JP4338412B2 - 共焦点プローブおよび共焦点顕微鏡 - Google Patents
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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共焦点顕微鏡の先端部に設けられる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顕微鏡が広く普及している。共焦点顕微鏡は、マイクロ機械加工された小型の共焦点用の共焦点プローブを先端に備える。該共焦点プローブを被検者の体内に挿入することにより、被観察部位を直接観察する。従来の共焦点顕微鏡としては、例えば、下記の特許文献１に開示される。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００２−５０５４３４号公報
【０００５】
特許文献１に開示される該共焦点顕微鏡は、マルチスペクトル光源から照射された所定幅の波長を有する光を、共焦点プローブ内部に設けられた回折格子によって回折角の異なる複数の回折光に分離する。そして、各回折光を被観察部位の複数の位置を照射することにより、観察画像を得る。
【０００６】
上記特許文献１は、回折格子を使用するため、回折時に光量の損失が多く、また分離された複数の回折光のパワーが一様ではない。従って、場所によって明るさが異なり高精細な画像を観察することができないおそれがある。また、共焦点顕微鏡では、被観察部位を照明した光を照明時と同一の経路を通ってプロセッサに戻す必要がある。つまり、被観察部位に入射する光は、該被観察部位に対して直角に入射（入射角０°）する必要がある。従って、従来の顕微鏡では、特許文献１の図１に例示されるように、対物レンズ射出後の各回折光の光路と回折格子入射前の光の光路とを平行に配設することができない。そのため、共焦点プローブ全体が大型化したり、径が太くなったりして装置本体への実装が困難になるという欠点も有している。さらに共焦点プローブの大型化や太径化は、術者の円滑かつ迅速な操作の妨げになったり被検者に無用の苦痛を与えかねない。
【０００７】
【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、光量の損失を抑えて、被観察部位に入射する光がどれも略均一なパワーを有するようにするとともに、さらには小型化、細径化された共焦点プローブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る共焦点プローブは、光源部から照射された所定幅の波長を有する光束を共焦点プローブ内に導光する光ファイバと、光ファイバの端面から射出される光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、該コリメートレンズを介して入射する平行光束を波長に応じて複数の分散光に分散させる分散プリズムと、被観察部位上に形成される分散光の各点像が第一の方向に並ぶように複数の分散光を集光させる集光手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
光源からの光束の光路中に分散プリズムを配設することにより、光量の損失や各分散光の光量の不均一を防ぎ、明るく高精細な画像を撮像することができる。
【００１０】
なお、共焦点プローブを構成する各光学部材は、同一の材料から構成されることが望ましい。これにより、共焦点プローブ内に配設された各光学素子の膨張率の差が減少する。その結果、共焦点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可能となり、温度特性が向上する。
【００１１】
本発明は、コリメートレンズの光軸、対物レンズの光軸、および光ファイバから射出される光束の光路が略平行な関係にあり、かつ該光路はコリメートレンズの光軸に対して所定量ずれた位置にあることを特徴とする。このよう各光学部材を配設することにより、共焦点プローブは細径化や小型化され、術中における被検者の負担を軽減することができる。
【００１２】
本発明の共焦点プローブによれば、コリメートレンズは、該コリメートレンズから前記光ファイバの端面までの距離、および該コリメートレンズから分散手段における光束の入射位置までの距離が、該コリメートレンズの焦点距離と略等しくなる位置に配設される。
【００１３】
本発明の共焦点プローブによれば、分散手段は分散プリズムであり、コリメートレンズの焦点距離をｆＣＬ、コリメートレンズ射出後の光束が分散プリズムに入射するときの入射角をθｉｎ、集光手段の光軸上を通る基準分散光の波長をλ０、該基準分散光の分散プリズムからの射出角をθｏｕｔ（λ０）、分散プリズムにおける光束入射端面と光束射出端面とがなす角をθα、とすると、上記コリメートレンズの光軸と、光ファイバから射出される光束の主光線の光路とのずれ量Δｇは、以下の式（７）、
【数２】
によって表すことができる。
【００１４】
さらに本発明の共焦点プローブによれば、集光手段は、該集光手段から分散プリズムにおける各分散光の射出位置までの距離が、該集光手段の焦点距離と略等しくなる位置に配設される。このように配設することにより、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。なお、上記の分散プリズムとして、三角プリズムやウェッジプリズムを使用することができる。
【００１５】
また本発明の共焦点プローブによれば、分散プリズムにかえて回折格子を使用しても、コリメートレンズの光軸、集光手段の光軸、および光ファイバから射出される光束の主光線の光路が略平行な関係にあり、かつ該光路がコリメートレンズの光軸に対して所定量ずれた位置にあるように構成することができる。すなわち、本発明の共焦点プローブによれば、該プローブをより細径化したり小型化したりすることができる。
