KR102232361B1 - 광의 광학적 특성을 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

광의 광학적 특성을 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

수술부위를 조명하는 수술기구는 내부 전반사에 의해 광을 전달하는 광 도파관을 가진다. 하나 이상의 제어 엘리먼트가 광 도파관 상에 배치되어 있다. 제어 엘리먼트는 광 도파관으로부터 광을 추출하고 추출되는 광의 제1 및 제2 광학적 특성을 제어한다. 다른 수술기구는 내부 전반사에 의해 광을 전달하는 제1 및 제2 광 도파관을 포함한다. 광 도파관들이 서로에 대하여 이동 가능하고 피벗 가능하도록 양 도파관에 커플링 엘리먼트가 부착되어 있다.

Description

광의 광학적 특성을 제어하는 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR CONTROLLING OPTICAL PROPERTIES OF LIGHT}
운전자가 타겟 영역을 더 명확하게 관측할 수 있게 타겟 영역을 조명하는 것은 도전 과제일 수 있다. 헤드램프 또는 벽에 설치된 조명에 의해 제공되는 외부 조명은 지속적인 조절을 필요로 하고, 여전히 목표 영역에 원치 않는 그림자를 드리울 수 있다. 부가적으로, 이러한 조명 방법은 표면 아래로 멀고 깊게 배치된 타겟 영역을 조명할 수 없을 수도 있다. 광섬유가 타겟 영역을 조명하는 것을 돕기 위해 도구에 연결될 수 있지만, 광섬유 시스템은 광을 전달함에 있어서 비효율적일 수 있고, 그 결과적인 광 손실로 인해 목표 영역으로 전달되는 광량이 크게 감소된다. 강력한 광원을 제공함으로써 광 전송의 비효율성을 극복하고자 하는 시도가 행해질 수 있으나, 이는 과도한 열 발생을 야기할 수 있고, 몇몇 경우에 화재를 일으킬 수도 있다. 작업 영역의 적절한 조명을 제공하는 것과 연관된 도전과제와 더불어, 조명 시스템은 도구 또는 운전자의 손을 위한 또는 작업 영역을 보기 위해 필요한 체적을 많이 차지하지 않으면서도 좁은 공간에 접근할 수 있어야 한다. 조명 장치 및 시스템은 사용되고 있는 도구와 협조적으로 상호작용할 수 있어야 하고, 그들이 사용되고 있는 공간에 순응할 수 있어야 한다.
그러므로, 여전히 작업 영역을 조명하기 위해 효율적으로 광을 전달하고 양질의 광을 제공하는 향상된 조명 장치 및 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 이러한 조명 장치 및 시스템은 바람직한 낮은 프로파일을 가져서, 그들이 쉽게 작업 영역에 놓일 수 있고, 너무 많은 공간을 차지하지 않고 작업 영역에 순응할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 조명 장치 및 시스템은 수술부위를 조명하기 위해 수술 애플리케이션에 사용될 수 있고, 이들은 작업 영역으로부터 조직을 떼어내는 리트랙터(retractor) 또는 원하지 않는 유체 및 찌꺼기를 수술부위로부터 제거하는 흡입 원드(suction wand)와 같은 다른 수술기구들과 협조적으로 사용될 수 있다. 이러한 목적 중 적어도 일부는 여기 서술된 예시적인 실시예에 의해 충족될 것이다.
본 발명은 일반적으로 한 영역을 조명하기 위한 기기에 관한 것이고, 바람직하게는 수술부위를 조명하기 위한 기기에 관한 것일 수 있다.
본 발명의 하나의 형태에서, 수술부위를 조명하기 위한 수술기구는 내부 전반사에 의해 광 도파관의 근단부에서 광 도파관의 원단부로 광을 전달하는 광 도파관을 포함한다. 광 도파관은 전면 및 후면을 가진다. 수술기구는 또한 광 도파관으로부터 광을 추출하고, 추출되는 광의 2이상의 광학적 특성을 독립적으로 제어하는, 전면 및/또는 후면 상에 배치된 하나 이상의 제어 엘리먼트를 가진다. 이러한 제어 엘리먼트는 도파관 상의 표면 피처(surface feature)일 수도 있고, 그러므로, 본 명세서에서 표면 피처라고도 불린다. 그러나, 이것은 제한으로 의도된 것이 아니므로, 제어 엘리먼트가 반드시 표면 피처일 필요는 없다.
광 도파관은 비광섬유 도파관일 수 있고, 단일 동질성 재료로 형성될 수 있다. 하나의 이상의 제어 엘리먼트는 전면 상에 배치된 제1 표면 피처 및 후면 상에 배치된 제2 표면 피처를 포함할 수 있다. 2 이상의 광학적 특성은 제1 및 제2 광학적 특성을 포함할 수 있다. 제1 광학적 특성은 제1 방향 또는 제1 발산각(divergence angle)을 포함할 수 있고, 제2 광학적 특성은 제2 방향 또는 제2 발산각을 포함할 수 있고, 제1 표면 피처는 제1 방향 또는 제1 발산각으로 추출되는 광을 제어하고, 제2 표면 피처는 제2 방향 또는 제2 발산각으로 추출되는 광을 제어한다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 전면에 배치된 하나 이상의 전방 제어 엘리먼트, 및 후면에 배치된 하나 이상의 후방 제어 엘리먼트를 포함할 수 있다. 전방 제어 엘리먼트는 제2 광학적 특성을 제어하는 하나 이상의 후방 제어 엘리먼트와는 독립적으로 제1 광학적 특성을 제어할 수 있다. 하나 이상의 제어 엘리먼트 중 적어도 일부는 제1 및 제2 광학적 특성을 모두 제어할 수 있고, 이들은 전면 또는 후면 또는 양면에 배치될 수 있다. 제1 제어 엘리먼트는 제2 제어 엘리먼트와 상이할 수 있다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 프리즘 패턴, 복수의 패싯(facet), 또는 렌티큘러(lenticular) 렌즈를 포함할 수 있다.
프리즘 패턴은 두께, 상승부(riser) 및 출사면(exit face), 및 상승부의 꼭대기에서 출사면의 바닥까지 뻗은 깊이를 가지는 홈을 포함할 수 있다. 홈 깊이는 광 도파관의 두께의 1/3보다 작을 수 있다. 홈 깊이는 프리즘 패턴을 따라 일정할 수 있다. 광 도파관은 복수의 홈을 가질 수 있고, 복수의 홈은 비구면 방정식(aspheric equation)에 맞을 수 있다. 비구면 패턴은 1mm 미만의 피치를 가지고, 상승부는 0도 내지 25도의 상승부 각도를 가질 수 있다. 출사면은 0도 내지 25도의 출사면 각을 가질 수 있다. 프리즘 패턴은 광 도파관의 세로축에 수직일 수 있다.
제어 엘리먼트는 전면 또는 후면 상에 배치된 복수의 패싯을 포함할 수 있다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 광 도파관의 세로축과 평행할 수 있는 렌티큘러 렌즈를 포함할 수 있다. 광 도파관의 전면은 실질적으로 평평할 수 있고, 후면은 피치 및 반경을 가지는 오목 또는 볼록 렌티큘러 렌즈를 포함할 수 있다. 피치 및 반경은 광 도파관의 세로축에 대하여 렌즈를 통해 추출되는 광의 측방향 발산을 제어할 수 있다.
광 도파관은 하나의 세로축을 포함할 수 있고, 제1 방향은 세로축을 가로지르는 방향일 수 있다. 제1 광학적 특성은 제1 방향 또는 제1 발산각을 포함할 수 있고, 제1 방향 또는 제1 발산각은 세로축을 가로지르는 방향일 수 있다. 제1 방향 또는 제1 발산각은 세로축에 대한 하나의 각을 형성할 수 있다. 제2 광학적 특성은 제2 방향 또는 제2 발산각을 포함할 수 있고, 제2 방향 또는 제2 발산각은 제1 방향을 가로지르는 방향일 수 있다. 제2 방향 또는 제2 발산각은 세로축에 대한 발산각을 형성할 수 있다.
하나 이상의 제어 엘리먼트는 세로축을 가로지르는 방향으로 광 추출을 제어하기 위해 광 도파관의 세로축과 평행한 방향의 제1 그룹의 표면 피처, 및 세로축에 대하여 하나의 각도를 형성하는 방향으로 광 추출을 제어하기 위해 세로축을 가로지르는 방향의 제2 그룹의 표면 피처를 포함할 수 있다. 제1 그룹 및 제2 그룹의 표면 피처는 서로 광 도파관의 동일한 표면 상에 배치될 수 있다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 제1 방향을 향하는 피처 및 제1 방향과 반대인 제2 방향을 향하는 피처의 조합으로 만들어진 표면 피처를 포함할 수 있다. 이러한 제어 엘리먼트는 전면 또는 후면에 배치된 하나 이상의 돌기 또는 필로우(pillow)를 형성할 수 있다. 하나 이상의 돌기는 추출되는 광을 두 방향으로 또는 두 발산각으로 제어한다. 광 도파관의 전면 또는 후면 중 하나는 도파관으로부터 추출되는 광의 발산각을 제어하기 위해 볼록 또는 오목부를 포함할 수 있고, 전면 또는 후면 중 다른 것은 실질적으로 평평할 수 있다. 광 도파관은 하나 이상의 표면 피처에 의해 추출되지 않은 잔여 광을 포착하기 위해 각진 말단 팁을 포함할 수 있다. 이 팁은 각지거나 평평할 수 있고, 또는 다른 구성을 가질 수도 있다. 부가적으로, 이 팁은 프리즘, 렌즈릿(lenslet), 패싯, 또는 광 도파관의 말단 팁을 빠져 나오는 광을 제어하기 위한 다른 구성을 포함하는 마이크로피처와 같은 표면 피처를 가질 수 있다. 하나 이상의 표면 피처는 전면에 배치된 표면 피처 및 후면에 배치된 표면 피처를 포함할 수 있다. 전면의 표면 피처는 제1 광학적 특성을 제어할 수 있고, 후면의 표면 피처는 제2 광학적 특성을 제어할 수 있다. 코팅 또는 클래딩(cladding)이 전면 또는 후면 위에 배치될 수 있다. 코팅 또는 클래딩은 도파관의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 수술부위를 조명하는 방법은 전면 및 후면을 가진 광 도파관을 제공하는 단계, 광 도파관으로 광을 입력하는 단계, 및 내부 전반사에 의해 광 도파관을 통해 광을 전달하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 광 도파관의 전면 또는 후면에 배치된 하나 이상의 제어 엘리먼트를 통해 광 도파관으로부터 광을 추출하는 단계, 및 하나 이상의 표면 피처를 통해 추출되는 광의 적어도 2개의 광학적 특성을 제어하기 위해 광 도파관으로부터 추출되는 광을 제어하는 단계를 포함한다. 2개의 광학적 특성은 광이 수술부위를 조명하도록 2 방향 또는 2 발산각을 포함할 수 있다.
광을 입력하는 단계는 광 도파관과 광원을 광학적으로 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 광학적으로 연결하는 단계는 광 도파관과 광섬유를 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 광 도파관의 전면에만 또는 후면에만 배치될 수 있다. 추출되는 광을 제어하는 단계는 광 도파관의 세로축에 대하여 추출되는 광의 수평 및 수직 발산을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 수술부위를 조명하는 수술기구는 제1 광 도파관 및 제2 광 도파관을 포함한다. 이 도파관들은 광원으로부터 내부 전반사에 의해 수술부위로 광을 전달하도록 구성되어 있고, 이 광 도파관들은 수술부위와 마주보는 전면 및 그 반대측에 후면을 가진다. 이 수술기구는 또한 제1 광 도파관 및 제2 광 도파관 모두에 부착된 커플링 엘리먼트를 포함한다. 커플링 엘리먼트는 하나의 세로축을 가지고, 제1 및 제2 광 도파관은 서로에 대하여 이동 가능하고, 세로축을 중심으로 피벗 가능하다.
