JP2018198929A - 非点収差の光ファイバ補正 - Google Patents

Abstract

【課題】非点収差を補正することが可能な光ファイバプローブを提供する。
【解決手段】カテーテルは、シース１２１、コイル１２２、プロテクタ１２３、および光学プローブ１２４より成り得る。光学プローブ１２４は非点収差を補正するために、楕円形ファイバが使用される。非対称のＧＲＩＮレンズもまた、非点収差を補正するために使用される。
【選択図】図２

Description

関連特許出願の相互参照
本出願は、米国特許商標庁において２０１７年４月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／４８７１９６号の優先権を主張するものであり、その開示は、参照により全体として本明細書に組み込まれる。

本開示は、光ファイバプローブに関し、より具体的には、非点収差を補正することが可能な光ファイバプローブを用いる内視鏡に関する。

対象の内部から画像を得ることが、医療または調査の理由のために有用かつ必要であることが多い。内視鏡、または何らかの他の医療用プローブは、対象の内側から画像を提供する能力を有する。対象は、ヒト患者であり得る。

内視鏡は、ファイバプローブを含み得る。１つまたは複数の光ファイバが、試料（身体、臓器、組織、および任意の他の物質など）の誘導、試料への光の送達、および試料からの光の受取りのために利用され得る。ファイバプローブは、また、光の焦点を合わせるため、光を集めるため、および光を案内するために、ファイバの遠位端部において組み立てられたレンズおよびミラーを含み得る。

内視鏡は、対象の回避を最小限に抑えて内臓器官へアクセスするために開発されてきた。例えば、心臓病学では、カテーテルを介して血管の深さ分解画像（ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｉｍａｇｅ）を見るために、ＯＣＴ（光干渉断層撮影法）が開発されてきた。シース、コイル、および光ファイバプローブから成るカテーテルは、冠状動脈などの関心領域へ誘導される。光ファイバプローブからの光線が関心表面にわたって回転されると、血管の断面画像が得られる。３次元データを取得するために、光学プローブは、螺旋状の走査パターンに基づく画像が得られるように、回転中に同時に長手方向に平行移動される。この螺旋状の平行移動は、光ファイバプローブが回転されている間に光ファイバプローブの先端を近位端部に向かって引き戻すことによって行うことができ、したがって、プルバックと呼ばれる。

カテーテルは、透明なシースを含み、このシース内を光ファイバプローブからの光が通過する。プローブの直径が小さくなるほど、透明なシースが光学系の１つの軸に沿って付加する屈折力はより強力になり、かつ、光学系の非点収差はより強力になる。

米国再発行特許第ＲＥ４３，８７５号および第ＲＥ４５，５１２号は、シースの屈折率がシースの外側の媒体およびシースの内側の流体の屈折率に実質的に一致する方法を開示している。しかし、この方法は、プローブが引き戻されている間のシースの内側の流体に起因する粘性および乱流について考慮されていない。米国再発行特許第ＲＥ４３，８７５号および第ＲＥ４５，５１２号は、また、内視鏡の端部に偏長楕円体の球を付け加えてシースの非点収差を補償することを開示している。米国特許第８，５８２，９３４号は、２つの異なる焦点を持つ湾曲した反射キャップによりシースの非点収差を補償することを開示している。しかし、これらのシステムは、調整、製造、および維持が困難であり得る。

したがって、当業界におけるこれらの欠点に対処し、これまでのシステムの欠陥を克服する撮像システムを提供し、かつプローブにおける非点収差を補償することが、必要とされている。

１つの実施形態では、光学プローブは、光源を収容するための中空内部を有するシースと、シースを通して光を案内するための導波路とを備え、導波路は、シースを通って光が移動するときに非点収差を低減するための非対称の屈折力を有する。いくつかの実施形態では、光学プローブは、楕円形コアを含む第２の導波路を有し得る。

他の実施形態では、光学プローブは、径方向に対称なＧＲＩＮレンズ、および径方向に対称な屈折率分布型光ファイバ（ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）のうちの少なくとも１つをさらに備える。

光学プローブのさらに別の実施形態では、第２の導波路からの光が通過するシースの一部分は、中空シリンダの形状とされ得る。

光学プローブのさらなる実施形態では、第１の導波路は、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、およびダブルクラッドファイバのうちの１つから選択され得る。

一実施形態では、第２の導波路は、グレーデッドインデックスファイバ（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ ｆｉｂｅｒ）であり得る。

光学プローブの別の実施形態では、第１の導波路と第２の導波路との間にスペーサが含まれる場合があり、このスペーサは、コアレスファイバ、ファイバテーパ、およびマルチモードファイバのうちの１つから選択される。

