CN102379676B - 内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜 - Google Patents

Abstract

在内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜中，允许甚至采用薄光纤也能形成具有大的发射面积的辅助光源，并允许降低其激光安全标准等级。用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导装配有光纤(11a)和辐射模式诱导装置(T，64)，该辐射模式诱导装置用于引起传播模式光(L1)在光纤(11a)的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光(L1)转换成辐射模式光(L2)，以便可以将辐射模式光(L2)用作照明光。

Description

内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜

技术领域

本发明涉及将插入体腔中以引导并将照明光照射在观察目标上的内窥镜光导。本发明还涉及具有该内窥镜光导的内窥镜。

背景技术

用于观察体腔的组织的内窥镜系统是已经广泛熟知的，并且例如通过将白光照亮在体腔的观察目标上并对观察目标进行成像而获得可见图像并将可见图像显示在监视屏上的内窥镜系统已经广泛用于实际应用。

通常，上述内窥镜系统采用用于将来自灯光源的白光作为照明光引导至体腔的内窥镜光导。此外，为了实现更多功能性照明(如，通过具体波长的照明照亮显示染病区域)并且为了高强度白光照明、发热的抑制以及较小的直径，连接至作为用于产生照明光的光源的激光源的内窥镜光导的发展已经在进行，例如，如在日本未审查专利公开No.2005-328921中描述的那样。

日本未审查专利公开No.2005-328921中描述的内窥镜光导包括位于光导的远端部处的荧光体，并通过用被引导通过光导的激励激光激励荧光体而产生白光。在该情况中，荧光体的尺寸为4μm(约激励波长的10倍)至20μm，并且除了白光产生功能之外，该光导还具有通过主动引起向前散射并在空间中均匀地混合荧光而降低荧光的不均匀性的功能。也就是说，荧光体还用作基于散射的扩散板。

通常，从激光源发射的激光有时可能由于大功率密度而对人体是有害的，即使它是小的发射量。因此，当激光源用作照明光源时，从用于操作部位的安全观点来看，优选尽可能地降低激光安全标准等级。

同时，考虑到可操作性、耐用性和小型化，用于内窥镜光导的光线的直径的减小正在发展。在该情况中，从激光安全标准的观点来看，直接使用直径减小的光线是有利的。因此，要求输出光的发射面积和扩展角尽可能地大。

如上所述，在采用激光作为照明光的内窥镜光导中，要求照明空间分布尽可能均匀，并且输出光的发射面积和扩展角尽可能地大。

然而，日本未审查专利公开No.2005-328921中描述的方法带来了一个问题，即发射面积的扩展范围受限，虽然它可以将发射面积增加到某种程度。更具体地，基于照明光的扩展角和光纤的输出面处的发射面积的积守恒的集光率守恒定律，照明光的扩展角和发射面积处于平衡关系，导致不能任意增加扩展角。同时，由于要求减小内窥镜光导，光纤(主光源)的输出面和扩散板之间的距离不能被任意设置。因此，辅助光源形成在扩散板上的发射面积的扩大不可避免地受到限制。在这种情况中，仅扩散板的小部分被使用，因此，照明区域的大小也受到限制。

已经考虑到上述情况发展了本发明，并且本发明的目标是提供能够降低激光安全标准等级的的内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜。

发明内容

为了实现本发明的目标，本发明的内窥镜光导是用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导，包括：

光纤；和

辐射模式诱导装置，用于引起传播通过光纤的传播模式光在传播模式光从中引出的光纤的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光转换为辐射模式光，使得辐射模式光能够用作照明光。

在本发明的内窥镜光导中，辐射模式诱导装置可以为形成在光纤的在输出面附近的预定部分处的锥形部，并且锥形部的芯体具有向着输出面逐渐变细的形状。

在该情况中，优选的是，如果锥形部上的传播模式光的入射角取为θ₀且光纤的临界角取为θ_c，则锥形部构造为引起具有满足以下给出的公式(1)的入射角θ₀的传播模式光进行侧面辐射，从而将传播模式光转换成辐射模式光。

θ₀/θ_c＞0.2                       (1)

如在本文中使用的传播模式光在锥形部上的术语“入射角”涉及形成在传播模式光的前进方向和锥形部的输入面的法线之间的锐角，其可以被认为是传播模式光在输入面的传播角。在这里，术语“锥形部的输入面”涉及光纤的垂直于光轴的在光纤的芯径开始逐渐变细的点(芯径开始降低的点)处的横截面。

优选地，如果锥形部沿光轴的方向的长度取为L，且传播模式光沿光轴的方向从传播模式光进入锥形部的点到传播模式光进行侧面辐射的传播距离取为L_p，则锥形部构造为满足以下给出的公式(2)。

L_p＜L/2                 (2)

