(57)【要約】【課題】短時間に出力波長を切り替えることができる分光器を提供する。【解決手段】分光器１Ａは、第１入射側光導波路１１、入射側光スイッチ１２、第２入射側光導波路１３１〜１３４、分光手段としての光フィルタ１４１〜１４４、第２出射側光導波路１５１〜１５４、出射側光スイッチ１６、第１出射側光導波路１７、光タップ２１、光検出器２２および切替回路２３を備える。切替回路２３の制御により、第１入射側光導波路１１の出射端から出射されて入射側光スイッチ１２に入射された光のうち選択された波長λｎの光は、第２入射側光導波路１３ｎ，光フィルタ１４ｎ，第２出射側光導波路１５ｎ，出射側光スイッチ１６および第１出射側光導波路１７を経て、第１出射側光導波路１７の出射端から出射される。【選択図】図１
2012008116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導光して出射端から出射する第１入射側光導波路と、
この入射側光導波路の出射端から出射された光を分光して、その分光した各波長の光を互いに異なる出射位置から出射する分光手段と、
この分光手段の各出射位置から出射された光を各々の入射端に入射し、その光を導光して各々の出射端から出射する複数の第２出射側光導波路と、
この複数の第２出射側光導波路それぞれの出射端から出射された光を入射し、それらのうち何れかの光を選択して出射する出射側光スイッチと、
この出射側光スイッチから出射された光を入射端に入射し、その光を導光して出射端から出射する第１出射側光導波路と、
を備えることを特徴とする分光器。
【請求項２】
前記第１入射側光導波路の出射端から出射された光を入射し、その光を複数の出射位置のうちの何れかの出射位置から選択的に出射する入射側光スイッチと、
この入射側光スイッチの各出射位置から出射される光を入射端に入射し、その光を導光して各々の出射端から前記分光手段へ出射する複数の第２入射側光導波路と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
【請求項３】
前記複数の第２出射側光導波路それぞれに対して個別に前記分光手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の分光器。
【請求項４】
前記複数の第２出射側光導波路のうち何れか２以上の第２出射側光導波路に対して共通の前記分光手段が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の分光器。
【請求項５】
前記出射側光スイッチから出射される光のパワーをモニタするモニタ部を更に備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の分光器。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の分光器と、
前記分光手段の複数の出射位置に対応する波長において光を発生させ、その発生させた光を前記第１入射側光導波路に入射させる光源と、
前記第１出射側光導波路から出射した光によって照明された観察対象物の像を撮影するカメラと、
を備え、
前記分光器の波長切替と前記カメラによる像の撮影とを連続的に繰り返すことにより擬似カラーの動画像を撮影することを特徴とするイメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器およびそれを用いたイメージングシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
入力光のうち特定波長または特定波長帯域の光を選択的に出力する分光器として、特許文献１〜３それぞれに開示された構成のものが知られている。
【０００３】
特許文献１に開示された分光器は、光入射位置によって透過波長が異なるバンドパスフィルタを用い、そのバンドパスフィルタを移動させることで、その位置に応じた波長の光を出力することができる。
【０００４】
特許文献２に開示された分光器は、回動可能な平面鏡により反射させた光を回折格子に入射させ、その回折格子により回折されて平面鏡に戻って来た光を出力することで、平面鏡の方位に応じた波長の光を出力することができる。
【０００５】
特許文献３に開示された分光器は、回動および平行移動が可能な円盤状のターレットの複数の位置それぞれに透過波長の異なる光フィルタが配設されていて、そのターレットの周方向および径方向の位置に応じた波長の光を出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２７７７５７号公報
【特許文献２】特開２００４−０６９５１６号公報
