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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-06
(45)【発行日】2023-04-14
(54)【発明の名称】高分解能３Ｄスペクトル領域光学撮像装置及び方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/17 20060101AFI20230407BHJP
G01N 21/23 20060101ALI20230407BHJP
【ＦＩ】
G01N21/17 630
G01N21/23
【請求項の数】
13
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2021110670
(22)【出願日】2021-07-02
(62)【分割の表示】P 2018513697の分割
【原出願日】2016-05-27
(65)【公開番号】P2021168929
(43)【公開日】2021-10-28
【審査請求日】2021-07-07
(31)【優先権主張番号】2015901970
(32)【優先日】2015-05-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(73)【特許権者】
【識別番号】517415285
【氏名又は名称】シライト プロプライエタリー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(72)【発明者】
【氏名】フリスケン スティーヴン ジェームズ
(72)【発明者】
【氏名】アンダーソン トレヴァー ブルース
(72)【発明者】
【氏名】セグレフ アーミン ジョージ
(72)【発明者】
【氏名】フリスケン グラント アンドリュー
【審査官】横尾 雅一
(56)【参考文献】
【文献】特表２００８－５０８０６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０８２３７８３５（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】特開２０１２－２３５８３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１８１６３２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０１６５２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１５１６８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１０／１４３６０１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特表２０１３－５２５０３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１４４０４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３２０８１６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１
Ａ６１Ｂ ３／００ － Ａ６１Ｂ ３／１８
Ｇ０１Ｂ ９／０２
Ｇ０１Ｂ １１／００ － Ｇ０１Ｂ １１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
（ｉ）多波長光ビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの連続した容積を照明するための照明系と、（ｉｉ）前記サンプルの前記照明された容積から反射又は散乱した光をフーリエ平面内でサンプリングするためのサンプリングシステムと、
（ｉｉｉ）前記サンプリングされた反射又は散乱した光の波長の範囲にわたる位相及び振幅情報の同時捕捉のための計測システムと、
（ｉｖ）前記位相及び振幅情報を処理して前記照明された容積にわたる前記サンプルの光学特性の３次元画像を構成するためのプロセッサと、
を含むことを特徴とする高分解能光学撮像装置。
【請求項2】
前記プロセッサは、前記サンプルの収差のデジタル再集束又はデジタル補正を使用して前記３次元画像を構成するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記計測システムは、前記サンプリングシステムから取得された前記サンプリングされた信号を２次元センサアレイの上に分散させるための波長分散要素を含み、前記サンプリングシステムは、使用時に前記サンプリングされた信号の各々が前記センサアレイの１組のピクセルの上に分散されるように前記波長分散要素に対して位置決めされる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記サンプリングシステムは、２次元グリッドのサンプリング点を提供するために前記反射又は散乱光をサンプリングするための２次元レンズレットアレイを含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項5】
前記光学特性は、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、及び減衰を含む群から選択されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項6】
前記計測システムは、前記反射又は散乱光の少なくとも第１及び第２の偏光状態に関する位相及び振幅情報を捕捉するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項7】
前記光学特性は、複屈折性又は偏光度を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項8】
前記照明される容積に対応する照明される面が、面積で５００μｍｘ５００μｍ未満又はそれに等しいことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項9】
前記照明される容積に対応する前記照明される面は、面積で２００μｍｘ２００μｍ未満又はそれに等しいことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項10】
前記３次元画像は、３μｍ又はそれよりも良好な空間分解能を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項11】
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の装置を作動させるように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能記録媒体。
【請求項12】
サンプルの高分解能光学撮像を行う方法であって、（ｉ）多波長光ビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの連続した容積を照明する段階と、
（ｉｉ）前記サンプルの前記照明された容積から反射又は散乱した光をフーリエ平面内でサンプリングする段階と、
（ｉｉｉ）前記サンプリングされた反射又は散乱光の波長の範囲にわたって位相及び振幅情報を同時に捕捉する段階と、
（ｉｖ）前記位相及び振幅情報を処理して前記照明された容積にわたる前記サンプルの光学特性の３次元画像を構成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項13】
請求項１２に記載の方法を実施するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学撮像装置及び方法に関し、特に、複素視野をサンプリングする全帯域及び拡張焦点深度を有する３Ｄスペクトル領域断層映像法（ＯＣＴ）装置に関する。しかし、本発明は、この特定の使用分野に限定されないは認められるであろう。
【0002】
関連出願
本出願は、引用により本明細書にその内容が組み込まれている２０１５年５月２８日に出願の「高分解能３Ｄスペクトル領域光学撮像装置及び方法」という名称のオーストラリア仮特許出願第２０１５９０１９７０号からの優先権を主張するものである。
本出願は、引用により本明細書にその内容が組み込まれている２０１５年５月２８日に出願の「高分解能３Ｄスペクトル領域光学撮像装置及び方法」という名称のオーストラリア仮特許出願第２０１５９０１９７０号からの優先権を主張するものである。
【背景技術】
【0003】
本明細書を通した従来技術のいずれの議論も、そのような従来技術が広く公知であること又は当分野における共通の一般的知識の一部を形成することの承認として決して考えるべきではない。
【0004】
断層映像法（ＯＣＴ）は、反射又は散乱光の振幅及び位相内に含有された情報を使用して横方向及び深度分解能を用いてヒトの眼のような生体内組織を含む生体サンプルを研究するために広く使用されている干渉計測技術である。ＯＣＴシステムは、一般的に、Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ干渉計構成を利用し、時間領域ＯＣＴ及びスペクトル領域ＯＣＴという２つの主な手法が使用されている。
【0005】
時間領域ＯＣＴでは、サンプルから反射された光を同じ光源によって提供されるが時変経路長を有する基準ビームと干渉させることにより、数ミクロンのコヒーレンス長を有する超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）のような部分的にコヒーレントな光源のコヒーレンス特性が利用される。基準アーム内の経路長遅延に対応するサンプル内の特定深度では、結合された後方反射信号内に干渉縞包絡線が検出されることになり、深度次元の反射プロファイルが再構成されることを可能にする。一般的に、これは、一度に単一サンプル点のみに対して行われ、対応する深度の走査は、「Ａ走査」として公知である。
【0006】
遅延線を走査する代わりに、スペクトル領域ＯＣＴ技術は、波長の時変関数（掃引光源ＯＣＴ）として反射光を基準ビームと干渉させることにより、又はグリッド又は他のスペクトル逆多重化器を使用して異なる波長を分散させ、検出器アレイに沿ってそれらを同時に検出することにより、反射光を解析する。スペクトル領域情報は、空間（深度）反射プロファイルのフーリエ変換であり、従って、空間プロファイルは、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって復元することができる。一般的は、スペクトル領域ＯＣＴシステムは、それらが約２０から３０ｄＢの感度優位性を有するので時間領域ＯＣＴシステムよりも好ましい。
【0007】
ＯＣＴ技術は、サンプルビームをサンプルに対して１つの軸に走査することによる横方向解像「Ｂ走査」、又は２つの軸に走査することによる「Ｃ走査」を提供するように適応させることができる。より高速な取得は、特に生体内サンプルによる運動誘発性アーチファクトを低減するために、走査のタイプにかかわらず一般的に望ましく、かつより高速な掃引光源走査速度及び光検出器アレイ読み出し速度を含むいくつかの分野での進歩により、過去２０から２５年にわたって大きく改善されてきた。しかし、特に生体内用途に対する走査スポット方式に関する根本的な制約は、レーザ安全規制によって提示されており、すなわち、印加電力を増大する可能性なしに走査速度を上げるために滞留時間を低減することは、必然的にＳＮ比を低下させることになる。
【0008】
その結果、拡張サンプル区域が横方向分解能を用いて探査されるか又はサンプルスポットのアレイが同時に探査される「並列化」ＯＣＴシステムに向けた研究も行われてきた。時間領域ＯＣＴを並列化することは、例えば、「ＣＣＤ検出器アレイを使用して横断方向スキャナを使用せずに画像を取得する方法及び装置」という名称の米国特許第５，４６５，１４７号明細書に説明されているように、ＣＣＤカメラ及び結像光学系を利用することによって比較的簡単である。これは、２次元（２Ｄ）正面像を提供し、深度分解能は、時間領域ＯＣＴで通常通りに基準ミラーを走査することによって与えられる。
【0009】
掃引光源スペクトル領域ＯＣＴは、Ｂｏｎｉｎ他著「１５０万のＡ線／秒を有するヒト網膜の生体内フーリエ領域全視野ＯＣＴ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１０年、第３５巻（２０号）、ｐ．３４３２－３４３４に説明されるものと同様な様式で並列化することができる。しかし、各フレームは単一波長に対応するので、各Ａ走査に対する取得時間は、フレーム周期と取得されたｋ点（波長サンプル）の数との積に等しい。フレームレートが数１００ｋＨｚの超高速度カメラであっても、これは、何ミリ秒ものＡ走査取得時間をもたらす可能性があり、これは、特に生体内サンプルによる運動アーチファクトに至る可能性がある。「多チャネル光受信機」という名称のＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＡＵ２０１５／０５０７８８は、より高速な取得を可能にする代替並列化掃引光源ＯＣＴ方式を開示している。１つの特定の実施では、サンプル上の複数のスポットが、同時に照明され、反射又は散乱信号光が、基準ビームと混合されて固有の搬送波周波数を有する複数のインタ－フェログラムを形成する。
【0010】
並列化分光計ベースのスペクトル領域ＯＣＴは、単一ショットのＢ走査取得を可能にするが、既存の方式は、２次元光検出器アレイの１つの軸が波長分散によって占められるという事実によって制限される。「線視野ホロスコピー」という名称の公開米国特許出願第２０１４／００２８９７４ Ａ１号明細書に説明された構成では、サンプル上にかつ基準ミラー上に線照明を生成するのに円柱レンズが使用される。図１に模式的に示すように、線照明２からの組み合わされた戻りサンプルビーム及び基準ビームは、格子４のような分散要素によって分散され、２Ｄセンサアレイ６を用いて検出される。スペクトル軸８に沿うフーリエ変換は、照明線２に沿う各位置９に対するＡ走査を提供する。完全３次元（３Ｄ）撮像に対して、照明線は、直交方向に機械的に走査され、２次元センサアレイは繰返し読み出される。
【0011】
