JP6885944B2 - 眼科手術用照明のための近位側テーパを有する光ファイバ - Google Patents

Description

本明細書に開示する実施形態は、眼科照明システムに関連し得る。より詳細には、本明細書に記載する実施形態は、テーパ状近位部を有する光ファイバを使用する眼科処置中、患者の眼等の手術野を照明することに関連し得る。テーパ状近位部により、光ファイバが、位置ずれした光ビームを効率的に受け取ることを可能にし得る。

眼科マイクロ手術処置は、患者の眼のさまざまな生体組織の精密な切断および／または除去を必要とする場合がある。処置中、眼科照明装置が手術野のための光を提供することができる。執刀医または他の医学専門家等の使用者は、眼の内側を照明するために眼内に装置を挿入することができる。光源ならびにコリメータおよび集光器等の他の照明光学系が照明装置の光ファイバに光ビームを向ける。

照明光学系の組立中、製造業者は、光ビームを光ファイバ内に結合することに関連する光ビームのさまざまなパラメータを最適化することを試みる場合がある。たとえば、結合効率は、光ビームを光ファイバ内に結合することを記述するものであり得る。結合効率が高いことにより、光ファイバを介して光源から手術野に比較的大量の無歪み光が伝送されることになり得る。結合効率が低いことにより、手術野に伝送される光が少なくなるとともに、望ましくない角度プロファイルで光が伝送されることになり得る。製造中に結合効率を向上させる１つの方法は、照明光学系部品（たとえば、コリメータ、集光器、光ファイバ等）を精密にアライメント（位置合せ）することと、その後、部品を、後に位置がずれないように固定することとを含む。たとえば、集光ビームのビームスポットは、集光器および光ファイバのアライメント時に光ファイバの近位端において中心に置かれ得る。しかしながら、何らかの角度または横方向の位置ずれにより、光結合効率の損失がもたらされ得る。

光ファイバ内への結合効率は、集光器および／または他の部品内への光ビームのわずかな位置ずれによっても影響を受けやすいことがあり得る。位置ずれは、種々の原因から発生し得る。使用中の温度変化により、コリメートビームの集光器内への位置ずれがもたらされ得る。たとえば、照明光学系を包囲する環境は、不規則に温暖であるかまたは低温であり得、それにより、部品が熱的に誘導されて膨張するかまたは圧縮されることになる。照明光学系の使用中の振動も位置ずれをもたらし得る。照明光学系は、輸送中に落とされるかまたは重量のある機器が接触する等、機械的衝撃を受け得る。これらの誤差原因は、折返しミラーおよびビームスプリッタ等の他の光学部品を含めることによって悪化し得る。温度変化、振動および／または衝撃により、照明光学系およびそれらから反射される光ビームが位置ずれすることになり得る。さらに、照明光学系の耐用期間にわたり、接着剤ベースまたは機械ベースの取付具の徐々に進行するクリープにより、照明光学系およびそこから反射される光ビームが位置ずれすることになり得る。

いくつかの照明光学系アセンブリでは、約０．０１°程度の角度の位置ずれであっても、光ファイバを通して伝送される光の量が著しく低減することになり得る。位置ずれに対して比較的感度が高いため、照明光学系アセンブリの耐用期間にわたりすべての温度および動作条件で高いファイバ結合効率を維持することが重要であり得る。集光器および／または他の光学部品を移動させることによってファイバ結合効率の損失を検知し、それを能動的に補正する手段を含むアセンブリがいくつかの問題に対処することができる。しかしながら、こうした結合効率センサおよび能動的フィードバック光学アライメントシステムは、複雑性およびコストが高いため、費用効率よく設計しかつ実施することが困難である。

したがって、上述した必要の１つまたは複数に対処することにより高い結合効率を維持しながら、光ビームの位置ずれに適応する改善された装置、システムおよび方法が依然として必要とされている。

提示する解決法は、光ビームの位置ずれに対する眼科照明システムの感度を低下させる一意の解決法により、依然として対処されていない医学的必要を満たす。眼科照明システムは、テーパ状近位部を有する光ファイバを含むことができる。テーパ状近位部は、光ファイバのより遠位側の部分より大きいコア直径を有することができる。テーパ状近位部は、位置ずれした光でさえも光ファイバ内により効率的に結合することにより、じょうごとして作用することができる。その結果、眼科照明システムの位置ずれに対する感度を低下させることができる。眼科照明システムはまた、テーパ状近位部の相対的に大きいコア直径に基づいて集光ビームを光ファイバに向けるように構成された集光器も含むことができる。

いくつかの実施形態と一貫して、眼科照明装置を提供することができる。本装置は、光源によって出力されかつ集光器によって集束される光ビームを伝送するように構成された光ファイバを含むことができる。光ファイバは、集光器によって集束される光ビームを受け取るように構成された近位部と、手術野を照明するように光ビームを放射するように構成された遠位部と、近位部と遠位部との間に延在する中心部とを含むことができる。近位部のコア直径は、中心部のコア直径および遠位部のコア直径より大きいことができる。

いくつかの実施形態と一貫して、眼科照明方法を提供することができる。本方法は、集光器を用いて、光源によって放射される光ビームを光ファイバの近位部に集束させるステップを含むことができる。光ファイバは、近位部、遠位部、および近位部と遠位部との間に延在する中心部を含むことができる。近位部のコア直径は、中心部のコア直径および遠位部のコア直径より大きいことができる。本方法はまた、光ファイバを用いて手術野に光ビームを伝送するステップも含むことができる。

本開示のさらなる態様、特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

眼科照明システムを示す図である。 照明サブシステムおよび光ファイバを含む眼科照明システムの一部を示す図である。 照明サブシステムおよび光ファイバを含む眼科照明システムの一部を示す図である。 照明サブシステムおよび光ファイバを含む眼科照明システムの一部を示す図である。 集光器および光ファイバの配置を示す図である。 ビームスポット、ハウジングに結合されたときの光ファイバコアの種々の位置、および光ファイバコアの種々の位置でアライメントされた公差付き（ｔｏｌｅｒａｎｃｅｄ）コア直径の正面図を示す図である。 集光器の配置を示す図である。 同様のサイズの近位部および中心部を有する光ファイバに対して、テーパ状近位部を含む光ファイバにより、高い結合効率を維持しながら、どの程度光学的位置ずれを許容することができるかを比較する性能指数γ_Ｎを示す表である。 図６の性能指数を示すグラフである。

図面において、同じ符号を有する要素は同じまたは同様の機能を有する。

以下の説明において、いくつかの実施形態について記載する具体的な詳細を示し得る。しかしながら、開示する実施形態をこれらの具体的な詳細のいくつかまたはすべてなしに実施し得ることが当業者に明らかであろう。本明細書では、具体的かつ／または例示的であるが、ただし限定的ではない実施形態を提示し得る。当業者であれば、本明細書において具体的に記載されていないが、他の材料が本開示の範囲および趣旨内にあり得ることを理解するであろう。

本開示は、光ビームの意図されない角度または横方向の位置ずれを許容する方法で光ファイバ内に光ビームを光学的に結合する装置、システムおよび方法について記載する。光源は、患者の眼等の手術野を照明するように光ビームを発生させることができる。集光器は、光ビームを集束させて光ファイバに向けることができる。集光ビームは、場合により位置ずれし得る。光ファイバは、比較的高い結合効率を維持しながら、集光ビームを受け取るように構成されたテーパ状近位部を含む。光ファイバの近位部は、中心部および遠位部のコア直径より大きいことができるコア直径を有する。集光器は、テーパ状近位部の比較的大きいコア直径に基づいて、集光ビームを光ファイバに向けるように構成することができる。

