WO2018139514A1

WO2018139514A1 - 光走査型観察用プローブおよび光走査型観察装置

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Publication number: WO2018139514A1
Application number: PCT/JP2018/002222
Authority: WO
Inventors: 篤義嶋本; 啓一朗中島; 雅史山田; 宜瑞坂本; 雙木　満; 寺島　幹彦
Original assignee: オリンパス株式会社
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US11484192B2; US20190335986A1

Abstract

光走査型観察用プローブ（１）は、光走査部（４）によって走査された照明光が入射され該照明光をスポット状に複数回集光する結像光学系（５）と、該結像光学系（５）による集光位置からの照明光を被写体（Ｓ）に向けてスポット状に射出する投影光学系（６）と、結像光学系（５）および投影光学系（６）とは独立して設けられ、被写体（Ｓ）からの照明光の反射光を結像光学系（５）および投影光学系（６）とは異なる光路で受光する受光部（７）とを備える。

Description

光走査型観察用プローブおよび光走査型観察装置

　本発明は、光走査型観察用プローブおよび光走査型観察装置に関するものである。

　光ファイバを振動させることによって該光ファイバから射出される照明光を走査する光ファイバスキャナを備える走査型内視鏡が知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、被写体からの反射光のような信号光を対物レンズから撮像素子までリレーレンズでリレーする硬性内視鏡への光ファイバスキャナの適用が提案されている。

特許第５０２５８７７号公報

　特許文献１に記載の硬性内視鏡において、光ファイバから射出された照明光の光路と被写体からの信号光の光路とが同一である。そのため、撮像素子に入射する被写体からの信号光に光路上のレンズによる照明光の反射光が混入し、検出される信号光の信号対雑音比（ＳＮ比）が低くなる。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、信号対雑音比の高い信号光を観察することができる光走査型観察用プローブおよび光走査型観察装置を提供する。

　本発明の第１の態様は、光走査部によって走査された照明光が入射され該照明光をスポット状に複数回集光する結像光学系と、該結像光学系による集光位置からの前記照明光を被写体に向けてスポット状に射出する投影光学系と、前記結像光学系および前記投影光学系とは独立して設けられ、前記照明光の照射によって前記被写体において発生する信号光を前記結像光学系および前記投影光学系とは異なる光路で受光する受光部とを備える光走査型観察用プローブである。

　本発明の第１の態様によれば、結像光学系に入射した照明光は、結像光学系および投影光学系によって導光され、該投影光学系によって被写体に照射され、照明光の照射によって発生した被写体からの信号光が受光部によって受光される。このときに、光走査部によって走査されながら照明光が結像光学系に入射するので、被写体上で照明光を走査することができる。また、光走査部からの照明光を投影光学系まで複数回集光しながら導光する結像光学系を設けることによって、硬性鏡に適した構成とすることができる。

　この場合に、照明光を導光する結像光学系および投影光学系とは独立した受光部によって信号光が受光されるので、結像光学系および投影光学系において生じた照明光の反射光や散乱光が、受光される信号光に混入することがない。これにより、信号対雑音比の高い信号光を観察することができる。

　上記第１の態様においては、前記光走査部によって走査され前記結像光学系に入射する前記照明光の主光線の前記結像光学系の光軸に対する傾きを、前記主光線が前記光軸に対して平行に近づけるように補正する補正光学系を備えていてもよい。
　このようにすることで、被写体上における照明光の走査範囲を拡大するために光走査部による照明光の走査幅を増大したときに、結像光学系に入射しない照明光により生じるケラレを低減することができる。また、結像光学系において照明光の光線が収差の発生が少ない光軸側に分布することにより、照明光に生じる収差が低減されるので、被写体上で照明光のスポットの強度分布を理想に近付けることができる。これにより、より小さなスポットを実現することが可能となり、解像力を向上することができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系は、前記光走査部によって走査された前記照明光が入射する端面が凸面である屈折率分布型レンズを備え、前記補正光学系が、前記屈折率分布型レンズの前記凸面からなっていてもよい。
　このようにすることで、凸面が有する正の屈折力によって、屈折率分布型レンズに入射する照明光の主光線の傾きを補正することができる。また、レンズ等の部材の数を増やすことなく、屈折率分布型レンズの一方の端面の加工のみで補正光学系を追加することができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系が、前記光走査部によって走査された前記照明光が入射され、該照明光の前記主光線の傾きを前記光軸に対して平行に近づけるように補正し、前記主光線の傾きが補正された前記照明光を射出する第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、前記補正光学系が、前記第１の結像光学系からなっていてもよい。
　このように、結像光学系を第１の結像光学系と第２の結像光学系とから構成することによって、射出側の第２の結像光学系および投影光学系は硬性鏡に適した細径な構造としつつ、設計の制約が緩い光走査部側の第１の結像光学系によって照明光の主光線の傾きを精度良く補正することができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、前記第１の結像光学系が、前記投影光学系および前記第２の結像光学系のうち少なくとも一方において発生する収差を補正してもよい。
　このように、結像光学系を第１の結像光学系と第２の結像光学系とから構成することによって、射出側の第２の結像光学系および投影光学系は硬性鏡に適した細径な構造としつつ、設計の制約が緩い光走査部側の第１の結像光学系によって収差を精度良く補正することができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、前記第２の結像光学系が、前記投影光学系のレンズ径と略同等のレンズ径を有するとともに、前記投影光学系と一体であってもよい。
　このように、第２の結像光学系と投影光学系とを単一の部材とすることによって、製造工程における組立作業を容易にすることができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系および前記投影光学系のいずれかの瞳位置近傍に配置された開口絞りを備えていてもよい。
　このようにすることで、フレアやゴースト等の光学的なノイズの発生を開口絞りによって防ぐことができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系の少なくとも射出側の一部および前記投影光学系が、それぞれ屈折率分布型レンズからなり、前記結像光学系を構成する前記屈折率分布型レンズの射出側の端面と前記投影光学系を構成する前記屈折率分布型レンズの入射側の端面とが、互いに接合されていてもよい。
　このようにすることで、結像光学系および投影光学系の組立作業を容易にすることができる。

