(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、
前記参照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるように、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさせ、
前記信号光を被測定部に照射し、
前記信号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と、前記参照光とを干渉させ、干渉光強度を測定して前記被測定部の光断層画像を取得するものであり、
前記低コヒーレンス光を前記信号光と前記参照光に分割し、かつ前記反射光と前記参照光とを干渉させる単一の光分割・結合手段を有する光断層画像化装置において、
第１の光サーキュレータと、
第２の光サーキュレータと、
前記反射光を光増幅する光増幅手段とを備え、
前記光分割・結合手段により分割された信号光が、前記第２のサーキュレータの第１のポートへ入射し、第２のポートから射出され、さらに前記第１の光サーキュレータの第１のポートへ入射し、第２のポートから射出され、
前記被測定部の所定の深部からの反射光が、前記第１の光サーキュレータの第２のポートへ入射し、第３のポートから射出され、前記光増幅手段により増幅され、その後、前記第２の光サーキュレータの第３のポートへ入射し、第１のポートから射出され、前記光分割・結合手段へ入射することを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項２】
前記光増幅手段が光導波路を備えた光増幅器であることを特徴とする請求項１記載の光断層画像化装置。
【請求項３】
前記光増幅器が、光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項２記載の光断層画像化装置。
【請求項４】
前記光ファイバ増幅器が、遷移金属イオン、希土類イオンまたは錯イオンからなる群から、少なくも１種類のイオンを添加した光ファイバを備えたものであることを特徴とする請求項３記載の光断層画像化装置。
【請求項５】
前記イオンが、遷移金属イオンであるＴｉ4＋、Ｃｒ3+、Ｍｎ4+、Ｍｎ2+、Ｆｅ3+、希土類イオンであるＳｃ3+、Ｙ3+、Ｌａ3+、Ｃｅ3+、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+、Ｐｍ3+、Ｓｍ3+、Ｅｕ3+、Ｇｄ3+、Ｔｂ3+、Ｄｙ3+、Ｈｏ3+、Ｅｒ3+、Ｔｍ3+、Ｙｂ3+、Ｌｕ3+、錯イオンであるＷＯ42-、ＭｏＯ42-、ＶＯ43+、Ｐｔ（ＣＮ）42-およびＷＯ66-からなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンであることを特徴とする請求項４記載の光断層画像化装置。
【請求項６】
前記光ファイバ増幅器が、色素を添加した光ファイバを備えたものであることを特徴とする請求項３記載の光断層画像化装置。
【請求項７】
前記被測定部が生物組織の一部であり、
前記低コヒーレンス光の波長が、６００nm以上１７００nm以下の範囲内の波長であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の光断層画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コヒーレンス光である信号光を被測定部に照射して被測定部の断層画像を取得する光断層画像化装置に関し、特に被測定部の表面および深部の微細構造情報を信号光の反射光に基づいて、画像化する光断層画像化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低コヒーレンス光を用いた光断層画像化装置、特に低コヒーレンス干渉光の光強度をヘテロダイン検波により測定することにより、被測定部の断層画像を取得する光断層画像化装置が、眼底網膜下の微細構造の光断層画像の取得等に用いられている。
【０００３】