【００１６】
なお、コリメートレンズは、該コリメートレンズから光ファイバの端面までの距離、および該コリメートレンズから回折格子における光束の入射位置までの距離が、該コリメートレンズの焦点距離と略等しくなる位置に配設されることが望ましい。また、本発明の共焦点プローブにおける集光手段は、該集光手段から分散プリズムにおける各分散光の射出位置までの距離が、該集光手段の焦点距離と略等しくなる位置に配設されることが望ましい。
【００１７】
複数の分散光が第一の方向に集光することによって形成されたスポットを、被観察部位において、第一の方向と集光手段の光軸方向との双方に直交する第二の方向に走査することにより該被観察部位が撮像される。走査手段としては、共焦点プローブ全体を第二の方向にシフトさせることも可能ではあるが、集光手段を第二の方向に移動自在に保持する駆動手段をさらに有することが好ましい。
【００１８】
また、上記共焦点プローブは、生体組織で反射した反射光のうち、集光手段の物体側焦点面からの反射光以外の反射光を除去するよう配設されたピンホールを有する。そしてこのピンホールは、集光手段の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で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。
【００１９】
また、上記いずれかに記載の共焦点プローブを備えた共焦点顕微鏡は、所定幅の波長を有する光束を照射するマルチスペクトル光源と、被観察部位で反射した複数の反射光の波長を測定する測定装置と、測定装置の測定結果に基づいて被観察部位の画像を生成する画像生成手段とから構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の共焦点顕微鏡５００の概略構成を示す図である。共焦点顕微鏡５００は、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。共焦点プローブ１００は、ケーブルＫ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。
【００２１】
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、スペクトロメータ３７０と、参照光生成部３８０と、から構成される。共焦点顕微鏡５００を使用した場合、被観察部位は、以下のようにして撮像される。
【００２２】
レーザ光源３１０は、所定幅の波長を有する光束を発振するマルチスペクトル光源である。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、共焦点プローブ１００および参照光生成部３８０に導光される。参照光生成部３８０は、図示しない変調器とミラーを備え、入射する光束を所定の波長の光（参照光）にする。
【００２３】
共焦点プローブ１００から伝送される被観察部位での反射光、および参照光生成部３８０で生成された参照光は、受光素子３３０によって受光される。スペクトロメータ３７０は、参照光を用いて受光素子が受光する光の波長を測定し、測定結果を画像信号として画像処理回路３５０に送信する。画像処理回路３５０は、スペクトロメータ３７０から送信される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、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４００上に、被観察部位１０の観察画像が表示される。
【００２４】
なお術者は、操作パネル３６０を操作することにより、画像に関する様々な設定を行うことができる。術者によって操作パネル３６０に入力された情報は、ＣＰＵ３４０に送信される。ＣＰＵ３４０は、操作パネル３６０から送信された情報に対応して、共焦点プローブ１００やプロセッサ３００を駆動制御する。これにより、術者は、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。
【００２５】
以下、本発明の主たる特徴である共焦点プローブ１００について詳説する。図２は、共焦点プローブ１００の拡大図である。図２に示すように、共焦点プローブ１００は、光源３１０からの光束が入射する順に、光ファイバ１１０と、コリメートレンズ１２０と、分散プリズムとしての三角プリズム１３０と、対物レンズ１４０と、ウインドウ１５０と、を備える。対物レンズ１４０は、レンズシフト機構１６０によって所定方向に移動自在に保持されている。
【００２６】
図３は、図２に示す共焦点プローブ１００を構成する光学部材のみを抽出して示す図である。また図４は、三角プリズム１３０と対物レンズ１４０を通過する光束を説明するための説明図である。なお、図４については、説明の便宜上、共焦点プローブ１００に導光される光束の主光線の軌跡のみ描いている。光ファイバ１１０を介して本実施形態の共焦点プローブ１００に導かれた光源３１０からの光束は、光ファイバ端面１１０ａから射出され、コリメートレンズ１２０に入射する。光ファイバ１１０とコリメートレンズ１２０は、光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の主光線の光路がコリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと略平行になるような位置関係にある。また、光ファイバ１１０は、端面１１０ａからコリメートレンズ１２０までの距離がコリメートレンズ１２０の焦点距離ｆＣＬとなるように配設される。従って、コリメートレンズ１２０から射出される光束は、平行光束となる。
【００２７】
