JP2011196878A - 光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出できる光検出装置を提供することにある。
【解決手段】信号光を受光して、該信号光を光増幅して伝送する第１光伝送部101と、信号光を受光して、該信号光を伝送する第２光伝送部102と、第１光伝送部101および第２光伝送部102からそれぞれ伝送されて出力される光を光電変換する光電変換部103と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡に関するものである。

生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の信号光（被検出光）を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素になっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。

例えば、生体観察では、生体の状態や形状が時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる信号光は通常微弱になってしまう。これらの理由から、例えば、顕微鏡や内視鏡等を用いた生体観察では、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。

その要望に応えるのに適用可能な技術として、前置光増幅検出技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術は、ＰＤ（Photo Diode）等の光電変換素子の直前に光増幅器を配置した構成をとっている。そして、信号光を光増幅器により光増幅して光量を増大させることで、光検出感度を向上させている。

特許第３０６９６８７号公報

ところで、光増幅器は、励起効率の観点から主に導波路型のものが利用される。また、顕微鏡や内視鏡等による生体観察等で検出される光は、その殆どが生体等で散乱された微弱な光である。このような微弱な散乱光を信号光として検出する場合、導波路のモード数が多いほど、取り込める散乱信号光量が大きくなる。そのため、高い信号対雑音比（Signal-to-noise ratio;SNR）で信号光を増幅するためには、モード数の多い光増幅器を用いることが有効であると考えられる。

しかしながら、モード数の多い光増幅器は、励起効率が非常に低くなる。そのため、十分な利得を持つように動作させるには、非常に高強度な励起光が必要となる。ところが、励起光の強度を高めると、発熱の問題が生じることになる。そのため、使用できる励起光強度には上限がある。つまり、多モード光増幅器を用いるようにしても、モード数の多すぎる光増幅器を用いると、光増幅器を十分に励起することが困難となって、必要な増幅作用が得られなくなる。

したがって、多モード光増幅器の使用に当たっては、取り込める散乱光量（信号光量）をある程度犠牲にしながら、つまりＳＮＲをある程度犠牲にしながら、十分励起可能な数モードの光増幅器を用いることになる。その結果、微弱な信号光量を、高感度かつ高ＳＮＲで検出することができないことになる。つまり、微弱な散乱光を検出するには、光増幅効果による信号光出力の増大、取り込む散乱光量の向上、および高い励起効率、の全てが満たされるのが理想的であるが、上述したように、単に、モード数の多い光増幅器を用いようとすると、その実現が困難である。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出できる光検出装置および光検出方法、並びに、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。

上記課題を解決する本発明に係る光検出装置は、
信号光を受光して、該信号光を光増幅して伝送する第１光伝送部と、
前記信号光を受光して、該信号光を伝送する第２光伝送部と、
前記第１光伝送部および前記第２光伝送部からそれぞれ伝送されて出力される光を光電変換する光電変換部と、
を備えることを特徴とするものである。

かかる構成において、信号光は、第１光伝送部により光増幅されて伝送されるとともに、第２光伝送部により伝送される。そして、これら第１光伝送部および第２光伝送部により伝送される信号光は、光電変換部により光電変換される。したがって、光電変換部からは、第１光伝送部および第２光伝送部により伝送された信号光が合成された光電変換信号が得られるので、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、前記第１光伝送部および前記第２光伝送部の少なくとも一方は、複数の光伝送手段により構成する。

このように構成すると、信号光の受光効率を高めることができ、信号光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記光電変換部は、一つの光電変換手段を備え、
前記光電変換手段により、前記第１光伝送部および前記第２光伝送部から出力されて合成された光を光電変換するように構成する。

このように構成すると、光電変換部を簡単にでき、コストダウンを図ることが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記光電変換部は、複数の光電変換手段と、信号加算部とを備え、
前記複数の光電変換手段により、前記第１光伝送部および前記第２光伝送部から出力される光を分担して光電変換し、該複数の光電変換手段の出力信号を前記信号加算部により加算するように構成する。