本開示の装置、システムおよび方法は、以下を含む多数の利点を提供する。

（１）本開示の眼科照明システムは、光ビームと、光源、コリメータ、集光器および／または眼科照明システムの他の部品との間のアライメント誤差をより適切に許容することができる。直線状の近位部のみを有する光ファイバは、位置ずれした光を受け入れることができないことがあり得る。これに関連して、拡大径近位部を有する光ファイバは、位置ずれした光でさえも効率的に伝送することができる。

（２）アライメント誤差にも関わらず、高い結合効率を維持することができる。光ファイバの拡大径近位部は、アライメント誤差のために本来失われていた光を有利に結合することができる。

（３）温度関連、振動関連および／または衝撃関連誤差を考慮することができる。位置ずれは、これらの誤差の任意の１つまたは複数からもたらされ得る。位置ずれした光でさえも効率的に結合することにより、拡大径近位部を含む光ファイバは、複数の誤差源を考慮することができる。

（４）温度変動、振動および／または衝撃に対する眼科照明システムのロバスト性を向上させることができる。眼科照明システムがこれらのアライメント誤差源に遭遇する場合でも、眼科照明システムは、拡大径近位部が位置ずれを考慮するため、光ファイバに光を効率的に結合することができる。

（５）眼科照明システムの耐用年数を延長することができる。光学位置ずれは、接着剤または機械的劣化とともに通常の動作中の振動の結果として等、眼科照明システムの耐用年数にわたって生じ得る。光ファイバは、比較的大量の位置ずれした光を受け入れるため、位置ずれ誤差が生じる場合でも眼科照明システムを利用することができる。

図１に、眼科照明システム１００を示すことができる。眼科照明システム１００は、光源１２２を含むことができる。光源１２２は、手術野１８０を照明するように光ビームを出力するように構成することができる。眼科照明システム１００はまた、複数のレンズを有する集光器１２６も含むことができる。集光器１２６は、光源１２２によって出力される光ビームを集束させるように構成することができる。眼科照明システム１００はまた、集光器１２６によって集束される光ビームを伝送するように構成された光ファイバ１７０も含むことができる。光ファイバ１７０は、集光器１２６によって集束される光ビームを受け取るように構成された近位部１７２と、手術野１８０内に光ビームを放射するように構成された遠位部１７４と、近位部１７２と遠位部１７４との間に延在する中心部１７６とを含むことができる。近位部１７２のコア直径を中心部１７６のコア直径および遠位部１７４のコア直径より大きくすることができる。眼科照明システム１００はまた、手術野１８０内に配置されるように構成された手術器具１６０も含むことができる。光ファイバ１７０を手術器具１６０に結合することができる。

患者の眼等の手術野１８０内でさまざまな眼科手術処置中に眼科照明システム１００を使用することができる。例示的な眼科手術処置としては、診断処置、治療処置、前眼部処置、後眼部処置、硝子体網膜処置、硝子体切除処置、白内障処置および／または他の好適な処置を挙げることができる。手術野１８０は、前眼部、後眼部、角膜、水晶体、硝子体腔、網膜および／または黄斑を含む患者の眼の任意の好適な生理機能を含むことができる。

執刀医は、光源１２２からの光によって照明されるときに手術野１８０を見ることができる。光源１２２は、本明細書において考察するように、光ファイバ１７０に光学的に結合される光ビームを出力するように動作可能な任意の好適な光源であり得る。たとえば、光源としては、スーパーコンティニウムレーザー源等のレーザ源、白熱電球、ハロゲン電球、メタルハライド電球、キセノン電球、水銀蒸気電球、発光ダイオード（ＬＥＤ）、他の好適な光源および／またはそれらの組合せを挙げることができる。光源１２２は、診断光ビーム、治療光ビームおよび／または照明光ビームを出力することができる。光ビームは、可視光、赤外光、紫外（ＵＶ）光等、任意の好適な波長の光を含むことができる。たとえば、光ビームは、手術野１８０を照明するために高輝度、広帯域および／または白色光を伝送することができる。

光ビームは、コリメータ１２４、集光器１２６および光ファイバ１７０を通る等、光源１２２と手術野１８０との間に延在する光路を横切ることができる。コリメータ１２４は、光源１２２によって出力される光ビームを受け取るように、光源１２２と手術野１８０との間の光路に配置することができる。コリメータ１２４は、光源１２２によって出力される光ビームをアライメントするように構成された１つもしくは複数のレンズおよび／または他の好適な光学部品を含むことができる。光ビームの伝送を容易にする光ファイバ１２３は、光源１２２とコリメータ１２４との間に機械的にかつ／または光学的に結合され、その間に延在することができる。コリメータ１２４は、コリメートビーム１２５を生成するように光源１２２によって出力される光ビームをコリメートすることができる。コリメートビーム１２５は、発散、平行または収束ビームであり得る。

集光器１２６は、光路において、コリメートビーム１２５を受け取るように、光源１２２と手術野１８０との間またはコリメータ１２４と手術野１８０との間に配置することができる。コリメートビーム１２５は、コリメータ１２４から集光器１２６までの空気または自由空間を通って伝送することができる。集光器１２６は、集光ビーム１２７を生成するように、コリメート光ビームを曲げかつ／または他の方法でコリメート光ビームと相互作用するように構成することができる。集光ビーム１２７は、コリメートビーム１２５より小さい空間断面および／またはビーム径を有することができる。それに関して、集光ビーム１２７は、収束ビームであり得る。たとえば、集光器１２６は、集光ビーム１２７をビームスポット１２９に集束させるように構成することができる。集光器１２６は、１つ、２つ、３つ、４つ、５つもしくはそれより多くのレンズおよび／または他の好適な光学部品を含むことができる。例示的なレンズとしては、両凹レンズ、両凸レンズ、凹凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ、正／負メニスカスレンズ、非球面レンズ、発散レンズおよび／またはそれらの組合せを挙げることができる。集光器１２６は、１つまたは複数のシングレットおよび１つまたは複数のダブレットを含む任意の好適なレンズ配置を有することができる。

集光器１２６から、集光ビーム１２７を光ファイバ１７０まで、空気／自由空間または別の光ファイバを通して伝送することができる。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、光ファイバ１７０のさらなる詳細を示すことができる。光ファイバ１７０は、光源１２２から手術野１８０に光を伝送するように構成することができる。概して、図１に示すように、光ファイバ１７０は、近位部１７２、遠位部１７４および中心部１７６を含むことができる。近位部１７２は、集光器１２６から集光ビーム１２７を受け取ることができる。光は、近位部１７２において受け取られると、光ファイバ１７０に沿って手術野１８０に向かって遠位側に伝播する。中心部１７６は、近位部１７２と遠位部１７４との間に延在し、その間に光を伝送することができる。遠位部１７４は、放射光１６２を手術野１８０内に送出することができる。遠位部１７４等、光ファイバ１７０の少なくとも一部を手術野１８０内に配置することができる。それに関して、光ファイバ１７０は、単回使用に対して構成された使い捨て部品であり得る。たとえば、手術野１８０内に配置された手術器具１６０に遠位部１７４を結合することができる。遠位部１７４は、手術器具１６０内に配置するかまたは手術器具１６０の外側に結合することができる。中心部１７６および／または近位部１７２も手術器具１６０に結合することができる。手術器具１６０は、たとえば、スポットイルミネータ、シャンデリアイルミネータ、エンドイルミネータ、注入カニューレ、切断プローブ、硝子体切除プローブ、吸引プローブ、ハサミおよび鉗子を含む、眼科手術処置中に執刀医によって使用される任意の好適な器具であり得る。手術器具１６０は、より詳細に後述する注入デバイス１３２またはプローブ１５２であり得る。