光学プローブの一実施形態では、第２の導波路の非対称性は、光学プローブからシースを通って出る照明光のスポットサイズの非対称性を低減するように構成され得る。

なおもさらなる実施形態では、第２の導波路は、楕円形クラッドを有し得る。

一実施形態では、第２の導波路は、楕円形コアの長軸（ｍａｊｏｒ ａｘｉｓ）および短軸（ｍｉｎｏｒ ａｘｉｓ）のうちの１つの配向を識別する外表面上の標識を有し得る。

光学プローブのさらなる実施形態は、第２の導波路からの光を反射してシースを通過させる光学構成要素を備え得る。

本主題の光学プローブの１つの実施形態では、第２の導波路からの光は、全反射に対する臨界角よりも大きい角度で光学構成要素の界面に入射する。

さらなる実施形態は、光が第２の導波路の楕円形コアから全反射に基づいて反射されるように、光学構成要素の表面上に反射フィルムをさらに備え得る。

一実施形態では、第２の導波路からの光を反射してシースを通過させる光学構成要素は、ミラーであり得る。

一実施形態では、導波路は、非対称の屈折力を有することができ、かつ、第１の軸に沿ったシースの屈折力を有することができ、この第１の軸に沿ったシースの屈折力は、以下の関係性、すなわち、
いくつかの実施形態では、屈折力は、屈折度数である。

本主題開示は、撮像のための光が通過する円筒形内表面を有するシースと、シースの内表面によって取り囲まれた光ガイドであって、円筒形内表面によってもたらされる光の非点収差を低減するために非対称の屈折力で光を案内する光ガイドとを備える、光干渉断層撮影法のための光学プローブをさらに教示する。

本主題の光干渉断層撮影法のための光学プローブの一実施形態では、プローブは、冠動脈内画像を得るように構成され得る。

本主題開示は、第１の導波路と、非対称の屈折力を持つ第２の導波路と、プローブを覆うシースとを備える光学プローブをさらに教示する。

さらなる実施形態では、第２の導波路は、非対称の屈折力を有することができ、かつ、第１の軸に沿ったシースの屈折力を有することができ、この第１の軸に沿ったシースの屈折力は、以下の関係性、すなわち、

本開示のさらなる目的、特徴、および利点は、本開示の説明に役立つ実施形態を示す添付の図面と併せ以下に詳細に説明することから明らかになるであろう。

本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学撮像システムの図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいるカテーテルの図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学プローブの図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学プローブの図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学プローブの図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、プローブから出る光の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、照明光のスポット図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、プローブの製作に関する種々の段階の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。 本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の一般化された光学的概略図である。

説明に関して、具体的詳細は、開示された例の十分な理解を提供するために明記されている。他の場合では、よく知られた方法、手順、構成要素、および材料は、本開示を不必要に長くすることがないように、詳細には説明されていない。本明細書において、ある要素または部品が別の要素または部品に対して「接触して」いる、「対接して」いる、「接続されて」いる、または「結合されて」いるとされる場合、その要素または部品は、他方の要素または部品に直接に接触しているか、対接しているか、接続されているか、または結合されていてもよく、あるいは、介在する要素または部品が存在してもよいことが、理解されるべきである。対照的に、ある要素が別の要素または部品に対して「直接接触して」いる、「直接接続されて」いる、または「直接結合されて」いるとされる場合、介在する要素または部品は存在しない。「および／または」という用語が使用される場合、もしそのように提供されるのであれば、記載された関連する物品のうちの１つまたは複数の物品のあらゆる組合せを含む。

本明細書において、「下」、「真下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上」、「近位」、「遠位」などの、空間的な相対関係を表す用語は、種々の図面に示されたような１つの要素または特徴の別の要素または特徴に対する関係性を述べるために、説明および／または図示を容易にするために使用され得る。しかし、空間的な相対関係を表す用語は、図に描かれた配向に加えて、使用または操作時のデバイスの様々な配向を含むように意図されていることが、理解されるべきである。例えば、図におけるデバイスがひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下方」または「真下」と説明された要素は、他の要素または特徴の「上方」に配向されることになる。したがって、「下方」などの相対的な空間的用語は、上方および下方の両方の配向を包含し得る。デバイスは、他の方法で配向されて（９０度または他の向きに回転されて）もよく、本明細書で使用される空間的な相対関係を表す記述は、それに応じて解釈されるべきである。本明細書において、第１の、第２の、第３の、などの用語は、種々の要素、構成要素、領域、部分、および／またはセクションを説明するために使用され得る。これらの要素、構成要素、領域、部分、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるべきではないことが、理解されるべきである。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、部分、またはセクションと別の領域、部分、またはセクションとを区別するためにのみ使用されている。したがって、以下で論じられる第１の要素、構成要素、領域、部分、またはセクションは、本明細書における教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、部分、またはセクションと称され得る。

本明細書において使用される専門用語は、単に特定の実施形態を説明する目的のためのものであり、限定的なものとして意図されていない。本明細書において、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別段の明確な指示がなされていない限り、複数形も含むことが意図されている。「含む」および／または「含んでいる」という用語は、本明細書において使用される場合、述べられた特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、明確に述べられていない１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／もしくはそれらの群の存在または追加を除外するのではないことが、さらに理解されるべきである。「位置」または「位置決め」という用語は、空間位置および角度配向の両方を含んでいると理解されるべきである。

内視鏡の重要な構成要素が、光ファイバである。光ファイバは、壊れやすくかつ敏感なものである。光ファイバは、塵、脂質、および／または他の汚染物質の付着を防ぐために、円筒形のシースおよび／またはチューブで覆われる。シースおよび／またはチューブの円筒形の形状の光学特性により、非点収差が導入される。非点収差は、直交する２つの方向における作動距離およびビームサイズを異なるものにさせる。

本開示は、非点収差が排除または低減される、光学撮像システムのための光ファイバプローブを対象とする。これは、ビームの非点収差補正により、より質の良い画像をもたらす。

