JPWO2017085879A1 - 曲率センサ - Google Patents

Abstract

曲率センサは、複数のコア（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）を含む細長く可撓性の導光体と、前記複数のコアによって導光される光を発する光源部と、各コアによって導光された光を検出する検出部と、検出された光スペクトルの情報に基づいて前記導光体の曲がりを求める処理部を有している。前記導光体は、前記導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，…，ＦＢＧ８）を有している。各ＦＢＧセンサ組は、各コアに１個ずつ設けられた複数のＦＢＧセンサを有している。各ＦＢＧセンサ組のＦＢＧセンサは、各コアの軸に沿った長さの少なくとも一部が互いに重なっている。前記複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。

Description

本発明は、測定対象の曲がりを求める曲率センサに関する。

米国特許第６２５６０９０号は、複数のファイバーブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサが設けられた４本または５本のファイバを用いて長尺な可撓体の形状を測定する技術を開示している。４本または５本のファイバは可撓体の周囲に配置されている。３本のファイバが、可撓体の形状の変化に対する各ＦＢＧセンサのレスポンスの違いに基づく可撓体の形状の測定に使用される。１本のファイバが、温度変化の補正のために使われる。１本のファイバが、ねじれの補正のために使われる。

米国特許第７７８１７２４号は、複数のＦＢＧセンサが設けられた３本（２本以上）のコアを用いて可撓体の形状を測定する技術を開示している。３本のコアは、一例では、マルチコアファイバのコアであり、別の例では、ファイバ束のシングルコアファイバのコアである。３つ組のＦＢＧセンサの各々からの光信号は、周波数領域反射計によって分離分光される。３つ組のＦＢＧセンサの各々のひずみからファイバまたはファイバ束の各部の曲がり量を求め、各部の曲がり量を積分することによって、ファイバまたはファイバ束の形状を決定する。

米国特許第６２５６０９０号明細書 米国特許第７７８１７２４号明細書

米国特許第６２５６０９０号に開示された装置は、複数のＦＢＧセンサの曲がりに対するレスポンスの違いを利用して、周囲にＦＢＧセンサが設置された可撓体の曲がりを測定する装置である。

米国特許第７７８１７２４号に開示された装置は、特定の測定対象を設けずに、ＦＢＧをもつ２本以上のコア（ファイバ束またはマルチコアファイバ）の組み合わせにより、形状を精密に測定する装置であり、光送受信系に非常に高価で高精度な周波数領域反射計を利用している。

これらの装置はいずれも高価なものである。米国特許第６２５６０９０号と米国特許第７７８１７２４号のいずれも、測定を行うための安価な装置構成については触れていない。

本発明の目的は、曲がり測定を行う安価な装置構成の曲率センサを提供することである。

曲率センサは、複数のコアを含む細長く可撓性の導光体と、前記複数のコアによって導光される光を発する光源部と、各コアによって導光された光を検出する検出部と、検出された光スペクトルの情報に基づいて前記導光体の曲がりを求める処理部を有している。前記導光体は、前記導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組を有している。各ＦＢＧセンサ組は、各コアに１個ずつ設けられた複数のＦＢＧセンサを有している。各ＦＢＧセンサ組のＦＢＧセンサは、各コアの軸に沿った長さの少なくとも一部が互いに重なっている。前記複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。

本発明によれば、曲がり測定を行う安価な装置構成の曲率センサが提供される。

図１は、一実施形態による曲率センサを示している。 図２は、図１に示された一つのＦＢＧセンサ組を概略的に示している。 図３は、図１に示された導光体の曲がりを求める原理を説明するための図であり、導光体に対する座標系の設定を示している。 図４は、図１に示された導光体の曲がりを求める原理を説明するための図であり、導光体の曲がり方向と３本のコアの相対位置関係を示している。 図５は、図１に示された導光体の曲がりを求める原理を説明するための図であり、曲げられた導光体を示している。 図６は、図１に示された導光体の曲がりを求める原理を説明するための図であり、３本のコアの曲がりを模式的に示している。 図７は、図１に示された導光体の曲がりを求める原理を説明するための図であり、３本のコアの相対位置関係と曲がりの曲率半径を示している。 図８は、コアを伝搬する光のクラッドへのしみだしを示している。 図９は、図１に示された曲率センサの光学系を示している。 図１０は、曲率センサの透過型の光学系の例を示している。 図１１は、曲げられた２本のコアと、コア上に設けられたＦＢＧセンサを示している。 図１２は、コアの曲がりに伴うピッチのシフトを示している。 図１３は、図１１に示されたＦＢＧセンサの間隔に基づいた各位置におけるコアの曲率を示している。 図１４は、コアの長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置関係と、各ＦＢＧセンサ組内のＦＢＧセンサのピッチ空間上におけるピッチの相対関係の一例を示している。 図１５は、コアの長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置関係と、各ＦＢＧセンサ組内のＦＢＧセンサのピッチ空間上におけるピッチの相対関係の別の例を示している。 図１６は、図１に示された曲率センサが組み込まれた内視鏡システムを示している。 図１７は、回転防止機構の一例を示している。 図１８は、回転防止機構の別の例を示している。 図１９は、図１８のＦ１９−Ｆ１９線に沿った断面を示している。

