JP6413011B2 - 光学式曲がり測定装置及び管状挿入体 - Google Patents

Description

本発明は、光学式曲がり測定装置及びそれを搭載した管状挿入体に関する。

G. Meltz et al.著，「Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method」，（米国），Vol.14, No.15，Optics Letters，１９８９年８月１日，ｐ．８２３−８２５（以下、非特許文献１と記す）は、光ファイバのコア部にグレーティングを形成することにより、ひずみや温度センシングへの光ファイバの利用ができることを述べている。

G. Meltz et al.著，「Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method」，（米国），Vol.14, No.15，Optics Letters，１９８９年８月１日，ｐ．８２３−８２５

上記非特許文献１には、ひずみや温度の測定について触れられているが、曲がり量の測定については何ら記載されていない。

光ファイバ等の光伝達体における複数の部分の特定方向の曲がり量を独立に測定することが望まれているが、それにグレーティングをどのように利用するかについては未だ検討がなされていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、グレーティングを利用して光伝達体における複数の部分の特定方向の曲がり量を独立に測定することが可能な光学式曲がり測定装置及びそれを搭載した管状挿入体を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、測定光を供給する光源ユニットと、コアとクラッドとを有し、入射された上記測定光をその長手軸方向に伝達する光伝達体と、上記光伝達体の上記長手軸方向に異なる複数の部分において、上記コアに接するように又は上記クラッドの一部に設けられ、上記測定光を基に、所定の回折光を生成するグレーティングを各々有する複数の被検出部と、上記光伝達体から出力される出力光を検出する光検出ユニットと、を具備し、上記光検出ユニットは、上記出力光から、上記所定の回折光が有する所定の波長の光を波長分離し、各分離された波長の光の強度変化に基づいて、上記光伝達体の上記複数の部分の特定の方向の曲がり量を独立に測定する、ことを特徴とする光学式曲がり測定装置が提供される。
また、本発明の第２の態様によれば、被挿入体に挿入される管状挿入体であって、上記管状挿入体の長手軸方向に沿って、上記本発明の第１の態様による光学式曲がり測定装置の上記光伝達体を延在配置した、ことを特徴とする管状挿入体が提供される。

本発明によれば、グレーティングを利用して光伝達体における複数の部分の特定方向の曲がり量を独立に測定することが可能な光学式曲がり測定装置及びそれを搭載した管状挿入体を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置の変形例の概略構成を示すブロック図である。 図３Ａは、光伝達体の一例の形状を示す断面図である。 図３Ｂは、光伝達体の別の例の形状を示す断面図である。 図４Ａは、図３Ａの光伝達体における被検出部の構成の一例を示す断面図である。 図４Ｂは、図４Ａの光伝達体の被検出部部分の、光伝達体の長手軸方向に沿った断面図である。 図５は、光伝達体における被検出部部分の構成の別の例を示す、光伝達体の長手軸方向に沿った断面図である。 図６Ａは、グレーティングの一例を示す図である。 図６Ｂは、グレーティングの別の例を示す図である。 図６Ｃは、グレーティングの更に別の例を示す図である。 図７Ａは、光伝達体における被検出部の構成の更に別の例を示す断面図である。 図７Ｂは、図７Ａの光伝達体の被検出部部分の変形例を説明するための図である。 図８は、光伝達体の円筒座標を説明するための図である。 図９は、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）の場合のグレーティングの基本原理を説明するための図である。 図１０Ａは、ＦＢＧにおける回折波を説明するための図である。 図１０Ｂは、シングルモードファイバの場合のＦＢＧにおける回折波を説明するための図である。 図１１Ａは、第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置の被検出部のグレーティングにおける回折波を説明するための図である。 図１１Ｂは、シングルモードファイバの場合の回折波を説明するための図である。 図１１Ｃは、シングルモードファイバの場合の回折波の別の例を説明するための図である。 図１２Ａは、第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置の動作原理を説明するための、紙面上方向に光伝達体が湾曲した場合を示す図である。 図１２Ｂは、光学式曲がり測定装置の動作原理を説明するための、光伝達体が湾曲していな場合を示す図である。 図１２Ｃは、光学式曲がり測定装置の動作原理を説明するための、紙面下方向に光伝達体が湾曲した場合を示す図である。 図１３は、クラッドモード除去部材を備える光伝達体の長手軸方向に沿った断面図である。 図１４Ａは、本発明の第２実施形態に係る光学式曲がり測定装置としてマルチモードファイバの場合のグレーティングにおける回折波を説明するための図である。 図１４Ｂは、マルチモードファイバの場合の回折波を説明するための図である。 図１４Ｃは、マルチモードファイバの場合の回折波の別の例を説明するための図である。 図１５は、本発明の第４実施形態に係る光学式曲がり測定装置の概略構成を示す図である。 図１６は、第４実施形態に係る光学式曲がり測定装置の変形例の概略構成を示す図である。 図１７は、第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置を搭載した本発明の第５実施形態に係る管状挿入体としての内視鏡の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態を説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置１０は、図１に示すように、光源１２と、導光部材１４と、光検出部１６と、複数の被検出部１８（図１の例では、ｎ個の被検出部１８−１，１８−２，…，１８−９，…，１８−ｎ）と、光分岐部２０と、反射防止部材２２及び２４と、から構成される。