　上記第１の態様においては、前記屈折率分布型レンズの接合面が、前記結像光学系による前記照明光の集光位置とは異なる位置に配置されていてもよい。
　照明光の集束位置ではエネルギ密度が高くなる。このような集束位置とは異なる位置に接合面を配置することで、接合面の光学的状態の変化を防止することができる。また、集束位置とは光学的に非共役な位置に接合面が配置されるので、接合面の傷や塵等の像が被写体に照射される照明光に含まれることを防ぐことができる。

　上記第１の態様においては、前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、該第２の結像光学系のレンズ面が、前記第１の結像光学系による前記照明光の集光位置とは異なる位置に配置されていてもよい。
　このようにすることで、照明光の集光位置とは光学的に非共役な位置に第２の結像光学系のレンズ面が配置されるので、レンズ面の傷や塵等の像が被写体に照射される照明光に含まれることを防ぐことができる。

　本発明の第２の態様は、前記照明光を発する光源と、該光源からの前記照明光を走査する光走査部と、上記いずれかに記載の光走査型観察用プローブとを備える光走査型観察装置である。

　上記第２の態様においては、前記光走査部が、前記光源からの前記照明光を導光し先端から射出する光ファイバを備え、下式（１）を満たすように前記光ファイバを該光ファイバの径方向に振動させてもよい。ここで、ｈは、前記光ファイバの先端の片振幅、ｄは、前記光ファイバのモードフィールド径、Ｄは、前記結像光学系の入射瞳径、ＮＡ’は、前記結像光学系の入射側の開口数、λは、前記照明光の波長である。
　ｈ　≦　π×ｄ×Ｄ×ＮＡ’　／　４λ　　…（１）
　このようにすることで、結像光学系を構成するレンズの側面で照明光が反射することにより生じるフレアやゴーストを防止することができる。

　上記第２の態様においては、前記光走査部が、前記光源からの前記照明光を走査するガルバノミラーを備え、下式（２）を満たすように前記ガルバノミラーを揺動させてもよい。ここで、αは、前記ガルバノミラーの全揺動角度の半分、ｗは、前記ガルバノミラーに入射する前記照明光の光束径、ＮＡ’は、前記結像光学系の入射側の開口数、Ｄは、前記結像光学系の入射瞳径である。
　ｔａｎ（２α）≦Ｄ×ＮＡ’／ｗ　　…（２）
　このようにすることで、結像光学系を構成するレンズの側面で照明光が反射することにより生じるフレアやゴーストを防止することができる。

　上記第２の態様においては、前記光走査部が、前記照明光を前記結像光学系に向けて射出する射出端を有し、前記光走査部の前記射出端と前記結像光学系との相対位置を前記結像光学系の光軸に平行な方向および該光軸に垂直な方向に調整する調整機構を備えていてもよい。
　光走査部の射出端と結像光学系との相対位置を変化させたときに、結像光学系における照明光の集光位置が変化する。したがって、光走査部の射出端と結像光学系との光軸に沿う方向の相対位置の調整によって焦点調整を行うことができ、光走査部の射出端と結像光学系との光軸に直交する方向の相対位置の調整によって偏心調整を行うことができる。また、設計の制約が緩い光走査部側に調整機構を設けることによって、調整機構による調整幅を大きく確保することができ、結像光学系および投影光学系の組立誤差に起因する集光位置のずれを調整機構によって補正することができる。すなわち、結像光学系および投影光学系に要求される組立精度を緩和することができる。

　本発明によれば、信号対雑音比の高い信号光を観察することができる。

本発明の第１の実施形態に係る光走査型観察装置の全体構成図である。図１の光走査型観察装置の挿入部および光走査部の構成図である。図２の挿入部の先端部を示す斜視図である。図２の挿入部の変形例を示す斜視図である。図１の光走査型観察装置の変形例の全体構成図である。図１の光走査型観察装置の他の変形例の全体構成図である。図６の光走査型観察装置における受光部を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る光走査型観察装置における光走査部、結像光学系および投影光学系の構成図である。図８の結像光学系の先端部の拡大図である。図８の投影光学系の変形例の構成図である。本発明の第３の実施形態に係る光走査型観察装置における光走査部、結像光学系および投影光学系の構成図である。図１１の結像光学系の部分的な拡大図である。図１１の結像光学系の変形例の構成図である。本発明の第４の実施形態に係る光走査型観察装置における光走査部、結像光学系、投影光学系および開口絞りの構成図である。ガルバノミラーを用いた光走査部の一例を示す図である。ガルバノミラーを用いた光走査部の他の例を示す図である。

　本発明の第１の実施形態に係る光走査型観察用プローブ１およびこれを備える光走査型観察装置１００について図１から図６を参照して説明する。
　本実施形態に係る光走査型観察装置１００は、図１に示されるように、体内に挿入される直線状で硬質の挿入部１と、該挿入部１の基端に接続された筐体２とを備える硬性内視鏡装置である。本実施形態に係る光走査型観察用プローブは、挿入部１から構成されている。

　光走査型観察装置１００は、光源部３と、該光源部３から供給された照明光を走査する光走査部４と、該光走査部４から射出された照明光を複数回集光しながら導光し被写体Ｓへ向けて射出する結像光学系５および投影光学系６と、被写体Ｓからの反射光（信号光）を受光する受光部７と、該受光部７によって受光された反射光に基づく画像を取得する画像取得部８と、光源部３、光走査部４および画像取得部８を制御する制御部９とを備えている。

　光源部３、光走査部４、画像取得部８および制御部９は筐体２内に設けられ、結像光学系５、投影光学系６および受光部７は挿入部１内に設けられている。筐体２には、画像取得部８により取得された画像を表示するディスプレイ１０が接続されている。

　光源部３は、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ発生する３つのレーザダイオード等のレーザ光源（光源）１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂと、該レーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂからの３色の光を合波して光走査部４の光ファイバ１３に導光する光結合部１２とを備えている。光結合部１２は、ファイバ型コンバイナまたはダイクロイックプリズム等を用いて構成される。

