WO2008029506A1 - Optical coherence tomography apparatus - Google Patents

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Kohji Ohbayashi
Kimiya Shimizu
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School Juridical Person Kitasato Gakuen
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Definitions

  • TD—0GT is the time domain
  • the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT, and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
  • the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional 0FDR-0GT device.
  • Ns is the number of wave numbers emitted by the variable wavelength light generator 1 during one wavelength scan.
  • ASE is incident on photodetectors 10 and 11 to generate shot noise.

Abstract

An optical coherence tomography apparatus comprised of a light generating device, an interferometer and an optical detector, is further provided with an optical amplifier in a sample optical path of the interferometer to improve the measuring sensitivity.

Description

明 細 書  Specification
オプティカル■コヒ一レンス■ トモグラフィー装置  Optical Coherence Tomography equipment
技術分野  Technical field
[0001] 本発明は、 オプティカル ' コヒ一レンス■ トモグラフィー装置に関し、 特 に、 光増幅器を利用した高感度オプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィ 一装置に関する。  The present invention relates to an optical coherence tomography apparatus, and more particularly to a high-sensitivity optical coherence tomography apparatus using an optical amplifier.
背景技術  Background art
[0002] ( 1 ) 0GTの現状  [0002] (1) Current status of 0GT
オプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー (Optical  Optical ■ Coherence ■ Tomography (Optical
Coherence Tomography: OCT) は、 光の干渉現象を利用した高分解能光断層撮 影技術である。 光の干渉現象を利用するので、 光の波長に近い高分解能 (10 程度) が、 0GTでは容易に実現できる。 また、 断層像撮影のためのプロ一 ブが光なので、 X線 GT (Computed  Coherence Tomography (OCT) is a high-resolution optical tomography technique that uses the interference phenomenon of light. Since the optical interference phenomenon is used, high resolution (approximately 10) close to the wavelength of light can be easily achieved with 0GT. In addition, because the probe for tomography is light, X-ray GT (Computed
Tomography) のように X線被爆が問題になることはない。 この高分解能且つ 無侵襲という特徴を活かして、 眼底や前眼部を顕微鏡レベルの高分解能で観 察する診断装置が、 0GTによって実現されている。  X-ray exposure is not a problem as in Tomography). Utilizing this high-resolution and non-invasive feature, 0GT has realized a diagnostic device for observing the fundus and anterior segment with high resolution at the microscope level.
[0003] 0GTには、 実用化済みの TD— 0GTと、 研究開発段階の SD— 0GT及び 0FDR—0GT の 3方式がある。 TD—0GTは、 タイム ' ドメイン (Time [0003] There are three types of 0GT: TD-0GT, which has already been put into practical use, and SD-0GT and 0FDR-0GT in the research and development stage. TD—0GT is the time domain
Domain) 方式のことであり、 最初に開発された方式である。 SD—0GTは、 スぺ ク トル■ ドメイン (Spectral domain) 方式のことであり、 比較的古くから研 究されている。 0FDR—0GTは、 オプティカル . フリーケンシ . ドメイン . リフ レク トメ トリ (Optical  Domain) method, which was first developed. SD-0GT is a spectral domain method that has been studied for a long time. 0FDR—0GT is optical, frequency, domain, refractometry (Optical
frequency domain ref lectometry) のことであり、 最近開発されたものであ る (非特許文献 1 ) 。  frequency domain ref lectometry), which was recently developed (Non-patent Document 1).
[0004] TD— 0GTは装置構成が簡単ではあるが、 測定速度の高速化に限界があり、 断 層像の動画撮影には適していない。 これに対して、 SD— 0GT及び 0FDR—0GTは 高速測定が容易であり、 断層像の動画の撮影も可能である。 [0005] 眼の水晶体等一部の組織を除く殆どの人体組織は、 光を強く散乱または反 射 (以下、 単に 「散乱」 と記載する) する。 0GTは、 この光散乱を利用した測 定技術である。 人体に光を照射すると、 その光は組織内部で後方散乱または 反射 (以下、 単に 「後方散乱」 と記載する) される。 0GTは、 この後方散乱光 を補足して断層像を構築する。 しかし、 人体の組織による光の散乱は、 激烈 である。 従って、 照射光は組織内部で急激に減衰し深部には到達しない。 こ のため、 人体表面から僅か数國入った位置で後方散乱された光でさえ、 0GTの 測定限界近くまで減衰している。 このため 0GTで測定が可能な範囲は、 人体の 表面から高々数國の深さに限定されている。 [0004] Although TD-0GT has a simple device configuration, it has limitations in increasing the measurement speed, and is not suitable for taking moving images of slice images. On the other hand, SD-0GT and 0FDR-0GT are easy to measure at high speed, and it is also possible to take tomographic videos. [0005] Most human tissues, except for some tissues such as the lens of the eye, strongly scatter or reflect light (hereinafter simply referred to as “scattering”). 0GT is a measurement technology that uses this light scattering. When the human body is irradiated with light, the light is backscattered or reflected inside the tissue (hereinafter simply referred to as “backscattering”). 0GT supplements this backscattered light to construct a tomographic image. However, the scattering of light by human tissues is intense. Therefore, the irradiation light rapidly attenuates inside the tissue and does not reach the deep part. For this reason, even the light backscattered at a position just a few countries from the human body surface is attenuated to near the 0GT measurement limit. For this reason, the range that can be measured with 0GT is limited to a depth of several countries from the surface of the human body.
[0006] 0GTの測定可能な深さは、 その感度によって決定される。 上記 3方式の 0GT の中で最も感度の高い方式は 0FDR-0GTであり、 SD_0GT、 TD-0GTは、 この順に 感度が低くなる。 これらの中で、 0FDR-0GTの感度の高さは際立っており、 TD- 0GT方式の数百倍に達している (非特許文献 2 ) 。  [0006] The measurable depth of 0GT is determined by its sensitivity. The most sensitive method among the above three methods 0GT is 0FDR-0GT. The sensitivity of SD_0GT and TD-0GT decreases in this order. Among these, the sensitivity of 0FDR-0GT is conspicuous, reaching several hundred times that of the TD-0GT system (Non-patent Document 2).
[0007] ( 2 ) 0FDR-0GT装置の構成  [0007] (2) Configuration of 0FDR-0GT device
以下、 測定速度■感度等の観点から最も優れている 0FDR-0GTについて、 その 装置構成と原理について簡単に説明する。 図 4は、 0FDR-0GTの装置構成を示 している。  The following is a brief description of the device configuration and principle of 0FDR-0GT, which is the most excellent in terms of measurement speed and sensitivity. Figure 4 shows the equipment configuration of 0FDR-0GT.
[0008] 超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発生装置 (非特許文献 3 ) の ような、 波長を変化させながら光を出射できる可変波長光発生装置 1の光出射 口は、 光を二分割 (例えば 90 : 10) する方向性結合器からなる第 1の力ブラ 2 (光分岐器) の光受入口に光学的に接続されている。 光学的接続は、 実線で 示された光ファイバによって行われる。  [0008] The light exit port of the variable wavelength light generator 1 that can emit light while changing the wavelength, such as a super-periodic structure diffraction grating distributed reflection semiconductor laser light generator (Non-patent Document 3), divides the light into two It is optically connected to the light receiving port of the first force bra 2 (optical splitter) consisting of a directional coupler (eg 90:10). The optical connection is made by an optical fiber indicated by a solid line.
[0009] 第 1の力ブラ 2の一方側 (分割割合 9 0 %側) の光送出口は、 オプティカル サ一キユレ一タ 3の光受入口に光学的に接続されている。 オプティカルサ一キ ユレータ 3の光出射口/光受入口は、 測定対象 4に測定光を照射する共に測定対 象 4によって後方散乱された信号光を捕捉する第 1の光照射/捕捉装置 5に接続 されている。 オプティカルサーキユレータ 3の光出射口は、 方向性結合器 (分 割比 50 : 50) からなる第 2の力ブラ 6 (光結合器) の一方側の光受入口に接続 されている。 [0009] The light transmission port on one side (the division ratio 90% side) of the first force bra 2 is optically connected to the light receiving port of the optical circuit 3. The light exit / light entrance of the optical circulator 3 is connected to the first light irradiation / capture device 5 that irradiates the measurement light to the measurement object 4 and captures the signal light backscattered by the measurement target 4. It is connected. The optical outlet of the optical circulator 3 is connected to the light receiving port on one side of the second force bra 6 (optical coupler) consisting of a directional coupler (division ratio 50: 50). Has been.
[0010] 尚、 測定光とは、 第 1の力ブラ 2で分割された可変波長光発生装置 1の出射 光のうち、 測定対象 4に照射されるものを言う。 また、 第 1の力ブラ 2で分割 された可変波長光発生装置 1の出射光の他方側は、 参照光と呼ばれる。 測定光 が測定対象 4によって後方散乱され、 再度干渉計 (第 1および第 2の力ブラ 2, 6と第 1および第 2のサーキユレータ 3, 7からなる光学系) に入射した光は信 号光と呼ぶれる。  Note that the measurement light refers to light emitted to the measurement object 4 among the emitted light of the variable wavelength light generator 1 divided by the first force bra 2. Further, the other side of the emitted light of the variable wavelength light generator 1 divided by the first force bra 2 is referred to as reference light. The measurement light is backscattered by the measurement object 4, and the light incident on the interferometer (the optical system consisting of the first and second force bras 2, 6 and the first and second circulators 3, 7) again is the signal light. Called.
[001 1 ] 第 1の光照射/捕捉装置 5は、 オプティカルサーキユレータ 3の光出射口/光 受入口から出射された測定光を平行ビームに整形するコリメ一トレンズ 14と 、 この平行ビームを測定対象 4に集光するフォーカシングレンズ 1 6と、 測定光 を偏向することによって測定対象 4の表面で直線状に走査するガルバノミラー 15とを備えている。  [001 1] The first light irradiating / capturing device 5 includes a collimating lens 14 for shaping the measurement light emitted from the light emitting port / light receiving port of the optical circulator 3 into a parallel beam, and the parallel beam. A focusing lens 16 that focuses light on the measurement object 4 and a galvanometer mirror 15 that linearly scans the surface of the measurement object 4 by deflecting measurement light are provided.
[0012] 第 1の力ブラ 2の他方側 (分割割合 1 0 %側) の光送出口は、 オプティカル サ一キユレ一タ 7の光受入口に光学的に接続されている。 オプティカルサ一キ ユレータ 7の光出射口/光受入口は、 参照ミラー 8に参照光を照射する共に参照 ミラー 8によって後方散乱された参照光を捕捉する第 2の光照射/捕捉装置 9に 接続されている。 オプティカルサーキユレータ 7の光出射口は、 方向性結合器 (分割比 50 : 50) からなる第 2の力ブラ 6の他方側の光受入口に光学的に接続 されている。 参照ミラー 8は、 前後に移動可能な支持体に担持され、 参照光路 1 7と試料光路 18の光路長が略等しくなるようにその位置が調整されている。  The optical transmission port on the other side of the first force bra 2 (division ratio of 10% side) is optically connected to the optical reception port of the optical circuit 7. The optical emission port / light receiving port of the optical circulator 7 is connected to a second light irradiation / capturing device 9 that irradiates the reference light to the reference mirror 8 and captures the reference light backscattered by the reference mirror 8. Has been. The light exit port of the optical circulator 7 is optically connected to the light receiving port on the other side of the second force bra 6 composed of a directional coupler (division ratio 50:50). The reference mirror 8 is carried on a support body that can move back and forth, and its position is adjusted so that the optical path lengths of the reference optical path 17 and the sample optical path 18 are substantially equal.
[0013] 第 2の力ブラ 6の一方側及び他方側の光送出口は、 量子効率が同一の第 1及 び第 2の光検出器 10, 1 1に光学的に接続されている。 第 1及び第 2の光検出器 10, 1 1の出力は、 差動増幅器 12に電気的に接続されている。  [0013] The light transmission ports on one side and the other side of the second force bra 6 are optically connected to the first and second photodetectors 10, 11 having the same quantum efficiency. The outputs of the first and second photodetectors 10, 11 are electrically connected to the differential amplifier 12.
