JP6823091B2 - 非点収差補正のための反射構成要素を有する光学プローブ - Google Patents

非点収差補正のための反射構成要素を有する光学プローブ Download PDF

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Description

本出願は、全体的に光学プローブに関する。
光学撮像カテーテルまたは内視鏡光学系は、通常壊れやすく、したがって多くの場合シースによって保護される。シースの形状によって光学系に非点収差が生成される。非点収差によって、２つの直交方向の光ビームの焦点が、異なる距離で異なるビームサイズで収束する、または一方向では発散し、別方向では収束するようになる。この非点収差によって、光学系の画像品質が低下する。
デバイスのいくつかの実施形態は、第１の導光構成要素（ｌｉｇｈｔ−ｇｕｉｄｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と、第２の導光構成要素と、レンズと、レンズに面した反射表面を有する光学補正構成要素（ｏｐｔｉｃａｌ−ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と、シースとを備えている。また、シースは、非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）を引き起こし、反射表面は、２つの直交軸のうちの第１の軸上に屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を有しており、第１の軸上の屈折力は、非点収差を補償し、反射表面は、２つの直交軸のうちの第２の軸上に無視できるほど小さい屈折力を有しており、反射表面は、レンズからの光を反射し、反射された光を、シースを通るように方向変更するように構成されており、光学補正構成要素は、レンズに直接接触しない。
デバイスのいくつかの実施形態は、第１の導光構成要素と、第２の導光構成要素と、光学集束構成要素（ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）と、光学集束構成要素に面した反射表面を有する光学補正構成要素とを備えている。また、反射表面は屈折力を有しており、光学集束構成要素からの光を反射し、反射された光を方向変更するように構成されている。
デバイスのいくつかの実施形態は、第１の導光構成要素と、第２の導光構成要素と、レンズと、レンズの少なくとも一部分を囲み、窓を含んでいるプロテクタと、レンズに面した反射表面を有する光学補正構成要素とを備えている。また、反射表面は屈折力を有しており、レンズからの光を反射し、反射された光を、プロテクタの窓を通るように方向変更するように構成されている。
図１は、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）システムの例示的な実施形態を示す図である。 図２は、光学プローブ、駆動ケーブル、およびシースを含む光学撮像デバイスの例示的な実施形態の部分切欠図である。 図３Ａは、光学プローブ、駆動ケーブル、およびシースを含む光学撮像デバイスの例示的な実施形態の部分切欠図である。図３Ｂは、光学プローブの例示的な実施形態を示す図である。図３Ｃは、非点収差補正およびビーム操作構成要素（ＡＣＢＳ）の反射表面の例示的な実施形態を示す図である。 図４は、光学プローブ、駆動ケーブル、およびシースを含む光学撮像デバイスの例示的な実施形態の部分切欠図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、２つの直交平面における光ビームの集束を示す概念図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、２つの直交平面における光ビームの集束を示す概念図である。 図７は、光学プローブの例示的な実施形態を示す図である。 図８Ａは、光学プローブの例示的な実施形態を示す図である。図８Ｂは、ＡＣＢＳの反射表面の例示的な実施形態を示す図である。 図９は、光学プローブの例示的な実施形態を示す図である。 図１０Ａ〜図１０Ｇは、光学プローブの例示的な実施形態を示す図である。
以下のパラグラフでは、説明のための特定の実施形態を記述している。他の実施形態は、代替形態、等価形態、および修正形態を含んでもよい。加えて、説明のための実施形態は、いくつかの新規の特徴を含んでいてもよく、特定の特徴は、本明細書に記述されているデバイス、システム、および方法のうちのいくつかの実施形態には必須でなくてもよい。
いくつかの光学撮像デバイス（例えば内視鏡）は、人間の患者などの被検体の内側から画像をキャプチャするように構成される。これらの光学撮像デバイスは、光学プローブを含んでいてもよく、光学プローブは、遠位端部にレンズとミラーの両方を含んでいてもよい。また、光学プローブを対象（例えば器官、組織）にナビゲートする、光を対象に送達する、および対象によって反射された光を検出するために、光学プローブ内の１つまたは複数の光ファイバを使用することができる。さらに、光学撮像デバイスは、光学プローブを囲むシースを含んでいてもよい。
