
前記回転式光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記回転式光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラと、
を備えている装置であって、
前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析して、走査補正情報を決定する、装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学遅延の高速走査に関する。特に本発明は、光干渉性断層撮影イメージングシステム（ＯＣＴ）のための光学遅延の高速走査を行う方法および装置に関する。
【従来の技術】
光干渉性断層撮影（ＯＣＴ）は新しいイメージングの形式である。ＯＣＴによれば、高解像度かつ高感度の微細構造の断面の撮像を行う能力を有している。ＯＣＴを使用することにより、標準的な光学的なイメージング技術や超音波イメージング技術に対していくつかの顕著な利点が得られる。第一に、ＯＣＴは、微細構造の断面をミクロンスケールで直接測定することができる。第二に、ＯＣＴは、構造のイメージングを、構造が存在するその位置でかつ接触することなく行うことができる。第三に、イメージングをリアルタイムで行うことができ、第四に、ＯＣＴ技術は光ファイバベースであり、広範囲の医学、顕微鏡への応用、あるいは産業への応用に結びつけられ得る。
ＯＣＴは、音ではなく光を用いる点、および微細構造からの光の後方散乱強度を測定することによってイメージングを行う点をのぞいては、超音波Ｂモードイメージングと類似している。ＯＣＴは、撮像されるべき対象物に光ビームをあて、ビームが対象物を横切って走査されるときの後方散乱光を測定することによって、一次元、二次元、あるいは三次元の画像を生成する。ＯＣＴ画像は、断面平面における後方散乱光強度を、階調を有するように、あるいは偽色彩で、二次元で表したものである。医用イメージングにおいては、ＯＣＴ画像は異なる組織のタイプの間の差分の後方散乱コントラストをミクロンスケールで表す。
ＯＣＴシステム用の干渉計には様々な実施形態がある。ある代表的な実施例は、ファイバ光カプラをMichelson干渉計に使用している。干渉計のアームの１つは光ビームを届け、試料上を光ビームで走査するために用いられ、もう一方のアームは基準アームとして機能し、高速長軸方向走査機構を有している。試料内の反射部位までのパスの長さが基準アームのパスの長さと合っているとき、光検出器において光の干渉が生じる。干渉信号は、入射ビームの任意の横向きの位置について後方散乱光強度対深さを生じるように、検出され、復調され、処理され、格納され、ならびに／あるいは表示される。
縦方向の走査機構は、ＯＣＴシステムのキーテクノロジーである。多くのＯＣＴシステムの要件は、高速かつ高デューティサイクルのほぼ均一な速度の縦方向スキャナを得ることである。現在、大半の市販のＯＣＴシステムは、ガルバノメトリックビームステアラ上に搭載された小型の移動式レトロリフレクタか、ＰＺＴアクチュエータを用いたファイバストレッチャを使用している。これまでに実際に示されている技術は、リアルタイムの医用内視鏡処置のような高速走査を必要とするようなアプリケーションへのシステムニーズを満たしていない。
以前の研究では、縦方向走査を実現するための回転式ＣＡＭのコンセプトが特定されている。Hecht（米国特許第3,776,637号）は、円形のインボリュートリフレクタをパス長可変の基準アームを提供するために用いること、およびインボリュートリフレクタをフーリエ分光計用の干渉計において用いることを開示している。しかしながら、HechtはこのコンセプトをＯＣＴシステムで用いること、およびこの使用にともなう独自の特徴を開示しておらず、また遅延ライン走査のための他の回転式メカニズムも開示していない。Tasaka（日本特許出願第58-24005号）はポテンシオメータとしてのＣＡＭの使用と、測定干渉計とともにＣＡＭを使用することを開示している。しかしながら、Tasakaは、回転角に比例して変化する半径を開示している。このような装置は、ＯＣＴに必要な条件である再帰反射されたビームを確実にはしない。Marantette（米国特許第5,387,969号）は、フォトディテクタへの入射光をブロックする回転式のＣＡＭを用いること、および他のアプリケーションに関連する。Morrisら（米国特許5,007,721号）は、パス長調整のためのスパイラルの実施形態を用いた機械的に回転するドップラー周波数シフタに関連している。ここで述べられている実施形態は、作成することが非常に困難である。Frangineas（米国特許5,033,853号）は、光相関器において用いられる、光放射信号の自己相関をとる装置を開示している。しかしながら、この装置の基本的な実施形態は、移動式のコーナーキューブへのリンクが必要であるために高速での駆動は不可能である。
現在、ＯＣＴシステムにおいて使用するための高速の縦方向の（パス長）走査装置は、重要な医学的な市場に対応するために強い必要性があるにもかかわらず、市販されていない。ＯＣＴシステムにおけるＣＡＭ（あるいはこの開示において述べられている他の装置）のような回転素子の使用についての詳細を扱った関連技術もないし、固有の光学的なアライメントの問題、製造についての問題、およびＯＣＴシステムにおける使用に必要となるタイミング、較正、ならびに補正技術を扱ったものもない。さらに、関連技術は、高解像度のＯＣＴイメージング能力、あるいはＯＣＴシステムに特有の他の観点を得るための作製、較正、リアルタイムで動作上の欠陥を克服する技術の必要等、重要な設計の問題を扱っていない。
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、関連技術は様々な不都合を有している。第一に、開示されているシステムは、医学的な市場、ならびに、遅いイメージングレートからの動きによって引き起こされるアーティファクトが解像度やオンライン非破壊評価（ＮＤＥ）アプリケーションにおけるスループットスピードを損ない得る他の「ハイエンド」市場に必要とされるより速いイメージングレートを達成することができない。また、関連技術の大半において本質的に困難であるのは、高速での塊のスタートおよび停止の反復である。これにより、不均一なドップラー信号処理要件を必要とする不均一な走査速度が引き起こされ得、レシーバ回路を複雑にし、かつ、より重要なことであるが、信号対雑音比および画像が得られるレートにおいて顕著な非効率さをもたらすことになる。劣化は、理想値から１０ｄＢを超え得る。また、レトロリフレクタは大きくなり得るため、高速は達成不可能である。また、ガルバノメータのシャフトの角運動からレトロリフレクタの変位への変換は線形ではない。
上記文献はさらなる、あるいは代替的な詳細、特徴および／あるいは技術的な背景を適切に教示するのに適しており、ここに援用される。
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、先行技術の不都合によって引き起こされる上述した問題の少なくとも1つを実質的に克服するイメージングシステムを提供することを目的とする。また、本発明は、高速という特徴、様々なスピード、線形性および反復性をプログラムする能力の特徴を有する、回転素子を用いる縦方向スキャナを提供することを他の目的とする。スキャナは、３ｍｍより大きい走査範囲を有し、多くのＯＣＴ市場に必要とされる1秒あたり１から３０フレームの間、もしくはそれ以上のイメージ獲得レートを有し得る。
本発明は、計測可能であり、信号対雑音比および画像獲得レートの点で効率的であり、レシーバの複雑さを最小限にし、大きな回転モータ技術のベースから利点を得ることができるイメージングシステムを提供することを他の目的とする。
回転角の関数としてほぼ線形に変化する光学パス長およびほぼ一定の強度を生成するように入射する光ビームを変える表面を有する高速の回転運動装置を提供することを他の目的とする。
本発明は、高速のほぼ均一な縦方向走査およびそれに関連する試料の光学特性の光学画像を生成するようにＯＣＴイメージングシステムにおける迅速に変化する光学パス長を提供することを他の目的とする。
本発明は、モータ制御および／あるいはＯＣＴ画像の同期した獲得を可能にする較正、トリガおよび同期方法を提供することを他の目的とする。
本発明は、装置が駆動されるときに、所定の（かつ固定された）パス長補正をリアルタイムで適用することによって、縦方向スキャナの光学表面あるいは他の部分の作製における不具合を補正するための走査補正プロセッサを提供することを他の目的とする。
本発明は、高解像度のＯＣＴイメージング能力を得るように製作、較正および動作上の不具合をリアルタイムで克服する技術を提供することを他の目的とする。
本発明は、ＯＣＴイメージングシステムの水平フレームレートを含むレートで高速スキャナのストロークを超えて試料アーム距離を調整することを可能にするための縦方向のパス長補正機構を提供することを他の目的とする。
上記目的の少なくともいくつかをまとめてあるいは部分的に実現するために、画像を生成するパス長遅延機構を用いるイメージングシステムが提供される。遅延機構は、回転運動を光学遅延を生成するように変換し、較正技術を用いて光学遅延機構における不具合をリアルタイムで較正する。
より具体的には、ＯＣＴ他の干渉計によるイメージングあるいはレンジングシステムにおける光学遅延の走査を行う装置が提供される。装置は、イメージングシステムからの光学信号を第一に受け取り、イメージングシステムに光学信号を戻すのに先立ち、光学信号の光学遅延を反復的に調整するように適応され得る。ある実施形態において、装置は、回転運動可能なモータを備え得、これは、光学信号と光学的に連絡している少なくとも1つの光学素子と機械的に連絡している。他の実施形態では、機械的な連絡はモータの回転運動を光学素子の動きを介して光学信号のほぼ線形な遅延に変換する。本発明のある実施形態においては、装置は、イメージングシステムと電気的に連絡している同期システムをさらに備えており、装置はパスレングススキャニングにおける不具合を考慮に入れて較正され得る。動機システムおよび較正情報は、イメージングシステムによってリアルタイムでパスレングススキャニングにおける不具合を補償するために用いられ得る。
この実施形態の一改変例において、光学素子はシングルパス幾何構成あるいはダブルパス幾何構成のいずれかに構成されたマルチセグメントＣＡＭであり得る。ＣＡＭ実施形態を用いると、イメージングシステムは干渉計と光学的に連絡しているブロードバンド光源を備える。干渉計は光源からの光を試料プローブモジュールに連結し、試料プローブモジュールは光を試料上に連結し、試料によって変えられた光を集める。また、干渉計は、基準アームモジュールに光を連結し、基準アームモジュールは光をミラー処理された表面を有するマルチセグメント回転式ＣＡＭ上に連結する。そして、回転式ＣＡＭによって所定の方法で変えられた光を集める。ＣＡＭ表面は、基準アームモジュールからＣＡＭ表面への光学遅延のほぼ線形の時間変化反復的スキャニングを生成するように設計される。干渉計はまた、試料によって変えられた光と回転式ＣＡＭによって変えられた光との光学的な干渉を検出する検出器と光学的に連絡している。さらに、検出器はプロセッサと電気的に連絡しており、プロセッサは、ＣＡＭの特定のセグメントが照明にさらされていることを監視する同期システムを含んでおり、ＣＡＭ表面上の不具合をリアルタイムで補正するために較正テーブルに格納された情報を用いる。その結果得られるのは、試料の光学特性の高解像度画像である。
