(57)【要約】光学プローブにおいて、照射光を照射する照射導光路と、放射光を取得するための受光導光路とを独立に有して測定する放射光を高効率に取得する。プローブ１０は、照射光を導光するための照射導光路を構成する第１の光ファイバ１と、生体からの放射光を取得するための受光導光路を構成する第２の光ファイバ２とを独立に有し、さらに、第１の光ファイバから出射される照射光を受けて測定対象部位側に射出し、測定対象部位から放射される放射光を受けて第１、第２の光ファイバ側に集光する集光レンズ３を有する。第１の光ファイバの出射端中心軸が集光レンズの光軸に対してずらされているか又／及びは傾けられ、第２の光ファイバの受光端中心から集光レンズの表面での反射光が遠ざけられているとともに、第２の光ファイバの受光端中心に集光レンズにより集光される放射光が近づけられている。
2012056991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織の測定対象部位に照射光を照射して測定対象部位から放射される放射光を受光するための光学系を備えて当該放射光を測定するためのプローブにおいて、
前記照射光を導光するための照射導光路を構成する第１の光ファイバと、放射光を取得するための受光導光路を構成する第２の光ファイバとを独立に有し、
さらに、前記第１の光ファイバから出射される前記照射光を受けて測定対象部位側に射出し、測定対象部位から放射される前記放射光を受けて前記光ファイバ側に集光する集光レンズを有し、
前記第１の光ファイバの出射端中心軸が前記集光レンズの光軸に対して相対的にずらされているか又は／及び相対的に傾けられており、当該ずれ及び傾きが無い場合に比較して、前記第２の光ファイバの受光端中心から前記集光レンズの表面での反射光が遠ざけられているとともに、前記第２の光ファイバの受光端中心に前記集光レンズにより集光される前記放射光が近づけられているプローブ。
【請求項２】
前記集光レンズの光軸に垂直な面において、前記集光レンズの表面での反射光の分布の中心位置が、前記集光レンズの光軸を挟んで第１の光ファイバの出射端中心とは反対側にあり、前記放射光の集光中心が集光レンズの光軸よりも第１の光ファイバの出射端中心側にある請求項１に記載のプローブ。
【請求項３】
前記第１の光ファイバの出射端中心軸が前記集光レンズの光軸に対して相対的にずらされており、前記第２の光ファイバの受光端中心軸が、前記第１の光ファイバの出射端中心軸よりも前記集光レンズの光軸に近い位置にある請求項１又は請求項２に記載のプローブ。
【請求項４】
前記第２の光ファイバの受光端中心軸が、前記第１の光ファイバの出射端中心軸と前記集光レンズの光軸との間にある請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】
前記第２の光ファイバの開口数が前記第１の光ファイバの開口数より大きい請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のプローブ。
【請求項６】
前記第１および第２の光ファイバをそれぞれ１又は複数備え、前記第２の光ファイバの総コア面積が前記第１の光ファイバの総コア面積より大きい請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のプローブ。
【請求項７】
前記第２の光ファイバを複数備え、複数の前記第２の光ファイバの受光端は、前記集光レンズにより集光される前記放射光の集光中心に集合するように配置されている請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のプローブ。
【請求項８】
複数の前記第２の光ファイバの受光端は、前記第１の光ファイバの出射端中心までよりも前記集光レンズの光軸までの平均距離が短い請求項７に記載のプローブ。
【請求項９】
前記照明光又は放射光の波長が３００ｎｍ〜１１００ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブ。
【請求項１０】
前記照射光又は放射光の波長が３４０ｎｍ〜７５０ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブ。
【請求項１１】
前記第１の光ファイバの中心軸と前記第２の光ファイバの中心軸との間の距離は、前記第２の光ファイバの直径より短いことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のプローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織の測定対象部位に照射光を照射して測定対象部位から放射される放射光を受光するための光学系を備えて当該放射光を測定するためのプローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子内視鏡による体内管腔の観察・診断は、現在広く普及している診断方法である。この診断方法は、体内組織を直接観察するため、正常組織・病変部の弁別を行ない易く、そのため撮像画質向上の努力が継続的に図られている。
一方で、最近ではいわゆるビデオスコープ以外に、様々な光学原理を活用した診断装置や、超音波診断装置といったものが提案され、一部は実用化されている。
