JP2019506195A - 発散光ファイバオプティクス照明供給システムを製造する方法 - Google Patents

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Abstract

発散光ファイバオプティクス照明供給システムを製造するプロセスは、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つに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、を含む。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融合するステップを含むことができる。

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粒子又はAl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 (19)

  1. 眼科装置用の照明ファイバオプティクスを調製する方法であって、
    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前記照明光を広い角度において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、
    を有する方法。
  2. 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に記載の方法。
  3. 前記光散乱要素の生成ステップは、製造ジャケットを使用することなしに実行される請求項1に記載の方法。
  4. 前記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アライメントされた位置において前記ファイバオプティクスを眼科手術装置に装着するステップを有する請求項1に記載の方法。
  5. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)光散乱粒子を含む第1直径のファイバプレフォームを提供するステップと、
    (b)前記第1直径よりも小さな第2直径に到達するべく延伸長まで前記ファイバプレフォームを引き延ばすステップと、
    (c)前記光散乱要素として使用されるように、前記引き延ばされたファイバプレフォームの一部分を分離するステップと、
    (d)接合及び接着材料のうちの少なくとも1つにより、前記分離された光散乱要素を前記光ファイバの前記遠端に付着させるステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  6. 前記光散乱粒子は、TiO粒子及びAl粒子のうちの少なくとも1つを含み、
    前記光散乱粒子は、100nm〜5μの範囲の直径を有し、且つ、
    前記ファイバプレフォームは、PMMA、シリカ、ボロシリケート、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5に記載の方法。
  7. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (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ことと、
    (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つに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ことと、
    (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、これらを1つに融合することと、
    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着接続するステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  8. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (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印加することにより、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1に記載の方法。
  9. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)ポリマーマトリックス液体槽内においてガラス微細球状体を提供するステップと、
    (b)前記光ファイバを前記ポリマーマトリックス液体槽内に浸漬するステップと、
    (c)前記光ファイバを前記ポリマーマトリックス液体槽から抽出するステップであって、これにより、表面張力が、前記光ファイバの前記遠端において、前記ガラス微細球状体を含むガラスボールを形成する、ステップと、
    (d)熱供給源による加熱を介して前記微細球状体を有する前記ガラスボールを焼結させるステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  10. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)空気混入により、溶融ガラス槽内において泡を形成するステップと、
    (b)前記光ファイバを前記溶融ガラス槽内に浸漬するステップと、
    (c)前記光ファイバを前記溶融ガラス槽から抽出するステップであって、これにより、表面張力が、前記光ファイバの前記遠端において、空気混入された泡を有するガラスボールを形成する、ステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  11. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)前記ファイバの前記遠端内において、空気ポケットを有する、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の形成をもたらすべく、前記光ファイバの前記遠端に跨ってレーザービームをスキャニングするステップであって、前記亀裂パターンは、前記光ファイバの前記遠端上のランダムな表面亀裂パターン、前記光ファイバの前記遠端上の規則的な表面亀裂パターン、及び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のうちの少なくとも1つである、ステップ、
    を有する請求項1に記載の方法。
  12. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (b)前記亀裂パターンの前記空気ポケットを封止するステップ、
    を有する請求項11に記載の方法。
  13. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    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生成するべくパルス化レーザーをスキャニングすることにより、所定の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ステップ、
    を有する請求項1に記載の方法。
  14. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)前記光ファイバの前記遠端上においてフォトレジスト層を提供するステップと、
    (b)前記フォトレジスト層をスペックル光に曝露させるステップと、
    (c)曝露されていないフォトレジストを洗浄して除去するステップと、
    (d)前記光ファイバの前記エッチングされた遠端に対して空気ポケットを有する表面パターンを付与するべく、フッ化水素酸中において前記光ファイバの前記遠端をエッチングするステップと、
    (e)前記空気ポケットを封止するべく、シリカエンドキャップを前記光ファイバの前記遠端にレーザー融合するステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  15. 前記プロセスは、
    前記プロセスをシース内における光ファイバのアレイを伴うバッチプロセスとして実行するステップ、
    を有する請求項14に記載の方法。
  16. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)ナノ構造化ツール表面レリーフパターンを有する硬質ツールを提供するステップと、
    (b)前記光ファイバの前記遠端上においてファイバ表面レリーフパターンを形成するべく、成形及びホットスタンピングのうちの1つにより、前記硬質ツールの前記ツール表面レリーフパターンを前記光ファイバの前記遠端上に押圧するステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
  17. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (c)前記ファイバ表面レリーフパターンの空気ポケットを封止するべく、シリカエンドキャップを前記光ファイバの前記遠端にレーザー融合するステップ、
    を有する請求項16に記載の方法。
  18. 前記プロセスは、
    前記硬質ツールの前記表面上にスペックルレーザー光パターンを転写して前記ナノ構造化ツール表面レリーフパターンを形成するべく、フォトリソグラフプロセスを使用するステップ、
    を有する請求項16に記載の方法。
  19. 前記光散乱要素を生成するステップは、
    (a)ナノ構造化ツール表面レリーフパターンを有する硬質ツールを提供するステップと、
    (b)ウエハ表面レリーフパターンを形成するべく、成形及びホットスタンピングのうちの1つにより、前記硬質ツールの前記ツール表面レリーフパターンをUV透明ウエハの第1面上に押圧するステップと、
    (c)前記ウエハ表面レリーフパターン上においてUV硬化可能接着剤を堆積させるステップと、
    (d)前記UV硬化可能接着剤を有する前記ウエハ表面レリーフパターンに対して前記光ファイバの前記遠端を押圧するステップと、
    (e)前記UV透明ウエハの前記第1面とは反対側の前記UV透明ウエハの第2面から前記UV透明ウエハを通じてUVビームを照射することにより、前記UV硬化可能接着剤を硬化させるステップと、
    (f)前記ウエハ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を有する前記光ファイバを持ち上げるステップと、
    を有する請求項1に記載の方法。
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