JP2022037400A

JP2022037400A - 光ファイバ

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Publication number: JP2022037400A
Application number: JP2020141518A
Authority: JP
Inventors: 皓紀光野; Akinori Mitsuno; 聡松葉; Satoshi Matsuba; 健二平本; Kenji Hiramoto
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-09

Abstract

【課題】照射範囲の広い光ファイバを提供する。【解決手段】コア１と少なくとも１層のクラッド２を有する光ファイバであって、出射端面が凹曲面を有し、凹曲面の曲率半径ａ（ｍｍ）、光ファイバコア径ｂ（ｍｍ）、コアの屈折率ｎが、（ａ／ｂ）÷ｎ２≦０．５の関係を満たす光ファイバ。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ、それを用いた内視鏡照明用機器、眼科手術照明用プローブ、血管用カテーテルに関するものである。

内視鏡手術や眼科手術においては、一般的に、光ファイバの一端から光を入射させ、出射端面から光を照射させて患部を観察する方法がとられている。光の照射角度が大きいほど、患部周辺を広く観察することができるため、開口数の大きい光ファイバが好ましく用いられる。さらに光の照射範囲を広げるためには、出射端面近傍にレンズを設置する方法や、端面を加熱や切削により加工する方法が有効である。しかしながら、レンズは一般に高価であり、その使用により設計が複雑になるため、簡易的に処理しやすい、端面加工が好ましく利用されている。

光ファイバの端面にレンズを形成する方法として、（ａ）所定長の端部が露出したプラスチック光ファイバを準備する工程、（ｂ）プラスチック光ファイバの該端部の先端に、加熱されたレンズ形成用型を押し付けて該端部の一部若しくは全体を軟化・溶融させて該端部の先端をレンズ形状に形成する加熱工程、及び（ｃ）プラスチック光ファイバの該端部の先端にレンズ形成用型が押し付けられた状態で、若しくは、プラスチック光ファイバの該端部からレンズ形成用型を引き離した後で、プラスチック光ファイバの該端部を強制冷却する急冷却工程、を含むことを特徴とするプラスチック光ファイバ端面加工法（例えば、特許文献１参照）が提案されている。また、ライトガイド端面に球面凹部を有することを特徴とするライトガイド（例えば、特許文献２参照）が提案されている。

特開平８－７５９３５号公報特開平１０－１６９４０号公報

特許文献１～２に記載されるように、ファイバ先端にレンズや凹凸面を形成することにより、ファイバの光出射端部周辺を明るく照らすことができるものの、その形状やコアの屈折率によって光の出射方向が異なるため、照射範囲が不十分である課題があった。

そこで、本発明の主な目的は、照射範囲の広い光ファイバを提供することにある。

本発明は、コアと少なくとも１層のクラッドを有する光ファイバであって、出射端面が凹曲面を有し、凹曲面の曲率半径ａ（ｍｍ）、光ファイバコア径ｂ（ｍｍ）、コアの屈折率ｎが、（ａ／ｂ）÷ｎ^２≦０．５の関係を満たす光ファイバである。

本発明によれば、照射範囲の広い光ファイバを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る光ファイバの断面模式図である。本発明の実施の形態にかかる光ファイバの光路の模式図である。

以下、本発明に係る光ファイバの好適な実施の形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、目的や用途に応じて種々に変更して実施することができる。

本発明の実施の形態に係る光ファイバは、コアと、少なくとも１層のクラッドを有する。光ファイバに入射した光は、コア／クラッド界面で全反射しながらコア内を進行する。

本発明の実施の形態の光ファイバのコアを形成する材料としては、プラスチックやガラスなどが挙げられる。

ガラスとしては、例えば、石英ガラス、フッ化物ガラス、カルコゲナイドガラス、ホウ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、ゲルマネートガラス、ケイ酸塩ガラス等が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。

プラスチックとしては、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、メチルメタクリレートを重合成分に含む重合体（例えば、（メタ）アクリル酸エステル、（メタ）アクリル酸、置換スチレン、Ｎ－置換マレイミドなどを共重合したもの）、それらを高分子反応したグルタル酸無水物、グルタルイミドなどの変性重合体、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、シクロオレフィン等が挙げられる。これらを２種以上用いてもよい。これらの中でも、生産性、透光性、耐環境性などの点から、ＰＭＭＡが好ましい。ここで、本発明においてＰＭＭＡとは、重合体を構成するモノマー中、メチルメタクリレートを５０モル％以上含む（共）重合体を言う。重合体を構成するモノマー中、メチルメタクリレートを７０モル％以上含むことが好ましく、９０モル％以上含むことがより好ましい。