図１は、一実施形態による曲率センサを示している。曲率センサは、複数たとえば３本のコアを含む細長く可撓性の導光体３０と、導光体３０によって導光される光を発する光源部１２と、光源部１２からの光を分光する分光部１４と、分光部１４からの光を導光体３０のコアに分配する光分岐部１６を備えている。導光体３０の個々のコアに対してそれぞれ光源が設けられてもよく、その場合、光分岐部１６中の左端の素子は不要である。

光源部１２は、広帯域なスペクトルをもつ光を発する連続光源たとえばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）で構成されてよい。

分光部１４は、波長選択可能な光学系たとえばチューナブルフィルタで構成されてよい。分光部１４は、光源部１２からの広帯域なスペクトルをもつ光から、狭帯域なスペクトルをもつ光を作り出す機能を有している。分光部１４はまた、波長掃引する機能を有している。

導光体３０は、複数のファイバーブラッググレーティングセンサ組ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，…，ＦＢＧｎを有している。以下では、ファイバーブラッググレーティングセンサ組ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，ＦＢＧ３，…，ＦＢＧｎを単にＦＢＧセンサ組と略記する。

図２は、一つのＦＢＧセンサ組を概略的に示している。導光体３０のコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、相対間隔を維持して導光体３０の長さに沿って延びている。つまり、導光体３０の軸に垂直な平面上におけるコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の相対位置は不変に保たれている。図２には、コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、互いに平行にまっすぐに延びているように描かれているが、これに限らず、たとえば、トロイダル状にねじれながら延びていてもよい。

各ＦＢＧセンサ組は、導光体３０の各コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に設けられた複数のファイバーブラッググレーティングセンサＦＢＧを有している。以下では、ファイバーブラッググレーティングセンサＦＢＧをＦＢＧセンサと略記する。例えば、各ＦＢＧセンサ組内のＦＢＧセンサは、各コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に１個ずつ設けられている。すなわち、各ＦＢＧセンサ組は、コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の本数と同数すなわち３個のＦＢＧセンサを有している。各ＦＢＧセンサ内の３個のＦＢＧセンサは、各コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の軸に沿った長さの少なくとも一部が互いに重なるように形成されている。

各ＦＢＧセンサは、コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の長手方向に屈折率が周期的に変化しているグレーティングで構成されている。ＦＢＧセンサに光が入射すると、特定の波長λ_Ｂ＝２ｎΛの成分だけが互いに強め合うように干渉する。ここで、λ_Ｂはブラッグ波長であり、ｎはコアの屈折率、Λはグレーティングのピッチ（周期）である。これによって、ＦＢＧセンサは、光の特定の波長の成分だけを反射し、それ以外の波長の成分を透過する。

各コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３にその軸に沿って形成されている複数のＦＢＧセンサは、互いに異なるピッチを有している。このため、各コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に形成されている複数のＦＢＧセンサによってそれぞれ反射される光の波長は互いに相違している。

図２には、導光体３０は、マルチコアファイバとして描かれているが、これに限らず、ＦＢＧセンサが設けられた複数のファイバで構成されてもよい。その場合、少なくともＦＢＧセンサの部分は、相互の間隔が変化しないように接着固定されている必要がある。

図１に示されるように、導光体３０の末端には、反射防止部材３６が設けられるとよい。光分岐部１６は、ＦＢＧセンサから戻って来た光を分岐させて取り出して出力する。曲率センサはまた、光分岐部１６から出力される戻り光を検出する複数の検出器３８ａを含む検出部３８と、検出されたＦＢＧセンサからの戻り光のスペクトルの情報に基づいて導光体３０の曲がりを求める処理部４４を備えている。処理部４４はまた、光源部１２を駆動するＳＬＤドライバ４２と、分光部１４を制御する機能も有している。

