(57)【要約】本願発明によるコヒーレンス顕微鏡は、時間的にインコヒーレントな光を供給する光源（１）を備える。その他、この共焦点コヒーレンス顕微鏡は、スプリッタ（３）を備える。このスプリッタ（３）は、光源（１）から供給された光を、サンプル（１３）に導かれてサンプルに反射する測定光と、参照光とに分割する。さらには、重ね合わせ装置（２５、３１）と、センサライン（４１）とを設ける。この重ね合わせ装置は、サンプル（１３）に反射した測定光と参照光とを、空間的に重ね合わせる。センサライン（４１）は、重ね合わせによって生じた光を検出するものであって、少なくとも約６０ＫＨｚの読み出し速度を可能とするように設計されている。このような読み出し速度を得るために、例えばＣＣＤ素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）として与えられるセンサ素子が最大約１０００個配置されて構成される短いセンサライン（４１）、あるいはセンサ素子が最大約５００個配置されて構成される非常に短いセンサライン（４１）を採用することができる。上記の重ね合わせ装置は、測定光と参照光とを放射する放射装置（２５、３１）を備える。この放射装置およびセンサライン（４１）については、センサライン（４１）の少なくとも一部に重ね合わせられた光が照射されるとともに、放射装置（２５、３１）からセンサライン（４１）上のそれぞれの入射点までにおいて、測定光と参照光とが通過した距離の比がセンサライン（４１）上の入射位置に応じて変化するように構成される。
2006510932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間的にインコヒーレントな光を供給する光源（１）と、
光源（１）から供給された光を、サンプル（１３）に導かれてサンプルに反射する測定光と参照光とに分割するスプリッタ（３）と、
サンプル（１３）に反射した測定光と参照光とを空間的に重ね合わせるための重ね合わせ装置（２５、３１）と、
重ね合わせから生じた光を検出するためのセンサライン（４１）とを有して構成されるコヒーレンス顕微鏡であって、
重ね合わせ装置が測定光と参照光とを放射するための放射装置（２５、３１）を備え、この放射装置から放射される重ね合わされた光がセンサライン（４１）の少なくとも一部に照射され、放射装置（２５、３１）からセンサライン（４１）のそれぞれの入射点までに測定光と参照光とが通過する距離の比が、センサライン（４１）上の入射位置に応じて変化するように放射装置とセンサライン（４１）とが配置され、
センサライン（４１）が、少なくとも６０ＫＨｚの読み出し速度を可能とするように形成されていることを特徴とするコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２】
センサライン（４１）が、約１０００個以下のセンサ素子を有して構成されるか、あるいは約１０００個以下のセンサ素子のみ使用するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項３】
センサライン（４１）が、約５００個以下のセンサ素子を有して構成されるか、あるいは約５００個以下のセンサ素子のみ使用するように構成されることを特徴とする請求項２に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項４】
深さストロークが、少なくともコヒーレンス顕微鏡の深さ分解能に相当し、最大Ｎλ／４であり、ここでλは光源（１）から供給される光の波長、Ｎはセンサライン（４１）におけるセンサ素子の個数であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項５】
深さストロークが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項６】
深さストロークが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項７】
深さストロークが、実質的にその深さ分解能に相当することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項８】
測定光を供給する１つの点光源と、少なくとも１つの共焦点絞りと、サンプル（１３）に測定光を合焦させるとともに少なくとも１つの共焦点絞りまたは別の共焦点絞りにサンプルから反射された測定光を合焦させるための顕微鏡光学系（２８）とを有することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項９】
少なくとも１つの共焦点絞りの開口においては、共焦点ゾーンの深さ方向の広がりが実質的にコヒーレンス顕微鏡の深さストロークに相当することを特徴とする請求項８に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１０】
測定光を顕微鏡光学系（２８）に供給する光ファイバ（８）を有することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１１】
光ファイバ（８）がシングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項１０に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１２】
少なくとも１つの共焦点絞りが光ファイバ（８）によって形成されることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１３】
光ファイバ（８）と顕微鏡光学系との間に、整列された光ファイバ束（１００）が配置されることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１４】
少なくとも１つの共焦点絞りが、光ファイバ（８）または光ファイバ束（１００）内の光ファイバ（１０４）によって形成されることを特徴とする請求項１３に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１５】
