JP2019500098A - ファイバオプティクス照明供給システムからの光の発散 - Google Patents

Abstract

光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバと、近端において光ファイバから照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で照明光を放出するように構成された、光ファイバの遠端における光散乱要素と、を含む照明ファイバオプティクスが提供されている。照明ファイバオプティクスは、光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバを提供し、且つ、光ファイバから近端において照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で照明光を放出するように構成された、光ファイバの遠端における光散乱要素を生成することにより、調製することができる。

Description

本特許文献は、ファイバオプティクスイルミネータに関する。更に詳しくは、本特許文献は、広い光放出角を有する細いファイバオプティクスイルミネータに関する。

硝子体網膜手術手順の際などの、後部領域における眼科手術の際には、手術領域を照明する優先度が高い。イルミネータは、その挿入のために小さな切り込みで十分となるように、小さな直径を有する必要がある。同時に、これらは、可能な最大のエリアを照明するべく、可能な限り広い角度で照明光を放出する必要がある。放出の角度は、開口数と、従って、ファイバの直径と、によって制御される。一般に、相対的に広い放出角を実現するには、相対的に太いファイバが必要とされる。従って、小さなファイバ直径と大きな照明角というこれら２つの設計基準は、互いに直接的な競合関係にあり、その結果、良好な設計の最適な実現は、困難な課題となっている。

いくつかの既存のイルミネータは、光ファイバを先端に向かって相対的に小さな直径にテーパー化させることにより、照明角度を増大させている。光線の分析結果は、ファイバの開口数が自然にサポートする角度との比較において、このようなファイバオプティクスイルミネータは、相対的に大きな角度で光線を放出しうることを示している。ファイバのテーパー化は、通常、熱的な、機械的な、又は化学的な方式により、実行されている。

但し、これらのテーパー化されたファイバイルミネータの性能は、正しいテーパー角を有するファイバの正確な製造の影響を非常に受けやすいことが明らかになっている。この小さな裕度の順守は、製造上の大きな課題である。更には、相対的に大きな角度の発散の実現は、ファイバのコア及びクラッディングの屈折率に対しても厳格な設計要件を課すことになる。

その他のイルミネータは、機械的な、放射的な、又は化学的なプロセスによって光ファイバの先端を改質することにより、製造されている。但し、これらのしばしば強制的である製造ステップにおいてファイバの完全性を保持するべく、これらのファイバは、通常、支持を目的として、製造シース又はジャケット内において収容しなければならない。この要件に起因し、通常、製造が複雑化し、且つ、その原価が増大する。

更には、現在の手術慣行においては、外科医は、通常、一方の手で水晶体の先端を保持し、且つ、他方の手で水晶体切除器を保持しており、これらは、いずれも、専用の切り込みを介して眼に進入した状態にある。従って、イルミネータを第３の切り込みを通じて挿入された状態で保持するべく、更なる高度に訓練された看護師又は下級の医療専門家が必要とされている。イルミネータをその他の手術装置のうちの１つと統合しうる場合には、第３の手に対するニーズが除去され、その結果、手術手順を外科医のみによって実行可能な２手型（ｔｗｏ−ｈａｎｄｅｄ）の又は両手型（ｂｉ−ｍａｎｕａｌ）のものとすることができよう。これらの眼科手順に必要とされる手術専門家の数の低減は、多数の利点をもたらすことになろう。

又、相対的に少ない数の切り込みしか必要としないことにより、眼科手術の切り込みによって生成される眼の変形及び構造的な弱化も低減されることになろう。

現在のイルミネータにおいては、上述のニーズの充足が容易ではなく、その理由は、これらが、しばしば、５００ミクロン超のファイバ直径を有するなどのように、相対的に太いファイバを使用しているからである。更には、これらは、しばしば、強度を目的として、ジャケット又はシースを有している。このような太いイルミネータが、なんらかの形態でその他の手術装置のうちの１つに付着された場合には、その統合された装置の直径又はフォームファクタが大幅に増大し、その結果、その挿入に必要とされる切り込みのサイズが望ましくないレベルにまで増大することになろう。

従って、小さな直径を有しつつも、照明光を広い角度に放出しうる、その製造のためにシース又はジャケットを必要とせず、且つ、装置のフォームファクタを増大させることなしに別の手術装置と一体化され、これにより、眼科手術手順に必要とされる切り込みの数のみならず、眼科手術に必要とされる、手の数と、従って、専門家の数と、を低減しうるイルミネータに対するニーズが存在している。

本特許文献の実施形態は、光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバと、近端において光ファイバから照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で照明光を放出するように構成された、光ファイバの遠端における光散乱要素と、を有する照明ファイバオプティクスを導入することにより、上述の課題に対処している。

いくつかの実施形態においては、眼科装置用の照明ファイバオプティクスは、光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバを提供するステップと、近端において光ファイバから照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で照明光を放出するように構成された、光ファイバの遠端における光散乱要素を生成するステップと、を有するプロセスによって調製されている。

いくつかの実施形態においては、プロセスは、セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、及びナノ構造化ガラスのうちの少なくとも１つを含むガラスセラミック光散乱要素を有する微細柱状体を提供するステップと、光ファイバ及びガラスセラミック微細柱状体によって形成されたギャップに跨って電極の間においてアークを生成することにより、ガラスセラミック微細柱状体を光ファイバに融着接続するステップと、光ファイバ及び微細柱状体の対向する表面を鍛造可能状態及び溶融状態のうちの１つとするべく十分に長い時間にわたってアークを維持するステップと、光ファイバ及び微細柱状体の対向する表面を押圧し、且つ、これにより、これらを１つに融合するステップと、を有することができる。いくつかの実施形態は、光ファイバ及びガラスセラミック微細柱状体の対向する表面のうちの少なくとも１つを加熱するべくレーザービームを印加することにより、ガラスセラミック微細柱状体を光ファイバに対して融合するステップを含むことができる。

