JP2010009035A - 光走査デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光走査デバイスにおいて、細径化と高解像度とを両立させることを主要な課題とする。
【解決手段】 円筒チューブと、該円筒チューブ内に挿入され磁石又は磁性体からなるパーツを備えた光ファイバと、該円筒チューブの円筒面に形成されたコイルとを含み、電磁駆動によって該光ファイバを走査させることを特徴とする光走査デバイス。
【選択図】 図１

Description

本発明は、細径かつ高解像度が必要とされる内視鏡等に使用される光走査デバイスに関するものである。

生体内の観察と治療を行うために内視鏡が広く用いられているが、高解像度化と細径化が求められている。内視鏡にはＣＣＤイメージセンサを搭載した電子内視鏡と、光ファイバを束ねたファイバスコープがある。しかし、この２種類の内視鏡は共に、高解像度化と細径化が相互に依存しており、高解像度化すればアレイやファイバの数が増え外径が大きくなり、細径化すればアレイやファイバの数は減少し解像度が低下する。

これらの問題を解決する一つの方法として、光走査デバイスを内視鏡先端に搭載して画素数による制限をなくした内視鏡の開発が行われている。
これには光ファイバ先端に可動ミラーを置いて反射光を走査するもの(特許文献１、非特許文献１参照)と、１本の光ファイバを体内に挿入しその先端を機械的に振動させ２次元に動かすことで前方の画像を得る光走査デバイス(特許文献２、非特許文献２参照)がある。

乳癌診断のための乳管内観察や歯周病検診の歯周ポケット内観察、血管内における内視鏡では外径1ｍｍ以下が望ましいが、前述の光走査デバイスでは高解像度化ができても1ｍｍ以下の細径化は困難である。例えば可動ミラーを用いた構成では、ミラーの微小化に限界があり、さらにミラーを傾けるためのマイクロアクチュエータを小さくすることにも限界がある。
非特許文献２では圧電駆動で光ファイバを振動させているが、バルクの圧電チューブを用いており細径化が難しい。また特許文献２のように巻線による多層コイルを用いた電磁駆動の構成では、コイル径が大きくなり細径化が困難である。

また、これらの内視鏡は正面視であるが、細径の内視鏡は血管や乳管など狭い管腔内に挿入されることから側視観察が有用である。ところが、一般に正面視と側視を両立することは難しく、プローブを入れ替える必要がある。さらに、電磁駆動の際には、コイルに電流を流すことによる発熱が生じるが、体内で安全に用いるためにはプローブの表面温度を４１℃以下に保つことが望ましい。

特表２００５−５２１０９８号公報 特表２００６−５０４９８８号公報 特開２００７−１１４７５８号公報

Proc. of SPIE Vol. 5721 (2005), pp. 119-131 Lasers in Surgery and Medicine, Vol. 30, (2002), pp. 177-183

本発明の第１の目的は、光走査デバイスにおいて、細径化と高解像度とを両立させることである。
本発明の他の目的は、光走査デバイスにおいて、正面視と側方視機能とを両立させることである。
さらに本発明の他の目的は、動作時における光走査デバイスの表面温度を低減させることである。