ＯＣＴ光学撮像法
図１は、本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学撮像システムの図である。図１は、ＯＣＴ技法を利用することができる例示的なシステム１００を示す。光源１０１からの光は、ビームスプリッタ１０４により参照アーム１０２および試料アーム１０３に分割される光を送達する。参照ビームが、参照アーム１０２において参照ミラー１０５から反射され、試料ビームが、試料アーム１３０において患者インターフェイスユニット（ＰＩＵ：ｐａｔｉｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｕｎｉｔ）１１０およびカテーテル１２０を通じて試料１０６から反射または散乱される。両ビームは、ビームスプリッタ１０４において再結合されて、干渉縞を生成する。干渉計の出力は、光ダイオード、光電子増倍管、線形ＣＣＤアレイ、画像センサ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアレイ、または干渉縞に関する情報を提供する任意のタイプのセンサなどの、１つまたは複数の検出器１０７で検出される。光源１０１の可干渉距離内で試料アーム１０３の経路長が参照アーム１０２の経路長に一致するときに、干渉縞が生成される。光源は、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ：ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、波長可変レーザ、白色光源、またはＯＣＴで一般に使用される他の光源などの、可干渉距離が短い広帯域光源であってよい。

図２は、本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいるカテーテル１２０の図である。カテーテル１２０は、シース１２１、コイル１２２、プロテクタ１２３、および光学プローブ１２４より成り得る。ＰＩＵ１１０（図示せず）は、コイル１２２に接続されて、プルバック中にコイル１２２を回転させる。コイルは、光学プローブ１２４の近位端部から遠位端部へトルクを伝達する。コイル１２２は、光学プローブ１２４の遠位先端も回転するように、光学プローブ１２４に固定される。遠位先端がシースを通して側面に光を反射する反射器から成る場合、冠動脈内画像などの、対象の内表面の全方向性の眺めが提供される。プロテクタ１２３は、光学プローブ１２４の遠位先端を損傷から保護し得る。プロテクタ１２３は、１つまたは複数の穴を含んで、光がその１つまたは複数の穴を通過することを可能にし得る。１つまたは複数の穴は、開口として作用することができ、また、他の機能を有することができる。検査され得る内表面の例には、気管、食道、動脈、静脈、結腸、尿路、結腸、などのような、中空の器官および血管が含まれる。

光学プローブの第１の実施形態
図３Ａ〜Ｃは、本主題開示の１つまたは複数の実施形態を組み込んでいる光学プローブの図である。図３Ａは、光学プローブ１２４の第１の実施形態の図である。光学プローブ１２４は、光ファイバ２０１、ガラス棒スペーサ２０２、楕円形コアファイバ２０３、および角度付きガラス棒スペーサ２０４を含み得る。光ファイバ２０１は、ＰＩＵ１１０からの光のビームを送達するために使用される。図３Ａに示されたｚ軸は、光ファイバ２０１のコアの中心軸と実質的に位置合わせされている。ｘ軸は、ｚ軸に直交する。本開示の文脈において、実質的に位置合わせされるとは、ファイバ光学系の測定および位置合わせの公差内で、それが光学的構成要素のモードフィールド径の大きさに応じてミクロンからサブミクロンのスケールになり得ることを意味する。１つの実施形態では、光ファイバ２０１は、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、ダブルクラッドファイバ、またはトリプルクラッドファイバであり得る。

ガラス棒スペーサ２０２は、コリメーティングビーム（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｂｅａｍ）の開口数（ＮＡ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を調整するために使用され得る。様々な長さのガラス棒スペーサ２０２を使用することにより、開口数（ＮＡ）を調整することができる。一代替実施形態では、ガラス棒スペーサ２０２の光学的性質を調整することができ、したがってＮＡも調整可能とすることができる。一実施形態では、ガラス棒スペーサ２０２の端面は、光ファイバ２０１の対応する端面に融着接続されることができ、したがって、２つの構成要素間に安定した接続が提供される。

図３Ｂは、楕円形コアファイバ２０３の断面図である。楕円形コアファイバ２０３は、楕円形コア２１０および光クラッド２１１を含む光ファイバである。楕円形コアファイバ２０３は、典型的な光ファイバが径方向に対称なコアを有する一方で楕円形コアファイバが楕円形コアを有することを除けば、典型的な光ファイバと実質的に似ている。楕円形コアファイバは、また、径方向軸がｘ軸およびｙ軸の両方に沿って径方向に変化する、図３Ｃに示されたようなグレーデッドインデックスファイバであり得る。図３Ｃに示されるように、屈折率がｙ軸に沿って変化する割合は、屈折率がｘ軸に沿って変化する割合とは異なる。図３Ｃに示されたグレーデッドインデックスプロフィルは、典型的な滑らかなプロフィルであるが、屈折率の変化が非点収差の集光力を提供する限り、他のプロフィル（マルチステップインデックスなど）が使用されてもよい。

角度付きガラス棒スペーサ２０４は、照明光を反射してプロテクタ１２３およびシース１２１の側面を通過させる。照明光を反射するために全反射が使用されてもよく、または、ガラス棒スペーサ２０４の背面に鏡面が適用されてもよい。

