JP4041545B2 - 液体コア光ガイド照明装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光源と液体コア光ガイドとを具備する照明装置に関する。
【0002】
そのような照明装置は、米国特許第4,009,382号に記載されている。ドイツ特許40 24 445 Alから、液体コア光ガイドは既知であり、下記化1に示す一般式で表わされ、TEFLON AFの登録商標でDupont社から市販されているアモルファスフルオロポリマーの管を含む。
【0003】
【化1】
前記ポリマーは、テトラフルオロエチレンと、環化反応を妨げるためにポリマーの主鎖にスペーサーとして作用するフッ素化された環状エーテルとの組合わせをベースとする。このアモルファスフルオロポリマーは、ガラスと同程度に透明であり、屈折率nが低い(ガラス転移温度の上昇にともなって、nは1.315から1.29に減少する)。このフルオロポリマーは比較的硬いので、管状シースが比較的肉薄の場合でも、これから得られた光ガイドが扱い難いだけでなく、管状に押出すことが難しく(改質テフロン(登録商標)AF 2400は、押出すことができない)、非常に高価である。このとき、小さな顆粒1gのコストは約10ドルなので、押出しに必要な20kgの1バッチは、約240,000ドルとなる。このことは、1000〜2000mの長さを達成し得る押出しについて、壁の厚さに応じて1m当り約100ドルの価格を引き起こす。
【0004】
本発明は、中程度の費用であって、取扱いが容易であり、光源からの照射光の有効利用を保証する照明装置を製造することを目的とする。
【0005】
液体で充填され、フッ化炭化水素ポリマーからなるフレキシブルな管を含み、非常に薄い内部被覆又はTeflon(登録商標) AFの液体コア光ガイドの管状シースのライニングを有する光ガイドと組合わせた適切な光源は、Dupont社製の屈折率n=1.31の改質AF1600、又はn=1.30のAF2000、又はn=1.29のAF2400は、約3μmの程度の非常に薄い膜、即ち、その中に導かれる光の波長のオーダーで利用可能であり、生産費に関してかなりの節約をもたらすのみならず、光ガイドの透過率が驚くほどに改善され、これによって照明装置の光学的効率が改善されることがわかった。例えば、プローブ又は歯科用途において用いられているような照明装置の光ガイドは、しばしば大きく湾曲させる必要があるが、もちろん、光出力におけるいかなる減少も望ましいものでない。したがって、特に光ガイドの屈曲において、かなり少ない透過率損失は重大なことである。
【0006】
また、管材料は、Teflon(登録商標)被覆についての基材として作用するためのみに必要であるので、本発明の被覆により、フレキシブルな管材料の選択の自由度が、前述の従来技術よりも大きくなる。光ガイド流体と管材料との直接接触を引き起こすような被覆の欠陥がある場合の光の漏れが最少となるように、Teflon (登録商標)AF被覆のための好ましい基材として、低い屈折率(n=1.35のオーダー)を有するフッ化炭化水素が与えられる(即ち、光ガイド流体、及びシースの基体材料の屈折率nの差を、可能な限り大きくする。)。
【0007】
好ましい基材は、Hoechst社製 ターポリマーHostaflon TFB(登録商標);又は下記2〜化4に示す構造式を有するTeflon(登録商標)PTFE、FEP、PFA;Dupont社製のTEFZEL、ETFE(登録商標);又はPCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)又はPVDF(3M)である。
【0008】
【化2】
【化3】
【化4】
