JP7430711B2

JP7430711B2 - 光線を伝送および制御するための装置および方法

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Publication number: JP7430711B2
Application number: JP2021515582A
Authority: JP
Inventors: リニョー，エルヴェ; バウマンズ，ジェロー; アンドレセン，エスベン; シヴァンクティ，シッダルタ; ツヴァークン，ヴィクトール; ヴァンヴァンク，オリビエ
Original assignee: Universite Lille 2 Droit et Sante
Current assignee: Universite Lille 2 Droit et Sante
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2024-02-13
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: US20210382290A1; JP2022502124A; EP3853655B1; EP3853655A1; US11947101B2; WO2020058043A1; FR3086398A1; FR3086398B1

Description

本発明は、光線を伝送および制御するための装置および方法、特に、いわゆる「レンズレス」内視鏡撮像用の装置および方法に関する。これは例えば、人間であれ動物であれ、生体内にある器官の内視鏡検査に用いられる。

内視鏡撮像の技術では、自由空間での撮像システムに対する特定の特性を有する、ファイバーを利用した光学機械装置を用いる必要がある。

具体的には、光源、集束光学系およびカメラを含む小型顕微鏡の大きさがゆえ、これらの構成要素を医療用内視鏡の遠位端（すなわち、試料側に位置するファイバーの先端）に設けるのは考えにくい。このため、遠位端における内視鏡の寸法を抑えつつ、光ファイバーの先端で撮像を実現する解決策が求められている。

「レンズレス内視鏡」と呼ばれる技術が、例えばCizmar et al. “Exploiting multimode waveguides for pure fiber-based imaging”, Nat. Common. 3, 1027 (2012)に記載されており、特に知られている。この技術は、マルチモード光ファイバー（ＭＭＦ）を使用して成り立っている。ＭＭＦ光ファイバーには、コヒーレント光源からの光が入射される。ＭＭＦの近位側（光ファイバーの入力側すなわち試料と反対側）では、空間光変調器（ＳＬＭ）によって、ファイバーの複数の伝播モードをコヒーレントに加えることでＭＭＦの遠位端で所望の強度パターンが生じるように、これらのモードを制御することができる。一実施形態では、例えば、従来の共焦点顕微鏡のセットアップでなされているように、ＭＭＦの遠位端に焦点を結び、試料を走査して画像を得ることが模索されている。

この技術は、ファイバーの近位部へのフィールド入力を遠位部からのフィールド出力に（およびその逆に）関連付けるファイバーの伝送行列の決定論的な特性がゆえに極めて強力である。この技術を用いることで、マルチモードファイバーの遠位側の光学部品を排除することができ、よって、寸法を抑えることができる。

しかしながら、ファイバーの伝送行列は、ＭＭＦ光ファイバーの曲率に大きく左右される。そのため、ＭＭＦを用いた内視鏡撮像は、光ファイバーのあらゆる動きに対して非常に敏感である。また、ファイバーのマルチモード特性が原因で、近位部の短いパルスが遠位部に到達するまでに長くなり、ピーク強度の高い光パルスを用いる必要がある非線形撮像への応用の可能性が制限されてしまう。

マルチモード光ファイバーを用いた技術とは別に、シングルモード光ファイバーの束を用いた「レンズレス」技術も開発されている（例えば、Ｆｒｅｎｃｈらの米国特許８，５８５，５８７号参照）。ここに記載された技術では、シングルモード光ファイバーの束の近位側に配置された空間光変調器（ＳＬＭ）によって、ファイバー束の遠位端で、光源から放射される波面を制御することができる。ファイバーの持つシングルモード特性がゆえ、モード間の分散がなく、分散に寄与するのは色分散のみになる。これは、すべてのシングルモード光ファイバーで同じであることから、全体として補償することができる。そのため、短パルスの伝播には、マルチモード光ファイバーよりもシングルモード光ファイバーの束を用いるほうが好ましい。

様々な刊行物に、シングルモード光ファイバーの束、より正確にはマルチコアファイバー（ＭＣＦ）を使用したレンズレス内視鏡検査のバリエーションが記載されている。例えば、光ファイバーの束の遠位部において、ＳＬＭへの波面入力の角度をガルバノメトリック装置によって変化させることで、いかにして焦点の極めて高速な走査を実現できるかが示されている（例えば、E. R. Andresen et al. “Toward endoscopes with no distal optics: video-rate scanning microscopy through a fiber bundle”, Opt. Lett. Vol. 38, No. 5, 609-611 (2013)参照）。E. R. Andresen et al.(“Two-photon lensless endoscope”, Opt. Express 21, N 18, 20713-20721 (2013))には、レンズレス内視鏡検査における２光子非線形撮像システム（ＴＰＥＦ）の実験的な実現性が示されている。E. R. Andresen et al. (“Measurement and compensation of residual group delay in a multi-core fiber for lensless endoscopy”, JOSA B, Vol. 32, No. 6, 1221 - 1228 (2015))には、シングルモード光ファイバーの束を用いることに基づくレンズレス内視鏡撮像システムにおける光パルスの伝送および制御の目的で、群速度遅延を制御するための（または「Group Delay Control（群遅延制御）の略で「ＧＤＣ」）装置が記載されている。

図１Ａに、シングルモード光ファイバーの束を用いたレンズレス内視鏡撮像システム１００を概略的に示す。撮像システム１００は、主に、入射光線Ｂ_０を放射する光源１０を備え、この入射光線Ｂ_０は、非線形撮像に適用される場合、連続波であってもよいしパルスで形成されていてもよい。また、撮像システム１００は、対物レンズ２１と検出器２０とを含む検出チャネルを備える。検出チャネルは、プレートビームスプリッタ２２によって、発光チャネルから分離されている。さらに、撮像システム１００は、光線を伝送および制御するための装置を備え、離れた場所にある分析対象物１０１に光をあてることができる。伝送制御装置は、シングルモード光ファイバーの束４０と、ファイバー束４０の近位端に配置され、光源１０から放射されるビームの波面の制御を可能にする空間光変調器（ＳＬＭ）３０とを備える。このファイバー束４０の入射面（または近位面）４１と出射面（または遠位面）４２とを図１Ａに拡大して示す。空間光変調器は、ファイバー束４０の光ファイバーＦ_ｉに入射するように意図された各要素ビームＢ_ｉについて、位相関数Φ_０を持つ入力波面に、所与の位相シフトΦ_１（ｉ）を与える。位相関数Φ_１（ｉ）は、場合によっては、例えば、光ファイバーの束を通っての伝播後に、波が遠方界で放物線状の位相Φ_２（ｉ）を持つようなものとなる。この放物線状の位相によって、物理的なレンズが存在しないにもかかわらず、遠位側でビームの焦点を分析物体１０１に合わせることができる。このことが、「レンズレス内視鏡」という用語の由来となっている。より一般的には、光ファイバーの束からの出力として、所与の強度パターンを作るのに適した位相関数Φ_１（ｉ）が誘導される可能性がある。さらに、空間光変調器によって、各々の光ファイバーＦ_ｉによって導入される固有の位相シフトの補償が可能になる。