既存のファイバオプティクスを製造するプロセスを示す。 ファイバオプティクス１００の実施形態を製造するプロセスを示す。 ファイバオプティクス１００及び手術装置を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス２００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス３００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス３００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス４００／４５０を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス４００／４５０を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス４００／４５０を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス４００／４５０を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス５００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス５００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス６００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス６００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス７００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス７００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス７００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス８００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス８００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス９００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス９００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス９００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス１０００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス１０００を示す。 ファイバオプティクス１００を製造するプロセス１０００を示す。

本明細書において記述されている実施形態は、以下の有利な態様を導入することにより、上述のニーズ及び課題に対処している。

（ａ）実施形態において、ファイバオプティクスは、非常に小さな直径の光ファイバを使用することによって製造されている。ファイバをテーパー化する代わりに、光散乱要素が光ファイバの遠端において形成されている。

（ｂ）本明細書において記述されている製造プロセスによれば、個々のファイバオプティクスを支持するべく、ジャケット又はシースが不要であり、これは、その製造プロセスを目的とした場合にも、当て嵌まる。この結果、製造が、相対的に簡単になり、且つ、従って、廉価になる。

（ｃ）又、ファイバオプティクスの小さな直径及びジャケット又はシースの欠如に起因し、手術手順用の照明を提供するべく、装置のフォームファクタ又は有効直径を増大させることなしに、ファイバオプティクスを様々な手術装置と統合することが可能となる。このような「自己照明型」の手術装置によれば、手術照明供給源用の、現時点において慣習的である別個の第３の切り込みを施すニーズが除去される。有利には、相対的に少ない数の切り込みは、眼科手術によって生成される眼の変形及び構造的弱化を低減する。

（ｄ）又、これらの自己照明型の装置は、手術器具を保持するべく必要とされる手の数を低減する。本明細書において記述されている自己照明型の手術装置によれば、すべての器具を保持するべく、通常は、３つの手と、従って、主任外科医の隣に位置する高度に訓練された看護師又は下級の医師と、を必要としている手術を３手型の手順から２手型の又は両手型の手順に変換することができる。これは、有利には、本明細書において記述されている装置を使用することにより、第２の手術スタッフメンバに対するニーズを除去することができることを意味している。

（ｅ）本明細書において提示されている設計及びプロセスは、現在広く使用されているファイバのテーパー化に伴う高度な感度などの、ファイバ製造の精度に対する感度を低減しており、その理由は、本明細書において提示されている設計が、ファイバの遠端において別個の光散乱要素を形成しているからである。一般に、相対的に感度が低い設計は、費用を低減し、且つ、歩留まりを増大させる。

図１は、現在受け入れられている手順によって既存のファイバオプティクスを製造するプロセスを示している。ファイバオプティクス１０は、光ファイバ１１と、その遠端における光散乱要素１２と、を含むことができる。通常、個々のファイバオプティクス１０は、ファイバオプティクス１０の安定性及び構造的強度を提供するべく、ジャケット１３又はシースによって支持されている。このジャケットは、製造プロセスにとって特に有用であり、その理由は、機械的又は化学的手段による又はハイパワーレーザーの適用による光散乱要素１２の形成は、ファイバ１１を不安定化させうる、これに亀裂を生じさせうる、或いは、場合によっては、これを破壊させうるからである。

既存のファイバオプティクス１０は、しばしば、５００ミクロン超の直径を有しており、且つ、これらが、少なくとも製造のために、ジャケットを必要としているという事実に起因し、これらの既存のファイバオプティクス１０は、太くなっており、大きな外径（「ＯＤ：Ｏｕｔｅｒ Ｄｉａｍｅｔｅｒ」）を有する。従って、これらを手術装置に装着すれば、その手術装置のフォームファクタ又は有効直径が増大することになろう。その結果、望ましくない方式によって相対的に大きな切り込みを施すことが必要となろう。従って、照明ファイバオプティクスの直径の低減は、手術用途において、優先順位の高いニーズである。

図２は、既存のシステムよりも格段に小さな直径を有する照明ファイバオプティクス１００の実施形態を示している。ファイバオプティクス１００は、光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバ１１０又は単純にファイバ１１０と、ファイバ１１０の遠端において形成された光散乱要素１２０と、を含むことができる。光散乱要素１２０は、別個に形成した後に、光ファイバ１１０に付着させることができる。その他の実施形態においては、光散乱要素１２０は、ファイバ１１０の遠端において、その上部において、又はその内部において、直接的に形成することができる。光散乱要素１２０は、その近端においてファイバ１１０から照明光を受け取ると共にその遠端において広い角度で照明光を放出するように、構成することができる。

ファイバオプティクス１００の外径Ｄは、５００ミクロン未満にすることができる。いくつかの実施形態においては、外径Ｄは、１５０ミクロン未満にすることができる。更にその他の実施形態においては、外径Ｄは、５０ミクロン未満にすることができる。

いくつかの実施形態においては、ファイバオプティクス１００をテーパー化させることが可能であり、これは、遠端において５０ミクロン未満の外径を有することが可能であり、且つ、近端において５０ミクロン超の外径を有することができる。

いくつかの実施形態においては、光散乱要素１２０の近端直径は、光ファイバ１１０の遠端直径を下回ることが可能であり、これと等しくすることも可能であり、或いは、これを上回ることもできる。

最後に、ファイバオプティクス１００が、本明細書において記述されているプロセスによって製造される際には、光ファイバ１１０及び光散乱要素１２０は、製造ジャケット１３０を使用することなしに、製造することができる。

