JP5606720B2 - Photodetector - Google Patents

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本発明は、光検出装置に関する。本発明の光検出装置は、例えば生体等の画像観察を行う内視鏡や顕微鏡に適用することができる。  The present invention relates to a light detection device. The light detection apparatus of the present invention can be applied to, for example, an endoscope or a microscope that performs image observation of a living body or the like.

一般に、画像観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の光を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素となっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。  In general, in various systems using light such as image observation, sensors, security, and laser radar, a technique for detecting desired light is a fundamental and important factor that greatly affects the performance. In particular, the need for high-speed and high-sensitivity detection technology is high.

例えば、画像観察において光を用いた生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。ましてや、光照射せずに、生体等の検出対象から発せられる自己発光等の光エネルギーを検出する場合は極く微弱な光を検出しなければならない。また、生体試料に限らず、検出手段から検出対象までの距離が遠い場合、散乱や吸収等により検出を妨害する物質が介在する場合、検出対象が微小または微量である場合は、検出信号が減少することで減らされ微弱である。これらの理由により、光を用いた生体観察等の各種検出システムにおいては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。  For example, when viewing living body observation using light in image observation, the state and shape of the living body change from moment to moment, so that accurate detection requires high-speed light detection. Moreover, since a living body is easily damaged by light irradiation, there is an upper limit to the amount of illumination light and excitation light that can be irradiated to a biological sample. Therefore, the optical signal obtained from a living body is usually weak. In addition, when detecting light energy such as self-emission emitted from a detection target such as a living body without irradiating light, extremely weak light must be detected. In addition to biological samples, when the distance from the detection means to the detection target is long, when there is a substance that interferes with detection due to scattering, absorption, etc., the detection signal decreases when the detection target is very small or very small. It is reduced by doing and is weak. For these reasons, in various detection systems such as living body observation using light, a high-speed and high-sensitivity light detection technique is strongly demanded.

現在用いられている代表的な光検出素子には、PMT(Photo multiplier tube)、APD(Avalanche photo diode)、PD(Photo diode)がある。PMTおよびAPDは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、PDは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号を増幅するようにしている。つまり、PMT、APD、PDは、いずれの素子も電気段にて信号増幅を行い、感度の向上を図っている。  Typical photodetection elements currently used include PMT (Photo multiplier tube), APD (Avalanche photo diode), and PD (Photo diode). Since PMT and APD perform electron multiplication in the detection element, highly sensitive light detection can be realized. On the other hand, although the PD can realize a very high response speed, it does not have an electron multiplication function in the detection element, and therefore usually a signal is amplified using an electric amplifier. In other words, the PMT, APD, and PD all perform signal amplification at the electrical stage to improve sensitivity.

また、代表手的な二次元光検出器として、CCD(Charged coupled device)、CMOS(complementary metal Oxide semiconductor)、EM−CCD(Electron multiplying-CCD)、EB−CCD(Electron bombardment-CCD)、I−CCD(Intensified-CCD)がある。CCDまたはCMOSを用いて微弱光を検出する際には感度向上のために、PDと同様に後段に電気増幅器を配置する必要がある。EM−CCDおよびEB−CCDは、APDと 同様に検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。I−CCDは、CCDの前に光増幅器(Image intensifier、以下I.I.とする)を配置した構成をとる。I.I.は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、I.I.に内蔵されているMCP(Micro channel plate)内において電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることにより、増倍電子信号を再度光に変換するものである。つまりI−CCDも電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。  Typical two-dimensional photodetectors include CCD (Charged Coupled Device), CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), EM-CCD (Electron multiplying-CCD), EB-CCD (Electron Bombardment-CCD), I- There is a CCD (Intensified-CCD). When weak light is detected using a CCD or CMOS, it is necessary to arrange an electric amplifier at the subsequent stage in the same manner as the PD in order to improve sensitivity. EM-CCD and EB-CCD have an electron multiplication function in the detection element like APD, and realize high sensitivity. The I-CCD has a configuration in which an optical amplifier (Image Intensifier, hereinafter referred to as II) is disposed in front of the CCD. I. I. Converts the incident light signal into an electrical signal once. I. After the electron multiplication is performed in an MCP (Micro channel plate) built in the light, the multiplied electron signal is again converted into light by colliding the multiplied electron with the fluorescent plate. That is, the I-CCD also realizes highly sensitive light detection by performing signal amplification at the electrical stage.

しかしながら、上述の電気段での信号増幅を用いる従来型の光検出技術では、検出感度と検出速度との間にトレードオフの関係がある。すなわち、これらの検出技術を用いて検出を行った場合、高速性と高感度性を両立させることは大変難しい。従って、現状では、検出速度と検出感度とのいずれかを犠牲にして光検出を行わざるをえない状況にある。  However, there is a trade-off relationship between detection sensitivity and detection speed in the conventional photodetection technology using signal amplification in the electrical stage described above. That is, when detection is performed using these detection techniques, it is very difficult to achieve both high speed and high sensitivity. Therefore, at present, light detection must be performed at the expense of either the detection speed or the detection sensitivity.

一方、従来、長距離光通信分野を中心に、光ファイバを光伝達手段として用いる光増幅器の開発が盛んに進められてきている。電気増幅器と比較すると、光増幅器は非常に高速・広帯域な動作が可能なうえ、構成によっては、非常に低雑音で高利得な光増幅が可能になるという特性を有している。そこで、このような光増幅器を高速な光電変換素子の前段に配置することで、高速かつ高感度な光検出ができることが期待される(例えば、特許文献1参照)。  On the other hand, development of an optical amplifier using an optical fiber as an optical transmission means has been actively promoted mainly in the field of long-distance optical communication. Compared with an electric amplifier, an optical amplifier can operate at a very high speed and in a wide band, and has a characteristic that optical amplification with very low noise and high gain is possible depending on the configuration. Therefore, it is expected that such an optical amplifier can be detected at high speed and with high sensitivity by arranging the optical amplifier in front of the high-speed photoelectric conversion element (see, for example, Patent Document 1).

この特許文献1の要旨は、所定の角度に配置された2本の光ファイバの一方のファイバから光照射し、他方のファイバから光検出することにより、観察対象の深度方向の分解能(axial resolution)を向上するために提案されている。    The gist of this patent document 1 is that light is emitted from one of two optical fibers arranged at a predetermined angle, and light is detected from the other fiber, so that the resolution in the depth direction of the object to be observed (axial resolution). Has been proposed to improve.

一方、光増幅器からは、ASE(Amplified spontaneous emission)が発生し、これが光増幅器を用いた場合の光検出時の支配的な雑音原因になる。そのため、光増幅器を用いた高速・高感度光検出を実現するためには、光増幅器が低雑音であることが必須である。光増幅器は、入力される信号光強度が高ければ高い程、光増幅後の信号対雑音比(signal to noise ratio、以下SNRとする)が向上し、光検出感度が向上する。  On the other hand, ASE (Amplified spontaneous emission) is generated from the optical amplifier, and this becomes a dominant noise cause at the time of light detection when the optical amplifier is used. Therefore, in order to realize high-speed and high-sensitivity light detection using an optical amplifier, it is essential that the optical amplifier has low noise. In the optical amplifier, the higher the input signal light intensity, the higher the signal-to-noise ratio (hereinafter referred to as SNR) after optical amplification, and the light detection sensitivity.

また、長距離光通信分野で用いられる低雑音光増幅器は、単一モード光ファイバで構成されている。この単一モード光ファイバの構成が用いられる理由は、伝送路との整合性が優れていること等に加え、光増幅器の雑音が光増幅器を構成する利得ファイバの伝播モードに比例して増大することにある。このため、長距離光通信分野では、利得ファイバとして単一モード光ファイバを利用することが光増幅器の低雑音性に大きく寄与している。  A low noise optical amplifier used in the long-distance optical communication field is composed of a single mode optical fiber. The reason why this single mode optical fiber configuration is used is that the matching with the transmission line is excellent, and the noise of the optical amplifier increases in proportion to the propagation mode of the gain fiber constituting the optical amplifier. There is. For this reason, in the long-distance optical communication field, the use of a single mode optical fiber as the gain fiber greatly contributes to the low noise performance of the optical amplifier.

しかしながら、このような単一モード光ファイバから成る長距離光通信用の低雑音光増幅器でさえ、光電変換素子の前段に用いるには、次のような課題がある。すなわち、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の分野で検出される信号光は散乱光である場合や、波面が乱れた光である場合がほとんどである。このような光は、単一モードファイバへの結合効率が非常に低く、光増幅器に取り込むことのできる光信号は、全体の中の限られた一部分の微弱な信号となる。このため、SNRが劣化するので高い受光感度を得ることができない。  However, even a low-noise optical amplifier for long-distance optical communication composed of such a single mode optical fiber has the following problems to be used in the preceding stage of the photoelectric conversion element. That is, signal light detected in fields such as living body observation, sensors, security, and laser radar is mostly scattered light or light with a disturbed wavefront. Such light has a very low coupling efficiency to a single mode fiber, and the optical signal that can be taken into the optical amplifier is a weak signal in a limited portion of the whole. For this reason, since the SNR deteriorates, high light receiving sensitivity cannot be obtained.

これに対し、散乱光や波面が乱れた光を高効率で集めるため、コア径の大きな多モード光ファイバ増幅器を光電変換素子直前に配置することも考えられる。しかし、コア径を大きくしたことによる空間モード数の増大に伴い、光増幅器中で発生する光雑音が増大してしまうため、この場合もSNRが劣化するので高い受光感度を得ることはできない。  On the other hand, in order to collect scattered light and light with a disturbed wavefront with high efficiency, it is conceivable to arrange a multimode optical fiber amplifier having a large core diameter immediately before the photoelectric conversion element. However, as the number of spatial modes increases due to the increase in the core diameter, optical noise generated in the optical amplifier increases. In this case as well, the SNR deteriorates, so that high light receiving sensitivity cannot be obtained.

なお、上記において、光を検出する場合を例に取り説明したが、ミリ波やマイクロ波等の光以外の電磁波を検出する場合も、同様の課題を有すると考えられる。  In the above description, the case where light is detected has been described as an example. However, when detecting electromagnetic waves other than light such as millimeter waves and microwaves, it is considered that the same problem is encountered.

