WO2013179860A1 - 光結合器および共焦点観察システム - Google Patents

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WO2013179860A1
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optical coupler
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light
transmittance
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俊明 山邉
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Hoya株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an optical coupler using an optical coupler, and further relates to a confocal observation system using the optical coupler.
  • Optical couplers are known as passive optical devices that demultiplex and multiplex light.
  • optical couplers are also used in confocal endoscope systems and the like in recent years.
  • a 2 ⁇ 2 port having a first port and a second port on the input side (output side) and a third port and a fourth port on the output side (input side)
  • WDM Widelength Division Multiplexing
  • the excitation light emitted from the laser light source enters the first port and exits from the third port, and the fluorescence of the subject by the emitted excitation light enters the third port, It is configured to be guided to the light receiving unit through the second port.
  • the excitation light having a wavelength of 488 nm incident from the first port is demultiplexed at a ratio of 90:10 to the third port and the fourth port, and is incident from the third port. It is designed so that light having a fluorescence peak wavelength of 515 nm is demultiplexed at a ratio of 0: 100 to the first port and the second port.
  • the transmittance when light entering from one input port is output from the output port changes sinusoidally with respect to the wavelength, and is complementary at the straight port and the cross port. (180 degrees out of phase). Therefore, in order to efficiently guide the excitation light to the scanning fiber side and to demultiplex the fluorescence mainly to the light receiving unit side, the peak of the transmittance to one port is preferably as much as possible. It is necessary to match the peak of transmittance to the other port to the peak wavelength of the fluorescence.
  • An object of the present invention is to efficiently acquire an optical signal over a wider bandwidth using a WDM optical coupler.
  • the optical coupler of the present invention is positioned as a cross port when the first port and the second port are used as an input end, and as a straight port when the second port is used as an input end.
  • a first WDM optical coupler including a port, a fifth port, a sixth port, and a straight port when the fifth port is an input end, and a cross port when the sixth port is an input end
  • a second WDM optical coupler including a seventh port that is positioned as a cross port when the fifth port is an input end and an eighth port that is positioned as a straight port when the sixth port is an input end.
  • the fourth port of the first WDM optical coupler and the fifth port of the second WDM optical coupler are optically connected, and the second port of the first WDM optical coupler and the second WD Eighth port type optical coupler is characterized in that it is optically connected.
  • the light having the first peak wavelength incident on the first port is emitted from the seventh port via the fourth and fifth ports
  • Light that includes a second peak wavelength that is longer than the first peak wavelength that is incident on the seventh port is transmitted from the sixth port directly or via the fifth, fourth, second, and eighth ports to the sixth port. It preferably has a transmittance characteristic such that it is emitted from
  • the transmittance cycle between the straight ports of the first WDM optical coupler and between the cross ports is twice the cycle of the transmittance between the straight ports of the second WDM optical coupler and between the cross ports.
  • the peak wavelength of the transmittance between the cross ports of the second WDM optical coupler is preferably substantially equal to the second peak wavelength
  • the transmittance between the cross ports of the first WDM optical coupler is, for example, It is preferably 80% or more with respect to the first peak wavelength.
  • the transmittance between the straight ports of the second WDM optical coupler reaches a peak at the first peak wavelength together with the transmittance between the cross ports of the first WDM optical coupler, and then between the straight ports of the first WDM optical coupler. It is preferable to reach the next peak together with the transmittance.
  • the transmittance characteristics of the first WDM optical coupler and the second WDM optical coupler are the same.
  • the peak wavelength of the transmittance between the cross ports of the first and second WDM optical couplers substantially coincides with the second peak wavelength, and the transmittance between the straight ports of the first and second WDM optical couplers.
  • the band of 50% or more and less than 100% preferably includes the first peak wavelength.
  • the first WDM optical coupler includes a third port positioned as a straight port when the first port is used as an input terminal, for example, and the third port is terminated, for example.
  • a confocal observation system of the present invention is a confocal observation system including the optical coupler, and the confocal observation system includes a light source that emits light having a first peak wavelength, and a photodetector.
  • the first port of the 1WDM optical coupler is optically connected to the light source
  • the sixth port of the second WDM optical coupler is optically connected to the photodetector
  • the light source is observed through the seventh port of the second WDM optical coupler.
  • the object is irradiated with the light, and the photodetector acquires return light having a second peak wavelength longer than the first peak wavelength from the observation object through the seventh port of the second WDM optical coupler. Yes.
  • the confocal observation system preferably includes scanning means for scanning the observation target with light having the first peak wavelength that has passed through the seventh port of the second WDM optical coupler in order to perform focus observation.
  • the light emitted from is used as excitation light, and the light acquired from the observation object is fluorescence by the excitation light.
  • the scanning confocal endoscope of the present invention is characterized by including the above-described confocal observation system.
  • an optical signal can be efficiently acquired over a wider bandwidth using a WDM optical coupler.
  • mold optical coupler which comprises the optical coupler of 1st Embodiment, and the spectral distribution of excitation light and fluorescence.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a confocal observation system using the optical coupler of the first embodiment of the present invention.
  • the confocal observation system 10 is, for example, a scanning confocal endoscope, and the light (for example, excitation light) from the light source 11 is passed through the optical coupler 12, the optical connector 13, and the SFE scanner 14.
  • the subject S is irradiated from the tip.
  • Reflected light (for example, fluorescence) from the subject S passes through the SFE scanner 14, the optical connector 13, and the optical coupler 12, and a light receiving unit (light detector) 15 such as a photomultiplier tube (PMT) in which an excitation light cut filter is disposed in the previous stage. Is detected.
  • a signal from the light receiving unit 15 is sent to the signal processing unit 16, and an image of the subject S generated by the signal processing unit 16 is displayed on the monitor 17.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the optical transmission system 20 of the present embodiment.
  • the optical coupler 12 of the present embodiment is configured by combining a first WDM optical coupler 18 and a second WDM optical coupler 19, and the first and second WDM optical couplers 18 and 19 have, for example, two inputs and two outputs.
