(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に第１のレンズを設けた光ファイババンドルと、前記光ファイババンドルの他端面にレーザ光源からのレーザ光を入射する第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記光ファイババンドルを通過してくる光像を撮像する撮像手段とを備え、前記光ファイババンドルの外径が１ｍｍ以下であることを特徴とする光ファイバ顕微鏡。
【請求項２】
前記光ファイババンドルは単体の光ファイバを少なくとも１万本集束させたものであり、前記第１のレンズはロッドレンズである請求項１記載の光ファイバ顕微鏡。
【請求項３】
前記撮像手段には、前記第２のレンズとＣＣＤカメラとを含む、請求項１または請求項２のいずれかに記載の光ファイバ顕微鏡。
【請求項４】
先端部に第１のレンズを設けた可撓性の光ファイババンドルと、前記光ファイババンドルの他端面に可視域ないし紫外域のレーザ光源からのレーザ光を入射する第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記光ファイババンドルを通過してくる蛍光像を撮像する撮像手段とを備え、前記光ファイババンドルの外径が１ｍｍ以下であり、その先端部は動物の体内に位置させて体内の微小器官ないし微小領域を実時間で観察できるようにしたことを特徴とする医学用光ファイバ顕微鏡。
【請求項５】
前記光ファイババンドルは単体の光ファイバを少なくとも１万本集束させたものであり、前記第１のレンズはロッドレンズである請求項４記載の医学用光ファイバ顕微鏡。
【請求項６】
前記撮像手段には、前記第２のレンズとＣＣＤカメラとを含む、請求項４または請求項５のいずれかに記載の医学用光ファイバ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は光ファイババンドルを用いた光ファイバ顕微鏡に関し、より詳細には、極細径のイメージガイドファイバを用い生体組織の内部を直接観察するのに適した光ファイバ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術と問題点】
従来技術として、特に、医学分野の内視鏡をとりあげると、生体の内部を観察する計測技術の中でも、内視鏡は体内組織の表面を直接的に観察できるため、医療技術の中では重要な役割を果たしている。そして、近年の光ファイバを用いた内視鏡技術の進歩により、１ｍｍ以下の微細領域をも観察できるようになってきた。例えば、胃や食道、さらには尿道を介しての膀胱などの表面の微細構造の観察である。
【０００３】
しかしながら、従来の内視鏡技術は、光ファイバ技術の進歩を、専らマクロな表面観察におけるミクロな領域の精密観察に適応させその画像の精細化に寄与させてきたに過ぎない。光ファイバ技術の進歩と関連づけて、生体の超ミクロな領域、すなわち、細胞レベルの小ささの範囲を観察しようなどという発想は今日までまったく知られていない。また、生体組織の表面の観察は、光ファイバ技術の進歩によって確かに高精細化されてきたが、生体組織の内部、しかもその内部を細胞レベルの大きさまで観察可能とするような技術も当然ながらこれまで全く知られてはいない。
【０００４】
生体組織の内部を光ファイバを用いて観察を試みるに際しての大きな問題は、生体組織の内部に挿入すべき光ファイバ束の横断面径が大きくなりすぎ、予め相応の穴を生体組織に穿設する必要が生じ、しかし、これでは組織損耗とまでは言えないまでも、生体組織を著しく傷つけることとなり、従来の光ファイバを用いた内視鏡技術の延長上の技術をもってしては、生体組織の内部観察は可能ではないという問題である。
【０００５】
上記を簡単に要約すると、従来の光ファイバを用いた例えば内視鏡技術の延長上では、例えば細胞レベルの大きさ(超ミクロな領域)の観察は可能ではなく、また、例えば生体組織の内部(一般化すると、挿入できる物体の内部)の非破壊的な直接観察(実時間で画像を得て観察すること)はさらに可能ではないということである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、第一に、光ファイバを用いて超微細な領域を実時間で観察(画像として直接観察)できる光ファイバ顕微鏡を提供することである。
本発明の課題の第二は、可能な限り精細な画像が得られるようにすると共に、操作性や取り扱い上の容易性を高めることである。そして、第三には、装置のコンパクト化を指向することである。