一般に、シース１２１は、シース１２１の円筒形の形状により光学プローブからの光を屈折させる、非対称の屈折力を有する。シース１２１は、水、生理食塩水、造影剤などの液体環境において用いられ得る。シース１２１の非対称の屈折力を補償するために、システムの別の光学的構成要素もまた、非対称の屈折力を取り入れる。１つの実施形態では、楕円形コアを含むグレーデッドインデックスファイバが、シース１２１の非対称の屈折力を補償する、非対称の屈折力を提供し得る。

図１１は、本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の一般化された光学的概略図である。図１１では、楕円形コアファイバ２０３およびシース１２１は、Ｚ−Ｙ平面およびＺ−Ｘ平面に沿って視覚化されている。概略図は、２つの主要な要素（２０３、１２１）およびそれらの相対的な非対称の屈折力Ｐ、ならびにどのようにしてそれらが互いを補償するために使用され得るかを示すためだけに、簡略化されている。グレーデッドインデックス楕円形コア光ファイバ２０３は、作動距離（Ｗ）に照明光の焦点を合わせる。光学的構成要素の合成屈折力は、以下の式（１）および（２）によって説明することができ、式中、（Ｐ_y）は、ｙ軸に沿った全屈折力であり、（Ｐ_x）は、ｘ軸に沿った全屈折力であり、

非点収差補正が、一例として図４および図５を用いて説明される。
図４は、本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、プローブから出る光の図であり、１．３μｍの中心波長を持つ光線が、光源１０１から、Ｃｏｒｎｉｎｇ（商標）ＳＭＦ−２８ｅ＋で作られた光ファイバ２０１を通して送達される。光ファイバ２０１から出た後、光は、ガラス棒スペーサ２０２を通って分岐し、このガラス棒スペーサ２０２は、溶融石英で作られてもよく、また、ＳＭＦ−２８ｅ＋の外径に一致する１２５μｍの直径を有し得る。ｚ軸に沿ったガラス棒スペーサ２０２の長さは、約１００μｍであり得る。

光学ビームは、スペーサ２０２において分岐した後、楕円形コアファイバ２０３によって収束される。楕円形コアファイバの外径は、スペーサ２０２の外径に一致する１２５μｍであり得る。ｚ方向に沿った楕円形コアファイバ２０３の長さは、９５０μｍであり得る。一実施形態で使用される楕円形コアファイバ２０３は、異なる軸に沿って異なる屈折力（Ｐ_x，Ｐ_y）を有する。直交する２つの方向における屈折力の違いは、ｘ軸およびｙ軸に沿って異なる屈折率プロフィルが存在することに起因し得る。楕円形コアファイバ２０３の長さは、上記の式（４）によって説明された条件を満たす非対称の屈折力（Ｐ_x，Ｐ_y）を設定するように選択される。例えば、楕円形コア２１１を含む楕円形コアファイバ２０３は、Ｍｏｒｉｘｔｅｘ Ｏｖａｌｔｒａｎ（商標）ファイバ製品番号ＯＣＴ１３１０Ｄのためのデータシートで説明されている。楕円形コアファイバ２０３は、また、Ｋａｚｕｏ ＳＨＩＲＡＩＳＨＩ，Ａｋｉｒａ ＯＧＵＲＡ，Ｈｉｄｅｈｉｋｏ ＹＯＤＡ，Ｅｘｐｌｉｃｉｔ Ｆｏｒｍｕｌａｓ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｇｒａｄｅｄ−Ｉｎｄｅｘ Ｏｖａｌ Ｃｏｒｅ Ｆｉｂｅｒｓ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｊａｎｕａｒｙ ２０２，２００４，４３（３）：６６０，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ ＤＣ、２００４で説明された。

楕円形コア２１０から出る収束されたビームは、角度付きガラス棒スペーサ２０４の傾斜面において反射され得る。楕円形コアファイバ２０３の中心からｚ軸が傾斜面と交わる位置までのｚ方向における角度付きガラス棒スペーサ２０４の長さは、２００μｍ程度であり得る。ｚ軸との傾斜面の角度θは、５０°程度であり得る。サイドビューを見るには、３０°〜６０°の角度範囲が適切であり得る。したがって、角度θは、楕円形ファイバから出るときの入射ビームと角度付きガラス棒スペーサ２０４の傾斜面との間の角度でもある。

ガラス棒スペーサ２０４から出るビームは、次いで円筒状のシース１２１を通過する。一実施形態では、シース１２１は、５００μｍの内径、および６００μｍの外径を有し得る。シース１２１は、１．３８の屈折率を有し得る。光学的に、シース１２１は、第１の軸に沿って負の屈折力を有し、かつ、第１の軸に直交する第２の軸に沿ってゼロの屈折力を有する。一実施形態では、１．４５の屈折率を持つ造影剤が、シース２０２の外側に沿って流され得る。楕円形コアファイバ２０３とシース１２１との組合せにより、ビームの焦点が１．９ｍｍの作動距離（プローブ１２４の中心に沿ってｚ軸から２．５ｍｍ）に合わせられる。

対称なグレーデッドインデックスレンズの径方向のインデックスプロフィル（ｎ）を記述するための一般的モデルは、以下の式（６−１）によって説明される。式中、ｎ₀は、ファイバの中心におけるピーク屈折率であり、ｋは、形状係数である。式（６−２）は、中心の対称的な屈折率（ｎ）分布を持つグレーデッドインデックスファイバのコア２１０に対して式（６−１）がどのように適用され得るかを示すものであり、式中、（ｒ）は、コア２１０の半径である。コア２１０の半径は、５０μｍもしくは６２．５μｍ、または何らかの他の半径であり得る。

