光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置
【課題】発振波長が可変な光源装置として、安価で作製が容易な構造であり、発振線幅を狭帯化することが可能となる光源装置を提供する。
【解決手段】半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズ１０２と、コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子１０３と、角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズ１０４と、集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、を有する光源装置において、波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された反射部あるいは透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置し、円板形状の基板の回転に伴い、集光レンズによる円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、前記反射部または透過部で反射または透過される前記出射光の波長を変化させ、波長掃引光源として動作させる。
【解決手段】半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズ１０２と、コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子１０３と、角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズ１０４と、集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、を有する光源装置において、波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された反射部あるいは透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置し、円板形状の基板の回転に伴い、集光レンズによる円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、前記反射部または透過部で反射または透過される前記出射光の波長を変化させ、波長掃引光源として動作させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振波長を変化させることが可能な光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源、特にレーザー光源の発振波長を可変とする技術において、波長掃引の高速性と狭線幅の両立が切望されている。
波長掃引光コヒーレンストモグラフィー（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）では、深さ情報を得るのにスペクトル干渉を用いる。このような光干渉による断層画像撮像装置は分光器を用いないことから光量のロスが少なく高ＳＮ比の像取得も期待されている。
上記ＳＳ−ＯＣＴ技術を適用した光断層画像撮像装置は、医用画像撮像装置を構成する場合には、掃引速度が速いほど画像取得時間を短縮でき、生体組織を生きたまま観察することにも好適である。
また、波長掃引幅が広いほど断層像の空間解像度を高めることが可能なためこれらのパラメータは重要である。具体的には波長掃引幅Δλ、発振波長λ０、とするとき深さ分解能は、次式によって表される。
【０００３】
したがって、奥行き分解能を高めるためには波長掃引幅の拡大が必要であり、広帯域な波長掃引光源が求められている。
ＯＣＴ技術は深さ方向の解像度を数ミクロンとし、且つ数ｍｍの深さまで断層像を得ることができる技術であり、眼底撮影などに用いられている。
特許文献１および特許文献２には、発光波長が可変である光源技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１では、ゲイン媒体からの光を回折格子で分光し、分光された光は波長ごとに異なる位置に集光する。
該集光位置付近に、分光された一部の波長の光のみを反射するための幅の細いスリットミラーを用意することで、該反射ミラーによってある特定の波長の光のみゲイン媒体に戻される光共振器構成をとっている。
さらに、前記スリットミラーは光軸に対して垂直に導入された回転する円板の表面に形成されており、該円板の回転に伴いスリットミラーの位置が移動する。
スリットミラーの位置に依存して分光された光に対するスリットミラーの位置が変化し、スリットミラーで反射され前記光増幅器に戻る波長が変化することにより、波長可変光源として動作する。
また、特許文献２は、上記特許文献１と同様の光学系を取るが、特許文献１におけるスリットミラーが、透過型スリットに替わり、かつその後部側に反射ミラーを構えて光を光増幅器に帰還している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５２６６２０号公報
【特許文献２】特開２００８−９８３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＳ−ＯＣＴでは、物体からの反射率スペクトルの干渉を、光源の波長を掃引しながら取得する。
このため、光源のスペクトル線幅は、上記スペクトル取得の各点同士の波長間隔よりも細い必要がある。
例えば、掃引帯域を８４０ｎｍ±４０ｎｍとした場合、この帯域でスペクトルを１０００点で取得することを想定すると、スペクトル各点を分離しながら取得するためには線幅０．０８ｎｍ以下であることが必要である。
また、干渉計測における可干渉距離を長く取るためにも（コヒーレンス長の観点から）、狭帯域な線幅の光源が望ましい。
【０００７】
上記したように、ＳＳ−ＯＣＴによる光源としては、高速広帯域な波長掃引と、掃引中の線幅が狭帯域な光源の実現が求められている。
上記の特許文献１および特許文献２における光源では、発振線幅がスリットミラーの幅あるいは透過型スリットの幅に依存するため発振線幅を狭帯化するためには幅の狭いスリットを作製することが必要である。
しかし、スリット幅が数ミクロンオーダーになると、幅の狭いスリットを作製するためには高いプロセス精度が必要となる。そのため、安価で作製が容易な狭発振線幅の光源を構成する上での課題となっている。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、発振波長が可変な光源装置として、安価で作製が容易な構造であり、発振線幅を狭帯化することが可能となる光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光源装置は、
半導体光増幅媒体と、
前記半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子と、
前記回折格子により角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズと、
前記集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、
を有する光源装置において、
前記波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された前記反射部あるいは前記透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上にし、
前記円板形状の基板の回転に伴い、前記集光レンズによる前記円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、該基板に配置した前記反射部または前記透過部で反射または透過される前記半導体光増幅媒体からの出射光の波長を変化させ、
波長掃引光源として動作させることを特徴とする。
また、本発明の光断層画像撮像装置は、光源装置を有し、該光源装置からの光を被検査物に照射し、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部と、
前記光源装置からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記被検査物の測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
を備え、前記光検出部で検出された光を用い、前記被検査物の断層画像を撮像する光断層画像撮像装置であって、
前記光源装置が、上記した光源装置によって構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発振波長が可変な光源装置として、安価で作製が容易な構造であり、発振線幅を狭帯化することが可能となる光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における光源装置の構成例について説明する図。
【図２】本発明の実施形態における回転スリット円板を透過型とした構成例について説明する図。
【図３】本発明の実施形態における回転スリット円板を透過型とした構成例について説明する図。
【図４】本発明の実施形態における回転スリット円板に遮光部材を形成しない構成例について説明する図。
【図５】本発明の実施形態における光透過部材を異なる形態とした構成例について説明する図。