[0014] 差動増幅器 12の出力部は、 反射率分布 ( ref l ect i v i ty  [0014] The output section of the differential amplifier 12 has a reflectance distribution (ref l ect i v i ty
prof i l e) 即ち、 反射又は後方散乱強度分布を合成する演算制御装置 13の入力 部に図示しないアナ口グ/デジタル変換機を介して電気的に接続されている 。 演算制御装置 13の出力部は、 演算結果を表示するモニタやプリンタ等の表 示装置 (図示せず) の入力部に電気的に接続されている。 この演算制御装置 1 3は、 入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置 1及び第 1の光照射/ 捕捉装置 5のガルバノミラー 15を制御する。 That is, it is electrically connected to the input unit of the arithmetic and control unit 13 that synthesizes the reflection or backscattering intensity distribution via an analog / digital converter (not shown). The output unit of the calculation control device 13 is electrically connected to the input unit of a display device (not shown) such as a monitor or a printer that displays the calculation results. This arithmetic and control unit 1 3 controls the galvanometer mirror 15 of the variable wavelength light generating device 1 and the first light irradiation / capturing device 5 based on the input information.
断層像の構築は、 以下のように行う。 可変波長光発生装置 1から、 レーザ光 の波数(= 2 π/波長)を極狭い波数間隔で連続的に切替ながら出射する。 可変 波長光発生装置 1の出射光は、 第 1および第 2の力ブラ 2,6と第 1および第 2 のサーキユレータ 3, 7からなる干渉計に入射し、 測定対象 4によって散乱され た信号光と参照ミラー 8によって反射された参照光が第 2の力ブラ 6で干渉す る。 干渉光の強度は第 1及び第 2の光検出器 10, 11で検出され、 干渉光に含ま れる直流成分 (参照光強度と信号光強度の和に比例) が差動増幅器 12によつ て除去され干渉成分 (以下、 信号電流と呼ぶ) のみが演算制御装置 13に入力 される。 演算制御装置 13は、 可変波長光発生装置 1の出射するレーザ光の波数 と、 当該レーザ光に対する信号強度を全ての波数に対して記録する。 可変波 長光発生装置 1の波数走査が終わると、 演算制御装置 13は記録した信号強度を 波数に対してフーリエ変換する。 フーリエ変換された結果は、 測定光が測定 対象 4によって後方散乱された位置とその後方散乱光の強度の関数になる。 す なわち、 測定対象に関する後方散乱率の深さ方向分布 (正確には、 測定光の 照射方向に対する測定対象に関する後方散乱率の分布) が得られる。 演算制 御装置 13は、 測定光の照射位置を測定対象 4の表面で直線に沿って少しずつ移 動させながら、 この分布を測定する。 最後に、 測定した分布を束ねて測定対 象 4の断層像を構築する。 測定光の照射位置の移動は、 第 1の光照射/捕捉装 置 5が演算制御装置 13の指令に基づいて行う (非特許文献 1 ) 。  The tomographic image is constructed as follows. The variable wavelength light generator 1 emits the wave number (= 2π / wavelength) of the laser light while continuously switching at an extremely narrow wave number interval. The light emitted from the variable wavelength light generator 1 is incident on an interferometer comprising the first and second force bras 2, 6 and the first and second circulators 3, 7, and is scattered by the measurement object 4. The reference light reflected by the reference mirror 8 interferes with the second force bra 6. The intensity of the interference light is detected by the first and second photodetectors 10 and 11, and the DC component (proportional to the sum of the reference light intensity and the signal light intensity) contained in the interference light is detected by the differential amplifier 12. Only the removed interference component (hereinafter referred to as signal current) is input to the arithmetic and control unit 13. The arithmetic and control unit 13 records the wave number of the laser beam emitted from the variable wavelength light generator 1 and the signal intensity for the laser beam for all the wave numbers. When the wave number scanning of the variable wavelength light generator 1 is completed, the arithmetic and control unit 13 performs a Fourier transform on the recorded signal intensity with respect to the wave number. The result of the Fourier transform is a function of the position where the measurement light is backscattered by the measurement object 4 and the intensity of the backscattered light. In other words, the depth direction distribution of the backscattering rate for the measurement object (more precisely, the distribution of the backscattering rate for the measurement object with respect to the irradiation direction of the measurement light) is obtained. The arithmetic control device 13 measures this distribution while moving the measurement light irradiation position little by little along the straight line on the surface of the measurement object 4. Finally, the measured distributions are combined to construct a tomographic image of measurement target 4. The movement of the measurement light irradiation position is performed by the first light irradiation / capturing device 5 based on a command from the arithmetic control device 13 (Non-patent Document 1).
非特許文献 1 : T. Amano, H. Hi ro-oka, D. Choi , H. Furukawa, F. Kano, M. Takeda , M. Nakanishi , K. Shimizu, and K. Obayashi , Proceeding of SPIE, Vol .5531 , p.375, 2004. Non-Patent Document 1: T. Amano, H. Hi ro-oka, D. Choi, H. Furukawa, F. Kano, M. Takeda, M. Nakanishi, K. Shimizu, and K. Obayashi, Proceeding of SPIE, Vol .5531, p.375, 2004.
非特許文献 2: S. H. Yun, G. J. Tearnery, J. F. de Boer, N. Iftimia , and B. E. Bo uma, OPTICS EXPRESS, Vol.11, p.2953, 2003. Non-Patent Document 2: S. H. Yun, G. J. Tearnery, J. F. de Boer, N. Iftimia, and B. E. Bouma, OPTICS EXPRESS, Vol.11, p.2953, 2003.
非特許文献 3:吉國 裕三, 「波長可変レーザーの開発動向とそのシステム応 用への期待」 , 応用物理, 応用物理学会, 2002年, 第 7 1巻, 第 1 1号 , p. 1 3 6 2 - 1 3 6 6 . Non-Patent Document 3: Yuzo Yoshikuni, “Development Trends of Wavelength Tunable Lasers and Their Expectations for System Applications”, Applied Physics, Japan Society of Applied Physics, 2002, Vol. 71, No. 11 , p. 1 3 6 2-1 3 6 6.
非特許文献 4 : 中川清司,中沢正隆,相田一夫,萩本和夫, 「光増幅器とその応用 J ,オーム社, 1992, ρ· 22.  Non-Patent Document 4: Kiyoshi Nakagawa, Masataka Nakazawa, Kazuo Aida, Kazuo Enomoto, “Optical Amplifier and its Applications J, Ohmsha, 1992, ρ · 22.
非特許文献 5 : 中川清司,中沢正隆,相田一夫,萩本和夫, 「光増幅器とその応用 J ,オーム社, 1992, ρ· 32.  Non-Patent Document 5: Kiyoshi Nakagawa, Masataka Nakazawa, Kazuo Aida, Kazuo Enomoto, “Optical Amplifiers and Their Applications J, Ohmsha, 1992, ρ. 32.
発明の開示  Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題  Problems to be solved by the invention
[0016] 上述した通り、 0FDR-0GTの感度は、 TD-0GTに比べ数百倍改善されている。  [0016] As described above, the sensitivity of 0FDR-0GT is improved several hundred times compared to TD-0GT.
しかし、 この様な高感度をもってしても、 測定可能な深さは人体の表面から 高々 2〜3mmである。  However, even with such high sensitivity, the measurable depth is at most 2 to 3 mm from the surface of the human body.
[0017] 測定可能な範囲がこのように狭いので、 0GTの応用範囲は限られたものにな つている。 もし、 測定範囲 (a depth  [0017] Since the measurable range is so narrow, the application range of 0GT is limited. If the measurement range (a depth
range) があと 1〜2國深くなれば、 0GTの適用分野は大きく広がる。 例えば、 0GTによる前眼の断層撮影では、 虹彩の背後に隠れた毛様体の観察は今だ不可 能である。 し力、し、 測定可能な深さが、 あと 1〜2國深くなるだけで毛様体の 観察が可能になる。 毛様体の観察は、 緑内障の診断にとって重要であり、 眼 科医療において切望されている。 また、 0GTを内視鏡と組み合わせて癌組織の 診断をしよとする構想があるが、 測定深さが組織表面から 2〜3國では不充分 であり、 更に数國の測定範囲の拡大が期待されている。  If range is one or two countries deeper, the range of application of 0GT will be greatly expanded. For example, in tomography of the anterior eye with 0GT, it is still impossible to observe the ciliary body hidden behind the iris. It becomes possible to observe the ciliary body with only one or two countries deeper. Observation of the ciliary body is important for the diagnosis of glaucoma and is eagerly desired in ophthalmic medicine. In addition, there is a concept to diagnose cancer tissue by combining 0GT with an endoscope, but the measurement depth is insufficient in 2 to 3 countries from the tissue surface, and the measurement range in several countries is further expanded. Expected.
[0018] —方、 動画撮影のためには 0GTを高速で動作させなければならないが、 測定 速度を上げると 0GTは感度が低下する (非特許文献 2 ) 。 従って、 深い位置で の画像が不鮮明になり、 動画撮影が可能な範囲は表面近くの 1〜2m mの深さ に限られてしまう。 [0018] On the other hand, 0GT must be operated at high speed for moving image shooting, but the sensitivity of 0GT decreases as the measurement speed increases (Non-patent Document 2). Therefore, the image at a deep position becomes unclear, and the range in which movie shooting is possible is limited to a depth of 1 to 2 mm near the surface.
[0019] そこで、 本発明の目的は、 0GTの測定感度を向上させ、 断層像の観察可能な 深度を拡大した 0GT装置を提供することである。  Therefore, an object of the present invention is to provide a 0GT device that improves the measurement sensitivity of 0GT and expands the depth at which a tomographic image can be observed.
課題を解決するための手段  Means for solving the problem
[0020] 上記の目的を達成するために、 第 1の発明は、 光発生装置と、 前記光発生 装置から出力された光を、 測定光と参照光とに分割する光分岐器と、 前記測 定光を測定対象に照射すると共に、 前記測定光が前記測定対象によって反射 又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する光照射/捕捉装置と、 前記信号光と 前記参照光とを結合する光結合器と、 前記光結合器で結合された出力光の強 度を測定する光検出装置と、 前記光検出装置の出力に基づいて、 前記測定対 象における前記測定光の照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位 置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制御装置とを有するォプテ イカル ' コヒ一レンス■ トモグラフィー装置において、 前記信号光を増幅す る光増幅器を有することを特徴とする。 [0020] In order to achieve the above object, a first invention includes a light generator, an optical splitter that divides light output from the light generator into measurement light and reference light, and the measurement A light irradiation / capturing device that irradiates the measurement object with the constant light and captures the signal light that is reflected or backscattered by the measurement object; and an optical coupler that combines the signal light and the reference light And a light detection device that measures the intensity of the output light coupled by the optical coupler, and a reflection of the measurement light with respect to the irradiation direction of the measurement light in the measurement target based on the output of the light detection device Alternatively, an optical coherence tomography apparatus having a backscattering position and an arithmetic and control unit for specifying a reflection intensity or a backscattering intensity is characterized by having an optical amplifier for amplifying the signal light.
[0021 ] このような構成を採用したことにより、 第 1の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。  [0021] By adopting such a configuration, the first invention has the effect of improving the measurement sensitivity of 0GT and expanding the observable depth of the tomographic image.
[0022] 第 2の発明は、 第 1の発明において、 前記参照光の強度が、 前記光増幅器 を配置しない状態で、 前記オプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装 置の感度が最良になるよう最適化した前記参照光の強度より大きく、 且つ前 記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴 とする。  [0022] A second invention is the first invention according to the first invention, wherein the intensity of the reference light is optimized so that the sensitivity of the optical coherence tomography device is best when the optical amplifier is not disposed. It is characterized in that it is larger than the reference light intensity and smaller than the maximum value of the input light intensity at which the light detection device operates normally.
