JP4225569B2 - 光を光ファイバあるいは光ファイバ束へ結合させるための光源の位置合わせ配置方法及び、光源装着アセンブリ、光学結合システム - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、光を一本の光ファイバにあるいは光ファイバの束に結合させるための光源の位置合わせ配置方法及び、光源装着アセンブリ、光学結合システムに関する。
関連技術の説明
種々の光学結合システムは、アーク灯等の高輝度光源の光を、光ファイバの束や一本の光ファイバへ結合させるために開発されている。光ファイバの束や一本の光ファイバの束へ結合した光は、例えば、外科用照明器具、ヘッドランプ、内視鏡あるいは照準眼鏡等の医療用照明の目的で使うことができる。特に、医療用の場合、外科用照明器具やヘッドランプ等を使用する際に、外科手術用の場所へ十分な照明を供給するため、光を可能な限り十分に一本の光ファイバや光ファイバの束へ結合させる必要がある。従って、十分な量の光を一本の光ファイバや光ファイバの束に確実に結合させるために、光源をカプラの光学系構成要素と正確に位置合わせすることが必要となる。光ファイバの束に比して非常に小さな入口口径を有する一本の光ファイバへ光を結合するのは、特に重要である。確実に正確な位置合わせをするため、光源は、一体型アセンブリへしっかりと取り付けられており、この一体型アセンブリは、光学結合システムの総てのあるいは殆どの内部光学系構成要素をも含んでいる。例えば、光源を、この光源からの光を一本の光ファイバあるいは光ファイバの束へ反射させるために並べられた一つ以上の一次及び二次鏡をも含む一体型アセンブリに取り付けることができる。一体型アセンブリは、十分な量の光を一本の光ファイバあるいは光ファイバの束へ結合するのを妨げる、光源と光学系構成要素との間の如何なる位置ずれも防ぐために用いられる。かかる位置ずれは、多分外科職員による光カプラへの衝突や揺らしの結果として生じるであろうし、あるいは光源と光学系構成要素を支持する別個に装着した構成要素の不均一な加熱の結果として生じる可能性もある。
一体型アセンブリの使用により、光源と光学系構成要素との十分な位置合わせを確実にすることができるが、光源自体は、容易にかつ安価に交換することができない。もし光源が完全に役立たなくなったら、交換が必要となる。所定時間光源を作動させた後も、通常交換をする。もし一体型であれば、光源と光学系構成要素の両方とも、交換しなければならない。これは、通常、使用者が一体型アセンブリを取り外し、それを売り主へ送り返し、新しい光源を取り付けかつ位置合わせしてもらうことにより成される。光源の正確な位置合わせは確実に行いにくいため、使用者が光源自体を簡単に交換することはできない。光源の適切な位置合わせを失敗すると、光カプラの内側に物理的な損害をもたらす可能性があり、特に、もし光が一本の光ファイバあるいは光ファイバの束の入口口径から僅かにずれた位置に集中すると、加熱をもたらす可能性がある。かかる加熱は、光ファイバを壊し、あるいは光学結合システム全体をも壊す可能性がある。
一体型アセンブリ全体を交換する費用は、かなりのものである。さらに、光源が焼損した状況下では、使用者は、交換用アセンブリが提供されるまで、一日か二日、光学系システムを使用することができない可能性がある。
従って、光学系構成要素を交換する必要なしに光源を交換でき、しかも光源の光学系構成要素への正確な位置合わせを確実にできるような改良された光学結合システムを提供することが望まれている。この目的から本発明が得られている。
発明の概要
着脱自在な光源は、光源からの光を光学系を通して一本の光ファイバあるいは光ファイバの束等の出力ファイバ部材へ結合させるための光学結合システムに使用するために提供される。この光源は、アーク灯にすることができ、そして着脱自在アセンブリへ取り付けられており、この着脱自在アセンブリは、光学系を包含するハウジングへ摺動自在に挿入かつ取り外される形状になっている。着脱自在アセンブリは、この着脱自在アセンブリをハウジング内部に配置させながら、光源の光学系への正確な位置合わせを維持するための位置づけ部材を含んでいる。
一つの実施態様において、正確な位置合わせは、着脱自在アセンブリの基部の外側表面に六個の装着パッドを設けることにより達成される。三個の装着パッドは、外側表面の１つの側壁に配列される。二個の装着パッドは、上記側壁に垂直な側壁に配列される。残りの装着パッドは、上記両方の側壁に垂直な側壁に配列される。光源は、装着パッドと正確に一定の関係を保って基部に取り付けられる。