米国特許第6423956号明細書US Pat. No. 6,423,956

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、被検出光が生体等により散乱された光や、波面が乱れた光であっても、高速かつ高感度に検出することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光量等の電磁エネルギーの増大による損傷を最小限にしたい場面や、対象から届く検出信号が微弱な場面であっても、低雑音な検出信号を高効率で収集することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。

Therefore, the object of the present invention made by paying attention to these points is that detection light can be detected at high speed and with high sensitivity even if the light to be detected is light scattered by a living body or the like, or light whose wavefront is disturbed. An object of the present invention is to provide a light detection method, a light detection device, a living body observation method, a microscope, and an endoscope. Another object of the present invention is to provide a low-noise detection signal with high efficiency even in a scene where it is desired to minimize damage due to an increase in electromagnetic energy such as the amount of light, or in a scene where the detection signal reaching the target is weak. An object of the present invention is to provide a light detection method and a light detection device that can be collected, a living body observation method, a microscope, and an endoscope.

上記目的を達成する請求項1に係る光検出装置の発明は、
多モードの入射光のモード状態を調整するモード調整手段と、
前記入射光の空間分布状態に応じて前記モード調整手段のモード調整条件を制御する制御手段と、
前記モード調整手段から出力される前記モード状態が調整された前記光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される前記増幅された光を電気信号に変換する変換手段とを備え、前記モード調整手段は、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、前記増幅手段による増幅空間モードと略一致するモードに調整するように構成されていることを特徴とするものである。
The invention of the photodetection device according to claim 1 that achieves the above object is as follows:
Mode adjusting means for adjusting the mode state of the multi-mode incident light;
Control means for controlling mode adjustment conditions of the mode adjustment means in accordance with the spatial distribution state of the incident light;
Amplifying means for amplifying the light having the adjusted mode state output from the mode adjusting means;
Conversion means for converting the amplified light output from the amplification means into an electrical signal, and the mode adjustment means adjusts the mode distribution of the energy of incident light, and the amplification spatial mode by the amplification means The present invention is characterized in that it is configured to adjust to a mode that substantially matches.

請求項2に係る発明は、請求項1に記載の光検出装置において、
前記制御手段が、前記変換手段からの出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴とするものである。
The invention according to claim 2 is the light detection device according to claim 1,
The control means is controlled to increase the output signal level from the conversion means.

請求項3に係る発明は、請求項1に記載の光検出装置において、
前記モード調整手段がファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバであることを特徴とするものである。
The invention according to claim 3 is the light detection device according to claim 1,
The mode adjusting means is a fiber Bragg grating or a tapered fiber.

請求項4に係る発明は、請求項2に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な伸張、屈曲もしくは応力を与える機能を有することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the light detection device according to the second aspect, the control means has a function of applying mechanical extension, bending, or stress to the mode adjustment means. .

請求項5に係る発明は、請求項2に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とするものである。 The invention according to claim 5 is the light detection apparatus according to claim 2, wherein the control means has a function of giving a temperature change to the mode adjustment means.

請求項6に係る発明は、請求項1に記載の光検出装置において、前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファイバであることを特徴とするものである。 The invention according to claim 6 is the optical detection apparatus according to claim 1, characterized in that the mode adjusting means is a tapered fiber constituted by a graded index fiber.

請求項1に記載の発明によれば、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、増幅手段の増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段を、増幅手段及び変換手段の前に配置し、かつ入射光の空間分布状態に応じてモード調整手段のモード調整条件を制御するようにしたので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、時々刻々と入射光のモード状態が変化するような光であっても、被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。 According to the first aspect of the present invention, the mode adjusting means for adjusting the mode distribution of the energy of the incident light so as to adjust the mode substantially coincides with the amplification spatial mode of the amplifying means is provided before the amplifying means and the converting means. Since the mode adjustment condition of the mode adjustment means is controlled according to the spatial distribution state of the incident light, even if the detected light is scattered light or the wave front is disturbed Even if the mode state of the incident light changes, the light to be detected can be collected with high efficiency, and light detection with high speed and high sensitivity becomes possible.

請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、光検出装置構成を最も簡素にできるという効果がある。本発明では、変換手段の出力レベルをモニタし、その変換手段の出力レベルが高くなるようにモード調整手段のモード調整条件を変えるため、入射光の空間分布状態を間接的に簡便に知ることができる。つまり、入射光の空間分布状態を知るために付加すべき特別な部品が不要である。そのため、光検出装置を構成する部品点数を必要最小限に抑えることができる。 According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in claim 1, there is an effect that the configuration of the light detection device can be simplified most. In the present invention, since the output level of the conversion means is monitored and the mode adjustment condition of the mode adjustment means is changed so that the output level of the conversion means becomes high, the spatial distribution state of incident light can be known indirectly and simply. it can. That is, there is no need for a special part to be added to know the spatial distribution state of incident light. Therefore, the number of parts constituting the light detection device can be minimized.

請求項3に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、モード調整手段にファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバといった光ファイバ素子を用いることで、機械的振動などの外的環境の変動に強い光検出装置を実現することができるという効果がある。  According to the invention described in claim 3, in addition to the effect of the invention described in claim 1, by using an optical fiber element such as a fiber Bragg grating or a tapered fiber for the mode adjusting means, external vibration such as mechanical vibration is obtained. There is an effect that it is possible to realize a photodetector that is resistant to environmental fluctuations.

請求項4に記載の発明によれば、請求項3に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバに機械的な伸張もしくは屈曲機能を与える機能を有するものを用いることで、高速にモード状態の制御を行うことができるという効果がある。こうすることで、入射光のモード状態が高速に変動する場合にも高速かつ高感度な光検出が可能になる。  According to the invention described in claim 4, in addition to the effect of the invention described in claim 3, a control means having a function of giving a mechanical extension or bending function to a fiber Bragg grating or tapered fiber is used. Thus, the mode state can be controlled at high speed. This makes it possible to detect light with high speed and high sensitivity even when the mode state of incident light fluctuates at high speed.

請求項5に記載の発明によれば、請求項3に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバなどの光ファイバ素子に温度的な変化を与える機能を有するものを用いることで、光ファイバ素子自身の機械的安定性を損なうことなくモードを調整できるという効果がある。この効果は、長期的な安定性が求められる用途に特に有用である。 According to the invention described in claim 5, in addition to the effect of the invention described in claim 3, the controller has a function of giving a temperature change to an optical fiber element such as a fiber Bragg grating or a tapered fiber. By using it, the mode can be adjusted without impairing the mechanical stability of the optical fiber element itself. This effect is particularly useful for applications that require long-term stability.

請求項6に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、コア中心部から周辺部にかけて徐々に屈折率が低下するようなグレーデッドインデックスファイバをモード調整手段として用いることで、損失の低いモード調整が可能になる。  According to the invention described in claim 6, in addition to the effect of the invention described in claim 1, a graded index fiber whose refractive index gradually decreases from the core central part to the peripheral part is used as the mode adjusting means. Thus, mode adjustment with low loss becomes possible.

本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図 である。1 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetection device according to a first embodiment of the present invention. モード調整手段におけるモードの調整を説明する図である。It is a figure explaining the adjustment of the mode in a mode adjustment means. 本発明の第2実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rigid endoscope type blood vessel imaging apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. テーパードファイバのコア部分縦断面の概略形状を示す図である。It is a figure which shows the schematic shape of the core part longitudinal cross-section of a tapered fiber. Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an Er addition fluoride fiber type optical amplifier. 本発明の第3実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rigid endoscope type blood vessel imaging apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon detection apparatus which concerns on 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the highly sensitive endoscope which concerns on 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon detection apparatus which concerns on 7th Embodiment of this invention. 本発明の第8実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rigid endoscope type blood-vessel imaging device which concerns on 8th Embodiment of this invention. 本発明の第9実施の形態に係る光検出装置を用いたレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the laser scanning type | mold multiphoton fluorescence microscope using the photon detection apparatus based on 9th Embodiment of this invention. 本発明の第10実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon detection apparatus which concerns on 10th Embodiment of this invention. 本発明の第11実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rigid endoscope type blood vessel imaging apparatus concerning 11th Embodiment of this invention. 本発明の第12実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the photon detection apparatus which concerns on 12th Embodiment of this invention. 本発明の第13実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the rigid endoscope type blood-vessel imaging device which concerns on 13th Embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施の形態)
図1は、本発明の第1実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、観察対象の試料から放出される被検出光を増幅して、電気信号として信号処理系へ受け渡すためのものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the photodetection device according to the first embodiment of the present invention. This photodetection device is for amplifying detected light emitted from a sample to be observed and delivering it as an electrical signal to a signal processing system.

本実施の形態に係る光検出装置は、入射した多モードの被検出光のモード状態を調整するモード調整手段10と、モード調整手段10でモード状態を調整された光を増幅する増幅手段20と、増幅手段20により増幅された光を電気信号に変換して信号処理系へ出力する変換手段30とを備える。増幅手段20は、特定の増幅空間モードに対して、SNRの優れた増幅特性を有し、モード調整手段10は、多モードの入射電磁波を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段20による増幅空間モードと略一致するモードに調整する。 The light detection apparatus according to the present embodiment includes a mode adjustment unit 10 that adjusts the mode state of incident multimode light to be detected, and an amplification unit 20 that amplifies the light whose mode state is adjusted by the mode adjustment unit 10. And a converting means 30 for converting the light amplified by the amplifying means 20 into an electric signal and outputting it to a signal processing system. The amplifying unit 20 has an amplification characteristic with an excellent SNR for a specific amplification spatial mode, and the mode adjusting unit 10 adjusts the mode distribution of the energy of the multimode incident electromagnetic wave by the amplifying unit 20. The mode is adjusted to substantially match the amplification space mode.