Ｎ本のシングルモード光ファイバーからなる束を形成するには、各々がコアとクラッドとを含む個々のシングルモード光ファイバーを一組にすればよく、一般に１００本から数万本のファイバーがまとまってファイバー束を形成している。また、図１Ｂに示すように、Ｎ本のシングルモード光ファイバーからなる束を形成するには、マルチコアファイバーのシングルモードコアを一組にしてもよい。これは、好ましくは、少なくとも１００本のシングルモードコアを有するものである。したがって、図１Ｂの例には、一組のシングルモードコアＦ_ｉと、外側のクラッド４３とを有するマルチコアファイバー４０を示してある。この例ではさらに、分析対象物によって後方散乱される光信号を遠位端から近位端へと収集するのに適した内側のマルチモードクラッド４４も含まれる。

このように説明した「レンズレス」技術の利点の１つに、特に、他の技術、特に上述したＭＭＦに比べてファイバーの動きに対する感度が低いことがある。具体的には、シングルモード光ファイバーのモードが光ファイバーの束の横方向の領域に規定された領域に局在し、その範囲にとどまっている。

しかしながら、図１Ｃに示すように、光ファイバーの束に曲率を持たせると、ファイバー束から出力される強度パターンの平行移動が生じる。具体的には、ファイバー束の曲率が原因で、曲率の外側に位置するコアは光路が長くなり、逆に曲率の内側に位置するコアは光路が短くなる。これにより、シングルモードファイバーの束のコアとコアとの間に、さらに位相シフトが発生する。この追加の位相シフトは、コア（ｉ）の中央のコアからの距離に依存し、これが原因で、ファイバー束の出口で撮像システムの点像分布関数（ＰＳＦ）の移動が生じる。ＰＳＦとは、ＳＬＭおよびシングルモード光ファイバーの束によって規定される撮像システムの空間インパルス応答である。そのため、例えば図１Ｃに示すように、ファイバー束に曲率を持たせていない状況（１）と、ファイバー束に曲率を持たせた状況（２）との間で、この例では焦点Ｐ_１と多数のレプリカＲ_１とで表される強度パターンまたはＰＳＦが、観察物体１０１に対して平行移動する。このようにＰＳＦが移動すると、例えば臓器などin vivoでの観察時にシングルモード光ファイバーの束の曲率が変わった場合に、物体の観察領域に変化が生じてしまうため、不都合がある。

本発明は、光ファイバーの束が曲がった場合に、ＰＳＦの空間的な変化がないようにする、すなわちファイバー束の遠位端の参照フレームで強度パターンを維持することができる、特にいわゆる「レンズレス」内視鏡撮像システム用の、光線を伝送および制御するための装置および方法を提供するものである。

光線を伝送および制御するための装置であって、複数の非結合シングルモード光ファイバーの束を備え、各シングルモード光ファイバーが近位端で要素光線を受け、遠位端で光線を放射するように意図された、光ガイドと、前記光ガイドの前記近位端側に配置され、前記要素ビームの各々に位相シフトを適用するのに適した少なくとも第１の空間光変調器および前記光ガイドの遠位端にて所定の位相関数を持つ照明光を形成するために、前記要素ビームの各々に位相シフトを適用するように構成された、前記第１の空間光変調器を制御するための制御ユニット、を含む、位相制御用の光学装置と、を備え、前記シングルモード光ファイバーの束は、動作時に、前記ファイバー束の最大曲率に対応する最小曲率半径を含み、前記シングルモード光ファイバーの束が、ねじられており、前記シングルモード光ファイバーの束に前記最大曲率よりも小さい曲率を持たせたときに前記光ガイドの遠位端で前記位相関数を保持するように規定されたねじれ周期を持つ、装置。

位相関数は、本明細書では強度パターンとも称するＰＳＦが、例えば、１つ以上の焦点、あるいは撮像対象となる物体の形状に応じて所定の強度パターン、あるいはスペックルパターンを含むように規定される、すなわち出力時にランダムである位相関数である。

「位相関数の保持」とは、光ファイバーのねじれ撚束に前記最大曲率よりも小さな曲率を持たせたときに、シングルモード光ファイバー間の位相シフトが２π未満に維持されることを意味する。

位相シフトの維持については、ファイバー束の２本のシングルモード光ファイバーに光を入射させて測定することができる。ファイバー束の端における強度パターンは、フリンジからなる。ファイバー束に曲率を持たせたときに、位相シフトが２π未満であれば、強度パターンが１フリンジ以内に維持されていることに相当する。

出願人らは、このように規定された光線を伝送および制御するための装置において、光ガイドの遠位端における強度関数が、動作時に、光ファイバーの束に持たせる曲率によって乱されることがほとんどないことを示した。その結果、ファイバー束が曲がっても、物体を連続的に撮像することができる動的な撮像が可能となる。

本明細書の文脈において、非結合シングルモードファイバーとは、結合度が－２０ｄＢ／ｍ未満のファイバーをいい、－３０ｄＢ／ｍ未満のファイバーが好都合である。非結合ファイバーは、コア間の位相シフトを補償しつつ、長いファイバー束で光ビームを伝送および制御することができる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、最大曲率は、光学的損失を所与の閾値未満、例えば１ｄＢ／ｍ（１ｍのファイバーの端まで８０％のエネルギーを伝送することに対応）、好都合には０．５ｄＢ／ｍ未満、に保ちつつ、シングルモード光ファイバーに持たせることができる曲率を超えない可能性がある。一般に、これは最小曲率半径が約２．５ｍｍ以上であることに対応する。

しかしながら、実際には、シングルモード光ファイバーの束の最大曲率は、用途に応じて規定され得る。具体的には、例えば、内視鏡検査などの用途に応じて、シングルモード光ファイバーの束の曲率は、撮像対象となる物体によって異なる。

このため、１つ以上の例示的な実施形態によれば、動作時におけるシングルモード光ファイバーの束の最大曲率は、５ｃｍ以上または１０ｃｍ以上または２０ｃｍ以上の最小曲率半径に対応し得る。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモード光ファイバーの束の長さは、ｋを整数とすると、ねじれ周期のｋ倍に等しい。出願人らは、シングルモード光ファイバーの束がどのような最大曲率であっても、この構成が、ファイバー束の遠位端で位相関数を最良に保持する上で、最適であることを示している。

しかしながら、この条件が満たされない場合、出願人らは、シングルモード光ファイバーの束の所与の半径（中央のコアから最も遠い周囲のコアまでの距離）に対して、光ガイドの遠位端で位相関数を保持するために、動作時に光ファイバーの束に持たせることになる最大曲率に応じて、ねじれ周期の範囲を規定できることを示している。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモード光ファイバーの束の半径は、１００μｍと５００μｍの間で構成され、１００μｍと３００μｍの間で構成されると好都合であり、さらに、１００μｍと２００μｍの間で構成されると好都合である。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、ねじれによって生じる光学的損失を制限するために、ねじれ周期は１ｍｍより長く、また、２．５ｍｍより長いと好都合である。

