JP2014094122A

JP2014094122A - 光伝達装置及び光学素子

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Publication number: JP2014094122A
Application number: JP2012247044A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tao; 祥一田尾
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-05-22

Abstract

【課題】比較的安価であり、組立容易性に優れ、しかも小型化を図れるとともに、光の利用効率を高めることができる光伝達装置及び光学素子を提供する。
【解決手段】プリズムは、光ファイバの端面に取り付けられた第１面と、光ファイバの端面から出射され第１面から入射した光線を略直角方向に反射する曲面からなる第２面と、第２面で反射した光線を出射する第３面とを有し、第３面から出射した照射光が観察対象へ照射されるようになっており、第２面を境界として、プリズム内側の媒質が、プリズム外側の媒質よりも屈折率が高く、第２面において全反射が生じるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝達装置に関し、特に光コヒーレンス断層画像形成装置に用いられると好適な光伝達装置及び光学素子に関する。

近年、生体組織を診断する場合において、その組織の表面状態の光学的情報を得る画像生成装置の他に、組織内部の光学的情報を得ることのできる光コヒーレンス断層画像生成装置が提案されている。光コヒーレンス断層画像生成装置とは、低コヒーレンス光を二つに分離し、一方を生体組織などの観察試料に照射し、観察試料の位相情報を付与された散乱光を他方の光と干渉させ、干渉光の強度情報から被検体の位相情報を得、観察試料の測定箇所を画像化するものである（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−２０１９６９号公報

ところで、特許文献１の図５Ａ等に記載された技術では、光ファイバの端面から出射した光を、別体の光学素子の反射面で反射させ、光学素子の出射面で集光させて照射を行っており、すなわち集光面と反射面とが別体であるから、この２つの面を各々精度良く加工したり、2つの面同士を精度良く芯出ししたり、２つの面に精度良く光を入射させるための工夫が必要になる。又、微小な反射面に金属蒸着を施さなければならない。この為、光ファイバプローブ１本の作製コストが高くなってしまうという問題がある。加えて、光ファイバと反射面との距離を確保しなくてはならないから、光ファイバプローブの大型化を招いている。

これに対し、特許文献１の図５Ｂ等に記載された技術では、光ファイバと別体の反射鏡に曲率を持たせて、集光作用と反射作用とを同時に行っている。この従来例では、２つの面同士の調整は不要になるが、微小であることに加えて曲面を持つ部品に金属蒸着を施さなければならず、その金属蒸着処理が困難であり、同様に光ファイバプローブ１本の作製コストが高くなってしまうという問題がある。又、金属蒸着膜の劣化などの耐久性も問題になる。又、光ファイバと反射面との距離を確保しなくてはならないから、光ファイバプローブの大型化を招いている。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、比較的安価であり、組立容易性に優れ、しかも小型化を図れるとともに、光の利用効率を高めることができる光伝達装置及び光学素子を提供することを目的とする。

請求項１に記載の光伝達装置は、コア部とクラッド部とを備えた少なくとも１つの光ファイバと、該光ファイバ端部に設けられた光学素子とから構成される光伝達装置において、
前記光学素子は、前記光ファイバの端面に取り付けられた第１面と、前記光ファイバの端面から出射され前記第１面から入射した光線を略直角方向に反射する曲面からなる第２面と、前記第２面で反射した光線を出射する第３面とを有し、前記第３面から出射した照射光が観察対象へ照射されるようになっており、
前記第２面を境界として、前記光学素子内側の媒質の屈折率が、前記光学素子外側の媒質の屈折率よりも高く、前記第２面において全反射が生じることを特徴とする。

本発明によれば、前記光学素子の前記第１面が前記光ファイバの端面に取り付けられているので、前記光ファイバと前記光学素子との位置決めは位相合わせだけで足り、組立容易性を確保できる。又、前記光学素子は光ファイバの先端に取り付けるものであるから、本来的に小型であり、これにより全体の構成をより小型化できると共に、前記光学素子から焦点位置までの距離を短くできるから、小径の観察対象であっても観察を容易に行える。加えて、前記第２面を境界として、前記光学素子内側の媒質の屈折率が、前記光学素子外側の媒質の屈折率よりも高く、前記第２面において全反射が生じるので、光の利用効率を高めることができるとともに、反射面を形成するための蒸着などの処理が不要になり，長期間安定した反射を実現できる。更に、第２面に曲率を持たせることで集光作用を与え、別個に集光用プリズムなどを用いる必要がなく、構成が簡素化される。かかる機能を発揮する第２面の好適な形状としては、楕円体の表面の一部を切り出した形状（楕円面という）などがある。尚、「略直角」とは、光ファイバ軸線方向に垂直な軸から±10°以内の傾きとする。

