JP3896209B2

JP3896209B2 - Laser optics

Info

Publication number: JP3896209B2
Application number: JP02371098A
Authority: JP
Inventors: 幸治小林
Original assignee: Kowa Co Ltd
Current assignee: Kowa Co Ltd
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1998-02-05
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2018-02-05
Also published as: JPH11223747A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー光学装置、特に光源としてレーザーを用い、このレーザー光源からのレーザービームを光ファイバーを介して射出させるレーザー光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような光学装置は、射出されるレーザビームを２次元的に偏向走査して被写体に照射し、被写体からの反射光、透過光、または蛍光等を検出して光電変換処理することにより画像情報を得るレーザー走査型光学装置などに用いられている。
【０００３】
レーザー走査型光学装置は、レーザー光の高輝度性や単色性、ビーム指向性等を有効に利用したものであり、特にレーザー走査型の光学顕微鏡や生体検眼鏡等においてその実用例が多く見られる。この場合に、装置機能と使用目的に応じて各種波長のレーザー光源が必要であり、空間的な配置に制約の多いレーザー光源からの光ビームを可撓性の光ファイバーを介して走査型光学系に接続できる様にした構造の光学装置が報告されている（例えば、レーザー走査型の光学顕微鏡として、特開平３−８７８０４、特開平３−１３４６０９、特公平４−９２８４等、またレーザー走査型の検眼鏡として、実開平３−６３３０３、特開平６−２４５９０６、特公平６−１０４１０３等）。
【０００４】
光ファイバーを用いることの利点は、レーザー光源と走査型光学系とを離して自由に配置できることであり、大型で発熱量の大きいレーザー光源でも容易に利用可能な点である。レーザー走査型の撮像装置において、特に、レーザー光源からのガウシアンビームを被写体に微小なスポット状に結像して走査することにより高い解像力を得る様な応用では、光ファイバーとして、コア径が５〜１０μｍ程度以下の非常に細いシングルモード光ファイバーや偏波面保存光ファイバーが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光ファイバーを用いた場合に、レーザー光源からの光ビームと光ファイバーのコア中心の光軸を正確に合わせる必要があり、とりわけコア径の細いシングルモード光ファイバーや偏波面保存光ファイバー等では、光軸調整が難しいという問題がある。また一旦、光ビームの光軸と光ファイバーのコア中心とを合わせても、レーザー管周辺の環境温度の変化や機器の経時変化によって光軸がずれてしまい、光ファイバーの透過光強度が大幅に低下して初期性能が出なくなるという問題があった。
【０００６】
例えば、図７は、従来技術による光学装置の実施形態の一部構成を示したものである。図７において、レーザー光源７１からの光ビームは、結合機構７２を介して可撓性の光ファイバー（シングルモード光ファイバー、または変波面保存光ファイバー）７３に入射して伝達され、光ファイバーの射出端７４よりパワーＰの光ビームが取り出される。
【０００７】
図８は、図７の装置におけるレーザー光強度の環境温度に対する依存性を示したもので、図８のＩ₁は、光ファイバーを使わずにレーザー光源から射出した直後の光ビームの強度を、Ｉ₂は光ファイバーを通過した後の光ビームの強度を示している。レーザー光源７１から射出する光ビームの強度は温度によらず一定であるが、光ファイバー７３を介して射出する光ビームの強度は高温側や低温側で低下してしまう。これは、例えば環境温度が２５℃の状態で光ファイバーの光軸をレーザー光軸に合わせておいても、その後の環境温度の上昇や下降によって、レーザー管自身のビーム指向性の変動や光ファイバー保持機構の特性変化が生じて、光ファイバーのコア中心と光ビームのスポット中心とがずれてしまうためである。
【０００８】
すなわち、従来の技術では、光ファイバーの透過光強度を長期間にわたって安定的に保持するためには、極めて高価で精度の高い位置決め機構を使用すると共に、機器をある程度限られた環境温度の範囲内で使用することが必須条件になっていた。あるいは、定期的に光ファイバー入射部の光軸の再調整を繰り返す必要がある等、コア径の細い光ファイバーを用いた光学装置をメインテナンスフリーで簡単に取扱うことは困難であった。
【０００９】
従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、レーザー光を光ファイバーを用いて最適に伝達できる信頼性の高いレーザー光学装置を提供することをその課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上述した課題を解決するために、
レーザー光源からのレーザービームを光ファイバーを介して射出させ、射出されたレーザービームを所定の周波数で偏向走査させるレーザー光学装置において、
レーザービームを前記所定の周波数の整数倍の周波数で微小振動させて光ファイバーの入射端面に導く手段と、
光ファイバーの射出端面から射出するレーザービームの光強度を検出し微小振動に基づく光強度の変動を検出する手段と、
前記光強度の変動に基づいてレーザービームの光ファイバーの入射端面中心に対するずれの方向を検出する手段と、
前記検出されたずれの方向に基づいてレーザービームと光ファイバーの入射端面中心との位置関係を、光ファイバーの射出端面からの光強度が増大するように変化させる手段とを有する構成を採用している。
【００１１】
このような構成では、光ファイバーから射出するレーザービームの光強度を確実に一定に保つことができ、レーザー光源からのレーザービームを光ファイバーを用いて環境の温度変化や装置の経時変化等によらず損失なく伝達することが可能になる。
【００１２】