커플링 엘리먼트는 두 광 도파관 사이의 각도 또는 곡률 반경이 조절 가능하도록 제2 광 도파관에 대하여 제1 광 도파관의 위치 조절을 가능하게 할 수 있다. 제1 광 도파관 또는 제2 광 도파관은 전면 또는 후면 중 하나에 배치된 하나 이상의 제어 엘리먼트를 포함하고, 하나 이상의 제어 엘리먼트는 광 도파관으로부터 광을 추출하고 추출되는 광의 제1 광학적 특성을 제어한다. 하나 이상의 제어 엘리먼트는 또한 광 도파관으로부터 광을 추출하고 추출되는 광의 제2 광학적 특성을 제어한다.
이 수술기구는 내측면 및 외측면을 가지고 제1 광 도파관 또는 제2 광 도파관에 연결되어 있는 리트랙터 블레이드(retractor blade)를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 광 도파관은 리트랙터 블레이드의 내측면 또는 외측면에, 또는 가단성 배킹(malleable backing)과 같은 임의의 다른 기재(substrate)에 순응(conform)할 수 있다. 리트랙터 블레이드는 튜브형 캐뉼라를 포함할 수 있고, 제1 또는 제2 광 도파관은 평평한 직사각형 형상의 도파관을 포함할 수 있다. 제1 또는 제2 광 도파관은 사다리꼴 단면을 포함할 수도 있다. 바람직하게는, 도파관과 리트랙터 블레이드 또는 다른 기재 사이에 에어 갭이 배치된다. 이 에어 갭은 광 손실을 방지하고, 본 명세서에 서술된 임의의 실시예에서 사용될 수 있다. 대안으로서, 도파관보다 낮은 굴절률을 가진 클래딩 또는 코팅이 도파관과 리트랙터 블레이드 또는 다른 기재 사이에 배치될 수 있다. 코팅 또는 클래딩 또한 광 손실을 방지하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 본 실시예에서, 또는 본 명세서에 서술된 임의의 코팅 또는 클래딩 실시예에서, 코팅 또는 클래딩의 굴절률은 도파관의 굴절률보다 작은 것이 바람직하다. 굴절률의 예시적인 범위는 대략 1에서 대략 1.5까지이다.
커플링 엘리먼트는 힌지, 필름, 또는 플렉시블 조인트(flexible joint)를 포함할 수 있다. 제1 또는 제2 광 도파관의 전면 또는 후면은 볼록하거나 오목할 수 있다. 수술기구는 또한 재료의 기재 층을 포함할 수 있고, 제1 및 제2 광 도파관은 이 기재에 부착될 수 있다. 제1 및 제2 광 도파관은 재료 층 내에 배치될 수 있다. 기재와 제1 또는 제2 광 도파관 사이에 에어 갭이 배치될 수 있다. 제1 및 제2 광 도파관 각각은 광원에 독립적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 광 도파관 각각에 별도의 광섬유가 연결될 수 있다. 수술기구는 제1 또는 제2 광 도파관 위에 배치된 광 코팅 또는 클래딩을 더 포함할 수 있다. 이 코팅 또는 클래딩은 각각의 광 도파관의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있고, 이로 인해 도파관 내에서의 내부 전반사가 강화된다. 제1 또는 제2 광 도파관 위에 필름이 배치될 수 있다. 이 필름은 광을 추출하고 추출되는 광을 제어하는 표면 피처를 가질 수 있다. 이 필름은 추출되는 광을 편광시킬 수 있다. 제1 광 도파관은 광을 추출하고 광의 광학적 특성을 제어하는 제어 엘리먼트를 포함할 수 있고, 제2 광 도파관은 광을 추출하고 광의 광학적 특성을 제어하는 제어 엘리먼트를 포함할 수 있다. 이 수술기구는 광 도파관에 연결되어 있고 광 도파관을 희망의 형상으로 유지시키기 위한 안정화 엘리먼트를 더 포함할 수 있다. 제1 광 도파관은 실질적으로 평평할 수 있고, 제2 광 도파관은 볼록하거나 오목할 수 있다. 제1 광 도파관은 제2 광 도파관과 상이한 크기 또는 형상을 가질 수 있다. 이 수술기구는 또한 광 도파관으로 광을 입력하기 위해 각각의 광 도파관에 광학적으로 연결된 하나 이상의 광섬유를 포함할 수 있다. 이 수술기구는 또한 광 도파관으로 광을 입력하기 위해 각각의 광 도파관에 광학적으로 연결된 하나의 일체로 형성된 입력 스템(input stem)을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 수술부위를 조명하는 방법은 수술부위와 마주보는 전면 및 그 반대측에 후면을 가진 제1 광 도파관을 제공하는 단계, 및 수술부위와 마주보는 전면 및 그 반대측에 후면을 가진 제2 광 도파관을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 광 도파관은 커플링 엘리먼트를 통해 서로 연결되어 있다. 본 방법은 또한 광 도파관들 사이의 각도 또는 곡률 반경을 조절하기 위해 커플링 엘리먼트를 중심으로 제1 및 제2 광 도파관을 작동시키는 단계 및 광 도파관으로부터 추출되는 광으로 수술부위를 조명하는 단계를 포함한다.
이 방법은 제1 및 제2 광 도파관의 위치를 고정시킴으로써 그 사이의 각도 또는 곡률 반경을 고정시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 광 도파관과 수술용 리트랙터 블레이드를 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 플렉시블 조명 수술기구는 근단부 및 말단부를 가진 선택적인 가단성 배킹 엘리먼트, 광섬유 다발, 및 비광섬유 도파관을 포함할 수 있다. 배킹 엘리먼트는 복수의 형상으로 조정될 수 있고, 광섬유 다발은 근단부 및 말단부를 가진다. 광섬유 다발은 근단부에서 원통형 형상이고, 광섬유 다발은 말단부에서 평평한 평면 형상이다. 광섬유 다발은 가단성 배킹에 연결될 수 있다. 비 광섬유 도파관은 광섬유 다발에 광학적으로 연결되고 또한 가단성 배킹에도 연결된다. 다른 실시예에서와 마찬가지로, 도파관과 배킹 엘리먼트 사이에 에어 갭이 배치될 수 있고, 또는 광 손실을 방지하기 위해 도파관에 클래딩 또는 코팅이 적용될 수 있다.
가단성 배킹 엘리먼트의 말단부는 말단부가 그 근단부보다 더 유연하도록 힌지부를 포함할 수 있다. 힌지부는 가단성 배킹 엘리먼트를 따라 배치된 복수의 톱니를 포함할 수 있다. 이 기구는 광섬유 다발의 근단부 위에 배치된 스트레인 릴리프train relief)를 더 포함할 수 있다. 스트레인 릴리프는 그것의 꼬임(kinking)을 줄이도록 조절되어 있다. 이 기구는 또한 광섬유 다발의 근단부에 광학적으로 연결된 광 커넥터를 포함할 수 있다.
이 기구는 광섬유 다발 둘레에 크림핑되는 크림핑 엘리먼트를 더 포함할 수 있고, 이를 통해 가단성 배킹 엘리먼트에 광섬유 다발을 연결한다. 광섬유 다발의 말단부 상에 그리고 광 도파관의 근단부 상에 슬리브가 배치될 수 있다. 이 슬리브는 광 도파관과 광섬유 다발을 연결할 수 있다. 이 기구는 가단성 배킹 엘리먼트의 말단부에 연결된 프레임을 포함할 수 있다. 광 도파관은 프레임 내에 배치될 수 있다.
가단성 배킹 엘리먼트는 그 말단부를 따라 배치된 윈도우를 포함할 수 있다. 이 윈도우는 광 도파관의 일부분을 수용하도록 구성될 수 있다. 광 도파관의 근단부는 가단성 배킹의 일부분과 맞물리는 플랜지 부를 포함할 수 있다. 가단성 배킹과 광 도파관 사이에 스탠드오프(standoff)가 배치될 수 있다. 이 스탠드오프는 광 도파관을 통해 진행하는 광의 내부 전반사를 강화하기 위해 그 사이에 에어 갭을 형성한다. 광 도파관은 도파관으로부터 광을 추출하고 추출되는 광의 방향을 제어하기 위한 표면 피처를 포함할 수 있다. 광 도파관은 또한 광 도파관의 광학적 특성을 제어하기 위한 코팅 또는 클래딩을 포함할 수 있다. 코팅 또는 클래딩의 굴절률은 도파관의 굴절률보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 작업 공간을 조명하는 방법은 가단성 배킹 엘리먼트에 연결된 광 도파관을 제공하는 단계, 배킹 엘리먼트를 희망의 형상으로 성형하는 단계, 광 도파관을 광원에 연결하는 단계, 광 도파관으로부터 광을 추출하는 단계, 작업 공간을 조명하는 단계를 포함한다. 배킹 엘리먼트를 성형하는 단계는 배킹 엘리먼트를 구부리는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 수술부위를 조명하기 위한 수술용 조명 시스템은 광으로 수술부위를 조명하는 광 도파관 및 광섬유 다발로 배치된 복수의 광섬유를 포함한다. 이 광 도파관은 광 입력단을 포함하고, 광은 내부 전반사에 의해 도파관을 통해 전달된다. 광섬유 다발은 광 입력단에 광학적으로 연결되고, 다발 내의 복수의 광섬유는 750㎛의 직경을 가지는 것이 바람직하지만, 다른 크기일 수도 있다. 복수의 광섬유는 인접한 광섬유들이 서로 맞닿고(engage) 그 사이에 간극(IS:interstitial space)이 배치되도록 다발 내에 배열되어 있다. 광섬유는 폴리머일 수도 있고, 또는 유리일 수도 있다.
복수의 광섬유는 육각 형상의 외주를 가진 다발로 배열될 수 있다. 복수의 광섬유는 750 ㎛의 직경을 가질 때 대략 3.5mm 직경의 다발을 형성하도록 19개의 광섬유로 이루어질 수 있다. 모든 3개의 인접한 광섬유는 하나의 삼각형을 형성할 수 있다. 복수의 광섬유는 3개의 동심의 광섬유 층으로 배열될 수 있고, 또는 복수의 선형의 광섬유 열(row)로 배열될 수도 있다. 더 많은 광섬유가 결합되어 더 큰 크기의 다발을 형성할 수 있다.
이러한 다발과 도파관의 광 입력단 사이에 광 엘리먼트가 배치될 수 있다. 광 엘리먼트는 렌즈, 광 커플링 겔, 릴레이 로드, 또는 속이 빈 코팅된 원뿔을 포함할 수 있다. 광 커플링 엘리먼트는 일단에서 원형 형상을 가지고 타단에서 육각 형상을 가진 몸체를 포함할 수 있다. 이러한 다발은 도파관의 광 입력단에 버트 커플링(butt couple) 될 수 있다.
본 발명의 이러한 및 다른 형태 및 장점들은 아래의 설명과 첨부된 도면을 통해 알 수 있을 것이다.
본 발명의 독창적인 특징들은 특히 첨부된 청구항에 나열되어 있다. 본 발명의 특징 및 장점은 본 발명의 원리를 이용하는 예시적인 실시예를 나열한 아래의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 광 도파관으로부터의 광 추출을 도시한다.
도 1b는 도파관에 대한 광 추출 방향 및 발산각을 도시한다.
도 2는 수평 방향의 프리즘 구조를 도시한다.
도 3a-4는 프리즘 구조를 가진 컨투어드(contoured) 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 5a-5c는 일면에 프리즘, 및 타면에 렌티큘러를 가지는 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 6은 필로우형 표면 피처를 가진 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 수술용 리트랙터에 연결된 도파관을 도시한다.