如在本文中使用的术语“锥形部沿光轴的方向的长度”涉及从锥形部的输入面到锥形部的输出面(即，光纤的输出面)的距离。

如在本文中使用的术语“传播模式光沿光轴的方向从传播模式光进入锥形部的点到传播模式光进行侧面辐射的传播距离”涉及从锥形部的输入面到光纤的垂直于光轴的在传播模式光被转换成辐射模式光的点(芯体-覆层界面上的不再满足全反射条件的点)处的虚横截面的距离。

优选地，锥形部沿光轴的方向的长度在从1mm到20mm的范围内，并且锥形部的锥角在从0.5度到5度的范围内。

如在本文中使用的术语“锥角”涉及形成在锥形部的侧面的母线和光纤的光轴之间的角度。

同时，辐射模式诱导装置可以为挤压构件，该挤压构架具有挤压光纤的位于输出面附近的侧面以产生微弯曲的至少一个挤压终端。

在该情况中，优选的是，挤压构件具有多个挤压终端，并且挤压终端设置为，当从垂直于光纤的光轴的方向观看时，挤压沿着光轴的方向移动的不同位置，并且当从光轴的方向观看时，挤压在光纤中内切的规则的奇数多边形的顶点处的位置。

此外，优选的是，辐射模式诱导装置装配有反射构件，该反射构件沿传播模式光的前进方向引导辐射模式光。

在该情况中，优选的是，反射构件具有反射表面，该反射表面具有圆筒形形状或向着该反射表面的远端反向地逐渐变细的截头圆锥体形状并覆盖锥形部的周围，其中在反射表面具有截头圆锥体形状的情况中，反射表面覆盖锥形部的周围使得所述远端位于光纤的输出面侧。

此外，优选的是，辐射模式诱导装置装配有涂覆构件，该涂覆构件覆盖锥形部的侧面并由与构成锥形部的最外部分的材料的折射率可比较的折射率的材料制成。

如在本文中使用的术语与构成锥形部的最外部分的材料的折射率“可比较”涉及涂覆构件的折射率等于或接近构成锥形部的最外部分的材料的折射率，使得从芯体泄漏的光的反射在涂覆构件和构成锥形部的最外部分的材料之间的界面处减少。

本发明的内窥镜为包括下述特征的内窥镜：

上述内窥镜光导；

光源，连接至内窥镜光导的输入侧并产生照明光；和

成像单元，接收在观察目标中产生的作为由内窥镜光导引导的照明光在观察目标上的照明的结果的光，并捕获观察目标的图像。

如在本文中使用的术语“在观察目标中产生的作为照明光的照明的结果的光”在例如白光用作照明光以获得可见光的情况中涉及白光的反射光，在激励光用作照明光以获得可见光的情况中涉及对应于激励光的荧光。

根据本发明的用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜具体地包括辐射模式诱导装置，该辐射模式诱导装置用于引起传播通过光纤的传播模式光在传播模式光从中引出的光纤的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光转换为辐射模式光，使得辐射模式光可以用作照明光。这允许从光纤的除输出面之外的部分引出激光，从而允许采用薄光纤形成具有大发射面积的辅助光源。即使采用薄光纤，这也可以为内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜降低激光安全标准等级。

附图说明

图1为具有根据本发明第一实施方式的内窥镜光导的内窥镜系统的外视图，图示了其示意性结构。

图2为刚性插入段的示意图，图示了其组成。

图3为刚性插入段的示意性剖视图，图示了其内部结构。

图4A为非锥形光纤的示意性剖视图，图示了其中从该光纤的输出面输出光束的方位。

图4B为典型的锥形光纤的示意性剖视图，图示了其中从该光纤的输出面输出光束的方位。

图4C为本发明的光导的锥形光纤的示意性剖视图，图示了其中从邻近该光纤的输出面的部分输出光束的方位。

图5图示了具有预定锥角的锥形部的示意性剖视图，图示了其中传播模式光在锥形部中传播的方位。

图6A以透视图示意性地图示反射构件的结构示例。

图6B以透视图示意性地图示反射构件的结构示例。

图6C以透视图示意性地图示反射构件的结构示例。

图7A为图示其中辐射模式光由反射构件的反射表面反射并在前方聚焦的方位的概念视图。

图7B为图示其中辐射模式光由反射构件的反射表面反射并在前方聚焦的方位的概念视图。

图8A为辐射模式诱导装置的示意图，图示了其结构，通过将锥形部插入图6A中示出的反射构件并填充树脂形成该辐射模式诱导装置。

图8B为辐射模式诱导装置的示意图，图示了其结构，通过将锥形部插入图6C中示出的反射构件并填充树脂形成该辐射模式诱导装置。

图9为成像单元的示意图，图示了其结构。

图10为图像处理装置和光源装置的示意图，图示了其结构。

图11A为从垂直于光轴的方向观看的光纤的示意图，图示出挤压构件安装在该光纤上。

图11B为从光轴的方向观看的光纤的示意图，图示出挤压构件安装在该光纤上。

具体实施方式

以下，将参照附图描述本发明的实施方式，但应当理解，本发明不限于此。注意到，附图中的每个部件没有必要按比例绘制，以便于直观识别。

[内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜的第一实施方式]

