JP2013538375A - 屈折表面部と反射表面部とを備えた透明なモノリシック構造体を有する光学プローブ - Google Patents
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Abstract
光学プローブは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体(14)を含み、複数の平行光路に対して、1つ以上のファイバー(10、11)から1つ以上の対象物点(19)へフォーカスを実行する。モノリシック構造体の表面部(160、164、180、182)はカーブしておりレンズ群を形成し、及び/又は、反射コーティングでコーティングされている。モノリシック構造体のファイバー側では、1つ又は複数の開口部(168、164)がファイバー(10、12)の1つ又は複数の先端部の反対に反射コーティングの中に供給され、光を通す。モノリシック構造体の対象物側では、コーティングされた表面部(180)が開口部からモノリシック構造体のファイバー側へ光路を逆に反射し、そこから光路は対象物側上のアパーチャに向かって反射される。反射表面の少なくとも一部はカーブして反射器を形成し、モノリシック構造体の同じ側の上に複数の異なるレンズ群を形成する。
Description
本発明は光学プローブに関し、その光学プローブはそのプローブの対象物側インターフェースと1つ又は複数のファイバーの1つ又は複数の先端部との間に少なくとも1つのファイバーの束と光学システムとを有する。本発明は対象物を照射する方法、及び/又は、対象物からの光を測定する方法、光学測定装置、及び、光学プローブにおける使用のためのモノリシック構造体に関する。
WO2005060622(特許文献1)はラマン分光計用のプローブを示している。ラマン分光計は一次ファイバーからの光で対象物を照射し、そして、二次ファイバーの中で対象物からバックに非弾性的に錯乱された光を集光することを含む。WO2005060622は中央二次ファイバーを使用し、一次ファイバーをそれに近接させる。
WO2005060622は、大スポットサイズを実現するためファイバーの先端と対象物との間でレンズとミラーを使用することを提案する。サンプルレンズ及び集光レンズが対象物からの光を二次ファイバー上にフォーカスするのに使用される。一次ファイバーからの光はサンプルレンズを通して対象物へ通過し、そのレンズ群の光学軸の光を入れるため、サンプルレンズと集光レンズとの間に小さいミラーを使用する。その小さいミラーは対象物から戻ってくる光の部分だけを遮る。一次ファイバーの光は、その小さいミラーへ供給され、それは短い焦点距離のレンズを用いて行なわれ、その光と別のミラーとを平行にしてその光をその小さいミラーへ向ける。
ファイバーと対象物との間で使用される光学システムはとても大きい。しかし、その大きさのため、その光学システムは小サイズのプローブにおける使用には適しないことになる。さらに、その光学システムはプローブ性能が温度の影響を受けやすくする。
H.Rutten他の“Monolitisch telescopisch system”と題する(published in Microniek 1997 No4 pages104−107 及び Microniek 1998 No1,pages13−19)の一組の論文によれば、写真又はビデオにおける画像を形成するために、どのようにして対象物をモノリシック構造に加工することができるかを説明している。
とりわけ、本発明の目的はファイバー束と対象物との間に光学システムを有する光学プローブを供給することであり、そして、より小さい容積を有することを要する。
光学プローブが供給され、その光学プローブは、1つ又は複数のファイバーと光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも1つのファイバーと光学システムとを有し、その光学システムは、その少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部からの光を対象物上にフォーカスするように使用されるよう構成され、及び/又は、その逆も同様であり、その光学システムは光学的に透明な材料のモノリシック構造体を有し、以下を有する:
−少なくとも1つの第1被覆表面部を有するファイバーサイドの表面であって、その第1被覆表面部又は複数の部分の上に第1反射コーティングを施し、その反射コーティングは、その少なくとも1つのファイバーの先端部の反対側に1つ又は複数の開口部を残し、
−少なくとも1つの第2被覆表面部を有する対象物サイドの表面であって、その第2被覆表面部又は複数の部分の上に別の反射コーティングを施し、対象物側アパーチャを残し、そして、
−複数の相異なる反射レンズ群を形成するようカーブした第1及び第2表面部の少なくとも1つであって、所定の相対空間位置で1つ又は複数の対象物の場所から光路を、そのアパーチャを介して、それぞれ、開口部で少なくとも1つのファイバーの先端部上にフォーカスするよう使用するよう構成され、及び/又は、逆も同様である。異なる反射レンズの異なる特性はフォーカスするために要求される使用法によって定義される。複数の異なる反射レンズは、或る対象物位置と複数の先端部との間に平行イメージング(parallel imaging)を供給し、又は、或る先端部と複数の対象物位置との間に平行イメージングを供給し、例えば、複数の異なる反射レンズのうちの異なるものが、或る先端部と或る対象物位置との間のイメージング経路に沿って、連続レンズ群を形成しない。ここでは、反射レンズの異なる特性は、そうしたイメージングの平行な特性を生じない。複数の異なる反射レンズは、アパーチャを介して、所定の相対空間位置の1つ又は複数の対象物位置からの光経路を並列に、開口部で少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の上にそれぞれフォーカスすることができ、及び/又は、逆も同様である。一実施形態では、プローブは光源及び検出器と組み合わせて使用されてもよく、そうして、光源から対象物へ光を供給し、光を対象物から検出器へ戻す。
