光画像形成方法及び光画像形成装置
【課題】画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現可能な光画像形成方法を提供する。
【解決手段】光画像形成装置４００は、ＦＤ−ＯＣＴを用いて対象物の断層像を形成する装置であり、スキャンステップと、検出ステップと、画像形成ステップとを実行する。スキャンステップでは、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンする。検出ステップでは、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出する。画像形成ステップは、スキャンに伴い検出ステップで逐次に得られた複数の干渉光の検出結果に基づいて対象物の断層像を形成する。
【解決手段】光画像形成装置４００は、ＦＤ−ＯＣＴを用いて対象物の断層像を形成する装置であり、スキャンステップと、検出ステップと、画像形成ステップとを実行する。スキャンステップでは、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンする。検出ステップでは、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出する。画像形成ステップは、スキャンに伴い検出ステップで逐次に得られた複数の干渉光の検出結果に基づいて対象物の断層像を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光干渉断層法を用いた光画像形成方法及び光画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光干渉断層法（optical coherence tomography、略称ＯＣＴ）は、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出して対象物の断層像を形成する技術である。ＯＣＴは、高解像度の画像を高速かつ非侵襲的に取得できるという利点から、医療分野などにおいて用いられている。
【０００３】
この技術における主要な進歩としてフーリエドメインＯＣＴ（Fourier domain OCT、略称ＦＤ−ＯＣＴ）がある。ＦＤ−ＯＣＴによれば、従来のタイムドメインＯＣＴ（time domainOCT、略称ＴＤ−ＯＣＴ）と比較して、数十倍から数百倍の測定速度を達成できる。
【０００４】
ＦＤ−ＯＣＴには、干渉光をスペクトル分解して検出するスペクトラルドメインＯＣＴ（spectral domain OCT、略称ＳＤ−ＯＣＴ）と、波長掃引光源を用いて様々な波長の干渉光を得るスウェプトソースＯＣＴ（swept source OCT、略称ＳＳ−ＯＣＴ）がある。
【０００５】
ＳＤ−ＯＣＴ及びＳＳ−ＯＣＴにおいて検出されるスペクトル、つまりスペクトラルインターフェログラム（spectral interferogram、干渉スペクトル）は、次式のように表される。
【０００６】
【０００７】
ここで、ｋは波数、ｓ（ｋ）は光源のスペクトル、ｚは信号アームと参照アームの光路長差、ＩＲは参照ミラーによる参照光の後方反射（参照光）、ＩＳは対象物を経由した信号光の自己相関項、φ０（ｚ）は初期位相項をそれぞれ表す。一般に、ＩＲ、ＩＳは低周波数信号又は背景成分（ＤＣ成分）であり、容易に除去できる。それにより、式（１）は次のように簡略化される。
【０００８】
【０００９】
ここで、Ａ（ｚ）＝ｓ（ｋ）・２√（ＩＲＩＳ）は、対象物の深度ｚにおける後方散乱係数を表す。式（２）に基づいてＩ（ｋ）のフーリエ変換を行うことにより、深度ｚにおける対象物の後方散乱プロファイル、つまりＡラインプロファイルを再構成することができる。
【００１０】
しかし、スペクトラルインターフェログラムは実数値として検出されるので、再構成されたＡラインプロファイルには、複素共役曖昧性（complex conjugate ambiguity）が発生する。複素共役曖昧性とは、ｚ＝Δｚでの信号とｚ＝−Δｚでの信号とを区別できないことを意味する。その結果、ＦＤ−ＯＣＴにおける画像化可能深度は半分に縮小されてしまう。
【００１１】
図１１Ａ〜図１１Ｃを参照し、複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明する。図１１Ａは、全フレームＦ０中に描画される対象物の真像Ｔを示す。しかし、実数値からなるインターフェログラムから画像を再構成すると、図１１Ｂに示すように、真像Ｔだけでなく虚像Ｔ´（複素共役アーチファクト）も現れてしまう。このような複素共役曖昧性を避けるために、対象物の測定深度をシフトさせて真像Ｔと虚像Ｔ´とを互いに分離することが行われている（図１１Ｃを参照）。そうすると、再構成された画像のフレームＦ０の下半分Ｆのみが真像Ｔの描画範囲となる。つまり、フレームＦ０の上半分は無駄となり、画像化可能深度が半分になってしまう。それにより、できるだけ広範囲の画像が得たいという要望が制限される。
【００１２】
このような複素共役曖昧性の問題を除去又は低減させるための様々な技術が開発されている。この技術には、位相シフト（非特許文献１〜３）、ＢＭモードスキャン（非特許文献４〜９）、周波数シフト（非特許文献１０、１１）、３×３ファイバー光カプラ（非特許文献１２〜１４）、位相変調（特許文献１、非特許文献１５〜１８）などがある。しかし、これら技術の実装は、以下に記載するように実用上の問題の制限を受ける。
【００１３】
位相シフトは、フーリエ光学の分野でよく知られた方法であり、たとえば参照ミラーを光波長オーダーの距離で段階的に移動させながら、それぞれ異なる初期位相でスペクトラルインターフェログラムを取得する方法である。位相シフトに基づく技術には、隣接するＡラインの間において正確な位相変化が要求される。この技術は、ピエゾステージや電気的位相変調などのデバイスによる制限を受ける。また、この技術においては、システムの機械的な不安定性や波長誤差（chromatic error）などの要因による妥協が必要である。
【００１４】
ＢＭモードスキャンは、位相シフトの延長としての技術であり、横方向へのスキャン中に位相を変化させるものである。位相の変化方法としては、段階的に変化させるもの（非特許文献８、９）や直線的に変化させるもの（非特許文献４〜７）がある。前者は、位相シフトのいくつかの欠点を引き継ぐものであり、段階的な位相変化を達成するためのコスト効率が良くない。後者においては、横スキャンの範囲を広くすると、経路長が変わるという望ましくない事態が生じる。
【００１５】
周波数シフトは、周波数分離に基づく方法であり、ＳＳ−ＯＣＴにのみ適用可能である。更に、周波数シフトには、信号を高周波数帯にシフトさせるために、ＥＯＭ（electro-optic modulators）やＡＯＭ（acousto-optic modulators）などの高価なデバイスが必要である。結果として、このシステムには、非常に高速なデータ収集デバイスも要求される。
【００１６】
３×３ファイバー光カプラに基づく技術では、広帯域のための波長依存の結合係数の問題があり、高コストの検出器が追加的に要求される。
【００１７】
位相変調技術は、より最近報告された方法であり、正弦的な位相変調を印加することにより複素共役アーチファクトを除去するものである。通常、位相の変調は、参照アームに設けられたピエゾステージにより駆動されるディザリングミラーによって導入される。そのアプローチの一つはカメラの積分効果に依存するため、その適用はＳＤ−ＯＣＴに限定される（非特許文献１７）。他のアプローチでは、複雑なベッセル関数に基づく変調により生成される多重調和信号から複素信号を抽出する。これは、いくつかの大きな問題を引き起こす。たとえば、復号用のハードウェアが余分に必要であるか、或いはソフトウェアで復号する場合には高負荷の演算処理が必要である。更に、オーダーの異なる調和信号が少なくとも３つ（０次〜２次）関与し（非特許文献１５、１９）、また多くの場合において３次のキャリブレーションも必要となるが（非特許文献１６、１８）、これら多重調和信号においては容易にエイリアシングが生じてしまう。つまり、位相変調における変調信号の復調では、少なくとも３つの信号の検出が必要とされるため、ハードウェア上、ソフトウェア上の問題があるとともに、高次の変調信号をエイリアシングなしで検出するには高い測定バンドが要求されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】国際公開第２００６／１２７９５２
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Wojtkowski, M., A. Kowalczyk, R. Leitgeb, and A.F. Fercher, Full range complex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging. Opt Lett, 2002. 27(16): p. 1415-7
【非特許文献２】Leitgeb, R.A., C.K. Hitzenberger, A.F. Fercher, and T. Bajraszewski, Phase-shifting algorithm to achieve high-speed long-depth-range probing by frequency-domain optical coherence tomography. Opt. Lett., 2003. 28(22): p. 2201-2203
【非特許文献３】Gotzinger, E., M. Pircher, R. Leitgeb, and C. Hitzenberger, High speed full range complex spectral domain optical coherence tomography. Opt Express, 2005. 13(2): p. 583-94
【非特許文献４】Wang, R.K., Fourier domain optical coherence tomography achieves full range complex imaging in vivo by introducing a carrier frequency during scanning. Applied Physics Letters, 2007. 52(19): p. 5897-907
【非特許文献５】Leitgeb, R.A., R. Michaely, T. Lasser, and S.C. Sekhar, Complex ambiguity-free Fourier domain optical coherence tomography through transverse scanning. Opt. Lett., 2007. 32(23): p. 3453-3455
【非特許文献６】An, L. and R.K. Wang, Use of a scanner to modulate spatial interferograms for in vivo full-range Fourier-domain optical coherence tomography. Opt. Lett., 2007. 32(23): p. 3423-3425
【非特許文献７】Yasuno, Y., S. Makita, T. Endo, G. Aoki, M. Itoh, and T. Yatagai, Simultaneous B-M-mode scanning method for real-time full-range Fourier domain optical coherence tomography. Appl Opt, 2006. 45(8): p. 1861-5
【非特許文献８】Vergnole, S., G. Lamouche, and M.L. Dufour, Artifact removal in Fourier-domain optical coherence tomography with a piezoelectric fiber stretcher. Opt Lett, 2008. 33(7): p. 732-4
【非特許文献９】Makita, S., T. Fabritius, and Y. Yasuno, Full-range, high-speed, high-resolution 1 microm spectral-domain optical coherence tomography using BM-scan for volumetric imaging of the human posterior eye. Opt Express, 2008. 16(12): p. 8406-20
【非特許文献１０】Yun, S., G. Tearney, J. de Boer, and B. Bouma, Removing the depth-degeneracy in optical frequency domain imaging with frequency shifting. Opt Express, 2004. 12(20): p. 4822-8
【非特許文献１１】Zhang, J., J.S. Nelson, and Z. Chen, Removal of a mirror image and enhancement of the signal-to-noise ratio in Fourier-domain optical coherence tomography using an electro-optic phase modulator. Opt Lett, 2005. 30(2): p. 147-9
【非特許文献１２】Choma, M.A., C. Yang, and J.A. Izatt, Instantaneous quadrature low-coherence interferometry with 3 x 3 fiber-optic couplers. Opt Lett, 2003. 28(22): p. 2162-4
【非特許文献１３】Sarunic, M.V., B.E. Applegate, and J.A. Izatt, Real-time quadrature projection complex conjugate resolved Fourier domain optical coherence tomography. Opt Lett, 2006. 31(16): p. 2426-8
【非特許文献１４】Mao, Y., S. Sherif, C. Flueraru, and S. Chang, 3×3 Mach-Zehnder interferometer with unbalanced differential detection for full-range swept-source optical coherence tomography. Appl. Opt., 2008. 47(12): p. 2004-2010
【非特許文献１５】Vakhtin, A.B., K.A. Peterson, and D.J. Kane, Resolving the complex conjugate ambiguity in Fourier-domain OCT by harmonic lock-in detection of the spectral interferogram. Opt Lett, 2006. 31(9): p. 1271-3
【非特許文献１６】Wang, K., Z. Ding, Y. Zeng, J. Meng, and M. Chen, Sinusoidal B-M method based spectral domain optical coherence tomography for the elimination of complex-conjugate artifact. Opt Express, 2009. 17(19): p. 16820-33
【非特許文献１７】Tao, Y.K., M. Zhao, and J.A. Izatt, High-speed complex conjugate resolved retinal spectral domain optical coherence tomography using sinusoidal phase modulation. Opt Lett, 2007. 32(20): p. 2918-20
