JP2012050590A - 内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡において、細径化された光ファイバを用いても、発光面積の大きな２次光源を形成することを可能とし、レーザ光の安全基準のクラスを下げることを可能とする。
【解決手段】照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、光ファイバ１１ａと、光ファイバ１１ａの出射端近傍において、伝搬モード光Ｌ１を側面放射せしめて放射モード光Ｌ２とし、放射モード光Ｌ２を照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段（Ｔ、６４）とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、体腔内に挿入され、照明光を導光して被観察部に照射する内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡に関するものである。

従来、体腔内の組織を観察する内視鏡システムが広く知られており、例えば白色光の照射によって体腔内の被観察部を撮像して可視画像を得、この可視画像をモニタ画面上に表示する内視鏡システムが広く実用化されている。

上記内視鏡システムでは、通常は、ランプ光源からの白色光を照明光として、体腔内に導光するための内視鏡用ライトガイドが使用されている。また、より機能的な照明（たとえば、特定の波長での照明により、患部を際立たせることなど）の実現や、高輝度白色照明・発熱抑制・細径化のため、照明光を発生する光源としてレーザ光源が接続されたものの開発が進んでいる（特許文献１）。

特許文献１には、ライトガイド先端部に蛍光体を配置し、ライトガイドを導光してきた励起レーザ光が、この蛍光体を励起することで白色光を生成するものである。この場合、蛍光体の大きさは、４μｍ（励起波長のおよそ１０倍）〜２０μｍ程度であり、白色光を出す機能に加え、前方散乱を主体的に起こすことにより蛍光を空間的に均一に混合することで、ムラを低減する効果も付与している。つまり、蛍光体は散乱をベースとした拡散板の役割も担っている。

また一般的には、レーザ光源から放出されたレーザ光は、たとえ小さな放出量であってもパワー密度が高く、人体に有害となる場合がある。したがって、レーザ光源を照明光源とする場合、術場の安全の観点から、レーザ光の安全基準のクラスを出来る限り低いレベルに下げることが好ましい。

一方、内視鏡用ライトガイドに使用される光ファイバは、操作性、耐久性および小型化等の観点から細径化が進んでいる。このような場合、細径化された光ファイバをそのまま使用することは、上記のようなレーザ光の安全基準の観点から危険である。したがって出射光の発光面積の大きさや拡がり角を出来るだけ大きくすることが望まれている。

上記のとおり、レーザ光を照明光とする内視鏡用ライトガイドにおいて、照明の空間的分布が出来る限り均一であること、出射光の発光面積の大きさと拡がり角が大きいことが求められている。

特開２００５−３２８９２１号公報

しかしながら、特許文献１のような方法では、ある程度までは発光面積を大きくすることは可能であるが、その範囲には限度があるという問題がある。具体的には、照明光の拡がり角と光ファイバ出射端における発光面積との積が保存されるというエタンデュの保存則に基づいて、照明光の拡がり角と上記発光面積とはトレードオフの関係にあるため、拡がり角を任意に大きくすることはできない。一方、内視鏡用ライトガイドの小型化の要請から、光ファイバの出射端（１次光源）と拡散板との距離を任意に確保することができない。それゆえ、必然的に、拡散板上に形成される２次光源の発光面積の拡大も制限されてしまう。このような場合には、同時に拡散板のごく一部のみを利用するに留まり、結果的に、照射エリアの大きさも制限されてしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡において、細径化された光ファイバを用いても、発光面積の大きな２次光源を形成することが可能で、レーザ光の安全基準のクラスを下げることが可能な内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る内視鏡用ライトガイドは、
照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、
光ファイバと、
光ファイバを伝搬する伝搬モード光が出射する光ファイバの出射端近傍において、伝搬モード光を側面放射せしめて放射モード光とし、放射モード光を照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段とを備えることを特徴とするものである。

さらに、本発明に係る内視鏡用ライトガイドにおいて、放射モード誘起手段は、出射端近傍の光ファイバの所定部分に形成されたテーパ部であって、このテーパ部のコアが出射端に向かって先細りとなるテーパ形状を有するテーパ部とすることができる。

この場合、テーパ部は、伝搬モード光のテーパ部への入射角をθ_０、光ファイバについての臨界角をθ_ｃとしたとき、下記式（１）を満たす入射角θ_０を有する伝搬モード光を、側面放射せしめて放射モード光とするように構成されたものであることが好ましい。
θ_０／θ_ｃ＞０．２・・・・・・（１）

本明細書において、伝搬モード光のテーパ部への「入射角」とは、伝搬モード光の進行方向とテーパ部の入射端の端面の法線との成す鋭角を意味し、テーパ部の入射端の端面における伝搬モード光の伝搬角ということもできる。ここで、「テーパ部の入射端」とは、光ファイバのコア径がテーパ形状への変化を開始する点（コア径が減少を開始する点）における光ファイバの光軸に垂直な断面を考えた場合のテーパ部の端部を意味する。

また、テーパ部は、テーパ部の光軸方向の長さをＬ、伝搬モード光がテーパ部に入射してから側面放射するまでに伝搬した光軸方向の長さをＬ_ｐとしたとき、下記式（２）を満たすように構成されたものであることが好ましい。
Ｌ_ｐ＜Ｌ／２・・・・・・（２）

本明細書において、テーパ部の「光軸方向の長さ」とは、テーパ部の入射端の端面とテーパ部の出射端の端面（つまり、光ファイバの出射端の端面）との距離を意味する。

「伝搬モード光がテーパ部に入射してから側面放射するまでに伝搬した光軸方向の長さ」とは、テーパ部の入射端の端面と、伝搬モード光が放射モード光へと変換された点（コア−クラッド界面において全反射条件が満たされなくなった点）における光ファイバの光軸に垂直な仮想の断面との距離を意味する。

