JP2013538375A

JP2013538375A - 屈折表面部と反射表面部とを備えた透明なモノリシック構造体を有する光学プローブ

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Publication number: JP2013538375A
Application number: JP2013529092A
Authority: JP
Inventors: アウウェルケルク，バスティアーン，ロベルト; モッデメイイェル，ケース; サントケ，マリイン
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 2010-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-10-10
Also published as: EP2431783A1; US20130229651A1; WO2012039609A1; EP2619619A1

Abstract

光学プローブは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体（１４）を含み、複数の平行光路に対して、１つ以上のファイバー（１０、１１）から１つ以上の対象物点（１９）へフォーカスを実行する。モノリシック構造体の表面部（１６０、１６４、１８０、１８２）はカーブしておりレンズ群を形成し、及び／又は、反射コーティングでコーティングされている。モノリシック構造体のファイバー側では、１つ又は複数の開口部（１６８、１６４）がファイバー（１０、１２）の１つ又は複数の先端部の反対に反射コーティングの中に供給され、光を通す。モノリシック構造体の対象物側では、コーティングされた表面部（１８０）が開口部からモノリシック構造体のファイバー側へ光路を逆に反射し、そこから光路は対象物側上のアパーチャに向かって反射される。反射表面の少なくとも一部はカーブして反射器を形成し、モノリシック構造体の同じ側の上に複数の異なるレンズ群を形成する。

Description

本発明は光学プローブに関し、その光学プローブはそのプローブの対象物側インターフェースと１つ又は複数のファイバーの１つ又は複数の先端部との間に少なくとも１つのファイバーの束と光学システムとを有する。本発明は対象物を照射する方法、及び／又は、対象物からの光を測定する方法、光学測定装置、及び、光学プローブにおける使用のためのモノリシック構造体に関する。

ＷＯ２００５０６０６２２（特許文献１）はラマン分光計用のプローブを示している。ラマン分光計は一次ファイバーからの光で対象物を照射し、そして、二次ファイバーの中で対象物からバックに非弾性的に錯乱された光を集光することを含む。ＷＯ２００５０６０６２２は中央二次ファイバーを使用し、一次ファイバーをそれに近接させる。

ＷＯ２００５０６０６２２は、大スポットサイズを実現するためファイバーの先端と対象物との間でレンズとミラーを使用することを提案する。サンプルレンズ及び集光レンズが対象物からの光を二次ファイバー上にフォーカスするのに使用される。一次ファイバーからの光はサンプルレンズを通して対象物へ通過し、そのレンズ群の光学軸の光を入れるため、サンプルレンズと集光レンズとの間に小さいミラーを使用する。その小さいミラーは対象物から戻ってくる光の部分だけを遮る。一次ファイバーの光は、その小さいミラーへ供給され、それは短い焦点距離のレンズを用いて行なわれ、その光と別のミラーとを平行にしてその光をその小さいミラーへ向ける。

ファイバーと対象物との間で使用される光学システムはとても大きい。しかし、その大きさのため、その光学システムは小サイズのプローブにおける使用には適しないことになる。さらに、その光学システムはプローブ性能が温度の影響を受けやすくする。

Ｈ．Ｒｕｔｔｅｎ他の“Ｍｏｎｏｌｉｔｉｓｃｈｔｅｌｅｓｃｏｐｉｓｃｈｓｙｓｔｅｍ”と題する（ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｉｎＭｉｃｒｏｎｉｅｋ１９９７Ｎｏ４ｐａｇｅｓ１０４−１０７及びＭｉｃｒｏｎｉｅｋ１９９８Ｎｏ１，ｐａｇｅｓ１３−１９）の一組の論文によれば、写真又はビデオにおける画像を形成するために、どのようにして対象物をモノリシック構造に加工することができるかを説明している。