多少の全反射を達成するための発明に係る被覆材料より実質的に高い屈折率を有しているので、モノエチレン、ジエチレン、トリエチレン、及びテトラエチレンクリコールのような光ガイド流体グリコール類は、好ましく適切である。一方、管材料は、全て水蒸気が詰まっているわけではないので、高湿度の環境に存在する水蒸気が、やがて管を通して液体コア内に拡散し、内圧に望ましくない増加を引き起こす。しかしながら、開始直後に若干の水がグリコールに加えられると、少量の水が管内部に拡散して内圧がわずかの程度だけ増加するので、蒸気圧差は減少する。このことは、光ガイドシースの端部に挿入され、光ウインドウとして作用する石英又はガラスプラグが強いられる危険性を減少させる。一方、光ガイドシース8%の通常の管材料については、加えられる水の量に制限があり、このとき屈折率間の差は非常に小さくなる。本発明の被覆は、より多量の水を加えることを可能とし、周囲から管への水蒸気の望ましくない拡散をさらに減少させることができるように、この範囲内の差を保つことができる。この点において、少なくとも6又は7%から10、15、20、又は30%までの量の水をトリエチレングリコール又は他のグリコールに加えることは、成功をもって改善され、結果として得られる屈折率の減少は許容可能となった。
【0009】
さらに、水とグリコール不凍液との混合物を使用することによって、冬期の屋外での使用に重要な光ガイドを得ることができる。本発明の被覆によって達成された屈折率の差をより大きく保つことは、光ガイド作用のための液体コアとして、純水を使用することを可能にする。特に、Teflon(登録商標)AF 2400、即ち、より高いガラス転移温度と、n=1.29というより小さい屈折率とを有するAF材料を使用する場合に純水の使用が可能となるが、被覆を形成することが幾分困難となる。また、前述のドイツ特許40 24 445から、生理食塩水は、一方の端部においてシース開口の被覆に成功したことが立証された。
【0010】
また、アルカリ及びアルカリ土類のハロゲン化物のような水性塩の溶液を作るために文献は使用される。ハロゲン化物としては、特に以下のような塩化物及びフッ化物があげられる。
【0011】
n≦1.45のCaCl2 溶液
n≦1.4のKF溶液
n≦1.42のCsF溶液
n≦1.40のNaCl溶液
より適切な光ガイド流体なので、フッ化物溶液は、塩化物溶液より優れた抵抗を短波長照射(UVB)に与える。塩化物溶液のうち、生理食塩水のような塩化ナトリウム溶液は、医療用光ガイド用途において重要なものである。また、適切なリン酸塩溶液としては、以下のものがあげられる。
【0012】
n≦1.42のK2 HPO4 溶液
n≦1.42のNa2 HPO4 溶液
n≦1.42のNaH2 HPO4 溶液
これらも、塩化物溶液より優れた抵抗を短波長(UVB)に与える。また一方、塩化物溶液は、UVA照射の透過によく適合する。短波長照射(UVB)は、特にエキシマレーザー及び高圧水銀ランプにより供給されるが、それらの照射は塩化物化合物を破壊する傾向があるので、光ガイドの透過率の低下を引き起こす。上述の溶液は、通常、光ガイド流体について可能な限り高い屈折率を達成するために、高濃度で使用される。近赤外線照射、例えば、タングステン−ハロゲンランプ光源からの照射のために、さらに有用な光ガイド流体は、PCTFEオイル(n:約1.40)である。そのようなオイルの屈折率は、1.40ないし1.41を越えるべきでない。内部被覆の好ましい厚さは5μmであり、この厚みは約3μm未満とするべきでない。
【0013】
本発明の被覆のために使用されるTeflon(登録商標)の3つの種類は、いわゆるAF1600、AF2000、AF2400であり、それらの名称にしたがって、それぞれ160℃、200℃、及び240℃の異なるガラス転移温度を有する。Teflon(登録商標)AF1600は、フッ化炭化水素を含有する液体に6重量%まで溶解し、Teflon(登録商標)AF2400は、2重量%までしか溶解しない。より大きな厚みをもってより迅速に被覆を形成するので、第1に示した被覆材料の3倍高い溶解度は、本発明の被覆のより容易な利用を可能にする。
【0014】
短波長照射(UVB)に対して塩化物より高い抵抗を有するので、フッ化物及びリン酸塩溶液は、比較的小さい屈折率を有する。このため、フッ化物及びリン酸塩溶液は、通常の管材料を用いる場合には適切でない。ここで、本発明の被覆の結果、これらの溶液が、はじめて光ガイド流体として非常に重要となり、特に、UVB範囲(280nm<λ<330nm)において有用な透過率が得られる。
【0015】
