JP5254865B2 - ボールレンズ - Google Patents
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Description
管腔を走査するための光ビームを出射するボールレンズであって、
シングルモードの光ファイバに接続され、該シングルモードの光ファイバから最大広がり角2θmaxで出射される光ビームを透過させるスペーサストレート部と、
前記スペーサストレート部に結合され、該スペーサストレート部を透過した光ビームが、前記管腔内の所定の焦点距離s’において集光されるように出射するボール部と、を備え、
前記ボール部の屈折率をn、前記ボール部の半径をr、前記ボール部から出射された媒質の屈折率をn’とした場合、前記所定の焦点距離s’を実現するために、
n×(1/r−1/s)=n’(1/r+1/s’) (ただし、s=L+2r)
の関係が成立し、かつ
前記スペーサストレート部の長さをL、外径をDとした場合に、
2×L×tanθmax<D<2×k×L×tanθmax (ただし、k=1.1、0.06≦θmax≦0.14)
の関係が成立するように、前記ボール部及び前記スペーサストレート部が構成されていることを特徴とする。
1.光画像診断装置の外観構成
図1は本発明の第1の実施形態にかかる側方照射型のボールレンズが内蔵された光プローブ部を備える光画像診断装置(光干渉断層画像診断装置または波長掃引利用の光干渉断層画像診断装置)100の外観構成を示す図である。
次に、光プローブ部101の先端部の構成について図2を用いて説明する。図2において、カテーテルシース201の管腔内部には、測定光を送受信する送受信部213が配されたハウジング211と、それを回転させるための駆動力を伝達する駆動シャフト212とを備えるイメージングコア210がほぼ全長にわたって挿通されており、光プローブ部101を形成している。
次に、イメージングコア210の断面構成について説明する。図3は、イメージングコア210の断面構成を示す図である。図3に示すように、ハウジング211内には、本発明の第1の実施形態に係る側方照射型のボールレンズ(送受信部)213が配され、駆動シャフト212内には、クラッド部303とコア部302とから構成される光ファイバ301が配されている。
次に、本実施形態に係る側方照射型のボールレンズ213の詳細構成について図4を用いて説明する。図4は、側方照射型のボールレンズ213の詳細構成を示す図である。図4に示すように、側方照射型のボールレンズ213は、ボール部400と該ボール部が結合されたスペーサストレート部410とを備えている。光ファイバ301の先端から照射された光は、スペーサストレート部410において所定の広がり角(2θmax)をもって透過し、ボール部400の全反射面401にて略垂直方向に全反射して、ボール部400の端面より、測定対象物420に照射される。
はじめに、焦点距離(s’)と、ボール部400の半径(r)と、スペーサストレート部410の長さ(L)との関係について図5を用いて説明する。図5は、焦点距離(s’)と、ボール部400の半径(r)と、スペーサストレート部410の長さ(L)との関係を説明するための図である。なお、ここでは説明を簡略化するために、側方照射型のボールレンズではなく、前方照射型のボールレンズ(光ファイバより出射される光を、出射方向に位置する対象物に照射するボールレンズ)について説明するものとする。ただし、側方照射型のボールレンズの場合も同様の関係が成立する。
・r:ボールレンズの半径
・s:ボールレンズ全長(≒スペーサストレート部の長さL+ボール部の半径r×2)
・s’:ボール部端面から焦点までの距離
・h:ボール部端面における光ビームの半径
・y:シングルモードの光ファイバのコア端部
・y’:ボールレンズから出射された光の焦点
・φ:ボール部中心とボール部端面における光ビームの外周の一点を結ぶ線分と光軸とがなす角度
・u:シングルモードの光ファイバのコア部から出射された光ビームの最大ひろがり角の半分の角度
・u’:ボール部で屈折した光線と光軸とのなす角度
・i:ボール部中心とボール部端面における光ビームの外周の一点を結ぶ直線と、光ファイバのコア部から出射された光ビームの最大ひろがり角を示す半直線とがなす角度
・i':ボールレンズで屈折した光ビームと、ボール部中心とボール部端面における光ビームの外周の一点を結ぶ直線とのなす角度
・n:ボールレンズ媒質(溶融石英材料)の屈折率
・n':ボールレンズから出射された媒質(空気)の屈折率
ここで、上記前提のもとでは、下式が成り立つ。
φ=u+i, φ=i’−u’ (1)
したがって、下式が導き出される。
i=φ−u, i’=φ+u’ (2)
ここで、近軸領域で考えると、u,u’,i,i’は非常に小さいので、更に、下式が成り立つ。
φ=h/r, u=h/s, u’=h/s’ (3)
sin(i)≒i, sin(i’)≒i' (4)
また、屈折の法則より、下式が成り立つ。
ni=n’i’ (5)