光源１２２、コリメータ１２４および集光器１２６は、照明サブシステム１２０の一部であり得る。光ファイバ１７０は、照明サブシステム１２０と光通信することができる。照明サブシステム１２０は、手術野１８０に光を送出することに関連する光学部品のすべてまたは一部を含むことができる。照明サブシステム１２０は、手術野１８０への光の伝送を容易にする、ホットまたはコールドダイクロイックミラーおよび折返しミラーを含むミラー、ビームスプリッタ、レンズ、回折格子、フィルタおよび／またはそれらの組合せ等、さまざまな他の光学部品を含むことができる。光源１２２、コリメータ１２４および集光器１２６は、照明サブシステム１２０のハウジング１２１内に配置することができる。ハウジング１２１は、光源１２２、コリメータ１２４および集光器１２６を互いに対して固定配置で維持する任意の好適な筐体であり得る。たとえば、光源１２２、コリメータ１２４、集光器１２６および／または光ファイバ１７０がアライメントされると、光を効率的に伝送することができる。ハウジング１２１はベースプレートを含むことができる。光源１２２、コリメータ１２４および集光器１２６は、部品の意図されない移動を防止するように、ベースプレートに据え付け、取り付けかつ／または他の方法で機械的に結合することができる。本明細書において考察するように、こうした移動は、光結合効率に悪影響を与え得る。図１、図２Ａおよび図２Ｂは、光源１２２と手術野１８０との間の折り曲げられていない光路を示す。光路は、ハウジング１２１の物理的構造内に光ビームを誘導するために、折返しミラー、ビームスプリッタおよび／または他の光学部品を含むことができる。折返しミラーにより、照明光学系は小型容積内に嵌まることができる。ビームスプリッタは、複数の光ファイバポートへの光の送出を容易にすることができる。

再び図１を参照すると、光ファイバ１７０は、ポート１２８において照明サブシステム１２０のハウジング１２１に機械的に結合することができる。ポート１２８は、ハウジング１２１の構成要素であり得る。ポート１２８は、光源１２２、コリメータ１２４、集光器１２６および／または照明サブシステム１２０の他の部品に対して堅固に配置することができる。たとえば、ポート１２８は、光ファイバ１７０の近位部１７２とハウジング１２１との間の取外し可能な機械的結合を容易にするように、ねじ、突起、溝等の機械的特徴を含むことができる。集光ビーム１２７のビームスポット１２９は、ポート１２８内で中心合せすることができる。光ファイバ１７０の近位部１７２は、ポート１２８においてハウジング１２１に結合することができる。光源１２２、コリメータ１２４、集光器１２６および／または光ファイバ１７０の適切なアライメントにより、ポート１２８内でのビームスポット１２９の適切な中心合せ、および光ファイバ１７０内への集光ビーム１２７の効率的な結合を確実にすることができる。本明細書に記載するように、眼科手術システム１００は、光源１２２、コリメータ１２４、集光器１２６および／または光ファイバ１７０の位置ずれの結果としての光結合効率の低下の影響を受けにくくすることができる。

照明システム１２０は、独立型構成要素とするか、または手術コンソール１１０に組み込むことができる。執刀医は、手術コンソール１１０を利用して、眼科手術処置に関連する１つまたは複数のパラメータを制御することができる。手術コンソール１１０は、照明サブシステム１２０、流体工学サブシステム１３０、コンピューティングデバイス１４０およびプローブサブシステム１５０を含むことができる。手術コンソール１１０の１つまたは複数の構成要素をベースハウジング１１２に結合しかつ／またはベースハウジング１１２内に配置することができる。ベースハウジング１１２は可動とすることができ、それにより眼科手術処置中に患者に近接して配置することができる。ベースハウジング１１２は、眼科照明サブシステム１００の構成要素間の連通を容易にする空気、光、流体および／または電気供給ラインを含むことができる。

コンピューティングデバイス１４０は、注入デバイス１３２、プローブ１５２および／または手術器具１６０等、眼科照明システム１００の１つまたは複数の構成要素に制御信号を送り、かつ／またはそうした構成要素から入力またはステータス信号を受け取るように構成することができる。たとえば、コンピューティングデバイス１４０は、光源１２２の作動および停止とともに、光源１２２によって出力される光の強度、波長および／または他の特性を制御することができる。それに関して、光源１２２および／または照明サブシステム１２０は、コンピューティングデバイス１４０と電気通信することができる。コンピューティングデバイス１４０は、プロセッサ１４２およびメモリ１４４を有する処理回路を含むことができる。プロセッサ１４２は、メモリ１４４に格納されたもの等のコンピュータ命令を実行して、さまざまなサブシステムおよびそれらの関連する手術器具を制御することができる。プロセッサ１４２は、ターゲットデバイスコントローラおよび／またはマイクロプロセッサであり得る。半導体メモリ、ＲＡＭ、ＦＲＡＭ（登録商標）またはフラッシュメモリ等のメモリ１４４は、プロセッサ１４２とインタフェースすることができる。したがって、プロセッサ１４２は、メモリ１４４に書き込みかつメモリ１４４から読み出し、メモリ１４４の管理に関連する他の一般的な機能を実行することができる。コンピューティングデバイス１４０の処理回路は、論理機能を実行することができる電源ピン、入力ピンおよび出力ピンを備えた集積回路であり得る。コンピューティングデバイス１４０は、眼科手術処置中にシステム動作および性能に関連するデータを示す表示デバイス１４６と通信することができる。

流体工学サブシステム１３０は、コンピューティングデバイス１４０と電気通信することができる。流体工学サブシステム１３０は、流体の開始／停止、速度、圧力、体積等、注入デバイス１３２の動作を容易にするさまざまな構成要素を含むことができる。注入デバイス１３２は、眼科手術処置中に眼内圧を維持するために患者の眼内に流体を送達することができる。注入デバイス１３２は、流体工学サブシステム１３０と流体連通および／または電気通信することができる。

プローブサブシステム１５０は、コンピューティングデバイス１４０と電気通信することができる。プローブサブシステム１５０は、プローブ１５２の動作を容易にするさまざまな構成要素を含むことができる。執刀医は、手術野１８０内でプローブ１５２を利用して１つまたは複数の手術操作を行うことができる。たとえば、プローブ１５２は、切断プローブ、硝子体切除プローブ、水晶体超音波吸引プローブ、レーザプローブ、アブレーションプローブ、真空プローブ、フラッシングプローブ、ハサミ、鉗子、吸引デバイスおよび／または他の好適な手術デバイスであり得る。プローブ１５２は、プローブサブシステム１５０と機械的に連通し、電気通信し、空気連通し、流体連通し、かつ／または他の好適な連通をすることができる。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに、照明サブシステム１２０および光ファイバ１７０を含む眼科照明システム１００の一部を示すことができる。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、光ファイバ１７０の断面図を示すことができる。光ファイバ１７０は、コア２０２、クラッド２０４およびコーティング２０６を含むことができる。コア２０２は、光が伝播する、ガラス、プラスチック、二酸化ケイ素、ホウケイ酸塩および／または他の好適な材料の円柱であり得る。クラッド２０４は、コア２０２を包囲し、コア２０２内に光を閉じ込めることができる。クラッド２０４は、コア２０２の屈折率より小さい屈折率を有する誘電体材料を含むことができる。コーティング２０６は、クラッド２０４を包囲し、光ファイバ１７０を物理的損傷から保護することができる。