サンプルの直線Ｂ走査で十分であり、すなわち、３次元撮像が必要とされない場合であっても、例えば、レンズ収差などを補正するための又は被写界深度を深くするためのデジタル波面補正に対して直交方向の走査が依然として必要な場合がある。更に、これらの目的に対して、繰り返し直線走査は、位相コヒーレントでなければならず、これは一般的に困難である。
【0012】
スペクトル領域ＯＣＴ装置は、単に検出された実数値の干渉信号ではなく、干渉信号の明確な複素視野をサンプリングして、正及び負の経路長遅延を区別し、その結果として全被写界深度範囲にわたる撮像を可能にするように構成されることが一般的に好ましい。複素視野を捕捉するための様々な手法が説明されている。例えば、Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ他著「全帯域複素スペクトル領域断層映像法を使用する拡張型生体内前眼セグメント撮像」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ、２００９年、第１４巻、第５号、ｐ．０５０５０１は、走査スポット方式に対して、サンプルが走査される時にサンプル位相がディザリングされるというソリューションを説明している。この手法の基本的な欠点は、サンプルの移動により、走査中に位相干渉の損失が生じる場合があることである。改善された位相安定性を有する線視野システムは、サンプル位相のディザリングを必要としないものとして説明されている。例えば、ＵＳ ２０１４／００２８９７４ Ａ１では、複素視野は、直線照明の遠視野の信号をサンプリングすることによって取得されるが、Ｈｕａｎｇ他著「空間搬送波周波数を使用する全帯域並列フーリエ領域断層映像法」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１３年、第５２巻、第５号、ｐ．９５８－９６５では、線視野は像平面に捕捉され、軸外基準が複素視野へのアクセスを提供する。
【0013】
ＯＣＴ装置の横断方向分解能は、与えられた波長に対して対物レンズの開口数によって決定される。しかし、対物レンズの開口数を増大すると、被写界深度が必ず減少し、横断方向分解能と被写界深度の間のトレードオフをもたらす。このトレードオフを克服して被写界深度を増大するために、様々なソフトウエアベースの技術又はデジタル集束技術が提案されている。これらの手法は、一般的に、散乱点間の位相干渉が走査中及びサンプル収集中に維持され、視野が像平面又はフーリエ平面内で捕捉可能であると仮定する。
【0014】
一例では、合成開口技術は、Ｍｏ他著「拡張焦点深度を有する生体組織の深度符号化合成開口断層映像法」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１５年、第２３巻、第４号、ｐ．４９３５－４９４５に議論されている。別の例では、Ｋｕｍａｒ他著「全視野ＯＣＴのための数値的集束方法：共通信号モデルに基づく比較」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１４年、第２２巻、第１３号、ｐ．１６０６１－１６０７８のフォワードモデル（ＦＭ）手法は、２ＤＣＭＯＳカメラを有する全視野掃引光源ＯＣＴ装置を使用して、像平面で３Ｄ捕捉された干渉信号Ｉ（ｘ，ｙ，ｋ）をサンプリングする段階を伴う。明確な位相は、サンプルがゼロ遅延の一方の側のみにあることを要求することによって取得され、デフォーカス補正は、フレネル波面伝播モデルに基づく数値的位相補正を適用することによって達成される。この数値的な位相補正は、最初にスペクトル軸に沿った実数値信号の１Ｄ ＦＦＴを実行して複素視野を与えることによって達成され、すなわち、Ｉ（ｘ，ｙ，ｋ）→Ｅ（ｘ，ｙ，Δｚ）である。この後に、全ての正の遅延に対する横方向座標の２Ｄ ＦＦＴが続き、すなわち、Ｅ（ｘ，ｙ，Δｚ）→Ｅ（ｋx，ｋy，Δｚ）である。次に、デフォーカス補正のためのフレネル補正が適用され、すなわち、Ｅ（ｋx，ｋy，Δｚ）→Ｅ（ｋx，ｋy，Δｚ）γであり、ここで、
である。ここで、波長は、中心波長λ0によって置換され、ｎは、サンプルの屈折率であり、Ｍは、ＯＣＴ装置の倍率である。位相補正された視野の空間周波数に関する２Ｄ逆ＦＦＴ（ＩＦＦＴ）は、全容積にわたって集束された画像を与える。
【0015】
全帯域線視野ＯＣＴシステムを使用するデジタル集束は、Ｆｅｃｈｔｉｇ他著「デジタル再集束を利用した全帯域線視野並列掃引光源撮像」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１４年、ＤＯＩ：１０．１０８０／０９５００３４０．２０１４．９９０９３８で明らかにされている。この場合に、サンプル視野は像平面内で計測され、基準アームの軸外構成を使用して全帯域の計測が達成される。この軸外構成は、周波数空間における干渉項をシフトさせる横方向搬送波周波数を導入して、正及び負の周波数成分を分離することを可能にし、それによって複素信号の計測を可能にする。走査方向の位相ノイズはデジタル集束を１つの次元に制限し、これは、連続する各Ｂ走査に適用される。複素信号は、最初に、軸外基準に対応する空間軸に沿って１Ｄ ＦＦＴを行うことによって取得され、その後に、その複素共役アーチファクト及び非干渉性背景から正の周波数信号成分を選択するためにフィルタを適用することができる。その場合に、１Ｄ ＦＦＴは、明確な位相を有する信号計測値を提供する。デジタル集束は、スペクトル軸に沿って１Ｄ ＦＦＴを実行し、その後に横方向座標の１Ｄ ＦＦＴを続けてＥ（ｋx，Δｚ）を与えることによって達成され、ここで、Δｚは、この時点で全帯域にわたって延びる。１Ｄ位相補正係数による乗算、及びその後の１Ｄ ＦＦＴは、全帯域にわたって集束されたＢ走査を与える。
【0016】
遠視野でのサンプリングを有する全視野掃引光源ＯＣＴシステムは、Ｈｉｌｌｍａｎｎ他著「ホロスコピー－ホログラフィック断層映像法」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１１年、第３６巻、第１３号、ｐ．２３９０－２３９２に説明されている。このシステムでは、各波長に対する２Ｄインタ－フェログラムが特定の遅延Δｚまで伝播される。次に、スペクトル軸に沿った１Ｄ ＦＦＴを使用して、この深度Δｚに対して集束された物体を再構成する。この処理は、ある範囲の遅延に対して繰り返され、再集束された領域は、その後に互いに縫い合わされる。フーリエ平面でのサンプリングを使用する全帯域撮像は、Ｈｉｌｌｍａｎｎ他著「効率的なホロスコピー画像再構成」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１２年、第２０巻、第１９号、ｐ．２１２４７－２１２６３に説明されているように、明確な位相を取得するために軸外基準ビームを使用して明らかにされている。３Ｄ信号が非等間隔グリッドの上に補間されるこの数値的な後処理手法は、容積の拡張部分全体を通して焦点面分解能と同等の分解能を有する容積画像を提供する。最終的な３Ｄ ＦＦＴは、次に、集束された容積画像を与える。類似の方法は、例えば、Ｒａｌｓｔｏｎ他著「干渉計測合成開口顕微鏡法」、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００７年、第３巻、第２号、ｐ．１２９－１３４に説明される逆合成開口顕微鏡法（ＩＳＡＭ）に使用されている。
【0017】
上述の手法は、深度依存デフォーカスに関して単純なモデルを仮定していることに注意されたい。部分開口相関を使用して未知の光学収差を補償する代替手法は、Ｋｕｍａｒ他著「全視野断層映像法のための部分開口相関ベースのデジタル適応光学系」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１３年、第２１巻、第９号、ｐ．１０８５０－１０８６６に説明されている。
【0018】
点走査システムと比較して、全視野ＯＣＴシステムの重要な制限は、それらが多経路散乱からのクロストークの影響を受けやすく、従って感度が低下するということである。これに加えて、共焦点フィルリングの欠如は、システムのコヒーレンス長の外側からの疑似反射に対する感度を増大させる。ＵＳ ２０１４／００２８９７４ Ａ１の線視野手法は、１つの軸における共焦点ゲイティングによる全視野システムと比較したこれらの制限の部分的緩和を行う。クロストークを軽減する代替手法は、空間的にインコヒーレントな光源を使用することである。
【0019】
文脈上明らかに他を意味しない限り、この説明及び特許請求の範囲を通して「含んでいる」及び「含む」などの語は、排他的又は包括的な意味とは対照的に包含的な意味に解釈されるものとする。すなわち、それらは、「含むが、それに限定されない」という意味に解釈されるものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0020】
【文献】米国特許第５，４６５，１４７号明細書
【文献】ＵＳ ２０１４／００２８９７４ Ａ１
【文献】ＰＣＴ／ＡＵ２０１５／０５０７８８
【非特許文献】
【0021】
【文献】Ｂｏｎｉｎ他著「１５０万のＡ線／秒を有するヒト網膜の生体内フーリエ領域全視野ＯＣＴ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１０年、第３５巻（２０号）、ｐ．３４３２－３４３４
【文献】Ｊｕｎｇｗｉｒｔｈ他著「全帯域複素スペクトル領域断層映像法を使用する拡張型生体内前眼セグメント撮像」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ、２００９年、第１４巻、第５号、ｐ．０５０５０１
【文献】Ｈｕａｎｇ他著「空間搬送波周波数を使用する全帯域並列フーリエ領域断層映像法」、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１３年、第５２巻、第５号、ｐ．９５８－９６５
【文献】Ｍｏ他著「拡張焦点深度を有する生体組織の深度符号化合成開口断層映像法」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１５年、第２３巻、第４号、ｐ．４９３５－４９４５
【文献】Ｋｕｍａｒ他著「全視野ＯＣＴのための数値的集束方法：共通信号モデルに基づく比較」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１４年、第２２巻、第１３号、ｐ．１６０６１－１６０７８
【文献】Ｆｅｃｈｔｉｇ他著「デジタル再集束を利用した全帯域線視野並列掃引光源撮像」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１４年、ＤＯＩ：１０．１０８０／０９５００３４０．２０１４．９９０９３８
【文献】Ｈｉｌｌｍａｎｎ他著「ホロスコピー－ホログラフィック断層映像法」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、２０１１年、第３６巻、第１３号、ｐ．２３９０－２３９２
【文献】Ｈｉｌｌｍａｎｎ他著「効率的なホロスコピー画像再構成」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１２年、第２０巻、第１９号、ｐ．２１２４７－２１２６３
【文献】Ｒａｌｓｔｏｎ他著「干渉計測合成開口顕微鏡法」、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２００７年、第３巻、第２号、ｐ．１２９－１３４
【文献】Ｋｕｍａｒ他著「全視野断層映像法のための部分開口相関ベースのデジタル適応光学系」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１３年、第２１巻、第９号、ｐ．１０８５０－１０８６６
【文献】Ｄｏｎｇ他著「３Ｄ再集束及び超分解能マクロスコピック結像のための開口走査フーリエタイコグラフィ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１４年、第２２巻、第１１号、ｐ．１３５８６－１３５９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0022】
本発明の目的は、従来技術の制限の少なくとも１つを克服又は改善し、又は有用な代替物を提供することである。好ましい形態での本発明の目的は、単一ショット取得技術を使用してサンプルの３Ｄ画像を取得するためのスペクトル領域ＯＣＴ装置及び方法を提供することである。好ましい形態での本発明の別の目的は、サンプル眼に存在する収差の補正を用いた小容積の網膜から反射又は散乱した光のスペクトル特性の数値的再構成に基づいて、網膜の改善された高分解能光学画像を取得するための装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0023】
本発明の第１の態様により、網膜撮像（retinal imaging）のための装置を提供し、装置は、（ｉ）多波長光源（multi-wavelength optical source）と、（ｉｉ）光源から放出された光の少なくとも２つの部分をサンプル眼（sample eye）の網膜の２又は３以上の容積（volume）の各々の上に向けるための角度可変照明系と、（ｉｉｉ）各信号が反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である２又は３以上の容積の各々から反射又は散乱した光の信号を受信するためのかつ信号の各々に対して波長の範囲にわたって同時計測を行うための計測システムと、（ｉｖ）計測値を処理して２又は３以上の容積にわたって網膜の光学特性の１又は２以上の数値表現を発生させるためのかつ１又は２以上の数値表現から２又は３以上の容積の少なくとも一部分を含む網膜の領域にわたる３次元合成画像を生成するためのプロセッサとを含む。
【0024】
本発明の第２の態様により、サンプルを撮像するための装置を提供し、装置は、（ｉ）多波長光源と、（ｉｉ）光源から放出された光の少なくとも２つの部分を装置の屈折力要素（optical power element）の焦点面に又はその近くに位置付けられたサンプルの２又は３以上の容積の各々の上に順次向けるための照明系と、（ｉｉｉ）各信号が反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である２又は３以上の容積の各々から反射又は散乱した光の信号を受信するためのかつ信号の各々に対して波長の範囲にわたって同時計測を行うための計測システムと、（ｉｖ）計測値を処理して２又は３以上の容積にわたってサンプルの光学特性の１又は２以上の数値表現を発生させるためのかつ１又は２以上の数値表現から２又は３以上の容積の少なくとも一部分を含む領域にわたるサンプルの３次元合成画像を生成するためのプロセッサとを含む。
