JP5387934B1 - 側方出射装置 - Google Patents

Abstract

ロッドレンズとプリズムとの融着部での結合効率が悪くなるのを防止し、外径をきわめて細くでき、かつ、ビームウエストまでの距離も長くできる側方出射装置を提供する。
光ファイバ２と、当該光ファイバの端面に一端を融着したロッドレンズ３と、当該ロッドレンズの他端に融着したプリズム４とを有する側方出射装置において、前記プリズムが円柱形の外周の一部を切欠し軸線に平行な平面状の出射面４ｃを形成した基本形状をなし、前記ロッドレンズと前記プリズムとの融着部において、前記ロッドレンズの融着端面の外径が前記プリズムの融着端面の最小径以下であり、前記ロッドレンズの前記融着端面が前記プリズムの前記融着端面からはみ出すことなく、前記ロッドレンズの前記融着端面の中心Ｏ_１と、前記プリズムの前記融着端面の円弧中心Ｏ_２とが偏芯している。

Description

本発明は、光ファイバ内を伝播してきた光を，光ファイバの光軸に対して角度をなす側方に出射する側方出射装置で、特にＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）の光プローブとして用いるのに好適なものに関する。

ＯＣＴは、患者の血管、腸などの器官に光プローブを挿入し、その先端から側方に低コヒーレンス光を出射し、被検体内部の各所で反射されて戻ってくる光を使って被検体内部の精密な断層画像を得る光コヒーレンス断層画像化法であり、その基本技術は特公平６−３５９４６号公報（特許文献１）に開示され、光プローブの具体的構成はＷＯ２０１１／０７４０５１号国際公開公報（特許文献２）、特許第４６５９１３７号公報（特許文献３）などに開示されている。

図８，９は、特許文献２に示されている従来の側方出射装置１１（光プローブ）を表している。これは、光ファイバ２の一端にロッドレンズ３を融着し、そのロッドレンズ３の先端面に断面が角形のプリズム４１を融着したもので、図９に示されるように、プリズム４１はロッドレンズ３に内接している。なお、符号２ａは光ファイバの被覆である。

特許文献２の側方出射装置は、プリズム４１がロッドレンズ３に内接するため、側方出射装置の外径がきわめて細くなり、非常に細い血管などに挿入して使用できるという特徴を有する。側方出射装置の外径は２５０μｍ以下が望ましいとされているが、例えば直径２００ミクロンのロッドレンズを使用した場合、側方出射装置の外径は２００μｍで、好ましいものとなる。

また、この種の側方出射装置は、出射面からビームウエストまでの距離（焦点距離）をある程度長くすることが求められている。そのためには、ロッドレンズ３とプリズム４１の融着部におけるビーム径を大きくすることで有利になるが、図９に示されるように、ビーム５がプリズム４１の外側にはみ出すと、結合効率が悪くなり、側方出射装置の性能が低下するという問題があった。

図１０，１１の側方出射装置１２は、光ファイバ２の一端にロッドレンズ３を融着し、そのロッドレンズ３の先端面に断面が角形のプリズム４２を融着したもので、プリズム４２をロッドレンズ３に外接させたものである（図１１）。

この場合は、ロッドレンズ３とプリズム４２の融着部において、ビームがプリズム４１の外側にはみ出すことはないが、プリズム４２の最大径（すなわち側方出射装置の外径）が大きくなるという問題がある。例えば、ロッドレンズ３の外径ｄを２００μｍにすると、プリズム４２の最大径Ｄは２８２μｍになり、２５０μｍを超えて好ましくない。

図１２〜１４は、光ファイバ２の一端に、プリズムレンズ４３を融着した側方出射装置１３である。プリズムレンズ４３は、円形断面のＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）の先端面を、軸線に対して傾斜した傾斜面４３ａとし、後端面を光ファイバに接続する接続面としたものである。この側方出射装置は外径をきわめて細くすることができ、結合効率も良好である。

図１４に示すように、この側方出射装置１３は、ビームの出射面が曲面であるため、周囲の媒質が空気や水などレンズ外周部と大きく異なる物質である場合、出射ビームの形状は非常に潰れた楕円形状をなす、いわゆるラインビームとなる。また、ビームウエスト距離が非常に短いという問題を有する。

