CN104822308A - 用于控制光的光学性质的方法和设备 - Google Patents

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道格拉斯·里默尔
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Abstract

一种用于照明术野的外科手术器械，具有用于通过全内反射来传输光的光波导。一个或多个控制元件安置于所述光波导上。所述控制元件从所述光波导提取光并控制所提取的光的第一光学性质和第二光学性质。另一外科手术器械包括用于通过全内反射来传输光的第一光波导和第二光波导。耦合元件附接至这两个光波导，以使得所述光波导可相对于彼此移动和枢转。

Description

用于控制光的光学性质的方法和设备
交叉引用
本申请是提交于2012年9月24日的美国临时专利申请第61/705,027号(代理人案号40556-726.101)的非临时申请并要求其权益；上述申请通过引用而全文并入于此。
背景技术
对目标区域照明以允许操作者更清晰地观察目标区域可能是具有挑战性的。由头灯或壁挂式灯提供的外部光照需要不断的调整，并且仍然可能在目标区域中投下不需要的阴影。此外，这些照明方法可能无法照明深居于表面之下的目标区域。可以将光纤耦合至工具以帮助照明目标区域，但光纤系统在传输光方面可能效率较低，并且由此造成的光损失显著减少了递送到目标区域的光量。通过提供强大的光源可以做出克服光传输的低效率的尝试，但这可能导致过度发热，并且在一些情况下这会导致起火。除了与提供对工作区域的充足照明相关联的挑战之外，照明系统必须能够进入狭小的空间而不占据很大的体积——该体积本来是工具或操作者的手所需要的，或者除此之外是查看工作区域所需要的。照明装置和系统还必须能够与所使用的工具协同地相互作用并符合于在其中使用它们的空间。
因此，仍然需要高效地递送光并提供优质光以照明工作区域的改进的光照装置和系统。这样的光照装置和系统优选地具有小的轮廓，从而使它们可以容易地定位在工作区域中并符合于该区域，而不占据过多的空间。在优选实施方式中，光照装置和系统可以用于外科手术应用以照明术野(surgical field)，并且它们可以与其他外科手术器械协同使用，所述外科手术器械诸如是保持组织远离工作区域的牵开器，或者是从术野移除不需要的流体和碎片的吸棒。本文所描述的示例性实施方式将会实现这些目标中的至少一些目标。
发明内容
本发明总体上涉及用于照明区域的器械，并且优选地可以涉及用于照明术野的器械。
在本发明的第一方面，一种用于照明术野的外科手术器械包括光波导，该光波导用于通过全内反射从所述光波导的近端向所述光波导的远端传输光。所述光波导具有前表面和后表面。所述外科手术器械还具有安置于所述前表面和/或所述后表面上的一个或多个控制元件，所述一个或多个控制元件从所述光波导提取光并且独立地控制所提取的光的两个或更多个光学性质。所述控制元件可以是所述波导上的表面特征，并且因此在本说明书中还可以称为表面特征。然而，这并不旨在限制，并且因此所述控制元件并不一定是表面特征。
所述光波导可以是非光纤光波导，并且可以由单一均质材料形成。所述一个或多个控制元件可以包括安置于所述前表面上的第一表面特征和安置于所述后表面上的第二表面特征。所述两个或更多个光学性质可以包括第一光学性质和第二光学性质。所述第一光学性质可以包括第一方向或第一发散角(divergence angle)，并且所述第二光学性质可以包括第二方向或第二发散角，并且所述第一表面特征在所述第一方向或所述第一发散角上控制所提取的光，并且所述第二表面特征在所述第二方向或所述第二发散角上控制所提取的光。所述一个或多个控制元件可以包括安置于所述前表面上的一个或多个前面控制元件，以及安置于所述后表面上的一个或多个后面控制元件。所述前面控制元件可以独立于控制所述第二光学性质的所述一个或多个后面控制元件而控制所述第一光学性质。所述一个或多个控制元件中的至少一些控制元件可以同时控制所述第一光学性质和所述第二光学性质，并且它们可以安置于所述前表面上或后表面上或全部两个表面上。所述第一控制元件可以不同于所述第二控制元件。所述一个或多个控制元件可以包括棱柱状图案、多个刻面(facet)，或者柱状透镜(lenticular lens)。
所述棱柱状图案可以包括厚度、升起物和出射面，以及具有从所述升起物顶部延伸至所述出射面底部的深度的沟槽。沟槽深度可以小于所述光波导的厚度的1/3。所述沟槽深度沿着所述棱柱状图案可以是恒定的。所述光波导可以包括多个沟槽，并且所述多个沟槽可以符合于非球面等式。所述棱柱状图案可以具有小于1mm的节距，并且所述升起物可以具有0度到25度的升起物角度。所述出射面可以具有0度到25度的出射面角度。所述棱柱状图案可以正交于所述光波导的纵轴。
所述控制元件可以包括安置于所述前表面或所述后表面上的多个刻面。一个或多个控制元件可以包括柱状透镜，所述柱状透镜可以平行于所述光波导的所述纵轴。所述光波导的所述前表面可以基本上是平面的，并且所述后表面可以包括具有节距和半径的凹形或凸形柱状透镜。所述节距和半径可以控制通过透镜并相对于所述光波导的所述纵轴提取的光的横向发散。
所述光波导可以包括纵轴，并且所述第一方向可以横向于所述纵轴。所述第一光学性质可以包括第一方向或第一发散角，并且所述第一方向或所述第一发散角可以横向于所述纵轴。所述第一方向或第一发散角可以相对于所述纵轴形成角度。所述第二光学性质可以包括第二方向或第二发散角，并且所述第二方向或第二发散角可以横向于所述第一方向。所述第二方向或所述第二发散角可以相对于所述纵轴形成发散角。
所述一个或多个控制元件可以包括平行于所述光波导的所述纵轴定向的第一组表面特征和横向于所述纵轴定向的第二组表面特征，所述第一组表面特征用于控制在横向于所述纵轴的方向上的光提取，而所述第二组表面特征用于控制在相对于所述纵轴形成角度的方向上的光提取。所述第一组表面特征和所述第二组表面特征可以彼此一起安置于所述光波导的同一表面上。所述一个或多个控制元件可以包括由在第一方向和与所述第一方向相反的第二方向上定向的特征的组合所形成的表面特征。所述控制元件可以形成安置于所述前表面或所述后表面上的一个或多个凸起或枕状物。所述一个或多个凸起控制在两个方向上或者在两个发散角上提取的光。所述光波导的所述前表面或所述后表面可以包括用于控制从所述光波导提取的光的发散角的凸形区或凹形区，并且所述前表面或所述后表面中的另一个可以基本上是平面的。所述光波导可以包括成角度的远端尖端，该远端尖端用于捕获未被所述一个或多个表面特征提取的剩余的光。所述尖端可以是成角度的、平坦的，或者具有其他构型。此外，所述尖端可以具有诸如微特征等表面特征，所述微特征包括棱镜、微透镜、刻面，或者用于控制离开所述光波导的远端尖端的光的其他构型。所述一个或多个表面特征可以包括安置于所述前表面上的表面特征和安置于所述后表面上的表面特征。位于所述前表面上的表面特征可以控制所述第一光学性质，并且位于所述后表面上的表面特征可以控制所述第二光学性质。可以在所述前表面或后表面上安置涂层或包层。所述涂层或包层可以具有比所述波导的折射率更低的折射率。
在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的方法包括提供具有前表面和后表面的光波导，向所述光波导中输入光，以及通过全内反射经所述光波导传输光。所述方法还包括经由安置于所述光波导的所述前表面或后表面上的一个或多个控制元件从所述光波导提取光，并且控制从所述光波导提取的光用所述一个或多个表面特征来控制所提取的光的至少两种光学性质。所述两种光学性质可以包括两个方向或两个发散角，以便使光照明所述术野。
输入光可以包括将所述光波导与光源光学地耦合起来。光学地耦合可以包括将所述光波导与光纤耦合起来。所述一个或多个控制元件可以仅安置于所述光波导的所述前表面上或者仅安置于所述后表面上。控制所提取的光可以包括控制所提取的光相对于所述光波导的纵轴的水平发散和垂直发散。
在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的外科手术器械包括第一光波导和第二光波导。所述波导被配置用于通过全内反射从光源向所述术野传输光，并且所述光波导具有面向所述术野的前表面和与之相反的后表面。所述外科手术器械还包括耦合元件，该耦合元件同时附接至所述第一光波导和所述第二光波导。所述耦合元件具有纵轴，并且所述第一光波导和第二光波导可相对于彼此移动并且可绕所述纵轴枢转。
所述耦合元件可以允许所述第一光波导相对于所述第二光波导的定位，以便使这两个光波导之间的角度或曲率半径是可调整的。所述第一光波导或所述第二光波导可以包括安置于所述前表面或所述后表面中的任一个上的一个或多个控制元件，并且所述一个或多个控制元件从所述光波导提取光并控制所提取的光的第一光学性质。所述一个或多个控制元件还可以从所述光波导提取光并控制所提取的光的第二光学性质。
所述外科手术器械可以进一步包括牵开器刀片，该牵开器刀片具有内表面和外表面，并且耦合至所述第一光波导或所述第二光波导。所述第一光波导和第二光波导可以符合于所述牵开器刀片的所述内表面或所述外表面，或者符合于任何其他衬底，诸如可塑背衬。所述牵开器刀片可以包括管状套管，并且所述第一光波导或所述第二光波导可以包括平面和矩形波导。所述第一光波导或所述第二光波导可以包括梯形横截面。优选地，在所述波导与所述牵开器刀片或其他衬底之间安置气隙。所述气隙帮助防止光损失，并且可以用于本说明书中所描述的任何实施方式。或者，可以在所述波导与所述牵开器刀片或其他衬底之间安置具有比所述波导更低的折射率的包层或涂层。所述涂层或包层也可以用于帮助防止光损失。在本实施方式中，或者在本说明书中描述的任何涂层或包层实施方式中，所述涂层或包层的折射率优选地低于所述波导的折射率。折射率的示例性范围为从约1到约1.5。
所述耦合元件可以包括折页、薄膜或柔性接头。所述第一光波导或所述第二光波导的所述前表面或所述后表面可以是凸形或凹形的。所述外科手术器械可以进一步包括材料衬底层，并且所述第一光波导和所述第二光波导可以附接至所述衬底。所述第一光波导和所述第二光波导可以安置于材料层中。在所述衬底与所述第一光波导或第二光波导之间可以安置气隙。所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个可以独立地与光源耦合。单独的光纤可以耦合至所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个。所述外科手术器械可以进一步包括安置于所述第一光波导或所述第二光波导上的光学涂层或包层。所述涂层或包层可以具有比相应的光波导的折射率更低的折射率，从而增强在其中的全内反射。可以在所述第一光波导或所述第二光波导上安置薄膜。所述薄膜可以具有用于提取光和控制所提取的光的表面特征。所述薄膜可以使所提取的光偏振。所述第一光波导可以包括用于提取光并控制光的光学性质的控制元件，并且所述第二光波导可以包括提取光并控制光的光学性质的控制元件。所述外科手术器械可以进一步包括稳定元件，该稳定元件耦合至所述光波导并且适于将所述光波导保持于期望的形状。所述第一光波导可以基本上是平面的，而所述第二光波导可以是凸形或凹形的。所述第一光波导可以具有不同于所述第二光波导的大小或形状。所述外科手术器械可以进一步包括一个或多个光纤，所述一个或多个光纤与每个光波导光学地耦合，用于向其输入光。所述外科手术器械还可以具有单一的一体成型的输入芯柱，该输入芯柱与每个光波导光学地耦合，用于向其输入光。
在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的方法包括提供具有面向所述术野的前表面和与之相反的后表面的第一光波导，以及提供具有面向所述术野的前表面和与之相反的后表面的第二光波导。所述第一光波导和第二光波导用耦合元件耦合在一起。所述方法还包括以下步骤：关于所述耦合元件致动所述第一光波导和第二光波导以调整所述光波导之间的角度或曲率半径，以及用从所述光波导提取的光来照明所述术野。
所述方法可以进一步包括固定所述第一光波导和第二光波导的位置，从而固定其间的角度或曲率半径。所述方法还可以包括将所述光波导与外科手术牵开器刀片耦合起来。
在本发明的另一方面，一种柔性照明外科手术器械可以包括可选的具有近端部分和远端部分的可塑背衬元件、光纤束以及非光纤光波导。所述背衬元件可被操纵成多种形状，并且所述光纤束具有近侧区和远侧区。所述光纤束在所述近侧区中是圆柱形的，并且所述光纤束在所述远侧区中是扁平和平面的。所述光纤束可以耦合至所述可塑背衬。所述非光纤光波导与所述光纤束光学地耦合起来，并且还与所述可塑背衬耦合起来。如同在其他实施方式中那样，可以在所述波导与所述背衬元件之间安置气隙，或者对所述波导施加包层或涂层，以防止光损失。