　光走査部４は、図２に示されるように、シングルモードファイバからなる光ファイバ１３と、該光ファイバ１３の先端部に設けられ光ファイバ１３の先端（射出端）１３ａを振動させるアクチュエータ１４とを備えている。符号１５は、光ファイバ１３の先端部が片持ち梁状に支持されるように、光ファイバ１３の長手方向の途中位置を、光ファイバ１３を収容する鏡体に固定するための固定部である。アクチュエータ１４は、例えば、光ファイバ１３の外周に配置される圧電素子を備える圧電アクチュエータであり、制御部９から電圧が印加されることによって、光ファイバ１３の射出端１３ａを該光ファイバ１３の径方向に２次元的に振動させるようになっている。

　挿入部１は、金属等の硬質な材料から形成され同軸に配置された内筒１６および外筒１７を有している。結像光学系５および投影光学系６は、内側の内筒１６内に設けられ、投影光学系６が挿入部１の先端部に配置され、結像光学系５が光ファイバ１３と投影光学系６との間に配置されている。
　結像光学系５は、光ファイバ１３の射出端１３ａから入射した照明光を、光軸上に並ぶ複数の集光位置に複数回集光しながら投影光学系６まで導光する。
　投影光学系６は、結像光学系５によって照明光が最後に集光される集光位置（最終集光位置）からの照明光を、被写体Ｓ上において照明光がスポットを形成するように集光するとともに広角に射出して、照明光を被写体Ｓに投影する。投影光学系６の投影倍率は、照明光のスポットが拡大されるように１倍よりも大きいことが好ましいが、１倍以下であってもよい。

　受光部７は、例えば、円筒状の光ファイババンドルであり、内筒１６の外周面と外筒１７の内周面との間に形成された円筒状の隙間に配置され、外筒１７の内周面に接合されている。外筒１７および受光部７の先端面は、例えば、図３に示されるように、長手方向に対して斜めに形成された刃面になっていてもよい。これにより、挿入部１を、穿刺針のように生体に容易に刺し入れることができるようになっている。外筒１７および受光部７の先端面の形状は、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

　別の形態としては、図４に示されるように、受光部７が内筒１６の内周面と投影光学系６の外周面との間に形成された円筒状の隙間に配置され、接合される光ファイババンドルで構成されていてもよい。外筒１７は、例えば、図３に示されるように、長手方向に対して斜めに形成された刃面になっていてもよい。これにより、挿入部１を、穿刺針のように生体に容易に刺し入れることができるようになっている。外筒１７の先端面の形状は、これに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

　結像光学系５および投影光学系６を構成するレンズの外側面には、照明光を吸収する塗料（例えば、黒色の塗料）が塗られている。レンズの側面における照明光の反射が塗料によって防止されることにより、フレア光等の発生が抑制されるようになっている。レンズの外側面と内筒１６の内周面とが密着している場合には、レンズの外側面に代えて内筒１６の内周面に塗料を塗布してもよい。

　画像取得部８は、受光部７から受光した反射光を光電変換する光検出部１８と、該光検出部１８から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１９と、該Ａ／Ｄコンバータ１９からの出力に基づいて画像を形成する画像形成部２０とを備えている。

　制御部９は、３つのレーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの点灯タイミングを制御するとともに、光走査部４による各レーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂからの照明光の走査位置を制御するようになっている。さらに、制御部９は、挿入部１から射出される照明光の走査位置情報を画像形成部２０に送るようになっている。

　画像形成部２０は、Ａ／Ｄコンバータ１９から出力されたデジタル信号、すなわち反射光の強度情報と、制御部９から送られてきた照明光の走査位置情報とに基づいて画像を形成する。画像形成部２０により形成された画像はディスプレイ１０に送信され、該ディスプレイ１０に表示される。

　このように構成された本実施形態に係る光走査型観察装置１００の作用について以下に説明する。
　本実施形態に係る光走査型観察装置１００を用いて患者の体内を観察するためには、挿入部１を体内に挿入する。このときに、制御部９の作動により、３つのレーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから３種類の照明光を所定の発光順序（例えばＲ、Ｇ、Ｂの順序）で順次射出させるとともに、制御部９からの指令信号によってアクチュエータ１４を制御して、照明光の走査位置を順次変化させる。例えば、アクチュエータ１４の作動によって、光ファイバ１３の射出端１３ａをスパイラル状に移動させることにより、照明光のスポットを被写体Ｓ上においてスパイラル状の軌跡上に配列するように照射させる。なお、光ファイバ１３の射出端１３ａの移動パターンおよび照明光のスポットの走査パターンは、スパイラル状以外に、リサージュまたはラスタ等の他のパターンであってもよい。なお、ここでは照明光として、赤色光、緑色光および青色光の３種類の光を用いる場合について説明するが、照明光の種類は１種類でも複数種類であってもよい。

　レーザ光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから照明光が射出されると、体内の被写体Ｓ上の各走査位置における反射光が、挿入部１の先端面において受光部７に入射し、受光部７によって光検出部１８まで導光され検出される。検出された反射光の強度情報は、Ａ／Ｄコンバータ１９によってデジタル信号に変換された後に画像形成部２０に送られる。画像形成部２０には、制御部９から、当該反射光の強度情報に対応する照明光のスポットの被写体Ｓ上における走査位置の情報が送られてきているので、画像形成部２０は、当該走査位置に対応させて、検出された反射光の強度情報を配置していくことにより、２次元的なカラー画像を生成することができる。

　この場合において、本実施形態に係る光走査型観察装置１００によれば、照明光の光路を形成する光学系５，６とは独立した受光部７が設けられており、該受光部７によって反射光は、照明光の光路を介さずに光検出部１８まで導かれる。したがって、光学系５，６において生じる照明光の反射光が、受光部７によって受光される反射光に混入することがなく、被写体Ｓからの反射光が高い信号対雑音比で検出される。これにより、被写体Ｓの鮮明な画像を取得することができるという利点がある。