図３Ａ〜図３Ｂは、これらの小さな直径のファイバオプティクス１００の実施形態を眼科手術装置１４０に装着することができることを示している。図３Ａにおいては、眼科手術装置１４０は、一側部上において形成された収容ノッチ１４１を有することが可能であり、且つ、ファイバオプティクス１００は、アライメントされた方式により、このノッチ１４１に沿って手術装置１４０に装着することができる。収容ノッチ１４１の形成、非常に小さいファイバの直径、及びファイバオプティクス１００用のジャケットの欠如により、手術装置１４０に対するファイバオプティクス１００の装着は、手術装置１４０の全体的なフォームファクタ、断面、又は外径１４２を増大させないという能力をもたらす。例えば、２３ゲージよりも細い外径を有する（即ち、相対的に大きなゲージを有する）眼科手術装置１４０は、その収容ノッチ１４１に対するファイバオプティクス１００の装着の後にも、そのゲージを保持することができる。

ファイバオプティクス１００は、手術装置１４０によって実行される手術手順用の照明ライトとして機能するべく、照明光を光散乱要素１２０の遠端において放出するように構成することができる。

図３Ｂは、ファイバオプティクス１００が手術装置１４０に対して装着されていない、別の可能な実施形態を示している。代わりに、これは、その光軸に沿って眼科手術装置１４０内において中心に埋め込まれている。このような実装形態は、極めて小さなフォームファクタを有することが可能であり、即ち、いくつかのケースにおいては、４０ゲージよりも細い外径を有することができる。

ファイバオプティクス１００は、関節接続型のレーザープローブ、照明シャンデリア、トロカールカニューレ、平衡塩類溶液（ＢＳＳ：Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｓａｌｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）注入ライン、ナノファイバ内部イルミネータ、鉗子、水晶体手術装置、網膜手術装置、又は硝子体切除器を含む、様々な眼科手術装置１４０と組み合わせることができる。

ファイバオプティクス１００のいくつかの実施形態においては、光散乱要素１２０による光放出の広い角度は、ファイバオプティクス１００の光軸から外れた６０度における空気中の照明強度が、ファイバオプティクス１００の光軸に沿った０度における空気中の照明強度の２％超であることを特徴とすることができる。

その他の実施形態においては、広い角度の放出は、ファイバオプティクス１００の光軸から外れた３０度における空気中の照明強度が、ファイバオプティクス１００の光軸に沿った０度における空気中の照明強度の５０％超であることを特徴とすることができる。

図４は、ファイバオプティクス１００を製造するための一般的なプロセス２００のステップを示している。ステップ２０２は、光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバ１１０を提供するステップを含むことができる。

ステップ２０４は、近端において光ファイバ１１０から照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で照明光を放出するように構成された、光ファイバ１１０の遠端における光散乱要素１２０を生成するステップを含むことができる。いくつかの実施形態においては、生成ステップ２０４は、図５、図７、図９、図１１、図１５、及び図１９の実施形態におけるように、別個の光散乱要素１２０を生成し、且つ、次いで、これを光ファイバ１１０の遠端に付着させるステップを伴うことができる。その他の実施形態においては、光散乱要素１２０は、図１３及び図１７の実施形態におけるように、必ずしも別個の要素を光ファイバ１１０に付着させることなしに、これを光ファイバ１１０自体の遠端領域内において生成することにより、「光ファイバの遠端において」生成することができる。これらの後者の実施形態において、「光散乱要素は、光ファイバから近端において照明光を受け取るように構成されている」という用語は、光が、光ファイバ１１０を通じて伝播し、且つ、光ファイバ１１０の遠端領域において又はこの内部において生成された光散乱要素１２０に進入することを意味している。

図５Ａ〜図５Ｄは、この一般的なプロセスを実施する方式のいくつかの方法及び実施形態のうちの第１のものと、ファイバオプティクス１００のいくつかの実施形態のうちの第１のものと、を示している。

図５Ａ〜図５Ｄは、光散乱要素１２０が光散乱粒子３１０を含む実施形態を示している。いくつかの設計においては、光散乱粒子３１０は、ＴｉＯ_２粒子又はＡｌ_２Ｏ_３粒子を含むことができる。光散乱粒子３１０は、１００ｎｍ〜５μの範囲の直径を有することができる。いくつかのケースにおいては、その直径は、１０ｎｍ〜５０μの範囲であってもよい。これらの範囲の直径によれば、光散乱粒子３１０は、光を効果的に散乱させることにより、光散乱要素１２０がその遠端において広い角度で照明光を放出できるようにすることができる。

光散乱要素１２０は、ＰＭＭＡ、シリカ、ホウケイ酸塩、又はポリカーボネートポリマーなどの、ホスト材料又はマトリックスを含むことができる。光散乱粒子３１０は、ホスト材料又はマトリックス中において埋め込むことも可能であり、分散させることも可能であり、或いは、これと混合させることもできる。

プロセス３００は、以下のステップを含むことができる。

ステップ３０２／図５Ａ−（ａ）ホスト材料又はマトリックスと、ホスト材料内において埋め込まれた光散乱粒子３１０と、を含む第１直径Ｄ１のファイバプレフォーム３２０を提供する。プレフォーム３２０の第１直径Ｄ１は、５００μ超であってもよく、その他のケースにおいては、１０００μ超であってもよい。

ステップ３０４／図５Ｂ−（ｂ）第１直径Ｄ１よりも小さな第２直径Ｄ２に到達するように、ファイバプレフォーム３２０を延伸長さに引き延ばす。第２直径Ｄ２は、５００μ未満であってもよい。いくつかのケースにおいては、Ｄ２は、１５０μ未満であってもよく、その他のケースにおいては、５０μ未満であってもよい。１２５μの直径を有するファイバは、光通信において広く使用されており、従って、類似の直径のファイバを使用することにより、適切な開始ファイバプレフォーム及びその他の材料のみならず、製造技術及びツールに対する容易なアクセスが可能となる。

ステップ３０６／図５Ｃ−（ｃ）光散乱要素１２０として使用するべく、引き延ばされたファイバプレフォーム３２０の一部分を分離する。図５Ｃは、設計又はターゲット第２直径Ｄ２に到達した際に、引き伸ばされたファイバプレフォーム３２０の端部をプレフォーム３２０の残りの部分から破断させることができる、切断することができる、或いは、その他の方式によって分離することができることを破線によって示している。