도 8a-8b는 튜브형 수술용 리트랙터에 연결된 도파관을 도시한다.
도 9a-9d는 성형 가능한 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 10a-10b는 리트랙터에 부착되고 그에 순응하는 성형 가능한 도파관을 도시한다.
도 11a-11b는 사다리꼴 도파관 세그먼트들로 이루어진 성형 가능한 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11c는 굽은 도파관 세그먼트들로 이루어진 성형 가능한 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 11d-11e는 성형 가능한 도파관의 대안의 실시예를 도시한다.
도 12a-12b는 성형 가능한 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 13은 성형 가능한 도파관에 대한 광 입력부를 도시한다.
도 14a-14b는 스트레인 릴리프의 실시예를 도시한다.
도 15는 성형 가능한 도파관 상의 광 추출 표면 피처의 사용을 도시한다.
도 16은 성형 가능한 도파관 상의 코팅, 클래딩 또는 필름의 사용을 도시한다.
도 17은 성형 가능한 도파관을 희망의 구성으로 고정시키기 위한 안정화 부재의 사용을 도시한다.
도 18-22는 프리즘형 광 추출 구조의 다양한 피처를 도시한다.
도 23-24는 렌티큘러 광 추출 구조의 다양한 피처를 도시한다.
도 25a-25i는 다른 성형 가능한 광 도파관을 도시한다.
도 26은 삼각형 패턴으로의 광섬유의 패킹을 도시한다.
도 27은 정방형 패턴으로의 광섬유의 패킹을 도시한다.
도 28은 대략적인 원인 광섬유 다발을 도시한다.
도 29a-29b는 광섬유 다발의 다른 예시적인 실시예를 도시한다.
도 30a-30b는 도 29a-29b의 실시예를 더 도시한다.
도 31은 평평한 광섬유 다발을 도시한다.
도 32는 다른 평평한 광섬유 다발을 도시한다.
도 33은 예시적인 커플러를 도시한다.
다수의 조명 장치 및 시스템은 출력되는 광의 약간의 제어를 제공한다. 예를 들어, 광섬유 케이블은 전형적으로 광을 광섬유 말단 팁으로부터 방사상으로 고정된 각도로만 출력한다. 몇몇 광 도파관은 광 도파관(10)으로부터의 광(16)의 추출을 도시하는 도 1a의 실시예와 같이, 광을 더 효율적으로 전달하고, 광 추출 및 전달을 더 효율적으로 할 수 있다. 광은 전형적으로 외부 광원에 연결될 수 있는 광섬유 입력(12)과 함께 광 도파관(10)으로 입력된다. 이 도파관은 도파관의 외측면 상에 프리즘 표면 피처(14)를 포함한다. 프리즘 표면 피처(14)는 광 도파관(10)으로부터 광(16)을 추출하고, 광(16)을 수술부위와 같은 작업 영역 또는 다른 타겟 영역으로 보낸다. 프리즘 표면 피처는 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되어 있는 미국특허 공개번호 제2009/0112068호; 제2009/0036744호; 제2008/0002426호; 제2007/0270653호; 제2007/0208226호; 및 제2006/0268570호에 더 상세하게 설명되어 있다. 프리즘 구조(14)의 각도 및 피치를 제어함으로써, 도파관의 말단 팁을 빠져 나오는 광량에 대한 광 도파관으로부터 추출되는 광량이 제어될 수 있다. 부가적으로, 프리즘 구조의 각도 및 피치는 또한 도파관으로부터 추출되는 광의 방향을 제어한다. 도 1b는 도파관(10)의 세로축(10a)에 대하여 추출되는 광이 만드는 각도(α)를 도시한다. 그러므로, 광은 도파관의 세로축에 대하여 수직적으로 추출 및 제어된다. 도 1a의 프리즘 구조(14)를 빠져 나가는 광은 본질적으로 측방향으로 발산할 것이다. 이러한 방향은 도파관의 세로축(10a)에 대하여 수평, 또는 측방향 발산이라고 할 수 있고, 이는 도 1b에서 각도(β)로 볼 수 있다. 이러한 광 도파관이 유망하지만, 그것은 현재 오직 광 도파관으로부터만 광을 추출하고, 그 광을 오직 한 방향으로 작업 영역을 향해 보낸다. 이 광은 본질적으로 다른 방향으로 발산한다. 작업 영역의 더 효율적인 조명은 두 방향으로 광을 추출하고 보냄으로써 달성될 수 있다. 바람직하게는, 이 광은 광 도파관의 세로축에 대하여 수직으로는 물론 수평으로 모두 제어될 수 있고, 훨씬 더 바람직하게는, 이 광은 서로 독립적으로 두 방향으로 제어된다. 도 1b는 도파관(10)을 빠져 나가는 광(16)을 도시하고, 광의 수직 방향 또는 각도(α), 뿐만 아니라 수평 또는 측방향의 발산각(β)을 강조한다. 양 방향 또는 각도는 모두 작업 현장의 더 우수한 조명을 제공하기 위해 도파관 상의 표면 피처를 통해 제어될 수 있다.
프리즘 구조를 가진 컨투어드(contoured) 광 도파관을 제공하는 것은 두 방향으로 광 추출 및 방향을 제어하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 3a는 오목한 내측면(34) 및 볼록한 외측면(36)을 가진 광 도파관(32)을 도시한다. 도 1의 것과 유사한 수평 방향의 프리즘은 도파관의 세로축을 가로지르는(세로축에 대하여 수직이라고도 함) 제1 방향으로 광을 추출 및 제어한다. 광 도파관의 내측 및 외측면의 곡률반경이 또한 조절될 수 있는데, 이를 통해 도파관으로부터 추출되는 광의 측방향 발산(수평 방향 또는 세로축에 대한 발산이라고도 함)이 제어된다. 전형적으로, 곡률반경이 작을수록 광의 발산이 적고, 이와 유사하게 곡률반경이 클수록 광이 더 발산할 것이다. 도 3a에서, 광은 프리즘 구조(38)가 배치되어 있는 볼록한 외측면으로 인해 도 1 보다 측방향으로 더 발산할 것이다. 도 4는 예외적으로 볼록면 대신 오목면(44)이 배치된 프리즘 구조(48)를 가지는, 유사한 실시예의 굽은 도파관(42)을 도시한다. 그러므로, 도 4에서, 추출되는 광은 도 1의 실시예보다 더 수렴할 것이다. 볼록 또는 오목 도파관이 생성되도록 하는 도파관의 형상 또는 반경을 조절함으로써 두 방향으로 광을 조절하는 것이 가능해진다. 도 3b는 도파관(32b)이 D-형상인 대안의 실시예를 도시하고, 수평 프리즘(38b)은 도파관의 굽은 D-부분(33) 상에 배치되는 것이 바람직하다. 그러므로, 프리즘은 추출되는 광을 수직방향으로 제어하고, D 형상은 수평 발산을 제어한다. 다른 실시예에서, 수평 프리즘이 D 형상의 평평한 부분에 배치될 수도 있다.
도파관을 컨투어링(contouring)하는 것은 도 3b의 D 형상의 도파관을 통해 알 수 있는 것처럼, 단일 렌즈형상의 형성을 야기할 수 있다. 복수의 렌즈형상이 또한 광의 제어를 가능하게 한다. 그러므로, 광을 제어하기 위해 도파관을 컨투어링하는 것과 더불어, 수직 프리즘 또는 렌즈형상과 같은 수직 방향의 표면 피처가 광의 측방향 발상을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 그러므로, 수평 구조와 수직 구조를 결합함으로써, 광이 양방향으로 추출되고 제어되는 것이 가능해진다. 수평 및 수직 구조는 도파관의 한면 상에서 결합될 수 있지만, 이는 측방향 발산에 제한된 영향을 줄 뿐이다. 그러므로, 도파관의 한면 상에 수평 구조 가지고, 도파관의 반대면 상에 수직 구조를 가지는 것이 더 효율적이다.
도 5a 내지 도 5c는 도파관의 전면 및 후면 모두에, 광 추출 및 제어 피처를 가진 하나의 실시예의 광 도파관(52)을 도시한다. 도 4a는 도파관의 후면 상의 수직 렌즈형 피처를 강조한다. 수평 프리즘 구조(56)는 전면 상에 배치되어 있다. 그러므로, 프리즘 구조(56)는 도파관의 세로축에 대하여 수직으로 광을 추출하고 그 방향을 제어하고, 수직 렌즈형상(56)은 광의 측방향 또는 수평 발산을 제어한다. 수직 렌즈형상은 볼록 또는 오목 형상일 수 있다. 바람직하게는, 수직 렌즈형상은 오목한데, 이는 오목한 것이 광의 측방향 발산을 제어하는데 가장 큰 효과를 가지기 때문이다. 도 5b는 도파관(52)의 전면 상의 수평 프리즘(56)을 더 명확하게 도시하고, 도 5c는 도파관(52)의 후면 상의 렌즈형상(54)을 더 명확하게 도시한다.
도 6은 두 방향으로 광의 추출 및 방향을 제어하는 또 다른 예시적인 실시예의 도파관을 도시한다. 도파관(62)은 바람직하게는 도파관의 후면에 배치된 수평 방향의 및 수직 방향의 렌즈형상(64)을 포함한다(또는 렌즈형상은 전면에 배치될 수도 있다). 수평 및 수직 렌즈형상은 추출되는 광을 제어하기 위한 핀쿠션 형상의(pincushion-like) 돌기(protuberance)를 형성한다. 핀쿠션은 볼록 또는 오목한 것일 수 있다.
표면 피처 구성
여기 개시된 임의의 도파관은 아래의 예시적인 실시예와 동일하거나 유사한 기하학적 형상 및/또는 치수를 가지는 광 추출 피처를 가질 수 있다.
A. 프리즘 구조. 프리즘 구조에 대한 두께, 상승부 각도 및 추출 각도의 제한없는 조합이 존재하며, 하나의 사이즈가 반드시 모든 것에 알맞는 것은 아니다. 올바른 추출면 사이즈는 도파관의 두께, 추출 및 상승부 각도는 물론, 산란으로 인한 허용가능한 광 손실을 포함하는 다수의 요인에 의존할 수 있다.
