JP2014094123A - 光伝達装置及び光学素子 - Google Patents

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、光ファイバの端面と接する第１面と、光ファイバの端面から出射した光線を反射する第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、光ファイバの軸線に対する第２面の角度をθ１とし、光ファイバの軸線に対する光ファイバの端面から出射する光線の中心とのなす角度をθ２とし、光ファイバの軸線直交方向に対する光ファイバ端面の傾き角をθ３とし、光ファイバの端面からプリズム内に出射した光線が持つ開口数をθＮＡとし、光ファイバのコア部の屈折率をｎｆとし、プリズムの屈折率をｎｇとし、プリズムの第２面が接する媒体の屈折率ｎａとしたときに、ｎｇ＞ｎａを満たすとともに、以下の式が成立する。ｎｇ＞ｎａ／｛ｓｉｎ（９０°−θＮＡ−θ２＋θ１）｝、０≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）−θ３＜９０
【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に開示された光コヒーレンス断層画像生成装置において、低コヒーレンス光を光ファイバで伝播した後、反射面で反射させて、光プローブの側面から観察試料に低コヒーレンス光を照射できる光ファイバプローブが設けられている。この光ファイバプローブにおいては、光ファイバ先端部を斜めにカットしているので、光ファイバ内を伝播してきた光が、端面で反射して戻る恐れが少なく、その分ノイズを減少させることができる。

ところが、特許文献１の技術では、光ファイバの先端部に取り付けた屈折率分布型のレンズ等で光を集光し、更に反射面で反射させて、光ファイバプローブの側面に光照射を行っているため、屈折率分布型のレンズの光学面、反射面などで反射した光が干渉信号として検出され、観察試料に対するノイズの原因となってしまう恐れがある。また、屈折率分布型のレンズが比較的高額であり、組み付け時に光ファイバに対してレンズや反射面の位置決めを高精度で行う必要がある為、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。更に、反射面を形成するために光学面に蒸着などの成膜処理が必要になり、これにより更にコスト高を招くとともに劣化などの耐久性が問題になる。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。

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と接する第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反射する平面である第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、
前記光ファイバの軸線に対する前記第２面の角度をθ１（°）とし、
前記光ファイバの軸線に対する前記光ファイバの端面から出射する光線の中心軸とのなす角度をθ２（°）とし、
前記光ファイバの軸線直交方向に対する前記光ファイバ端面の傾き角をθ３（°）とし、
前記光ファイバの端面から前記光学素子内に出射した光線が持つ開口数をθＮＡとし、
前記光ファイバのコア部の屈折率をｎｆとし、
前記光学素子の屈折率をｎｇとし、
前記光学素子の前記第２面が接する媒体の屈折率ｎａとしたときに、ｎｇ＞ｎａを満たすとともに、以下の式が成立することを特徴とする。
ｎｇ＞ｎａ／｛ｓｉｎ（９０°−θＮＡ−θ２＋θ１）｝ （１）
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）＜ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf） [但し、ng<nfの場合] （２Ａ）
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）<θ３ [但し、ng>nfの場合] (2Ｂ)

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接しているので、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。

更に、図面を参照して、条件式（１）、（２Ａ）、（２Ｂ）の意義について説明する。図１において、光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対する、光学素子ＯＳの第２面ＰＬ２の角度をθ１（°）とし、光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対する光ファイバＦＢの端面から出射する光線ＬＢの中心軸ＣＸとのなす角度をθ２（°）とし、光ファイバＦＢの端面から光学素子内に出射した光線ＬＢが持つ開口数をθＮＡとし、光学素子ＯＳの屈折率をｎｇとし、光学素子ＯＳの第２面ＰＬ２が接する媒体の屈折率ｎａとする。ここで、ｎｇ＞ｎａを満たす時に、第２面ＰＬ２に入射する光束の臨界角をθｍとすると、
ｎｇ＝ｎａ・ｓｉｎθｍ （３）
で表せる。しかるに、第２面ＰＬ２は、光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対して角度θ１で傾いており、また光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対する光ファイバＦＢの端面から出射する光線ＬＢの中心ＣＸとのなす角度はθ２であり、光ファイバＦＢの端面から光学素子内に出射した光線ＬＢが持つ開口数がθＮＡであるから、条件式（１）を満たすことにより、第２面ＰＬ２において全反射が生じることとなる。
ｎｇ＞ｎａ／｛ｓｉｎ（９０°−θＮＡ−θ２＋θ１）｝ （１）