ステップ３０８／図５Ｄ−（ｄ）接合により、或いは、接着材料３３０を適用することにより、分離された光散乱要素１２０を光ファイバ１１０の遠端に付着させている。熱又は化学加速器を必要に応じて使用することができる。

図６は、プロセス３００の同一のステップ３０２〜３０８をフローチャートにおいて示している。

図７Ａ〜図７Ｂは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス４００を示している。いくつかの実施形態においては、このプロセス４００は、セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、又はナノ構造化ガラスのうちの少なくとも１つを含む、ガラスセラミック微細柱状体４２０を含む光散乱要素１２０を製造するように設計されている。ここで、「ガラスセラミック」というフレーズは、ガラスから、或いは、セラミックから、或いは、ガラスセラミックから、製造されうる微細柱状体を広く意味している。

プロセス４００は、以下のステップを含むことができる。

ステップ４０２／図７Ａ−（ａ）セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、又はナノ構造化ガラスを含むガラスセラミック光散乱要素を有するガラスセラミック微細柱状体４２０を提供する。これらの実施形態は、必ずしも、微細球状体又は光散乱粒子のような更なる光散乱要素を利用するものではない。この代わりに、これらは、多孔質ガラス微細柱状体４２０の実施形態の微細孔などのそれ独自の内部散乱器により、光を散乱させている。

ステップ４０４／図７Ｂ−（ｂ）ガラスセラミック微細柱状体４２０を光ファイバ１１０に融着接続する。いくつかのケースにおいては、融着接続は、融合と呼称することもできる。ステップ４０４は、更に以下のステップを伴うことができる。

ステップ４０６−（ｂ１）光ファイバ１１０及びガラスセラミック微細柱状体４２０によって形成されたギャップに跨って電極４４０の間においてアーク４３０を生成する。アークは、融着接続を促進するべく、ファイバ１１０のみならず、ガラスセラミック微細柱状体４２０をも加熱することができる。

ステップ４０８−（ｂ２）光ファイバ１１０及び微細柱状体４２０の対向する表面のうちの少なくとも１つを、一般には、融着接続又は融合の準備が完了している、鍛造可能状態又は溶融状態とするべく、十分に長い時間にわたってアーク４３０を維持する。

ステップ４１０−（ｂ３）アーク４３０を中断した後に、光ファイバ１１０及び微細柱状体４２０の対向する鍛造可能状態又は溶融状態の表面を１つに押圧する。アーク４３０が中断されたら、対向する表面は、１つ又は複数の鍛造可能状態又は溶融状態の表面領域の冷却及び再硬化を開始し、これにより、融着接続４０４を完了させる。

プロセス３００との比較においてプロセス４００の態様を弁別しているものは、プロセス４００においては、光散乱要素１２０は、更なる材料、接着剤、又は接合剤の使用を伴うことなしに、その独自の溶融状態の材料により、ファイバ１１０に装着されているという点にある。このような設計は、付着表面における後方散乱及び過熱の影響を低減することができる。ファイバ１１０と光散乱要素１２０との間の付着表面を加熱する受け取られた照明光によるファイバオプティクス１００の過熱は、現在のファイバオプティクス１００の性能を制限する、或いは、場合によっては、毀損する、主要要因であることから、これは、極めて重要でありうる。

図７Ｃ〜図７Ｄは、関係する方法４５０を示している。図７Ｃは、ステップ４５２−（ａ）を示しており、ここでは、ステップ４０２と同様に、セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、又はナノ構造化ガラスを含むガラスセラミック光散乱要素を有するガラスセラミック微細柱状体４２０を提供している。

ステップ４５４／図７Ｄ−（ｂ）光ファイバ１１０及びガラスセラミック微細柱状体４２０の対向する表面のうちの少なくとも１つを加熱するべくレーザービーム４６０を適用することにより、ガラスセラミック微細柱状体４２０を光ファイバ１１０に融合している。外観上は、ステップ４５４は、ステップ４０４に類似しており、いずれも、光ファイバ１１０とガラスセラミック微細柱状体４２０のうちの少なくとも一方のものの一部分を加熱している。従って、ステップ４０４又は４５４は、それらが後から１つに融合又は融着接続されうるように、光ファイバ１１０及びガラスセラミック微細柱状体４２０のうちの少なくとも一方のものの内部において鍛造可能状態又は溶融状態の表面領域を生成するステップを伴っている。

図８Ａは、プロセス４００のステップ４０２〜４１０のフローチャートである。

図８Ｂは、プロセス４５０のステップ４５２〜４５４のフローチャートである。

図９Ａ〜図９Ｄは、ファイバオプティクス１００の実施形態を製造するプロセス５００を示している。これらの実施形態における１つの共有された特性は、光散乱要素１２０がガラス微細球状体５１０を含むという点にある。ガラス微細球状体５１０の直径は、０．５〜１０μの範囲であってもよい。この範囲の直径によれば、ガラス微細球状体５１０は、光を効果的に散乱させることにより、光散乱要素１２０がその遠端において広い角度で照明光を放出できるようにすることができる。

プロセス５００のステップは、以下のステップを含むことができる。

ステップ５０２／図９Ａ−（ａ）ガラス微細球状体５１０をポリマーマトリックス液体槽内において提供する。通常、槽５２０は、槽５２０のポリマーが、鍛造可能に、変形可能に、或いは、場合によっては、溶融体又は流動体に、なるように、高温に加熱されている。ガラス微細球状体５１０は、撹拌により、或いは、機械的な又はその他の手段により、槽５２０内において均等に分布又は分散させることができる。

ステップ５０４／図９Ｂ−（ｂ）光ファイバ１１０をポリマーマトリックス液体槽５２０内に浸漬する。又、光ファイバ１１０も、これが更なる利点をもたらす実施形態においては、加熱することができる。

