JP3749052B2 - 接触型光照射チップ、ハンドピースおよびレーザ照射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触型光照射チップ、この接触型光照射チップを備えたハンドピース、およびこのハンドピースを備えたレーザ照射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光を目的の場所に照射する装置として、種々の形態のものが用いられている。このような装置の一例として、レーザ発振器と、オペレータが手に持って操作するハンドピースと、レーザ発振器で生成されたレーザ光をハンドピースに導光する導光管(例えば、光ファイバ)とで構成されるレーザ照射レーザ照射装置がある。また、レーザ照射装置の多くはレーザ出射制御用のフートコントローラを備えており、このフートコントローラのペダルを踏んだり放したりすることで、レーザの出射をオン・オフ制御するようにしている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、レーザ照射装置から出射されるレーザ光には、人間の目に見えないものも多い。また、レンズ等で集束されたレーザ光はエネルギ密度が高い。したがって、このようなエネルギ密度の高いレーザ光を、治療以外の目的で誤って人体に照射してしまうと、このレーザ光の照射された部分を損傷する危険がある。
【0004】
また、フートコントローラによるレーザ出射のオン・オフ制御は、手先で操作するオン・オフ制御に比べると操作性が劣り、誤ってレーザ光を出射する可能性もある。
【0005】
そこで、本願発明は、光の出射端部を目的の被照射部に接触させている場合に限り、この出射端部から被照射部に光が照射される光出射方法、およびこの方法を具体的形態に実現した接触型レーザ照射チップ、ハンドピース、レーザ照射装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、光軸に対して所定の角度をもって形成された出射面を有する光出射部を有し、上記出射面を被照射部に接触した状態で、上記出射面を介して光を出射して上記被照射部に照射する接触型光照射チップにおいて、上記出射面が空気と接触しているとき、出射面に向かって進行する光が該出射面で全反射して該出射面から出射せず、上記出射面が空気よりも屈折率の大きな媒質からなる被照射部と接触しているとき、出射面に向かって進行する光が該出射面を介して出射するように、上記所定の角度が設定されていることを特徴とする。
【0007】
これら出射方法および接触型光照射チップによれば、出射面が被照射部に接触しているときに限り該出射面から被照射部に光が出射される。
【0008】
さらに、本発明は、光軸に対して所定の角度をもって形成された出射面を有する光ファイバを有し、上記出射面を被照射部に接触した状態で、上記出射面を介して光を出射して上記被照射部に照射する接触型光照射チップにおいて、上記所定の角度を特定の関係に設定し、出射面が被照射部に接触しているときに限り該出射面から被照射部に光が出射されるようにしたものである。
【0009】
さらにまた、本発明は、入射面と光軸に対して所定の角度をもって形成された入射面と出射面とを有する先端部材を有し、上記出射面を被照射部に接触した状態で、上記入射面から入射された光を上記出射面から出射して上記被照射部に照射する接触型光照射チップにおいて、上記所定の角度を特定の関係に設定し、出射面が被照射部に接触しているときに限り該出射面から被照射部に光が出射されるようにしたものである。
【0010】
そして、本発明のハンドピースおよびこのハンドピースを備えたレーザ照射装置は、上述した接触型光照射チップを備えていることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は、レーザ照射装置1の外観を示す。このレーザ照射装置1はハウジング2を有し、ハウジング2の中にレーザ発振器3が内蔵されている。発明の性質上、レーザ発振器3は特定のレーザ発振器に限定されるものでない。また、レーザ発振器3から発振されるレーザ光の特性(波長、色等)は限定されるものでなく、レーザ照射装置1の適用に応じて適当なレーザ光が選択される。
【0012】
レーザ発振器3のレーザ光出射部には、レーザ光を伝送する適当な導光チューブ4の一端が接続されており、レーザ発振器3で発振したレーザ光が導光チューブ4内に導かれるようにしてある。導光チューブ4としては、一般に光ファイバが利用されるが、フレキシブルな中空導波路を用いてもよい。
【0013】
