JP7289845B2 - 光学内視鏡 - Google Patents

Description

本発明は、近位端部および遠位端部を備えた光ファイバーエレメントを含む光学内視鏡に関する。

光学内視鏡は、小さい開口部を通して、ある体積の内側を見るための器具である。内視鏡は、典型的に、人間の身体の内側を見るために医学において使用されている。しかし、内視鏡の使用は、医学に制限されない。また、内視鏡は、エンジンまたはタービンなどのような工作物の目視検査のために使用されている。そのような技術的な使用のための内視鏡は、「ボアスコープ」と称される場合がある。本明細書で使用されているような「内視鏡」という用語は、医療用の使用および非医療用の使用の両方を表すものとする。

内視鏡は、通常、可撓性のオプティクスを含み、可撓性のオプティクスは、調べられるべき物体の内側のいわゆる「遠位端部」から、物体の外側のいわゆる「近位端部」の間で、光をガイドする。通常（常にではないが）、いくつかの小型化されたスキャニングおよび／またはイメージング装置が、遠位端部に存在しており、一方、より精巧なオプティクス（その目的は、伝送されたイメージをデジタルイメージセンサーまたはアイピースの上に拡大することを含む）が、近位端部に見出される。最も一般には、内視鏡は、散乱したイメージを取得するが、しかし、蛍光イメージングおよび光干渉断層撮影も幅広く使用されている。

可撓性のオプティクスに関して、通常、光ファイバーが使用されている。可能なファイバータイプの間で、ファイバーバンドルおよびマルチモードファイバーが使用され得る。また、マルチコアファイバーが一般に使用されてきた。

光ファイバーの使用に関連する重要な限定は、ファイバーの低い開口数であり、それは、小さい受光角、ひいては、小さい視界を結果として生じさせる。

国際公開第２０１７／０１６６６３Ａ１号パンフレットから知られる１つのアプローチは、光ファイバーを含有する可撓性のチューブ状のシースを備えた内視鏡を使用する。可撓性の導波路を含む３次元で広げられた複数の光学的なポートを備えた遠位先端部が説明されている。これらの導波路は、同じ数のファイバーを通って内視鏡の本体部の中へ継続するか、または、内視鏡の近位端部まで通り続ける数個のもしくは単一の光ファイバーに接続するマルチプレクサーに連結されているかのいずれかである。

対応する遠位先端部を備えた内視鏡を作り出す技術は、煩雑であり、コストがかかる。そのうえ、光学的なポートを近位端部またはマルチプレクサーに接続する可撓性の導波路は、製作の間に（それらが強力な曲げを受けなければならないときに）、または、適正なパッケージが用いられていない場合には、マルチプレクサーの使用の間に、破損の高い可能性を有している。加えて、カップラーおよびスプリッターのカスケードを含む、マルチプレクサーが使用されているときには、重大な信号損失が起こる。多くの用途に関して、デバイスの機能性を完全に妨げない場合には、そのような追加的な光学的な損失は有害である。また、このスキームは、異なるファイバー幾何学形状に、たとえば、異なるマルチコアファイバー幾何学形状に適合するのに困難である。

したがって、本発明の目的は、使用時に機械的により信頼性が高く、適応性のある、改善された光学内視鏡を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の光学内視鏡によって実現される。好適な実施形態は、従属請求項において特定されている。

本発明によれば、光導波路ブロックが、光ファイバーエレメントの遠位端部に配置されており、光導波路ブロックは、リジッド材料を含み、２つ以上の光導波路がリジッド材料の中に形成されている。２つ以上の光導波路がリジッド材料の中に形成されているので、本発明は、可撓性の導波路を使用する公知の解決策と比較して、長期間の安定性およびより高い機械的な信頼性を可能にする。

上述のように、光学内視鏡の使用は、特に限定されない。内視鏡は、医療目的のための内視鏡であっても、または非医療目的のための内視鏡であってもよい。近位端部において、イメージングオプティクスおよび／またはイメージセンサーおよび／またはアイピースが提供され得る。イメージングオプティクスは、伝送されたイメージをデジタルイメージセンサーまたはアイピースの上に拡大するためのエレメントを含むことが可能である。

光ファイバーエレメントは、可撓性とすることが可能である。しかし、光ファイバーエレメントは、リジッドとすることも可能である。

光ファイバーエレメントは、特に共通の可撓性のジャケットの中に、特に１つまたは複数の光ファイバーを含むことが可能である。共通の可撓性のジャケットは、プラスチック材料、特にエラストマーから作製され得る。

光導波路ブロックは、塊状のまたは中実のエレメントとすることが可能である（中空でない）。換言すれば、光導波路ブロックは、光導波路がその内部に提供される空洞を含まなくてもよい。その代わりに、２つ以上の光導波路が、光導波路ブロックのリジッド材料の中に別個に埋め込まれ得る。

光導波路ブロックは、光ファイバーエレメントの遠位端部にリジッドに連結され得る。したがって、光導波路ブロックは、光ファイバーエレメントの遠位端部に対して固定され得るかまたは動くことができない。光導波路ブロックは、機械的な固定、接着剤（化学的な）固定、および／または溶融（熱的）固定のいずれかを介して、光ファイバーエレメントの遠位端部に連結されるかまたは貼り付けられ得る。

光導波路ブロックは、光ファイバーエレメントの遠位端部に連結され、光が、２つ以上の光導波路および光ファイバーエレメントを介して内視鏡の近位端部に伝送され得るようになっている。たとえば、突き合わせ連結が現実化され得る。