請求項２に記載の光伝達装置は、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。

但し、
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）

図面を参照して、条件式（１）の意義について説明する。ここでは、光ファイバの端面は、光ファイバの軸線に対して直交するものとし、第２面の角度が４５°で傾いたプリズムＰＲを用いて説明する。尚、プリズムＰＲの屈折率はｎ₁であり、プリズムＰＲに接する媒質（空気）の屈折率はｎ₂であるとする。光ファイバから出射した後、出射面から最も離れる側に進行する光線Ｌ１の反射角が最も浅くなるので、光線Ｌ１の反射条件について考察する。図１（ａ）に示すように、光ファイバの出射点（端面）ＯＰ（第２面から距離ｆ₁離れている）から出射した光線が、プリズムＰＲを介して、図で下方の観察対象の集光点ＦＰ（第２面から距離ｆ₂離れている）されるものとする。図１（ｂ）は、図１（ａ）のモデルに対して、光線の角度を加えたものである。θ₁は、光ファイバから出射した光線Ｌ１の出射角であり、θ₂は、プリズムＰＲの第１面ＰＬ１から入射した光線Ｌ１の出射角であり、θ₃は、プリズムＰＲの第２面ＰＬ２への入射角であり、θ₄は、プリズムＰＲの第３面ＰＬ３への入射角であり、θ₅は、プリズムＰＲの第３面ＰＬ３から出射した光線Ｌ１の収束角である。

ここで、図１（ｂ）の幾何学的関係より、
θ₁＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ_i）（１Ａ）
θ₄≒θ₅ （１Ｂ）
ｆ₂・ｓｉｎθ₅≒ｆ₁・ｓｉｎθ₂ （１Ｃ）
と表せる。
スネルの法則より、
θ₂＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₁／ｎ₁）＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ_i／ｎ₁）（１Ｄ）
が得られる。又、（１Ｃ）式より、
θ₅≒ｓｉｎ^-1｛（ｆ₁／ｆ₂）・（ＮＡ_i／ｎ₁）｝（１Ｅ）
が得られる。ここで、（１Ｂ）、（１Ｄ）、（１Ｅ）式から、
２θ₃＝９０°−θ₂＋θ₄
＝９０°−ｓｉｎ^-1（ＮＡ_i／ｎ₁）＋ｓｉｎ^-1｛（ｆ₁／ｆ₂）・（ＮＡ_i／ｎ₁）｝（１Ｆ）
となる。両辺を２で割って、
θ₃＝［９０°−ｓｉｎ^-1（ＮＡ_i／ｎ₁）＋ｓｉｎ^-1｛（ｆ₁／ｆ₂）・（ＮＡ_i／ｎ₁）｝］／２（１Ｇ）
を得る。第２面ＰＬ２に入射した光線が全反射条件を満たすのは、
ｎ₁・ｓｉｎθ₃≧ｎ₂ （１Ｈ）
を満たす場合であるので、
ｎ₁≧ｎ₂／ｓｉｎθ₃ （１Ｉ）
となるから、（１Ｇ）式よりθ₃を代入すると、以下の式（１）が得られる。つまり、式（1）を満たすように硝材等を選択することで、光ファイバから出射した光が、光学素子の第２面において、全反射によって反射される。このような構成によって、第２面に蒸着処理などが不要になる。

請求項３に記載の光伝達装置は、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。

但し、
θ_i：前記光ファイバの軸線方向と前記光ファイバからの出射光の進行方向とがなす角度（°）
θ_a：前記光ファイバの軸線方向と前記第１面とがなす角度（°）
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）

