WO2017203786A1 - 光信号送信モジュール - Google Patents

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WO2017203786A1
WO2017203786A1 PCT/JP2017/008244 JP2017008244W WO2017203786A1 WO 2017203786 A1 WO2017203786 A1 WO 2017203786A1 JP 2017008244 W JP2017008244 W JP 2017008244W WO 2017203786 A1 WO2017203786 A1 WO 2017203786A1
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optical
lens
light
optical signal
transmission module
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PCT/JP2017/008244
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Inventor
英明 木内
宮崎　靖浩
勉 浦川
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オリンパス株式会社
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/05—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances characterised by the image sensor, e.g. camera, being in the distal end portion
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    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G—PHYSICS
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    • G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
    • G02B23/26—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes using light guides
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal transmission module that converts an electrical signal into an optical signal and transmits the optical signal.
  • transmission (transmission) of the imaging signal acquired by the imaging device is performed by optical signal transmission via a thin optical fiber instead of electrical signal transmission via a metal wiring.
  • an optical signal transmission module In order to perform such optical signal transmission, an optical signal transmission module generally has a light emitting element such as a laser diode (LD) as a light source for converting an electric signal into an optical signal, and an optical fiber is connected to the light emitting element.
  • the main portion is configured by optically connecting the end portions of these through a ferrule or the like.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-29647 corresponds to light emitted from each light emitting element. After collimating with each internal lens, a technique for guiding to an optical fiber via an optical parallel and external lens is disclosed.
  • holding the optical fiber using a dedicated part such as a ferrule as described above may increase the number of parts and increase the rigid length of the distal end portion of the endoscope.
  • each optical element is held via a dedicated holder or the like, and therefore requires a larger number of parts. Is difficult to apply as it is to the distal end portion of an endoscope that is required to be downsized.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and provides an optical signal transmission module capable of accurately entering optical signals emitted from a plurality of light emitting elements into an optical fiber with a simple configuration. Objective.
  • An optical signal transmission module includes a plurality of light-emitting elements that convert an electrical signal into an optical signal and emit light of the optical signal, an optical fiber that transmits the optical signal, and the plurality of light-emitting elements.
  • An optical coupling unit that converts the optical axis of light emitted from the element and guides it to the end face of the optical fiber, a mounting portion for mounting the light emitting element, and an optical element that constitutes the optical coupling unit
  • the optical element holding portion and a mounting substrate made of a modified substrate integrally formed with a fixing portion for fixing the optical fiber.
  • FIG. 1 The perspective view of an endoscope according to the first embodiment of the present invention.
  • functional block diagram showing transmission system of video signal in endoscope system Same as above, cross section of the main part of the optical signal transmission module Same as above, exploded perspective view showing the main part of the optical signal transmission module
  • the perspective view which shows the principal part of an optical signal transmission module same as the above.
  • an explanatory diagram showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit The perspective view which shows the principal part of the optical signal transmission module concerning the 2nd Embodiment of this invention.
  • the perspective view which shows the mounting substrate which mounted each LD same as the above.
  • an explanatory diagram showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the behavior of an optical signal in the optical coupling unit according to the first modification.
  • the perspective view which shows the principal part of the optical signal transmission module concerning the 3rd Embodiment of this invention.
  • an explanatory diagram showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating the behavior of an optical signal in the optical coupling unit according to the first modification.
  • FIG. 1 is a perspective view of an endoscope
  • FIG. 2 is a functional block diagram showing a video signal transmission system in the endoscope system
  • FIG. 3 is an optical signal transmission module.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view showing the main part of the optical signal transmission module
  • FIG. 5 is a perspective view showing the main part of the optical signal transmission module
  • FIG. 6 is an explanation showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit.
  • the endoscope 2 shown in FIG. 1 includes an insertion portion 5, an operation portion 6 disposed on the proximal end side of the insertion portion 5, a universal cord 7 extending from the operation portion 6, and a base of the universal cord 7. And a connector 8 disposed on the end side.
  • the insertion portion 5 includes a hard tip portion 11, a bending portion 12 for changing the direction of the tip portion 11, and an elongated flexible flexible tube portion 13, which are successively provided from the tip side.
  • an imaging optical unit 21 As shown in FIG. 2, in the distal end portion 11, an imaging optical unit 21, an image sensor 22 that captures an optical image formed by the imaging optical unit 21, and an imaging signal (electric signal) from the image sensor 22.
  • an optical signal transmission module 23 which is an E / O module for converting the signal into an optical signal.
  • the image sensor 22 is configured by a solid-state imaging device such as a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) or a CCD (Charge Coupled Device).
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CCD Charge Coupled Device
  • the optical signal transmission module 23 performs drive control of each LD 25 based on a plurality of (for example, two) surface-emitting laser diodes (LDs) 25 as light emitting elements and an imaging signal from the image sensor 22, A plurality of (for example, two) LD drivers 26 that emit optical signals from the LD 25, a single optical fiber 27 for transmitting the optical signals emitted from each LD 25, and the light emitted from each LD 25
  • the optical coupling unit 28 converts the axis and guides it to the end face of the optical fiber 27, and the mounting substrate 29 that mounts the LD 25 and holds the optical fiber 27 and the optical coupling unit 28.
  • the optical fiber 27 is composed of, for example, a multimode fiber (MMF).
  • MMF multimode fiber
  • the other end of the optical fiber 27 is inserted into the universal cord 7 through the operation unit 6 and can be connected to the processor 3 via an optical connector receptacle 8 a provided on the connector 8.
  • the processor 3 is for configuring the endoscope system 1 together with the endoscope 2, and a connector 31 to which the connector 8 of the endoscope 2 can be attached and detached is provided. And an optical fiber 32 optically connected to the optical fiber 27 (receptacle 8a) through the plug 31a of the optical connector.