根据第一实施方式的内窥镜光导或具有该内窥镜光导的内窥镜用于图1中示出的内窥镜。图1为内窥镜系统(刚性内窥镜)的外视图，该内窥镜系统包括内窥镜光导(以下，简单地称为“光导”)或具有根据本实施方式的内窥镜光导的内窥镜(刚性内窥镜)。

(刚性内窥镜系统)

如图1图示，本实施方式的刚性内窥镜系统1包括光源装置2、刚性内窥镜10、图像处理装置3和监视器4，光源装置2用于发射白色照明光和/或激励光，刚性内窥镜10用于将从光源装置2发射的照明光和/或激励光引导并照明至观察区域，并通过白光的照明基于从观察区域反射的反射光捕获可见图像，和/或通过激励光的照明基于从观察区域发射的荧光捕获荧光图像，图像处理装置3用于在由刚性内窥镜10捕获的可见图像和/或荧光图像上进行预定的处理，并产生可见图像和/或荧光图像，监视器4用于基于在图像处理装置3中产生的显示控制信号显示观察区域的可见图像和荧光图像。

(刚性内窥镜)

如图1所示，刚性内窥镜10包括将插入腹腔的刚性插入段30和被引导通过刚性插入段30的用于捕获观察目标的可见图像和荧光图像的成像单元20。如图2所示，刚性插入段30和成像单元20可分离地连接。刚性插入段30包括连接构件30a、插入构件30b和电缆连接端口30c。

(刚性插入段)

刚性插入段30包括用于容纳光导和成像光学系统的插入构件30b、用于连接成像单元20的连接构件30a以及用于连接用于引导在光源2中产生的光的光纤LC的电缆连接端口30c。

连接构件30a设置在刚性插入段30(插入构件30b)的近端30X处，通过将连接构件30a例如装配在形成在成像单元20中的孔20a中，成像单元20和刚性插入段30可分离地连接。

电缆连接端口30c设置在插入构件30b的侧面，光导电缆LC机械地连接至该端口。这使得光源装置2和刚性插入段30通过光导电缆LC在光学上连接在一起。

插入构件30b为在腹腔中进行成像时将插入腹腔的构件。插入构件30b由刚性材料形成，并且具有例如直径为约10mm的圆柱形形状。图3为插入构件30b的示意性剖视图，图示了其内部结构，即刚性插入段30的整体结构。如图3所示，插入构件30b在其内部包括具有用于将从光源2发射的照明光和/或激励光引导并照明在观察目标上的多模光纤的光导LG、用于形成可见图像和荧光图像的物镜12、用于引导由物镜12形成的可见图像和/或荧光图像的透镜组13。这使得观察目标的从远端30Y(图2)输入的可见图像和荧光图像通过物镜12和透镜组13被引导至近端侧30X的成像单元20。

(光导)

现在将详细描述设置在插入构件30b的内部的光导LG的机构。如图3所示，光导LG包括光纤11a，具有在光纤的输出面附近围绕光纤的反射表面的圆筒形反射构件11b、设置为填充在光纤11a的输出面和反射构件11b之间的涂覆构件11c以及用于固定光纤11a的固定构件11d。

(光纤)

光纤11a由芯体C和形成在芯体周围的覆层K构成。从光源装置2发射的照明光和/或激励光被从光纤11a的一端输入，引导通过光纤11a，并从另一侧输出，从而被引导至观察目标。对光纤的类型和材料没有任何特定限制，并且多模光纤优选用作半导体激光，通常，当其输出功率大且为了获得高耦合效率时，其以多模式在空间中振荡。

光纤11a的输出面附近的预定部分形成锥形形状，以向着该输出面逐渐变细。光纤11a的具有锥形形状的所述预定部分用作光纤的锥形部T，并构成本发明的辐射模式诱导装置。通过加热光纤11a的一部分并拉伸被加热部分，将锥形部T形成锥形形状。也就是说，光纤11a的锥形部T形成为使得锥形部T中的芯体和覆层之间的比率等于光纤11a的非锥形部中的比率。优选地，在本发明的光导中，锥形部T沿光轴的长度(锥形长度)为1-20mm，且更优选地为2-5mm。在这里，下限“1mm”基于可以制造的锥形部的最小长度约为1mm的事实确定，虽然短锥形部，即，具有大的锥角的锥形部可以减小引起侧面辐射的传播距离。上限“20mm”基于下述事实确定，即在长锥形部的情况中，通过维持全反射而通过锥形部的光分量增加，并且锥形部的实际上可以允许这种分量的最大长度约20mm。优选地，考虑到制造上的限制，锥形部的锥角为0.5-5度，且更优选地为1-4度。在其中通过拉伸工艺形成锥形部T的情况中，锥形长度和锥角基本上由拉伸工艺中锥形部T的锥度比确定。因此，通过在恰当地设置锥度比的同时进行拉伸工艺可以获得在期望范围内的锥形长度和锥角。本文中使用的术语“锥度比”涉及{(锥形部的输入面处的芯径)/(锥形部的输出面的芯径)}×100％。优选地，锥度比小于50％。