レーザービームの光ファイバーの入射端面中心に対するずれの方向を検出するために、レーザービームは微小振動して光ファイバーの入射端面に導かれる。この微小振動に基づく光強度の変動からレーザービームの光ファイバーの入射端面中心に対するずれの方向が検出され、ずれ量が補正される。この微小振動はＸＹ方向に２次元的に与えられ、それにより２次元的にずれ量が補正される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明を適用したレーザー走査型光学装置の全体構成を示している。ここでは一例として、生体眼底等の観察を目的とした走査型レーザー検眼鏡の装置構成を示して説明を行う。
【００１５】
図１において符号１で示すものは、例えばＡｒレーザー等の大型のレーザー光源であり、そこから発せられた光ビーム１ａはミラー２により反射され、レンズ３を介して光ファイバー４の入射端面に集光される。ここで光ファイバー４は、コア径が５〜１０μｍ程度以下のシングルモード光ファイバーまたは偏波面保存光ファイバーである。光ファイバー４の入射端は光コネクタ４ａで固定され、一方ミラー２は、その反射方向を微細に制御するための方向制御機構５に取り付けられている。ミラー２、レンズ３等の光学部材は、方向制御機構５と共に防塵機構６で被われ、外部より埃が光路に進入することを防いでいる。
【００１６】
光ファイバー４は、光ビーム射出端の光コネクタ４ｂによって本体光学システム７に接続される。光ファイバー４から射出した光ビームは、レンズ８を介して平行光束となり、ビームスプリッター９で一部が反射され、フォトダイオード１０で受光される。フォトダイオード１０で検出されたレーザー光の光強度は、受光回路１１を介して所定の信号レベルに増幅され、電気信号として出力される。一方、ビームスプリッター９を通過した光ビームは、ダイクロイックミラー１２を介してレーザー光源１３からの光ビームと合成され、Ｘ−Ｙ走査光学ユニット１４に入射する。レーザー光源１３は半導体レーザー等の小形のレーザー光源であり、光ファイバーで接続される大型のレーザー光源１との間で、必要に応じて光の波長を選択して切り替えて使用することができる。
【００１７】
走査光学ユニット１４を介して、Ｘ−Ｙ方向に２次元的に走査されたレーザー光は、被検眼１５の所定部位（例えば前眼部１５ａを介して眼底１５ｂ等）に照射される。被検眼からの反射光または蛍光等は、走査光学ユニット１４と共焦点開口１６（ピンホール、またはスリット等）を通過し、光電子増倍管等の光検出器１７で受光される。光検出器１７で検出された光強度は、受光回路１８を介して所定のレベルにまで増幅され、映像信号として出力される。
【００１８】
走査ユニット１４におけるレーザー光の走査手段は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、超音波光偏向素子等の各種の光偏向方式が可能である。これらの異なる光偏向手段を組み合わせて、例えば、ＮＴＳＣ方式等の標準のＴＶ走査に対応した水平走査周波数１５．７５ｋＨｚ、垂直走査周波数６０Ｈｚ（すなわちフィールド周波数６０Ｈｚ、フレーム周波数３０Ｈｚ）等のレーザー光走査が可能である。走査方式に関する詳細は、例えば、本発明特許の出願人による特開昭６４−５８２３７／ＵＳＰ−４８５４６９２、または特開平６−２６１８６２／ＵＳＰ−５４３０５０９等を参照されたい。
【００１９】
受光回路１８からの出力信号は、乗算回路１９と映像信号処理回路２０を介してＴＶモニター等の出力表示装置２１に入力される。乗算回路１９は、レーザー光源１からの光ファイバーを介した光ビームの強度変動を打ち消すために備えられている。すなわち、受光回路１１からの光強度信号に対して除算回路２２で割り算処理を行い、その信号を乗算回路１９に供給することで、受光回路１８からの映像信号に重畳したレーザー光源１と光ファイバー４に由来のノイズ成分を除去することができる。
【００２０】
ＴＶモニター２１とＸ−Ｙ走査ユニット１４とは、同期信号源２３からの同期信号によって走査の同期が行われ、ＴＶモニター上には被写体（被検眼の眼底等）の画像を表示することができる。また、表示画像の信号は、映像信号処理回路２０において必要に応じて所定のフォーマットに変換されて、映像記録装置２４（コンピューター静止画記録装置等）に記録することも可能である。
【００２１】
一方、受光回路１１から出力された光強度信号は、位置制御用信号処理回路２５に供給され、所定の信号処理が行われて方向制御機構５を制御するために使用される。すなわち、制御用信号処理回路２５からの出力信号に従って、レーザー光源１からの光ビームの光軸と光ファイバー４の入射部の光軸とが自動的に調整される。
【００２２】
図２は、レーザー光源１からの光ビーム１ａを反射するミラー２の取り付けられた方向制御機構５の構造の一例を概略的に示したものである。制御機構５の内部には、Ｘ方向制御用の圧電素子５ａと、Ｙ方向制御用の圧電素子５ｂとが組み込まれている。それぞれの圧電素子は印加される電気信号に応じて伸縮が可能であり、支点棒５ｃを基点として伸縮動作が行われることにより、ミラー２で反射される光ビーム１ｂの方向を、図示の様なＸ方向とＹ方向にそれぞれ独立して制御することが可能である。
【００２３】
図３は、レーザー光源からの光ビームと、それを伝達する光ファイバー４の入射端のコア中心との相対的な位置関係を例示したものである。図３（ａ）に示すごとく、光ビームを透過する光ファイバー中心部のコア４ｃと、そこに集光したレーザー光のスポット１ｃとの相対的な位置ずれは、Ｘ−Ｙ方向の２次元的な位置関係として考察される。しかし、以降の図３（ｂ）〜（ｈ）では原理の説明の都合上、一次元的な相対位置関係（Ｙ方向のみ）として説明を行う。
【００２４】
図３（ｂ）は、光ファイバーに入射する光ビームを、図２で説明した圧電素子５ｂの作用により、Ｙ方向に正弦波状に微小振動させることを示している。この時、図３（ｃ）に示すごとく、光ファイバーのコア４ｃとビームスポット１ｃとがほぼ完全に一致していると、光ファイバー４を介して射出する光強度Ｉ（すなわち図１においてフォトダイオード１０と受光回路１１で検出される光強度）は、図３（ｄ）に示す様に僅かに変動するだけである。
【００２５】
一方、図３（ｅ）に示すごとく、光ファイバーのコア４ｃに対してビームスポット１ｃが上方側にずれているとすると、光ファイバーを介して射出する光強度Ｉは図３（ｆ）に示すごとく、入射光ビームの正弦波状振動と同一の周波数で大きく変動する。また、図３（ｇ）に示すごとく、光ファイバーのコア４ｃに対してビームスポット１ｃが下方側にずれているとすると、光ファイバーを介して射出する光強度Ｉは図３（ｈ）に示すごとく、入射光ビームの正弦波状振動と同一の周波数で、図３（ｆ）の場合に比較して振動の位相が１８０°ずれた状態で、大きく変動する。
【００２６】