実際には、例えば内視鏡検査などの用途では、１ｍｍと３０ｍｍの間で構成されるねじれ周期、また、２．５ｍｍと１０ｍｍの間で構成されると好都合なねじれ周期が、選択され得る。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器を制御するための制御ユニットはさらに、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束の近位の入口で要素ビームの各々に角度偏差を適用するように構成され、前記角度偏差は、前記シングルモード光ファイバーの束における前記要素ビームを受けるように意図されたシングルモードファイバーの位置に応じて、前記シングルモードファイバーへの最適な結合（または光の注入）を確実にするように規定されている。出願人らは、シングルモード光ファイバーの束の近位側でのこの角度補正により、中央のファイバーから最も遠い周囲のシングルモードファイバーを含めて、非常に良好な光伝送を保持できることを示している。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ガイドは、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束の遠位端および近位端の少なくとも一つに、ねじれ周期が可変の部分を含み、前記遠位端および近位端側の少なくとも一つで、ねじれ周期が無限大になる傾向がある。言い換えると、この部分と自由空間との境界面では、すべてのシングルモード光ファイバーが平行になっている。また、この構成により、ファイバーのねじれ撚束との結合を最適化することもできる。そうすると、近位側での角度補正は必要ない。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、１つ以上の、ねじれ周期が可変の部分は、長さが５ｃｍ未満である。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、前記可変ねじれ部分は、前記遠位端および近位端の少なくとも一つにおいて、長さが１ｃｍ未満のねじれていない部分を有する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の態様による装置は、光パルス、例えばパルス幅が１００ｆｓと１０ｎｓの間で構成されるパルスを含む光線を伝送および制御するのに適している。前記装置はさらに、光パルスの群速度遅延を制御するための装置を備えてもよく、光パルスの群速度遅延を制御するための装置は、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束のシングルモードファイバー間の静的な群速度遅延を抑制するように構成されている。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、前記シングルモード光ファイバーの少なくとも何本かがドープされている。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ガイドは、Ｎ本のシングルモード光ファイバーの束を含み、これは、各々がコアとクラッドとを含むＮ本の個々のシングルモード光ファイバーを一組にして形成され、一般に１００本から数万本のファイバーがまとめられてファイバー束を形成している。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ガイドは、一組、好ましくは少なくとも１００本のシングルモードコアで形成されるＮ本のシングルモード光ファイバーの束を含む。例えば、光ガイドは、マルチコアファイバーであり、Ｎ本のシングルモード光ファイバーの束は、マルチコアファイバーの複数のシングルモードコアによって形成される。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、光ガイドは、ダブルクラッドマルチコアファイバーを含み、そのようなマルチコアファイバーは、通常はマルチモードクラッドであるダブルクラッドマルチコアファイバーの１つのクラッドで、後方散乱光信号を高効率で伝送することができるという利点がある。

「シングルモード光ファイバー」とは、光が電磁場のシングルモードのみで伝播できるファイバーを意味し、拡張的には、複数のモードを維持することができるにもかかわらず、シングルモード（通常は基本モード）だけが励起され、光が伝播時にそのモードに閉じ込められる（他のモードとの結合がないか、非常に弱い結合）ような結合条件のいわゆる「有効シングルモード」ファイバーを意味する。

本明細書全体を通して、「シングルモードコア」または「シングルモード光ファイバー」という用語を、個々のシングルモード光ファイバーまたはマルチコアファイバーのシングルモードコアのいずれかを言及するのに使用する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器は、反射動作用の多分割ミラーまたはメンブレンデフォーマブルミラーを含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器は、反射または透過動作用の液晶マトリクスアレイを含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、第１の空間光変調器を制御するための制御ユニットは、光ガイドの遠位端において、時間の関数として変化する位相関数を持つ照明光を形成するように、要素ビームの各々に位相シフトを適用するように構成されている。例えば、これにより、光があてられる領域を走査することが可能となる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモードファイバーは、ファイバー束内に周期的または準周期的に配置されている。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、シングルモードファイバーは、ファイバー束内に非周期的に配置されており、これにより、画像平面内の「レプリカ」すなわち、より明るい中心の焦点を囲む強度の低い焦点の強度を顕著に低減することができる。

第２の態様によれば、本明細書は、光源と、規定された位相関数で物体に光をあてるための照明光を形成するために、前記光源により放射された光線を伝送および制御するための、第１の態様に記載の装置と、物体により戻され前記少なくとも１本の光ガイドを通ってその遠位端から近位端まで伝送される光を、検出するための検出チャネルと、を備える内視鏡撮像システムに関する。
第３の態様によれば、本明細書は、光線を伝送および制御するための方法であって、光ガイドのＮ本のシングルモード光ファイバーの束の近位端で、要素光線を受ける工程と、前記光ガイドの前記遠位端で、規定された位相関数を持つ照明光を形成するために、前記シングルモード光ファイバーの束の前記近位端側に配置された少なくとも第１の空間光変調器によって、前記要素ビームの各々に位相シフトを適用する工程と、を含み、各シングルモード光ファイバーが要素光線を受け、遠位端で光線を放射するように意図され、前記シングルモード光ファイバーの束は、動作時に、前記ファイバー束の最大曲率に対応する最小曲率半径を含み、前記シングルモード光ファイバーの束が、ねじられており、前記シングルモード光ファイバーの束に前記最大曲率よりも小さい曲率を持たせたときに前記光ガイドの遠位端で前記位相関数を保持するように規定されたねじれ周期を持つ、方法に関する。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素ビームの各々に位相シフトを適用する目的は、マルチモード光ファイバーの部分の遠位端において、マルチモード光ファイバーの部分の出射面から所与の距離で収束する照明光を形成することによって、１つ以上の焦点を形成できるように規定された位相関数を実現することにある。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素ビームの各々に連続的な位相シフトを適用することにより、マルチモード光ファイバーの部分の出射面から前記所与の距離およびマルチモード光ファイバーの部分の出射面から様々な距離の少なくとも一つにある平面において、焦点を走査できるようになる。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、要素ビームの各々に位相シフトを適用することは、マルチモード光ファイバーの部分の遠位端において、撮像対象となる物体の形状に応じて所定の強度パターンまたはスペックルパターンを形成するように規定された位相関数を実現することを目的とする。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、本方法は、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束の近位の入口で前記要素光線の各々に角度偏差を適用する工程をさらに含み、前記角度偏差は、前記シングルモード光ファイバーの束における前記要素ビームを受けるように意図されたシングルモードファイバーの位置に応じて、前記シングルモードファイバーへの結合を最適化するように規定される。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、本方法は、光パルスを含む光線を伝送および制御するのに適しており、光パルスの群速度遅延を制御するための装置によって、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束のシングルモードファイバー間の静的な群速度遅延を抑制する工程をさらに含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、本方法は、決定される照明光に求められる位相関数に応じて、要素ビームの各々に位相シフトを適用できるようにする事前較正をさらに含む。

１つ以上の例示的な実施形態によれば、事前較正工程は、シングルモード光ファイバーの束の伝送行列を部分的または完全に決定することを含む。
第４の態様によれば、本明細書は、遠位側にレンズを使用しない内視鏡撮像方法であって、光線を放射する工程と、物体に前記照明光をあてるために、第３の態様に記載の方法により、光線を伝送および制御する工程と、物体により戻され光ガイドを通ってその遠位端から近位端まで伝送される光を、検出する工程と、を含む方法に関する。

