光导、光源设备和内窥镜系统的制作方法

专利名称：光导、光源设备和内窥镜系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体晶片曝光和内窥镜照明的光导。本发明也涉及使用这种光 导的光源设备和内窥镜系统。
背景技术：
各种光纤被用于数据信号通信，如多个光纤捆扎在一起的束状光纤和具有比标准 光纤直径大的直径的大直径光纤。另外，例如，在半导体晶片曝光装置中，将这样的光纤用 作光导。光导引导曝光光线至光出射部以将半导体晶片暴露于曝光光线(参见美国专利号 7，059，778，相应于已公开的日本专利申请公开号2003-322730)。在内窥镜的光源设备中， 光纤被用作光导，其引导照明光线至内窥镜的远端，从而照明患者的体腔(参见已公开的 日本专利申请公开号2000-199864)。在如美国专利号7，059，778中所描述的光纤被用作引导曝光光线的光导的情况 下，如果晶片上的光辐射不均勻，就不能产生期望的抗蚀剂图案。在如已公开的日本专利申 请公开号2000-199864中所描述的，在内窥镜中设置作为照明用光导的光纤的情况下，如 果被光导引导的光具有非均勻的光量分布(light amount distribution)并且这种光从具 有高反射率或不平坦表面的关注对象反射离开，就难以发现病灶，因为用该内窥镜得到的 图像同样变得亮度不均。传统地，为了提高来自光导的光的光量分布的均勻性，增加用于形成束状光纤的 光纤的数量。可选择地或者另外，在美国专利号7，059，778中，在光纤的光出射表面检测 出射光的位置和它的光量分布，并且根据检测结果控制入射到光纤上的光的光量分布。在 日本专利申请公开号2000-199864中，通过将光纤的光入射端的方向转向正交于光轴的方 向，来自光纤的出射光跨光纤直径方向的光量分布的均勻性被提高。然而，在美国专利号7，059，778中，需要用于检测出射光的位置或光量分布的装 置，或者用于控制光量分布的装置。在日本专利申请公开号2000-199864中，需要变换 (shift)光纤的光入射端的机构。在任一种情况下，为了提高光量分布的均勻性，光导尺寸 变大(upsized)并且需要额外的费用。一般地，在光入射在使各种模式的光传播所通过的多模光纤的情况下，或者在多 模光纤被光学连接的情况下，考虑到稳定入射光或多模光纤的连接，以不大于光纤的数值 孔径(NA)的角度，即不大于光纤的接收角的角度，输入光(激光)或者光学连接多模光纤。 因此，来自多模光纤的中心部分的出射光比来自多模光纤的外周部分的出射光具有更高的 光量。因而，在多模光纤的光出射表面的光量分布不均勻。

发明内容
本发明的一个目的是提供光导、光源设备和内窥镜系统，以在无需费用且不增大 设备尺寸的情况下提高出射光光量分布的均勻性。本发明的另一目的是提供光导、光源设备和内窥镜系统，以用出射光照明大面积。
为了达到上述目的和其它目的，本发明的光导包括第一多模光纤、第二多模光纤和捆扎部。光入射在该第一多模光纤上使得，来自该第一多模光纤的出射光在该第一多 模光纤的直径方向上具有在其中心部分具有高光量的凸状光量分布。该第一多模光纤具 有第一芯线和覆盖该第一芯线的外部圆周表面的第一包层。该第一芯线具有第一锥形 (tapered)芯线，该第一锥形芯线的直径朝光出射表面减小。该第一包层具有第一锥形包 层，该第一锥形包层的外部圆周表面沿着该第一锥形芯线的外部圆周表面、朝该光出射表 面倾斜以致逐渐变细(tapered)。光入射在该第二多模光纤上使得，来自该第二多模光纤的 出射光在该第二多模光纤的直径方向上具有在其中心部分具有低光量的凹状光量分布。该 第二多模光纤具有第二芯线和覆盖该第二芯线的外部圆周表面的第二包层。该第二芯线具 有第二锥形芯线，该第二锥形芯线的直径朝光出射表面减小。该第二包层具有第二锥形包 层，该第二锥形包层的外部圆周表面沿着该第二锥形芯线的外部圆周表面、朝该光出射表 面倾斜以致逐渐变细。该捆扎部至少捆扎(bundles)该第一和第二多模光纤的光出射表面 侧以形成束状光纤的束状表面。优选的是，在该第二多模光纤的光入射表面上的光的入射角大于在该第一多模光 纤的光入射表面上的光的入射角。优选的是，该第一和第二多模光纤中的每一个具有接收 角θ，在该第一多模光纤的光入射表面上的光的入射角不小于0°且不大于Θ/2，并且在 该第二多模光纤的光入射表面上的光的入射角不小于θ/2且不大于θ。优选的是，该第一多模光纤的光入射表面相对于与该第一多模光纤的光轴正交的 表面倾斜，并且该第二多模光纤的光入射表面相对于与该第二多模光纤的光轴正交的表面 倾斜。该第二多模光纤的光入射表面的倾斜角大于该第一多模光纤的光入射表面的倾斜 角。优选的是，该第一和第二多模光纤中的每一个具有接收角θ，该第一多模光纤的倾斜角 不小于0°且不大于θ/2，该第二多模光纤的倾斜角不小于θ/2且不大于Θ。优选的是，该第一、第二和第三多模光纤中的每一个的数值孔径(NA)不小于0. 2。优选的是，该第一和第二多模光纤的总数目至多为19。优选的是，该第一和第二多 模光纤中的每一个的直径不大于1mm。在本发明的一优选实施方案中，光导具有第一多模光纤、第二多模光纤、捆扎部和 大直径多模光纤。光入射在该第一多模光纤上使得，来自该第一多模光纤的出射光在该第 一多模光纤的直径方向上具有在其中心部分具有高光量的凸状光量分布。光入射在该第二 多模光纤上使得，来自该第二多模光纤的出射光在该第二多模光纤的直径方向上具有在其 中心部分具有低光量的凹状光量分布。该捆扎部至少捆扎该第一和第二多模光纤的光出射 表面侧以形成束状光纤的束状表面。