光導波路ブロックの中の光導波路の数は、特に限定されない。実際の数は、意図した用途に依存する。多くの用途に関して、４つ以上の光導波路が使用され得る。

２つ以上の光導波路は、特に所望の用途に応じて、光導波路ブロックの中に任意に配置され得る。光導波路は、特に３次元（３－Ｄ）の交差しない様式で配置され得る。また、光導波路は、２次元（２－Ｄ）で延在することが可能である。光導波路のうちの１つまたは複数は、湾曲していてもよい。光導波路のうちの１つまたは複数は、真っ直ぐまたは湾曲していなくてもよい。すべての導波路の両方の端部が共通の平面の中に配置されている場合には、光導波路は、２－Ｄ分布で、そうでなければ、３－Ｄ分布で配置されていると考えられる。

２つ以上の光導波路は、シングルモード導波路またはマルチモード導波路とすることが可能である。導波路の断面および／または屈折率コントラストを増加させることによって、シングルモード導波路からマルチモード導波路へ変化させることが可能である。屈折率コントラストは、導波路とその周囲の媒体（クラッディング）との間の屈折率の差に対応している。

２つ以上の光導波路は、光導波路ブロックのリジッド材料と一体に形成され得る。換言すれば、２つ以上の光導波路は、リジッド材料自身によって形成され得る。このように、別個のエレメントが光学的な導波路ブロックの中へ導入される必要がなく、それは、高い機械的な信頼性を備えた簡単化された構造体を生み出す。

２つ以上の光導波路は、特に周囲のパーツよりも高い屈折率を有するリジッド材料のパーツによって形成され得る。したがって、光導波路は、リジッド材料の中のプラスの屈折率変化によって形成され得る。リジッド材料の周囲のパーツは、光導波路のクラッディングを形成することが可能である。

２つ以上の光導波路は、特に光導波路ブロックの体積を通した超高速レーザー刻印（inscription）によって取得され得る。超高速レーザー刻印は、好ましくは、１ｐｓよりも低い持続期間のレーザーパルスによって実施される。

フィルターまたは他の光学エレメントは、特に超高速レーザー刻印によって取得される光導波路ブロックの中に形成され得る。たとえば、１つまたは複数のＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）フィルターが、光導波路ブロックの中に、特に光導波路のうちの１つまたは複数の中に形成され得る。

リジッド材料は、光学内視鏡の動作波長において光学的に透明である。また、それは、超高速レーザー刻印のために使用されるレーザーに関して、光学的に透明であり得る。光学内視鏡の動作波長は、２μｍ未満とすることが可能であり、特に１．６μｍ未満とすることが可能であり、たとえば、１．３μｍから１．５５μｍの間とすることが可能である。

光導波路ブロックは、リジッド材料から構成され得る。リジッド材料は、特にガラス、ポリマー、および／もしくは半導体を含むことが可能であるか、または、それらから構成され得る。材料の例は、ケイ酸塩および／または多成分ガラス、ペルフルオロ化ポリマー、シリコン、ならびに窒化ケイ素である。

２つ以上の光導波路のそれぞれは、光ファイバーエレメントに面しており、光導波路ブロックの第１の表面の中に配置されている１つの端部、すなわち、いわゆるカップリング端部と、光ファイバーエレメントから離れる方に面しており、光導波路ブロックの第２の表面の中に配置されている１つの端部、すなわち、いわゆる物体端部とを含むことが可能である。物体端部は、特に内視鏡が使用中であるときに、物体に面することが可能である。２つ以上の光導波路は、特にカップリング端部および物体端部を接続するチューブまたはチャネルを形成することが可能である。したがって、幾何学的に、２つ以上の光導波路は、光ファイバーに似ている。クラッディングが、上述のように、光導波路を取り囲むリジッド材料によって提供され得る。

光ファイバーエレメントは、マルチコア光ファイバーを含むことが可能であり、２つ以上の光導波路は、光ファイバーエレメントに連結されており、カップリング端部において、２つ以上の光導波路がマルチコア光ファイバーのコアと一致するようになっている。換言すれば、マルチコアファイバーのコアと光導波路ブロックの中の光導波路との突き合わせカップリングが現実化され得る。導波路ブロックは、光ファイバーエレメントにインデックスマッチされ得る（index matched）。このように、光学的な損失を低減させることが可能である。

マルチコア光ファイバーの個々のコアは、動作波長においてシングルモードコアとすることが可能である。シングルモード導波路は、光コヒーレンス断層撮影などのようなコヒーレントイメージング技法と相性が良い。

追加的にまたは代替的に、光ファイバーエレメントは、マルチモード光ファイバーを含むことが可能であり、２つ以上の光導波路は、光導波路ブロックのリジッド材料の中に形成されたフォトニックランタンセクション（photonic lantern section）を介して、マルチモード光ファイバーに連結されている。このように、先行技術の中で使用されるようなマルチプレクシングセクションを省略することが可能である。

フォトニックランタンは、マルチモード導波路をより少ないモード（特にシングルモード）を有する複数の導波路に接続する光学エレメントに対応している。

光導波路ブロックの幾何学形状は、特に限定されない。また、リジッド材料の中の光導波路の幾何学形状は、特に限定されない。両方とも、所望の用途に依存することが可能である。

光導波路ブロックは、回転対称とすることが可能であり、たとえば、円筒形状、または、円錐台の形態とすることが可能である。また、光導波路ブロックは、互いに接合される２つ以上の回転対称のエレメントの形態、たとえば、円柱および半球を有することが可能である。

