JP2020018494A - Light source unit and photoacoustic device with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光源ユニット、及びそれを有する光音響装置に関する。 The present invention relates to a light source unit and a photoacoustic device having the same.
可視光や近赤外光を用いて生体内を低侵襲でイメージングする技術は近年広く研究開発されている。生体イメージング装置として、生体外部から光を照射し、光エネルギーを吸収した生体内の分子が体積膨張することにより発生する音響波(超音波)を生体外部で検出する光音響イメージング装置がある。これは、光イメージングと超音波イメージングの双方の利点を活かせる技術であり、非侵襲でより生体深部のイメージングを可能とした技術として知られている。 2. Description of the Related Art Technologies for imaging a living body with minimal invasiveness using visible light or near-infrared light have been widely researched and developed in recent years. 2. Description of the Related Art As a living body imaging apparatus, there is a photoacoustic imaging apparatus that irradiates light from outside a living body and detects acoustic waves (ultrasonic waves) generated due to volume expansion of molecules in the living body that have absorbed light energy outside the living body. This is a technique that makes use of the advantages of both optical imaging and ultrasonic imaging, and is known as a technique that enables non-invasive imaging of a deeper part of a living body.
特許文献1には、光源から出た光が、バンドルファイバを介して被検体に照射される光音響装置が開示されている(特許文献1)。バンドルファイバは複数のシングルファイバが束ねられたものであり、光の入射口が複数あるため、光量の大きい光を入射させることができる。一方、製造に手間がかかるため、コストを低くするという面ではシングルファイバを用いることが好ましい。
特許文献2には、光源から出た光が光学系を介して、シングルファイバによって伝送されて出射される光源ユニットが開示されている。
しかし、特許文献2の光源ユニットは、集光レンズ系で集光された光がシングルファイバに入射する構成であるため、強い強度の光を用いる場合、シングルファイバの端面が損傷するおそれがある。また、端面が損傷しない程度の光量に抑えたとしても、ファイバに入射する光の開口数(NA)が不十分となり、光源ユニットから出る光の拡がり角が小さくなる可能性がある。
However, since the light source unit disclosed in
そこで本発明は、シングルファイバで光を伝送する光源ユニットで、ファイバ端面の損傷を抑制し、出射される光の拡がり角を大きくすることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a light source unit that transmits light by a single fiber, thereby suppressing damage to a fiber end face and increasing a spread angle of emitted light.
本発明に係る光源ユニットはレーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、を有することを特徴とする。 The light source unit according to the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a laser beam, a condenser lens system that collects the laser light emitted from the light irradiation unit, and the laser that is condensed by the condenser lens system. It is characterized by having a diffusion part for diffusing light, and a single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion part.
別の本発明に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。 A light source unit according to another aspect of the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a laser beam, a condenser lens system that collects the laser light emitted from the light irradiation unit, and a condenser lens system that collects the laser light. A single fiber for transmitting the laser light, and a diffusion unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber.
本発明に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のNAを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。 According to the light source unit of the present invention, since the laser beam is diffused by the diffusing unit and made incident on the single fiber after being condensed by the condenser lens system, damage to the fiber end face can be suppressed. Further, by adjusting the divergence angle of the diffuser, the NA of the light incident on the fiber can be increased, and the divergence angle of the light emitted from the light source unit can be increased.
本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。 An embodiment of the present invention will be described, but the present invention is not limited to this.
本実施形態に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、光照射部から照射されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を拡散させる拡散部を有する。さらに、拡散部によって拡散したレーザ光を伝送するシングルファイバを有する。 The light source unit according to the present embodiment includes a light irradiation unit that irradiates laser light, a condenser lens system that collects laser light emitted from the light irradiation unit, and a laser light that is collected by the condenser lens system. It has a diffusion part for diffusing. Further, it has a single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion unit.
また、本実施形態に係る光源ユニットは、拡散部が、シングルファイバよりも後段に設けられていても良い。すなわち、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を伝送するシングルファイバと、シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有する構成でもよい。 Further, in the light source unit according to the present embodiment, the diffusion unit may be provided at a later stage than the single fiber. That is, a configuration having a single fiber for transmitting the laser light condensed by the condensing lens system and a diffusion unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber may be adopted.
