JP2010513958A - ビームを遮断および結合する光学部品 - Google Patents

Abstract

基板のビーム結合側に施された硬質誘電体コーティングを有する楔形の透光性基板を備えるビーム遮断および結合光学部品。コーティングは、レーザー波長において高反射率を有し、可視波長において高透過率を有する。単一の光学部品が、良好なカラーバランス、観察路中の非常に低い非点収差、および反射レーザービーム中の非常に低い非点収差を提供すると同時に、レーザービームを観察路に結合し、反射レーザー光線から観察者を保護するためのレーザー安全フィルタとして作用することができる。

Description

本発明は、観察路にレーザービームを結合（combine）するのに有用な光学素子に関する。特に、本発明は、観察路にレーザービームを非常に低い非点収差で結合し、観察者のレーザー安全保護を行うことのできるビーム遮断および結合を提供する。本発明は、とりわけ眼科用レーザー装置に適用される。

医療レーザーの適用において、レーザービームで標的領域を処置している間に施術者がその領域を見ることができるように、顕微鏡の観察路にレーザー照準ビームおよびレーザー処置ビームを結合することがしばしば求められる。観察路にレーザービームを結合する方法は、観察の質を低下させたり、レーザービームを歪めたりしないことが好ましい。この構成の重要な安全上の側面は、標的から散乱または反射した処置ビームレーザー光線から観察者が保護されることである。

これらの要件を達成するべく、ニデック社（Nidek Co Ltd.）に譲渡された米国特許出願第２００２／０１６５５２５号に記載の方法などの様々な方法が使用されている。この場合、レーザービームを観察路に指向させるのにミラーが用いられ、観察者をレーザー光線から保護するのに独立した保護フィルタが用いられる。この設計の限界は、観察路との干渉を回避するようにミラーのサイズおよび配置を設定しなければならないことである。

カールツァイス財団（Carl Zeiss Stiftung）に譲渡された米国特許第５６３４９２３号に別の構成が記載されている。この構成では、波長選択的コーティングが施された偏向光学部品が用いられる。コーティングは、使用される処置レーザー波長で大きな反射性を示す一方、他の波長で反射性を示さないように設計される。これにより、観察路を横切るように偏向光学部品を配置することが可能になり、反射レーザー光線の大部分が観察路から反射されるというさらなる利点も得られる。しかしながら、安全性の要件を満たすためには依然としてレーザー保護フィルタが必要であり、観察カラーバランスを変える波長選択的コーティングにより観察の質は低下する。

ニデック社に譲渡された米国特許第５９５４７１１号に別の構成が記載されている。ニデック社の構成においては、レーザービームを観察路に結合するように、またレーザー保護フィルタの機能を果たすように二色性ミラーが設計されている。この設計でも、波長選択的コーティングが用いられるが、それに加えて、観察路に入るあらゆる反射レーザー光線を吸収するように基板材料が選択される。このようにして、独立したレーザー保護フィルタは避けられているが、観察路のカラーバランスの変化により観察の質は制約を受けることになる。

カラーバランスの変化の問題については、コヒーレント社（Coherent Inc.）に譲渡された米国特許第５９６６２４０号で述べられている。このコヒーレント社の構成において、結合光学部品上の波長選択的コーティングは、より自然なカラーバランスを観察者に与えるように設計されているが、依然として独立したレーザー保護フィルタが必要である。

波長選択的コーティングを使用するこれらの結合光学部品の設計は、レーザービームの質を低下させて観察の質を悪化させる非点収差にも悩まされている。これは、コーティング処理に起因する光学部品の湾曲を引き起こす応力のせいであり、これがレーザービームに非点収差をもたらす。また、角度の付いた平行ガラス板を基板として使用していることもその原因であり、これが観察路中に非点収差をもたらす。