ここで、光源１２は、測定光を供給する光源ユニットである。導光部材１４は、コアとその周囲をおおう、それより屈折率が低いクラッドとを有し、光源１２からの測定光をその長手軸方向に伝達する、可撓性の光伝達体である。光検出部１６は、導光部材１４から出力される光を検出する光検出ユニットである。複数の被検出部１８−１，１８−２，…，１８−ｎは、導光部材１４の長手軸方向に異なる複数の部分において、導光部材１４のコアに接するように設けられた、あるいは、導光部材１４のクラッドの一部に設けられた、それぞれ所定の方向に進む特定の波長の光を強め合うように設定したグレーティングを有している。光分岐部２０は、光源１２及び光検出部１６と導光部材１４の一端とを光学的に接続し、これにより、光源１２からの測定光を導光部材１４の上記一端に入射させると共に、導光部材１４の上記一端からの光を光検出部１６に入射させる。反射防止部材２２は、導光部材１４の他端で測定光が反射されて導光部材１４を反対方向にできるだけ伝達しないように、測定光の反射を抑制する。反射防止部材２４は、光分岐部２０で測定光が反射されて光検出部１６に入射する量をできるだけ減らすため、測定光の反射を抑制する。

なお、図１の構成は、光源１２と光検出部１６が導光部材１４の同じ側にある場合であるが、光源１２と光検出部１６とが導光部材１４に対し違う側にあっても構わない。この場合、本実施形態に係る光学式曲がり測定装置１０は、図２に示すように、光源１２と、導光部材１４と、光検出部１６と、複数の被検出部１８（図２の例では、２個の被検出部１８−１，１８−２）と、から構成される。

そして、本実施形態では、光検出部１６は、上記複数の被検出部１８のグレーティングにて引き起こされる上記特定の波長の光の変調を受けた光を波長分離し、各分離された波長の光の強度変化に基づいて上記導光部材１４の上記複数の部分の上記特定方向の曲がり量を独立に測定する。

以下、各部の構成について、詳細に説明する。

光源１２は、測定光として、例えば図１中に示すような広範囲の波長帯域の間で略均一な光スペクトルを有する白色光を供給する。

導光部材１４は、例えば、光ファイバによって構成されることができる。図３Ａは、この光ファイバの長手軸方向に直交する方向である径方向の断面構造を示している。すなわち、上記光ファイバは、中心に存在する、光を導光するコア１４１と、当該コア１４１の周りに設けられた、光を安定的にコア１４１に閉じ込めるクラッド１４２と、更にこれらコア１４１及びクラッド１４２を物理的な衝撃及び熱的な衝撃から保護するためのジャケット１４３と、によって構成されている。

あるいは、導光部材１４は、光導波路によって構成されても良い。光導波路は、図３Ｂに示すように、フレキシブル基板１４４上に、上記光ファイバのそれらと同等の役割をするコア１４１とクラッド１４２とを設けたものである。

以下、導光部材１４を上記のような光ファイバによって構成した場合を例に取って、光学式曲がり測定装置１０の構成を更に詳しく説明する。なお、本実施形態では、この光ファイバは、シングルモードである。

光学式曲がり測定装置１０の導光部材１４である光ファイバは、曲がり量を測定するべきそれぞれの部分に、図４Ａ及び図４Ｂに示すような被検出部１８が設けられている。すなわち、被検出部１８は、光ファイバの長手軸方向の所望位置において、ジャケット１４３とクラッド１４２を除去してコア１４１の一部を露出させ、この露出させたコア１４１の部分に、フォトポリマーによりホログラフィックに光学特性変化部材であるグレーティング２６を形成したものである。なお、上記ジャケット１４３及び上記クラッド１４２の除去は、レーザ加工によって、あるいは、フォト工程及びエッチング工程などを利用して行う。このとき、上記コア１４１にミクロな傷を付けてしまうと、光を漏らし、導光する光を損失させてしまったり、曲げに弱くなったりしたりするので、上記コア１４１に極力傷を付けない方法で加工することが望ましい。