例えば、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）用に構成された光学プローブは、対象（例えば器官）の表面内の血管の深度分解画像（ｄｅｐｔｈ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｉｍａｇｅ）をキャプチャすることができる。光学プローブからの光ビームが表面を横切るように回転すると、光学プローブは、表面内の血管の断面画像を得ることができる。３次元データを得るために、光学プローブを、ヘリカル走査パターンからの画像を得るための回転中に、長手方向に並進させることができる。このヘリカル走査は、光学プローブが回転している間に光学プローブの先端を近位端部に向けて後ろに引くことによって、または光学プローブが回転している間に光学プローブの先端を遠位端部に向けて押すことによって、実行することができる。
シースは、光ビームがシースを通って進むことができるように、透明、またはほぼ透明であってもよい。シースは屈折力を有するが、シースの屈折力は、シースの内側の媒体と外側の媒体が同じである（例えば、シースの内側の媒体と外側の媒体が両方とも空気である、シースの内側の媒体と外側の媒体が両方とも同じ造影剤である）場合には、それほど強くない。しかし、媒体が異なる場合には、シースはより強い屈折力を有する。例えば、シースの内側の媒体が空気であり、シースの外側の媒体が造影剤である場合、シースは矢状方向において負の屈折力を有するであろう。加えて、シースの直径が小さいほど、シースの屈折力は強くなり、シースにより引き起こされる非点収差が大きくなる。
図１は、ＯＣＴシステムの例示的な実施形態を示している。ＯＣＴシステム１０は、光源１１、参照アーム（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｒｍ）１２、試料アーム１３、ビームスプリッタ１４、および１つまたは複数の検出器１７を含んでいる。光源１１は光を放射し、光源１１は、例えば短いコヒーレンス長を有する広帯域光源、スーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、調節可能光源、または白色光源とすることができる。ビームスプリッタ１４は、光をスプリットし、一部の光を参照アーム１２に導き、一部の光を試料アーム１３に導く。また、ＯＣＴシステム１０のいくつかの実施形態は、１つまたは複数のサーキュレータを使用して光をスプリットし、１つまたは複数のビームカプラを使用して光を再結合する。
試料アーム１３は、患者インターフェイスユニット１５と、光学撮像デバイス１９とを含んでいる。光学撮像デバイス１９は、光学プローブ１００を含んでおり、光学プローブ１００は、光ビームを試料１６に導き、試料１６から反射した、または試料１６によって散乱された光を検出する。次いで、光学プローブ１００は、この検出された光を、ビームスプリッタ１４に送信して戻す。
参照アーム１２は、光学遅延ライン（ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｌａｙ ｌｉｎｅ）１８を含んでいる。光学遅延ライン１８は、ミラーを含んでおり、光学遅延ライン１８を通って進む光は、ミラーに反射し、次いでビームスプリッタ１４に進んで戻る。
試料アーム１３および参照アーム１２からのビームは、ビームスプリッタ１４によって再結合され、それにより干渉パターンを有する再結合されたビームが生成される。再結合されたビームは、１つまたは複数の検出器１７（例えばフォトダイオード、光電子増倍管、線形ＣＣＤアレイ、画像センサ、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳアレイ）によって検出される。
図２は、光学プローブ２００、駆動ケーブル２２０、プロテクタ２０４、およびシース２３０を含む光学撮像デバイス２９（例えば光学撮像カテーテル、内視鏡）の例示的な実施形態の部分切欠図を示している。光学プローブ２００は、導波路である第１の導光構成要素２０１（例えばシングルモード光ファイバ、マルチモード光ファイバ、ダブルクラッド光ファイバ）と、同じく導波路である第２の導光構成要素２０２（例えばガラスロッド、ガラススペーサ、ラージコアマルチモードファイバ）と、光学集束構成要素２０３（例えば、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、ボールレンズ、ハーフボールレンズ、グレーデッドインデックス（ＧＩ）ファイバ）と、光反射構成要素２０４（例えばプリズム）とを含んでいる。また、シース２３０は、プロテクタ２０４を含んでおり、プロテクタ２０４は、光学プローブ２００の一部分を囲み、シース２３０の内側の媒体である内側媒体２１２（例えば、空気、造影剤）を含んでいる。シース２３０は、シース２３０の外側の媒体である外側媒体２１１（例えば、空気、造影剤）によって囲まれている。シース２３０は、ほぼ透明であってもよく、または、透明もしくはほぼ透明な窓を含んでいてもよい。さらに、シース２３０は、第１の軸（図２のｘ軸）に沿って負の屈折力を導入し、第２の軸（図２のｙ軸）に沿ってほとんど屈折力を導入しなくてもよい。
駆動ケーブル２２０、プロテクタ２０４、および光学プローブ２００は、互いに固定されており、光学プローブ２００は、シース２３０の内側で自由にスピンすることができる。光学プローブ２００に取り付けられた遠位端部をスピンさせるために、駆動ケーブル２２０は、その近位端部からその遠位端部にトルクを伝達する。光学プローブ２００をスピンさせることによって、光学プローブは、３６０°の視像をキャプチャすることが可能になる。
