JP2022521803A - 横断面が変化するガラス光導波路 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ガラス光導波路(1)の製造に用いられる引っ張り加工されたガラス要素(2)であって、-2つの第1の長さ区間(5,7)を備え、第1の長さ区間(5,7)は、第1の横断面積を有し、ガラス要素(2)の両端部を形成し、-第1の長さ区間(5,7)の間に位置し、第1の長さ区間(5,7)の第1の横断面積より小さい第2の横断面積を有する第2の中間の長さ区間(9)と、中間の長さ区間(9)と第1の長さ区間(5,7)との間にそれぞれ設けられた2つの移行区間(11,13)とを備え、ガラス要素の横断面積は、移行区間(11,13)に沿って連続的に変化し、第1の横断面積から第2の横断面積に移行する、ガラス要素(2)に関する。

Description

本発明は、一般に光導波路に関する。特に本発明は、横断面が導光の方向に沿って変化するガラスからなる光導波路に関する。
横断面が変化する光導波路は、とりわけ歯科医学で使用される。歯科医学では、例えば歯の充填に用いられるUV硬化型のプラスチックを硬化させるために、光が使用される。
ここで課題は、可能な限り多くの光を供給するとともに、その際に工具の取り扱い性を維持することにある。近年、光硬化可能な合成樹脂は、歯の治療にとって極めて重要となっている。これらの合成樹脂、典型的には青色のLED光により硬化可能な合成樹脂は、シーラントとして、歯造形のために、かつ歯列矯正の治療のために使用される。
歯科治療にとって、硬化装置またはハンドピースは、今日、不可欠のツールである。これらの機器の多くは、光を発光ダイオードからハンドピースまたはツールの先端に向かって導光するために、硬性の光導波路を使用している。これらの光導波路は、最大値の光を供給するために、先端に向かってテーパしている場合がある。
合成樹脂を硬化させるために、発光ダイオードを照射部位に直接使用する器具があるにもかかわらず、光導波路を有するハンドピースが普及しているのは、滅菌が比較的簡単に可能であるからである。これは、ガラスシャフトが簡単に取り外され、オートクレーブおよび/またはクリーニングされ得るからである。このことは、使用される器具のための衛生スタンダードをより簡単に遵守することを可能にする。口腔のすべての部位にアプローチすることができるように、光導波路は曲げられていてもよい。この種の機器は、光導波路が曲げられている場合、様々な角度での照射によって取り回し性を改善すべく、光導波路を回転させる可能性がゆえに、好ましいことが多い。このことは、徹底的な硬化には、包括的な隙間のない光の照射が前提となるために、重要である。
硬化器具は、治療時間を短く保つために、可能な限り多くの光を歯に提供することが望ましい。このことは、必要な光強度を提供すべく、患者にとって快適とは言い難い寸法であるにもかかわらず、大きな光導波路が必要であったということを意味する。
テーパを有する光導波路をガラスから製造すべく、ガラスロッドは、これまで、ガラスが軟化するまで中央部で加熱され、その後、引き伸ばされ、その結果、そこにくびれが形成される。ガラスロッドは、その後、くびれの中央部において切り分けることができ、その結果、端部側でテーパした2つの光導波路が得られる。このような方法は、米国特許第6658896号明細書に開示されている。米国特許第7305166号明細書は、光導波路に加熱と伸長とによりくびれを設けるGRIN光導波路を製造する方法を記載している。さらには、くびれにおいてテーパしたフォトニック光導波路が、米国特許出願公開第2007/201802号明細書に記載されている。
而るに本発明の根底にある課題は、取り回し性に関して改善されている、テーパしたあるいは光の方向次第では拡径する光導波路を提供することである。上記課題は、独立請求項の対象により解決される。有利な発展形は、それぞれの従属請求項に記載されている。それゆえ、好ましくは光を集中させるガラス光導波路の製造に用いられる引っ張り加工されたガラス要素であって、2つの第1の長さ区間を備え、第1の長さ区間は、それぞれ、第1の横断面積を有し、ガラス要素の両端部を形成する、ガラス要素が設けられている。さらにガラス要素は、第1の長さ区間の間に位置し、第1の長さ区間の第1の横断面積より小さい第2の横断面積を有する第2の中間の長さ区間と、中間の長さ区間と端部側の長さ区間との間にそれぞれ設けられた2つの移行区間とを備えている。ガラス要素の横断面積は、移行区間に沿って連続的に変化し、第1の横断面積から第2の横断面積に移行している。好ましい一実施の形態において、第1の長さ区間は、端部側に配置されている。これによりガラス要素は、つまりダンベル形の形状を呈している。
第2の中間の長さ区間は、好ましい実施の形態において、第2の横断面積の根の少なくとも3倍の長さを有している。特に好ましい一実施の形態によれば、中間の長さ区間は、複数の移行区間の加算された長さと少なくとも同じ長さである。中間の長さ区間内では、横断面は特に一定であり、これは端部側の長さ区間でも同様である。中間の長さ区間は、而して長さ区間であって、その長さ区間内では、横断面積が少なくとも係数1.025の分だけ第2の横断面積より大きく、少なくとも係数1.025の分だけ第1の横断面積より小さい長さ区間と規定され得る。以下に、第1の長さ区間の間に配置される第2の長さ区間を、中間の長さ区間と称呼する。中間の長さ区間には、横断面が変化する移行区間も接続されているので、中間の長さ区間は、移行区間の間にも配置されている。
好ましくは、第1の横断面積は、さらに、導光の方向次第で光強度の明確な集中または分散を達成すべく、少なくとも係数1.1の分だけ第2の横断面積より大きい。
ダンベル形のガラス要素は、而して中間の長さ区間において切り分けることが可能である。こうして、引っ張り加工されたガラス光導波路が獲得される。一般に、切り分けることで得られた両部分は、このようなテーパしたガラス光導波路として使用され得る。これに応じて、別の一態様において、引っ張り加工されたガラス光導波路、特にダンベル形のガラス要素を中間の長さ区間において切り分けることで製造可能な引っ張り加工されたガラス光導波路であって、
-第1の長さ区間を備え、第1の長さ区間は、光導波路の第1の端面において光入力結合または光出力結合のために終端し、第1の長さ区間は、第1の横断面積を有し、
