JP4261216B2

JP4261216B2 - 走査型共焦点プローブ

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Publication number: JP4261216B2
Application number: JP2003046626A
Authority: JP
Inventors: 純ホジェリオ水野
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004258142A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、体腔内の生体組織の断層像を高倍率で観察することができる走査型共焦点プローブであって、特にプローブ側面から生体組織を観察する側視タイプの走査型共焦点プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、精密診断検査で生体組織の検査を行う際には、切断用の鉗子などの処置具を用いて検査対象となる生体組織の一部を採取した後、体外において検査を行っていた。そのため、診断時間が長くなり、被検者に対して迅速に治療を行うことができなかった。
【０００３】
近年、生体組織の断層像を観察することができる共焦点プローブ装置が広く普及している。共焦点プローブ装置は、共焦点顕微鏡で利用されているマイクロ機械加工された小型の共焦点用のプローブを先端に備える。該共焦点プローブ装置はプローブ内部に設けられた走査ミラーによってレーザ光を観察対象で走査させることにより、２次元または３次元の観察画像を得る。このような装置としては、例えば、下記の特許文献１または特許文献２に開示される。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０３２７２０号公報（第３〜５項、第１〜５図）
【特許文献２】
特許第３０５２１５０号公報（第３、４項、第１図）
【０００５】
上記従来の共焦点プローブ装置のプローブ内において、走査ミラーは、シリコン基板などの半導体材料を所定形状に切り出すことにより形成される空洞部に実装されている。そして該走査ミラーを実装した基板は、基板取り付け部などによってプローブ内壁に取り付けられている。従って、プローブの組立作業における工程数が増加し、かつ各工程も複雑化してしまう。特に、走査ミラーは、他のプローブ内の光学系との関係上、高精度な位置決めが要求されるが、空洞部に高精度で位置決めしつつ実装する工程は極めて困難である。さらに上記基板取り付け部は、構造上、光軸に対して走査ミラーより外側（プローブ内壁側）に設けられる。そのため、プローブ全体が大型化したり、径が太くなったりするという欠点も有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記の事情に鑑み、走査ミラーの位置決め作業を含めた組立工程が簡略化することができ、かつ小型化、細径化された側視タイプの走査型共焦点プローブを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る走査型共焦点プローブは、体腔内への挿入方向と略直交する方向に光源からの光束を照射することにより体腔内の生体組織を観察する側視タイプの走査型共焦点プローブであって、互いに直交する光束入射端面と光束射出端面と、光束入射端面と光束射出端面のどちらとなす角も略４５°である偏光分離面と、偏光分離面と略４５°の角をなし、偏光分離面を介した光束が入射する所定の面と、を備え、光源からの光束の入射方向に対して偏光分離面が略４５°傾くように配設される直方体形状の偏光ビームスプリッタと、所定の面に配設され、光束の偏光状態を変える偏光手段と、偏光手段上に実装され、該偏光手段透過後の光束を前記生体組織上で走査する走査手段と、光束射出端面に設けられ、前記光束を前記体腔内の生体組織に集光させる集光手段と、を有し、光源からの光束は、光束入射端面、偏向分離面、偏光手段を介して走査手段に入射し、該走査手段で偏向された後、集光手段から射出されることを特徴とする。
【０００８】
光源からの光束の光路中に側視用に該光束を導光する偏光ビームスプリッタを配設することにより、光路として使用するスペースと走査手段を配設するスペースとを兼用できる。そのため、プローブの外形状である筐体を小さくすることができ、プローブの小型化、細径化を実現することができる。
【０００９】
集光手段としては、上記偏光ビームスプリッタにおける光束射出端面に回折面を設ければ、省スペース化が図れて好ましい（請求項２）。
【００１０】
また、走査手段は、上記集光手段に生体組織側から平行光束を入射させたときに焦点を結ぶ位置に配設されることが望ましい（請求項３）。これにより、走査手段と集光手段がテレセントリックな関係になり、光束が被観察部位である生体組織に直角に入射する。従って、光量損失を抑えてより明るく精細な画像を観察することができる。
