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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-12-26
(54)【発明の名称】スペクトル領域光干渉断層撮影用集積光学系
(51)【国際特許分類】
A61B 3/10 20060101AFI20231219BHJP
G01N 21/17 20060101ALI20231219BHJP
G02F 1/313 20060101ALI20231219BHJP
G02B 5/30 20060101ALI20231219BHJP
【ＦＩ】
A61B3/10 100
G01N21/17 625
G01N21/17 630
G02F1/313
G02B5/30
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023528670
(86)(22)【出願日】2021-11-15
(85)【翻訳文提出日】2023-07-12
(86)【国際出願番号】 GB2021052954
(87)【国際公開番号】W WO2022101643
(87)【国際公開日】2022-05-19
(31)【優先権主張番号】2017937.0
(32)【優先日】2020-11-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523176369
【氏名又は名称】シロトン リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100168583
【弁理士】
【氏名又は名称】前井 宏之
(72)【発明者】
【氏名】アレン・ユアン
(72)【発明者】
【氏名】プライス・アラスデア
【テーマコード（参考）】
2G059
2H149
2K102
4C316
【Ｆターム（参考）】
2G059AA05
2G059BB12
2G059EE02
2G059EE09
2G059EE11
2G059GG01
2G059GG09
2G059JJ01
2G059JJ30
2G059KK01
2G059LL10
2H149AA22
2H149DA02
2K102AA17
2K102AA28
2K102BA08
2K102BA16
2K102BB04
2K102BC05
2K102BC10
2K102BD00
2K102DA04
2K102DB00
2K102DB02
2K102DB04
2K102DC07
2K102EA05
2K102EA21
2K102EA25
2K102EB22
4C316AB03
4C316AB04
4C316AB08
4C316AB11
4C316FA09
4C316FY01
(57)【要約】
光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンをするための装置について説明する。本装置は、第１信号と、参照信号と、光集積回路（１１）と、干渉信号分析手段とを提供する。光集積回路（１１）は、被写体（１３）から反射された反射第１信号を受信する。光集積回路（１１）は、反射第１信号を参照信号と結合して干渉信号を提供する。光集積回路（１１）内の可変遅延器（１８）は、参照信号と第１信号のうちの一方の光路長を変化させて、参照信号の光路長を反射第１信号の光路長に一致させる。可変遅延器（１８）は、異なる長さの経路間で選択するための少なくとも１つの二値スイッチを含む。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンに適した装置であって、第１信号を提供する手段と、
参照信号を提供する手段と、
光集積回路であって、
（ｉ）被写体から反射された反射第１信号を受信する手段と
（ｉｉ）前記反射第１信号を前記参照信号に結合して干渉信号を提供する手段と、
（ｉｉｉ）前記参照信号と前記第１信号のうちの一方の光路長を変化させて、前記参照信号の光路長を前記反射第１信号の光路長に一致させる可変遅延器であって、異なる長さの経路の間で選択するための少なくとも一つの二値スイッチを備える可変遅延器とを備える光集積回路と、
前記干渉信号を分析する手段と
を備える、装置。
【請求項2】
前記可変遅延器は、一連の二値スイッチと、長さの異なる選択可能な経路要素を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記経路要素の長さはＬ、２Ｌ、等の２NＬまでであり、Ｎは整数である、請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記可変遅延器は、０からＬ（Ｌは２×２N－１）の段階で遅延を行う二値遅延器である、請求項３に記載の装置。
【請求項5】
前記可変遅延器は、Ｎ個の遅延経路要素と、Ｎ＋１個の二値スイッチとを有し、各遅延経路要素の前に位置する１つの二値スイッチは、直接経路と遅延経路要素とを選択的に切り替え、出力側にある１つの二値スイッチは、前記直接経路又は前記最終遅延経路要素から前記可変遅延器の出力へ選択的に切り替える、請求項２、３、又は４に記載の装置。
【請求項6】
前記スイッチは双方向多重化又は逆多重化スイッチである、請求項２～５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項7】
前記可変遅延器は前記参照信号に作用する、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項8】
前記長さの異なる経路のうちの一つは、位相シフタを有する調整可能な迷路を含む、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項9】
前記第１信号を提供する手段は広帯域光源であり、前記干渉信号を分析する手段は分光器である、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項10】
