ファイバースコープの発展は、光学式の全反射の仕組みから成り立つ

ファイバースコープは、グラスファイバーによる内視鏡の種類となっていますが、ビデオスコープと共に医療機器にとってなくてはならないものとなっています。グラスファイバーの特徴による全反射の仕組みは、ファイバースコープの発展と関係しています。こちらで紹介して行きましょう。

内視鏡の発展を紐解く

体内を診断する医療機器として利用されている内視鏡ですが、当初は、金属管を使用して人間の体内を観察する事が、1868年にドイツで成功しています。撮影するレンズの方にも、工夫を凝らすようになり、レンズを多く配置する事で、曲がっていても観察できるようになった軟性胃鏡が出来たのです。

国内の研究では、先端に豆ランプとカメラを取り付けた胃カメラが発明されて、短時間でも鮮明な画像が得られるガストロカメラが登場したのが、1950年代です。

その後、アメリカの開発による「グラスファイバー」を使用したファイバースコープによって撮影による時間差のある映像ではなく、直接体内を見る事に成功しました。グラスファイバーは、光学式の光の反射を活用した方法で、柔軟性によるファイバーの特徴で、曲がりくねった内臓の管の中を侵入する事が可能になりました。

それに加えて、カメラで被写体を見るファインダーの目を付ける部分のアイピースを先端に取り付けており、反対側の先端には、広角レンズを通してモニターによって体内の診察が出来るようになりました。

元々は、胃カメラから始まった消化器専門の医療機器でしたが、気管支や耳鼻咽喉科にも応用できるようになり、活躍の幅が広がったのです。

光学式の全反射の仕組み

光ファイバーとは、光の屈折率を応用した化学繊維の事です。データ通信に応用されて、海底ケーブルでの通信事業などに利用されています。データを光信号に変換する素材として広く活用されており、繊維状の素材は、石英ガラスやプラスチックなどで構成されています。

光ファイバーの中心には、「コア」と呼ばれる部分と、それを覆うように「クラッド」と呼ばれる部分があります。屈折率の高い中心部分と、屈折率の低い外側の部分で成り立っており、屈折率の違いによって光を消失しない仕組みでファイバースコープの遠くの管まで到達できるようになっています。

光の性質には、反射、屈折、散乱、回折、偏光、干渉などの特徴があります。反射は、光が通る異なる媒質の境界によって発生する仕組みです。宇宙のような真空状態では、媒質は存在しないので限りなく進んで行きますが、地上では、空気と水中の境目で反射を行っています。

コアとクラッドは、共にガラスで出来ているのですが、それぞれの物質に不純物を加える事で、屈折率を変えているのです。

屈折率が低い物質に対して、光の進入角度が浅い場合は、通過する光の角度が、境界線と平行に近づきますが、進入角度を小さくする事で、屈折率の低い物質を通過する事が出来なくなります。

この場合の光は、境界線で反射を繰り返しています。コアの部分だけで通過して行く事になるこのような現象を「全反射」として捉えます。この特徴によって、光が長い距離でも到達できる仕組みになっています。

まとめ

全反射とは、光の特徴である反射の性質を利用した光伝達方法の事を意味しており、その構造的な仕組みを利用して、長い距離にも応用できるようになり、複雑な人体の観察用にファイバースコープが活用されるようになったのです。全反射の活用で、光ケーブルが、データ通信に活用されて、ファイバースコープは、医療だけでなく災害用に活用する場合や、工業用にも広く利用されているのです。