整列された光ファイバ束（１００）が内視鏡に組み込まれることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１６】
顕微鏡光学系（２８）が内視鏡の遠位端に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１７】
光ファイバ束端面における光学的分解能が、整列された光ファイバ束（１００）内の光ファイバ（１０４）の直径に相当するように、顕微鏡光学系（２８）の開口数および倍率が選択されることを特徴とする請求項１３から請求項１６のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１８】
光ファイバ（１０４）に測定光を供給するための、あるいはサンプル（１３）に反射された測定光を整列された光ファイバ束（１００）内の光ファイバ（１０４）から取り出すための走査装置（３２、１０８）が備えられることを特徴とする請求項１３から請求項１７のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項１９】
走査装置（３２、１０８）と整列された光ファイバ束（１００）の近位端（１０６）との間に光学系（２６）が配置され、この光学系が、光ファイバ束（１００）の近位端（１０６）において、光ファイバ（１０４）に供給される光に対し、その焦点をわずかにずらすように形成されることを特徴とする請求項１８に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２０】
初期設定を実行するために形成された１つの走査装置を有し、初期設定を実行する際に、整列された光ファイバ束の近位端（１０６）において、光ファイバ（１０４）の平均的位置が求められることを特徴とする請求項１８に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２１】
整列された光ファイバ束（１００）内の光ファイバ（１０４）が、その光ファイバ束の近位端（１０６）において直線状に配置されることを特徴とする請求項１８から請求項２０のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２２】
走査装置（３２）が回転可能なポリゴンミラー（１０８）を有することを特徴とする請求項２１に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２３】
横分解能が、整列された光ファイバ束（１００）内の光ファイバ（１０４）の直径におおよそ相当して、最大の深さストロークが得られるように、顕微鏡光学系（２８）の開口数および倍率が選択されることを特徴とする請求項１３から請求項２２のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡。
【請求項２４】
サンプルの走査が走査平面内の所定の方向に沿って行われ、この走査線の向きが調整可能であることを特徴とする請求項１から請求項２３のいずれか１項に記載のコヒーレンス顕微鏡を操作する操作方法。
【請求項２５】
上記の方向の走査線の幅が、所望の分解能あるいは所望の信号強度に適合されることを特徴とする請求項２４に記載の操作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、コヒーレンス顕微鏡、およびコヒーレンス顕微鏡の操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の顕微鏡では、空間的に延びる対象物を鮮鋭に表示するには問題がある。焦点面より上および下にある対象物領域が不鮮鋭に表示されるので、画像鮮鋭度が損なわれる。したがって、空間的に延びる対象物を結像させるために、さまざまな装置および方法が開発されている。
【０００３】
空間的に延びる対象物の鮮鋭な画像を得る１つの方法は、共焦点光学系を結像に用いることである。共焦点光学系を結像に用いる構想は、例えばＵＳ３０１３４６７号明細書に記載されている。それは、例えば小さい穴（Ｐｉｎ  ｈｏｌｅ）を持つピンホール絞りを用いて点状の光源を準備し、その光源の光がサンプルの１つの点に合焦されることに基づくものである。サンプルのこの点から反射された光は、サンプルの点の像である１つの点に再び合焦される。この像の箇所に第２のピンホールを配置し、反射された光を検出する検出器をこのピンホールの背後に配置する。焦点面から来る光だけが、第２のピンホール絞りの箇所で１つの点に結像され、このピンホールを通過できる。しかし、焦点面の前または後でサンプルに反射された光は、第２のピンホール絞りの箇所で１つの円板状の形を有する。したがって、このような光はピンホールを通過できず、その結果、実質的に焦点からの光だけが検出器に達する。したがって、共焦点的な結像によって、空間的に延びる対象物をも鮮鋭に結像することができる。なぜならば、焦点面より上または下にある対象物領域は、結像に寄与しないからである。ピンホールの代わりに、スリット絞りを用いることもできる。この場合、光源はサンプル上に線として、サンプルから反射された光は同じスリット絞り上または別のスリット絞り上に線として、結像される。
【０００４】
共焦点顕微鏡、すなわち共焦点結像に基づく顕微鏡は、例えばＬａｓｅｒ  Ｓｃａｎ  Ｍｉｋｒｏｓｋｏｐｅ（レーザ走査顕微鏡）（ＬＳＭ）として、特に生物学、材料科学、医療診断等の分野で用いられている。術中診断の場合、それに対応する顕微鏡ラスタ法では、迅速性、高分解能性、内視鏡使用のための互換性が特別な課題となっている。この種の方法によれば、例えば胃腸における腫瘍発見のための光学的生検を実現できる。
【０００５】