あるいは、光学素子は回転式ヘリカルミラーであり得る。さらに他の改変例では、光学素子は透過型の回転ディスクであり得る。このディスクはまた、角度において変化する屈折率を有し得、あるいは透過型ではなく反射型であり得る。
他の代替例は、光学素子が回転ベルトに取り付けられている反射表面である。また、他の改変例では、光学素子は、ガルバノメトリックモータと連携して用いられるミラー表面であり得る。この改変例では、ミラー表面は前記光学信号の中央光線を再帰反射するように設計されている。また、ガルバノメトリックモータを機械的な共鳴で駆動させることも可能である。
これらの上述した実施形態は、迅速な調整に加えて光学遅延の粗調整を可能にするパス長補正機構も含み得、粗調整は試料内の目標領域をトラッキングするために用いられる。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、光ビームの光学遅延を変える装置が提供される。この装置は、回転運動を光学遅延に変換し、光学遅延機構に不具合を較正し、較正技術およびアルゴリズムを用いてリアルタイムで不具合を補正する。
ある実施形態において、光学信号の光学遅延の走査を行う装置は、光学信号を受け取る入力ポート、および遅延された光学信号が戻ってくる出力を有し得る。この装置はまた、光学信号と光学的に連絡しており、かつ回転運動可能なモータと機械的に連絡している少なくとも1つの光学素子を含み得る。機械的な連絡は、回転運動を光学信号のほぼ線形な遅延に変換する。また、光学遅延は、機械加工の許容範囲または他の影響による不具合を有し得るので、装置は、光学阻止の動きをトラッキングする同期システムを有し、同期システムに対して遅延の不具合を較正する。同期システムおよび較正情報は、パス長の走査における不具合をリアルタイムで補償するために用いられる。
上記実施形態における光学素子は、マルチセグメントのＣＡＭであり得る。これはシングルパスまたはダブルパス構成のいずれかにおいて用いられることができる。あるいは、光学素子は回転式ヘリカルミラーであり得る。さらに他の改変例では、光学素子は透過型回転ディスクであり得る。このディスクはまた、角度において変化する屈折率を有し得、あるいは透過型ではなく反射型であり得る。
本実施形態の他の代替は、光学素子が回転ベルトに取り付けられた反射性の表面であることである。また、他の改変例においては、この少なくとも1つ光学素子は、ガルバノメトリックミラーと連携して用いられるミラー表面であり得る。このシナリオにおいては、ミラー表面は、光学信号の中央光線を再帰反射するように設計される。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、干渉計と連絡する光学放射源を備えているＯＣＴイメージングシステムが提供される。このシステムでは、干渉計は光を試料上に連結し、試料によって変えられた光を集める。干渉計はまた、光を走査光学遅延機構に連結し、ここで走査光学遅延は、走査範囲および走査中心を有する。このシステムはまた、試料によって変えられた光と走査光学遅延機構によって変えられた光とを組み合わせるビーム結合機構も含んでいる。さらに、このシステムは、結合された光を検出する検出器を有しており、検出器は信号プロセッサと連絡しており、信号プロセッサは試料の光学特性の画像を生成する。プロセッサはまた、試料における特徴を検出し、走査範囲が目標とする走査領域をカバーするように走査中心を調整する。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、ＯＣＴあるいは他の干渉計を使ったイメージングあるいはレンジングシステムにおける光学遅延の走査を行う装置が提供される。装置は、イメージングシステムからの光学信号を受け取り、イメージングシステムへ光学信号が戻されるのに先立って光学信号の光学遅延を迅速にかつ反復的に調整する。装置は、回転運動可能なモータを含み、このモータは光学信号と光学的な連絡をしている少なくとも1つの光学素子と機械的に連絡している。機械的な連絡は、モータの回転運動を前記少なくとも1つの光学素子の動きを介して光学信号のほぼ線形な光学遅延に変換する。装置はさらに、イメージングシステムと電気的に連絡している同期システムを備えており、装置はパス長走査における不具合を考慮して較正される。同期システムおよび較正情報は、パス長走査における不具合をリアルタイムで補償するためにイメージングシステムによって用いられる。
さらに、上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、装置は、ブロードバンド光を受け取り、試料戻り信号を生成する試料に向けられる基準出力信号およびプローブ信号を出力する干渉計と、前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する光学パスレングススキャニングユニットであって、前記干渉計は前記基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせ、干渉計出力信号を出力する、光学パスレングスユニットと、前記干渉計出力信号を受け取り、検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、前記検出器ユニットと連結されており、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有するスキャンアナライザおよび補正ユニットと、前記光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記光学パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラとを備えており、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析し、操作補正情報を決定する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される装置は、ブロードバンド光を受け取り、試料戻り信号を生成する試料に向けられた基準出力信号およびプローブ信号を出力する干渉計と、
前記基準出力信号を受け取り、前記干渉計に基準戻り信号を出力する回転式光学パスレングススキャニングユニットであって、前記干渉計は、前期基準戻り信号と前記試料戻り信号とを組み合わせて干渉計出力信号を出力する、回転式光学パスレングススキャニングユニットと、前記干渉計出力信号を受け取って検出器出力信号を出力する検出器ユニットと、前記検出器ユニットに連結されたスキャンアナライザおよび補正ユニットであって、前記検出器出力信号を受け取る光学パスレングス位置決めユニットを有しているスキャンアナライザおよび補正ユニットと、前記回転式光学パスレングススキャニングユニットに連結されており、前記回転式パスレングススキャニングユニットを制御し、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットに制御信号を出力するスキャニングユニットコントローラとを備えており、前記スキャンアナライザおよび補正ユニットは、前記制御信号および前記検出器出力信号を解析して、走査補正情報を決定する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、光を受け取り、前記光を戻り光として反射する少なくとも１つのリフレクタと、前記少なくとも１つのリフレクタに連結されており、前記１つのリフレクタを平行移動可能なベルトと、前記ベルトを動かして前記少なくとも１つのリフレクタの平行移動を生じさせるユニットとを備えており、前記戻り光が伝搬するパス長は、前記少なくとも１つのリフレクタの前記平行移動の関数として変化する。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、軸のまわりを回転可能であり、光を受け取って前記光を戻り光として反射する面を有しているディスクと、前記ディスクを前記軸のまわりで回転させるユニットとを備えており、前記ディスクの前記面は、前記ディスクが前記軸のまわりを回転すると、前記戻り光の伝搬するパス長が変化するような形状を有している。
上記目的の少なくともいくつかをまとめて、あるいは部分的に実現するために、提供される光路長変更装置は、軸のまわりを回転可能であり、第一の面と第二の面とを有しており、光は前記第一の面で受け取られて、前記ディスクを前記第二の面に向けて透過するディスクと、前記光を戻り光として反射するリフレクタと、前記ディスクを前記軸のまわりで回転させるユニットとを備えており、前記ディスクが前記軸のまわりを回転すると、前記戻り光が伝搬するパス長が変化し、それにより可変のパス長を生成する。
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１Ａは、本発明によるイメージングシステム２の一実施形態を示している。干渉計２０はブロードバンド光３を受け取り、プローブ信号１８５を出力する。プローブ信号１８５は試料２５が受け取る。その後、試料２５は試料戻り信号１８６を干渉計２０に返す。また干渉計２０は、基準出力信号１９５を出力し、光学パスレングススキャニング（ＯＰＳ）ユニット１７５がこれを受け取る。ＯＰＳユニット１７５はその後基準戻り信号１９６を生成し、干渉計２０がこの基準戻り信号１９６を受け取る。図１Ａには干渉計２０、ＯＰＳユニットおよび試料のそれぞれの間にスペースを示しているが、本実施形態の干渉計は試料およびＯＰＳユニットまで延伸し得る。また、プローブ信号１８５と基準出力信号１９５は別個の信号として示されているが、プローブ信号１８５および基準出力信号１９５の両方として機能する1つの信号１８５’（図示せず）を構成してもよい。信号１８５’を含むこのような実施形態の一例は、まず部分透過性のＯＰＳユニット１７５に達し、試料２５にまで続く。簡便のために、別個のプローブ信号１８５および基準出力信号１９５を用いるシステムを説明する。
干渉計２０は信号１８６および１９６を統合し、ライン１４９を介して検出器ユニット１５０に干渉計出力信号を出力する。そして検出器ユニット１５０はライン１５１上に検出器出力信号を生成する。検出器出力信号はスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０が受け取る。さらに光学パスレングス位置決めユニット９５も検出器出力信号を受け取る。素子間の接続を述べるために「ライン」という用語を用いているが、他の接続の中から、例えば光ファイバ、同軸ケーブル、および無線周波数伝送といった適した接続を用いてもよい。
また、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０は、ライン１７１でＯＰＳユニットコントローラ１７０から情報を受け取り、その情報を光学パスレングス位置決めユニット９５に入力する。ＯＰＳユニットコントローラ１７０は、結合１７７を介してＯＰＳユニット１７５に結合されている。制御信号およびライン１５１上の検出器出力信号における情報を用いて、光学パスレングス位置決めユニット９５は走査補正データを生成する。本実施の形態、およびその他は、処理、解析、および制御を行ういくつかの機能素子を有するものとして説明されるが、これらのサブシステムを単一のサブシステムあるいは回路に組み合わせることも可能であるし、いかなる数のサブシステムあるいは回路に分割することも可能であることに留意されたい。
