Research/Wavelength Tunable Light Source for the Next Generation OCT System by High-speed MEMS Optical Scanner

高速ＭＥＭＳ光スキャナを用いた波長可変レーザー光源による生体材料の光干渉断層画像撮影
OCT Imaging using Wavelength Tunable Laser with Fast MEMS Optical Scanner†

光干渉画像法（ＯＣＴ = Optical Coherence Tomography) とは干渉によって断層画像を得る手法であり、眼底検査等の医療機器に応用されている光学原理です。従来のＯＣＴでは、試料表面からの深さ計測に低コヒーレンス光源による干渉光学系を用いていましたが、深さ方向のスキャンが低速であるため動画像の取得が困難でした。そこで本研究では、高速光ＭＥＭＳスキャナを用いて、波長を走引する方式のＯＣＴ光源を新たに開発しました。

We present an electrostatic vertical comb-drive MEMS optical scanner with the angle magnifier mechanism developed for a 140-kHz wavelength tunable-laser in the swept-source OCT system of a 2 ms/frame visualization capability.

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はじめに
Introduction†

ここでご紹介する光スキャナは、レーザー顕微鏡の観察部位走査のための空間光変調器ではなく、赤外光源の波長走査用に用いるものです。従来のＯＣＴ光源には、下記の写真に示すような回転するポリゴンミラーが多く用いられていました。この方式では、走査周波数が数ｋＨｚから５０ｋＨｚに限定されており、動いている生体組織を観察するには適していませんでした。そこで、ＭＥＭＳ技術を用いて１００ｋＨｚ以上で波長走引できる光スキャナの開発に着手しました。

Optical coherent tomography (OCT) is a novel human-friendly medical inspection method to visualize the living tissue by using the interference of light, and it has found an expanding range of applications including ophthalmology, gastroenterology, and plaque inspection. Due to the escalating demands for faster frame the conventional 10 ms/frame to 2 ms/frame, OCT system has been evolutionally advanced from the conventional time-domain type to the swept-source OCT (SS-OCT) that uses wavelength tunable laser as a light source. One of our previous swept light sources uses a motor-driven polygon mirror inserted within the external cavity laser; the maximum scan speed was, however, limited to only 20 kHz to 30 kHz due to the bulky mass of the rotating mechanism. For this reason, the MEMS type micro scanner is expected to replace them to realize scan rate of 100 kHz or faster. This paper reports a new MEMS optical scanner for a 140-kHz SS-OCT implementation.

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ＭＥＭＳ光スキャナの駆動原理
Operation Principle of MEMS Optical Scanner†

ＭＥＭＳ型の光スキャナはポリゴンミラーに比べて慣性モーメントが小さいため、高速動作が期待できます。しかしながら、駆動力（静電駆動、圧電駆動、電磁駆動など）が限られているので、高速共振と大振幅を両立することは困難です。そこで本研究では、光スキャナ内部に角度変位の増幅機構を有した２自由度振動系を新たに採用しました。また、構造と製作プロセスを極力簡単にするために、ＳＯＩ基板をＤＲＩＥ加工した垂直櫛歯型の静電アクチュエータ機構を利用しています。

一般の垂直櫛歯型の光スキャナは、アクチュエータの板とミラーが一体化されているため、それらの角度変位はいつでも等しくなっています。その一方で、本研究の２自由度振動系では、アクチュエータの板とミラーを別の捻りバネで結合しています。これらの部材の慣性モーメントと捻り剛性をＦＥＭを用いて最適化すると、ある周波数で、アクチュエータ板の振動の数倍の振幅がミラーに伝達されることが分かります。本研究では、この振幅拡大機構を利用して、高い共振周波数であっても大振幅（数度）で振動するＭＥＭＳ光スキャナを実現しました。

Figure on the left compares two different schemes for the vertical-comb equipped MEMS optical scanner. In the conventional design, the mirror angle is identical to that of the actuator plate, as they are made to be one piece suspended with a pair of torsion bars. Our new design, on the other hand, has the inner hinges between the actuator plates and the mirror; the moment of inertia and the spring constants are designed such that the mirror’s out-of-plane motion at the 2nd resonance becomes larger than that of the actuator plate by the resonant coupling between the two bodies. We typically use the FEM (finite element method) numerical analysis to tune the suspension dimensions to make the leverage factor of over 5.

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製作方法
Fabrication Proces†

光スキャナの製作方法は、マスク２枚のみの大変簡単なプロセスです。ＳＯＩ基板の両面をＤＲＩＥ加工して、最後に中間酸化膜を選択的に除去します。垂直櫛歯型静電アクチュエータの起動を速やかに行うためには、固定櫛歯と可動櫛歯の間に段差（オフセット）が必要です。そのオフセットを極力簡単なプロセスで実現するために、本研究ではプロセス最後のリリース・乾燥時に発生するプロセス・スティクション（固着）を用いて、自動的に櫛歯のオフセットが形成される組立方法を考案しました。

We used an SOI wafer of a 60-µm-thick active layer and a 4-µm-thick BOX to microfabricate the scanner with the double-side deep RIE processes with only two photolithography steps. Apart from the conventional two-step DRIE process, we used the process stiction of the surface tension force to self-assemble the vertical comb-drive electrodes with an initial offset angle. Figure on the left shows the SEM images of the developed device. The mirror diameter was 1 mm, and the fundamental resonance was found at 69.7 kHz to yield the optical angle of 6.5 degrees with 70 Vdc +/- 70 Vac operation; the leverage factor to the mirror with respect to the actuator plate was found to be 5.

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性能
Performance Demonstration†

駆動電圧ＤＣ７０±AC７０Ｖ駆動で、共振周波数７０ｋＨｚ、ビーム偏向角６．５°が得られました。振幅の往復を利用しているので、１４０ｋＨｚでの波長走引が可能です。この結果、従来に比べて画像の横方向の解像度が改善されています。また、メダカのエラの動きなどの生体試料も明瞭に観察できるようになりました。

We used the round trip of the scanner’s motion to sweep the wavelength at 140 kHz, which was double the fundamental resonant frequency of the scanner. As shown in the Figure, maximum power intensity of 20 mW was obtained within the wavelength span of 100 nm around the 1.3 µm center wavelength with a 0.25 nm FWHM, corresponding to a coherence length of 3 mm. The scanner was assembled in the swept-source OCT system to visualize the strawberry tissue at 2 ms/frame as shown in Figure 8. Compared with the conventional 35 kHz scan, the improved results at 140 kHz was successful to give a 100 µm resolution for more than 1 mm in depth under such fast scan condition.