JP5772831B2

JP5772831B2 - プローブ

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Publication number: JP5772831B2
Application number: JP2012548800A
Authority: JP
Inventors: 俊則瀧村
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Priority date: 2010-12-16
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2015-09-02
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Description

本発明は、投光用光ファイバ、受光用光ファイバ及びレンズを備えるプローブに関する。

生体組織の病変状態を観察・検出するために、様々な技術が提案され、実用化されている。特に、体内管腔へ挿入されて、生体組織を撮影して、その像を伝送する内視鏡は、広く普及している。単なる可視光による画像診断だけでなく、超音波、蛍光又は分光を活用する技術が提案されている。特に、蛍光を活用した方法は、即時的な診断を行えるという利点を持つ。

蛍光を用いて診断を行うためには、生体組織の測定部位から蛍光が発するようにその測定部位に励起光を照射し、発生した蛍光の波長や強度を分析する。そのような診断を行うべく、プローブが開発されており、生体組織の変性や癌等の疾患状態（例えば、疾患の種類や浸潤範囲）の診断に用いられている。

この種のプローブには、投光用光ファイバ、受光用光ファイバ及びレンズが内蔵されている。投光用光ファイバの先端から出射した励起光がレンズによって生体組織の測定部位に投射され、生体組織の測定部位から発した蛍光がそのレンズによって受光用光ファイバの先端に投射される。

特許文献１には、二本の光ファイバをフェルールに固定する技術が開示されているが、レンズについては開示されていない。
特許文献２には、カップリング用のレンズを２本の光ファイバの先端面の前に配置し、一方の光ファイバをフェルールの軸に沿って配置し、他方の光ファイバをフェルールの軸から偏心させ、これら二本の光ファイバ及びフェルールの端面を揃えるとともに、それらの端面を光ファイバの光軸に対して傾斜させる技術が開示されている。
特許文献３には、単一のマルチモード光ファイバとＬＥＤの間に複数枚のレンズを配置し、ＬＥＤから発した光を複数枚のレンズによってマルチモード光ファイバの先端に集光させる技術が開示されている。

特開平１０−６２６５３号公報国際公開第２００２／０７１１１５号特開２００８−１９７２４１号公報

ところが、特許文献１〜３の技術では、レンズと光ファイバの最適な位置関係が開示されていなかった。つまり、生体組織の測定部位から発した蛍光がレンズの表面等によって反射して、その反射によるノイズが発生するが、そのようなノイズの減少を考慮したものではなかった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、生体組織の測定部位から発した光が効率よく受光用光ファイバの先端に入射できるようにするとともに、レンズの表面等における反射ノイズの低減を図ることである。

前記の課題を解決するために、
本発明に係るプローブが、
第一光軸を有するとともに、前記第一光軸に対して直交する入射面を先端に有する受光用光ファイバと、
前記第一光軸に対して平行な第二光軸を有するとともに、前記第二光軸に対して直交する出射面を先端に有する投光用光ファイバと、
正の屈折力を有し、前記投光用光ファイバの前記出射面から出射した光を生体組織の測定部位に投射するとともに、生体組織の測定部位から発した光を前記受光用光ファイバの前記入射面に集光させるレンズと、を備え、
前記レンズが、前記入射面及び前記出射面に対する凸面と、前記凸面の反対側に形成された平面と、前記凸面の中心で前記凸面に交差するとともに前記平面の中心で前記平面に直交する第三光軸と、を有し、
前記凸面の前記中心から前記第一光軸までの距離が、前記凸面の前記中心から前記第二光軸までの距離よりも短いことした。

好ましくは、前記第一光軸、前記第二光軸及び前記第三光軸が互いに平行である。

更に好ましくは、前記投光用光ファイバの前記出射面における開口数をＮＡとし、前記レンズの有効径をφとし、前記レンズの前記凸面の中心から前記受光用光ファイバの入射面及び前記投光用光ファイバの前記出射面までの距離をｄとし、前記凸面の中心から前記第二光軸までの距離をＬ2とすると、