(锥形光纤的操作)

现在通过与非锥形光纤的操作进行比较而描述典型的锥形光纤的操作。随后，将通过比较典型的锥形光纤和非锥形光纤的操作而描述用于本发明的光导LG的锥形光纤的操作。

图4A示意性地图示非锥形光纤的操作，图4B图示典型的锥形光纤的操作，图4C图示用于本发明的光导LG的光纤的操作。

通常，光纤的输出面的数值孔径由下文给出的公式(3)表示。下文给出的公式(3)中的θ为图4A中示出的θ，其为从光纤输出的光的半扩展角。n₁和n₂分别为芯体和覆层的折射率。

$\mathrm{NA}=\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{n_1^2-n_2^2}......\left(3\right)$

同时，在光纤中，通常，输出面处的芯径和传播模式光的半扩展角θ的乘积为常数。因此，下文给出的公式(4)适用于锥形部的其中如图4B所示芯径向着锥形光纤的输出面连续减小的任何横截面。

光束芯径(z)×θ(z)＝常数               (4)

其中，z为表示锥形部T的任意横截面的位置的变量。

因此，图4B中示出的光纤的锥形部的输出面处的半扩展角θ’比图4A中示出的光纤的锥形部的输出面处的半扩展角θ大对应于图4A和4B中的芯径之间的差的量。

接下来，将描述用于本发明的光导LG的锥形光纤的操作。本发明的锥形光纤11a与图4B中的光纤相同之处在于，它在输出面附近具有锥形部T，但锥形部T的锥角相差很大。在图4B的情况中，采用上述公式(4)的关系，仅增加从输出面的芯体输出的传播模式光的扩展角。也就是说，在图4B的情况中，假设传播模式光从锥形部T的输出面(光纤的输出面)辐射。相反，本发明的锥形光纤11a构造为使得进入锥形部的传播模式光从锥形部的侧面辐射，并通过进一步增加锥角而被转换成辐射模式光。这允许从光纤的一部分而不是从输出面引出激光，如图4C所示。

为什么会出现这种侧面辐射的原因如下。进入锥形部的传播模式光通过在锥形部T的芯体-覆层界面处重复全反射而在锥形部T的芯体C中传播。在传播过程中，在每次发生全反射时光的传播角增加锥角的量，因此该界面上的入射角也增加锥角的量。结果，入射在该界面上的传播模式光L1尽管具有大于临界角的入射角，而变得不能在界面位置处进行全反射，并被转换成辐射模式光L2。注意到，与典型的锥形光纤的锥角不同的锥角的简单增加并不总是引入上述侧面辐射。传播模式光L1是否进行侧面辐射取决于，特别地，锥形长度、所采用的光的波长、传播模式光L1的传播角等等，而不是取决于锥角。因此，在光纤的锥形部T用作辐射模式诱导装置的情况中，与在本实施方式中一样，需要考虑所采用的光的波长、传播模式光L1的传播角等设计锥形部T。

在设计锥形部T时，优选的是，锥形部T被构造为，如果传播模式光在锥形部上的入射角取θ₀，且光纤的临界角取θ_c，则引起具有满足上述公式(1)的入射角的传播模式光进行侧面辐射，从而将传播光转换成辐射模式光。这可以引起穿过通过光纤的光的能量的大部分(考虑锥形部上的典型入射角θ₀，近似为不小于70％)进行侧面辐射。

(侧面辐射判断方法)

具体判断传播模式光L1是否进行侧面辐射由是否满足下文给出的公式(5)进行，如果锥形长度取L，沿光轴的方向从具有某个传播角θ₀的传播模式光L1进入锥形部T的点到传播模式光L1进行侧面辐射的点的传播长度取L_p。在满足公式(5)的情况中，传播模式光L1进行侧面辐射，且传播模式光L1被转换成辐射模式光L2。

L_P＜L             (5)

以下，将详细描述公式(5)。

图5为具有锥角α的锥形部T的示意性剖视图，图示了其中传播模式光L在锥形部中传播的方位。注意到，为方便起见，图5仅示出芯体，未示出覆层。锥形部的芯体是坐标P1(0，a)、P2(L，b)、P3(L，-b)和P4(0，-a)限定的部分。

当具有某个传播角θ₀的传播模式光L1从锥形部T的输入面的点Q₀(0，Y₀)进入锥形部T时，传播模式光L1通过在芯体的侧面处重复全反射而向着锥形部T的输出面传播。可以由下文给出的公式(6)获得传播模式光L1在Q1(X1，Y1)处被全反射一次之后的传播角θ1，因为入射角变为等于传播角加锥角，反射后的传播角等于反射表面处的反射角加锥角。

|θ₁|＝|θ₀|+2α     (6)