共焦点レーザ走査顕微鏡と内視鏡との組み合わせは、例えばＹ．Ｓ．Ｓａｂｈａｒｗａｌ他、「Ｓｌｉｔ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃｏｎｆｏｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｅｎｄｏｓｃｏｐｅ  ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｎ−Ｖｉｖｏ  Ｉｍａｇｉｎｇ」、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３４、７１３３〜７１４４ページ（１９９９年）に記載されたレーザ走査内視顕微鏡がある。この器具は、共焦点絞りを用いてサンプル上にレーザビームを結像させ、このレーザビームによってサンプルを２次元的（横方向）に走査し、サンプルから反射された散乱光を撮影する。空間的すなわち３次元的画像を撮影するには、さまざまな深さにおける２次元面が走査される。撮影される面の深さは、サンプル内における顕微鏡焦点面の移動によって調整される。この方法で得られるのは、２次元画像のいわゆるｚスタックである。走査は手動で（不正確性が高く、再現性に乏しい）、または小型化された合焦装置を用いて行われる。この合焦装置は、正確性と再現性に対する高度な要求を満足しなければならず、また小さいサイズしか許されない。このような合焦装置に対する機械的な要求は非常に高度である。したがって、このレーザ走査内視顕微鏡はまだ商用化されていない。
【０００６】
レーザ走査内視顕微鏡の縦方向分解能は、共焦点光学系によって決定される。絞りを用いた共焦点結像によって、縦方向に狭く限定された深さ範囲からの散乱光だけが、検出器に入射するようになる。顕微鏡の縦方向分解能を定める前記範囲の深さのサイズは、絞り板の開口部、例えばピンホール絞りの穴の大きさに左右され、実用の場における前記範囲の典型的数値は１０μｍ未満である。縦方向分解能の改善、すなわち深さ範囲をさらに狭く限定することは、絞り開口部をさらに閉じることによって可能であるが、これには大きな光損失を伴う。レーザ走査内視顕微鏡の欠点は、ｚスタック撮影に必要な走査時間が長いこと、および感光性が弱いことである。レーザ走査内視顕微鏡の光ファイバ束の透過性が一般的に小さいことによって、また光学面における迷光反射によって、光感度は損なわれる。
【０００７】
共焦点結像の原理によることなく空間的に延びる対象物を結像するための代替方法としては、ＤＥ１９９２９４０６号明細書に記載された光学的コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を行う装置が挙げられる。この装置は、実質的にインコヒーレントな光を供給する光源、並びに測定光と参照時点においてこの測定光にコヒーレントである参照光とをインコヒーレントな光から生じさせるためのビーム発生装置を有して構成される。この測定光によって、サンプルが照射される。サンプルから反射された光が取り込まれ、参照光と空間的に重ね合わされる。光源からの光は時間的にインコヒーレントであるために、重ね合わせの際、測定光と参照光との光学的波長が実質的に同一である場合にのみ干渉現象が生じる。したがって、参照光の光学的波長が様々に異なると、対象物の異なる深さで反射された測定光との間でそれぞれ干渉現象を生じる。このように参照光のさまざまな光学的波長を、サンプル内で測定光の反射を生じる深さと関連付けることで、サンプルの深さプロフィールを作成することができる。
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ３０１３４６７号明細書
【特許文献２】ＤＥ１９９２９４０６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の機器の欠点は、これらの機器によっては光学的生検を所望の形態で行うことができないことである。
【００１０】
したがって本願発明の課題は、従来の技術よりも有利な方法を用いて、光学的生検を行うことができる装置を提供することである。本願発明のもう１つの課題は、その種の装置を操作する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の課題は請求項１に記載されたコヒーレンス顕微鏡によって、また第２の課題は請求項２４に記載された操作方法によってそれぞれ解決される。本願発明のその他の発展形態が、それぞれ従属請求項に記載されている。
【００１２】
本願発明のコヒーレンス顕微鏡は、時間的にインコヒーレントな光を供給する光源を備える。この場合、可干渉距離が適切な短かさである光源は、いずれも時間的にインコヒーレントな光源と見なすことができる。その他、コヒーレント顕微鏡は、光源から供給された光を、サンプルにより反射される測定光と、参照光とに分割するスプリッタを備える。さらには、サンプルにより反射された測定光を参照光と空間的に重ね合わせるための重ね合わせ装置と、その重ね合わせの結果得られた光を検出するセンサラインとを備える。このセンサラインは、少なくとも約６０ｋＨｚの読み出し速度を可能とするように形成される。このような読み出し速度を得るために、例えばＣＣＤ素子（ＣＣＤ：Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）として与えられるセンサ素子が最大約１０００個という短いセンサライン、あるいはセンサ素子が最大約５００個という非常に短いセンサラインが採用される。この重ね合わせ装置は、測定光と参照光とを放射するための放射装置を備える。この放射装置に対して、センサラインは、重ね合わされた光による照射がセンサラインの少なくとも一部に広がりを持つように配置される。また、放射装置からセンサラインのそれぞれの入射点までにおいて測定光および参照光が通過する距離の比が、センサラインに沿ってそれぞれの入射位置に応じて変化するように配置が為される。
【００１３】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡は、以下の考えに基づく。
従来の技術による光学的生検を行うにあたっての主たる障害は、ｚスタック撮影のための撮影時間が長いことである。
【００１４】
ＬＳＭにおいて、上記の障害は、ｚスタック撮影のために、サンプルを何回も種々の異なる深さで走査する必要のあること、また深さを変える毎に顕微鏡光学系の焦点面を新たに調整しなければならないことに起因する。この調整には光学要素の機械的な駆動を必要とし、所望の速度でこれを行うことは困難である。また光学的生検のためには、高い横分解能だけでなく、高い縦分解能も要求される。しかし、高い縦分解能は絞り開度を小さくする必要があり、その結果大きな光損失を生じる。
【００１５】
