JPH05509179A - 高エネルギ光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り世ｊ この発明は、光源に関し、特に、ソリッドステート・レーザダイオードからなる 光源に関する。

レーザダイオードは、コンパクトで、頑強で、効率的で、且つ、比較的コストが 安いレーザ光源である。故に、多くの用途においては、それまで使用されていた ガスレーザまたは大きくて持ち運びが容易でないネオジミウム・イツトリウムア ルミニウムガーネットのようなソリッドステートレーザの代りに、レーザダイオ ードを光源として使用することが提案されている。このような用途としては、身 体に植込み可能な脈管形成プローブ、眼科治療、接触レーザ手術などが含まれる 。

しかし、単一のレーザダイオードによって得られるエネルギ出力は、数ワットに 制限されるものである。さらに、各ダイオードは、長尺の高い縦横比の０縞”か ら比較的大きなテーバ角となるようビームを発射する。発射されたビームのテー バ角、すなわち、開口数は、レーザ縞の長い方の軸に平行な方向（以下Ｘ軸とい う）におけるものの方が、レーザ縞の前記長い方の軸に直角な方向（以下ｙ軸と いう）におけるものより小さい。

多くの用途では、単一のレーザダイオードのエネルギ出力上の制限を考慮して、 多数のレーザダイオードからの出力を結合することが必要となる。このようなシ ステムにおいて、多数のレーザダイオードからの光は、典型的にはレーザ縞の縦 横比より小さな縦横比を有し、且つ、ターゲットに対する効果的な送光を実現す るためのある一定の最大受入れテーパ角または立体角を有するターゲットエリア に対して効果的に送られる必要がある。例えば、光ファイバを通して光エネルギ が送られる脈管形成装置のような用途においては、ターゲットエリアすなわちフ ァイバの端部は円いものであり、受入れ立体角は、両輪とも同じであり、前記フ ァイバに効果的に接続可能な入射ビームの最大開口数に対応する。他の用途例は 網膜治療であり、この場合、光エネルギは、最大受入れ立体角を課する虹採を介 して網膜上の所定のターゲットエリアに集中される必要がある。

実際上、必要なエネルギが、ターゲットに関する効率的な受入れ立体角、または 、光源自体の送光用光学素子に関する有効受入れ立体角によって課される制約内 において所定のターゲットエリアに送られるよう、複数のレーザダイオード光源 からの光を結合するためには、様々な問題がある。

このような問題を克服するため、多くの方法が提案されている。その１つは、偏 光ビームコンバイナを用いて２つのレーザダイオードからのビームを結合し、該 結合されたビームを光ファイバの端部に集中させる方法である。また、提案され ている他の方法は、結合されたレーザビームの両輪方向における開口数が光ファ イバの開口数に一致するまで、レーザ縞の像をその長手方向にアナモルフィック に縮小するものである。しかしながら、これらの方法のいずれにおいても、各フ ァイバごとの最大エネルギは単に２つのレーザダイオードからのエネルギと同等 であり、より大きなエネルギを得るためには、複数のこのようなファイバを束ね ることが必要になる。ある用途においては、像とターゲットとの寸法上の不一致 、および、複雑なファイバ光学素子が必要になるということを考慮した場合、こ れは、効率的な解決法ではない。

このように多数のファイバを束ねると、輝度が失われ、また、高いエネルギのた め熱による損傷が発生しやすくなる。さらに、波長選択鏡を用いて、異なる波長 を持つ多数のレーザビームを結合する方法も提案されている。

しかし、特にレーザダイオードの波長が温度に対して過度に反応するので、実際 上、これは満足できるものではない。さらに他の方法は、レーザダイオード縞に 対してより正確に一致するよう、光ファイバの端部を楕円形に形成するものであ るが、このようなファイバは製造コストが高く、しかも、光エネルギをこのよう なファイバ中にあまり効果的に接続できないという課題がある。

より強力なレーザダイオード光源は米国特許第４．９０５．６９０号に開示され ている。該特許において、多数のレーザダイオードからの光ビームは、互いに平 行な軸を有し、且つ、多数のビームを包囲するのに充分な直径を有する単一の集 中用レンズによってターゲットエリア上に集中されるようになっている。単一の 結像システムに適用されるこの技術の一例は、図１の平面図および側面図に示さ れている。すなわち、このシステムは、それぞれ焦点距離ｆ１およびｆ２を有す るコリメーティングレンズ１および焦点レンズ２を備えており、しばしば、レー ザ発光縞の像３を光ファイバの端部に集中することによって、単一のレーザダイ オードを光ファイバに接続するために使用される。前記縞４は、Ｘ軸方向に長く てｙ軸方向に短く、前記レンズ１．２によって、両輪方向にｆ２／ｆ１倍拡大さ れる。両前記軸における発射ビームの開口数の差により、典型的には、ｙ軸にお ける平行化されたビーム５ａの径は、Ｘ軸のものの３倍である。