例えば、「Science 254号 P1178〜P1181」（by D.Haung et.al）には、ＳＬＤ(Super Luminescent Diode）等から成る光源から出射された低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、ピエゾ素子等により参照光の周波数を僅かにシフトさせ、信号光を生体の被測定部に入射させて該測定部の所定の深度で反射した反射光と参照光とを干渉させ、その干渉光の光強度をヘテロダイン検波により測定し、断層情報を取得するものであり、参照光の光路上に配置した可動ミラー等を微少移動させ、参照光の光路長を僅かに変化させることにより、参照光の光路長と信号光の光路長が一致した被測定部の深度での情報を得る光断層画像化装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのような光断層画像化装置においては、安全性を確保するため、生体の被測定部において、信号光の光強度が生体組織に影響を与えることのない規定値以下の値となるように信号光の光出力を制限している。この規定値以下の光強度が小さいものであるため、被測定部において反射される信号光の反射光の光強度はさらに小さなものとなる。このため、反射光に基づいた断層情報を取得する光断層画像化装置では、望ましいＳ／Ｎを有する断層画像情報が得られない恐れがあった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、低コヒーレンス干渉を用いてて断層画像を取得する光断層画像化装置において、信号光の光強度を生体の被測定部の安全性を確保できる光強度に保ちつつ、Ｓ／Ｎが向上した断層情報を取得可能な光断層画像化装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光断層画像化装置は、低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、
前記参照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるように、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさせ、
前記信号光を被測定部に照射し、
前記信号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と、前記参照光とを干渉させ、干渉光強度を測定して前記被測定部の光断層画像を取得する光断層画像化装置において、前記反射光を光増幅する光増幅手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
ここで、「参照光の周波数と前記信号光の周波数に差が生じるように、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさせる」とは、シフトさせた後の参照光と信号光を干渉させた場合に、上記信号光と参照光との差周波数で強弱を繰り返すビート信号が生じるような周波数差が生じるように、前記参照光または信号光の少なくとも一つの周波数をシフトさせることを意味している。
【０００８】
また「信号光の被測定部の所定の深度からの反射光」とは、被測定部に照射された信号光が被測定部の所定の深部で反射した反射光と、被測定部の表面で反射した反射光とを含むものである。
【０００９】
「干渉光強度を測定する」とは、上記信号光と参照光との差周波数で強弱を繰り返すビート信号（干渉光）の強度を計測することを意味し、例えば、ヘテロダイン干渉計等による計測を意味する。
【００１０】
また、上記光増幅手段としては、光導波路を備えた光増幅器が好ましい。
【００１１】
ここで、「光導波路を備えた光増幅器」とは、例えば、半導体光増幅器、誘導ラマン光増幅器あるいは光ファイバ増幅器等を意味するものであり、すなわち光導波路を備えたものであればいかなるものでもよいが、特に光ファイバ増幅器が好適である。
【００１２】
また、上記光ファイバ増幅器としては、遷移金属イオン、希土類イオンまたは錯イオンからなる群から、少なくとも１種類のイオンが添加された光ファイバを備えたものが望ましい。
【００１３】
さらに、上記光ファイバに添加するイオンとしては、遷移金属イオンであるＴｉ４＋、Ｃｒ3+、Ｍｎ4+、Ｍｎ2+、Ｆｅ3+、希土類イオンであるＳｃ3+、Ｙ3+、Ｌａ3+、Ｃｅ3+、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+、Ｐｍ3+、Ｓｍ3+、Ｅｕ3+、Ｇｄ3+、Ｔｂ3+、Ｄｙ3+、Ｈｏ3+、Ｅｒ3+、Ｔｍ3+、Ｙｂ3+、Ｌｕ3+、錯イオンであるＷＯ42-、ＭｏＯ42-、ＶＯ43+、Ｐｔ（ＣＮ）42-およびＷＯ66-からなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを用いることが好ましい。
【００１４】
また、上記光ファイバ増幅器としては、色素が添加された光ファイバを備えた光ファイバ増幅器も好適である。
【００１５】
