JP4849737B2 - 光線合一化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に医療機器に用いられる、偏光特性を利用した光線合一化装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
医療分野および工業分野で可視分光域または非可視分光域の光源として使用されるレーザは照射幅が広いので、処置対象部分を照準レーザまたはマーキングレーザで光学的にマーキングする必要がある。その場合、照準レーザの波長は通常可視分光域にある。作用レーザ光線は、例えば眼内部の疾患部分への照射に用いられる。作用レーザ光線と照準レーザ光線は、通常ダイクロイック光学素子によって合一化され、および／または作用光線からは、特に計測に用いられる光線成分が分離される。
【０００３】
そのような光学素子としては、ダイス型光線分離器または部分反射型オプティカルフラットプレートが用いられるが、後者の場合、例えば４５度の角度で当該光路内に配置する。これらの素子の光学的有効面には、作用光線の波長域で反射が起きないように誘電コーティングが施されている。それに対し、マーキングレーザは、当誘電層では高反射率を示し、平面上でカップリングする。光線合一化光学系により発生する作用光線反射成分は、作用光線の出力調整および出力監視に利用できる。
【０００４】
そのような素子は、ＤＥ １９８１６３０２ Ｃ１に、生体組織の照射治療用装置との関係で記述されている。
この装置ではオプティカルフラットプレート形態の光学素子によって照準光線および作用／治療光線が合一化される。当素子は光線の合一化および作用光線から少なくとも部分的に光線の分離が行なわれる二つの光学有効面を有している。分離された部分光線は受光器に送り込まれ、そこで信号化されて然るべき後続処置への調整または監視目的に利用される。
【０００５】
現技術の欠点としては、例えば反射時およびカップリング時の損量抑制のために、当該光学素子の光学面を修整しなければならないという点が挙げられる。これは、作用光線の波長では表面反射率を抑制し、同時にマーキング光線の波長では反射率を高めるという誘電層を設けることによって実現できる。
【０００６】
しかし誘電層は、環境条件に依存して光学特性が変化するという欠点を持っている。そのため、周辺温度または空中湿度の変化によって、層の反射率、散乱損量の割合および波長特性が明白に変化するという事態が起こり得る。その結果、現技術水準によるカップリング素子適用の場合では、出力損失、誤測定、監視ミスが起こる可能性があって、医療機器での適用例では、最終的に人体への危害の危険性もある。
【０００７】
楔形光学系またはプリズム素子の固定の際には、環境条件に対する敏感性を最小限に抑えるために、入射光と光学表面とが垂直になるようにしなければならない。しかしこの措置を取った場合、カップリング素子によって、例えば非点収差などの光学的結像欠陥が発生するという別な面での欠点が出てくる。しかも依然として、カップリング素子には製造費を吊り上げるコスト高な誘電コーティングが必要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上の状況から、本発明では、従来技術の欠点を一掃させ、偏光特性を利用した簡易な構造の光学的カップリング素子によりカップリング損量を最小限に抑えつつ、作用光線／マーキング光線または照準光線の合一化および光線成分の分離を達成させる光線合一化装置を創出することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の手段によって解消される。その他の請求項には、本発明の詳細事項およびその他の実施態様が記載されている。
第一の光線と第二の光線とが同じ経路を辿り、同一光路長を持つようにするためには、好ましくは照準光線もしくはマーキング光線であるべき第二光線が、オプティカルフラットプレートの第二面から第一光線が外へ出る位置で、第一光線とコリニア結合するのが好ましい。
【００１０】
さらには、オプティカルフラットプレートへの第一光線の入射時に、その反射によって第一分光線が生成されて、またオプティカルフラットプレートへの第二光線の衝突時には、その反射によって第二分光線が生成されるという条件下で、これらの分光線用に、制御信号生成のための加工ユニットと連結している光検出器が、それぞれ配置されているのが望ましい。これらの分岐部分光線によって、作用光線および／または照準光線の制御、調整に利用可能な対応の制御信号を生成することができる。