  • a (2 ⁇ 2) WDM optical coupler is used.
  • the optical connector 13 is omitted.
  • the first WDM optical coupler 18 includes first to fourth ports.
  • the third port is positioned as a straight port when the first port is an input end, and is positioned as a cross port when the second port is an input end.
  • the fourth port is positioned as a cross port when the first port is an input end, and is positioned as a straight port when the second port is an input end.
  • the second WDM optical coupler 19 includes fifth to eighth ports.
  • the seventh port is positioned as a straight port when the fifth port is an input end, and is positioned as a cross port when the sixth port is an input end.
  • the eighth port is configured as a cross port when the fifth port is an input end, and is positioned as a straight port when the sixth port is an input end.
  • the fourth port P4 of the first WDM optical coupler 18 is optically connected to the fifth port P5 of the second WDM optical coupler 19, and the second port P2 of the first WDM optical coupler 18 is connected to the second WDM optical coupler 19.
  • the eighth port P8 is optically connected.
  • the third port P3 of the first WDM optical coupler 18 is terminated.
  • the first and second WDM optical couplers 18 and 19 function as one optical coupler 12 having the first port P1, the sixth port P6, and the seventh port P7 as input / output ports by being configured as described above. .
  • the optical connection between the ports is performed by fusion, for example.
  • the light source 11 is connected to the first port P1 of the optical coupler 12, and the light receiving unit 15 and the SFE scanner 14 are connected to the sixth port P6 and the seventh port P7, respectively.
  • the scanning confocal endoscope 10 of the present embodiment performs, for example, fluorescence observation of a living body.
  • the light source 11 a laser light source or an LED light source that emits excitation light that causes fluorescence of an observation target or a reagent is used. .
  • Excitation light from the light source 11 is input to the optical coupler 12 from the first port P1 and supplied to the SFE scanner 14 from the seventh port P7.
  • Excitation light supplied to the SFE scanner 14 is irradiated from the distal end of the endoscope insertion section toward an observation target to which a reagent is administered, for example, through a scanning fiber (not shown).
  • Fluorescence emitted from the surface of the observation object by the excitation light is input from the seventh port P7 to the optical coupler 12 through the scanning fiber of the SFE scanner 14, and is guided from the sixth port P6 to the light receiving unit 15.
  • the excitation light is, for example, laser light in the vicinity of 480 nm, and the light acquired from the observation target is, for example, fluorescence in the 500 to 600 nm band having a peak at 515 nm due to the excitation light.
  • the excitation light is, for example, laser light in the vicinity of 555 nm
  • the light acquired from the observation object is, for example, fluorescence in the 540 to 650 nm (700 nm) band having a peak at 585 nm due to the excitation light.
  • FIG. 9 shows the spectrum distribution at this time (corresponding to the fluorescence of rhodamine B).
  • the horizontal axis represents wavelength (nm) and the vertical axis represents an arbitrary unit (au) of light intensity.
  • the scanning fiber of the SFE scanner 14 is composed of, for example, a single optical fiber, and a scanning mechanism (not shown) using a piezoelectric element or the like is provided near the tip of the scanning fiber.
  • the scanning fiber irradiates excitation light while its own tip is bent up and down and left and right by a scanning mechanism, and obtains an object to be observed by acquiring the one that is focused on the tip out of the fluorescence that is return light.
  • the acquired fluorescence is detected by the light receiving unit 15 and synthesized by the subsequent signal processing unit 16. Thereby, a two-dimensional image of the observation object is acquired.
  • an excitation light cut filter is disposed in front of the light receiving unit 15. The excitation light cut filter effectively removes the excitation light component that causes noise in the light receiving unit 15.
  • the transmittance characteristics of the optical coupler 12 of the first embodiment and the operational effects in the optical coupler 12 will be described.
  • the first and second WDM optical couplers 18 and 19 those having the same transmittance characteristic or branching ratio characteristic are used.
  • FIG. 3 shows the transmittance characteristics of the first WDM optical coupler 18 and the second WDM optical coupler 19 having the same transmittance characteristics used in the first embodiment alone, and the excitation light and fluorescence spectra in the present embodiment. Distribution is shown.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light (nm)
  • the left vertical axis indicates the light transmittance (%)
  • the right vertical axis indicates the arbitrary unit (au) of the light intensity.
  • a curve S1 indicates the transmittance (%) between the straight ports of the first WDM optical coupler 18 and the second WDM optical coupler 19, and a curve C1 indicates the transmittance (%) between the cross ports.
  • the straight line L1 is the spectrum of the excitation light from the light source 11 input to the optical coupler 12, and the peak value is shown as 100 (au).
  • Curve L2 is the spectrum of the fluorescence input to the optical coupler 12, and the peak value is shown as 100 (au).
  • the transmittances S1 and C1 have complementary sine waveforms whose sum is 100%, and one is 180 ° out of phase with the other.
  • the transmittance characteristics of the first and second WDM optical couplers 18 and 19 of the present embodiment are set as follows. That is, for the fluorescence spectrum distribution L2, the peak wavelength of the transmittance C1 between the crossports is set to substantially match the peak wavelength of the spectrum distribution L2, and for the excitation light spectrum L1, it is straight.
  • a band of 50% or more and less than 100% of the transmittance S1 between ports is set so as to include the spectrum L1 (peak wavelength of excitation light).
  • the transmittance S1 between the straight ports is more preferably 50% with respect to the peak wavelength L1 of the excitation light.
  • FIG. 4 shows the transmittance characteristics of light from the first port P1 to the seventh port P7 (P1-P7) of the optical coupler 12 coupled with the first WDM optical coupler 18 and the second WDM optical coupler 19, and the seventh port.
  • the light transmittance characteristics from P7 to the sixth port P6 (P7-P6) are shown.
  • the horizontal axis indicates the wavelength of light (nm), and the left vertical axis indicates the light transmittance (%).