【特許文献３】特開２００６−３４３２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１〜３それぞれに開示された分光器は、出力波長の切替の為に、分光素子（バンドパスフィルタ、ターレット）を回動もしくは移動させる必要があり、または、分光素子（回折格子）へ至る光路上に設けられた平面鏡を回動させる必要がある。したがって、これらの分光器は、出力波長の切り替えに時間を要する。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、短時間に出力波長を切り替えることができる分光器を提供することを目的とする。さらに、それを用いることで初めて可能となる汎用性の高いイメージングシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の分光器は、(1) 光を導光して出射端から出射する第１入射側光導波路と、(2)この入射側光導波路の出射端から出射された光を分光して、その分光した各波長の光を互いに異なる出射位置から出射する分光手段と、(3) この分光手段の各出射位置から出射された光を各々の入射端に入射し、その光を導光して各々の出射端から出射する複数の第２出射側光導波路と、(4)この複数の第２出射側光導波路それぞれの出射端から出射された光を入射し、それらのうち何れかの光を選択して出射する出射側光スイッチと、(5) この出射側光スイッチから出射された光を入射端に入射し、その光を導光して出射端から出射する第１出射側光導波路と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の分光器は、(6) 第１入射側光導波路の出射端から出射された光を入射し、その光を複数の出射位置のうちの何れかの出射位置から選択的に出射する入射側光スイッチと、(7)この入射側光スイッチの各出射位置から出射される光を入射端に入射し、その光を導光して各々の出射端から分光手段へ出射する複数の第２入射側光導波路と、を更に備えるのが好適である。
【００１１】
本発明の分光器は、複数の第２出射側光導波路それぞれに対して個別に分光手段が設けられていてもよいし、或いは、複数の第２出射側光導波路のうち何れか２以上の第２出射側光導波路に対して共通の分光手段が設けられていてもよい。また、本発明の分光器は、出射側光スイッチから出射される光のパワーをモニタするモニタ部を更に備えるのが好適である。
【００１２】
本発明のイメージングシステムは、(1)上記の本発明の分光器と、(2) 分光手段の複数の出射位置に対応する波長において光を発生させ、その発生させた光を第１入射側光導波路に入射させる光源と、(3) 第１出射側光導波路から出射した光によって照明された観察対象物の像を撮影するカメラと、を備え、(4)分光器の波長切替とカメラによる像の撮影とを連続的に繰り返すことにより擬似カラーの動画像を撮影することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の分光器は、特許文献１〜３それぞれに記載された分光器に比べて短時間に出力波長を切り替えることができる。また、それを用いたイメージングシステムでは、汎用性の高い擬似カラー動画撮影を初めて可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態の分光器１Ａの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態の分光器１Ａを含むＮＩＲイメージングシステムの構成を示す図である。
【図３】第２実施形態の分光器１Ｂの構成を示す図である。
【図４】第３実施形態の分光器１Ｃの構成を示す図である。
【図５】第３実施形態の分光器１Ｃに含まれるアレイ型分光フィルタ１４Ｃを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
（第１実施形態）
【００１７】
図１は、第１実施形態の分光器１Ａの構成を示す図である。この図に示される分光器１Ａは、第１入射側光導波路１１、入射側光スイッチ１２、第２入射側光導波路１３１〜１３４、分光手段としての光フィルタ１４１〜１４４、第２出射側光導波路１５１〜１５４、出射側光スイッチ１６、第１出射側光導波路１７、光タップ２１、光検出器２２および切替回路２３を備える。
【００１８】
第１入射側光導波路１１、第２入射側光導波路１３１〜１３４、第２出射側光導波路１５１〜１５４および第１出射側光導波路１７それぞれは、光ファイバであってもよいし、基板上に形成された光導波路であってもよい。
【００１９】