【００１１】
請求項４に記載の走査型共焦点プローブによれば、走査手段は、光束を第一の方向および該第一の方向と直交する第二の方向に走査する２軸走査ミラーを有することが望ましい。
【００１２】
光源からの光がｓ偏光であるときには、光束射出端面と平行な面を上記所定の面とすればよい。また、光源からの光がｐ偏光であるときには、光束射出端面と直交する面を上記所定の面とすればよい。このように走査手段を偏光ビームスプリッタのいずれかの面に実装することにより、走査手段と偏光ビームスプリッタ間の相対的な位置決めが容易にかつ高い精度をもって実行される。これにより、プローブの製造および組立工程の簡略化を図ることができる。
【００１３】
請求項７に記載の発明によれば、偏光ビームスプリッタは、略正六面体形状に成形することができる。また、上記偏光手段はλ／４波長板である（請求項８）。
【００１４】
また、請求項９に記載の上記走査型共焦点プローブは、集光手段の物体側焦点位置と該物体側焦点位置からの光束が入射するシングルモード光ファイバの端面とが共役の位置にあることを特徴とする。すなわち、コア径の小さいシングルモード光ファイバの端面を集光手段の物体側焦点位置と共役の位置に配設することによって、該光ファイバは、共焦点光学系に用いられるピンホールの機能と、共焦点光学系によって得られた観察像をプロセッサなどの外部装置に伝送する機能とを兼ね備えることが可能となる。
【００１５】
また、上記いずれかに記載の走査型共焦点プローブを備えた共焦点内視鏡装置は、生体組織を照射する光源と、走査型共焦点プローブから伝送される該生体組織の反射光に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部とから構成することができる（請求項１０）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の走査型共焦点プローブ装置５００の概略構成を示す図である。走査型共焦点プローブ装置５００は、走査型共焦点プローブ１００と、プロセッサ３００と、モニタ４００から構成される。
【００１７】
術者は、走査型共焦点プローブ１００を図示しない内視鏡の鉗子チャンネルなどに挿通し、このプローブを介して体腔内の観察像を得ることができる。プローブによって得られた観察像は、プロセッサ３００によって画像処理が施され、モニタ４００に表示される。
【００１８】
プロセッサ３００は、レーザ光源３１０と、カップラ３２０と、受光素子３３０と、ＣＰＵ３４０と、画像処理回路３５０と、操作パネル３６０と、から構成される。
【００１９】
レーザ光源３１０は、光源部とブリュスター窓を有する。ブリュスター窓は、光源部から発振される光束が後述の偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離膜に対してｓ偏光の光束となるように配置されている。
【００２０】
なお、レーザ光源３１０は、発振波長６３２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを発振する。ここで共焦点光学系に使用するレーザ光源は波長が短いほど高い分解能を得ることができる。すなわちレーザ光源３１０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザに限定されることなく、例えば短波長のＡｒ^＋レーザでもよい。
【００２１】
レーザ光源３１０より発振した光束は、光分岐器であるカップラ３２０を介して、走査型共焦点プローブ１００に導光される。
【００２２】
プローブ１００は、偏波保存ファイバ１１０と、ＧＲＩＮレンズ（またはコリメートレンズ）１２０と、偏光ビームスプリッタ１３０と、マイクロミラー１４０と、λ／４波長板１５０と、ケーブル１６０と、を備える。偏波保存ファイバ１１０、ＧＲＩＮレンズ１２０、偏光ビームスプリッタ１３０は、予め所定形状に成型されたプローブ１００の内壁に沿って設置、固定されている。従って、極めて容易に、かつ高い精度を持って各部材間の相対的な位置決めが行われる。なおプローブ１００は、光源３１０からの光束を体腔内への挿入方向と略直交する方向に照射する、すなわちプローブ側面から被観察部位を観察する側視タイプである。
【００２３】
プローブ１００は、ケーブル１６０によってプロセッサ３００に電気的かつ光学的に接続される。偏波保存ファイバ１１０は、単一のモードを伝送するシングルモードファイバである。偏波保存ファイバ１１０は、ケーブル１６０のプロセッサ３００側端部からケーブル１６０内を通ってプローブ１００内部に進入するように配設されている。つまり偏波保存ファイバ１１０は、プロセッサ３００から出力された光束をＧＲＩＮレンズ１２０に向けて伝送する。なお、ケーブル１６０内において、偏波保存ファイバ１１０は、ジャケット１６０ａに被覆されている。
