JP2019513508A - レンズレス内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御するための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

一態様によると、本発明は、遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御するための装置に関する。装置は、遠位側に設けられ、要素光源を受け、遠位端にて光ビームを放射するように意図された複数のシングルモード光ファイバーから成るシングルモード光ファイバーバンドル（４０）と、光ファイバーバンドルの遠位端に配置され、光ファイバーバンドルの各シングルモード光ファイバーによって放射された光ビームを受けるように意図されたシングルモード光ファイバー部（５０）と、シングルモード光ファイバーの近位端側に配置された光位相制御装置とを備える。光位相制御装置は、要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用するようになっている少なくとも１つの空間光変調器（３０）と、マルチモード光ファイバー部（５０）の遠位端に所定の位相関数をもつ照明ビームを形成するために、要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用可能な空間光変調器を制御する制御手段（６０）とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、いわゆる「レンズレス」内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御するための装置及び方法に関し、更にレンズレス内視顕微鏡撮像システム及び方法に関する。本発明は特に、人間又は動物の生体内器官の内視鏡検査に適用される。

内視顕微鏡撮像に関する開発には、自由空間での撮像システムとは異なり特定の特性を有する光学機械式ファイバー装置を使用する必要がある。

実際、医療用内視鏡の遠位端に（即ち、試料側のファイバー端部の位置に）、光源、焦点レンズ、及びカメラを備える小型顕微鏡を作製するのは、構成要素全体の総寸法を考慮すると現実的ではない。その結果、内視鏡遠位端の総寸法を制限しつつ、光ファイバー端部で撮像を可能とする解決策が求められている。

内視鏡遠位端の総寸法を制限しつつ、光ファイバー端部で撮像を可能とする手法はいくつか存在する。

特に、「レンズレス内視鏡検査」という技術が知られており、例えば、非特許文献１に記載されている。この方法は、マルチモードファイバー（ＭＭＦ：ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）の使用に基づくものである。ＭＭＦ光ファイバーは、コヒーレント光源で照射される。ＭＭＦ光ファイバーの近位側（即ち、試料とは反対側の光ファイバー入力側）では、空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）によってファイバーの複数の伝播モードをコヒーレントに加算することによって、ＭＭＦファイバーの端部において所望の強度値を生成するようにこれらのモードを変化させることができる。一実施形態では、例えば、従来の共焦点顕微鏡検査組立品で行われるように、ＭＭＦファイバーの端部に焦点を結び、試料を走査して画像を取得することを試みる。

この方法は、ファイバー近位部の入力フィールドを遠位部の出力フィールドに接続する（及びその逆の）ファイバー伝達マトリックスの決定論的な性質のために極めて強力であり、これによってマルチモードファイバーの遠位側の全ての光学部品を不要にし、従って全体寸法を小さくすることができる。

しかしながら、ファイバー伝達マトリックスは、ＭＭＦ光ファイバーの曲率に大きく依存する。従って、ＭＭＦ光ファイバーを使用した内視顕微鏡撮像は、ファイバーのあらゆる動きに対して極めて敏感である。更に、マルチモードであることから本質的に近位部の短いパルスが遠位部では引き延ばされるため、適用可能な用途は、高いピーク強度の光パルスを用いることが必要な非線形撮像に制限される。

マルチモードファイバーの使用に基づく技術に加え、シングルモード光ファイバーバンドルの使用に基づく「レンズレス」型の技術も開発された（例えば、特許文献１を参照）。これに記載の技術によると、シングルモード光ファイバーバンドルの近位側に配置された空間光変調器（ＳＬＭ）が、光源が放射する波面の、ファイバーバンドルの遠位端における制御を行う。この技術は、光ファイバーバンドルの動き、特にねじれに対する感度が大幅に低い。実際、シングルモード光ファイバーのモードは、光ファイバーバンドルの横の表面上の特定の点に局所化され、限定されるため、光ファイバーバンドルがねじれても、単に強度値の変換が生じるだけである。更に、ファイバーは、シングルモードであることから本来モード間分散がなく、従って、生じる分散は波長分散のみである。これは、全てのシングルモード光ファイバーに関して同じであり、従って全体として補償することができる。その結果、シングルモード光ファイバーバンドルを使用することによって、マルチモードファイバーとは異なり、短いパルスの伝播が可能になる。

様々な刊行物に、シングルモード光ファイバーバンドル、より具体的には、マルチコアファイバー（ＭＣＦ：ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｅｒ）の使用に基づくレンズレス内視顕微鏡検査法の他の実施形態が記載されている。例えば、ガルバノメータを用いるＳＬＭ入力における波面の角度を可変にすることによって、光ファイバーバンドルの遠位部における焦点による極めて速い走査をどのように実現可能とするかが示されている（例えば、非特許文献２参照）。非特許文献３で、著者らは、レンズレス内視顕微鏡検査法における２光子非線形撮像（ＴＰＥＦ）システムの実験的実証可能性を証明した。非特許文献４には、シングルモード光ファイバーバンドルの使用に基づくレンズレス内視顕微鏡撮像システムにおける光パルスの伝送及び制御のための群遅延制御（ＧＤＣ：ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ ｃｏｎｔｒｏｌ）装置が記載されている。