また、本発明の課題は、生体組織の表面だけでなく、その内部を、とりわけ非破壊的に顕微観察可能な、特に医学、生物学の用途に適合する光ファイバ顕微鏡を提供することである。
さらに、本発明の課題は、光ファイバ顕微鏡によって得られる画像の特異性を向上させて、医学、生物学上の知見を高め、もってこれらの分野の進歩発展に貢献することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するため、本発明のうち請求項１に記載の光ファイバ顕微鏡は、先端部に第１のレンズを設けた光ファイババンドルと、前記光ファイババンドルの他端面にレーザ光源からのレーザ光を入射する第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記光ファイババンドルを通過してくる光像を撮像する撮像手段とを備え、前記光ファイババンドルの外径が１ｍｍ以下であることを基本的な特徴としている。
【０００８】
すなわち、光ファイババンドルの外径を１ｍｍ以下の極細径にすると共に、観測対象に投射すべき照明光を当該光ファイババンドルをもって導光するようにして、常態では必須な照明光用の光ファイババンドルを用いず、結果としても光ファイババンドルの外径を極小化するようにした。
【０００９】
本発明に係る請求項４記載の医学用の光ファイバ顕微鏡は、先端部に第１のレンズを設けた可撓性の光ファイババンドルと、前記光ファイババンドルの他端面に可視域ないし紫外域のレーザ光源からのレーザ光を入射する第２のレンズと、前記第１のレンズおよび前記光ファイババンドルを通過してくる蛍光像を撮像する撮像手段とを備え、前記光ファイババンドルの外径が１ｍｍ以下であり、その先端部は動物の体内に位置させて体内の微小器官ないし微小領域を実時間で観察できるようにしたことを基本的な特徴とする。
【００１０】
上記の光ファイバ顕微鏡において、光ファイババンドルは、画質、画像の分解の点から、単体の光ファイバを少なくとも１万本集束させたものとすることが好ましく、また、第１のレンズは、光ファイババンドルとの親和性、取り付けの容易性、コストの低廉化、物体の内部への挿入を考慮したときの取り扱いの容易性などの点から、ロッドレンズとするのが好ましい。
【００１１】
また、前記第２のレンズを集光用と対物用とに兼用することによって、光学系をコンパクトにでき、かつＣＣＤカメラを撮像手段に含むことによって、光学系本体の全体をコンパクトな構成とすることができる。
さらに、請求項４に係る医学用の光ファイバ顕微鏡においては、観測対象に励起光を与えてその蛍光像を観測できるようにもしているので、単に形態観察だけでなく特異な観察像を得ることができ(細胞レベルの観察が可能)、医療上の有用性を向上させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。
図１は、要部の構成とその使用態様の断面を示している。
断面円形で可撓性を有するイメージガイドファイバ１の先端面１ａには、ロッドレンズからなる対物レンズ２が固着されている。イメージガイドファイバ１の他端部は図示しない適宜の支持具により支持定位され、端面１ｂは光軸を共通にする第２の対物レンズ３と対向させている。そして、第２の対物レンズ３の後方には、前記光軸上にＣＣＤカメラ４が配置され、第２の対物レンズ３は端面１ｂの像をＣＣＤカメラ４内部のレンズ(図示せず)と併せてその２次元ＣＣＤの受光面に結像する。
【００１３】
発振波長λが４８８ｎｍのＡｒイオンレーザ５は、この顕微鏡の被観察体を照明する照明光源である。第２の対物レンズ３とＣＣＤカメラ４との間の光軸上にダイクロイックミラー６を配置し、イメージガイドファイバ１の端面１ｂとＡｒイオンレーザ５の光源点とが結像関係を充足するように当該ダイクロイックミラー５は配設されている。Ａｒイオンレーザ５が作動すると、射出レーザ光はダイクロイックミラー６により反射され、反射光は第２の対物レンズ３に入射し、第２の対物レンズ３は入射光を集束し、イメージガイドファイバ１の端面１ｂ上に光点として結像する。尤も、実際は、この結像点は端面１ｂより若干の距離だけ離されており、結像点の光点が拡がった形で端面１ｂの面積全体をカバーするようにされている。
【００１４】