[0023] このような構成を採用したことにより、 第 2の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度 (観察可能な、 測定対象の表面からの深さ) を拡大するという効果を確実に奏する。  [0023] By adopting such a configuration, the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
[0024] 第 3の発明は、 第 1の発明において、 前記光検出装置に入射する前記参照 光の強度が、 1 5 Wより大きく 1 O mWより小さいことを特徴とする。 [0024] A third invention is characterized in that, in the first invention, the intensity of the reference light incident on the photodetecting device is larger than 15 W and smaller than 1 O mW.
[0025] このような構成を採用したことにより、 第 2の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度 (観察可能な、 測定対象の表面からの深さ) を拡大するという効果を確実に奏する。 [0025] By adopting such a configuration, the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
[0026] 第 4の発明は、 第 1乃至 3の発明において、 前記光発生装置が、 出射光の 波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする。 [0026] A fourth invention is characterized in that, in the first to third inventions, the light generating device is a variable wavelength light generating device capable of changing a wave number of emitted light.
[0027] このような構成を採用したことにより、 第 4発明は、 0GTの中で最も高感度 である 0FDR-0GTの測定感度を更に向上させ、 断層像の観察可能深度を拡大す るという効果を奏する。 [0028] 第 5の発明は、 光発生装置と、 前記光発生装置の光出射口が光受入口に接 続され、 前記光発生装置から出力された光を、 測定光と参照光とに分割する 光分岐器と、 前記光分岐器の一方側の光送出口が光受入口に接続された第 1 のオプティカルサ一キユレ一タと、 第 1のオプティカルサ一キユレ一タの光 送出口/光受入口が接続され、 前記測定光を測定対象に照射すると共に、 前 記測定光が前記測定対象によって反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉 する第 1の光照射/捕捉装置と、 第 1のオプティカルサーキユレ一タの光出射 口が光受入口に接続され、 前記信号光を増幅する光増幅器と、 前記光分岐器 の他方側の光送出口が光受入口に接続された第 2のオプティカルサ一キユレ —タと、 第 2のオプティカルサ一キユレ一タの光出射口/光受入口が接続さ れ、 前記参照光を参照ミラーに照射すると共に、 前記参照ミラーによって反 射された前記参照光を捕捉する第 2の光照射/捕捉装置と、 前記光増幅器の光 出射口が一方側の光受入口に接続され、 第 2のオプティカルサーキユレータ の光出射口が他方側の光受入口に接続され、 前記信号光と前記参照光とを結 合する光結合器と、 前記光結合器の一方側の光送出口が接続され、 前記光結 合器で結合された出力光の強度を測定する第 1の光検出装置と、 前記光結合 器の他方側の光送出口が接続され、 前記光結合器で結合された出力光の強度 を測定する第 2の光検出装置と、 第 1及び第 2の光検出装置の出力が電気的 に接続された差動増幅器と、 前記差動増幅器が電気的に接続され、 第 1およ び第 2の光検出装置の出力に基づいて、 前記測定対象における前記測定光の 照射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散 乱強度とを特定する演算制御装置とを有する。 [0027] By adopting such a configuration, the fourth invention has the effect of further improving the measurement sensitivity of 0FDR-0GT, which is the most sensitive of 0GT, and expanding the observable depth of tomographic images. Play. [0028] According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a light generator, a light output port of the light generator is connected to a light receiving port, and the light output from the light generator is divided into measurement light and reference light An optical branching device, a first optical scanner that has an optical transmission port on one side of the optical branching device connected to the optical receiving port, and an optical transmission port of the first optical circuit / A first light irradiating / capturing device that is connected to a light receiving port, irradiates the measurement light on the measurement object, and captures signal light that is reflected or backscattered by the measurement object; A light output port of the optical circuit 1 is connected to the light receiving port, an optical amplifier that amplifies the signal light, and a second light transmitting port of the optical branching device that is connected to the light receiving port. Of the optical sensor and the second optical sensor of the second An emission port / light reception port connected to irradiate the reference mirror with the reference light and capture the reference light reflected by the reference mirror; and The light exit port is connected to the light receiving port on one side, the light exit port of the second optical circulator is connected to the light receiving port on the other side, and optical coupling that couples the signal light and the reference light And a first light detection device for measuring the intensity of the output light coupled by the optical coupler, and the other optical coupler on the other side of the optical coupler. A second light detection device for measuring the intensity of the output light coupled by the optical coupler, and a differential in which the outputs of the first and second light detection devices are electrically connected. An amplifier and the differential amplifier are electrically connected, and the first and second photodetectors are electrically connected. Based on the force, and an arithmetic control unit for identifying a reflection intensity or backscatter intensity and the reflected or backscattered position of the measuring light with respect to the irradiation direction of the measuring light in the measurement target.
[0029] このような構成を採用したことにより、 第 5の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度を拡大するという効果を奏する。  By adopting such a configuration, the fifth invention has the effect of improving the 0GT measurement sensitivity and expanding the observable depth of the tomographic image.
[0030] 第 6の発明は、 第 5の発明において、 前記参照光の強度が、 前記光増幅器 を配置しない状態で、 前記オプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装 置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きく、 且つ前記光 検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいことを特徴とす る。 [0030] A sixth invention is the method according to the fifth invention, wherein the intensity of the reference light is optimized so that the sensitivity of the optical coherence tomography device is best when the optical amplifier is not disposed. The reference light intensity is larger than the reference light intensity and smaller than the maximum value of the input light intensity at which the light detection device operates normally. The
[0031 ] このような構成を採用したことにより、 第 2の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度 (観察可能な、 測定対象の表面からの深さ) を拡大するという効果を確実に奏する。  [0031] By adopting such a configuration, the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT, and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
[0032] 第 7の発明は、 第 5の発明において、 第 1および第 2の光検出装置に入射 する前記参照光の強度が、 1 より大きく 1 O mWより小さいことを特 徵とする。 [0032] A seventh invention is characterized in that, in the fifth invention, the intensity of the reference light incident on the first and second photodetectors is greater than 1 and less than 1 OmW.
[0033] このような構成を採用したことにより、 第 2の発明は、 0GTの測定感度を向 上させ、 断層像の観察可能深度 (観察可能な、 測定対象の表面からの深さ) を拡大するという効果を確実に奏する。  [0033] By adopting such a configuration, the second invention improves the measurement sensitivity of 0GT and expands the observable depth of the tomographic image (observable depth from the surface of the measurement target). The effect of doing is surely produced.
[0034] 第 8の発明は、 第 5乃至 7の発明において、 前記光発生装置が、 出射光の 波数を変更可能な可変波長光発生装置であることを特徴とする。  [0034] An eighth invention is characterized in that, in the fifth to seventh inventions, the light generating device is a variable wavelength light generating device capable of changing a wave number of emitted light.
このような構成を採用したことにより、 第 8の発明は、 0GTの中で最も高感度 である 0FDR-0GTの測定感度を更に向上させ、 断層像の観察可能深度を拡大す るという効果を奏する。  By adopting such a configuration, the eighth invention has the effect of further improving the measurement sensitivity of 0FDR-0GT, which is the most sensitive of 0GT, and expanding the observable depth of tomograms. .
発明の効果  The invention's effect
[0035] 本発明によれば、 0GTの測定感度を向上させ、 断層像の観察可能な深度を拡 大することできる。  [0035] According to the present invention, it is possible to improve the measurement sensitivity of 0GT and expand the depth at which a tomographic image can be observed.
図面の簡単な説明  Brief Description of Drawings
[0036] [図 1 ]本発明による 0FDR-0GT装置の構成図である。 [0036] FIG. 1 is a block diagram of a 0FDR-0GT device according to the present invention.
[図 2]従来の 0FDR-0GT装置の感度である。  [Figure 2] Sensitivity of the conventional 0FDR-0GT device.
[図 3]本発明による 0FDR-0GT装置の SNRである。  FIG. 3 is an SNR of the 0FDR-0GT device according to the present invention.
[図 4]従来の 0FDR-0GT装置の構成図である。  FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional 0FDR-0GT device.
符号の説明  Explanation of symbols
[0037] 1 可変波長光発生装置  [0037] 1 Variable wavelength light generator
2 第 1のカプラ  2 First coupler
3 第 1のオプティカルサ一キユレ一タ  3 First optical sensor
4 測定対象 5 第 1の光照射/捕捉装置 4 Measurement target 5 First light irradiation / capture device
6 第 2のカプラ  6 Second coupler
7 第 2のオプティカルサ一キユレ一タ  7 Second optical sensor
9 第 2の光照射/捕捉装置  9 Second light irradiation / capture device
1 3 演算制御装置  1 3 Arithmetic control unit
1 9 光増幅器  1 9 Optical amplifier
発明を実施するための最良の形態  BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0038] 以下, 図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。 但し, 本 発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず, 特許請求の範囲に記 載された事項とその均等物まで及ぶものである。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
[0039] ( 1 ) 装置構成  [0039] (1) Device configuration
図 1に、 本実施の形態による 0GT装置の構成を示す。 本装置は、 図 4に示し た従来の 0FDR-0GT装置の試料光路 18に、 光増幅器 1 9を配置した構成になって いる。 新たに導入した光増幅器 1 9は、 試料光路 18のサ一キユレ一タ 3と第 2の 力ブラ 6の間に配置されている。  Fig. 1 shows the configuration of the 0GT device according to this embodiment. This apparatus has a configuration in which an optical amplifier 19 is arranged in the sample optical path 18 of the conventional 0FDR-0GT apparatus shown in FIG. The newly introduced optical amplifier 19 is disposed between the sampler 3 and the second force bra 6 in the sample optical path 18.
[0040] 更に、 図 1の 0FDR-0GT装置が具備する第 1の力ブラ 2は、 図 4に示した 0FDR -0GT装置が具備する第 1の力ブラ 2とは分割比が異なっている。 図 4に示した 従来の 0FDR-0GT装置が具備する第 1の力ブラ 2の分割比は、 「背景技術」 の欄 で説明したとおり 10 : 90 (参照光路 1 7:試料光路 18 = 10 : 90) である。 しかし 、 図 1の第 1の力ブラ 2の分割比は、 50 : 50 (参照光路:試料光路 =50 : 50) で ある。 このため、 図 1の第 1の力ブラ 2が参照光路 1 7に出射する光の強度は、 図 4の装置に比べ 5倍大きくなつている。 この様な装置構成によって、 本実 施の形態の 0FDR-0GTの感度は大幅に改善されている。 以下、 図 1に示した本 実施の形態に係る 0FDR-0GT装置構成について詳しく説明する。 尚、 図 4と共 通する部分には、 同一の符号を付してある。  [0040] Furthermore, the first force bra 2 included in the 0FDR-0GT device shown in FIG. 1 has a split ratio different from that of the first force bra 2 included in the 0FDR-0GT device shown in FIG. The split ratio of the first force bra 2 of the conventional 0FDR-0GT device shown in Fig. 4 is 10: 90 (reference optical path 17: sample optical path 18 = 10: 90). However, the split ratio of the first force bra 2 in FIG. 1 is 50:50 (reference optical path: sample optical path = 50: 50). For this reason, the intensity of the light emitted from the first force bra 2 of FIG. 1 to the reference optical path 17 is five times larger than that of the apparatus of FIG. With such a device configuration, the sensitivity of 0FDR-0GT of this embodiment is greatly improved. Hereinafter, the configuration of the 0FDR-0GT apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 1 will be described in detail. The parts common to those in Fig. 4 are given the same reference numerals.
[0041 ] 図 1の 0FDR-0GT装置では、 超周期構造回折格子分布反射半導体レーザ光発 生装置 (非特許文献 3) のような、 波長を変化させながら光を出射できる可変 波長光発生装置 1の光出射口は、 光を二分割する方向性結合器 (分割比 50 : 50 ) からなる第 1の力ブラ 2の光受入口に、 光ファイバによって光学的に接続さ れている。 ここで光学的な接続とは、 光ファイバによって接続されているこ とを意味する。 以下の説明でも、 同様である。 [0041] The 0FDR-0GT device in FIG. 1 is a variable wavelength light generator 1 that can emit light while changing the wavelength, such as a super-periodic structure grating distributed reflection semiconductor laser light generator (Non-Patent Document 3). The light exit of the directional coupler that divides light into two (division ratio 50: 50 ) Is optically connected to the light receiving port of the first force bra 2 comprising an optical fiber. Here, the optical connection means being connected by an optical fiber. The same applies to the following description.