【図６】本発明の実施形態における回転スリット円板を反射型とした構成例について説明する図。
【図７】本発明の実施形態における回転スリット円板を反射型とした構成例について説明する図。
【図８】本発明の実施例１における光源装置の構成例について説明する図。
【図９】本発明の実施例１における光源装置の反射部の構成について説明する図。
【図１０】本発明の実施例２における光源装置の構成例について説明する図。
【図１１】本発明の実施例２における光源装置の透過部の構成について説明する図。
【図１２】本発明の実施例３における光断層画像撮像装置の構成例について説明する図。
【図１３】本発明の実施例３における干渉信号を差動検出するための構成例について説明する図。
【図１４】本発明の実施形態における回転スリット円板の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明の実施形態における光源装置の構成例について説明する。
本実施形態の光源装置は、半導体光増幅媒体（半導体光増幅器）を備え、該半導体光増幅媒体からの出射光をコリメートレンズによりコリメートされた光束に、回折格子によって波長より異なる角度分散が与えられる。
この角度分散を与えられた光束が、集光レンズによって波長により異なる位置に集光される。
そして、前記集光レンズによる焦点面内を走査し、反射部または透過部を備えた波長選択手段によって、一部の波長の光を反射または透過するように構成されている。
この光源装置の具体的な構成例が図１に示されている。
但し、本発明はこのような本実施形態の構成によって何ら限定されるものではない。
図１（ａ）は本実施形態における光源装置の概略図である。
図１（ａ）に示されるように、半導体光増幅器１０１、コリメータ１０２、回折格子１０３、集光レンズ１０４、回転スリット円板（波長選択手段）１０５によって光共振器１００が構成される。
回転スリット円板１０５は、光学的パワーを有する等幅に形成された反射部あるいは透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置している。
また、図１（ａ）では、回折格子の周期構造は紙面垂直方向に形成されている。回転スリット円板１０５が反射型の波長選択素子の場合には、上記構成であるが、回転スリット円板１０５が透過型の波長選択素子の場合には、光反射ミラー１１１が対向して配置される。さらに、光増幅器１０１には駆動制御部１０７が接続される。そして、回折格子１０３からの透過光をミラー１０８で反射して、集光レンズ１０９を通して光ファイバ１１０に結合することで、本実施形態の光源装置の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
駆動制御部１０７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器であり、電源装置及びこれらを制御するためのＰＣなどで構成される。
光共振器１００の共振器長は、高速に狭線幅で波長掃引動作をおこなうためには、たとえば５ｃｍ程度以下に抑えることが好適である。
【００１３】
本実施形態の光源装置において、発振波長を選択するのは回転スリット円板１０５である（図１（ｂ））。
回転スリット円板１０５は、回折格子１０３によって波長毎に異なる焦点位置に集光した光の一部を選択的に透過あるいは反射することで、共振器内に存在する光の波長を選択する。
回転スリット円板の回転に伴って、発振波長が変化する（図１４）。
開口部１１３は複数あるが、そのうちのあるスリットが分光集光スポット１１４を横切り始めるときの回転スリット円板１０５の回転角をθｓ１、横切り終わるときをθｅ１とするとき、この間発振波長は図１４に示すように回転角にλｓからλｅまで変化する。
そして、開口部が分光集光スポットから外れると発振が停止する。そして次の開口部が分光集光スポットを横切り始める時の回転角をθｓ２、横切り終わるときの回転角をθｅ２とするとき、この間で同様に発振波長がλｓからλｅまで変換する。
この動作を繰り返すことで本発明の光源は波長掃引光源として動作する。
【００１４】
回転スリット円板１０５には遮光部１１２、開口部１１３が設けられている。そして、回折格子にて分光された光は分光集光スポット１１４として回転スリット円板上に集光する。
分光集光スポット１１４は回転スリット円板の円周方向に波長分解されている。そして分光された波長の一部を開口部によって切りだす。また回転原点検出スリット１１５に対して光源からの光あるいは別の光源の光等を用いて、スリットの回転をモニタリングすることも好適である。
【００１５】
つぎに、図２、図３を用いて、回転スリット円板が透過型の場合の素子構成について説明する。
図２（ａ）は、回折格子により分光された光が入射する開口部に注目した模式図である。
図２の構成では、光学的にパワーを持った透過型の回転スリット円板とその後段の反射ミラーを用いて波長選択を行う。
遮光部２０１は開口部２０２を有する。また遮光部２０１の下層には光透過部材２０３が配置されており、かつ開口部２０２において光透過部材２０３は光学的パワー部２０４を有する構成となっている。そして、後段に反射ミラー２０５を配置する。
ここでは光学的パワー部２０４が凸レンズの働きをする場合を用いて説明する。回折格子１０３にて分光され集光レンズ１０４にて集光された光のうち、波長λ１の光から波長λ５の光までが開口部２０２へ入射するものとする。
【００１６】
図２（ｂ）に示すように、開口部２０２の幅をａ、開口部から反射ミラーまでの距離（光反射ミラーとの対向距離）をＬ、光学的パワー部の焦点距離をｆとする。
このとき、光学的パワー部が開口内に存在することにより、開口部２０２に入射した光の一部は光学的パワーにより屈折され、焦点位置が透過部の後方における前記光反射ミラー表面以外の位置となる。
さらに、その後光反射ミラーで反射されたのち遮光部にて遮光されることになる。
つまり、光増幅器から透過部に到達する光の波長範囲をΔλとし、所定の波長選択範囲Δλ’とするとき、開口部２０２に入射する光の波長幅、つまりλ５−λ１＝Δλは開口部の光学的パワーにより波長選択条件がより厳しくなりΔλ’になる。
これは実効的に波長選択能を光学的パワーにより向上していることに対応する。所定の波長幅Δλ’以下に抑えるためには、幾何学的な考察より開口部内の光学的パワーの焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが、次の式（１）を満たすことが必要である。
【００１７】
また上記説明は開口部内の光学的パワーが凸レンズに相当する場合の議論であるが、同様に凹レンズに相当するパワーを持つ場合でもその焦点距離ｆに対して条件を定義できる。
図３に示すように、遮光部３０１、開口部３０２、光透過部材３０３、光学的パワー部３０４、反射ミラー３０５を配置する。
凹レンズの焦点位置を図３のように定義する場合、光学的パワーが凸レンズの場合と同様に幾何学的な考察から、所定の波長幅Δλ’以下に抑えるためには、開口部内の光学的パワーの焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが、次の式（２）を満たすことが必要である。
【００１８】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、回転スリット円板は必ずしも遮光部材を必要とするものではない。
光透過部材４０１に対して、凸レンズ部４０２や凹レンズ部４０３を周期的に有する構造にしておき、実効的に狭い幅の開口部が周期的に配列している構成を取ることも好適である。
また、好適なレンズ形状は球面レンズで近軸光線のみを考える場合、薄肉レンズであれば、例えば次の式（３）を使用することができる。
【００１９】
このとき、レンズ前面の曲率半径をｒ１、後面の曲率半径をｒ２とし、レンズ後面側にできる焦点の焦点距離をレンズ中心から定義した値をｆ１と書く。
片面が平面のレンズは平面の曲率半径ｒを無限大にすれば良い。
さらに、開口部内の光学的パワーは、上述のように凸レンズや凹レンズ形状によって持たせる形態に限るものではない。
例えば、図５のように平板状の光透過部材５０１であってもその内部に高屈折率部５０２や低屈折率部５０３等の屈折率分布を有することで凸レンズや凹レンズに相当する光学的なパワーを発現するものであってもよい。
また、透過部材の光学的パワーはシリンドリカルレンズ様のパワーであることも好適である。この場合、光学的パワーは分光された光が波長に依存して分散されている方向にのみ有していることが好適である。
【００２０】
また、例えば回転スリット円板が反射型の場合の構成を図６、図７に示す。
図６では、光学的にパワーを持った反射型の回転スリット円板の開口部付近を図示する。
遮光部６０１は開口部６０２を有する。また遮光部６０１の下層には反射部６０３が配置されており、かつ開口部６０２において反射部６０３は光学的パワー部６０４を有する構成となっている。その際、この反射部６０３は凹面鏡あるいは凸面鏡で構成することができる。
回折格子１０３にて分光され集光レンズ１０４にて集光された光のうち、波長λ１の光から波長λ５の光までが開口部６０２へ入射する。
開口部６０２の半幅をａ、開口部から射出瞳までの距離をＬ、射出瞳の半径をＡ、光学的パワー部を球面とみなしその曲率半径をｒとする。このとき、光学的パワー部が開口部内に存在することにより、開口部に入射した光の一部は光学的パワー部で入射光と異なる角度に反射されるため、開口部６０２に入射した光の一部は射出瞳で遮られ、半導体光増幅器に戻らなくなる。
つまり、開口部６０２に入射する光の波長幅、つまりλ５−λ１＝Δλは開口部の光学的パワーにより波長選択条件がより厳しくなる。
