JP4718088B2 - 分光プローブ - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、分光法、例えばラマン分光法または蛍光分光法において使用するプローブに関する。本発明はまた、そのようなプローブの部品を製造する方法に関する。
【０００２】
（従来技術の説明）
分光用のプローブは、例えば米国特許第５１１２１２７号（Ｃａｒｒａｂｂａ他）および第５３７７００４号（Ｏｗｅｎ他）から知られている。
【０００３】
これらの特許に示されているプローブでは、光ファイバを介してレーザ光が供給され、レーザ光はレンズによってサンプル上に集束される。レーザから異なる波長で得られた散乱光、例えばラマン散乱光または蛍光は、レンズによって収集され、分析のために光を分光デバイスへと導く第２の光ファイバに供給される。Ｃａｒｒａｂｂａの特許では、散乱光はビームスプリッタによってプローブ内の照明レーザ光の経路（光路）から外へ折り曲げられる。Ｏｗｅｎの特許には、散乱光がビームスプリッタ中を直線状に通過する、逆の配置構成のものが記載されている。このビームスプリッタは照明レーザ光をこのビーム経路の中へ、サンプルに向かって折り曲げる働きをする。
【０００４】
Ｃａｒｒａｂｂａの特許でもＯｗｅｎの特許でも、ビームスプリッタはダイクロイックフィルタ（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｆｉｌｔｅｒ：二色性フィルタ）である。これにはいくつかの利点がある。まず第１に、ダイクロイックフィルタは通常のビームスプリッタよりも効率的に様々な波長を反射し、かつ透過する。第２に、ダイクロイックフィルタは、強いレーザ光とそのレーザを送る光ファイバのガラスとの相互作用によって生じるラマン散乱または蛍光を排除し、単色レーザ波長のみをサンプルへ通過させる。第３に、ダイクロイックフィルタは、所望のラマン散乱波長または他の散乱波長と一緒にサンプルで後方散乱されたレーザ波長の大部分を除去する。したがって、所望の散乱波長は、サンプルから受信されたときに所望の信号よりも何倍も強いレーザ波長によって光ファイバ中に誘起されるラマン散乱または蛍光と、戻り光ファイバ中で混同されるようになることがない。また、分光装置内でレーザ波長から所望の波長を分離することがより容易になる。
【０００５】
用途によっては、そのようなプローブを小型化することが望ましいことがある。その一例は、最大直径２ｍｍ以下が望ましいとされる医療検査用の内視鏡中にそのプローブを組み込むべき場合である。Ｃａｒｒａｂｂａの特許およびＯｗｅｎの特許に記載されているプローブは組み立ておよび整合が必要な多数の個別部品を含んでおり、そのような小型化を達成することが不可能である。
【０００６】
（発明の概要）
本発明は、少なくとも好ましい実施形態では、個別部品（個別構成部分）がより少ないプローブを提供することを求めるものである。
【０００７】
本発明の第１の態様は、ブロック内で光を一方から他方に反射させるように配置された２つの対向する傾斜面（角度を成す面）を有する、透明材料のブロックを含んでいる分光プローブ用の部品を提供する。上記傾斜面の少なくとも一方は、反射コーティングまたは部分反射コーティング、例えば第１の波長（または波長範囲）の光を反射し、第２の波長（または波長範囲）の光を透過するダイクロイックフィルタコーティングを有することが好ましい。
【０００８】
第２の態様では、本発明は、そのような部品を含んでいる分光プローブを提供する。
【０００９】
第３の態様では、本発明は、透明材料のシートを取るステップと、透明材料のシートの少なくとも１つの面を反射コーティングまたは部分反射コーティング、例えばダイクロイックフィルタコーティングで被覆するステップと、上記面に対してある角度をなすカットでシートから上記部品を切断し、それにより得られた部品中に上記コーティングをもつ傾斜面をつくり出すステップとを含んでいる、分光プローブ用の部品を製作する方法を提供する。
【００１０】
（ダイクロイック（二色性）コーティングをもつ傾斜面に対向する）部品の他方の傾斜面も、反射材料、例えばアルミニウムで被覆することができる。同様に、本発明による方法では、ダイクロイックコーティングをもつ傾斜面に対向する透明材料のシートの面をアルミニウムなどの反射材料で被覆することができる。
【００１１】
