JP2007192701A - 中空ファイバプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】検出能および空間分解能を著しく向上することができるとともに全体構成を小型化した中空ファイバプローブを提供する。
【解決手段】試料から放射された光を検出する中空ファイバプローブにおいて、円筒状の中空のコアを有する中空ファイバと、上記中空ファイバの一方の端部側に配設された開口数が大きい微小レンズとを有するようにしたものであり、上記コアの内径と上記微小レンズの外径とを略等しい大きさとし、上記微小レンズを上記コア内に嵌入するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、中空ファイバプローブに関し、さらに詳細には、分光分析機器などに用いて好適な中空ファイバプローブに関する。

従来より、分光分析機器に用いる分光用プローブとして、非特許文献１に開示されているように、中空のコアを有する光ファイバたる中空ファイバを用いたプローブである中空ファイバプローブが知られており、こうした中空ファイバプローブを用いることにより、これまでにない広帯域な遠隔分光分析が可能になるものであった。

また、分光用プローブとしては、非特許文献２や非特許文献３に開示されているように、コアが中空でない石英系光ファイバプローブの先端にボールレンズを取り付けた構成を備えたものもあり、こうした構成を備えた分光用プローブによれば、検出能および空間分解能を向上させることができるものであった。

さらに、分光測定を行う手法として、特許文献１に開示されているように、ガラスキャピラリの先端の前方にレンズを配置して、共焦点系を構築して分光測定を行う手法が提案されており、こうした手法によれば高検出能かつ高空間分解能な分光測定を行うことができるものであった。

しかしながら、上記非特許文献１に開示された中空ファイバプローブは、検出能が小さいことからＳ／Ｎ比が小さくなり、空間分解能が低いという問題点があった。

また、上記非特許文献２や非特許文献３に開示された石英系光ファイバプローブの先端にボールレンズを取り付けた分光用プローブにおいては、バンドル化したファイバを用いていることから、高い性能を得ることができないという問題点があった。

さらに、上記特許文献１に開示された手法によれば、ガラスキャピラリの先端の前方にレンズを配置して共焦点系を構築しているため、ガラスキャピラリとレンズとを接触させることができないので、プローブの全長が長くなって全体構成が大型化するという問題点があった。

国際公開第０２／１０１３６５号パンフレット Ｙｕｉｃｈｉ Ｋｏｍａｃｈｉ， ａｔ ａｌ． Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ． ３０， ２９４２ （２００５） Ｊａｓｏｎ Ｔ． Ｍｏｔｚ， ａｔ ａｌ． Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ． ４３， ５４２ （２００４） Ｒｉｃｈａｒｄ Ａ． Ｓｃｈｗａｒｚ， ａｔ ａｌ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． １１５９ （２００５）

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、検出能および空間分解能を著しく向上することができるとともに全体構成を小型化した中空ファイバプローブを提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明による中空ファイバプローブは、中空ファイバの端部に集光素子としてサイズが小さく（例えば、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであり、好ましくは、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍである。）かつ開口数（ＮＡ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が大きい（例えば、０．４〜１．０であり、好ましくは、０．５〜１．０である。）レンズ、即ち、開口数が大きい微小レンズを取り付けるようにしたものである。

ここで、開口数が大きい微小レンズとしては、例えば、ボールレンズ、ドラムレンズ、半球レンズ、ハーフドラムレンズ、セルフォックスレンズなどがある。

こうした本発明による中空ファイバプローブによれば、微小先端を維持したままで検出能および空間分解能を著しく向上することができる。

なお、本発明による中空ファイバプローブにおいては、微小レンズの開口数が大きいほど光の集光率が高くなり、空間分解能が向上するので、微小レンズの開口数は大きければ大きいほどよい。

本発明のうち請求項１に記載の発明は、試料から放射された光を検出する中空ファイバプローブにおいて、円筒状の中空のコアを有する中空ファイバと、上記中空ファイバの一方の端部側に配設された開口数が大きい微小レンズとを有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記コアの内径と上記微小レンズの外径とを略等しい大きさとし、上記微小レンズを上記コア内に嵌入するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、試料から放射された光を検出する中空ファイバプローブにおいて、円筒状の中空のコアを有する中空ファイバと、上記中空ファイバの外径と略等しい大きさの内径を有するパイプと、上記パイプの一方の端部側に配設された開口数が大きい微小レンズとを有し、上記パイプの内径側に上記中空ファイバの少なくとも一方の端部を挿入して、上記一方の端部を上記微小レンズに隣接して配置するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記微小レンズをボールレンズとしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、本発明のうち請求項４に記載の発明において、上記ボールレンズの屈折率を２以下としたものである。