[0042] 可変波長光発生装置 1の出力光強度は 4mWであり、 光検出器 10, 1 1に到達する 参照光の強度は 400 wである。 また、 可変波長光発生装置 1は、 波長走査範囲 1530nm〜1570nmの間を、 波数間隔 2. 62 x 10-? -1で波数を切り替えながらレ一 ザ光を出射する。 従って、 測定に用いる波長 (又は波数) の数は 400である。 波数が切り替えられてから、 次の波数に切り替えられるまでの波数保持時間 は 500nsである。 第 1の力ブラ 2の一方側 (分割割合 50%) の光送出口は、 第 1のオプティカルサ一キユレ一タ 3の光受入口に光学的に接続されている。 第 1のオプティカルサーキユレータ 3の光出射口/光受入口は、 測定対象 4に測定 光を照射する共に測定対象 4によって後方散乱された信号光を捕捉する第 1の 光照射/捕捉装置 5に光学的に接続されている。 第 1のオプティカルサーキュ レータ 3の光出射口は、 半導体光増幅器または光ファイバ増幅器からなる光増 幅器 1 9の光受入口に光学的に接続されている。 光増幅器 1 9の光出射口は、 方 向性結合器 (分割比 50 : 50) からなる第 2の力ブラ 6の一方側の光受入口に光 学的に接続されている。 The output light intensity of the variable wavelength light generator 1 is 4 mW, and the intensity of the reference light reaching the photodetectors 10 and 11 is 400 w. In addition, the variable wavelength light generator 1 has a wave number interval of 2.62 x 10-? In the wavelength scanning range between 1530 nm and 1570 nm. -1 emits laser light while switching the wave number. Therefore, the number of wavelengths (or wave numbers) used for measurement is 400. The wave number holding time from switching the wave number to switching to the next wave number is 500ns. The light transmission port on one side (division ratio 50%) of the first force bra 2 is optically connected to the light receiving port of the first optical scanner 3. The light exit / light entrance of the first optical circulator 3 irradiates the measurement light onto the measurement object 4 and also captures the signal light backscattered by the measurement object 4. Is optically connected. The light output port of the first optical circulator 3 is optically connected to the light receiving port of an optical amplifier 19 composed of a semiconductor optical amplifier or an optical fiber amplifier. The light output port of the optical amplifier 19 is optically connected to the light receiving port on one side of the second force bra 6 composed of a directional coupler (division ratio 50:50).
[0043] 光増幅器は、 可変波長光発生装置 1の波長走査範囲 1530nm〜1570nm内に波長 が存在する光 (可変波長光発生装置 1が出射する総ての波長) を、 増幅できる ものでなければならない。 更に、 光利得は、 なるべく波長依存性がなく且つ 最大利得が 20dB以上であることが好ましい。 このような条件を満たす光増幅 器としては、 光増幅層が I nGaAsPからなる進行波型半導体光増幅器がある。 ま た、 このような条件を満たす光ファイバ増幅器としては、 光通信で用いられ る Cバンド■エルビウム添加光ファイバ (EDFA) がある。  [0043] The optical amplifier must be capable of amplifying light having a wavelength within the wavelength scanning range 1530 nm to 1570 nm of the variable wavelength light generator 1 (all wavelengths emitted by the variable wavelength light generator 1). Don't be. Furthermore, it is preferable that the optical gain has as little wavelength dependency as possible and the maximum gain is 20 dB or more. As an optical amplifier satisfying such conditions, there is a traveling wave semiconductor optical amplifier whose optical amplification layer is made of InGaAsP. An optical fiber amplifier that satisfies these conditions is the C-band erbium-doped optical fiber (EDFA) used in optical communications.
[0044] 第 1の光照射/捕捉装置 5の構成は、 図 4に示した従来の 0FDR-0GTと同じで  [0044] The configuration of the first light irradiation / capturing device 5 is the same as that of the conventional 0FDR-0GT shown in FIG.
[0045] 第 1の力ブラ 2の他方側 (分割割合 50%) の光送出口は、 第 2のォプティカ ルザ一キユレ一タ 7の光受入口に光学的に接続されている。 第 2のォプティカ ルザーキユレータ 7の光出射口/光受入口は、 参照ミラー 8に参照光を照射する 共に参照ミラー 8によって反射された参照光を捕捉する第 2の光照射/捕捉装 置 9に接続されている。 第 2のオプティカルサ一キユレ一タ 7の光出射口は、 方 向性結合器 (分割比 50 : 50) からなる第 2の力ブラ 6の他方側の光受入口に光 学的に接続されている。 参照ミラー 8は、 前後に移動可能な支持体に担持され 、 参照光路 1 7と試料光路 18の光路長が略等しくなるようにその位置が調整さ れている。 [0045] The light transmission port on the other side (division ratio 50%) of the first force bra 2 is optically connected to the light reception port of the second optical scanner 7. Second optica The light emitting port / light receiving port of the Luzer modulator 7 is connected to a second light irradiation / capturing device 9 that irradiates the reference light to the reference mirror 8 and captures the reference light reflected by the reference mirror 8. The light output port of the second optical scanner 7 is optically connected to the light receiving port on the other side of the second force bra 6 composed of a directional coupler (division ratio 50:50). ing. The reference mirror 8 is carried on a support body that can be moved back and forth, and its position is adjusted so that the optical path lengths of the reference optical path 17 and the sample optical path 18 are substantially equal.
[0046] 第 2の力ブラ 6の一方側及び他方側の光送出口は、 量子効率が同一の第 1及 び第 2の光検出器 10, 1 1に光学的に接続されている。 第 1及び第 2の光検出器 10, 1 1の出力は差動増幅器 12に電気的に接続されている。  The light transmission ports on one side and the other side of the second force bra 6 are optically connected to the first and second photodetectors 10 and 11 having the same quantum efficiency. The outputs of the first and second photodetectors 10, 11 are electrically connected to the differential amplifier 12.
[0047] 差動増幅器 12の出力部は、 反射率分布 (ref l ect i v i ty  [0047] The output section of the differential amplifier 12 has a reflectance distribution (ref l ect i v i ty
prof i l e) 即ち、 反射又は後方散乱強度分布を合成する演算制御装置 13の入 力部に図示しないアナ口グ/デジタル変換機を介して電気的に接続されてい る。 演算制御装置 13の出力部は、 演算結果を表示するモニタやプリンタ等の 表示装置 (図示せず) の入力部に電気的に接続している。 この演算制御装置 1 3は、 入力された情報に基づいて前記可変波長光発生装置 1及び第 1の光照射/ 捕捉装置 5を制御する。  prof i ele) That is, it is electrically connected to the input unit of the arithmetic and control unit 13 for synthesizing the reflection or backscattering intensity distribution via an analog / digital converter (not shown). The output unit of the arithmetic control device 13 is electrically connected to the input unit of a display device (not shown) such as a monitor or a printer that displays the calculation results. The arithmetic control device 13 controls the variable wavelength light generating device 1 and the first light irradiation / capturing device 5 based on the input information.
[0048] 断層像の構築は、 以下のように行う。 可変波長光発生装置 1から、 レーザ光 の波数(= 2 π /波長)を極狭い波数間隔 (本実施の形態では、 上記 2. 62 χ 10-7η m- で連続的に切替ながらに出射する。 可変波長光発生装置 1の出射光は、 第 1および第 2の力ブラ 2, 6と第 1および第 2のサーキユレータ 3, 7からなる干 渉計に入射し、 測定対象 4によって散乱された信号光と参照ミラー 8によって 反射された参照光が第 2の力ブラ 6で干渉する。 干渉光の強度は第 1及び第 2 の光検出器 10, 1 1で検出され、 干渉光に含まれる直流成分 (参照光強度と信号 光強度の和に比例) が差動増幅器 12によって除去され干渉成分 (以下、 信号 電流と呼ぶ) のみが演算制御装置 13に入力される。 [0048] The tomographic image is constructed as follows. From the variable-wavelength light generating apparatus 1, in the wave number (= 2 [pi / wavelength) a very narrow wave number intervals (this embodiment of the laser beam, the 2 continuously switched while emit 62 χ 10- 7 η in m- The light emitted from the variable wavelength light generator 1 is incident on an interferometer comprising the first and second force bras 2, 6 and the first and second circulators 3, 7, and is scattered by the measurement object 4. The reference light reflected by the reference mirror 8 interferes with the second force bra 6. The intensity of the interference light is detected by the first and second photodetectors 10, 11 and is included in the interference light. The direct current component (proportional to the sum of the reference light intensity and the signal light intensity) is removed by the differential amplifier 12 and only the interference component (hereinafter referred to as signal current) is input to the arithmetic and control unit 13.
[0049] 演算制御装置 13は、 可変波長光発生装置 1の出射するレーザ光の波数と、 当 該レーザ光に対する信号強度を全ての波数に対して記録する。 可変波長光発 生装置 1の波数走査が終わると、 演算制御装置 13は記録した信号強度を波数に 対してフーリエ変換する。 フーリエ変換された結果は、 測定光が測定対象 4に よって後方散乱された位置とその後方散乱強度の関数になる。 すなわち、 測 定対象に関する後方散乱率の深さ方向分布が得られる。 演算制御装置 13は、 測定光の照射位置を測定対象 4の表面で直線に沿って少しずつ移動させながら 、 この分布を測定する。 最後に、 測定した分布を束ねて測定対象 4の断層像を 構築する。 測定光の照射位置の移動は、 第 1の光照射/捕捉装置 5が演算制御 装置 13の指令に基づいて行う (非特許文献 1 ) 。 The arithmetic and control unit 13 records the wave number of the laser beam emitted from the variable wavelength light generator 1 and the signal intensity for the laser beam with respect to all the wave numbers. Variable wavelength light emission When the wave number scanning of the live device 1 is completed, the arithmetic and control unit 13 performs a Fourier transform on the recorded signal intensity with respect to the wave number. The result of the Fourier transform is a function of the position where the measurement light is backscattered by the measurement object 4 and its backscattering intensity. In other words, the depth distribution of the backscattering rate for the measurement object is obtained. The arithmetic and control unit 13 measures this distribution while moving the measurement light irradiation position little by little along the straight line on the surface of the measurement object 4. Finally, the tomogram of the measurement object 4 is constructed by bundling the measured distributions. The movement of the measurement light irradiation position is performed by the first light irradiation / capturing device 5 based on a command from the arithmetic control device 13 (Non-patent Document 1).
[0050] (2) 原理 [0050] (2) Principle
次に、 図 1のような装置によって、 感度が飛躍的に向上する理由について 説明する。  Next, we will explain the reason why sensitivity is dramatically improved by using the device shown in Fig. 1.
[0051] (i) 従来の 0FDR-0GTの感度 (ショット雑音限界)  [0051] (i) Conventional 0FDR-0GT sensitivity (shot noise limit)
干渉計を利用した図 4のような光検出装置では、 参照光の強度を十分強く すると感度がショット ■ノイズ限界まで高まることが知られている (非特許 文献 2) 。 まず、 この点について説明する。  In a photodetection device such as that shown in Fig. 4 using an interferometer, it is known that if the intensity of the reference light is sufficiently increased, the sensitivity increases to the shot (2) noise limit (Non-patent Document 2). First, this point will be explained.
[0052] 光検出器が検出する光電流に含まれている雑音電流は、 光検出器が接続さ れている増幅器の熱雑音、 光電流が光検出器に流れることによって発生する ショット ■ノイズ、 及び光検出器に入射する参照光および信号光に含まれて いる光雑音 (所謂、 相対雑音強度 RIN : relative intensity noise) が原因と なって発生する雑音電流からなっている。 すなわち、 雑音電流は、 次のよう に表すことができる。  [0052] The noise current included in the photocurrent detected by the photodetector is the thermal noise of the amplifier to which the photodetector is connected, the shot generated when the photocurrent flows to the photodetector, noise, And a noise current generated due to optical noise (so-called relative intensity noise (RIN)) included in the reference light and signal light incident on the photodetector. That is, the noise current can be expressed as follows.