  • FIG. 4 shows spectral distributions L1 and L2 of excitation light and fluorescence, and an arbitrary unit (au) of light intensity is shown on the right vertical axis.
  • the eighth port of the light input from the fifth port P5 to the second WDM optical coupler 19 is used.
  • the light demultiplexed to P8 is input again to the first WDM optical coupler 18 through the second port P2.
  • part of the light demultiplexed to the fifth port P5 is the second port P2 of the first WDM optical coupler 18 and the second WDM optical coupler.
  • the signal is input again to the second WDM optical coupler 19 through the 19th eighth port P8.
  • the transmittance for the excitation light guided to the SFE scanner 14 from the first port P1 through the seventh port P7 is stabilized at about 40%. Focusing on the fluorescence input from the seventh port P7, the fluorescence component (fluorescence 1) in the band near the peak is output directly from the seventh port P7 to the sixth port P6. Also, most of the fluorescence component (fluorescence 2) demultiplexed to the fifth port P5 is re-input to the second WDM optical coupler 19 through the loop between the second port P2 and the eighth port P8, and the sixth port P6. Is output. As a result, as shown in FIG. 3, the light receiving unit 15 can acquire not only the peak wavelength band of the fluorescent component without leakage but also a wider band than when the WDM optical coupler is used alone. it can.
  • the first embodiment of the present invention it is possible to efficiently detect the fluorescence 2 that could not be obtained in the past, and the optical signal can be widened using a WDM optical coupler. It becomes possible to acquire efficiently over this.
  • optical transmission system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the optical transmission system of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except that WDM optical couplers having different transmittance characteristics are used for the first WDM optical coupler and the second WDM optical coupler of the optical coupler 12. is there. Therefore, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • FIG. 5 and 6 are graphs showing the transmittance characteristics of the first WDM optical coupler 18 and the second WDM optical coupler 19 in the second embodiment, and the spectral distributions L1 and L2 of excitation light and fluorescence, respectively.
  • the curve S2 in FIG. 5 is the transmittance (%) between the straight ports (P1-P3, P4-P2) of the first WDM optical coupler 18, and the curve C2 is between the cross ports (P1-P4) of the first WDM optical coupler 18.
  • 6 represents the transmittance (%) between the straight ports (P5-P7, P8-P6) of the second WDM optical coupler 19, and the curve C3 represents the second WDM optical coupler 19.
  • FIG. 7 shows the curves in FIGS. 5 and 6 in the same graph.
  • shaft in each graph shows is the same as that of FIG.
  • the cross port (P1-P1) is used to guide the pumping light input from the first port P1 to the fourth port P4 as much as possible.
  • the transmittance C2 is selected as the transmittance between P4).
  • the transmittance S2 is selected.
  • the branching rate between the ports P1 and P3 of the excitation light is 0 to 20% (that is, the branching rate between the ports P1 and P4 is 100 to 80%). At this time, the reflection component of the excitation light is hardly guided to the second port P2 even if it is input from the fourth port P4.
  • the straight port (as shown in FIG. 6) guides the pumping light input from the fifth port P5 to the seventh port P7 as much as possible.
  • the transmittance S3 is selected as the transmittance between P5 and P7).
  • the fluorescence 1 that is the fluorescence peak vicinity band component input from the SFE scanner 14 to the seventh port P7 is guided to the sixth port P6 without loss.
  • the transmittance C3 between the crossports (P7-P6) is selected.
  • the branching rate between the ports P5 and P7 of the excitation light is 100 to 80% (that is, the branching rate between the ports P5 and P8 is 0 to 20%).
  • the peak of the fluorescence input from the seventh port P7 is selected so as to substantially coincide with the peak of the transmittance C3 between the cross ports (P7-P6) of the second WDM optical coupler 19. At this time, the reflection component of the excitation light is hardly guided to the sixth port P6 even if it is input from the seventh port P7.
  • the periods of the transmittances S ⁇ b> 2 and C ⁇ b> 2 between the straight ports and the cross ports of the first WDM optical coupler 18 are the same as those of the second WDM optical coupler 19. It is set to a value (for example, an integer of 2 or more) that is approximately twice or more the cycle of the transmittances S3 and C3 between the straight ports and between the cross ports. In the present embodiment, a double is assumed.
  • FIG. 8 shows the transmittance characteristics of light from the first port P1 to the seventh port P7 (P1-P7) and the seventh port P7 to the sixth port P6 (P7-P6) of the optical coupler 12 of the second embodiment.
  • the horizontal axis indicates the light wavelength (nm), and the left vertical axis indicates the light transmittance (%).
  • FIG. 8 also shows excitation light and fluorescence spectral distributions L1 and L2, and the right vertical axis shows an arbitrary unit (au) of light intensity.
  • the transmittance between the ports has the relationship shown in FIG. Specifically, the transmittance C2 between the cross ports of the first WDM type optical coupler 18 and the transmittance S3 between the straight ports of the second WDM type optical coupler 19 reach a peak in the vicinity of 480 nm which is the peak wavelength of the pumping light. Become. Further, the peak at which the transmittance S3 reaches next after the vicinity of 480 nm is substantially the same wavelength region as that of the straight port S2 of the first WDM optical coupler 18 (in the present embodiment, the vicinity of 540 nm).
  • the transmittance between the ports P1 and P7 of the optical coupler 12 is a curve T3, and the transmittance between the ports P7 and P6 is a curve T4. That is, in the second embodiment, the transmittance T3 between the ports P1 and P7 exhibits a narrowband transmittance distribution having a high transmittance only in the vicinity of the peak wavelength of the excitation light. Further, as described above, the transmittance T3 between the ports P7 and P6 extends over a wide band substantially including the entire fluorescence band by making the peak of the transmittance S3 and the peak of the transmittance S2 approximately coincide with each other in a predetermined wavelength range. Exhibit a transmittance distribution showing a high transmittance.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained, the transmittance distribution in a narrow band with respect to the irradiation light, and the wide band with respect to the return light.