【００１１】
そのほか、分光線の光路内で光検出器の前に、偏光、吸収フィルタやホログラフィックフィルタまたは誘電フィルタを設置するのも有利である。
本装置の主な長所は、オプティカルフラットプレートの光学有効面に、反射抑制誘電層を設ける必要がないことである。それにより、一つには、コーティング加工工程に要するコストと時間がカットでき、また一つには、誘電層との関係で発生する問題がすべて解消される。これは、周辺環境条件が変化しても表面特性に変化が起きないことを意味している。
【００１２】
本装置は、光学面の反射率に関しては、ガラス素材の屈折率、入射角のほかでは、ごく僅かレーザの拡散性に依存するだけであり、環境条件の変化にも影響を受けないことが実証されている。本発明に記載の上記装置の場合、湿度／温度依存性を最小限に抑えることに成功している。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では本発明を実施例に基づきより詳しく説明する。
本発明に記載の装置の構造原理を、図１を基に説明する。
この装置は、使用波長に対して光学的透過性である屈折率ｎの材質、例えばガラス、合成樹脂または結晶から成っている光学的に有効な第一面２と、それに平行で光学的に有効な第二面３とを持つオプティカルフラットプレート１を有している。
【００１４】
図１に示された実施例では、図には描かれていない光源から作用光線として送り込まれてきた第一光線４が、プレート１の屈折率ｎに相当するブルースター角と同じか殆ど同じ角度の入射角αで第一面２に当たる。界面にブルースター角で入射した光線は、界面で屈折した分光線と、同一界面で反射した分光線８とに分かれ、その両分光線が９０度の角度を構成する。
【００１５】
直線偏光を成し、その偏光面が、装置（オプティカルフラットプレート１）の入射面と平面平行な位置になるこの作用光線４は、オプティカルフラットプレート１の面２における屈折により位置移動し、点５からオプティカルフラットプレート１の外へ出るが、その際、入射点６で入射する第一光線４に対して平行な位置関係で照射対象物の方向へ（矢印７）進行する。このように偏光する第一光線４の場合、界面からオプティカルフラットプレート１に入射する分光線成分が同界面で反射する分光線８に比較して非常に多いので、入射する第一光線４の大部分はオプティカルフラットプレート１を透過する。
【００１６】
入射点６で反射した入射作用光線４の反射成分８は受光器９に誘導される。第一光線または作用光線４は直線偏光で、その偏光面は装置の入射面に平行な位置にあるので、オプティカルフラットプレート１の透過時の反射損量は極めて僅かである。作用光線４の屈折成分がオプティカルフラットプレート１の第二面３から外へ出て行く位置５で、照準光線またはマーキング光線となり得る第二光線１０をこの光線４にカップリングさせるのが好ましい。
【００１７】
第二光線１０の僅かな成分が、オプティカルフラットプレート１で屈折し、プレートを透過して屈折成分１２として第一面の点１１からオプティカルフラットプレート１を離れるが、それは同じように、そこから光検出器１３に送り込むことが可能である。
【００１８】
照準光線としての第二光線１０の第二面３における反射率が高くなるように、第二光線１０の偏光面が装置の入射面に垂直になるのが好ましい。オプティカルフラットプレート１での反射成分は約２０％〜３０％である。残りはプレート１を透過する。
【００１９】
本発明に記載の装置の場合、オプティカルフラットプレート１の側面ポジションは、光学的光線移動に基づき光線が、プレート１の中央位置（出口５）から外へ出るように選定されている。その場合対称の関係が成立する条件であることから、前面２および後面３での残余光線の反射が互いに妨害し合うことはなく、それぞれの評価可能性が確保される。
【００２０】
幾何学的に平行に推移する前面反射光と後面反射光の距離は、光学軸１５に対するオプティカルフラットプレート１の角度、オプティカルフラットプレート１の屈折率ｎおよび厚さに依存する。しかし、プレート１の屈折率ｎが、ブルースター角を、従ってまた、光線４に平行に延びる光学軸１５に対する角度を決定するので、プレートから離れる光線（反射成分８と屈折成分１２）間の距離はプレートの厚さｄだけで調整できる。
【００２１】