　光走査部４は挿入部１よりも基端側に配置され、挿入部１の筒１６，１７内には、光学系５，６および受光部７のみが設けられている。このように、挿入部１は単純な構成であるため、例えば、体内への穿刺や挿入に適するように細径化することができるという利点がある。
　同一の有効径を有する光学系を用いた場合、スポット状の照明光を連続的に走査して画像を取得する光走査型観察装置１００は、被写体Ｓからの反射光の像を結んで２次元撮像素子で撮像する従来の硬性内視鏡装置に比べて、高い解像力が得られる。したがって、細径な挿入部１であっても解像度の高い画像を取得することができるという利点がある。

　本実施形態においては、受光部７が、結像光学系５および投影光学系６と一体に設けられていることとしたが、これに代えて、図５および図６に示されるように、結像光学系５および投影光学系６とは別体の受光部７１，７２を採用してもよい。
　図５の光走査型観察装置１０１における光走査型観察用プローブは、挿入部１と同様に刃面を有する穿刺針状のもう１つの挿入部２１を備え、挿入部２１内に、受光部７１を構成する光ファイババンドルが設けられている。照明用の挿入部１と受光用の挿入部２１は、別々に体内に挿入される。

　図６の光走査型観察装置１０２における光走査型観察用プローブは、患者の体表Ｃ面に接触状態に配置される受光部７２を備えている。受光部７２は、例えば、図７に示されるように、アバランシェフォトダイオードのような複数の光検出器７２ａがアレイ状に配列された粘着シートである。各光検出器７２ａは、光源部３から射出される照明光の全波長帯域に感度を有している。観察時には、粘着シートからなる受光部７２を患者の体表に貼り付け、体内の被写体Ｓ上の各走査位置における反射光が、体組織を透過して受光部７２の光検出器７２ａに入射して検出されるようになっている。このように、体外で使用される受光部７２を採用することによって、挿入部１のさらなる細径化を図ることができる。

　次に、本発明の第２の実施形態に係る光走査型観察装置について図８から図１０を参照して説明する。
　本実施形態においては、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る光走査型観察装置は、光源部３、光走査部４、結像光学系５１、投影光学系６１、受光部７、画像取得部８および制御部９を備えている。

　結像光学系５１および投影光学系６１は、図８に示されるように、互いに略等しい外径（レンズ径）を有する円柱状の屈折率分布型レンズからそれぞれ構成されている。結像光学系５１を構成する屈折率分布型レンズの先端面と、投影光学系６１を構成する屈折率分布型レンズの基端面とが接合されることによって、結像光学系５１および投影光学系６１は一体に形成されている。図８には、光ファイバ１３の射出端１３ａからの照明光を１回集光する結像光学系５１が示されているが、結像光学系５１は、照明光を２回以上集光するように構成されていてもよい。
　本実施形態によれば、結像光学系５１および投影光学系６１を単一の部材とすることによって、製造工程における組立作業を容易にすることができる。

　本実施形態において、屈折率分布型レンズ同士の接合面は、図９に示されるように、結像光学系５１による照明光の集光位置とは異なる位置に配置されることが好ましい。
　照明光の集光位置においてはエネルギ密度が高くなるため、接合面が集光位置と一致する場合、接着剤が熱せられて接合面における光学的状態に変化が生じる可能性がある。また、接合面が集光位置と光学的に共役な位置に配置されている場合、接合面に存在する傷や塵等の像が、被写体Ｓに照射される照明光に含まれる。本変形例によれば、接合面を集光位置とは異なる位置に配置することによって、このような不都合の発生を防止することができる。

　本実施形態において、屈折率分布型レンズに代えて、図１０に示されるように、複数のレンズからなる投影光学系６２を採用してもよい。
　挿入部１の長さに相当する長さが必要な結像光学系５１を複数のレンズから構成する場合、多数のレンズが必要となるため、組み立てが困難になる。一方、投影光学系６２は、少数のレンズから構成することができる。したがって、画角を拡大するためには、投影光学系の屈折率分布型レンズを複数のレンズに変更することが好ましい。投影光学系６２を構成するレンズは、ガラス成型レンズであってもよく、プラスチック成型レンズであってもよい。

　次に、本発明の第３の実施形態に係る光走査型観察装置について図１１から図１３を参照して説明する。
　本実施形態においては、第１および第２の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１および第２の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る光走査型観察装置は、光源部３、光走査部４、結像光学系５２、投影光学系６１、受光部７、画像取得部８および制御部９に加えて、結像光学系５２への照明光の入射角を補正するための補正光学系をさらに備えている。

　結像光学系５２は、図１１に示されるように、円柱状の屈折率分布型レンズから構成されている。この屈折率分布型レンズの基端面は、図１２に示されるように、凸面５２ａであり、射出端１３ａと対向して配置されている。

　振動する射出端１３ａからは、光ファイバ１３の先端部のしなりによって結像光学系５２の光軸Ａに対して斜め方向に照明光が射出される。凸面５２ａは、結像光学系５２の光軸Ａに対して傾斜する照明光の主光線を、結像光学系５２の光軸Ａに対して平行に近づけるように、照明光の主光線の、結像光学系５２の光軸Ａに対する傾角に応じて設計されている。これにより、結像光学系５２には、該結像光学系５２の光軸Ａに平行になるように凸面５２ａにおいて主光線の傾きが補正された照明光が入射する。すなわち、結像光学系５２の凸面５２ａから補正光学系が構成されている。ここで、平行に近づけるとは、投影光学系６１および結像光学系５２において、照明光の主光線にケラレが生じないレベルで、入射角度を平行に近づけることを指す。

　光走査型観察装置によって取得される画像の画角（照明光の走査範囲）は、光ファイバ１３の射出端１３ａの振幅を増大することによって、拡大することができる。ただし、射出端１３ａから結像光学系５２に入射することができる照明光は、結像光学系５２の入射側の開口数（ＮＡ）によって規定される領域内に限られるので、射出端１３ａの振幅を増大し過ぎると、結像光学系５２に入射しない照明光によりケラレが生じる。