-第2の横断面積を有する第2の長さ区間を備え、第2の長さ区間は、第2の端面において光入力結合または光出力結合のために終端し、光は、光導波路内に端面の一方において入力結合され、他方の端面において出力結合されることができ、第1の長さ区間の横断面積は、第2の長さ区間の横断面積より大きく、好ましくは、少なくとも係数1.1の分だけ大きく、
-第1の長さ区間と第2の長さ区間との間の移行区間における横断面積は、移行区間が第1の長さ区間から第2の長さ区間に向かってテーパするように連続的に変化する、
引っ張り加工されたガラス光導波路が設けられている。第2の長さ区間の長さは、この場合、好ましくは、第2の横断面積の根の少なくとも1.5倍、好ましくは、少なくとも3倍である。
ダンベル形のガラス要素は、そしてこのガラス要素から分割されたガラス光導波路も、
-ガラスロッドを用意し、2つの保持部により保持し、このとき、保持部は、ガラスロッドを、ガラスロッドの長手方向で間隔を置いた2つの領域において保持し、
-加熱装置によりガラスロッドの表面の環状の領域を照らし、これによりガラスロッドの長手方向区間を、ガラスロッドが軟化するまで加熱し、
-ガラスロッドをその後保持部において引き伸ばし、ガラスロッドは、軟化された長手方向区間においてテーパし、このとき、環状の領域およびガラスロッドを互いに相対的にガラスロッドの長手方向に沿って動かし、引き伸ばしおよび環状の領域の運動時、相対運動の所定の速度プロフィールと、ガラスロッドの引き伸ばしの速度の所定の速度プロフィールとを調整し、このとき、両速度プロフィールを互いに連係させ、その結果、2つの端部側の長さ区間の間に、中間の長さ区間を、端部側の長さ区間の第1の横断面積に対して減じられた、好ましくは、少なくとも係数1.2の分だけ減じられた第2の横断面積を有するように引っ張り加工し、中間の長さ区間は、移行区間において端部側の長さ区間に、連続的に拡大する横断面をもって移行する、
方法により製造可能である。
加熱装置として、放射源およびバーナまたは誘導式のヒータが使用可能である。加熱装置として特に好適であるのは、光源である。加熱するための放射あるいは光としては、少なくとも1μmの波長、特に少なくとも5μmの波長を有する赤外線光である。
ガラスロッドを加熱するための光は、その際、特に赤外線光を含んでいてもよい。特に好適な、かつ好ましい光源は、レーザである。このような光源により、場所的に正確に限定して光を、ガラスロッドを加熱するために入射させることが可能である。レーザとしては、特にCOレーザが好適である。COレーザは、速やかにかつ完全にガラスに吸収される5.5μmの波長および/または10.6μmの波長を有する光を放出することができる。別の好適なレーザは、約1064μmのレーザ波長を有するNd:YAG-レーザ、約1.9μm~2.1μmの範囲のレーザ波長を有するHo:YAG-レーザまたはTm:YAG-レーザ、約2.94μmのレーザ波長を有するEr:YAG-レーザである。さらに、2つ以上の同種または異種の加熱装置を互いに組み合わせることも可能である。例えば比較的大面積の予加熱を赤外線ランプにより実施し、狙いを定めた局所的なさらなる加熱をレーザにより実施してもよい。さらに、時間的かつ/または場所的に可変の加熱プロフィールを使用してもよく、加熱プロフィールは、場合によってはそれぞれ異なるエネルギ密度も有している。例えば上述の予加熱を比較的低いエネルギ密度で実施し、集中的なレーザビームに基づいて、環状の領域には局所的に、極めて高いエネルギ密度を加えてもよい。
環状の領域は、常に全周にわたって照らす必要はない。むしろ、光を周の一部領域に入射させるとともに、ガラスロッドを回転させてもよく、その結果、光線により環状の領域の表面は走査される、あるいはその結果、光線は環状に表面上を移動する。一般に、それゆえ一発展形において、ガラスロッドは、光源による照射中、その長手方向軸線回りに回転される。
一実施の形態によれば、光導波路は、単一のコア-クラッド-光導波路である。単一のコア-クラッド-光導波路の場合、第1のガラスからなる1つのコアが、第2のガラスの1つのクラッドにより包囲されており、第2のガラスは、第1のガラスより低い屈折率を有しており、その結果、光は、コア内を導光され得る。クラッドレスの導波路も可能である。さらなる一実施の形態によれば、光導波路は、複数のコアを有している。これらのコアは、それぞれ1つの固有のクラッドにより包囲されていてもよいし、1つの共通のクラッド内に埋設されていてもよい。
本発明について、以下に添付の図面を基に詳しく説明する。図中、同じ符号は、それぞれ同じまたは相応の要素を指している。
ダンベル形のガラス要素の側面図である。 ガラス光導波路を示す図である。 ガラス要素またはガラス光導波路の横断面図である。 ガラス要素またはガラス光導波路の横断面図である。 光導波路の計算による横断面のプロフィールと測定による横断面のプロフィールとを示す図である。 図5に示したプロフィールの導関数を示す図である。 従来慣用の引っ張り加工法により製造されたダンベル形のガラス要素の横断面積のプロフィールのグラフである。 図7に示したプロフィールの導関数を、計算による曲線との比較において示す図である。 ガラス要素または光導波路の軸方向で見て重なった横断面積を示す図である。 曲げられた長さ区間を備える光源の一実施の形態を示す図である。 ダンベル形のガラス要素を製造する装置を示す図である。 一部区間にホットプレスにより変化させられた横断面形状を有する、図1に示したガラス要素の一変化態様を示す図である。 図12に示したガラス要素から製造された光導波路を示す図である。 光導波路の端面の様々な横断面形状を示す図である。 横断面積が減じられた中間の区間を2つ備えるガラス要素を示す図である。
発明の詳細な説明