前記分光器は、アレイ型導波路回折格子、ＡＷＧ、リングバス、リングファンアウト、二値非対称マッハツェンダ干渉計、ＡＭＺＩ、及びＡＭＺＩファンアウトのうちの１つとして実装されている、請求項９に記載の装置。
【請求項11】
前記第１信号を提供する手段は掃引レーザ光源であり、前記干渉信号を分析する手段は点光検出器である、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項12】
前記参照信号を提供する手段はビームスプリッタであり、前記ビームスプリッタは前記第１信号をビームスプリットする、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項13】
前記結合する手段は２×２カプラであり、前記２×２カプラは、方向性カプラ、マルチモード干渉計、及びマッハツェンダ干渉計のうちの１つである、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項14】
前記光集積回路は、前記第１信号を一組の撮像光学系に導波して前記被写体に導き、前記被写体からの反射光を前記一組の撮像光学系を介して前記結合する手段へ導波するための第１経路と、
前記参照信号を反射板へ導き、前記結合する手段へ戻すための第２経路を備える、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項15】
前記第１経路及び前記第２経路は、前記第１信号及び前記参照信号の偏光をそれぞれ維持するための偏光維持ファイバを備える、請求項１４に記載の装置。
【請求項16】
前記分析された干渉信号を遠隔で見る手段は出力画像処理装置であり、前記可変遅延器の遠隔制御を行う手段はオンチップ制御ユニットである、先の請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項17】
光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンに適した方法であって、光源によって提供される第１信号を提供することと、
参照信号を提供することと、
被写体から前記第１信号を反射し、反射第１信号を前記参照信号に結合して干渉信号を提供することと、
前記参照信号の光路長を前記反射第１信号の光路長に一致させるよう、前記参照信号と前記第１信号のうちの一方の遅延を可変遅延器によって調整することであって、異なる長さの経路間で選択することを含む、調整することと、
前記干渉信号を分析することと
を含む、方法。
【請求項18】
前記干渉信号においてピークが同定されるまで、前記異なる長さの経路間で自動的に選択することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記干渉ピークを同定するように、前記干渉信号に対して画像認識を行うことを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、眼科用、例えば緑内障の要因を検出するための、例えばスペクトル領域での光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンを行うための装置及び方法に関する。本発明は、光集積回路技術を用いたＯＣＴスキャナを実現しようとするものである。
【背景技術】
【0002】
光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンは、低コヒーレント光を用いて、例えば眼球網膜やその他の生体組織の媒体内を２次元及び３次元の画像を撮影する撮像技術であって、眼科で一般的に使用されている。媒体によって吸収率や反射特性が異なるため、媒体内のさまざまな構造物に異なる波長が吸収、反射されることで、深さ１～２ｍｍまでの構造物を画像として示すスキャンを可能にしている。生体組織は主に水（約８０％）で構成されており、水や生体媒体の吸収率や散乱特性がそれぞれ低いため、従来は可視光線が利用されている。
【0003】
１点の深さ方向のスキャン、すなわちＡスキャンは、通常、中心波長を特徴とする光源を使用して行われ、対象点における媒体の構造特性に対応する反射波長から固有のスペクトルを得ることができる。点状スキャンを並べたラインスキャン、すなわちＢスキャンを行うと、媒体の断面スキャンが得られる。エリアスキャン、すなわちＣスキャンは、直交する２軸（従来はＸ軸とＹ軸）のラインスキャンで構成され、媒体の３次元スキャンである。
【0004】
Ａスキャンは、通常、適切なソースからの単一の光入力信号を２つの信号にまず分割することによって実行される。本明細書において、単一の光入力信号を「分割する」とは、２つの位相ロックされた信号、例えば位相ロックされたレーザを提供することを含む。
【0005】
ほぼ均等の分割が好ましく、それにより各分割信号は初期入力信号の５０％のパワーを有するが、これは必須ではなく、後に説明するように、サンプル経路によっては偏った分割となることがある。初期信号の分割により得られる測定信号と参照信号は、それぞれサンプル経路と参照経路で送信され、それぞれの経路で反射して戻る。それぞれの経路長は、経路差が光源のコヒーレンス長内に収まるように一致させる。２つの信号は重乗され、干渉パターンが得られる。このパターンをスペクトル分析することで、スキャンされる媒体の点に対応したスペクトルを得ることができる。
【0006】