物体により戻される光は、用途に応じて性質が異なるものであってもよく、例えば、戻り光は後方散乱光であるか、放射光、例えば蛍光機構によって放射された光である。

本発明の他の利点および特徴については、以下の図によって示される説明を読めば明らかになるであろう。
（既に説明した）図１Ａ～図１Ｃは、シングルモードファイバーの束の使用に基づく、従来技術によるいわゆる「レンズレス」内視鏡の概略図（図１Ａ）、従来技術によるマルチコアファイバーの一組のシングルモードコア（図１Ｂ）、従来技術によるファイバー束が曲がっている間の強度パターンの動きを示す図（図１Ｃ）である。図２は、本明細書によるレンズレス内視鏡撮像システムの一例を示す概略図である。図３Ａは、本明細書の一例によるシングルモードファイバーのねじれ撚束を示す図である。図３Ｂは、本明細書の一例によるシングルモードファイバーのねじれ撚束を示す図である。図３Ｃは、本明細書の一例によるシングルモードファイバーのねじれ撚束を示す図である。図３Ｄは、本明細書によるファイバー束が曲がっていても強度パターンが保持されることを示す図である。図４Ａは、ファイバー束の半径が１００μｍである場合および様々なファイバー長ｋＰ＋δＬの場合に、光ファイバーのねじれ撚束の所与の曲率半径（ｘ軸）および所与のねじれ周期（ｙ軸）について、位相関数の保持条件を示すグラフであり、ｋは整数、Ｐはねじれ周期、δＬはそれぞれＰ／２、Ｐ／４、Ｐ／８、Ｐ／１６である。図４Ｂは、ファイバー束の半径が１００μｍ、ファイバー長がｋＰ＋Ｐ／２（ｋは整数、Ｐはねじれ周期）である場合に、光ファイバーのねじれ撚束の所与の曲率半径（ｘ軸）および所与のねじれ周期（ｙ軸）について、ファイバー束の周囲のシングルモードコアと中央のコアとの間に付加される位相差を示すグラフである。図４Ｃは、ファイバー束の半径が２００μｍ、ファイバー長がｋＰ＋Ｐ／２（ｋは整数、Ｐはねじれ周期）である場合に、光ファイバーのねじれ撚束の所与の曲率半径（ｘ軸）および所与のねじれ周期（ｙ軸）について、ファイバー束の周囲のシングルモードコアと中央のコアとの間に付加される位相差を示すグラフである。図５は、結合を最適化するために、ファイバーの入口で角度のずれを適用することを示す概略図である。図６Ａおよび図６Ｂは、中央のコアに対するコアの位置（図６Ｃに図示）に応じて、ｘ方向の角度偏差（図６Ａ）およびｙ方向の角度偏差（図６Ｂ）を適用した場合の関数としての正規化伝送を示す曲線であり、図６Ｄは、角度偏差を適用しない場合と角度偏差を適用した場合の中央のコアからの距離の関数としてのコアの正規化伝送を示す曲線である。図７Ａは、ファイバーのねじれ撚束の各シングルモード光ファイバーから出力される光線の角度偏差を示す概略図である。図７Ｂは、シングルモード光ファイバーのねじれ撚束と、その端部にあるねじれのないファイバーの部分とを含む本明細書による光ガイドの一例を示す概略図である。図７Ｃは、ねじれのない部分がない光ファイバーのねじれ撚束の場合について、光ファイバーのねじれ撚束の上流側および下流側の様々な距離における電磁場の強度のパターンを示す概略図である。図７Ｄは、ねじれのない部分がある光ファイバーのねじれ撚束（図７Ｄ）の場合について、光ファイバーのねじれ撚束の上流側および下流側の様々な距離における電磁場の強度のパターンを示す概略図である。図８Ｃは、曲がっていないファイバー束と曲がったファイバー束（図８Ａ）で得られたテストパターン（図８Ｂ）の比較画像である。図８Ｄは、曲がっていないファイバー束と曲がったファイバー束（図８Ａ）で得られたテストパターン（図８Ｂ）の比較画像である。ねじれのあるファイバーを用いて、中央のファイバーと周囲のファイバーとの間の位相の保持の表示を可能にする干渉パターンである。図１０Ａは、本明細書の一例によるシングルモード光ファイバーのねじれ撚束における固有の群遅延（ＧＤＤ）を示す概略図である。図１０Ｂは、曲がっているときと曲がっていないときのねじれ撚束間の群遅延の変化をそれぞれ示す概略図である。

以下の詳細な説明では、説明の明確性を確保するために、いくつかの実施形態のみを詳細に説明しているが、これらの例は、本明細書から明らかになる原理の一般的な範囲を限定することを意図したものではない。

本明細書で説明する様々な実施形態および態様は、複数の方法で組み合わせたり、簡略化したりすることができるものである。特に、様々な方法の工程については、特に明記しない限り、繰り返したり、逆にしたり、並行して実行したりしてもよい。

本明細書において、特に方法の工程を実施するための計算工程または処理工程に言及する場合、それぞれの計算工程または処理工程を、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、マイクロコードまたはこれらの技術の任意の適切な組み合わせによって実施できることが理解されるであろう。ソフトウェアを使用する場合、それぞれの計算工程または処理工程を、コンピュータプログラム命令またはソフトウェアコードによって実施することができる。これらの計算工程または処理工程を実行するために、上記の命令を、コンピュータ（または制御装置）読み取り可能な記憶媒体に格納したりそのような記憶媒体に送信したりしてもよいおよび／またはコンピュータ（または制御装置）によって実施してもよい。

本明細書による光線を伝送および制御するための装置を備えた「レンズレス」内視鏡撮像システム２００の一例を図２に概略的に示す。これは、図２において参照符号１０１で示す物体の撮像に適している。

内視鏡撮像システム２００は、光線Ｂ_０ｉを放射するのに適した光源（図２には図示せず）を備える。非線形撮像に応用する場合、この光線が光パルスで構成される可能性がある。このため、光源には、例えば、レーザー光源と、必要に応じて、放射された光線を拡大したり平行にしたりするための光学系とを備える。

さらに、内視鏡撮像システム２００は、例えばフィールドで走査される１つ以上の焦点の形態をとるか、用途に応じて別の形態をとるなどの選択された強度パターンで物体１０１に光をあてるために、前記光源から放射された光線を伝送および制御するための装置を備える。光線を伝送および制御するための装置は、通常、以下でさらに詳細に説明するように、シングルモード光ファイバーのねじれ撚束を含む（すなわち「ＭＣＦ」）光ガイド４０と、第１の光ガイドの近位端側に配置された光位相制御装置であって、特に空間光変調器３０を含む光位相制御装置と、を備える。

シングルモード光ファイバーのねじれ撚束は、一般に１００本から数万本のシングルモード光ファイバーをひとまとめにしてファイバー束を形成したものであってもよいし、マルチコアファイバーの好ましくは少なくとも１００本のシングルモードコアを一つにまとめたものであってもよい。マルチコアファイバーは、例えば、ダブルクラッドファイバーである。

光ガイド４０は、当業者に知られているように、他の要素、例えば、保護要素などのガイドを製造するのに有用な任意の要素を含むものであってもよい。ダブルクラッドマルチコアファイバーの場合、一方のクラッドは、物体によって後方散乱された光束の伝播に適したマルチモードクラッドであってもよい。

好都合なのは、シングルモード光ファイバーの束のシングルモードコア間の結合が－２０ｄＢ／ｍ未満の場合であり、－３０ｄＢ／ｍ未満だと好都合であり、これによってコア間の位相シフトの影響を補償しつつ、長いファイバー束で光ビームを伝送および制御することができるようになる。

ファイバー束のシングルモードファイバーの長さは、用途に合わせて調整され、例えば内視鏡顕微鏡に必要な長さに調整される。一般に、ファイバー束のシングルモードファイバーの長さは、３０ｃｍから３ｍの間で構成される。