コーティング処理に起因する湾曲を引き起こす応力を低減するためには、コーティングの厚みを最小限に抑えるとともに、応力に耐えるように基板の厚みを大きくする必要があるが、観察路中の非点収差を最小限にするためには、基板の厚みは最小限に抑える必要がある。これらの相容れない要件のために、通常、レーザービームおよび観察路中の非点収差のレベルと、処置レーザー波長で完全には反射性ではないコーティングとを備える妥協した設計となり、そのせいで独立したレーザー保護フィルタを用いなければならない。

この非点収差を補正する試みが、ニデック社に譲渡された日本国特許第４１６４４４４号に記載されている。ニデック社は、湾曲した二色性ミラーを使用している。この湾曲のために反射性領域の有効サイズが制約を受けるし、依然として独立したレーザー保護フィルタが必要である。

レーザー装置における非点収差の問題は、いくつかの出願において楔形ビームスプリッタを用いて取り組まれている。ひとつの典型例が、ＬＧエレクトロニクス社（LG Electronics Inc．）に譲渡された米国特許第６６１１３８３号に記載されている。これらの出願では、観察者を保護するためのレーザー安全フィルタは必要とされず、厚手の誘電体コーティングも必要とされない。

米国特許出願第２００２／０１６５５２５号 米国特許第５６３４９２３号 米国特許第５９５４７１１号 米国特許第５９６６２４０号 日本国特許第４１６４４４４号 米国特許第６６１１３８３号

本発明は、従来技術において認識される一以上の問題を改善するビーム遮断および結合光学部品を提供することを目的とする。

唯一である必要はなく実際に広義の形態であるが、一つの形態において、本発明はビームを遮断および結合する光学部品に関し、光学部品は、基板のビーム結合側に施された硬質誘電体コーティングを有する楔形の透光性基板を備え、コーティングは、レーザー波長において高反射率を有し、可視波長において高透過率を有する。

楔形は、基板を通して見た場合に非点収差を最小にするように選択される楔角度を有するように設計される。
基板材料は、応力を最小にして結果として基板の湾曲を最小にするために、基板の熱膨張係数が誘電体コーティングの熱膨張係数と一致するように選択され、レーザービーム非点収差をさらに低減する。

透光性基板は、誘電体コーティングを施すことで生じる残留応力による基板の湾曲を低減するために、中心ビーム軸における厚みが２ｍｍから５ｍｍの間に形成されることが適当であり、これによりレーザービーム非点収差を最小化する。

適切には、基板は、反射防止コーティングを、基板の硬質誘電体コーティングとは反対側に有する。反射防止コーティングは、可視波長域に亘って反射を最小にするように設計される。

ビーム遮断および結合光学部品は、観察路および反射レーザービーム中の非点収差が非常に低くなるようにレーザービームを観察路に結合する。基板のビーム結合側に施される硬質誘電体フィルタコーティングは、レーザービームを観察路に指向させるとともに、反射レーザー光線から観察者を保護するためのレーザー安全フィルタとして作用するために、レーザー波長において高反射性に設計される。コーティングは、反射によって遮断される波長域を視覚的に補償するために、複数の層を用いて可視スペクトルに亘る透過の制御された干渉フィルタを形成し、観察路の良好なカラーバランスを維持するように特に設計される。

これらの手段により、単一の光学部品が、良好なカラーバランス、観察路中の非常に低い非点収差、および反射レーザービーム中の非常に低い非点収差を提供すると同時に、レーザービームを観察路に結合し、反射レーザー光線から観察者を保護するためのレーザー安全フィルタとして作用することができ、従来技術の設計を改善する。

本発明の理解を助けるために、好ましい実施形態を以下の図面を参照して説明する。

典型的な構成におけるビーム遮断および結合光学部品を示すブロック図。 誘電体コーティングの一実施形態の透過プロファイルを示すグラフ。 誘電体コーティングの一実施形態のレーザー処置ビーム波長で達成可能な光学密度を示すグラフ。 中心ビーム軸における厚みと楔角度の関係を示す好ましい実施形態の詳細を示すブロック図。