上記課題を解決するために本発明は、次のような光走査デバイスを提供する。
（１）円筒チューブと、該円筒チューブ内に挿入され磁石又は磁性体からなるパーツを備えた光ファイバと、該円筒チューブの円筒面に形成されたコイルとを含み、電磁駆動によって該光ファイバを走査させることを特徴とする光走査デバイス。
（２）前記コイルは、傾斜コイル又は多重巻きの鞍型コイルであることを特徴とする（１）に記載の光走査デバイス。
（３）前記コイルは、絶縁層を介して積層された多層コイルであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の光走査デバイス。
（４）前記多層コイルは、円筒チューブの周方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする（３）に記載の光走査デバイス。
（５）前記コイルは、非平面に対応したフォトファブリケーションプロセス又はフレキシブルシート巻き付けのいずれかにより作製されたことを特徴とする（１）ないし（４）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（６）前記光ファイバに、少なくとも１個の磁石又は磁性体からなるパーツが取り付けられていることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（７）前記磁石からなるパーツの磁化方向は、光ファイバの長軸方向、短軸方向、内外２極、多極、又は等方性のいずれかであることを特徴とする（１）ないし（６）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（８）前記磁石又は磁性体からなるパーツは、機械加工による削り出し又はめっきにより形成されたものであるか、あるいは磁性粉を樹脂で固めたものか、あるいは光ファイバ表面に形成されたコイルに電流を流すことで電磁石として用いるものであることを特徴とする（１）ないし（７）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（９）前記コイルと光ファイバ及び磁石又は磁性体からなるパーツとの間に磁性体コアを有することを特徴とする（１）ないし（８）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（１０）コリメートレンズが光ファイバ端面又は円筒チューブ端面に取り付けられていることを特徴とする（１）ないし（９）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（１１）円筒チューブ内壁に鏡面を形成し光導波路としたことを特徴とする（１）ないし（１０）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（１２）光ファイバ前面にリング形状の傾斜ミラーを付加したことを特徴とする（１）ないし（１１）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（１３）円筒チューブの周囲に外皮がさらに設けられていることを特徴とする（１）ないし（１２）のいずれかに記載の光走査デバイス。
（１４）円筒チューブと外皮との間に、空気循環用の空間を有することを特徴とする（１）ないし（１３）のいずれかに記載の光走査デバイス。

本発明によれば、細径薄肉な円筒チューブ内で磁石又は磁性体からなるパーツを備えた光ファイバを走査できるので、光走査デバイスにおいて、細径化と高解像度との両立が可能になる。
また本発明によれば、光ファイバ前面にリング形状の傾斜ミラーを付加したため、正面視と側方視機能との両立が可能になる。
さらに本発明によれば、円筒チューブと外皮との間に、空気循環用の空間を有することで、コイルに電流を流した際に発生するジュール熱を排出できるので、光走査デバイスの表面温度を低減することが可能になる。

本発明に係る光走査デバイスの基本構成図 本発明に係る光走査デバイスの駆動原理図 光ファイバ表面に形成されたコイルに電流を流すことで電磁石とした光走査デバイスの基本構成図 光ファイバ表面に形成されたコイルに電流を流すことで電磁石とした光走査デバイスの駆動原理図 光ファイバ表面へコイル形成するためのレジストパターンを示す写真 光ファイバ表面に形成されたコイルの拡大写真 多重巻きの鞍型コイル形状を有する光走査デバイスの構成図 長焦点カラー対応内視鏡のシステム構成図 共焦点内視鏡のシステム構成図 光コヒーレンストモグラフィー(ＯＣＴ)内視鏡のシステム構成図 フレキシブルシート巻き付けによるコイル作製プロセス 側方視のための傾斜リング型ミラー コイル冷却の構成図 コイル作製プロセス説明図 作製したコイル(第１層)の写真 作製したコイル(第１、２層)の拡大写真 光学系と駆動系を含むプローブ構成図 駆動実験結果図(１次元) 駆動実験結果図(２次元) １次元のスキャンによるＯＣＴ利用の奥行き方向の走査結果図

本発明に係る光走査デバイスの基本構成図の一例を図１に示す。光走査デバイスの構成要素は、Ｘ-Ｙ方向駆動用コイル、磁石からなるパーツ、コリメートレンズ、単一光ファイバである。
Ｘ-Ｙ方向駆動用コイルは、ソレノイドコイルを傾けた傾斜コイルを用いる。傾斜コイルに電流を流すと、図２に示した方向に磁界が発生する。磁石からなるパーツを取り付けた光ファイバは、永久磁石の磁気モーメントが磁界と揃うように曲がり、光ファイバから出た光を走査する。

磁石からなるパーツの磁化方向は、光ファイバの長軸方向、短軸方向、例えば内がＳ極外がＮ極のような内外２極、これが複数ある多極、又は等方性のいずれかとすることができる。
本発明に係る磁石からなるパーツとしては、図示した永久磁石のみならず電磁石からなるパーツであってもよい。また磁石からなるパーツのみならず、磁性体からなるパーツであってもよい。