図１５，１６は、特許文献３に示されている従来の側方出射装置１４を表している。これは、光ファイバ２と、光ファイバ２の端面に一端を融着したロッドレンズ３と、ロッドレンズ３の他端に融着したプリズム４４を有するものである。プリズム４４は、円柱形の外周の一部を切欠し軸線に平行な平面状の出射面４４ｃを形成した基本形状をなし、その先端部を斜めに切欠した先端傾斜面４４ａを有し、光ファイバ２からプリズム内に入射した光が該先端傾斜面４４ａで反射し、前記出射面４４ｃから出射する。ロッドレンズ３とプリズム４４は、ロッドレンズ３の中心Ｏ１とプリズム４４の円弧中心Ｏ２が一致するように融着される。

この側方出射装置１４は、出射面４４ａが平面状であるため、ビーム形状がほぼ円形になると共に、ビームウエストまでの距離を、図１５，１６の場合に比べて長くすることができる。

図１５，１６は、ロッドレンズ３の外径とプリズム４４の最大径（円弧の直径）が等しい場合である。この場合、側方出射装置の外径をきわめて細くすることができるが、図１６に示されるように、ロッドレンズ３とプリズム４４の融着部において、ビーム５がプリズム４４の外側にはみ出して、結合効率が悪くなり、側方出射装置の性能が低下するという問題があった。

ビーム５がプリズム４４の外側にはみ出さないようにするには、図１７に示されるように、ロッドレンズの外径ｄを、プリズム４４の最大径Ｄよりも相当大きくしなければならない。例えば、ロッドレンズの外径ｄを２００μｍ、出射面４４ｃの幅Ｗを２００μｍとすると、プリズム４４の最大径Ｄは２８２μｍとなり、２５０μｍを超えて好ましくない。
なお、この場合も、ロッドレンズの中心Ｏ１とプリズム４４の円弧中心Ｏ２は一致している。

特公平６−３５９４６号公報 ＷＯ２０１１／０７４０５１号国際公開公報 特許第４６５９１３７号公報

本発明は、ロッドレンズとプリズムの融着部において、ビームがプリズムからはみ出して結合効率が悪くなるのを防止するとともに、外径をきわめて細く（具体的には２５０μｍ以下に）でき、かつ、ビームウエストまでの距離も長く（具体的には３０００ミクロン以上に）することができる側方出射装置を提供することを課題とするものである。

〔請求項１〕
本発明は、光ファイバと、該光ファイバの端面に一端を融着したロッドレンズと、該ロッドレンズの他端に融着したプリズムを有し、該プリズムが円柱形の外周の一部を切欠し軸線に平行な平面状の出射面を形成した基本形状をなし、その先端部を斜めに切欠した先端傾斜面を有し、光ファイバからプリズム内に入射した光が該先端傾斜面で反射し前記出射面から出射される側方出射装置において、
前記ロッドレンズとプリズムの融着部において、ロッドレンズの融着端面の外径がプリズムの融着端面の最小径以下であり、
ロッドレンズの融着端面がプリズムの融着端面からはみ出すことなく、
ロッドレンズの融着端面の中心と、プリズムの融着端面の円弧中心が偏芯していることを特徴とする側方出射装置である。

光ファイバとロッドレンズ、ロッドレンズとプリズムとが融着により接合されているので、光路に接着剤層がなく、ビーム品質のばらつき、剥離によるビーム品質の劣化、プリズムの脱落がない。また、従来周知のファイバ融着装置を用いて容易に製造できる。

ロッドレンズの融着端面がプリズムの融着端面から外側にはみ出さないので、ロッドレンズとプリズムの融着部において、ビームがプリズムの外側にはみ出して結合効率が悪くなり、側方出射装置の性能が低下するおそれがない。
ロッドレンズの融着端面の中心と、プリズムの融着端面の円弧中心が偏芯しているので、プリズムの最大径を小さくでき、プリズム断面を光が通り得る路として最大限に活用できる。プリズムの最大径が小さくなることは、すなわち側方出射装置の外径が小さくなることである。