所述可塑背衬元件的远端部分可以包括铰接区，以使得所述远端部分比其近端部分更灵活。所述铰接区可以包括沿着所述可塑背衬元件安置的多个锯齿。所述器械可以进一步包括安置于所述光纤束的所述近侧区上的应变释放体。所述应变释放体适于减少其扭结。所述器械还可以包括光连接器，该光连接器与所述光纤束的所述近侧区光学地耦合起来。
所述器械可以进一步包括压接元件，该压接元件压接于所述光纤束周围，从而将所述光纤束耦合至所述可塑背衬元件。套筒可以安置于所述光纤束的远侧区上并且还安置于所述光波导的近端部分上。所述套筒可以将所述光波导与所述光纤束耦合起来。所述器械可以包括框架，该框架耦合至所述可塑背衬元件的远端部分。所述光波导可以安置于所述框架中。
所述可塑背衬元件可以包括沿着其远端部分安置的窗口。所述窗口可被配置用于收容所述光波导的一部分。所述光波导的近端部分可以包括凸缘区，该凸缘区用于接合所述可塑背衬的一部分。可以在所述可塑背衬与所述光波导之间安置支柱。所述支柱在其间形成气隙，用于增强穿过所述光波导的光的全内反射。所述光波导可以包括用于从中提取光和控制所提取的光的方向的表面特征。所述光波导还可以包括用于控制所述波导的光学性质的涂层或包层。所述涂层或包层的折射率优选地小于所述波导的折射率。
在本发明的另一个方面，一种用于照明工作空间的方法包括提供耦合至可塑背衬元件的光波导，将所述背衬元件形成为期望的形状，将所述光波导耦合至光源，从所述光波导提取光，以及照明所述工作空间。形成所述背衬元件可以包括弯折所述背衬元件。
在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的外科手术照明系统包括用于以光来照明所述术野的光波导，以及布置成纤维束的多个光纤。所述光波导包括光输入端，并且通过全内反射经所述波导传输光。所述纤维束光学地耦合至所述光输入端，并且所述束中的多个纤维优选地具有750μm的直径，但也可以是其他大小。所述多个光纤布置在所述束中，以使得相邻的纤维以安置于其间的间隙空间彼此接合。所述纤维可以是聚合物，或者其可以是玻璃。
所述多个纤维可以布置成具有六边形的外周的束。所述多个纤维在具有750μm的直径时可以包含19个纤维，以形成约3.5mm直径的束。每三个相邻的纤维可以形成三角形。所述多个纤维可以布置在纤维的三个同心层中，或者其可以布置成纤维的多个直线行。可以组合更多的纤维以形成更大尺寸的束。
可以在所述束与所述波导的所述光输入端之间安置光学元件。所述光学元件可以包括透镜、光耦合凝胶、中继杆或空心涂层锥体。所述光学耦合元件可以包括主体，该主体在一端具有圆形形状并且在相对端具有六边形形状。所述束可以对接耦合至所述波导的所述光输入端。
本发明的这些方面和优势以及其他方面和优势将会在以下的描述和附图中显现。
援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用而并入本文，其程度犹如具体地和个别地指出要通过引用而并入每一个别的出版物、专利或专利申请。
附图说明
本发明的新颖特征在随附权利要求中具体阐明。通过参考对在其中利用到本发明原理的示例说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会获得对本发明特征和优点的更好的理解；在附图中：
图1A图示了从光波导的光提取。
图1B图示了相对于波导的光提取方向和发散角。
图2图示了示例性的水平定向的棱柱状结构。
图3A-图4图示了具有棱柱状结构的波纹状波导的示例性实施方式。
图5A-图5C图示了具有位于一个表面上的棱镜和位于相对表面上的柱镜的波导的示例性实施方式。
图6图示了具有枕状表面特征的波导的示例性实施方式。
图7图示了耦合至外科手术牵开器的波导。
图8A-图8B图示了耦合至管状外科手术牵开器的波导。
图9A-图9D图示了可塑形波导的示例性实施方式。
图10A-图10B图示了符合于并附接于牵开器的可塑形波导。
图11A-图11B图示了由梯形波导节段构成的可塑形波导的示例性实施方式。
图11C图示了由弯曲的波导节段构成的可塑形波导的示例性实施方式。
图11D-图11E图示了可塑形波导的备选实施方式。
图12A-图12B图示了可塑形波导的示例性实施方式。
图13图示了可塑形波导的光输入。
图14A-图14B图示了应变释放体的实施方式。
图15图示了在可塑形波导上的光提取表面特征的使用。
图16图示了在可塑形波导上的涂层、包层或薄膜的使用。
图17图示了用以将可塑形波导保持于期望构型的稳定构件的使用。
图18-图22图示了棱柱状光提取结构的各种特征。
图23-图24图示了柱镜状光提取结构的各种特征。
图25A-图25I图示了另一可塑形光波导。
图26图示了纤维以三角形图案的填装。
图27图示了纤维以正方形图案的填装。
图28图示了近似为圆形的纤维束。
图29A-图29B图示了纤维束的另一示例性实施方式。
图30A-图30B进一步图示了29A-图29B的实施方式。
图31图示了扁平纤维束。
图32图示了另一扁平纤维束。
图33图示了示例性耦合器。
具体实施方式
许多照明装置和系统对输出的光提供很少的控制。例如，光纤线缆通常仅以固定角度从远端纤维尖端径向地输出光。一些光波导更高效地递送光并且可以更有效地控制光的提取和递送，诸如在图示从光波导10提取光16的图1中的实施方式。通常用光纤输入12将光输入到光波导10中，所述光纤输入12可以耦合至外部光源。所述波导在波导的外表面上包括棱柱状表面特征14。棱柱状表面特征14从波导10提取光16，并将光16导向工作区域，诸如术野或其他目标区域。在美国专利第2009/0112068号、第2009/0036744号、第2008/0002426号、第2007/0270653号、第2007/0208226号和第2006/0268570号中更详细地描述了棱柱状表面特征；上述文献均通过引用而全文并入于此。通过控制棱柱状结构14的角度和节距，可以控制从光波导提取的光量相对于从波导的远端尖端出射的光量的比例。此外，棱柱状结构的角度和节距还控制从波导提取的光的方向。图1B图示了所提取的光相对于波导10的纵轴10a所成的角度α。因此，相对于波导的纵轴垂直地提取和控制光。离开图1A中的棱柱状结构14的光将会在横向或侧向方向上自然发散。相对于波导的纵轴10a，该方向可被称为是水平的，或者称为横向发散，并且如在图1B中所见，为角度β。尽管这些光波导是有前景的，但它们目前仅沿着一个方向从光波导提取光和将其导向工作区域。光在其他方向上自然发散。通过在两个方向上提取光和对其进行引导，可以实现工作区域的更有效照明。优选地，可以相对于光波导的纵轴垂直地和水平地控制光，并且甚至更优选地，在两个方向上彼此独立地控制光。图1B图示了离开波导10的光16，并且突出显示了光的垂直方向或角度α以及水平或横向发散角β。这两个方向或角度均可由波导上的表面特征来控制，以提供对工作视野的更好的光照。
提供具有棱柱状结构的波纹状光波导允许在两个方向上控制光的提取和方向。例如，图3A图示了具有凹形内表面34和凸形外表面36的光波导32。如图1中那样的水平定向的棱镜在第一方向上提取和控制光，该第一方向横向于波导的纵轴(也称为相对于纵轴垂直)。还可以调整光波导的内表面和外表面的曲率半径，从而控制从波导提取的光的横向或侧向发散(也称为相对于纵轴的水平方向或发散)。通常，曲率半径越小，光的发散就越少，并且类似地，曲率半径越大，光的发散就越多。在图3A中，光将会比图1更多地横向发散，这是由于其上安置了棱柱状结构38的凸形外表面而造成的。图4图示了波纹状波导42的相似实施方式，不同之处在于棱柱状结构48安置于凹形表面上而不是凸形表面44上。因此在图4中，所提取的光将会比图1的实施方式更为会聚。调整波导的形状或半径以便创造出凸形或凹形的波导，从而允许在两个方向上对光的控制。图3B图示了备选实施方式，其中波导32b为D形，并且水平棱镜38b优选地安置于波导的弯曲的D形部分33上。因此，棱镜垂直地控制所提取的光，并且D形形状控制水平发散。在其他实施方式中，可以将水平棱镜安置于D形形状的平坦部分上。
调整波导的轮廓可以导致形成单一柱镜，诸如通过图3B中的D形波导所看到的那样。多个柱镜进一步允许对光的控制。因此，除了调整波导的轮廓以控制光之外，可以使用诸如垂直棱镜或柱镜等垂直定向的表面特征来控制光的侧向发散。因此，将水平结构与垂直结构相结合允许在两个方向上提取和控制光。可以将水平结构和垂直结构结合于波导的一个面上，但这对侧向发散仅具有有限的作用。因此，使水平结构位于波导的一个表面上并使垂直结构位于波导的相对表面上是更有效的。
图5A-图5C图示了光波导52的示例性实施方式，其具有位于波导的前面和后面上的光提取和控制特征。图5A突出显示了波导的后表面上的垂直柱镜特征。水平棱柱状结构56安置于前表面上。因此，棱柱状结构56相对于波导的纵轴垂直地提取光并控制光的方向，而垂直柱镜54控制光的侧向或水平发散。垂直柱镜可以是凸形或凹形的。优选地，垂直柱镜是凹形的，这是因为它们对于控制光的侧向发散具有最大的作用。图5B更清楚地图示了位于波导52的前表面上的水平棱镜56，并且图5C更清楚地图示了位于波导52的后表面上的柱镜54。
图6图示了用于在两个方向上控制光的提取和方向的波导的另一示例性实施方式。波导62包括优选地安置于波导的后表面上的水平定向的和垂直定向的柱镜64(或者，它们可以安置于波导的前表面上)。水平和垂直柱镜形成用于控制所提取的光的枕状凸起。所述枕状物可以是凸形或凹形的。
表面特征构型
本文所公开的任何波导均可具有光提取特征，所述光提取特征具有与以下的示例性实施方式相似或相同的几何结构和/或尺寸。
A.棱柱状结构。棱柱状结构的厚度、升起物角度和提取角度有无限种组合，并且一个大小并不一定适合于所有。正确的提取面大小可能取决于多个因素，包括波导的厚度、提取角度和升起物表面角度，以及可允许的因散射造成的光损失。
沟槽深度(在此为升起物的顶部与出射面的底部之间的距离)优选地不超过部件厚度的1/3到1/5。如果沟槽过深，超过部件的总厚度的1/3，则塑性流动可能受到限制，并且可能由于高内部应力、翘曲以及部件可能过脆而难以注塑成型该部件。例如，对于1mm厚的部件，沟槽深度优选地不深于0.33mm。对于2.5mm厚的波导，沟槽深度优选地不深于0.83mm。图18-图19图示了在棱柱状光提取结构中形成阶梯状台阶的升起物(riser)和出射面。每个台阶具有升起物和出射面。可以使用各种基准线或基准面来测量升起物和出射面角度。例如，可以使用平行于部件的后表面的平面来测量升起物角度，并且可以使用垂直于部件的顶面的另一平面来测量出射面角度。
沟槽深度可以是任何深度，但至少由于以下原因而优选地为部件厚度的1/3到1/5。每个沟槽具有凸峰和凹谷，所述凸峰和凹谷各自具有半径。凸峰的半径和凹谷的半径是基于用于制造部件的工具或用于切割部件或模具的工具以及/或基于在部件的模塑期间半径的填充特性而确定的。因此，在沟槽的基部和凸峰处，表面是圆润的。在部件的制造期间，诸如在注塑成型期间，如果半径过小，则聚合物可能难以流入并完全填充沟槽。大约5微米或6微米或者更大的曲率半径对于凸峰半径和凹谷半径都是合理的。由于凸峰半径和凹谷半径无论提取特征的尺寸大小都保持固定，因此对于非常小的沟槽，凸峰半径和凹谷半径占据沟槽的较大部分，并且因而沟槽可能不会得到适当填充。例如，假定凸峰和凹谷上的5微米或6微米的半径以及20微米的沟槽，则10微米到12微米被半径所占用。然而，对于较大的沟槽，沟槽被半径占用的百分比可忽略不计，并且因此沟槽的更多部分将会得到适当填充。例如，如果沟槽为1mm，则沟槽的少得多的部分被半径占用。
为了确定最小沟槽宽度，选择可接受的散射百分比，并继而计算可接受的最小沟槽宽度。沟槽深度应当足够深以使得在优选实施方式中，不超过5％到10％的表面积被沟槽的凸峰半径和凹谷半径所占用。实际上，占用更少是优选的。在下面的示例中，使用5％的可接受散射，并且优选的沟槽宽度估计为0.064mm作为沟槽宽度。可接受散射的范围优选地从约1％到约5％，并且可以量化为总共的升起物半径和凹谷半径与总沟槽宽度之比。以下的计算基于5％的散射，但亦可使用任何散射值并且优选地使用1％与5％之间的任何值而重复该计算。
以下示例说明了有关棱柱状结构的尺寸的各种计算。考虑具有固定的15度的升起物角度和90度的提取角度(垂直)的简单沟槽。假定沟槽具有在其基部处的凹谷半径，正确形成的沟槽的长度，以及在尖端处的凸峰半径，以及以下各项：