補正がなければ、光学撮像デバイス２９は、シース２３０によって引き起こされる非点収差を受ける恐れがある。シースの内側面および外側面は、接線方向においてほぼ平坦であり、したがって、光学撮像デバイス２９の屈折力にほとんど影響を及ぼさない。シースの内側表面および外側表面は、矢状方向において湾曲している。空気が内側媒体２１２である場合、内側表面は負の屈折力を有するが、これは、光が空気から、シース２３０の凹状内側表面に向かって進むからである。空気が外側媒体２１１である場合、外側表面は正の屈折力を有するが、これは、光が、シース２３０の凹状外側表面から、空気に向かって進むからである。しかし、外側表面の曲率半径は内側表面の曲率半径よりも大きいことから、外側表面の屈折力は、内側表面の屈折力ほど強くない。またシースの材料は、典型的には１．３〜１．６の範囲の屈折率（ＩＯＲ）を有しており、それにより、外側媒体２１１が造影剤であって空気ではない場合に、外側シースの屈折力が弱くなる、またはわずかに負になる。一部の造影剤は、１．４３〜１．４７の範囲のＩＯＲを有する。
図３Ａは、光学プローブ３００、駆動ケーブル３２０、およびシース３３０を含む光学撮像デバイス３９の例示的な実施形態の部分切欠図を示している。光学プローブ３００は、第１の導光構成要素３０１（例えば光ファイバ）と、第２の導光構成要素３０２（例えばガラスロッドスペーサ）と、光学集束構成要素３０３（例えばレンズ）と、プロテクタ３０４と、非点収差補正およびビーム操作構成要素（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ−ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｅａｍ−ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）（ＡＣＢＳ）３０６とを含んでいる。
第１の導光構成要素３０１および第２の導光構成要素３０２は、１つまたは複数の光ビームを光学プローブ３００の遠位先端に送達するように構成される。第１の導光構成要素３０１は、例えばダブルクラッドファイバ、マルチモードファイバ、偏光保持ファイバ、またはシングルモードファイバとすることができる。第２の導光構成要素３０２は、例えばガラスロッド、ラージコアファイバ、または、光ビームの開口数（ＮＡ）を光学集束構成要素３０３のエントランスに合わせて調整するために使用することができる別のスペーサとすることができる。異なる長さのガラスロッドスペーサを使用することによって、開口数（ＮＡ）を調整することができる。また、いくつかの実施形態では、ガラスロッドスペーサの光学特性は調整可能であり、それによりＮＡを調整することもできる。またいくつかの実施形態では、第２の導光構成要素３０２の端面は、第１の導光構成要素３０１の端面に融着接続される。また、図３Ａのｙ軸は、第１の導光構成要素３０１または第２の導光構成要素３０２の長手方向軸と位置合わせされている。しかし一部の記述では、ｘ、ｙ、およびｚ軸の配向は、右手の法則によって決定され、その場合には、ｚ軸が光伝播の軸である。したがって、ｚ軸が光伝播の軸であった場合、図３Ａのｚ軸が、第１の導光構成要素３０１または第２の導光構成要素３０２の長手方向軸と位置合わせされることになる。
この実施形態では、光学集束構成要素３０３は、直交軸に沿って等しく、またはほぼ等しく光ビームを集束させるボールレンズである。したがって、ボールレンズの屈折力は、第１の軸と第２の軸について等しくてもよく、またはほぼ等しくてもよい。また、光学集束構成要素３０３は、第２の導光構成要素３０２に取り付けられてもよく、または例えば加熱プロセスによって、第２の導光構成要素３０２の端面から形成されてもよい。
クリアな、またはほぼクリアなシース３３０（もしくはシース３３０の窓）は、第１の軸（例えば図３Ａのｘ軸）に沿って、負の屈折力を導入してもよく、第２の軸（例えば図３Ａのｙ軸）に沿って、ほとんど屈折力を導入しなくてもよい。
ＡＣＢＳ３０６は、ミラー仕上げの表面である反射表面３０６ａを有している。反射表面３０６ａは、シース３３０の屈折力を補償するための屈折力（例えば、第１の軸上の負の屈折力、第２の軸上の正の屈折力）も導入する。例えば、いくつかの実施形態では、ＡＣＢＳ３０６の反射表面３０６ａは、第１の軸（例えば図３Ａのｘ軸）上で正の屈折力を有し、その正の屈折力は、第１の軸上のシースの負の屈折力の効果に反作用し、ＡＣＢＳ３０６は、第１の軸上に正の屈折力を導入する円筒状の湾曲部を有していてもよい。また、光学集束構成要素３０３は、第１の軸上と第２の軸上とで等しい屈折力を有するように設計されてもよく、その等しい屈折力は、所望の合計屈折力と同じ、またはほぼ同じであってもよい。
例えば、いくつかの実施形態では、光学集束構成要素３０３は、Ｐx＝Ｐy＝ＰDesired（ここでＰxはｘ軸上の屈折力、Ｐyはｙ軸上の屈折力、およびＰDesiredは所望の屈折力である）によって記述することができ、ＡＣＢＳ３０６は、Ｐx＝正のＰ（ここでＰは屈折力）、およびＰy＝０によって記述することができ、シース３３０は、Ｐx＝負のＰ、およびＰy＝０によって記述することができる。この表記は、（例えば図５Ａ〜図５Ｂ、および図６Ａ〜図６Ｂに示されているように）ＡＣＢＳ３０６からの反射の前と後の両方で光伝播の軸がｚ軸であることを仮定しており、それにより、ＡＣＢＳ３０６の反射によって引き起こされる図３Ａの軸の変化を記述する必要がなくなることに留意すべきである。