ＬＳＭにおいてもスタンダードＯＣＴにおいても、サンプルのさまざまな深さから画像情報を得るために、機械的駆動が必要である。この種の機器では、測定光と参照光との干渉を用いて深さ測定が行われる。この場合、画像情報が得られる深さは、参照光が検出器に到達するまでに通過した距離から求められる。この距離は、通常、変位可能な鏡で参照光を反射することによって変化する。したがって画像情報を得る深さを変えるには、鏡の位置を機械的に変える必要があり、これはＬＳＭにおける光学要素の駆動と同様、所望の速度で行うことは困難である。
【００１６】
ＤＥ１９９２９４０６号明細書に記載されるいわゆる走査型ＯＣＴは、スタンダードＯＣＴとは異なり、画像情報を生じたサンプル深さを求めるのに、変位可能な鏡を必要とはしない。この機器では、重ね合わせ装置からセンサラインへ放射させる参照光が通過する距離が、センサラインにおける光の入射位置に応じて変化する。したがって、サンプル深さは、この機器において、重ね合わされた光のセンサラインにおける入射位置に基づいて、すなわちデータが読み出されたセンサ素子の位置に基づいて求められる。したがって、鏡の機械的な駆動は不要である。
【００１７】
走査型ＯＣＴにおけるセンサラインとして、データの読み出しを例えば約６０ｋＨｚ以上の高い読み出し速度で行えるようなものを選択すれば、光学的生検に必要な撮影時間の短縮を実現することができる。現在、センサラインは、所望の読み出し速度を有するものとして、１２８〜１０２４個のセンサ素子からラインが形成されるものが市販されている。したがって、センサラインとしては、センサ素子が約１０００個を超えない短いラインが望ましい。特に、非常に高い読み出し速度を得たい場合には、センサ素子が約５００個を超えない非常に短いセンサラインを採用するのが好ましい。
【００１８】
しかし、短い、あるいは非常に短いセンサラインの使用は、必ずしも必要とは限らない。その代わりに、長いセンサライン、すなわちセンサ素子が１０００個以上のセンサライン、例えばセンサ素子が２０４８個または４０９６個のものを採用することも可能である。この場合、センサラインの一部だけを照射してデータを読み出すことによって、すなわちセンサラインで実際に使用されるセンサ素子を使用可能なセンサ素子よりも少なくすることによって、高い読み出し速度が得られる。例えばセンサ素子２０４８個から成るセンサラインを用いる場合には、好ましくはそのラインのなかで約１０００個のセンサ素子にのみ光を照射してデータを読み出すものとする。さらに好ましくは、センサ素子約５００個にのみ光を照射してデータを読み出すものとする。
【００１９】
この明細書または特許請求の範囲において、センサラインについて「長さ」という用語を用いる際には、ラインの実際の長さを意味するものに限定されるものではなく、センサラインのなかで実際に使用されるセンサ素子から成るラインの長さをも意味するものとする。センサラインの実際の長さは、使用されるラインの長さよりも勿論長いことになる。
【００２０】
短いセンサラインを採用することにより、また深さ方向の走査を行うために駆動される部品を省けることにより、光学的生検に必要な撮影時間を短縮することが可能となる。
【００２１】
撮影時間が短いだけでなく、本願発明によるコヒーレンス顕微鏡は、従来の技術と比較して特に以下の諸点において優れている。
【００２２】
１）レーザ走査顕微鏡（ＬＳＭ）と比較して、このコヒーレンス顕微鏡は、信号感度がはるかに高い点で優れている。この検出原理は、ＯＣＴの場合のように、振幅の測定に基づくものであって、輝度に基づくものではないからである。したがって、検出の動的な範囲は、古典的な光学顕微鏡より複数桁大きくなる。この事情は、低い信号レベルで動作する共焦点光ファイバ顕微鏡を使用する場合に、特に有利である。
【００２３】
２）コヒーレンス顕微鏡の信号感度がより高いことは、共焦点光ファイバ顕微鏡法で用いられる場合に、光ファイバＬＳＭと比較して、透過率の高い領域のみならず、光学密度の高い領域もより良好に検出できるという利点を有するものである。この特性は、光学的生検にとって好適なものである。
【００２４】
３）レーザ走査顕微鏡の古典的な動作形態とも、また古典的なＯＣＴとも異なって、本願発明のコヒーレンス顕微鏡は、横方向のサンプル平面（ＸＹ平面）のいずれの点においても、高い速度をもって、完全な縦方向走査（ｚ走査）を静的に実行することができる。したがって、ｚスタックの撮影は、サンプル深さが典型的な深さとして１００μｍであるときは不要である。
【００２５】
４）前記第３項で挙げた完全なｚ走査を実行することに基づく静的撮影が有する利点によって、走査プロセスの単純化が可能となる。完全なＸＹ走査（いわゆるＡ走査）の代わりに、サンプルをＸＹ平面上の所定の方向に沿っても走査できるようになる。すなわち、Ｘ方向に沿ってのみの走査が可能となる。走査方向については、その方向および「幅」が調整可能であり、場合によっては内視鏡に組み込まれている顕微鏡光学系の新たな位置決めを必要としない。これにより、病理学者には、所望の方向における断面が得られて、非常に迅速な光学的生検が可能となる。この直線状の走査線の幅は、特に所望の分解能および／または所望の信号強度に適合させることが可能である。
【００２６】
本願発明による光学的コヒーレンス顕微鏡を用いて、測定光と参照光とを重ね合わせることで、測定可能な深さの範囲、すなわち光の重ね合わせから得られるプロフィールの深さ方向のサイズを、本願明細書では深さストロークと称する。この深さストロークは、深さ分解能とは独立の関係にあり、センサラインにおけるセンサ素子の個数、用いる光の波長、干渉信号の周期に対応するセンサ素子の個数によって決定される。
【００２７】
特に、光源から供給される光の可干渉距離によって決定されるコヒーレンス顕微鏡の分解能に少なくとも相当する深さストローク、最大でＮλ／４に相当する深さストロークを持つ顕微鏡として、本願発明によるコヒーレンス顕微鏡は形成される。ここでλは光源から供給される光の波長、Ｎはセンサラインにおけるセンサ素子の個数、または使用されるセンサ素子の個数である。この場合、Ｎλ／４は、Ｎ個のセンサ素子を有するセンサライン、またはＮ個のセンサ素子が使用されるセンサラインが、波長λの光を用いた場合に標本抽出理論を満足する、最大の深さストロークである。