A＝升起物角度
Rv＝凹谷半径＝0.006mm
Rp＝凸峰半径＝0.006mm
W＝总沟槽宽度
H＝沟槽高度
L＝可允许损失＝5％
T＝波导厚度＝1mm
等式(1)、(2)和(3)允许对每个沟槽的最小推荐长度和高度的计算。
(1) R v + R p w = L , 0.012 w = 0.05 W＝0.24mm
(2)Hmin＝Wtan(A) Hmin＝0.24tan(15°) Hmin＝0.064mm
(3)Hmax＝T/3 Hmax＝0.33mm
因此，在本示例中，沟槽深度应当小于0.33mm并大于0.064mm。但是，本领域技术人员将会理解，这些尺寸并不旨在限制，并且它们可以改变。它们可以根据部件的总厚度、加工和模塑的质量、对散射的可接受损失以及升起物和提取面的设计而改变。
如图19中所示，提取特征具有升起物和出射表面。升起物被设计用于确定将会沿着波导的长度出现的特征的频率。对于当前优选的设计，每个特征的高度都是相同的，因此如果升起物角度较小，则将会导致特征的长度较长。亦即，由于特征的长度较长，因此沿着波导的长度产生每英寸较少的特征(低节距)。由于沿着长度有较少的特征，因此更多的光将会被压低，并且与波导的面相比，大部分的光将会从远端出射。如果升起物角度较大(更大的节距)，则将会有更多的特征，并且更多的光将会通过更近侧的特征出射，而更少的光将会远侧地向下朝下面的特征再循环。因此，波导看起来将会具有与远端尖端相比更多的光从前表面出射。优选实施方式具有这样的设计：其具有光提取结构，以使得该结构沿着装置的长度生成均匀平衡的输出。这是优选的，因为当波导的任何部分被阻挡时，其他部分将会向目标提供充足的光照以补偿因阻挡而导致的任何损失。
升起物可以相对于波导的后表面来测量，或者相对于平行于该后表面的平面来测量。在优选实施方式中，升起物角度的范围将会介于-16度与72度之间(基于输入光源的0.55NA的数值孔径NA，以及波导材料的1.53的折射率)。更优选的实施方式具有介于18度与24度之间的进一步优化的升起物角度值。在12度以下，大部分的光将会被推向远端，并且沿着波导的长度被提取的光不多。72度是临界角，并且所有的光都会从升起物表面被提取出来。优选的实施方式仅从出射表面而不是从升起物表面提取出光。
这些角度基于图19以及图20中所描述的轴线。升起物的临界角定义为：
n1＝空气折射率＝1.00029
n2＝光学装置的材料的折射率，通常为1.33到2.0
来自图19的出射表面被设计用于将光导向或指向目标。对于本申请书中公开的波导的优选实施方式，出射面角度的范围优选地介于1°与65°之间(基于输入光源的0.55NA的数值孔径，以及波导材料的1.53的折射率)。更优选的实施方式目前使用15°的出射面角度。如图20中所示，这些角度是从垂直于波导顶面或前表面的垂直轴起的。如果角度接近临界角，则将会没有任何光从特征出射，并且光将会朝向底部或远端被压低。
在图21中示出了出射面的关系。图21中示出了相对平坦的角度，以便展示概念。与升起物角度中相同的角度关系是有效的。然而，该角度现在是相对于垂直轴的。
n1＝空气折射率＝1.00029
n2＝光学装置的材料的折射率，通常为1.33到2.0
因此，提取特征的优选值(但并不旨在限制)可以是：
对于1mm x 7mm x 20mm的波导，沟槽深度＝0.064mm到0.33mm。对于2.5mm x 8mm x 30mm的波导，沟槽深度＝0.064mm到0.83mm。升起物角度范围从5°到45°，并且更优选地从0°到25°。提取角度范围从0°到25°。较平坦的升起物和较深的沟槽深度将会产生最大的沟槽宽度或节距。对于具有0.83mm沟槽深度和5°升起物的2.5mm厚的波导的极端情况，沟槽宽度将会介于9.48mm之间。较陡的升起物和较浅的沟槽深度将会产生最小的沟槽宽度或节距。对于45°升起物和0.064mm沟槽深度，沟槽宽度将会是另一极端0.064mm。优选地，沟槽深度沿着波导是恒定的，但沟槽宽度可能改变。还设想到沟槽深度可变的其他实施方式。沟槽可以是非球面的，以便以模拟方式通过提取结构逐渐地对光加以改变。波导还优选地具有成角度的远端尖端，该远端尖端捕捉未被表面特征提取的剩余的光。波导的其他优选角度(但并不旨在限制)总结于下表中。数值基于1.53的折射率、0.55的NA。
设计类型 升起物角度 出射面角度
当前优选实施方式 18.9-23°可变 15°
无输入芯柱 12° 1°
直输入芯柱 16° 4°
带有急弯的输入芯柱 16° 16°
其他实施方式 11° -20°(340°)
波导可具有如图22中所示的提取特征，该提取特征具有负出射面角度。然而，当针对不具有输入芯柱的波导优化负出射面角度时，一般不使用这些特征，在该情况下，光源直接对接到特征。此外，具有负出射面角度产生出由于复杂的模塑工艺而难以处理的底切区，在该模塑工艺中，模具必须平行于出射表面而分开，从而在部件上留下直接可见的分界线。平行于装置的可见分界线在光照射于其上时将会造成眩光。本波导的优选实施方式具有不与光的传播发生相互作用的分界线。
因此，综上所述，棱柱状光提取特征可以包括：
提取特征的高度(或沟槽深度)-该特征优选地具有恒定的高度和变化的宽度。高度可以基于制造能力而设计，并且优选地范围在64微米与部件厚度的1/3之间。
波导的远端可以提供进一步的光塑形。它可以是平坦的或者与表面上的微透镜成角度以更好地混合光。在美国专利第8,088,066号中公开了示例性的远端波导端；该专利通过引用而全文并入于此。
死区是沿着芯柱或提取部分的这样的区域：在该区域中光不与表面相互作用并因此不存在或基本上不存在全内反射。例如，这些死区是粘贴机械特征从而将波导附接至牵开器刀片的理想位置。由于在死区中不存在光，因此当将某物粘贴于波导上时，光将不会从这些位置泄漏。死区还在美国专利第8,088,066号中进一步详细公开；该专利通过引用而全文并入本文。
B.柱镜阵列或结构。柱镜阵列的用途是在不改变波导厚度的情况下扩展光输出图案和控制横向发散(也称为相对于波导纵轴的水平方向)。图23是20mm(W)x 30mm(L)图案与50mm x 30mm图案的闭角的对比。内部矩形和外部矩形表示这两个图案。使用无柱镜阵列的扁平背面导致大约20mm宽x 30mm长的输出图案。对角线表示从波导到图案的右边缘的中心的矢量。这些简单的角度展示了为了将20mm宽的图案扩为50mm宽的图案，波导的视角必须至少扩大26°。
下面的几何结构阐释了柱镜的功能。每个柱镜都是圆柱体的一部分。假定光从径直前方照到柱镜，虽然光线将从光源的数值孔径NA和波导的接收NA(取较小者)内的各个角度照到柱镜。然而，平均光线将会是源于径直前方的光线。为了快速计算，采用这种单一光线计算更容易。
使用以下等式(4)和(5)来计算柱镜的各个方面，包括节距和曲率半径。图24图示了等式(4)和(5)中涉及的各个尺寸，其中：
A＝偏转角＝26.3度
Ar＝Ai＝反射角和入射角＝A/2
d＝柱镜半宽
r＝柱镜半径
h＝柱镜边缘的高度(稍后使用)
d r = sin ( A r ) r = d sin ( A r )
具有数百万个柱镜的柱镜阵列产生最佳的光混合。然而，制造工艺的现实是，在各个柱镜之间将会存在小的缺陷区域。该缺陷区域主要是由用于切割部件的工具的半径所造成的，并且该半径是固定的。因此，如在先前讨论的棱镜或其他光提取特征中那样，柱镜大小与可接受的散射量相关联。在本示例中假定了非常低的散射量。对于提取特征的情况，散射的光有可能会落在目标平面上的某处，并且可能仍然是有用的。在这种情况下，一些散射的光有可能会从波导的后面或背面出射。
Rv＝凹谷半径＝0.006mm
L＝因散射造成的可允许损失＝1％
d＝上述的柱镜半宽
R v 2 d = L (4) R v 2 L = d d＝0.3mm
这允许对r的计算。柱镜的最小节距为0.6mm。柱镜的半径取决于节距。对于该节距，曲率半径为0.68mm。为了计算最大节距和半径，期望的波导的厚度保持在柱镜的凸峰处。因此，柱镜边缘将会穿入该装置。在优选的实施方式中，由于制造原因，这并不向部件中延伸超过波导总厚度的约1/3。
对于部件的几何结构：
r-h＝t/3 h＝rcos(Ar)对两者求解
r = t 3 ( 1 - cos ( A r ) )
(5) r = d sin ( A r )
如果t＝1mm且A＝26.3度，则r＝3.22且d＝7.26mm。这是最大沟槽节距。这个数字相当大，因此优选的实施方式在最小尺寸的约束内工作。
柱镜的典型值可包括：
最小推荐节距＝0.3mm。
曲率半径＝0.68mm。
最大节距＝18.1mm，该数值大于波导宽度，因此其基本上为单弯曲表面。
最大曲率半径＝8.05mm。
本文公开的其他实施方式包括交叉柱镜阵列或枕状阵列。与上述使用的相同的分析也适用于这些实施方式，但所述分析必须同时在垂直方向和水平方向上进行。此外，已经证明通过改变提取特征的角度而更高效地实现图案的延长。本公开内容中的波导还优选为0.5mm到1mm厚。尽管仍然是可能的，但薄于0.5mm对于模塑变得困难并且难以保持平坦。
可塑形波导
图7图示了耦合至外科手术牵开器刀片72的光波导74。光纤线缆78将光从外部光源79递送至波导74。从波导提取的光76照明术野或其他工作空间。图8A图示了用于牵开组织并创造出圆形术野的套管牵开器82。光波导84耦合至波导82，并安置于套管的中心孔中，用于照明术野。图8B图示了相似的示例，其中弯曲的波导86耦合至套管牵开器82。在图7和图8A-图8B的示例中，波导并不平滑地符合于牵开器的表面，或者它可能占据过多的空间从而限制已经很小的术野。因此，期望提供这样的用于照明诸如术野等工作区域的波导：该波导更均匀地符合于工作区域以及/或者任何工具或器械，并且具有不占据过量空间的较小轮廓。
图9A-图9D图示了柔性的且可塑形的波导的示例性实施方式。波导92包括两个或更多个薄光波导94，所述光波导94用充当折页(hinge)的柔性材料96耦合在一起。图9B示出了沿着图9A中的线B-B截取的横截面。可以折曲所述波导以形成各种形状，诸如在图9C中所示的弯曲形状，并且图9D图示了图9C的俯视图。因此，通过采用多个窄波导，可以将组装体塑形为可形成任何形状(包括半圆形或各种多边形)的平滑曲线。可以调整形状以匹配于工具或其他外科手术器械，并且可以将两者耦合在一起。
图10A图示了被塑形用以符合于套管牵开器1004的内部圆形表面的可塑形波导，诸如图9A-图9D中所图示的实施方式。类似地，图10B示出了被塑形用以符合于弯曲的牵开器刀片1006的弯曲表面的可塑形波导，诸如图9A-图9D中的实施方式。尽管这些实施方式示出了具有用两个柔性区段耦合在一起的三个波导节段的可塑形波导，但本领域技术人员将会理解，这并不旨在限制，并且可以用柔性材料将任何数目的(诸如4、5、6、7、8、9、10个或更多个)波导节段组装在一起并保持在一起以形成可塑形波导。
以上公开的波导具有矩形横截面。然而，这并不旨在限制。在其他实施方式中，该横截面可以是梯形，诸如在图11A-图11B中所示。梯形构型在波导之间创造出自然的伸缩接头。图11A示出了可塑形波导1102，其具有用诸如硅酮等柔性材料1106耦合在一起的三个梯形波导1104。可塑形波导1102可以从线形构型被塑形为类似于图11B中的弯曲构型，以便符合于工作区域或任何相邻的工具。梯形构型允许波导在不结合的情况下相对于彼此自由地枢转。所述波导还可以具有诸如图11C中那样的弯曲横截面，其中可塑形波导1110包括三个或更多个弯曲的波导节段1112，所述波导节段1112由形成折页的柔性材料1114隔开，以便可以形成比图11A-图11B的实施方式中更为平滑的曲线。
图11D和图11E图示了可塑形波导的备选实施方式。该实施方式类似于图11A-图11B中的实施方式，主要区别在于波导节段被固定于柔性背衬，而不是在相邻节段之间具有柔性材料。图11D图示了各自具有梯形横截面1144的分节波导1142的组装体1140。所述分节波导附接至诸如硅酮或任何其他弹性材料之类的柔性衬底层1146。梯形横截面在相邻的节段1142之间创造出间隙1148，该间隙1148允许组装体在节段边缘不结合的情况下弯折成其他构型。间隙优选地是三角形形状，并且平行于所述节段延伸所述节段的整个长度。图11E图示了其中分节波导的组装体1140已被操纵成弯曲的半圆柱形波导的示例性实施方式。单个波导节段或组装体可以采用本文公开的任何特征，包括但不限于使用用以提取和控制光的表面特征，以及光输入特征。