홈 깊이(여기서는, 상승부의 꼭대기와 출사면의 바닥 사이의 거리)는 고작 그 부분의 두께의 1/3 내지 1/5인 것이 바람직하다. 홈이 너무 깊다면, 그 부분의 전체 두께의 1/3 초과라면, 플라스틱 플로우(flow)가 제한될 수 있고, 높은 내부 응력, 뒤틀림으로 인해 그 부분을 주입 몰딩하는 것이 어려울 수 있어, 그 부분이 과도하게 잘 부서질 수 있다. 예를 들어, 1mm 두께의 부분에 대하여, 홈 깊이는 0.33mm보다 깊지 않은 것이 바람직하다. 2.5mm 도파관에 대하여, 홈 깊이는 0.83mm보다 깊지 않은 것이 바람직하다. 도 18-19는 프리즘 광 추출 구조 내에 계단형 단차(stair step)를 형성하는 상승부 및 출사면을 도시한다. 각각의 단차는 상승부 및 출사면을 도시한다. 상승부 및 출사면 각도를 측정하기 위해 다양한 기준 선 또는 평면이 사용될 수 있다. 예를 들어, 그 부분의 후면과 평행한 평면이 상승부 각도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 그 부분의 최상면에 수직인 다른 평면이 출사면 각도를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
홈 깊이는 임의의 깊이일 수 있으나, 적어도 아래의 이유로 인해 그 부분 두께의 1/3 내지 1/5인 것이 바람직하다. 각각의 홈은 각각 반경을 가진 피크 및 밸리를 가진다. 피크의 반경 및 밸리의 반경은 그 부분을 제조하기 위해 사용되는 도구 또는 그 부분 또는 몰드를 잘라내기 위해 사용되는 도구를 기초로, 및/또는 그 부분의 몰딩 동안 반경의 충진 특성을 기초로 결정된다. 그러므로, 홈의 최저점과 최고점에서, 표면이 둥글게 된다. 그 부분의 제조 동안, 예컨대, 주입 몰딩 동안, 반경이 너무 작다면 폴리머가 홈 안으로 흘러 들어가 홈을 완전히 채우기 어려울 수 있다. 대략 5 또는 6 마이크로미터 이상의 곡률반경이 피크 및 밸리 반경 모두에 대하여 합리적이다. 피크 및 밸리 반경이 추출 피처의 치수와 무관하게 고정 유지되기 때문에, 매우 작은 홈에 대하여, 피크 및 밸리 반경은 홈의 더 큰 부분을 차지하여(take up), 홈이 적절하게 채워지지 않는다. 예를 들어, 피크 및 밸리에 대하여 5 또는 6 마이크로미터의 반경 및 20 마이크로미터의 홈을 가정하면, 10 내지 12 마이크로미터가 그 반경에 의해 소모된다. 그러나, 더 큰 홈에 대하여, 반경에 의해 소모되는 홈의 비율은 무시할 만 할 것이므로 홈이 더 적절하게 채워질 것이다. 예를 들어, 홈이 1mm라면, 홈의 매우 적은 부분이 반경에 의해 소모된다.
최소 홈 폭을 결정하기 위해, 산란에 대하여 수용 가능한 퍼센트가 선택되고, 그 다음 최소 수용 가능한 홈 폭이 계산된다. 홈 깊이는, 바람직한 실시예에서, 단지 표면적의 5% 내지 10% 만이 홈 피크 및 밸리 반경에 의해 소모되도록 충분히 깊어야 한다. 실제로는 더 작은 것이 바람직하다. 아래의 실시예에서는, 5% 수용 가능한 산란이 사용되고, 바람직한 홈 폭은 홈 폭으로서 0.064mm인 것으로 추정되었다. 수용 가능한 산란은 바람직하게는 대략 1% 내지 대략 5% 범위이고, 전체 홈 폭에 대한 전체 상승부 반경 및 밸리 반경의 비율로서 정량화될 수 있다. 아래의 계산이 5% 산란을 기초로 하지만, 임의의 산란 값 및 바람직하게는 1% 내지 5% 사이의 임의의 값을 이용하여 반복될 수 있다.
아래의 예는 프리즘 구조의 치수와 관련된 다양한 계산을 예시한다. 15도의 고정된 상승부 각도 및 90도(수직)의 추출각을 가진 간단한 홈을 살펴보자. 홈은 그 베이스에서의 밸리 반경, 정확하게 형성된 홈의 길이, 그 팁에서 피크 반경을 가진다고 가정하면, 아래와 같다.
A= 상승부 각도
Rv= 밸리 반경= 0.006 mm
Rp= 피크 반경= 0.006 mm
W= 전체 홈 폭
H= 홈 높이
L= 허용 가능한 손실= 5%
T= 도파관 두께= 1 mm
식 (1), (2), 및 (3)은 각각의 홈의 최소 추천 길이 및 높이의 계산을 가능하게 한다.
Figure 112020116529910-pat00001
그러므로, 본 예에서, 홈 깊이는 0.33 보다 작고 0.064mm보다 커야 한다. 그러나, 당업자들은 이러한 치수가 제한으로 의도된 것이 아니며 그들이 변경할 수 있음을 이해할 것이다. 당업자들은 그 부분의 총 두께, 툴링(tooling) 및 몰딩(molding)의 품질, 수용 가능한 산란 손실, 및 상승부 및 추출면의 디자인에 따라 변경할 수 있다.
추출 피처는 도 19에 도시된 바와 같이, 상승부 및 출사면을 가진다. 상승부는 도파관의 길이를 따라 나타나는 피처의 빈도를 정하도록 설계된다. 현재의 바람직한 디자인에 대하여, 각각의 피처의 높이는 동일하고, 상승부 각도가 작다면 피처의 길이가 길어지게 된다. 이는 피처의 길이가 길수록, 도파관의 길이를 따라 더 적은 인치당 피처(더 작은 피치)를 야기하기 때문이다. 길이를 따라 더 적은 피처가 존재하기 때문에, 더 많은 빛이 내려갈 것이고, 대부분의 광은 도파관의 면에 비해 말단 단부로부터 나올 것이다. 상승부 각도가 크다면(더 큰 피치), 더 많은 피처가 존재할 것이고, 더 많은 광이 더 근접한 피처를 통해 나올 것이고, 더 적은 광인 아래의 피처를 향해 말단으로 내려가 재순환할 것이다. 그러므로, 이 도파관은 말단 팁에 비해 전면으로 더 많은 광이 나오게 하는 것으로 보여질 것이다. 바람직한 실시예는 이 장치의 길이를 따라 고르게 균형 잡힌 출력을 생성하도록 하는 광 추출 구조를 가진 디자인을 포함한다. 이는 도파관의 임의의 부분이 차단된 경우에 다른 부분이 타겟에 충분한 광을 제공하여 그러한 차단에 의해 발생되는 손실을 보상할 것이므로 바람직하다.
상승부는 도파관의 후면에 대하여, 또는 후면에 평행한 평면에 대하여 측정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상승부 각도는 -16도 내지 72도의 범위일 수 있다(.55NA의 개구수(NA)의 입력 광원 및 1.53의 도파관 재료의 굴절률을 기초로 함). 더 바람직한 실시예는 18도 내지 24도의 더 최적화된 상승부 각도 값을 가진다. 12도 미만에서, 대부분의 광은 말단부를 향해 푸시될 것이고, 많지 않은 광만이 도파관 길이를 따라 추출된다. 72도는 임계 각도이고, 72도에서 모든 광은 상승부 표면으로부터 추출될 것이다. 바람직한 실시예는 상승부 표면이 아니라 출사면으로부터만 광이 추출되게 한다.
이러한 각도들은 도 19 및 도 20에 도시된 축을 기준으로 한다. 상승부에 대한 임계각은 아래와 같이 정의된다.
Figure 112020116529910-pat00002
Figure 112020116529910-pat00003
Figure 112020116529910-pat00004
Figure 112020116529910-pat00005
Figure 112020116529910-pat00006
Figure 112020116529910-pat00007
Figure 112020116529910-pat00008
도 19로부터의 출사면은 타겟을 향해 광을 보내거나 향하게 하도록 설계되어 있다. 본 출원에 개시된 도파관의 바람직한 실시예에 대하여, 출사면 각도는 바람직하게는 1° 내지 65° 범위인 것이 바람직하다(.55NA의 개구수(NA)의 입력 광원 및 1.53의 도파관 재료의 굴절률을 기초로 함). 현재 더 바람직한 실시예는 15°의 출사면 각도를 사용한다. 이러한 각도는 도 20에 도시된 바와 같이 도파관의 상면 또는 전면에 수직인 수직축으로부터 구해진다. 이 각도가 임계각에 근접하면, 광이 그 피처로부터 나오지 않을 것이고, 맨 아래 또는 말단부를 향해 푸시 다운 될 것이다.
출사면에 대한 관계가 도 21에 도시되어 있다. 이러한 개념을 설명하기 위해 비교적 평평한 각도가 도 21에 도시되어 있다. 동일한 각도 관계가 상승부 각도에서도 유지된다. 그러나, 이러한 각들은 현재 수직에 대하여 참조된다.
Figure 112020116529910-pat00009
Figure 112020116529910-pat00010
Figure 112020116529910-pat00011
Figure 112020116529910-pat00012
Figure 112020116529910-pat00013
Figure 112020116529910-pat00014
Figure 112020116529910-pat00015
그러므로, 추출 피처에 대한 바람직한 값은 아래와 같을 수 있다(제한하는 것으로 의도된 것은 아니다).
1mm × 7mm × 20mm 도파관에 대하여, 홈 깊이는 0.064mm 내지 0.33mm이다. 2.5mm × 8mm × 30mm 도파관에 대하여, 홈 깊이는 0.064mm 내지 0.83mm이다. 상승부 각도는 5°내지 45° 범위이고, 더 바람직하게는 0 내지 25도 범위이다. 추출 각도는 0° 내지 25° 범위이다. 평평한 상승부 및 깊은 홈은 가장 큰 홈 폭 또는 피치를 생성할 것이다. 홈 폭은 0.83mm 홈 깊이 및 5° 상승부를 가진 2.5mm 두께의 도파관의 극단적인 경우에 9.48mm 사이일 수 있다. 더 가파른 상승부 및 얕은 홈 깊이는 최소 홈 폭 또는 피치를 생성할 것이다. 홈 폭은 45° 상승부 및 0.064mm 홈 깊이에 대하여 0.064mm가 다른 한계값이 될 것이다. 바람직하게는, 홈 깊이는 도파관을 따라 일정하지만, 홈 폭은 변할 수 있다. 홈 깊이가 가변적인 다른 실시예도 고려될 수 있다. 홈은 광이 추출 구조에 의해 아날로그 방식으로 점진적으로 수정되도록 비구면일 수 있다. 도파관은 또한 표면 피처에 의해 추출되지 않은 나머지 광을 포착하는 각진 말단 팁을 가지는 것이 바람직하다. 도파관에 대한 다른 바람직한 값은 아래의 표에 요약되어 있다(그러나, 이에 제한되는 것을 의도한 것은 아니다). 이 값들은 1.53의 굴절률, NA .55를 기초로 한다.
Figure 112020116529910-pat00016
도파관은 도 22에 도시된 바와 같이 음의 출사면 각도를 가진 추출 피처를 가질 수 있다. 그러나, 이는 일반적으로 사용되는 것은 아니고, 음의 출사면 각도는 광원이 직접적으로 피처에 맞닿아 있는, 입력 스템(stem)을 가지지 않은 도파관에 대하여 최적이다. 부가적으로, 음의 출사면 각도를 가지는 것은 몰드가 각각 출사면에 평행해야 하고, 그 부분 상에 직접 볼 수 있는 분리선을 두어야 하는 복잡한 몰딩 프로세스로 인해, 프로세싱하기 힘든 언더컷 영역을 만든다. 이 디바이스와 평행한 볼 수 있는 분리선은 광이 분리선에 충돌한 때, 섬광(glare)을 만들 것이다. 본 도파관의 바람직한 실시예는 광 진행과 상호작용하지 않는 분리선을 가진다.
그러므로, 요약하자면, 프리즘 광 추출 피처는 아래를 포함한다.
추출 피처의 높이(또는 홈의 깊이) - 피처는 일정한 높이 및 가변 폭을 가지는 것이 바람직하다. 이 높이는 제조 능력을 기초로 설계될 수 있고, 64 마이크로미터와 그 부분의 두께의 1/3 사이의 범위가 바람직하다.
도파관의 말단 끝부는 추가적인 광 성형(shaping)을 제공할 수 있다. 이것은 광을 더 혼합하기 위해 그 표면 상에 린즈릿(lenslet)을 가지도록 평평하거나 각질 수 있다. 예시적인 말단 도파관 끝부는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 통합되어 있는 미국특허번호 제8,088,066호에 개시되어 있다.
데드 존은 광이 표면과 상호작용하지 않아서 내부 전반사가 없거나 실질적으로 없는 스템 또는 추출 부를 따르는 영역이다. 이러한 데드 존은 예컨대, 리트랙터 블레이드에 도파관을 부착시키기 위한 기계적 피처를 붙이기에(glue) 이상적인 위치이다. 데드 존에서는 광이 빠져 나오지 않기 때문에, 도파관에 어떤 것을 붙이더라도 그 위치에서 광이 새어나오지 않을 것이다. 데드 존은 또한 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 통합되어 있는 미국특허번호 제8,088,066호에 더 상세하게 개시되어 있다.
