JPS5848013A - レ−ザ装置 - 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】 本発明はレーザ装置に係わ９、特に被照射体における照
射レーザ光の強度分布が一様になるようにレーデ光を出
力できるレーザ装置に、関するものである。

現在、レーザに関する技術の発展には著しいものがあり
、各種の分野においてその応用が試みられている。

その一つとして生体表面の母斑（例えばアザ。

シミ、ソバカスなど）の治療にレーザ装＆’に用いる方
法が提案され、試験的に実施嘔れつつあり、その有効性
が報告されている。

ところで、従来のアザの治療には電気乾固法で焼く方法
や、ドライアイス等を用いた細胞破壊、或いは切除、薄
く削るなどの方法や、皮膚移植などの多くの治療法があ
るが、いずれも侵襲が大きく、治療に苦痛を伴なう他、
治療期間も長く、しかもその効果も思わしくないなどの
欠点がおり、入院の必要がある場合もあった。

これに対し、レーザ光により患部を焼く方法では侵襲が
少なく、従って苦痛が少ないなどの長所があるものの、
レーザビームの進行方向に対して面角の断面における光
強度分布は一般に均一で無く、従って、その不均一性の
ために生体表面にレーザビームを照射した場合・照射ム
ラを生じて期待した治療結果が得にくい場合もありた。

即ち、現在、レーデによる治療では大きく分けてレーザ
光を面接患部に照射する方法とレーザ光を元ファイバな
どの導光体により導き、患部に照射する方法が存在する
が・前者の方法では照射でれるレーザ光はその九強反分
布が中心附近で強く、外周にゆくほど弱い凸形の分布を
呈している。

また１後者の方式ではファイバの出力端面よ）出射する
レーザ光はファイバの特性により決まるファーフィール
トノ母ターンな持っており、ファイバ出力端面と患部と
の距離により、出射されるレーザ光の光強度分布の形は
複雑に変化し、均一な分布のレーザ光を得ることは不可
能である。

従って、いずれの方法も照射ムラを生ずる根本的な原因
’に！している。

そこで、このような欠点を解消すべく開発されたものが
以下に述べるカライドスコープである。カライドスコー
プを用いる方法は照射野内にほぼ均一な光強度分布でレ
ーザ光を照射することができ、照射野の形状も任意に遠
足できるなどの特徴を持っておシ、またカライドスコー
プの光出射端面から出射される光は自由空間中では急激
に拡がって単位面積尚りの出力も急激に減衰し、しかも
出力光はコヒーレント性を失なうため・誤まって体、特
に目に入った場合などでの安全性が高いと云う長所もあ
ることからアザなどの治療に対し理想的な方法である。

カライドスコープはアクリルや光学ガラ艮などにより作
られた透明な棒状の光伝達体で両端面は平らで側周は滑
らかに形成してあり、導光過程中に元をランダム化させ
る一種の導光路であるが、内部における反射のさせ方に
は二つの方式がめる〇 即ち、導光路を管状とし、その中空の導光路内面に反射
膜を形成したものと、導光路は柱状とし、その柱状の導
光路内の全反射を利用したものとの二種である。

これらのうち、前者の反射膜を用いた管状力５− ライドスコープの特徴は （リ　管状に刀■工しその内面に反射膜含形成すること
が製作上船しい。

（２）　　反射膜の反射率を高くするほどカライドスコ
ープの元の低損失化、２強度分布の均−化及び軸長の短
縮化を図ることができるが、実際には遠赤外線領域及び
近赤外線領域で元の反射率が９７〜９５チ、また可視領
域で九の反射率が９３〜９０％程度であシ、柱状のカラ
イドスコープよりも元学的諸特性は劣る。

（３）反射膜の劣化がある。

（４）機械的強度は柱状のカライドスコープにくらべ優
れている。

などである。

一万、柱状のカライドスコープの特徴は（リ　精度良く
那工でき、反射膜會必喪としない。

（２）全反射のため低損失で光強度分布の高い均−注を
実現でき、しかも長さの短いカライドスコープを得るこ
とができる。

６− （３）　　）ｇ射部の劣化が無い。

（４）利用できる高光透過性の素材が少ない。

まｆＣ機緘的強度は管状のカライドスコープにくらべて
劣る。

などである。

従って、このようなことから管状カライドスコー１は遠
赤外線領域のレーザ光における光強度分布の均一化に対
しての利用が可能であるが、柱状のカライドスコープは
遠赤外領域から可視領域にわ几る全領域での光強度分布
の均一化が可能であり、光学的緒特性はすべての面で管
状のものよりｅれでいると云える。

