JP5258613B2 - ライトガイド及び光源装置並びに内視鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハの露光用や内視鏡の照明用などに使用されるライトガイドに関する。本発明は、そのライトガイドを搭載する光源装置及び内視鏡システムに関する。

複数の光ファイバを束ねたバンドルファイバや通常の光ファイバよりも口径が大きい大口径光ファイバなどの各種光ファイバは、データ信号の伝送に用いられる他に、例えば、半導体ウエハの露光装置において、半導体ウエハを露光する露光光を光出射部までガイドするための露光用ライトガイド（特許文献１参照）として用いられたり、また、内視鏡の光源装置において、被検者の体腔内部を照明する照明光を内視鏡先端部まで導光する内視鏡照明用ライトガイド（特許文献２参照）として用いられている。

特許文献１のように、光ファイバを露光用ライトガイドとして用いた場合には光量分布が不均一な光がウエハ上に当たると、所望のレジストパターンを得ることができない。また、特許文献２のように、光ファイバを内視鏡照明用のライトガイドとして用いた場合には、光量分布が不均一な光が、体腔内の光反射率の高い領域に当たったり、また、体腔内部の凹凸差が激しい領域に当たったりすると、内視鏡で得られる画像に明るい部分と暗い部分ができてしまうため、画像から病変部を容易に発見できないことがある。

そこで、光量分布が均一な光を得るために、これまでは、バンドルファイバを構成する光ファイバの本数を更に増やしたりする他、特許文献１では、光ファイバの出射端面における出射光の位置や光量分布を検出し、その検出結果に応じて光ファイバに入射する光の光量分布を制御している。また、特許文献２では、光ファイバの光入射端を光軸に直交する方向に移動させることで、出射光の光量分布がファイバ径方向に均一になるようにしている。

特開２００３−３２２７３０号公報 特開２０００−１９９８６４号公報

しかしながら、特許文献１では、出射光の位置や光量分布を検出する装置や入射光の光量分布を制御する装置が必要となり、また、特許文献２では、光ファイバの入射端を移動させる機構が必要となるため、いずれの場合であっても、装置全体が大型化するとともに、光量分布の均一化のためのコストが別途必要となってしまう。

また、一般的に、複数のモードを導光可能なマルチモードファイバに対して光を入射させる場合やマルチモードファイバ間を光結合する場合、光入射時や結合時の安定性を得る観点からファイバのＮＡ以下、即ちファイバの受光角以下でレーザを入射又は結合させている。したがって、ファイバから出射する光の光量分布は、中央部の強度が周辺部よりも高くなるため、ファイバの光出射面における光量分布は均一にならない。

本発明は、装置全体を大型化せず、またコストを別途必要とすることなく、出射光の光量分布を均一化することができるライトガイド及び光源装置並びに内視鏡システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のライトガイドは、出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように光を入射する複数の第１マルチモード光ファイバと、出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように光を入射する複数の第２マルチモード光ファイバとがバンドル化され、第１及び第２マルチモードファイバには、出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及びテーパコアの外周上に一定厚みでテーパクラッドが設けられているバンドルファイバを備え、バンドルファイバから、略凸状の光量分布の光と略凹状の光量分布の光とが重ね合わされて光量分布が均一化された光を出射することを特徴とする。

出射面から一定深さでテーパクラッドの外周面の一部又は全部が露呈するように、バンドルファイバを保持するファイバ保持部材と、外周面の一部又は全部が露呈したテーパクラッドから漏洩する光を放出させる光放出空間部を備えることにより、バンドルファイバから出射する光の広がり角及びＮＡは、テーパコア及びテーパクラッドや光放出空間部を無しのときの広がり角及びＮＡよりも更に拡大する。

第２マルチモード光ファイバに入射させる光の入射角度を、第１マルチモード光ファイバに入射させる光の入射角度よりも大きくする。具体的には、第１マルチモード光ファイバ（受光角θ）に入射させる光の入射角度を０°以上θ／２以下とすることで、第１マルチモード光ファイバの出射光の光量分布を径方向に対して略凸状にする。また、第２マルチモード光ファイバ（受光角θ）に入射させる光の入射角度を２／θ以上θ以下とすることで、第２マルチモード光ファイバの出射光の光量分布を径方向に対して略凹状にする。これら出射光を重ね合わせることにより、バンドルファイバの出射端面からは光量分布がファイバ径方向に対して均一な光が放射される。例えば、第１及び第２マルチモード光ファイバのＮＡ（Numerical Aperture）が０．２２の場合、受光角θ（θ＝ｓｉｎ −１ ＮＡ）は１２．７°以下である。

第１又は第２マルチモード光ファイバの入射端面を、それら光軸に直交する面に対してそれぞれ傾斜させ、第２マルチモード光ファイバの入射端面の傾斜角度を、第１マルチモード光ファイバの入射端面の傾斜角度よりも大きくする。具体的には、第１マルチモード光ファイバ（受光角θ）の入射端面の傾斜角度を０°以上θ／２以下にすることで、第１マルチモード光ファイバの出射光の光量分布を径方向に対して略凸状にする。また、第２マルチモード光ファイバ（受光角θ）の入射端面の傾斜角度を２／θ以上θ以下にすることで、第２マルチモード光ファイバの出射光の光量分布を径方向に対して略凹状にする。これら出射光を重ね合わせることにより、バンドルファイバの出射端面からは光量分布がファイバ径方向に対して均一な光が放射される。