第１入射側光導波路１１は、分光器１Ａに入力された分光されるべき光を入射端に入射し、その光を導光して出射端から入射側光スイッチ１２へ出射する。入射側光スイッチ１２は、第１入射側光導波路１１の出射端から出射された光を入射し、その光を複数の出射位置のうちの何れかの出射位置から選択的に出射する。第２入射側光導波路１３１〜１３４は、入射側光スイッチ１２の各出射位置から出射される光を入射端に入射し、その光を導光して各々の出射端から光フィルタ１４１〜１４４へ出射する。
【００２０】
第２入射側光導波路１３ｎは、出射端に設けられた集光レンズにより、その出射端から出射された光を集光させて、対応する第２出射側光導波路１５ｎの入射端に入射させることができる。光フィルタ１４ｎは、第２入射側光導波路１３ｎの出射端と第２出射側光導波路１５ｎの入射端との間の光路上に配置されていて、特定波長λｎの光を選択的に透過させることができる。なお、ｎは１以上４以下の各整数である。波長λ１〜λ４は互いに異なる。
【００２１】
第２出射側光導波路１５ｎは、光フィルタ１４ｎを透過した波長λｎの光を入射端に入射し、その光を導光して出射端から出射側光スイッチ１６へ出射する。出射側光スイッチ１６は、第２出射側光導波路１５１〜１５４それぞれの出射端から出射された光を入射し、それらのうち何れかの光を選択して第１出射側光導波路１７へ出射する。第１出射側光導波路１７は、出射側光スイッチ１６から出射された光を入射端に入射し、その光を導光して出射端から出射する。
【００２２】
光タップ２１は、第１出射側光導波路１７の途中に設けられていて、第１出射側光導波路１７の入射端から出射端へ導光される光の一部を分岐して、その分岐した光を光検出器２２へ出力する。光検出器２２は、例えばフォトダイオードを含み、光タップ２１により分岐されて到達した光を受光して、その光の強度に応じた値のモニタ信号を出力する。すなわち、光タップ２１および光検出器２２は、出射側光スイッチ１６から出射される光のパワーをモニタするモニタ部を構成している。
【００２３】
切替回路２３は、入射側光スイッチ１２および出射側光スイッチ１６それぞれの光路の切り替え動作を制御する。この切替回路２３の制御により、第１入射側光導波路１１の出射端から出射されて入射側光スイッチ１２に入射された光のうち選択された波長λｎの光は、第２入射側光導波路１３ｎ，光フィルタ１４ｎ，第２出射側光導波路１５ｎ，出射側光スイッチ１６および第１出射側光導波路１７を経て、第１出射側光導波路１７の出射端から出射される。
【００２４】
入射側光スイッチ１２および出射側光スイッチ１６それぞれとして、例えばソレノイドなどを用いて発生させた力で光導波路を移動させることで光路を切替えるスイッチを用いることができる。そのような光スイッチは、透過できる光波長帯域が広く、高パワー光による損傷に対する耐性が高い利点がある。そのようなスイッチとしては、 Light Wave Link社の製品を用いることができる。入射側光スイッチ１２および出射側光スイッチ１６それぞれは、切替回路２３から与えられる電気信号により制御されて切替動作を行うことができ、１０ｍ秒以下の切替時間、１.２ｄＢ以下の挿入損失および０.１ｄＢ以下の偏波依存損失を達成し得る。
【００２５】
また、光フィルタ１４１〜１４４それぞれとして、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）やリニアバリアブルフィルタ（ＬＶＦ）が用いられる。ＬＶＦは、入射位置によって透過波長が異なる光フィルタである。本実施形態において光フィルタ１４１〜１４４それぞれとしてＬＶＦを用いる場合、所望の透過波長λｎを得るために光フィルタ１４ｎとしてのＬＶＦの位置を調整する場合があるものの、波長λ１〜λ４の切り替えのためにＬＶＦを移動させることはない。例えば、波長λ１の中心値は１５００ｎｍであり、波長λ２の中心値は１６００ｎｍであり、波長λ３の中心値は１７４５ｎｍであり、透過帯域幅は５〜１０ｎｍである。
【００２６】
第２入射側光導波路１３ｎ，光フィルタ１４ｎおよび第２出射側光導波路１５ｎの位置調整のために、基板に設けられた溝に光フィルタ１４ｎを挿入するとともに、該基板の溝の一方の側に設けられたＶ溝に第２入射側光導波路１３ｎを配置し、該基板の溝の他方の側に設けられたＶ溝に第２出射側光導波路１５ｎを配置すればよい。
【００２７】
図２は、第１実施形態の分光器１Ａを含む近赤外（ＮＩＲ： Near Infrared）イメージングシステムの構成を示す図である。この図に示されるＮＩＲイメージングシステムは、分光器１Ａ、光源２、イメージファイバ３、ＮＩＲカメラ４およびコンピュータ５を備える。光源１は、波長λ１〜λ４を含む広帯域の光を出射するものであって、例えば、近赤外の広帯域の光を出射することができるスーパーコンティニューム（ＳＣ）光源が好適に用いられる。分光器１Ａは、光源２から出射された光を第１入射側光導波路１１の入射端に入射し、その光のうち波長λ１〜λ４それぞれの光を順次に切り替えて第１出射側光導波路１７の出射端から出射する。なお、分光器１Ａは、必要に応じて第１出射側光導波路１７の光路上に光減衰器２４を備えていてもよい。
