WO2017212700A1 - 距離計測用光源及び内視鏡 - Google Patents

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WO2017212700A1
WO2017212700A1 PCT/JP2017/007661 JP2017007661W WO2017212700A1 WO 2017212700 A1 WO2017212700 A1 WO 2017212700A1 JP 2017007661 W JP2017007661 W JP 2017007661W WO 2017212700 A1 WO2017212700 A1 WO 2017212700A1
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WO
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light
light source
distance measurement
optical waveguide
face
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Application number
PCT/JP2017/007661
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吉田　浩
藤田　五郎
田中　健二
Original Assignee
ソニー株式会社
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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
    • A61B1/06—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 with illuminating arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G—PHYSICS
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure

Definitions

  • the present disclosure relates to a light source for distance measurement and an endoscope.
  • OCT optical coherence tomography
  • the reflected light is detected using an interferometer such as a Michelson interferometer.
  • an interferometer such as a Michelson interferometer.
  • higher-order interference light is used. It is desirable to detect only the 0th-order interference light without detecting. Therefore, a light source having a short coherence length is used as a light source used in the OCT technique in order to suppress the generation of high-order interference light. Therefore, it is conceivable to apply this OCT technique to the distance measurement of the affected part, but in such a case, the measurable distance is shortened due to the short coherence length of the light used for the measurement.
  • the present disclosure proposes a distance measurement light source and an endoscope that can measure a longer distance more accurately during distance measurement using light interference.
  • an n-type clad layer and a p-type clad layer are located between the n-type clad layer and the p-type clad layer, and at least a part of the region is optical
  • An active layer that functions as a waveguide and emits light of a predetermined wavelength from one end face, and the optical waveguide is configured to transmit the light in the optical waveguide at the light exit end face of the active layer.
  • a light source for distance measurement is provided in which the traveling direction is inclined at a predetermined angle with respect to the normal direction of the emission end face.
  • an n-type cladding layer and a p-type cladding layer each formed of a predetermined semiconductor, and located between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, at least a part of The region functions as an optical waveguide and has at least an active layer from which light of a predetermined wavelength is emitted from one end surface, and the traveling direction of the light in the optical waveguide is on the light emitting end surface of the active layer.
  • the distance measurement light source provided with the optical waveguide so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the normal direction of the emission end face, and an observation target using an illumination light, and for the distance measurement
  • An endoscope unit in which distance measurement light from a light source is incident on the same axis as the illumination light; and an optical path between the distance measurement light source and the endoscope unit; and the distance measurement light of the distance measurement light Return from the endoscope unit
  • An endoscope is provided that includes a distance calculation unit that calculates a distance to the observation object by performing Fourier transform on the signal.
  • the optical waveguide is provided such that the traveling direction of the light in the optical waveguide is inclined at a predetermined angle with respect to the normal direction of the emitting end face. It becomes possible to make the coherence length of the emitted light longer.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a feature amount that characterizes light emitted from a light source.
  • Examples of the characteristic amount that characterizes light emitted from various light sources include a center wavelength and a wavelength band, which are characteristic amounts obtained by measuring the emission spectrum of light emitted from the light source.
  • a center wavelength and wavelength band in examining a distance measurement light source described in detail below, a coherence length, which is a feature amount related to coherence of light, is an important feature amount.
  • the coherence length is a value indicating the degree of ease of interference of the light of interest (the ease of interference of light that is separated in time), and is measured using various interferometers such as a Michelson interferometer. Is possible.
  • various interferometers such as a Michelson interferometer. Is possible.
  • interference light having a large intensity is observed.
  • FIG. 1 there are various types of interference light from zero order interference light observed when the optical path difference is zero to higher order interference light. The higher the light, the higher the interference light is observed.
  • the size corresponding to the spread of the envelope of the interference light becomes the coherence length.
  • the line width (full width at half maximum) in each interference light as shown in FIG. 1 is a feature amount related to the resolution when the distance measurement is performed using the distance measurement light source.
  • FIG. 2 is a table showing the relationship between specifications and light source characteristics in distance measurement
  • FIG. 3 is a table showing a part of requirements required for the light source characteristics
  • FIG. It is the table
  • FIG. 5 is a table showing an example of specifications required for the distance measurement light source.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the resolution required for distance measurement, the center wavelength, and the wavelength band.
  • the measurement range of the light source for distance measurement is related to the coherence length among the feature quantities of the coherence length, the center wavelength, and the wavelength band.
  • the measurement resolution of the light source for distance measurement is related to the center wavelength and the wavelength band among the feature quantities of the coherence length, the center wavelength, and the wavelength band.
  • the coherence length becomes longer as the light density per longitudinal mode becomes higher, and the measurement range becomes wider as the coherence length becomes longer. Also, the shorter the center wavelength of light, the higher the measurement resolution in distance measurement, and the wider the wavelength band of light, the higher the measurement resolution in distance measurement.
  • the wider the measurement range the better. Therefore, the longer the coherence length of the light emitted from the light source, the better.
  • the present inventors obtain knowledge that a light source that is narrow enough to prevent laser operation and that may cause higher-order interference is suitable as a light source for distance measurement. I was able to.
  • a semiconductor laser light source is a light source that emits light having a very long coherence length exceeding 1 m and a wavelength band having a very narrow wavelength band of less than 1 nm.
  • LD semiconductor laser light source
  • it has a long coherence length, so that it satisfies the required characteristics for the measurement range, but has a sufficient measurement resolution because the wavelength band is too narrow. Can't get.
  • an SLD that is often used as a light source for OCT is a light source that emits light having a wide wavelength band exceeding 10 nm while having a very short coherence length of less than several millimeters.
  • SLD When such an SLD is used as a distance measurement light source, it has a wide wavelength band, so that it satisfies the required characteristics for measurement resolution, while the coherence length is short, the measurement range becomes shorter, and the required characteristics. Measurement range that satisfies the above cannot be obtained.
  • the light source for realizing the distance measurement technology using the interference of light includes a light source capable of achieving both a trade-off relationship between the measurement range and the measurement resolution. It turns out that it is required.
  • the coherence length required for the light source for distance measurement has a coherence length of 10 mm or more, preferably 20 mm or more in order to realize a measurement range that can withstand practical use under endoscopic observation. Is preferred.
  • the width of the wavelength band required for the distance measurement light source it is preferable to set the center wavelength ⁇ and the wavelength band ⁇ according to the required measurement resolution.
  • the measurement resolution is preferably set so that the phase difference between the longest wavelength and the shortest wavelength is within 2 ⁇ .
  • the measurement resolution is expressed as ⁇ z and the wave number difference between the longest wavelength and the shortest wavelength is expressed as ⁇ k, this view can be expressed as the following Expression 11.
  • the wave number k is expressed by the following equation 13 using the wavelength ⁇
  • the wave number difference ⁇ k can be expressed by the following equation 15 using the wavelength band ⁇ . Therefore, the relationship shown in the following equation 17 can be obtained from the equations 11 and 15.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the distance measurement light source according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the relationship between the inclination of the optical waveguide and the coupling efficiency
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the inclination of the optical waveguide and the coupling efficiency.
  • FIG. 10 is a flowchart showing an example of the design procedure of the distance measurement light source according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing a difference between a light source operating point in OCT and a light source operating point in distance measurement.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram for explaining a specific example of the distance measurement light source according to the present embodiment
  • FIG. 13 is a simulation of the state of light transmission in the specific example of the distance measurement light source according to the present embodiment. It is explanatory drawing which showed the result.
  • 14A to 14D are graphs showing the relationship between the magnitude of the drive current and the coherence length.
  • FIG. 15 is an explanatory view schematically showing an example of a modification of the light source for distance measurement according to the present embodiment.
  • the distance measurement light source 10 is a light source used in a distance measurement technique using light interference, and each includes an n-type cladding layer and a p-type cladding layer formed of a predetermined semiconductor, and an n-type cladding. And at least a part of the active layer that functions as an optical waveguide and emits light of a predetermined wavelength from one end face.
  • an n-type cladding layer 103 using a predetermined semiconductor doped n-type is formed on a predetermined semiconductor substrate (n-type semiconductor substrate) 101 doped n-type.
  • An active layer 105 using a predetermined semiconductor is formed above the n-type cladding layer 103, and a p-type cladding using a predetermined semiconductor doped p-type is formed above the active layer 105.
  • a layer 107 is formed.
  • a ridge structure having a predetermined shape as shown in the upper part of FIG. 7 is formed on the p-type cladding layer 107, and a predetermined metal is used on the ridge structure of the p-type cladding layer 107.
  • the p-type electrode 109 is formed by ohmic contact.
  • an n-type electrode 111 using a predetermined metal is formed on the other surface of the n-type semiconductor substrate 101 by ohmic contact.
  • the film thickness of each layer shown in FIG. 7 is not particularly limited, and may be set as appropriate.
  • the distance measuring light source 10 can be regarded as a light emitting element having a double hetero structure.
  • each semiconductor layer is subjected to AR coating, and an antireflection film (not shown) is formed.
  • the layer structure (vertical structure) of the distance measurement light source 10 is not limited to the example shown in FIG. 7, and semiconductor layers other than the layers shown in FIG. 7 are appropriately formed. May be.
  • an n-type semiconductor layer made of a predetermined semiconductor doped n-type may be formed between the n-type semiconductor substrate 101 and the n-type cladding layer 103, or the active layer 105 and the p-type cladding layer may be formed.
  • a p-type electron barrier layer made of a predetermined semiconductor doped p-type may be formed between the first and second layers 107.
  • a SiO 2 layer and / or a Si layer may be formed on the side surface of the ridge structure in the p-type cladding layer 107 and on the p-type cladding layer 107 where the ridge structure is not formed.
  • the region where the ridge structure of the p-type cladding layer 107 and the p-type electrode 109 are formed (more specifically, the ridge structure of the p-type cladding layer 107 and the p-type electrode 109).
  • the region of the active layer 105 corresponding to the portion where the is formed functions as an optical waveguide.
  • the light traveling direction in the active layer 105 is inclined by a predetermined angle ⁇ with respect to the normal direction of the light emitting end surface.
  • the ridge structure provided in the p-type cladding layer 107 has a predetermined curved shape, and the top surface of the ridge structure having the predetermined curved shape. Further, a p-type electrode 109 is formed.
  • the traveling direction of light in the optical waveguide is curved in the active layer 105 in the optical waveguide. More specifically, by forming the ridge structure and the p-type electrode 109 as described above, the optical waveguide in the active layer 105 is a straight optical waveguide in which light goes straight along a direction perpendicular to the emission end face. 11 and a curved optical waveguide 13 in which light travels while bending from a direction perpendicular to the emission end face.
