スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システムにおける交差分散分光計
交差分散分光計を使用したスペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システムが開示される。干渉した光信号が回折格子によって複数の回折次数に分散され、これらの回折次数が追加分散光学エレメントによって分離される。スペクトル・インタフェログラムが、１組の線形検出器アレイによって、あるいは２次元検出器アレイによって記録される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光コヒーレンス断層放射線写真に関し、詳細には、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システムにおける交差分散エシェル構成分光計の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
光コヒーレンス断層放射線写真（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、ミクロン・スケールの組織構造の画像を現場で実時間で提供することができる高解像度断面撮像を行うための技術である。近年、スペクトル領域ＯＣＴは、時間領域ＯＣＴと比較すると、速度の点で著しい利点を有していることが立証されている。スペクトル領域ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）の場合、標本アームと参照アームの間の光学距離の差が機械的に走査されるのではなく、異なる波長成分が異なる光検出器上に分散して空間発振干渉縞を形成する分光計に干渉結合ビームが送られる（スミス、エル エムおよびシー シー ドブソン（Ｓｍｉｔｈ，Ｌ．Ｍ．ａｎｄ Ｃ．Ｃ．Ｄｏｂｓｏｎ）（１９８９年）の「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２８（１５）：３３３９〜３３４２ページ）。空間発振強度分布をフーリエ変換することにより、標本内の深さに沿った反射率分布の情報が提供される。機械的な深さ走査が存在しないため、標本内における全深さ範囲に沿った光の反射を同時に収集することができ、したがって、時間領域ＯＣＴと比較すると、深さ全体にわたる反射画像を得る速度が実質的に速い（ウォツコウスキー、エムら（Ｗｏｊｔｋｏｗｓｋｉ，Ｍ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（１９）：１７４５〜１７４７ページ、およびライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｌｏｎｇ−ｄｅｐｔｈ−ｒａｎｇｅ ｐｒｏｂｉｎｇ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２２）：２２０１〜２２０３ページ）。また、標本内の全深さ範囲から反射した光は、多数の光検出器全体に完全に分散するため、時間領域ＯＣＴの場合と比較すると、光検出器毎の散射雑音が実質的に小さく、したがって信号対雑音比を実質的に大きくすることができる（ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｖｓ．ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ、デ・ボー、ジェイ エフら（Ｄｅ−Ｂｏｅｒ，Ｊ．Ｆ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ、およびチョマ、エム エー、エム ブイ サルニクら（Ｃｈｏｍａ，Ｍ．Ａ．，Ｍ．Ｖ．Ｓａｒｕｎｉｃ，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ）。
【０００３】
ＳＤ−ＯＣＴシステムの場合、適度な走査深さで高い軸方向解像度の達成が追及されるか、あるいは深い走査深さで適度な軸方向解像度の達成が追及される。たとえば、網膜診断に対する現在のアプリケーションでは、約２ｍｍの深さに対する解像度が約２ミクロンの網膜画像が望ましい（コ、ティー エイチ、ジェイ ジー フジモトら（Ｋｏ，Ｔ．Ｈ．，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．）（２００５年）の「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ａｎｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍａｃｕｌａｒ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ．」Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ １１２（１１）：１９２２〜１９３５ページ）。眼内レンズの処方に対する現在のアプリケーションの場合（ヒッツェンバーガー、シー（Ｈｉｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｃ．）（１９９１年）の「Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｅｙｅ ｌｅｎｇｔｈ ｂｙ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ．」Ｉｎｖｅｓｔ．Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ．Ｖｉｓ．Ｓｃｉ．３２（３）：６１６〜６２４ページ）、眼（最大３０ｍｍの長さ）の中のすべての光学界面を約３０ミクロンの解像度で探索しなければならない。これらの２つのアプリケーションの場合、軸方向の解像度に対する組織内の走査深さの望ましい比率は、ほぼ同じ（３０ｍｍ／３０ミクロン対２ｍｍ／２ミクロン）であり、比率の値が大きいほど画像が改善される。簡単なＳＤ−ＯＣＴ技法の場合、１回の軸方向の走査における情報がスペクトル中で符号化される（ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ、Ｒ．Ａ．ｅｔ ａｌ．）のＯｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ）。軸方向の解像度に対する走査深さの大きな比率は、１回の軸方向の走査で大量の情報が得られることを意味しており、そのためには線形検出器アレイに沿った極めて多数の画素が必要であり、上記の例では少なくとも４０００個の画素が必要である。約１ミクロンの波長（生物学的アプリケーションにおける典型的な波長）で動作している分光計の典型的な空間光解像度が１０ミクロンであると仮定すると、スペクトルに含まれている情報を解像するためには、約４０ｍｍのスペクトル長が必要である。このようなアレイは、一般的には入手することができず、また、たとえこのようなアレイを利用することができたとしても、光学系のレイアウトが極めて大きくなる（たとえ、リトロー構造であっても）ことが余儀なくされ、たとえば熱の問題が生じることになる。
【０００４】
この問題の解決方法は、交差分散エシェル分光計を使用することである。このような構成の場合、ファイバまたはピンホールから出現した光は、エシェル格子に当たる前に平行化される。エシェルは、所望のスペクトル解像度を達成するために、典型的にはｍ＝３０以上であるｍで表される高次数の回折に使用するべく設計された、粗的に線が引かれた回折格子（たとえば１ミリメートル当たり５０個程度の溝の回折格子）である。このような構成の場合、ソースのスペクトル幅（高解像度ＯＣＴの場合、Δλ＞１３０ｎｍ）が複数の次数で回折し、これらの次数が重畳する。つまり、ソースの帯域幅内の所与の回折角の複数の離散波長がその角度で回折し、個々の波長が異なる回折次数で回折する。したがって、分散スペクトルが線形検出器アレイに当たると、アレイ内の個々の検出器は、それぞれ異なる回折次数からの波長である複数の波長を受け取ることになる。これらの異なる回折次数から光を分離するために、エシェルの後段に、比較的分散の小さい光学エレメントを、その分散方向がエシェル格子の分散方向に対して垂直になるように配置することができる。この方法で使用される分散の小さいエレメントは、交差分散器と呼ばれている。このようなエレメントを配置することにより、異なる回折次数が空間的に分離され、２次元領域検出器アレイまたは線形検出器アレイのスタックを使用して画像化することができる。このような分光計は、古典的な方法、つまりファイバから出現した光を、光がエシェル格子に当たる前に平行化し、光が交差分散した後、分散した光をレンズ・システムを使用して２次元検出器アレイ上に再画像化することによって構築することができる。
【０００５】
交差分散エシェル分光写真器は、主として、極端な波長解像度、たとえばＲ＞１００，０００の解像度を必要とする天文学の分野で使用されており、天文学の分野では、最近、２次元赤外線検出器アレイの利用が可能になっており、複数の交差分散エシェル次数を画像化することができる（たとえばマクリーンら（ＭｃＬｅａｎ ｅｔ ａｌ．）の１９９８年のＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌ．３３５４、５６６ページを参照されたい）。また、エシェル格子は、低温冷却する必要があるため、空間を節約するためにリトロー構造で使用されている。しかしながら、これらの従来技術によるエシェル分光写真器は、通常、最も高い可能スペクトル解像度に的が絞られているが、スペクトル領域ＯＣＴに必要な解像度は、通常、２，０００＜Ｒ＜１０，０００の範囲である。
【０００６】
この交差分散分光計は、エシェル格子をリトロー構成で使用することにより、２００５年８月３日出願の同時係属出願第１１／１９６，０４３号（本願明細書に援用する）に記載されているコンパクト性およびアライメントの安定性の利点を達成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回折したビームを入力ビームから分離するために、エシェル格子を傾斜させて円錐回折を生成することができる。この円錐回折によって、集束したビームに特定のひずみおよび非直線性が生成される。これらの問題については、図３に関連して以下でより詳細に説明する。本発明の１態様は、このようなひずみの光修正を提供することである。本発明によれば、交差分散エシェル構成またはエシェロン構成の高解像度分光計のための設計、およびＳＤ−ＯＣＴシステムのためのこのような分光計の使用が開示される。また、このような交差分散エシェル格子は、既に開示されているリトロー構造に使用することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
分光計は、入射する光ビームを波長に応じて分散させるための第１の回折格子を備えている。この回折格子は、通常、たとえば高回折次数ｍ＞３０で動作する、粗的に線が引かれたエシェル格子である。したがって、高解像度ＳＤ−ＯＣＴシステムでカバーしなければならないスペクトル範囲は、空間的に重畳する複数の（たとえば５つの）回折次数に収まる。このエシェル格子の後段には、回折格子であってもあるいはプリズムであってもよい第２の分散エレメントが、その分散方向の配向がエシェル格子に対して垂直になるように配置されており、したがってエシェル格子で回折した光から空間次数の重畳が除去される。線形検出器アレイが、回折し、かつ、分散した関心のある光を受け取り、かつ、測定する。
【０００９】
入射ビーム、エシェルおよびアレイは、回折したビームが入射ビームの近傍の軸に沿って伝播するよう、実質的にリトロー状態で配置されることが好ましい。当業者は、リトロー構成という用語をしばしば使用して、回折した関心のある光ビームの一部が入射ビームの伝播軸の近傍を伝播する構造を定義している。本明細書および特許請求の範囲には、リトロー構成（または構造あるいは状態）という用語は、より広義に定義されるものとして使用されている。この用語を使用する代わりに、コンパクト分光計構造も、関心のある入射ビームおよび回折ビームの両方を集束させるために共通のレンズが使用される構成として定義することができる。
【００１０】
本発明の１態様では、入射するビームと測定すべき回折ビームとを空間的に分離するために、エシェルの配向を傾斜させることによって円錐回折を生じさせる。この円錐回折によって、平らな線形アレイに対してビームのフットプリントにおける特定の非直線性が生じることがある。本発明の１態様では、これらの非直線性を小さくするための光学エレメントが提供されている。
【００１１】
本発明の他の態様では、検出エレメントとしてコンパクト分光計がスペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システム（ＳＤ−ＯＣＴ）に使用される。１実施形態では、分光計は、実質的にリトロー構成で構成されている。別法としては、分光計は、入射するビームと測定すべき回折ビームの両方を集束させるための共通レンズを備えている。必ずしもその必要はないが、いずれの場合においても、入射ビームと回折ビームとを垂直方向に分離するための円錐回折を使用することが好ましい。円錐回折の場合、必ずしもその必要はないが、回折したビームのフットプリントのひずみおよび／または非直線性が補正されることが好ましい。
【００１２】
好ましい分光計には、他の様々な可能な改良が可能である。たとえば、熱変化に対する感度を小さくするための機能を備えた分光計を設計することができる。また、入射するビームの偏光状態に対して実質的に影響を受けない出力を生成する分光計を設計することも可能である。
【００１３】
ＳＤ−ＯＣＴのための交差分散分光計の主な利点は、交差分散分光計を使用することによって大きい分散が検出器アレイ上に得られることであり、より大きい分散は、通常の高分散線形分光計に必要な広い視野を必要とすることなく、１ｎｍのスペクトル範囲当たりの画素がより多いことを意味している。スペクトルの一部を互いに積み重ねることによってスペクトルがよりコンパクトになり、ひいては撮像光学系が良好に機能しなければならない領域がよりコンパクトになる。分散が大きいほど分光計の解像度が高くなり、解像すべき縞を密にすることができるため、深さの範囲がより良好な断層写真が得られる。
【００１４】
２次元検出器アレイを使用している交差分散分光計は、追加結合器からの追加ファイバ入力を容易に受信することができ、追加スペクトルを検出器アレイ上に互いに上／下に置くことができる。ＳＤ−ＯＣＴの場合、これらの追加入力を使用して、検出または位相感応検出のバランスを取ることができる。
【００１５】
交差分散分光計は、消費者アプリケーションのために利用することができるコンパクトで安価な面積センサを使用して、コンパクトで低コストのＯＣＴスキャナの基礎を形成することができる。交差分散分光計は、その検出器アレイに複数のライン走査センサを使用することができる。これらのライン走査センサは、同時に読み出すことができるため、より高速のデータ収集速度が得られる。
【００１６】
本発明のこれらおよび他の特徴ならびに利点については、添付の図面を参照しつつ好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を精査することにより、当業者にはより容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
当業者に良く知られているように、広帯域光ビームは、プリズム、回折格子、アレイ化された導波路回折格子または光フィルタの組合せの使用を始めとする多くの方法でそのスペクトル成分に分散させることができる。回折格子は、分解能が高く、したがって限られた空間内におけるスペクトル解像度が高いため、通常、ほとんどの分光計に使用されている。平面回折格子は、湾曲回折格子、体積ホログラフィック・グレーティングあるいはフォトニック結晶格子などのより複雑な他の回折格子と比較すると低コストであるため、多くのアプリケーションでは平面回折格子が好ましい。
【００１８】
図１は、平面反射回折格子１０１の例を示したもので、回折格子の式は、
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβｍ） （１）
で与えられる。上式で、ｍは整数である回折次数、λは光の波長、ｄは回折格子の周期、αは入射角、βｍは回折角である。入射角および回折角は、回折格子の法線１０２、つまり回折格子の表面に対して垂直なダッシュ線から測定される。角度符号の慣習によれば、法線から反時計方向に測定した角度が正であり、法線から時計方向に測定した角度が負である。図１には、溝に対して垂直な回折格子の平面内の軸であるｘ軸が分散軸として表されている。
【００１９】
所与の回折次数ｍに対して、回折したスペクトル成分の波長に対する角度依存性は、
βｍ（λ）＝ａｒｃｓｉｎ｛ｍλ−ｓｉｎα｝ （２）
で与えられる。
【００２０】
式（１）の有効性は、古典的回折つまり平面回折と呼ばれている、入射光線および回折光線が回折格子の溝に対して垂直な事例に限定されることに留意されたい。
入射する光ビームが溝に対して垂直でない場合、回折格子の式は、
ｍλ＝ｄｃｏｓε（ｓｉｎα＋ｓｉｎβｍ） （３）
に修正しなければならない。上式でεは、入射する光の経路と溝に対して垂直な平面との間の角度である。ε≠０である場合、回折したスペクトルは、平面上にではなく円錐上に位置し、その回折は円錐回折と呼ばれる。円錐回折をより深く理解するために、図２に示すｚ軸に平行の回折格子の溝２０１を使用して直交座標系Ｏｘｙｚを考察する。入射する、波数ベクトルがｋ＝（ｋｘｅｘ＋ｋｙｅｙ＋ｋｚｅｚ）であり、かつ、その絶対値が｜ｋ｜＝（２π／λ）である平面波は、図２の点線の平面２０５で示すように、平面外の任意の方向から回折格子に当たる。回折理論（たとえば、メイスター ディら（Ｍａｙｓｔｒｅ Ｄ．ｅｔ ａｌ．）（１９８５年）の「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２４（２）：２１５〜２１６ページを参照されたい）から、
【００２１】
【数１】
である。この式によれば、ｋｍおよびｋは同じ絶対値を有している。すべての回折次数ｍに対してｋｍｚ＝ｋｚであるため、図に示すように、回折した様々な次数の波数ベクトルは、座標系Ｏｘｙｚの原点および図２に示すダッシュ線の円によって形成される円錐上に位置する。回折したすべての次数の波数ベクトルをｘｙ平面に投影すると、図１と同様の図が得られる。ただし、回折した様々な次数の波数ベクトルのｘｙ平面成分の絶対値は、ｘｙ平面へのｋの投影、つまり｜ｋｍｘｅｘ＋ｋｍｙｅｙ｜＝｜ｋｘｅｘ＋ｋｙｅｙ｜＝｜ｋ｜ｃｏｓεであるという点が異なる。εは、入射する波数ベクトルとｘｙ平面との間の角度である。したがって、式（１）の代わりに式（３）を使用しなければならず、また、式（３）の角度は、ｘｙ平面に投影される波数ベクトルに対応する角度である。