  • the processor 3 also includes a collimator 33 for condensing the optical signal transmitted from the optical fiber 27 to the optical fiber 32, a photodiode (PD) 34 for photoelectrically converting the optical signal collected by the collimator 33, A transimpedance amplifier (TIA) 35 that converts and amplifies the current signal photoelectrically converted by the PD 34 and outputs it as a voltage signal, and a limiting amplifier (LA) 36 that makes the amplitude of the voltage signal amplified by the TIA 35 constant.
  • TIA transimpedance amplifier
  • LA limiting amplifier
  • the processor 3 includes a filter 39 for selectively separating laser beams having different wavelengths emitted from the respective LDs 25 so as to enter the collimators 33 of the respective systems.
  • the processor 3 outputs a clock signal and a control signal to the image sensor 22 and the like via the signal line, and processes a voltage signal from the LA 36 to display a subject image on the monitor 40.
  • a programmable gate array (FPGA) 37 is included.
  • the processor 3 has a built-in power supply circuit 38, and the power supply circuit 38 can supply driving power and the like to each part of the endoscope 2 and the processor 3 through electric wiring.
  • the mounting substrate 29 of this embodiment includes a substrate body 45 for mounting each LD 25, and a protrusion extending from the substrate body 45 toward the proximal end side of the distal end portion 11.
  • the portion 46 is formed of an atypical substrate having a substantially L shape in side view, which is integrally formed.
  • the substrate body 45 is formed with an inclined surface 50 having a substantially V-shaped cross section on the surface (rear surface side) on which the protrusion 46 is provided.
  • a mounting portion 51 for mounting each LD 25 is set on each inclined surface 50.
  • Each mounting portion 51 is provided with a plurality of terminal portions 52, and each LD 25 is mounted on each mounting portion 51 of the substrate body 45 by being electrically connected to each terminal portion 52.
  • the LD 25 of the present embodiment is configured by a so-called flip-chip type surface irradiation laser (surface emitting laser) having a light emitting portion 25a on the front surface that does not contact the substrate body 45.
  • the LD 25 is mounted on the mounting substrate 29 by electrically connecting the bumps provided on the LD 25 to the terminal portions 52.
  • the wavelength of the light source (laser) emitted from each LD 25 is set to a different wavelength so that the optical signal from each LD 25 does not interfere with the optical signal.
  • a VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the protrusion 46 is provided with a fixing groove 55 as a fixing portion with which the side surface on the tip side of the optical fiber 27 can come into contact with the surface on which each LD 25 faces.
  • the optical fiber 27 of the present embodiment has a configuration in which the outer periphery of the core 27a is sequentially covered with the clad 27b and the outer skin 27c, and the fixing groove 55 of the present embodiment has a diameter substantially equal to the diameter of the clad 27b. It is comprised by the groove part which makes the partial circular arc shape of the same diameter.
  • the fixing groove 55 fixes the side surface on the tip side of the optical fiber 27 by bonding in a state where the side surface is exposed from the outer skin 27c.
  • the fixing groove 55 is disposed on the protrusion 46 so that the central axis O of the fixed optical fiber 27 is positioned between the two LDs 25.
  • an adhesive for fixing the optical fiber 27, an adhesive (refractive index matching adhesive) whose refractive index matches the optical fiber 27 can be suitably used.
  • the protrusion 46 is provided with an optical element holding part 56 for holding each optical element of the optical coupling unit 28 between the LD 25 mounted on each mounting part 51 and the fixing groove part 55. .
  • the optical coupling unit 28 of the present embodiment includes a first lens 60 that converts the divergence angle of the light emitted from each LD 25, and a prism 61 that bends the optical axis of the light emitted from the first lens 60.
  • the second lens 62 for condensing the light emitted from the prism 61 onto the end face of the optical fiber 27 is configured as an optical element.
  • the optical element holding part 56 has a plurality of continuous arc-shaped grooves that follow the outer diameters of the first lens 60, the prism 61, and the second lens 62. It is comprised by the multistage groove part.
  • the optical element holding unit 56 can fix the first lens 60, the prism 61, and the second lens 62 by bonding. At this time, since the optical element holding portion 56 is configured by a multi-stage groove portion having a predetermined shape, each of the centers of the first lens 60, the prism 61, and the second lens 62 is the optical fiber 27. Are positioned so as to be arranged in a line on the central axis O.
  • an adhesive whose refractive index matches with each optical element can be suitably used for fixing each optical element. Furthermore, after fixing each optical element, it is also possible to fill the space from the LD 25 to the optical fiber 27 with a refractive index matching adhesive to seal each optical element.
  • the focal point of the first lens 60 is set at an arbitrary position having a certain distance from the outer surface of the first lens 60.
  • Each LD 25 is in contact with the outer surface of the first lens 60 via a spacer 65.
  • the light emitting portions 25a of the LDs 25 can be easily positioned with respect to the focal point of the first lens 60, respectively.
  • the first lens 60 can convert the diffused light emitted from each LD 25 at the focal point into parallel light.
  • the prism 61 has an incident surface 61a on which the light for each LD 25 emitted from the first lens 60 is incident. As shown in FIG. 6, the prism 61 bends the optical axis of each light so that each light incident from each incident surface 61a becomes parallel light traveling in the same direction (for example, the optical axis O direction). After that, the light can enter the second lens 62.
  • the focal point of the second lens 62 is set on the outer surface of the second lens 62.