図2は、モード調整手段10におけるモードの調整を説明する図である。モード調整手段10は、入射側において多モードの光の入射を許容し、一方、出射側では、後段の増幅手段20の増幅空間モードと略一致した、すなわち、整合性の高いエネルギーのモード分布となるように調整を行うように構成されている。図2(a)は、モード調整手段の入射側における入射光のエネルギーのモード分布の例である。この例では、モード番号1で示される基本モードと、モード番号2〜7で示される高次モードにエネルギーが分布している。図2(b)および図2(c)は、それぞれ異なるケースにおけるモード調整手段10の出射側における光のエネルギーのモード分布を示す図である。図2(b)では、許容されるモードはモード番号1および2で示される2つのモードのみであり、モード調整手段10の入射側における各モードのエネルギーが、低損失でこれら2つのモードに変換される。また、図2(c)は、モード調整手段の出射側でのエネルギーのモード分布として、入射側と同じモード番号1〜7の各モードが許容されるが、エネルギーのモード分布が変化して、モード番号1および2の2つのモードの分布が特に高くなる例を示している。すなわち、図2(c)では、擬似的に空間モード数を低減している。モード調整手段10は、図2(b)のようにモード数そのものを減少させるものと、図2(c)のようにエネルギーの分布を変化させるものとのいずれであっても良い。  FIG. 2 is a diagram for explaining mode adjustment in the mode adjustment means 10. The mode adjusting unit 10 allows the incidence of multimode light on the incident side, and on the output side, the mode adjusting unit 10 substantially matches the amplification spatial mode of the subsequent amplification unit 20, that is, has a highly consistent energy mode distribution. It is comprised so that adjustment may be performed. FIG. 2A shows an example of the mode distribution of the energy of incident light on the incident side of the mode adjusting means. In this example, energy is distributed in a basic mode indicated by mode number 1 and higher-order modes indicated by mode numbers 2 to 7. FIGS. 2B and 2C are diagrams showing the mode distribution of light energy on the emission side of the mode adjusting means 10 in different cases. In FIG. 2B, only the two modes indicated by mode numbers 1 and 2 are allowed, and the energy of each mode on the incident side of the mode adjusting means 10 is converted into these two modes with low loss. Is done. Further, FIG. 2C shows that the mode distribution of energy on the exit side of the mode adjusting means is allowed to have the same mode numbers 1 to 7 as those on the incident side, but the mode distribution of energy changes, An example in which the distribution of the two modes of mode numbers 1 and 2 is particularly high is shown. That is, in FIG. 2C, the number of spatial modes is reduced in a pseudo manner. The mode adjustment means 10 may be either one that reduces the number of modes itself as shown in FIG. 2B or one that changes the energy distribution as shown in FIG.

図1の概略構成により、散乱波または波面が乱れた波である被検出光は、モード調整手段10の入射側で許容されるモードに従ってモード調整手段10に入射する。その際、より多くの高次モードが許容されるほど、被検出光とモード調整手段10との結合効率が高くなる。その後、被検出光は、モード調整手段10によるモード調整を受け、増幅手段20に出射される。このとき、モード調整手段10から出射される被検出光のエネルギーのモード分布と、増幅手段20による増幅空間モードとは略一致するので、モードの不整合によるエネルギーの損失が低減される。さらに、被検出光は、増幅手段20により増幅されて変換手段30に出射され、変換手段30で電気信号に変換される。変換手段30から出力される電気信号は、後段に続く信号処理系により所望のデータに変換される。   With the schematic configuration of FIG. 1, the detected light that is a scattered wave or a wave whose wavefront is disturbed enters the mode adjusting unit 10 according to a mode allowed on the incident side of the mode adjusting unit 10. At this time, the coupling efficiency between the detected light and the mode adjusting means 10 increases as more higher-order modes are allowed. Thereafter, the detected light undergoes mode adjustment by the mode adjustment unit 10 and is emitted to the amplification unit 20. At this time, the mode distribution of the energy of the light to be detected emitted from the mode adjusting unit 10 and the amplification spatial mode by the amplification unit 20 substantially coincide with each other, so that energy loss due to mode mismatch is reduced. Further, the detected light is amplified by the amplifying unit 20 and emitted to the converting unit 30, and is converted into an electric signal by the converting unit 30. The electrical signal output from the conversion means 30 is converted into desired data by a signal processing system following the subsequent stage.

以上説明したように、本実施の形態によれば、多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段20による増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段10を、増幅手段及び変換手段の前に配置したので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、この被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。   As described above, according to the present embodiment, the mode adjustment unit 10 that adjusts the mode distribution of energy to a mode that substantially matches the amplification spatial mode of the amplification unit 20 by adjusting the mode distribution of energy. Because it is arranged in front of the amplifying means and the converting means, even if the detected light is scattered light or the light whose wave front is distorted, the detected light can be collected with high efficiency, and it is fast and sensitive. Light detection is possible.

また、モード調整手段10に入力される被検出光の空間分布状態が時間に応じて変化する場合、その被検出光の空間分布状態に適したモードの調整を行うために、モード調整手段10の特性を変化させる制御手段を用いる。変換手段30から出力される電圧レベルを確認することで、モード調整手段10に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段10の特性が適合しているかどうかを判断することができる。従って、変換手段30から出力される電圧レベルが高くなるように制御手段を用い、モード調整手段10の特性を変化させることで、モード調整手段10に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段10の特性を適合させることができる。こうすることで、時間に応じて被検出光の空間分布状態が変化する場合でも、高速かつ高感度な光検出が可能になる。 In addition, when the spatial distribution state of the detected light input to the mode adjusting unit 10 changes according to time, the mode adjusting unit 10 can adjust the mode suitable for the spatial distribution state of the detected light. Control means for changing the characteristics is used. By checking the voltage level output from the conversion unit 30, it is possible to determine whether the spatial distribution state of the detected light input to the mode adjustment unit 10 matches the characteristics of the mode adjustment unit 10. Accordingly, the control means is used so that the voltage level output from the conversion means 30 is increased, and the characteristics of the mode adjustment means 10 are changed, so that the spatial distribution state and mode of the detected light input to the mode adjustment means 10 are changed. The characteristics of the adjusting means 10 can be adapted. By doing so, even when the spatial distribution state of the light to be detected changes with time, high-speed and high-sensitivity light detection becomes possible.

さらに、本実施の形態に示す光検出装置に対して、特開2009−153654にも記載されるような波長可変光源と同期検出する構成を組み合わせることにより、高速、高感度、かつ高コントラストな光検出も実現できる。 Furthermore, by combining the light detection device described in this embodiment with a configuration that performs synchronous detection with a wavelength tunable light source as described in JP-A-2009-153654, high-speed, high-sensitivity, and high-contrast light Detection can also be realized.

(第2実施の形態)
図3は、本発明の第2実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この装置は、レーザ光を照射して得られる被検出信号光を検出して、脂肪下に存在する血管位置を可視化するものである。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a rigid endoscope blood vessel imaging device according to the second embodiment of the present invention. This apparatus detects a detected signal light obtained by irradiating a laser beam and visualizes a blood vessel position existing under fat.

この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、生体試料100を走査しつつ照明用のレーザ光を照射し、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱された光を、図1に示した構成を有する光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して画像を表示するように構成されている。   This rigid endoscope blood vessel imaging apparatus irradiates laser light for illumination while scanning the biological sample 100, and the light reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 has the configuration shown in FIG. It is configured so as to be detected and converted into an electric signal by an optical detection device, and to display an image by processing the electric signal by a signal processing system.

この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、波長543nm、出力2mWの単一モードファイバ(single mode fiber: SMF)出力型Er添加フッ化物ファイバレーザ61、アイソレータ62、単一モードファイバ(single mode fiber: SMF)63およびコリメータ64を照明光学系として備え、Er添加フッ化物ファイバレーザ61を出射したレーザ光が、アイソレータ62およびSMF63を介してコリメータ64により略平行光として生体試料100の所望の観察位置へ照射されるように構成されている。   This rigid endoscope type blood vessel imaging apparatus has a single mode fiber (SMF) output type Er-doped fluoride fiber laser 61 having a wavelength of 543 nm and an output of 2 mW, an isolator 62, a single mode fiber: SMF) 63 and a collimator 64 are provided as an illumination optical system, and the laser light emitted from the Er-added fluoride fiber laser 61 is substantially collimated by the collimator 64 via the isolator 62 and the SMF 63 to a desired observation position of the biological sample 100. It is configured to be irradiated.

さらに、Er添加フッ化物ファイバレーザ61を駆動するレーザドライバ66が設けられており、Er添加フッ化物ファイバレーザ61は、このレーザドライバ66を介して、この硬性内視鏡型血管イメージング装置全体を制御する後述するコンピュータ69からの制御により、出力状態を制御されるように構成されている。  Further, a laser driver 66 for driving the Er-doped fluoride fiber laser 61 is provided, and the Er-doped fluoride fiber laser 61 controls the entire rigid endoscope blood vessel imaging apparatus via the laser driver 66. The output state is controlled by control from a computer 69 described later.

また、生体試料100からの信号光を検出するため、図3に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図1に示す光検出装置のモード調整手段10、増幅手段20および変換手段30のそれぞれに対応する構成として、テーパードファイバ11、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21およびシリコンPIN−PD(PIN photo diode)31を備える。さらに、PIN−PD31の後段には、PIN−PD31から出力された電気信号を増幅する電気増幅器67、電気増幅器67で増幅されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル(analog-to-digital: AD)変換器68を設けている。  Further, in order to detect the signal light from the biological sample 100, the rigid endoscope blood vessel imaging apparatus shown in FIG. 3 includes the mode adjustment means 10, the amplification means 20 and the conversion means 30 of the light detection apparatus shown in FIG. As a configuration corresponding to each, a tapered fiber 11, an Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21, and a silicon PIN-PD (PIN photo diode) 31 are provided. Further, an electrical amplifier 67 that amplifies the electrical signal output from the PIN-PD 31 and an analog-to-digital (analog-to-digital) that converts the analog electrical signal amplified by the electrical amplifier 67 into a digital signal. A digital (AD) converter 68 is provided.

テーパードファイバとは、入力側から出力側にかけて光が導波するコア部分の径が変化する構造を有する光ファイバのことである。テーパードファイバ11の入射面は、生体試料100に面してコリメータ64と近接した位置に配置され、コリメータ64とともに走査マウント65上に固定される。図4にコア部分の縦断面の概略形状を示すように、テーパードファイバ11は、入力側のコア径が出力側のコア径よりも大きなテーパ状となっている。本実施の形態では、入力側及び出力側のコア径が、それぞれ50μmおよび4μmで、長さが1.0mのものを使用する。  A tapered fiber is an optical fiber having a structure in which the diameter of a core portion through which light is guided varies from the input side to the output side. The incident surface of the tapered fiber 11 faces the biological sample 100 and is disposed at a position close to the collimator 64, and is fixed on the scanning mount 65 together with the collimator 64. As shown in the schematic shape of the longitudinal section of the core portion in FIG. 4, the tapered fiber 11 has a tapered shape in which the core diameter on the input side is larger than the core diameter on the output side. In this embodiment, the core diameters on the input side and output side are 50 μm and 4 μm, respectively, and the length is 1.0 m.