故に、米国特許第４．９０５．６９０号によると、（Ｘ軸方向に積み重なる）さ らに２つの平行ビーム５ｂ１５Ｃは、実質的に集中用レンズ２の開口数内に収る ことができる。こうして、前記像のエネルギおよび強度は３倍に増大可能になる 。しかしながら、より大きなエネルギが必要であり、３つ以上のビームを含むよ う装置が拡大される場合には、さらに多くのビーム（図２において５つのビーム が示されている）を包囲するため、集中用レンズの直径を大きくする必要がある 。また、エネルギ損失を避けるため光ファイバの開口数以下になるよう、集中さ れたビームについて同一の開口数が維持される場合、焦点レンズの焦点距離は、 前述のように大きくされた直径に比例して大きくされる必要がある。このように 焦点距離が大きく　（図２の場合は５／３倍）されると、縞の像もこれと同じ率 で大きくなる。従って、エネルギが増大するにもかかわらず、像も同一の比率で 大きくなる。

こうして、前記像がターゲットエリア、すなわち、光ファイバの端部の直径より 大きくなるよう拡大される場合、エネルギ損失が生じる。

（１９８９年１０月１日発行の０ｐｔｉｃｓ　１ｅｔｔｅｒｓ”、１４巻、Ｎｏ 、１９に掲載されている）“５ｃａｌａｂｌｅ、　ｅｎｄ−ｐｕｍｐｅｄ、　ｄ ｉｏｄｅ−１ａｓｅｒ−ｐｕｍｐｅｄ　１ａｓｅｒ”　、および、（１９９０年 ２月発行の“ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃｓ”の２６＠、Ｎ０９２に掲載されている）Ｆａｎ等によるＰｕｍｐ　 ５ｏｕｒｃｅ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅ＋ｎｔｓ　ｆｏｒ　Ｅｎｄ−Ｐｕｍｐ　Ｌａ ５ｅｒｓ”は、ネオジミウム・イツトリウムアルミニウムガーネットレーザを発 生するレーザダイオードシステムを開示している（図３参照）。これらの開示内 容によると、多数の平行なレーザダイオードビーム６ａ、６ｂ、６ｃ（Ｘ軸では なくｙ軸方向に積み重なっている）は、１対の円筒レンズ６．７によって、ネオ ジミウム・イツトリウムアルミニウムガーネットレーザの利得媒体中に集中させ られる。各前記レンズ６．７は、互いに直交する面において独立にビーム集中を 行う。こうして、前記集中用レンズの焦点距離ｆ３、ｆ４が２つの軸において最 適化されることができる。故に、Ｘ軸方向において像３の寸法がターゲットエリ アより大きくなることがないようＸ軸における集中を行う円筒レンズ６の焦点距 離ｆ３を選択することによって、光源およびコリメーティングレンズの性質なら びに集中されたビームの開口数の制限範囲内において、像３のより重要なＸ軸方 向の寸法が最適化される。また、それほど重要ではない前記像３の短い方のｙ軸 方向の寸法においては、開口サイズが多数のビームに応じて大きくされることが できる。この場合にも、エネルギ損失を回避するため、集中されたビームの開口 数を光ファイバの開口数以下に維持できるよう、前記レンズ７の焦点距離ｆ４を 大きくする必要がある。また、このように焦点距離を大きくすることにより、多 像のｙ軸方向の寸法が同等に大きくなって、各ビームのｙ軸方向の開口数が小さ くなり、より多くのビームがタープ・ソトの受入れテーバ角中に収ることが可能 になる。こうして、上述の米国特許第４．９０５．６９０号に開示されているシ ステムとは異なり、このシステムがタープ・ソトエリアに集中されるビームの数 を増加するよう拡張される場合、より長いＸ軸方向ではなく重要でない方のｙ軸 方向における像の拡大率のみを大きくするだけで、集中されたビームの開口数が 維持される。故に、光ファイバの直径を一定とした場合、このシステムは、米国 特許第４．９０５．６９０号より高いエネルギを実現することができる。

しかし、このシステムは、多くの問題点を有するものである。第１に、妥当な開 口数の集中ビームに関して、光学収差を許容可能なレベルまで減少し、Ｘ軸方向 の円筒レンズによって発生するｙ軸方向の像の収差を補償するためには、複雑な 多素子または非球面の円筒レンズが必要になる。さらに、光学業界では、多素子 または非球面の対称的なレンズが普通に使用されているが、多素子または非球面 の円筒レンズの製造は、自明ではなく、はとんど知られていない。

第２に、妥当な数のビームを結合するため、ｙ軸方向の円筒状集中用レンズの開 口サイズは、きわめて大きくする必要がある。故に、集中されたビームのｙ軸方 向における開口数を同一に維持するためには、ｙ軸方向の集中用円筒レンズの焦 点距離も、ビーム数に比例して大きくする必要がある。このことは、ダイオード とＸ軸方向の集中用円筒レンズとの間の距離が大きくなることを意味する。この ため、Ｘ方向における前記距離にわたり、ビームが分散するという問題が生じる 。−例として、上述の刊行物において、Ｆａｎ等は、ｙ軸におけるビーム集中を 行う焦点距離が１５０ｍｍで、開口サイズが２５ｍｍの円筒レンズを使用して、 ３つのダイオードを組合わせる。同様な制約条件の下で１６のビームに増加され る場合、前記レンズの開口サイズは１５５　ｍ　ｍに増大し、その焦点距離は１ ｍ未満（９３０ｍｍ）に増加することとなる。これに直交する（ｙ軸）面におい て、当初の２０ｍｍの焦点距離のレンズを使用する必要があるが、このレンズは 前記ダイオードから９１０ｍｍ以上離れているので、平行化されたビームのこの 軸方向における２５ｍｒａｄ　（ミリラド）の分散（この軸方向における光源サ イズにより発生するもの）によって、前記レンズの開口におけるビーム寸法が、 前記刊行物に示された約４ｍｍから約３０ｍｍに増加する。すなわち、この軸方 向における集中ビームの開口数が０．ＩＮＡから０．６ＮＡに増加する。Ｆａｎ 等は、Ｘ軸方向に１００μｍの縞寸法を有する光源、および、４ｍｍの焦点距離 を有するコリメーティングレンズを使用しており、上述した分散計算はこれを基 礎として行われている。より高いエネルギの光源を実現するためには、典型的に は、２００μｍまたは５００μｍの光源が必要になるが、この場合、分散は２倍 または５倍に増加する。