该大直径多模光纤具有比该束状表面更大的光入射表 面。来自该第一和第二多模光纤的光进入该大直径多模光纤的该光入射表面。该大直径多 模光纤具有芯线和覆盖该芯线的外部圆周表面的包层。该芯线具有锥形芯线，该锥形芯线 的直径朝光出射表面减小。该包层具有锥形包层，该锥形包层的外部圆周表面沿着该锥形 芯线的外部圆周表面、朝光出射表面倾斜以致逐渐变细。优选的是，该光导进一步包括散斑削减器(speckle reducer)。该散斑削减器减少 从该大直径多模光纤输出的光的散斑。本发明的光源设备至少包括第一光源和第二光源、第一多模光纤、第二多模光纤、 捆扎部和光出射部。该第一多模光纤具有面对该第一光源的第一光入射表面和用于输出第一出射光的第一光出射表面，该第一出射光在该第一多模光纤的直径方向上具有在其中 心部分具有高光量的凸状光量分布。该第一光入射表面正交于该第一光源的光路。该第一 多模光纤具有第一芯线和覆盖该第一芯线的外部圆周表面的第一包层。该第一芯线具有第 一锥形芯线，该第一锥形芯线的直径朝该第一光出射表面减小。该第一包层具有第一锥形 包层，该第一锥形包层的外部圆周表面沿着该第一锥形芯线的外部圆周表面、朝该第一光 出射表面倾斜以致逐渐变细。该第二多模光纤具有面对该第二光源的第二光入射表面和用 于输出第二出射光的第二光出射表面，该第二出射光在该第二多模光纤的直径方向上具有 在其中心部分具有低光量的凹状光量分布。该第二光入射表面相对于该第二光源的光路倾 斜。该第二多模光纤具有第二芯线和覆盖该第二芯线的外部圆周表面的第二包层。该第二 芯线具有第二锥形芯线，该第二锥形芯线的直径朝该第二光出射表面减小。该第二包层具 有第二锥形包层，该第二锥形包层的外部圆周表面沿着该第二锥形芯线的外部圆周表面、 朝该第二光出射表面倾斜以致逐渐变细。该捆扎部至少捆扎该第一和第二多模光纤的该第 一和第二光出射表面侧以形成束状光纤的束状表面。该光出射部从该束状光纤输出该第一 出射光和该第二出射光。本发明的内窥镜系统包括该光源设备、内窥镜和图像处理设备。该内窥镜具有图 像传感器。该图像传感器获得用来自该光出射部的光照明的体腔的图像。图像处理设备连 接到该内窥镜。该处理设备处理来自该图像传感器的信号并形成图像。根据本发明，在无需额外费用且不增大设备尺寸的情况下，提高了出射光光量分 布的均勻性，并以大面积照射光。


本发明的上述和其它目的以及优点将从下面的结合附图的优选实施方案的详细 描述中更为明显，其中贯穿若干视图，相同的参考标记标示相同或相应的部件，其中图1是本发明第1实施方案的光源设备的示意图；图2A示出了在入射角为0° (度)的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分 布曲线；图2B示出了图2A的来自小直径光纤的出射光的FFP (远场图案(Farfield pattern))；图3A示出了在入射角为12°的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分布曲 线.
一入 ，图3B示出了图3A的来自小直径光纤的出射光的FFP ；图4A示出了来自光出射部的出射光的光量分布曲线；图4B示出了图4A的来自光出射部的出射光的FFP ；图5A示出了在入射角为0° (度)的情况下，来自小直径光纤的出射光的辐射图 案(FFP)；图5B示出了在入射角为12°的情况下，来自小直径光纤的出射光的辐射图案 (FFP)；
图5C示出了在入射角为12°的情况下，来自小直径光纤的出射光 的辐射图案 (NFP)；
图5D示出了图5A所示的出射光和图5B或图5C所示的出射光结合的辐射图案 (FFP)；图6是本发明第1实施方案的光出射部的剖视图；图7A是沿图6中VIIA-VIIA线的剖视图；图7B是包含光出射部的光出射表面的末端表面的端视图；图8是本发明的内窥镜系统的示意图；图9是本发明的第2实施方案的光源设备的示意图；图10是本发明的第3实施方案的光源设备的示意图；
图11示出了在入射角为6°的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分布 (NFP)曲线；图12示出了在入射角为8°的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分布 (NFP)曲线；图13示出了在入射角为10°的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分布 (NFP)曲线；图14示出了在入射角为12°的情况下，来自小直径光纤的出射光的光量分布 (NFP)曲线；图15是光出射部的另一个实例的剖视图；以及图16是图15所示的光出射部的末端表面的端视图。
