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【発明の名称】 光照射方法、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
【発明者】 【氏名】大石 純子

【氏名】岡上 吉秀

【氏名】松本 浩志
【要約】 【課題】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光出射方法と装置を提供する。

【解決手段】接触型光照射チップは、光軸（１０）に対して所定の角度をもって形成された出射面（８）を有する光出射部（８）を有し、出射面を被照射部に接触した状態で、出射面を介して光を出射して被照射部に照射するものである。このチップにおいて、上記所定の角度（ｘ）は、出射面が空気と接触しているときは出射面に向かって進行する光が該出射面で全反射し、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は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角度に設定されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 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から上記出射面を介して光を出射して被照射部に照射する光照射方法であって、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、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光出射部を用意し、上記出射面を上記被照射部に接触させて該被照射部に光を照射することを特徴とする光照射方法。
【請求項２】 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、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３】 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、次式を満足する関係に設定したことを特徴とする接触型光照射チップ。


ｘ／２ ：光軸と出射面との角度θ1 ：光ファイバの臨界角ｎ2 ：光ファイバの屈折率ｎ3A ：空気の屈折率ｎ3B ：被照射部の屈折率【請求項４】 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、次式を満足する関係に設定したことを特徴とする接触型光照射チップ。


ｘ／２ ：光軸と出射面との角度θ1 ：光ファイバの臨界角ｎ2 ：光ファイバの屈折率ｎ3A ：空気の屈折率ｎ3B ：被照射部の屈折率【請求項５】 入射面と光軸に対して所定の角度をもって形成された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出射面から出射して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、次式を満足する関係に設定したことを特徴とする接触型光照射チップ。


ｘ／２ ：光軸と出射面との角度θ1 ：入射面における光の入射角ｎ2 ：先端部材の屈折率ｎ3A ：空気の屈折率ｎ3B ：被照射部の屈折率【請求項６】 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出射面から出射して被照射部に照射する接触型光照射チップにおいて、上記所定角度を、次式を満足する関係に設定したことを特徴とする接触型光照射チップ。


ｘ／２ ：光軸と出射面との角度θ1 ：入射面における光の入射角ｎ2 ：先端部材の屈折率ｎ3A ：空気の屈折率ｎ3B ：被照射部の屈折率【請求項７】 請求項２から６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８】 請求項７のハンドピースを備えたレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光出射方法、この光出射方法を用いた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から上記出射面を介して光を出射して被照射部に照射する光出射方法において、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、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光出射部を用意し、上記出射面を上記被照射部に接触させて該被照射部に光を照射することを特徴とする。
【０００７】また、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、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。
【０００８】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。
【０００９】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。
【００１０】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。
【００１１】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。
【００１２】
【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。
【００１３】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。
【００１４】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。
【００１５】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。
【００１６】（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。
【００１７】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。
【００１８】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（式１参照）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。

ｎ1：クラッドの屈折率ｎ2：コアの屈折率【００１９】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。
【００２０】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、式（２）、（３）の関係が得られ、これらの式（２）、（３）を展開し（式（４）から（７）を参照）、先端角ｘの満たすべき全反射条件が式（８）で与えられる。







【００２１】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、式（２’）、（３’）の関係が与えられ、これらの式（２’）、（３’）を展開し（式（４’）から（７’）を参照）、先端角ｘの満たすべき全出射条件が式（８’）の通り得られる。







【００２２】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、式（８）を変形して得られる式（８’’）で与えられる。

【００２３】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、式（８）を変形した式（９）で与えられる。

ｎ3A：空気の屈折率【００２４】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、式（８’）を変形した式（９’）で与えられる。

ｎ3B：被照射部の屈折率【００２５】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、式（８’’）を変形した式（９’’）で与えられる。
【００２６】

【００２７】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、次式（１０）で与えられる。

また、コンタクトチップ７の出射端８が空気に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、次式（１０’）で与えられる。

【００２８】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。
【００２９】（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。
【００３０】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、以下の式（１１）、（１２）で表す関係が成立する。


式（１１）より、

式（１１’）より、
これら式（１１）、（１３）、（１３’）より、

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、次の式（１６）で与えられる。

【００３１】他方、点線２５で示す光路に関し、式（１１’）で表す関係が成立する。

そして、式（１１’）と、式（１３）、（１３’）より、

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、式（１６’）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、式（１６’’）で与えられる。

【００３２】以上のようにして得られた式（１６）、（１７’）、（１７’’）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。
【００３３】この場合、コンタクトチップ７’の先端先端部材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、式（１６）より以下のように与えられる。

【００３４】一方、コンタクトチップ７’の先端先端部材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’）より以下のように与えられる。

【００３５】また、コンタクトチップ７’の先端先端部材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、式（１６’’）より以下のように与えられる。

【００３６】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、次式で与えられる。

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、次式で与えられる。

【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】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。
【００４０】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明に係る光出射方法および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。
【出願人】 【識別番号】０００１３８１８５
【氏名又は名称】株式会社モリタ製作所
【出願日】 平成１１年１１月１日（１９９９．１１．１）
【代理人】 【識別番号】１０００６２１４４
【弁理士】
【氏名又は名称】青山 葆 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−１２８９９１（Ｐ２００１−１２８９９１Ａ）
【公開日】 平成１３年５月１５日（２００１．５．１５）
【出願番号】 特願平１１−３１０９５６