【非特許文献１８】Vakhtin, A.B., K.A. Peterson, and D.J. Kane, Demonstration of complex-conjugate-resolved harmonic Fourier-domain optical coherence tomography imaging of biological samples. Appl Opt, 2007. 46(18): p. 3870-7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
この発明の目的は、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る光画像形成方法は、対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して前記対象物の断層像を形成する光画像形成方法であって、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンするスキャンステップと、前記対象物を経由した前記信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出ステップと、前記スキャンに伴い前記検出ステップで逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成ステップとを含んでいる。
前記スキャンステップにおいて、前記対象物に対する前記信号光の照射位置を順次に変更することで前記スキャンを実行し、かつ、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させることができる。
前記スキャンステップにおいて、前記信号光を実質的に等しい時間間隔で前記対象物に照射し、前記位相差の交互変更の周波数を実質的に前記時間間隔の半分にすることができる。
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更を、前記参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することによって行うことができる。
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更を、前記信号光の位相を２つの位相の間で交互に変更することによって行うことができる。
前記画像形成ステップにおいて、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成することができる。
前記複素干渉スペクトルを生成する処理は、前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求める処理と、前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求める処理と、前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する処理とを含んでいてもよい。ここで、ｎは軸線の識別番号であり、横スキャンにおけるＡラインの位置を示す。
前記画像形成ステップは、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を含み、前記スキャンステップにおける前記スキャンは、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで実行されるように構成できる。
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であってよい。
この発明に係る光画像形成装置は、光源と、前記光源から出力された光を信号光と参照光とに分割する光学部材と、対象物に対する前記信号光の照射位置を変更するスキャナーと、前記信号光と前記参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更する位相変更部と、前記対象物を経由した信号光と参照光とを合成して干渉光を生成する光学部材と、前記干渉光を検出する検出器と、前記信号光の照射位置の変更に伴い前記検出器により逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成部とを備える。
前記光源及び前記位相変更部を制御して、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させる制御部を更に備えていてもよい。
前記制御部は、前記光源を制御して、実質的に等しい時間間隔で前記信号光を前記対象物に照射させ、かつ、前記位相変更部を制御して、実質的に前記時間間隔の半分の周波数で前記位相差を交互に変更させるように構成されていてもよい。
前記位相変更部は、前記参照光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更するように構成されていてもよい。
前記位相変更部は、前記信号光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更するように構成されていてもよい。
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成する生成部を含み、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成するように構成されていてもよい。
前記生成部は、前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求め、前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求め、前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成するように構成されていてもよい。
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成し、前記光源及び前記スキャナーを制御して、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで前記対象物を前記信号光でスキャンさせる制御部を更に備えていてもよい。
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であってよい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、信号光と参照光との位相差を２つの位相差に交互に変更しながらスキャンを行うことで逐次に得られた複数の検出結果に基づいて断層像を形成することにより、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略構成図である。
【図２】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図３】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図４】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図５Ａ】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図５Ｂ】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図６】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図７】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図８】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図９】実施形態に係る光画像形成装置が実行する同期制御の一例を表すタイミングチャートである。
【図１０Ａ】この発明に係る光画像形成装置の実施例により取得されたＡラインプロファイルの具体例を示す。
【図１０Ｂ】従来の光画像形成装置により取得されたＡラインプロファイルの具体例を示す。
【図１１Ａ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【図１１Ｂ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【図１１Ｃ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
この発明に係る光画像形成方法及びこれを実行する装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
〈原理の説明〉
まず、実施形態に係る光画像形成方法の原理を説明する。
【００２６】
この実施形態は、位相を２つの値の間で交代的に（つまり交互に）変更させつつ横スキャン（Ｂスキャン）を行うことでデータを収集し、収集されたデータに基づいて複素数からなるスペクトラルインターフェログラム（複素インターフェログラム、或いは複素干渉スペクトル）を生成する。そして、この複素インターフェログラムに基づいて画像を再構成することにより虚像のない断層像（Ｂスキャン像）を得る。その結果、画像化が可能な深度範囲の拡大という目的が達成される。また、後述のように、この実施形態の装置は、従来のＦＤ−ＯＣＴに僅かな構成を追加するだけで、すなわち低コストで、この目的を実現するものである。
【００２７】
ほとんどのＦＤ−ＯＣＴは、２種類のスキャンモード、つまりＡラインスキャンと横スキャン、を組み合わせて測定を行う。Ａラインスキャンは、対象物の軸線方向のプロファイルを符号化したスペクトラルインターフェログラムを収集するモードである。具体的には、ＳＳ−ＯＣＴのＡラインスキャンは、各Ａラインに対して複数の波長の光を順次に照射する方式であり、ＳＤ−ＯＣＴのＡラインスキャンは、各Ａラインに対して様々な波長を有する広帯域光を各Ａラインに照射する方式である。また、横スキャンは、２次元断層像を形成するために複数のＡラインを順次にスキャンするモードである。収集されたデータから背景成分を除くと、横スキャンにより収集されたスペクトラルインターフェログラムは次のように表される。
【００２８】
【００２９】
ここで、ｎは軸線の識別番号であり、横スキャンにおけるＡラインの位置を示す。
【００３０】
横スキャンは、Ａライントリガー信号などの所定の信号によってＡラインスキャンと同期される。Ａライントリガー信号は、各Ａラインスキャンの開始タイミングを示すものであり、ＳＳ−ＯＣＴでは波長掃引光源の駆動器により生成され、ＳＤ−ＯＣＴでは干渉光検出モジュールにより生成される。横スキャンレートｆｓは、Ａラインスキャンの反復周波数として定義される。複数のＡラインは、一般に、横スキャンの方向に沿って等間隔で配列されているので、横スキャンレートｆｓを横方向のサンプリングレートとみなすことができる。
【００３１】
この実施形態の原理を実現する装置の構成例を図１に示す。光画像形成装置１００は、対象物（サンプル）１０００の断層像を形成する装置であり、光源１０１と、ビームスプリッター１０２と、スキャナー１０３と、位相変調器１０４と、変調コントローラー１０４ａと、参照ミラー１０５と、検出システム１０６と、コントローラー１０７と、コンピューター１０８とを含んで構成される。
【００３２】
光源１０１から出力された光は、ビームスプリッター１０２により信号光と参照光に分割される。スキャナー１０３は、信号光で対象物１０００を走査する。対象物１０００による信号光の反射光や後方散乱光は、スキャナー１０３を介してビームスプリッター１０２に戻される。位相変調器１０４は、変調コントローラー１０４ａにより制御されて、参照光の位相を変調する。参照光は、参照ミラー１０５により反射され、再び位相変調器を経由してビームスプリッター１０２に戻される。ビームスプリッター１０２は、それぞれ戻された信号光と参照光を重畳させて干渉光を生成する。この干渉光は検出システム１０６により検出される。検出システム１０６は、その検出データをコンピューター１０８に送る。コンピューター１０８は、この検出データに基づいて、信号光のスキャン範囲に相当する対象物の画像を形成する。なお、コントローラー１０７は、スキャナー１０３、変調コントローラー１０４ａ及び検出システム１０６の同期制御を行う。
【００３３】
位相変調器１０４は、光の位相を変調するものであり、参照アーム又はサンプルアームに設けられる。なお、この実施形態で用いる位相の変更は、位相変調というよりむしろ「位相交代（phase alternation）」と言うべきものである。位相交代とは、複数のＡラインに対する逐次の検出に対応して（つまり横スキャンに対応して）、２つの位相状態＋Δφ、−Δφを交互に適用するものである。換言すると、複数のＡラインに対する順次の検出における初期位相が、Δφ、−Δφ、Δφ、−Δφ、Δφ、・・・・となる。
【００３４】
これを実現させるための制御の例として、位相交代と複数のＡラインに対するスキャンとを同期させて、Ａラインに対するスキャンの周波数（つまり横スキャンレートｆｓ）の半分の周波数ｆｓ／２で位相交代を行わせる方法がある。この条件が適用される場合、検出されるスペクトラルインターフェログラムは次のように表される。
【００３５】
【００３６】
ここで、Δφは位相交代の振幅であり、変調コントローラー１０４ａにより変更される。更に、式（４）は次のように展開できる。
【００３７】
【００３８】
式（５）の第１項は、重みファクターｃｏｓ（Δφ）を除いて、式（３）と同じである。一方、式（５）の第２項は、交代項（−１）ｎの存在により周波数ｆｓ／２で交代する。その結果として、第１項と第２項は、周波数領域において分離可能となる。なお、交代周波数ｆｓ／２は横スキャンレートｆｓの半分に過ぎないことから、ＣＣＤカメラ等を用いたＳＤ−ＯＣＴでも検出可能である。
【００３９】
横スキャンにより得られるＩ´（ｋ，ｎ）の周波数スペクトルの例を図２に示す。この周波数スペクトルは、背景成分ＤＣを中心とする低周波数部ＬＦ１と、周波数ｆｓ／２を中心とする高周波数部ＨＦ１とが含まれる。低周波数部ＬＦ１は式（５）の第１項に対応し、高周波数部ＨＦ１は式（５）の第２項に対応する。ナイキスト−シャノンのサンプリング定理によれば、このスペクトルは領域［−ｆｓ／２，ｆｓ／２］に制限される。ｆｓ／２より大きい周波数、及び−ｆｓ／２より小さい周波数は、ｍｆｓを加算することにより、この領域にくるめることができる。ここで、ｍは正又は負の整数である。たとえば、０．６ｆｓは、ｍ＝−１として０．６ｆｓ＋ｍｆｓを算出することにより−０．４ｆｓとなる。したがって、図２に示す高周波数部ＨＦ１は、この周波数スペクトルにおいて負側と正側の双方に現れる。
【００４０】
式（５）の第１項と第２項は、その周波数の違いにより、次式に示すように別々に抽出できる。
【００４１】
【００４２】
ここで、Ｉｉｍ（ｋ，ｎ）は、式（２）の第２項の周波数を数値的にｆｓ／２だけ引き戻すことで得られる。Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を再び組み合わせることにより、次式に示す複素インターフェログラムが得られる。
【００４３】
【００４４】
ここで、ｊは虚数単位である。
【００４５】
図３は、位相交代信号Ｉ´（ｋ，ｎ）から複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）を生成し、更に画像を形成する処理の例を示す。まず、符号２０１に示すように、検出されたスペクトラルインターフェログラムＩ´（ｋ，ｎ）に対して−（−１）ｎを乗算することにより、新たな信号Ｉ"（ｋ，ｎ）が生成される。この演算は、前述の第２項を背景成分にシフトさせ、かつその符号（±）を補正するものである。次に、符号２０４、２０２に示すように、横方向の周波数領域におけるローパスフィルターをＩ´（ｋ，ｎ）とＩ"（ｋ，ｎ）の双方に適用することにより、式（６）に示すＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）がそれぞれ生成される。続いて、符号２０３、２０５、２０６に示すようにＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を組み合わせることにより、式（７）に示す複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）が生成される。そして、符号２０７に示すように複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）に対して高速フーリエ変換を施すことにより、複素共役アーチファクトのない画像２０８が再構成される。
【００４６】