  • An optical coupler having a transmittance distribution can be configured.
  • laser light having an emission line spectrum is described as an example of irradiation light (excitation light).
  • excitation light light having a narrow-band continuous spectrum distribution using an LED or the like is irradiated with light (excitation light). It can also be applied when used as light.
  • the explanation has been made by taking fluorescence as an example of the return light, but the return light is not limited to the fluorescence. That is, the present invention can also be applied to a case where light having a peak wavelength ⁇ 1 is used as irradiation light and reflected light having a peak wavelength ⁇ 2 ( ⁇ ⁇ 1) is detected as return light.
  • the transmittance between the straight port and the cross port of two WDM optical couplers is selected according to the peak wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 of the irradiation light and return light, the return light can be efficiently transmitted over a wide band. Can be obtained.
  • the optical transmission system of the present invention can be used for other uses such as a microscope in addition to an endoscope.
  • the scanning confocal endoscope the observation object is scanned by moving the fiber.
  • the scanning confocal endoscope is used for a microscope or the like, the scanning can be performed by moving the sample side.
  • a 2 ⁇ 2 WDM optical coupler is used, but a 2-input, 1-output coupler can be used as the first WDM optical coupler, and the number of input / output ports is as follows. It is not limited to this embodiment.

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Abstract

第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第４ポートＰ４と第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第５ポートＰ５を光学的に接続し、第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第２ポートＰ２と第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第８ポートＰ８を光学的に接続する。第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第１ポートＰ１に励起光を照射する光源１１を接続し、第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第６ポートＰ６に受光部（光検出器）１５を接続する。第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第７ポートＰ７を通して観察対象物に励起光を照射し、観察対象物からの蛍光を第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第７ポートＰ７を通して取得し、入力された蛍光を受光部１５で検出する。

Description

光結合器および共焦点観察システム
　本発明は、光カプラを用いた光結合器に関し、更にこの光結合器を用いた共焦点観察システムに関する。
　光を分波・合波する受動光デバイスとして光カプラ（光ファイバカプラ）が知られている。光カプラは光ファイバ通信に用いられる他、近年では共焦点内視鏡システムなどにおいても利用される。例えば励起光を用いた共焦点内視鏡システムとして、入力側（出力側）として第１ポート、第２ポート、出力側（入力側）として第３ポート、第４ポートを備えた２×２のＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重方式)型光カプラを用いる構成が知られている（特許文献１）。この共焦点内視鏡システムでは、レーザ光源から照射された励起光を第１ポートに入射するとともに第３ポートから射出し、射出された励起光による被写体の蛍光が第３ポートへ入射して、第２ポートを通して受光ユニットへ導かれるよう構成されている。また、この光カプラでは、理想的には、第１ポートから入射される波長４８８ｎｍの励起光が第３ポート、第４ポートに９０：１０の割合で分波され、第３ポートから入射される蛍光のピーク波長５１５ｎｍの光が第１ポート、第２ポートに０：１００の割合で分波されるように設計されている。
特開２０１０－２６２１４９号公報
　２×２のＷＤＭ型光カプラにおいて、１つの入力側ポートから入った光が出力側ポートから出力される際の透過率は、波長に対して正弦的に変化し、ストレートポート、クロスポートにおいて相補的である（１８０度位相がずれている）。したがって、励起光を効率よくスキャニング・ファイバ側へ導き、かつ蛍光が主に受光ユニット側へ分波されるようにするには、一方のポートへの透過率のピークをなるべく励起光（略単一波長）の波長に合わせ、他方のポートへの透過率のピークを略蛍光のピーク波長に合わせる必要がある。しかし、蛍光のスペクトルの広がりは、一般に励起光の波長と蛍光のピーク波長の差よりも広いので、スペクトルの裾野部分の帯域に含まれる蛍光の多くは、レーザ光源が接続された第１ポート側へも分波されてしまう。