【００２８】
典型的には、この深さストロークは約１００μｍの範囲とする。但し、それ以下、例えば２０μｍ以下としてもよい。また、コヒーレンス顕微鏡の深さ分解能の範囲とすることも可能である。深さストロークが小さくなるほど、使用されるセンサラインが短くなり、画像を撮影するための撮影時間を短くすることが可能となる。
【００２９】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡を用いれば、約１００μｍの深さストロークにわたって、ｚスタックを撮影する必要なしに、１０μｍの深さ分解能を実現することが可能である。このために、サンプル走査のための走査時間を大幅に短縮することができる。
【００３０】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡に係る１つの有利な実施の態様は、測定光を供給する１つの点光源と、少なくとも１つの共焦点絞りとを有して構成される。この点光源は、少なくとも１つの共焦点絞りによっても形成することが可能である。その他、１つの顕微鏡光学系を設けて、サンプル上に測定光を合焦させ、またこのサンプルから反射された測定光を上記の少なくとも１つの共焦点絞りに合焦させるものとし、この絞りは場合によっては同時に点光源を形成することが可能である。あるいは、この顕微鏡光学系の代わりに、もう１つの共焦点絞りを設けることも可能である。後者の場合の共焦点絞りは、ピンホール板またはスリット板だけでなく、共焦点的に配置されたあらゆる光学要素であって、かつ何らかの開口ないし開口数を持つものをいう。
【００３１】
従来のＯＣＴ技術においては、調査されるべきサンプルの深さ範囲外から発生する散乱光が、深さ測定の障害となっていた。このような散乱光は、本願発明のコヒーレンス顕微鏡では共焦点絞りによって削減される。この場合の共焦点性は、横分解能を向上するために、あるいは鮮鋭に境界を区切られた部分領域における測定を可能にするためには用いられてはいない。したがって、平均的または大きな開口ないし開口数（ＮＡ＝０．１〜０．５）で動作させることが可能となり、これらの開口ないし開口数を有することで望ましくない散乱光を遮断するとともに、細胞より小さい構造を検出できる高度な横分解能を得ることができる。
【００３２】
好ましくは、少なくとも１つの共焦点絞りの開口として、コヒーレンス顕微鏡の深さストロークがその顕微鏡における共焦点ゾーンの深さ方向のサイズにおおよそ相当するような開口を選択するものとする。
【００３３】
また、本願発明に係る一つの実施の態様では、測定光を顕微鏡光学系に導く光ファイバを設ける。光ファイバと顕微鏡光学系との間には、好ましくは走査装置をさらに設ける。上記の少なくとも１つの共焦点絞りは、この場合光ファイバで形成することができる。光ファイバとしてシングルモード光ファイバを用いるならば、測定光が通過する光路長を高い精度で特定することができる。
【００３４】
また、本願発明に係る一つの実施の態様では、光ファイバと顕微鏡光学系との間、好ましくは走査装置と顕微鏡光学系との間に、整列された光ファイバ束を組み込む。この場合、上記の少なくとも１つの共焦点絞りは、光ファイバまたは光ファイバ束内の光ファイバによって形成することができる。本願発明のコヒーレンス顕微鏡を用いる場合、ｚスタックの撮影は不要なので、光ファイバの遠位端において機械的に駆動されるエレメントは不要となる。同様に、遠位端において、合焦装置の追加も不要となる。
【００３５】
また、本願発明に係る一つの実施の態様では、整列された光ファイバ束を、内視鏡に組み込む。この場合、内視鏡の遠位端には、拡大光学系を設ける構成としてもよい。この光学系の開口数は、光ファイバ束端面における光学的分解能が、その光ファイバ束内の光ファイバの直径に相当するような開口数を選択するものとする。
【００３６】
また、本願発明に係る一つの実施の態様では、光ファイバに測定光を供給するために、および／またはサンプルに反射された測定光を光ファイバから取り出すために、１つの走査装置を設ける。この走査装置と、整列された光ファイバ束の近位端との間に、１つの光学系を設ける。この光学系は、光ファイバに供給される光に対し、光ファイバ側の近位端でわずかに焦点をずらすように作用する。このような方法で、光供給の際にいずれの単一ファイバにも同じ状態で良好に光を入射することが保証される。別な方法としては、初期設定を行うよう形成された走査制御装置を設け、初期設定の際に、整列された光ファイバ側の近位端で、光ファイバの平均的位置を求め、光供給を改善することが可能である。
【００３７】
また、本願発明に係る一つの実施の態様では、整列された光ファイバ束内の光ファイバが、光ファイバ束の近位端で互いに直線状に並んで配置される。この態様によって、非常に高い走査周波数での走査が可能となる。同時にこの態様では、ただ１つの可動型走査エレメントによる面的な走査を可能とする。この走査装置には、可動型エレメントとして、回転可能なポリゴンミラーを設けることができる。
【００３８】
光ファイバ束の近位端における上記のような光の供給および取り出し、並びに光ファイバ束の近位端における直線状の配置については、本願発明のコヒーレンス顕微鏡だけでなく、光ファイバ束に光の供給ないし取り出しを行うその他の機器にも適用可能である。
【００３９】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡における開口数および顕微鏡光学系の倍率としては、横分解能が整列された光ファイバ束内の光ファイバの直径におおよそ相当するとともに深さストロークの最大値が得られるような、開口数と倍率を選択するのが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本願発明のその他の特徴、特性および利点は、添付の図面を引用して以下に行う実施の形態の詳細な説明に基づき、当業者には容易に理解されよう。
【００４１】
まず図１により、本願発明のコヒーレンス顕微鏡の構造原理を説明する。この顕微鏡は、時間的にインコヒーレントな光を供給する光源１と、その光を参照光と測定光とに分割するスプリッタ３と、スプリッタ３から参照光が供給され、該ビームが定められた経路を通過する参照分岐路５と、スプリッタから測定光が供給され、測定光がそこを経由してサンプル１３に導かれる測定分岐路７と、サンプルに反射された測定光が、参照分岐路５から来る参照光と重ね合わされ、重ね合わされた光が検出される検出器９とを有して構成される。