さらに、テーパ部の光軸方向の長さは、１〜２０ｍｍであり、テーパ部のテーパ角は、０．５〜５度であることが好ましい。

本明細書において、「テーパ角」とは、テーパ部の側面の母線と光ファイバの光軸とが成す鋭角を意味する。

一方、放射モード誘起手段は、出射端近傍の光ファイバの側面を押圧してマイクロベンディングを生じせしめる押圧端子を有する押圧部材とすることができる。

この場合、押圧部材は、複数の押圧端子を有するものであり、
複数の押圧端子は、光ファイバの光軸に垂直な方向から眺めた際に、光軸方向に沿ってずれた位置を押圧するように配され、かつ光軸方向から眺めた際に、光ファイバに内接する正奇数角形の頂点の位置から光ファイバを押圧するように配されたものであることが好ましい。

さらに、放射モード誘起手段は、放射モード光を伝搬モード光の進行方向に導光するための反射部材を備えることが好ましい。

この場合、反射部材は、円筒状または先太り型切頂円錐筒状の反射面であって、テーパ部の周囲を覆う反射面を有するものであることが好ましい。

また、放射モード誘起手段は、テーパ部の側面を被覆する被覆部材であって、テーパ部の最も外側を構成する材料の屈折率と同程度の屈折率を有する材料から構成された被覆部材を備えることが好ましい。

本明細書において、被覆部材の屈折率がテーパ部の最も外側を構成する材料の屈折率と「同程度」であるとは、被覆部材とテーパ部の最も外側を構成する材料との界面において、コアから漏れ出た光の反射を低減するように、被覆部材の屈折率が、当該材料の屈折率に等しいまたは近いことを意味する。

そして、本発明に係る内視鏡は、
上記に記載の内視鏡用ライトガイドと、
内視鏡用ライトガイドの入射側に接続された、照明光を生じせしめる光源と、
内視鏡用ライトガイドによって導光された照明光の照射に起因して被観察部から生じた光を受光し、被観察部の像を撮像する撮像部とを備えたことを特徴とするものである。

本明細書において、「照明光の照射に起因して被観察部から生じた光」とは、例えば白色光を照明光として可視画像を撮像する場合には、白色光の反射光を意味し、例えば励起光を照明光として蛍光画像を撮像する場合には、励起光に対応した蛍光を意味する。

本発明に係る内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡は、照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、特に、光ファイバを伝搬する伝搬モード光が出射する光ファイバの出射端近傍において、伝搬モード光を側面放射せしめて放射モード光とし、放射モード光を照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段を備えるから、光ファイバの出射端以外の部分からもレーザ光を取り出すことが可能となるため、細径化された光ファイバを用いても、発光面積の大きな２次光源を形成することが可能となる。これにより、内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡において、細径化された光ファイバを用いても、レーザ光の安全基準のクラスを下げることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る内視鏡用ライトガイドを備えた内視鏡システムの概略構成を示す外観図である。 硬質挿入部の構成を示す概略図である。 硬質挿入部の内部構成を示す概略断面図である。 （ａ）は、非テーパ化光ファイバの出射端からビームが出射する様子を示す概略断面図である。（ｂ）は、一般的なテーパ化光ファイバの出射端からビームが出射する様子を示す概略断面図である。（ｃ）は、本発明に係るライトガイドに使用されるテーパ化光ファイバの出射端近傍からビームが出射する様子を示す概略断面図である。 所定のテーパ角のテーパ部中を伝搬する伝搬モード光の様子を示す概略断面図である。 反射部材の設計例を示す概略斜視図である。 放射モード光が反射部材の反射面によって反射され前方に集光される様子を示す概念図である。 （ａ）は、図６ａに示す反射部材にテーパ部が挿入され、その後樹脂が充填されて形成された放射モード誘起手段の形態を示す概略図である。（ｂ）は、図６ｃに示す反射部材にテーパ部が挿入され、その後樹脂が充填されて形成された放射モード誘起手段の形態を示す概略図である。 撮像ユニットの構成を示す概略図である。 画像処理装置および光源装置の構成を示す概略図である。 （ａ）は、押圧部材が装着された様子を光ファイバの光軸方向に垂直な方向から眺めた際の様子を示す概略図である。（ｂ）は、押圧部材が装着された様子を光ファイバの光軸方向から眺めた際の様子を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。

「内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡の第１の実施形態」
第１の実施形態の内視鏡用ライトガイドまたはそれを備えた内視鏡は、図１に示すような内視鏡に使用される。図１は、本実施形態に係る内視鏡用ライトガイド（以下、単にライトガイドという。）または内視鏡（硬性鏡）を備えた内視鏡（硬性鏡）システムの概略構成を示す外観図である。

（硬性鏡システム）
本実施形態の硬性鏡システム１は、図１に示すように、白色の照明光および／または励起光を出射する光源装置２と、光源装置２から出射された照明光および／または励起光を導光して被観察部に照射するとともに、照明光の照射により被観察部から反射された反射光に基づく可視像、および／または励起光の照射により被観察部から発せられた蛍光に基づく蛍光像を撮像する硬性鏡１０と、硬性鏡１０によって撮像された可視像および／または蛍光像の信号に所定の処理を施して可視画像および／または蛍光画像を生成する画像処理装置３と、画像処理装置３において生成された表示制御信号に基づいて被観察部の可視画像および／または蛍光画像を表示するモニタ４とを備えている。

（硬性鏡）
硬性鏡１０は、図１に示すように、腹腔内に挿入される硬質挿入部３０と、硬質挿入部３０によって導光された被観察部の可視像および蛍光像を撮像する撮像ユニット２０とを備えている。また、硬性鏡１０は、図２に示すように、硬質挿入部３０と撮像ユニット２０とが着脱可能に接続されている。

（硬質挿入部）
硬質挿入部３０は、ライトガイドや撮像光学系を収容するための挿入部材３０ｂ、および撮像ユニット２０との接続に使用される接続部材３０ａ、並びに、光源装置２から発生した光を導光する光ケーブルＬＣを接続するためのケーブル接続口３０ｃを備えている。

