JP3410469B2 - 光ファイバー束を用いる光モード混合器の改良 - Google Patents

光ファイバー束を用いる光モード混合器の改良

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は一般に光ファイバーによる光伝送に関する。
より特定すれば、本発明は高次のモード伝送形態を減少
または排除することが望ましいような光ファイバーによ
る光伝送に関する。
背景技術 光を伝送するための透光性光ファイバーの用途は従来
技術で周知である。今日、光ファイバーケーブルやファ
イバーの用途と使用は日常生活の事実上あらゆる局面に
達している。光ファイバーは小型かつ可撓性で電磁場に
対して感受性がなく、従来の金属導体に比べると非常に
大量の情報を伝送できる。その結果、電気通信、コンピ
ュータ、医療機器を含む広範囲のシステムへ光ファイバ
ーを取り入れる方向で相当な開発が進んでいる。
一般に、光ケーブルはガラスまたはプラスチックで被
覆した芯材よりなり、芯材それ自体もガラスまたはプラ
スチック製で、比較的均一な、口径の小さいケーブルま
たはファイバー束に組み込まれる。市場でもっとも一般
的に入手可能なファイバーは多モード光ファイバーで、
これは低次及び高次のモードの混ざった光を同時に伝播
する（高次及び低次モードはファイバー内で光が伝播す
る角度を指す）。単一モードファイバーも多モードファ
イバーに関連したモード間の干渉が望ましくないような
用途で利用可能である。
ある種の用途ではファイバーの構造または寸法および
外部要因例えば微屈曲またはスプライス（中継）などの
外部要因が高次モード伝送に於ける減衰量の増大の原因
となることがある。さらに、モード分布はこれらの内部
及び外部要因によりファイバーの長さ方向で変化するこ
とがある。
そのため、伝送読み値に対する外部要因の影響を補償
し減少させることを目的として、該技術における初期の
当業者は多モード及び単一モードファイバーで正確な伝
送測定を実行した。これ以外にも、外部要因例えば光放
出条件、屈曲または寸法の変化などを伴う多モード伝播
作用は、モード分布を平衡状態または安定状態の分布に
到達させることにより補償することができる。この分布
は、特定ファイバー内のモード結合の強度によって決ま
るある程度のファイバー長にわたって伝播が行われた後
で自動的に発生するのが一般的である。平衡状態では、
モード分布は変化せずに伝播する。その結果、ファイバ
ーの減衰及び拡散作用は定常的または決まり切った値と
考えられる。
残念ながら、このようにして平衡モード分布に到達さ
せるためには、ファイバーの長さを数キロメートルにす
る必要がある。これは電気通信の条件に対しては好適で
あっても、このような長さのファイバーを空間的に制約
された環境内で使用するためにパッケージ化するのは事
実上不可能である。従って、平衡モード分布をもっと短
いファイバー長で得る代替法が多数従来技術に於て開発
されてきた。
例えば、モード平衡は、出力モード分布が問題とする
ファイバーの安定状態モード分布に対応しているような
光源を使用することでモード平衡を実現することができ
る。この技術はビームの開口数を変化させるような光学
的構造を用いることで実現されている（開口数NAはレン
ズのｆ値と同様のファイバーの集光力の単位で、［NA＝
1/2f＃］である）。つまり、入射光ビームにファイバー
の平衡分布開口数と等しい角度幅を持たせ、ファイバー
の入射面に於て光源のスポット寸法を調節することで、
ファイバーの断面内で光学倍率分布を平衡モード平衡と
適合させることが実現できる。これは実用的には実現が
非常に難しい。
これ以外のモード混合またはモード平滑化技術はほぼ
１メートルまたはそれ以下のファイバー長でモード間結
合を急速に誘導してしまう。これは一般に、ファイバー
の被覆または芯材の変形を含むファイバーの機械強度不
足、または方形またはその他の非対称断面のファイバー
構造を適用することによっている。これら代替法はそれ
ぞれ１つまたはそれ以上の欠点を抱えている。例えば、
ファイバーの機械強度不足または変形があると安定した
再現性のある光学特性を得る事は難しい。さらに、用途
によっては長さ１メートルのファイバーでさえもパッケ
ージ化するのが困難で、ファイバーをスプール（糸巻
き）へ巻き取る必要がある。光ファイバー被覆材及び／
または芯材の正弦波状または点変形によるモード混合器
は経時的に不安定なことがあり、変形の大きさと形状の
変化に対して非常に敏感である。つまり、熱的及び機械