開口内の幅ｂ以内の光のみが波長選択されるとし、所定の波長選択幅をΔλ’と置く。
波長幅Δλを所定の波長選択幅Δλ’以下に抑制するためには、開口部内の光学的パワー部の曲率半径ｒおよび開口部の幅（反射部の半幅）ａについて、次の式（４）を満たすことが必要である。
但し、開口部の幅ａは射出瞳の半径Ｒに対してａ＜＜Ｒを満たすと仮定する。
【００２１】
波長選択後の波長幅が所定の波長幅以下に収まるためには上記Δλ’を該所定の線幅以下に収まる様に、ｒを設定することが必要である。
また上記説明は開口部内の反射面が凸形状である場合の議論であるが、同様の考察により、凹形状である場合でもその曲率半径ｒに対して上式と同じ条件が導出できる。
【００２２】
図７に示すように、回転スリット部は必ずしも遮光部材を必要とするものではない。
光反射部材７０３の構成として、例えば、図７（ａ）に示すように凹面反射部７０１が周期的に配列している構成を採ることができる。
また、図７（ｂ）に示すように凸面反射部７０２が周期的に配列している構成にしておき、実効的に開口部が周期的に配列している構成を採ることも好適である。
また、反射部材の光学的パワーはシリンドリカルミラー状のパワーであってもよい。
この場合光学的パワーは分光された光が波長に依存して分散されている方向にのみ有している構成である。
【００２３】
このような素子形状の作成方法としては、例えば、透過型の場合には、光透過部材がＳｉＯ2ならば凹構造はフッ素化合物系のプラズマを用いた等方的ドライエッチング、あるいはフッ酸（ＨＦ）でｗｅｔエッチングを施す。その後、遮光層を成膜、パターニングすることで作製可能である。
遮光層の材質はたとえば酸化クロムなどがあげられるが、これに限るものではない。光源の発振波長において吸収が大きい材質が好ましい。
また、凹、凸構造共に、光透過部材に対してインプリント技術などで予め曲面構造を形成したうえで遮光層を成膜、パターニングすることでも作製可能である。また、インプリントの対象はたとえば透明基板そのものでもよいし、透明基板上に加工容易性が高い透明樹脂等を塗布したものなども好適である。
光透過部材の材質はＳｉＯ2に限るものではなく、光源の発振波長帯に於いて透過率が高い材質ならば好適である。
【００２４】
また、反射型の場合には、たとえば光反射部材がＳｉＯ2基板上に金属反射膜が成膜されたものである場合、凹構造は予め基板をＨＦでｗｅｔエッチングなどした上に反射層となる金属を成膜したのち、遮光層を成膜、パターニングすることでも作製可能である。
凹、凸構造共に、金属反射層に対してインプリント加工してもよいし、あるいはＳｉＯ2基板に対してインプリント技術等で予め曲面構造を形成したうえで反射金属層を成膜し遮光層を成膜およびパターニングすることで作製可能である。
【００２５】
逆に、単純なプロセスとして、平滑な表面を持つ円板状の基板表面にスリット状のミラーをパターニングして作製する場合、ミラー部分を成膜する前に基板表面形状の加工をあらかじめ行っておく、
あるいは、反射面形成後に金属表面を曲面状に成形するなどの特段の措置を取らない限りは、光学的パワーを有するような有意な曲面形状を形成することは困難である。
平面基板上に金属を成膜するプロセスで作製する場合、例えばスパッタあるいは蒸着成膜した場合、金属膜表面は金属グレインの凹凸構造、つまり数ｎｍ程度の直径の金属微粒子の集合体となるため光学的には曲面とみなされない微細な凹凸が形成されるのみである。
波長分解能向上のために、より狭い幅のスリットなど作製困難な構造を用いない、作成容易な構造で発振線幅が狭帯域な波長可変光源を構成できる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光源装置の構成例について、図８を用いて説明する。但し、本発明は以下に説明する実施例の構成によって何ら限定を受けるものではない。
図８（ａ）は本発明の光源を横から見た図である。
図８（ａ）において、半導体光増幅器８０１、コリメータ８０２、回折格子８０３、集光レンズ８０４、回転スリット円板８０５によって光共振器８００が構成される。
半導体光増幅器のゲイン帯域は８００ｎｍから８８０ｎｍである。回転スリット円板８０５が反射型の波長選択素子である。ただし回転スリット円板は反射型に限るものではなく、透過型の波長選択素子であってもよい。
その場合には、反射ミラーを回転スリット円板後段に配置する。さらに、光増幅器８０１にはＬＤドライバ８０７が接続される。そして、回折格子８０３からの透過光をミラー８０８で反射して、集光レンズ８０９を通して光ファイバ８１０に結合することで、本発明の光源の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
【００２７】
ＬＤドライバ８０７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器である。
ＬＤドライバ８０７は制御装置８１４に接続される。制御装置８１４はＬＤドライバや回転スリット制御装置８１１の制御を行う。
回転スリット制御装置８１１は回転スリット円板の回転速度の制御や電源供給等を行う。
回転スリット円板には反射部８１３、遮光部８１２がある（図８（ｂ））。遮光部は厚さ１００ｎｍの酸化クロムで構成する。
反射部は石英基板上にアルミニウムを厚さ１００ｎｍで形成したものである。
集光スポット８１５は回転スリット円板の周方向に波長分散して集光している。また、回転原点検出スリット８１６により回転スリットの原点を検出することも好適である。
【００２８】
本実施例では、半導体光増幅器８０１から回転スリット円板８０５表面までの光路の長さが共振器長であり５０ｍｍである。
回折格子により半導体光増幅器からの光は分光され、回転スリット円板８０５の表面上に、波長８００ｎｍから８８０ｎｍの光が５ｍｍの幅に分光され波長ごとに異なる位置に集光される。
この集光位置は回転スリット円板表面上（円板形状の基板表面上）であり、集光スポットに対して回転スリット円板上の反射部が移動して行くことで、反射される波長が変化し、波長掃引光源として動作する。
【００２９】
集光レンズ８０４は、焦点距離１００ｍｍ、直径５ｍｍである。反射部８１３からみた射出瞳はこの集光レンズにほぼ一致していると考えて構成する。
ここで、反射部８１３は図９に示すようにその内部が凸面形状に形成されている。
遮光層９０１の一部に開口部９０２が形成され、開口部９０２内には反射層９０３に形成されている凹部９０４が配されている。
また、開口部９０２の幅は１０μｍである。したがって、この開口部の幅に到達する波長幅は０．３２ｎｍとなる。
この波長選択幅を０．０８ｎｍにするために曲率半径が約５０μｍの球面を凹部９０４として形成しておく。この形状は具体的には凹面形状の中央部が開口部端よりも約１μｍ窪んでいる形状に相当する。これは実施の形態に記載の数式から導かれる構成である。
つまり、凹面を単純な球面と考えた場合、１μｍ以上の窪みを与えれば所定の波長分解能を達成可能である。
このように、開口部の幅が広くても、開口部内に光学的パワーを持たせることで実際の波長選択幅を大幅に狭帯化することが可能である。
【００３０】
本実施例では、回転スリット円板として開口部内が凹形状のものを記載したが、本発明の内容はこれに限るものではない。開口部内の形状が凸形状であってもよい。
所定の波長選択性を実現するためには実施の形態に記載の関係式を用いて凹形状、凸形状の曲率半径を設定すればよい。
あるいは、ミラーから射出瞳までの距離を調節してもよい。
また、開口部内の光学的パワーを回折格子の周期の方向にのみ有しているシリンドリカルミラー状であってもよい。
【００３１】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の光源装置の構成例について、図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）は、本実施例の光源装置を横から見た図である。
図１０（ａ）において、半導体光増幅器１００１、コリメータ１００２、回折格子１００３、集光レンズ１００４、回転スリット円板１００５によって光共振器１０００が構成される。
半導体光増幅器のゲイン帯域は１０００ｎｍから１１００ｎｍである。回転スリット円板１００５が透過型の波長選択素子である。ただし回転スリット円板は透過型に限るものではない。
反射ミラー１０１５を回転スリット円板後段に配置する。反射ミラーは回転スリットの回折格子側表面から１ｍｍの距離に設置する。さらに、光増幅器１００１にはＬＤドライバ１００７が接続される。そして、回折格子１００３からの透過光をミラー１００８で反射して、集光レンズ１００９を通して光ファイバ１０１０に結合することで、本発明の光源の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
【００３２】
ＬＤドライバ１００７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器である。
ＬＤドライバ１００７は制御装置１０１４に接続される。制御装置１０１４はＬＤドライバや回転スリット制御装置１０１１の制御を行う。
回転スリット制御装置１０１１は回転スリット円板の回転速度の制御や電源供給等を行う。
回転スリット円板には透過部１０１３、遮光部１０１２がある（図１０（ｂ））。
遮光部は厚さ１００ｎｍの酸化クロムで構成する。透過部は石英基板上にＨＦ溶液処理にて凹部を形成したものである。
集光スポット１０１６は開店スリット円板の周方向に波長分散して集光している。