接続部材３０ａは、硬質挿入部３０（挿入部材３０ｂ）の一端側３０Ｘに設けられており、たとえば撮像ユニット２０側に形成された開口２０ａに嵌め合わされることにより、撮像ユニット２０と硬質挿入部３０とが着脱可能に接続される。

また、挿入部材３０ｂの側面にはケーブル接続口３０ｃが設けられており、このケーブル接続口３０ｃに光ケーブルＬＣが機械的に接続される。これにより、光源装置２と硬質挿入部３０とが光ケーブルＬＣを介して光学的に接続されることになる。

また、挿入部材３０ｂは、腹腔内の撮影を行う際に腹腔内に挿入されるものであって、硬質な材料から形成され、たとえば、直径略１０ｍｍの円筒形状を有している。図３は、挿入部材３０ｂの内部の構成、すなわち硬質挿入部３０の全体構成を示す概略断面図である。挿入部材３０ｂ内には、図３に示すように、光源装置２から出射された照明光および／または励起光を導光して被観察部に照射するマルチモード光ファイバを備えたライトガイドＬＧと、可視像と蛍光像を結像する対物レンズ１２と、対物レンズ１２によって結像された可視像および／または蛍光像を導光するためのレンズ群１３とが設置されている。これにより、他端側３０Ｙ（図２）から入射された被観察部の可視像および蛍光像は対物レンズ１２およびレンズ群１３を介して一端側３０Ｘの撮像ユニット２０側に導光される。

（ライトガイド）
ここで、挿入部材３０ｂ内に設けられたライトガイドＬＧの構成について詳細に説明する。ライトガイドＬＧは、図３に示すように、光ファイバ１１ａと、光ファイバの出射端近傍の周囲を覆う反射面を備える円筒状の反射部材１１ｂと、光ファイバ１１ａの出射端部と反射部材１１ｂとの間を充填するように設けられた被覆部材１１ｃと、光ファイバ１１ａを固定する固定部材１１ｄとを備えている。

（光ファイバ）
光ファイバ１１ａは、コアＣとその周囲に形成されたクラッドＫとから構成されるものである。光源装置２から出射された照明光および／または励起光が、光ファイバ１１ａの一端から入射され、光ファイバ１１ａ内を導光し、他端から出射することにより、被観察部まで導光される。光ファイバの種類や材料は特に限定されないが、半導体レーザは一般的に、出力パワーが大きい場合、空間マルチモード発振動作しているため、高い結合効率を得るという観点から、光ファイバ１１ａはマルチモード光ファイバであることが好ましい。

そして、光ファイバ１１ａの出射端近傍の所定部分は、その出射端に向かって先細りとなるようなテーパ形状で形成されている。このテーパ形状となっている光ファイバ１１ａの当該所定部分が、光ファイバのテーパ部Ｔとなり、本発明における放射モード誘起手段を構成している。上記テーパ部Ｔは、光ファイバ１１ａの一部を加熱し、その加熱部分を延伸加工することによってテーパ形状に形成されている。すなわち、光ファイバ１１ａのテーパ部Ｔにおけるコア径とクラッド径との比率が、テーパ化していない部分の比率と同じになるように形成されている。本発明に係るライトガイドにおいて、テーパ部Ｔの光軸方向の長さ（テーパ長）は、１〜２０ｍｍであることが好ましく、２〜５ｍｍであることがより好ましい。ここで、下限の「１ｍｍ」は、短いテーパ、すなわち、テーパ角の急なテーパであれば、側面放射に至る伝搬距離は短く出来るが、余り短いテーパは作製上困難であり、作製可能な最小の長さが１ｍｍ程度であることに基づく。一方、上限の「２０ｍｍ」は、長いテーパの場合、全反射を維持したままテーパを抜けてしまう成分が多くなり、このような成分を現実的に許容できる最大の長さが２０ｍｍ程度であることに基づく。テーパ部のテーパ角は、作製上の限界等も考慮し、０．５〜５度であることが好ましく、１〜４度であることがより好ましい。なお、上記のような延伸加工によりテーパ部Ｔを形成する場合には、テーパ長およびテーパ角は、延伸加工におけるテーパ部Ｔのテーパ率によってほぼ決まるため、このテーパ率を適宜設定しながら延伸加工を行うことによって、上記の所望の範囲のテーパ長およびテーパ角を得ることができる。ここで、「テーパ率」とは、｛（テーパ部の入射端におけるコア径）/（テーパ部の出射端におけるコア径）｝×１００％を意味する。テーパ率は、５０％未満であることが望ましい。

（テーパ化光ファイバの作用）
ここで、一般的なテーパ化光ファイバの作用を、非テーパ化光ファイバの作用と比較しながら説明し、さらに本発明に係るライトガイドＬＧに使用されるテーパ化光ファイバの作用をこれらと比較しながら説明する。

図４ａは非テーパ化光ファイバの作用を示す概略図であり、図４ｂは一般的なテーパ化光ファイバの作用を示す概略図であり、図４ｃは本発明に係るライトガイドＬＧに使用されるテーパ化光ファイバの作用を示す概略図である。

まず、一般的に、光ファイバの出射端の開口数は、下記式（３）で表わされる。なお、下記式（３）におけるθは、図４ａに示すθであり、光ファイバから出射される光の拡がり角の半角である。ｎ_１およびｎ_２は、それぞれコアおよびクラッドの屈折率である。

一方、一般的に、光ファイバにおいては、出射端におけるコア径と伝搬モード光の拡がり半角θとの積が一定である関係がある。したがって、図４ｂに示すようなテーパ化光ファイバについても、コア径が出射端に向けて連続的に減少するテーパ部の任意の断面において、下記式（４）の関係が成り立つことになる。

ここで、ｚはテーパ部Ｔの任意の断面位置を示す変数である。

よって、図４ｂの場合の出射端におけるコア径が図４ａの場合に比べて小さい分、図４ｂに示す光ファイバのテーパ部の出射端における拡がり半角θ’は、図４ａに示す光ファイバの出射端における拡がり半角θに対して大きくなる。