第１及び第２マルチモード光ファイバのＮＡが０．２以上であることが好ましい。第１マルチモード光ファイバには、出射光の光量分布が凸状になるように、ＮＡ（０．２）よりもかなり小さくして光を入射させる（受光角以下）。これに対して、第２マルチモード光ファイバには、出射光の光量分布が凹状になるように、光ファイバのＮＡ（０．２）付近まで近づけて光を入射させている。したがって、本発明では、光ファイバが本来有しているＮＡを十分に利用することによって、光量分布の均一化を図っている。

バンドルファイバのファイバ本数は１９以下であることが好ましく、原理上は２本以上あれば少ない本数でも均一な光量分布を得ることができる。したがって、従来のように、数１００本もの光ファイバを用いなくとも、光量分布を均一化することができる。また、従来では、光ファイバの径は１０ｍｍ以上なければ光量分布の均一化は困難であったが、本発明によれば、第１及び第２マルチモード光ファイバの径が１ｍｍ以下であったとしても、光量分布を均一化することができる。

本発明のライトガイドは、出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように光を入射する複数の第１マルチモード光ファイバ、及び出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように光を入射する複数の第２マルチモード光ファイバがバンドル化されたバンドルファイバと、出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及びテーパコアの外周上に一定厚みでテーパクラッドが設けられ、第１及び第２マルチモード光ファイバの口径よりも大きい口径の入射部に、第１マルチモード光ファイバの出射光と第２マルチモード光ファイバの出射光とが入射する大口径マルチモード光ファイバとを備え、大口径マルチモード光ファイバから、略凸状の光量分布の光と略凹状の光量分布の光とが重ね合わされて光量分布が均一化された光を出射することを特徴とする。

出射面から一定深さでテーパクラッドの外周面の一部又は全部が露呈するように、大口径マルチモード光ファイバを保持するファイバ保持部材と、外周面の一部又は全部が露呈したテーパクラッドから漏洩する光を放出させる光放出空間部を備えることにより、大口径マルチモード光ファイバから出射する光の広がり角及びＮＡは、テーパコア及びテーパクラッドや光放出空間部を無しのときの広がり角及びＮＡよりも更に拡大する。また、大口径マルチモード光ファイバから出射する光のスペックルを低減するスペックル低減部が、大口径マルチモード光ファイバに設けられることから、大口径マルチモード光ファイバからは、干渉の無いスペックルが低減された光が発せられる。

本発明の光源装置は、出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及びテーパコアの外周上に一定厚みでテーパクラッドが設けられた第１及び第２マルチモード光ファイバがバンドル化されたバンドルファイバを有するライトガイドを備える内視鏡に接続された光源装置において、出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように第１マルチモード光ファイバに光を入射させる第１の光源と、出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように第２マルチモード光ファイバに光を入射させる第２の光源とを備え、第１及び第２の光源からの光を第１及び第２マルチモード光ファイバに入射させて導光させることによって、第１マルチモード光ファイバから出射する略凸状の光量分布の光と、第２マルチモード光ファイバから出射する略凹状の光量分布の光とを重ね合わせて、光量分布が均一化した光を第１及び第２マルチモード光ファイバのテーパクラッドを含む出射面から出射させることを特徴とする。

本発明の内視鏡システムは、上記記載の本発明の光源装置と、光源装置からの光で照明された被検者の体腔内部を撮像する内視鏡と、撮像により得られる画像を処理する画像処理装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、装置全体を大型化することなく、またコストを別途必要とせずに、出射光の光量分布を均一化することができる。

本発明の第１実施形態の光源装置を示す概略図である。 （Ａ）は入射角度０°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布を示すグラフであり、（Ｂ）はそのときの遠視野パターンを示す図である。 （Ａ）は入射角度１２°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布を示すグラフであり、（Ｂ）はそのときの遠視野パターンを示す図である。 （Ａ）は光出射部から出射する光の光量分布を示すグラフであり、（Ｂ）はそのときの遠視野パターンを示す図である。 一定の条件を有する細径光ファイバの放射パターンを示す図であり、（Ａ）は入射角度０°のときの細径光ファイバの出射光の放射パターン（ＦＦＰ）を示す図を、（Ｂ）は入射角度１２°のときの細径光ファイバの出射光の放射パターン（ＦＦＰ）を示す図を、（Ｃ）は入射角度１２°のときの細径光ファイバの出射光の放射パターン（ＮＦＰ）を示す図を、（Ｄ）は、（Ａ）に示す光と（Ｂ）又は（Ｃ）に示す光とが重ね合わせて出射される光の放射パターン（ＦＦＰ）を示す図である。 本発明の第１実施形態における光出射部を示す縦断面図である。 （Ａ）はファイバ本体部を有する部分の光出射部の横端面図を、（Ｂ）は出射面を有する部分の光出射部の横端面図を示している。 本発明の内視鏡システムを示す概略図である。 本発明の第２実施形態の光源装置を示す概略図である。 本発明の第３実施形態の光源装置を示す概略図である。 入射角度６°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布（ＮＦＰ）を示すグラフである。 入射角度８°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布（ＮＦＰ）を示すグラフである。 入射角度１０°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布（ＮＦＰ）を示すグラフである。 入射角度１２°のときの細径光ファイバの出射光の光量分布（ＮＦＰ）を示すグラフである。 本発明の第２実施形態における光出射部の一部を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態において、出射面を有する部分の光出射部の横端面図を示している。

図１に示すように、本発明の第１実施形態の光源装置１０は、光源１１〜１４と、集光レンズ１５〜１８と、細径光ファイバ２０〜２３と、ファイバ接続部２７と、大口径光ファイバ２８と、スペックル低減部３０と、光出射部３１とを備えている。細径光ファイバ２０〜２３は、フェルール等によりバンドル化されたバンドルファイバ３２とされる。このバンドルファイバ３２と大口径光ファイバ２８により、光源１１〜１４が発した光を光出射部３１まで導光するライドガイド３３が構成される。

