(57)【要約】【課題】外部共振器型の波長可変レーザ装置において、小型化とともに、高速かつ安定した波長掃引を可能にする。【解決手段】レーザ装置１０は、半導体レーザ媒質１１と、半導体レーザ媒質１１から射出した光を波長分散する分散素子である回折光学素子１３と、波長分散された光が入射される空間変調素子１５とを備える。空間変調素子１５は、制御信号に応じて光を変調する複数の画素１５ａを有し、波長分散された光の一部を選択的に反射して帰還させて戻り光とする。半導体レーザ媒質１１と空間変調素子１５が外部共振器の両端部を構成し、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａから、戻り光の波長のレーザ光Ｌ０が射出される。【選択図】図１
2007242747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部共振器型の波長可変レーザ装置において、
レーザ媒質と、
前記レーザ媒質からの射出光を波長分散する分散素子と、
制御信号に応じて光を変調する複数の画素を有し、前記分散素子により波長分散された光が入射され、該入射された光の一部を選択的に反射して帰還させる空間変調素子とを備えたことを特徴とする波長可変レーザ装置。
【請求項２】
前記空間変調素子が、反射型液晶素子、電気光学変調素子、微小電気機械システムのいずれかを用いたものであることを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
【請求項３】
前記分散素子と前記空間変調素子の間には、前記分散素子により波長分散された光を前記空間変調素子に集光する集光レンズが配置され、
前記集光レンズの前記空間光変調素子側がテレセントリックであることを特徴とする請求項１または２記載の波長可変レーザ装置。
【請求項４】
前記レーザ媒質が半導体レーザ媒質であり、該半導体レーザ媒質の前記分散素子側の射出端面に反射防止膜が施されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の波長可変レーザ装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の波長可変レーザ装置と、
前記波長可変レーザ装置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レーザ装置、および該波長可変レーザ装置を用いて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、発振波長が可変な波長可変レーザ装置としては、例えば半導体レーザの射出光を回折光学素子により選択的に帰還させて発振波長を制御するものが提案されており、その中でもＬｉｔｔｒｏｗ型やＬｉｔｔｍａｎ型と呼ばれるものが知られている。図７に示すＬｉｔｔｒｏｗ型の装置では、半導体レーザ媒質１１１の低反射面からの射出光をコリメートレンズ１１２で平行光に変換した後、反射型の回折光学素子１１３へ入射させる。回折光学素子１１３で波長分散された回折光のうち、特定の波長の光のみが半導体レーザ媒質１１１に帰還することにより、発振波長が選択される。回折光学素子１１３を回転させることにより回折光学素子１１３への入射角度が変化し、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、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
また、図８に示すＬｉｔｔｍａｎ型の装置では、半導体レーザ媒質１１１の低反射面からの射出光をコリメートレンズ１１２で平行光に変換した後、反射型の回折光学素子１１３へ入射させる。そして回折光学素子１１３で波長分散された回折光をミラー１１４で反射して、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光学素子１１３へ逆光路で再入射させて半導体レーザ媒質１１１に帰還させることにより、発振波長が選択される。ミラー１１４を回転させることにより回折光学素子１１３とミラー１１４のなす角度が変化し、帰還する光の波長が変化して、波長掃引がなされる。
【０００４】
特許文献４および非特許文献１には、図８のミラー１１４をポリゴンミラー１２５に置換し、回折光学素子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を設けた図９に示す構成が記載されている。図９に示す構成では、ポリゴンミラー１２５の回転に伴うポリゴンミラー１２５の各反射面と入射光の角度変化により、帰還させる光の波長が変化し、ポリゴンミラー１２５の回転により波長掃引がなされる。
【０００５】
また、特許文献４には、図８のミラー１１４を回転円盤１３５に置換し、回折光学素子１１３と回転円盤１３５の間に集光用のレンズ１３４を設けた図１０に示す構成が記載されている。回転円盤１３５の面上には、光を帰還させるためのスリット状のミラー１４５ａが複数放射状に配置されており、回転円盤１３５の回転により帰還させる光の波長が変化し、波長掃引がなされる。