加えて、いくつかの実施形態では、ＡＣＢＳ３０６は、第２の軸（例えば図３Ａのｙ軸）上で負の屈折力を導入する円筒状の湾曲部を有し、その負の屈折力は、第１の軸（例えば図３Ａのｘ軸）上のシースの負の屈折力の効果に整合する。光学集束構成要素３０３は、第１の軸上と第２の軸上とで等しい屈折力であって、ＡＣＢＳ３０６およびシース３３０から導入された負の屈折力を有する合計屈折力が、所望の屈折力になるように、所望の屈折力よりも大きい屈折力を有してもよい。
例えば、いくつかの実施形態では、光学集束構成要素３０３は、Ｐx＝Ｐy＞ＰDesiredによって記述することができ、ＡＣＢＳ３０６は、Ｐx＝０、およびＰy＝負のＰによって記述することができ、シース３３０は、Ｐx＝負のＰ、およびＰy＝０によって記述することができる。この場合も、この表記は、（例えば図５Ａ〜図５Ｂ、および図６Ａ〜図６Ｂに示されているように）ＡＣＢＳ３０６からの反射の前と後の両方で光伝播の軸がｚ軸であることを仮定しており、それにより、ＡＣＢＳ３０６の反射によって引き起こされる図３Ａの軸の変化を記述する必要がなくなることに留意すべきである。
また、光学撮像デバイス３９の構成要素は、特定の環境に適合するように選択することができる。光学撮像デバイス３９のいくつかの実施形態は、特に空気環境で使用されるように構成され、光学撮像デバイス３９のいくつかの実施形態は、特に液体環境用に構成される。液体環境を構成する液体は、例えば生理食塩水、デキストラン、水、または液体の組合せとすることができる。光学集束構成要素３０３、ＡＣＢＳ３０６、およびシース３３０は、光学撮像デバイス３９が使用されることになる環境の屈折率に応じて、選択されてもよい。
さらに、光学プローブ３００のいくつかの実施形態は、２つ以上の波長の光ビームを伝送および放射するように構成される。例えば、マルチモードの光コヒーレンストモグラフィ用に構成されたいくつかの実施形態は、ＯＣＴに適した波長を有する１つのビームを放射し、蛍光撮像に適した波長を有する別のビームを放射する。光学プローブ３００の部材のサイズ、および光学プローブ３００の部材の配置は、所望のビーム幅および所望の作動距離を作り出すように構成されてもよい。
光学プローブ３００のいくつかの実施形態は、１．３１μｍの波長を有する光を用いたＯＣＴ撮像と、０．６３３μｍの波長を有する光を用いた蛍光マッピングとを同時に行うマルチモダリティシステム用に構成される。撮像の仕様によっては、構造的情報を提供することができるＯＣＴ波長を、設計された最適作動距離に集束させて横方向分解能を提供し、その一方で、ＯＣＴ撮像の最適作動距離からわずかにずらして蛍光波長を集束させ、それにより、蛍光波長が、ＯＣＴ撮像の最適作動距離において低い横方向分解能を有する大きいビームサイズを持つことができるようにすることが、不可欠であり得る。
例えば冠状動脈において、対象である動脈の直径は、約２ｍｍ〜４ｍｍであることが多い。光学プローブ３００が動脈の中心に位置付けられたと仮定すると、動脈の半径が作動距離に相当し、それは光学プローブ３００の光学軸から１ｍｍ〜２ｍｍである。
ＯＣＴ波長と蛍光波長の両方は、血管を貫通し、したがっていくつかの実施形態では、焦点位置または作動距離は、１ｍｍ〜３ｍｍにおいて最適である。これらの作動距離の範囲内で、焦点は２つのモダリティ間で異なってもよい。光学プローブ３００のいくつかの実施形態（例えば冠状動脈測定用）は、互いに２ｍｍ以内である焦点距離または作動距離を有する。例えばより大きい血管（例えば末梢動脈）に使用される実施形態など、いくつかの実施形態は、血管の直径および所望の作動距離に対応して、焦点距離または作動距離においてより大きい差を有している。
焦点の最適化は、２つの波長の屈折率を使用し、最適化の問題を解決することによって、実現することができる。最適化の際、１つまたは複数の光学構成要素をスプリットする、またはスペーサを加えることによって、２つの波長の屈折率の異なる組合せとともに、別の材料を加えることが効率的であり得る。
また、光学プローブ３００のいくつかの実施形態は、ＯＣＴおよび蛍光撮像に加えて、またはその代わりに、近赤外分光法などの他のモダリティ用に構成される。
図３Ｂは、光学プローブ３００の例示的な実施形態を示している。光学プローブ３００は、第１の導光構成要素３０１と、第２の導光構成要素３０２と、光学集束構成要素３０３と、ＡＣＢＳ３０６とを含んでいる。ＡＣＢＳ３０６は、反射表面３０６ａを含んでいる。この実施形態では、反射表面３０６ａは、第１の軸（図３Ｂのｘ軸）に沿って正の屈折力を導入する凹状、またはほぼ凹状の表面である。図３Ｃは、Ａ−Ａ線から見た反射表面３０６ａを示している。図３Ｃに示されているように、反射表面３０６ａは凹状、またはほぼ凹状である。