所述波导可以具有沿着如图9A中所示的分隔相邻波导的纵向接缝将它们耦合在一起的柔性材料的薄而细长的卷边，或者可塑形波导1202可以如图12A中所示具有多个封装在材料1206的柔性层中的波导1204。在备选实施方式中，可塑形波导1210可以如图12B中所示具有多个附接至诸如柔性薄膜或胶带等衬底1214的波导1212。
能够以任何数目的方式向可塑形波导递送光。例如，在图13中，可塑形波导1302包括多个用可充当折页的柔性材料1306耦合在一起的波导1304。每个波导1304与光纤1308相耦合，该光纤1308可以与一个或多个外部光源光学地耦合。光纤1308可以结合到波导中的接收通道，或者该波导可以包覆成型到光纤上。在其他实施方式中，由从光源向波导传输光的一体成型的输入芯柱来替代光纤线缆1308。在其他实施方式中，使用单一的光输入光纤线缆或输入芯柱来将光带入可塑形波导。继而使用光学歧管来向组装体中的每个波导节段分配和递送光。
由于可塑形波导被致动和操纵，因此通常期望在输入芯柱或光纤输入线缆上提供应变释放体以防止损坏。图14A图示了可塑形波导的一个波导节段1402，其具有输入光纤1404和防止光纤损坏的应变释放体1406。该应变释放体可以是弹性聚合物，诸如硅酮。每一单个的光纤输入线缆可以具有其自己的应变释放体，或者可以使用如图14B中所示的歧管应变释放体，其中可塑形波导1410包括若干个用柔性材料1414耦合在一起的波导节段1412。由弹性材料制成的歧管1418充当用于每个光输入光纤线缆1416的应变释放体。
本文所描述的可塑形波导中的任何波导节段还可具有用于提取光和控制所提取的光的方向的表面特征。图15图示了具有与前文所述相似的棱柱状特征1504的波导节段1502。所述表面特征可以位于波导节段的前表面、后表面或任何表面上。本文所描述的任何表面特征均可用于从可塑形波导提取和控制光。此外，图16图示了对安置于可塑形波导的波导节段1602上安置的涂层、包层或薄膜1604的使用。该涂层、包层或薄膜可以具有帮助促进波导节段内的光的全内反射的折射率。涂层或包层的折射率优选地低于波导的折射率。折射率的示例性范围介于约1与1.5之间。在其他实施方式中，薄膜可以具有帮助提取和控制光的表面特征。此外，除了或替代涂层或包层，可以在波导与任何相邻结构之间安置气隙以帮助防止光损失。
一旦可塑形波导已被操纵成期望的构型，即可如图17中所示将其与稳定构件1708耦合起来以保持其位置。在此，可塑形波导1702包括多个用柔性材料1706耦合在一起的波导节段1704。其已被形成为弯曲的组装体，并且稳定构件1708将组装体锁定就位。稳定构件可以使用粘合剂、诸如螺杆等固定件、卡扣或本领域已知其他机构而附接至可塑形波导。
图25A-图25I图示了可塑形光波导2502的另一实施方式。该器械可被塑形为符合于诸如术野等工作视野，或者其可被塑形为符合于诸如外科手术器械(比如牵开器)等工具。图25A为可塑形波导组装体2502的俯视透视图。波导组装体2502包括连接器2504、应变释放体2506、压接带2508、光纤束2510、可塑背衬元件2516、折页2518、套筒2520以及非光纤光波导2522。可塑形光波导组装体2502的近端包括可以用于将可塑形光波导组装体2502与光源相耦合的连接器，诸如ACMI标准光连接器2504。还可以使用其他连接器，诸如倒钩接头或本领域已知的其他连接器。光纤束2510耦合至连接器2504，并允许从光源(未示出)通过光连接器2504向非光纤光波导组装体2522传输光。可以在光纤束2510上安置应变释放体2506，以防止不期望的扭结或对光纤束的其他损坏。光纤束优选地被配置成在可塑性波导的近端处为圆柱形束并带有扩口部2512，在该扩口部2512处，该束向外张开成其最终的扁平的平面构型2514，并最终与非光纤光波导2522耦合起来。使用套筒2520将光纤束联接至光波导2522。非光纤光波导2522与光纤束2514一起耦合至可塑背衬元件2516。压接带2508帮助将光纤束2514耦合至可塑背衬元件2516。可塑背衬元件上的折页2518有助于在使用期间将背衬元件弯折和操纵成优选的形状。图25B图示了可塑形波导组装体2502的仰视透视图。在该视图中可以看到接合窗2424。窗2524安置于可塑背衬2516中靠近其远端之处，并允许光波导2522与背衬2516相接合。折页2518可以是来自背衬2516的在两侧边缘轴向地沿着该背衬的一系列三角形切口。折页2518允许由操作者操纵背衬并将其弯折成任何期望的构型。
图25C突出显示了可塑形波导组装体2502的近端部分的特征。光纤束2510初始为圆柱形，并且其继而向外张开2512成扁平、矩形和平面的纤维束2514。平面纤维束2514不仅帮助减小纤维的总体轮廓以使该装置占据的空间最小化，而且还帮助将光传输至并充满光波导2522。外部应变释放体2506帮助防止光纤束扭结，并且压接带2508将光纤束和应变释放体耦合至可塑背衬元件2516上。
图25D是可塑形波导组装体的俯视图，并且突出显示了远端部分。光纤束2514位于套筒2520内，该套筒2520与光波导2522的近端耦合，从而允许从光源向波导递送光。光纤束2514的扁平平面布置允许用来自波导的近端的光高效地填充波导。束内的纤维可装入套筒内并在套筒内抛光。该波导优选地是由诸如环烯烃聚合物或共聚物等聚合物注塑成型的非光纤光波导。因此，所述光波导是单一波导并且还优选地由单一的均质材料所形成。光波导2522搁置于保持框架2530内，该保持框架2530也耦合至可塑背衬2516的远端部分。光波导2522具有矩形平面部分2528，并且还具有配合在保持框架2530周围以帮助将其固定就位的扩大的凸缘部分2526。这并不旨在限制，并且本领域技术人员将会理解，光波导可以具有其他构型和用于将其固定至可塑背衬的其他接合机构。例如，替代从光波导向外延伸的凸缘，保持框架可以具有接合光波导中的凹陷区的凸缘。光波导的近端还固定于套筒2520中。在一些实施方式中，光波导可以具有支柱2523，所述支柱2523在光波导与保持框架之间形成气隙。图25H图示了光波导上的示例性支柱。由于波导与保持框架之间的接触将会导致光损失，因此气隙有助于提高通过波导的光传输效率。在其他实施方式中，支柱可以位于保持框架上，而不是波导上。在其他实施方式中，支柱可以位于保持框架和波导两者上。
图25E图示了组装体2502的底部透视图并突出显示了其远端部分。如前文所述，三角形切口2518帮助促进对可塑背衬的弯折。可以在可塑背衬中使用其他切口，以便促进在其他方向上的弯折。在本实施方式中，切口形成折页，其促进将背衬弯折成凸形或凹形。背衬可以具有各自具有不同半径的复合弯折部。背衬中的窗2524允许光波导的一部分从中伸出，从而有助于光波导与背衬的接合。
图25F图示了在移除光纤束和光波导的情况下的可塑背衬2516的俯视透视图。该视图更清楚地图示了用于光波导的背衬的扁平平面近端部分、锯齿状折页2518和保持框架2530。该框架包括位于该框架每一侧上的用于保持光波导的一对导轨。图25G图示了包括扁平的矩形部分2528和用于与框架接合的凸缘区2526的光波导2522。可塑形波导组装体可以合并本说明书中公开的任何其他特征。例如，光波导可以包括本文描述的任何光提取特征。光波导还可以包括本文公开的任何涂层、薄膜或其他光学包层，以通过全内反射增强光传输，或者帮助从中提取光，或者控制所递送的光的类型(例如，偏振光、漫射光等)。
图25I更近地图示了套筒。光纤元件2521可以从一端插入到套筒中，并继而用环氧树脂2519或另一材料灌封就位。纤维的端部继而可在套筒内抛光。纤维的端部优选地从套筒的相对端凹陷，以便形成用于收容光波导的插座，该光波导继而可以与光纤对接起来。继而可以使用折射率匹配粘合剂将光波导附接至套筒和光纤。在其他实施方式中，光纤可以与套筒的相对端齐平，并且波导可以简单地与套筒和纤维对接。
与光源耦合
本说明书中描述的任何波导均可耦合至诸如外部氙灯等远程光源。波导可以耦合至光纤线缆，该光纤线缆也耦合至光源。光纤线缆通常为光纤束。优选地，纤维束耦合来自光源的光，该光源能够以比所述束更高的数值孔径(NA)因子发光。由于光源生产商并不总是知道将会使用哪种线缆，因此许多光源会产生具有较高NA的数值。可以将简单的透镜和/或透镜反射表面附接至光源的周围或前方(例如，氙光源——现今最广泛使用的光源——是容纳在抛物面反射镜或其他形状的反射镜的焦点中的放电电灯泡。许多氙灯箱具有位于灯泡前方的透镜以便有效地耦合至纤维束)。为了优化耦合到线缆中的光量，需要考虑若干个因素。其中一个因素是将光源的NA与线缆相匹配。如前所述，这可以通过在灯泡与线缆之间放置使NA匹配的光学组件来实现。另一重要因素是纤维束的设计。在设计束时需要考虑的若干个变量包括：
A)束中的单个纤维的填装比和布置；
B)纤维束中的芯包比；以及
C)菲涅耳损失(Fresnel loss)和错位损失。
填装比
许多纤维被制作为圆形。当组装成束时，在单个圆形元件之间存在死空间(dead space)，特别是当束中存在中断时，这会产生填装不良的束和不良的传输。通过取最佳情形，将纤维填装成如图26中所示的三角形图案允许实现有获得的最小的死空间。这样的死空间可以通过将死空间2604除以基于纤维的中心点由纤维创建的三角形的面积2606而计算得出。在图26中的示例性实施方式中，该比例是90.7％，这意味着圆形纤维之间有9.3％的面积被损失掉。来自填装无限空间上的纤维或数目非常多的纤维的损失将会导致约9.3％或更高的填充。
现在将此与如图27中所示的堆叠成正方形图案的纤维2702对比，可以计算得出死面积除以由纤维2702的中心点限定的正方形2706的面积的比例为78.5％。这意味着在圆之间有21.5％的面积被损失掉。这样的计算总结如下，并且基于有限数目的纤维。因此，将纤维填装成三角形图案是使纤维之间的死面积最小化的最佳构型。
三角形填装中的死面积＝三角形面积[(2r)2√3]/3与半圆面积(πr2)/2之间的差值。因此，死面积＝[√3–π/2]r2，将其化简为0.16125r2，其中r是纤维的半径。对于正方形填装，死面积估计为正方形面积(2r2)与圆的面积πr2之间的差值。因此，正方形填装的死面积为(4-π)r2＝0.85841r2，远大于三角形填装。
包层区域
除非纤维具有折射率低于其芯的包层(或者芯上的涂层)，纤维才能够在其芯(纤维的主体)上导引光。尽管包层通常由透明材料制成，但光并不被导引并且被损失掉。医疗应用中使用的传统照明纤维由玻璃制成，具有55μm的直径和50μm的芯。计算具有上述直径的两个圆的面积差值得出来自每个纤维所具有的包层区域的17.4％的损失。这可以通过辨识具有可能的最大芯包比的纤维而得到最小化。
菲涅耳损失和错位
玻璃纤维具有近似等于1.5的折射率。当光从空气进入纤维或从纤维进入空气时折射率的不连续性是每个界面处约4％的损失的原因(称为菲涅耳损失)，总计造成8％的损失。当要将一个纤维连接至另一个束时，除了菲涅耳损失之外，还会得到来自错位的损失。即，如果纤维在纵轴方向上错位多达0.5mm，可以近似得到高达10％的损失。
通过将上述损失加和，基于最佳情形计算总损失，将会总计得到总光的(9.3％+17.4％+8％+10％)＝44.7％的损失。这是成束的纤维线缆(由50μm/55μm芯/包层玻璃纤维制成)的损失的最佳近似值。因此，玻璃束将无法传输高于55.3％的输入光。
在示例性实施方式中，通过将纤维从玻璃改为塑料，可以改变包层区域损失。750μm塑料纤维(可商购，并且足够柔韧以弯折成必需的曲率)具有735μm的芯和15μm的包层。包层区域的改变通过减小纤维上不可使用的传输区域而将损失从17.4％降至3.96％的损失。其他诸如1000μm芯，或1500μm、2000μm、2500μm或3000μm直径的纤维也是可用的，并且可以用于构建纤维束。下文讨论750μm纤维的使用。
计算对于750μm的总损失是简单直接的，通过改变芯和包层与总区域的面积比并保持其他损失源不变，总损失估计为9.3％+3.96％+8％+10％＝31.3％。因此，透射率应高达68.7％。这是可以通过从先前描述的50μm/55μm玻璃纤维改变为上述的750μm/735μm塑料纤维得到的最大增益。对具有240μm的芯直径和250μm的外径的250μm的塑料纤维进行相同的计算，损失区域估计为7.8％，相比于750μm纤维的3.96％。因此，750μm的塑料纤维提供了期望的效率，并且这还有助于保持照明系统的热冷却。
接下来，随同使沿着成束的线缆的光传输最大化的设计一起检验有限大小的束的作用。第一目标是确定最佳填装方案。如前文所述，由于大多数纤维是圆形的，因此存在各种堆叠束的方式。目标在于使间隙空间(IS)最小化。通过使该空间最小化，系统效率由于更少的光在纤维之间损失而得到提高。