ＷＯ２００５０６０６２２

とりわけ、本発明の目的はファイバー束と対象物との間に光学システムを有する光学プローブを供給することであり、そして、より小さい容積を有することを要する。

光学プローブが供給され、その光学プローブは、1つ又は複数のファイバーと光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも１つのファイバーと光学システムとを有し、その光学システムは、その少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部からの光を対象物上にフォーカスするように使用されるよう構成され、及び／又は、その逆も同様であり、その光学システムは光学的に透明な材料のモノリシック構造体を有し、以下を有する：
−少なくとも１つの第１被覆表面部を有するファイバーサイドの表面であって、その第１被覆表面部又は複数の部分の上に第１反射コーティングを施し、その反射コーティングは、その少なくとも１つのファイバーの先端部の反対側に１つ又は複数の開口部を残し、
−少なくとも１つの第２被覆表面部を有する対象物サイドの表面であって、その第２被覆表面部又は複数の部分の上に別の反射コーティングを施し、対象物側アパーチャを残し、そして、
−複数の相異なる反射レンズ群を形成するようカーブした第１及び第２表面部の少なくとも１つであって、所定の相対空間位置で１つ又は複数の対象物の場所から光路を、そのアパーチャを介して、それぞれ、開口部で少なくとも１つのファイバーの先端部上にフォーカスするよう使用するよう構成され、及び／又は、逆も同様である。異なる反射レンズの異なる特性はフォーカスするために要求される使用法によって定義される。複数の異なる反射レンズは、或る対象物位置と複数の先端部との間に平行イメージング（ｐａｒａｌｌｅｌｉｍａｇｉｎｇ）を供給し、又は、或る先端部と複数の対象物位置との間に平行イメージングを供給し、例えば、複数の異なる反射レンズのうちの異なるものが、或る先端部と或る対象物位置との間のイメージング経路に沿って、連続レンズ群を形成しない。ここでは、反射レンズの異なる特性は、そうしたイメージングの平行な特性を生じない。複数の異なる反射レンズは、アパーチャを介して、所定の相対空間位置の１つ又は複数の対象物位置からの光経路を並列に、開口部で少なくとも１つのファイバーの1つ又は複数の先端部の上にそれぞれフォーカスすることができ、及び／又は、逆も同様である。一実施形態では、プローブは光源及び検出器と組み合わせて使用されてもよく、そうして、光源から対象物へ光を供給し、光を対象物から検出器へ戻す。

このプローブでは、ガラスやプラスチックといった光学的に透明な材料のモノリシック構造体が、複数の平行な光経路に対して集束（ｆｏｃｕｓｉｎｇ）を実行するのに使用される。一実施形態では、プローブは光ファイバー束を含み、その平行な光経路はそのファイバーの各先端部をモノリシック構造体の対象物サイド上の共通な焦点へ、又は、所定の空間位置での複数の焦点へ接続する。別の実施形態では、その平行な光経路は、モノリシック構造体の対象物サイド上で、或るファイバーの先端部を所定の空間関係の複数の焦点へ接続する。モノリシック構造体の表面部は、レンズを形成するよう曲がっており、及び／又は、反射コーティングでコートされている。モノリシック構造体のファイバーサイド上では、１つ又は複数の開口部が、光を通過するようにファイバーの先端部又は先端部群の反対側に、反射コーティングされて供給される。モノリシック構造体の対象物サイド上では、被覆表面部が開口部からの光経路をモノリシック構造体のファイバーサイドへ逆に反射し、そこから光経路は対象物サイド上のアパーチャに向かって反射される。反射表面の少なくとも一部は、カーブして、モノリシック構造体の同じサイド上で複数の異なるレンズ群の反射器を形成する。その異なるレンズ群は対象物位置（又は、互いに所定の関係にある対象物位置であって、対象物位置に対して、単独の画像形成を用いて、異なるファイバー上にフォーカスされない）から、光路を、アパーチャを介して、或るファイバーの或る先端部上に、又は、開口部の各ファイバーの先端部のうちの各先端部上に分離してフォーカスする。従って、複数の平行な光路に沿ってフォーカスすることは、単独の要素で実現されてもよく、そのモノリシック構造体は、１つ以上の対象物位置への複数のファイバーに対して、又は、或るファイバーから複数の対象物位置に対して実現される。

一実施形態では、モノリシック構造体の対象物表面は、複数の異なる被覆表面部を有し、夫々は曲面レンズ形状を有して一次反射レンズをそれぞれ形成する。これらの一次反射レンズはファイバー先端部の反対側の開口部と、対象物位置又は複数の位置の間で、互いに独立に光路を方向づける。その被覆表面部はモノリシック構造体の対象物サイド表面の中の被覆されていないアパーチャの周りで輪になって存在している。

一実施形態では、第１及び第２の被覆表面部によって形成される反射レンズの焦点距離は、１つ又は複数の第１被覆表面部から１つ以上の対象物位置までの光学距離、及び、第２被覆表面部からファイバー群の先端部分群までの光学距離に夫々等しい。従って、平行なビームがこれらの表面部の間にモノリシック構造体の中で実現され、その平行なビームはモノリシック構造体の厚さに対するプローブの感度を低減する。

一実施形態では、モノリシック構造体上の対象物サイドアパーチャは曲面を有し、レンズを形成する。従って、そのアパーチャは、被覆表面部を用いてフォーカスされない光をフォーカスするために使用されてもよい。加えて、そのアパーチャは、ファイバーの先端部の反対側の開口部からの光路をフォーカスするのに役立つように使用されてもよい。これにより、反射コーティングを有する曲面部の必要な曲率を低減することが可能であり、又は、より少ない曲面部を使用することが可能である。

一実施形態では、ファイバー束は、別のファイバー、例えば中央ファイバーを含み、その周囲に輪になって前記のファイバーを有する。モノリシック構造体のファイバーサイド表面は、その別のファイバーの先端部の反対側に或る曲率の第３表面部を含んでもよく、対象物サイド上の或る位置のその別のファイバーからの光を、その別のファイバーの焦点位置と所定の関係にあるモノリシック構造体から、例えば全て同じ場所にフォーカスする。