【００２２】
特定の回折次数ｍの回折効率は、溝ファセット角またはそれらの形状および深さを変更することによって調整することができる。溝を適切な形状にすることによる効率の最適化は、ブレージングとして知られている。プレーナ・ブレーズド・ホログラフィック・グレーティングおよびプレーナ・ブレーズド回折格子は、低コストであり、かつ、分解能が高いことに加えて効率が高いため、多くのアプリケーションで使用されている。
【００２３】
とりわけ有用な事例は、リトロー構成で動作するブレーズド回折格子である。この場合、回折格子は、集光される所望の回折次数ｍの波長範囲に対して、約α≒βｍになり、回折したビームがほぼ入射ビームの光路に戻る角度に設定される。（たとえば米国特許第６７１０３３０号明細書、米国特許第６８５９３１７号明細書を参照されたい。）
図３（ａ）は、光ファイバ３０１からの光が共通レンズ３０２によって平行化され、かつ、ブレーズド反射回折格子３０３に向かって伝播する、円錐回折リトロー構成３００の例を斜視図で示したものである。円錐回折を生成するために、回折格子は、矢印Ａで示す軸の周りに傾斜する。回折格子が傾斜しておらず、入射する光が回折格子の溝に対して垂直に配向されていない場合、回折した光は、入射するビームの光路に沿って戻り、したがって回折した光のフットプリント３０５によって、中心が実質的にファイバ３０１の出力端に位置するスペクトル（つまり平面内リトロー状態）が形成されることになる。（同じく図３（ｂ）の上面図を参照されたい。）
回折格子を傾斜させることにより、図３（ａ）に示すように、回折した光のフットプリントが量「ｚ」だけ垂直方向に変位する円錐回折が生成され、これにより画素アレイ３０７による光の検出が可能になる。
【００２４】
しかしながら、このような構造が抱えている重要な問題は、円錐回折によって導入される非平面効果のため、回折した光ビームのベクトルが円錐の表面に位置し、そのため、スペクトル分散したビームがレンズ３０２によって集束すると、集束した光のフットプリント３０５が湾曲することである（図３（ａ）に挿入されている端面図から分かるように）。より詳細には、フットプリントは、集束した領域のｚ軸上の高さが検出器アレイの両端部分より中心部分の方が高くなるような非線形性を検出器アレイの直線軸に対して有することになる。ライン走査カメラの検出器アレイなどの標準の線形検出器アレイ３０７を使用する場合、入力ビームのスペクトル幅に応じて、集束した湾曲スペクトル線の一部が検出器アレイ３０７の感光性領域外に当たることになる。これは、広帯域光源であることが望ましい、軸方向の解像度が高いＳＤ−ＯＣＴシステムの場合、特にそうである。また、このような集束した湾曲スペクトル線によって、機械的な振動および温度変化に対する分光計の出力感度が極めて敏感になり、集束したスペクトル線の一部が画素外に当たる原因になることがある。
【００２５】
１つの可能な解決法は、標準の線形検出器アレイではなく、湾曲した検出器アレイを使用して、湾曲した集束したスペクトル線の形状に整合させることである。しかしながら、そのためには特注のライン走査カメラが必要であり、したがってコストが高くなる。第２の解決法は、集束するスペクトル線の画素に対する若干の移動を許容することができるよう、ライン走査カメラで広く実施されているように検出器アレイの画素の形状を正方形ではなく長方形にすることである。しかしながら、このようなより細長い長方形画素のより広い感光性領域は、感光性領域のキャパシタンスがより大きいことを意味しており、そのために高速読出がますます困難になる。商用高速ライン走査カメラのほとんどは、光学ドキュメント・スキャナのためなどの全く異なるアプリケーションを対象にしており、したがってこれらのカメラの画素の高さは、通常、軸方向の解像度が高いＳＤ−ＯＣＴシステムのための帯域幅の広い光源に起因する、集束したスペクトル線の湾曲を補償するためには不十分である。
【００２６】
円錐回折に起因する非直線性が小さくなるようにレンズを選択することで、回折したビームのフットプリントと検出器アレイの位置決めが改善される。当業者に良く知られているように、アベラント・レンズは、図４に示すように、正のひずみ（糸巻き形ひずみとも呼ばれる）または負のひずみ（樽形歪曲とも呼ばれる）を有することができる。図４の左側の画像４０１は、ひずみが全く存在しない完璧な画像であり、中央の画像４０２は、正のひずみを有する画像であり、右側の画像４０３は、負のひずみを有する画像である。
【００２７】
図５は、集束したスペクトル線３０５の、図３（ａ）に示す円錐回折に起因する湾曲を補償するための好ましい手法を示したものである。より詳細には、負のひずみ（樽形歪曲）を有する共通（一般的にはより分厚い）アベラント・レンズ５０２は、図５に示すように、入力アームと出力アームの両方の光路内に、出力ビームに対して特定の垂直軸ずれ変位で配置されることが好ましい。光ファイバ５０１からの入力ビームの主中心光線は、共通レンズ５０２をレンズの垂直中心線を介して通過し、回折格子５０３で円錐回折したビームの主中心光線は、共通レンズ５０２の下側の半分からレンズを通過するため、レンズからの負のひずみにより円錐回折したビームの正のひずみが実質的に補償される。したがって、湾曲した画像表面５０６上の画像化されたスペクトル分散したライン５０５は、図５に挿入されている端面図から分かるように、実質的に横方向に直線化される。
【００２８】
上の段落を、円錐回折した光ビームのひずみを補償するためのリトロー分光計における共通レンズの使用に本発明を限定するものとして解釈してはならないことに留意されたい。リトロー分光計における円錐回折したビームのひずみは、他の方法で補償することも可能である。たとえば、ひずみを補償するために使用されるレンズは、分光計の出力アームのためだけの別個のレンズであってもよい。しかしながら、回折格子の前面でレンズを共有することによって、よりコンパクトな構造を達成することができる。また、スペクトル分散したビームを同じ回折次数に限定する必要はなく、場合によっては次数を垂直方向に分離するためにいくらかの交差分散を有する重畳回折次数を含むことも可能である。また、本発明は、軸ずらし画像誘導ひずみ補償の使用に限定されず、同様の効果を達成することができる限り、他のタイプのレンズを使用することも可能である。たとえば、スペクトル回折したビームが、回折格子がレンズに向かって傾斜している場合は、主中心光線がレンズの上側の半分を通ってレンズを通過するように配置され、または、回折格子がレンズとは反対側に傾斜している場合は、主中心光線がレンズの下側の半分を通って通過するように配置される限り、正のひずみを有するレンズを使用することも可能である。別法としては、特別に設計されたレンズを、回折したビームの主中心光線がレンズの垂直中心部分を通過する場合であっても、レンズが依然としてひずみを補償し、集束したスペクトル線が直線化される方法で使用することも可能である。
【００２９】
図５に示す分光計に関連付けることができる問題は、従来の撮像システムにしばしば見られるように、良好に集束したスペクトル線が正の曲率の湾曲表面５０６（同じく図３（ｂ）の３０６）に依然として位置する可能性があることである。良好な焦点のこの湾曲表面５０６によってもたらされる結果は、スペクトル線を平らな検出器アレイのすべての画素に良好に集束させることができないことである。その代わりに、個々の画素に集束するスポット・サイズがセンサ全体にわたって変化する。
【００３０】
この問題の解決法として、本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、スペクトル線６０５の焦点を検出器アレイの平らな表面６０６に良好に整列させることができるよう、良好な焦点の表面を実質的に平面化するためにフィールド平面化レンズ６１０が線形検出器アレイ６０７の前面の出力アームに挿入されている。上で言及したフィールド平面化レンズは、メニスカス・レンズの形態などの任意の適切な形態にすることができることを理解されたい。また、フィールド平面化の効果は、共通レンズの設計によって、あるいはレンズの組合せを使用することによって達成することも可能である。したがって好ましい実施形態では、本発明は、円錐回折リトロー分光計内の集束したスペクトル線を実質的に直線化する手法を提供し、横方向（図５に示すアレイを横切る方向）にスペクトル分散するビームのひずみ、またはビーム（図６に示すフィールド平面化レンズによって修正されたビーム）が伝播する方向にスペクトル分散するビームのひずみのいずれか一方または両方の補償が提供される。このようなひずみ補償は、平らな光検出器アレイと、直線化された集束したスペクトル線とを整列させることができるよう、３次元空間で集束するスペクトル線を直線化するための方法であって、それにより波長に応じた光エネルギーの電気信号への安定した真の変換が可能になる方法として解釈されたい。
【００３１】
図５に示す構成に関連付けることができるもう１つの問題は、ほとんどの実用ＳＤ−ＯＣＴシステムの場合と同様、入力ビームが単一モード光ファイバから入射する場合、ファイバの開口数と分光計の開口数が整合しないことがあることである。本発明の追加特徴の１つとして、入力アームの開口数と出力アームの開口数を整合させるための入力レンズ６１２が、同じく図６（ａ）に示すようにファイバ・チップ６０１付近の入力アームに挿入されている。単一モード・ファイバ・チップから入射する光の開口数を変更するための他の方法が存在しており、たとえばファイバ・チップをレンズとして直接形成するか、あるいはファイバにグリン・レンズを取り付けることによって開口数を変更することができることを理解されたい。
【００３２】
図５に示す構成のさらに他の問題は、商用的に入手可能なライン走査カメラの包装サイズが、一般的に画素アレイの感光性領域よりはるかに大きいことである。したがって光ファイバをカメラ本体の後方から画素アレイの真上に置くことは不可能である。本発明の好ましい追加特徴の１つとして、入力アームと出力アームの間の相対角度を小さい角度、たとえば約１０度未満に維持することができるよう、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、光ビーム折りたたみミラー６１４がライン走査カメラの前面に取り付けられている。この構造によって回折が古典的な平面内回折に近づくため、回折したスペクトル線に円錐回折によって導入されるひずみの大きさを小さくすることができる。また、この構造によって分光計全体のサイズが実質的に小さくなるため、分光計をよりコンパクトに、かつ、より安定したものにすることができる。
【００３３】
ＳＤ−ＯＣＴに応用する場合、スペクトルをライン走査画素アレイに沿って移動させる比較的大きい静的不整列を許容することができる。このような横方向の不整列によって、記録されるスペクトル干渉縞がシフトすることになるが、干渉縞の空間周波数がそのシフト内で第１の次数に変化することはない。干渉縞の周波数が変化するのは、光周波数とライン走査画素アレイ上の位置の間の関係が非線形である場合のみである。画素アレイに沿って−０．５から＋０．５まで変化する変数ｘでパラメータ化される位置と光周波数νとの間の関係は、多項式によって近似することができる。１例として、中心光周波数の１０％であるΔνの範囲の光周波数をカバーするリトロー構成の場合、典型的な近似関係は、ν＝Ｃ［ｘ＋０．１５ｘ２＋０．０５ｘ３］である。Ｃは定数である。ＯＣＴの分野の技術者は、カメラに対するスペクトルの非補償シフトδｘによるＯＣＴ画像品質に対する影響を計算することができる。δｘ＝０．０５のシフト、つまり２０４８画素カメラ上の１０個の画素がしばしば許容可能である。
【００３４】
本発明の他の好ましい実施形態では、分光計は、熱膨張が実質的に小さい基礎材料の上に取り付けられている。インバー（Ｉｎｖａｒ）などの特定の材料は、ゼロに近い熱膨張係数を有しており、本発明による分光計のための基礎として直接使用することができるが、熱膨張の補償係数を有する複合材料から基礎を構築することも可能である。たとえば、複合材料は、一方が正の熱膨張係数を有し、もう一方が負の熱膨張係数を有する２つの材料から構成することができる。図６（ａ）に示すように、基礎６１６は、正の熱膨張係数を有する金属であってもよく、また、埋設バー６１８は、負の熱膨張係数を有する異なる金属であってもよい。リトロー分光計構成の場合、回折したビームと入力ビームがほぼ同軸特性であるため、基礎の相対する熱膨張係数を選択することによって、レンズに対する撮像機能のあらゆる熱誘導変化を補償することができる。たとえば、ガラス・レンズの焦点距離は温度によって変化する傾向があり、この変化は、基礎の熱膨張または収縮によって補償することができる。
【００３５】
図７（ａ）は、交差分散エシェル分光写真器をリトロー構成で実施するための好ましい手法を示したものである。好ましくはファイバ結合光源７１０から入射した干渉信号は、レンズ・システム７２０を通って移動した後、エシェル格子７３０で回折する。リトロー構成の場合、分散した光は、次にもう１度レンズ・システム７２０を通って移動した後、低分散エレメント７４０で交差分散する。低分散エレメント７４０は、ここではプリズムであるが、回折格子であってもよい。次に、エシェル格子の重畳回折次数が、２次元アレイ検出器、すなわち積み重ねられたマルチ・ライン検出器アレイ７５０の上に垂直変位する。図７（ａ）には、２つの回折次数からの２つの集束した部分スペクトル７６２および７６４が示されている。通常、複数の回折次数がかなりの量の光を含有しており、検出器アレイ７５０によって集光される。
【００３６】
エレメント７４０によって提供される垂直変位は、個々の回折次数内の部分スペクトル全体にわたって大きく変化する波長によって決まる。したがって個々の次数内の波長範囲全体にわたって垂直変位が変化し、そのために集束した部分スペクトルが傾斜する。この傾斜は、エシェル格子をエシェル格子の表面に垂直な軸の周りに検出器アレイに対してわずかに回転させることによって除去することができる。
【００３７】
通常、個々の回折次数がカバーしているスペクトルは、スペクトル範囲全体のごく一部にすぎない。角度に応じた回折格子７３０の回折効率によって、個々の次数に含まれる重要な回折光の水平方向の範囲が決まる。連続する２つの次数の中で検出される波長の範囲は、λ１からλ２およびλ３からλ４であり、好ましくはλ１＜λ３＜λ２＜λ４と重畳しているため、検出される１組の波長には切れ目がない。エシェル格子をより高い回折次数に使用する場合、連続する次数（たとえばλ１〜λ３）間の波長の分離は、より小さくなる。十分に高い回折次数では、連続する次数間の分離が広帯域源の帯域幅未満になり、したがって広帯域源の帯域幅内の部分スペクトルは、エシェルによって回折した後に重畳するため、交差分散エレメントによってのみ分離しなければならない。交差分散分光計は、複数の回折次数が重畳する場合、つまりλ１、λ３などの複数の重畳波長が広帯域源の帯域幅内に存在している場合、固有の利点を示す。この目的のための帯域幅の適切な定義は、ピーク強度の１０％におけるスペクトルの全幅である。
【００３８】
図７（ｂ）は、焦点フィールドをもたらすための追加フィールド平面化レンズ７７０を備えた好ましい実施形態を示したもので、追加フィールド平面化レンズ７７０の表面は、個々の波長の焦点を検出器アレイの平らな平面のより近くに結んでいる。フィールド平面化レンズ７７０および共通レンズ７２０の配置は、円錐回折によるひずみの影響が実質的に相殺され、部分スペクトルが検出器アレイ上のほぼ直線で焦点を結ぶように選択される。
【００３９】
図７（ｃ）は、リトロー構成の外部に回折格子１７３０が使用された代替実施形態を示したものである。ファイバ・チップ１７１０からの光は、コリメーティング・レンズ１７２０によって平行化され、ブレーズド・エシェル格子１７３０に向かって伝播する。回折したビームは、個々の波長の焦点を検出器アレイ１７５０の平面の近くに結ぶ集束レンズ１７８０を通過する。プリズム１７４０は、垂直方向の回折次数を分離する働きをしている。図７（ｃ）には、２つの回折次数からの２つの集束した部分スペクトル１７６２および１７６４が示されている。通常、複数の回折次数が集光される。フィールド平面化レンズ１７７０は、個々の波長の焦点を検出器アレイ１７５０の平面の近くの点に結ぶように設計されている。
【００４０】
この交差分散分光計をＳＤ−ＯＣＴに応用するための設計計算について、例を挙げて説明する。ソース・スペクトルの中心が８５０ｎｍである場合、軸方向の解像度が５ミクロンのＳＤ−ＯＣＴは、約Δλ＝１３０ｎｍの帯域幅にわたる干渉スペクトルを収集しなければならない。散乱中心の縦方向の位置は、スペクトル全体の干渉縞の発振周波数によって符号化され、より深い縦方向の深さでの散乱によって、スペクトル全体がより高速で発振する。したがって、広い深さ範囲全体をＳＤ−ＯＣＴを使用して画像化する能力は、スペクトル全体の高速発振を解像する分光計の能力で決まる。５ｍｍの深さ範囲を画像化するためには、周期が０．０７ｎｍの縞を解像しなければならない。検出器アレイ内の１画素当たりの波長変化が０．０３ｎｍになるようにスペクトルを分散させることにより、オーバ・サンプリングの実際的なマージンが提供される。
【００４１】
マイクロン（Ｍｉｃｒｏｎ） ＭＴ９Ｍ４１３センサは、１２μｍの間隔を隔てた１２８０個の画素を各行に備えた検出器アレイである。このセンサ上の１画素当たり０．０３ｎｍの分散は、長さ１５．３６ｍｍの個々の行が３８ｎｍのスペクトルをカバーしていることを意味している。
【００４２】
回折角に応じたエシェル格子の回折効率は、連続する次数間の波長分離に等しい波長範囲をカバーする半値全幅を有している（パーマー（Ｐａｌｍｅｒ）Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ §１１．５）。回折した光の大半を集光するためには、検出器アレイの行が、効率曲線によって画定される部分スペクトルの明るい領域の約２倍の幅になるように分光計を設計することが好ましい。（この選択は、検出器アレイの縁を個々の溝から単一スリット回折パターンの第１のゼロに置くことに対応している。）この場合、次数間の波長分離は、各行で集光されるスペクトル範囲の半分であり、この例では、次数間の波長分離は１９ｎｍでなければならない。次数間の波長分離は、ｍが複数の次数のうちの１つであるλ／ｍであり、したがって次数が約ｍ＝８４０ｎｍ／１９ｎｍ＝４４になるように回折格子を選択しなければならない。
【００４３】