そして、本発明に係るライトガイドＬＧに使用されるテーパ化光ファイバの作用を説明する。本発明に係るテーパ化光ファイバ１１ａは、出射端近傍にテーパ部Ｔを有するという点では図４ｂの場合と同様であるが、当該テーパ部Ｔのテーパ角に関する点で大きく異なる。図４ｂの場合は、上記式（４）の関係を利用して、単に出射端のコアから出射される伝搬モード光の拡がり角を拡大したに過ぎない。つまり、図４ｂの場合は、伝搬モード光がテーパ部Ｔの出射端（光ファイバの出射端）から放射されることを前提としている。しかしながら、本願発明に係るテーパ化光ファイバ１１ａは、テーパ角をさらに大きくすることにより、テーパ部Ｔに入射した伝搬モード光がテーパ部Ｔの側面から放射して放射モード光へと変換されるように構成されている。これにより、図４ｃに示すように、光ファイバの出射端以外の部分からもレーザ光を取り出すことが可能となる。

このような側面放射が生じる理由は以下の通りである。テーパ部Ｔに入射した伝搬モード光は、テーパ部Ｔにおけるコア−クラッド界面で全反射を繰り返しながらテーパ部ＴのコアＣを伝搬していく。この際、全反射する度にテーパ角の分だけ伝搬角が増加していくため、上記界面への入射角も増加していく。この結果、臨界角を超えた入射角を有しながら上記界面へ入射した伝搬モード光Ｌ１は、その位置の界面で全反射することができなくなり放射モードＬ２へと変換される。なお、単にテーパ角を一般的なテーパ化光ファイバのものよりも大きくしたからと言って、必ずしも上記のような側面放射が生じるわけではない。伝搬モード光Ｌ１が側面放射するか否かは、テーパ角の他、特にテーパ長、使用する光の波長および伝搬モード光Ｌ１の伝搬角等に影響される。したがって、本実施形態のように、放射モード誘起手段を光ファイバのテーパ部Ｔとする場合には、使用する光の波長および伝搬モード光Ｌ１の伝搬角等を考慮して、テーパ部Ｔの設計を行う必要がある。

このテーパ部Ｔの設計において、テーパ部Ｔは、伝搬モード光のテーパ部Ｔへの入射角をθ_０、光ファイバについての臨界角をθ_ｃとしたとき、上記式（１）を満たす入射角θ_０を有する伝搬モード光を、側面放射せしめて放射モード光とするように構成されたものであることが好ましい。これにより、光ファイバを伝搬する光のエネルギーの大部分（一般的なテーパ部への入射角θ_０を考慮するとおよそ７０％以上）を側面放射させることが可能となる。

（側面放射の判断方法）
伝搬モード光Ｌ１が側面放射するか否かについての具体的な判断は、テーパ長をＬ、ある伝搬角θ_０を有する伝搬モード光Ｌ１がテーパ部Ｔに入射してから側面放射するまでに伝搬した光軸方向の長さをＬ_ｐとしたとき、下記式（５）を満たすか否かによって判断する。下記式（５）を満たす場合には、当該伝搬モード光Ｌ１が側面放射して、放射モード光Ｌ２となる。
Ｌ_ｐ＜Ｌ・・・・・・（５）

以下、上記式（５）について詳細に説明する。
図５は、テーパ角αのテーパ部Ｔ中を伝搬する伝搬モード光Ｌ１の様子を示す概略断面図である。ただし、便宜上コアのみを表示し、クラッドの表示は省略している。テーパ部のコアは、座標Ｐ_１（０，ａ）、Ｐ_２（Ｌ，ｂ）、Ｐ_３（Ｌ，−ｂ）およびＰ_４（０，−ａ）で囲まれた部分である。

所定の伝搬角θ_０を有する伝搬モード光Ｌ１が、テーパ部Ｔの入射端のうち点（０，Ｙ_０）からテーパ部Ｔのコアに入射した場合、伝搬モード光Ｌ１はコア側面で全反射しながらテーパ部Ｔの出射端に向かって伝搬する。図５のＱ_１（Ｘ_１，Ｙ_１）で１回全反射した後の伝搬角θ_１は、反射面への入射角が伝搬角にテーパ角を加えた角度になり、反射後の伝搬角は反射面での反射角にテーパ角を加えた角度になるので下記式（６）で求められる。
｜θ_１｜＝｜θ_０｜＋２α・・・・・・（６）

また、ｎ回全反射した後の伝搬角θ_ｎは、反射するコア側面が交互に入れ代わるので下記式（７）で求められる。
θ_ｎ＝（−１）^ｎ・（｜θ_０｜＋２αｎ）・・・・・・（７）

従って、伝搬角がテーパ部Ｔのコア側面における臨界角θ_ｃを越えない全反射可能な最大の回数Ｎは、下記式（８）で求められる。ここで、ＩＮＴは括弧内の演算結果の小数点以下を切り捨てて整数化を行う演算子である。
Ｎ＝ＩＮＴ（（θ_ｃ−θ_０）／２α）・・・・・・（８）

また、臨界角θｃは、テーパ部Ｔのコアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２とすると全反射におけるスネルの法則より、下記式（９）のように定義できる。
θ_ｃ＝ｃｏｓ^−１（ｎ_２／ｎ_１）・・・・・・（９）

また、テーパ部Ｔの出射端に向かう伝搬モード光Ｌ１が、あるコア側面で反射しその次のコア側面で反射するまでに、Ｘ方向に伝搬する距離、即ち、全反射が生じうる点Ｑ_ｊ−１（以下、反射点Ｑのようにいう。）と当該反射点の次の反射点Ｑ_ｊとの間の距離のＸ成分の長さＬ_{ｊ−１，ｊ}を下記式（１０）のようにする。ここで、ｊは、反射点Ｑへの到達回数を表し、０以上の整数である。ｊの最大値は、全反射回数の最大値Ｎに１を足した数となる。また、ｊ＝０は、テーパ部Ｔの入射端における位置を表し、Ｘ軸の原点（Ｘ_０＝０）とする。反射点Ｑ_Ｎ＋１は、厳密には全反射を生じる点ではないが、便宜上反射点と呼ぶ。
Ｌ_０，１＝Ｘ_１−Ｘ_０＝Ｘ_１
Ｌ_１，２＝Ｘ_２−Ｘ_１
…
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）