本発明によれば、検出能および空間分解能を著しく向上することができるとともに全体構成を小型化した中空ファイバプローブを提供することができるという優れた効果が奏される。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明による中空ファイバプローブの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

まず、図１および図２（ａ）（ｂ）には本発明による中空ファイバプローブの構成説明図が示されており（図１は本発明による中空ファイバプローブの図２（ａ）のＡ−Ａ線による縦断構成説明図であり、図２（ａ）は図１のＢ−Ｂ線による横断構成説明図であり、図２（ｂ）は図１のＣ−Ｃ線による横断構成説明図である。）、図３には本発明による中空ファイバプローブを備えたラマン分光システムの概念構成説明図が示されている。

本発明による中空ファイバプローブ１０は、円筒状の中空なコア１２ａを備えた長さＬ１の中空ファイバ１２（この実施の形態においては、中空ファイバ１２は、内部が中空のパイプ状に形成した金属層１２ｂと、金属層１２ｂの外周側に形成されたポリマー層１２ｃとにより構成されている。）と、中空ファイバ１２の一方の端部（以下、「先端部」と適宜に称する。）１２ｄ側に配設された微小レンズとしてのボールレンズ１４とを有して構成されている。なお、中空ファイバ１２の他方の端部（以下、「後端部」と適宜に称する。）１２ｅは、開放状態のままとされている。

そして、中空ファイバプローブ１０においては、中空ファイバ１２の先端部１２ｄに配設されたボールレンズ１４に隣接して試料１０４（図３参照）が配置されることになる。

また、中空ファイバプローブ１０においては、中空ファイバ１２の先端部１２ｄに配設されたボールレンズ１４の焦点位置が、ボールレンズ１４の内部には存在せず、ボールレンズ１４の外部あるいはボールレンズ１４の表面に存在するように設定することが好ましい。そのため、ボールレンズ１４は、屈折率が２以下の材質により構成することが好ましい。

ここで、コア１２ａの内径Ｄ１とボールレンズ１４の外径Ｄ２とは、その大きさが略等しいことが好ましい。この場合には、ボールレンズ１４は、中空ファイバ１２の先端部１２ｄのコア１２ａ内に嵌入して配設する。なお、中空ファイバ１２の先端部１２ｄのコア１２ａ内にボールレンズ１４を嵌入した後に、ボールレンズ１４を適宜の接着剤などにより金属層１２ｂに固定してもよい。

図１および図２（ａ）（ｂ）に示した実施の形態においては、コア１２ａの内径Ｄ１とボールレンズ１４の外径Ｄ２とはその大きさが等しく、ボールレンズ１４を中心から半分に切断した場合に一方の半球部分が中空ファイバ１２のコア１２ａ内に位置し、他方の半球部分が中空ファイバ１２外に位置するように配置されている。

なお、コア１２ａの内径Ｄ１よりもボールレンズ１４の外径Ｄ２が大きい場合には、中空ファイバ１２の先端部１２ｄに、適宜の接着剤などによりボールレンズ１４を固定すればよい。

一方、コア１２ａの内径Ｄ１よりもボールレンズ１４の外径Ｄ２が小さい場合には、ボールレンズ１４を中空ファイバ１２の先端部１２ｃからコア１２ａ内に挿入し、接着剤によりボールレンズ１４の外周と金属層１２ｂとの間の隙間を充填するようにして、ボールレンズ１４を金属層１２ｂに固定的に配設すればよい。

こうした本発明による中空ファイバプローブ１０は、例えば、図３に示すようなラマン分光システム１００の分光用プローブとして用いることができるものである。

このラマン分光システム１００は、試料台１０２上に載置された試料１０４へ照射するための励起光を出力するレーザー装置１０６と、レーザー装置１０６から出力された励起光を反射するとともに試料１０４への励起光の照射に基づいて試料１０４から放射される信号光を透過する光学フィルター１０８を備えたカプラー１１０と、中空ファイバ１２の先端部１２ｄを試料１０４に隣接して配置するとともに後端部１２ｅをカプラー１１０の一方の端部１１０ａに接続した中空ファイバプローブ１０と、カプラー１１０の他方の端部１１０ｂに接続された分光器１１２とを有して構成されている。

以上の構成において、レーザー装置１０６から出力された励起光は、カプラー１１０内の光学フィルター１０８により反射されて、中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２内へ導入される（図１参照）。

中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２内へ導入された励起光は、中空ファイバ１２のコア１２ａ内を伝送し、ボールレンズ１４を介して試料１０４に照射される。