  • the traveling direction of the light in the optical waveguide is inclined by a predetermined angle ⁇ with respect to the normal direction of the exit end face, so that the traveling direction of the light reflected at the exit end face (in other words, the light Since the reflection direction does not coincide with the direction in which the optical waveguide is formed, the reflected light cannot reciprocate in the optical waveguide.
  • a process in which phases of light emitted in the active layer 105 are aligned does not occur, and low-coherent light (in other words, light having an appropriate coherence length) is emitted. become.
  • the optical waveguide is composed of two parts, a straight optical waveguide 11 and a curved optical waveguide 13. Since the optical waveguide is composed of the straight optical waveguide 11 and the curved optical waveguide 13, it is possible to generate low-coherent light that does not oscillate while increasing the light density of the emitted light. Light having a wavelength band can be created. As described above, the distance measurement light source 10 according to the present embodiment has an optical waveguide composed of the straight optical waveguide 11 and the curved optical waveguide 13, so that an excellent ASE (Amplified Spontaneous Emission: spontaneous emission) with high optical density is achieved. It functions as a light source.
  • a straight optical waveguide (not shown) is further connected to the distal end of the curved optical waveguide 13 so as to be smoothly connected to the curved optical waveguide 13. Good.
  • the tilt angle at the exit end face of the straight optical waveguide to be further provided is set so that the tilt angle ⁇ at the distal end face of the curved optical waveguide 13 is maintained.
  • the optical waveguide is formed only by the straight optical waveguide 11, the light reflection direction at the emission end face coincides with the extending direction of the optical waveguide, so that the phase of the light is aligned (resonance). Process) is likely to occur, and it becomes difficult to produce low-coherent light having an appropriate coherence length. As a result, it becomes difficult to obtain a measurement resolution appropriate for distance measurement.
  • the optical waveguide is formed only by the curved optical waveguide 13, it becomes difficult to sufficiently increase the light density in the optical waveguide, and it becomes difficult to obtain an appropriate coherence length. As a result, it becomes difficult to obtain a measurement range suitable for distance measurement.
  • the distance measuring light source 10 is a combination of the rectilinear optical waveguide 11 and the curved optical waveguide 13, but the positions of the rectilinear optical waveguide 11 and the curved optical waveguide 13.
  • the relationship is not limited to that shown in FIG.
  • the curved optical waveguide 13 is provided on the exit end face side (side closer to the measurement object), It is preferable to incline the optical waveguide 11 with respect to the emission end face.
  • the bending loss increases as the curvature radius of the curved optical waveguide 13 decreases. Therefore, considering together with the contents described below with reference to FIG.
  • the curvature radius of the curved optical waveguide 13 is larger.
  • the proportion of the straight optical waveguide 11 and the curved optical waveguide 13 to be formed may be appropriately determined in accordance with the design of the longitudinal mode interval.
  • the length of the distance measurement light source 10 according to the present embodiment (the length in the direction perpendicular to the emission end face, the length L shown in FIG. 7) is not particularly limited, and the longer it is, the longer it is. good.
  • the wavelength (center wavelength) of the emitted light is determined depending on what kind of semiconductor each semiconductor layer shown in FIG.
  • the light emitted from the emission end face preferably has a wavelength belonging to the visible light band (for example, a wavelength band of about 400 nm to 800 nm).
  • a wavelength band of about 400 nm to 800 nm When the center wavelength of light belongs to the visible light band, when performing distance measurement of an affected area under endoscopic observation using such a distance measurement light source 10, a doctor who is an operator of an endoscope It is possible to clearly grasp to which part of the affected part the distance is being measured. Even in this case, it is preferable to select the center wavelength ⁇ and the wavelength band ⁇ based on the above equation 17 based on the measurement resolution required for the distance measurement light source 10.
  • an n-type doped GaN (gallium nitride) substrate is used as the n-type semiconductor substrate 101, and an n-type doped GaN layer (hereinafter referred to as an n-type cladding layer 103) is formed on the n-GaN substrate. , Abbreviated as “n-GaN layer”).
  • n-GaN layer a quantum well (QW) layer using Ga 0.92 In 0.08 N is formed as the active layer 105 on the n-GaN layer.
  • a Ga 0.98 In 0.02 N layer is formed on the active layer 105 as a p-type electron barrier layer, and then a p-type doped GaN layer is formed as the p-type cladding layer 107.
  • the combination of semiconductors used in the distance measurement light source 10 according to the present embodiment is not limited to the above example, and a known semiconductor can be combined according to a desired center wavelength.
  • the metal used for the p-type electrode 109 and the n-type electrode 111 has a hole or electron injection barrier that is as small as possible depending on the energy level of the semiconductor used for the p-type cladding layer 107 and the n-type cladding layer 103. Appropriately selected.
  • Equation 21 ⁇ is an angular frequency
  • k is a wave number of a medium (for example, a semiconductor constituting the active layer).
  • FIG. 9 the case where each frequency ⁇ in the following formula 21 is 4.65 ⁇ 10 15 Hz and the wave number k is 1.55 ⁇ 10 7 [1 / m] is illustrated as an example. .
  • the vertical axis represents the coupling efficiency ⁇
  • the notation such as “1.00E-1” is a numerical value described after E, such as “1.00 ⁇ 10 ⁇ 1 ”.
  • the horizontal axis is the tilt angle ⁇ .
  • the coupling efficiency ⁇ decreases as the inclination angle ⁇ increases.
  • the light loss (so-called mirror loss) ⁇ m at the exit end face can be expressed by the following Expression 23.
  • L is the waveguide length of the optical waveguide
  • Rf is the reflectance at the exit end face
  • Rr is the reflectance at the rear end face.
  • ⁇ is a light confinement factor in the light source of interest
  • g th is a threshold gain for causing laser oscillation.
  • ⁇ i in the first term on the left side is a light loss (internal loss) inside the light source of interest.
  • the light loss ⁇ m at the exit end face expressed by the above equation 23 increases as the tilt angle ⁇ of the optical waveguide increases.
  • the threshold current density Jth for satisfying the laser oscillation condition represented by the above formulas 25 and 27 increases.
  • the threshold current density Jth for laser oscillation increases, and such a light source is a light source that is difficult to perform laser operation.
  • the product of the optical confinement coefficient ⁇ and the gain g in the case of a certain current density J is considered using the above formulas 25 and 27, the product is a coefficient k determined according to the semiconductor of the active layer 105. And can be described as the second term of Equation 29 below.
  • the value represented by the second term of Expression 29 is smaller than the loss described in the leftmost side of Expression 29, the light source does not perform laser operation.
  • the inequalities in Expression 29 are arranged as shown in Expression 31 below.
  • the internal loss ⁇ i , the coefficient k, and the transparent current density J nom in the above formula 31 are values specific to the vertical structure (layer structure) of the light source. Therefore, in the vertical structure of the light source of interest, the internal loss ⁇ i , the coefficient k, and the like can be obtained by actually producing a light source composed only of the straight optical waveguide 11 or performing various known simulations. The specific value of the transparent current density J nom can be specified. Then, the inclination angle ⁇ of the optical waveguide at the emission end face may be determined using the above formulas 21 and 31 so that the relationship of formula 31 is established.
  • FIG. 10 An example of the flow of the method for determining the tilt angle ⁇ of the optical waveguide at the exit end face is shown in FIG.
  • specifications that is, measurement range and measurement resolution
  • the center wavelength ⁇ and the wavelength band ⁇ are selected based on the above equation 17 based on the required measurement resolution (step S103).
  • the center wavelength ⁇ it is possible to select a combination of semiconductors used for the distance measurement light source 10.
  • various gain parameters such as internal loss ⁇ i , coefficient k, and transparent current density J nom are extracted (step) S105).
  • the gain parameter may be extracted by actually producing a light source, or may be extracted by performing various known simulations.
  • the coherence length and line width (that is, measurement resolution) under the set conditions are confirmed by actually producing a light source or performing various known simulations (step S109).
  • step S111 it is confirmed whether or not the obtained coherence length and line width satisfy the determined specifications. If the obtained coherence length and line width satisfy the determined specifications (step S111—YES), the set conditions are adopted (step S113). On the other hand, if the obtained coherence length and line width do not satisfy the determined specifications (NO in step S111), the process returns to step S107 to reset the inclination angle ⁇ and re-execute step S109 and the subsequent steps. Good.
  • the distance measurement light source 10 according to the present embodiment as described above can be suitably used for distance measurement under endoscopic observation, but by appropriately setting the drive current of the light source, OCT It can also be used as a light source. That is, as schematically shown in FIG. 11, the distance measurement light source 10 according to the present embodiment is used with an appropriate driving current (driving current density) that satisfies Equation 31 above, thereby providing a coherence length. It functions as a light source that can be used for distance measurement and emits light having a long wavelength and a narrow wavelength band. On the other hand, the distance measurement light source 10 according to the present embodiment is a light source that can be used for OCT that emits light with a short coherence length and a wide wavelength band by being driven with a small drive current. Can function as.
  • the method for manufacturing the distance measurement light source 10 according to the present embodiment as described above is not particularly defined, and various manufacturing methods used when manufacturing a semiconductor device can be applied. is there.
  • a known crystal growth method such as a chemical vapor deposition (CVD) method is formed on a predetermined n-type semiconductor substrate 101.
  • the n-type cladding layer 103, the active layer 105, and the p-type cladding layer 107 are sequentially formed using
  • the p-type cladding layer 107 is formed, the shape of the ridge structure is controlled so that a desired optical waveguide structure is realized.
  • a p-type electrode 109 is formed on the top surface of the p-type cladding layer 107 by vapor deposition or sputtering using a predetermined metal, and an n-type electrode is formed on the back surface of the n-type semiconductor substrate 101 using a predetermined metal.
  • the distance measuring light source 10 having a vertical structure as shown in FIG. 7 can be manufactured.
  • the distance measurement light source 10 according to the present embodiment was designed. That is, in FIG. 12, the center of the rear end face of the distance measuring light source 10 as shown in FIG. 7 is the origin (0, 0), the range from the emission end face to the rear end face is 100 ⁇ m, and the light is emitted from the rear end face.
  • the straight optical waveguide 11 was set in the range of 100 ⁇ m toward the end face.
  • the two straight optical waveguides 11 were connected by a curved optical waveguide 13 using an arc having a curvature radius of 4590 ⁇ m.