したがって、同じモノリシック構造体を用いて、同じプローブによって別の光路が供給されてもよい。

ファイバーは、モノリシック構造体のファイバーサイド表面上で円筒状構造を用いてモノリシック構造体に接続されてもよく、そのファイバーは例えば接着剤によってそのモノリシック構造体に取り付けられる。中央ファイバーが使用されるときは、その円筒状構造は少なくとも部分的に中空であってもよく、そうして、中央ファイバーはその中を通ることができる。一実施形態では、その円筒状構造はクリップによりモノリシック構造体にクランプされてもよい。

プローブが、１つ以上の光源、及び／又は、そのファイバーの遠心端部に接続された光検出器を備えた装置の中に使用されてもよい（そのファイバーはその遠心端部からモノリシック構造体へ及ぶ）。

一実施形態では、そのプローブはラマン分光法に使用され、そのファイバーの少なくとも１つは光をモノリシック構造体を介して試料に供給するように使用され、そのファイバーの少なくとも１つはモノリシック構造体を介してその試料から非弾性的に散乱された光を受信するように使用される。他の実施形態では、プローブは、ＬＩＢＳ（レーザー誘導破壊分光法）、ＬＩＦ（レーザー誘導蛍光）、（Ｎ）ＩＲ（（近）赤外線分光法），蛍光分光法、原子分光法等に対して、供給及び／又は受信するように使用されてもよい。

これらの及び他の目的、有利な側面は、以下の図面を用いて、例示の実施形態の説明から明白になるだろう。
図１は光学プローブの部分を示す。図１aは光学プローブの部分の上面図を示す。図２は光学プローブの部分を示す。図３は光学プローブの部分を示す。

図１は光学プローブの部分を示し、その光学プローブは、中央光ファイバー１０と、シリンダー１１と、周辺光ファイバー１２と、光学的に透明な材料のモノリシック構造体１４を含むプローブヘッドと、クリップ１５とを含む。プローブは例えば内視鏡の部分でもよく、又は、分析システムの部分でもよく、ファイバー１０、１２は光源及び／又は検出器（不図示）に接続されてもよい。

モノリシック構造体１４はファイバーサイド面（ａｆｉｂｅｒｓｉｄｅｓｕｒｆａｃｅ）と対象物サイド面（ａｎｏｂｊｅｃｔｓｉｄｅｓｕｒｆａｃｅ）とを有する。そのファイバーサイド面は第１曲面部１６０と第２曲面部１６４とを含み、それらは相互に異なる曲率を有する。第１曲面部１６０は反射コーティングで覆われるが（点線で示される）、周辺光ファイバー１２の先端部の向かい側の開口部１６８（１つだけラベル付けされる）を除く。第２表面部１６４は反射コーティングで覆われない。開口部１６８での第１曲面部１６０と同じく、第２表面部１６４は透明である。モノリシック構造体１４は第２表面部１６４で凸面であってもよい（モノリシック構造体１４から突き出る）。

対象物サイド面は第１曲面部１８０と第２曲面部１８２とを有する。第１曲面部１８０の曲率中心は相互に異なり、そして、第２曲面部１８２のそれとは異なる。さもなければ、第１曲面部１８０は同一曲率を有してもよい。第１曲面部１８０は反射コーティングで覆われる（点線で示される）。第２曲面部１８２は反射コーティングで覆われず、そうして第２曲面部１８２は透明である。モノリシック構造体１４の表面は第１曲面部１８０で凸面（突き出る）で、第２曲面部１８２で凹面（窪んでいる）であってもよい。凹面の第２曲面部１８２の代わりに、平坦表面部又は凸面表面部が使用されてもよい。アパーチャ内の凹面の使用は、表面と第１曲面部１６０への光線との間の角度がより直角に近く維持されるという利点を有し、その結果、散乱による色誤差が小さくなる。平坦表面の使用は、光線を中断するのに役立ち、そうして焦点への距離を変化させることができる。モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の各第１曲面部１８０は、周辺光ファイバー１２の夫々へ入射又は出射する光の反射レンズとして機能する。モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の第１曲面部１６０は、反射レンズとして機能し、対象物サイド面上の第１曲面部１８０の方向へ入射又は出射する光を、同一対象物位置１９から又はそこへ変える。

モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第２曲面部１８２は、モノリシック構造体１４の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第１曲面部１６０、１８０と協働する屈折レンズとして機能する。モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第２曲面部１８２と、モノリシック構造体１４の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第１曲面部１６０，１８０とは協働して対象物位置１９上に光路をフォーカスする。（本明細書で使用されるように、“光路”の語は、その経路に沿った或る方向に供給される光が進む可能な経路としても、その経路に沿った反対の方向に受信される光が進む可能な経路としても言及される。換言すれば、それは光の方向とは無関係に焦点間の関係について言及するものとして使用される。）
モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の第２表面部１６４は中央光ファイバー１０の先端部に対向して位置付けられる。モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の第２表面部１６４は中央光ファイバー１０の先端部からの光又はそこへの光に対して屈折レンズとして機能する。モノリシック構造体１４の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第２表面部１６４、１８２は協働して、対象物位置１９上に光路をフォーカスする。