このように本実施形態に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のNAを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。 As described above, according to the light source unit according to the present embodiment, since the laser light is diffused by the light diffusing unit and made incident on the single fiber after being condensed by the condenser lens system, damage to the fiber end face can be suppressed. . Further, by adjusting the divergence angle of the diffuser, the NA of the light incident on the fiber can be increased, and the divergence angle of the light emitted from the light source unit can be increased.
(集光レンズ系)
本実施形態における集光レンズ系は、凸レンズ、テレスコープ光学系、フレネルレンズの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
(Condensing lens system)
The condensing lens system in the present embodiment preferably includes at least one of a convex lens, a telescope optical system, and a Fresnel lens.
(シングルファイバ)
本実施形態におけるシングルファイバは光を伝送するものであり、マルチファイバモード、又はシングルモードファイバを用いることが出来る。
(Single fiber)
The single fiber in the present embodiment transmits light, and a multi-fiber mode or a single mode fiber can be used.
(拡散部)
本実施形態における拡散部としては特に限定されないが、微小なレンズが基板の片面に配置されたレンズ拡散板や、ホログラフィック拡散板等を用いることができる。
(Diffusion section)
Although there is no particular limitation on the diffusion unit in the present embodiment, a lens diffusion plate in which minute lenses are arranged on one side of the substrate, a holographic diffusion plate, or the like can be used.
また、拡散部は上記シングルファイバの光の入射端面上に一体となって形成されていてもよい。 Further, the diffusing portion may be integrally formed on the light incident end face of the single fiber.
なお、拡散部によって拡散されるレーザ光の拡がり角度θ_inは、シングルファイバの光の入射端面と接する物質(空気や液体や固体)の屈折率をn_in、シングルファイバの開口数をNAとしたときに、以下の式(I)で表されることが好ましい。なお、NAとはNumerical Apertureの略である。
θ_in≦2arcsin(NA/n_in ) (I)
さらに、以下の式(II)で表されることが特に好ましい。
θ_in≦3arcsin(NA/n_in ) (II)
The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusion unit is defined as n_in, the refractive index of a substance (air, liquid, or solid) in contact with the light incident end face of the single fiber, and NA, the numerical aperture of the single fiber. Is preferably represented by the following formula (I). Note that NA is an abbreviation for Numerical Aperture.
θ_in ≦ 2arcsin (NA / n_in) (I)
Further, it is particularly preferable that the compound is represented by the following formula (II).
θ_in ≦ 3arcsin (NA / n_in) (II)
(光照射部)
本実施形態における光照射部は、レーザ光を発生させる光源部を有していてもよい。光源部は、固体レーザ、または、半導体レーザや発光ダイオードといった発光素子を含み構成される。
(Light irradiation part)
The light irradiation unit in the present embodiment may have a light source unit that generates laser light. The light source unit includes a solid-state laser or a light-emitting element such as a semiconductor laser or a light-emitting diode.
(光音響装置)
上記本実施形態に係る光源ユニットを用いる装置として、光音響装置が挙げられる。
(Photoacoustic device)
As an apparatus using the light source unit according to the present embodiment, a photoacoustic apparatus may be mentioned.
本実施形態に係る光音響装置は、上記光源ユニットの他に、レーザ光が被検体に照射されることで、被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する。 The photoacoustic apparatus according to the present embodiment includes, in addition to the light source unit, a receiving unit that receives an ultrasonic wave generated from the subject and outputs a reception signal by irradiating the subject with the laser light.
(受信部)
上記受信部としては特に限定されず、圧電型トランスデューサや静電容量型トランスデューサを用いることが出来る。
(Receiver)
The receiving unit is not particularly limited, and a piezoelectric transducer or a capacitance transducer can be used.
(情報取得部)
本実施形態に係る光音響装置は、受信部の受信信号を用いて被検体の情報を取得する情報取得部をさらに有していてもよい。
(Information acquisition unit)
The photoacoustic apparatus according to the present embodiment may further include an information acquisition unit that acquires information on the subject using a reception signal of the reception unit.
以下、上記本実施形態に係る光源ユニットを用いた光音響装置(光音響イメージング装置)を例に、詳細を説明する。 Hereinafter, details will be described by taking a photoacoustic apparatus (photoacoustic imaging apparatus) using the light source unit according to the present embodiment as an example.