【0025】
第１及び第２の態様は、いくつかの優先事項を共有する。好ましくは、プロセッサは、サンプル眼の又はサンプルの収差のデジタル再集束（digital refocusing）又はデジタル補正を使用して３次元合成画像を生成するようになっている。ある一定の実施形態では、プロセッサは、２又は３以上の容積の各々にわたって光学特性の数値表現を発生させ、かつ数値表現から３次元合成画像を生成するようになっている。他の実施形態では、プロセッサは、２又は３以上の容積にわたって光学特性の数値表現を発生させ、かつ数値表現から３次元合成画像を生成するようになっている。
【0026】
ある一定の実施形態では、照明系は、光の少なくとも２つの部分を網膜の２又は３以上の容積の上に順次向けるようになっている。他の実施形態では、照明系は、光の少なくとも２つの部分を網膜の２又は３以上の容積の上に同時に向けるようになっている。
【0027】
計測システムは、好ましくは、信号をサンプリングするための２次元レンズレットアレイと、サンプリングされた信号を２次元センサアレイの上に分散させるための波長分散要素（wavelength dispersive element）とを含み、レンズレットアレイのレンズレットは、使用時にサンプリングされた信号の各々がセンサアレイの１組のピクセルの上に分散されるように、波長分散要素に対して位置決めされる。ある一定の実施形態では、２次元レンズレットアレイは、信号をフーリエ平面内でサンプリングするように位置決めされる。好ましくは、２次元レンズレットアレイは、波長分散要素の分散軸に対して角度を付けたレンズレットの直線アレイを含む。
【0028】
好ましくは、２又は３以上の容積の隣接する対は、部分的に重なる。ある一定の実施形態では、プロセッサは、３次元合成画像を網膜又はサンプルの高分解能Ｂ走査に変えるようになっている。
【0029】
ある一定の実施形態では、光学特性は、位相、反射率、屈折率、屈折率の変化、及び減衰を含む群から選択される。ある一定の実施形態では、計測システムは、信号の少なくとも第１及び第２の偏光状態に関する位相及び振幅情報を捕捉するようになっている。これらの実施形態では、光学特性は、複屈折性又は偏光度を含む場合がある。
【0030】
２又は３以上の容積の各々に対して、網膜又はサンプルの照明される面は、好ましくは、面積で５００μｍｘ５００μｍ未満又はそれに等しく、より好ましくは、面積で２００μｍｘ２００μｍ未満又はそれに等しい。
【0031】
本発明の第３の態様により、（ｉ）各画像が、波長の範囲にわたる位相及び振幅情報を含み、各々が、単一露光で取得され、第２の画像が、第１の画像後の予め決められた期間に取得されるサンプルの領域の光学特性の第１及び第２の画像を３つの空間次元で取得するための撮像システムと、（ｉｉ）（ａ）第１の画像を第２の画像に位置合わせして、いずれかの空間次元でサンプルの運動又は変形によって生じる空間分解位相シフトを決定し、かつ（ｂ）運動又は変形に関連付けられたサンプルの変位の少なくとも１つの成分を位相シフトから決定するためのプロセッサとを含む相対位相感応断層映像装置（relative phase-sensitive optical coherence tomography apparatus）を提供する。
【0032】
プロセッサは、好ましくは、位相シフト及び予め決められた期間から運動又は変形に関連付けられたサンプルの変位率を決定するようになっている。ある一定の実施形態では、プロセッサは、サンプルの変形に関連付けられた歪みを計測し、又はサンプルに関するエラストグラフィ（elastography）計測を行うようになっている。
【0033】
本発明の第４の態様により、（ｉ）サンプルの容積を少なくとも第１の偏光状態の光で照明するための多波長光源を含む照明系と、（ｉｉ）サンプルから反射又は散乱した光の一部分を光源から離れるように向けるための光スプリッタと、（ｉｉｉ）サンプルから反射又は散乱した光の反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である信号の波長の範囲にわたって少なくとも第１及び第２の偏光状態に対して第１の組の同時計測を行うための計測システムと、（ｉｖ）第１の組の同時計測値を処理してサンプルの照明された容積の１又は２以上の偏光特性の３次元表現を発生させるためのプロセッサとを含む偏光感応断層映像装置（polarisation-sensitive optical coherence tomography apparatus）を提供する。
【0034】
好ましくは、１又は２以上の偏光特性は、複屈折性又は偏光度を含む。
【0035】
ある一定の実施形態では、照明系は、第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態の光でサンプルの容積を続けて照明するようになっており、計測システムは、波長の範囲にわたって第２の組の同時計測を行うようになっている。これらの実施形態では、プロセッサは、好ましくは、第１及び第２の組の同時計測値を処理してサンプルの照明された容積の１又は２以上の偏光特性の３次元表現を発生させるようになっている。
【0036】
好ましい実施形態では、光スプリッタは、偏光非依存ビームスプリッタを含む。好ましくは、光スプリッタは、内部全反射面と、サンプルを照明するための光の透過を可能にするためにその面での内部全反射を局所的に中断させる１又は２以上の開口とを有する開口付き反射器を含む。より好ましくは、開口付き反射器は、１又は２以上の開口を形成する１又は２以上の局所的屈折率整合領域によって離間した２つの内部全反射面を含む。
【0037】
本発明の第５の態様により、拡張された被写界深度にわたってサンプルを撮像するための断層映像装置（optical coherence tomography apparatus）を提供し、装置は、（ｉ）２又は３以上の入射角で入射し、各々が少なくとも第１及び第２の波長を有するビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの容積を照明するようになった照明系と、（ｉｉ）少なくとも第１及び第２の波長にわたって、かつ少なくとも各入射角に対して単一ショットで、２又は３以上の入射角で照明されたサンプルの容積から反射又は散乱した光の位相及び振幅の２次元グリッドのサンプリング点を計測するようになった干渉計と、（ｉｉｉ）２又は３以上の入射角からの計測値をフーリエ領域で互いに位置合わせして縫い合わせて計測値の拡張フーリエ場を生成し、かつ拡張フーリエ場計測値のフーリエ変換又はデジタル処理によってサンプルの光学特性の３次元画像を発生させるためのプロセッサとを含む。
【0038】
ある一定の実施形態では、照明系は、２又は３以上の入射角で入射するビームによってサンプル容積を順次照明するようになっている。代替実施形態では、照明系は、２又は３以上の入射角で入射するビームによってサンプル容積を同時に照明するようになっている。
【0039】
好ましい実施形態では、干渉計は、２次元グリッドのサンプリング点を提供するための２次元レンズレットアレイと、２次元センサアレイと、サンプリング点の各々からの光をセンサアレイの上に分散させるための波長分散要素とを含み、レンズレットアレイのレンズレットは、使用時にサンプリング点の各々からの光がセンサアレイの１組のピクセルの上に分散されるように波長分散要素に対して位置決めされる。ある一定の実施形態では、２次元レンズレットアレイは、信号をフーリエ平面内でサンプリングするように位置決めされる。２次元レンズレットアレイは、好ましくは、波長分散要素の分散軸に対して角度を付けたレンズレットの直線アレイを含む。好ましい実施形態では、３次元画像の横方向分解能は、拡張フーリエ場計測値（extended Fourier Field measurements）によって強化される。
【0040】
本発明の第６の態様により、（ｉ）多波長光ビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの容積を照明するための照明系と、（ｉｉ）サンプルの照明された容積から反射又は散乱した光をフーリエ平面内でサンプリングするためのサンプリングシステムと、（ｉｉｉ）サンプリングされた反射又は散乱した光の波長の範囲にわたる位相及び振幅情報の同時捕捉のための計測システムと、（ｉｖ）位相及び振幅情報を処理して、照明された容積にわたるサンプルの光学特性の３次元画像を構成するためのプロセッサとを含む高分解能光学撮像装置（high resolution optical imaging apparatus）を提供する。
【0041】
好ましい形態では、プロセッサは、サンプルの収差のデジタル再集束又はデジタル補正を使用して３次元画像を構成するようになっている。
【0042】
好ましい実施形態では、計測システムは、サンプリングシステムから取得されたサンプリングされた信号を２次元センサアレイの上に分散させるための波長分散要素を含み、サンプリングシステムは、使用時にサンプリングされた信号の各々がセンサアレイの１組のピクセルの上に分散されるように波長分散要素に対して位置決めされる。サンプリングシステムは、好ましくは、２次元グリッドのサンプリング点を提供するために反射又は散乱光をサンプリングするための２次元レンズレットアレイを含む。
【0043】
ある一定の実施形態では、光学特性は、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、及び減衰を含む群から選択される。ある一定の実施形態では、計測システムは、反射又は散乱した光の少なくとも第１及び第２の偏光状態に関する位相及び振幅情報を捕捉するようになっている。これらの実施形態では、光学特性は、複屈折性又は偏光度を含む場合がある。
【0044】
照明される容積に対応する照明される面は、好ましくは、面積で５００μｍｘ５００μｍ未満又はそれに等しく、より好ましくは、面積で２００μｍｘ２００μｍ未満又はそれに等しい。好ましい実施形態では、３次元画像は、３μｍ又はそれよりも良好な空間分解能を有する。
【0045】
本発明の第７の態様により、サンプル眼の網膜を撮像する方法を提供し、本方法は、（ｉ）多波長光ビームを与える段階と、（ｉｉ）角度可変照明系を使用して、多波長光ビームの少なくとも２つの部分をサンプル眼の網膜の２又は３以上の容積の各々の上に向ける段階と、（ｉｉｉ）各信号が反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である２又は３以上の容積の各々から反射又は散乱した光の信号を受信する段階と、（ｉｖ）信号の各々に対して波長の範囲にわたって同時計測を行う段階と、（ｖ）計測値を処理して、２又は３以上の容積にわたって網膜の光学特性の１又は２以上の数値表現を発生させ、かつ１又は２以上の数値表現から２又は３以上の容積の少なくとも一部分を含む網膜の領域にわたる３次元合成画像を生成する段階とを含む。
【0046】
本発明の第８の態様により、サンプルを撮像する方法を提供し、本方法は、（ｉ）多波長光ビームを与える段階と、（ｉｉ）多波長光ビームの少なくとも２つの部分をサンプルの２又は３以上の容積の各々の上に順次向ける段階と、（ｉｉｉ）各信号が反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である２又は３以上の容積の各々から反射又は散乱した光の信号を受信する段階と、（ｉｖ）信号の各々に対して波長の範囲にわたって同時計測を行う段階と、（ｖ）計測値を処理して、２又は３以上の容積にわたってサンプルの光学特性の１又は２以上の数値表現を発生させ、かつ１又は２以上の数値表現から２又は３以上の容積の少なくとも一部分を含む領域にわたってサンプルの３次元合成画像を生成する段階とを含む。
【0047】
本発明の第９の態様により、サンプルの相対位相感応断層映像計測を行う方法を提供し、本方法は、（ｉ）各画像が波長の範囲にわたる位相及び振幅情報を含み、各々が単一露光で取得され、第２の画像が第１の画像後の予め決められた期間に取得されるサンプルの領域の光学特性の第１及び第２の画像を３つの空間次元で取得する段階と、（ｉｉ）第１の画像を第２の画像に位置合わせして、いずれかの空間次元内でサンプルの運動又は変形によって生じる空間分解位相シフトを決定する段階と、（ｉｉｉ）運動又は変形に関連付けられたサンプルの変位の少なくとも１つの成分を位相シフトから決定する段階とを含む。
【0048】
本発明の第１０の態様により、サンプルの偏光感応断層映像計測を行う方法を提供し、本方法は、（ｉ）少なくとも第１の偏光状態の多波長光でサンプルの容積を照明する段階と、（ｉｉ）サンプルから反射又は散乱した光の一部分を多波長光の光源から離れるように向ける段階と、（ｉｉｉ）少なくとも第１及び第２の偏光状態に対して、信号が反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数であるサンプルから反射又は散乱した光の信号の波長の範囲にわたって第１の組の同時計測を行う段階と、（ｉｖ）第１の組の同時計測値を処理して、サンプルの照明された容積の１又は２以上の偏光特性の３次元表現を発生させる段階とを含む。
【0049】
本発明の第１１の態様により、拡張被写界深度にわたってサンプルの断層映像撮像を行う方法を提供し、本方法は、（ｉ）２又は３以上の入射角で入射し、かつ各々が少なくとも第１及び第２の波長を有するビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの容積を照明する段階と、（ｉｉ）少なくとも第１及び第２の波長にわたって、かつ少なくとも各入射角に対して単一ショットで、２又は３以上の入射角で照明されたサンプルの容積から反射又は散乱した光の位相及び振幅の２次元グリッドのサンプリング点を干渉法によって計測する段階と、（ｉｉｉ）２又は３以上の入射角からの計測値をフーリエ領域で互いに位置合わせして縫い合わせて計測値の拡張フーリエ場を生成する段階と、（ｉｖ）拡張フーリエ場計測値のフーリエ変換又はデジタル処理によってサンプルの光学特性の３次元画像を発生させる段階とを含む。