さて、管状、柱状のカライドスコ−１はいずれもレンズ
或いは元ファイバに代衣さり、る導光路のうち少なくと
も１つを必要とし、各々Ｗ１図に示すようにレーザ光の
平行光線を凸レンズ１や凹レンズ４などのレンズ系或い
は元ファイバ２１ｆＣはそれとレンズ両刀を通して拡が
９角含拡げ、拡がシが拡大されたレーザ光とした後、カ
ライドスコーｆ３を通すが一般的にこのようｉ丸字部品
の入射端面では大部分の光束が通過するものの一部の光
束は入射端面上で反射するので、この分が一部の損失と
なる。

例えば、石英レンズや石英光ファイバの端面では光反射
を抑える光反射防止膜（ＡＲココ−ィング）を施こして
おかないと面一箇所あたり３〜５％程度の表面反射が発
生する。

実際には入射面があれば出射面があるわけであるから３
〜５ｑ６の２倍、すなわち６〜１０チ程度の損失がレン
ズ、元ファイバで生じ、カライドスコープでも同様のこ
とが起こる。

従って、レーザ　装置全体から見た時の光伝搬効率はレ
ンズや元ファイバなどの介在物が少ないほど向上するこ
とになる。

ところが、例えば第１図（ａ）に示すようなレンズ１と
柱状のカライドスコープ３より成るものでは九の全損失
は１２〜２０％程度で比較的良好な低損失性を示すが、
元ファイバ等によるレーザ光源〃・らの導光系が存在し
ないので、丸字系が固定化され、治療時の操作性が劣る
欠点がある。

また、第１図（ｂ）に示すような元ファイバ２と柱状の
カライドスコープ３よシ成るものでは光の全損失はやは
り１２〜２０％程就で低損失であり、元ファイバによる
導光糸が可撓性に富むことなどから治療時にカライドス
コープ３透所望の位置に操作でき、操作性が良いが・反
面、元ファイバ２から出射されるレーザ光の拡がシ角が
レンズを用いた場合よりも小さく、このため、カライド
スコープの軸長全長くしないと十分な光強度分布の均一
化を図ることができない。

即チ、レンズを用いた時の拡がシ角會θｌ　１元ファイ
バを用いたときの拡がシ角全０２としたとき、同じ均一
度を得るために必要なカライドスコーグ軸長全各々Ｘｌ
　、Ｘ２とすると次式が成立する。

Ｘ１ｔａｎθｌ　−Ｘ　２　ｔａｎ　　θ２　　　　　
　　　　　”’　（リ一般的に直光透過率の素材は高価
であることから元ファイバ固有の元払がり角だけではカ
ライドスコープ長が長くなり、高価なものとなう９− てしまう。そこで考えられるのが第１図（ｃ）に示す元
ファイバ２と凹レンズ４０両刀を用いる方式である。

一般にこの方式では十分な拡がｐ角を得ることができ、
カライドスコープ長も短くすることことからこれによる
光損失が増大して全体としての損失は１８〜３０ｆＤＫ
：もなってしまい効率の点で問題が残る。

本発明は上記事情に鑑みて成さｊ、たもので柱状のカラ
イドスコープを用いて出射レーザ光の光強匿分布均−化
合図るレーザ装置において・レーザ光を元ファイバによ
り導くようレヒすると共に前記カライドスコープのレー
ザ光入射端面を凹面状に形成し、ここに元ファイバから
のレーザ光を入射することによって九の拡がりを大きく
し、光強に分布の均−化機舵や操作性を損なうことなく
九の伝達効率を高め、また、カライドスコープの断面形
状’１ｅＰｆｒ望の形状とすると１０− とによシ、照射野（照射しているレーザビームの被照射
体における眺ｊ、囲）の形状を所望とする形状に効率よ
く変挨して朋射Ｌ２得るレーザ装仏を提供することを目
的とする。

以下・本発明の一実施例について図面を径照しながら説
明する。

第２図に示すようにレーザ光源よりレーザ光を導く元フ
ァイバ２１とこの導かれたレーザ光が入射される柱状の
カライドスコープ２２から成る構成では例えば元ファイ
バ２１の出力端２１ｈから０１なる角度なもって出射さ
れた元はｎｌ　なる屈折率を持つ空間中を伝搬した後、
ｎｚ’ｆｉる屈折率を持つ柱状のカライドスコ・−１２
２に入射することとなるが、この時、元ファイバ２１か
ら出射したレーザ光の光束がカライドスコープ２２内に
入ると次式（２）で六わされる角度θ２に変俣さｎる。