なお、被測定部が、生物組織の一部である場合には、低コヒーレンス光の波長は、６００nm以上１７００nm以下の範囲内の波長が好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の光断層画像化装置は、被測定部で反射した反射光を光増幅したのち、参照光と干渉させ、干渉光強度を測定することにより、信号光の光強度を被測定部の安全性を確保できる光強度に保ちつつ、Ｓ／Ｎが向上した断層画像情報を取得することができる。また、従来の光断層画像化装置では、断層画像情報を取得することのできない生体測定部の深度で反射された反射光に関しても、増幅することにより、この反射光と参照光との干渉光も検出可能となるため、断層画像を取得できる深度が増加する。
【００１７】
また、光増幅手段として、光導波路を備えた光増幅器を用いた場合には、反射光の伝送経路内に容易に光増幅器を配設する事ができる。また、この光増幅器として、光ファイバ増幅器を用いれば、増幅用の光ファイバは巻回して設置可能であるため、光ファイバ増幅器を大型化することなく、増幅用の光ファイバの長さを所望の増幅率が得られる長さまで、長くすることができるので、小型な光ファイバ増幅器を設置するのみで、反射光を高い増幅率で増幅することができる。また光ファイバ増幅器の特徴の１つは、低雑音性であり、微弱な反射光を精度良く増幅することができる。
【００１８】
また、上記光ファイバ増幅器として、遷移金属イオン、希土類イオンまたは錯イオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを添加された光ファイバを備えたものを用いれば、所望の反射光の波長帯域において高い増幅率で増幅することができる。
【００１９】
さらに、上記イオンとして、遷移金属イオンであるＴｉ４＋、Ｃｒ3+、Ｍｎ4+、Ｍｎ2+、Ｆｅ3+、希土類イオンであるＳｃ3+、Ｙ3+、Ｌａ3+、Ｃｅ3+、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+、Ｐｍ3+、Ｓｍ3+、Ｅｕ3+、Ｇｄ3+、Ｔｂ3+、Ｄｙ3+、Ｈｏ3+、Ｅｒ3+、Ｔｍ3+、Ｙｂ3+、Ｌｕ3+、錯イオンであるＷＯ42-、ＭｏＯ42-、ＶＯ43+、Ｐｔ（ＣＮ）42-およびＷＯ66-からなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを用いれば、これらのイオンは光ファイバに容易に添加でき、光ファイバ増幅器の製造コストすなわち光断層画像化装置の製造コストを低減できる。
【００２０】
上記光ファイバ増幅器として、色素を添加した光ファイバを備えたものを用いれば、所望の波長帯域において、反射光を効率良く増幅することができる。
【００２１】
また、被測定部が生物組織の一部である場合には、低コヒーレンス光の波長が、６００nm以上１７００nm以下の範囲内であれば、信号光が被測定部において、望ましい透過性および散乱性を有するので、所望の断層画像を取得することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形態である光断層画像化装置について図１を参照して説明する。図１は本発明による光断層画像化装置の概略構成図である。
【００２３】
この光断層画像化装置は、低コヒーレンス光L1を出射する光源部100 と、この光源部100 から出射された低コヒーレンス光を参照光L2および信号光L3へ分割し、また反射光L4と参照光L2の合波を行うファイバ結合光学系200 と、参照光L2の光路上に配され、参照光L2の光路長を変化させる光路遅延部300 と、信号光L3で生体組織の被測定部10を走査する光走査部400 と、被測定部10の所定の面で反射された信号光L3の反射光L4を増幅する光ファイバ増幅器500 と、増幅された反射光L4’と参照光L2との干渉光L5の強度を検出するバランス差分検出部600 と、バランス差分検出部600 で検出された干渉光L5の光強度から被測定部10の所定の面で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換する信号処理部700 と、信号処理部700 で得られた画像信号を断層画像として表示する画像処理部710 とから構成されるものである。
【００２４】
光源部100 は、中心波長７８０nmで、スペクトル幅が約２０nmの低コヒーレンス光L1を射出するＳＬＤ(Super Luminescent Diode）101 と、低コヒーレンス光L1を集光するレンズ102 とを備えている。
【００２５】