【0050】
本発明の第１２の態様により、サンプルの高分解能光学撮像を行う方法を提供し、本方法は、（ｉ）多波長光ビームを用いて、３つの空間次元で撮像されることになるサンプルの容積を照明する段階と、（ｉｉ）サンプルの照明された容積から反射又は散乱した光をフーリエ平面内でサンプリングする段階と、（ｉｉｉ）サンプリングされた反射又は散乱光の波長の範囲にわたって位相及び振幅情報を同時に捕捉する段階と、（ｉｖ）位相及び振幅情報を処理して、照明された容積にわたるサンプルの光学特性の３次元画像を構成する段階とを含む。
【0051】
本発明の第１３の態様により、第１から第６の態様のいずれか１つに記載の装置を作動させるか又は第７から第１２の態様のいずれか１つに記載の方法を実施するように構成されたコンピュータ可読プログラムコードを有するコンピュータ使用可能媒体を含む製造物品を提供する。
【0052】
本発明の第１４の態様により、光を反射するための内部全反射面と、反射せずに光を透過させるためにその面での内部全反射を局所的に中断させる１又は２以上の開口とを含む開口付き反射器を提供する。
【0053】
好ましくは、開口付き反射器は、１又は２以上の開口を形成する１又は２以上の局所的屈折率整合領域によって離間した２つの内部全反射面を含む。より好ましくは、開口付き反射器は、１又は２以上の開口を形成する屈折率整合接着剤の局所的領域を有する固定的に取り付けられて互いに離間した２つの内部全反射面を形成する研磨された光学面を備えた２つのプリズムを含む。２つの内部全反射面は、好ましくは、約１０μｍだけ離間している。
【0054】
ここで添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を一例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0055】
【図1】従来技術の線視野ＯＣＴシステムにおける２Ｄセンサアレイを使用するＢ走査データの取得を模式的な形態に示す図である。
【図2】２つの横方向次元及び１つのスペクトル次元と同等な３つの空間次元からのデータを２Ｄセンサアレイの上にマップするための一般的な方式を示す図である。
【図4】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光のフーリエ平面サンプリングに対して構成されたスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【図5】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光のフーリエ平面サンプリングに対して構成された別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【図6】基準ビーム及び戻りサンプルビームの偏光を解析する時に生じるサンプルパワーの損失を低減するための方式を示す図である。
【図7】２Ｄセンサアレイの上に分散されたビームレットの２Ｄグリッドのマッピングを示す図である。
【図8】フーリエ平面内でサンプリングして取得されたインタ－フェログラムの例示的２Ｄフーリエ空間変換のマグニチュードを示す図である。
【図10】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光の像平面サンプリングに対して構成されたスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【図11】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光の像平面サンプリングに対して構成された別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【図12】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光の像平面サンプリングに対して構成された更に別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【図13】本発明の実施形態によるサンプルから散乱又は反射された光の像平面サンプリングに対して構成された線形ＯＣＴ装置を示す図である。
【図14】本発明の実施形態に従って横方向分解能の強化及び／又は拡張焦点深度のために眼球サンプルに対して角度的に構造化された照明を提供するのに適するスペクトル領域ＯＣＴ装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0056】
ＯＣＴデータの単一ショット取得が、速度の改善、特に生体内サンプルによる運動アーチファクトを低減するためだけでなく、デジタル再集束又はデジタル波面補正のために位相干渉を保持するためにも有利であることは、従来技術の先の説明から明らかであろう。単一ショットではない、すなわち、センサアレイの複数回の読み出しを必要とする複素視野のデジタル再構成のための取得方式は、複数フレームの各々におけるデータの間で位相整合を保証することの困難さに直面する。この困難さは克服できないものではないが、例えば、隣接するサンプル容積から取得された単一ショット画像を互いに縫い合わせるために追加の計算を必要とする。
【0057】
ＵＳ ２０１４／００２８９７４ Ａ１に説明されているような既存の分光計ベースのスペクトル領域ＯＣＴシステムは、単一ショットでＢ走査（１つの横方向次元）を取得することができるが、単一ショットでのＣ走査（２つの横方向次元）は取得することができない。これは、図１に示すように、２Ｄセンサアレイの１つの軸が波長分散によって占められるためである。この制限は、例えば、２Ｄレンズレットアレイ、ＭＥＭＳミラーアレイ、又は回折光学素子（ＤＯＥ）を有することができるサンプリングシステムを使用して、結合された戻りサンプル波面及び基準波面が２つの横方向次元でサンプリングされる場合に克服することができ、取得されるサンプリング点は２Ｄセンサアレイのピクセルの別々の組の上に分散される。この一般的な方式の効果は、２つの横方向次元及び１つのスペクトル次元と同等な３つの空間次元からのデータを２Ｄセンサアレイの上に詰め込むことである。ピクセルの別々の組の上に分散されたサンプリング点のマッピングは、例えば、波長分散要素に関して２Ｄレンズレットアレイのレンズレットのようなサンプリング点の適切な方向付け又は位置決めによって保証することができる。図２に模式的に示すように、この一般的な方式を実施する１つの特定の方法は、ビームレット１４－１、１４－２などを２Ｄセンサアレイ６の上に分散させる分散要素４の分散軸１１に対して角度θで傾斜したレンズレットの直線（Ｘ，Ｙ）アレイを有する２Ｄレンズレットアレイ１０で結合された波面をサンプリングすることである。傾斜角が適正に選択され、部分破断図に示すようにセンサアレイが十分に微細なピクセル１２を有する場合に、レンズレットアレイからの各ビームレット１４－１、１４－２などは、例えば、格子４により、センサアレイのピクセル１６－１、１６－２のような固有の組の上に分散させることができ、それによって単一ショットでのＣ走査取得が可能になる。
【0058】
好ましい固有なマッピングを取得するための一般的な要件を表現する別の方法は、サンプリングされたビームレットのセンサアレイ６上への投影１３が、センサアレイ上への分散要素４の分散軸１１の投影に対して適切な角度を形成することである。他のソリューション、例えば、レンズレットの非直線的配置を有する２Ｄレンズレットアレイを使用することが当業者に想起されるであろう。
【0059】
理想的は、波長分散要素及びセンサアレイ６は、センサアレイ上への分散軸１１の投影がセンサアレイ内のピクセル１２の行と平行に、すなわち、図示のようにセンサアレイの軸と平行であるように配置される。しかし、実際は、各ビームレットからセンサアレイ上に形成された分散像は、一般的にある程度の曲率を有するので、公知であることだが、マッピングが拡張された長さにわたって単一行のピクセルに対応する可能性は低い。
【0060】
以下に説明するシステムは、一般的に、サンプルでの直径が１００μｍ程度の多波長平行化又はほぼ平行化の光ビームでサンプルの小さい連続領域を照明し、照明領域のサイズよりも遥かに良好な空間分解能を用いて、例えば、約３μｍ又はそれよりも良好な空間分解能を用いて単一スナップショットで相互作用容積の像を捕捉するように設計される。好ましい実施形態では、連続した照明領域は比較的小さく、面積で５００μｍｘ５００μｍ未満又はそれに等しく、より好ましくは、面積で２００μｍｘ２００μｍ未満又はそれに等しく保たれる。これは、一般的に、サンプリング点の利用可能数、すなわち、市販されているレンズレットアレイのレンズレット数から必要とされるが、全視野の波長連続式装置の分解能を著しく低下させることのある多重散乱の影響も低減する。サンプル内の散乱体間の位相干渉は、収差のデジタル補正及び拡張焦点深度を使用する正確な容積再構成を可能にする。照明領域を走査することにより、例えば、ビーム又はサンプルを横方向に走査し、好ましくは、正確な位相整合を容易にするために隣接する容積が部分的に重なり合った状態で、順番に捕捉された容積を縫い合わせることにより、より広い横方向範囲を達成することができる。重要なことは、連続領域の同時照明は、多経路散乱からのクロストークに対する及びコヒーレンス長の外側からの偽反射に対する感度を低下させる。
【0061】
好ましい実施形態では、３Ｄスナップショットは、グリッドベースのスペクトルＯＣＴシステムを使用して捕捉され、そこでは、２Ｄレンズレットアレイが、小さい連続した照明領域から反射又は散乱した光をサンプリングし、取得されたビームレットは、２Ｄセンサの上に分散されて結像される。重要なことに、センサの分解能（ピクセル数）は、レンズレットアレイの分解能（レンズレット数）よりも遥かに高く、それによって横方向情報とスペクトル情報の両方を単一スナップショットで２Ｄセンサ上に捕捉することが可能になる。図２に関して上述したように、好ましい実施形態では、２Ｄ直線レンズレットアレイは、各ビームレットが固有ピクセル群の上に確実に分散されるように、分散要素の分散軸に対して傾けられる。グリッドベースのサンプリングの重要な利点は、サンプル照明領域を２Ｄセンサに適応させるための高倍率の「顕微鏡」を一切必要としない簡単な撮像システムの使用を可能にする。このような顕微鏡は、典型的には１００倍程度の倍率を必要とし、これには複雑な結像光学系を必要とする。反射視野又は散乱視野は、フーリエ平面、すなわち、ホロスコピー形態の遠視野、又は像平面、すなわち、近視野のいずれかでレンズレットアレイによってサンプリングすることができる。いずれの場合も、横方向分解能は対物レンズの開口数によって決定され、単一スナップショットで捕捉される横方向面積は、横方向分解能とレンズレット数との積に依存する。有利なことに、フーリエ平面内でのサンプリングにより、サンプルの異なる部分に対するそのレンズの可変性を使用して、その後の処理が結像レンズを数学的に再現することを可能にする。
【0062】
全帯域撮像は、信号を軸外基準ビームと混合して空間搬送波を導入し、明確な位相計測を可能にすることによって達成することができる。横方向軸と波長の両方にわたってサンプリングされた位相コヒーレント信号が与えられると、多くの公知のデジタル再集束技術を適用することができる。例えば、掃引光源ホロスコピーのために開発された技術は、被写界深度を拡張するために又は収差を補償するために適用することができる。
【0063】
ここで、例えば、面積が５００μｍｘ５００μｍまでの領域にわたって３μｍ又はそれよりも良好な横方向分解能で単一ショットのＣ走査を取得するために、図２に示す傾斜式レンズレットアレイ技術を利用する様々な３Ｄスペクトル領域ＯＣＴシステムの説明に入る。これらのシステムは、全帯域の撮像、すなわち、正及び負の経路長の遅延を区別する機能、デジタル再集束及び収差補正のような波面補正、及び分解能の強化が可能である。決定的なのは、単一スナップショットで複素視野を捕捉する機能により、正確な波面補正の要件であるサンプル容積にわたる位相干渉の維持が保証されることである。
【0064】
ある一定の実施形態では、結合ビームは、遠視野、すなわち、フーリエ平面内でサンプリングされる。図３に模式的に示すように、サンプル２０の連続した照明容積１９内の点（ｘ’，ｙ’）から反射又は散乱した光１８は、対物レンズ２２で集められ、軸外基準ビーム２４と混合され、２Ｄレンズレットアレイ１０を使用してフーリエ平面内でサンプリングされる。この構成では、３Ｄサンプルがその深度全体を通して正確には焦点面に存在できないという認識の下で、サンプル２０、及び好ましくはレンズレットアレイ１０も、対物レンズ２２の焦点面にほぼ位置する。開口アレイ２５を通過した後、集束されたビームレット１４は平行化され、分散され、かつ２Ｄセンサアレイ６の上に結像される。開口アレイ２５は任意であるが、そうでなければ装置の感度を低下させることになるコヒーレンス長の外側からの散乱信号を阻止するのに役立つ。上述のように、好ましい実施形態では、直線の２Ｄレンズレットアレイ１０は、波長分散要素の分散軸に対して傾斜して、分散されたビームレットのセンサアレイ６のピクセルの固有の組１６－１、１６－２のような上へのマッピングを提供する。反射信号又は散乱信号１８はフーリエ平面内でサンプリングされるので、その横方向成分は、サンプリングされた信号の空間（横方向）周波数成分から取得される。相互作用容積１９の軸線方向反射率プロファイルは、スペクトル領域ＯＣＴでは通常のことであるが、スペクトル周波数成分で符号化される。重要なことに、空間フーリエ変換は、信号の正及び負の成分を分離する。スペクトル軸８に沿ったその後のフーリエ変換は、全帯域反射率プロファイルを提供する。例えば、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、及び減衰を含むサンプルの多くの光学特性をこの反射率プロファイルから空間分解能を用いて抽出することができる。計測システムが偏光感応の場合に、すなわち、ビームレットの少なくとも第１及び第２の偏光状態に関する位相及び振幅情報を捕捉するように適合されている場合に、複屈折性又は偏光度のような１又は２以上の偏光関連の光学特性を抽出することができる。これらの光学特性の全部ではないにしても、その多くは一般的に波長依存になる。
