CN102281811B - 侧方射出装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明开发一种侧方射出装置，该侧方射出装置不会产生因粘接剂引起的光束品质的不稳定及劣化，不发生可靠性降低问题，易于制造，且可用于外径小且细的血管等中。本发明通过以下方式解决上述问题：在光纤的端面上熔接棒形透镜的一端，在该棒形透镜的另一端则构成切除圆柱形的外周的一部分从而形成与轴线平行的平面状射出面的基本形状，熔接具有斜着被切除其前端部的前端倾斜面的棱镜；或在光纤的端面切除圆柱形的外周的一部分，从而形成与轴线平行的平面状射出面的基本形状，熔接具有斜着被切除其前端部的前端倾斜面的棱镜透镜。

Description

侧方射出装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种使在光纤内传播的光向相对于光纤的光轴形成角度的侧方射出的侧方射出装置，特别是涉及适合作为OCT(OpticalCoherence Tomography，光学相干断层扫描)的光探头使用的侧方射出装置及其制造方法。
背景技术
OCT是一种将光探头插入患者的血管、肠道等器官，从其前端向侧方射出低相干光，利用受测体内部的各部分反射回来的光，得到受测体内部的精密的断层图像的光学相干断层成像技术，其基本技术公开在日本特公平6-35946号公报(专利文献1)中，光探头具体的结构公开在日本特开平11-56786号公报(专利文献2)、日本特开2008-200283号公报(专利文献3)等中。
图18是专利文献2、3所示的现有的侧方射出装置(光探头)的剖面说明图。
在筒状的轴10的前端安装有前端保持部11，在前端保持部11的基端侧嵌装有贯通于轴10的光纤2的前端，在前端侧嵌装了粘接有棱镜4的棒形透镜3。而且，为了防止受测体受伤且防止棱镜4及棒形透镜3脱落而留在受测体内，用透明的罩12覆盖整体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平6-35946号公报
专利文献2：日本特开平11-56786号公报
专利文献3：日本特开2008-200283号公报
在上述现有的侧方射出装置中，由于棒形透镜和棱镜由粘接剂粘接，所以在光路中有粘接剂层存在，会产生光束品质不稳定这样的问题，或者当因某种原因而使棒形透镜和棱镜的粘接剥落时，二者之间就会产生间隙，光束的品质就会下降，最严重时会发生透镜从棱镜脱落的问题。
另外，因为棒形透镜3及棱镜4非常小，所以将它们粘接起来的操作就会变得繁琐且低效。另外，由于在轴10前端的前端保持部11处必须精密地嵌装光纤和棒形透镜，所以组装作业需要熟练且耗费时间，从而存在制造效率低的问题。
而且，由于轴10及罩12是不可缺少的，所以外径必然大，这就产生了不能插入非常细的血管等中的问题。
发明内容
本发明的课题在于，开发一种侧方射出装置，解决以上现有的侧方射出装置的问题点，消除因粘接剂引起的光束品质不稳定及劣化和可靠性降低的问题，易于制造，也能够用于外径较小且细的血管等。
(方案1)
本发明提供一种侧方射出装置，其中，具有：光纤、一端与该光纤的端面熔接的棒形透镜、和与该棒形透镜的另一端熔接的棱镜，该棱镜构成为切除圆柱形的外周的一部分从而形成与轴线平行的平面状射出面的基本形状，具有倾斜地切除其前端部的前端倾斜面，从光纤射入到棱镜内的光由该前端倾斜面反射并从所述射出面射出。
由于通过熔接接合光纤和棒形透镜、棒形透镜和棱镜，所以光路上没有粘接剂层，不会产生光束品质的不稳定，不会发生因剥落引起的光束品质劣化及棱镜的脱落。另外，能够利用现有公知的光纤熔接装置容易地制造。
由于不需要轴和罩，所以能够使外径极小，也可应用于非常细的血管等。
多数情况下光纤为单模光纤，但保偏光纤、多模光纤、乃至光纤传像束也同样适用。
因为需要熔接，所以棒形透镜必须是石英类玻璃，芯材可以使用具有折射率分布的所谓GI型光纤及截面整体具有折射率分布的所谓GRIN透镜。
作为棒形透镜，也可以如日本特开2005-115097号公报所示，熔接接合具有不同的数值孔径的两种(或3种以上的)GRIN透镜。