ステップ５０６／図９Ｃ−（ｃ）光ファイバ１１０をポリマーマトリックス液体槽５２０から抽出する。ファイバ１１０が槽５２０から引き出される又は抽出されるのに伴って、鍛造可能な、但し、粘性を有する、ポリマー液体又はポリマー溶融体５２０の所定量が、ファイバ１１０に付着しうる。抽出されたファイバ１１０の遠端の先端上に付着した、このポリマー材料から、ポリマー液体５２０の表面張力は、ポリマー溶融体５２０中に埋め込まれたガラス微細球状体５１０を含むガラスボール５３０を形成することができる。ファイバ１１０の側壁を含むファイバ１１０の遠端又は遠端の先端は、ファイバ１１０とガラスボール５３０との間の相対的に良好な機械的接続を目的として、粗化することができる。

ステップ５０８／図９Ｄ−（ｄ）熱供給源による加熱を介してガラスボール５３０を焼結させる。焼結５０８は、ガラスボール５３０のポリマー溶融体含有量を低減し、且つ、いくつかのケースにおいては、完全に除去し、これにより、熱によって１つに焼結された、ガラス微細球状体５１０の高密度に充填された組立体のみを後に残すことができる。いくつかの実施形態においては、ガラスボール５３０の直径は、１０μ〜１０００μの範囲であってもよい。いくつかの実施形態においては、ガラスボール５３０の直径は、１０μ〜１００μの範囲であってもよい。

ガラスボール５３０内において、ガラス微細球状体５１０は、ガラス微細球状体とガラス微細球状体の間の気泡の間において屈折率勾配を生成するべく、一緒に焼結させることができる。これらの屈折率勾配及び気泡は、光の散乱において重要な役割を果たすことができる。

図１０は、プロセス５００のステップ５０２〜５０８をフローチャートにおいて示している。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス６００を示している。この実施形態においては、光の散乱は、溶融状態にある際にガラスボール要素の内部において形成される泡により、駆動されている。泡は、空気混入により、即ち、例えば、ポンプによって溶融状態のガラス内に泡を導くことにより、形成することができる。

プロセス６００は、以下のステップを含むことができる。

ステップ６０２／図１１Ａ−（ａ）空気混入により、微細泡６１０を溶融ガラス槽６２０内において形成する。槽内のガラスは、その溶融温度超に加熱することにより、溶融させることができる。

ステップ６０４／図１１Ｂ−（ｂ）光ファイバ１１０を溶融ガラス槽６２０内に浸漬する。

ステップ６０６／図１１Ｃ−（ｃ）光ファイバ１１０を溶融ガラス槽６２０から抽出する。ファイバ１１０が溶融ガラス槽６２０から引き出されるのに伴って、溶融体の表面張力は、光ファイバ１１０の遠端において、空気混入された泡を有するガラスボール６３０を形成する。

図１２は、プロセス６００のステップ６０２〜６０６をフローチャートにおいて示している。

図１３Ａ〜図１３Ｂは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス７００を示している。このプロセス７００においては、光の散乱は、光ファイバ１１０のレーザーによって亀裂生成されたファイバ端部領域７０１内において形成された亀裂により、駆動されている。従って、このプロセスは、以前のプロセスのうちのいくつかのものとは多少異なっており、その理由は、光散乱要素１２０が、別個に形成された後に光ファイバ１１０に付着されてはいないからである。代わりに、光散乱要素１２０を生成するステップは、光散乱要素１２０を光ファイバ１１０の遠端領域内において形成するステップを伴っている。

プロセス７００は、以下のステップを含むことができる。

ステップ７０２／図１３Ａ−（ａ）ファイバ１１０の遠端内において、空気ポケットを有する、亀裂パターン７０３を有するレーザーによって亀裂生成されたファイバ端部７０１の形成をもたらすべく、光ファイバ１１０の遠端に跨ってレーザービームをスキャニングする。

図１３Ｂは、亀裂パターン７０３が、光ファイバの遠端上におけるランダムな表面亀裂パターン７０３−１、光ファイバの遠端上における規則的な表面亀裂パターン７０３−２又は７０３−３、或いは、光ファイバの遠端における領域内の容積充填亀裂パターン７０３−４でありうることを示している。

例えば、規則的なパターン７０３−３は、１０〜５００μの範囲の、いくつかのケースにおいては、５０〜１００μの範囲の、直径Ｄを有するドット又は泡７０５−ｉの反復する規則的な配列であってもよい。これらのドット／泡は、１〜１００μだけ、いくつかのケースにおいては、１〜５μだけ、分離させることができる。これらのドット７０５−ｉは、ドットパターン７０５を形成することができる。ドット７０５−ｉは、パルス化レーザービームを点の配列又はパターンに対して連続的に導く又はスキャニングすることにより、生成することが可能であり、この場合に、ビームは、光ファイバ１１０に直接的に亀裂を生じさせる局所的な加熱を生成し、或いは、ビームは、光ファイバ１１０を膨張させると共に最終的には亀裂を生じさせる泡を形成する。いずれのケースにおいても、パルス化レーザービームをスキャニングすることにより、ドット又は泡のパターンによって生成された屈折率パターンを有する、レーザーによってパターン化された、又はレーザーによって亀裂が生成された、ファイバ端部７０１を含む光散乱要素１２０を光ファイバ１１０の遠端領域内において生成することができる。

図１４は、プロセス７００をフローチャートにおいて示している。このチャートは、任意選択の更なるステップ７０４−（ｂ）を含んでおり、ここでは、亀裂パターン７０３の空気ポケットを封止している。空気ポケットは、しばしば、亀裂内において形成され、且つ、光の散乱に寄与し、或いは、場合によっては、これを支配している。従って、ファイバオプティクス１００が、大きな液体含有量を有する眼科組織に挿入される際にも、これらの空気ポケットを保持することが重要である。このような生体環境は、しばしば、「平衡塩類溶液」又はＢＳＳによってモデル化される。従って、プロセス７００は、接着剤、シリカ、又は被覆などの封止層を堆積することにより、或いは、ガラス表面のみを溶融させることによって亀裂が封止されるように、相対的に小さなパワー又は相対的に小さなパワー密度において表面に跨ってレーザービームをスキャニングすることにより、亀裂パターン７０３を封止するべく、更なるステップを含むことができる。