図1は、テーパしたガラス光導波路を製造するのに用いられるダンベル形のガラス要素2を示している。ガラス要素2は、引っ張り加工により製造される。つまり、ガラス要素の形状は、熱間成形により生じる。図示の特別な例に限定されることなく、本開示によるダンベル形のガラス要素2は、それゆえ特に火造り表面も備えている。ガラス要素2の端部は、2つの長さ区間5,7により形成される。これらの端部側の長さ区間5,7の間には、中間の長さ区間9が存在している。中間の長さ区間9は、端部側の長さ区間5,7とは横断面が異なっており、円形のガラス要素2であれば、これに応じて直径も異なっている。この場合、端部側の長さ区間5,7の横断面積は、中間の長さ区間9の横断面積より大きい。端部側の長さ区間5,7の第1の横断面積および中間の長さ区間9の第2の横断面積は、それぞれの区間に沿って略一定である。長さ区間5,7,9は、したがって数学的な意味で一般的に柱状の形状を呈し、横断面が円形である特別な場合には、円柱状の形状を呈している。中間の長さ区間9の横断面積と、端部側の長さ区間5,7の横断面積とは、この場合、少なくとも1.2の係数をもって相違している。これに応じて、第1の横断面積Q1と第2の横断面積Q2との間には、一般にQ1≧1.1・Q2の関係が成立している。図示の例の限定されることなく、その際、好ましい一実施の形態によれば、横断面積について、比Q1/Q2が1.1~100の範囲にあることが成立している。ダンベル形のガラス要素の直径と、このガラス要素から製造された光導波路の直径とに関して、端部側の長さ区間5,7の直径D1の、中間の長さ区間9あるいは光導波路の第2の長さ区間の直径D2に対する比D1/D2は、1.1~10の範囲にある。
ガラス要素1の横断面が非円形であっても、この横断面に直径を割り当てることが可能である。このような直径は、横断面積の大きさが同じ円形面の直径として、簡単に表示することができる。ガラス要素が正方形の横断面を有し、その正方形の辺長がaであるとき、直径
Figure 2022521803000002
が割り当てられる。
さらに、ダンベル形のガラス要素2の中間のテーパされた領域、つまり中間の長さ区間9は、一定の横断面を有するある特定の長さを有している。特にこの中間の長さ区間9は、第2の横断面積の平方根に相当する長さ値の少なくとも3倍の長さを有している。図示の例では、中間の長さ区間9は、それよりも明らかに長くとられている。横断面が円形としたとき、長さ区間9は、本例では直径の約10倍の長さである。このことは、ここでは横断面積の根の約11倍の長さになる。
隣り合う長さ区間は、移行区間11,13において互いに移行している。移行区間11,13において、横断面積は、連続的に変化し、それぞれ、中間の長さ区間9から連続的に増大し、端部側の長さ区間5,7で第1の横断面積に到達する。
図示の例の限定されることなく、発展形において、端部側の長さ区間5,7の最大の横寸法は、50mm未満、好ましくは30mm未満、好ましくは20mm未満、特に好ましくは15mm未満である。円形の横断面を有するガラス要素2の場合、この最大の横寸法は、端部側の長さ区間5,7の直径に相当する。これらの寸法は、特に医学の分野、好ましくは歯科分野におけるハンドピースにとっても好適である。
引っ張り加工されたダンベル形のガラス要素2は、而るに中間の、テーパされた長さ区間9において切り分けることが可能である。こうして切り離された部分は、図2に示したように、ガラス光導波路1を形成している。切り分けが好ましくは中間の長さ区間の中央部で実施されると、2つの同様のガラス光導波路1が獲得される。ガラス光導波路1は、例として図2に示したように、一般に第1の端面15で終端している第1の長さ区間5と、第2の横断面積を有し、第2の端面17で終端している第2の長さ区間10とを備えている。端面15,17の一方において入力結合された光は、その後、ガラス光導波路1内を他方の端面に向かって導光され、他方の端面において出射する。このとき、どちらの端面15,17で入力結合がなされるかに応じて、光の集中または光の拡散が実施される。一般に、かつ特に好ましくは、ガラス光導波路1は、光を集中させる光導波路として使用される。このためには、端面15が光入射面として使用される。
ダンベル形のガラス要素2の形状に応じて、第1の長さ区間5の横断面積は、第2の長さ区間10の横断面積より少なくとも係数1.2の分だけ大きい。横断面積は、第1の長さ区間5と第2の長さ区間10との間の移行区間11において連続的に変化し、移行区間は、第1の長さ区間5から第2の長さ区間(10)に向かってテーパしている。第2の長さ区間9は、第2の横断面積の根の少なくとも1.5倍、好ましくは少なくとも3倍の長さを有している。
図3および図4には、概略的にダンベル形のガラス要素2またはガラス光導波路1の横断面を示してある。図3は、ダンベル形のガラス要素2またはこのガラス要素2から製造された光導波路1の長さ区間が、円形の横断面を有している、実施の形態の一例である。一般に、図示の例に限定されることなく、好ましい一実施の形態において、光導波路1は、または相応にダンベル形のガラス要素2も、クラッド39と、少なくとも1つのコア37とを備えており、コア37は、クラッド39により包囲され、クラッド39より高い屈折率を有しており、その結果、光は、全反射によりコア内を導光され得る。図3に示した実施の形態では、単一のコア37が設けられており、コア37は、クラッド39により包囲されている。図4に示した実施の形態では、複数のコア37が1つの共通のクラッド39内を案内されている。図4に示した実施の形態は、例えばイメージガイドとしても用いられ得る。一実施の形態によれば、つまり、一般に、1つの共通のクラッド39内を延び、導光する複数のコア37を有するガラス光導波路1が設けられている。図3に示した実施の形態では、光導波路1あるいはダンベル形のガラス要素2は、円形の横断面を備えている。このような光導波路は、コアとクラッドとを有する相応の円形のガラスロッドから簡単に引っ張り加工することが可能である。図4に示したように、複数のコア37を有するガラスロッドは、他方、多数のコア-クラッド-プリフォームを融合させることで獲得できる。複数の小径のガラスロッドを融合させることで、光導波路の製造に用いられる合成ガラスロッドも、円から大なり小なり逸脱した横断面形状を有していてもよい。このような形状は、図4の例にも示されている。
特別な横断面形状によらないが、一般に、中間の長さ区間9および端部側の長さ区間5,7の横断面が、これらの横断面を最小で包囲する長方形が最大3:1、好ましくは最大2:1のアスペクト比を有する形状をそれぞれ呈していると、好ましい。横断面の、これを最小で包囲する長方形18は、図4に示してある。横断面は、ここでは確かに非円形であるが、最小で包囲する長方形18のアスペクト比は、それにもかかわらずここでは略正方形である。
それに沿って横断面のテーパがなされる移行区間11は、これまでに引っ張り加工されてきた相応の光導波路のようには、細い方の端部まで延びておらず、細い方の端部は、ある特定の区間、一定の横断面を有して延びているので、横断面変化は、比較的短い区間上で実施される。ここで横断面変化の領域における光損失を最小化するためには、この変化の特別なプロフィールが特に有利であることがわかっている。好ましい構成において、このために一般に、引っ張り加工されたダンベル形のガラス要素2、特にガラス光導波路(1)の製造に用いられる引っ張り加工されたガラス要素2であって、