  • the central angle when setting the curved optical waveguide 13 is 5 degrees.
  • the inclination angle ⁇ of the optical waveguide at the exit end face is 5 degrees.
  • the state of light transmission was confirmed using a beam propagation method (BPM) which is a known simulation method.
  • BPM beam propagation method
  • the distance measuring light source 10 having the shape shown in FIG. 12 was actually manufactured, and its coherent characteristics were confirmed.
  • an AR coating having a reflectance of 0.3% was applied to the emission end face and the rear end face of the manufactured distance measurement light source 10.
  • a commercially available optical spectrum analyzer (AQ8347 manufactured by Advantest) was used for the measurement.
  • FIGS. 14A to 14D show the measurement result when the drive current is 50 mA
  • FIG. 14B shows the measurement result when the drive current is 60 mA
  • FIG. 14C shows the measurement results when the drive current is 70 ⁇ m
  • FIG. 14D shows the measurement results when the drive current is 80 mA.
  • the manufactured distance measurement light source 10 has a coherence length of less than 10 mm when the drive current is small, and it can be seen that it functions as a light source suitable for OCT.
  • the manufactured distance measurement light source 10 is driven at a driving current of 70 mA or more, resulting in a coherence length of 20 mm or more and a line width of 0.1 mm or less. It can be seen that it functions as a light source suitable for distance measurement.
  • the driving current is 70 mA or more and the coherence length is 20 mm or more, and the driving current 70 mA corresponds to a current density of 8 kA.
  • the distance measurement light source 10 having such a structure can realize a measurement range and measurement resolution suitable for distance measurement by setting the inclination angle ⁇ to 3 degrees or more.
  • the distance measurement light source 10 according to the present embodiment has a curved optical waveguide.
  • the same effect as the curved optical waveguide is shown in FIG. It can also be realized using an optical waveguide having discontinuous points.
  • discontinuous points such as a region surrounded by a dotted line in FIG. 15
  • the existence ratio of light that can be coupled to the optical waveguide ahead is reduced at the discontinuous points.
  • the same effect as that of the curved optical waveguide can be realized.
  • the distance measurement light source according to the present embodiment has been described in detail above with reference to FIGS.
  • FIG. 16 is a block diagram schematically showing an example of the configuration of an endoscope having a distance measurement light source according to the present embodiment
  • FIG. 17 is an example of an optical system of the endoscope according to the present embodiment. It is explanatory drawing which showed typically.
  • the endoscope 1 includes a distance measurement light source 10, a branching optical system 20, a detection unit 30, and a distance calculation unit 40 according to the present embodiment.
  • the endoscope unit 200 is mainly provided. Further, the endoscope 1 is often further provided with a light source device 300, an imaging unit 400, a camera control unit (CCU) 500, and a display device 600.
  • a light source device 300 an imaging unit 400, a camera control unit (CCU) 500, and a display device 600.
  • CCU camera control unit
  • the distance measurement light emitted from the distance measurement light source 10 passes through the branch optical system 20 and is connected to a light guide (not shown) of the endoscope unit 200.
  • white light as illumination light is connected to the light guide of the endoscope unit 200 from a predetermined light source device 300 under the control of the camera control unit 500.
  • the distance measurement light emitted from the distance measurement light source 10 is connected to the light guide coaxially with the illumination light from the light source device 300. Thereby, it is possible to suppress the positional deviation between the illumination light and the distance measurement light.
  • a doctor who is an operator of an endoscope irradiates a region for which distance measurement is desired while observing visible light of a desired living tissue using illumination light.
  • An observation image of the living tissue with white illumination light is imaged from the endoscope unit 200 to the imaging unit 400, and thus captured image data is generated under the control of the camera control unit 500, and a display device such as a display 600 is output. Thereby, the doctor who is the operator of the endoscope can confirm the visible light observation image of the living tissue on the spot.
  • the endoscope unit 200, the light source device 300, the imaging unit 400, the camera control unit (CCU) 500, and the display device 600 in the endoscope 1 according to the present embodiment are not particularly limited. Well-known ones can be used as appropriate.
  • the return light of the distance measurement light from the endoscope unit 200 is guided to the branching optical system 20.
  • the branching optical system 20 is provided on the optical path between the distance measurement light source 10 and the endoscope unit 200, and returns the return light from the endoscope unit 200 of the distance measurement light emitted from the distance measurement light source 10. It is a branching optical system.
  • the branching optical system 20 is not particularly limited, and various known optical elements such as various beam splitters BS can be appropriately used as schematically shown in FIG.
  • the detection unit 30 is a unit that detects the return light branched by the branch optical system 20 by the detection unit 33 while causing the interference optical system 31 to interfere with the return light.
  • a part of the return light branched by the branch optical system 20 is given a known optical path difference by a known interference optical system 31 such as a Michelson interferometer as shown in FIG. It is detected by the detector 33 using an element.
  • the beam splitter BS splits the optical path into two optical paths, and one return light passes through the beam splitter BS as it is, and passes through the collimating lens CL, the optical fiber OF, and the collimating lens CL, and then the diffraction grating DG.
  • the light beam is transmitted through various lenses LE and imaged on the detector det and detected as a detection signal in the frequency domain.
  • the return light reflected by the beam splitter BS is guided to the mirror M via the collimating lens CL, the optical fiber OF, and the collimating lens CL, and then guided to the beam splitter BS through the same path. Thereafter, a similar optical path is followed to form an image on the detector det. Thereby, a predetermined optical path difference is given to the return light that forms an image on the detector det via different optical paths.
  • the distance calculation unit 40 is realized by, for example, a computer having a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like.
  • the distance calculation unit 40 calculates the distance to the observation object by Fourier-transforming the detection signal in the frequency domain of the return light output from the detection unit 30. As a result, distance information related to the biological tissue focused on by the doctor is generated.
  • FIG. 16 illustrates the case where the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 are provided separately, but the distance calculation unit 40 according to the present embodiment is a function of the camera control unit 500. Needless to say, it may be realized.
  • the endoscope using the distance measurement light source according to the present embodiment has been briefly described above with reference to FIGS. 16 and 17.
  • FIG. 18 is a block diagram for explaining a hardware configuration of the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 according to the embodiment of the present disclosure.
  • the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 mainly include a CPU 901, a ROM 903, and a RAM 905.
  • the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 further include a host bus 907, a bridge 909, an external bus 911, an interface 913, an input device 915, an output device 917, a storage device 919, A drive 921, a connection port 923, and a communication device 925 are provided.
  • the CPU 901 functions as a central processing device and control device, and operates in the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 according to various programs recorded in the ROM 903, the RAM 905, the storage device 919, or the removable recording medium 927. Control all or part of it.
  • the ROM 903 stores programs used by the CPU 901, calculation parameters, and the like.
  • the RAM 905 primarily stores programs used by the CPU 901, parameters that change as appropriate during execution of the programs, and the like. These are connected to each other by a host bus 907 constituted by an internal bus such as a CPU bus.
  • the host bus 907 is connected to an external bus 911 such as a PCI (Peripheral Component Interconnect / Interface) bus via a bridge 909.
  • PCI Peripheral Component Interconnect / Interface
  • the input device 915 is an operation means operated by the user such as a mouse, a keyboard, a touch panel, a button, a switch, and a lever.
  • the input device 915 may be, for example, remote control means (so-called remote control) using infrared rays or other radio waves, or a mobile phone corresponding to the operation of the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500.
  • an external connection device 929 such as a PDA.
  • the input device 915 includes an input control circuit that generates an input signal based on information input by a user using the above-described operation means and outputs the input signal to the CPU 901, for example. By operating this input device 915, the user can input various data and instruct processing operations to the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500.
  • the output device 917 is a device that can notify the user of the acquired information visually or audibly.
  • Such devices include display devices such as CRT display devices, liquid crystal display devices, plasma display devices, EL display devices and lamps, audio output devices such as speakers and headphones, printer devices, mobile phones, and facsimiles.
  • the output device 917 outputs results obtained by various processes performed by the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500, for example. Specifically, the display device displays the results obtained by various processes performed by the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500 as text or an image.
  • the audio output device converts an audio signal composed of reproduced audio data, acoustic data, and the like into an analog signal and outputs the analog signal.
  • the storage device 919 is a data storage device configured as an example of the distance calculation unit 40 and the storage unit of the camera control unit 500.
  • the storage device 919 includes, for example, a magnetic storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), a semiconductor storage device, an optical storage device, or a magneto-optical storage device.
  • the storage device 919 stores programs executed by the CPU 901, various data, various data acquired from the outside, and the like.
  • the drive 921 is a recording medium reader / writer, and is built in or externally attached to the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500.
  • the drive 921 reads information recorded on a removable recording medium 927 such as a mounted magnetic disk, optical disk, magneto-optical disk, or semiconductor memory, and outputs the information to the RAM 905.
  • the drive 921 can also write a record to a removable recording medium 927 such as a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, or a semiconductor memory that is mounted.
  • the removable recording medium 927 is, for example, a DVD medium, an HD-DVD medium, a Blu-ray (registered trademark) medium, or the like.
  • the removable recording medium 927 may be a CompactFlash (registered trademark) (CompactFlash: CF), a flash memory, an SD memory card (Secure Digital memory card), or the like. Further, the removable recording medium 927 may be, for example, an IC card (Integrated Circuit card) on which a non-contact IC chip is mounted, an electronic device, or the like.
  • CompactFlash registered trademark
  • SD memory card Secure Digital memory card
  • the connection port 923 is a port for directly connecting the device to the distance calculation unit 40 and the camera control unit 500.
  • Examples of the connection port 923 include a USB (Universal Serial Bus) port, an IEEE 1394 port, a SCSI (Small Computer System Interface) port, and the like.
  • As another example of the connection port 923 there are an RS-232C port, an optical audio terminal, an HDMI (registered trademark) (High-Definition Multimedia Interface) port, and the like.
  • the communication device 925 is a communication interface configured with, for example, a communication device for connecting to the communication network 931.
  • the communication device 925 is, for example, a communication card for wired or wireless LAN (Local Area Network), Bluetooth (registered trademark), or WUSB (Wireless USB).
  • the communication device 925 may be a router for optical communication, a router for ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), or a modem for various communication.
  • the communication device 925 can transmit and receive signals and the like according to a predetermined protocol such as TCP / IP, for example, with the Internet or other communication devices.
  • the communication network 931 connected to the communication device 925 is configured by a wired or wireless network, and may be, for example, the Internet, a home LAN, infrared communication, radio wave communication, satellite communication, or the like. .