光導波路ブロックは、１つもしくは複数の平面的なチップを含むことが可能であり、または、１つもしくは複数の平面的なチップから構成され得る。それぞれの平面的なチップは、光導波路のうちの１つまたは複数を含むことが可能である。導波路は、湾曲していてもよい。また、それぞれの平面的なチップは、特に超高速レーザー刻印によって、その内部に形成されたマルチプレクサーおよび／またはスプリッターを含むことが可能である。本明細書で使用されているように、「平面的なチップ」は、１つの方向（厚さ）へのその延在が他の２つの方向（長さ、幅）への延在よりも著しく小さい（少なくとも３倍小さい）幾何学的な形態を表している。その最も簡単な形態において、平面的なチップは、長方形プレートとすることが可能である。２つ以上の平面的なチップが、互いに接続されてもよく、それによって、光導波路ブロックのためにより複雑な幾何学形状を形成する。たとえば、２つの平面的なチップは、互いに直交して配置されてもよく、特に平面的なチップのそれぞれが２つの平面的なチップの他方によって半分に分割されるようになっている。

カップリング端部は、光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して直角の研磨された平坦な表面とすることが可能である。

物体端部は、光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して直角な、または、光ファイバーエレメントの長手方向軸線に関して傾けられた、平坦な表面とすることが可能である。傾けられた表面を使用することによって、後方反射が最小化されるかまたは除去され得る。

２つ以上の光導波路は、特にカップリング端部から物体端部へ広がることが可能であり、物体端部におけるコア間間隔が、カップリング端部におけるコア間間隔よりも大きくなっている。このケースでは、立体角を変化させることなく、内視鏡の視界を拡張することが可能である。

物体端部は、平坦に研磨され得る。

物体端部は、湾曲していてもよい。特に物体端部は、半球形とすることが可能である。このように、カップリング端部に存在している導波路端部の平坦な２－Ｄ分布を、３－Ｄ半球にマッピングすることが可能である。このように、立体角を拡張することが可能であり、結果的に、視界を拡張することも可能である。

物体端部は、連続的にまたは不連続的に湾曲していてもよい。また、物体端部は、複数の研磨された平坦なファセットから構成されてもよく、それらは、湾曲した表面、特に半球形の表面を形成するために一緒に接合される。

物体端部における２つ以上の光導波路の端部の空間的な分布への、カップリング端部における２つ以上の光導波路の端部の空間的な分布のマッピングは、光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して平行に延在する平面に関して鏡像対称とすることが可能である。換言すれば、光導波路ブロックの中の光導波路は、カップリング端部から物体端部へ延在するときに、長手方向軸線に対して平行に延在する平面に交差することが可能である。このように、光導波路に関してより大きい曲率半径が現実化され、湾曲損失を低減させることが可能である。平面の２つの側から延在する光導波路が、異なる位置において平面に交差し、それによって、導波路に交差することを回避することが可能である。また、導波路間カップリングは、このように受け入れ可能に低く維持され得る。

長手方向軸線に対して平行に延在する平面は、光ファイバーエレメントの対称軸線を含むことが可能であり、したがって、光ファイバーエレメントの対称平面に対応することが可能である。また、平面は、光ファイバーエレメントに連結されている光導波路ブロックの対称平面を形成することが可能である。また、光導波路ブロックが回転対称である場合には、平面は、光導波路ブロックの回転対称軸線を含むことが可能である。上述のように、平面は、また、光導波路ブロックの中の光導波路の分布に関する対称平面を形成することが可能である。対称平面の代わりに、光ファイバーエレメントのまたは光導波路ブロックの対称軸線が、いくつかの実施形態に関して、基準として使用され得る。

追加的なオプティクス、特に１つもしくは複数のＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）レンズおよび／または１つもしくは複数のマイクロレンズが、光導波路ブロックと連結され得る。追加的な光学エレメントは、たとえば、光を集束させるために使用され得る。

別個のマイクロレンズは、たとえば、光導波路ブロックの物体端部において、光導波路のそれぞれの端部に連結され得る。

１つまたは複数のマイクロレンズは、溶融シリカ、シリコン、または、内視鏡の動作波長において透明な任意の他の材料から作製され得る。１つまたは複数のマイクロレンズは、特に平凸形レンズであることが可能である。

光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して所定の距離よりも小さい半径方向の距離を伴うカップリング端部における端部を有する導波路が、物体端部の横方向のパーツに向けて湾曲しており、一方、その所定の距離よりも大きい光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対する半径方向の距離を伴うカップリング端部における端部を有する導波路が、物体端部の前方に面するパーツまで継続するように、光導波路ブロックの中の光導波路は配置され得る。繰り返しになるが、この構成は、湾曲損失を低減させることを可能にする。その理由は、光導波路ブロックの側部表面の近くの導波路に関する小さい曲率半径が省略されるからである。その所定の距離は、カップリング端部における光導波路ブロックの半径方向の延在の４分の１よりも大きく４分の３よりも小さくなっていることが可能であり、特にカップリング端部における光導波路ブロックの半径方向の延在の半分とすることが可能である。

光ファイバーエレメントの長手方向軸線は、このケースでは、光導波路ブロックの中へ延在し、光導波路ブロックのための基準軸線を形成すると考えられる。光導波路ブロックの長手方向軸線は、必ずしも、光ファイバーエレメントの長手方向軸線と一致しているわけではない。光導波路ブロックが回転対称である場合には、回転対称軸線は、光ファイバーエレメントの長手方向軸線と一致していることが可能である。換言すれば、光導波路ブロックの回転対称軸線は、光ファイバーエレメントの長手方向軸線と一列に並ぶことが可能である。このケースでは、光導波路ブロックの回転対称軸線は、同様に、基準軸線として使用され得る。

