(57)【要約】【課題】  シングルファイバの損傷を抑制するとともに、ファイバに入射する光の開口数（ＮＡ）を大きくすることで、出射される光の拡がり角を大きくできる光源ユニットを提供すること。【解決手段】  レーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、光を拡散させる拡散部と、を有する光源ユニット。【選択図】  図１
2020018494.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射する光照射部と、
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
を有する光源ユニット。
【請求項２】
レーザ光を照射する光照射部と
前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、
前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、
前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、
を有する光源ユニット。
【請求項３】
前記集光レンズ系が、凸レンズを含む、
請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項４】
前記集光レンズ系が、テレスコープ光学系を含む、
請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項５】
前記集光レンズ系は、フレネルレンズを含む、
請求項１または２に記載の光源ユニット。
【請求項６】
前記シングルファイバは、マルチファイバモード、又はシングルモードファイバである、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項７】
前記拡散部は前記シングルファイバの光の入射端面上に一体となって形成されている、
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項８】
前記拡散部によって拡散される前記レーザ光の拡がり角度θ＿ｉｎは、前記光伝送部の光の入射端面と接する物質の屈折率をｎ＿ｉｎ、前記光伝送部の開口数をＮＡとしたときに、以下の式（Ｉ）で表される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源ユニット。
θ＿ｉｎ≦２ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎ＿ｉｎ  ）  （Ｉ）
【請求項９】
前記拡散部によって拡散される前記レーザ光の拡がり角度θ＿ｉｎは、前記光伝送部の光の入射端面と接する物質の屈折率をｎ＿ｉｎ、前記光伝送部の開口数をＮＡとしたときに、以下の式（ＩＩ）で表される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源ユニット。
θ＿ｉｎ≦３ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎ＿ｉｎ  ）  （ＩＩ）
【請求項１０】
前記光照射部は、前記レーザ光を発生させる光源部を有する、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項１１】
前記光源部は、固体レーザを含み構成される、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項１２】
前記光源部は、半導体レーザまたは発光ダイオードを含み構成される、
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源ユニット。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源ユニットと、
前記レーザ光が被検体に照射されることで、前記被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する光音響装置。
【請求項１４】
前記受信部は、圧電型トランスデューサを含み構成される請求項１３に記載の光音響装置。
【請求項１５】
前記受信部は、静電容量型トランスデューサを含み構成される請求項１３に記載の光音響装置。
【請求項１６】