具体实施例方式如图1中所示，本发明的第1实施方案的光源设备10具有光源11至14，聚光透 镜15至18，小直径光学纤维(以下称作小直径光纤)20至23，光纤连接器27或捆扎部或 光耦合器，大直径光学纤维(以下称作大直径光纤)28，散斑削减器30和具有出射表面的光 出射部31。用套环(ferrule)或类似物将小直径光纤20至23捆扎成束状光纤32。光导 33由束状光纤32和大直径光纤28构成。由于该光导是传输光的光纤，因而小直径光纤20 至23和大直径光纤28中的任一个都可以被用作光导33。光导33将从光源11至14发射 的光引导到光出射部31。在图1中，小直径光纤20至23的光出射端以线图示。然而，每个光出射端实际上 和光入射端一样具有杆状形状。小直径光纤20至23的光出射端被插入套筒状光纤连接器 27中而被捆扎。大直径光纤28也被插入光纤连接器27中。因而，大直径光纤28和由小直 径光纤20至23构成的束状光纤32被光学连接。任何能够捆扎光纤的捆扎装置都可以被 用于捆扎小直径光纤20至23。在大直径光纤28和由小直径光纤20至23构成的束状光纤32被高精度对准的情 况下，众所周知的套环结构被用作捆扎装置。在第一和第二套环中的每一个的中心形成通 孔。小直径光纤20至23的光出射端被一起插入第一套环的通孔中，并用透明粘合剂固定 在通孔内部。大直径光纤28的光入射端被插入第二套环的通孔中，并用透明粘合剂固定在 通孔内部。第一和第二套环被从相对侧插入套筒状适配器。因而，大直径光纤28和由小直 径光纤20至23构成的束状光纤32被连接。光源11和聚焦透镜15具有共同的光轴Li。光源12和聚焦透镜16具有共同的光轴L2。光轴Ll与小直径光纤20的光轴Xl —致。光轴L2与小直径光纤21的光轴X2 — 致。因此，从光源11发射的光经由聚焦透镜15以0° (度)的入射角进入小直径光纤20。 从光源12发射的光经由聚焦透镜16以0°的入射角进入小直径光纤21。应该注意到，到 小直径光纤20和21 (两者均具有接收角Θ)的入射角不限于0°。入射角可以不小于0° 且不大于θ/2。光源13和聚焦透镜17具有共同的光轴L3。光源14和聚焦透镜18具有共同的光 轴L4。光轴L3相对于小直径光纤22的光轴Χ3以12°倾斜。光轴L4相对于小直径光纤 23的光轴Χ4以12°倾斜。因此，从光源13发射的光经由聚焦透镜17以12°的入射角进 入小直径光纤22。从光源14发射的光经由聚焦透镜18以12°的入射角进入小直径光纤 23。应该注意到，在小直径光纤22和23 (两者均具有接收角Θ)的光入射表面上的光的入 射角不限于12°。在小直径光纤22和23的光入射表面上的光的入射角大于在小直径光纤 20和21的光入射表面上 的光的入射角。在小直径光纤22和23的光入射表面上的光的入 射角不小于θ /2且不大于θ。在小直径光纤20至23中的每一个的数值孔径(以下缩写 为NA)为0. 22的情况下，θ为12. 7°。小直径光纤20至23和大直径光纤28中的每一个由传播各种模式的光的多模光 纤构成。大直径光纤28的直径大于全部小直径光纤20至23或者束状光纤32的直径。小 直径光纤20至23和大直径光纤28中的每一个由芯线、包围芯线的包层和覆盖包层的保护 层构成。包括保护层的大直径光纤28的外径在2mm至40mm的范围内。被捆扎的小直径光 纤20至23或者束状光纤32的外径在0. 5mm至1. 5mm的范围内，优选1mm。小直径光纤20和21中的每一个以0°的入射角接收光。如图2A中所示，在小直 径光纤20和21中的光量分布中的每一个是高斯的，即，峰值位于光轴Xl或X2上的基本上 凸形或钟形分布。光的量(光量)随着到光轴Xl或X2的距离增加而减小。如图2B中所 示，来自小直径光纤20和21的出射光的远场图案(以下缩写为FFP)中的每一个具有区域 35和区域36。光量不低于预定值M的区域35处于在小直径光纤20或21的直径方向上到 光轴Xl或X2的预定距离内。光量低于预定值M的区域36位于区域35之外。入射角范围 在0°至6°的出射光的光量分布和FFP基本上和0°入射角的情况相同。另外，出射光的 光量分布不同的两个或更多个光束可以入射在一条或多条小直径光纤上。另一方面，小直径光纤22和23以12°的入射角接收光。结果，如图3A中所示，小 直径光纤22和23的光量分布中的每一个显示出基本上凹状的曲线(环状(annular)或环 形(ring-shape)辐射图案)，其中在直径方向上，包含光轴X3或X4的中心部分的光量小于 其外周部分的光量。如图3B中所示，来自小直径光纤22和23的出射光的FFP中的每一个 具有区域34、区域38和区域39。在小直径光纤22或23的直径方向上，区域38处于到光 轴X3或X4的预定距离内的位置并具有低于预定值M的光量。区域39围绕区域38并具有 不低于值M的光量。区域34围绕区域39并具有低于值M的光量。如图1中所示，通过保护媒介(未示出)，光纤连接器27将被捆扎的小直径光纤 20至23或束状光纤32的光出射表面或束状表面与大直径光纤28的光入射表面连接。来 自小直径光纤20至23的出射光进入大直径光纤28。在大直径光纤28中，来自小直径光纤 20和21的出射光和来自小直径光纤22和23的出射光结合，其中，来自小直径光纤20和 21中每一个的出射光具有基本上凸状的光量分布，来自小直径光纤22和23中每一个的出射光具有基本上凹状的光量分布。因此，如图4A中所示，来自大直径光纤28的出射光具有 基本上均勻的平顶光分布，其中跨它的直径方向，光量不低于预定值M。如图4B中所示，来 自大直径光纤28的出射光的FFP的整个区域42具有不低于值M的光量。图5A示出从小直径光纤20和21的光出射表面中的每一个辐射在屏幕上的出射 光的FFP，其中光以0°的入射角入射在小直径光纤20和21上。白色的部分表示光量高的 地方。图5B示出从小直径光纤22和23的光出射表面中的每一个辐射在屏幕上的出射光 的FFP，其中光以12°的入射角入射在小直径光纤22和23上。图5C是来自小直径光纤22 和23中的每一个的出射光在其光出射表面处的近场图案(以下缩写为NFP)。根据图中的 辐射图案发现，外周部分中的光量大于中心部分中的光量。图5A和图5B以及5C图示的光 的成分(component)入射到大直径光纤28上，然后在大直径光纤28中相互结合。图5D示 出来自光出射部31的出射光的光量分布是基本上均勻的。