を充足する。

好ましくは、前記第三光軸と前記第一光軸が揃っている。

好ましくは、前記第三光軸が前記第一光軸に対して傾斜している。

更に好ましくは、前記第一光軸に対する前記第三光軸の傾斜角をθとし、前記投光用光ファイバの前記出射面における開口数をＮＡとし、前記レンズの有効径をφとし、前記レンズの前記凸面の中心から前記受光用光ファイバの入射面及び前記投光用光ファイバの前記出射面までの距離をｄとし、前記凸面の中心から前記第二光軸までの距離をＬ2とすると、

を充足する。

本発明によれば、生体組織の測定部位から発した光が効率よく受光用光ファイバの入射面に入射する。
また、レンズの表面等における光の反射ノイズを軽減することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるプローブの先端寄り部分の概略断面図である。受光用光ファイバの入射面に入射する光の効率を示したグラフである。本発明の第２の実施の形態におけるプローブの先端寄り部分の概略断面図である。図３Ａに示された受光用光ファイバ、投光用光ファイバ及びレンズ以外の構成要素の図示を省略した断面図である。本発明の第３の実施の形態におけるプローブの先端寄り部分の概略断面図である。図４Ａに示された受光用光ファイバ、投光用光ファイバ及びレンズ以外の構成要素の図示を省略した断面図である。本発明の第４の実施の形態におけるプローブの先端寄り部分の概略断面図である。図５Ａに示された受光用光ファイバ、投光用光ファイバ及びレンズ以外の構成要素の図示を省略した断面図である。図３Ａに示されたプローブにおける入射光の効率、反射ノイズの効率及びＳＮ比を示したグラフである。図４Ａに示されたプローブにおける入射光の効率、反射ノイズの効率及びＳＮ比を示したグラフである。図５Ａに示されたプローブにおける入射光の効率、反射ノイズの効率及びＳＮ比を示したグラフである。

以下に、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

〔第１の実施の形態〕
図１は、プローブ１の先端寄り部分を示した断面図である。
このプローブ１は、投光用光ファイバ２０、受光用光ファイバ１０及びレンズ３０を備える。

このプローブ１の基端部が図示しないベースユニットに接続される。ベースユニットは、励起光の光源、分光器及び解析装置等を有する。投光用光ファイバ２０の基端が光源に接続され、受光用光ファイバ１０の基端が分光器に接続される。光源から発した励起光（例えば、Ｘ線、紫外線、可視光線又は電磁波）は、投光用光ファイバ２０の基端に入射し、投光用光ファイバ２０の内部を投光用光ファイバ２０の先端まで伝播して、その先端から出射する。投光用光ファイバ２０の先端から出射した励起光は、レンズ３０によって生体組織の測定部位に投射される。励起光によって生体組織の測定部位が励起されて、その部位から蛍光が発する。生体組織の測定部位から発した蛍光は、レンズ３０によって受光用光ファイバ１０の先端に集光されてその先端に入射する。受光用光ファイバ１０に入射した蛍光は、受光用光ファイバ１０の内部を受光用光ファイバ１０の基端まで伝播して、分光器に入力される。

受光用光ファイバ１０は、その受光用光ファイバ１０に沿って延びた第一光軸（中心線）１１を有する。投光用光ファイバ２０は、その投光用光ファイバ２０に沿って延びた第二光軸（中心線）２１を有する。受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３及び投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３が図示しないフェルールに固定されることにより、受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３における第一光軸１１と投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３における第二光軸２１が互いに平行に配置されている。また、受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３及び投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３の撓みが、フェルールによって抑えられている。

受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３と投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３は、隣接するように配置されている。受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３と投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３が接触してもよいし、僅かに離れていてもよい。

受光用光ファイバ１０は、その受光用光ファイバ１０の先端に形成された入射面１２を有する。受光用光ファイバ１０の第一光軸１１は、入射面１２の中心で入射面１２に直交している。

投光用光ファイバ２０は、その投光用光ファイバ２０の先端に形成された出射面２２を有する。投光用光ファイバ２０の第二光軸２１は、出射面２２の中心で出射面２２に直交している。