この発明は、上述の問題点を解決しようとするものである。第１の観点に従うこ の発明は、所定のターゲットエリアに対しである一定の受入れ立体角範囲内に光 を送るための光源を提供するものであって、長い寸法方向（ｙ軸）および短い寸 法方向（ｙ軸）を有する、複数の縞状の光源と、実質的に前記ターゲットエリア の範囲内において前２輪の像を作るアナモルフィック結像手段と、前記光源から ビームを略平行化するコリメーティング手段と、各平行化されたビームのＸ軸方 向の幅をｙ軸方向の幅に対して大きくするアナモルフィックビーム成形手段と、 前記ビーム成形手段とターゲットとの間に配置されていて、前記２つの軸方向に 略共通の焦点距離を有する集中手段とを具備しており、前記結像手段は、各前２ 輪のｙ軸方向の倍率とＸ軸方向の倍率との間のアナモルフィック比率が１より大 きくなるよう配置されており、前２輪の像が、前記ターゲットエリア上に集中す るが、前記ターゲットエリアの受入れ角内における実質的に異なる領域を占める 光ビームによって作られる、ことを特徴とするものである。

この発明によると、必要とされる像の数に関してターゲットエリアの寸法が許容 する限り、互いに重ならない像も提供可能であるが、前２輪の像はターゲットエ リアの範囲内で互いに重なるのが好ましい。

このような構成により、ある受入れ立体角の範囲で光フアイバケーブルの端部な どのターゲットエリア上に効果的に送ることができる光ビームの数が、図３に示 したＦａｎらの装置と同様に増加可能になる。

これは、ターゲットエリアが光源、例えば、レーザ縞より低い縦横比を有するこ とを前提としている。というのは、この前提において、各レーザ縞の像の厚み方 向（ｙ軸方向）における倍率が長手方向（Ｘ軸方向）に対して増加し、これによ り、輝度原理に従い、ターゲットエリア上に集中された各ビームのｙ軸方向にお ける開口数の相対的な減少がもたらされる。このｙ軸方向における開口数の相対 的な減少によって、図３に示したＦａｎ等の構成と同様に、ビームが重なること なくターゲットの受入れ立体角に収容可能なビームの数の増加が可能になる。

しかしながら、Ｆａｎ等のシステムとは異なり、この発明は、低コストで容易に 入手可能な対称的なレンズを前記集中手段として使用可能なよう、光学システム のアナモルフィック手段を前記集中手段から分離する（なお、前記集中手段にお いである程度の非対称性が存在している場合であっても、この発明の普遍性は影 響されない、ということを理解すべきである）。

さらに、前記集中手段の焦点距離が長い場合であっても、前記コリメーティング 手段と集中手段との間の距離は比較的短く維持可能であり、これにより、平行化 されたビームにおける分散効果を最小化することができる（この発明によると、 上述のＦａｎ等のシステムに関する１６ビーム装置は、Ｆａｎ等のシステムでは 光源とＸ軸方向集中シリンダとの間の距離が約１．０００ｍｍであるのに対して 、線光源（例えば、レーザダイオード）と集中手段との間の距離が１００ｍｍ未 満であるこの発明のシステムによって実現可能である）。

前記アナモルフィックビーム成形手段は、平行化されたビームのｙ軸方向の寸法 に対するＸ軸方向の寸法の比率を増加するものであり、これは、Ｘ軸方向のビー ム幅を拡張するか、もしくは、ｙ軸方向のビーム幅を減少することによって、ま たは、その両方を組合わせることによって実現可能である。前記ビーム成形手段 がｙ軸方向のビーム幅を減少する場合、前記集中手段の開口サイズおよび焦点距 離は結合されたビーム数の増加に伴ってあまり大きくならなくともよいという、 前記Ｆａｎ等のシステムに優る利点がある。というのは、より多くのビームが使 用されるのに伴いレンズの開口を大きくスル代すに、ｙ軸方向のビーム幅をさら に減少できるからである（もちろん、これにより像はｙ軸方向に大きくなるが、 はとんどの用途においてこれは重要ではない）。このようにして、このシステム は、その実用性を維持し、多数のビームにも関わらずそのコンパクト性を維持で きる。

この発明の好ましい実施例において、前記ビーム成形手段は、アナモルフィック にビームを成形して、Ｘ軸を長軸とする略楕円形のビームを成形する。好ましく は、これは、平行化されたビームのＸ軸方向の幅を大きくすることによって実現 される。