【0065】
図４は、サンプル２０から反射又は散乱した光のフーリエ平面サンプリングに対して高い横方向分解能を有して構成されたスペクトル領域ＯＣＴ装置を示している。この装置の照明系では、超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）のような光ファイバ結合式多波長又は広帯域光源２６からの光が、２ｘ２光ファイバカプラ２８を使用してサンプルアーム３０及び基準アーム３２に分割される。２ｘ２カプラの分割比は、多くの実際の用途でサンプル２０の反射率が低くなるために、例えば、９０／１０のサンプル／基準比、又は９９／１の場合さえある。サンプルビーム３４はレンズ３６で平行化され、次に収束レンズ３８及び対物レンズ２２を通してサンプル２０の上に向けられる。好ましい実施形態では、対物レンズは、高い横方向空間分解能を保証するために比較的高い開口数を有する。例えば、０．１６ＮＡの対物レンズは、典型的には３．０μｍの横方向空間分解能を提供する。収束レンズ３８の目的は、サンプルの拡張された連続容積１９、例えば、直径１００μｍの照明を可能にすることである。サンプル２０は対物レンズ２２の焦点面にあるので、この収束レンズを省略すると、照明領域は拡張された領域ではなく、回折限界スポットになる。平行化レンズ３６及び収束レンズ３８に代えて、単一レンズを使用することができることは認められるであろう。
【0066】
装置の計測システムでは、照明された容積１９内から反射又は散乱したサンプル光１８は、対物レンズ２２で集められ、ビーム分割立方体４０のようなビームスプリッタに向けられて、そこで軸外の平行化された基準ビーム２４と混合される。結合ビームは、適切に位置決めされた直線２Ｄレンズレットアレイ１０を使用してフーリエ平面内でサンプリングされ、任意的に、その後に開口アレイ（図示せず）が続き、取得されたビームレット１４は、レンズ４２で平行化され、反射型格子４３の形態の波長分散要素形態で分散され、かつレンズ４４を通して２Ｄセンサアレイ６の上に集束され、そこから、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、結合インタ－フェログラムを単一フレームで読み出すことができる。これに代えて、分散要素は、透過型グリッド又はプリズムとすることができる。図２に関連して上述したように、レンズレットアレイ１０は、各ビームレットがセンサアレイ６のピクセルの固有の組の上にマップされるように、好ましくは、格子４３の分散軸に対して傾斜している。１つの特定の実施形態では、レンズレットアレイは、３００μｍピッチを有する直線４０ｘ２５のグリッド内に１０００個のレンズレットを有し、２Ｄセンサアレイは、５．５μｍのピクセルサイズを有する２０メガピクセルのＣＭＯＳカメラである。
【0067】
センサアレイ６から読み出された結合インタ－フェログラムは、相互作用容積１９から反射又は散乱した光の信号の波長依存計測値を表し、その信号は、反射又は散乱光１８の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である。後述する数学的技術を使用して、これらの波長依存計測値を処理して、相互作用容積１９の少なくとも一部分にわたる空間分解能を用いてサンプルの光学特性の数値表現を発生させるか又はその３次元画像を構成することができる。例えば、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、及び減衰を含めて、サンプルの多くの光学特性を抽出することができる。これらの光学特性の全部ではないにしても、その多くは一般的に波長依存になる。例えば、図１４に関連して以下に説明される２Ｄセンサアレイ６の前面に偏光ウォークオフ要素を含むことにより、計測システムを偏光感応にすることができることに注意されたい。この場合に、複屈折性又は偏光度のようなサンプルの偏光特性に関連付けられた１又は２以上の光学特性も抽出することができる。
【0068】
図５は、サンプル２０から反射又は散乱した光のフーリエ平面サンプリングに対して高い横方向分解能を有して構成された別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示している。この装置では、サンプルビーム３４及び基準ビーム２４が発生され、偏光ビームスプリッタ４１、１／４波長板４６、及び偏光アナライザ４８を使用して結合される。図４の装置に示されているパワービームスプリッタ４０の代わりに偏光ビームスプリッタ及び関連する偏光光学系を使用する利点は、広帯域光源２６からの光の５０％を無駄にすることの回避である。上述のように、基準ビーム２４は、一般的に、戻りサンプルビーム１８よりも遥かに強力である。図６に示すように、これを補償する１つの方法は、偏光アナライザの透過軸４９が低強度の戻りサンプルビームの偏光方向５０に対して平行に近く、従って、遥かに高強度の基準ビームの偏光方向５２に対して直交に近いように偏光アナライザを向けることである。両ビームの偏光方向に対して偏光アナライザを４５°に向ける通常の方法と比較すると、これはサンプルパワーの損失を３ｄＢから１ｄＢ未満に低減する。図５に戻ると、偏光ビームスプリッタ４１が光源の光６０を優先的にサンプルアームに向けるように光源アーム内の任意的な１／４波長板５４を方向付けて、基準及び戻りサンプルビームパワーのより良好な均等化も達成することができる。
【0069】
収束レンズ３８と高ＮＡ対物レンズ２２の組合せを使用して、図４に示す装置の場合と同様に、サンプル２０の拡張された連続容積１９、例えば、横方向の直径で１００μｍを照明する。照明された容積１９内からの反射又は散乱サンプル光１８は、対物レンズ２２で集められ、基準ビーム２４と混合され、かつ適切に位置決めされた直線２Ｄレンズレットアレイ１０を使用してフーリエ平面内でサンプリングされ、その後に任意的な開口アレイ（図示せず）が続く。ビームレット１４はレンズ４２で平行化され、透過型格子５６の形態の波長分散要素で分散され、かつレンズ４４を通して２Ｄセンサアレイ６の上に集束される。これに代えて、分散要素は、反射型格子又はプリズムとすることができる。図２に関連して上述したように、レンズレットアレイ１０は、各ビームレットがセンサアレイ６のピクセルの固有の組の上にマップされるように、好ましくは、格子５６の分散軸に対して傾斜している。結合インタ－フェログラムは、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、単一フレームで２Ｄセンサアレイから読み出すことができる。ここでもまた、インタ－フェログラムは、相互作用容積１９から反射又は散乱した光の信号の波長依存計測値を表し、その信号は、反射又は散乱光１８の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である。先の通り、これらの波長依存計測値を処理して、相互作用容積１９の少なくとも一部分にわたる空間分解能を用いてサンプルの光学特性の数値表現を発生させるか又はその３次元画像を構成することができる。
【0070】
戻りサンプルビームを十分に平行化されてアレイ１０内の全てのレンズレットを覆う基準ビームと干渉させることが一般的に好ましい。これは、基準アーム平行化レンズ５８の適切な選択を使用して図４の装置では簡単であるが、図５の装置では困難であり、それはビームスプリッタ４１に入射する光源ビーム６０が、サンプル２０の拡張された（回折限界ではない）領域を照明するために意図的に平行化されないからである。このために、図５の装置の基準アームは、小さい直径の発散ビーム６６をより大きい直径の平行化ビーム２４に変換するために、１／４波長板４６と基準ミラー６４の間にＮＡ変換器６２を含む。ＮＡ変換器６２は、大径レンズ７０と、大径レンズの焦点距離ｆ1に等しい距離だけ離された小径レンズ７２（レンズレットなど）とを有する。これら２つのレンズは、基準ミラー６４と組み合わされて、発散ビーム６６をレンズレット７２内部の中心７３にもたらす。その結果、レンズレットは戻り経路上に屈折力を持たないので、増大したＮＡを有する射出ビーム７４は、大径レンズ７０によって平行化される。
【0071】
ここで、フーリエ平面内でサンプリングする時に取得された干渉計測データの解析について説明する。フーリエ平面サンプリングの場合に、どのビームレット１４も、相互作用容積１９内の全ての点からの位相及び振幅情報を異なる個別の角度においてではあるが含む。従って、空間情報は角度情報として符号化される。
【0072】
簡単のために、図３に示すように位置（ｘ’，ｙ’）にあり、深度がΔｚの単一点からの散乱又は反射を考える。散乱点又は反射点が対物レンズ２２の焦点面の近くにあると仮定すると、レンズレットアレイ１０に入射する平行化場は、入射角ｘ’／ｆを有する平面波になる。従って、位置Ｘ，Ｙでレンズレットアレイに入射する干渉信号は、
として表すことができ、ここで、Ｒ（ｘ’，ｙ’）は、サンプルの反射率、Ｓ（ｋ）は、スペクトルパワー分布、ｆは、対物レンズ２２の焦点距離であり、ｘ0及びｙ0は、対物レンズの軸（又はレンズレットアレイ１０の軸）に対する基準ビーム２４の角度に関連付けられる。
【0073】
１次のオーダーでは、レンズレットのための開口アレイ２５（円形開口）における干渉信号成分は、
で近似することができ、ここで、Ｘi，Ｙiは、レンズレットの軸線を説明し、Ｄは、レンズレットアレイのピッチであり、ｃｉｒｃ（Ｘ，Ｙ，Ｄ）は、Ｘ2－Ｙ2＜（Ｄ／２）2に対して１であり、それ以外では０である。
【0074】
２Ｄセンサアレイ６によって計測された結合インタ－フェログラムと各レンズレットに対する２Ｄセンサ上への波長マッピングの知識とで、１組のインタ－フェログラムＩi,j（ｋl）を抽出することができ、ここで、ｉ，ｊは、レンズレットアレイ１０内のレンズレット位置を示し、ｋlは、図７に示すように、分光計（すなわち、グリッド）によって分解された波数を示している。インタ－フェログラムＩi,j（ｋl）をＭ個の異なる波数毎に１つの一続きの２Ｄインタ－フェログラムと見なすのが便利である。各２Ｄインタ－フェログラムの次元は、レンズレットアレイの次元と等しく、例えば、２５行ｘ４０列である。そのために、解析は全視野掃引光源ホロスコピー（Ｈｉｌｌｍａｎｎ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１２年、第２０巻、第１９号、ｐ．２１２４７－２１２６３）と類似しており、基本的な違いは、光検出器アレイと比べてレンズレットアレイの低サンプリング分解能（により例えば、５μｍピクセルと比較して３００μｍのレンズレットピッチ）、単一スナップショットで達成可能な視野が制限されることである。サンプルがフーリエ平面で計測されるので、各インタ－フェログラムに２Ｄの空間フーリエ変換を適用することによって像平面が取得される。有利なことに、軸外基準の場合に、フーリエ変換を使用してインタ－フェログラムの正及び負の空間周波数成分を分離することができるので、正の空間周波数成分のスペクトル軸に沿ったその次の１Ｄ ＦＦＴが全軸線方向深度範囲を達成する。これは、式（１）の余弦項の横方向フーリエ成分から容易に見ることができる：
それぞれの項の位相は、この時点でΔｚの符号に依存する。
【0075】
サンプルがゼロ遅延の一方の側だけにある場合に、軸外基準を必要としないことに注意されたい。明確な位相を有する複素信号は、スペクトル軸に沿った第１の１Ｄ ＦＦＴ、次に正の遅延に対して引き続く空間２Ｄ ＦＦＴによって取得される。従って、与えられた横方向帯域幅に対して、全帯域システムと比べて横方向範囲が倍増する。
【0076】
図４又は５に示すフーリエ平面サンプリングで達成可能な視野の例示として、以下のパラメータの組を考察する。レンズレットアレイ１０は、ピッチＰ＝３００μｍ、ＮＡ＝０．０８、及び波長λ＝０．８μｍにおけるスポットサイズ＝０．６１λ／ＮＡ＝６．１μｍを有する。対物レンズ２２については、ｆ＝４０ｍｍ、及び直径Ｄ＝１１ｍｍ（ＮＡ＝０．１４）と仮定して、３．６μｍの予想分解能を与える。全帯域システムに関する最大横方向範囲（Δｘ＝ｘ－ｘ0）は、ナイキスト限界（λ・ｆ）／Δｘ）＞２Ｐから見積もることができ、Δｘ＜５５μｍを与える。遅延がゼロ遅延の一方の側のみにある場合に対する横方向範囲は、この値の２倍であり、Δｘ＜１１０μｍである。ここでは対物レンズ２２とレンズレットアレイ１０の間に単位倍率を仮定し、５５μｍの横方向視野は、各レンズレットの焦点サイズの０．５倍未満のレンズレットアレイの焦点位置変化を与えることに注意されたい。
【0077】
図８は、上述のパラメータに対するＩi,j（ｋl）の２Ｄ空間フーリエ変換のマグニチュードを示し、正及び負の周波数成分７６、７８が確実に分離されるように基準ビームはオフセットしている。この特定の例では、基準ビームは水平軸と垂直軸の両方でオフセットしており、非干渉項を取り除いた。正の周波数成分７６又は負の周波数成分７８のいずれかをフィルリングによって抽出し、周波数オフセットを除去することができる。式（３）から、与えられたサンプル位置について、空間周波数は波長に依存することを見ることができる。この波長依存性は、スペクトル成分にわたってフーリエ変換を行う前に、波長依存の位相係数を掛けることによって除去され、全帯域深度プロファイルが取得される。
【0078】
他の実施形態では、結合ビームは、像平面内でサンプリングされる。図９に模式的に示すように、サンプル２０の照明された容積１９内の点（ｘ’，ｙ’）から反射又は散乱した光１８は拡大され、レンズレットアレイ１０の上に再結像される。複素視野は、戻りサンプル光１８を入射角αを有する軸外基準ビーム２４と混合することによって取得される。フーリエ平面サンプリングでのように、レンズレットアレイからの集束ビームレット１４は、任意的な開口アレイ２５を通されて、次に平行化され、分散され、かつ２Ｄセンサアレイ６の上に集束される。この場合に、基準ビーム２４は、信号の正及び負の周波数成分を分離するために軸外であることが必要である。上述のように、好ましい実施形態では、レンズレットアレイ１０は、構成が直線であって波長分散要素の分散軸に対して傾斜し、分散されたビームレットのセンサアレイ６のピクセルの固有の組１６－１、１６－２のようなものの上へのマッピングを提供する。複素視野は、サンプリングされた視野にわたる最初の空間フーリエ変換と、負の周波数成分をゼロに設定する段階と、次に逆フーリエ変換を適用する段階とから取得される。フーリエ平面でのように、スペクトル軸８に沿ったその後のフーリエ変換は、サンプル２０の照明された容積１９の全帯域反射率プロファイルを提供する。例えば、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、及び減衰、及び計測システムが偏光感応の場合は複屈折性又は偏光度を含めて、この反射率プロファイルから空間分解能を用いてサンプルの多くの光学特性を抽出することができる。