【０００６】
ところで、上記のような波長掃引が可変なレーザ装置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計測の光断層画像化装置では、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干渉光の検出を行うものであり、マイケルソン型干渉計を用いて、光源から射出されるレーザ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の干渉が行われる。そして、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。このようなＳＳ−ＯＣＴ装置により光断層画像を取得するためには、光源における波長掃引を高速で繰り返し行う必要がある。
【特許文献１】特開平７−２４０５５８号公報
【特許文献２】特開平９−１０２６４５号公報
【特許文献３】特開平１０−１０７３７７号公報
【特許文献４】米国特許第２００５／００３５２９５号明細書
【非特許文献１】Yun SH, Boudoux C, Tearney GJ, Bouma BE.“High-speed wavelength-swept semiconductor laser with a polygon-scanner-based wavelength filter.” Opt Lett. 2003 Oct 15;28(20):1981-3.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の図７、図８に示すような装置では、発振波長を変化させるには、機械的に、回折光学素子かミラーの角度を変化させる必要があるため、高速に波長掃引するのは困難である。機械的に角度を変える手段としては、ガルバノミラー、レゾナントミラー、ポリゴンミラーを用いたもの、あるいはこれらのミラー部を回折光学素子に置換したものが有効であるが、走査周波数は比較的高速なレゾナントミラーを使用した場合でも数１０ｋＨｚにとどまっている。これらを光断層画像化装置に適用することを考えると、リフレッシュレートを３０Ｈｚにする場合、１秒間の所定軸方向の走査は１０００点程度になり、２次元画像を得るには点数が不足する。またレゾナントミラーの場合、走査速度が一定でないため、等波長間隔のデータを得るためには別途の検出手段が必要となり、装置構成が複雑になる。
【０００８】
図９に示すようなポリゴンミラーを用いる装置では、反射面の数を増やせば高速な波長掃引が可能となるが、その分ポリゴンミラーのサイズが大きくなってしまい、装置の大型化につながる。ポリゴンミラーの回転数を上げることでも高速な波長掃引が可能となるが、高速回転による振動などの問題が発生する。また、ポリゴンミラーを使用する場合には、各面の面倒れを補正するための光学系が必要となり、どうしても光学系が大きくなるという欠点がある。
【０００９】
図１０に示すような回転円盤を用いる構成では、図９に示す構成より光学系をコンパクトにまとめられる可能性があるが、高速に波長掃引するためには１回転につき多数回の波長掃引をする必要がある。そのためには必然的に回転円盤の径が大きくなり、装置の大型化を招くという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、高速かつ安定した波長掃引が可能な小型の波長可変レーザ装置、および該波長可変レーザ装置を備え、高速かつ安定した波長掃引が可能な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】
【００１１】
本発明の波長可変レーザ装置は、外部共振器型の波長可変レーザ装置において、レーザ媒質と、前記レーザ媒質からの射出光を波長分散する分散素子と、制御信号に応じて光を変調する複数の画素を有し、前記分散素子により波長分散された光が入射され、該入射された光の一部を選択的に反射して帰還させる空間変調素子とを備えたことを特徴とするものである。
【００１２】
なおここで「分散素子」としては、例えば回折光学素子、プリズムまたはグリズム等を使用できる。またここで「光を変調する」とは、例えば、反射型の画素を有する空間変調素子の場合は、所定方向に光を偏向するかしないか、光を反射するかしないか、さらに反射しない場合は吸収する、あるいは透過する等を意味し、また、透過型の画素と反射部材との組合せにより構成される空間変調素子の場合は、透過するか吸収するか等を意味し、これらの動作における光強度の変更も含めて考えるものとする。
【００１３】