（曲率半径と方向の計算方法）
ＦＢＧセンサ組が位置する導光体３０の部分が曲げられると、ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサは、導光体３０の曲がりに対して異なる伸び方をする。その結果、ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサは、異なるレスポンスを示す。すなわち、導光体３０の中心軸よりも外側に位置するコアは伸びるので、そのコアに形成されたＦＢＧセンサも同じように伸びるため、ＦＢＧセンサのピッチが大きくなる。その結果、ブラッグ波長は長くなる。つまり、そのＦＢＧセンサによって反射される光の波長が長くなる。反対に、導光体３０の中心軸よりも内側に位置するコアは縮むので、そのコアに形成されたＦＢＧも縮むため、ＦＢＧセンサのピッチが小さくなる。その結果、ブラッグ波長は短くなる。つまり、そのＦＢＧセンサによって反射される光成分の波長が短くなる。ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサのブラッグ波長の変化を測定することによって、そのＦＢＧセンサ組が位置する導光体３０の部分がどの方向にどの程度曲げられているかを求めることができる。

以下、導光体３０の曲がりを求める原理について図３ないし図７を参照しながら説明する。図３に示されるように、コアＣ１，Ｃ２，Ｃ３が延びている方向をｚ軸とし、ＦＢＧセンサ組の中心を原点として原点からコアＣ１に向かう方向をｙ軸とする。図４と図５に示されるように、ｘ軸から角度αの方向に曲率半径ｒで導光体３０が曲げられているとする。それぞれのコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の角度θに対する伸びは、原点の伸びをｓとして、図６に示されるように、ｓ＋ｄｓ_１，ｓ＋ｄｓ_２，ｓ＋ｄｓ_３と表すことができる。これらの間の関係は、図７に示される各コアの曲率半径ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３を利用して、次式（１）で書き表される。

これを変形して各コアのひずみをε_ｉ＝ｄｓ_ｉ／ｓとおくと、上式（１）は次式（２）となる。

図７から各コアの曲率半径ｒ_１，ｒ_２，ｒ_３は、次式（３）で書き表される。

したがって、次式（４）の関係が導かれる。

ここで、次式（５）に示されるようにパラメータを置き換える。

すると、αは、次式（６）で書き表される、また、ｒは、次式（７）で書き表される。

従って、３個のＦＢＧセンサのひずみの差ε_１〜ε_３から、ｒ，αを求めることができることがわかる。

もちろん同様な導出により、２個のＦＢＧセンサに基づいてｒ，αを求めることもできる。しかし、３個のＦＢＧセンサに基づく場合には、曲がり以外の理由たとえば温度、引っ張り等により全てのＦＢＧセンサが均一に伸びた場合にも、その効果をキャンセルすることが可能であるので、ここでは３個のＦＢＧセンサに基づく導出例を示した。

曲がりが２次元の面内に限定される場合は、上記考察と同様に２本のコアを利用することによって、２個のＦＢＧセンサのひずみの差から曲がりの曲率半径を求めることができる。

上記注釈と同様に、１個のＦＢＧセンサに基づいて曲率半径を求めることもできるが、ＦＢＧセンサが均一に伸びる場合をキャンセルする効果を考えると、２個のＦＢＧセンサに基づいて曲率半径を求めることが望ましい。

このような曲がり検出をいくつもの位置で行うことにより、各位置での曲がり量を積分することで形状を計算することができる。たとえば大腸内視鏡が体内でどのような形状になっているかについての情報を得ることができる。

（ピッチとブラッグ波長の関係）
コアを通る光のモードは、シングルモードファイバでは１個である。このとき形成するＦＢＧセンサのピッチΛに対するブラッグ反射波長λ_Ｂは前述のようにλ_Ｂ＝２ｎΛ（ｎは屈折率）で決まる。屈折率ｎはコアの屈折率に近いが、コアを伝搬する光は図８のようにクラッドへのしみだしを伴うので、クラッドの影響も受けた実効屈折率になる。クラッドの影響の度合いは、コア径のサイズによるクラッドへのしみだしの量によってかわる。またマルチコアファイバのおのおののコアの屈折率もたとえばＧｅのドープ量等のコア毎の特性により変化するので、ピッチが同じであるからといって、必ずしもブラッグ反射波長が同じであるとは限らない。ただし、同じ径で同じ特性のコアであれば、マルチコアに同じピッチのＦＢＧセンサを形成したときに、同じブラッグ反射波長を持つことになる。

（光学系）
図１において、光源部１２から発せられる広帯域のスペクトルをもつ光は、分光部１４によって分光されて狭帯域のスペクトルをもつ光に変えられるともに波長掃引される。分光部１４からの光は、光分岐部１６によって分岐された後、導光体３０の３本のコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に導入される。導光体３０によって導光された光は、反射部材３６によって反射された後、光分岐部１６にまで戻り、それぞれのコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３からの戻り光が光分岐部１６から出力され、検出部３８によって検出される。これにより、光スペクトル（波長に対する光強度のグラフ）が得られる。