位相制御用の光学装置は、シングルモード光ファイバーの束の近位端側に配置され、要素ビームＢ_０ｉの各々に位相シフトを適用するのに適した空間光変調器３０と、光ガイド４０の遠位端にて所定の位相関数を達成するために、要素ビームの各々に位相シフトを適用できるようにする、第１の空間光変調器を制御するための制御ユニット６０と、を備える。空間光変調器３０は、例えば、反射動作用の多分割ミラーまたはメンブレンデフォーマブルミラーあるいは、反射または透過動作用の液晶マトリクスアレイを含んでもよい。図２の例では、空間光変調器３０の各素子面３０_ｉは、所与の位相シフトΦ_１（ｉ）を１本の要素光線Ｂ_０ｉに適用し、光ガイド４０の１本の光ファイバーＦ_ｉに入射するように意図された要素ビームＢ_１ｉを形成できるようにするものである。

例えば、図２に示すように、位相関数Φ_１（ｉ）は、遠方界において、光ガイド４０の遠位端で、光ガイド４０の出射面から所与の距離に位置する対象物１０１を含む平面内に、焦点を形成するように収束するビームを形成するように規定されている。

この光線を伝送および制御するための装置は、遠位側すなわち光線の出射側にレンズをまったく含まず、装置の近位端側に配置された位相制御装置によって位相が制御されることから、「レンズレス」であると言われる。

照明光に求められる位相関数に応じて各々の要素ビームに適用される位相シフトを決定することに鑑みて、装置を事前に較正するための対応がなされていてもよい。この事前較正工程には、シングルモード光ファイバーの束の伝送行列を決定することを含んでもよい。コア間結合の低いシングルモード光ファイバーの束の場合、伝送行列は、各コアの入力基本モードと出力基本モードとを関連付ける対角行列であってもよい。この場合、単一の波長（一般に使用するレーザー光源の中心波長）で光ファイバーの束を通過した後の要素ビームが獲得する相対的な位相シフトだけを測定すれば十分であろう。

例示的な一実施形態によれば、撮像システム２００は、要素光線Ｂ_０ｉの焦点を空間光変調器３０の素子３０_ｉに合わせるための手段（図２には図示せず）を備えていてもよい。要素光線Ｂ_０ｉの焦点を合わせるための手段は、例えば、二次位相を持つ格子の二次元タイリングを形成し、よってマイクロレンズのマトリクスアレイをシミュレートする、空間光変調器やマイクロレンズのマトリクスアレイ、例えば液晶のマトリクスアレイを含む。

また、内視鏡撮像システム２００は、物体１０１によって後方散乱され光ガイド４０をその遠位端から近位端まで伝送される光に対する検出チャネルも、備える。図２の例では、検出チャネルは、プレートビームスプリッタ２２と、検出器２０と、任意で、後方散乱光の焦点を検出器２０の検出面に合わせるための対物レンズ（図２には図示せず）と、検出器２０によって生成された信号を処理するためのユニット（図示せず）とを備える。

本明細書によるシングルモード光ファイバーのねじれ撚束５０の一例を図３Ａ～図３Ｃに示す。

シングルモード光ファイバー（またはコア）のねじれ撚束５０には、通常、直線状の中央のコアＦ_０と、中央のコアＦ_０の周りに螺旋状に巻かれた一組のコアＦｉとが備えられる。シングルモード光ファイバーの束の長さＬと、中央のコアＦ_０の長さとが対応する。シングルモードファイバーのねじれ撚束５０は、ねじれ周期Ｐを持つ。図３Ｂに示すように、各コアＦｉを、中央のコアＦ_０に対する距離ｄ_ｉと、ＭＣＦの入射面でのコアＦ_ｉの方位角によって規定される角度ξ_ｉとで特徴付けることができる（図３Ｂ）。所与のコアについて、ｄ_ｉおよびξ_ｉは一定である。シングルモード光ファイバーの束の半径ｄについては、中央のコアから最も遠いコアまでの距離として規定することができる。一般に、半径ｄは１００μｍと５００μｍの間であり、１００μｍと３００μｍの間であると好都合、さらに１００μｍと２００μｍの間であると好都合である。

シングルモード光ファイバー５０の束に曲率を持たせると（図３Ｃ）、曲率の中心に対して図３Ｃに規定される極座標ψにおいて、中央のコアの曲率半径に対応する曲率の曲率半径Ｒが局所的に規定される。本明細書の残りの部分では、シングルモード光ファイバーの束５０の最小曲率半径は、動作時におけるシングルモード光ファイバーの束５０の最大局所曲率に対応する。

図３Ｄは、従来技術によるファイバー束が曲がっている間の強度パターンの保持を示している。従来技術によるファイバーのねじれのない撚束（図１Ｃ参照）と比較して、出願人らは、ファイバー束の遠位端において、位相関数ひいては強度パターンの優れた保持が得られることを示した。

出願人らは、動作時の最小曲率半径に応じて、光ガイド４０の遠位端での強度パターンの保持を可能にするシングルモード光ファイバーの束のねじれ周期Ｐを規定することが可能であることを示した。

より正確には、出願人らは、ファイバー束の長さＬがＬ／Ｐ＝ｋ（ｋは整数）となるような長さ、すなわち、ファイバー束の長さがねじれ周期の整数倍である場合、ファイバーのねじれ撚束は曲げの影響を受けにくく、コア間に付加される位相シフトがゼロになることを示した。したがって、ファイバー束の遠位出口での強度パターンを変えることなく、光ファイバーの束に数ミリメートルという所与の小さな曲率半径を与えることが可能である。

この場合、周期の値の下限Ｐ_ｍｉｎが、所与の閾値を超える光損失を引き起こすことなくシングルモードコアに持たせることができる最大曲率と対応する。したがって、例えば、光損失の閾値を１ｄＢ／ｍに設定した場合（すなわち、エネルギーの８０％が１ｍのファイバーの端まで伝送される場合）、出願人らは、好都合には周期を２．５ｍｍよりも長くなり得ることを示している。

また、出願人らは、Ｌ／Ｐが整数ではない場合、すなわちＬ／Ｐ＝ｋ＋δＬ（ｋは整数）である場合、曲率を持たせるファイバー束のそれらのコアに付加される位相シフトΔ（ΔΦ）がゼロではないが、ｄ_ｉ、ξ_ｉ、Ｐ、Ｒ（最小半径）およびδＬに依存することも示した。

ここで、図４Ａに、δＬの様々な値について、ファイバー束の中央のコアと周囲に位置するコアとの間で２πの位相シフトの付加を実現する場合に、ねじれ周期Ｐと最小曲率半径との間に存在しなければならない関係（破線で表示する）を示す。δＬの各々の値について、対応する破線未満の値は、Δ（ΔΦ）≦２πに対応する。このように、破線４１は、δＬ＝±Ｐ／１６の場合の値Δ（ΔΦ）＝２πに対応し、破線４２は、δＬ＝±Ｐ／８の場合の値Δ（ΔΦ）＝２πに対応し、破線４３は、δＬ＝±Ｐ／４の場合の値Δ（ΔΦ）＝２πに対応し、破線４４は、δＬ＝±Ｐ／２の場合の値Δ（ΔΦ）＝２πに対応する。