ｎ　１ｍ、θＩ：ｎ２Ｓ！＋１０２　　　　　　　　”
’　（２）ここで上記空間が空気中であるものとすると
ｎｌ　ζｌでろるから、 。１　〈。２　　　　　　　　　　　　　　　　　°−
（３）であり、したがって ｓｉｎθ２　く８石θ１　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　°−（４）こね、よシ θ２〈θｌ　　　　　　　　　　　　　・・・（５）即
ち、柱状のカライドスコープ内での元の拡がシ角θ２は
θｌ　よりも小さくなってしまう。

つま）、光の拡がシ角が小でいと云うことは同じ元強度
分布均一度を得るのに長さの長いカライドスコープが必
要であることを意味するわけであり、カライドスコープ
の素材が高いだけにこれによシ高価なものになってしま
う。

そこで第３図に示すように柱状のカライドスコー７′２
２０元入射端面２２ｈを２２ｂで示すように凹面状に形
成してここで凹レンズの効果會得るようにすることが考
えられる。

柱状のカライ５．．ド子コー１２２の光入射端面２２ａ
を凹面状にする利点は上記（５）式で示される拡が９角
の関係を θ２ζθｌ　　　　　　　　　　　　・・・（６）ある
いは θ２　〉θ１　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
７）なる拡がり角θ２にすることができると太うことで
ある。

即ち、第４図に示すように元ファイバ２１の出力端２１
ａからθｌなる拡がシ角で出射されたレーザ光が柱状の
カライドスコープ２２の光入射端面２２ｔｈに形成され
た凹面部２２ｂの法線に対してξなる角度でカライドス
コーｆ２２に入射したとすると、カライドスコープ２２
中の光束と凹面部２２ｂの法線との成す角η及び柱状の
カライドスコープ２２内の元来とこのカライドスコーｆ
２２の中心軸との成す角θ２は次のような関係となる。

θ２＝ξ−η　　　　　　　　　　・・・（８）ｎｓｓ
ｉｎ（θ１−ξ　）＝＝ｎ２ｓｉｎ　η　　　　　　　
　　　　　　　・　　（９ンしたがって θ２＝ξ−５ｌｎ−’　（”’　ｓｉｎ　（θ１−ξ）
）・・・αＱ２ 上式＜１１の意味するところはカライドスコープ２２中
の光束拡がり角θ２はξの影響を受ける１３− と云うことであシ、それはすなわち凹面部２２ｂの形状
により左右されると云うことでおる。

ここで−例をあげると、凹面部２２ｂの曲面形状を球面
としその球体中心に元ファイバ２１の出力端が位置する
ものと［７て光ファイバ２１から１７°の角度で出射し
たレーザ光の光束がξ＝３６°の点に入射した場合・屈
折率ｎ　＝　１．５のもとではη＝−１２°となり、θ
２＝４８°となってカライドスコープ２２内に４８°の
拡がシ角でレーザ光が入ることとなる。

従って柱状のカ光入射端面−１２２０元入射端面２２＊
ｆ凹面状にすることにより、カライドスコープ２２中の
光束拡がシ角０２をθｌに近づけることができ、或いは
θｌよ）も太きくすることができることになり、短いカ
ライドスコープ長にて光強度分布の良好な均一化特性を
得ることができ、しかも透明なカライドスコープ用の素
材も少なくて済むことになる。

ここで、カライドスコーｆ２２の光入射端面に形成する
凹面部の形状を球面とすることによ１４− リ、次のような特性が得られる。

即ち、元ファイバ２１の出力端位ｔｖ前記球面の球体中
心とすることによりθ１と０２が等しくなり・元ファイ
バ２１から出射される光はすべてカライドスコープ２２
の光入射端２２ａの凹面部に対し垂直に入射することか
ら、反射損失を最小とすることができることである。す
なわち、球体中心に元ファイバ２１の出力端２１ｈがあ
る場合、 θｌ　−ξ　　　　　　　　　　　　　　　　・・・０
ηこれを前記式０りに代入すると θ２：ξ工θ１　　　　　　　　　　・・・０４−万、
光面反射率をＴＥ波、ＴＭ波それぞれに対しＲＴゆ’　
ＲＴＭとすると ”・ＲＴＫ　””　ＲＴＭ　　　　　　　　　　　　　
・・・αカー万、前記式α１及び０→の最小値を求める
と次のようになる。即ち、 θ′＝θｌ−ξ　　　　　　　　　　　・・・（喝とし
て とするとＲＴＩ８はθ′二〇のとき最小となり、Ｒ７Ｍ
　ＪＰ はθ’＝ｊａｎ　　　　のとき最小となる。