  • each component described above may be configured using a general-purpose member, or may be configured by hardware specialized for the function of each component. Therefore, it is possible to change the hardware configuration to be used as appropriate according to the technical level at the time of carrying out this embodiment.
  • Comprising at least The optical waveguide has a light source for distance measurement in which the light traveling direction in the optical waveguide is inclined at a predetermined angle with respect to the normal direction of the light emitting end surface at the light emitting end surface in the active layer.
  • the light source for distance measurement according to (1) wherein the light emitted from the emission end face has a wavelength belonging to a visible light band.
  • the optical waveguide is provided so that a traveling direction of the light in the optical waveguide is curved in the active layer.
  • the optical waveguide includes: a linear optical waveguide in which the light goes straight along a direction perpendicular to the emission end face; and a curved optical waveguide in which the light travels while bending from a direction perpendicular to the emission end face.
  • the angle formed by the normal direction of the light emitting end face and the light traveling direction in the optical waveguide is the internal loss of the light and the light at the light emitting end face.
  • the distance measuring light source according to any one of (1) to (4), wherein the sum of the reflection loss and the loss upper limit threshold for laser operation is set to be larger.
  • (6) When the resolution required for the distance measurement is expressed as ⁇ z and the center wavelength and wavelength band of the light are expressed as ⁇ and ⁇ , respectively, the relationship of ( ⁇ 2 / ⁇ ) ⁇ ⁇ z is established.
  • the light source for distance measurement as described in any one of 5).
  • the light is blue light; In the light emitting end face of the active layer, the angle formed by the normal direction of the emitting end face and the traveling direction of the light in the optical waveguide is 3 degrees or more.
  • the light is blue light; The distance measurement light source according to any one of (1) to (7), wherein the coherence length of the light is 10 mm or more, and a line width of the interference light of the light is 0.1 mm or less.
  • An n-type cladding layer and a p-type cladding layer each formed of a predetermined semiconductor, and located between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer, and at least a part of the region functions as an optical waveguide.
  • a distance measuring light source provided with the optical waveguide so as to be inclined at a predetermined angle with respect to the light source;
  • An endoscope unit that observes an observation object using illumination light, and the distance measurement light from the distance measurement light source is incident coaxially with the illumination light;
  • a branching optical system that is provided on an optical path between the distance measurement light source and the endoscope unit and branches return light of the distance measurement light from the endoscope unit;
  • a detection unit that detects the return light branched by the branching optical system while interfering with an interference optical system;
  • a distance calculation unit that calculates a distance to the observation object by Fourier-transforming a detection signal in the frequency domain of the return light output from the detection unit;
  • An endoscope comprising:

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Abstract

【課題】光の干渉を利用した距離計測時に、より長い距離をより正確に計測すること。 【解決手段】本開示に係る距離計測用光源は、それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層と、を少なくとも備え、前記光導波路は、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜している。

Description

距離計測用光源及び内視鏡
　本開示は、距離計測用光源及び内視鏡に関する。
　従来、医療分野においては、内視鏡観察時に患部の距離計測が行われることが多い。この場合、内視鏡の操作者である医師は、目盛が設けられた器具を患部に沿わせ、内視鏡を通して目視で目盛を読み取ることで、患部の距離計測を行う。しかしながら、かかる目視による距離計測は、目盛の読み取りが主観的であり、また、上記のような目盛の設けられた器具を挿入することが困難な患部も存在する。加えて、内視鏡を介して得られる画像は、大きな歪曲が存在するため、得られた計測結果に誤差が重畳している可能性が高い。上記のような理由から、より正確な患部の距離計測が可能な技術が希求されている。
　一方、距離計測を利用した医療用観察技術の一つに、以下の非特許文献１に開示されているような、光の干渉を利用した光コヒーレンストモグラフィ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）がある。かかるＯＣＴ法は、生体組織の内部へと入射した光の反射光を光の干渉を用いて検出することで、生体組織の内部構造を非破壊で観察するための技術である。
Ｗ．Ｄｒｅｘｌｅｒ，ｅｔ　ａｌ．"Ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　ｔｏｄａｙ：ｓｐｅｅｄ，ｃｏｎｔｒａｓｔ，ａｎｄ　ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌｉｔｙ"，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ　Ｏｐｔｉｃｓ，１９（７），ｐ．０７１４１２（Ｊｕｌｙ，２０１４）．
　上記非特許文献１に開示されているようなＯＣＴ技術では、反射光を、マイケルソン干渉計などのような干渉計を利用して検出するが、かかる検出の際には、高次の干渉光を検出せずに、０次干渉光のみを検出することが望まれる。そのため、ＯＣＴ技術に用いられる光源は、高次の干渉光の発生を抑制するために、コヒーレンス長の短い光源が用いられる。従って、かかるＯＣＴ技術を患部の距離計測に適用することも考えられるが、かかる場合には、計測に利用する光のコヒーレンス長の短さに起因して、計測可能な距離が短くなってしまう。
　そのため、内視鏡を用いて観察対象物までの距離を計測する際に、より長い距離を正確に計測することが可能な技術が希求されている状況にある。
　そこで、本開示では、上記事情に鑑みて、光の干渉を利用した距離計測時に、より長い距離をより正確に計測することが可能な、距離計測用光源及び内視鏡を提案する。
　本開示によれば、それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層と、を少なくとも備え、前記光導波路は、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜している、距離計測用光源が提供される。
　また、本開示によれば、それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層、並びに、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層を少なくとも有し、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜するように、前記光導波路が設けられる、距離計測用光源と、照明光を用いて観察対象物を観察するものであり、前記距離計測用光源からの距離計測用光が前記照明光と同軸に入射する内視鏡ユニットと、前記距離計測用光源と前記内視鏡ユニットとの間の光路上に設けられ、前記距離計測用光の前記内視鏡ユニットからの戻り光を分岐する分岐光学系と、前記分岐光学系により分岐された前記戻り光を干渉光学系により干渉させながら検出する検出ユニットと、前記検出ユニットから出力された前記戻り光の周波数領域での検出信号をフーリエ変換することで、前記観察対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備える、内視鏡が提供される。