下文介绍堆叠纤维和计算间隙空间的若干个示例。最佳布置是以三角形图案放置纤维。此外，还期望使束中的纤维布置尽可能地接近于圆形形状，因此在图28中，将七个纤维2802布置成三角形图案2806以使间隙空间最小化，并且继而将三角形布置成六边形2808以便趋近于圆。间隙空间可估计为6乘以封闭的间隙空间2804，加上6乘以未封闭的间隙空间2810除以2。还图示了纤维之间的死空间2804。纤维形成三行，其中两行包含两个纤维，并且在这两行之间的一行包含三个纤维。
图29A-图29B图示了纤维束填装的另一示例性实施方式，每个纤维束具有三层同心等直径的纤维。每个纤维束周围的虚线具有相同的直径，并且在使用750μm直径的纤维时具有3.75mm的周长。
在图29A中，19个纤维2902填装在一起以形成近似于圆形束29000a的六边形2904。间隙空间包括位于纤维之间的作为三角形区域的间隙空间2906，以及围绕该束的外周的半菱形间隙空间2910。该实施方式与先前实施方式相似，不同之处在于在先前实施方式的周围填装了附加的纤维层。该构型比图29B中的实施方式填装得更为紧密，在图29B的实施方式中，填装了19个纤维2902以形成十二边形束2900b，该十二边形束2900b具有两种几何形状的间隙空间：与图29A中相同的三角形间隙空间2906和菱形间隙空间2908，以及围绕该束的外周的半菱形间隙空间2910。在六边形实施方式中菱形空间2908的面积是半菱形空间2910的两倍。不同于纤维处于直线行中的图29A的实施方式，图29B中的纤维处于产生更接近于圆的轮廓的移位环形布置。
对于图29A中的六边形布置，总间隙空间等于24个间隙空间2906加上12个半菱形空间2910或6个菱形空间2906。对该空间的计算估计其为64.53r2面积单位。对于十二边形，间隙空间等于12个三角形间隙空间2906加上6个菱形空间2908以及12个半菱形空间2910或6个菱形空间2908。计算得到总空间为67.74r2面积单位。因此，六边形填装与十二边形填装之比为95.26％，这意味着六边形布置具有比十二边形形状约少4.74％的间隙空间，并且因而其更高效。
图30A图示了上述图29A的六边形纤维束。图30B图示了上述图29B的十二边形纤维束。这两个实施方式具有相同直径的纤维，并且在以圆形估计时具有束的相同的外径。注意到在图30A中由于保持纤维的套箍的大尺寸而造成的与完美六边形的一些错位，因而将会优选地使用六边形容纳屏障，这是因为若非如此，则纤维在被圆形壁包围时将无法保持完美的六边形形状。
上述实施方式采用了具有期望的芯包比的塑料大芯纤维。优选地，伴随薄包层使用大芯。这有助于纤维高效地从外部光源向波导传输光。效率是受期望的，这是因为其有助于使系统保持低温。玻璃纤维不太理想，这是因为它们价格昂贵，并因此造成在一次性线缆中的成本过高，而塑料则高效且便宜得多。然而，可以在任何实施方式中使用玻璃纤维，诸如具有约250μm直径的示例性玻璃纤维。
在其他实施方式中，可以加热和压缩纤维束以减小或消除间隙空间，从而进一步提高效率。例如，可以加热和压缩六边形纤维束以形成具有很小的间隙空间或者没有间隙空间的六边形束，并且单个纤维将会被重塑成近似六边形纤维。
纤维束的先前实施方式为圆形。在一些情况下，可能期望提供扁平的纤维束。图31图示了具有19个纤维3102的扁平纤维束3100，其具有在纤维之间和沿着周界的三角形间隙空间3104，从而形成具有小轮廓的带状线缆。19个纤维3102与先前在上文描述的3.5mm直径的束相兼容，但具有不同的形状因子。
单行纤维作为非常扁平的带状线缆可能也是有吸引力的。包括如下优势：如果适当地包裹，其轮廓可调整为任何形状，诸如环形或弯折形状。但对于更大的长度，诸如14.25mm的长度，带状线缆可能过宽而不实用。因此，当图31中的两行装置在对称布置时产生如虚线所指示的D形带状线缆。该线缆的基部的长度可被估计为是纤维的直径的10倍，在本实施方式中为7.5mm，并且高度被估计为(2+√3)r＝3.732r，在本实施方式中＝1.3995mm。
在图32中图示了扁平带状线缆3200的备选实施方式，其具有对称地填装的、并且内部地并沿着线缆的外周由间隙空间3204隔开的三行纤维3202。高度估计为5.575r＝2.09mm，并且基部的长度估计为纤维直径的7倍，或5.25mm。为19个纤维的线缆添加第四层接近于六边形布置并缺少对称性，这是期望的——因为这种结构为束提供了更高的机械稳定性。
在本文描述的任何纤维束均可通过将该纤维束与另一纤维、纤维束或波导对接耦合在一起而耦合至另一纤维、纤维束或波导，或者可以在期间安置光学器件以校正错位误差。此外，还可以使用耦合凝胶、透镜、中继杆或空心涂层锥体来将两者联接在一起。而且，在任何实施方式中，纤维可由诸如任何光学塑料等聚合物形成，或者它们可由玻璃形成。任何实施方式均可将较小尺寸或不同形状的纤维插入到在填装圆形纤维期间形成的间隙空间中。较小尺寸的纤维可被塑形用以配合于间隙空间，并且因此可以是三角形或菱形形状。
甚至可以用图33中所图示的示例性耦合器3300来实现将圆形束耦合至六边形束。耦合器3300在该耦合器的一端具有圆端3302，并且外表面具有多个刻面3306，所述刻面3306将圆端转变成六边形端3304，从而允许耦合两个不同形状的纤维束。使一端或全部两端具有过大的尺寸是有利的，因为这减小了两个束之间的错位误差。
虽然已在本文中示出并描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员在不偏离本发明的情况下现将想到许多变化、改变和替代。应当理解，在实施本发明时，可以采用本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等效项。

Claims (101)

1.一种用于照明术野的外科手术器械，所述器械包括：
光波导，其用于通过全内反射从所述光波导的近端向所述光波导的远端传输光，其中所述光波导具有前表面和后表面；以及
一个或多个控制元件，其安置于所述前表面和/或所述后表面上，其中所述一个或多个控制元件从所述光波导提取光并且独立地控制所提取的光的两个或更多个光学性质。
2.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述光波导是非光纤光波导。
3.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述光波导是由单一均质材料形成的。
4.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制特征包括安置于所述前表面上的第一表面特征和安置于所述后表面上的第二表面特征。
5.如权利要求4所述的外科手术器械，其中所述两个或更多个光学性质包括第一光学性质和第二光学性质，所述第一光学性质包括第一方向或第一发散角，并且所述第二光学性质包括第二方向或第二发散角，并且其中所述第一表面特征在所述第一方向或所述第一发散角上控制所提取的光，并且其中第二表面特征在所述第二方向或所述第二发散角上控制所提取的光。
6.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括安置于所述前表面上的一个或多个前面控制元件，以及安置于所述后表面上的一个或多个后面控制元件，并且其中所述前面控制元件独立于控制所述第二光学性质的所述一个或多个后面控制元件而控制所述第一光学性质。
7.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件中的至少一些控制元件同时控制所述第一光学性质和所述第二光学性质。
8.如权利要求5所述的外科手术器械，其中所述第一表面特征不同于所述第二表面特征。
9.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括安置于所述前表面或所述后表面上的棱柱状图案。
10.如权利要求9所述的外科手术器械，其中所述光波导具有厚度，并且其中所述棱柱状图案包括升起物和出射面以及沟槽，该沟槽具有从所述升起物的顶部延伸至所述出射面的底部的深度，沟槽深度小于光波导厚度的1/3。
11.如权利要求10所述的外科手术器械，其中所述沟槽深度沿着所述棱柱状图案是恒定的。
12.如权利要求10所述的外科手术器械，其中所述光波导包括多个所述沟槽，并且其中所述多个沟槽符合于非球面等式。
13.如权利要求9所述的外科手术器械，其中所述棱柱状图案具有小于1mm的节距。
14.如权利要求10所述的外科手术器械，其中所述升起物具有0度到25度的升起物角度。
15.如权利要求10所述的外科手术器械，其中所述出射面具有0度到25度的出射面角度。
16.如权利要求9所述的外科手术器械，其中所述光波导包括纵轴，并且其中所述棱柱状图案正交于所述光波导的所述纵轴。
17.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括安置于所述前表面或所述后表面上的多个刻面。
18.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括柱状透镜。
19.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述光波导包括纵轴，并且其中所述一个或多个控制元件包括柱状透镜，并且其中所述柱状透镜平行于所述纵轴。
20.如权利要求19所述的外科手术器械，其中所述光波导的所述前表面基本上是平面的，并且所述后表面包括凹形柱状透镜。
21.如权利要求19所述的外科手术器械，其中所述光波导的所述前表面基本上是平面的，并且所述后表面包括凸形柱状透镜。
22.如权利要求19所述的外科手术器械，其中所述柱状透镜具有节距和半径，并且其中所述节距和半径控制从中提取的光相对于所述光波导的所述纵轴的横向发散。
23.如权利要求5所述的外科手术器械，其中所述光波导包括纵轴，并且其中所述第一光学性质包括第一方向或第一发散角，并且其中所述第一方向或所述第一发散角横向于所述纵轴。
24.如权利要求23所述的外科手术器械，其中所述第一方向或第一发散角相对于所述纵轴形成角度。
25.如权利要求23所述的外科手术器械，其中所述第二光学性质包括第二方向或第二发散角，并且其中所述第二方向或所述第二发散角横向于所述第一方向。
26.如权利要求25所述的外科手术器械，其中所述第二方向或所述第二发散角相对于所述纵轴形成发散角。
27.如权利要求5所述的外科手术器械，其中所述光波导包括纵轴，并且其中所述一个或多个控制元件包括平行于所述纵轴定向的第一组表面特征和横向于所述纵轴定向的第二组表面特征，所述第一组表面特征用于控制在横向于所述纵轴的方向上的光提取，而所述第二组表面特征用于控制在相对于所述纵轴形成角度的方向上的光提取。
28.如权利要求27所述的外科手术器械，其中所述第一组表面特征和所述第二组表面特征彼此一起安置于所述光波导的同一表面上。
29.如权利要求5所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括由在第一方向和与所述第一方向相反的第二方向上定向的特征的组合所形成的表面特征，所述表面特征形成安置于所述前表面或所述后表面上的一个或多个凸起，所述一个或多个凸起控制在两个方向上或者在两个发散角上提取的光。
30.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述光波导的所述前表面或所述后表面中的一个包括凸形区或凹形区，该凸形区或凹形区用于控制从该凸形区或凹形区提取的光的发散角，并且其中所述光波导的所述前表面或所述后表面中的另一个基本上是平面的。
31.如权利要求1所述的外科手术器械，其中所述光波导包括成角度的远端尖端，该远端尖端用于捕获未被所述一个或多个控制元件提取的剩余的光。
32.如权利要求5所述的外科手术器械，其中所述一个或多个控制元件包括安置于所述前表面上的表面特征和安置于所述后表面上的表面特征，并且其中位于所述前表面上的表面特征控制所述第一光学性质，并且其中位于所述后表面上的表面特征控制所述第二光学性质。
33.如权利要求1所述的外科手术器械，进一步包括安置于所述前表面或后表面上的涂层或包层。
34.如权利要求33所述的外科手术器械，其中所述涂层或包层包括比所述波导的折射率更低的折射率。
35.一种用于照明术野的方法，所述方法包括：
提供光波导，其具有前表面和后表面；
向所述光波导中输入光；
通过全内反射经所述光波导传输光；
经由安置于所述光波导的所述前表面或后表面上的一个或多个控制元件从所述光波导提取光；以及