可以由下文给出的公式(7)获得被全反射n次之后的传播角θ_n，因为芯体的其上出现反射的侧面交替变化。

θ_n＝(-1)ⁿ·(|θ₀|+2αn)        (7)

因此，可以由下文给出的公式(8)获得其中传播角不大于芯体侧处的临界角θc的最大可能的反射总次数N。在这里，INT为用于舍入圆括号中的计算结果的小数位以获得整数的算子。

N＝INT((θ_c-θ₀)/2α)           (8)

如果锥形部T的芯体的折射率取n₁，且覆层的折射率取n₂，则临界角θc可以由全反射中的斯内尔定律定义为下文给出的公式(9)。

θ_c＝cos^-1(n₂/n₁)               (9)

此外，沿X方向从芯体的其中传播模式光L1被反射的侧面至芯体的其中传播模式光L1被第二次反射的侧面向着锥形部T的输出面行进的传播模式光L1的传播距离，即该距离的X分量L_j-1，j在其中可能发生全反射的点Q_j-1(反射点Q)和下一个反射点Q_j之间的长度，由下文给出的公式(10)表示。其中，j表示到达反射点Q的次数且为0或更大的整数。j的最大值等于最大可能的总反射次数N+1。j＝0表示锥形部T的输入面取X轴的原点的位置(X₀＝0)。在严格意义上，反射点Q_N+1不是其中出现全反射的点，为方便起见其被称为反射点。

L_0，1＝X₁-X₀＝X₁

L_1，2＝X₂-X₁

------

L_j-1，j＝X_j-X_j-1

------

L_N-1，N＝X_N-X_N-1

L_N，N+1＝X_N+1-X_N    (10)

在该情况中，通过锥形部的芯体的传播模式光L1到反射点Q_N+1，即第(N+1)个反射点的传播距离的X方向分量的长度L_P(N+1)由下文给出的公式(11)表示。其中，L_P(j)表示通过锥形部的芯体的传播模式光L1到第j个反射点的传播距离的X方向分量的长度，Z_j表示锥形部T在第j个反射点Q_j处的宽度(沿Y方向的长度)。

$L_P(N+1)=L_{\mathrm{0,1}}+L_{\mathrm{1,2}}+L_{\mathrm{2,3}}+...+L_{j-1,j}+...+L_{N,N+1}$

$=\frac{Z_0}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_0\right|+\tan \mathrm{\α}}+\frac{Z_1}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_1\right|+\tan \mathrm{\α}}+\frac{Z_2}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_2\right|+\tan \mathrm{\α}}+...+\frac{Z_{j-1}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_{j-1}\right|+\tan \mathrm{\α}}+...+\frac{Z_N}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_N\right|+\tan \mathrm{\α}}$

$=\frac{a-Y_0}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_0\right|+\tan \mathrm{\α}}+\frac{2a-2L_{\mathrm{0,1}}\·\tan \mathrm{\α}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_1\right|+\tan \mathrm{\α}}+\frac{2a-2(L_{\mathrm{0,1}}+L_{\mathrm{1,2}})\·\tan \mathrm{\α}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_2\right|+\tan \mathrm{\α}}+...+\frac{2a-2\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i-1,j}\·\tan \mathrm{\α}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_{j-1}\right|+\tan \mathrm{\α}}$

$+...+\frac{2a-2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i-j,i}\·\tan \mathrm{\α}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_N\right|+\tan \mathrm{\α}}......\left(11\right)$

通过考虑锥形部T在第(j-1)个反射点Q_j-1处的宽度Z_j-1和锥形部T在第j个反射点Q_j处的宽度Z_j之间的关系可以导出公式(11)。也就是说，采用反射点Q_j-1和Q_j之间的距离的X方向分量的长度L_j-1，j，锥形部T在第(j-1)个反射点Q_j-1处的宽度Z_j-1可以下文给出的公式(12)表示。

Z_j-1＝L_j-1，j·|tanθ_j-1|+L_j-1，j·tanα……(12)

同时，采用通过锥形部的芯体的传播模式光L1到第(j-1)个反射点Q_j-1的传播距离的X方向分量的长度L_P，Z_j-1可以下文给出的公式(13)表示。

$Z_{j-1}=2a-2\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{j-1,i}\·\tan \mathrm{\α}......\left(13\right)$

根据公司(12)和(13)，当L_j-1，j大致表示为下文给出的公式(14)时，可以获得公式(11)的第二项到最后一项。

$L_{j-1,j}=\frac{2a-2\underset{i=1}{\overset{j-1}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{i-1,i}\·\tan \mathrm{\α}}{\left|\tan {\mathrm{\θ}}_{j-1}\right|+\tan \mathrm{\α}}......\left(14\right)$