−少なくとも1つの第1被覆表面部を有するファイバーサイドの表面であって、その第1被覆表面部又は複数の部分の上に第1反射コーティングを施し、その反射コーティングは、その少なくとも1つのファイバーの先端部の反対側に1つ又は複数の開口部を残し、
−少なくとも1つの第2被覆表面部を有する対象物サイドの表面であって、その第2被覆表面部又は複数の部分の上に別の反射コーティングを施し、対象物側アパーチャを残し、そして、
−複数の相異なる反射レンズ群を形成するようカーブした第1及び第2表面部の少なくとも1つであって、所定の相対空間位置で1つ又は複数の対象物の場所から光路を、そのアパーチャを介して、それぞれ、開口部で少なくとも1つのファイバーの先端部上にフォーカスするよう使用するよう構成され、及び/又は、逆も同様である。異なる反射レンズの異なる特性はフォーカスするために要求される使用法によって定義される。複数の異なる反射レンズは、或る対象物位置と複数の先端部との間に平行イメージング(parallel imaging)を供給し、又は、或る先端部と複数の対象物位置との間に平行イメージングを供給し、例えば、複数の異なる反射レンズのうちの異なるものが、或る先端部と或る対象物位置との間のイメージング経路に沿って、連続レンズ群を形成しない。ここでは、反射レンズの異なる特性は、そうしたイメージングの平行な特性を生じない。複数の異なる反射レンズは、アパーチャを介して、所定の相対空間位置の1つ又は複数の対象物位置からの光経路を並列に、開口部で少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の上にそれぞれフォーカスすることができ、及び/又は、逆も同様である。一実施形態では、プローブは光源及び検出器と組み合わせて使用されてもよく、そうして、光源から対象物へ光を供給し、光を対象物から検出器へ戻す。
このプローブでは、ガラスやプラスチックといった光学的に透明な材料のモノリシック構造体が、複数の平行な光経路に対して集束(focusing)を実行するのに使用される。一実施形態では、プローブは光ファイバー束を含み、その平行な光経路はそのファイバーの各先端部をモノリシック構造体の対象物サイド上の共通な焦点へ、又は、所定の空間位置での複数の焦点へ接続する。別の実施形態では、その平行な光経路は、モノリシック構造体の対象物サイド上で、或るファイバーの先端部を所定の空間関係の複数の焦点へ接続する。モノリシック構造体の表面部は、レンズを形成するよう曲がっており、及び/又は、反射コーティングでコートされている。モノリシック構造体のファイバーサイド上では、1つ又は複数の開口部が、光を通過するようにファイバーの先端部又は先端部群の反対側に、反射コーティングされて供給される。モノリシック構造体の対象物サイド上では、被覆表面部が開口部からの光経路をモノリシック構造体のファイバーサイドへ逆に反射し、そこから光経路は対象物サイド上のアパーチャに向かって反射される。反射表面の少なくとも一部は、カーブして、モノリシック構造体の同じサイド上で複数の異なるレンズ群の反射器を形成する。その異なるレンズ群は対象物位置(又は、互いに所定の関係にある対象物位置であって、対象物位置に対して、単独の画像形成を用いて、異なるファイバー上にフォーカスされない)から、光路を、アパーチャを介して、或るファイバーの或る先端部上に、又は、開口部の各ファイバーの先端部のうちの各先端部上に分離してフォーカスする。従って、複数の平行な光路に沿ってフォーカスすることは、単独の要素で実現されてもよく、そのモノリシック構造体は、1つ以上の対象物位置への複数のファイバーに対して、又は、或るファイバーから複数の対象物位置に対して実現される。
一実施形態では、モノリシック構造体の対象物表面は、複数の異なる被覆表面部を有し、夫々は曲面レンズ形状を有して一次反射レンズをそれぞれ形成する。これらの一次反射レンズはファイバー先端部の反対側の開口部と、対象物位置又は複数の位置の間で、互いに独立に光路を方向づける。その被覆表面部はモノリシック構造体の対象物サイド表面の中の被覆されていないアパーチャの周りで輪になって存在している。
一実施形態では、第1及び第2の被覆表面部によって形成される反射レンズの焦点距離は、1つ又は複数の第1被覆表面部から1つ以上の対象物位置までの光学距離、及び、第2被覆表面部からファイバー群の先端部分群までの光学距離に夫々等しい。従って、平行なビームがこれらの表面部の間にモノリシック構造体の中で実現され、その平行なビームはモノリシック構造体の厚さに対するプローブの感度を低減する。
一実施形態では、モノリシック構造体上の対象物サイドアパーチャは曲面を有し、レンズを形成する。従って、そのアパーチャは、被覆表面部を用いてフォーカスされない光をフォーカスするために使用されてもよい。加えて、そのアパーチャは、ファイバーの先端部の反対側の開口部からの光路をフォーカスするのに役立つように使用されてもよい。これにより、反射コーティングを有する曲面部の必要な曲率を低減することが可能であり、又は、より少ない曲面部を使用することが可能である。
一実施形態では、ファイバー束は、別のファイバー、例えば中央ファイバーを含み、その周囲に輪になって前記のファイバーを有する。モノリシック構造体のファイバーサイド表面は、その別のファイバーの先端部の反対側に或る曲率の第3表面部を含んでもよく、対象物サイド上の或る位置のその別のファイバーからの光を、その別のファイバーの焦点位置と所定の関係にあるモノリシック構造体から、例えば全て同じ場所にフォーカスする。
したがって、同じモノリシック構造体を用いて、同じプローブによって別の光路が供給されてもよい。
ファイバーは、モノリシック構造体のファイバーサイド表面上で円筒状構造を用いてモノリシック構造体に接続されてもよく、そのファイバーは例えば接着剤によってそのモノリシック構造体に取り付けられる。中央ファイバーが使用されるときは、その円筒状構造は少なくとも部分的に中空であってもよく、そうして、中央ファイバーはその中を通ることができる。一実施形態では、その円筒状構造はクリップによりモノリシック構造体にクランプされてもよい。