このように構成すると、例えば、第１光伝送部に対応する光電変換手段および第２光伝送部に対応する光電変換手段に応じて、光電変換信号の増幅利得等の回路特性をそれぞれ最適に設定して両者の光電変換信号を加算部で加算することが可能となる。また、第１光伝送部、第２光伝送部、および各光電変換手段のレイアウトも比較的自由に設定することが可能となる。これにより、装置設計等の自由度を向上できるとともに、信号光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記第１光伝送部および前記第２光伝送部は、前記信号光として、試料上の所定領域からの信号光を受光するように構成する。

このように構成すると、例えば、硬性内視鏡に適用して、生体内の血管の走行状態を可視化することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記第１光伝送部および前記第２光伝送部は、前記信号光として、試料上の異なる方向からの信号光を受光するように構成する。

このように構成すると、例えば、蛍光観察装置に適用して、試料から発生する微弱な蛍光（信号光）を種々の方向から受光して検出することが可能となり、蛍光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記第１光伝送部の前段に配置されたモード調整部を備え、
前記モード調整部により、前記第１光伝送部が光増幅して伝送する前記信号光のモード状態を調整するように構成する。

かかる構成において、第１光伝送部に入射する信号光は、モード調整部により第１光伝送部に適した空間モードに調整される。これにより、第１光伝送部において、入射する信号光を効率的に光増幅して伝送することが可能となり、信号光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記光電変換部の出力に基づいて、前記第１光伝送部による前記信号光の増幅率を制御する制御部を備える。

これにより、第１光伝送部から適切に増幅された信号光を得ることができ、信号光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

本発明の一実施の形態に係る光検出装置においては、
前記第１光伝送部および前記第２光伝送部を、
前記第１光伝送部が伝送する前記信号光のモード数が、前記第２光伝送部が伝送する前記信号光のモード数よりも少なくなるように構成する。

このように構成すると、第１光伝送部により、少ないモード数の信号光を効率よく増幅して光電変換部に伝送することが可能となる。また、第２光伝送部により、残余の多モードの信号光を無駄なく受光して、受光光量を増大させて光電変換部に伝送することが可能となる。これにより、信号光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

さらに、上記課題を解決する本発明に係る光検出方法は、
信号光を受光して、該信号光を光増幅して伝送する第１光伝送ステップと、
前記信号光を受光して、該信号光を伝送する第２光伝送ステップと、
前記第１光伝送ステップおよび前記第２光伝送ステップでそれぞれ伝送されて出力される光を光電変換する光電変換ステップと、
を含むことを特徴とするものである。

これにより、光電変換ステップにおいて、第１光伝送ステップおよび第２光伝送ステップにより伝送された信号光が合成された光電変換信号が得られるので、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。

さらに、上記課題を解決する本発明に係る顕微鏡は、
上記の本発明にかかる光検出装置を有し、該光検出装置により、観察試料からの信号光を検出するように構成する。

これにより、観察試料を高感度かつ高ＳＮＲで観察できる顕微鏡を提供することが可能となる。

さらに、上記課題を解決する本発明に係る内視鏡は、
上記の本発明にかかる光検出装置を有し、該光検出装置により、体腔内からの信号光を検出するように構成する。

これにより、体腔内を高感度かつ高ＳＮＲで観察できる内視鏡を提供することが可能となる。

本発明に係る光検出装置および光検出方法によると、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。また、本発明による顕微鏡によると、観察試料を高感度かつ高ＳＮＲで観察することが可能となる。さらに、本発明による内視鏡によると、体腔内を高感度かつ高ＳＮＲで観察することが可能となる。

本発明に係る光検出装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施の形態に係る血管可視化装置の概略構成を示すブロック図である。 図２の部分詳細図である。 本発明の第２実施の形態に係る蛍光イメージング装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施の形態に係るスキャン内視鏡の概略構成を示すブロック図である。 図５の部分詳細図である。 本発明の第４実施の形態に係る蛍光イメージング装置の概略構成を示すブロック図である。