ＯＣＴスキャンは、時間領域（ＴＤ）又は周波数領域（ＦＤ）で行うことができる。ＴＤ－ＯＣＴでは、参照経路の長さを時間的に変化させて２つの分割信号の干渉を調整し、強度に対する参照ミラーの変位を示す出力強度を得ることができる。ＦＤ－ＯＣＴでは、２つの信号の広帯域干渉を求め、フーリエ変換を行うことで、強度に対する深さを示すスペクトルを得ることができる。ＦＤ－ＯＴＣスキャンに対する２つの一般的なアプローチには、スペクトル領域（ＳＤ）と掃引ソース（ＳＳ）ＯＣＴがある。眼科用のフォトニクス集積回路（ＰＩＣ）上の既存のＳＤ－及びＳＳ－ＯＣＴスキャナの例は、Ｅ． Ｒａｎｋらによる「眼科用の８４０ｎｍにおける光集積回路上のスペクトル領域及び掃引光源光干渉断層計」［２０１９］ Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ－ＯＳＡ Ｖｏｌ． １１０７８で見ることができる。
【0007】
既存のＯＣＴ装置では、参照光路長とサンプル光路長を一致させることが課題である。
【0008】
検査対象のサンプルには個体差があるため、異なるサンプルのサンプル経路長は個体ごとに異なる。例えば、眼球の大きさ（深さ）は、個人差が大きい。また、ＯＣＴ装置の使用者の眼への提示は、操作者や操作の仕方によって（例えば、被験者の顔への装置の差し出し方によって）変動したり、被験者の眼窩、頬骨、額等の形状に依存する場合がある。
【0009】
Ｘｉｎｇｃｈｅｎ Ｊｉらによる「オンチップの調整可能な光遅延線」 ＡＰＬ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ４， ０９０８０３ （２０１９）では、チップ上の可変遅延線としてマイクロヒーターを集積した超低損失高閉じ込めＳｉ3Ｎ4導波路の使用を開示している。ＯＣＴ装置に必要な遅延の変化を実現するためには、この文献に記載されているような可変遅延線を非常に長くする必要がある。光遅延線が非常に長いと、不要なばらつきをもたらすという問題がある。また、遅延線の総延長によりチップ面積が大きくなり、かなりの加熱を必要とするため、ファイバ接続の問題や遅延線の遅延変更時の整定時間が長くなるという問題を招き、チップが不安定になり得る。
【0010】
非常に細かい調整が必要である。現在の技術では、ＯＣＴ装置の操作は臨床医などの有資格者でなければできない。経験不足の人や、有資格者であっても有資格者の支援が得られない場合は、小型で持ち運び可能なＯＣＴスキャン装置で、安定した信頼性の高いＯＣＴスキャンを実施することができない。特に、技術を拡張して発展途上国で使用する際に問題点となる。
【発明の概要】
【0011】
本発明によれば、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンに適した装置を提供し、該装置は、第１信号を提供する手段と、参照信号を提供する手段と、光集積回路とを備える。光集積回路は、（ｉ）被写体から反射された反射第１信号を受信する手段と、（ｉｉ）反射第１信号を参照信号に結合して干渉信号を提供する手段と、（ｉｉｉ）参照信号と第１信号のうちの一方の光路長を変更させて、参照信号の光路長を反射第１信号の光路長に一致させる可変遅延器とを備え、可変遅延器は、異なる長さの経路の間で選択するための少なくとも１つの二値スイッチを備える。干渉信号を分析するための手段が設けられている。
【0012】
第１信号と参照信号は、好ましくは、いずれも共通の光源から得られる光信号である。
【0013】
可変遅延器は、好ましくは、参照信号に作用するが、参照信号にも適切な固定遅延が与えられている場合には、第１信号に作用してもよい。
【0014】
可変遅延器を提供する手段の遅延部品は、集積位相シフタを有する整調可能螺旋又は整調可能スイッチ遅延であってもよい。円形の螺旋は曲率が低いため好ましいが、蛇行パターンや迷路に凝縮された他の経路等を螺旋の代用として使用することができる。
【0015】
第１信号を提供する手段は、好ましくは広帯域光源であり、干渉信号のスペクトルを分離する手段は、好ましくは分光器である。分光器は、アレイ型導波路回折格子（ＡＷＧ）、リングバス、リングファンアウト、二値非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）、及びＡＭＺＩファンアウトのうちの１つとして実装することができる。
【0016】
第１信号を提供する手段は、掃引レーザ光源であってもよく、その場合、干渉信号スペクトルを分離する手段は、相補型金属酸化膜半導体カメラなどの点光検出器であってもよい。
【0017】
参照信号を提供する手段は、好ましくは、第１信号を好ましく分割するビームスプリッタである。
【0018】
ＰＩＣ内の第１経路は、好ましくは、第１信号を一組の撮像光学系に導波して被写体に導き、被写体からの反射光を一組の撮像光学系を介して結合手段に戻すように導波する。ＰＩＣ内の第２経路は、好ましくは、参照信号を反射板へ導き、結合手段へ戻す。第１経路及び第２経路は、好ましくは、第１信号及び参照信号の偏光をそれぞれ維持するための偏光維持ファイバを備える。
【0019】
本発明の別の態様によれば、光干渉断層撮影（ＯＣＴ）スキャンに適した方法を提供する。この方法は、光源によって提供される第１信号を提供することと、参照信号を提供することと、被写体から第１信号を反射し、反射第１信号を参照信号に結合して干渉信号を提供することと、参照信号の光路長を反射第１信号の光路長に一致させるように、参照信号と第１信号のうちのいずれか一方の遅延を可変遅延器によって調整することと、干渉信号を分析することとを含む。調整することは、異なる長さの経路間で選択することを含む。
【0020】
可変遅延器は、好ましくは、干渉信号において干渉ピークが同定されるまで調整される。これは、干渉信号に対して画像認識を行い、干渉ピークを同定することで実現することができる。
【0021】
本発明は、好ましくは、２つの信号の広帯域干渉を利用してＦＤ－ＯＣＴスキャンを行う。干渉信号に対してフーリエ変換を行い、強度に対する深さを示すスペクトルを得る。
【0022】
スペクトル領域（ＳＤ）スキャンが好ましいが、掃引ソース（ＳＳ）スキャンも可能である。
【0023】