　つまり、上記特許文献１に記載の共焦点を用いた走査型内視鏡（SFE:Scanning (Single Fiber) Endoscope）において、蛍光スペクトルのピーク波長近傍の成分のみではなく、裾野部分の帯域成分を効率よく検出できることが望まれている。また、上述のような従来の構成では、取得蛍光波長ピークを限定するため、蛍光ピーク波長が少しずれると蛍光の取得効率の著しい低下を招いたり、蛍光試薬の種類毎に光カプラの変更が必要となったりする。
　本発明は、ＷＤＭ型光カプラを用いて、光信号をより広い帯域幅に亘って効率的に取得することを課題としている。
　本発明の光結合器は、第１ポートおよび第２ポートと、第１ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置し、第２ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する第４ポートとを備える第１ＷＤＭ型光カプラと、第５ポートおよび第６ポートと、第５ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置し、第６ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置する第７ポートと、第５ポートを入力端とする場合にクロスポートとして位置し、第６ポートを入力端とする場合にストレートポートとして位置する第８ポートとを備える第２ＷＤＭ型光カプラとを備え、第１ＷＤＭ型光カプラの第４ポートと第２ＷＤＭ型光カプラの第５ポートが光学的に接続され、第１ＷＤＭ型光カプラの第２ポートと第２ＷＤＭ型光カプラの第８ポートが光学的に接続されたことを特徴としている。
　第１ＷＤＭ型光カプラと第２ＷＤＭ型光カプラは、互いに、第１ポートに入射した第１のピーク波長をもつ光が、第４、第５の各ポートを介して第７ポートから射出され、第７ポートに入射した第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を含む光が、直接第６ポートから、または第５、第４、第２、第８の各ポートを介して第６ポートから射出されるような透過率特性を有することが好ましい。
　例えば第１ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間、クロスポート間の透過率の周期が第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間、クロスポート間の透過率の周期の２倍である。このとき、第２ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率のピーク波長が、第２ピーク波長に実質的に一致することが好ましく、また第１ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率は、例えば第１のピーク波長に対して８０％以上であることが好ましい。更に第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率は、第１ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率とともに第１のピーク波長においてピークを迎えた後、該第１ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率とともに次のピークを迎えることが好ましい。
　また例えば、第１ＷＤＭ型光カプラと第２ＷＤＭ型光カプラの透過率特性は同一である。このとき第１および第２ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率のピーク波長が、第２ピーク波長に略一致することが好ましく、第１および第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率の５０％以上、１００％未満の帯域が、第１ピーク波長を含むことが好ましい。
　また、第１ＷＤＭ型光カプラは、例えば第１ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する第３ポートを備え、該第３ポートは例えば終端処理される。
　本発明の共焦点観察システムは、上記光結合器を備える共焦点観察システムであって、共焦点観察システムは、第１ピーク波長を有する光を照射する光源と、光検出器とを備え、第１ＷＤＭ型光カプラの第１ポートが光源に光学的に接続され、第２ＷＤＭ型光カプラの第６ポートが光検出器に光学的に接続され、光源が第２ＷＤＭ型光カプラの第７ポートを通して観察対象物に前記光を照射し、光検出器が観察対象物からの第１ピーク波長よりも長い第２ピーク波長を有する戻り光を第２ＷＤＭ型光カプラの第７ポートを通して取得することを特徴としている。
　共焦点観察システムは、焦点観察を行うために、第２ＷＤＭ型光カプラの第７ポートを通した第１ピーク波長を有する光を観察対象上で走査させる走査手段を備ることが好ましく、例えば光源から照射される光は励起光として用いられ、観察対象物から取得される光はこの励起光による蛍光である。
　本発明の走査型共焦点内視鏡は、上記の共焦点観察システムを備えたことを特徴としている。
　本発明によれば、ＷＤＭ型光カプラを用いて、光信号をより広い帯域幅に亘って効率的に取得することができる。
本実施形態の共焦点観察システムを適用した走査型共焦点内視鏡の構成を示すブロック図である。 本実施形態の共焦点観察システムで用いられる光伝送システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の光結合器を構成する第１、第２ＷＤＭ型光カプラの透過率特性および励起光、蛍光の分光分布を示すグラフである。 第１実施形態の光結合器における第１ポート、第７ポート間の透過率および第７ポート、第６ポート間の透過率と、励起光および蛍光の分光分布の関係を示すグラフである。 第２実施形態の光結合器を構成する第１ＷＤＭ型光カプラの透過率特性および励起光、蛍光の分光分布を示すグラフである。 第２実施形態の光結合器を構成する第２ＷＤＭ型光カプラの透過率特性および励起光、蛍光の分光分布を示すグラフである。 第２実施形態における第１、第２ＷＤＭ型光カプラの透過率の関係を示すグラフである。 第２実施形態の光結合器における第１ポート、第７ポート間の透過率および第７ポート、第６ポート間の透過率と、励起光および蛍光の分光分布の関係を示すグラフである。 ５５５ｎｍのレーザ光に対して観察対象物の蛍光のスペクトル分布を例示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態の光結合器を用いた共焦点観察システムの構成を示すブロック図である。
