光検出装置
【課題】被検出光が、散乱光や波面の乱れた光であっても、高感度かつ高感度に検出することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供する。
【解決手段】光検出装置は、入射光のモード状態を調整するとともに前記入射光の空間分布状態に応じてモード調整条件を制御する制御手段を有するモード調整手段（１０）、モード調整手段から出力されるモード状態が調整された前記光を増幅する増幅手段（２０）、および、増幅手段から出力される前記増幅された前記光を電気信号に変換する変換手段（３０）を備える。モード調整手段（１０）は、多モードの入射光を、増幅手段（２０）による増幅空間モードと略一致するモードに、エネルギーのモード分布を調整する。
【解決手段】光検出装置は、入射光のモード状態を調整するとともに前記入射光の空間分布状態に応じてモード調整条件を制御する制御手段を有するモード調整手段（１０）、モード調整手段から出力されるモード状態が調整された前記光を増幅する増幅手段（２０）、および、増幅手段から出力される前記増幅された前記光を電気信号に変換する変換手段（３０）を備える。モード調整手段（１０）は、多モードの入射光を、増幅手段（２０）による増幅空間モードと略一致するモードに、エネルギーのモード分布を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置に関する。本発明の光検出装置は、例えば生体等の画像観察を行う内視鏡や顕微鏡に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
一般に、画像観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の光を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素となっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。
【０００３】
例えば、画像観察において光を用いた生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。ましてや、光照射せずに、生体等の検出対象から発せられる自己発光等の光エネルギーを検出する場合は極く微弱な光を検出しなければならない。また、生体試料に限らず、検出手段から検出対象までの距離が遠い場合、散乱や吸収等により検出を妨害する物質が介在する場合、検出対象が微小または微量である場合は、検出信号が減少することで減らされ微弱である。これらの理由により、光を用いた生体観察等の各種検出システムにおいては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。
【０００４】
現在用いられている代表的な光検出素子には、ＰＭＴ（Photo multiplier tube）、ＡＰＤ（Avalanche photo diode）、ＰＤ（Photo diode）がある。ＰＭＴおよびＡＰＤは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、ＰＤは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号を増幅するようにしている。つまり、ＰＭＴ、ＡＰＤ、ＰＤは、いずれの素子も電気段にて信号増幅を行い、感度の向上を図っている。
【０００５】
また、代表手的な二次元光検出器として、ＣＣＤ（Charged coupled device）、ＣＭＯＳ（complementary metal Oxide semiconductor）、ＥＭ−ＣＣＤ（Electron multiplying-CCD）、ＥＢ−ＣＣＤ（Electron bombardment-CCD）、Ｉ−ＣＣＤ（Intensified-CCD）がある。ＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いて微弱光を検出する際には感度向上のために、ＰＤと同様に後段に電気増幅器を配置する必要がある。ＥＭ−ＣＣＤおよびＥＢ−ＣＣＤは、ＡＰＤと 同様に検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。Ｉ−ＣＣＤは、ＣＣＤの前に光増幅器（Image intensifier、以下Ｉ．Ｉ．とする）を配置した構成をとる。Ｉ．Ｉ．は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、Ｉ．Ｉ．に内蔵されているＭＣＰ（Micro channel plate）内において電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることにより、増倍電子信号を再度光に変換するものである。つまりＩ−ＣＣＤも電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。
【０００６】
しかしながら、上述の電気段での信号増幅を用いる従来型の光検出技術では、検出感度と検出速度との間にトレードオフの関係がある。すなわち、これらの検出技術を用いて検出を行った場合、高速性と高感度性を両立させることは大変難しい。従って、現状では、検出速度と検出感度とのいずれかを犠牲にして光検出を行わざるをえない状況にある。
【０００７】
一方、従来、長距離光通信分野を中心に、光ファイバを光伝達手段として用いる光増幅器の開発が盛んに進められてきている。電気増幅器と比較すると、光増幅器は非常に高速・広帯域な動作が可能なうえ、構成によっては、非常に低雑音で高利得な光増幅が可能になるという特性を有している。そこで、このような光増幅器を高速な光電変換素子の前段に配置することで、高速かつ高感度な光検出ができることが期待される（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この特許文献１の要旨は、所定の角度に配置された２本の光ファイバの一方のファイバから光照射し、他方のファイバから光検出することにより、観察対象の深度方向の分解能（axial resolution)を向上するために提案されている。
【０００９】
一方、光増幅器からは、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）が発生し、これが光増幅器を用いた場合の光検出時の支配的な雑音原因になる。そのため、光増幅器を用いた高速・高感度光検出を実現するためには、光増幅器が低雑音であることが必須である。光増幅器は、入力される信号光強度が高ければ高い程、光増幅後の信号対雑音比（signal to noise ratio、以下ＳＮＲとする）が向上し、光検出感度が向上する。
【００１０】
また、長距離光通信分野で用いられる低雑音光増幅器は、単一モード光ファイバで構成されている。この単一モード光ファイバの構成が用いられる理由は、伝送路との整合性が優れていること等に加え、光増幅器の雑音が光増幅器を構成する利得ファイバの伝播モードに比例して増大することにある。このため、長距離光通信分野では、利得ファイバとして単一モード光ファイバを利用することが光増幅器の低雑音性に大きく寄与している。
【００１１】
しかしながら、このような単一モード光ファイバから成る長距離光通信用の低雑音光増幅器でさえ、光電変換素子の前段に用いるには、次のような課題がある。すなわち、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の分野で検出される信号光は散乱光である場合や、波面が乱れた光である場合がほとんどである。このような光は、単一モードファイバへの結合効率が非常に低く、光増幅器に取り込むことのできる光信号は、全体の中の限られた一部分の微弱な信号となる。このため、ＳＮＲが劣化するので高い受光感度を得ることができない。
【００１２】
これに対し、散乱光や波面が乱れた光を高効率で集めるため、コア径の大きな多モード光ファイバ増幅器を光電変換素子直前に配置することも考えられる。しかし、コア径を大きくしたことによる空間モード数の増大に伴い、光増幅器中で発生する光雑音が増大してしまうため、この場合もＳＮＲが劣化するので高い受光感度を得ることはできない。
【００１３】
なお、上記において、光を検出する場合を例に取り説明したが、ミリ波やマイクロ波等の光以外の電磁波を検出する場合も、同様の課題を有すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６４２３９５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、被検出光が生体等により散乱された光や、波面が乱れた光であっても、高速かつ高感度に検出することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光量等の電磁エネルギーの増大による損傷を最小限にしたい場面や、対象から届く検出信号が微弱な場面であっても、低雑音な検出信号を高効率で収集することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する請求項１に係る光検出装置の発明は、
多モードの入射光のモード状態を調整するモード調整手段と、
前記入射光の空間分布状態に応じて前記モード調整手段のモード調整条件を制御する制御手段と、
前記モード調整手段から出力される前記モード状態が調整された前記光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される前記増幅された光を電気信号に変換する変換手段とを備え、前記モード調整手段は、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、前記増幅手段による増幅空間モードと略一致するモードに調整するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、
前記制御手段が、前記変換手段からの出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、
前記モード調整手段がファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な伸張、屈曲もしくは応力を与える機能を有することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファイバであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、増幅手段の増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段を、増幅手段及び変換手段の前に配置し、かつ入射光の空間分布状態に応じてモード調整手段のモード調整条件を制御するようにしたので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、時々刻々と入射光のモード状態が変化するような光であっても、被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、光検出装置構成を最も簡素にできるという効果がある。本発明では、変換手段の出力レベルをモニタし、その変換手段の出力レベルが高くなるようにモード調整手段のモード調整条件を変えるため、入射光の空間分布状態を間接的に簡便に知ることができる。つまり、入射光の空間分布状態を知るために付加すべき特別な部品が不要である。そのため、光検出装置を構成する部品点数を必要最小限に抑えることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、モード調整手段にファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバといった光ファイバ素子を用いることで、機械的振動などの外的環境の変動に強い光検出装置を実現することができるという効果がある。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバに機械的な伸張もしくは屈曲機能を与える機能を有するものを用いることで、高速にモード状態の制御を行うことができるという効果がある。こうすることで、入射光のモード状態が高速に変動する場合にも高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバなどの光ファイバ素子に温度的な変化を与える機能を有するものを用いることで、光ファイバ素子自身の機械的安定性を損なうことなくモードを調整できるという効果がある。この効果は、長期的な安定性が求められる用途に特に有用である。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、コア中心部から周辺部にかけて徐々に屈折率が低下するようなグレーデッドインデックスファイバをモード調整手段として用いることで、損失の低いモード調整が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図 である。
【図２】モード調整手段におけるモードの調整を説明する図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図４】テーパードファイバのコア部分縦断面の概略形状を示す図である。
【図５】Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器の概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の第７実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第８実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の第９実施の形態に係る光検出装置を用いたレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第１１実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図１５】本発明の第１２実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第１３実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００３０】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、観察対象の試料から放出される被検出光を増幅して、電気信号として信号処理系へ受け渡すためのものである。
【００３１】
本実施の形態に係る光検出装置は、入射した多モードの被検出光のモード状態を調整するモード調整手段１０と、モード調整手段１０でモード状態を調整された光を増幅する増幅手段２０と、増幅手段２０により増幅された光を電気信号に変換して信号処理系へ出力する変換手段３０とを備える。増幅手段２０は、特定の増幅空間モードに対して、ＳＮＲの優れた増幅特性を有し、モード調整手段１０は、多モードの入射電磁波を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整する。