図１Ａは、シングルモード光ファイバーバンドルを使用するレンズレス内視顕微鏡撮像システム１００を図示する。撮像システム１００は、非線形撮像に適用される場合、典型的には、連続的又はパルスの形態の入射光ビームＢ_０を放射する放射源１０を備える。また、システム１００は、レンズ２１及び検出器２０を備える検出チャネルを含む。検出チャネルは、ビームスプリッタ２２によって、放射チャネルから分離されている。撮像システム１００は、更に、離れた場所に位置する分析対象物１０１を照射可能な光ビームを伝送及び制御するための装置を備える。伝送・制御装置は、シングルモード光ファイバーバンドル４０と、ファイバーバンドル４０の近位端に配置され、放射源１０が放射したビームの波面を制御する働きをする空間光変調器（ＳＬＭ（ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ））３０とを備える。ファイバーバンドル４０の入力面（すなわち近位面）４１及び出力面（すなわち遠位面）４２を、図１Ａ内に拡大して示す。空間光変調器は、ファイバーバンドル４０の光ファイバーＦ_ｉに入射される要素ビームＢ_ｉ毎に、位相関数Φ_０を有する到来波面に所与の位相シフトΦ_１（ｉ）を与える。位相関数Φ_１（ｉ）は、例えば、波が光ファイバーバンドル内の伝播の後に放物線状の位相Φ_２（ｉ）で現れるようなものであってよい。この放物線状の位相によって、物理的なレンズが無くても、ビームの焦点を遠位側の分析対象物１０１に合わせることが可能になる。これが、「レンズレス内視鏡検査」という用語の起源である。更に、空間光変調器によって、各光ファイバーＦ_ｉによって導入される位相シフトの補償が可能になる。

Ｎ本のシングルモード光ファイバーによるバンドルは、それぞれがコアとクラッドを備える個々のシングルモード光ファイバーの組によって形成でき、典型的には１００本から数万本のファイバーをファイバーバンドルの形態でまとめたものである。Ｎ本のシングルモード光ファイバーによるバンドルは、図１Ｂに示すように、マルチコアファイバーのシングルモードコアの組、好ましくは、少なくとも１００本のシングルモードコアの組で構成されてもよい。図１Ｂの例は、シングルモードコアＦ_ｉの組と外部クラッド４３とを備えたマルチコアファイバー４０を示し、本例では、更に、分析対象物によって後方散乱された光信号を遠位端から近位端へと収集するマルチモード内部クラッド４４も備える。

光ファイバーバンドルの製造工程に係る事項に関し、シングルモードファイバーの組で形成されたバンドルの場合でも、マルチコアファイバーのシングルモードコアの組のバンドルの場合でも、多くの場合、各シングルモードファイバーは、ファイバーバンドル内で規則的に、又は実質的に規則的に配置されている。

コアが、規則的又は実質的に規則的に配置されている場合、出願人は、放物線状の位相Φ_２（ｉ）をもつ波によって、単一の画像点にではなく、むしろ図１Ｃが示すように、「レプリカ」として知られる、より低い強度の発光点（Ｒ_ｉ）に囲まれた明るい発光中心点（Ｐ_１）において、所与の画像平面が生じることを示した。この影響は、ファイバーバンドル内の光ファイバーの、回折格子のように振る舞う配置の規則性又は実質的な規則性から直接生じるものであり、光ファイバーバンドルを通って伝播する波の高次の回折から生じるレプリカを伴う。

米国特許第８，５８５，５８７号

Ｃｉｚｍａｒ他、「Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｆｏｒ ｐｕｒｅ ｆｉｂｒｅ−ｂａｓｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ」、Ｎａｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．３、１０２７（２０１２） Ｅ．Ｒ． Ａｎｄｒｅｓｅｎ他、「Ｔｏｗａｒｄ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅｓ ｗｉｔｈ ｎｏ ｄｉｓｔａｌ ｏｐｔｉｃｓ： ｖｉｄｅｏ−ｒａｔｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｆｉｂｒｅ ｂｕｎｄｌｅ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ、Ｖｏｌ．３８、Ｎｏ．５、６０９−６１１（２０１３） Ｅ．Ｒ． Ａｎｄｒｅｓｅｎ他、「Ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｌｅｎｓｅｌｅｓｓ ｅｎｄｏｓｃｏｐｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１、Ｎｏ．１８、２０７１３−２０７２１（２０１３） Ｅ．Ｒ． Ａｎｄｒｅｓｅｎ他、「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｇｒｏｕｐ ｄｅｌａｙ ｉｎ ａ ｍｕｌｔｉ−ｃｏｒｅ ｆｉｂｒｅ ｆｏｒ ｌｅｎｓｅｌｅｓｓ ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ」、ＪＯＳＡ Ｂ、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．６、１２２１−１２２８（２０１５） Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ他、「Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｌａｎｔｅｒｎ」、Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ７、１０７−１６７（２０１５） Ｃｉｚｍａｒ他、「Ｓｈａｐｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ： ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｂｉｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」、Ｏｐｔ Ｅｘｐｒｅｓｓ１９、１８８７１−１８８８４（２０１１）

本発明は、光ファイバーバンドル内の光ファイバーの配置に関わらず画像平面内のレプリカを無くすことができる、いわゆる「レンズレス」内視顕微鏡撮像システムの光ビームを伝送及び制御するための装置及び方法を提供する。