ファイバ結合光学系200 は、ファイバ光源101 から出射された低コヒーレンス光L1を参照光L2と信号光L3とに分割し、また、信号光L3の被測定部10の所定の深部からの反射である反射光L4と参照光L2とを合波し、干渉光L5を得るファイバカプラ201 と、光源部100 とファイバカプラ201 の間に設けられるファイバカプラ202 と、３つのポートを有し、信号光L3および反射光L4をポート間で伝送する光サーキュレータ203 と、３つのポートを有し、信号光L3および反射光L4をポート間で伝送する光サーキュレータ204 と、参照光L2に僅かな周波数シフトを生じさせるピエゾ素子205 と、光源部100 とファイバカプラ202 を繋ぐファイバ206 と、ファイバカプラ201 および202 を介して光路遅延部300 とバランス差分検出部600 の一方の入力を繋ぐファイバ207 と、ファイバカプラ201 を介してバランス差分検出部600 の他方の入力と光サーキュレータ204 を繋ぐファイバ208 と、光サーキュレータ204 と光サーキュレータ203 を繋ぐファイバ209 と、光サーキュレータ203 と光走査部400 を繋ぐファイバ210 と、光サーキュレータ203 と後述する光ファイバ増幅器500 の光コネクタ503 を繋ぐファイバ211 と、光サーキュレータ204 と後述する光ファイバ増幅器500 のファイバカプラ507 を介して光コネクタ502 を繋ぐファイバ212 とを備えている。なお、ファイバ206〜211は、シングルモード光ファイバである。
【００２６】
光路遅延部300 は、ファイバ207 から射出された参照光L2を平行光に変換し、また反射された参照光L2をファイバ207 へ入射させるレンズ301 と、図１における水平方向への移動により参照光L2の光路長を変化させるプリズム302 とを備えている。
【００２７】
光走査部400 は、信号光L3を図１における垂直方向に移動し、また被測定部10で反射した反射光L4をファイバ210 に入射させるレンズ401 およびレンズ402 とを備えている。
【００２８】
光ファイバ増幅器500 は、励起状態において、信号光が入射されると、その信号光を増幅するファイバ増幅部501 と、該ファイバ増幅部501 の両端に接続される光コネクタ502 および503 と、ファイバ増幅部501 に供給する励起光L6である波長５３２nmの第２高調波を発生するＹＡＧレーザ504 と、該ＹＡＧレーザ504 から出力された励起光L6を集光するレンズ505 と、励起光L6を導光するファイバ506 と、該ファイバ506 により導光された励起光L6をファイバ212 に導入するファイバカプラ507 とを備えている。ファイバ増幅部501 は、７８０nm近傍に利得を有するTi４＋が添加されたコアを備える光ファイバからなり、該光ファイバは巻回された状態で設置されている。
【００２９】
バランス差分検出部600 は、干渉光L5の光強度を測定する光検出器601 および602 と、光検出器601 の検出値と光検出器602 の検出値の入力バランスを調整し、ノイズ成分やドリフト成分を相殺した上で、差分を増幅する差動増幅器603 とを備えている。
【００３０】
次に本実施の形態の光断層画像化装置の動作について説明する。まず、ＳＬＤ101 から射出された波長７８０ｎｍの低コヒーレンス光L1は、レンズ102 により集光され、ファイバ206 に入射する。
【００３１】
ファイバ206を透過した低コヒーレンス光L1は、ファイバカプラ202 で、ファイバ207 に導入され、さらに、ファイバカプラ201 で、ファイバ207 内を光路遅延部300 の方向へ進行する参照光L2と、ファイバ208 内を光サーキュレータ204 の方向へ進行する信号光L3とに分割される。
【００３２】
参照光L2は光路上に設けられたピエゾ素子205 により変調され、参照光L2と信号光L3には、僅かな周波数差△ｆが生じる。
【００３３】
信号光L3 は光サーキュレータ204 のポート204aに入射し、ポート204b からファイバ209 へ射出され、光サーキュレータ203 のポート203aへ入射され、ポート203bからファイバ210 へ射出され、光走査部400 のレンズ401 および402 を経て被測定部10へ入射される。
【００３４】
被測定部10に入射された信号光L3のうち被測定部10の所定の深度で反射された反射光L4は、レンズ402 および401 により、ファイバ210 に帰還せしめられる。ファイバ210 に帰還せしめられた反射光L4は、光サーキュレータ203 のポート203bに入射し、ポート203cからファイバ211 に射出される。ファイバ211 から光ファイバ増幅器500 に入射された反射光L4は光ファイバ増幅器500 で増幅され、反射光L4’となって、ファイバカプラ201 において、ファイバ207 に帰還せしめられた参照光L2と合波される。なお、光ファイバ増幅器500 における作用の詳細は後述する。