入射面１２及び出射面２２は、フェルールに覆われずに露出している。入射面１２及び出射面２２が揃っている。なお、入射面１２と出射面２２が前後方向（第一光軸１１及び第二光軸２１の方向）にずれていてもよいが、入射面１２と出射面２２が互いに近接している。

受光用光ファイバ１０のコアの直径と投光用光ファイバ２０のコアの直径が等しくてもよいし、異なっていてもよい。

レンズ３０は、受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２の前方に配置されている。レンズ３０がホルダに固定され、そのホルダがフェルールに取り付けられている。受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３、投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３及びレンズ３０の相対的な位置関係は固定されている。

レンズ３０は第三光軸（中心線）３１を有する。レンズ３０は、対ファイバ面３４を後ろ側（光ファイバ１０，２０側）に有するとともに、対物面３６を前側（物体側）に有する。

レンズ３０は平凸レンズである。つまり、対ファイバ面３４が凸面であり、対物面３６が平面である。対ファイバ面３４は、好ましくは凸球面であり、更に好ましくは凸半球面である。なお、対ファイバ面３４が、凸非球面であってもよい。

第三光軸３１が回転対称軸であり、対ファイバ面３４および対物面３６が第三光軸３１のまわりに回転対称な面である。第三光軸３１は、対ファイバ面３４の中心（ファイバ側節点）３５で対ファイバ面３４に交差する。第三光軸３１は、対物面３６の中心（物体側節点）３７で対物面３６に直交する。

このレンズ３０は、正の屈折力を有する。レンズ３０の焦点３２は、第三光軸３１上であって対ファイバ面３４の後方に設定される。焦点３２を通って第三光軸３１に直交する面が焦点面３３である。レンズ３０の焦点３２は、受光用光ファイバ１０の入射面１２又はその近傍に設定されることが好ましい。また、レンズ３０の焦点３２は、投光用光ファイバ２０の出射面２２又はその近傍に設定されることが好ましい。

レンズ３０は、その対ファイバ面３４が受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２に対するようにして配置されている。対物面３６は、生体組織の測定部位に対する。

また、レンズ３０の第三光軸３１、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１が同一平面上にある。図１の断面は、レンズ３０の第三光軸３１、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１の全てを通る面である。

受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１の両方が、レンズ３０の対ファイバ面３４に交差することが好ましい。なお、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１がレンズ３０の対ファイバ面３４に交差し、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１がレンズ３０の対ファイバ面３４に交差していなくてもよい。

受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１の両方が、レンズ３０の対物面３６に交差することが好ましい。なお、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１がレンズ３０の対物面３６に交差し、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１がレンズ３０の対物面３６に交差していなくてもよい。

投光用光ファイバ２０の第二光軸２１は、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１よりも、対ファイバ面３４の中心３５から遠くに離れている。つまり、対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の第一光軸１１までの距離をＬ1とし、対ファイバ面３４の中心３５から投光用光ファイバ２０の第二光軸２１までの距離をＬ2とした場合、以下の式（１）を充足する。
Ｌ1＜Ｌ2 …（１）

図１に示された基準線３８は、対ファイバ面３４の中心３５を通って、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行な線である。図１では、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１が投光用光ファイバ２０の第二光軸２１と基準線３８の間に配置されている。なお、基準線３８が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１と投光用光ファイバ２０の第二光軸２１の間に配置されてもよいが、その場合でも上述の式（１）を満たしている。

レンズ３０の第三光軸３１は、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜していてもよいし、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行であってもよい。何れの場合でも、上述の式（１）を満たしている。

レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜している場合、第三光軸３１と基準線３８が対ファイバ面３４の中心３５で斜交する。レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行である場合、第三光軸３１と基準線３８が一致している。

レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行である場合、第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致していてもよいし、第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１からずれていてもよい。レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致している場合、距離Ｌ1がゼロである。