図面を参照して、条件式（２）の意義について説明する。ここでは、光ファイバの端面は、光ファイバの軸線に対して傾いているものとする。図２に示すように、光ファイバＦＢの出射点（端面）ＯＰから出射した光線が、プリズムＰＲを介して、図で下方の観察対象に集光（ＦＰ）されるものとする。ここで、θ_iは、光ファイバＦＢの軸線方向ＡＸと光ファイバＦＢの出射光の進行方向とがなす角度であり、θ_aは、光ファイバＦＢの軸線方向ＡＸとプリズムＰＲの第１面ＰＬ１の法線とがなす角度であり、θ₆は、出射点ＯＰから出射した光線の中心がプリズムＰＲの第１面ＰＬ１に入射した際の入射角であり、θ₇は、第１面ＰＬ１を通過した後の出射角であり、θ₈は、光学素子ＯＳに入射した光線が第２面に入射する際の光ファイバＦＢの軸線に対する角度である。主光線は、式（1）に示す場合比較して、θ₈の角度だけ傾いて第２面ＰＬ２に入射する。尚、角度は、図２の記載にて時計回りの向きを正とする。

ここで、図２の幾何学的関係より、
θ₆＝θ_i＋θ_a （２Ａ）
が得られる。又、スネルの法則より、
θ₇＝＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎθ₆／ｎ₁）＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎ（θ_i＋θ_a）／ｎ₁）（２Ｂ）
が得られる。又、図２の幾何学的関係より、
θ₈＝θ₇―θ_a＝ｓｉｎ^-1（ｓｉｎ（θ_i＋θ_a）／ｎ₁）−θ_a （２Ｃ）
となる。これを式（１）に代入すると、θ₈が微小であるから、以下のように近似できる。
θ₂≒ｓｉｎ^-1（ｓｉｎ（ＮＡ_i／ｎ₁）−θ₈
＝ｓｉｎ^-1（ＮＡ_i／ｎ₁）−｛ｓｉｎ^-1（ｓｉｎ（（θ_i＋θ_a）／ｎ₁））−θ_a｝（２Ｄ）
ここで、第２面ＰＬ２に入射した光線が全反射条件を満たすのは、
ｎ₁≧ｎ₂／｛ｓｉｎ（（９０°−θ₂＋θ₄）／２）｝（２Ｅ）
を満たす場合であるので、これより以下の式（２）が得られる。つまり、式（２）を満たすように硝材等を選択することで、例えば端面が傾くように研磨された光ファイバから出射した光が、プローブ長さ方向と角度を持って出射されても、光学素子の第２面において、全反射によって反射される。このような構成によって、第２面に蒸着処理などが不要になる。

請求項４に記載の光伝達装置は、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。

本発明では、式（１）に対して、ＮＡ_iを０．８ＮＡ_iに置き換えたものである。つまり、光ファイバより出射する光線の外側の領域の光強度は比較的低いから、強度の高い全ＮＡの８０％以内の光線が第２面で全反射すれば、出射光の強度を十分確保できることに鑑み、その分により光学素子の設計の自由度を向上できる。従って、式（3）を満たすように硝材を選択することで、式（1）を満たす場合よりも低屈折率な樹脂等の硝材でも光学素子に用いることが可能になり、実用上十分な高い反射率を維持できる。

請求項５に記載の光伝達装置は、請求項１に記載の発明において、以下の式を満たすことを特徴とする。

本発明では、式（２）に対して、ＮＡ_iを０．８ＮＡ_iに置き換えたものである。つまり、光ファイバより出射する光線の外側の領域の光強度は比較的低いから、強度が高い全ＮＡの８０％以内の光線が第２面で全反射すれば、出射光の強度を十分確保ことに鑑み、その分により光学素子の設計の自由度を向上できる。従って、式（４）を満たすように硝材を選択することで、式（２）を満たす場合よりも低屈折率な樹脂等の硝材でも光学素子に用いることが可能になり、実用上十分な反射率を維持できる。

請求項６に記載の光伝達装置は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記第３面が、前記光ファイバの軸線を中心軸とする円筒面であることを特徴とする。

前記第３面を前記光ファイバの軸線を中心軸とする円筒面とすることで、例えば光伝達装置の周囲に円筒状の透明なカバーを設けた場合など、光がカバーを通過する際に発生する収差を補正する機能を付与することができる。但し、前記第２面を、楕円面と非球面とを重畳させることで、光がカバーを通過する際に発生する収差を補正する機能を付与するような機能を持たせても良い。これにより、第３面の形状を平面として簡素化できる。