如上所述，在本发明中，光入射在小直径光纤20和21上从而形成基本上凸状的光 量分布，并且光入射在小直径光纤22和23上从而形成基本上凹状的光量分布。具有基本 上凸状的光量分布的光与具有基本上凹状的光量分布的光结合。因而，提高了来自光出射 部31的出射光的光量分布的均勻性。本发明无需特殊的装置就能使光量分布均勻。因此，本发明的设备避免了尺寸增 大，且不需要额外的费用。传统地，替换束状光纤或整个光导之后，为了提高光量分布的均 勻性，必须重新调整设备的控制系统。另一方面，本发明仅需要设置小直径光纤20至23的 入射角。结果，与传统设备相比，缩短了替换束状光纤或整个光导所需的时间。本发明在频 繁替换光导(如设置在内窥镜中的照明用光导)的情况下特别有效。传统地，由于捆扎在束状光纤中的光纤数量的增加，必需至少数百条光纤以使束 状光纤的光量分布均勻。另一方面，本发明需要至少两条且至多19条光纤以使光量分布均 勻。小直径光纤20至23和大直径光纤28中的每一个的NA不小于0.2。通过设置小直径 光纤20至23和大直径光纤28中的每一个的NA不小于0. 2，在大直径光纤28直径方向上 的外周部分中的光量被进一步增加。在外周部分中的光量不足够大的情况下，通过结合具 有基本上凹状的光量分布的光，使光量分布均勻，其中所述具有基本上凹状的光量分布的 光在外周部分中的光量增加。尽管小直径光纤和大直径光纤直径不同，但是来自小直径 光纤的出射光的辐射图 案(例如环形辐射图案)在大直径光纤中保持其大小和形状。传统地，除非光纤直径为至 少10mm，否则难以使光量分布均勻。然而，即使小直径光纤的直径不大于1mm，本发明也能 使光量分布均勻。如图1中所示，在散斑削减器30中，使多圈(several turn)的大径光纤28振动 (vibrated)以减少散斑噪声，以便进一步提高光量分布的均勻性。因此，从光出射部31输 出具有更均勻光量分布的出射光。结果，减少了散斑噪声的发生。图6中，在光出射部31中，大直径光纤28保持在管状外壳41的保持孔41a内部。 通过散斑削减器30的光从光出射部31输出。在管状外壳41内部的大直径光纤28配备有 光纤主体43和锥形部分44。光纤主体43在光轴方向XA上具有恒定直径。锥形部分44在 直径方向上、朝光出射部31的光出射表面28a逐渐变细。光纤主体43由芯线43a和包层 43b构成。包层43b设置在芯线43a的外部圆周表面上并具有恒定的厚度。锥形部分44由锥形芯线44a和设置在锥形芯线44a的外部圆周表面上的锥形包层44b构成。锥形芯线 44a的直径朝光出射表面28a逐渐减小或变细。锥形包层44b的外部圆周表面沿着锥形芯 线44a的外部圆周表面、朝光出射表面28a倾斜以致逐渐变细。锥形包层44b的厚度随着 向光出射表面28a更靠近而减小。然而，锥形包层44b可以具有恒定的厚度。优选的是，管 状外壳41由玻璃或类似物制成。在光纤主体43中，光通过在芯线43a和包层43b之间的界面处的全内反射传播通 过芯线43a。另一方面，在锥形部分44中，到锥形包层44b上的光入射角变小。结果，在芯 线43a和包层43b之间的界面处未被完全反射的光泄漏到锥形包层44b。锥形包层44b的 外部圆周表面与透明粘合剂构件40接触。粘合剂构件40的折射率低于锥形包层44b的折 射率。因此，泄漏到锥形包层44b的光通过全内反射而反射离开位于锥形包层44b和透明 粘合剂构件40之间的界面并再次透射通过锥形部分44。如图7A中所示，光纤主体43的芯线外径Rl不小于225 μ m且不大于235 μ m,更优 选230 μ m。如图7B中所示，锥形部分44在光出射表面28a处的芯线外径R2不小于85 μ m 且不大于100 μ m，更优选93 μ m。锥形部分44的锥度比(芯线外径R2/芯线外径Rl的锥 顶对锥底(tip-to-base)的直径比)不小于0.36且不大于0.44。优选的是，大直径光纤 28的包层直径不小于105 μ m且不大于255 μ m。
粘合剂构件40由光学透射性粘合剂构成，并用UV辐射线硬化或固化。如图6中 所示，粘合剂构件40将大直径光纤28粘附在保持孔41a中，以使锥形包层44b的整个外部 圆周表面暴露于空气至距光出射表面28a预定距离或深度。粘合剂构件40的折射率低于 大直径光纤28的包层43b和锥形包层44b的折射率。具体地，包层43b和锥形包层44b中 的一个折射率(或多个折射率)不小于1. 43且不大于1. 44。优选的是，粘合剂构件40的 折射率不小于1. 40且不大于1. 41。通光空间(light passing space)48是环状空间或在管状外壳41的内部圆周表 面(内表面)和暴露至距光出射表面28a预定深度的锥形包层44b的外部圆周表面(以下 称作暴露区域)之间限定的末端开口(end opening)。在通光空间48中，锥形包层44b的 暴露区域直接接触空气。锥形包层44b和通光空间48之间的界面处全内反射的临界角大 于锥形包层44b和粘合剂构件40之间的界面处的临界角。在本发明中，出射光的发散角和NA不受芯线43a、锥形芯线44a、包层43b、锥形包 层44b和粘合剂构件40的折射率限制。替代地，通过改变锥形部分44的锥度比率和在光 轴方向XA上通光空间48的深度(即在光轴方向XA上被暴露的锥形包层44b的长度)，可 以将出射光的发散角和NA调整至期望值。取决于芯线43a、锥形芯线44a、包层43b、锥形包 层44b的折射率的设置值，可能实现至少为0. 35的NA。