図３は、光ファイバ表面に形成されたコイルに電流を流すことで電磁石とした光走査デバイスの基本構成図である。この光走査デバイスの構成要素は、図１に示す光走査デバイスと基本的に同様である。
Ｘ-Ｙ方向駆動用コイルは、ソレノイドコイルを傾けた傾斜コイルを用いる。傾斜コイルに電流を流すと、図４に実線で示した方向に磁界が発生する。電磁石を取り付けた光ファイバは、電磁石の磁気モーメントが磁界と揃うように曲がり、光ファイバから出た光を走査する。
図５は、光ファイバ表面にレーザ描画露光装置を用いてコイル形状にパターニングされたレジストを示す写真であり、コイルを形成する電解めっきの型として用いられる。図６は、電解めっきにより形成されたコイルの拡大写真である。

円筒チューブの円筒面内部は中空となるが、形成されるコイルは円筒面の外側、内側どちらでもよい。
図７に示す多重巻きの鞍型コイル形状では、コイルに電流を流すことで磁石又は磁性体からなるパーツがコイルに引きつけられることにより光ファイバが駆動される。
絶縁層を介してコイルを多層化することにより、又はコイルと光ファイバ及び磁石又は磁性体からなるパーツとの間に磁性体コアを置くことにより、効率的に電磁駆動を行い、外径が小さくとも大きな走査角度の光ファイバ電磁駆動を実現できる。

多層化されたコイルが円筒の周方向に互いにずれ配置されていると、多軸に駆動できるので、光ファイバを２次元に走査できる。光ファイバの走査方法は、ラスター走査、半径を変化させる円運動走査、偏心率を変化させた楕円運動走査など、どのような走査方法でもよい。

観察対象物の観察に当たって、図８のようにシステム構成することで、従来の内視鏡と同様な正面視観察ができる。この場合チューブ内壁に鏡面を形成し光導波路とすることで体内を照らすためのライトガイドを別途設ける必要が無く、細径化が容易になる。
また図９のようにシステム構成することで、共焦点顕微鏡の光学系を形成して観察対象物のある一定深さの面を組織観察レベルで可視化することができる。
さらに図１０に示すように、波長走査型光源及び固定参照鏡を追加し、光コヒーレンストモグラフィー(ＯＣＴ)の光学系を形成することで、組織断面観察や３次元観察が可能となる。

先に発明者らが提案した非平面フォトファブリケーション(特許文献３参照)を用いることで、再現性の良い正確な形状のコイル、多層コイル、さらには最適な形状と性能の磁石や磁性体を形成することができる。その他図１１に示すように、フレキシブル基板を平面基板に形成し円筒チューブに巻き付ける方法も採り得る。
また図１２に示すように、光ファイバ前面にリング形状の傾斜ミラーを設置することで、前方視に加えて側方視を行うことが可能になる。傾斜ミラーは平面以外に例えば凹面形状にしてコリメート機能を持たせてもよい。

本発明に係る光走査デバイスでは、円筒チューブの周囲に外皮をさらに設けることができる。
図１３に示すように円筒チューブと外皮との間にスペーサーを介在させることにより空気循環用の空間を形成させることができる。
すなわち形成された空間により、コイルに電流を流した際に発生するジュール熱を、図１３中の矢印の方向に空気を循環させ排出することができる。
なお先端側の外皮端部は、透明部材によりシールされている。
この空間を設け空気を循環させることにより、光走査デバイスの表面温度を４１℃以下に保つことができ、光走査デバイスを体内で安全に使用することが可能となる。

本光走査デバイスにおけるコイル作製工程を図１４に示す。
ポリイミド円筒チューブを基板とし、電解めっきのシード層となる銅を、回転機構を持ち均一な膜を形成できる円筒面スッパッタ装置を用いてスパッタする（図１４の１）。
次に電解めっきの型を作るため、スプレーコータでレジストを均一な膜厚で塗布し、レーザ描画露光装置を用いてコイル形状をパターニングする（図１４の２〜３）。
次にレジストを型として電解めっきを行い、その後レジスト除去及び銅シード層をエッチングし、１方向駆動用(１層目)コイルの完成となる（図１４の４〜５）。２方向駆動用コイルは、１層目と２層目の間に絶縁層となるパリレンを蒸着し、１層目と同様に作製する（図１４の６〜８）。