第１の態様によれば、本明細書は、「レンズレス」、即ち、遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御するための装置であって、
シングルモード光ファイバーバンドルを備え、各シングルモード光ファイバーが近位端にて要素光ビームを受け、遠位端にて光ビームを放射するように意図された、第１の光ガイドと、
第１の光ガイドの遠位端に配置されたマルチモード光ファイバー部を備え、マルチモード光ファイバー部が、シングルモード光ファイバーバンドルのシングルモード光ファイバーによって放射された光ビームを受けるように意図された、第２の光ガイドと、
第１の光ガイドの近位端側に配置され、
要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用するようになっている少なくとも１つの空間光変調器、及び
マルチモード光ファイバー部の遠位端にて所定の位相関数をもつ照明ビームを形成するために、要素光ビームのそれぞれに位相シフトを適用可能な第１の空間光変調器を制御する手段、
を備える位相制御用光学装置と
を備える装置に関する。
出願人は、上記の光ビームを伝送及び制御するための装置によって、起こる可能性のある光ファイバーバンドルのねじれの影響が無く、レプリカを抑制した状態で、典型的には１００ｃｍを超える長距離に亘って光ビームの伝送が可能になることを示した。この効果は、マルチモード光ファイバー部をシングルモード光ファイバーバンドルの遠位端に配置することによって得られる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、マルチモード光ファイバー部が０．１ｍｍ〜２０ｍｍの長さを有し、有利には０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。このマルチモード光ファイバー部は、超剛性であるために十分に短く、かつ、シングルモード光ファイバーバンドルの出力にて高い回折次数のジャミング（jamming）を可能にするには十分に長い長さである。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、マルチモード光ファイバーは、例えば０．１ｍｍ〜５ｍｍの極めて短い区間で光ファイバーバンドルの出力にて高い回折次数のジャミング（jamming）を可能にするステップインデックスファイバーである。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、マルチモード光ファイバーは、モードジャミング（jamming）を実現するために典型的には５ｍｍを超える長い波長を必要とするグレーデッドインデックスファイバーである。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の光ガイドは、それぞれがコアとクラッドを備えた個々のシングルモード光ファイバーの組で形成された、Ｎ本のシングルモード光ファイバーのバンドルを備え、典型的には、１００本から数万本のファイバーがファイバーのバンドルの形態でまとめられている。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の光ガイドは、シングルモードコアの組で形成された、Ｎ本のシングルモード光ファイバーのバンドルを備え、好ましくは少なくとも１００本である。例えば，第１の光ガイドはマルチコアファイバーであり、Ｎ本のシングルモード光ファイバーのバンドルは、マルチコアファイバーの複数のシングルモードコアで形成されている。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の光ガイドは、ダブルクラッドのマルチコアファイバーであり、この種のマルチコアファイバーは、一般にマルチモードダブルクラッドであるマルチコアファイバーのダブルクラッドにおいて後方散乱した光信号を極めて効果的に伝送する利点がある。

シングルモード光ファイバーは、光が電磁界のシングルモードのみで伝播するファイバーを意味し、範囲を広げて、いわゆる「実効的シングルモード」ファイバーも意味する。「実効的シングルモード」は複数のモードを含むが、結合条件は、伝播中に光りを閉じ込めるシングルモード（一般に基本モード）のみを励起する（他のモードへの漏れはない）。

説明全体において、「シングルモード光ファイバー」との用語は、個々のシングルモード光ファイバー、及びマルチコアファイバーのシングルモードコアの何れをも示すものとする。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモード光ファイバーバンドルのシングルモード光ファイバー間の結合は−２０ｄＢ／ｍ未満であり、ファイバーバンドルの大きな長さに亘って光ビームの伝送及び制御が可能であると共に、コア間位相シフト効果を補償する可能性を提供する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器は、反射動作のためのセグメント化された変形可能ミラー又は膜ミラーを含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器は、反射動作又は伝達動作のための、液晶マトリックスを含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ビームを伝送及び制御するための装置は、更に、光ファイバーバンドルのシングルモード光ファイバーによって放射された光ビームをマルチモード光ファイバー部に伝送するようになっている光学系を備える。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、この光学系によって、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面とマルチモード光ファイバー部の入力面との間の光学的結合が可能になる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面とマルチモード光ファイバー部の入力面は、上記光学系の２つの焦平面に実質的に一致する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面とマルチモード光ファイバー部の入力面とは融着され、機械的接合を形成する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の光ガイドは、遠位端で引き延ばされ、
直径が減少するテーパー部が形成されたマルチコアファイバーを備える。テーパー部では、複数のシングルモードコアが合流して第２の光ガイドのマルチモードファイバー部を形成する。この場合、テーパー部は、シングルモードファイバーバンドルとマルチモードファイバー部との間の移行部を形成する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ビームを伝送及び制御するための装置は、光パルスを含む光ビームの伝送及び制御を行うようになっており、シングルモード光ファイバーバンドルの光パルスの群遅延制御のための装置を更に含む。

第２の態様によれば、本明細書は、光源と、照明ビームを所定の位相関数をもつように形成するために、前記光源によって放射された光ビームを伝送及び制御するための第１の態様による装置と、対象物によって反射され、第２の光ガイドを遠位端から近位端へと通り、続いて第１の光ガイドを遠位端から近位端へと通り伝達された光を検出するための検出チャネルとを備える内視顕微鏡撮像システムに関する。