B. 렌티큘러(lenticular) 어레이 또는 구조. 렌티큘러 어레이의 목적은 도파관 두께를 변경하지 않고 광 출력 패턴을 퍼트리는 것 및 측방향 발산(또한 도파관의 세로축에 대하여 수평인 방향으로의 발산이라고도 함)을 제어하는 것이다. 도 23은 20mm(W)×30mm(L) 패턴 및 50mm×30mm 패턴에 대한 주요 각도의 비교이다. 내부 및 외부 직사각형은 이들 두 패턴을 나타낸다. 렌티큘러 어레이가 없는 평평한 이면을 이용하는 것은 대략 20mm 폭×30mm 길이인 출력 패턴을 야기한다. 대각선은 도파관에서부터 패턴의 우측 가장자리의 중심으로의 백터를 나타낸다. 이러한 단순한 각도들은 20mm 폭 패턴을 50mm 폭 패턴으로 만들기 위해, 도파관의 뷰잉 각도가 적어도 26°만큼 커져야 한다는 것을 보여준다.
아래의 기하학적 구조들은 렌티큘러의 기능을 설명한다. 각각의 렌티큘러는 원통의 일부분이다. 광선이 광원의 개구수(NA) 및 언제나 더 작은 도파관의 수용 가능한 NA 내의 다양한 각도로부터 렌티큘러를 타격(strike)할 것이지만, 광이 바로 앞에서부터 렌티큘러에 타격한다고 가정하자. 그러나, 평균적인 광선은 바로 앞에서부터 비롯된 것일 수 있다. 신속한 계산을 위해, 이러한 하나의 광선으로 작업하는 것이 더 쉽다.
아래의 식(4) 및 식(5)은 피치 및 곡률반경을 포함하는 렌티큘러의 다양한 양상을 계산하기 위해 사용된다. 도 24는 식(4) 및 식(5)에 참조된 다양한 치수를 보여준다. 여기서:
A= 편각 = 26.3도
Ar= Ai= 반사 및 입사각 = A/2
d= 렌티큘러 절반 폭
r= 렌티큘러 반경
h= 렌티큘러 가장자리의 높이(추후 사용)
Figure 112020116529910-pat00017
수백만 렌티큘러를 가진 렌티큘러 어레이는 최선의 광의 혼합을 만들어낸다. 그러나, 실제 제조에서는 각각의 렌티큘러 사이에 작은 결함 영역이 존재할 것이다. 이러한 결함 영역은 그 부분을 잘라내기 위해 사용되는 도구의 반경에 의해 주로 발생되는데, 이러한 반경은 고정적이다. 그러므로, 앞서 서술된 프리즘 또는 다른 광 추출 피처에서와 마찬가지로, 렌티큘러 사이즈는 수용 가능한 산란의 크기에 묶여 있다. 본 예에서는, 매우 작은 크기의 산란을 가정한다. 추출 피처의 경우에, 산란된 광은 아마도 타겟 평면 상의 어딘가에 떨어질 것이고, 여전히 사용가능할 것이다. 이러한 경우에, 약간 산란된 광은 아마도 도파관의 뒤로 또는 후면으로 빠져 나갈 것이다.
Rv= 밸리 반경 = 0.006 mm
L= 허용 가능한 산란으로 인한 손실 = 1%
d= 상기로부터의 렌티큘러 절반 폭
Figure 112020116529910-pat00018
이는 r의 계산을 가능하게 한다. 렌티큘러의 최소 피치는 0.6mm이다. 렌티큘러의 반경은 피치에 의존한다. 이러한 피치에 대한, 곡률반경은 0.68mm이다. 최대 피치 및 반경을 계산하기 위해, 도파관의 희망의 두께는 렌티큘러의 피크에서 유지된다. 그러므로, 렌티큘러 가장자리는 이 디바이스를 관통할 것이다. 바람직한 실시예에서, 이는 제조상의 이유로, 도파관의 전체 두께의 대략 1/3을 초과하는 부분으로 뻗지 않는다.
일부의 기하학적 형상으로부터:
Figure 112020116529910-pat00019
, 이 둘 모두에 대하여 풀면,
Figure 112020116529910-pat00020
이다.
t = 1mm 이고, A = 26.3도이면, r = 3.22이고, d = 7.26mm이다. 이것은 최대 홈 피치이다. 이 숫자는 꽤 큰 것이어서, 바람직한 실시예는 최소 치수의 제한 내에서 작동한다.
렌티큘러에 대한 전형적인 값은 다음을 포함한다.
최소 추천 피치 = 0.3 mm.
곡률 반경 = 0.68 mm.
최대 피치 = 18.1 mm, 이것은 도파관의 폭보다 커서, 이것은 실질적으로 단일 곡선면이다.
최대 곡률 반경 = 8.05 mm이다.
여기 개시된 다른 실시예들은 십자 렌티큘러 어레이 또는 필로우드(pillowed) 어레이를 포함한다. 앞서 사용된 동일한 분석이 이들 실시예에도 잘 적용되지만, 그것은 수직 방향 뿐만 아니라 수평 방향으로도 수행되어야 한다. 부가적으로, 패턴의 길이 조절은 추출 피처의 각도를 수정함으로써 더 효율적으로 달성된다는 것이 증명되었다. 또한, 본 개시물 내의 도파관은 대략 0.5mm 내지 1mm 두께인 것이 바람직하다. 여전히 가능하지만, 0.5mm 보다 얇은 것은 몰딩 및 평평하게 유지하는 것이 어려울 수 있다.
성형 가능한 도파관
도 7은 수술용 리트랙터 블레이드(72)에 연결된 광 도파관(74)을 도시한다. 광섬유 케이블(78)은 광을 외부 소스(79)로부터 도파관(74)으로 전달한다. 도파관으로부터 추출되는 광(76)은 수술부위 또는 다른 작업 공간을 조명한다. 도 8a는 조직을 떼어내고 둥근 수술부위를 생성하기 위한 캐뉼라 리트랙터(82)를 도시한다. 광 도파관(84)은 도파관(82)에 연결되고, 수술부위를 조명하기 위해 캐뉼라의 중앙 보어(bore) 내에 배치된다. 도 8b는 굽은 도파관(86)이 캐뉼라 리트랙터(82)에 연결되어 있는 유사한 예를 도시한다. 도 7 및 도 8a-8b의 예에서, 도파관은 리트렉터의 표면을 매끄럽게 순응하지 않거나, 과도한 공간을 차지하여 이미 작은 수술부위를 제한하지 않는다. 그러므로, 작업 영역 및/또는 임의의 도구 또는 기구에 훨씬 더 고르게 순응함은 물론, 과도한 공간을 차지하지 않는 낮은 프로파일을 가지는, 수술부위와 같은 작업 영역을 조명하는 도파관을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
도 9a-9d는 유연하고 성형 가능한 도파관의 예시적인 실시예를 도시한다. 도파관(92)은 힌지로서 역할하는 플렉시블 재료(96)에 함께 연결되어 있는 2 이상의 얇은 광 도파관(94)을 포함한다. 도 9b는 도 9a의 B-B 선을 따라 취해진 단면도를 도시한다. 이 도파관은 도 9c에서 볼 수 있는 굽은 형태와 같은 다양한 형상을 형성하도록 구부려질 수 있고, 도 9d는 도 9c의 상면도를 도시한다. 그러므로, 매우 좁은 도파관을 가짐으로써 이 조립체는 매끄러운 곡선으로 성형될 수 있고, 반원 또는 각종의 다각형을 포함하는 임의의 형상을 형성할 수 있다. 이 형상은 도구 또는 다른 수술기구에 맞게 조절될 수 있고, 이 둘은 함께 연결될 수 있다.
도 10a는 캐뉼러 리트랙터(1004)의 원형 내측면에 알맞게 성형된 도 9a-9d에 도시된 실시예와 같은 성형 가능한 도파관을 도시한다. 이와 유사하게, 도 10b는 곡선형 리트랙터 블레이드(1006)의 곡면에 알맞게 성형된 도 9a-9d의 실시예와 같은 성형 가능한 도파관을 도시한다. 이들 실시예가 2개의 플렉시블 부를 통해 함께 연결된 3개의 도파관 세그먼트를 가지는 성형 가능한 도파관을 도시하지만, 당업자들은 이것이 제한으로 의도된 것이 아니며, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상과 같은 임의의 개수의 도파관 세그먼트가 성형 가능한 도파관을 형성하기 위해 함께 조립될 수 있고, 플렉시블 재료를 통해 함께 유지될 수 있음이 이해될 것이다.
상기 개시된 도파관은 직방형 단면을 가진다. 그러나, 이것으로 제한되도록 의도된 것이 아니다. 다른 실시예에서, 단면은 도 11a-11b에 도시된 바와 같은 사다리꼴일 수 도 있다. 사다리꼴 구성은 도파관 사이에 자연적인 팽창 및 수축 조인트(joint)를 생성한다. 도 11a는 실리콘과 같은 플렉시블 재료(1106)를 통해 함께 연결된 3개의 사다리꼴 도파관(1104)을 가진 성형 가능한 도파관(1102)을 도시한다. 성형 가능한 도파관(1102)은 선형 구성에서 작업 영역 또는 임의의 인접한 도구에 알맞게 하기 위해 도 11b와 같은 굽은 구성으로 성형될 수 있다. 사다리꼴 구성은 도파관이 구속 없이 서로 자유롭게 피벗할 수 있게 있다. 이 도파관은 또한 도 11c와 같은 곡선형 단면을 가질 수 있는데, 여기서, 성형 가능한 도파관(1110)은 도 11a-11b의 실시예보다 더 매끄러운 곡선이 형성될 수 있도록, 힌지를 형성하는 플렉시블 재료(1114)에 의해 분리된 3개 이상의 곡선형 도파관 세그먼트(1112)를 포함한다.
도 11d 및 11e는 성형 가능한 도파관의 대안의 실시예를 도시한다. 이 실시예는 도 11a-11b와 유사하지만, 가장 큰 차이점은 도파관 세그먼트가 인접한 세그먼트 사이에 플렉시블 재료를 가지는 대신에, 플렉시블 배킹(backing)에 고정되어 있다는 것이다. 도 11d는 각각 사다리꼴 단면(1144)을 가지는 도파관 세그먼트(1142)의 조립체(1140)를 도시한다. 도파관 세그먼트는 실리콘 또는 임의의 다른 탄성 재료와 같은 플렉시블 기재 층에 부착된다. 사다리꼴 단면은 인접한 세그먼트(1142) 사이에 갭(1148)을 생성하므로, 이 조립체가 세그먼트 가장자리를 구속하지 않으면서 다른 구성으로 구부려지는 것이 가능해진다. 이 갭은 바람직하게는 삼각형 형상이고, 세그먼트의 전체 길이를 따라 평행하게 뻗어 있다. 도 11e는 도파관 세그먼트의 조립체(1140)가 굽은 반원통형 도파관으로 조작되어 있는 예시적인 실시예를 도시한다. 각각의 도파관 세그먼트 또는 조립체는 광을 추출하고 제어하기 위한 표면 피처, 뿐만 아니라 광 입력 피처의 사용을 포함하여, 여기 개시된 임의의 피처를 이용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
도파관은 도 9a에 도시된 바와 같이 인접한 도파관을 분리시키는 세로 방향의 심(seam)을 따라 함께 그들을 연결하는 플렉시블 재료의 얇고 기다란 비드(bead)를 가질 수 있고, 또는 성형 가능한 도파관(1202)은 도 12a에 도시된 바와 같이, 플렉시블 재료층(1206) 내에 캡슐화된(encapsulated) 복수의 도파관(1204)을 가질 수도 있다. 대안의 실시예에서, 성형 가능한 도파관(1210)은 도 12b에 도시된 바와 같이 플렉시블 필름 또는 접착 테이프와 같은 기재(1214)에 부착된 복수의 도파관(1212)을 가질 수도 있다.