由于需要熔接，所以棱镜必须是石英类玻璃。由于棱镜具有切除圆柱形外周的一部分、从而形成的与轴线平行的平面状射出面的基本形状(即半圆柱形)，因此通过将与其相似的截面形状的研磨完成母材(将圆柱形母材的外周的一部分研磨成平面状)延伸(光纤化)，就可以很容易地制造，另外，能够以细长光纤的状态方便地熔接于棒形透镜处。
棱镜的前端倾斜面相对于射出面的倾斜角(图3的θ)通常为45°，这种情况下，光相对于轴线以90°的角度向侧方射出。通过改变前端倾斜面的倾斜角度(θ)，可以改变光的射出角度。可以根据需要在前端倾斜面上实施镜面涂布(Au涂布等)、半镜面涂布(介电多层膜涂布等)等涂布。
(方案2)
另外，本发明如方案1所述的侧方射出装置，对所述棱镜的最前端部进行了倒角加工。
通过对棱镜最前端部进行倒角加工，在将侧方射出装置不用罩覆盖而直接插入受测体内部时，不容易对受测体造成伤害。
倒角加工有例如通过对棱镜最前端部进行放电加工及激光加工等使其光滑地形成曲面状的方法。
(方案3)
另外，本发明如方案1或2所述的侧方射出装置，所述棒形透镜的外径及所述棱镜的最大直径是光纤直径的两倍以下。
如果光纤和棒形透镜的外径近似，则根据熔接时的表面张力引起的自排列效应，棒形透镜和光纤的轴自动保持一致，因此，光纤和棒形透镜的耦合损耗变得极小。在光纤的外径为125μm的情况下，棒形透镜的外径适合为124μm～250μm。棱镜的最大直径也同样适合为124μm～250μm。光纤的外径为80μm的情况下，棒形透镜的外径及棱镜的最大直径适合为79～160μm。
这一点与插入较细的血管等这一本装置的目的也相符。
(方案4)
另外，本发明提供一种如方案1～3中任一项所述的侧方射出装置的制造方法，其中，包括：切除圆柱形的石英玻璃母材的外周的一部分，从而形成具有与轴线平行的平面研磨面的研磨完成母材的步骤；使该研磨完成母材延伸而形成棱镜用光纤的步骤；将该棱镜用光纤熔接于棒形透镜或作为棒形透镜而切断之前的透镜光纤的步骤；以及将该棱镜用光纤切断而形成前端倾斜面的步骤。
在制造本发明的棱镜时，首先，制造圆柱形的石英类玻璃母材。该母材可通过公知的方法制造。接着，研磨该母材的外周的一部分，从而形成具有与轴线平行的平面研磨面的研磨完成母材。该研磨也可以使用通常的研磨装置方便地进行。接着，使该研磨完成母材延伸而形成棱镜用光纤。研磨完成母材的延伸可以使用使光纤及GRIN透镜延伸的装置进行。
本发明的制造方法具有：将棱镜用光纤熔接于棒形透镜或作为棒形透镜切断之前的透镜光纤的步骤，切断熔接了的棱镜用光纤而形成前端倾斜面，构成棱镜的步骤。
由于将细长的棱镜用光纤熔接于棒形透镜或作为棒形透镜切断之前的细长的透镜光纤，所以可以使用公知的光纤熔接装置方便地进行熔接操作。在该熔接后，将棱镜用光纤切断为希望的长度，进而根据需要进行研磨而形成前端倾斜面，由此，能够容易地将棱镜用光纤制成棱镜。
(方案5)
本发明提供一种侧方射出装置，其中，具有：光纤和熔接于该光纤的端面的棱镜透镜，该棱镜透镜构成为切除圆柱形的外周的一部分从而形成与轴线平行的平面状射出面的基本形状，具有倾斜地切除其前端部的前端倾斜面，从光纤射入到棱镜内的光由该前端倾斜面反射并从所述射出面射出。
本发明中，由于光纤和棱镜透镜通过熔接接合，所以光路上没有粘接剂层，不会产生光束品质的不稳定，不发生因剥落引起的光束品质的劣化及棱镜透镜的脱落。另外，可以利用现有公知的光纤熔接装置方便地制造。
由于不需要轴和罩，所以可以使外径极小，也可应用于非常细的血管等。
另外，由于棒形透镜和棱镜作为棱镜透镜而熔合，所以减少了零件个数及制造工序，可以实现省力化和成本降低。
多数情况下光纤为单模光纤，但保偏光纤、多模光纤、乃至光纤传像束也同样适用。
因为需要熔接，所以棱镜透镜必须是石英类玻璃，芯材可以使用具有折射率分布的所谓GI型光纤及截面整体具有折射率分布的所谓GRIN透镜。
作为棱镜透镜，也可以熔接接合具有不同的数值孔径的两种(或3种以上的)所述GRIN透镜。
由于棱镜透镜具有切除圆柱形外周的一部分从而形成的与轴线平行的平面状射出面的基本形状，因此通过将与其相似的截面形状的研磨完成透镜母材(将圆柱形透镜母材的外周的一部分研磨成平面状)延伸(光纤化)，就可以很方便地制造，另外，能够以细长光纤的状态方便地熔接于光纤处。