図４は、光学プローブ４００、駆動ケーブル４２０、およびシース４３０を含む光学撮像デバイス４９の例示的な実施形態の部分切欠図を示している。光学プローブ４００は、第１の導光構成要素４０１と、第２の導光構成要素４０２と、光学集束構成要素４０３と、プロテクタ４０４と、ＡＣＢＳ４０６とを含んでいる。駆動ケーブル４２０とプロテクタ４０４は、互いに取り付けられてもよい（例えば共に溶接されてもよい）。また、光学プローブ４００は、例えば接着剤によって、駆動ケーブル４２０に取り付けられてもよい。また光学プローブ４００の１つまたは複数の他の部材は、例えば接着剤によって、プロテクタ４０４に取り付けられてもよい。光学プローブ４００は、シース４３０の内側で自由に回転することができる。
この実施形態では、中心波長１．３μｍを有する光ビームは、光源（例えば図１の光源１０１）から、光ファイバ（例えば、コーニングＳＭＦ２８ＵＬＴＲＡファイバ）である第１の導光構成要素４０１を通って送達される。第１の導光構成要素４０１を出た後、光ビームは、溶融石英から作ることができるガラスロッドスペーサである第２の導光構成要素４０２を通って発散する。また第２の導光構成要素４０２は、第１の導光構成要素４０１の外径に整合した直径（例えば直径１２５μｍ）を有してもよい。加えて、いくつかの実施形態では、第２の導光構成要素４０２のｙ軸に沿った長さは、約３００μｍである。
光ビームが第２の導光構成要素４０２内で発散した後に、光ビームは、この実施形態ではボールレンズ（ボールレンズ４０３）である光学集束構成要素４０３によって、第１の軸と第２の軸の両方に沿って等しく、またはほぼ等しく収束される。いくつかの実施形態では、ボールレンズ４０３の直径は、約３２０μｍである。また、いくつかの実施形態では、ボールレンズ４０３の出射アパーチャは、後方反射を低減するために反射防止コーティングされている。
次いで、収束光ビームは、この例では空気である内側媒体４１２を通って伝播し、ＡＣＢＳ４０６の反射表面４０６аによって反射される。ＡＣＢＳ４０６は、異なる軸に沿って異なる屈折力（Ｐx，Ｐy）を有してもよい。例えば、ｚが光伝播の軸であると仮定すると、反射表面４０６ａが凹状円筒形状である実施形態（例えば図３Ｃ）などにおいて、Ｐyはほぼゼロであってもよく、Ｐxは正であってもよい。
ボールレンズ４０３とＡＣＢＳ４０６との間の間隔は、シース４３０によって引き起こされる非点収差を十分に補償するように、１つの軸上で屈折力を調整および微調節するように機能することができる。いくつかの実施形態では、間隔は５０μｍ〜３５０μｍである。また、ＡＣＢＳ４０６の先端は、ＡＣＢＳ４０６とボールレンズ４０３との間の間隔を最小にするために削り取られていてもよい。
光学プローブ４００の長手方向軸に沿ったＡＣＢＳ構成要素４０６の長さは、製造および組立てを容易にするように選択されてもよい。いくつかの実施形態では、ＡＣＢＳ４０６の直径は、プロテクタ４０４の内径に整合する、または（公差範囲内で）ほぼ整合する。光学プローブ４００の長手方向軸に対する反射表面４０６ａの角度θは、３０°〜６０°の間であってもよい。いくつかの実施形態では、角度は５３°〜５８°であり、それによりシース４３０からの後方反射を低減することができ、ビームをわずかに前方に向けることができる。
光ビームが反射表面４０６ａから反射した後、光ビームは、プロテクタ４０４の開口部（例えば、放射線不透過性の金属製プロテクタ４０４の穴４０５）を通過し、次いでシース４３０を通る。いくつかの実施形態では、シース４３０は、内径６００μｍ、外径８００μｍ、および屈折率１．５０を有する。光学的には、シース４３０は、第１の軸（例えば図４のｘ軸）に沿って負の屈折力を有し、第１の軸に直交する第２の軸（例えば図４のｙ軸）に沿って、ゼロの屈折力を有する。
シース４３０を通って進んだ後、光ビームは、この実施形態では造影剤である外側媒体４１１を通って進む。いくつかの実施形態では、造影剤は、屈折率１．４５を有し、シース４３０の外側を囲んでいる。
ボールレンズ４０３、ＡＣＢＳ４０６、およびシース４３０の組合せによって、光ビームを、ｘ軸とｙ軸の両方において、所望の作動距離、例えばシースの外側表面から２．１ｍｍに集束させることができ、その作動距離は、シース４３０の外径が８００μｍである場合には、光学プローブ４００の中心に沿った長手方向軸から２．５ｍｍにあるものでもある。
さらに、いくつかの実施形態では、ＡＣＢＳ４０６は、光ビームを同じ作動距離に収束させる無視できない屈折力を有する２つの軸を有する。したがって、ＡＣＢＳ４０６のいくつかの実施形態は、屈折力を無視することができない２つ以上の軸を有する。
いくつかの実施形態では、対称な屈折力を有するボールレンズ４０３と、いかなる屈折力も有していないＡＣＢＳ４０６とによって、第２の軸（ｙ軸）に沿った方向のビームが、シース４３０の外側表面から約２．１ｍｍの作動距離に集束される。しかし、ＡＣＢＳ４０６がシース４３０の非点収差を補償しないことから、第１の軸（ｘ軸）に沿った方向のビームは、第１の軸に沿ったシース４３０の負の屈折力によって、シース４３０の外側表面から約４．２ｍｍの作動距離に集束することがある。したがってシース４３０からの非点収差によって、ビームは、ｙ軸上の作動距離（２．１ｍｍ）ではない作動距離（４．２ｍｍ）において、ｘ軸方向に集束される。