また、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21は、構成図を図5に示すように、アイソレータ73a、73b、波長分割多重(wavelength divisional multiplexing:WDM)カプラ74、Er添加フッ化物ファイバ75、光フィルタ76、半導体レーザ(laser Diode: LD)77を含んで構成する。  In addition, as shown in FIG. 5, the Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21 includes isolators 73a and 73b, a wavelength division multiplexing (WDM) coupler 74, an Er-doped fluoride fiber 75, and an optical filter. 76, including a laser diode (LD) 77;

アイソレータ73aおよび73bは、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21の入力側および出力側に配置され、戻り光を抑止する。LD77は、Er添加フッ化物ファイバ75の励起光源であり、波長975nm、出力100mWの半導体レーザを使用する。また、LD77に接続されたLD77を駆動するドライバ72が設けられている。WDMカプラ74は、LD77からの励起光と入射側のアイソレータ73aを出射した信号光とを合波し、Er添加フッ化物ファイバ75へ出力するように構成される。Er添加フッ化物ファイバ75は、コア径4μmの単一モードEr添加フッ化物ファイバであり、励起光により信号光を増幅するとともに、残留励起光およびASEを出力する。光フィルタ76は、Er添加フッ化物ファイバ75の出射側に設けられ、残留励起光及びASEを除去して信号光のみを出射する。この信号光は、アイソレータ73bを介してEr添加フッ化物ファイバ型光増幅器21から出射される。このEr添加フッ化物ファイバ型光増幅器21は、テーパードファイバ11の出力を約15dB増幅することができる。  Isolators 73a and 73b are disposed on the input side and output side of the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21, and suppress return light. The LD 77 is an excitation light source for the Er-doped fluoride fiber 75 and uses a semiconductor laser having a wavelength of 975 nm and an output of 100 mW. Further, a driver 72 for driving the LD 77 connected to the LD 77 is provided. The WDM coupler 74 is configured to multiplex the excitation light from the LD 77 and the signal light emitted from the incident-side isolator 73 a and output the resultant light to the Er-doped fluoride fiber 75. The Er-doped fluoride fiber 75 is a single-mode Er-doped fluoride fiber having a core diameter of 4 μm, amplifies the signal light with the pump light, and outputs residual pump light and ASE. The optical filter 76 is provided on the emission side of the Er-doped fluoride fiber 75, and removes residual excitation light and ASE and emits only signal light. This signal light is emitted from the Er-doped fluoride fiber amplifier 21 via the isolator 73b. The Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21 can amplify the output of the tapered fiber 11 by about 15 dB.

また、本実施の形態の硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図3に示すように、装置各部を制御するとともに、AD変換器68から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ69を備える。コンピュータ69は、レーザドライバ66、ドライバ71およびドライバ72と接続され、それぞれEr添加フッ化物ファイバレーザ61、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21、および、走査マウント65を制御するとともに、AD変換器68の出力信号とEr添加フッ化物ファイバレーザ61の出力、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21の増幅率および走査マウント65の位置の各情報とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ70に表示するように構成される。  Further, as shown in FIG. 3, the rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the present embodiment includes a computer 69 that controls each part of the apparatus and processes a digital signal output from the AD converter 68. The computer 69 is connected to the laser driver 66, the driver 71, and the driver 72, and controls the Er-doped fluoride fiber laser 61, the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21, and the scanning mount 65, respectively, and an AD converter 68. The signal processing is performed by associating each output signal with the output signal of the Er-doped fluoride fiber laser 61, the amplification factor of the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21, and the position of the scanning mount 65, and the result is displayed on the display monitor 70. Configured to display.

以上のような構成によって、本実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置では、生体試料の観察を行う際、コンピュータ69は、ドライバ71を介して走査マウント65を走査させるとともに、レーザドライバ66を介して、Er添加フッ化物ファイバレーザ61を駆動して、コリメータ64から生体試料100にレーザ光を照射させる。このレーザ光は、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱されて、波長543nmの信号光としてテーパードファイバ11に入射する。  With the configuration as described above, in the rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the present embodiment, when observing a biological sample, the computer 69 scans the scanning mount 65 via the driver 71 and the laser driver. The Er-added fluoride fiber laser 61 is driven through 66 to irradiate the biological sample 100 with laser light from the collimator 64. This laser light is reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 and enters the tapered fiber 11 as signal light having a wavelength of 543 nm.

ここで、テーパードファイバ11の入射側のコア径は50μmなので、4μmのコア径のファイバと比べると、入射面の面積が大きく空間的に広範囲の信号を集めることができるとともに、基本モードの他多くの高次モードが入射することができる。一方、テーパードファイバの出射側では、コア径が4μmと小さく、モード間のエネルギーの分布が調整されて基本モードに集中する。  Here, since the core diameter on the incident side of the tapered fiber 11 is 50 μm, the area of the incident surface is large compared to a fiber with a core diameter of 4 μm, and a wide range of signals can be collected. Higher order modes can be incident. On the other hand, on the exit side of the tapered fiber, the core diameter is as small as 4 μm, and the energy distribution between modes is adjusted to concentrate on the fundamental mode.

モード調整を受けた信号光は、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21に入射し、図5に示した増幅空間モードが基本モードであるコア径4μmの単一モードEr添加フッ化物ファイバ75に入射する。テーパードファイバの出射側のモード分布と、Er添加フッ化物ファイバ75の増幅空間モードとが、略一致しているので、両者の接合部分における結合効率が高くなる。このため、テーパードファイバ11に入射した信号光のエネルギーの損失を抑えることができ、かつ、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21において略単一モードでの増幅ができるので、ASEの発生が抑えられ、SNRの高い信号光を得ることができる。  The signal light that has undergone mode adjustment enters the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21 and enters the single-mode Er-doped fluoride fiber 75 having a core diameter of 4 μm whose fundamental mode is the amplification spatial mode shown in FIG. To do. Since the mode distribution on the emission side of the tapered fiber and the amplification spatial mode of the Er-doped fluoride fiber 75 substantially coincide with each other, the coupling efficiency at the junction between the two becomes high. For this reason, the loss of energy of the signal light incident on the tapered fiber 11 can be suppressed, and the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21 can perform amplification in a substantially single mode, so that the generation of ASE can be suppressed. , Signal light having a high SNR can be obtained.

さらに、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21を出射した信号光は、図3に示すように、PIN−PD31で電気信号に変換され、電気増幅器67で増幅され、AD変換器68でディジタル信号に変換され、コンピュータ69に送信される。コンピュータ69は、この電気信号とドライバ71から得られる走査位置情報等とを関連づけることにより信号処理を行い、血管画像を生成してモニタ70に表示する。このようにして、脂肪下に存在する血管位置を高速度に画像化することが可能になる。  Further, as shown in FIG. 3, the signal light emitted from the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21 is converted into an electric signal by the PIN-PD 31, amplified by the electric amplifier 67, and converted into a digital signal by the AD converter 68. It is converted and transmitted to the computer 69. The computer 69 performs signal processing by associating this electrical signal with the scanning position information obtained from the driver 71, generates a blood vessel image, and displays it on the monitor 70. In this way, the blood vessel position existing under fat can be imaged at high speed.

以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ11をEr添加フッ化物ファイバ型光増幅器21の前段に配置することで、受光面を広くすることができ、さらに、入射側の許容空間モード数が大きいので、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、多くの信号光を入射させることができる。また、テーパードファイバ11により、増幅空間モード数の少ないEr添加フッ化物ファイバ型光増幅器21の増幅空間モードと略一致するモードに、エネルギーのモード分布を調整させたので、ASEを低減することができ、SNRの高い光増幅が可能になる。さらに、テーパードファイバ11を用いたことによって、少ないエネルギー損失でモード調整を行うことができる。したがって、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、信号光強度は高く、雑音光強度は低い光増幅が可能になる。従って、この光増幅器をPIN−PD31の前に配置することで高速かつ高感度な光検出が可能になる。  As described above, according to the present embodiment, the light receiving surface can be widened by arranging the tapered fiber 11 in front of the Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21. Since the number of spatial modes is large, a large amount of signal light can be incident even if the signal light to be detected is scattered light or light with a disturbed wavefront. In addition, since the mode distribution of energy is adjusted to a mode that substantially matches the amplification spatial mode of the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21 with a small number of amplification spatial modes by the tapered fiber 11, ASE can be reduced. , Optical amplification with high SNR becomes possible. Furthermore, mode adjustment can be performed with little energy loss by using the tapered fiber 11. Therefore, even if the detected signal light is scattered light or light with a disturbed wavefront, it is possible to amplify light with high signal light intensity and low noise light intensity. Therefore, by arranging this optical amplifier in front of the PIN-PD 31, it becomes possible to detect light with high speed and high sensitivity.

また、モード調整手段10として、光ファイバの一種であるテーパードファイバ11を利用することで、長尺な空間モード調整導波路を安定的に実現することができる。長尺化することにより、断熱的な空間モード調整が可能になり、より低損失な空間モード調整を実現することができる。また、光ファイバを用いることにより空間光学系の微調整などが不要になるため、使用上の自由度が向上する。さらに、テーパードファイバ11は、設計の自由度が非常に高いので、検出光の状態に適したモード調整手段を実現することが可能になる。また、テーパードファイバ11は比較的容易に作製可能なため、低価格な光検出装置を提供することができる。  Further, by using a tapered fiber 11 which is a kind of optical fiber as the mode adjusting means 10, a long spatial mode adjusting waveguide can be stably realized. By making the length longer, adiabatic spatial mode adjustment becomes possible, and lower-loss spatial mode adjustment can be realized. In addition, the use of the optical fiber eliminates the need for fine adjustment of the spatial optical system, thereby improving the degree of freedom in use. Furthermore, since the tapered fiber 11 has a very high degree of design freedom, it is possible to realize a mode adjusting means suitable for the state of the detection light. Further, since the tapered fiber 11 can be manufactured relatively easily, an inexpensive photodetection device can be provided.

また、増幅手段20として、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21を用いたので、高利得および低雑音性で高い増幅効率の増幅をすることができる。さらに、石英系ファイバ型光増幅器では動作できない波長帯域でも光増幅が可能になり、特に、可視帯での効率的な光増幅が可能になる。  Further, since the Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21 is used as the amplifying means 20, it is possible to perform amplification with high gain and low noise and high amplification efficiency. Furthermore, optical amplification is possible even in a wavelength band that cannot be operated with a silica-based fiber optical amplifier, and in particular, efficient optical amplification in the visible band is possible.