先ず、本発明の実施の形態の説明に先立って、本発明に係る光検出装置の基本構成について説明する。

図１は、本発明に係る光検出装置の基本構成を示すブロック図である。光検出装置は、第１光伝送部１０１、第２光伝送部１０２および光電変換部１０３を備える。第１光伝送部１０１および第２光伝送部１０２は、それぞれ信号光を受光して、光電変換部１０３に伝送する。光電変換部１０３は、第１光伝送部１０１および第２光伝送部１０２から伝送される信号光を光電変換し、その光電変換信号すなわち信号光の検出信号を、図示しない信号処理系に供給する。

第１光伝送部１０１は、光増幅機能を有するもので、例えば、ファイバ型光増幅器や半導体光増幅器により構成される。ファイバ型光増幅器としては、例えば、希土類添加ファイバ型光増幅器、誘導ラマン増幅器、パラメトリック増幅器等を用いることができる。第２光伝送部１０２は、例えば、石英ガラス多モードファイバにより構成される。光電変換部１０３は、ＰＤ，ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube）等により構成される。

ここで、第１光伝送部１０１は、好ましくは、伝送する信号光のモード数が、第２光伝送部１０２が伝送するモード数よりも少なくなるように構成される。モード数は、例えば、ステップインデックス型ファイバを用いた場合、下式により推定することができる（「Barry R. Masters and Peter T. So, Handbook of biomedical nonlinear optical microscopy, Ch.9, Oxford University Press, New York, 2008.」参照）。

上式から、第１光伝送部１０１のファイバ型光増幅器のファイバを、ｎ１＝１．４５，Δ＝０．０１，２ａ＝１５μｍとし、信号光の波長をλ＝１．０μｍとした場合、モード数は、Ｎ≒４７となる。また、第２光伝送部１０２の石英ガラス多モードファイバを、ｎ１＝１．４５，Δ＝０．０１，２ａ＝７５μｍとした場合、モード数は、Ｎ≒１１７０となる。なお、これらのモード数は、実際には、それぞれ一桁程度少なくなる。これは、ファイバにかかる応力等によって、高い次数のモードが放射されるものと考えられる。したがって、第１光伝送部１０１で許容されるモード数は、好ましくは、１０以下とする。

このように構成すれば、第１光伝送部１０１において、少ないモード数の信号光を効率よく増幅して光電変換部１０３に伝送することができる。また、第２光伝送部１０２により、残余の多モードの信号光を無駄なく受光して、受光光量を増大させて光電変換部１０３に伝送することができる。したがって、これら第１光伝送部１０１および第２光伝送部１０２からそれぞれ伝送される光を、光電変換部１０３により光電変換すれば、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図２は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、硬性内視鏡に組み込まれる血管可視化装置として構成されたものである。この血管可視化装置は、照明用のレーザ光により生体試料２００を走査し、これにより生体試料２００の表面や内部で反射または散乱された信号光を光電変換して、その電気信号に基づいて生体試料２００の脂肪下に存在する血管を可視化して表示するものである。

図２において、照明用光源２０１から射出された照明光は、単一モードファイバ２０２を経てレンズ２０３により生体試料２００に、例えば直径が２ｍｍ程度のスポット状に集光される。照明用光源２０１は、例えば、波長１０３４ｎｍ，光強度１００ｍＷの波長安定化ＬＤ（Laser Diode）が使用され、その光強度は信号処理部２０４によりドライバ２０５を介して制御される。信号処理部２０４は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）を有して構成される。

照明スポットの中心から所定距離、例えば約１０ｍｍ離れた生体試料２００のスポット領域から発生する信号光は、レンズ２０６により捕集されて、２本の数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂと、２本の多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂとに入射される。数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂは、各々が、例えば、コア径１５μｍ、長さ約１ｍからなる。また、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂは、各々が、例えば、コア径７５μｍ、長さ約２ｍからなる。したがって、数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂは、モード数が１０以下の光を伝送可能であり、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂは、モード数が数百の光を伝送可能である。これら数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂおよび多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂは、図３に部分詳細図としての端面図を示すように、それらの入射端部が共通のクラッド２１３により結合されている。