以下，发散角和NA的增大将通过比较它们在既不设置通光空间48也不设置锥形 部分44的情况下、仅设置锥形部分44的情况下以及既设置通光空间48也设置锥形部分44 的情况下的数值进行描述。在既不设置通光空间48也不设置锥形部分44的情况下，基于 芯线的折射率Na和包层的折射率Nb，采用下述的数学表达式(1)计算“NA1”，即多模光纤 的最大NA。…舰二如Na2 _ Nb、例如，在芯线的折射率Na为1. 452且包层的折射率Nb为1. 436的情况下，“NA1”为0. 22，且最大发散角为24. 2度。这里，大直径光纤28的光纤主体43的芯线直径为230 μ m 且它的包层直径为250 μ m。这种情况下，既不设置锥形部分44(即，锥度比为1.0)也不设 置通光空间48的多模光纤具有16. 0度的发散角和0. 14的NA。另一方面，在仅设置锥形部分44的情况下，基于芯线的折射率Na和粘合剂构件的 折射率Ne，采用下述的数学表达式(2)计算“NA2”，即多模光纤的最大NA。(2) NA2=^(TVa2-TVc2)例如，在芯线的折射率Na同上面一样为1. 452且粘合剂构件的折射率Nc为1. 407 的情况下，“NA2”为0. 36，最大发散角为42. 2度。在锥形部分44中的所有光从锥形芯线 44a泄漏到锥形包层44b的情况下得到这样的发散角。在具有230 μ m的芯线直径和250 μ m 的包层直径的光纤主体43配备具有0. 372的锥度比和在光出射表面28a处为93 μ m的芯 线直径的锥形部分44的情况下，发散角为37. 6度，且NA为0. 32。因而，发散角和NA可以 仅通过设置锥形部分44而被增大。
本发明被应用于具有230 μ m的芯线直径和250 μ m的包层直径的光纤主体43。在 既设置通光空间48也设置锥形部分44 (锥度比为0. 372且在光出射表面28a处的芯线直 径为93 μ m)的情况下，发散角变为47. 0度，NA变为0. 40。因而，在除锥形部分44之外还 具有通光空间48的情况下，发散角和NA被进一步增大。通光空间48如下形成。首先，将大直径光纤28插入管状外壳41的保持孔41a中。 将粘合剂构件40设置在大直径光纤28的外部圆周表面和管状外壳41的内部圆周表面之 间，以便光出射表面28a和管状外壳41的边缘彼此齐平。粘合剂构件40由UV硬化或UV可 固化粘合剂构成。用UV辐射线辐照粘合剂构件40使其硬化或固化。因而，大直径光纤28 粘附在保持孔41a中。此后，被粘合剂构件40吸收的波长在UV范围内的激光从光出射表 面28a侧向粘合剂构件40的整个端表面辐照，由此粘合剂构件40被从光出射表面28a去 除或挖空至恒定深度处，此称作烧蚀。结果，锥形包层44b的整个外部圆周表面从光出射表 面28a至恒定的深度处被暴露于空气。基本上环形的圆柱状或环状的通光空间48形成在 锥形包层44b的被暴露的外部圆周表面和管状外壳41的内部圆周表面之间。优选使用单一激光束，在所述单一激光束中，将各自具有405nm的波长和300mW的 输出的四个激光束复用(multiplexed)(总输出为1.2W)。优选的是，粘合剂构件40的去 除所需时间大约为5分钟。可选择地，低功率(例如约IOOmW)的激光可以长时间辐照粘合 剂构件40以改变粘合剂构件40的性质。这种情况下，在激光辐照之后，可以用溶剂(如丙 酮)除去被改变的粘合剂构件40。在边缘抛光之后，通常不进行处理(如粘合剂的去除)， 因为边缘(在此情况下为光连接器的光出射部31)是非常易碎的。然而，本实施方案中，采 用使用激光辐照的非接触处理方法。即使在边缘抛光之后进行处理，这种处理方法也不会 损坏边缘。如图8中所示，内窥镜系统50使用本发明的光源设备10作为产生照明光以照明 患者的体腔的设备。用该照明光照明的患者的体腔的图像用内窥镜51获得。处理器设备 52或图像处理设备对获得到图像进行各种处理。此后，图像被显示在监视器53上。内窥镜51配备有插在患者的体腔中的挠性插入部55、设置在插入部55的基部并 用于手操纵内窥镜51的操纵部56以及用于连接通用连接器57和操纵部56的通用缆线 58。通用连接器57分别连接到光源设备10的插座IOa和处理器设备52的插座52a。在插入部55的远端，设置照明光学系统60、物镜(objective)光学系统61、棱镜62和图像传感 器63。在罩壳67中设置光源11至14、聚焦透镜15至18、小直径光纤20至23、光纤连接 器27和光源设备10的散斑削减器30。大直径光纤28的末端部分位于罩壳67内，并且延 伸通过通用缆线58和插入部55。来自光源11的光经由聚焦透镜15以0°的入射角入射在小直径光纤20上。来 自光源12的光经由聚焦透镜16以0°的入射角入射在小直径光纤21上。来自小直径光 纤20和21中的每一个的出射光具有图2A中所示的基本上凸状的光量分布曲线和图2B中 所示的FFP。来自光源13的光经由聚焦透镜17以12°的入射角入射在小直径光纤22上。 来自光源14的光经由聚焦透镜18以12°的入射角入射在小直径光纤23上。来自小直径 光纤22和23中的每一个的出射光具有图3A中所示的基本上凹状的光量分布曲线和图3B 中所示的FFP。来自小直径光纤20至23的出射光经由光纤连接器27输出到大直径光纤28。如 图4A中所示，在大直径光纤28内的光的光量分布是基本上均勻的，其中跨其直径方向，光 量不小于预定值M。另外，如图4B中所示，大直径光纤28的FFP的整个区域42具有不小于 预定值M的光量。在大直径光纤28内的光的光量分布的均勻性被散斑削减器30进一步提 高，并且光被传输到光出射部31。