光源１１，１２と集光レンズ１５，１６とは、それぞれの光軸Ｌ１，Ｌ２が細径光ファイバ２０，２１の光軸Ｘ１，Ｘ２と一致するように、設けられている。したがって、光源１１，１２から発せられる光は、集光レンズ１５，１６を介して、入射角度０°で細径光ファイバ２０，２１に入射する。なお、細径光ファイバ２０，２１（受光角θ）に対する入射角度は０°に限らず、０°以上θ／２以下の角度であればよい。

光源１３，１４と集光レンズ１７，１８とは、それぞれの光軸Ｌ３，Ｌ４が細径光ファイバ２２，２３の光軸Ｘ３，Ｘ４に対して１２°傾くようにして、設けられている。したがって、光源１３，１４から発せられる光は、集光レンズ１７，１８を介して、入射角度１２°で細径光ファイバ２２，２３に入射する。なお、細径光ファイバ２２，２３（受光角θ）に対する入射角度は１２°に限らず、θ／２以上θ以下の角度であればよい。なお、細径光ファイバのＮＡ（Numerical Aperture）が０．２２であるときは、θは１２．７°である。

細径光ファイバ２０〜２３及び大口径光ファイバ２８は、複数のモードが導波可能なマルチモード光ファイバから構成される。大口径光ファイバ２８の径は細径光ファイバ２０〜２３の径よりも大きい。具体的には、大口径光ファイバ２８の径は２ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。細径光ファイバ２０〜２３の径は０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、より好ましくは１ｍｍである。

細径光ファイバ２０，２１は光を入射角度０°で受光しているため、図２（Ａ）に示すように、それらの光量分布は、光軸X１，X２において光量が最も大きく、光軸X１，X２からファイバの径方向に対して離れるごとに光量が減少する略凸状の分布（ガウス分布）を有する。また、図２（Ｂ）に示すように、遠視野パターン（ＦＦＰ（Far Field Pattern））は、光軸X１，X２からファイバの径方向に対して所定距離内に光量が一定値Ｍ以上のエリア３５を、エリア３５よりも外側に光量が一定値未満のエリア３６を有する。なお、入射角度が０°から６°までの光量分布及び遠視野パターンは、入射角度が０°のときとほぼ同様である。また、細径光ファイバには、出射光の光量分布が異なる２以上の光を入射させてもよい。

これに対して、細径光ファイバ２２，２３は入射角度１２°で光を受光しているため、図３（Ａ）に示すように、それらの光量分布は、ファイバ径方向において、周辺部の光量が光軸X３，X４を含む中央部の光量よりも大きくなる略凹状の分布（リング状のモード分布）を有する。また、図３（Ｂ）に示すように、遠視野パターンは、光軸からファイバ径方向に対して所定距離内に光量が一定値Ｍ未満のエリア３８を、エリア３８よりも外側に光量が一定値Ｍ以上のエリア３９を、そして、更にエリア３９の外側には光量が一定値Ｍ未満のエリア４０を有する。

図１に示すように、ファイバ接続部２７は、バンドル化された細径光ファイバ２０〜２３の出射端面と大口径光ファイバ２８の入射端面とを、保護媒体（図示省略）等を介して接続する。各細径光ファイバ２０〜２３から出射された光は大口径光ファイバ２８に入射する。大口径光ファイバ２８内では、光量分布が略凸状である細径光ファイバ２０，２１の出射光と、光量分布が略凹状である細径光ファイバ２２，２３の出射光とが重ね合わされる。これにより、大口径光ファイバ２８内の光は、図４（Ａ）に示すように、光量がファイバ径方向に対して略均一であり、且つ一定値Ｍ以上であるトップフラットに近い光量分布を有する。また、（Ｂ）に示すように、遠視野パターンについても、全エリア４２が一定値Ｍ以上の光量を有している。

また、図５（Ａ）は、入射角度０°で光を入射した細径光ファイバ２０，２１から出射する光の放射パターン（ＦＦＰ）を示しており、この図から放射パターンは中心部分が周辺部分よりも明るいことが分かる。また、（Ｂ）は、入射角度１２°で光を入射した細径光ファイバ２２，２３から出射する光の放射パターン（ＦＦＰ）を、（Ｃ）はその近視野パターン（Near Field Pattern）を示しており、これら図から放射パターンは周辺部分が中心部分よりも明るいことが分かる。大口径光ファイバ２８には、（Ａ）に示す光と（Ｂ）や（Ｃ）に示す光とが入射することによって、それら光は大口径光ファイバ２８内で重なり合う。これにより、大口径光ファイバ２８から出射する光の放射パターンは、（Ｄ）に示すように光量分布がほぼ均一となる。

以上のように、本発明では、光量分布が略凸状となるように光を細径光ファイバに入射させるとともに、光量分布が略凹状となるように細径光ファイバを入射させる。その上で、光量分布が略凹状の光と、光量分布が略凸状の光とを、大口径光ファイバ内で重ね合わせることにより、光出射部３１から出射する光の光量分布を均一化することができる。

したがって、本発明は、特許文献１及び２のように、光量分布を均一化するための装置等を設けなくとも光量分布を均一化することができるため、コストを別途必要としない。また、本発明は、特許文献１及び２のように、光量分布を均一化するための装置を光源装置に加えなくても光量分布を均一化することができるため、装置全体が大型化することもない。また、バンドルファイバやライトガイド全体を交換する際には、特許文献１や２のような従来の場合であれば、光量分布均一化のための装置の制御系を再調整する必要があったが、本発明によれば、細径光ファイバに対する入射角度を設定するだけで済むため、従来に比べて交換に時間を要することがない。したがって、ライトガイドを内視鏡の照明用に用いた場合のように、ライトガイドの交換が頻発する用途に対しては本発明は非常に有効である。