連続光源である光源部１２の代わりに、チューナブルレーザのような波長可変光源で光源部１２が構成され、波長選択可能な光学系である分光部１４が省略されてもよい。また、導光体３０に入射する光が分光される代わりに、戻り光が、波長選択可能な光学系たとえばチューナブルフィルタによって分光されてもよい。戻り光が分光される場合には、分光部１４が省略され、光源部１２から発せられる広帯域のスペクトルをもつ光がそのまま導光体３０の３本のコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に導入される。

図９は、図１に示された曲率センサの光学系を示している。図９では、分光部の図示は省略されている。導光体３０に入射する光は、波長掃引された光であり、図９の左上に示されるように、広帯域の光スペクトルを有している。導光体３０のコアのひとつからの戻り光の光スペクトルは、図９の左下に示されるように、互いに離散した複数のピークを有している。ひとつのピークが、ひとつのＦＢＧセンサに対応している。

図１に示された曲率センサの光学系は、反射型の光学系で構成されているが、これに代えて、透過型の光学系で構成されてもよい。図１０は、曲率センサの透過型の光学系の例を示している。この図においても、分光部の図示は省略されている。分光部は、光源部１２の後段または光検出部３８の前段に設けられてよい。また、光源部１２がチューナブルレーザ等で構成される場合には省略されてよい。導光体３０に入射する光は、波長掃引された光であり、図１０の左側に示されるように、広帯域の光スペクトルを有している。導光体３０のコアのひとつを通り抜けた透過光の光スペクトルは、図１０の右側に示されるように、互いに離散した複数のディップを有している。ひとつのディップが、ひとつのＦＢＧセンサに対応している。

光検出部３８において得られる光スペクトルは、すでに述べたように、コアが導光体３０の中心からずれていれば、曲がり量に応じて、ピークまたはディップの波長シフトが生じる。複数のコアからの光の光スペクトルの波長シフトから、各ＦＢＧセンサの部分における導光体３０の曲がり量を計算することができる。各ＦＢＧセンサの部分における曲がり量を積分することによって、導光体３０の全体の曲がり言い換えれば形状を計算することができる。

（波長空間上における隣接するＦＢＧセンサの波長間隔の一般的な選び方）
１本のコアに形成された複数のＦＢＧセンサは、コアの軸に沿って互いに異なる場所に位置しており、互いに異なるピッチを有している。つまり、１本のコア上の複数のＦＢＧセンサがそれぞれ反射する光の波長すなわちブラッグ波長は互いに異なる。以下では、ＦＢＧセンサが反射する光の波長のことを、ＦＢＧセンサがブラッグ波長を有しているわけではないが、便宜的にＦＢＧセンサのブラッグ波長と呼ぶことにする。これにより、光検出部３８において検出される光スペクトルのピークまたはディップの波長から、言い換えればＦＢＧセンサのブラッグ波長から、導光体３０の長さに沿った位置の同定ができる。また、光検出部３８において検出される光スペクトルのピークまたはディップの波長シフトの量から、言い換えればＦＢＧセンサのブラッグ波長の波長シフトの量から、その部分における導光体３０の曲がり量を計算することができる。このとき、前提として、波長の順番からコアに沿ったＦＢＧセンサの位置が特定できる、すなわち、導光体３０が大きく曲がったときでも、ＦＢＧセンサのブラッグ波長の長さが逆転しないことが必要である。

このときに問題になるのが、波長軸に沿って隣接するＦＢＧセンサの曲がりが互いに逆方向で大きい場合に、ＦＢＧセンサのブラッグ波長の順番が逆転してしまう可能性があることである。通常、ＦＢＧセンサを利用して局所的なひずみを検出するひずみセンサの用途では、このような逆転が起こらないために、想定されるひずみに対応するブラッグ波長の変化の２倍以上、波長間隔をあけるように設計される。この方針に従えば、曲がりを検出する測定対象の最小曲率半径に対応するＦＢＧセンサのブラッグ波長変化の２倍以上離す必要がある。ピッチでいえば、ブラッグ波長の変化に対応するピッチの変化の２倍以上離す必要がある。