特に、蛍光を応用することにより、肉眼では不可視な情報を得て蛍光画像を構成し、さらにこれを可視画像にオーバーラップさせて表示するといった蛍光画像内視鏡システムも提案されている（例えば、特許文献１）。このようなシステムは、悪性腫瘍の早期発見につながるため、非常に期待されている。
また蛍光画像を構成せずとも、蛍光の強度情報を取得することで組織の状態を判断する方法も知られている（例えば、特許文献２）。このような方法の場合は、電子内視鏡に搭載されている撮像素子を使用せずに蛍光を取得するものが多い。【０００３】
このような蛍光診断をするための診断子、すなわちプローブは、内視鏡の鉗子チャネル経由で体内に至るもの、あるいは内視鏡と一体になっているものなどがある（なお、鉗子チャネルとは、鉗子や捕捉ネットなどの処置具を通す、トンネル状の経路のこと。作業チャネル、挿通チャネルなどともいう。さらにチャネルをチャンネルと表記することもある）。特許文献１，２に記載の蛍光観察用のプローブにあっては、内視鏡の鉗子チャネルに挿入されることで体内に挿入される。
人間の体内を検査するに当たって、患者への負担軽減のためにプローブを細径化したり、感染予防や検査を容易にする観点からプローブをディスポーザブルなものとしたりするために、プローブの構造を簡素化することが求められる場合がある。照射用と受光用とでファイバを兼用したり、受光用のファイバを省略したりすることでプローブの構造を簡素化することが考えられるものの、正確な測定を行うためには、いずれのタイプでも、また内視鏡と独立して使用する場合でも、励起光を導光する照射導光路と、蛍光を取得するための受光導光路は必須である。照射用ファイバ及び受光用ファイバを併せ持つものとして、特許文献３には、中央の照射光用ファイバの周りに複数の受光用ファイバを配置した内視鏡システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１０４３９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−８８９２９号公報
【特許文献３】特開２０１０−１５８３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
特許文献１記載の蛍光観察用のプローブにあっては、励起光を照射する照射導光路を備えるものの、蛍光を取得するための受光導光路を備えず、蛍光の受光は内視鏡のＣＣＤによって行い蛍光画像を取得する。したがって、プローブ単独で蛍光観察機能を完結できず、正確な測定が行いづらいという問題がある。
特許文献２に記載の蛍光観察用のプローブにあっては、励起光と蛍光の導光を同一の光ファイバで行っており、ベースユニットに設置されたダイクロイックミラーで励起光と蛍光を分けている。この単一の光路を兼用する構成では、ベースユニットまで導入した蛍光のダイクロイックミラーにおける光量損失が否めず、病変の検出性に影響する。そのために、照射する励起光の光量を大きくすると、人体に対する悪影響が懸念される。励起光の光量を小さくすると正確な測定が行いづらくなる。
特許文献３に記載の内視鏡システムにあっては、照射用及び受光用のファイバを独立して有するものの、集光レンズ等の光学素子を備えていないため、確実に受光を行うために、照射用光ファイバの周囲全体を多数の受光用ファイバで取り囲む必要があり、さらなる細径化や構造簡素化を進める場合には不利な構成となってしまう。【０００６】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、生体組織の測定対象部位に照射光を照射して測定対象部位から放射される放射光を受光するための光学系を備えて当該放射光を測定するためのプローブであって、照射光を照射する照射導光路と、放射光を取得するための受光導光路とを独立に有し、構成を簡素なものとしつつ、測定する放射光を高効率に取得することができるプローブを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、生体組織の測定対象部位に照射光を照射して測定対象部位から放射される放射光を受光するための光学系を備えて当該放射光を測定するためのプローブにおいて、
前記照射光を導光するための照射導光路を構成する第１の光ファイバと、放射光を取得するための受光導光路を構成する第２の光ファイバとを独立に有し、
さらに、前記第１の光ファイバから出射される前記照射光を受けて測定対象部位側に射出し、測定対象部位から放射される前記放射光を受けて前記光ファイバ側に集光する集光レンズを有し、
前記第１の光ファイバの出射端中心軸が前記集光レンズの光軸に対して相対的にずらされているか又は／及び相対的に傾けられており、当該ずれ及び傾きが無い場合に比較して、前記第２の光ファイバの受光端中心から前記集光レンズの表面での反射光が遠ざけられているとともに、前記第２の光ファイバの受光端中心に前記集光レンズにより集光される前記放射光が近づけられているプローブである。【０００８】
請求項２記載の発明は、前記集光レンズの光軸に垂直な面において、前記集光レンズの表面での反射光の分布の中心位置が、前記集光レンズの光軸を挟んで第１の光ファイバの出射端中心とは反対側にあり、前記放射光の集光中心が集光レンズの光軸よりも第１の光ファイバの出射端中心側にある請求項１に記載のプローブである。【０００９】