第２の対物レンズ３は、イメージガイドファイバ１の端面１ｂの像をＣＣＤカメラ４に結像することにおいて対物レンズであるが、照明光源としてのＡｒイオンレーザ５の射出光を集光するという点では集光レンズの作用を行っている。このように、レンズ３は対物レンズと集光レンズの作用を兼ね、光学系の構成としてコンパクトなものとなる。なお、第２の対物レンズ３を集光レンズに利用せず、別体のレンズ等をもって集光系を構成するようにしてもよい。
【００１５】
ＣＣＤカメラ４は所定のインターフェイスを介してパーソナルコンピュータ７に接続されている。ＣＣＤカメラ４で撮像された画像は画像信号の形でパーソナルコンピュータ７に送信され、パーソナルコンピュータ７は所定のプログラムを介して、画像信号を情報化すると同時に画像情報を記憶装置に記憶し、かつディスプレイ装置８に当該画像を映出する。
【００１６】
イメージガイドファイバ１の先端１ａに設けた第１の対物レンズとしてのロッドレンズ２は、図２に拡大図で示すように、イメージガイドファイバ１の先端面１ａの外径よりやや大きな外径を有し、両者の端面は光学のりで接合されている。ロッドレンズ２の光軸方向の長さは、所望する像を先端面１ａに得られるように、予め選択されている。図２の場合は、被観察物すなわち物体Ｏが先端面１ａには像Ｉとして縮小して結像されるように構成され、縮小系を形成している。縮小系は、イメージガイドファイバ１の外径よりも大きな物体Ｏを全体像として得るのに適している。また、ロッドレンズ２の長さを選定することによって、等倍系はもちろんのこと、拡大系を構成するようにしてもよい。なお、これら系を適宜に選択可能なように、イメージガイドファイバ１の先端部に着脱自在にロッドレンズ２を設けられるようにしておいてよい。また、イメージガイドファイバ１の先端面１ａとロッドレンズ２とは必ずしも接合させる必要はなく、離間させた使い方もまた可能である。離間させれば、簡単に拡大系を構成することができる。
【００１７】
図１、図２に示したイメージガイドファイバ１は、石英系の材料で作成された光ファイバの１２０００本を円柱状にバンドルしたもので、外径は４３０μｍである。そして、１２０００本の１本である単体の光ファイバのコア径、すなわちピクセル径は３.７μｍである。
【００１８】
具体的に、図３にこのイメージガイドファイバ１の端面の拡大図を示す。同図（Ａ）は端面の拡大図、同図（Ｂ）は、（Ａ）に白く長方形で囲った部分の拡大図である。同図（Ｂ）に示される白いドットが、コア径３.７μｍの光ファイバの１本である。
【００１９】
上記のイメージガイドファイバ１は次のようにして得ることができる。すなわち、三菱電線工業株式会社において、図４の模式的断面図で示される内視鏡用のイメージガイドファイバ１０が開発されており、このイメージガイドファイバ１０の内部に存する断面円形のイメージガイドファイババンドル１１だけを取り出して利用することができる。ちなみに、イメージガイドファイバ１０は、前記のイメージガイドファイババンドル１１の外周を被包する表皮層１２、表皮層１２を被包するプレコート層１３をもってイメージガイドファイバ体を形成し、このイメージガイドファイバ体の外周に幾層かにわたって照明光・導光のためのライトガイドファイババンドル１５を設け、イメージガイドファイバ体とこのライトガイドファイババンドル１５の全体を外ジャケット１６で被包したものである。
【００２０】
図４のイメージガイドファイババンドル１１のピクセル１１ｐの径は、３.７μｍ、ピクセルをなす光ファイバの１２０００本をもってバンドルを構成している。そして、イメージガイドファイババンドル１１の外径は、先述のように、４３０μｍである。
【００２１】
図４からも明らかなように、通常、イメージガイドファイバと称される光ファイババンドルには、常態としてライトガイドファイババンドルを備え、外径は少なくとも１ｍｍより大きい。このように、慣用化されようとするイメージガイドファイバには、ライトガイドを備えるがゆえに外径は大径化せざるを得ず、さらにライトガイドを設けてあるがゆえにイメージガイドで照明光を導光しようとすることはなかなか着想され難い。本発明は、イメージガイドファイバ本体にライトガイドの機能を持たせるようにしたことに一つの特徴がある。
【００２２】
図１において、好ましい最良の利用形態とこの光ファイバ顕微鏡の動作を説明すると、まず、準備として、例えば生体組織２１の内部の微小器官２２に対し、血液を介するなりまたは直接的に注入するなりして、蛍光色素を投与しておく。次に、微小器官２１に先端が至るように生体組織２１に注射針２０を突き刺す。なお、注射針２０を突き刺す際、注射針２０の中には予め針の内径とほぼ等しい細線を挿入しておき、刺した後で抜き出す。