【００３２】
図２は、モード調整手段１０におけるモードの調整を説明する図である。モード調整手段１０は、入射側において多モードの光の入射を許容し、一方、出射側では、後段の増幅手段２０の増幅空間モードと略一致した、すなわち、整合性の高いエネルギーのモード分布となるように調整を行うように構成されている。図２（ａ）は、モード調整手段の入射側における入射光のエネルギーのモード分布の例である。この例では、モード番号１で示される基本モードと、モード番号２〜７で示される高次モードにエネルギーが分布している。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ異なるケースにおけるモード調整手段１０の出射側における光のエネルギーのモード分布を示す図である。図２（ｂ）では、許容されるモードはモード番号１および２で示される２つのモードのみであり、モード調整手段１０の入射側における各モードのエネルギーが、低損失でこれら２つのモードに変換される。また、図２（ｃ）は、モード調整手段の出射側でのエネルギーのモード分布として、入射側と同じモード番号１〜７の各モードが許容されるが、エネルギーのモード分布が変化して、モード番号１および２の２つのモードの分布が特に高くなる例を示している。すなわち、図２（ｃ）では、擬似的に空間モード数を低減している。モード調整手段１０は、図２（ｂ）のようにモード数そのものを減少させるものと、図２（ｃ）のようにエネルギーの分布を変化させるものとのいずれであっても良い。
【００３３】
図１の概略構成により、散乱波または波面が乱れた波である被検出光は、モード調整手段１０の入射側で許容されるモードに従ってモード調整手段１０に入射する。その際、より多くの高次モードが許容されるほど、被検出光とモード調整手段１０との結合効率が高くなる。その後、被検出光は、モード調整手段１０によるモード調整を受け、増幅手段２０に出射される。このとき、モード調整手段１０から出射される被検出光のエネルギーのモード分布と、増幅手段２０による増幅空間モードとは略一致するので、モードの不整合によるエネルギーの損失が低減される。さらに、被検出光は、増幅手段２０により増幅されて変換手段３０に出射され、変換手段３０で電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は、後段に続く信号処理系により所望のデータに変換される。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段１０を、増幅手段及び変換手段の前に配置したので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、この被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００３５】
また、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態が時間に応じて変化する場合、その被検出光の空間分布状態に適したモードの調整を行うために、モード調整手段１０の特性を変化させる制御手段を用いる。変換手段３０から出力される電圧レベルを確認することで、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段１０の特性が適合しているかどうかを判断することができる。従って、変換手段３０から出力される電圧レベルが高くなるように制御手段を用い、モード調整手段１０の特性を変化させることで、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段１０の特性を適合させることができる。こうすることで、時間に応じて被検出光の空間分布状態が変化する場合でも、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００３６】
さらに、本実施の形態に示す光検出装置に対して、特開２００９−１５３６５４にも記載されるような波長可変光源と同期検出する構成を組み合わせることにより、高速、高感度、かつ高コントラストな光検出も実現できる。
【００３７】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この装置は、レーザ光を照射して得られる被検出信号光を検出して、脂肪下に存在する血管位置を可視化するものである。
【００３８】
この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、生体試料１００を走査しつつ照明用のレーザ光を照射し、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光を、図１に示した構成を有する光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して画像を表示するように構成されている。
【００３９】
この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、波長５４３ｎｍ、出力２ｍＷの単一モードファイバ（single mode fiber: ＳＭＦ）出力型Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１、アイソレータ６２、単一モードファイバ（single mode fiber: ＳＭＦ）６３およびコリメータ６４を照明光学系として備え、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を出射したレーザ光が、アイソレータ６２およびＳＭＦ６３を介してコリメータ６４により略平行光として生体試料１００の所望の観察位置へ照射されるように構成されている。
【００４０】
さらに、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を駆動するレーザドライバ６６が設けられており、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１は、このレーザドライバ６６を介して、この硬性内視鏡型血管イメージング装置全体を制御する後述するコンピュータ６９からの制御により、出力状態を制御されるように構成されている。
【００４１】
また、生体試料１００からの信号光を検出するため、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図１に示す光検出装置のモード調整手段１０、増幅手段２０および変換手段３０のそれぞれに対応する構成として、テーパードファイバ１１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１およびシリコンＰＩＮ−ＰＤ（PIN photo diode）３１を備える。さらに、ＰＩＮ−ＰＤ３１の後段には、ＰＩＮ−ＰＤ３１から出力された電気信号を増幅する電気増幅器６７、電気増幅器６７で増幅されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル（analog-to-digital: ＡＤ）変換器６８を設けている。
【００４２】
テーパードファイバとは、入力側から出力側にかけて光が導波するコア部分の径が変化する構造を有する光ファイバのことである。テーパードファイバ１１の入射面は、生体試料１００に面してコリメータ６４と近接した位置に配置され、コリメータ６４とともに走査マウント６５上に固定される。図４にコア部分の縦断面の概略形状を示すように、テーパードファイバ１１は、入力側のコア径が出力側のコア径よりも大きなテーパ状となっている。本実施の形態では、入力側及び出力側のコア径が、それぞれ５０μｍおよび４μｍで、長さが１．０ｍのものを使用する。
【００４３】
また、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１は、構成図を図５に示すように、アイソレータ７３ａ、７３ｂ、波長分割多重（wavelength divisional multiplexing:ＷＤＭ）カプラ７４、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５、光フィルタ７６、半導体レーザ（laser Diode: ＬＤ）７７を含んで構成する。
【００４４】
アイソレータ７３ａおよび７３ｂは、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の入力側および出力側に配置され、戻り光を抑止する。ＬＤ７７は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の励起光源であり、波長９７５ｎｍ、出力１００ｍＷの半導体レーザを使用する。また、ＬＤ７７に接続されたＬＤ７７を駆動するドライバ７２が設けられている。ＷＤＭカプラ７４は、ＬＤ７７からの励起光と入射側のアイソレータ７３ａを出射した信号光とを合波し、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５へ出力するように構成される。Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５は、コア径４μｍの単一モードＥｒ添加フッ化物ファイバであり、励起光により信号光を増幅するとともに、残留励起光およびＡＳＥを出力する。光フィルタ７６は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の出射側に設けられ、残留励起光及びＡＳＥを除去して信号光のみを出射する。この信号光は、アイソレータ７３ｂを介してＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１から出射される。このＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１は、テーパードファイバ１１の出力を約１５ｄＢ増幅することができる。
【００４５】
また、本実施の形態の硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示すように、装置各部を制御するとともに、ＡＤ変換器６８から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ６９を備える。コンピュータ６９は、レーザドライバ６６、ドライバ７１およびドライバ７２と接続され、それぞれＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１、および、走査マウント６５を制御するとともに、ＡＤ変換器６８の出力信号とＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１の出力、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の増幅率および走査マウント６５の位置の各情報とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ７０に表示するように構成される。
【００４６】
以上のような構成によって、本実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置では、生体試料の観察を行う際、コンピュータ６９は、ドライバ７１を介して走査マウント６５を走査させるとともに、レーザドライバ６６を介して、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を駆動して、コリメータ６４から生体試料１００にレーザ光を照射させる。このレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、波長５４３ｎｍの信号光としてテーパードファイバ１１に入射する。
【００４７】
ここで、テーパードファイバ１１の入射側のコア径は５０μｍなので、４μｍのコア径のファイバと比べると、入射面の面積が大きく空間的に広範囲の信号を集めることができるとともに、基本モードの他多くの高次モードが入射することができる。一方、テーパードファイバの出射側では、コア径が４μｍと小さく、モード間のエネルギーの分布が調整されて基本モードに集中する。
【００４８】
モード調整を受けた信号光は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入射し、図５に示した増幅空間モードが基本モードであるコア径４μｍの単一モードＥｒ添加フッ化物ファイバ７５に入射する。テーパードファイバの出射側のモード分布と、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の増幅空間モードとが、略一致しているので、両者の接合部分における結合効率が高くなる。このため、テーパードファイバ１１に入射した信号光のエネルギーの損失を抑えることができ、かつ、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１において略単一モードでの増幅ができるので、ＡＳＥの発生が抑えられ、ＳＮＲの高い信号光を得ることができる。
【００４９】
さらに、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１を出射した信号光は、図３に示すように、ＰＩＮ−ＰＤ３１で電気信号に変換され、電気増幅器６７で増幅され、ＡＤ変換器６８でディジタル信号に変換され、コンピュータ６９に送信される。コンピュータ６９は、この電気信号とドライバ７１から得られる走査位置情報等とを関連づけることにより信号処理を行い、血管画像を生成してモニタ７０に表示する。このようにして、脂肪下に存在する血管位置を高速度に画像化することが可能になる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ１１をＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の前段に配置することで、受光面を広くすることができ、さらに、入射側の許容空間モード数が大きいので、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、多くの信号光を入射させることができる。また、テーパードファイバ１１により、増幅空間モード数の少ないＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の増幅空間モードと略一致するモードに、エネルギーのモード分布を調整させたので、ＡＳＥを低減することができ、ＳＮＲの高い光増幅が可能になる。さらに、テーパードファイバ１１を用いたことによって、少ないエネルギー損失でモード調整を行うことができる。したがって、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、信号光強度は高く、雑音光強度は低い光増幅が可能になる。従って、この光増幅器をＰＩＮ−ＰＤ３１の前に配置することで高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００５１】