したがって、式(2)、(3)、(4)に基づいて、下式が導き出される。
n(h/r−h/s)=n’(h/r+h/s’) (6)
つまり、所定の屈折率n、n’のもとでは、s’と、ボール部400の半径(r)と、スペーサストレート部410の長さ(L)との間には、下式の関係が成り立つ。
n(1/r−1/s)=n’(1/r+1/s’) (7)
ただし、s=L+2r
つまり、所定の屈折率n、n’のもとでは、s’が決まると、ボール部400の半径(r)と、スペーサストレート部410の長さ(L)との関係が決まる。
γ=s/2rより、s=γ×2r (8)
s=L+2r (9)
上式(8)、(9)より、下式が成り立つ。
L=2r×(γー1) (10)
ここで、
(a)γ<1.6のとき、光ビームは発散光になる。
(b)γ=1.6のとき、光ビームはコリメート光(平行光)になる。
(c)γ=2.6のとき、図4においてs=s’(ボールレンズ全長と焦点距離が同じ長さ)になる。
(d)1.6<γ<4のとき、焦点距離の短い収束光になる。
次に、スペーサストレート部410の長さ(L)と、スペーサストレート部410の外径(D)と、最大広がり角(2θmax)との関係について説明する。
n1×sinθ1=n2×sinθmax (11)
同様に、光線がシングルモードの光ファイバ301から空気中に出射されるときに光軸とのなす角をθairとすると、空気の屈折率nair=1より、下式が成り立つ。
n1×sinθ1=nair×sinθair=sinθair≒NA (12)
したがって、上式(11)、(12)に基づいて、下式が導き出される。
n2×sinθmax=NA (13)
sinθmax≒θmax=NA/n2 (14)
一般的なシングルモードの光ファイバの場合、NA=0.14である。上式(14)より、最大広がり角θmaxはスペーサストレート部410の材質によって異なってくる。例えば、
(i)スペーサストレート部410が溶融石英材料の場合、n2=1.447でθmax=0.097となる。
(ii)スペーサストレート部410が一般的な光学ガラス(SF6)の場合、n2=1.8でθmax=0.078となる。
(iii)スペーサストレート部410が屈折率の大きいモールド用ガラスの場合、n2=2.2でθmax=0.064となる。
(iv)スペーサストレート部410が水の場合、n2=1.33でθmax=0.105となる。
(v)スペーサストレート部410が空気の場合、n2=1.0でθmax=0.14となる。
D=2×L×tanθmax (15)
したがって、上式(10)、(15)より、下式が成り立つ。
D=2×(γ−1)×tanθmax (16)
なお、前述の条件(a)〜(d)における前方照射型ボールレンズの場合のノイズ低減効果をシミュレーションすると、それぞれ、−30.0dB、−15.9dB、−15.7dB、−15.3dBとなる。
上記第1の実施形態では、側方照射型のボールレンズを光画像診断装置の光プローブに適用する場合について説明したが、本発明に係る側方照射型のボールレンズの適用は、光画像診断装置の光プローブに限定されるものではない。
Claims (5)
- 管腔を走査するための光ビームを出射するボールレンズであって、
シングルモードの光ファイバに接続され、該シングルモードの光ファイバから最大広がり角2θmaxで出射される光ビームを透過させるスペーサストレート部と、
前記スペーサストレート部に結合され、該スペーサストレート部を透過した光ビームが、前記管腔内の所定の焦点距離s’において集光されるように出射するボール部と、を備え、
前記ボール部の屈折率をn、前記ボール部の半径をr、前記ボール部から出射された媒質の屈折率をn’とした場合、前記所定の焦点距離s’を実現するために、
n×(1/r−1/s)=n’(1/r+1/s’) (ただし、s=L+2r)
の関係が成立し、かつ
前記スペーサストレート部の長さをL、外径をDとした場合に、
2×L×tanθmax<D<2×k×L×tanθmax (ただし、k=1.1、0.06≦θmax≦0.14)
の関係が成立するように、前記ボール部及び前記スペーサストレート部が構成されていることを特徴とするボールレンズ。 - 前記ボール部は、前記シングルモードの光ファイバより出射され、前記スペーサストレート部を透過した光ビームを、該出射の方向と略直交する方向の前記焦点位置において集光させるように出射するための反射表面を有することを特徴とする請求項1に記載のボールレンズ。
- 前記ボールレンズは、溶融石英材料で形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のボールレンズ。
- 請求項3に記載のボールレンズが前記シングルモードの光ファイバに接続され、駆動シャフト内に内蔵されていることを特徴とする光プローブ。
- 請求項4に記載の光プローブを備えることを特徴とする光画像診断装置。
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