しかし、通常の連続光源、チューナブルフィルタ、波長可変レーザは、波長帯域幅または波長掃引幅が限られているので、上記の波長間隔の選び方に従って波長間隔をあけると、導光体３０の長さに沿って十分な個数のＦＢＧセンサを設けることができないおそれがある。そうした場合、より広帯域な高価な光源を必要としたり、さらに高いまたは低い帯域の光源を追加したりすることが必要になり、測定コストの上昇につながる。

（各ＦＢＧセンサ組内のＦＢＧセンサは共通の波長／ピッチをもつ）
そこで本発明者らは、内視鏡の可撓性の挿入部のような太さのある測定対象の曲がりを測定することを想定して次のような構成を案出した。導光体３０は、内視鏡の挿入部に沿って自由に変形可能なように、内視鏡の挿入部中または側面のチューブ等のガイドに設置される。ガイドは内視鏡の挿入部の軸上にあるのが望ましいが、軸上でなくても構わない。ガイドは内視鏡の挿入部の曲がりにしたがって曲がるが、導光体３０の軸方向、ねじれ方向の動きを妨げない、余裕のある構造になっている。太さのある測定対象では、側方の多くの場所から押されない限り、曲がりは急激には変化しない。

導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。別の言い方をすれば、ピッチ空間上において、ある特定領域に含まれるＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサのピッチは全て同じである。このようにすると、隣接している２個のＦＢＧセンサ組内の同一コア上の複数対たとえば３対のＦＢＧセンサは同じピッチの差をもつので、導光体の長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置に応じた最も適当なピッチの差を、それらに共通に持たせることができる。

この工夫は、特定の複数のＦＢＧセンサ組に対して行うだけでも効果的であり、測定対象の最小曲率半径が最も小さくなる場所に対応する複数のＦＢＧセンサ組に対して行うと特に効果的である。さらに全てのＦＢＧセンサ組に対して行うとさらに効果的に、必要なピッチ帯域を狭めることができる。ピッチ空間上での間隔は、好ましくは、測定対象の最大曲率半径、測定対象の変形の仕方、測定対象に対するＦＢＧセンサ組の相対位置と間隔等を考慮して、できる限り狭く、かつ波長の逆転が起こらないように選択されるとよい。これにより、ＦＢＧセンサのピッチ間隔を狭くすることができる。したがって、波長帯域幅または波長掃引幅が限られた比較的安価な光源部１２（および分光部１４）を使用しつつも、ピッチ空間上の所定の範囲内に多くのＦＢＧセンサを設定することができる。これにより、多数点による曲がり測定を行う安価な装置構成の曲率センサが提供される。以下では、ピッチ空間上の所定の範囲内に設定できるＦＢＧセンサの個数のことを、便宜上、ピッチ空間の利用効率と呼ぶことにする。

図１１に示されるようにコアＣ１，Ｃ２の軸に沿って隣接して並んでいるＦＢＧセンサを、図１２に示されるように、ピッチ空間上においても隣接して並ぶように設定する。なお、図１１において、参照符号Λ_ｎ１，Λ_ｎ２（ｎは自然数）は、それぞれ、コアＣ１，Ｃ２上に位置するＦＢＧセンサを指し示しているとともに、そのＦＢＧセンサのピッチを表している。またｄ_ｎ（ｎは自然数）は、ＦＢＧセンサ組の間隔を表している。また図１２において、コアＣ１，Ｃ２がまっすぐな状態における各ＦＢＧセンサのピッチが一点鎖線で示され、コアＣ１，Ｃ２が図１１に示されるように曲がったことによるシフト後のピッチが実線で示されている。図１３は、図１１に示されたＦＢＧセンサの間隔ｄ_ｎに基づいた各位置におけるコアＣ１，Ｃ２の曲率を示している。曲率は、曲率半径の逆数である。図１３に示されるように、隣接するＦＢＧセンサの間ではコアＣ１，Ｃ２の曲がりは大きく変化しないため、コアＣ１，Ｃ２の軸に沿った距離があまり離れていなければ、測定対象の最小曲率半径の２倍に対応するピッチ幅よりも短い間隔に設定することができる。

これにより、たとえばＣ−ｂａｎｄ（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）という小さい波長幅をもつ連続光源であるＳＬＤの中に数十点のＦＢＧセンサを配置することが可能である。大腸内視鏡の最小曲率半径３０ｍｍは、約２．５ｎｍのブラッグ波長の変化（コアがファイバの中心軸に対して５０μｍオフセットしていると仮定）に対応するので、通常の基準では７点程度しか配置することができず、曲がりの測定から十分な精度で形状を計算することができない。しかし、上記の工夫により、１５点以上の点数を確保することができ、約１ｍ５０ｃｍ程度の大腸内視鏡に対して十分な点数の測定ができる。