また、モード調整手段１０として、光ファイバの一種であるテーパードファイバ１１を利用することで、長尺な空間モード調整導波路を安定的に実現することができる。長尺化することにより、断熱的な空間モード調整が可能になり、より低損失な空間モード調整を実現することができる。また、光ファイバを用いることにより空間光学系の微調整などが不要になるため、使用上の自由度が向上する。さらに、テーパードファイバ１１は、設計の自由度が非常に高いので、検出光の状態に適したモード調整手段を実現することが可能になる。また、テーパードファイバ１１は比較的容易に作製可能なため、低価格な光検出装置を提供することができる。
【００５２】
また、増幅手段２０として、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１を用いたので、高利得および低雑音性で高い増幅効率の増幅をすることができる。さらに、石英系ファイバ型光増幅器では動作できない波長帯域でも光増幅が可能になり、特に、可視帯での効率的な光増幅が可能になる。
【００５３】
さらに、図３に示す第２実施の形態において、時間や計測位置などによって被検出光の空間分布状態が変化するような場合、次のような構成を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。まず、図３中のテーパードファイバ１１をピエゾ素子に接着させる。ピエゾ素子に流す電流を変化させることでピエゾ素子、ひいてはテーパードファイバ１１を伸縮もしくは屈曲させることができるようになっている。こうすることでテーパードファイバ１１のモード調整特性を変化させることができる。この時、ＰＩＮ−ＰＤ３１からの出力電圧が高くなるように、このピエゾ素子に流れる電流がコンピュータ６９にて制御される。
【００５４】
（第３実施の形態）
図６は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０を複数設けるとともに、モード調整手段１０と増幅手段２０との間に、合波手段４０を設けている。
【００５５】
この構成により、被検出光は、複数のモード調整手段１０に入力され、それぞれのモード調整手段１０において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段１０からの出力光は、合波手段４０に入力され、合波される。合波手段４０より出力された被検出信号光は増幅手段２０によって増幅され、さらに変換手段３０によって電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。
【００５６】
本実施の形態によれば、第一実施の形態の効果に加え、並列に入射する多モードの入射光のモード調整を行う複数のモード調整手段１０を、増幅手段２０及び変換手段３０の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、信号波を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段１０から出力される複数の光を合波する合波手段４０を備えるので、入射光をモード数を少なくして合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。
【００５７】
（第４実施の形態）
図７は、図６に示した光検出装置を用いた本発明の第４実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ６４ａに代えて、照明用レンズ６４ｂを使用するとともに、テーパードファイバ１１を並列に複数本設け、それらの出射側に合波手段４０としてファイバカプラ４１を設けている。また、走査マウント６５に照明用レンズ６４ｂと複数のテーパードファイバ１１の入射面とが、生体試料１００に面するように固定されている。
【００５８】
照明用レンズ６４ｂは、図３に示したコリメータ６４ａとは異なり、ＳＭＦ６３を伝播してきたレーザ光を拡散させて、テーパードファイバ１１の入射面に面した生体試料１００の領域に照射させる。このレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、複数のテーパードファイバ１１に多モードの光として入射する。各テーパードファイバ１１に入射した信号光は、モード間のエネルギー分布が調整された後、基本モードを含む少ないモード数の光としてファイバカプラ４１に入射して合波される。その後、ファイバカプラ４１で合波された信号光は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入射する。その他の構成および作用は第２実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第２実施の形態の効果に加え、テーパードファイバ１１を複数有することにより、より多くの信号光を集光することができる。また、一般に、空間モード数の少ない素子ほど動作が安定しているので、信号光の空間モード数を少なくして合波手段を使用して合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。
【００６０】
（第５実施の形態）
図８は、本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０と増幅手段２０とを、各１個を一組として複数並列に設けるとともに、それぞれの増幅手段２０からの出力を、これら出力を並列に処理することのできる変換手段３０に入力されるように構成したものである。
【００６１】
上記の構成において、被検出光は、複数のモード調整手段１０に入力され、それぞれのモード調整手段１０において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段１０からの出力光は、対応する増幅手段２０に入力されて増幅され、さらに変換手段３０によって並列に電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。
【００６２】
本実施の形態によれば、並列に入射する多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整する複数のモード調整手段１０を、それぞれ対応する増幅手段２０及び変換手段３０の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、これを高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段１０及びそれに対応する複数の増幅手段２０を有し、それぞれの増幅手段２０からの光出力を並列に電気信号に変換することで、同時に画像情報等の複数点の情報を得ることができる。
【００６３】
（第６実施の形態）
図９は、図８に示した光検出装置を用いた本発明の第６実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。この高感度内視鏡は、照明用のレーザ光を照射し、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光を、図８の光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して内視鏡画像を表示するように構成されている。
【００６４】
生体試料１００に照明用のレーザ光を照射する光学系として、この高感度内視鏡では、波長６３５ｎｍ、出力２０ｍＷのＬＤ８０、アイソレータ８１、多モードファイバ（multi-mode fiber: MMF）８２ａ、および、照明用レンズ８３を備え、光源であるＬＤ８０の出力はアイソレータ８１およびＭＭＦ８２ａを介して、照明用レンズ８３から空間に出力され、生体試料１００へ照射されるように構成される。
【００６５】
また、ＬＤ８０を駆動するレーザドライバ７９が設けられ、ＬＤ８０は、レーザドライバ７９を介して、この高感度内視鏡の全体を制御するコンピュータ６９によって、出力を制御されるように構成されている。
【００６６】
また、生体試料１００からの被検出光を検出する光検出装置は、モード調整手段１０として１２８×１２８本のテーパードファイバ１１を、増幅手段２０として各テーパードファイバ１１に対応する１２８×１２８個の半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ）２２を、変換手段３０として１２８×１２８個の画素を有するＣＣＤカメラ３２を、それぞれ用いる。また、各テーパードファイバ１１と対応するＳＯＡ２２との間には、それぞれアイソレータ８４ａを、各ＳＯＡ２２とＣＣＤカメラ３２との間にはアイソレータ８４ｂとＡＳＥ除去用の光バンドパスフィルタ(band-pass filter: ＢＰＦ) ８５とを設ける。ＣＣＤカメラ３２の後段には、アナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ-ディジタル（analog-to-digital: ＡＤ）変換器６８を設ける。
【００６７】
なお、テーパードファイバ１１としては、入力側及び出力側のコア径がそれぞれ５０μｍ及び９μｍで、長さは１．０ｍのものを用い、その入射面は、生体試料１００に面し、照明用レンズ８３からのレーザ光の照射により、生体試料１００のそれぞれ異なる位置からの信号光が入射するように配置され、照明用レンズ８３とともにハウジング７８に固定される。また、ＳＯＡ２２は、ドライバ８６を介してコンピュータ６９にて制御されるように構成されている。
【００６８】
これによって、生体試料１００の表面及び内部で反射もしくは散乱された波長６３５ｎｍの信号光は、各テーパードファイバ１１に入力され、モードが調整される。テーパードファイバ１１のそれぞれの出力はアイソレータ８４を介して対応するＳＯＡ２２へ入力され、約１８ｄＢ増幅される。各ＳＯＡ２２の出力は、対応するアイソレータ８４を経由して対応するＢＰＦ８５に入射してＡＳＥが除去される。各ＢＰＦ８５の出力は、１２８×１２８ピクセルのＣＣＤカメラ３２の各ピクセルに対応するように入力され、電気信号に変換される。さらに、ＣＣＤカメラ３２により電気信号に変換された信号出力は、ＡＤ変換器６８においてディジタル信号へ変換される。
【００６９】
また、本実施の形態に係る高感度内視鏡では、装置各部を制御するとともに、ＡＤ変換器６８から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ６９が設けられている。コンピュータ６９は、レーザドライバ７９、および、ドライバ８６とそれぞれ接続されて、ＬＤ８０およびＳＯＡ２２を制御するとともに、ＡＤ変換器６８の出力信号とＬＤ８０の出力およびＳＯＡ２１の増幅率とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ７０に、例えば、内視鏡画像として表示する。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第２実施の形態と同様の効果を得ることができ、従来よりも高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることができる。また、本実施の形態では、複数のテーパードファイバ１１及びそれに対応する複数のＳＯＡ２２を設け、それぞれのＳＯＡ２２からの光出力を並列に電気信号に変換することにより、同時に生体試料１００の複数点に関する情報を得ることができる。したがって、特に二次元画像などを生成する際に有効である。
【００７１】
さらに、増幅手段２０としてＳＯＡ２２を用いることでコンパクトかつ低価格な光検出系を構築することが可能になるうえ、複数の半導体光増幅器やフォトダイオード（ＰＤ）など他の半導体素子との集積化が可能になる。また、供給電力が少なくてよいという利点も兼ね備えている。さらに、ＳＯＡは、ファイバ型光増幅器と比較すると、動作波長帯域が広いため、様々な被検出光に対応することができる。
【００７２】
（第７実施の形態）
図１０は、本発明の第７実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０の前に、被検出光を集めるための集波手段５０を設けている。これによって、請求項１に記載の発明の効果に加えて、検出できる信号光の量をより一層高めることができる。
【００７３】
（第８実施の形態）
図１１は、図１０に示した光検出装置を用いた本発明の第８実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、テーパードファイバ１１の入射面の前に集光用レンズ５１を設けたものである。テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５１を設けることにより、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分をテーパードファイバ１１に取り込むことができる。また、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質に対しても、高感度かつ高いＳＮＲで検出できるという利点を有する。
【００７４】
（第９実施の形態）
図１２は、本発明の第９実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡の概略構成を示す図である。本実施の形態は、レーザ走査型多光子顕微鏡において、図１０に示した光検出装置を、生細胞試料からの信号光の検出に使用したものである。
【００７５】
図１２に示すように、本実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡は、チタン・サファイヤレーザ８７、強度変調器８８、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９、瞳投影レンズ９０、結像レンズ９１、ダイクロイックミラー９２、対物光学系を構成する対物レンズ９３、アイソレータ１０２、集光用レンズ５２、テーパード導波路１２、ＳＯＡ２３、ＰＩＮ−ＰＤ３３、電気増幅器６７、ＡＤ変換器６８、および、増幅率制御手段１０３を含んで構成されている。
【００７６】
チタン・サファイヤレーザ８７は、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１５０ｆｓ、発振波長１０６０ｎｍの超短光パルスを発生させる光源である。このチタン・サファイヤレーザ８７からの超短光パルスは、光強度調整装置８８により平均光強度を１００ｍＷに調整され、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９、瞳投影レンズ９０、結像レンズ９１、ダイクロイックミラー９２および対物レンズ９３を経て、検査対象である生細胞試料１０１に集光して照射されるように構成される。その際、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９を駆動して、レーザ光の試料上の照射位置を走査させる。これにより生細胞試料１０１中の所望の領域において、例えば赤色蛍光タンパク質（DsRed）を多光子励起（例えば、２光子励起）して蛍光を発生させることができる。