【００２４】
ＧＲＩＮレンズ１２０は、屈折率がその媒体の内部で勾配を有する光学材料から成形されたレンズで、コリメータレンズとして機能する。すなわち、偏波保存ファイバ１１０から射出された光束は、ＧＲＩＮレンズ１２０に入射し、平行光束となって、偏光ビームスプリッタ１３０に向けて射出される。ＧＲＩＮレンズ１２０から射出された平行光束は、面１３０ａを介して偏光ビームスプリッタ１３０に入射角０°で入射する。なお、本明細書では、偏光ビームスプリッタ１３０の面のうち、光源３１０からの光束が入射する面１３０ａを、便宜上、光束入射端面という。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ１３０は、入射する光束の光路を直角に折り曲げる導光手段として設けられている。偏光ビームスプリッタ１３０は、底面が直角二等辺三角形の二つの直角プリズムを各斜面同士を貼り合わせた略正六面体形状を有している。偏光ビームスプリッタ１３０の貼り合わせ面１３０ｂは偏光膜が施されており、偏光分離面として機能する。偏光ビームスプリッタ１３０は、偏光分離面１３０ｂが光束入射端面１３０ａを介して入射する光束の光路に対して４５度の角度を成すように配設されている。なお、偏光ビームスプリッタ１３０は、ＢＫ７や合成石英などの硝材によって成形されている。
【００２６】
偏光分離面１３０ｂは、直線偏光のうちｓ偏光を反射して、ｐ偏光を透過する特性を有する。従って、光束入射端面１３０ａを介して入射する光束（ｓ偏光）は、偏光分離面１３０ｂで反射し、面１３０ｃに導かれる。このときの反射角は４５°である。
【００２７】
面１３０ｃは、光束入射端面１３０ａと直交し、かつ偏光分離面１３０ｂと４５°で交わる。面１３０ｃは、λ／４波長板１５０が配設されている。λ／４波長板１５０は、直線偏光の光束を円偏光の光束に変換し、円偏光の光束を直線偏光の光束に変換する。
【００２８】
λ／４波長板１５０にはマイクロミラー１４０が実装される。マイクロミラー１４０は、ミラー部（不図示）とミラー部を回動自在に保持する支持基台（不図示）とからなる。マイクロミラー１４０は、該支持基台をλ／４波長板１５０に接合することにより偏光ビームスプリッタ１３０に実装される。マイクロミラー１４０は、ＣＰＵ３４０の制御のもと、ミラー部が回動することにより、入射光束をＸ方向およびＸ方向と直交するＹ方向に対して同時に走査する。つまり、本実施形態で使用するマイクロミラー１４０は、２軸走査型である。なお、Ｘ方向、Ｙ方向とは、後述する対物レンズ１５０の光軸と直交する方向である。Ｘ方向とＹ方向によって規定される面は、被観察部位１０の表面と略一致する。
【００２９】
このように偏光ビームスプリッタ１３０は、入射する光束の光路を折り曲げるためだけでなく、λ／４波長板１５０やマイクロミラー１４０を実装する実装手段としても機能する。上記のとおり、偏光ビームスプリッタ１３０はプローブ１００の内壁に設置、固定することにより他の光学部材との相対的な位置決めも高い精度をもって行われた状態にある。従って、λ／４波長板１５０やマイクロミラー１４０は、偏光ビームスプリッタ１４０の面１３０ｃに配設されると同時に位置決めがおこなわれることになる。よって、プローブ１００の製造にかかる負担を抑えることができる。
【００３０】
面１３０ｃに入射したｓ偏光の光束は、λ／４波長板１９０によって円偏光状態の光束に変換され、マイクロミラー１４０に導かれる。マイクロミラー１４０に導かれた円偏光の平行光束は、マイクロミラー１４０によって偏向され、再びλ／４波長板１９０を透過することによりｐ偏光状態の平行光束となる。偏光分離面１３０ｂは、前述したようにｐ偏光を透過させる特性を有するため、λ／４波長板１９０を透過したｐ偏光の平行光束は、偏光分離面１３０ｂを透過して面１３０ｄに導かれる。なお、本明細書では、偏光ビームスプリッタ１３０の面のうち、マイクロミラー１４０を介した平行光束が射出される面１３０ｄを、便宜上、光束射出端面という。
【００３１】
光束射出端面１３０ｄには、回折面Ｄが設けられている。面１３０ｄに入射した平行光束は、回折面Ｄによって集光され、被観察部位１０の表面部または断層部において焦点を結ぶ。なお、透過性ある平行平面板１７０は、光束射出端面１３０ｃおよび該端面１３０ｃに設けた回折面Ｄを保護するために設けられている。
【００３２】
本実施形態では、焦点面である被観察部位１０に対して略直角に光が入射するように、マイクロミラー１４０は回折面Ｄとテレセントリックな関係になる位置に配設される。具体的には、被観察部位１０側から回折面Ｄに平行光束を入射させたときの焦点位置マイクロミラー１４０を配設する。これにより、被観察部位１０に光束が斜入射することがなくなり、光量損失が低減される。
【００３３】