用所述一个或多个控制元件来控制从所述光波导提取的光的至少两种光学性质，以便使光照明所述术野。
36.如权利要求35所述的方法，其中输入光包括将所述光波导与光源光学地耦合起来。
37.如权利要求36所述的方法，其中光学地耦合包括将所述光波导与光纤耦合起来。
38.如权利要求35所述的方法，其中所述一个或多个控制元件仅安置于所述前表面上或者仅安置于所述后表面上。
39.如权利要求35所述的方法，其中控制所提取的光包括控制所提取的光相对于所述光波导的纵轴的水平发散和垂直发散。
40.一种用于照明术野的外科手术器械，所述器械包括：
第一光波导，其用于通过全内反射从光源向所述术野传输光，其中所述第一光波导具有面向所述术野的前表面和与该前表面相反的后表面；
第二光波导，其用于通过全内反射从光源向所述术野传输光，其中所述第二光波导具有面向所述术野的前表面和与该前表面相反的后表面；以及
耦合元件，其同时附接至所述第一光波导和所述第二光波导，其中所述耦合元件具有纵轴，并且其中所述第一光波导和第二光波导可相对于彼此移动并且可绕所述纵轴枢转。
41.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述耦合元件允许所述第一光波导相对于所述第二光波导的定位，以便使这两个光波导之间的角度或曲率半径是可调整的。
42.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导或所述第二光波导包括安置于所述前表面或所述后表面中的任一个上的一个或多个控制元件，其中所述一个或多个控制元件从所述光波导提取光并控制所提取的光的第一光学性质。
43.如权利要求42所述的外科手术器械，其中所述一个或多个表面特征从所述光波导提取光并控制所提取的光的第二光学性质。
44.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括具有外表面的牵开器刀片，所述牵开器刀片耦合至所述第一光波导或所述第二光波导，并且其中所述第一光波导和所述第二光波导符合于所述外表面。
45.如权利要求44所述的外科手术器械，进一步包括安置于所述牵开器刀片与所述第一光波导或第二光波导之间的气隙。
46.如权利要求44所述的外科手术器械，其中所述牵开器刀片包括管状套管。
47.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导或所述第二光波导包括平面和矩形波导。
48.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导或所述第二光波导包括梯形横截面。
49.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述耦合元件包括折页。
50.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述耦合元件包括薄膜。
51.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述耦合元件包括柔性接头。
52.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导或所述第二光波导的所述前表面或后表面是凸形或凹形的。
53.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括材料衬底层，并且其中所述第一光波导和所述第二光波导附接至所述衬底层。
54.如权利要求53所述的外科手术器械，其中在所述衬底层与所述第一光波导或第二光波导之间安置气隙。
55.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导和所述第二光波导安置于材料层中。
56.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个独立地与光源耦合。
57.如权利要求56所述的外科手术器械，其中所述第一光波导和所述第二光波导中的每一个耦合至单独的光纤。
58.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括安置于所述第一光波导或所述第二光波导上的光学涂层或包层。
59.如权利要求58所述的外科手术器械，其中所述涂层或包层具有比相应的光波导的折射率更低的折射率，从而增强在其中的全内反射。
60.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括安置于所述第一光波导或所述第二光波导上的薄膜。
61.如权利要求60所述的外科手术器械，其中所述薄膜包括用于提取光和控制所提取的光的表面特征。
62.如权利要求60所述的外科手术器械，其中所述薄膜使从所述第一光波导或所述第二光波导提取的光偏振。
63.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导包括提取光并控制光的光学性质的控制元件，并且其中所述第二光波导包括提取光并控制光的光学性质的控制元件。
64.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括稳定元件，该稳定元件耦合至所述光波导并且适于将所述光波导保持于期望的形状。
65.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导基本上是平面的，而所述第二光波导是凸形或凹形的。
66.如权利要求40所述的外科手术器械，其中所述第一光波导具有不同于所述第二光波导的大小或形状。
67.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括一个或多个光纤，所述一个或多个光纤与每个光波导光学地耦合，用于向光波导输入光。
68.如权利要求40所述的外科手术器械，进一步包括单一的一体成型的输入芯柱，该输入芯柱与每个光波导光学地耦合，用于向光波导输入光。
69.一种用于照明术野的方法，所述方法包括：
提供第一光波导，其具有面向所述术野的前表面和与该前表面相反的后表面；
提供第二光波导，其具有面向所述术野的前表面和与该前表面相反的后表面，
其中所述第一光波导和第二光波导用耦合元件耦合在一起；
关于所述耦合元件致动所述第一光波导和第二光波导，以调整所述光波导之间的角度或曲率半径；以及
用从所述光波导提取的光来照明所述术野。
70.如权利要求69所述的方法，进一步包括固定所述第一光波导和第二光波导的位置，从而固定所述第一光波导和第二光波导之间的角度或曲率半径。
71.如权利要求69所述的方法，进一步包括将所述光波导与外科手术牵开器刀片耦合起来。
72.一种柔性照明外科手术器械，所述器械包括：
光纤束，其具有近侧区和远侧区，其中所述光纤束在所述近侧区中是圆柱形的，并且其中所述光纤束在所述远侧区中是扁平和平面的；以及
非光纤光波导，其与所述光纤束光学地耦合起来。
73.如权利要求72所述的器械，进一步包括安置于所述光纤束的所述近侧区上的应变释放体，所述应变释放体适于减少其扭结。
74.如权利要求72所述的器械，进一步包括可塑背衬元件，该可塑背衬元件具有近端部分和远端部分，其中所述背衬元件耦合至所述波导并且可被操纵成多种形状。
75.如权利要求74所述的器械，其中所述可塑背衬元件的远端部分包括铰接区，以使得所述远端部分比其近端部分更灵活。
76.如权利要求75所述的器械，其中所述铰接区包括沿着所述可塑背衬元件安置的多个锯齿。
77.如权利要求72所述的器械，进一步包括光连接器，该光连接器与所述光纤束的所述近侧区光学地耦合起来。
78.如权利要求74所述的器械，进一步包括压接元件，该压接元件压接于所述光纤束周围，从而将所述光纤束耦合至所述可塑背衬元件。
79.如权利要求72所述的器械，进一步包括套筒，该套筒安置于所述光纤束的远侧区上并且还安置于所述光波导的近端部分上，所述套筒将所述光波导与所述光纤束耦合起来。
80.如权利要求74所述的器械，进一步包括框架，该框架耦合至所述可塑背衬元件的远端部分，并且其中所述光波导安置于所述框架中。
81.如权利要求74所述的器械，其中所述可塑背衬元件包括沿着其远端部分安置的窗口，该窗口被配置用于收容所述光波导的一部分。
82.如权利要求74所述的器械，其中所述光波导的近端部分包括凸缘区，该凸缘区用于接合所述可塑背衬元件的一部分。
83.如权利要求74所述的器械，进一步包括安置于所述可塑背衬与所述光波导之间的支柱，所述支柱在其间形成气隙，用于增强穿过所述光波导的光的全内反射。
84.如权利要求72所述的器械，其中所述光波导包括用于从中提取光和控制所提取的光的方向的表面特征。
85.如权利要求72所述的器械，其中所述光波导包括用于控制所述波导的光学性质的涂层或包层。
86.如权利要求85所述的器械，其中所述涂层或包层的折射率小于所述波导的折射率。
87.一种用于照明工作空间的方法，所述方法包括：
提供光波导，其耦合至可塑背衬元件；
将所述背衬元件形成为期望的形状；
将所述光波导耦合至光源；
从所述光波导提取光；以及
照明所述工作空间。
88.如权利要求87所述的方法，其中形成所述背衬元件包括弯折所述背衬元件。
89.一种用于照明术野的外科手术照明系统，所述系统包括：
用于以光来照明所述术野的光波导，其中所述光波导包括光输入端，并且其中通过全内反射经所述波导传输光；以及
形成为纤维束的多个光纤，所述束光学地耦合至所述光输入端，并且
其中所述多个光纤布置在所述束中，以使得相邻的纤维以安置于其间的间隙空间彼此接合。
90.如权利要求89所述的系统，其中所述多个光纤布置成具有六边形的外周的束。
91.如权利要求89所述的系统，其中所述多个光纤中的至少一些光纤由聚合物形成。
92.如权利要求89所述的系统，其中所述多个光纤中的至少一些光纤具有约750μm的直径。
93.如权利要求89所述的系统，其中所述多个光纤包含19个光纤。
94.如权利要求89所述的系统，其中每三个相邻的光纤形成三角形。
95.如权利要求89所述的系统，其中多个光纤布置在纤维的三个同心层中。
96.如权利要求89所述的系统，其中所述多个光纤布置成纤维的多个直线行。
97.如权利要求89所述的系统，其中在所述束与所述波导的所述光输入端之间安置光学元件。
98.如权利要求97所述的系统，其中所述光学元件包括透镜、光耦合凝胶、中继杆或空心涂层锥体。
99.如权利要求97所述的系统，其中所述光学元件包括主体，该主体在一端具有圆形形状并且在相对端具有六边形形状。
100.如权利要求89所述的系统，其中所述束对接耦合至所述波导的所述光输入端。
101.如权利要求89所述的系统，其中至少一个所述光纤安置于所述间隙空间中的至少一个内。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10292784B2 (en) * 2010-12-10 2019-05-21 Illumix Surgical Canada Inc. Illuminating surgical device
US8620123B2 (en) 2012-02-13 2013-12-31 Corning Cable Systems Llc Visual tracer system for fiber optic cable
KR102176485B1 (ko) 2012-09-24 2020-11-09 인뷰이티 인코퍼레이티드 광의 광학적 특성을 제어하는 방법 및 장치
US10166402B2 (en) * 2013-05-16 2019-01-01 Excelitas Technologies Corp. Visible light photo-disinfection patch
EP3685734B1 (en) * 2014-05-22 2022-03-09 Invuity, Inc. Medical device featuring cladded waveguide
US10379309B2 (en) 2014-11-18 2019-08-13 Corning Optical Communications LLC Traceable optical fiber cable and filtered viewing device for enhanced traceability