【００７７】
また、対物レンズ９３は、生細胞試料１０１から発生した蛍光を、ダイクロイックミラー９２に導く。ダイクロイックミラー９２は、チタン・サファイヤレーザ８７からの波長１０６０ｎｍの光は透過させ、波長７００ｎｍ以下の短波長の光は反射させるように構成される。これにより、生細胞試料１０１で発生した波長約５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー９２で反射させる。
【００７８】
集光用レンズ５２、テーパード導波路１２、ＳＯＡ２３およびＰＩＮ−ＰＤ３３は、それぞれ、図１０に示した光検出装置の集波手段５０、モード調整手段１０、増幅手段２０および変換手段３０に相当する。ダイクロイックミラー９２で反射された蛍光は、アイソレータ１０２を経て集光用レンズ５２により集光され、テーパード導波路１２へ入力される。テーパード導波路１２は、入射側の空間モードが８であり、モード調整によって出射側のモード数が２まで減少するように構成されている。テーパード導波路１２から出力された蛍光は、増幅率制御手段１０３を介して外部のコンピュータ６９により制御されるＳＯＡ２３に入射して増幅され、シリコンＰＩＮ−ＰＤ３３により電気信号に変換される。ＳＯＡ２３は、入射する信号光のモード数を減じたことにより、ＡＳＥの発生を抑制して高いＳＮＲで増幅することができる。
【００７９】
さらに、ＰＩＮ−ＰＤ３３から出力された電気信号は電気増幅器６７で増幅され、ＡＤ変換器６８でディジタル信号に変換され、外部のコンピュータ６９に送信される。コンピュータ６９は、ＡＤ変換器６８から受信した信号と、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９から得られる走査位置情報等とを関連付けて信号処理を行い、その結果をモニタ７０に顕微鏡画像として表示する。
【００８０】
なお、上記のレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡では、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスにより、例えば、２光子励起されて生細胞試料１０１から発生する蛍光は、数ｎｓ程度持続する。すなわち、生細胞試料１０１から発生する蛍光は、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスに同期したパルス光となる。そこで、本実施の形態では、このパルス状の蛍光がＳＯＡ２３に入射するタイミングに同期させて、ＳＯＡ２３の増幅率を、蛍光が入射するタイミングで大きくするように、コンピュータ６９により制御する。
【００８１】
本実施の形態によれば、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスにより多光子励起されて生細胞試料１０１から発生する蛍光を、テーパード導波路１２を用いて空間モード数を減少させるようにモード調整を行い、ＳＯＡ２３で増幅してから、シリコンＰＩＮ−ＰＤ３３で光電変換するようにしたので、生細胞試料１０１に照射するレーザ光の強度を過度に高めることなく、生細胞試料１０１から得られる信号光である蛍光が微弱でも、２光子励起による蛍光を高感度かつ高速に光電変換することができる。
【００８２】
また、ＳＯＡ２３の増幅率を、ＳＯＡ２３への蛍光の入射タイミングに同期して制御するようにしたので、蛍光が入射しない期間に光増幅器に電力を供給することにより発生するＡＳＥの混入を低減することができ、ＳＮＲを向上することができる。さらに、ＳＯＡ２３の増幅率を変化させることによって、検出信号レベルを簡単に調整することができる。
【００８３】
（第１０実施の形態）
図１３は、本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０の前段に、複数の集波手段５０と、該複数の集波手段５０からの検出光を合波する合波手段４０とを設けたものである。
【００８４】
上記の構成において、被検出光は、複数の集波手段５０によって集光され、合波手段４０に入力される。合波手段４０は、入力された複数の被検出光を合波し、モード調整手段１０に出力する。その他の作用は、図１の光検出装置と同様である。
【００８５】
本実施の形態によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、複数の集波手段５０を備えることによって、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、さらに、複数箇所からの信号光を合波手段４０でまとめることにより、増幅手段２０に入力される信号光のエネルギーを増大させ、ＳＮＲをさらに向上させることができる。
【００８６】
（第１１実施の形態）
図１４は、図１３に示した光検出装置を用いた本発明の第１１実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ６４ａに代えて、照明用レンズ６４ｂを使用するとともに、テーパードファイバ１１の前段に、複数の集光用レンズ５１とこの集光用レンズ５１に結合した多モードファイバ（multi-mode fiber: ＭＭＦ）８２ｂと、各ＭＭＦ８２ｂからの信号光を合波する多モードファイバカプラ４２とを設けている。なお、集光用レンズ５１および多モードファイバカプラ４２は、それぞれ、図１３の集波手段５０および合波手段４０に相当する。
【００８７】
また、走査マウント６５に、照明用レンズ６４ｂと各集光用レンズ５１とが、試料１００に面するように固定されている。さらに、照明用レンズ６４ｂは、図３に示したコリメータ６４ａとは異なり、ＳＭＦ６３を伝播してきたレーザ光を拡散させて、各集光用レンズ５１の入射面に面した生体試料１００の領域に照射させるように構成されている。
【００８８】
これにより、照明用レンズ６４ｂを出射したレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、複数の集光用レンズ５１で集光され、ＭＭＦ８２ｂを介して多モードファイバカプラ４２で合波され、テーパードファイバ１１に多モードの光として入射する。その他の、構成および作用は第２実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００８９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の集光用レンズ５１を設けたので、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。また、複数箇所からの信号光を多モードファイバカプラ４２でまとめることにより、後段に続くテーパードファイバ１１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１、および、ＰＩＮ−ＰＤ３１の数量を一つに減らすことができる。また、複数箇所からの信号光をまとめることで、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入力される信号光エネルギーを増大させることができる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。
【００９０】
（第１２実施の形態）
図１５は、本発明の第１２実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図８に記載の光検出装置の構成において、各モード調整手段１０の前段に、集波手段５０を設けたものである。これによって、第５実施の形態に係る光検出装置の有する効果に加え、より多くの被検出光を、モード調整手段１０に導くことが可能になる。
【００９１】
（第１３実施の形態）
図１６は、図１５に示した光検出装置を用いた本発明の第１３実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図９に示した第６実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置において、複数のテーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けたものである。テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けることにより、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分を各テーパードファイバ１１に取り込むことができる。その他の構成および作用は、第６実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００９２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けたので、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。
【００９３】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、モード調整手段としては、テーパードファイバ１１またはテーパード導波路１２を使用したが、これに限られず、テーパードフォトニック結晶導波路、長周期ファイバブラッググレーティングや屈折率変調平面導波路などを使用することができる。
【００９４】
例えば、第９実施の形態において、テーパード導波路１２に代えて、導波路長手方向に不均一な屈折率の分布を有する屈折率分布型導波路等を使用するか、または、導波路長手方向に不均一な応力の分布もしくは不均一な温度の分布を与えた導波路を使用することができる。この場合、光導波路中の屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎにより、空間モード間においてエネルギーのやり取りが発生する。この屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎを意図的に光導波路中に与えることにより、空間モード間のエネルギー比率の変化を誘導することができる。
【００９５】
また、増幅手段としては、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器またはＳＯＡを使用したがこれに限られない。例えば、これらの増幅器に代えて、誘導ラマン散乱効果を利用したファイバ型光増幅器を使用することができる。希土類添加ファイバ型光増幅器の動作波長帯域は非常に離散的なため、光増幅効果を得ることができない波長領域が存在するが、誘導ラマン散乱効果は動作波長帯域を選ばないため、これを利用することで、任意の波長領域において光増幅が可能になる。また、他のファイバ型光増幅器、例えば、ファイバ型ブリルアン光増幅器、ファイバ型パラメトリック光増幅器などを使用することもできる。さらに、色素増幅器を使用することもできる。ファイバ型光増幅器や半導体光増幅器と比較すると、色素の増幅帯域は広いので、色素増幅器を使用すると、広帯域な信号を増幅することが可能になる。さらに色素の設計次第で、様々な波長での光増幅が可能になる。
【００９６】
また、変換手段としては、ＰＩＮ−ＰＤまたはＣＣＤカメラを使用したが、これに限られず、たとえば、ＡＰＤ、ＰＭＴ、ＣＭＯＳ、ＥＭ−ＣＣＤまたはＥＢ−ＣＣＤを使用することもできる。
【００９７】
合波手段４０としては、ファイバカプラまたは多モードファイバカプラを使用したがこれに限られず、例えば、平面導波路型光カプラ、空間型ビームコンバイナ、偏波合成カプラ、波長合成カプラなどを使用することもできる。
【００９８】
集波手段としては、集光用レンズを使用したがこれに限られず、例えば、ＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズや、レンズドファイバなどを使用することもできる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ モード調整手段
１１ テーパードファイバ
１１ａ テーパードファイバのコア部分
１２ テーパード導波路
２０ 増幅手段
２１ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器
２２ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２３ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
３０ 変換手段
３１ ＰＩＮ−ＰＤ
３２ ＣＣＤカメラ
３３ ＰＩＮ−ＰＤ
４０ 合波手段
４１ ファイバカプラ
４２ 多モードファイバカプラ
５０ 集波手段
５１ 集光用レンズ
５２ 集光用レンズ
６１ Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ
６２ アイソレータ
６３ ＳＭＦ
６４ａ コリメータ
６４ｂ 照明用レンズ
６５ 走査マウント
６６ レーザドライバ
６７ 電気増幅器
６８ ＡＤ変換器
６９ コンピュータ
７０ 表示モニタ
７１ ドライバ
７２ ドライバ
７３ａ、３７ｂ アイソレータ
７４ ＷＤＭカプラ
７５ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ
７６ 光フィルタ
７７ ＬＤ
７８ ハウジング
７９ レーザドライバ
８０ ＬＤ
８１ アイソレータ ８２ａ、８２ｂ ＭＭＦ
８３ 照明用レンズ
８４ａ、８４ｂ アイソレータ
８５ ＢＰＦ
８６ ドライバ
８７ チタン・サファイヤレーザ
８８ 光強度調整装置
８９ Ｘ−Ｙガルバノミラー
９０ 瞳投影レンズ
９１ 結像レンズ
９２ ダイクロイックミラー
９３ 対物レンズ
１００ 生体試料
１０１ 生細胞試料
１０２ アイソレータ
１０３ 増幅率制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置に関する。本発明の光検出装置は、例えば生体等の画像観察を行う内視鏡や顕微鏡に適用することができる。
【背景技術】
【０００２】
一般に、画像観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の光を利用する様々なシステムにおいて、所望の光を検出する技術はその性能を大きく左右する基本的かつ重要な要素となっている。特に、高速かつ高感度な検出技術に対するニーズは高い。
【０００３】
例えば、画像観察において光を用いた生体観察をみると、生体の状態や形状は時々刻々と変化するため、正確な観察を行うためには、高速に光検出を行う必要がある。また、光照射によって生体は損傷を受け易いため、生体試料に照射できる照明光や励起光の光量には上限がある。そのため、生体から得られる光信号は通常微弱になってしまう。ましてや、光照射せずに、生体等の検出対象から発せられる自己発光等の光エネルギーを検出する場合は極く微弱な光を検出しなければならない。また、生体試料に限らず、検出手段から検出対象までの距離が遠い場合、散乱や吸収等により検出を妨害する物質が介在する場合、検出対象が微小または微量である場合は、検出信号が減少することで減らされ微弱である。これらの理由により、光を用いた生体観察等の各種検出システムにおいては、高速かつ高感度な光検出技術が強く求められている。