的変動により、再現性のない伝送特性が出現することが
ある。非対称ファイバー断面によるモード混合器は物理
的寸法がコンパクトだが円形対称から非対称の分布への
モード場の分布の変換によって導入される損失が大き
く、さらには、非対称ファイバーは製造が困難で高価で
もある。
このような問題点は、医療機器に於いて本質的な物理
的寸法の制約のため該機器に於ける光ファイバーの使用
を考慮すると特によくわかる。医療機器及び医療器具で
は、光ファイバーを使えば余分な切開を加えたり組織を
損傷したりせずに人体の臓器や内部構造を照明するのに
好適であることから、近年光ファイバーケーブルの利点
を取り入れてきた。さらに、光ファイバーケーブルを光
の伝送に用いる関節鏡手術やレーザー処置が受け入れら
れ、実用化されてきた。最近では、外科処置以前に、処
置中に、または処置後に、人体内の臓器やその機能を監
視するために光ファイバーを用いるような装置が開発さ
れている。この種の監視装置には、体内を循環している
血液の酸素含量を測定して心機能を監視するオキシメー
タが含まれる。
一般的に言って、最新のオキシメータは大きな動脈ま
たは静脈から血流内へ挿入するカテーテルまたはプロー
ブを使用する。オキシメータ・プローブの先端からは光
ファイバーケーブル経由で光を供給する。赤血球で反射
した光は検出器へ接続してありプローブ内の隣接する光
ファイバーケーブルを通して検出する。生理食塩水溶液
またはその他の抗凝固剤溶液をオキシメータの端部から
放出してオキシメータの作業端付近での血液凝固または
凝集の形成を防止するようになっている。
オキシメータまたは反射光の強度を測定するその他の
装置のさらなる要件は、伝送光の正確にわかっている強
度と検出光の強度とを比較できるようにするため基準を
設ける必要があることである。これを実現するには、光
カプラーまたはスプリッタを用いる。このようなカプラ
ーはいくつかの段階的屈折率を有する柱状レンズ（NSG
アメリカ社（NSG Ameria,Inc.）の製造する「SELFOC
（登録商標）」レンズまたは同等品など）を用いて実現
することができる。
オキシメータやデータを生成するために反射光強度に
依存するその他の光ファイバー装置は、放射した光が特
定モードまたはモード分布にあるとき、良好に機能する
ことが分かっている。このような多くのオキシメータで
は、光反射ファイバーに於ける光の望ましいモード分布
は、ほぼガウス分布を示し光放射ファイバーの光軸に沿
って対称に分散する遠場光強度空間分布が得られるよう
な分布である。
このような出力光の放射パターンは光ファイバーの開
口数を測定するため従来技術で一般的に使用されている
装置と同様の遠場走査装置で測定する。
望ましくないモードを排除するための従来技術に於け
る方法は、単一モード光ファイバーケーブルを使用する
こと、または非常に長い多モード光ファイバーケーブル
を通して光信号を伝送することである。いずれの方法で
も、正確なモード分布を実現するためには、光源と中間
にある全ての光学系との精密な位置合わせが必要であ
る。
これらの従来技術の装置は比較的効率的だが、多数の
顕著な欠点を伴っている。数キロメートルに及ぶ長さの
多モード光ファイバーケーブルを作動可能な装置内に便
利にパッケージ化することは事実上不可能である。その
結果、もっと短いコイル状の光ファイバーケーブルを使
用できるようにとの妥協を行なっている。パッケージ化
の問題に加えて、精密な光軸合わせの要件がこれらの装
置に大幅な出費と製造の複雑化を追加しており、デリケ
ートな光ファイバー部材を繰り返し検査し位置合わせす
るには非常に熟練したオペレータが必要である。単一モ
ード光ファイバーケーブルはLEDなどの一般的な光源か
らの有用な光学出力量を結合させるのが難しいため多く
の用途で不適当だったり、さらには非常に高価になる傾
向にあり、光ファイバーケーブルの急峻な屈曲には耐え
られない。
前述のように、これらの問題は光ケーブルを用いて情
報を伝送する事実上全ての装置に一般的であると言え、
オキシメータやこれに関連する装置に限ったことではな
い。
従って、これらの欠点が経済的に克服し得るとすれば
光ファイバーケーブル技術に於ける大幅な進歩であると
言える。このような開発は光ファイバー装置の精度とコ
スト効率を改善し、有用性や応答性を大幅に増大させる
であろう。本発明はこのような進歩の１つである。
従って、本発明の目的は望ましくない光伝送モードを
効率的に減衰させるまたは排除するモード混合器を提供