前記受信信号を用いて前記被検体の情報を取得する情報取得部をさらに有する、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の光音響装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光源ユニット、及びそれを有する光音響装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光や近赤外光を用いて生体内を低侵襲でイメージングする技術は近年広く研究開発されている。生体イメージング装置として、生体外部から光を照射し、光エネルギーを吸収した生体内の分子が体積膨張することにより発生する音響波（超音波）を生体外部で検出する光音響イメージング装置がある。これは、光イメージングと超音波イメージングの双方の利点を活かせる技術であり、非侵襲でより生体深部のイメージングを可能とした技術として知られている。
【０００３】
特許文献１には、光源から出た光が、バンドルファイバを介して被検体に照射される光音響装置が開示されている（特許文献１）。バンドルファイバは複数のシングルファイバが束ねられたものであり、光の入射口が複数あるため、光量の大きい光を入射させることができる。一方、製造に手間がかかるため、コストを低くするという面ではシングルファイバを用いることが好ましい。
【０００４】
特許文献２には、光源から出た光が光学系を介して、シングルファイバによって伝送されて出射される光源ユニットが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９８６５７号公報
【特許文献２】特開２０１４−４６０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２の光源ユニットは、集光レンズ系で集光された光がシングルファイバに入射する構成であるため、強い強度の光を用いる場合、シングルファイバの端面が損傷するおそれがある。また、端面が損傷しない程度の光量に抑えたとしても、ファイバに入射する光の開口数（ＮＡ）が不十分となり、光源ユニットから出る光の拡がり角が小さくなる可能性がある。
【０００７】
そこで本発明は、シングルファイバで光を伝送する光源ユニットで、ファイバ端面の損傷を抑制し、出射される光の拡がり角を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光源ユニットはレーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、前記拡散部によって拡散した前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、を有することを特徴とする。
【０００９】
別の本発明に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された前記レーザ光を集光する集光レンズ系と、前記集光レンズ系によって集光された前記レーザ光を伝送するシングルファイバと、前記シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のＮＡを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１における、光音響装置の全体構成図。
【図２】本発明の実施形態１における、光照射部からシングルファイバまでの拡大図。
【図３】本発明の実施形態１における、（ａ）拡散全角１０度の拡散部（拡散板）、（ｂ）拡散全角２０度の拡散部（拡散板）、（ｃ）拡散全角３０度の拡散部（拡散板）を用いた時の光量分布図。
【図４】本発明の実施形態２における光音響装置の全体構成図。
【図５】本発明の実施形態２における光照射部からシングルファイバまでの拡大図。
【図６】本発明の実施形態２における光伝送部シングルファイバから生体接触膜までの拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１３】
本実施形態に係る光源ユニットは、レーザ光を照射する光照射部と、光照射部から照射されたレーザ光を集光する集光レンズ系と、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を拡散させる拡散部を有する。さらに、拡散部によって拡散したレーザ光を伝送するシングルファイバを有する。
【００１４】
また、本実施形態に係る光源ユニットは、拡散部が、シングルファイバよりも後段に設けられていても良い。すなわち、集光レンズ系によって集光されたレーザ光を伝送するシングルファイバと、シングルファイバで伝送された前記レーザ光を拡散させる拡散部と、を有する構成でもよい。
【００１５】
このように本実施形態に係る光源ユニットによると、集光レンズ系で集光させた後に、拡散部でレーザ光を拡散させてシングルファイバに入射させる構成であるため、ファイバ端面の損傷を抑制できる。また、拡散部の拡がり角を調整することで、ファイバに入射する光のＮＡを大きくでき、光源ユニットから出射される光の拡がり角を大きくできる。