また、回転原点検出スリット１０１７により回転スリットの原点を検出することも好適である。
【００３３】
本実施例では、半導体光増幅器１００１から回転スリット円板１００５表面までの光路の長さが共振器長であり５０ｍｍである。
回折格子により半導体光増幅器からの光は分光され、回転スリット円板１００５の表面上に、波長１０００ｎｍから１１００ｎｍの光が６．２５ｍｍの幅に分光され波長ごとに異なる位置に集光される。
この集光位置は回転スリット円板表面上であり、集光スポットに対して回転スリット円板上の透過部が移動して行くことで、透過される波長が変化し、波長掃引光源として動作する。
【００３４】
ここで、透過部１０１３は図１１に示すようにその内部が凹面形状に形成されている１１０１遮光層の一部に開口部１１０２が形成され、開口部１１０２内には反射層１１０３に形成されている凹部１１０４が配されている。
また、ここでの開口部１１０２の幅は４０μｍである。透過部の屈折率を１．４６とする。
【００３５】
開口部の幅に到達する波長幅は０．８ｎｍとなる。
この波長選択幅を０．０８ｎｍにするために曲率半径が約６１μｍの球面を凹部１１０４として形成しておく。
この形状は具体的には凹面形状の中央部が開口部端よりも約３．３μｍ窪んでいる形状に相当する。
したがって、凹部を球面と考える場合、３．３μｍ以上窪ませておけば所定の波長分解能を達成可能である。
このように、開口部の幅が広くても、開口部内に光学的パワーを持たせることで実際の波長選択幅を大幅に狭帯化することが可能である。
【００３６】
本実施例では、回転スリット円板として開口部内が凹形状のものを記載したが、本発明の内容はこれに限るものではない。開口部内の形状が凸形状であってもよい。
所定の波長選択性を実現するためには実施の形態に記載の関係式を用いて焦点距離を設定すればよい。
あるいは、開口部から反射ミラーまでの距離を調節してもよい。
また、開口部内の光学的パワーを回折格子の周期の方向にのみ有しているシリンドリカルレンズ状であってもよい。
【００３７】
［実施例３］
実施例３では、本発明の光源装置を用いた光断層画像撮像装置の構成例を、図１２を用いて説明する。
本実施例の光断層画像撮像装置は、図１２に示すように、光源部を構成する波長可変光源１２０１、参照部を構成する参照光光路用ファイバ１２０２、干渉部を構成するファイバカップラ１２０３、反射ミラー１２０４が配置される。
さらに、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部を構成する検査光光路用ファイバ１２０５、照射集光光学系１２０６、照射位置走査用ミラー１２０７が接続される。
これに加え、光検出部を構成する受光用ファイバ１２０８、フォトディテクタ１２０９、照射用ファイバ１２１０、画像処理部を構成する信号処理装置１２１１、画像出力モニタ１２１３が接続される。そして、光源部を構成する光源制御装置１２１２が接続され光断層画像撮像装置が構成される。１２１４は被検査物である。
なお、干渉光学系を構成するファイバは、本実施例では光源の波長帯域でシングルモードファイバで構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成するが本発明の構成はこのような構成に限定されるものではない。
【００３８】
本実施例における波長可変光源は、光源制御装置によりその発振波長や強度及びその時間変化を制御する。
波長可変光源から出射された光はファイバカップラにおいて参照光光路用ファイバ及び検査光光路用ファイバに分割されて導入される。
さらに、参照光光路用ファイバの先端には反射ミラーが配置され、反射ミラーで光は反射され受光用ファイバに導入されフォトディテクタに到達する。
同時に、ファイバカップラにて検査光光路用ファイバに導入された光は検査物体に照射され、後方散乱光が被検査物の内部及び表面から発生する。
後方散乱光は照射集光光学系を通してファイバカップラからフォトディテクタに集光される。
フォトディテクタで受光された光は信号処理装置にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被検査物の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニタに表示される。
同時に、信号処理装置からは照射位置走査用ミラーの駆動信号を発振し、かつ波長可変光源制御信号も送出する。
本実施例の光源装置は、線幅が細い為にコヒーレンス長が長いことから、ＯＣＴ画像の参照ミラーと等距離の位置から遠い位置までの干渉像を取得することが可能となる。
これはコヒーレンス長が長いことすなわち可干渉距離が長いことにより、干渉光学系を構成する二つの光路の光路長差が長くても干渉信号を得られることに相当する。
このため、光源の線幅が狭いことは、被検査物の奥深い構造まで検知できるため好適である。
【００３９】
図１２では最も簡易な構成を示したが、例えば図１３に示すような、干渉信号を差動検出するための光学系で構成しても良い。
図１３においては、光源部を構成する波長可変光源１３０１と、アイソレータ１３０２、参照部を構成する参照光光路用ファイバ１３０６、偏波コントローラ１３１８、干渉部を構成するファイバカップラ１３０５、反射ミラー１３０７を配置する。
さらに、被検査物の測定部を構成する検査光光路用ファイバ１３１４、偏波コントローラ１３１９、照射集光光学系１３１５、照射位置走査用ミラー１３０８を接続する。
これに加え光検出部を構成するファイバカップラ１３０３、ファイバカップラ１３０４、受光用ファイバ１３１６、受光用ファイバ１３１７、バランスフォトディテクタ１３１０、画像処理部を構成する信号処理装置１３１１、画像出力モニタ１３１３が接続される。
そして、光源部を構成する光源制御装置１３１２が接続され光断層画像撮像装置が構成される。１３０９は検査対象物である。
また、図示しないが、光源からの出射光の強度を逐次モニタリングし、そのデータを干渉信号の振幅補正に用いるなどの構成もまた好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１００：光共振器
１０１：半導体光増幅器
１０２：コリメータ
１０３：回折格子
１０４：集光レンズ
１０５：回転スリット円板
１０７：駆動制御部
１０８：ミラー
１０９：集光レンズ
１１０：光ファイバ
１１１：反射ミラー
１１２：遮光部
１１３：開口部
１１４：分光集光スポット
１１５：回転原点検出スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振波長を変化させることが可能な光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光源、特にレーザー光源の発振波長を可変とする技術において、波長掃引の高速性と狭線幅の両立が切望されている。
波長掃引光コヒーレンストモグラフィー（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）では、深さ情報を得るのにスペクトル干渉を用いる。このような光干渉による断層画像撮像装置は分光器を用いないことから光量のロスが少なく高ＳＮ比の像取得も期待されている。
上記ＳＳ−ＯＣＴ技術を適用した光断層画像撮像装置は、医用画像撮像装置を構成する場合には、掃引速度が速いほど画像取得時間を短縮でき、生体組織を生きたまま観察することにも好適である。
また、波長掃引幅が広いほど断層像の空間解像度を高めることが可能なためこれらのパラメータは重要である。具体的には波長掃引幅Δλ、発振波長λ０、とするとき深さ分解能は、次式によって表される。
【０００３】
したがって、奥行き分解能を高めるためには波長掃引幅の拡大が必要であり、広帯域な波長掃引光源が求められている。
ＯＣＴ技術は深さ方向の解像度を数ミクロンとし、且つ数ｍｍの深さまで断層像を得ることができる技術であり、眼底撮影などに用いられている。
特許文献１および特許文献２には、発光波長が可変である光源技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１では、ゲイン媒体からの光を回折格子で分光し、分光された光は波長ごとに異なる位置に集光する。
該集光位置付近に、分光された一部の波長の光のみを反射するための幅の細いスリットミラーを用意することで、該反射ミラーによってある特定の波長の光のみゲイン媒体に戻される光共振器構成をとっている。
さらに、前記スリットミラーは光軸に対して垂直に導入された回転する円板の表面に形成されており、該円板の回転に伴いスリットミラーの位置が移動する。
スリットミラーの位置に依存して分光された光に対するスリットミラーの位置が変化し、スリットミラーで反射され前記光増幅器に戻る波長が変化することにより、波長可変光源として動作する。
また、特許文献２は、上記特許文献１と同様の光学系を取るが、特許文献１におけるスリットミラーが、透過型スリットに替わり、かつその後部側に反射ミラーを構えて光を光増幅器に帰還している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５２６６２０号公報
【特許文献２】特開２００８−９８３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＳ−ＯＣＴでは、物体からの反射率スペクトルの干渉を、光源の波長を掃引しながら取得する。
このため、光源のスペクトル線幅は、上記スペクトル取得の各点同士の波長間隔よりも細い必要がある。
例えば、掃引帯域を８４０ｎｍ±４０ｎｍとした場合、この帯域でスペクトルを１０００点で取得することを想定すると、スペクトル各点を分離しながら取得するためには線幅０．０８ｎｍ以下であることが必要である。