このように、被検出部１８は、グレーティング２６をコア１４１に接触するように形成したものである。また、グレーティング２６は、接触していなくても、図５に示すように、クラッド１４２の一部に形成されていても良い。

グレーティング２６は、光が内部を伝搬または表面で反射するときに回折現象を起こして、当該グレーティング２６への入射方向とは異なる所定の方向に進む特定の波長の光を強め合うように伝搬させる。図４Ｂでは、測定光を実線の矢印で示し、グレーティング２６によって所定方向に進むようにされた特定波長の光を破線の矢印で示している。

なお、上記特定の波長は、詳細は後述するように、グレーティング２６の構造によって設定することが可能となっている。例えば、図６Ａ乃至図６Ｃに示すように、グレーティング２６を周期性を持つ構造により構成することができ、この周期（ピッチ長Λ）によって、上記特定の波長を設定することができる。

なお、本実施形態では、グレーティング２６の屈折率は、コア１４１の屈折率よりも小さいものとする。

なお、各被検出部は、図４Ａ及び図４Ｂ、及び図５のようにグレーティング２６を剥き出しのままとしても良いが、図７Ａに示す被検出部１８−Ａのように、グレーティング２６上のジャケット１４３とクラッド１４２とを除去した部分に対してジャケット様の部材を被検出部保護部材１４５として満たして、光ファイバの元の形状に回復させても良い。あるいは、図７Ａに示す被検出部１８−Ｂのように、ジャケット１４３とクラッド１４２を除去した部分を満たすように、グレーティング２６を形成することで、光ファイバの元の形状に回復させても良い。

図１及び図２では、導光部材１４である光ファイバの長手軸に沿って複数の被検出部１８を設けている。このように並べて配置するだけで無く、図７Ａに示すように、一つの被検出部１８（被検出部１８−Ａ）に対して、光ファイバの長手軸の同じ箇所で、直交方向に或いは径方向の軸が異なる向きに、異なる特定の波長を持つもう一つの被検出部１８（被検出部１８−Ｂ）を設けても良い。この構造では、被検出部１８−Ａ，１８−Ｂに対応する部分での曲がり量だけではなく、湾曲の方向も測定可能となる。

また、光ファイバの長手軸の同じ箇所に複数の被検出部１８−Ａ，１８−Ｂを配置すると、当該箇所の剛性が低下し、曲げに弱くなってしまう。一方、光検出部１６によって光の強度変化に基づいて測定される曲がり量は、光ファイバの上記被検出部１８が配された部分だけではなく、上記被検出部１８を含めた前後所定の長さの測定範囲に関するものである。そのため、図７Ｂに示すように、光ファイバの長手軸の略同じ箇所に複数の被検出部１８−Ａ，１８−Ｂを配置するようにして、剛性低下を抑制するようにしても構わない。

このように、複数の被検出部１８を、光ファイバの長手軸（ｚ軸）の略同じ箇所に互いに直交方向やφが異なる向きに設けても良い（なお、導光部材１４である光ファイバの円筒座標は、図８に示す通りである）。複数の被検出部１８を異なるｚ方向位置及びφ方向位置上に作製することで、様々な位置での様々な方向の曲率（曲がりの度合い）を検出することができる。

以下、被検出部１８のグレーティング２６の原理説明を行う。説明の都合上、既存技術であるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）の場合のグレーティング２６の基本原理から説明する。

ＦＢＧは、図９に示すように、シングルモードファイバのコア１４１にグレーティング２６を書き込んだものである。グレーティング２６のピッチ長をΛとしたときに、グレーティング２６によって（真空中の）波長λB＝２ｎΛの光が選択的に反射される（ｎはコア１４１の屈折率）。

これは、波長λの逆数である波数ｋを使って考えると、以下のようになる。
波長λと波数ｋの関係をｋ＝２π／λとする。１次回折は、大きさｋを持ち、かつ、波の進行方向の向きを持つ、波数ベクトルＫ（本明細書において、大文字のＫはベクトルであることを表す）の保存則として、下記のように説明できる。

図１０Ａに示すように、コア１４１の中では、波数ベクトルＫinの波は、グレーティング２６の波数ベクトルＫG（ＫG＝２π／Λ）の１次回折で、Ｋout＝Ｋin＋ＫGという波数ベクトルＫoutの波を発生させる。シングルモードファイバでは、伝搬モードの波数ベクトルＫin，Ｋoutは、ほぼｚ方向を向いている。また、回折により波数の大きさは変わらないので、ｋin＝ｋoutである。