-2つの端部側の長さ区間5,7を備え、端部側の長さ区間5,7は、第1の横断面積を有し、ガラス要素2の両端部を形成し、
-端部側の長さ区間5,7の間にそれぞれ設けられた2つの移行区間11,13を備え、ガラス要素の横断面積は、移行区間11,13に沿って連続的に変化し、第1の横断面積からより小さい第2の横断面積に移行し、
-移行区間11,13の中央3分の1における横断面Aは、関数
Figure 2022521803000003
より緩慢に増大し、ここで、lは、長さ座標、Aは、第1の横断面積、Aは、第2の横断面積、lは、それぞれの移行区間11,13の長さ、lは、移行区間11,13の中央部の長さ座標である、
ガラス要素2が設けられている。
本実施の形態でも、好ましくは、中間の長さ区間9が両移行区間の間に設けられている。しかし、両移行区間12,13が直接、特に最小の第2の横断面積に到達したところで、互いに移行することも可能である。
一般に、ダンベル形のガラス要素2あるいはこのガラス要素2から切り分けにより製造されたガラス光導波路1の移行区間における横断面変化は、式(1)によって与えられているよりさらに小さい。好ましい一発展形によれば、それゆえ、移行区間11,13の中央3分の1における横断面Aは、関数
Figure 2022521803000004
より緩慢に増大し、ここで、式(1)と同様、lは、長さ座標、Aは、第1の横断面積、Aは、第2の横断面積、lは、それぞれの移行区間11,13の長さ、lは、移行区間11,13の中央部の長さ座標である。
代替的または付加的なさらなる一実施の形態によれば、移行区間11,13におけるdA(l)/dl、すなわち、単位長さあたりの横断面の変化の最大値は、(A-A)/lより大きく、3・(A-A)/lより小さい、好ましくは2.41・(A-A)/lより小さい。
図5は、このために移行区間11の領域における横断面のプロフィールと、上述の曲線にしたがったプロフィールとの比較を示している。図5における曲線40は、その際、測定値から形成されている一方、曲線41は、上述の式にしたがったプロフィールA(l)を示している。移行区間11は、図示の例では、大体185mm~205mmの長さ値の間を延在し、つまり、約20mmの長さを有している。看取可能であるように、移行区間は、横断面変化が特に移行区間の中央部で曲線41より小さいように成形されている。これには、3・(A-A)/lより小さい、特に2.4・(A-A)/lより小さいプロフィールの最大の傾き、つまり横断面の最大の変化も伴う。このような最大傾きは、式(1)にしたがったプロフィールによって達成される。しかし、傾きは、(A-A)/lより大きくもある。このような変化は、横断面変化が移行区間全体にわたって線形であれば、達成されるかもしれない。このようなプロフィールは、引っ張り加工による形状付与によっては、移行区間が極めて長く選択されるときだけ、近似的に簡単に達成可能であろう。
理想化された双曲線正接関数との相違は、図5に示したプロフィールの導関数にも特に明らかになる。プロフィールの導関数dA/dlは、図6に示してある。その際、曲線42は、長さ座標lにしたがった横断面Aの測定されたプロフィールの導関数dA/dlである。曲線43は、相応に関数(1)の導関数である。この比較から、本開示による光導波路の横断面の最大の変化は、関数(1)の最大の変化より小さいことが看取可能である。このより小さな最大の変化は、移行領域において最も急勾配の箇所で外部に散乱される光が少なくなるため、光を集中させる際の効率を向上させる。
図7は、図5との比較のために、従来慣用の引っ張り加工法により製造されたダンベル形のガラス要素2の横断面積のプロフィールのグラフを示している。このガラス要素は、これまでの通常のやり方で、変形加工すべき領域全体の中央部の加熱と、引き伸ばしとにより製造される。これにより、図1および図5の例とは異なり、一定の横断面を有する中間の長さ区間9は存在しない。
図8は、ガラス要素が端部側で一定の横断面を有する長さ領域までの、約50mmのところで最小の横断面積をもった長さ位置の範囲内のプロフィールの導関数を示している。同じく式(1)による関数の導関数も記入してある。看取可能であるように、曲線プロフィールは、ここでは極めて正確に導関数にならっている。特に導関数の最大値も、極めて正確に一致している。これに対して、本開示によるガラス要素2の最大の横断面変化は、そして相応にこのガラス要素2から製造された光導波路1の最大の横断面変化も、移行区間の与えられた長さにおいて、比較的小さい。
一般に、図示の例に限定されることなく、一実施の形態において、それぞれの移行領域11,13における単位長さlあたりの横断面積Aの平均の変化dA/dlは、8・10-5mm/mm~7・10mm/mmの範囲にある。円形の横断面の場合、または上で示したように横断面に直径を割り当てることが可能であるので一般に、移行領域11,13の長さにわたって平均されたそれぞれの移行領域11,13における直径の平均の変化は、0.01~30の範囲にある。これらのパラメータは、ガラス要素2から切り出された光導波路にも当然相応に当てはまる。
以下の表には、様々な区間の寸法についての実施例を示してある:
Figure 2022521803000005
本表において、D1は、長さ区間5,7の直径、A1は、横断面積であり、D2は、中間の長さ区間9あるいは光導波路の第2の長さ区間10の直径、A2は、横断面積である。移行長さは、移行区間11または13の長さである。D1-D2は、直径D1とD2との差であり、D1/D2は、比である。A1/A2は、横断面積A1とA2との比である。最後の列は、移行区間11,13における単位長さlあたりの直径dDの平均の変化を掲載している。これらの実施例において、直径の比D1/D2は、1.1~10の範囲にある。さらに単位長さあたりの直径の平均の変化は、0.01~30の範囲にある。特に好ましくは、かつ表中の例に限定されることなく、単位長さあたりの直径の平均の変化は、最高で3である。好ましくは、単位長さあたりの直径の平均の変化は、これにより0.01~3の範囲にある。