【０００４】
現在用いられている代表的な光検出素子には、ＰＭＴ（Photo multiplier tube）、ＡＰＤ（Avalanche photo diode）、ＰＤ（Photo diode）がある。ＰＭＴおよびＡＰＤは、検出素子内にて電子増倍を行うので、高感度な光検出を実現できる。一方、ＰＤは、非常に高速な応答速度を実現できるものの、検出素子内に電子増倍機能を持たないため、通常は、電気増幅器を用いて信号を増幅するようにしている。つまり、ＰＭＴ、ＡＰＤ、ＰＤは、いずれの素子も電気段にて信号増幅を行い、感度の向上を図っている。
【０００５】
また、代表手的な二次元光検出器として、ＣＣＤ（Charged coupled device）、ＣＭＯＳ（complementary metal Oxide semiconductor）、ＥＭ−ＣＣＤ（Electron multiplying-CCD）、ＥＢ−ＣＣＤ（Electron bombardment-CCD）、Ｉ−ＣＣＤ（Intensified-CCD）がある。ＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いて微弱光を検出する際には感度向上のために、ＰＤと同様に後段に電気増幅器を配置する必要がある。ＥＭ−ＣＣＤおよびＥＢ−ＣＣＤは、ＡＰＤと 同様に検出素子内に電子増倍機能を持ち、高感度化を実現している。Ｉ−ＣＣＤは、ＣＣＤの前に光増幅器（Image intensifier、以下Ｉ．Ｉ．とする）を配置した構成をとる。Ｉ．Ｉ．は、入射光信号を一旦電気信号に変換し、Ｉ．Ｉ．に内蔵されているＭＣＰ（Micro channel plate）内において電子増倍を行った後、増倍された電子を蛍光板に衝突させることにより、増倍電子信号を再度光に変換するものである。つまりＩ−ＣＣＤも電気段にて信号増幅を行うことで高感度な光検出を実現している。
【０００６】
しかしながら、上述の電気段での信号増幅を用いる従来型の光検出技術では、検出感度と検出速度との間にトレードオフの関係がある。すなわち、これらの検出技術を用いて検出を行った場合、高速性と高感度性を両立させることは大変難しい。従って、現状では、検出速度と検出感度とのいずれかを犠牲にして光検出を行わざるをえない状況にある。
【０００７】
一方、従来、長距離光通信分野を中心に、光ファイバを光伝達手段として用いる光増幅器の開発が盛んに進められてきている。電気増幅器と比較すると、光増幅器は非常に高速・広帯域な動作が可能なうえ、構成によっては、非常に低雑音で高利得な光増幅が可能になるという特性を有している。そこで、このような光増幅器を高速な光電変換素子の前段に配置することで、高速かつ高感度な光検出ができることが期待される（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この特許文献１の要旨は、所定の角度に配置された２本の光ファイバの一方のファイバから光照射し、他方のファイバから光検出することにより、観察対象の深度方向の分解能（axial resolution)を向上するために提案されている。
【０００９】
一方、光増幅器からは、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）が発生し、これが光増幅器を用いた場合の光検出時の支配的な雑音原因になる。そのため、光増幅器を用いた高速・高感度光検出を実現するためには、光増幅器が低雑音であることが必須である。光増幅器は、入力される信号光強度が高ければ高い程、光増幅後の信号対雑音比（signal to noise ratio、以下ＳＮＲとする）が向上し、光検出感度が向上する。
【００１０】
また、長距離光通信分野で用いられる低雑音光増幅器は、単一モード光ファイバで構成されている。この単一モード光ファイバの構成が用いられる理由は、伝送路との整合性が優れていること等に加え、光増幅器の雑音が光増幅器を構成する利得ファイバの伝播モードに比例して増大することにある。このため、長距離光通信分野では、利得ファイバとして単一モード光ファイバを利用することが光増幅器の低雑音性に大きく寄与している。
【００１１】
しかしながら、このような単一モード光ファイバから成る長距離光通信用の低雑音光増幅器でさえ、光電変換素子の前段に用いるには、次のような課題がある。すなわち、生体観察、センサ、セキュリティ、レーザレーダ等の分野で検出される信号光は散乱光である場合や、波面が乱れた光である場合がほとんどである。このような光は、単一モードファイバへの結合効率が非常に低く、光増幅器に取り込むことのできる光信号は、全体の中の限られた一部分の微弱な信号となる。このため、ＳＮＲが劣化するので高い受光感度を得ることができない。
【００１２】
これに対し、散乱光や波面が乱れた光を高効率で集めるため、コア径の大きな多モード光ファイバ増幅器を光電変換素子直前に配置することも考えられる。しかし、コア径を大きくしたことによる空間モード数の増大に伴い、光増幅器中で発生する光雑音が増大してしまうため、この場合もＳＮＲが劣化するので高い受光感度を得ることはできない。
【００１３】
なお、上記において、光を検出する場合を例に取り説明したが、ミリ波やマイクロ波等の光以外の電磁波を検出する場合も、同様の課題を有すると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６４２３９５６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、被検出光が生体等により散乱された光や、波面が乱れた光であっても、高速かつ高感度に検出することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光量等の電磁エネルギーの増大による損傷を最小限にしたい場面や、対象から届く検出信号が微弱な場面であっても、低雑音な検出信号を高効率で収集することができる光検出方法および光検出装置、並びに、生体観察方法、顕微鏡および内視鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成する請求項１に係る光検出装置の発明は、
多モードの入射光のモード状態を調整するモード調整手段と、
前記入射光の空間分布状態に応じて前記モード調整手段のモード調整条件を制御する制御手段と、
前記モード調整手段から出力される前記モード状態が調整された前記光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される前記増幅された光を電気信号に変換する変換手段とを備え、前記モード調整手段は、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、前記増幅手段による増幅空間モードと略一致するモードに調整するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、
前記制御手段が、前記変換手段からの出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、
前記モード調整手段がファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な伸張、屈曲もしくは応力を与える機能を有することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項５に係る発明は、請求項２に記載の光検出装置において、前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載の光検出装置において、前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファイバであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に記載の発明によれば、入射光のエネルギーのモード分布を調整して、増幅手段の増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段を、増幅手段及び変換手段の前に配置し、かつ入射光の空間分布状態に応じてモード調整手段のモード調整条件を制御するようにしたので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、時々刻々と入射光のモード状態が変化するような光であっても、被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００２３】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、光検出装置構成を最も簡素にできるという効果がある。本発明では、変換手段の出力レベルをモニタし、その変換手段の出力レベルが高くなるようにモード調整手段のモード調整条件を変えるため、入射光の空間分布状態を間接的に簡便に知ることができる。つまり、入射光の空間分布状態を知るために付加すべき特別な部品が不要である。そのため、光検出装置を構成する部品点数を必要最小限に抑えることができる。
【００２４】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、モード調整手段にファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバといった光ファイバ素子を用いることで、機械的振動などの外的環境の変動に強い光検出装置を実現することができるという効果がある。
【００２５】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバに機械的な伸張もしくは屈曲機能を与える機能を有するものを用いることで、高速にモード状態の制御を行うことができるという効果がある。こうすることで、入射光のモード状態が高速に変動する場合にも高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００２６】
請求項５に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、制御手段としてファイバブラッググレーティングやテーパードファイバなどの光ファイバ素子に温度的な変化を与える機能を有するものを用いることで、光ファイバ素子自身の機械的安定性を損なうことなくモードを調整できるという効果がある。この効果は、長期的な安定性が求められる用途に特に有用である。
【００２７】
請求項６に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、コア中心部から周辺部にかけて徐々に屈折率が低下するようなグレーデッドインデックスファイバをモード調整手段として用いることで、損失の低いモード調整が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図 である。
【図２】モード調整手段におけるモードの調整を説明する図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図４】テーパードファイバのコア部分縦断面の概略形状を示す図である。
【図５】Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器の概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図８】本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第６実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。
【図１０】本発明の第７実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第８実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の第９実施の形態に係る光検出装置を用いたレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第１１実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【図１５】本発明の第１２実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第１３実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
【００３０】
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、観察対象の試料から放出される被検出光を増幅して、電気信号として信号処理系へ受け渡すためのものである。
【００３１】
本実施の形態に係る光検出装置は、入射した多モードの被検出光のモード状態を調整するモード調整手段１０と、モード調整手段１０でモード状態を調整された光を増幅する増幅手段２０と、増幅手段２０により増幅された光を電気信号に変換して信号処理系へ出力する変換手段３０とを備える。増幅手段２０は、特定の増幅空間モードに対して、ＳＮＲの優れた増幅特性を有し、モード調整手段１０は、多モードの入射電磁波を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整する。
【００３２】
図２は、モード調整手段１０におけるモードの調整を説明する図である。モード調整手段１０は、入射側において多モードの光の入射を許容し、一方、出射側では、後段の増幅手段２０の増幅空間モードと略一致した、すなわち、整合性の高いエネルギーのモード分布となるように調整を行うように構成されている。図２（ａ）は、モード調整手段の入射側における入射光のエネルギーのモード分布の例である。この例では、モード番号１で示される基本モードと、モード番号２〜７で示される高次モードにエネルギーが分布している。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、それぞれ異なるケースにおけるモード調整手段１０の出射側における光のエネルギーのモード分布を示す図である。図２（ｂ）では、許容されるモードはモード番号１および２で示される２つのモードのみであり、モード調整手段１０の入射側における各モードのエネルギーが、低損失でこれら２つのモードに変換される。また、図２（ｃ）は、モード調整手段の出射側でのエネルギーのモード分布として、入射側と同じモード番号１〜７の各モードが許容されるが、エネルギーのモード分布が変化して、モード番号１および２の２つのモードの分布が特に高くなる例を示している。すなわち、図２（ｃ）では、擬似的に空間モード数を低減している。モード調整手段１０は、図２（ｂ）のようにモード数そのものを減少させるものと、図２（ｃ）のようにエネルギーの分布を変化させるものとのいずれであっても良い。
【００３３】