請求項３記載の発明は、前記第１の光ファイバの出射端中心軸が前記集光レンズの光軸に対して相対的にずらされており、前記第２の光ファイバの受光端中心軸が、前記第１の光ファイバの出射端中心軸よりも前記集光レンズの光軸に近い位置にある請求項１又は請求項２に記載のプローブである。【００１０】
請求項４記載の発明は、前記第２の光ファイバの受光端中心軸が、前記第１の光ファイバの出射端中心軸と前記集光レンズの光軸との間にある請求項３に記載のプローブである。【００１１】
請求項５記載の発明は、前記第２の光ファイバの開口数が前記第１の光ファイバの開口数より大きい請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のプローブである。【００１２】
請求項６記載の発明は、前記第１および第２の光ファイバをそれぞれ１又は複数備え、前記第２の光ファイバの総コア面積が前記第１の光ファイバの総コア面積より大きい請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のプローブである。【００１３】
請求項７記載の発明は、前記第２の光ファイバを複数備え、複数の前記第２の光ファイバの受光端は、前記集光レンズにより集光される前記放射光の集光中心に集合するように配置されている請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のプローブである。【００１４】
請求項８記載の発明は、複数の前記第２の光ファイバの受光端は、前記第１の光ファイバの出射端中心までよりも前記集光レンズの光軸までの平均距離が短い請求項７に記載のプローブである。【００１５】
請求項９記載の発明は、前記照明光又は放射光の波長が３００ｎｍ〜１１００ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブである。【００１６】
請求項１０記載の発明は、前記照射光又は放射光の波長が３４０ｎｍ〜７５０ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブである。【００１７】
請求項１１記載の発明は、前記第１の光ファイバの中心軸と前記第２の光ファイバの中心軸との間の距離は、前記第２の光ファイバの直径より短いことを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のプローブである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、第１の光ファイバにより生体組織の測定対象部位に照射する照射光を導光し、第１の光ファイバと別の第２の光ファイバにより測定対象部位から放射される放射光を高効率に受光し、導光することができるので、測定する放射光を良好に取得することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係るプローブの先端部における側面視配置模式図である。
【図２】本発明の一例に係るプローブにおける第２の光ファイバのコア径と相対受光パワーとの関係を示すグラフである。光ファイバのコア径が１００μｍ時の相対受光パワーを１としている。
【図３】本発明の一例に係るプローブにおける第２の光ファイバの開口数と相対受光パワーとの関係を示すグラフである。光ファイバのNAが０．１２時の相対受光パワーを１としている。
【図４Ａ】本発明の一例に係るプローブのレンズ光軸と第１の光ファイバに対する光の分布を示す図であり、第１の光ファイバがレンズ３の光軸上にある場合を示す。
【図４Ｂ】本発明の一例に係るプローブのレンズ光軸と第１の光ファイバに対する光の分布を示す図であり、第１の光ファイバがレンズ３の光軸から０．２（ｍｍ）離れた場合を示す。
【図４Ｃ】本発明の一例に係るプローブのレンズ光軸と第１の光ファイバに対する光の分布を示す図であり、第１の光ファイバがレンズ３の光軸から０．４（ｍｍ）離れた場合を示す。
【図５】比較例に係るプローブの光ファイバの正面視配置模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るプローブのレンズ光軸及び光ファイバの正面視配置模式図である。
【図７】本発明の他の一実施形態に係るプローブのレンズ光軸及び光ファイバの正面視配置模式図である。
【図８Ａ】第１の光ファイバに対向する側のレンズ面が球面である半球レンズにおけるレンズ面で反射される反射光の集光分布を示す２次元分布図である。
【図８Ｂ】両凸レンズにおけるレンズ面で反射される反射光の集光分布を示す２次元分布図である。
【図８Ｃ】第１の光ファイバ１に対向する側のレンズ面が平面である半球レンズにおけるレンズ面で反射される反射光の集光分布を示す２次元分布図である。
【図９】レンズの傾きの方向を定義するための３次元配置模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。以下の実施形態においては、蛍光観察用のプローブを例として説明する。
【００２１】
本実施形態のプローブ１０は、第１の光ファイバ１と、第２の光ファイバ２と、集光レンズ３とを内部に備える。
第１の光ファイバ１の先端部と、第２の光ファイバ２の先端部と、集光レンズ３とは、定形のフレーム部材（図示せず）によって相対的な位置が固定されて構成される。