被観察部位１０において集光した光束は、被観察部位１０において反射し、対物レンズ１５０に入射する。そして対物レンズ１５０によって平行光束となり、上述と同様の光路を経て、ＧＲＩＮレンズ１２０に入射する。
【００３４】
偏波保存ファイバ１１０は上述したようにシングルモードファイバである。そのため、使用波長によって異なるもののコア径は約３〜９μｍ程度と非常に小さい。また、偏波保存ファイバ１１０の端面１１０ａは、対物レンズ１５０の物体側焦点位置と共役の位置に配設されている。すなわちＧＲＩＮレンズ１２０に入射した光束のうち、被観察部位１０において焦点を結んだ光束の反射光のみが、端面１１０ａにおいて焦点を結ぶ。端面１１０ａにおいて焦点を結んだ光束は、偏波保存ファイバ１１０に入射し、カップラ３２０を介して受光素子３３０に受光される。
【００３５】
なお、回折面Ｄにおける物体側焦点面からの反射光以外の被観察部位１０の反射光は、端面１１０ａにおいて焦点を結ばず、偏波保存ファイバ１１０に入射しないため、プロセッサ３００に伝送されない。すなわち、本実施形態において偏波保存ファイバ１１０の端面１１０ａは、対物レンズ１５０の物体側焦点面からの反射光以外の光を遮断するピンホールの機能と走査型共焦点プローブ１００が有する光学系によって得られた観察像をプロセッサ３００に伝送する機能とを兼ね備えている。
【００３６】
受光素子３３０によって受光された光束は、光電変換されて画像信号となり、画像処理回路３５０に出力される。画像処理回路３５０は、この画像信号に所定の画像処理を行い、コンポジットビデオ信号や、ＲＧＢ信号、Ｓビデオ信号など、種々のビデオ信号に変換する。そして、これらのビデオ信号がモニタ４００に出力されると、モニタ上に、走査型共焦点プローブ１００によって生成された対物レンズ１５０の焦点面における被観察部位１０の観察画像が表示される。
【００３７】
術者は、プロセッサ３００が備える操作パネル３６０を操作することにより、マイクロミラー１４０の走査方向や走査角度等の画像に関する設定を行う。例えば、マイクロミラー１４０の走査角度（すなわち、被観察部位１０において走査されるレーザ光の範囲）を変えることによって、容易にその観察画像の視野を変えることができる。走査角度が小さい場合は小さい領域の観察画像となり、走査角度が大きい場合は大きな領域の観察画像となる。
【００３８】
術者によって操作パネル３６０に入力された情報は、ＣＰＵ３５０に送信される。ＣＰＵ３５０は、送信された情報に基づき、マイクロミラー１４０を駆動制御する。マイクロミラー１４０が駆動すると、上述したようにレーザ光は、被観察部位１０に対してＸ方向またはＹ方向に走査する。そして走査された部位の反射光が観察像としてプロセッサ３００に送信される。これにより、術者は、走査型共焦点プローブ１００によって得られる画像を選択的に観察することができる。
【００３９】
上記実施形態の構成によれば、偏光ビームスプリッタ１３０が位置ズレを起こした場合でも、ＧＲＩＮレンズ１２０と回折面Ｄとの光軸のズレが発生しないため、装置の信頼性が向上する。
【００４０】
以上が本発明の実施形態である。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく様々な範囲で変形が可能である。
【００４１】
例えば、上記実施形態では、光源３１０からの光束は偏光ビームスプリッタ１３０の偏光分離面に対するｓ偏光であるが、ｐ偏光を使用することもできる。この場合、偏光ビームスプリッタ１３０において、面１３０ｃではなく、光束入射端面１３０ａに対向する面１３０ｅにλ／４波長板１５０およびマイクロミラー１４０を設ければよい。
【００４２】
また、偏光ビームスプリッタ１３０の構成は上述した構成（略正六面体形状）に限定されるものではなく、光束入射端面と光束射出端面が直交し、光束入射端面または光束射出端面となす角が４５°となるように偏光分離面が設けられた直方体形状であればよい。
【００４３】
また、本実施形態において被観察部位１０を照射する光源にはＨｅ−Ｎｅレーザを使用しているが、近紫外線を含む短波長の光を照射する超高圧水銀ランプを光源に使用してもよい。この場合、被観察部位１０より発せられる蛍光を観察することが可能となる。
【００４４】
