JP3222270B2 - 分光ファイバースコープ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は分光ファイバースコープ
に関し、詳細には、検体の形状情報および分光情報を計
測する分光ファイバースコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、単に分光情報を計測するもの
として、点光源からの光のスペクトルを空間の一軸上
に、プリズム，回折格子等の分散素子により展開し、こ
のスペクトルの展開された軸に沿って配されたリニアセ
ンサ等の光検出器により、各スペクトルの強度を検出す
るものがある。

【０００３】しかし医学，生物学の分野においては、単
に分光情報を得るだけでなく、形態情報を同時に計測
し、分光情報と形態情報とを有機的に結合させた画像情
報が求められている。これは、その形態情報である構造
体の機能を解明するうえで非常に有用であるためであ
る。

【０００４】このように分光情報と形態情報とを同時に
計測するものとして、干渉フィルタを用いた顕微鏡があ
る。この顕微鏡は、検体より発せられる光（例えば蛍光
等）を、干渉フィルタを介して撮像素子や接眼レンズに
入射して、特定の波長域の光の画像を得るものであり、
得られる画像は分光情報と形態情報の両方の情報を有す
るものである。しかし、この方法により得られる分光情
報は、予め設定した干渉フィルタの波長域のみの分光情
報であり、未知の波長域の光の分光情報を得るために
は、複数種類の干渉フィルタを用いて上述の計測を複数
回行い、得られた複数の分光情報と予め認識されている
先験情報（例えば、あらゆる物質のスペクトルはいかな
る波長においても負にならない等の拘束条件）とに基づ
いて分光情報と形態情報とをマッチングする必要がある
（「光学」18巻１号（1989年１月）イメージングスペク
トロスコーピーによるパターン分析）。

【０００５】また検体より発せられる光をビームスプリ
ッタ等の光路分割手段により２つの光に分割し、撮像素
子を用いて分割されたうちの一方の光より形態情報を
得、分光器を用いて他方の光より分光情報を得る方法が
ある（「光アライアンス」（1991年８月）腫瘍親和性物
質物質から蛍光を利用するがん診断）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、複数のフィル
タと先験情報とに基づいて分光情報と形態情報とを結び
つける計測方法は、異なる波長域のフィルタ毎に計測を
行う必要があり、計測に要する時間が多大であるという
難点がある。

【０００７】また、撮像素子と分光器とを用いて形態情
報と分光情報とを得る方法により得られる分光情報は、
画像全体の平均されたスペクトル情報であるため、分光
情報と形態情報とを有機的に結びつけるものではない。

【０００８】さらに、一般の分光計測装置は光のスペク
トルを空間の一軸上に展開するため、２次元マルチチャ
ンネル検出器による２次元画像の撮像は不可能であり、
走査光学系を用いて画像データを時間軸に展開する必要
がある。このため撮像には走査時間および走査空間を確
保する必要がある。

【０００９】本発明の分光ファイバースコープは上記事
情に鑑みなされたものであって、形態情報と分光情報と
を時間的および空間的に効率よく計測し、これらの情報
を２次元画像化する分光ファイバースコープを提供する
ことを目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の分光ファイバー
スコープは、検体より発せられた光、すなわち複数のス
ペクトルが時間的に重畳した光を、光分散性を有するシ
ングルモードイメージ光ファイバに入射した場合、光フ
ァイバ内における各スペクトルの伝搬モードが互いに異
なることにより、光ファイバより出射するのに要する時
間は、上記各スペクトルの波長に応じたものとなり、光
ファイバを出射するこれら複数のスペクトルを検出手段
により時間的に分割して分光情報の計測を行うことを特
徴とするものである。

【００１１】すなわち本発明の分光ファイバースコープ
は請求項１に記載したように、検体を照射するパルス励
起光を出射する励起光源と、該パルス励起光の照射によ
り検体より発せられる光を第１の結像面に結像せしめる
第１の結像光学系と、該第１の結像面に入射端を有し、
該第１の結像光学系により結像された前記検体からの光
を該入射端から出射端まで導光する、入射した光の通過
により該光を構成する波長の異なる複数のスペクトルを
時間的に分散させて出射するシングルモード光ファイバ
を複数本束ねてなる、光分散性を有するシングルモード
イメージ光ファイバと、該光ファイバの前記出射端より
出射する前記光を第２の結像面に結像せしめる第２の結
像光学系と、該第２の結像面に設けられた２次元光検出
器および該２次元光検出器の出力信号を時系列的に分割
して検出する検出手段からなる２次元分光検出手段とを
備えてなることを特徴とするものである。