図１４と図１５は、上記の工夫に従ったＦＢＧセンサ組の例を示している。図１４と図１５において、導光体３０のコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３の長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置関係が上段に示され、各ＦＢＧセンサ組内のピッチ空間上におけるＦＢＧセンサのピッチの相対関係が下段に示されている。ここでは、便宜上、導光体３０に設けられたＦＢＧセンサ組の個数が８であるとして説明する。８個のＦＢＧセンサ組は、導光体３０の長さに沿って隣接している。

図１４に示された例では、８個のＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ１〜ＦＢＧ８）内のいくつか例えば４個のＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ３〜ＦＢＧ６）がピッチ空間上において隣接して並んでいる。これに加えて、これら４個のＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ３〜ＦＢＧ６）の各々に含まれるＦＢＧセンサは、ピッチ空間上におけるピッチが一致している。言い換えれば、ピッチ空間上のある特定領域に含まれる４個のＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ３〜ＦＢＧ６）の各々内の全てのＦＢＧセンサ組の各々に含まれる全てのＦＢＧセンサのピッチは同じである。従って、隣接している２個のＦＢＧセンサ組内の同一コア上の複数対たとえば３対のＦＢＧセンサは同じピッチの差をもつ。これにより、導光体の長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置に応じた最も適当なピッチの差を、それらに共通に持たせることができる。これによって、ピッチ空間の利用効率を最大にすることができる。逆に、ピッチの差が同じでない場合には、最小のピッチ差でも逆転が起こらないように余裕をもって設定する必要があるので、ピッチ空間の利用効率を最大にすることができない。

図１５に示された例では、８個の全てのＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ１〜ＦＢＧ８）が、ピッチ空間上において隣接して並んでいる。これに加えて、８個の全てのＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ１〜ＦＢＧ８）の各々に含まれるＦＢＧセンサは、ピッチ空間上におけるピッチが一致している。つまり、８個の全てのＦＢＧセンサ組（ＦＢＧ１〜ＦＢＧ８）の各々内の全てのＦＢＧセンサのピッチは同じである。従って、隣接している２個のＦＢＧセンサ組内の同一コア上の複数対たとえば３対のＦＢＧセンサは同じピッチの差をもつ。これにより、導光体の長さに沿ったＦＢＧセンサ組の位置に応じた最も適当なピッチの差を、それらに共通に持たせることができる。これによって、ピッチ空間の利用効率を最大にすることができる。

図１４と図１５に示された例は、８個のＦＢＧセンサ組を有している構成であるが、ＦＢＧセンサ組の個数にとらわれず、一般化して次のように言ってよい。

導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。

導光体の長さに沿って設けられた全てのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。

上記では、導光体３０の長さに沿って隣接しているＦＢＧセンサ組内のＦＢＧセンサのピッチ空間上における位置関係について説明した。ピッチは、前述したように、λ_Ｂ＝２ｎΛによってブラッグ波長と関係している。したがって、全てのコアの実効的な屈折率ｎが同じであれば、ピッチは、ブラッグ波長と読み替えることができる。すなわち、導光体３０の長さに沿って隣接しているＦＢＧセンサ組は、波長空間上においても隣接している。つまり、隣接している２個のＦＢＧセンサ組内の、それぞれのコアにある並んだ２個のＦＢＧセンサは、波長空間上において隣接しており、その間のブラッグ波長をもつ他のＦＢＧセンサが存在しない。

前述の一般化したピッチの説明は、ピッチをブラッグ波長に読み替えて、次のように言ってよい。

導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組は波長空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサはブラッグ波長が一致している。

導光体の長さに沿って設けられた全てのＦＢＧセンサ組は波長空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサはブラッグ波長が一致している。

図１６は、本実施形態の曲率センサが組み込まれた内視鏡システムを示している。内視鏡システムは、スコープ部６０と本体部７０とに分けられる。スコープ部６０は、先端部に撮像デバイスが組み込まれた屈曲可能な挿入部６４と、挿入部６４の屈曲を操作する操作部６２を有している。本体部７０は、電源、スコープ部用の照明光源７２、撮像デバイスの制御や画像処理等の演算を行う制御・演算部７４を含むコントローラ７６と、撮像画像や種々の情報を表示するモニタ７８を有している。

スコープ部６０は、本体部７０に着脱可能であり、用途に応じて異なる機能（検査用や外科用等）のものに交換されて使用される。そのため、電源、照明光源７２、制御・演算部７４等の共通要素は本体部７０に設置されている。