本発明の波長可変レーザ装置では、分散素子により空間的に波長分散された光が、波長ごとに空間変調素子上の異なる位置に入射し、空間変調素子の配列された各画素により変調を受ける。所定の波長の光が入射した画素は該光を帰還させるように制御信号により駆動され、前記所定の波長以外の光が入射した画素はこれらの光を帰還させないように制御信号により駆動される。このような変調の結果、波長分散された入射光の一部の光のみが反射されて戻り光となって帰還する。この戻り光の波長の光が、レーザ媒質と空間変調素子を両端部とする外部共振器で発振し、レーザ光として射出される。
【００１４】
前記空間変調素子は、反射型液晶素子、電気光学変調素子、微小電気機械システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ：以下、ＭＥＭＳという）のいずれかを用いて構成してもよい。ＭＥＭＳとしては、例えばＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ：米国  テキサス・インスツルメンツ社製  商標登録）等のミラー型空間変調素子や、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ：米国  ＳＬＭ社製  商標登録）等の回折光学素子型空間変調素子を用いることができる。
【００１５】
また、前記分散素子と前記空間変調素子の間には、前記分散素子により波長分散された光を前記空間変調素子に集光する集光レンズが配置され、前記集光レンズの前記空間光変調素子側がテレセントリックであるよう構成することが好ましい。
【００１６】
前記レーザ媒質を半導体レーザ媒質により構成してもよく、その場合には、該半導体レーザ媒質の前記分散素子側の射出端面に反射防止膜が施されていることが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の光断層画像化装置は、前記波長可変レーザ装置と、前記波長可変レーザ装置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】
【００１８】
本発明の波長可変レーザ装置によれば、分散素子により波長分散された光の一部の光のみが、空間変調素子の画素により選択的に反射されて戻り光となって帰還し、この戻り光の波長を発振波長とする光が波長可変レーザ装置から射出される。各画素を制御することにより、戻り光の波長を選択でき、画素を切換えることにより波長掃引できる。本発明の波長可変レーザ装置の各画素は制御信号により電気的に駆動されるものであるため、従来の機械的に駆動する装置とは異なり、温度変化や振動の影響を受けにくく、高速で安定した波長掃引が可能であり、装置構成も小型軽量にできる。
【００１９】
また、本発明の波長可変レーザ装置は、画素を切換えることにより、発振波長として任意の波長を随意に選択することが可能であり、任意に波長掃引できる。従来の機械的駆動の装置では、時間に対する波長変化の制御が困難であり、特にガルバノミラーを用いた従来の装置では、掃引速度が一定にならないという問題があったが、本発明の波長可変レーザ装置では、時間に対する波長変化を任意に制御できるため、そのような問題を解決できる。
【００２０】
前記分散素子と前記空間変調素子の間に集光レンズを配置し、その集光位置に空間変調素子を配置すれば、空間変調素子上でのビーム径を小さくできるため、空間変調素子の画素のサイズを小さくでき、画素の切換えにより制御される波長の分解能を高くすることができる。また、前記集光レンズの前記空間光変調素子側がテレセントリックであれば、集光レンズから空間変調素子に向かう全光束の主光線は波長によらず集光レンズの光軸に平行となる。そこで、集光レンズの光軸に垂直に空間変調素子の反射面を配置しておけば、空間変調素子で反射された光を帰還させることができる。
【００２１】
前記レーザ媒質は半導体レーザであり、該半導体レーザの前記分散素子側の射出端面に反射防止膜が施されていれば、空間変調素子から帰還した光が高効率に射出端面から入射し、高効率に発振できる。
【００２２】
本発明の光断層画像化装置は、上記波長可変レーザ装置から射出された光を用いて断層画像を取得するものであるため、高速で安定した波長掃引が可能であり、断層画像のリフレッシュレートを向上できる。また、空間変調素子の画素を制御することにより、発振波長の帯域や波長分解能の変更が可能であり、これにより、断層画像の取得時の深さ方向の分解能や、深さ方向の測定範囲の変更も可能となる。さらに、本発明の光断層画像化装置は、上記波長可変レーザ装置を備えているため、任意に波長掃引可能であり、従来の機械的駆動による装置では困難であった、波長の逆数が線形変化するような波長掃引も容易に可能である。光断層画像化装置では、波長ではなく波長の逆数に比例する波数を解析の変数として用いるため、波長の逆数が線形変化するような掃引方法は、データ分布を均一にでき、有用なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の波長可変レーザ装置および該波長可変レーザ装置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は本発明の一実施形態による光断層画像化装置の構成を示す図であり、図２はこの光断層画像化装置が備える波長可変レーザ装置１０の構成を概念的に示す図である。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。