対称なグレーデッドインデックスファイバの屈折力（Ｐ_fiber）は、焦点距離と反比例の関係にあり、焦点距離は、以下の式（６−３）によって説明されるようなパラメータと関係があり、式中、（ｔ）は、ファイバの長さである。光ファイバがＧＲＩＮレンズとして扱われる場合、

この場合、ｙ軸に沿った方向におけるビームの焦点は、ｚ軸から１．９ｍｍの作動距離に合わせられる。しかし、ｘ軸に沿った方向におけるビームの焦点は、図５（ａ）に示されるように、シース１２１に起因してｚ軸から約３．４ｍｍの作動距離に合わせられる。シース１２１の非点収差により、ビームの焦点は、ｘ軸方向においてはｙ軸方向と同じ位置に合わせられない。これは、スポットサイズを最小化することを困難にする。図５（ａ）は、様々な作動距離（１．４ｍｍ、１．９ｍｍ、２．４ｍｍ、２．９ｍｍ、および３．４ｍｍ）における、円筒形シース１２１を通過した後の照明光のスポットサイズの図である。

出願人は、以下の式（７）で説明されるような屈折率プロフィルを有する楕円形コアファイバを利用する、このことに対処するいくつかの方法を見いだした。

式（６−１）は、上記の式（６−２）において対称なファイバに適応されたが、式（６−１）は、また、以下の式（８−１）および（８−２）で説明されるように、式（７）で説明された非対称のファイバに適応され得る。形状係数ｋ_xおよびｋ_yは、ｘ軸およびｙ軸に沿った屈折率プロフィルの相対的な形状を表す。ｋ_xおよびｋ_yの相対値もまた、式（８−２）における限界によって説明されるように、楕円形コアの形状に関連する。

式（６−３）は、対称なグレーデッドインデックスファイバの屈折力を表すが、式（８−３）は、非対称のグレーデッドインデックスファイバの様々な屈折力を表すために使用され得る。

式（８−３）は、シースのパラメータと楕円形ファイバのパラメータとの関係を表すために、式（４）〜（５）と組み合わせられ得る。

式（８−３）は、非対称の光ファイバの非対称パラメータがどのようにしてシースの非対称ジオメトリに基づいて決定されて、どのようにしてシースによって導入される非点収差を補償するために使用され得るかの一例である。様々な非対称のパラメータを持つ他の構成要素が、非点収差を補償するために同様に使用され得る。

この場合、ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った方向におけるビームの焦点は、図５（ｂ）に示されるように、小さいスポットサイズを得ることができるように、１．９ｍｍの作動距離に合わせられる。図５（ｂ）は、シース１２１の非対称歪みを補正するために楕円形コアファイバが使用されたときの、様々な作動距離（１．４ｍｍ、１．９ｍｍ、２．４ｍｍ、２．９ｍｍ、および３．４ｍｍ）における、円筒形シースを通過した後の照明光のスポットサイズの図である。図５（ａ）と図５（ｂ）との比較は、楕円形コアファイバを使用することにより、対称なＧＲＩＮレンズによって作り出されるスポットサイズと比べてより高度な径方向対称性（ｒａｄｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ）を持つスポットサイズを一実施形態が作り出すことが可能になることを示す。

本主題開示のいくつかの実施形態は、造影剤の有無に関わらず使用され得る。他の実施形態は、大気環境または液体環境において使用され得る。使用され得る液体には、生理食塩水、デキストラン、水、等が含まれる。さらなる実施形態は、カテーテル１２０が使用される環境の屈折率に応じて、様々な楕円形コアファイバ２０３を利用し得る。一代替実施形態は、カテーテル１２０が使用される環境の屈折率に応じて、様々なシース１２１を利用し得る。

角度付きガラス棒スペーサ２０４の入射角θは、全反射に対する臨界角よりも大きい入射角θを有するように設計され得る。例えば、入射角θは、５０°であってもよく、したがって、一実施形態が、傾斜面上での全反射に起因する１００％の反射を得ること、ならびにシース１２１および／または試料からの鏡面後方反射（ｓｐｅｃｕｌａｒ ｂａｃｋ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を最小限に抑えることを、可能にすることができる。一代替実施形態では、角度付きガラス棒スペーサ２０４は、鏡面を有し得る。ここで、角度付きガラス棒スペーサ２０４は、全反射に対する臨界角が４３．６°であるように、融解石英で作られ得る。ガラス棒スペーサ２０２は、ＮＡおよび作動距離の両方を調整するために使用され得る。カテーテルの遠位光学系に楕円形コアファイバを有するこの実施形態では、遠位光学系は、カテーテルのシースにおいて生成される非点収差を補正する、非対称の屈折力を提供する。カテーテルからのビームは、全くまたはほとんど非点収差ではなく、その結果、高解像度の画像がカテーテルで得られる。