使用する際、着脱自在アセンブリは、ハウジング内部に形成された溝に挿入される。溝は、光学系構成要素が取り付けられるハウジングの底部分内側に形成される。溝は、内部側壁を有しており、この内部側壁が光学系構成要素と正確に一定の関係を保っている。着脱自在アセンブリが一旦溝に挿入されると、この着脱自在アセンブリの装着パッドは、溝の頂部と側壁とを押圧する。溝は、光学系構成要素を全体的に取り付ける底部分内側に形成される。装着パッドが挿入され、溝への光源の正確な位置合わせを確実にすることにより、光学系構成要素への光源の正確な位置合わせが確実になる。押圧手段は、装着パッドを溝の内部側壁に対して留めておくために使用することができる。一つの実施態様においては、三個のスプリング押圧部材が三つの平面の各々に垂直な力を押圧するために配置されている。
従って、上述したような配置である押圧手段を組み入れた六個の装着パッドは、光源の六つの可能な動きの各々を減らすことにより、光源を正確に位置させる。
光源を交換するためには、使用者は、光源を包含する着脱自在アセンブリを単に取り外して、新しい着脱自在アセンブリと交換すればよく、新しいアセンブリの中には、六個の装着パッドで正確な位置合わせをされて取り付けられた光源が備えられている。使用者は、新しい着脱自在アセンブリを簡単にハウジングの溝に滑り込ませ、光カプラの使用を再開できる。着脱自在アセンブリ全体の費用次第では、使用者は、最初の着脱自在アセンブリを廃棄することができる。別の場合として、使用者は、着脱自在アセンブリを売り主に返却して、新しい光源を着脱自在アセンブリの基部へ取り付けてもらい、その新しい光源を基部の装着パッドに正確に位置合わせしてもらうこともできる。この場合、古い基部は、新しい光源に再使用できる。光源は装着パッドで正確に位置合わせされ、ハウジングに挿入することにより装着パッドは光カプラの光学素子と正確に位置合わせされるため、再度正確な位置合わせが確実に行われる。
従って、上述した本発明の通常の目的が達成される。本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、光カプラシステムからの光を医療用照明装置へ結合させる一本の光ファイバを備えた医療用照明システムを示すブロック図である。
図２は、図１の光カプラを簡単化した図、特に、着脱自在光源アセンブリと取外し不可の光学系アセンブリとを示す図である。
図３は、図２の着脱自在光源アセンブリと関連して示された、図２の光カプラのハウジングの一部分の部分斜視図である。
図４は、三個の実質的に垂直に押圧する機構と組み合わされた、図３の受入ブロックの代替的実施態様の横断面図である。
図５〜７は、図２〜３の光源アセンブリの基部の一つの模範的な実施態様の各々頂面、側面そして背面を示す図である。
本発明の模範的な実施態様の詳細な説明
図面を参照しながら、本発明の模範的な実施態様を説明する。
図１は、光カプラ１４からの光を医療用照明装置１６へ結合させる一本の光ファイバ１２を備えた医療用照明システム１０を示す。医療用照明装置とは、外科用のヘッドランプ、照明器具、内視鏡あるいは照準眼鏡等である。光カプラ１４は、内部光学系構成要素（図１には示されてない）を含み、この光学系構成要素は、光源（これも示されてない）からの光を医療用照明装置へ伝送するために、一本の光ファイバへ反射させるような構成になっている。光源は、例えば、キセノン・アーク灯等である。光学系構成要素は、例えば、電気的表面、トロイダル表面あるいは反射面を有する鏡を含んでいる。適当な光カプラの例としては、米国特許第５，４３０，６３０号及び第４，７５７，４３１号明細書に記載されている。
残りの図を参照して、光カプラの内部構成要素をより詳細に説明する。図２は、光カプラ１４を簡単化した図である。光カプラは、ハウジング１８を含み、そのハウジングの中に、光学系２０がしっかりと、好ましくは一体式に取り付けられている。光カプラ１４は、また、着脱自在光源アセンブリ２２も含んでおり、この光源アセンブリには、基部２６に取り付けられたランプ２４が含まれている。ハウジング１８は、光源アセンブリ２２を受入れられるような大きさの溝を備えた受入ブロック２８を含んでいる。図２において、点線は、受入ブロックの溝内部に挿入された光源アセンブリを描いている。以下に説明する機構は、着脱自在アセンブリを受入ブロック内部に挿入する際に、光源アセンブリを光学系と確実に位置合わせするためのものである。光学系への光源の正確な位置合わせは、充分な量の光を一本の光ファイバへ確実に結合するために必要となる。着脱自在光源アセンブリを用いて、光源アセンブリを挿入したまま正確な位置合わせを確実にすることにより、光源アセンブリを容易に交換することができる。