プローブが、1つ以上の光源、及び/又は、そのファイバーの遠心端部に接続された光検出器を備えた装置の中に使用されてもよい(そのファイバーはその遠心端部からモノリシック構造体へ及ぶ)。
一実施形態では、そのプローブはラマン分光法に使用され、そのファイバーの少なくとも1つは光をモノリシック構造体を介して試料に供給するように使用され、そのファイバーの少なくとも1つはモノリシック構造体を介してその試料から非弾性的に散乱された光を受信するように使用される。他の実施形態では、プローブは、LIBS(レーザー誘導破壊分光法)、LIF(レーザー誘導蛍光)、(N)IR((近)赤外線分光法),蛍光分光法、原子分光法等に対して、供給及び/又は受信するように使用されてもよい。
これらの及び他の目的、有利な側面は、以下の図面を用いて、例示の実施形態の説明から明白になるだろう。
図1は光学プローブの部分を示す。
図1aは光学プローブの部分の上面図を示す。
図2は光学プローブの部分を示す。
図3は光学プローブの部分を示す。
図1は光学プローブの部分を示し、その光学プローブは、中央光ファイバー10と、シリンダー11と、周辺光ファイバー12と、光学的に透明な材料のモノリシック構造体14を含むプローブヘッドと、クリップ15とを含む。プローブは例えば内視鏡の部分でもよく、又は、分析システムの部分でもよく、ファイバー10、12は光源及び/又は検出器(不図示)に接続されてもよい。
モノリシック構造体14はファイバーサイド面(a fiber side surface)と対象物サイド面(an object side surface)とを有する。そのファイバーサイド面は第1曲面部160と第2曲面部164とを含み、それらは相互に異なる曲率を有する。第1曲面部160は反射コーティングで覆われるが(点線で示される)、周辺光ファイバー12の先端部の向かい側の開口部168(1つだけラベル付けされる)を除く。第2表面部164は反射コーティングで覆われない。開口部168での第1曲面部160と同じく、第2表面部164は透明である。モノリシック構造体14は第2表面部164で凸面であってもよい(モノリシック構造体14から突き出る)。
対象物サイド面は第1曲面部180と第2曲面部182とを有する。第1曲面部180の曲率中心は相互に異なり、そして、第2曲面部182のそれとは異なる。さもなければ、第1曲面部180は同一曲率を有してもよい。第1曲面部180は反射コーティングで覆われる(点線で示される)。第2曲面部182は反射コーティングで覆われず、そうして第2曲面部182は透明である。モノリシック構造体14の表面は第1曲面部180で凸面(突き出る)で、第2曲面部182で凹面(窪んでいる)であってもよい。凹面の第2曲面部182の代わりに、平坦表面部又は凸面表面部が使用されてもよい。アパーチャ内の凹面の使用は、表面と第1曲面部160への光線との間の角度がより直角に近く維持されるという利点を有し、その結果、散乱による色誤差が小さくなる。平坦表面の使用は、光線を中断するのに役立ち、そうして焦点への距離を変化させることができる。モノリシック構造体14の対象物サイド面上の各第1曲面部180は、周辺光ファイバー12の夫々へ入射又は出射する光の反射レンズとして機能する。モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第1曲面部160は、反射レンズとして機能し、対象物サイド面上の第1曲面部180の方向へ入射又は出射する光を、同一対象物位置19から又はそこへ変える。
モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第2曲面部182は、モノリシック構造体14の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第1曲面部160、180と協働する屈折レンズとして機能する。モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第2曲面部182と、モノリシック構造体14の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第1曲面部160,180とは協働して対象物位置19上に光路をフォーカスする。(本明細書で使用されるように、“光路”の語は、その経路に沿った或る方向に供給される光が進む可能な経路としても、その経路に沿った反対の方向に受信される光が進む可能な経路としても言及される。換言すれば、それは光の方向とは無関係に焦点間の関係について言及するものとして使用される。)
モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第2表面部164は中央光ファイバー10の先端部に対向して位置付けられる。モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第2表面部164は中央光ファイバー10の先端部からの光又はそこへの光に対して屈折レンズとして機能する。モノリシック構造体14の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第2表面部164、182は協働して、対象物位置19上に光路をフォーカスする。
モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第2表面部164は中央光ファイバー10の先端部に対向して位置付けられる。モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第2表面部164は中央光ファイバー10の先端部からの光又はそこへの光に対して屈折レンズとして機能する。モノリシック構造体14の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第2表面部164、182は協働して、対象物位置19上に光路をフォーカスする。