曲率センサの導光体３０は、内視鏡システムのスコープ部６０の挿入部６４の長さに沿って配置されている。また、光源部１２と光分岐部１６と光検出部３８はスコープ部６０の操作部６２の内部に配置されている。図１６の例では、光源部１２と光検出部３８は共に操作部６２の内部に配置されているが、光源部１２と光検出部３８のいずれか一方は、本体部７０のコントローラ７６の内部に設置されてもよい。

ＦＢＧセンサを有効に利用するためには、導光体３０はシングルモードファイバであることが好ましい。シングルモードファイバの結合は、非常に精密な位置決め、結合部にほこりを入れない等の特別な配慮が必要である。このため、曲率センサの光学系は、日常的に切り離される本体部７０の側には設置されず、その全てがスコープ部６０の側に設置されることにより安定した性能が得られる。従って、電源、コントローラ７６等の電気系は本体部７０の側にあり、光源部１２、光検出部３８等の光学系はスコープ部６０の側にあるとよい。そうすると、スコープ部６０と本体部７０の間の曲率センサに関する結合（コネクタ）は電気信号の結合のみで構成される。

また、逆に光源部１２または光検出部３８の光学系のいずれか一方または両方が本体部７０の側にある構成も利点がある。本体部７０とスコープ部６０の間にシングルモードファイバのカプラが必要になる反面、スコープ部６０が、異なる機能（検査用や外科用等）のものに交換されて使用される際に、光源部１２または光検出部３８等の光学系（ＳＬＤ，チューナブルフィルタ、検出器、ファンアウト部品等）のいずれかまたは全てを共用することができるので形状測定のコストを抑えることができる。

（回転防止機構）
また、曲率センサにおいて、導光体３０が測定対象に対して相対的にねじれると、測定対象の曲がりを正しく測定することができず、測定対象の形状の計算の誤差につながる。ガイドはできるだけ導光体３０のねじれ方向の動きを損なわないように工夫されているが、曲がりが大きいときなどは導光体３０とガイドとの間の摩擦により、導光体３０にねじれが生じるおそれがある。測定対象に対する導光体３０の回転を防止する回転防止機構が設けられるとよい。

回転防止機構は、ある例では、図１７に示されるように、導光体３０の長さに沿って延びている細長いスリット８４を有し、導光体３０の周囲を覆っているチューブ状のガイド８２と、導光体３０からスリット８４を貫通して延びているピン８６とから構成されてよい。

回転防止機構は、別の例では、図１８と図１９に示されるように、導光体３０の一部に形成された平面部３０ａと、平面部３０ａに対向する平面９６を有する回転止め９４を有し、導光体３０の周囲を覆っているチューブ状のガイド９２とから構成されてよい。

ここでは、測定対象は、スコープ部の挿入部である例を示したが、測定対象は、そのほかに、各種プローブ、カテーテル、オーバーシース（挿入部やカテーテル等を挿入する際の補助に使う管）であってもよい。

曲率センサは、光を発する光源部と、前記光源部から発せられた光を導光する相対間隔を維持して配置された複数のコアを有する可撓性の導光体と、前記複数のコアに設けられ、前記導光体の長手軸に沿った複数の所定の位置に複数のＦＢＧセンサ組をそれぞれ構成し、各々が、所定のピッチのグレーティングを有し、各コアによって導光される光のうちの前記ピッチに応じた特定波長の光を反射する複数のＦＢＧセンサと、前記複数のＦＢＧセンサによって反射された光または前記複数のＦＢＧセンサを通過した光の光スペクトルの情報を検出する検出部と、前記光スペクトルの情報に基づいて前記導光体の曲がりの位置と曲がり量とを求める処理部を有している。前記複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している。前記複数の所定の位置に位置する前記複数のＦＢＧセンサ組のうち、第１のＦＢＧセンサ組に含まれる全てのＦＢＧセンサは所定の第１のピッチのグレーティングを有し、前記導光体の長手方向に沿って前記第１のＦＢＧセンサ組の隣に設けられた第２のＦＢＧセンサ組に含まれる全てのＦＢＧセンサは所定の第２のピッチのグレーティングを有する。前記第１のピッチは前記第２のピッチよりも短く、かつ、前記第１のピッチは、前記第２のピッチよりも短いピッチのグレーティングを持つＦＢＧセンサを有する全てのＦＢＧセンサ組のＦＢＧセンサのグレーティングのピッチよりも前記第２のピッチに近い。