図１５は、肉厚４０μｍ、外径１．０８ｍｍのポリイミド円筒チューブに作製した銅による第１層の傾斜コイルの写真である。
また図１６は、銅による第１及び第２層の傾斜コイルの拡大写真である。

本発明に係る光走査デバイスの光学系駆動系を含む具体的な構成を図１７に示す。コイル以外のデバイス構成要素としては、永久磁石とコリメートレンズ、光ファイバがあるが、永久磁石は、外径５００μｍ、内径１４０μｍ、長さ２ｍｍのFe-Cr-Co系永久磁石を使用した。
また、コリメートレンズは、外径１２５μｍで長さ７９０μｍ、焦点距離７５０μｍのファイバ融着型グリンレンズを使用した。グリンレンズとは、円柱の中心軸に向かって屈折率が大きくなっているレンズで、レンズに入射した光は屈折により曲がってレンズ内を進むことから、光が中心軸に平行になる位置をレンズ端面とすることにより、コリメート光を出射することができる。
なお図１７ではコリメートレンズは、光ファイバの先端に配置されているが、円筒チューブ先端の端部に配置してもよい。

本発明に係る光走査デバイスのＸ方向とＹ方向それぞれについて駆動実験を行った。
±約３０ｍＡの交流電流を流したところ、Ｘ方向は４１４Ｈｚで共振し、レンズ先端で±約１１０μｍの振幅を得た(図１８左図参照)。Ｙ方向は４１２Ｈｚで共振し、±約１４０μｍの振幅を得た(図１８右図参照)。
またＸ方向とＹ方向の位相を９０度ずらした状態で正弦波振動させ円を描いた(図１９参照)。振幅を変化させ円の直径が変化することを確認した。

ＯＣＴを利用して、本発明に係る光走査デバイスにより、指先の１次元スキャンを行った。これにより得られた奥行き方向の走査結果を図２０に示す。
図２０によれば、表皮から１ｍｍ程度奥の真皮まで撮像されていることが分かる。

Claims (14)

1. 円筒チューブと、該円筒チューブ内に挿入され磁石又は磁性体からなるパーツを備えた光ファイバと、該円筒チューブの円筒面に形成されたコイルとを含み、電磁駆動によって該光ファイバを走査させることを特徴とする光走査デバイス。
2. 前記コイルは、傾斜コイル又は多重巻きの鞍型コイルであることを特徴とする請求項１に記載の光走査デバイス。
3. 前記コイルは、絶縁層を介して積層された多層コイルであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査デバイス。
4. 前記多層コイルは、円筒チューブの周方向に互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光走査デバイス。
5. 前記コイルは、非平面に対応したフォトファブリケーションプロセス又はフレキシブルシート巻き付けのいずれかにより作製されたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
6. 前記光ファイバに、少なくとも１個の磁石又は磁性体からなるパーツが取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
7. 前記磁石からなるパーツの磁化方向は、光ファイバの長軸方向、短軸方向、内外２極、多極、又は等方性のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
8. 前記磁石又は磁性体からなるパーツは、機械加工による削り出し又はめっきにより形成されたものであるか、あるいは磁性粉を樹脂で固めたものか、あるいは光ファイバ表面に形成されたコイルに電流を流すことで電磁石として用いるものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
9. 前記コイルと光ファイバ及び磁石又は磁性体からなるパーツとの間に磁性体コアを有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
10. コリメートレンズが光ファイバ端面又は円筒チューブ端面に取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
11. 円筒チューブ内壁に鏡面を形成し光導波路としたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
12. 光ファイバ前面にリング形状の傾斜ミラーを付加したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
13. 円筒チューブの周囲に外皮がさらに設けられていることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光走査デバイス。
14. 円筒チューブと外皮との間に、空気循環用の空間を有することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光走査デバイス。