经由照明光学系统60，光出射部31用从大直径光纤28传输来的光照射患者的体 腔。由于均勻光量的光照明大面积，所以即使体腔中关注的对象具有高反射率或显著不平 坦的表面，用内窥镜51得到的图像也是清晰的。结果，在获得的图像中发现病灶变得容易。由于光出射部31具有通光空间48和锥形部分44，所以来自光出射部31的光的发 散角和NA大于未设置通光空间48和锥形部分44的情况。因此，用这种光在大面积上照射 体腔以便图像传感器63的基本上整个成像区域被照明。结果，容易从用内窥镜获得的图像 中发现病灶。从体腔反射离开的成像光经由物镜光学系统61和棱镜62在图像传感器63的成 像表面上形成图像。因而，得到关注对象的图像信号。得到的图像信号经由插入部55和通 用缆线58内的信号线70被传输到处理器设备52。处理器设备52对通过信号线70传输来 的图像信号进行各种处理。监视器53基于被处理的图像信号显示关注对象的图像。如图9中所示，本发明的第2实施方案的光源设备80除去小直径光纤82和83中 的每个具有接收角θ之外，具有与图1所示的第1实施方案的光源设备10相同的构造。光 源13和聚焦透镜17具有共同的光轴L3。光源14和聚焦透镜18具有共同的光轴L4。光 轴L3与小直径光纤82的光轴Χ3 —致。光轴L4与小直径光纤83的光轴Χ4 —致。小直径 光纤82和83的光入射表面82a和83a被磨光或抛光以分别相对于与光轴X3和X4正交的 平面倾斜12°。在小直径光纤82和83中的每一个具有接收角θ的情况下，小直径光纤 82和83的光入射表面82a和83a的倾斜角中的每一个相对于与光轴X3或X4正交的平面 可以不小于Θ/2且不大于Θ。另外，小直径光纤20和21的光入射表面中的每一个可 以 被磨光或抛光，以便以比小直径光纤82和83的光入射表面82a和83a的倾斜角小的倾斜 角倾斜。在小直径光纤20和21中的每一个具有接收角θ的情况下，小直径光纤20和21 的光入射表面的倾斜角相对于与光轴Xl或Χ2正交的平面可以为例如，不小于0°且不大于θ /2。与小直径光纤20和21 —样，小直径光纤82和83是多模光纤。因此，当来自光源 13和14的光分别经由聚焦透镜17和18进入以12°角倾斜的光入射表面82a和83a时， 来自小直径光纤82和83中的每一个的出射光具有图3A所示的基本上凹状的光量分布和 图3B所示的FFP。来自小直径光纤20、21、82和83的出射光通过光纤连接器27进入大直径光纤28。 在大直径光纤28中，来自小直径光纤20、21、82和83的出射光结合而提高了结合后的出射 光的均勻性。因此，如图4A中所示，在大直径光纤28中的光具有基本上均勻的光量分布， 其中在它的直径方向上，光量不小于预定值M。如图4B中所示，大直径光纤28的FFP的整 个区域42具有不小于预定值M的光量。在大直径光纤28内的光的光量分布的均勻性通过 散斑削减器30进一步提高。如图10中所示，本发明的第3实施方案的光源设备90除去小直径光纤22的入射 角θ a之外具有与图1所示的第1实施方案的光源设备10相同的构造。在本实施方案中， 入射角9&在0°至12°的范围内变化。图11至14的小直径光纤22具有60 μ m的芯线直径、80 μ m的包层直径和0. 23的 NA。图11至14的每一个示出了来自小直径光纤22的出射光的光量分布(NFP)曲线。图 11中，入射角θ a为6°。图12中，入射角θ a为8°。图13中，入射角θ a为10°。图 14中，入射角ea为12°。在图11至14中，“直径方向”(水平轴)上的“0”表示小直径 光纤22的光轴。为了形成环状辐射图案，优选的是，将光纤的NA设置成接近其上限。如图11至14中所示，随着θ a从约8°增大，在直径方向上的小直径光纤22的 外周部分中的光量增加。已知，小直径光纤22的光出射表面上的辐射图案随θ a改变而改 变形状，例如，从环状到椭圆状，反之亦然。特别地，在θ a为12°的情况下，NA达到光纤的 上限(0.22)。因此，辐射图案的外周部分中的模式激发(mode excitation)变得显著。因 此，在θ a为12°的情况下，小直径光纤22的光出射表面上的辐射图案成为环状，这与θ a 小于12°的辐射图案显著不同。在θ a的范围为0°至6°的情况下，来自小直径光纤22 的出射光的光量分布具有基本上与θ a为6°情况相同的图案(参见图11)。通过光纤连接器27，来自小直径光纤22的入射角为θ a的出射光与来自小直径光 纤20和21的入射角为0°的出射光以及来自小直径光纤23的入射角为12°的出射光一 起进入大直径光纤28。在大直径光纤28中，来自小直径光纤20至23的光相互结合，使得 跨大直径光纤28的直径方向的光量均勻。在小直径光纤22的入射角θ a不同于小直径光纤23的12°的入射角的情况下， 具有大小和形状不同的各种辐射图案的光进入大直径光纤28，并在大直径光纤28中相互 结合。因此，从光出射部31的出射表面输出的出射光具有辐射图案，在该辐射图案中，大小 和形状不同的多个辐射图案结合且光量分布是均勻的。换句话说，通过调整小直径光纤22 的入射角为9a，可以辐射具有期望辐射图案的光到要被照明的对象。通过使用聚焦透镜 15和16，入射在小直径光纤20和21上的光分别被聚集并接近于光轴Xl和X2，所以在直径 方向上的大直径光纤28的外周部分中的光量变得不足。然而，通过调整入射在小直径光纤 22上的光的入射角θ a，增加了外周部分中的光量，而不会干扰大直径光纤28的光量分布 均勻性。