図１ａは一実施形態の上面図を示し、そこではシリンダー１１とモノリシック構造体１４とがクリップ１５に固定されて相対的回転を防いでいる。この実施形態では、シリンダー１１とモノリシック構造体１４とは面取りされた（ｂｅｖｅｌｅｄ）円周表面部を有する。例示目的のため、面取りされた円周表面部は互いに或る角度で示されるが、それらは同じ円周角で供給されてもよい。クギ１５ａ、ｂ（例えばスクリュー）がクリップ１５に取り付けられる。クリップ１５は、シリンダー１１及びモノリシック構造体１４の面取り表面部と接触してクギ１５ａ、ｂを保持する。このことは、モノリシック構造体１４に対する周辺光ファイバー１２とシリンダー１１の相対的回転を防ぐ。これは単なる有利な一実施形態であることが強調されるべきである。他の実施形態では、シリンダー１１とモノリシック構造体１４とは、同じクギによって、又は、複数のクギによって、又は、クギ無しで例えば接着によって固定された相対的回転において保持されてもよい。シリンダー１１及びモノリシック構造体１４は互いに直接的に固定されてもよく、及び／又は、周辺光ファイバー１２はモノリシック構造体１４に固定されてもよい。

中央光ファイバー１０はシリンダー１１を貫通する。シリンダー１１は例えばセラミック材料で作られてもよい。そのモノリシック構造体１４に面する端部はモノリシック構造体１４に合致するように形成されてもよい。モノリシック構造体１４上の反射コーティングはシリンダーの端部とモノリシック構造体１４との間にあるモノリシック構造体１４上に存在してもよい。周辺光ファイバー１２はシリンダー１１の外側に沿って走る。中央光ファイバー１０と周辺光ファイバー１２とはシリンダー１１に取り付けられてもよい。それらは例えばシリンダーに接着されてもよい。

クリップ１５はモノリシック構造体１４とシリンダー１１との長さに沿って伸びる。クリップは円筒状の形状を有してもよく、モノリシック構造体１４とシリンダー１１との外周を取り囲む。クリップ１５はシリンダー１１とモノリシック構造体１４とに対向してクランプされたフランジを有し、そうして、シリンダー１１とモノリシック構造体１４とは互いに対向してクランプされる。そのフランジは周辺光ファイバー１２の間に伸びるフィンガーを有してもよく、フランジは周辺光ファイバー１２と干渉することなくシリンダー１１に到達する。モノリシック構造体１４の対象物サイド面はプローブの対象物サイド面を形成してもよい。代替的に、たとえば平坦且つ透明な保護プレートのような他の要素（図示せず）が対象物サイド上に存在してもよい。

追加的なレンズ又はレンズ群（図示せず）が中央光ファイバー１０の先端とモノリシック構造体１４との間に供給されてもよい。一実施形態では、追加的なレンズ又はレンズ群がシリンダー１１の中に固定されてもよい。アセンブリの間、中央光ファイバー１０の先端と追加レンズ又はレンズ群との間の距離は中央光ファイバー１０がシリンダー１１に固定される前に調整されてもよい。追加レンズ又はレンズ群は対象物１９上の焦点位置を制御するよう使用されてもよい。

中央光ファイバー１０、周辺光ファイバー１２はファイバー束を形成し、クリップ１５とシリンダー１１とを超える如何なる距離をも延長してもよい。このファイバー束は例えば、モノリシック構造体１４によって対象物位置１９（象徴的に線で示される）上にフォーカスされる光を供給し、その対象物位置から光を逆に受信するのに使用されてもよい。そのプローブは例えば内視鏡の一部であってもよく、或いは分析システムの一部としてでもよく、ファイバー１０，１２の末端部（モノリシック構造体１４から離れている）は１つ以上の光源又は検出器（図示しない）に接続されてもよい。

２つの周辺光ファイバー１２を備えた断面を示して一例を説明してきたが、２つより多い周辺光ファイバー１２、又は、単独の周辺光ファイバーだけが使用されてもよいことが理解されるべきである。２つより多い周辺光ファイバー１２が使用されるとき、それらは中央光ファイバー１０の軸の周辺で一定の半径のリングに沿って分離した位置に配置されてもよい。モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の対応する開口部１６８と第１曲面部１８０とが使用されてもよい。

他の実施形態では、中央光ファイバー１０の軸について異なる半径の複数のリングが使用されてもよく、リング上の分離した位置で周辺光ファイバー１２を有し、対象物サイドに対応する開口部１６８と第１曲面部１８０とを有する。一実施形態では、１つ以上の光バッフルがモノリシック構造体１４の中に含まれてもよい。

操作の一例では、光源（図示しない）からの光が中央光ファイバー１０を通って供給され、そして、その後、モノリシック構造体１４を通って対象物位置１９へ供給され、光は、モノリシック構造体１４を介して周辺光ファイバー１２を通って対象物位置から逆に受信される。その受信された光は検出され、そして、例えば、ラマン分光法の検出器（図示しない）の中で任意的にスペクトル的に分割される。