以上の様に、光ファイバーに入射する光ビームに微小振動を与え、光ファイバーを介して射出する光ビームの強度変動の位相を判別することで、光ファイバーに入射する光ビームのずれの方向を検出することができる。従って、光ビームの微小振動を１次元方向のみならず、Ｘ−Ｙ方向に２次元的に与えて、光ファイバーから射出した光ビームの強度変動の位相を元の微小振動の位相と比較することにより、細いコアの光ファイバーに対して入射する光ビームのスポットの位置ずれを完全に判断することが可能である。
【００２７】
図４は、図３において説明した基本原理に基づき、光ファイバーに入射する光ビームの位置ずれを自動的に補正するための制御用信号処理回路（図１で主に符号２５の部分）の詳細な構成の一例である。図４において、符号２６で示すものは、正弦波の発振波形を生成する発振回路であり、その内部には基本波発振回路と逓倍波回路とを備え、例えば発振周波数として６０Ｈｚと１２０Ｈｚの２種類の信号出力が可能な回路構成を想定する。発振回路２６は、同期信号源２３で生成された同期信号、例えばレーザー走査で画像を得る場合のフィールド周波数６０Ｈｚに対応した垂直同期信号に同期して生成すると都合が良い。
【００２８】
発振回路２６からの二つの出力信号は、それぞれバッファー回路２７、２８を介して、Ｘ方向用位相比較回路２９及びＹ方向用位相比較回路３０に入力される。各位相比較回路からの出力信号は増幅回路３１、３２によって、所定の電圧レベルにまで増幅されて圧電素子５ａ、５ｂを駆動する。増幅回路３１、３２には、圧電素子を十分に制御可能な高電圧を供給するための高電圧電源回路３３が接続されている。
【００２９】
一方、フォトダイオード１０と受光回路１１によって検出された光強度信号Ｉは、Ｘ方向用フィルター回路３４とＹ方向用フィルター回路３５に供給され、周波数成分が分離される。これらフィルター回路は、バンドパス特性を有するものであり、それぞれの中心周波数は発振回路２６の周波数に対応して例えば６０Ｈｚと１２０Ｈｚとに選ばれる。二つのフィルター回路の出力信号は、光ファイバーのコア中心とそこに入射する光ビームのずれ方向に関して、Ｘ方向とＹ方向とに分離した信号成分に対応している。従って、フィルター回路３４、３５の出力信号を位相比較回路２９、３０に供給して、バッファー回路２７、２８からの出力信号との間で位相比較を行うことにより、光ファイバーのコア中心と光ビームとの位置ずれ量が、それぞれＸ方向とＹ方向に分離して算出される。その位相比較により得られた電圧レベルを増幅して、圧電素子５ａ、５ｂを駆動することにより、光ファイバーと入射光ビームとの位置ずれ量を打ち消す様にフィードバック制御が行われる。
【００３０】
図４で示された回路構成によれば、発振回路２６を基準として引き起こされる微小な正弦波振動と、フォトダイオード１０で受光される光ファイバー射出光の強度信号Ｉとの間で常時位相比較が行われて、圧電素子へのフィードバック制御が行われるために、自動的かつリアルタイムに光ファイバーと入射光ビームとの位置ずれを補正することが可能である。
【００３１】
すなわち、発振回路２６を介して正弦波信号でＸ（Ｙ）方向制御用の圧電素子５ａ（５ｂ）が駆動され、それによりミラー２が微小振動することによりレーザービームスポット１ｃが振動して、光ファイバー入射端面の中心と入射光ビームとの位置ずれ量に応じた強度信号Ｉが受光回路１１から出力される。例えば、図３（ｅ）に示すように、レーザービームスポット１ｃが光ファイバーのコア４ｃの中心に対してＹ方向に上側にずれていると、Ｙ方向用位相比較回路３０は図３（ｂ）、（ｆ）の位相を比較して上側にずれていることを判別するとともに、そのずれ量に対応した誤差信号（変動の直流成分）を出力する。この誤差信号により圧電素子５ｂが駆動され、ミラー２の傾き（姿勢）が変化してレーザービームスポット１ｃがＹ方向に下側に移動するようになり、上記誤差（ずれ）が補償される。この誤差が補償された状態では、強度信号Ｉは図３（ｄ）のような波形になっている。
【００３２】
一方、図３（ｇ）に示すように、レーザービームスポット１ｃが光ファイバーのコア４ｃの中心に対してＹ方向に下側にずれていると、Ｙ方向用位相比較回路３０は図３（ｂ）、（ｈ）の位相を比較して下側にずれていることを判別するとともに、そのずれ量に対応した誤差信号を出力する。この誤差信号により圧電素子５ｂが駆動され、ミラー２の傾きが変化してレーザービームスポット１ｃがＹ方向に上側に移動するようになりずれが補償される。
【００３３】
Ｘ方向に対するずれは、Ｘ方向用位相比較回路２９を用いてそのずれ方向が判別されるとともに、そのずれ量に応じてＸ方向制御用の圧電素子５ａが駆動され、ミラー２の傾きが制御されることにより、Ｙ方向のずれの補正と同様に補正することができる。
【００３４】
なお、レーザービームを微小振動させるとき、発振回路２６の発振周波数をレーザー走査ユニット１４（図１）におけるフレーム走査周波数（例えば３０Ｈｚ）、あるいはフィールド走査周波数（例えば６０Ｈｚ）の整数倍に設定しておくことで、走査型レーザー検眼鏡の使用時において、被検眼１５の被験者が観察して知覚するレーザーラスターのちらつきや変動を最小に抑えることができる。また、図１の構成で説明した様に、光ファイバーの射出光強度は変動していても、光検出器１７を介して得られる被写体（眼底１５ｂ等）の映像信号は、乗算回路１９と除算回路２２による処理を受けるために、ＴＶモニター２１上に表示される画像には全く影響が生じない。
【００３５】
図５は、本発明の他の実施形態を示している。図５において、レーザー光源１は、例えばマルチラインのＡｒレーザー等、２種類以上の波長の光を同時発振するレーザー光源である。レーザー光源１からの光ビーム１ａは、既に説明した方向制御機構５を備えたミラー２によって反射され、波長分散素子３６、レンズ３を介して光ファイバー４の入射端面に集光される。光ファイバー４の入射端は、光コネクタ４ａによって固定されており、また光ビームの光路を一括して防塵機構６で遮蔽することにより、埃や塵による光量低下等の影響を防ぐことができる。
【００３６】
波長分散素子３６は、プリズム（または回折格子等）によって構成され、異なる波長のレーザービームの進行方向を僅かに異ならせるためのものである。従って、光ファイバー４の端面中心部のコアに入射する光ビームの波長は単一のものとなり、方向制御機構５によってミラー２の反射角度を変えることにより、光ファイバー４から射出する光ビームの波長を選択することができる。すなわち、方向制御機構５における圧電素子の一つ（例えば、Ｘ方向制御用の圧電素子５ａ）に与える直流電圧のレベルを変えることによって、単一のレーザー波長を効率的に選択できる。光ファイバーと入射光ビームの位置ずれに関しては、既に説明した様に、圧電素子５ａ、５ｂにそれぞれ交流電圧を与えて振動させることによって補正が可能である。