[実施形態1]
図1は光音響イメージング装置(光音響装置)を模式的に示したものである。なお、本例は、光照射部101が光源を含む場合の装置形態を示す。
[Embodiment 1]
FIG. 1 schematically shows a photoacoustic imaging apparatus (photoacoustic apparatus). Note that this example shows an apparatus configuration in a case where the
まず、光源(光照射部)101から射出された光束102はレンズ(集光レンズ系)103に入射する。レンズ103は凸平の形が光源内への期待されない反射による集光を防ぐために好ましいが、別形状レンズを紙面に垂直な軸回りで回転させることで、光源内での集光を防いでも良い。回転角度は例えば10度以内である。図2に光源101からシングルファイバ(光伝送部)105までの拡大図を示す。以下ではシングルファイバ105を単にファイバと表現する。
First, a
レンズ103で集光状態となった光束102は拡散板104に入射する。拡散板(拡散部)104は、集光状態となった光束102のビームウエスト位置近傍に置かれる。拡散板104は、ファイバ105のNA(Numerical Aperture)より換算される角度に対応する角度に光束を拡散させるような微細構造を表面に持つ。一例として、光源101より射出された光束102がガウシアンであり、ファイバ105としてNA0.22のマルチモードファイバを使用する。ファイバへの必要な入射角(全角)は25.4度となり、拡散角(半値全角)が10度の拡散板を使用することで、図3(a)に示すグラフのように、約99.7%のカップリング効率を達成できる。図3(a)〜(c)において横軸は光軸からのプラスマイナスの角度を、縦軸は規格化した光量を示しており、点線は入射ビーム形状を、実線は出射ビーム形状をそれぞれ示す。図3(b)では拡散角が20度の拡散板を使用することで約86.5%のカップリング効率を、図3(c)では拡散角が30度の拡散板を使用することで約69.4%のカップリング効率を達成できることを示す。拡散角が10度の拡散板を使用する場合はファイバ105からの出射ビーム形状は、ガウシアンに近い形状となる。一方、拡散角が20度の拡散板を使用する場合はファイバ105からの出射ビーム形状は、拡散された入射ビームの両端角度がファイバNAを超えるため、入射ビーム形状の両端部分はファイバ内で伝搬されない。そのため、ガウシアン形状と比較してよりフラットトップに近い形状となる。このように、ファイバ105へのカップリング効率と得たい出射ビーム形状に応じて拡散板104の拡散角を決定する。
The
上記NA0.22のファイバに対して拡散角10度もしくは拡散角20度の拡散板を使用する場合は、 When using a diffusion plate with a diffusion angle of 10 degrees or a diffusion angle of 20 degrees for the fiber of NA 0.22,
例えば、光源101から射出された光束102の光量分布はガウシアンであると仮定し、光束102の直径をD、波長をλ、レンズ103の焦点距離をfとすると、ビームウエストの半径w0は、
For example, assuming that the light amount distribution of the
ここで、Dcoreはファイバ105のコア201の直径、NAはファイバ105のNA,nは拡散板104とファイバ105との間にある物質の屈折率である。Dcoreを105μm、NAを0.22、nを1とすると、Lは82μmとなる。この距離で拡散板104を、特に拡散させる面を配置することで、上記の約86.5%のカップリング効率を得ることが出来る。この拡散板104とファイバ105までの距離Lは、ガラス等を用いて機械的に距離が固定されていると、光学系は安定するため、より良い。また格差版104は光源内への期待されない反射を防ぐために紙面に垂直な軸回りで回転させても良い。
Here, D core is the diameter of the
一方、レンズ103の焦点距離を長くすることにより、レンズ103と拡散板104までの距離に要求される精度を比較的低くすることができる。これを以下に説明する。
On the other hand, by increasing the focal length of the
拡散板104の位置ずれ量zに対するビーム半径w(z)は下記式で表される。
The beam radius w (z) with respect to the displacement amount z of the
いまw0は34μm、λは0.532μmであり、zを2mmとすると、w(z)は35μmとなる。つまり、拡散板104が2mm光軸方向にずれたとしても2μmしかビーム直径は増えない。つまり、レンズ103と拡散板104との距離よりも、拡散板104とファイバ105との距離が敏感であり、拡散板104とファイバ105との距離のみを精度良く管理すれば良い。
Now, w0 is 34 μm, λ is 0.532 μm, and if z is 2 mm, w (z) is 35 μm. That is, even if the
図2におけるファイバ105のコア201に入射した光束102は、図1における2分岐ファイバカプラ106に到達する。ファイバカプラ106を通過した光束102は2つに分岐され、それぞれ照射ファイバ107内を伝搬する。照射ファイバ107はプローブ108に接続されており、プローブ108内で2つの照射光束109としてそれぞれ対向する位置より被計測対象110に照射される。ここで、照射ファイバ107の出射端面と超音波探触子111の一部は音響インピーダンス整合剤112と接触している。音響インピーダンス整合剤112としては、水、油、ジェル等があり、生体接触膜113を介することで音響インピーダンス整合剤112は被計測対象110と直接接触しない。照射ファイバ107の出射端面は、出射光の主光線が超音波探触子の音響波軸中心と被計測対象110の表面近傍で一致するように、配置もしくは端面加工されている。例えば、音響インピーダンス整合剤112として水を用いる場合、照射ファイバ107の端面を照射ファイバ107の光軸に対して30度傾けるように加工すると、スネルの法則より出射光の主光線は照射ファイバ107の光軸に対して約34度傾く。このように照射ファイバ107の端面を加工することで照射ファイバ107の傾き角度を小さくし、プローブ108を小型化することが出来る。
The