することである。
本発明のさらなる目的は光軸の位置合わせや外部要因
に対する光学系の感受性を減少させるモード混合器を提
供することである。
本発明のさらなる目的は迅速に、効率的に、経済的に
光学系に組み込むことができ、最小限の容積で結合し得
るようなモード混合器を提供することである。
発明の要約 前述の及びその他の目的は、長手方向に平行に位置合
わせした複数の小口径光ファイバーを含み、各々の口径
が光ビームを伝送するために使用する光ファイバーケー
ブルの口径より小さい、本発明のすばらしく簡単なモー
ド混合器により実現されるものである。本発明のモード
混合器は既存の装置へ簡単に組み込むことができ、極端
に長く、厄介な光ファイバーケーブル式モード混合器区
間や、単一モード光ファイバーケーブルの非対称断面光
導体、または望ましくない高次の光伝送モードを除去す
るために感受性が高い機械的変形式モード混合器の必要
性を効率的に排除するものである。その結果、本発明は
光学系内部の光学部材の位置合わせに対する感受性を大
幅に減少している。
感受性の減少は、従来技術の装置では耐えられないよ
うな機械的ショック、振動、コネクタの位置合わせ、お
よび熱的変化に対する感受性を減少させる。よって、本
発明のモード混合器を組み込んだ装置は製造及び較正が
非常に容易になり大幅に安価であって、作動中も非常に
強靱である。
本発明のその他の特徴ならびに利点は、例として本発
明の原理を図示してある添付の図面と併せて典型的な実
施例を説明する以下の詳細な説明を熟読することで一層
明らかとなろう。
図面の簡単な説明 図１はオキシメーターと一体型の従来技術による典型
的な光ファイバー式心カテーテルの平面図である。
図２は本発明のモード混合器を使用した一体型オキシ
メータの光ファイバー心カテーテルの平面図である。
図３は図２の平面３−３に沿って見た本発明のモード
混合器の断面の断面図である。
図４は典型的な独立型EMA構造の断面図である。
図５は従来技術の段階的屈折率柱状レンズの平面図で
これの光伝送特性を示す。
図６は本発明のモード混合器を組み込んだ段階的屈折
率柱状レンズの平面図である。
図７は従来技術の装置による光放射強度の遠場放射走
査のプロットであって、光ファイバーケーブルに対する
光放射角度の関数として異なる２つの波長が拡散する強
度を示している。
図８は本発明の光放射強度の遠場放射走査のプロット
であって、光ファイバーケーブルに対する光放射角度の
関数として異なる２つの光の波長が拡散する強度を示し
ている。
図９は本発明のモード混合器を組み込んだ光ファイバ
ーケーブルの断面図である。
発明の詳細な説明 本発明は光ファイバーケーブルを用いる事実上のあら
ゆる装置に広く応用することが可能だが、本発明の特徴
及び利点は典型的な心カテーテル式オキシメータを例に
とれば容易に示すことができる。従って、本発明の範囲
を制限することなく、この例にしたがって本発明の典型
的な実施例を説明する。
特に図面を参照すると、図１には参照番号12で一般的
に示した従来技術のオキシメータ一体型の心カテーテル
光フイバーの例が図示してある。例示した実施例に於
て、この装置は赤色光と赤外光の両方を供給する光源20
を含む匡体14からなる。その他の特定の光波長ならびに
単一波長を本発明で使用し得ることは当業者には理解さ
れよう。光源20からの光出力は光ファイバーケーブル22
を通ってモード混合器24へ伝送される。通常の光ファイ
バー「ケーブル」は保護ジャケットを含むが、本発明の
目的ではケーブル22がジャケットで被覆されていてもま
たは被覆されていなくともよい。モード混合器24は前述
のように多モード光ファイバーケーブルのコイルとして
図示してある。当業者には理解されるように、この従来
技術のコイルは装置からの高次モード光伝送を効率的に
排除するのに必要とされるような数キロメートルの全長
より大幅に短く、装置を使いにくくせずに高次モード伝
送を減少させるために、光ファイバーケーブルを可能な
限り装置内に組み込むための妥協案でもある。それで
も、モード混合器24は限られた範囲で高次モードの光伝
送を減衰または排除することができる。
高次モードの光というのは、光ファイバーケーブルの
壁に対してほぼ直角に近い角度で反射するような光であ
る。制御されていない高次モードの分布が存在すると測
定システムの精度を歪曲する傾向にあるため、装置から
このような高次モードの光伝送を排除するのが望まし
い。さらに、高次モードの分布は低次モード伝送に比べ