請求項７に記載の光伝達装置は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、光コヒーレンス断層画像形成装置に用いられることを特徴とする。

請求項８に記載の光学素子は、請求項１〜７のいずれかに記載の光伝達装置に用いられ、前記光ファイバの端面に取り付けられる第１面を有することを特徴とする。

本発明によれば、比較的安価であり、組立容易性に優れ、しかも小型化を図れるとともに、光の利用効率を高めることができる光伝達装置及び光学素子を提供することが可能になる。

（１）式を説明するための図であり、光ファイバと光学素子を模式的に示す。（２）式を説明するための図であり、光ファイバの端部を模式的に示す。光コヒーレンス断層画像生成装置の構成を示す図である。光ロータリージョイントと光プローブとの結合部を示す図である。光プローブの主要部を示す図である、光プローブの主要部の拡大断面図である。プリズムの変形例を示す図４と同様な断面図である。第２の実施の形態にかかる図６と同様な断面図である。第２面２０３ｂから透過した光（すなわち全反射しなかった光）の量を測定する方法を示す図である。実施例１の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示すである。実施例２の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示すである。実施例３の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示すである。実施例４の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示すである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。まず、光コヒーレンス断層画像生成装置１０２の形態について説明する。図３に示す光コヒーレンス断層画像生成装着１０２は、例えば人体の血管など試料（生体組織ともいう）１０３の断層画像を、いわゆるＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ方式により取得するものであって、低コヒーレンス光源２と、光源から発振された低コヒーレンス光を分割する光分割手段４と、光分割手段４を通過した低コヒーレンス光を、試料１０３の測定箇所に測定光１０５として照射し且つ試料１０３から反射した光を光合波手段４に伝播する光プローブ１０１と、光プローブ１０１軸を中心に光プローブ１０１を回転させる光ロータリージョイント１と、光分割手段４を通過した低コヒーレンス光を参照光として照射するプリズムユニット６と、参照光を反射させて光合波手段４に光を伝播するミラー７と、参照光が伝搬する光路長を調整する光路長調整部８と、合波手段により音波されて反射光と参照光との干渉光を検出する干渉光検出部３とを備えている。

光分割手段４は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源から光ファイバを介して伝播してきた低コヒーレンス光を測定光１０５と参照光とに分割する。なお、本例におけるこの光分割手段４は、光合波手段４としても機能するものである。

上記光路長調整部８は、参照光として照射された光を平行光化するプリズムユニット６と、参照光を反射させるミラー７と、プリズムユニット６とミラー７との光学距離を変位させるように図中矢印方向に移動可能とされた基台と、この基台を移動させる操作部から構成されており、試料１０３内の測定位置を測定光１０５の光軸方向に変化させるために、参照光の光路長を変位させる機能を有している。光学距離を変位させる時に移動させる部位は、ミラー７若しくはプリズムユニット６のどちらであっても良い。

そして、光路長調整部８により光路長の変位がなされた参照光が光合波手段４に伝播されるようになっている。光合波手段４に伝播した参照光は干渉光の光強度を検出する干渉光検出部３に入射する。

干渉光検出部３は、光合波手段４により合波された試料１０３からの反射光と参照光との干渉光を検出するものであり、干渉光ではない干渉光検出部３に入射した光によるノイズを低減する機能を備えている。

試料１０３の測定位置の情報は、光路長調整部８を制御する制御部９から画像処理部５へ出力される。そして、干渉光検出部３により検出された光信号と、制御部９における測定位置の情報と、制御同期部１０からの情報とに基づいて、画像処理部５により光断層画像が生成される。生成された光断層画像１０４は、表示装置１１において表示される。

次に、上記構成を有する光コヒーレンス断層画像生成装置１０２の作用について説明する。断層画像を取得する際には、まず参照光の光路長を変位させることにより、測定可能領域内に試料１０３の測定対象位置が来るよう大まかな光路長の調整が行われる。その後、光源から低コヒーレンス光が発振され、この光は光分割手段４により測定光１０５と参照光とに分割される。測定光１０５は光プローブ１０１から試料１０３に向けて伝播され、測定対象位置に低コヒーレンス光が照射される。