この場合には、Ｎ＋１回目の反射点Ｑ_Ｎ＋１に到達するまでに、伝搬モード光Ｌ１がテーパ部Ｔのコアを伝搬した距離のＸ方向成分の長さＬ_ｐ（Ｎ＋１）は、下記式（１１）で表される。ここで、Ｌ_ｐ（ｊ）はｊ回目の反射点Ｑ_ｊに到達するまでに、伝搬モード光Ｌ１がテーパ部Ｔのコアを伝搬した距離のＸ方向成分の長さを表し、Ｚ_ｊは、ｊ回目の反射点Ｑ_ｊにおけるテーパ部の幅（Ｙ軸方向の長さ）を表す。

上記式（１１）は、ｊ−１回目の反射点Ｑ_ｊ−１におけるテーパ部Ｔの幅Ｚ_ｊ−１と、ｊ回目の反射点Ｑ_ｊにおけるテーパ部Ｔの幅Ｚ_ｊとの関係を考えると求めることができる。すなわち、ｊ−１回目の反射点Ｑ_ｊ−１におけるテーパ部Ｔの幅Ｚ_ｊ−１は、反射点Ｑ_ｊ−１および反射点Ｑ_ｊ間の距離のＸ成分の長さＬ_{ｊ−１，ｊ}を用いて下記式（１２）のように表される。

一方、Ｚ_ｊ−１は、ｊ−１回目の反射点Ｑ_ｊ−１に到達するまでに、伝搬モード光Ｌ１がテーパ部Ｔのコアを伝搬した距離のＸ方向成分の長さＬ_ｐ（ｊ−１）を用いて下記式（１３）のように表される。

上記式（１２）および式（１３）より、一般的にＬ_{ｊ−１，ｊ}は下記式（１４）のように表されることから、上記式（１１）のうち第２項から最終項が得られる。

上記式（１１）のＬ_ｐは、初期値Ｚ_０を求めることにより、帰納的に求めることができる。ｊ＝０の点をテーパ部Ｔの入射端とし、さらにこの点におけるテーパ部Ｔの幅を、テーパ部Ｔの入射端におけるコア径とすると、Ｚ_０は下記式（１５）のように表すことができる。したがって、上記式（１１）の第１項も求めることができ、Ｌ_ｐを求めることができる。
Ｚ_０＝ａ−Ｙ_０・・・・・・（１５）

以上のように、本実施形態のようなテーパ部Ｔを放射モード誘起手段とする場合には、実際に使用する光源や光ファイバ等を考慮しながら、上記式（１１）により求まるＬ_ｐの値が上記式（５）を満たすように適宜テーパ部Ｔの設計を行うことが可能である。これにより、光ファイバのテーパ部Ｔにおいて、伝搬モード光Ｌ１の側面放射を生じせしめることが可能となる。また、Ｌ_ｐは、より大きな発光面積を形成する観点から、上記式（２）を満たすように設定することが好ましい。このようにすることで、伝搬モード光Ｌ１がテーパ部Ｔの長さＬの中間地点に到達する前に放射モード光Ｌ２を生成することができ、前方に対する発光面積を稼ぐことができる。以上が、本発明に係るテーパ化光ファイバ１１ａの作用の説明である。

（側面放射するまでに伝搬した光軸方向の長さＬ_ｐの実際の計算例）
以下には、実際の光ファイバに即した計算例を示す。使用する光ファイバは、例としてファイバコア径が２３０μｍ、開口数ＮＡが０．２３のマルチモード光ファイバである。この光ファイバは、延伸加工されて、テーパ長が５ｍｍ、端面におけるコア径が４０μｍの先細りのテーパ部を有するとする。このとき、テーパ角αはおよそ１．０８度である。上記のような光ファイバのテーパ部の入射端面の中心（つまり、上記式（１５）のＹ_０＝０）から、θｏ／θｃ＝０．４の条件を満たす伝搬角を成して光が入射した場合、全反射可能な最大の回数Ｎは２と計算できる。つまり、この光は、Ｎ＋１＝３回目の反射点では、全反射条件を満たさず、放射モードとなる。このときの伝搬長Ｌ_ｐ（３）（ｊ＝１〜３の差分距離Ｌ_{ｊ−１，ｊ}の和）は、下記の表１からおよそ３．６７ｍｍとなる。すなわち、この光は、５ｍｍのテーパ部Ｔを伝搬しきる前に側面から放射されることが分かる。

上記の計算例は、あくまでも一例であり、他の計算例も当然あり得る。しかしながら、使用する光ファイバや光の伝搬角の条件が変わったとしても、上記の計算例のような手順により、上記式（１１）により求まるＬ_ｐの値が上記式（５）を満たすように適宜テーパ部Ｔの設計を行うことが可能である。

（反射部材）
反射部材１１ｂは、放射モード光Ｌ２を前方（伝搬モード光Ｌ１の進行方向）へと集光するため反射面を有する部材である。これにより、放射モード光Ｌ２を効率よく照明光として利用することが可能となる。反射部材１１ｂの形状は特に限定されないが、例えば、外側の側面も内側の側面も円筒状である形状６０ａ（図６ａ）、外側の側面も内側の側面も先太り型の切頂円錐筒状である形状６０ｂ（図６ｂ）、および外側の側面は円筒状で内側の側面は先太り型の切頂円錐筒状である形状６０ｃ等を採用することができる。照明光の照度分布の調整が容易であるという観点から、図６ｂおよびｃのように、先太り型の切頂円錐筒状の反射面Ｓ２とすることが好ましい。そして、このような場合には、反射面のテーパ角（反射面の母線と光ファイバの光軸とが成す鋭角）は２〜３°程度が好ましい。反射部材１１ｂの材料は、特に制限されず、例えば金や銀等の金属並びにガラス等を採用することができ、ガラス等の反射特性が低い材料を採用する場合には内側の側面に金属をコーティングすればよい。金属のコーティングは蒸着やメッキ等で実施することができる。また、例えば図６ａのような反射部材としてはいわゆるフェルールを用いることができる。