導光チューブ4の他端には、ハンドピース5が接続されている。ハンドピース5は、これをオペレータが手に持って目的の部位にレーザ光を照射するための装置である。そのために、ハンドピース5は、図2に示すように、オペレータが手に持って操作し易い大きさと形を有する中空円筒状の軸部6を備えている。軸部6の一端(後端)には、導光チューブ4の出射端が挿入されている。他方、軸部6の他端(先端)には、レーザ出射部である細長いコンタクトチップ7が装着されている。これら導光チューブ4の出射端とこれに対向するコンタクトチップ7の入射端は集束レンズ(図示せず)を含む光学系により光学的に接続されており、導光チューブ4の出射端から出射されたレーザ光がコンタクトチップ7の入射端に集束して該コンタクトチップ7の中に導入されるようにしてある。
【0014】
コンタクトチップ7は、光ファイバ又は中空導波路が利用されている。また、コンタクトチップ7の出射端(出射面)8は、この出射端8が目的の被照射部に接触している場合のみレーザ光が出射され、出射端8が被照射部から空間(空気)を介して離れているときはレーザ光が出射しない形に成形されている。以下、光ファイバにコンタクトチップ7に利用した場合と、中空導波路をコンタクトチップに利用した場合のそれぞれについて、コンタクトチップ7の先端形状について説明する。
【0015】
(1)光ファイバからなるコンタクトチップの出射端形状:
図3に示すように、コンタクトチップ7の出射端8は、先端角xを有しかつ外側に突出した円錐形状に形成されている。また、先端角xは、出射端8が被照射部に接触している場合のみ、この出射端8を介して光が出射される値に設定されている。以下、先端角xの設定条件を説明する。
【0016】
いま、図4に示すように、光ファイバ(ガラスファイバ)9の中心軸10を含む縦断面に沿って出射端8の特定部分11に入射する光を考えてみると、この特定部分11に到達する光の経路は、この特定部分11を頂点とし、特定部分11を通り中心軸10に平行な線12を中心とするくさび状の範囲13に含まれる。この範囲13の輪郭を描く実線14は、中心軸10を挟んで特定部分11の反対側にある、コア15とクラッド16の境界面部分17(図3参照)で反射し、その後、中心軸10を横切って特定部分11に入射する光の経路である。範囲13の輪郭を描く点線18は、特定部分11に近いコア15とクラッド16の境界面部分19で反射して該特定部分11に入射する光の経路である。
【0017】
ところで、図3に示すように、光ファイバ9が、コア15とクラッド16とからなる周知のガラスファイバの場合、光ファイバ9に入射した光は、コア15とクラッド16との境界面で反射を繰り返しながら、コア15の中をジグザグ型の経路を辿りながら進行する。このとき、コア15とクラッド16の屈折率から定まる臨界角θc(数式9参照)よりも小さな角度でコア15とクラッド16の境界面に入射した光は全反射する。しかし、臨界角θcよりも大きな角度でコア15とクラッド16の境界面に入射した光はクラッド16に漏れ出る。したがって、図4に示す実線14と点線18と中心軸10とのなす角度θ1が臨界角θcに一致する場合、実線14と点線18で描かれる範囲13が特定部分11に入射する光の最大範囲を表す。
【数9】
n1:クラッドの屈折率,n2:コアの屈折率
【0018】
上述のように、実線14と点線18で示す光路を想定した場合、特定部分11に対する実線14で示す光路の入射角は、点線18で示す光路の入射角よりも小さい。したがって、実線14で示す光路に沿って特定部分に入射する光の全反射条件が、出射端8に入射するすべての光が全反射する条件である。
【0019】
したがって、いま、実線14に沿って特定部分11に入射する光の入射角をθ2、特定部分11から出射する光の出射角をθ3、コア15の屈折率をn2、出射端8の外側に位置する媒質(空気又は被照射部)の屈折率をn3(空気の屈折率:n3A、被照射部の屈折率:n3B)とすると、数式10、数式11の関係が得られ、これらの数式10、数式11を展開し(数式12から数式15を参照)、先端角xの満たすべき全反射条件が数式16で与えられる。
【数10】
【数11】
【数12】
【数13】
【数14】
【数15】
【数16】
【0020】
他方、特定部分11に入射する光のすべてが出射端8から出射するための条件は、図4において点線18の光路に沿って特定部分11に入射する光が出射する条件を求めればよい。この場合、数式17、数式18の関係が与えられ、これらの数式17、数式18を展開し(数式19〜数式22を参照)、先端角xの満たすべき全出射条件が数式23の通り得られる。
【数17】
【数18】
【数19】
【数20】
【数21】
【数22】
【数23】
【0021】