図１５Ａ〜図１５Ｂは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス８００を示している。プロセス８００によれば、光散乱要素１２０は、以下のステップにおいて、フォトリソグラフプロセスにより、形成されている。

ステップ８０２／図１５Ａ−（ａ）フォトレジスト層８２０を光ファイバ１１０の遠端上において提供する。このフォトレジスト層８２０は、様々な方法により、光ファイバ１１０に堆積、蒸着、又は付着させることができる。

ステップ８０４／図１５Ａ−（ｂ）フォトレジスト層８２０をスペックル光パターンに対して曝露する。スペックル光パターンは、拡散器、拡散媒体、非晶質媒体、格子、交差光学パターン、又はその他の適切な手段を通じて、光又はレーザー光を発光させることにより、提供することができる。スペックル光は、フォトレジスト層８２０内における適切な曝露を実現するべく必要とされる光化学プロセスを誘発するのに十分な期間にわたって固定状態において保持される。

ステップ８０６／図１５Ａ−（ｃ）曝露されなかったフォトレジストを洗い流す。このステップにより、曝露されたフォトレジストのパターンによって形成されたパターンが明らかとなり、その結果、次のフォトリソグラフによるエッチングステップが可能となる。

ステップ８０８／図１５Ａ−（ｄ）空気ポケットを有する表面パターン８３０を光ファイバ１１０のエッチングされた遠端に付与するべく、フッ化水素酸中において、或いは、相対的に強力な酸中において、光ファイバ１１０の遠端をエッチングする。これらの実施形態においては、エッチング済みの表面パターン８３０が光散乱要素１２０として機能することになる。

表面パターン８３０は、完全にランダムであるか又は疑似ランダムであってもよい。いくつかのケースにおいては、相対的に規則的なパターンが好ましい場合があり、このケースにおいては、ステップ８０４において、スペックル光パターンを使用する代わりに、規則的な光のパターンを使用することができる。フォトリソグラフステップ８０２〜８０８については、広く知られており、且つ、従って、個々の図には、示されていない。

ステップ８１０／図１５Ｂ−（ｅ）空気ポケットを封止するべく、シリカエンドキャップ８４０を光ファイバ１１０の遠端に対してレーザー融合している。以前と同様に、いくつかの実施形態においては、エッチング済みの表面パターン８３０に進入した空気が、照明光の散乱において重要な役割を果たしていることから、平衡塩類溶液（ＢＳＳ）中において保護されるように、表面パターン８３０の空気ポケットを封止することが有用でありうる。

図１６は、プロセス８００のステップ８０２〜８１０をフローチャートにおいて示している。

いくつかの実施形態においては、プロセス８００は、バッチプロセスとして実行することができる。これは、機械部材により、或いは、製造シースにより、１つに保持された緊密な束又はバッチ内において、数百本の、或いは、場合によっては、数千本の、ファイバ１１０をアライメント及び配列し、且つ、次いで、束に対して、即ち、実質的に同時にすべてのファイバに対して、フォトリソグラフ（「レコーディング」）ステップ８０２〜８０８及びレーザー融合ステップ８１０を実行するステップを伴うことができる。このようなバッチ処理は、製造プロセス８００の歩留まりを劇的に増大することができる。類似のバッチ処理については、図１７Ｄにおいて示すこととする。

図１７Ａ〜図１７Ｄは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス９００を示している。

ステップ９０２／図１７Ａ−（ａ）ナノ構造化されたツール表面レリーフパターン９２０を有する硬質ツール９１０を提供する。硬質ツール９１０は、鋼又はファイバ１１０のガラス材料よりも相当に硬いその他の硬質材料から製造することができる。

ツール表面レリーフパターン９２０は、いくつかの異なる方法によって形成することができる。そのうちの１つは、スペックル光に曝露された後にエッチングされたフォトレジスト層の支援を伴って、フォトリソグラフプロセスを使用してスペックルレーザー光パターンを硬質ツールの表面上に転写するというものである。

ステップ９０４／図１７Ｂ−（ｂ）成形又はホットスタンピングによって光ファイバ１１０の遠端上においてファイバ表面レリーフパターン９３０を形成するべく、硬質ツール９１０のツール表面レリーフパターン９２０を光ファイバ１１０の遠端上に押圧する。このプロセスステップにおいては、その上部に押圧される際にファイバ１１０の遠端を加熱するべく、硬質ツール９１０を加熱することも可能であり、或いは、ファイバ１１０の遠端を直接的に加熱することもできる。いずれのケースにおいても、加熱は、ファイバ１１０を相対的に鍛造可能且つ変形可能な状態にすることになり、且つ、従って、ファイバ表面レリーフパターン９３０を形成するためのファイバの遠端上へのツール表面レリーフパターン９２０の転送を支援する。加熱は、熱供給源又は放射供給源を適用することにより、実行することができる。ファイバ表面レリーフパターン９３０の形成が完了したら、ファイバ１１０は、硬質ツール９１０から除去又は分離することができる。

ステップ９０６／図１７Ｃ−（ｃ）ファイバ表面レリーフパターン９３０の空気ポケットを封止するべく、シリカエンドキャップ９４０を光ファイバ１１０の遠端に対してレーザー融合する。このステップ９０６は、任意選択であってもよい。

図１７Ｄは、提供ステップ９０２及び押圧ステップ９０４をバッチプロセスとして実行することができることを示している。又、プロセス８００との関係において記述されているように、このバッチプロセスは、機械部材により、或いは、製造シース９１２により、１つに保持された緊密な束、配列、又はバッチ内において数百本の、或いは、場合によっては、数千本のファイバ１１０をアライメント及び配列し、且つ、次いで、束に対して、即ち、本質的に同時にすべてのファイバ１１０に対して、ステップ９０２〜９０４を実行するステップを伴うことができる。このようなバッチ処理は、製造プロセス９００の歩留まりを劇的に増大させることできる。