プローブ１０の外周は屈曲可能なチューブにより構成される。プローブ１０の先端面に光の投受光のための窓が設けられ、内部に液体等が侵入しないように密閉され水密に構成される。
【００２２】
本プローブ１０の基端は図示しないベースユニットに接続される。ベースユニットに励起光の光源、分光器、解析装置等が構成される。第１の光ファイバ１の基端が光源に、第２の光ファイバ２の基端が分光器にそれぞれ接続される。
【００２３】
図１に示すように第１の光ファイバ１から出射した励起光Ｌ１は、集光レンズ３で集光されて本プローブ１０から出射し、生体組織表面４の測定対象部位へ照射される。観察対象部位で照射された励起光Ｌ１により、病変状態に従って蛍光が発生する。発生した蛍光と生体組織表面４での反射光が含まれる測定対象部位からの放射光Ｌ２が本プローブ１０に入射して集光レンズ３で集光されて第２の光ファイバ２に入射する。
第２の光ファイバ２で導光された光は、ベースユニットの分光器に入力される。蛍光は、広義には、Ｘ線や紫外線、可視光線が照射された被照射物が、そのエネルギーを吸収することで電子が励起し、それが基底状態に戻る際に余分なエネルギーを電磁波として放出するものである。ここでは、励起光（参照光）によって、その波長とは異なった波長の蛍光が戻り光として生じるので、それを検出し、第２の光ファイバ２を介してベースユニットの分光器に導光し、スペクトル分布を分析することで、検出対象の病変状態を検知する。
【００２４】
本プローブ１０の体内への挿入形態は、内視鏡に形成されたチャネルを通して行う形態のものであっても良いし、内視鏡とは独立して単体で体内に挿入される形態であってもよい。
【００２５】
集光レンズ３と第１の光ファイバ１との相対距離を選択することで、生体に集光される励起光の進み方が変わる。励起光が光軸に対して平行に照射されるコリメート状態になるよう集光レンズ３と第１の光ファイバ１を配置すると、生体組織表面の位置が光軸に対して前後した場合でも生体に照射される励起光Ｌ１のスポット形状が変化しない為、安定的な測定を行うことができる。
また、生体組織表面の一点に対して励起光が集中する形態をとると、生体から戻る光の回収効率が向上するため、高感度に測定を実施することができる。
【００２６】
内視鏡に形成されたチャネルに挿入可能なプローブとする場合、例えば9F（φ３ｍｍ相当）のチャネル径に挿入可能なプローブの外径はφ2.8（ｍｍ）程度以下であり、それに内装される光学部品はさらに小さい必要がある。実施例として、レンズ３の曲率半径を0.68ｍｍ‐0.83 ｍｍとし、通常マルチモードファイバと呼ばれるコア径が0.1〜0.5ｍｍ程度の2本の光ファイバを第１の光ファイバ１、第２の光ファイバ２として適用する。
【００２７】
〔コア径〕
第２の光ファイバ２のコア径を第１の光ファイバ１のコア径と等しく、好ましくは、第２の光ファイバ２のコア径を第１の光ファイバ１のコア径より大きくすることで、放射光Ｌ２に含まれる発光の分光検出において発光をより高効率で検出することが可能となる。
放射光Ｌ２は励起光Ｌ１に比べて指向性が乏しいため、レンズ３によって集光された放射光Ｌ２は、通常第１の光ファイバ１のコア径よりも広がっている。そのため、このような系においては、第２の光ファイバ２のコア径を第１の光ファイバ１のコア径よりも大きくすることで、より大きな光量の放射光Ｌ２を第２の光ファイバ２に取り込むことが可能である。
また、第２の光ファイバ２のコア径を大きくする代わりに、第２の光ファイバの本数を増やすことでも同様の効果が得られる。すなわち、第２の光ファイバ２を１又は複数備え、第２の光ファイバ２の総コア面積を第１の光ファイバ１のそれより大きくすることで高効率に生体からの放射光Ｌ２を取得することができる。
【００２８】
第２の光ファイバ２のコア径の下限は第１の光ファイバ１のコア径と同一径である。また、第２の光ファイバ２のコア径の増大による受光効率の向上は、通常入手可能な光ファイバのコア径の範囲で達成でき、その上限はコア径１（ｍｍ）と設定することができる。
但し、第２の光ファイバ２のコア径の上限は、レンズ３の有効径によって制限される。これは、第１および第２の光ファイバ１，２のコア全体が、レンズ光軸から見てレンズ３の有効径内に納まっていることが必要だからである。従って、第２の光ファイバ２のコア径は、レンズ３の有効半径以下とすることができる。これを以下の参考計算例１によってさらに説明する。
【００２９】
（参考計算例１：コア径と受光パワー）
図２は、以下の条件で計算した第２の光ファイバ２のコア径と受光パワーとの関係を示すグラフである。
（計算条件）
第１の光ファイバについては、コア径を105（μｍ）、ＮＡを0.23、レンズ光軸からのシフト量を0（ｍｍ）とした。
第２の光ファイバについては、コア径を100（μｍ）、200（μｍ）、300（μｍ）、400（μｍ）、500（μｍ）と変化させ、クラッド径をコア径の1.1倍、ＮＡを0.22とした。
レンズは半球レンズとし、光ファイバに対向する側のレンズ面の曲率半径を0.68（ｍｍ）、有効径  1.36（ｍｍ）、レンズ厚を0.68（ｍｍ）、光ファイバと反対側のレンズ面の曲率半径を∞(すなわち、レンズ面を平面)とした。同レンズはｎｄ＝1.5163、νｄ＝64.1である。
光ファイバとこれに対向する側のレンズ面との距離を1.125（ｍｍ）、光ファイバと測定対象の試料との距離を3.505（ｍｍ）、 第１の光ファイバと第2の光ファイバは、常に互いにその外周面同士で接触するように配置される条件とした。