【００２３】
注射針２０の開口からロッドレンズである第１の対物レンズ２を挿入し、所定の距離だけ進入させて、イメージガイドファイバ１の端を固定する。
【００２４】
出力２０ｍＷのＡｒイオンレーザ５を始動させ、安定化した時点で、コンピュータ７から指令を発っし、ＣＣＤカメラ４を能動化して、微小器官２２の微小部分の反射像とともに、蛍光像を撮像する。すなわち、Ａｒイオンレーザ５から射出したレーザ光はダイクロイックミラー６で反射され、レンズ３により結像されてイメージガイドファイバ１の端面１ｂに入射する。イメージガイドファイバ１は、この入射レーザ光を導光し、先端面１ａからさらにロッドレンズ２を通して、被観測対象２２をクリティカル照明する。被観測対象の微小器官２２の反射光は、第１の対物レンズ２によりイメージガイドファイバ１の先端面１ａに結像するとともに、照明レーザ光の波長は４８８ｎｍであるので、照明光は蛍光物質に対して励起光として作用し、微小器官２２中の蛍光色素で染色された特異部は蛍光を発し、その蛍光像も同時に第１の対物レンズ２によって、イメージガイドファイバ１の先端面１ａに結像される。イメージガイドファイバ１はこの結像された反射光像及び蛍光像を他端面１ｂまで導く。第２の対物レンズ３は、端面１ｂの光像をＣＣＤカメラ４を通してその光電面に結像する。
【００２５】
なお、本実施例では、第２の対物レンズ３は２０倍にして使用しており、またＣＣＤカメラ４のレンズは３倍のものであるので、光電面には、端面１ｂに得られた光像の６０倍の像が結像されている。
【００２６】
ＣＣＤカメラ４から出力される画像信号は、パーソナルコンピュータ７によって受信され、パーソナルコンピュータ７が内蔵する所定のプログラムにより処理されるとともに、ディスプレイ装置８に拡大画像として映出される。この映出画像をもって、生体２１の内部の微小器官２２の微小領域の形態とともに、蛍光を発した特異部を直接、明瞭に観察することができる。そして、蛍光像を把握することによって、とりわけ医学ないし生物学上の重要な知見を得ることができる。なお、生体組織２１の細胞の大きさは、通常、数１０μｍであり、本発明に係る顕微鏡のピクセル径は３.７μｍであるので、所要の分解能さえ獲得すれば、反射像に係る形態の像及び蛍光像の双方ともに、生体２１を細胞レベルで観察でき得るものである。
【００２７】
イメージガイドファイバ１を照明光の導光路に利用した利点は、まず第一に、ライトガイドファイバが不要なので、イメージガイドファイバの外径を相当に小さくでき、したがって、図１に例示するような、生体組織２１の内部での非破壊的な観測が可能となることである。第二には、ライトガイドファイバを用いた照明に比べて、照明むらが大幅に低減できること、像の鮮鋭度を失わせる背景の散乱光をほとんど無くせること、及び被観察対象にのみ照明を絞り込めること等によって、得られる画像の鮮明度、コントラストを大きくすることができる。
【００２８】
次に、本実施例の光ファイバ顕微鏡を用いた観測例を例示する。
図５は、２０μm径のポリスチレン球に蛍光物質としてのアクリジンオレンジを吸着させたものと、吸着させないものとを混在させて液体中に浸漬し、図１の構成と同様な態様で観察した結果を示している。同図（Ｂ）は対比のための透過像であり、同図（Ａ）には蛍光像を示している。同図（Ａ）から分かるように、アクリジンオレンジを吸着させなかったポリスチレン球はややぼけた状態で形状のみ認識しうるが、吸着させたものは鮮明な形で認知できる。
【００２９】
図６は、蛍光物質で処理したミドリムシのべん毛の一部の観測像である。蛍光物質と特異に結合した極微小領域(細胞レベルより小さい領域)が特に明るく観測されており、本発明に係る光ファイバ顕微鏡の有用性を強く例証するものである
。
【００３０】
図１、図２に示した、第１の対物レンズ２としてのロッドレンズは、開口数（ＮＡ）が０.０１で、イメージガイドファイバ１のＮＡは０.４であり、差が大きいが、ロッドレンズのＮＡを大きくする手段(常とう的になされる手段を含む)を用いてイメージガイドファイバのＮＡに近づけるようにするとよい。ＮＡの増大で、画像のＳＮ比が向上し、より情報の質が増大する。イメージガイドファイバの先端部に設ける第１のレンズ(対物レンズ)は、ロッドレンズに限らず、マイクロレンズとしてもよい。
【００３１】