광은 임의의 개수의 방법으로 성형 가능한 도파관으로 전달될 수 있다. 예를 들어, 도 13에서, 성형 가능한 도파관(1302)은 힌지로서 역할 할 수 있는 플렉시블 재료(1306)를 통해 함께 연결된 복수의 도파관(1304)을 포함한다. 각각의 도파관(1304)은 하나 이상의 외부 광원에 광학적으로 연결될 수 있는 광섬유(1308)에 연결된다. 광 섬유(1308)는 도파관 내의 수신 채널에 부착될 수 있고, 또는 도파관은 광섬유 상에 오버몰딩(overmold)될 수도 있다. 또 다른 실시예에서, 광섬유 케이블(1308)은 광원에서 도파관으로 광을 전송하는 일체로 형성된 입력 스템으로 대체된다. 또 다른 실시예에서, 단일 광 입력 광섬유 케이블 또는 입력 스템이 성형 가능한 도파관으로 광을 전달하기 위해 사용된다. 그 다음, 광 매니폴드(manifold)가 조립체 내의 각각의 도파관 세그먼트로 광을 분산 및 전달하기 위해 사용된다.
성형 가능한 도파관이 작동 및 조종되기 때문에, 종종 손상을 방지하기 위해 입력 스템 또는 광섬유 입력 케이블에 스트레인 릴리프(strain relief)를 제공하는 것이 바람직하다. 도 14a는 입력 광섬유(1404) 및 광섬유에 대한 손상을 방지하기 위한 스트레인 릴리프(1406)를 가진 성형 가능한 도파관의 하나의 도파관 세그먼트(1402)를 도시한다. 스트레인 릴리프는 실리콘과 같은 탄성 폴리머일 수 있다. 각각의 개별적인 광섬유 입력 케이블은 자신의 스트레인 릴리프를 가질 수 있고, 또는 성형 가능한 도파관(1410)이 플렉시블 재료(1414)를 통해 함께 연결된 수개의 도파관 세그먼트(1412)를 포함하는 경우에, 도 14b에 도시된 바와 같이, 매니폴드 스트레인 릴리프가 사용될 수도 있다. 탄성 재료의 매니폴드(1418)는 각각의 광 입력 광섬유 케이블(1416)에 대한 스트레인 릴리프로서 역할 한다.
여기 서술된 성형 가능한 도파관 내의 임의의 도파관 세그먼트는 또한 광을 추출하고 추출되는 광의 방향을 제어하기 위한 표면 피처를 가질 수 있다. 도 15는 앞서 설명한 것과 유사한 프리즘 피처(1504)를 가진 도파관 세그먼트(1502)를 도시한다. 이러한 표면 피처는 도파관 세그먼트의 전면, 후면, 또는 임의의 표면상에 있을 수 있다. 여기 서술된 임의의 표면 피처는 성형 가능한 도파관으로부터 광을 추출 및 제어하기 위해 사용될 수 있다. 부가적으로, 도 16은 성형 가능한 도파관의 도파관 세그먼트(1602) 상에 배치되는 코팅, 클래딩 또는 필름(1604)의 사용을 도시한다. 이러한 코팅, 클래딩 또는 필름은 도파관 세그먼트 내에서 광의 내부 전반사의 촉진을 돕는 굴절률을 가질 수 있다. 코팅 또는 클래딩의 굴절률은 도파관의 굴절률보다 작은 것이 바람직하다. 굴절률의 예시적인 범위는 대략 1 내지 1.5이다. 또 다른 실시예에서, 필름은 광의 추출 및 제어를 돕는 표면 피처를 가질 수 있다. 부가적으로, 코팅 또는 클래딩과 더불어 또는 그 대신에, 광 손실의 방지를 돕기 위해 도파관과 임의의 인접한 구조 사이에 에어 갭이 배치될 수 있다.
성형 가능한 도파관이 원하는 구성으로 조정된 후, 그것은 도 17에 도시된 바와 같이 그 위치를 유지하기 위한 안정화 부재(1708)에 연결될 수 있다. 여기서, 성형 가능한 도파관(1702)은 플렉시블 재료(1706)를 통해 함께 연결된 복수의 도파관 세그먼트(1704)를 포함한다. 이것은 곡선형 조립체로 형성되고, 안정화 부재(1708)가 그 조립체를 제 위치에 고정시킨다. 안정화 부재는 접착체, 나사와 같은 픽스처(fixture), 스냅 핏(snap fit), 또는 성형 가능한 도파관에 부착시키기 위해 당분야에 공지된 다른 메커니즘을 이용할 수 있다.
도 25a-25i는 다른 실시예의 성형 가능한 광 도파관(2502)을 도시한다. 이 기구는 수술부위와 같은 작업 필드에 순응하도록 성형될 수도 있고, 리트랙터와 같은 수술기구와 같은 도구에 순응하도록 성형될 수도 있다. 도 25a는 성형 가능한 도파관 조립체(2502)의 위에서 본 투시도이다. 도파관 조립체(2502)는 커넥터(2504), 스트레인 릴리프(2506), 크림핑 밴드(2508), 광섬유 다발(2510), 가단성 배킹 엘리먼트(malleable backing element)(2516), 힌지(2518), 슬리브(2520), 및 비광섬유 광 도파관(2522)을 포함한다. 성형 가능한 광 도파관 조립체(2502)의 근단부는 성형 가능한 광 도파관 조립체(2502)를 광원과 연결시키기 위해 사용될 수 있는 ACMI 표준 광 커넥터(2504)와 같은 커넥터를 포함한다. 가시형(barbed) 피팅 또는 다른 공지된 커넥터와 같은 다른 커넥터가 사용될 수도 있다. 광섬유 다발(2510)은 커넥터(2504)에 연결되고, (도시되지 않은) 광원으로부터 광 커넥터(2504)를 통해 비광섬유 광 도파관 조립체(2522)으로 광이 전달될 수 있게 한다. 스트레인 릴리프(2506)는 광섬유 다발에 원치않는 꼬임(kinking) 또는 다른 손상을 방지하게 위해 광섬유 다발(2510) 위에 배치될 수 있다. 광섬유 다발은 퍼진 부분(2512)을 가진 성형 가능한 도파관의 근단부에서 원통형 다발로 구성되는 것이 바람직한데, 이 퍼진 부분(2512)에서, 광섬유 다발은 그것의 최종 평평한 평면 구성(2514)으로 퍼져 나가(flare out), 결국 비광섬유 광 도파관(2522)에 연결된다. 슬리브(2520)는 광 도파관(2522)에 광섬유 다발을 연결시키기 위해 사용된다. 비광섬유 광 도파관(2522)은 광섬유 다발(2514)과 함께 가단성 배킹 엘리먼트(2516)에 연결된다. 크림핑 밴드(2508)는 가단성 배킹 엘리먼트(2516)에 광섬유 다발(2514)을 연결하는 것을 돕는다. 가단성 배킹 엘리먼트 상의 힌지(2518)는 사용하는 동안 배킹 엘리먼트를 바람직한 형상으로 구부리고 조작하는 것을 용이하게 한다. 도 25b는 성형 가능한 도파관 조립체(2502)의 밑에서 본 투시도를 도시한다. 이 도면에서 인게이지먼트 윈도우(2524)를 볼 수 있다. 이 윈도우(2524)는 그 말단부 부근에서 가단성 배킹(2516) 내에 배치되고, 광 도파관(2522)이 배킹(2516)과 체결되는 것을 가능하게 한다. 힌지(2518)는 배킹(2516)으로부터 양측 가장자리 상의 배킹을 따라 축방향으로 있는 일련의 삼각 절단부일 수 있다. 힌지(2518)는 배킹이 운전자에 의해 조작되고 임의의 원하는 구성으로 구부러지는 것을 가능하게 한다.
도 25c는 성형 가능한 도파관 조립체(2502)의 근단부의 특징을 강조한다. 광섬유 다발(2510)은 처음에 원통형이고, 바깥쪽으로 퍼져나가(2512) 평평한 직사각형 및 평평한 광섬유 다발(2514)이 된다. 평평한 광섬유 다발(2514)은 이 디바이스가 차지하는 공간을 최소화하기 위해 광섬유의 전체 프로파일(profile)을 줄이는 것을 도울 뿐만 아니라, 광 도파관(2522)으로 광을 전송하고 그것을 채우는 것을 돕는다. 외부 스트레인 릴리프(2506)는 광섬유 다발의 꼬임을 방지하는 것을 돕고, 크림핑 밴드(2508)는 가단성 배킹 엘리먼트(2516) 상에서 광섬유 다발과 스트레인 릴리프를 연결한다.
도 25d는 성형 가능한 도파관 조립체의 상면도이고, 말단부를 강조한다. 광섬유 다발(2514)은 광 도파관(2522)의 근단부에 연결되어 있는 슬리브(2520) 내에 위치되어, 광이 광원으로부터 도파관으로 전달되는 것을 가능하게 한다. 광섬유 다발(2514)의 평평한 평면형 배열은 그 근단부로부터 도파관이 광으로 효과적으로 채워지는 것을 가능하게 한다. 이러한 다발 내의 광섬유들은 슬리브 내에 심어지고(pot) 다듬어질(polish) 수 있다. 도파관은 시클로 올레핀 폴리머(cyclo olefin polymer) 또는 코폴리머와 같은 폴리머가 주입 몰딩된 비광섬유 광 도파관인 것이 바람직하다. 그러므로, 광 도파관은 단일 도파관이고, 단일의 동질 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 광 도파관(2522)은 이 또한 가단성 배킹(2516)의 말단부에 연결되어 있는 홀딩 프레임(2530) 내에 놓여진다. 광 도파관(2522)은 직방형의 평평한 부분(2528) 및 그것의 위치 고정을 돕기 위한 홀딩 프레임(2530) 둘레에 꼭 맞는 확대된 플랜지 부(2526)를 포함한다. 이는 제한하도록 의도되지 않았으며, 당업자들은 광 도파관이 다른 구성을 가질 수도 있고, 가단성 배킹에 그것을 고정시키기 위한 다른 체결 메커니즘을 가질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 광 도파관으로부터 바깥쪽으로 뻗은 플랜지 대신에, 홀딩 프레임은 광 도파관 내의 오목한 부분과 맞물리는 플랜지를 가질 수도 있다. 광 도파관의 근단부는 또한 슬리브(2520) 내에 고정된다. 몇몇 실시예에서, 광 도파관은 광 도파관과 홀딩 프레임 사이에 에어 갭을 형성하는 스탠드오프(2523)를 가질 수 있다. 도 25h는 광 도파관 상의 예시적인 스탠드오프를 도시한다. 에어 갭은 도파관과 홀딩 프레임 간 접촉이 광 손실을 야기할 수 있기 때문에 도파관을 통한 광 전송 효율을 향상시키는데 도움이 된다. 다른 실시예에서, 스탠드오프는 도파관 대신 홀딩 프레임 상에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 스탠드오프는 홀딩 프레임과 도파관 양측에 모두 존재할 수 있다.