図１の概略構成により、散乱波または波面が乱れた波である被検出光は、モード調整手段１０の入射側で許容されるモードに従ってモード調整手段１０に入射する。その際、より多くの高次モードが許容されるほど、被検出光とモード調整手段１０との結合効率が高くなる。その後、被検出光は、モード調整手段１０によるモード調整を受け、増幅手段２０に出射される。このとき、モード調整手段１０から出射される被検出光のエネルギーのモード分布と、増幅手段２０による増幅空間モードとは略一致するので、モードの不整合によるエネルギーの損失が低減される。さらに、被検出光は、増幅手段２０により増幅されて変換手段３０に出射され、変換手段３０で電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は、後段に続く信号処理系により所望のデータに変換される。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整するモード調整手段１０を、増幅手段及び変換手段の前に配置したので、被検出光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、この被検出光を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００３５】
また、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態が時間に応じて変化する場合、その被検出光の空間分布状態に適したモードの調整を行うために、モード調整手段１０の特性を変化させる制御手段を用いる。変換手段３０から出力される電圧レベルを確認することで、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段１０の特性が適合しているかどうかを判断することができる。従って、変換手段３０から出力される電圧レベルが高くなるように制御手段を用い、モード調整手段１０の特性を変化させることで、モード調整手段１０に入力される被検出光の空間分布状態とモード調整手段１０の特性を適合させることができる。こうすることで、時間に応じて被検出光の空間分布状態が変化する場合でも、高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００３６】
さらに、本実施の形態に示す光検出装置に対して、特開２００９−１５３６５４にも記載されるような波長可変光源と同期検出する構成を組み合わせることにより、高速、高感度、かつ高コントラストな光検出も実現できる。
【００３７】
（第２実施の形態）
図３は、本発明の第２実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この装置は、レーザ光を照射して得られる被検出信号光を検出して、脂肪下に存在する血管位置を可視化するものである。
【００３８】
この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、生体試料１００を走査しつつ照明用のレーザ光を照射し、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光を、図１に示した構成を有する光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して画像を表示するように構成されている。
【００３９】
この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、波長５４３ｎｍ、出力２ｍＷの単一モードファイバ（single mode fiber: ＳＭＦ）出力型Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１、アイソレータ６２、単一モードファイバ（single mode fiber: ＳＭＦ）６３およびコリメータ６４を照明光学系として備え、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を出射したレーザ光が、アイソレータ６２およびＳＭＦ６３を介してコリメータ６４により略平行光として生体試料１００の所望の観察位置へ照射されるように構成されている。
【００４０】
さらに、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を駆動するレーザドライバ６６が設けられており、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１は、このレーザドライバ６６を介して、この硬性内視鏡型血管イメージング装置全体を制御する後述するコンピュータ６９からの制御により、出力状態を制御されるように構成されている。
【００４１】
また、生体試料１００からの信号光を検出するため、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図１に示す光検出装置のモード調整手段１０、増幅手段２０および変換手段３０のそれぞれに対応する構成として、テーパードファイバ１１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１およびシリコンＰＩＮ−ＰＤ（PIN photo diode）３１を備える。さらに、ＰＩＮ−ＰＤ３１の後段には、ＰＩＮ−ＰＤ３１から出力された電気信号を増幅する電気増幅器６７、電気増幅器６７で増幅されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル（analog-to-digital: ＡＤ）変換器６８を設けている。
【００４２】
テーパードファイバとは、入力側から出力側にかけて光が導波するコア部分の径が変化する構造を有する光ファイバのことである。テーパードファイバ１１の入射面は、生体試料１００に面してコリメータ６４と近接した位置に配置され、コリメータ６４とともに走査マウント６５上に固定される。図４にコア部分の縦断面の概略形状を示すように、テーパードファイバ１１は、入力側のコア径が出力側のコア径よりも大きなテーパ状となっている。本実施の形態では、入力側及び出力側のコア径が、それぞれ５０μｍおよび４μｍで、長さが１．０ｍのものを使用する。
【００４３】
また、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１は、構成図を図５に示すように、アイソレータ７３ａ、７３ｂ、波長分割多重（wavelength divisional multiplexing:ＷＤＭ）カプラ７４、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５、光フィルタ７６、半導体レーザ（laser Diode: ＬＤ）７７を含んで構成する。
【００４４】
アイソレータ７３ａおよび７３ｂは、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の入力側および出力側に配置され、戻り光を抑止する。ＬＤ７７は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の励起光源であり、波長９７５ｎｍ、出力１００ｍＷの半導体レーザを使用する。また、ＬＤ７７に接続されたＬＤ７７を駆動するドライバ７２が設けられている。ＷＤＭカプラ７４は、ＬＤ７７からの励起光と入射側のアイソレータ７３ａを出射した信号光とを合波し、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５へ出力するように構成される。Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５は、コア径４μｍの単一モードＥｒ添加フッ化物ファイバであり、励起光により信号光を増幅するとともに、残留励起光およびＡＳＥを出力する。光フィルタ７６は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の出射側に設けられ、残留励起光及びＡＳＥを除去して信号光のみを出射する。この信号光は、アイソレータ７３ｂを介してＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１から出射される。このＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１は、テーパードファイバ１１の出力を約１５ｄＢ増幅することができる。
【００４５】
また、本実施の形態の硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示すように、装置各部を制御するとともに、ＡＤ変換器６８から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ６９を備える。コンピュータ６９は、レーザドライバ６６、ドライバ７１およびドライバ７２と接続され、それぞれＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１、および、走査マウント６５を制御するとともに、ＡＤ変換器６８の出力信号とＥｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１の出力、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の増幅率および走査マウント６５の位置の各情報とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ７０に表示するように構成される。
【００４６】
以上のような構成によって、本実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置では、生体試料の観察を行う際、コンピュータ６９は、ドライバ７１を介して走査マウント６５を走査させるとともに、レーザドライバ６６を介して、Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ６１を駆動して、コリメータ６４から生体試料１００にレーザ光を照射させる。このレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、波長５４３ｎｍの信号光としてテーパードファイバ１１に入射する。
【００４７】
ここで、テーパードファイバ１１の入射側のコア径は５０μｍなので、４μｍのコア径のファイバと比べると、入射面の面積が大きく空間的に広範囲の信号を集めることができるとともに、基本モードの他多くの高次モードが入射することができる。一方、テーパードファイバの出射側では、コア径が４μｍと小さく、モード間のエネルギーの分布が調整されて基本モードに集中する。
【００４８】
モード調整を受けた信号光は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入射し、図５に示した増幅空間モードが基本モードであるコア径４μｍの単一モードＥｒ添加フッ化物ファイバ７５に入射する。テーパードファイバの出射側のモード分布と、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ７５の増幅空間モードとが、略一致しているので、両者の接合部分における結合効率が高くなる。このため、テーパードファイバ１１に入射した信号光のエネルギーの損失を抑えることができ、かつ、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１において略単一モードでの増幅ができるので、ＡＳＥの発生が抑えられ、ＳＮＲの高い信号光を得ることができる。
【００４９】
さらに、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１を出射した信号光は、図３に示すように、ＰＩＮ−ＰＤ３１で電気信号に変換され、電気増幅器６７で増幅され、ＡＤ変換器６８でディジタル信号に変換され、コンピュータ６９に送信される。コンピュータ６９は、この電気信号とドライバ７１から得られる走査位置情報等とを関連づけることにより信号処理を行い、血管画像を生成してモニタ７０に表示する。このようにして、脂肪下に存在する血管位置を高速度に画像化することが可能になる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ１１をＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の前段に配置することで、受光面を広くすることができ、さらに、入射側の許容空間モード数が大きいので、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、多くの信号光を入射させることができる。また、テーパードファイバ１１により、増幅空間モード数の少ないＥｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１の増幅空間モードと略一致するモードに、エネルギーのモード分布を調整させたので、ＡＳＥを低減することができ、ＳＮＲの高い光増幅が可能になる。さらに、テーパードファイバ１１を用いたことによって、少ないエネルギー損失でモード調整を行うことができる。したがって、被検出信号光が散乱光や波面の乱れた光であっても、信号光強度は高く、雑音光強度は低い光増幅が可能になる。従って、この光増幅器をＰＩＮ−ＰＤ３１の前に配置することで高速かつ高感度な光検出が可能になる。
【００５１】
また、モード調整手段１０として、光ファイバの一種であるテーパードファイバ１１を利用することで、長尺な空間モード調整導波路を安定的に実現することができる。長尺化することにより、断熱的な空間モード調整が可能になり、より低損失な空間モード調整を実現することができる。また、光ファイバを用いることにより空間光学系の微調整などが不要になるため、使用上の自由度が向上する。さらに、テーパードファイバ１１は、設計の自由度が非常に高いので、検出光の状態に適したモード調整手段を実現することが可能になる。また、テーパードファイバ１１は比較的容易に作製可能なため、低価格な光検出装置を提供することができる。
【００５２】
また、増幅手段２０として、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１を用いたので、高利得および低雑音性で高い増幅効率の増幅をすることができる。さらに、石英系ファイバ型光増幅器では動作できない波長帯域でも光増幅が可能になり、特に、可視帯での効率的な光増幅が可能になる。
【００５３】
さらに、図３に示す第２実施の形態において、時間や計測位置などによって被検出光の空間分布状態が変化するような場合、次のような構成を用いることで、高速かつ高感度な光検出が可能になる。まず、図３中のテーパードファイバ１１をピエゾ素子に接着させる。ピエゾ素子に流す電流を変化させることでピエゾ素子、ひいてはテーパードファイバ１１を伸縮もしくは屈曲させることができるようになっている。こうすることでテーパードファイバ１１のモード調整特性を変化させることができる。この時、ＰＩＮ−ＰＤ３１からの出力電圧が高くなるように、このピエゾ素子に流れる電流がコンピュータ６９にて制御される。