【００３５】
一方、ピエゾ素子205 で変調された後の参照光L2は、ファイバ207 を通過し光路遅延部300 のレンズ301 を介して、プリズム302に入射し、このプリズム302で反射され再度レンズ301 を透過して、ファイバ207 に帰還せしめられる。ファイバ207 に帰還せしめられた参照光L2はファイバカプラ201 で、上述した反射光L4’と合波される。
【００３６】
ファイバカプラ201 で合波された反射光L4’および参照光L2は、再び同軸上に重なることになり所定の条件の時に反射光L4’と参照光L2が干渉し、干渉光L5となり、ビート信号を発生する。
【００３７】
すなわち、参照光L2および反射光L4’は、可干渉距離の短い低コヒーレンス光L1であるため、低コヒーレンス光L1が信号光L3と参照光L2に分割されたのち、反射光L4’（反射光L4）がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長が、参照光L2がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長に略等しい場合に両光が干渉し、この干渉する両光の周波数差（△ｆ）で強弱を繰り返すビート信号が発生する。
【００３８】
干渉光L5は、ファイバカプラ201 で分割され、一方は、ファイバ207 を透過してバランス差分検出部600 の光検出器601 に入力され、他方はファイバ208 を透過して光検出器602 に入力される。
【００３９】
光検出器601 および602 では、干渉光L5から上記ビート信号の光強度を検出し、差動増幅器603 で、光検出器601 の検出値と光検出器602 の検出値の差分を求め、信号処理部700 へ出力する。なお、差動増幅器603 は、その入力値の直流成分のバランスを調整する機能を備えているため、たとえ光源部100 から出射された低コヒーレンス光L1にドリフトが生じている場合でも、直流成分のバランスを調整した上で差分を増幅することにより、ドリフト成分は相殺され、ビート信号成分のみが検出される。
【００４０】
信号処理部700 では、バランス差分検出部600 で検出された干渉光L5の光強度から被測定部10の所定の面で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換し、断層画像として画像表示部710 に表示する。
【００４１】
なお、プリズム302 をその光軸方向（図中水平方向）に移動すると、参照光L2がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長が変化する。このため参照光L2と干渉する反射光L4’（L4）の光路長も変化するため、断層情報を取得する被測定部10の深度も変化する。
【００４２】
上記の動作を繰り返し、被測定部10の所定点における表面から所望の深度までの断層情報を取得したのち、光走査部400 のレンズ401 およびレンズ402 により、信号光L3の入射点を図１の垂直方向に僅かに移動させ、同様に所定の深度までの断層情報を取得する。このような動作を繰り返すことにより、被測定部10の断層画像を得ることができる。
【００４３】
ここで、光ファイバ増幅器500 の動作の詳細を説明する。ＹＡＧレーザ504 から射出された波長５３２nmの励起光L6は、レンズ505 により集光されて、ファイバ506 に入射される。ファイバカプラ507 において、励起光L6はファイバ212 に導入され、光コネクタ502 を介してファイバ増幅部501 に入射する。励起光L6は、ファイバ増幅部501 内を伝播しながら、コアに添加されたＴｉ４＋に吸収される。励起光L6を吸収したTi４＋は、基底状態から励起状態に遷移する。この状態において、ファイバ増幅部501 の一端に、反射光L4が入射し、ファイバ増幅部501 のコア内を伝播すると、反射光L4と同一位相の光が誘導放出され、Ti４＋は基底状態へ戻る。このような誘導放出が繰り返され、増幅された反射光L4’がファイバ増幅器501 の他端から射出される。従って、反射光L4’は、反射光L4が増幅された同位相の信号であるため、この反射光L4’と参照光L2を干渉させた干渉光から断層画像情報を取得することができる。
【００４４】