【００２４】
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を射出するレーザ装置１０と、レーザ装置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。
【００２５】
レーザ装置１０は、発振波長を一定の周期で掃引させながらレーザ光Ｌ０を射出する外部共振器型の波長可変レーザ装置である。本例におけるレーザ媒質としては、半導体レーザに使用される半導体レーザ媒質が用いられている。具体的にレーザ装置１０は、半導体レーザ媒質１１と、コリメートレンズ１２と、回折光学素子１３と、集光レンズ１４と、空間変調素子１５とを備えている。半導体レーザ媒質１１のコリメートレンズ１２側の射出端面１１ｂには反射防止膜（ＡＲコート）が施されている。半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ｂとは逆側の射出端面１１ａと、導波用の光ファイバＦＢ０との間には光結合用のレンズ１６が配置されている。
【００２６】
回折光学素子１３は、反射型の素子であり、入射した光を波長分散する分散素子として機能する。光が回折光学素子１３に入射し、回折光学素子１３で反射されて生じた回折光は、波長ごとに異なる方向に進行する。
【００２７】
空間変調素子１５は、アレイ状に並設された画素１５ａを有する。画素１５ａの配列方向は、回折光学素子１３により分散された光の波長ごとの配列方向とほぼ一致するよう構成されている。これら複数の画素１５ａは不図示の制御手段からの制御信号に応じて各々独立に制御され、入射した光を各々変調する。具体的には本例においては、空間変調素子１５は、反射型液晶素子で構成され、各画素１５ａは制御信号に応じて入射した光を反射または吸収する。図１、図２では、入射光を吸収するよう制御されたＯＦＦ状態の画素に斜線を付け、入射光を反射するよう制御されたＯＮ状態の画素には斜線を付けずに示している。また、画素１５ａの符号は図の煩雑化を避けるため、代表的に１つの画素のみに付している。
【００２８】
半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ｂからコリメートレンズ１２へ向かって射出した光は、コリメートレンズ１２により平行光に変換された後、回折光学素子１３により、波長λ１・・・λｎごとに分散される。この波長分散された光は、集光レンズ１４により集光されて、空間変調素子１５に入射する。空間変調素子１５では、ＯＮ状態の画素１５ａに入射した特定の波長の光のみが反射されて戻り光となり、ＯＦＦ状態の画素１５ａに入射した光は吸収される。戻り光は、逆光路を通り、回折光学素子１３を経て、コリメートレンズ１２を通り、半導体レーザ媒質１１に帰還する。このように、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａと空間変調素子１５とを両端部とする外部共振器が構成されて、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａから、戻り光の波長のレーザ光Ｌ０が射出される。
【００２９】
上述したように、空間変調素子１５の画素１５ａの配列方向と、回折光学素子１３により分散された光の波長ごとの配列方向とを一致させているため、戻り光の波長帯域を狭くできる。各画素１５ａのＯＮ／ＯＦＦ状態を切換えることにより、光を反射する画素１５ａが切換わり、発振波長となる戻り光の波長を切換えることができる。このように、画素１５ａを制御することにより、発振波長として任意の波長を随意に選択でき、任意の波長掃引が可能になる。
【００３０】
なお、空間変調素子１５は、上記の反射型液晶素子に限らず、電気光学変調素子や、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｌｉｇｈｔ  Ｖａｌｖｅ）等のＭＥＭＳ型の反射型素子を用いてもよく、または、透過型素子と反射部材の組み合わせにより構成してもよく、様々なタイプの空間変調素子が使用可能である。透過型素子と反射部材を組み合わせた場合には、波長分散された光の一部が、入射光を透過するよう制御されたＯＮ状態の画素を透過して、反射部材に到達し、この反射部材により反射されて、再びＯＮ状態の画素を透過して帰還するように構成すればよい。電気光学変調素子は１００ＭＨｚ以上での変調が可能なため、波長方向の分解点数を１０００点としても１００ｋＨｚ以上で１走査が可能である。
【００３１】