反射部材１１ｂの光ファイバの光軸に沿った方向の長さは、テーパ長程度であれば、特に限定されない。光ファイバ１１ａを反射部材１１ｂへ固定する方法は、特に限定されず、反射部材１１ｂ内部に固定部材を設けたり、反射部材１１ｂ内に光ファイバ１１ａを挿入した後、樹脂や接着剤を流し込んだりする方法を用いることができる。後者の場合には、樹脂や接着剤は後述する被覆部材としても機能するものを用いることが好ましい。図３の反射部材１１ｂは、図６ａに相当する円筒形状の部材６０ａでありその内側に反射面（図示省略）を有している。

図７は、放射モード光Ｌ２が反射部材１１ｂの反射面によって反射され前方に集光される様子を示す概念図である。図７では、便宜上反射部材１１ｂの反射面の形状のみを表示している。図７ａは、円筒状の反射面Ｓ１が配置された場合を示す。これは、図６ａの反射部材６０ａを光ファイバ１１ａのテーパ部Ｔに装着した場合に相当する。一方、図７ｂは、切頂円錐筒状の反射面Ｓ２が配置された場合を示す。これは、図６ｂの反射部材６０ｂまたは図６ｃの反射部材６０ｃを光ファイバ１１ａのテーパ部Ｔに装着した場合に相当する。図７に示すように、反射部材は、特に出射端から離れた位置で側面放射した放射モード光Ｌ２を照明が必要な部分に集光する際に有用である。なお、図７では、光ファイバ１１ａの出射端の前方に拡散板６２が設けられている。このような実施形態は、さらに拡がり角を拡大する観点から好ましい。これらの形状は反射部材１１ｂを固定する場所等を考慮し適宜選択することができる。

（被覆部材）
被覆部材１１ｃは、テーパ化光ファイバ１１ａのテーパ部Ｔの周囲に設けられており、クラッドの屈折率と同程度の屈折率を有する材料からなる部材である。被覆部材１１ｃの屈折率は、効率よく側面放射させるために、クラッドの屈折率に対してその差が±０．５％以内の範囲であることが好ましく、±０．４％以内の範囲であることがより好ましい。この範囲は、シングルモードの比屈折率差が０．２〜０．３％、マルチモードでは１％程度であることに基づく。被覆部材１１ｃは、放射モード光Ｌ２がクラッドモードを形成することを防止する機能を果たす。これにより、放射モード光Ｌ２を効率よく光ファイバの外側へ側面放射させることが可能となる。被覆部材１１ｃは、例えばＵＶ硬化樹脂や熱硬化樹脂等の樹脂を用いることができる。特に、一般的な光ファイバのクラッドの屈折率が１．４５〜１．４６程度であることを考慮すると、被覆部材１１ｃの材料として、屈折率が１．４４〜１．４７である材料が好ましい。より具体的には被覆部材１１ｃの材料として、例えば、屈折率を１．４５から１．５０程度まで調整可能である紫外線硬化型接着剤（エポキシ系）などを用いることが好ましい。また、被覆部材１１ｃの表面が空気中に露出する場合には、当該被覆部材１１ｃの内部で伝搬モードが形成されないように、その表面にマイクロレベル以上の表面粗さや歪みを形成することが好ましい。被覆部材１１ｃは、必ずしもテーパ部Ｔの側面すべてを被覆する必要はないが、放射モード光Ｌ２の照度分布をテーパ部の周囲にわたって均一にする観点から、光軸を中心とする周方向に対して均一にテーパ部の側面を被覆することが好ましい。

図８ａは、図６ａに示す反射部材６０ａにテーパ部Ｔが挿入され、その後樹脂がテーパ部Ｔと反射部材６０ａとの間に充填されて形成された放射モード誘起手段の形態を示す概略図である。図８ｂは、図６ｃに示す反射部材６０ｃにテーパ部Ｔが挿入され、その後樹脂がテーパ部Ｔと反射部材６０ｃとの間に充填されて形成された放射モード誘起手段の形態を示す概略図である。このような形態を採用することは、被覆部材１１ｃが、テーパ部Ｔと反射部材とを固定する機能も果たすことから好ましい。

（撮像ユニット）
図９は、撮像ユニット２０の概略構成を示す図である。撮像ユニット２０は、硬質挿入部３０内のレンズ群１３により結像された被観察部の蛍光像を撮像して被観察部の蛍光画像信号を生成する第１の撮像系と、硬質挿入部３０内のレンズ群１３により結像された被観察部の可視像を撮像して可視画像信号を生成する第２の撮像系とを備えている。これらの撮像系は、可視像を反射するとともに、蛍光像を透過する分光特性を有するダイクロイックプリズム２１によって、互いに直交する２つの光軸に分けられている。

第１の撮像系は、硬質挿入部３０から射出され、ダイクロイックプリズム２１を透過した励起光をカットする励起光カットフィルタ２２と、硬質挿入部３０から射出され、ダイクロイックプリズム２１および励起光カットフィルタ２２を透過した蛍光像Ｌ４を結像する第１結像光学系２３と、第１結像光学系２３により結像された蛍光像Ｌ４を撮像する高感度撮像素子２４とを備えている。

第２の撮像系は、硬質挿入部３０から射出され、ダイクロイックプリズム２１を反射した可視像Ｌ３を結像する第２結像光学系２５と、第２結像光学系２５により結像された可視像Ｌ３を撮像する撮像素子２６を備えている。