上記の動作により、被測定部10で反射した反射光L4を増幅した反射光L4’と、参照光L2とを干渉させた干渉光L5の光強度を測定することにより、信号光の光強度を生体の被測定部の安全性を確保できる光強度に保ちつつ、Ｓ／Ｎが向上した断層情報を取得することができる。また、従来の光断層画像化装置では断層画像情報を取得することのできない被測定部10の深度で反射された反射光L4に関しても、増幅することにより、この反射光L4’と参照光L2との干渉光L5も検出可能となるため、断層画像を取得できる深度が増加する。
【００４５】
さらに、増幅用の光ファイバは巻回して設置可能であるため、光ファイバ増幅器500 を大型化することなく、増幅用の光ファイバの長さを所望の増幅率が得られる長さまで、長くすることができるので、小型な光ファイバ増幅器500 を設置するのみで、反射光L4を高い増幅率で増幅することができる。また光ファイバ増幅器500 の特徴の１つは、低雑音性であり、微弱な反射光L4を精度良く増幅することができる。
【００４６】
また、上記光ファイバ増幅器500 のファイバ増幅部には、Ｔｉ４＋を添加した光ファイバを使用しているため、７８０nm近傍の波長帯域である反射光L4を効率よく増幅可能である。
【００４７】
また、低コヒーレンス光L1の波長が７８０nmであり、すなわち信号光L3の波長も７８０nmであるため、信号光L3は生体組織である被測定部10において、望ましい透過性および散乱性を有するので、所望の断層画像を取得することができる。
【００４８】
また、上記第１の実施の形態の変形例として、波長７８０nmの光を発するＳＬＤ101 の代わりに波長１５５０nmの光を発するＳＬＤを使用した光断層画像化装置を考えることもできる。この場合には、光ファイバ増幅器500 のファイバ増幅部には、Ｅｒ３＋が添加された光ファイバを用い、励起用の波長５３２nmの光を発するＹＡＧレーザ502 の代わりに、波長９８０nmの光を発する半導体レーザを使用すれば、添加されたＥｒ３＋に励起光が吸収され、波長１５５０nmの反射光L4の増幅が効率良く行われる。
【００４９】
なお、低コヒーレント光L1の波長帯域に応じて、適宜遷移金属イオン、希土類イオンまたは錯イオンからなる群の中から少なくとも１つのイオンを添加した光ファイバを備えた光ファイバ増幅器を使用することができる。また、適宜上記イオンとして、遷移金属イオンであるＴｉ＋４、Ｃｒ3+、Ｍｎ4+、Ｍｎ2+、Ｆｅ3+、希土類イオンであるＳｃ3+、Ｙ3+、Ｌａ3+、Ｃｅ3+、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+、Ｐｍ3+、Ｓｍ3+、Ｅｕ3+、Ｇｄ3+、Ｔｂ3+、Ｄｙ3+、Ｈｏ3+、Ｅｒ3+、Ｔｍ3+、Ｙｂ3+、Ｌｕ3+、錯イオンであるＷＯ42-、ＭｏＯ42-、ＶＯ43+、Ｐｔ（ＣＮ）42-およびＷＯ66-からなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを用いれば、反射光を効率良く増幅することができ、また、これらのイオンは、光ファイバのコアに容易に添加可能であり、ファイバ増幅部の製造コストを低減することができる。さらに、光ファイバに色素を添加したファイバ増幅部を使用することもできる。
【００５０】
次に、本発明の第２の具体的な実施の形態である光断層画像化装置について図２を参照して説明する。図２は本発明による光断層画像化装置の概略構成図であり、この光断層画像化装置は、中心波長８００nmで、スペクトル幅が約２００nmの低コヒーレンス光L11 を出射する光源部800 と、この光源部800 から出射された低コヒーレンス光L11 を参照光L12 および信号光L13 へ分割し、また参照光L12 と反射光L14'との合波を行うファイバ結合光学系200 と、参照光L12 の光路上に配され、参照光L12 の光路長を変化させる光路遅延部300 と、信号光L13 で生体組織の被測定部10を走査する光走査部400 と、被測定部10の所定の面で反射された信号光L13 の反射光L14 を増幅する光ファイバ増幅器900 と、増幅された反射光L14'と参照光L12との干渉光L15の強度を検出するバランス差分検出部600 と、バランス差分検出部600 で検出された干渉光L15の光強度から被測定部10の所定の面で反射された反射光L14 の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換する信号処理部700 と、信号処理部700 で得られた画像信号を断層画像として表示する画像処理部710とから構成されているものである。なお、図１に示す第１の具体的な実施の形態と同等の要素については同番号を付し、特に必要のない限りその説明は省略する。
【００５１】