本明細書で使用されているように、物体端部の「横方向のパーツ」は、４５°以上および１３５°以下の角度で光導波路ブロックの基準軸線（たとえば、光ファイバーエレメントの長手方向軸線の延在に対応している）に対して傾けられた方向に面する光導波路ブロックの表面エリアを表している。それに対応して、物体端部の「前方に面するパーツ」は、４５°未満の角度で光導波路ブロックの基準軸線に対して傾けられた方向に面する光導波路ブロックの表面エリアを表しており、物体端部の「後方に面するパーツ」は、１３５°超の角度で光導波路ブロックの基準軸線に対して傾けられた方向に面する光導波路ブロックの表面エリアを表している。これらの考慮事項に関して、基準軸線は、光ファイバーエレメントの遠位端部から離れる方に面する方向を有すると考えられる。したがって、物体端部の「前方に面するパーツ」は、光ファイバーエレメントの遠位端部から離れる方に面している。それぞれの角度は、それぞれの表面エリアの面法線と基準軸線との間で測定され得る。面法線は、光導波路ブロックから離れる方に面する方向を有すると考えられ得る。

光導波路ブロックは、導電性層によって少なくとも部分的にカバーされ得る。導電性層は、光学内視鏡の近位端部へ延在するさらなる導電体に電気的に連結され得る。この導電体および光導波路ブロックの導電性層を介して、焼灼目的のために、電流を遠位端部に伝送することが可能である。

光導波路ブロックをカバーしている導電性層は、光学内視鏡の動作波長において、とりわけ透明または半透明とすることが可能である。その目的のために、導電性層は、透明な材料もしくは半透明な材料から形成されことができ、および／または、導電性層は、光学内視鏡の動作波長における所定の割合の光が散乱させられることなく層を通過することを可能にする厚さを有することが可能である。その所定の割合は、５０％以上であることが可能である。

導電性層のための可能な材料は、ワイドバンドギャップ半導体材料、たとえば、酸化インジウムスズ、もしくは、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛など、極薄金属、銀ナノワイヤー、および／または金属グリッドを含む。たとえば、極薄金属および金属グリッドは、低い電気抵抗（高いコンダクタンス）を依然として維持しながら、１μｍを超える波長のための高い光学的な伝送を実現するために組み合わせられ得る。医療用途に関して、材料または導電性層の少なくとも外側表面は、人間の組織と相性が良い必要がある。そのような用途に関して、金が、導電性層またはその外側表面のための材料として使用され得る。外側表面は、光学内視鏡が使用中であるときに人間の組織と接触する可能性がある導電性層の表面を表している。

代替的にまたは追加的に、導電性層は、光が２つ以上の光導波路に進入するための開口部を含むことが可能である。換言すれば、開口部は、２つ以上の光導波路のための光学的なポートを形成することが可能である。

光導波路ブロックをカバーしている導電性の材料が、光学内視鏡の動作波長において透明または半透明である場合には、光が２つ以上の光導波路に進入するための開口部は、必ずしも提供されるわけではない。換言すれば、そのような開口部またはポートは、このケースでは形成されなくてもよい。したがって、製造することが簡単化され得る。

本発明は、光学内視鏡のための光導波路ブロックであって、光導波路ブロックは、リジッド材料を含み、２つ以上の光導波路が、リジッド材料の中に形成されている、光導波路ブロックをさらに提供する。光導波路ブロックは、上記に説明されている特徴のうちの任意の１つまたは複数を含むことが可能である。

本発明は、光学内視鏡を製造するための方法であって、
近位端部および遠位端部を備えた光ファイバーエレメントを提供するステップと、
リジッド材料を含む光導波路ブロックを提供するステップと、
リジッド材料の中に２つ以上の光導波路を形成するステップと、
光導波路ブロックを光ファイバーエレメントの遠位端部に接続するステップと
を含む、方法をさらに提供する。

２つ以上の光導波路は、特に超高速レーザー刻印によって形成され得る。

光学内視鏡、特に光導波路ブロックは、上記に説明されている特徴のうちの任意の１つまたは複数を含むことが可能である。

ここで、有利な実施形態が、同封された図と組み合わせて説明されるであろう。

本発明による光学内視鏡の基本的なセットアップを図示する概略図である。 本発明の第１の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 本発明の第２の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 本発明による光学内視鏡のための例示的な光導波路ブロックを示す図である。 本発明による光学内視鏡のための別の例示的な光導波路ブロックを示す図である。 本発明の第３の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 本発明による光学内視鏡のための別の例示的な光導波路ブロックを示す図である。 本発明の第４の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 図９ａおよび図９ｂは、本発明による光学内視鏡の文脈において使用可能なフォトニックランタンを図示する図である。 本発明の第５の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 本発明の第６の実施形態による光学内視鏡のパーツを示す図である。 本発明による光学内視鏡のための別の例示的な光導波路ブロックを示す図である。 本発明による光学内視鏡のための別の例示的な光導波路ブロックを示す図である。

図１は、本発明による光学内視鏡の基本的なセットアップを概略的な方式で図示している。光学内視鏡１は、光ファイバーエレメント２を含み、典型的に、可撓性のシース材料の中に配置されている１つまたは複数の光ファイバーを含む。光ファイバーエレメント２は、近位端部３および遠位端部４を有している。近位端部３には、イメージングオプティクスエレメント５が配置されている。イメージングオプティクスエレメント５は、光ファイバーエレメント２を介してたとえばデジタルイメージセンサーの上に伝送される光をイメージングするためのオプティクスを含むことが可能である。また、イメージングオプティクスエレメント５は、デジタルイメージセンサーから取得されるイメージを表示するために、ＬＣＤディスプレイを含むことが可能である。光ファイバーエレメント２の近位端部３に提供されるエレメントは、それ自体が公知の標準的なエレメントである。

光ファイバーエレメント２の遠位端部４には、光導波路ブロック６が配置されている。下記にさらに詳述されているように、光導波路ブロック６は、リジッド材料を含み、２つ以上の光導波路が、リジッド材料の中に形成されている。この光導波路ブロック６は、本明細書で下記に説明されている特定の実施形態からも明らかになるように、改善された光学内視鏡１を提供することを可能にする。