図1aは一実施形態の上面図を示し、そこではシリンダー11とモノリシック構造体14とがクリップ15に固定されて相対的回転を防いでいる。この実施形態では、シリンダー11とモノリシック構造体14とは面取りされた(beveled)円周表面部を有する。例示目的のため、面取りされた円周表面部は互いに或る角度で示されるが、それらは同じ円周角で供給されてもよい。クギ15a、b(例えばスクリュー)がクリップ15に取り付けられる。クリップ15は、シリンダー11及びモノリシック構造体14の面取り表面部と接触してクギ15a、bを保持する。このことは、モノリシック構造体14に対する周辺光ファイバー12とシリンダー11の相対的回転を防ぐ。これは単なる有利な一実施形態であることが強調されるべきである。他の実施形態では、シリンダー11とモノリシック構造体14とは、同じクギによって、又は、複数のクギによって、又は、クギ無しで例えば接着によって固定された相対的回転において保持されてもよい。シリンダー11及びモノリシック構造体14は互いに直接的に固定されてもよく、及び/又は、周辺光ファイバー12はモノリシック構造体14に固定されてもよい。
中央光ファイバー10はシリンダー11を貫通する。シリンダー11は例えばセラミック材料で作られてもよい。そのモノリシック構造体14に面する端部はモノリシック構造体14に合致するように形成されてもよい。モノリシック構造体14上の反射コーティングはシリンダーの端部とモノリシック構造体14との間にあるモノリシック構造体14上に存在してもよい。周辺光ファイバー12はシリンダー11の外側に沿って走る。中央光ファイバー10と周辺光ファイバー12とはシリンダー11に取り付けられてもよい。それらは例えばシリンダーに接着されてもよい。
クリップ15はモノリシック構造体14とシリンダー11との長さに沿って伸びる。クリップは円筒状の形状を有してもよく、モノリシック構造体14とシリンダー11との外周を取り囲む。クリップ15はシリンダー11とモノリシック構造体14とに対向してクランプされたフランジを有し、そうして、シリンダー11とモノリシック構造体14とは互いに対向してクランプされる。そのフランジは周辺光ファイバー12の間に伸びるフィンガーを有してもよく、フランジは周辺光ファイバー12と干渉することなくシリンダー11に到達する。モノリシック構造体14の対象物サイド面はプローブの対象物サイド面を形成してもよい。代替的に、たとえば平坦且つ透明な保護プレートのような他の要素(図示せず)が対象物サイド上に存在してもよい。
追加的なレンズ又はレンズ群(図示せず)が中央光ファイバー10の先端とモノリシック構造体14との間に供給されてもよい。一実施形態では、追加的なレンズ又はレンズ群がシリンダー11の中に固定されてもよい。アセンブリの間、中央光ファイバー10の先端と追加レンズ又はレンズ群との間の距離は中央光ファイバー10がシリンダー11に固定される前に調整されてもよい。追加レンズ又はレンズ群は対象物19上の焦点位置を制御するよう使用されてもよい。
中央光ファイバー10、周辺光ファイバー12はファイバー束を形成し、クリップ15とシリンダー11とを超える如何なる距離をも延長してもよい。このファイバー束は例えば、モノリシック構造体14によって対象物位置19(象徴的に線で示される)上にフォーカスされる光を供給し、その対象物位置から光を逆に受信するのに使用されてもよい。そのプローブは例えば内視鏡の一部であってもよく、或いは分析システムの一部としてでもよく、ファイバー10,12の末端部(モノリシック構造体14から離れている)は1つ以上の光源又は検出器(図示しない)に接続されてもよい。
2つの周辺光ファイバー12を備えた断面を示して一例を説明してきたが、2つより多い周辺光ファイバー12、又は、単独の周辺光ファイバーだけが使用されてもよいことが理解されるべきである。2つより多い周辺光ファイバー12が使用されるとき、それらは中央光ファイバー10の軸の周辺で一定の半径のリングに沿って分離した位置に配置されてもよい。モノリシック構造体14の対象物サイド面上の対応する開口部168と第1曲面部180とが使用されてもよい。
他の実施形態では、中央光ファイバー10の軸について異なる半径の複数のリングが使用されてもよく、リング上の分離した位置で周辺光ファイバー12を有し、対象物サイドに対応する開口部168と第1曲面部180とを有する。一実施形態では、1つ以上の光バッフルがモノリシック構造体14の中に含まれてもよい。
操作の一例では、光源(図示しない)からの光が中央光ファイバー10を通って供給され、そして、その後、モノリシック構造体14を通って対象物位置19へ供給され、光は、モノリシック構造体14を介して周辺光ファイバー12を通って対象物位置から逆に受信される。その受信された光は検出され、そして、例えば、ラマン分光法の検出器(図示しない)の中で任意的にスペクトル的に分割される。
光源からの光は、モノリシック構造体14の対象物サイド面及びファイバーサイド面上の第2表面部164、182を通過し、その表面部は供給される光を対象物位置19にフォーカスするように機能する(任意的に、フォーカスをサポートするため、追加的な分離レンズが中央光ファイバー10の先端とモノリシック構造体14との間に使用されてもよい)。光がフォーカスされる対象物位置19は対象物の表面での位置でもよいが、対象物の内部に位置してもよい。戻り光はモノリシック構造体14を通って対象物位置19から周辺光ファイバー12へ通過する。その戻り光は、モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第2表面部182を通過し、モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第1表面部160から反射し、続いて、モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第1表面部180から反射する。モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第1表面部180は、周辺光ファイバー12のうち異なるものの上に戻り光の各部分をフォーカスするように作動する。
