JP6602970B2

JP6602970B2 - 光信号送信モジュール

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Publication number: JP6602970B2
Application number: JP2018519103A
Authority: JP
Inventors: 英明木内; 靖浩宮崎; 勉浦川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2019-11-06
Anticipated expiration: 2037-03-02
Also published as: US20200022567A1; US11058285B2; JPWO2017203785A1; WO2017203785A1; CN109154704A

Description

本発明は、電気信号を光信号に変換して伝送する光信号送信モジュールに関する。

従来、内視鏡においては、細長い可撓性を有する挿入部の先端部に、ＣＣＤ等の撮像素子を備えた電子内視鏡が広く普及している。近年、この種の内視鏡においては、撮像素子の高画素化が進められている。

一方、撮像素子を高画素化した場合、撮像素子から信号処理装置（プロセッサ）へ伝送する信号量が増加する。この場合、撮像素子によって取得した撮像信号の伝送（送信）は、メタル配線を介した電気信号伝送に代えて、細い光ファイバを介した光信号伝送によって行うことが好ましい。

このような光信号伝送を行うため光信号送信モジュールは、一般に、電気信号を光信号に変換するための光源としてレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子を有し、この発光素子に対し、フェルール等によって保持された光ファイバの端部が光学的に接続されることによって要部が構成されている。

また、発光素子と光ファイバとを光学的に接続するための構成として、例えば、日本国特開２０１０−１９４０３７号公報には、ＬＤからの光信号を伝送する板状の光導波路と、光導波路に接続された光ファイバの端部を固定するガイドブロックと、を備えた接続部が開示されている。

しかしながら、上述のようにフェルールや専用の接続部等を用いて発光素子（ＬＤ）と光ファイバとを接続することは、部品点数を増加させ、内視鏡の先端部の硬質長を長大化させる虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、発光素子から出射される光信号を光ファイバに対して的確に入射させることができる光信号送信モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様による光信号送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、備える光信号送信モジュールであって、前記固定部は、前記光ファイバの先端を同軸上に挿入可能に固定する固定用穴部を有し、前記実装基板は、前記固定用穴部の底部に前記実装部を設定し該実装部に前記複数の発光素子を実装する。
また、本発明の他態様による光信号送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、を備える光信号送信モジュールであって、前記固定部は、前記光ファイバの先端側の側面を固定するための部分円弧状をなす固定用溝部を有し、前記実装基板は、前記光ファイバの中心軸に直交する平面上に複数の前記実装部を配置する。
さらに、本発明の他態様による光信号送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、を備える光信号送信モジュールであって、前記固定部は、前記光ファイバの先端側の側面を固定するための部分円弧状をなす固定用溝部を有し、前記実装基板は、断面略Ｖ字状をなす２つの前記実装部が前記光ファイバの中心軸に対して対称に配置される。

本発明の第１の実施形態に係り、内視鏡の斜視図同上、内視鏡システムにおける映像信号の伝達系を示す機能ブロック図同上、光信号送信モジュールの要部断面図同上、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図同上、第１の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部断面図同上、第１の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図同上、第２の変形例に係り、光信号送信モジュールを基端側から示す端面図同上、第３の変形例に係り、光信号送信モジュールを基端側から示す端面図同上、第４の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部断面図同上、第４の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図本発明の第２の実施形態に係り、光信号送信モジュールの要部断面図同上、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図同上、光信号送信モジュールの要部を示す斜視図同上、プロセッサの要部を示す機能ブロック図同上、第１の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部断面図同上、第１の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図同上、第１の変形例に係り、光信号送信モジュールの要部を示す斜視図

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の第１の実施形態に係り、図１は内視鏡の斜視図、図２は内視鏡システムにおける映像信号の伝達系を示す機能ブロック図、図３は光信号送信モジュールの要部断面図、図４は光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図である。

図１に示す内視鏡２は、挿入部５と、挿入部５の基端側に配設された操作部６と、操作部６から延出されたユニバーサルコード７と、ユニバーサルコード７の基端側に配設されたコネクタ８と、を有して構成されている。

挿入部５は、硬性な先端部１１と、先端部１１の方向を変化させるための湾曲部１２と、細長い軟性の可撓管部１３と、が先端側から順に連設されている。

図２に示すように、先端部１１内には、撮像光学ユニット２１と、撮像光学ユニット２１によって結像された光学像を撮像するイメージセンサ２２と、イメージセンサ２２からの撮像信号（電気信号）を光信号に変換するＥ／Ｏモジュールである光信号送信モジュール２３と、が配設されている。

イメージセンサ２２は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、或いは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子によって構成されている。