도 25e는 밑에서 본 투시도를 도시하고, 조립체(2502)의 말단부를 강조한다. 앞서 언급한 바와 같이, 삼각 절단부(2518)는 가단성 배킹의 구부림을 용이하게 하는데 도움을 준다. 다른 방향으로의 구부림을 용이하게 하기 위해 가단성 배킹에 다른 절단부가 사용될 수도 있다. 본 실시예에서, 이 절단부는 배킹을 볼록한 또는 오목한 형상으로 구부리는 것을 용이하게 하는 힌지를 형성한다. 배킹은 각각 상이한 반경을 가지도록 복합적으로 구부러질 수 있다. 배킹 내의 윈도우(2524)는 광 도파관의 일부분이 그것을 통해 돌출하는 것을 가능하게 하여, 광 도파관 및 배킹의 맞물림을 돕는다.
도 25f는 광섬유 다발 및 광 도파관이 제거된 가단성 배킹(2516)의 위에서 본 투시도를 도시한다. 이 도면은 배킹의 평평한 평면형 근단부, 톱니형 힌지(2518) 및 광 도파관을 위한 홀딩 프레임(2530)을 더 확실하게 도시한다. 이 프레임은 광 도파관을 홀딩하기 위해 프레임의 양측 상에 복수의 레일을 포함한다. 도 25g는 프레임과 체결하기 위한 플랜지 부(2526) 및 평평한 직방형 부분(2528)을 포함하는 광 도파관(2522)을 도시한다. 성형 가능한 도파관 조립체는 본 명세서에 개시된 임의의 다른 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 도파관은 여기 서술된 임의의 광 추출 피처를 포함할 수 있다. 광 도파관은 또한 내부 전반사에 의한 광 전송을 강화하기 위해 또는 전달되는 광의 타입을 제어(예컨대, 광의 편광, 광의 산란 등)하기 위해 여기 개시된 임의의 코팅, 필름 또는 다른 광 클래딩을 포함할 수 있다.
도 25i는 슬리브를 더 명확하게 도시한다. 광섬유 엘리먼트(2521)는 일단부로부터 슬리브로 삽입될 수 있고, 그 다음 에폭시(2519) 또는 다른 재료를 통해 제 위치에 심어진다. 그 다음 광섬유의 단부는 슬리브 내에서 다듬어질 수 있다. 광섬유의 단부는 광섬유와 맞닿을 수 있도록 광 도파관을 수용하기 위한 리셉터클(receptacle)을 형성하기 위해 슬리브의 반대 단부로부터 오목한 것이 바람직할 수 있다. 그 다음, 굴절률 매칭 접착제가 광 도파관을 슬리브 및 광섬유에 부착시키기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 광섬유는 슬리브의 반대 단부와 같은 높이일 수 있고, 광 도파관은 슬리브 및 광섬유와 간단하게 맞닿을 수 있다.
광원과의 연결
본 명세서에 서술된 임의의 도파관은 외부 크세논 램프와 같은 원격 광원에 연결될 수 있다. 도파관은 이 또한 광원에 연결되어 있는 광섬유 케이블에 연결될 수 있다. 광섬유 케이블은 종종 광섬유 다발이다. 바람직하게는, 광섬유 다발은 다발보다 높은 개구수(NA) 인자를 가진 방출하는 광원으로부터의 광을 연결한다. 많은 광원들은 광원 제조자가 어떤 케이블이 사용될 것인지 항상 알지 못하기 때문에, 높은 NA를 가진 수치를 산출한다. 간단한 렌즈 및/또는 렌즈 반사면은 광원 둘레에 또는 전방에 부착될 수 있다. (예컨대, 현재 가장 널리 사용되는 광원인 크세논 광원은 포물선 또는 다른 형상의 미러의 초점 내에 하우징된 방전 전구(bulb)이다. 다수의 크세논 광 박스는 섬유 다발에 효율적으로 연결하기 위해 전구의 전방에 렌즈를 가진다.) 케이블로 연결된 광량을 최적화하기 위해, 몇 가지 요인을 고려할 필요가 있다. 그 중 하나는 케이블에 광원의 NA를 매칭시키는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 이는 전구와 케이블 사이에 NA를 매칭시키는 광학 컴포넌트를 설치함으로써 달성될 수 있다. 다른 중요한 요인은 광섬유 다발의 설계이다. 다발을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 변수들은 다음을 포함한다:
A) 패킹률(packing ratio) 및 다발 내의 각각의 광섬유의 배열;
B) 광섬유 다발 내의 코어 대 클래딩 비율; 및
C) 프레넬 손실 및 오배열 손실
패킹률
다수의 광섬유는 둥글게 생산된다. 다발로 조립할 때, 각각의 둥근 엘리먼트 사이에 데드 스페이스가 존재하는데, 특히 다발 내의 혼란(disruption)이 존재하면 나쁘게 패킹된 다발 및 전송을 산출한다. 최선의 경우의 시나리오를 취하여, 도 26에 도시된 삼각 패턴으로 광섬유를 패킹하는 것이 가능한 데드 스페이스를 최소화를 달성할 수 있게 한다. 이러한 데드 스페이스는 그 중심점을 기준으로 광섬유에 의해 만들어진 삼각형의 영역(2606)에 의해 분할되는 데드 스페이스(2604)에 의해 계산될 수 있다. 도 26의 예시적인 실시예에서, 패킹률은 90.7%인데, 이는 원형의 광섬유 사이에서 9.3% 영역만 손실됨을 의미한다. 무한한 공간 상에서의 광섬유 패킹으로 인한 손실 또는 매우 많은 광섬유 개수는 대략 9.3% 이상의 채움을 야기할 것이다.
이제, 이것을 도 27에 도시된 정방형 패턴으로 적층된 광섬유(2702)와 비교하면, 광섬유(2702)의 중심점에 의해 형성된 정사각형(2706)의 면적에 의해 나누어진 데드 면적(2704)의 비율은 78.5%이다. 이는 원 사이의 21.5% 면적이 손실됨을 의미한다. 이 계산은 아래와 같이 요약되고, 무한한 개수의 광섬유를 기초로 한다. 그러므로, 삼각 패턴으로 광섬유를 패킹하는 것이 광섬유 사이의 데드 면적을 최소화하는 최적의 구성이다.
삼각 패킹의 데드 면적 = 삼각형 면적[[(2r)2√3]/3 과 반원 면적 (πr2)/2의 차이다. 그러므로, 데드 면적 = [√3-π/2]r2이고, 이는 0.16125r2로 요약되는데, 여기서, r은 광섬유의 반지름이다. 정방형 패킹에 대하여, 데드 면적은 정사각형 면적(2r2)과 원 면적(πr2)의 차로서 추정된다. 그러므로, 정방형 패킹에 대한 데드 면적은 (4-π)r2=0.85841r2인데, 이는 삼각형 패킹의 데드 면적보다 훨씬 크다.
클래딩 면적
광섬유는 광섬유가 코어보다 낮은 굴절률을 가진 클래딩(또는 코어상의 코팅)을 가지지 않는다면, 광섬유의 코어(광섬유의 몸체) 상으로 광을 안내할 수 없다. 클래딩이 종종 투명 재료로 만들어지지만, 광이 안내되지 않고 손실된다. 의료 애플리케이션에 사용되는 전통적인 조명용 광섬유는 유리로 만들어지며, 55㎛의 직경 및 50㎛의 코어를 가진다. 언급된 직경의 두 원의 면적차를 계산하면, 각각의 광섬유가 가지는 클래딩 면적으로부터 17.4%의 손실이 도출된다. 이는 최대 가능 코어 대 클래딩 비율을 가진 광섬유를 식별함으로써 위해 최소화될 수 있다.
프레넬 손실 및 오정렬
유리 광섬유는 대략 1.5와 동등한 굴절률을 가진다. 광이 공기에서 광섬유로 광섬유에서 공기로 갈 때 굴절률의 불연속점은 각각의 경계에서 대략 4% 손실(프레넬 손실이라고도 함), 총 8% 손실을 야기한다. 하나의 광섬유가 다른 다발에 연결되어야 할 때, 프레넬 손실과 더불어, 오정렬로 인한 손실이 발생된다. 즉, 광섬유가 세로 방향으로 .5mm 만큼 오정렬된다면, 최대 10%의 손실을 어림잡을 수 있다.
상술한 손실을 더하면, 총 손실에 대한 최선의 경우의 시나리오를 기초로 하여, 총 광의 (9.3 %+ 17.4%+8 %+ 10%) = 44.7%가 된다. 이것은 (50㎛/55㎛ 코어/클래딩 유리 섬유로 만들어진) 다발화된 광섬유 케이블의 최선의 손실의 근사값이다. 그러므로, 광섬유 다발은 입력 광의 55.3%를 초과하여 전송할 수 없을 것이다.
예시적인 실시예에서 광섬유를 유리에서 플라스틱으로 변경함으로써, 클래딩 면적 손실을 변경할 수 있다. 750㎛ 플라스틱 섬유(상업적으로 이용가능하며, 필요한 곡률반경으로 구부러질 만큼 충분히 유연함)는 735㎛ 코어 및 15㎛ 클래딩을 가진다. 클래딩 면적의 변화는 광섬유 상의 사용하지 않는 전송 면적을 줄임으로써, 손실을 17.4%에서 3.96%으로 줄인다. 1000㎛ 코어, 또는 1500㎛, 2000㎛, 2500㎛ 또는 3000㎛ 직경과 같은 다른 광섬유가 사용가능하고, 광섬유 다발을 구성하기 위해 사용될 수 있다. 750㎛ 광섬유의 사용이 아래에 설명된다.
750㎛에 대한 총 손실을 계산하는 것은 간단한데, 총 면적에 대한 코어 및 클래딩의 면적비를 변경하고 다른 손실의 원인은 변경되지 않게 남겨둔다면, 총 손실은 9.3% + 3.96% + 8% + 10% = 31.3%이 될 것으로 추정된다. 그러므로, 전송률은 최대 68.7%이여야 한다. 이것이 앞서 설명한 50㎛/55㎛ 유리 섬유에서 상술한 750㎛/735㎛ 플라스틱 섬유로 변경함으로써 달성될 수 있는 가장 큰 이득이다. 240㎛의 코어 직경 및 250㎛의 외경을 가진 250㎛ 플라스틱 광섬유에 대하여 동일한 계산을 수행하면, 손실 면적은 7.8%(750㎛ 광섬유에서는 3.96%)가 될 것으로 추정된다. 그러므로, 750㎛ 플라스틱 섬유가 희망의 효율을 제공하고, 이는 또한 조명 시스템을 열적으로 냉각 유지하는데 도움을 준다.
그 다음, 유한한 크기의 다발의 효과는 다발화된 케이블을 따른 광 전송률을 최대로 하는 디자인과 함께 검사된다. 그 첫번째 목적은 최선의 패킹 스킴을 결정하는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 대부분의 광섬유는 둥글기 때문에, 다발을 쌓는 다양한 방법이 존재한다. 이들의 목적은 간극을 최소화하는 것이다. 간극을 최소화함으로써, 광섬유 사이에서 손실되는 광이 적어지므로 시스템 효율이 증가한다.
아래에, 광섬유를 쌓고 간극을 계산하는 몇가지 예가 제공된다. 최적의 배열은 광섬유를 삼각 패턴으로 놓는 것이다. 부가적으로, 광섬유의 배열을 가능한 원형 형상에 근접한 다발로 만드는 것이 바람직할 수 있고, 그러므로, 도 28에서, 7개의 광섬유(2802)가 삼각 패턴(2806)으로 배열되어 간극을 최소화하고, 이 삼각형들은 원형에 가깝도록 육각형(2808)으로 배열된다. 간극은 6개의 닫힌 간극(2804)과 6개의 개방된 간극(2810)/2의 합으로 추정될 수 있다. 빈 공간(dead space)(2804)이 광섬유 사이에 도시되어 있다. 광섬유는 2개의 광섬유를 가진 두 열과, 이 두 열 사이에 3개의 광섬유를 가진 한 열, 총, 3열을 형성한다.