図１に示されるように、導光体３０の末端には、反射防止部材３６が設けられるとよい。光分岐部１６は、ＦＢＧセンサから戻って来た光を分岐させて取り出して出力する。曲率センサはまた、光分岐部１６から出力される戻り光を検出する複数の光検出器３８ａを含む光検出部３８と、検出されたＦＢＧセンサからの戻り光のスペクトルの情報に基づいて導光体３０の曲がりを求める処理部４４を備えている。処理部４４はまた、光源部１２を駆動するＳＬＤドライバ４２と、分光部１４を制御する機能も有している。

（曲率半径と方向の計算方法）
ＦＢＧセンサ組が位置する導光体３０の部分が曲げられると、ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサは、導光体３０の曲がりに対して異なる伸び方をする。その結果、ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサは、異なるレスポンスを示す。すなわち、導光体３０の中心軸よりも外側に位置するコアは伸びるので、そのコアに形成されたＦＢＧセンサも同じように伸びるため、ＦＢＧセンサのピッチが大きくなる。その結果、ブラッグ波長は長くなる。つまり、そのＦＢＧセンサによって反射される光の波長が長くなる。反対に、導光体３０の中心軸よりも内側に位置するコアは縮むので、そのコアに形成されたＦＢＧも縮むため、ＦＢＧセンサのピッチが小さくなる。その結果、ブラッグ波長は短くなる。つまり、そのＦＢＧセンサによって反射される光の波長が短くなる。ＦＢＧセンサ組内の複数のＦＢＧセンサのブラッグ波長の変化を測定することによって、そのＦＢＧセンサ組が位置する導光体３０の部分がどの方向にどの程度曲げられているかを求めることができる。

従って、３個のＦＢＧセンサのひずみの差ε _１２ ，ε _１３ ，ε _２３ から、ｒ，αを求めることができることがわかる。

（光学系）
図１において、光源部１２から発せられる広帯域のスペクトルをもつ光は、分光部１４によって分光されて狭帯域のスペクトルをもつ光に変えられるともに波長掃引される。分光部１４からの光は、光分岐部１６によって分岐された後、導光体３０の３本のコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３に導入される。導光体３０によって導光された光は、ＦＢＧセンサ組によって反射された後、光分岐部１６にまで戻り、それぞれのコアＣ１，Ｃ２，Ｃ３からの戻り光が光分岐部１６から出力され、光検出部３８によって検出される。これにより、光スペクトル（波長に対する光強度のグラフ）が得られる。

Claims (10)

1. 複数のコアを含む細長く可撓性の導光体を備えており、前記導光体は、前記導光体の長さに沿って設けられた複数のＦＢＧセンサ組を有し、各ＦＢＧセンサ組は、各コアに設けられた複数のＦＢＧセンサを有し、各ＦＢＧセンサ組のＦＢＧセンサは、各コアの軸に沿った長さの少なくとも一部が重なっており、さらに、
   前記複数のコアによって導光される光を発する光源部と、
   各コアによって導光された光を検出する検出部と、
   検出された光スペクトルの情報に基づいて前記導光体の曲がりを求める処理部を備えており、
   前記複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している、曲率センサ。
2. 前記光源部からの光を前記複数のコアに分配する光分岐部をさらに備えており、
   前記検出部は、各コアによって導光された光を検出する複数の検出器を含んでいる、請求項１に記載の曲率センサ。
3. 前記複数のＦＢＧセンサ組はピッチ空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサは全てピッチが一致している、請求項１または２に記載の曲率センサ。
4. 前記複数のＦＢＧセンサ組のうちのいくつかのＦＢＧセンサ組は波長空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサはブラッグ波長が一致している、請求項１または２に記載の曲率センサ。
5. 前記複数のＦＢＧセンサ組は波長空間上において隣接して並んでおり、それらのＦＢＧセンサ組の各々に含まれるＦＢＧセンサはブラッグ波長が一致している、請求項４に記載の曲率センサ。
6. 前記導光体は、屈曲可能な長尺物体の長さに沿って設けられる、請求項１または２に記載の曲率センサ。
7. 前記複数のコアは、相対間隔を維持して前記導光体の長さに沿って延びており、前記長尺物体に対する前記導光体の回転を防止する回転防止機構を有している、請求項６に記載の曲率センサ。
8. 前記導光体は、内視鏡システムのスコープ部の挿入部の長さに沿って設けられる、請求項１または２に記載の曲率センサ。
9. 請求項１または２に記載の曲率センサを含む内視鏡システムであって、前記光源部と前記検出部のいずれかが、内視鏡システムに含まれるスコープ部の内部に配置されている、内視鏡システム。
10. 請求項１または２に記載の曲率センサを含む内視鏡システムであって、前記光源部と前記検出部が、内視鏡システムに含まれるスコープ部の内部に配置されている、内視鏡システム。

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