  • the end surface of the optical fiber 27 is in direct contact with the outer surface of the second lens 62. Accordingly, the end face of the optical fiber 27 can be easily positioned with respect to the focal point of the second lens 62, and each light (optical signal) incident on the second lens 62 from the prism 61 and condensed. Can enter the optical fiber 27 as it is.
  • the mounting substrate 29 for mounting the plurality of LDs 25 that convert the electrical signal into an optical signal and emit the light of the optical signal is configured by the atypical substrate,
  • a fixing groove 55 for fixing the optical fiber 27 is integrally formed, and each optical element of the optical coupling unit 28 that converts the optical axis of the light emitted from the LD 25 and guides it to the end face of the optical fiber 27 (first).
  • the optical element holding portion 56 for fixing the lens 60, the prism 61, and the second lens 62 By integrally forming the optical element holding portion 56 for fixing the lens 60, the prism 61, and the second lens 62), the optical signals emitted from the plurality of LDs 25 are accurately supplied to the optical fiber 27. It can be made incident.
  • the mounting substrate 29 is formed of an odd-shaped substrate, and a fixing groove 55 for fixing the optical fiber 27 and an optical element holding unit 56 for fixing each optical element of the optical coupling unit 28 to the mounting substrate 29.
  • a plurality of LDs 25 and the optical fiber 27 can be optically connected with high accuracy with a simple configuration without separately using dedicated parts such as ferrules and holders. Accordingly, it is possible to suitably suppress an increase in the hard length of the distal end portion 11 of the endoscope 2.
  • the ball lens is disposed at the distal end portion 11 of the endoscope 2.
  • an extremely small lens an extremely small lens having a diameter of about 1 mm
  • the single first lens 60 can convert light emitted from the plurality of LDs 25 into parallel light.
  • the configuration in which the light emitted from the two LDs 25 is incident on the single first lens 60 is exemplified.
  • three light beams are incident on the single first lens 60. It is also possible to adopt a configuration in which the light emitted from the LD 25 is incident.
  • FIG. 7 to FIG. 9 relate to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view showing a main part of the optical signal transmission module
  • FIG. 8 is a perspective view showing a mounting board on which each LD is mounted.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit. Note that in this embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the mounting substrate 70 of the present embodiment is a modified substrate in which a substrate body 71 for mounting each LD 25 and a protrusion 72 extending from the substrate body 71 are integrally formed. It is constituted by.
  • the substrate main body 71 of the present embodiment has a substantially L shape in which two flat plate-like substrate portions 74 are vertically arranged. Each of these substrate portions 74 has a mounting portion 75 for mounting each LD 25. Is set.
  • the projecting portion 72 is configured by a flat plate-like member that is provided perpendicularly to the side portions of the two substrate portions 74.
  • the protrusion 72 is provided with a fixing groove 76 as a fixing portion on which the side surface on the distal end side of the optical fiber 27 can abut on the surface where each LD 25 faces.
  • the protrusion 72 is provided with an optical element holding portion 77 for holding each optical element of the optical coupling unit 28 between the LD 25 mounted on each mounting portion 75 and the fixing groove 76. .
  • the optical coupling unit 28 of this embodiment is emitted from a plurality of (for example, two) first lenses 80 that respectively convert the divergence angles of the light emitted from the LDs 25 and the first lenses 80.
  • the optical element includes a prism 81 that bends the optical axis of the light and a second lens 62 that condenses the light emitted from the prism 81 on the end face of the optical fiber 27.
  • the optical element holding portion 77 has a plurality of grooves that follow the shapes of the first lens 80, the prism 81, and the second lens 62. It is comprised by the multistage groove part which continues.
  • the prism 81 of the present embodiment is configured by a plate-like prism having a substantially rectangular shape when viewed from the side.
  • One of the two surfaces of the prism 81 is opposed to one LD 25 (for example, a VCSEL having a wavelength of about 1310 nm) via the first lens 80, and the second lens 62 is opposed to the one surface.
  • one LD 25 for example, a VCSEL having a wavelength of about 1310 nm
  • the other LD 25 (for example, VCSEL having a wavelength of about 1550 nm) is opposed to the other surface of the prism 81 through the first lens 80. Further, on the other surface of the prism 81, a beam splitter film 81a having a wavelength selectivity for reflecting light from one LD 25 and transmitting light from the other LD 25 is provided.
  • the beam splitter film 81a is made of a dielectric multilayer film such as titanium oxide, for example.
  • the prism 81 reflects the light emitted from one LD 25 at the beam splitter film 81a and transmits the light emitted from the other LD 25 through the beam splitter film 81a.
  • Each light incident from each LD 25 is incident on the second lens 62 after the optical axis of each light is bent so that it becomes parallel light traveling in the same direction (for example, the optical axis O direction of the optical fiber 27). It is possible.
  • FIGS. 11 to 13 relate to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing a main part of the optical signal transmission module
  • FIG. 12 is a perspective view showing a mounting board on which each LD is mounted.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing the behavior of the optical signal in the optical coupling unit. Note that in this embodiment, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the mounting substrate 90 of the present embodiment is a side view in which a substrate body 91 for mounting each LD 25 and a protrusion 92 extending from the substrate body 91 are integrally formed. It is comprised by the atypical board
  • the substrate body 91 of the present embodiment has a flat plate shape, and mounting portions 95 for mounting the LDs 25 are set side by side on the substrate body 91.
  • the protrusion 92 is provided with a fixing groove 96 as a fixing portion on which the side surface of the optical fiber 27 can come into contact with the surface on which each LD 25 faces.
  • the protrusion 92 is provided with an optical element holding part 97 for holding each optical element of the optical coupling unit 28 between the LD 25 mounted on each mounting part 95 and the fixing groove 96. .