他の例では、周辺光ファイバーは光を供給するために使用されてもよく、そして、中央光ファイバー10は光を受信するために使用されてもよい。他の例では、中央光ファイバー10と周辺光ファイバーの両方が光を供給し、及び/又は、光を受信するために使用されてもよい。ファイバーのうちの個々のファイバーが、光の供給及び受信の両方に同時に使用されてもよい。
中央光ファイバー10と周辺光ファイバー12とからの光路の焦点が同一の対象物位置19にある例について説明したが、代わりに、光路の焦点の間には他の所定の関係が供給されてもよいことを理解すべきである。一実施形態では、周辺光ファイバー12の光路の焦点は対象物サイド上で一致するが、それらの軸位置は、中央光ファイバー10の光路の焦点よりも近くてもよく、その逆でもよい。他の実施形態では、周辺光ファイバー12の光路の焦点は、対象物サイド上の中央光ファイバー10の光路の焦点の周りで、対象物サイド上のリングに沿った分離した位置にあってもよい。これは、所定の相対位置からの光を検出するために使用されてもよく、その位置は単独の光学イメージングにより定義される相対位置である必要はない。
モノリシック構造体14のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第2表面部164、182によって形成されるレンズの焦点距離は、モノリシック構造体14の外側で焦点を定義し、そこでは基本的な光学原則に従って中央光ファイバー10からの光がフォーカスされる。モノリシック構造体14のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第2表面部164、182は、例えば、球面又は放物面形状であってもよい。
モノリシック構造体14のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第1表面部160、180によって形成されるレンズの焦点距離は、選択されて、互いに所定の空間的関係にある点にフォーカスするように供給され、その焦点は例えば全て同一の点で第2表面部160、180により実現される。モノリシック構造体14のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第1表面部160、180はレンズ群を形成する。これらのレンズ群の焦点距離は、必要とされる空間的位置での焦点距離を確実にするため、基本的な光学原則に従って選択されてもよい。モノリシック構造体14のファイバーサイド面及び対象物サイド面上の第1表面部160、180は例えば球面又は放物面形状であってもよく、その曲率は必要とされる焦点距離を供給するよう選択される。
一実施形態では、これらのレンズ群の焦点距離はモノリシック構造体14内部に平行ビームを供給するよう選択される。これは、フォーカスする際モノリシック構造体14の熱膨張の影響が最小化され、そして、製作公差の条件が緩和されるという利点を有する。平行ビームによって、全ての周辺光ファイバー12の光路の焦点が必要な所定空間的位置を有することがより確かに実現され得る。中央光ファイバー10の先端部とモノリシック構造体14との間の距離は、製作中に調整されてもよく、そうして、中央光ファイバーの光路の焦点が、周辺光ファイバー12の光路に対して必要な所定の関係を有することが確実になる。
他の実施形態では、曲面の代わりに、モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の第1表面部160は平坦な構成であってもよく、モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第1表面部180の各々に対応する一連の平坦な面を含み、そうして、各面は、モノリシック構造体14の対象物サイド面上の第1表面部180の各々に光を反射する。代替的に、略平行なビームは、モノリシック構造体14のファイバーサイド面上の円錐形の第1表面部160を用いて実現されてもよく、又は、ビームが略平行になるような曲率を有する曲面状のレンズでもよい。
モノリシック構造体14は例えばガラス製でもよく、機械加工ステップ(例えば、研削や研磨)及び反射層でその表面をコーティングするステップを含むプロセスを使用して製作されてもよい。モノリシック構造体14は例えば0.1ミリメータと10ミリメータとの間の直径であってもよく、例えば7ミリメータであり、ファイバーサイドと対象物サイドとの間の高さは例えば1ミリメータと10ミリメータとの間(例えば5ミリメータ)であってもよい。一実施形態では、一組の周辺光ファイバー12が使用され、夫々は直径0.125mmであり、中央光ファイバーはない。3つのそうしたファイバーの束が使用されると、例えば直径0.3mmのモノリシック構造体14で足りることがある。他の実施形態では、モノリシック構造体14は光学的に透明なプラスチック製であってもよい。高強度光を伴うアプリケーションでは、ガラスが好ましい。モノリシック構造体14を機械加工する代わりに、形状を定義するモールドの中で一体成型することにより形成されてもよく、又は、そうしたモールドで打抜きすることにより、及び、コーティングすることにより形成されてもよい。射出成型法がプラスチックのモノリシック構造体14を製作するために使用されてもよい。一実施形態では、1つ以上の光バッフルがモノリシック構造体14の中に含まれてもよく、例えば、円筒状スロットを機械加工し、モノリシック構造体14の対象物サイド上の第2表面部182の周りで、その高さ部分に対して、モノリシック構造体14の中に伸張し、そして、このスロットを光バッフル材料で充填することによる。従って、モノリシック構造体14の中でレンズをバイパスし、又は、散乱する光の効果が低減されることがある。
モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1曲面部160が単独の反射レンズを形成する一実施形態を説明したが、幾つかの代替的な実施形態では、第1曲面部160は分離したレンズを形成する複数のサブ部分、例えば複数の曲面状の面を含んでもよい。各反射レンズは異なる方向を有してもよく、その方向は、例えば、光を反射する周辺光ファイバー12のアジマス位置に対応する。この場合では、モノリシック構造体14のファイバーサイド面と対象物サイド面の双方の上にある第1曲面部160、180は、異なった位置の周辺光ファイバー12からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。