（好ましい実施形態の説明）
図１に、部品（コンポーネント）１０が透明材料からなる実質上立方体形のモノリシックブロック（一体型ブロック）である本発明の一実施形態を示す。ブロック１０の傾斜面１２Ａは、ノッチまたはエッジダイクロイックフィルタを形成する誘電体層で被覆される。対向する傾斜面１２Ｂは、例えばアルミニウムの反射性層で被覆される。これに代わり、この面１２Ｂは面１２Ａと同じコーティングにすることができる。
【００１２】
屈折率分布型（ＧＲＩＮ：graded index）レンズ２０は入力光ファイバ３１からの入射レーザビーム３０をブロック１０内に結合する。レーザビーム３０はレーザ波長だけでなく、光ファイバ中のビームの通路からの散乱光（ラマン散乱光を含む）も含んでいる。ビームは反射性コーティング１２Ｂによって面１２Ａの方に反射される。
【００１３】
次いで、ビームは面１２Ａ上のダイクロイックフィルタ層によって反射される。ノッチフィルタの場合、これは、レーザ波長を反射し、他のすべての波長を透過することによってビームを単色化（monochromate）する働きをする。エッジフィルタの場合には、これはレーザ線のストークス側の散乱光を除去する。
【００１４】
必要ならば、ＧＲＩＮレンズ２０の一端を、帯域通過フィルタを形成する誘電体層で被覆して、ビームをさらに単色化するようにしてもよい。
【００１５】
次いで、得られた単色ビーム３２は、分析すべきサンプル（試料）上に光を集束させるＧＲＩＮレンズ２２からなるサンプリングポートに送られる。後方散乱光はレンズ２２によって収集され、二色性表面１２Ａに戻る。レンズ２２が、その焦点面がその端部表面と一致するように配置されている市販の入手可能なＧＲＩＮタイプである場合には、その端部表面を切断または研磨することができる。これにより、サンプルの表面上、またはサンプルの表面下のフィーチャ（特徴）上に光を集束させることができるように、焦点面が変更される。
【００１６】
ダイクロイック（二色性）表面１２Ａは、レンズ２２によって収集された励起レーザ波長の散乱光を反射するが、所望のラマンまたは蛍光散乱光３４をＧＲＩＮレンズ２４中に透過する。レンズ２４は散乱光３４を第２の出力光ファイバ３３中に結合し、光ファイバ３３はそれを分析のために遠隔の分光装置に導く。
【００１７】
面１２Ａ、１２Ｂは互いに平行であることが好ましく、特に面１２Ａは、１０°などの、ビームに対して小さい入射角で傾斜することが好ましい。これにより、偏光光の良好な性能が得られ、所望のラマンまたは蛍光散乱光からのレーザ波長の効率的な分離が得られる。ただし、４５°など、他の角度が可能である。
【００１８】
図１の構成では、フィルタ面１２Ａにおいて入射照明光を反射して、サンプルから出力ファイバ３３に至る散乱光と同じ光経路中に折り曲げる。それは好ましい構成であるが、逆の構成も可能である。この逆の構成では、照明光はファイバ３３およびレンズ２４を介して送られ、フィルタ面１２Ａを通過してサンプルに至る。散乱したラマンまたは蛍光光線はフィルタ面１２Ａにおいて反射によってこの光経路の外に折り曲げられる。フィルタ１２Ａは適切な帯域幅またはエッジ透過特性（端面透過特性）を有する必要がある。
【００１９】
図２に、プローブ部品１０を製造する際に使用する透明材料のシートの一部３８を示す。下面３９Ａは、ダイクロイックフィルタを形成する誘電体層で被覆されり、上面３９Ｂは反射層（reflective layer）で被覆される。
【００２０】
波線４０および４１は、シート３８がダイヤモンド鋸を使用して切断される方向を表す。線４１は、シートの平面に対して垂直にではなく、波線４２で示される角度（例えば１０°）をなして延びる。
【００２１】
図３に、線４０に沿って切断した後の透明シート３８の複数の部分のうちの１つ４５を例示する。
【００２２】
図４に、図１のようにして完成したブロック１０を示す。部分４５は複数の個々のブロックをつくり出すように線４１、４２に沿って切断される。次いで、プリズム形状の部分５０Ａおよび５０Ｂが、例えば研磨によって、研磨された面がブロックの長い方の端面１１Ａおよび１１Ｂに対して直角になるように、ブロックから除去される。これにより、コーティング３９Ａ、３９Ｂは、必要とされるだけ面１２Ａ、１２Ｂ上にのみ残るように、部分的に除去される。
【００２３】
次いで、ＧＲＩＮレンズ２０、２２、２４が、例えば適切な光学的品質の接着剤を用いてブロック１０に固着される。