集光器１２６は、光ファイバ１７０の近位部１７２に集束ビーム１２７を向けることができる。光ファイバ１７０の近位部１７２内のコア２０２は、テーパ状部分２１０を含むことができる。たとえば、集光器１２６は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、テーパ状部分２１０に集束ビーム１２７を向けることができる。それに関して、テーパ状部分２１０内のコア２０２の直径および断面積は、光ファイバ１７０に沿って遠位側に低減することができる。コア２０２は、光ファイバ１７０の最近位端に位置する入口開口部２１２を含むことができる。入口開口部２１２は、コア２２０の一部であり得る。たとえば、入口開口部２１２は、集光ビーム１２７とインタフェースするコア２０２の近位面であり得る。入口開口部２１２は、テーパ状部分２１０の一部であり得る。入口開口部２１２は、図２Ａおよび図２Ｃに示す直径２１４を有することができる。入口開口部２１２の直径２１４および／または部分２１１の直径２１５は、光ファイバ１７０の長さ２０８に沿ったコア２０２の最大径であり得る。集光ビーム１２７は、入口開口部２１２において光ファイバ１７０内に光学的に結合することができる。たとえば、ビームスポット１２９は、理想的には、入口開口部２１２内に中心合せすることができる。テーパ状部分２１０は、集光ビーム１２７を受け取るように拡大径を有するじょうごと同様であり得る。有利には、テーパ状部分２１０は、ビームスポット１２９および／または集光ビーム１２７の位置ずれに適応することにより高い結合効率を可能にするようなサイズおよび形状とすることができる。

図２Ｃに示すように、光ファイバ１７０の近位部１７２内のコア２０２は、一定のサイズおよび形状を有する部分２１１を含むことができる。たとえば、部分２１１は、直線状の非テーパ状部分であり得る。集光器１２６は、部分２１１に集束ビーム１２７を向けることができる。部分２１１は、テーパ状部分２１０の近位側に配置することができる。入口開口部２１２は部分２１１の一部であり得る。部分２１１は、直径２１５および長さ２１７を有することができる。部分２１１の直径２１５は、入口開口部２１２の直径２１４と実質的に等しくすることができる。部分２１１の直径２１５および断面積は、光ファイバ１７０の長さ２１７に沿って一定のままであり得る。長さ２１７は、数学的関係によって直径２１５に関連することができる。たとえば、長さ２１７および直径２１５の比率は１０００を超えることができる。長さ２１７および直径２１５がこの関係を満足させる場合、光ファイバ１７０内の光は、コア２０２を横方向に充填するため、横方向に広がることができる。したがって、光は、テーパ状部分２１０にさしかかる前に部分２１１内で空間的に均質化され得る。これは、ビームスポットおよび／または照明サブシステム１２０の構成要素の位置ずれがある場合でも当てはまることができ、それは、長さ２１７が、光が部分２１１内で横方向に広がりかつ空間的に均質化されることを可能にするように十分大きいためである。したがって、有利には、テーパ状部分を通る光の透過率は、ビームスポット１２９および／または照明サブシステム１２０の構成要素の位置ずれによって影響を受けないようにすることができ、それは、光がテーパ状部分２１０にさしかかる前に部分２１１を通過するためである。

光ファイバ１７０の中心部１７６内のコア２０２は、一定のサイズおよび形状を有する部分２２０を含むことができる。たとえば、部分２２０は、直線状の非テーパ状部分であり得る。部分２２０は直径２２４を有することができる。部分２２０の直径２２４および断面積は、光ファイバ１７０の中心部１７６に沿って一定のままであり得る。

光ファイバ１７０の遠位部１７４内のコア２０２は、テーパ状部分２３０を含むことができる。それに関して、テーパ状部分２３０内のコア２０２の直径および断面積は、光ファイバに沿って遠位側に低減することができる。テーパ状部分２３０は、光ファイバ１７０の最遠位端において先端部２３２で終端することができる。先端部２３２を介して、放射光１６２を手術野１８０内に送出することができる。先端部２３２は直径２３４を有することができる。テーパ状部分２３０は、たとえば、ホウケイ酸塩テーパを含むことができる。テーパ状部分２３０は、手術野１８０を照明するように比較的大きいかまたは比較的小さい角度広がりで放射光１６２を出力するように構成することができる。いくつかの例では、テーパ状部分２３０におけるクラッド２０４を光ファイバ１７０から剥離することができる。いくつかの例では、光ファイバ１７０の遠位部１７４内のコア２０２は、一定のサイズおよび形状を有することができる。たとえば、遠位部１７４内のコア２０２は、直線状の非テーパ部分であり得る。いくつかの例では、遠位部１７４内のコア２０２は、光ファイバ１７０に沿って遠位側に増大する直径を有することができる。たとえば、コア２０２は、直径が増大するテーパ状部分であり得る。いくつかの例では、光ファイバ１７０の遠位部１７４内のコア２０２は、テーパ状部分２３０の代わりにまたはそれに加えて散乱部分を含むことができる。先端部２３２は、手術野１８０内での所望の角度広がりでの放射光の出力を容易にするように、円錐形状、球形状および／または他の好適な形状を含む、さまざまなサイズおよび形状とすることができる。

コア２０２の直径は、光ファイバ１７０の近位部１７２と、中心部１７６と、遠位部１７４との間で変化することができる。部分２２０内の直径は、概してｄ_{ｆｉｂｅｒ}と記述することができる。たとえば、ｄ_{ｆｉｂｅｒ}の値は、２０μｍ、２２μｍ、２５μｍ、２７μｍ、３０μｍおよび／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、約１０μｍ〜約１００μｍ、約１０μｍ〜約５０μｍ、約２０μｍ〜約３０μｍであり得る。入口開口部２１２の直径２１４は、直径２２４の倍数であり、概してＮ×ｄ_{ｆｉｂｅｒ}と記述することができる。したがって、パラメータＮは、中心部１７６の直径２２４に対する入口開口部２１２のより大きいサイズを記述することができる。パラメータＮの値は、２、２．５、３、３．１、３．３、４および／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、１〜１０、１〜５、２〜４であり得る。パラメータＮの値は、光ファイバ１７０に対して比較的小さい直径（たとえば、直径２１４）を有利に維持しながら、位置ずれした光の改善された伝送を達成するように選択することができる。光ファイバ１７０の比較的小さい直径により、光ファイバ１７０をさまざまな手術器具（たとえば、手術器具１６０）に有利に組み込むことを可能にすることができる。部分２１１の直径２１５（図２Ｃ）は、入口開口部２１２の直径２１４と実質的に等しくすることができる。近位部１７２内のテーパ状部分２１０の直径は、入口開口部２１２または部分２１１におけるＮ×ｄ_{ｆｉｂｅｒ}から中心部１７６におけるｄ_{ｆｉｂｅｒ}まで遠位側に低減することができる。先端部２３２の直径２３４は、直径２２４のｄ_{ｆｉｂｅｒ}以下の任意の好適なサイズであり得る。いくつかの例では、先端部２３２の直径２３４はまた、直径２２４のｄ_{ｆｉｂｅｒ}より大きい場合もある。先端部２３２の直径２３４の値は、約１μｍ〜直径２２４の約ｄ_{ｆｉｂｅｒ}および／またはより大きいか小さい他の好適な値であり得る。遠位部１７４内のテーパ状部分２３０の直径は、中心部１７６におけるｄ_{ｆｉｂｅｒ}から先端部２３２における直径２３４まで遠位側に低減することができる。したがって、近位部１７２内のコア２０２の直径は、中心部１７６および遠位部１７４におけるコア２０２の直径より大きくすることができる。中心部１７６内のコア２０２の直径は、遠位部１７４におけるコア２０２の直径より大きくすることができる。