第３の態様によれば、本明細書は、遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御する方法であって、
第１の光ガイドが備える、要素光ビームを受けて遠位端で光ビームを放射するようにそれぞれ意図されたＮ本のシングルモード光ファイバーのバンドルの近位端にて要素光ビームを受けることと、
光ファイバーバンドルの全てのシングルモード光ファイバーによって放射された光ビームを、第１の光ガイドの遠位端に配置された第２の光ガイドのマルチモード光ファイバー部のマルチモードコアを介して受けることと、
所定の位相関数をもつ照明ビームをマルチモード光ファイバー部の遠位端にて形成するために、第１の光ガイドの近位端側に配置された少なくとも１つの第１の空間光変調器によって要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用することと
を含む方法に関する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、上記の方法は、照明ビームに求められる位相関数に応じて、要素ビームのそれぞれに適用する位相シフトを決定するように働く事前校正を更に含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、事前校正工程は、シングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモードファイバーによって形成された組立品の伝達マトリックスを部分的に又は全体的に決定することを含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用する目的は、マルチモード光ファイバー部の出力面から所与の距離の位置に集束した照明ビームを形成することにより、焦点を形成可能とするために、所定の位相関数をマルチモード光ファイバー部の遠位末端に付与することである。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素ビームのそれぞれに連続的な位相シフトを適用することによって、マルチモード光ファイバー部の出力面から所与の距離及び／又はマルチモード光ファイバー部の出力面から異なる距離に位置する平面内において、焦点の走査が可能になる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素光ビームは、光パルスを含む。例示的な一実施形態によれば、このとき、方法は、シングルモード光ファイバーバンドルにおける光パルスの群遅延制御を含んでもよい。

第４の態様によれば、本明細書は、遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像方法であって、
光ビームを放射することと、
第３の態様による方法によって、照明ビームによって対象物を照らすために光ビームを伝送及び制御することと、
対象物から反射され、第２の光ガイドを遠位端から近位端へと通り、続いて第１の光ガイドを遠位端から近位端へと通り伝達された光を検出することと
を含む方法に関する。

対象物によって反射された光の性質は適用例によって異なる場合がある。例えば、反射光は、後方散乱した光、又は、例えば蛍光手段によって放射された光である。

本発明の他の利点及び特徴は、以下の図によって例示する説明を読むことによって明らかになろう。

（既に説明したが）シングルモードファイバーバンドルの使用に基づく、従来技術に係るいわゆる「レンズレス」内視鏡のブロックダイヤグラムである。 （既に説明したが）図１Ａで説明したタイプの内視鏡を実施するようになっているマルチコアファイバーの例の画像である。 （既に説明したが）レプリカの存在を示す画像である。 本明細書によるレンズレス内視顕微鏡撮像システムの一例を示すブロックダイヤグラムである。 本明細書による伝送・制御装置におけるシングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモード光ファイバーの配置例を示す図である。 本明細書による伝送・制御装置におけるシングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモード光ファイバーの別の配置例を示す図である。 本明細書による伝送・制御装置におけるシングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモード光ファイバーの更に別の配置例を示す図である。 本明細書による伝送・制御装置におけるシングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモード光ファイバーの更に別の配置例を示す図である。 本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法例の各工程を示す図である。 本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法例の各工程を示す図である。 本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法例の各工程を示す図である。 本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法の効果を確認するための実験用組立品の一例を示す図である。 図５中の組立品を用いて行った効果確認実験のブロックダイヤグラムである。 図５中の組立品を用いて行った効果確認実験で得た画像である。 図５中の組立品を用いて行った効果確認実験で得た画像である。 図５中の実験用組立品を使用して得た画像である。

同じ参照符号は、図中の同一の要素を示すために使用される。

図２は、本明細書による、光ビームを伝送及び制御するための装置をもつ、図２中参照符号１０１で示す対象物を撮像するようになっている「レンズレス」内視顕微鏡撮像システム２００の例を図式的に示す。

内視顕微鏡撮像システム２００は、光ビームＢ_０ｉを放射するようになっている光源（図２には図示せず）を備える。非線形撮像に適用する場合は、光ビームは光パルスを含む場合がある。従って、光源は、例えばレーザー源、及び、必要であれば、放射された光ビームの拡大及びコリメートのための光学系備える。

内視顕微鏡撮像システム２００は、例えば、フィールド内で走査された焦点、又は用途によって他の形態等、選択された強度値に従って対象物１０１を照らすために、上記光源によって放射された光ビームを伝送及び制御するための装置を更に備える。光ビームを伝送及び制御するための装置は、典型的には、シングルモード光ファイバーバンドルをもつ第１の光ガイド４０と、マルチモード光ファイバー部をもつ第２の光ガイド５０とを備える。第２の光ガイド５０は、第１の光ガイドの遠位端に配置され、第１の光ガイドの近位端側には位相制御のための光学装置が配置され、特に空間光変調器３０を備えている。

光ビームを伝送及び制御する装置は「レンズレス」と呼ばれるが、これは遠位側、即ち、光ビームが出現する側に、いかなるレンズも有さないためであり、位相は、装置の近位端側に配置された位相制御装置によって制御される。

以下の説明を簡単にするために、マルチモード光ファイバー部を指して「マルチモード光ファイバー」という用語を使用する。更に、第２の光ガイドは、マルチモード光ファイバー部によって形成することができ、又は、例えば当業者によって知られる保護要素等の他の要素を備えることもできる。

シングルモード光ファイバーバンドルは、個々のシングルモード光ファイバーの組によって形成でき、典型的には、１００本から数万本のファイバーがファイバーのバンドルの形態でまとめられる。あるいは、マルチコアファイバーのシングルモードコアの組で構成されてもよく、その数は、好ましくは、少なくとも１００本である。

このように、第１の光ガイドは、個々のシングルモード光ファイバーの組によって形成することができ、又は、例えば当業者によって知られる保護要素等の他の要素を備えることもできる。また、第１の光ガイドは、シングルクラッド、又はダブルクラッドのマルチコアファイバーを備え、当業者によって知られる保護要素等のガイドを形成するために有益な他の要素を含んでもよい。ダブルクラッドマルチコアファイバーの場合、クラッドは、対象物によって後方散乱した光の流れを伝播するようになっているマルチモードクラッドでもよい。