[0053] [数 1]
Figure imgf000014_0001
[0053] [Equation 1]
Figure imgf000014_0001
ここで、 i2 thは光検出器が接続された増幅器の熱雑音、 7?は光検出器の感度 、 Prは参照光の強度、 Psは信号光の強度である。 また、 qは電子の電荷、 hは プランク定数、 2/は信号光及び参照光の光周波数である。 BWは、 光検出器の 周波数帯域である。 また、 <>は時間平均を表す。 [0054] 式 (1 ) は、 図 4のような二つの光検出器 10, 11と差動増幅器 12とを用いる ジュアル .バランス検出 (dual Here, i 2 th is the thermal noise of the amplifier to which the photodetector is connected, 7? Is the sensitivity of the photodetector, Pr is the intensity of the reference light, and P s is the intensity of the signal light. Q is the charge of the electron, h is the Planck's constant, and 2 / is the optical frequency of the signal light and reference light. BW is the frequency band of the photodetector. <> Represents a time average. [0054] Equation (1) is obtained by using dual photodetectors 10 and 11 and a differential amplifier 12 as shown in FIG.
balanced detection) に対する雑音を表したものではなく、 一つの光検出器 と一入力の増幅器を用いる光検出方式に対する雑音を表したものである。 し かし、 両者に、 本質的な差はなく、 且つ式 (1 ) を用いた方が説明が簡単に なる。 従って、 以下、 式 (1 ) に基づいて従来の 0FDR-0GT装置の感度につい て説明する。 尚、 ジュアル■バランス検出における正確な雑音は、 後の説明 で用いる式 (8) によって表される。 この式では、 差動増幅器 12の出力が接 続されているアナログ/デジタル変換機が発生する量子ノイズも考慮されてい る。  It does not represent noise for “balanced detection”, but represents noise for a light detection method using one photodetector and one input amplifier. However, there is no essential difference between the two, and the explanation is simpler if Equation (1) is used. Therefore, the sensitivity of the conventional 0FDR-0GT device will be described below based on equation (1). The accurate noise in dual balance detection is expressed by equation (8) used in the following explanation. In this equation, the quantum noise generated by the analog / digital converter to which the output of the differential amplifier 12 is connected is also taken into account.
[0055] 式 (1 ) の右辺第 1項は、 光検出器が接続された増幅器の熱雑音である。  [0055] The first term on the right side of equation (1) is thermal noise of the amplifier to which the photodetector is connected.
第 2項は光検出器のショット雑音ある。 第 3の項は、 参照光及び信号光の RIN ノイズである。  The second term is the photo detector shot noise. The third term is the RIN noise of the reference light and signal light.
[0056] 式 (1 ) の右辺各項に表された雑音のうち、 参照光によるショット雑音は 、 参照光強度を増減することによって容易に制御可能である。 右辺第 3項す なわち RINノイズも参照光強度に依存するが、 通常は RINの値が非常に小さい ので、 この項の存在は無視できる。  Of the noises expressed in the respective terms on the right side of the equation (1), the shot noise caused by the reference light can be easily controlled by increasing or decreasing the reference light intensity. The third term on the right side, that is, RIN noise also depends on the reference light intensity, but usually the value of RIN is very small, so the existence of this term can be ignored.
[0057] 式 (1 ) から明らかなように、 参照光の強度を大きくすると、 参照光のシ ヨット ■ノイズが大きなり、 信号光によるショット ■ノイズ、 熱雑音および R INノイズは無視できるようになる。 この状態では、 雑音は参照光強度に比例 する。 一方、 信号電流の二乗平均は、 式 (2) のように表される (非特許文 献 2) 。 式 (2) によれば、 信号電流の二乗平均もまた参照光強度に比例す る。  [0057] As can be seen from Equation (1), when the intensity of the reference light is increased, the reference light is distorted. ■ Noise increases, shots with signal light. ■ Noise, thermal noise, and R IN noise can be ignored. Become. In this state, noise is proportional to the reference light intensity. On the other hand, the mean square of the signal current is expressed as shown in Equation (2) (Non-patent Document 2). According to Eq. (2), the root mean square of the signal current is also proportional to the reference light intensity.
[0058] [数 2]
Figure imgf000015_0001
[0058] [Equation 2]
Figure imgf000015_0001
SNR (信号対雑音比: signal to SNR (signal to noise ratio: signal to
noise ratio) は、 信号電流 is(t)に基づいて計算される演算制御装置 13の出力 と、 雑音電流 in(t)から計算されている演算制御装置 13の出力の比である。 こ の比は、 式 (3) に示す関係式を用いて、 信号電流の時間平均 <i2 s(t)>と雑 音電流の時間平均 < i 2 n (t) >から求めることができる。 noise ratio) is calculated based on the signal current i s (t). And the ratio of the output of the arithmetic and control unit 13 calculated from the noise current i n (t). This ratio can be obtained from the signal current time average <i 2 s (t)> and the noise current time average <i 2 n (t)> using the relational expression shown in Equation (3). .
[0059] [数 3]
Figure imgf000016_0001
ここで、 Nsは、 可変波長光発生装置 1がー回の波長走査の間に出射する波数 の数である。 なお、 光検出器を流れる光電流 i (t)は、 is(t)と in(t)の和すなわ ち i (t) =
[0059] [Equation 3]
Figure imgf000016_0001
Here, Ns is the number of wave numbers emitted by the variable wavelength light generator 1 during one wavelength scan. Note that the photocurrent i (t) flowing through the photodetector is the sum of i s (t) and i n (t), i (t) =
is(t) + in(t)である (但し、 説明を簡単にするため、 この式では干渉光の直流 成分による光電流は省かれている。 ) 。 i s (t) + i n (t) (However, to simplify the explanation, the photocurrent due to the DC component of the interference light is omitted in this equation.)
[0060] 式 (1 ) 〜 (3) に基づいて、 参照光強度が十分に強い場合の SNRを導出す ると、 以下のようになる。 Based on the equations (1) to (3), the SNR when the reference light intensity is sufficiently strong is derived as follows.
[0061] [数 4] 繼 (Pr大)[0061] [number 4] inheritance (P r Univ.)
Figure imgf000016_0002
ここで、 fAは、 可変波長光発生装置 1が波数を繰り返し走査する時の周波数 である (全波数を走査するのに要する時間の逆数) 。 式 (4) によれば、 参 照光が大きくなつた極限では、 SNRは信号光の強度 Psのみに依存し、 参照光の 強度 Prとは無関係になる。 (但し、 は一定とする。 ) 。
Figure imgf000016_0002
Here, f A is the frequency at which the variable wavelength light generator 1 repeatedly scans the wave number (the reciprocal of the time required to scan all wave numbers). According to Eq. (4), in the limit where the reference light is large, the SNR depends only on the signal light intensity Ps and is independent of the reference light intensity Pr. (However, is constant.)
[0062] ショット雑音は、 荷電粒子の動きが各々独立にランダムであるために生じ る電流の自然なゆらぎに基づくものであり、 電子やホールといった荷電粒子 が動く半導体素子には不可避的に存在する。  [0062] Shot noise is based on the natural fluctuation of the current that occurs because the movement of each charged particle is independently random, and inevitably exists in semiconductor elements where charged particles such as electrons and holes move. .
[0063] 干渉計を利用した、 図 4のような光検出装置では、 ショット雑音が支配的 なった状態で、 SNRが最も強くなることが知られている (非特許文献 2) 。 こ の状態は、 ショット雑音限界と呼ばれている。 式 (4) は、 このショット雑 音限界における 0FDR-0GT装置の SNRを示したものである。 [0064] ところで、 OFDR-OGT装置の感度は、 雑音と等しい信号電流を発生させるよ うな、 (測定対象の) 後方散乱率 r2に基づいて定義されている (r2=Po/Ps、 Po は測定対象に照射される直前の測定光の強度) 。 生体組織における後方散乱 率 r2は数桁に亘るので、 r2の対数を計算し 10倍したものを、 0FDR-0GT装置の感 度と定義している。 [0063] It is known that in a photodetection device as shown in Fig. 4 using an interferometer, the SNR is the strongest in a state where the shot noise is dominant (Non-patent Document 2). This condition is called the shot noise limit. Equation (4) shows the SNR of the 0FDR-0GT device at this shot noise limit. [0064] Incidentally, the sensitivity of OFDR-OGT device, that would otherwise generate noise equal signal currents, (measurement of interest) based on the backscattering factor r 2 is defined (r 2 = Po / Ps, Po Is the intensity of the measurement light immediately before it is irradiated on the measurement object). Because backscatter rate r 2 in the biological tissue over several orders of magnitude, a material obtained by 10 times logarithm of r 2, is defined as sensitivity of 0FDR-0GT device.
[0065] ショット雑音限界にある 0FDR-0GTの感度は、 式 (4) から次のように導く ことができる (非特許文献 2) 。 具体的には、 式 (4) の右辺が 1に等しい とおき、 Ps=r2Poを式 (4) に代入して r2を算出する。 [0065] The sensitivity of 0FDR-0GT at the shot noise limit can be derived from Equation (4) as follows (Non-patent Document 2). Specifically, assuming that the right side of Equation (4) is equal to 1, substitute Ps = r 2 Po into Equation (4) and calculate r 2 .
[0066] [数 5]  [0066] [Equation 5]
ηΡ。  ηΡ.
感度 [dB] = - lOlog (5) 式 (5) から明らかように、 ショット雑音限界では 0FDR-0GTの感度は、 参 照光の強度 Prとは無関係に、 測定光の強度 Poのみによって決まる。 従って、 0 FDR-0GTの感度を高くするためには、 測定光の強度 Poを大きくすることが有効 である。  Sensitivity [dB] =-lOlog (5) As is clear from Equation (5), at the shot noise limit, the sensitivity of 0FDR-0GT is determined only by the intensity Po of the measurement light, regardless of the intensity Pr of the reference light. Therefore, in order to increase the sensitivity of 0 FDR-0GT, it is effective to increase the intensity Po of the measurement light.
[0067] このため従来は、 0FDR-0GTの感度を高くするため、 第 1の力ブラ 2の分割比 を試料光路 18側でなるべく大きくするようにしていた。 このようにすれば、 0 FDR-0GT装置がショット雑音限界 (または、 その近傍) にある限り、 0FDR-0GT の感度を十分に高めることができる(非特許文献 2)。  [0067] For this reason, conventionally, in order to increase the sensitivity of 0FDR-0GT, the split ratio of the first force bra 2 has been made as large as possible on the sample optical path 18 side. In this way, as long as the 0 FDR-0GT device is at the shot noise limit (or its vicinity), the sensitivity of 0FDR-0GT can be sufficiently increased (Non-patent Document 2).
[0068] (i i) 本実施の形態における感度  [0068] (i i) Sensitivity in the present embodiment
図 1に示した本実施の形態に係る 0FDR-0GT装置では、 試料光路 18に光増幅 器 19を配置し信号光を増幅している。 更に、 第 1の力ブラ 2の分割比を等しく して、 参照光の強度を強くし 0FDR-0GT装置の感度を改善している。  In the 0FDR-0GT apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 1, an optical amplifier 19 is disposed in the sample optical path 18 to amplify the signal light. Furthermore, the sensitivity of the 0FDR-0GT device is improved by making the split ratio of the first force bra 2 equal to increase the intensity of the reference beam.