【００４２】
光源１は広帯域光源であって、実質的に時間的にインコヒーレントな光を供給する。この実施の形態では光源１としてＬＥＤを用いる。また、その他の光源を用いることも可能である。ただし、この光源は、例えば短い光パルスを供給するレーザのように、予め定められた数値を上回らない可干渉距離を有する光を供給するものとする。光源１の可干渉距離は、このコヒーレンス顕微鏡の深さ分解能を決定する。この顕微鏡は、光源１に加えて、例えばレーザダイオードとして与えられるレーザ光源１５を備える。このレーザ光源は、例えば人間の目に見える周波数領域で、時間的にコヒーレントな光を供給する。レーザ光源１５から出力されるレーザ光は、ＬＥＤ１から供給される不可視領域の光のビーム経路を追跡するのに役立つ。そのために、このレーザ光は、ミキサ１７においてＬＥＤ１から出力される光と混合される。ミキサ１７から出力される光の９０％はＬＥＤ１から出力される光から供給され、１０％はレーザ光源１５から出力される光から供給される。当然のことながら、これ以外の混合比も可能である。ミキサ１７から出力される光は、スプリッタ３によって、９０％が測定分岐路７に供給され、１０％が参照分岐路５に供給される。当然のことながら、これ以外の分離比も可能である。
【００４３】
参照分岐路５では、参照光が参照光導波路６に供給され、光学系１８を経由して鏡１９に導かれる。鏡１９は参照光を反射する。反射された参照光は、光学系１８から再び参照光導波路６に供給される。ミキサ２１はこの反射された参照光を、スプリッタ３から来る参照光と５０：５０の比で混合し、このように処理された光を、検出器９につながる一方の参照光導波路２３に供給する。この参照光導波路２３は、参照光を参照光分岐路５のビーム出口２５に導く。この参照光導波路２３は、好ましくはシングルモード光ファイバから形成される。
【００４４】
測定光は、測定分岐路７に配置された測定光導波路８を経由して、走査装置３２に導かれる。測定光は、この走査装置３２によって顕微鏡光学系２８に向けられる。この顕微鏡光学系２８は、この測定光の焦点をサンプル領域に合わせる。この走査装置３２は、１つの軸を中心に旋回して測定光をＸ軸方向に偏向させる検流計ミラー３３と、１つの軸を中心に旋回して測定光をＹ軸方向に偏向させる検流計ミラー３５とを備える。各検流計ミラー３３、３５の回転の中心となる軸は、好ましくは互いに垂直に配置されるものとするが、任意の角度を取ることもできる。ただし、互いに平行とすることはできない。１つの走査制御装置（ここには図示しない）により、この検流計ミラー３３、３５を、サンプル領域を横方向に順次１ステップずつ走査するように制御する。この場合、いずれの走査ステップでも、サンプル１３に反射された光が顕微鏡光学系２８に取り込まれ、走査装置３２を経由して測定光導波路８に再び導かれる。
【００４５】
測定光導波路８の開口数ＮＡは、コヒーレンス顕微鏡の点光源および共焦点絞りに関連して与えられる。この開口数と、顕微鏡光学系の倍率は、次のようなものを選択するのが好ましい。すなわち、顕微鏡の横分解能が、光ファイバの直径（１〜１０μｍが典型的）におおよそ相当し、軸方向鮮鋭範囲の最高値が得られるようなものを選択する。光ファイバの開口数が例えばＮＡ＝０．１８であるならば、軸方向の鮮鋭範囲は４λ／ＮＡ２＝１００μｍであり、横分解能として０．５λ／ＮＡ＝２．２μｍが得られる。
【００４６】
測定光は、測定光導波路８を経由してミキサ２７に導かれる。このミキサ２７は、サンプルに反射された測定光と、スプリッタ３から来る測定光とを５０：５０の比で混合する。このように処理された測定光は、ミキサ２７からもう１つの測定光導波路２９（好ましくはシングルモード光ファイバにより形成）に供給される。この測定光導波路２９は、この測定光を測定分岐路７のビーム出口３１に導く。
【００４７】
参照分岐路５および測定分岐路７のビーム出口２５、３１からは、参照光と測定光とが、光円錐３７、３９の形で、検出器９のセンサラインであって走査することでセンサ面として機能するＣＣＤライン４１に向けられる。両者のビーム出口２５、３１は互いに間隔を取って配置されているので、両者の光円錐は部分的に重なり合い、同時にＣＣＤライン４１の部分領域４３に照射される。この実施の形態では、ＣＣＤライン４１は５１２画素を有し、これらの画素の概ね全てが、重なり合った光により照射される。ＣＣＤライン４１の１つの画素に到達するまでに測定光の通過した距離が、ＣＣＤライン４１の同じ画素に到達するまでに参照光の通過した距離に等しい場合に、干渉現象が発生する。参照光がビーム出口２５からＣＣＤラインの各点に到達するまでに通過する行程長さが分かれば、ＣＣＤライン４１の各点に対して、サンプル１３内部の深さをそれぞれ割り当てることができる。この深さで反射された測定光のみが、ＣＣＤライン４１の割り当てられた点で参照光と干渉する。
【００４８】
ここでは図示されない読み出しユニットによりＣＣＤラインからデータを読み出し、読み出したデータを（図示しない）評価ユニットに転送する。この評価ユニットは、画素に入射する測定光に基づいて、サンプル深さに対応する画素を特定する。データ読み出しが実行される画素の個数が比較的少ないため、ＣＣＤラインの読み出しは高い読み出し速度で行うことができる。
【００４９】
上記の実施の形態では、この高い読み出し速度を、次の場合にも得ることができる。例えば、５１２画素を有するＣＣＤラインの代わりに、画素を１０２４以上持つＣＣＤラインを用い、これらの画素のなかで約５００画素のみについて、重ね合わされた光を照射してデータを読み出す。
【００５０】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡が優れているのは、サンプルのある特定の深さにおいて、軸方向への広がりを有する立体物を、共焦点顕微鏡光学系の鮮鋭な深さの範囲で測定する点である。サンプルは横方向を面として走査されるので、非常に高いデータ転送速度が得られる。したがって、システム全体を迅速なデータ収集のために設計、最適化すべきであろう。そのために必要なＣＣＤラインの読み出し速度を、以下に見積もる。