なお、実際に検出された信号Ｉ´（ｋ，ｎ）に−（−１）ｎを乗算して信号Ｉ"（ｋ，ｎ）が生成する演算は、復調に相当する。それにより、Ｉ´（ｋ，ｎ）及びＩ"（ｋ，ｎ）をそれぞれ複素数の実数部及び虚数部とみなすことができ、式（７）のような複素インターフェログラムが得られる。そして、この複素インターフェログラムを用いれば、複素共役アーチファクトを含まないＦＤ−ＯＣＴ画像を形成できる。
【００４７】
式（７）の複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）を得るためには、ｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を求める必要がある。これらを求める処理の例について図４を参照しつつ説明する。まず、所定の物体（たとえば単一反射面の鏡）をサンプルアームと参照アームに配置して通常のＦＤ−ＯＣＴ測定を行うことにより、単一の深度に対応するインターフェログラム３０１を生成する。このインターフェログラム３０１に高速フーリエ変換（３０２）を施して画像３０３を形成する。画像３０３には、所定の物体の虚像３０３ａと真像３０３ｂが描出されている。次に、フィルター処理（３０４）により真像ｂを抽出して画像３０５を形成する。続いて、画像３０５に対して逆高速フーリエ変換（３０６）を施してインターフェログラム３０７を得る。次に、各Ａラインのインターフェログラム３０７の位相がφとして算出される。そして、隣接するＡラインの間の位相差の半分の値としてΔφが得られる。つまり、ｎを偶数とすると、Δφ＝｛φ（ｎ）−φ（ｎ−１）｝／２となる。なお、２つ以上のＡラインを用いて平均を算出することにより、Δφの精度、確度を向上させることができる。このΔφを用いることで、ｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を算出できる。
【００４８】
Δφの他の算出方法を説明する。この実施形態が適用される対象物は散乱体であり、これには、ヒト網膜などの人体組織が含まれる。この場合、より実際的な手法として、Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の強度を比較することにより、Δφを統計的に推定することができる。たとえば、横スキャン方向への加算によりＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の絶対値を算出し、次式に示すこれらの比を演算する。
【００４９】
【００５０】
ほとんどの場合において、ＯＣＴの対象物はランダムなφ０（Δｚ，ｎ）を有する濁った散乱体であることを考慮すると、式（８）は統計的に次のように簡略化できる。
【００５１】
【００５２】
そうすると、Δφの絶対値｜Δφ｜は次式のようになる。
【００５３】
【００５４】
明らかに、ｔａｎ（Δφ）又はΔφを用いてｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を算出することができる。ｔａｎ（Δφ）又はΔφの符号は正又は負であるが、いずれの場合においても複素共役アーチファクトのない画像を得ることができるので、符号は重要ではない。しかし、必要に応じ、奇数番及び偶数番のＡラインの間の位相の符号としてこれらの符号を求めることができる。たとえば、１つの画像を構成するＡラインの総数をＮ（Ｎは偶数）とすると、再構成される画像は次にように表される。
【００５５】
【００５６】
そして、ｔａｎ（Δφ）やΔφの符号は、次のようにして求められる。
【００５７】
【００５８】
ほとんどの場合において、Δφは波数ｋの関数である。よって、この統計的に推定されたｔａｎ（Δφ）やΔφは、たとえばカーブフィッティングやフィルター処理により滑らかにされて統計的なノイズが除去された、波数ｋに沿う曲線である。画質の最大化を達成し、かつ複素共役アーチファクトの抑制度合を最大化するためには、Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の強度をバランスさせて、各部に高い誤差が発生することを避ける必要がある。これは、ｔａｎ（Δφ）≒１、つまりΔφ≒π／４が最適な値であることを意味する。また、スペクトル全体でｔａｎ（Δφ）＝１となるΔφが得られるように、位相変調器１０４を調整することも可能である。したがって、式（７）に示す複素インターフェログラムは、次式のように更に簡略化される。
【００５９】
【００６０】
つまり、Δφ≒π／４になるように位相交代の周波数を決定することにより、この実施形態は、特に生体組織のような散乱体、たとえばヒト網膜に有効である。
【００６１】
Ｉ´（ｋ，ｎ）からＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を曖昧さなく抽出するためには、横方向におけるオーバーサンプリングを最適化する必要がある。オーバーサンプリングは、低周波数部と高周波数部の双方の帯域幅を狭めるよう作用するので、図５Ａに示すように低周波数部ＬＦ２と高周波数部ＨＦ２を分離させることができる。これに対し、ダウンサンプリングは、双方の周波数部の帯域幅を広げるので、図５Ｂに示すように低周波数部ＬＦ３と高周波数部ＨＦ３との重なりやエイリアシングが生じるおそれがある。一方、サンプリングレートを高めるにはＡラインの数を増加させる必要があり、装置の負荷が増大するという望ましくない事態が生じる。したがって、実用上においては、Ａラインの数の増加を抑えつつ、Ｉ´（ｋ，ｎ）の周波数スペクトルの重なりを避けるべく、適当なオーバーサンプリングレシオを設定することが望ましい。このように、この実施形態は２つの周波数部のみを扱うものであり、特許文献１や非特許文献１５、１６、１８のように５つ以上の周波数部を扱う場合と比較して、オーバーサンプリングレシオの最適化が実質的に容易である。
【００６２】
〈実用化の例〉
以下、この実施形態を実用化する場合の一例を説明する。
【００６３】
［構成］
この実施形態に係る光画像形成装置の構成例を図６に示す。ここではＳＳ−ＯＣＴを用いた装置について説明するが、ＳＤ−ＯＣＴを用いた装置に対しても同様の構成を適用することが可能である。つまり、この発明に係るＳＳ−ＯＣＴを用いた装置と、この発明に係るＳＤ−ＯＣＴを用いた装置との相異は、ＳＳ−ＯＣＴとＳＤ−ＯＣＴとの一般的な相異に過ぎない。
【００６４】
〔全体構成〕
図６に示す光画像形成装置４００は、波長可変レーザー等の波長掃引光源４０１を有する。波長掃引光源４０１は、高速で連続的に波長を変えながら光を出力する。波長掃引光源４０１から出力された光は、光ファイバー４０２を経由してファイバーカプラ４０３に導かれる。ファイバーカプラ４０３は、４本の光ファイバー４０２、４０４、４１０及び４１２を接続している。光ファイバー４０２により導かれた光は、ファイバーカプラ４０３により信号光と参照光とに分割される。信号光は、対象物に照射される光であり、測定光、サンプル光などとも呼ばれる。参照光は、所定の参照経路を介して信号光に合成される。
【００６５】
信号光は、光ファイバー４０４に導かれてそのファイバー端から出射し、コリメーター４０５により平行光束となる。平行光束となった信号光は、スキャナー４０６を経由し、レンズ４０７及び４０８により被検眼Ｅの眼底Ｅｆに集束される。スキャナー４０６は、眼底Ｅｆに対する信号光の照射位置を変更する。スキャナー４０６としては、ガルバノスキャナー、ポリゴンミラー、共振スキャナー、音響光学変調器、回転プリズム、振動プリズムなどが用いられる。光ファイバー４０４、コリメーター４０５、スキャナー４０６、レンズ４０７及び４０８が形成する光路は、信号光路あるいはサンプルアームなどと呼ばれる。
【００６６】
眼底Ｅｆに照射された信号光は、眼底Ｅｆの様々な組織により散乱される。この散乱光のうちの後方散乱光は、信号光路を介してファイバーカプラ４０３に戻ってくる。更に、この後方散乱光は、光ファイバー４１２によりファイバーカプラ４１３に導かれる。後方散乱光は、眼底Ｅｆの深さ方向の情報を含んでいる。
【００６７】
一方、ファイバーカプラ４０３により生成された参照光は、光ファイバー４１０によってファイバーカプラ４１３に導かれる。光ファイバー４１０の途中には、ファイバーストレッチャー４１１が設けられている。ファイバーストレッチャー４１１は、電気的な駆動信号をファイバーストレッチャー駆動部４１７から受けて、この駆動信号の電圧に比例する微小な長さだけ光ファイバー４１０の長さを変化させる。その結果、参照光の位相がΔφ＝ｋΔＶだけ変化する。ここで、ΔＶは駆動信号の振幅である。このようにして、ファイバーストレッチャー４１１は、参照光の位相を２つの位相±Δφの間で交互に変更する。それにより、信号光と参照光との間の位相差が、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更される。ファイバーストレッチャー４１１は、ファイバーストレッチャー駆動部４１７とともに「位相変更部」の一例を構成する。位相変更部としては、ファイバーストレッチャーだけでなく、２つの位相状態を切り替えることが可能な任意のデバイス、たとえば電気的／光学的位相変調器、光学スイッチ、波長板、ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ、ピエゾなどを用いることが可能である。なお、参照光の経路は参照光路あるいは参照アームなどと呼ばれる。
【００６８】
位相変更部は、この実施形態のように参照アームにのみ設けられてもよいし、サンプルアームのみにもうけられてもよいし、参照アームとサンプルアームの双方に設けられてもよい。すなわち、位相変更部は、信号光と参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更するものであれば、その具体的構成や配置は任意である。
【００６９】
ファイバーカプラ４１３は、４本の光ファイバー４１０、４１２、４１４ａ及び４１４ｂを接続している。ファイバーカプラ４１３の分岐比はたとえば１：１である。信号光と参照光は、ファイバーカプラ４１３により合成されて干渉光を生成する。この干渉光は、信号光に含まれる眼底Ｅｆの深さ方向の情報と、参照光に付与された位相の変化の情報とを引き継いでいる。検出器４１５は、光ファイバー４１４ａ及び４１４ｂにより導かれた干渉光を検出する。検出器４１５は、たとえば、２つのフォトディテクタを有し、これらによる検出結果の差分を出力するバランスド検出器（balanced photo detector、平衡検出器）である。
【００７０】
検出器４１５は、干渉光を検出する度に、その検出結果（検出信号）をデータ収集部４１６に送る。データ収集部４１６は、検出器４１５から順次に入力される検出信号を収集する。データ収集部４１６は、これら検出信号を、たとえば一連の波長掃引毎に、つまりＡライン毎にまとめて演算制御部４２０に送る。
【００７１】
演算制御部４２０は、前述した原理を用いることで、データ収集部４１６から入力されるデータに基づき各Ａラインプロファイル（Ａライン像）を再構成する。更に、演算制御部４２０は、信号光のスキャンパターンに応じて複数のＡラインプロファイルを一列に配列させることによりＢスキャン像（断層像）を形成する。また、演算制御部４２０は、信号光のスキャンパターンに応じて複数のＢスキャン像を配列させてスタックデータを生成し、このスタックデータに補間処理等の画像処理を施すことにより、ボリュームデータを生成することができる。
【００７２】
ユーザインターフェイス（マンマシンインターフェイス）４３０は、表示デバイス、入力デバイス、操作デバイス等を含む。表示デバイスとしては、ＬＣＤなどが用いられる。入力デバイスや操作デバイスとしては、光画像形成装置４００に設けられた各種ハードウェアキー（スイッチ、ボタン、ノブ、ジョイスティック等）がある。また、光画像形成装置４００に接続された装置に設けられたハードウェアキー（たとえばコンピューターに設けられたキーボード、ポインティングデバイス等）を、入力デバイスや操作デバイスとして用いることもできる。また、上記表示デバイスや上記コンピューターに表示されるソフトウェアキーを入力デバイスや操作デバイスとして用いることも可能である。
【００７３】
〔制御系の構成〕
光画像形成装置４００の制御系の構成の一例を図７に示す。
【００７４】
演算制御部２４０は、光画像形成装置４００の各部を制御する機能と、各種演算処理を行う機能とを備える。演算制御部４２０は、同期制御部４２１と、画像形成部４２２とを有する。画像制御部４２２は、複素干渉スペクトル生成部４２３を有する。同期制御部４２１は「制御部」の一例であり、複素干渉スペクトル制御部４２３は「生成部」の一例である。
【００７５】
同期制御部４２１は、ＯＣＴ計測を行うための同期制御を行う。そのために、同期制御部４２１は、波長掃引光源４０１、スキャナー４０６、ファイバーストレッチャー駆動部４１７、検出器４１５及びデータ収集部４１６を制御する。波長掃引光源４０１の制御として、同期制御部４２１は、波長掃引光源４０１の点灯／消灯の制御や、波長を高速で変更する制御を行う。スキャナー４０６の制御として、同期制御部４２１は、たとえばガルバノミラーの向きを変更することにより、眼底Ｅｆに対する信号光の照射位置を変更する。ファイバーストレッチャー駆動部４１７の制御として、同期制御部４２１は、ファイバーストレッチャー４１１を駆動させる信号をファイバーストレッチャー駆動部４１７に送信させる。検出器４１５の制御として、同期制御部４２１は、干渉光を検出するタイミングや検出信号を出力するタイミングを制御する。データ収集部４１６の制御として、同期制御部４２１は、収集されたデータを出力させる。
【００７６】
同期制御部４２１が実行する同期制御について説明する。同期制御部４２１は、制御対象である各部に対して制御信号を送信する。この制御信号は、前述の横スキャンレートｆｓの周波数を含む電気信号である。この制御信号は、たとえば周波数ｆｓの電気信号である。この制御信号としてはたとえば正弦的な電気信号が用いられるが、その波形はこれには限定されない。なお、１種類の制御信号で全ての部位を制御する代わりに、２つ以上の制御信号を用いることも可能である。たとえば、波長掃引光源４０１やスキャナー４０６には周波数ｆｓの制御信号を送信し、ファイバーストレッチャー駆動部４１７には周波数ｆｓ／２の電気信号を送信することができる。
【００７７】
波長掃引光源４０１は、制御信号に基づいて、波長を高速で変更しながら光を繰り返し出力する。スキャナー４０６は、制御信号に基づいて、予め設定されたスキャンパターンに応じた複数のＡラインの配列に対応する順序で信号光を偏向する。ファイバーストレッチャー駆動部４１７は、制御信号に基づいて、参照光の位相を交代的に変更するための駆動信号を生成してファイバーストレッチャー４１１に送信する。この制御信号により、波長掃引光源４０１の動作と、スキャナー４０６の動作と、ファイバーストレッチャー４１１の動作とが同期される。すなわち、スキャナー４０６は、複数のＡラインの配列に対して横スキャンを実行し、波長掃引光源４０１は、各Ａラインに対して一連の波長の光を順次に照射するＡラインスキャンを実行し、ファイバーストレッチャー４１１は、横スキャンレートの半分の周波数で参照光の位相交代を実行する。
【００７８】
周波数ｆｓの制御信号から周波数ｆｓ／２の駆動信号を生成するための、ファイバーストレッチャー駆動部４１７の構成について説明する。この信号変換処理は、たとえば図８に示すように、Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１、狭帯域バンドバス（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｐａｓｓ、ＮＢＰ）フィルター４１７２及び位相シフター４１７３により実行される。
【００７９】
Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１は、同期制御部４２１から入力される制御信号の周波数ｆｓをその半分のｆｓ／２に低下させて狭帯域バンドパスフィルター４１７２に出力する。狭帯域バンドパスフィルター４１７２は、Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１から入力される電気信号から１次調和信号、つまり周波数ｆｓ／２における正弦信号を抽出して位相シフター４１７３に出力する。位相シフター４１７３は、Ａラインの収集と位相交代との間のタイミングのずれを正確に調整するために、狭帯域バンドパスフィルター４１７２から入力される正弦信号の位相を変更してスイッチ４１７４に出力する。
【００８０】