【００５４】
（第３実施の形態）
図６は、本発明の第３実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０を複数設けるとともに、モード調整手段１０と増幅手段２０との間に、合波手段４０を設けている。
【００５５】
この構成により、被検出光は、複数のモード調整手段１０に入力され、それぞれのモード調整手段１０において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段１０からの出力光は、合波手段４０に入力され、合波される。合波手段４０より出力された被検出信号光は増幅手段２０によって増幅され、さらに変換手段３０によって電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。
【００５６】
本実施の形態によれば、第一実施の形態の効果に加え、並列に入射する多モードの入射光のモード調整を行う複数のモード調整手段１０を、増幅手段２０及び変換手段３０の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、信号波を高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段１０から出力される複数の光を合波する合波手段４０を備えるので、入射光をモード数を少なくして合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。
【００５７】
（第４実施の形態）
図７は、図６に示した光検出装置を用いた本発明の第４実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ６４ａに代えて、照明用レンズ６４ｂを使用するとともに、テーパードファイバ１１を並列に複数本設け、それらの出射側に合波手段４０としてファイバカプラ４１を設けている。また、走査マウント６５に照明用レンズ６４ｂと複数のテーパードファイバ１１の入射面とが、生体試料１００に面するように固定されている。
【００５８】
照明用レンズ６４ｂは、図３に示したコリメータ６４ａとは異なり、ＳＭＦ６３を伝播してきたレーザ光を拡散させて、テーパードファイバ１１の入射面に面した生体試料１００の領域に照射させる。このレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、複数のテーパードファイバ１１に多モードの光として入射する。各テーパードファイバ１１に入射した信号光は、モード間のエネルギー分布が調整された後、基本モードを含む少ないモード数の光としてファイバカプラ４１に入射して合波される。その後、ファイバカプラ４１で合波された信号光は、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入射する。その他の構成および作用は第２実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００５９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第２実施の形態の効果に加え、テーパードファイバ１１を複数有することにより、より多くの信号光を集光することができる。また、一般に、空間モード数の少ない素子ほど動作が安定しているので、信号光の空間モード数を少なくして合波手段を使用して合波させることにより、装置全体の動作安定性を更に向上させることができる。
【００６０】
（第５実施の形態）
図８は、本発明の第５実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０と増幅手段２０とを、各１個を一組として複数並列に設けるとともに、それぞれの増幅手段２０からの出力を、これら出力を並列に処理することのできる変換手段３０に入力されるように構成したものである。
【００６１】
上記の構成において、被検出光は、複数のモード調整手段１０に入力され、それぞれのモード調整手段１０において、空間モードの調整が行われる。その後、複数のモード調整手段１０からの出力光は、対応する増幅手段２０に入力されて増幅され、さらに変換手段３０によって並列に電気信号に変換される。変換手段３０から出力される電気信号は後段に続く信号処理系にて所望のデータに変換される。
【００６２】
本実施の形態によれば、並列に入射する多モードの入射光を、エネルギーのモード分布を調整して、増幅手段２０による増幅空間モードと略一致するモードに調整する複数のモード調整手段１０を、それぞれ対応する増幅手段２０及び変換手段３０の前に配置したので、被検出信号光が散乱された光や波面の乱れた光であっても、これを高効率で集めることができ、高速かつ高感度な光検出が可能になる。さらに、複数のモード調整手段１０及びそれに対応する複数の増幅手段２０を有し、それぞれの増幅手段２０からの光出力を並列に電気信号に変換することで、同時に画像情報等の複数点の情報を得ることができる。
【００６３】
（第６実施の形態）
図９は、図８に示した光検出装置を用いた本発明の第６実施の形態に係る高感度内視鏡の概略構成を示す図である。この高感度内視鏡は、照明用のレーザ光を照射し、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光を、図８の光検出装置により検出して電気信号に変換し、この電気信号を信号処理系により処理して内視鏡画像を表示するように構成されている。
【００６４】
生体試料１００に照明用のレーザ光を照射する光学系として、この高感度内視鏡では、波長６３５ｎｍ、出力２０ｍＷのＬＤ８０、アイソレータ８１、多モードファイバ（multi-mode fiber: MMF）８２ａ、および、照明用レンズ８３を備え、光源であるＬＤ８０の出力はアイソレータ８１およびＭＭＦ８２ａを介して、照明用レンズ８３から空間に出力され、生体試料１００へ照射されるように構成される。
【００６５】
また、ＬＤ８０を駆動するレーザドライバ７９が設けられ、ＬＤ８０は、レーザドライバ７９を介して、この高感度内視鏡の全体を制御するコンピュータ６９によって、出力を制御されるように構成されている。
【００６６】
また、生体試料１００からの被検出光を検出する光検出装置は、モード調整手段１０として１２８×１２８本のテーパードファイバ１１を、増幅手段２０として各テーパードファイバ１１に対応する１２８×１２８個の半導体光増幅器（semiconductor optical amplifier：ＳＯＡ）２２を、変換手段３０として１２８×１２８個の画素を有するＣＣＤカメラ３２を、それぞれ用いる。また、各テーパードファイバ１１と対応するＳＯＡ２２との間には、それぞれアイソレータ８４ａを、各ＳＯＡ２２とＣＣＤカメラ３２との間にはアイソレータ８４ｂとＡＳＥ除去用の光バンドパスフィルタ(band-pass filter: ＢＰＦ) ８５とを設ける。ＣＣＤカメラ３２の後段には、アナログ電気信号をディジタル信号に変換するアナログ-ディジタル（analog-to-digital: ＡＤ）変換器６８を設ける。
【００６７】
なお、テーパードファイバ１１としては、入力側及び出力側のコア径がそれぞれ５０μｍ及び９μｍで、長さは１．０ｍのものを用い、その入射面は、生体試料１００に面し、照明用レンズ８３からのレーザ光の照射により、生体試料１００のそれぞれ異なる位置からの信号光が入射するように配置され、照明用レンズ８３とともにハウジング７８に固定される。また、ＳＯＡ２２は、ドライバ８６を介してコンピュータ６９にて制御されるように構成されている。
【００６８】
これによって、生体試料１００の表面及び内部で反射もしくは散乱された波長６３５ｎｍの信号光は、各テーパードファイバ１１に入力され、モードが調整される。テーパードファイバ１１のそれぞれの出力はアイソレータ８４を介して対応するＳＯＡ２２へ入力され、約１８ｄＢ増幅される。各ＳＯＡ２２の出力は、対応するアイソレータ８４を経由して対応するＢＰＦ８５に入射してＡＳＥが除去される。各ＢＰＦ８５の出力は、１２８×１２８ピクセルのＣＣＤカメラ３２の各ピクセルに対応するように入力され、電気信号に変換される。さらに、ＣＣＤカメラ３２により電気信号に変換された信号出力は、ＡＤ変換器６８においてディジタル信号へ変換される。
【００６９】
また、本実施の形態に係る高感度内視鏡では、装置各部を制御するとともに、ＡＤ変換器６８から出力されたディジタル信号の処理を行うコンピュータ６９が設けられている。コンピュータ６９は、レーザドライバ７９、および、ドライバ８６とそれぞれ接続されて、ＬＤ８０およびＳＯＡ２２を制御するとともに、ＡＤ変換器６８の出力信号とＬＤ８０の出力およびＳＯＡ２１の増幅率とを関連付けて信号処理を行い、その結果を表示モニタ７０に、例えば、内視鏡画像として表示する。
【００７０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第２実施の形態と同様の効果を得ることができ、従来よりも高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることができる。また、本実施の形態では、複数のテーパードファイバ１１及びそれに対応する複数のＳＯＡ２２を設け、それぞれのＳＯＡ２２からの光出力を並列に電気信号に変換することにより、同時に生体試料１００の複数点に関する情報を得ることができる。したがって、特に二次元画像などを生成する際に有効である。
【００７１】
さらに、増幅手段２０としてＳＯＡ２２を用いることでコンパクトかつ低価格な光検出系を構築することが可能になるうえ、複数の半導体光増幅器やフォトダイオード（ＰＤ）など他の半導体素子との集積化が可能になる。また、供給電力が少なくてよいという利点も兼ね備えている。さらに、ＳＯＡは、ファイバ型光増幅器と比較すると、動作波長帯域が広いため、様々な被検出光に対応することができる。
【００７２】
（第７実施の形態）
図１０は、本発明の第７実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０の前に、被検出光を集めるための集波手段５０を設けている。これによって、請求項１に記載の発明の効果に加えて、検出できる信号光の量をより一層高めることができる。
【００７３】
（第８実施の形態）
図１１は、図１０に示した光検出装置を用いた本発明の第８実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、テーパードファイバ１１の入射面の前に集光用レンズ５１を設けたものである。テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５１を設けることにより、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分をテーパードファイバ１１に取り込むことができる。また、検出対象の深部ないし遠方に存在する被検物質に対しても、高感度かつ高いＳＮＲで検出できるという利点を有する。
【００７４】
（第９実施の形態）
図１２は、本発明の第９実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡の概略構成を示す図である。本実施の形態は、レーザ走査型多光子顕微鏡において、図１０に示した光検出装置を、生細胞試料からの信号光の検出に使用したものである。
【００７５】
図１２に示すように、本実施の形態に係るレーザ走査型多光子顕微鏡は、チタン・サファイヤレーザ８７、強度変調器８８、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９、瞳投影レンズ９０、結像レンズ９１、ダイクロイックミラー９２、対物光学系を構成する対物レンズ９３、アイソレータ１０２、集光用レンズ５２、テーパード導波路１２、ＳＯＡ２３、ＰＩＮ−ＰＤ３３、電気増幅器６７、ＡＤ変換器６８、および、増幅率制御手段１０３を含んで構成されている。
【００７６】
チタン・サファイヤレーザ８７は、繰り返し周波数８０ＭＨｚ、パルス幅１５０ｆｓ、発振波長１０６０ｎｍの超短光パルスを発生させる光源である。このチタン・サファイヤレーザ８７からの超短光パルスは、光強度調整装置８８により平均光強度を１００ｍＷに調整され、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９、瞳投影レンズ９０、結像レンズ９１、ダイクロイックミラー９２および対物レンズ９３を経て、検査対象である生細胞試料１０１に集光して照射されるように構成される。その際、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９を駆動して、レーザ光の試料上の照射位置を走査させる。これにより生細胞試料１０１中の所望の領域において、例えば赤色蛍光タンパク質（DsRed）を多光子励起（例えば、２光子励起）して蛍光を発生させることができる。
【００７７】
また、対物レンズ９３は、生細胞試料１０１から発生した蛍光を、ダイクロイックミラー９２に導く。ダイクロイックミラー９２は、チタン・サファイヤレーザ８７からの波長１０６０ｎｍの光は透過させ、波長７００ｎｍ以下の短波長の光は反射させるように構成される。これにより、生細胞試料１０１で発生した波長約５７０ｎｍ〜６５０ｎｍの蛍光を、ダイクロイックミラー９２で反射させる。
【００７８】
集光用レンズ５２、テーパード導波路１２、ＳＯＡ２３およびＰＩＮ−ＰＤ３３は、それぞれ、図１０に示した光検出装置の集波手段５０、モード調整手段１０、増幅手段２０および変換手段３０に相当する。ダイクロイックミラー９２で反射された蛍光は、アイソレータ１０２を経て集光用レンズ５２により集光され、テーパード導波路１２へ入力される。テーパード導波路１２は、入射側の空間モードが８であり、モード調整によって出射側のモード数が２まで減少するように構成されている。テーパード導波路１２から出力された蛍光は、増幅率制御手段１０３を介して外部のコンピュータ６９により制御されるＳＯＡ２３に入射して増幅され、シリコンＰＩＮ−ＰＤ３３により電気信号に変換される。ＳＯＡ２３は、入射する信号光のモード数を減じたことにより、ＡＳＥの発生を抑制して高いＳＮＲで増幅することができる。
【００７９】
さらに、ＰＩＮ−ＰＤ３３から出力された電気信号は電気増幅器６７で増幅され、ＡＤ変換器６８でディジタル信号に変換され、外部のコンピュータ６９に送信される。コンピュータ６９は、ＡＤ変換器６８から受信した信号と、Ｘ−Ｙガルバノミラー８９から得られる走査位置情報等とを関連付けて信号処理を行い、その結果をモニタ７０に顕微鏡画像として表示する。
【００８０】
なお、上記のレーザ走査型多光子蛍光顕微鏡では、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスにより、例えば、２光子励起されて生細胞試料１０１から発生する蛍光は、数ｎｓ程度持続する。すなわち、生細胞試料１０１から発生する蛍光は、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスに同期したパルス光となる。そこで、本実施の形態では、このパルス状の蛍光がＳＯＡ２３に入射するタイミングに同期させて、ＳＯＡ２３の増幅率を、蛍光が入射するタイミングで大きくするように、コンピュータ６９により制御する。