【００５１】
コヒーレンス顕微鏡の深さストロークΔｚは、下記の式で与えられる。
Δｚ＝Ｎλ／２Ｐ
ここでＮはＣＣＤラインの画素数、λは光源の波長（８００ｎｍが典型的）、Ｐは干渉信号の周期あたりの画素数である。標本抽出理論を満足するには、１周期あたりの画素数を少なくともＰ＝２とすべきであろう。この配置をレーザ走査顕微鏡と比較するならば、取り込まれる像点の横方向（Ｘ、Ｙ）における個数は、典型的な個数として、２５０×２５０＝６２５００とすべきであろう。したがって３Ｄ画像周波数が１Ｈｚの場合、このＣＣＤラインについては、水平走査周波数６２．５ｋＨｚでデータを読み出さなければならない。このＣＣＤラインの長さは、深さストロークΔｚ＝１００μｍ、１周期あたりの画素数が２の場合、Ｎ＝５００となる。深さストロークがこれより小さい場合、１周期あたりの画素数を２より大きくすることができ、ラインを長くする必要がなくなる。また、異なる方法として、深さストロークが小さくても１周期あたり画素数をそのまま維持し、その代わりにＣＣＤラインの長さを小さくすることもできる。１周期あたりの画素数は、すでに述べたように少なくとも２であり、ラインが不必要に長くなるのを避けるには、最大でも４とすべきであろう。
【００５２】
この深さ分解能は、本願発明のコヒーレンス顕微鏡の場合、ＯＣＴと同様に、光源１の可干渉距離によって決定される。いずれの光源も、特定の時間的スパンにわたって、すなわちコヒーレンス時間にわたって、コヒーレント光を放射する。コヒーレンス時間の非常に短い光源は、この場合時間的にインコヒーレントな光源と見なされる。コヒーレンス時間は、可干渉距離に換算できる。それぞれの光線の通過した距離の差が可干渉距離より小さい場合に、光線が互いに干渉することが可能である。したがって、可干渉距離が短いほど、測定光と参照光とを干渉可能にするためには、測定光と参照光とが通過した行程長さを正確に一致させる必要がある。すなわち、この距離の差は、可干渉距離より小さくなければならない。したがって、可干渉距離を短くすれば、測定光が反射された深さ範囲の検出が正確になり、それにより顕微鏡の深さ分解能の改善が可能となる。通常用いられるインコヒーレントな光源の可干渉距離を用いれば、１０μｍの深さ分解能が得られる。最新の光源を用いれば、１μｍ以下の分解能を実現することが可能である。好ましくは、このコヒーレンス顕微鏡の深さ分解能を２０μｍ以下とするのが好適である。さらに、１０μｍ以下、特には１μｍ以下とするのが好適である。深さ分解能については、コヒーレンス顕微鏡の所望の用途に応じて決めることができる。
【００５３】
検出器の構造、およびＣＣＤラインから検出された輝度に基づく深さプロフィールの検出と測定については、ＤＥ１９９２９４０６号明細書に記載されており、これらの技術内容については、その開示内容を参照されたい。
【００５４】
このコヒーレンス顕微鏡によれば、光を散乱するサンプル１３の体積ΔＸ、ΔＹ、ΔＺを、横方向（Ｘ、Ｙ）および軸方向（Ｚ）に高い分解能で測定することができる。サンプル１３は、共焦点レーザ走査顕微鏡と同様に、共焦点顕微鏡光学系によって走査される。しかし、本願発明のコヒーレンス顕微鏡が共焦点レーザ走査顕微鏡と異なるのは、共焦点性が、横分解能を上げるために、あるいは鮮鋭に境界を区分された深さ範囲（＜１０μｍ）で測定を可能にするためには、利用されないことである。共焦点性は、測定されるサンプル範囲の外部から侵入する迷光を低減するためだけに用いられる。
【００５５】
本願発明のコヒーレンス顕微鏡、特に走査装置３２について、上記と異なる実施の形態では、検流計ミラー３３、３５の全体または一部を、他の走査エレメント、例えば回転可能なポリゴンミラーに代えることができる。
【００５６】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡の第２の実施の形態を、図２に示す。第１の実施の形態と異なる点は、走査装置３２と顕微鏡光学系２８との間に、合焦レンズ２６と整列された光ファイバ束１００が設けられることである。この光ファイバ束は、好ましくは、シングルモードファイバである多数の光ファイバから構成される。
【００５７】
整列された光ファイバ束１００を経由して、測定光が顕微鏡光学系２８に導かれる。測定光は、光ファイバ束１００内の光ファイバの近位端１０６に、合焦レンズ２６を経由して導かれる。測定光は、このレンズによって、光ファイバの入射面に合焦される。この場合、第１の実施の形態と同様に形成されている走査装置３２によって、測定光は合焦レンズ２６に向けられ、光ファイバ束１００内の選択された光ファイバの近位端に合焦される。（図示されない）走査制御装置により走査装置３２の検流計ミラー３３、３５が制御され、測定光が光ファイバ束のすべての光ファイバに、または少なくともその定められた一部の光ファイバに順次導かれる。
【００５８】
整列された光ファイバ束１００における個々の光ファイバの近位端への測定光の供給については、最高の走査速度により個々の光ファイバへの最適な供給が為されるように、幾つかの方法を用いて改善が図られている。
【００５９】
多大なコストをかけずに供給改善を実現する方法としては、光ファイバ束１００に供給するべき光ビームを、合焦レンズ２６によって完全には合焦させず、わずかに焦点を外すことである。こうして光ビームを供給したい光ファイバの端面部では、焦点を外された測定光の面が、光ファイバの入射面より若干大きくなる。このようにして、個々の光ファイバのいずれにも、同様に良好に光が当たるようになる。しかし、この焦点を外す方法には信号損失が付随するので、あらゆる用途に受け入れられるわけではない。
【００６０】