また、干渉計測における可干渉距離を長く取るためにも（コヒーレンス長の観点から）、狭帯域な線幅の光源が望ましい。
【０００７】
上記したように、ＳＳ−ＯＣＴによる光源としては、高速広帯域な波長掃引と、掃引中の線幅が狭帯域な光源の実現が求められている。
上記の特許文献１および特許文献２における光源では、発振線幅がスリットミラーの幅あるいは透過型スリットの幅に依存するため発振線幅を狭帯化するためには幅の狭いスリットを作製することが必要である。
しかし、スリット幅が数ミクロンオーダーになると、幅の狭いスリットを作製するためには高いプロセス精度が必要となる。そのため、安価で作製が容易な狭発振線幅の光源を構成する上での課題となっている。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、発振波長が可変な光源装置として、安価で作製が容易な構造であり、発振線幅を狭帯化することが可能となる光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光源装置は、
半導体光増幅媒体と、
前記半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子と、
前記回折格子により角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズと、
前記集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、
を有する光源装置において、
前記波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された前記反射部あるいは前記透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上にし、
前記円板形状の基板の回転に伴い、前記集光レンズによる前記円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、該基板に配置した前記反射部または前記透過部で反射または透過される前記半導体光増幅媒体からの出射光の波長を変化させ、
波長掃引光源として動作させることを特徴とする。
また、本発明の光断層画像撮像装置は、光源装置を有し、該光源装置からの光を被検査物に照射し、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部と、
前記光源装置からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記被検査物の測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
を備え、前記光検出部で検出された光を用い、前記被検査物の断層画像を撮像する光断層画像撮像装置であって、
前記光源装置が、上記した光源装置によって構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、発振波長が可変な光源装置として、安価で作製が容易な構造であり、発振線幅を狭帯化することが可能となる光源装置及び該光源装置を有する光断層画像撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態における光源装置の構成例について説明する図。
【図２】本発明の実施形態における回転スリット円板を透過型とした構成例について説明する図。
【図３】本発明の実施形態における回転スリット円板を透過型とした構成例について説明する図。
【図４】本発明の実施形態における回転スリット円板に遮光部材を形成しない構成例について説明する図。
【図５】本発明の実施形態における光透過部材を異なる形態とした構成例について説明する図。
【図６】本発明の実施形態における回転スリット円板を反射型とした構成例について説明する図。
【図７】本発明の実施形態における回転スリット円板を反射型とした構成例について説明する図。
【図８】本発明の実施例１における光源装置の構成例について説明する図。
【図９】本発明の実施例１における光源装置の反射部の構成について説明する図。
【図１０】本発明の実施例２における光源装置の構成例について説明する図。
【図１１】本発明の実施例２における光源装置の透過部の構成について説明する図。
【図１２】本発明の実施例３における光断層画像撮像装置の構成例について説明する図。
【図１３】本発明の実施例３における干渉信号を差動検出するための構成例について説明する図。
【図１４】本発明の実施形態における回転スリット円板の動作を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
つぎに、本発明の実施形態における光源装置の構成例について説明する。
本実施形態の光源装置は、半導体光増幅媒体（半導体光増幅器）を備え、該半導体光増幅媒体からの出射光をコリメートレンズによりコリメートされた光束に、回折格子によって波長より異なる角度分散が与えられる。
この角度分散を与えられた光束が、集光レンズによって波長により異なる位置に集光される。
そして、前記集光レンズによる焦点面内を走査し、反射部または透過部を備えた波長選択手段によって、一部の波長の光を反射または透過するように構成されている。
この光源装置の具体的な構成例が図１に示されている。
但し、本発明はこのような本実施形態の構成によって何ら限定されるものではない。
図１（ａ）は本実施形態における光源装置の概略図である。
図１（ａ）に示されるように、半導体光増幅器１０１、コリメータ１０２、回折格子１０３、集光レンズ１０４、回転スリット円板（波長選択手段）１０５によって光共振器１００が構成される。
回転スリット円板１０５は、光学的パワーを有する等幅に形成された反射部あるいは透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置している。
また、図１（ａ）では、回折格子の周期構造は紙面垂直方向に形成されている。回転スリット円板１０５が反射型の波長選択素子の場合には、上記構成であるが、回転スリット円板１０５が透過型の波長選択素子の場合には、光反射ミラー１１１が対向して配置される。さらに、光増幅器１０１には駆動制御部１０７が接続される。そして、回折格子１０３からの透過光をミラー１０８で反射して、集光レンズ１０９を通して光ファイバ１１０に結合することで、本実施形態の光源装置の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
駆動制御部１０７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器であり、電源装置及びこれらを制御するためのＰＣなどで構成される。
光共振器１００の共振器長は、高速に狭線幅で波長掃引動作をおこなうためには、たとえば５ｃｍ程度以下に抑えることが好適である。
【００１３】
本実施形態の光源装置において、発振波長を選択するのは回転スリット円板１０５である（図１（ｂ））。
回転スリット円板１０５は、回折格子１０３によって波長毎に異なる焦点位置に集光した光の一部を選択的に透過あるいは反射することで、共振器内に存在する光の波長を選択する。
回転スリット円板の回転に伴って、発振波長が変化する（図１４）。
開口部１１３は複数あるが、そのうちのあるスリットが分光集光スポット１１４を横切り始めるときの回転スリット円板１０５の回転角をθｓ１、横切り終わるときをθｅ１とするとき、この間発振波長は図１４に示すように回転角にλｓからλｅまで変化する。
そして、開口部が分光集光スポットから外れると発振が停止する。そして次の開口部が分光集光スポットを横切り始める時の回転角をθｓ２、横切り終わるときの回転角をθｅ２とするとき、この間で同様に発振波長がλｓからλｅまで変換する。
この動作を繰り返すことで本発明の光源は波長掃引光源として動作する。
【００１４】
回転スリット円板１０５には遮光部１１２、開口部１１３が設けられている。そして、回折格子にて分光された光は分光集光スポット１１４として回転スリット円板上に集光する。
分光集光スポット１１４は回転スリット円板の円周方向に波長分解されている。そして分光された波長の一部を開口部によって切りだす。また回転原点検出スリット１１５に対して光源からの光あるいは別の光源の光等を用いて、スリットの回転をモニタリングすることも好適である。
【００１５】
つぎに、図２、図３を用いて、回転スリット円板が透過型の場合の素子構成について説明する。
図２（ａ）は、回折格子により分光された光が入射する開口部に注目した模式図である。
図２の構成では、光学的にパワーを持った透過型の回転スリット円板とその後段の反射ミラーを用いて波長選択を行う。
遮光部２０１は開口部２０２を有する。また遮光部２０１の下層には光透過部材２０３が配置されており、かつ開口部２０２において光透過部材２０３は光学的パワー部２０４を有する構成となっている。そして、後段に反射ミラー２０５を配置する。
ここでは光学的パワー部２０４が凸レンズの働きをする場合を用いて説明する。回折格子１０３にて分光され集光レンズ１０４にて集光された光のうち、波長λ１の光から波長λ５の光までが開口部２０２へ入射するものとする。
【００１６】
図２（ｂ）に示すように、開口部２０２の幅をａ、開口部から反射ミラーまでの距離（光反射ミラーとの対向距離）をＬ、光学的パワー部の焦点距離をｆとする。