特定のターゲットサイズおよび受入れ角度に関して効率的に結合され得るビーム の最大数は、ｙ軸方向倍率とＸ軸方向倍率との間のアナモルフィック比率に略比 例する。

こうして、光フアイバケーブルの端部のようなある特定の多エリアに関して、Ｘ 軸方向の倍率Ｍｘは、ターゲット上に作られる重なった像がＸ軸に沿うターゲッ トサイズ、すなわち、光フアイバケーブルのコア径に一致するよう、選択可能で ある。その場合、アナモルフィック比率Ａは、（必要エネルギについて必要とさ れる）数Ｎのビームが実質的な角度的な重なり無しに受入れ立体角中に結合され るのを可能にする値（Ａ最小値）より太きくなるよう、しかし、ｙ軸方向倍率Ｍ ｙによって、厚み方向におけるレーザ縞の像か該方向におけるターゲットサイズ より実質的に大きくなる（エネルギ損失を生じる）最大値（Ａ最大値）未満にな るよう、選択可能である。

このようにして、ある特定のＭｘ値に関して、Ａ　ｍａｘ＝Ｔｙ／　（ＭｘＳｙ ）であり、ここで、Ｔｙ＝像の厚み方向におけるターゲット寸法、Ｓｙ＝前記前 記方向におけるレーザ縞寸法である。

また、 Ａ　ｍ１ｎ−＝Ｎθ／（δ、Ｍｘ”φ）であり、ここで、Ｎ＝（必要エネルギの ために）結合すべきビーム数、 θ＝レーザ縞の発射立体角、 φ＝ツタ−ットの受入れ立体角、 δ＝最大実質比質量偏差、すなわち、ある特定の値すなわちＮに関して、レーザ ビームによって占められる立体角φの端数である。

前記アナモルフィック比率は、各光源すなわちレーザダイオードについて同一で あるのが好ましいが、前記Ａ最小値およびＡ最大値による制限範囲内で異なって いてもよい。前記Ａ最小値より大きいアナモルフィック比率を有するターゲット の光源によって補償される場合、個々の光源は、前記Ａ最小値より小さいアナモ ルフイ１．り比率を有してもよい。

この発明に従うと、従来のシステムに比べてより多くのレーザダイオードのよう な光源からの光か、複雑な光フアイバケーブル束、複雑なファイバ光学素子もし くはレンズを必要とすることなく、または、正確な波長制御がなされる多くの波 長を必要とすることなく、光フアイバケーブルまたは眼のａａｍのような、ある 一定の受入れ立体角を有するターゲットエリア中に効率的に接続可能である。後 者の点は、例えば、もちろんこの発明によってカバーされる用途であるネオジミ ウム・イツトリウムアルミニウムガーネットレーザロッドを発生する際において 、波長選択ターゲットを照すことが必要な場合に、特に重要である。

前記アナモルフィック結像手段は、様々な形態を採ることができる。１つの実施 例において、該結像手段は、各レーザ光ファイバごとのコリメーティング手段と 、該コリメーティング手段の下流側に配置された１つ以上のアナモルフィックビ ーム成形手段と、レーザ縞の重なった像を作るため、略対称的な集中用レンズま たは略対称的な集中用レンズアレイとを備えている。前記アナモルフィックビー ム成形手段は、プリズム対または円筒状望遠鏡からなり、ｙ軸方向の倍率を大き くし、および／または、Ｘ軸方向の倍率を小さくするよう配置されている。

レーザダイオードのような光源と共に使用されるこのタイプまたはターゲットの タイプのアナモルフィックビーム成形用光学素子は、当該技術において知られて いる。

この発明の好ましい実施例は、集中用レンズの上流側に設けられた手段であって 、前記集中用レンズと交差し該手段によってターゲットエリア上に集中されるビ ームの密ではあるが同一空間に位置していない（コインシデントではない）ビー ム束を提供する手段を備える。前記ビーム東提供手段の一実施例は、前記集中用 レンズの中心光軸に沿って設けられることができ、且つ、入射ビームをカートホ イール式に取り込み、光軸に沿ってこれらのビームを密ではあるがコインシデン トではない束状に反射するよう配置された対称的な鏡アレイを備える。

もちろん、前記ビーム束は、上記のカートホイール式の構成に限られるものでは なく、いかなる形態であってもよい。前記アナモルフィックビーム成形手段は、 ４Ｘ２７レイのようなりニアアレイに組込まれてもよい。これは、例えば、ビー ムが前のビーム成形手段によって遮断されないよう、各ビームのビーム成形手段 を前後に段階状に配置することによって、実現され得る。

好ましい実施例において、ターゲットエリア上に集中される各ビーム自体は、偏 光および／または二色ビームコンバイナによって結合された、２つ以上のレーザ ダイオードからの同一空間を占めるビームからなるものである。このようにして 、ターゲットエリアに集中されたビーム数Ｎに関して、偏光ビームコンバイナの みが使用される場合には、得られるエネルギは２Ｎのレーザダイオードに等しく 、また、二色ビームコンバイナが使用される場合には、それ以上である。

他の好ましい実施例においては、前記集中手段によって、可視光源も前記ターゲ ツトエリア上に提供される。

例えば、前記光源が可視ビームが容易に照準される脈管形成装置に使用される場 合、このような可視光源が有用である。この可視光源ビームは、他の光源と同一 の特性を有する必要はなく、アナモルフイ・ツクに拡大されなくてもよい。