【００２４】
上述のように、ブロック１０は、まず線４０に沿って、次いで線４１、４２に沿って、シート３８を切断することによってつくり出されている。もちろん、この代わりに、まず線４１、４２に沿って、次いで線４０に沿って切断することが可能である。
【００２５】
我々は、上記の方法を使用して、内視鏡において使用するのに適した直径２ミリ以下の分光プローブをつくり出すことに成功した。
【００２６】
ＧＲＩＮレンズ２０、２２、２４の使用は必須ではない。従来のレンズ（または複合レンズ群）を代用することができる。
【００２７】
記載したプローブの１つの利点は、プローブが焦点を共有するように作用することができることである。ファイバ３３のアパーチャ（開口）が共焦点ピンホールに対して同様な方法で作用し、それによりサンプルの１つの焦点面からの光のみが受容され、他の面からの光は除去される。これにより深度選択性が得られる。
【００２８】
さらなる可能性は、単一の内視鏡内に図１に沿ったプローブを複数束ねることである。これは、焦点を共有することができる、サンプルの２次元画像をつくり出すように構成することができる。あるいは、より広い領域にわたって視界が得られるように、各プローブは、例えば半球配置により異なる方向にねらうことができる。
【００２９】
記載した小型プローブは、従来の分光プローブでは大きすぎたところの多数の用途において使用することができる。生体内医療検査および獣医検査のための内視鏡の他に、これら小型プローブは、例えば工作機械およびエンジン内での検査のための光ファイバ探知器（boroscope）において使用することができる。
【図面の簡単な説明】
次に、添付の図面を参照しながら、例として本発明の好ましい実施形態について説明する。
【図１】 分光プローブの側面図である。
【図２】 プローブの部品を製造する方法において使用する透明材料のシートの一部の等角図である。
【図３】 図２のシートから切断された一部分を示す図である。
【図４】 図３の部分から切断された分光プローブの部品を示す図である。

Claims (17)

1. 照明光をサンプルに照射して、該サンプルにより散乱された光を収集するように構成されている分光分析用の分光プローブであって、
   前記照明光を受け入れるように構成されている光入力ポートと、
   前記照明光でサンプルを照明し、かつ該サンプルによって散乱された光を収集するように構成されているサンプリングポートと、
   前記サンプリングポートから分析用の分光装置へ受け入れた散乱光を出力するように構成されている光出力ポートと、
   ブロック内で光を一方から他方に反射させるための２つの対向する傾斜面を有して、前記光入力ポートと前記サンプリングポートと前記光出力ポートとの間で光がブロック中を通過する透明材料のブロックとを有し、
   前記サンプリングポートと、前記光入力ポートおよび前記光出力ポートのうちの１つとの間で通過する光がブロックの前記対向する傾斜面の間で反射されることを特徴とする分光プローブ。
2. 前記対向する傾斜面の第１の傾斜面は前記光入力ポートからの照明光を反射するための反射コーティングまたは部分反射コーティングを有し、前記対向する傾斜面の第２の傾斜面は前記第１の傾斜面からの前記照明光を前記サンプリングポートへ反射し、かつ該サンプリングポートからの前記散乱光を前記光出力ポートへ透過するための部分反射コーティングを有することを特徴とする請求項１に記載の分光プローブ。
3. 前記対向する傾斜面の第１の傾斜面は前記光入力ポートからの照明光を前記サンプリングポートへ透過し、かつ該サンプリングポートからの前記散乱光を反射するための部分反射コーティングを有し、前記対向する傾斜面の第２の傾斜面は前記第１の傾斜面からの前記散乱光を前記光出力ポートへ反射するための反射コーティングまたは部分反射コーティングを有することを特徴とする請求項１に記載の分光プローブ。
4. 前記光入力ポートおよび前記光出力ポートに接続され、それぞれ前記照明光を送り、前記散乱光を受け入れるための光ファイバを含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分光プローブ。
5. 前記傾斜面の少なくとも一方の前記部分反射コーティングが、第１の波長（または波長範囲）の光を反射し、第２の波長（または波長範囲）の光を透過するダイクロイックフィルタコーティングであることを特徴とする、１乃至４のいずれか一項に記載の分光プローブ。
