(57)【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、以下の数式１及び数式２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。
【数１】
0003749052.tif 000040
【数２】
0003749052.tif 000041
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、以下の数式３及び数式４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。
【数３】
0003749052.tif 000042
【数４】
0003749052.tif 000043
ｘ／２：光軸と出射面との角度，θ1：光ファイバの臨界角，ｎ2：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】
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、以下の数式５及び数式６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。
【数５】
0003749052.tif 000044
【数６】
0003749052.tif 000045
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、以下の数式７及び数式８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。
【数７】
0003749052.tif 000046
【数８】
0003749052.tif 000047
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】
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７】
請求項６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、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】
0003749052.tif 000002
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】
0003749052.tif 000003
【数１１】
0003749052.tif 000004
【数１２】
0003749052.tif 000005
【数１３】
0003749052.tif 000006
【数１４】
0003749052.tif 000007
【数１５】
0003749052.tif 000008
【数１６】
0003749052.tif 000009
【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】
0003749052.tif 000010
【数１８】
0003749052.tif 000011
【数１９】
0003749052.tif 000012
【数２０】
0003749052.tif 000013
【数２１】
0003749052.tif 000014
【数２２】
0003749052.tif 000015
【数２３】
0003749052.tif 000016
【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】
0003749052.tif 000017
【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】
0003749052.tif 000018
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】
0003749052.tif 000019
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】
0003749052.tif 000020
【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】
0003749052.tif 000021
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】
0003749052.tif 000022
【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】
0003749052.tif 000023
【数３１】
0003749052.tif 000024
数式３０より、
【数３２】
0003749052.tif 000025
【数３３】
0003749052.tif 000026
数式３３より、
【数３４】
0003749052.tif 000027
これら数式３０、数式３２、数式３４より、
【数３５】
0003749052.tif 000028
【数３６】
0003749052.tif 000029
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】
0003749052.tif 000030
【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】
0003749052.tif 000031
そして、数式３８と数式３２、数式３４より、
【数３９】
0003749052.tif 000032
【数４０】
0003749052.tif 000033
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】
0003749052.tif 000034
【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】
0003749052.tif 000035
【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】
0003749052.tif 000036
【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】
0003749052.tif 000037
【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】
0003749052.tif 000038
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】
0003749052.tif 000039
【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。
【図１】
0003749052.tif 000048
【図２】
0003749052.tif 000049
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003749052.tif 000053
【図７】
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