この発明は、特に、レーザダイオード光源について詳述されている。しかし、レ ーザダイオードと同様な出力縦横比および開口数特性を有する他の光源に適用し てもよい。

図１は、３つのレーザダイオードのビームを１つの光フアイバ中に集中させる従 来のシステムを、レーザ縞の長袖および短軸方向に示す略図、 図２は、５つのビームを１つの光ファイノく中に集中させる図１のものと同様な システムを両輪方向に示す略図、図３は、ネオジミウム・イツトリウムアルミニ ウムガーネットレーザを発生するため多数のレーザダイオードビームを結合する 従来のシステムを両長軸方向に示す略図、 図４は、図５の構成をレーザ縞の短軸（ｙ軸）に沿って示す図、 図５は、この発明によりレーザ縞の長軸（Ｘ軸）に沿って示される２つのレーザ ダイオードからのビームをアナモルフィックに成形し、結合する手段を示す図、 図６ａおよび図６ｂは、図４および図５に示されたビーム成形結合手段から発生 された７つ結合光ビームを束ねるための手段の正面図および断面図、図７ａおよ び図７ｂは、レーザ縞か重なった像を発生するため、集中用レンズによって光フ ァイノくケーブルの端部上に衝突し集中されたビームの束を示す図、図８は、３ つのビームが組合される第２の実施例におけるレーザ縞を長袖および短軸方向に 示す略図、図９は、５つのビームが結合される実施例を示す図８の類似図、 図１０は、この発明のさらに他の実施例に係る装置の破断側面図、 図１１は、図１０の装置の破断圧面図、図１２は、図１０の装置におけるベース プレートの平面図、 図１３は、図１０の装置の正面図、 図１４は、図１−０の装置の平面図。

先ず、図４および図５（これらの図の縮尺は同一ではない）において、１対のレ ーザダイオードは、Ｓｘの長さおよびｓｙの厚みを持つレーザ光源縞８を有する ものである。各レーザ光源は、ｙ軸における開口数がＸ軸の開口数より大きいビ ーム９を発射する。各前記ビームは、コリメーティングレンズ１０によって平行 化され、これにより、観かけ寸法ＢｘおよびＢｙを有する楕円形断面Ｃ のビーム１１となる。上述した２つの軸における開口数の差により、寸法Ｂｙは 寸法Ｂｘより３倍大きい（この点に関し、図４および図５の縮尺は一定ではない ）。前記コリメーティングレンズ１０の下流側には、アナモルフィック・プリズ ム対１２が設けられている。該プリズム対１２は、アナモルフィック比率Ａに等 しい率だけ前記ビーム１１をＸ方向に拡張するものであるが、Ｘ方向の厚みには 影響を与えない。このビームの厚みにおける相対的な増加により、各編の像のＸ 軸方向の径が、後述する下流側の集中用レンズによる率だけ、ｙ軸方向の径に対 して減少する。図示例においては、前記アナモルフィック・プリズム対１２の下 流側のビーム断面が略円形となるよう、アナモルフィック比率Ａは３である。

アナモルフィック・プリズム対１２を通過したビーム１１は、偏光ビームコンバ イナによって結合される。該コンバイナは、各々の斜辺同士が接した２つのプリ ズムで構成された結合キューブ１３からなり、前記プリズムの間の界面１４には 、Ｐ偏光された光を通すがＳ偏光された光を反射する誘電被覆層が施されている 。レーザダイオードによって発射された光ビームは、共にＰ偏光されており、従 って、図４の上方のビームの通路には半波長板１５が設けられている。前記上方 のビームは、別のプリズム１６によって９０度方向変換されて前記被覆された界 面１４上に反射され、これにより、該界面１４を通過する他方のビームと同軸の 通路に導かれる（前記半波長板１５は前記上方のビームの極性を９０度回転する ）。こうして１、結合されたビーム１６が作られる。

図示した実施例は、図４および図５に示す種類の７つのビーム成形結合手段を備 えるものである。結合ビーム１６が図６ａおよび図６ｂに示すビーム束形成鏡１ ７上に向けてカートホイール式に内方に投射されるよう、これら７つのビーム成 形結合手段のうちの６つは、放射状に配置されている。前記ビーム束成形鏡１７ は、図７ｂに示す密で、コインシデントでないビームの束を成形するため、各ビ ーム１６を反射するよう配置された反射面１８の対称的なアレイからなるもので ある。このビーム東成形鏡１７は中央開口１９を有し、該中央開口１９によって 、７つのビーム成形結合手段からの結合ビーム１６は、前記ビーム束の中心軸に 沿って導かれる。

図７ａおよび図７ｂに示すように、ビーム束は集中用レンズ２０上に導かれ、こ れにより、各ビームは、ＴｘＸ　Ｔ　ｙの寸法を有する光ファイバまたはその他 のターゲットエリアＴの端部上に集中される。こうして、すべてのレーザ縞の重 なった像からなるＩｘＸＩｙの寸法を有する像２１が、ターゲットエリア上に形 成される。上述のように、ある特定のターゲット径および受入れ立体角に関して 、このようにビーム同士が重なることなく効率的に結合され得る最大ビーム数Ｎ は、Ｘ軸方向の倍率とｙ軸方向の倍率との間のアナモルフィック比率Ａに比例す る。ある特定のターゲット寸法に関して、適当なＸ軸方向の倍率は、縞の像Ｉｘ の長さかターゲット寸法ＴＸに一致する場合の倍率である。全体的な倍率は、ア ナモルフィック比率Ａ１ならびに、コリメーティングレンズ１０および集中用レ ンズ２０の相対的焦点距離に左右される。像の厚みＩｙかある特定のターゲット 寸法Ｔｙにとって大き過ぎるようになる点まで、すなわち、像がターゲットに対 して全面的には重ならない結果として実質的なエネルギ損失が生じる点まで、ｙ 軸方向の倍率はＸ軸方向の倍率より大きくすることができる。許容可能な最大ビ ーム数は、ターゲットエリア上に集中される各ビームのｙ軸方向の開口数減少に よって決定される。