このとき、光学的パワー部が開口内に存在することにより、開口部２０２に入射した光の一部は光学的パワーにより屈折され、焦点位置が透過部の後方における前記光反射ミラー表面以外の位置となる。
さらに、その後光反射ミラーで反射されたのち遮光部にて遮光されることになる。
つまり、光増幅器から透過部に到達する光の波長範囲をΔλとし、所定の波長選択範囲Δλ’とするとき、開口部２０２に入射する光の波長幅、つまりλ５−λ１＝Δλは開口部の光学的パワーにより波長選択条件がより厳しくなりΔλ’になる。
これは実効的に波長選択能を光学的パワーにより向上していることに対応する。所定の波長幅Δλ’以下に抑えるためには、幾何学的な考察より開口部内の光学的パワーの焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが、次の式（１）を満たすことが必要である。
【００１７】
また上記説明は開口部内の光学的パワーが凸レンズに相当する場合の議論であるが、同様に凹レンズに相当するパワーを持つ場合でもその焦点距離ｆに対して条件を定義できる。
図３に示すように、遮光部３０１、開口部３０２、光透過部材３０３、光学的パワー部３０４、反射ミラー３０５を配置する。
凹レンズの焦点位置を図３のように定義する場合、光学的パワーが凸レンズの場合と同様に幾何学的な考察から、所定の波長幅Δλ’以下に抑えるためには、開口部内の光学的パワーの焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが、次の式（２）を満たすことが必要である。
【００１８】
図４（ａ）、（ｂ）に示すように、回転スリット円板は必ずしも遮光部材を必要とするものではない。
光透過部材４０１に対して、凸レンズ部４０２や凹レンズ部４０３を周期的に有する構造にしておき、実効的に狭い幅の開口部が周期的に配列している構成を取ることも好適である。
また、好適なレンズ形状は球面レンズで近軸光線のみを考える場合、薄肉レンズであれば、例えば次の式（３）を使用することができる。
【００１９】
このとき、レンズ前面の曲率半径をｒ１、後面の曲率半径をｒ２とし、レンズ後面側にできる焦点の焦点距離をレンズ中心から定義した値をｆ１と書く。
片面が平面のレンズは平面の曲率半径ｒを無限大にすれば良い。
さらに、開口部内の光学的パワーは、上述のように凸レンズや凹レンズ形状によって持たせる形態に限るものではない。
例えば、図５のように平板状の光透過部材５０１であってもその内部に高屈折率部５０２や低屈折率部５０３等の屈折率分布を有することで凸レンズや凹レンズに相当する光学的なパワーを発現するものであってもよい。
また、透過部材の光学的パワーはシリンドリカルレンズ様のパワーであることも好適である。この場合、光学的パワーは分光された光が波長に依存して分散されている方向にのみ有していることが好適である。
【００２０】
また、例えば回転スリット円板が反射型の場合の構成を図６、図７に示す。
図６では、光学的にパワーを持った反射型の回転スリット円板の開口部付近を図示する。
遮光部６０１は開口部６０２を有する。また遮光部６０１の下層には反射部６０３が配置されており、かつ開口部６０２において反射部６０３は光学的パワー部６０４を有する構成となっている。その際、この反射部６０３は凹面鏡あるいは凸面鏡で構成することができる。
回折格子１０３にて分光され集光レンズ１０４にて集光された光のうち、波長λ１の光から波長λ５の光までが開口部６０２へ入射する。
開口部６０２の半幅をａ、開口部から射出瞳までの距離をＬ、射出瞳の半径をＡ、光学的パワー部を球面とみなしその曲率半径をｒとする。このとき、光学的パワー部が開口部内に存在することにより、開口部に入射した光の一部は光学的パワー部で入射光と異なる角度に反射されるため、開口部６０２に入射した光の一部は射出瞳で遮られ、半導体光増幅器に戻らなくなる。
つまり、開口部６０２に入射する光の波長幅、つまりλ５−λ１＝Δλは開口部の光学的パワーにより波長選択条件がより厳しくなる。
開口内の幅ｂ以内の光のみが波長選択されるとし、所定の波長選択幅をΔλ’と置く。
波長幅Δλを所定の波長選択幅Δλ’以下に抑制するためには、開口部内の光学的パワー部の曲率半径ｒおよび開口部の幅（反射部の半幅）ａについて、次の式（４）を満たすことが必要である。
但し、開口部の幅ａは射出瞳の半径Ｒに対してａ＜＜Ｒを満たすと仮定する。
【００２１】
波長選択後の波長幅が所定の波長幅以下に収まるためには上記Δλ’を該所定の線幅以下に収まる様に、ｒを設定することが必要である。
また上記説明は開口部内の反射面が凸形状である場合の議論であるが、同様の考察により、凹形状である場合でもその曲率半径ｒに対して上式と同じ条件が導出できる。
【００２２】
図７に示すように、回転スリット部は必ずしも遮光部材を必要とするものではない。
光反射部材７０３の構成として、例えば、図７（ａ）に示すように凹面反射部７０１が周期的に配列している構成を採ることができる。
また、図７（ｂ）に示すように凸面反射部７０２が周期的に配列している構成にしておき、実効的に開口部が周期的に配列している構成を採ることも好適である。
また、反射部材の光学的パワーはシリンドリカルミラー状のパワーであってもよい。
この場合光学的パワーは分光された光が波長に依存して分散されている方向にのみ有している構成である。
【００２３】
このような素子形状の作成方法としては、例えば、透過型の場合には、光透過部材がＳｉＯ2ならば凹構造はフッ素化合物系のプラズマを用いた等方的ドライエッチング、あるいはフッ酸（ＨＦ）でｗｅｔエッチングを施す。その後、遮光層を成膜、パターニングすることで作製可能である。
遮光層の材質はたとえば酸化クロムなどがあげられるが、これに限るものではない。光源の発振波長において吸収が大きい材質が好ましい。
また、凹、凸構造共に、光透過部材に対してインプリント技術などで予め曲面構造を形成したうえで遮光層を成膜、パターニングすることでも作製可能である。また、インプリントの対象はたとえば透明基板そのものでもよいし、透明基板上に加工容易性が高い透明樹脂等を塗布したものなども好適である。
光透過部材の材質はＳｉＯ2に限るものではなく、光源の発振波長帯に於いて透過率が高い材質ならば好適である。
【００２４】
また、反射型の場合には、たとえば光反射部材がＳｉＯ2基板上に金属反射膜が成膜されたものである場合、凹構造は予め基板をＨＦでｗｅｔエッチングなどした上に反射層となる金属を成膜したのち、遮光層を成膜、パターニングすることでも作製可能である。
凹、凸構造共に、金属反射層に対してインプリント加工してもよいし、あるいはＳｉＯ2基板に対してインプリント技術等で予め曲面構造を形成したうえで反射金属層を成膜し遮光層を成膜およびパターニングすることで作製可能である。
【００２５】
逆に、単純なプロセスとして、平滑な表面を持つ円板状の基板表面にスリット状のミラーをパターニングして作製する場合、ミラー部分を成膜する前に基板表面形状の加工をあらかじめ行っておく、
あるいは、反射面形成後に金属表面を曲面状に成形するなどの特段の措置を取らない限りは、光学的パワーを有するような有意な曲面形状を形成することは困難である。
平面基板上に金属を成膜するプロセスで作製する場合、例えばスパッタあるいは蒸着成膜した場合、金属膜表面は金属グレインの凹凸構造、つまり数ｎｍ程度の直径の金属微粒子の集合体となるため光学的には曲面とみなされない微細な凹凸が形成されるのみである。
波長分解能向上のために、より狭い幅のスリットなど作製困難な構造を用いない、作成容易な構造で発振線幅が狭帯域な波長可変光源を構成できる。
【実施例】
【００２６】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した光源装置の構成例について、図８を用いて説明する。但し、本発明は以下に説明する実施例の構成によって何ら限定を受けるものではない。
図８（ａ）は本発明の光源を横から見た図である。
図８（ａ）において、半導体光増幅器８０１、コリメータ８０２、回折格子８０３、集光レンズ８０４、回転スリット円板８０５によって光共振器８００が構成される。
半導体光増幅器のゲイン帯域は８００ｎｍから８８０ｎｍである。回転スリット円板８０５が反射型の波長選択素子である。ただし回転スリット円板は反射型に限るものではなく、透過型の波長選択素子であってもよい。
その場合には、反射ミラーを回転スリット円板後段に配置する。さらに、光増幅器８０１にはＬＤドライバ８０７が接続される。そして、回折格子８０３からの透過光をミラー８０８で反射して、集光レンズ８０９を通して光ファイバ８１０に結合することで、本発明の光源の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
【００２７】
ＬＤドライバ８０７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器である。
ＬＤドライバ８０７は制御装置８１４に接続される。制御装置８１４はＬＤドライバや回転スリット制御装置８１１の制御を行う。
回転スリット制御装置８１１は回転スリット円板の回転速度の制御や電源供給等を行う。
回転スリット円板には反射部８１３、遮光部８１２がある（図８（ｂ））。遮光部は厚さ１００ｎｍの酸化クロムで構成する。
反射部は石英基板上にアルミニウムを厚さ１００ｎｍで形成したものである。
集光スポット８１５は回転スリット円板の周方向に波長分散して集光している。また、回転原点検出スリット８１６により回転スリットの原点を検出することも好適である。
【００２８】
本実施例では、半導体光増幅器８０１から回転スリット円板８０５表面までの光路の長さが共振器長であり５０ｍｍである。