戻り光を帰還させるＯＮ状態の画素１５ａは、図３（Ａ）に示すように１画素のみでもよく、あるいは図３（Ｂ）に例示するように複数の画素でもよい。さらに、電気光学変調素子のような多値変調が可能な素子を用いる場合は、図３（Ｃ）に示すように、各画素の反射率を変えることで、波長に対する強度分布を戻り光にもたせることができる。図３（Ｃ）は反射型の素子を例示しているが、透過型の素子を用いる場合は、各画素の透過率を変えることで、同様に戻り光に波長に対する強度分布をもたせることができる。戻り光を帰還させる画素１５ａの数や、画素の反射率または透過率を制御することにより、レーザ装置１０から射出するレーザ光Ｌ０の波長帯域やスペクトルを制御することができる。なお、図３では、各画素１５ａに対応する戻り光の強度分布を、入射光および戻り光を示す矢印の上に示している。
【００３２】
なお、本レーザ装置１０の光学系では、平行光を回折光学素子１３に入射させ、集光レンズ１４と空間変調素子１５の距離が集光レンズ１４の焦点距離と等しくなるように配置している。このように、集光レンズ１４の集光位置となる焦点面に空間変調素子１５を配置しているため、空間変調素子１５上でのビーム径を小さくすることができる。ビーム径が小さいほど、空間変調素子１５の画素１５ａのサイズを小さくすることができ、画素１５ａの切換えにより制御される波長の分解能を高くすることができる。
【００３３】
また、本レーザ装置１０の光学系では、集光レンズ１４と回折光学素子１３の距離を集光レンズ１４の焦点距離と等しくし、集光レンズ１４の空間変調素子１５側がテレセントリックとなるように構成している。さらに、空間変調素子１５の反射面を集光レンズ１４の光軸に垂直に配置している。上記構成により、集光レンズ１４から空間変調素子１５へ向かう光の主光線は、集光レンズ１４の光軸に平行で、空間変調素子１５の反射面に垂直となり、空間変調素子１５で反射された戻り光は逆光路を通って帰還することになる。また、集光レンズ１４から空間変調素子１５に向かう各波長の主光線の間隔は光軸方向の距離によらず一定となるため、集光レンズ１４の光軸方向に対して空間変調素子１５がずれて配置された場合でも、各画素１５ａと入射光の波長との対応関係が保たれる。
【００３４】
ここで、空間変調素子を用いた波長掃引について図４を参照しながら詳しく説明する。回折光学素子１３のピッチをｐ、コリメートレンズ１２から回折光学素子１３へ入射する光の入射角をα、この入射光に対する回折射出角をβとすると、波長λの光束は下式（１）に従って回折する。なお、ｍは次数を表す。  
【数１】
2007242747.tif 000003
【００３５】
上式より、波長の変化による回折角の変化（分散角）は下式（２）のようになる。  
【数２】
2007242747.tif 000004
【００３６】
一方、焦点面における集光点の位置変化ｄｘは、集光レンズ１４の焦点距離をｆとすると下式（３）で表される。  
【数３】
2007242747.tif 000005
【００３７】
（２）式と（３）式から、焦点面に配置された空間変調素子面での波長変化に対する位置変化量は下式（４）で表される。  
【数４】
2007242747.tif 000006
【００３８】
一例として、光断層画像化装置で用いられる中心波長λが１０００ｎｍの光について計算する。ピッチ１２００ｎｍのグレーティングに入射角６０°で入射したとすると、１次光の回折射出角βは−１．９°とほぼ回折光学素子に垂直になる。この条件で分散角は以下のようになる。  
【数５】
2007242747.tif 000007
【００３９】
集光レンズ１４の焦点距離ｆ＝１００ｍｍの場合には、集光レンズ１４の焦点面では、１ｎｍの波長差に対して８３μｍの位置変化となる。
【００４０】
高密度な空間変調素子の１画素のサイズは１０〜２０μｍ程度であるから、上記計算より、ほぼ１画素が０．１〜０．２ｎｍの波長差に対応する。すなわち、１画素ずつ切り替えることにより、半導体レーザ媒質へ帰還する光の波長を０．１ｎｍ〜０．２ｎｍピッチで切換えることができる。
【００４１】
さらに、波長分解能を高める場合は、（４）式によれば、集光レンズ１４の焦点距離ｆを大きくするか、回折光学素子のピッチｐを小さくすればよい。ただし、焦点距離ｆを大きくした場合には下に述べるように集光レンズにおけるビーム径が大きくなるため、集光レンズの径も大きくする必要がある。
【００４２】
また、高い波長分解能を確保するためには、空間変調素子面でのビーム径は画素サイズ以下になることが望ましい。空間変調素子面での強度がｅ−２になるビーム径の半幅ｗは、ガウスビームの集光の式から下式（６）で表される。なお、式（６）において、集光レンズ１４での強度がｅ−２になるビーム径の半幅Ｄとしている。  
【数６】
2007242747.tif 000008
【００４３】
（６）式より、ｗ＜５μｍとするためには、上記の条件（中心波長λ＝１０００ｎｍ、集光レンズの焦点距離ｆ＝１００ｍｍ）においてはＤ＞６．４ｍｍとすることが必要となる。