ところが、元ファイバを用いた場合Ｎ光ファイバから出
射される元はＴＥ波とＴＭ波の合成された元として扱え
るから元ファイノ９開口数ＮＡで規定される拡が９角内
で反射率を論じる、場合、ＲＴつとＲＴＭの和が最小と
なる角度を求める必要がある。

そこで、こｎ’ｉ求めるとθ′＝０にて最小値を示す。

このように元ファイバの出力端をカライドスコープの光
入射端面における球面状の凹面部球体中心に討〈ことは
光ファイバ２１から出射したレーザ光のカライドスコー
プ２２への入射時に生ずる赤面反射損を最小にするうえ
で特に効果がおる。

更にこの時、柱状のカライドクコ−１２２０元入射端凹
面部球面六面に反射防止膜、即ちＡＲココ−ィングを施
こすと、すべての元来が球面に垂直に入射するので非常
に有効に作用し、レーザ光のカライドスコー１における
赤面反射損をさらに小さくすることができる。

例えば柱状のカライドスコーグ素材として光学ガラスで
あるＢＫ−７’＆用い、その光入射端面部の球面表面に
ＡＲココ−ィングを施こせば光入射端での表゛面反射損
をｌチ程度にまでｔ減させることが可能である。

一１７＝ 一万、柱状のカライドスコープ２２の光入射端面２２ａ
中心部を円、三角形、方形成いはその他の多角形など任
意の断面形状で陥没させた後、その奥を更に球面に仕上
げた場合、次のような特性を得ることができる。

例えば第５図に示すように球半径なＲとし、Ｋ−Ｒ（但
しＫは任意の値）だけ任意の形状Ａで陥没させた場合、
Ｋが１より十分率さい範囲に対し、 θ１：ξ＝Ｒ：　（１＋Ｋ）Ｒ・・・（２１）したがっ
て ξζ（１＋Ｋ）θ１　　　　　　・・・（２２）これを
式０りに代入して θ２：ξ十龜　Ｌ−−−−、石（ＫＯ２））　　・・・
（２３）２ 上式（２３）の意味するところは元ファイバ２１の出力
端２１ａの位置を球体中心から後方へＫＲだけずらすこ
とによシ柱状のカライドスコーグ２２中の光束拡がシ角
θ２をさらに拡げることができると云うことでおる。

例えば元ファイバ２１から１７°の角度をもつ１８− て出射された光束はに＝０すなわち、元ファイバ出力端
、２２ａがカライドスコ−１２２の凹面部２２ｈ球体中
心よｐ　０．４　Ｒだけ後方に位置する場合では に＝Ｏゆξ＝０２＝１７゜ Ｋ　＝　０．４中ξ＝２３．８°、θ２＝２８゜となり
、元来の拡がり角を更に拡げるのに著しい効果がある。

従って、このように柱状のカライドスコ−１２２の光入
射端面の中心部を任意の形状で陥没させ、そこからさら
に球面で陥没させた形状の凹面部とすることによシ、元
ファイバ２１を介して入射されたレーザ光はカライドス
コープ２２中で大きな拡がり角で拡がることになり、こ
れにより軸長の短いカライドスコープでも十分な光強度
分布の均一化を図ることができることになる。

これまでに述べたすべてのカライドスコープは元ファイ
バ２ノの位置がカライドスコ−１２２の光入射端面中心
部よシ少々ずれていてもあるいはカライドスコープ中心
軸と元ファイバの出力端の中心軸が平行でなくとも十分
なカライドスコープ長があればほとんど問題なく光強度
分布の均一化が成されるが、導元部すなわら元ファイバ
２１の出力端２１ａがカライドスコープ２２の中心軸上
に位置され、且つ各々の中心軸が平行であるようにすれ
ば、軸長の短いカライドスコープでも十分な光強度分布
の均一化が可能となる。

また、前述の柱状カライドスコ−１２２はその中心軸に
直交する断面が円形、三角形、方形その他任意の多角形
としても良く、いずれの場合も十分な均一化が可能であ
り、しかもその断面の形状の照射野を得ることができる
。

尚、本発明において柱状のカライドスコープの光入射端
面を任意の形状で陥没させそこから更に球面で凹面を形
成しているが１ｉｉｌ！６図に示すように柱状のカライ
ドスコ＝１２２における光入射端面２２ｈｆＢで示すよ
うに球面で陥没させ、元ファイバ２１の出力端２１ａの
位置が柱状のカライドスコープ２２の光入射端面の手前
になるようにすることにより元手的には同等の効果を得
ることができる。