コリメートレンズ１２０から射出された平行光束は、三角プリズム１３０に入射する。三角プリズム１３０は、コリメートレンズからの平行光束が入射する端面（光束入射端面）１３０ａと光束が射出される端面（光束射出端面）１３０ｂを有する。三角プリズム１３０は、光束入射端面１３０ａにおける平行光束の主光線が入射する位置からコリメートレンズ１２０までの距離がコリメートレンズ１２０の焦点距離ｆＣＬとなるように配設される。なお、三角プリズム１３０は、コリメートレンズ１２０射出後の光束が三角プリズム１３０に対して所定の入射角θｉｎをもって入射するように共焦点プローブ１００内において所定量傾けられて配設されている。
【００２８】
三角プリズム１３０は、入射光束を光束入射端面１３０ａと光束射出端面１３０ｂで波長に応じて複数の分散光に分散する。ここで図４に示すように、三角プリズム１３０における光束入射端面１３０ａと光束射出端面１３０ｂとがなす角（プリズム角）をθα、所定の波長λの光束に対する三角プリズム１３０の屈折率をｎとすると、所定の波長λの光束の射出角θｏｕｔ（λ）は、以下の式（１）によって求められる。
【数３】
【００２９】
式（１）より、各分散光の射出角θｏｕｔは、該分散光の波長λに依存していることがわかる。つまり、各分散光は、それぞれ波長に応じた射出角θｏｕｔ（λ）で光束射出端面１３０ｂから射出される。
【００３０】
対物レンズ１４０は、光軸ＡＸＯＬが光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の光路やコリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと平行になるように配設される。このように、光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の光路と、コリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと、対物レンズ１４０の光軸ＡＸＯＬとが、全て平行な関係になるように各光学部材を配設することにより、共焦点プローブの小型化、細径化が図れる。また各分散光の中心に位置する分散光を基準分散光とすると、対物レンズ１４０は、該基準分散光が該レンズ１４０の光軸を通るように配設される。ここで、対物レンズ１４０の光軸上を通る基準分散光の波長をλ０とすると、該基準分散光の三角プリズム１３０からの射出角θｏｕｔ（λ０）は、以下の式（２）によって表される。
【数４】
但し、θｏｕｔ（λｍｉｎ）は、三角プリズムに入射する平行光束のうち、最も短い波長λｍｉｎの分散光の射出角を、
θｏｕｔ（λｍａｘ）は、三角プリズムに入射する平行光束のうち、最も長い波長λｍｉｎの分散光の射出角を、それぞれ表す。
【００３１】
つまり、複数の分散光は、基準分散光の射出角θｏｕｔ（λ０）を基準として射出角θｏｕｔ（λｍｉｎ）から射出角θｏｕｔ（λｍａｘ）のあいだの角度範囲で一次元的に広がりつつ三角プリズム１３０から射出され、対物レンズ１４０に向かう。
【００３２】
なお対物レンズ１４０は、該光軸ＡＸＯＬが光束射出端面１３０ｂと交わる点からちょうど焦点距離ｆＯＬとなる位置に配設される。従って、対物レンズ１４０を透過した各分散光は、ウインドウ１５０を介して生体組織に対して略直角に入射する。
【００３３】
三角プリズム１３０から射出された複数の分散光は、対物レンズ１４０を介して、被観察部位１０である生体組織上に集光しスポットを形成する。三角プリズム１３０からの射出角が各分散光によって異なるため、生体組織上において複数のスポットはそれぞれ異なる場所に形成される。具体的には、各スポットは、生体組織上においてＸ方向に沿った線分上に並ぶ。なお、Ｘ方向とは、対物レンズ１４０の光軸と直交する所定の方向である。
【００３４】
ここで、対物レンズ１４０の光軸ＡＸＯＬ上を進む基準分散光が形成するスポットの位置を基準位置とし、波長λの分散光が形成するスポットの基準位置からＸ方向の距離をｄ（λ）とすると、距離ｄ（λ）は、以下の式（３）によって求められる。
【数５】
【００３５】
また、生体組織１０において、形成される複数のスポットによって照明されるＸ方向の照明幅をＤとすると、照明幅Ｄは、以下の式（４）によって求められる。
【数６】
但し、θＦは、三角プリズム１３０から射出される分散光が広がる角度を表す。具体的には角度θＦは、以下の式（５）によって表される。
【数７】
従って、式（４）は、以下の式（６）に書き換えられる。
【数８】
【００３６】
上記のように各分散光が生体組織に入射している状態において、レンズシフト機構１６０が対物レンズ１４０を該レンズの光軸およびＸ方向に直交するＹ方向（図２中、紙面に直交する方向）に平行移動させる。これにより、各分散光は、Ｘ方向とＹ方向によって規定される面上（つまり生体組織上）を走査する。なお、レンズシフト機構１６０は、プロセッサ３００のＣＰＵによって駆動制御される。
【００３７】
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１４０に入射する。上述と同様の光路を経て、コリメートレンズ１２０に入射する。
【００３８】
光ファイバ１１０はシングルモードファイバである。従って、コア径は約３〜９μｍ程度と非常に小さい。また、上記のとおり、光ファイバ１１０の端面１１０ａは、対物レンズ１４０の焦点位置と共役の位置に配設されている。すなわちコリメートレンズ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分散光の反射光のみが、端面１１０ａにおいて焦点を結ぶ。つまり、端面１１０ａは、ピンホールとして機能する。このようにコリメートレンズ１２０の焦点面にピンホール（開口絞り）としての端面１１０ａが配設されるため、共焦点プローブ内の光学系は、テレセントリック光学系となっており、光量の損失が極めて少なくなっている。端面１１０ａにおいて焦点を結んだ光束は、光ファイバ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。
