JPS6351699B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は人体の治療や工場における物の加工等
に利用されるレーザー加工装置に関するものであ
る。

近年、生体組織の蒸散や切開にはCO₂レーザー
等の赤外レーザー光を利用したレーザーメス装置
が実用化されている。

しかしながら従来はこのような装置の赤外レー
ザー光を通す適当な光フアイバーが開発されてい
なかつたため、複数個の鏡から構成されたミラー
関節型の導光路装置を用い、この導光路装置によ
り前記赤外レーザー光を手術部位に導びくように
していた。しかしこのミラー関節型の導光路装置
は操作性や保守性等の問題を有していたため、赤
外レーザー用光フアイバーの積極的開発が試みら
れていた。その結果、近年になりたとえばKRS
―５等のハロゲン化物を材料とした光フアイバー
により赤外レーザー光を導くことが徐々に実用化
されつつあることも事実である。

さて前述したような一般的に使用されているミ
ラー関節型の導光路装置により導びかれた赤外レ
ーザー光は、出射端で集光レンズにより絞られた
後、手術部位に照射される。しかし赤外レーザー
光は不可視光なので手術者は集光点を直接見るこ
とができないため、その集光点を見ることができ
るように集光点の位置を他の可視光、たとえば
He―Neレーザー等により表示する必要がある。
そしてミラー関節型導光路装置においては赤外レ
ーザー光等の作業に用いられるレーザー光（以
下、作業光と称する）と、その作業光をガイドし
て作業光の集光点を示す可視光（以下、ガイド光
と称する）とを一致させることは構造上比較的容
易に行なうことができる。

しかし前述したような光フアイバーを用いた導
光路の場合はCO₂ガスレーザー等の作業光とHe
―Neレーザー等のガイド光を同時に通すことが
できる材料はまだ開発されていない。そのため作
業光を導びく光フアイバーとは別に可視光を導び
く光フアイバーを設ける必要があるが、その際に
は以下に述べる２点の問題がある。

第１点として例えばCO₂ガスレーザー光の波長
は10.6μmであるのに対し、He―Neレーザー光の
波長は0.6μmであり１桁も波長が短いためにレン
ズの屈折率が異なり、焦点距離が異なる。従つて
もし作業光とガイド光のフアイバー出射端を揃
え、両光を単レンズで集光するように構成する
と、ガイド光の集光結像点が赤外光の集光結像点
よりもレンズ側寄りに位置してしまう。そこでこ
の欠点を防止するためにはガイド光用光フアイバ
ーの出射端を赤外光用光フアイバーの出射端より
も突出させ構成すればよいわけだが、このような
構成にすると作業用光フアイバー出射端から送出
れた赤外光によりガイド用光フアイバーの出射端
が焼損してしまうという欠点を有する。

また第２点として作業光とガイド光の光フアイ
バー出射端を単に並設したのでは、出射位置が同
一でないためにレンズの結像位置が互いに離れて
しまい、正確に焦光点すなわち作業点を表示する
ことができない。

本発明は上記欠点に鑑み、複数のガイド光用光
フアイバーを作業光用光フアイバーの外周にコー
テイングするとともに、第１、第２の凸レンズを
介して作業光の焦点を正確に一致させることがで
きるレーザー加工装置を提供するものである。

以下、本発明の一実施例について図面を参照し
ながら説明する。

第１図は本発明の一実施例におけるレーザー加
工装置の外観斜視図である。同図において、１は
たとえばCO₂レーザー光線とHe―Neレーザー光
線との照射制御を行なうレーザー装置本体、２は
支柱３に支持され後述するCO₂ガスレーザー光線
及びHe―Neレーザー光線を発生する発振管が組
み込まれているハウジング部、４はレーザー装置
本体１からの制御命令をハウジング部２に伝送す
る命令伝送路である。５は作業光用光フアイバー
の外周にガイド光用フアイバーをコーテイングし
てさらにその外周を保護用可撓管により被覆して
ある光フアイバーケーブルで、フアイバーコネク
ター６を介してハウジング部２に接続されてい
る。７は光フアイバーケーブル５を介してハウジ
ング部２より送出されたCO₂ガスレーザー光線及
びHe―Neレーザー光線とを集光するレンズがそ
れぞれ後述するように設けられている。ハンドピ
ース部で、作業者が手に持つて作業を行なう。

以下、第２図を用いハウジング部２、フアイバ
ーケーブル５、フアイバーコネクター６及びハン
ドピース部７の関係をさらに詳細に説明する。

同図において、２ａはハウジング部２内部に設
けられたCO₂ガスレーザー光線の発振管、２ｂは
同様にハウジング部２内部に設けられたHe―Ne
レーザー光線の発振管、２ｃ及び２ｄはハウジン
グ部２内部に設けられたZnSeを材料とする凸レ
ンズ、２ｅはハウジング部２内部に設けられた
鏡、２ｅは凸レンズ２ｃを介して発振管２ａから
送出されるCO₂ガスレーザー光線と凸レンズ２ｄ
及び鏡２ｅを介して発振管２ｂから送出される
He―Neレーザー光線とを同軸上に混合して送出
するゲルマニウムミラーである。