光信号送信モジュール２３は、発光素子としての面発光型のレーザダイオード（ＬＤ）２５と、イメージセンサ２２からの撮像信号に基づいてＬＤ２５の駆動制御を行い、当該ＬＤ２５から光信号を出射させるＬＤドライバ２６と、ＬＤ２５から出射された光信号を伝送するための光ファイバ２７と、ＬＤ２５を実装するとともに光ファイバ２７を保持する実装基板２８と、を有して構成されている。

ここで、光ファイバ２７は、例えば、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）によって構成されている。この光ファイバ２７の他端側は、操作部６を経てユニバーサルコード７内に挿通され、コネクタ８に設けられた光コネクタのレセプタクル８ａを介して、プロセッサ３に接続可能となっている。

図２に示すように、プロセッサ３は、内視鏡２とともに内視鏡システム１を構成するためのものであり、内視鏡２のコネクタ８が着脱自在なコネクタ３１と、このコネクタ３１に設けられた光コネクタのプラグ３１ａを介して光ファイバ２７（レセプタクル８ａ）と光学的に接続される光ファイバ３２と、を有する。

さらに、プロセッサ３は、光ファイバ２７から光ファイバ３２に伝送された光信号を集光するためのコリメータ３３と、コリメータ３３によって集光された光信号を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）３４と、ＰＤ３４によって光電変換された電流信号をインピーダンス変換して増幅し、電圧信号として出力するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）３５と、ＴＩＡ３５で増幅した電圧信号の振幅を一定にするリミッティングアンプ（ＬＡ）３６と、信号線を介してイメージセンサ２２等にクロック信号や制御信号を出力するとともに、ＬＡ３６からの電圧信号を処理して被写体像をモニタ４０に表示する撮像制御部としてのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）３７と、を有する。

なお、プロセッサ３には電源回路３８が内蔵されており、電源回路３８は、電気配線を通じて、内視鏡２及びプロセッサ３の各部に駆動電力等を供給することが可能となっている。

次に、図３，４を参照して光信号送信モジュール２３における光ファイバ２７の保持構造について説明する。

本実施形態において、光ファイバ２７は、ＬＤ２５を実装するための実装基板２８に一体形成された固定部よって保持されている。

具体的に説明すると、本実施形態の実装基板２８は、先端部１１の内部空間に倣った略円柱形状をなす異型基板（すなわち、フラットではない基板）によって構成されている。

この実装基板２８の先端面（一端面）の中央部には、ＬＤ２５を実装するための実装部４５が設定されている。この実装部４５には、実装基板２８の中央からややオフセットした位置に複数の端子部４６が設けられ、ＬＤ２５は、各端子部４６と電気的に接続することにより、実装基板２８の実装部４５に実装されている。すなわち、本実施形態のＬＤ２５は、実装基板２８に当接する裏側の面に発光部２５ａを備えた、所謂フリップチップタイプの裏面照射レーザ（面発光レーザ）によって構成されている。そして、このＬＤ２５に設けられた各バンプが各端子部４６とそれぞれ電気的に接続されることにより、ＬＤ２５は実装基板２８に実装されている。

一方、実装基板２８の基端側の中央には、光ファイバ２７の先端を挿入可能な固定部としての固定用穴部５０が設けられている。ここで、本実施形態の光ファイバ２７は、例えば、コア２７ａの直径が５０μｍ、コア２７ａの外周に設けられたクラッド２７ｂを含めた直径が８０μｍとなっており、このような寸法に対応して、実装基板２８には直径が約８０μｍの固定用穴部５０が形成されている。

また、固定用穴部５０の底部には、実装基板２８の先端面側に貫通する貫通孔５１が設けられている。そして、この貫通孔５１には、実装基板２８に実装されたＬＤ２５の発光部２５ａが臨まされている。より具体的には、本実施形態の貫通孔５１は固定用穴部５０と同軸上に設けられており、ＬＤ２５は、これら貫通孔５１及び固定用穴部５０と同軸上に発光部２５ａの光軸Ｏが位置するよう、実装基板２８に実装されている。

このような実装基板２８に対し、光ファイバ２７は、先端が固定用穴部５０内に挿入され、挿入された部位が接着剤等を介して接着されることにより固定されている。そして、このように実装基板２８に固定されることにより、光ファイバ２７の先端面は、ＬＤ２５の発光部２５ａに正対する位置に精度良く固定されている。

ここで、本実施形態の光ファイバ２７は、最大受光角の大きさを表す開口数ＮＡ(Numerical Aperture)が、０．２〜０．３の範囲内のものが使用されている。このような開口数の光ファイバ２７に対し、発光部２５ａから放射されるレーザ光を効率良く集光させて入射させるため、光ファイバ２７の先端面には、エッチング等を用いた加工によって、集光部として所定の曲面からなるレンズ面２７ｌが一体形成されている。