また、従来では、バンドルファイバのファイバ本数の増加により光量分布を均一化するためには、ファイバ本数が少なくとも数１００本以上必要であったが、本発明によれば、わずか４本、多くても１９本以下のファイバ本数だけで光量分布を均一化することができる。また、細径光ファイバ２０〜２３及び大口径光ファイバ２８のＮＡが０．２以上であることにより、ファイバ径方向における周辺部の光量を更に増加させることができる。したがって、大口径光ファイバ２８に入射する光のうちファイバ径方向における周辺部の光量が不足している場合であっても、周辺部の光量を更に増加させた略凹状の光を重ね合わせることで、光量分布の均一化を図ることができる。

また、細径光ファイバの径と大口径光ファイバの径とは異なるが、細径光ファイバから出射される光の放射パターン、例えばリング状は、大口径光ファイバにおいても、サイズ及び形状を変えること無くそのまま維持されている。また、従来では、光ファイバの径は１０ｍｍ以上なければ光量分布を均一化することは困難であったが、本発明によれば、細径光ファイバの径が１ｍｍ以下であったとしても、光量分布を均一化することができる。

図１に示すように、スペックル低減部３０では、数回巻き取った状態の大口径光ファイバ２８に振動を加えることにより、スペックルノイズを低減させて更に光量分布を均一化する。これにより、光量分布が更に均一化された光が光出射部３１から出射するため、スペックルの発生を抑えることができる。

図６に示すように、光出射部３１は、大口径光ファイバ２８を円筒状のハウジング部４１の保持孔４１ａ内に保持した状態で、出射面２８ａからスペックル低減部３０を経た光を出射する。ハウジング部４１内における大口径光ファイバ２８は、光軸方向ＸＡに対して径が同じであるファイバ本体部４３と、出射面２８ａに向かって径が徐々に小さくなるテーパ部４４を備えている。ファイバ本体部４３は、コア４３ａ及びそのコア４３ａの外周面上に一定厚みで設けられるファイバ４３ｂからなる。テーパ部４４は、テーパコア４４ａ及びそのテーパコア４４ａの外周面上に一定厚みで設けられるテーパテーパクラッド４４ｂからなる。なお、ハウジング部はガラスなどで形成することが好ましい。

ファイバ本体部４３内の光は、クラッド４３ｂで反射しながら、コア４３ａ内を伝搬する。これに対して、テーパ部４４では、テーパクラッド４４ｂに対する光の入射角が小さくなるため、テーパ部４４内の光の一部は、テーパクラッド４４ｂで反射せず、そのままテーパクラッド４４ｂへと漏れ出す。テーパクラッド４４ｂへ漏れ出した光は、ファイバ接着部材４０で反射しながら、テーパコア４４ａ内を伝搬する。

ここで、図７（Ａ）が示すように、ファイバ本体部４３におけるコア径Ｒ１は、２２５μｍ以上２３５μｍ以下であり、より好ましくは２３０μｍである。また、（Ｂ）が示すように、出射面２８ａにおけるコア径Ｒ２は、８５μｍ以上１００μｍ以下であり、より好ましく９３μｍである。したがって、テーパ部４４のテーパ率（コア径Ｒ２／コア径Ｒ１）は０．３６以上０．４４以下である。なお、大口径光ファイバ２８のクラッド径は１０５μｍ以上２５５μｍ以下であることが好ましい。

図６に示すように、ファイバ接着部材４０は光透過性を有する接着剤から構成され、紫外線により硬化する。ファイバ接着部材４０は、出射面２８ａから一定深さでテーパクラッド４４ｂの外周面の全部が露呈するように、大口径光ファイバ２８を保持孔４１ａ内に接着する。ファイバ接着部材４０の屈折率は大口径光ファイバのクラッド４３ｂ，４４ｂの屈折率より低く、具体的には大口径光ファイバのクラッド４３ｂ，４４ｂ屈折率は１．４３以上１．４４以下であり、ファイバ接着部材４０の屈折率は１．４０以上１．４１以下であることが好ましい。

光放出空間部４８は、出射面２８ａから一定深さで露呈したテーパクラッド４４ｂの外周面（以下「露呈部」という）とハウジング部４１の内周面との間に設けられた略円筒状の空間からなる。この光放出空間部４８において、テーパクラッド４４ｂの露呈部はエアと直接的に接している。テーパコア４４ａ内の光は、そのまま出射面２８ａから出射する他、テーパクラッド４４ｂの露呈部へと漏れ出す。テーパクラッド４４ｂの露呈部に漏れ出した光は、そのまま光放出空間部４８へと放出する。

以上のように、光出射部３１から出射する光には、出射面２８ａから出射する光に加えて、テーパクラッド４４ｂの露呈部から漏れ出す光も含まれているため、出射光の広がり角及びＮＡ（Numerical Aperture）は、テーパ部４４を設けない場合よりも、大きくなる。このテーパ部４４により、出射光のビーム径は拡張される。更に、光出射部３１から出射する光には、前述の２パターンの光に加えて、テーパ先端部４５から光放出空間部４８へと放出される光が含まれているため、出射光の広がり角及びＮＡは、光放出空間部４８及びテーパ部４４の両方無しの場合及び光放出空間部４８無しでテーパ部４４のみ設けた場合よりも、更に大きくなる。これら光放出空間部４８及びテーパ部４４により、出射光のビーム径は更に拡張される。