さらに、図3に示す第2実施の形態において、時間や計測位置などによって被検出光の空間分布状態が変化するような場合、次のような構成を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。まず、図3中のテーパードファイバ11をピエゾ素子に接着させる。ピエゾ素子に流す電流を変化させることでピエゾ素子、ひいてはテーパードファイバ11を伸縮もしくは屈曲させることができるようになっている。こうすることでテーパードファイバ11のモード調整特性を変化させることができる。この時、PIN−PD31からの出力電圧が高くなるように、このピエゾ素子に流れる電流がコンピュータ69にて制御される。 Furthermore, in the second embodiment shown in FIG. 3, when the spatial distribution state of the detected light changes depending on time, measurement position, etc., high-speed and high-sensitivity light detection can be achieved by using the following configuration. Is possible. First, the tapered fiber 11 in FIG. 3 is bonded to the piezo element. By changing the current passed through the piezo element, the piezo element, and consequently the tapered fiber 11, can be expanded or contracted. By doing so, the mode adjustment characteristic of the tapered fiber 11 can be changed. At this time, the current flowing in the piezo element is controlled by the computer 69 so that the output voltage from the PIN-PD 31 is increased.

(第3実施の形態)
図6は、本発明の第3実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段10を複数設けるとともに、モード調整手段10と増幅手段20との間に、合波手段40を設けている。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a schematic configuration of a photodetection device according to the third embodiment of the present invention. This photodetection device is provided with a plurality of mode adjustment means 10 and a multiplexing means 40 between the mode adjustment means 10 and the amplification means 20 in the configuration of the photodetection apparatus shown in FIG.

この構成により、被検出光は、複数のモード調整手段10に入力され、それぞれのモード調整手段10において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段10からの出力光は、合波手段40に入力され、合波される。合波手段40より出力された被検出信号光は増幅手段20によって増幅され、さらに変換手段30によって電気信号に変換される。変換手段30から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。  With this configuration, the detected light is input to the plurality of mode adjusting units 10, and the spatial mode adjustment is performed in each mode adjusting unit 10. Thereafter, the output lights from the plurality of mode adjusting means 10 are input to the multiplexing means 40 and are combined. The detected signal light output from the multiplexing unit 40 is amplified by the amplification unit 20 and further converted into an electric signal by the conversion unit 30. The electrical signal output from the conversion means 30 is converted into desired data by a signal processing system following the subsequent stage.

本実施の形態によれば、第一実施の形態の効果に加え、並列に入射する多モードの入射光のモード調整を行う複数のモード調整手段10を、増幅手段20及び変換手段30の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、信号波を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段10から出力される複数の光を合波する合波手段40を備えるので、入射光をモード数を少なくして合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。  According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, a plurality of mode adjustment means 10 for performing mode adjustment of multi-mode incident light incident in parallel are provided in front of the amplification means 20 and the conversion means 30. Since they are arranged, signal waves can be collected with high efficiency even if the detected signal light is scattered light or light whose wavefront is disturbed, and light detection with high speed and high sensitivity becomes possible. In addition, since it includes a multiplexing unit 40 that combines a plurality of lights output from the plurality of mode adjusting units 10, the operation stability of the entire apparatus is further improved by combining the incident light with a reduced number of modes. Can be improved.

(第4実施の形態)
図7は、図6に示した光検出装置を用いた本発明の第4実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図3に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ64aに代えて、照明用レンズ64bを使用するとともに、テーパードファイバ11を並列に複数本設け、それらの出射側に合波手段40としてファイバカプラ41を設けている。また、走査マウント65に照明用レンズ64bと複数のテーパードファイバ11の入射面とが、生体試料100に面するように固定されている。
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention using the light detection apparatus shown in FIG. This rigid endoscope blood vessel imaging apparatus uses an illumination lens 64b instead of the collimator 64a in the rigid endoscope blood vessel imaging apparatus shown in FIG. 3, and a plurality of tapered fibers 11 are provided in parallel. A fiber coupler 41 is provided as a multiplexing means 40 on the emission side. Further, the illumination lens 64 b and the incident surfaces of the plurality of tapered fibers 11 are fixed to the scanning mount 65 so as to face the biological sample 100.

照明用レンズ64bは、図3に示したコリメータ64aとは異なり、SMF63を伝播してきたレーザ光を拡散させて、テーパードファイバ11の入射面に面した生体試料100の領域に照射させる。このレーザ光は、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱されて、複数のテーパードファイバ11に多モードの光として入射する。各テーパードファイバ11に入射した信号光は、モード間のエネルギー分布が調整された後、基本モードを含む少ないモード数の光としてファイバカプラ41に入射して合波される。その後、ファイバカプラ41で合波された信号光は、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21に入射する。その他の構成および作用は第2実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。  Unlike the collimator 64 a shown in FIG. 3, the illumination lens 64 b diffuses the laser light propagated through the SMF 63 and irradiates the region of the biological sample 100 facing the incident surface of the tapered fiber 11. The laser light is reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 and is incident on the plurality of tapered fibers 11 as multimode light. After the energy distribution between modes is adjusted, the signal light incident on each tapered fiber 11 is incident on the fiber coupler 41 and multiplexed as light having a small number of modes including the fundamental mode. Thereafter, the signal light combined by the fiber coupler 41 enters the Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

以上説明したように、本実施の形態によれば、第2実施の形態の効果に加え、テーパードファイバ11を複数有することにより、より多くの信号光を集光することができる。また、一般に、空間モード数の少ない素子ほど動作が安定しているので、信号光の空間モード数を少なくして合波手段を使用して合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。  As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the second embodiment, more signal light can be collected by having a plurality of tapered fibers 11. Also, since the operation is generally more stable with an element having a smaller number of spatial modes, the operation stability of the entire apparatus can be further improved by reducing the number of spatial modes of the signal light and using the multiplexing means. Can be improved.

(第5実施の形態)
図8は、本発明の第5実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段10と増幅手段20とを、各1個を一組として複数並列に設けるとともに、それぞれの増幅手段20からの出力を、これら出力を並列に処理することのできる変換手段30に入力されるように構成したものである。
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a block diagram showing a schematic configuration of the photodetecting device according to the fifth embodiment of the present invention. In the configuration of the photodetecting device shown in FIG. 1, this photodetecting device is provided with a plurality of mode adjusting means 10 and amplifying means 20 in parallel, one each as a set, and the output from each amplifying means 20 Are configured to be input to the conversion means 30 that can process these outputs in parallel.

上記の構成において、被検出光は、複数のモード調整手段10に入力され、それぞれのモード調整手段10において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段10からの出力光は、対応する増幅手段20に入力されて増幅され、さらに変換手段30によって並列に電気信号に変換される。変換手段30から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。  In the above configuration, the detected light is input to the plurality of mode adjusting units 10, and the spatial mode adjustment is performed in each mode adjusting unit 10. Thereafter, the output light from the plurality of mode adjusting means 10 is input to the corresponding amplifying means 20 and amplified, and further converted into electric signals in parallel by the converting means 30. The electrical signal output from the conversion means 30 is converted into desired data by a signal processing system following the subsequent stage.

本実施の形態によれば、並列に入射する多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段20による増幅空間モードと略一致するモードに調整する複数のモード調整手段10を、それぞれ対応する増幅手段20及び変換手段30の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、これを高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段10及びそれに対応する複数の増幅手段20を有し、それぞれの増幅手段20からの光出力を並列に電気信号に変換することで、同時に画像情報等の複数点の情報を得ることができる。  According to the present embodiment, the plurality of mode adjusting means 10 for adjusting the multimode incident light incident in parallel to the mode substantially matching the amplification spatial mode by the amplifying means 20 by adjusting the mode distribution of energy. Since each of the signal light to be detected is scattered light or light with a distorted wavefront, it can be collected with high efficiency, at a high speed. Highly sensitive light detection is possible. Furthermore, it has a plurality of mode adjusting means 10 and a plurality of amplifying means 20 corresponding thereto, and converts the light output from each of the amplifying means 20 into an electrical signal in parallel, so that a plurality of information such as image information can be simultaneously obtained Can be obtained.

(第6実施の形態)
図9は、図8に示した光検出装置を用いた本発明の第6実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。この高感度内視鏡は、照明用のレーザ光を照射し、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱された光を、図8の光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して内視鏡画像を表示するように構成されている。
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of a high-sensitivity endoscope according to the sixth embodiment of the present invention using the light detection device shown in FIG. This high-sensitivity endoscope irradiates a laser beam for illumination, detects the light reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 by the photodetection device in FIG. An electric signal is processed by a signal processing system to display an endoscopic image.

生体試料100に照明用のレーザ光を照射する光学系として、この高感度内視鏡では、波長635nm、出力20mWのLD80、アイソレータ81、多モードファイバ(multi-mode fiber: MMF)82a、および、照明用レンズ83を備え、光源であるLD80の出力はアイソレータ81およびMMF82aを介して、照明用レンズ83から空間に出力され、生体試料100へ照射されるように構成される。  As an optical system for irradiating the biological sample 100 with laser light for illumination, this high-sensitivity endoscope uses an LD80 having a wavelength of 635 nm and an output of 20 mW, an isolator 81, a multi-mode fiber (MMF) 82a, and The illumination lens 83 is provided, and the output of the LD 80 as the light source is output to the space from the illumination lens 83 via the isolator 81 and the MMF 82a, and is irradiated to the biological sample 100.

また、LD80を駆動するレーザドライバ79が設けられ、LD80は、レーザドライバ79を介して、この高感度内視鏡の全体を制御するコンピュータ69によって、出力を制御されるように構成されている。  Further, a laser driver 79 for driving the LD 80 is provided, and the LD 80 is configured such that the output is controlled by the computer 69 that controls the entire high-sensitivity endoscope via the laser driver 79.

また、生体試料100からの被検出光を検出する光検出装置は、モード調整手段10として128×128本のテーパードファイバ11を、増幅手段20として各テーパードファイバ11に対応する128×128個の半導体光増幅器(semiconductor optical amplifier:SOA)22を、変換手段30として128×128個の画素を有するCCDカメラ32を、それぞれ用いる。また、各テーパードファイバ11と対応するSOA22との間には、それぞれアイソレータ84aを、各SOA22とCCDカメラ32との間にはアイソレータ84bとASE除去用の光バンドパスフィルタ(band-pass filter: BPF) 85とを設ける。CCDカメラ32の後段には、アナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ-ディジタル(analog-to-digital: AD)変換器68を設ける。  In addition, the light detection device for detecting the light to be detected from the biological sample 100 includes 128 × 128 tapered fibers 11 as the mode adjusting means 10 and 128 × 128 semiconductors corresponding to the tapered fibers 11 as the amplifying means 20. An optical amplifier (semiconductor optical amplifier: SOA) 22 and a CCD camera 32 having 128 × 128 pixels are used as the conversion means 30, respectively. Further, an isolator 84a is provided between each tapered fiber 11 and the corresponding SOA 22, and an isolator 84b and an ASE-removing optical band-pass filter (BPF) are provided between each SOA 22 and the CCD camera 32. ) 85 is provided. An analog-to-digital (AD) converter 68 that converts an analog electric signal into a digital signal is provided at the subsequent stage of the CCD camera 32.