【００１２】この分光ファイバースコープにおいて前記
検出手段は、２次元光検出器の出力信号を時系列的に分
割せしめる光検出器駆動手段と、分割して得られた２次
元光検出器の出力信号を記憶する記憶手段とからなるも
のを用いることができる。また、２次元光検出器の出力
信号の波形を計測する波形計測手段と、波形計測手段に
より計測された出力信号を時系列的に分割せしめる信号
処理手段とからなる構成を採用することもできる。さら
に、前記第２の結像光学系と前記第２の結像面との間に
設けられ、所定の信号に基づいて、第２の結像光学系に
より結像された前記検体からの光の２次元光検出器への
通過を許容または阻止する開閉自在のシャッタ手段と、
シャッタ手段に前記所定の信号を出力するシャッタ開閉
手段と、シャッタ手段が開位置にあるときに光検出器に
検出された前記出力信号を記憶する記憶手段とからなる
構成を採ることもできる。

【００１３】なお時間的に重畳する複数のスペクトルを
より適切に時分割し、一層の検出の容易化を図るために
シングルモードイメージ光ファイバは、分散性の大きい
ものが好ましい。

【００１４】

【作用および発明の効果】本発明の分光ファイバースコ
ープによれば、励起光源より出射されたパルス励起光は
検体の全体を照射し、それにより検体は励起され検体の
全体より、ある波長幅を有する光（例えば蛍光など）を
発する。この検体より発せられた光はこの波長帯域の複
数のスペクトルからなるものであり時間的に重畳されて
いる。この光は第１の結像光学系により所定の結像面に
結像せしめられ、この結像面に結像された光は、結像面
に入射端を有し出射端まで導光する、光分散性を有する
シングルモードイメージ光ファイバに入射される。この
光ファイバに入射された上記検体より発せられた光は、
光ファイバ内において各スペクトルの波長ごとに伝搬モ
ードが異なり、それによりこの光を構成する複数のスペ
クトルは、それらの波長ごとに時間的ズレを生じて光フ
ァイバの出射端より出射される。

【００１５】この時間的にズレを生じて出射される複数
のスペクトルからなる光は、第２の結像光学系により所
定の結像面に結像される。この結像された光は、前記所
定の結像面上に配された２次元光検出器によりその強度
が検出される。

【００１６】ここで検出手段が２次元光検出器の出力を
時系列的に分割して検出するため、光ファイバより時間
的にズレを有して出射される複数のスペクトルをスペク
トル毎に検出することが可能となる。この作用がシング
ルモードイメージ光ファイバを構成する各光ファイバお
よび２次元光検出器を構成する各光検出素子においてな
されることにより、分光画像情報を得ることができる。

【００１７】またスペクトル毎の分光画像情報を光学的
に重ね合わせることにより、形態的画像情報を得ること
が可能である。

【００１８】上記２次元光検出器の出力を時系列的に分
割して検出するには、２次元光検出器の出力信号の波形
を計測し、その後、計測された波形を時系列的に分割し
て検出するようにしてもよいし、光ファイバから出射さ
れた光（上記複数のスペクトルを有する光）をシャッタ
手段により、スペクトル毎に順次時系列的に分割して２
次元光検出器に入射するようにしてもよい。

【００１９】また、２次元光検出器の出力波形を一時的
にメモリ等の記憶手段に記憶せしめ、そののち記憶手段
から各スペクトルを時系列的に分割して検出してもよ
い。

【００２０】このように本発明の分光ファイバースコー
プによれば、形態情報と分光情報とを時間的および空間
的に効率よく計測することができ、これらの情報を容易
に２次元画像化することができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の分光ファイバー
スコープの実施例について詳細に説明する。

【００２２】図１は本発明にかかる分光ファイバースコ
ープの第１の実施例を示す概略ブロック図である。図示
の分光ファイバースコープは、レーザ光を出射するレー
ザ光源21に対してパルス状のレーザ（パルスレーザ）光
ａを出射するように駆動するドライバ32と、このドライ
バ32によりパルスレーザ光ａを出射し、スペクトル幅λ
１〜λｎの蛍光ｂを発する蛍光物質（図示せず）を有す
る検体10にこのパルスレーザ光ａを照射する励起用レー
ザ光源21と、パルスレーザ光ａの照射を受けて検体10が
発する蛍光ｂを第１の結像面Ｋに結像せしめる第１の集
光レンズ22と、結像面Ｋに入射端を有し、入射端より入
射する蛍光ｂを出射端まで導光する、光分散性を有する
シングルモードイメージ光ファイバ24と、この光ファイ
バ24の出射端より出射する蛍光ｃを第２の結像面Ｌに結
像せしめる第２の集光レンズ23と、結像面Ｌに設けられ
た２次元光検出器33と、２次元光検出器33の出力信号を
時系列的に分割して検出する検出手段30とからなる構成
である。