本発明の一実施形態によると、光学パスレングス位置決めユニット９５は、走査補正ユニット９０およびマーカ検出器８０を備えている。マーカ検出器８０はＯＰＳユニット１７０から制御信号を受け取って解析し、結合８１を介して走査補正ユニット９０にマーカ情報を出力する。走査補正ユニット９０はまた、検出器ユニット１５０から検出器出力信号を受け取る。走査補正ユニット９０はこれらの２つの信号を必要なスキャン補正を決定するために用い、そしてスキャン補正データを生成する。また、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０は信号補正プロセッサ１００を備えており、これが結合９８を介して走査補正データを受け取り、走査補正データを用いて検出器出力信号を修正して、ライン１６１に走査補正されたサンプルデータを出力する。プロセッサ１００が走査補正されたサンプルデータを受け取り、そこでさらなる解析または画面への表示が行われ得る。
図１Ｂは、本発明の一実施形態によるＯＣＴシステム２の付加的な詳細を示している。ＯＰＳユニットコントローラ１７０は、ＯＰＳユニット位置センサ１７２とモータおよびコントローラユニット１２０とを備えている。ＯＰＳユニット位置センサ１７２はＯＰＳユニット１７５から、ＯＰＳユニットのどの部分が信号１９５を受け取っているかについての情報を受け取る。そしてＯＰＳユニットコントローラ１７０は、ＯＰＳユニット１７５の位置決めについての情報をスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０に渡す。さらに、ＯＰＳユニットコントローラ１７０はスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０からのフィードバックを受けてもよい。モータおよびコントローラユニット１２０はＯＰＳユニット１７５の速度を整える。
スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０は、第一の信号プロセッサ７０、走査補正ユニット９０、信号補正プロセッサ１００、およびマーカ検出器８０を備えている。信号プロセッサ７０は、検出器ユニット１５０からの検出器出力信号をフィルタリングし、検出し、そしてデジタル化するように動作する。信号補正プロセッサ１００は、走査補正ユニット９０からのデータを解析し、ＯＰＳユニット１７５における不具合を補償し、補正されたサンプルデータを与える。
干渉計２０は、プローブアーム３１と基準アーム４１とを備えている。プローブアーム３１はプローブ信号１８５を試料２５に連結し、基準アーム４１は基準アーム信号１９５をＯＰＳユニット１７５に連結する。あるいは干渉計２０は、試料２５とＯＰＳユニット１７５との両方を操作するアームを１つだけ備えてもよい。簡便のために、どのような干渉計で置き換えてもよいか、以下の説明では別個のアームを有する干渉計を説明する。
図１Ｃは、本発明の一実施形態によるイメージングシステム２の他の特徴を示している。光源１０が光源ファイバ３４を通してブロードバンド光を発する。ブロードバンド光は、システム２に関してＺ方向において望ましい解像度を与える帯域を有する光として定義される。ブロードバンド光のコヒーレンス長が小さければ、システムの計測の解像度は高くなる。
光源１０は、光源ファイバ３４を介してスプリッタ２１にブロードバンド光を与える。スプリッタ２１はブロードバンド光を分割入力光の第一の部分１８０と分割入力光の第二の部分１９０とに分ける。第一の部分１８０は、プローブアームファイバ３６によってプローブモジュール３０に与えられる。第二の部分１９０は、基準アームファイバ３５によって基準アームモジュール４０に与えられる。基準アームモジュール４０は、点線のボックスとして大まかに示されている粗パス長調整機構４５を備えており、これはコンピュータ１１０によって制御される。粗パス長調整機構４５は、目標領域トラッキングの特定の実施例であり、試料内での測定位置の修正や、異なる光学遅延を有し得る異なるタイプのプローブモジュールを収容することを可能にする。焦点を変える方法には様々なものがあるが、そのいくつかは後述する。粗パス長調整は、ＯＰＳユニット１７５に対して速いことは必要とされない。粗パス長調整の方法には、例えば、図１Ｃに示されているようにレンズ４４またはレンズ４２を左右に動かすことによってパス長を変化させることが含まれる。一般的には、ファイバ３５からレンズ４２までの距離を固定し、これらを一体として左右に動かし、それによってレンズ４２および４６の間の距離を変えることが有用である。本例では、第一のレンズ４２は基準光１９０を平行光とし、第二のレンズ４４は光をＯＰＳユニット１７５の表面上で焦点を結ばせる。光は２つのレンズの間で平行光化されているので、レンズ間距離が調整されていれば、パワーの損失は最小である。あるいは、ファイバ３５、３６の特性は、当該分野で知られているように、例えば、一方または両方の屈折率を微修正する、あるいはファイバのスプールを伸ばす等によって修正することができ、得られる光学パス長が結果的に変更される。また、基準アームモジュール４０のプリズム対４６を光学パス長を変えるために用いてもよい。当該分野では他にも粗パス長の変更の方法が知られており、この結果を実現するためにいずれを用いることもできる。また、粗パス長調整の特徴は、後のセクションで説明するように、目標領域トラッキングを行う能力を可能にする。
干渉計２０は、試料２５およびＯＰＳユニット１７５から信号１８６および１９６をそれぞれ受け取り、これらを結合して干渉計出力信号を生成する。干渉計出力信号は、検出器ユニットファイバ３３によって検出器ユニット１５０に送られる。
より具体的には、本実施形態においては、干渉計２０は２つのアーム、すなわち試料アーム（プローブアームとしても知られている）３１および基準アーム４１を有している（図１Ｂ）。図示されている干渉計は例として示されたものであり、他のいかなる干渉計でも代替可能であることに留意されたい。
試料アーム３１は、分割入力光１８０の第一の部分をプローブモジュール３０に連結する。プローブモジュール３０は、試料２５に光１８５を結合し、試料によって変えられた光を試料アーム３１に結合し返す光学素子を有している（図１Ｂ）。またプローブモジュール３０は、光１８５を試料２５を横切って横方向に走査して二次元あるいは三次元の画像を生成するための一次元あるいは二次元横方向走査機構を有している。あるいは、試料は、ウェブインスペクションアプリケーションにおけるポリマーフィルムの製造におけるように走査されることもできる。この場合には、プローブは固定され、試料２５が走査されるように移動する。プローブモジュールの例には、顕微鏡、カテーテル、内視鏡、腹腔鏡、ハンドヘルドプローブ、射出成型機用のプローブ、ウェブインスペクション機などが含まれる。
基準アームファイバ３５は、分割入力光の第二の部分１９０を基準アームモジュール４０に結合する。このモジュールは、基準アームファイバからの光をＯＰＳユニット１７５に結合する光学素子を含んでいる。ＯＰＳユニットは、続くセクションで説明するように、多くの異なる表面タイプを有し得ることに留意されたい。さらに、ＯＰＳユニットの動きは、回転、平行移動、あるいはこれら両方の組み合わせであり得る。また、基準アームモジュール４０は、前述したように、２つのレンズ４２、４４の間の光学パス長を調整することによって粗パス長を調整する能力を有している。
試料アーム３１と基準アーム４１との間で分散のバランスが取れていることは重要である。基準アームにおける基準アームモジュール４０（あるいは試料アーム３１におけるプローブモジュール３０）は、プリズムの対４６または分散をつりあわせるための他の適切な装置を含み得る。あるいは、レシーバにおいて位相感知型の同期検出を行えば、当該分野で知られているように、分散は電子的に補償することができる。
反射光１８６および１９６は組み合わされて、干渉計２０から出て検出器ユニット１５０を通過する。検出器ユニット１５０は、干渉計２０からの信号を検出して増幅し、信号をスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０に渡す。これが、ＯＰＳコントローラ１７０およびコンピュータ１１０と連携して、プローブモジュール３１における横方向の走査と基準モジュールの縦方向の走査との同期を制御する。同期は、試料２５の正確な計測を行うために必要である。この同期はＯＰＳユニット１７５の精密な較正に依存しており、較正はリアルタイムで行われる必要は必ずしもないが、補正は、後述するように、リアルタイムで行われることが好ましい。
公称のモータスピードは、オンボードクロックから生成され得、あるいはコンピュータ１１０から命じられ得る。ＯＰＳユニットコントローラ１７０は、１回転に１回のセンサ（１／Ｒｅｖセンサ）およびオプションの１回転に複数のパルスのセンサ（Ｍ／Ｒｅｖセンサ）、あるいはＯＰＳユニット１７５上の固定された点を決定する他の好適な手段を有している。これらのセンサは、光学センサ、電磁センサ、磁気センサ、電子センサ、容量センサ、機械式センサ、あるいは当該分野で知られている他のいかなるタイプのセンサであってもよい。ＯＰＳコントローラ１７０のＯＰＳセンサ１７２（図１Ｂ）は、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０との組み合わせで、ＯＰＳユニット１７５の位置のトラッキングを維持する。スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０を用いて、ＯＰＳユニットにおける欠陥は、リアルタイムで補正することができる。これは、光学式エンコーダ、あるいはパターン認識アルゴリズムを含むいくつかの他の方法を用いて行われうる。較正方法は、続くセクションで説明する。
システムの基本コンセプトは、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０と連携して、ＯＰＳユニットコントローラ１７０によって整えられたスピードで回転、平行移動あるいは他の動きをするＯＰＳユニット１７５上に光を集光することにある。光はその後基準アームファイバ３５に戻される。ＯＰＳユニット１７５が均一な、しかし選択可能なスピードで移動すると、光学パス長が均一に走査され、したがって略一定のドップラーシフトが得られる。このドップラーシフトは、検出器ユニット１５０によって復調され、試料２５の測定を決定するために用いられる。一定ではないドップラー周波数シフトもまた考えられ、これは当該分野で知られているようにして復調され得る。
図１Ｄは、図１Ｃに示されている実施形態のＯＣＴシステムの構成要素をより詳細に示している。検出器ユニット１５０は、フロントエンド増幅器６０と検出器１５とを備えている。スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０は、第一信号プロセッサ７０，マーカ検出器８０、走査補正ユニット９０、および第二信号プロセッサ１００備えている。ＯＰＳコントローラ１７０は、センサ１７２、モータ制御回路１２０、およびモータ１２２を備えている。このシステムもまた、ＯＰＳユニットとして回転素子５０を備えている。
検出器１５は干渉計から干渉計出力信号を受け取り、これを増幅のためにフロントエンド増幅器６０に渡す。フロントエンド増幅器６０は、結合１５１を介して信号プロセッサ７０、および結合１５２を介してマーカ検出器８０の両方に随意に結合され得る。次の素子は走査補正ユニット９０であるが、これは信号プロセッサ７０、マーカ検出器８０、および信号プロセッサ１００に結合されている。マーカ検出器８０はまた、モータ制御回路１２０にも結合されており、モータ制御回路１２０はモータ１２２およびコンピュータ１１０に結合されている。信号プロセッサ１００もまた、コンピュータ１１０に結合されている。これらの構成要素の動作については、具体的な実施形態を参照しながら後で説明する。また、干渉計２０は２つのアーム、すなわち試料アーム（プローブアームとしても知られている）３１および基準アーム４１を備え得る、あるいは試料２５とＯＰＳユニット１７５との両方を走査する単一のアームを備え得ることに留意されたい。いかなる干渉計でも代替可能であるが、簡便のために、以下の説明では別個のアームを有する干渉計を説明する。