なお、テーパードファイバ11としては、入力側及び出力側のコア径がそれぞれ50μm及び9μmで、長さは1.0mのものを用い、その入射面は、生体試料100に面し、照明用レンズ83からのレーザ光の照射により、生体試料100のそれぞれ異なる位置からの信号光が入射するように配置され、照明用レンズ83とともにハウジング78に固定される。また、SOA22は、ドライバ86を介してコンピュータ69にて制御されるように構成されている。  The tapered fiber 11 has a core diameter of 50 μm and 9 μm on the input side and the output side, and a length of 1.0 m. The incident surface faces the biological sample 100 and the illumination lens 83. Are arranged so that signal light from different positions of the biological sample 100 is incident, and is fixed to the housing 78 together with the illumination lens 83. The SOA 22 is configured to be controlled by a computer 69 via a driver 86.

これによって、生体試料100の表面及び内部で反射もしくは散乱された波長635nmの信号光は、各テーパードファイバ11に入力され、モードが調整される。テーパードファイバ11のそれぞれの出力はアイソレータ84を介して対応するSOA22へ入力され、約18dB増幅される。各SOA22の出力は、対応するアイソレータ84を経由して対応するBPF85に入射してASEが除去される。各BPF85の出力は、128×128ピクセルのCCDカメラ32の各ピクセルに対応するように入力され、電気信号に変換される。さらに、CCDカメラ32により電気信号に変換された信号出力は、AD変換器68においてディジタル信号へ変換される。  As a result, the signal light having a wavelength of 635 nm reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 is input to each tapered fiber 11 and the mode is adjusted. Each output of the tapered fiber 11 is input to the corresponding SOA 22 via the isolator 84 and amplified by about 18 dB. The output of each SOA 22 enters the corresponding BPF 85 via the corresponding isolator 84, and the ASE is removed. The output of each BPF 85 is input so as to correspond to each pixel of the 128 × 128 pixel CCD camera 32 and is converted into an electrical signal. Further, the signal output converted into an electrical signal by the CCD camera 32 is converted into a digital signal by the AD converter 68.

また、本実施の形態に係る高感度内視鏡では、装置各部を制御するとともに、AD変換器68から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ69が設けられている。コンピュータ69は、レーザドライバ79、および、ドライバ86とそれぞれ接続されて、LD80およびSOA22を制御するとともに、AD変換器68の出力信号とLD80の出力およびSOA21の増幅率とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ70に、例えば、内視鏡画像として表示する。  In addition, the high-sensitivity endoscope according to the present embodiment is provided with a computer 69 that controls each part of the apparatus and processes a digital signal output from the AD converter 68. The computer 69 is connected to the laser driver 79 and the driver 86, respectively, to control the LD 80 and the SOA 22, and performs signal processing by associating the output signal of the AD converter 68 with the output of the LD 80 and the amplification factor of the SOA 21. The result is displayed on the display monitor 70 as, for example, an endoscopic image.

以上説明したように、本実施の形態によれば、第2実施の形態と同様の効果を得ることができ、従来よりも高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることができる。また、本実施の形態では、複数のテーパードファイバ11及びそれに対応する複数のSOA22を設け、それぞれのSOA22からの光出力を並列に電気信号に変換することにより、同時に生体試料100の複数点に関する情報を得ることができる。したがって、特に二次元画像などを生成する際に有効である。  As described above, according to the present embodiment, the same effects as those of the second embodiment can be obtained, and an endoscopic image can be obtained with higher speed and higher sensitivity than in the past. In the present embodiment, a plurality of tapered fibers 11 and a plurality of SOAs 22 corresponding to the plurality of tapered fibers 11 are provided, and the optical output from each SOA 22 is converted into an electrical signal in parallel. Can be obtained. Therefore, this is particularly effective when generating a two-dimensional image or the like.

さらに、増幅手段20としてSOA22を用いることでコンパクトかつ低価格な光検出系を構築することが可能になるうえ、複数の半導体光増幅器やフォトダイオード(PD)など他の半導体素子との集積化が可能になる。また、供給電力が少なくてよいという利点も兼ね備えている。さらに、SOAは、ファイバ型光増幅器と比較すると、動作波長帯域が広いため、様々な被検出光に対応することができる。  Further, by using the SOA 22 as the amplification means 20, it becomes possible to construct a compact and low-cost photodetection system and to integrate with other semiconductor elements such as a plurality of semiconductor optical amplifiers and photodiodes (PD). It becomes possible. It also has the advantage of requiring less power supply. Furthermore, since the SOA has a wider operating wavelength band than the fiber-type optical amplifier, it can cope with various detected lights.

(第7実施の形態)
図10は、本発明の第7実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段10の前に、被検出光を集めるための集波手段50を設けている。これによって、請求項1に記載の発明の効果に加えて、検出できる信号光の量をより一層高めることができる。
(Seventh embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of the photodetecting device according to the seventh embodiment of the present invention. In the configuration of the photodetecting device shown in FIG. 1, this photodetecting device is provided with a wave collecting means 50 for collecting the detected light before the mode adjusting means 10. As a result, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the amount of signal light that can be detected can be further increased.

(第8実施の形態)
図11は、図10に示した光検出装置を用いた本発明の第8実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図3に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、テーパードファイバ11の入射面の前に集光用レンズ51を設けたものである。テーパードファイバ11の前に集光用レンズ51を設けることにより、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分をテーパードファイバ11に取り込むことができる。また、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質に対しても、高感度かつ高いSNRで検出できるという利点を有する。
(Eighth embodiment)
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the eighth embodiment of the present invention using the light detection apparatus shown in FIG. This rigid endoscope blood vessel imaging apparatus is a rigid endoscope blood vessel imaging apparatus shown in FIG. 3 in which a condensing lens 51 is provided in front of the incident surface of the tapered fiber 11. By providing the condensing lens 51 in front of the tapered fiber 11, a larger portion of the light reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 can be taken into the tapered fiber 11. In addition, there is an advantage that it is possible to detect with high sensitivity and high SNR even for a test substance existing in a deep part or a distant part of the detection target.

(第9実施の形態)
図12は、本発明の第9実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡の概略構成を示す図である。本実施の形態は、レーザ走査型多光子顕微鏡において、図10に示した光検出装置を、生細胞試料からの信号光の検出に使用したものである。
(Ninth embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of a laser scanning multiphoton microscope according to the ninth embodiment of the present invention. In this embodiment, in the laser scanning multiphoton microscope, the light detection apparatus shown in FIG. 10 is used for detection of signal light from a living cell sample.

図12に示すように、本実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡は、チタン・サファイヤレーザ87、強度変調器88、X−Yガルバノミラー89、瞳投影レンズ90、結像レンズ91、ダイクロイックミラー92、対物光学系を構成する対物レンズ93、アイソレータ102、集光用レンズ52、テーパード導波路12、SOA23、PIN−PD33、電気増幅器67、AD変換器68、および、増幅率制御手段103を含んで構成されている。  As shown in FIG. 12, the laser scanning multiphoton microscope according to the present embodiment includes a titanium sapphire laser 87, an intensity modulator 88, an XY galvanometer mirror 89, a pupil projection lens 90, an imaging lens 91, and a dichroic. A mirror 92, an objective lens 93 constituting an objective optical system, an isolator 102, a condensing lens 52, a tapered waveguide 12, an SOA 23, a PIN-PD 33, an electric amplifier 67, an AD converter 68, and an amplification factor control means 103 are provided. It is configured to include.

チタン・サファイヤレーザ87は、繰り返し周波数80MHz、パルス幅150fs、発振波長1060nmの超短光パルスを発生させる光源である。このチタン・サファイヤレーザ87からの超短光パルスは、光強度調整装置88により平均光強度を100mWに調整され、X−Yガルバノミラー89、瞳投影レンズ90、結像レンズ91、ダイクロイックミラー92および対物レンズ93を経て、検査対象である生細胞試料101に集光して照射されるように構成される。その際、X−Yガルバノミラー89を駆動して、レーザ光の試料上の照射位置を走査させる。これにより生細胞試料101中の所望の領域において、例えば赤色蛍光タンパク質(DsRed)を多光子励起(例えば、2光子励起)して蛍光を発生させることができる。  The titanium sapphire laser 87 is a light source that generates an ultrashort optical pulse having a repetition frequency of 80 MHz, a pulse width of 150 fs, and an oscillation wavelength of 1060 nm. The ultrashort light pulse from the titanium sapphire laser 87 is adjusted to an average light intensity of 100 mW by a light intensity adjusting device 88, and an XY galvanometer mirror 89, a pupil projection lens 90, an imaging lens 91, a dichroic mirror 92, and Via the objective lens 93, the living cell sample 101 to be examined is condensed and irradiated. At that time, the XY galvanometer mirror 89 is driven to scan the irradiation position of the laser beam on the sample. Thereby, in a desired region in the living cell sample 101, for example, red fluorescent protein (DsRed) can be excited by multiphoton excitation (for example, two-photon excitation) to generate fluorescence.

また、対物レンズ93は、生細胞試料101から発生した蛍光を、ダイクロイックミラー92に導く。ダイクロイックミラー92は、チタン・サファイヤレーザ87からの波長1060nmの光は透過させ、波長700nm以下の短波長の光は反射させるように構成される。これにより、生細胞試料101で発生した波長約570nm〜650nmの蛍光を、ダイクロイックミラー92で反射させる。  The objective lens 93 guides fluorescence generated from the living cell sample 101 to the dichroic mirror 92. The dichroic mirror 92 is configured to transmit light having a wavelength of 1060 nm from the titanium sapphire laser 87 and to reflect light having a short wavelength of 700 nm or less. Thereby, the fluorescence having a wavelength of about 570 nm to 650 nm generated in the living cell sample 101 is reflected by the dichroic mirror 92.