図１８は、プロセス９００をフローチャートにおいて示している。

図１９Ａ〜図１９Ｆは、ファイバオプティクス１００を製造するプロセス１０００を示している。プロセス１０００は、以下のステップにより、ファイバ１００の遠端においてＵＶ硬化された、硬化済みのパターン化された接着剤１０７０を形成するステップを伴っている。

ステップ１００２／図１９Ａ−（ａ）ナノ構造化されたツール表面レリーフパターン１０３０を有する硬質ツール１０２０を提供する。硬質ツール１０２０は、鋼又はその他の硬質材料を含むことができる。

ステップ１００４／図１９Ｂ−（ｂ）ＵＶ透明プラスチックウエハ１０４０上においてウエハ表面レリーフパターン１０５０を形成するべく、成形又はホットスタンピングにより、硬質ツール１０２０のツール表面レリーフパターン１０３０をＵＶ透明プラスチックウエハ１０４０の第１面上に押圧する。

ステップ１００６／図１９Ｃ−（ｃ）ＵＶ硬化可能接着剤１０６０をＵＶ透明ウエハ１０４０上のウエハ表面レリーフパターン１０５０上において堆積させる。

ステップ１００８／図１９Ｄ−（ｄ）ＵＶ硬化可能接着剤１０６０を有するウエハ表面レリーフパターン１０５０に対して光ファイバ１１０の遠端を押圧する。

ステップ１０１０／図１９Ｄ−（ｅ）ＵＶ透明ウエハの第１面の反対側のＵＶ透明ウエハ１０４０の第２面からＵＶ透明ウエハ１０４０を通じてＵＶビームを放射することにより、ＵＶ硬化可能接着剤１０６０を硬化させる。この硬化ステップは、ＵＶ硬化可能接着剤１０５０を固化させ、且つ、従って、ウエハ表面レリーフパターン１０５０は、固化された、又は硬化された、レリーフパターンをＵＶ硬化可能接着剤１０６０上に付与する。

ステップ１０１２／図１９Ｅ−（ｆ）ＵＶ透明ウエハ１０４０から、持ち上げられた硬化済みのパターン化された接着剤１０７０と共に、光ファイバ１１０を持ち上げる。硬化ステップは、ＵＶ透明ウエハ１０４０から、且つ、ＵＶ硬化可能接着剤１０６０の残りの部分から、離れるようにＵＶ硬化可能接着剤１０６０の一部分１０７０を持ち上げるべく十分に強力である、ＵＶ硬化可能接着剤１０５０の一部分と光ファイバ１１０との間における接合を生成している。

プロセス８００及び９００のケースと同様に、プロセス１０００をバッチプロセスとして実行することにより、プロセス１０００を加速させることが可能であり、且つ、その歩留まりを劇的に増大させることができる。具体的に記述されているプロセス８００〜１０００のケースに加えて、すべての上述のプロセス２００〜７００も、バッチプロセスとして実行することができる。

図２０は、プロセス１０００のステップ１００２〜１０１２をフローチャートにおいて示している。

本明細書は、多数の特定事項を含んでいるが、これらは、本発明の、或いは、特許請求されうる内容の、範囲の限定であるものとして解釈されてはならず、むしろ、特定の実施形態に固有の特徴の説明であるものと解釈されたい。又、別個の実施形態の文脈において本明細書において記述されている特定の特徴は、単一の実施形態において、組合せとして実装することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈において記述されている様々な特徴も、複数の実施形態において別個に、或いは、任意の適切なサブ組合せにおいて、実装することができる。更には、特徴は、特定の組合せにおいて機能するものとして上述されている、且つ、場合によっては、当初、そのように特許請求されている、可能性があるが、特許請求されている組合せからの１つ又は複数の特徴は、いくつかのケースにおいては、その組合せから削除することが可能であり、且つ、その特許請求されている組合せは、サブ組合せ又はサブ組合せの変形を対象とすることができる。

Claims (31)