次に、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照しながら、例示的にのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】ＯＣＴスキャナの一実施形態の機能ブロック図である。
【図2】ＯＣＴスキャナの更なる実施形態の機能ブロック図であり、モジュールの構成要素を示している。
【図6】分光器の一実施形態であるアレイ型導波路回折格子（ＡＷＧ）を示す。
【図7】分光器の一実施形態であるリングバスを示す。
【図8】分光器の一実施形態であるリングファンアウトの構成例を示す。
【図9】分光器の一実施形態である二値非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）を示す。
【発明を実施するための形態】
【0025】
図１は、様々な実施形態を実現するのに適したＯＣＴスキャナの一例の機能ブロック図である。図１は、光入力信号を、光ポート１４を介して光集積回路（ＰＩＣ）モジュール１１に提供する広帯域光源１０を示す。モジュール１１は、偏光維持（ＰＭ）ファイバ１５によって、一組の撮像光学系１２に光学的に接続されている。撮像光学系１２は、垂直軸周りに回転可能な２つの独立したミラーを含むスキャンユニットを備える。撮像光学系１２は、不定長の自由空間１６を介して、人間の眼などのサンプル１３に結合されている。操作時、広帯域光源１０から提供される光入力信号は、モジュール１１のポートに送信される。光源での偏光制御は任意であるが、以下に説明する理由により不要である。信号は、モジュール１１からＰＭファイバ１５を経て、撮像光学系１２に至る外向きの光路を辿る。撮像光学系１２の２つの独立したミラーは、信号が一組の撮像光学系１２を通過する際、信号の経路のｘ軸及びｙ軸方向の動きを制御する。信号の経路は撮像光学系１２から出て引き続き、対象サンプル１３に入る。出力画像の１点（例えば１画素）について、信号はサンプル１３から反射し、一組の撮像光学系１２及びＰＭファイバ１５を通ってモジュール１１に戻り、そこで信号がモジュール１１によって記録、解釈される。
【0026】
モジュール１１が一組の撮像光学系１２から信号を受信し、対象上のある点を捉えると、別の点又は画素に対して、上述の信号の経路が繰り返される。撮像光学系１２のｘ軸ミラーとｙ軸ミラーの一方（例えばｘ軸ミラー）は、次の点又は画素のためにその位置を調整し、その画素の出力画像をもたらす。これを１ライン分繰り返すことで、サンプル１３のラインスキャンが実現される。次に、もう一方のミラー（ｙ軸ミラー）を段階的に回転させて、光を隣接するラインに向け、これを繰り返して別のラインスキャンを行う。すべてのラインがスキャンされると、対象の完全なＯＣＴの３Ｄ画像が取得される。指紋、マウスの耳、ヒトの網膜等のこのような画像の例は、Ｅ．Ｒａｎｋらによる上記参考論文に見ることができる。
【0027】
スキャンは、ラスタースキャン（定常速度掃引又は階段状など、任意の適切なスキャンパターンのラスタースキャン）であってもよいが、個々のピクセルを備える必要はなく、所定のラインに対して連続的であってもよい。
【0028】
偏光維持ファイバ１５及び偏光維持ファイバ２３を使用することにより、いずれか又は両方のアームに対する偏光制御が不要になる。
【0029】
あるいは、ＰＭファイバ１５及びＰＭファイバ２３の代わりに、単一モードファイバ（非偏光保存）を使用することができる。この場合、ファイバを下る送信により偏光が回転し、モジュールや集積部品の動作が最適化されない。偏光コントローラーで集積デバイスをオン／オフ制御すれば、ファイバ内の回転を中和すことができる。
【0030】
図２は、様々な実施形態の実施に好適な、更なる例のＯＣＴスキャナの機能ブロック図である。上記と同様に、広帯域光源１０は、モジュール１１に光入力信号を提供する。モジュール１１は、初期入力信号を２つの信号に分割する２×２カプラ１７を有する。一方の分割信号は、内部経路２４に沿って可変遅延器１８に送信される。可変遅延器１８は、制御経路２９を介して内部制御モジュール２２により制御される。この分割信号はＰＭファイバ２３に沿って反射板１９（好ましくはミラー）まで続き、そこで信号はＰＭファイバ２３、可変遅延器１８、及び内部経路２４によって提供される経路を介して、２×２カプラ１７へ反射される。同時に、他方の分割信号は、ＰＭファイバ１５につながる内部経路２５に沿って、撮像光学系１２に送信される。この分割された信号は、不定長の自由空間１６に沿って送信され、信号が対象サンプル１３に入射する。信号は、一組の撮像光学系１２と、ＰＭファイバ１５と、内部経路２５とによって提供される経路を介して、２×２カプラ１７へ反射される。
【0031】
カプラ１７では、２つの受信信号が互いに干渉しあい、得られた信号が分光器２０に渡される。分光器２０は、受信した信号のスペクトルの内容を分析する。所望のスペクトル（可視スペクトル全体が望ましいが、ＩＲスペクトルやＵＶスペクトルに及ぶこともある）全体にわたって、異なる波長に対する強度をアナログ又はデジタル値で示すものである。スペクトル内容は、画像を生成するための出力画像処理装置２１に配信され、画像処理装置２１のディスプレイ上に表示されるか、又はその処理装置によって分析されてもよい。あるいは、保存して、遠隔視用に送信されてもよい。処理装置２１は、撮像光学系のＸミラーとＹミラーの位置を「知っている」ので、画像を構築することができる。すなわち、対象に対するスキャンを制御し、スキャンの各ポイント／ピクセル／ラインの完全なスペクトル結果を受信するので、選択した各空間位置の結果から画像を構築することができる。
【0032】
２×２カプラ１７は光源１０からの広帯域光の２つの信号への分割し、好ましくは、ほぼ均等分割し、それにより分割信号がそれぞれ初期の入力信号のパワーの５０％を有するが、これは必須ではなく、より大きな割合が撮像光学系（これはより損失の多い経路である）を通過し、より小さな割合が反射板１９を通過するように、不均等に分割してもよい。したがって、６０対４０の分割、７０対３０の分割、あるいは８０対２０の分割、さらには９０対１０の分割が、撮像経路に有利な場合がある。