また、特定部分11に入射した光の少なくとも一部が出射端8から出射する条件(部分出射条件)は、数式16を変形して得られる数式24で与えられる。
【数24】
【0022】
以上の関係より、コンタクトチップ7が被照射部に接触していない状態で、出射端8から空気中に光が出射しない全反射条件は、数式16を変形した数式25で与えられる。
【数25】
n3A:空気の屈折率
【0023】
また、コンタクトチップ7が被照射部に接触している状態で、出射端8に入射されたすべての光が被照射部に出射する条件は、数式23を変形した数式26で与えられる。
【数26】
n3B:被照射部の屈折率
【0024】
コンタクトチップ7が被照射部に接触している状態で、出射端8に入射された少なくとも一部の光が該出射端8から被照射部に出射する条件は、数式24を変形した数式27で与えられる。
【0025】
【数27】
【0026】
以上より、コンタクトチップ7の出射端8が空気に接触しているときは光の出射を禁止し、出射端8が被照射部に接触しているときにコンタクトチップ7を伝送される光がすべて出射する先端角条件は、数式28で与えられる。
【数28】
また、コンタクトチップ7の出射端8が空気に接触しているときは光の出射を禁止し、出射端8が被照射部に接触しているときにコンタクトチップ7を伝送される光の少なくとも一部が出射する先端角条件は、数式29で与えられる。
【数29】
【0027】
なお、被照射部の屈折率n3Bは、被照射部の構成組織により異なり、例えば人体(特に、歯肉)の場合はその殆どが水分で構成されているので、水の屈折率(1.33)に等しい。また、空気の屈折率n3Aは1.0である。
【0028】
(2)中空導波路からなるコンタクトチップの出射端形状:
図5に、中空導波路を利用したコンタクトチップ7’の先端断面が示してある。この図に示すように、コンタクトチップ7’の先端には、先端部材21(封止部材)が固定されており、この先端部材21の出射端22が外側に突出した円錐形状としてある。
【0029】
以下、先端部材21の出射端22に入射された光が全反射、出射する条件について説明する。
いま、図示するように、先端部材21の内面23について入射角と出射角をそれぞれθ1、θ2とし、先端部材21の外面(出射端22)について入射角と出射角をそれぞれθ2’、θ3とする。
またn1は、導波路内部の空気の屈折率であり、n1=1である。
この場合、実線24で示す光路に関し、以下の数式30,数式31で表す関係が成立する。
【数30】
【数31】
数式30より、
【数32】
【数33】
数式33より、
【数34】
これら数式30、数式32、数式34より、
【数35】
【数36】
したがって、コンタクトチップ7’が被照射部に接触していない状態で、先端部材21の出射端22から空気中に光が一切出射しない条件(全反射条件)は、数式37で与えられる。
【数37】
【0030】
他方、点線25で示す光路に関し、数式38で表す関係が成立する。
【数38】
そして、数式38と数式32、数式34より、
【数39】
【数40】
したがって、点線25で示す光路に沿って先端部材21に入射された光がすべて出射端22から出射する条件(全出射条件)は、数式40で与えられる。
また、点線25で示す光路に沿って先端部材21に入射された光の少なくとも一部が出射端22から出射する条件(部分出射条件)は、数式41で与えられる。
【数41】
【0031】
以上のようにして得られた数式37、数式40、数式41を用いて、先端部材21から光が出射する先端角の条件を具体的に求める。
いま、先端部材21は、ダイヤモンド(屈折率n2=2.42)からなるものとする。
また、先端部材21に対する光の入射角θ1は、中空導波路の場合は該中空導波路に入射される光の方向により一義的に定まり、いまθ1=3°と仮定する。また、被照射部を水分を持った人体組織とすると、被照射部の屈折率はn3=1.33で与えられる。なお、空気の屈折率n3は1.0である。
【0032】
この場合、コンタクトチップ7’の先端部材21が被照射部に接触していない状態で光が先端部材21の出射端22から出射しない先端角xの条件(全反射条件)は、数式37より以下の数式42ように与えられる。
【数42】
【0033】
一方、コンタクトチップ7’の先端部材21が被照射部に接触している状態で、先端部材21に入射された光がすべて出射端22から出射する先端角xの条件(全出射条件)は、式(16’)より以下の数式43ように与えられる。
【数43】
【0034】
また、コンタクトチップ7’の先端部材21が被照射部に接触している状態で、先端部材21に入射された光の少なくとも一部が出射端22から出射する先端角の条件(部分出射条件)は、数式41より以下の数式44のように与えられる。