【００３９】
なお、対物レンズ１４０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、光ファイバ１１０に入射しないため、プロセッサ３００に伝送されない。つまり、端面１１０ａと生体組織１０とが共焦点となっている。
【００４０】
共焦点プローブ１００内に入射した光束が上記のように導かれるために、光ファイバ１１０は、該光ファイバ１１０から射出される光束の主光線の光路と、コリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬとがずれ量Δｇだけずれるように配設される。該ずれ量Δｇは、以下の式（７）によって表される。
【数９】
【００４１】
以上が共焦点プローブ１００の構成に関する説明である。なお、共焦点プローブ１００を、それぞれ異なる材料を用いて成形された光学部材によって構成すると、温度変化によって各部材の膨張率に差が発生してしまう。このように温度特性が悪いと、各光学部材間の位置関係にズレが発生し、観察対象を走査するレーザ光の光路を予期しない方向にずれてしまう。よって、必要とする観察画像の取得が難しくなる。
【００４２】
そこで、上記実施形態では、コリメートレンズ１２０、三角プリズム１３０、対物レンズ１４０を、同一の光学材料を用いて成形する。このように、共焦点プローブ１００内に配設される各光学部材を同一の光学材料製のもので統一することにより、上述した共焦点プローブ１００周囲の温度変化による悪影響を受けることがなくなる。
【００４３】
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。
【００４４】
図５は、共焦点プローブ１００の変形例を示す図である。図２に示す共焦点プローブ１００は、分散プリズムとして三角プリズムの代わりにウェッジプリズム１３１を使用している。ウェッジプリズム１３１は、光ファイバ１１０からの光束が略直角に入射する（つまり入射角θｉｎ＝０となる）ように配設される。なお、ウェッジプリズム１３１を使用した場合、該ウェッジプリズム１３１によって生成された分散光の射出角は、以下の式（８）のように表され、三角プリズム１３０を透過した光束と同様、波長に依存していることがわかる。
【数１０】
但し、θＷは、ウェッジプリズム１３１における光束入射端面１３１ａと光束射出端面１３１ｂとがなす角度、つまりウェッジ角である。
【００４５】
また、上記実施形態では、光ファイバを介して共焦点プローブ１００に導かれる光束を分散する手段として三角プリズム等の分散プリズムを使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、各分散光の光量の損失等の影響がさほど影響しない仕様の顕微鏡機器等であれば、回折格子を分散手段として使用しても、本発明の目的の一つである共焦点プローブの細径化、小型化を実現することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明の共焦点プローブおよび共焦点顕微鏡は、共焦点プローブ内に導かれた光束を分散プリズムを用いて波長に応じて分散することにより、光量の損失や各分散光の光量の不均一を防ぎ、明るく高精細な被観察部位の画像を適用することができる。
【００４７】
また、光ファイバから射出される光源からの光束の光路をコリメートレンズの光軸所定量ずれた位置であってかつ該光軸と平行となるように、該光ファイバを配設することにより、共焦点プローブを構成する各光学部材を極めて効率よく配設することが可能となり、共焦点プローブの外形状である筐体を小さくすることができ、共焦点プローブの細径化を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の共焦点顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の共焦点プローブを表す図である。
【図３】本発明の共焦点プローブを構成する光学部材を表す図である。
【図４】実施形態の共焦点プローブ内にある三角プリズムと対物レンズ近傍を表す図である。
【図５】本発明の実施形態の共焦点プローブの変形例を表す図である。
【符号の説明】
１００ 共焦点プローブ
１３０ 分散プリズム
１３１ ウェッジプリズム
３００ プロセッサ
５００ 共焦点顕微鏡
【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共焦点顕微鏡の先端部に設けられる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顕微鏡が広く普及している。共焦点顕微鏡は、マイクロ機械加工された小型の共焦点用の共焦点プローブを先端に備える。該共焦点プローブを被検者の体内に挿入することにより、被観察部位を直接観察する。従来の共焦点顕微鏡としては、例えば、下記の特許文献１に開示される。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００２−５０５４３４号公報
【０００５】
特許文献１に開示される該共焦点顕微鏡は、マルチスペクトル光源から照射された所定幅の波長を有する光を、共焦点プローブ内部に設けられた回折格子によって回折角の異なる複数の回折光に分離する。そして、各回折光を被観察部位の複数の位置を照射することにより、観察画像を得る。
【０００６】
上記特許文献１は、回折格子を使用するため、回折時に光量の損失が多く、また分離された複数の回折光のパワーが一様ではない。従って、場所によって明るさが異なり高精細な画像を観察することができないおそれがある。また、共焦点顕微鏡では、被観察部位を照明した光を照明時と同一の経路を通ってプロセッサに戻す必要がある。つまり、被観察部位に入射する光は、該被観察部位に対して直角に入射（入射角０°）する必要がある。従って、従来の顕微鏡では、特許文献１の図１に例示されるように、対物レンズ射出後の各回折光の光路と回折格子入射前の光の光路とを平行に配設することができない。そのため、共焦点プローブ全体が大型化したり、径が太くなったりして装置本体への実装が困難になるという欠点も有している。さらに共焦点プローブの大型化や太径化は、術者の円滑かつ迅速な操作の妨げになったり被検者に無用の苦痛を与えかねない。