光ファイバーエレメント２は、長手方向に沿って延在しており、長手方向は、光学内視鏡１の長手方向軸線を定義している。光ファイバーエレメント２は、通常、可撓性であるので、長手方向／長手方向軸線は、通常は、湾曲している。光ファイバーエレメント２は、通常、円筒の対称軸線を画定する中心軸線を有する円筒形状である。光ファイバーエレメント２の長手方向軸線は、その近位端部および遠位端部を越えて延在するものとして考えることができ、特に近位／遠位端部表面に対して直角の直線として考えられ得る。したがって、光ファイバーエレメント２の長手方向軸線は、本明細書では基準軸線として使用されており、「横方向の」または「半径方向の」などのような指示は、特に光導波路ブロック６に対して、基準軸線に関して理解されるべきである。

図２は、本発明の第１の実施形態を図示している。光ファイバーエレメント２は、共通の可撓性のポリマージャケット１１の中にコーティングされた複数のコア１０を備えたマルチコアファイバーを含む。多くの異なるタイプのマルチコアファイバーが公知である。本発明は、マルチコアファイバーに関する任意の特定の実施形態にも、または、光ファイバーエレメント２の中のファイバーの任意の特定の配置にも、特には限定されない。

光導波路ブロック６は、この特定の実施形態では、直方体の形態を有しており、ガラスから作製されている。また、光導波路ブロック６は、円筒形状であることが可能であり、または、任意の他の所望の形状を有することが可能である。円筒形状の光導波路ブロック６は、図２の断面図において、直方体のものと同じ外見を有する。本発明は、光導波路ブロック６のためのリジッド材料として、ガラスに限定されない。また、光導波路ブロック６は、リジッドポリマーまたはリジッド半導体から形成することができ、それらは、光学内視鏡の動作波長において、とりわけ光学的に透明である。

光導波路ブロック６は、光導波路ブロック６のカップリング端部８から物体端部９へつながっている複数の３－Ｄ超高速レーザー刻印された光導波路７を含む。カップリング端部８は、光ファイバーエレメント２に面しており、一方、物体端部９は、光学内視鏡が使用中であるときに物体に面しており、たとえば、人間の身体の臓器の内部に面している。

超高速レーザー刻印は、それ自体では公知であり、以下の通りに機能する：多光子吸収メカニズムを通して恒久的なプラスの屈折率変化を誘発させるために、高強度の集光フェムト秒レーザービームがリジッド材料に適用される。リジッド材料のブロックを通してレーザー焦点を３－Ｄ並進させることによって、焦点によってなぞって描き出された経路は、したがって、結果として生じるより高いその屈折率に起因して、光ガイディングコアになり、効果的なクラッディングが、リジッド材料ブロックの修正されていない残りの部分によって提供された状態になっている。複数のスキャニングランを行うことは、リジッド材料の単一のブロックの中に任意の３－Ｄ形状を有する任意の数の導波路を書き込むことを可能にする。焦点を合わせられたレーザーの形状が導波路コアの理想的な形状ではないという事実を説明するために、さまざまなアプローチが可能であり、たとえば、互いからわずかなオフセットを伴う複数のスキャニングランを使用すること、および、加熱による超高速レーザー刻印の後のリジッド材料ブロックを焼鈍することが可能である。

フェムト秒レーザーによってガラスの中に導波路を書き込むことのさらなる詳細は、K.M. Davis, K. Miura, N. Sugimoto, and K. Hirao, “Writing waveguides in glass with a femtosecond laser”, Optics Letters, vol. 21, no. 21, p. 1729, 1996に見出され得る。

図２の光導波路ブロック６において、物体端部９は、光ファイバーエレメント２の長手方向軸線に対して直角の研磨された平坦な表面である。光導波路ブロック６と光ファイバーエレメント２との間の連結を考慮して、光ファイバーエレメント２の長手方向軸線は、光導波路ブロック６の中へ延在するものとして考えられ、物体端部９がそれに対して直角の状態になっている。また、後方反射を除去するかまたは最小化するために、長手方向軸線に対してわずかな角度で物体端部９を配置させることが可能である。その角度は、ブロックおよび周囲の媒体の屈折率に依存する。典型的に、それは、数度から１０度の間で変化する。したがって、角度は、１°よりも大きく、１０°よりも小さくなっていることが可能である。

一般的に、カップリング端部８は、光導波路ブロック６の表面によって画定されており、そこでは、光導波路７の端部が、光ファイバーエレメント２に面して配置されており、一方、物体端部９は、光導波路ブロック６の表面エリアとして画定されており、そこでは、光導波路７の端部が、光学内視鏡が使用中であるときに、物体に面して配置されており、または、換言すれば、光ファイバーエレメント２から離れる方に面して配置されている。

図２の実施形態において、光導波路ブロック６の中の光導波路７は、カップリング端部８から物体端部９に向けて広がっており、単により大きいコア間間隔を伴って、カップリング端部８における導波路端部の分布を効果的に複製している。したがって、視界が増加させられる。視界は、空間的な分解能を犠牲にして増加させられる。しかし、受光角は、正規のマルチコアファイバー内視鏡におけるものと同じままである。

光ファイバーエレメント２のマルチコアファイバーのすべてのコア１０は、この例では、カップリング端部８における光導波路７の端部に突き合わせ連結している（図には図示されていない）。このように、物体端部９から光学内視鏡の近位端部への光の伝送が可能である。

随意的に、ＧＲＩＮロッドレンズもしくはマイクロレンズまたは複数のそのようなレンズなどのような、少なくとも１つの追加的な光学エレメント１２が、物体端部９において取り付けられ得る。シングルモード導波路だけを使用する場合には、この実施形態は、また、光コヒーレンス断層撮影などのようなコヒーレントイメージング技法と相性が良い。