【0079】
図１０は、サンプル２０から反射又は散乱した光の像平面サンプリングに対して高い横方向分解能を有して構成されたスペクトル領域ＯＣＴ装置を示している。この装置の照明系では、光ファイバ結合式多波長又は広帯域光源２６からの光は、２ｘ２光ファイバカプラ２８を使用してサンプルアーム３０及び基準アーム３２に分けられる。図４の装置と同様に、２ｘ２カプラの分割比は、例えば、９０／１０又は９９／１のサンプル／基準比とすることができる。サンプルビーム３４はレンズ３６で平行化され、次に収束レンズ３８及び対物レンズ２２を通してサンプル２０の拡張された連続容積上に向けられる。好ましい実施形態では、対物レンズは、高い横方向空間分解能を保証するために比較的高い開口数を有する。例えば、０．１６ＮＡの対物レンズは、典型的には３．０μｍの横方向空間分解能を提供する。
【0080】
この装置の計測システムでは、照明された容積１９内から反射又は散乱したサンプル光１８は、対物レンズ２２で集められ、ビーム分割立方体４０のようなビームスプリッタに向けられて、そこで軸外の平行化された基準ビーム２４と混合される。結合ビームは、適切に位置決めされた２Ｄの直線レンズレットアレイ１０を使用して像平面でサンプリングされ、任意的に、その後に開口アレイ（図示せず）が続き、各ビームレット１４は、レンズ４２で平行化され、反射型格子４３の形態の波長分散要素で分散され、かつレンズ４４を通して２Ｄセンサアレイ６の上に集束され、そこから、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、結合インタ－フェログラムを単一フレームで読み出すことができる。これに代えて、分散要素は、透過型グリッド又はプリズムとすることができる。図２に関連して上述したように、レンズレットアレイ１０は、各ビームレットがセンサアレイ６のピクセルの固有の組にマップされるように、好ましくは、格子４３の分散軸に対して傾斜している。１つの特定の実施形態では、レンズレットアレイは、３００μｍピッチを有する直線４０ｘ２５のグリッド内に１０００個のレンズレットを有し、２Ｄセンサアレイは、５．５μｍのピクセルサイズを有する２０メガピクセルのＣＭＯＳカメラである。この像平面サンプリング方式では、各ビームレット１４は、相互作用容積１９の異なる部分からの位相及び振幅情報を含む。
【0081】
先の通り、センサアレイ６から読み出された結合インタ－フェログラムは、相互作用容積１９から反射又は散乱した光の信号の波長依存計測値を表し、その信号は、反射又は散乱光１８の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である。後述する数学的技術を使用して、これらの波長依存計測値を処理して、相互作用容積１９の少なくとも一部分にわたる空間分解能を用いてサンプルの光学特性の数値表現を発生させるか又はその３次元画像を構成することができる。計測システムは、例えば、図１４に関連して以下に説明される２Ｄセンサアレイ６の前面に偏光ウォークオフ要素を含むことによって偏光感応にすることができることに注意されたい。この場合に、その光学特性は、複屈折性又は偏光度のようなサンプルの偏光特性に関連付けることができる。
【0082】
図１１は、サンプル２０から反射又は散乱した光の像平面サンプリングに対して高い横方向分解能を有して構成された別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示している。この装置では、サンプルビーム３４及び基準ビーム２４が発生され、偏光ビームスプリッタ４１、１／４波長板４６、及び偏光アナライザ４８と組み合わされる。図６に関して上述したように、偏光アナライザ４８は、その透過軸が低強度の戻りサンプルビームの偏光方向に対して平行に近いように向けることができ、サンプルパワーの損失を低減する。偏光ビームスプリッタ４１が広帯域光源２６からの光を優先的にサンプルアームに向けるように光源アーム内の任意的な１／４波長板５４を方向付けて、基準及び戻りサンプルビームパワーのより良好な均等化も達成することができる。
【0083】
収束レンズ３８と高ＮＡ対物レンズ２２との組合せは、図１０に示す装置の場合と同様に、サンプル２０の拡張された連続容積１９、例えば、横方向直径で１００μｍを照明するのに使用される。照明された容積１９内からの反射又は散乱サンプル光は、対物レンズ２２で集められ、基準ビーム２４と混合されるが、基準ミラー６４が非分散軸内で傾斜しているので基準ビームが戻りサンプルビームに対して軸外になることに注意されたい。結合ビームは、適切に位置決めされた２Ｄ直線レンズレットアレイ１０を使用して像平面でサンプリングされ、任意的に、その後に開口アレイ（図示せず）が続き、取得されたビームレット１４は、レンズ４２で平行化され、透過型格子５６の形態の波長分散要素で分散され、かつレンズ４４を通して２Ｄセンサアレイ６の上に集束される。これに代えて、分散要素は、反射型格子又はプリズムとすることができる。図２に関連して上述したように、レンズレットアレイ１０は、各ビームレットがセンサアレイ６のピクセルの固有の組の上へマップされるように、好ましくは、格子５６の分散軸に対して傾斜している。結合インタ－フェログラムは、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、単一フレームで２Ｄセンサアレイから読み出すことができる。図１０と同様に、各ビームレットは、照明された容積１９の異なる部分からの位相及び振幅情報を含む。
【0084】
図１２は、拡張された連続領域からではなく、この事例ではサンプル２０上の離散スポット７９の２Ｄグリッドから反射又は散乱した光の像平面サンプリングに対して構成された更に別のスペクトル領域ＯＣＴ装置を示している。この装置の照明系では、サンプルアーム内の２Ｄレンズレットアレイ８１が、サンプルビームをレンズ８２及び８４とミラー８６とを通してサンプル上に集束されるビームレットのグリッド８０に分離する。任意的に、このミラーを１軸又は２軸で走査して、例えば、異なる領域を解析し、又はビームレット間の間隙を埋めるために、集束されるビームレットをサンプルにわたって平行移動することができる。これに代えて、サンプル２０を平行移動ステージ上に取り付けることができる。レンズ８２及び８４は、一般的に、例えば、１００ｘのような高倍率系を形成し、２又は３以上のステージで拡大を行うために追加のレンズを含むことが好ましい場合がある。
【0085】
この装置の計測システムでは、離散スポット７９から反射又は散乱したサンプル光は、サンプルアームのレンズレットアレイ８１によって平行化され、４Ｆレンズ系８８を使用して結合アームのレンズアレイ１０に伝えられ、かつ基準ミラー６４を非分散軸内で傾斜させることによって軸外にされた基準ビーム２４と混合される。図１１の装置でのように、結合ビームは、偏光アナライザ４８を通過し、次に適切に位置決めされたレンズレットアレイ１０を使用して像平面でサンプリングされ、その後に任意的な開口アレイ（図示せず）が続く。ビームレット１４はレンズ４２で平行化され、透過型格子５６の形態の波長分散要素で分散され、レンズ４４を通して２Ｄセンサアレイ６の上に集束されて結合インタ－フェログラムを形成する。これに代えて、分散要素は、反射型格子又はプリズムとすることができる。結合インタ－フェログラムは、次に、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、単一フレームで２Ｄセンサアレイから読み出すことができる。結合インタ－フェログラムは、離散スポット７９から反射又は散乱した光の信号の波長依存計測値を表し、その信号は、反射又は散乱光の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である。
【0086】
ミラー８６の走査又はサンプル２０の平行移動が可能であれば、それは、適切な機械可読プログラムコードを有する場合にプロセッサ４５を使用するセンサアレイの読み出しと同期させて都合良く制御することができる。
【0087】
図１０及び図１１に示すように、連続した拡張容積１９から散乱又は反射された光を像平面内でサンプリングする時に取得される干渉計測データの解析についてこれから説明に入る。サンプル２０が図９に示すように対物レンズ２２の焦点面内にあると仮定すると、レンズレットアレイ１０上の位置Ｘ，Ｙに入射する干渉信号成分は、
と表すことができ、ここでＭは、サンプルアーム内のレンズ系２２、３８の倍率であり、αは、図９に示すようにレンズレットアレイ１０における基準ビーム２４の入射角である。この場合に、基準ビームは、レンズレットアレイのＹ軸に位置合わせされると仮定される。重要なことは、全帯域撮像のためには、干渉信号の正及び負の周波数成分を分離するのに足りるだけαが大きくなければならないことである。
【0088】
この解析は、例えば、Ｈｕａｎｇ他、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１３年、第５２巻、第５号、ｐ．９５８－９６５、及びＦｅｃｈｔｉｇ他、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１４年、（ＤＯＩ：１０．１０８０／０９５００３４０．２０１４．９９０９３８）に説明されている軸外掃引波長型ＯＣＴに使用されるものと類似の手法に従うものである。複素視野は、Ｙ軸に沿ってフーリエ変換を行い、負の周波数成分及び周波数オフセットを除去し、次に逆フーリエ変換を適用して複素インタ－フェログラムＩi,j（ｋ）を取得することによって取得され、ここでｉ，ｊは、位置（Ｘｉ，Ｙｊ）にあるレンズレットを表している。
【0089】
先の遠視野の場合と類似の実験パラメータ、すなわち、３．６μｍの分解能（対物レンズのＮＡ＝０．１４）、５５μｍの横断方向範囲、及びレンズレットピッチＰ＝３００μｍを仮定する。サンプルとレンズレットアレイ間の大きい倍率は、高分解能サンプル情報のための高開口数をレンズレットアレイによって共に集束された後で基準ビームと最適に干渉することができるレンズレットと同等寸法の低開口数スポットに変換する。この入射角の範囲は、Δθ＜λ／（２Ｐ）、すなわち、Ａｉｒｙ半径の１／２で近似される。従って、ＮＡ／Δθ≒１００という倍率により、サンプルから放出された光線が確実に捕捉されることになる。これは、レンズレットアレイのピッチが拡大された分解可能なスポットサイズよりも小さいことを要求することと同等であることに注意されたい。
【0090】
以上の説明では、サンプルが対物レンズの焦点面内にあると仮定された。しかし、一般的に３次元サンプルでは、相互作用容積の大部分は、焦点面から幾分変位することになる。焦点面から離れた点からの散乱は、レンズレットアレイにおいて湾曲した波面を生じさせる。部分的に重なる連続した３Ｄスナップショットサンプルの捕捉は、データセットの正確な位相整合を可能にし、そのデータセットに対して、スナップショットサンプルを縫い合わせて３次元合成画像を形成する前又は後のいずれかに、適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサを使用してデジタル再集束技術を適用することができる。これに代えて、縫い合わされるデータセットの再集束を避けるために、スナップショットデータセットの中央にある横方向点にデジタル再集束を直接適用することができる。デジタル再集束は、明確な位相を有する信号を最初に計測する必要があり、従って、軸外横方向基準を有する全帯域システムと同じ符号の全遅延及び軸上横方向基準を有するシステムとの両方に適用することができる。この信号は、例えば、Ｋｕｍａｒ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１４年、第２２巻、第１３号、ｐ．１６０６１－１６０７８で全視野及び線視野システムに対して説明されている多くの公知の技術のうちの１つ、又はＦｅｃｈｔｉｇ他、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃｓ、２０１４年（ＤＯＩ：１０．１０８０／０９５００３４０．２０１４．９９０９３８）に使用されているようなモデルを適応させることによってデジタル的に再集束させることができる。これらの手法は、像平面をサンプリングするＯＣＴシステムに適用されるが、フーリエ平面のサンプリングに適応させることもできる。Ｈｉｌｌｍａｎｎ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、２０１２年、第２０巻、第１９号、ｐ．２１２４７－２１２６３に説明されているデジタル集束技術は、フーリエ平面内でサンプリングする場合に直接適用することができる。
【0091】
上述の様々なスペクトル領域ＯＣＴ装置の代替実施形態として、図１３は、サンプルから散乱又は反射された光の像平面サンプリングに対して構成された線形ＯＣＴ装置を示している。この装置の照明系では、多波長又は広帯域光源２６からの光は、ビームスプリッタ４０－１で分割されてサンプルビーム３４及び基準ビーム２４を形成する。図１０に示す装置でのように、サンプル２０の拡張された連続容積領域１９は、平行化されたサンプルビーム３４によって照明される。この装置の計測システムでは、反射又は散乱光１８は、レンズ２２及び３８を有する望遠鏡システムを使用して集められ拡大され、適切に位置決めされた直線２Ｄレンズレットアレイ１０によって像平面内でサンプリングされ、その後に任意的な開口アレイ（図示せず）が続く。取得されたビームレット１４は、レンズ４２で平行化され、別のビームスプリッタ４０－２を通して２Ｄセンサアレイ６の上に向けられる。上述のスペクトル領域手法とは対照的に、平行化された基準ビーム２４は、例えば、反射型格子４３で分散され、次に直接センサアレイ６に向けてサンプル視野と混合される。直線レンズレットアレイ１０は、好ましくは、格子４３の分散軸に対して傾斜しているので、各ビームレット１４に対して２Ｄ ＦＦＴから取得される波長依存の空間周波数成分は、２Ｄセンサアレイ６のピクセルの固有の組の上にマップされる。これら波長依存の空間周波数成分は、その後の解析のために適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサ４５により、２Ｄセンサアレイから読み出すことができる。各成分は、相互作用容積１９の異なる部分から反射又は散乱した光の信号の波長依存計測値を表し、その信号は、反射又は散乱光１８の電界ベクトルの位相及び振幅の関数である。