上記実施例において、平行化されたビームは、略円形断面を有するよう成形され る。もちろん、これに限らず、実施される多数のアセンブリにおいて、ビームは 、実際上、その長軸がＸ軸である楕円形に成形される。上記実施例において、こ れは、平行化されたビームをアナモルフィックにＸ軸方向に４倍拡張することに よって、実現されるのが好ましい。

さらに、上記実施例において、アナモルフィックプリズム対は、Ｘ軸ビーム断面 を大きくし、これにより、ｙ軸方向の倍率に影響を与えることなく、前記レンズ １０．２０によるＸ軸方向倍率を小さくするよう配置されている。他の実施例に おいては、反対に、アナモルフィックプリズム対は、ｙ軸ビーム断面を小さくシ 、これにより、該Ｘ軸方向倍率を大きくするよう配置されている。このような構 成により、アナモルフィック比率およびターゲット寸法が図示例のものと同じで ある場合、前記集中用レンズの焦点距離は３分の１に減少され、これにより、タ ーゲット上に集中される各ビーム１６の像の寸法および開口数は同一に維持され る。

図８および図９は、平行化されたビーム１１のＸ軸号法か拡張され、ｙ軸寸法が 減少されるようになった他の実施例を略示している。図８においては、３つのビ ームを結合するためアナモルフィック比率は９である。また、図９においては、 前記３つのビームの場合と同じサイズの集中用レンズを用いて５つのビームを結 合するため、アナモルフィック比率は１５である。なお、これら２つの実施例に おいて、集中用レンズ２０のサイズおよび焦点距離、ならびに、光ファイバの直 径は、上記第１の実施例とは異なるものである。

上記第１の実施例のように甲にＸ軸ビーム幅を大きくすることによって、図８お よび図９のような直径を有す。

る光フアイバ上に３つのビームを集中することが必要な場合、こねら３つのビー ムを適当に包囲するためには、集中用レンズ２０のサイズを３倍にしなければな らない（ビームが一列に配置されていて、これよりコンパクトな形態に配置され ていないものと仮定する）。この場合、エネルギ損失を回避できるよう、結合さ れ、集中されたビームの開口数を一定、すなわち、光ファイバの受入れ角度以下 に維持するためには、前記レンズ２０の焦点距離を３倍にすることか必要とな。

また、像のＸ軸方向における全体的な倍率が一定になるよう、前記ビーム成形手 段は、平行化されたビームのＸ軸輪をさらに３倍大きくするよう調節される必要 がある。

図１０〜図１４に示すさらに他の実施例において、１６のビームが光ファイバの 端部に集中されるようになっている。これらのビームは、Ｘ軸を長軸とする楕円 断面のビームを成形するため、Ｘ軸方向に４倍アナモルフィックに拡張され、偏 光ビームコンバイナによって結合され、しかる後、１ノンズによって光フアイバ 端部に集中されるよう２×４のアレイに配置される。

図１０〜図１４に示す装置は、ベース部１０１にボルト止めされたハウジング１ ００を備えている。レーザダイオードモジュール１０２の４×４のアレイは、ベ ース部１０１上のハウジング１００内に取り付けられている。

各前記モジュール１０２は、対応するモニタ・センサおよび電力リード線を備え たレーザダイオード１０３と、レーザビームを平行化するコリメーティングレン ズ１０４とで構成されている。このレーザダイオード１０３とコリメーティング レンズ１０４とで構成されるモジュール１０２を設けたことにより、これら２つ の要素は、ベースプレートに取り付けられる前に正確に整列されることができ、 その後の整列ズレを防止できる。

レーザダイオード１０３は、２００Ｘ１μｍの縞寸法、０．１７Ｘ０，５の開口 数および１ワツトのエネルギ出力を有するＳＤｉ、−２４６０（米国の５ｐｅｃ ｔｒａ　Ｄｉ、ｏｄｐ　Ｌａｂｓ社）またはＳ　Ｌ　Ｄ　３０４　（Ｓｏｎｙ？ ｔ）である。また、フリメーーーアイングレンズ（４，０４７の開口数および０ ４６　ｍ　ｍの焦点距離を有するＯｌｙｍｐｕｓ　Ａ　Ｖ　−４６４７−３であ る。

前記レーザモジュール〕、０２は１対ずつグループ化されており、−Ｌ方の多対 は、支持手段１０６によってハウジング１−ｏＯの側壁に取り付けられたビーム 成形結合ユニット１０５である。