　本開示によれば、活性層での光の出射端面において、光導波路中での光の進行方向が出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜するように光導波路が設けられることで、出射する光のコヒーレンス長をより長くすることが可能となる。
　以上説明したように本開示によれば、光の干渉を利用した距離計測時に、より長い距離をより正確に計測することが可能となる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
光源から出射する光を特徴づける特徴量を説明するための説明図である。 距離計測における仕様と光源特性との関係を示した表である。 光源特性に求められる要件の一部をまとめて示した表である。 一般的な光源の光源特性と距離計測における仕様との対比結果を示した表である。 距離計測用光源に求められる仕様の一例を示した表である。 距離計測に求められる分解能と、中心波長及び波長帯域との関係を示したグラフ図である。 本開示の実施形態に係る距離計測用光源の構成を模式的に示した説明図である。 光導波路の傾きと結合効率との関係を説明するための説明図である。 光導波路の傾きと結合効率との関係を示したグラフ図である。 同実施形態に係る距離計測用光源の設計手順の一例を示した流れ図である。 ＯＣＴにおける光源動作点と距離計測における光源動作点の違いを模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る距離計測用光源の具体例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る距離計測用光源の具体例において光の伝送の様子のシミュレーション結果を示した説明図である。 駆動電流の大きさとコヒーレンス長との関係を示したグラフ図である。 駆動電流の大きさとコヒーレンス長との関係を示したグラフ図である。 駆動電流の大きさとコヒーレンス長との関係を示したグラフ図である。 駆動電流の大きさとコヒーレンス長との関係を示したグラフ図である。 同実施形態に係る距離計測用光源の変形例の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る距離計測用光源を有する内視鏡の構成の一例を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る内視鏡の光学系の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る距離算出部及びカメラコントロールユニットのハードウェア構成の一例を示したブロック図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．光源から出射する光を特徴づける特徴量について
　２．距離計測用光源についての検討
　３．実施形態
　　３．１．距離計測用光源について
　　３．２．内視鏡について
　　３．３．ハードウェア構成
（光源から出射する光を特徴づける特徴量について）
　本開示の実施形態に係る距離計測用光源及び内視鏡について説明するに先立ち、光源から出射する光を特徴づける特徴量の一例について、図１を参照しながら簡単に説明する。図１は、光源から出射する光を特徴づける特徴量を説明するための説明図である。
　各種の光源から出射する光を特徴づける特徴量として、例えば、光源から出射した光の発光スペクトルを測定することで得られる特徴量である、中心波長及び波長帯域、を挙げることができる。また、このような中心波長及び波長帯域に加えて、以下で詳述する距離計測用光源を検討するに当たっては、光の可干渉性に関する特徴量であるコヒーレンス長が重要な特徴量となる。
　コヒーレンス長は、着目している光の干渉しやすさ（時間的に離れている光の干渉しやすさ）の度合いを示す値であり、マイケルソン干渉計等の各種の干渉計を用いて計測することが可能である。干渉計において光路差が特定の値となる毎に光が互いに干渉する結果、大きな強度を有する干渉光が観測される。かかる干渉光は、図１に模式的に示したように、光路差がゼロの場合に観測される０次干渉光から更に高次の干渉光まで、様々な種類が存在しうるが、可干渉性の高い光ほど、より高次の干渉光まで観測される。この際に、図１に示したように、干渉光の包絡線の広がりに対応する大きさが、コヒーレンス長となる。また、図１に示したような各干渉光における線幅（半値全幅）は、距離計測用光源を用いて距離計測を行う際の分解能に関連する特徴量となる。
　以下では、上記のような特徴量に着目しながら、距離計測用光源に求められる特性に関する検討結果について、詳細に説明する。
（距離計測用光源についての検討）
　以下では、図２～図６を参照しながら、本発明者らが実施した距離計測用光源についての検討結果について、具体的に説明する。
　図２は、距離計測における仕様と光源特性との関係を示した表であり、図３は、光源特性に求められる要件の一部をまとめて示した表であり、図４は、一般的な光源の光源特性と距離計測における仕様との対比結果を示した表である。図５は、距離計測用光源に求められる仕様の一例を示した表である。図６は、距離計測に求められる分解能と、中心波長及び波長帯域との関係を示したグラフ図である。
　内視鏡観察中に観察対象物までの距離を計測する場合、どの程度の距離まで計測することが可能なのか（すなわち、計測レンジがどの程度なのか）、及び、どの程度までの距離の違いを見分けることができるのか（すなわち、計測分解能がどの程度なのか）、が重要な要件となる。距離計測用光源の計測レンジは、図２に示したように、コヒーレンス長、中心波長及び波長帯域という特徴量のうち、コヒーレンス長に関係している。一方、距離計測用光源の計測分解能は、コヒーレンス長、中心波長及び波長帯域という特徴量のうち、中心波長及び波長帯域に関係している。コヒーレンス長は、図３に示したように、縦モードあたりの光密度が高いほど長くなり、コヒーレンス長が長くなるほど、計測レンジは広くなる。また、光の中心波長が短波長となるほど、距離計測における計測分解能は高くなり、光の波長帯域が広いほど、距離計測における計測分解能は高くなる。
　ここで、本開示で着目する光の干渉を利用した距離計測においては、計測レンジは、広ければ広いほど良いため、光源から出射する光のコヒーレンス長は、長ければ長いほど好ましい。
　また、光の干渉を利用した距離計測では、観察対象物の最表面までの距離に着目しているのであって、上記非特許文献１に示したＯＣＴのように、観察対象物の内部構造に着目しているわけではない。ここで、観察対象物の最表面の構造を知るためにＯＣＴのように数十μｍ程度の分解能が求められるわけではないため、波長帯域は狭くとも良いが、レーザ光のような狭帯域の光では、波長帯域は狭くなりすぎると考えられる。また、ＯＣＴでは、観察対象物の内部構造を特定するために、計測に利用する光に高次の干渉が生じるのは好ましくないが、内部構造に着目していない距離計測においては、計測に利用する光において、高次の干渉が生じてもかまわない。
　これらの検討結果から、本発明者らは、レーザ動作しない程度に波長帯域が狭く、かつ、高次の干渉が生じても良い光源が、距離計測用光源として適しているとの知見を得ることができた。
　ここで、一般的に用いられることが多い光源である、半導体レーザ光源（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）と、スーパールミネッセントダイオード（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｄｉｏｄｅ：ＳＬＤ）について、その製品特性をまとめたものを、図４に示した。半導体レーザ光源（ＬＤ）は、１ｍを超える極めて長いコヒーレンス長を有すると共に、波長帯域が１ｎｍ未満と極めて狭い波長帯域を有する光を出射する光源である。かかる半導体レーザ光源（ＬＤ）を距離計測用光源として用いた場合、長いコヒーレンス長を有することから、計測レンジについては求められる特性を満足する一方で、波長帯域が狭すぎるために、十分な計測分解能を得ることができない。一方、ＯＣＴの光源として用いられることが多いＳＬＤは、数ｍｍ未満という極めて短いコヒーレンス長を有する一方で、１０ｎｍを超える広い波長帯域を有する光を出射する光源である。かかるＳＬＤを距離計測用光源として用いた場合、広い波長帯域を有することから、計測分解能については求められる特性を満足する一方で、コヒーレンス長が短いことから計測レンジが短くなってしまい、求められる特性を満足するような計測レンジを得ることができない。
　かかる比較から明らかなように、光の干渉を利用した距離計測技術を実現するための光源には、計測レンジと計測分解能という、互いにトレードオフの関係にある特性を両立することが可能な光源が求められることがわかる。
　本発明者らは、距離計測用光源に求められる特性について、更なる検討を行った結果、図５に示したような知見に想到した。まず、距離計測用光源に求められるコヒーレンス長としては、内視鏡観察下での実用に耐えるだけの計測レンジを実現するために、１０ｍｍ以上、好ましくは２０ｍｍ以上のコヒーレンス長を有していることが好ましい。また、距離計測用光源に求められる波長帯域の広さについては、求められる計測分解能に応じて、中心波長λと波長帯域Δλを設定することが好ましい。
　以下では、計測分解能と、中心波長λ及び波長帯域Δλと、の関係について、詳細に説明する。
　本発明者らによる検討の結果、計測分解能は、最長波長と最短波長との位相差が２π以内となるように設定されることが好ましいとの見解を得た。いま、計測分解能をΔｚと表わし、最長波長と最短波長との波数差をΔｋと表わすとすると、かかる見解は、以下の式１１のように表わすことができる。一方、波数ｋは、波長λを用いて、以下の式１３で表わされるため、波数差Δｋは、波長帯域Δλを用いて、以下の式１５のように表わすことができる。従って、式１１及び式１５から、以下の式１７に示す関係を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　すなわち、距離計測用光源では、計測に求められる分解能Δｚを設定した上で、中心波長λ及び波長帯域Δλを、上記式１７を満足するように実現することが好ましい。ここで、Δｚを、Δｚ＝０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１０ｍｍの３種類に固定した上で、上記式１７で表わされる中心波長λと波長帯域Δλとの関係を、図６に示している。
　図６から明らかなように、計測に求める分解能が高くなる（Δｚの値が小さくなる）につれて、中心波長λは短くなり、かつ、波長帯域Δλは広くなっていくことがわかる。そのため、ＯＣＴのように、Δｚ＝０．０１ｍｍ程度の高い分解能が求められる計測に用いられる光源では、高い計測分解能を実現するために、中心波長λを近赤外帯域等のようになるべく長くして、かつ、波長帯域Δλを広くすることが重要であることがわかる。一方、距離計測のようにそれほど高い計測分解能が求められない光源では、中心波長λを４００ｎｍ～８００ｎｍ程度の可視光帯域に設定した場合であっても、適切な波長帯域Δλを設定することで、Δｚ＝０．０５ｍｍ，０．１０ｍｍという、距離計測には十分な計測分解能を実現することが可能となる。
　以上、本発明者らが実施した距離計測用光源についての検討結果について、具体的に説明した。本発明者らは、以上説明したような知見に基づき、更なる検討を行った結果、以下で詳述するような距離計測用光源を完成した。
（実施形態）
＜距離計測用光源について＞
　以下では、図７～図１５を参照しながら、本開示の実施形態に係る距離計測用光源について、詳細に説明する。
　図７は、本実施形態に係る距離計測用光源の構成を模式的に示した説明図である。図８は、光導波路の傾きと結合効率との関係を説明するための説明図であり、図９は、光導波路の傾きと結合効率との関係を示したグラフ図である。図１０は、本実施形態に係る距離計測用光源の設計手順の一例を示した流れ図である。図１１は、ＯＣＴにおける光源動作点と距離計測における光源動作点の違いを模式的に示した説明図である。図１２は、本実施形態に係る距離計測用光源の具体例を説明するための説明図であり、図１３は、本実施形態に係る距離計測用光源の具体例において光の伝送の様子のシミュレーション結果を示した説明図である。図１４Ａ～図１４Ｄは、駆動電流の大きさとコヒーレンス長との関係を示したグラフ図である。図１５は、本実施形態に係る距離計測用光源の変形例の一例を模式的に示した説明図である。
[距離計測用光源の構造について]
　本実施形態に係る距離計測用光源１０は、光の干渉を用いた距離計測技術に用いられる光源であり、それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層と、を少なくとも備える。
　かかる距離計測用光源１０の層構造の一例を、図７下段に模式的に示した。
　図７に示した例では、ｎ型にドープされた所定の半導体基板（ｎ型半導体基板）１０１上に、ｎ型にドープされた所定の半導体を利用したｎ型クラッド層１０３が形成されている。また、ｎ型クラッド層１０３の上層には、所定の半導体を利用した活性層１０５が形成されており、活性層１０５の上層には、ｐ型にドープされた所定の半導体を利用したｐ型クラッド層１０７が形成されている。