光源部800 は、励起光が入射されると低コヒーレンス光L11 を射出するファイバ光源801 と、該ファイバ光源801 を励起する励起光L10 として、波長６６０nmのレーザ光を射出する半導体レーザ802 と、励起光L10 をファイバ光源801 の入射端面に集光するレンズ803 と、低コヒーレンス光L11 に含まれている励起光L10 をカットするために、７００nm以下の波長帯域の光をカットする励起光カットフィルタ804 と、ファイバ光源801 から出射された低コヒーレンス光L11 を集光するレンズ805 およびレンズ806 とを備えている。
【００５２】
ファイバ光源801 は、中心にコア807 を有する光ファイバであり、コア807 には、励起光L10 を吸収して発光する色素が添加されている。励起光L10 がファイバ光源801 に入射すると、ファイバ光源801 の出射端からは、中心波長が約８００nmで、スペクトル幅が約２００nmの低コヒーレンス光L11 が出射される。
【００５３】
以下、光ファイバ増幅器900 以外の構成は、参照光L2の代わりに参照光L12 が使用され、信号光L3の代わりに信号光L13が、反射光L4の代わりに反射光L14が、反射光L4’の代わりに反射光L14'が、干渉光L5の代わりに干渉光L15 が使用されることを除き、図１に示す第１の実施の形態と同様である。
【００５４】
光ファイバ増幅器900 は、励起状態において、信号光が入射されると、その信号光を増幅するファイバ増幅部901 と、該ファイバ増幅部901 の両端に接続される光コネクタ502 および503 と、ファイバ増幅部901 に供給する励起光L16 である波長６６０nmのレーザ光を発する半導体レーザ902 と、励起光L16 を集光するレンズ505 と、励起光L16 を導光するファイバ506 と、該ファイバ506 により導光された励起光L16をファイバ212 に導入するファイバカプラ507 とを備えている。なお、ファイバ増幅部901 としては、ファイバ光源801 のコアに添加された色素と同じ色素がコアに添加された光ファイバを使用している。
【００５５】
次に本実施の形態の光断層画像化装置の動作について説明する。まず、半導体レーザ802 から射出された波長６６０ｎｍの励起光L10 は、レンズ803 により集光され、ファイバ光源801 のコア807 に導入される。
【００５６】
励起光L10 は、コア807 内を伝播しながら、添加された色素に吸収される。励起光L10 を吸収した色素は、基底状態から励起状態に遷移する。励起状態からは、熱緩和や発光過程を通して、基底状態へ戻る。ファイバ光源801 は、光共振器を構成していないため、個々の発光がランダムに、相関無く増幅されながら、コア807 内を伝播し、自然放出光としてファイバ光源801 の端面から出射する。この自然放出光は、コア807 内に添加された色素の発光スペクトルとファイバ光源801 の伝送特性から決まるスペクトル特性を有する低コヒーレンス光L11 である。また、その光強度は、励起光の光強度とコア807 内に添加された色素の量に依存する。すなわち、励起光の光強度、ファイバ光源801 のコア807 内に添加される色素の種類と量、およびファイバ光源801 の長さを適宜選択することにより、所望の中心波長、スペクトル幅および光強度を有する低コヒーレンス光L11 が得られる。
【００５７】
本実施の形態に用いられるファイバ光源801 からは、中心波長が約８００nm、スペクトル幅が約２００nmの低コヒーレンス光L11 が出射され、この低コヒーレンス光L11 は、レンズ805 により平行光に変換され、励起光カットフィルタ804 を透過後、レンズ806 により集光され、ファイバ206に導入される。
【００５８】
以下光ファイバ増幅器900 の動作を除いて、図１に記載される第１の実施の形態と同様な動作により、被測定部10の断層画像を得ることができる。
【００５９】
ここで、光ファイバ増幅器900 の動作の詳細を説明する。半導体レーザ902 から射出された波長６６０nmの励起光L16 は、レンズ505 により集光されて、ファイバ506 に入射される。ファイバカプラ507 において、励起光L16 はファイバ212 に導入され、光コネクタ502 を介してファイバ増幅部901 に入射する。励起光L16 は、ファイバ増幅部901 内を伝播しながら、コアに添加された色素に吸収される。
【００６０】