【００２３】ここで光分散性を有するシングルモード光
ファイバとは、図２に示すように、波長の異なる複数の
スペクトルが時間的に重畳してなる蛍光パルスが通過す
ることにより、上記波長の異なる複数のスペクトルが時
間的に分散されて出射するシングルモード光ファイバ24
i が複数本束ねられて形成された光ファイバをいい、ス
ペクトル間の分散を大きくするために、分散性のより大
きいものが好ましい。

【００２４】また上記検出手段30は、詳しくは２次元光
検出器33の出力信号を時系列的に分割せしめるように２
次元光検出器33の出力を制御する制御回路31と、分割し
て得られた２次元光検出器33の出力信号を記憶するメモ
リ34とからなる構成である。

【００２５】また２次元光検出器33は、イメージ光ファ
イバ24を構成する各光ファイバ24iと１対１に対応する
数の光検出素子を有している。

【００２６】次に本実施例の作用について説明する。

【００２７】制御回路31からの制御信号に基づいてドラ
イバ32がレーザ光源32に対して図３(a) に示すパルス駆
動信号を出力し、それによりレーザ光源32よりパルスレ
ーザ光ａが出射され、ミラーを介して検体10に均一にパ
ルスレーザ光ａが照射される。検体10内の蛍光物質はパ
ルスレーザ光ａにより励起され、検体10内の例えばある
一点から図３(b) に示す時間幅τ１のパルス状の蛍光ｂ
が発せられる。この蛍光ｂはスペクトル幅λ１〜λｎの
光であって、複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎが
時間的に重畳した光である。

【００２８】検体10のある一点より発せられた蛍光ｂは
第１の集光レンズ22により第１の結像面Ｋに結像せしめ
られ、結像面Ｋに結像された蛍光ｂは、シングルモード
光ファイバ24i に入射される。この光ファイバ24i に入
射された蛍光ｂは、光ファイバ24i 内において各スペク
トルλ１，λ２，…，λｎごとに伝搬モードが異なるた
め、各スペクトルλ１，λ２，…，λｎごとに時間的ズ
レ（遅延）を生じて光ファイバ24i の出射端より時間幅
τ２（τ２＞τ１）の光ｃとして出射される（図３(c)
）。

【００２９】複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎか
らなる時間幅τ２の光ｃは、第２の集光レンズ23により
第２の結像面Ｌに結像される。結像面Ｌに結像された光
ｃは、結像面Ｌに沿って配された２次元光検出器33の、
光ファイバ24i に対応する光検出素子によりその強度が
検出される。

【００３０】ここで制御回路31よりパルスレーザ光ａの
パルスと同期した、図３(d) に示す光検出器駆動信号が
出力され、それにより２次元光検出器33の出力信号（時
間幅τ２の光ｃによる信号）からその出力信号に含まれ
る複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎの強度信号が
時分割されて格別にメモリ34に入力される。

【００３１】上述の作用が、イメージ光ファイバ24を構
成する各光ファイバ24i および２次元光検出器の各画素
を構成する光検出素子について行われることにより、検
体10の各点からの蛍光のスペクトル情報が２次元画像情
報としてメモリ34に記憶される。これにより、メモリ34
に検体10の２次元分光画像情報が蓄積される。また、各
画素毎に全てのスペクトルλ１，λ２，…，λｎの強度
信号をメモリ34内で合成することにより、検体10の２次
元形態画像情報を得ることができる。

【００３２】このように得られた２次元分光画像情報お
よび２次元形態画像情報は、ＣＲＴ41に可視像として出
力される。

【００３３】以上説明したように本実施例の分光ファイ
バースコープによれば、形態情報と分光情報とを時間的
および空間的に効率よく計測することができ、これらの
情報を容易に２次元画像化することができる。

【００３４】図４は本発明にかかる分光ファイバースコ
ープの第２の実施例を示す概略ブロック図である。図示
の分光ファイバースコープは、検出手段50が異なる以
外、前記第１の実施例と同じ構成である。検出手段50
は、図３(c) に示す２次元光検出器33の出力信号の波形
を計測する波形計測部36と、ドライバ32への制御信号と
同期した制御信号を波形計測部36へ出力する制御回路35
と、波形計測部36により計測された出力信号を時系列的
に分割せしめる信号処理部37とからなる構成である。