図５Ａおよび図５Ｂは、２つの直交平面における光ビームの集束を示す概念図である。図５Ａおよび図５Ｂは、光学系のうちの３つの部材、すなわち光学集束構成要素５０３、ＡＣＢＳ５０６、およびシース５３０だけを示している簡略図である。図５Ａは、ｘ−ｚ平面における３つの部材を示しており、図５Ｂは、ｙ−ｚ平面における３つの部材を示している。図５Ａ〜図５Ｂに示されているように、ｘ軸上のシース５３０の屈折力は、ｙ軸上のシース５３０の屈折力とは異なっている。また、ｘ軸上のＡＣＢＳ５０６の屈折力は、ｙ軸上のＡＣＢＳ５０６の屈折力とは異なっている。この例では、ｘ軸上のＡＣＢＳの屈折力はゼロ、またはほぼゼロであり、ｙ軸上のＡＣＢＳの屈折力は負である。ＡＣＢＳ５０６の屈折力は、ｘ−ｚ平面の作動距離が、ｙ−ｚ平面の作動距離と同じ、またはほぼ同じ（すなわち公差範囲内）になるように、シース５３０の屈折力を補償する。
光学系は、作動距離（Ｗ）に光を集束させる。３つの部材の組み合わされた屈折力は、式（１）および式（２）によって記述することができる。
Ｐy'＝ＰBLy＋ＰACBSy−ＰBLyＰACBSyＬ1、および
Ｐy＝Ｐy'＋Ｐsheathy−Ｐy'ＰsheathyＬ2； （１）
Ｐx'＝ＰBLx＋ＰACBSx−ＰBLxＰACBSxＬ1、および
Ｐx＝Ｐx'＋Ｐsheathx−Ｐx'ＰsheathxＬ2； （２）
ここで、（Ｐy）は、ｙ軸に沿った合計屈折力であり、（Ｐx）は、ｘ軸に沿った合計屈折力であり、
また、光学集束構成要素５０３とシース５３０との間の光学距離は、以下の式で記述されるように、それぞれの屈折率（ｎj）を有する複数の距離に分割することができる。
ここでｉ＝１（Ｌ1）は、光学集束構成要素５０３とシース５３０の間の距離であり、ｉ＝２（Ｌ2）は、ＡＣＢＳ５０６とシース５３０との間の距離である。
最初の２つの光学要素の後、第３の要素が導入されると、光学距離（Ｌ2）は、最終的な屈折力を記述するにはもはや正確ではない可能性があることから、式（１）、式（２）、および式（３）は単純化したものであり得ることに留意すべきである。第１の軸と第２の軸の両方に沿ってほぼ等しい目標合計屈折力に到達するための光学構成要素の特性を十分に決定するために、光学設計最適化ツールが使用されてもよい。
いくつかの実施形態では、ＡＣＢＳ５０６は、光ビームがｘ軸とｙ軸上でおおよそ同じ作動距離に集束するように、シース５３０の非対称な歪曲を補償し、それにより小さいスポットサイズが生成される。
図６Ａおよび図６Ｂは、２つの直交平面における光ビームの集束を示す概念図である。図６Ａおよび図６Ｂは、光学系のうちの３つの部材、すなわち光学集束構成要素６０３、ＡＣＢＳ６０６、およびシース６３０だけを示している簡略図である。図６Ａは、ｘ−ｚ平面における３つの部材を示しており、図６Ｂは、ｙ−ｚ平面における３つの部材を示している。図６Ａおよび図６Ｂにより示されているように、ｘ軸上のシース６３０の屈折力は、ｙ軸上のシース６３０の屈折力とは異なっている。また、ｘ軸上のＡＣＢＳ６０６の屈折力は、ｙ軸上のＡＣＢＳ６０６の屈折力とは異なっている。この例では、ｙ軸上のＡＣＢＳの屈折力はゼロ、またはほぼゼロであり、ｘ軸上のＡＣＢＳの屈折力は正である。ＡＣＢＳ６０６の屈折力は、ｘ−ｚ平面の作動距離が、ｙ−ｚ平面の作動距離と同じ、またはほぼ同じになるように、シース６３０の屈折力を補償する。
図７は、光学プローブの例示的な実施形態を示している。光学プローブ７００は、第１の導光構成要素７０１と、第２の導光構成要素７０２と、光学集束構成要素７０３と、ＡＣＢＳ７０６とを含んでいる。ＡＣＢＳ７０６は、反射表面７０６ａを含んでいる。この実施形態では、反射表面７０６ａは凸状であり、軸に沿って負の屈折力を導入する。
図８Ａは、光学プローブの例示的な実施形態を示している。光学プローブ８００は、第１の導光構成要素８０１と、第２の導光構成要素８０２と、光学集束構成要素８０３と、プロテクタ８０４と、ＡＣＢＳ８０６とを含んでいる。ＡＣＢＳ８０６は、反射表面８０６ａを含んでいる。この実施形態では、ＡＣＢＳ８０６は、プロテクタ８０４のためのプラグとして作用するように、形状設定されている。これは、例えばシースによじれがあり、プローブがそのよじれの中に前進するときに、穴を開ける効果を低減させることによって、光学プローブ８００の遠位先端を、安全に配慮して非外傷性のものにすることができる。
また、この実施形態では、反射表面８０６ａは、第１の軸（この実施形態ではｘ軸）に沿って正の屈折力を導入する凹状、またはほぼ凹状の表面である。図８Ｂは、Ａ−Ａ線から見た反射表面８０６ａを示している。図８Ｂに示されているように、反射表面８０６ａは凹状、またはほぼ凹状である。
図９は、光学プローブの例示的な実施形態を示している。光学プローブ９００は、第１の導光構成要素９０１と、第２の導光構成要素９０２と、光学集束構成要素９０３と、プロテクタ９０４と、ＡＣＢＳ９０６とを含んでいる。ＡＣＢＳ９０６は、反射表面９０６ａを含んでいる。この実施形態では、ＡＣＢＳ９０６は、プロテクタ９０４のためのプラグとして作用するように、形状設定されている。また、この実施形態では、反射表面９０６ａは、第１の軸（この実施形態ではｙ軸）に沿って負の屈折力を導入する凸状、またはほぼ凸状の表面である。
図１０Ａ〜図１０Ｇは、光学プローブの例示的な実施形態を示している。図１０Ａでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ハーフボールレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径に整合している。
図１０Ｂでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径に整合している。