【0092】
与えられた波長に対して、センサアレイ６から読み出された対応するインタ－フェログラムの２Ｄ ＦＦＴ１３４が図１３Ａに示されている。レンズレットアレイ１０内のレンズレットに対応する各ビームレットは、振幅と位相の両方を有する異なる空間周波数成分１３６によって表される。基準アーム内の分散格子４３は、各ビームレットの各波長成分の振幅及び位相を計測することを可能にする。レンズレットアレイ１０は分散格子４３の分散軸に対して角度が付けられているので、ビームレットのスペクトル成分は周波数領域では別々のままであり、図１３Ｂに示すように各ビームレットに対して別々の２Ｄ ＦＦＴ１３８を取得することができる。正の空間周波数成分のスペクトル成分にわたる１Ｄフーリエ変換は、全帯域の３Ｄ深度プロファイルを提供する。簡単のために、分散されたビームレット１４０は、図１３Ｂでは平行であるとして描かれているが、実際にはそれらの勾配は、一般的に、ビームレット１４のセンサアレイ６上への入射角によって異なるので、全くの平行ではないことになる。依然として、適切なシステム設計の場合に、分散されたビームレット１４０間の勾配の変動は、それらがスペクトル成分において重複しないように十分に小さいことになる。
【0093】
この手法のスペクトル領域ＯＣＴ手法と比べた利点は、高価で位置合わせが困難である分光計を回避することができる可能性があることである。スペクトル領域手法と同様に、分散軸に垂直な軸内で傾斜した基準ビームは、図１３Ａに見られるように、正及び負の周波数項１４２及び１４４を分離することを可能にする。その結果、スペクトル軸に沿った１Ｄ ＦＦＴは、全帯域の軸線方向計測を可能にする。同様に、スペクトル領域手法から類推して、デジタル波面補正及び計測を実施することができる。しかし、線形ＯＣＴは、スペクトル領域ＯＣＴと比較して公知の時間領域感度ペナルティを被る。コーム状の離散波長、すなわち、希薄な軸線方向反射率プロファイルを使用することができる用途では、この感度ペナルティを低減することができる。
【0094】
上述のように、横断方向分解能と被写界深度の間にはＯＣＴ撮像におけるトレードオフがある。根本的に、このトレードオフは、より高ＮＡのレンズがより小さいスポットサイズを可能にし、及び従って横断方向分解能を強化するが、被写界深度の減少という代償を払うために生じる。
【0095】
図１４は、眼９０の網膜８９が、制限された開口数を有するレンズ系を通して多くの異なる角度で照明される網膜撮像のための装置を示している。眼球サンプルの場合に、開口数は瞳孔９２のサイズにより制限されるが、他の顕微鏡光学系において又は他のサンプルの場合に、結像系の開口数は光学要素のサイズにより制限される場合がある。重要なことは、この装置によって提供される角度的に構造化された照明、すなわち、２又は３以上の入射角での網膜容積１１４の照明は、制限された開口数の結像系を使用して別な方法で可能とされるよりも高い横方向分解能を可能にすると同時に、低開口数の大きい被写界深度を維持する。この角度的に構造化された照明は、ミラー１１２によって制御される角膜９４上に入射する様々な角度とは異なり、後述する網膜８９の異なる容積を照明するのに必要とされることに注意されたい。
【0096】
超発光発光ダイオード（ＳＬＥＤ）２６、又は他の広帯域又は多波長光源からの光は、網膜８９を探査するためと反射又は散乱光を通して網膜の特性を干渉法によって計測するためとの両方に使用される。最も一般的な形態では、光源２６は、少なくとも第１及び第２の波長を有する光を放出しなければならない。後述するように偏光感応検出を使用する時に、光源は偏光する必要があり、すなわち、与えられた偏光状態の光を放出しなければならない。この装置の照明系では、ＳＬＥＤ出力は、平行化要素３６によってビームに形成され、例えば、図４の装置に使用される従来型の偏光非依存ビーム分割立方体のような偏光非感応ビーム分割要素４０によってサンプル経路３０及び基準経路３２に分割される。サンプル経路ビームは、逆にしたガウスビーム拡大器のようなビーム縮小器９６によってサイズが縮小され、２軸ＭＥＭＳミラーのようなビームステアリング要素９８に向けられる。このビームステアリング要素は、平行化要素１００を通過した後で平行になり空間的に分離される多くの経路にサンプル経路ビームを向けるようになっている。図示の実施形態では、この平行化要素は、ＭＥＭＳミラー９８から１焦点距離だけ離れて位置決めされたレンズであるが、他の実施形態ではプリズム又はミラーとすることができる。ある一定の実施形態では、平行化要素はまた、サンプルビームのサイズを修正する。取得される各ビームレット１０１は、網膜８９の小領域を好ましくはこの事例では５０～５００μｍの範囲の直径で照明するように、サンプル眼の瞳孔９２よりも直径がかなり小さくなければならない。正常な弛緩状態の眼では、ビームレット１０１の平行な組が網膜の同じ点を照明するようになるが、高度の近視眼では、平行化要素１００の位置を調整して、網膜で大きく重なるビームレットの非平行な組を提供することが必要な場合がある。他の実施形態では、ビームレット１０１は、ＭＥＭＳミラー９８を使用して順番にではなく、回折光学素子（ＤＯＥ）を使用して同時に発生され、その場合に、網膜上への照明は、角度的に構造化された同時照明の形態になる。一般的は、順次的実施形態は、解析がフレーム間のサンプル移動によって過度に影響されない限り、解析的にはより簡単である。
【0097】
ビームレット１０１の連続又は同時アレイは、好ましい実施形態では開口付き反射器１０２を有するビーム分割要素を通過し、その場合に、有意な損失なしにＭＥＭＳミラー９８の異なる角度（順次的なビームレットの場合）又はＤＯＥの構造（同時のビームレットの場合）によってアドレス可能な位置で多くの離散的開口１０４を通過することができる。一般的に、開口付き反射器は、光を反射するための面、好ましくは、内部全反射面１１０と、反射せずに光を透過させるためにその面での内部全反射を局所的に中断させる１又は２以上の開口１０４とを有する。一実施形態では、開口付き反射器は、内部全反射のために研磨された光学面を含むプリズムと、内部全反射を中断させる穿孔の形態の１又は２以上の開口とを含む。図１５に示す好ましい実施形態では、開口付き反射器１０２は、反射面を固定的に接着して離間させる屈折率整合接着剤の液滴１０８によって与えられた開口１０４を除いて、研磨された光学面１１０の一方又は他方に内部全反射１０７を提供する１対のプリズム１０６を有する。接着剤の液滴によって付与されたプリズム１０６間の分離は重要なパラメータではないが、例えば、５～５００μｍの範囲にあるものとすることができ、例えば、約１０μｍである。好ましくは、プリズム１０６は図示のように直角プリズムである。開口付きビーム分割要素１０２の選択は、サンプルの照明と、偏光とは関係なく低い固有損失での後方反射光の捕捉とを可能にするので、従来のパワービームスプリッタよりも特に有利であるものとすることができる。明らかに、戻り経路において開口１０４によって一部の信号光が失われることになるが、各反射面１１０の全面積が開口１０４よりもかなり大きいので、照明ビームレット１０１が小さい場合は最小になる。どのような形態であっても、ビーム分割要素１０２は、好ましくは、偏光非依存であり、必要であれば、いずれの残留偏光感度も較正することができる。
【0098】
図１４に戻ると、開口付き反射器１０２を通過するビームレットは、次に、任意的に、光中継システム（図示せず）と組み合わされて、ステアリング可能なミラー１１２の形態の角度可変要素の上に入射し、網膜８９の共通の相互作用容積１１４に向けられる。ビームレット１０１は、ビームステアリング要素９８及び眼９０の光学的機能によって決定される異なる入射角で共通の相互作用容積１１４に向けられることは認められるであろう。網膜上の共通相互作用容積１１４の位置は、縫い合わせて合成像を生成することの可能な多くの像の収集によって網膜のより広い領域を撮像することができるように、ミラー１１２の角度調整により、例えば、位置１１４’に変えることができる。ミラー１１２の与えられた位置に対して相互作用容積１１４から散乱又は反射された光１８は、次に瞳孔９２全体を通して捕捉され、眼の光学的機能によって粗く平行化され、次に、無限遠に集束させた理想的な弛緩状態の眼の場合に対する網膜の照明点とは関係のない同等の伝播方向を有するようにミラー１１２によって向けられる。開口付き反射器１０２によって光源２６から離れるように向けられた後で、粗く平行化された戻りビーム１１６は、レンズ１１８によって集束されて網膜の像を形成する。好ましくは、レンズ１１８は、大まかな収差補正を提供して臨床環境で典型的に見出される近視及び乱視の大きい変動に適応するように可変フォーカスである。可変フォーカスレンズは、例えば、Ｖａｒｉｏｐｔｉｃから提供されている。
【0099】
図１４に示す装置は、例えば、図４の装置と異なり、共通の相互作用容積１１４を照明して散乱又は反射された光１８を集めるために対物レンズ２２を必要としないことに注意されたい。なぜならば、これらの機能は、サンプル眼９０の角膜及びレンズによって実行されるからである。図１４Ａに示すように、図１４の装置のサンプル関連部分は、対物レンズ２２又は他の光学的機能要素を組み込み、このレンズの焦点面に又はその近くにサンプルを位置付けることにより、角度的に構造化された照明を別タイプのサンプル２０に与えるように構成することができる。対物レンズは、ビームレット１０１をサンプル２０の共通相互作用容積１１４の上に向けて散乱又は反射された光１８を集める。角度可変式ミラー１１２の代わりに、Ｘ，Ｙ平行移動ステージ１１９を使用して、別の容積１１４’を撮像するためにサンプルを移動することができる。例えば、背面照明、ビームスプリッタ又はビーム結合器、及びサンプルの回転を含めて、非眼球サンプルの１又は２以上の容積に角度的に構造化された照明を提供して散乱又は反射された信号光を収集するための方式が他に多く存在することは認められるであろう。
【0100】
網膜の像は、ビーム結合器１２０を通過して、干渉計を含む装置の計測システムに入る。図示の実施形態では、ビーム結合器１２０は、要素１０２に類似するが、網膜の像を通過させるための単一開口１０４を有する開口付き反射器である。それによって戻りサンプルビームを基準ビーム２４と結合させ、適切に位置決めされた２Ｄレンズレットアレイ１０を使用してフーリエ平面内でサンプリングすることが可能になる。
【0101】
ここで基準ビーム２４の経路の説明に入るが、基準ビーム２４は、ビームスプリッタ４０で反射され、かつサンプル眼９０との間を進行するサンプルアーム光の群遅延を近似的にマップする１対の直角プリズム１０６Ａ、１０６Ｂを含む遅延線を通される。この遅延線は、基準アーム３２での分散がサンプルアーム３０での分散と同様であることを保証するために分散等化要素１２４を組み込むことができる。任意的に、基準アームは、基準ビームに対して与えられた偏光状態を生成するために、半波長板又は偏光子のような偏光修正要素１２６を含むことができる。遅延線に続けて、基準ビーム２４は、開口付き反射器１２０の内部全反射面１１０に集束され、網膜の像の位置の近くに（すなわち、開口１０４の近くに）焦点を形成する。反射した基準ビーム及び透過したサンプルビームは、次に、遠視野の角度分布を空間分布に変換するレンズ１２２によってほぼ平行化され、レンズレットアレイ１０を使用して平坦２Ｄ面にわたってサンプリングすることができる。好ましくは、相互に位置合わせされた開口アレイ２５を組み込んで、以下に説明する２Ｄ分散光学系１２８の分解能を損なう迷光を除去する。
【0102】
ビーム結合器１２０に開口付き反射器を使用することは、ビーム結合器１２０に集束されているサンプルビームと基準ビームとの両方を有意な損失なしに装置の干渉計部分に通すことができるので、この構成において特に有利である。サンプル焦点と基準焦点の間の横方向変位が小さい場合に、干渉計における縞コントラストに対するオフセットの影響を最小にすることができる。その結果、この装置は、明らかに眼球サンプルに対して制限しなければならないサンプル上に与えられる照明パワーに対して非常に高いＳＮ比を提供することができる。
【0103】
２Ｄ分散光学系１２８は、開口アレイ２５から約１焦点距離だけ離れて位置決めされた第１の平行化レンズ４２と、１つの軸に沿って分散を提供する透過型格子５６の形態の波長分散要素と、グリッド点の分散アレイをＣＭＯＳカメラ又は他の焦点面アレイのような２Ｄセンサアレイ６の上に集束させるための第２のレンズ４４とを有する。代替実施形態では、分散要素は、反射型格子又はプリズムとすることができる。説明を簡単にするために、分散エンジン１２８を通る代表的な光線経路は、図１４には示されていないことに注意されたい。上述の場合のように、レンズレットアレイ１０及び格子５６の分散軸の向きは、開口から現れるビームレットの各々から生成されるスペクトル分散線が、図２に示すように横方向に僅かにオフセットするように選択される。信号ビームレットと基準ビームレットの両方の偏光状態を分けるために、ＹＶＯ4板のような偏光ウォークオフ要素１３０が設けられ、図示のように、各サンプリング点（開口又はレンズレット）に対して２つの波長分散線１３２を与える。偏光感応検出を伴わない代替実施形態では、ウォークオフ要素１３０は省略される。
【0104】