スイッチ４１７４は、演算制御部４２０からの（他の）制御信号を受けて、位相シフター４１７３とファイバーストレッチャー４１１との間の電気的接続を確立／遮断する。つまり、スイッチ４１７４は、この実施形態に係る測定を実行する場合には当該電気的接続を確立し、従来の測定を実行する場合には当該電気的接続を遮断する。このような測定モードの変更の指示は、たとえばユーザインターフェイス４３０を用いて行われる。つまり、ユーザは、この実施形態に係る測定モードと、従来の通常の測定モードとを使い分けることができる。
【００８１】
このような同期制御の例を図９に示す。なお、検出器４１５やデータ収集部４１６を制御する場合には、波長掃引光源４０１やスキャナー４０６と同様の制御、つまり周波数ｆｓでの制御が行われる。“Ａライン識別情報（ＡラインＩＤ）”は、スキャンパターンに応じた複数のＡラインのそれぞれに付与された識別情報である。“Ａライントリガー”は、各Ａラインを測定するための光を波長掃引光源４０１に出力させるタイミングを表すパルス信号を示す。このパルス信号は、たとえば波長掃引光源４０１に含まれる駆動部（図示せず）により生成される。なお、このようなパルス信号を同期制御部４２１が生成するように構成してもよい。
【００８２】
“駆動信号”は、ファイバーストレッチャー駆動部４１７からファイバーストレッチャー４１１に送信される正弦信号を示す。駆動信号の周波数は、Ａライントリガーの周波数の半分である。“位相の交代状態”は、Ａライントリガーのタイミングによって正弦的な駆動信号から特定される、＋Δφと−Δφとの間で交代する位相の状態を表している。“位相交代”は、正弦的な駆動信号から特定される交代する位相による、参照光の位相交代の状態を表している。
【００８３】
このような同期制御を行うことにより、検出器４１５は、波長掃引光源４０１により繰り返し出力される光に対応する干渉光を逐次に検出し、その検出結果としての電気信号（検出信号）を逐次に出力する。データ収集部４１６は、検出器４１５から逐次に出力される検出信号を収集し、画像形成部４２２に送信する。また、画像形成部４２２には、制御信号に対応する情報（たとえばＡライン識別情報）が入力される。複素干渉スペクトル生成部４２３は、この情報に基づいて、データ収集部４１６から入力されるデータをＡラインごとにまとめ、前述した原理にしたがって各Ａラインの複素干渉スペクトル（複素インターフェログラム）を生成する。画像形成部４２２は、各Ａラインの複素干渉スペクトルに基づいて当該Ａラインの画像を形成する。更に、画像形成部４２２は、スキャンパターンに応じて複数のＡラインの画像を配列することにより対象物の断層像を形成する。
【００８４】
［実施例］
発明者らは、このような位相交代方式のＳＳ−ＯＣＴを用いて生体眼の測定を行った。オーバーサンプリングレシオはＲｓ＝８に設定に設定した。ここで、オーバーサンプリングレシオＲｓは、焦点スポットサイズｗと、横スキャンのステップサイズ（隣接するＡラインの間隔）Δｘとの比として定義される：Ｒｓ＝ｗ／Δｘ。
【００８５】
この実施例により取得されたＡラインプロファイルを図１０Ａに示す。また、従来の方式で取得されたＡラインプロファイルを図１０Ｂに示す。なお、各Ａラインプロファイルの横軸は深度ｚを示し、縦軸は後方散乱光の強度Ｉを示す。
【００８６】
従来の方式によるＡラインプロファイルＡＰ２には、真像Ｑ１だけでなく、その複素共役である虚像Ｑ２が含まれている。一方、この実施例によるＡラインプロファイルＡＰ１には虚像はなく、真像Ｐ１のみが含まれる。
【００８７】
［作用］
この実施形態の作用を説明する。
【００８８】
この実施形態の光画像形成装置４００は、対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して対象物の断層像を形成するものであり、スキャンステップと、検出ステップと、画像形成ステップとを実行する。
【００８９】
スキャンステップでは、光画像形成装置４００は、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンする。このスキャンステップは、同期制御部４２１による制御の下、波長掃引光源４０１、スキャナー４０６、ファイバーストレッチャー４１１、ファイバーストレッチャー駆動部４１７などにより実行される。
【００９０】
検出ステップでは、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出する。この検出ステップは、スキャンステップと並行して、検出器４１５やデータ収集部４１６により実行される。
【００９１】
画像形成ステップは、スキャンに伴い検出ステップで逐次に得られた複数の干渉光の検出結果に基づいて対象物の断層像を形成する。この画像形成ステップは、画像形成部４２２により実行される。
【００９２】
スキャンステップにおいて、対象物に対する信号光の照射位置を順次に変更することでスキャンを実行し、かつ、対象物に対する信号光の照射タイミングと位相差の変更タイミングとを同期させてもよい。
【００９３】
スキャンステップにおいて、信号光を実質的に等しい時間間隔で対象物に照射し、かつ、位相差の交互変更の周波数を実質的に当該時間間隔の半分としていてもよい。
【００９４】
スキャンステップにおいて、参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより、位相差の交互変更を行ってもよい。
【００９５】
画像形成ステップにおいて、干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて断層像を形成してもよい。
【００９６】
複素干渉スペクトルを生成する処理は、次の３つの処理を含んでいてもよい。
（１）干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、この第１の干渉スペクトルを位相差の余弦で除算して実数部を求める。
（２）検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、この第２の干渉スペクトルを位相差の正弦で除算して虚数部を求める。
（３）実数部と虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより複素干渉スペクトルを生成する。
【００９７】
画像形成ステップにおいて、干渉光の検出結果に基づいて２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と当該両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を行い、かつ、スキャンステップにおいて、低周波数部と高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオでスキャンを実行するようにしてもよい。
【００９８】
上記２つの位相差は実質的に＋π／４及び−π／４としてもよい。
【００９９】
［効果］
この実施形態の効果を説明する。
【０１００】
この実施形態によれば、簡易な構成で実現可能な「位相交代」という手法を新規に導入することにより複素干渉スペクトルを生成し、これを再構成することにより虚像の無い画像を得ることができる。したがって、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能である。この深度範囲の拡大は、実数値の干渉スペクトルを生成する従来の場合と比較して２倍である。
【０１０１】
また、位相交代の手法には、ＳＳ−ＯＣＴでもＳＤ−ＯＣＴでも使用できるという利点がある。
【０１０２】
また、位相交代の手法には、従来の手法、たとえば位相シフト、ＢＭモードスキャン、位相変調等と比較して装置の設定や調整が容易であり、また、位相を変更するための制御が容易であるという利点がある。
【０１０３】
この実施形態の手法は、位相交代によりそれぞれエンコードされた一連の干渉スペクトル（横スキャン方向に配列された複数のＡラインに対応する干渉スペクトル）を取得するものであり、複数の干渉スペクトルのそれぞれにフーリエ変換を適用する従来の手法と本質的に異なっている。
【０１０４】
また、位相交代の手法における２つの位相状態±Δφは任意であり、したがって、従来の手法と比較して格段に自由度が高い。なお、前述のように、Δφの最適値はπ／４である。これは、Δφ＝π／４の場合、ｃｏｓ（Δφ）＝ｓｉｎ（Δφ）であるから、式（５）の実数部と虚数部とに同じ量が乗算され、双方のパワーのバランスが取れるからである。なお、Δφの値はπ／４に限定されるものではなく、上記のように任意である。
【０１０５】
また、位相交代の手法は、高調波を介在しない点も特徴的である。これは、たった２つの位相状態しか使用しないことによるものであり、高調波を伴う従来の位相変調の手法と大きく異なる。したがって、従来の位相変調の手法では、背景成分側から順に、０次、１次、２次、３次・・・というように多数の調和信号が互いに重ならないようにする必要があるが、この実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように低周波数部と高周波数部を考慮するだけでよいのでキャリブレーションが容易である。
【０１０６】
以上、この発明の実施形態について説明したが、これらは上記の実施形態は単なる例示に過ぎず、発明の範囲を限定することを意図するものではない。これら実施形態は、上記した以外の様々な形態で実施されることが可能である。つまり、この発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意の変形、つまり省略、置換、変更などを施すことができる。これら実施形態やその変形は、この発明の範囲や要旨、及びその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０７】
１００ 光画像形成装置
１０１ 光源
１０２ ビームスプリッター
１０３ スキャナー
１０４ 位相変調器
１０４ａ 変調コントローラー
１０５ 参照ミラー
１０６ 検出システム
１０７ コントローラー
４００光画像形成装置
４０１波長掃引光源
４０２ 光ファイバー
４０３ ファイバーカプラ
４０４ 光ファイバー
４０５ コリメーター
４０６ スキャナー
４０７ レンズ
４０８ レンズ
４１０ 光ファイバー
４１１ ファイバーストレッチャー
４１２ 光ファイバー
４１３ ファイバーカプラ
４１４ａ、４１４ｂ 光ファイバー
４１５ 検出器
４１６ データ収集部
４１７ ファイバーストレッチャー駆動部
４１７１ Ｊ−Ｋフリップフロップ
４１７２ 狭帯域バンドパスフィルター
４１７３ 位相シフター
４１７４ スイッチ
４２０ 演算制御部
４２１ 同期制御部
４２２ 画像形成部
４２３ 複素干渉スペクトル生成部
４３０ ユーザインターフェイス
Ｅ 被検眼
Ｅｆ 眼底
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光干渉断層法を用いた光画像形成方法及び光画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光干渉断層法（optical coherence tomography、略称ＯＣＴ）は、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出して対象物の断層像を形成する技術である。ＯＣＴは、高解像度の画像を高速かつ非侵襲的に取得できるという利点から、医療分野などにおいて用いられている。
【０００３】
この技術における主要な進歩としてフーリエドメインＯＣＴ（Fourier domain OCT、略称ＦＤ−ＯＣＴ）がある。ＦＤ−ＯＣＴによれば、従来のタイムドメインＯＣＴ（time domainOCT、略称ＴＤ−ＯＣＴ）と比較して、数十倍から数百倍の測定速度を達成できる。
【０００４】
ＦＤ−ＯＣＴには、干渉光をスペクトル分解して検出するスペクトラルドメインＯＣＴ（spectral domain OCT、略称ＳＤ−ＯＣＴ）と、波長掃引光源を用いて様々な波長の干渉光を得るスウェプトソースＯＣＴ（swept source OCT、略称ＳＳ−ＯＣＴ）がある。
【０００５】
ＳＤ−ＯＣＴ及びＳＳ−ＯＣＴにおいて検出されるスペクトル、つまりスペクトラルインターフェログラム（spectral interferogram、干渉スペクトル）は、次式のように表される。
【０００６】
【０００７】
ここで、ｋは波数、ｓ（ｋ）は光源のスペクトル、ｚは信号アームと参照アームの光路長差、ＩＲは参照ミラーによる参照光の後方反射（参照光）、ＩＳは対象物を経由した信号光の自己相関項、φ０（ｚ）は初期位相項をそれぞれ表す。一般に、ＩＲ、ＩＳは低周波数信号又は背景成分（ＤＣ成分）であり、容易に除去できる。それにより、式（１）は次のように簡略化される。
【０００８】
【０００９】
ここで、Ａ（ｚ）＝ｓ（ｋ）・２√（ＩＲＩＳ）は、対象物の深度ｚにおける後方散乱係数を表す。式（２）に基づいてＩ（ｋ）のフーリエ変換を行うことにより、深度ｚにおける対象物の後方散乱プロファイル、つまりＡラインプロファイルを再構成することができる。
【００１０】
しかし、スペクトラルインターフェログラムは実数値として検出されるので、再構成されたＡラインプロファイルには、複素共役曖昧性（complex conjugate ambiguity）が発生する。複素共役曖昧性とは、ｚ＝Δｚでの信号とｚ＝−Δｚでの信号とを区別できないことを意味する。その結果、ＦＤ−ＯＣＴにおける画像化可能深度は半分に縮小されてしまう。
【００１１】
図１１Ａ〜図１１Ｃを参照し、複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明する。図１１Ａは、全フレームＦ０中に描画される対象物の真像Ｔを示す。しかし、実数値からなるインターフェログラムから画像を再構成すると、図１１Ｂに示すように、真像Ｔだけでなく虚像Ｔ´（複素共役アーチファクト）も現れてしまう。このような複素共役曖昧性を避けるために、対象物の測定深度をシフトさせて真像Ｔと虚像Ｔ´とを互いに分離することが行われている（図１１Ｃを参照）。そうすると、再構成された画像のフレームＦ０の下半分Ｆのみが真像Ｔの描画範囲となる。つまり、フレームＦ０の上半分は無駄となり、画像化可能深度が半分になってしまう。それにより、できるだけ広範囲の画像が得たいという要望が制限される。
【００１２】
このような複素共役曖昧性の問題を除去又は低減させるための様々な技術が開発されている。この技術には、位相シフト（非特許文献１〜３）、ＢＭモードスキャン（非特許文献４〜９）、周波数シフト（非特許文献１０、１１）、３×３ファイバー光カプラ（非特許文献１２〜１４）、位相変調（特許文献１、非特許文献１５〜１８）などがある。しかし、これら技術の実装は、以下に記載するように実用上の問題の制限を受ける。
【００１３】
位相シフトは、フーリエ光学の分野でよく知られた方法であり、たとえば参照ミラーを光波長オーダーの距離で段階的に移動させながら、それぞれ異なる初期位相でスペクトラルインターフェログラムを取得する方法である。位相シフトに基づく技術には、隣接するＡラインの間において正確な位相変化が要求される。この技術は、ピエゾステージや電気的位相変調などのデバイスによる制限を受ける。また、この技術においては、システムの機械的な不安定性や波長誤差（chromatic error）などの要因による妥協が必要である。
【００１４】
ＢＭモードスキャンは、位相シフトの延長としての技術であり、横方向へのスキャン中に位相を変化させるものである。位相の変化方法としては、段階的に変化させるもの（非特許文献８、９）や直線的に変化させるもの（非特許文献４〜７）がある。前者は、位相シフトのいくつかの欠点を引き継ぐものであり、段階的な位相変化を達成するためのコスト効率が良くない。後者においては、横スキャンの範囲を広くすると、経路長が変わるという望ましくない事態が生じる。
【００１５】
周波数シフトは、周波数分離に基づく方法であり、ＳＳ−ＯＣＴにのみ適用可能である。更に、周波数シフトには、信号を高周波数帯にシフトさせるために、ＥＯＭ（electro-optic modulators）やＡＯＭ（acousto-optic modulators）などの高価なデバイスが必要である。結果として、このシステムには、非常に高速なデータ収集デバイスも要求される。
【００１６】
３×３ファイバー光カプラに基づく技術では、広帯域のための波長依存の結合係数の問題があり、高コストの検出器が追加的に要求される。
【００１７】