図１０Ｃでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ハーフボールレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径よりも大きい。また、第２の導光構成要素１００２の外径、または光学集束構成要素１００３の外径は、プロテクタの内径に整合していてもよい。
図１０Ｄでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ＧＲＩＮレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径よりも大きく、光学集束構成要素１００３の外径に等しい。また、第２の導光構成要素１００２の外径、および光学集束構成要素１００３の外径は、プロテクタの内径に整合していてもよい。
図１０Ｅでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ハーフボールレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径よりも大きい。また、第２の導光構成要素１００２の外径、または光学集束構成要素１００３の外径は、プロテクタの内径に整合していてもよい。
図１０Ｆでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ＧＲＩＮレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径よりも大きく、光学集束構成要素１００３の外径よりも小さい。また、第２の導光構成要素１００２の外径、または光学集束構成要素１００３の外径は、プロテクタの内径に整合していてもよい。
図１０Ｇでは、光学プローブ１０００は、第１の導光構成要素１００１と、第２の導光構成要素１００２と、光学集束構成要素１００３とを含んでいる。光学集束構成要素１００３は、ＧＲＩＮレンズである。この実施形態では、第２の導光構成要素１００２の外径は、第１の導光構成要素１００１の外径よりも大きく、光学集束構成要素１００３の外径に等しい。この実施形態では、スリーブ１００７が、第１の導光構成要素１００１、第２の導光構成要素１００２、および光学集束構成要素１００３の一部分を囲んでいる。スリーブ１００７は、熱収縮チューブであってもよく、（例えば第１の導光構成要素１００１がダブルクラッドファイバである場合に）第１の導光構成要素１００１の光伝播にスリーブ１００７が影響を与えるのを防止することができる低屈折率材料から作られてもよい。
特許請求の範囲は、上述した実施形態に限定されず、様々な修正形態および等価の構成を含む。また本明細書において使用される場合、「または」という接続詞は、全体的には包括的な「または」を指すが、明確に示されている場合、または文脈上「または」が排他的な「または」でなくてはならないことが示されている場合には、「または」は排他的な「または」を指すことができる。

Claims (26)

  1. 第１の導光構成要素と、
    第２の導光構成要素と、
    レンズと、
    前記レンズに面した反射表面を有する光学補正構成要素と、
    前記レンズの少なくとも一部分、および前記光学補正構成要素の少なくとも一部分を囲むプロテクタと、
    前記レンズの少なくとも一部、前記プロテクタの少なくとも一部、および前記光学補正構成要素の少なくとも一部が配置されるシースと、
    を備えており、
    前記シースは、非点収差を引き起こし、
    前記反射表面は、２つの直交軸のうちの第１の軸上に屈折力を有しており、前記第１の軸上の前記屈折力は、前記非点収差を補償し、
    前記反射表面は、前記２つの直交軸のうちの第２の軸上に無視できるほど小さい屈折力を有しており、
    前記反射表面は、前記レンズからの光を反射し、前記反射された光を、前記シースを通るように方向変更するように構成されており、
    前記光学補正構成要素は、前記レンズに直接接触しておらず、
    前記光学補正構成要素は、前記プロテクタのためのプラグとして作用し、または、前記プロテクタの端面における開口のためのプラグとして作用する、デバイス。
  2. 前記レンズは、屈折率分布型レンズ、ＧＩファイバレンズ、ボールレンズ、およびハーフボールレンズのうちの１つである、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記シースは、前記第１の導光構成要素の少なくとも一部、および前記第２の導光構成要素の少なくとも一部をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記光学補正構成要素の外径は、前記プロテクタの内径に等しい、またはほぼ等しい、
    および、
    前記光学補正構成要素の外径は、前記プロテクタの内径に等しい、またはほぼ等しいため、前記光学補正構成要素は、前記プロテクタまたは前記プロテクタの前記開口のためのプラグとして作用し、または、前記プロテクタの一部のためのキャップとして作用する、
    ことのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記レンズの外径は、前記プロテクタの内径に等しい、またはほぼ等しい、請求項１に記載のデバイス。
  6. 前記プロテクタは、窓を有しており、