コンパクト設計が望ましい場合、リトロー角に近い角度で動作させることが好ましい。その場合、回折格子の式は、約ｍλ＝２ｄ・ｓｉｎθになる。θはブレーズ角である。エシェル格子の共通ブレーズ角は６３．４３°である（２の逆正接）。このブレーズ角および上で選択された次数の場合、溝の密度は、約４８溝／ｍｍでなければならない。リチャードソン（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ）カタログ（現在はＳｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｐａｒｔ ｎｕｍｂｅｒ ５３−ｓｉｚｅ−４１５Ｅ）に最も緊密に整合する密度は、５２．６７溝／ｍｍである。収集を所望する、２λ／ｍ＝３８ｎｍのスペクトル幅に相当する回折角の広がりは、回折格子の式から、ブレーズ角に対して±５．６°として決定することができる。このスペクトル幅をカメラの１行（長さ１５．３６ｍｍ）に適合させるためには、７０ｍｍの有効焦点距離が必要である。
【００４４】
ＳＦ１１ガラスからなる１７°プリズムを１回通過すると（あるいは８°プリズムを２回通過すると）、次数がカメラ上で２４μｍだけ分離され、したがって画素のサイズが１２μｍの場合、連続する回折次数が１行置きに当たる。（ＳＦ１１の分散は、次数を均等に分離することはできない。図８に示すプロットをもたらす計算は、回折の角度が波長の一次関数であると仮定してプリズムを概ねモデル化したものである。）エシェルを０．１７°だけ回転させると、次数はカメラ上で概ね水平になる。図８に示す結果によれば、ｍ＝３８ないし４２の５つの次数に対してスペクトルが広がり、次数３７および４３の光の量が少ない。曲線は、７８５ｎｍから９１５ｎｍまでのものであり、マーカは、５ｎｍ毎に振られている。センサに当たる回折次数毎の波長範囲は、
ｍ＝４２：７８７ｎｍ〜８２８ｎｍ
ｍ＝４１：８０５ｎｍ〜８４７ｎｍ
ｍ＝４０：８２６ｎｍ〜８６８ｎｍ
ｍ＝３９：８４７ｎｍ〜８９１ｎｍ
ｍ＝３８：８６９ｎｍ〜９１３ｎｍ
である。
【００４５】
良好に整列すると、６４００個の画素からスペクトルを読み出すことができる。５．６°以内の角度の光は、そのほとんどが回折格子で回折し、ブレーズ角を中心にして広がる。この１組の角度が７０００ミクロンの長さでカメラの中央に水平に画像化される。
【００４６】
要約すると、予測される軸方向の解像度および深さの範囲は、いずれも４０９６画素線形アレイを使用して達成することができる軸方向の解像度および深さの範囲と概ね等価であるが、交差分散分光計の場合、最大カメラ寸法は１５ｍｍであり、一方、線形分光計の場合は４１ｍｍである。ＭＴ９Ｍ４１３センサを備えたアナログ−ディジタル変換および読出しエレクトロニクスは、この６４００画素スペクトルを毎秒１００ｋスペクトルの速度で出力することができる。設計によって追加ファイバ入力を受信することができ、存在しているスペクトルより上または下の追加スペクトルが得られる。追加入力を使用することにより、干渉の複数の位相を同時に記録することができる。５行に配列された１２８０個の画素によってスペクトル上に６４００個のサンプル・ポイントが得られる平均サンプリング密度が、匹敵する線形分光計の４０９６個の画素によって提供されるサンプリング密度より高いため、交差分散分光計の散在サンプリングにより、エイリアジングによるアーチファクトが減少する。
【００４７】
第２の組の実例設計計算では、１２８×６４画素センサが存在することが仮定されている。行中の画素が１２μｍの間隔を隔てている場合、所望の分散を得るためには、長さ１．５３６ｍｍの各行に３．８ｎｍのスペクトルを置かなければならない。次数間の分離λ／ｍは１．９ｎｍであり、したがって約ｍ＝４４０の次数で動作させなければならない。左辺がｍλ＝４４０×０．８４μｍ＝３７０μｍである回折格子の式により、大きな間隔ｄが強いられる。このような回折格子は、通常、積み重ねられたプレートによって構築され、エシェロンと呼ばれている。エシェロンの出所は未確認であるが、ｄ＝２００μｍのステップ間隔および４０μｍのステップ幅を仮定すると、有効ブレーズ角は、逆正接（５）＝７８．７°である。この場合も次数間の波長分離の２倍に相当する角度の広がりは、±１．２３°である。このスペクトル幅をカメラの１行（長さ１．５３６ｍｍ）に適合させるためには、３５ｍｍの有効焦点距離が必要である。波長内における連続する次数が極めて近いため、交差分散エレメントは、プリズムより大きい分散を有していなければならない。スペクトルを連続する行に１２μｍの間隔を隔てて置くことを選択する場合、約０．０１０°／ｎｍの分散が必要である。１ミリメートル当たり１５０個の溝を備えた第１次数の回折格子は、交差分散エレメントとして十分である。
【００４８】
ＳＤ−ＯＣＴは、ライトゲブら（Ｌｅｉｔｇｅｂ ｅｔ ａｌ．）（「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １２ １０、２１５６〜２１６５ページ（２００４年））、チョマおよびサルニク（Ｃｈｏｍａ ａｎｄ Ｓａｒｕｎｉｃ）（「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ（２００３年））、およびデ・ボーら（ｄｅ Ｂｏｅｒ ｅｔ ａｌ．）（「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ（２００３年））によって記述されている。背景技術で言及したように、これまでのところ、従来技術によるすべてのＳＤ−ＯＣＴシステムの分光計には２つのレンズが使用されており、そのうちの１つを使用して、入力ビームが回折格子に向かって伝播するよう平行化され、もう１つのレンズを使用して、分散したスペクトル・ビームを検出器アレイ上に集束させている。本発明の新規な特徴は、入力ビームならびに分散した出力ビームの両方に１つまたは複数の共通共有集束エレメントを使用しているＳＤ−ＯＣＴシステムに分光計が組み込まれていることである。
【００４９】
図９は、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真（ＳＤ−ＯＣＴ）システムに使用されている交差分散分光計（図７に示されている）の好ましい実施形態を示したものである。この好ましい実施形態では、広帯域源９５０からの光は、単一モード・ファイバ９５２を介してファイバ結合器９５４へ導かれ、標本アーム９５６および参照アーム９５８に分割される。標本アーム９５６から戻った光と参照アーム９５８から戻った光が干渉する。干渉した光ビームの一部が検出アーム９６０によって案内され、交差分散分光計へ送られる。交差分散分光計は、上で説明した複数の有利な本発明の特徴のうちの１つまたは複数を有する交差分散分光計であることが好ましい。
【００５０】
検出器アレイ７５０によって記録されたスペクトル強度をフーリエ変換することにより、標本の経路、たとえば標本内の深さに沿った反射率分布が提供される。検出される反射率分布には、鏡面反射だけでなく、光を分光計に戻す他の散乱過程が含まれている。反射率の高解像度画像を形成するために必要な処理方法の詳細については当分野で知られており、ライトゲブら（Ｌｅｉｔｇｅｂ ｅｔ ａｌ．）（「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈ．」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １２ １０、２１５６〜２１６５ページ（２００４年））、チョマおよびサルニク（Ｃｈｏｍａ ａｎｄ Ｓａｒｕｎｉｃ）（「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ（２００３年））、およびデ・ボーら（ｄｅＢｏｅｒ ｅｔ ａｌ．）（「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ（２００３年））によって記述されている。
【００５１】
光干渉計には多数の変形形態が存在しており、また、ＳＤ−ＯＣＴシステムにおける交差分散分光計にも多数の変形形態が存在していることに留意されたい。たとえば、光干渉計は、マイケルソン型に限定する必要はなく、マッハ−ツェンダまたはマイケルソンとマッハ−ツェンダの組合せを使用することも可能であり、あるいは入射するビームを少なくとも２つのビームに分割し、かつ、分割したビームの一部を再結合することができる限り、他の干渉計を使用することも可能である。したがって参照アームを反射型に限定する必要はなく、透過型の参照アームを使用することも可能である（たとえば参照アームは、ビーム・スプリッタ９５４へのループ・バックを備えることができる）。光路は、光ファイバに限定する必要はなく、バルク光学系をベースにすることも、あるいは光ファイバとバルク光学系の組合せにすることも可能である。光ビームの特性を操作するための他の光学コンポーネントを光路に備えることも可能であり、たとえば１つまたは複数の偏光子、１つまたは複数の偏光コントローラ、１つまたは複数の偏光ビーム・スプリッタ、１つまたは複数の波長板、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、１つまたは複数の非偏光ビーム・スプリッタなどを光ファイバまたはバルク光学系の形態で備えることができる。ＯＣＴシステムに使用されている他の構成には、平衡検出スキーム（たとえば米国特許出願公開２００４／０２３９９３８号明細書、国際公開第０４／１１１９２９号パンフレットを参照されたい）および高光パワー効率設計（たとえば米国特許第６６５７７２７号明細書を参照されたい）がある。これらは、すべて、ＳＤ−ＯＣＴに応用するために本発明の分光計と組み合わせることができる。
【００５２】
スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、円錐回折リトロー分光計に限定する必要はない。スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、古典的な平面内回折分光計であってもよい。また、好ましい実施形態ではエシェルである第１の回折格子は、平面回折格子に限定する必要はない。この第１の回折格子は、分散と集束の両方の機能を果たすことができる湾曲した回折格子または凹面回折格子であってもよい。本発明の主な特徴は、入力ビームおよび回折した出力ビームのための１つまたは複数の共有集束エレメントを有する分光計をＳＤ−ＯＣＴシステムに使用していることである。１つまたは複数の共有集束エレメントは、レンズまたは複数のレンズの組合せであっても、あるいは湾曲／凹面回折格子または湾曲／凹面ミラーであってもよい。
【００５３】
好ましい実施形態では、スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、本発明の有利な特徴を備えた円錐回折リトロー分光計である。図１０（ａ）および（ｂ）は、円錐回折によって導入されるひずみを補償することができる分光計のレンズ設計の好ましい実施形態を示したものである。図１０（ａ）には、入力ビームおよび回折した出力ビームのための共用共通レンズとして集合的に作用するダブレット１００２およびシングレット１００４からなる、ＳＤ−ＯＣＴシステムのリトロー分光計のためのレンズ・システムの設計が示されている。ダブレット１００２は、クラウン・ガラスおよびフリント・ガラスからなる２つのレンズを組み合わせたものである。設計されたレンズ・システムの有効焦点距離は１３０ｍｍである。コンピュータが、円錐回折を可能にするために約５度の傾斜角で傾斜した１５００溝／ｍｍの回折格子に送られる、中心波長が約８４０ｎｍ、スペクトル幅が７９５ｎｍから８８５ｎｍまでの広帯域光ビームをモデル化し、回折したビームは、ライン走査またはＣＣＤカメラの幅３０ｍｍの画素アレイに集束している。図１０（ａ）に示すモデルのレンズ・セットは、図３ａの挿入部分に示す状況とは逆に、集束したスペクトル線を上に湾曲させる負のひずみ（樽形歪曲）を有しており、この場合、スペクトルの両端は、中心より１５ミクロン高くなる。図１０（ｂ）は、ＣＣＤセンサの両端に約３．１％の正のひずみ（糸巻き形ひずみ）を有するフィールド平面化レンズ１００６を挿入し、かつ、適切に配置することにより、集束したスペクトル線を直線化し、直線からの逸脱を最大でもわずかに１ミクロンにすることができることを示している。
【００５４】
別法としては、入力アームと出力アームの両方が回折格子の前面で共通レンズを共有することも可能であり、また、回折したスペクトル・ビームに円錐回折によって導入されるひずみを実質的に補償する特定のひずみを共有レンズに持たせることも可能である。入力アームまたは出力アームのいずれか一方、あるいは両方に、追加機能を提供する追加光学コンポーネントを配置することも可能である。たとえば、出力アームにフィールド平面化レンズを配置し、集束したスペクトル線をさらに直線化することができる。また、入力アームにビーム折りたたみミラーを配置し、カメラの前面から入射する光ビームの受取りを可能にすることができる。入力レンズを使用して、開口数を整合させる働きをさせることも可能である。ＳＤ−ＯＣＴアプリケーションの場合、検出器アレイのデータ転送速度は、好ましくは高速であることが望ましい（１秒当たり１０００ラインを超えることが好ましい）。
【００５５】
以前のＳＤ−ＯＣＴ設計では十分に対処されていないもう１つの問題は、分光計の偏光依存性である。標準の回折格子は、通常、直交偏光状態の場合より、１偏光状態の場合の方がより効率的である。米国特許出願（ＵＳ２００４／０２３９９４３、ＵＳ２００５／０２１３１０３）から分かるように、この問題を解決するための手法の１つは、干渉したビームの１つの偏光方向のみを選択し、かつ、直線偏光ビームを選択された配向で分光計に送り込むことである。もう１つの手法は、２つの直線偏光干渉ビームを２つの分光計に送ることができるよう、干渉したビームを２つの直交偏光に分離することである。前者の手法は、信号対雑音比が小さくなり、また、後者の手法には２つの分光計が必要であり、したがってシステムのコストが実質的に高くなる。
【００５６】
偏光を制御する対策を施さない限り、ＳＤ−ＯＣＴの分光計に入力することによって、通常、偏光状態が変化する。ＯＣＴの場合、２つのビームの偏光が実質的に整合するよう、干渉したビームの変調度の値を、干渉計の参照アームまたは標本アームのいずれか一方、あるいは両方の偏光状態を調整することによって確実に大きい値にすることが有利である。この調整は、通常、各標本を測定する毎に個々に実施され、それにより標本の偏光の回転が補償され、また、場合によっては光ファイバを含む標本へ導いている光学系の偏光の回転が補償される。また、分光計内の回折格子を照らしている干渉ビームの偏光の最終状態が、実質的に、回折格子の回折効率がより高くなる偏光状態になるよう、干渉したビームの偏光状態を干渉計の検出アーム内で調整することも可能である。しかしながら、ＯＣＴに広く使用されているファイバ干渉計の場合、最終偏光状態は、干渉計のあらゆるアーム内における光ファイバの湾曲で決まり、この湾曲は、場合によっては温度および機械的な振動に応じて変化するため、場合によってはファイバの偏光状態を動的に制御しなければならない。そのため、ＳＤ−ＯＣＴシステムにさらにコストが追加されることは明らかである。
【００５７】
分光計が実質的に偏光に無関係である場合、ＳＤ−ＯＣＴシステムに必要なことは、標本アームと参照アームとの間の偏光状態を実質的に整合させることだけであり、それ以外の偏光制御を必要とすることなく、干渉したビームを分光計に送ることができる。実質的に偏光に無関係の分光計は、単純で、かつ、信頼性の高いＳＤ−ＯＣＴシステムの設計に有利である。
【００５８】
本発明の１態様として、ＳＤ−ＯＣＴシステムの交差分散分光計は、実質的に偏光に無関係になっている。第１の単純な方法は、互いに直交しているＳ偏光およびＰ偏光の回折効率が、関心のある中心波長に対して互いに交差する、つまり、実質的に等しくなるよう、適切なブレーズ角および適切な回折格子溝密度を選択することである。偏光依存性を補償するための第２の単純な方法は、偏光補償光学エレメントを検出アーム９６０に沿って挿入するか、あるいは交差分散分光計内の入口と検出器アレイとの間の光路に沿った任意の部分に挿入することである。このような偏光補償器は部分偏光子であってもよく、それにより、１つの偏光方向の光が実質的に透過している間、直交する偏光方向の光の一部を分光計に吸収させるか、あるいは分光計から反射して遠ざけることができる。多くの部分偏光子が存在しており、ブルースター角の周りに傾斜したガラスの単片あるいは複数の単片のスタックは、このような部分偏光子の好例である。
【００５９】
別法としては、図１１（ａ）ないし（ｅ）に示すように、様々な方法で分光計内のエシェル格子を実質的に偏光に無関係にすることも可能である。第１の実施例は、図１１（ａ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、回折格子周期が同じであり、かつ、変調度またはブレーズ角が異なる２つの異なる回折格子エレメント１２６０および１２６２を有する表面レリーフ・プロファイルを備えた回折格子である（たとえば米国特許第６４８７０１９号明細書を参照されたい）。個々の回折格子エレメント１２６０または１２６２の表面レリーフ・プロファイルの反復回数は、１からＮまで（Ｎは整数である）変更することができることに留意されたい。第２の実施例は、図１１（ｂ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、金属ベース層１２６６および屈折率が変化する誘電材料の層１２６８を有するハイブリッド金属−誘電体回折格子である（たとえば米国特許第６７５４００６号明細書を参照されたい）。第３の実施例は、図１１（ｃ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、溝の高さ対幅の比率が２より大きい概ね長方形の回折格子プロファイル１２７２を有する薄板体積回折格子である（たとえば米国特許第６７２４５３３号明細書を参照されたい）。第４の実施例は、図１１（ｄ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、基板１２７６および基板１２７６に隣接する反射材料１２７８を備えた回折格子である（たとえば米国特許第６５７７７８６号明細書を参照されたい）。もう１つの実施例は、図１２（ｄ）に示すように、回折効率が高く、かつ、偏光に対する独立性の程度が高い他の光媒体１２８４に埋め込まれた円形ロッド１２８２を使用して構築されたブレーズド・フォトニック結晶格子である（たとえばポポフ イーら（Ｐｏｐｏｖ Ｅ．ｅｔ ａｌ．）の「Ａｌｍｏｓｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｌａｚｉｎｇ ｂｙ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｒｏｄ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ４０（１５）２４１７〜２４２２ページを参照されたい）。
【００６０】