光ファイバは、多くの場合単一モードファイバであるが、偏波保持ファイバ、マルチモードファイバ、さらにはイメージ伝送用バンドルファイバであっても差し支えない。

ロッドレンズは、融着するために石英系ガラスである必要があり、コアが屈折率分布を有するいわゆるＧＩ型ファイバや、断面全体が屈折率分布を有するいわゆるＧＲＩＮレンズを使用できる。
ロッドレンズとしては、特開２００５−１１５０９７号公報に示されるような、異なる開口数を有する２種の（又は３種以上の）ＧＲＩＮレンズを融着接合したものを用いることもできる。

プリズムは、融着するために石英系ガラスである必要がある。プリズムは、円柱の外周の一部を切欠し軸線に平行な平面状の出射面を形成した基本形状（いわゆる蒲鉾形）を有するので、これと相似の断面形状の研磨済母材（円柱形母材の外周の一部を平面状に研磨したもの）を延伸（ファイバ化）することで容易に製造でき、また、細長いファイバの状態でロッドレンズに容易に融着することができる。

プリズムの先端傾斜面の出射面に対する傾斜角度（図３のθ）は通常４５°で、その場合光は軸線に対して９０°の角度で側方に出射する。先端傾斜面の傾斜角度（θ）を変更することで、光の出射角度を変更することができる（図１）。先端傾斜面には、必要に応じてミラーコート（Ａｕコートなど）、ハーフミラーコート（誘電多層膜コートなど）などのコーティングを施すことができる。

本発明のプリズムレンズを製造するには、先ず、石英系ガラスでなる円柱形のレンズ母材を製造する。このレンズ母材は周知の方法（例えば特開２００５−１１５０９７号公報）により製造できる。次に、このレンズ母材の外周の一部を研磨し、軸線に平行な平面の研磨面を有する研磨済母材を形成する。この研磨も、通常の研磨装置を用いて容易に行うことができる。次に、この研磨済レンズ母材を延伸してプリズムレンズ用ファイバを形成する。研磨済レンズ母材の延伸は、光ファイバやＧＲＩＮレンズを延伸する装置を用いて行うことができる。

〔請求項２〕
また本発明は、前記ロッドレンズの融着端面の外径が、前記プリズムの融着端面の最小径に等しい請求項１に記載の側方出射装置である。

プリズムの最小径は、図４のＤ−Ｌである。なお、Ｄはプリズムの最大径（切欠前の円柱形の直径）、Ｌは切欠量である。ロッドレンズの融着端面の外径をプリズムの融着端面の最小径に等しくする（図４）ことで、プリズム断面を光が通り得る路として最大限に活用できる。

〔請求項３〕
また本発明は、前記プリズムの最大径が光ファイバ径の２倍以下である請求項１又は２に記載の側方出射装置である。

プリズムの最大径を光ファイバ径の２倍以下にすると、光ファイバとロッドレンズの外径が近似し、融着の際の表面張力による自己配列効果によりロッドレンズと光ファイバの軸が自動的に一致するので、光ファイバとロッドレンズの結合損失がきわめて少なくなる。光ファイバの外径が１２５μｍの場合、ロッドレンズの外径は１２４μｍ〜２００μｍが適当である。プリズムの最大径は２５０μｍ以下が適当である。

〔請求項４〕
また本発明は、前記プリズムの最先端部が面取り加工されている請求項１〜３のいずれかに記載の側方出射装置である。

プリズム最先端部を面取り加工することで、側方出射装置をシースで覆わずに直接被検体内部に挿入したときに、被検体が傷つきにくくなる。
面取り加工は、例えば、プリズム最先端部を放電加工やレーザー加工などで曲面状に滑らかにする方法がある。

本発明の側方出射装置は、ロッドレンズの融着端面がプリズムの融着端面から外側にはみ出さないので、ロッドレンズとプリズムの融着部において、ビームがプリズムの外側にはみ出して結合効率が悪くなり、側方出射装置の性能が低下するおそれがない。