回折格子により半導体光増幅器からの光は分光され、回転スリット円板８０５の表面上に、波長８００ｎｍから８８０ｎｍの光が５ｍｍの幅に分光され波長ごとに異なる位置に集光される。
この集光位置は回転スリット円板表面上（円板形状の基板表面上）であり、集光スポットに対して回転スリット円板上の反射部が移動して行くことで、反射される波長が変化し、波長掃引光源として動作する。
【００２９】
集光レンズ８０４は、焦点距離１００ｍｍ、直径５ｍｍである。反射部８１３からみた射出瞳はこの集光レンズにほぼ一致していると考えて構成する。
ここで、反射部８１３は図９に示すようにその内部が凸面形状に形成されている。
遮光層９０１の一部に開口部９０２が形成され、開口部９０２内には反射層９０３に形成されている凹部９０４が配されている。
また、開口部９０２の幅は１０μｍである。したがって、この開口部の幅に到達する波長幅は０．３２ｎｍとなる。
この波長選択幅を０．０８ｎｍにするために曲率半径が約５０μｍの球面を凹部９０４として形成しておく。この形状は具体的には凹面形状の中央部が開口部端よりも約１μｍ窪んでいる形状に相当する。これは実施の形態に記載の数式から導かれる構成である。
つまり、凹面を単純な球面と考えた場合、１μｍ以上の窪みを与えれば所定の波長分解能を達成可能である。
このように、開口部の幅が広くても、開口部内に光学的パワーを持たせることで実際の波長選択幅を大幅に狭帯化することが可能である。
【００３０】
本実施例では、回転スリット円板として開口部内が凹形状のものを記載したが、本発明の内容はこれに限るものではない。開口部内の形状が凸形状であってもよい。
所定の波長選択性を実現するためには実施の形態に記載の関係式を用いて凹形状、凸形状の曲率半径を設定すればよい。
あるいは、ミラーから射出瞳までの距離を調節してもよい。
また、開口部内の光学的パワーを回折格子の周期の方向にのみ有しているシリンドリカルミラー状であってもよい。
【００３１】
［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の光源装置の構成例について、図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）は、本実施例の光源装置を横から見た図である。
図１０（ａ）において、半導体光増幅器１００１、コリメータ１００２、回折格子１００３、集光レンズ１００４、回転スリット円板１００５によって光共振器１０００が構成される。
半導体光増幅器のゲイン帯域は１０００ｎｍから１１００ｎｍである。回転スリット円板１００５が透過型の波長選択素子である。ただし回転スリット円板は透過型に限るものではない。
反射ミラー１０１５を回転スリット円板後段に配置する。反射ミラーは回転スリットの回折格子側表面から１ｍｍの距離に設置する。さらに、光増幅器１００１にはＬＤドライバ１００７が接続される。そして、回折格子１００３からの透過光をミラー１００８で反射して、集光レンズ１００９を通して光ファイバ１０１０に結合することで、本発明の光源の出力を共振器外へ取り出す構成になっている。
【００３２】
ＬＤドライバ１００７は光増幅器にエネルギーを投入しそのゲインを制御するための機器である。
ＬＤドライバ１００７は制御装置１０１４に接続される。制御装置１０１４はＬＤドライバや回転スリット制御装置１０１１の制御を行う。
回転スリット制御装置１０１１は回転スリット円板の回転速度の制御や電源供給等を行う。
回転スリット円板には透過部１０１３、遮光部１０１２がある（図１０（ｂ））。
遮光部は厚さ１００ｎｍの酸化クロムで構成する。透過部は石英基板上にＨＦ溶液処理にて凹部を形成したものである。
集光スポット１０１６は開店スリット円板の周方向に波長分散して集光している。
また、回転原点検出スリット１０１７により回転スリットの原点を検出することも好適である。
【００３３】
本実施例では、半導体光増幅器１００１から回転スリット円板１００５表面までの光路の長さが共振器長であり５０ｍｍである。
回折格子により半導体光増幅器からの光は分光され、回転スリット円板１００５の表面上に、波長１０００ｎｍから１１００ｎｍの光が６．２５ｍｍの幅に分光され波長ごとに異なる位置に集光される。
この集光位置は回転スリット円板表面上であり、集光スポットに対して回転スリット円板上の透過部が移動して行くことで、透過される波長が変化し、波長掃引光源として動作する。
【００３４】
ここで、透過部１０１３は図１１に示すようにその内部が凹面形状に形成されている１１０１遮光層の一部に開口部１１０２が形成され、開口部１１０２内には反射層１１０３に形成されている凹部１１０４が配されている。
また、ここでの開口部１１０２の幅は４０μｍである。透過部の屈折率を１．４６とする。
【００３５】
開口部の幅に到達する波長幅は０．８ｎｍとなる。
この波長選択幅を０．０８ｎｍにするために曲率半径が約６１μｍの球面を凹部１１０４として形成しておく。
この形状は具体的には凹面形状の中央部が開口部端よりも約３．３μｍ窪んでいる形状に相当する。
したがって、凹部を球面と考える場合、３．３μｍ以上窪ませておけば所定の波長分解能を達成可能である。
このように、開口部の幅が広くても、開口部内に光学的パワーを持たせることで実際の波長選択幅を大幅に狭帯化することが可能である。
【００３６】
本実施例では、回転スリット円板として開口部内が凹形状のものを記載したが、本発明の内容はこれに限るものではない。開口部内の形状が凸形状であってもよい。
所定の波長選択性を実現するためには実施の形態に記載の関係式を用いて焦点距離を設定すればよい。
あるいは、開口部から反射ミラーまでの距離を調節してもよい。
また、開口部内の光学的パワーを回折格子の周期の方向にのみ有しているシリンドリカルレンズ状であってもよい。
【００３７】
［実施例３］
実施例３では、本発明の光源装置を用いた光断層画像撮像装置の構成例を、図１２を用いて説明する。
本実施例の光断層画像撮像装置は、図１２に示すように、光源部を構成する波長可変光源１２０１、参照部を構成する参照光光路用ファイバ１２０２、干渉部を構成するファイバカップラ１２０３、反射ミラー１２０４が配置される。
さらに、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部を構成する検査光光路用ファイバ１２０５、照射集光光学系１２０６、照射位置走査用ミラー１２０７が接続される。
これに加え、光検出部を構成する受光用ファイバ１２０８、フォトディテクタ１２０９、照射用ファイバ１２１０、画像処理部を構成する信号処理装置１２１１、画像出力モニタ１２１３が接続される。そして、光源部を構成する光源制御装置１２１２が接続され光断層画像撮像装置が構成される。１２１４は被検査物である。
なお、干渉光学系を構成するファイバは、本実施例では光源の波長帯域でシングルモードファイバで構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成するが本発明の構成はこのような構成に限定されるものではない。
【００３８】
本実施例における波長可変光源は、光源制御装置によりその発振波長や強度及びその時間変化を制御する。
波長可変光源から出射された光はファイバカップラにおいて参照光光路用ファイバ及び検査光光路用ファイバに分割されて導入される。
さらに、参照光光路用ファイバの先端には反射ミラーが配置され、反射ミラーで光は反射され受光用ファイバに導入されフォトディテクタに到達する。
同時に、ファイバカップラにて検査光光路用ファイバに導入された光は検査物体に照射され、後方散乱光が被検査物の内部及び表面から発生する。
後方散乱光は照射集光光学系を通してファイバカップラからフォトディテクタに集光される。
フォトディテクタで受光された光は信号処理装置にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被検査物の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニタに表示される。
同時に、信号処理装置からは照射位置走査用ミラーの駆動信号を発振し、かつ波長可変光源制御信号も送出する。
本実施例の光源装置は、線幅が細い為にコヒーレンス長が長いことから、ＯＣＴ画像の参照ミラーと等距離の位置から遠い位置までの干渉像を取得することが可能となる。
これはコヒーレンス長が長いことすなわち可干渉距離が長いことにより、干渉光学系を構成する二つの光路の光路長差が長くても干渉信号を得られることに相当する。
このため、光源の線幅が狭いことは、被検査物の奥深い構造まで検知できるため好適である。
【００３９】
図１２では最も簡易な構成を示したが、例えば図１３に示すような、干渉信号を差動検出するための光学系で構成しても良い。
図１３においては、光源部を構成する波長可変光源１３０１と、アイソレータ１３０２、参照部を構成する参照光光路用ファイバ１３０６、偏波コントローラ１３１８、干渉部を構成するファイバカップラ１３０５、反射ミラー１３０７を配置する。
さらに、被検査物の測定部を構成する検査光光路用ファイバ１３１４、偏波コントローラ１３１９、照射集光光学系１３１５、照射位置走査用ミラー１３０８を接続する。
これに加え光検出部を構成するファイバカップラ１３０３、ファイバカップラ１３０４、受光用ファイバ１３１６、受光用ファイバ１３１７、バランスフォトディテクタ１３１０、画像処理部を構成する信号処理装置１３１１、画像出力モニタ１３１３が接続される。
そして、光源部を構成する光源制御装置１３１２が接続され光断層画像撮像装置が構成される。１３０９は検査対象物である。