【００２８】
イメージファイバ３は、第１出射側光導波路１７の出射端から出射された光が対象物に照射されて生じた光（透過光、反射光、散乱光など）の像を入射端に入射し、その像を出射端からＮＩＲカメラ４へ出射する。ＮＩＲカメラ４は、イメージファイバ３の出射端から出射された像を１００フレーム／秒（１０ｍｓ／フレーム）の速さで撮像し、その撮像により得られた画像データをコンピュータ５へ出力する。
【００２９】
コンピュータ５は、ＮＩＲカメラ４から出力された画像データを入力して、対象物の画像を取得する。また、コンピュータ５は、光検出器２２から出力された電気信号を入力して、第１出射側光導波路１７の出射端から出射される光の強度情報を取得する。さらに、コンピュータ５は、切替回路２３を介して入射側光スイッチ１２および出射側光スイッチ１６それぞれの切替動作を制御し、切替えた波長に対応する画像をＮＩＲカメラから取得して内部に記録する。
【００３０】
このようにして、複数の波長において画像を取得し、その内容を擬似カラー画像に変換して記録または外部装置へ出力する。前述したように、光スイッチの切替時間は１０ｍｓ以内であり、カメラの撮影時間は１０ｍｓであるので、３種類の波長を用いる場合は６０ｍｓ（カメラとスイッチとの間の同期を取らない場合は９０ｍｓ）の時間で１フレームの擬似カラー画像の取得を完了することができる。
【００３１】
さらに、波長の切替えと画像取得とを連続的に繰返すことにより、擬似カラーの動画を記録または外部装置へ出力する。擬似カラー画像および動画は、複数の波長の明暗情報をＲＧＢの３原色に割り当てて作成してもよく、さらには行列演算を行った結果をＲＧＢの３原色に割り当てて作成してもよい。１フレームの擬似カラー画像は６０ｍｓ（非同期の場合は９０ｍｓ）で撮影できるので、１６フレーム／秒（非同期の場合は１１フレーム／秒）の速さの擬似カラー動画を撮影することができる。
【００３２】
従来は、擬似カラーの動画像を撮影するためには、カメラの各画素の前段に指定された波長のみを透過させるカラーピクセルフィルタを取り付ける構成や、指定された波長のみを透過させるバンドパスフィルタを取り付けたカメラを波長の数だけ用意して光を分岐させて撮影する構成が用いられることがあったが、カラーピクセルフィルタは、用途によって異なる撮影波長に合わせて作製するのはコストが高く困難であり、波長数の分だけカメラを用意する方式も、近赤外での撮影が必要な用途ではカメラのコストが高く困難であった。本実施形態の方式は、カメラは１台で十分であるので後者の方式に比べてコストが低く、用途によって波長が変わっても分光器の中のバンドパスフィルタを入れ替えることができるので前者の方式に比べても柔軟性が高い利点がある。
【００３３】
本実施形態の分光器１Ａは、分光する波長の数が限られるものの、従来の分光器と異なり、フィルタやミラーなどの大きな質量の光学素子を機械的に動かす必要がないので、短時間に出力波長を切り替えることができる。このような分光器１Ａは、例えば、図２に示されたような血管内視鏡ＮＩＲ（近赤外）イメージングシステムにおいて好適に用いられ得る。この場合、生きている人間の血流を止めてまたは血管中に透明媒体を注入して血流を視野から排除して血管内のプラークを検出する際に、本実施形態の分光器１Ａを用いて波長λ１〜λ４それぞれ光を順次に切り替えて照射し、ＮＩＲカメラを用いて撮像する。生きている人間が対象であり、血流が拍動している中で撮影することから、できる限り短時間での測定が必要となるが、本実施形態の分光器１Ａを用いれば短時間で測定を行うことが可能である。さらに、動画で撮影することにより、静止画だけでは判別が難しい病変についても使用者である医師が容易に識別することが可能となる。また、その他にも、ＮＩＲイメージングシステムを用いた測定では、測定時間内に対象物（特に生物）の状態が時間経過とともに変化してしまうことをできるだけ避けたいので、このような用途では、本実施形態の分光器１Ａを用いて少数の波長をできるだけ短時間で測定することは有効である。
【００３４】
（第２実施形態）
【００３５】
図３は、第２実施形態の分光器１Ｂの構成を示す図である。この図に示される分光器１Ｂは、第１入射側光導波路１１、入射側光スイッチ１２、第２入射側光導波路１３１〜１３４、分光手段としてのリニアバリアブルフィルタ（ＬＶＦ）１４Ｂ、第２出射側光導波路１５１〜１５４、出射側光スイッチ１６、第１出射側光導波路１７、光タップ２１、光検出器２２および切替回路２３を備える。