光分割手段４から参照光がミラー７で反射するまでの光学距離と、光分割手段４から試料１０３に照射されて反射した測定光１０５の光学距離とが一致する位置での試料１０３の情報が干渉信号として検出される。このとき、光路調整部を高速で変位させることにより光干渉の位置を高速変位させ、光プローブ１０１から試料１０３に照射した測定光１０５が測定対象位置を１次元に走査する。そして、測定対象位置からの反射光がミラー７で反射した参照光と光合波手段４で合波され、反射光と参照光との干渉光が干渉光検出部３によって検出される。

光ロータリージョイント１によって光プローブ１０１を回転させると、測定光１０５が測定対象位置上で光プローブ１０１の回転方向に走査される。この走査方向に沿った各部分において試料１０３の測定方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。この時、光プローブ１０１が３６０°回転した時に測定する試料１０３の１回分の走査が完了したことになる。光プローブ１０１は連続して回転する為、画像同期部により光プローブ１０１の回転角を検出して、画像処理部５へ情報を出力することで正確に試料１０３全周分の断層画像を生成させる。このようにして取得された断層画像１０４は、表示装置１１に表示される。

なお、光コヒーレンス断層画像生成装置１０２の仕組みについてＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ方式を用いて説明したが、ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ方式以外にも、単一ディテクタの代わりに分光系を用いるＳｐｅｃｔｒａＤｍａｉｎ方式、波長掃引レーザを用いるｓｗｅｐｔｓｏｕｒｃｅ方式のいずれを用いても良い。

本実施形態における、光プローブ１０１を回転させ且つ光ロータリージョイント１と光プローブ１０１とを接続する構造について図４に詳細を示す。

光プローブ１０１と光ロータリージョイント１とはコネクタ部を介して結合されることにより、低コヒーレンス光源２の光は、光ロータリージョイント１内の光結合部を介して光プローブ１０１に伝播される。

コネクタ部は、光ロータリージョイントに備えられたアダプタ３２及び光プローブ１０１に装着されたコネクタとからなる。アダプタ３２は回転子３７に固定されており、回転子３７が回転するに応じてアダプタ３２も回転する構造となっている。ここでいうコネクタとは、光通信分野で一般的に用いられるＦＣコネクタやＳＣコネクタ等を指す。

従って回転子３７が回転すると、アダプタ３２を介して光プローブ１０１も回転することで、試料１０３の走査が行われる。回転子３７は、回転駆動装置によって回転駆動される。具体的には、モータ３３がローラ３４を回転させることで、ローラ３４に外周が接触した回転子３７を回転させるようになっている。

光プローブ１０１のコネクタをアダプタ３２から取り外せば、回転光ファイバ２３と光プローブ１０１とは着脱可能である。また、光プローブ１０１には光ロータリージョイント１の外装部と着脱できるように留め輪２０７が設けられており、光プローブ１０１のコネクタと留め輪２０７を外すことで、光プローブ１０１を光ロータリージョイント１から取り外すことができる。光ロータリージョイント１の外装部にはヒンジ３６を介して開閉可能に構成された蓋部３５が設けられている。光プローブ１０１は光ロータリージョイント１の外装部に留め輪２０７で係止されるようになっており、使用者は蓋部３５を開き、コネクタ部から光プローブ１０１を取り外すことができる。従って、光プローブ１０１の故障等が生じたような場合には、光プローブ１０１のみを交換することができる。

光プローブ１０１における、コネクタ部から先端までの構成図を図５及び図６に示す。光ロータリージョイントから光プローブ１０１に伝播した光は、光ファイバ２００のコア部２０１に伝達され、光ファイバ２００の光ロータリージョイントと接続していない側のコア部２０１端面から照射される。光ファイバ２００のコア部２０１端面は、光ファイバ２００の軸線に対して直交しているか、例えば角度８°前後で斜めに研磨加工されている。コア部２０１端面がかたむいていれば、光ファイバ２００端面で発生する反射光が光コヒーレンス断層画像生成装置１０２に戻らない為、光ファイバ２００端面で発生するノイズを抑えることができる。