【0033】
説明したように、一方の分割信号は、内部経路２４に沿って可変遅延器１８に送信される。この経路は、参照信号を提供する。可変遅延器１８は、後に説明するように、一組の撮像光学系１２からサンプル１３までの個人特有の信号経路長を調整するために、内部制御モジュール２２を使用する個人により制御経路２９を介して予め定義されている。
【0034】
参照信号は、カプラ１７から反射板１９まで設定された距離を進むため、それに対応する設定された遅延を有する。対象サンプル１３からの信号は、カプラ１７から撮像光学系１２までの距離と対象サンプル１３までの自由空間１６の不定長の和に相当する、固有の遅延を有する。カプラ１７は、受信した２つの分割信号を結合し、干渉信号を生成する。干渉信号は分光器２０に送信され、分光器２０内の干渉計により干渉信号の相互相関が比較される。
【0035】
信号が干渉するためには、信号が１つのコヒーレンス長内にあることが必要で、２つの分割信号の経路長が一致したときに干渉のピークが現れる。干渉レベルを観察することにより、自由空間１６が不定長であることによる追加遅延を分光器２０で決定することができ、参照信号経路の遅延を対象信号経路にほぼ一致させることができる。
【0036】
ある実施形態では、この比較から推測される情報を使用すれば、可変遅延器１８を手動で調整して、反射板経路長を対象サンプル１３経路長に一致させることができる。これにより、ユーザ（例えば、画像処理装置２１によって生成された画像を見る検眼医）は、遅延を調整して画像の鮮明度を高めることができる。
【0037】
検眼医は、画像を遠隔地（例えばインターネット経由）から見ることができ、可変遅延器１８を遠隔制御することができる。
【0038】
このように、個々の患者ごとに可変遅延器１８を調整できるということは、検眼医が個々の患者ごとにＯＣＴスキャナの物理的装置を調整することを必要とせずに、同じ位置に保つことができることである。撮像光学系１２は、経験の浅いオペレータが頭の位置や眼の位置の要件がそれほど厳しくない方法で光学系を患者の眼に対して保持できるように、「現場」で使用するために、携帯可能で堅牢なものにすることができる。オンチップ可変遅延器を調整することで、頭や目の位置のより大きな変化を許容することができる。
【0039】
さらなる例として、可変遅延器１８を調整するための適応学習又は人工知能画像処理プログラムの実装が考えられる。例えば、プログラムは個人の眼をスキャンし、その結果の画像を干渉パターン、特にピーク干渉のパターンとして認識できるまで、可変遅延器を調整することができる。このように、あらかじめ設定した閾値に応じて、両方の分割信号の遅延がほぼ一致する。
【0040】
個人のデータを保存しておけば、その個人を再びスキャンする場合に、プログラムが直ちに可変遅延器１８をその個人特定且つ特有の経路長に調整することができる。
【0041】
２×２カプラ１７の様々な実施形態を、図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃに示す。図３Ａ～図３Ｃを参照すると、カプラ１７は、方向性カプラ３０、マルチモード干渉計（ＭＭＩ）３１、及び集積位相シフタ３３を有するマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）３２のうちの少なくとも１つを含み得る。
【0042】
図３Ａ～図３Ｃを参照すると、方向性カプラ３０及びＭＭＩ３１は、入力する光信号を分割し又は結合して干渉させる。入力する信号は、その光パワーに関して少なくとも２つの出力信号に分割される。分割の比率は、方向性カプラやＭＭＩ３１の製作、及び設計によって予め決定されている。少なくとも２つの入力信号を組み合わせることで、すべての入力信号のパワーを合計した出力信号が生成されるが、出力時のパワー分布は入力経路間の光位相差に依存する。
【0043】
ＭＺＩ３２は、ＭＺＩ３２の２つの中間内部経路の間で、もともと１つの光源から分割された２つのコリメート信号又は導波光信号の間に、位相シフタ３３を介して可変位相差を導入する。
【0044】
ある実施形態では、カプラ１７は、ＭＺＩ３２で構成されてもよく、ＭＺＩ３２は、２つの平衡した２×２カプラ３４及び３５を備えていてもよく、カプラは、方向性カプラ３０又はＭＭＩ３１、タップ導波路３６、光検出器３７、及び内部制御フィードバックブロック３８であってもよい。
【0045】
動作時、広帯域光源１０からの光入力信号は、モジュール１１と、ＭＺＩ３２によって具現化されたカプラ１７とに送信される。分割信号のパワーは、上述したとおりである。
【0046】
各分割信号は、それぞれ内部経路２４及び２５に進む。分割信号がそれぞれの経路から反射板１９及び対象サンプル１３に戻ると、それぞれＭＺＩ３２に進む。
【0047】
ＭＺＩ３２は、２つの入出力光モード間で調整可能な分割比を提供することができる、調整可能な２×２カプラとして使用され得る。
【0048】
ＭＺＩ３２内では、中間位相シフタ３３が分割比を制御し、２つの入力される信号をそれぞれ送信するＭＺＩ３２の２つの中間内部経路の間に位相差をもたらす。タップ導波路３６は、２×２カプラ３５から少量の信号（通常１％程度）を取り出し、光検出器３７に送り、光検出器３７で光パワー位相が測定される。この測定により、ＭＺＩ３２の分割比を推定することができる。この情報は、フィードバック制御ブロック３８にフィードバックされ、ＭＺＩ３２の干渉信号における分割比、ひいては位相を最適化するために使用される。
【0049】