棱镜的前端倾斜面相对于射出面的倾斜角(θ)通常为45°，通过改变倾斜角度(θ)，能够改变光的射出角度。能够根据需要在前端倾斜面上实施镜面涂布(Au涂布等)、半镜面涂布(介电多层膜涂布等)等涂布。
(方案6)
另外，本发明如方案5所述的侧方射出装置，对所述棱镜透镜的最前端部进行了倒角加工。
通过对棱镜透镜的最前端部进行倒角加工，在将侧方射出装置不用罩覆盖而直接插入受测体内部时，不容易对受测体造成伤害。
倒角加工有例如通过对棱镜透镜的最前端部进行放电加工及激光加工等使其光滑地形成曲面状的方法。
(方案7)
另外，本发明如方案5或6所述的侧方射出装置，所述棱镜透镜的最大直径为光纤直径的两倍以下。
如果光纤和棱镜透镜的外径近似，则根据熔接时的表面张力引起的自排列效应，棱镜透镜和光纤的轴自动保持一致，因此，光纤和棱镜透镜的耦合损耗变得极小。在光纤的外径为125μm的情况下，棱镜透镜的外径适合为124μm～250μm。光纤的外径为80μm的情况下，棱镜透镜的外径适合为79～160μm。另外，这一点与插入较细的血管等这一本装置的目的也相符。
(方案8)
另外，本发明如方案5～7中任一项所述的侧方射出装置的制造方法，其中，包括：切除圆柱形的透镜母材的外周的一部分，从而形成具有与轴线平行的平面研磨面的研磨完成透镜母材的步骤；使该研磨完成透镜母材延伸而形成棱镜透镜用光纤的步骤；将该棱镜透镜用光纤熔接于光纤的步骤；以及将该棱镜透镜用光纤切断而形成前端倾斜面的步骤。
在制造本发明的棱镜透镜时，首先，制造由石英类玻璃构成的圆柱形的透镜母材。该透镜母材能够通过公知的方法(例如日本特开2005-115097号公报)制造。接着，研磨该透镜母材的外周的一部分，从而形成具有与轴线平行的平面研磨面的研磨完成母材。可以使用通常的研磨装置容易地进行该研磨。接着，使该研磨完成透镜母材延伸形成棱镜透镜用光纤。可以使用使光纤及GRIN透镜延伸的装置进行研磨完成透镜母材的延伸。
本发明的制造方法包括：将棱镜透镜用光纤熔接于光纤的步骤；切断熔接了的棱镜透镜用光纤而形成前端倾斜面从而作成棱镜透镜的步骤。
由于将细长的棱镜透镜用光纤熔接于光纤处，所以可以使用公知的光纤熔接装置方便地进行熔接操作。在该熔接之后，将棱镜透镜用光纤切断为希望的长度，进而根据需要进行研磨而形成前端倾斜面，由此，能够容易地将棱镜透镜用光纤形成为棱镜透镜。
由于本发明的侧方射出装置不使用粘接剂，因此不会产生因粘接剂层引起的光束品质不稳定。
由于光纤和棒形透镜、棒形透镜和棱镜为通过熔接而接合为一体，因此不会产生因接合部的粘接剥离而导致的光束品质劣化，也不会发生因棱镜及棒形透镜脱落而残留在受测体中的情形，无需用罩覆盖。
由于不需要现有技术的轴及罩，所以侧方射出装置的外径变得极细，可以用于插入非常细的血管等。
通过将棒形透镜和棱镜作为棱镜透镜而熔合，减少了零件个数及制造工序，能够实现省力化和成本降低。
由于棱镜或棱镜透镜具有切除圆柱形的外周的一部分从而形成平行于轴线的平面状射出面的基本形状，所以可以方便地实现延伸具有相似的截面形状的母材而制造细长光纤，能够在光纤的状态下熔接，所以熔接操作也容易。
附图说明
图1是实施例的侧方射出装置1的侧视图。
图2是侧方射出装置1的前视图。
图3是棱镜4的侧面放大图。
图4是图3的A-A线剖面图。
图5是母材的立体图。
图6是研磨完成母材的立体图。
图7是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图8是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图9是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图10是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图11是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图12是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图13是实施例的侧方射出装置1’的侧视图。
图14是侧方射出装置1’的前视图。
图15是透镜母材8的立体图。