以上詳述したように本発明はレーザ光源からのレーザ光
を元ファイバにより導くとともにこの導かれた光を透明
柱状で光入射端は凹面状に形成すると共に他は平滑に仕
上げた光強度分布を均一化して照射するためのカライド
スコープに入射させる構造としたので、元ファイバから
の出射レーザ光はカライドスコープの凹面部で屈折によ
り拡げられ、これによりカライドスコープ内で十分に拡
がるためカライドスコープの軸長を短くしても照射レー
ザ光の光強度分布が十分に均一化されまたカライドスコ
ープの断面形状を選択することにより、照射形状を円形
。

三角形、方形その細長角形にに換して照射できるので、
目的に合う照射野形状で治療を行なうことができる他、
元ファイバによりカライドスコープにレーザ光を導くた
め操作性が良く、またカライドスコープの軸長が短くと
も良いこと２１− から小形＠量でしかも高価なカライドスコープの木材が
少なくて済ことによる価格の低廉化を図ることができ、
また、前記凹面部に光反射を抑えるコーティングを施こ
すことと光学レンズは使用しないことによシ元の損失を
抑えることができるなど、優れた特徴を有するレーザ装
置を提供することができる。

尚本発明は上記し且つ図面に示す実施例に雨足すること
なくその要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施し
得るものでおり、例えば本装置は治療用レーザに限らず
、金属等のアニーリング加工に使用するレーザ装置にも
適用できることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はカライドスコープにおける凸レンズとの
組み合わせによる実施例を示す概略図、第１図（ｂ）は
元ファイバとの組み合わせによる実施例を示す概略図、
第１図（Ｃ）は元ファイノ々と凹レンズ及びカライドス
コープの組み合わせによる実施例を示す概略図、第２図
は元ファイノ々と２２− の組み合わ・せた時の光路を示した概略原理図、第３図
は柱状のカライドスコープの光入射端面に凹面部を形成
した場合の光路の状態を示した図、第５図は柱状カライ
ドスコープの光入射端面を任意形状で陥没させた後さら
に球面状に陥没させたときの光路を示す概略的原理図、
第６図は柱状カライドスコープの光入射端面中心部を球
面で陥没させ元ファイバ出力端位置を手前にずらした時
の図である。 ｌ・・・凸レンズ、２．２１・・・元ファイバ、３゜２
２・・・カライドスコープ、４・・・凹レンズ、２２ａ
・・・光入射端面、２２ｂ、Ａ、Ｂ・・・凹面部。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦オ　Ｉ　Ｎ （ａ） ２３− 手続補正書は式） 昭和５７年２・圧ビ日 特許庁長官　　島　１）春　樹　　殿 ■、事件の表示 特願昭５６−１４７２０４号 ２、発明の名称 レーザ装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 （３０７）東京芝浦電気株式会社 ４、代理人 昭和５７年１月２６日 ６、補正の対象 明細書 ７、補正の内容 （１）　　明細書第２３頁第４行目に記載の「図、第５
図は」を「図、第４図は第３図におけるカライドスコー
プの入射光路を説明するための図、第５図は」と訂正す
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　レーデ光源と、このレーデ光源からの光を導
   く元ファイバと、この導かｆｉ−ｆｃレーザ元が入射嘔
   れる光入射端面が凹面状に形成されまた光出射端面は平
   面に形成されると共に周面は滑らかに形成されて成る出
   射レーザ九九強度分布の均一化を図るための柱状で透明
   なカライドスコープと金備えたことを特徴とするレーザ
   装置。 （２）　　前記力ライドスコーグはその光入射端面の凹
   面状部分を球面に形成したこと全特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ装置。 （３）前記カライドスコープはその光入射端面の中心部
   な所望の形状に陥没させ且つその奥部を球面に形成させ
   ることｔ特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ
   装置。 （リ　前記カライドスコープは光入射端面の少なくとも
   前記凹面状部分に元反射防止膜を形成することを特徴と
   する特許ＨＮ求の範囲第１項記載のレーザ装置。 （５）前記力ライドスコーグはその断面形状が円または
   任意の多角形に形成されたことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載のレーザ装置。 （６）　前記元ファイバの光出力端が前記カライドスコ
   ープの光入射端面側に形成された球面状部分の中心に位
   置されるよう配設することを特徴とする特許請求の範囲
   第２項または第３項記載のレーザ装置。 （７）　前記元ファイバはその光出力端におけるその軸
   線を前記カライドスコープの中心軸線と一致させて配設
   させることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレ
   ーザ装置。