図１４に示す撮像装置の作動は、最初に、通常の横方向分解能モード、すなわち、角度的に構造化されていない照明に対して説明され、それはサンプル眼９０のＮＡによって制限される。好ましくは、グローバルシャッターモードで作動するＣＭＯＳカメラ６の単一フレーム取得期間中に、ＳＬＥＤ２６は、眼の有意な運動アーチファクトを回避するのに十分な短い時間だけパルス駆動される。サンプルビームは、開口付き反射器１０２の単一開口１０４を通って向けられ、瞳孔９２の特定の領域を通って網膜８９の容積１１４を照明する。ウォークオフ要素１３０によって付与される偏光分離の有無を問わず、照明された容積から後方に反射又は散乱した光の分散干渉像は、次にＣＭＯＳカメラ６からデジタル的に読み取られ、適切な機械可読プログラムコードを有するプロセッサで処理されて、適切なレンズレットアレイ１０によって与えられたサンプリング点の各々に対してピクセル－波長マップを提供する。スペクトル領域ＯＣＴの分野で良く理解されているように、波長は、補間によって線形化されたｋベクトルに変換され、規則的間隔のｋベクトルの組に対して照明容積１１４の面にわたって位相及び振幅のマップを構成することができる。サンプル点の組は、フーリエ平面での電界ベクトルのサンプリングに対応するので、フーリエ変換を使用して、照明されたサンプル容積１１４の３次元画像又は表現を構成するか又は発生させることができる。デジタル収差補正及び／又はデジタル再集束の使用を適用して、同等の開口数制限を有する単一走査ビームの場合に達成可能なものと比べて改善した被写界深度にわたって画像の横方向分解能を維持することができる。
【0105】
構成又は発生された３次元画像又は表現は、位相、反射率、屈折率、屈折率変化、又は減衰のようなサンプルの光学特性の抽出に適する反射又は散乱した光の単一偏光の振幅又は位相の計測値とすることができる。これに代えて、偏光ウォークオフ要素１３０によって検出システムが偏光感応になる場合に、画像又は表現は、サンプリングされている材料のタイプを表すことができる複屈折性又は偏光度のようなサンプルの偏光特性とすることができる。これらの計測技術は、ＯＣＴシステム（例えば、走査型、時間領域、又は全視野ＯＣＴシステム）に関して良く理解されており、今では簡単に適用することができる。
【0106】
好ましい実施形態では、偏光感応検出システムは、第２の異なる偏光状態の光でサンプル容積１１４の照明を可能にするようにサンプルアーム内において電圧制御された液晶素子のような偏光制御要素１３４で補完される。この場合に、計測システムは、反射又は散乱光１８の第２の追加の同時計測の組を行い、プロセッサ４５は、両組の計測値を処理して、サンプルの１又は２以上の偏光特性の３次元画像又は表現を構成するか又は発生させる。装置に対するこの修正は、例えば、サンプルの複屈折が入力偏光状態と平行である場合にその複屈折性を計測することができないという状況を回避する。一般的に、単一偏光を使用する照明及びその後の偏光感応検出は、多くの場合に臨床的に有用なコントラスト機構を提供することができるが、異なる偏光状態を使用して２又は３以上の別々のサンプル計測を行う機能により、サンプルの偏光特性のより完全な記述又は表現を取得することが可能になる。
【0107】
網膜８９の追加部分を撮像するために、ミラー１１２の角度位置を調整して第２の容積１１４’を照明するが、この容積１１４’は、好ましくは、第１の容積１１４に隣接し、合成縫い合わせ画像の位置合わせを容易にするために小さい重なりを有する。この処理をミラー１１２の多くの角度に対して繰返し、網膜の益々大きい領域の３次元合成画像を構成することができる。個々の画像の各々は、それぞれの容積にわたる網膜の光学特性の数値表現と考えることができる。特に注目されるのは、個々の容積画像の各々に対してデジタル再集束及び／又は収差補正を行うことができるので、軸外収差又は網膜位置の関数としての眼球長さの変化を取得後に後処理して視野全体を通してより鮮明な画像を提供することができるということである。これに代えて、個々の容積画像を互いに縫い合わせて結合された容積にわたる網膜の光学特性の単一数値表現を形成した後で、デジタル集束及び／又は収差補正を適用することができる。見かけの眼球長さの変化は近視患者の共通の特徴であり、例えば、それは、取得を追跡することができる適応光学系がなければ、通常は画像の分解能を制限することになる。軸外収差のデジタル再集束のレベルに関するこの情報も、被検眼の軸上収差の一部の定量的な尺度を提供するので、近視進行の評価において臨床的に有意義であるものとすることができる。網膜又は角膜、又は非眼球サンプルの層を視覚化する時に、サンプルのスライスを撮像するＢ走査として行うことが多くの場合に役に立つ。Ｂ走査でこの高分解能詳細の視覚化を可能にするために、当該のスライスを包含して複数の隣接する容積を共に処理することができ、取得される３次元合成画像は、そのスライスの周りの領域のサンプリング又は加重平均のいずれかによって高分解能Ｂ走査に変形される。
【0108】
図１４の装置の様々な要素は、連携様式で作動させなければならないことは認められるであろう。これらは、例えば、ＳＬＥＤ２６、サンプルアーム偏光制御要素１３４、ビームステアリング要素９８、角度可変式ミラー１１２（又は平行移動ステージ１１９）、及びＣＭＯＳカメラ６を含む。この制御の全体的なレベルは、例えば、適切な機械可読プログラムコードを有する場合にプロセッサ４５によって提供することができる。
【0109】
予め決められた開口数の結像系で達成可能な横方向分解能及び被写界深度を改善するために、ここで、ミラー１１２の各設定角度に対して網膜８９の同じ容積１１４の２又は３以上の計測を各回に瞳孔９２及び開口付き反射器１０２内の開口１０４を通る異なる経路による異なる入射角で照明して行う事例を考察する。１つの特定の例では、開口付き反射器は４つの開口を有し、開口のうちの２つは、瞳孔の両端で垂直軸内で分離され、他の２つの開口は、水平軸線内で分離される。ある一定の実施形態では、異なる照明経路が２軸ＭＥＭＳミラー９８の角度調整によって確立されるので、サンプルビームは、指定された開口を順次通って伝播する。他の実施形態では、異なる照明経路が、例えば、上述のように回折光学素子（ＤＯＥ）を使用して同時に確立される。前者の場合に、容積１１４の複数の計測値が順次取得され、すなわち、各照明経路（入射角）に対して単一ショットの取得が行われる。後者の場合に、複数の計測値が同時に取得される。すなわち、全ての照明経路に対して単一ショットの取得が行われる。いずれにしても、異なる照明経路の各々について捕捉された遠視野は、結果として遠視野における角度オフセットに対応する。このようにして、そうでなければ系のＮＡから外れることになる像の高周波空間コンテンツの異なる領域は、ベースバンドに下方シフト又は「混合」された周波数コンテンツを有する。各照明経路は異なる高周波数領域を捕捉するので、結合された空間コンテンツは、単一照明捕捉と比較して潜在的に２倍になり、それによってＲａｙｌｅｉｇｈ判断基準の半分の超分解能が達成される。この手法は、場が、ここでは、強度画像と矛盾しないように反復的に再構成する必要があるということではなく、単一スナップショットで干渉法を使用して捕捉されるという点で、例えば、Ｄｏｎｇ他著「３Ｄ再集束及び超分解能マクロスコピック結像のための開口走査フーリエタイコグラフィ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０１４年、第２２巻、第１１号、ｐ．１３５８６－１３５９９に説明されているフーリエタイコグラフィを超える進歩である。本出願人の手法では、フーリエ場の通過帯域は、異なる部分遠視野を位置合わせして縫い合わせることによって拡張され、縫い合わされたフーリエ平面を生成することができ、各部分遠視野は単一ショットで取得される。拡張フーリエ場計測値のフーリエ変換又は他のデジタル処理は、横方向分解能の強化をもたらす。強度だけの計測値に基づいて場がどのようなものであったのかを推測するための反復法に頼る必要がない。
【0110】
例えば、毛細血管血流を計測する場合に、又は機械的、音響的、熱音響的、又は超音波的な摂動の存在下での変形計測又はエラストグラフィ計測を行う場合のような相対位相のドップラー様計測が価値のある状況が数多く存在する。このために、例えば、図４又は図１０に示す装置は、サンプルの３Ｄ容積にわたる運動又は変形、及び歪みのような関連する量のドップラー様計測に利用することができる相対位相感応ＯＣＴ装置を提供するように適応させることができる。上述の他の装置も類似の方法で適応させることができることは認められるであろう。
【0111】
この「ドップラー」実施形態では、多波長光源２６をトリガして少なくとも第１及び第２の光パルスを生成し、その各々は、相互作用容積１９内で計測される予定の運動又は変形の存在下で位相計測を可能にするのに十分短い持続時間である。第１のパルスから反射又は散乱した光１８は、上述のように、２Ｄセンサアレイ６の単一露光又はフレームで捕捉されて解析される。予め決められた期間の後に、第２のパルスが発生され、その反射又は散乱光１８は、続けて２Ｄセンサアレイの第２の露光で解析される。各露光は、読み出し及び解析の後に、波長の範囲にわたって相互作用容積からの位相及び振幅情報を含む複素画像を提供する。ある一定の実施形態では、パルス間のタイミングは、センサアレイのフレームレートよりも小さく、センサアレイの露光に対してパルス照明を適切に時間調整することによって達成することができる。すなわち、第１のパルスは、１つのフレームの終了の近くで発生し、第２のパルスは、次のフレームの開始の近くで発生するものとすることができる。明らかに、光源２６のパルスは、センサアレイ６の作動と連携しなければならない。ある一定の実施形態では、光源２６は、センサアレイからデータを読み出して解析する同じプロセッサ４５によってトリガされる。
【0112】
図４に示す遠視野又はフーリエ平面サンプリングを使用する時に、サンプル反射スペクトルは、２Ｄレンズレットアレイ１０のサンプリングに対応する位置のアレイにわたってフーリエ平面で解析される。レンズ２２の焦点面にほぼ位置付けられた相互作用容積１９内の与えられた深度（スペクトルインタ－フェログラムの周波数成分に対応する）に対して、各横方向サンプル位置に関して、２Ｄ遠視野空間周波数成分が存在することは注目に値する。更に、与えられた鏡面反射又はスペックル周波数成分は、それに関連付けられた位相を有することになる。特定の反射の横断方向位相は、２Ｄセンサアレイ６上を用いて検出され、プロセッサ４５による数値処理中に、相互作用容積１９にわたって空間分解能を有する反射の位相と振幅の両方、すなわち、複素像を戻す複素ＦＦＴによって取り出すことができる。有意な位相計測を提供するのに足りるだけ振幅が大きい領域では、位相をその上にマップすることができる１組の点を確立することができる。ある一定の実施形態では、マッピングは、スペクトル成分のＦＦＴによって取得される位相の軸線方向成分だけを形成する。他の実施形態では、マッピングはまた、空間的遠視野成分の位相に対応する横断方向位相成分を含む。横断方向位相は、レンズ２２の焦点距離に従ってスケーリングする必要があり、一般的は、より低感度の変位尺度になる。すなわち、与えられた位相シフトは、捕捉された光１８の開口数に応じて、軸線方向の位相シフトよりも約３～１０倍だけ大きい変位を示すことになる。感度の低下を考慮に入れても、サブミクロンの変位の場合に、これは、依然として、従来のラスター走査型ＯＣＴシステムを使用して正確には達成することが困難である価値ある計測である。従って、それは、特に、計測すべき毛管流れ又は他の運動が主として横断平面にあるために軸線方向成分がない場合に関して、真の速度ベクトル、すなわち、変位率のより正確な計測を可能にすることができる。
【0113】
照明パルス間にサンプル２０のバルク運動又は変形がなく、すなわち、ドップラー計測において当該のサンプル内運動又は変形よりも遥かに大きい粗い移動がない場合に、単に点のデータセットの相対位相を差し引くことは簡単である。しかし、いつもそうであるとは限らない。多くの計測では、２つの計測セットに対応する２つの情報フレームを適切に位置合わせすることができることが特に重要である。フレーム間のこのバルク位置合わせは、１つのフレームと次のフレームの間でサンプルグリッドの与えられた変位及び変形（例えば、線形圧縮）マッピングを与えるグリッド変換の存在下で相互相関関数を最適化することによって達成することができる。２つのフレームの正確な位置合わせは、マッピングに関連付けられた位相シフトを考慮して、決定されているサンプル内運動（例えば、毛管流れ）又は変形（例えば、機械的摂動）に関連付けられた変位によって生じる相対位相シフトを決定するための基底を決定する段階を伴う。フレーム間の予め決められた期間を知ることにより、変位率を決定することができる。
【0114】
エラストグラフィは、生体組織のようなサンプルの局所的な弾性又は剛性を変位計測から決定する。例えば、サンプルの圧縮により誘起される局所的な変位は、圧縮前後の相対位相計測値から正確に決定することができる。局所的な弾性は、計測された変位から深度の関数として推測される。これに代えて、弾性は、パルス摂動を使用して低振幅剪断波を発生させることによって決定することができ、これらの波の速度及び分散は、サンプルの機械的特性に敏感である。波動伝播に起因する低振幅のサンプル変位を計測するには、位相感応計測によって提供される分解能が必要である。
【0115】
波長分散要素の分散軸に対して角度が付けられた直線２Ｄレンズレットアレイで戻りサンプルビーム及び基準ビームをサンプリングする図示のスペクトル領域ＯＣＴ及び線形ＯＣＴ実施形態は、サンプルの３次元画像の単一ショットでの取得を可能にすることは認められるであろう。特に、例示の実施形態は、サンプル眼に存在する収差の補正を使用する小容積の網膜から反射又は散乱した光のスペクトル特性の数値的再構成に基づいて網膜の改善された高分解能光学画像を取得するための装置及び方法を提供する。
【0116】
図示の実施形態の各々では、光ビームの集束は、レンズ形態の屈折力要素を使用して行われる。しかし、軸外放物又は楕円ミラーのような他の形態の屈折力要素を使用することができるは認められるであろう。
【0117】
本発明を特定の例を参照して説明したが、本発明を多くの他の形態に具現化することができることは当業者によって認められるであろう。
【符号の説明】
【0118】
６ ２Ｄセンサアレイ
１０ ２Ｄレンズレットアレイ
１８ 反射又は散乱光
２０ サンプル
３２ 基準アーム
１０ ２Ｄレンズレットアレイ
１８ 反射又は散乱光
２０ サンプル
３２ 基準アーム
【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13A】
【図13B】
【図14】
【図14A】
【図15】