本発明の種々の実施形態を説明するにあたって、同様の特徴の説明には共通の参照符号を使用する。
図１を参照すると、典型的な眼科用途のビーム遮断および結合光学部品１０が示されている。光学部品１０は、ビーム結合面１３上に硬質誘電体コーティング１２を有する楔形の基板１１で構成される。基板１１は典型的には、２ｍｍから５ｍｍの中心厚みを有する。観察者１４は、観察路１５に沿って光学部品１０を覗いて標的領域１６を観察する。白色光源１７は、典型的には標的領域１６を照らすために利用することが可能である。

レーザー１８は、標的領域１６を処置するために使用される。硬質誘電体コーティング１２は、レーザー１８からのレーザービーム１９がコーティング１２によって標的領域１６に反射されるように、レーザー波長において高反射性に設計される。コーティング１２は、反射によって遮断される波長域を視覚的に補償するために、複数の層を用いて可視スペクトルに亘る透過の制御された干渉フィルタを形成し、観察路１５の良好なカラーバランスを維持するように特に設計される。

レーザー光線２０は、標的領域から観察方向に沿って散乱して戻るが、硬質誘電体コーティング１２によって遮断され、これにより観察者１４は保護される。
基板は、反射防止コーティング２１を、基板の硬質誘電体コーティングとは反対側に有する。反射防止コーティング２１は、可視波長域に亘って反射を最小限に抑えるように設計される。

コーティング１２の正確なカラーバランスによって生み出される光学部品１０の典型的な透過特性を図２に示す。この例では、レーザー処置ビーム波長は緑色域にある５３２ｎｍであり、この波長を中心とした狭い範囲において透過が最小限に抑えられている。この緑色波長の排除による色歪みを最小限に抑えるために、５８０ｎｍを上回る赤色域における透過は、波長が増大するにつれ徐々に減少させられる。同様に、４６０ｎｍを下回る青色域における透過は、波長が減少するにつれ徐々に減少させられる。このカラーバランスの結果、本質的に自然な色合いとなり、観察者１４は本来の色合いの（true colour）画像を得ることができる。

図２は、低パワーのレーザー照準ビームをどのようにして光学部品１０とともに使用するかの一例もまた示している。照準ビーム波長において透過は約５５％であり、その場合、処置ビーム１９と同心円上にあるレーザー照準ビームの一部は標的１６上に反射され、一部は観察者１４に向けて観察路１５に沿って透過される。

図３は、本発明の設計を用いて、処置レーザー波長において達成可能な光学密度を示したグラフである。この例では、５３２ｎｍの処置レーザー波長において５．５を超える光学密度が達成されたが、これはほとんどの場合、観察者１４を保護するための安全フィルタの追加の必要を無くすのに十分である。この光学密度を与えうる多層誘電体コーティングは、従来技術の設計における基板を歪ませて非点収差をもたらすこともあるが、本発明の厚みのある楔形の光学設計によりこの問題は回避される。

本発明の好ましい実施形態を図４に示す。この例では、以下のとおり、中心軸における種々の厚み（ｔ）に対して楔角度（α）が選択されうる。

これらの値、および他の厚みに対する最適な楔角度は、非点収差値を与える光線追跡ソフトウェアに基づくコンピュータを用いて算出することができる。必要な基板厚さの値をモデリングすることにより、観察路１５中の非点収差の最小値を与える楔角度が選択される。

基板材料は、基板の熱膨張係数と、硬質誘電体コーティングに用いられる構造および材料の熱膨張係数の比較に基づいて選択することができる。たとえば、硬質誘電体コーティングは、シリカおよびハフニアが交互に重なる複数の層から構成することができる。シリカおよびハフニアの熱膨張係数は、０．５９×１０^−６／℃および４．６×１０^−６／℃である。基板材料として溶融シリカを選択することにより、コーティング処理によって生じる残留応力は、８．３ｍｍ×１０^−６／℃の熱膨張係数を有するＢＫ７ガラスを使用する場合と同等にまで最小限に抑えることができる。