光ファイバ１７０は、任意の好適な長さ２０８を有することができる。たとえば、長さは、２．５ｍ、２．５５ｍ、２．６ｍおよび／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、約０．１ｍ〜約３ｍ、約１ｍ〜３ｍ、約２．５ｍ〜２．６ｍであり得る。近位部１７２のテーパ状部分２１０は、長さ２１６を有することができる。長さ２１６は、任意の好適な長さであり得る。テーパ状部分２１０を通る部分２２０内への光の最大透過率のために、テーパは漸進的であり得る。たとえば、テーパ状部分の形状、テーパの角度および／または長さ２１６は、漸進的なテーパを提供するように選択することができる。たとえば、近位部１７２のテーパ状部分２１０の長さは、直径２１４と直径２２４との間の差の約１００倍以上である任意の値であり得る。たとえば、直径２２４は２５ミクロン（マイクロメートル）である場合があり、直径２１４は７５ミクロン（たとえば、Ｎ＝３であって、パラメータＮに直径２２４を乗算、すなわち３×２５μｍ）である場合がある。最大スループットのために、長さ２１６は、５ｍｍ（たとえば、１００×（７５μｍ−２５μｍ）））より長い任意の長さであり得る。一定の形状を有する中心部１７６内の部分２２０は、任意の好適な長さ２２６を有することができる。たとえば、長さ２２６は、１００ｍｍ、１２５ｍｍ、１４５ｍｍ、１５０ｍｍ、１６６ｍｍ、２００ｍｍおよび／またはより大きいか小さい他の任意の好適な値等の値を含む、約１０ｍｍ〜約１０００ｍｍ、約５０ｍｍ〜約５００ｍｍ、約１００ｍｍ〜約２００ｍｍであり得る。遠位部１７４のテーパ状部分２３０は、任意の好適な長さ２３６を有することができる。たとえば、長さ２３６は、１０ミクロン、２５ミクロン、５０ミクロン、６６ミクロン、１００ミクロンおよび／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、約５ミクロン〜約１０００ミクロン、約５ミクロン〜５００ミクロン、約１０ミクロン〜１００ミクロンであり得る。コア／クラッド直径比は、テーパ状部分２１０の長さ２１６および／またはテーパ状部分２３０の長さ２３６に沿って一定のままであるかかまたは変化することができる。

ここで、図２Ｂを参照すると、集光器１２６は、ビームスポット１２９に集光ビーム１２７を集束させるように構成することができる。ビームスポット１２９は、理想的には、ポート１２９内でかつ／または光ファイバ１７０の入口開口部２１２内で中心合せすることができる。本明細書に記載するように、入口開口部２１２は、光ファイバ１７０内への集光ビーム１２７の効率的な光結合を維持するように、ビームスポット１２９の角度または横方向の位置ずれに適応するようなサイズおよび形状とすることができる。ビームスポット１２９は、回折限界であり得る。ビームスポット１２９は直径２４４を有することができる。直径２４４の値は、２μｍ、８μｍ、１２μｍ、１５μｍおよび／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、約１μｍ〜約３０μｍ、１μｍ〜約２０μｍ、２μｍ〜約１５μｍであり得る。

光源１２２から発する光ビームは、光路内の光源１２２と手術野１８０（図１）との間のさまざまな位置におけるその角度広がり、すなわち発散によって特徴付けることができる。角度広がりの基準は、開口数（「ＮＡ」）であり得る。正式には、ＮＡ＝ｓｉｎ（円錐角の半角）である。したがって、眼科照明システム１００内の光ビームは、開口数ＮＡ_ｂｅａｍによって特徴付けることができる。図２Ｂを参照すると、より詳細に後述する数学的記述２７０（図２Ｂ）は、眼科照明システム１００内のさまざまな位置におけるＮＡ_ｂｅａｍを記述する。光ファイバ１７０も、光ファイバ１７０が受け入れかつ伝送することができる光の角度を記述する角度広がり、すなわち開口数ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}によって特徴付けることができる。ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}は、所与の光ファイバ１７０に対して固定の特徴であり得る。異なるファイバは異なるＮＡを有し得る。光ファイバ１７０は、０．１２、０．２２、０．２６、０．３０、０．３７、０．４４、０．４８、０．５０、０．６３、０．６６および／またはより大きいか小さい他の好適な値等の値を含む、約０．１〜約０．９、約０．１〜約０．８、約０．１〜約０．７を含む任意の好適な開口数ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を有することができる。ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}は、光ファイバ１７０が所望の角度広がりで光を伝送するように選択することができる。開口数ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}以下の開口数ＮＡ_ｂｅａｍを有する場合、光ファイバ１７０によって光ビームをほとんどまたは全く光損失なしに伝送することができる。図２Ｂを参照すると、光ビームが、光ファイバ１７０内でＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}より大きい開口数ＮＡ_ｂｅａｍを有する場合、光ビームの一部（たとえば、角度が大きい方の光線）はクラッド２０４において失われ得る。開口数ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}以下の開口数ＮＡ_ｂｅａｍを有する光ビームの別の部分（たとえば、角度が小さい方の光線）は、光ファイバ１７０によって伝送することができる。それに関して、光路内の光源１２２と手術野１８０との間のＮＡ_ｂｅａｍは、ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}に関連することができる。眼科照明システム１００内のさまざまな箇所における光ビームはまた、ビーム径によっても特徴付けることができる。概して、光ファイバ１７０内では、光ビームのビーム径は光ファイバの直径に等しいことがあり得る。ビーム径および開口数ＮＡ_ｂｅａｍは、手術野１８０に効率的に伝送されるように光ファイバ１７０を光で充填するように選択することができる。

数学的関係は、光ファイバ１７０によって伝送される光の角度広がりおよびビーム径を記述することができる。たとえば、ＮＡ_ｂｅａｍ等の角度広がりとビーム径との積は一定であり得る。すなわち、角度広がりおよびビーム径は、逆数関係を有することができる。したがって、ビーム径が低減すると、角度広がりは増大し、その逆もあり得る。たとえば、テーパ状領域２１０内で、ビーム径が低減する（コア２０２の直径が低減するため）と、光の角度広がりはそれに対応して増大することができる。同様に、テーパ状領域２３０内では、ビーム径およびコア２０２の直径が低減すると、光の角度広がりは増大することができる。

図２Ｂに、眼科照明システム１００内のさまざまな点２５４、２５６および２５８における角度広がり、すなわちＮＡ_ｂｅａｍの数学的記述２７０を示すことができる。集光器１２６は、光ファイバ１２７内のＮＡ_ｂｅａｍがＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を超えないように、集光ビーム１２７を光ファイバ１７０に向けるように構成することができる。それに関して、集光ビーム１２７のＮＡ_ｂｅａｍは、入口開口部２１２の直径２１４に基づくことができる。たとえば、集光ビーム１２７のＮＡ_ｂｅａｍは、パラメータＮに基づくことができる。上述したように、入口開口部２１２の直径２１４もパラメータＮに関連することができる。集光器１２６は、集光ビーム１２７が入口開口部２１２の直径２１４に基づいた角度広がりを有するように、集光ビーム１２７を集束させるように構成することができる。点２５４は、集光ビーム１２７が入口開口部２１２とインタフェースする、ビームスポット１２９に位置することができる。点２５４において数学的関係２７０によって示すように、

であるように集光ビーム１２７を集束させるように構成された集光器１２６である。集光ビーム１２７は、直径Ｎ×ｄ_{ｆｉｂｅｒ}を有する入口開口部２１２において光ファイバ１７０内に結合することができる。ＮＡ_ｂｅａｍは、２０２の直径がパラメータＮ分の１低減する際、テーパ状領域２１０内でパラメータＮ倍増大する。したがって、