図１Ｅは、本発明の一実施形態による高速の調整可能なレートでの縦方向走査ＯＣＴシステム５を得るための一実施形態を示している。試料の縦方向の光学反射率プロファイルを素早く走査するために、本実施形態の回転素子は、マルチセグメントＣＡＭ５０’である。ＣＡＭ５０’は例としてのみ用いられるものであり、いかなる回転素子５０（図１Ｄ）で代替してもよいことはもちろんである。  本実施形態は、干渉計２０に結合されているブロードバンド光源１０を備えている。Mach/Zehender、ファブリペロー、およびソースまたは試料アーム基準干渉計等の他のいかなる干渉計を用いることができるが、簡易なMichelson干渉計が図１Ｅでは示されている。また、偏光を維持するあるいは偏光化するファイバが、偏光を維持するために用いられ得、また偏光分離または偏光分散レシーバを使用することができる。本実施形態では、干渉計２０は、２つの出力アーム、すなわち試料アーム３１および基準アーム４１を有する５０／５０シングルモードファイバカプラ２１（あるいはスプリッタ）を有している。
試料アーム３１は、分割入力光の第一の部分１８０をプローブモジュール３０に結合する。プローブモジュール３０は、試料２５上に光１８５（図１Ａ）を結合し、試料によって変えられた光１８６（図１Ａ）を試料アーム３１に戻すように結合する光学素子を有している。本実施形態は、再帰反射モードで動作するが、透過モードのような他の実施形態もまた考えられる。また、プローブモジュール３０は、（示されているように）試料２５に沿って横方向に光を走査して二次元あるいは三次元の画像を生成するための一次元あるいは二次元の横方向走査機構を有している。あるいは、試料は、ウェブインスペクションでのポリマーフィルムの製造におけるように走査されることもできる。この場合には、プローブは試料２５に固定され、試料２５が走査されるように動く。プローブモジュールの例には、顕微鏡、カテーテル、内視鏡、腹腔鏡、ハンドヘルドプローブ、射出成型機用のプローブまたはウェブインスペクション機が含まれ得る。プローブモジュール３０の横方向走査と基準アーム４１の縦方向走査との同期は、コンピュータ１１０によって制御される。
基準アームファイバ１３５は、分割入力光の第二の部分１９０を基準アーム光学モジュール４０に導く。このモジュールには、基準アームからの光１９５（図１Ｄ）をＣＡＭ５０’に結合する光学素子が含まれる。具体的には、モジュールは、基準アームモジュール４０のレンズ４４を用いて光１９５（図１Ｄ）をＣＡＭ５０’上に集光する。その後光は、基準アーム戻り信号１９６として基準アームファイバ３５に反射される。ＣＡＭ５０’が均一であるが選択可能なスピードで回転すると、一定のドップラーシフトをほぼ得ることができるように光学パス長ができるだけ均一に走査され、したがってスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０における後段の信号処理電子工学系を簡易にする。一定ではないドップラー周波数シフトもまたあり得、当該分野で知られているようにして復調することができる。後のセクションにおいて、ＣＡＭの複合表面５１を、公称の半径、セグメントの数、線形走査対角度、および走査深度等の様々なシステムパラメータの関数として説明する一群の精密な数学的関係が導かれており、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０の一部として実現される。
基準アームモジュール４０は、粗パス長調整機構を用いて２つのレンズ４２、４４の間の距離を調整することによって、パス長を調整する能力を有している。他の利点の中で、この特徴は、後のセクションで説明するように、目標領域トラッキングを可能にする。本実施形態においては、第一のレンズ４２が基準アームファイバ３５の出力を平行光化し、第二のレンズ４４がＣＡＭ５０’の表面上に光を集光させる。光は２つのレンズの間で平行光化されているので、レンズ間距離が調整されていれば、パワーの損失は最小である。先に述べた通り、用いることのできる代替可能なパス長調整がある。
試料アーム３１と基準アーム４１との間で分散のバランスが取れていることは重要である。基準アームにおける基準アームモジュール４０（あるいは試料アーム３１におけるプローブモジュール３０）は、プリズムの対４６または分散をつりあわせるための他の適切な装置を含み得る。あるいは、レシーバにおいて位相感知型の同期検出を行えば、当該分野で知られているように分散を電子的に補償することができる。
ＣＡＭの表面５１は、ＣＡＭが回転するとMichelsonビームスプリッタ２１からＣＡＭの表面までの距離が線形に増加するように構成されている。さらにこの表面は、ＣＡＭ表面５１上に正確に向けられている光ビーム１９５（図１Ｄ）の主光線が入射光に対して一定の角度で反射されるような（例えば再帰反射される、あるいは他の目標に向けて反射されるような）幾何学形状を有している。ＣＡＭ５０’が回転するとき、光学パス長はほぼ直線状に走査されることに留意されたい。ＣＡＭ表面５１はまた、回転されると略一定の反射率が維持されるように光学的になめらかな特性を有している。
ＣＡＭ５０’のスピードはＯＰＳユニットコントローラ１７０によって整えられており、ＯＰＳユニットコントローラ１７０は、スピードを整えるために、ファセットフィードバックか、光学式エンコーダあるいはHallセンサといった固有のセンサのいずれかを用いることができる。モータの制御については後のセクションで説明する。
図１Ｅに示されているシステムの一実施形態は、ポリゴンスキャナで用いられるものと類似している、モータ１２２（図１Ｄ）によって駆動されるマルチセグメントＣＡＭ５０’を備えている。しかしながら、このＣＡＭ５０’は、移動式ミラーの実施形態等の今日使用されている市販のものとは全く異なっている。なぜなら、ポリゴンスキャナは、多角形状に構成された簡略なフラットなミラーを用いているのに対し、ＣＡＭは、後述するように複合表面を有しているからである。モータはＯＰＳコントローラ１７０によって駆動、制御される。  公称のモータスピードは、オンボードクロックから生成することができ、あるいはコンピュータ１１０から命じられ得る。ＯＰＳコントローラは、１回転に１回のセンサ（１／Ｒｅｖセンサ）およびオプションの１回転に複数のパルスのセンサ（Ｍ／Ｒｅｖセンサ）、あるいはＣＡＭ表面５１上の固定された点を決定する他の好適な手段を有している。この１つのバージョンには、ＯＰＳコントローラ１７０の具体的な実施形態を表す光学検出器ユニット１２３がある。これらのセンサの１つまたは両方、ならびに可能であれば遷移検出器との組み合わせは、ＣＡＭ５０’のどのファセットがアクティブに照明されているかのトラッキングを維持する。予め計算されたルックアップテーブルまたは他の手段を用いて、ＣＡＭ５０’の機械加工における不具合はリアルタイムに較正することができる。これは、光学式エンコーダ、あるいはパターン認識アルゴリズムを含む当該分野で知られているいくつかの他の方法を用いて行われうる。較正方法は、続くセクションで説明する。
ＣＡＭ表面５１は、図示されているように実現され得、あるいは偶数個のセグメントについては、隣接するセグメントを互いにミラーにすることができる。つまり、低から高への遷移を繰り返す代わりに、ＣＡＭ表面５１は低−高−低の遷移を有することになる。これは、鋸刃状の不連続がなくなるために、機械加工を容易にし、デッドタイムを最小にし、高速での空気抵抗を制限するという付加的な利点をもたらす。トレードオフは、信号（画像）処理の複雑さにおいて、ささやかに増加する。
目標領域のトラッキング
図２Ａおよび２Ｂは、心血管のアプリケーションにおいて見られ得るような円周上の走査システムあるいはプローブについて、目標領域のトラッキングを示している。目標領域のトラッキングは、ＣＡＭ５０’の走査深度内において目標領域内の試料の位置決めである。前述したように、いかなる回転素子５０（図１Ｄ）を用いることもでき、ＣＡＭ５０’は例として用いられる。図２Ａは走査範囲を示す。これは、縦方向の走査の全体の増加する距離であり、Ｒ１（内側）とＲ２（外側）との間の濃い黒の円として示される。したがって、走査の中心はＲ１とＲ２との間の中間点である。目標領域のトラッキングは、血管の壁のような特徴を検出することにより試料内の目標領域内に走査範囲を保つように自動的に走査の中心を動的に調整する。
図２Ａにおいて、ＯＣＴプローブは、走査されるべき目標領域、本実施例では動脈に対してずれている。表面の境界を検出して、基準アームのパス長をそれにしたがって調整することにより、走査の効率を劇的に向上させることができる。図２Ｂは補正後の目標領域のトラッキングの例を示している。
目標領域のトラッキングは、カテーテルが腔内でずれるかもしれず、ＣＡＭ５０’によって提供される走査深度は腔壁へのオフセットプラス所望の計測距離をカバーするには十分でないようなカテーテル／内視鏡の処置等のアプリケーションにおいては重要である。図２Ａにおいて、示されている走査深度は、試料壁の右側を失い、試料壁の左側には突出しすぎるであろう（管表面を逃してしまう）。しかしながら、腔壁を検出するための検出アルゴリズム（例えば、しきい値を用いたアルゴリズムあるいは他の画像処理アルゴリズム）を用いることによって、信号補正プロセッサ１００（図１Ａ、１Ｂ、１Ｄ）が粗パス長調整機構４５を調整することができ、したがって走査中心を調整することができる。カテーテルは腔内で回転するので、腔壁内の走査距離は、図２Ｂに示すように一定に保つことができる。ＣＡＭがより広い走査範囲を有するように設計され得るアプリケーションにおいてであっても、より広い領域の画像を得ることは、信号対雑音、あるいは得られるまでの時間の見通しからは効率的ではないであろう。ゆえに目標領域のトラッキングは、（例えば、調整可能な走査光学遅延ラインのような）粗い走査範囲を調整することができる縦方向の走査機構を有するＯＣＴシステムにおいては決定的に重要である。
同期
ＯＣＴ画像を生成するためには、信号処理およびコンピュータ表示をＯＰＳユニット１７５の回転と同期させる必要がある。図１Ａを参照して、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０はＯＰＳユニットコントローラ１７０とともに、いかなる任意の時間においても基準アーム信号１９５によってＯＰＳユニット１７５のどの部分が照明にさらされているかを決定するように構成されている。同期は、シンクマスターモードあるいはシンクスレーブモードにおいて行われる。シンクスレーブモードでは、ＯＰＳユニットコントローラ１７０（あるいは、ＯＰＳユニットコントローラ１７０と連携した、ＯＰＳユニット１７５、例えばＣＡＭ５０’）がマスタークロックであり、コンピュータ１１０（プロセッサ）がＯＰＳユニット１７５に（例えばその水平走査レートを）同期する。シンクマスターにおいては、ＯＰＳコントローラユニット１７０またはモータ制御回路１２０（図１Ｄ）がコンピュータ１１０によって提供されるクロックに同期する。いずれの場合においても、機械加工の不具合およびＯＰＳユニットシステムの不具合は、高解像度画像を得るようにリアルタイムで較正されることが好ましい。このための方法については後述する。