被計測対象110内で散乱された光はヘモグロビンやメラニン等の図示しない生体内分子に到達し、光エネルギーを吸収したそれら分子は体積膨張により音響波(超音波)を発生する。各生体分子より発生された音響波は、生体内を伝搬しその一部は被計測対象110の表面へ伝搬した後、音響波レンズを含む超音波探触子111によって電気信号に変換される。音響波の電気信号はケーブル114によってデジタイザ116へ伝わりアナログ信号からデジタル信号への変換が行われ、コントローラ118で信号処理が行われる。
The light scattered in the
プローブ108内では、超音波探触子111のみ、もしくは超音波探触子111と照射ファイバ107と両方が、被計測対象110の表面と略平行なXY面内で、ステージ116を用いることでスキャン動作を行う。ステージ116近傍には図示しないエンコーダが配置されており、スキャン動作における位置情報はケーブル117を用いてデジダイザ116へ送られ、音響波情報と共にコントローラ118へ送られる。コントローラ118は光源101とステージ116の制御を行い、必要に応じて音響波情報、エンコーダ情報、あるいはそれらを処理することで得られる音響波イメージング画像を表示する表示手段を有する。
In the
この実施例においては上述したように、拡散板104をファイバ105の前段に配置することでファイバ105への入射NAを制御することが出来る。
In this embodiment, as described above, by arranging the diffusing
ファイバ105がマルチモードファイバである場合、マルチモードファイバを使用することで光量の伝送効率を上げられる。レンズ103は本実施例では単レンズであるが、複数の光学面を用いたケプラーテレスコープ、ガレリオテレスコープ等の光学系であっても良い。もしくはレンズ103はフレネルレンズであっても良い。また、拡散板104はファイバ105のコア201端面に一体加工されていても良い。光源101は本実施例ではレーザであるが、レーザダイオードであっても良い。
When the
[実施形態2]
図4は別の実施例である光音響イメージング装置を模式的に示したものである。図1と同様の箇所は説明を省略し、実施例1との差異部分のみを説明する。光源101から射出された光束102はレンズ103に入射し、レンズ103で集光状態となった光束102はファイバ105に入射する。図5に光源101からファイバ105までの拡大図を示す。ファイバ105の端面は、集光状態となった光束102のビームウエスト近傍の位置に置かれ、略平行状態の光束102がファイバ105のコア201に入射される。
[Embodiment 2]
FIG. 4 schematically shows a photoacoustic imaging apparatus according to another embodiment. The description of the same parts as those in FIG. 1 is omitted, and only different parts from the first embodiment will be described. The
図6は照射ファイバ107と生体接触膜113近傍の拡大図である。照射ファイバ107のコア201より出射された光束801の拡がり角度は、入射光束が略平行であったため、小さい拡がり角度となる。例えば、射出ファイバ107としてNA0.22のマルチモードファイバを用いたとしても出射NAは0.22以下、例えば0.15以下となる。コア201より射出された光束801は、拡散板802で拡散され生体接触膜113へ入射し、ここでは図示しない被計測対象110へ入射する。コア201より出射されたファイバ出射光束801の拡がり全角をθin、プローブ内拡散板802による拡がり全角をθd、生体接触膜113へ入射する拡散後光束803の拡がり全角をθoutとすると、下記式となる。この関係式を用いてプローブ内拡散板802の拡がり全角を決定する。
FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the
図6では左右対となる2本の照射ファイバ107より光が出射される図となっているが、照射ファイバ107の本数は1本でも良いし3本以上の複数本でも良い。照射ファイバ107の端面とプローブ内拡散板802は音響インピーダンス整合剤112に接触しており、プローブ内拡散板802の拡がり全角は音響インピーダンス整合剤112とプローブ内拡散板802との屈折率によって決定される。図6では左右の照射ファイバ107の主光線が重なる点が生体接触膜113上に位置しているが、その点は生体接触膜113の上部もしくは下部に位置しても良い。この実施例では生体接触膜113に対して照射ファイバ107を直接傾けているが、ミラーやプリズムを用いて照射ファイバの光軸を傾けても良い。
FIG. 6 shows a diagram in which light is emitted from the two
上記ファイバ105と照射ファイバ107はシングルモードファイバであってもマルチモードファイバであっても良い。
The
101 光源(光照射部)
102 光束
103 レンズ(集光レンズ系)
104 拡散板(拡散部)
105 シングルファイバ(光伝送部)
106 ファイバカプラ
107 照射ファイバ
108 プローブ
109 照射光束
110 被計測対象
111 超音波探触子
112 音響インピーダンス整合剤
113 生体接触膜
114 ケーブル
115 デジタイザ
116 ステージ
117 ケーブル
118 コントローラ
101 light source (light irradiation part)
102
104 Diffusion plate (diffusion part)
105 Single fiber (optical transmission unit)
106
Claims (16)
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
を有する光源ユニット。 A light irradiator for irradiating laser light,
A condenser lens system for condensing the laser light emitted from the light irradiator,
A diffusing unit for diffusing the laser light condensed by the condensing lens system,
A single fiber for transmitting the laser light diffused by the diffusion unit,