また、光放出空間部４８が存在することで、出射光の広がり角及びＮＡは、コア４３ａ，４４ａ及びクラッド４３ｂ，４４ｂの材質や屈折率による制限を受けにくいため、自由度を有する。また、テーパ部４４のテーパ率を調整したり、光軸ＸＡ方向への光放出空間部の深さを調整することによって、テーパクラッド４４ｂの露呈部から漏れ出す光の屈折率を調整することができる。これにより、出射光の広がり角及びＮＡを自由に調整することができる。

以下、光放出空間部４８及びテーパ部４４無しのときの広がり角及びＮＡの具体的な数値と、光放出空間部４８又はテーパ部４４有りのときの広がり角及びＮＡの具体的な数値とを示すことにより、広がり角及びＮＡがどの程度拡大するかを説明する。光放出空間部４８及びテーパ部４４無しのときの開口数ＮＡ１は、コアの屈折率Ｎａ及びクラッドの屈折率Ｎｂに基づいて、以下の［数１］により求められる。

例えば、コアの屈折率Ｎａが１．４５２、クラッドの屈折率Ｎｂが１．４３６である場合、光放出空間部４８及びテーパ部４４無しのときの開口数ＮＡ１は、最大で０．２２（最大開口数）であり、広がり角は最大で２４．２度（最大広がり角）である。ここで、大口径光ファイバ２８のファイバ本体部４３におけるコア径を２３０μｍとし、クラッド径を２５０μｍとした場合、テーパ部４４及び光放出空間部４８無しのとき（テーパ率１．０）の広がり角は、最大広がり角以下の１６（ｄｅｇ）であり、ＮＡは、最大開口数以下の０．１４である。

一方、テーパ部のみの開口数ＮＡ２は、コアの屈折率Ｎａ及びファイバ接着部材の屈折率Ｎｃに基づいて、以下の［数２］により求められる。

例えば、前述と同様にコアの屈折率Ｎａを１．４５２とし、ファイバ接着部材の屈折率Ｎｃを１．４０７とした場合、テーパ部のみの開口数ＮＡ２は最大で０．３６（最大開口数）であり、広がり角は最大で４２．２度（最大広がり角）である。この値は、テーパ部４４内の光の全てがコアからクラッドに漏れ出したときの広がり角とされる。ここで、コア径が２３０μｍ、クラッド径が２５０μｍであるファイバ本体部４３に対して、テーパ部４４（出射面２８ａにおけるコア径９３μｍ、テーパ率０．３７２）を設けた場合、広がり角は最大広がり角以下の３７．６（ｄｅｇ）であり、ＮＡは最大開口数以下の０．３２である。したがって、テーパ部４４を設けることで、出射光の広がり角及びＮＡを拡大することができる。

さらに、本発明では、コア径が２３０μｍ、クラッド径が２５０μｍであるファイバ本体部４３に対して、光放出空間部４８及びテーパ部４４（出射面２８ａにおけるコア径９３μｍ、テーパ率０．３７２）の両方を設けた場合、広がり角は４７．０であり、ＮＡは０．４０である。したがって、テーパ部４４に加えて、光放出空間部４８を設けることにより、出射光の広がり角及びＮＡを更に拡大することができる。

光放出空間部４８は、以下のようにして形成される。まず、大口径光ファイバ２８をハウジング部４１の保持孔４１ａに挿入する。そして、出射面２８ａとハウジング部４１の端面とが同一面になるように、大口径光ファイバ２８の周面とハウジング部４１の内周面との間に、ファイバ接着部材４０を充填して接着する。そして、接着剤吸収性を有するレーザを、出射面２８ａ側からファイバ接着部材４０の端面全体に照射し、出射面２８ａから一定深さでファイバ接着部材４０を除去する（アブレーション）。これにより、出射面２８ａから一定深さでテーパクラッド４４ｂの外周面の全部が露呈し、その露呈したテーパクラッド４４ｂの外周面とハウジング部４１の内周面との間に、略円筒状の光放出空間部４８が形成される。

なお、レーザは、出力が３００ｍＷであり、波長が４０５ｎｍの光を４本合波させたもの（合計出力１．２Ｗ）を使用することが好ましい。また、ファイバ接着部材の除去に要した時間は約５分であることが好ましい。また、使用するレーザとしては、１００ｍＷ程度の低いパワーを有するレーザをファイバ接着部材に対して長時間照射し、ファイバ接着部材を変質させてもよい。この場合は、レーザ照射後に変質したファイバ接着部材をアセトン等の溶剤で除去することができる。また、光出射部のような光コネクタの端面は非常に壊れやすいため、接着剤の除去などのプロセス処理は端面研磨後には通常行われないが、本実施形態によれば、レーザによる非接触で端面を加工するプロセス処理を採用したため、プロセス処理を端面研磨後に行っても、端面を損傷することがない。

図５に示すように、内視鏡システム５０は、被検者の体腔内を照明する照明光を生成する照明光生成手段として上記本発明の光源装置１０を用い、照明光により照明された被検者の体腔内を内視鏡５１により撮像し、この撮像により得た画像をプロセッサ装置５２で各種処理を施す。各種処理が施された画像は、モニタ５３に表示される。

図６に示すように、内視鏡５１は、体腔内に挿入される可撓性の挿入部５５と、挿入部５５の基端部分に連設され、施術者が手元で操作を行う手元操作部５６と、光源装置１０及びプロセッサ装置５２のソケット１０ａ，５２ａに取り付けられるユニバーサルコネクタ５７と手元操作部５６とを接続するユニバーサルコード５８とを備えている。挿入部５５の先端には、照明光学系６０、対物光学系６１、プリズム６２、撮像素子６３が設けられている。