供給を改善するもう１つの方法としては、光ファイバ束１００のいずれの単一光ファイバにも、走査する光ビームが最適に当たるように、走査装置３２を制御することである。走査装置の調整が最適であるか否かが、初期設定段階において、それぞれの単一光ファイバについて確認される。初期設定段階では、例えば光ファイバ束の近位端１０６が１つのラスタとして走査される。このラスタは、単一光ファイバの近位端の配置から得られるラスタよりも精緻である。光ファイバ束１００の近位端１０６を走査する際に生じる反射については、単一光ファイバが埋め込まれている周囲材料から反射される光よりも、単一光ファイバから反射される光のほうが強い。したがって、この反射光を測定することにより、単一光ファイバの正確な位置を求めることができる。これにより、初期設定段階で求められた位置を用いて、走査制御装置による制御を行うことができる。単一光ファイバの反射光が周囲材料の反射光よりも強いことにより、これらの反射をデータ収集の同期に用いることも可能である。
【００６１】
光ファイバ束の遠位端１０２には、共焦点顕微鏡光学系２８が設けられる。この光学系２８によって、光ファイバ束１００内の光ファイバから放射された測定光がサンプル１３で焦点を合わされる。サンプル１３から反射された測定光は、顕微鏡光学系２８によって、光ファイバ束１００内の光ファイバのなかで、測定光が放射された光ファイバの遠位端で再び焦点が合う。光ファイバの遠位端における開口は、この場合点光源だけでなく、共焦点光学系の共焦点絞りをも表すものとする。この実施の形態でも、顕微鏡光学系２８の開口数および倍率としては、次のようなものを選択するのが好適である。すなわち、この顕微鏡の横分解能が、光ファイバの直径（１〜１０μｍが典型的）におおよそ相当し、最大の軸方向鮮鋭範囲が得られるような開口数および倍率とする。
【００６２】
第２の実施の形態では、共焦点絞りを、光ファイバ束１００内の単一光ファイバの開口数によってではなく、測定光導波路８の開口数によっても与えられるものとすることができる。
【００６３】
サンプル１３に反射された測定光は、光ファイバ束１００および走査装置３２内の検流計ミラー３３、３５を経由して、測定分岐路７に配置されたミキサ２７に導かれる。このミキサ２７は、サンプル１３に反射された測定光と、スプリッタ３から来る測定光とを、５０：５０の比で混合する。このように処理された測定光は、好ましくはシングルモード光ファイバである測定光導波路２９に供給され、この測定光導波路２９が測定光を測定分岐路７のビーム出口３１に導く。測定光と参照光との重ね合わせ、並びに重ね合わされた光の検出については、第１の実施の形態と同様に行う。
【００６４】
走査装置３２と光ファイバ束１００とに係る他の実施の形態を、図３を引用しながら説明する。光ファイバ束１００は、その遠位端１０２において、単一光ファイバ１０４の配置として、通常用いられているようにほぼ六角形の配置形態を有する。しかし、通常の光ファイバ束と異なるのは、単一光ファイバ１０４が、光ファイバ束１００の近位端１０６において、ライン１０５の形態に配置される点である。この光ファイバ束１００が、例えば５００００本の単一光ファイバを含み、これら単一光ファイバが４μｍの間隔で直線状に配置されているならば、このライン１０５のサイズは２０ｃｍとなる。
【００６５】
光ファイバ束１００の近位端１０６において、光ファイバライン１０５を走査する走査装置３２は、多数の反射性ポリゴン面１１０を有する回転可能なポリゴンミラー１０８を備える。このポリゴンミラーの回転軸は、光ファイバラインの向きに垂直に配置される。反射性ポリゴン面１１０によって、測定光は、ライン１０５に沿ってそれぞれの単一光ファイバ１０４の方へと向きを変える。光ファイバライン１０５に対するポリゴンミラー１０８の配置については、ポリゴンミラー１０８が完全に１回転する間に、ポリゴンミラー１０８が有するポリゴン面１１０の個数と同じ回数だけ光ファイバライン１０５が走査されるような配置を選択する。光ファイバ束１００の近位端１０６をライン状の形状とすることにより、すなわち単一光ファイバが直線状に配置されることにより、面走査の新しい方法が可能となる。この場合、面走査を実行する測定光はただ１方向にだけ向きを変えられる。ポリゴンミラー１０８を用いるライン走査によって、非常に高い走査周波数を実現できる。
【００６６】
このコヒーレンス顕微鏡によれば、縦方向走査（Ｚ走査）を行うことなく、ＸＹ平面のあらゆる点で、完全な深さプロフィールを撮影可能である（いわゆるＡ走査）。わずかの深さ範囲を撮影するだけでよいサンプルに対しては、短いＣＣＤラインを用いることができる。また、長いＣＣＤラインであっても、深さ範囲に応じてＣＣＤラインの一部分を読み出せばよい。この読み出しを行うＣＣＤラインが短かければ、Ａ走査を実行する際、高いライン周波数で読み出すことが可能となる。したがって、このような走査を実行する際、非常に高い測定速度が得られる。
【００６７】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡によって、走査プロセスの単純化が可能となる。完全なＸＹ走査、例えば内視鏡を用いるような走査に代えて、サンプルをＸＹ平面上のＸ方向のみに沿って走査を行うことができる（いわゆるＢ走査）。このＸ方向は、光学系例えば内視鏡の新たな位置決めを必要とすることなく、どの方向をもってＸ方向とするかを任意に設定することができるとともに、走査幅も設定することができる。この方法によって、病理学者には、所望の方向において断面図が得られる非常に迅速な光学的生検が可能となる。特に直線状の走査線の幅を、所望の分解能および／または所望の信号強度に適合させることができる。
【００６８】
本願発明によるコヒーレンス顕微鏡の重要な利用分野は、光学的生検と生体内組織学である。この方法は、外的な用途（皮膚や粘膜の診察）、特に胃腸管等に係る内視鏡診断、網膜に対する眼科的診察等の分野に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本願発明によるコヒーレンス顕微鏡の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本願発明によるコヒーレンス顕微鏡の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】光ファイバ束内の光ファイバにおける光の供給および取り出しを模式的に示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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