同期を得るためにはいくつもの方法を利用可能である。これらの方法の全てがＯＰＳユニット１７５、ＯＰＳユニットコントローラ１７０および／あるいは回転素子５０（図１Ｄ）からの情報を、ＯＰＳユニットの本質的な幾何学を用いるか、光学検出器ユニット１２３あるいはＯＰＳセンサ１７２（図１Ｅおよび１Ｂ）等の外部センサをセンサのトリガとなるように改変されたＯＰＳユニット１７５と連携して用いるかのいずれによって、あるやり方で用いる。以下の説明では、図１Ｅに示されるＯＰＳユニット１７５としてのＣＡＭの具体的な実施形態の同期を主に述べる。同期は、説明する具体的なＯＰＳユニットのいずれについても、あるいは当該分野で知られている他のものについても、類似した方法で実現可能であることを理解されたい。
同期をとるための最も簡単なしかし効率的ではない方法は、セグメント化されたＣＡＭ５０’を用い、ＣＡＭ５０’のセグメントの変わり目５２で後方反射光のパワーが落ちることを利用する。パワー降下はＣＡＭ５０’の幾何学形状には本質的なものである。
図３は、８セグメントＣＡＭ５０’について、回転角の関数として測定された後方反射光パワーを示したものである（後述するものと類似している）。好ましい実施形態において、ＣＡＭフォーカシングレンズ４４の焦点深度は、ＣＡＭ５０’の走査範囲にほぼ等しいか、それよりも大きく、ＣＡＭが回転されるときのパワー反射における変化を最小限にする。焦点深度が長ければ、ＣＡＭ表面５１上の集光された光スポットも大きくなる。これにより、フォーカスエラーによるパワー変化がより小さくなり、小さい機械加工マークに対する許容誤差がより大きくなる。しかしながら、フォーカススポットが大きくなれば、理想的ではない表面の傾きにより敏感になり、機械加工の不具合がより大きくなる。また、ＣＡＭ５０’のセグメント境界５２を横切っての完全な移行にはフル回転のより大きなパーセントを費やすために、デューティサイクルはより低くなる。
図３に示す測定において、共焦点パラメータは約５ｍｍであり、ＣＡＭの縦方向の走査範囲は約４ｍｍであり、ＣＡＭは１秒間に２５０回転で回転された。それぞれのセグメント内で、（正規化された）反射パワーは（ＣＡＭ表面が焦点からずれているので）〜６０％で始まり、セグメントの中心で（表面が合焦しているとき）〜１００％に増え、そして再び〜６０％に減少する。そして、セグメント境界５２を越えるフォーカスされたビームの移動として急なパワーの損失がある。このパワー損失の検出を、後述するようにセグメントによるトリガに用いることができる。より長い共焦点パラメータが用いられれば（例えば８ｍｍ）、各セグメント内でのパワー変化はより小さくなるであろうが、より高い傾き安定性が要求されることに留意されたい。本例では、光は、球面の光学素子を用いてＣＡＭ表面近傍にフォーカスされた。円柱状のフォーカシングもまた、高い効率を得るために使用することができる。また、よりモードに合った効率を得るために、光を（円柱状あるいは球面状レンズを用いて）ＣＡＭファセットの曲率半径の中心のより近くにフォーカスすることもできる。他の同期方法は、より高い精度を実現することができ、後で説明する。
遷移検出器および１／Ｒｅｖセンサとしてフロントエンド増幅器を用いる同期
一実施形態において、ＣＡＭ５０’の同期は、ＤＣ光電流に現れる短いパルス（あるいは空白）を検知することによって実現される。これらのパルスは、ＣＡＭ５０’上にフォーカスされた光がセグメントの境界５２を通過し、一時的に再帰反射されないときに、まずフロントエンド増幅器６０で検出される。パルスのそれぞれが、各セグメントについてのトリガを生じる。
一実施形態による同期の方法を図１Ａおよび１Ｅを参照して図４に示される。この方法は、ＣＡＭ５０’上に基準アーム信号１９５を照らすステップ４０１を含んでいる。ＣＡＭ５０’は信号１９６を干渉計２０の方に、そして続いてフロントエンド増幅器６０に反射する。次に、ステップ４０２は、干渉計出力信号をフロントエンド増幅器６０を通して信号プロセッサ７０に与えることを含んでいる。ステップ４０３では、信号プロセッサ７０において干渉計出力信号がフィルタされ、検出され、そしてデジタル化される。ステップ４０４は、ＣＡＭ５０’上に集光されている光がセグメントの境界５２に当たったときのＤＣ光電流におけるブランクをマーカ検出器８０を用いて検出する。光がセグメント境界５２に当たったとき、光は一時的に再帰反射されないという現象が生じる。続いてステップ４０５では、セグメントの変わり目を表すブランクを用いて、１／Ｒｅｖセンサの後の最初の変わり目が一意的に最初のファセットを特定し、続くブランク信号のそれぞれが続くファセットを特定するようにＣＡＭ５０’の位置を正確に同期させる。最後に、ステップ４０６において、表面５１の不規則さを補正するようにＣＡＭ５０’の各セグメントについて、各ピクセルを時間においてずらす。
この同期方法は、ＯＣＴ光による照明にアクティブにさらされているＣＡＭ５０’の特定のファセットのトラッキングを行うように、マーカ検出器８０（図１Ａ）と組み合わせての１回転に１回のセンサ（１／Ｒｅｖセンサ）の使用に頼っている。１／Ｒｅｖセンサは、光学センサ、電磁センサ、磁気センサ、電子センサ、容量センサ、機械式センサを含むいかなるタイプのセンサであってもよく、あるいは当該分野で知られている他のいかなるタイプのセンサであってもよい。一実施形態において、センサは、ＬＥＤのような、ＣＡＭ表面５１に対して垂直に配置された光学式中断スイッチである。これは、ＣＡＭ表面５１上に事前に置かれた、ＣＡＭ５０’の位置を一意的に特定するマークを検知する。ＣＡＭ５０’は周期的に動き、マークはセンサを通り過ぎ、そのトリガとなる。センサは、トリガによって起動されると、時間における任意の点についてＣＡＭの位置を特定する。同様の技術をいかなる任意のＯＰＳユニットについても用いることができることを理解されたい。
また、１／Ｒｅｖセンサの機能を、１／Ｒｅｖセンサまたは検出器を必要とすることなく実現することもできる。ＣＡＭ５０’のセグメント境界５２の１つを例えば急勾配の部位としてではなく、一意的とすることによって、その一意的な境界を越える図３に示すようなパワーの降下は他のセグメントの変わり目とは異なるであろう。スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０はこの差を検出し、システムを同期させるためにこの情報を用いることができる。この技術は、１／Ｒｅｖセンサの代わりに、あるいは１／Ｒｅｖセンサに加えて、いかなる回転素子５０とともに用いることができる。
先のＣＡＭシステムの不具合の較正と組み合わせられたこのタイプのセグメントトラッキングによって、走査の補正が可能になる。一実施形態において、フロントエンド増幅器６０は信号プロセッサ７０に干渉計信号を与え、信号プロセッサ７０が干渉計信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。基準アーム信号１９５がＣＡＭセグメントの変わり目５２を通り過ぎると、ＣＡＭ位置を正確に同期するために用いることができるパワーの急激な損失（図３に示された）がみられる。例えば、１／Ｒｅｖセンサの後の最初のＣＡＭの変わり目は、第１番目のファセットを特定する。ＣＡＭの各セグメントについて、各ピクセルは、走査補正ブロックにおける表面の不規則さを補正するように、時間（あるいは同等にサンプルの深さ）および振幅においてオフセットされる。
多くの例において、傾斜およびオフセットを補正することが必要であり、補正アルゴリズムは単純な線形な演算である。他の例においては、オフセットを補正することのみが必要である。したがって、１つのアルゴリズムは単純である。すなわち、適切なオフセットを満たすように各セグメントのスタートで所定数のブランクピクセルを配置する。しかしながら、このアプローチは、フロントエンド増幅器６０を「見えなくする」ような試料からの大きな信号によって、潜在的にだめにされ得る。見えなくするということは、フォトディテクタ１５を飽和させる試料からの大きな反射によって引き起こされ、基準アームにおけるパワー降下をもはや検出することができないということを暗示している。この問題を解消する１つの方法は、ＯＣＴにおいて別のセンサ１７２（図１Ｄ、１Ｅ）を配することである。他の方法は次で説明する。
１／ＲｅｖセンサおよびＭ／Ｒｅｖセンサを用いる同期
同期の他の方法は、ＯＰＳユニット１７５からの２つのセンサ、つまり１／ＲｅｖセンサおよびＭ／Ｒｅｖセンサ（ここでＭはファセットの数である）を用いる。Ｍ／Ｒｅｖセンサは、各ファセットがトリガーとなる信号を有するようにＯＰＳユニットの端部あるいはＯＰＳユニットの他の適切にマークされた位置にターゲットを合わせられている。このアプローチは、試料からの大きな信号でもマーカ検出器８０は「見えなく」されないという利点を有している。
好ましい実施形態による同期方法が、図１Ａおよび１Ｅを参照しつつ図５に示されている。この方法は、ステップ５０１を含んでいる。ステップ５０１では、ＣＡＭ５０’上に、各ファセットが独自のマークを有するようにＣＡＭのいずれかのフラットな表面上の様々な位置のいずれかにマークが配置される。あるいは、ＣＡＭ５０’の既存のセグメント端部５２をセグメントマークとして用いることもできる。次に、ステップ５０２では、各ファセットがトリガーとなる信号を有するようにＣＡＭ５０’のマークされた部分にＭ／Ｒｅｖセンサのターゲットを合わせる。ステップ５０３がそれに続き、ここでは干渉計出力信号をフロントエンド増幅器６０を通して信号プロセッサ７０に与える。信号プロセッサ７０は、ステップ５０４において、干渉計出力信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。続いて、ステップ５０６によると、ＣＡＭ５０’がＭ／Ｒｅｖセンサの信号を用いて、１／Ｒｅｖセンサの後の各変わり目が一意的にファセットを特定するように、正確に同期される。最後に、ステップ５０７において、ＣＡＭ５０’の各セグメントについて、表面５１の不規則さを補正するように、各ピクセルが時間および振幅においてオフセットされる。
したがって、この方法によると、マーク（例えば、引かれたり、描かれたり、接着された線）がＯＰＳユニット１７５上につけられる。このマークは、ＯＰＳユニット１７５のフラット面（頂部、底部あるいは側部）上のような様々な位置に配置されることができ、センサ１７２（図１Ｂ）（例えば、光学センサ、機械式センサ、電磁センサ等）によって読みとられるとＯＰＳユニットの位置を示す。さらに、ＣＡＭ５０’上の既存のかつ固有のセグメント端部５２、あるいはいかなる回転素子５０の固有の他のセグメント境界を用いることもできる。したがって、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０は検出を行うことができる。また、前述したように、１つのセグメントの変わり目は一意的であり、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０が１／Ｒｅｖセンサの機能を行うことが可能になる。
Ｍ／Ｒｅｖ検出方法は、１／Ｒｅｖセンサと同様の原理で動作するが、各ファセットに対して較正される。ある作製の実施形態において、表面にマークをすること（あるいは表面にプラスチックステッカーを置き、ステッカーをマークすることでさえ）は、トリムを機械加工し、ＯＰＳユニットをモータのシャフトに正確に搭載することよりも簡単であり、粗っぽい。このようなマーキングは、位置の誤差が決定的であるときには、トリガリングとともに問題を解決するのに有効である。この処理は、光学式遷移検出器を用いて、あるいは光学式遷移検出器なしで実現可能である。したがって、１／ＲｅｖセンサおよびＭ／Ｒｅｖセンサの両方が実現されているときには、干渉計からの光学的なフィードバックの必要はなく、同期情報の全ては、マーキングおよび１／ＲｅｖセンサならびにＭ／Ｒｅｖセンサを用いて確立される。
１／Ｒｅｖセンサのみを用いる同期