この位相シフトは、内部制御フィードバックブロック３８を使用して、ガイド材の屈折率を電子的に制御して変更することで行うことが可能である。例えば、熱光学的に（ヒーターを用いて）、キャリア効果を利用して（アクティブキャリアの空乏領域又は挿入領域を用いて）、微小電気機械システム（ＭＥＭｓ）によって、あるいはその他の屈折率を変化させる手段によって、ガイド材料の屈折率を変更することができる。
【0050】
２つの信号を結合することで、干渉が得られる。この得られた干渉信号は、ＭＺＩ３２から分光器２０に送信される。
【0051】
このように、ＭＺＩは２×２カプラの分割比を調整することが可能である。この「全体的な」動作は、ＭＭＩや方向性カプラと同じ（つまり、干渉し、２つの信号を分割する）であるが、ＭＺＩ構成では中間位相シフタを介した分割比の調整が可能である。原理的には、１００対０から０対１００までの分割調整が可能である。
【0052】
可変遅延器１８の様々な実施形態を、図４及び図５に示す。図４は、少なくとも１つの集積位相シフタ３３を有する可変螺旋導波路４０を示す。導波路４０の螺旋状の経路は、モジュール１７の参照信号アームに追加の所定の経路長を提供し、ひいては自由空間１６の平均長を近似する初期遅延を対象サンプル１３に提供する。導波路の温度はオンチップ・ヒーターによって調整することができ、螺旋導波路４０の経路長を長くしたり短くしたりすることで、参照信号に加えられる追加遅延を増減させることができる。
【0053】
誘導された遅延は、固定遅延と微調整遅延で表すことができる。固定遅延は、ファイバ１３の光路を、撮像光学系１２と、プローブ経路１５、１６との経路長の合計にほぼ一致させることができる。固定遅延は通常約４０～６０ｃｍであるが、撮像光学系が装置の他の部分と同位置にない場合は、さらに長くしてもよい。微調整遅延は、数十ミリ程度、例えば８０ｍｍまで、経路長を変化させる必要があるが、アプリケーションによっては、より低い範囲（例えば１０～２０ｍｍ）でも非常に有効である。これらの範囲は、ＯＣＴシステムで必要とされる典型的なものである。微調整遅延は、約１ｍｍ以下刻みで段階的に実施することができ、総遅延が段階的に変更するように調整される。
【0054】
位相シフタ３３は、１つだけの場合、その中心で導波路４０の経路の一部を覆い、「Ｓ」字を形成する。これにより、通過するあらゆる信号に位相シフトが適用される。位相シフタが複数の場合は、導波路４０の経路に沿って任意に分布させてもよい。
【0055】
図５は、いくつかの集積された調整可能なスイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、５１５を有する二値遅延器５０を示し、「Ｌ」は予め定義された単位遅延を意味する。二値遅延器５０の上側の「レール」は、光ファイバ、自由空間、又はそれぞれ長さＬ、２Ｌ、４Ｌ、８Ｌの集積光遅延線５２、５３、５４、５５を備え、集積光遅延線５２、５３、５４、５５は、調整可能なスイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、５１５それぞれの間で２n単位遅延に対応する２n桁の大きさを有し得る（ｎは正の整数）。下側のレールは、非遅延経路要素５６からなる経路長にさほど遅延を与えない。２つのレールを組み合わせることで、経路長を再プログラムすることができ、参照信号に対する所望の遅延を与えることができる。
【0056】
動作時、Ｌの倍数が所望の遅延に対して計算され、調整可能スイッチは信号が所望の遅延に一致する経路長を進むように構成されている。
【0057】
長さＬと遅延数ｎは、光遅延に所望される最小と最大の調整長に依存する。Ｌは、好ましくは０．１ｍｍ～数十ｍｍ程度であり、好ましくは０．５ｍｍ～２０ｍｍ程度、より好ましくは１ｍｍ～１０ｍｍ程度である。
【0058】
例えば、Ｌは約０．５ｍｍであり、５ｍｍの遅延が必要な場合、プログラムされた経路の長さは１０Ｌである。この例では、二値遅延器５０は、信号が遅延線５２と５４に沿って進むように、長さ２0Ｌと２2Ｌの合計５Ｌの遅延経路要素を導入してプログラムできる。戻ってくる光は同じ経路を通るので、導入された遅延の合計は、この場合、１０Ｌ又は５ｍｍとなる。
【0059】
他の例では、Ｌの値が０．５ｍｍであれば、２０ｍｍの遅延が必要な場合、プログラムされたパスの長さは４０Ｌである。二値遅延器５０は、信号が遅延線５４（又は２2Ｌ）及び２4Ｌに沿って進むように予めプログラムすることができる。ただし、遅延線２4Ｌは図示していない。この場合も、戻ってくる光は同じ経路を通るので、この例では、導入された遅延は合計で２０ｍｍとなる。
【0060】
また、スイッチは、非ＭＺＩの、例えば、導波路接続部を物理的に移動して切り替えるように動作するものであってもよい。
【0061】
調整可能スイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、５１５は、個々の双方向スイッチのようなものである。各ＭＺＩは、ＭＺＩの下部又は上部出力への切り替え（選択、位相シフトを介する）を可能にする。位相シフトを調整することで、１００対０又は０対１００からの切り替え（すなわち、２つの出力間の切り替え）が可能である。スイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、５１５は、加熱されることにより作動して、下部レールから上部レールへの信号経路を変更するが、スイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、５１５のデフォルト設定（すなわち、加熱しない場合）では、信号を下部レールに沿って送信する、又はその逆である。あるいは、調整可能スイッチ５１１、５１２、５１３、５１４、又は５１５は、加熱することにより作動して、信号経路を現在のレールから他のレールに変更してもよい。
【0062】
遅延線５５が最後の切り替え可能な遅延である場合、最後のスイッチ５１５は、信号を出力５２０にもたらすためのデマルチプレクサとして機能する。