在上述实施方案中，将大直径光纤和小直径光纤或束状光纤连接，并从大直径光 纤输出出射光。可选择地，可以不使用大直径光纤而从小直径光纤直接输出出射光。这种 情况下，小直径光纤配备有光出射部，正如第1实施方案配备有光出射部31。在每个小直径 光纤的光出射表面侧上设置由锥形芯线和锥形包层构成的锥形部分。锥形包层覆盖锥形芯 线的外部圆周表面。锥形芯线的直径朝光出射表面减小或变细。锥形包层的外部圆周表面 沿着锥形芯线的外部圆周表面、朝光出射表面倾斜以致变细。锥形包层部分或全部地暴露 于空气从光出射表面至预定的深度。小直径光纤配备有通光空间以传递或释放从暴露的锥 形包层泄漏的光。因而，从通光空间泄漏的光从光出射部输出。因此，通过使用锥形部分和 通光空间，增大了来自小直径光纤的光的发散角和NA。在不使用大直径光纤而从小直径光纤输出光的情况下，优选使用如下所述形成的 双包裹(wraps)的束状光纤。首先，一小直径光纤被包裹在第一保护管中，用作束状光纤的 中心光纤。围绕中心光纤安置多个小直径光纤，它们被包裹在第二保护管中。围绕第二保 护管，安置另外的多个小直径光纤，它们被包裹在第三保护管中。从而，形成双包裹的束状 光纤。应该注意到，可以使用这样的双包裹或更多包裹的束状光纤或复合光纤。第1实施方案的通光空间48将锥形包层44b的整个外部圆周表面暴露于空气从 光出射表面28a至预定的深度或距离，然而，形成通光空间100或末端开口，以便将锥形包 层44b的外部圆周表面部分地暴露于空气，如图15和16所示。在外壳41的内部圆周表面和锥形包层44b的外部圆周表面之间形成通光空间 100，锥形包层44b部分地暴露于空气从光出射表面28a至预定的深度。当从X轴和Y轴的 两维面内观察大直径光纤28的光出射表面28a时，通光空间100由第一空间IOOa和第二 空间IOOb构成。在Y轴方向上，第一空间IOOa设置在锥形包层44b (和锥形芯线44a)之 上。在Y轴方向上，第二空间IOOb设置在锥形包层44b (和锥形芯线44a)之下。第一空间 IOOa和第二空间IOOb为管状。第一空间IOOa和第二空间IOOb的位置不限于上述情况。 在X轴方向上，第一空间IOOa和第二空间IOOb可以设置在锥形包层44b (和锥形芯线44a) 的右边和左边。形成第一空间IOOa和第二空间IOOb的方法除去部分地去除粘合剂构件40 之外，和在第1实施方案中所述的一样，故略去该部分的描述。如上所述，通过使用第一空间IOOa和第二空间100b，包含从第一空间IOOa和第 二空间IOOb释放的光的出射光所照明的面积在Y轴方向上大于在X轴方向上。因此，如图 15中所示，Y轴方向上的发散角ey大于X轴方向上的发散角θχ。结果，来自光出射部31 的出射光的辐射图案成为椭圆形状。通过改变第一空间IOOa和第二空间IOOb在光轴方向 上的深度、第一空间IOOa和第二空间IOOb在Y轴方向上的大小以及第一空间IOOa和第二 IOOb通过光出射部31的出射表面的开口的形状，改变发散角9y。因此，可以调节椭圆体 辐射图案的椭圆率或平坦化比率(flattening ratio)。
各种改变和修正在本发明中是可能的并且可以被理解为在本发明内。
权利要求
一种用于传输光并从光出射表面输出所述光的光导，包括第一多模光纤，所述光入射其上以使来自所述第一多模光纤的出射光具有凸状光量分布，在所述第一多模光纤的直径方向上，该凸状光量分布在它的中心部分具有高光量，所述第一多模光纤具有第一芯线和覆盖所述第一芯线的外部圆周表面的第一包层，所述第一芯线具有第一锥形芯线，所述第一锥形芯线的直径朝所述光出射表面减小，所述第一包层具有第一锥形包层，所述第一锥形包层的外部圆周表面沿所述第一锥形芯线的外部圆周表面、朝所述光出射表面倾斜以致变细；第二多模光纤，所述光入射其上以使来自所述第二多模光纤的出射光具有凹状光量分布，在所述第二多模光纤的直径方向上，该凹状光量分布在它的中心部分具有低光量，所述第二多模光纤具有第二芯线和覆盖所述第二芯线的外部圆周表面的第二包层，所述第二芯线具有第二锥形芯线，所述第二锥形芯线的直径朝所述光出射表面减小，所述第二包层具有第二锥形包层，所述第二锥形包层的外部圆周表面沿所述第二锥形芯线的外部圆周表面、朝所述光出射表面倾斜以致变细；以及捆扎部，其用于捆扎至少所述第一和第二多模光纤的光出射表面侧以形成束状光纤的束状表面。
2.权利要求1所述的光导，其中在所述第二多模光纤的光入射表面上的所述光的入射 角大于在所述第一多模光纤的光入射表面上的所述光的入射角。
3.权利要求2所述的光导，其中所述第一和所述第二多模光纤中的每一个具有接收角 e，在所述第一多模光纤的所述光入射表面上的所述光的所述入射角不小于o°且不大于 e /2，并且在所述第二多模光纤的所述光入射表面上的所述光的所述入射角不小于e /2 且不大于0。
4.权利要求1所述的光导，其中所述第一多模光纤的光入射表面相对于与所述第一多 模光纤的光轴正交的表面倾斜，所述第二多模光纤的光入射表面相对于与所述第二多模光 纤的光轴正交的表面倾斜，并且所述第二多模光纤的所述光入射表面的倾斜角大于所述第 一多模光纤的所述光入射表面的倾斜角。
5.权利要求4所述的光导，其中所述第一和所述第二多模光纤中的每一个具有接收角 0，所述第一多模光纤的所述倾斜角不小于0°且不大于e/2，并且所述第二多模光纤的 所述倾斜角不小于e/2且不大于e。
6.权利要求1所述的光导，其中所述第一和所述第二多模光纤中的每一个的数值孔径 不小于0. 2。
7.权利要求1所述的光导，其中所述第一和所述第二多模光纤的总数目至多为19。
8.权利要求1所述的光导，其中所述第一和所述第二多模光纤中的每一个的直径不大 于 lmm0