    前記光学補正構成要素および前記窓は、前記反射された光が前記窓を通って進むように配置されている、請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記シースは、前記第１の軸において負の屈折力を有している、請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記第１の軸上の前記光学補正構成要素の前記屈折力は、正の屈折力である、請求項７に記載のデバイス。
  9. 前記シースは、前記第２の軸において負の屈折力を有している、請求項１に記載のデバイス。
  10. 前記第１の軸上の前記光学補正構成要素の前記屈折力は、負の屈折力である、請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記シースは、前記レンズの少なくとも一部、前記プロテクタの少なくとも一部、および前記光学補正構成要素の少なくとも一部を生体内で覆って保護するように動作する、請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記光学補正構成要素は、前記第１の軸上の前記屈折力を正の屈折力にする円筒状の湾曲部を含む、
    前記シースの内側面および外側面は、前記デバイスの矢状方向において湾曲している、
    前記シースの内側面および外側面は、前記デバイスの接線方向においてほぼ平坦である、
    前記外側面の曲率半径が前記内側面の曲率半径よりも大きいため、前記外側面の屈折力は、前記内側面の屈折力ほど強くない、
    および、
    前記反射表面は、（ｉ）前記第１の軸上の負の屈折力および前記第２の軸上の正の屈折力、または、（ｉｉ）前記第１の軸上の正の屈折力および前記第２の軸上の負の屈折力、を有する、
    ことのうちの１つまたは複数である、請求項１に記載のデバイス。
  13. 導光構成要素と、
    光学集束構成要素と、
    前記光学集束構成要素に面した反射表面を有する光学補正構成要素であって、前記反射表面が、第１の軸上の屈折力を有しており、前記光学集束構成要素からの光を反射し、前記反射された光を方向変更するように構成されている、光学補正構成要素と、
    前記光学集束構成要素の少なくとも一部分、および前記光学補正構成要素の少なくとも一部分を囲むプロテクタと、
    前記光学集束構成要素の少なくとも一部、前記プロテクタの少なくとも一部、および前記光学補正構成要素の少なくとも一部が配置されるシースと、
    を備え、
    前記光学補正構成要素は、前記プロテクタのためのプラグとして作用し、または、前記プロテクタの端面における開口のためのプラグとして作用する、デバイス。
  14. 前記屈折力は、正の屈折力である、請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記屈折力は、負の屈折力である、請求項１３に記載のデバイス。
  16. 前記反射表面は、前記第１の軸に直交する第２の軸上で、無視できるほど小さい屈折力を有する、請求項１３に記載のデバイス。
  17. 前記光学補正構成要素は、前記光学集束構成要素に接触していない、請求項１３に記載のデバイス。
  18. 第１の導光構成要素と、
    第２の導光構成要素と、
    レンズと、
    前記レンズの少なくとも一部分を囲み、窓を含んでいるプロテクタと、
    前記レンズに面した反射表面を有する光学補正構成要素と、
    を備え、
    前記反射表面は、屈折力を有しており、前記レンズからの光を反射し、前記反射された光を、前記プロテクタの前記窓を通るように方向変更するように構成されており、
    前記光学補正構成要素は、前記プロテクタのためのプラグとして作用し、または、前記プロテクタの端面における開口のためのプラグとして作用する、
    デバイス。
  19. 前記光学補正構成要素は、半球形状を有する遠位端部を含んでいる、請求項１８に記載のデバイス。
  20. 前記半球形状の直径は、前記プロテクタの外径に整合している、請求項１９に記載のデバイス。
  21. 前記屈折力は、正の屈折力である、請求項１８に記載のデバイス。
  22. 前記屈折力は、負の屈折力である、請求項１８に記載のデバイス。
  23. 前記第１の導光構成要素、前記第２の導光構成要素、前記レンズ、および前記光学補正構成要素は、第１の光ビームを光コヒーレンストモグラフィのために伝送するように構成され、第２の光ビームを蛍光撮像のために伝送するように構成されている、請求項１８に記載のデバイス。
  24. 前記光学補正構成要素は、光コヒーレンストモグラフィ撮像用の光の波長の非点収差を補正する、請求項１８に記載のデバイス。
  25. 前記光学補正構成要素は、蛍光励起用の光の波長の非点収差を補正する、請求項１８に記載のデバイス。
  26. 光コヒーレンストモグラフィ撮像用の光の波長の平均焦点距離が、蛍光励起用の光の波長の平均焦点距離の２ｍｍ以内にあるように、前記光学補正構成要素は、前記光コヒーレンストモグラフィ撮像用の光の波長の非点収差を補正し、前記光学補正構成要素は、前記蛍光励起用の光の波長の非点収差を補正する、請求項１８に記載のデバイス。
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