さらに、上記実施形態では、偏光ビームスプリッタ１３０の光束射出端面１３０ｄに集光手段としての回折面Ｄを一体形成しているが、他の集光手段を用いても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。例えば、偏光ビームスプリッタ１３０の光束射出端面から射出された光束の光路上に対物レンズを設けても良い。このとき、該対物レンズは偏光ビームスプリッタ１３０と同一の材料によって作られたものを使用するとよい。これにより、各光学素子の膨張率の差が減少する。その結果、プローブが受ける温度変化が大きい場合でも、膨張率の差による各光学素子間の位置関係のズレ量を抑えることができ、温度特性が向上する。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の走査型共焦点プローブおよび走査型共焦点プローブ装置は、光路として使用するスペースに、導光手段であって、かつ走査手段が実装される偏光ビームスプリッタを配設する。従って、光路として使用するスペースと走査手段の実装スペースとを兼用することが可能となり、省スペース化を図ることができる。これにより、プローブの外形状である筐体を小さくすることができ、プローブの細径化を容易に行うことが可能となる。
【００４６】
また、上記偏光ビームスプリッタの面に走査手段を実装することにより、各光学部材間の位置決めが容易かつ高い精度をもって実行される。従って、プローブの組立工程数の減少や組立時間の短縮などを図ることが可能となり、コスト削減に繋がる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の走査型共焦点プローブ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００走査型共焦点プローブ
１３０偏光ビームスプリッタ
３００プロセッサ
５００走査型共焦点プローブ装置

Claims

体腔内への挿入方向と略直交する方向に光源からの光束を照射することにより前記体腔内の生体組織を観察する側視タイプの走査型共焦点プローブであって、
互いに直交する光束入射端面と光束射出端面と、前記光束入射端面と前記光束射出端面のどちらとなす角も略４５°である偏光分離面と、前記偏光分離面と略４５°の角をなし、前記偏光分離面を介した前記光束が入射する所定の面と、を備え、前記光源からの光束の入射方向に対して前記偏光分離面が略４５°傾くように配設される直方体形状の偏光ビームスプリッタと、
前記所定の面に配設され、入射する光束の偏光状態を変える偏光手段と、
前記偏光手段に取り付けられ、該偏光手段透過後の光束を前記生体組織上で走査する走査手段と、
前記光束射出端面に設けられ、前記光束を前記体腔内の生体組織に集光させる集光手段と、を有し、
前記光源からの光束は、前記光束入射端面、前記偏向分離面、前記偏光手段を介して前記走査手段に入射し、該走査手段で偏向された後、前記集光手段から射出されること、を特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１に記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記集光手段は回折面であることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１または請求項２に記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記走査手段は、前記集光手段に前記生体組織側から平行光束を入射させたときに焦点を結ぶ位置に配設されることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記走査手段は、前記光束を第一の方向および該第一の方向と直交する第二の方向に走査する２軸走査ミラーを有することを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記所定の面と前記光束射出端面は平行であることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記所定の面と前記光束射出端面は直交することを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項６のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記偏光ビームスプリッタは、略正六面体であることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項７のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記偏光手段は、λ／４波長板であることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項８のいずれかに記載の走査型共焦点プローブにおいて、
前記集光手段の物体側焦点位置と該物体側焦点位置からの光束が入射するシングルモード光ファイバの端面とが共役の位置にあることを特徴とする走査型共焦点プローブ。
請求項１から請求項９のいずれかに記載の走査型共焦点プローブと、
生体組織を照明する光束を照射する光源と、
前記走査型共焦点プローブによって伝送される前記生体組織の反射光に基づいて画像信号を生成する画像信号生成部と、を有することを特徴とする走査型共焦点プローブ装置。