【００４４】
以上詳細に説明したように、レーザ装置１０において発振されたレーザ光Ｌ０は、半導体レーザ媒質１１の射出端面１１ａから射出されて、光結合用のレンズ１６により集光された後、光ファイバＦＢ０に入射して導波される。そして、光ファイバカプラ２を経由した後、光ファイバＦＢ１により光分割手段３に導波される。
【００４５】
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、レーザ装置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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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駆動手段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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、レーザ装置１０から射出された光Ｌ０の強度を検出するための光検出器４０ａと、干渉光Ｌ４の強度を検出するための光検出器４０ｂとを設け、演算手段４１においてバランス検波を行うようにしている。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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、レーザ装置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。
【００５８】
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。
【００５９】
レーザ装置１０の説明で述べたように、本実施形態の光断層画像化装置１では空間変調素子の画素単位で自由な制御が可能なため、波長の掃引速度を任意に変更可能である。従来の装置のように、時間に対して波長を線形変化させるのはもちろんのこと、所定波長範囲内のみ異なる速度で変化させる等の局所的な変化の制御も可能である。一般に、光断層画像化装置では、周波数解析に用いられる変数は、波長ではなく波数（ｋ＝２π／λ）であるため、取得データの分布を考えると、時間に対し波長の逆数が線形変化するような波長掃引方法が好ましい。本実施形態の光断層画像化装置１では、時間に対し波長の逆数が線形変化するような制御ももちろん可能であり、このような制御により波数に対してほぼ均一に分布するようにデータを取得できる。
【００６０】
これに対して、図９に示すような従来のポリゴンミラーを用いた波長掃引では、ポリゴンミラーの回転速度は一定であり、回転数も大きく変えることはできないため、波長掃引の速度を任意に制御することはできない。また、図１０に示すような従来の回転円盤を用いた波長掃引もまた、回転円盤の回転速度は一定であり、回転数も大きく変えることはできず、スリット状のミラーの配置を変更する程度しか制御できないため、波長掃引の速度を任意に制御することはできない。
【００６１】
さらに、本実施形態の光断層画像化装置１では、波長掃引に用いる画素範囲やＯＮ状態にする画素数を制御することで、測定に用いる光の波長帯域や、波長分解能を制御することが可能であり、これにより深さ方向の分解能や深さ方向の測定範囲を変更できる。以下この点について図５を参照しながら説明する。
【００６２】
光断層画像化装置では、測定対象Ｓにおける深さ方向の分解能δＺ、深さ方向の測定範囲（一括で測定可能な光軸方向の範囲）ΔＺ、波長分解能δλ、測定波長帯域Δλは、下式（７）、（８）の関係にあることが知られている。なお、λ０は測定光の中心波長、ｎは試料屈折率である。この点の詳細については、「High-speed optical frequency-domain imaging S.H Yun 他、Optics Express p2953,Vol.11, No.22, (2003) 」に詳しい記載がなされている。
【数７】
2007242747.tif 000009
【数８】
2007242747.tif 000010
【００６３】
たとえば測定範囲を狭くしてリフレッシュレートを上げたいときなど、測定範囲Δｚを変えたい場合には、上式からδλを変えれば良いことがわかるが、従来の機械走査による装置では不可能である。これに対して、本実施形態の装置では、同時にＯＮ状態／ＯＦＦ状態にする画素数を変えることで入射光を反射させる領域を伸縮でき、波長幅δλを自在に制御できるため、測定範囲Δｚの変更が可能である。
【００６４】
また、分解能δｚを大きくし、測定範囲Δｚを拡げたい場合には、波長掃引に用いる画素範囲を減らすことで測定波長帯域Δλを狭くし、同時にＯＮ状態にする画素数を減らすことで波長分解能δλを小さくすることにより対応できる。このように画素を自由に制御することで、断層画像取得の測定条件に適合する光源の条件を容易に作り出すことが可能である。