図１に示した、イメージガイドファイバ１の断面は円形のものであったが、用途によっては、断面の形をだ円形や矩形に形成して利用してもよい。
【００３２】
照明光源は、本例では、単色すなわち波長が４８８ｎｍのＡｒイオンレーザを用いたが、必ずしもレーザ光源に限る必要はなく、また、短波長ないし短波長域の光源を用いる必然性もない。可視域ないし紫外域の適宜の光源が利用可能である。レーザは効率と取り扱いの容易さを考えるとき好ましいし、また、光学系をコンパクトにするためには、レーザダイオードを利用してよい。蛍光像に係る特異領域を強調して取得するには、短波長の光源を利用するのが好ましい。紫外域の光源を用いる。輝度の高いハロゲン管球(キセノンランプ、クリプトンランプなど)が好ましい。なお、生体組織においては、蛍光で染色しなくても自家発光で蛍光を発するものもあり、このようなものに対しては、普通の可視域の光源を利用しても充分に蛍光像を取得できる。また、光源に、波長可変レーザを用いると、顕微分光が可能である。
【００３３】
光源と観測対象に関して(とくに内部観測について)、生体とくに人間の体組織に対して強い紫外線を集光照射するのは回避しなければならないが、人間以外の動物一般に対しては、特段の理由がない限り、何ら問題を生じない。上の実施例では、生体を対象にしたが、生体に限らず死体でもよい(検視などにおいて)。また、動物に限らず、可能な植物を対象にしてもよいし、観察可能な一般の物体を対象にすることができる。
【００３４】
また、内部を観察可能である以上、表面の観察ももちろん可能である。物体(生体を含む)一般の表面の顕微観察に利用することができる。さらに、マクロ観察からミクロ観察とすることは可能でない反面、マクロ観察はミクロ観察の秩序だった集合と考えれば、本発明に係る光ファイバ顕微鏡は、マクロ観察の顕微観察に利用することができる。例えば、第１の対物レンズをマクロな観測対象に対して２次元に走査することによって簡単に行える。あるいは、第１の対物レンズを固定して、マクロな観察対象を２次元に走査駆動するなどすればよい。このようにすれば、マクロな領域の直接の顕微観察はできないまでも、取得した多くの画像(記憶画像)を通じて、マクロの全体は再構築が可能である。例えば、半導体基板の製造工程中における表面の欠陥検査(例えば、エッチング不良の検出)に利用が可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の対物レンズ等を用いて微小な領域の拡大像を得るというのでなく、１本の光ファイバをピクセルとしてその秩序立った集合をもって直接観察できる拡大像を得ることができ、従来の表面観察用の顕微鏡では全く不可能である顕微観察の用途、例えば、物体一般で、直径が１ｍｍ以上の(例えば１.２ｍｍの)細長い縦穴の底面の顕微観察などが可能となる効果がある。
【００３６】
本発明によれば、ライトガイドファイバを備えず、イメージガイドファイバに照明光を通すので、得られる像の明瞭度を高めることができる。
【００３７】
本発明に係る医学用の光ファイバ顕微鏡によれば、生体組織内部の極微小領域(細胞レベル)を生体組織を破壊することなく(非破壊的に)、実時間での直接観察が可能となり、さらには蛍光像を得て、医学上の特異な知見を獲得できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す模式的構成図である。
【図２】対物レンズとしてのロッドレンズの機能の説明図である。
【図３】イメージガイドファイバの断面拡大図である。
【図４】開発されているイメージガイドファイバの模式的断面図である。
【図５】ポリスチレン球の観察像を示し、(Ａ)は蛍光像、(Ｂ)は透過像であり、それぞれ図面に代わる顕微鏡写真である。
【図６】蛍光色素を付与したミドリムシのべん毛の図面に代わる顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１……イメージガイドファイバ
１ａ…先端面
２……第１の対物レンズとしてのロッドレンズ
３……第２の対物レンズ
４……ＣＣＤカメラ
５……Ａｒイオンレーザ
７……パーソナルコンピュータ
８……ディスプレイ装置
２１…生体組織
２２…微小器官
【図１】
0004209510.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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