正確な位置合わせを確実にする機構を、残りの図面を参照して説明する。図３において、着脱自在アセンブリ２２は、光カプラのハウジングの底壁部３０の一部と受入ブロックに沿って斜視図で示されている。着脱自在アセンブリ２２の基部２６は、相互に直角な、対峙する側壁３２、３４及び３６を有する実質的に長方体状の三次元ブロックである。同様に、受入ブロック２８は、相互に直角な内部側壁３８、４０及び４２を含む。挿入すると、着脱自在アセンブリの側壁は、受入ブロックの対応する内部側壁と隣接かつ平行に配置される。
受入ブロック２８は、また、光源２４を受け入れるような大きさの頂部開口４４を備えており、光源が光学系を照明するために光カプラの内部に位置するようになっている。
光源の正確な位置合わせを確実に行うため、参照符号４６で示す、総計六個の装着パッドが設けられる。三個の装着パッドが頂部側壁３２に、二個が側壁３４に、そして一個が側壁３６に形成される。側壁３２の三個の装着パッドは、第一平面を画成する。側壁３４の二個の装着パッドは、第一平面に直角な第二平面内にある。側壁３６の一個の装着パッドは、第一及び第二平面の両方に直角な第三平面内にある。従って、六個の装着パッドは、選択的に三つの相互に直角な平面すなわち直行する平面を画成する。
着脱自在アセンブリを受入ブロックへ挿入すると、側壁３２の三個の装着パッドは、受入ブロックの内部側壁３８を押圧する。同様に、側壁３４の二個の装着パッドは、受入ブロックの内部側壁４２を押圧する。最後に、側壁３６の一個の装着パッドは、受入ブロックの内部側壁４０を押圧する。六個の装着パッドが受入ブロックの相互に直角な内部側壁を押圧することにより、着脱自在アセンブリの基部は、受入ブロックに関して正確に配置される。さらに、光源は、着脱自在アセンブリの基部の六個の装着パッドと正確に初期設定された関係を保って取り付けられる。従って、挿入すると、光源も、受入ブロックに関して正確に配置される。
図３には示してないが、光学系の構成要素は、受入ブロックの内部側壁と正確に一定の関係を保って取り付けられる。このようにして、光源は、光学系構成要素に関して正確に配置され、光源の光学系への正確な位置合わせが達成される。
もちろん、光源の光学系への正確な位置合わせは、光学系と受入ブロックとの相対的位置関係及び光源と装着パッドとの相対的位置関係が初期設定されかつ維持されれば、それだけで達成される。このようなことは、高い公差で種々の構成要素を製造し取り付けることにより達成できるであろう。また、光カプラの内側の加熱による如何なる構成要素の歪みや重大な位置ずれも起きないように注意を払わねばならない。
六個の装着パッドを使用したが、これは、受入ブロックに関して着脱自在アセンブリの基部を正確に配置するのに必要な最大かつ最小のパッド数であるためである。もし側壁に設けたパッド数が少ないと、基部は、受入ブロック内部に置かれた際に、傾いたり滑ったりする可能性がある。もし設けたパッド数が多いと、基部の位置設定は、「拘束し過ぎ」になる。例えば、もし四個の装着パッドが頂部側壁に設けられると、四個の装着パッドは、必ずしも一つの平面内にあるとは限らず、その結果、装着パッドの総てが、受入ブロックの対応する内部側壁に接することができるとは限らない。従って、装着パッドの３：２：１配置は、「的確な拘束」を提供する。もちろん、六個の装着パッドの相対的位置関係は、変えることができる。例えば、同一平面の三個の装着パッドを頂部側壁に設ける必要はなく、他の側壁の一つに設けてもよい。