通过获得初值Z₀可以归纳得到公式(11)中的L_P。如在点j＝0取作锥形部T的输入面且锥形部T的宽度取作锥形部T的输入面处的芯径时，则可以由下文给出的公式(15)表示Z₀。因此，可以获得公式(11)的第一项，因此也可以获得L_P。

Z₀＝a-Y₀                  (15)

如上所述，在其中根据本实施方式的锥形部T用作辐射模式诱导装置时，能够恰当地设计锥形部T，使得在考虑实际使用的光源、光纤等等的同时由公式(11)获得的L_P的值满足公式(5)。这可以引起传播模式光L1在光纤的锥形部T处进行侧面辐射。优选地，从尽可能大地形成发射面积的观点看，L_P设置为满足上述公式(2)。这允许在传播模式光L1到达锥形部T的长度L的中点之前产生辐射模式光L2，从而与前侧相比可以增加发射面积。到此为止，已经描述了本发明的锥形光纤11a的操作。

(在出现侧面辐射之前沿光轴方向的传播长度的实际计算示例)

计算示例适合下文示出的实际光纤。通过举例的方式，所采用的光纤为多模光纤，具有230μm的光纤芯径和0.23的数值孔径。假设该光纤已经经受拉伸工艺，并具有向输出面逐渐变细的锥形部，该锥形部具有5mm的锥形长度，并且在输出面处具有40μm的芯径。在该情况中，锥角α约为1.08度。在其中光在传播角满足条件θ₀/θ_c＝0.4的情况入射在上述光纤的锥形部的输入面的中心(即，上述公式(15)中的Y₀＝0)的情况中，最大可能的全反射次数计算为2。也就是说，光不满足第三反射点(N+1＝3)处的全反射条件并变为辐射模式。在这里，根据下文示出的表1，传播长度L_P(3)(距离L_j-1，j的差之和，j＝1～3)为约3.67mm。也就是说，直到光在传播通过5mm锥形部T之前从侧面辐射。

上述计算示例仅仅是一个例子，其它计算示例也是可行的。然而，即使在将使用的光纤和传播角条件改变的情况中，通过上述计算示例的程序也能够恰当地设计锥形部T，使得由公式(11)获得的值L_P满足上述公式(5)。

(反射构件)

反射构件11b为具有沿正向方向(传播模式光L1的前进方向)聚焦辐射模式光L2的反射表面的构件。这允许辐射模式光L2被有效地用作照明光。对反射构件11b的形状没有任何特定的限制，例如，外侧面和内侧面都是圆筒形的形状60a(图6A)、外侧面和内侧面都向着反射构件11b的远端反向地逐渐变细的截头圆锥形状60b(图6B)、外侧面为圆筒形且内侧面为向着反射构件11c的远端反向地逐渐变细的截头圆锥形的形状60c(图6C)等等是优选使用的。考虑到照明光的亮度分布调节，具有向着反射表面的远端反向地逐渐变细的截头圆锥体形状(如图6B或6C)的反射表面S2是优选的。在这种情况中，优选的是，反射表面的锥角(反射表面的母线和光纤的光轴之间的角度)为2～3度。对反射构件11b的材料没有任何特定限制，例如，可以使用诸如金或银之类的金属和玻璃。在其中使用具有低反射特性的材料(如玻璃等)的情况中，金属可以涂敷在内侧面上。可以通过沉积、电镀等进行金属涂敷。此外，对于图6A中示出的反射构件，例如，可以使用所谓的金属箍。

对反射构件11b沿着光纤的光轴的长度没有任何特定限制，只要它围绕锥形长度。对将光纤11a固定至反射构件11b的方法和将固定构件设置在反射构件11b的内部的方法或将光纤11a插入反射构件11b中并填充树脂或粘合剂的方法没有任何特定限制。在后一种情况中，优选的是，所使用的树脂或粘合剂也用作随后将描述的涂敷构件。图3中示出的反射构件11b为对应于图6A中示出的在内侧具有反射表面(未示出)的构件的圆筒形构件60a(未示出)。

图7A和7B为概念图，图示了其中辐射模式光L2由反射构件11b的反射表面反射并在前方聚焦的方位。在图7A或7B，为方便起见，仅示出反射构件11b的反射表面的形状。图7A图示了其中放置圆筒形反射表面S1的情况。这对应于其中图6A的反射构件60a安装在光纤11a的锥形部T上的情况。图7B图示了其中放置截头圆锥体形反射表面S2的情况。这对应于其中图6B的反射构件60b或图6C的反射构件60c安装在光纤11a的锥形部T上，使得反射构件60b或60c的远端(较宽端)设置在光纤11a的输出面侧的情况。如图7A和7B所示，反射构件特别用于将从光纤的远离输出面辐射的辐射模式光L2聚焦在需要照明的位置处。在图7A和7B中的每种情况中，扩散板62设置在光纤11a的输出面的前方。从增加扩展角的观点看，这种实施方式是优选的。通过考虑固定反射构件11b的位置，可以恰当地选择扩散板的情况。