本発明の１つまたは複数の装置は、関連する方法に拡張することも可能であることを理解されたい。たとえば、本発明の１態様は、スペクトル・インタフェログラムを測定するために、干渉したビームを干渉計から交差分散分光計へ送る工程を含んだ、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真を実行する方法である。本発明の他の態様は、円錐回折によって誘導されるひずみを、集束光学系によってもたらされる平衡ひずみを使用して補償する工程を含んだ、円錐回折したスペクトルを複数の回折次数から実質的に直線に集束させる方法である。本発明のさらに他の態様は、スペクトル・インタフェログラムを測定するために、干渉したビームを干渉計から偏光に無関係の交差分散分光器へ送る工程を含んだ、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真を実行する方法である。
【００６１】
本発明についての以上の説明は、本発明を実例で示し、かつ、説明するためのものであり、本発明を余すところなく説明することを意図したものでも、あるいは開示した厳密な形態に本発明を制限することを意図したものでもない。以上の教示に照らして、多くの修正および変形形態が可能である。実施形態は、当業者が本発明を様々な実施形態に、企図されている特定の用途に適した様々な改良を加えて最も良好に使用することができるよう、本発明の原理および本発明の実際的なアプリケーションを最も良好に説明するべく選択され、かつ、記述されている。
【００６２】
以下の特許、特許出願および他の文書は、本願明細書に援用する。
米国特許文書
米国特許第５５６５９８６号明細書
米国特許第６４８７０１９号明細書
米国特許第６５７７７８６号明細書
米国特許第６６５７７２７号明細書
米国特許第６７１０３３０号明細書
米国特許第６７２４５３３号明細書
米国特許第６７５４００６号明細書
米国特許第６７５７１１３号明細書
米国特許第６８４７４５４号明細書
米国特許第６８５９３１７号明細書
米国特許出願公開第２００４／０２３９９３８号明細書
米国特許出願公開第２００４／０２３９９４３号明細書
米国特許出願公開第２００５／００１８２０１号明細書
米国特許出願公開第２００５／０２１３１０３号明細書
米国特許出願番号第１１／１９６，０４３号
外国特許文書
特開２０００−０４６７２９号公報
特開２００１−１７４４０４号公報
国際公開０３／０６２８０２号パンフレット
国際公開０３／０７３０４１号パンフレット
国際公開２００４／０４３２４５号パンフレット
国際公開２００４／１１１９２９号パンフレット
その他の刊行物
デ・ボー、ジェイ エフら（Ｄｅ−Ｂｏｅｒ，Ｊ．Ｆ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ
チョマ、エム エー、エム ブイ サルニクら（Ｃｈｏｍａ，Ｍ．Ａ．，Ｍ．Ｖ．Ｓａｒｕｎｉｃ，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ
ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｌｏｎｇ−ｄｅｐｔｈ−ｒａｎｇｅ ｐｒｏｂｉｎｇ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２２）：２２０１〜２２０３ページ
ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｖｓ．ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ
メイスター ディら（Ｍａｙｓｔｒｅ Ｄ．ｅｔ ａｌ．）（１９８５年）の「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２４（２）：２１５〜２１６ページ
マクリーンら（ＭｃＬｅａｎ ｅｔ ａｌ．）の１９９８年の「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＮＩＲＳＰＥＣ：ａ ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｋｅｃｋ ＩＩ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ」、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌ．３３５４、５６６ページ
ポポフ イーら（Ｐｏｐｏｖ Ｅ．ｅｔ ａｌ．）の「Ａｌｍｏｓｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｌａｚｉｎｇ ｂｙ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｒｏｄ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ４０（１５）：２４１７〜２４２２ページ
スミス、エル エムおよびシー シー ドブソン（Ｓｍｉｔｈ，Ｌ．Ｍ．ａｎｄ Ｃ．Ｃ．Ｄｏｂｓｏｎ）（１９８９年）の「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２８（１５）：３３３９〜３３４２ページ
コ、ティー エイチ、ジェイ ジー フジモトら（Ｋｏ，Ｔ．Ｈ．，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．）（２００５年）の「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ａｎｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍａｃｕｌａｒ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ．」Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ １１２（１１）：１９２２〜１９３５ページ
ウォツコウスキー、エムら（Ｗｏｊｔｋｏｗｓｋｉ，Ｍ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（１９）：１７４５〜１７４７ページ
ツェイリコビッチ、アイら（Ｚｅｙｌｉｋｏｖｉｃｈ，Ｉ．ｅｔ ａｌ．）（１９９８年）の「Ｎｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｇｒａｔｉｎｇ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２３（２３）：１７９７〜１７９９ページ
パーマー、シー（Ｐａｌｍｅｒ，Ｃ．）（２００２年）のＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第５版、リチャードソングレーティングラボラトリ（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、［米国ニューヨーク州ロチェスター（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ）所在］
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】通常の古典的構成つまり平面内構成に使用されている、入射する光ビームを複数の回折次数で回折させるための平面反射回折格子を示す図。
【図２】直交座標系Ｏｘｙｚがｚ軸に平行の回折格子の溝を使用して仮定された円錐回折の一般的な事例を示す図。
【図３（ａ）】光が回折してほぼ入射方向に向かって戻り、また、入射した光ビームおよび回折した光ビームが円錐回折を介して互いに分離されるリトロー円錐回折を示す斜視図。
【図３（ｂ）】図３（ａ）に示す構成の上面図。
【図４】左側の画像がひずみが全く存在しない完璧な画像であり、中央の画像が正のひずみ（糸巻き形ひずみとも呼ばれている）を有する画像であり、右側の画像が負のひずみ（樽形歪曲とも呼ばれている）を有する画像である、レンズ収差によるひずみを示す図。
【図５】負のひずみを有するレンズが特定の垂直軸ずれ変位で光路内に置かれ、そのために、円錐回折したビームが、アベラント・レンズによる負のひずみを受けて、回折したビームの正のひずみを実質的に補償しているリトロー円錐回折構成の好ましい実施形態を示す図。
【図６（ａ）】集束したスペクトル線をさらに直線化するためにフィールド平面化レンズが使用され、開口数を整合させるために入力ポート・レンズが使用され、かつ、分光計の総合サイズをさらに小さくするために偏向ミラーが検出器アレイの前面に配置された、円錐回折をベースとするリトロー分光計の好ましい実施形態の斜視図。
【図６（ｂ）】図６（ａ）の上面図。
【図７（ａ）】低分散エレメントとしてプリズムを使用したリトロー構成における交差分散エシェル分光写真器の好ましい実施形態を示す図。
【図７（ｂ）】フィールド平面化レンズが挿入されている点を除き、図７（ａ）に示すリトロー構成と同様のリトロー構成における交差分散エシェル分光写真器の第２の好ましい実施形態を示す図。
【図７（ｃ）】交差分散エシェル分光写真器の代替実施形態を示す図。
【図８】本特許の本文に記載されている条件下におけるカメラ上のスペクトル次数の位置を示すグラフ。
【図９】ＳＤ−ＯＣＴシステムにおける交差分散分光計の使用を示す図。
【図１０（ａ）】入力ビームおよび回折した出力ビームのための共用共通レンズとして集合的に作用するダブレットおよびシングレットからなる、ＳＤ−ＯＣＴシステムにおけるリトロー分光計のためのレンズ・システムの設計を示す図。
【図１０（ｂ）】集束したスペクトル線を直線からの逸脱がわずかに最大１ミクロンまで直線化することができる、約３．１％の正のひずみ（糸巻き形ひずみ）を有するフィールド平面化レンズの挿入および適切な配置を示す図。
【図１１（ａ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、回折格子周期が同じであり、かつ、変調度またはブレーズ角が異なる２つの異なる回折格子エレメントを有する、表面レリーフ・プロファイルを備えた回折格子を示す図。
【図１１（ｂ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、金属ベース層および屈折率が変化する誘電材料の層を有するハイブリッド金属−誘電体回折格子を示す図。
【図１１（ｃ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、溝の高さ対幅の比率が２より大きい概ね長方形の回折格子プロファイルを有する薄板体積回折格子を示す図。
【図１１（ｄ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、基板および基板に隣接する反射材料を備えた回折格子を示す図。
【図１１（ｅ）】回折効率が高く、かつ、偏光に対する独立性の程度が高い他の光媒体に埋め込まれた円形ロッドを使用して構築されたブレーズド・フォトニック結晶格子を示す図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に光コヒーレンス断層放射線写真に関し、詳細には、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システムにおける交差分散エシェル構成分光計の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
光コヒーレンス断層放射線写真（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）は、ミクロン・スケールの組織構造の画像を現場で実時間で提供することができる高解像度断面撮像を行うための技術である。近年、スペクトル領域ＯＣＴは、時間領域ＯＣＴと比較すると、速度の点で著しい利点を有していることが立証されている。スペクトル領域ＯＣＴ（ＳＤ−ＯＣＴ）の場合、標本アームと参照アームの間の光学距離の差が機械的に走査されるのではなく、異なる波長成分が異なる光検出器上に分散して空間発振干渉縞を形成する分光計に干渉結合ビームが送られる（スミス、エル エムおよびシー シー ドブソン（Ｓｍｉｔｈ，Ｌ．Ｍ．ａｎｄ Ｃ．Ｃ．Ｄｏｂｓｏｎ）（１９８９年）の「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２８（１５）：３３３９〜３３４２ページ）。空間発振強度分布をフーリエ変換することにより、標本内の深さに沿った反射率分布の情報が提供される。機械的な深さ走査が存在しないため、標本内における全深さ範囲に沿った光の反射を同時に収集することができ、したがって、時間領域ＯＣＴと比較すると、深さ全体にわたる反射画像を得る速度が実質的に速い（ウォツコウスキー、エムら（Ｗｏｊｔｋｏｗｓｋｉ，Ｍ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（１９）：１７４５〜１７４７ページ、およびライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｌｏｎｇ−ｄｅｐｔｈ−ｒａｎｇｅ ｐｒｏｂｉｎｇ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２２）：２２０１〜２２０３ページ）。また、標本内の全深さ範囲から反射した光は、多数の光検出器全体に完全に分散するため、時間領域ＯＣＴの場合と比較すると、光検出器毎の散射雑音が実質的に小さく、したがって信号対雑音比を実質的に大きくすることができる（ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｖｓ．ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ、デ・ボー、ジェイ エフら（Ｄｅ−Ｂｏｅｒ，Ｊ．Ｆ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ、およびチョマ、エム エー、エム ブイ サルニクら（Ｃｈｏｍａ，Ｍ．Ａ．，Ｍ．Ｖ．Ｓａｒｕｎｉｃ，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ）。
【０００３】
ＳＤ−ＯＣＴシステムの場合、適度な走査深さで高い軸方向解像度の達成が追及されるか、あるいは深い走査深さで適度な軸方向解像度の達成が追及される。たとえば、網膜診断に対する現在のアプリケーションでは、約２ｍｍの深さに対する解像度が約２ミクロンの網膜画像が望ましい（コ、ティー エイチ、ジェイ ジー フジモトら（Ｋｏ，Ｔ．Ｈ．，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．）（２００５年）の「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ａｎｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍａｃｕｌａｒ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ．」Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ １１２（１１）：１９２２〜１９３５ページ）。眼内レンズの処方に対する現在のアプリケーションの場合（ヒッツェンバーガー、シー（Ｈｉｔｚｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｃ．）（１９９１年）の「Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｅｙｅ ｌｅｎｇｔｈ ｂｙ ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ．」Ｉｎｖｅｓｔ．Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ．Ｖｉｓ．Ｓｃｉ．３２（３）：６１６〜６２４ページ）、眼（最大３０ｍｍの長さ）の中のすべての光学界面を約３０ミクロンの解像度で探索しなければならない。これらの２つのアプリケーションの場合、軸方向の解像度に対する組織内の走査深さの望ましい比率は、ほぼ同じ（３０ｍｍ／３０ミクロン対２ｍｍ／２ミクロン）であり、比率の値が大きいほど画像が改善される。簡単なＳＤ−ＯＣＴ技法の場合、１回の軸方向の走査における情報がスペクトル中で符号化される（ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ、Ｒ．Ａ．ｅｔ ａｌ．）のＯｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ）。軸方向の解像度に対する走査深さの大きな比率は、１回の軸方向の走査で大量の情報が得られることを意味しており、そのためには線形検出器アレイに沿った極めて多数の画素が必要であり、上記の例では少なくとも４０００個の画素が必要である。約１ミクロンの波長（生物学的アプリケーションにおける典型的な波長）で動作している分光計の典型的な空間光解像度が１０ミクロンであると仮定すると、スペクトルに含まれている情報を解像するためには、約４０ｍｍのスペクトル長が必要である。このようなアレイは、一般的には入手することができず、また、たとえこのようなアレイを利用することができたとしても、光学系のレイアウトが極めて大きくなる（たとえ、リトロー構造であっても）ことが余儀なくされ、たとえば熱の問題が生じることになる。
【０００４】
この問題の解決方法は、交差分散エシェル分光計を使用することである。このような構成の場合、ファイバまたはピンホールから出現した光は、エシェル格子に当たる前に平行化される。エシェルは、所望のスペクトル解像度を達成するために、典型的にはｍ＝３０以上であるｍで表される高次数の回折に使用するべく設計された、粗的に線が引かれた回折格子（たとえば１ミリメートル当たり５０個程度の溝の回折格子）である。このような構成の場合、ソースのスペクトル幅（高解像度ＯＣＴの場合、Δλ＞１３０ｎｍ）が複数の次数で回折し、これらの次数が重畳する。つまり、ソースの帯域幅内の所与の回折角の複数の離散波長がその角度で回折し、個々の波長が異なる回折次数で回折する。したがって、分散スペクトルが線形検出器アレイに当たると、アレイ内の個々の検出器は、それぞれ異なる回折次数からの波長である複数の波長を受け取ることになる。これらの異なる回折次数から光を分離するために、エシェルの後段に、比較的分散の小さい光学エレメントを、その分散方向がエシェル格子の分散方向に対して垂直になるように配置することができる。この方法で使用される分散の小さいエレメントは、交差分散器と呼ばれている。このようなエレメントを配置することにより、異なる回折次数が空間的に分離され、２次元領域検出器アレイまたは線形検出器アレイのスタックを使用して画像化することができる。このような分光計は、古典的な方法、つまりファイバから出現した光を、光がエシェル格子に当たる前に平行化し、光が交差分散した後、分散した光をレンズ・システムを使用して２次元検出器アレイ上に再画像化することによって構築することができる。