上述式（１）を充足しているため、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行である場合（レンズ３０の第三光軸３１と受光用光ファイバ１０の第一光軸１１が一致しているか否かは問わない。）、レンズ３０の焦点３２が投光用光ファイバ２０の出射面２２からずれているとともに、その焦点３２がその出射面２２の近傍に設定されている。
レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行であって、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致していない場合、レンズ３０の焦点３２が受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２からずれているとともに、その焦点３２入射面１２及び出射面２２の近傍に設定されている。
レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致している場合、レンズ３０の焦点３２が受光用光ファイバ１０の入射面１２又はその近傍に設定されている。
レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜している場合、レンズ３０の焦点３２が受光用光ファイバ１０の入射面１２と投光用光ファイバ２０の出射面２２のうちのどちらか一方又はその近傍に設定され、その焦点３２が他方からずれてその近傍に設定されている。

以上のように、レンズ３０の焦点３２の位置が設定されているから、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射した励起光がレンズ３０によってコリメートされる。つまり、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射した励起光が略平行光として生体組織の測定部位に投射される。なお、略平行光である励起光は、レンズ３０の第三光軸３１に対して平行であるとは限らない。

励起光によって生体組織の測定部位から発した蛍光が、レンズ３０によって受光用光ファイバ１０の入射面１２に集光されてその入射面１２に入射する。

なお、受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２とレンズ３０の対ファイバ面３４との間にミラーが配置されていてもよい。この場合、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射した励起光は、ミラーによって反射されて、レンズ３０の対ファイバ面３４に入射する。また、生体組織の測定部位から発してレンズ３０によって投射された蛍光がミラーによって反射されて、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する。受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１がミラーによって屈曲されるが、上述の式（１）の関係は、第一光軸１１及び第二光軸２１のうちミラーよりもレンズ３０寄りの部分に当てはまる。

受光用光ファイバ１０と投光用光ファイバ２０とレンズ３０の相対的な位置関係が上述のように最適に設定されており、特に上述の式（１）を満たすから、次の(1)〜(3)のような効果を奏する。
(1) 生体組織の測定部位から発した蛍光が効率よく受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する。つまり、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する蛍光強度の低下を抑えることができる。
(2) レンズ３０の対ファイバ面３４や対物面３６における光の反射ノイズを軽減することができる。
(3) いわゆるＳＮ比を高くすることができ、レンズ３０の対ファイバ面３４や対物面３６における光の反射ノイズの影響が小さい。

図２は、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する蛍光の強度を示したグラフである。図２では、生体組織の測定部位から発した蛍光の強度を１００％として、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する蛍光の強度の効率（割合）をシミュレーションによって求めたものである。図２に示すように、上述の式（１）を充足する場合は、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する蛍光の強度の効率が高いのに対して、式（１）を充足しない場合は、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する蛍光の強度の効率が低い。

続いて、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致している場合について、具体的に説明する（第２の実施の形態）。また、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行であって、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１からずれている場合についても、具体的に説明する（第３の実施の形態）。また、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜している場合についても、具体的に説明する（第４の実施の形態）。

〔第２の実施の形態〕
図３Ａは、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致している場合、プローブ１の先端寄り部分を示した断面図である。図３Ｂは、受光用光ファイバ１０、投光用光ファイバ２０及びレンズ３０のみを示した図面である。

受光用光ファイバ１０及び投光用光ファイバ２０は、管状のチューブ４０の一端から他端にかけてチューブ４０内に通されている。チューブ４０は、可撓性を有する。

管状のレンズホルダ７０とチューブ４０がフェルールホルダ６０によってジョイントされている。つまり、フェルールホルダ６０の一部がチューブ４０の端の開口に嵌合し、フェルールホルダ６０の他の一部がレンズホルダ７０の端の開口に嵌合している。

フェルールホルダ６０が管状に設けられ、フェルール５０がフェルールホルダ６０内に嵌合している。受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３及び投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３がフェルール５０の一端面５１から他端面５２にかけて貫通し、受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２がフェルール５０の他端側において露出している。

受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３と投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３が接触している。受光用光ファイバ１０の入射面１２と投光用光ファイバ２０の出射面２２が揃っている。更に、フェルール５０の端面も入射面１２及び出射面２２に揃っている。
レンズ３０は、レンズホルダ７０内でレンズホルダ７０に固定されている。
上述の式（１）を満たしており、距離Ｌ1がゼロである。

投光用光ファイバ２０の出射面２２における開口数をＮＡとし、レンズ３０の有効径（直径）をφとし、レンズ３０の対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２までの距離をｄとした場合、次の式（２）を充足する。