【００３７】
図６は、本発明によるレーザー光学装置の特性例として、レーザー光強度Ｉの環境温度に対する依存性を示したものである。図６において、Ｉ₁は、レーザー光源１から射出した直後の光ビームの強度を、Ｉ₂は光ファイバーを透過した後の光ビームの強度を示している。本発明を基本として開発された圧電素子を利用した補正技術によって、環境温度によらず光ビーム強度が一定に保たれることを示しており、これは既に図８において説明した従来技術による温度特性に比較して、非常に安定的な性能を実現可能なことを示している。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、光ファイバーから射出するレーザービームの光強度を確実に一定に保つことができ、レーザー光源からのレーザービームを光ファイバーを用いて環境の温度変化や装置の経時変化等によらず損失なく伝達することが可能になる。
【００３９】
また、従来使用の難しいとされていたコア径の細いシングルモード光ファイバーや偏波面保存型光ファイバーを用いることが容易であり、位置決め用の高価な精密機構等を用いなくても自動的に高精度な光軸調整が可能なため装置全体の低価格化を図ることが可能である。
【００４０】
更に、この光ファイバーで伝達されたレーザービームで被写体を照明し、被写体の画像信号を取得する場合、光ファイバーが揺れたり撓んだりして透過光強度が変動した場合にも、画像信号はその強度変動の影響を受けることがなく常にノイズの少ない画像の観察が可能である。加えて、多波長発振のレーザー光源を使用した場合に、複数の波長から光ファイバーを介して単一波長の光ビームを光量損失少なく選択するといったことも可能である。
【００４１】
このように本発明は、光ファイバーを用いたシステムとして、形状や発熱量の大きなレーザー光源でも離して設置して容易に走査光学系に接続して活用できるという本来の特性を最大限に生かすことができ、精密な光学装置として、無調整でも長期間安定的に性能を維持できるといった点で優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置をレーザー走査型検眼鏡に用いたシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】レーザービームを光ファイバーの入射端に導く構成を示した斜視図である。
【図３】レーザービームが光ファイバー入射端の中心位置からずれた場合の光強度の変動を示した説明図である。
【図４】レーザービームの光ファイバー入射端中心位置に対するずれを補償する回路構成を示したブロック図である。
【図５】本発明の他の実施形態を示した構成図である。
【図６】本発明装置での光ファイバーから射出する光強度の特性を示した線図である。
【図７】従来の構成を示す構成図である。
【図８】従来装置での光ファイバーから射出する光強度の特性を示した線図である。
【符号の説明】
１レーザー光源
２ミラー
４光ファイバー
５方向制御機構
５ａ、５ｂ圧電素子
１５被検眼[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser optical device, and more particularly to a laser optical device that uses a laser as a light source and emits a laser beam from the laser light source via an optical fiber.
[0002]
[Prior art]
Such an optical device two-dimensionally deflects and scans an emitted laser beam, irradiates the subject, detects reflected light, transmitted light, fluorescence, or the like from the subject, and performs photoelectric conversion processing to obtain image information. It is used in a laser scanning optical device that obtains
[0003]
The laser scanning optical device effectively utilizes the high brightness, monochromaticity, beam directivity, etc. of laser light, and many practical examples are seen particularly in laser scanning optical microscopes and biopsy glasses. . In this case, laser light sources of various wavelengths are required according to the device function and purpose of use, and the light beam from the laser light source with many spatial arrangements is converted into a scanning optical system via a flexible optical fiber. An optical device having a structure that can be connected has been reported (for example, as a laser scanning type optical microscope, Japanese Patent Laid-Open No. 3-87804, Japanese Patent Laid-Open No. 3-134609, Japanese Patent Publication No. 4-9284, etc.) As glasses, Japanese Utility Model Laid-Open No. 3-63303, Japanese Patent Laid-Open No. 6-245906, Japanese Patent Publication No. 6-104103, etc.).