有利には、シングルモード光ファイバーバンドルのシングルモード光ファイバー間の結合は、−２０ｄＢ／ｍ未満であり、ファイバーバンドルの長い距離での光ビームの制御及び伝送を可能とすると共に、コア間位相シフト効果を補償する可能性を提供する。

ファイバーバンドル４０のシングルモードファイバーの長さは、その用途に適合される、より具体的には、内視鏡に必要な長さに適合される。典型的には、ファイバーバンドルのシングルモードファイバーの長さは、５０ｃｍ〜３ｍである。

これとは逆に、マルチモード光ファイバー部は、できるだけ短く選択するのが有利であり、例えば０．１ｍｍ〜２０ｍｍの長さを有し、有利には０．１ｍｍ〜１０ｍｍである。この場合、マルチモード光ファイバー部は、剛性にとっては十分短く、かつ、シングルモード光ファイバーバンドルの出力にて伝播モードの位相のジャミング（jamming）を可能にするには十分長い長さである。

マルチモード光ファイバーは、例えば、グレーデッドインデックスファイバー、又はステップインデックスファイバーでよく、ステップインデックスファイバーの場合、シングルモード光ファイバーバンドルの出力における伝播モードの位相のスクランブルは極めて短い長さの区間で実現することができ、典型的には０．１ｍｍ〜５ｍｍである。

マルチモード光ファイバー部は、例えば、深部脳の内視鏡撮像用途の場合、永久的なインプラントを形成するように意図することも可能である。この場合、マルチモードファイバー部が長い方が有益なことが判明する場合があり、その結果、グレーデッドインデックスマルチモードファイバーを使用するのが適切な場合もある。

光位相制御装置は、シングルモード光ファイバーバンドルの近位端側に配置され、各要素ビームＢ_０ｉに位相シフトを適用するようになっている空間光変調器３０と、各要素ビームに位相シフトを適用してマルチモード光ファイバー部の遠位端において所定の位相関数を与えることが可能な空間光変調器を制御する制御ユニット６０とを備える。空間光変調器３０は、反射又は透過で動作するための、例えば、セグメント化された変形可能ミラー、又は膜ミラーを含んでもよい。

例示的な実施形態によれば、撮像システム２００は、要素光ビームＢ_０ｉの焦点を空間光変調器３０の要素３０_ｉ上に合わせる手段（図２中には図示せず）を更に備えてもよい。要素光ビームＢ_０ｉの焦点を合わせる手段は、マイクロレンズのマトリックスを備えるか、又は、例えば２次位相を有するネットワークを２次元に並べて形成した液晶マトリックスの空間光変調器を備え、これによってマイクロレンズアレイをシミュレートする。

内視顕微鏡撮像システム２００は、対象物１０１によって後方散乱し、マルチモードファイバー及びシングルモード光ファイバーバンドルを経由して、それぞれの遠位端から近位端に伝達された光を検出する検出チャネルを更に備える。図２の例では、検出チャネルは、検出器２０から得られた信号を処理する処理ユニット（図示せず）とともに、ビームスプリッタ２２、検出器２０を備え、加えて、後方散乱した光の焦点を検出器２０の検出面に合わせるレンズ（図２には図示せず）を備える場合もある。

図３Ａ〜図３Ｄは、シングルモード光ファイバーバンドルによって放射された光ビームの、マルチモード光ファイバーのマルチモードコアへの伝送を容易にする働きをする、シングルモード光ファイバー及びマルチモード光ファイバーバンドルの配置のいくつかの例を示す。

図３Ａの例では、シングルモード光ファイバーバンドル４０の出力面４２（即ち、遠位面）は、マルチモード光ファイバー５０の入力面５１（即ち、近位面）と接触した状態に維持される。これには、例えば、シングルモード光ファイバーバンドル４０とマルチモード光ファイバー５０との間の直接的な溶着か、又は各シングルモード光ファイバーとマルチモードファイバーとの間の良好な光伝達が確実に行える任意の光学的接着方法が伴う。

図３Ｂ及び図３Ｃの例では、各図中にそれぞれ７１及び７２で示す光学系がシングルモード光ファイバーバンドル４０とマルチモード光ファイバーとの間に配置され、これによって光ファイバーバンドルの各シングルモード光ファイバーによって放射された光ビームをマルチモード光ファイバー部５０のマルチモードコアに伝送する。

例えば、図３Ｂに示すように、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面４２と、マルチモード光ファイバー部の入力面５１との間を、光学系７１によって光学的に接合することができる。

図３Ｃで示すように、別の例では、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面４２、及びマルチモード光ファイバー部の入力面５１は、光学系７２の２つの焦平面と実質的に一致する。

これら両方の場合において、光ファイバーバンドルの各シングルモード光ファイバーによって放射された光ビームを、マルチモード光ファイバー部のマルチモードコアに容易に伝送することが目的であり、光学系７１又は光学系７２の調整は完全である必要はない。

図３Ｄは、第１の光ガイドが、径が減少するテーパー部を形成したテーパー状マルチコアファイバー４０を遠位端に含む特殊な例を示す。各シングルモードコアが合流するこのテーパー部においては、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓらの論文（非特許文献５）に記載されているように、伝播がマルチモードになる。第２の光ガイドのマルチモードファイバー部５０は、このような方法で得られる。この場合、テーパー部は、シングルモードファイバーバンドル４０とマルチモードファイバー部５０との間の遷移部となる。本組立品は、共通のクラッド５３を有する。

図４Ａに、本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法の一例の各工程をより詳細に示し、図４Ｂ及び図４Ｃに、事前校正の一例の各工程を示す。