式（２）により、距離Ｌ2の上限が設定される。つまり、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１がレンズ３０の第三光軸３１からずれた量（距離Ｌ2）は、レンズ３０の特性と、レンズ３０と光ファイバ１０，２０の位置的な関係と、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する光の広がり方とによって制限される。逆にいえば、距離Ｌ2が定まれば、レンズ３０や投光用光ファイバ２０の特性に制限が含まれることになる。

式（２）を満たすことによって、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する励起光のケラレを防止することができる。つまり、出射面２２から出射する励起光のうち最大出射角ｃ（ｃ＝ｓｉｎ^−１ＮＡ）の方向に出射した光線もレンズ３０に入射する。そのため、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する励起光が効率よく利用される。

〔第３の実施の形態〕
図４Ａは、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行であって、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１からずれている場合、プローブ１の先端寄り部分を示した断面図である。図４Ｂは、受光用光ファイバ１０、投光用光ファイバ２０及びレンズ３０のみを示した図面である。

チューブ４０、フェルール５０、フェルールホルダ６０及びレンズホルダ７０については、第２の実施の形態の場合と同様であるので、これらの説明は省略する。

受光用光ファイバ１０の先端寄り部分１３と投光用光ファイバ２０の先端寄り部分２３がフェルール５０に固定され、その先端より部分１３，２３同士が接触している。受光用光ファイバ１０の入射面１２と投光用光ファイバ２０の出射面２２が揃っている。

上述の式（１）を満たしている。受光用光ファイバ１０の第一光軸１１は、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１とレンズ３０の第三光軸３１の間に配置されている。

上述の式（２）を満たし、距離Ｌ2の上限が設定される。そのため、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する励起光のケラレを防止することができる。

〔第４の実施の形態〕
図５Ａは、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜している場合、プローブ１の先端寄り部分を示した断面図である。図５Ｂは、受光用光ファイバ１０、投光用光ファイバ２０及びレンズ３０のみを示した図面である。

レンズホルダ７０に固定されたレンズ３０の第三光軸３１は、受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に斜交する。更に、レンズ３０の第三光軸３１は、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１にも斜交する。

上述の式（１）を満たしている。受光用光ファイバ１０の第一光軸１１は、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１と基準線３８の間に配置されている。

受光用光ファイバ１０の第一光軸１１を基準としてレンズ３０の第三光軸３１の傾斜角をθとし、投光用光ファイバ２０の出射面２２における開口数をＮＡとし、レンズ３０の有効径（直径）をφとし、レンズ３０の対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２及び投光用光ファイバ２０の出射面２２までの距離をｄとした場合、次の式（３）を充足する。

式（３）によって距離Ｌ2の上限が設定される。式（３）を満たすことによって、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する励起光のケラレを防止することができる。

レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１に一致している場合（図３Ａ参照）についてのシミュレーションをした。

シミュレーションにおける条件は、以下の通りである。
φ＝１．３６ｍｍ
ｆ＝１．１２５ｍｍ
Ｒ＝０．６８ｍｍ
ＮＡ=０．２２
ＮＡ2＝０．２２
Ｄ＝１．７ｍｍ
ｒ1＝０．１ｍｍ
ｒ2＝０．１ｍｍ
Ｌ2＝０．１１ｍｍ

ここで、φはレンズ３０の有効径であり、ｆはレンズ３０の焦点距離であり、Ｒはレンズ３０の半径であり、ＮＡは投光用光ファイバ２０の出射面２２における開口数であり、ＮＡ2は受光用光ファイバ１０の入射面１２における開口数であり、Ｄはレンズ３０からターゲット（蛍光を発するもの）までの距離であり、ｒ1は投光用光ファイバ２０のコアの直径ｒ1であり、ｒ2は受光用光ファイバ１０のコアの直径であり、Ｌ2は対ファイバ面３４の中心３５から投光用光ファイバ２０の第二光軸２１までの距離をＬ2である（後述の実施例２、実施例３も同様）。