【０００５】
交差分散エシェル分光写真器は、主として、極端な波長解像度、たとえばＲ＞１００，０００の解像度を必要とする天文学の分野で使用されており、天文学の分野では、最近、２次元赤外線検出器アレイの利用が可能になっており、複数の交差分散エシェル次数を画像化することができる（たとえばマクリーンら（ＭｃＬｅａｎ ｅｔ ａｌ．）の１９９８年のＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌ．３３５４、５６６ページを参照されたい）。また、エシェル格子は、低温冷却する必要があるため、空間を節約するためにリトロー構造で使用されている。しかしながら、これらの従来技術によるエシェル分光写真器は、通常、最も高い可能スペクトル解像度に的が絞られているが、スペクトル領域ＯＣＴに必要な解像度は、通常、２，０００＜Ｒ＜１０，０００の範囲である。
【０００６】
この交差分散分光計は、エシェル格子をリトロー構成で使用することにより、２００５年８月３日出願の同時係属出願第１１／１９６，０４３号（本願明細書に援用する）に記載されているコンパクト性およびアライメントの安定性の利点を達成することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回折したビームを入力ビームから分離するために、エシェル格子を傾斜させて円錐回折を生成することができる。この円錐回折によって、集束したビームに特定のひずみおよび非直線性が生成される。これらの問題については、図３に関連して以下でより詳細に説明する。本発明の１態様は、このようなひずみの光修正を提供することである。本発明によれば、交差分散エシェル構成またはエシェロン構成の高解像度分光計のための設計、およびＳＤ−ＯＣＴシステムのためのこのような分光計の使用が開示される。また、このような交差分散エシェル格子は、既に開示されているリトロー構造に使用することも可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
分光計は、入射する光ビームを波長に応じて分散させるための第１の回折格子を備えている。この回折格子は、通常、たとえば高回折次数ｍ＞３０で動作する、粗的に線が引かれたエシェル格子である。したがって、高解像度ＳＤ−ＯＣＴシステムでカバーしなければならないスペクトル範囲は、空間的に重畳する複数の（たとえば５つの）回折次数に収まる。このエシェル格子の後段には、回折格子であってもあるいはプリズムであってもよい第２の分散エレメントが、その分散方向の配向がエシェル格子に対して垂直になるように配置されており、したがってエシェル格子で回折した光から空間次数の重畳が除去される。線形検出器アレイが、回折し、かつ、分散した関心のある光を受け取り、かつ、測定する。
【０００９】
入射ビーム、エシェルおよびアレイは、回折したビームが入射ビームの近傍の軸に沿って伝播するよう、実質的にリトロー状態で配置されることが好ましい。当業者は、リトロー構成という用語をしばしば使用して、回折した関心のある光ビームの一部が入射ビームの伝播軸の近傍を伝播する構造を定義している。本明細書および特許請求の範囲には、リトロー構成（または構造あるいは状態）という用語は、より広義に定義されるものとして使用されている。この用語を使用する代わりに、コンパクト分光計構造も、関心のある入射ビームおよび回折ビームの両方を集束させるために共通のレンズが使用される構成として定義することができる。
【００１０】
本発明の１態様では、入射するビームと測定すべき回折ビームとを空間的に分離するために、エシェルの配向を傾斜させることによって円錐回折を生じさせる。この円錐回折によって、平らな線形アレイに対してビームのフットプリントにおける特定の非直線性が生じることがある。本発明の１態様では、これらの非直線性を小さくするための光学エレメントが提供されている。
【００１１】
本発明の他の態様では、検出エレメントとしてコンパクト分光計がスペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真システム（ＳＤ−ＯＣＴ）に使用される。１実施形態では、分光計は、実質的にリトロー構成で構成されている。別法としては、分光計は、入射するビームと測定すべき回折ビームの両方を集束させるための共通レンズを備えている。必ずしもその必要はないが、いずれの場合においても、入射ビームと回折ビームとを垂直方向に分離するための円錐回折を使用することが好ましい。円錐回折の場合、必ずしもその必要はないが、回折したビームのフットプリントのひずみおよび／または非直線性が補正されることが好ましい。
【００１２】
好ましい分光計には、他の様々な可能な改良が可能である。たとえば、熱変化に対する感度を小さくするための機能を備えた分光計を設計することができる。また、入射するビームの偏光状態に対して実質的に影響を受けない出力を生成する分光計を設計することも可能である。
【００１３】
ＳＤ−ＯＣＴのための交差分散分光計の主な利点は、交差分散分光計を使用することによって大きい分散が検出器アレイ上に得られることであり、より大きい分散は、通常の高分散線形分光計に必要な広い視野を必要とすることなく、１ｎｍのスペクトル範囲当たりの画素がより多いことを意味している。スペクトルの一部を互いに積み重ねることによってスペクトルがよりコンパクトになり、ひいては撮像光学系が良好に機能しなければならない領域がよりコンパクトになる。分散が大きいほど分光計の解像度が高くなり、解像すべき縞を密にすることができるため、深さの範囲がより良好な断層写真が得られる。
【００１４】
２次元検出器アレイを使用している交差分散分光計は、追加結合器からの追加ファイバ入力を容易に受信することができ、追加スペクトルを検出器アレイ上に互いに上／下に置くことができる。ＳＤ−ＯＣＴの場合、これらの追加入力を使用して、検出または位相感応検出のバランスを取ることができる。
【００１５】
交差分散分光計は、消費者アプリケーションのために利用することができるコンパクトで安価な面積センサを使用して、コンパクトで低コストのＯＣＴスキャナの基礎を形成することができる。交差分散分光計は、その検出器アレイに複数のライン走査センサを使用することができる。これらのライン走査センサは、同時に読み出すことができるため、より高速のデータ収集速度が得られる。
【００１６】
本発明のこれらおよび他の特徴ならびに利点については、添付の図面を参照しつつ好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を精査することにより、当業者にはより容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
当業者に良く知られているように、広帯域光ビームは、プリズム、回折格子、アレイ化された導波路回折格子または光フィルタの組合せの使用を始めとする多くの方法でそのスペクトル成分に分散させることができる。回折格子は、分解能が高く、したがって限られた空間内におけるスペクトル解像度が高いため、通常、ほとんどの分光計に使用されている。平面回折格子は、湾曲回折格子、体積ホログラフィック・グレーティングあるいはフォトニック結晶格子などのより複雑な他の回折格子と比較すると低コストであるため、多くのアプリケーションでは平面回折格子が好ましい。
【００１８】
図１は、平面反射回折格子１０１の例を示したもので、回折格子の式は、
ｍλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβｍ） （１）
で与えられる。上式で、ｍは整数である回折次数、λは光の波長、ｄは回折格子の周期、αは入射角、βｍは回折角である。入射角および回折角は、回折格子の法線１０２、つまり回折格子の表面に対して垂直なダッシュ線から測定される。角度符号の慣習によれば、法線から反時計方向に測定した角度が正であり、法線から時計方向に測定した角度が負である。図１には、溝に対して垂直な回折格子の平面内の軸であるｘ軸が分散軸として表されている。
【００１９】
所与の回折次数ｍに対して、回折したスペクトル成分の波長に対する角度依存性は、
βｍ（λ）＝ａｒｃｓｉｎ｛ｍλ−ｓｉｎα｝ （２）
で与えられる。
【００２０】
式（１）の有効性は、古典的回折つまり平面回折と呼ばれている、入射光線および回折光線が回折格子の溝に対して垂直な事例に限定されることに留意されたい。
入射する光ビームが溝に対して垂直でない場合、回折格子の式は、
ｍλ＝ｄｃｏｓε（ｓｉｎα＋ｓｉｎβｍ） （３）
に修正しなければならない。上式でεは、入射する光の経路と溝に対して垂直な平面との間の角度である。ε≠０である場合、回折したスペクトルは、平面上にではなく円錐上に位置し、その回折は円錐回折と呼ばれる。円錐回折をより深く理解するために、図２に示すｚ軸に平行の回折格子の溝２０１を使用して直交座標系Ｏｘｙｚを考察する。入射する、波数ベクトルがｋ＝（ｋｘｅｘ＋ｋｙｅｙ＋ｋｚｅｚ）であり、かつ、その絶対値が｜ｋ｜＝（２π／λ）である平面波は、図２の点線の平面２０５で示すように、平面外の任意の方向から回折格子に当たる。回折理論（たとえば、メイスター ディら（Ｍａｙｓｔｒｅ Ｄ．ｅｔ ａｌ．）（１９８５年）の「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２４（２）：２１５〜２１６ページを参照されたい）から、
【００２１】
【数１】
である。この式によれば、ｋｍおよびｋは同じ絶対値を有している。すべての回折次数ｍに対してｋｍｚ＝ｋｚであるため、図に示すように、回折した様々な次数の波数ベクトルは、座標系Ｏｘｙｚの原点および図２に示すダッシュ線の円によって形成される円錐上に位置する。回折したすべての次数の波数ベクトルをｘｙ平面に投影すると、図１と同様の図が得られる。ただし、回折した様々な次数の波数ベクトルのｘｙ平面成分の絶対値は、ｘｙ平面へのｋの投影、つまり｜ｋｍｘｅｘ＋ｋｍｙｅｙ｜＝｜ｋｘｅｘ＋ｋｙｅｙ｜＝｜ｋ｜ｃｏｓεであるという点が異なる。εは、入射する波数ベクトルとｘｙ平面との間の角度である。したがって、式（１）の代わりに式（３）を使用しなければならず、また、式（３）の角度は、ｘｙ平面に投影される波数ベクトルに対応する角度である。
【００２２】
特定の回折次数ｍの回折効率は、溝ファセット角またはそれらの形状および深さを変更することによって調整することができる。溝を適切な形状にすることによる効率の最適化は、ブレージングとして知られている。プレーナ・ブレーズド・ホログラフィック・グレーティングおよびプレーナ・ブレーズド回折格子は、低コストであり、かつ、分解能が高いことに加えて効率が高いため、多くのアプリケーションで使用されている。
【００２３】
とりわけ有用な事例は、リトロー構成で動作するブレーズド回折格子である。この場合、回折格子は、集光される所望の回折次数ｍの波長範囲に対して、約α≒βｍになり、回折したビームがほぼ入射ビームの光路に戻る角度に設定される。（たとえば米国特許第６７１０３３０号明細書、米国特許第６８５９３１７号明細書を参照されたい。）
図３（ａ）は、光ファイバ３０１からの光が共通レンズ３０２によって平行化され、かつ、ブレーズド反射回折格子３０３に向かって伝播する、円錐回折リトロー構成３００の例を斜視図で示したものである。円錐回折を生成するために、回折格子は、矢印Ａで示す軸の周りに傾斜する。回折格子が傾斜しておらず、入射する光が回折格子の溝に対して垂直に配向されていない場合、回折した光は、入射するビームの光路に沿って戻り、したがって回折した光のフットプリント３０５によって、中心が実質的にファイバ３０１の出力端に位置するスペクトル（つまり平面内リトロー状態）が形成されることになる。（同じく図３（ｂ）の上面図を参照されたい。）
回折格子を傾斜させることにより、図３（ａ）に示すように、回折した光のフットプリントが量「ｚ」だけ垂直方向に変位する円錐回折が生成され、これにより画素アレイ３０７による光の検出が可能になる。
【００２４】
しかしながら、このような構造が抱えている重要な問題は、円錐回折によって導入される非平面効果のため、回折した光ビームのベクトルが円錐の表面に位置し、そのため、スペクトル分散したビームがレンズ３０２によって集束すると、集束した光のフットプリント３０５が湾曲することである（図３（ａ）に挿入されている端面図から分かるように）。より詳細には、フットプリントは、集束した領域のｚ軸上の高さが検出器アレイの両端部分より中心部分の方が高くなるような非線形性を検出器アレイの直線軸に対して有することになる。ライン走査カメラの検出器アレイなどの標準の線形検出器アレイ３０７を使用する場合、入力ビームのスペクトル幅に応じて、集束した湾曲スペクトル線の一部が検出器アレイ３０７の感光性領域外に当たることになる。これは、広帯域光源であることが望ましい、軸方向の解像度が高いＳＤ−ＯＣＴシステムの場合、特にそうである。また、このような集束した湾曲スペクトル線によって、機械的な振動および温度変化に対する分光計の出力感度が極めて敏感になり、集束したスペクトル線の一部が画素外に当たる原因になることがある。
【００２５】
１つの可能な解決法は、標準の線形検出器アレイではなく、湾曲した検出器アレイを使用して、湾曲した集束したスペクトル線の形状に整合させることである。しかしながら、そのためには特注のライン走査カメラが必要であり、したがってコストが高くなる。第２の解決法は、集束するスペクトル線の画素に対する若干の移動を許容することができるよう、ライン走査カメラで広く実施されているように検出器アレイの画素の形状を正方形ではなく長方形にすることである。しかしながら、このようなより細長い長方形画素のより広い感光性領域は、感光性領域のキャパシタンスがより大きいことを意味しており、そのために高速読出がますます困難になる。商用高速ライン走査カメラのほとんどは、光学ドキュメント・スキャナのためなどの全く異なるアプリケーションを対象にしており、したがってこれらのカメラの画素の高さは、通常、軸方向の解像度が高いＳＤ−ＯＣＴシステムのための帯域幅の広い光源に起因する、集束したスペクトル線の湾曲を補償するためには不十分である。
【００２６】
円錐回折に起因する非直線性が小さくなるようにレンズを選択することで、回折したビームのフットプリントと検出器アレイの位置決めが改善される。当業者に良く知られているように、アベラント・レンズは、図４に示すように、正のひずみ（糸巻き形ひずみとも呼ばれる）または負のひずみ（樽形歪曲とも呼ばれる）を有することができる。図４の左側の画像４０１は、ひずみが全く存在しない完璧な画像であり、中央の画像４０２は、正のひずみを有する画像であり、右側の画像４０３は、負のひずみを有する画像である。
【００２７】
図５は、集束したスペクトル線３０５の、図３（ａ）に示す円錐回折に起因する湾曲を補償するための好ましい手法を示したものである。より詳細には、負のひずみ（樽形歪曲）を有する共通（一般的にはより分厚い）アベラント・レンズ５０２は、図５に示すように、入力アームと出力アームの両方の光路内に、出力ビームに対して特定の垂直軸ずれ変位で配置されることが好ましい。光ファイバ５０１からの入力ビームの主中心光線は、共通レンズ５０２をレンズの垂直中心線を介して通過し、回折格子５０３で円錐回折したビームの主中心光線は、共通レンズ５０２の下側の半分からレンズを通過するため、レンズからの負のひずみにより円錐回折したビームの正のひずみが実質的に補償される。したがって、湾曲した画像表面５０６上の画像化されたスペクトル分散したライン５０５は、図５に挿入されている端面図から分かるように、実質的に横方向に直線化される。
【００２８】
上の段落を、円錐回折した光ビームのひずみを補償するためのリトロー分光計における共通レンズの使用に本発明を限定するものとして解釈してはならないことに留意されたい。リトロー分光計における円錐回折したビームのひずみは、他の方法で補償することも可能である。たとえば、ひずみを補償するために使用されるレンズは、分光計の出力アームのためだけの別個のレンズであってもよい。しかしながら、回折格子の前面でレンズを共有することによって、よりコンパクトな構造を達成することができる。また、スペクトル分散したビームを同じ回折次数に限定する必要はなく、場合によっては次数を垂直方向に分離するためにいくらかの交差分散を有する重畳回折次数を含むことも可能である。また、本発明は、軸ずらし画像誘導ひずみ補償の使用に限定されず、同様の効果を達成することができる限り、他のタイプのレンズを使用することも可能である。たとえば、スペクトル回折したビームが、回折格子がレンズに向かって傾斜している場合は、主中心光線がレンズの上側の半分を通ってレンズを通過するように配置され、または、回折格子がレンズとは反対側に傾斜している場合は、主中心光線がレンズの下側の半分を通って通過するように配置される限り、正のひずみを有するレンズを使用することも可能である。別法としては、特別に設計されたレンズを、回折したビームの主中心光線がレンズの垂直中心部分を通過する場合であっても、レンズが依然としてひずみを補償し、集束したスペクトル線が直線化される方法で使用することも可能である。
【００２９】
図５に示す分光計に関連付けることができる問題は、従来の撮像システムにしばしば見られるように、良好に集束したスペクトル線が正の曲率の湾曲表面５０６（同じく図３（ｂ）の３０６）に依然として位置する可能性があることである。良好な焦点のこの湾曲表面５０６によってもたらされる結果は、スペクトル線を平らな検出器アレイのすべての画素に良好に集束させることができないことである。その代わりに、個々の画素に集束するスポット・サイズがセンサ全体にわたって変化する。
【００３０】
この問題の解決法として、本発明の１つまたは複数の実施形態によれば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、スペクトル線６０５の焦点を検出器アレイの平らな表面６０６に良好に整列させることができるよう、良好な焦点の表面を実質的に平面化するためにフィールド平面化レンズ６１０が線形検出器アレイ６０７の前面の出力アームに挿入されている。上で言及したフィールド平面化レンズは、メニスカス・レンズの形態などの任意の適切な形態にすることができることを理解されたい。また、フィールド平面化の効果は、共通レンズの設計によって、あるいはレンズの組合せを使用することによって達成することも可能である。したがって好ましい実施形態では、本発明は、円錐回折リトロー分光計内の集束したスペクトル線を実質的に直線化する手法を提供し、横方向（図５に示すアレイを横切る方向）にスペクトル分散するビームのひずみ、またはビーム（図６に示すフィールド平面化レンズによって修正されたビーム）が伝播する方向にスペクトル分散するビームのひずみのいずれか一方または両方の補償が提供される。このようなひずみ補償は、平らな光検出器アレイと、直線化された集束したスペクトル線とを整列させることができるよう、３次元空間で集束するスペクトル線を直線化するための方法であって、それにより波長に応じた光エネルギーの電気信号への安定した真の変換が可能になる方法として解釈されたい。