この２条件を満たすのは、図１０Ｂに示すように、（コア１４１中の）入射波数ｋin＝２π／（２Λ）、グレーティング２６の波数ｋG＝２π／Λのときであり、このときだけシングルモードファイバを逆方向に伝搬する回折波を出すことができる。

本実施形態のようにクラッド１４２にグレーティング２６がある場合も、コア−クラッドクラッド界面に入射した光は上記と同様な回折を起こすために、その位置のグレーティング２６の１次回折光を反射する。ただし、回折は主にコア−クラッド界面で起こるため、波数の保存則は、上記のようなＫout＝Ｋin＋ＫGではなく、図１１Ａに示すように、表面に沿った方向、すなわちｚ成分の保存則になる。これは、ｋout,ｚ＝ｋin,ｚ＋ｋGと書くことができる。シングルモードファイバでは、前述のように伝搬モードの波数ベクトルＫin，Ｋoutはほぼｚ方向を向いているので、図１１Ｂに示すように、上記のコア１４１にグレーティング２６を書き込んだ場合と同じことになる。

ただし、保存則がｚ方向に限定されるため、ｋin＞ｋG／２の場合には、図１１Ｃに示すように、直進しないモードとカップルする可能性がある。これはクラッドモードになり、光の損失、ノイズの原因になる。クラッドモードとのカップリング係数が小さければ問題ないが、大きい場合は、対策が必要である。この損失は、ｋin＞ｋG／２の場合だけ発生するため、特定の波数ベクトルＫinの光が図１１Ｂのようになるグレーティング２６に到達するよりも前にその特定の波数ベクトルＫinの光が通過するグレーティング２６は、ｋin＜ｋG／２を満たせばよい。つまり、光源１２に近い側から遠い側に向かって、波数ｋGが長くならない順番（すなわち、グレーティング２６のピッチ長Λが短くならない順番）にグレーティング２６を作製する。

このようにすれば、図１１Ｂのようになるグレーティング２６に到達する前に波数ベクトルＫinの光がクラッドモードを発生して損失を起こすことがなくなる。発生したクラッドモードは通常、ある程度の距離で減衰するので、他のグレーティング２６や光検出部１６に影響を及ぼすことはない。

従って、導光部材１４である光ファイバの特定の被検出部１８に対して特定の波数ベクトルＫinがあり、図１の構成では、同じ大きさの逆方向の光が、光分岐部２０を介して光検出部１６に戻ることになる。特に上述の順番で被検出部１８（グレーティング２６）を並べた例として、図１中に、被検出部１８−１，１８−２，１８−ｎの断面構造を示している。グレーティング２６は光源１２に近い側の被検出部１８−１のピッチ長Λが短く、遠ざかると長くなる。図１中に示すように、被検出部１８−１〜１８−ｎに対応したλ1〜λnの波長の光が光検出部１６に戻り、光検出部１６では、この受光した光を分光する、つまり波長分離して、それぞれの波長の光の光強度を検出する。

この光強度は、その被検出部１８が設けられた光ファイバの部分での曲がり量（曲率）によって変化する。これは、コア−クラッドクラッド界面への入射角により、エバネッセント波のクラッド１４２側への侵入長が変化するからである。図１２Ａ乃至図１２Ｃに示すように、被検出部１８側に光ファイバが曲がっていれば光強度は弱く、それと逆方向ならば強くなる（図１２Ａ乃至図１２Ｃでは、光強度の強弱を、破線矢印の太細により表している）。

従って、光検出部１６は、その場所での曲がり量（曲率）に依存する光の強度変化に基づいて、光ファイバの特定の位置での曲率を測定することができる。

このように、波数（波長）により位置を区別するので、光源１２及び光検出部１６として特別な構成のものを用意する必要がなく、光学式曲がり測定装置１０を安価に構成することができる。

また、図７Ａ及び図７Ｂに示したように、光ファイバの複数のφ方向に、互いに異なる波数（波長）のグレーティング２６を形成することで、あらかじめ定まった異なる方向の曲率を波数（波長）により安価な装置で測定することができる。同時に、光ファイバの長手軸方向に異なる被検出部１８も異なる波数（波長）のグレーティング２６を形成することにより、あらかじめ定まった異なる方向、位置の曲率を安価な装置で測定することができる。従って、１本の光ファイバで、光ファイバの３次元的な形状を求めることができる。

また、本実施形態では、光ファイバのクラッド１４２部分を加工してグレーティング２６を形成する方式である。そのため、汎用品の光ファイバを利用することができ、安価に光ファイバを利用した光学式曲がり測定装置１０を作成することができる。