従って、六個の装着パッドは、受入ブロックの対応する内部側壁に対して配置されたとき、光源を受入ブロックに関して正確に配置させ、それにより、光源を光学系に関しても正確に配置させる。装着パッドを対応する内部側壁に対して確実に配置させ続けるため、三個の相互に直角な押圧機構が用いられる。これらは、図４に示されている。より詳細には、押圧機構５０、５２及び５４は、その各々がスプリング装置を備えており、着脱自在アセンブリの基部の三つの側壁に垂直な押圧力をかけるように配置されている。押圧機構５０は、側壁３６の一個の装着パッドを受入ブロックの内部側壁４２へ押圧するように配置されている。押圧機構５２は、側壁３４の二個の装着パッドを受入ブロックの内部側壁４０へ押圧するように配置されている。最後に、押圧機構５４は、頂部側壁３２の三個の装着パッドを受入ブロックの対応する内部側壁３８へ押圧するように、摺動パネル５６（他の図面には示さず）に取り付けられている。従って、押圧機構と摺動パネル５６とは、一緒に受入ブロック内部の着脱自在アセンブリを支持しながら、六個の装着パッドを受入ブロックの対応する内部側壁に対して押圧することにより、受入ブロックに関して光源の正確な位置合わせを維持し、それによりそこへ取り付けられた光学系に関しても光源の正確な位置合わせを維持する。
上記したように、光源の光学系への正確な位置合わせは、確実に成される。しかしながら、これは、光源を着脱自在アセンブリの基部へ正確に位置合わせし、かつ光学系を受入ブロックへ正確に位置合わせする必要がある。このため、光学系構成要素が受入ブロックに関して正確に初期設定された位置に確実にあるようにするために、受入ブロックと光学系とを含んだ光カプラは、正確な公差で製造される。光源は、着脱自在の基部の装着パッドで位置合わせされるが、それは、単に基部を光カプラに挿入することによりなされ、その基部は、売り主の施設で保守されている。その際、光源は、アーク灯にすることができ、基部に配置されかつ光学系に位置合わせするために調節される。適切な位置合わせを検査するため、種々のセンサを使用することができる。そして光源は、高品質エポキシを用いて、基部に強固に固定される。その後、基部は、そこに取り付けられた光源と共に光カプラから取り外され、従前に消費者に販売したどんな同一の光カプラにも使用できるような交換用光源として販売することができる。ランプを装着パッドに位置合わせさせる他の技術は、択一的に用いることができる。
使用する際、もし消費者の光カプラ内部のランプすなわち光源が断線したら、消費者は、ただ（上述したようにあらかじめ位置合わせされた）交換用ランプアセンブリを購入して、古いアセンブリを取り外し、新しいアセンブリを挿入するだけで、断線したランプを交換できる。新しいランプの位置合わせは、如何なる位置合わせ段階をも使用者に課すことなく、確実に行われる。
使用者は、断線したランプを有するアセンブリを売り主に返却することができ、売り主は、返却された基部に新しい光源を取り付けて位置合わせする。この場合、売り主は、単に新しいランプを取付かつ位置合わせすることにより、アセンブリをリサイクルすなわち再使用することができる。売り主は、光源を異なる光源、例えば大きさや形状が異なる光源に交換することも選択し得ることを記しておく。にもかかわらず、適度な大きさの範囲内で、新しいランプや他の光源が（上述した段階を用いて）基部に取り付けられると共に位置合わせされ、新しい光源が光カプラと関連して使用されるようになっている。使用者は、新しくかつ完全に異なる光源が使用されていることすら知る必要がない。
上述したように、本発明の着脱自在アセンブリを取り外して交換するのにかかる総費用は、従来の光源及び光学系アセンブリを取り外して交換するのにかかる費用に比べて安くなる。実際、本発明の着脱自在アセンブリの費用は、個人的に開業している医者のような使用者が簡単に一度に幾つかの交換アセンブリを購入したくなるぐらい十分に安くなるであろう。そして、もし一つのランプが断線したら、医者は、単に（着脱自在アセンブリと一緒の）ランプを別のものと交換すれば、直ぐに医療用照明装置の使用を再開でき、時間のロスが殆どない。
交換アセンブリの費用を安く保てる理由の一つは、アセンブリの基部を正確な公差で製造する必要がないという点である。むしろ、比較的低い公差の慣習的な技術に従って、アセンブリの基部を鋳造したり、ダイカストすることもできる。
光源を基部の装着パッドで位置合わせするため、基部を高い公差で製造する必要がない。換言すれば、基部の形状の如何なる変化も、光源を基部の装着パッドで位置合わせする際に補整される。
図５、６及び７は、着脱自在光源アセンブリ内部で使用する模範的な代替型基部１００を示す。基部１００は、上向きに伸びた部材１０２及び１０４を備えており、これらの部材がそこの間に取り付けられるアーク灯（図示せず）を保護する。上向きに伸びた支持部材は、また、使用者が熱くなっている恐れのあるアーク灯に誤って触れてしまうのを防ぐのに役立つ。多種多様にわたる基部の形状が代替的に用いることができる。