[0069] 光増幅器 19の利得を gとすると、 増幅後の信号光の強度は g■ Psとなる。 従 つて、 式 (2) の <is 2(t)>は Psではなく g ■ Psに比例することになる。 も し、 光増幅器 19が発生する雑音が参照光によるショット雑音より十分小さけ れば、 図 1に示した 0FDR-0GT装置の感度は、 式 (5) の Poを g■ Poに置き換え た以下のような式で表すことができる。 [0070] [数 6] 感度 [dB] = ( 6 )
Figure imgf000018_0001
式 (6 ) は、 図 1の 0FDR-0GT装置の感度 (l ogの内部) が、 光増幅器の利得 gに比例することを示している。 半導体光増幅器または光ファイバ一増幅器 を用いれば、 光増幅器の利得 gは容易に 20dB以上にすることができる。 すな わち、 光増幅器を用いれば、 容易に 0FDR-0GTの感度を 20dB以上向上させるこ ができることになる。 このような感度の改善は、 0FDR-0GTの測定可能範囲を 約 2國広げるものである。
[0069] If the gain of the optical amplifier 19 is g, the intensity of the amplified signal light is g ■ Ps. Follow go-between, the formula <i s 2 (t)> (2) is proportional to, rather than P s g ■ P s. If the noise generated by the optical amplifier 19 is sufficiently smaller than the shot noise due to the reference light, the sensitivity of the 0FDR-0GT device shown in Fig. 1 is as follows: Po in Equation (5) is replaced with g ■ Po It can be expressed by the following formula. [0070] [Equation 6] Sensitivity [dB] = (6)
Figure imgf000018_0001
Equation (6) shows that the sensitivity of the 0FDR-0GT device (inside log) in Fig. 1 is proportional to the gain g of the optical amplifier. If a semiconductor optical amplifier or an optical fiber single amplifier is used, the gain g of the optical amplifier can be easily increased to 20 dB or more. In other words, if an optical amplifier is used, the sensitivity of 0FDR-0GT can be easily improved by 20 dB or more. This improvement in sensitivity expands the measurable range of 0FDR-0GT by about two countries.
[0071 ] し力、し、 式 (6 ) 導出の前提条件である 「光増幅器 1 9が発生する雑音が参 照光によるショット雑音より十分小さい」 との仮定が、 図 1のような 0FDR-0G T装置で成立するとの保障は何もない。 むしろ、 光増幅器の発生する ASE (Amp I i f i ed [0071] Assuming that the noise generated by the optical amplifier 19 is sufficiently smaller than the shot noise caused by the reference light, which is a precondition for the derivation of Equation (6), is 0FDR-0G as shown in Fig. 1. There is no guarantee that it will be established with the T device. Rather, the ASE generated by the optical amplifier (Amp I i f i ed
Spountaneous Em i ss i on:増幅された自然放光) 等の雑音によって、 かえって 感度が劣化すると考えるのが自然である。 このような理由のためと考えられ るが、 本発明者の知る限り、 光増幅器を用いて 0GTの感度を改善しょうとした 試みは、 報告されていない。  It is natural to think that the sensitivity deteriorates due to noise such as Spountaneous Em i ss i on. For this reason, as far as the inventor is aware, no attempt has been made to improve the sensitivity of 0GT using an optical amplifier.
[0072] 実際に参照光の強度を大きくした状態で、 図 1に示す 0FDR-0GT装置の感度 を測定した。 その結果、 本実施の形態によれば、 0FDR-0GT装置の感度が大幅 に改善されることを確認できた。  [0072] The sensitivity of the 0FDR-0GT device shown in Fig. 1 was measured with the reference light intensity actually increased. As a result, according to the present embodiment, it was confirmed that the sensitivity of the 0FDR-0GT device was greatly improved.
[0073] 以下、 単に光増幅器を試料光路 18に配置しただけでは、 なぜ感度が劣化す る虞が高いと考えられるのか、 その理由を下記 「 (i V) 光増幅器による感度 劣化」 で詳しく説明する。 最後に、 図 1に示す 0FDR-0GT装置で試みた感度改 善の結果について、 「 (3 ) 動作 (感度改善) 」 で説明する。  [0073] In the following, the reason why it is considered that there is a high possibility that the sensitivity is deteriorated simply by placing the optical amplifier in the sample optical path 18 will be described in detail in "(i V) Sensitivity deterioration due to optical amplifier" below. To do. Finally, “(3) Operation (sensitivity improvement)” describes the results of sensitivity improvement attempted with the 0FDR-0GT device shown in Fig. 1.
[0074] ( i i i ) 従来の 0FDR-0GT装置の感度の詳細  [0074] (i i i) Details of sensitivity of conventional 0FDR-0GT device
まず、 従来の 0FDR-0GT装置の SNRについて説明する。  First, the SNR of a conventional 0FDR-0GT device will be described.
[0075] 既に述べたように、 図 4に示す従来の 0FDR-0GT装置の SNRは、 式 (3 ) で表 すことができる。 非特許文献 2によれば、 < )>ぉょび< 。 )>は、 以 下のように表される。 [0075] As described above, the SNR of the conventional 0FDR-0GT device shown in Fig. 4 can be expressed by equation (3). According to Non-Patent Document 2, <)>)> It is expressed as below.
[0076] [数 7] ( H丑)2 : , . . (7) [0076] [Equation 7] (H 丑) 2 :,.. ( 7)
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
[0077] [数 8]
Figure imgf000019_0002
[0077] [Equation 8]
Figure imgf000019_0002
(8) ここで、 pr=Pr/2および ps=Ps/2である。 (8) where p r = Pr / 2 and p s = Ps / 2.
[0078] 式 (7) 及び式 (8) について、 少し詳しく説明する。 尚、 非特許文献 2 に記載された装置と図 4の装置には、 一部相違する点はある。 し力、し、 当該 相違は本質的なものではないので、 式 (7) および式 (8) は、 図 4の装置 にそのまま当て嵌まる。  [0078] Equations (7) and (8) will be described in a little more detail. There are some differences between the device described in Non-Patent Document 2 and the device shown in FIG. Since the difference is not essential, equations (7) and (8) apply directly to the device of Fig. 4.
[0079] pr及び psは夫々光検出器 10, 11に入射する参照光および信号光の強度である 。 式 (8) の右辺第一項は DAQボード (アナログ/デジタル変換機の D/Aコン バータ 'ポ_ド) の (最低のビットが 1か 0かに揺らぐことによる) 量子化 ノイズ, 第 2項は DAQポ一ドが量子化ノイズ以外にノイズを出していればその 過剰ノイズ, Gは差動増幅器 12の増幅度である。 第 3項は, 差動増幅器 12の 熱雑音である。 第 4項は光検出器 10, 11で生じるショット雑音の和である。 第 5項は, RINノイズで、 は差動増幅器の共通信号除去率(co國 on mode reject ion efficiency)である。 差動増幅器 12によって RINが除去できるのは ( が 乗ぜられて, 小さくなるのは) 参照光または信号光それぞれの 2乗 (自己ビ ート) の項だけである。 参照光と信号光が非干渉的に相互ビートすることに よって生じるノイズには、 共通信号除去率 は掛からない。 《1の場合、 相 互ビートの RIN雑音は、 prが psより弱くても、 自己ビートノイズに比べて無視 できないことがありうる。 [0079] pr and ps are the intensities of the reference light and the signal light incident on the photodetectors 10 and 11, respectively. The first term on the right-hand side of equation (8) is the DAQ board (analog / digital converter D / A converter “Pod”) (by shifting the lowest bit to 1 or 0) quantization noise, second The term is excess noise if the DAQ port produces noise other than quantization noise, and G is the amplification of the differential amplifier 12. The third term is the thermal noise of the differential amplifier 12. The fourth term is the sum of shot noise generated by the photodetectors 10 and 11. The fifth term is RIN noise, and is the common signal rejection efficiency of the differential amplifier. The RIN can be removed by the differential amplifier 12 only (the self-beat) term of the reference light or signal light (which is multiplied by and becomes small). The common signal rejection rate is not applied to the noise generated by the mutual beat of the reference light and signal light incoherently. In the case of "1, RIN noise of mutual beat, even if p r is weaker than p s, there may be can not be ignored in comparison with the self-beat noise.
[0080] 量子化ノイズと過剰雑音は、 例えば G=2x105という大きな値にすることによ り、 無視できる。 図 2は、 非特許文献 2に記載されているもので、 式 (7) , (8) , (3) を用いて計算した理論曲線と実験値を比べたものである。 理論曲線を計算するために用いられたパラメータの値は、 以下の通りである 。 ps=3.8nW、 ith=6pA/Hz- 2、 77 =1、 RIN=1 x 10- "/Hz (― 110dB/Hz;)、 =3.16x10- 3 (-25dB) 、 BW=5x106HZ、 および Ns/2=260である。 [0080] Quantization noise and excess noise can be increased by increasing the value to G = 2x10 5 , for example. Can be ignored. Fig. 2 is described in Non-Patent Document 2, and compares the theoretical curve calculated using Eqs. (7), (8), and (3) with the experimental value. The parameter values used to calculate the theoretical curve are: p s = 3.8nW, i th = 6pA / Hz- 2 , 77 = 1, RIN = 1 x 10-"/ Hz (-110dB / Hz;), = 3.16x10-3 (-25dB), BW = 5x10 6 HZ and Ns / 2 = 260.
[0081] 横軸は、 光検出器 10, 11が検出する参照光の強度である。 縦軸は、 0FDR-0GT 装置の感度である。 図 2から明らかように、 参照光の強度が 10〜20;UWの領 域で感度が最も高くなる。 上述したパラメータに基づいて計算すると、 参照 光の強度が 10〜20 Wより低い領域では熱雑音が支配的であり、 参照光の強 度が 10〜20 Wより高い領域で感度が除々に悪くなつている原因は参照光に よる RINであることが分かる。 この図を基づいて、 従来は参照光の強度を 15 W前後 (一検出器当り) に設定して断層像を撮影していた。  The horizontal axis represents the intensity of the reference light detected by the photodetectors 10 and 11. The vertical axis represents the sensitivity of the 0FDR-0GT device. As is clear from Fig. 2, the sensitivity is highest in the region where the intensity of the reference light is 10-20; UW. When calculated based on the parameters described above, thermal noise is dominant in the region where the reference light intensity is lower than 10 to 20 W, and the sensitivity gradually deteriorates in the region where the reference light intensity is higher than 10 to 20 W. It can be seen that the cause is RIN by the reference beam. Based on this figure, conventionally, tomographic images were taken with the reference light intensity set at around 15 W (per detector).
[0082] (iv) 光増幅器による感度劣化  [0082] (iv) Sensitivity degradation due to optical amplifier
次に、 光増幅器によって感度が劣化すると考えるのが自然である理由につ いて説明する。 試料光路に配置された光増幅器 19は、 信号光を増幅するだけ でなく増幅された自然放光すなわち ASEも発生する。 この ASEの強度は、 上述 した参照光強度の最適値 に比べ、 通常一桁以上大きい。 例えば、 利得 19 dBで動作している半導体光増幅器の ASEの強度を、 光検出器 10, 11の直前で測 定したところ、 350 Wであった。  Next, the reason why it is natural to think that the sensitivity is degraded by the optical amplifier will be explained. The optical amplifier 19 disposed in the sample optical path not only amplifies the signal light but also generates amplified spontaneous emission, that is, ASE. The intensity of this ASE is usually more than an order of magnitude higher than the optimum value of the reference light intensity described above. For example, the ASE intensity of a semiconductor optical amplifier operating at a gain of 19 dB was measured just before the photodetectors 10 and 11, and found to be 350 W.
[0083] ASEも参照光と同様、 光検出器 10, 11に入射してショット雑音を発生する。  [0083] Like the reference light, ASE is incident on photodetectors 10 and 11 to generate shot noise.
具体的には、 式 (8) の第 4項に追加される。 この様な状況では、 光増幅器 の利得に比例して感度が改善されると考える根拠となっていた式 (6) は、 もはや成立しない。  Specifically, it is added to the fourth term of Equation (8). In this situation, Eq. (6), which was based on the assumption that the sensitivity is improved in proportion to the gain of the optical amplifier, is no longer valid.