光学系部材の位置合わせの不揃いに一層敏感である。
光はモード混合器24から出て、段階的屈折率柱状レン
ズ（GRINレンズ）光カプラー26へ導入される。典型的な
GRINレンズには、日本板硝子株式会社（Nippon Sheet G
lass Company,Ltd.）の子会社であるNSGアメリカ社（NS
G America,Inc.）で製造している「SELFOC（登録商
標）」レンズなどのレンズを含む。GRINレンズはモード
混合器24からの出力光をリレーレンズ28へ光学的に結合
させるもので、光ファイバーケーブル30を通して供給さ
れた光の一部の反射を基準光検出器32へ供給する。この
ようにすれば連続的に基準光を設定することが可能にな
る。この基準光の大きさはモード混合器24から入射する
光の強さに比例する。
光はレンズ28を通して着脱自在な光ファイバーケーブ
ル36へ結合される。さらに光はカテーテルまたはケーブ
ル束16内部に含まれる光ファイバーケーブル40を通して
導かれる。光はカテーテルの遠位端へ運ばれここで光フ
ァイバーケーブル40の端部を通して血流内に放射され
る。反射して戻ってきた光はケーブル束16内の別の光フ
ァイバーケーブル42を通して匡体14内に配置した光検出
器34へと逆方向に運ばれる。
光ファイバー式オキシメータのもととなる原理は、選
択した波長の光をカテーテル束内の一方の多モード光フ
ァイバー（図１の光ファイバーケーブル40）を通してカ
テーテル先端18付近を流れる血液へ伝送すると、光は血
液の成分であるヘモグロビンに吸収され、さらに血球に
よって拡散される。反射光は第２の光ファイバー（光フ
ァイバーケーブル42）を通して光検出器34へ伝送する。
オキシヘモグロビンとヘモグロビンでは選択した波長で
の光吸収が異なるため、反射光を分析すれば酸素飽和度
を求めることができる。
本発明の好適実施例に於て、光源20は赤色光LED（波
長660ナノメートル）と赤外光LED（波長800ナノメート
ル）を含み、光は従来技術で公知のようにダイクロイッ
ク・ビームスプリッタとマイクロボール式レンズ（図示
していない）を通して直径500μｍのPMMA型プラスチッ
ク製光ファイバーの芯へ投写される。プラスチック製光
ファイバーケーブルは典型的な開口数0.47を有している
ので赤外線（IR）ビームを全て集光し赤色光LEDの開口
数の高い光を分離する。モード混合器24のコイル状のフ
ァイバーは長さが約20センチメートルで、赤色光と赤外
光を65％近くまで重複させた出力ビームを生成する。必
要とされる95％またはそれ以上の重複を実現するために
は、赤外光を拡散させなければならず、また開口数の大
きな（即ち高次モードの）赤色光部分を排除する必要が
ある。これはモード混合器24のファイバーを曲率半径の
小さな（直径0.5インチ（1.27cm））ループに数回巻く
ことによって従来技術で実現される。
赤色光と赤外光の開口数を制限するために使用する最
後の装置はGRINレンズで、これは１対１の結像装置とし
て機能する。得られる出力の開口数重複領域は92％ない
し100％の範囲であり、出力ビームをカテーテル内の光
ファイバー40へ結合させる時点で、カテーテル先端18か
らの赤色光及び赤外光の遠場走査は図７に図示した遠場
放射走査により図示してあるように十分受け入れられる
重複を示す。
２つの光の波長の間の重複が完全ではなく走査パター
ンが山と谷を示していることは当業者には理解されよ
う。つまり従来技術のオキシメータの精度は所望の精度
より劣ることがあり、もっと重要なことは、オキシメー
タ内部の部材の光軸位置合わせに対して極度に敏感であ
ることである。従来技術で公知のように、重複の小さな
光学モジュールは異なる光に対して異なる結合効率を有
する。この差はカテーテル先端部を取り囲む媒体によっ
て変化する。従って、光学モジュールでの重複を良好に
するにはオキシメータの精度を上げることが肝要であ
る。
このような従来技術の装置に於て許容し得る重複を実
現するために必須のパラメータは原材料の属性以外にも
各種の光学部材の配置及び位置合わせが含まれる。これ
は大幅な製造コストの上昇と経時的な再現性または動作
の安定性の減少を招き、各々の装置を較正し調整するの
に高度に熟練したオペレータが必要となる。だか、これ
らの欠点があるにも関わらず、従来技術の装置は高価で
あっても一般的に成功を収めてきた。
図示した実施例に於て血中の酸素量は光源20から供給
され基準光検出器32と反射光検出器34で測定した赤色信
号と赤外信号の比率で求めている。測定した情報は処理