数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂは、各々の射出端部が２入力−２出力の光カプラ２１５ａ，２１５ｂの一方の入力ポートに結合される。これら光カプラ２１５ａ，２１５ｂの他方の入力ポートには、励起光源２１６からの励起光が入力される。励起光源２１６は、例えば、波長９７６ｎｍ，光強度５０ｍＷの励起光を射出可能なＬＤを有して構成され、該励起光源２１６からの励起光を光カプラ２１５ａ，２１５ｂのそれぞれの他方の入力ポートに入射させる。励起光源２１６は、信号処理部２０４によりドライバ２１７を介して制御される。

光カプラ２１５ａ，２１５ｂの一方の出力ポートには、それぞれＹｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂの一端部が結合される。Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂは、コア径が、例えば１５μｍからなる。これにより、Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂには、対応する数モードファイバ２１１ａ，２１１ｂからの信号光と、励起光源２１６からの励起光とが合波されて入力され、他端部に伝送される。そして、その伝送中に、信号光が増幅される。

Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂからの出力光は、それぞれ光フィルタ２１９ａ，２１９ｂに入射され、ここで残留励起光および自然放出光が除去されて、信号光が透過する。そして、これら光フィルタ２１９ａ，２１９ｂを透過した信号光が、レンズ２２１を経て光電変換手段であるＰＤ２２２で受光される。同様に、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂに入射した信号光は、レンズ２２１を経てＰＤ２２２で受光される。これにより、Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂにより光増幅されて伝送された数モードの信号光と、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂにより伝送された多モードの信号光とが合波され、その合波された信号光が一つのＰＤ２２２で受光されて光電変換される。

したがって、本実施の形態において、Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂは、第１光伝送部を構成し、その各々は光伝送手段を構成している。また、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂは、第２光伝送部を構成し、その各々は光伝送手段を構成している。そして、ＰＤ２２２は、光電変換部を構成している。

ＰＤ２２２で光電変換された電気信号は、増幅器２２３で増幅された後、ＡＤＣ（Analog Digital Converter）２２４でデジタル信号に変換されて信号処理部２０４に供給され、ここで所要の画像処理が行われてモニタ２２５に血管像が表示される。この際、信号処理部２０４は、ＡＤＣ２２４からの入力信号レベル（デジタル値）に応じて、ドライバ２１７を介して励起光源２１６の出力光強度を調整、すなわちＹｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂによる信号光の増幅率を制御する。したがって、信号処理部２０４およびドライバ２１７は、Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂによる信号光の増幅率を制御する制御部を構成する。

このように、本実施の形態においては、Ｙｂ添加ファイバ２１８ａ，２１８ｂにより数モードの信号光を取り込んで増幅して伝送する。また、多モードファイバ２１２ａ，２１２ｂにより、残余の多モードの信号光を取り込んで伝送する。そして、伝送されたそれらの信号光を合波して光電変換するようにしたので、信号光を効率よく増幅することができるとともに、全体の受光光量を増大させることができる。したがって、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することができるので、血管像を鮮明に可視化して表示することができる。

（第２実施の形態）
図４は、本発明の第２実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、蛍光イメージング装置として構成されたものである。この蛍光イメージング装置は、照明用のレーザ光により細胞試料３００の観察視野を照明し、それにより細胞試料３００から発生する蛍光を光電変換して、その電気信号に基づいて細胞試料３００の蛍光像を表示するものである。なお、細胞試料３００には、波長４８８ｎｍの光で励起されて緑色の蛍光を放つ蛍光物質（例えば、Green Fluorescent Protein :GFP）が含まれているものとする。

図４において、照明用光源３０１から射出された照明光は、単一モードファイバ３０２を経てレンズ３０３により細胞試料３００の観察視野に照射される。これにより、細胞試料３００は励起されて蛍光を発生する。照明用光源３０１は、例えば、波長４８８ｎｍ，光強度１０ｍＷの照明用ＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザが使用され、その光強度はＰＣを含む信号処理部３０４によりドライバ３０５を介して制御される。