第２面ＰＬ２で全反射が生ずれば、第２面ＰＬ２に蒸着などの成膜処理をせずとも効率よい反射がなされるため、低コストでありながら光に利用効率が高まる。

図２において、光ファイバＦＢのコア部ＣＲから光学素子ＯＳへの入射角をθｆ（°）とし、光学素子ＯＳから光ファイバＦＢのコア部ＣＲへの入射角をθｇ（°）とし、光ファイバＦＢのコア部ＣＲの屈折率をｎｆとし、光学素子ＯＳの屈折率をｎｇとすると、スネルの法則より、
ｓｉｎθｆ／ｓｉｎθｇ＝ｎｇ／ｎｆ （４）
と表せる。ここで、し、光ファイバＦＢの軸線直交方向に対する前記光ファイバ端面の傾き角をθ３としたときに、θｆ＝θ３であるから、
ｓｉｎθｇ＝（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ） （５）
となり、
θｇ＝ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ） （６）
となる。ここで、θｇは、光学素子OSへの屈折角度であるθ1とθ2とを足し合わせた角度と同じである為、
θ1+θ2＝ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ） （7）
となるが、コア部CRから光学素子OSへ光を入射するには、0°から臨界角までの角度内で屈折した光が光学素子OSへ透過する必要がある為、0≦θ1+θ2＜ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf）、もしくは０°≦θ1+θ2<θ３となり、
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）＜ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf） [但し、ng<nfの場合] （２Ａ）
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）<θ３ [但し、ng>nfの場合] (2Ｂ)
が導かれる。これにより、光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対して光ファイバＦＢの端面が傾くとともに、光ファイバＦＢの軸線ＡＸに対して傾いた方向に光線が出射するようになり、これを第２面ＰＬ２に入射させることで、（１）式と相まって全反射させることが可能になる。光ファイバＦＢが、光ファイバＦＢの軸線方向に対して所定の角度で傾いた端面を有すると、光ファイバＦＢの端面からの反射光が光ファイバＦＢの中心軸から逸れて戻るので、かかる反射光に起因するノイズを抑制できる。

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、前記光学素子の前記第３面に、曲率を持たせたことを特徴とする。

これにより、前記第３面が集光作用を持つので、別個に集光用のレンズ等を設ける必要がなくなり、構成の簡素化と小型化を図れる。特に、前記第３面に曲率を持たせることで、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。

請求項３に記載の光伝達装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記光学素子の前記第３面は、非球面形状であることを特徴とする。

前記第３面を非球面形状とすることで、円筒状の透明カバーや光ファイバのクラッドなどを出射光が通過する際に生じる収差等を補正でき、より高い光学特性を付与することができる。

請求項４に記載の光伝達装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記光ファイバ内のコアの屈折率と、前記光学部品との屈折率が異なることを特徴とする。

前記光ファイバ内のコアの屈折率と、前記光学部品との屈折率とを異ならせることで、前記光ファイバから前記光学素子に入射する光を、任意の角度で折り曲げることができ、これにより前記第２面で全反射条件を満たしやすくなり、光の利用効率を高めることができる。

請求項５に記載の光伝達装置は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記光学素子は成形によって作製されることを特徴とする。

前記光学素子は、前記光ファイバの端面に取り付けられる程度に小型であるから、成形により高精度な光学素子を大量生産することが望ましい。

請求項６に記載の光伝達装置は、請求項１、４、５のいずれかに記載の発明において、前記第２面と前記第３面とは共通であり、前記第２面で反射した光線は、前記第２面とは異なる面で反射され、前記第３面から出射するようになっていることを特徴とする。

前記第２面を反射面及び出射面として用いることで、光学部内の光学距離を伸ばすことができ、例えば前記光学素子から近い位置に測定光のスポットを形成できるなど照射光の集光位置に自由度が広がるから、特に血管等の極小径の管の断層を観察するのに好適である。