図２のグラフに示されるように、コア径が増加するほどに受光パワーが増加する。
しかし、コア径の増加とともに受光パワーの増加率は徐々に小さくなり、レンズの有効半径0.68 ｍｍに対し、コア径0.5 ｍｍ付近で受光パワーの増加率がかなり小さくなっていることが確認できる。これ以上にコア径を大きくしても受光パワーを増加させる余地は小さく、レンズ３の有効半径を超えるようなサイズになると受光パワーの増加は殆どなく、却って細径化に不利となる。従って、上述したように第２の光ファイバ２のコア径は、レンズ３の有効半径以下であることが好ましい。なお、第２の光ファイバを複数用いる場合は、各々の第２の光ファイバのコア径の下限値が第１の光ファイバのコア径に一致している必要はなく、有効に光を伝達でき、かつ、総コア面積が第１の光ファイバのコア面積（第１の光ファイバを複数用いる場合はそれらの総コア面積）以上となるようなコア径を下限値とすればよい。
【００３０】
〔ＮＡ〕
また、第２の光ファイバ２のＮＡを第１の光ファイバ１のＮＡより大きくすることで、放射光Ｌ２の受光効率を高めることが可能となる。その際、両光ファイバ１，２のＮＡは、レンズ３と光ファイバ１，２との距離ｆおよびレンズ３の有効径φから決まる次式１の右辺の値より小さいことが条件として求められる。これは、レンズ３を通過しない光を発するまたは受光する必要性がないためである。
すなわち、次式１を満たすことが条件となる。
ＮＡ≦φ／√(４f2+φ2)・・・(式1)
ここで、ｆはレンズの焦点距離、φはレンズの有効径を表す。
【００３１】
放射光Ｌ２はランダムな方向に進行するため、レンズ面において、発光の光線径は励起光Ｌ１の光線径よりも一般に大きくなる。従って、放射光Ｌ２をより多く受光するためには、第１の光ファイバ１のＮＡを小さくし、より多くの放射光Ｌ２がレンズ３に到達するようにするとともに、第２の光ファイバ２のＮＡを大きくし、より広いレンズ面からの放射光Ｌ２を受光できるようにするのが好ましい。
第２の光ファイバ２のＮＡの下限は第１の光ファイバ１のＮＡと同一径である。また、第２の光ファイバ２のＮＡの増大による受光効率の向上は、通常入手可能な光ファイバのＮＡの範囲で達成でき、その上限は0.48と設定することができる。但し、レンズ３を用いていることにより、第２の光ファイバのＮＡの上限は、上記式1によって定められる。これを以下の参考計算例２によってさらに説明する。
【００３２】
（参考計算例２：ＮＡと受光パワー）
図３は、以下の条件で計算した第２の光ファイバ２のＮＡと受光パワーとの関係を示すグラフである。
（計算条件）
第１の光ファイバ及びレンズについては、上記参考計算例１と同一の条件とした。
第２の光ファイバについては、コア径を200 （μｍ）とし、クラッド径をコア径の1.1倍、ＮＡ 0.12-0.53の範囲で変化させた。
光ファイバとこれに対向する側のレンズ面との距離及び、光ファイバと測定対象の試料との距離についても上記参考計算例１と同一とし、第１の光ファイバと第2の光ファイバは、常に互いにその外周面同士で接触するように配置される条件とした。
以上の条件を上記式１に当てはめると、
φ／√(４f2+φ2)=1.36/√(4*1.1252+1.362)=0.517≒0.52となる。 
図３のグラフに示されるように、ＮＡが増加するほどに受光パワーが増加する。
しかし、上記式１から求められるＮＡの上限値が0.52となるところ、本計算結果は、第２の光ファイバ２のＮＡが0.5の周りで受光効率がほぼ一定となり、第２の光ファイバのＮＡを大きくすることで受光効率を上げることに限界が生じている。
したがって、上述したようにレンズ３を用いた構成では、第２の光ファイバ２のＮＡの上限は、上記式１によって定められる。
【００３３】
〔軸オフセット配置〕
（参考計算例３：第１の光ファイバ１の配置と集光分布）
まずは参考計算例を示す。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、光軸に垂直な平面座標上における第１の光ファイバ１の配置の変化に対する放射光Ｌ２及びレンズ３からの反射光Ｌ３の分布の変化を示す２次元分布図である。図中の×印は第１の光ファイバ１の中心位置を示す。同平面座標は、レンズ３の光軸上に原点０を置き、同光軸に対して垂直、かつ、第１の光ファイバ１の出射端面を含む平面上の座標である。計算条件は以下による。同平面座標における放射光Ｌ２の集光分布領域は、図中において薄ぼんやりと広がっており、これに比しレンズ３からの反射光Ｌ３の集光分布領域は濃く狭い範囲に集中している。
（計算条件）
第１の光ファイバについては、コア径を100（μｍ）、ＮＡを0.23とし、レンズ光軸からのシフト量を(a) 0、(b)0.2、(c)0.4（ｍｍ）と変化させた。
レンズは半球レンズとし、光ファイバに対向する側のレンズ面の曲率半径を0.83（ｍｍ）、有効径  1.66（ｍｍ）、レンズ厚を0.83（ｍｍ）、光ファイバと反対側のレンズ面の曲率半径を∞(すなわち、レンズ面を平面)とした。同レンズはｎｄ＝1.51633、νｄ＝64.1である。
第１の光ファイバとこれに対向する側のレンズ面との距離を1.37（ｍｍ）、光ファイバと測定対象の試料との距離を3.9（ｍｍ）とした。放射光Ｌ２の角度特性モデルをランバート反射とした。