高感度撮像素子２４は、蛍光像Ｌ４の波長帯域の光を高感度に検出し、蛍光画像信号に変換して出力するものである。高感度撮像素子２４はモノクロの撮像素子である。

撮像素子２６は、可視像の波長帯域の光を検出し、可視画像信号に変換して出力するものである。撮像素子２６の撮像面には、３原色の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）、またはシアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）およびイエロー（Ｙ）のカラーフィルタがベイヤー配列またはハニカム配列で設けられている。

また、撮像ユニット２０は、撮像制御ユニット２７を備えている。撮像制御ユニット２７は、高感度撮像素子２４から出力された蛍光画像信号および撮像素子２６から出力された可視画像信号に対し、ＣＤＳ／ＡＧＣ（相関二重サンプリング／自動利得制御）処理やＡ／Ｄ変換処理を施し、ケーブル５（図１参照）を介して画像処理装置３に出力するものである。

（画像処理装置）
図１０は、光源装置２および画像処理装置３の概略構成を示す図である。

画像処理装置３は、図１０に示すように、可視画像入力コントローラ３１、蛍光画像入力コントローラ３２、画像処理部３３、メモリ３４、ビデオ出力部３５、操作部３６、ＴＧ（タイミングジェネレータ）３７、および制御部３８を備えている。

可視画像入力コントローラ３１および蛍光画像入力コントローラ３２は、所定容量のラインバッファを備えており、撮像ユニット２０の撮像制御ユニット２７から出力された１フレーム毎の可視画像信号および蛍光画像信号をそれぞれ一時的に記憶するものである。そして、可視画像入力コントローラ３１に記憶された可視画像信号および蛍光画像入力コントローラ３２に記憶された蛍光画像信号はバスを介してメモリ３４に格納される。

画像処理部３３は、メモリ３４から読み出された１フレーム毎の可視画像信号および蛍光画像信号が入力され、これらの画像信号に所定の画像処理を施し、バスに出力するものである。

ビデオ出力部３５は、画像処理部３３から出力された可視画像信号および蛍光画像信号がバスを介して入力され、所定の処理を施して表示制御信号を生成し、その表示制御信号をモニタ４に出力するものである。

操作部３６は、種々の操作指示や制御パラメータなどの操作者による入力を受け付けるものである。また、ＴＧ３７は、撮像ユニット２０の高感度撮像素子２４、撮像素子２６および後述する光源装置２のＬＤドライバ４５を駆動するための駆動パルス信号を出力するものである。

制御部３８は、システム全体を制御するものである。

光源装置２は、約４００〜７００ｎｍの広帯域の波長からなる可視光（白色光）Ｌ１を射出する可視光源４０と、可視光源４０から射出された可視光Ｌ１を集光する集光レンズ４２と、集光レンズ４２によって集光された可視光Ｌ１を透過するとともに、後述する励起光Ｌ２を反射し、可視光Ｌ１および励起光Ｌ２とを光ケーブルＬＣの入射端に入射させるダイクロイックミラー４３とを備えている。なお、可視光源４０としては、たとえばキセノンランプが用いられる。また、可視光源４０と集光レンズ４２との間には、絞り４１が設けられており、ＡＬＣ（Automatic light control）からの制御信号に基づいてその絞り量が制御される。

（光源装置）
また、光源装置２は、蛍光色素であるＩＣＧ（インドシアニングリーン）を励起して蛍光を発生させる７５０〜８００ｎｍの近赤外光を励起光Ｌ２として射出するＬＤ光源４４と、ＬＤ光源４４を駆動するＬＤドライバ４５と、ＬＤ光源４４から射出された励起光Ｌ２を集光する集光レンズ４６と、集光レンズ４６によって集光された励起光Ｌ２をダイクロイックミラー４３に向けて反射するミラー４７とを備えている。

また、本実施形態においては、励起光Ｌ２として、上述したような波長帯域の光を用いるようにしたが、上記波長帯域の光に限定されず、被検者に投入される蛍光色素の種類もしくは自家蛍光させる生体組織の種類によって適宜決定される。

以上のように、本実施形態に係る内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡は、照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、特に、光ファイバを伝搬する伝搬モード光Ｌ１が出射する光ファイバの出射端近傍において、伝搬モード光Ｌ１を側面放射せしめて放射モード光Ｌ２とし、放射モード光Ｌ２を照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段を備えるから、光ファイバの出射端以外の部分からもレーザ光を取り出すことが可能となるため、細径化された光ファイバを用いても、発光面積の大きな２次光源を形成することが可能となる。これにより、内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡において、細径化された光ファイバを用いても、レーザ光の安全基準のクラスを下げることが可能となる。

（内視鏡用ライトガイドの設計変更）
上記説明では、本発明の内視鏡用ライトガイドを硬性鏡に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、軟性鏡に適用することも可能である。

「内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡の第２の実施形態」
第２の実施形態の内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡について説明する。なお、本実施形態の内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡は、前述した第１の実施形態とほぼ同様の構成であるが、放射モード誘起手段が、出射端近傍の光ファイバの側面を押圧してマイクロベンディングを生じせしめる押圧部材６４である点で第１の実施形態と異なる。したがって、その他の第１の実施形態と同様の構成要素についての詳細な説明は、特に必要のない限り省略する。

図１１は、本実施形態に係る放射モード誘起手段である押圧部材が光ファイバに装着された様子を示す概略図である。図１１ａは、押圧部材６４が装着された様子を光ファイバの光軸方向に垂直な方向から眺めた際の様子を示す概略図であり、図１１ｂは、押圧部材６４が装着された様子を光ファイバの光軸方向から眺めた際の様子を示す概略図である。