本開示による方法により、複数の長手方向区間が小さな、理想的にはごく僅かな半径方向のずれしか有しないダンベル形のガラス要素2あるいは光導波路1も製造可能である。一実施の形態において、それゆえ、中間の長さ区間は、端部側の長さ区間5,7の少なくとも一方に対して同心に配置されており、その結果、長手方向あるいは軸方向で見たときの横断面の中心の距離は、中間の区間9の横断面の最小の横寸法の半分より小さい。ダンベル形のガラス要素2を切り分けることで製造された光導波路において、この条件は、而して相応に第1および第2の長さ区間5,10の横断面に当てはまる。図9は、軸方向で見た長さ区間5および9の横断面積45および46を示している。横断面積45,46は、ここではずれを有しているので、横断面積45,46の中心47,48は、軸方向で見て重なっていない。中心47,48間には、それゆえ半径方向で間隔49が生じる。このずれは、しかし、上で説明したように、横断面積46の最小の横寸法より小さい。これにより、横断面積45の中心47は、長手方向で見て常に中間の長さ区間9のより小さい横断面積46内(光導波路の場合は、第2の長さ区間10の横断面積46内)に位置している。この小さな、理想的な場合、ごく僅かなずれは、同じくそれぞれの移行区間11,13において光を集中させる際の光学的な効率にとって有利である。
光導波路の別の一実施の形態によれば、第2の長さ区間10は、湾曲していてもよい。このような実施の形態の一例は、図10に示してある。湾曲にもかかわらず、第2の区間10における横断面は、一定のままである。このような湾曲は、例えば特定のハンドピースにとって、例えば口腔の顎の前側の内面をハンドピースによって照明すべき際に、取り回しに有利である。さらに図10は、大まかに光源3を示している。光源3は、本開示による引っ張り加工されたガラス光導波路1と、少なくとも1つの発光体20とを備え、発光体20は、その光が第1の長さ区間5における端面15を介して光導波路1内に入力結合され、光導波路の通過後、第2の長さ区間10における他方の端面17において再び出射するように配置されている。光源3は、曲げられた光導波路の代わりに、一般に例えば図2に示したような真っ直ぐな光導波路1を装備していてもよいことは、自明である。発光体20として、好ましくは、図示のように発光ダイオードが用いられる。特に、ともに端面15を照明する複数の発光ダイオードが設けられていてもよい。光入射面15から光出射面17への光導波路1のテーパにより、光の集中あるいは空間的な放射強度の上昇が、光出射端部、つまり端面17に生じる。言及したように、このような光源3は、歯科ハンドピース22の部品であり得る。
このような光源3の別の使用例は、プラスチックの硬化ならびに/または細胞タイプ、特に癌細胞を診断する機器内、歯科医学の分野での使用、特に歯科硬化機器内、カリエスを診断する機器内、歯科のハンドピース内および/もしくは歯科のアングルピース内、外科の機器内および/もしくは診断用の機器内、特に皮膚分析機器内、オトスコープ内および/もしくは内視鏡内、喉の空間/咽頭腔(粘膜炎)、眼科学(眼炎)および皮膚科学における炎症の光誘導性の治療である。
有利な使用例は、UV光を用いた産業上の接着剤硬化時または設備もしくは機械を監視する検査システム内での使用時にも生じる。分析、例えば液状の物質の監視または検査においても、これにより簡単に、光導波路をベースとする画像供与型の監視器具、特に温度負荷、湿度負荷および/または汚れ負荷に曝されている周囲のための監視器具が実現可能である。
これにより、設備もしくは機械を監視する検査システムのための、ならびに/または産業上の結合プロセスおよび/もしくは接着プロセスおよび/もしくはレーザ溶接法および/もしくはリベット止めの実施および監視のための、ならびに/または液中および/もしくは水監視中の物体の検出のための、引っ張り加工されたガラス光導波路1を備える光源3の使用も可能である。
図11は、本開示によるダンベル形のガラス要素2を製造することが可能な装置50を示している。製造のために、ガラスロッド25を用意し、装置50の2つの保持部27,29により保持する。保持部27,29は、ガラスロッド25をその端部、つまり、ガラスロッド25の長手方向で間隔を置いた2つの領域で保持する。ガラスロッドの熱間変形加工のために、ガラスを局所的に加熱すべく、加熱装置が使用される。特にこのために放射ヒータが好適である。特に光源31が設けられており、光源31は、ガラスロッド25の表面の環状の領域33を照らす。しかし、別の加熱源が代替的に、または特に付加的にも、設けられてもよい。1つまたは複数の加熱装置により、而して場所的かつ/または時間的に可変の加熱プロフィールが設定される。
好ましくは、光源31として十分に高出力のレーザ53、例えばCOレーザが使用される。レーザビーム54によってガラスロッド25上の環状の領域を照射すべく、一実施の形態において一般に、図示の例に限定されることなく、ガラスロッド25は、光源31による照射中、その長手方向軸線回りに回転される。このために装置50は、駆動部51を有し、駆動部51は、保持部27と、保持部27とともにガラスロッド25とを、その長手方向軸線回りに回転させることが可能である。光源31により、ガラスロッド25の長手方向区間35は、軟化するまで加熱される。典型的には、長手方向区間35は、光源31により照射される環状の領域33より広幅である。ガラスロッド25は、軟化後、而して保持部27,29において引き伸ばされ、その結果、ガラスロッド25は、軟化された長手方向区間においてテーパする。引き伸ばしのために、引っ張り装置52が設けられており、引っ張り装置52は、図示の例では、保持部29に作用している。ガラスロッド25をテーパさせ、かつ引き延ばす引っ張り運動と同時に、環状の領域33およびガラスロッド25も、互いに相対的にガラスロッド25の長手方向に沿って動かされる。図示の例において、このために、レーザビーム54の衝突点をガラスロッド25の長手方向で動かす送り装置55が存在している。両運動、すなわち、引き伸ばしと、ガラスロッド25上での環状の領域33の運動とは、所定の速度プロフィールで実施される。これに応じて、環状の領域33の相対運動の所定の速度プロフィールと、ガラスロッド25の引き伸ばしの速度の所定の速度プロフィールとが調整され、両速度プロフィールは、互いに連係されている。こうしてガラスロッド25のテーパは、2つの端部側の長さ区間5,7の間に1つの中間の長さ区間9が、端部側の長さ区間5,7の第1の横断面積に対して少なくとも係数1.2の分だけ減じられた中間の長手方向区間において一定の第2の横断面積を有しているように引っ張り加工されるようコントロールされることができ、このとき、中間の長さ区間9は、連続的に拡大する横断面を有する移行区間で端部側の長さ区間5,7に移行している。