光ファイバ２００と曲面プリズム（少なくとも１つの光学面が曲面であるプリズムをいうが、以下、単にプリズムという）２０３とで、光伝達装置を構成する。図６に示すように、光学素子である樹脂又はガラス製のプリズム２０３は、光ファイバ２００のコア部２０１端面と接する（平行な）第１面２０３ａと、光ファイバ２００のコア部２０１端面から出射した光線を反射する第２面２０３ｂと、第２面２０３ｂで反射した光線を出射する第３面２０３ｃとを有している。第２面２０３ｂは楕円面であるが、非球面を重畳した面であってもよい。第１面２０３ａは、ここでは光ファイバ２００のコア部２０１端面に接する平面である。第３面２０３ｃは、光ファイバ２００の軸線を中心軸とする円筒面の一部である（図７参照）。プリズム２０３は、不図示の金型により成形された後、接着剤で光ファイバ２００の端面２０１ａに接着される。プリズム２０３の第１面２０３ａが光ファイバ２００の端面に接しているので、光ファイバ２００とプリズム２０３との位置決めは位相合わせだけで足り、組立容易性を確保できる。

ここで、光ファイバ２００の端面は、光ファイバ２００の軸線に対して垂直であり、以下の式を満たす。

但し、
ｎ₁:プリズム２０３の屈折率、
ｎ₂：プリズム２０３外側の媒質の屈折率（空気なら１）、
ＮＡ_i：光ファイバ２００のＮＡ
ｆ₁：光ファイバ２００の端面と第２面２０３ｂとの距離（ｍｍ）、
ｆ₂：第２面２０３ｂと、第３面２０３ｃから観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）

本実施の形態では、条件式（１）を満たすので、光ファイバ２００の端面から出射され第１面２０３ｂから入射した後、第２面２０３ｂに入射した光が全反射することとなり、試料１０３に対して効率よく測定光１０５を出射できる。このとき、第３面２０３ｂが円筒面であるから、試料１０３とプリズム２０３との間にあるシース２０６を測定光１０５が通過する際に発生する収差を補正することができる。

一般に光プローブ１０１は、プローブの軸線方向を回転軸として回転することで、周方向の情報を得る。この際、光ファイバ２００とプリズム２０３が一体となって回転するようになっているが、光ファイバ２００とプリズム２０３が、ファイバ２００の端面とプリズム２０３との位置関係を維持したまま、ファイバ２００は回転せず、プリズム２０３のみが回転するようにしてもよい。一体となって回転する際には、上に記載したように第３面を円筒面にすることで、プリズムの回転軸の鉛直方向の大きさを低減でき、プローブの小型化に有効である。

ここまで述べた構成での光プローブ１０１は、体内管腔に挿入されて使用されるものであり、光プローブ１０１の外径が0.5 mmから3 mm程度あるため、プリズム２０３の大きさは、径方向が0.3 mmから3 mm 程度であると好ましい。

実際の測定時には、光ファイバ２００のコア部２０１端面から照射された光は、光ファイバ２００前方のプリズム２０３内に照射され、プリズム２０３の第２面２０３ｂで全反射した後に、曲面である第３面２０３ｃを通過して外部へと照射される。

その後、クラッド部２０２の側面から照射された光は、光プローブ１０１の外部で集光される。その際、クラッド部２０３の側面は曲面を持つ為に、クラッド部２０２の側面境界で発生する反射光の光コヒーレンス断層画像生成装置１０２に戻る割合が小さくなるので、断層画像で見られるノイズを抑えることができる。

試料１０３を走査する測定光１０５は、シース２０６を透過してその側面から外部に出射される。次いで、生体組織内部で測定光１０５は散乱反射され、散乱により光プローブ１０１へ戻ってきた測定光１０５がシース２０６を介して光ファイバ２００側面に入射される。その後、プリズム２０３、光ファイバ２００、光ロータリージョイント１、本体光学系へと測定光１０５が伝播される。

上記の光プローブ１０１を製作するにあたって、光ファイバ２００のコア部２０１とクラッド部２０２を斜めに研磨する工程、光ファイバ２００先端にプリズム２０３を乗せる工程、金型等でプリズム２０３曲面を形成する工程、紫外線照射若しくは熱硬化で樹脂をプリズムとして硬化させる工程を用いることで、同時に多数の光プローブを作製することができる。また、屈折率分布型のレンズを用いた光プローブよりも作製コストを抑えることができる為、低コストの光プローブを大量に提供することができる。