光ビームを伝送及び制御する方法を示すために選んだ例において、光学系７２は、例えばレンズであり、例えば、図３Ｃに示すように、光ファイバーバンドル４０の各シングルモード光ファイバーによって放射された光ビームを、マルチモード光ファイバーバンドル５０に伝送する働きをする。本例において、シングルモード光ファイバーバンドルの出力面４２及びマルチモード光ファイバー部の入力面５１は、光学系７２の２つの焦平面、即ち２つの「フーリエ面」と実質的に一致している。

図４Ａに示すように、空間光変調器３０（図４Ａには図示せず）によって位相が制御可能な要素光ビームＢ_１ｉが、ファイバーバンドル４０の各シングルモードファイバーＦ_ｉへ送られる。各シングルモードファイバーＦ_ｉは、続いて、シングルモードファイバーＦ_ｉを介した光ビームＢ_１ｉの伝達から得られた光ビームＢ_２ｉを放射する。光ビームＢ_２ｉの組が、シングルモード光ファイバーバンドル４０の出力面４２上の実空間（ｘ，ｙ）において特定され、それぞれがファイバーＦ_ｉに対応した、図４Ａ中の画像Ｉ_１に示す強度の離散的な入力モードｉの組Ｎを形成する。シングルモード光ファイバーバンドルの出力面４２、及びマルチモード光ファイバー部の出力面５１が、光学系７２のフーリエ面内にあると仮定すると、実座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）によって識別される各入力モードｉは、マルチモードファイバー５０の入力面の平面における入力方向（ｋｘ_ｊ，ｋｙ_ｊ）によって識別される対応する中間モードｊを有する。Ｎ個の中間モードｊの強度を図４Ａ中の画像Ｉ_２に示す。マルチモードファイバーは、有限個の固有モードによって特徴付けられる。実際には、固有モードのＮ個の重ね合わせ（又は、線形結合）が取り扱われ、Ｎはｉが示すシングルモードファイバーの数に対応し、各重ね合わせはマルチモードファイバーの固有モードのサブセットによって構成される。

マルチモードファイバー５０の出力における電磁界の分布は、出力モードｕとして示される。本明細書による方法によって、マルチモードファイバー部５０のマルチモードコアの出力において所望の位相関数及び／又は対応する強度関数を有する照明ビームの形成を可能にする出力モードｕを形成することを試みる。

マルチモードファイバー部５０の出力面５２から距離ｚの位置の平面に焦点を形成するために、図４Ａに示すように、例えば、収束ビームＢ_３を形成するように位相関数が決定される。図４Ａ中の画像Ｉ_３は、走査中に連続して処理可能な異なる焦点に対応する出力モード強度ｕを示す。

照明ビームの用途に応じて、他の形態が求められることがある。例えば、脳を撮像する場合、例えば、視覚化したい要素（ニューロン）の形に対応した形状の照明ビームが求められる場合がある。

光ビームＢ_１ｉに適用される位相シフトの情報は、シングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモードファイバー部の事前の特徴付けから導かれる。

例えば、シングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモードファイバー部によって形成された組立品の全体の、又は部分的な複素伝達マトリックスを実験的に決めることができる。光学系の複素伝達マトリックスは、一般に、光学系の出力における所与の平面内の光場の振幅と位相を、光学系の入力の平面内の光場の振幅と位相の関数として表す。伝達マトリックスを知ることによって、各要素光ビームＢ_１ｉに適用される位相シフトを決定するために、シングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモードファイバー部の組立品によって形成されるシステムを特徴付けることができる。

図４Ｂ及び図４Ｃは、シングルモード光ファイバーバンドル及びマルチモードファイバー部によって形成され、具体的には走査の有無に関わらず焦点を形成するようになっているシステムの特徴付けに基づく、本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法の事前校正の一工程を示す。

本例では、図４Ａに示すように、マルチモード光ファイバーの出力面５２から距離ｚにある平面Π_ｏｂｊ内の異なる点に焦点を形成しようとするものとする。各焦点は収束ビームＢ_３ ^ｋに対応する。実際には、例えば、所定の対象物のフィールドを走査しようとし、従って、対象物のフィールドの所望の走査を得るために、要素光ビームＢ_１ｉに適用される位相シフトを空間光変調器３０によって変化させる。

校正のために、マトリックス検出器、例えばカメラを対象物の平面Π_ｏｂｊ、又は接合平面に配置する。カメラの各画素は、ｕで示す「出力モード」を有する。従って、出力モードｕの数は、本例では、カメラ画素の数Ｍに一致する。各出力モードｕの最大強度を実現するための、要素光ビームＢ_１ｉに適用する位相Φ_ｉを決定することを探求する。

入力モードの数Ｎは、ファイバーバンドル４０内のシングルモード光ファイバーの数によって制限され、出力モードの数Ｍは、カメラ画素の数で制限される。

上記の光ビームを伝送及び制御する方法を校正する各工程は、シングルモード光ファイバーバンドル４０及びマルチモードファイバー部５０の配置が異なる場合でももちろん適用可能である。

特に、入力面５１が、シングルモードファイバーバンドル４０の出力面４２と同一面、又は接合面にある場合、マルチモードファイバー５０の入力面５１に対応する中間面は、実空間（ｘ，ｙ）で示すことができる。