一般に、図示の例に限定されることなく、ガラスを過度に軟化させないことが、特に有利であることがわかっている。過度に軟化させると、互いに連結される運動による変形のコントロールが悪化してしまう場合がある。また、強い軟化は、ガラスの変形可能な領域の拡大に至らしめる。このことは、同じく変形可能性のより低レベルのコントロールに至らしめる。変形ゾーンが長く伸びると、横断面変化が上述の式(1)にしたがってなされる移行領域が形成される。それゆえ、好ましい一実施の形態によれば、一般に、ガラスロッド25は、ガラスロッドを引き伸ばす際、ガラスの最小の粘度がη=10dPa・sの値を下回らないように加熱される。
これまでに説明した例では、第2の中間の長さ区間の横断面積が一定なだけでなく、その横断面形状も一定であった。一発展形によれば、ある長さ区間の横断面形状、好ましくは第2の長さ区間の横断面形状を変化させることも可能である。この変化は、一般にホットプレス工程により実施可能である。少なくとも1つの長さ区間5,7,9の横断面形状をホットプレスにより変化させることで、これにより製造される光導波路の幾何学形状は、例えば所与の条件、例えばハンドピースの構造形態および所望の幾何学形状に適合され得る。ホットプレスは、好ましくは、引き伸ばし後、つまりテーパの製造後、実施される。図12は、このために図1に示したガラス要素2の一変化態様を側面図で示している。本変化態様では、第2の長さ区間9が、横断面形状が変化された区間90を有している。特に横断面は、ホットプレスによってよりフラットなものにされ得るか、あるいはどちらかといえば円形の形状からより扁平化された形状へと移行し得る。この扁平化は、しかし、横断面積の著しい変化を伴う必要はない。図12で見れば、確かに区間90における横方向の寸法は、第2の区間9の残余の部分と比較して小さいが、このために、視線方向に沿った横方向の寸法は、より大きくなっていることができ、その結果、横断面積は、同じままである。図13は、説明のために、ガラス要素2から製造された光導波路1を斜視図で示している。光導波路1は、ガラス要素2を区間90において切り分けることで製造されている。図13を参照すると、明らかに、光導波路1の、切り分けにより得られた端面17の扁平化された形状が看取可能である。
図14は、ホットプレスによって区間90で製作され、而してこれに応じて、それから製造される光導波路1の端面17の形状もなし得る様々な横断面形状を示している。部分図(a)は、楕円の横断面を示している。部分図(b)は、長方形の横断面を有する区間90あるいは相応に端面17を示している。部分図(c)は、長方形の横断面の一変化態様であり、角が丸み付けられている。横断面は、一般に多角形であってもよい。部分図(b)および(c)に示した例の多角形の横断面の他、部分図(d)は、別の実施の形態を示しており、横断面の形状は、三角形である。部分図(e)は、相応に成形された端面を有するキドニ形の区間を示している。より小さな構造がホットプレスにより作り出されてもよい。部分図(f)は、このためにホットプレスにより係止要素91が作り出された一例を示している。係止要素91は、例えば長手方向で延在するリブの形状を呈していてもよい。
ガラス要素2の第2のあるいは中間の長さ区間9以外にも、ホットプレスによって変形させることが可能であることは自明である。同じく、ガラス要素2の別の部分、例えば第1の長さ区間5,7の一方または両方を変形させることも可能である。これらの実施例に限定されることなく、それゆえ、ガラス要素2あるいはこのガラス要素2から製造された光導波路1は、隣り合う区間の横断面形状、特に円形の横断面形状とは異なる横断面形状を有する長さ区間を有している。この逸脱した、特に非円形の横断面形状が、説明したようにホットプレスにより製造されるとき、ガラスは、及ぼされた圧力により実質的に横方向に逃げる。これにより、確かに横断面形状は変化するが、横断面積は、しかし、実質的に同じままである。それゆえ、さらなる一発展形によれば、ガラス要素2またはガラス光導波路1は、横断面形状が少なくとも1つの隣り合う区間に対して変化している長さ区間を備えており、この長さ区間と、この隣り合う長さ区間との横断面積は、好ましくは同じである。同じままの横断面積は、その際、本開示の意味で僅かな、例えばホットプレス時に長手方向でガラスが流れることにより引き起こされる差異を含んでいる。横断面積の差異は、しかし、特に5%以下である。
これまでの例では、第1の長さ区間5,7は、同時にガラス要素2の端部側の長さ区間であった。また、これらの端部側の区間の直径または横断面積は、同じであった。両方のことは、しかし、必須ではない。さらに、中間の長さ区間に隣接する両移行区間の長さは、互いに異なっていてもよい。図15は、このために、図1に示したガラス要素とは異なり、2つの第2のあるいは中間の長さ区間9,92を備えるガラス要素2の一例を示している。つまり、一般に複数の中間の第2の長さ区間が存在していてもよい。第2の長さ区間9,92は、図示したようにその横断面積、特にその直径に関して互いに異なっていてもよい。第2の長さ区間9は、本例では2つの第1の長さ区間5,7の間に配置され、別の第2の長さ区間92は、2つの第1の長さ区間7,70の間に配置されている。それぞれ異なる長さ区間の横断面は、移行区間11,13,110および130のプロフィール内で変化している。図示の例でも実現されている別の一実施の形態によれば、移行区間は、互いに異なる長さを有している。図示の例では、移行区間11は、移行区間13より明らかに長い。この特徴は、複数の第2の中間の長さ区間が存在することに限定されるものではなく、例えば図1に示した例でも存在し得る。
1 ガラス光導波路
2 ガラス要素
3 光源
5,7,9,10,70,92 長さ区間
11,13,110,130 移行区間
15,17 端面
18 最小で包囲する長方形
20 発光体
22 歯科ハンドピース
25 ガラスロッド
27,29 保持部
31 光源
33 25上の環状の領域
35 加熱される長手方向区間
37 コア
39 クラッド
40 プロフィール 横断面積
41 プロフィール 比較関数
42 40の導関数
43 41の導関数
45 5の横断面積
46 9,10の横断面積
47 45の中心
48 46の中心