細胞試料３００から発生する蛍光のうち、細胞試料３００の前方側（反射側）に発生する蛍光は、レンズ３０６ａにより捕集されて、数モードファイバ３１１ａと多モードファイバ３１２ａとに入射される。また、細胞試料３００の後方側（透過側）に発生する蛍光は、レンズ３０６ｂにより捕集されて、数モードファイバ３１１ｂと多モードファイバ３１２ｂとに入射される。数モードファイバ３１１ａ，３１１ｂは、各々が、例えば、コア径１０μｍからなる。また、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂは、各々が、例えば、コア径７５μｍからなる。したがって、数モードファイバ３１１ａ，３１１ｂは、モード数が１０以下の光を伝送可能であり、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂは、モード数が数百の光を伝送可能である。

数モードファイバ３１１ａ，３１１ｂは、各々の射出端部が２入力−２出力の光カプラ３１５ａ，３１５ｂの一方の入力ポートに結合される。これら光カプラ３１５ａ，３１５ｂの他方の入力ポートには、励起光源３１６からの励起光が入力される。励起光源３１６は、例えば、波長４８８ｎｍ，光強度５０ｍＷの励起光を射出可能なＤＰＳＳレーザを有して構成され、該励起光源３１６からの励起光を光カプラ３１５ａ，３１５ｂのそれぞれの他方の入力ポートに入射させる。励起光源３１６は、信号処理部３０４によりドライバ３１７を介して制御される。

光カプラ３１５ａ，３１５ｂの一方の出力ポートには、それぞれＴｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂの一端部が結合される。Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂは、コア径が、例えば１０μｍからなる。これにより、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂには、対応する数モードファイバ３１１ａ，３１１ｂからの蛍光（信号光）と、励起光源３１６からの励起光とが合波されて入力され、他端部に伝送される。そして、その伝送中に、蛍光が増幅される。

Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂからの出力光は、それぞれ光フィルタ３１９ａ，３１９ｂに入射され、ここで残留励起光および自然放出光が除去されて、蛍光が透過する。そして、これら光フィルタ３１９ａ，３１９ｂを透過した蛍光が、レンズ３２１を経て光電変換手段であるＰＤ３２２で受光される。同様に、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂに入射した蛍光は、それぞれ光フィルタ３１９ｃ，３１９ｄに入射され、ここで残留励起光および自然放出光が除去されて、蛍光が透過する。そして、これら光フィルタ３１９ｃ，３１９ｄを透過した蛍光が、レンズ３２１を経てＰＤ３２２で受光される。これにより、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂにより光増幅されて伝送された数モードの蛍光と、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂにより伝送された多モードの蛍光とが合波され、その合波された蛍光が一つのＰＤ３２２で受光されて光電変換される。

したがって、本実施の形態において、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂは、第１光伝送部を構成し、その各々は光伝送手段を構成している。また、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂは、第２光伝送部を構成し、その各々は光伝送手段を構成している。そして、ＰＤ３２２は、光電変換部を構成している。

ＰＤ３２２で光電変換された電気信号は、増幅器３２３で増幅された後、ＡＤＣ３２４でデジタル信号に変換されて信号処理部３０４に供給され、ここで所要の画像処理が行われてモニタ３２５に、細胞試料３００の蛍光像が表示される。この際、信号処理部３０４は、ＡＤＣ３２４からの入力信号レベル（デジタル値）に応じて、励起光源３１６の出力光強度を調整、すなわちＴｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂによる蛍光の増幅率を制御する。したがって、信号処理部３０４およびドライバ３１７は、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂによる信号光の増幅率を制御する制御部を構成する。

このように、本実施の形態においては、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂにより、細胞試料３００の前方側および後方側に発生する蛍光のうちの数モードの蛍光を取り込んで増幅して伝送する。また、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂにより、細胞試料３００の前方側および後方側に発生する蛍光のうちの残余の多モードの蛍光を取り込んで伝送する。そして、伝送されたそれらの蛍光を合波して光電変換するようにしたので、蛍光を効率よく増幅することができるとともに、全体の受光光量を増大させることができる。したがって、蛍光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することができるので、細胞試料３００からの微弱な蛍光による蛍光像を鮮明に可視化して表示することができる。