【0063】
もちろん、スイッチや遅延経路素子の数は少なくても多くてもよく、長さ順に配置する必要はない。
【0064】
１つの出力／遅延長を何通りにも切り替える必要性がある場合がある（マルチプレクサ）。マルチプレクサは、多数の光路に「ファンアウト」する多数のカスケードＭＺＩや、より複雑なＮ×Ｎ（単純な２×２ではない）のＭＺＩ構造であってもよい。これら（２×２のＭＺ及びＮ×ＮのＭＺＩ）は、それぞれ前述のように位相シフトによって制御される。
【0065】
異なる長さの経路間で選択する切替可能な遅延素子は、遅延線の全長が短くなるため、ばらつきとチップのサイズが小さくでき、また、いつでも一度にアクティブにする必要のあるヒーターの数が減るため、さらにばらつきを減らし、遅延経路を変更する際の遅延線の整定時間を短くし、チップの安定性を向上させる点で、他の可変遅延器の配置よりも有利である。
【0066】
ある実施形態では、二値遅延器５０と、少なくとも１つの位相シフタ構成を有する可変螺旋導波路４０の組み合わせバージョンも、可変遅延器１８に実装することができる。二値遅延器５０は、好ましくは、可変遅延器１８を粗調整するために使用され、少なくとも１つの位相シフタを有する可変螺旋導波路４０は、好ましくは、可変遅延器１８を微調整するために使用されるが、二値遅延器５０及び少なくとも１つの位相シフタを有する可変螺旋導波路４０は、両方が可変遅延器１８を粗調整し、両方が可変遅延器１８を微調整する構成、又は二値遅延器５０が可変遅延器１８を微調整し、少なくとも１つの位相シフタを備えた可変螺旋導波路４０が可変遅延器１８を粗調整する構成であってもよい。
【0067】
分光器２０の様々な実施形態を、図６～図１０に示す。図６は、入力導波路６２と、出力導波路６７から続く一組の光検出器６４とを有するアレイ導波路格子（ＡＷＧ）６０を示す。入力される入力信号６１は、自由伝搬領域（ＦＰＲ）６５を介して集積導波路６３のアレイに送信される。導波路は異なる長さを持つため、入力信号６１に異なる位相シフトを与え、それにより、第２のＦＰＲ６６において信号の異なる波長を分離する。これらの分離された波長は、一組の光検出器６４につながる出力導波路６７のアレイによって受信される。各光検出器６４は、異なる波長を受信する。そして、一組の光検出器が、入力信号６１のスペクトルを表示する。
【0068】
図７は、入力６１と、平行な線形状に配列された光リング共振器７１の上方に位置する線状に配列された光検出器６４とを有するリングバス７０を示し、１つの光リング共振器７１は１つの光検出器６４と対をなしている。信号が各リング共振器７１に入ると、個々のリング共振器７１内の空洞共振効果により、信号の特定の波長のみが支持される。リング共振器７１はそれぞれ特性、例えば長さや屈折率が次から次へと異なり、バス導波路７２に沿って進む入力信号６１から特定の波長を選択的にピックアップする。リングが集まることにより、各光検出器が１つのリング共振器７１と対になった光検出器のアレイを介して収集される入力信号６１のスペクトルの測定が可能になる。
【0069】
図８は、内部光導波路８２を介して光検出器アレイ８１に接続されたカスケード状光リング共振器７１を備えるリングファンアウト８０の構成例である。上述したように、入力信号６１が第１リング共振器７１に入力され、入力信号６１に含まれる一部の波長は、共振効果により入力信号６１の主経路から分離される。信号は、予め設定された分離度に波長が分離されるまで、内部光ファイバ８２を経由してカスケード状リング共振器７１を伝播する。そして、分離された波長は、光検出器アレイ８１に入力され、スペクトルが得られる。
【0070】
リングバスやリングファンアウト型の分光器の利点は、集積回路上に容易に製造することができることにある。リングは、光の特定の選択された波長で共鳴するように、正確なサイズで作ることができる。そのため、再現性、信頼性、堅牢性に優れている。
【0071】
図９は、２×２光カプラ１０１及び１０２と、２列の集積型調整可能スイッチ１０３とを有する二値非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）１００を示しており、上側列の集積型調整可能スイッチ１０３は、非対称遅延線１１１、１１３、１１５、１１７により分離配置されており、下側列の集積型調整可能スイッチ１０３は、非対称遅延線１１２、１１４、１１８、１２０により分離配置されており、図５と同様に、予め定義された単位遅延「Ｌ」によって定義される。遅延経路の大きさは、上側列では（２n－１）Ｌまで、下側列では２nＬまで設定できる。出力信号は、出力１０４において分岐され、小型アレイを構成する光検出器１０５によって検出される。
【0072】
動作時、入力信号６１は、第１の２×２カプラ１０１によって、例えば、５０／５０といった所定の比率で分割されてもよい。分割信号は、それぞれ、調整可能スイッチ１０３の遅延線１１１、１１３、１１５、１１７が分離配置された上側列、又は非対称遅延線１１２、１１４、１１８、１２０が分離配置された下側列からなる、予めプログラムされた非対称の経路に沿って進み、各遅延線は、長さが異なるため、予め設定された遅延も異なる。信号経路長を変更する工程は、図５と同様である。今や非対称に遅延した２つの分割信号は、別の２×２カプラ１０２で再結合され、小型アレイの光検出器１０５に送信される。分割信号は、２×２カプラ１０２により再結合されることで干渉が起こり、結果として所定の波長のみが出力１０４の各分岐路に送信される。２つの分割信号の経路遅延の非対称性を調整することにより、異なる波長を観察することができるので、入力信号６１のスペクトルを得ることができる。例えば、フーリエ変換型分光器の計算方法を用いてスペクトルを得ることができる。
【0073】