ここまで説明したことは、光カプラに使用するための着脱自在光源アセンブリである。描かれた実施態様に関して説明してきたが、本発明の原理は、他のシステムや状況でも適用できる。

Claims (9)

1. 光源（２４）からの光を光学系（２０）を通して光ファイバ部材（１２）へ結合させるために、該光源（２４）と該光学系（２０）とをハウジング（１８）の内部に取り付けると共に、適切な作動のために該光源（２４）を該光学系（２０）に正確に位置合わせして配置する方法において、
   外側表面に相互に直角な第一側壁（３２）と、第二側壁（３４）と、第三側壁（３６）とを備えた着脱自在アセンブリ（２２）を、摺動自在に前記ハウジング（１８）へ挿入可能で、且つ前記ハウジングから取り外し可能に構成し、
   該着脱自在アセンブリ（２２）へ前記光源（２４）を取り付け、前記光源（２４）と該着脱自在アセンブリ（２２）とを前記ハウジング（１８）の内部に配置する際に、
   前記第一側壁（３２）に対し同一直線上とならないように配列された三個の装着パッド（４６）と、前記第二側壁（３４）に対し前記第一側壁に垂直な直線上とならない位置に配列された二個の装着パッド（４６）と、前記第三側壁（３６）に対し配列された一個の装着パッド（４６）とを、前記ハウジング（１８）の内部に形成した受入ブロック（２８）の内部側壁に押圧させつつ前記着脱自在アセンブリを配置する方法。
2. 前記第一側壁（３２）、及び前記第二側壁（３４）、前記第三側壁（３６）は、前記着脱自在アセンブリ（２２）に備えられた直方体基部（２６）に形成されている請求項１の方法。
3. 前記装着パッド（４６）を前記ハウジング（１８）の内部に形成された溝（２８）の内部側壁に押圧する押圧手段（５０，５２，５４）を備えている請求項１の方法。
4. 光源（２４）からの光を光ファイバ部材（１２）へ結合させるため、光学系（２０）を包含するハウジング（１８）の内部に該光源（２４）を装着するための着脱自在アセンブリ（２２）であって、
   相互に直角な第一側壁と、第二側壁と、第三側壁とを有する基部（２６）と、
   前記第一側壁（３２）に対し同一直線上とならないように取り付けられた三個の装着パッド（４６）と、
   前記第二側壁（３４）に対し前記第一側壁に垂直な直線上とならない位置に取り付けられた二個の装着パッド（４６）と、
   前記第三側壁（３６）に対し取り付けられた一個の装着パッド（４６）と、から成る着脱自在アセンブリ（２２）。
5. 前記装着パッド（４６）は、前記基部（２６）と一体式に形成される請求項４の着脱自在アセンブリ（２２）。
6. ハウジング（１８）と、
   前記ハウジング（１８）の内部に取り付けられた光学系（２０）と、
   前記ハウジング（１８）の内部に光ファイバ部材の入口を保持する手段と、
   光源（２４）と、
   前記光源（２４）からの光を前記光学系（２０）を通り前記光ファイバ部材の入口へ結合させるため、前記光学系（２０）に位置合わせするように、
   前記ハウジング（１８）の内部に前記光源を着脱自在に配置する手段とから成る、光を前記光ファイバ部材へ結合させる光学結合システムにおいて、
   前記ハウジング（１８）の内部に前記光源を着脱自在に配置する前記手段が、前記光源（２４）を保持すべく、相互に直角な第一側壁と、第二側壁と、第三側壁とを有する基部（２６）と、
   前記第一側壁（３２）に対し同一直線上とならないように取り付けられた三個の装着パッド（４６）と、
   前記第二側壁（３４）に対し前記第一側壁に垂直な直線上とならない位置に取り付けられた二個の装着パッド（４６）と、
   前記第三側壁（３６）に対し取り付けられた一個の装着パッド（４６）とを含む光学結合システム。
7. 前記ハウジング（１８）は前記基部（２６）を受け入れる溝（２８）を含み、該溝（２８）は相互に直角な三つの内部側壁を有し、
   前記システムが、前記溝（２８）の前記内部側壁に対して前記装着パッド（４６）を押圧する押圧手段（５０，５２，５４）を含む請求項６のシステム。
8. 前記光源（２４）は、アーク灯である請求項６のシステム。
9. 光を医療用照明装置（１６）へ結合するため、光ファイバ受入口に結合された光ファイバ部材（１２）を含む請求項６のシステム。

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