本発明は、観察路中および反射レーザービーム中の非点収差が非常に低くなるようにレーザービームを観察路に結合するとともに、観察者を保護するためにレーザー波長を高光学密度フィルタリングするビーム遮断および結合光学部品を提供する。

明細書を通して、本発明の好ましい実施形態は、本発明をいずれかの実施形態または特定の特徴の集合に限定することなく、説明する目的のものである。本発明の広義の範囲に含まれる様々な変形および変更が当業者には明らかであろう。

Claims (19)

1. 基板のビーム結合側に施された硬質誘電体コーティングを有する楔形の透光性基板を備え、コーティングは、レーザー波長において高反射率を有し、可視波長において高透過率を有することを特徴とする、ビーム遮断および結合光学部品。
2. 楔形は、基板を通して見た場合に非点収差を最小にするように選択される楔角度を有するように設計される、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
3. 基板材料は、応力を最小にして結果として基板の湾曲を最小にするために、基板の熱膨張係数が誘電体コーティングの熱膨張係数と一致するように選択され、これによりレーザービーム非点収差はさらに低減される、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
4. 透光性基板は、誘電体コーティングを施すことで生じる残留応力による基板の湾曲を低減するために、中心ビーム軸における厚みが２ｍｍから５ｍｍの間に形成され、これによりレーザービーム非点収差は最小化する、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
5. 基板は、反射防止コーティングを、基板の硬質誘電体コーティングとは反対側に有する、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
6. 反射防止コーティングは、可視波長域に亘って反射を最小にするように設計される、請求項５に記載のビーム遮断および結合光学部品。
7. 硬質誘電体コーティングは、シリシアおよびハフニアが交互に重なる複数の層から構成される、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
8. 基板材料は溶融シリカである、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
9. 楔形は、中心ビーム軸における種々の厚みに対して選択される楔角度を有するように設計される、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
10. ビーム遮断および結合光学部品は、観察者と標的の間の観察路にレーザービームを結合し、レーザービームはレーザー照準ビームおよびレーザー処置ビームを含む、請求項１に記載のビーム遮断および結合光学部品。
11. ビーム遮断および結合光学部品は、観察路中および反射レーザービーム中の非点収差を最小にする、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
12. 硬質誘電体コーティングは、観察路にレーザービームを指向させるとともに、反射レーザー光線から観察者を保護する、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
13. 硬質誘電体コーティングは、レーザー照準ビームを一部、標的に向けて反射し、かつ、レーザー照準ビームを一部、観察者に向けて透過する、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
14. 硬質誘電体コーティングは、レーザー処置ビームを標的に向けて反射し、かつ、標的から観察者に向けて散乱または反射するレーザー処置光線を遮断する、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
15. 硬質誘電体コーティングは、レーザー処置ビームの波長において５．５を超える光学密度を有する、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
16. 硬質誘電体コーティングは、複数の層を用いて可視スペクトルに亘る透過の制御された干渉フィルタを形成し、観察路の良好なカラーバランスを維持するように特に設計される、請求項１０に記載のビーム遮断および結合光学部品。
17. 干渉フィルタは、観察路中の色歪みを最小にするために、反射によって遮断されるレーザー処置ビームの波長を視覚的に補償するようにして透過を制御する、請求項１６に記載のビーム遮断および結合光学部品。
18. 観察路の色歪みは、赤色スペクトル領域の波長の増大および青色スペクトル領域の波長の減少とともに徐々に減少する透過により緑色スペクトル領域の波長が遮断されたとき、最小化される、請求項１７に記載のビーム遮断および結合光学部品。
19. 観察路の色歪みは、５８０ｎｍを上回る波長および４６０ｎｍを下回る波長の徐々に減少する透過により５３２ｎｍの波長が遮断されたとき、最小化される、請求項１７に記載のビーム遮断および結合光学部品。

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