装置（図示していない）へ電子的に転送して、これの出
力を％酸素飽和度として表現する。
カテーテル末端18の開口部44は生食水または抗凝固剤
を注入して、カテーテル走査の妨げとなるカテーテル先
端部18での凝固を防止する手段を提供する。開口部44か
ら放出した液体は開口部46を通って導入される。同様に
して各種の薬剤を導入することも可能である。
前述のように、図１に図示した従来技術の装置の部材
は、図７に図示したような重複が小さく望ましくない光
のモード分布が発生するのを回避するため、注意深く位
置合わせしなければならない。各々の光学素子の配置な
らびに光ファイバーケーブル22、30にかかる張力、およ
び強度が全ての要素に対して鋭敏なためモード混合器24
内でどの程度まで緊密に光ファイバーケーブルを巻き上
げるかということを含めて、光学素子のそれぞれの精密
な光軸合わせを行なう。
これとは対照的に、図２に図示したように、本発明で
は光ファイバーケーブル50を用いて光源20からの光出力
を筐体内のGRINレンズアセンブリー26へ伝送し、GRINレ
ンズアセンブリーの出力をモード混合器52を通して伝送
することで、望ましくない高次モードの光伝送を減衰ま
たは排除している。つまり、所望するなら、従来技術の
モード混合器24のかさばるコイルおよびこれに関連した
パッケージ化と位置合わせの問題を装置から排除するこ
とができる。光はモード混合器52から出て着脱自在なケ
ーブル束またはカテーテル16内の光ファイバーケーブル
を通り、従来技術の装置の場合と同様の従来の方法でカ
テーテル末端部18へ伝送される。
モード混合器52は比較的直径の小さな複数の光ファイ
バーを相互に平行に並べて形成してある。複数の光ファ
イバー52の断面の例60を図３に図示した。例示した断面
60は多数の選択的壁面外吸収構造（EMA）62を含む。EMA
構造62は迷入光またはファイバー間のクロストーク（漏
話）を排除するように機能する。本発明ではこのような
EMA構造が高次モード光伝送の減衰または排除を助けて
いるが本発明の実施において必須なものではない。EMA
構造は図４に図示したように黒色ガラスの層66などの各
ファイバーへの塗装または被覆の形態を取ることができ
る。また、ファイバー束内の各々のファイバー周辺の隙
間に少量の黒色ガラスまたはプラスチックを入れること
によって、または参照番号62で図示したように数本の伝
送用ファイバーを黒いファイバーで置換した統計的EMA
構造の形態で、別のEMA構造を製造することも可能であ
る。
実施例のモード混合器ファイバー束52内部の個々の光
ファイバー64、62の直径は、直径の小さい個々の光ファ
イバー各々の直径がモード混合器に光学的に結合した光
ファイバーケーブルの直径より小さい場合には大幅に変
化することがある。本発明の範囲内に含まれるものとし
て、それぞれが約３μｍから60μｍまたはそれ以上の範
囲にわたる直径を有するようなファイバーを使用するこ
とを想定しているが、本発明のコヒーレント（位相の揃
った）な光ファイバー束モード混合器は、約６μｍから
８μｍの範囲にある容易に入手できかつ低コストの標準
的ファイバーから形成するのが好適である。光をカテー
テル18へ伝送する実施例の光ファイバーケーブル36の直
径は約250μｍである。つまり、光をGRINレンズから光
ファイバーケーブル36へ供給する実施例のモード混合器
52では６〜８μｍの直径のファイバーを約10,000本使用
している。
モード混合器52の長さは本実施例では約1/4インチ
（0.635cm）である。もっと長いまたはもっと短いモー
ド混合器を本発明の範囲内で使用可能であることは理解
されよう。伝送しようとする光の約10波長分より長いモ
ード混合器なら望ましくない高次モード伝送をうまく減
衰または排除するであろうと考えられる。高次モード光
伝送を十分に減衰する正確な波長数はわかっていない
が、1/4インチ（0.635cm）より長さが短くてもほとんど
の場合で好ましい結果が得られるはずである。本発明が
作動する商業的環境内では、十分に寸法の大きな部材を
使用して、必要な場合には用手的に組み立てられるよう
にし、オペレータまたは技術者が方向を十分に観察して
固定できるようにするのが望ましい。つまり長さが1/4
インチ（0.635cm）より短いモード混合器だと取り扱い
や組み立てが困難なことがある。モード混合器それ自体
は在来の光ファイバー材料と技術を用いて製造でき、こ
れにはアメリカ合衆国マサチューセッツ州サウスブリッ