各ユニッｌ−１０５は各ビームに１つずつの２一つのアナモルフィックプリズム 対１０７を含むものであり、これらのプリズムは、８００ｎｍの５Ｆ−１１Ｌｉ ｔｔｒＯＷ　プリズムであり、各ビームをＸ軸方向に４倍拡張するが、ｙ軸方向 のビーム寸法には影響を与えない。各ユニット］−０５は、さらに、Ｍｅｌｌｅ ｓ　Ｇｒｉｏｔ０３ＰＢＳＯ６２であって、ビームを結合させる偏光ビームコン バイナ手段１０８を含むものである。結合されたビームは、該ユニット１０５の 一部を構成するプリズム１０９によって、集中用ｌレンズ１１０」二に反射され る。図１０および図１１から理解されるように　／）ウンング１００の各側の４ つのユニット１０５は、直線的に整列しているが、ハウジング１００の後部に近 いものはト、各々のレーザモジュール１０２からより高い位置に設けられている 。こうして、レンズ１１０によって出力ファイバ１１１上に集中される２Ｘ４の ビームアレイを作るため、ハウジング１００の各側に一ヒ下方向に１×４の７［ ／イか提供される。

ｌ／レンズ１０は、２６ｍｍの焦点距離、３０ｍｍの１宵径および０，３５の開 口数を有する非球面シンブレ・ノドである。光ファイバは、４００μｍの直径お よび０．３’７　Ｎ　Ａの受入れ角度を有するＥｎｓｉｇｎ　Ｂｉｃｋｆｏｒｄ 　ＨＣ５先ファイバであり、）＼ウジング】００中に挿入される時に、集中用レ ンズ１１０に対して正確に位置決めされる。安全のため、光ファイバが所定位置 にあるか否かを検出し１、光ファイバが存在（７ていないときにレーザダイオー ドのオン動作を素子するセンサ１１２が設けられている（図１０および図１３参 照）。

このような装置は、１２．５ワツトのエネルギ出力および３００Ｘ６μｍの像寸 法を有する光源を提供する。

光ファイバ１１１を介して与えられるビームを照準できるよう、可視光を発射す るレーザダイオードからのビーム１ｊ−３は、その他のビームによって占められ ないレンズ１１０の一部を通過する（図１１参照）。

害−一籠−−−例 及籠Ｌ−犬 レーザダイオード源は、２００μｍ　Ｘ　１μｍの縞寸法ならびに０．１７およ び０．５のＸ軸およびｙ軸方向発射開口数を有する１ワツトのレーザダイオード 源を用いて、０．３２ＮＡの受入れ開口数をし３００μｍのコア径を有する光フ ァオノ・中に２５７・ソトの出力を接続するために必要とされる。８０％の光効 率を仮定した場合、３２個のレーザダイオードか必要であり、ケーブルの端部に 集中される結合ビームの数Ｎは１６である。故に、発射立体角θは０．０８５で あり、ターゲ・ントの受入れ立体角φは約０．１０である。選択された最大ビー ム比質量偏差δ＝０．７、’ｒｙ＝ａｏｏ、５ｙ＝１およびＭｘ＝１．５のため には、上述の等式を使用したアナモルフィック比率は、８．６〜２００でなけれ ばならない。

８．６のＡ最小値のためには、光ファイバにお番プる縞の像は３００μｍＸ１２ ．９μｍであり、各ビームは光ファイバの受入れ立体角の約４％を占めることと なる。

他方の極端な例において、Ａ＝２００の場合、光ファイバにおける縞の像は３０ ０μｍ　Ｘ　３００μｍであり、各ビームは光ファイバの受入れ立体角の約０． ２％を占めることとなる。この場合、正方形の縞の像は円形の光ファイバのコア に正確に一致せず、従って、エネルギ損失が生じる。しかしながら、これを無視 した場合、Ａ＝２００であるとき、各ビームが８０％の光効率および最大ビーム 比質量偏差δ＝０．７と仮定した１つの結合ビームである場合理論的には、合計 ３７０のビームが光ファイバに送られ、　５８０ワツトの最大エネルギを提供す る。

及ＩＬＩｆｉユ 眼科用の光凝固装置は、１００μｔｎ　Ｘ　１μｍの縞寸法ならびに０．１７お よび０，５ＮＡの発射開口数を有する０　５ワツトのレーザダイオード源からの １００μｍのスポット中に２ワツトを与えるために必要とされる。

眼の最大受入れ角は０．２ＮＡである。７０％の光効率を仮定した場合、３つの ビームに偏光結合される（Ｎ＝３）６つのダイオードが必要である。

１００μｍのスポット、Ｍｘ＝１、発射立体角θ＝０゜０８５、選択された最大 ビーム比質量偏差δ＝０．７のためには、アナモルフィック比率Ａは、１０〜１ ００とすることかできる。

Ａ＝１０の場合、網膜におけるスポット寸法は１００μｍＸ１０μｍとなる。

ＦｔＧ、１１ 要　約　書 高エネルギ光源を提供する光学システムは、長い寸法ａ　（Ｘ軸）および短い寸 法ｂ　（ｙ軸）を有する発射績（８）から光を発射するものであって、ｙ軸方向 の開口数がＸ軸方向の開口数より高い多数のレーザダイオードまたはこれと同様 な光源によって構成される。レーザビーム（９）は、レンズ（１０）によって平 行化され、他のレンズ（２０）によって光フアイバ上に集中される。