  • the optical coupling unit 28 of this embodiment is emitted from a plurality of (for example, two) first lenses 100 that respectively convert the divergence angles of the light emitted from the LDs 25 and the first lenses 100.
  • the optical element includes a prism 101 that bends the optical axis of the light and a second lens 62 that condenses the light emitted from the prism 101 onto the end face of the optical fiber 27.
  • the optical element holding portion 97 has a plurality of grooves that follow the shapes of the first lens 100, the prism 101, and the second lens 62. It is comprised by the multistage groove part which continues.
  • the prism 101 of the present embodiment is constituted by a plate-like prism having a substantially trapezoidal shape when viewed from the side.
  • one LD 25 for example, VCSEL having a wavelength of about 1310 nm
  • the other LD 25 for example, having a wavelength of about 1550 nm
  • the VCSEL is opposed to each other through the first lens 100.
  • the second lens 62 is opposed to the upper bottom surface of the prism 101.
  • a beam splitter film 101a having a wavelength selectivity for reflecting light from one LD 25 and transmitting light from the other LD 25 is provided inside the prism 101.
  • a reflection film 101b that reflects light from one LD 25 is provided on one side surface of the prism 101. Note that the reflection film 101b may not be provided, and reflection may be performed using total reflection.
  • a dielectric single layer film such as SiO 2 can be applied to the total reflection surface to form a protective film, which can prevent oxidation of the glass material.
  • the prism 101 reflects the light emitted from one LD 25 at the reflection film 101b and reflects it at the beam splitter film 101a, and reflects the light emitted from the other LD 25 at the beam splitter film 101a.
  • the lens 62 can be made incident.
  • a plate-like prism 103 having a substantially rectangular shape in a side view can be adopted.
  • the prism 103 is inclined and arranged between each first lens 100 and the second lens 62, and a part of the surface facing each first lens 100 is formed.
  • the beam splitter film 103a that transmits the light from one LD 25 and reflects the light from the other LD 25 is formed, and the light from the other LD 25 is formed on a part of the surface facing the second lens 62.
  • the reflective film 103b that reflects the light it is possible to achieve substantially the same effect as the above-described embodiment.
  • MMF single mode fiber
  • GI graded index
  • SI step index
  • SMF single mode fiber

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Abstract

電気信号を光信号に変換して当該光信号の光を出射する複数のＬＤ２５を実装するための実装基板２９を異型基板によって構成し、この実装基板２９に、光ファイバ２７を固定するための固定用溝部５５を一体形成するとともに、ＬＤ２５からの出射光の光軸を変換して光ファイバ２７の端面に導光する光結合ユニット２８の各光学素子（第１のレンズ６０、プリズム６１、及び、第２のレンズ６２）を固定するための光学素子保持部５６を一体形成する。

Description

光信号送信モジュール
　本発明は、電気信号を光信号に変換して伝送する光信号送信モジュールに関する。