図５は、本明細書による光ビームを伝送及び制御する方法の効果を確認するために実施された実験用組立品の例を示す。

実験用組立品は、光ビームを放射するレーザー放射源１０を備え、放射された光ビームは、例えば、マイクロレンズアレイ、又はマイクロレンズアレイを模したネットワーク状の２次位相を描く２次元空間光変調器である「波面整形器」５０３に送られ、セグメント化された変形可能ミラー３０の各セグメント上に焦点を結ぶ要素ビームの組が形成される。テレスコープ５０４、５０６は、変形可能ミラー３０の平面内のビームの寸法を調整するためには使用される。変形可能ミラー３０の各セグメントは、シングルモード光ファイバーバンドル４０のシングルモードファイバーの１つに映される（撮像器５０８、５１３、５１５、及び５１６）。変形可能ミラー３０を制御する制御装置６０は、各入力モードｉに対応し、各要素ビームに対応する位相Φ_ｉを制御する働きをもつ。ファイバーバンドル４０の出力面及びマルチモードファイバー５０入力面がフーリエ面内になるように、焦点距離ｆ＝５００μｍのレンズ（図５では見えない）がファイバーバンドル４０の出力面に配置されている。対象物の平面１０１内の強度分布は、レンズ５１７によって対象物の平面１０１に接続されたＭ＝４０９６画素を備えるＣＭＯＳカメラ５２０を使用して観測される。半波長板５０１及び偏光子５０２で形成された組立品によって、偏光状態の調整が可能であり、これによって、波面整形器５０３が液晶を使用する場合に、この部品が動作している状態と偏光状態が一致させることができる。更に、この組立品によって、試料１０１に送られるパワーの調整が可能になる。偏光子５１８によって、伝達マトリックスが測定される単一の偏光状態、及び最適化された平面Π_ｏｂｊ内の焦点の選択が可能になる。ビームスプリッタ２２は、対象によって後方散乱され、又は対象から放射され（蛍光の場合）、マルチモードファイバー部及び第１の光ガイドによって遠位側から近位側に伝達された光を、検出器２０に向けて反射するために使用される。検出器２０は、例えば光電子増倍管又はアバランシェフォトダイオードである。試料１０１を集束ビームで走査すると、試料の各点によって後方散乱した信号、又は放射された信号は、検出器２０によって集められ、画像を形成する。

また、図５の実験用組立品を使用して実施する光ビームを伝送及び制御する方法の校正が、図６Ａの図に示すように、対象物のフィールドΠ_ｏｂｊ内の焦点の位置を確認するために行われた。校正は、上記のように伝達マトリックスを決定する手順に従って行われる。

図６Ａに示す例では、対象物の平面は、マルチモードファイバー部の出力面からｚ＝２５０μｍの位置にある。

図６Ｂを参照すると、図５に示す装置によって得た、対象物の平面内の焦点が観測されている。これから分かるように、レプリカは見えない。図６Ｃは、位相Φ_ｉを要素光ビームＢ_１ｉに適用して得られる異なる出力モードｕに対応する各焦点の部分集合を示す。実際、図６Ｂ示すように、１つの焦点が見え、図６Ｃは視野を認識するための複数の点を示す。

このように、出願人はマルチモードファイバーのコアにおいて、ファイバーの種類によって変わるが典型的には１ｍｍ又は数ｍｍの極めて短い伝播距離の後に、伝播モードがランダムな位相を示すことを理論的及び実験的に示した。マルチモードファイバーの各伝播モードに対応する位相がランダムであるこの性質が、レプリカが消えるまさにその原因である。伝播によってマルチモードファイバーのモード間の相対的な位相シフトが発生することから、モードスクランブルにおいて、グレーデッドインデックスマルチモードファイバーと比較してステップインデックスマルチモードファイバーがなぜ有効であるかが理解されよう。実際に、ステップインデックスファイバーでは、各モードに対応する伝播定数はより分散され差分位相シフトが大きくなる。

マルチモードファイバーにおける伝播の間に異なるモードによって蓄積される位相は、最終的にはランダムになるが、それらは決定論的であり、第１の光ガイド及びマルチモード光ファイバーを包含する伝達マトリックスの決定に含まれている。

このように、出願人は、マルチモード光ファイバー部５０の出力面５２から所与の距離ｚの対象物のフィールドを走査する機能が、空間光変調器３０によって適用される位相シフトを制御することによって得られる、レンズレス内視顕微鏡検査用光ビームを伝送及び制御するための装置の実現可能性を実証した。

また、本明細書による光ビームを伝送及び制御するための装置によって、対象物の平面からの距離ｚを選択することも可能になる。この目的のために、対象物の平面とマルチモード光ファイバー部の出力面５２との間の距離の値ｚの組について、上記のような校正を行うことができる。

図７は、ｚ＝１０μｍ（ａ）、ｚ＝４０μｍ（ｂ）、ｚ＝７０μｍ（ｃ）、及びｚ＝１００μｍ（ｄ）のｚ値に対して、図５実験用組立品によって得られ、検出器２０によって検出した蛍光ビーズの画像を示す。

より具体的には、これらの画像を得るために使用した光源は、２００ｆｓのパルスを放射する８００ｎｍのチタンサファイアレーザー、得られる画像は２光子画像、検出器２０はアバランシェフォトダイオードである。

従って、これらの実験結果は、非線形撮像における光ビームを伝送及び制御する方法の適用例も実証する。これは、装置が短いパルスの伝達に適しているためである。

しかし、超短パルスを扱う場合は、本明細書による光ビームを伝送及び制御するための装置は、Ｅ．Ｒ． Ａｎｄｒｅｓｅｎらの発表（非特許文献４）に記載されているような、シングルモード光ファイバーバンドルにおける光パルスの群遅延制御装置を備えてもよい。