ジのインコム社（Incom,Inc.of Southbridge,Massachus
etts）から入手可能な光ファイバーフェースプレートな
どの光ファイバーフェースプレート製作用に開発された
材料や技術が含まれる。
本発明の光モード混合器の効率は図７と図８に図示し
た遠場放射走査光強度の比較図にもっともよく図示され
ている。第１に図７を参照すると、２つの光源からの光
の遠場強度プロファイルが図示してあり、赤色光を一般
に実線で表わし、赤外光を破線で表わしてある。図７か
ら、従来技術のモード混合器は２つの光源からの光の空
間的分離ならびに45゜の角度で顕著な強度低下を起こし
ていることが明らかである。これとは対照的に、本発明
のモード混合器では、図８に図示したように、２つの伝
送光信号の間での差が非常に小さくピークの低下が見ら
れず、光強度の分布がスムーズな類ガウス分布になって
いる。これは本発明を用いたオキシメータの精度と再現
性双方を大幅に向上させるものである。その結果、本発
明では製造、較正、使用が簡単かつ経済的なオキシメー
タを作ることができる。
モード混合器からGRINレンズへの装着部を図６に図示
した。図５に図示した従来技術の実施例では、GRINレン
ズ70はほとんど長さが等しい２つの部材72と74から構成
されている。入力側部材72は図１に図示したモード混合
器の出力に対応する光ファイバーケーブル22を経由して
光を部材72の光学的空洞部分へ結合させている。光が部
材72の光学空洞内に入ると、光の一部は光ファイバーケ
ーブル30へ反射して戻り、図１及び図２に図示したよう
に反射光が基準光検出器32へ運ばれる。光学部材72と光
学部材74の間には約0.003インチ（0.00762cm）ほどの間
隙があり、これは光学部材72、74とは異なる反射率を有
する物質で占められている。光りは光学素子72からこの
間隙をとおって光学素子74へ直接結合する。この光は光
学素子28へ運ばれ、従来技術ではこの光学素子を単純な
レンズとして、光ファイバーケーブル36内に伝送する光
を合焦させている。これにより３群３枚のレンズ構成と
称する一連の３つのレンズ素子72、74、78が構成され
る。
これとは対照的に、図６に示すように、本発明の特徴
を成すGRINレンズは従来技術の単純出力レンズ28の位置
に光ファイバー束からなるモード混合器52を組み込んで
いる。従来技術の実施例に見られるように、モード混合
器52は光学素子74にエポテック301などの光学セメント
で接合するのが望ましく、光ファイバー束の出力は幅が
約0.003インチ（0.00762cm）の空気間隙を通って光ファ
イバーケーブル36へ伝送される。
従って、単に本発明のモード混合器で既存の従来技術
による光学素子を置き換えるだけで、単一モードファイ
バーまたは長く厄介な多モード光ファイバーによる減衰
器を排除していることが容易に理解されよう。さらに、
従来技術のGRINレンズでは光学素子74に対するレンズ28
の位置が装置の性能に影響を及ぼすことがあった。より
特定すれば、レンズ28は光学素子74の出力焦点に対して
実質的に光軸を合わせておく必要があった。その結果、
製造が難しくなり多数の装置が破棄されてきた。これと
対照的に、本発明の光ファイバー束を用いるモード混合
器は光学素子74に対する位置決めに対して感受性が低
い。さらに、本発明の光ファイバーによるモード混合器
を組み込むことで光放出条件または光学部材の光軸合わ
せの不完全さに対する装置の感受性を大幅に減少させて
いる。つまり、装置の製造が大幅に簡単かつ安価に行な
えるようになる。さらに、従来技術のモード混合器24と
これに関連した光軸合わせの問題を排除できるため、装
置の製造及びその調整は一層簡略化されることになる。
付加的な利点として、余分な素子と非常に重大な調節の
問題を排除したことで、ショック、熱的膨張、および濫
用に対する鋭敏さが排除され、装置の有用性及び操作性
が拡大する。これにより装置の信頼性及び耐用寿命が向
上する。
本発明のモード混合器は、図１のモード混合器24など
の従来技術の部材を排除することなく使用できる点も重
要である。従来技術のモード混合器は冗長機能であるか
もしれないが、最小限の変更だけで既存の装置設計に適
合させることが可能であるため、本発明を使用するため
に装置をまったく新しく設計する必要がない。
前述のように、本発明のモード混合器は広範囲にわた
る光ファイバー装置に対しても容易に応用することがで
きる。例えば、図９に図示してあるように、光ファイバ