ロッドレンズの融着端面の中心と、プリズムの融着端面の円弧中心が偏芯しているので、プリズムの最大径，すなわち側方出射装置の外径を小さくでき、プリズム断面を光が通り得る路として最大限に活用できる。

また、本発明の側方出射装置は、接着剤を使用しないので、接着剤層に起因するビーム品質のばらつきがなくなる。
光ファイバとロッドレンズ、ロッドレンズとプリズムが融着により一体的に接合されるので、接合部の接着が剥離してビーム品質が劣化するおそれがなく、プリズムやロッドレンズが脱落して被検体内に残留するおそれもなくなり、シースで覆う必要がない。

実施形態の側方出射装置１の側面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 プリズム４の側面図（左側）及び正面図（右側）である。 融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４の位置関係説明図である。 融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４の位置関係説明図である。 プリズム４の断面形状の説明図である。 プリズム４の切欠量Ｌと出射面幅Ｗ、最小径Ｄ−Ｌの関係の説明図である。 従来の側方出射装置１１の側面図である。 側方出射装置１１の融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４１の位置関係説明図である。 従来の側方出射装置１２の側面図である。 側方出射装置１２の融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４２の位置関係説明図である。 従来の側方出射装置１３の側面図である。 プリズムレンズ４３の説明図である。 側方出射装置１３の出射ビームの説明図である。 従来の側方出射装置１４の側面図である。 側方出射装置１４の融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４４の位置関係説明図である。 従来の側方出射装置（比較例）におけるロッドレンズ３とプリズム４４の位置関係説明図である。

図１〜３は本発明の実施形態の側方出射装置１に関し、図１は側面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３はプリズム４の側面図（左側）及び正面図（右側）である。

側方出射装置１は、光ファイバ２、ロッドレンズ３、プリズム４からなる。
光ファイバ２は、外径１２５μｍの単一モード光ファイバで、先端部の被覆２ａを取り除き、その先端面にロッドレンズ３を融着している。
ロッドレンズ３は石英系のガラスでなる外径２００μｍ、開口数ＮＡ＝１．５３のＧＲＩＮレンズであり、融着の際の自己配列効果により、光ファイバ２とロッドレンズ３の軸心は自動的に一致している。

プリズム４は、石英ガラスで、直径２５０μｍの円柱の外周の一部を５０μｍ切欠し、最小径が２００μｍになるように残し、軸線に平行な平面状の出射面４ｃ（出射面の幅２００μｍ）を形成した基本形状を有する。（図４）

プリズム４は、直径５〜７ｍｍ程度の円柱形石英ガラスの母材の外周の一部を、図３右側の断面形状となるように研磨して研磨済母材を作成し、これを約１９００℃の温度で延伸したプリズム用ファイバを切断し、傾斜角度θで斜め研磨して先端傾斜面４ａを形成し、その後放電加工により最先端部４ｂに面取りを施し、さらに先端傾斜面４ａにＡｕコートを行ったものである。
研磨済母材の研磨面は、母材の軸心と平行な平面になっている。
光ファイバを延伸する場合の温度は、通常２０００℃であるが、プリズム用ファイバを延伸する際は、これよりも低い１９００℃程度で行うことが望ましい。延伸温度が高いと、延伸したプリズム用ファイバの出射面４ｃが丸みを帯びるおそれがある。延伸温度を１９００℃程度にすると、出射面４ｃの曲率はきわめてわずかになり、実質的に平面となって実用上問題ない。

側方出射装置１の水中における出射ビームのビームウエスト距離及びビームウエスト径を測定した結果、ビームウエスト距離は４６６５μｍ、ビームウエスト径は８３．２μｍで、良好な結果であった。

側方出射装置１の融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４の位置関係は、図４に示す通りである。
ロッドレンズ３の外径ｄ＝２００μｍ、プリズム４の最大径Ｄ＝２５０μｍで切欠量Ｌ＝５０μｍ切欠して最小径Ｄ−Ｌ＝２００μｍとし、出射面４ｃの幅Ｗ＝２００μｍとなっている。
したがって、ロッドレンズ３の融着端面の外径ｄが、プリズム４の融着端面の最小径Ｄ−Ｌに等しくなっている。また、ロッドレンズ３の中心Ｏ１と、プリズム４の円弧中心（切欠前の円の中心）Ｏ２とは２５μｍ偏芯しており、ロッドレンズ３はプリズム４に内接している。