位相変調技術は、より最近報告された方法であり、正弦的な位相変調を印加することにより複素共役アーチファクトを除去するものである。通常、位相の変調は、参照アームに設けられたピエゾステージにより駆動されるディザリングミラーによって導入される。そのアプローチの一つはカメラの積分効果に依存するため、その適用はＳＤ−ＯＣＴに限定される（非特許文献１７）。他のアプローチでは、複雑なベッセル関数に基づく変調により生成される多重調和信号から複素信号を抽出する。これは、いくつかの大きな問題を引き起こす。たとえば、復号用のハードウェアが余分に必要であるか、或いはソフトウェアで復号する場合には高負荷の演算処理が必要である。更に、オーダーの異なる調和信号が少なくとも３つ（０次〜２次）関与し（非特許文献１５、１９）、また多くの場合において３次のキャリブレーションも必要となるが（非特許文献１６、１８）、これら多重調和信号においては容易にエイリアシングが生じてしまう。つまり、位相変調における変調信号の復調では、少なくとも３つの信号の検出が必要とされるため、ハードウェア上、ソフトウェア上の問題があるとともに、高次の変調信号をエイリアシングなしで検出するには高い測定バンドが要求されるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】国際公開第２００６／１２７９５２
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Wojtkowski, M., A. Kowalczyk, R. Leitgeb, and A.F. Fercher, Full range complex spectral optical coherence tomography technique in eye imaging. Opt Lett, 2002. 27(16): p. 1415-7
【非特許文献２】Leitgeb, R.A., C.K. Hitzenberger, A.F. Fercher, and T. Bajraszewski, Phase-shifting algorithm to achieve high-speed long-depth-range probing by frequency-domain optical coherence tomography. Opt. Lett., 2003. 28(22): p. 2201-2203
【非特許文献３】Gotzinger, E., M. Pircher, R. Leitgeb, and C. Hitzenberger, High speed full range complex spectral domain optical coherence tomography. Opt Express, 2005. 13(2): p. 583-94
【非特許文献４】Wang, R.K., Fourier domain optical coherence tomography achieves full range complex imaging in vivo by introducing a carrier frequency during scanning. Applied Physics Letters, 2007. 52(19): p. 5897-907
【非特許文献５】Leitgeb, R.A., R. Michaely, T. Lasser, and S.C. Sekhar, Complex ambiguity-free Fourier domain optical coherence tomography through transverse scanning. Opt. Lett., 2007. 32(23): p. 3453-3455
【非特許文献６】An, L. and R.K. Wang, Use of a scanner to modulate spatial interferograms for in vivo full-range Fourier-domain optical coherence tomography. Opt. Lett., 2007. 32(23): p. 3423-3425
【非特許文献７】Yasuno, Y., S. Makita, T. Endo, G. Aoki, M. Itoh, and T. Yatagai, Simultaneous B-M-mode scanning method for real-time full-range Fourier domain optical coherence tomography. Appl Opt, 2006. 45(8): p. 1861-5
【非特許文献８】Vergnole, S., G. Lamouche, and M.L. Dufour, Artifact removal in Fourier-domain optical coherence tomography with a piezoelectric fiber stretcher. Opt Lett, 2008. 33(7): p. 732-4
【非特許文献９】Makita, S., T. Fabritius, and Y. Yasuno, Full-range, high-speed, high-resolution 1 microm spectral-domain optical coherence tomography using BM-scan for volumetric imaging of the human posterior eye. Opt Express, 2008. 16(12): p. 8406-20
【非特許文献１０】Yun, S., G. Tearney, J. de Boer, and B. Bouma, Removing the depth-degeneracy in optical frequency domain imaging with frequency shifting. Opt Express, 2004. 12(20): p. 4822-8
【非特許文献１１】Zhang, J., J.S. Nelson, and Z. Chen, Removal of a mirror image and enhancement of the signal-to-noise ratio in Fourier-domain optical coherence tomography using an electro-optic phase modulator. Opt Lett, 2005. 30(2): p. 147-9
【非特許文献１２】Choma, M.A., C. Yang, and J.A. Izatt, Instantaneous quadrature low-coherence interferometry with 3 x 3 fiber-optic couplers. Opt Lett, 2003. 28(22): p. 2162-4
【非特許文献１３】Sarunic, M.V., B.E. Applegate, and J.A. Izatt, Real-time quadrature projection complex conjugate resolved Fourier domain optical coherence tomography. Opt Lett, 2006. 31(16): p. 2426-8
【非特許文献１４】Mao, Y., S. Sherif, C. Flueraru, and S. Chang, 3×3 Mach-Zehnder interferometer with unbalanced differential detection for full-range swept-source optical coherence tomography. Appl. Opt., 2008. 47(12): p. 2004-2010
【非特許文献１５】Vakhtin, A.B., K.A. Peterson, and D.J. Kane, Resolving the complex conjugate ambiguity in Fourier-domain OCT by harmonic lock-in detection of the spectral interferogram. Opt Lett, 2006. 31(9): p. 1271-3
【非特許文献１６】Wang, K., Z. Ding, Y. Zeng, J. Meng, and M. Chen, Sinusoidal B-M method based spectral domain optical coherence tomography for the elimination of complex-conjugate artifact. Opt Express, 2009. 17(19): p. 16820-33
【非特許文献１７】Tao, Y.K., M. Zhao, and J.A. Izatt, High-speed complex conjugate resolved retinal spectral domain optical coherence tomography using sinusoidal phase modulation. Opt Lett, 2007. 32(20): p. 2918-20
【非特許文献１８】Vakhtin, A.B., K.A. Peterson, and D.J. Kane, Demonstration of complex-conjugate-resolved harmonic Fourier-domain optical coherence tomography imaging of biological samples. Appl Opt, 2007. 46(18): p. 3870-7
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
この発明の目的は、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明に係る光画像形成方法は、対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して前記対象物の断層像を形成する光画像形成方法であって、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンするスキャンステップと、前記対象物を経由した前記信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出ステップと、前記スキャンに伴い前記検出ステップで逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成ステップとを含んでいる。
前記スキャンステップにおいて、前記対象物に対する前記信号光の照射位置を順次に変更することで前記スキャンを実行し、かつ、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させることができる。
前記スキャンステップにおいて、前記信号光を実質的に等しい時間間隔で前記対象物に照射し、前記位相差の交互変更の周波数を実質的に前記時間間隔の半分にすることができる。
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更を、前記参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することによって行うことができる。
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更を、前記信号光の位相を２つの位相の間で交互に変更することによって行うことができる。
前記画像形成ステップにおいて、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成することができる。
前記複素干渉スペクトルを生成する処理は、前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求める処理と、前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求める処理と、前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する処理とを含んでいてもよい。ここで、ｎは軸線の識別番号であり、横スキャンにおけるＡラインの位置を示す。
前記画像形成ステップは、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を含み、前記スキャンステップにおける前記スキャンは、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで実行されるように構成できる。
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であってよい。
この発明に係る光画像形成装置は、光源と、前記光源から出力された光を信号光と参照光とに分割する光学部材と、対象物に対する前記信号光の照射位置を変更するスキャナーと、前記信号光と前記参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更する位相変更部と、前記対象物を経由した信号光と参照光とを合成して干渉光を生成する光学部材と、前記干渉光を検出する検出器と、前記信号光の照射位置の変更に伴い前記検出器により逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成部とを備える。
前記光源及び前記位相変更部を制御して、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させる制御部を更に備えていてもよい。
前記制御部は、前記光源を制御して、実質的に等しい時間間隔で前記信号光を前記対象物に照射させ、かつ、前記位相変更部を制御して、実質的に前記時間間隔の半分の周波数で前記位相差を交互に変更させるように構成されていてもよい。
前記位相変更部は、前記参照光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更するように構成されていてもよい。
前記位相変更部は、前記信号光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更するように構成されていてもよい。
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成する生成部を含み、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成するように構成されていてもよい。
前記生成部は、前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求め、前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求め、前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成するように構成されていてもよい。
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成し、前記光源及び前記スキャナーを制御して、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで前記対象物を前記信号光でスキャンさせる制御部を更に備えていてもよい。
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であってよい。
【発明の効果】
【００２２】
この発明によれば、信号光と参照光との位相差を２つの位相差に交互に変更しながらスキャンを行うことで逐次に得られた複数の検出結果に基づいて断層像を形成することにより、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略構成図である。
【図２】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図３】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図４】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図５Ａ】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図５Ｂ】実施形態に係る光画像形成方法及び光画像形成装置の原理を説明するための概略図である。
【図６】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図７】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図８】実施形態に係る光画像形成装置の構成の一例を表す概略図である。