コアには、さらに耐酸化防止剤などの安定剤やその他添加剤を、透光性に影響しない範囲で少量含有してもよい。

本発明の実施の形態に係る光ファイバは、少なくとも１層のクラッドを有する。クラッドを２層以上有してもよい。

コアがＰＭＭＡである場合、クラッドを形成する重合体としては、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン共重合体が好ましく、フッ化ビニリデン／テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体がより好ましい。かかる共重合体は、ＰＭＭＡから形成されるコアとの密着性、透明性および柔軟性に優れ、曲げ状態における光量損失を低減することができる。クラッドを２層以上有する場合、コア側に位置する最内層のクラッドが、かかる重合体から形成されることが好ましい。ここで、最内層のクラッドとは、クラッドを１層有する場合は当該クラッドを指し、クラッドが複数層で形成される場合は、その中で最も内側に位置するクラッドを指す。

本発明の実施の形態に係る光ファイバは、出射端面において凹曲面を有する。凹曲面を有することにより、端面からの光の照射範囲を広くすることができる。凹曲面は、凸曲面に比べて曲率半径を小さく設計することができるため、凸曲面に対して照射範囲を広くすることができる。

図１に、本発明の実施の形態に係る光ファイバの断面模式図を示す。光ファイバは、コア１およびクラッド２を有する。光ファイバの出射端側に凹曲面を有する凹部（Ａ）を有する。凹曲面の曲率半径ａ（ｍｍ）、光ファイバコア径ｂ（ｍｍ）とすると、ａ／ｂは、コア端面における凹曲の度合いを示す。曲率半径ａ（ｍｍ）は、図１に破線で示す、凹曲面に近似した円を仮定したときの、その近似円の半径である。

光ファイバに入射した光は、コア／クラッド界面で全反射しながらコア内を進行する。一般的に、コアの屈折率は空気の屈折率よりも大きいために、凹曲面を有する光ファイバ端面から出射される光は、光ファイバ内部の光の進行方向に比べて、光ファイバの長手方向に対してより垂直方向に拡散し進行する。図２に、本発明の実施の形態にかかる光ファイバの光路の模式図を示す。（ａ）は、ａ／ｂが大きい、すなわち凹曲の度合いが小さい場合を示し、（ｂ）は、ａ／ｂが小さい、すなわち凹曲の度合いが大きい場合を示し、（ｃ）は、ａ／ｂがさらに小さい、すなわち凹曲の度合いがさらに大きい場合を示す。（ａ）～（ｃ）に示すように、ａ／ｂが小さくなるほど、出射光の広がりが大きくなる。一方、（ｃ）に示すように、凹曲の度合いが大きくなるほど、端面における光の全反射が生じやすくなる。

また、コアと空気との屈折率差が大きいほど、すなわちコアの屈折率が大きいほど、出射光の広がりが大きくなる。

本発明者らは、以上のように、光ファイバ端面から出射される光は、凹部の度合いが大きくなるほど、また、コアの屈折率が大きくなるほど、光ファイバの長手方向に対して垂直の方向により広がり、端面における光の屈曲性が大きくなる傾向にあることを見出した。そして、これらの関係性を鋭意検討した結果、凹曲面の曲率半径ａ（ｍｍ）、光ファイバのコア径ｂ（ｍｍ）、コアの屈折率ｎが、（ａ／ｂ）÷ｎ^２≦０．５の関係を満たす場合に、照射範囲を大きく広げることができることを見出した。（ａ／ｂ）÷ｎ^２の値が０．５より大きい場合、端面の凹曲度合いが小さいか、コアと空気の屈折率差が小さいため、照射範囲が小さくなる。（ａ／ｂ）÷ｎ^２の値は、０．４５以下が好ましく、０．４０以下がより好ましい。

一方、（ａ／ｂ）÷ｎ^２の値は、０．２５以上が好ましく、端面における光の全反射や垂直方向への過剰な拡散を抑制し、照射均一性を向上させることができる。（ａ／ｂ）÷ｎ^２の値は、０．３０以上がより好ましい。

本発明における曲率半径ａは、光ファイバを延伸方向に対し中心軸を通るように並行に切断し、デジタルマイクロスコープを用いて拡大観察することにより測定することができる。拡大観察の倍率は、１０～２００倍の間で、凹曲断面が全て視野範囲に入り界面が観察できる範囲を選択する。凹曲断面に円を近似し、曲率半径を算出する。また、コア径ｂは、光ファイバから無作為に選択した５箇所について延伸方向に対し垂直に切断し、コア・クラッドの界面が観察できるように断面を研磨した後、デジタルマイクロスコープを用いて拡大観察することにより測定することができる。拡大観察の倍率は、１０～２００倍の間で、断面が全て視野範囲に入り界面が観察できる範囲を選択する。５断面について、それぞれ光ファイバのコアの直径をファイバ径として測定し、その平均値をコア径とする。また、屈折率ｎは、室温２５℃雰囲気において、アッベ屈折率計を使用して測定することができる。