励起光L16を吸収した色素は、基底状態から励起状態に遷移する。この状態において、ファイバ増幅部901の一端に、反射光L14 が入射し、ファイバ増幅部901のコア内を伝播すると、反射光L14と同一位相の光が誘導放出され、色素は基底状態へ戻る。このような誘導放出が繰り返され、増幅された反射光L14'がファイバ増幅部901 他端から射出される。従って、反射光L14'は、反射光L14 が増幅された同位相の信号であり、この反射光L14'と参照光L12 を干渉させた干渉光L15 を検出し、断層画像情報を取得できる。なお、ファイバ増幅部901 内においては、誘導放出と同時に自然放出も行われるが、自然放出により発生した光は、その位相がランダムであるため、参照光L12 と干渉することはないため、断層画像の検出に支障を生じることはない。
【００６１】
上記の動作により、被測定部10で反射した反射光L14を増幅した反射光L14'と、参照光L12 とを干渉させ、干渉光強度を測定することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
また、ファイバ増幅部901 には、波長８００nm近傍の光を増幅可能な色素が添加されているため、反射光L14 が効率よく増幅される。
【００６３】
なお、所望の深度における断層情報を得るためには、信号光と参照光の干渉は、参照光の光路長と信号光の光路長とが完全一致した時にのみ生じることが理想であるが、実際には信号光と参照光の光路長差が光源のコヒーレンス長以下であれば、干渉が生じてしまう。すなわち、低コヒーレンス干渉における分解能は、光源のコヒーレンス長により定められるものとなる。
【００６４】
一般に、光源の波長分布がガウス型分布であれば、そのコヒーレンス長ΔＬは、中心波長をλｃ、スペクトル幅をΔλとすると、次式で表される。
【００６５】
ΔＬ＝（２／π）・ln２・（λｃ／Δλ）                （１）
例えば低コヒーレンス光の光源として、第１の実施の形態で使用された中心波長７８０nm、スペクトル幅２０ｎｍの光を発するＳＬＤを用いた場合、コヒーレンス長は、約１４μｍとなる。
【００６６】
一方本実施の形態においては、光源として、波長８００nm、スペクトル幅２００ｎｍの光を発するファイバ光源801 を用いたため、コヒーレンス長は、約１．４μｍとなり、高い分解能で断層画像を取得できる。
【００６７】
また、上記第２の実施の形態の変形例として、色素が添加されたファイバ増幅部901 の代わりに、遷移金属イオン、希土類イオンまたは錯イオンからなる群の中から少なくとも１つのイオンが添加されたファイバ増幅部を設けることもできる。また、適宜上記イオンとして、遷移金属イオンであるＴｉ４＋、Ｃｒ3+、Ｍｎ4+、Ｍｎ2+、Ｆｅ3+、希土類イオンであるＳｃ3+、Ｙ3+、Ｌａ3+、Ｃｅ3+、Ｐｒ3+、Ｎｄ3+、Ｐｍ3+、Ｓｍ3+、Ｅｕ3+、Ｇｄ3+、Ｔｂ3+、Ｄｙ3+、Ｈｏ3+、Ｅｒ3+、Ｔｍ3+、Ｙｂ3+、Ｌｕ3+、錯イオンであるＷＯ42-、ＭｏＯ42-、ＶＯ43+、Ｐｔ（ＣＮ）42-およびＷＯ66-からなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを用いれば、反射光を効率良く増幅することができる。また、これらのイオンは、光ファイバのコアに容易に添加可能であり、ファイバ増幅部の製造コストを低減することができる。
【００６８】
なお上記各実施形態においては、ピエゾ素子205を参照光の光路に挿入し、参照光の周波数をシフトさせたが、これに限定されるものではなく、信号光の周波数をシフトさせてもよい。あるいは参照光および信号光の両者の周波数をシフトさせて、両者の周波数に差を設けるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の光断層画像化装置の概略構成図
【図２】本発明の第２の光断層画像化装置の概略構成図
【符号の説明】
10    被測定部
100,800    光源部
101    ＳＬＤ
200    ファイバ結合光学系
201,202,507    ファイバカプラ
205    ピエゾ素子
203,204  光サーキュレータ
300    光路遅延部
302    プリズム
400    光走査部
500,900    光ファイバ増幅器
501,901    ファイバ増幅部
504    ＹＡＧレーザ
600    バランス差分検出部
601,602    光検出器
603    差動増幅器
700    信号処理部
710    画像表示部
801    ファイバ光源
802    半導体レーザ
804    励気光カットフィルタ
902    半導体レーザ
【図１】
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【図２】
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