[0004]
The advantage of using an optical fiber is that the laser light source and the scanning optical system can be freely arranged and can be easily used even with a large-sized laser light source that generates a large amount of heat. In laser scanning type imaging devices, in particular, in applications where high resolution is obtained by scanning a Gaussian beam from a laser light source on a subject in a minute spot shape, the core diameter of the optical fiber is 5 to 10 μm. Very thin single-mode optical fibers and polarization-maintaining optical fibers that are less than or equal to the extent are used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when an optical fiber is used, it is necessary to accurately align the light beam from the laser light source with the optical axis at the core center of the optical fiber, especially for single-mode optical fibers with a small core diameter and polarization-maintaining optical fibers. There is a problem that is difficult. Even if the optical axis of the light beam is aligned with the core center of the optical fiber, the optical axis is shifted due to changes in the ambient temperature around the laser tube and changes over time of the equipment, and the transmitted light intensity of the optical fiber is greatly reduced. There was a problem that the initial performance could not be obtained.
[0006]
For example, FIG. 7 shows a partial configuration of an embodiment of an optical device according to the prior art. In FIG. 7, a light beam from a laser light source 71 is transmitted by being incident on a flexible optical fiber (single mode optical fiber or wavefront-preserving optical fiber) 73 via a coupling mechanism 72 and is transmitted from an exit end 74 of the optical fiber. The P light beam is extracted.
[0007]
FIG. 8 shows the dependence of the laser light intensity on the environmental temperature in the apparatus of FIG. 7. I ₁ in FIG. 8 shows the intensity of the light beam immediately after being emitted from the laser light source without using the optical fiber. ₂ indicates the intensity of the light beam after passing through the optical fiber. The intensity of the light beam emitted from the laser light source 71 is constant regardless of the temperature, but the intensity of the light beam emitted via the optical fiber 73 is lowered on the high temperature side or the low temperature side. This is because, for example, even if the optical axis of the optical fiber is aligned with the laser optical axis when the environmental temperature is 25 ° C., the fluctuation of the beam directivity of the laser tube itself and the optical fiber holding mechanism are caused by the subsequent increase or decrease of the environmental temperature. This is because the characteristic change occurs, and the core center of the optical fiber and the spot center of the light beam shift.
[0008]
That is, in the conventional technique, in order to stably maintain the transmitted light intensity of the optical fiber over a long period of time, an extremely expensive and highly accurate positioning mechanism is used, and the device is within a certain range of environmental temperature. It was a prerequisite to use it. Alternatively, it is difficult to easily handle an optical device using an optical fiber having a thin core diameter in a maintenance-free manner, such as the need to periodically readjust the optical axis of the optical fiber incident portion.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve such problems, and an object thereof is to provide a highly reliable laser optical apparatus capable of optimally transmitting laser light using an optical fiber.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-described problems,
In a laser optical device that emits a laser beam from a laser light source via an optical fiber and deflects and scans the emitted laser beam at a predetermined frequency ,
Means for minutely vibrating the laser beam at a frequency that is an integral multiple of the predetermined frequency and guiding it to the incident end face of the optical fiber ;
Means for detecting the light intensity of the laser beam emitted from the emission end face of the optical fiber and detecting the fluctuation of the light intensity based on the minute vibration ;
Means for detecting the direction of deviation of the laser beam with respect to the center of the incident end face of the optical fiber based on the fluctuation of the light intensity ;
A configuration is adopted that includes means for changing the positional relationship between the laser beam and the center of the incident end face of the optical fiber so as to increase the light intensity from the exit end face of the optical fiber based on the detected deviation direction .
[0011]
In such a configuration, the light intensity of the laser beam emitted from the optical fiber can be reliably kept constant, and the laser beam from the laser light source can be lost regardless of the temperature change of the environment or the time-dependent change of the apparatus using the optical fiber. It becomes possible to transmit without.
[0012]
In order to detect the direction of deviation of the laser beam from the center of the incident end face of the optical fiber, the laser beam is oscillated minutely and guided to the incident end face of the optical fiber. The direction of deviation of the laser beam from the center of the incident end face of the optical fiber is detected from the fluctuation of the light intensity based on the minute vibration, and the deviation amount is corrected. This minute vibration is given two-dimensionally in the XY direction, whereby the amount of deviation is corrected two-dimensionally.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment.
[0014]
FIG. 1 shows the overall configuration of a laser scanning optical apparatus to which the present invention is applied. Here, as an example, a description will be given by showing an apparatus configuration of a scanning laser ophthalmoscope for the purpose of observing the fundus of the living body and the like.
[0015]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a large laser light source such as an Ar laser. A light beam 1 a emitted from the laser light source is reflected by a mirror 2 and condensed on an incident end face of an optical fiber 4 through a lens 3. Is done. Here, the optical fiber 4 is a single mode optical fiber or a polarization-maintaining optical fiber having a core diameter of about 5 to 10 μm or less. The incident end of the optical fiber 4 is fixed by an optical connector 4a, while the mirror 2 is attached to a direction control mechanism 5 for finely controlling the reflection direction. Optical members such as the mirror 2 and the lens 3 are covered by the dust control mechanism 6 together with the direction control mechanism 5 to prevent dust from entering the optical path from the outside.
[0016]
The optical fiber 4 is connected to the main optical system 7 by an optical connector 4b at the light beam exit end. The light beam emitted from the optical fiber 4 becomes a parallel light flux through the lens 8, and a part of the light beam is reflected by the beam splitter 9 and received by the photodiode 10. The light intensity of the laser light detected by the photodiode 10 is amplified to a predetermined signal level via the light receiving circuit 11 and output as an electric signal. On the other hand, the light beam that has passed through the beam splitter 9 is combined with the light beam from the laser light source 13 via the dichroic mirror 12 and enters the XY scanning optical unit 14. The laser light source 13 is a small laser light source such as a semiconductor laser, and can be used by selecting and switching the wavelength of light with a large laser light source 1 connected by an optical fiber as necessary.