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。 プリズムの変形例を示す図４と同様な断面図である。

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Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ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レンズユニット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レンズユニット６と、参照光を反射させるミラー７と、レンズユニット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若しくはレンズユニット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Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ方式を用いて説明したが、Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ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Ｓｐｅｃｔｒａ Ｄｍａｉｎ方式、波長掃引レーザを用いるｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ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の軸線に対して例えば角度０〜４５度の範囲で斜めに研磨加工されており、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。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平面である第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は平面であるが、全反射を行うことを条件に曲率を持ち非球面であってもよい。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、集光作用を発揮すべく曲率を有する。また第３面２０３ｃを非球面とすることで、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もできる。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の軸線に対する第２面２０３ｂの角度をθ１（°）とし、光ファイバ２００の軸線に対する光ファイバ２００の端面から出射する光線の中心とのなす角度をθ２（°）とし、光ファイバ２００の軸線直交方向に対する光ファイバ２００端面の傾き角をθ３（°）とし、光ファイバ２００の端面からプリズム２０３内に出射した光線が持つ開口数をθＮＡとし、光ファイバ２００のコア部２０１の屈折率をｎｆとし、プリズム２０３の屈折率をｎｇとし、プリズムの第２面２０３ｂが接する媒体（ここでは空気）の屈折率ｎａ（＝１）としたときに、ｎｇ＞ｎａを満たすとともに、以下の式が成立する。
ｎｇ＞ｎａ／｛ｓｉｎ（９０°−θＮＡ−θ２＋θ１）｝ （１）
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）＜ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf） [但し、ng<nfの場合] （２Ａ）
０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）<θ３ [但し、ng>nfの場合] (2Ｂ)

本実施の形態では、条件式（１）、（２）を満たすので、光ファイバ２００の端面から所定方向に角度付けされ第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。より具体的には、光ファイバ２００のコア部２０１とプリズム２０３の屈折率を異ならせることで、コア部２０１を伝播してきた光の照射方向が、コア部２０１端面で変化する。すなわち、コア部２０１の屈折率ｎｆと、プリズム２０３の屈折率ｎｇとを調整することで、光照射方向を変化させることができ、プリズム２０３の第２面２０３ｂに対して全反射を起こさせるのに適した入射角度を持たせることができる。又、光ファイバ２００が、光ファイバ２００の軸線方向に対して所定の角度で傾いた端面を有するので、光ファイバ２００の端面からの反射光が光ファイバ２００の中心軸から逸れて戻るから、かかる反射光に起因するノイズを抑制できる。

具体的に、光伝達装置の仕様を検討する。
（実施例1）
（１）光ファイバの端面からプリズム内に出射した光線が持つ開口数θＮＡ：代表的なシングルモードファイバSMF28(コーニング社の製品名)において、9.8度
（２）光ファイバのコア部の屈折をｎｆ：SMF28（同上）の屈折率より、1.468
（３）プリズムの屈折率ｎｇ:成形用光学ガラスK-PSFn203(住田光学ガラス社の製品名)の屈折率より、2.017
（４）プリズムの第２面が接する媒体の屈折率ｎａ:空気の屈折率＝1
（５）光ファイバの軸線直交方向に対する光ファイバ端面の傾き角θ３:8度
以上の仕様を用いた場合、ng > nfであるから式(２Ｂ)が適用され、このとき、ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）を計算すると、5.814度となり、θ３＝8度より小さいから、式(2Ｂ)を満たす。さらに、上記の値より、θ2は-2.19度となる。この値と他の条件を式(1)に用いた時、下記の条件式が導出される。
-52.665度 > θ1
つまり、光ファイバの軸線方向に対して時計回りの方向に成す角度θ1が、52.665度以下の時に全反射が成立することが分かる。