【０００７】
【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、光量の損失を抑えて、被観察部位に入射する光がどれも略均一なパワーを有するようにするとともに、さらには小型化、細径化された共焦点プローブを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る共焦点プローブは、光源部から照射された所定幅の波長を有する光束を共焦点プローブ内に導光する光ファイバと、光ファイバの端面から射出される光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、該コリメートレンズを介して入射する平行光束を波長に応じて複数の分散光に分散させる分散プリズムと、被観察部位上に形成される分散光の各点像が第一の方向に並ぶように複数の分散光を集光させる集光手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
光源からの光束の光路中に分散プリズムを配設することにより、光量の損失や各分散光の光量の不均一を防ぎ、明るく高精細な画像を撮像することができる。
【００１０】
なお、共焦点プローブを構成する各光学部材は、同一の材料から構成されることが望ましい。これにより、共焦点プローブ内に配設された各光学素子の膨張率の差が減少する。その結果、共焦点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可能となり、温度特性が向上する。
【００１１】
本発明は、コリメートレンズの光軸、対物レンズの光軸、および光ファイバから射出される光束の光路が略平行な関係にあり、かつ該光路はコリメートレンズの光軸に対して所定量ずれた位置にあることを特徴とする。このよう各光学部材を配設することにより、共焦点プローブは細径化や小型化され、術中における被検者の負担を軽減することができる。
【００１２】
本発明の共焦点プローブによれば、コリメートレンズは、該コリメートレンズから前記光ファイバの端面までの距離、および該コリメートレンズから分散手段における光束の入射位置までの距離が、該コリメートレンズの焦点距離と略等しくなる位置に配設される。
【００１３】
本発明の共焦点プローブによれば、分散手段は分散プリズムであり、コリメートレンズの焦点距離をｆＣＬ、コリメートレンズ射出後の光束が分散プリズムに入射するときの入射角をθｉｎ、集光手段の光軸上を通る基準分散光の波長をλ０、該基準分散光の分散プリズムからの射出角をθｏｕｔ（λ０）、分散プリズムにおける光束入射端面と光束射出端面とがなす角をθα、とすると、上記コリメートレンズの光軸と、光ファイバから射出される光束の主光線の光路とのずれ量Δｇは、以下の式（７）、
【数２】
【００１４】
さらに本発明の共焦点プローブによれば、集光手段は、該集光手段から分散プリズムにおける各分散光の射出位置までの距離が、該集光手段の焦点距離と略等しくなる位置に配設される。このように配設することにより、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。なお、上記の分散プリズムとして、三角プリズムやウェッジプリズムを使用することができる。
【００１５】
また本発明の共焦点プローブによれば、分散プリズムにかえて回折格子を使用しても、コリメートレンズの光軸、集光手段の光軸、および光ファイバから射出される光束の主光線の光路が略平行な関係にあり、かつ該光路がコリメートレンズの光軸に対して所定量ずれた位置にあるように構成することができる。すなわち、本発明の共焦点プローブによれば、該プローブをより細径化したり小型化したりすることができる。
【００１６】
なお、コリメートレンズは、該コリメートレンズから光ファイバの端面までの距離、および該コリメートレンズから回折格子における光束の入射位置までの距離が、該コリメートレンズの焦点距離と略等しくなる位置に配設されることが望ましい。また、本発明の共焦点プローブにおける集光手段は、該集光手段から分散プリズムにおける各分散光の射出位置までの距離が、該集光手段の焦点距離と略等しくなる位置に配設されることが望ましい。
【００１７】
複数の分散光が第一の方向に集光することによって形成されたスポットを、被観察部位において、第一の方向と集光手段の光軸方向との双方に直交する第二の方向に走査することにより該被観察部位が撮像される。走査手段としては、共焦点プローブ全体を第二の方向にシフトさせることも可能ではあるが、集光手段を第二の方向に移動自在に保持する駆動手段をさらに有することが好ましい。
【００１８】
また、上記共焦点プローブは、生体組織で反射した反射光のうち、集光手段の物体側焦点面からの反射光以外の反射光を除去するよう配設されたピンホールを有する。そしてこのピンホールは、集光手段の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で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。
【００１９】