　従来、内視鏡においては、細長い可撓性を有する挿入部の先端部に、ＣＣＤ等の撮像素子を備えた電子内視鏡が広く普及している。近年、この種の内視鏡においては、撮像素子の高画素化が進められている。
　一方、撮像素子を高画素化した場合、撮像素子から信号処理装置（プロセッサ）へ伝送する信号量が増加する。この場合、撮像素子によって取得した撮像信号の伝送（送信）は、メタル配線を介した電気信号伝送に代えて、細い光ファイバを介した光信号伝送によって行うことが好ましい。
　このような光信号伝送を行うため光信号送信モジュールは、一般に、電気信号を光信号に変換するための光源としてレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子を有し、この発光素子に対し、光ファイバの端部がフェルール等を介して光学的に接続されることによって要部が構成されている。
　また、複数の発光素子から出射される光信号を単一の光ファイバに入射させるための技術として、例えば、日本国特開平８－２９６４７号公報には、各発光素子から出射された光を対応する各内部レンズによってコリメート状態にした後、オプティカルパラレル、及び、外部レンズを介して光ファイバに導く技術が開示されている。
　しかしながら、上述のようにフェルール等の専用部品を用いて光ファイバを保持することは、部品点数を増加させ、内視鏡の先端部の硬質長を長大化させる虞がある。
　また、上述の日本国特開平８－２９６４７号公報に開示された技術では、各光学素子が専用のホルダ等を介して保持されているため、より多くの部品点数を必要とし、このような構成を、小型化が要求される内視鏡の先端部にそのまま適用することは困難である。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成により、複数の発光素子から出射される光信号を光ファイバに対して的確に入射させることができる光信号送信モジュールを提供することを目的とする。
　本発明の一態様による光信号送信モジュールは、電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、前記光信号を伝送する光ファイバと、前記複数の発光素子からの出射光の光軸を変換して前記光ファイバの端面に導光する光結合ユニットと、前記発光素子を実装するための実装部、前記光結合ユニットを構成する光学素子を保持するための光学素子保持部、及び、前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、を備えたものである。
本発明の第１の実施形態に係り、内視鏡の斜視図 同上、内視鏡システムにおける映像信号の伝達系を示す機能ブロック図 同上、光信号送信モジュールの要部断面図 同上、光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図 同上、光信号送信モジュールの要部を示す斜視図 同上、光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図 本発明の第２の実施形態に係り、光信号送信モジュールの要部を示す斜視図 同上、各ＬＤを実装した実装基板を示す斜視図 同上、光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図 同上、第１の変形例に係り、光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図 本発明の第３の実施形態に係り、光信号送信モジュールの要部を示す斜視図 同上、各ＬＤを実装した実装基板を示す斜視図 同上、光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図 同上、第１の変形例に係り、光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図
　以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の第１の実施形態に係り、図１は内視鏡の斜視図、図２は内視鏡システムにおける映像信号の伝達系を示す機能ブロック図、図３は光信号送信モジュールの要部断面図、図４は光信号送信モジュールの要部を示す分解斜視図、図５は光信号送信モジュールの要部を示す斜視図、図６は光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図である。
　図１に示す内視鏡２は、挿入部５と、挿入部５の基端側に配設された操作部６と、操作部６から延出されたユニバーサルコード７と、ユニバーサルコード７の基端側に配設されたコネクタ８と、を有して構成されている。
　挿入部５は、硬性な先端部１１と、先端部１１の方向を変化させるための湾曲部１２と、細長い軟性の可撓管部１３と、が先端側から順に連設されている。
　図２に示すように、先端部１１内には、撮像光学ユニット２１と、撮像光学ユニット２１によって結像された光学像を撮像するイメージセンサ２２と、イメージセンサ２２からの撮像信号（電気信号）を光信号に変換するＥ／Ｏモジュールである光信号送信モジュール２３と、が配設されている。
　イメージセンサ２２は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、或いは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子によって構成されている。
　光信号送信モジュール２３は、発光素子としての複数（例えば、２個）の面発光型のレーザダイオード（ＬＤ）２５と、イメージセンサ２２からの撮像信号に基づいて各ＬＤ２５の駆動制御をそれぞれ行い、当該ＬＤ２５から光信号を出射させる複数（例えば、２個）のＬＤドライバ２６と、各ＬＤ２５から出射された光信号を伝送するための単一の光ファイバ２７と、各ＬＤ２５からの出射光の光軸を変換して光ファイバ２７の端面に導光する光結合ユニット２８と、ＬＤ２５を実装するとともに光ファイバ２７及び光結合ユニット２８を保持する実装基板２９とを有して構成されている。
　ここで、光ファイバ２７は、例えば、マルチモードファイバ（ＭＭＦ）によって構成されている。この光ファイバ２７の他端側は、操作部６を経てユニバーサルコード７内に挿通され、コネクタ８に設けられた光コネクタのレセプタクル８ａを介して、プロセッサ３に接続可能となっている。
　図２に示すように、プロセッサ３は、内視鏡２とともに内視鏡システム１を構成するためのものであり、内視鏡２のコネクタ８が着脱自在なコネクタ３１と、このコネクタ３１に設けられた光コネクタのプラグ３１ａを介して光ファイバ２７（レセプタクル８ａ）と光学的に接続される光ファイバ３２と、を有する。