【００３１】
図５に示す構成に関連付けることができるもう１つの問題は、ほとんどの実用ＳＤ−ＯＣＴシステムの場合と同様、入力ビームが単一モード光ファイバから入射する場合、ファイバの開口数と分光計の開口数が整合しないことがあることである。本発明の追加特徴の１つとして、入力アームの開口数と出力アームの開口数を整合させるための入力レンズ６１２が、同じく図６（ａ）に示すようにファイバ・チップ６０１付近の入力アームに挿入されている。単一モード・ファイバ・チップから入射する光の開口数を変更するための他の方法が存在しており、たとえばファイバ・チップをレンズとして直接形成するか、あるいはファイバにグリン・レンズを取り付けることによって開口数を変更することができることを理解されたい。
【００３２】
図５に示す構成のさらに他の問題は、商用的に入手可能なライン走査カメラの包装サイズが、一般的に画素アレイの感光性領域よりはるかに大きいことである。したがって光ファイバをカメラ本体の後方から画素アレイの真上に置くことは不可能である。本発明の好ましい追加特徴の１つとして、入力アームと出力アームの間の相対角度を小さい角度、たとえば約１０度未満に維持することができるよう、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、光ビーム折りたたみミラー６１４がライン走査カメラの前面に取り付けられている。この構造によって回折が古典的な平面内回折に近づくため、回折したスペクトル線に円錐回折によって導入されるひずみの大きさを小さくすることができる。また、この構造によって分光計全体のサイズが実質的に小さくなるため、分光計をよりコンパクトに、かつ、より安定したものにすることができる。
【００３３】
ＳＤ−ＯＣＴに応用する場合、スペクトルをライン走査画素アレイに沿って移動させる比較的大きい静的不整列を許容することができる。このような横方向の不整列によって、記録されるスペクトル干渉縞がシフトすることになるが、干渉縞の空間周波数がそのシフト内で第１の次数に変化することはない。干渉縞の周波数が変化するのは、光周波数とライン走査画素アレイ上の位置の間の関係が非線形である場合のみである。画素アレイに沿って−０．５から＋０．５まで変化する変数ｘでパラメータ化される位置と光周波数νとの間の関係は、多項式によって近似することができる。１例として、中心光周波数の１０％であるΔνの範囲の光周波数をカバーするリトロー構成の場合、典型的な近似関係は、ν＝Ｃ［ｘ＋０．１５ｘ２＋０．０５ｘ３］である。Ｃは定数である。ＯＣＴの分野の技術者は、カメラに対するスペクトルの非補償シフトδｘによるＯＣＴ画像品質に対する影響を計算することができる。δｘ＝０．０５のシフト、つまり２０４８画素カメラ上の１０個の画素がしばしば許容可能である。
【００３４】
本発明の他の好ましい実施形態では、分光計は、熱膨張が実質的に小さい基礎材料の上に取り付けられている。インバー（Ｉｎｖａｒ）などの特定の材料は、ゼロに近い熱膨張係数を有しており、本発明による分光計のための基礎として直接使用することができるが、熱膨張の補償係数を有する複合材料から基礎を構築することも可能である。たとえば、複合材料は、一方が正の熱膨張係数を有し、もう一方が負の熱膨張係数を有する２つの材料から構成することができる。図６（ａ）に示すように、基礎６１６は、正の熱膨張係数を有する金属であってもよく、また、埋設バー６１８は、負の熱膨張係数を有する異なる金属であってもよい。リトロー分光計構成の場合、回折したビームと入力ビームがほぼ同軸特性であるため、基礎の相対する熱膨張係数を選択することによって、レンズに対する撮像機能のあらゆる熱誘導変化を補償することができる。たとえば、ガラス・レンズの焦点距離は温度によって変化する傾向があり、この変化は、基礎の熱膨張または収縮によって補償することができる。
【００３５】
図７（ａ）は、交差分散エシェル分光写真器をリトロー構成で実施するための好ましい手法を示したものである。好ましくはファイバ結合光源７１０から入射した干渉信号は、レンズ・システム７２０を通って移動した後、エシェル格子７３０で回折する。リトロー構成の場合、分散した光は、次にもう１度レンズ・システム７２０を通って移動した後、低分散エレメント７４０で交差分散する。低分散エレメント７４０は、ここではプリズムであるが、回折格子であってもよい。次に、エシェル格子の重畳回折次数が、２次元アレイ検出器、すなわち積み重ねられたマルチ・ライン検出器アレイ７５０の上に垂直変位する。図７（ａ）には、２つの回折次数からの２つの集束した部分スペクトル７６２および７６４が示されている。通常、複数の回折次数がかなりの量の光を含有しており、検出器アレイ７５０によって集光される。
【００３６】
エレメント７４０によって提供される垂直変位は、個々の回折次数内の部分スペクトル全体にわたって大きく変化する波長によって決まる。したがって個々の次数内の波長範囲全体にわたって垂直変位が変化し、そのために集束した部分スペクトルが傾斜する。この傾斜は、エシェル格子をエシェル格子の表面に垂直な軸の周りに検出器アレイに対してわずかに回転させることによって除去することができる。
【００３７】
通常、個々の回折次数がカバーしているスペクトルは、スペクトル範囲全体のごく一部にすぎない。角度に応じた回折格子７３０の回折効率によって、個々の次数に含まれる重要な回折光の水平方向の範囲が決まる。連続する２つの次数の中で検出される波長の範囲は、λ１からλ２およびλ３からλ４であり、好ましくはλ１＜λ３＜λ２＜λ４と重畳しているため、検出される１組の波長には切れ目がない。エシェル格子をより高い回折次数に使用する場合、連続する次数（たとえばλ１〜λ３）間の波長の分離は、より小さくなる。十分に高い回折次数では、連続する次数間の分離が広帯域源の帯域幅未満になり、したがって広帯域源の帯域幅内の部分スペクトルは、エシェルによって回折した後に重畳するため、交差分散エレメントによってのみ分離しなければならない。交差分散分光計は、複数の回折次数が重畳する場合、つまりλ１、λ３などの複数の重畳波長が広帯域源の帯域幅内に存在している場合、固有の利点を示す。この目的のための帯域幅の適切な定義は、ピーク強度の１０％におけるスペクトルの全幅である。
【００３８】
図７（ｂ）は、焦点フィールドをもたらすための追加フィールド平面化レンズ７７０を備えた好ましい実施形態を示したもので、追加フィールド平面化レンズ７７０の表面は、個々の波長の焦点を検出器アレイの平らな平面のより近くに結んでいる。フィールド平面化レンズ７７０および共通レンズ７２０の配置は、円錐回折によるひずみの影響が実質的に相殺され、部分スペクトルが検出器アレイ上のほぼ直線で焦点を結ぶように選択される。
【００３９】
図７（ｃ）は、リトロー構成の外部に回折格子１７３０が使用された代替実施形態を示したものである。ファイバ・チップ１７１０からの光は、コリメーティング・レンズ１７２０によって平行化され、ブレーズド・エシェル格子１７３０に向かって伝播する。回折したビームは、個々の波長の焦点を検出器アレイ１７５０の平面の近くに結ぶ集束レンズ１７８０を通過する。プリズム１７４０は、垂直方向の回折次数を分離する働きをしている。図７（ｃ）には、２つの回折次数からの２つの集束した部分スペクトル１７６２および１７６４が示されている。通常、複数の回折次数が集光される。フィールド平面化レンズ１７７０は、個々の波長の焦点を検出器アレイ１７５０の平面の近くの点に結ぶように設計されている。
【００４０】
この交差分散分光計をＳＤ−ＯＣＴに応用するための設計計算について、例を挙げて説明する。ソース・スペクトルの中心が８５０ｎｍである場合、軸方向の解像度が５ミクロンのＳＤ−ＯＣＴは、約Δλ＝１３０ｎｍの帯域幅にわたる干渉スペクトルを収集しなければならない。散乱中心の縦方向の位置は、スペクトル全体の干渉縞の発振周波数によって符号化され、より深い縦方向の深さでの散乱によって、スペクトル全体がより高速で発振する。したがって、広い深さ範囲全体をＳＤ−ＯＣＴを使用して画像化する能力は、スペクトル全体の高速発振を解像する分光計の能力で決まる。５ｍｍの深さ範囲を画像化するためには、周期が０．０７ｎｍの縞を解像しなければならない。検出器アレイ内の１画素当たりの波長変化が０．０３ｎｍになるようにスペクトルを分散させることにより、オーバ・サンプリングの実際的なマージンが提供される。
【００４１】
マイクロン（Ｍｉｃｒｏｎ） ＭＴ９Ｍ４１３センサは、１２μｍの間隔を隔てた１２８０個の画素を各行に備えた検出器アレイである。このセンサ上の１画素当たり０．０３ｎｍの分散は、長さ１５．３６ｍｍの個々の行が３８ｎｍのスペクトルをカバーしていることを意味している。
【００４２】
回折角に応じたエシェル格子の回折効率は、連続する次数間の波長分離に等しい波長範囲をカバーする半値全幅を有している（パーマー（Ｐａｌｍｅｒ）Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ §１１．５）。回折した光の大半を集光するためには、検出器アレイの行が、効率曲線によって画定される部分スペクトルの明るい領域の約２倍の幅になるように分光計を設計することが好ましい。（この選択は、検出器アレイの縁を個々の溝から単一スリット回折パターンの第１のゼロに置くことに対応している。）この場合、次数間の波長分離は、各行で集光されるスペクトル範囲の半分であり、この例では、次数間の波長分離は１９ｎｍでなければならない。次数間の波長分離は、ｍが複数の次数のうちの１つであるλ／ｍであり、したがって次数が約ｍ＝８４０ｎｍ／１９ｎｍ＝４４になるように回折格子を選択しなければならない。
【００４３】
コンパクト設計が望ましい場合、リトロー角に近い角度で動作させることが好ましい。その場合、回折格子の式は、約ｍλ＝２ｄ・ｓｉｎθになる。θはブレーズ角である。エシェル格子の共通ブレーズ角は６３．４３°である（２の逆正接）。このブレーズ角および上で選択された次数の場合、溝の密度は、約４８溝／ｍｍでなければならない。リチャードソン（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ）カタログ（現在はＳｐｅｃｔｒａ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｐａｒｔ ｎｕｍｂｅｒ ５３−ｓｉｚｅ−４１５Ｅ）に最も緊密に整合する密度は、５２．６７溝／ｍｍである。収集を所望する、２λ／ｍ＝３８ｎｍのスペクトル幅に相当する回折角の広がりは、回折格子の式から、ブレーズ角に対して±５．６°として決定することができる。このスペクトル幅をカメラの１行（長さ１５．３６ｍｍ）に適合させるためには、７０ｍｍの有効焦点距離が必要である。
【００４４】
ＳＦ１１ガラスからなる１７°プリズムを１回通過すると（あるいは８°プリズムを２回通過すると）、次数がカメラ上で２４μｍだけ分離され、したがって画素のサイズが１２μｍの場合、連続する回折次数が１行置きに当たる。（ＳＦ１１の分散は、次数を均等に分離することはできない。図８に示すプロットをもたらす計算は、回折の角度が波長の一次関数であると仮定してプリズムを概ねモデル化したものである。）エシェルを０．１７°だけ回転させると、次数はカメラ上で概ね水平になる。図８に示す結果によれば、ｍ＝３８ないし４２の５つの次数に対してスペクトルが広がり、次数３７および４３の光の量が少ない。曲線は、７８５ｎｍから９１５ｎｍまでのものであり、マーカは、５ｎｍ毎に振られている。センサに当たる回折次数毎の波長範囲は、
ｍ＝４２：７８７ｎｍ〜８２８ｎｍ
ｍ＝４１：８０５ｎｍ〜８４７ｎｍ
ｍ＝４０：８２６ｎｍ〜８６８ｎｍ
ｍ＝３９：８４７ｎｍ〜８９１ｎｍ
ｍ＝３８：８６９ｎｍ〜９１３ｎｍ
である。
【００４５】
良好に整列すると、６４００個の画素からスペクトルを読み出すことができる。５．６°以内の角度の光は、そのほとんどが回折格子で回折し、ブレーズ角を中心にして広がる。この１組の角度が７０００ミクロンの長さでカメラの中央に水平に画像化される。
【００４６】
要約すると、予測される軸方向の解像度および深さの範囲は、いずれも４０９６画素線形アレイを使用して達成することができる軸方向の解像度および深さの範囲と概ね等価であるが、交差分散分光計の場合、最大カメラ寸法は１５ｍｍであり、一方、線形分光計の場合は４１ｍｍである。ＭＴ９Ｍ４１３センサを備えたアナログ−ディジタル変換および読出しエレクトロニクスは、この６４００画素スペクトルを毎秒１００ｋスペクトルの速度で出力することができる。設計によって追加ファイバ入力を受信することができ、存在しているスペクトルより上または下の追加スペクトルが得られる。追加入力を使用することにより、干渉の複数の位相を同時に記録することができる。５行に配列された１２８０個の画素によってスペクトル上に６４００個のサンプル・ポイントが得られる平均サンプリング密度が、匹敵する線形分光計の４０９６個の画素によって提供されるサンプリング密度より高いため、交差分散分光計の散在サンプリングにより、エイリアジングによるアーチファクトが減少する。
【００４７】
第２の組の実例設計計算では、１２８×６４画素センサが存在することが仮定されている。行中の画素が１２μｍの間隔を隔てている場合、所望の分散を得るためには、長さ１．５３６ｍｍの各行に３．８ｎｍのスペクトルを置かなければならない。次数間の分離λ／ｍは１．９ｎｍであり、したがって約ｍ＝４４０の次数で動作させなければならない。左辺がｍλ＝４４０×０．８４μｍ＝３７０μｍである回折格子の式により、大きな間隔ｄが強いられる。このような回折格子は、通常、積み重ねられたプレートによって構築され、エシェロンと呼ばれている。エシェロンの出所は未確認であるが、ｄ＝２００μｍのステップ間隔および４０μｍのステップ幅を仮定すると、有効ブレーズ角は、逆正接（５）＝７８．７°である。この場合も次数間の波長分離の２倍に相当する角度の広がりは、±１．２３°である。このスペクトル幅をカメラの１行（長さ１．５３６ｍｍ）に適合させるためには、３５ｍｍの有効焦点距離が必要である。波長内における連続する次数が極めて近いため、交差分散エレメントは、プリズムより大きい分散を有していなければならない。スペクトルを連続する行に１２μｍの間隔を隔てて置くことを選択する場合、約０．０１０°／ｎｍの分散が必要である。１ミリメートル当たり１５０個の溝を備えた第１次数の回折格子は、交差分散エレメントとして十分である。
【００４８】
ＳＤ−ＯＣＴは、ライトゲブら（Ｌｅｉｔｇｅｂ ｅｔ ａｌ．）（「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １２ １０、２１５６〜２１６５ページ（２００４年））、チョマおよびサルニク（Ｃｈｏｍａ ａｎｄ Ｓａｒｕｎｉｃ）（「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ（２００３年））、およびデ・ボーら（ｄｅ Ｂｏｅｒ ｅｔ ａｌ．）（「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ（２００３年））によって記述されている。背景技術で言及したように、これまでのところ、従来技術によるすべてのＳＤ−ＯＣＴシステムの分光計には２つのレンズが使用されており、そのうちの１つを使用して、入力ビームが回折格子に向かって伝播するよう平行化され、もう１つのレンズを使用して、分散したスペクトル・ビームを検出器アレイ上に集束させている。本発明の新規な特徴は、入力ビームならびに分散した出力ビームの両方に１つまたは複数の共通共有集束エレメントを使用しているＳＤ−ＯＣＴシステムに分光計が組み込まれていることである。
【００４９】
図９は、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真（ＳＤ−ＯＣＴ）システムに使用されている交差分散分光計（図７に示されている）の好ましい実施形態を示したものである。この好ましい実施形態では、広帯域源９５０からの光は、単一モード・ファイバ９５２を介してファイバ結合器９５４へ導かれ、標本アーム９５６および参照アーム９５８に分割される。標本アーム９５６から戻った光と参照アーム９５８から戻った光が干渉する。干渉した光ビームの一部が検出アーム９６０によって案内され、交差分散分光計へ送られる。交差分散分光計は、上で説明した複数の有利な本発明の特徴のうちの１つまたは複数を有する交差分散分光計であることが好ましい。
【００５０】
検出器アレイ７５０によって記録されたスペクトル強度をフーリエ変換することにより、標本の経路、たとえば標本内の深さに沿った反射率分布が提供される。検出される反射率分布には、鏡面反射だけでなく、光を分光計に戻す他の散乱過程が含まれている。反射率の高解像度画像を形成するために必要な処理方法の詳細については当分野で知られており、ライトゲブら（Ｌｅｉｔｇｅｂ ｅｔ ａｌ．）（「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈ．」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １２ １０、２１５６〜２１６５ページ（２００４年））、チョマおよびサルニク（Ｃｈｏｍａ ａｎｄ Ｓａｒｕｎｉｃ）（「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ（２００３年））、およびデ・ボーら（ｄｅＢｏｅｒ ｅｔ ａｌ．）（「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ（２００３年））によって記述されている。
【００５１】