[0017]
Laser light that is two-dimensionally scanned in the X-Y direction via the scanning optical unit 14 is applied to a predetermined portion of the eye 15 (for example, the fundus 15b via the anterior eye portion 15a). Reflected light or fluorescence from the eye to be examined passes through the scanning optical unit 14 and the confocal aperture 16 (pinhole, slit, or the like), and is received by a photodetector 17 such as a photomultiplier tube. The light intensity detected by the photodetector 17 is amplified to a predetermined level via the light receiving circuit 18 and output as a video signal.
[0018]
As the laser beam scanning means in the scanning unit 14, various light deflection methods such as a galvanometer mirror, a polygon mirror, and an ultrasonic light deflection element are possible. By combining these different light deflecting means, for example, laser light scanning with a horizontal scanning frequency of 15.75 kHz and a vertical scanning frequency of 60 Hz (that is, a field frequency of 60 Hz and a frame frequency of 30 Hz) corresponding to standard TV scanning such as the NTSC system can be performed. Is possible. For details regarding the scanning method, refer to, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-58237 / USP-4854692 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-261862 / USP-5430509 by the applicant of the present invention.
[0019]
An output signal from the light receiving circuit 18 is input to an output display device 21 such as a TV monitor via a multiplication circuit 19 and a video signal processing circuit 20. The multiplication circuit 19 is provided for canceling the intensity variation of the light beam from the laser light source 1 through the optical fiber. That is, the light intensity signal from the light receiving circuit 11 is divided by the dividing circuit 22 and the signal is supplied to the multiplying circuit 19, whereby the laser light source 1 and the optical fiber 4 superimposed on the video signal from the light receiving circuit 18. The noise component derived from can be removed.
[0020]
The TV monitor 21 and the XY scanning unit 14 are synchronized in scanning by a synchronization signal from the synchronization signal source 23, and can display an image of a subject (such as the fundus of the eye to be examined) on the TV monitor. . Further, the signal of the display image can be converted into a predetermined format by the video signal processing circuit 20 as necessary, and can be recorded in the video recording device 24 (computer still image recording device or the like).
[0021]
On the other hand, the light intensity signal output from the light receiving circuit 11 is supplied to the position control signal processing circuit 25 and used for controlling the direction control mechanism 5 by performing predetermined signal processing. That is, according to the output signal from the control signal processing circuit 25, the optical axis of the light beam from the laser light source 1 and the optical axis of the incident portion of the optical fiber 4 are automatically adjusted.
[0022]
FIG. 2 schematically shows an example of the structure of the direction control mechanism 5 to which the mirror 2 that reflects the light beam 1a from the laser light source 1 is attached. Inside the control mechanism 5, a piezoelectric element 5a for controlling the X direction and a piezoelectric element 5b for controlling the Y direction are incorporated. Each piezoelectric element can be expanded and contracted in accordance with an applied electric signal. By performing an expansion and contraction operation with the fulcrum bar 5c as a base point, the direction of the light beam 1b reflected by the mirror 2 is changed as shown in the figure. It is possible to control the X direction and the Y direction independently.
[0023]
FIG. 3 illustrates the relative positional relationship between the light beam from the laser light source and the core center of the incident end of the optical fiber 4 that transmits the light beam. As shown in FIG. 3A, the relative positional deviation between the core 4c at the center of the optical fiber that transmits the light beam and the spot 1c of the laser beam condensed there is two-dimensional in the XY direction. Considered as a positional relationship. However, in the following FIGS. 3B to 3H, for the convenience of explanation of the principle, the explanation will be given as a one-dimensional relative positional relationship (only in the Y direction).
[0024]
FIG. 3B shows that the light beam incident on the optical fiber is minutely oscillated in a sine wave shape in the Y direction by the action of the piezoelectric element 5b described in FIG. At this time, as shown in FIG. 3C, when the optical fiber core 4c and the beam spot 1c are almost completely matched, the light intensity I emitted through the optical fiber 4 (that is, the photodiode 10 in FIG. The light intensity detected by the light receiving circuit 11 only slightly varies as shown in FIG.
[0025]
On the other hand, as shown in FIG. 3E, if the beam spot 1c is shifted upward with respect to the optical fiber core 4c, the light intensity I emitted through the optical fiber is as shown in FIG. It fluctuates greatly at the same frequency as the sinusoidal vibration of the incident light beam. As shown in FIG. 3G, if the beam spot 1c is shifted downward with respect to the optical fiber core 4c, the light intensity I emitted through the optical fiber is as shown in FIG. At the same frequency as the sinusoidal vibration of the incident light beam, the vibration phase greatly fluctuates as compared with the case of FIG.
[0026]
As described above, the direction of deviation of the light beam incident on the optical fiber can be detected by applying a minute vibration to the light beam incident on the optical fiber and determining the phase of intensity fluctuation of the light beam emitted through the optical fiber. Can do. Therefore, by applying the minute vibration of the light beam not only in the one-dimensional direction but also two-dimensionally in the XY direction, and comparing the phase of the intensity fluctuation of the light beam emitted from the optical fiber with the phase of the original minute vibration. It is possible to completely determine the positional deviation of the spot of the light beam incident on the thin core optical fiber.
[0027]
FIG. 4 is a detailed diagram of a control signal processing circuit (mainly denoted by reference numeral 25 in FIG. 1) for automatically correcting the positional deviation of the light beam incident on the optical fiber based on the basic principle explained in FIG. It is an example of a structure. In FIG. 4, what is denoted by reference numeral 26 is an oscillation circuit that generates a sine wave oscillation waveform, and includes a fundamental wave oscillation circuit and a multiplying wave circuit inside, for example, two types of oscillation frequencies of 60 Hz and 120 Hz. Assuming a circuit configuration capable of outputting the following signals. The oscillation circuit 26 is conveniently generated in synchronization with a synchronization signal generated by the synchronization signal source 23, for example, a vertical synchronization signal corresponding to a field frequency of 60 Hz when an image is obtained by laser scanning.