このビーム集中の前に、平行ビーム（１１）は、各ビーム（１１）ｘ軸方向の幅 がｙ軸方向の幅に対して増大するよう、ビーム成形手段（１２）によってアナモ ルフィックに拡大または縮小される。こうして、光フアイバ上に作られる像（２ １）は、縞（８）のｙ軸方向の倍率とＸ軸方向の倍率との間のアナモルフィック 比率が１より大きくなるよう、アナモルフィックに拡大される。輝度原理により 、このアナモルフィック的な拡大は、ｙ軸方向の開口数における相対的な減少を 生じ、ターゲットの立体角内に収ることができるビーム数の増加を実現する。

国際調査報告　ＰＣＴ／ＧＢ　９１１０１３１０１ｍ−ＡａｅＡ−Ｎ・ＰＣＴ／ ＧＢ　９１１０１３１０国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．所定のターゲットエリアに対してある一定の受入れ立体角範囲内に光を送る ための光源であって、長い寸法方向（ｘ軸）および短い寸法方向（ｙ軸）を有す る、複数の縞状の光源と、 実質的に前記ターゲットエリアの範囲内において前記縞の像を作るアナモルフィ ック結像手段と、前記光源からビームを略平行化するコリメーティング手段と、 各平行化されたビームのＸ軸方向の幅をｙ軸方向の幅に対して大きくするアナモ ルフィックビーム成形手段と、前記ビーム成形手段とターゲットとの間に配置さ れていて、前記２つの軸方向に略共通の焦点距離を有する集中手段と、 を具備していて、前記結像手段が、各前記縞のｙ軸方向の倍率とｘ軸方向の倍率 との間のアナモルフィック比率が１より大きくなるよう配置されており、前記縞 の像が、前記ターゲットエリア上に集中するが、前記ターゲットエリアの受入れ 角内における実質的に異なる領域を占める光ビームによって作られることを特徴 とする光源。
2. ２．前記縞の像が前記ターゲットエリア内において互いに重なるようになってい る請求の範囲第１項に記載の光源。
3. ３．前記ビーム成形手段が、ｘ軸を長軸とする略楕円断面のビームを作るため、 前記ビームをアナモルフィックに成形する請求の範囲第２項に記載の光源。
4. ４．前記ビーム成形手段が、前記平行化されたビームのｙ軸方向の幅を減少する 請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の光源。
5. ５．前記ビーム成形手段が、前記平行化されたビームのｘ軸方向の幅を増加する 請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載の光源。
6. ６．前記ターゲット上に作られた像の長さが前記ターゲットのＸ軸に沿う寸法に 略一致するよう、前記ｘ軸方向の倍率Ｍｘが選択されている請求の範囲第１項〜 第５項のいずれか一項に記載の光源。
7. ７．前記ビームのうちの少なくともいくつかのアナモルフィック比率Ａが概ね Ｎθ／δ．Ｍｘ２φ≦Ａ≦Ｔｙ（ＭｘＳｙ）の範囲内であり、 ここで、Ｔｙ＝像の厚み方向におけるターゲット寸法、Ｓｙ＝前記厚み方向にお けるレーザ縞寸法、Ｎ＝（必要なエネルギのために）結合すべきビーム数、 θ＝レーザ縞の発射立体角、 φ＝ターゲットの受入れ立体角、 δ＝最大実質比質量偏差 であることを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれか一項に記載の光源 。
8. ８．前記結像手段は、各レーザビームごとに設けられたコリメーティング手段と 、該コリメーティング手段の下流側に配置された１つ以上のアナモルフィックビ ーム成形手段と、レーザ縞の重なった像を作るため、略対称的な集中用レンズま たは略対称的な集中用レンズアレイとを備えている請求の範囲第１項〜第７項の いずれか一項に記載の光源。
9. ９．前記アナモルフィックビーム成形手段がプリズム対からなる請求の範囲第８ 項に記載の光源。
10. １０．前記アナモルフィックビーム成形手段が、円筒状の望遠鏡からなる請求の 範囲第８項に記載の光源。
11. １１．前記光源が、集中用レンズの上流側に設けられた手段であって、前記集中 用レンズと交差し該手段によってターゲットエリア上に手中されるビームの密で はあるが同一空間に位置していないビーム束を形成する手段を備え、前記ビーム 束が、前記集中手段によって前記ターゲットエリア上に集中される請求の範囲第 １項〜第１０項のいずれか一項に記載の光源。
12. １２．前記ビーム束形成手段が、前記集中用レンズの中心光軸に沿う方向に設け ることがてき、入射ビームをカートホイール式に取り込み、光軸に沿ってこれら のビームを反射する反射器の対称的なアレイからなる請求の範囲第１１項に記載 の光源。
13. １３．前記ビーム束形成手段が、１つ以上のリニアアレイを形成するよう段階的 に並べられた多数の反射器・プリズムからなる請求の範囲第１１項に記載の光源 。
14. １４．ターゲットエリア上に集中される各ビーム自体が、偏光および／または二 色ビームコンバイナによって結合された、２つ以上のレーザダイオードからの同 一空間を占めるビームからなる請求の範囲第１項〜第１３項のいずれか一項に記 載の光源。
15. １５．前記複数の光源の各々が、コリメーティングレンズを組込んだモジュール として設けられており、各前記ビーム成形手段が、結合すべき前記２つ以上の光 源のためのビームコンバイナを組込んだ分離したユニットとして設けられている 請求の範囲第１４項に記載の光源。
16. １６．可視光源が、ターゲットのビームによって占められていない前記集中手段 の一部分を通して、前記ターゲットエリア上に集中される請求の範囲第１項〜第 １５項のいずれか一項に記載の光源。