（第３実施の形態）
図５は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、スキャン内視鏡として構成されたものである。このスキャン内視鏡は、照明用のレーザ光により生体試料４００を走査し、これにより励起されて生体試料４００から発生する蛍光（信号光）を光電変換して、その電気信号に基づいて生体試料４００の蛍光像を表示するものである。

図５において、照明用光源４０１から射出された照明光は、多モードファイバ４０２を経てレンズ４０３により生体試料４００にスポット状に集光される。これにより、生体試料４００は励起されて蛍光を発生する。照明用光源４０１は、例えば、波長５４２ｎｍ，光強度１０ｍＷのＤＰＳＳレーザが使用され、その光強度はＰＣを含む信号処理部４０４によりドライバ４０５を介して制御される。多モードファイバ４０２には、内視鏡ハウジング４０６内において、射出端部を光軸直交面内で変位可能に圧電アクチュエータ４０７が結合されている。圧電アクチュエータ４０７は、信号処理部４０４によりドライバ４０８を介して駆動され、これにより生体試料４００に対して照明光が走査される。

生体試料４００から発生する蛍光は、レンズ４１０により捕集されて、２本の数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂと、１本の多モードファイバ４１２とに入射される。数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂは、各々が、例えば、コア径３５μｍからなる。また、多モードファイバ４１２は、例えば、コア径７５μｍからなる。したがって、多モードファイバ４１２は、モード数が数百の光を伝送可能であり、数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂは、多モードファイバ４１２よりもモード数が少ないが、上記実施の形態の場合よりは多いモード数の光が伝送可能である。

数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂおよび多モードファイバ４１２は、内視鏡ハウジング４０６内において、図６に部分詳細図としての射出端面図を示すように結合されている。すなわち、多モードファイバ４１２は、ロッド状に形成され、その中央部に照明用の多モードファイバ４０２が変位可能に延在して配設されており、対称な位置に数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂが延在して配設されている。なお、多モードファイバ４１２の外周面および照明用の多モードファイバ４０２が配置される内周面には、それぞれ高反射層４１３が形成されている。

数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂは、それぞれモード調整部４１４ａ，４１４ｂを介して２入力−２出力の光カプラ４１５ａ，４１５ｂの一方の入力ポートに結合される。これら光カプラ４１５ａ，４１５ｂの他方の入力ポートには、励起光源４１６からの励起光が入力される。励起光源４１６は、例えば、波長４８８ｎｍ，光強度６０ｍＷの励起光を射出可能なＬＤを有して構成され、該励起光源４１６からの励起光を光カプラ４１５ａ，４１５ｂのそれぞれの他方の入力ポートに入射させる。励起光源４１６は、信号処理部４０４によりドライバ４１７を介して制御される。

光カプラ４１５ａ，４１５ｂの一方の出力ポートには、それぞれＴｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂの一端部が結合される。Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂは、第２実施の形態の場合と同様、コア径が、例えば１０μｍからなる。これにより、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂには、対応するモード調整部４１４ａ，４１４ｂからの蛍光と、励起光源４１６からの励起光とが合波されて入力され、他端部に伝送される。そして、その伝送中に、蛍光が増幅される。本実施の形態においては、数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂから伝送される信号光の空間モード（モード状態）を、対応するモード調整部４１４ａ，４１４ｂにより、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂに適した空間モードに調整する。

Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂからの出力光は、それぞれ光フィルタ４１９ａ，４１９ｂに入射され、ここで残留励起光および自然放出光が除去されて、蛍光が透過する。そして、これら光フィルタ４１９ａ，４１９ｂを透過した蛍光が、レンズ４２１を経て光電変換手段であるＰＤ４２２で受光される。同様に、多モードファイバ４１２に入射した蛍光は、レンズ４２１を経てＰＤ４２２で受光される。これにより、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂにより光増幅されて伝送された数モードの蛍光と、多モードファイバ４１２により伝送された多モードの蛍光とが合波され、その合波された蛍光が一つのＰＤ４２２で受光されて光電変換される。