【数44】
【0035】
以上より、コンタクトチップ7’の出射端22を被照射部に接触することなく空気中に晒しているときに光が出射せず、コンタクトチップ7’の出射端22を被照射部(水分を含む人体の一部)に接触させているときに先端部材21に入射した光がすべて出射する先端角xの条件は、数式45で与えられる。
【数45】
また、コンタクトチップ7’の出射端22を被照射部に接触することなく空気中に晒しているときに光が出射せず、コンタクトチップ7’の出射端22を被照射部(水分を含む人体の一部)に接触させているときに先端部材21に入射した光の少なくとも一部が出射する先端角xの条件は、数式46で与えられる。
【数46】
【0036】
なお、上述した具体的な説明では、先端部材21をダイヤモンドで形成した場合について説明したが、先端部材21はこれに限るものでなく、シリコン、酸化マグネシウム、サファイア、石英、弗化カルシウムなどであってもよい。
【0037】
また、以上の実施形態では、コンタクトチップ7’から出射しない光は減衰しながら導光チューブ4を通じてレーザ発振器3に向って伝送される。したがって、図7に示すように、レーザ光の光路中にハーフミラー26を設け、このハーフミラー26で反射した戻り光を検出器27で検出し、この検出器27の出力をもとにランプ28等の表示装置によってレーザ光の非出射状態を表示してもよい。また、検出器27の出力をもとにレーザ発振器3を停止し、無駄なレーザ光の発振を停止してもよい。この場合、無駄なレーザ光の発振に伴うレンズ等の発熱を防止できる。また、例えばレーザ光を人体に照射する場合、ランプ28の表示により、被照射部が乾燥しているか否かの判断もできる。
【0038】
さらに、上記レーザ照射装置1の適用としては歯科治療装置が挙げられるが、レーザ照射装置の適用はこれに限るものでなく、他の医療装置、材料加工装置にも利用できる。
【0039】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る接触型光照射装置によれば、光の出射端部を目的の被照射部に接触させている場合に限り、この出射端部から被照射部に光を照射できる。したがって、出射された光が誤って人体に照射される危険が少なく、安全である。また、光の出射を制御する装置を誤操作した場合でも、不必要に光が出射されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るレーザ照射装置の全体を示す斜視図。
【図2】 図1に示すレーザ照射装置に用いるハンドピースの平面図。
【図3】 光ファイバを用いたコンタクトチップの拡大縦断面図。
【図4】 図3のコンタクトチップの先端出射部から出射する光の経路を示す図。
【図5】 中空導波路を用いたコンタクトチップの拡大縦断面図。
【図6】 図6のコンタクトチップの先端出射部から出射する光の経路を示す図。
【図7】 コンタクトチップからの戻り光を検出する装置の構成図。
【符号の説明】
1…レーザ照射装置、3…レーザ発振器、4…導光チューブ、5…ハンドピース、7…コンタクトチップ、8…コンタクトチップ出射端、9…光ファイバ、21…先端部材、x…先端角。
Claims (7)
- 光軸に対して所定の角度をもって形成された出射面を有する光出射部を有し、上記出射面を被照射部に接触した状態で、上記出射面を介して光を出射して上記被照射部に照射する接触型光照射チップにおいて、
上記出射面が空気と接触しているとき、出射面に向かって進行する光が該出射面で全反射して該出射面から出射せず、上記出射面が空気よりも屈折率の大きな媒質からなる被照射部と接触しているとき、出射面に向かって進行する光が該出射面を介して出射するように、上記所定の角度が設定されていることを特徴とする接触型光照射チップ。 - 請求項1から5に記載のいずれかの接触型光照射チップを備えたハンドピース。
- 請求項6のハンドピースを備えたレーザ照射装置。
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Publications (2)
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JP31095699A Expired - Fee Related JP3749052B2 (ja) | 1999-11-01 | 1999-11-01 | 接触型光照射チップ、ハンドピースおよびレーザ照射装置 |
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