を有する集光ビーム１２７を集束させる集光器１２６は、テーパ状領域２１０内の角度広がり、すなわちＮＡ_ｂｅａｍの増大を考慮することができる。したがって、点２５６において数学的関係２７０によって示すように、光ファイバ１７０の中心部１７６内で光ビームはＮＡ_ｂｅａｍ＝ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を有する。上述したように、ＮＡ_ｂｅａｍ＝ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}であるとき、光ファイバ１７０内で効率的な光伝送が発生する。遠位部１７６内のコア２０２の直径が低減すると、ＮＡ_ｂｅａｍは、テーパ状領域２３０内で増大する。先端部２３２も、光ビームを拡散させるかまたはその角度広がりを増大させるようなサイズおよび形状とすることができる。点２５８において数学的関係２７０によって示すように、光ファイバ１７０は、ＮＡ_ｂｅａｍ＞＞ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}である放射光１６２を送出するように構成することができる。

集光器１２６は、有効焦点距離２４６を有することができる。有効焦点距離２４６は、集光器１２６とビームスポット１２９との間で集光ビーム１２７が進む距離の記述であり得る。光路において、集光器１２６と光ファイバ１７０との間を含む、光源１２２と光ファイバ１７０との間に折返しミラー、ビームスプリッタおよび／または他の光学部品を配置することができる。有効焦点距離２４６の値は、８ｍｍ〜５０ｍｍの値を含む、約５ｍｍ以下〜１５０ｍｍ以上であり得る。集光器１２６は、光ファイバ１７０の近位部１７２の入口開口部２１２の直径に基づく有効焦点距離２４６を有するように位置決めすることができる。

図３は、光ファイバ３１０および集光器３２０を含む配置を示す。図１、図２Ａおよび図２Ｂの光ファイバ１７０とは対照的に、図３の光ファイバ３１０は、テーパ状近位部分を含まない。むしろ、光ファイバ３１０の近位部および中心部は、一定の直径３１２を有する。集光器３２０により、コリメートビーム３３０を集束させることができる。点３８４は、図３の配置内における、集光ビーム３４０が光ファイバ３１０と遭遇する場所を特定する。点３８４において数学的関係３７０によって示すように、集光ビーム３４０は、ＮＡ_ｂｅａｍ＝ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を有し得る。集光ビームが光ファイバとインタフェースするときのＮＡ_ｂｅａｍは、図２Ｂ（点２５４）では、図３（点３８４）と比較してパラメータＮ分の１だけ小さくすることができる。図３の光ファイバ３１０内の光もＮＡ_ｂｅａｍ＝ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を有する。点３８６における数学的関係３７０は、放射光３５０がＮＡ_ｂｅａｍ＞＞ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を有し得ることを示す。集光器３２０は有効焦点距離３８０を有する。

再び図２Ｂを参照すると、集光器１２６の有効焦点距離２４６は、コリメートビーム１２５（図２Ｂ）およびコリメートビーム３３０（図３）の等しい直径のために、有効焦点距離３８０（図３）より比較的長くすることができる。たとえば、有効焦点距離２４６は、パラメータＮ倍、有効焦点距離３８０より大きくすることができる。それに関して、有効焦点距離２４６は、入口開口部２１２の直径１２９にも関連するパラメータＮに基づくことができる。比較的長い有効焦点距離２４６により、ＮＡ_ｂｅａｍが、点２５４において、パラメータＮ分の１低減することを可能にすることができる。集光ビーム１２７は、点２５４において光ファイバ１７０内に結合することができる。集光器１２６の有効焦点距離２４６は、光ファイバ１７０がテーパ状部分２１０を含むため、比較的大きい有効焦点距離２４６を有するように構成することができる。

図２Ｂを参照すると、点２５２、２５４、２５６および２５８における光ビームの形状をグラフ２６０に示すことができる。それに関して、グラフ２６０は、ｙ軸に光ビームの放射照度の断面プロファイルを含み、ｘ軸に光ビームの中心からの放射位置を含む。図示する光ビームは、すべての点２５２、２５４、２５６および２５８において概してガウスであり得る。光ビームは、光路内の光源１２２と手術野１８０との間の任意の点に配置されたビームシェイパの使用等により、任意の好適なビーム形状を有するように構成することができる。たとえば、光ビームは、フラットトップビームプロファイルまたは他の所望の形状を有することができる。点２５４において、グラフ２６０の比較的狭いガウスプロファイルにより、比較的幅の狭い小径のビームスポット１２９を示すことができる。図３のグラフ３６０は、集光器３２０および光ファイバ３１０の配置において点３８２、３８４、３８６における光ビームの形状を同様に示す。比較的幅の狭い小径のビームスポット１２９（図２Ｂ）と比較して、点２５４におけるグラフ３６０のガウスプロファイルは、比較的幅が広く、比較的直径の大きいビームスポットを示すことができる。

再び図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、本開示は、眼科照明システム１００の組立後に発生する、光源１２２、コリメータ１２４、集光器１２６および／または光ファイバ１７０の位置ずれに対する光ファイバ１７０の感度を低下させる等、眼科照明システム１００の性能を向上させることができる。角度感度に影響を与える要素としては、（１）集光器１２６内へのコリメート光ビーム１２５の直径、（２）光ファイバ１７０の公差付きコア直径、および光ファイバ１７０を通る光の効率的な伝搬のための数学的関係ＮＡ_ｂｅａｍ＝ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}を挙げることができる。これらの３つの要素は、変更することが困難である場合があり、それにより光学的位置ずれ感度が高いままになる。たとえば、コリメートビーム３３０の直径は、場合により、光源およびコリメータの設計によって固定され得る。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、本開示は、（たとえば、テーパ状部分２１０内の）コア２０２の直径を増大させることと、集光ビーム１２７のＮＡ_ｂｅａｍをパラメータＮ分の１低減させることとを記載する。こうした変更は、光学位置ずれに対する感度を低下させることにより、眼科照明システム１００に対してプラスの影響を与えることができる。したがって、有利には、結合効率は、低下する可能性を低くすることができ、かつ／または角度もしくは横方向の位置ずれの結果としてよりわずかな量だけ低下する。角度感度パラメータθ_Ｎは、著しいファイバ結合効率損失が発生し始める前の集光器１２６内へのコリメートビーム１２５の最大軸外し角として特徴付けることができる。θ_Ｎが高いほど、より高い軸外し角が光ファイバ１７０内に効率的に結合することができるため、光学位置ずれに対してより許容するシステムに対応する。概して、本明細書の記載は、いくつかの計算をより容易に理解することができるように、いくつかの具体的な例としての量を使用する。具体的な量は、単に例示するものであり得る。異なる例では任意の好適な値を使用することができる。