【００１６】
（集光レンズ系）
本実施形態における集光レンズ系は、凸レンズ、テレスコープ光学系、フレネルレンズの少なくともいずれかを含むことが好ましい。
【００１７】
（シングルファイバ）
本実施形態におけるシングルファイバは光を伝送するものであり、マルチファイバモード、又はシングルモードファイバを用いることが出来る。
【００１８】
（拡散部）
本実施形態における拡散部としては特に限定されないが、微小なレンズが基板の片面に配置されたレンズ拡散板や、ホログラフィック拡散板等を用いることができる。
【００１９】
また、拡散部は上記シングルファイバの光の入射端面上に一体となって形成されていてもよい。
【００２０】
なお、拡散部によって拡散されるレーザ光の拡がり角度θ＿ｉｎは、シングルファイバの光の入射端面と接する物質（空気や液体や固体）の屈折率をｎ＿ｉｎ、シングルファイバの開口数をＮＡとしたときに、以下の式（Ｉ）で表されることが好ましい。なお、ＮＡとはＮｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅの略である。
θ＿ｉｎ≦２ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎ＿ｉｎ  ）  （Ｉ）
さらに、以下の式（ＩＩ）で表されることが特に好ましい。
θ＿ｉｎ≦３ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎ＿ｉｎ  ）  （ＩＩ）
【００２１】
（光照射部）
本実施形態における光照射部は、レーザ光を発生させる光源部を有していてもよい。光源部は、固体レーザ、または、半導体レーザや発光ダイオードといった発光素子を含み構成される。
【００２２】
（光音響装置）
上記本実施形態に係る光源ユニットを用いる装置として、光音響装置が挙げられる。
【００２３】
本実施形態に係る光音響装置は、上記光源ユニットの他に、レーザ光が被検体に照射されることで、被検体から発生する超音波を受信して受信信号を出力する受信部を有する。
【００２４】
（受信部）
上記受信部としては特に限定されず、圧電型トランスデューサや静電容量型トランスデューサを用いることが出来る。
【００２５】
（情報取得部）
本実施形態に係る光音響装置は、受信部の受信信号を用いて被検体の情報を取得する情報取得部をさらに有していてもよい。
【００２６】
以下、上記本実施形態に係る光源ユニットを用いた光音響装置（光音響イメージング装置）を例に、詳細を説明する。
【００２７】
［実施形態１］
図１は光音響イメージング装置（光音響装置）を模式的に示したものである。なお、本例は、光照射部１０１が光源を含む場合の装置形態を示す。
【００２８】
まず、光源（光照射部）１０１から射出された光束１０２はレンズ（集光レンズ系）１０３に入射する。レンズ１０３は凸平の形が光源内への期待されない反射による集光を防ぐために好ましいが、別形状レンズを紙面に垂直な軸回りで回転させることで、光源内での集光を防いでも良い。回転角度は例えば１０度以内である。図２に光源１０１からシングルファイバ（光伝送部）１０５までの拡大図を示す。以下ではシングルファイバ１０５を単にファイバと表現する。
【００２９】
レンズ１０３で集光状態となった光束１０２は拡散板１０４に入射する。拡散板（拡散部）１０４は、集光状態となった光束１０２のビームウエスト位置近傍に置かれる。拡散板１０４は、ファイバ１０５のＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）より換算される角度に対応する角度に光束を拡散させるような微細構造を表面に持つ。一例として、光源１０１より射出された光束１０２がガウシアンであり、ファイバ１０５としてＮＡ０．２２のマルチモードファイバを使用する。ファイバへの必要な入射角（全角）は２５．４度となり、拡散角（半値全角）が１０度の拡散板を使用することで、図３（ａ）に示すグラフのように、約９９．７％のカップリング効率を達成できる。図３（ａ）〜（ｃ）において横軸は光軸からのプラスマイナスの角度を、縦軸は規格化した光量を示しており、点線は入射ビーム形状を、実線は出射ビーム形状をそれぞれ示す。図３（ｂ）では拡散角が２０度の拡散板を使用することで約８６．５％のカップリング効率を、図３（ｃ）では拡散角が３０度の拡散板を使用することで約６９．４％のカップリング効率を達成できることを示す。拡散角が１０度の拡散板を使用する場合はファイバ１０５からの出射ビーム形状は、ガウシアンに近い形状となる。一方、拡散角が２０度の拡散板を使用する場合はファイバ１０５からの出射ビーム形状は、拡散された入射ビームの両端角度がファイバＮＡを超えるため、入射ビーム形状の両端部分はファイバ内で伝搬されない。そのため、ガウシアン形状と比較してよりフラットトップに近い形状となる。このように、ファイバ１０５へのカップリング効率と得たい出射ビーム形状に応じて拡散板１０４の拡散角を決定する。