本発明の被覆の製造は、Teflon(登録商標)AF 粉末の溶液を塗布することによって達成することができる。フッ化炭化水素ポリマーからなる管材料の内部への、Teflon(登録商標)AF被覆の安定性の高い付着が達成されることは、驚くべきことである。フッ化炭化水素ポリマーは、付着特性が乏しい(しかし、これとは対照的に、“スリップ性”には非常に優れる)ことが知られているので、このことは、必ずしも予測され得ることではない。また、この優れた付着性は、上述の光ガイド流体でぬれた場合でも維持され、光ガイドが大きく曲げられた場合でも低下しない。このことは、長期間の使用において、非常に重要なことである。管材料それ自体への被覆の付着性は非常に優れているので、ウインドウプラグが管の端部にしっかりと適合している場合でも被覆は損傷を受けず、それは外れることがない。内圧の増加を強いられるという危険性を減少させるために、本発明の被覆は、管の両端部におけるウインドウプラグの密閉性を改善する。この驚くほどに優れて安全な付着性は、PTFE Teflon(登録商標)(n=1.34)、Teflon(登録商標) PFA(n=1.34)、及びTeflon(登録商標)ETFE(n=1.42)と同様に、特に、n=1.34の屈折率を有するTeflon(登録商標)FEP、n=1.36の屈折率を有するHostaflon TFPのようなフッ化炭化水素のシース材料の主な利点であり、PCTEF及びPVDFも含まれる。仮に、ある種の材料からなるシースの内側への、本発明のTeflon(登録商標)AF被覆の組み合わせが、ある位置において達成できず完全ではなくなると、透過率のかなりの損失を危ぶむ必要がないように、そのような位置における光損失は、n>1.4の光ガイド流体について極わずかに保つことができる。
【0016】
図面に非常に単純に示された照明装置は、光源10、365nmについて反射防止フィルムで被覆された石英レンズ3つで構成された集光レンズ12、光フィルター14、及び光ガイド16を含む。図示するように、好ましい態様において、光源10は、例えばHBO200型の200Wの高圧水銀ランプ18、凹面反射鏡20で構成される。
【0017】
光源は、例えば、キセノン高圧ランプ又はタングステン−ハロゲンランプのような、その他のガス、又は蒸気放電ランプで構成されてもよい。光フィルター20は、イオンプレートされた薄膜フィルターであり、長波長照射、即ち、長波長可視光線及び近紫外線照射を反射する。
【0018】
光フィルターのスペクトル通過帯域(バンドパス)は、照明装置特有の使用に依存する。工業用接着剤、及び歯科用ポリマーのための重合装置において、UVA範囲(約330〜380nm)、UVA範囲+青色スペクトル範囲(約330〜480nm)、又はUVB+UVA+青色(約280〜480nm)が必要とされる。そのような通過帯域の必要性は、薄膜干渉フィルターによって満たすことができる。
【0019】
液体コア光ガイドは、上述のようなフッ化炭化水素ポリマーの柔軟な管状シース21を含む。このシースは、特別な用途に適するように厚さを選択することができる。例えば、1/2mmとすることができ、シース21の内側が被覆された本発明の薄膜被覆22のための基材として作用する。管の内側は、光ガイド流体23で充填されるような形状であり、その両端部は石英又はガラスプラグで密閉されている。これらのプラグは、メカニカルシール(図示せず)によって、シース21にしっかりと接続されている。
【0020】
被覆22が、n=1.29の比較的小さい屈折率を有するTeflon(登録商標)AF2400で作られている場合には、フッ化物又はリン酸塩溶液のような、屈折率が比較的小さい光ガイド流体23を使用することができる。そのような溶液は、屈折率の差に起因して、UVB光(280nm<λ<320nm)のような短波長に対して優れた抵抗を与える。また、塩化物含量の低い塩化物溶液を使用することができ、その溶液においては、より少量の塩化物が短波長照射のもとで分解することができる。したがって、透過率はより小さい値に決定される。
【0021】
以下に、数ヵ月にわたって行なわれた試験により得られた結果を示す。Teflon(登録商標)AF2400及びTeflon(登録商標)AF1600の両方で5μm未満、特に3μmの薄膜で被覆された特別なTeflon(登録商標)FEP及びHostaflon TFBの管状シース材料21は、種々の光ガイド流体23で満たされる。Teflon(登録商標)AF1600の特別な被覆は、透過率を改善すること、即ち低い光損失に関して優れた結果をもたらす。光ガイド内への光の導入を促進するために隙間の数を増やし、光ガイドが屈曲している間の透過率損失を減少させる。また、この被覆は、基材シース21への被覆22の優れた付着性に関して優れた結果をもたらす。