光干渉計には多数の変形形態が存在しており、また、ＳＤ−ＯＣＴシステムにおける交差分散分光計にも多数の変形形態が存在していることに留意されたい。たとえば、光干渉計は、マイケルソン型に限定する必要はなく、マッハ−ツェンダまたはマイケルソンとマッハ−ツェンダの組合せを使用することも可能であり、あるいは入射するビームを少なくとも２つのビームに分割し、かつ、分割したビームの一部を再結合することができる限り、他の干渉計を使用することも可能である。したがって参照アームを反射型に限定する必要はなく、透過型の参照アームを使用することも可能である（たとえば参照アームは、ビーム・スプリッタ９５４へのループ・バックを備えることができる）。光路は、光ファイバに限定する必要はなく、バルク光学系をベースにすることも、あるいは光ファイバとバルク光学系の組合せにすることも可能である。光ビームの特性を操作するための他の光学コンポーネントを光路に備えることも可能であり、たとえば１つまたは複数の偏光子、１つまたは複数の偏光コントローラ、１つまたは複数の偏光ビーム・スプリッタ、１つまたは複数の波長板、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数のミラー、１つまたは複数の非偏光ビーム・スプリッタなどを光ファイバまたはバルク光学系の形態で備えることができる。ＯＣＴシステムに使用されている他の構成には、平衡検出スキーム（たとえば米国特許出願公開２００４／０２３９９３８号明細書、国際公開第０４／１１１９２９号パンフレットを参照されたい）および高光パワー効率設計（たとえば米国特許第６６５７７２７号明細書を参照されたい）がある。これらは、すべて、ＳＤ−ＯＣＴに応用するために本発明の分光計と組み合わせることができる。
【００５２】
スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、円錐回折リトロー分光計に限定する必要はない。スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、古典的な平面内回折分光計であってもよい。また、好ましい実施形態ではエシェルである第１の回折格子は、平面回折格子に限定する必要はない。この第１の回折格子は、分散と集束の両方の機能を果たすことができる湾曲した回折格子または凹面回折格子であってもよい。本発明の主な特徴は、入力ビームおよび回折した出力ビームのための１つまたは複数の共有集束エレメントを有する分光計をＳＤ−ＯＣＴシステムに使用していることである。１つまたは複数の共有集束エレメントは、レンズまたは複数のレンズの組合せであっても、あるいは湾曲／凹面回折格子または湾曲／凹面ミラーであってもよい。
【００５３】
好ましい実施形態では、スペクトル領域ＯＣＴシステムの分光計は、本発明の有利な特徴を備えた円錐回折リトロー分光計である。図１０（ａ）および（ｂ）は、円錐回折によって導入されるひずみを補償することができる分光計のレンズ設計の好ましい実施形態を示したものである。図１０（ａ）には、入力ビームおよび回折した出力ビームのための共用共通レンズとして集合的に作用するダブレット１００２およびシングレット１００４からなる、ＳＤ−ＯＣＴシステムのリトロー分光計のためのレンズ・システムの設計が示されている。ダブレット１００２は、クラウン・ガラスおよびフリント・ガラスからなる２つのレンズを組み合わせたものである。設計されたレンズ・システムの有効焦点距離は１３０ｍｍである。コンピュータが、円錐回折を可能にするために約５度の傾斜角で傾斜した１５００溝／ｍｍの回折格子に送られる、中心波長が約８４０ｎｍ、スペクトル幅が７９５ｎｍから８８５ｎｍまでの広帯域光ビームをモデル化し、回折したビームは、ライン走査またはＣＣＤカメラの幅３０ｍｍの画素アレイに集束している。図１０（ａ）に示すモデルのレンズ・セットは、図３ａの挿入部分に示す状況とは逆に、集束したスペクトル線を上に湾曲させる負のひずみ（樽形歪曲）を有しており、この場合、スペクトルの両端は、中心より１５ミクロン高くなる。図１０（ｂ）は、ＣＣＤセンサの両端に約３．１％の正のひずみ（糸巻き形ひずみ）を有するフィールド平面化レンズ１００６を挿入し、かつ、適切に配置することにより、集束したスペクトル線を直線化し、直線からの逸脱を最大でもわずかに１ミクロンにすることができることを示している。
【００５４】
別法としては、入力アームと出力アームの両方が回折格子の前面で共通レンズを共有することも可能であり、また、回折したスペクトル・ビームに円錐回折によって導入されるひずみを実質的に補償する特定のひずみを共有レンズに持たせることも可能である。入力アームまたは出力アームのいずれか一方、あるいは両方に、追加機能を提供する追加光学コンポーネントを配置することも可能である。たとえば、出力アームにフィールド平面化レンズを配置し、集束したスペクトル線をさらに直線化することができる。また、入力アームにビーム折りたたみミラーを配置し、カメラの前面から入射する光ビームの受取りを可能にすることができる。入力レンズを使用して、開口数を整合させる働きをさせることも可能である。ＳＤ−ＯＣＴアプリケーションの場合、検出器アレイのデータ転送速度は、好ましくは高速であることが望ましい（１秒当たり１０００ラインを超えることが好ましい）。
【００５５】
以前のＳＤ−ＯＣＴ設計では十分に対処されていないもう１つの問題は、分光計の偏光依存性である。標準の回折格子は、通常、直交偏光状態の場合より、１偏光状態の場合の方がより効率的である。米国特許出願（ＵＳ２００４／０２３９９４３、ＵＳ２００５／０２１３１０３）から分かるように、この問題を解決するための手法の１つは、干渉したビームの１つの偏光方向のみを選択し、かつ、直線偏光ビームを選択された配向で分光計に送り込むことである。もう１つの手法は、２つの直線偏光干渉ビームを２つの分光計に送ることができるよう、干渉したビームを２つの直交偏光に分離することである。前者の手法は、信号対雑音比が小さくなり、また、後者の手法には２つの分光計が必要であり、したがってシステムのコストが実質的に高くなる。
【００５６】
偏光を制御する対策を施さない限り、ＳＤ−ＯＣＴの分光計に入力することによって、通常、偏光状態が変化する。ＯＣＴの場合、２つのビームの偏光が実質的に整合するよう、干渉したビームの変調度の値を、干渉計の参照アームまたは標本アームのいずれか一方、あるいは両方の偏光状態を調整することによって確実に大きい値にすることが有利である。この調整は、通常、各標本を測定する毎に個々に実施され、それにより標本の偏光の回転が補償され、また、場合によっては光ファイバを含む標本へ導いている光学系の偏光の回転が補償される。また、分光計内の回折格子を照らしている干渉ビームの偏光の最終状態が、実質的に、回折格子の回折効率がより高くなる偏光状態になるよう、干渉したビームの偏光状態を干渉計の検出アーム内で調整することも可能である。しかしながら、ＯＣＴに広く使用されているファイバ干渉計の場合、最終偏光状態は、干渉計のあらゆるアーム内における光ファイバの湾曲で決まり、この湾曲は、場合によっては温度および機械的な振動に応じて変化するため、場合によってはファイバの偏光状態を動的に制御しなければならない。そのため、ＳＤ−ＯＣＴシステムにさらにコストが追加されることは明らかである。
【００５７】
分光計が実質的に偏光に無関係である場合、ＳＤ−ＯＣＴシステムに必要なことは、標本アームと参照アームとの間の偏光状態を実質的に整合させることだけであり、それ以外の偏光制御を必要とすることなく、干渉したビームを分光計に送ることができる。実質的に偏光に無関係の分光計は、単純で、かつ、信頼性の高いＳＤ−ＯＣＴシステムの設計に有利である。
【００５８】
本発明の１態様として、ＳＤ−ＯＣＴシステムの交差分散分光計は、実質的に偏光に無関係になっている。第１の単純な方法は、互いに直交しているＳ偏光およびＰ偏光の回折効率が、関心のある中心波長に対して互いに交差する、つまり、実質的に等しくなるよう、適切なブレーズ角および適切な回折格子溝密度を選択することである。偏光依存性を補償するための第２の単純な方法は、偏光補償光学エレメントを検出アーム９６０に沿って挿入するか、あるいは交差分散分光計内の入口と検出器アレイとの間の光路に沿った任意の部分に挿入することである。このような偏光補償器は部分偏光子であってもよく、それにより、１つの偏光方向の光が実質的に透過している間、直交する偏光方向の光の一部を分光計に吸収させるか、あるいは分光計から反射して遠ざけることができる。多くの部分偏光子が存在しており、ブルースター角の周りに傾斜したガラスの単片あるいは複数の単片のスタックは、このような部分偏光子の好例である。
【００５９】
別法としては、図１１（ａ）ないし（ｅ）に示すように、様々な方法で分光計内のエシェル格子を実質的に偏光に無関係にすることも可能である。第１の実施例は、図１１（ａ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、回折格子周期が同じであり、かつ、変調度またはブレーズ角が異なる２つの異なる回折格子エレメント１２６０および１２６２を有する表面レリーフ・プロファイルを備えた回折格子である（たとえば米国特許第６４８７０１９号明細書を参照されたい）。個々の回折格子エレメント１２６０または１２６２の表面レリーフ・プロファイルの反復回数は、１からＮまで（Ｎは整数である）変更することができることに留意されたい。第２の実施例は、図１１（ｂ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、金属ベース層１２６６および屈折率が変化する誘電材料の層１２６８を有するハイブリッド金属−誘電体回折格子である（たとえば米国特許第６７５４００６号明細書を参照されたい）。第３の実施例は、図１１（ｃ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、溝の高さ対幅の比率が２より大きい概ね長方形の回折格子プロファイル１２７２を有する薄板体積回折格子である（たとえば米国特許第６７２４５３３号明細書を参照されたい）。第４の実施例は、図１１（ｄ）に示すように、回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、基板１２７６および基板１２７６に隣接する反射材料１２７８を備えた回折格子である（たとえば米国特許第６５７７７８６号明細書を参照されたい）。もう１つの実施例は、図１２（ｄ）に示すように、回折効率が高く、かつ、偏光に対する独立性の程度が高い他の光媒体１２８４に埋め込まれた円形ロッド１２８２を使用して構築されたブレーズド・フォトニック結晶格子である（たとえばポポフ イーら（Ｐｏｐｏｖ Ｅ．ｅｔ ａｌ．）の「Ａｌｍｏｓｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｌａｚｉｎｇ ｂｙ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｒｏｄ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ４０（１５）２４１７〜２４２２ページを参照されたい）。
【００６０】
本発明の１つまたは複数の装置は、関連する方法に拡張することも可能であることを理解されたい。たとえば、本発明の１態様は、スペクトル・インタフェログラムを測定するために、干渉したビームを干渉計から交差分散分光計へ送る工程を含んだ、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真を実行する方法である。本発明の他の態様は、円錐回折によって誘導されるひずみを、集束光学系によってもたらされる平衡ひずみを使用して補償する工程を含んだ、円錐回折したスペクトルを複数の回折次数から実質的に直線に集束させる方法である。本発明のさらに他の態様は、スペクトル・インタフェログラムを測定するために、干渉したビームを干渉計から偏光に無関係の交差分散分光器へ送る工程を含んだ、スペクトル領域光コヒーレンス断層放射線写真を実行する方法である。
【００６１】
本発明についての以上の説明は、本発明を実例で示し、かつ、説明するためのものであり、本発明を余すところなく説明することを意図したものでも、あるいは開示した厳密な形態に本発明を制限することを意図したものでもない。以上の教示に照らして、多くの修正および変形形態が可能である。実施形態は、当業者が本発明を様々な実施形態に、企図されている特定の用途に適した様々な改良を加えて最も良好に使用することができるよう、本発明の原理および本発明の実際的なアプリケーションを最も良好に説明するべく選択され、かつ、記述されている。
【００６２】
以下の特許、特許出願および他の文書は、本願明細書に援用する。
米国特許文書
米国特許第５５６５９８６号明細書
米国特許第６４８７０１９号明細書
米国特許第６５７７７８６号明細書
米国特許第６６５７７２７号明細書
米国特許第６７１０３３０号明細書
米国特許第６７２４５３３号明細書
米国特許第６７５４００６号明細書
米国特許第６７５７１１３号明細書
米国特許第６８４７４５４号明細書
米国特許第６８５９３１７号明細書
米国特許出願公開第２００４／０２３９９３８号明細書
米国特許出願公開第２００４／０２３９９４３号明細書
米国特許出願公開第２００５／００１８２０１号明細書
米国特許出願公開第２００５／０２１３１０３号明細書
米国特許出願番号第１１／１９６，０４３号
外国特許文書
特開２０００−０４６７２９号公報
特開２００１−１７４４０４号公報
国際公開０３／０６２８０２号パンフレット
国際公開０３／０７３０４１号パンフレット
国際公開２００４／０４３２４５号パンフレット
国際公開２００４／１１１９２９号パンフレット
その他の刊行物
デ・ボー、ジェイ エフら（Ｄｅ−Ｂｏｅｒ，Ｊ．Ｆ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｄｏｍａｉｎ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２１）：２０６７〜２０６９ページ
チョマ、エム エー、エム ブイ サルニクら（Ｃｈｏｍａ，Ｍ．Ａ．，Ｍ．Ｖ．Ｓａｒｕｎｉｃ，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（１８）：２１８３〜２１８９ページ
ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｌｏｎｇ−ｄｅｐｔｈ−ｒａｎｇｅ ｐｒｏｂｉｎｇ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（２２）：２２０１〜２２０３ページ
ライトゲブ、アール エーら（Ｌｅｉｔｇｅｂ，Ｒ．Ａ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｄｏｍａｉｎ ｖｓ．ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １１（８）：８８９〜８９４ページ
メイスター ディら（Ｍａｙｓｔｒｅ Ｄ．ｅｔ ａｌ．）（１９８５年）の「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｉｎｖａｒｉａｎｃｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２４（２）：２１５〜２１６ページ
マクリーンら（ＭｃＬｅａｎ ｅｔ ａｌ．）の１９９８年の「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＮＩＲＳＰＥＣ：ａ ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｅｃｈｅｌｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｋｅｃｋ ＩＩ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ」、ＳＰＩＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｖｏｌ．３３５４、５６６ページ
ポポフ イーら（Ｐｏｐｏｖ Ｅ．ｅｔ ａｌ．）の「Ａｌｍｏｓｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ｂｌａｚｉｎｇ ｂｙ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｒｏｄ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ４０（１５）：２４１７〜２４２２ページ
スミス、エル エムおよびシー シー ドブソン（Ｓｍｉｔｈ，Ｌ．Ｍ．ａｎｄ Ｃ．Ｃ．Ｄｏｂｓｏｎ）（１９８９年）の「Ａｂｓｏｌｕｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｗｈｉｔｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎ ａ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ．」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２８（１５）：３３３９〜３３４２ページ
コ、ティー エイチ、ジェイ ジー フジモトら（Ｋｏ，Ｔ．Ｈ．，Ｊ．Ｇ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，ｅｔ ａｌ．）（２００５年）の「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−ａｎｄ Ｓｔａｎｄａｒｄ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍａｃｕｌａｒ Ｐａｔｈｏｌｏｇｙ．」Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌｏｇｙ １１２（１１）：１９２２〜１９３５ページ
ウォツコウスキー、エムら（Ｗｏｊｔｋｏｗｓｋｉ，Ｍ．，ｅｔ ａｌ．）（２００３年）の「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８（１９）：１７４５〜１７４７ページ
ツェイリコビッチ、アイら（Ｚｅｙｌｉｋｏｖｉｃｈ，Ｉ．ｅｔ ａｌ．）（１９９８年）の「Ｎｏｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｇｒａｔｉｎｇ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．」Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２３（２３）：１７９７〜１７９９ページ
パーマー、シー（Ｐａｌｍｅｒ，Ｃ．）（２００２年）のＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、第５版、リチャードソングレーティングラボラトリ（Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）、［米国ニューヨーク州ロチェスター（Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ）所在］
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】通常の古典的構成つまり平面内構成に使用されている、入射する光ビームを複数の回折次数で回折させるための平面反射回折格子を示す図。