これらの曲線は、ツイストファイバにおける光の伝播を記述する式を用いて計算され、例えばNapiorkowski et al. “Rigorous simulations of a helical fiber by the use of transformation optics formalism”, Opt. Express 22(19), 2014に示されていた。具体的には、図４Ａの曲線を計算するために、中央のコアと周囲に位置するコアとの間の距離ｄ（または半径）が１００μｍである場合が検討され、ファイバー束の中央のコアと周囲に位置するコアとの間に最大の位相シフトが導入されるファイバー束の曲率が想定された。

この図から、所与の最小曲率半径について、δＬが小さければ小さいほど光ファイバーの束を「ねじる」必要がなくなることがわかる。言い換えれば、十分な長さのねじれ周期を選択し、規定の光損失閾値を超えないように規定された周期の最小値Ｐ_ｍｉｎを採用せずにおくことが可能である。

例えば、図４Ａに示す例では、最悪のケース（δＬ＝Ｐ／２）を考慮し、曲率半径３０ｃｍに対応する動作時のファイバー束の最大曲率を想定した場合、光ガイドの遠位端における位相関数を保持するには、約８ｍｍのねじれ周期が選択される可能性がある。この仮定では、曲率半径が１０ｃｍと小さい場合、光損失なしで位相関数を保持するのは困難であることがわかる。一方、δＬ値が小さい場合には、光損失なしで位相関数を保持することができ、より長いねじれ周期を選択することが可能となる。

図４Ｂおよび図４Ｃは、中央のコアと周囲に位置するコアとの間の距離ｄが１００μｍ（ファイバー束の直径２００μｍ）である場合と、中央のコアと周囲に位置するコアとの間の距離ｄが２００μｍ（ファイバー束の直径４００μｍ）である場合に付加される位相シフトΔ（ΔΦ）をそれぞれ示している。これらの図では、δＬ＝Ｐ／２（最悪の場合）が想定されている。点線４４は、上記と同様に値Δ（ΔΦ）＝２πに対応し、他の線４５、４６、４７などは、４π、６π、８πなどの付加的な位相シフト値Δ（ΔΦ）に対応する。実際には、ファイバー束が動作時に所与の最小曲率半径に対応する最大曲率を持たせたときに２π未満の付加的な位相シフトが保持されるように、ねじれ周期の値が選択される。

図４Ｂと図４Ｃとを比較すると、より直径の小さな光ファイバーの束では、所与の曲率半径に対して、規定された光損失閾値を超えないように、より長いねじれ周期、したがって決められた最小周期からさらに離れたねじれ周期が、選択され得ることがわかる。

実際には、光ファイバーの束の直径は通常４００μｍ未満であり、これは光ファイバーの束の遠位端で位相関数を保持するための本願発明者らの方法の実現可能性を示している。

本明細書によるシングルモード光ファイバーのねじれ撚束は、例えば、P. S. J. Russell et al. (“Helically twisted photonic crystal fibers” Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 375 (2017))に記載されているように、既知の手段によって製造できるものである。

１つ目の例によれば、ファイバー束を引っ張る際にプリフォームを回転させる。この技術では、回転モーター（毎分数千回転で回転する）とロータリージョイントとを使用する。このため、ねじれ周期は、延伸速度（単位ｍ／ｓ）をプリフォームの回転周波数（単位Ｈｚ）で割った値と等しい。この方法では、１００ｍの長さのファイバーでも数ｍｍのねじれ周期を得ることができる。

２つ目の例によれば、ファイバー束を引っ張った後に回転撚りをかけている。そのためには、回転モーターと固定のホルダーとの間にファイバー束を装着した後、ファイバー束に焦点をあててシリカを溶かすＣＯ２レーザーを使用する。ＣＯ２レーザーの焦点位置、照射時間、回転するファイバー束での動きを制御することで、ツイストのパラメータを制御することができる。この技術により、ファイバー束の長さに応じて、ねじれ周期を変化させることができる。

また、出願人らは、どのようにして光ファイバーのねじれ撚束のシングルモードコアへの結合を改善することができるのかを示している。

図５に、ツイストＭＣＦ５０の入射面を示す。中央のコアの基本モードは、ＭＣＦの軸に平行に伝播する。言い換えれば、その伝播ベクトルｋ_{（ｉ＝０）}（中央のファイバーの上に十字で示す）は、ＭＣＦの軸に平行である。最も高い結合効率で中央のコアに入射する要素ビームは、その伝播ベクトルがｋ_０に等しいもの、すなわち、ＭＣＦの軸に平行にも伝播する要素ビームである。しかしながら、中心から外れたコアでは状況が異なる。これらのコアの螺旋構造がゆえ、これらのコアの基本モードはＭＣＦの軸に対して角度をなして伝播する。言い換えれば、中心から外れたコアの伝播ベクトルｋ_ｉは、ＭＣＦの軸に平行ではない。最適な結合を確保するには、中心から外れたコアに入射する各々の要素ビームの伝播ベクトルがｋ_ｉに等しく、よってＭＣＦの軸に対して角度をなすと都合がよいことを、出願人らが示した。

より正確には、出願人らは、角度偏差Δθ_ｘ ^（ｉ）（図６Ａ）および角度偏差Δθ_ｙ ^（ｉ）（図６Ｂ）が、中央のコアから様々な距離ｄ_ｉに位置するシングルモードコアＦ_ｉの正規化伝送に与える影響を示す測定を行った。図６Ｃは、ＭＣＦの隣り合う２つのコア間の距離Λ（またはＭＣＦのピッチ）の倍数で表されたコアＦ_ｉの位置を示している。したがって、ΛをＭＣＦのピッチとすると、位置＋７は、中央のコアから７Λに等しい距離ｄ_ｉに位置するコアＦ_ｉに対応する。

図６Ｂでは、曲線６０１～６０７は、それぞれ、中央のコアから－７Λ、－４Λ、－２Λ、０、＋２Λ、＋４Λ、＋７Λに等しい距離に位置するコアに対応する。

図６Ｃでは、曲線６１１～６１７は、それぞれ、中央のコアから－７Λ、－４Λ、－２Λ、０、＋２Λ、＋４Λ、＋７Λに等しい距離に位置するコアに対応する。

これらの曲線は、コアＦ_ｉから中央のコアＦ_０までの距離に依存する角度偏差Δθ_ｘ ^（ｉ）、Δθ_ｙ ^（ｉ）を適用することにより、正規化伝送が最大化されることを示している。

図６Ｄは、角度偏差を適用しない場合（曲線６２１および６２２）と角度偏差を適用した場合（曲線６２３および６２４）における中央のコアＦ_０からの距離の関数（ＭＣＦ（またはピッチ）の２つの隣接するコア間の距離Λの倍数）としてのコアＦ_ｉの正規化伝送を示している。角度偏差を適用することで、中心に対する距離が大きい光ファイバーとの結合を大幅に増やせることがわかるであろう。例えば、中央のコアから１０Λに位置するコアの場合、ｘおよびｙ方向に０．１５ｍｒａｄの角度偏差によって、結合度を８０％高めることができる（角度偏差なしの１０％から角度偏差ありの９０％への増加）。

なお、（モーメントが保存されるため）自由空間とツイストＭＣＦとの境界面で保持されるのは、伝播ベクトルの横方向の部分であることに留意されたい。伝播角に関しては、自由空間ではＭＣＦよりも角度がｎ倍大きくなる。ｎは、ＭＣＦを製造したガラスの屈折率である。