도 29a-29b는 광섬유 다발 패킹의 다른 예시적인 실시예를 도시하는데, 각각 동심의 동일한 직경의 광섬유의 3층을 가진다. 각각의 광섬유 다발 둘레의 점선은 동일한 직경이고, 750㎛ 직경의 광섬유가 사용될 때 3.75mm의 원둘레를 가진다.
도 29a에서, 19개의 광섬유(2902)가 함께 패킹되어, 원형 다발(2900a)과 비슷한 육각형(2904)을 형성한다. 간극은 광섬유 사이에 놓인 삼각형 형상의 영역인 간극(2906) 뿐만 아니라, 다발의 외경 둘레의 반 다이아몬드형 간극(2910)을 포함한다. 본 실시예는 이전 실시예 둘레에 추가적인 광섬유 층이 패킹된다는 점을 제외하면 이전 실시예와 유사하다. 이 구성은 19개의 광섬유(2902)가 2가지 형상의 간극(도 29a와 동일한 삼각형 간극(2906) 및 다이아몬드형 간극(2908))은 물론, 다발의 바깥 둘레 주변의 반 다이아몬드형 간극(2910)을 가지는 십이면체(dodecahedron) 다발(2900b)을 형성하도록 패킹된 도 28b의 실시예보다 더 촘촘하게 패킹된다. 다이아몬드형 간극(2908)은 육각형 실시예에서의 반 다이아몬드형 간극(2910) 면적의 두배이다. 광섬유가 직선으로 있는 도 29a의 실시예와 달리, 도 29b의 광섬유들은 원에 더 가까운 윤곽으로 이끄는 시프트된 환형 배열이다.
도 29a의 육각형 배열에 대하여, 총 간극은 24개의 간극(2906)과 12개의 반 다이아몬드 간극(2910) 또는 6개의 다이아몬드 간극(2906)의 합과 같다. 이러한 간극 계산은 그것이 64.53r2 단위 면적이 되는 것으로 추정한다. 십이면체에 대하여, 간극은 12개의 삼각형 간극(2906)과 6개의 다이아몬드형 간극(2908)과 12개의 반 다이아몬드형 간극(2910) 또는 6개의 다이아몬드형 간극(2908)의 합과 같다. 총 간극은 67.74r2 단위 면적인 것으로 계산된다. 그러므로, 십이면체 패킹에 대한 육각형 패킹의 비는 95.26%이며, 이는 육각 배열이 십이면체 형상 보다 대략 4.74% 더 적은 간극을 가지므로 더 효율적이라는 것을 의미한다.
도 30a는 상기 도 29a의 육각 광섬유 다발을 도시한다. 도 30b는 상기 도 29b의 십이면체 광섬유 다발을 도시한다. 양 실시예는 모두 동일한 직경의 광섬유 및 하나의 원으로 추정했을 때 동일한 다발 외경을 가진다. 광섬유를 고정시키는 큰 사이즈의 페룰(ferrule)로 인한 완벽한 육각형으로부터의 약간의 어긋남(dislocation)을 도 30a에서 알 수 있고, 그러므로 육각 억제 장벽(containment barrier)을 이용하는 것이 바람직할 것인데, 이는 그것을 사용하지 않는다면 광섬유가 원형 벽에 의해 둘러싸인 때 완벽한 육각 형상을 유지할 수 없을 것이기 때문에,
상술된 실시예들은 바람직한 코어 대 클래딩 비율을 가진 더 큰 코어의 플라스틱 광섬유를 채용한다. 바람직하게는, 큰 코어는 얇은 클래딩과 함께 사용된다. 이는 광섬유가 외부 광원으로부터 도파관으로 광을 효율적으로 전달하는 것을 돕는다. 효율이 좋을수록 시스템의 온도를 낮게 유지하는데 도움을 주므로, 효율이 좋은 것이 바람직하다. 유리 섬유는 고비용이고 일회용(disposable) 케이블에서는 엄두를 낼 수 없을 정도로 비싸고, 플라스틱은 효율적이고 훨씬 더 싸기 때문에, 유리 섬유는 바람직하지 못하다. 그러나, 유리 섬유가 대략 250㎛의 직경을 가진 예시적인 유리 섬유와 같은 임의의 실시예에서 사용될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 광섬유 다발은 간극을 감소 또는 제거하고 효율을 더 증가시키기 위해 가열 및 압축될 수 있다. 예를 들어, 육각 형상의 광섬유 다발은 간극이 없거나 거의 없는 육각 다발을 형성하기 위해 가열 및 압축될 수 있고, 각각의 광섬유는 대략적인 육각 형상의 광섬유로 모양이 변경될 수 있다.
앞선 실시예들의 광섬유 다발은 원형이었다. 몇몇 환경에서, 평평한 광섬유 다발을 제공하는 것이 바람직할 수도 있다. 도 31은 광섬유 사이에 그리고 둘레를 따라 삼각형 형상의 간극(3104)을 가져서, 낮은 프로파일(profile)을 가진 리본 케이블을 형성하는 19개의 광섬유(3102)를 포함하는 평평한 광섬유 다발(3100)을 도시한다. 19개의 광섬유(3102)는 앞서 상술한 3.5mm 직경의 다발과 호환가능하지만, 상이한 폼 팩터(form factor)를 가진다.
한 열의 광섬유는 또한 매우 평평한 리본 케이블처럼 매력적일 수 있다. 적절하게 포장되었다면, 그 윤곽이 링 또는 구부러진 것과 같은 임의의 형상으로 될 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 14.25mm의 길이와 같은 더 긴 길이에 대하여, 리본 케이블은 너무 넓어서 실용적이지 못할 수 있다. 그러므로, 대칭 배열된 때 도 31의 2열 디바이스는 점선으로 지시된 바와 같이 D 형상의 리본 케이블을 야기한다. 이 케이블의 베이스의 길이는 광섬유 직경의 10배, 본 실시예에서, 7.5mm로 추정될 수 있고, 높이는 본 실시예에서, (2 + √3)r = 3.732r = 1.3995 mm로 추정된다.
대안의 실시예의 평평한 리본 케이블(3200)은 도 32에 도시되어 있는데, 3열의 광섬유(3202)가 대칭적으로 패킹되어 있고, 내부에 그리고 케이블의 바깥 둘레를 따른 간극(3204)에 의해 구분되어 있다. 높이는 5.575r = 2.09mm로 추정되고, 베이스의 길이는 광섬유 직경의 7배 또는 5.25mm인 것으로 추정된다. 19개의 광섬유에 대하여 4번째 층을 추가하면 육각 배열에 가까워지지만 대칭성이 나빠지는데, 대칭적인 구조가 다발에 더 많은 기계적 안정성을 제공하므로 대칭인 것이 바람직하다.
여기 서술된 임의의 광섬유 다발은 둘을 함께 버트 커플링(butt coupling)함으로써 다른 광섬유, 광섬유 다발 또는 도파관에 연결될 수 있고, 또는 그 둘 사이에 오정렬 에러를 보정하기 위해 배치된 광학부재가 존재할 수 있다. 부가적으로, 커플링 겔, 렌즈, 릴레이 로드(rod) 또는 속이 빈 코팅된 원뿔(hollow coated cone)이 또한 둘을 함께 연결하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 광섬유는 임의의 광학적 플라스틱과 같은 폴리머로 형성될 수도 있고, 또는 유리로 형성될 수도 있다. 임의의 실시예는 둥근 광섬유의 패킹시 형성된 간극 사이로 삽입되는 더 작은 크기의 상이한 형상의 광섬유를 포함할 수도 있다. 이러한 더 작은 크기의 광섬유는 간극에 알맞은 형상, 그러므로 삼각형 또는 다이아몬드형 형상일 수 있다.
원형을 육각 다발로 균등하게 연결하는 것은 도 33에 도시된 예시적인 커플러(3300)를 통해 달성될 수 있다. 커플러(3300)는 커플러의 일단에 둥근 단부(3302)를 가지고, 그 바깥면은 둥근 단부에서 육각 단부(3304)로 변해가는 복수의 패싯(3306)을 가지고, 그로 인해, 2개의 상이한 형상의 광섬유 다발의 연결이 가능하게 된다. 일 단부 또는 양 단부를 오버사이징하는(oversizing) 것이 유리한데, 그것이 두 다발 사이의 오정렬 에러를 줄이기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 여기 도시되고 서술되었으나, 이러한 실시예들이 단지 예시의 방법으로 제공된 것임이 당업자들에게는 명백할 것이다. 다양한 변형, 변경, 및 치환이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 당업자들에 의해 이루어질 것이다. 여기 서술된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안들이 본 발명을 실시함에 있어 채용될 수 있음을 이해해야 한다. 아래의 청구항은 본 발명의 범위를 정의하고, 이러한 청구항의 범위 내의 구조 및 그 동등물이 청구항에 의해 커버되도록 의도되었다.

Claims (13)

  1. 수술부위를 조명하기 위한 수술용 조명 시스템으로서,
    상기 수술부위를 광으로 조명하기 위한 광 도파관으로서, 상기 광 도파관은 광 입력단을 포함하고, 상기 광은 내부 전반사에 의해 상기 광 도파관을 통해 전달되는, 광 도파관; 및
    광섬유 다발로 형성된 복수의 광 섬유를 포함하며,
    상기 광섬유 다발은 상기 광 입력단에 광학적으로 연결되어 있고,
    상기 복수의 광섬유는 2개의 선형의 광섬유 열(row)로 구성되는 배열 내에 있으며,
    상기 복수의 광섬유는 인접한 광섬유들이 서로 접촉하고(engage) 그 사이에 간극(interstitial space)을 가지도록 상기 광섬유 다발 내에 배치되어 있고,
    모든 3개의 인접한 광섬유들 사이의 간극이 삼각형을 형성하는, 수술용 조명 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 광섬유 중 적어도 일부는 폴리머로 형성된, 수술용 조명 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 광섬유 중 적어도 일부는 750㎛의 직경을 갖는, 수술용 조명 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 광섬유는 19개의 광섬유로 이루어진, 수술용 조명 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 광 도파관의 상기 광 입력단과 상기 광섬유 다발 사이에 광 엘리먼트가 배치되어 있는, 수술용 조명 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 광 엘리먼트는 렌즈, 광 커플링 겔, 릴레이 로드 및 속이 빈 코팅된 원뿔로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 광 엘리먼트를 포함하는, 수술용 조명 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 광 엘리먼트는 일단에 원형 형상 및 타단에 6각 형상을 가지는 몸체를 포함하는, 수술용 조명 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 광섬유 다발은 상기 광 도파관의 상기 광 입력단에 버트 커플링(butt couple) 되어 있는, 수술용 조명 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 복수의 광섬유는 상기 복수의 광섬유가 D-형상의 리본 케이블을 형성하도록 상기 2개의 선형의 광섬유 열로 배치되어 있는, 수술용 조명 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 2개의 선형의 광섬유 열은:
    상기 복수의 광섬유의 제1 양(quantity)을 갖는 제1 열; 및
    상기 복수의 광섬유의 제2 양을 갖는 제2 열을 포함하며,
    상기 제1 양은 상기 제2 양보다 적은, 수술용 조명 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서, 각각의 광섬유는 상기 광섬유의 직경보다 10배 더 긴 길이를 갖는, 수술용 조명 시스템.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 광 도파관은 사다리꼴 단면 형상을 갖는, 수술용 조명 시스템.
  13. 청구항 1에 있어서, 리트랙터 블레이드(retractor blade)를 포함하는 수술용 리트랙터를 더 포함하며, 상기 광 도파관은 상기 수술용 리트랙터에 연결되어 있는, 수술용 조명 시스템.
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