光源装置の光源１１〜１４、集光レンズ１５〜１８、細径光ファイバ２０〜２３、ファイバ接続部２７、及びスペックル低減部３０はケーシング６７内に設けられており、大口径光ファイバ２８の一部はケーシング６７内に、その他の部分はユニバーサルコード５８及び挿入部５５内に設けられている。

細径光ファイバ２０，２１には、光源１１，１２からの光が集光レンズ１５，１６を介して入射角度０°で入射する。細径光ファイバ２０，２１に入った光は、図２（Ａ）に示す略凸状の光量分布と図２（Ｂ）に示す遠視野パターンを有する。また、細径光ファイバ２２，２３には、光源１３，１４からの光が集光レンズ１７，１８を介して入射角度１２°で入射する。細径光ファイバ２２，２３に入った光は、図３（Ａ）に示す略凹状の光量分布と図３（Ｂ）に示す遠視野パターンを有する。

細径光ファイバ２０，２１からの光と、細径光ファイバ２２，２３からの光は、ファイバ接続部２７で大口径光ファイバ２８に向けて出射する。大口径光ファイバ２８内の光は、図４（Ａ）に示すように、光量がファイバ径方向に対して略均一であり、且つ一定値Ｍ以上である光量分布を有するとともに、図４（Ｂ）に示すように、全エリア４２が一定値Ｍ以上の光量である遠視野パターンを有する。大口径光ファイバ２８内の光は、スペックル低減部３０で光量分布が更に均一化された後、光出射部３１へと送られる。

光出射部３１は、照明光学系６０を介して、大口径光ファイバ２８内の光を体腔内部に向けて照射する。体腔内部には光量分布が均一な光が照射されるため、体腔内に光反射率が高い領域があったり、また体腔内部に凹凸差が激しい領域にあったりしても、内視鏡で得られる画像は鮮明である。したがって、得られた画像から体腔内部にある病変部を容易に発見することができる。

また、光出射部３１は光放出空間部４８及びテーパ部４４を有しているため、光出射部３１から出射される光の広がり角及びNAは、それら光放出空間部４８及びテーパ部４４が無い場合よりも大きい。したがって、体腔内部に対して広範囲に光が照射されるため、撮像素子６３の撮像範囲のほぼ全域が照明される。したがって、内視鏡５１で得られる画像から病変部を容易に発見することができる。

対物光学系６１は、体腔内部で反射した光を受光する。プリズム６２は対物光学系６１で受光した光を屈曲させる。プリズム６２で屈曲した光は、撮像素子６３の撮像面で結像する。これにより、体腔内部の画像信号が得られる。撮像素子６３で得られた画像信号は、挿入部５５及びユニバーサルコート５８内の信号ライン７０を介して、プロセッサ装置５２に送られる。プロセッサ装置５２は、信号ライン７０から送られてきた画像信号に対して各種処理を施す。モニタ５３は、各種処理が施された画像信号に基づいて、体腔内部の画像を表示する。

図７に示すように、本発明の第２実施形態の光源装置８０は、細径光ファイバ８２，８３（受光角θ）以外は上記第１実施形態と同様の構成を有している。光源１３，１４と集光レンズ１７，１８とは、それぞれの光軸Ｌ３，Ｌ４が細径光ファイバ８２，８３の光軸Ｘ３，Ｘ４と一致するように、設けられている。また、細径光ファイバの入射端面８２ａ，８３ａは、光軸Ｘ３，Ｘ４に直交する面に対して角度１２°で傾くように、研磨されている。なお、細径光ファイバ（受光角θ）の入射端面８２ａ、８３ａの角度は１２°に限らず、θ／２以上θ以下の範囲であればよい。また、細径光ファイバ２０，２１（受光角θ）の入射端面にも、光軸Ｘ１，Ｘ２に直交する面に対して角度０°以上θ／２以下の範囲で傾くように研磨してもよい。

細径光ファイバ８２，８３は、細径光ファイバ２０，２１と同様にマルチモード光ファイバで構成されている。したがって、角度１２°だけ傾いた入射端面８２ａ，８３ａに、光源１３，１４からの光が集光レンズ１７，１８を介して入射することによって、細径光ファイバ８２，８３内の光は、図３（Ａ）に示す略凹状の光量分布と図３（Ｂ）に示す遠視野パターンを有する。

細径光ファイバ８２，８３の出射光は、細径光ファイバ２０，２１の出射光と同様に、ファイバ接続部２７で大口径光ファイバ２８に入射する。大口径光ファイバ２８内では、細径光ファイバ２０，２１，８２，８３からの光が重ね合わされて均一化される。これにより、図４（Ａ）に示すように、光量がファイバ径方向に対して略均一であり、且つ一定値Ｍ以上である光量分布を有するとともに、図４（Ｂ）に示すように、全エリア４２が一定値Ｍ以上の光量である遠視野パターンを有する。大口径光ファイバ２８内の光は、スペックル低減部３０で光量分布が更に均一化される。

図８に示すように、本発明の第３実施形態の光源装置９０においては、細径光ファイバ２２の入射角度はθａを０°以上１２°以下の範囲で可変とする以外は、上記第１実施形態と同様の構成を有している。