　また、ｐ型クラッド層１０７には、図７上段に示したような、所定の形状を有するリッジ構造が形成されており、かかるｐ型クラッド層１０７のリッジ構造上には、所定の金属を利用したｐ型電極１０９が、オーミックコンタクトにより形成されている。一方、ｎ型半導体基板１０１のもう一方の面には、所定の金属を利用したｎ型電極１１１が、オーミックコンタクトにより形成されている。
　ここで、図７に示した各層の膜厚については、特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
　このように、本実施形態に係る距離計測用光源１０は、ダブルヘテロ構造を有する発光素子として捉えることができる。
　ｐ型電極１０９からｎ型電極１１１に向けて、所定の電流密度を有する電流が印加されることで、ｐ型電極１０９側から注入された正孔とｎ型電極１１１側から注入された電子とが活性層１０５内で再結合する。その結果、活性層１０５を構成する半導体のバンドギャップに相当する波長の光が、活性層１０５の劈開面（図７上段において「出射端面」と記載した端面）から放出される。
　なお、各半導体層の劈開面（図７上段において、「出射端面」及び「後方端面」と示した端面）はＡＲコートが施され、反射防止膜（図示せず。）が形成されている。
　なお、本実施形態に係る距離計測用光源１０の層構造（縦構造）は、図７に示した例に限定されるものではなく、図７に示した層以外の半導体層が適宜形成されていてもよい。例えば、ｎ型半導体基板１０１とｎ型クラッド層１０３との間に、ｎ型にドープされた所定の半導体からなるｎ型半導体層が形成されていてもよいし、活性層１０５とｐ型クラッド層１０７との間に、ｐ型にドープされた所定の半導体からなるｐ型電子障壁層が形成されていてもよい。また、ｐ型クラッド層１０７におけるリッジ構造の側面、及び、リッジ構造が形成されていないｐ型クラッド層１０７の上層には、ＳｉＯ２層及び／又はＳｉ層が形成されていてもよい。
　本実施形態に係る距離計測用光源１０では、ｐ型クラッド層１０７のリッジ構造及びｐ型電極１０９が形成されている領域（より詳細には、ｐ型クラッド層１０７のリッジ構造及びｐ型電極１０９が形成されている部分に対応する活性層１０５の領域）が、光導波路として機能する。その上で、かかる光導波路は、活性層１０５での光の出射端面において、光導波路中での光の進行方向が、出射端面の法線方向に対して所定の角度θだけ傾斜している。
　具体的には、図７上段に模式的に示したように、ｐ型クラッド層１０７に設けられるリッジ構造が所定の湾曲形状を有しており、かかる所定の湾曲形状を有するリッジ構造の天面に、ｐ型電極１０９が形成されている。このようなリッジ構造及びｐ型電極１０９が形成されることで、光導波路は、光導波路中での光の進行方向が活性層１０５内で湾曲するようになる。より詳細には、上記のようなリッジ構造及びｐ型電極１０９が形成されることで、活性層１０５内の光導波路は、出射端面に対して垂直な方向に沿って光が直進する直進光導波路１１と、出射端面に対して垂直な方向から曲がりながら光が進行する湾曲光導波路１３と、から構成されるようになる。
　出射端面において、光導波路中での光の進行方向が、出射端面の法線方向に対して所定の角度θだけ傾斜することで、出射端面で反射した光の進行方向（換言すれば、光の反射方向）は、光導波路が形成されている方向とは一致しないようになるため、反射光は、光導波路中を往復することが出来なくなる。その結果、活性層１０５内で放出される光の位相が揃っていく過程（共振過程）が生じずに、低コヒーレントな光（換言すれば、適切なコヒーレンス長を有する光）が放出されるようになる。
　また、本実施形態に係る距離計測用光源１０では、光導波路が、直進光導波路１１と、湾曲光導波路１３という、２つの部分から構成されている。光導波路が直進光導波路１１及び湾曲光導波路１３から構成されていることで、放出される光の光密度を高めつつ、レーザ発振しない低コヒーレントな光を作り出すことが可能となり、適切なコヒーレンス長及び波長帯域を有する光を作り出すことが可能となる。このように、本実施形態に係る距離計測用光源１０は、光導波路が直進光導波路１１及び湾曲光導波路１３から構成されていることで、光密度の高い優れたＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：自然放出光）光源として機能する。
　また、本実施形態に係る距離計測用光源１０では、湾曲光導波路１３の更に先端に、湾曲光導波路１３と滑らかに接続されるように直進光導波路（図示せず。）を更に接続してもよい。かかる場合には、湾曲光導波路１３の先端面における傾き角θが保持されるように、更に設ける直進光導波路の出射端面での傾き角を設定する。
　ここで、光導波路を直進光導波路１１のみで形成してしまうと、出射端面での光の反射方向が、光導波路の延伸方向と一致してしまうため、光の位相が揃っていく過程（共振過程）が生じる可能性が高くなり、適切なコヒーレンス長を有する低コヒーレントな光を作り出すことが困難となる。その結果、距離計測に適切な計測分解能を得ることが困難となる。一方、光導波路を湾曲光導波路１３のみで形成してしまうと、光導波路中の光密度を十分に高くすることが困難となり、適切なコヒーレンス長を得ることが困難となる。その結果、距離計測に適切な計測レンジを得ることが困難となる。
　なお、光導波路の形状を直線状に保ち（換言すれば、直線状の光導波路のみを利用し）、かつ、かかる直線状の光導波路を端面に対して傾斜させる構造も考えられる。しかしながら、かかる場合においては、極めて大きな駆動電流が必要になるため、好ましくない。加えて、測定物とは逆側（すなわち、後方端面）と光導波路との結合が悪くなり誘導放射光強度が低下する結果、コヒーレンス長が短くなってしまうため、好ましくない。
　本実施形態に係る距離計測用光源１０は、図７に示したように、直進光導波路１１と湾曲光導波路１３との組み合わせとなっているが、直進光導波路１１と湾曲光導波路１３との位置関係は、図７に示したものに限定されるものではない。しかしながら、戻り光による不安定動作を防止し、光強度、光スペクトル及びコヒーレンス長をより適切な状態に制御するためには、出射端面側（測定物に近い側）に湾曲光導波路１３を設け、光導波路１１を出射端面に対して傾斜させることが好ましい。実用上は、湾曲光導波路１３における湾曲の曲率半径が小さくなるほど曲げ損失が大きくなる。そのため、以下で図９等を参照しながら説明する内容とあわせて考えると、湾曲光導波路１３における湾曲の曲率半径は、大きいほど好ましい。また、直進光導波路１１及び湾曲光導波路１３をどの程度の割合で形成するかについては、縦モード間隔の設計とあわせて適宜決定すればよい。
　また、本実施形態に係る距離計測用光源１０の長さ（出射端面に垂直な方向の長さ、図７に示した長さＬ）については、特に限定されるものではなく、長ければ長いほど良い。
　ここで、図７に示した各半導体層をどのような半導体で構成するかに応じて、出射する光の波長（中心波長）が決まる。本実施形態に係る距離計測用光源１０では、出射端面から出射する光は、可視光帯域（例えば、波長が４００ｎｍ～８００ｎｍ程度である帯域）に属する波長であることが好ましい。光の中心波長が可視光帯域に属することで、かかる距離計測用光源１０を利用して内視鏡観察下で患部の距離計測を実施する際に、内視鏡の操作者である医師は、患部のどの部分までの距離を計測しているのかを明確に把握することが可能となる。この際においても、距離計測用光源１０に求める計測分解能に基づき、中心波長λ及び波長帯域Δλを上記式１７に基づき選定することが好ましい。
　例えば、ｎ型半導体基板１０１として、ｎ型にドープされたＧａＮ（窒化ガリウム）基板を利用し、かかるｎ－ＧａＮ基板上に、ｎ型クラッド層１０３として、ｎ型にドープされたＧａＮ層（以下、「ｎ－ＧａＮ層」と略記する。）を形成する。その後、かかるｎ－ＧａＮ層の上層に、活性層１０５として、Ｇａ０．９２Ｉｎ０．０８Ｎを用いた量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ：ＱＷ）層を形成する。その後、かかる活性層１０５上に、ｐ型電子障壁層としてＧａ０．９８Ｉｎ０．０２Ｎ層を形成した上で、ｐ型クラッド層１０７として、ｐ型にドープされたＧａＮ層を形成する。かかる縦構造を有する距離計測用光源１０では、活性層１０５から中心波長λ＝４０５ｎｍの青色光が出射する。
　なお、本実施形態に係る距離計測用光源１０に用いられる半導体の組み合わせは、上記の例に限定されるものではなく、所望の中心波長に応じて、公知の半導体を組み合わせることが可能である。また、ｐ型電極１０９及びｎ型電極１１１に用いる金属は、ｐ型クラッド層１０７及びｎ型クラッド層１０３に用いる半導体のエネルギー準位に応じて、正孔や電子の注入障壁がなるべく少なくなるように適切に選択すればよい。
［出射端面での光導波路の傾き角θについて］
　次に、本実施形態に係る距離計測用光源１０における、出射端面での光導波路の傾き角θについて、詳細に説明する。
　以下では、図８～図１０を参照しながら、光導波路が傾斜することによる出射端面での光の損失について検討し、傾き角θの設定方法について詳細に説明する。
　傾斜した光導波路の出射端面における光の損失を検討する場合、図８上段に示したように、出射端面を鏡面とした鏡面反転操作を行い、仮想的な光導波路を想定する。その上で、傾き角θで傾いた光導波路から仮想的な光導波路へと光が結合する効率（結合効率）を検討すればよい。このような鏡面反転によるモデルは、図８下段に示したように、角度２θで傾斜した光ファイバから水平状態で保持されている光ファイバへの光接続効率と等価となる。
　図８下段に示したような光ファイバモデルにおいて、結合効率をηとすると、かかる結合効率は、以下の式２１で表わされる。ここで、以下の式２１において、ωは、角周波数であり、ｋは、媒質（例えば、活性層を構成する半導体）の波数である。下記式２１で表わされる結合効率ηと傾き角θとの関係を図示すると、図９のようになる。なお、図９では、下記式２１における各周波数ωを４．６５×１０１５Ｈｚとし、波数ｋを１．５５×１０７［１／ｍ］とした場合を例に挙げて図示を行っている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、図９において、縦軸は、結合効率ηであり、「１．００Ｅ－１」等の表記は、「１．００×１０－１」のように、Ｅの後に記載されている数値が、１０のべき数に対応している。また、横軸は、傾き角θである。
　図９から明らかなように、傾き角θが大きくなるにつれて、結合効率ηが小さくなっていくことがわかる。なお、本実施形態に係る距離計測用光源１０では、出射端面及び後方端面にＡＲコートによる反射防止膜が形成されるため、実際の結合効率は、上記式２１に基づく結合効率ηに、反射防止膜の反射率を乗じた値となる。例えば、傾き角θを５度とすると、上記式２１及び図９から、結合効率η＝２．６×１０－４となるが、反射防止膜として、反射率０．３％のＡＲコートが施されている場合、実際の結合効率は、２．６×１０－４×０．００３＝７．８×１０－７となる。
　一方、出射端面での光の損失（いわゆる、ミラー損失）αｍは、以下の式２３で表わすことができる。ここで、以下の式２３において、Ｌは、光導波路の導波路長であり、Ｒｆは、出射端面での反射率であり、Ｒｒは、後方端面での反射率である。
　また、光源がレーザ動作するか否かは、以下の式２５で与えられるレーザ発振条件が満たされるか否かによって決まる。以下の式２５において、Γは、着目する光源における光閉じ込め係数であり、ｇｔｈは、レーザ発振が発生するための閾値利得である。また、以下の式２５において、左辺第１項におけるαｉは、着目する光源の内部での光の損失（内部損失）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、上記式２５の左辺に示した光閉じ込め係数Γと閾値利得ｇｔｈとの積は、以下の式２７又は式２７’のように表わすことができる旨が知られている。ここで、以下の式２７において、Ａは、活性層１０５の半導体に応じて決まる係数であり、Ｊｔｈは、レーザ発振のための閾値電流密度であり、Ｊｎｏｍは、透明電流密度である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上記式２１に関する説明から明らかなように、光導波路の傾き角θが大きくなるにつれて、上記式２１及び出射端面での反射防止膜の反射率に基づき算出される、出射端面での反射率Ｒｆは、小さな値となっていく。その結果、上記式２３で表わされる出射端面での光の損失αｍは、光導波路の傾き角θが大きくなるほど大きな値となっていく。その結果、上記式２５及び式２７で表わされるレーザ発振条件が成立するための閾値電流密度Ｊｔｈは、大きくなっていく。このように、光導波路の傾き角θが大きくなるほど、レーザ発振のための閾値電流密度Ｊｔｈは大きな値となり、かかる光源は、レーザ動作しにくい光源となる。