このように、シングルモードコアとの結合を改善するには、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束（図２参照）の近位の入口で要素ビームＢ_１ｉの各々に角度偏差θｉを適用する規定を設けると都合がよく、前記角度偏差θｉは、前記シングルモード光ファイバーの束における要素ビームを受けるように意図されたシングルモードコアＦ_ｉの位置に応じて規定される。

上述したように、シングルモード光ファイバーの前記ねじれ撚束の近位の入口で、要素ビームＢ_１ｉの各々に角度偏差θｉが適用されたとしても、ねじれに起因した光ファイバーの束の出口における角度偏差も観察される。

ここで、ツイストＭＣＦ５０の出射面を図７Ａに示す。中央のコアの基本モードは、ＭＣＦの軸に平行に伝播する。言い換えれば、その伝播ベクトルｋ_{（ｉ＝０）}（中央のファイバーの上に点で示す）は、ＭＣＦの軸に平行である。中央のコアから最も高い結合効率で出射する要素ビームは、その伝播ベクトルがｋ_０に等しいものすなわち、ＭＣＦの軸に平行にも伝播する要素ビームである。しかしながら、中心から外れたコアでは状況が異なる。これらのコアの螺旋構造がゆえ、これらのコアの基本モードはＭＣＦの軸に対して角度をなして伝播する。言い換えれば、中心から外れたコアの伝播ベクトルｋ_ｉは、ＭＣＦの軸に平行ではない。

光ガイドの遠位端および／または近位端で最適な結合を実現する１つの方法を、図７Ｂに示す。

この例では、光ガイド４０は、シングルモード光ファイバーのねじれ撚束５０と、端部には、この端部で無限大になる傾向があるねじれ周期のバリエーションを含む、それぞれ参照符号５１および５２で示されるファイバーの部分とを含み、言い換えれば、この部分と自由空間との境界面では、シングルモード光ファイバーは平行であり、ファイバー束はもはやねじれていない。

出願人らは、短い近位部５１が、長いねじれ部５０に変化し、最終的にはねじれのない短い遠位部５２に変化するＭＣＦの製造が、可能であることを示している。ツイストＭＣＦと非ツイストＭＣＦ間の移行は、好都合なことに徐々になされている。すなわち、Ｐが連続的に増減し、これによって移行ゾーンを介して１００％の伝送効率が確保される。図７Ｂ参照。例えば、遠位部および近位部のねじれのない部分は、長さが１ｃｍ以下である。

図７Ｂの光ガイドを製造するには、ＣＯ２レーザーを用いて２つの領域間でＭＣＦを局所的に加熱し、ガラスが溶融したら、ＭＣＦとは逆のねじれを加えて、ねじれていない部分を作り、次にねじれていない部分の位置でＭＣＦを切断して、ねじれていない端部を形成すればよい。このプロセスが、ＭＣＦのもう一方の端についても繰り返される。

図７Ｃおよび図７Ｄは、ねじれのない部分がない光ファイバーのねじれ撚束の場合（図７Ｃ）と、ねじれのない部分がある光ファイバーのねじれ撚束の場合（図７Ｄ）における、光ファイバーのねじれ撚束の上流側と下流側の様々な距離における電磁場の強度パターンを示す図である。

図７Ｃの場合、上述したように、シングルモード光ファイバーのねじれ撚束の近位の入口において、それぞれの要素ビームに角度偏差が適用されているものとする。角度偏差の適用は、入射面（ｚ＝０μｍ）での強度パターン７０１と、ｚ＝－５０μｍおよびｚ＝－１００μｍでの強度パターン７０２、７０３に見ることができ、フィールドが「回転」して入射面に到達したことを示している。言い換えれば、フィールドは入射面に垂直ではない所与の角度で到着したことになる。この角度は、コアの位置（ξ_ｉ）と、その中央のコアからの距離によって異なる。出口側では、光ファイバーのねじれ撚束を伝播する要素ビームが受ける角度偏差のために、伝播の際に電磁場が回転することが分かる（ｚ＝０μｍ（出射面）、ｚ＝５０μｍおよびｚ＝１００μｍにそれぞれ対応する強度パターン７０４、７０５、７０６）。この結果、遠方のフィールドでは、シングルモードコアから出力されるビーム同士の重なりが悪くなり、「広がり」（視野の拡大）とＰＳＦの中央部分の強度の低下（強度パターン７０８）が発生することになる。

ねじれのある光ファイバーの束と、ねじれていない端部が得られるようにねじれ周期が変化する２つの部分とを含む光ガイド４０の場合（図７Ｄ）、ガイドから出力される強度パターン（ｚ＝０μｍ、ｚ＝５０μｍ、ｚ＝１００μｍにそれぞれ対応する強度パターン７１４、７１５、７１６）は安定したままであり、広がりのない、中央部分の強度が高いＰＳＦが得られることがわかる（強度パターン７１８）。なお、図７Ｄの場合には、ファイバー束の入口部分としてねじれのない部分が設けられており、これにより、ファイバー束の近位の入口で要素ビームに角度位相シフトを適用する必要性を回避することができる。これは、ｚ＝０μｍ、ｚ＝－５０μｍ、ｚ＝－１００μｍにそれぞれ対応する強度パターン７１１、７１２、７１３が安定している理由を説明するものである。ファイバー束の出口部分には、ねじれのない部分を設けるだけにして、ファイバー束の近位の入力には要素ビームに角度位相シフトを適用することも可能であったであろう。

図８Ａ～図８Ｄは、（完全ツイスト）ファイバー束で得られた比較画像を示す。画像を得るために使用した設定は、図２に示したもので、光ファイバーの束の遠位側に検出器を配置している（透過画像）。曲率のないツイストファイバー（８０１）または曲率のあるツイストファイバー（８０２）のいずれか（図８Ａ）を用いた。撮像は、上述した方法に従って行われた。すなわち、ＭＣＦの端に焦点が得られるようにＭＣＦの様々なコアの相対的な位相シフトを調整した後、この焦点を試料上で掃引した。ここでの試料は、試料の各点を伝送される強度から画像が再構成されるように、ネガティブＵＳＡＦテストチャート（図８Ｂ）から選択した数字「５」からなるものであった。

図８Ｃは、ファイバー束がほぼ直線的な位置にある場合（８０１、図８Ａ）と、曲率が１３５°の場合（８０２、図８Ａ）に、ファイバー束での伝送で得られた画像を示す。いずれの場合も画像はほぼ同じであり、ファイバー束が曲がったときに、焦点が視野内でほとんど（１ＰＳＦ未満であるか約１ＰＳＦの距離しか）移動しないことを示している。

また、図９は、周囲のファイバーと中央のファイバーとの間の位相が保たれていることを示す、ツイストファイバーによる干渉パターンである。

より正確には、ファイバーのねじれ撚束について、曲げたときのコアの相対的な位相の安定性を評価するために、出願人らは、周囲のコアと中央のコアによって導かれる光の干渉を調べる干渉実験を行った。中央のファイバーと周囲のファイバーに光を入射させると、ＭＣＦの遠位部分で、２波干渉に特徴的な干渉縞が得られる（図９）。注目すべきは、この干渉パターンは、ファイバーのねじれ撚束を曲げても変化しないことである。