この試料１０４への励起光の照射により、試料１０４から放射された信号光は、ボールレンズ１４により中空ファイバ１２に結合される。

ここで、中空ファイバ１２は、中空ファイバ１２の内壁に略平行に入射する光線を低損失で効率よく伝送する特性を持つ。

従って、図１において二点鎖線で示すように、ボールレンズ１４の焦点面から放射された光は中空ファイバ１２の金属層１２ｂに略平行に入射するため中空ファイバ１２内を低損失に伝送され、カプラー１１８内の光学フィルター１０８を透過して光検出器１１２で検出されることになる。

一方、図１において破線で示すように、ボールレンズ１４の焦点面以外から放射された光は、中空ファイバ１２の金属層１２ｂに繰り返し反射されて大幅に減衰されることになり、光検出器１１２では検出されないようになる。

このことから、中空ファイバプローブ１０を用いることにより、励起光の光軸方向における高い空間分解能が得られることになる。

また、ボールレンズ１４は中空ファイバ１２のコア１２ａ内に嵌入されているため、中空ファイバプローブ１０の励起光の光軸方向の寸法を短くすることができ、全体構成を小型化することが可能になる。

ここで、図４には、本発明による中空ファイバプローブ１０と、ボールレンズ１４を備えていない中空ファイバのみにより構成される従来の中空ファイバプローブ（非特許文献１参照）とを用いて、それぞれの検出能を測定した本願発明者による実験結果が示されている。なお、この実験においては、試料１０４として酸化チタンを用いている。

実験に用いた中空ファイバプローブ１０は、中空ファイバ１２の金属層１２ｂがＡｇよりなり、長さＬ１が１ｍであって、コア１２ａの内径Ｄ１を３２０μｍとした。一方、ボールレンズ１４は、屈折率１．７６のサファイアにより構成し、外径Ｄ２を５００μｍとした。即ち、この実験に用いた中空ファイバプローブ１０においては、コア１０ａの内径Ｄ１よりもボールレンズ１４の外径Ｄ２が大きいので、中空ファイバ１２の先端部１２ａに接着剤によりボールレンズ１４を固定した。

また、ボールレンズ１４を備えていない中空ファイバのみにより構成される従来の中空ファイバプローブとしては、実験に用いた中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２と同寸法のものを用いた。そして、この実験においては、励起光の波長を７８５ｎｍとした。

図４において横軸は、中空ファイバプローブ１０の先端部を０とした場合の焦点面方向への距離Ｌ２（Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ Ｐｒｏｂｅ Ｅｎｄ）をｍｍの単位で示し、また、図４において縦軸は、検出能として６４３ｃｍ^−１におけるラマン散乱光強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を励起光強度（Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ）で除算した値（単位：ｃｏｕｎｔｓ／ｍＷ）を示している。

この図４に示した実験結果から明らかなように、本発明による中空ファイバプローブ１０によれば、ボールレンズ１４を備えていない従来の中空ファイバプローブと比較すると、１０倍以上の検出能が得られている。

また、検出能は試料１０４がボールレンズ１４の焦点面における焦点位置から離れると急激に減少するものであり、深さ方向の空間分解能は半値全幅（ＦＷＨＭ）で７０μｍが得られている。

従って、試料１０４における測定対象領域をボールレンズ１４の焦点面における焦点位置に配置すると、当該測定対象領域の情報を最も効率良く取得することができるようになる。

なお、ボールレンズ１４の焦点は、必ずしも試料１０４の表面に位置させる必要はなく、試料１０４の深さ方向、即ち、試料１０４の内部に位置させて、試料１０４の内部の情報を得るようにしてもよい。例えば、ボールレンズ１４の焦点を層状の試料の内部に位置させることにより、層状の試料の深さ方向の情報（例えば、血管内の情報などである。）を得ることができる。

また、図５には、図４に示す測定結果を得た実験条件と同じ条件において、中空ファイバプローブ１０のボールレンズ１４の外径Ｄ２のみを０．３２ｍｍと０．５ｍｍと１ｍｍとにそれぞれ変化させた場合のシミュレーション結果が示されている。

図５において横軸は、中空ファイバプローブ１０の先端部を０とした場合の焦点面方向への距離Ｌ２（Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ Ｐｒｏｂｅ Ｅｎｄ）をｍｍの単位で示し、また、図５において縦軸は、検出能として波長７８５ｎｍの散乱光の集光効率（Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の値（単位：％）を示している。

このシミュレーション結果によれば、中空ファイバ１２の内径Ｄ１と同じ大きさの外径Ｄ２を備えたボールレンズ１４を用いた場合が最も効率が高いことが判る。

次に、図６を参照しながら、本発明による中空ファイバプローブの他の実施の形態について説明する。なお、図６において図１に示す構成と相当する構成については、図１において用いた符号と同一の符号を用いて示すことにより、その重複する構成ならびに作用の説明は省略する。