【0022】
Teflon(登録商標)AF2400は、非常に容易には加工できないが、それはまた、純水の光コアを有する光ガイドの製造を可能にするために被覆22を製造することを可能にする。
【0023】
また、フッ化炭化水素ポリマーのシース21と、Teflon(登録商標)AFの被覆22とを有する光ガイドの長期間の試験において、1年以上経過した後、シース21からの被覆22の脱着を示す徴候がないことがわかった。鋭角に曲げた場合であっても、光ガイドの透過率の一貫性は共存性の証拠であり、光ガイド流体でぬれた際も被覆の耐久性は保たれる。150Wのハロゲンランプ、200Wの高圧水銀ランプ、及び200WのHTIランプから集められた照射を伴う以下の機能試験においてさえ、数100時間にわたって透過率が全く低下しない耐久性が観察された。即ち、そのようなエネルギー付加状態において、被覆22の劣化は全く観察されなかった。また、数千回の曲げを含む曲げ試験は、基材からの被覆の脱着はもちろんのこと、被覆に全く損傷を与えなかった。シース21の基材への被覆22の付着は非常に優れているので、光のための入力及び出力ウインドウを形成し、きつく接合する円筒状の石英プラグ24が、その中の挿入されても、被覆自体は脱着することがない。
【0024】
AF2400が必要とされるウォーターコア光ガイドの特別なケースは別として、TFB材料のシースをTeflon(登録商標)AF1600で被覆することは、特に効果的である。即ち、通常の光ガイド流体(グリコール、塩溶液)と組合わせて、その屈折率は、実質的にn=1.45を越えないことを可能にする。
【0025】
TFB材料は、Teflon(登録商標)FEPと比較して大きな屈折率(n=1.36)を有するので、Teflon(登録商標)AF1600の被覆を用いることによって、光学的により薄い媒体の屈折率を5/100までにすることができる。n=1.45を有する光ガイドを使用する場合、このことは、入射光ビームについての全角度を60°から80°に増加させ、R=7cmの曲率について5mmの有効直径を有する光ガイドについて、曲げ損失を15%から5%未満に減少させる。
【0026】
例 1:ウォーターコア光ガイド
光ガイド23:高度に脱イオンされた純水 n=1.33
管材料:FEP材料のシース21の内部に被覆22として、AF2400
を塗布した。
【0027】
長さ 150cm、内径=5mm、外径=6mm
2つの石英プラグSiO2 は、それぞれ20mm長
被覆22の厚さ、約2mm
l=430nm、及び入射光角度60°において、光ガイドの透過率は、T=22%に達する(光ガイドの隙間は、わずかに36°)。わずか10°の入射光について、透過率は60%まで増加する。λ=308nmを有する光源としてエキシマレーザー(XeCl)を使用した場合、透過率は60%に達する。これらの測定のための光ガイドは、R=30cmの曲率半径を有するU字型である。光ガイド流体23と被覆22との屈折率の最少の差(Δn=3/100−4/100)に起因して、このウォーターコア光ガイドは、入射光の発散が非常に低い照射源について特に適切である。即ち、レーザー照射、好ましくは、H2 Oが優れたUV透過率を与えるので、λ=308nm(XeCl)における放射を有するエキシマレーザーのUVレーザー照射が適切である。レーザー光ガイドとして、ウォーターコアの有効直径は、屈曲損失を最少にするために、5mm未満、例えば2mm又は1mmとするべきである。基材シース21は、好ましくは2mmの内径と、4mmの外径とを有し、FEP、PTFE、PFA、ETFE、又はTFB材料で構成される。クローズドループシステムなので、上述のようなFEP基材を有するウォーターコア光ガイドは、5か月を越える期間、その透過率を正確に維持する(管の透過性に起因して、管の内部から外界へ拡散するH2 O蒸気の危険性が存在するので、このウォーターコア光ガイドにおいては、より厚い壁、例えば1mmを有することが好ましい。)。