本実施形態のように、光ファイバを部分的に押圧した場合にはマイクロベンディング損失が発生し、その結果放射モード光Ｌ２が生じることになる。このような場合、図１１に示すように、押圧部材６４は、複数の押圧端子であり、複数の押圧端子６４は、光ファイバの光軸に垂直な方向から眺めた際に、光軸方向に沿ってずれた位置を押圧するように配され、かつ光軸方向から眺めた際に、光ファイバに内接する正奇数角形の頂点の位置から光ファイバを押圧するように配されたものであることが好ましい。これにより、図１１ｂに示すように、押圧端子６４が、他の押圧端子６４に起因して発生した放射モード光Ｌ２の障害物とならず、効率よく放射モード光Ｌ２を照明光として利用することが可能となる。例えば、図１１では、押圧端子６４は、光ファイバの光軸方向から眺めた際に、光ファイバに内接する正五角形の頂点を押圧するように配置されている。正奇数角形における角数は、多い方がより放射モード光Ｌ２の照度分布を均一にすることが可能となる。押圧部材６４によって、加える圧力は、光ファイバのコアが数μｍ歪む程度の小さな圧力でよい。また、前述した反射部材が押圧端子を有するような構成としてもよい。

以上のように、本実施形態に係る内視鏡用ライトガイドおよびそれを備えた内視鏡も、照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、特に、光ファイバを伝搬する伝搬モード光Ｌ１が出射する光ファイバの出射端近傍において、伝搬モード光Ｌ１を側面放射せしめて放射モード光Ｌ２とし、放射モード光Ｌ２を照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段を備えるから、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

１ 硬性鏡システム
２ 光源装置
３ 画像処理装置
４ モニタ
５ ケーブル
１０ 硬性鏡
１１ａ 光ファイバ
１１ｂ、６０ａ〜ｃ 反射部材
１１ｃ 被覆部材
１１ｄ 固定部材
１２ 対物レンズ
１３ レンズ群
２０ 撮像ユニット
２１ ダイクロイックプリズム
２２ 励起光カットフィルタ
３０ 硬質挿入部
３０ａ 接続部材
３０ｂ 挿入部材
３３ 画像処理部
３６ 操作部
３８ 制御部
４０ 可視光源
６２ 拡散板
６４ 押圧部材（押圧端子）
Ｃ 光ファイバのコア
Ｋ 光ファイバのクラッド
Ｌ１ 伝搬モード光
Ｌ２ 放射モード光
ＬＣ 光ケーブル
ＬＧ ライトガイド
Ｓ１ 円筒状の反射面
Ｓ２ 切頂円錐筒状の反射面
Ｔ テーパ部

Claims (11)

1. 照明光を被観察部へ導光する内視鏡用ライトガイドにおいて、
   光ファイバと、
   該光ファイバを伝搬する伝搬モード光が出射する前記光ファイバの出射端近傍において、前記伝搬モード光を側面放射せしめて放射モード光とし、該放射モード光を前記照明光として利用することを可能にした放射モード誘起手段とを備えることを特徴とする内視鏡用ライトガイド。
2. 前記放射モード誘起手段が、前記出射端近傍の前記光ファイバの所定部分に形成されたテーパ部であって、該テーパ部のコアが前記出射端に向かって先細りとなるテーパ形状を有する前記テーパ部であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用ライトガイド。
3. 前記テーパ部が、前記伝搬モード光の前記テーパ部への入射角度をθ_０、前記光ファイバについての臨界角をθ_ｃとしたとき、下記式（１）を満たす入射角θ_０を有する伝搬モード光を、側面放射せしめて放射モード光とするように構成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の内視鏡用ライトガイド。
   θ_０／θ_ｃ＞０．２・・・・・・（１）
4. 前記テーパ部が、前記テーパ部の光軸方向の長さをＬ、前記伝搬モード光が前記テーパ部に入射してから側面放射するまでに伝搬した光軸方向の長さをＬ_ｐとしたとき、下記式（２）を満たすように構成されたものであることを特徴とする請求項２または３に記載の内視鏡用ライトガイド。
   Ｌ_ｐ＜Ｌ／２・・・・・・（２）
5. 前記テーパ部の光軸方向の長さが、１〜２０ｍｍであり、
   前記テーパ部のテーパ角が、０．５〜５度であることを特徴とする請求項２から４いずれかに記載の内視鏡用ライトガイド。
6. 前記放射モード誘起手段が、前記出射端近傍の前記光ファイバの側面を押圧してマイクロベンディングを生じせしめる押圧端子を有する押圧部材であることを特徴とする請求項１に記載の内視鏡用ライトガイド。
7. 前記押圧部材が、複数の前記押圧端子を有するものであり、
   前記複数の押圧端子が、前記光ファイバの光軸に垂直な方向から眺めた際に、前記光軸方向に沿ってずれた位置を押圧するように配され、かつ前記光軸方向から眺めた際に、前記光ファイバに内接する正奇数角形の頂点の位置から前記光ファイバを押圧するように配されたものであることを特徴とする請求項６に記載の内視鏡用ライトガイド。
8. 前記放射モード誘起手段が、前記放射モード光を前記伝搬モード光の進行方向に導光するための反射部材を備えたことを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の内視鏡用ライトガイド。
9. 前記反射部材が、円筒状または先太り型切頂円錐筒状の反射面であって、前記テーパ部の周囲を覆う反射面を有するものであることを特徴とする請求項８に記載の内視鏡用ライトガイド。
10. 前記放射モード誘起手段が、前記テーパ部の側面を被覆する被覆部材であって、前記テーパ部の最も外側を構成する材料の屈折率と同程度の屈折率を有する材料から構成された被覆部材を備えたことを特徴とする請求項１から９いずれかに記載の内視鏡用ライトガイド。
11. 請求項１から１０いずれかに記載の内視鏡用ライトガイドと、
    該内視鏡用ライトガイドの入射側に接続された、前記照明光を生じせしめる光源と、
    前記内視鏡用ライトガイドによって導光された前記照明光の照射に起因して前記被観察部から生じた光を受光し、前記被観察部の像を撮像する撮像部とを備えたことを特徴とする内視鏡。

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