　また、プロセッサ３は、光ファイバ２７から光ファイバ３２に伝送された光信号を集光するためのコリメータ３３と、コリメータ３３によって集光された光信号を光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）３４と、ＰＤ３４によって光電変換された電流信号をインピーダンス変換して増幅し、電圧信号として出力するトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）３５と、ＴＩＡ３５で増幅した電圧信号の振幅を一定にするリミッティングアンプ（ＬＡ）３６と、を２系統有する。
　また、プロセッサ３は、各ＬＤ２５から出射された波長の異なるレーザ光を選択的に分離して各系統のコリメータ３３にそれぞれ入射させるためのフィルタ３９を有する。
　さらに、プロセッサ３は、信号線を介してイメージセンサ２２等にクロック信号や制御信号を出力するとともに、ＬＡ３６からの電圧信号を処理して被写体像をモニタ４０に表示する撮像制御部としてのフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）３７を有する。
　なお、プロセッサ３には電源回路３８が内蔵されており、電源回路３８は、電気配線を通じて、内視鏡２及びプロセッサ３の各部に駆動電力等を供給することが可能となっている。
　次に、図３乃至図６を参照して光信号送信モジュール２３の要部の構造について説明する。
　図３乃至図５に示すように、本実施形態の実装基板２９は、各ＬＤ２５を実装するための基板本体４５と、この基板本体４５から先端部１１の基端側に向けて延在する突起部４６と、が一体形成された側面視略Ｌ字状をなす異型基板によって構成されている。
　基板本体４５には、突起部４６が設けられた面（裏面側）に、断面略Ｖ字状をなす傾斜面５０が形成されている。
　これら各傾斜面５０には、各ＬＤ２５を実装するための実装部５１が設定されている。また、各実装部５１には複数の端子部５２がそれぞれ設けられ、各ＬＤ２５は、各端子部５２と電気的に接続することにより、基板本体４５の各実装部５１にそれぞれ実装されている。
　すなわち、本実施形態のＬＤ２５は、基板本体４５に当接しない表側の面に発光部２５ａを備えた、所謂フリップチップタイプの表面照射レーザ（面発光レーザ）によって構成されている。そして、これらのＬＤ２５に設けられた各バンプが各端子部５２とそれぞれ電気的に接続されることにより、ＬＤ２５は、実装基板２９に実装されている。
　ここで、各ＬＤ２５からの光信号が光学干渉しないようにするため、各ＬＤ２５から出射される光源（レーザ）の波長は異なる波長に設定されている。この場合において、各ＬＤ２５から出射されるレーザ光の波長は２００ｎｍ以上の波長間隔を設けていることが望ましい。このため、本実施形態において、例えば、一方のＬＤ２５には波長が約１３１０ｎｍのＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）が採用され、他方のＬＤ２５には波長が約１５５０ｎｍのＶＣＳＥＬが採用されている。
　一方、突起部４６には、各ＬＤ２５が臨まされる面に、光ファイバ２７の先端側の側面が当接可能な固定部としての固定用溝部５５が設けられている。
　ここで、本実施形態の光ファイバ２７はコア２７ａの外周がクラッド２７ｂと外皮２７ｃとによって順次被覆された構成を有しており、本実施形態の固定用溝部５５は、クラッド２７ｂの直径と略同径の部分円弧状をなす溝部によって構成されている。この固定用溝部５５は、光ファイバ２７の先端側の側面を、外皮２７ｃから露出させた状態にて、接着により固定するものである。この場合において、固定用溝部５５は、固定した光ファイバ２７の中心軸Ｏを２つのＬＤ２５の中間に位置させるよう、突起部４６上に配設されている。
　なお、このような光ファイバ２７の固定には、当該光ファイバ２７との屈折率が整合する接着剤（屈折率整合接着剤）を好適に用いることが可能である。
　さらに、突起部４６には、各実装部５１に実装されたＬＤ２５と固定用溝部５５との間に、光結合ユニット２８の各光学素子を保持するための光学素子保持部５６が設けられている。
　ここで、本実施形態の光結合ユニット２８は、各ＬＤ２５からの出射光の拡がり角を変換する第１のレンズ６０と、第１のレンズ６０から出射された光の光軸を折り曲げるプリズム６１と、プリズム６１から出射された光を光ファイバ２７の端面に集光する第２のレンズ６２と、を光学素子として有して構成されている。
　これら各光学素子を保持するため、光学素子保持部５６は、第１のレンズ６０、プリズム６１、及び、第２のレンズ６２の各外径に倣った複数の部分円弧状をなす溝部が連続する多段の溝部によって構成されている。
　そして、光学素子保持部５６は、第１のレンズ６０、プリズム６１、及び、第２のレンズ６２を、接着により固定することが可能となっている。その際、光学素子保持部５６が所定形状をなす多段の溝部によって構成されていることにより、第１のレンズ６０、プリズム６１、及び、第２のレンズ６２は、これらの各中心が光ファイバ２７の中心軸Ｏ上に一列に配列されるよう位置決めされる。
　なお、このような各光学素子の固定には、当該各光学素子との屈折率が整合する接着剤（屈折率整合接着剤）を好適に用いることが可能である。さらに、各光学素子を固定後においては、ＬＤ２５から光ファイバ２７までの空間に屈折率整合接着剤を充填し、各光学素子を封止することも可能である。
　ここで、第１のレンズ６０は、例えば、屈折率がＮ＝１．５の光学材料からなるボールレンズによって構成されている。これにより、図６に示すように、第１のレンズ６０の焦点は、当該第１のレンズ６０の外表面から一定距離を有する任意の位置に設定されている。このような第１のレンズ６０の外表面に対し、各ＬＤ２５は、スペーサ６５を介してそれぞれ当接されている。これらのスペーサ６５の高さを適値に設定することにより、各ＬＤ２５の発光部２５ａを、第１のレンズ６０の焦点に対してそれぞれ容易に位置決めすることが可能となっている。そして、第１のレンズ６０は、焦点において各ＬＤ２５から出射された拡散光を平行光に変換することが可能となっている。
　また、プリズム６１は、第１のレンズ６０から出射されるＬＤ２５毎の光をそれぞれ入射するための入射面６１ａを有する。そして、図６に示すように、プリズム６１は、各入射面６１ａから入射された各光が同一方向（例えば、光軸Ｏ方向）に進む平行光となるように、各光の光軸を折り曲げた後に、第２のレンズ６２に入射させることが可能となっている。
　また、第２のレンズ６２は、例えば、屈折率がＮ＝２．０の光学材料からなるボールレンズによって構成されている。これにより、図６に示すように、第２のレンズ６２の焦点は、当該第２のレンズ６２の外表面上に設定されている。このような第２のレンズ６２の外表面に対し、光ファイバ２７の端面は、直接的に当接されている。これにより、第２のレンズ６２の焦点に対して光ファイバ２７の端面を容易に位置決めすることが可能となり、プリズム６１から第２のレンズ６２に入射されて集光された各光（光信号）は、そのまま光ファイバ２７に入射することが可能となっている。