　ここで、上記式２５及び式２７を用いて、ある電流密度Ｊの場合における光閉じ込め係数Γと利得ｇとの積を考えると、かかる積は、活性層１０５の半導体に応じて決まる係数ｋを用いて、以下の式２９の第２項のように記載することができる。ここで、式２９の第２項で表わされる値が、式２９の最左辺に記載した損失よりも小さければ、かかる光源は、レーザ動作しないこととなる。ここで、式２９における不等式を整理すると、以下の式３１のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ここで、上記式３１における内部損失αｉ、係数ｋ、及び、透明電流密度Ｊｎｏｍは、光源の縦構造（層構造）に固有の値である。従って、着目している光源の縦構造において、直進光導波路１１のみから構成される光源を実際に作製したり、公知の各種シミュレーションを実施したりすることで、内部損失αｉ、係数ｋ、及び、透明電流密度Ｊｎｏｍの具体的な値を特定することができる。その上で、上記式２１及び式３１を利用して、式３１の関係が成立するように、出射端面での光導波路の傾き角θを決定すればよい。
　出射端面での光導波路の傾き角θの決定方法の流れの一例を、図１０に示した。
　本実施形態に係る距離計測用光源１０を設計するに際しては、まず、距離計測用光源に求める仕様（すなわち、計測レンジや計測分解能）を決定する（ステップＳ１０１）。その後、求める計測分解能に基づき中心波長λ及び波長帯域Δλを、上記式１７に基づき選定する（ステップＳ１０３）。中心波長λが選定されることで、距離計測用光源１０に用いられる半導体の組み合わせを選定することが可能となる。
　一方で、同一の縦構造を有し、かつ、傾きのない光導波路に着目することで、内部損失αｉ、係数ｋ、及び、透明電流密度Ｊｎｏｍといった、各種の利得パラメータを抽出する（ステップＳ１０５）。かかる利得パラメータの抽出は、前述のように、実際に光源を作製することで抽出してもよいし、公知の各種シミュレーションを実施することで抽出してもよい。
　その後、出射端面における光の損失（ミラー損失）を上記式２１により算出しながら、式３１の条件を満たす傾き角θを設定する（ステップＳ１０７）。
　続いて、設定した条件でのコヒーレンス長及び線幅（すなわち、計測分解能）を、実際に光源を作製したり、公知の各種シミュレーションを実施したりすることで確認する（ステップＳ１０９）。
　ここで、得られたコヒーレンス長及び線幅が、決定した仕様を満足するか否かを確認する（ステップＳ１１１）。得られたコヒーレンス長及び線幅が、決定した仕様を満足する場合には（ステップＳ１１１－ＹＥＳ）、設定した条件を採用する（ステップＳ１１３）。一方で、得られたコヒーレンス長及び線幅が、決定した仕様を満足しない場合には（ステップＳ１１１－ＮＯ）、ステップＳ１０７に戻って傾き角θを再設定し、ステップＳ１０９以下を再実行すればよい。
　このような手順で出射端面での光導波路の傾き角θを決定することで、適切な傾き角θの大きさを確認することができる。
　以上説明したような本実施形態に係る距離計測用光源１０は、内視鏡観察下における距離計測に好適に利用することが可能であるが、光源の駆動電流を適切に設定することで、ＯＣＴ用の光源としても利用することが可能である。すなわち、図１１に模式的に示したように、本実施形態に係る距離計測用光源１０は、上記式３１を満足するような適切な駆動電流（駆動電流密度）で使用することで、コヒーレンス長が長く、かつ、波長帯域が狭い光を出射する、距離計測に利用可能な光源として機能する。その一方で、本実施形態に係る距離計測用光源１０は、駆動電流を小さな値にして駆動させることで、コヒーレンス長が短く、かつ、波長帯域が広い光を出射する、ＯＣＴに利用可能な光源として機能させることができる。
［距離計測用光源の製造方法について］
　以上説明したような、本実施形態に係る距離計測用光源１０の製造方法は、特に規定されるものではなく、半導体デバイスを製作する際に利用される各種の製造方法を適用することが可能である。
　例えば図７に示したような縦構造の距離計測用光源１０を製造する場合、所定のｎ型半導体基板１０１上に、化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法等の公知の結晶成長法を利用して、ｎ型クラッド層１０３、活性層１０５、及び、ｐ型クラッド層１０７を順に形成していく。ここで、ｐ型クラッド層１０７を形成する際には、所望の光導波路構造が実現されるように、リッジ構造の形状を制御する。
　その後、ｐ型クラッド層１０７の天面に、所定の金属を用いてｐ型電極１０９を蒸着又はスパッタリング等により形成するとともに、ｎ型半導体基板１０１の裏面に、所定の金属を用いてｎ型電極１１１を蒸着又はスパッタリング等により形成することで、図７に示したような縦構造の距離計測用光源１０を製造することができる。
［距離計測用光源の具体例について］
　以下では、図１２に示したようにして、本実施形態に係る距離計測用光源１０を設計した。すなわち、図１２において、図７に示したような距離計測用光源１０の後方端面の中心を原点（０，０）とし、出射端面から後方端面に向かって１００μｍの範囲、及び、後方端面から出射端面に向かって１００μｍの範囲に、直進光導波路１１を設定した。また、これら２つの直進光導波路１１の間を、曲率半径４５９０μｍの円弧を用いた湾曲光導波路１３で接続した。なお、湾曲光導波路１３を設定する際の中心角は５度である。これにより、出射端面における光導波路の傾き角θの大きさは、５度となる。なお、着目した光は、中心波長λ＝４０５ｎｍである青色光とした。
　以上のようにして設計した距離計測用光源１０について、公知のシミュレーション方法であるビーム伝搬法（Ｂｅａｍ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ：ＢＰＭ）を用いて、光の伝送の様子を確認した。得られた結果を、図１３に示した。図１３から明らかなように、本実施形態に係る距離計測用光源１０を用いることで、高い光密度の青色光が伝送可能であることがわかる。
　また、図１２に示した形状の距離計測用光源１０を実際に製造して、そのコヒーレント特性を確認した。この際に、距離計測用光源１０の各半導体層として、先だって説明した中心波長λ＝４０５ｎｍの青色光を実現可能な半導体の組み合わせを利用した。また、製造した距離計測用光源１０の出射端面及び後方端面には、反射率０．３％のＡＲコーティングを施した。計測には、市販の光スペクトラム・アナライザ（アドバンテスト社製ＡＱ８３４７）を利用した。
　得られた結果を、図１４Ａ～図１４Ｄに示した。図１４Ａは、駆動電流を５０ｍＡとした場合の計測結果であり、図１４Ｂは、駆動電流を６０ｍＡとした場合の計測結果である。また、図１４Ｃは、駆動電流を７０μｍとした場合の計測結果であり、図１４Ｄは、駆動電流を８０ｍＡとした場合の計測結果である。
　図１４Ａ及び図１４Ｂに示したように、製造した距離計測用光源１０は、駆動電流が小さい場合には、１０ｍｍ未満のコヒーレンス長となり、ＯＣＴに適した光源として機能していることがわかる。一方で、図１４Ｃ及び図１４Ｄに示したように、製造した距離計測用光源１０は、駆動電流を７０ｍＡ以上として駆動させることで、２０ｍｍ以上のコヒーレンス長、及び、０．１ｍｍ以下の線幅となり、距離計測に適した光源として機能していることがわかる。
　また、製造した距離計測用光源１０について、上記式２３によりミラー損失αｍを計算すると、αｍ≒１１８（１／ｃｍ）となる。一方で、図１４Ｃから、駆動電流７０ｍＡ以上でコヒーレンス長が２０ｍｍ以上となっており、駆動電流７０ｍＡは、電流密度８ｋＡに対応する。
　一方で、利得パラメータ（内部損失αｉ、係数ｋ、及び、透明電流密度Ｊｎｏｍ）を実際に測定すると、αｉ＝２０（１／ｃｍ）、ｋ＝１１（１／ｃｍ）、Ｊｎｏｍ＝２（ｋＡ）となった。そこで、上記式３１を利用して、ミラー損失αｍを算出すると、αｍ＝１１×（８－２）＝６６（１／ｃｍ）となる。αｉ＝２０（１／ｃｍ）であるから、製造した距離計測用光源１０のレーザ発振閾値（Γｇ）の値は、４６（１／ｃｍ）となることがわかる。従って、製造した距離計測用光源１０は、適切な端面損失を備えていることがわかる。
　また、かかる構造の距離計測用光源１０では、傾き角θを３度以上とすることで、距離計測に適切な計測レンジ及び計測分解能を実現できることが明らかとなった。
［距離計測用光源の変形例について］
　次に、図１５を参照しながら、本実施形態に係る距離計測用光源１０の変形例について、簡単に説明する。
　以上の説明では、本実施形態に係る距離計測用光源１０が、湾曲した状態の光導波路を有する場合について説明したが、湾曲した状態の光導波路と同様の効果を、図１５に示したような不連続点を有する光導波路を用いても実現することが可能である。図１５において点線で囲った領域のような不連続点を設けることで、不連続点において、より前方の光導波路に結合可能な光の存在割合が低下することとなる。その結果、湾曲した状態の光導波路と同様の効果を実現することができる。
　以上、図７～図１５を参照しながら、本実施形態に係る距離計測用光源について、詳細に説明した。
＜内視鏡について＞
　以下では、図１６及び図１７を参照しながら、本実施形態に係る距離計測用光源を用いた内視鏡について、簡単に説明する。
　図１６は、本実施形態に係る距離計測用光源を有する内視鏡の構成の一例を模式的に示したブロック図であり、図１７は、本実施形態に係る内視鏡の光学系の一例を模式的に示した説明図である。
　本実施形態に係る内視鏡１は、図１６に模式的に示したように、本実施形態に係る距離計測用光源１０と、分岐光学系２０と、検出ユニット３０と、距離算出部４０と、内視鏡ユニット２００と、を主に備える。また、かかる内視鏡１には、更に、光源装置３００と、撮像ユニット４００と、カメラコントロールユニット（ＣＣＵ）５００と、表示装置６００と、が備えられていることが多い。
　距離計測用光源１０から出射した距離計測用光は、分岐光学系２０を透過して、内視鏡ユニット２００のライトガイド（図示せず。）に接続される。一方で、内視鏡ユニット２００のライトガイドには、カメラコントロールユニット５００の制御下において、所定の光源装置３００から、照明光として白色光が接続されている。ここで、本実施形態に係る内視鏡１では、距離計測用光源１０から出射した距離計測用光が、光源装置３００からの照明光と同軸にライトガイドへと接続される。これにより、照明光と距離計測用光との位置ズレを抑制することが可能となる。内視鏡の操作者である医師は、照明光を用いて所望の生体組織の可視光観察を行いつつ、距離計測を行いたい部位に対して、距離計測用光を照射する。
　生体組織の白色照明光による観察像は、内視鏡ユニット２００から撮像ユニット４００へと結像することで、カメラコントロールユニット５００の制御のもとで撮像画像データが生成され、ディスプレイ等の表示装置６００へと出力される。これにより、内視鏡の操作者である医師は、生体組織の可視光観察画像をその場で確認することができる。
　ここで、本実施形態に係る内視鏡１における内視鏡ユニット２００、光源装置３００、撮像ユニット４００、カメラコントロールユニット（ＣＣＵ）５００、及び、表示装置６００については、特に限定されるものではなく、公知のものを適宜利用することが可能である。
　一方で、内視鏡ユニット２００からの距離測定用光の戻り光は、分岐光学系２０まで導光される。
　分岐光学系２０は、距離計測用光源１０と内視鏡ユニット２００との間の光路上に設けられ、距離計測用光源１０から出射した距離計測用光の内視鏡ユニット２００からの戻り光を分岐する光学系である。かかる分岐光学系２０は、特に限定されるものではなく、図１７に模式的に示したように、各種のビームスプリッタＢＳ等の公知の光学素子を適宜利用することが可能である。
　検出ユニット３０は、分岐光学系２０により分岐された戻り光を、干渉光学系３１により干渉させながら、検出部３３にて検出するユニットである。分岐光学系２０により分岐された戻り光の一部は、例えば図１７に示したようなマイケルソン干渉計等のような公知の干渉光学系３１により光路差が付与された上で、公知の検出素子を用いた検出部３３により検出される。具体的には、ビームスプリッタＢＳにより２つの光路へと分岐され、一方の戻り光は、ビームスプリッタＢＳをそのまま透過し、コリメートレンズＣＬ、光ファイバＯＦ、コリメートレンズＣＬを経由して、回折格子ＤＧにより分光された後、各種のレンズＬＥ等を透過して、検出器ｄｅｔに結像し、周波数領域での検出信号として検出される。一方、ビームスプリッタＢＳにより反射した戻り光は、コリメートレンズＣＬ、光ファイバＯＦ、コリメートレンズＣＬを経由して、ミラーＭまで導光された後、同じ経路をたどってビームスプリッタＢＳまで導光され、その後は同様の光路をたどって、検出器ｄｅｔに結像する。これにより、異なる光路を経て検出器ｄｅｔに結像する戻り光には、所定の光路差が付与される。
　距離算出部４０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えたコンピュータ等により実現される。距離算出部４０は、検出ユニット３０から出力された戻り光の周波数領域での検出信号をフーリエ変換することで、観察対象物までの距離を算出する。これにより、医師が着目している生体組織に関する距離情報が生成されることとなる。