【００３６】
図１に示された第１実施形態の分光器１Ａの構成と比較すると、この図３に示される第２実施形態の分光器１Ｂは、光フィルタ１４１〜１４４に替えてＬＶＦ１４を備える点で相違している。図１に示された第１実施形態の分光器１Ａでは、第２出射側光導波路１５１〜１５４それぞれに対して個別に光フィルタ１４１〜１４４が設けられていたのに対して、この図３に示される第２実施形態の分光器１Ｂでは、第２出射側光導波路１５１〜１５４に対して共通のＬＶＦ１４Ｂが設けられている。
【００３７】
このように構成される第２実施形態の分光器１Ｂも、第１実施形態の分光器１Ａと同様に動作して同様の効果を奏することができる。
【００３８】
（第３実施形態）
【００３９】
図４は、第３実施形態の分光器１Ｃの構成を示す図である。この図に示される分光器１Ｃは、第１入射側光導波路１１、分光手段としてのアレイ型分光フィルタ１４Ｃ、第２出射側光導波路１５１〜１５４、出射側光スイッチ１６、第１出射側光導波路１７、光タップ２１、光検出器２２および切替回路２３Ｃを備える。
【００４０】
図１に示された第１実施形態の分光器１Ａの構成と比較すると、この図４に示される第３実施形態の分光器１Ｃは、入射側光スイッチ１２，第２入射側光導波路１３１〜１３４および光フィルタ１４１〜１４４に替えてアレイ型分光フィルタ１４Ｃを備える点で相違し、また、切替回路２３に替えて切替回路２３Ｃを備える点で相違する。切替回路２３Ｃは、出射側光スイッチ１６の光路の切り替えのみを行う。
【００４１】
図５は、第３実施形態の分光器１Ｃに含まれるアレイ型分光フィルタ１４Ｃを説明する図である。アレイ型分光フィルタ１４Ｃは、互いに平行な第１面１４ａおよび第２面１４ｂを有し、これらに平行な内部平面上に光フィルタＦ１〜Ｆ４が配置され、第１面１４ａと第２面１４ｂとの間が透明材料で構成されている。
【００４２】
第１入射側光導波路１１の出射端から出射された光は、アレイ型分光フィルタ１４Ｃの第１面１４ａに斜め入射され、第１面１４ａを透過し内部を伝搬して第２面１４ｂで反射されて光フィルタＦ１に入射される。光フィルタＦ１に入射された光のうち波長λ１の光は、光フィルタＦ１を透過して第１面１４ａから外部へ出射され、第２出射側光導波路１５１の入射端に入射される。
【００４３】
光フィルタＦ１に入射された光のうち他の波長λ２〜λ４の光は、光フィルタＦ１で反射され第２面１４ｂで更に反射されて光フィルタＦ２に入射される。光フィルタＦ２に入射された光のうち波長λ２の光は、光フィルタＦ２を透過して第１面１４ａから外部へ出射され、第２出射側光導波路１５２の入射端に入射される。
【００４４】
光フィルタＦ２に入射された光のうち他の波長λ３，λ４の光は、光フィルタＦ２で反射され第２面１４ｂで更に反射されて光フィルタＦ３に入射される。光フィルタＦ３に入射された光のうち波長λ３の光は、光フィルタＦ３を透過して第１面１４ａから外部へ出射され、第２出射側光導波路１５３の入射端に入射される。
【００４５】
光フィルタＦ３に入射された光のうち他の波長λ４の光は、光フィルタＦ３で反射され第２面１４ｂで更に反射されて光フィルタＦ４に入射される。光フィルタＦ４に入射された波長λ４の光は、光フィルタＦ４を透過して第１面１４ａから外部へ出射され、第２出射側光導波路１５４の入射端に入射される。
【００４６】
このようなアレイ型分光フィルタ１４Ｃとして、例えばニコン社製の４０ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４用フィルタが好適に用いられ得る。
【００４７】
このように構成される第３実施形態の分光器１Ｃも、第１実施形態の分光器１Ａと同様に動作して同様の効果を奏することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１Ａ〜１Ｃ…分光器、２…光源、３…イメージファイバ、４…ＮＩＲカメラ、５…コンピュータ、１１…第１入射側光導波路、１２…入射側光スイッチ、１３１〜１３４…第２入射側光導波路、１４１〜１４４…光フィルタ、１４Ｂ…ＬＶＦ、１４Ｃ…アレイ型分光フィルタ、１５１〜１５４…第２出射側光導波路、１６…出射側光スイッチ、１７…第１出射側光導波路、２１…光タップ、２２…光検出器、２３，２３Ｃ…切替回路、２４…光減衰器。
【図１】
2012008116.tif 000003
【図２】
2012008116.tif 000004
【図３】
2012008116.tif 000005
【図４】
2012008116.tif 000006
【図５】
2012008116.tif 000007