　このような実施形態によれば、電気信号を光信号に変換して当該光信号の光を出射する複数のＬＤ２５を実装するための実装基板２９を異型基板によって構成し、この実装基板２９に、光ファイバ２７を固定するための固定用溝部５５を一体形成するとともに、ＬＤ２５からの出射光の光軸を変換して光ファイバ２７の端面に導光する光結合ユニット２８の各光学素子（第１のレンズ６０、プリズム６１、及び、第２のレンズ６２）を固定するための光学素子保持部５６を一体形成することにより、複数のＬＤ２５から出射される光信号を光ファイバ２７に対して的確に入射させることができる。
　すなわち、実装基板２９を異型基板によって構成し、この実装基板２９に、光ファイバ２７を固定するための固定用溝部５５と、光結合ユニット２８の各光学素子を固定するための光学素子保持部５６とを一体形成することにより、フェルールやホルダ等の専用部品を別途使用することなく、簡単な構成により、複数のＬＤ２５と光ファイバ２７とを精度良く光学的に接続することができる。従って、内視鏡２の先端部１１の硬質長の長大化を好適に抑制することができる。
　この場合において、光結合ユニット２８を構成する光学素子である第１，第２のレンズ６０，６２としてボールレンズをそれぞれ採用することにより、例えば、内視鏡２の先端部１１に配設される極小型のレンズ（直径が１ｍｍ程度の極小型のレンズ）であっても、精度良く製造することができ、しかも、光学素子保持部５６に対しても精度良く位置決めすることができる。
　加えて、第１のレンズ６０をボールレンズによって構成することにより、単一の第１のレンズ６０によって、複数のＬＤ２５からの出射光をそれぞれ平行光に変換することができる。なお、本実施形態では、単一の第１のレンズ６０に対して２個のＬＤ２５からの出射光を入射させる構成について例示しているが、単一の第１のレンズ６０に対して３個以上のＬＤ２５からの出射光を入射させる構成とすることも可能である。
　次に、図７乃至図９は本発明の第２の実施形態に係り、図７は光信号送信モジュールの要部を示す斜視図、図８は各ＬＤを実装した実装基板を示す斜視図、図９は光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図である。なお、本実施形態において、上述の第１の実施形態と同様の構成については、適宜同符号を付して説明を省略する。
　図７，８に示すように、本実施形態の実装基板７０は、各ＬＤ２５を実装するための基板本体７１と、この基板本体７１から延在する突起部７２と、が一体形成された異型基板によって構成されている。
　本実施形態の基板本体７１は、２つの平板状の基板部７４が垂直に連設された略Ｌ字状をなし、これら各基板部７４には、各ＬＤ２５を実装するための実装部７５が設定されている。
　一方、突起部７２は、２つの基板部７４の側部に対して垂直に連設された平板状の部材によって構成されている。図８に示すように、この突起部７２には、各ＬＤ２５が臨まされる面に、光ファイバ２７の先端側の側面が当接可能な固定部としての固定用溝部７６が設けられている。
　さらに、突起部７２には、各実装部７５に実装されたＬＤ２５と固定用溝部７６との間に、光結合ユニット２８の各光学素子を保持するための光学素子保持部７７が設けられている。
　ここで、本実施形態の光結合ユニット２８は、各ＬＤ２５からの出射光の拡がり角をそれぞれ変換する複数（例えば、２個）の第１のレンズ８０と、各第１のレンズ８０から出射された光の光軸を折り曲げるプリズム８１と、プリズム８１から出射された光を光ファイバ２７の端面に集光する第２のレンズ６２と、を光学素子として有して構成されている。
　これら各発光素子を保持するため、図８に示すように、光学素子保持部７７は、第１のレンズ８０、プリズム８１、及び、第２のレンズ６２の各形状に倣った複数の溝部が二股に連続する多段の溝部によって構成されている。
　ここで、各第１のレンズ８０は、例えば、屈折率がＮ＝１．５の光学材料からなるボールレンズによってそれぞれ構成されており、これら第１のレンズ８０の外表面には各ＬＤ２５がスペーサ６５を介してそれぞれ当接されている。
　本実施形態のプリズム８１は、側面視が略矩形形状をなす板状のプリズムによって構成されている。
　このプリズム８１の２つの面のうちの一方の面には、一方のＬＤ２５（例えば、波長が約１３１０ｎｍのＶＣＳＥＬ）が第１のレンズ８０を介して対向されるとともに、第２のレンズ６２が対向されている。
　また、プリズム８１の他方の面には、他方のＬＤ２５（例えば、波長が約１５５０ｎｍのＶＣＳＥＬ）が第１のレンズ８０を介して対向されている。さらに、プリズム８１の他方の面には、一方のＬＤ２５からの光を反射するとともに、他方のＬＤ２５からの光を透過する波長選択性を有するビームスプリッタ膜８１ａが設けられている。なお、ビームスプリッタ膜８１ａは、例えば、酸化チタン等の誘電体多層膜によって構成されている。
　そして、図９に示すように、プリズム８１は、一方のＬＤ２５から出射された光をビームスプリッタ膜８１ａにおいて反射すると共に、他方のＬＤ２５から出射された光をビームスプリッタ膜８１ａにおいて透過することにより、各ＬＤ２５から入射された各光が同一方向（例えば、光ファイバ２７の光軸Ｏ方向）に進む平行光となるように、各光の光軸を折り曲げた後に、第２のレンズ６２に入射させることが可能となっている。
　このような実施形態によれば、上述の第１の実施形態と略同様の作用効果を奏することができる。
　ここで、本実施形態においては、例えば、図１０に示すように、上述のプリズム８１に代えて、内部にビームスプリッタ膜８３ａを備えたサイコロ状のプリズム８３を採用することも可能である。
　次に、図１１乃至図１３は本発明の第３の実施形態に係り、図１１は光信号送信モジュールの要部を示す斜視図、図１２は各ＬＤを実装した実装基板を示す斜視図、図１３は光結合ユニットにおける光信号の挙動を示す説明図である。なお、本実施形態において、上述の第１の実施形態と同様の構成については、適宜同符号を付して説明を省略する。
　図１１，１２に示すように、本実施形態の実装基板９０は、各ＬＤ２５を実装するための基板本体９１と、この基板本体９１から延在する突起部９２と、が一体形成された側面視略Ｌ字状をなす異型基板によって構成されている。
　本実施形態の基板本体９１は平板状をなし、この基板本体９１には、各ＬＤ２５を実装するための実装部９５が並んで設定されている。
　一方、突起部９２には、各ＬＤ２５が臨まされる面に、光ファイバ２７の先端側の側面が当接可能な固定部としての固定用溝部９６が設けられている。