【0028】
例 2
8%のH2 Oが加えられたトリエチレングリコールの液体コア23(n=1.45)、長さ230cm、内径5mm、外径6mmでありフッ化炭化水素ターポリマーTFBからなるシース21、2μm以上の厚さを有するAF1600(n=1.31)の被覆22を有し、石英ガラスプラグで両端部を封じた光ガイドである。
【0029】
透過率の測定は、60°の入射角について、青色光l=430nmで行ない、AF1600の被覆22を有する10個の光ガイドについて79.3%の平均透過率を得た。屈曲損失は、r=7cmの円筒の周囲に2回巻いた光ガイドについて測定し、ほぼ3%の減少である76%の透過率が得られた。同様の条件の下、10個の比較のための光ガイドについて測定したところ、AF1600の被覆22なしでは、平均透過率は72.5%であり、屈曲においては64%であった。AF16O0で被覆された光ガイドの平均透過率は、若干曲げた状態又は直線状で9.4%大きく、このことは、強く曲げた状態で、平均透過率を20%増加させる。
【0030】
例3
シース材料:テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(FEP)
内部被覆:Teflon(登録商標)AF 1600
液体:水性塩化カルシウム溶液
例4
シース材料:テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体(FEP)
内部被覆:Teflon(登録商標)AF 1600
液体:10重量%の水を含むトリエチレングリコール(水含有量は、8〜15%の間で変えることができる)
例5
シース材料:テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、及びフッ化ビニリデンのターポリマー
内部被覆及び液体は、例4と同様である。
【0031】
例 6
シース材料及び被覆は、例4と同様である。
【0032】
液体:テトラエチレングリコール(水含有量は例4と同様である)
例 7
シース材料は例3と同様である。
【0033】
被覆:例3と同様、厚さ5μm(少なくとも3μm)
液体:下記化5に示す構造式で表わされるポリクロロトリフルオロエチレン
屈折率は、約1.40〜1.41である
【化5】
例 8
シース材料及び被覆は、例5と同様である。
【0034】
液体:フェニルメチルシリコーンオイル
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の照明装置の一例を示す図。
【符号の説明】
10…光源,12…集光レンズ,14…光フィルター,16…光ガイド
18…高圧水銀ランプ,20…反射板,21…シース,22…被覆
23…光ガイド流体,24…ガラスプラグ。
Claims (4)
- 光源及びこの光源に光学的に接続された液体コア光ガイドを有する照明装置であって、この液体コア光ガイドは、フッ化炭化水素ポリマー材料から成る筒管状のシースから構成され、このシースは、内壁を有しかつ光ガイド流体の有効なコアを包囲する照明装置において、
このシースの内壁は、テトラフルオロエチレンとフッ素化された環状エーテルとの組み合わせに基づくアモルファス共重合体(Teflon(登録商標)AF )の薄層で被覆されており、
きつく合わせたウインドウプラグが、光ガイドの端部に設けられており、
このシースは、FEP材料(テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体)又はPFA材料(パーフルオロアルコキシポリマー)から成り、
光ガイド流体は、K2HPO4、Na2HPO4、NaH2PO4を含むリン酸塩の水溶液から成り、
前記薄層の厚さが5μm未満であり、及び
前記光ガイドは、280〜480nmの範囲の波長の光の伝送に適合している、
上記照明装置。 - 被覆の材料が、160℃〜240℃のガラス転移温度を有する請求項1に記載の照明装置。
- 光源は、高圧ガス又は蒸気放電ランプを有する請求項1に記載の照明装置。
- 光源は、Hg高圧ランプを有する請求項3に記載の照明装置。
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