【００８１】
本実施の形態によれば、チタン・サファイヤレーザ８７からの励起光パルスにより多光子励起されて生細胞試料１０１から発生する蛍光を、テーパード導波路１２を用いて空間モード数を減少させるようにモード調整を行い、ＳＯＡ２３で増幅してから、シリコンＰＩＮ−ＰＤ３３で光電変換するようにしたので、生細胞試料１０１に照射するレーザ光の強度を過度に高めることなく、生細胞試料１０１から得られる信号光である蛍光が微弱でも、２光子励起による蛍光を高感度かつ高速に光電変換することができる。
【００８２】
また、ＳＯＡ２３の増幅率を、ＳＯＡ２３への蛍光の入射タイミングに同期して制御するようにしたので、蛍光が入射しない期間に光増幅器に電力を供給することにより発生するＡＳＥの混入を低減することができ、ＳＮＲを向上することができる。さらに、ＳＯＡ２３の増幅率を変化させることによって、検出信号レベルを簡単に調整することができる。
【００８３】
（第１０実施の形態）
図１３は、本発明の第１０実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図１に記載の光検出装置の構成において、モード調整手段１０の前段に、複数の集波手段５０と、該複数の集波手段５０からの検出光を合波する合波手段４０とを設けたものである。
【００８４】
上記の構成において、被検出光は、複数の集波手段５０によって集光され、合波手段４０に入力される。合波手段４０は、入力された複数の被検出光を合波し、モード調整手段１０に出力する。その他の作用は、図１の光検出装置と同様である。
【００８５】
本実施の形態によれば、請求項１に記載の発明の効果に加えて、複数の集波手段５０を備えることによって、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、さらに、複数箇所からの信号光を合波手段４０でまとめることにより、増幅手段２０に入力される信号光のエネルギーを増大させ、ＳＮＲをさらに向上させることができる。
【００８６】
（第１１実施の形態）
図１４は、図１３に示した光検出装置を用いた本発明の第１１実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図３に示した硬性内視鏡型血管イメージング装置において、コリメータ６４ａに代えて、照明用レンズ６４ｂを使用するとともに、テーパードファイバ１１の前段に、複数の集光用レンズ５１とこの集光用レンズ５１に結合した多モードファイバ（multi-mode fiber: ＭＭＦ）８２ｂと、各ＭＭＦ８２ｂからの信号光を合波する多モードファイバカプラ４２とを設けている。なお、集光用レンズ５１および多モードファイバカプラ４２は、それぞれ、図１３の集波手段５０および合波手段４０に相当する。
【００８７】
また、走査マウント６５に、照明用レンズ６４ｂと各集光用レンズ５１とが、試料１００に面するように固定されている。さらに、照明用レンズ６４ｂは、図３に示したコリメータ６４ａとは異なり、ＳＭＦ６３を伝播してきたレーザ光を拡散させて、各集光用レンズ５１の入射面に面した生体試料１００の領域に照射させるように構成されている。
【００８８】
これにより、照明用レンズ６４ｂを出射したレーザ光は、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱されて、複数の集光用レンズ５１で集光され、ＭＭＦ８２ｂを介して多モードファイバカプラ４２で合波され、テーパードファイバ１１に多モードの光として入射する。その他の、構成および作用は第２実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００８９】
以上説明したように、本実施の形態によれば、複数の集光用レンズ５１を設けたので、複数箇所からの信号光を一括で取得することができ、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。また、複数箇所からの信号光を多モードファイバカプラ４２でまとめることにより、後段に続くテーパードファイバ１１、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１、および、ＰＩＮ−ＰＤ３１の数量を一つに減らすことができる。また、複数箇所からの信号光をまとめることで、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器２１に入力される信号光エネルギーを増大させることができる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。
【００９０】
（第１２実施の形態）
図１５は、本発明の第１２実施の形態に係る光検出装置の概略構成を示すブロック図である。この光検出装置は、図８に記載の光検出装置の構成において、各モード調整手段１０の前段に、集波手段５０を設けたものである。これによって、第５実施の形態に係る光検出装置の有する効果に加え、より多くの被検出光を、モード調整手段１０に導くことが可能になる。
【００９１】
（第１３実施の形態）
図１６は、図１５に示した光検出装置を用いた本発明の第１３実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置の概略構成を示す図である。この硬性内視鏡型血管イメージング装置は、図９に示した第６実施の形態に係る硬性内視鏡型血管イメージング装置において、複数のテーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けたものである。テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けることにより、生体試料１００の表面及び内部で反射または散乱された光の中の、より多くの部分を各テーパードファイバ１１に取り込むことができる。その他の構成および作用は、第６実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
【００９２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、テーパードファイバ１１の前に集光用レンズ５２を設けたので、検出できる信号光量をより一層高めることが可能になる。したがって、より高速かつ高感度に内視鏡画像を得ることが可能になる。
【００９３】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、モード調整手段としては、テーパードファイバ１１またはテーパード導波路１２を使用したが、これに限られず、テーパードフォトニック結晶導波路、長周期ファイバブラッググレーティングや屈折率変調平面導波路などを使用することができる。
【００９４】
例えば、第９実施の形態において、テーパード導波路１２に代えて、導波路長手方向に不均一な屈折率の分布を有する屈折率分布型導波路等を使用するか、または、導波路長手方向に不均一な応力の分布もしくは不均一な温度の分布を与えた導波路を使用することができる。この場合、光導波路中の屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎにより、空間モード間においてエネルギーのやり取りが発生する。この屈折率、応力、もしくは温度の揺らぎを意図的に光導波路中に与えることにより、空間モード間のエネルギー比率の変化を誘導することができる。
【００９５】
また、増幅手段としては、Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器またはＳＯＡを使用したがこれに限られない。例えば、これらの増幅器に代えて、誘導ラマン散乱効果を利用したファイバ型光増幅器を使用することができる。希土類添加ファイバ型光増幅器の動作波長帯域は非常に離散的なため、光増幅効果を得ることができない波長領域が存在するが、誘導ラマン散乱効果は動作波長帯域を選ばないため、これを利用することで、任意の波長領域において光増幅が可能になる。また、他のファイバ型光増幅器、例えば、ファイバ型ブリルアン光増幅器、ファイバ型パラメトリック光増幅器などを使用することもできる。さらに、色素増幅器を使用することもできる。ファイバ型光増幅器や半導体光増幅器と比較すると、色素の増幅帯域は広いので、色素増幅器を使用すると、広帯域な信号を増幅することが可能になる。さらに色素の設計次第で、様々な波長での光増幅が可能になる。
【００９６】
また、変換手段としては、ＰＩＮ−ＰＤまたはＣＣＤカメラを使用したが、これに限られず、たとえば、ＡＰＤ、ＰＭＴ、ＣＭＯＳ、ＥＭ−ＣＣＤまたはＥＢ−ＣＣＤを使用することもできる。
【００９７】
合波手段４０としては、ファイバカプラまたは多モードファイバカプラを使用したがこれに限られず、例えば、平面導波路型光カプラ、空間型ビームコンバイナ、偏波合成カプラ、波長合成カプラなどを使用することもできる。
【００９８】
集波手段としては、集光用レンズを使用したがこれに限られず、例えば、ＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズや、レンズドファイバなどを使用することもできる。
【符号の説明】
【００９９】
１０ モード調整手段
１１ テーパードファイバ
１１ａ テーパードファイバのコア部分
１２ テーパード導波路
２０ 増幅手段
２１ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ型光増幅器
２２ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２３ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
３０ 変換手段
３１ ＰＩＮ−ＰＤ
３２ ＣＣＤカメラ
３３ ＰＩＮ−ＰＤ
４０ 合波手段
４１ ファイバカプラ
４２ 多モードファイバカプラ
５０ 集波手段
５１ 集光用レンズ
５２ 集光用レンズ
６１ Ｅｒ添加フッ化物ファイバレーザ
６２ アイソレータ
６３ ＳＭＦ
６４ａ コリメータ
６４ｂ 照明用レンズ
６５ 走査マウント
６６ レーザドライバ
６７ 電気増幅器
６８ ＡＤ変換器
６９ コンピュータ
７０ 表示モニタ
７１ ドライバ
７２ ドライバ
７３ａ、３７ｂ アイソレータ
７４ ＷＤＭカプラ
７５ Ｅｒ添加フッ化物ファイバ
７６ 光フィルタ
７７ ＬＤ
７８ ハウジング
７９ レーザドライバ
８０ ＬＤ
８１ アイソレータ ８２ａ、８２ｂ ＭＭＦ
８３ 照明用レンズ
８４ａ、８４ｂ アイソレータ
８５ ＢＰＦ
８６ ドライバ
８７ チタン・サファイヤレーザ
８８ 光強度調整装置
８９ Ｘ−Ｙガルバノミラー
９０ 瞳投影レンズ
９１ 結像レンズ
９２ ダイクロイックミラー
９３ 対物レンズ
１００ 生体試料
１０１ 生細胞試料
１０２ アイソレータ
１０３ 増幅率制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多モードの入射光のモード状態を調整するモード調整手段と、
前記モード調整手段は、前記入射光の空間分布状態に応じてモード調整条件を制御する制御手段を有し、
前記モード調整手段から出力される光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される光を電気信号に変換する変換手段とを備え、
前記モード調整手段は、前記入射光のモード分布と、前記増幅手段の増幅空間モードとを略一致するように構成されていることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記制御手段が、前記変換手段の出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】
前記モード調整手段がファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバであることを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
【請求項４】
前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な作用（伸張、屈曲もしくは応力）を与える機能を有することを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項５】
前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項６】
前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファイバであることを特徴とする請求項３記載の光検出装置。
【請求項１】
多モードの入射光のモード状態を調整するモード調整手段と、
前記モード調整手段は、前記入射光の空間分布状態に応じてモード調整条件を制御する制御手段を有し、
前記モード調整手段から出力される光を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される光を電気信号に変換する変換手段とを備え、
前記モード調整手段は、前記入射光のモード分布と、前記増幅手段の増幅空間モードとを略一致するように構成されていることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記制御手段が、前記変換手段の出力信号レベルを高くするように制御されることを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項３】
前記モード調整手段がファイバブラッググレーティングもしくはテーパードファイバであることを特徴とする請求項1記載の光検出装置。
【請求項４】
前記制御手段が、前記モード調整手段に機械的な作用（伸張、屈曲もしくは応力）を与える機能を有することを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項５】
前記制御手段が、前記モード調整手段に温度変化を与える機能を有することを特徴とする請求項１記載の光検出装置。
【請求項６】
前記モード調整手段が、グレーデッドインデックスファイバで構成されるテーパードファイバであることを特徴とする請求項３記載の光検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２３０６４９（Ｐ２０１０−２３０６４９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５２９６１（Ｐ２００９−２５２９６１）
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月４日（２００９．１１．４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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