　本実施形態によれば、結像光学系５２に入射する照明光の主光線が光軸Ａに平行になるように照明光の主光線の傾きを補正することで、結像光学系５２の光軸Ａに対して径方向により大きく変位した位置で射出端１３ａから射出された照明光も、ケラレが生じることなく結像光学系５２に入射することができる。したがって、射出端１３ａの振幅を増大して、より広角の画像を取得することができるという利点がある。

　照明光の主光線の傾きの補正は、収差の抑制および解像力の向上の観点においても重要である。すなわち、主光線がレンズの周縁側に寄る程、レーザ光のガウシアン分布の周辺がケラレを生じやすくなる。レーザ光のレンズ通過中にガウシアン分布の周辺にケラレが生じると、レーザ光をスポット状に集光した際に、強度分布が理想的なガウシアン分布から外れ、スポット光が大きくなるため、解像力が低下してしまう。このため、主光線はレンズの光軸に対してなるべく平行にすることが望ましい。

　本実施形態によれば、照明光の主光線の傾きを補正することによって、結像光学系５２内を通る光線は、該結像光学系５２の光軸Ａ側に分布し、収差の発生が大きい結像光学系５２の周端部を通る光線が低減されるので、収差の発生を抑制することができる。また、収差が抑制されることによって被写体Ｓ上に形成される照明光のスポットの強度分布が理想に近付き、被写体Ｓ上においてより小さなスポットを実現することができるので、解像力を向上することができる。
　結像光学系５２を構成する屈折率分布型レンズの一方の端面の加工のみで照明光の主光線の傾きを補正することができ、レンズの追加は不要である。このように、単純な構成で照明光の主光線の傾きを補正することができるという利点がある。

　本実施形態においては、補正光学系が、結像光学系５２の端面からなることとしたが、これに代えて、補正光学系が、図１３に示されるように、少なくとも１つのレンズから構成されていてもよい。
　図１３に示される結像光学系５３は、第１の結像光学系５３Ａと、該第１の結像光学系５３Ａの先端側（射出側）に配置され、図８の結像光学系５１と同様の第２の結像光学系５３Ｂとからなる。第２の結像光学系５３Ｂは、投影光学系６１と略同等のレンズ径を有し、該投影光学系６１と一体に形成されていることが好ましい。この場合、例えば第１の結像光学系５３Ａが筐体２側に含まれ、第２の結像光学系５３Ｂが挿入部１に含まれる構成とすることで、挿入部１を細くすることができる。このように、光走査型観察用プローブの結像光学系および投影光学系は、必ずしも単一のパーツ内に設けられている必要はなく、光軸の途中位置で複数に分割されて別々のパーツ内に設けられていてもよい。

　第１の結像光学系５３Ａは、複数のレンズからなり、射出端１３ａから第１の結像光学系５３Ａに入射した照明光の主光線の傾きを補正し、光軸に平行な主光線を有する照明光を第２の結像光学系５３Ｂに向けて射出するようになっている。すなわち、第１の結像光学系５３Ａから補正光学系が構成されている。
　このように、結像光学系５３を２つの光学系５３Ａ，５３Ｂから構成し、硬性鏡に適した細径な構造とすることが好ましい第２の結像光学系５３Ｂおよび投影光学系６１と比較して設計の制約が緩やかである光ファイバ１３側の第１の結像光学系５３Ａに補正光学系としての機能を担わせることによって、補正光学系の設計および製造をより容易にすることができる。

　具体的には、投影光学系６１および結像光学系で、照明光の主光線にケラレが生じないレベルで、結像光学系５２の光軸Ａに対して平行に近づけるように、入射角度を平行に近づけて、設計されている。補正光学系を備えていない図８の光学系では、例えば、主光線の光軸Ａに対する傾きは４．０ｄｅｇであり、最大振幅は１３０ｕｍ、画角は５８．２ｄｅｇに制限されるのに対し、補正光学系を備える図１２の光学系では、主光線の傾きを０．７ｄｅｇまで補正することで、最大振幅は１６０ｕｍ、画角は７６．２ｄｅｇまで広画角にできる。さらに、補正光学系を備える図１３の光学系では、主光線の傾きを０．０３ｄｅｇまで補正することで、最大振幅は１７０ｕｍ、画角は７７．９ｄｅｇまで、さらに広画角にできる。
　このように、補正光学系を備えて主光線を光軸Ａに対して平行に近づけることで、光ファイバの最大振幅時にファイバ射出端から射出された主光線がけられず、広画角を達成することができる。

　第１および第２の結像光学系５３Ａ，５３Ｂからなる結像光学系５３を採用する場合には、第２の結像光学系５３Ｂのレンズ面が、第１の結像光学系５３Ａによる照明光の集光位置とは異なる位置に配置されることが好ましい。
　このように、第２の結像光学系５３Ｂのレンズ面を集光位置とは光学的に非共役な位置に配置するとによって、レンズ面の傷や塵等の像が照明光に含まれることを防ぐことができる。

　次に、本発明の第４の実施形態に係る光走査型観察装置について図１４を参照して説明する。
　本実施形態においては、第１から第３の実施形態と異なる構成について主に説明し、第１から第３の実施形態と共通する構成については同一の符号を付して説明を省略する。
　本実施形態に係る光走査型観察装置は、光源部３、光走査部４、結像光学系５３、投影光学系６１、受光部７、画像取得部８および制御部９に加えて、通過する照明光を制限する開口絞り２２をさらに備えている。

　開口絞り２２は、光学系５３，６１の光軸上に配置される開口部を有し、開口部においてのみ照明光を通過させるようになっている。開口絞り２２は、結像光学系５３および投影光学系６１の少なくとも１つの瞳位置（図１４において矢印の位置）近傍に配置される。開口絞り２２は、１箇所にのみ設けられていてもよく、複数箇所に設けられていてもよい。