図２には、オプティカルフラットプレート１における反射率が作用光線入射角の関数として表されている。それより、反射率はブルースター角の条件下で際立って低い最小値をとることがはっきりとわかる。
装置の作業ポイントにおいては、表面反射防止加工という追加措置を取らなくても、透過成分を除いた作用光線の残余反射率はそれぞれの光学面につき０.０５％という値が達成される。
【００２２】
第二光線１０の偏光面は装置の入射面に垂直になるように設定する。この場合ブルースター条件が満たされていないので、第一光線４の反射率に比べるとオプティカルフラットプレート１の屈折率ｎに依存して約６００〜１０００倍の反射率が達成される。これは、作用光線４を殆ど損量なく透過させ得るオプティカルフラットプレート１形態の光学部材によって、第二光線１０を効率よくカップリングさせ得るということを意味している。作用光線出力の測定および監視のために受光器９が、残余反射光線の届く範囲内に設置されている。
【００２３】
マーキング光線出力の透過成分によって作用光線出力の測定に誤差が生じるということのないように、計算機または評価ユニット１７と連結した受光器の前に単一または複数のフィルタ１６を設置する。透過したマーキング光線の出力はフィルタ１６によってブロックされるが、一方作用光線４の反射成分８.１は殆ど損量なく受光器９に達する。
【００２４】
別な適用例では、フィルタ１６が照準光線の波長をも透過させて、反面作用光線４の残余分をブロックするという場合もある。
このような反射比率の極端な分化は、ブルースター法則の利用のもとで、厳密な意味での直線偏光（第一光線４）および照準偏光（第二光線１０）を適用した場合にのみ達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に記載の装置
【図２】 入射角を関数にして表したオプティカルフラットプレートにおける反射率
【符号の説明】
１ オプティカルフラットプレート
２ 前面
３ 後面
４ 第一光線
５ 出口
８ 反射成分
９ 受光器
１０ 第二光線
１２ 屈折成分
１５ 光学軸
１６ フィルタ
１７ 評価ユニット

Claims (5)

1. − 第一光線（４）（作用光線）が当たる光学的に有効な第一面（２）および第一面に平行で、第二光線（１０）（照準光線）が第一光線の出口となる位置で当たる、光学的に有効な第二面（３）を持つ屈折率ｎの光学的透過性オプティカルフラットプレート（１）、および
   − 第一光線（４）が前記プレート（１）の第一面（２）に、第二光線（１０）が前記プレート（１）の第二面（３）に、そして両光線がプレート（１）の屈折率ｎに相当するブルースター角と同じか殆ど同じ角度αで当たるように、カップリング光線（４、１０）または光路の関係でオプティカルフラットプレート（１）が配置されており、
   第一光線（４）および第二光線（１０）が直線偏光で、第一光線４の偏光面が装置の入射面に平行で、第二光線（１０）の偏光面が装置の入射面に垂直であることを特徴とする偏光特性の利用された光線合一化装置。
2. 第二光線（１０）が、オプティカルフラットプレート（１）の第二面（３）において第一光線（４）の出口（５）となる位置で第一光線（４）とコリニア結合していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 第一光線（４）のオプティカルフラットプレート（１）への入射時に、その反射によって第一部分光線（８）が生成されること、
   第二光線（１０）のオプティカルフラットプレート（１）へ当たる時に、その反射によって第二部分光線（８.１）が生成されること
   およびこれらの部分光線用に、制御信号生成のための加工ユニット（１７）と連結している光検出器（９、１３）がそれぞれ配置されている
   ことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の装置。
4. 部分光線（８、８.１）の光路内で光検出器（９、１３）の前に偏光、吸収フィルタやホログラフィックフィルタまたは誘電フィルタが設置されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 第一光線（４）と第二光線（１０）が直線偏光で、それらの光線の偏光面が互いに垂直な位置関係であることを特徴とする請求項１から４のうちの一つに記載の装置。

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