図６を参照して、他の実施の形態においては、ＯＰＳユニットの一回転の中における速度変化は比較的一定である。このようなシナリオでは、１／Ｒｅｖセンサのみを用いることができる。ＯＰＳユニット１７５がＣＡＭである場合、ＣＡＭの各セグメントは、１／Ｒｅｖセンサからスタートするマスタークロックからカウントダウンすることによって特定され得る。例えば、８つのファセットがある場合、カウント回路がシンクパルスのトリガーとして用いる８つの値が存在する。このアプローチは、最もコストが安いという利点があり、大きな試料アーム反射のせいで生じ得るシンクの欠落にも苦しめられない。
したがって、図６および１Ｅを参照して、干渉計出力信号は、ステップ６００によると、フロントエンド増幅器６０を通して信号プロセッサ７００に供給される。信号プロセッサ７０は、ステップ６０１により、干渉計出力信号をフィルタし、検出し、そしてデジタル化する。１／Ｒｅｖセンサは、ステップ６０２において示されるように、トリガにより起動されてシステムをセットする。続いて、ステップ６０３において、マスタークロックをカウントダウンし、ＣＡＭ５０’の各ファセットを特定する。ステップ６０４において、シンクパルスはＣＡＭ５０’の各ファセットについてトリガを引かれる。そして、ステップ６０５により、各ピクセルはＣＡＭ５０’の各セグメントについて時間においてオフセットされ、表面５１の不規則さを補正する。
較正
次の説明は、主に、ＯＰＳユニット１７５としてのＣＡＭ５０’の具体的な実施形態の較正に関連する。較正は、説明される具体的なＯＰＳユニットのいずれについても、あるいは当該分野で知られている他のものについても、類似したようにしてなされ得ることを理解されたい。
多くの例において、ＣＡＭ５０’を光源のコヒーレンス長よりも小さい精度で機械加工することは難しい。これは、各ＣＡＭセグメントの始まり部分における欠陥（例えば、８個のセグメントを有するＣＡＭについて、セグメントの境界は４５度ちょうどではない）やＣＡＭの半径５３に沿った欠陥のせいであり得る。さらに、ＣＡＭ５０’がモータのシャフト上に中心からずれて搭載される（偏心）と、回転の関数として、各ＣＡＭファセットのシステム上の位置誤差が生じ得る。ＣＡＭの搭載は非常に敏感である。なぜなら、回転軸の位置誤差は、２倍も大きい位置誤差をもたらすからである。したがって、ＣＡＭの回転軸が５μｍ中心からずれていると、あるファセットは５μｍ中心に近すぎ、対向するファセットは５μｍ中心から遠すぎることになるので、全体の誤差は１０μｍになる。その結果、多くのＣＡＭ製作技術は、モータシャフトへの搭載後の較正を必要とする。
これらの、および他の例において、ＯＣＴ画像の画質は、機械加工誤差あるいはアライメントの誤差に比例して劣化する。他の較正誤差には、不完全なＣＡＭ／モータ制御ループの影響が含まれる。テストされた多くのモータから明らかであるように、モータ制御ループにおける欠陥は、ランダムあるいは周期的な速度の不具合をもたらす。したがって、もしＣＡＭ５０’がシンクマスターモードで駆動されていると、ＯＣＴ画像の解像度を劣化させる位置誤差をもたらすタイミングの誤差が生じることになる。
ＣＡＭ５０’が一定の角速度で駆動されていると、パス長の変化は反復的であり、時間において線形に変化する。画像データおよび／あるいは速度の制御の同期は、図３に示すように光ビームがＣＡＭ５０’のセグメント境界５２を横切るときの再帰反射信号のパワーの損失を検出することによって、あるいは上述したような他の方法によって得ることができる。ＣＡＭ表面５１の精密な製作の能力の限界のために、ＣＡＭの各セグメント表面の間でわずかなパス長の変化があり得る。これは、ＯＣＴシステムのイメージング能力あるいは解像度を容赦なく減少させ得る。しかし、もし表面が較正されていれば、適切な同期回路あるいはシステムが前述したようにして実現されているときに、表面における不具合をリアルタイムで補正することができる。
ＣＡＭ表面５１上の仕上げ材料、その搭載、モータアセンブリ、および制御ループの質に依存して、ＣＡＭ表面５１は、較正技術を用いて較正され、画質を回復することができるようにルックアップテーブル（または他の手段）に永久に格納される必要がある。このルックアップテーブルは、リアルタイムで（もしくは非リアルタイムで）、再位置合わせの後検出を用いていかなる表面の不規則さをも較正するために用いられる。
図７Ａおよび７Ｂは、８つのセグメントを有するＣＡＭの好ましい実施形態の測定されたタイミング（あるいは同等にパス長）の変化対ステッパモータの位置を４ｍｍおよび４００μｍスケールでそれぞれ示している。８つのセグメントの傾斜は非常に類似しているが、図７Ｂに示すように、約１０から２０μｍ相当のオフセットの変化があることに留意されたい。これは、ＣＡＭ５０’が回転角に対して非常に線形であるということと、ＯＣＴシステムにおけるＣＡＭ５０’の適切な使用のために較正される必要があるセグメントからセグメントへのわずかな不具合があることとを示している。必要なオフセットを格納してルックアップテーブルにおいてこれらのカーブの８つ全てが重なるようにし、かつ走査補正ブロックにおいて可変数のブランクピクセルを挿入してこのオフセットを適用することによって、精度はＯＣＴ画像に対して回復され得る。この較正は、工場において一度だけ行われる必要があるか、あるいは実際に使われて自動化された方式で行われることができる。正確なステッパモータに加えて他の較正技術もまた用いることができる。
一実施形態による較正の方法が、図１Ｅを参照して図８に示されている。この方法は、ステップ８０１を含み、ステップ８０１において、プローブモジュール３０がミラーを検知し、走査するように、システム内の精密なステッパステージ上に位置するミラーを置く。次に、ＣＡＭ５０’は、ステップ８０２により、急いで回転する。ステップ８０３では、ＣＡＭ５０’の走査範囲にわたってステッパモータをリニアにステップさせる。ステップ８０４において、時間においてピークの干渉計信号がＣＡＭ５０’の各セグメントについてステッパ位置の関数として記録される。ステップ８０５では、信号対ステッパ位置のカーブが重なるようにするために必要なオフセットを計算し、これを記録する。最後に、ステップ８０６において、ブランクピクセルを挿入してその数を変えることによって、あるいはスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０におけるトリガーパルスを遅延させることによってオフセットを与える。また、ピーク干渉計信号の反転によって記録されるパルスを整数倍して、振幅を補正することができる。
図８に示されているＣＡＭ表面の較正方法をさらに説明する。精密ステッパステージ上に配置されたミラーを試料２５の代わりに用いる。ＣＡＭ５０’を急いでで回転させ、ステッパモータをＣＡＭ５０’の走査範囲にわたってリニアにステップさせる。ＣＡＭの各セグメントについて、ピーク干渉計信号（時間において）をステッパ位置の関数として記録することができる。この技術は、８つのセグメントを有するＣＡＭについて用いられたものであり、詳細は続くセクションで説明する。
図９を参照して、オフセットのみが関連する場合、精密フラット面を走査することができる。この走査の画像が得られて格納され、線対線の相関アルゴリズムを用いて、ＣＡＭのオフセットが計算され、ルックアップテーブルに格納され得る。
したがって、一実施形態による較正方法が、図１Ｅを参照して図９に示される。この方法には、ステップ９０１が含まれており、ステップ９０１ではプローブモジュール３０がフラット面を検知し、それを走査するように、精密フラット面がシステム内に置かれる。好ましくは、このフラット面は、走査領域の中心に名目上置かれる。次に、ステップ９０２によると、ＣＡＭ５０’が速く回転される。そして、ステップ９０４に示すように、ＣＡＭ５０’の各セグメントについて、時間における各縦方向走査のピーク干渉計信号がＣＡＭファセットの番号の関数として記録される。この場合には、各ファセットについて、１つのピークを記録する。このピークは、ファセットの位置と精密フラット面が光学パス長において合致する時間上の点に対応する。各ファセットについて、１つのピークのみを記録する。ステップ９０５において、信号対ステッパ位置のカーブが互いに重なるように、必要なオフセットを計算し、格納する。最後に、ステップ９０６で、スキャンアナライザおよび補正ユニット１６０においてブランクピクセルを挿入し、その数を変えることによって、オフセットが与えられる。
図１０を参照して、ＯＣＴ走査補正および信号処理機構の必要をなくしてＯＣＴ画像の再位置合わせをするように補正され得るＣＡＭ走査機構の不具合の他の分類がある。したがって、オフセット補正のみが必要である実施形態においては、遷移検出器および走査補正処理の必要をなくすことができる。例えば、上述したようにＣＡＭの頂面および底面のマーキングを用い、ＣＡＭセグメント境界５２およびＣＡＭ半径５３に対してマークを正確に置くと、較正の全ては走査のトリガ機構に実質的に埋め込まれ、さらなる処理の必要なく、信号補正プロセッサ１００（図１Ａ）に直接供給することができる。
図１０および図１Ａ〜１Ｅを参照して、これらのマークあるいはfudicialsを実現するために、ステップ１００１によると、ＣＡＭ５０’がモータ１２２に搭載され得、ステップ１０２に示すように、ジグおよびステッピングステージ（図示せず）を介してゆっくりと回され、ＯＣＴあるいは通常使用可能な精密機械面測定機器を用いてＣＡＭファセットの表面５１の位置を測定する。次にステップ１００３によると、ＣＡＭファセットの表面が干渉計２０あるいは同期信号を所望する他の基準から任意の距離にあるときに、ＣＡＭ５０’のフラット面（頂面、底面あるいは側面）が、繰り返しマークするジグを用いてマークされる（例えば線を引かれたり、描かれたりする）。そしてステップ１００４は、ＣＡＭ５０’に次のファセットに回転することを要求し、処理が繰り返される。これにより、各ファセット距離に、較正されるマークがもたらされる。ＣＡＭの好ましい実施形態についてのファセット距離は、ＣＡＭの外の境界における弧の長さの約４倍ゆっくり変化するので、走査位置の正確さはマーキングの正確さよりも４倍高くなる。最後に、ステップ１００５によると、通常の動作の中で、前のステップからの情報がスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０に直接供給される。
これまでの説明では、高解像度ＯＣＴシステムの要件である走査の機械的な不具合をどのようにして補正するかの例を示している。数多くの他の方法を実行することができる。多くの例がＣＡＭという観点において処理を説明したが、いかなる任意のＯＰＳユニットにでもこのような技術を適用することができるのはもちろんである。
図１１を参照して、本発明の一実施形態による他の較正方法は、例えば、ある縦方向の走査から次の縦方向走査への相互相関をとり、オフセット補正を示すものとして最大となる相互相関値を採用する信号処理技術を使用する。これは、図９に示した手順と類似しているが、ミラーや精密フラット面ではなく実際の試料を基準として用いる。上述したように、どのピクセルも調整し、適切な座標系にマップすることができる。本発明のこの観点の１つの重要な特徴は、ＯＰＳユニットの不具合が補正されるとき、ＯＰＳユニットのどのセクションが照明されているかをトラッキングする手段があることである。これは、マーカ検出器８０、Ｍ／Ｒｅｖセンサ、および１／Ｒｅｖセンサ、あるいはこれらの組み合わせ、あるいは同等の方法を用いて、かつリアルタイムで走査の不具合を較正する走査補正処理を用いて行われ得る。このような方法により、高解像度のＯＣＴ画像が表示され、あるいは格納されることが可能となる。