【００３４】
図４Ａに示すように第１の光ファイバ１がレンズ３の光軸上にあるとき、放射光Ｌ２は光軸に集光する。このとき、第１の光ファイバ１がレンズ３の光軸上にあるから第２の光ファイバ２をレンズ３の光軸上に配置することができないので、第２の光ファイバ２の中心位置と放射光Ｌ２の集光中心とにずれが生じる。そのために、第１の光ファイバ１がレンズ３の光軸上にある構成では、放射光Ｌ２の受光効率が高くないという問題がある。
これに対して、第１の光ファイバ１をレンズ３の光軸からずらすことで図４Ｂ,図４Ｃに示されるように、放射光Ｌ２の集光中心位置と第１の光ファイバ１の中心位置とを異ならせ、放射光Ｌ２の集光位置と、実質的に第１の光ファイバ１の中心位置とを空間的に分離することが可能となる。これにより、第２の光ファイバ２を、放射光Ｌ２の集光密度が大きい位置に設置することができ、放射光Ｌ２の第２の光ファイバ２への受光効率を高めることが可能となる。
その際、第１の光ファイバ１のシフトの方向をＸ方向とすると、放射光Ｌ２の集光位置もやはりＸ方向にシフトすることが確認できる。そのため、第２の光ファイバ２の中心は、原点からＸ方向にシフトした位置にあることが望ましく、例えば図５に示すように第１の光ファイバ１の周囲を、複数の第２の光ファイバ２，２，・・・が取り囲んで円をなすように均等に配置する構成は、この目的には好ましくない。
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、レンズ３として球面平凸レンズを用いた場合での計算結果であるが、レンズ３の焦点距離が同一であれば、平凸や両凸、または球面や非球面といったレンズ形状による放射光Ｌ２の集光位置は、近軸光学の範囲では変化せず、現実のレンズにおいてもその変化は小さいと見なせる。
【００３５】
図６，７は、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃと同一定義の平面座標上における第１の光ファイバ１及び第２の光ファイバ２の配置例を示したものである。Ｘ軸は、第１の光ファイバ１の中心軸を通る方向の座標である。座標Ｘ１は、第１の光ファイバ１のＸ座標である。図６にあっては単一の第２の光ファイバ２が適用されており、第１の光ファイバ１の中心軸がレンズ３の光軸に対して相対的にずらされており、第２の光ファイバ２の中心軸が、第１の光ファイバ１の中心軸よりもレンズ３の光軸に近い位置にある。より詳しくは、第２の光ファイバ２の中心軸が、第１の光ファイバ１の中心軸とレンズ３の光軸との間にある。さらに詳しくは、第２の光ファイバ２の中心軸をＸ軸上に配置し、その座標Ｘ２は、０＜Ｘ２＜Ｘ１の範囲とすることが、放射光Ｌ２の集光位置と第２の光ファイバ２の中心位置を近接させる上で好ましい。
距離（Ｘ１−Ｘ２）の最小値は、光ファイバ１，２のクラッド径によって制限されるため、上記不等式を満たすように光ファイバ１，２を配置できる光ファイバ１，２のファイバ径をそれぞれ選択する。第１の光ファイバ１の中心軸と第２の光ファイバ２の中心軸との間の距離は、第２の光ファイバ２の直径より短くして両者を近接配置することが好ましい。
【００３６】
図７に示すように、第２の光ファイバ２を複数適用する場合は、複数の第２の光ファイバ２，２，・・・の受光端を、レンズ３により集光される放射光Ｌ２の集光中心に集合するように配置することで、放射光Ｌ２の第２の光ファイバ２への受光効率を高めることが可能となる。この集合配置における集合度の一つの基準としては、複数の第２の光ファイバ２，２，・・・の受光端を、第１の光ファイバ１の出射端中心（Ｘ１，０）までの平均距離よりもレンズ３の光軸までの平均距離を短くすることである。すなわち、複数の第２の光ファイバ２の配置を決めるにあたっては、複数の第２の光ファイバ２は、出射端中心（Ｘ１，０）よりもレンズ３の光軸への集合度が高いことを達成することが好ましく、言い換えれば、各第２の光ファイバ２，２，・・・の受光端中心とレンズ３の光軸との距離の合計又は平均が、各第２の光ファイバ２，２，・・・の受光端中心と第１の光ファイバ１の出射端中心（Ｘ１，０）との距離の合計又は平均より小さいことが一つの有効な基準となる。ここで、第２の光ファイバ２の総数が一定であるため、合計、平均のいずれで計算しても基準としては変わらない。
したがって、第２の光ファイバ２を複数適用する場合、この好ましい配置は、図５に示した複数の第２の光ファイバ２，２，・・・が第１の光ファイバの周囲を取り囲む均等な配置ではなく、図７のように第１の光ファイバ１の原点０側に偏在した配置である。
なお、第２の光ファイバ２の本数は、多いほど受光量が増し少ないほど細径化に有利であるため、獲得しようとする受光効率と、レンズ径や許容されるプローブ径とを勘案して決定すればよい。
【００３７】