５ａはKRS―５を材料とする作業光用光フア
イバーで、光フアイバーケーブル５内部に設けら
れている。５ｂはメタクリル、ポリカーボネイド
等のプラスチツクを材料とするガイド光用光フア
イバーで、第３図の断面図に示すように作業光用
光フアイバー５ａの外周上にコーテイングされ構
成されている。なお作業光用光フアイバー５ａ及
びガイド光用光フアイバー５ｂの出射端は第４図
に示すように作業光用光フアイバー５ａの出射端
の方がガイド光用光フアイバー５ｂの出射端より
も突出して設けられている。７ａはハンドピース
部７に設けられた集光用凸レンズ、７ｂは同様に
ハンドピース部７に設けられた補正用凸レンズで
ある。

上記のように構成された装置の動作について、
以下説明する。

まず作業者はレーザー装置本体１を操作し、ハ
ウジング部２を動作状態にする。するとハウジン
グ部２内部の発振管２ａ，２ｂにより波長
10.6μmのCO₂ガスレーザー線及び波長0.63μmの
He―Neレーザー光線が出射される。発振管２ａ
より出射されたCO₂ガスレーザー光線は凸レンズ
２ｃにより一旦絞られてからゲルマニウムミラー
２ｅを介し作業光用光フアイバー５ａの入射端に
入射され、作業光用光フアイバー５ａを介して、
作業光用光フアイバー５ａの出射端から一定の拡
がり角をもつて出射される。そして作業光用光フ
アイバー５ａの出射端から出射されたCO₂ガスレ
ーザー光線は補正用凸レンズを介して集光用凸レ
ンズ７ａにより焦点Ｐに結像される。

一方発振管２ｂより出射されたHe―Neガスレ
ーザー光線は凸レンズ２により一旦絞られてから
鏡２ｄ、ゲルマニウムミラー２５を介しガイド光
用光フアイバー５ｂの入射端に入射され、ガイド
光用光フアイバー５ｂを介して、ガイド光用光フ
アイバー５ｂの出射端から一定の拡がり角をもつ
て出射される。そして作業光用光フアイバー５ｂ
の出射端から出射されたHe―Neガスレーザー光
線は補正用凸レンズ７ｂにより一旦集光用レンズ
７ａの光軸上にある焦点Ｑに結像された後、集光
用レンズ７ａを介して再びCO₂ガスレーザー光線
が集光した焦点Ｐに結像される。また前述したよ
うにガイド光用光フアイバーｂは作業光用光フア
イバー５ａと同軸となるように設けられているこ
とにより、光軸と直角方向の結像位置も一致す
る。さらにガイド光用光フアイバー５ｂの出射端
外径は作業光用光フアイバー５ａの出射端よりも
大きいが、ガイド光の結像倍率を作業光の結像倍
率を小さく設定しておくことにより焦点Ｐにおけ
る集光像を作業光の集光像に一致させることがで
きる。

次に第５図を用いて、凸レンズ７ａ，７ｂと光
フアイバー５ａ，５ｂの出射端との位置関係につ
いて説明する。第５図において、５a′は作業光用
光フアイバー５ａの出射端、５b′はガイド光用光
フアイバー５ｂの出射端、７ａはハンドピース部
７に設けられた集光用凸レンズ、７ｂは同様にハ
ンドピース部７に設けられた補正用凸レンズであ
る。

まず集光用凸レンズ７ａ及び補正用凸レンズ７
ｂの材料をZnSeとし波長10.6μmのCO₂ガスレー
ザー光（作業光）に対する各レンズ７ａ，７ｂの
焦点距離をそれぞれ₁，₂とすれば、波長0.6μm
のHe―Neレーザー光（ガイド光）に対する各レ
ンズ７ａ，７ｂの焦点距離は約0.88₁，0.88₂と
なり、焦点距離はやや短かくなる。また補正用凸
レンズ７ｂのCO₂ガスレーザー光に対する前焦点
位置をF₁₁、後焦点位置をF₁₂とすれば、He―Ne
ガスレーザー光の前焦点位置及び後焦点位置はそ
れぞれF₁₁′，F₁₂′の点となる。また同様に集光用
凸レンズ７ａのCO₂ガスレーザー光に対する前焦
点位置をF₂₁、後焦点位置をF₂₂とすれば、He―
Neガスレーザー光の前焦点位置及び後焦点位置
はそれぞれF₂₁′，F₂₂′の点となる。

そこでガイド光用光フアイバー５ｂの出射端５
b′の実像は補正用凸レンズ７ｂによりＱ点に形成
される。このＱ点を前焦点位置F₂₁′よりも補正用
凸レンズ７ｂ側になるようにすると、Ｑ点の実像
は集光用凸レンズ７ａにより実像Ｐとして再度形
成される。すなわちガイド光用光フアイバー５ｂ
の出射端５b′から出射されたガイド光はＰ点に集
光結像されることとなる。これらの位置関係を第
５図に記した長さa₁，a₁′b₁，b₁′，a₂′，b₂を用い
て示すと、 １／a₁′＋１／b₁′＝１／₁′ ……(1) １／a₂′＋１／b₂＝１／₂′ ……(2) となるような関係を有している。