この本発明の他の実施の形態による中空ファイバプローブは、中空ファイバの外径と略等しい大きさの内径を有するパイプ内に当該中空ファイバを挿入するようにして、全体の組み付けを容易にするとともに、その取り扱い性を向上させたものである。

即ち、中空ファイバプローブ２０は、中空ファイバ１２の外径Ｄ３と等しい大きさの内径を有するパイプ２２を備えている。

こうした中空ファイバプローブ２０は、パイプ２２の一方の端部（以下、「先端部」と適宜に称する。）２２ａ側に微小レンズとしてボールレンズ１４を配設し、さらに、先端部１２ｄがボールレンズ１４に隣接して配置されるようにしてパイプ２２内に中空ファイバ１２を嵌入して固定して組み付ける。ボールレンズ１４に隣接して中空ファイバ１２の先端部１２ｄを隣接して配置するには、中空ファイバ１２をボールレンズ１４側に押し込んで両者を当接させればよい。

従って、中空ファイバプローブ２０によれば、中空ファイバ１２の先端部１２ｄにボールレンズ１４を容易に配置することができる。

また、パイプ２２から中空ファイバ１２を容易に抜き差しできるので、試料１０４内にパイプ２２の先端部を挿入して測定した際などには、パイプ２２から中空ファイバ１２を抜き出して、パイプ２２とボールレンズ１４とを使い捨てにすることができる。

なお、パイプ２２の材料としては、例えば、金属、ガラスあるいは樹脂などを用いることができる。

また、図６に示す中空ファイバプローブ２０では、中空ファイバ１２の先端部１２ｄを含む領域のみをパイプ２２内に挿入するようにしたが、中空ファイバ１２全体をパイプ２２で被覆するようにしてもよい。

さらに、図６に示す中空ファイバプローブ２０ではボールレンズ１４の外径Ｄ２とパイプ２２の内径とを等しくし、パイプ２２の先端部２２ａ側にボールレンズ１４を挿入するようにしたが、ボールレンズ１４の外径Ｄ２をパイプ２２の内径よりも大きくして、パイプ２２の先端縁部２２ｄｄにボールレンズ１４を固定するようにしてもよい。このようにすると、パイプ２２からのボールレンズ１４の取り外しが容易となる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（８）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２を金属層１２ｂとポリマー層１２ｃとにより構成したが、中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２の構成はこれに限られるものではないことは勿論であり、伝送する光の波長に応じて適宜の構成を選択すればよい。即ち、金属層１２ｂの内面に誘電体層を形成してもよいし、また、多層膜構造状に形成してもよい。

また、金属層１２ｂの材料もＡｇに限られるものではなく、例えば、紫外光を伝送しよとする場合にはＡｌを用い、可視光〜赤外光〜テラヘルツ光の波長の光を伝送しようとする場合にはＡｇを用いるなどのように、伝送する光の波長に応じて適宜に選択すればよい。

さらに、金属層１２ｂを被覆する層もポリマー層１２ｃに限られるものではなく、ガラス層などを適宜に用いることができる。

さらにまた、中空ファイバ１２の長さＬ１やコア１２ａの内径Ｄ１なども、中空ファイバプローブ１０の使用条件などに応じて適宜に設定すればよい。

（２）上記した実施の形態においては、中空ファイバ１２の先端部１２ｄにボールレンズ１４を取り付ける際に、ボールレンズ１４を中心から半分に切断した場合に一方の半球部分が中空ファイバ１２のコア１２ａ内に位置し、他方の半球部分が中空ファイバ１２外に位置するように配置したが、これに限られるものではないことは勿論である。例えば、図７に示すように、中空ファイバ１２の先端部１２ｄ側から後端部１２ｅ側にずらしてボールレンズ１４を配置するようにしてもよい。ただし、ボールレンズ１４の焦点位置に試料１０４を配置することを考慮すると、ボールレンズ１４の焦点位置が中空ファイバ１２の先端縁部１２ｄｄよりも前方位置となるようにボールレンズ１４を配置することが好ましい。

（３）中空ファイバプローブ１０の中空ファイバ１２は、直線状に配置すると検出能が最も向上するが、柔軟に曲げて使用してもよい。即ち、中空ファイバ１２を曲線状に配置しても、中空ファイバの特性からボールレンズ１４の焦点位置に配置された試料１０４の信号光を伝送することは可能であり、従来よりも検出能および空間分解能を向上することができる。