図面に例示される実施形態では、モノリシック構造体14の対象物サイド上の第1曲面部は、異なった位置の周辺光ファイバー12からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。別の実施形態では、モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1曲面部160は複数の異なった反射レンズ群を形成し、そして、モノリシック構造体14の対象物サイド上の第1曲面部180は単独の反射レンズを形成する。この場合では、モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1曲面部は、異なった位置の周辺光ファイバー12からの光路が同じ位置でフォーカスすることを確実にするのに役立つ。しかしながら、これはモノリシック構造体14の中で平行ビームを実現するのを困難にすることがある。
図2は中央光ファイバー10が使用されない一実施形態を示す。この実施形態では、周辺光ファイバーだけが使用され、共通な対象物位置19へ光を供給し、そこから光を受信する。中央光ファイバー10に対応するモノリシック構造体の表面部の形成は省略されてもよい。モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第2曲面部164は、この場合には何も機能しない:それは、反射コーティングでカバーされてもよく、第1表面部160の部分を形成する。モノリシック構造体14の対象物サイド上の第2曲面部182の曲率は、周辺光ファイバーからの光路のフォーカスに役立つよう使用されてもよい。代替的に、この第2表面部は平坦でもよく、モノリシック構造体14のファイバーサイド及び対象物サイド上の第1表面部160、180によって制御されてフォーカスする。
中央光ファイバー10が省略されるとき、周辺光ファイバー12は、図1に示されるようにクリップ及びシリンダー(図示せず)を用いて、モノリシック構造体14に接続されてもよい。この場合、シリンダー11は中空である必要はない。
クリップとシリンダーとを用いてモノリシック構造体14と周辺光ファイバー12(及び任意的に中央光ファイバー10)との間に接続を有する実施形態を示したが、他の解決法も可能であることを理解すべきである。シリンダーはモノリシック構造体14上に直接的に接着してもよい。クランプを使用するかわりに、モノリシック構造体14とシリンダー11を固定的な関係に維持するため、或る構造がモノリシック構造体14とシリンダー11の周囲に接着されてもよい。シリンダーはモノリシック構造体14の一体部分であってもよい。
図3は周辺光ファイバー12を有しない一実施形態を示す。この実施形態では、モノリシック構造体14のファイバーサイド、及び/又は、モノリシック構造体14の対象物サイド上の曲面部は、対象物サイド上でモノリシック構造体14の外部の所定の空間的関係の複数の異なった焦点を実現するために使用される。この実施形態では、モノリシック構造体14は中央光ファイバー10からの光を、それがモノリシック構造体14の対象物サイド上の第1表面部180に到達する程度に逸らし、その表面部は反射材料の層で覆われる。そこから、光はモノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1表面部へ反射され、その表面部も反射材料の層で覆われる。モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1表面部160は、モノリシック構造体14のファイバーサイド上の開口部182へ光を反射する。示されるように、モノリシック構造体14の対象物サイド上の第1表面部180は、夫々の異なる反射レンズ群を形成するようカーブしてもよく、光を相互に異なるビームへ分割し、そうして異なる焦点位置でフォーカスを実現する。
ファイバーサイド上の第1表面部160は反射レンズを形成するようカーブしてもよく、その反射レンズは対象物サイド上の第1表面部180によって形成されるレンズと協働し、モノリシック構造体14の外部の異なる焦点位置でのビームを対象物サイドにフォーカスする。対象物サイド上の第1表面は、それぞれ、モノリシック構造体の中で、ファイバーサイドと対象物サイド上の第1表面部160、180の間で平行ビームを形成するよう配置されてもよい。示されるように、これは、モノリシック構造体14の長さを十分に伸張し、中央光ファイバー10からの光路がモノリシック構造体14の対象物サイド上の第1表面部180の半径位置に到達するまで逸れるようにすることにより達成される。
モノリシック構造体14のファイバーサイド上の反射層で覆われていない第2表面部164は、ファイバーサイド上の第1表面部160とは異なる曲率を有してもよく、そうして、中央光ファイバー10からの光を逸らす異なった屈折レンズを形成する。対象物サイド上の開口部182では、モノリシック構造体14の第1表面部は反射層で覆われておらず、対象物サイド上の第1表面部180とは異なる曲率を有してもよく、そうして、フォーカスと分岐の役に立つ異なった屈折レンズを形成する。モノリシック構造体の中心(軸)に方向付けられた中央光ファイバー10が示されるが、代わりに、軸外ファイバーが使用されてもよいことを理解すべきである。
他の実施形態では、表面の様々な組合せが使用されてもよく、それは周辺光ファイバーを備えた実施形態に対して説明される。例えば、モノリシック構造体14のファイバーサイド上の第1表面部160は個々の異なる反射レンズ群を形成するようにカーブしていてもよく、その場合には、モノリシック構造体14の対象物サイド上の第1表面部180は個々の異なる反射レンズ群又は或るレンズを形成するようにカーブしていてもよい。ファイバーサイド、又は、対象物サイド上には面が供給されてもよい。代替的なオプションでは、ファイバーレンズと対象物レンズの両方の上に単独レンズを形成する反射表面部を使用してもよい。従って、中央光ファイバー10から対象物位置への光路だけがモノリシック構造体14により供給されるだろう。しかし、複数のレンズ群の使用は複数の異なる平行な光路が実現され得るという利点を有する。