近似として、θ_Ｎは、

によって与えることができ、式中、Ｄ_ＮはＮに対する公差付きコア直径を示し、ｄ_Ｎは、集光ビーム１２７のビームスポット１２９の直径２４４を示し、ｆ_Ｎは、Ｎに対する有効焦点距離２４６を示す。図４に、これらの変数のいくつかをグラフィカルに示すことができる。それに関して、図４は、ビームスポット１２９、公差付きコア４１０、ならびに光ファイバの入口開口部の種々の位置４３２、４３４、４３６および４３８の正面図を示すことができる。ビームスポット１２９は直径２４４を有することができる。種々の位置４３２、４３４、４３６および４３８は、ハウジングまたは集光ビームに対する光ファイバの近位面または入口開口部のアライメントを表すことができる。種々の位置４３２、４３４、４３６および４３８は、光ファイバ、ハウジング、および／または光ファイバとハウジングとの間の結合を容易にするポートの製造公差からもたらされ得る。困難な光ファイバの正確な位置決めの繰返しは、光ファイバ、ハウジングおよび／またはポートの製造公差を考慮すると困難であり得る。図示するように、種々の位置４３２、４３４、４３６および４３８における入口開口部のいくつかの部分はオーバーラップすることができるが、他の部分はオーバーラップしないことができる。公差付きコア４１０の直径４２０は、位置４３２、４３４、４３６および４３８の各々における、集光ビームに対する入口開口部の一部の一貫したアライメントを表すことができる。それに関して、位置４３２、４３４、４３６および４３８の各々における入口開口部は、直径４３０を有することができる。位置４３２、４３４、４３６および４３８の各々はまた、長さ４４０によって示される、それに関連する不確実性または誤差も有し得る。概して、公差付きコア４１０の直径４２０は、入口開口部の直径４３０と光ファイバの位置の不確実性を表す長さ４４０との差であり得る。入口開口部の直径４３０が比較的大きいにも関わらず、公差付きコア４１０の直径４２０を比較的小さくすることができる。たとえば、公差付きコア４１０の直径４２０は、実際のコア直径が２５μｍである光ファイバに対して７μｍであり得る。

近似として、一般的なＮに対する有効焦点距離ｆ_Ｎは、Ｎ＝１の場合、ｆ_Ｎ＝Ｎ×ｆ_１により、有効焦点距離ｆ_１に関連することができる。それに関して、Ｎ＝１は、光ファイバがテーパ状近位部を含まない図３の配置に対応することができる。

近似として、一般的なＮに対するビームスポット径ｄ_Ｎは、Ｎ＝１の場合、ｄ_Ｎ＝Ｎ×ｄ_１により、ビームスポットサイズｄ_１に関連することができる。それに関して、回折限界（および、概して非回折限界）ビームスポット径は、集光器の有効焦点距離ｆ_Ｎに比例し、したがってパラメータＮに比例することができる。有効焦点距離ｆ_ＮがＮの増大によって増大するに従い、ビームスポット径ｄ_Ｎも増大する。Ｎ＝１である光学的に十分に設計された集光器の場合、ビームスポットの直径は、最悪でも回折限界スポットサイズよりわずかに大きいのみであり得る。

本明細書に記載するように、ミクロン、すなわちμｍでの公差付きコア直径Ｄ_Ｎの例は、Ｄ_Ｎ＝２５Ｎ−１８であり得る。「２５Ｎ」という例としての項は、図４における直径４３０によって表される、光ファイバの入口開口部の実際のコア直径を表す。例としての１８μｍは、図４において長さ４４０によって表される、光ファイバコアの位置および／またはアライメントにおける不確実性に対応する。光ファイバ１７０は、任意の好適なコア直径を有することができ、２５μｍは一例である。Ｄ_Ｎの数学的記述によって示すように、位置的不確実性が一定のままである一方、入口開口部の実際のコア直径はＮ倍増大する。したがって、集光ビームを受け取るように一貫して位置決めされる光ファイバコアの部分を表す公差付きコア直径は、Ｎにより著しく増大する。たとえば、Ｎ＝１である場合、Ｄ_Ｎ＝７μｍであり、Ｎ＝３である場合、Ｄ_Ｎ＝５７μｍである。この例で示すように、パラメータＮが３倍増大する一方、公差付きコア直径Ｄ_Ｎは約８倍増大する。パラメータＮによる公差付きコア直径Ｄ_Ｎのこの急速な増大により、眼科照明システム１００における光学位置ずれのより大きい許容度が促進される。それに関して、公差付きコア直径Ｄ_Ｎは、Ｎの増大によってビームスポット径ｄ_Ｎおよび有効焦点距離ｆ_Ｎが増大するより高速に増大する。以下の計算に示すように、公差付きコア直径Ｄ_Ｎがビームスポット径ｄ_Ｎおよび有効焦点距離ｆ_Ｎより高速に増大するため、効率的な結合を維持する角度感度パラメータθ_Ｎ、すなわち最大軸外し角も増大する。

ｆ_Ｎ、ｄ_ＮおよびＤ_Ｎに対する値をθ_Ｎに対する式に代入すると、以下のようになる。

図３に示すものと同様の配置を示すＮ＝１に対して、

となる。θ_１は、ｄ_１およびｆ_１の値を特定することによって計算することができる。集光器３２０からの集光ビーム３４０の二乗平均平方根（ＲＭＳ）ビームスポット径、すなわちｄ_１は、たとえば、２．５８μｍであり得る。有効焦点距離３８０、すなわちｆ_１は、図５に示す集光器３２０の配置に基づいて計算することができる。それに関して、有効焦点距離３８０は、

によって記述することができる。半径αは、コリメートビーム３３０の半径を記述することができる。たとえば、半径αは２．６５ｍｍに等しい場合がある。角度βは、１．３×１／ｅ^２点における周辺光線角度であり得る。角度βは、たとえば、１７．９°であり得る。半径αおよび角度βに対するこれらの値を上記式に代入すると、ｆ_１、すなわち有効焦点距離３８０は、８．２０ｍｍ、すなわち８２００μｍであると計算することができる。図５の配置は、ハウジングの物理的制約を考慮して必要に応じて集光ビーム３４０を向けるビームスプリッタ５３０を含む。

に対して、ｄ_１およびｆ_１に対する例としての値を上記式に代入する。図３を参照すると、θ_１＝０．０１５°は、著しいファイバ結合効率損失が発生し始める前の集光器３２０内へのコリメートビーム３３０の最大軸外し角を記述することができる。光ファイバ３１０は、２５μｍの実際のコア直径３１２に対して７μｍの公差付きコア直径を有することができる。図３に示す照明光学系は、７μｍ公差付きコア直径を通る回折エンサークルドエネルギー（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｎｃｉｒｃｌｅｄ ｅｎｅｒｇｙ）と光ファイバ３１０の角度開口数を通る透過率とを含む、≧７２％透過率（製造公差を含む）を有することができる。０．０１３４°の集光器３２０内へのコリメートビーム３３０の最大許容可能軸外し角誤差により、７μｍ公差付きコア直径を通る回折エンサークルドエネルギーが６５０ｎｍにおいて９０％まで低下する結果となる。すなわち、計算されたθ_１＝０．０１５°は、Ｚｅｍａｘ等のソフトウェアアプリケーションを使用する光学レイトレーシングによって計算された０．０１３４°の理論的値におよそ等しいものであり得る。

性能指数

は、Ｎ＞１での図１、図２Ａ、図２Ｂの眼科システム１００が、高い結合効率を維持しながら、いかに有効に光学位置ずれに対応するかを測定することができる。性能指数γ_Ｎは、Ｎ＞１に対する光結合を維持する最大軸外し角をＮ＝１の最大軸外し角と比較する。より具体的には以下の通りである。

γ_Ｎの第１項は、Ｎにより一定であり、ｄ_１のみによって決まり得る。第２項は、Ｎによって決まり、ｄ_１＜７μｍの場合Ｎの増大により低減し得る。Ｎ＝∞の限界では、γ_Ｎは、第１項に漸近的に近づく。

変化するＮおよびｄ_１に対するγ_Ｎの値は、図６の表にまとめることができる。表６００の値は、眼科照明システム１００のアライメント後角度感度における有利な低下を示す。それに関して、γ_Ｎは、Ｎ＝１である場合の図３の配置に対する、Ｎ＞１である場合の、効率的な光結合を維持する最大軸外し角が増大する倍数を記述することができる。たとえば、２．５８μｍに等しいＲＭＳビームスポット径ｄ_１を考慮し、ｄ_１が３μｍに等しいと想定すると、Ｎ＝２に対してγ_Ｎ＝３．２５である。すなわち、効率的な光結合を維持する最大軸外し角は、Ｎ＝２である場合、３．２５倍増大し得る。こうしたシステムは、光ファイバ内への光のより高い軸外し角の効率的な結合のために、光学位置ずれにより耐性があり得る。性能指数γ_Ｎは、限界Ｎ＝∞において５．５まで増大する。