【図２】直交座標系Ｏｘｙｚがｚ軸に平行の回折格子の溝を使用して仮定された円錐回折の一般的な事例を示す図。
【図３（ａ）】光が回折してほぼ入射方向に向かって戻り、また、入射した光ビームおよび回折した光ビームが円錐回折を介して互いに分離されるリトロー円錐回折を示す斜視図。
【図３（ｂ）】図３（ａ）に示す構成の上面図。
【図４】左側の画像がひずみが全く存在しない完璧な画像であり、中央の画像が正のひずみ（糸巻き形ひずみとも呼ばれている）を有する画像であり、右側の画像が負のひずみ（樽形歪曲とも呼ばれている）を有する画像である、レンズ収差によるひずみを示す図。
【図５】負のひずみを有するレンズが特定の垂直軸ずれ変位で光路内に置かれ、そのために、円錐回折したビームが、アベラント・レンズによる負のひずみを受けて、回折したビームの正のひずみを実質的に補償しているリトロー円錐回折構成の好ましい実施形態を示す図。
【図６（ａ）】集束したスペクトル線をさらに直線化するためにフィールド平面化レンズが使用され、開口数を整合させるために入力ポート・レンズが使用され、かつ、分光計の総合サイズをさらに小さくするために偏向ミラーが検出器アレイの前面に配置された、円錐回折をベースとするリトロー分光計の好ましい実施形態の斜視図。
【図６（ｂ）】図６（ａ）の上面図。
【図７（ａ）】低分散エレメントとしてプリズムを使用したリトロー構成における交差分散エシェル分光写真器の好ましい実施形態を示す図。
【図７（ｂ）】フィールド平面化レンズが挿入されている点を除き、図７（ａ）に示すリトロー構成と同様のリトロー構成における交差分散エシェル分光写真器の第２の好ましい実施形態を示す図。
【図７（ｃ）】交差分散エシェル分光写真器の代替実施形態を示す図。
【図８】本特許の本文に記載されている条件下におけるカメラ上のスペクトル次数の位置を示すグラフ。
【図９】ＳＤ−ＯＣＴシステムにおける交差分散分光計の使用を示す図。
【図１０（ａ）】入力ビームおよび回折した出力ビームのための共用共通レンズとして集合的に作用するダブレットおよびシングレットからなる、ＳＤ−ＯＣＴシステムにおけるリトロー分光計のためのレンズ・システムの設計を示す図。
【図１０（ｂ）】集束したスペクトル線を直線からの逸脱がわずかに最大１ミクロンまで直線化することができる、約３．１％の正のひずみ（糸巻き形ひずみ）を有するフィールド平面化レンズの挿入および適切な配置を示す図。
【図１１（ａ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、回折格子周期が同じであり、かつ、変調度またはブレーズ角が異なる２つの異なる回折格子エレメントを有する、表面レリーフ・プロファイルを備えた回折格子を示す図。
【図１１（ｂ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、金属ベース層および屈折率が変化する誘電材料の層を有するハイブリッド金属−誘電体回折格子を示す図。
【図１１（ｃ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、溝の高さ対幅の比率が２より大きい概ね長方形の回折格子プロファイルを有する薄板体積回折格子を示す図。
【図１１（ｄ）】回折格子を実質的に偏光に無関係にするために、基板および基板に隣接する反射材料を備えた回折格子を示す図。
【図１１（ｅ）】回折効率が高く、かつ、偏光に対する独立性の程度が高い他の光媒体に埋め込まれた円形ロッドを使用して構築されたブレーズド・フォトニック結晶格子を示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する少なくとも２つの回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、少なくとも２つの線形検出器アレイを含む光検出器を含み、前記アレイが前記第１の軸に沿って展開し、前記複数のアレイのうちの１つが前記複数の回折次数のうちの１つを受け取るように配置されているとともに、他のアレイが他の回折次数を受け取るように配置され、個々のアレイが、波長に応じた出力信号を生成するためのものである、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたＯＣＴシステム。
【請求項２】
前記光学エレメントがプリズムである、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項３】
前記光学エレメントが回折格子である、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項４】
前記回折格子および前記検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項５】
受信光と分散する光の両方の経路に共通集束光学系が配置されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項６】
前記回折格子が前記受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより前記分散する光の前記経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項７】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項８】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項９】
前記光を前記標本経路および参照経路に沿って分割する前記ビーム・スプリッタが、前記標本経路および前記参照経路の両方から戻る前記光を結合するようにも機能する、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１０】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する複数の回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、複数の検出器エレメントの２次元アレイを備えた光検出器を含み、前記アレイ内の選択された行が、前記複数の回折次数のうちの選択された回折次数に対応する波長の範囲を検出し、前記光検出器が、波長に応じた出力信号を生成するためのものである、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたスペクトル領域ＯＣＴシステム。
【請求項１２】
前記光学エレメントがプリズムである、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１３】
前記光学エレメントが回折格子である、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１４】
前記回折格子および前記検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１５】
受信光と分散する光の両方の経路に共通集束光学系が配置されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１６】
前記回折格子が前記受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより前記分散する光の前記経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１７】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項１６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１８】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項１６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１９】
前記光を前記標本経路および参照経路に沿って分割する前記ビーム・スプリッタが、前記標本経路および前記参照経路の両方から戻る前記光を結合するようにも機能する、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２０】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する複数の回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、複数の検出器エレメントの２次元アレイを備えた光検出器を含み、前記アレイ内の選択された行が、前記複数の回折次数のうちの選択された回折次数に対応する波長の範囲を検出し、前記光検出器が、波長に応じた出力信号を生成するためのものであり、該回折格子および該検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されており、前記回折格子が受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより分散する光の経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたスペクトル領域ＯＣＴシステム。
【請求項２２】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２３】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２４】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、前記入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する少なくとも２つの回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、少なくとも２つの線形検出器アレイを含む光検出器を含み、前記アレイが前記第１の軸に沿って展開し、前記複数のアレイのうちの１つが前記複数の回折次数のうちの１つを受け取るように配置されているとともに、他のアレイが他の回折次数を受け取るように配置され、個々のアレイが、波長に応じた出力信号を生成するためのものである、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたＯＣＴシステム。
【請求項２】
前記光学エレメントがプリズムである、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項３】
前記光学エレメントが回折格子である、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項４】
前記回折格子および前記検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項５】
受信光と分散する光の両方の経路に共通集束光学系が配置されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項６】
前記回折格子が前記受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより前記分散する光の前記経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項７】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項８】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項９】
前記光を前記標本経路および参照経路に沿って分割する前記ビーム・スプリッタが、前記標本経路および前記参照経路の両方から戻る前記光を結合するようにも機能する、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１０】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する複数の回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、複数の検出器エレメントの２次元アレイを備えた光検出器を含み、前記アレイ内の選択された行が、前記複数の回折次数のうちの選択された回折次数に対応する波長の範囲を検出し、前記光検出器が、波長に応じた出力信号を生成するためのものである、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたスペクトル領域ＯＣＴシステム。
【請求項１２】
前記光学エレメントがプリズムである、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１３】
前記光学エレメントが回折格子である、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１４】
前記回折格子および前記検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１５】
受信光と分散する光の両方の経路に共通集束光学系が配置されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１６】
前記回折格子が前記受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより前記分散する光の前記経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１７】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項１６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１８】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項１６に記載のＯＣＴシステム。
【請求項１９】
前記光を前記標本経路および参照経路に沿って分割する前記ビーム・スプリッタが、前記標本経路および前記参照経路の両方から戻る前記光を結合するようにも機能する、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２０】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項１１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２１】
スペクトル領域ＯＣＴシステムであって、
広帯域光源と、
光を標本経路および参照経路に沿って分割するためのビーム・スプリッタと、
該標本経路および該参照経路の両方から戻る光を受信するための分光計であって、前記分光計が、該光を第１の軸に沿って波長に応じて角分散させるための回折格子を含み、該広帯域光源のスペクトル内の異なる波長領域に対応する複数の回折次数が前記第１の軸に沿って空間的に重畳しており、前記分光計が、該回折次数を該第１の軸に対して垂直な軸に沿って分離するための光学エレメントを含み、更に、前記分光計が、複数の検出器エレメントの２次元アレイを備えた光検出器を含み、前記アレイ内の選択された行が、前記複数の回折次数のうちの選択された回折次数に対応する波長の範囲を検出し、前記光検出器が、波長に応じた出力信号を生成するためのものであり、該回折格子および該検出器アレイが実質的にリトロー状態で配置されており、前記回折格子が受信光に対して傾斜して円錐回折を誘導し、それにより分散する光の経路を前記第２の軸に沿って入射する光から空間的に分離する、前記分光計と、
該出力信号を解析し、該標本経路に沿った反射率分布を引き出すためのプロセッサと
を備えたスペクトル領域ＯＣＴシステム。
【請求項２２】
ビームの画像の前記円錐回折に関連するあらゆる非直線性を低減するための手段を備える、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２３】
前記円錐回折によって前記分散する光のフットプリントに前記第１の軸に対する非直線性が生じ、ＯＣＴシステムは、前記回折格子と前記アレイとの間に配置された光学エレメントであって、前記円錐回折に起因する該非直線性を低減して、前記アレイに対するフットプリントの位置決めを改善するための光学エレメントを備える、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【請求項２４】
前記分光計が、前記光検出器によって生成される前記出力信号が、前記入射する光の偏光状態に対して実質的に影響を受けないように構成されている、請求項２１に記載のＯＣＴシステム。
【図１】
【図２】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１１（ｄ）】
【図１１（ｅ）】
【図２】
【図３（ａ）】
【図３（ｂ）】
【図４】
【図５】
【図６（ａ）】
【図６（ｂ）】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図８】
【図９】
【図１０（ａ）】
【図１０（ｂ）】
【図１１（ａ）】
【図１１（ｂ）】
【図１１（ｃ）】
【図１１（ｄ）】
【図１１（ｅ）】
【公表番号】特表２００８−５２８９５３（Ｐ２００８−５２８９５３Ａ）
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５１６１０（Ｐ２００７−５５１６１０）
【出願日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０００４３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７７１０６
【国際公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（５０３０７８２６５）カール ツァイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト (51)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００６／０００４３５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７７１０６
【国際公開日】平成１８年７月２７日（２００６．７．２７）
【出願人】（５０３０７８２６５）カール ツァイス メディテック アクチエンゲゼルシャフト (51)
【Ｆターム（参考）】
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