[0028]
Two output signals from the oscillation circuit 26 are input to the X-direction phase comparison circuit 29 and the Y-direction phase comparison circuit 30 via the buffer circuits 27 and 28, respectively. Output signals from the respective phase comparison circuits are amplified to a predetermined voltage level by the amplifier circuits 31 and 32 to drive the piezoelectric elements 5a and 5b. A high voltage power supply circuit 33 for supplying a high voltage capable of sufficiently controlling the piezoelectric element is connected to the amplifier circuits 31 and 32.
[0029]
On the other hand, the light intensity signal I detected by the photodiode 10 and the light receiving circuit 11 is supplied to the X direction filter circuit 34 and the Y direction filter circuit 35, and the frequency components are separated. These filter circuits have band-pass characteristics, and their center frequencies are selected to be 60 Hz and 120 Hz, for example, corresponding to the frequency of the oscillation circuit 26. The output signals of the two filter circuits correspond to signal components separated into the X direction and the Y direction with respect to the core center of the optical fiber and the shift direction of the light beam incident thereon. Accordingly, the output signals of the filter circuits 34 and 35 are supplied to the phase comparison circuits 29 and 30, and the phase comparison is performed with the output signals from the buffer circuits 27 and 28. Are calculated separately for the X direction and the Y direction, respectively. By amplifying the voltage level obtained by the phase comparison and driving the piezoelectric elements 5a and 5b, feedback control is performed so as to cancel out the positional deviation amount between the optical fiber and the incident light beam.
[0030]
According to the circuit configuration shown in FIG. 4, a phase comparison is always performed between the minute sine wave vibration caused with the oscillation circuit 26 as a reference and the intensity signal I of the emitted optical fiber light received by the photodiode 10. Thus, since feedback control to the piezoelectric element is performed, it is possible to correct the positional deviation between the optical fiber and the incident light beam automatically and in real time.
[0031]
That is, the piezoelectric element 5a (5b) for controlling the X (Y) direction is driven by the sine wave signal via the oscillation circuit 26, and the laser beam spot 1c vibrates due to the minute vibration of the mirror 2, thereby the optical fiber. An intensity signal I corresponding to the amount of positional deviation between the center of the incident end face and the incident light beam is output from the light receiving circuit 11. For example, as shown in FIG. 3E, when the laser beam spot 1c is shifted upward in the Y direction with respect to the center of the optical fiber core 4c, the Y-direction phase comparison circuit 30 is changed to FIG. The phase of (f) is compared to determine that it is shifted upward, and an error signal (a DC component of fluctuation) corresponding to the shift amount is output. The piezoelectric element 5b is driven by this error signal, the tilt (posture) of the mirror 2 changes, and the laser beam spot 1c moves downward in the Y direction, so that the error (displacement) is compensated. In a state where this error is compensated, the intensity signal I has a waveform as shown in FIG.
[0032]
On the other hand, when the laser beam spot 1c is shifted downward in the Y direction with respect to the center of the core 4c of the optical fiber as shown in FIG. , (H) are compared to determine that they are shifted downward, and an error signal corresponding to the shift amount is output. The piezoelectric element 5b is driven by this error signal, and the tilt of the mirror 2 changes, so that the laser beam spot 1c moves upward in the Y direction and the deviation is compensated.
[0033]
The deviation with respect to the X direction is discriminated using the X direction phase comparison circuit 29, and the X direction control piezoelectric element 5a is driven in accordance with the deviation amount to control the inclination of the mirror 2. Thus, the correction can be performed in the same manner as the correction of the deviation in the Y direction.
[0034]
When the laser beam is finely oscillated, the oscillation frequency of the oscillation circuit 26 is set to an integer multiple of the frame scanning frequency (for example, 30 Hz) or the field scanning frequency (for example, 60 Hz) in the laser scanning unit 14 (FIG. 1). Thus, when the scanning laser ophthalmoscope is used, flickering and fluctuation of the laser raster observed and perceived by the subject of the eye 15 to be examined can be minimized. Further, as described in the configuration of FIG. 1, even if the intensity of the emitted light from the optical fiber fluctuates, the video signal of the subject (fundus 15b, etc.) obtained through the photodetector 17 is the multiplication circuit 19 and the division circuit. Therefore, the image displayed on the TV monitor 21 is not affected at all.
[0035]
FIG. 5 shows another embodiment of the present invention. In FIG. 5, a laser light source 1 is a laser light source that simultaneously oscillates light of two or more wavelengths, such as a multi-line Ar laser. The light beam 1 a from the laser light source 1 is reflected by the mirror 2 having the direction control mechanism 5 described above, and is condensed on the incident end face of the optical fiber 4 through the wavelength dispersion element 36 and the lens 3. The incident end of the optical fiber 4 is fixed by the optical connector 4a, and the optical path of the light beam is collectively shielded by the dustproof mechanism 6, thereby preventing the influence of the light quantity reduction due to dust or dust.
[0036]
The wavelength dispersion element 36 is constituted by a prism (or a diffraction grating or the like), and is for slightly changing the traveling directions of laser beams having different wavelengths. Accordingly, the wavelength of the light beam incident on the core at the center of the end face of the optical fiber 4 becomes a single wavelength, and the wavelength of the light beam emitted from the optical fiber 4 is selected by changing the reflection angle of the mirror 2 by the direction control mechanism 5. can do. That is, a single laser wavelength can be efficiently selected by changing the level of the DC voltage applied to one of the piezoelectric elements in the direction control mechanism 5 (for example, the piezoelectric element 5a for X direction control). As described above, the positional deviation between the optical fiber and the incident light beam can be corrected by applying an alternating voltage to the piezoelectric elements 5a and 5b to vibrate.
[0037]
FIG. 6 shows the dependence of the laser light intensity I on the environmental temperature as an example of the characteristics of the laser optical device according to the present invention. In FIG. 6, I ₁ indicates the intensity of the light beam immediately after being emitted from the laser light source 1, and I ₂ indicates the intensity of the light beam after passing through the optical fiber. The correction technique using the piezoelectric element developed based on the present invention shows that the light beam intensity is kept constant regardless of the environmental temperature. This is the temperature characteristic according to the prior art already described in FIG. It shows that a very stable performance can be realized.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the light intensity of the laser beam emitted from the optical fiber can be reliably kept constant, and the laser beam from the laser light source can be used to change the temperature of the environment, the time-dependent change of the apparatus, etc. It becomes possible to transmit without loss regardless.