6. 前記ポートがレンズを含んでいることを特徴とする、前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載の分光プローブ。
7. 前記レンズがＧＲＩＮレンズ（屈折率分布型レンズ）であることを特徴とする、請求項６に記載の分光プローブ。
8. 透明材料のブロックを備えた分光プローブ用の部品であって、
   前記ブロックは複数の面を有し、該面の少なくとも２つの面はブロック内で１方から他方へ光を反射させるために該ブロックの端面上に設けた傾斜面であって、前記分光プローブのサンプリングポートと、光入力ポートまたは光出力ポートの間で光を反射させるためのものであり、照明光または散乱光を透過させるための少なくとも２つの他の面は、前記ブロックの端面の前記傾斜面に対して異なる角度で接続されており、かつ前記ブロックの側面に対して直角であることを特徴とする、分光プローブ用の部品。
9. 前記傾斜面の少なくとも一方が反射コーティングまたは部分反射コーティングを有することを特徴とする、請求項８に記載の部品。
10. 前記傾斜面の少なくとも一方の前記コーティングが、第１の波長（または波長範囲）の光を反射し、第２の波長（または波長範囲）の光を透過するダイクロイックフィルタコーティングであることを特徴とする、請求項９に記載の部品。
11. 前記傾斜面の他方が部分反射コーティングを有することを特徴とする、請求項９または１０に記載の部品。
12. 光を反射するための少なくとも１つの傾斜面を有する透明材料のブロックを含んでいる分光プローブ用の部品を製作する方法であって、
    面を有する透明材料のシートを取るステップと、
    前記面に対して法線でないある角度をなすカットでシートから前記部品を切断し、それにより少なくとも１つの傾斜面をもつ前記ブロックをつくり出すステップと
    を含んでいることを特徴とする方法。
13. 前記シートの前記面を、前記切断ステップの前において、反射コーティングまたは部分反射コーティングで被覆して、それにより、得られた部品の前記傾斜面に前記コーティングが施されたことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記コーティングが、第１の波長（または波長範囲）の光を反射し、第２の波長（または波長範囲）の光を透過するダイクロイックフィルタコーティングであることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記シートの対向する面も、前記切断ステップの前において、反射コーティングまたは部分反射コーティングで被覆して、それにより、前記傾斜面に対向する、得られた部品の前記コーティングをもつ第２の傾斜面をつくり出すことを特徴とする、請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記ブロックの前記傾斜面からプリズム形状の部分を除去するステップを含むことを特徴とする、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 照明光を受け入れるための光入力ポートと、
    前記照明光でサンプルを照明し、かつ前記サンプルによって散乱された光を収集するためのサンプリングポートと、
    前記サンプリングポートから受け入れた散乱光を出力するための光出力ポートと、
    前記散乱光を受け取って外部装置へ伝送するために前記出力ポートに接続する光ファイバと、
    ブロック内で光を一方から他方に反射させるための２つの対向する傾斜面を有し、前記光入力ポートと前記サンプリングポートと前記光出力ポートとの間で光がブロック中を通過する透明材料のブロックとを有し、
    サンプリングポートと、入力ポートおよび出力ポートのうちの１つとの間で光がブロックの前記対向する傾斜面の間で反射され、
    部分反射コーティングを有する前記対向する傾斜面の１つと前記ブロックの本体を介して前記光入力ポートと前記光出力ポートのいずれか１つと前記サンプリングポートとを通る光路が一直線に配置されていることを特徴とする分光プローブ。

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