　屈折率分布型レンズからなる結像光学系５３Ｂには、屈折率分布型レンズを瞳位置に対応する位置で切断し、切断面の周縁を遮光性の材料で円環状にコーティングし、切断面同士を接合することによって、開口絞り２２を設けることができる。
　投影光学系６１には、瞳位置に相当する先端面の周縁を遮光性の材料で円環状にコーティングすることによって、開口絞り２２を設けることができる。

　結像光学系５３においては、結像光学系５３を構成するレンズの側面で照明光が反射することによってフレアやゴーストが発生し得る。本実施形態によれば、このようなフレアやゴーストを開口絞り２２によって防止することでき、画像の質を向上することができる。
　開口絞り２２は、上述した他の結像光学系５，５１，５２および投影光学系６，６２にも適用することができる。

　結像光学系５１，５２，５３に屈折率分布型レンズを使用する第２、３および４の実施形態において、照明光を光ファイバ１３の射出端１３ａから挿入部１先端の投影光学系６１，６２まで伝播するためには、照明光を細長い屈折率分布型レンズ内で複数回集光させる必要がある。このような屈折率分布型レンズの仕様（屈折率分布型レンズの直径、長さ、内部での照明光の集光回数）の例を以下に示す。

（仕様１）
直径＝０．２５ｍｍ
長さ＝６２ｍｍ
集光回数＝３２回
（仕様２）
直径＝０．３５ｍｍ
長さ＝６２ｍｍ
集光回数＝８回
（仕様３）
直径＝０．７０ｍｍ
全長＝６７ｍｍ
集光回数＝３回

　第１から第４の実施形態においては、結像光学系および投影光学系において照明光に生じる収差を補正する光学系をさらに備えていてもよい。
　結像光学系５３のように第１および第２の結像光学系から構成される結像光学系を採用する場合には、光ファイバ１３側の第１の結像光学系を収差補正用として用い、第１の結像光学系の収差を、第２の結像光学系および投影光学系の収差に対して、逆向きかつ同程度の大きさになるよう設計し、第２の結像光学系および投影光学系の収差を第１の結像光学系の収差によって相殺するように構成されていることが好ましい。このように、硬性鏡に適した細径な構造とすることが好ましい第２の結像光学系および投影光学系と比較して設計の制約が緩やかである光ファイバ１３側の第１の結像光学系に、収差補正の機能を担わせることによって、設計および製造をより容易にすることができる。
　なお、第２の結像光学系および投影光学系で生じる収差には、軸上色収差、倍率色収差、像面湾曲、球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差、などがある。

　第１から第４の実施形態においては、光ファイバ１３の射出端１３ａと結像光学系５，５１，５２，５３との相対位置を光軸に平行な方向および垂直な方向に調整する調整機構をさらに備えていてもよい。

　光ファイバ１３の射出端１３ａと結像光学系５，５１，５２，５３との相対位置を光軸に平行な方向に変化させることによって、照明光の集光位置を光軸に平行な方向に移動させて、投影光学系６，６１，６２の焦点面に対する最終集光位置の位置合わせ（焦点合わせ）を行うことができる。また、光ファイバ１３の射出端１３ａと結像光学系５，５１，５２，５３との相対位置を光軸に垂直な方向に変化させることによって、集光位置を光軸に垂直な方向に移動させて、最終集光位置に形成される照明光のスポットの中心と投影光学系６，６１，６２の光軸との位置合わせ（偏心調整）を行うことができる。
　この場合に、調整機構を設計の制約が緩い光ファイバ１３側に設けることによって、焦点合わせおよび偏心調整をより容易に行うことができる。

　結像光学系５３のように第１および第２の結像光学系から構成される結像光学系を採用する場合には、第１の結像光学系の高い設計の自由度を利用して、光ファイバ１３の射出端１３ａと第１の結像光学系との間に、相対位置調整のためのより大きな距離が確保されるように、第１の結像光学系を設計することができる。これにより、射出端１３ａと第１の結像光学系との相対位置の調整をより容易に行うことができる。また、製造工程において光ファイバ１３と第１の結像光学系との組立作業が容易になる。

　本変形例においては、射出端１３ａにおける照明光のスポット径が最終集光位置において縮小されるように、１未満の投影倍率を有する結像光学系を採用してもよい。このようにすることで、焦点調整に要求される射出端１３ａと結像光学系との相対位置の精度を緩和することができるので有利である。
　射出端１３ａと結像光学系との相対位置の変化による照明光の最終集光位置の光軸方向の位置の変化量は、結像光学系の投影倍率の２乗に比例する。したがって、投影倍率が１未満である結像光学系を用いた場合の最終集光位置と投影光学系の焦点面との位置のずれ量は、図８，１１，１４に示されるような投影倍率が等倍である結像光学系を用いた場合と比べて小さくなる。

　第１から第４の実施形態においては、光ファイバ１３の射出端１３ａの片振幅ｈ（ｍｍ）の最大値が下式（１）を満たすように、制御部９がアクチュエータ１４に供給する電圧の大きさを制御することが好ましい。
　ｈ　≦　π×ｄ×Ｄ×ＮＡ’　／　４λ　　　…（１）
　ここで、ｄは、光ファイバ１３のモードフィールド径（ｍｍ）、λは照明光の波長（ｎｍ）、Ｄは結像光学系の入射瞳径（ｍｍ）、ＮＡ’は結像光学系の入射側の開口数ある。

　式（１）は、光ファイバ１３の射出端１３ａから射出される照明光が無駄なく結像光学系へ伝送されるための光学投影条件を規定したものである。第１および第２の結像光学系５３Ａ，５３Ｂからなる結像光学系５３を採用する場合には、Ｄは第２の結像光学系５３Ｂの入射瞳径、ＮＡ’は第２の結像光学系の入射側の開口数となる。式（１）を満たすことによって、光走査部および結像光学系が有する光学性能を最大限に発揮して、画質を向上することができる。