　さらに、突起部９２には、各実装部９５に実装されたＬＤ２５と固定用溝部９６との間に、光結合ユニット２８の各光学素子を保持するための光学素子保持部９７が設けられている。
　ここで、本実施形態の光結合ユニット２８は、各ＬＤ２５からの出射光の拡がり角をそれぞれ変換する複数（例えば、２個）の第１のレンズ１００と、各第１のレンズ１００から出射された光の光軸を折り曲げるプリズム１０１と、プリズム１０１から出射された光を光ファイバ２７の端面に集光する第２のレンズ６２と、を光学素子として有して構成されている。
　これら各発光素子を保持するため、図８に示すように、光学素子保持部９７は、第１のレンズ１００、プリズム１０１、及び、第２のレンズ６２の各形状に倣った複数の溝部が二股に連続する多段の溝部によって構成されている。
　ここで、各第１のレンズ１００は、例えば、屈折率がＮ＝１．５の光学材料からなるボールレンズによってそれぞれ構成されており、各第１のレンズ１００の外表面には各ＬＤ２５がスペーサ６５を介してそれぞれ当接されている。
　本実施形態のプリズム１０１は、側面視が略台形形状をなす板状のプリズムによって構成されている。
　このプリズム１０１の上底側及び下底側の２つの面のうち、下底側の面には、一方のＬＤ２５（例えば、波長が約１３１０ｎｍのＶＣＳＥＬ）と他方のＬＤ２５（例えば、波長が約１５５０ｎｍのＶＣＳＥＬ）とがそれぞれ第１のレンズ１００を介して対向されている。
　また、プリズム１０１の上底側の面には、第２のレンズ６２が対向されている。
　また、プリズム１０１の内部には、一方のＬＤ２５からの光を反射するとともに、他方のＬＤ２５からの光を透過する波長選択性を有するビームスプリッタ膜１０１ａが設けられている。さらに、プリズム１０１の一方の側面には、一方のＬＤ２５からの光を反射する反射膜１０１ｂが設けられている。なお、反射膜１０１ｂを設けず、全反射を利用して反射させても良い。その際、ＳｉＯ２等の誘電体単層膜を全反射面に施して保護膜とし、ガラス材料の酸化などを防ぐことも可能である。
　そして、図１３に示すように、プリズム１０１は、一方のＬＤ２５から出射された光を反射膜１０１ｂにおいて反射すると共にビームスプリッタ膜１０１ａにおいて反射し、他方のＬＤ２５から出射された光をビームスプリッタ膜１０１ａにおいて透過することにより、各ＬＤ２５から入射された各光が同一方向（例えば、光ファイバ２７の光軸Ｏ方向）に進む平行光となるように、各光の光軸を折り曲げた後に、第２のレンズ６２に入射させることが可能となっている。
　このような実施形態によれば、上述の第１の実施形態と略同様の作用効果を奏することができる。
　ここで、例えば、図１４に示すように、上述のプリズム１０１に代えて、側面視が略矩形形状をなす板状のプリズム１０３を採用することも可能である。この場合、例えば、図１４に示すように、各第１のレンズ１００と第２のレンズ６２との間にプリズム１０３を傾けて配置し、各第１のレンズ１００に対向する面の一部に、一方のＬＤ２５からの光を透過するとともに他方のＬＤ２５からの光を反射するビームスプリッタ膜１０３ａを形成し、且つ、第２のレンズ６２に対向する面の一部に、他方のＬＤ２５からの光を反射する反射膜１０３ｂを形成することにより上述の実施形態と略同様の効果を奏することが可能となる。
　なお、本発明は、以上説明した各実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲内である。
　例えば、上述の各実施形態においては、光ファイバとしてＭＭＦを用いた一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、グレーテッドインデックス（ＧＩ）型ＭＭＦ、ステップインデックス（ＳＩ）型ＭＭＦ、或いは、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いることも可能である。
　これまで述べたすべての光学系において、第２のボールレンズ６２の屈折率をN=1.5程度とし、N=2の場合と同一焦点距離となるように直径を拡大したボールレンズを用いることもできる。この場合、光ファイバ２７と第２のボールレンズとの間には空気層のスペースを設ける。このように構成することにより一般的で安価なレンズ材料を用いることができ、低コスト化が可能となる。また、プリズムの表面を反射した光がレーザダイオード２５へ戻ることにより発光動作が不安定になる所謂戻り光ノイズや発光パワー不安定性を避けるために、プリズムを数度傾けて配置することも可能である。
　本出願は、２０１６年５月２３日に日本国に出願された特願２０１６－１０２４０５号を優先権主張の基礎として出願するものであり、上記の開示内容は、本願明細書、請求の範囲に引用されるものとする。

Claims (7)

  1. 　電気信号を光信号に変換して、当該光信号の光を出射する複数の発光素子と、
    　前記光信号を伝送する光ファイバと、
    　前記複数の発光素子からの出射光の光軸を変換して前記光ファイバの端面に導光する光結合ユニットと、
    　前記発光素子を実装するための実装部、前記光結合ユニットを構成する光学素子を保持するための光学素子保持部、及び、前記光ファイバを固定するための固定部が一体形成された異型基板からなる実装基板と、を備えたことを特徴とする光信号送信モジュール。
  2. 　前記光結合ユニットは、
    　前記複数の発光素子から出射された光の拡がり角を変換する第１のレンズと、
    　前記第１のレンズから出射された光の光軸を折り曲げるプリズムと、
    　前記プリズムから出射された光を前記光ファイバの端面に集光する第２のレンズと、を有することを特徴とする請求項１に記載の光信号送信モジュール。
  3. 　前記第１のレンズは、前記複数の発光素子の出射面側に配置され、前記複数の発光素子からの出射された拡散光を平行光に変換することを特徴とする請求項２に記載の光信号送信モジュール。
  4. 　前記第１のレンズは、ボールレンズによって構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光信号送信モジュール。
  5. 前記プリズムは、前記第１のレンズにおいて拡がり角が変換された前記複数の発光素子からの各光が同一方向に進む平行光となるように、前記複数の光の光軸を折り曲げた後に、前記第２のレンズに入射させることを特徴とする請求項２に記載の光信号送信モジュール。
  6. 　前記第２のレンズは、ボールレンズによって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光信号送信モジュール。
  7. 　前記複数の発光素子は、互いに異なる波長の光を出射することを特徴とする請求項１に記載の光信号送信モジュール。
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