したがって、本実施の形態において、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂは、第１光伝送部を構成し、その各々は光伝送手段を構成している。また、多モードファイバ４１２は、第２光伝送部を構成している。そして、ＰＤ４２２は、光電変換部を構成している。

ＰＤ４２２で光電変換された電気信号は、増幅器４２３で増幅された後、ＡＤＣ４２４でデジタル信号に変換されて信号処理部４０４に供給され、ここで所要の画像処理が行われてモニタ４２５に、生体試料４００の蛍光像が表示される。この際、信号処理部４０４は、ＡＤＣ４２４からの入力信号レベル（デジタル値）に応じて、励起光源４１６の出力光強度を調整、すなわちＴｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂによる蛍光の増幅率を制御する。したがって、信号処理部４０４およびドライバ４１７は、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂによる信号光の増幅率を制御する制御部を構成する。

したがって、本実施の形態によれば、第２実施の形態の場合と同様に、蛍光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することができるので、生体試料４００からの微弱な蛍光による蛍光像を鮮明に可視化して表示することができる。また、数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂから伝送される信号光の空間モードを、対応するモード調整部４１４ａ，４１４ｂにより、Ｔｂ添加ファイバ４１８ａ，４１８ｂに適した空間モードに調整するので、数モードファイバ４１１ａ，４１１ｂとして、比較的コア径の大きな安価なファイバを使用でき。コストダウンが図れる。

（第４実施の形態）
図７は、本発明の第４実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、蛍光イメージング装置として構成されたもので、第２実施の形態に示した蛍光イメージング装置において、蛍光の光電変換部を２つのＰＤ５０１ａ，５０１ｂで構成し、それらの出力を合成するようにしたものである。

すなわち、図７に示す蛍光イメージング装置では、Ｔｂ添加ファイバ３１８ａ，３１８ｂを経て光増幅されて伝送される蛍光を、レンズ５０２ａを経てＰＤ５０１ａで受光して光電変換する。また、多モードファイバ３１２ａ，３１２ｂを経て伝送される蛍光は、レンズ５０２ｂを経てＰＤ５０１ｂで受光して光電変換する。そして、ＰＤ５０１ａ，５０１ｂの出力を増幅器５０３ａ，５０３ｂでそれぞれ増幅した後、加算器５０４で加算して、その加算出力をＡＤＣ３２４でデジタル信号に変換するようにしたものである。その他の構成および動作は、第２実施の形態と同様であるので、同一作用を成す構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、例えば、光増幅された蛍光の光電変換信号を増幅する増幅器５０３ａの増幅利得と、他の蛍光の光電変換信号を増幅する増幅器５０３ｂの増幅利得とをそれぞれ独立して設定する等、回路特性を最適に設定することができるので、蛍光をより高感度かつ高ＳＮＲで検出することが可能となる。また、各種ファイバやＰＤ５０１ａ，５０１ｂ等のレイアウトも比較的自由に設定することが可能となるので、装置設計等の自由度を向上することも可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形または変更が可能である。例えば、上記各実施の形態では、数モードの信号光を増幅して伝送し、多モードの信号光は増幅することなく伝送するようにしたが、逆に、多モードの信号光を増幅して伝送し、数モードの信号光は増幅することなく伝送するようにしてもよい。この場合、光増幅の効率は低下するが、増幅されない数モードの信号光も加算されるので、光増幅した信号光のみを光電変換する場合や、信号光を光増幅することなく光電変換する場合と比較すると、信号光を高感度かつ高ＳＮＲで検出することができる。

また、第１光伝送部および第２光伝送部は、それぞれ任意の数の光伝送手段で構成することができる。したがって、例えば、図６において、多モードファイバ４１２をほぼ半分として、残余のほぼ半分の領域に多数の数モードファイバを細密充填して配設して、各々の数モードファイバで受光される信号光を増幅するように構成することも可能である。さらに、第２実施の形態に示したように、試料の異なる方向からの信号光を検出する場合、各方向に対して第１光伝送部および第２光伝送部を対応させて、方向毎に信号光を光電変換したり、一の方向に対して第１光伝送部を対応させ、他の方向に対して第２光伝送部を対応させて、それぞれの信号光を光電変換したりすることもできる。また、本発明に係る光検出装置は、上記実施の形態に限らず、カプセル内視鏡等の他の装置にも有効に適用することができる。