US10321969B2 (en) * 2014-12-02 2019-06-18 Invuity, Inc. Methods and apparatus for coupling an optical input to an illumination device
CN115568937A (zh) 2014-12-08 2023-01-06 英弗伊蒂股份有限公司 用于电外科照明和感测的方法和装置
US10228526B2 (en) 2015-03-31 2019-03-12 Corning Optical Communications LLC Traceable cable with side-emitting optical fiber and method of forming the same
US10101553B2 (en) 2015-05-20 2018-10-16 Corning Optical Communications LLC Traceable cable with side-emitting optical fiber and method of forming the same
EP3325876A1 (en) 2015-07-17 2018-05-30 Corning Optical Communications LLC Systems and methods for traceable cables
CN107850737A (zh) 2015-07-17 2018-03-27 康宁光电通信有限责任公司 用于跟踪电缆的系统和方法以及用于此类系统和方法的电缆
ES2947290T3 (es) * 2015-08-05 2023-08-04 Illumix Surgical Canada Inc Dispositivo quirúrgico de iluminación
WO2017074670A1 (en) 2015-10-30 2017-05-04 Corning Optical Communications LLC Traceable cable assembly and connector
US10185111B2 (en) 2016-04-08 2019-01-22 Corning Optical Communications LLC Traceable end point cable assembly
US10107983B2 (en) 2016-04-29 2018-10-23 Corning Optical Communications LLC Preferential mode coupling for enhanced traceable patch cord performance
US10222561B2 (en) 2016-12-21 2019-03-05 Corning Research & Development Corporation Light launch device for transmitting light into a traceable fiber optic cable assembly with tracing optical fibers
US10234614B2 (en) 2017-01-20 2019-03-19 Corning Research & Development Corporation Light source assemblies and systems and methods with mode homogenization
USD846119S1 (en) 2017-01-24 2019-04-16 Medtronic Advanced Energy Llc Lighted surgical retractor base
WO2018140208A1 (en) 2017-01-24 2018-08-02 Medtronic Advanced Energy Llc Modular lighted surgical retractor
US10194975B1 (en) 2017-07-11 2019-02-05 Medtronic Advanced Energy, Llc Illuminated and isolated electrosurgical apparatus
US10539758B2 (en) 2017-12-05 2020-01-21 Corning Research & Development Corporation Traceable fiber optic cable assembly with indication of polarity
US10539747B2 (en) 2017-12-05 2020-01-21 Corning Research & Development Corporation Bend induced light scattering fiber and cable assemblies and method of making
US10921524B2 (en) * 2017-12-30 2021-02-16 Intel Corporation Crimped mm-wave waveguide tap connector

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030095781A1 (en) * 1997-07-02 2003-05-22 Williams Jeffrey B. Illuminated surgical retractor
CN1800892A (zh) * 2004-12-31 2006-07-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 高分辨率光纤传像束的制造方法
US20070208226A1 (en) * 2006-01-18 2007-09-06 Spotlight Surgical, Inc. Retractor illumination system
WO2007146314A2 (en) * 2006-06-13 2007-12-21 Spotlight Surgical, Inc. Film illumination system
CN101373241A (zh) * 2007-08-21 2009-02-25 日立电线株式会社 光波导型光耦合机构
CN101387723A (zh) * 2008-10-07 2009-03-18 华南理工大学 二维有序光纤阵列元件
CN102164621A (zh) * 2008-08-13 2011-08-24 因维缔有限公司 环烯烃聚合物和共聚物医疗装置
WO2012112454A2 (en) * 2011-02-14 2012-08-23 Invuity, Inc. Cyclo olefin polymer and copolymer medical devices

Family Cites Families (66)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3638644A (en) 1969-03-05 1972-02-01 Michael Elbert Illuminated surgical speculum
US3641332A (en) 1969-10-30 1972-02-08 Ebert Michael Fiber optics illumination system
DE2302614A1 (de) 1973-01-19 1974-07-25 Efrudec Vertriebsgesellschaft Spatel, vorzugsweise aus kunststoff
US4226228A (en) 1978-11-02 1980-10-07 Shin Hee J Multiple joint retractor with light
DE3023266A1 (de) 1980-06-21 1982-01-07 Original Hanau Heraeus Gmbh, 6450 Hanau Wundhaken fuer chirurgische zwecke
US4592344A (en) 1980-07-25 1986-06-03 Scheer Peter M Combination illuminator and lip and cheek expander
US4697578A (en) 1981-07-17 1987-10-06 Burgin Kermit H Acrylooptic tongue depressor and handle therefor incorporating adjustable viewing optics
EP0101781B1 (de) 1982-07-30 1986-11-20 W.C. Heraeus GmbH Wundhaken für chirurgische Zwecke
US4605990A (en) 1984-01-21 1986-08-12 Wilder Joseph R Surgical clip-on light pipe illumination assembly
US4562832A (en) 1984-01-21 1986-01-07 Wilder Joseph R Medical instrument and light pipe illumination assembly
US4571022A (en) * 1984-04-10 1986-02-18 Xerox Corporation Two row reduction/enlargement gradient index lens array
US4597030A (en) * 1985-01-31 1986-06-24 American Hospital Supply Corporation Surgical illuminator
US4643172A (en) 1985-10-21 1987-02-17 Taff Barry E Luminescent tongue depressor
JPS63257578A (ja) 1987-04-15 1988-10-25 森　敬 光照射治療装置
US4807599A (en) 1987-05-08 1989-02-28 Med-Struments, Inc. Illuminating tongue depressor
DE3736066C1 (de) 1987-10-24 1988-11-10 Aesculap Werke Ag Wundhaken
US4952022A (en) * 1989-03-02 1990-08-28 Xerox Corporation Fiber optic line illuminator with deformed end fibers and method of making same
US4961617A (en) 1989-07-19 1990-10-09 Ferrydon Shahidi Fibre optic waveguide illuminating elements
US5138678A (en) 1991-09-20 1992-08-11 Briggs Robert C Connector with a variable direction strain relief
CA2078839A1 (en) * 1991-09-25 1993-03-26 Marc Hoffman Double refraction and total reflection solid nonimaging lens
US5353786A (en) 1992-01-24 1994-10-11 Wilk Peter J Surgical lighting method
US5630809A (en) * 1994-12-19 1997-05-20 Connor; Christopher S. Intraocular slit illuminator and method therefor
US6185356B1 (en) 1995-06-27 2001-02-06 Lumitex, Inc. Protective cover for a lighting device
US5953477A (en) * 1995-11-20 1999-09-14 Visionex, Inc. Method and apparatus for improved fiber optic light management