この場合において、レンズ面２７ｌは、例えば、Ｒ＝１６００〜Ｒ＝３の範囲の部分球面を採用することが可能であり、本実施形態においては、Ｒ＝１００μｍの部分球面によって構成されている。なお、レンズ面２７ｌには反射コーティングが施されていることが望ましい。

このような実施形態によれば、電気信号を光信号に変換して当該光信号の光を出射するＬＤ２５からの出射光を集光するためのレンズ面２７ｌを光ファイバ２７の端部に一体形成するとともに、ＬＤ２５を実装するための実装基板２８を異型基板によって構成し、ＬＤ２５からの出射光（光信号の光）をレンズ面２７ｌに入射可能な位置に光ファイバを固定するための固定部（固定用穴部５０）を実装基板２８に一体形成することにより、簡単な構成により、ＬＤ２５から出射される光信号を光ファイバ２７に対して的確に入射させることができる。

すなわち、実装基板２８を異型基板によって構成し、光ファイバ２７を固定するための固定用穴部５０を実装基板２８に一体形成することにより、フェルール等の専用部品を別途使用することなく、簡単な構成により、ＬＤ２５と光ファイバ２７とを光学的に接続することができる。加えて、光ファイバ２７の先端にレンズ面２７ｌを一体形成することにより、ＬＤ２５と光ファイバ２７との間に光学素子等を介在させることなく、簡単な構成により、ＬＤ２５から出射される光信号の多くを光ファイバ２７に対して的確に入射させることができる。従って、内視鏡２の先端部１１の硬質長の長大化を好適に抑制することができる。

しかも、固定用穴部５０を実装基板２８に一体形成することにより、組立時等にこれら固定用穴部５０と実装基板２８との位置決めを行う必要がなく、実装基板２８に対してＬＤ２５を高精度に位置決めすることのみにより、ＬＤ２５と光ファイバ２７との光学的な接続を高精度且つ容易に実現することができる。

ここで、例えば、図５，６に示すように、実装基板２８に対し、２組の実装部４５、固定用穴部５０、及び、貫通孔５１を設け、各ＬＤ２５をそれぞれ個別の光ファイバ２７と光学的に接続することも可能である。このように構成すれば、より多くの撮像信号等を伝送することができる。

さらに、例えば、図７，８に示すように、上述と同様の構成により、実装基板２８に対し、ＬＤ２５にそれぞれ対応付けた３本或いは４本の光ファイバ２７を固定することも可能であり、図示しないが５本以上の光ファイバ２７を固定することも可能である。

また、例えば、図９，１０に示すように、貫通孔５１を廃止するとともに、固定用穴部５０の端面に実装部４５及び端子部４６を設けることも可能である。なお、図示しないが、このような構成においても、２個以上のＬＤ２５と２本以上の光ファイバ２７とをそれぞれ実装基板２８によって光学的に接続することも可能である。

次に、図１１乃至図１４は本発明の第２の実施形態に係り、図１１は光信号送信モジュールの要部断面図、図１２は光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図、図１３は光信号送信モジュールの要部を示す斜視図、図１４はプロセッサの要部を示す機能ブロック図である。なお、本実施形態は、複数のＬＤ２５から出射された光を１つの光ファイバ２７に対して入射させる点が、上述の第１の実施形態に対して主として異なる。その他、上述の第１の実施形態と同様の構成については、同符号を付して適宜説明を省略する。

図１１乃至図１３に示すように、本実施形態の実装基板６０は、平板状の基板本体６１と、この基板本体６１から先端部１１の基端側に向けて延在する突起部６２と、が一体形成された側面視略Ｌ字状をなす異型基板によって構成されている。

基板本体６１には、突起部６２が設けられた面（基端面）に、２つのＬＤ２５をそれぞれ実装するための実装部６５が並んで設定されている。これらの実装部６５には複数の端子部６６がそれぞれ設けられ、各ＬＤ２５は、各端子部６６と電気的に接続することにより、基板本体６１の実装部６５にそれぞれ実装されている。すなわち、本実施形態のＬＤ２５は、基板本体６１に当接しない表側の面に発光部２５ａを備えた、所謂フリップチップタイプの表面照射レーザ（面発光レーザ）によって構成されている。そして、これらのＬＤ２５に設けられた各バンプが各端子部６６とそれぞれ電気的に接続されることにより、ＬＤ２５は実装基板６０に実装されている。

一方、突起部６２には、各ＬＤ２５が臨まされる面に、光ファイバ２７の先端側の側面を当接可能な固定部としての固定用溝部６６が設けられている。

本実施形態の固定用溝部６６は、光ファイバ２７のクラッド２７ｂの直径と略同径の部分円弧状をなす溝部によって構成されている。この固定用溝部６６は光ファイバ２７の先端側の側面を接着により固定するものであり、固定用溝部６６は、固定した光ファイバ２７の中心軸Ｏを２つのＬＤ２５の中間に位置させるよう設定されている。