図3の実施形態は、複数の対象物サイドの点で中央光ファイバー10からの光をフォーカスし、そして、これらの点からのバックライトを受信するよう使用されてもよく、その受信したバックライトは中央光ファイバー10に戻される。他のアプリケーションでは、例えば、各焦点で並列効果(parallel effects)を誘導するため、中央光ファイバー10からの光を焦点にだけ方向付けるように使用されてもよく、又は、複数の点でパラレル測定を供給するため、焦点からの光を中央光ファイバー10にだけ方向付けるように使用されてもよい。
そのプローブはラマン分光法の使用に特に有用である。しかしながら、同様に他の光学応用例に適用されてもよく、例えば、LIBS(レーザー誘導破壊分光法)、LIF(レーザー誘導蛍光)、(N)IR((近)赤外線分光法)、蛍光分光法、原子分光法等である。
光学プローブが供給され、1つ又は複数のファイバーと光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも1つのファイバーと光学システムを含み、その光学システムは、その少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部からの光を、対象物上にフォーカスするよう構成され、及び/又は、その逆も同様であり、その光学システムは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を含み、
−少なくとも1つの第1被覆表面部を有するファイバーサイド表面であり、その第1被覆表面部又は表面部分群の上に第1反射コーティングを有し、その反射コーティングはその少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の反対に1つ又は複数の開口部を残し、及び、
−少なくとも1つの第2被覆表面部を有する対象物サイド表面であり、その第2被膜表面部又は表面部分群の上に別の反射コーティングを有し、対象物サイドアパーチャを残し、及び、
−その第1表面部と第2表面部のうちの少なくとも1つは、複数の異なる反射レンズを形成するようにカーブしており、所定の相対的空間位置での1つ以上の対象物位置からの光路を、開口部で少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部上に、そのアパーチャを介して、フォーカスするように構成され、及び/又は、逆も同様であるように構成される。
−少なくとも1つの第1被覆表面部を有するファイバーサイド表面であり、その第1被覆表面部又は表面部分群の上に第1反射コーティングを有し、その反射コーティングはその少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の反対に1つ又は複数の開口部を残し、及び、
−少なくとも1つの第2被覆表面部を有する対象物サイド表面であり、その第2被膜表面部又は表面部分群の上に別の反射コーティングを有し、対象物サイドアパーチャを残し、及び、
−その第1表面部と第2表面部のうちの少なくとも1つは、複数の異なる反射レンズを形成するようにカーブしており、所定の相対的空間位置での1つ以上の対象物位置からの光路を、開口部で少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部上に、そのアパーチャを介して、フォーカスするように構成され、及び/又は、逆も同様であるように構成される。
Claims (15)
- 光学プローブであって、該光学プローブは、1つ又は複数のファイバーと前記光学プローブの対象物サイドインターフェースとの間に少なくとも1つのファイバーと光学システムを含み、前記光学システムは、前記少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部から、対象物上に光をフォーカスするよう構成され、及び/又は、その逆も同様であり、前記光学システムは、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を含み、
−少なくとも1つの第1被覆表面部を有するファイバーサイド表面であり、1つ又は複数の前記第1被覆表面部の上に第1反射コーティングが施され、前記反射コーティングは前記少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の反対側に1つ又は複数の開口部を残す、ファイバーサイド表面と、
−少なくとも1つの第2被覆表面部を有する対象物サイド表面であり、1つ又は複数の前記第2被膜表面部の上に別の反射コーティングが施され、対象物サイドアパーチャを残す、対象物サイド表面と、を有し、さらに
−前記第1表面部と前記第2表面部とのうちの少なくとも1つは、複数の異なる反射レンズを形成するようにカーブしており、所定の相対的空間位置での1つ以上の対象物位置から並列に、前記アパーチャを介して、前記開口部で少なくとも1つのファイバーの1つ又は複数の先端部の上に光路を個別にフォーカスするように構成され、及び/又は、逆も同様であるように構成される、
光学プローブ。 - 前記第1及び第2被覆表面部によって形成される前記反射レンズは焦点距離を有し、該焦点距離はそれぞれ、前記1つ又は複数の第1被覆表面部から前記1つ又は複数の対象物位置までの光学距離と等しく、前記第2被覆表面部から前記少なくとも1つのファイバーの前記1つ又は複数の先端部までの光学距離と等しい、請求項1記載の光学プローブ。
- 前記1つ又は複数の第2被覆表面部は前記アパーチャの周りで輪になって存在する、請求項1又は2に記載の光学プローブ。