光プローブ１０１の光学系と試料１０３が接触して光プローブ１０１及び試料１０３の損傷を防ぐ為、光プローブ１０１の外周にはシース２０６が設けられている。シース２０６は、光プローブ１０１内の光ファイバ２００、プリズム２０３を内部に保持した可僥性を有するチューブであり、テフロン（登録商標）などの高い光透過率を有する材料で形成されている。特に、低コヒーレンス光を高い効率で透過させることができる材質であれば良い。

シース２０６と光プローブ１０１内の光学系との間にはトルクワイヤ２０５が備えられている。トルクワイヤ２０５は、光ファイバ２００周辺に巻かれた鉄線であり、回転子２６からコネクタ部に伝えられた回転力を光プローブ１０１の先端部まで伝える事で回転の影響による光学系の破損を防ぐ。

シース２０６は留め輪２０７に接着されており、留め輪２０７は光ロータリージョイント１の外装部に固定されている。光プローブ１０１の光学系とシース２０６は接着されていない。また、光プローブ１０１の前方には試料１０３と光プローブ１０１とを傷つけない為の栓２０９が設けられている。

光プローブ１０１は、光ファイバ２００の軸を中心に回転しながら生体内部に測定光１０５を照射させており、測定光１０５は光プローブ１０１のラジアル方向に沿って位置する生体組織に向けて出射されて走査される。この際、シース２０６は留め輪２０７を介して光ロータリージョイント１に固定されているので回転しない為、生体試料を非侵襲で回転走査することができる。

図８は、第２の実施の形態にかかる図６と同様な断面図である。本実施の形態では、光ファイバ２００の端面は、光ファイバ２００の軸線直交方向に対して８°傾いており、以下の式を満たす。

但し、
θ_i：光ファイバ２００の軸線方向と光ファイバ２００からの出射光の進行方向とがなす角度（°）
θ_a：光ファイバ２００の軸線方向と第１面２０３ａとがなす角度（°）
ｎ₁:プリズム２０３の屈折率、
ｎ₂：プリズム２０３外側の媒質の屈折率（空気なら１）、
ＮＡ_i：光ファイバ２００のＮＡ
ｆ₁：光ファイバ２００の端面と第２面２０３ｂとの距離（ｍｍ）、
ｆ₂：第２面２０３ｂと、第３面２０３ｃから観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）

本実施の形態では、条件式（２）を満たすので、傾いた光ファイバ２００の端面から出射され第１面２０３ｂから入射した後、第２面２０３ｂに入射した光が全反射することとなり、試料１０３に対して効率よく測定光１０５を出射できる。

以下、本発明者が行った検討結果について述べる。本発明者は、図９に示すように、光ファイバ２００の軸線方向に直角な受光面ＰＤを、プリズム２０３の外側に配置して、第２面２０３ｂから透過した光（すなわち全反射しなかった光）の量を、条件を変えて測定した。但し、光線は単色光を想定している。

（実施例１）
図６に示すような光ファイバの端面を軸線に対して直交させた実施例１の供試条件は、表１の通りである。実施例１は式（１）を満たす。但し、プリズム２０３の第２面と接するのは空気である。

図１０に、実施例１の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示す。ここで、ＮＡ_iが０．１２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４７以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．２２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５１以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．３７のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５８以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．４８のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．６３以上であれば、第２面で全反射が生じることがわかる。

（実施例２）
図６に示すような光ファイバの端面を軸線に対して直交させた実施例２の供試条件は、表１に示すものと同じである。実施例２は式（３）を満たす。但し、プリズム２０３の第２面と接するのは空気である。

図１１に、実施例２の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示す。ここで、ＮＡ_iが０．１２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４５以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．２２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４９以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．３７のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５４以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．４８のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５８以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じることがわかる。よって、プリズムの素材の選択肢は、実施例１より広い。

（実施例３）
次に、図８に示すような光ファイバの端面を軸線に対して８°傾けた実施例３の供試条件は、表２の通りである。実施例３は式（２）を満たす。但し、プリズム２０３の第２面と接するのは空気である。