また、上記いずれかに記載の共焦点プローブを備えた共焦点顕微鏡は、所定幅の波長を有する光束を照射するマルチスペクトル光源と、被観察部位で反射した複数の反射光の波長を測定する測定装置と、測定装置の測定結果に基づいて被観察部位の画像を生成する画像生成手段とから構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態の共焦点顕微鏡５００の概略構成を示す図である。共焦点顕微鏡５００は、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。共焦点プローブ１００は、ケーブルＫ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。
【００２１】
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、スペクトロメータ３７０と、参照光生成部３８０と、から構成される。共焦点顕微鏡５００を使用した場合、被観察部位は、以下のようにして撮像される。
【００２２】
レーザ光源３１０は、所定幅の波長を有する光束を発振するマルチスペクトル光源である。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、共焦点プローブ１００および参照光生成部３８０に導光される。参照光生成部３８０は、図示しない変調器とミラーを備え、入射する光束を所定の波長の光（参照光）にする。
【００２３】
共焦点プローブ１００から伝送される被観察部位での反射光、および参照光生成部３８０で生成された参照光は、受光素子３３０によって受光される。スペクトロメータ３７０は、参照光を用いて受光素子が受光する光の波長を測定し、測定結果を画像信号として画像処理回路３５０に送信する。画像処理回路３５０は、スペクトロメータ３７０から送信される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、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４００上に、被観察部位１０の観察画像が表示される。
【００２４】
なお術者は、操作パネル３６０を操作することにより、画像に関する様々な設定を行うことができる。術者によって操作パネル３６０に入力された情報は、ＣＰＵ３４０に送信される。ＣＰＵ３４０は、操作パネル３６０から送信された情報に対応して、共焦点プローブ１００やプロセッサ３００を駆動制御する。これにより、術者は、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。
【００２５】
以下、本発明の主たる特徴である共焦点プローブ１００について詳説する。図２は、共焦点プローブ１００の拡大図である。図２に示すように、共焦点プローブ１００は、光源３１０からの光束が入射する順に、光ファイバ１１０と、コリメートレンズ１２０と、分散プリズムとしての三角プリズム１３０と、対物レンズ１４０と、ウインドウ１５０と、を備える。対物レンズ１４０は、レンズシフト機構１６０によって所定方向に移動自在に保持されている。
【００２６】
図３は、図２に示す共焦点プローブ１００を構成する光学部材のみを抽出して示す図である。また図４は、三角プリズム１３０と対物レンズ１４０を通過する光束を説明するための説明図である。なお、図４については、説明の便宜上、共焦点プローブ１００に導光される光束の主光線の軌跡のみ描いている。光ファイバ１１０を介して本実施形態の共焦点プローブ１００に導かれた光源３１０からの光束は、光ファイバ端面１１０ａから射出され、コリメートレンズ１２０に入射する。光ファイバ１１０とコリメートレンズ１２０は、光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の主光線の光路がコリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと略平行になるような位置関係にある。また、光ファイバ１１０は、端面１１０ａからコリメートレンズ１２０までの距離がコリメートレンズ１２０の焦点距離ｆＣＬとなるように配設される。従って、コリメートレンズ１２０から射出される光束は、平行光束となる。
【００２７】
コリメートレンズ１２０から射出された平行光束は、三角プリズム１３０に入射する。三角プリズム１３０は、コリメートレンズからの平行光束が入射する端面（光束入射端面）１３０ａと光束が射出される端面（光束射出端面）１３０ｂを有する。三角プリズム１３０は、光束入射端面１３０ａにおける平行光束の主光線が入射する位置からコリメートレンズ１２０までの距離がコリメートレンズ１２０の焦点距離ｆＣＬとなるように配設される。なお、三角プリズム１３０は、コリメートレンズ１２０射出後の光束が三角プリズム１３０に対して所定の入射角θｉｎをもって入射するように共焦点プローブ１００内において所定量傾けられて配設されている。
【００２８】
三角プリズム１３０は、入射光束を光束入射端面１３０ａと光束射出端面１３０ｂで波長に応じて複数の分散光に分散する。ここで図４に示すように、三角プリズム１３０における光束入射端面１３０ａと光束射出端面１３０ｂとがなす角（プリズム角）をθα、所定の波長λの光束に対する三角プリズム１３０の屈折率をｎとすると、所定の波長λの光束の射出角θｏｕｔ（λ）は、以下の式（１）によって求められる。
【数３】
式（１）より、各分散光の射出角θｏｕｔは、該分散光の波長λに依存していることがわかる。つまり、各分散光は、それぞれ波長に応じた射出角θｏｕｔ（λ）で光束射出端面１３０ｂから射出される。
【００３０】
対物レンズ１４０は、光軸ＡＸＯＬが光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の光路やコリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと平行になるように配設される。このように、光ファイバ端面１１０ａからの射出光束の光路と、コリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬと、対物レンズ１４０の光軸ＡＸＯＬとが、全て平行な関係になるように各光学部材を配設することにより、共焦点プローブの小型化、細径化が図れる。また各分散光の中心に位置する分散光を基準分散光とすると、対物レンズ１４０は、該基準分散光が該レンズ１４０の光軸を通るように配設される。ここで、対物レンズ１４０の光軸上を通る基準分散光の波長をλ０とすると、該基準分散光の三角プリズム１３０からの射出角θｏｕｔ（λ０）は、以下の式（２）によって表される。