また、図示しないが、光源からの出射光の強度を逐次モニタリングし、そのデータを干渉信号の振幅補正に用いるなどの構成もまた好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１００：光共振器
１０１：半導体光増幅器
１０２：コリメータ
１０３：回折格子
１０４：集光レンズ
１０５：回転スリット円板
１０７：駆動制御部
１０８：ミラー
１０９：集光レンズ
１１０：光ファイバ
１１１：反射ミラー
１１２：遮光部
１１３：開口部
１１４：分光集光スポット
１１５：回転原点検出スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光増幅媒体と、
前記半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子と、
前記回折格子により角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズと、
前記集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、
を有する光源装置において、
前記波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された前記反射部あるいは前記透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置し、
前記円板形状の基板の回転に伴い、前記集光レンズによる前記円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、該基板上に配置した前記反射部または前記透過部で反射または透過される前記半導体光増幅媒体からの出射光の波長を変化させ、
波長掃引光源として動作させることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記透過部は、前記光学的パワーが負であり、光反射ミラーに対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記光反射ミラーとの対向距離をＬ、前記半導体光増幅媒体から前記透過部に到達する光の波長範囲をΔλ、透過部の焦点距離をｆとするとき、
所定の波長選択範囲Δλ’に対して透過部の焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが次の式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記透過部は、前記光学的パワーが正であり、光反射ミラーに対向して設けられ、該透過部による焦点位置が前記透過部の後方における前記光反射ミラー表面以外の位置とされていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光反射ミラーとの対向距離をＬ、前記光増幅器から前記透過部に到達する光の波長範囲をΔλ、透過部の焦点距離をｆとするとき、
所定の波長選択範囲Δλ’に対して透過部の焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが次の式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記反射部は、凹面鏡あるいは凸面鏡で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項７】
前記反射部の半幅をａ、前記凹面鏡あるいは凸面鏡の曲率半径をｒ、前記反射部からみた光学系の射出瞳の半幅をＡ、反射部から射出瞳までの距離をＬ、前記反射部に入射する光の波長範囲をΔλ、所定の波長選択範囲をΔλ’とし、
前記ａが前記射出瞳の半径Ｒに対してａ＜＜Ｒとされているとき、次の式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
【請求項８】
前記反射部は、前記光学的パワーを前記回折格子の周期の方向に有していることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項９】
光源装置を有し、該光源装置からの光を被検査物に照射し、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部と、
前記光源装置からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記被検査物の測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
を備え、前記光検出部で検出された光を用い、前記被検査物の断層画像を撮像する光断層画像撮像装置であって、
前記光源装置が、請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置によって構成されていることを特徴とする光断層画像撮像装置。
【請求項１】
半導体光増幅媒体と、
前記半導体光増幅媒体の出射光をコリメートするコリメートレンズと、
前記コリメートされた光束に、波長によって異なる角度分散を与える回折格子と、
前記回折格子により角度分散を与えられた光束を波長により異なる位置に集光する集光レンズと、
前記集光レンズによる焦点面内を走査して一部の波長の光を反射する反射部または透過する透過部を備えた波長選択手段と、
を有する光源装置において、
前記波長選択手段は、光学的パワーを有する等幅に形成された前記反射部あるいは前記透過部を、回転可能とされた円板形状の基板上に配置し、
前記円板形状の基板の回転に伴い、前記集光レンズによる前記円板形状の基板表面上の集光スポットに対し、該基板上に配置した前記反射部または前記透過部で反射または透過される前記半導体光増幅媒体からの出射光の波長を変化させ、
波長掃引光源として動作させることを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記透過部は、前記光学的パワーが負であり、光反射ミラーに対向して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記光反射ミラーとの対向距離をＬ、前記半導体光増幅媒体から前記透過部に到達する光の波長範囲をΔλ、透過部の焦点距離をｆとするとき、
所定の波長選択範囲Δλ’に対して透過部の焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが次の式を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
【請求項４】
前記透過部は、前記光学的パワーが正であり、光反射ミラーに対向して設けられ、該透過部による焦点位置が前記透過部の後方における前記光反射ミラー表面以外の位置とされていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項５】
前記光反射ミラーとの対向距離をＬ、前記光増幅器から前記透過部に到達する光の波長範囲をΔλ、透過部の焦点距離をｆとするとき、
所定の波長選択範囲Δλ’に対して透過部の焦点距離ｆおよび光反射ミラーとの対向距離Ｌが次の式を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記反射部は、凹面鏡あるいは凸面鏡で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項７】
前記反射部の半幅をａ、前記凹面鏡あるいは凸面鏡の曲率半径をｒ、前記反射部からみた光学系の射出瞳の半幅をＡ、反射部から射出瞳までの距離をＬ、前記反射部に入射する光の波長範囲をΔλ、所定の波長選択範囲をΔλ’とし、
前記ａが前記射出瞳の半径Ｒに対してａ＜＜Ｒとされているとき、次の式を満たすことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
【請求項８】
前記反射部は、前記光学的パワーを前記回折格子の周期の方向に有していることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項９】
光源装置を有し、該光源装置からの光を被検査物に照射し、被検査物からの反射光を伝達させる被検査物の測定部と、
前記光源装置からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記被検査物の測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
を備え、前記光検出部で検出された光を用い、前記被検査物の断層画像を撮像する光断層画像撮像装置であって、
前記光源装置が、請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置によって構成されていることを特徴とする光断層画像撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−４１８６０（Ｐ２０１３−４１８６０Ａ）
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７５８７３（Ｐ２０１１−１７５８７３）
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２８日（２０１３．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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