【図９】実施形態に係る光画像形成装置が実行する同期制御の一例を表すタイミングチャートである。
【図１０Ａ】この発明に係る光画像形成装置の実施例により取得されたＡラインプロファイルの具体例を示す。
【図１０Ｂ】従来の光画像形成装置により取得されたＡラインプロファイルの具体例を示す。
【図１１Ａ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【図１１Ｂ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【図１１Ｃ】複素共役曖昧性による画像化可能深度の縮小を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
この発明に係る光画像形成方法及びこれを実行する装置の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
〈原理の説明〉
まず、実施形態に係る光画像形成方法の原理を説明する。
【００２６】
この実施形態は、位相を２つの値の間で交代的に（つまり交互に）変更させつつ横スキャン（Ｂスキャン）を行うことでデータを収集し、収集されたデータに基づいて複素数からなるスペクトラルインターフェログラム（複素インターフェログラム、或いは複素干渉スペクトル）を生成する。そして、この複素インターフェログラムに基づいて画像を再構成することにより虚像のない断層像（Ｂスキャン像）を得る。その結果、画像化が可能な深度範囲の拡大という目的が達成される。また、後述のように、この実施形態の装置は、従来のＦＤ−ＯＣＴに僅かな構成を追加するだけで、すなわち低コストで、この目的を実現するものである。
【００２７】
ほとんどのＦＤ−ＯＣＴは、２種類のスキャンモード、つまりＡラインスキャンと横スキャン、を組み合わせて測定を行う。Ａラインスキャンは、対象物の軸線方向のプロファイルを符号化したスペクトラルインターフェログラムを収集するモードである。具体的には、ＳＳ−ＯＣＴのＡラインスキャンは、各Ａラインに対して複数の波長の光を順次に照射する方式であり、ＳＤ−ＯＣＴのＡラインスキャンは、各Ａラインに対して様々な波長を有する広帯域光を各Ａラインに照射する方式である。また、横スキャンは、２次元断層像を形成するために複数のＡラインを順次にスキャンするモードである。収集されたデータから背景成分を除くと、横スキャンにより収集されたスペクトラルインターフェログラムは次のように表される。
【００２８】
【００２９】
ここで、ｎは軸線の識別番号であり、横スキャンにおけるＡラインの位置を示す。
【００３０】
横スキャンは、Ａライントリガー信号などの所定の信号によってＡラインスキャンと同期される。Ａライントリガー信号は、各Ａラインスキャンの開始タイミングを示すものであり、ＳＳ−ＯＣＴでは波長掃引光源の駆動器により生成され、ＳＤ−ＯＣＴでは干渉光検出モジュールにより生成される。横スキャンレートｆｓは、Ａラインスキャンの反復周波数として定義される。複数のＡラインは、一般に、横スキャンの方向に沿って等間隔で配列されているので、横スキャンレートｆｓを横方向のサンプリングレートとみなすことができる。
【００３１】
この実施形態の原理を実現する装置の構成例を図１に示す。光画像形成装置１００は、対象物（サンプル）１０００の断層像を形成する装置であり、光源１０１と、ビームスプリッター１０２と、スキャナー１０３と、位相変調器１０４と、変調コントローラー１０４ａと、参照ミラー１０５と、検出システム１０６と、コントローラー１０７と、コンピューター１０８とを含んで構成される。
【００３２】
光源１０１から出力された光は、ビームスプリッター１０２により信号光と参照光に分割される。スキャナー１０３は、信号光で対象物１０００を走査する。対象物１０００による信号光の反射光や後方散乱光は、スキャナー１０３を介してビームスプリッター１０２に戻される。位相変調器１０４は、変調コントローラー１０４ａにより制御されて、参照光の位相を変調する。参照光は、参照ミラー１０５により反射され、再び位相変調器を経由してビームスプリッター１０２に戻される。ビームスプリッター１０２は、それぞれ戻された信号光と参照光を重畳させて干渉光を生成する。この干渉光は検出システム１０６により検出される。検出システム１０６は、その検出データをコンピューター１０８に送る。コンピューター１０８は、この検出データに基づいて、信号光のスキャン範囲に相当する対象物の画像を形成する。なお、コントローラー１０７は、スキャナー１０３、変調コントローラー１０４ａ及び検出システム１０６の同期制御を行う。
【００３３】
位相変調器１０４は、光の位相を変調するものであり、参照アーム又はサンプルアームに設けられる。なお、この実施形態で用いる位相の変更は、位相変調というよりむしろ「位相交代（phase alternation）」と言うべきものである。位相交代とは、複数のＡラインに対する逐次の検出に対応して（つまり横スキャンに対応して）、２つの位相状態＋Δφ、−Δφを交互に適用するものである。換言すると、複数のＡラインに対する順次の検出における初期位相が、Δφ、−Δφ、Δφ、−Δφ、Δφ、・・・・となる。
【００３４】
これを実現させるための制御の例として、位相交代と複数のＡラインに対するスキャンとを同期させて、Ａラインに対するスキャンの周波数（つまり横スキャンレートｆｓ）の半分の周波数ｆｓ／２で位相交代を行わせる方法がある。この条件が適用される場合、検出されるスペクトラルインターフェログラムは次のように表される。
【００３５】
【００３６】
ここで、Δφは位相交代の振幅であり、変調コントローラー１０４ａにより変更される。更に、式（４）は次のように展開できる。
【００３７】
【００３８】
式（５）の第１項は、重みファクターｃｏｓ（Δφ）を除いて、式（３）と同じである。一方、式（５）の第２項は、交代項（−１）ｎの存在により周波数ｆｓ／２で交代する。その結果として、第１項と第２項は、周波数領域において分離可能となる。なお、交代周波数ｆｓ／２は横スキャンレートｆｓの半分に過ぎないことから、ＣＣＤカメラ等を用いたＳＤ−ＯＣＴでも検出可能である。
【００３９】
横スキャンにより得られるＩ´（ｋ，ｎ）の周波数スペクトルの例を図２に示す。この周波数スペクトルは、背景成分ＤＣを中心とする低周波数部ＬＦ１と、周波数ｆｓ／２を中心とする高周波数部ＨＦ１とが含まれる。低周波数部ＬＦ１は式（５）の第１項に対応し、高周波数部ＨＦ１は式（５）の第２項に対応する。ナイキスト−シャノンのサンプリング定理によれば、このスペクトルは領域［−ｆｓ／２，ｆｓ／２］に制限される。ｆｓ／２より大きい周波数、及び−ｆｓ／２より小さい周波数は、ｍｆｓを加算することにより、この領域にくるめることができる。ここで、ｍは正又は負の整数である。たとえば、０．６ｆｓは、ｍ＝−１として０．６ｆｓ＋ｍｆｓを算出することにより−０．４ｆｓとなる。したがって、図２に示す高周波数部ＨＦ１は、この周波数スペクトルにおいて負側と正側の双方に現れる。
【００４０】
式（５）の第１項と第２項は、その周波数の違いにより、次式に示すように別々に抽出できる。
【００４１】
【００４２】
ここで、Ｉｉｍ（ｋ，ｎ）は、式（２）の第２項の周波数を数値的にｆｓ／２だけ引き戻すことで得られる。Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を再び組み合わせることにより、次式に示す複素インターフェログラムが得られる。
【００４３】
【００４４】
ここで、ｊは虚数単位である。
【００４５】
図３は、位相交代信号Ｉ´（ｋ，ｎ）から複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）を生成し、更に画像を形成する処理の例を示す。まず、符号２０１に示すように、検出されたスペクトラルインターフェログラムＩ´（ｋ，ｎ）に対して−（−１）ｎを乗算することにより、新たな信号Ｉ"（ｋ，ｎ）が生成される。この演算は、前述の第２項を背景成分にシフトさせ、かつその符号（±）を補正するものである。次に、符号２０４、２０２に示すように、横方向の周波数領域におけるローパスフィルターをＩ´（ｋ，ｎ）とＩ"（ｋ，ｎ）の双方に適用することにより、式（６）に示すＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）がそれぞれ生成される。続いて、符号２０３、２０５、２０６に示すようにＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を組み合わせることにより、式（７）に示す複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）が生成される。そして、符号２０７に示すように複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）に対して高速フーリエ変換を施すことにより、複素共役アーチファクトのない画像２０８が再構成される。
【００４６】
なお、実際に検出された信号Ｉ´（ｋ，ｎ）に−（−１）ｎを乗算して信号Ｉ"（ｋ，ｎ）が生成する演算は、復調に相当する。それにより、Ｉ´（ｋ，ｎ）及びＩ"（ｋ，ｎ）をそれぞれ複素数の実数部及び虚数部とみなすことができ、式（７）のような複素インターフェログラムが得られる。そして、この複素インターフェログラムを用いれば、複素共役アーチファクトを含まないＦＤ−ＯＣＴ画像を形成できる。
【００４７】
式（７）の複素信号Ｉ＊（ｋ，ｎ）を得るためには、ｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を求める必要がある。これらを求める処理の例について図４を参照しつつ説明する。まず、所定の物体（たとえば単一反射面の鏡）をサンプルアームと参照アームに配置して通常のＦＤ−ＯＣＴ測定を行うことにより、単一の深度に対応するインターフェログラム３０１を生成する。このインターフェログラム３０１に高速フーリエ変換（３０２）を施して画像３０３を形成する。画像３０３には、所定の物体の虚像３０３ａと真像３０３ｂが描出されている。次に、フィルター処理（３０４）により真像ｂを抽出して画像３０５を形成する。続いて、画像３０５に対して逆高速フーリエ変換（３０６）を施してインターフェログラム３０７を得る。次に、各Ａラインのインターフェログラム３０７の位相がφとして算出される。そして、隣接するＡラインの間の位相差の半分の値としてΔφが得られる。つまり、ｎを偶数とすると、Δφ＝｛φ（ｎ）−φ（ｎ−１）｝／２となる。なお、２つ以上のＡラインを用いて平均を算出することにより、Δφの精度、確度を向上させることができる。このΔφを用いることで、ｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を算出できる。
【００４８】
Δφの他の算出方法を説明する。この実施形態が適用される対象物は散乱体であり、これには、ヒト網膜などの人体組織が含まれる。この場合、より実際的な手法として、Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の強度を比較することにより、Δφを統計的に推定することができる。たとえば、横スキャン方向への加算によりＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の絶対値を算出し、次式に示すこれらの比を演算する。
【００４９】
【００５０】
ほとんどの場合において、ＯＣＴの対象物はランダムなφ０（Δｚ，ｎ）を有する濁った散乱体であることを考慮すると、式（８）は統計的に次のように簡略化できる。
【００５１】
【００５２】
そうすると、Δφの絶対値｜Δφ｜は次式のようになる。
【００５３】
【００５４】
明らかに、ｔａｎ（Δφ）又はΔφを用いてｃｏｓ（Δφ）とｓｉｎ（Δφ）を算出することができる。ｔａｎ（Δφ）又はΔφの符号は正又は負であるが、いずれの場合においても複素共役アーチファクトのない画像を得ることができるので、符号は重要ではない。しかし、必要に応じ、奇数番及び偶数番のＡラインの間の位相の符号としてこれらの符号を求めることができる。たとえば、１つの画像を構成するＡラインの総数をＮ（Ｎは偶数）とすると、再構成される画像は次にように表される。
【００５５】
【００５６】
そして、ｔａｎ（Δφ）やΔφの符号は、次のようにして求められる。
【００５７】
【００５８】
ほとんどの場合において、Δφは波数ｋの関数である。よって、この統計的に推定されたｔａｎ（Δφ）やΔφは、たとえばカーブフィッティングやフィルター処理により滑らかにされて統計的なノイズが除去された、波数ｋに沿う曲線である。画質の最大化を達成し、かつ複素共役アーチファクトの抑制度合を最大化するためには、Ｉｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）の強度をバランスさせて、各部に高い誤差が発生することを避ける必要がある。これは、ｔａｎ（Δφ）≒１、つまりΔφ≒π／４が最適な値であることを意味する。また、スペクトル全体でｔａｎ（Δφ）＝１となるΔφが得られるように、位相変調器１０４を調整することも可能である。したがって、式（７）に示す複素インターフェログラムは、次式のように更に簡略化される。
【００５９】
【００６０】
つまり、Δφ≒π／４になるように位相交代の周波数を決定することにより、この実施形態は、特に生体組織のような散乱体、たとえばヒト網膜に有効である。
【００６１】
Ｉ´（ｋ，ｎ）からＩｒｅ（ｋ，ｎ）とＩｉｍ（ｋ，ｎ）を曖昧さなく抽出するためには、横方向におけるオーバーサンプリングを最適化する必要がある。オーバーサンプリングは、低周波数部と高周波数部の双方の帯域幅を狭めるよう作用するので、図５Ａに示すように低周波数部ＬＦ２と高周波数部ＨＦ２を分離させることができる。これに対し、ダウンサンプリングは、双方の周波数部の帯域幅を広げるので、図５Ｂに示すように低周波数部ＬＦ３と高周波数部ＨＦ３との重なりやエイリアシングが生じるおそれがある。一方、サンプリングレートを高めるにはＡラインの数を増加させる必要があり、装置の負荷が増大するという望ましくない事態が生じる。したがって、実用上においては、Ａラインの数の増加を抑えつつ、Ｉ´（ｋ，ｎ）の周波数スペクトルの重なりを避けるべく、適当なオーバーサンプリングレシオを設定することが望ましい。このように、この実施形態は２つの周波数部のみを扱うものであり、特許文献１や非特許文献１５、１６、１８のように５つ以上の周波数部を扱う場合と比較して、オーバーサンプリングレシオの最適化が実質的に容易である。
【００６２】
〈実用化の例〉
以下、この実施形態を実用化する場合の一例を説明する。
【００６３】
［構成］
この実施形態に係る光画像形成装置の構成例を図６に示す。ここではＳＳ−ＯＣＴを用いた装置について説明するが、ＳＤ−ＯＣＴを用いた装置に対しても同様の構成を適用することが可能である。つまり、この発明に係るＳＳ−ＯＣＴを用いた装置と、この発明に係るＳＤ−ＯＣＴを用いた装置との相異は、ＳＳ−ＯＣＴとＳＤ−ＯＣＴとの一般的な相異に過ぎない。
【００６４】
〔全体構成〕
図６に示す光画像形成装置４００は、波長可変レーザー等の波長掃引光源４０１を有する。波長掃引光源４０１は、高速で連続的に波長を変えながら光を出力する。波長掃引光源４０１から出力された光は、光ファイバー４０２を経由してファイバーカプラ４０３に導かれる。ファイバーカプラ４０３は、４本の光ファイバー４０２、４０４、４１０及び４１２を接続している。光ファイバー４０２により導かれた光は、ファイバーカプラ４０３により信号光と参照光とに分割される。信号光は、対象物に照射される光であり、測定光、サンプル光などとも呼ばれる。参照光は、所定の参照経路を介して信号光に合成される。
【００６５】
信号光は、光ファイバー４０４に導かれてそのファイバー端から出射し、コリメーター４０５により平行光束となる。平行光束となった信号光は、スキャナー４０６を経由し、レンズ４０７及び４０８により被検眼Ｅの眼底Ｅｆに集束される。スキャナー４０６は、眼底Ｅｆに対する信号光の照射位置を変更する。スキャナー４０６としては、ガルバノスキャナー、ポリゴンミラー、共振スキャナー、音響光学変調器、回転プリズム、振動プリズムなどが用いられる。光ファイバー４０４、コリメーター４０５、スキャナー４０６、レンズ４０７及び４０８が形成する光路は、信号光路あるいはサンプルアームなどと呼ばれる。
【００６６】
眼底Ｅｆに照射された信号光は、眼底Ｅｆの様々な組織により散乱される。この散乱光のうちの後方散乱光は、信号光路を介してファイバーカプラ４０３に戻ってくる。更に、この後方散乱光は、光ファイバー４１２によりファイバーカプラ４１３に導かれる。後方散乱光は、眼底Ｅｆの深さ方向の情報を含んでいる。