US6031958A (en) * 1997-05-21 2000-02-29 Mcgaffigan; Thomas H. Optical light pipes with laser light appearance
US6591049B2 (en) * 1997-07-02 2003-07-08 Lumitex, Inc. Light delivery systems and applications thereof
US6088540A (en) * 1997-09-17 2000-07-11 Eastman Kodak Company Camera flash unit including a condenser lens element with a TIR surface
US6411373B1 (en) * 1999-10-08 2002-06-25 Instrumentation Metrics, Inc. Fiber optic illumination and detection patterns, shapes, and locations for use in spectroscopic analysis
US6347874B1 (en) 2000-02-16 2002-02-19 3M Innovative Properties Company Wedge light extractor with risers
US6948832B2 (en) * 2002-09-10 2005-09-27 Honeywell International, Inc. Luminaire device
US6846089B2 (en) 2003-05-16 2005-01-25 3M Innovative Properties Company Method for stacking surface structured optical films
US20050113641A1 (en) * 2003-11-22 2005-05-26 Bala John L. Endoscopic imaging and intervention system
US7454103B2 (en) 2004-04-23 2008-11-18 Parriaux Olivier M High efficiency optical diffraction device
US8033706B1 (en) 2004-09-09 2011-10-11 Fusion Optix, Inc. Lightguide comprising a low refractive index region
US7510524B2 (en) 2005-04-04 2009-03-31 Invuity, Inc. Optical waveguide sheath
US9005115B2 (en) 2005-04-04 2015-04-14 Invuity, Inc. Illuminated telescoping cannula
US20060237735A1 (en) 2005-04-22 2006-10-26 Jean-Yves Naulin High-efficiency light extraction structures and methods for solid-state lighting
US20070058391A1 (en) 2005-09-14 2007-03-15 Wilson Randall H Light extraction layer
US7486854B2 (en) 2006-01-24 2009-02-03 Uni-Pixel Displays, Inc. Optical microstructures for light extraction and control
US7593615B2 (en) 2006-02-10 2009-09-22 Rpc Photonics, Inc. Optical devices for guiding illumination
US10098781B2 (en) * 2006-03-24 2018-10-16 Topcon Medical Laser Systems Inc. Multi-spot optical fiber endophotocoagulation probe
US7733439B2 (en) 2007-04-30 2010-06-08 Qualcomm Mems Technologies, Inc. Dual film light guide for illuminating displays
US7991257B1 (en) 2007-05-16 2011-08-02 Fusion Optix, Inc. Method of manufacturing an optical composite
JP5535923B2 (ja) * 2007-10-09 2014-07-02 ニコール，アンソニー，ジェイ 被照明膜への光結合
US8434909B2 (en) 2007-10-09 2013-05-07 Flex Lighting Ii, Llc Light emitting display with light mixing within a film
US8088066B2 (en) 2007-10-24 2012-01-03 Invuity, Inc. Blade insert illuminator
US20110001901A1 (en) 2007-12-05 2011-01-06 Solomon Jeffrey L Dual lightguide
US9402643B2 (en) * 2008-01-15 2016-08-02 Novartis Ag Targeted illumination for surgical instrument
US8851734B2 (en) 2008-03-27 2014-10-07 Skc Haas Display Films Co., Ltd. Light guiding film having light extraction features
WO2010005655A2 (en) 2008-07-10 2010-01-14 3M Innovative Properties Company Viscoelastic lightguide
US8783898B2 (en) 2009-05-01 2014-07-22 Abl Ip Holding Llc Light emitting devices and applications thereof
US8278841B2 (en) * 2009-07-02 2012-10-02 Innovations In Optics, Inc. Light emitting diode light engine
BR112012003745A2 (pt) * 2009-08-21 2019-09-24 3M Innovantive Properties Company métodos e produtos para iluminação de tecidos
WO2011032135A2 (en) 2009-09-14 2011-03-17 Unipixel Displays, Inc. Light-extraction graphics film
US8292805B2 (en) * 2009-11-10 2012-10-23 Invuity, Inc. Illuminated suction apparatus
KR101716922B1 (ko) 2009-12-08 2017-03-15 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 도광체 및 저굴절률 필름을 포함하는 광학 구조체
KR101939719B1 (ko) 2010-04-16 2019-01-17 플렉스 라이팅 투 엘엘씨 필름 기반 라이트가이드를 포함하는 프론트 조명 디바이스
WO2011130715A2 (en) * 2010-04-16 2011-10-20 Flex Lighting Ii, Llc Illumination device comprising a film-based lightguide
US9028123B2 (en) 2010-04-16 2015-05-12 Flex Lighting Ii, Llc Display illumination device with a film-based lightguide having stacked incident surfaces
GB201008601D0 (en) 2010-05-24 2010-07-07 Design Led Products Ltd Lighting apparatus
US8646960B2 (en) 2010-08-03 2014-02-11 3M Innovative Properties Company Scanning backlight with slatless light guide
US9011323B2 (en) * 2010-10-08 2015-04-21 Invuity, Inc. Method and apparatus for soft tissue retraction
US9066678B2 (en) * 2011-09-23 2015-06-30 Alcon Research, Ltd. Ophthalmic endoilluminators with directed light
DE102011086325A1 (de) * 2011-11-15 2013-05-16 Karl Storz Gmbh & Co. Kg Beleuchtungsoptik, Beobachtungseinrichtung und Verfahren zum Erzeugen eines Beleuchtungslichtbündels
KR102176485B1 (ko) 2012-09-24 2020-11-09 인뷰이티 인코퍼레이티드 광의 광학적 특성을 제어하는 방법 및 장치
US9817191B2 (en) * 2013-06-14 2017-11-14 Chiral Photonics, Inc. Multichannel optical coupler array

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030095781A1 (en) * 1997-07-02 2003-05-22 Williams Jeffrey B. Illuminated surgical retractor
CN1800892A (zh) * 2004-12-31 2006-07-12 中国科学院西安光学精密机械研究所 高分辨率光纤传像束的制造方法
US20070208226A1 (en) * 2006-01-18 2007-09-06 Spotlight Surgical, Inc. Retractor illumination system
WO2007146314A2 (en) * 2006-06-13 2007-12-21 Spotlight Surgical, Inc. Film illumination system
CN101373241A (zh) * 2007-08-21 2009-02-25 日立电线株式会社 光波导型光耦合机构
CN102164621A (zh) * 2008-08-13 2011-08-24 因维缔有限公司 环烯烃聚合物和共聚物医疗装置
CN101387723A (zh) * 2008-10-07 2009-03-18 华南理工大学 二维有序光纤阵列元件
WO2012112454A2 (en) * 2011-02-14 2012-08-23 Invuity, Inc. Cyclo olefin polymer and copolymer medical devices

Also Published As

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