本発明の実施の形態に係る光ファイバの開口数は、０．４０以上が好ましい。開口数が０．４０以上であると、照射範囲をより広くすることができる。開口数は、０．４５以上がより好ましい。

本発明の実施の形態に係る光ファイバの外径は、０．１～１．５ｍｍが好ましい。光ファイバの外径を１．５ｍｍ以下とすることにより、柔軟性を向上させることができる。胆管や膵管に挿入できる内視鏡の観察用プローブに用いる場合、撮像素子ならびに処置用鉗子とともに光ファイバを収納する必要性や、胆管や膵管に挿入する際に観察用プローブが９０度屈曲させる必要性を考慮すると、光ファイバの外径は、１．０ｍｍ以下がより好ましい。

本発明の実施の形態に係るファイバの断面積Ａに占めるコアの断面積Ｂの比（Ｂ／Ａ）割合は、入射光量を多くする観点から、５０％以上が好ましく、７０％以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。

端面加工により凹曲面を形成する方法としては、例えば、金型を用いて熱プレス加工する方法、薬液により端面を溶解させる方法、端面を凹曲状に切削する方法などが挙げられる。これらの中でも、凹曲面を精度よく形成する観点から、端面を凹曲状に切削する方法が好ましい。端面の切削には、材料や形状に合わせて、切削片刃を任意に選択して用いることができる。光ファイバのコア径ｂとコアの屈折率ｎに応じて、曲率半径ａとして、前述の関係を満たす値を選択して凹曲面を形成することが好ましい。

本発明の実施の形態に係る光ファイバは、自動車や航空機、船舶、電車等の移動体内の配線、ＡＶ機器、家庭内機器、オフィス機器等の短距離通信用配線、医療用内視鏡照明、眼科手術用証明、カテーテル用照明、顕微鏡照明、ロボット用導光センサー、工業機器用光電センサー、自動車衝突センサー、壁面装飾用照明、室内照明等の用途に好適に用いることができる。特に、広い照射範囲が求められる、内視鏡用途、眼科手術用途、カテーテルの用途に好適である。すなわち、前述の光ファイバを有する内視鏡照明用機器や、前述の光ファイバを眼科手術用照明として有する眼科手術照明用プローブや、前述の光ファイバをカテーテル用照明または光センサーとして有する血管用カテーテルなどに好適に用いることができる。

本発明の実施の形態に係る内視鏡照明用機器は、前述の光ファイバを有し、内視鏡と組み合わせて用いることができる。本発明の実施の形態に係る眼科手術照明用プローブは、前述の光ファイバを眼科手術用照明として有する。本発明の実施の形態に係る血管用カテーテルは、前述の光ファイバをカテーテル用照明または光センサーとして有する。

これらの照明や照明用機器において、光源としては、一般の白熱電球より明るいハロゲンランプや、高輝度で自然光に近いキセノンランプ、高輝度の光源としてＬＥＤなどを好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例により、更に詳細に説明する。なお、各実施例および比較例にいおいて用いたコア材料、クラッド材料および各実施例および比較例により作製した光ファイバの評価は、以下の方法により行った。

クラッド材料の組成比：固体^１９ＦＮＭＲ（Ｂｒｕｋｅｒ社製ＡＶＡＮＣＥＮＥＯ４００）やＦＴ－ＩＲ（Ｂｉｏ－ＲａｄＤｉｇｉｌａｂ製ＦＴ－ＩＲ）を用いて求めた。

コア径：各実施例および比較例により作製した光ファイバから無作為に選択した５箇所について延伸方向に対し垂直に切断し、コア・クラッドの界面が観察できるように断面を研磨した後、デジタルマイクロスコープＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ製）を用いて拡大観察した。拡大観察の倍率は、１０～２００倍の間で、断面が全て視野範囲に入り界面が観察できる範囲を選択した。断面において、光ファイバのコアの直径をファイバ径として測定した。５断面についてそれぞれコア径を測定し、その平均値をコア径とした。

曲率半径：各実施例および比較例により作製した光ファイバを延伸方向に対し中心軸を通るように並行に切断し、デジタルマイクロスコープＶＨＸ－７０００（Ｋｅｙｅｎｃｅ製）を用いて拡大観察した。拡大観察の倍率は、１０～２００倍の間で、凹曲断面が全て視野範囲に入り界面が観察できる範囲を選択した。凹曲断面に円を近似し、曲率半径とした。