従って、上記の方法を用いてレンズレス内視顕微鏡撮像を行うことが可能である。前述の方法によって光ビームの伝送及び制御を行うのとは別に、内視顕微鏡撮像方法は、対象物によって後方散乱し、マルチモードファイバー及びシングルモード光ファイバーバンドルを経由してそれらの遠位端から近位端に伝達された光を検出する工程を含んでもよい。

複数の例示的な実施形態を詳細に説明したが、いわゆる「レンズレス」内視顕微鏡撮像用の光パルスを伝送及び制御する装置は、これらのレンズレス内視顕微鏡システム及び方法に加え、当業者にとって明らかな様々な代替実施形態、修正形態、改良を含む。これらの様々な代替実施形態、修正形態、改良は、以下の特許請求の範囲に定義されるように本発明の範囲に含まれると理解される。

Claims (10)

1. 遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御するための装置であって、
   シングルモード光ファイバーバンドル（Ｆ_ｉ）を備え、各シングルモード光ファイバー（Ｆ_ｉ）が近位端にて要素光ビーム（Ｂ_１ｉ）を受け、遠位端にて光ビーム（Ｂ_２ｉ）を放射するように意図された、第１の光ガイド（４０）と、
   前記第１の光ガイドの前記遠位端に配置されたマルチモード光ファイバー部を備え、前記マルチモード光ファイバー部が、前記シングルモード光ファイバーバンドルの前記シングルモード光ファイバーによって放射された前記光ビーム（Ｂ_２ｉ）を受けるように意図された、第２の光ガイド（５０）と、
   前記第１の光ガイド（４０）の前記近位端側に配置され、
   前記要素ビーム（Ｂ_１ｉ）のそれぞれに位相シフトを適用するようになっている少なくとも１つの空間光変調器（３０）、及び
   前記マルチモード光ファイバー（５０）の前記遠位端にて所定の位相関数をもつ照明ビームを形成するために、前記要素光ビーム（Ｂ_１ｉ）のそれぞれに位相シフトを適用可能な第１の空間光変調器を制御する手段（６０）
   を備える位相制御用光学装置と
   を備える装置。
2. 前記マルチモード光ファイバー部が、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの長さを有する、請求項１に記載の、光ビームを伝送及び制御するための装置。
3. 前記光ファイバーバンドルの前記シングルモード光ファイバーによって放射された前記光ビームを前記マルチモード光ファイバー部に伝送するようになっている光学系（７１，７２）を更に備える、請求項１又は請求項２に記載の、光ビームを伝送及び制御するための装置。
4. 前記第１の光ガイド（４０）がダブルクラッドマルチコアファイバーを備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の、光ビームを伝送及び制御するための装置。
5. 光ビームを放射する光源（１０）と、
   対象物を照らすための照明ビームを所定の位相関数をもつように形成するために、前記光源によって放射された光ビームを伝送及び制御するための、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置と、
   前記対象物によって反射され、第２の光ガイド（５０）を遠位端から近位端へと通り、続いて第１の光ガイド（４０）を遠位端から近位端へと通り伝達された光を検出するように設計された検出チャネル（２０，２１）と
   を備える内視顕微鏡撮像システム。
6. 遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像用光ビームを伝送及び制御する方法であって、
   第１の光ガイド（４０）が備える、要素光ビーム（Ｂ_１ｉ）を受け、遠位端にて光ビーム（Ｂ_２ｉ）を放射するようにそれぞれ意図されたＮ本のシングルモード光ファイバー（Ｆ_ｉ）のバンドルの近位端にて要素光ビーム（Ｂ_１ｉ）を受けることと、
   前記光ファイバーバンドルの全ての前記シングルモード光ファイバーによって放射された前記光ビームを、前記第１の光ガイド（４０）の前記遠位端に配置された第２の光ガイド（５０）のマルチモード光ファイバー部のマルチモードコアを介して受けることと、
   前記マルチモード光ファイバー部の前記遠位端にて所定の位相関数をもつ照明ビーム（Ｂ_３）を形成するために、前記第１の光ガイドの前記近位端側に配置された少なくとも１つの第１の空間光変調器によって前記要素ビームのそれぞれに位相シフトを適用することと
   を含む方法。
7. 前記照明ビーム（Ｂ_３）に求められる前記位相関数に応じて、前記要素ビーム（Ｂ_１ｉ）のそれぞれに適用する位相シフトを決定するように働く事前校正を更に含む請求項６に記載の方法。
8. 前記要素ビームのそれぞれへの前記位相シフトの適用の目的が、前記マルチモード光ファイバー部（５０）の前記遠位端において、前記マルチモード光ファイバー部（５０）の出力面（５２）から所与の距離（ｚ）の位置に集束した照明ビームを形成することにより、焦点を形成可能とすることである、請求項６又は請求項７に記載の方法。
9. 前記要素ビームのそれぞれに連続的な位相シフトを適用することによって、前記マルチモード光ファイバー部の前記出力面から前記所与の距離及び／又は前記マルチモード光ファイバー部の前記出力面から異なる距離に位置する平面（Π_ｏｂｊ）内において、前記焦点の走査が可能である、請求項８に記載の方法。
10. 遠位側にレンズ無しで内視顕微鏡撮像を行う方法であって、
    光ビームを放射することと、
    請求項６〜９のいずれか一項に記載の方法によって、照明ビーム（Ｂ_３）によって対象物を照らすために前記光ビームを伝送及び制御することと、
    前記対象物から反射され、第２の光ガイド（５０）を遠位端から近位端へと通り、続いて第１の光ガイド（４０）を遠位端から近位端へと通り伝達された光を検出することと
    を含む方法。