　第１および第２の結像光学系５３Ａ，５３Ｂからなる結像光学系５３を用いた場合を例に挙げて説明すると、式（１）は以下のように導かれる。
　光ファイバ１３の射出端１３ａにおけるＮＡおよび第１の結像光学系５３Ａの投影倍率βは、以下のように表される。
　ＮＡ＝ｓｉｎ（２λ／πｄ）≒２λ／πｄ　　　…（ａ）
　β＝ＮＡ／ＮＡ’＝２λ／πｄＮＡ’　　　…（ｂ）
　一方、射出端１３ａから射出された照明光が無駄なく結像光学系５３を伝送される条件は、下式の通りである。
　２ｈ×β≦Ｄ　　　…（ｃ）
　式（ｂ），（ｃ）より、式（１）が導かれる。

　光ファイバ１３の射出端１３ａに、該射出端１３ａから射出された照明光を集光させるためのレンズ面が設けられていてもよい。レンズ面は、光ファイバ１３のコアの先端面を球面に形成することによって設けられていてもよく、平坦な射出端１３ａに屈折率分布型レンズを接合することによって設けられていてもよい。このようにすることで、射出端１３ａから射出された照明光が集光され、集光点から照明光が結像光学系に入射する。これは、光ファイバ１３のモードフィールド径ｄを小さくすることと等価である。

　この場合には、片振幅ｈの最大値が下式（１’）を満たすように、制御部９がアクチュエータ１４に供給する電圧の大きさを制御することが好ましい。式（１）’において、ｄ’は、集光点における照明光のスポット径（ｍｍ）である。
　ｈ　≦　π×ｄ’×Ｄ×ＮＡ’　／　４λ　　…（１’）

　第１から第４の実施形態においては、照明光の波長と略同等の波長を有する反射光を検出することとしたが、これに代えて、照明光の波長とは異なる波長を有する信号光（例えば、照明光によって励起される蛍光）を検出してもよい。
　信号光は、照明光の光路とは独立した光路を介して検出されるので、照明光の波長とは独立に信号光の波長を任意に選択することができる。また、照明光の光路と信号光の光路とが共通している場合とは異なり、照明光の波長と同一の波長を有する信号光を検出する場合であっても、検出される信号光のＳＮ比の低下が防止される。

　なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。
　例えば、光走査部の構成は、以下のような構成でもよい。
　例えば、光走査部として、長手方向に磁着されて両端に磁極を有する筒状の永久磁石と、永久磁石の各磁極に対向する位置に設けられた電磁コイルとを用いてもよい。永久磁石内には、光ファイバが永久磁石から突出するように挿入され、光ファイバの外周面に永久磁石が固定される。制御部から電磁コイルに電流が供給されることによって、電磁コイルが永久磁石の磁極の近傍に磁場を発生させて永久磁石が振動し、光ファイバが振動するようになっている。

　光走査部として、照明光を２次元的に走査するガルバノミラーを用いてもよい。
　図１５および図１６に、ガルバノミラー４３を備える光走査部４１，４２の例を示す。結像光学系５４としては、上述した結像光学系５，５１，５２，５３のいずれかを採用することができ、投影光学系６３としては、上述した投影光学系６，６１，６２のいずれかを採用することができる。

　図１５に示される光走査部４１は、レーザ光源（光源）１１とガルバノミラー４３との間に配置されたコリメートレンズ４４ａと、ガルバノミラー４３と結像光学系５４との間に配置された集光レンズ４４ｂとを備える。光源１１から発せられた照明光は、コリメートレンズ４４ａによってコリメートされ、ガルバノミラー４３に入射する。ガルバノミラー４３によって反射された照明光は、集光レンズ４４ｂによって結像光学系５４である屈折率分布型レンズの入射端近傍に集光される。ガルバノミラー４３が傾いたときに結像光学系５４の中心から外れた位置に照明光は集光されるが、結像光学系５４に入射の際の照明光の主光線が光軸に対して平行となるように、集光レンズ４４ｂは設計される。例えば、集光レンズ４４ｂの前側焦点位置を、ガルバノミラー４３の中心近傍に配置すればよい。

　図１６に示されるように、集光レンズ４４ｂを除去して、ガルバノミラー４３によって反射された照明光を平行光のまま結像光学系５４に入射させ、屈折率分布型レンズのピッチを変更してもよい。この構成の場合、ガルバノミラー４３と結像光学系５４との間の距離は、照明光のケラレの軽減のために、より近いことが望ましい。
　屈折率分布型レンズのピッチに関して、０．５ピッチとは、レンズの一端に形成された物体像がレンズの他端に一度だけ結像されるレンズの長さのことをという。また、０．２５ピッチとは、レンズの一端に入射した平行光がレンズの他端に一度だけ集光するレンズの長さのことを言う。例えば、図１５において、屈折率分布型レンズ５４は照明光を２回集光させているので、この屈折率分布型レンズ５４のピッチは１．０である。また、図１６において、屈折率分布型レンズ５４は平行光を３回集光させているので、この屈折率分布型レンズ５４のピッチは１．２５である。

　図１５および図１６には、互いに交差する２軸回りに揺動可能な１枚のガルバノミラー４３が示されているが、１軸回りに揺動可能なガルバノミラーを２つ設けてもよい。
　光源１１からのコリメートレンズ４４ａまでの照明光の導光に関して、レーザ光源１１の発光部からの照明光をコリメートレンズ４４ａで直接コリメートするように構成されていてもよく、レーザ光源１１から発せられた照明光をシングルモードファイバで導光し、該シングルモードファイバの射出端から射出された照明光をコリメートレンズ４４ａによってコリメートするように構成されていてもよい。

　ガルバノミラー４３が±αの揺動角度で揺動するとき、ガルバノミラー４３の全揺動角度２αは、下式（２）を満たすことが好ましい。
　ｔａｎ（２α）　≦　Ｄ×ＮＡ’／ｗ　　　…（２）
　ここで、Ｄは、結像光学系５４（屈折率分布型レンズ）の入射瞳径、ＮＡ’は、結像光学系５４の入射側の開口数、ｗは、ガルバノミラー４３に入射するコリメートされた照明光の光束径である。