（４）上記した実施の形態においては、中空ファイバ１２のコア１２ａ内に励起光を伝送するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、励起光は中空ファイバプローブ１０の外部から試料１０４へ照射するようにしてもよい。

（５）上記した実施の形態においては、ボールレンズ１４の焦点位置がボールレンズ１４の外部にある場合を中心に説明したが、上記したように、ボールレンズ１４の焦点位置は当該ボールレンズ１４の表面に存在してもよい。例えば、中空ファイバプローブ１０を試料１０４の表面に接触させ、かつ、試料１０４の表面の情報を得る場合には、ボールレンズ１４の焦点位置を当該ボールレンズ１４の表面に位置させることが好ましい。

（６）上記した実施の形態においては、本発明による中空ファイバプローブをラマン分光システムに用いた場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。本発明による中空ファイバプローブは、ラマン分光システムに限られずに、吸収分光、蛍光分光などの各種の分光システムに適用することができる。

（７）中空ファイバプローブ１０においては、ボールレンズの外径Ｄ２が大きくなればなるほど集光能力ならびに空間分解能が低下するので、ボールレンズの外径Ｄ２ならびに中空ファイバ１２の内径Ｄ１は、使用条件に応じてより小さく設定することが好ましい。

（８）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（７）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、真空紫外からテラヘルツまでのあらゆる波長を用いた吸収分光、蛍光分光などを含む各種分光分析機器に用いることができ、特に、医療生物分野における生体内分光分析を行う分光分析機器に利用することができる。こうした分光分析機器としては、例えば、内視鏡と組み合わせた光バイオプシーシステムなどが挙げられる。

図１は、本発明による中空ファイバプローブの図２（ａ）のＡ−Ａ線による縦断構成説明図である。 図２（ａ）は図１のＢ−Ｂ線による横断構成説明図であり、図２（ｂ）は図１のＣ−Ｃ線による横断構成説明図である。 図３は、本発明による中空ファイバプローブを備えたラマン分光システムの概念構成説明図である。 図４は、本発明による中空ファイバプローブとボールレンズを備えていない中空ファイバのみにより構成される従来の中空ファイバプローブ（非特許文献１参照）とを用いて、それぞれの検出能を測定した本願発明者による実験結果を示すグラフである。 図５は、図４に示す測定結果を得た実験条件と同じ条件において、中空ファイバプローブのボールレンズの外径のみを０．３２ｍｍと０．５ｍｍと１ｍｍとにそれぞれ変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。 図６は、本発明による中空ファイバプローブの他の実施の形態を示す図１に相当する縦断構成説明図である。 図７は、本発明による中空ファイバプローブの他の実施の形態を示す図１に対応する縦断構成説明図である。

符号の説明

１０、２０ 中空ファイバプローブ
１２ 中空ファイバ
１２ａ コア
１２ｂ 金属層
１２ｃ ポリマー層
１２ｄ 先端部
１２ｄｄ 先端縁部
１２ｅ 後端部
１４ ボールレンズ
２２ パイプ
２２ａ 先端部
２２ｄｄ 先端縁部
１００ ラマン分光システム
１０２ 試料台
１０４ 試料
１０６ レーザー装置
１０８ 光学フィルター
１１０ カプラー
１１０ａ 端部
１１０ｂ 端部
１１２ 分光器

Claims (5)

1. 試料から放射された光を検出する中空ファイバプローブにおいて、
   円筒状の中空のコアを有する中空ファイバと、
   前記中空ファイバの一方の端部側に配設された開口数が大きい微小レンズと
   を有することを特徴とする中空ファイバプローブ。
2. 請求項１に記載の中空ファイバプローブにおいて、
   前記コアの内径と前記微小レンズの外径とが略等しい大きさであり、
   前記微小レンズは前記コア内に嵌入された
   ことを特徴とする中空ファイバプローブ。
3. 試料から放射された光を検出する中空ファイバプローブにおいて、
   円筒状の中空のコアを有する中空ファイバと、
   前記中空ファイバの外径と略等しい大きさの内径を有するパイプと、
   前記パイプの一方の端部側に配設された開口数が大きい微小レンズと
   を有し、
   前記パイプの内径側に前記中空ファイバの少なくとも一方の端部を挿入して、前記一方の端部を前記微小レンズに隣接して配置する
   ことを特徴とする中空ファイバプローブ。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載の中空ファイバプローブにおいて、
   前記微小レンズは、ボールレンズである
   ことを特徴とする中空ファイバプローブ。
5. 請求項４に記載の中空ファイバプローブにおいて、
   前記ボールレンズの屈折率は２以下である
   ことを特徴とする中空ファイバプローブ。

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