　本実施形態において共焦点観察システム１０は、例えば走査型共焦点内視鏡であり、光源１１からの光（例えば励起光）を光結合器１２、光コネクタ１３、ＳＦＥスキャナ１４を通して内視鏡の先端から被写体Ｓに照射する。被写体Ｓからの反射光（例えば蛍光）はＳＦＥスキャナ１４、光コネクタ１３、光結合器１２を通して励起光カットフィルタを前段に配置した光増倍管（ＰＭＴ）などの受光部（光検出器）１５において検出される。受光部１５からの信号は信号処理部１６に送られ、信号処理部１６において生成された被写体Ｓの画像がモニタ１７に表示される。
　図２は、本実施形態の光伝送システム２０の構成を示すブロック図である。本実施形態の光結合器１２は、第１ＷＤＭ型光カプラ１８、第２ＷＤＭ型光カプラ１９を結合して構成され、第１、第２ＷＤＭ型光カプラ１８、１９には、例えば２入力、２出力（２×２）のＷＤＭ型光カプラが用いられる。なお、図２においては、光コネクタ１３は省略されている。
　第１ＷＤＭ型光カプラ１８は、第１～第４ポートを備える。第３ポートは、第１ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置し、第２ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置する。また第４ポートは、第１ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置し、第２ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する。
　また第２ＷＤＭ型光カプラ１９は、第５～第８ポートを備える。第７ポートは、第５ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置し、第６ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置する。また第８ポートは、第５ポートを入力端とした場合にクロスポートとして構成され、第６ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する。
　第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第４ポートＰ４は、第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第５ポートＰ５に光学的に接続され、第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第２ポートＰ２は、第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第８ポートＰ８に光学的に接続される。また本実施形態においては第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第３ポートＰ３は終端処理される。第１、第２ＷＤＭ型光カプラ１８、１９は、以上のように構成することにより第１ポートＰ１、第６ポートＰ６、第７ポートＰ７を入出力ポートとする１つの光結合器１２として機能する。なお、上記各ポート間の光学的な接続は例えば融着によって行われる。
　また本実施形態において、光結合器１２の第１ポートＰ１には光源１１が接続され、第６ポートＰ６、第７ポートＰ７には、それぞれ受光部１５、ＳＦＥスキャナ１４が接続される。本実施形態の走査型共焦点内視鏡１０は、例えば生体の蛍光観察を行うものであり、光源１１としては観察対象や試薬の蛍光を引き起こす励起光を照射するレーザ光源またはＬＥＤ光源が用いられる。
　光源１１からの励起光は、第１ポートＰ１から光結合器１２に入力され、第７ポートＰ７からＳＦＥスキャナ１４へと供給される。ＳＦＥスキャナ１４へ供給された励起光は、スキャニング・ファイバ（図示せず）を通して内視鏡挿入部の先端から例えば試薬が投与された観察対象に向けて照射される。励起光により観察対象物表面から発せられる蛍光はＳＦＥスキャナ１４のスキャニング・ファイバを通して第７ポートＰ７から光結合器１２へ入力され、第６ポートＰ６から受光部１５へと導光される。なお、励起光は例えば４８０ｎｍ近傍のレーザ光であり、観察対象物から取得される光は例えば励起光による５１５ｎｍにピークをもつ５００～６００ｎｍ帯の蛍光である。
　また、励起光は例えば５５５ｎｍ近傍のレーザ光であり、観察対象物から取得される光は例えば励起光による５８５ｎｍにピークをもつ５４０～６５０ｎｍ（７００ｎｍ）帯の蛍光である。図９にこのときのスペクトル分布を示す（ローダミンＢの蛍光に対応）。なお図９において横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光の強度の任意単位（ａｕ）である。
　ＳＦＥスキャナ１４のスキャニング・ファイバは、例えば単一の光ファイバから構成され、その先端近傍には圧電素子などを用いた走査機構（図示せず）が設けられる。スキャニング・ファイバは自身の先端を走査機構によって上下左右に撓められながら励起光を照射するとともに、戻り光である蛍光のうち、該先端に焦点を結ぶものを取得することで観察対象物を２次元的に走査する。取得された蛍光は、受光部１５で検出されて後段の信号処理部１６で合成処理される。これにより、観察対象物の２次元画像が取得される。なお、受光部１５の前段には励起光カットフィルタが配設されている。励起光カットフィルタは、受光部１５においてノイズの原因となる励起光成分を効果的に除去している。
　次に図３、図４を参照して、第１実施形態の光結合器１２の透過率特性、および光結合器１２内における作用効果について説明する。なお第１実施形態では、第１、第２ＷＤＭ型光カプラ１８、１９として、互いに透過率特性または分岐比特性が同じものが用いられる。
　図３には、第１実施形態で用いられる同一の透過率特性を有する第１ＷＤＭ型光カプラ１８、第２ＷＤＭ型光カプラ１９単独での透過率特性、および本実施形態における励起光、蛍光の分光分布が示される。なお図３のグラフにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、左縦軸は光の透過率（％）、右縦軸は光の強度の任意単位（ａｕ）を示す。
　図３において、曲線Ｓ１は第１ＷＤＭ型光カプラ１８、第２ＷＤＭ型光カプラ１９のストレートポート間の透過率（％）を示し、曲線Ｃ１はクロスポート間の透過率（％）を示す。直線Ｌ１は、光結合器１２に入力される光源１１からの励起光のスペクトルであり、そのピーク値が１００（ａｕ）として示される。また、曲線Ｌ２は光結合器１２に入力される蛍光のスペクトルであり、そのピーク値が１００（ａｕ）として示される。
　透過率Ｓ１、Ｃ１は、その和が１００％となる相補的な正弦波形を呈し、一方は他方に対して１８０°位相がずれている。本実施形態の第１、第２ＷＤＭ型光カプラ１８、１９の透過率特性は、以下のように設定される。すなわち、蛍光のスペクトル分布Ｌ２に対しては、クロスポート間の透過率Ｃ１のピーク波長が、スペクトル分布Ｌ２のピーク波長に略一致するように設定され、励起光のスペクトルＬ１に対しては、ストレートポート間の透過率Ｓ１の５０％以上、１００％未満の帯域が、スペクトルＬ１（励起光のピーク波長）を含むように設定される。なお、ストレートポート間の透過率Ｓ１は、励起光のピーク波長Ｌ１に対して５０％となることがより好ましい。