コアの屈折率：アッベ屈折率計を使用して、室温２５℃雰囲気において測定した。

照射面積：各実施例および比較例により作製した光ファイバの端面から２ｃｍ離した位置の紙面に光を照射し、照射面積を測定した。コアの屈折率が１．４９、コア径が４８０μｍ、曲率半径が０μｍ、開口数が０．５０である端面が平坦な光ファイバの照射面積を１とし、相対値として算出した。照射面積の相対値が大きいほど、照射範囲が広いことを意味する。

曲げ状態における光量損失：各実施例および比較例により作製したプラスチック光ファイバについて、６５０ｎｍＬＥＤ（発光ダイオード）を使用して初期の光量を測定した。また、各実施例および比較例により作製したプラスチック光ファイバを半径３ｍｍの金属棒に３６０°巻きつけ、同様にして曲げ状態の光量を測定した。曲げ状態の光量から初期の光量を差し引いた値を求め、光量損失とした。光量損失の数値がマイナスであることは、初期の光量に対して曲げ状態の光量が低下したことを意味する。光量損失の絶対値が小さいほど、耐屈曲性に優れる。

照射均一性：光ファイバの端面から距離２ｃｍの位置に配置した紙面に光を照射し、光ファイバからの配光角０°および４５°における照度をそれぞれ測定した。配向角０°における照度に対する４５°における照度の比（４５°／０°）を相対照度として算出し、下記基準により照射均一性を評価した。３以上であれば、実用上使用することができる。
５：相対照度０．９以上
４：相対照度０．８以上０．９未満
３：相対照度０．７以上０．８未満
２：相対照度０．６以上０．７未満
１：相対照度０．６未満。

［実施例１］
クラッド材として表１の共重合比の弗化ビニリデン（２Ｆ）／テトラフルオロエチレン（４Ｆ）共重合体（屈折率１．４１）を複合紡糸機に供給した。さらに、連続魂状重合によって製造したＰＭＭＡ（屈折率１．４９）をコア材として複合紡糸機に供給して、２４０℃にてコア、クラッドを芯鞘複合溶融紡糸し、ベアファイバを得た。得られたベアファイバについて、切削により端面に凹曲面（曲率半径５１１μｍ）を形成する端面加工を施した。

こうして得られた光ファイバを前記の評価方法により評価した結果を表１に示した。

［実施例２～１４］
表１～２に示すクラッド材を用い、曲率半径ａ、コア径ｂを表１～２に示すとおりに変更したこと以外は実施例１と同様にして光ファイバを得た。これらの光ファイバについて実施例１と同様に評価した結果を表１に示した。

［実施例１５～１８］
コア材を多成分ガラス（屈折率１．５８）に変更し、曲率半径ａ、コア径ｂを表１～２に示すとおりに変更したこと以外は実施例１と同様にして光ファイバを得た。これらの光ファイバについて実施例１と同様に評価した結果を表２に示した。

［比較例１～２］
曲率半径ａ、コア径ｂを表２に示すとおりに変更したこと以外は実施例１と同様にして光ファイバを得た。これらの光ファイバについて実施例１と同様に評価した結果を表２に示した。

［比較例３］
表２に示す組成を用い、ベアファイバを得た。得られたベアファイバについて、切削により端面に曲率半径３５０μｍの凸曲面を形成する端面加工を施した。この光ファイバについて実施例１と同様に評価した結果を表２に示した。

１コア
２クラッド
ａ曲率半径
ｂコア径
Ａ凹部

Claims

コアと少なくとも１層のクラッドを有する光ファイバであって、出射端面が凹曲面を有し、凹曲面の曲率半径ａ（ｍｍ）、光ファイバコア径ｂ（ｍｍ）、コアの屈折率ｎが、（ａ／ｂ）÷ｎ^２≦０．５の関係を満たす光ファイバ。
０．２５≦（ａ／ｂ）÷ｎ^２≦０．５の関係を満たす請求項１に記載の光ファイバ。
開口数が０．４０以上である請求項１または２に記載の光ファイバ。
コアがポリメチルメタクリレートを含有する請求項１～３のいずれかに記載の光ファイバ。
請求項１～４のいずれかに記載の光ファイバを有する内視鏡照明用機器。
請求項１～４のいずれかに記載の光ファイバを眼科手術用照明として有する眼科手術照明用プローブ。
請求項１～４のいずれかに記載の光ファイバをカテーテル用照明または光センサーとして有する血管用カテーテル。