【００３０】
上記ＮＡ０．２２のファイバに対して拡散角１０度もしくは拡散角２０度の拡散板を使用する場合は、
【００３１】
【数１】
2020018494.tif 000003
を満足する。上記ＮＡ０．２２のファイバに対して拡散角３０度の拡散板を使用する場合は、
【００３２】
【数２】
2020018494.tif 000004
を満足する。
【００３３】
例えば、光源１０１から射出された光束１０２の光量分布はガウシアンであると仮定し、光束１０２の直径をＤ、波長をλ、レンズ１０３の焦点距離をｆとすると、ビームウエストの半径ｗ０は、
【００３４】
【数３】
2020018494.tif 000005
と計算できる。λを０．５３２μｍ、ｆを１００ｍｍ、Ｄを１ｍｍとすると、ｗ０は３４μｍとなる。このビームウエスト近傍に拡散角が２０度の拡散板１０４を配置すると仮定する。拡散板１０４とファイバ１０５までの距離Ｌは、下記式で表される。
【００３５】
【数４】
2020018494.tif 000006
【００３６】
ここで、Ｄｃｏｒｅはファイバ１０５のコア２０１の直径、ＮＡはファイバ１０５のＮＡ，ｎは拡散板１０４とファイバ１０５との間にある物質の屈折率である。Ｄｃｏｒｅを１０５μｍ、ＮＡを０．２２、ｎを１とすると、Ｌは８２μｍとなる。この距離で拡散板１０４を、特に拡散させる面を配置することで、上記の約８６．５％のカップリング効率を得ることが出来る。この拡散板１０４とファイバ１０５までの距離Ｌは、ガラス等を用いて機械的に距離が固定されていると、光学系は安定するため、より良い。また格差版１０４は光源内への期待されない反射を防ぐために紙面に垂直な軸回りで回転させても良い。
【００３７】
一方、レンズ１０３の焦点距離を長くすることにより、レンズ１０３と拡散板１０４までの距離に要求される精度を比較的低くすることができる。これを以下に説明する。
【００３８】
拡散板１０４の位置ずれ量ｚに対するビーム半径ｗ（ｚ）は下記式で表される。
【００３９】
【数５】
2020018494.tif 000007
【００４０】
いまｗ０は３４μｍ、λは０．５３２μｍであり、ｚを２ｍｍとすると、ｗ（ｚ）は３５μｍとなる。つまり、拡散板１０４が２ｍｍ光軸方向にずれたとしても２μｍしかビーム直径は増えない。つまり、レンズ１０３と拡散板１０４との距離よりも、拡散板１０４とファイバ１０５との距離が敏感であり、拡散板１０４とファイバ１０５との距離のみを精度良く管理すれば良い。
【００４１】
図２におけるファイバ１０５のコア２０１に入射した光束１０２は、図１における２分岐ファイバカプラ１０６に到達する。ファイバカプラ１０６を通過した光束１０２は２つに分岐され、それぞれ照射ファイバ１０７内を伝搬する。照射ファイバ１０７はプローブ１０８に接続されており、プローブ１０８内で２つの照射光束１０９としてそれぞれ対向する位置より被計測対象１１０に照射される。ここで、照射ファイバ１０７の出射端面と超音波探触子１１１の一部は音響インピーダンス整合剤１１２と接触している。音響インピーダンス整合剤１１２としては、水、油、ジェル等があり、生体接触膜１１３を介することで音響インピーダンス整合剤１１２は被計測対象１１０と直接接触しない。照射ファイバ１０７の出射端面は、出射光の主光線が超音波探触子の音響波軸中心と被計測対象１１０の表面近傍で一致するように、配置もしくは端面加工されている。例えば、音響インピーダンス整合剤１１２として水を用いる場合、照射ファイバ１０７の端面を照射ファイバ１０７の光軸に対して３０度傾けるように加工すると、スネルの法則より出射光の主光線は照射ファイバ１０７の光軸に対して約３４度傾く。このように照射ファイバ１０７の端面を加工することで照射ファイバ１０７の傾き角度を小さくし、プローブ１０８を小型化することが出来る。
【００４２】
被計測対象１１０内で散乱された光はヘモグロビンやメラニン等の図示しない生体内分子に到達し、光エネルギーを吸収したそれら分子は体積膨張により音響波（超音波）を発生する。各生体分子より発生された音響波は、生体内を伝搬しその一部は被計測対象１１０の表面へ伝搬した後、音響波レンズを含む超音波探触子１１１によって電気信号に変換される。音響波の電気信号はケーブル１１４によってデジタイザ１１６へ伝わりアナログ信号からデジタル信号への変換が行われ、コントローラ１１８で信号処理が行われる。
【００４３】