光導波路７の物体端部パターンは、特に限定されない。また、その分布は、単一次元であることが可能であり、すなわち、導波路の線形アレイであることが可能であり、または、そうでなければ、カップリング端部８における導波路７の端部の分布とは異なっている。同様に、カップリング端部パターンは、１次元または２次元であることが可能である。

光導波路ブロック６の完全に堅固な構築は、長期間の安定性を保証し、また、光信号に劣化がないことを保証する。

図３は、本発明の別の実施形態を図示している。図２の実施形態とは対照的に、光導波路ブロック６は、半球形の物体端部９を有している。したがって、光導波路ブロック６の中の光導波路７は、カップリング端部８の平坦な２－Ｄ分布を３－Ｄ半球にマッピングし、それによって、立体角を増加させる。換言すれば、光導波路７は、また、基準軸線としての光ファイバーエレメント２の長手方向軸線に関して、光導波路ブロック６の側部表面につながっている。このように、立体角は、２πまで増加させられ得る。最大立体角は、光導波路７が後方へ曲がるケースでは、さらに大きくなることが可能である。しかし、これは、光学的な損失を導入する可能性がある。その理由は、導波路半径が減少するにつれて、導波路損失が増加するからである。

図４および図５は、図３に図示されている光導波路ブロック６に対する可能な代替例を図示している。図４および図５では、理論的な平面１３が図示されており、理論的な平面１３は、光ファイバーエレメント２の長手方向軸線に対して平行に延在しており、光ファイバーエレメント２の対称軸線を含んでいる。いくつかの実施形態では、平面１３の代わりに、光導波路ブロック６の対称の回転軸線が、基準として使用され得る。導波路７は、カップリング端部８における平面または軸線１３の一方の横方向の側から、物体端部９の上の平面または軸線１３の他方の横方向の側へつながっている。このように、湾曲損失を受け入れ可能に低く維持するのに十分に大きい曲率半径を維持することが可能である。光導波路７は、クロストークを最小化するような様式で、互いから角度および距離を伴って設計され得る（図５を参照）。両方の代替例（図４および図５）において、光導波路７は、３次元では交差しているのではなく、投影においてのみ交差している。

図５は、複数の平坦なファセット１４の物体端部９を構成することの代替的例をさらに示しており、それらは、半球形の物体端部９をカバーするために、プリズムのような様式で一緒に接合している。半球形の物体端部９のこの不連続的な設計は、光導波路ブロック６の内側の光導波路パターンから独立して使用され得る。

図６は、本発明のさらなる実施形態を図示しており、それは、図３を参照して説明されている実施形態に基本的に対応している。しかし、このケースでは、マイクロレンズ１５が、光導波路ブロック６の物体端部９において、光導波路端部に貼り付けられている。この例では、特に溶融シリカまたはシリコンから作製された顕微鏡の平凸形レンズ１５が使用されている。この実施形態では、半球形の物体スペースが、光ファイバーエレメント２を通して近位端部に向けてイメージングおよび伝送される。すべての導波路がシングルモードであるケースでは、光干渉断層撮影を、上述のように使用することができ、ピクセルの数が光導波路ブロック６の導波路の数に等しい状態になっている。

図７は、代替的な光導波路ブロック６を図示しており、それは、湾曲損失を低減させるために使用され得る。この例では、平面または軸線１３により近い光導波路７ａは、物体端部の横方向の表面エリアにマッピングされており、一方、光導波路ブロック６の縁部により近い光導波路７ｂは、物体端部の前方に面する表面エリアにマッピングしている。側部に面する表面エリアは、円筒形状の表面であることが可能であるか、または、異なる焦点距離を有するマイクロレンズの使用を通して、半球形の表面により密接にマッチするように修正され得るかのいずれかである。同様に、前方に面する表面エリアは、図２に図示されているように平坦とするか、または、たとえば、図３に図示されているように湾曲させることが可能である。

随意的なマイクロレンズまたはＧＲＩＮオプティクスが、図７の中の追加的な光学エレメント１５として図示されている。

図８は、本発明の別の実施形態を図示しており、それは、光ファイバーエレメント２のためのマルチコアファイバーの代わりに、マルチモードファイバー１６を使用している。また、本明細書で議論されているすべての以前の実施形態は、マルチモードファイバーとともに使用され得る。しかし、コヒーレントイメージング技法、たとえば、光干渉断層撮影などは、マルチモードファイバーとともに実装されることができない。光導波路ブロック６の中の２つ以上の光導波路をマルチモードファイバー１６に連結するために、フォトニックランタンセクション１７が設けられており、それは、また、超高速レーザー刻印によって取得される。

図９ａおよび図９ｂは、いわゆる「フォトニックランタン」を図示している。フォトニックランタンは、マルチモード導波路をより少ないモード（場合によっては、シングルモードだけ）を有する複数の導波路に接続する光学デバイスである。図９ａは、１つのマルチモード導波路１９を複数のシングルモード導波路１８にマッピングすることの代替例を示している。図９ｂは、マルチモード導波路１９から複数のシングルモード導波路１８へと広がること、および、次いで、単一のマルチモード導波路２０へと再結合することを図示している。この代替例は、とりわけ有用である。その理由は、ＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）フィルターが、シングルモード導波路１８の領域の中に刻印され得るからである。図９ｂに示されている代替例から、フォトニックランタンは、その名をとっている。図９ａおよび図９ｂに示されているフォトニックランタンの両方の実施形態は、本発明の文脈において使用され得る。ＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）フィルターは、光導波路ブロック６の中に、特にフォトニックランタンセクション１７のシングルモード導波路１８の中に刻印され得る。