图16是研磨完成透镜母材9的立体图。
图17是实施例的侧方射出装置制造方法的说明图。
图18是现有技术的侧方射出装置的剖面说明图。
符号说明
1侧方射出装置；2光纤；2a覆盖部；3棒形透镜；3’透镜光纤；4棱镜；4a前端倾斜面；4b最前端部；4c射出面；4’棱镜用光纤；5棱镜透镜；5a前端倾斜面；5b最前端部；5c射出面；5’棱镜透镜用光纤；6母材；7研磨完成母材；7a研磨面；8透镜母材；9研磨完成透镜母材；9a研磨面；10轴；11前端保持部；12罩；B射出光。
具体实施方式
实施例
图1～4涉及实施例的侧方射出装置1，图1是侧视图，图2是前视图，图3是棱镜4的侧面放大图，图4是图3的A-A线剖面图。
侧方射出装置1由光纤2、棒形透镜3、棱镜4构成。
光纤2是外径125μm的单模光纤，除去前端部的覆盖部2a，并将棒形透镜3熔接于其前端面。
棒形透镜3是由石英类的玻璃构成的外径125μm的GRIN透镜，根据熔接时的自排列效应，光纤2和棒形透镜3的轴心自动对齐。
棱镜4为石英玻璃，将直径d＝125μm的圆柱的外周的一部分切除g＝11μm，剩余h＝114μm，从而形成平行于轴线的平面状射出面4c(射出面的宽度为74μm)的基本形状。(图4)
对于棱镜4而言，将图5所示的直径D＝5.7mm的圆柱形石英玻璃的母材6的外周的一部分研磨约0.7mm，如图6所示，制作成剩余部分
Figure BDA0000075362230000091
研磨面7a的宽度为约3mm的研磨完成母材7，将其在约1900℃的温度下延伸而成的棱镜用光纤4’切断，倾斜研磨而形成前端倾斜面4a，其后通过放电加工，对最前端部4b实施倒角，进而对前端倾斜面4a进行Au涂布。
研磨完成母材7的研磨面7a形成与母材6的轴心平行的平面。
使光纤延伸时的温度通常为2000℃，但在延伸棱镜用光纤时，希望在比此低的1900℃左右进行。当延伸温度较高时，延伸出的棱镜用光纤的射出面4c将带有圆弧，从而使射出光受射出面的曲率的影响而变为椭圆形状，使照射区域变宽从而有可能得不到充分的空间分辨率。在将延伸温度设为1900℃左右时，射出面4c的曲率变得极小，实质上形成平面，因而在实际使用上不会造成问题。
从光纤2射出的光边扩散边入射到棒形透镜3内，在棒形透镜3内边会聚边行进，入射到棱镜4，在前端倾斜面4a处反射，从射出面4c射出。
侧方射出装置1能够根据图7～图12所示的制造方法容易地制造。
在图7中，(a)表示在光纤2的一端熔接了透镜光纤3’的状态；(b)表示将该透镜光纤3’切断为规定长度(切断后，根据需要可以研磨切割面)从而形成棒形透镜3的状态；(c)表示在棒形透镜3的端面熔接了棱镜用光纤4’的状态；(d)表示切断、研磨棱镜用光纤4’，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4的状态。
另外，透镜光纤3’则使GRIN透镜母材延伸而形成光纤状。
在图8中，(a)表示在光纤2的一端熔接了预先制作的棒形透镜3的状态；(b)表示在棒形透镜3的端面熔接了棱镜用光纤4’的状态；(c)表示切断、研磨棱镜用光纤4’，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4的状态。
在图9中，(a)表示在透镜光纤3’的一端熔接了棱镜用光纤4’的状态；(b)表示将透镜光纤3’切断为规定长度(切断后，根据需要可以研磨切割面)从而形成棒形透镜3的状态；(c)表示将该棒形透镜3的端面熔接于光纤2的一端的状态；(d)表示切断、研磨棱镜用光纤4’，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4的状态。
在图10中，(a)表示在预先制作的棒形透镜3的一端熔接了棱镜用光纤4’的状态；(b)表示将该棒形透镜3的端面熔接于光纤2的一端的状态；(c)表示切断、研磨棱镜用光纤4’，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4的状态。