(涂敷构件)

涂覆构件11c设置在锥形光纤11a的锥形部T周围，并由具有与覆层的折射率可比较的折射率的材料制成。优选地，涂覆构件11c的折射率和覆层的折射率之间的差在±0.5％之内，且更优选地为在±0.4％之内，以有效地引起侧面辐射。这些范围基于折射率差对于单模式为0.2～0.3％和对于多模式为约1％的事实。涂覆构件11c用来防止辐射模式光L2形成覆层模式。这可以有效地引起辐射模式光L2进行侧面辐射到光纤的外面。例如，树脂，如UV可固化树脂、热固性树脂可以用于涂覆构件11c。考虑到典型的光纤的覆层的折射率为1.45～1.46，具有1.44～1.47的折射率的材料优选作为涂覆构件11c的材料。更具体地，例如，其折射率可从1.45调节至1.50的UV可固化粘合剂(环氧型)优选用作涂覆构件11c的材料。在涂覆构件11c的表面暴露至空气的情况中，不大于微级的表面粗糙度或挠曲形成在涂覆构件11c的表面上，以防止在涂覆构件11c中形成传播模式。涂覆构件11c没有必要覆盖锥形部T的整个侧面，但优选的是，从均匀化锥形部周围的辐射模式光L2的亮度分布的观点看，涂覆构件11c相对于圆周方向均匀地覆盖锥形部的侧面。

图8A为通过将锥形部T插入图6A中示出的反射构件60a并将树脂填充在锥形部T和反射构件60a之间形成的辐射模式诱导装置的示意图，图示了其结构。图8B为通过将锥形部T插入图6C中示出的反射构件60c并将树脂填充在锥形部T和反射构件60c之间形成的辐射模式诱导装置的示意图，图示了其结构。这些结构是优选的，因为涂覆构件11c用来固定锥形部T和反射构件。

(成像单元)

图9为成像单元20的示意图，图示了其结构。成像单元20包括第一成像系统和第二成像系统，第一成像系统用于对观察目标的由刚性插入段30中的透镜组13形成的荧光图像进行成像以产生观察目标的荧光图像信号，第二成像系统用于对观察目标的由刚性插入段30中的透镜组13形成的可见图像进行成像以产生观察目标的可见图像信号。这些系统成像系统由具有反射可见图像并透射荧光图像的波谱特性的分色棱镜21分离成两个正交光轴。

第一成像系统包括对从刚性插入段30发射并传输通过分色棱镜21的激励光进行减光的激励光减光滤光片22、形成从刚性插入段30输出并传输通过分色棱镜21和激励光减光滤光片22的荧光图像L4的第一图像形成光学系统23、以及捕获由第一图像形成光学系统23形成的荧光图像L4的高灵敏度图像传感器24。

第二成像系统包括形成从刚性插入段30输出并从分色棱镜21反射的可见图像L3的第二图像形成光学系统25、以及捕获由第二图像形成光学系统25形成的可见图像L3的图像传感器26。

高灵敏度图像传感器24以高灵敏度检测在荧光图像L4的波长范围内的光，将检测到的光转化为荧光图像信号，并输出荧光图像信号。高灵敏度图像传感器24为单色图像传感器。

图像传感器26检测可见图像波长范围内的光，将检测到的光转化为可见图像信号，并输出该图像信号。三原色(红(R)、绿(G)和蓝(B)，或青(C)、紫(M)和黄(Y))的滤色器以Beyer或蜂窝状图案设置在图像传感器26的成像表面上。

成像单元20还包括成像控制单元27。成像控制单元27对从高灵敏度图像传感器24输出的荧光图像信号和从图像传感器26输出的可见图像信号进行CDS/AGC(相关双采样/自动增益控制)和A/D转换，并通过电缆5(图1)将产生的图像信号输出至图像处理装置3。

(图像处理装置)

图10为图像处理装置3和光源装置2的示意图，图示了其结构。

如图10所示，图像处理装置3包括可见图像输入控制器31、荧光图像输入控制器32、图像处理单元33、存储器34、视频输出单元35、操作单元36、TG(定时信号发生器)37和控制单元38。

可见图像输入控制器31和荧光图像输入控制器32(每个都设置有具有预定容量的线缓冲器)相对于从成像单元20的成像控制单元27输出的每一帧分别临时存储可见图像信号和荧光图像信号。随后，存储在可见图像输入控制器31中的可见图像信号和存储在荧光图像输入控制器32中的荧光图像信号经由总线存储在存储器34中。

图像处理单元33相对于每一帧接收来自存储器34的可见图像信号和荧光图像信号，随后对这些图像信号进行预定的处理，并将所产生的图像信号输出至总线。

视频输出单元35经由总线接收从图像处理单元33输出的可见图像信号和荧光图像信号，随后通过对接收到信号进行预定的处理而产生显示控制信号，并将显示控制信号输出至监视器4。