9.一种用于传输光并从光出射表面输出所述光的光导，包括第一多模光纤，所述光入射其上以使来自所述第一多模光纤的出射光具有凸状光量分 布，在所述第一多模光纤的直径方向上，该凸状光量分布在它的中心部分具有高光量；第二多模光纤，所述光入射其上以使来自所述第二多模光纤的出射光具有凹状光量分 布，在所述第二多模光纤的直径方向上，该凹状光量分布在它的中心部分具有低光量；捆扎部，其用于捆扎至少所述第一和第二多模光纤的光出射表面侧以形成束状光纤的束状表面；大直径多模光纤，其具有比所述束状表面大的光入射表面，来自所述第一和所述第二 多模光纤的光进入所述大直径多模光纤的所述光入射表面，所述大直径多模光纤具有芯线 和覆盖所述芯线的外部圆周表面的包层，所述芯线具有锥形芯线，所述锥形芯线直径朝所 述光出射表面减小，所述包层具有锥形包层，所述锥形包层的外部圆周表面沿所述锥形芯 线的外部圆周表面、朝所述光出射表面倾斜以致变细。
10.权利要求9所述的光导，其中所述大直径多模光纤配备有散斑削减器，所述散斑削 减器减少从所述大直径多模光纤输出的光的散斑。
11.权利要求9所述的光导，进一步包括管状外壳，所述大直径多模光纤插入通过所述管状外壳；以及 透明粘合剂构件，其被设置在所述外壳和所述包层的外部圆周表面之间，所述粘合剂 构件将所述大直径多模光纤保持在所述外壳中，所述粘合剂构件具有比所述包层低的折射 率，所述粘合剂构件具有从所述光出射表面挖空至预定深度的通光空间，以将所述锥形包 层的所述外部圆周表面的至少一部分暴露于空气。
12.一种光源设备，包括 至少第一光源和第二光源；第一多模光纤，其具有面对所述第一光源的第一光入射表面和用于输出具有凸状光量 分布的第一出射光的第一光出射表面，在所述第一多模光纤的直径方向上，该凸状光量分 布在它的中心部分具有高光量，所述第一光入射表面正交于所述第一光源的光路，所述第 一多模光纤具有第一芯线和覆盖所述第一芯线的外部圆周表面的第一包层，所述第一芯线 具有第一锥形芯线，所述的第一锥形芯线直径朝所述第一光出射表面减小，所述第一包层 具有第一锥形包层，所述第一锥形包层的外部圆周表面沿所述第一锥形芯线的外部圆周表 面、朝所述第一光出射表面倾斜以致变细；第二多模光纤，其具有面对所述第二光源的第二光入射表面和用于输出具有凹状光量 分布的第二出射光的第二光出射表面，在所述第二多模光纤的直径方向上，该凹状光量分 布在它的中心部分具有低光量，所述第二光入射表面相对于所述第二光源的光路倾斜，所 述第二多模光纤具有第二芯线和覆盖所述第二芯线的外部圆周表面的第二包层，所述第二 芯线具有第二锥形芯线，所述第二锥形芯线的直径朝所述第二光出射表面减小，所述第二 包层具有第二锥形包层，所述第二锥形包层的外部圆周表面沿所述第二锥形芯线的外部圆 周表面、朝所述第二光出射表面倾斜以致变细；捆扎部，其用于捆扎至少所述第一和所述第二多模光纤的所述第一和所述第二光出射 表面侧以形成束状光纤的束状表面；以及光出射部，其用于从所述束状光纤输出所述第一出射光和所述第二出射光。
13.一种内窥镜系统，包括 A.光源设备，其包括 至少第一光源和第二光源；第一多模光纤，其具有面对所述第一光源的第一光入射表面和用于输出具有凸状光量 分布的第一出射光的第一光出射表面，在所述第一多模光纤的直径方向上，该凸状光量分 布在它的中心部分具有高光量，所述第一光入射表面正交于所述第一光源的光路，所述第一多模光纤具有第一芯线和覆盖所述第一芯线的外部圆周表面的第一包层，所述第一芯线 具有第一锥形芯线，所述第一锥形芯线的直径朝所述第一光出射表面减小，所述第一包层 具有第一锥形包层，所述第一锥形包层的外部圆周表面沿所述第一锥形芯线的外部圆周表 面、朝所述第一光出射表面倾斜以致变细；第二多模光纤，其具有面对所述第二光源的第二光入射表面和用于输出具有凹状光量 分布的第二出射光的第二光出射表面，在所述第二多模光纤的直径方向上，该凹状光量分 布在它的中心部分具有低光量，所述第二光入射表面相对于所述第二光源的光路倾斜，所 述第二多模光纤具有第二芯线和覆盖所述第二芯线的外部圆周表面的第二包层，所述第二 芯线具有第二锥形芯线，所述第二锥形芯线的直径朝所述第二光出射表面减小，所述第二 包层具有第二锥形包层，所述第二锥形包层的外部圆周表面沿所述第二锥形芯线的外部圆 周表面、朝所述第二光出射表面倾斜以致变细；捆扎部，其用于捆扎至少所述第一和所述第二多模光纤的所述第一和所述第二光出射 表面侧以形成束状光纤的束状表面；光出射部，其用于从所述束状光纤输出所述第一出射光和所述第二出射光；B.内窥镜，其具有图像传感器，所述图像传感器得到用来自所述光出射部的所述光照 明的体腔的图像；C.图像处理设备，其连接到所述内窥镜，所述处理设备处理来自所述图像传感器的信 号并生成图像。
全文摘要
本发明提供光导、光源设备和内窥镜系统。当光以0°入射角进入第一小直径光纤时，来自该第一小直径光纤的出射光在直径方向上具有基本上凸状的光量分布。当光以12°的入射角进入第二小直径光纤时，来自该第二小直径光纤的出射光在直径方向上具有基本上凹状的光量分布。来自该第一和第二小直径光纤的出射光进入大直径光纤并在其中结合，使得在该大直径光纤中的光量分布均匀。在光出射部中，该大直径光纤具有锥形芯线和锥形包层。大直径光纤中的光从其光出射表面输出，也从锥形包层泄漏。
文档编号G02B6/04GK101833131SQ20101018090
公开日2010年9月15日 申请日期2010年2月20日 优先权日2009年2月16日
发明者下津臣一 申请人:富士胶片株式会社