製作
内視鏡の製作は、光ファイバ２０１からバッファの一部分を除去することを含み得る。次いで、光ファイバ２０１は、図６（ａ）に示されるように、所望の長さに切断され得る。次いで、光ファイバ２０１は、図６（ｂ）に示されるように、融着接続器または機械的接続を使用して、ガラス棒スペーサ２０２に接続され得る。次いで、ガラス棒スペーサ２０２は、図６（ｃ）に示されるように、所望の長さ／位置に切断され得る。ガラス棒スペーサ２０２の正確な長さを得るために、ガラス棒スペーサの端面が研磨されてもよい。楕円形コアファイバ２０３は、図６（ｄ）に示されるように、融着接続器または機械的接続を使用して、ガラス棒スペーサ２０２に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３もまた、研磨されてよい。次いで、ガラス棒６０４が楕円形コアファイバ２０３に付着され得るが、これは、融着接続器または機械的接続を使用して行われ得る。次いで、新たなガラス棒６０４は、図６（ｆ）に示されるように、角度付きガラス棒スペーサ２０４を作り出すために、５０°だけ研磨され得る。一代替実施形態では、角度付きガラス棒スペーサ２０４は、楕円形ファイバ２０３に直接付着され得る。角度付きガラス棒スペーサ２０４の角度の向きは、ビームプロフィル楕円形コアファイバ２０３に合わせられる。

楕円形コアファイバの配向
図７Ａ〜Ｂは、本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図であり、楕円形コアファイバ２０３および７０３の断面を示している。図７（ａ）は、楕円形コア２１０および楕円形クラッド７１１の両方を含む楕円形コア光ファイバ７０３の図である。図７（ｂ）は、図３Ｂに示されたファイバに実質的に似ているが標識７２６を含む楕円形コアファイバ２０３の図である。標識７２６は、楕円形コアの１次または２次の軸のうちの一方に沿って位置合わせされる。標識７２６は、特定の軸に沿って位置合わせされてもよく、または、楕円形コア７０３の１次または２次の軸のうちの一方に対して特定の片寄りを有してもよい。標識７２６は、楕円形コアファイバ２０３と研磨された角度付きガラス棒スペーサ２０４との位置合わせを、ビームプロフィルの観測を伴わずに、見た目で行うことを可能にする。楕円形クラッド７１１を含む楕円形コアファイバ７０３の使用は、楕円形コア２１０の角度配向のより容易な機械的アライメントを可能にし得る。一方で、径方向に対称なクラッド２１１を含む楕円形コアファイバ７０３の使用は、楕円形ファイバのコア２１１の中心と導波路２０１の中心とのより容易な機械的アライメントを可能にする。楕円形コアファイバ７０３の角度配向を定めるために、偏波保持融着接続器（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｆｕｓｉｏｎ ｓｐｌｉｃｅｒ）が使用されてもよい。

融着接続技法の代わりに機械的接続技法を使用して光学構成要素のそれぞれを付着させるために、エポキシおよび／または蝋が使用され得る。ガラス棒スペーサ２０２および／または角度付きガラス棒２０４の代わりに、成形エポキシ構成要素が使用されてもよい。製作過程においてエポキシおよび／または蝋を使用することは、製作費をより低くすることを可能にし、また、特定の波長範囲に対して使用され得る。製作方法は、楕円形コアファイバおよび光ファイバを型内に配置することを含み得る。スペーサ２０２および角度付きスペーサ２０４のための空き容積を含んでいる型。１種または複数種の異なるタイプのエポキシ、蝋、または他の材料が、空き容積に入れられ得る。次いで、空き容積内の材料は、ＵＶ、熱、等を介して硬化され得る。したがって、代替的な光学材料のスペーサ２０２および角度付きスペーサ２０４が形成される。

上記の製作過程は、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、ダブルクラッドファイバ、フォトニック結晶ファイバ、偏波保持ファイバ、ガラス棒ファイバ（コアレスファイバ）、プラスチックファイバなどの、他の種類のファイバにも適用され得る。一実施形態は、単一ファイバ、多重ファイバ、ファイバリボン、またはファイバ束を使用し得る。この実施形態では、非点収差を補正するために、楕円形ファイバが使用される。非対称のＧＲＩＮレンズもまた、非点収差を補正するために使用される。典型的には、ＧＲＩＮレンズの屈折率は、ファイバ材料の屈折率よりも高く、そのため、ＧＲＩＮレンズは、高度な非対称屈折力を有することができる。

光学プローブの第２の実施形態
図８Ａ〜Ｃは、本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。図８（ａ）は、楕円形コアファイバが偏波保持ファイバ８０３に置き換えられている、本主題開示の第２の実施形態の図である。使用され得る偏波保持ファイバ８０３の例は、パンダファイバ、ボウタイファイバ、または第２の軸に沿った屈折力とは異なる第１の軸に沿った屈折力を有する任意のファイバである。偏波保持ファイバは、ファイバのコアに応力を加える何らかの方法を含み、そのような方法は、典型的には、偏光ファイバに任意の非対称のインデックスプロフィルを有させる。これは、偏波保持ファイバが上記の楕円形コアファイバのように非対称の屈折率分布型レンズとしても使用されることを可能にする。本主題開示は、偏波保持ファイバの短いセクションが、その長さの関数であるピッチを持つＧＲＩＮレンズのように作用することを確定した。

光学プローブの第３の実施形態
図８（ｂ）は、スペーサ２０２が取り除かれていることを除けば、第２の実施形態に実質的に似ている。この場合、ＰＭファイバ８０３は、融着接続または機械的接続を介して光ファイバ２０１に直接結合される。