[0039]
In addition, it is easy to use a single-mode optical fiber with a small core diameter and a polarization-preserving optical fiber, which has been considered difficult to use in the past, and automatically achieves high accuracy without using an expensive precision mechanism for positioning. Since the optical axis can be adjusted, the cost of the entire apparatus can be reduced.
[0040]
Furthermore, when the subject is illuminated with a laser beam transmitted through this optical fiber and the image signal of the subject is acquired, the intensity of the image signal varies even if the transmitted light intensity fluctuates due to shaking or bending of the optical fiber. It is possible to always observe an image with little noise. In addition, when a multi-wavelength laser light source is used, a single wavelength light beam can be selected from a plurality of wavelengths via an optical fiber with little light loss.
[0041]
As described above, the present invention can make the most of the original characteristic that a laser light source having a large shape and a large amount of heat can be installed apart and easily connected to a scanning optical system as a system using an optical fiber. As a precise optical device, an excellent effect is obtained in that the performance can be stably maintained for a long time even without adjustment.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a system in which the apparatus of the present invention is used for a laser scanning ophthalmoscope.
FIG. 2 is a perspective view showing a configuration for guiding a laser beam to an incident end of an optical fiber.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing fluctuations in light intensity when a laser beam is shifted from the center position of the optical fiber incident end.
FIG. 4 is a block diagram showing a circuit configuration for compensating for the deviation of the laser beam from the optical fiber incident end center position.
FIG. 5 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing characteristics of light intensity emitted from an optical fiber in the device of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a conventional configuration.
FIG. 8 is a diagram showing characteristics of light intensity emitted from an optical fiber in a conventional apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser light source 2 Mirror 4 Optical fiber 5 Direction control mechanism 5a, 5b Piezoelectric element 15 Eye to be examined

Claims

In a laser optical device that emits a laser beam from a laser light source via an optical fiber and deflects and scans the emitted laser beam at a predetermined frequency ,
Means for minutely vibrating the laser beam at a frequency that is an integral multiple of the predetermined frequency and guiding it to the incident end face of the optical fiber;
Means for detecting the light intensity of the laser beam emitted from the emission end face of the optical fiber and detecting the fluctuation of the light intensity based on the minute vibration;
Means for detecting the direction of deviation of the laser beam with respect to the center of the incident end face of the optical fiber based on the fluctuation of the light intensity;
Means for changing the positional relationship between the laser beam and the center of the incident end face of the optical fiber based on the detected direction of deviation so that the light intensity from the exit end face of the optical fiber increases;
A laser optical device comprising:

And optical scanning means for scanning a laser beam emitted from the exit end face of the optical fiber ,
A light receiving element that guides the laser beam scanned by the optical scanning unit to the subject, receives light reflected from the subject, transmitted light, or fluorescence through the optical scanning unit and outputs an image signal of the subject ;
The laser optical device according to claim 1, comprising:

And optical scanning means for scanning a laser beam emitted from the exit end face of the optical fiber ,
A light receiving element that guides the laser beam scanned by the optical scanning unit to the subject, receives light reflected from the subject, transmitted light, or fluorescence through the optical scanning unit and outputs an image signal of the subject ;
Means for controlling the image signal according to the detected light intensity to remove the influence of the intensity fluctuation of the laser beam due to the minute vibration from the image signal ;
The laser optical device according to claim 1, comprising:

In a laser optical device that emits a laser beam from a laser light source via an optical fiber and deflects and scans the emitted laser beam at a predetermined frequency,
Means for minutely vibrating the laser beam in the first and second directions at a frequency that is an integral multiple of the predetermined frequency to guide the laser beam to the incident end face of the optical fiber;
Means for detecting the light intensity of the laser beam emitted from the emission end face of the optical fiber and detecting the fluctuation of the light intensity based on the minute vibrations in the first and second directions;
Means for detecting a two-dimensional deviation direction of the laser beam with respect to the center of the incident end face of the optical fiber based on the fluctuation of the light intensity;
Means for two-dimensionally changing the positional relationship between the laser beam and the center of the incident end face of the optical fiber based on the detected two-dimensional deviation direction so that the light intensity from the exit end face of the optical fiber increases;
A laser optical device comprising:

And optical scanning means for two-dimensionally scanning a laser beam emitted from the exit end face of the optical fiber,
A light receiving element that guides a laser beam two-dimensionally scanned by the optical scanning unit to a subject, receives reflected light, transmitted light, or fluorescence from the subject through the optical scanning unit and outputs an image signal of the subject. When,
The laser optical device according to claim 4 , wherein

And optical scanning means for two-dimensionally scanning a laser beam emitted from the exit end face of the optical fiber,
A light receiving element that guides a laser beam two-dimensionally scanned by the optical scanning unit to a subject, receives reflected light, transmitted light, or fluorescence from the subject through the optical scanning unit and outputs an image signal of the subject. When,
Means for controlling the image signal according to the detected light intensity to remove the influence of the intensity fluctuation of the laser beam due to the minute vibration from the image signal;
The laser optical device according to claim 4 , wherein

The laser source generates a laser beam of a plurality of wavelengths, according to any one of 6 claim 1, the laser beam of the plurality of wavelengths, characterized in that it is incident on an optical fiber through a dispersive optical element Laser optical device.

The laser optical apparatus according to claim 7 , wherein a laser beam having a single wavelength is incident on an optical fiber by controlling an incident direction of the laser beam.

The optical fiber has a core diameter of 5~10μm about following single-mode optical fiber or a laser optical apparatus according to any one of claims 1, characterized in that a polarization maintaining optical fiber to 8.