したがって、一実施形態による補正方法は、図１Ｅを参照して図１１に示される。この方法には、ステップ１１０１が含まれ、それにより試料２５が、好ましくは同じスポットにおいて繰り返し走査され、補正されていない走査データがスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０に送られる。次に、ステップ１１０２において、データについて、ある縦方向走査から次の縦方向走査へと相互相関がとられる。ステップ１１０３において、オフセット補正を示すものとして、最大の相互相関値を採用する。最後に、ステップ１１０４において、各ピクセルが調整され、適切な座標系にマップされる。
ＣＡＭの作製
ＣＡＭを作製する方法は様々ある。これらには、まず、多軸ダイアモンド旋回機を用い、第二に蒸気研磨および／あるいは精密（0.0005"）ジググランドベースに厚い金属のオーバーコートを塗布し、第三に、精密ベースに薄いフレキシブル金属ミラーを接着し、第四に精密ベースに対して機械研磨技術を利用することが含まれる。さらに、用いることができる他の方法も当該分野では知られている。１つの付加的な例は、機械加工されたＣＡＭ表面にマイクロレトロリフレクタを接着することである。マスターが一旦作製されると、射出成型技術を用いて必要な許容誤差でＣＡＭを製作することができる。これにより、他の製作技術に比べて、著しいコスト削減となる。また、ＣＡＭは回転軸（すなわち、ＣＡＭの薄い端部）に平行な方向にフラットな面を有している必要はない。つまり、表面は、機械加工工程を簡単にするために、（旋回軸に沿って）わずかに丸くなっていてもよい。これにより、多軸ダイアモンド旋回機において１つの軸がなくなり、射出成型アプリケーションにおいてファセットに斜面を持たせる必要もなくなる。
図１２はＣＡＭ表面５１のあるセグメントの好ましい実施形態を示している。単純にするために、本実施の形態では、入射光がＣＡＭの動きと対向するように移動する座標系を使用するものと仮定する。
Ｐを、入射光がＣＡＭ５０’への光路上で横切る基準点へのベクトルとする。Ｆを、入射光がＣＡＭ表面５１にあたる点を表すベクトルとする。Ｚを、ＣＡＭ５０’が角度θ回転するときの縦方向のパス長の増加を表すベクトルとする。αを、回転角θ＝０のときの入射光とｘ軸との間の角度とする。ＣＡＭ５０’が適切に動作するために、入射光の主光線は、いかなる角度θについてもＣＡＭ表面５１から再帰反射しなければならない。Ｒを、ｘ軸に沿ったＣＡＭの半径５３とする。
精査によって、
【数１】
0004559636.tif 000002
【数２】
0004559636.tif 000003
均一な速度プロファイルについては、Ｚは、θとともにある定数ｋで線形に増加しなければならない。したがって
【数３】
0004559636.tif 000004
【数４】
0004559636.tif 000005
ゆえに、
【数５】
0004559636.tif 000006
【数６】
0004559636.tif 000007
Ｔを、ＣＡＭ表面に対するＦのタンジェントであるベクトルとする。そうすると、
【数７】
0004559636.tif 000008
である。
ＣＡＭ表面５１と交差する光１９５が基準アームに向けて確実に再帰反射されるようにするために、表面のタンジェントＴは光のパスＺに対して直交しなければならない。したがって、ＴおよびＲのベクトルドット積はゼロでなければならず、
【数８】
0004559636.tif 000009
この式を解くと、
【数９】
0004559636.tif 000010
したがって、まとめると、θ＝０におけるパス長の増加、ＣＡＭ表面の輪郭Ｆ、Ｆの大きさ、並びにαとｋとの関係を示す式は、
【数１０】
0004559636.tif 000011
【数１１】
0004559636.tif 000012
【数１２】
0004559636.tif 000013
【数１３】
0004559636.tif 000014
で与えられる。
ＯＣＴシステムにとって重要なＣＡＭシステムの一例として、以下のシステムを説明する（このＣＡＭシステムはこの文書中のどこにでも記載されている）。典型的なポリゴンスキャナモータは、５０００から４５０００ＲＰＭの間で動作する。１５０００ＲＰＭのモータスピードを用いて２ｋＨｚの縦方向の基準アームの走査レートを得るためには、システムは、８ＣＡＭセグメントを要する。すなわち、８＊１５０００／６０＝２ｋＨｚである。これらのポリゴンスキャナシステムは、Ｒ＝１．５”＝３８．１ｍｍのＣＡＭ半径５３を収容することができる。典型的なＯＣＴバイオメディカルイメージングシステムは、約４ｍｍの走査長（データの３ｍｍとエクストラウィンドウの１ｍｍ）を必要とする。したがって、
【数１４】
0004559636.tif 000015
ここで、θの単位は度であり、０°から４５°まで変化する。
一実施形態において、ＣＡＭは中央に０．６２５”の穴と、モータシャフトへの搭載のための３つの０．１２０”のスルーホールとを有するように設計された。約１”の半径で中央から溝が切られ、ＣＡＭのバランスを集めるようエポキシを注入するために用いられた。これは、製作し得るよりも幅広いＣＡＭパラメータの一実施形態にすぎない。ＣＡＭの製作では、以下の条件が満足されることが必須ではないが有用である。
１）  ＣＡＭはほぼ同一のセグメントを有する。
２）  ｚ軸において、ＣＡＭは光学的な精度密に対してなめらかでなければならない（必ずしもフラットでｚ軸に直交する必要はない）。
３）  段差の変わり目での曲面半径は最小にすべきである。
４）  表面は、光学的な精度（例えば、弧に対して〜１波長）に対して、理想的なＣＡＭ表面の輪郭、すなわちＦ（θ，ｋ，α）をたどるように、十分な解像度で切断されるべきである。
５）  ＣＡＭが０°から３６０°まで回転するときの表面上にフォーカスされたスポットについての反射率は、セグメント間の変わり目の近傍を除いて、ほぼ一定でなければならない。
本発明の好ましい実施形態は、ＣＡＭシステムの不具合の影響をリアルタイムで（あるいは非リアルタイムで）較正することに関連していることに留意されたい。アルゴリズムを強度変化を補正するために用いることもできる。例えば、図３は、ＣＡＭ表面５１が合焦していき、焦点から外れていくときに、ＣＡＭの各セグメントを横切ってのパワー変化があることを示している。焦点距離がより長ければ、アライメントの誤差（例えばチルト）に対する感度を増すことによってこの変化は減少される。これらの強度変化は容易に記録できる（あるいは数学的に導かれる）ので、表面の不規則さと類似したようにして較正することができ、またピクセル単位で較正することができる。したがって、好ましい実施形態において、走査補正ブロックは、空間的な解像度の劣化を与える表面の不規則さと、振幅の解像度の劣化を与える強度変化の両方を補正することができる。
他の実施形態
ＯＣＴシステムにおいて用いられるマルチセグメントＣＡＭ表面５１の動作を先に説明した。しかしながら、本発明の他の実施の形態は、回転式のＣＡＭ表面よりもさらに広い素子をも包含する。一般的に、本発明のある好ましい実施形態は、回転運動を、高解像度の高速ＯＣＴイメージングのための光学的なパス長の走査に変換することに関連している。このセクションでは、本発明の他の実施形態を説明する。
図１３Ａおよび１３Ｂは、本発明のある実施形態を示す図であり、ダプルパスの幾何学的構成に配置されている回転素子５０を有する。ダブルパスで回転素子５０を使用することにより、２倍のストロークを得ることができる。ドップラーシフトもまた２倍になり、これを信号プロセッサにおいて考慮しなければならないことはもちろんである。これにより、シングルパスの幾何学的構成に対して試料プローブの走査深度は実質的に２倍になる。ダプルパスの機構は、基準モジュール４０内に置かれるか、図１３Ａおよび１３Ｂに点線で示されるように基準モジュール４０から分けられ得る。ここでは、ダプルパスの２つの実施形態を示している。図１３Ａでは、基準アーム４１からの光５５０は、回転素子５０上にわずかな角度（誇張された角度が示されている）に集光される。光５５０はレンズ５１０に反射され、レンズ５１０が光を平行光化して、ミラー５２０に渡す。光は、ミラー５２０で再帰反射され、回転素子の表面を横切って基準アーム４１に再び戻る。
本実施形態において、信号のパワー損失を最小にするためには、より長い共焦点パラメータを用いることが望ましい。被写界深度がより大きいフォーカスレンズを用いることにより、回転素子の表面が焦点に合ってきて、外れていくときのパワー変化は最小になることに留意されたい。本発明の他の実施形態においては、命令を受けると、ユーザにとってより融通がきくようにするために、回転素子５０上の光ビームがシングルパスからダブルパスに自動的に調整されるように、レンズの位置を調整するための機構が存在する。これは、図１３Ａのフォーカスレンズ５１０上に縦方向の矢印５３０で示されている。
あるいは、図１３Ｂに示すように、他の実施形態はブロック５４０を用いる。ブロック５４０は、ガラスあるいは他の材料であり得、機械的な旋回および手動あるいは自動モータ（ソレノイド）（図示せず）を用いてある場所にめくることができる。ブロック５４０は、所定の場所にあるときにダブルパス動作のためにフォーカスレンズ５１０に入射する光５６０を与えるように、ある角度で配置される。ブロック５４０がないときには、光５６０はレンズ５１０の中心を横切って、シングルパスモードで動作する。この実施形態は、ブロック５４０の角度および長さを選択することで、ブロック５４０を所定の場所に動かすことによって光を正確にもたらすことができるという魅力的な特徴を有している。さらに光５６０は、ブロック５４０の正確な位置決めには比較的感度が低い。ガラスブロック５４０の調整は、ステッパモータ、ソレノイド、電気光学または他の適した手段を介して行うことができる。また、ダブルパスの幾何構成に１つのレンズだけを用いる必要は必ずしもない。
図１３Ｃはダブルパスの他の実施形態を示している。先の実施形態では、一回の反射動作と二回の反射動作との切り替えがレンズの動きに関連した。これは、反射位置での遅延を補償するためのパス長の調整機構を必要とする。図１３Ｃを参照して、他の実施形態は、ファイバカプラ５７０を用いて基準アーム干渉計を２つのパスＲＥＦ１およびＲＥＦ２に分割し、各ファイバ出力１９５Ａおよび１９５Ｂを別々に回転素子５０上に一列に並べることによって遅延を解消する。第一のアームＲＥＦ１は一回反射モードで動作され得、第二のアームＲＥＦ２は回転素子５０の異なる部分に並べられて、ダブルパス反射モードで動作される。シングルパスアームにおける見かけ上の遅延とダブルパスアームにおけるそれとは、（中央で、あるいは走査画像および分散の所定の位置での絶対遅延で）つり合っている。ＯＣＴ機器は、基準アームの一方または他方をブロックするように機械的なシャッターを用いることによって２つの遅延を切り替えてもよい。あるいは、１：２シングルモードファイバ光学スイッチを５０／５０ファイバカプラ５７０の代わりに用いることもできる。後者のアプローチは、基準アーム反射パワーにおいて６ｄＢの損失を解消する。しかしながら、典型的には余剰な基準アームパワーがあるので、性能は弱められない。
図１３Ｄを参照して、本発明の他の実施形態は、異なる走査深度を有する２つ以上の回転素子、例えばＣＡＭ５０Ａおよび５０Ｂを含んでおり、それぞれが他のものの上面に搭載され、同じモータ１２２で駆動される。しかしながら、これらは、図示されているように異なる径を有する必要はない。異なるＣＡＭについての走査スピードが一定に保たれていれば、ドップラー周波数は不変のままにすることができ、したがって、より簡易なレシーバ設計が可能である。また、これは、ＣＡＭ表面の異常を一定にしておくという利点も有している。下表は例を示している。下表中の積は、ドップラーシフトに比例する数である。