　図４は、第１ＷＤＭ型光カプラ１８、第２ＷＤＭ型光カプラ１９を結合した光結合器１２の第１ポートＰ１から第７ポートＰ７（Ｐ１－Ｐ７）への光の透過率特性および第７ポートＰ７から第６ポートＰ６（Ｐ７－Ｐ６）への光の透過率特性を示すもので、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、左縦軸は光の透過率（％）を示す。また、図３と同様に図４には励起光、蛍光の分光分布Ｌ１、Ｌ２が示され、右縦軸に光強度の任意単位（ａｕ）が示される。
　本実施形態では、第２ポートＰ２が第８ポートＰ８へ光学的に接続されてループを形成しているため、第５ポートＰ５から第２ＷＤＭ型光カプラ１９に入力された光のうち第８ポートＰ８に分波された光は第２ポートＰ２を通して第１ＷＤＭ型光カプラ１８に再び入力される。また第７ポートＰ７から第２ＷＤＭ型光カプラ１９に入力された光のうち第５ポートＰ５に分波された光の一部は第１ＷＤＭ型光カプラ１８の第２ポートＰ２、第２ＷＤＭ型光カプラ１９の第８ポートＰ８を通して第２ＷＤＭ型光カプラ１９へ再び入力される。これにより、光結合器１２のポートＰ１－Ｐ７間の透過率は曲線Ｔ１となり、ポートＰ７－Ｐ６間の透過率は曲線Ｔ２となる。
　すなわち、本実施形態の光結合器１２を用いた場合、第１ポートＰ１から第７ポートＰ７を経てＳＦＥスキャナ１４に導かれる励起光に対する透過率は４０％程度で安定する。第７ポートＰ７から入力された蛍光に着目すると、ピーク近傍の帯域の蛍光成分（蛍光１）は第７ポートＰ７から直接第６ポートＰ６へと出力される。また、第５ポートＰ５へ分波された蛍光成分（蛍光２）の多くは第２ポートＰ２、第８ポートＰ８間のループを介して第２ＷＤＭ型光カプラ１９に再入力され、第６ポートＰ６へと出力される。これにより、図３に示すように、受光部１５では、蛍光成分のうち、ピーク波長帯域を略漏れなく取得できるだけでなく、ＷＤＭ型光カプラを単独で用いるときよりも広い帯域を取得することができる。
　以上のように本発明の第１実施形態によれば、従来取得不能であった蛍光２も効率よく検出することが可能になり、ＷＤＭ型光カプラを用いて、光信号をより広い帯域幅に亘って効率的に取得することが可能になる。また、本実施形態によれば、蛍光ピークの波長が多少ずれても蛍光の取得効率の低下を防止できるため、幅広い蛍光試薬への対応が可能となる。
　次に、図５～図８を参照して、本発明の第２実施形態の光伝送システムについて説明する。第２実施形態の光伝送システムは、光結合器１２の第１ＷＤＭ型光カプラと第２ＷＤＭ型光カプラに互いに異なる透過率特性を有するＷＤＭ型光カプラを用いる点以外、第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と同様の構成については、同一参照符号を用いその説明を省略する。
　図５、図６は、それぞれ第２実施形態における第１ＷＤＭ型光カプラ１８、第２ＷＤＭ型光カプラ１９の透過率特性、および励起光、蛍光の分光分布Ｌ１、Ｌ２を示すグラフである。図５の曲線Ｓ２は第１ＷＤＭ型光カプラ１８のストレートポート（Ｐ１－Ｐ３、Ｐ４－Ｐ２）間の透過率（％）、曲線Ｃ２は第１ＷＤＭ型光カプラ１８のクロスポート（Ｐ１－Ｐ４）間の透過率（％）を示し、図６の曲線Ｓ３は第２ＷＤＭ型光カプラ１９のストレートポート（Ｐ５－Ｐ７、Ｐ８－Ｐ６）間の透過率（％）、曲線Ｃ３は第２ＷＤＭ型光カプラ１９のクロスポート（Ｐ５－Ｐ８、Ｐ７－Ｐ６）間の透過率（％）を示す。また、図７は図５、図６の各曲線を同一グラフに示したものである。なお各グラフにおける各軸が示す物理量は図３、４と同様である。
　図５に示されるように、第２実施形態の第１ＷＤＭ型光カプラ１８では、第１ポートＰ１から入力された励起光を可能な限り第４ポートＰ４へ導光するようにクロスポート（Ｐ１－Ｐ４）間の透過率として透過率Ｃ２が選択される。また、第２実施形態の第１ＷＤＭ型光カプラ１８では透過率、第４ポートＰ４から入力される蛍光２をなるべく損失なく第２ポートＰ２へ導光するようにストレートポート（Ｐ４－Ｐ２）間の透過率Ｓ２が選択される。例えば励起光のポートＰ１－Ｐ３間の分岐率は０～２０％（つまり、ポートＰ１－Ｐ４間の分岐率は１００～８０％）とされる。なお、このとき励起光の反射成分は第４ポートＰ４から入力されても第２ポートＰ２へは殆ど導光されない。
　一方、図６に示されるように、第２実施形態の第２ＷＤＭ型光カプラ１９では、第５ポートＰ５から入力された励起光を可能な限り第７ポートＰ７へ導光するようにストレートポート（Ｐ５－Ｐ７）間の透過率として透過率Ｓ３が選択される。また、第２実施形態の第２ＷＤＭ型光カプラ１９では、ＳＦＥスキャナ１４から第７ポートＰ７へ入力される蛍光のピーク近傍帯域成分である蛍光１を損失なく第６ポートＰ６へ導光するようにクロスポート（Ｐ７－Ｐ６）間の透過率Ｃ３が選択される。例えば励起光のポートＰ５－Ｐ７間の分岐率は１００～８０％（つまり、ポートＰ５－Ｐ８間の分岐率は０～２０％）とされる。また、第７ポートＰ７から入力される蛍光のピークが、第２ＷＤＭ型光カプラ１９のクロスポート（Ｐ７－Ｐ６）間の透過率Ｃ３のピークと略一致するように選択される。なお、このとき励起光の反射成分は第７ポートＰ７から入力されても第６ポートＰ６へは殆ど導光されない。
　また図５、図６に示されるように、第２実施形態において、例えば第１ＷＤＭ型光カプラ１８のストレートポート間、クロスポート間の透過率Ｓ２、Ｃ２の周期は、第２ＷＤＭ型光カプラ１９のストレートポート間、クロスポート間の透過率Ｓ３、Ｃ３の周期の略２倍以上の値（例えば２以上の整数）に設定される。本実施形態では、２倍を想定している。
　図８は、第２実施形態の光結合器１２の第１ポートＰ１から第７ポートＰ７（Ｐ１－Ｐ７）への光の透過率特性および第７ポートＰ７から第６ポートＰ６（Ｐ７－Ｐ６）への光の透過率特性を示すもので、横軸は光の波長（ｎｍ）を示し、左縦軸は光の透過率（％）を示す。また、図５～７と同様に図８には励起光、蛍光の分光分布Ｌ１、Ｌ２も示され、右縦軸に光強度の任意単位（ａｕ）が示される。
　各光カプラ１８、１９の透過率の関係を上記のように設定すると、各ポート間の透過率は、図７に示す関係をもつ。具体的には、第１ＷＤＭ型光カプラ１８のクロスポート間の透過率Ｃ２と第２ＷＤＭ型光カプラ１９のストレートポート間の透過率Ｓ３は、互いに励起光のピーク波長である４８０ｎｍ近傍にてピークとなる。さらに、透過率Ｓ３が４８０ｎｍ近傍の次に迎えるピークは、第１ＷＤＭ型光カプラ１８のストレートポートＳ２のピークと略同一の波長域（本実施形態では５４０ｎｍ近傍）となる。
　従って、図８に示されるように、第２実施形態では、光結合器１２のポートＰ１－Ｐ７間の透過率は曲線Ｔ３となり、ポートＰ７－Ｐ６間の透過率は曲線Ｔ４となる。すなわち第２実施形態において、ポートＰ１－Ｐ７間の透過率Ｔ３は、励起光のピーク波長近傍においてのみ透過率が高い狭帯域の透過率分布を呈する。また、上述した通り、透過率Ｓ３のピークと透過率Ｓ２のピークが所定波長域で略一致させることにより、ポートＰ７－Ｐ６間の透過率Ｔ４は、蛍光の帯域全体を略含む広い帯域に亘って高い透過率を示す透過率分布を呈する。
　以上のように、本発明の第２実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、照射光に対して狭い帯域の透過率分布、かつ戻り光に対して広い帯域の透過率分布を有する光結合器を構成することができる。