図１２に、実施例３の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示す。ここで、ＮＡ_iが０．１２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４６以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．２２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５１以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．３７のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５８以上であれば、第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．４８のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．６４以上であれば、第２面で全反射が生じることがわかる。

（実施例４）
図８に示すような光ファイバの端面を軸線に対して８°傾けた実施例４の供試条件は、表２に示すものと同じである。実施例４は式（４）を満たす。但し、プリズム２０３の第２面と接するのは空気である。

図１３に、実施例４の構成について、透過光量と、プリズムの素材の屈折率との関係を示す。ここで、ＮＡ_iが０．１２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４５以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．２２のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．４９以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．３７のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５５以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じ、ＮＡ_iが０．４８のときは、プリズムの屈折率ｎ₁が１．５９以上であれば、ほぼ第２面で全反射が生じることがわかる。よって、プリズムの素材の選択肢は、実施例３より広い。

各実施例の仕様において、式（１）〜（４）の等号が成立する場合のＮＡ_i、ｎ₁の値を、表１にまとめて示す。つまり、式（１）〜（４）の不等号を成立させるためには、表３に示す値より大きなｎ₁を選択すれば良い。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明に用いる光ファイバはシングルモードであることが好ましいが、反射ノイズを低減する本発明の効果が適用可能なファイバとしてはマルチモードファイバも含まれる。

１光ロータリージョイント
２低コヒーレンス光源
３干渉光検出部
４光分割手段（光合波手段を兼ねる）
５画像処理部
６プリズムユニット
７ミラー
８光路長調整部
９制御部
１０制御同期部
１１表示装置
３１コネクタ
３２アダプタ
３３モータ
３４ローラ
３５蓋
３６ヒンジ
３７回転子
１０１光プローブ
１０２断層画像生成装置
１０３試料
１０４断層画像
１０５測定光
２００光ファイバ
２０１コア部
２０２クラッド部
２０３プリズム
２０３ａ第１面
２０３ｂ第２面
２０３ｃ第３面
２０４断層画像
２０５トルクワイヤ
２０６シース
２０７留め輪
２０８コネクタ
２０９栓

Claims

コア部とクラッド部とを備えた少なくとも１つの光ファイバと、該光ファイバ端部に設けられた光学素子とから構成される光伝達装置において、
前記光学素子は、前記光ファイバの端面に取り付けられた第１面と、前記光ファイバの端面から出射され前記第１面から入射した光線を略直角方向に反射する曲面からなる第２面と、前記第２面で反射した光線を出射する第３面とを有し、前記第３面から出射した照射光が観察対象へ照射されるようになっており、
前記第２面を境界として、前記光学素子内側の媒質の屈折率が、前記光学素子外側の媒質の屈折率よりも高く、前記第２面において全反射が生じることを特徴とする光伝達装置。
以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光伝達装置。

但し、
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）
以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光伝達装置。

但し、
θ_i：前記光ファイバの軸線方向と前記光ファイバからの出射光の進行方向とがなす角度（°）
θ_a：前記光ファイバの軸線方向と前記第１面とがなす角度（°）
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）
以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光伝達装置。

但し、
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）
以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光伝達装置。

但し、
θ_i：前記光ファイバの軸線方向と前記光ファイバからの出射光の進行方向とがなす角度（°）
θ_a：前記光ファイバの軸線方向と前記第１面とがなす角度（°）
ｎ₁:前記第２面を境界とする前記光学素子内側の媒質の屈折率、
ｎ₂：前記第２面を境界とする前記光学素子外側の媒質の屈折率、
ＮＡ_i：前記光ファイバのＮＡ
ｆ₁：前記光ファイバの端面と前記第２面との距離（ｍｍ）、
ｆ₂：前記第２面と、前記第３面から観察対象に向かって出射された光線の集光位置との距離（ｍｍ）
前記第３面が、前記光ファイバの軸線を中心軸とする円筒面であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光伝達装置。
光コヒーレンス断層画像形成装置に用いられることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光伝達装置。
請求項１〜７のいずれかに記載の光伝達装置に用いられ、前記光ファイバの端面に取り付けられる第１面を有することを特徴とする光学素子。