光源からの光は、モノリシック構造体１４の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第２表面部１６４、１８２を通過し、その表面部は供給される光を対象物位置１９にフォーカスするように機能する（任意的に、フォーカスをサポートするため、追加的な分離レンズが中央光ファイバー１０の先端とモノリシック構造体１４との間に使用されてもよい）。光がフォーカスされる対象物位置１９は対象物の表面での位置でもよいが、対象物の内部に位置してもよい。戻り光はモノリシック構造体１４を通って対象物位置１９から周辺光ファイバー１２へ通過する。その戻り光は、モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第２表面部１８２を通過し、モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の第１表面部１６０から反射し、続いて、モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第１表面部１８０から反射する。モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第１表面部１８０は、周辺光ファイバー１２のうち異なるものの上に戻り光の各部分をフォーカスするように作動する。

他の例では、周辺光ファイバーは光を供給するために使用されてもよく、そして、中央光ファイバー１０は光を受信するために使用されてもよい。他の例では、中央光ファイバー１０と周辺光ファイバーの両方が光を供給し、及び／又は、光を受信するために使用されてもよい。ファイバーのうちの個々のファイバーが、光の供給及び受信の両方に同時に使用されてもよい。

中央光ファイバー１０と周辺光ファイバー１２とからの光路の焦点が同一の対象物位置１９にある例について説明したが、代わりに、光路の焦点の間には他の所定の関係が供給されてもよいことを理解すべきである。一実施形態では、周辺光ファイバー１２の光路の焦点は対象物サイド上で一致するが、それらの軸位置は、中央光ファイバー１０の光路の焦点よりも近くてもよく、その逆でもよい。他の実施形態では、周辺光ファイバー１２の光路の焦点は、対象物サイド上の中央光ファイバー１０の光路の焦点の周りで、対象物サイド上のリングに沿った分離した位置にあってもよい。これは、所定の相対位置からの光を検出するために使用されてもよく、その位置は単独の光学イメージングにより定義される相対位置である必要はない。

モノリシック構造体１４のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第２表面部１６４、１８２によって形成されるレンズの焦点距離は、モノリシック構造体１４の外側で焦点を定義し、そこでは基本的な光学原則に従って中央光ファイバー１０からの光がフォーカスされる。モノリシック構造体１４のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第２表面部１６４、１８２は、例えば、球面又は放物面形状であってもよい。

モノリシック構造体１４のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第１表面部１６０、１８０によって形成されるレンズの焦点距離は、選択されて、互いに所定の空間的関係にある点にフォーカスするように供給され、その焦点は例えば全て同一の点で第２表面部１６０、１８０により実現される。モノリシック構造体１４のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第１表面部１６０、１８０はレンズ群を形成する。これらのレンズ群の焦点距離は、必要とされる空間的位置での焦点距離を確実にするため、基本的な光学原則に従って選択されてもよい。モノリシック構造体１４のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第１表面部１６０、１８０は例えば球面又は放物面形状であってもよく、その曲率は必要とされる焦点距離を供給するよう選択される。

一実施形態では、これらのレンズ群の焦点距離はモノリシック構造体１４内部に平行ビームを供給するよう選択される。これは、フォーカスする際モノリシック構造体１４の熱膨張の影響が最小化され、そして、製作公差の条件が緩和されるという利点を有する。平行ビームによって、全ての周辺光ファイバー１２の光路の焦点が必要な所定空間的位置を有することがより確かに実現され得る。中央光ファイバー１０の先端部とモノリシック構造体１４との間の距離は、製作中に調整されてもよく、そうして、中央光ファイバーの光路の焦点が、周辺光ファイバー１２の光路に対して必要な所定の関係を有することが確実になる。

他の実施形態では、曲面の代わりに、モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の第１表面部１６０は平坦な構成であってもよく、モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第１表面部１８０の各々に対応する一連の平坦な面を含み、そうして、各面は、モノリシック構造体１４の対象物サイド面上の第１表面部１８０の各々に光を反射する。代替的に、略平行なビームは、モノリシック構造体１４のファイバーサイド面上の円錐形の第１表面部１６０を用いて実現されてもよく、又は、ビームが略平行になるような曲率を有する曲面状のレンズでもよい。

モノリシック構造体１４は例えばガラス製でもよく、機械加工ステップ（例えば、研削や研磨）及び反射層でその表面をコーティングするステップを含むプロセスを使用して製作されてもよい。モノリシック構造体１４は例えば０．１ミリメータと１０ミリメータとの間の直径であってもよく、例えば７ミリメータであり、ファイバーサイドと対象物サイドとの間の高さは例えば１ミリメータと１０ミリメータとの間（例えば５ミリメータ）であってもよい。一実施形態では、一組の周辺光ファイバー１２が使用され、夫々は直径０．１２５ｍｍであり、中央光ファイバーはない。３つのそうしたファイバーの束が使用されると、例えば直径０．３ｍｍのモノリシック構造体１４で足りることがある。他の実施形態では、モノリシック構造体１４は光学的に透明なプラスチック製であってもよい。高強度光を伴うアプリケーションでは、ガラスが好ましい。モノリシック構造体１４を機械加工する代わりに、形状を定義するモールドの中で一体成型することにより形成されてもよく、又は、そうしたモールドで打抜きすることにより、及び、コーティングすることにより形成されてもよい。射出成型法がプラスチックのモノリシック構造体１４を製作するために使用されてもよい。一実施形態では、１つ以上の光バッフルがモノリシック構造体１４の中に含まれてもよく、例えば、円筒状スロットを機械加工し、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第２表面部１８２の周りで、その高さ部分に対して、モノリシック構造体１４の中に伸張し、そして、このスロットを光バッフル材料で充填することによる。従って、モノリシック構造体１４の中でレンズをバイパスし、又は、散乱する光の効果が低減されることがある。

モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１曲面部１６０が単独の反射レンズを形成する一実施形態を説明したが、幾つかの代替的な実施形態では、第１曲面部１６０は分離したレンズを形成する複数のサブ部分、例えば複数の曲面状の面を含んでもよい。各反射レンズは異なる方向を有してもよく、その方向は、例えば、光を反射する周辺光ファイバー１２のアジマス位置に対応する。この場合では、モノリシック構造体１４のファイバーサイド面と対象物サイド面の双方の上にある第１曲面部１６０、１８０は、異なった位置の周辺光ファイバー１２からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。

図面に例示される実施形態では、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１曲面部は、異なった位置の周辺光ファイバー１２からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。別の実施形態では、モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１曲面部１６０は複数の異なった反射レンズ群を形成し、そして、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１曲面部１８０は単独の反射レンズを形成する。この場合では、モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１曲面部は、異なった位置の周辺光ファイバー１２からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。しかしながら、これはモノリシック構造体１４の中で平行ビームを実現するのを困難にすることがある。

図２は中央光ファイバー１０が使用されない一実施形態を示す。この実施形態では、周辺光ファイバーだけが使用され、共通な対象物位置１９へ光を供給し、そこから光を受信する。中央光ファイバー１０に対応するモノリシック構造体の表面部の形成は省略されてもよい。モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第２曲面部１６４は、この場合には何も機能しない：それは、反射コーティングでカバーされてもよく、第１表面部１６０の部分を形成する。モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第２曲面部１８２の曲率は、周辺光ファイバーからの光路のフォーカスに役立つよう使用されてもよい。代替的に、この第２表面部は平坦でもよく、モノリシック構造体１４のファイバーサイド及び対象物サイド上の第１表面部１６０、１８０によって制御されてフォーカスする。

中央光ファイバー１０が省略されるとき、周辺光ファイバー１２は、図１に示されるようにクリップ及びシリンダー（図示せず）を用いて、モノリシック構造体１４に接続されてもよい。この場合、シリンダー１１は中空である必要はない。

クリップとシリンダーとを用いてモノリシック構造体１４と周辺光ファイバー１２（及び任意的に中央光ファイバー１０）との間に接続を有する実施形態を示したが、他の解決法も可能であることを理解すべきである。シリンダーはモノリシック構造体１４上に直接的に接着してもよい。クランプを使用するかわりに、モノリシック構造体１４とシリンダー１１を固定的な関係に維持するため、或る構造がモノリシック構造体１４とシリンダー１１の周囲に接着されてもよい。シリンダーはモノリシック構造体１４の一体部分であってもよい。

図３は周辺光ファイバー１２を有しない一実施形態を示す。この実施形態では、モノリシック構造体１４のファイバーサイド、及び／又は、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の曲面部は、対象物サイド上でモノリシック構造体１４の外部の所定の空間的関係の複数の異なった焦点を実現するために使用される。この実施形態では、モノリシック構造体１４は中央光ファイバー１０からの光を、それがモノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１表面部１８０に到達する程度に逸らし、その表面部は反射材料の層で覆われる。そこから、光はモノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１表面部へ反射され、その表面部も反射材料の層で覆われる。モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１表面部１６０は、モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の開口部１８２へ光を反射する。示されるように、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１表面部１８０は、夫々の異なる反射レンズ群を形成するようカーブしてもよく、光を相互に異なるビームへ分割し、そうして異なる焦点位置でフォーカスを実現する。

ファイバーサイド上の第１表面部１６０は反射レンズを形成するようカーブしてもよく、その反射レンズは対象物サイド上の第１表面部１８０によって形成されるレンズと協働し、モノリシック構造体１４の外部の異なる焦点位置でのビームを対象物サイドにフォーカスする。対象物サイド上の第１表面は、それぞれ、モノリシック構造体の中で、ファイバーサイドと対象物サイド上の第１表面部１６０、１８０の間で平行ビームを形成するよう配置されてもよい。示されるように、これは、モノリシック構造体１４の長さを十分に伸張し、中央光ファイバー１０からの光路がモノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１表面部１８０の半径位置に到達するまで逸れるようにすることにより達成される。

モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の反射層で覆われていない第２表面部１６４は、ファイバーサイド上の第１表面部１６０とは異なる曲率を有してもよく、そうして、中央光ファイバー１０からの光を逸らす異なった屈折レンズを形成する。対象物サイド上の開口部１８２では、モノリシック構造体１４の第１表面部は反射層で覆われておらず、対象物サイド上の第１表面部１８０とは異なる曲率を有してもよく、そうして、フォーカスと分岐の役に立つ異なった屈折レンズを形成する。モノリシック構造体の中心（軸）に方向付けられた中央光ファイバー１０が示されるが、代わりに、軸外ファイバーが使用されてもよいことを理解すべきである。

他の実施形態では、表面の様々な組合せが使用されてもよく、それは周辺光ファイバーを備えた実施形態に対して説明される。例えば、モノリシック構造体１４のファイバーサイド上の第１表面部１６０は個々の異なる反射レンズ群を形成するようにカーブしていてもよく、その場合には、モノリシック構造体１４の対象物サイド上の第１表面部１８０は個々の異なる反射レンズ群又は或るレンズを形成するようにカーブしていてもよい。ファイバーサイド、又は、対象物サイド上には面が供給されてもよい。代替的なオプションでは、ファイバーレンズと対象物レンズの両方の上に単独レンズを形成する反射表面部を使用してもよい。従って、中央光ファイバー１０から対象物位置への光路だけがモノリシック構造体１４により供給されるだろう。しかし、複数のレンズ群の使用は複数の異なる平行な光路が実現され得るという利点を有する。

図３の実施形態は、複数の対象物サイドの点で中央光ファイバー１０からの光をフォーカスし、そして、これらの点からのバックライトを受信するよう使用されてもよく、その受信したバックライトは中央光ファイバー１０に戻される。他のアプリケーションでは、例えば、各焦点で並列効果（ｐａｒａｌｌｅｌｅｆｆｅｃｔｓ）を誘導するため、中央光ファイバー１０からの光を焦点にだけ方向付けるように使用されてもよく、又は、複数の点でパラレル測定を供給するため、焦点からの光を中央光ファイバー１０にだけ方向付けるように使用されてもよい。

そのプローブはラマン分光法の使用に特に有用である。しかしながら、同様に他の光学応用例に適用されてもよく、例えば、ＬＩＢＳ（レーザー誘導破壊分光法）、ＬＩＦ（レーザー誘導蛍光）、（Ｎ）ＩＲ（（近）赤外線分光法）、蛍光分光法、原子分光法等である。

光学プローブが供給され、１つ又は複数のファイバーと光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも１つのファイバーと光学システムを含み、その光学システムは、その少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部からの光を、対象物上にフォーカスするよう構成され、及び／又は、その逆も同様であり、その光学システムは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を含み、
−少なくとも１つの第１被覆表面部を有するファイバーサイド表面であり、その第１被覆表面部又は表面部分群の上に第１反射コーティングを有し、その反射コーティングはその少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部の反対に１つ又は複数の開口部を残し、及び、
−少なくとも１つの第２被覆表面部を有する対象物サイド表面であり、その第２被膜表面部又は表面部分群の上に別の反射コーティングを有し、対象物サイドアパーチャを残し、及び、
−その第１表面部と第２表面部のうちの少なくとも１つは、複数の異なる反射レンズを形成するようにカーブしており、所定の相対的空間位置での１つ以上の対象物位置からの光路を、開口部で少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部上に、そのアパーチャを介して、フォーカスするように構成され、及び／又は、逆も同様であるように構成される。