A light source unit having:
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
を有する光源ユニット。 A light irradiating unit that irradiates laser light, and a condenser lens system that condenses the laser light irradiated from the light irradiating unit
A single fiber for transmitting the laser light focused by the focusing lens system,
A diffusing unit for diffusing the laser light transmitted by the single fiber,
A light source unit having:
請求項1または2に記載の光源ユニット。 The condenser lens system includes a convex lens,
The light source unit according to claim 1.
請求項1または2に記載の光源ユニット。 The condenser lens system includes a telescope optical system,
The light source unit according to claim 1.
請求項1または2に記載の光源ユニット。 The condenser lens system includes a Fresnel lens,
The light source unit according to claim 1.
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光源ユニット。 The single fiber is a multi-fiber mode, or a single mode fiber,
The light source unit according to claim 1.
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光源ユニット。 The diffusion portion is integrally formed on the light incident end face of the single fiber,
The light source unit according to claim 1.
θ_in≦2arcsin(NA/n_in ) (I) The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusing unit is as follows, where n_in is the refractive index of a substance in contact with the light incident end face of the light transmitting unit, and NA is the numerical aperture of the light transmitting unit. The light source unit according to claim 1, wherein the light source unit is represented by Formula (I).
θ_in ≦ 2arcsin (NA / n_in) (I)
θ_in≦3arcsin(NA/n_in ) (II) The divergence angle θ_in of the laser light diffused by the diffusing unit is as follows, where n_in is the refractive index of a substance in contact with the light incident end face of the light transmitting unit, and NA is the numerical aperture of the light transmitting unit. The light source unit according to claim 1, wherein the light source unit is represented by Formula (II).
θ_in ≦ 3arcsin (NA / n_in) (II)
請求項1乃至9のいずれか1項に記載の光源ユニット。 The light irradiation unit has a light source unit that generates the laser light,
The light source unit according to claim 1.
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光源ユニット。 The light source unit includes a solid-state laser,
The light source unit according to claim 1.
請求項1乃至10のいずれか1項に記載の光源ユニット。 The light source unit includes a semiconductor laser or a light emitting diode,
The light source unit according to claim 1.
前記レーザ光が被検体に照射されることで、前記被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する光音響装置。 A light source unit according to any one of claims 1 to 12,
A photoacoustic apparatus including a receiving unit configured to receive an ultrasonic wave generated from the subject by irradiating the subject with the laser light and output a reception signal.
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