ー束モード混合器94を光ファイバーケーブル90と92（ジ
ャケットで被覆してあっても被覆していなくともよい）
の間に挿入することで、光ファイバー伝送回線に本発明
を応用することができる。光ファイバーケーブル90の直
径は光ファイバーケーブル92の直径とまったく同じでな
くともよいが、光ファイバーモード混合器94は１つまた
はそれ以上の光ファイバー96、98、100で構成し、各々
が光ファイバーケーブル90または光ファイバーケーブル
92の直径のどちらかより小さい直径となるようにする。
光ファイバーモード混合器94にEMA構造（図示してい
ない）を含めることで、高次モード光伝送をさらに減衰
または排除するように成してもよい。光ファイバーモー
ド混合器94の直径が小さいファイバーの各々の直径は、
ケーブル90、92の直径より十分に小さくして、光ファイ
バーモード混合器94が高次モード光伝送を減衰または排
除できるようにする。例えば、１つの実施例において、
光ファイバーケーブル90を直径250μｍとし、光光ファ
イバーケーブル92も同様としてある。光ファイバーモー
ド混合器94は同等の直径を有しており、各々が直径６〜
８ミクロンと直径が小さい複数の光ファイバーを有す
る。光ファイバーモード混合器94内部の複数のファイバ
ーは図３に図示したように配置すると、光ファイバーモ
ード混合器94内におよそ10,000本のファイバーが含まれ
ることになる。
最後に、本明細書で開示した本発明の実施例は本発明
の原理を図示するものであることが理解されるべきであ
る。本発明の範囲内でほかの変更を用いることも可能で
あるから、本発明は心カテーテルまたはオキシメータと
の組み合わせに於ける用途にのみ制限されるものではな
い。従って、本発明は本明細書に於て図示し説明した実
施例に制限されるものではない。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミノット マーク エム. アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92656、アリソ ヴィエジョ、フェーサ ント レーン 23 (56)参考文献 特開 昭54−58451（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−20342（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−127743（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−141923（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−112737（ＪＰ，Ａ) 米国特許4932747（ＵＳ，Ａ) 米国特許5012809（ＵＳ，Ａ) 米国特許4623248（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 6/00 - 6/54 G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 A61B 5/06 - 5/22

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも１つの固有波長の光を伝送する
    第１の光ファイバーケーブルと、 前記第１の光ファイバーケーブルと光伝送通信するよう
    に光学的に結合された光カプラーと、 前記光カプラーと光伝送通信するように結合された、複
    数の略平行な光ファイバーを含む光ファイバー束と、 前記光ファイバー束と光伝送通信するように光学的に結
    合された第２の光ファイバーケーブルと を含む、光ファイバー装置であって、 前記光ファイバー束は、前記光カプラーと前記第２の光
    ファイバーケーブルとの間を伝送される光のモードを混
    合する、光ファイバー装置。
  2. 【請求項２】前記複数の略平行な光ファイバーは、規則
    的なパターンで配置されている、請求項１に記載の光フ
    ァイバー装置。
  3. 【請求項３】前記規則的なパターンは、最密な格子状で
    ある、請求項２に記載の光ファイバー装置。
  4. 【請求項４】複数の壁面外吸収構造をさらに含む、請求
    項１に記載の光ファイバー装置。
  5. 【請求項５】前記複数の略平行な光ファイバーの各々
    は、約３μｍから60μｍの直径を有する、請求項１に記