図７は、異なるｄ_１に対する変化するＮに対するγ_Ｎの値をプロットするグラフ７００を含む。ｘ軸はパラメータＮの値を含むことができる。ｙ軸は、性能指数γ_Ｎの値を含むことができる。曲線７１０、７２０および７３０は、１μｍ、２μｍおよび３μｍに等しいｄ_１に対応する。２、３、４および５のパラメータＮ値および約１．９５μｍの集束ビームスポット径ｄ_１とを有する実際の集光器／ファイバシステムのミューレション結果７４０もグラフ７００に含めることができる。シミュレーション結果７４０と曲線７２０との間の関係は、数学的関係γ_Ｎの妥当性を示すものであり得る。

製造業者は、性能指数γ_Ｎおよび／または角度感度パラメータθ_Ｎの計算を使用して、眼科照明システム１１０に関連する１つまたは複数の量を求めることができる。たとえば、計算は、パラメータＮを選択するために使用されるアルゴリズムの一部であり得る。パラメータＮを用いて、入口開口部２１２の直径２１４、集光器１２６の有効焦点距離２４６、集光ビーム１２７の角度広がり、すなわちＮＡ_ｂｅａｍ、および／または他の好適な量を求めることができる。光ファイバ１７０は、選択された直径２１４に基づいて製造または選択することができる。集光器１２６は、選択された有効焦点距離２４６および／またはＮＡ_ｂｅａｍに基づいて、光源１２２、コリメータ１２４および／または光ファイバ１７０に対してハウジング１２１内に位置決めすることができる。

本明細書に記載した実施形態は、位置決め誤差にも関わらず、光ビームの位置ずれに対するより大きい許容度と、光ファイバ内への高い結合効率の維持とを容易にする装置、システムおよび方法を提供することができる。上に提供した例は、本質的に例示的なものであり限定するものではない。当業者であれば、本開示の範囲内にあるように意図された開示した実施形態に一貫する他のシステムを用意に考案することができる。したがって、本出願は、以下の特許請求の範囲のみによって限定することができる。

Claims (15)

1. 眼科照明装置であって、
   コア直径を有すると共に、光源によって出力されかつ集光器によって集束される光ビームを伝送するように構成された単一の光ファイバであって、
   前記集光器によって近位部における焦点に集束される前記光ビームを受け取るように構成された前記近位部であって、前記近位部は、コア直径Ｄ１を有する近位端部と、コア直径Ｄ２を有する末端部と、を備える第１のテーパ状部分を備えており、前記コア直径Ｄ１は、前記コア直径Ｄ２よりも大きい、近位部と、
   手術野を照明するように前記光ビームを放射するように構成された遠位部と、
   前記近位部と前記遠位部との間に延在する中心部であって、前記コア直径は、前記中心部に亘って一定とされた、中心部と、
   を含む単一の光ファイバを含み、
   前記単一の光ファイバの前記近位部上の前記焦点において、前記光ビームの開口数（ＮＡ_ｂｅａｍ）は、Ｎで割った前記単一の光ファイバの開口数（ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}）と等しく、該Ｎは、前記中心部のコア直径で割った前記コア直径Ｄ１と等しく、
   前記中心部は、前記光ビームの開口数（ＮＡ_ｂｅａｍ）が、前記中心部の開口数（ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}）と等しくなるように構成されており、
   前記近位部の前記第１のテーパ状部分の長さは、前記コア直径Ｄ１と前記中心部の直径との差の１００倍以上とされている、眼科照明装置。
2. 前記単一の光ファイバの前記近位部が、前記テーパ状部分の近位側に配置された直線状部分を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記集光器が、前記単一の光ファイバの前記近位部の前記コア直径に基づいた有効焦点距離を有するように構成されている、請求項１に記載の装置。
4. 前記集光器が、前記集光器によって集束される前記光ビームの角度広がりが前記単一の光ファイバの前記近位部の前記コア直径に基づくように前記光ビームを集束させるように構成されている、請求項３に記載の装置。
5. 前記集光器が、前記集光器によって集束される前記光ビームの角度広がりが、前記単一の光ファイバによって伝送される前記光ビームの角度広がりより小さいように前記光ビームを集束させるように構成されている、請求項３に記載の装置。
6. 前記集光器は、前記集光器によって集束される前記光ビームの角度広がりが、前記単一の光ファイバによって伝送される前記光ビームの角度広がりと前記Ｎ分の１との積と等しくなるように、前記光ビームが集束するように構成されている、請求項３に記載の装置。
7. 前記光源と、前記集光器と、前記手術野内に配置されかつ前記単一の光ファイバに結合されるように構成された手術器具と、をさらに含む、請求項１に記載の装置。
8. 前記光源および前記集光器がハウジング内に配置されている、請求項７に記載の装置。
9. 眼科照明方法であって、
   集光器を用いて、光源によって放射される光ビームを単一の光ファイバの近位部における焦点に集束させるステップであって、前記単一の光ファイバが、前記近位部、遠位部、および前記近位部と前記遠位部との間に延在する中心部を含んでおり、
   前記近位部は、コア直径Ｄ１を有する近位端部と、コア直径Ｄ２を有する末端部と、を備える第１のテーパ状部分を備えており、前記コア直径Ｄ１は、前記コア直径Ｄ２よりも大きく、かつ、前記コア直径は、前記中心部に亘って一定とされており、
   前記単一の光ファイバの前記近位部上の前記焦点において、前記光ビームの開口数（ＮＡ_ｂｅａｍ）は、Ｎで割った前記単一の光ファイバの開口数（ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}）と等しく、該Ｎは、前記中心部のコア直径で割った前記コア直径Ｄ１と等しい、ステップと、
   前記単一の光ファイバを用いて手術野に前記光ビームを伝送するステップであって、前記中心部は、前記光ビームの開口数（ＮＡ_ｂｅａｍ）が、前記中心部の開口数（ＮＡ_{ｆｉｂｅｒ}）と等しくなるように構成されている、ステップと、を含んでおり、
   前記近位部の前記第１のテーパ状部分の長さは、前記コア直径Ｄ１と前記中心部の直径との差の１００倍以上とされている、方法。
10. 光ビームを集束させるステップが、前記単一の光ファイバの前記近位部の直線状部分またはテーパ状部分に前記光ビームを集束させることを含む、請求項９に記載の方法。
11. 光ビームを集束させるステップが、前記単一の光ファイバの前記近位部の前記コア直径に基づく有効焦点距離を有する前記集光器を用いて前記光ビームを集束させることを含む、請求項９に記載の方法。
12. 光ビームを集束させるステップが、前記光ビームの角度広がりが前記単一の光ファイバの前記近位部の前記コア直径に基づくように、前記集光器を用いて前記光ビームを集束させることを含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記単一の光ファイバの前記中心部は、１０ｍｍから１０００ｍｍの範囲の長さを有する、請求項１に記載の眼科照明装置。
14. 前記近位部は、前記第１のテーパ状部分に近接した直線状部分を備えており、前記単一の光ファイバの前記コア直径は、前記近位部の前記直線状部分に亘って一定である、請求項１３に記載の眼科照明装置。
15. 前記遠位部は、前記単一の光ファイバの前記コア直径が遠位方向に変化する、第２のテーパ状部分を備える、請求項１４に記載の眼科照明装置。

Images