１０１ 第１光伝送部
１０２ 第２光伝送部
１０３ 光電変換部
２００ 生体試料
２０１ 照明用光源
２０４ 信号処理部
２１１ａ，２１１ｂ 数モードファイバ
２１２ａ，２１２ｂ 多モードファイバ
２１６ 励起光源
２１７ ドライバ
２１８ａ，２１８ｂ Ｙｂ添加ファイバ
２２２ ＰＤ
３００ 細胞試料
３０１ 照明用光源
３０４ 信号処理部
３１１ａ，３１１ｂ 数モードファイバ
３１２ａ，３１２ｂ 多モードファイバ
３１６ 励起光源
３１７ ドライバ
３１８ａ，３１８ｂ Ｔｂ添加ファイバ
３２２ ＰＤ
４００ 生体試料
４０１ 照明用光源
４０４ 信号処理部
４１１ａ，４１１ｂ 数モードファイバ
４１２ 多モードファイバ
４１４ａ，４１４ｂ モード調整部
４１６ 励起光源
４１７ ドライバ
４１８ａ，４１８ｂ Ｔｂ添加ファイバ
４２２ ＰＤ
５０１ａ，５０１ｂ ＰＤ
５０３ａ，５０３ｂ 増幅器
５０４ 加算器

Claims (12)

1. 信号光を受光して、該信号光を光増幅して伝送する第１光伝送部と、
   前記信号光を受光して、該信号光を伝送する第２光伝送部と、
   前記第１光伝送部および前記第２光伝送部からそれぞれ伝送されて出力される光を光電変換する光電変換部と、
   を備えることを特徴とする光検出装置。
2. 前記第１光伝送部および前記第２光伝送部の少なくとも一方は、複数の光伝送手段を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記光電変換部は、一つの光電変換手段を備え、
   前記光電変換手段により、前記第１光伝送部および前記第２光伝送部から出力されて合成された光を光電変換する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記光電変換部は、複数の光電変換手段と、信号加算部とを備え、
   前記複数の光電変換手段により、前記第１光伝送部および前記第２光伝送部から出力される光を分担して光電変換し、該複数の光電変換手段の出力信号を前記信号加算部により加算する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
5. 前記第１光伝送部および前記第２光伝送部は、前記信号光として、試料上の所定領域からの信号光を受光するように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光検出装置。
6. 前記第１光伝送部および前記第２光伝送部は、前記信号光として、試料上の異なる方向からの信号光を受光するように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光検出装置。
7. 前記第１光伝送部の前段に配置されたモード調整部を備え、
   前記モード調整部により、前記第１光伝送部が光増幅して伝送する前記信号光のモード状態を調整する、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光検出装置。
8. 前記光電変換部の出力に基づいて、前記第１光伝送部による前記信号光の増幅率を制御する制御部を備える、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光検出装置。
9. 前記第１光伝送部および前記第２光伝送部は、
   前記第１光伝送部が伝送する前記信号光のモード数が、前記第２光伝送部が伝送する前記信号光のモード数よりも少なくなるように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光検出装置。
10. 信号光を受光して、該信号光を光増幅して伝送する第１光伝送ステップと、
    前記信号光を受光して、該信号光を伝送する第２光伝送ステップと、
    前記第１光伝送ステップおよび前記第２光伝送ステップでそれぞれ伝送されて出力される光を光電変換する光電変換ステップと、
    を含むことを特徴とする光検出方法。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    前記光検出装置により、観察試料からの信号光を検出するように構成した、ことを特徴とする顕微鏡。
12. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光検出装置を有し、
    前記光検出装置により、体腔内からの信号光を検出するように構成した、ことを特徴とする内視鏡。

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