【００３５】次に本実施例の作用について説明する。

【００３６】第１の実施例と同様の作用により光ファイ
バ24i より出射された時間幅τ２の光ｃは、第２の集光
レンズ23により第２の結像面Ｌに結像される。結像面Ｌ
に結像された光ｃは、結像面Ｌに沿って配された２次元
光検出器33の、光ファイバ24i と対応する光検出素子に
よりその強度が検出される。

【００３７】この２次元光検出器33により検出された光
強度の信号は、波形計測部36により複数のスペクトルλ
１，λ２，…，λｎが時間的に重畳した波形（図３(c)
参照）として計測される。この光強度信号の波形は、信
号処理部37において、図３(d) に示すような各スペクト
ルλ１，λ２，…，λｎの遅延時間に応じたサンプリン
グ信号により、複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎ
の強度信号が格別に時分割される。

【００３８】上述の作用が、イメージ光ファイバ24を構
成する各光ファイバ24i および２次元光検出器の各画素
を構成する光検出素子について行われることにより、検
体10の各点からの蛍光のスペクトル情報を２次元的に得
ることができ、また各画素毎に全てのスペクトルλ１，
λ２，…，λｎの強度信号が合成されて検体10の２次元
形態画像情報を得ることができる。

【００３９】このように得られた２次元分光画像情報お
よび２次元形態画像情報は、ＣＲＴ41に可視像として出
力される。

【００４０】上述のように本実施例の分光ファイバース
コープによれば、形態情報と分光情報とを時間的および
空間的に効率よく計測することができ、またこれらの情
報を容易に２次元画像化することができる。

【００４１】図５は本発明にかかる分光ファイバースコ
ープの第３の実施例を示す概略ブロック図である。図示
の分光ファイバースコープは、検出手段60が異なる以
外、前記第１の実施例および第２の実施例と同じ構成で
ある。検出手段60は、第２の集光レンズ23と２次元光検
出器33との間に配され、第２の集光レンズ23により結像
された複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎからなる
光ｃの２次元光検出器33への通過を許容する開位置と通
過を阻止する閉位置との間を所定のサンプリング信号に
基づいて移動するシャッタ61と、このシャッタ61に前記
所定のサンプリング信号を出力する制御回路38と、シャ
ッタ61が開位置にあるときに２次元光検出器33により検
出された前記出力信号を記憶するメモリ39とからなる構
成である。

【００４２】次に本実施例の作用について説明する。

【００４３】図６(a) はレーザ光源21より出力されるパ
ルス励起光ａの波形、(b) は光ファイバ24i より出射さ
れる複数のスペクトルλ１，λ２，…，λｎが時間的に
重畳した光ｃの波形、(c) は制御回路38よりシャッタ61
に出力されるサンプリング信号の波形をそれぞれ示す。
本実施例の分光ファイバースコープによれば、第１の実
施例と同様の作用により光ファイバ24i より出射された
時間幅τ２の光ｃは、第２の集光レンズ23により第２の
結像面Ｌに結像されるが、この際シャッタ61が開位置に
ある場合は、光ｃはシャッタ61を通過して２次元光検出
器33に到達する。一方、シャッタ61が閉位置にある場合
は、この光ｃはシャッタ61により遮断されて２次元光検
出器33に到達しない。

【００４４】シャッタ61は通常、閉位置にあり、まず制
御回路38から図６(c) に示すスペクトルλ１の遅延時間
ｔ１に基づくサンプリング信号Ｓ１をシャッタ61に出力
し、シャッタ61はこの遅延時間ｔ１だけ開位置に移動す
る。このシャッタ61の開位置への移動によりスペクトル
λ１のみが２次元光検出器33により検出され、この検出
されたスペクトルλ１の強度信号はメモリ39に記憶され
る。次いで、制御回路38からスペクトルλ２の遅延時間
ｔ２に基づくサンプリング信号Ｓ２をシャッタ61に出力
し、シャッタ61はこの遅延時間ｔ２だけ開位置に移動
し、このシャッタ61の開位置への移動によりスペクトル
λ２のみが２次元光検出器33により検出され、この検出
されたスペクトルλ２の強度信号はメモリ39に記憶され
る。同様の作用が全てのスペクトルλ１，λ２，…，λ
ｎに対してなされ、メモリ39に全てのスペクトルλ１，
λ２，…，λｎの強度が各別に記憶されて分光情報を得
る。