　図１５において、結像光学系５４の側面で照明光が反射されることによるフレアやゴーストの発生を防止するためには、下式（ｄ）に示されるように、レンズ４４ｂの集光開口数＝ｗ／（２×ｆ）がＮＡ’以下であればよい。ｆは、レンズ４４ｂの焦点距離である。
　ｗ／（２×ｆ）≦ＮＡ’　…（ｄ）
　一方、ガルバノミラー４３が角度αで傾いたとき、ガルバノミラー４３から射出される照明光の角度は２αだけ変化するので、集光レンズ４４ｂによる照明光の集光位置は、結像光学系５４の光軸からｆ×ｔａｎ（２α）だけ、光軸に直交する方向にずれる。よって、結像光学系５４において照明光によるケラレが生じないための条件は、下式（ｅ）の通りである。
　ｆ×ｔａｎ（２α）≦Ｄ／２　…（ｅ）
　式（ｄ），（ｅ）より、式（２）が導かれる。

　１００，１０１，１０２　光走査型観察装置
　１　挿入部（光走査型観察用プローブ）
　２　筐体
　３　光源部
　４　光走査部
　５，５１，５２，５３，５４　結像光学系
　５３Ａ　第１の結像光学系
　５３Ｂ　第２の結像光学系
　６，６１，６２，６３　投影光学系
　７　受光部
　８　画像取得部
　９　制御部
　１０　ディスプレイ
　１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，１１　レーザ光源（光源）
　１２　光結合部
　１３　光ファイバ
　１３ａ　射出端
　１４　アクチュエータ
　１５　固定部
　１６　内筒
　１７　外筒
　１８　光検出部
　１９　Ａ／Ｄコンバータ
　２０　画像形成部
　２２　開口絞り

Claims

　光走査部によって走査された照明光が入射され該照明光をスポット状に複数回集光する結像光学系と、
　該結像光学系による集光位置からの前記照明光を被写体に向けてスポット状に射出する投影光学系と、
　前記結像光学系および前記投影光学系とは独立して設けられ、前記照明光の照射によって前記被写体において発生する信号光を前記結像光学系および前記投影光学系とは異なる光路で受光する受光部とを備える光走査型観察用プローブ。
　前記光走査部によって走査され前記結像光学系に入射する前記照明光の主光線の前記結像光学系の光軸に対する傾きを、前記主光線が前記光軸に対して平行に近づけるように補正する補正光学系を備える請求項１に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系は、前記光走査部によって走査された前記照明光が入射する端面が凸面である屈折率分布型レンズを備え、
　前記補正光学系が、前記屈折率分布型レンズの前記凸面からなる請求項２に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系が、
　前記光走査部によって走査された前記照明光が入射され、該照明光の前記主光線の傾きを前記光軸に対して平行に近づけるように補正し、前記主光線の傾きが補正された前記照明光を射出する第１の結像光学系と、
　該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、
　前記補正光学系が、前記第１の結像光学系からなる請求項２に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、
　前記第１の結像光学系が、前記投影光学系および前記第２の結像光学系のうち少なくとも一方において発生する収差を補正する請求項１に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、
　前記第２の結像光学系が、前記投影光学系のレンズ径と略同等のレンズ径を有するとともに、前記投影光学系と一体である請求項１から請求項５に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系および前記投影光学系のいずれかの瞳位置近傍に配置された開口絞りを備える請求項１から請求項６のいずれかに記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系の少なくとも射出側の一部および前記投影光学系が、それぞれ屈折率分布型レンズからなり、
　前記結像光学系を構成する前記屈折率分布型レンズの射出側の端面と前記投影光学系を構成する前記屈折率分布型レンズの入射側の端面とが、互いに接合されている請求項１から請求項７のいずれかに記載の光走査型観察用プローブ。
　前記屈折率分布型レンズの接合面が、前記結像光学系による前記照明光の集光位置とは異なる位置に配置されている請求項８に記載の光走査型観察用プローブ。
　前記結像光学系が、第１の結像光学系と、該第１の結像光学系の射出側に配置された第２の結像光学系とからなり、
　該第２の結像光学系のレンズ面が、前記第１の結像光学系による前記照明光の集光位置とは異なる位置に配置されている請求項１から請求項９のいずれかに記載の光走査型観察用プローブ。
　前記照明光を発する光源と、
　該光源からの前記照明光を走査する光走査部と、
　請求項１から請求項１０のいずれかに記載の光走査型観察用プローブとを備える光走査型観察装置。
　前記光走査部が、前記光源からの前記照明光を導光し先端から射出する光ファイバを備え、下式（１）を満たすように前記光ファイバを該光ファイバの径方向に振動させる請求項１１に記載の光走査型観察装置。
　ｈ　≦　π×ｄ×Ｄ×ＮＡ’　／　４λ　　…（１）
　ここで、
　ｈは、前記光ファイバの先端の片振幅、
　ｄは、前記光ファイバのモードフィールド径、
　Ｄは、前記結像光学系の入射瞳径、
　ＮＡ’は、前記結像光学系の入射側の開口数、
　λは、前記照明光の波長
である。
　前記光走査部が、前記光源からの前記照明光を走査するガルバノミラーを備え、下式（２）を満たすように前記ガルバノミラーを揺動させる請求項１１に記載の光走査型観察装置。
　ｔａｎ（２α）≦Ｄ×ＮＡ’／ｗ　　…（２）
　ここで、
　αは、前記ガルバノミラーの全揺動角度の半分、
　ｗは、前記ガルバノミラーに入射する前記照明光の光束径、
　ＮＡ’は、前記結像光学系の入射側の開口数、
　Ｄは、前記結像光学系の入射瞳径
である。
　前記光走査部が、前記照明光を前記結像光学系に向けて射出する射出端を有し、
　前記光走査部の前記射出端と前記結像光学系との相対位置を前記結像光学系の光軸に平行な方向および該光軸に垂直な方向に調整する調整機構を備える請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の光走査型観察装置。