【００６７】
一方、ファイバーカプラ４０３により生成された参照光は、光ファイバー４１０によってファイバーカプラ４１３に導かれる。光ファイバー４１０の途中には、ファイバーストレッチャー４１１が設けられている。ファイバーストレッチャー４１１は、電気的な駆動信号をファイバーストレッチャー駆動部４１７から受けて、この駆動信号の電圧に比例する微小な長さだけ光ファイバー４１０の長さを変化させる。その結果、参照光の位相がΔφ＝ｋΔＶだけ変化する。ここで、ΔＶは駆動信号の振幅である。このようにして、ファイバーストレッチャー４１１は、参照光の位相を２つの位相±Δφの間で交互に変更する。それにより、信号光と参照光との間の位相差が、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更される。ファイバーストレッチャー４１１は、ファイバーストレッチャー駆動部４１７とともに「位相変更部」の一例を構成する。位相変更部としては、ファイバーストレッチャーだけでなく、２つの位相状態を切り替えることが可能な任意のデバイス、たとえば電気的／光学的位相変調器、光学スイッチ、波長板、ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ、ピエゾなどを用いることが可能である。なお、参照光の経路は参照光路あるいは参照アームなどと呼ばれる。
【００６８】
位相変更部は、この実施形態のように参照アームにのみ設けられてもよいし、サンプルアームのみにもうけられてもよいし、参照アームとサンプルアームの双方に設けられてもよい。すなわち、位相変更部は、信号光と参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更するものであれば、その具体的構成や配置は任意である。
【００６９】
ファイバーカプラ４１３は、４本の光ファイバー４１０、４１２、４１４ａ及び４１４ｂを接続している。ファイバーカプラ４１３の分岐比はたとえば１：１である。信号光と参照光は、ファイバーカプラ４１３により合成されて干渉光を生成する。この干渉光は、信号光に含まれる眼底Ｅｆの深さ方向の情報と、参照光に付与された位相の変化の情報とを引き継いでいる。検出器４１５は、光ファイバー４１４ａ及び４１４ｂにより導かれた干渉光を検出する。検出器４１５は、たとえば、２つのフォトディテクタを有し、これらによる検出結果の差分を出力するバランスド検出器（balanced photo detector、平衡検出器）である。
【００７０】
検出器４１５は、干渉光を検出する度に、その検出結果（検出信号）をデータ収集部４１６に送る。データ収集部４１６は、検出器４１５から順次に入力される検出信号を収集する。データ収集部４１６は、これら検出信号を、たとえば一連の波長掃引毎に、つまりＡライン毎にまとめて演算制御部４２０に送る。
【００７１】
演算制御部４２０は、前述した原理を用いることで、データ収集部４１６から入力されるデータに基づき各Ａラインプロファイル（Ａライン像）を再構成する。更に、演算制御部４２０は、信号光のスキャンパターンに応じて複数のＡラインプロファイルを一列に配列させることによりＢスキャン像（断層像）を形成する。また、演算制御部４２０は、信号光のスキャンパターンに応じて複数のＢスキャン像を配列させてスタックデータを生成し、このスタックデータに補間処理等の画像処理を施すことにより、ボリュームデータを生成することができる。
【００７２】
ユーザインターフェイス（マンマシンインターフェイス）４３０は、表示デバイス、入力デバイス、操作デバイス等を含む。表示デバイスとしては、ＬＣＤなどが用いられる。入力デバイスや操作デバイスとしては、光画像形成装置４００に設けられた各種ハードウェアキー（スイッチ、ボタン、ノブ、ジョイスティック等）がある。また、光画像形成装置４００に接続された装置に設けられたハードウェアキー（たとえばコンピューターに設けられたキーボード、ポインティングデバイス等）を、入力デバイスや操作デバイスとして用いることもできる。また、上記表示デバイスや上記コンピューターに表示されるソフトウェアキーを入力デバイスや操作デバイスとして用いることも可能である。
【００７３】
〔制御系の構成〕
光画像形成装置４００の制御系の構成の一例を図７に示す。
【００７４】
演算制御部２４０は、光画像形成装置４００の各部を制御する機能と、各種演算処理を行う機能とを備える。演算制御部４２０は、同期制御部４２１と、画像形成部４２２とを有する。画像制御部４２２は、複素干渉スペクトル生成部４２３を有する。同期制御部４２１は「制御部」の一例であり、複素干渉スペクトル制御部４２３は「生成部」の一例である。
【００７５】
同期制御部４２１は、ＯＣＴ計測を行うための同期制御を行う。そのために、同期制御部４２１は、波長掃引光源４０１、スキャナー４０６、ファイバーストレッチャー駆動部４１７、検出器４１５及びデータ収集部４１６を制御する。波長掃引光源４０１の制御として、同期制御部４２１は、波長掃引光源４０１の点灯／消灯の制御や、波長を高速で変更する制御を行う。スキャナー４０６の制御として、同期制御部４２１は、たとえばガルバノミラーの向きを変更することにより、眼底Ｅｆに対する信号光の照射位置を変更する。ファイバーストレッチャー駆動部４１７の制御として、同期制御部４２１は、ファイバーストレッチャー４１１を駆動させる信号をファイバーストレッチャー駆動部４１７に送信させる。検出器４１５の制御として、同期制御部４２１は、干渉光を検出するタイミングや検出信号を出力するタイミングを制御する。データ収集部４１６の制御として、同期制御部４２１は、収集されたデータを出力させる。
【００７６】
同期制御部４２１が実行する同期制御について説明する。同期制御部４２１は、制御対象である各部に対して制御信号を送信する。この制御信号は、前述の横スキャンレートｆｓの周波数を含む電気信号である。この制御信号は、たとえば周波数ｆｓの電気信号である。この制御信号としてはたとえば正弦的な電気信号が用いられるが、その波形はこれには限定されない。なお、１種類の制御信号で全ての部位を制御する代わりに、２つ以上の制御信号を用いることも可能である。たとえば、波長掃引光源４０１やスキャナー４０６には周波数ｆｓの制御信号を送信し、ファイバーストレッチャー駆動部４１７には周波数ｆｓ／２の電気信号を送信することができる。
【００７７】
波長掃引光源４０１は、制御信号に基づいて、波長を高速で変更しながら光を繰り返し出力する。スキャナー４０６は、制御信号に基づいて、予め設定されたスキャンパターンに応じた複数のＡラインの配列に対応する順序で信号光を偏向する。ファイバーストレッチャー駆動部４１７は、制御信号に基づいて、参照光の位相を交代的に変更するための駆動信号を生成してファイバーストレッチャー４１１に送信する。この制御信号により、波長掃引光源４０１の動作と、スキャナー４０６の動作と、ファイバーストレッチャー４１１の動作とが同期される。すなわち、スキャナー４０６は、複数のＡラインの配列に対して横スキャンを実行し、波長掃引光源４０１は、各Ａラインに対して一連の波長の光を順次に照射するＡラインスキャンを実行し、ファイバーストレッチャー４１１は、横スキャンレートの半分の周波数で参照光の位相交代を実行する。
【００７８】
周波数ｆｓの制御信号から周波数ｆｓ／２の駆動信号を生成するための、ファイバーストレッチャー駆動部４１７の構成について説明する。この信号変換処理は、たとえば図８に示すように、Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１、狭帯域バンドバス（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｐａｓｓ、ＮＢＰ）フィルター４１７２及び位相シフター４１７３により実行される。
【００７９】
Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１は、同期制御部４２１から入力される制御信号の周波数ｆｓをその半分のｆｓ／２に低下させて狭帯域バンドパスフィルター４１７２に出力する。狭帯域バンドパスフィルター４１７２は、Ｊ−Ｋフリップフロップ４１７１から入力される電気信号から１次調和信号、つまり周波数ｆｓ／２における正弦信号を抽出して位相シフター４１７３に出力する。位相シフター４１７３は、Ａラインの収集と位相交代との間のタイミングのずれを正確に調整するために、狭帯域バンドパスフィルター４１７２から入力される正弦信号の位相を変更してスイッチ４１７４に出力する。
【００８０】
スイッチ４１７４は、演算制御部４２０からの（他の）制御信号を受けて、位相シフター４１７３とファイバーストレッチャー４１１との間の電気的接続を確立／遮断する。つまり、スイッチ４１７４は、この実施形態に係る測定を実行する場合には当該電気的接続を確立し、従来の測定を実行する場合には当該電気的接続を遮断する。このような測定モードの変更の指示は、たとえばユーザインターフェイス４３０を用いて行われる。つまり、ユーザは、この実施形態に係る測定モードと、従来の通常の測定モードとを使い分けることができる。
【００８１】
このような同期制御の例を図９に示す。なお、検出器４１５やデータ収集部４１６を制御する場合には、波長掃引光源４０１やスキャナー４０６と同様の制御、つまり周波数ｆｓでの制御が行われる。“Ａライン識別情報（ＡラインＩＤ）”は、スキャンパターンに応じた複数のＡラインのそれぞれに付与された識別情報である。“Ａライントリガー”は、各Ａラインを測定するための光を波長掃引光源４０１に出力させるタイミングを表すパルス信号を示す。このパルス信号は、たとえば波長掃引光源４０１に含まれる駆動部（図示せず）により生成される。なお、このようなパルス信号を同期制御部４２１が生成するように構成してもよい。
【００８２】
“駆動信号”は、ファイバーストレッチャー駆動部４１７からファイバーストレッチャー４１１に送信される正弦信号を示す。駆動信号の周波数は、Ａライントリガーの周波数の半分である。“位相の交代状態”は、Ａライントリガーのタイミングによって正弦的な駆動信号から特定される、＋Δφと−Δφとの間で交代する位相の状態を表している。“位相交代”は、正弦的な駆動信号から特定される交代する位相による、参照光の位相交代の状態を表している。
【００８３】
このような同期制御を行うことにより、検出器４１５は、波長掃引光源４０１により繰り返し出力される光に対応する干渉光を逐次に検出し、その検出結果としての電気信号（検出信号）を逐次に出力する。データ収集部４１６は、検出器４１５から逐次に出力される検出信号を収集し、画像形成部４２２に送信する。また、画像形成部４２２には、制御信号に対応する情報（たとえばＡライン識別情報）が入力される。複素干渉スペクトル生成部４２３は、この情報に基づいて、データ収集部４１６から入力されるデータをＡラインごとにまとめ、前述した原理にしたがって各Ａラインの複素干渉スペクトル（複素インターフェログラム）を生成する。画像形成部４２２は、各Ａラインの複素干渉スペクトルに基づいて当該Ａラインの画像を形成する。更に、画像形成部４２２は、スキャンパターンに応じて複数のＡラインの画像を配列することにより対象物の断層像を形成する。
【００８４】
［実施例］
発明者らは、このような位相交代方式のＳＳ−ＯＣＴを用いて生体眼の測定を行った。オーバーサンプリングレシオはＲｓ＝８に設定に設定した。ここで、オーバーサンプリングレシオＲｓは、焦点スポットサイズｗと、横スキャンのステップサイズ（隣接するＡラインの間隔）Δｘとの比として定義される：Ｒｓ＝ｗ／Δｘ。
【００８５】
この実施例により取得されたＡラインプロファイルを図１０Ａに示す。また、従来の方式で取得されたＡラインプロファイルを図１０Ｂに示す。なお、各Ａラインプロファイルの横軸は深度ｚを示し、縦軸は後方散乱光の強度Ｉを示す。
【００８６】
従来の方式によるＡラインプロファイルＡＰ２には、真像Ｑ１だけでなく、その複素共役である虚像Ｑ２が含まれている。一方、この実施例によるＡラインプロファイルＡＰ１には虚像はなく、真像Ｐ１のみが含まれる。
【００８７】
［作用］
この実施形態の作用を説明する。
【００８８】
この実施形態の光画像形成装置４００は、対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して対象物の断層像を形成するものであり、スキャンステップと、検出ステップと、画像形成ステップとを実行する。
【００８９】
スキャンステップでは、光画像形成装置４００は、信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンする。このスキャンステップは、同期制御部４２１による制御の下、波長掃引光源４０１、スキャナー４０６、ファイバーストレッチャー４１１、ファイバーストレッチャー駆動部４１７などにより実行される。
【００９０】
検出ステップでは、対象物を経由した信号光と参照光との干渉光を検出する。この検出ステップは、スキャンステップと並行して、検出器４１５やデータ収集部４１６により実行される。
【００９１】
画像形成ステップは、スキャンに伴い検出ステップで逐次に得られた複数の干渉光の検出結果に基づいて対象物の断層像を形成する。この画像形成ステップは、画像形成部４２２により実行される。
【００９２】
スキャンステップにおいて、対象物に対する信号光の照射位置を順次に変更することでスキャンを実行し、かつ、対象物に対する信号光の照射タイミングと位相差の変更タイミングとを同期させてもよい。
【００９３】
スキャンステップにおいて、信号光を実質的に等しい時間間隔で対象物に照射し、かつ、位相差の交互変更の周波数を実質的に当該時間間隔の半分としていてもよい。
【００９４】
スキャンステップにおいて、参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより、位相差の交互変更を行ってもよい。
【００９５】
画像形成ステップにおいて、干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて断層像を形成してもよい。
【００９６】
複素干渉スペクトルを生成する処理は、次の３つの処理を含んでいてもよい。
（１）干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、この第１の干渉スペクトルを位相差の余弦で除算して実数部を求める。
（２）検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、この第２の干渉スペクトルを位相差の正弦で除算して虚数部を求める。
（３）実数部と虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより複素干渉スペクトルを生成する。
【００９７】
画像形成ステップにおいて、干渉光の検出結果に基づいて２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と当該両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を行い、かつ、スキャンステップにおいて、低周波数部と高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオでスキャンを実行するようにしてもよい。
【００９８】
上記２つの位相差は実質的に＋π／４及び−π／４としてもよい。
【００９９】
［効果］
この実施形態の効果を説明する。
【０１００】
この実施形態によれば、簡易な構成で実現可能な「位相交代」という手法を新規に導入することにより複素干渉スペクトルを生成し、これを再構成することにより虚像の無い画像を得ることができる。したがって、画像化可能な深度範囲の拡大を低コストで実現することが可能である。この深度範囲の拡大は、実数値の干渉スペクトルを生成する従来の場合と比較して２倍である。
【０１０１】
また、位相交代の手法には、ＳＳ−ＯＣＴでもＳＤ−ＯＣＴでも使用できるという利点がある。
【０１０２】
また、位相交代の手法には、従来の手法、たとえば位相シフト、ＢＭモードスキャン、位相変調等と比較して装置の設定や調整が容易であり、また、位相を変更するための制御が容易であるという利点がある。
【０１０３】
この実施形態の手法は、位相交代によりそれぞれエンコードされた一連の干渉スペクトル（横スキャン方向に配列された複数のＡラインに対応する干渉スペクトル）を取得するものであり、複数の干渉スペクトルのそれぞれにフーリエ変換を適用する従来の手法と本質的に異なっている。
【０１０４】