【００４５】上記作用が、イメージ光ファイバ24を構成
する各光ファイバ24i および２次元光検出器の各画素を
構成する光検出素子について行われることにより、検体
10の各点からの蛍光のスペクトル情報を２次元的に得る
ことができ、また各画素毎に全てのスペクトルλ１，λ
２，…，λｎの強度信号が合成されて検体10の２次元形
態画像情報を得ることができる。

【００４６】このように得られた２次元分光画像情報お
よび２次元形態画像情報は、ＣＲＴ41に可視像として出
力される。

【００４７】本実施例の分光ファイバースコープによれ
ば上述のように、形態情報と分光情報とを時間的および
空間的に効率よく計測することができ、またこれらの情
報を容易に２次元画像化することができる。

【００４８】なお本発明の分光ファイバースコープは上
述のとうり光分散性を有するシングルモード光ファイバ
24i を複数本束ねた、シングルモードイメージ光ファイ
バ24を用いて２次元画像情報を得ているが、単に検体の
一点における分光情報を得ようとする場合は、この光分
散性を有するシングルモード光ファイバ24i を１本だけ
用いて分光装置として使用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる分光ファイバースコープの第１
の実施例を示す概略ブロック図

【図２】光分散性を有するシングルモードイメージ光フ
ァイバの作用を説明するための説明図

【図３】(a) ドライバ32より出力されるパルス駆動信号
の波形を示す波形図 (b) 検体10より発せられる時間幅τ１のパルス状の蛍光
ｂの波形を示す波形図 (c) 光ファイバ24i より出射される時間幅τ２の光ｃの
波形を示す波形図 (d) 制御回路31より出力される光検出器駆動信号の波形
を示す波形図

【図４】本発明にかかる分光ファイバースコープの第２
の実施例を示す概略ブロック図

【図５】本発明にかかる分光ファイバースコープの第３
の実施例を示す概略ブロック図

【図６】(a) レーザ光源21より出力されるパルス励起光
ａの波形を示す波形図 (b) 光ファイバ24i より出射される複数のスペクトルλ
１，λ２，…，λｎが時間的に重畳した光ｃの波形を示
す波形図 (c) 制御回路38よりシャッタ61に出力されるサンプリン
グ信号の波形を示す波形図

【符号の説明】

10 検体 21 レーザ光源 22，23 集光レンズ 24 シングルモードイメージ光ファイバ 24i シングルモード光ファイバ 30，50，60 検出手段 31，35，38 制御回路 32 ドライバ 33 ２次元光検出器 34，39 メモリ 36 波形計測部 37 信号処理部 41 ＣＲＴ 61 シャッタ

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検体を照射するパルス励起光を出射する
   励起光源と、 該パルス励起光の照射により検体より発せられる光を第
   １の結像面に結像せしめる第１の結像光学系と、 該第１の結像面に入射端を有し、該第１の結像光学系に
   より結像された前記検体からの光を該入射端から出射端
   まで導光する、入射した光の通過により該光を構成する
   波長の異なる複数のスペクトルを時間的に分散させて出
   射するシングルモード光ファイバを複数本束ねてなる、
   光分散性を有するシングルモードイメージ光ファイバ
   と、 該光ファイバの前記出射端より出射する前記光を第２の
   結像面に結像せしめる第２の結像光学系と、 該第２の結像面に設けられた２次元光検出器および該２
   次元光検出器の出力信号を時系列的に分割して検出する
   検出手段からなる２次元分光検出手段とを備えてなるこ
   とを特徴とする分光ファイバースコープ。
2. 【請求項２】 前記検出手段が、前記２次元光検出器の
   出力信号を時系列的に分割せしめる光検出器駆動手段
   と、該分割して得られた２次元光検出器の出力信号を記
   憶する記憶手段とからなることを特徴とする請求項１記
   載の分光ファイバースコープ。
3. 【請求項３】 前記検出手段が、前記２次元光検出器の
   出力信号の波形を計測する波形計測手段と、該波形計測
   手段により計測された出力信号を時系列的に分割せしめ
   る信号処理手段とからなることを特徴とする請求項１記
   載の分光ファイバースコープ。
4. 【請求項４】 前記検出手段が、前記第２の結像光学系
   と前記第２の結像面との間に設けられ、所定の信号に基
   づいて、前記第２の結像光学系により結像された前記光
   の前記２次元光検出器への通過を許容する開位置と通過
   を阻止する閉位置との間を移動するシャッタ手段と、該
   シャッタ手段に前記所定の信号を出力するシャッタ開閉
   手段と、該シャッタ手段が開位置にあるときに前記２次
   元光検出器に検出された前記出力信号を記憶する記憶手
   段とからなることを特徴とする請求項１記載の分光ファ
   イバースコープ。