集光用レンズ52、テーパード導波路12、SOA23およびPIN−PD33は、それぞれ、図10に示した光検出装置の集波手段50、モード調整手段10、増幅手段20および変換手段30に相当する。ダイクロイックミラー92で反射された蛍光は、アイソレータ102を経て集光用レンズ52により集光され、テーパード導波路12へ入力される。テーパード導波路12は、入射側の空間モードが8であり、モード調整によって出射側のモード数が2まで減少するように構成されている。テーパード導波路12から出力された蛍光は、増幅率制御手段103を介して外部のコンピュータ69により制御されるSOA23に入射して増幅され、シリコンPIN−PD33により電気信号に変換される。SOA23は、入射する信号光のモード数を減じたことにより、ASEの発生を抑制して高いSNRで増幅することができる。  The condensing lens 52, the tapered waveguide 12, the SOA 23, and the PIN-PD 33 correspond to the wave collecting means 50, the mode adjusting means 10, the amplifying means 20, and the converting means 30 of the photodetector shown in FIG. The fluorescence reflected by the dichroic mirror 92 is condensed by the condenser lens 52 via the isolator 102 and input to the tapered waveguide 12. The tapered waveguide 12 has a spatial mode of 8 on the incident side, and is configured such that the number of modes on the output side is reduced to 2 by mode adjustment. The fluorescence output from the tapered waveguide 12 enters the SOA 23 controlled by the external computer 69 via the amplification factor control means 103, is amplified, and is converted into an electrical signal by the silicon PIN-PD33. The SOA 23 can be amplified with a high SNR while suppressing the generation of ASE by reducing the number of modes of the incident signal light.

さらに、PIN−PD33から出力された電気信号は電気増幅器67で増幅され、AD変換器68でディジタル信号に変換され、外部のコンピュータ69に送信される。コンピュータ69は、AD変換器68から受信した信号と、X−Yガルバノミラー89から得られる走査位置情報等とを関連付けて信号処理を行い、その結果をモニタ70に顕微鏡画像として表示する。  Further, the electrical signal output from the PIN-PD 33 is amplified by the electrical amplifier 67, converted into a digital signal by the AD converter 68, and transmitted to the external computer 69. The computer 69 performs signal processing by associating the signal received from the AD converter 68 with the scanning position information obtained from the XY galvanometer mirror 89 and displays the result on the monitor 70 as a microscope image.

なお、上記のレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡では、チタン・サファイヤレーザ87からの励起光パルスにより、例えば、2光子励起されて生細胞試料101から発生する蛍光は、数ns程度持続する。すなわち、生細胞試料101から発生する蛍光は、チタン・サファイヤレーザ87からの励起光パルスに同期したパルス光となる。そこで、本実施の形態では、このパルス状の蛍光がSOA23に入射するタイミングに同期させて、SOA23の増幅率を、蛍光が入射するタイミングで大きくするように、コンピュータ69により制御する。  In the laser scanning multiphoton fluorescence microscope described above, for example, the fluorescence generated from the living cell sample 101 by two-photon excitation by the excitation light pulse from the titanium / sapphire laser 87 lasts for about several ns. That is, the fluorescence generated from the living cell sample 101 becomes pulse light synchronized with the excitation light pulse from the titanium / sapphire laser 87. Therefore, in the present embodiment, the computer 69 controls the amplification factor of the SOA 23 so as to increase at the timing at which the fluorescence enters in synchronization with the timing at which the pulsed fluorescence enters the SOA 23.

本実施の形態によれば、チタン・サファイヤレーザ87からの励起光パルスにより多光子励起されて生細胞試料101から発生する蛍光を、テーパード導波路12を用いて空間モード数を減少させるようにモード調整を行い、SOA23で増幅してから、シリコンPIN−PD33で光電変換するようにしたので、生細胞試料101に照射するレーザ光の強度を過度に高めることなく、生細胞試料101から得られる信号光である蛍光が微弱でも、2光子励起による蛍光を高感度かつ高速に光電変換することができる。  According to the present embodiment, the fluorescence generated from the living cell sample 101 by the multi-photon excitation by the excitation light pulse from the titanium sapphire laser 87 is changed to a mode in which the number of spatial modes is reduced using the tapered waveguide 12. The signal obtained from the live cell sample 101 without excessively increasing the intensity of the laser light applied to the live cell sample 101 because the adjustment is performed and amplified by the SOA 23 and then photoelectrically converted by the silicon PIN-PD33. Even if the fluorescence which is light is weak, the fluorescence by two-photon excitation can be photoelectrically converted with high sensitivity.

また、SOA23の増幅率を、SOA23への蛍光の入射タイミングに同期して制御するようにしたので、蛍光が入射しない期間に光増幅器に電力を供給することにより発生するASEの混入を低減することができ、SNRを向上することができる。さらに、SOA23の増幅率を変化させることによって、検出信号レベルを簡単に調整することができる。  In addition, since the amplification factor of the SOA 23 is controlled in synchronization with the timing of the fluorescence incident on the SOA 23, it is possible to reduce the mixing of ASE generated by supplying power to the optical amplifier during the period when the fluorescence is not incident. And the SNR can be improved. Furthermore, the detection signal level can be easily adjusted by changing the amplification factor of the SOA 23.

(第10実施の形態)
図13は、本発明の第10実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図1に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段10の前段に、複数の集波手段50と、該複数の集波手段50からの検出光を合波する合波手段40とを設けたものである。
(Tenth embodiment)
FIG. 13 is a block diagram showing a schematic configuration of the photodetection device according to the tenth embodiment of the present invention. In the configuration of the photodetecting device shown in FIG. 1, this photodetecting device combines a plurality of collecting means 50 and detection light from the plurality of collecting means 50 before the mode adjusting means 10. The wave means 40 is provided.

上記の構成において、被検出光は、複数の集波手段50によって集光され、合波手段40に入力される。合波手段40は、入力された複数の被検出光を合波し、モード調整手段10に出力する。その他の作用は、図1の光検出装置と同様である。  In the above configuration, the detected light is collected by the plurality of collecting means 50 and input to the combining means 40. The multiplexing unit 40 multiplexes a plurality of input light to be detected and outputs the combined light to the mode adjusting unit 10. Other operations are the same as those of the photodetecting device of FIG.

本実施の形態によれば、請求項1に記載の発明の効果に加えて、複数の集波手段50を備えることによって、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、さらに、複数箇所からの信号光を合波手段40でまとめることにより、増幅手段20に入力される信号光のエネルギーを増大させ、SNRをさらに向上させることができる。  According to the present embodiment, in addition to the effect of the invention described in claim 1, by providing a plurality of wave collecting means 50, signal light from a plurality of locations can be acquired in a lump. By combining the signal light from the places with the multiplexing means 40, the energy of the signal light input to the amplifying means 20 can be increased and the SNR can be further improved.

(第11実施の形態)
図14は、図13に示した光検出装置を用いた本発明の第11実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図3に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ64aに代えて、照明用レンズ64bを使用するとともに、テーパードファイバ11の前段に、複数の集光用レンズ51とこの集光用レンズ51に結合した多モードファイバ(multi-mode fiber: MMF)82bと、各MMF82bからの信号光を合波する多モードファイバカプラ42とを設けている。なお、集光用レンズ51および多モードファイバカプラ42は、それぞれ、図13の集波手段50および合波手段40に相当する。
(Eleventh embodiment)
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of a rigid endoscope blood vessel imaging device according to the eleventh embodiment of the present invention using the light detection device shown in FIG. This rigid endoscope blood vessel imaging device uses an illumination lens 64b instead of the collimator 64a in the rigid endoscope blood vessel imaging device shown in FIG. A condensing lens 51, a multi-mode fiber (MMF) 82 b coupled to the condensing lens 51, and a multimode fiber coupler 42 that combines signal light from each MMF 82 b are provided. The condensing lens 51 and the multimode fiber coupler 42 correspond to the collecting means 50 and the combining means 40 in FIG. 13, respectively.

また、走査マウント65に、照明用レンズ64bと各集光用レンズ51とが、試料100に面するように固定されている。さらに、照明用レンズ64bは、図3に示したコリメータ64aとは異なり、SMF63を伝播してきたレーザ光を拡散させて、各集光用レンズ51の入射面に面した生体試料100の領域に照射させるように構成されている。  In addition, the illumination lens 64 b and each condensing lens 51 are fixed to the scanning mount 65 so as to face the sample 100. Further, unlike the collimator 64 a shown in FIG. 3, the illumination lens 64 b diffuses the laser light propagating through the SMF 63 and irradiates the region of the biological sample 100 facing the incident surface of each condensing lens 51. It is configured to let you.

これにより、照明用レンズ64bを出射したレーザ光は、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱されて、複数の集光用レンズ51で集光され、MMF82bを介して多モードファイバカプラ42で合波され、テーパードファイバ11に多モードの光として入射する。その他の、構成および作用は第2実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。  As a result, the laser light emitted from the illumination lens 64b is reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100, and is collected by the plurality of condensing lenses 51, and is then collected by the multimode fiber coupler 42 via the MMF 82b. The light is combined and enters the tapered fiber 11 as multimode light. Since other configurations and operations are the same as those of the second embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の集光用レンズ51を設けたので、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。また、複数箇所からの信号光を多モードファイバカプラ42でまとめることにより、後段に続くテーパードファイバ11、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21、および、PIN−PD31の数量を一つに減らすことができる。また、複数箇所からの信号光をまとめることで、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器21に入力される信号光エネルギーを増大させることができる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。  As described above, according to the present embodiment, since a plurality of condensing lenses 51 are provided, signal light from a plurality of locations can be acquired at once, and the amount of signal light that can be detected is further increased. Is possible. Further, by combining the signal light from a plurality of places with the multi-mode fiber coupler 42, the number of the tapered fiber 11, the Er-doped fluoride fiber type optical amplifier 21, and the PIN-PD 31 following the subsequent stage can be reduced to one. it can. Moreover, the signal light energy input to the Er-doped fluoride fiber optical amplifier 21 can be increased by collecting the signal lights from a plurality of locations. Therefore, it is possible to obtain an endoscopic image at higher speed and higher sensitivity.

(第12実施の形態)
図15は、本発明の第12実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図8に記載の光検出装置の構成において、各モード調整手段10の前段に、集波手段50を設けたものである。これによって、第5実施の形態に係る光検出装置の有する効果に加え、より多くの被検出光を、モード調整手段10に導くことが可能になる。
(Twelfth embodiment)
FIG. 15 is a block diagram showing a schematic configuration of the photodetection device according to the twelfth embodiment of the present invention. This photodetecting device has a configuration in which the collecting means 50 is provided in front of each mode adjusting means 10 in the configuration of the photodetecting device shown in FIG. As a result, in addition to the effects of the light detection device according to the fifth embodiment, it becomes possible to guide more detected light to the mode adjustment means 10.