対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２までの距離ｄを変化させて、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する散乱光の強度をシミュレーションにより求めた。また、レンズ３０の対ファイバ面３４や対物面３６等における散乱光の反射ノイズの強度をシミュレーションにより求めた。ＳＮ比もシミュレーションにより求めた。なお、蛍光は散乱光のようにランダムな伝播を行うと考えられるので、ここでは測定部位の蛍光の代わりに、測定部位での散乱光をシミュレーションしている。

シミュレーションの結果を図６に示す。図中の凡例「A) signal」は、投光用光ファイバ２０から出射した光の強度を１００％として、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射する散乱光の強度の割合（効率）を表す。図中の凡例「B) Reflection noise」は、投光用光ファイバから出射した光の強度を１００％として、レンズ３０の対ファイバ面３４や対物面３６等で反射して、受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射しなかった散乱光の強度の割合（効率）を表す。図中の凡例「A/B」は、ＳＮ比を表す。

式（２）にＬ2＝０．１１を代入すると、ｄ≦２．５となり、ｄ／ｆ≦２．２となる。
これにより、対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２までの距離ｄの上限が定まる。図６のグラフ中、ｄ／ｆ≦２．２となる範囲では、ターゲットから発した光が効率よく受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射することがわかる（凡例「A) signal」参照）。更に、反射ノイズが低く、ＳＮ比が高いことがわかる（凡例「B) Reflection noise」、凡例「A/B」参照）。

ｄ／ｆ≦２．２の範囲での最大のＳＮ比はｄ／ｆ＝２．２におけるＳＮ比であり、ｄ／ｆ＝０．９におけるＳＮ比はｄ／ｆ＝２．２におけるＳＮ比の十分の一である。０．９＜ｄ／ｆ≦２．２０の範囲が、十分にノイズが小さく、効率が高い最適な範囲である。

本実施例では、レンズ３０からの反射ノイズの領域が大きいため光ファイバ１０，２０とレンズ３０の間の距離ｄを大きくしても、ノイズの量が減りにくく、ＳＮ比が上がりにくい構成になっている。ｄ／ｆの範囲は、焦点距離ｆよりも若干短い距離から、距離Ｌ2により定まる上限までと考えられる。

レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して平行であって、レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１からずれている場合（図４Ａ参照）についてのシミュレーションをした。

シミュレーションにおける条件は、以下の通りである。
φ＝１．３６ｍｍ
ｆ＝１．１２５ｍｍ
Ｒ＝０．６８ｍｍ
ＮＡ=０．２２
ＮＡ2＝０．２２
Ｄ＝１．７ｍｍ
ｒ1＝０．１ｍｍ
ｒ2＝０．１ｍｍ
Ｌ2＝０．１５ｍｍ

シミュレーションの結果を図７に示す。図７の凡例は、図６の場合と同様である。
式（２）にＬ2＝０．１５を代入すると、ｄ≦２．３となり、ｄ／ｆ≦２．０となる。
これにより、対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２までの距離ｄの上限が定まる。図７のグラフ中、ｄ／ｆ≦２．０となる範囲では、ターゲットから発した光が効率よく受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射し、反射ノイズが低く、ＳＮ比が高いことがわかる。

ｄ／ｆ＝０．８におけるＳＮ比は、ｄ／ｆ≦２．０の範囲での最大のＳＮ比（＝１８４）の十分の一である。０．８＜ｄ／ｆ≦２．０の範囲が、十分にノイズが小さく、効率が高い最適な範囲である。

レンズ３０の第三光軸３１が受光用光ファイバ１０の第一光軸１１及び投光用光ファイバ２０の第二光軸２１に対して傾斜している場合（図５Ａ参照）についてのシミュレーションをした。

シミュレーションにおける条件は、以下の通りである。
φ＝１．３６ｍｍ
ｆ＝１．１２５ｍｍ
Ｒ＝０．６８ｍｍ
ＮＡ=０．２２
ＮＡ2＝０．２２
Ｄ＝１．７ｍｍ
ｒ1＝０．１ｍｍ
ｒ2＝０．１ｍｍ
Ｌ2＝０．２５ｍｍ
θ＝５°
なお、θは、第一光軸１１、第二光軸２１及び基準線３８に対するレンズ３０の第三光軸３１の傾斜角である。