また、第１の光ファイバ１を光軸からずらして配置することの副次的な効果として、放射光Ｌ２の受光効率が上がるのに加えて、放射光Ｌ２とレンズ３からの反射光Ｌ３とを実質的に空間的に分離し、第２の光ファイバ２へのレンズ３からの反射光Ｌ３の入射を低減することができるという効果がある。図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃによって示すように、レンズ３からの反射光Ｌ３の集光位置は、第１の光ファイバ１をずらすことで、第１の光ファイバ１とは逆方向にずれる性質を持つ。このため、放射光Ｌ２の集光中心の位置とレンズ３の反射光の集光分布の中心位置とを異ならせ、放射光Ｌ２の集光位置とレンズ３の反射光Ｌ３の集光位置を空間的に大きく分離することが可能となり、第２の光ファイバ２にレンズ３の反射光Ｌ３を入射させずに、放射光Ｌ２の受光効率を高めることが容易に達成される。図４Ｂ及び図４Ｃに示す態様においては、レンズ３の光軸に垂直な面において、レンズ３の表面での反射光Ｌ３の分布の中心位置が、レンズ３の光軸を挟んで第１の光ファイバ１の中心軸とは反対側にあり、放射光Ｌ２の集光中心がレンズ３の光軸よりも第１の光ファイバ１の中心軸側にある。従って、第２の光ファイバ２の中心軸をレンズ３の光軸よりも第１の光ファイバ１の中心軸側に配置することで、第２の光ファイバ２にレンズ３の反射光Ｌ３を入射させずに、放射光Ｌ２の受光効率を高めることができる。
【００３８】
光ファイバ１，２と組み合わせて用いるレンズは、焦点距離が正で集光する特性を持つレンズである。このようなレンズは以下のように大きく３種類に分けられる。
すなわち、光ファイバ１，２に対向する側のレンズ面の曲率半径をＲ１、その反対の対物方向のレンズ面の曲率半径をＲ２としたときに、（１）|Ｒ１|＜|Ｒ２|、（２）|Ｒ１|＞|Ｒ２|、（３）|Ｒ１|＝|Ｒ２|、の３種類である。これら各種類において、レンズからの反射光の集光特性が下記参考計算例４に示すように異なるため、レンズ光軸に対する第１の光ファイバ１のシフトの効果が異なる。
【００３９】
（参考計算例４：形状の異なる各レンズからの反射光の集光分布）
図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、形状の異なる３種の各レンズにおけるレンズ面で反射される反射光Ｌ３の集光分布を示す２次元分布図である。図中の×印は第１の光ファイバ１の中心位置を示す。図８Ａは、第１の光ファイバ１に対向する側のレンズ面が球面である半球レンズの場合である。図８Ｂは、両凸レンズの場合である。図８Ｃは、第１の光ファイバ１に対向する側のレンズ面が平面である半球レンズの場合である。そのた詳細な計算条件は以下による。
（計算条件）
第１の光ファイバについては、共通の条件としてコア径を100（μｍ）、ＮＡを0.23、レンズ光軸からのシフト量を0.2（ｍｍ）とした。
図８Ａ及び図８Ｃの計算例で適用したレンズについては、その球面の曲率半径を0.83（ｍｍ）とした。
図８Ｂ の計算例で適用したレンズについては、両面の曲率半径を1.66（ｍｍ）とした。
３種すべてのレンズについて、有効径と1.66（ｍｍ）、レンズ厚を0.83（ｍｍ）、ｎｄ＝1.51633、νｄ＝64.1とした。
また共通の条件として第１の光ファイバからの出射光がレンズによってコリメートされるようにレンズを配置した。
図８Ａ の計算例で適用したレンズが上記（１）のレンズ種類に属し、図８Ｂ の計算例で適用したレンズが上記（３）のレンズ種類の属し、図８Ｃ の計算例で適用したレンズが上記（２）のレンズ種類の属することとなる。
【００４０】
図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃに結果を示した上記参考計算例３に適用した半球レンズも、レンズ種類（１）に属しており、レンズの反射光Ｌ３の集光位置は第１の光ファイバ１とは逆の方向にずれるものが主となる。従って、やはり０＜Ｘ２＜Ｘ１とすることで、レンズの反射光Ｌ３の受光量が低減された構成とすることができる。レンズ種類（２）の場合は、レンズの反射光Ｌ３の集光位置は第１の光ファイバ１と同じ方向にずれるものが主となる。従って、第１の光ファイバ１のシフトによってレンズの反射光Ｌ３と放射光Ｌ２の集光位置を空間的に分離するという目的にはそぐわない。レンズ種類（３）の場合は、レンズ種類（１）及び（２）の両方の特徴を有している。これらのことから、第１の光ファイバ１をレンズ光軸からずらして、放射光Ｌ２とレンズからの反射光Ｌ３の集光位置を空間的に分離するという目的においては、レンズ種類（１）に属するレンズが好ましく、これに対応して各々のファイバの好ましい配置は前述の通りである。
【００４１】
〔軸傾き配置〕
レンズからの反射光Ｌ３の集光位置を放射光Ｌ２の集光位置と分離するという副次的な効果は、レンズ自体を傾ける、すなわち、第１の光ファイバの出射端中心軸がレンズの光軸に対して相対的に傾けて配置されることでも達成される。かかる傾きは、レンズ３を本プローブ上において傾けて配置することで容易に付けることができる。
第１の光ファイバに対してレンズの傾きがない場合、第１の光ファイバから照射された光はレンズで正対して反射が発生する為、第１の光ファイバにも光が戻りやすい。
第１の光ファイバから照射された光を正対的に反射しない傾いた角度にレンズを第１の光ファイバの光軸から傾けると、それに伴い反射光Ｌ３が戻る方向も変わる。このことで、第２の光ファイバに戻る反射光Ｌ３を低減することができる。
【００４２】
ここで、レンズの傾きの方向を図９の様に定義する。軸Ａ１は第１の光ファイバ１の出射端中心軸又はこれに平行な軸である。軸Ａ２は軸Ａ１に垂直に交わり、第１の光ファイバ１の出射端中心軸及び第２の光ファイバ２の受光端中心軸を通る軸である。軸Ａ３は軸Ａ１及び軸Ａ２に垂直に交わる軸である。θ１は軸Ａ２回りの角度である。θ２は、軸Ａ３回りの角度である。