プローブ１０８内では、超音波探触子１１１のみ、もしくは超音波探触子１１１と照射ファイバ１０７と両方が、被計測対象１１０の表面と略平行なＸＹ面内で、ステージ１１６を用いることでスキャン動作を行う。ステージ１１６近傍には図示しないエンコーダが配置されており、スキャン動作における位置情報はケーブル１１７を用いてデジダイザ１１６へ送られ、音響波情報と共にコントローラ１１８へ送られる。コントローラ１１８は光源１０１とステージ１１６の制御を行い、必要に応じて音響波情報、エンコーダ情報、あるいはそれらを処理することで得られる音響波イメージング画像を表示する表示手段を有する。
【００４４】
この実施例においては上述したように、拡散板１０４をファイバ１０５の前段に配置することでファイバ１０５への入射ＮＡを制御することが出来る。
【００４５】
ファイバ１０５がマルチモードファイバである場合、マルチモードファイバを使用することで光量の伝送効率を上げられる。レンズ１０３は本実施例では単レンズであるが、複数の光学面を用いたケプラーテレスコープ、ガレリオテレスコープ等の光学系であっても良い。もしくはレンズ１０３はフレネルレンズであっても良い。また、拡散板１０４はファイバ１０５のコア２０１端面に一体加工されていても良い。光源１０１は本実施例ではレーザであるが、レーザダイオードであっても良い。
【００４６】
［実施形態２］
図４は別の実施例である光音響イメージング装置を模式的に示したものである。図１と同様の箇所は説明を省略し、実施例１との差異部分のみを説明する。光源１０１から射出された光束１０２はレンズ１０３に入射し、レンズ１０３で集光状態となった光束１０２はファイバ１０５に入射する。図５に光源１０１からファイバ１０５までの拡大図を示す。ファイバ１０５の端面は、集光状態となった光束１０２のビームウエスト近傍の位置に置かれ、略平行状態の光束１０２がファイバ１０５のコア２０１に入射される。
【００４７】
図６は照射ファイバ１０７と生体接触膜１１３近傍の拡大図である。照射ファイバ１０７のコア２０１より出射された光束８０１の拡がり角度は、入射光束が略平行であったため、小さい拡がり角度となる。例えば、射出ファイバ１０７としてＮＡ０．２２のマルチモードファイバを用いたとしても出射ＮＡは０．２２以下、例えば０．１５以下となる。コア２０１より射出された光束８０１は、拡散板８０２で拡散され生体接触膜１１３へ入射し、ここでは図示しない被計測対象１１０へ入射する。コア２０１より出射されたファイバ出射光束８０１の拡がり全角をθｉｎ、プローブ内拡散板８０２による拡がり全角をθｄ、生体接触膜１１３へ入射する拡散後光束８０３の拡がり全角をθｏｕｔとすると、下記式となる。この関係式を用いてプローブ内拡散板８０２の拡がり全角を決定する。
【００４８】
【数６】
2020018494.tif 000008
【００４９】
図６では左右対となる２本の照射ファイバ１０７より光が出射される図となっているが、照射ファイバ１０７の本数は１本でも良いし３本以上の複数本でも良い。照射ファイバ１０７の端面とプローブ内拡散板８０２は音響インピーダンス整合剤１１２に接触しており、プローブ内拡散板８０２の拡がり全角は音響インピーダンス整合剤１１２とプローブ内拡散板８０２との屈折率によって決定される。図６では左右の照射ファイバ１０７の主光線が重なる点が生体接触膜１１３上に位置しているが、その点は生体接触膜１１３の上部もしくは下部に位置しても良い。この実施例では生体接触膜１１３に対して照射ファイバ１０７を直接傾けているが、ミラーやプリズムを用いて照射ファイバの光軸を傾けても良い。
【００５０】
上記ファイバ１０５と照射ファイバ１０７はシングルモードファイバであってもマルチモードファイバであっても良い。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  光源（光照射部）
１０２  光束
１０３  レンズ（集光レンズ系）
１０４  拡散板（拡散部）
１０５  シングルファイバ（光伝送部）
１０６  ファイバカプラ
１０７  照射ファイバ
１０８  プローブ
１０９  照射光束
１１０  被計測対象
１１１  超音波探触子
１１２  音響インピーダンス整合剤
１１３  生体接触膜
１１４  ケーブル
１１５  デジタイザ
１１６  ステージ
１１７  ケーブル
１１８  コントローラ
【図１】
2020018494.tif 000009
【図２】
2020018494.tif 000010
【図３】
2020018494.tif 000011
【図４】
2020018494.tif 000012
【図５】
2020018494.tif 000013
【図６】
2020018494.tif 000014