　なお、図１６では、距離算出部４０と、カメラコントロールユニット５００と、が別個に設けられる場合について図示しているが、本実施形態に係る距離算出部４０は、カメラコントロールユニット５００の一機能として実現されていてもよいことが言うまでもない。
　以上、図１６及び図１７を参照しながら、本実施形態に係る距離計測用光源を用いた内視鏡について、簡単に説明した。
＜ハードウェア構成について＞
　次に、図１８を参照しながら、本開示の実施形態に係る距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１８は、本開示の実施形態に係る距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
　距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００は、更に、ホストバス９０７と、ブリッジ９０９と、外部バス９１１と、インターフェース９１３と、入力装置９１５と、出力装置９１７と、ストレージ装置９１９と、ドライブ９２１と、接続ポート９２３と、通信装置９２５とを備える。
　ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１９、又はリムーバブル記録媒体９２７に記録された各種プログラムに従って、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるホストバス９０７により相互に接続されている。
　ホストバス９０７は、ブリッジ９０９を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス９１１に接続されている。
　入力装置９１５は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９１５は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００の操作に対応した携帯電話やＰＤＡ等の外部接続機器９２９であってもよい。さらに、入力装置９１５は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９１５を操作することにより、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
　出力装置９１７は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１７は、例えば、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
　ストレージ装置９１９は、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１９は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１９は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種データなどを格納する。
　ドライブ９２１は、記録媒体用リーダライタであり、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９２１は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２７に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ－ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ－ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２７は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｅｍｏｒｙ　ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２７は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
　接続ポート９２３は、機器を距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００に直接接続するためのポートである。接続ポート９２３の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。接続ポート９２３の別の例として、ＲＳ－２３２Ｃポート、光オーディオ端子、ＨＤＭＩ（登録商標）（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート等がある。この接続ポート９２３に外部接続機器９２９を接続することで、距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００は、外部接続機器９２９から直接各種データを取得したり、外部接続機器９２９に各種データを提供したりする。
　通信装置９２５は、例えば、通信網９３１に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９２５は、例えば、有線又は無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９２５は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ　Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９２５は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９２５に接続される通信網９３１は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
　以上、本開示の実施形態に係る距離算出部４０、及び、カメラコントロールユニット５００の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、
　前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層と、
を少なくとも備え、
　前記光導波路は、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜している、距離計測用光源。
（２）
　前記出射端面から出射する前記光は、可視光帯域に属する波長を有する、（１）に記載の距離計測用光源。
（３）
　前記光導波路は、当該光導波路中での前記光の進行方向が前記活性層内で湾曲するように設けられる、（１）又は（２）に記載の距離計測用光源。
（４）
　前記光導波路は、前記出射端面に対して垂直な方向に沿って前記光が直進する直進光導波路と、前記出射端面に対して垂直な方向から曲がりながら前記光が進行する湾曲光導波路と、から構成される、（３）に記載の距離計測用光源。
（５）
　前記活性層での光の出射端面において、当該出射端面の法線方向と前記光導波路中での前記光の進行方向とのなす角は、前記光の内部損失と前記出射端面での前記光の反射損失との和がレーザ動作のための損失上限閾値よりも大きくなるように設定される、（１）～（４）の何れか１つに記載の距離計測用光源。
（６）
　距離計測に求められる分解能をΔｚと表わし、前記光の中心波長及び波長帯域を、それぞれλ，Δλと表わしたときに、（λ２／Δλ）≧Δｚの関係が成立する、（１）～（５）の何れか１つに記載の距離計測用光源。
（７）
　前記光は、青色光であり、
　前記活性層での光の出射端面において、当該出射端面の法線方向と前記光導波路中での前記光の進行方向とのなす角は、３度以上である、（１）～（６）の何れか１つに記載の距離計測用光源。
（８）
　前記光は、青色光であり、
　前記光のコヒーレンス長は、１０ｍｍ以上であり、前記光の干渉光の線幅は、０．１ｍｍ以下である、（１）～（７）の何れか１つに記載の距離計測用光源。
（９）
　それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層、並びに、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層を少なくとも有し、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜するように、前記光導波路が設けられる、距離計測用光源と、
　照明光を用いて観察対象物を観察するものであり、前記距離計測用光源からの距離計測用光が前記照明光と同軸に入射する内視鏡ユニットと、
　前記距離計測用光源と前記内視鏡ユニットとの間の光路上に設けられ、前記距離計測用光の前記内視鏡ユニットからの戻り光を分岐する分岐光学系と、
　前記分岐光学系により分岐された前記戻り光を干渉光学系により干渉させながら検出する検出ユニットと、
　前記検出ユニットから出力された前記戻り光の周波数領域での検出信号をフーリエ変換することで、前記観察対象物までの距離を算出する距離算出部と、
を備える、内視鏡。
　　１０　　距離計測用光源
　　２０　　分岐光学系
　　３０　　検出ユニット
　　３１　　干渉光学系
　　３３　　検出部
　　４０　　距離算出部
　１０１　　ｎ型半導体基板
　１０３　　ｎ型クラッド層
　１０５　　活性層
　１０７　　ｐ型クラッド層
　１０９　　ｐ型電極
　１１１　　ｎ型電極
　２００　　内視鏡ユニット
　３００　　光源装置
　４００　　撮像ユニット
　５００　　カメラコントロールユニット
　６００　　表示装置
 

Claims (9)

  1. 　それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層と、
    　前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層と、
    を少なくとも備え、
    　前記光導波路は、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜している、距離計測用光源。
  2. 　前記出射端面から出射する前記光は、可視光帯域に属する波長を有する、請求項１に記載の距離計測用光源。
  3. 　前記光導波路は、当該光導波路中での前記光の進行方向が前記活性層内で湾曲するように設けられる、請求項１に記載の距離計測用光源。
  4. 　前記光導波路は、前記出射端面に対して垂直な方向に沿って前記光が直進する直進光導波路と、前記出射端面に対して垂直な方向から曲がりながら前記光が進行する湾曲光導波路と、から構成される、請求項３に記載の距離計測用光源。
  5. 　前記活性層での光の出射端面において、当該出射端面の法線方向と前記光導波路中での前記光の進行方向とのなす角は、前記光の内部損失と前記出射端面での前記光の反射損失との和がレーザ動作のための損失上限閾値よりも大きくなるように設定される、請求項１に記載の距離計測用光源。
  6. 　距離計測に求められる分解能をΔｚと表わし、前記光の中心波長及び波長帯域を、それぞれλ，Δλと表わしたときに、（λ２／Δλ）≧Δｚの関係が成立する、請求項１に記載の距離計測用光源。
  7. 　前記光は、青色光であり、
    　前記活性層での光の出射端面において、当該出射端面の法線方向と前記光導波路中での前記光の進行方向とのなす角は、３度以上である、請求項１に記載の距離計測用光源。
  8. 　前記光は、青色光であり、
    　前記光のコヒーレンス長は、１０ｍｍ以上であり、前記光の干渉光の線幅は、０．１ｍｍ以下である、請求項１に記載の距離計測用光源。
  9. 　それぞれ所定の半導体で形成されたｎ型クラッド層及びｐ型クラッド層、並びに、前記ｎ型クラッド層と前記ｐ型クラッド層との間に位置し、少なくとも一部の領域が光導波路として機能して、一方の端面から所定波長の光が出射する活性層を少なくとも有し、前記活性層での光の出射端面において、前記光導波路中での前記光の進行方向が前記出射端面の法線方向に対して所定の角度傾斜するように、前記光導波路が設けられる、距離計測用光源と、
    　照明光を用いて観察対象物を観察するものであり、前記距離計測用光源からの距離計測用光が前記照明光と同軸に入射する内視鏡ユニットと、
    　前記距離計測用光源と前記内視鏡ユニットとの間の光路上に設けられ、前記距離計測用光の前記内視鏡ユニットからの戻り光を分岐する分岐光学系と、
    　前記分岐光学系により分岐された前記戻り光を干渉光学系により干渉させながら検出する検出ユニットと、
    　前記検出ユニットから出力された前記戻り光の周波数領域での検出信号をフーリエ変換することで、前記観察対象物までの距離を算出する距離算出部と、
    を備える、内視鏡。
     
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