光学プローブの第４の実施形態
図８（ｃ）は、ＰＭファイバ８０３がフォトニック結晶ファイバ８３０に置き換えられていることを除けば、第３の実施形態に実質的に似ている。この実施形態では、フォトニック結晶ファイバ８３０は、非対称の屈折力を有するように設計される。フォトニック結晶ファイバ８３０は、非対称の屈折力を得るために、非対称の中実のまたは空の（ａｉｒ）コアを有し得る。フォトニック結晶ファイバ８３０は、よく知られた方法を使用して、指定された非対称の屈折力を有するように、特注の屈折率分布を有するように設計され得る。

光学プローブの第５の実施形態
図９Ａ〜Ｂは、本主題開示の１つまたは複数の実施形態による、撮像システムの一部分の図である。図９（ａ）は、第２のＧＲＩＮレンズ９０３の追加を別にすれば、第１の実施形態に実質的に似ている。この実施形態は、ガラス棒スペーサ２０２に接続された光ファイバ２０１を含み得る。ガラス棒スペーサ２０２は、楕円形コアファイバ２０３に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３は、径方向に対称なＧＲＩＮレンズ９０３に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３は、シース１２１の非対称性を補償し得る。一方で、開口数（ＮＡ）および作動距離は、径方向に対称なＧＲＩＮレンズ９０３によって制御され得る。一代替実施形態は、楕円形コアファイバ２０３と径方向に対称なＧＲＩＮレンズ９０３との間に追加のガラス棒スペースを含み得る。さらなる実施形態は、楕円形コアファイバ２０３の位置と径方向に対称なＧＲＩＮレンズ９０３の位置とを交換し得る。径方向に対称なＧＲＩＮレンズ９０３は、屈折率分布型光ファイバであってもよい。図９（ｂ）は、ポリマーなどの複屈折材料９３２を含む光学プローブである。複屈折材料９３２は、直交する２つの方向において異なる屈折力を導入する。複屈折材料９３２と、ＧＲＩＮ、ＧＩファイバ、および球状レンズなどの、標準的な対称のレンズとを組み合わせるために、アナモルフィックな屈折力が達成される。したがって、円筒形シースによって導入される無非点収差は、複屈折材料によって補正される。

光学プローブの第６の実施形態
図１０（ａ）は、ＴＩＲの代わりに第２の角度付きガラス棒スペーサ１００４に反射コーティング１０３４が適用されていること以外は第１の実施形態に実質的に似ている、別の実施形態である。この実施形態では、光ファイバ２０１は、ガラス棒スペーサ２０２に接続され得る。ガラス棒スペーサ２０２は、楕円形コアファイバ２０３、または非対称の収束力（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）を提供する何らかの他の構成要素に接続され得る。楕円形コア２０３は、反射コーティングを含む第２の角度付きガラス棒スペーサ１００４に接続され得る。第２の角度付きガラス棒スペーサ１００４は、高い反射性を得るために、金コーティング、アルミニウムコーティング、銀コーティング、他の金属コーティング、または１つもしくは複数の誘電体層のうちの、１つまたは複数によってコーティングされ得る。反射コーティング１０３４は、角度付きガラス棒スペーサ２０４の傾斜面の塵または表面平坦性に対する感受性を低下させるので、作製歩留まり比（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｙｉｅｌｄ ｒａｔｉｏ）を改善することができる。さらに、入射角は、臨界角よりも小さくされ得る。第２の角度付きガラス棒スペーサ１００４は、楕円形コアファイバ２０３に融着接続されかつ角度切断された（ａｎｇｌｅ ｃｌｅａｖｅｄ）コアレスファイバであってもよい。

光学プローブの第７の実施形態
図１０（ｂ）は、ガラス棒スペーサ上の反射コーティングを使用する代わりにミラー１０３６が使用されていること以外は第６の実施形態に実質的に似ている、第７の実施形態である。ミラー１０３６は、光学プローブから分離されている。光ファイバ２０１は、ガラス棒スペーサ２０２に接続され得る。ガラス棒スペーサ２０２は、楕円形コアファイバ２０３、または非対称の収束力を提供する何らかの他の構成要素に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３の回転配向、ミラー１０３６の向きは、シース１２１によってもたらされる非対称の収束力を補正するために位置合わせされ得る。ミラー１０３６と楕円形コアファイバ２０３の端面との間の距離は、作動距離を変化させるために調整され得る。

光学プローブの第８の実施形態
図１０（ｃ）は、コアレスファイバ２０２がマルチモードファイバ１００２に置き換えられていることを除けば第１の実施形態に実質的に似ている、第８の実施形態の図である。第８の実施形態では、光ファイバ２０１は、マルチモードファイバ１００２に接続され得る。マルチモードファイバ１００２は、楕円形コアファイバ２０３、または非対称の収束力を提供する何らかの他の構成要素に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３は、角度付きガラス棒スペーサ２０４に接続され得る。一実施形態では、光ファイバ２０１は、ダブルクラッドファイバであり、ダブルクラッドファイバでは、コアは、照明光を送達するために使用され、内側クラッドは、受け取った光を案内するために使用される。