なお、このような光ファイバ２７の固定には、当該光ファイバ２７との屈折率が整合する接着剤（屈折率整合接着剤）を好適に用いることが可能である。さらに、図示しないが、光ファイバ２７とＬＤ２５との間に、屈折率整合接着剤を充填することも可能である。

これにより、２つのＬＤ２５から出射された光信号は、それぞれレンズ面２７ｌを介して光ファイバ２７に入射される。

ここで、各ＬＤ２５からの光信号が光学干渉しないようにするため、各ＬＤ２５から出射される光源（レーザ）の波長は異なる波長に設定されている。この場合において、各ＬＤ２５から出射されるレーザ光の波長はある程度波長間隔を設けていることが望ましい。このため、本実施形態において、例えば、一方のＬＤ２５には波長が約１３１０ｎｍのＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）が採用され、他方のＬＤ２５には波長が約１５５０ｎｍのＶＣＳＥＬが採用されている。

また、２つのＬＤ２５からの光信号を的確に受信して処理するため、例えば、図１４に示すように、プロセッサ３には、コリメータ３３、ＰＤ３４、ＴＩＡ３５、及び、ＬＡ３６が２系統設けられ、さらに、光ファイバ３２と各コリメータ３３との間に、波長の異なるレーザ光を選択的に分離して各コリメータ３３に入射させるためのフィルタ３９が介装されている。

このような実施形態によれば、上述の実施形態と同様の効果に加え、複数のＬＤ２５からの光信号を、単一の光ファイバ２７によって伝送することができる。

ここで、各ＬＤ２５から光ファイバ２７に対してより多くの光信号を入射させるため、例えば、図１５乃至図１７に示すように、基板本体６１に、光ファイバ２７の中心軸Ｏに対して対象な断面略Ｖ字状をなす傾斜面６１ａを形成し、各傾斜面６１ａに各ＬＤ２５の実装部６５を設定することも可能である。

この場合、例えば、図１４に示すように、諸元として、ファイバコア２７ａの直径が５０μｍ、最大開口数ＮＡが０．２７、θｍｉｎ＝１５．６７ｄｅｇを有する光ファイバ２７を用い、且つ、諸元として、発光部２５ａの開口が２０μｍを有するＬＤ２５を用いた場合、光軸Ｏに垂直な面に対して傾斜面６１ａの角度θを１５．６７ｄｅｇに設定し、発光部２５ａの光軸Ｏからのオフセット量Ｌ０を１０６μｍ、発光部２５ａから光ファイバ２７のレンズ面２７ｌまでの距離Ｌ１を３７７．９μｍに設定することが可能である。

なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。

例えば、上述の各実施形態においては、光ファイバとしてＭＭＦを用いた一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、グレーテッドインデックス（ＧＩ）型ＭＭＦ、ステップインデックス（ＳＩ）型ＭＭＦ、或いは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いることも可能である。

また、上述の第２の実施形態において、波長を選択的に分離するフィルタを備えた映像信号の伝達系に代えて、波長差を利用した分波手段として１×２等のダイクロイック光カプラを用いて映像信号の伝達系を構成することも可能である。

本出願は、２０１６年５月２３日に日本国に出願された特願２０１６−１０２４０４号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。

Claims

電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、
前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、
を備える光信号送信モジュールであって、
前記固定部は、前記光ファイバの先端を同軸上に挿入可能に固定する固定用穴部を有し、
前記実装基板は、前記固定用穴部の底部に前記実装部を設定し該実装部に前記複数の発光素子を実装することを特徴とする光信号送信モジュール。
電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、
前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、
を備える光信号送信モジュールであって、
前記固定部は、前記光ファイバの先端側の側面を固定するための部分円弧状をなす固定用溝部を有し、
前記実装基板は、前記光ファイバの中心軸に直交する平面上に複数の前記実装部を配置することを特徴とする光信号送信モジュール。
電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、
前記複数の発光素子からの出射光を集光するための集光部が端部に一体形成され、前記集光部を介して入射された前記光信号を伝送する光ファイバと、
前記複数の発光素子を実装するための実装部、及び、当該実装部に実装された前記複数の発光素子からの前記出射光を前記集光部に入射させる位置に前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、
を備える光信号送信モジュールであって、
前記固定部は、前記光ファイバの先端側の側面を固定するための部分円弧状をなす固定用溝部を有し、
前記実装基板は、断面略Ｖ字状をなす２つの前記実装部が前記光ファイバの中心軸に対して対称に配置されることを特徴とする光信号送信モジュール。
前記実装部は、前記複数の発光素子を前記固定用穴部の底部に向き合う面に電気的に接続するために実装する複数の端子部を有することを特徴とする請求項１に記載の光信号送信モジュール。