[0084] しかも、 ASE強度自体の揺らぎよるショット雑音、 信号一 AESビート信号、 A ES間ビート信号等、 種々の雑音が、 光増幅器で発生する (非特許文献 4) 。 これらの雑音は、 当然式 (8) の右辺に追加される。 しかも、 これらの雑音 は、 利得 gの 1乗または 2乗に比例する。 従って、 利得が大きくなるほど 0FD R-0GTの感度は、 急激に悪化することになる。 [0085] 光増幅器を光検出器の前に配置する、 光増幅器本来の利用方法であれば、 微弱な光信号を熱雑音以上に増幅することによって、 光検出装置の SNRを改善 することができる。 しかし、 図 4や図 1のような干渉計を利用する光検出装 置では、 光増幅器を用いなくても、 参照光の強度を強くすることによって熱 雑音の影響が無くなるショット雑音限界が容易に達成できる。 従って、 干渉 計を利用した光検出系では、 光増幅器の利用は意味がないと考えられていた (非特許文献 5 ) 。 In addition, various noises such as shot noise due to fluctuations in ASE intensity itself, signal-to-AES beat signal, beat signal between AES, and the like are generated in the optical amplifier (Non-patent Document 4). Naturally, these noises are added to the right side of Eq. (8). Moreover, these noises are proportional to the first or second gain g. Therefore, the sensitivity of 0FD R-0GT deteriorates rapidly as the gain increases. [0085] If the optical amplifier is originally used by placing the optical amplifier in front of the photodetector, it is possible to improve the SNR of the photodetector by amplifying a weak optical signal more than thermal noise. . However, in photodetection devices that use interferometers such as those shown in Fig. 4 and Fig. 1, the shot noise limit is easily eliminated by increasing the intensity of the reference light without using an optical amplifier. Can be achieved. Therefore, it has been considered that the use of an optical amplifier is meaningless in a light detection system using an interferometer (Non-patent Document 5).
[0086] ( 3 ) 動作 (感度改善)  [0086] (3) Operation (sensitivity improvement)
しかし、 本発明者は、 参照光の強度を大きくすればこのような感度劣化の 虞はなくなると考え、 第 1の力ブラ 2の分割比を、 参照光路側で従来の 0FDR-0 GT装置より高くした。 このようにすれば、 参照光によるショット雑音が光増 幅器 1 9を発生源とする AES等の雑音より大きくなり、 再びショット雑音限界 ( またはそれに近い状態) を実現できると考えられる。  However, the present inventor considers that there is no risk of such sensitivity deterioration if the intensity of the reference light is increased, and the division ratio of the first force bra 2 is set to be higher than that of the conventional 0FDR-0 GT device on the reference light path side It was expensive. In this way, the shot noise due to the reference light becomes larger than the noise such as AES using the optical amplifier 19 as the source, and the shot noise limit (or a state close to it) can be realized again.
[0087] すなわち、 本発明者は、 参照光の強度を、 (光増幅器 1 9を配置しない状態 における) 参照光強度の最適値より大きくすれば、 上述したような感度劣化 が緩和されると考えた。 このようにすれば、 雑音全体に占める、 参照光に起 因するショット雑音の割合が増え、 その結果、 ショット雑音限界に再び近づ くと考えた。 そこで、 本発明者等は、 第 1の力ブラ 2の分割比を、 参照光路側 で従来の 0FDR-0GT装置より高くして、 参照光路側 1 7により多くの光が供給さ れるようにした。  That is, the present inventor believes that the sensitivity deterioration as described above is alleviated if the intensity of the reference light is made larger than the optimum value of the reference light intensity (in a state where the optical amplifier 19 is not disposed). It was. In this way, we thought that the ratio of shot noise caused by reference light in the total noise increased, and as a result, we approached the shot noise limit again. Therefore, the present inventors set the split ratio of the first force bra 2 higher on the reference optical path side than the conventional 0FDR-0GT device so that more light is supplied to the reference optical path side 17. .
[0088] なお、 「 (光増幅器 1 9を配置しない状態における) 参照光強度の最適値」 とは、 光増幅器 1 9を配置しない状態において 0FDR-0GT装置の感度が、 最も高 くなる (最も小さいに相当) なる参照光強度のことを言う。  It should be noted that “the optimum value of the reference light intensity (when the optical amplifier 19 is not disposed)” means that the sensitivity of the 0FDR-0GT device is highest when the optical amplifier 19 is not disposed (mostly This is the reference light intensity.
[0089] 具体的には、 非特許文献 2と同じ方法で求めた参照光強度の最適値のこと を言う。 まず、 SNRを参照光強度の関数として求める。 測定対象 4は、 光減衰 器(neutra卜 dens i ty f i l ers: NDフィルタ)と金属ミラーで構成する。 感度は 、 測定した SNRから算出する。 参照光強度は、 参照ミラー 8の前に配置した可 変光減: S器 (var i ab l e neutra l -dens i ty f i l er) によって、 強度を調整する。 また、 参照ミラ一 8の 位置は、 0FDR-0GT信号のピーク位置が測定範囲 (a depth range 又は the r ang i ng w i ndow) の中央になるように調整する。 なお、 最高値付近では感度は 緩やかに変化するので、 感度の測定値から参照光の最適値を直接決定するの は容易ではない。 そのような場合には、 最高値より感度が僅かに劣化する参 照光強度 (2点存在する) の中央値を、 参照光強度の最適値とすれば良い。 Specifically, it refers to the optimum value of the reference light intensity obtained by the same method as in Non-Patent Document 2. First, the SNR is obtained as a function of the reference light intensity. Measurement target 4 consists of an optical attenuator (neutradensity fil ers: ND filter) and a metal mirror. Sensitivity is calculated from the measured SNR. The reference light intensity is variable variable attenuation placed in front of the reference mirror 8: S device (var i ab le Adjust the strength with neutra l -dens i ty fil er). The position of the reference mirror 8 is adjusted so that the peak position of the 0FDR-0GT signal is at the center of the measurement range (a depth range or the ranging window). Note that since the sensitivity changes gradually near the maximum value, it is not easy to directly determine the optimum value of the reference light from the measured sensitivity value. In such a case, the median value of the reference light intensity (there are two points) whose sensitivity slightly deteriorates from the maximum value may be set as the optimum value of the reference light intensity.
[0090] 以下、 図 1に示した 0FDR-0GT装置を動作させ、 この考えを実証した結果に ついて説明する。 [0090] Hereinafter, the results of demonstrating this idea by operating the 0FDR-0GT device shown in Fig. 1 will be described.
[0091 ] 可変波長光発生装置 1から出射された光は、 第 1の力ブラ 2により 5 0 : 5 0の割合で 2分割されている。 ここで分割された光の一方 (測定光) は、 第 1のオプティカルサ一キユレ一タ 3および第 1の光照射/捕捉装置 5によつ て測定対象 4に導かれ、 測定対象 4からの信号光は再び第 1の光照射/捕捉装置 5およびォプティ力ルザ一キュレ一タ 3によつて光増幅器 1 9の光受入口に導か れる。 光増幅器 1 9で増幅された光は、 第 2の力ブラ 6の一方側の光受入口に導 かれる。  The light emitted from the variable wavelength light generator 1 is divided into two by the first force bra 2 at a ratio of 50:50. One of the divided lights (measurement light) is guided to the measurement object 4 by the first optical scanner 3 and the first light irradiation / capturing device 5, and from the measurement object 4. The signal light is again guided to the light receiving port of the optical amplifier 19 by the first light irradiating / capturing device 5 and the optical force ruthe-curator 3. The light amplified by the optical amplifier 19 is guided to the light receiving port on one side of the second force bra 6.
[0092] 第 1の力ブラ 2で分割された光の他方 (参照光) は、 オプティカルサーキュ レ一タ 7および第 2の光照射/捕捉装置 9によって参照ミラ一 8に導かれ、 参照 ミラー 8によって反射された参照光は再び第 2の光照射/捕捉装置 9および第 2 のォプテイカルサ一キュレ一タ 7によって第 2の力ブラ 6の他方側の光受入口 に導かれる。  [0092] The other of the light divided by the first force bra 2 (reference light) is guided to the reference mirror 8 by the optical circulator 7 and the second light irradiation / capturing device 9, and the reference mirror 8 The reference light reflected by the second light irradiation / capturing device 9 and the second optical circulator 7 is again guided to the light receiving port on the other side of the second force bra 6.
[0093] 第 2の力ブラ 6に導かれた信号光および参照光は結合され、 第 1および第 2 の光検出器 10, 1 1に導かれ電気信号に変換されている。 第 1および第 2の光検 出器 10, 1 1で検出された電気信号は、 差動増幅器 12に導かれ信号電流 (干渉成 分) が抽出される。 この信号電流は、 図示しないアナログ/デジタル変換機 によってデジタル信号に変換され演算制御装置 13に入力される。 演算制御装 置 13は入力されたデジタル信号に基づいて断層像を構築する。  The signal light and the reference light guided to the second force bra 6 are combined and guided to the first and second photodetectors 10 and 11 and converted into electric signals. The electrical signals detected by the first and second optical detectors 10, 11 are guided to the differential amplifier 12, and the signal current (interference component) is extracted. This signal current is converted into a digital signal by an analog / digital converter (not shown) and input to the arithmetic and control unit 13. The arithmetic and control unit 13 constructs a tomogram based on the input digital signal.
[0094] 図 3は、 光増幅器 1 9の利得を変化させて測定した、 図 1に示す 0FDR-0GT装 置の SNRである。 横軸は光増幅器 1 9の利得を表し、 縦軸は SNRを表す。 図中の パラメ一タは、 信号光の強度である。 可変波長光発生装置 1の出力は 4mWであ り、 光検出器 10, 1 1が受光する参照光の強度は 400 wである。 参照光の強度は 、 本発明者が発明した従来の 0FDR-0GT装置に比べ 4倍、 非特許文献 2に比べ 2 7倍大きい。 FIG. 3 shows the SNR of the 0FDR-0GT device shown in FIG. 1, measured by changing the gain of the optical amplifier 19. The horizontal axis represents the gain of the optical amplifier 19 and the vertical axis represents SNR. In the figure The parameter is the intensity of the signal light. The output of the variable wavelength light generator 1 is 4 mW, and the intensity of the reference light received by the photodetectors 10, 11 is 400 w. The intensity of the reference light is 4 times that of the conventional 0FDR-0GT device invented by the present inventor and 27 times that of Non-Patent Document 2.
[0095] SNRは期待通り、 光増幅器 1 9によつて信号光を増幅することによって改善さ れている。 また、 SNRは利得が大きくなるほど、 改善されている。 特に、 利得 が 1 0dB以下の領域では、 ほぼ利得に比例して SNRが増加している。 これは、 式 ( 6 ) に示された理想的な増幅そのものである。  [0095] As expected, the SNR is improved by amplifying the signal light by the optical amplifier 19. In addition, the SNR improves as the gain increases. In particular, in the region where the gain is 10 dB or less, the SNR increases almost in proportion to the gain. This is the ideal amplification itself shown in Equation (6).
[0096] 図 3で特筆すべき点は、 信号光の強度が 0. 006nWと 0. 02nwの場合である。 光 増幅器 1 9の利得が OdBすなわち光増幅が全く行われない状態では、 このように 微弱な光信号は雑音に埋もれて観測できなかった。 し力、し、 利得を大きくす るに従い信号光も増幅され、 ついには雑音レベルを超え 0FDR-0GT信号が観察 できるようになった。 図 3には、 この様子が良く現れている。  [0096] What should be noted in FIG. 3 is the case where the intensity of the signal light is 0.006 nW and 0.02 nw. When the gain of the optical amplifier 19 was OdB, that is, when no optical amplification was performed, such a weak optical signal was buried in noise and could not be observed. However, as the gain is increased, the signal light is also amplified. Finally, the noise level is exceeded and the 0FDR-0GT signal can be observed. Figure 3 shows this well.