また作業光用光フアイバー５ａの出射端５a′は
F₁₁の点よりも補正用凸レンズ７ｂ側に配置され
ているため、補正用凸レンズ７ｂにより虚像が
Q′点に形成される。この虚像を集光用レンズ７
ａにより実像としてＰ点に一致させるために １／（b₁＋b₁′＋a₂′）＋１／b₂＝１／₂ ……(3) １／a₁−１／b₁＝１／₁ ……(4) を満足させるような位置に作業光用光フアイバー
５ａの出射端５a′を設けている。すなわち先ず第
１，２式よりa₁′，b₁′，a₂′，b₂を決定し、第３式
よりb₁を決め、第４式よりa₁を決めればよい。

またガイド光の倍率（b₁′／a₁′）×（b₂／a₂′）
と、作業光の倍率（b₁／a₁）×〔b₂／（b₁＋b₁′＋
a₂′）〕とにそれぞれのフアイバーの出射端の外径
を掛算し、お互いの値が等しくなるようにパラメ
ータを定めることにより、ガイド光及び作業光の
像の大きさを等しくすることができる。

以上のように本実施例によれば、作業光用光フ
アイバー５ａの外周にガイド光用フアイバー５ｂ
をコーテイングするとともに、各光フアイバーの
出射端５a′，５b′を補正用レンズ７ｂの位置に対
して考慮して設置することにより、ガイド光及び
作業光の最終集光結像の点Ｐに一致させ、またガ
イド光及び作業光の像の大きさを一致させること
ができ、さらに作業光用光フアイバー及びガイド
光用光フアイバーを一体的に形成していることに
より、フアイバーの取り扱いが容易となり製造組
立工程において大きな効果を有する。

なお第４図に示すように、作業光用光フアイバ
ー５ａの出射端５a′はガイド光用光フアイバー５
ｂの出射端５b′よりも突出させたが、作業光用光
フアイバー５ａの出射端５a′は第５図に示すF₁₁
点とF₁₁′点との間に位置させても作業光及びガイ
ド光の結像点を一致させることができることによ
り、両光フアイバーの出射端５a′，５b′の端面を
一致させてF₁₁点とF₁₁′点との間に位置させても
よい。

以上のように本発明はガイド光用光フアイバー
を前記作業光用光フアイバーの出射端と同軸にな
るように前記作業光用光フアイバーの外周にコー
テイングするとともに、各光発生源から送出され
た作業光及びガイド光とを同軸上に混合して送出
する送出手段を設け、前記作業光用光フアイバー
の出射端を第１の凸レンズの前焦点位置後方とな
るように配置し、前記第１の凸レンズにより形成
される前記作業光用光フアイバーの出射端の虚像
を第２の凸レンズにより実像として結像させ、ま
たガイド光用光フアイバーの出射端を第１の凸レ
ンズの前焦点位置前方となるように配置し、前記
第１の凸レンズにより形成される前記ガイド光用
光フアイバーの出射端の実像を第２の凸レンズに
より前記作業光用光フアイバーの出射端の結像と
一致させるように構成することにより、作業光と
ガイド光との集光点を正確に一致させることがで
き、その工業的価値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるレーザー加
工装置の外観斜視図、第２図は同要部断面図、第
３図は光フアイバーの断面図、第４図はハンドピ
ース部における光フアイバーの拡大図、第５図は
光学系の位置関係を説明するための図である。 ２ａ……CO₂ガスレーザー光線の発振管、２ｂ
……He―Neガスレーザー光線の発振管、２ｆ…
…ゲルマニウムミラー、５ａ……作業光用光フア
イバー、５ｂ……ガイド光用光フアイバー、７ａ
……集光用凸レンズ、７ｂ……補正用凸レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作業を行なうための作業光を発生する作業光
   発生源と、前記作業光の作業点を確認するための
   ガイド光を発生するガイド光発生源と、前記作業
   光と前記ガイド光とを同軸上に混合して送出する
   送出手段と、前記送出手段から送出される前記作
   業光を導く作業光用光フアイバーと、前記送出手
   段から送出される前記ガイド光を導くとともに、
   前記作業光用光フアイバーの外周にコーテイング
   されているガイド光用光フアイバーと、前記作業
   光用光フアイバーの出射端が前焦点位置後方とな
   るように、また前記ガイド光用光フアイバーの出
   射端が前焦点位置前方となる位置に設置された第
   １の凸レンズと、前記第１の凸レンズを介して形
   成される前記作業光用光フアイバーの出射端の虚
   像が実像として結像するとともに、また前記第１
   の凸レンズを介して形成される前記ガイド光用光
   フアイバーの出射端の実像が前記作業光用光フア
   イバーの出射端の結像点と一致するように設置さ
   れた第２の凸レンズとを具備するレーザー加工装
   置。 ２ 作業光用光フアイバーの出射端をガイド光用
   光フアイバーの出射端よりも突出されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ
   ー加工装置。