再び図８を参照すると、マルチモードファイバー１６のモードは、フォトニックランタンセクション１７の中の個々の導波路に最初に連結し、次いで、特定の実施形態の必要性にしたがって広がっている。このケースでは、物体端部８は、図６に示されている例と一貫させられている。

マルチモードファイバーを有する内視鏡は使用の間の曲げに敏感なので、当技術分野においてそれ自体が公知であるように、効果的な動作に関する伝達関数を取得することが必要である。

図１０は、本発明による光学内視鏡の別の実施形態を示している。光ファイバーエレメント２に関して、シングルモードまたはマルチモードファイバー２１が使用され得る。繰り返しになるが、フォトニックランタンセクション１７が、光導波路ブロック６の中へ書き込まれている。光学的ランタンセクション１７は、分岐した様式で実装されており、すなわち、複数のファンアウトステップにわたって起こる、マルチモード導波路からより少ないモードの導波路への広がりを伴って実装され得る。

マルチモードファイバーが光ファイバーエレメント２のために使用される場合には、すべてのスプリッティングレベルにおいて、より大きい入力導波路からのモードの数は、その分岐の間で分割されている。機能的には、この代替例は、図８を参照して説明されている実施形態と同一であり、唯一の違いは、フォトニックランタンセクション１７が一度に広がっていないことである。

光ファイバーエレメント２のために使用されているシングルモードファイバーの代替例によれば、それぞれの分岐は、ファンアウトデバイスというよりもむしろ、スプリッターとして機能する。このように、物体端部９に向けて伝播するシングルモード入力光がスプリットし、一貫して視界全体に到達することが可能である。したがって、フォトニックランタンセクション１７は、マルチプレクシングエレメントとして機能する。

本発明の別の実施形態が、図１１を参照して図示されている。ときには、光学内視鏡は、内部組織のラジオ波焼灼治療のために使用されることが意図されている。図１１の実施形態は、そのような目的に適切である。特に金属などのような導電性材料の導電性チューブ２２が、随意的な絶縁シース２３とともに光ファイバーエレメント２の周りに設けられている。光導波路ブロック６は、導電性層２４の中に埋め込まれており、導電性層２４は、光導波路ブロック６の光導波路への光学的なアクセスのための適正な開口部２５を有している。電流が、光ファイバーエレメント２を取り囲む導電性チューブ２２によって、遠位端部に伝送され得る。随意的に、導電性チューブおよび絶縁チューブのいくつかの層が、光ファイバーエレメント２を取り囲むことが可能であり、モニタリング目的のためのリング電極を可能にする。導電性チューブ２２は、光導波路ブロック６の導電性層２４と電気的に接触しており、その結果、電流が光導波路ブロック６の導電性層２４に伝送され得る。このように、焼灼治療が実施され得る。このラジオ波焼灼治療機能性は、以前の実施形態のうちのいずれか１つとともに使用され得る。マルチモードファイバーが光ファイバーエレメント２のために使用されるべきである場合には、図８または図１０に図示されているようなフォトニックランタンセクションが、光導波路ブロックの中に刻印され得る。

代替的な実施形態では、導電性層２４は、光学内視鏡の動作波長において、半透明または透明とすることが可能である。このケースでは、開口部２５は省略され得る。導電性層２４は、特に透明な材料もしくは半透明な材料から形成され、および／または、光学内視鏡の動作波長における光が層を少なくとも部分的に通過することを許容するのに十分に薄く作成され得る。

図１２および図１３は、光導波路ブロック６に関するさらなる代替例を図示している。その理由は、それが本発明による光学内視鏡のために使用され得るからである。

図１２では、光導波路ブロック６は、平面的なチップ２６として形成されており、その内部に形成された５つの例示的な光導波路７の２－Ｄ分布を有している。中央の光導波路は、カップリング端部から物体端部へ、真っ直ぐにまたは湾曲せずに延在しており、一方、他の光導波路は、平面的なチップ２６の側部表面に向けて湾曲している。平面的なチップ２６の厚さは、その長さおよび幅よりも著しく小さい。

図１３では、光導波路ブロック６は、直交して交差している２つの平面的なチップ２６、２７によって形成されており、その内部に形成された光導波路７の２－Ｄ分布をそれぞれ有している。平面的なチップ２６、２７は、平面的なチップ２６、２７のそれぞれがそれぞれの他のチップによって半分に分割されるように配置されている。このように、光導波路７の３－Ｄ分布は、リジッド材料の量を低減させながら実現され得る。平面的なチップ２６、２７のそれぞれは、２つ以上のエレメントを含むことが可能である。たとえば、平面的なチップ２６は、２つの半分体を含むことが可能であり、２つの半分体は、平面的なチップ２７にそれぞれ接続されている。

説明されている実施形態において、光導波路ブロック６のリジッド材料の中に形成された光導波路は、シングルモード導波路またはマルチモード導波路であることが可能である。

以前に議論されている本発明の実施形態および例は、別個に説明されてきたが、上記に説明されている特徴のうちのいくつかまたはすべては、異なる方式でも組み合わせられ得ることが理解されるべきである。たとえば、説明されている光導波路ブロックは、異なる種類の光ファイバーエレメントと組み合わせて使用され得る。

図では、いくつかの特徴は、単に概略的な方式で図示されている。たとえば、光導波路ブロックは、多くの場合、光ファイバーエレメントの遠位端部から間隔を置いて配置されているものとして示されている。これは、単に図示目的のためのものに過ぎない。光導波路ブロックは、実際には、光ファイバーエレメントの遠位端部こと連結されており、それにより、光が、２つ以上の光導波路および光ファイバーエレメントを介して、内視鏡の近位端部に伝送され得る。たとえば、突き合わせ連結が現実化され得る。