- 前記対象物サイドアパーチャは曲面を有し、前記第1及び/又は第2被覆表面部と協働するレンズを形成し、前記アパーチャを介して、前記1つ又は複数の対象物位置から、前記開口部で前記ファイバーの夫々の各先端部上に光をフォーカスし、逆も同様である、請求項1乃至3の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記少なくとも1つのファイバーは複数のファイバーの束を含み、前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面の前記少なくとも1つの第1被覆表面部の前記反射コーティングは前記ファイバーの夫々の先端部の反対側に開口部を残し、前記第1及び第2表面部のうち少なくとも1つは曲面であって反射レンズを形成し、前記反射レンズは前記アパーチャを介して所定の相対空間位置での1つ又は複数の対象物位置から、前記開口部での前記ファイバーの夫々の1つ又は複数の先端部上に別々に光路をフォーカスするように機能し、逆も同様である、請求項1乃至4の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記反射レンズは、前記アパーチャを介して、単一の対象物位置から前記開口部での前記ファイバーの夫々の1つ又は複数の各先端部上に別々に光路をフォーカスするように機能し、逆も同様である、請求項5に記載の光学プローブ。
- 前記ファイバーの束は別のファイバーを含み、前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面は前記別のファイバーの先端部の反対側に第3表面部を有し、光が前記第3表面部を通過できるようにコーティングされておらず、前記第3表面部は屈折レンズを形成するよう或る曲率を有し、前記屈折レンズは、前記アパーチャを介して、前記別のファイバーから、1つ又は複数の対象物位置に対して所定の空間関係にある別の対象物位置上に光をフォーカスするように構成され、逆も同様である、請求項5又は6に記載の光学プローブ。
- 前記異なる反射レンズは、前記アパーチャを介して、所定の相対空間位置での複数の分離した対象物位置から、前記開口部での少なくとも1つのファイバーのうちの同じファイバーの前記先端部上に光路を個別にフォーカスするように構成され、逆も同様である、請求項1乃至4の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記モノリシック構造体は複数の反射コーティングされた第2表面部を有し、夫々は個別の一次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第1表面部は単一の二次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第2表面部の前記個別の一次反射レンズは前記単一の二次反射レンズと協働して、少なくとも1つのファイバーのうちの1つの先端部、又は、前記ファイバーの各々の先端部から、前記1つ又は複数の対象物位置上に光をフォーカスし、逆も同様である、請求項1乃至8の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記モノリシック構造体は複数の第1表面部を有し、夫々は個別の一次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第2表面部は単一の二次反射レンズを形成するよう曲面レンズ形状を有し、前記第2表面部の前記個別の一次反射レンズは前記単一の二次反射レンズと協働して、少なくとも1つのファイバーのうちの1つの先端部、又は、前記ファイバーの各々の先端部から、前記1つ又は複数の対象物位置上へ光をフォーカスし、逆も同様である、請求項1乃至9の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記モノリシック構造体の前記ファイバーサイド表面に取り付けられた円筒状構造を含み、前記ファイバーは前記円筒状構造に取り付けられている、請求項1乃至10の何れか1つに記載の光学プローブ。
- 前記円筒状構造は前記モノリシック構造体と異なり、前記プローブは第1及び第2クランプ端部を有するクランプを含み、前記モノリシック構造体と前記円筒状構造とは、前記第1クランプ端部と前記第2クランプ端部との間に位置付けられ、前記第1及び第2クランプ端部は前記モノリシック構造体と前記円筒状構造とを互いに対して押し合う、請求項11記載の光学プローブ。
- 請求項1乃至12の何れか1つに記載の光学プローブ、1つ又は複数の光源、及び/又は、前記束の中の前記ファイバーの遠心端部に結合された1つ又は複数の光検出器を含む、光学測定装置。
- 請求項1乃至10の何れか1つに記載の光学プローブに係るモノリシック構造体に必要とされるように構成されるモノリシック構造体。
- 光学測定及び/又は照射方法であって、対象物が照射され、及び/又は、対象物から光を受信し、当該方法は;
−少なくとも1つの光ファイバーを通して光を供給及び/又は受信するステップと、
−前記ファイバーから対象物上に光を供給するステップであって、及び/又は、逆も同様であり、光学的に透明な材料のモノリシック構造体を通じて、前記モノリシック構造体のファイバーサイド上の少なくとも1つのファイバーの先端部の反対側の前記モノリシック構造体の第1表面部の反射コーティングの中の1つ又は複数の開口部を介し、さらに、前記構造体の対象物サイド上の前記モノリシック構造体の第2表面部の反射コーティングを介し、さらに、前記モノリシック構造体の前記第1被膜表面の前記反射コーティングを介し、そしてさらに、前記構造体の前記対象物サイド上の前記第2表面部の前記反射コーティングによって覆われていない対象物サイドアパーチャを介する、ステップと、
−前記モノリシック構造体の前記第1及び第2表面部のうち少なくとも1つの表面曲率によって光をフォーカスするステップであって、前記曲率は複数の異なる反射レンズを定義し、前記アパーチャを介して、所定の相対空間位置での1つ以上の対象位置から、前記開口部での前記ファイバーの1つ又は複数の先端部上へ光路を個別にフォーカスし、逆も同様である、ステップと、を含む、方法。
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