このような長所は、本発明の他の実施の形態にも共通している。

なお、上述のような光源１２に近い側から遠い側に向かって波数ｋGが長くならない順番にグレーティング２６を作製しなかった場合には、ある波長の光は特定のグレーティング２６での反射の手前で、他のグレーティングでのクラッドモード発生による損失が複合的に生じることがある。しかしながら、この損失も上記と同様な理由で曲率に依存する。従って、その波長の光は、並べ方により定まる損失と反射を通じて、特定の複数の被検出部１８の曲がりの情報を持つ。複数波長についてこの情報を取得することで、それぞれの被検出部１８の曲率を逆問題として解くことが可能である。

また、前述したように発生したクラッドモードは通常、ある程度の距離で減衰する。しかし、十分減衰する前に光検出部１６に到達すると、図１１Ｂようになる条件を満たす戻り光に対してノイズとなる。そのノイズが無視できないくらい大きい場合は、図１３に示すように、クラッドモード除去部材２８を形成する必要がある。このクラッドモード除去部材２８は、例えば、クラッド１４２に接触して、屈折率がほぼクラッド１４２と同等で、吸収部材をさらに含む部材、あるいは、外界との界面での透過又は散乱によりクラッドモードを減衰させる部材、である。このクラッドモード除去部材２８としては、クラッド１４２の表面（外壁）そのものに凹凸を付けただけであってもよい。密着性がよいジャケット１４３も、クラッドモードの除去に有効である。すなわち、ジャケット１４３をクラッドモード除去部材２８として利用することができる。

クラッドモード除去部材２８は、光検出部１６とそれに最も近い被検出部１８との間に形成するとよい。クラッドモードは、他の被検出部１８でさらに別のモードに変換される等の悪影響を及ぼすおそれがあるので、隣接する２つの被検出部１８の間にも形成すると、より効果的である。

このようにすれば、クラッドモードが残存するような状況でも、図１の構成では、各位置のグレーティング２６に特有な波数の光だけが戻る。よって、分光部をもつ光検出部１６で分光して光検出することにより、各位置での光の反射強度を求めることができる。

なお、図２の構成では、各位置（被検出部１８−１，１８−２）で特有の波数が反射された後のディップが観察される（λ1、λ2）。このディップの深さも曲率によって変化する。上述のクラッドモードへのカップリングがあまり大きくない場合は、この図２の構成も可能である。

いずれにしても、被検出部１８をグレーティング構造とすることで、各被検出部１８毎に限定された波長範囲で曲率による信号変化があるため、各被検出部１８の位置での曲率を得ることができる。

しかも、グレーティング２６の屈折率がコア１４１の屈折率よりも小さいため、導波モードの主要部はエバネッセント成分を除いて被検出部１８に侵入することがない。よって、クラッドモードへの変換等の不要な光量損失が生じない。

グレーティング２６の屈折率がクラッド１４２の屈折率よりも小さいと、全ての導波モードはエバネッセント成分を除いて被検出部１８に侵入することがないので、不要な光量損失がさらに減少する。

被検出部１８として利用するグレーティング２６は、図６Ａ乃至図６Ｃのように、光ファイバの進行方向に沿った周期構造であり、材料の物性等の変化または材料そのものの違いによる屈折率の連続的または不連続的な周期構造である。変化は、実部の屈折率変化でも、虚部の屈折率変化でもよい。これは以下の理由による。グレーティング２６による回折は、グレーティング２６の各点からの散乱の周期的変化の積分により引き起こされる。散乱は、例えばレイリー散乱の場合では、散乱振幅は以下のように表される（式の出典：ボルン、ウルフ著，光学の原理，第５版，１３．５，（８５）式）。

このように、散乱は、レイリー散乱に限らず、複素屈折率ｎの関数として表すことができ、屈折率の実部によっても虚部によっても散乱強度を周期的に変化させることができる。

なお、グレーティング２６は、例えばフォトポリマーによりホログラフィックに作製される。グレーティング２６は、フォトポリマーの表面だけでなく、その内部まで作製されるので、エバネッセント成分がグレーティング２６に効率よく結合する。

［第２実施形態］
上記第１実施形態では、シングルモードの導光部材１４の場合であったが、本発明は、マルチモードの導光部材１４であっても、同様に適用可能である。

マルチモードファイバの場合も、光強度は、その被検出部１８が設けられた光ファイバの部分での曲がり量（曲率）によって変化する。これは、シングルモードファイバと同様に、コア−クラッドクラッド界面への入射角により、エバネッセント波のクラッド１４２側への侵入長が変化することに加えて、光波密度の断面分布も変化することも理由の一つである。