【００６５】
次に、図６を参照しながら、上記実施形態の変形例である光断層画像化装置について説明する。この変形例の光断層画像化装置は、レーザ装置２１０が図１に示す光断層画像化装置に用いられているレーザ装置１０と異なるが、他の構成は同様であるため、レーザ装置２１０のみを図示し、他の構成の説明は省略する。
【００６６】
レーザ装置２１０は、図１に示すレーザ装置１０の半導体レーザ媒質１１に代わりリングレーザ共振器を用いた点が基本的に異なる。レーザ装置２１０は、レーザ媒質である半導体光増幅器２１１と、半導体光増幅器２１１の両端に接続されたリング状の光ファイバＦＢ２１と、光ファイバＦＢ２１に結合されたサーキュレータ２１２、光ファイバカプラ２１３と、サーキュレータ２１２と半導体光増幅器２１１の間に設けられたアイソレータ２１４、光ファイバカプラ２１３と半導体光増幅器２１１の間に設けられたアイソレータ２１５を有する。また、サーキュレータ２１２には光ファイバＦＢ２２が接続され、光ファイバカプラ２１３には光ファイバＦＢ２３が接続されている。光ファイバＦＢ２３は図１の光ファイバＦＢ０と同様に、光ファイバカプラ２に接続されている。
【００６７】
半導体光増幅器２１１は、駆動電流の注入により微弱な放出光を光ファイバＦＢ２１の一端側に射出するとともに、光ファイバＦＢ２１の他端側から入射された光を増幅する機能を有している。そして、半導体光増幅器２１１に駆動電流が供給されたとき、半導体光増幅器２１１および光ファイバＦＢ２１により形成される光共振器によりパルス状のレーザ光Ｌ０が光ファイバＦＢ２１へ射出されるようになっている。
【００６８】
光ファイバＦＢ２１内を伝播する光の一部がサーキュレータ２１２から光ファイバＦＢ２２側に射出され、光ファイバＦＢ２２から射出された光はコリメートレンズ１２に入射し、図１に示すレーザ装置１０の場合と同様に、コリメートレンズ１２により平行光に変換された後、回折光学素子１３により波長分散され、集光レンズ１４により集光されて、空間変調素子１５に入射する。空間変調素子１５では、ＯＮ状態の画素１５ａに入射した特定の波長の光のみが反射されて戻り光となり、ＯＦＦ状態の画素１５ａに入射した光は吸収される。戻り光は、逆光路を通り、回折光学素子１３を経て、コリメートレンズ１２を通り、光ファイバＦＢ２２に再び入射し、サーキュレータ２１２を経て光ファイバＦＢ２１に入射する。結果として、戻り光の波長のレーザ光Ｌ０が光ファイバＦＢ２３側に射出される。
【００６９】
よって、以上説明した変形例の光断層画像化装置においても、第１の実施形態の光断層画像化装置と同様の効果が得られ、高速かつ安定した波長掃引が可能であり、また、波長の掃引速度を任意に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図
【図２】図１の光断層画像化装置におけるレーザ装置の構成を模式的に示す図
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）は空間変調素子の制御と戻り光を示す図
【図４】本実施形態における波長掃引を説明するための図
【図５】測定対象における深さ方向の変数と空間変調素子における波長の変数を説明するための図
【図６】本発明の変形例によるレーザ装置の構成を模式的に示す図
【図７】従来のＬｉｔｔｒｏｗ型の波長可変レーザ装置の概略構成図
【図８】従来のＬｉｔｔｍａｎ型の波長可変レーザ装置の概略構成図
【図９】従来の波長可変レーザ装置の概略構成図
【図１０】従来の波長可変レーザ装置の概略構成図
【符号の説明】
【００７１】
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   レーザ装置
１１   半導体レーザ媒質
１１ａ、１１ｂ        射出端面
１２   コリメートレンズ
１３   回折光学素子
１４   集光レンズ
１５   空間変調素子
１５ａ 画素
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
２１１ 半導体光増幅器
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】
2007242747.tif 000011
【図２】
2007242747.tif 000012
【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】
2007242747.tif 000017
【図８】
2007242747.tif 000018
【図９】
2007242747.tif 000019
【図１０】
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