　なお、本実施形態では、照射光（励起光）として輝線スペクトルを有するレーザ光を例に説明したが、本実施形態はＬＥＤなどを用いた狭帯域の連続スペクトル分布を有する光を照射光（励起光）として用いる場合にも適用できる。また、本実施形態では戻り光として蛍光を例に説明を行ったが、戻り光としては蛍光に限定されるものではない。すなわちピーク波長λ１の光を照射光とし、ピーク波長λ２（≠λ１）の反射光を戻り光として検出する場合にも適用できる。照射光、戻り光のピーク波長λ１、λ２に合わせて、本実施形態のように２つのＷＤＭ型光カプラのストレートポート、クロスポート間の透過率を選択すれば、戻り光を広帯域に亘り効率的に取得することが可能となる。
　なお、本発明の光伝送システムは、内視鏡の他、顕微鏡など他の用途にも用いられる。また、走査型共焦点内視鏡では、ファイバを移動して観察対象を走査したが、顕微鏡などに利用する場合には、試料側を移動して走査する構成とすることもできる。
　本実施形態では、入出力が２×２のＷＤＭ型光カプラが用いられたが、第１ＷＤＭ型光カプラとして２入力、１出力のカプラを用いることも可能であり、また入出力ポートの数は本実施形態に限定されない。
［符号の説明］
　１０　共焦点観察システム
　１１　光源
　１２　光結合器
　１４　ＳＦＥスキャナ
　１５　受光部（光検出器）
　１８　第１ＷＤＭ型光カプラ
　１９　第２ＷＤＭ型光カプラ
 

Claims (14)

  1. 　第１ポートおよび第２ポートと、前記第１ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置し、前記第２ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する第４ポートとを備える第１ＷＤＭ型光カプラと、
    　第５ポートおよび第６ポートと、前記第５ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置し、前記第６ポートを入力端とした場合にクロスポートとして位置する第７ポートと、前記第５ポートを入力端とする場合にクロスポートとして位置し、前記第６ポートを入力端とする場合にストレートポートとして位置する第８ポートとを備える第２ＷＤＭ型光カプラとを備え、
    　前記第１ＷＤＭ型光カプラの第４ポートと前記第２ＷＤＭ型光カプラの第５ポートが光学的に接続され、前記第１ＷＤＭ型光カプラの第２ポートと前記第２ＷＤＭ型光カプラの第８ポートが光学的に接続される
    　ことを特徴とする光結合器。
  2. 　前記第１ＷＤＭ型光カプラと前記第２ＷＤＭ型光カプラは、互いに、
    　第１ポートに入射した第１のピーク波長をもつ光は、第４、第５の各ポートを介して第７ポートから射出され、
    　第７ポートに入射した第１のピーク波長よりも長い第２のピーク波長を含む光は、直接第６ポートから、または第５、第４、第２、第８の各ポートを介して第６ポートから射出されるような透過率特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光結合器。
  3. 　前記第１ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間、クロスポート間の透過率の周期が前記第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間、クロスポート間の透過率の周期の２倍であることを特徴とする請求項２に記載の光結合器。
  4. 　前記第２ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率のピーク波長が、前記第２ピーク波長に実質的に一致することを特徴とする請求項３に記載の光結合器。
  5. 　前記第１ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率が、前記第１のピーク波長に対して８０％以上であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の光結合器。
  6. 　前記第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率は、前記第１ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率とともに前記第１のピーク波長においてピークを迎えた後、該第１ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率とともに次のピークを迎えることを特徴とする請求項３から請求項５の何れかに記載の光結合器。
  7. 　前記第１ＷＤＭ型光カプラと前記第２ＷＤＭ型光カプラの透過率特性が同一であることを特徴とする請求項２に記載の光結合器。
  8. 　前記第１および第２ＷＤＭ型光カプラのクロスポート間の透過率のピーク波長が、前記第２ピーク波長に略一致することを特徴とする請求項７に記載の光結合器。
  9. 　前記第１および第２ＷＤＭ型光カプラのストレートポート間の透過率の５０％以上、１００％未満の帯域が、前記第１ピーク波長を含むことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の光結合器。
  10. 　前記第１ＷＤＭ型光カプラは、前記第１ポートを入力端とした場合にストレートポートとして位置する第３ポートを備え、該第３ポートが終端処理されることを特徴とする請求項１から請求項９の何れか一項に記載の光結合器。
  11. 　請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の光結合器を備える共焦点観察システムであって、
    　前記共焦点観察システムは、第１ピーク波長を有する光を照射する光源と、光検出器とを備え、
    　前記第１ＷＤＭ型光カプラの第１ポートは前記光源に光学的に接続され、
    　前記第２ＷＤＭ型光カプラの第６ポートは前記光検出器に光学的に接続され、
    　前記光源は前記第２ＷＤＭ型光カプラの第７ポートを通して観察対象物に前記光を照射し、
    　前記光検出器は前記観察対象物からの前記第１ピーク波長よりも長い第２ピーク波長を有する戻り光を前記第２ＷＤＭ型光カプラの前記第７ポートを通して取得することを特徴とする共焦点観察システム。
  12. 　共焦点観察を行うために、前記第２ＷＤＭ型光カプラの前記第７ポートを通した前記第１ピーク波長を有する光を前記観察対象上で走査させる走査手段を備えることを特徴とする請求項１１の何れか一項に記載の共焦点観察システム。
  13. 　前記光源から照射される光が励起光として用いられ、前記観察対象物から取得される光が前記励起光による蛍光であることを特徴とする請求項１１または請求項１２の何れか一項に記載の共焦点観察システム。
  14. 　請求項１１～１３の何れか一項に記載の共焦点観察システムを備えることを特徴とする走査型共焦点内視鏡。
     
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