光学プローブの第９の実施形態
図１０（ｄ）は、コアレスファイバ２０２がファイバテーパ１０３８に置き換えられていることを除けば第１の実施形態に実質的に似ている、第９の実施形態の図である。第９の実施形態では、光ファイバ２０１は、ファイバテーパ１０３８に接続され得る。ファイバテーパ１０３８は、楕円形コアファイバ２０３、または非対称の収束力を提供する何らかの他の構成要素に接続され得る。楕円形コアファイバ２０３は、角度付きガラス棒スペーサ２０４に接続され得る。ファイバテーパ１０３８は、テーパ構造を持つコアを有する。ファイバテーパ１０３８の第１の端部では、モードフィールド径は、光ファイバ２０１のモードフィールド径に実質的に一致する。本実施形態において、実質的に一致しているモードフィールド径とは、２つのモードフィールド径同士の差が２ミクロン未満であることを意味する。ファイバテーパ１０３８の第２の端部では、モードフィールド径は、楕円形コアファイバ２０３のモードフィールド径に実質的に一致する。楕円形コアファイバ２０３は、メジャーモードフィールド径およびマイナーモードフィールド径を有する。一実施形態では、ファイバテーパ１０３８の第２の端部では、モードフィールド径は、メジャーモードフィールド径、マイナーモードフィールド径、または楕円形コアファイバ２０３のメジャーモードフィールド径およびマイナーモードフィールド径の平均のうちの１つと実質的に一致する。

本開示は例示的な実施形態を参照して説明されたが、本開示は開示された例示的な実施形態に限定されないことが、理解されるべきである。以下の特許請求の範囲に記載の範囲は、あらゆる修正、均等な構造、および機能を含むように、最も広義に解釈されるべきである。

Claims (20)

1. 光源を収容するための中空内部を有するシースと、
   前記シースを通して光を案内するための導波路と、
   を備え、
   前記導波路が、前記シースを通って移動する前記光の非点収差を低減するために非対称の屈折力を有する、
   光学プローブ。
2. 楕円形コアを含む第２の導波路をさらに備える、請求項１に記載の光学プローブ。
3. 径方向に対称なＧＲＩＮレンズ、および径方向に対称な屈折率分布型光ファイバのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載の光学プローブ。
4. 前記導波路が、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、ダブルクラッドファイバ、およびトリプルクラッドファイバのうちの１つから選択される、請求項１に記載の光学プローブ。
5. 前記第２の導波路が、グレーデッドインデックスファイバである、請求項２に記載の光学プローブ。
6. 前記導波路と前記第２の導波路との間にスペーサをさらに備え、前記スペーサが、コアレスファイバ、ファイバテーパ、およびマルチモードファイバのうちの１つから選択される、請求項２に記載の光学プローブ。
7. 前記第２の導波路の非対称性が、前記シースを通って移動する前記光学プローブからの照明光のスポットサイズの非対称性を低減するように構成される、請求項２に記載の光学プローブ。
8. 前記第２の導波路が、楕円形クラッドを有する、請求項２に記載の光学プローブ。
9. 前記第２の導波路が、前記楕円形コアの長軸および短軸のうちの１つの配向を識別する外表面上の標識を有する、請求項２に記載の光学プローブ。
10. 前記第１または第２の導波路からの光を反射して前記シースを通過させる光学構成要素をさらに備える、請求項２に記載の光学プローブ。
11. 前記第２の導波路からの光が、全反射に対する臨界角よりも大きい角度で前記光学構成要素の界面に入射する、請求項１０に記載の光学プローブ。
12. 前記光が前記第２の導波路の前記楕円形コアから全反射に基づいて反射されるように、前記光学構成要素の表面上に反射フィルムをさらに備える、請求項１０に記載の光学プローブ。
13. 前記第２の導波路からの光を反射して前記シースを通過させる前記光学構成要素が、ミラーである、請求項１０に記載の光学プローブ。
14. 前記導波路が非対称の屈折力を有し、かつ、第１の軸に沿った前記シースの屈折力を有し、前記第１の軸に沿った前記シースの前記屈折力が、以下の関係性、すなわち、
    関係性を有する、請求項１に記載の光学プローブ。
15. 光干渉断層撮影法のための光学プローブであって、
    撮像のための光が通過する円筒形の内表面を有するシースと、
    前記シースの前記内表面によって取り囲まれた光ガイドであって、前記円筒形の内表面によってもたらされる前記光の非点収差を低減するために非対称の屈折力で前記光を案内する光ガイドと
    を備える、光学プローブ。
16. 冠動脈内画像を得るように構成された、請求項１５に記載の光学プローブ。
17. 前記導波路が、非対称の屈折力を有し、かつ、第１の軸に沿った前記シースの屈折力を有し、前記第１の軸に沿った前記シースの前記屈折力が、以下の関係性、すなわち、
    関係性を有する、請求項１５に記載の光学プローブ。
18. 第１の導波路と、
    非対称の屈折力を持つ第２の導波路と、
    シースと、
    を備える、光学プローブ。
19. 前記第２の導波路が、偏波保持ファイバ、プラスチック光ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、およびＧＲＩＮレンズのうちの１つから選択される、請求項１８に記載の光学プローブ。
20. 前記第２の導波路が、非対称の屈折力を有し、かつ、第１の軸に沿った前記シースの屈折力を有し、前記第１の軸に沿った前記シースの前記屈折力が、以下の関係性、すなわち、
    関係性を有する、請求項１８に記載の光学プローブ。