シングルモードファイバでは、反射光は非常に狭い線幅を持つ。これに対して、マルチモードファイバでは、多くのモードがあるため、１個のグレーティング２６に対して反射する波長は幅のある帯域を持つ。波数ベクトルＫGのグレーティング２６に対して、図１４Ａに示すようなコア１４１中の波数ｋin＝ｋG／２から図１４Ｂに示すような波数ｋin＝ｋG／（２cosθR）の波数範囲で反射が起こる（真空中の波長で２ｎΛcosθR＜λ＜２ｎΛ）。ここで、θRはsinθR＝ＮＡ／ｎを満たすファイバ内での伝搬モードの臨界角、ｎはコア１４１の屈折率、ＮＡはファイバの開口数、である。

従って、導光部材１４である光ファイバの異なる場所及び方向に形成するグレーティング２６のピッチは、この間隔（波数の幅）程度あける必要がある。そのぶん、区別可能な点数が減少するが、マルチモードファイバは安価であるという長所、さらには、コア径が大きいため、光源１２及び光検出部１６と光ファイバとを切り離し可能な構成とした場合に、接続がより簡便であるという長所がある。

図１４Ｃのようなクラッドモードへの変換の問題も、シングルモードファイバと共通なので、グレーティング２６を並べる順序、クラッドモード除去部材２８の配置については、上記第１実施形態と同様な工夫が効果的である。

なお、グレーティング２６は、第１実施形態と同様、フォトポリマーによりホログラフィックに作製されることができる。また、フォトレジストを利用することもでき、２光束干渉法、位相マスク法などにより簡便に製作することができる。フォトレジストによって作成した構造を他の材料で置換してもよく、フォトレジスト自体を構造の一部としてもよい。

［第３実施形態］
上記第１実施形態では、グレーティング２６の屈折率がコア１４１の屈折率よりも小さいものとしたが、グレーティング２６の屈折率をコア１４１の屈折率よりも大きくしてもよい。

グレーティング２６の屈折率がコア１４１の屈折率よりも大きい場合は、グレーティング面で反射する光成分の一部はグレーティング内を伝搬し、クラッド１４２の外壁で反射するが、その過程で１次回折して反射信号になる。屈折率の強度が入射角によって変化する等の効果により、屈折率がコア１４１より小さい場合と同様、位置及び曲率を識別することができる。

また、グレーティング２６の一部の屈折率がコア１４１の屈折率よりも大きい場合は、第１実施形態と上記との中間的になり、一部がクラッド１４２内に侵入するが、上記と同様に１次回折波が出るため、グレーティング２６を特定する１次回折光が発生する。従って、上記と同様な効果により、位置及び曲率を識別することができる。

［第４実施形態］
光学式曲がり測定装置１０は、導光部材１４を複数本備えていてもよい。

この場合、光源１２は共通として１個だけ備え、導光部材１４毎に光検出部１６を設ける。例えば、図１５に示すように、導光部材１４である光ファイバを２本備える場合、第１の光検出部１６１と第２の光検出部１６２との２個の光検出部１６を設ける。そして、光源１２からの測定光を図示しない光分岐部にて２分岐して、分岐された一方の測定光を一方の光ファイバと第１の光検出部１６１に接続された光分岐部２０に入射させ、他方の測定光を他方の光ファイバと第２の光検出部１６２に接続された光分岐部２０に入射させる。

このように、複数の導光部材１４それぞれに対して独立した光検出部１６を持つことで、より多くの位置での検出ができる。

また、図１６に示すように、測定光が入射される導光部材１４と検出光が出射される導光部材１４とを分離して構成としてもよい。この場合、光源１２からの測定光は直接、入射側の導光部材１４に供給され、この入射側導光部材１４からの出射光をミラー３０で２方向に反射させ、各反射光をレンズ３２で集光して、出射側の導光部材１４のそれぞれに入射させる。そして、これら出射側導光部材１４から出射される検出光を、対応する第１の光検出部１６１又は１６２に入射させる。

この構成では、光源１２と光検出部１６との間の分岐（光分岐部２０）が無くなるため、光の利用効率が高い。

なお、ミラー３０とレンズ３２の代わりに、光分岐機能を持った接続用光ファイバを用いても良い。

図１５の導光部材１４及び図１６の出射側導光部材１４は、２本の場合を例に説明したが、より多くの本数にも拡張可能なことは勿論である。その本数に応じて、より多くの位置での検出ができる。

また、図１５及び図１６では、２本の光ファイバを１本と想定して、光源１２に近い側から遠い側に向かって波数ｋGが長くならない順番にグレーティング２６を作製したものとしているが、光ファイバ毎にこの順番となるようにしても構わない。その理由は、光検出部１６が光ファイバ毎に独立して設けられているからである。従って、図１５及び図１６において、被検出部１８−１と被検出部１８−２とが同じ波数ｋGのグレーティング２６であってもよい。