図１７は、ロッドレンズ３の中心Ｏ１と、プリズム４の円弧中心Ｏ２が偏芯しないでかさなっている比較例である。ロッドレンズ３の直径ｄ＝２００μｍ、出射面４４ｃの幅Ｗ＝２００μｍで、いずれも図４の実施形態と同じであるが、プリズム４の最大径Ｄ＝２８２μｍで、実施形態のＤ＝２５０μｍよりも３２μｍ大きくなっており、好ましくない。

図４の側方出射装置において、出射面４ｃにおけるビーム径を測定した結果、ロッドレンズの開口数ＮＡ＝１．５３の場合は１４２μｍであった。また、開口数ＮＡ＝１．６１のロッドレンズを用いた場合は１３５μｍであった。

図５は、プリズム４は図４と全く同じで、外径ｄ＝１８０μｍのロッドレンズを用いた場合の、融着部におけるロッドレンズ３とプリズム４の位置関係を示している。この場合、ロッドレンズ３の中心Ｏ１と、プリズム４の円弧中心（切欠前の円の中心）Ｏ２とは２５μｍ偏芯しており、ロッドレンズ３はプリズム４からはみ出すことなく、内側に収まっている。

図５の側方出射装置において、出射面４ｃにおけるビーム径を測定した結果、ロッドレンズの開口数ＮＡ＝１．５３の場合は１２９μｍであった。また、開口数ＮＡ＝１．６１のロッドレンズを用いた場合は１２２μｍであった。

図６はプリズム４の断面形状の説明図である。その基本形状は直径Ｄの円形で、外周の一部を厚さＬの弓形で切欠し、幅Ｗの平面状出射面４ｃを形成している。

図７は、Ｄ＝２５０μｍの場合の、切欠量Ｌと、出射面幅Ｗ及び最小径Ｄ−Ｌの関係を示している。例えば、切欠量Ｌ＝５０μｍの場合、出射面幅Ｗ＝２００μｍ、最小径Ｄ−Ｌ＝２００μｍになる。

本発明の側方出射装置は、ＯＣＴの光プローブとして用いられる他、レーザーダイオードと単一モードファイバの結合など光通信用光ファイバモジュール、距離・変位センサー用光プローブ、内視鏡用光プローブなどとして用いることができる。

符合の説明

１ 側方出射装置
１１ 側方出射装置
１２ 側方出射装置
１３ 側方出射装置
１４ 側方出射装置
２ 光ファイバ
２ａ 被覆
３ ロッドレンズ
４ プリズム
４ａ 先端傾斜面
４ｂ 最先端部
４ｃ 出射面
４１ プリズム
４２ プリズム
４３ プリズムレンズ
４４ プリズム
５ ビーム

Claims (4)

1. 光ファイバと、該光ファイバの端面に一端を融着したロッドレンズと、該ロッドレンズの他端に融着したプリズムを有し、該プリズムが円柱形の外周の一部を切欠し軸線に平行な平面状の出射面を形成した基本形状をなし、その先端部を斜めに切欠した先端傾斜面を有し、光ファイバからプリズム内に入射した光が該先端傾斜面で反射し前記出射面から出射される側方出射装置において、
   前記ロッドレンズとプリズムの融着部において、ロッドレンズの融着端面の外径がプリズムの融着端面の最小径以下であり、
   ロッドレンズの融着端面がプリズムの融着端面からはみ出すことなく、
   ロッドレンズの融着端面の中心と、プリズムの融着端面の円弧部の中心が偏芯していることを特徴とする側方出射装置。
2. 前記ロッドレンズの融着端面の外径が、前記プリズムの融着端面の最小径に等しい請求項１に記載の側方出射装置。
3. 前記プリズムの最大径が光ファイバ径の２倍以下である請求項１又は２に記載の側方出射装置。
4. 前記プリズムの最先端部が面取り加工されている請求項１〜３のいずれかに記載の側方出射装置。

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