    載の光ファイバー装置。
  6. 【請求項６】前記複数の略平行な光ファイバーの各々
    は、約３μｍから10μｍの直径を有する、請求項１に記
    載の光ファイバー装置。
  7. 【請求項７】前記光ファイバー束は、少なくとも３本の
    略平行な光ファイバーを含む、請求項１に光ファイバー
    装置。
  8. 【請求項８】前記光ファイバー束は、少なくとも1000本
    の略平行な光ファイバーを含む、請求項１に記載の光フ
    ァイバー装置。
  9. 【請求項９】前記光ファイバー束は、前記固有波長の整
    数倍に等しい長さを有する、請求項１に記載の光ファイ
    バー装置。
  10. 【請求項１０】前記整数倍は少なくとも10倍である、請
    求項９に記載の光ファイバー装置。
  11. 【請求項１１】前記光ファイバー束は、前記第２の光フ
    ァイバケーブルと光伝送通信するように接着剤により光
    学的に結合されている、請求項１に記載の光ファイバー
    装置。
  12. 【請求項１２】光を伝送して光結像する方法であって、 少なくとも１つの固有波長の光を第１の光ファイバーを
    介して伝送するステップと、 光カプラーを用いて前記光を分割するステップと、 複数の略平行な光ファイバーを含む光ファイバー束を用
    いて、前記光カプラーと第２の光ファイバーケーブルと
    の間で伝送される光のモードを光学的に混合するステッ
    プと を包含する、方法。
  13. 【請求項１３】前記光ファイバー束は、少なくとも３本
    の略平行な光ファイバーを含む、請求項12に記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】前記複数の略平行な光ファイバーの各々
    は、約３μｍから60μｍの直径を有する、請求項12に記
    載の方法。
  15. 【請求項１５】前記光ファイバー束と前記第２の光ファ
    イバーとの間に光透過性接着剤を形成するステップをさ
    らに包含する、請求項12に記載の方法。
  16. 【請求項１６】低コスト高効率のカテーテルを用いる光
    ファイバー式オキシメータであって、 固有波長を有する光出力を発生するための少なくとも１
    つの光源と、 前記少なくとも１つの光源に光ファイバーケーブルを介
    して光学的に結合された、前記光出力を伝送出力と基準
    出力とに分割するための光カプラーと、 前記光カプラーと光学的に結合された、前記基準出力を
    検出する手段と、 モード分布を変更して、前記光出力からの高次モード光
    を排除するためのコヒーレントな光ファバー束であっ
    て、複数の略平行な光ファイバーから構成され、前記光
    カプラーと光学的に結合されている、コヒーレントな光
    ファイバー束と、 前記コヒーレントな光ファイバー束から光ファイバー心
    カテーテルへ前記光出力を伝送する手段と を含む、光ファイバー式オキシメータ。
  17. 【請求項１７】前記コヒーレントな光ファイバー束を構
    成する前記複数の略平行な光ファイバーは、規則的なパ
    ターンで配置されている、請求光16に記載の光ファイバ
    ー式オキシメータ。
  18. 【請求項１８】前記規則的なパターンは、最密な格子状
    である、請求項17に記載の光ファイバー式オキシメー
    タ。
  19. 【請求項１９】前記光ファイバー束は、複数の壁面外吸
    収構造をさらに含む、請求項16に記載の光ファイバー式
    オキシメータ。
  20. 【請求項２０】前記複数の略平行な光ファイバーの各々
    は、約３μｍから60μｍの直径を有する、請求項16に記
    載の光ファイバー式オキシメータ。
  21. 【請求項２１】前記コヒーレントな光ファイバー束は、
    少なくとも３本の略平行な光ファイバーを含む、請求港
    16に記載の光ファイバー式オキシメータ。
  22. 【請求項２２】前記コヒーレントな光ファイバー束は、
    前記光出力の前記固有波長の少なくとも10倍に等しい長
    さを有する、請求項16に記載の光ファイバー式オキシメ
    ータ。
  23. 【請求項２３】前記光カプラーは、第２の光カプラーに
    光学的に結合されている、請求項１に記載の光ファイバ
    ー装置。
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