シミュレーションの結果を図８に示す。図８の凡例は、図６の場合と同様である。
式（３）にＬ2＝０．２５を代入すると、ｄ≦２．１となり、ｄ／ｆ≦１．９となる。これにより、対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２までの距離ｄの上限が定まる。図８のグラフ中、ｄ／ｆ≦１．９となる範囲では、ターゲットから発した光が効率よく受光用光ファイバ１０の入射面１２に入射し、反射ノイズが低く、ＳＮ比が高いことがわかる。

ｄ／ｆ＝１．０におけるＳＮ比は、ｄ／ｆ≦１．９の範囲での最大のＳＮ比の十分の一である。１．０＜ｄ／ｆ≦１．９の範囲が、十分にノイズが小さく、効率が高い最適な範囲である。

本実施例では、レンズ３０の反射をそらす方向にレンズ３０を傾けることにより、ノイズが減少する。対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の入射面１２までの距離ｄの下限は、焦点距離ｆ近傍であり、距離ｄの上限は、式（３）での上限である。

以上の実施例１〜実施例３のように、光の受光効率、レンズ３０の反射ノイズ、それらの割合をシミュレーションによって求めた。そして、投光用光ファイバ２０の第二光軸２１を基準線３８やレンズ３０の第三光軸３１からずらしたり、レンズ３０を傾けたりすることによって、レンズ３０の反射ノイズを減少することをシミュレーションにより裏付けた。
しかし、対ファイバ面３４の中心３５から受光用光ファイバ１０の第一光軸１１までの距離Ｌ1、対ファイバ面３４の中心３５から投光用光ファイバ２０の第二光軸２１までの距離Ｌ2、レンズ３０の傾斜角θは、レンズ３０の形状、投光用光ファイバ２０の出射面２２から出射する励起光の広がり（開口数ＮＡ）、レンズ３０と光ファイバ１０，２０の間の距離ｄにより制限される。そのことを式（２）、式（３）により示した。
以上のことを考慮して、レンズ３０と光ファイバ１０，２０の間の距離ｄの下限としては、レンズ３０の焦点距離ｆ近傍であり、距離ｄの上限としては、距離Ｌ1、距離Ｌ2及び傾斜角θにより制限される限界値であることを示した。

本発明は、生体組織の測定部位に光を照射するとともに、その測定部位か発した光を受光するプローブに利用することができる。

１プローブ
１０受光用光ファイバ
１１第一光軸
１２入射面
２０投光用光ファイバ
２１第二光軸
２２出射面
３０レンズ
３１第三光軸
３４対ファイバ面（凸面）
３５中心
３６対物面（平面）

Claims

第一光軸を有するとともに、前記第一光軸に対して直交する入射面を先端に有する受光用光ファイバと、
前記第一光軸に対して平行な第二光軸を有するとともに、前記第二光軸に対して直交する出射面を先端に有する投光用光ファイバと、
正の屈折力を有し、前記投光用光ファイバの前記出射面から出射した光を生体組織の測定部位に投射するとともに、生体組織の測定部位から発した光を前記受光用光ファイバの前記入射面に集光させるレンズと、を備え、
前記レンズが、前記入射面及び前記出射面に対する凸面と、前記凸面の反対側に形成された平面と、前記凸面の中心で前記凸面に交差するとともに前記平面の中心で前記平面に直交する第三光軸と、を有し、
前記第一光軸、前記第二光軸及び前記第三光軸が互いに平行であり、
前記凸面の前記中心から前記第一光軸までの距離が、前記凸面の前記中心から前記第二光軸までの距離よりも短い、プローブ。
前記投光用光ファイバの前記出射面における開口数をＮＡとし、前記レンズの有効径をφとし、前記レンズの前記凸面の中心から前記受光用光ファイバの入射面及び前記投光用光ファイバの前記出射面までの距離をｄとし、前記凸面の中心から前記第二光軸までの距離をＬ2とすると、

を充足する、請求項１のプローブ。
前記第三光軸と前記第一光軸が揃っている、請求項１又は２のプローブ。