ここで、細径光ファイバの入射角度θａを変化させることによって、細径光ファイバ２２の出射光の光量分布がどのように変化するかの一例を、図９〜図１２に示す。図９〜図１２は、細径光ファイバ２２のコア径を２３０μｍ、クラッド径を２５０μｍ、ＮＡを０．２３としたときに、細径光ファイバ２２から出射する光の出力モードパターン（ＮＦＰ）を示しており、図９は、θａが６°のときのパターンを、図１０はθａが８°のときのパターンを、図１１はθａが１０°のときのパターンを、図１２はθａが１２°のときのパターンを示している。なお、図９〜図１２において、横軸を示す「ファイバ径方向」の「０」は細径光ファイバ２２の光軸を示している。また、放射パターンをリング状とする場合には、光ファイバのＮＡを上限値付近にすることが好ましい。

これら図９〜図１２に示すように、ファイバ径方向における周辺部の光量は、θａが８°付近からθａが大きくなるごとに、増えることが分かる。また、θａを大きく又は小さく変化させることによって、細径光ファイバ２２の出射端面上の放射パターンの形状が、リング形状、楕円などに変化することが分かっている。特に、θａが１２°の場合には、ＮＡが光ファイバの上限値（０．２２）となり、放射パターンの周辺部におけるモード突起は顕著になる。そのため、θａが１２°のときの細径光ファイバ２２の出射端面上の放射パターンの形状はリング状となり、θａが１２°未満のときの放射パターンと大きく異なることが分かっている。なお、θａが０°から６°までの細径光ファイバ２２の出射光の光量分布は、θａが６°の場合とほぼ同様のパターン（図９参照）を示す。

以上のように入射角度θａで光を入射する細径光ファイバ２２の出射光は、ファイバ接続部２７において、入射角度０°で光を入射する細径光ファイバ２０，２１の出射光及び入射角度１２°で光を入射する細径光ファイバ２３の出射光ととともに、大口径光ファイバ２８に入射する。大口径光ファイバ２８内では、細径光ファイバ２０〜２３からの出射光とが重なり合うことで光量がファイバ径方向に対して均一になる。

また、細径光ファイバ２２の入射角度θａと細径光ファイバ２３の入射角度１２°とが異なっている場合、大口径光ファイバ２８には、放射パターンのサイズや形状が異なる光が入射する。これら光が大口径光ファイバ２８内で重なり合うことによって、光出射部３１から出射される光の放射パターンは、光量分布の均一性を失わない範囲のパターンであるとともに、サイズや形が異なる複数の形状が組み合わさったパターンとなる。したがって、細径光ファイバ２２の入射角度θａを調整することによって、所望のパターンの光を照明対象に当てることができる。また、細径光ファイバ２０，２１の入射光は集光レンズにより光軸Ｘ１，Ｘ２近傍に集光するため、ファイバ径方向における周辺部の光量は不足するが、細径光ファイバ２２の入射角度θａを調整することによって、光量分布の均一性を失わない範囲において、周辺部の光量を増加させることができる。

なお、上記実施形態では、バンドル化した細径光ファイバと大口径光ファイバとを接続し、大口径光ファイバから光を出射させたが、バンドル化した細径光ファイバを大口径光ファイバに接続せず、細径光ファイバからそのまま光を出射させてもよい。この場合にも、細径光ファイバに光出射部３１と同様の光出射部を設け、即ち、細径光ファイバの出射側にテーパコア及びテーパクラッドからなるテーパ部を設け、細径光ファイバの出射面から一定深さで、外周面の全部又は一部を露呈したテーパクラッドから漏れる光を放出させる光放出空間部を設ける。したがって、細径光ファイバから出射される光の広がり角及びＮＡは、テーパ部４４及び光放出空間部４８により拡大する。

上記実施形態のように、細径光ファイバから出射する光を、大口径光ファイバに入射させず、そのまま放出させる場合には、以下のようにして形成される２周のバンドルファイバを用いることが好ましい。２周のバンドルファイバは、まず、中心となる１本の細径光ファイバの周囲を保護チューブで覆い、その周囲に複数本の細径光ファイバを配置して保護チューブで覆う。そして、その複数本の細径光ファイバを覆う保護チューブの周囲に、更に複数本の細径光ファイバを配置して保護チューブで覆う。これにより、２周のバンドルファイバが形成される。なお、バンドルファイバは２周に限らず、３周以上あってもよい。

また、上記実施形態では、出射面２８ａから一定深さでテーパクラッド４４ｂの外周面の全部を露呈させることにより、光放出空間部４８を形成したが。図１５及び図１６に示すように、テーパクラッド４４ｂの外周面の全部ではなく一部だけを露呈させることによって、光放出空間部１００を形成してもよい。

光放出空間部１００は、図１５及び図１６に示すように、出射面２８ａから一定深さで露呈したテーパクラッド４４ｂの外周面の一部とハウジング部４１の内周面と間に形成されている。光放出空間部１００は、大口径光ファイバの出射面２８ａをＸＹの二次元平面上で見たときに、Ｙ軸に対してテーパクラッド４４ｂよりも上方に設けられる第１空間部１００ａ、Ｙ軸に対してテーパクラッド４４ｂよりも下方に設けられる第２空間部１００ｂとからなる。なお、空間部を設ける位置はこれに限らず、Ｘ軸方向に対してテーパクラッドの左右両方に空間部を設けてもよい。また、空間部の形成方法は、ファイバ接着部材の一部をレーザ照射により除去する（アブレーション）以外は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

以上のように第１及び第２空間部１００ａ，１００ｂを設けることにより、Ｙ軸方向の出射光には、第１及び第２空間部１００ａ，１００ｂへと放出される光が含まれるのに対して、Ｘ軸方向の出射光には、第１及び第２空間部１００ａ，１００ｂに放出される光が含まれない。したがって、図１５に示すように、Ｙ軸方向の広がり角θｙは、Ｘ軸方向の広がり角θｘよりも大きくなるため、光出射部３１から出射する光の放射パターンは楕円状となる。なお、θｘとθｙが同じ場合には、出射光の放射パターンは円状であるが、θｘとθｙが異なることで、出射光の放射パターンは円状から楕円状に変化する。また、空間部を設ける位置を適宜変更することによって、θｘとθｙを調整し、出射光の放射パターンを円状から楕円状又はその逆に変化させてもよい。