49 47,48の半径方向の間隔
50 2を製造する装置
51 駆動部
52 引っ張り装置
53 レーザ
54 レーザビーム
55 送り装置
90 横断面形状が変化された区間
91 係止要素

Claims (24)

  1. ガラス光導波路(1)の製造に用いられる引っ張り加工されたガラス要素(2)であって、
    -2つの第1の長さ区間(5,7)を備え、前記第1の長さ区間(5,7)は、第1の横断面積を有し、前記ガラス要素(2)の両端部を形成し、
    -前記第1の長さ区間(5,7)の間に位置し、前記第1の長さ区間(5,7)の前記第1の横断面積より小さい第2の横断面積を有する第2の中間の長さ区間(9)と、前記中間の長さ区間(9)と前記第1の長さ区間(5,7)との間にそれぞれ設けられた2つの移行区間(11,13)とを備え、
    前記ガラス要素の前記横断面積は、前記移行区間(11,13)に沿って連続的に変化し、前記第1の横断面積から前記第2の横断面積に移行する、
    ガラス要素(2)。
  2. 前記移行区間(11,13)の中央3分の1における横断面Aは、関数
    Figure 2022521803000006
    より緩慢に増大し、ここで、lは、長さ座標、A1は、前記第1の横断面積、A2は、前記第2の横断面積、lは、それぞれの前記移行区間(11,13)の長さ、lは、前記移行区間(11,13)の中央部の長さ座標であることを特徴とする、請求項1記載のガラス要素(2)。
  3. 移行区間(11,13)におけるdA(l)/dl、すなわち、単位長さあたりの前記横断面の変化の最大値は、(A1-A2)/lより大きく、2.4・(A1-A2)/lより小さいことを特徴とする、請求項1または2記載のガラス要素(2)。
  4. 以下の特徴のうちの少なくとも1つ、すなわち:
    -前記中間の長さ区間(9)の前記第2の横断面積は、少なくとも係数1.2の分だけ前記第1の長さ区間(5,7)の前記第1の横断面積より小さい、
    -前記中間の長さ区間(9)は、前記第2の横断面積の根の少なくとも3倍の長さを有する、
    -複数ある前記第1の長さ区間(5,7)の1つの第1の長さ区間の前記横断面積Q1の、前記第2の中間の長さ区間(9)の前記横断面積Q2に対する横断面積の比Q1/Q2は、1.1~100の範囲にある、
    -前記第1の長さ区間(5,7)の直径D1の、前記第2の中間の長さ区間(9)の直径D2に対する比D1/D2は、1.1~10の範囲にある、
    -前記移行領域(11,13)の長さにわたって平均された前記移行領域(11,13)における直径の平均の変化は、0.01~30の範囲、特に0.01~3の範囲にある、
    -移行領域(11,13)における単位長さlあたりの前記横断面積Aの平均の変化は、8・10-5mm/mm~7・10mm/mmの範囲にある、
    -前記移行区間11,13の中央3分の1における前記横断面Aは、関数
    Figure 2022521803000007
    より緩慢に増大し、ここで、lは、長さ座標、Aは、前記第1の横断面積、Aは、前記第2の横断面積、lは、それぞれの前記移行区間(11,13)の長さ、lは、前記移行区間(11,13)の中央部の長さ座標である、
    -前記ガラス要素は、複数の第2の長さ区間(9,92)を有する、
    -複数の前記移行区間(11,13)は、互いに異なる長さを有する、
    という特徴のうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  5. 前記第2の中間の長さ区間(9)および前記第1の長さ区間(5,7)の横断面は、前記横断面を最小で包囲する長方形が最大3:1、好ましくは最大2:1のアスペクト比を有する形状を呈することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  6. 前記長さ区間は、円形の横断面を有することを特徴とする、請求項1から5までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  7. 前記第2の中間の長さ区間は、複数ある前記第1の長さ区間(5,7)の少なくとも1つの第1の長さ区間に対して同心に配置されており、長手方向で見たときの前記横断面の中心の距離は、前記中間の区間(9)の前記横断面の最小の横寸法の半分より小さいことを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  8. 前記第1の長さ区間(5,7)の最大の横寸法は、50mm未満、好ましくは30mm未満、好ましくは20mm未満、特に好ましくは15mm未満であることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  9. 前記第1の長さ区間(5,7)は、前記ガラス要素(2)の端部側の長さ区間であることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載のガラス要素(2)。
  10. 引っ張り加工されたガラス光導波路(1)、特に請求項1から9までのいずれか1項記載のダンベル形のガラス要素(2)を前記中間の長さ区間(9)において切り分けることで製造可能な引っ張り加工されたガラス光導波路(1)であって、
    -第1の長さ区間(5)を備え、前記第1の長さ区間(5)は、前記光導波路(1)の第1の端面(15)において光入力結合または光出力結合のために終端し、前記第1の長さ区間(5)は、第1の横断面積を有し、
    -第2の横断面積を有する第2の長さ区間(10)を備え、前記第2の長さ区間(10)は、第2の端面(17)において光入力結合または光出力結合のために終端し、光は、前記光導波路(1)内に前記端面(15,17)の一方において入力結合され、他方の前記端面(17,15)において出力結合されることができ、前記第1の長さ区間(5)の前記横断面積は、前記第2の長さ区間(10)の前記横断面積より大きく、
    -前記第1の長さ区間(5)と前記第2の長さ区間(10)との間の移行区間(11)における横断面積は、前記移行区間が前記第1の長さ区間(5)から前記第2の長さ区間(10)に向かってテーパするように連続的に変化する、
    引っ張り加工されたガラス光導波路(1)。
  11. 前記移行区間(11,13)の中央3分の1における横断面Aは、関数
    Figure 2022521803000008