［第５実施形態］
本発明の光学式曲がり測定装置１０は、管状挿入体に搭載することができる。

例えば、図１７は、第１実施形態に係る光学式曲がり測定装置１０の導光部材１４を、管状挿入体としての内視鏡の挿入部３４に沿って設置した内視鏡システムを示している。この内視鏡システムは、観察対象物である被検体（例えば体腔（管腔））内に挿入される管状挿入体である細長い挿入部３４と、該挿入部３４の基端部と連結した操作部３６と、接続ケーブル３８と、が配設される内視鏡を含む。さらに、内視鏡システムは、内視鏡を制御するコントローラ４０を含んでいる。

ここで、挿入部３４は、挿入部３４の先端部側から基端部側に向かって、先端硬質部と、湾曲する操作湾曲部と、可撓管部と、を有している。先端硬質部は、挿入部３４の先端部であり、硬い部材となっている。この先端硬質部には、図示しない撮像部が設けられている。

操作湾曲部は、操作部３６に設けられた湾曲操作ノブの内視鏡オペレータ（医師らの作業者）による操作に応じて、所望の方向に湾曲する。オペレータは、この湾曲操作ノブを操作することで、操作湾曲部を湾曲させる。この操作湾曲部の湾曲により、先端硬質部の位置と向きが変えられ、観察対象物が撮像部の撮像範囲である観察視野内に捉えられる。こうして捉えられた観察対象物に対し、先端硬質部に設けられた図示しない照明窓から照明光が照射されて、観察対象物が照明させる。操作湾曲部は、図示しない複数個の節輪が挿入部３４の長手方向に沿って連結されることにより、構成される。節輪同士が互いに対して回動することで、操作湾曲部は湾曲する。

可撓管部は、所望な可撓性を有しており、外力によって曲がる。可撓管部は、操作部３６から延出されている管状部材である。

接続ケーブル３８は、操作部３６とコントローラ４０との間を接続している。

コントローラ４０は、内視鏡の撮像部により撮像された観察画像に対して画像処理を施し、図示しない表示部に画像処理された観察画像を表示させる。そして、本実施形態では、図１７に示すように、このコントローラ４０に、光学式曲がり測定装置１０の光源１２、光検出部１６及び光分岐部２０を内蔵させ、導光部材１４である光ファイバを、このコントローラ４０から接続ケーブル３８及び操作部３６内を経由して、挿入部３４の長手軸方向に沿って延在配置する。反射防止部材２２は、挿入部３４の先端硬質部内に設ける。この場合、複数の被検出部１８は、光ファイバの内、挿入部３４の操作湾曲部及び可撓管部内に対応する位置に設けられる。

前述したように、光検出部１６は、光ファイバの複数の部分の湾曲方向と曲がり量（曲率）を、各部分独立に測定することができる。従って、被検出部１８の個数が被測定物である挿入部３４の操作湾曲部及び可撓管部の変形の度合いに比べて十分多数形成されていれば、挿入部３４の曲がり量と湾曲方向とを測定することができる。

コントローラ４０は、さらに、制御及び演算部４２を備えている。この制御及び演算部４２は、光源１２の発光制御を行う。さらに、制御及び演算部４２は、光検出部１６が測定した光ファイバつまり挿入部３４の曲がり量と湾曲方向とから、挿入部３４の３次元的形状を演算し、得られた３次元的形状を図示しない表示部に表示することができる。

なお、管状挿入体は、この内視鏡に限定するものではなく、各種プローブ、カテーテル、オーバーシース（内視鏡やカテーテル等を挿入する際の補助に使う管）、などであってもよい。

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。

例えば、被検出部１８が複数構成されるものとして説明してきたが、１箇であっても構わない。

１０…測定装置、 １２…光源、 １４…導光部材、 １４１…コア、 １４２…クラッド、 １４３…ジャケット、 １４４…フレキシブル基板、 １４５…被検出部保護部材、 １６…光検出部、 １６１…第１の光検出器、 １６２…第２の光検出器、 １８，１８−１〜１８−９，１８−ｎ，１８−Ａ，１８−Ｂ…被検出部、 ２０…光分岐部、 ２２，２４…反射防止部材、 ２６…グレーティング、 ２８…クラッドモード除去部材、 ３０…ミラー、 ３２…レンズ、 ３４…挿入部、 ３６…操作部、 ３８…接続ケーブル、 ４０…コントローラ、 ４２…演算部。

Claims (22)