出願人らは、本明細書による方法および装置が、光線を伝送および制御するための非線形撮像にも採用できることを実証しており、この装置は短いパルスの伝送に適している。

しかしながら、超短パルスを操作する場合、ファイバー束の様々なコアを移動する光パルスが受ける遅延である群速度遅延（またはGroup Delay dispersion（群遅延分散）の略でＧＤＤ）が観測される。群速度遅延には２種類あり、一方は直線的に配置されたファイバーのコア間の群速度遅延に付随する「静的」ＧＤＤと呼ばれるものであり、この遅延は、ファイバー束の様々なコア間に存在する残留光路の変動に関連し、もう一方は、ファイバー束に曲率を持たせたときのコア間の群速度遅延に付随する「動的」ＧＤＤと呼ばれるものである。

本明細書の場合のように、ねじれたファイバー束の場合、曲率によって、固有のＧＤＤが発生する（図１０Ａに図示）。

より正確には、図１０Ａは、長さ３００ｍｍ、ねじれ周期Ｐ＝８．２ｍｍのファイバーのねじれ撚束についてのＧＤＤを示し、それぞれの六角形は単一のコアを表し、隣接する六角形の中心間の距離はΛ＝１５．９μｍである。このため、ファイバー束の中心から半径５×１５．９＝８０μｍの範囲にあるコアだけを示してある。それぞれの六角形は、ファイバー束の１つのコアと、そのコアに付随するＧＤＤを表している。ファイバーのねじれ撚束では、高い群速度遅延が観察される。これは、束内のコアの有効長の違いによるものである。中央のコアの光路は短いのに対し、周囲のファイバーの光路ははるかに長いため、光学パッチの違いが生じ、よってＧＤＤが観測される。

図１０Ａで観察されたＧＤＤは、E. R. Andresen et al. (“Measurement and compensation of residual group delay in a multi-core fiber for lensless endoscopy”, JOSA B, Vol. 32, No. 6, 1221 - 1228 (2015))の刊行物に記載されているように、シングルモード光ファイバーの束における光パルスの群速度遅延を制御する（または「Group Delay Control（群遅延制御）」の略でＧＤＣ）ための装置を使用して補償することができる。

また、そのインデックスが中央のコアまでの距離の関数として変化するコアを、有するファイバー束（周囲のインデックスのほうが小さい）を用いるおよび／またはコアの大きさを変化させる（小さいコアは伝播定数が小さいため、群遅延も低い）ことによって、図１０Ａで観察されたＧＤＤを補償することも可能である。

図１０Ｂは、曲率のないファイバー８０１と、１３５°の曲率（曲率半径約２０ｃｍに相当）を持つ曲がったファイバー８０２との間で測定されたＧＤＤ差を示している。ＧＤＤ差は約４０ｆｓであり、使用したレーザーパルスの持続時間である約１５０ｆｓよりもはるかに短いため、本明細書に従ってねじれが作られたＭＣＦの場合、曲率がＧＤＤの原因にならないことがわかる。したがって、ツイストファイバーが曲がっても、測定されるＧＤＤは一定のままであり、「V. Tsvirkun et al., “Bending-induced inter-core group delays in multicore fibers” Optics Express 25, 31863-31875 (2017)」に記載されているような、ねじれのないＭＣＦと曲がったＭＣＦの場合のようにＭＣＦの曲げがＧＤＤの付加につながることはない。

詳細な例示的な実施形態によって説明したが、光線を伝送および制御するための装置は、当業者には明らかになるであろう様々な変形、修正および改良を含み、これらの様々な変形、修正および改良は、以下の請求項によって規定されるような本発明の範囲の一部を形成することが理解される。特に、本明細書による光線を伝送および制御するための装置は、いわゆる「レンズレス」内視鏡撮像に適用可能であり、また、光線を伝送するために非結合シングルモードファイバーの束を使用し、シングルモード光ファイバーの束の出口における光線の位相の制御を必要とすることに基づく他の用途にも適用可能である。

Claims

光線を伝送および制御するための装置であって、
複数の非結合シングルモード光ファイバー（Ｆ_ｉ）の束（５０）を備え、各シングルモード光ファイバー（Ｆ_ｉ）が近位端で要素ビーム（Ｂ_１ｉ）を受け、遠位端で光線（Ｂ_２ｉ）を放射する、光ガイド（４０）と、
前記光ガイド（４０）の前記近位端側に配置され、
前記要素ビーム（Ｂ_１ｉ）の各々に位相シフトを適用するのに適した少なくとも第１の空間光変調器（３０）および
前記光ガイドの遠位端にて所定の位相関数を持つ照明光を形成するために、前記要素ビーム（Ｂ_１ｉ）の各々に位相シフトを適用するように構成された、前記第１の空間光変調器を制御するための制御ユニット（６０）、
を含む、位相制御用の光学装置と、
を備え、
前記シングルモード光ファイバーの束は、動作時におけるファイバー束の最大曲率に対応する最小曲率半径が規定され、
前記シングルモード光ファイバーの束（５０）が、ねじられており、前記シングルモード光ファイバーの束に前記最大曲率よりも小さい曲率を持たせたときに前記光ガイドの遠位端で前記位相関数を保持するように規定されたねじれ周期（Ｐ）を持つ、装置。
前記ねじれ周期が、１ｍｍと３０ｍｍの間で構成される、請求項１に記載の装置。
前記シングルモード光ファイバーの束の長さ（Ｌ）は、ｋを整数とすると、前記ねじれ周期（Ｐ）のｋ倍に等しい、請求項１または２に記載の装置。
前記第１の空間光変調器を制御するための前記制御ユニット（６０）が、さらに、前記シングルモード光ファイバーのねじれ撚束の近位の入口で前記要素ビーム（Ｂ_１ｉ）の各々に角度偏差（θ_ｉ）を適用するように構成され、前記角度偏差（θ_ｉ）は、前記シングルモード光ファイバーの束における前記要素ビームを受けるシングルモード光ファイバーの位置に応じて、前記シングルモード光ファイバーへの結合を改善するように規定されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の装置。
前記光ガイドが、前記シングルモード光ファイバーのねじれ撚束（５０）の前記遠位端および前記近位端の少なくとも一方に、ねじれが可変の部分（５１、５２）を含み、前記遠位端側および前記近位端側の少なくとも一方で、前記ねじれ周期が無限大になる、請求項１～４のいずれか１項に記載の装置。
前記ねじれが可変の部分は、前記遠位端および前記近位端の少なくとも一方において、長さが１ｃｍ未満のねじれていない部分を有する、請求項５に記載の装置。
前記装置は、光パルスを含む光線を伝送および制御するのに適しており、前記装置はさらに、前記光パルスの群速度遅延を制御するための装置を含み、前記光パルスの群速度遅延を制御するための装置は、前記シングルモード光ファイバーのねじれ撚束の前記シングルモード光ファイバー間の静的な群速度遅延を抑制するように構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の装置。
前記シングルモード光ファイバーの少なくとも何本かがドープされている、請求項１～７のいずれか１項に記載の装置。
光線を放射するための光源（１０）と、
規定された位相関数で物体に光をあてるためのビームを形成するために、前記光源から放射された光線を伝送および制御するための、請求項１～８のいずれか１項に記載の装置と、
前記物体により戻され少なくとも１本の第１の光ガイド（４０）を通ってその遠位端から近位端まで伝送される光を、検出するための検出チャネル（２０、２１）と、を備える、内視鏡撮像システム。