【数４】
θｏｕｔ（λｍａｘ）は、三角プリズムに入射する平行光束のうち、最も長い波長λｍｉｎの分散光の射出角を、それぞれ表す。
【００３１】
つまり、複数の分散光は、基準分散光の射出角θｏｕｔ（λ０）を基準として射出角θｏｕｔ（λｍｉｎ）から射出角θｏｕｔ（λｍａｘ）のあいだの角度範囲で一次元的に広がりつつ三角プリズム１３０から射出され、対物レンズ１４０に向かう。
【００３２】
なお対物レンズ１４０は、該光軸ＡＸＯＬが光束射出端面１３０ｂと交わる点からちょうど焦点距離ｆＯＬとなる位置に配設される。従って、対物レンズ１４０を透過した各分散光は、ウインドウ１５０を介して生体組織に対して略直角に入射する。
【００３３】
三角プリズム１３０から射出された複数の分散光は、対物レンズ１４０を介して、被観察部位１０である生体組織上に集光しスポットを形成する。三角プリズム１３０からの射出角が各分散光によって異なるため、生体組織上において複数のスポットはそれぞれ異なる場所に形成される。具体的には、各スポットは、生体組織上においてＸ方向に沿った線分上に並ぶ。なお、Ｘ方向とは、対物レンズ１４０の光軸と直交する所定の方向である。
【００３４】
ここで、対物レンズ１４０の光軸ＡＸＯＬ上を進む基準分散光が形成するスポットの位置を基準位置とし、波長λの分散光が形成するスポットの基準位置からＸ方向の距離をｄ（λ）とすると、距離ｄ（λ）は、以下の式（３）によって求められる。
【数５】
また、生体組織１０において、形成される複数のスポットによって照明されるＸ方向の照明幅をＤとすると、照明幅Ｄは、以下の式（４）によって求められる。
【数６】
【数７】
【数８】
上記のように各分散光が生体組織に入射している状態において、レンズシフト機構１６０が対物レンズ１４０を該レンズの光軸およびＸ方向に直交するＹ方向（図２中、紙面に直交する方向）に平行移動させる。これにより、各分散光は、Ｘ方向とＹ方向によって規定される面上（つまり生体組織上）を走査する。なお、レンズシフト機構１６０は、プロセッサ３００のＣＰＵによって駆動制御される。
【００３７】
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１４０に入射する。上述と同様の光路を経て、コリメートレンズ１２０に入射する。
【００３８】
光ファイバ１１０はシングルモードファイバである。従って、コア径は約３〜９μｍ程度と非常に小さい。また、上記のとおり、光ファイバ１１０の端面１１０ａは、対物レンズ１４０の焦点位置と共役の位置に配設されている。すなわちコリメートレンズ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分散光の反射光のみが、端面１１０ａにおいて焦点を結ぶ。つまり、端面１１０ａは、ピンホールとして機能する。このようにコリメートレンズ１２０の焦点面にピンホール（開口絞り）としての端面１１０ａが配設されるため、共焦点プローブ内の光学系は、テレセントリック光学系となっており、光量の損失が極めて少なくなっている。端面１１０ａにおいて焦点を結んだ光束は、光ファイバ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。
【００３９】
なお、対物レンズ１４０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、光ファイバ１１０に入射しないため、プロセッサ３００に伝送されない。つまり、端面１１０ａと生体組織１０とが共焦点となっている。
【００４０】
共焦点プローブ１００内に入射した光束が上記のように導かれるために、光ファイバ１１０は、該光ファイバ１１０から射出される光束の主光線の光路と、コリメートレンズ１２０の光軸ＡＸＣＬとがずれ量Δｇだけずれるように配設される。該ずれ量Δｇは、以下の式（７）によって表される。
【数９】
以上が共焦点プローブ１００の構成に関する説明である。なお、共焦点プローブ１００を、それぞれ異なる材料を用いて成形された光学部材によって構成すると、温度変化によって各部材の膨張率に差が発生してしまう。このように温度特性が悪いと、各光学部材間の位置関係にズレが発生し、観察対象を走査するレーザ光の光路を予期しない方向にずれてしまう。よって、必要とする観察画像の取得が難しくなる。
【００４２】
そこで、上記実施形態では、コリメートレンズ１２０、三角プリズム１３０、対物レンズ１４０を、同一の光学材料を用いて成形する。このように、共焦点プローブ１００内に配設される各光学部材を同一の光学材料製のもので統一することにより、上述した共焦点プローブ１００周囲の温度変化による悪影響を受けることがなくなる。
【００４３】
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。
【００４４】
図５は、共焦点プローブ１００の変形例を示す図である。図２に示す共焦点プローブ１００は、分散プリズムとして三角プリズムの代わりにウェッジプリズム１３１を使用している。ウェッジプリズム１３１は、光ファイバ１１０からの光束が略直角に入射する（つまり入射角θｉｎ＝０となる）ように配設される。なお、ウェッジプリズム１３１を使用した場合、該ウェッジプリズム１３１によって生成された分散光の射出角は、以下の式（８）のように表され、三角プリズム１３０を透過した光束と同様、波長に依存していることがわかる。
【数１０】
【００４５】