議論されている実施形態は、限定として意図されているのではなく、本発明の特徴および利点を図示する例としての役割を果たす。特に光導波路ブロックの中の光導波路のパターンは、所望の用途によって決定される。同様に、ガラスが、実施形態による光導波路ブロックのために使用されているが、光導波路ブロックは、説明されているようなホスティング（hosting）３－Ｄ光導波路の可能性を提供する適当な屈折率の任意の透明なリジッド材料から構成され得る。説明されている実施形態によって、公知の光学内視鏡を上回って視界または立体角を増加させることが可能である。これは、任意のタイプのファイバーとともに使用され得る機械的に信頼性の高い安価な解決策を同時に提供しながら可能である。

１ 光学内視鏡
２ 光ファイバーエレメント
３ 近位端部
４ 遠位端部
５ イメージングオプティクスエレメント
６ 光導波路ブロック
７ 光導波路
７ａ 平面または軸線１３により近い光導波路
７ｂ 光導波路ブロック６の縁部により近い光導波路
８ カップリング端部
９ 物体端部
１０ コア
１１ ポリマージャケット
１２ 追加的な光学エレメント
１３ 平面または軸線
１４ 平坦なファセット
１５ マイクロレンズ、追加的な光学エレメント
１６ マルチモードファイバー
１７ フォトニックランタンセクション
１８ シングルモード導波路
１９ マルチモード導波路
２０ 単一のマルチモード導波路
２１ シングルモードまたはマルチモードファイバー
２２ 導電性チューブ
２３ 絶縁シース
２４ 導電性層
２５ 開口部
２６ 平面的なチップ
２７ 平面的なチップ

Claims (17)

1. 近位端部および遠位端部を備えた光ファイバーエレメントを含む光学内視鏡であって、光導波路ブロックが、前記光ファイバーエレメントの前記遠位端部に配置されており、前記光導波路ブロックは、２つ以上の光導波路が内部に形成されているリジッド材料を含み、
   追加的なオプティクスが、前記光導波路ブロックの物体端部と連結されており、
   前記２つ以上の光導波路は、周囲のパーツよりも高い屈折率を有する前記リジッド材料のパーツによって形成されている、
   光学内視鏡。
2. 前記２つ以上の光導波路は、前記光導波路ブロックの前記リジッド材料と一体に形成されている、請求項１に記載の光学内視鏡。
3. 前記２つ以上の光導波路は、超高速レーザー刻印によって取得される、請求項１または２に記載の光学内視鏡。
4. 前記リジッド材料は、前記光学内視鏡の動作波長において光学的に透明である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
5. 前記リジッド材料は、ガラス、ポリマー、および／または半導体を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
6. 前記２つ以上の光導波路のそれぞれは、前記光ファイバーエレメントに面しており、前記光導波路ブロックの第１の表面の中に配置されている１つの端部、すなわち、カップリング端部と、前記光ファイバーエレメントから離れる方に面しており、前記光導波路ブロックの第２の表面の中に配置されている１つの端部、すなわち、物体端部とを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
7. 前記光ファイバーエレメントは、マルチコア光ファイバーを含み、前記２つ以上の光導波路は、前記光ファイバーエレメントに連結されており、前記カップリング端部において、前記２つ以上の光導波路が前記マルチコア光ファイバーのコアと一列に並ぶようになっている、請求項６に記載の光学内視鏡。
8. 前記マルチコア光ファイバーの前記コアは、動作波長においてシングルモードコアである、請求項７に記載の光学内視鏡。
9. 前記光ファイバーエレメントは、マルチモード光ファイバーを含み、前記２つ以上の光導波路は、前記光導波路ブロックの前記リジッド材料の中に形成されたフォトニックランタンセクションを介して、前記マルチモード光ファイバーに連結されている、請求項６に記載の光学内視鏡。
10. 前記光ファイバーエレメントはファイバーバンドルを含む、請求項６に記載の光学内視鏡。
11. 前記物体端部は、前記光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して直角な、または、前記光ファイバーエレメントの長手方向軸線に関して傾けられた、平坦な表面である、請求項６から１０のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
12. 前記２つ以上の光導波路は、前記カップリング端部から前記物体端部へ広がっており、前記物体端部におけるコア間間隔が、前記カップリング端部におけるコア間間隔よりも大きくなっている、請求項１１に記載の光学内視鏡。
13. 前記物体端部は、湾曲しており、特に半球形になっている、請求項６から１０のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
14. 前記物体端部における前記２つ以上の光導波路の端部の空間的な分布への、前記カップリング端部における前記２つ以上の光導波路の端部の空間的な分布のマッピングは、前記光ファイバーエレメントの長手方向軸線に対して平行に延在する平面に関して鏡像対称になっている、請求項１３に記載の光学内視鏡。
15. 前記光導波路ブロックは、導電性層によって少なくとも部分的にカバーされており、特に前記導電性層は、前記光学内視鏡の動作波長において透明または半透明になっている、請求項１から１４のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
16. 前記光導波路ブロックは、１つもしくは複数の平面的なチップを含み、または、１つもしくは複数の平面的なチップから構成されている、請求項１から１５のいずれか一項に記載の光学内視鏡。
17. 光学内視鏡を製造するための方法であって、
    近位端部および遠位端部を備えた光ファイバーエレメントを提供するステップと、
    リジッド材料を含む光導波路ブロックを提供するステップと、
    前記リジッド材料の中に２つ以上の光導波路を形成するステップと、
    前記光導波路ブロックを前記光ファイバーエレメントの前記遠位端部に接続するステップと、
    追加的なオプティクスを、前記光導波路ブロックの物体端部に連結させるステップと、
    を含み、
    前記２つ以上の光導波路は、周囲のパーツよりも高い屈折率を有する前記リジッド材料のパーツによって形成されている、
    方法。

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