1. 照明ファイバオプティクスであって、
   光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバと、
   近端において前記光ファイバから前記照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で前記照明光を放出するように構成された、前記光ファイバの遠端における光散乱要素と、
   を有するオプティクス。
2. 前記ファイバオプティクスの外径は、５００ミクロン未満である請求項１に記載のファイバオプティクス。
3. 前記ファイバオプティクスの外径は、１５０ミクロン未満である請求項１に記載のファイバオプティクス。
4. 前記ファイバオプティクスの外径は、５０ミクロン未満である請求項１に記載のファイバオプティクス。
5. 前記ファイバオプティクスの外径は、遠端において５０ミクロン未満であり、且つ、
   前記ファイバオプティクスの外径は、近端において５０ミクロン超である請求項１に記載のファイバオプティクス。
6. 前記光ファイバ及び前記光散乱要素は、製造ジャケットを使用することなしに製造されている請求項１に記載のファイバオプティクス。
7. 前記ファイバオプティクスは、眼科手術装置によって実行される手術手順用の照明ライトとして機能するべく、前記光散乱要素の前記遠端において前記照明光を放出するように構成された状態において、アライメントされた方式により、収容ノッチにおいて前記眼科手術装置に装着されている請求項１に記載のファイバオプティクス。
8. 前記眼科手術装置は、２３ゲージよりも細い外径を有し、且つ、
   前記装着されたファイバオプティクスは、前記眼科手術装置のフォームファクタ及び全体的な直径のうちの一方を増大させない請求項７に記載のファイバオプティクス。
9. 前記手術装置は、関節接続型のレーザープローブ、照明シャンデリア、トロカールカニューレ、平衡塩類溶液（ＢＳＳ）注入ライン、ナノファイバ内部イルミネータ、鉗子、水晶体手術装置、網膜手術装置、及び硝子体切除器のうちの１つである請求項７に記載のファイバオプティクス。
10. 前記ファイバオプティクスは、眼科手術装置の光軸に沿って前記眼科手術装置内において中心に埋め込まれており、
    前記眼科手術装置の外径は、４０ゲージよりも細い請求項１に記載のファイバオプティクス。
11. 前記広い角度は、前記ファイバオプティクスの光軸から外れた６０度における空気中の照明強度が、前記ファイバオプティクスの前記光軸に沿った０度における空気中の前記照明強度の２％超であることを特徴としている請求項１に記載のファイバオプティクス。
12. 前記幅広の角度は、前記ファイバオプティクスの光軸から外れた３０度における空気中の照明強度が、前記ファイバオプティクスの前記光軸に沿った０度における空気中の前記照明強度の５０％超であることを特徴としている請求項１に記載のファイバオプティクス。
13. 前記光散乱要素は、光散乱粒子を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
14. 前記光散乱粒子は、ＴｉＯ_２粒子及びＡｌ_２Ｏ_３粒子のうちの少なくとも１つを含み、且つ、
    前記光散乱要素は、ＰＭＭＡ、シリカ、ホウケイ酸塩、及びポリカーボネートポリマーのうちの少なくとも１つを含む請求項１３に記載のファイバオプティクス。
15. 前記光散乱粒子は、１０ｎｍ〜５μの範囲の直径を有する請求項１３に記載のファイバオプティクス。
16. 前記光散乱要素は、接合及び接着材料のうちの少なくとも１つにより、前記光ファイバの前記遠端に付着されている請求項１３に記載のファイバオプティクス。
17. 前記光散乱要素は、セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、ナノ構造化ガラスのうちの少なくとも１つを含むガラスセラミック微細柱状体を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
18. 前記光散乱要素は、レーザービームと電極の間のアークのうちの１つを適用することによって誘発された、融合による再硬化された溶融状態の領域により、前記光ファイバの前記遠端に付着されている請求項１７に記載のファイバオプティクス。
19. 前記光散乱要素は、ガラス微細球状体を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
20. 前記ガラス微細球状体の直径は、０．５μ〜１０μの範囲であり、且つ、
    前記光散乱要素は、１０μ〜１０００μの範囲の直径を有する、前記微細球状体を含む、ガラスボールである請求項１９に記載のファイバオプティクス。
21. 前記光散乱要素は、１０μ〜１００μの範囲の直径を有する、前記微細球状体を含む、ガラスボールである請求項２０に記載のファイバオプティクス。
22. 前記ガラス微細球状体は、前記ガラス微細球状体と前記ガラス微細球状体の間の気泡の間において屈折率勾配を生成するべく、一緒に焼結されている請求項１９に記載のファイバオプティクス。
23. 前記光散乱要素は、空気混入された泡を有するガラスボールを有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
24. 前記光散乱要素は、
    前記光ファイバの前記遠端上におけるランダムな表面亀裂パターンと、
    前記光ファイバの前記遠端上における規則的な表面亀裂パターンと、
    前記光ファイバの前記遠端における領域内の容積充填亀裂パターンと、
    のうちの少なくとも１つである亀裂パターンを有する、レーザーによって亀裂が生成されたファイバ端部を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
25. 前記光散乱要素は、パルス化レーザーをスキャニングすることにより、パターンにおいて前記光ファイバの遠端領域を加熱することによって生成された屈折率パターンを有する、レーザーによってパターン化されたファイバ端部を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
26. 前記光散乱要素は、フォトリソグラフィによってエッチングされた、表面パターンを有するフォトレジスト層を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
27. 前記光散乱要素は、硬質押圧ツールによって形成された、前記光ファイバの前記遠端におけるファイバ表面レリーフパターンを有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
28. 前記光散乱要素は、前記光ファイバの前記遠端においてＵＶ硬化された、持ち上げられた硬化済みのパターン化された接着剤を有する請求項１に記載のファイバオプティクス。
29. 光源から近端において照明光を受け取るように構成された光ファイバを提供するステップと、
    近端において前記光ファイバから前記照明光を受け取ると共に遠端において広い角度で前記照明光を放出するように構成された、前記光ファイバの遠端における光散乱要素を生成するステップと、
    を有するプロセスによって調製された、眼科装置用の照明ファイバオプティクス。
30. 前記光散乱要素を生成する前記ステップは、
    （ａ）セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、及びナノ構造化ガラスのうちの少なくとも１つを含むガラスセラミック光散乱要素を有するガラスセラミック微細柱状体を提供するステップと、
    （ｂ）
    （ｂ１）前記光ファイバ及び前記ガラスセラミック微細柱状体によって形成されたギャップに跨って電極の間においてアークを生成するステップと、
    （ｂ２）前記光ファイバ及び前記微細柱状体の対向する表面を鍛造可能状態及び溶融状態のうちの１つとするべく十分に長い時間にわたって前記アークを維持するステップと、
    （ｂ３）前記光ファイバ及び前記微細柱状体の前記対向する表面を押圧し、且つ、これにより、１つに融合するステップと、
    によって前記光ファイバに前記ガラスセラミック微細柱状体を融合するステップと、
    を有する請求項２９に記載のファイバオプティクス。
31. 前記光散乱要素を生成する前記ステップは、
    （ａ）セラミック、ガラスセラミック、非混和性ガラス、多孔質ガラス、オパールガラス、非晶質ガラス、空気混入ガラス、及びナノ構造化ガラスのうちの少なくとも１つを含むガラスセラミック光散乱要素を有するガラスセラミック微細柱状体を提供するステップと、
    （ｂ）前記光ファイバ及び前記ガラスセラミック微細柱状体の前記対向する表面のうちの少なくとも１つを加熱するべくレーザービームを適用することにより、前記ガラスセラミック微細柱状体を前記光ファイバに融合するステップと、
    を有する請求項２９に記載のファイバオプティクス。

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