図１０は、遅延線１５２、１５６、１５７で分離された光カプラ１５１、１５３、１５４、１５５、１５８、１５９を有するＡＭＺＩファンアウト１５０と、入力６１と、光検出器アレイ８１とを示す。例えば、一つ目のＡＭＺＩ１６０は、入力光カプラ１５１と、遅延線１５２と、出力光カプラ１５３とを備えることが示されている。各ＡＭＺＩ１６０は、後続のＡＭＺＩ１６０につながる２つの出力を有する。この構造は、ＡＭＺＩの最終組に到達するまで続き、出力は光検出器アレイ８１の個々の光検出器に対応している。
【0074】
各ＡＭＺＩ１６０は、図９について説明した非対称性の範囲と同様に、異なる非対称性に設定され、これにより入力６１における任意の特定の波長がＡＭＺＩファンアウト１００を通る固有の経路を経由し、光検出器アレイ８１の特定の光ダイオードに到達するアレイ８１の各フォトダイオードを測定することにより、入力６１におけるスペクトルの再構成を完成させることができる。
【0075】
二値ＡＭＺＩは、必要な部品がシンプルなため低損失であり、光検出器アレイ全体とは対照的に、出力フォトダイオードを１つ又は２つしか必要としないという利点がある。また、ファンアウト型のＡＭＺＩ１００の拡張は、マルチモーダルデバイスよりも部品がシンプルなため、スペクトルの低損失測定が可能であり、さらには複雑な計算分析析なしに入力スペクトルを瞬時に取得することができる。
【0076】
【0077】
図１１は、様々な実施形態の実施に好適なＯＣＴスキャナの更なる例の機能ブロック図である。先に説明したように、広帯域光源２０１は、光集積回路（ＰＩＣ）２０３によって具現化されたモジュール１１に光入力信号を提供する。ＰＩＣは、内部経路２０４を進む初期入力信号を２つの信号に分割する２×２可変カプラ２０５を有する。一方の分割信号は、内部経路２０６に沿って、二値遅延器２０７によって具現化された可変遅延器１８に送信される。二値遅延器２０７は、制御経路２０９を介して内部制御モジュール２０８によって制御される。この分割信号は、ＰＭファイバ２１０に沿って、レトロリフレクタ２１１によって具現化された反射器に送信され、ＰＭファイバ２１０、２値遅延２０７、及び内部経路２０６で構成される経路を介して、２×２可変カプラ２０５へ反射される。同時に、他方の分割信号は、内部経路２１２に沿って、ＰＭファイバ２１３を介して撮像光学系２１４に送信される。この分割信号は、不定長の自由空間２１５を介して、対象サンプル２１７に入射する。信号は、撮像光学系２１４、ＰＭファイバ２１３、及び内部経路２１２で構成される経路を介して、２×２可変カプラ２０５へ反射される。
【0078】
可変カプラ２０５において、２つの受信信号が互いに干渉し、得られた信号が分光器２２０に送信される。分光器２２０に入力された結果の干渉信号を整える方法は、波長ファンアウト２２１と検出２２２モジュールとを備える分光器２２０の内部モジュールによって示されている。これらの内部モジュールは、図６～図１０によっても具現化されている。
【0079】
干渉パターンを得るために干渉信号を逆多重化する方法の一例としては、１つ以上の非対称マッハツェンダ干渉計（ＡＭＺＩ）を使用する方法がある。ＡＭＺＩは、まず導波路を使用して入力信号を分割し、分割信号を長さの異なる２つの光遅延線に沿って送信した後、第２の導波路を使用して再結合する。遅延線間の経路差は、ΔＬ＝ｍλc／ηeffで定義でき、ｍは次数、λcは対象スペクトルの中心波長、ηeffは中心波長に対する導波路の有効指数である。次数ｍは、得られる分光感度の波長のピーク間の分離度を定義する。分離度と次数ｍの関係は、λFSR＝（ｎeffλc）／（ｎgｍ）として定義でき、ｎgは導波路の群指数である。例えば、カスケード状ＡＭＺＩを使用して、帯域幅が個々の波長と一致するまで入力信号をさらに小さな帯域幅に逆多重化し、より正確な干渉パターンを得ることも可能である。
【0080】
干渉信号のスペクトルを分析し、スペクトル内容を出力画像処理装置２２３に配信するプロセスは、先に説明したものと同じである。
【0081】
２×２可変カプラ２０５は、広帯域光源２０１からの初期光入力信号の分割における結合比の調整を可能にする。先に説明したように、分割は好ましくはほぼ均等であり、それによって各分割信号は初期入力信号のパワーの５０％を有する。実際には、５０％の分割は難しく、必須ではく、撮像光学系（より損失の大きい経路）に渡す割合が多く、反射板に渡す割合が少ない場合もある。２×２可変カプラ２０５は、ユーザの好みに応じて、分割をあらかじめ設定したり、再プログラムすることができる。このため、ユーザが指定した画像経路に有利な６０対４０分割、７０対３０分割、８０対２０分割、さらには９０対１０分割に決定することができ、スキャン間やユーザ間で再プログラムすることができる。レトロリフレクタ２１１は、入力された分割信号を最小限の散乱で反射するため、信号のパワー損失量を低減することができる。分光器２２０では、波長ファンアウト２２１が可変カプラ２０５から送信された干渉信号の波長を分離することで、干渉信号のスペクトルを得る。次に、検出２２２内部モジュールが、得られたスペクトルを検出する。スペクトルが検出されると、出力画像処理装置２２３に送ることができる。
【0082】
オンチップ波長ファンアウトを提供する利点は、波長ファンアウトのために必要とされる追加の外部部品が不要になるため、外部部品から誘発される損失がなく、システムの損失量を低減できることにある。オフチップ検出は、コンパクトで、外部部品が実行しなければならない複雑な操作を簡便化できるため、部品に関連する損失を低減する一方で、実行しなければならない操作の数が少ないため信頼性を向上させることができる。また、材料プラットフォームに適用可能であれば、検出をＰＩＣ２０３上に組み込んだり、集積してもよく、複雑なデバイスをさらに簡素化できる。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【国際調査報告】