【表１】
0004559636.tif 000016
本実施形態では、ＣＡＭ１および２が適当な同期を有している。すなわち、４ファセットＣＡＭの位置センサは、８ファセットＣＡＭについての位置センサを分割することによって読まれ得る。
あるいは、他の実施形態では、干渉計の基準アームは、先に述べたように２つに分割され得る。
簡単にするために、先の説明は主に、ＯＰＳユニット１７５として回転素子５０の具体的な実施形態に関連していた。この説明は、説明された具体的なＯＰＳユニットのいずれにも適用され、あるいは当該分野で知られている他のものにも適用されるのはもちろんである。
図１４Ａは、リニアに平行移動するステージで駆動されるガルバノメータ６００を用い、かつリニアな走査を行うためにカスタムミラー６１０を用いる本発明の他の実施形態を示す図である。今日の市販のＯＣＴ方法の大半は、ガルバノメータの端部に配置された小型レトロリフレクタを用いている。これは２つの問題を有している。第一に、レトロリフレクタは大きくて重く、高速を実現することはできない。第二に、ガルバノメータのシャフトの角運動からレトロリフレクタの変位への変換は線形ではない。ＣＡＭ表面についての上述した数学的処理とほぼ同じ処理を用いることによって、ガルバノメータのミラー表面が、光ビームの再帰反射の条件を維持しつつ、シャフト運動を線形なミラーの平行移動に正確に変換するように得られ得る。これは、標準的な市販の技術に対して、ミラーは質量においてレトロリフレクタよりも小さく、したがって高速を実現することができるという利点を有している。また、回転運動から焦点の変位への変換は線形である。本例において、ミラー６１０は、時間において線形な変位を実現するようにランプ状の波形あるいは三角形の波形で回転される。
今日の最も高速なガルバノメータの多くは、レゾナントガルバノメータであり、時間においてシヌソイドでのみ駆動され得る。これらのガルバノメータは、ドップラートラッキングレシーバがスキャンアナライザおよび補正ユニット１６０において実現されていれば、用いることができる。しかしながら、シヌソイドの角回転から焦点の線形の変位への変換を生成するように異なるミラー表面を用いることができる。つまり、ガルバノメータのシャフトが時間においてシヌソイドで駆動されるとき、再帰反射された光ビームの線形な平行移動が実現される。これにより、ドップラートラッキングレシーバで得ることができるよりも高い全体のＯＣＴシステムの効率が生み出される。具体的には、あるいは同じ信号のパワーについて信号対雑音比あるいは画像のフレームレートでほぼ６倍の向上がみられる。その結果、ＯＣＴシステムのための高速低コストの基準アームの変換器を得ることができる。
図１４Ｂにおいて、ミラーが回転するとき、パス長Ｚは角度において線形に増加し、主光線が再帰反射される。図１２に関して上で説明した式は、図１４Ｂに示すベクトルとともに用いることができる。
図１５は、回転ベルト７２０上に搭載された小型の移動ミラー７１０あるいはレトロリフレクタを用いる本発明の他の実施形態を示す図である。この実施形態は、他の縦方向走査機構の例であるが、高速での非常に大きいストロークの可能性を有している。本実施形態において、基準アーム光ビーム７３０は、一連の小型移動ミラー７１０あるいはレトロリフレクタに導かれる。表面が平行移動すると、ミラー７１０が平行移動され、基準アームパスレングスも平行移動される。この装置は、回転式のモータが素早くミラーを平行移動させることを可能にするように、小型の「コンベアベルト状の」装置上に構成され得る。ミラー間のスペースは、様々なデューティサイクルを実現するように調整することができる。この技術を用いると、最小のデッドタイムで大きな迅速な変位を実現することができる。
図１６は、回転式のヘリカルミラーを用いる本発明の他の実施形態を示している。ここで、基準アームファイバ３５は基準アームモジュール４０に連結されており、光８２０は回転ヘリカルミラー８１０上に集光される。この装置は、旋回ディスク８１０の端部８３０が用いられないことを除いては、ＣＡＭベースの設計と似たようにして動作する。代わりに、旋回ディスク８１０の面８４０が、光の光路長を変えるように用いられる。ＣＡＭについて述べられたものと類似した一群の数式が本実施形態を説明するために得ることができる。ある実施形態において、パス長は回転とともに線形に増加し、集光されるビーム８２０の主（すなわち中央の）光線は、基準アームファイバ３５の方に再帰反射される。示されている単一のセグメントのミラー８１０に加えて、より速いスピードを実現するために複数のセグメントを有するミラーを用いることができる。大半の例において、製作の不具合のために、高解像度を実現するためには走査補正機構が必要である。したがって、もしミラーが複数のセグメントを有していれば、表面におけるマッチングの不具合を、前述したアルゴリズムと類似したアルゴリズムを用いて、リアルタイムで（あるいは非リアルタイムで）較正し、補正することができる。
図１７Ａは、高速の縦方向走査を有するＯＣＴシステムを作成するように、可変屈折率か可変厚さのいずれかを有する回転ディスク９１０を用いる本発明の他の実施形態を示している。ある実施形態において、回転ディスク９１０は透過性である。光は、ディスク９１０を一旦通過した後に用いられることができるが、好ましくは、レンズ９２０およびミラー９３０を用いてディスク９１０を通して反射し返される。あるいは、ディスクは、外部レンズ９２０およびミラー９３０の必要をなくすようにミラー処理された第二の表面９１５を有してもよい。さらに、ディスク９１０は、物理的に可変の厚さか、図１７Ｂに示すように、物理的に一定の厚さおよび角張って可変の屈折率のどちらかを有し得る。他の実施形態では、ディスク９１０は、物理的に可変の厚さと可変の屈折率との両方を有し得る。したがって、いかなる改変においても、ディスク９１０が旋回すると、光路長は変わる。ある実施形態において、ディスクが一定の角速度で回転されると、光路長においてほぼ均一な増加が得られる。
このような設計は、Michelson干渉計とは反対の透過型の干渉計の実施形態（例えばMach/Zehnder干渉計）においても、用いることができる。
他のアプリケーション
本発明の様々な実施形態は、高速のほぼ連続した回転運動をほぼ直線状の縦方向のパス長の動きに変換することに留意されたい。
上述の実施例は、単に例示的なものであり、本発明を限定するようなものではない。本教示は、他のタイプの装置にも容易に適用可能である。本発明は、ＯＣＴの分野外でのいくつもの他の用途を有しており、これにはfemptosecondオプティクスのための光学的な自己相関器、高速ウェーブメータ、レーザレーダ、および他のものが含まれる。この装置はまた、レーザキャビティ（ファブリペローレーザのような）内で、レーザ出力の周波数を素早くかつ滑らかに調整するためにも用いることができる。本発明の説明は、例示的なものであり、請求項の範囲を限定するものではない。多くの代替、修正、および改変が当業者には明らかである。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）はイメージングシステムの一実施形態を示す図である。
（Ｂ）はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
（Ｃ）はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
（Ｄ）はイメージングシステムの他の実施形態を示す図である。
（Ｅ）はマルチセグメントＣＡＭを有するＯＣＴイメージングシステムの一実施形態の概略図である。
【図２】（Ａ）は本発明の他の実施形態による補正前の目標領域のトラッキングの例を示す。
（Ｂ）は本発明の他の実施形態による補正後の目標領域のトラッキングの例を示す。
【図３】  図３は本発明の他の実施形態による８セグメントＣＡＭの測定された反射率プロファイルを示す。
【図４】  図４は本発明の一実施形態による、ＣＡＭのどのファセットがＯＣＴ光による照明にアクティブにさらされているかのトラッキングを行う、マーカ検出器と組み合わせられた１回転に１回のセンサ（１／Ｒｅｖセンサ）を用いる同期方法を示す。
【図５】  本発明の一実施形態による、１／ＲｅｖセンサおよびＭ／Ｒｅｖセンサを用いるシステムの同期方法を示す。
【図６】  本発明の一実施形態による、１／Ｒｅｖセンサのみを用いるシステムの同期方法を示す。
【図７】（Ａ）は８セグメントＣＡＭの実施形態の測定されたタイミング変化（あるいは同等のパス長）対ステッパモータの位置を４００μｍスケールで示す。
（Ｂ）は８セグメントＣＡＭの実施形態の測定されたタイミング変化（あるいは同等のパス長）対ステッパモータの位置を４ｍｍスケールで示す。
【図８】  図８は、本発明の一実施形態による、精密ステッパステージ上に配置されたミラーを用いる光学パスレングススキャニングユニットの較正方法を示す。
【図９】  図９は、本発明の一実施形態による、精密フラット面を用いる較正方法を示す。
【図１０】  図１０は、本発明の一実施形態による、ＯＣＴ走査補正および信号走査補正処理機構の必要をなくす較正方法を示す。
【図１１】  図１１は、本発明の一実施形態による、ある縦方向走査から次の縦方向走査への相互相関を取り、オフセット補正を示すものとして最大の相互相関値を採用する信号処理技術を用いる較正方法を示す。
【図１２】  図１２は、本発明の一実施形態によるＣＡＭ表面の一セグメントの一子形態を示す。
【図１３】（Ａ）は、走査の深度を増加させるために、ダブルパス幾何構成において回転素子を用いる実施形態を示す。
（Ｂ）は、走査の深度を増加させるために、ダブルパス幾何構成において回転素子を用いる他の実施形態を示す。
（Ｃ）は、ファイバカプラに連結された２つの基準アームを用いるダブルパス構成の他の実施形態を示す図である。
（Ｄ）は、異なる走査深度を有し、それぞれが他のものの頂部に載せられている２以上のＣＡＭを用いる本発明の一実施形態を示す。
【図１４】（Ａ）は、線形の平行移動を行うためのガルバノメータおよびカスタムミラーを含む実施形態を示す。
（Ｂ）は、線形の平行移動を行うためのガルバノメータを有するミラーを含む実施形態を示す。
【図１５】  図１５は、回転ベルト上に搭載された小型移動ミラー（あるいはレトロリフレクタ）を用いる本発明の実施形態を示す。
【図１６】  図１６は、回転式ヘリカルミラーの実施形態を示す図である。
【図１７】（Ａ）は、変化する屈折率または厚さを有する回転ディスクを用いる本発明の実施形態を示す。
（Ｂ）は、一定の物理的厚さおよびラジカルに変化する屈折率を有する回転ディスクを用いる本発明の実施形態を示す。
【符号の説明】
２  イメージングシステム
３  ブロードバンド光
２０  干渉計
２５  試料
８０  マーカ検出器
９０  走査補正ユニット
９５  光学パスレングス位置決めユニット
１００  信号補正プロセッサ
１１０  プロセッサ
１５０  検出器ユニット
１６０  スキャンアナライザおよび補正ユニット
１７０  ＯＰＳユニットコントローラ
１７５  光学パスレングススキャニングユニット
【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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【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】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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