    より緩慢に増大し、ここで、lは、長さ座標、Aは、前記第1の横断面積、Aは、前記第2の横断面積、lは、前記移行区間(11)の長さ、lは、前記移行区間(11)の中央部の長さ座標であることを特徴とする、請求項10記載のガラス光導波路(1)。
  12. 以下の特徴のうちの少なくとも1つ、すなわち:
    -前記第1の長さ区間(5)の前記横断面積は、前記第2の長さ区間(10)の前記横断面積より少なくとも係数1.2の分だけ大きい、
    -前記第2の長さ区間(10)は、前記第2の横断面積の根の少なくとも1.5倍、好ましくは少なくとも3倍の長さを有する、
    -前記第1の長さ区間(5)の前記横断面積Q1の、前記第2の長さ区間(10)の前記横断面積Q2に対する横断面積の比Q1/Q2は、1.1~100の範囲にある、
    -前記第1の長さ区間(5)の直径D1の、前記第2の長さ区間(10)の直径D2に対する比D1/D2は、1.1~10の範囲にある、
    -前記移行領域(11)の長さにわたって平均された前記移行領域(11)における直径の平均の変化は、0.01~30の範囲、好ましくは0.01~3の範囲にある、
    -前記移行領域(11)における単位長さlあたりの前記横断面積Aの平均の変化は、8・10-5mm/mm~7・10mm/mmの範囲にある、
    -前記移行区間11,13の中央3分の1における前記横断面Aは、関数
    Figure 2022521803000009
    より緩慢に増大し、ここで、lは、長さ座標、Aは、前記第1の横断面積、Aは、前記第2の横断面積、lは、それぞれの前記移行区間(11,13)の長さ、lは、前記移行区間(11,13)の中央部の長さ座標である、
    という特徴のうちの少なくとも1つを備えることを特徴とする、請求項10または11記載のガラス光導波路(1)。
  13. 前記第2の長さ区間(10)は、湾曲していることを特徴とする、請求項10から12までのいずれか1項記載のガラス光導波路(1)。
  14. 前記光導波路(1)は、導光する多数の個別ファイバが互いに融合されたイメージガイドとして形成されている、請求項10から13までのいずれか1項記載のガラス光導波路(1)。
  15. 前記ガラス光導波路(1)は、導光する複数のコア(37)を備え、前記コア(37)は、1つの共通のクラッド(39)内を延びていることを特徴とする、請求項10から14までのいずれか1項記載のガラス光導波路(1)。
  16. 横断面形状が少なくとも1つの隣り合う区間に対して変化している長さ区間(90)を備え、この長さ区間と、この隣り合う長さ区間との横断面積は、同じであることを特徴とする、請求項10から15までのいずれか1項記載のガラス光導波路(1)。
  17. 請求項10から16までのいずれか1項記載の引っ張り加工されたガラス光導波路(1)と、少なくとも1つの発光体(20)とを備える光源(3)であって、前記発光体(20)は、前記発光体(20)の光が前記第1の長さ区間(5)における前記端面(15)を介して前記光導波路(1)内に入力結合され、前記光導波路の通過後、前記第2の長さ区間(10)における他方の前記端面(17)において再び出射するように配置されている、光源(3)。
  18. 請求項17記載の光源(3)の使用であって、プラスチックの硬化用、細胞タイプ、特に癌細胞を診断する機器内、歯科医学の分野での使用用、特に歯科硬化機器内、カリエスを診断する機器内、歯科のハンドピース内、歯科のアングルピース内、外科の機器内、診断用の機器内、特に皮膚分析機器内、オトスコープ内または内視鏡内、喉の空間/咽頭腔(粘膜炎)、眼科学(眼炎)および皮膚科学における炎症の光誘導性の治療用の使用。
  19. 請求項15記載の引っ張り加工されたガラス光導波路(1)を備える光源(3)の使用であって、設備もしくは機械を監視する検査システム用ならびに/または産業上の結合プロセスおよび/もしくは接着プロセスおよび/もしくはレーザ溶接法および/もしくはリベット止めの実施および監視用ならびに/または液中および/または水監視中の物体の検出用の使用。
  20. 請求項1から19までのいずれか1項記載のガラス要素(2)または引っ張り加工されたガラス光導波路(1)を製造する方法であって、
    -ガラスロッド(25)を用意し、2つの保持部(27,29)により保持し、このとき、前記保持部は、前記ガラスロッド(25)を、前記ガラスロッド(25)の長手方向で間隔を置いた2つの領域において保持し、
    -加熱装置により前記ガラスロッド(25)の表面の環状の領域(33)、ひいては長手方向区間(35)を、前記ガラスロッド(25)が軟化するまで加熱し、
    -前記ガラスロッド(25)をその後前記保持部において引き伸ばし、前記ガラスロッド(25)は、軟化された前記長手方向区間においてテーパし、このとき、前記環状の領域(33)および前記ガラスロッド(25)を互いに相対的に前記ガラスロッド(25)の前記長手方向に沿って動かし、引き伸ばしおよび前記環状の領域の運動時、相対運動の所定の速度プロフィールと、前記ガラスロッド(25)の引き伸ばしの速度の所定の速度プロフィールとを調整し、このとき、両前記速度プロフィールを互いに連係させ、その結果、2つの第1の長さ区間(5,7)の間に、前記第1の長さ区間の間に位置する第2の中間の長さ区間(9)を、前記端部側の長さ区間(5,7)の前記第1の横断面積に対して少なくとも係数1.2の分だけ減じられた第2の横断面積を有するように引っ張り加工し、前記第2の中間の長さ区間(9)は、連続的に拡大する横断面を有する移行区間で前記端部側の長さ区間(5,7)に移行する、
    ガラス要素(2)または引っ張り加工されたガラス光導波路(1)を製造する方法。
  21. 前記環状の領域(33)を放射源により加熱することを特徴とする、請求項20記載の方法。
  22. 前記環状の領域(33)をレーザ(54)により加熱することを特徴とする、請求項21記載の方法。
  23. 前記ガラスロッド(25)を、前記光源(31)による照射中、その長手方向軸線回りに回転させることを特徴とする、請求項22記載の方法。
  24. 少なくとも1つの長さ区間(5,7,9)の横断面形状をホットプレスにより変化させることを特徴とする、請求項20から23までのいずれか1項記載の方法。
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