1. 測定光を供給する光源ユニットと、
   コアとクラッドとを有し、入射された上記測定光をその長手軸方向に伝達する光伝達体と、
   上記光伝達体の上記長手軸方向に異なる複数の部分において、上記コアに接するように又は上記クラッドの一部に設けられ、上記測定光を基に、所定の回折光を生成するグレーティングを各々有する複数の被検出部と、
   上記光伝達体から出力される出力光を検出する光検出ユニットと、
   を具備し、
   上記光検出ユニットは、上記出力光から、上記所定の回折光が有する所定の波長の光を波長分離し、各分離された波長の光の強度変化に基づいて、上記光伝達体の上記複数の部分の特定の方向の曲がり量を独立に測定する、ことを特徴とする光学式曲がり測定装置。
2. 上記光検出ユニットは、上記出力光から、上記所定の回折光が有する上記所定の波長の光を波長分離し、各分離された波長に基づいて、上記光伝達体における上記複数の部分の位置を特定する、ことを特徴とする請求項１記載の光学式曲がり測定装置。
3. 上記グレーティングは、光が内部を伝搬または表面で反射するときに回折現象を起こして、入射方向とは異なる方向に光を伝搬させる、周期性を持つ構造を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光学式曲がり測定装置。
4. 上記グレーティングは、屈折率の実部の周期的変化を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
5. 上記グレーティングは、屈折率の虚部の周期的変化を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
6. 上記グレーティングの屈折率の実部は、上記光伝達体の上記コアの屈折率よりも小さい、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
7. 上記グレーティングの屈折率の実部は、上記光伝達体の上記クラッドの屈折率よりも小さい、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
8. 上記グレーティングの屈折率の実部は、上記光伝達体の上記コアの屈折率よりも大きい、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
9. 上記光伝達体は、シングルモードの光ファイバである、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
10. 上記光伝達体は、マルチモードの光ファイバである、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
11. 上記グレーティングは、フォトポリマーにより形成される、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
12. 上記グレーティングは、フォトレジストにより形成される、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
13. 上記複数の被検出部はそれぞれ、上記光伝達体の上記長手軸まわりの上記特定の方向を中心とする一部に形成される、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
14. 上記複数の被検出部の内の一部は、上記光伝達体の上記長手軸まわりの上記特定の方向を中心とする一部に形成され、上記複数の被検出部の内の他の一部は、上記光伝達体の上記長手軸まわりの上記特定の方向とは異なる第２の特定の方向を中心とする一部に形成され、
    上記特定の方向を中心とする一部に形成された上記一部の被検出部の内、１個の上記グレーティングの上記周期性を持つ構造は、上記第２の特定の方向を中心とする一部に形成された上記一部の被検出部の内の１個の上記グレーティングの上記周期性を持つ構造と異なる周期を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
15. 上記特定の方向を中心とする一部に形成された上記一部の被検出部それぞれの上記グレーティングの上記周期性を持つ構造は、上記第２の特定の方向を中心とする一部に形成された上記一部の被検出部それぞれの上記グレーティングの上記周期性を持つ構造と異なる周期を有する、ことを特徴とする請求項１４に記載の光学式曲がり測定装置。
16. 上記複数の被検出部は、上記グレーティングの上記周期性を持つ構造が、上記光源ユニットに近い側から遠い側に向かって、周期が短くならない方向の順番で並ぶように、上記光伝達体に設けられる、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
17. 上記光源ユニットと上記光検出ユニットは、上記光伝達体に対して同じ側にある、ことを特徴とする請求項１６に記載の光学式曲がり測定装置。
18. 上記光源ユニットと上記複数の被検出部との間に設けられたクラッドモード除去部材を更に具備する、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
19. 上記複数の被検出部間に設けられたクラッドモード除去部材を更に具備する、ことを特徴とする請求項３に記載の光学式曲がり測定装置。
20. 上記光検出ユニットによって波長分離される光は、上記複数の被検出部のグレーティングにて複合的に引き起こされる特定の波長の光の光強度の変化を受けた光である、請求項１乃至１９の何れかに記載の光学式曲がり測定装置。
21. 演算部をさらに備え、
    上記光伝達体は、被挿入体に挿入される管状挿入体の長手軸方向に沿って延在配置され、
    上記演算部は、上記光検出ユニットが測定した上記光伝達体の曲がり量と湾曲方向とに基づいて、上記管状挿入体の３次元形状を演算する、ことを特徴とする請求項１乃至２０の何れかに記載の光学式曲がり測定装置。
22. 被挿入体に挿入される管状挿入体であって、
    上記管状挿入体の長手軸方向に沿って、請求項１乃至２０の何れかに記載の光学式曲がり測定装置の上記光伝達体を延在配置した、ことを特徴とする管状挿入体。

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