また、上記実施形態では、光ファイバを介して共焦点プローブ１００に導かれる光束を分散する手段として三角プリズム等の分散プリズムを使用しているが、これに限定されるものではない。例えば、各分散光の光量の損失等の影響がさほど影響しない仕様の顕微鏡機器等であれば、回折格子を分散手段として使用しても、本発明の目的の一つである共焦点プローブの細径化、小型化を実現することができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明の共焦点プローブおよび共焦点顕微鏡は、共焦点プローブ内に導かれた光束を分散プリズムを用いて波長に応じて分散することにより、光量の損失や各分散光の光量の不均一を防ぎ、明るく高精細な被観察部位の画像を適用することができる。
【００４７】
また、光ファイバから射出される光源からの光束の光路をコリメートレンズの光軸所定量ずれた位置であってかつ該光軸と平行となるように、該光ファイバを配設することにより、共焦点プローブを構成する各光学部材を極めて効率よく配設することが可能となり、共焦点プローブの外形状である筐体を小さくすることができ、共焦点プローブの細径化を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の共焦点顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の共焦点プローブを表す図である。
【図３】本発明の共焦点プローブを構成する光学部材を表す図である。
【図４】実施形態の共焦点プローブ内にある三角プリズムと対物レンズ近傍を表す図である。
【図５】本発明の実施形態の共焦点プローブの変形例を表す図である。
【符号の説明】
１００ 共焦点プローブ
１３０ 分散プリズム
１３１ ウェッジプリズム
３００ プロセッサ
５００ 共焦点顕微鏡
Claims (10)
- 光源部から照射された所定幅の波長を有する光束を共焦点プローブ内に導光する光ファイバと、
前記光ファイバの端面から射出される光束を平行光束に変換するコリメートレンズと、
前記コリメートレンズを介して入射する平行光束を波長に応じて複数の分散光に分散させる分散手段と、
被観察部位上に形成される前記分散光の各点像が第一の方向に並ぶように複数の前記分散光を集光させる集光手段と、を有し、
前記コリメートレンズの光軸、前記集光手段の光軸、および前記光ファイバから射出される光束の主光線の光路が略平行な関係にあり、かつ該光路は前記コリメートレンズの光軸に対して所定量ずれた位置にあることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１に記載の共焦点プローブにおいて、
前記コリメートレンズは、該コリメートレンズから前記光ファイバの端面までの距離、および該コリメートレンズから前記分散手段における前記光束の入射位置までの距離が、該コリメートレンズの焦点距離と略等しくなる位置に配設されることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１または請求項２に記載の共焦点プローブにおいて、
前記集光手段は、該集光手段から前記分散手段における各分散光の射出位置までの距離が、該集光手段の焦点距離と略等しくなる位置に配設されることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の共焦点プローブにおいて、
前記分散手段は分散プリズムであり、
前記コリメートレンズの光軸と、前記光ファイバから射出される光束の主光線の光路とのずれ量をΔｇとすると、該ずれ量Δｇは、以下の式（７）、
θｉｎは、前記コリメートレンズ射出後の光束が前記分散プリズムに入射するときの入射角を、
λ０は、前記集光手段の光軸上を通る基準分散光の波長を、
θｏｕｔ（λ０）は、該基準分散光の前記分散プリズムからの射出角を、
θαは、前記分散プリズムにおける光束入射端面と光束射出端面とがなす角を、それぞれ表す。
によって表されることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の共焦点プローブにおいて、
前記分散プリズムは、三角プリズムであることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項４のいずれかに記載の共焦点プローブにおいて、
前記分散プリズムは、ウェッジプリズムであることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１または請求項２に記載の共焦点プローブにおいて、
前記分散手段は回折格子であることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項７のいずれかに記載の共焦点プローブにおいて、
前記集光手段を、前記第一の方向と前記集光手段の光軸方向との双方に直交する第二の方向に駆動する駆動手段をさらに有することを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項８のいずれかに記載の共焦点プローブにおいて、
前記被観察部位で反射した反射光のうち、前記集光手段の物体側焦点面からの反射光以外の反射光を除去するよう配設されたピンホールを有し、
前記ピンホールは、前記集光手段の物体側焦点面からの光束が入射する光ファイバの端面であることを特徴とする共焦点プローブ。 - 請求項１から請求項９のいずれかに記載の共焦点プローブと、
所定幅の波長を有する光束を照射するマルチスペクトル光源と、
被観察部位で反射した複数の反射光の波長を測定する測定装置と、
前記測定装置の測定結果に基づいて前記被観察部位の画像を生成する画像生成手段と、を有することを特徴とする共焦点顕微鏡。
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