１０，８０，９０ 光源装置
１１〜１４ 光源
２０〜２３，８２，８３ 細径光ファイバ
２８ 大口径光ファイバ
３１ 光出射部
３３ ライトガイド
４０ ファイバ接着部材
４１ ハウジング部
４４ テーパ部
４４ａ テーパコア
４４ｂ テーパクラッド
４８，１００ 光放出空間部
５０ 内視鏡システム
５１ 内視鏡
１００ａ 第１空間部
１００ｂ 第２空間部

Claims (14)

1. 出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように光を入射する複数の第１マルチモード光ファイバと、出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように光を入射する複数の第２マルチモード光ファイバとがバンドル化され、前記第１及び第２マルチモードファイバには、出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及び前記テーパコアの外周上に一定厚みで設けられるテーパクラッドが設けられているバンドルファイバを備え、
   前記バンドルファイバから、前記略凸状の光量分布の光と前記略凹状の光量分布の光とが重ね合わされて光量分布が均一化された光を出射することを特徴とするライトガイド。
2. 前記出射面から一定深さで前記テーパクラッドの外周面の一部又は全部が露呈するように、前記バンドルファイバを保持するファイバ保持部材と、
   外周面の一部又は全部が露呈した前記テーパクラッドから漏洩する光を放出させる光放出空間部とを備えることを特徴とする請求項１記載のライトガイド。
3. 前記第２マルチモード光ファイバに入射させる光の入射角度は、前記第１マルチモード光ファイバに入射させる光の入射角度よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載のライトガイド。
4. 前記第１マルチモード光ファイバ（受光角θ）に入射させる光の入射角度は０°以上θ／２以下であり、前記第２マルチモード光ファイバ（受光角θ）に入射させる光の入射角度はθ／２以上θ以下であることを特徴とする請求項３記載のライトガイド。
5. 前記第１又は第２マルチモード光ファイバの入射端面は、それら光軸に直交する面に対してそれぞれ傾斜しており、前記第２マルチモード光ファイバの入射端面の傾斜角度は、前記第１マルチモード光ファイバの入射端面の傾斜角度よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載のライトガイド。
6. 前記第１マルチモード光ファイバ（受光角θ）の入射端面の傾斜角度は０°以上θ／２以下であり、前記第２マルチモード光ファイバ（受光角θ）の入射端面の傾斜角度はθ／２以上θ以下であることを特徴とする請求項５記載のライトガイド。
7. 前記第１及び第２マルチモード光ファイバのＮＡは０．２以上であることを特徴とする請求項１ないし６いずれか１項記載のライトガイド。
8. 前記バンドルファイバのファイバ本数は１９本以下であることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記載のライトガイド。
9. 前記第１及び第２マルチモード光ファイバの径は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載のライトガイド。
10. 出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように光を入射する複数の第１マルチモード光ファイバ、及び出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように光を入射する複数の第２マルチモード光ファイバがバンドル化されたバンドルファイバと、
    出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及び前記テーパコアの外周上に一定厚みで設けられるテーパクラッドが設けられ、前記第１及び第２マルチモード光ファイバの口径よりも大きい口径の入射部に、前記第１マルチモード光ファイバの出射光と前記第２マルチモード光ファイバの出射光とが入射する大口径マルチモード光ファイバとを備え、
    前記大口径マルチモード光ファイバから、前記略凸状の光量分布の光と前記略凹状の光量分布の光とが重ね合わされて光量分布が均一化された光を出射することを特徴とするライトガイド。
11. 前記出射面から一定深さで前記テーパクラッドの外周面の一部又は全部が露呈するように、前記大口径マルチモード光ファイバを保持するファイバ保持部材と、
    外周面の一部又は全部が露呈した前記テーパクラッドから漏洩する光を放出させる光放出空間部を備えることを特徴とする請求項１０記載のライトガイド。
12. 前記大口径マルチモード光ファイバから出射する光のスペックルを低減するスペックル低減部が、前記大口径マルチモード光ファイバに設けられることを特徴とする請求項１０または１１記載のライトガイド。
13. 複数の光源と、
    出射面に向かって径が徐々に小さくなるテーパコア及び前記テーパコアの外周上に一定厚みでテーパクラッドが設けられた第１及び第２マルチモード光ファイバがバンドル化されたバンドルファイバを有するライトガイドを備える内視鏡に接続された光源装置において、
    出射光の光量分布が径方向に対して略凸状になるように前記第１マルチモード光ファイバに光を入射させる第１の光源と、
    出射光の光量分布が径方向に対して略凹状になるように前記第２マルチモード光ファイバに光を入射させる第２の光源とを備え、
    前記第１及び第２の光源からの光を前記第１及び第２マルチモード光ファイバに入射させて導光させることによって、前記第１マルチモード光ファイバから出射する略凸状の光量分布の光と、前記第２マルチモード光ファイバから出射する略凹状の光量分布の光とを重ね合わせて、光量分布が均一化した光を前記第１及び第２マルチモード光ファイバの前記テーパクラッドを含む前記出射面から出射させることを特徴とする光源装置。
14. 請求項１３記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光で照明された被検者の体腔内部を撮像する内視鏡と、
    前記撮像により得られる画像を処理する画像処理装置とを備えることを特徴とする内視鏡システム。

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