(第13実施の形態)
図16は、図15に示した光検出装置を用いた本発明の第13実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図9に示した第6実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置において、複数のテーパードファイバ11の前に集光用レンズ52を設けたものである。テーパードファイバ11の前に集光用レンズ52を設けることにより、生体試料100の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分を各テーパードファイバ11に取り込むことができる。その他の構成および作用は、第6実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
(13th Embodiment)
FIG. 16 is a diagram showing a schematic configuration of a rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the thirteenth embodiment of the present invention using the light detection apparatus shown in FIG. This rigid endoscope blood vessel imaging apparatus is a rigid endoscope blood vessel imaging apparatus according to the sixth embodiment shown in FIG. 9 in which a condensing lens 52 is provided in front of a plurality of tapered fibers 11. It is. By providing the condensing lens 52 in front of the tapered fiber 11, a larger portion of the light reflected or scattered on the surface and inside of the biological sample 100 can be taken into each tapered fiber 11. Since other configurations and operations are the same as those of the sixth embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ11の前に集光用レンズ52を設けたので、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。  As described above, according to the present embodiment, since the condensing lens 52 is provided in front of the tapered fiber 11, it is possible to further increase the amount of signal that can be detected. Therefore, it is possible to obtain an endoscopic image at higher speed and higher sensitivity.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、モード調整手段としては、テーパードファイバ11またはテーパード導波路12を使用したが、これに限られず、テーパードフォトニック結晶導波路、長周期ファイバブラッググレーティングや屈折率変調平面導波路などを使用することができる。  In addition, this invention is not limited only to the said embodiment, Many deformation | transformation or a change is possible. For example, although the tapered fiber 11 or the tapered waveguide 12 is used as the mode adjusting means, the invention is not limited to this, and a tapered photonic crystal waveguide, a long-period fiber Bragg grating, a refractive index modulation planar waveguide, or the like is used. Can do.

例えば、第9実施の形態において、テーパード導波路12に代えて、導波路長手方向に不均一な屈折率の分布を有する屈折率分布型導波路等を使用するか、または、導波路長手方向に不均一な応力の分布もしくは不均一な温度の分布を与えた導波路を使用することができる。この場合、光導波路中の屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎにより、空間モード間においてエネルギーのやり取りが発生する。この屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎを意図的に光導波路中に与えることにより、空間モード間のエネルギー比率の変化を誘導することができる。  For example, in the ninth embodiment, instead of the tapered waveguide 12, a graded index waveguide having a nonuniform refractive index distribution in the longitudinal direction of the waveguide is used, or in the longitudinal direction of the waveguide. Waveguides that provide a non-uniform stress distribution or a non-uniform temperature distribution can be used. In this case, energy exchange occurs between the spatial modes due to the refractive index, stress, or temperature fluctuation in the optical waveguide. By intentionally applying this refractive index, stress, or temperature fluctuation into the optical waveguide, a change in the energy ratio between the spatial modes can be induced.

また、増幅手段としては、Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器またはSOAを使用したがこれに限られない。例えば、これらの増幅器に代えて、誘導ラマン散乱効果を利用したファイバ型光増幅器を使用することができる。希土類添加ファイバ型光増幅器の動作波長帯域は非常に離散的なため、光増幅効果を得ることができない波長領域が存在するが、誘導ラマン散乱効果は動作波長帯域を選ばないため、これを利用することで、任意の波長領域において光増幅が可能になる。また、他のファイバ型光増幅器、例えば、ファイバ型ブリルアン光増幅器、ファイバ型パラメトリック光増幅器などを使用することもできる。さらに、色素増幅器を使用することもできる。ファイバ型光増幅器や半導体光増幅器と比較すると、色素の増幅帯域は広いので、色素増幅器を使用すると、広帯域な信号を増幅することが可能になる。さらに色素の設計次第で、様々な波長での光増幅が可能になる。  Further, as the amplifying means, an Er-doped fluoride fiber type optical amplifier or SOA is used, but it is not limited to this. For example, instead of these amplifiers, fiber-type optical amplifiers using the stimulated Raman scattering effect can be used. The operating wavelength band of rare-earth doped fiber optical amplifiers is very discrete, so there is a wavelength range where the optical amplification effect cannot be obtained, but the stimulated Raman scattering effect does not select the operating wavelength band, so use this Thus, optical amplification can be performed in an arbitrary wavelength region. Also, other fiber type optical amplifiers such as a fiber type Brillouin optical amplifier, a fiber type parametric optical amplifier, etc. can be used. In addition, dye amplifiers can be used. Compared with fiber-type optical amplifiers and semiconductor optical amplifiers, the dye amplification band is wide, and therefore, using a dye amplifier makes it possible to amplify a broadband signal. Furthermore, depending on the design of the dye, light amplification at various wavelengths becomes possible.

また、変換手段としては、PIN−PDまたはCCDカメラを使用したが、これに限られず、たとえば、APD、PMT、CMOS、EM−CCDまたはEB−CCDを使用することもできる。  Further, although the PIN-PD or CCD camera is used as the conversion means, the present invention is not limited to this. For example, an APD, PMT, CMOS, EM-CCD, or EB-CCD can be used.

合波手段40としては、ファイバカプラまたは多モードファイバカプラを使用したがこれに限られず、例えば、平面導波路型光カプラ、空間型ビームコンバイナ、偏波合成カプラ、波長合成カプラなどを使用することもできる。  As the multiplexing means 40, a fiber coupler or a multi-mode fiber coupler is used, but is not limited to this. For example, a planar waveguide type optical coupler, a spatial beam combiner, a polarization combining coupler, a wavelength combining coupler, etc. You can also.

集波手段としては、集光用レンズを使用したがこれに限られず、例えば、GRIN(Gradient Index)レンズや、レンズドファイバなどを使用することもできる。  As the wave collecting means, a condensing lens is used, but is not limited to this, and for example, a GRIN (Gradient Index) lens, a lensed fiber, or the like can be used.

10 モード調整手段
11 テーパードファイバ
11a テーパードファイバのコア部分
12 テーパード導波路
20 増幅手段
21 Er添加フッ化物ファイバ型光増幅器
22 半導体光増幅器(SOA)
23 半導体光増幅器(SOA)
30 変換手段
31 PIN−PD
32 CCDカメラ
33 PIN−PD
40 合波手段
41 ファイバカプラ
42 多モードファイバカプラ
50 集波手段
51 集光用レンズ
52 集光用レンズ
61 Er添加フッ化物ファイバレーザ
62 アイソレータ
63 SMF
64a コリメータ
64b 照明用レンズ
65 走査マウント
66 レーザドライバ
67 電気増幅器
68 AD変換器
69 コンピュータ
70 表示モニタ
71 ドライバ
72 ドライバ
73a、37b アイソレータ
74 WDMカプラ
75 Er添加フッ化物ファイバ
76 光フィルタ
77 LD
78 ハウジング
79 レーザドライバ
80 LD
81 アイソレータ 82a、82b MMF
83 照明用レンズ
84a、84b アイソレータ
85 BPF
86 ドライバ
87 チタン・サファイヤレーザ
88 光強度調整装置
89 X−Yガルバノミラー
90 瞳投影レンズ
91 結像レンズ
92 ダイクロイックミラー
93 対物レンズ
100 生体試料
101 生細胞試料
102 アイソレータ
103 増幅率制御手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Mode adjustment means 11 Tapered fiber 11a Tapered fiber core part 12 Tapered waveguide 20 Amplifying means 21 Er addition fluoride fiber type optical amplifier 22 Semiconductor optical amplifier (SOA)
23 Semiconductor Optical Amplifier (SOA)
30 Conversion means 31 PIN-PD
32 CCD camera 33 PIN-PD
40 Multiplexing means 41 Fiber coupler 42 Multimode fiber coupler 50 Condensing means 51 Condensing lens 52 Condensing lens 61 Er-doped fluoride fiber laser 62 Isolator 63 SMF
64a Collimator 64b Illumination lens 65 Scan mount 66 Laser driver 67 Electrical amplifier 68 AD converter 69 Computer 70 Display monitor 71 Driver 72 Driver 73a, 37b Isolator 74 WDM coupler 75 Er-doped fluoride fiber 76 Optical filter 77 LD
78 Housing 79 Laser driver 80 LD
81 Isolator 82a, 82b MMF
83 Illumination lenses 84a and 84b Isolator 85 BPF
86 Driver 87 Titanium sapphire laser 88 Light intensity adjusting device 89 XY galvanometer mirror 90 Pupil projection lens 91 Imaging lens 92 Dichroic mirror 93 Objective lens 100 Biological sample 101 Living cell sample 102 Isolator 103 Amplification rate control means

Claims (5)

検出対象から被検出光として得られる多モードの入射光のモード状態を調整するモード調
整手段と、
前記モード調整手段は、前記入射光の空間分布状態に応じてモード調整条件を制御する制
御手段としてのファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバを有し、
前記モード調整手段から出力される光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される光を電気信号に変換する変換手段とを備え、
前記モード調整手段は、前記入射光のモード分布と、前記増幅手段の増幅空間モードとを
略一致するように構成されていることを特徴とする光検出装置。
Mode adjusting means for adjusting the mode state of the multi-mode incident light obtained as the detected light from the detection target;
The mode adjustment means has a fiber Bragg grating or tapered fiber as a control means for controlling mode adjustment conditions according to the spatial distribution state of the incident light,
Amplifying means for amplifying the light output from the mode adjusting means;
Conversion means for converting the light output from the amplification means into an electrical signal,
The photodetecting device, wherein the mode adjusting unit is configured to substantially match a mode distribution of the incident light and an amplification spatial mode of the amplifying unit.
前記制御手段が、前記変換手段の出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴
とする請求項1記載の光検出装置。
The light detection apparatus according to claim 1, wherein the control unit is controlled to increase an output signal level of the conversion unit.
前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な作用(伸張、屈曲もしくは応力)を与え
る機能を有することを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
2. The light detection apparatus according to claim 1, wherein the control unit has a function of applying a mechanical action (extension, bending, or stress) to the mode adjustment unit.
前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とする
請求項1記載の光検出装置。
The light detection apparatus according to claim 1, wherein the control unit has a function of giving a temperature change to the mode adjustment unit.
前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファ
イバであることを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
2. The photodetecting device according to claim 1, wherein the mode adjusting means is a tapered fiber made of a graded index fiber.
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