（実施例２）
（１）光ファイバの端面から光学素子内に出射した光線が持つ開口数θＮＡ：代表的なシングルモードファイバSMF28(同上)より、9.8度
（２）光ファイバのコア部の屈折率ｎｆ：SMF28（同上）の屈折率より、1.468
（３）光学素子の屈折率ｎｇ:成形用光学ガラスS-FPL53(オハラ社の製品名)の屈折率より、1.438
（４）プリズムの第２面が接する媒体の屈折率ｎａ:空気の屈折率＝1
（５）光ファイバの軸線直交方向に対する光ファイバ端面の傾き角θ３:45度
以上の仕様を用いた場合、ng < nfであるから式(２A)が適用され、このとき、ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）を計算すると、46.208度となり、ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf）＝78.397度であるから、式(2A)を満たす。さらに、上記の値より、θ2は1.208度となる。この値と他の条件を式(1)に用いた時、下記の条件式が導出される。
-34.9319度 > θ1
つまり、光ファイバの軸線方向に対して時計回りの方向に成す角度θ1が、34.9319度以下の時に全反射が成立することが分かる。

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。この時、プリズム２０３の屈折率を光ファイバ２００のコア部２０１の屈折率に近づければ、コア部２０１端面とプリズム２０３との境界面で発生する反射ノイズを低減することができる。

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。

プリズム２０３の第２面２０３ｂに、全反射を生じさせることを前提に曲率を持たせることもでき、これにより第２面２０３ｂで光の進行方向を試料１０３にむけ、且つ試料１０３に対して光を集光させることが同時に行えるため、コンパクトな光学系とすることができる。

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を測定光１０５が通過する際に発生する収差を補正するために、第３面２０３ｃを非球面形状としても良い。

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。

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７は、プリズムの変形例を示す図６と同様な断面図である。本変形例では、プリズム２０３の第２面２０３ｂの傾きを調整して、第３面２０３ｃより、光ファイバ２００の軸線直交方向に対して斜めに向かう方向に測定光１０５を出射している。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

図８は、プリズムの別な変形例を示す図６と同様な断面図である。本変形例では、第３面２０３ｃに反射テープなどを貼り付けて反射面としており、第２面２０３ｂが反射面と出射面とを兼ねる。

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、最初に第２面２０３ｂで全反射した後に、曲率を持った第３面２０３ｃで更に反射され、再び第２面２０３ｂに入射するが、ここで全反射条件が崩れるので、第２面２０３ｂを透過して外部に照射される。本変形例によれば、プリズム２０３内の光学距離を伸ばすことができ、例えばプリズム２０３から近い位置に測定光１０５のスポットを形成できるなど照射光の集光位置に自由度が広がるから、特に血管等の極小径の管の断層を観察するのに好適である。

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 レンズユニット
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 (8)

1. 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と接する第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反射する平面である第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、
   前記光ファイバの軸線に対する前記第２面の角度をθ１（°）とし、
   前記光ファイバの軸線に対する前記光ファイバの端面から出射する光線の中心軸とのなす角度をθ２（°）とし、
   前記光ファイバの軸線直交方向に対する前記光ファイバ端面の傾き角をθ３（°）とし、
   前記光ファイバの端面から前記光学素子内に出射した光線が持つ開口数をθＮＡとし、
   前記光ファイバのコア部の屈折率をｎｆとし、
   前記光学素子の屈折率をｎｇとし、
   前記光学素子の前記第２面が接する媒体の屈折率ｎａとしたときに、ｎｇ＞ｎａを満たすとともに、以下の式が成立することを特徴とする光伝達装置。
   ｎｇ＞ｎａ／｛ｓｉｎ（９０°−θＮＡ−θ２＋θ１）｝ （１）
   ０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）＜ｓｉｎ^-1（ｎg/ｎf） [但し、ng<nfの場合] （２Ａ）
   ０°≦ｓｉｎ^-1（ｎｆ×ｓｉｎθ３／ｎｇ）<θ３ [但し、ng>nfの場合] (2Ｂ)
2. 前記光学素子の前記第３面に、曲率を持たせたことを特徴とする請求項１に記載の光伝達装置。
3. 前記光学素子の前記第３面は、非球面形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光伝達装置。
4. 前記光ファイバ内のコアの屈折率と、前記光学部品との屈折率が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光伝達装置。
5. 前記光学素子は成形によって作製されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光伝達装置。
6. 前記第２面と前記第３面とは共通であり、前記第２面で反射した光線は、前記第２面とは異なる面で反射され、前記第３面から出射するようになっていることを特徴とする請求項１、４、５のいずれかに記載の光伝達装置。
7. 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。
8. 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。

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