また、位相交代の手法における２つの位相状態±Δφは任意であり、したがって、従来の手法と比較して格段に自由度が高い。なお、前述のように、Δφの最適値はπ／４である。これは、Δφ＝π／４の場合、ｃｏｓ（Δφ）＝ｓｉｎ（Δφ）であるから、式（５）の実数部と虚数部とに同じ量が乗算され、双方のパワーのバランスが取れるからである。なお、Δφの値はπ／４に限定されるものではなく、上記のように任意である。
【０１０５】
また、位相交代の手法は、高調波を介在しない点も特徴的である。これは、たった２つの位相状態しか使用しないことによるものであり、高調波を伴う従来の位相変調の手法と大きく異なる。したがって、従来の位相変調の手法では、背景成分側から順に、０次、１次、２次、３次・・・というように多数の調和信号が互いに重ならないようにする必要があるが、この実施形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように低周波数部と高周波数部を考慮するだけでよいのでキャリブレーションが容易である。
【０１０６】
以上、この発明の実施形態について説明したが、これらは上記の実施形態は単なる例示に過ぎず、発明の範囲を限定することを意図するものではない。これら実施形態は、上記した以外の様々な形態で実施されることが可能である。つまり、この発明の要旨を逸脱しない範囲において、任意の変形、つまり省略、置換、変更などを施すことができる。これら実施形態やその変形は、この発明の範囲や要旨、及びその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０７】
１００ 光画像形成装置
１０１ 光源
１０２ ビームスプリッター
１０３ スキャナー
１０４ 位相変調器
１０４ａ 変調コントローラー
１０５ 参照ミラー
１０６ 検出システム
１０７ コントローラー
４００光画像形成装置
４０１波長掃引光源
４０２ 光ファイバー
４０３ ファイバーカプラ
４０４ 光ファイバー
４０５ コリメーター
４０６ スキャナー
４０７ レンズ
４０８ レンズ
４１０ 光ファイバー
４１１ ファイバーストレッチャー
４１２ 光ファイバー
４１３ ファイバーカプラ
４１４ａ、４１４ｂ 光ファイバー
４１５ 検出器
４１６ データ収集部
４１７ ファイバーストレッチャー駆動部
４１７１ Ｊ−Ｋフリップフロップ
４１７２ 狭帯域バンドパスフィルター
４１７３ 位相シフター
４１７４ スイッチ
４２０ 演算制御部
４２１ 同期制御部
４２２ 画像形成部
４２３ 複素干渉スペクトル生成部
４３０ ユーザインターフェイス
Ｅ 被検眼
Ｅｆ 眼底
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して前記対象物の断層像を形成する光画像形成方法であって、
信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンするスキャンステップと、
前記対象物を経由した前記信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出ステップと、
前記スキャンに伴い前記検出ステップで逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成ステップと、
を含むことを特徴とする光画像形成方法。
【請求項２】
前記スキャンステップにおいて、前記対象物に対する前記信号光の照射位置を順次に変更することで前記スキャンを実行し、かつ、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項３】
前記スキャンステップにおいて、前記信号光を実質的に等しい時間間隔で前記対象物に照射し、かつ、前記位相差の交互変更の周波数は、実質的に前記時間間隔の半分とされている、
ことを特徴とする請求項２に記載の光画像形成方法。
【請求項４】
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更は、前記参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項５】
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更は、前記信号光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項６】
前記画像形成ステップにおいて、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成することを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項７】
前記複素干渉スペクトルを生成する処理は、
前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求める処理と、
前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求める処理と、
前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する処理と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の光画像形成方法。
【請求項８】
前記画像形成ステップは、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を含み、
前記スキャンステップにおける前記スキャンは、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで実行される、
ことを特徴とする請求項６に記載の光画像形成方法。
【請求項９】
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光画像形成方法。
【請求項１０】
光源と、
前記光源から出力された光を信号光と参照光とに分割する光学部材と、
対象物に対する前記信号光の照射位置を変更するスキャナーと、
前記信号光と前記参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更する位相変更部と、
前記対象物を経由した信号光と参照光とを合成して干渉光を生成する光学部材と、
前記干渉光を検出する検出器と、
前記信号光の照射位置の変更に伴い前記検出器により逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成部と、
を備えることを特徴とする光画像形成装置。
【請求項１１】
前記光源及び前記位相変更部を制御して、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させる制御部を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記光源を制御して、実質的に等しい時間間隔で前記信号光を前記対象物に照射させ、かつ、
前記位相変更部を制御して、実質的に前記時間間隔の半分の周波数で前記位相差を交互に変更させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の光画像形成装置。
【請求項１３】
前記位相変更部は、前記参照光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更することを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１４】
前記位相変更部は、前記信号光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更することを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１５】
前記画像形成部は、
前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成する生成部を含み、
この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１６】
前記生成部は、
前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求め、
前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求め、
前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の光画像形成装置。
【請求項１７】
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成し、
前記光源及び前記スキャナーを制御して、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで前記対象物を前記信号光でスキャンさせる制御部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１５に記載の光画像形成装置。
【請求項１８】
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であることを特徴とする請求項１０〜請求項１７のいずれか一項に記載の光画像形成装置。
【請求項１】
対象物を経由した信号光と参照光とを合成して得られる干渉光に基づく干渉スペクトルを処理して前記対象物の断層像を形成する光画像形成方法であって、
信号光と参照光との間の位相差をあらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更しながら対象物を信号光でスキャンするスキャンステップと、
前記対象物を経由した前記信号光と前記参照光との干渉光を検出する検出ステップと、
前記スキャンに伴い前記検出ステップで逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成ステップと、
を含むことを特徴とする光画像形成方法。
【請求項２】
前記スキャンステップにおいて、前記対象物に対する前記信号光の照射位置を順次に変更することで前記スキャンを実行し、かつ、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項３】
前記スキャンステップにおいて、前記信号光を実質的に等しい時間間隔で前記対象物に照射し、かつ、前記位相差の交互変更の周波数は、実質的に前記時間間隔の半分とされている、
ことを特徴とする請求項２に記載の光画像形成方法。
【請求項４】
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更は、前記参照光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項５】
前記スキャンステップにおいて、前記位相差の交互変更は、前記信号光の位相を２つの位相の間で交互に変更することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項６】
前記画像形成ステップにおいて、前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成し、この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成することを特徴とする請求項１に記載の光画像形成方法。
【請求項７】
前記複素干渉スペクトルを生成する処理は、
前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求める処理と、
前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求める処理と、
前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する処理と、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の光画像形成方法。
【請求項８】
前記画像形成ステップは、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成する処理を含み、
前記スキャンステップにおける前記スキャンは、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで実行される、
ことを特徴とする請求項６に記載の光画像形成方法。
【請求項９】
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の光画像形成方法。
【請求項１０】
光源と、
前記光源から出力された光を信号光と参照光とに分割する光学部材と、
対象物に対する前記信号光の照射位置を変更するスキャナーと、
前記信号光と前記参照光との間の位相差を、あらかじめ設定された２つの位相差に交互に変更する位相変更部と、
前記対象物を経由した信号光と参照光とを合成して干渉光を生成する光学部材と、
前記干渉光を検出する検出器と、
前記信号光の照射位置の変更に伴い前記検出器により逐次に得られた複数の前記干渉光の検出結果に基づいて前記対象物の断層像を形成する画像形成部と、
を備えることを特徴とする光画像形成装置。
【請求項１１】
前記光源及び前記位相変更部を制御して、前記対象物に対する前記信号光の照射タイミングと前記位相差の変更タイミングとを同期させる制御部を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記光源を制御して、実質的に等しい時間間隔で前記信号光を前記対象物に照射させ、かつ、
前記位相変更部を制御して、実質的に前記時間間隔の半分の周波数で前記位相差を交互に変更させる、
ことを特徴とする請求項１１に記載の光画像形成装置。
【請求項１３】
前記位相変更部は、前記参照光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更することを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１４】
前記位相変更部は、前記信号光の位相をあらかじめ設定された２つの位相の間で交互に変更することにより前記位相差を交互に変更することを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１５】
前記画像形成部は、
前記干渉光の検出結果に基づいて複素数からなる複素干渉スペクトルを生成する生成部を含み、
この複素干渉スペクトルに基づいて前記断層像を形成する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の光画像形成装置。
【請求項１６】
前記生成部は、
前記干渉光の検出結果に基づく干渉スペクトルにローパスフィルターを適用して第１の干渉スペクトルを求め、前記第１の干渉スペクトルを前記位相差の余弦で除算して実数部を求め、
前記検出結果に基づく干渉スペクトルに−（−１）ｎを乗算し、この積にローパスフィルターを適用して第２の干渉スペクトルを求め、前記第２の干渉スペクトルを前記位相差の正弦で除算して虚数部を求め、
前記実数部と前記虚数部に虚数単位を乗算した積とを加算することにより前記複素干渉スペクトルを生成する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の光画像形成装置。
【請求項１７】
前記画像形成部は、前記干渉光の検出結果に基づいて、前記２つの位相差を両端とする範囲を定義域とし、かつ、背景成分を中心とする低周波数部と前記両端のそれぞれの近傍に存在する高周波数部とからなる干渉スペクトルを生成し、
前記光源及び前記スキャナーを制御して、前記低周波数部と前記高周波数部とが分離されるオーバーサンプリングレシオで前記対象物を前記信号光でスキャンさせる制御部を更に備える、
ことを特徴とする請求項１５に記載の光画像形成装置。
【請求項１８】
前記２つの位相差は、実質的に＋π／４及び−π／４であることを特徴とする請求項１０〜請求項１７のいずれか一項に記載の光画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【公開番号】特開２０１３−２９５００（Ｐ２０１３−２９５００Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４００２７（Ｐ２０１２−１４００２７）
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（０００２２０３４３）株式会社トプコン (904)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]