操作单元36接收来自操作人员的输入，如多种类型的操作指令和控制参数。TG 37输出驱动脉冲信号，用于驱动成像单元20的高灵敏度图像传感器24和图像传感器26、以及随后将描述的光源装置2的LD驱动器45。

控制单元38进行系统的整体控制。

(光源装置)

光源装置2包括发射由从400nm到700nm的宽波长范围构成的可见光(白光)L1的可见光源40、对从可见光源40发射的可见光L1进行聚集的聚光透镜42、以及通过传输由聚光透镜42聚集的可见光L1并反射激励光而输出可见光L1和激励光L2(随后将描述)至光导电缆LC的输入面的分色镜43。对于可见光源40，例如，使用氙气灯。孔41设置在可见光源40和聚光透镜42之间，并基于来自ALC(自动光控制装置)的控制信号控制孔大小。

光源装置2还包括发射作为用于激励ICG(靛青绿)(其为用于产生荧光的荧光颜料)的激励光L2的750～800nm的近红外光的LD光源44、驱动LD光源44的LD驱动器45、聚集从LD光源44发射的激励光L2的聚光透镜46、以及将由聚光透镜46聚集的激励光L2反射至分色镜43的镜子47。

在本实施方式中，具有前述波长范围的光用作激励光L2，但波长不限于上述范围，且可以根据给予对象的荧光颜料的类型或用于自身荧光的活组织的类型确定。

如上所述，特别地，根据本实施方式的用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜包括辐射模式诱导装置，辐射模式诱导装置用于引起传播通过光纤的传播模式光L1在传播模式光从中引出的光纤的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光L1转换为辐射模式光L2，使得辐射模式光L2可以用作照明光。这允许从光纤的除输出面之外的部分引出激光，从而允许采用薄光纤形成具有大发射面积的辅助光源。即使采用薄光纤，这也可以为内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜降低激光安全标准等级。

(内窥镜光导的结构变化)

到此为止，已经对其中本发明的内窥镜光导应用于刚性内窥镜的情况进行了描述，但本发明的应用不限于此，本发明也可适用于软内窥镜。

[内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜的第二实施方式]

现在将描述内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜的第二实施方式。根据本实施方式的内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜的具有与第一实施方式的结构基本相同的结构。第二实施方式与第一实施方式不同之处在于，辐射模式诱导装置为用于挤压光纤的在光纤的输出面附近的侧面以产生微弯曲的挤压构件64。因此，除非本文中进一步另外特别要求，将不详细描述与第一实施方式的部件相同的部件。

图11A和11B图示了其中为本实施方式的辐射模式诱导装置的挤压构件安装在光纤上的方位。图11A为从垂直于光轴的方向观看时光纤的示意图，图示出挤压构件安装在该光纤上。图11B为从光轴的方向观看时光纤的示意图，图示出挤压构件安装在该光纤上。

与在本实施方式中一样，如果光纤被部分地挤压，则产生微弯曲损耗，因此产生辐射模式光L2。在该情况中，挤压构件64包括多个挤压终端64，如图11A和11B所示。优选地，多个挤压终端64设置为挤压沿着光轴方向移动的不同位置(当从垂直于光纤的光轴的方向观看时)，并挤压在光纤中内切的规则奇数多边形的顶点(当从光轴的方向观看时)。这不会引起挤压终端64变为由其它挤压终端64产生的辐射模式光L2的阻挡，并且允许辐射模式光L2被有效地用作照明光，如图11A和11B所示。例如，在图11B中，当从光轴的方向观看时，挤压终端64设置为挤压刻在光纤中的规则五边形的顶点。更大数量的规则奇数多边形的顶点会导致辐射模式光L2的亮度分布更均匀。由挤压构件64施加的挤压可以为使光纤的芯体变形数微米的小量。此外，上述反射构件可以构造为包括挤压终端。

如上所述，特别地，根据本实施方式的用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导和具有该内窥镜光导的内窥镜包括辐射模式诱导装置，该辐射模式诱导装置用于引起传播通过光纤的传播模式光L1在传播模式光从中引出的光纤的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光L1转换为辐射模式光L2，使得辐射模式光L2可以用作照明光，因此本实施方式可以提供与第一实施方式的效果相同的有利效果。

Claims (1)

1.一种用于将照明光引导至观察目标的内窥镜光导，包括：

光纤；和

辐射模式诱导装置，用于使得传播通过光纤的传播模式光在传播模式光从中引出的光纤的输出面附近进行侧面辐射，从而将传播模式光转换为辐射模式光，使得辐射模式光能够用作照明光，

其中辐射模式诱导装置装配有反射构件，该反射构件沿传播模式光的前进方向引导辐射模式光，

其中反射构件具有反射表面，该反射表面具有向着该反射表面的远端反向地逐渐变细的截头圆锥体形状并覆盖锥形部的周围，其中反射表面覆盖锥形部的周围使得所述远端位于光纤的输出面侧。