レンズ３の傾きによる反射光Ｌ３の進行方向の変化は、レンズ形状に依らない。レンズからの反射光Ｌ３の集光位置を放射光Ｌ２の集光位置と分離するという目的のためには、θ１方向にレンズを傾けて、レンズからの反射光Ｌ３の集光位置を図９のθ２の回転軸Ａ３方向にずらすことが好ましい。このとき、傾き角度が３０度以内であれば、放射光Ｌ２の集光位置は変化しない。したがって、レンズの傾き角度は、第１の光ファイバから出射する光線がレンズの有効径内に納まっているという条件下で、３０度以内であることが望ましい。
【００４３】
以上の第１の光ファイバ１のシフトとレンズ３の傾きを組み合わせることによって、放射光Ｌ２の集光位置の第１の光ファイバ１からのずれ量と、放射光Ｌ２とレンズ３からの反射光Ｌ３のずれ量を独立に制御することが可能であり、したがって、第２の光ファイバ２に放射光Ｌ２がより多く集光され、反射光Ｌ３が第２の光ファイバ２からより遠のくようにそれぞれ追求することができる。
【００４４】
以上のようにして、第１の光ファイバ１の出射端中心軸が集光レンズ３の光軸に対して相対的にずらされているか又は／及び相対的に傾けられていることにより、集光レンズ３の光軸に対して特定の位置に配置された第２の光ファイバ２の受光端中心から集光レンズ３の両側の表面での反射光が遠のけられているとともに、第２の光ファイバ２の受光端中心に集光レンズ３により集光される生体からの放射光が寄せられている構成により、集光レンズ３からの反射光を避け、測定対象の放射光を高効率に第２の光ファイバ２に取り込むことができる。
【００４５】
第１の光ファイバ１と第２の光ファイバ２とをそれぞれ１本ずつとする場合、上述したように、第２の光ファイバ２のコア径を第１の光ファイバ１のコア径より大きくすることにより、高効率に生体からの放射光を取得することができる。
また、第２の光ファイバ２の開口数（ＮＡ）を第１の光ファイバ１の開口数（ＮＡ）より大きくすることも、高効率に生体からの放射光を取得するために有効である。
なお、第１の光ファイバ１に導光され第１の光ファイバ１から出射される照射光若しくは放射光の波長は、３４０（ｎｍ）〜７５０（ｎｍ）の範囲とするのが、生体にダメージを与える可能性のある紫外線・赤外線を使用することなく測定が行える為、実用に優れる。
また、第１の光ファイバ１に導光され第１の光ファイバ１から出射される照射光若しくは放射光の波長は、３００（ｎｍ）〜１１００（ｎｍ）の範囲とするのが、生体内の遺伝子に損傷を与えることなく且つ生体からの放射光を受光する一般的なセンサが感知する範囲で測定が行える為、実用に優れる。
【００４６】
以上の実施形態においては、光ファイバは励起光を観察対象部位へ照射するとともに、この励起光に起因して生じる蛍光を受光することとして説明したが、照射光に起因して生じる散乱光またはラマン散乱光を受光することとしてもよい。これらの場合であっても、生体組織の変性や癌などの疾患状態の診断を行うことができ、本発明の効果を奏することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のプローブは、病変状態などの生体組織の状態を知るための生体組織の光学的測定に利用することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１     第１の光ファイバ
２     第２の光ファイバ
３     集光レンズ
４     生体組織表面
１０   プローブ
Ｌ１   励起光
Ｌ２   放射光
Ｌ３   レンズ面での反射光
【図１】
2012056991.tif 000003
【図２】
2012056991.tif 000004
【図３】
2012056991.tif 000005
【図４Ａ】
2012056991.tif 000006
【図４Ｂ】
2012056991.tif 000007
【図４Ｃ】
2012056991.tif 000008
【図５】
2012056991.tif 000009
【図６】
2012056991.tif 000010
【図７】
2012056991.tif 000011
【図８Ａ】
2012056991.tif 000012
【図８Ｂ】
2012056991.tif 000013
【図８Ｃ】
2012056991.tif 000014
【図９】
2012056991.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成25年4月3日(2013.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
請求項９記載の発明は、前記照射光又は放射光の波長が３００ｎｍ〜１１００ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項９】
前記照射光又は放射光の波長が３００ｎｍ〜１１００ｎｍである請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のプローブ。
【国際調査報告】
2012056991.tif 000016
2012056991.tif 000017
2012056991.tif 000018
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