在图11中，(a)表示在透镜光纤3’的一端熔接了棱镜用光纤4’的状态；(b)表示将透镜光纤3’切断为规定长度(切断后，根据需要可以研磨切割面)，从而形成棒形透镜3，同时，切断、研磨棱镜用光纤，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4，制作带棱镜的棒形透镜的状态；(c)表示在光纤2的一端熔接了该带棱镜的棒形透镜的状态。
在图12中，(a)表示在预先制作的棒形透镜3的一端熔接了棱镜用光纤4’的状态；(b)表示切断、研磨棱镜用光纤，形成前端倾斜面，其后进行最前端部4b的倒角加工，对前端倾斜面4a给予Au涂布，形成棱镜4，制作带棱镜的棒形透镜的状态；(c)表示在光纤2的一端熔接了该带棱镜的棒形透镜的状态。
图13所示的侧方射出装置1’为在光纤2的端面熔接了棱镜透镜5的装置。光纤2为外径125μm的单模光纤，已除去了前端部的覆盖部2a。
棱镜透镜5为数值孔径0.17的GRIN透镜，具有将直径d＝125μm的圆柱的外周的一部分切除g＝11μm，剩余h＝114μm，从而形成平行于轴线的平面状射出面5c(射出面的宽度74μm)的基本形状。(图14)其前端部形成被倾斜地切除的前端倾斜面5a。
棱镜透镜5的全长为300μm。
对于棱镜透镜5而言，将图15所示的直径D＝5.0mm的圆柱形GRIN透镜母材8的外周的一部分研磨约0.5mm，如图16所示，制作成剩余部分
Figure BDA0000075362230000111
研磨面9a的宽度约3mm的研磨完成透镜母材9，切断将其以约1800℃的温度延伸而成的棱镜透镜用光纤5’，倾斜研磨而形成前端倾斜面5a，其后通过放电加工对最前端部5b实施倒角，进而对前端倾斜面5a进行Au涂布。
研磨完成透镜母材9的研磨面9a变为与透镜母材8的轴心平行的平面。
使数值孔径0.17的GRIN透镜光纤延伸时的温度通常为1900℃，但在延伸棱镜透镜用光纤时，希望在比其低的1800℃左右进行。在延伸温度高时，延伸出的棱镜透镜用光纤的射出面5c将带有圆弧，从而使射出光受射出面的曲率的影响而变为椭圆形状，使照射区域变宽而有可能得不到充分的空间分辨率。在将延伸温度设定为1800℃左右时，射出面5c的曲率变得极小，实质上形成平面，因而在实际使用上不会造成问题。
从光纤2射出的光边扩散边入射到棱镜透镜5内，在棱镜透镜5内边会聚边行进，在前端倾斜面5a进行反射，从射出面5c射出。
侧方射出装置1’根据如图17所示的制造方法可以容易地制造。
在图17中，(a)表示在光纤2的前端熔接了棱镜透镜用光纤5’的状态；(b)表示切断、研磨棱镜透镜用光纤5’，形成前端倾斜面，其后进行最前端部5b的倒角加工、前端倾斜面5a的Au涂布，形成棱镜透镜5的状态。
该侧方射出装置1’的直径与光纤直径相同，非常细，所以适用于非常细的血管等。
在本发明中，关于在棱镜或棱镜透镜中形成前端倾斜面的方法，除使用切断、研磨的方法以外，也可采用用激光将棱镜用光纤或棱镜透镜用光纤切断而形成倾斜面的方法。
工业上的可利用性
本发明的侧方射出装置，除作为OCT的光探头使用之外，还可以用作把激光二级管和单模光纤进行耦合等的光通信用光纤模块、距离/位移传感器用光探头、以及内窥镜用光探头等。

Claims (4)

1.一种侧方射出装置，其特征在于，具有:光纤和熔接于该光纤的端面的棱镜GRIN透镜，该棱镜GRIN透镜构成为切除圆柱形的外周的一部分从而形成与轴线平行的平面状射出面的基本形状，具有斜着切除其前端部的前端倾斜面，从光纤射入到棱镜GRIN透镜内的光由该前端倾斜面反射并从所述射出面射出。
2.如权利要求1所述的侧方射出装置，其特征在于，对所述棱镜GRIN透镜的最前端部进行了倒角加工。
3.如权利要求1或2所述的侧方射出装置，其特征在于，所述棱镜GRIN透镜的最大直径为光纤直径的两倍以下。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述的侧方射出装置的制造方法，其特征在于，包括:切除圆柱形的透镜母材的外周的一部分，从而形成具有与轴线平行的平面研磨面的研磨完成透镜母材的步骤;使该研磨完成透镜母材延伸而形成棱镜GRIN透镜用光纤的步骤;将该棱镜GRIN透镜用光纤熔接于光纤的步骤;以及将该棱镜GRIN透镜用光纤切断而形成前端倾斜面的步骤。
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