Claims

光学プローブであって、該光学プローブは、１つ又は複数のファイバーと前記光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも１つのファイバーと光学システムを含み、前記光学システムは、前記少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部から、対象物上に光をフォーカスするよう構成され、及び／又は、その逆も同様であり、前記光学システムは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を含み、
−少なくとも１つの第１被覆表面部を有するファイバーサイド表面であり、１つ又は複数の前記第１被覆表面部の上に第１反射コーティングが施され、前記反射コーティングは前記少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部の反対側に１つ又は複数の開口部を残す、ファイバーサイド表面と、
−少なくとも１つの第２被覆表面部を有する対象物サイド表面であり、１つ又は複数の前記第２被膜表面部の上に別の反射コーティングが施され、対象物サイドアパーチャを残す、対象物サイド表面と、を有し、さらに
−前記第１表面部と前記第２表面部とのうちの少なくとも１つは、複数の異なる反射レンズを形成するようにカーブしており、所定の相対的空間位置での１つ以上の対象物位置から並列に、前記アパーチャを介して、前記開口部で少なくとも１つのファイバーの１つ又は複数の先端部の上に光路を個別にフォーカスするように構成され、及び／又は、逆も同様であるように構成される、
光学プローブ。
前記第１及び第２被覆表面部によって形成される前記反射レンズは焦点距離を有し、該焦点距離はそれぞれ、前記１つ又は複数の第１被覆表面部から前記１つ又は複数の対象物位置までの光学距離と等しく、前記第２被覆表面部から前記少なくとも１つのファイバーの前記１つ又は複数の先端部までの光学距離と等しい、請求項１記載の光学プローブ。
前記１つ又は複数の第２被覆表面部は前記アパーチャの周りで輪になって存在する、請求項１又は２に記載の光学プローブ。
前記対象物サイドアパーチャは曲面を有し、前記第１及び／又は第２被覆表面部と協働するレンズを形成し、前記アパーチャを介して、前記１つ又は複数の対象物位置から、前記開口部で前記ファイバーの夫々の各先端部上に光をフォーカスし、逆も同様である、請求項１乃至３の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記少なくとも１つのファイバーは複数のファイバーの束を含み、前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面の前記少なくとも１つの第１被覆表面部の前記反射コーティングは前記ファイバーの夫々の先端部の反対側に開口部を残し、前記第１及び第２表面部のうち少なくとも１つは曲面であって反射レンズを形成し、前記反射レンズは前記アパーチャを介して所定の相対空間位置での１つ又は複数の対象物位置から、前記開口部での前記ファイバーの夫々の１つ又は複数の先端部上に別々に光路をフォーカスするように機能し、逆も同様である、請求項１乃至４の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記反射レンズは、前記アパーチャを介して、単一の対象物位置から前記開口部での前記ファイバーの夫々の１つ又は複数の各先端部上に別々に光路をフォーカスするように機能し、逆も同様である、請求項５に記載の光学プローブ。
前記ファイバーの束は別のファイバーを含み、前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面は前記別のファイバーの先端部の反対側に第３表面部を有し、光が前記第３表面部を通過できるようにコーティングされておらず、前記第３表面部は屈折レンズを形成するよう或る曲率を有し、前記屈折レンズは、前記アパーチャを介して、前記別のファイバーから、１つ又は複数の対象物位置に対して所定の空間関係にある別の対象物位置上に光をフォーカスするように構成され、逆も同様である、請求項５又は６に記載の光学プローブ。
前記異なる反射レンズは、前記アパーチャを介して、所定の相対空間位置での複数の分離した対象物位置から、前記開口部での少なくとも１つのファイバーのうちの同じファイバーの前記先端部上に光路を個別にフォーカスするように構成され、逆も同様である、請求項１乃至４の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記モノリシック構造体は複数の反射コーティングされた第２表面部を有し、夫々は個別の一次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第１表面部は単一の二次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第２表面部の前記個別の一次反射レンズは前記単一の二次反射レンズと協働して、少なくとも１つのファイバーのうちの１つの先端部、又は、前記ファイバーの各々の先端部から、前記１つ又は複数の対象物位置上に光をフォーカスし、逆も同様である、請求項１乃至８の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記モノリシック構造体は複数の第１表面部を有し、夫々は個別の一次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第２表面部は単一の二次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第２表面部の前記個別の一次反射レンズは前記単一の二次反射レンズと協働して、少なくとも１つのファイバーのうちの１つの先端部、又は、前記ファイバーの各々の先端部から、前記１つ又は複数の対象物位置上へ光をフォーカスし、逆も同様である、請求項１乃至９の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面に取り付けられた円筒状構造を含み、前記ファイバーは前記円筒状構造に取り付けられている、請求項１乃至１０の何れか１つに記載の光学プローブ。
前記円筒状構造は前記モノリシック構造体と異なり、前記プローブは第１及び第２クランプ端部を有するクランプを含み、前記モノリシック構造体と前記円筒状構造とは、前記第１クランプ端部と前記第２クランプ端部との間に位置付けられ、前記第１及び第２クランプ端部は前記モノリシック構造体と前記円筒状構造とを互いに対して押し合う、請求項１１記載の光学プローブ。
請求項１乃至１２の何れか１つに記載の光学プローブ、１つ又は複数の光源、及び／又は、前記束の中の前記ファイバーの遠心端部に結合された１つ又は複数の光検出器を含む、光学測定装置。
請求項１乃至１０の何れか１つに記載の光学プローブに係るモノリシック構造体に必要とされるように構成されるモノリシック構造体。
光学測定及び／又は照射方法であって、対象物が照射され、及び／又は、対象物から光を受信し、当該方法は；
−少なくとも１つの光ファイバーを通して光を供給及び／又は受信するステップと、
−前記ファイバーから対象物上に光を供給するステップであって、及び／又は、逆も同様であり、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を通じて、前記モノリシック構造体のファイバーサイド上の少なくとも１つのファイバーの先端部の反対側の前記モノリシック構造体の第１表面部の反射コーティングの中の１つ又は複数の開口部を介し、さらに、前記構造体の対象物サイド上の前記モノリシック構造体の第２表面部の反射コーティングを介し、さらに、前記モノリシック構造体の前記第１被膜表面の前記反射コーティングを介し、そしてさらに、前記構造体の前記対象物サイド上の前記第２表面部の前記反射コーティングによって覆われていない対象物サイドアパーチャを介する、ステップと、
−前記モノリシック構造体の前記第１及び第２表面部のうち少なくとも１つの表面曲率によって光をフォーカスするステップであって、前記曲率は複数の異なる反射レンズを定義し、前記アパーチャを介して、所定の相対空間位置での１つ以上の対象位置から、前記開口部での前記ファイバーの１つ又は複数の先端部上へ光路を個別にフォーカスし、逆も同様である、ステップと、を含む、方法。