[0097] すなわち、 参照光の強度を強くした状態で信号光を光増幅すれば、 0FDR-0G T装置の感度が改善されることが確認された。 参照光の強度としては、 上述し た 400 Wに限らない。 参照光の強度は、 光増幅器を配置しない状態で、 感度 が最良になるよう最適化した参照光の強度より大きければ良い。 このように すれば、 参照光を大きくした程度に応じて感度が改善される。 但し、 参照光 強度が大きくなりすぎると光検出器や差動増幅器が正常に動作しなくなる虞 がある。 従って、 好ましい参照光の強度には上限がる。 従って、 参照光の強 度は、 光検出器と増幅器からなる光検出装置が正常に動作する入力光強度よ り小さくなければならない。  That is, it was confirmed that the sensitivity of the 0FDR-0GT device can be improved by optically amplifying the signal light while increasing the intensity of the reference light. The intensity of the reference light is not limited to 400 W described above. The intensity of the reference light should be larger than the intensity of the reference light optimized for the best sensitivity without an optical amplifier. In this way, the sensitivity is improved according to the extent to which the reference light is increased. However, if the reference light intensity becomes too high, the photodetector and the differential amplifier may not operate normally. Therefore, there is an upper limit to the preferred reference light intensity. Therefore, the intensity of the reference light must be lower than the input light intensity at which the light detection device consisting of the light detector and the amplifier operates normally.
[0098] 具体的には、 光検出器に入射する参照光の強度は、 光増幅器を配置しない 状態で感度が最良になるよう最適化した参照光より大きく且つ光検出器と増 幅器からなる光検出装置が正常に動作する入力光強度の最大値より小さいこ とが好ましく、 更に好ましくは、 前記最適化した参照光の強度の 2倍以上且 つ前記正常に動作する入力光強度の最大値の 0. 9倍以下であり、 更に好ましく は、 前記最適化した参照光の強度の 6倍以上且つ前記正常に動作する入力光 強度の最大値の 0. 8倍以下であり、 更に好ましくは、 前記最適化した参照光の 強度の 2 0倍以上且つ前記正常に動作する入力光強度の最大値の 0. 7倍以下で ある。 更に、 具体的には、 光検出器に入射する参照光の強度を、 好ましくは 、 より大きく 10mWより小さく、 更に好ましくは 30 W以上且つ 9mW以下で あり、 更に好ましくは、 90;u W以上且つ 8mW以下であり、 最も好ましくは、 300 W以上且つ 7mW以下である。 [0098] Specifically, the intensity of the reference light incident on the photodetector is larger than the reference light optimized for the best sensitivity without an optical amplifier, and consists of a photodetector and an amplifier. It is preferably smaller than the maximum value of the input light intensity at which the light detection device operates normally, and more preferably, it is at least twice the intensity of the optimized reference light and the maximum value of the input light intensity at which the light detector operates normally. 0.9 times or less, more preferably 6 times or more the intensity of the optimized reference light and the normally operating input light. 0.8 times or less of the maximum value of the intensity, more preferably 20 times or more of the optimized reference light intensity and 0.7 times or less of the maximum value of the normally operating input light intensity. . More specifically, the intensity of the reference light incident on the photodetector is preferably greater than 10 mW, more preferably 30 W or more and 9 mW or less, more preferably 90; u W or more and 8 mW or less, and most preferably 300 W or more and 7 mW or less.
[0099] 尚、 光増幅器 19を配置する位置は、 第 1の光照射/捕捉装置 5と第 2の力ブラ の間が好ましい。 第 1の力ブラと第 1の光照射/捕捉装置 5との間に配置すると 、 強い測定光が人体に照射され人体に損傷を与える虞があるからである。 特 に、 測定対象が眼である場合には、 重大な損傷が生じる虞がある。 すなわち 、 光増幅器は、 信号光のみを増幅し測定光は増幅しないように配置すること が好ましい。 [0099] The position where the optical amplifier 19 is disposed is preferably between the first light irradiation / capturing device 5 and the second force bra. This is because if the first force bra and the first light irradiation / capturing device 5 are disposed, strong human measurement light may be irradiated to the human body and damage the human body. In particular, if the object to be measured is the eye, serious damage may occur. In other words, the optical amplifier is preferably arranged so as to amplify only the signal light and not the measurement light.
[0100] 上記実施の形態は、 0FDR-0GT装置、 特に波数が階段状に変化する装置につ いて説明した。 し力、し、 本発明は、 波数が連続的に変化する 0FDR-0GT装置や S D-0GT装置、 更には TD-0GT装置にも適用可能である。  [0100] In the above embodiment, the 0FDR-0GT device, particularly the device in which the wave number changes stepwise has been described. The present invention is also applicable to 0FDR-0GT devices, SD-0GT devices, and TD-0GT devices in which the wave number changes continuously.
産業上の利用可能性  Industrial applicability
[0101 ] この発明は、 医療機器分野、 特に眼科診断機器の製造業で利用可能である  [0101] The present invention can be used in the medical device field, particularly in the manufacturing industry of ophthalmic diagnostic devices.

Claims

請求の範囲 The scope of the claims
[1 ] 光発生装置と、  [1] a light generator;
前記光発生装置から出力された光を、 測定光と参照光とに分割する光分岐 器と、  An optical splitter that divides the light output from the light generator into measurement light and reference light;
前記測定光を測定対象に照射すると共に、 前記測定光が前記測定対象によ つて反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する光照射/捕捉装置と、 前記信号光と前記参照光とを結合する光結合器と、  A light irradiating / capturing device that irradiates the measurement light onto the measurement object, captures the signal light that is reflected or backscattered by the measurement object, and combines the signal light and the reference light. An optical coupler,
前記光結合器で結合された出力光の強度を測定する光検出装置と、 前記光検出装置の出力に基づいて、 前記測定対象における前記測定光の照 射方向に対する当該測定光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱 強度とを特定する演算制御装置とを有するオプティカル■ コヒーレンス■ ト モグラフィ一装置において、  A light detection device for measuring the intensity of the output light coupled by the optical coupler; and based on the output of the light detection device, reflection or backscattering of the measurement light with respect to the measurement light irradiation direction on the measurement target In an optical coherence tomography apparatus having an arithmetic and control unit for specifying a position and reflection intensity or backscattering intensity,
前記信号光を増幅する光増幅器を有することを特徴とするオプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装置。  An optical coherence tomography apparatus comprising an optical amplifier for amplifying the signal light.
[2] 前記参照光の強度が、  [2] The intensity of the reference light is
前記光増幅器を配置しない状態で、 前記オプティカル■ コヒ一レンス■ ト モグラフィ一装置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大き 且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいこ とを特徴とする請求項 1に記載のオプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフ ィ一装置。  Intensity of input light that is larger than the intensity of the reference light optimized so that the sensitivity of the optical coherence tomography apparatus is optimized and the optical detection apparatus operates normally without the optical amplifier being disposed. The optical coherence tomography device according to claim 1, wherein the optical coherence tomography device is smaller than the maximum value.
[3] 前記光検出装置に入射する前記参照光の強度が、  [3] The intensity of the reference light incident on the photodetection device is
1 5 Wより大きく 1 O mWより小さいことを特徴とする請求項 1に記載 のオプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装置。  2. The optical coherence tomography device according to claim 1, wherein the optical coherence tomography device is larger than 15 W and smaller than 1 O mW.
[4] 前記光発生装置が、 出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置である ことを特徴とする請求項 1乃至 3に記載のオプティカル■ コヒ一レンス■ ト モグラフィ一装置。 4. The optical coherence tomography device according to claim 1, wherein the light generation device is a variable wavelength light generation device capable of changing a wave number of emitted light.
[5] 光発生装置と、 前記光発生装置の光出射口が光受入口に接続され、 前記光発生装置から出 力された光を、 測定光と参照光とに分割する光分岐器と、 [5] a light generator; A light output port of the light generation device connected to a light reception port, and an optical branching device for dividing the light output from the light generation device into measurement light and reference light;
前記光分岐器の一方側の光送出口が光受入口に接続された第 1のォプティ カルサーキュレータと、  A first optical circulator in which an optical outlet on one side of the optical splitter is connected to an optical inlet;
第 1のオプティカルサーキユレ一タの光送出口/光受入口が接続され、 前 記測定光を測定対象に照射すると共に、 前記測定光が前記測定対象によって 反射又は後方散乱されてなる信号光を捕捉する第 1の光照射/捕捉装置と、 第 1のオプティカルサーキユレ一タの光出射口が光受入口に接続され、 前 記信号光を増幅する光増幅器と、  A light transmission / reception port of the first optical circuit is connected to irradiate the measurement light with the measurement light, and the measurement light is reflected or backscattered by the measurement target. A first light irradiating / capturing device for capturing; an optical amplifier for amplifying the signal light, wherein the light output port of the first optical circuit is connected to the light receiving port;
前記光分岐器の他方側の光送出口が光受入口に接続された第 2のォプティ カルサーキュレータと、  A second optical circulator in which the optical transmission port on the other side of the optical splitter is connected to the optical reception port;
第 2のオプティカルサーキユレ一タの光出射口/光受入口が接続され、 前 記参照光を参照ミラーに照射すると共に、 前記参照ミラーによって反射され た前記参照光を捕捉する第 2の光照射/捕捉装置と、  A light emitting port / light receiving port of a second optical circuit is connected to irradiate the reference mirror with the reference light and to capture the reference light reflected by the reference mirror. / Capture device,
前記光増幅器の光出射口が一方側の光受入口に接続され、 第 2のォプティ カルサーキュレータの光出射口が他方側の光受入口に接続され、 前記信号光 と前記参照光とを結合する光結合器と、  The light output port of the optical amplifier is connected to the light receiving port on one side, the light output port of the second optical circulator is connected to the light receiving port on the other side, and combines the signal light and the reference light An optical coupler;
前記光結合器の一方側の光送出口が接続され、 前記光結合器で結合された 出力光の強度を測定する第 1の光検出装置と、  A first optical detector connected to an optical outlet on one side of the optical coupler and measuring the intensity of the output light coupled by the optical coupler;
前記光結合器の他方側の光送出口が接続され、 前記光結合器で結合された 出力光の強度を測定する第 2の光検出装置と、  A second light detection device for measuring the intensity of the output light coupled to the other optical transmission port of the optical coupler and coupled by the optical coupler;
第 1及び第 2の光検出装置の出力が電気的に接続された差動増幅器と、 前記差動増幅器が電気的に接続され、 第 1および第 2の光検出装置の出力 に基づいて、 前記測定対象における前記測定光の照射方向に対する当該測定 光の反射又は後方散乱位置と反射強度又は後方散乱強度とを特定する演算制 御装置とを有するオプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装置。 前記参照光の強度が、  A differential amplifier in which the outputs of the first and second photodetectors are electrically connected; and the differential amplifier is electrically connected, based on the outputs of the first and second photodetectors, An optical coherence tomography device comprising a calculation control device for specifying a reflection or backscattering position and a reflection intensity or backscattering intensity of the measurement light with respect to the measurement light irradiation direction in the measurement object. The intensity of the reference light is
前記光増幅器を配置しない状態で、 前記オプティカル■ コヒ一レンス■ ト モグラフィ一装置の感度が最良になるよう最適化した参照光の強度より大き 且つ前記光検出装置が正常に動作する入力光の強度の最大値より小さいこ とを特徴とする請求項 5に記載のオプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフ ィ一装置。 Without the optical amplifier, the optical coherence 6. The apparatus according to claim 5, wherein the intensity of the reference light optimized for the best sensitivity of the apparatus is smaller than the maximum value of the intensity of the input light for the light detection apparatus to operate normally. Optical coherence tomography device.
[7] 第 1および第 2の光検出装置に入射する前記参照光の強度が、  [7] The intensity of the reference light incident on the first and second photodetectors is
1 5 Wより大きく 1 O mWより小さいことを特徴とする請求項 5記載の オプティカル■ コヒ一レンス■ トモグラフィー装置。  6. The optical coherence tomography device according to claim 5, wherein the optical coherence tomography device is larger than 1 5 W and smaller than 1 O mW.
[8] 前記光発生装置が、 出射光の波数を変更可能な可変波長光発生装置である ことを特徴とする請求項 5乃至 7に記載のオプティカル■ コヒ一レンス■ ト モグラフィ一装置。 8. The optical coherence tomography device according to claim 5, wherein the light generation device is a variable wavelength light generation device capable of changing a wave number of emitted light.
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