(57)【要約】  本発明は、光学的に透明な材料の単一の基質を含む光学デバイスに関する。単一の基質は、その中に少なくとも１つの集光レンズ（１０４ａ〜１０４ｆ）およびチャンネル（１０６ａ〜１０６ｆ）を形成し、チャンネル（１０６ａ〜１０６ｆ）は光ファイバーを受容し、そして、集光レンズが集光レンズ（１０４ａ〜１０４ｆ）によって集められた光を光ファイバーに結合させるように、その中に挿入された光ファイバーを整列させるように構成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的に透明な材料の単一の基質であって、その中に少なくとも１つの集光レンズおよびチャンネルが形成されている単一の基質を備え、当該チャンネルは、光ファイバーを受け入れ、そして前記集光レンズが当該集光レンズによって収集された光を前記光ファイバーに結合させるべく、その中に挿入された光ファイバーを整列させるように配列されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
前記集光レンズは、前記収集された光を前記光ファイバーの端部または内部の一点に集束させるように配列されていることを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記単一の基質は、励起光を前記単一の基質の外側の焦点に集束させるための１つ以上の伝送レンズをさらに備え、そして前記集光レンズは、前記焦点から散乱された光を前記光ファイバーに結合させるように配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学デバイス。
【請求項４】
前記単一の基質は、その中に、伝送レンズと、配送用光ファイバーを受け入れるためのさらなるチャンネルとが形成され、前記さらなるチャンネルは、前記配送用光ファイバーによって配送された励起光が前記伝送レンズに衝突するように、その中に挿入された前記配送用光ファイバーを整列させるべく配列されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項５】
前記伝送レンズは、前記励起光をコリメートするコリメートレンズであることを特徴とする請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項６】
前記さらなるチャンネルは、前記チャンネルが前記集光レンズに対して終端する場所よりも前記伝送レンズに近いところで終端することを特徴とする請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項７】
前記単一の基質は、複数の集光レンズであって、各集光レンズがそれに関連する対応するチャンネルを有する複数の集光レンズを備え、当該対応するチャンネルは、光ファイバーを受け入れるためのものであり、前記集光レンズが当該集光レンズによって収集された光を前記光ファイバーに結合させるように、その中に挿入された前記光ファイバーを整列させるべく配列されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項８】
前記複数の集光レンズは、花びらデザインに配列されていることを特徴とする請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項９】
前記花びらデザインは、円または環状の集光レンズの連続体を提供する前記複数の集光レンズを備えることを特徴とする請求項８に記載の光学デバイス。
【請求項１０】
各集光レンズの開口は、非円形であることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１１】
各集光レンズの開口は、円形または環状の扇形であることを特徴とする請求項１０に記載の光学デバイス。
【請求項１２】
前記集光レンズの花びらデザインは、前記伝送レンズの１つまたは１つの周囲に中心がある、請求項３から６のいずれか一項に従属する場合の請求項８に記載の光学デバイス。
【請求項１３】
前記複数の集光レンズは、前記伝送レンズまたは前記伝送レンズのうちの１つを囲む環内にあることを特徴とする請求項１２に記載の光学デバイス。
【請求項１４】
各集光レンズは、前記１つまたは複数の伝送レンズから延在していることを特徴とする請求項１３に記載の光学デバイス。
【請求項１５】
励起光をある点に集束させるための、および／または励起光にさらされた点から生じる光をコリメートするための集束レンズを備えるさらなる別の基質を備え、当該さらなる別の基質は、接続構成によって前記単一の基質に接続されていることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１６】
励起光にさらされる点から発する光をコリメートし、そのコリメートされた光を前記集光レンズまたは前記複数の集光レンズに向けるための集束レンズを備え、前記集光レンズまたは前記複数の集光レンズによって満たされるコリメートされた光の開口比は、２ ／ ３より大きく、好ましくは７／１０より大きく、最も好ましくは９／１０より大きいことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１７】
前記光学デバイスは、内視鏡であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項１８】
前記一体型のデバイスは、前記内視鏡の遠位端の一部を形成することを特徴とする請求項１７に記載の光学デバイス。
【請求項１９】
前記単一の基質の前記チャンネル内に挿入される収集光ファイバーを備えることを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の光デバイス。
【請求項２０】
配送用光ファイバーを含み、当該配送用光ファイバーは、前記単一の基質の前記さらなるチャンネル内に収容されていることを特徴とする、請求項４に従属する請求項１７ないし１９のいずれか一項に記載の光デバイス。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の光デバイスの形成方法であって、光学的に透明な基質を選択的にレーザー刻印することによってレーザー刻印された基質を形成すること、および前記レーザー刻印された基質の材料を除去するべく、前記レーザー刻印された基質を化学的にエッチングすることを備えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
光学的に透明な材料の単一な基質を備え、当該単一な基質はその中に形成された少なくとも１つのレンズとチャンネルとを有し、当該チャンネルは光ファイバーを受け入れ、そして前記レンズが当該レンズによって収集された光を前記光ファイバーに結合させるか、または前記光ファイバーから放射された光をコリメートするように、その中に挿入される光ファイバーを整列させるべく配列されていることを特徴とする光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接のレーザー書き込みおよびケミカルエッチング並びに光学デバイスに関する。本発明は、直接のレーザー書き込みおよびケミカルエッチングを使用して、デバイスを製造するための方法およびデバイス並びにそれによって製造されたデバイスに、特に適用される。
【背景技術】
【０００２】
超高速のレーザーパルスを用いて、光導波路を直接に書き込むことができることが実証されている（非特許文献１）。現在、超高速のレーザー刻印（ＵＬＩ）として知られているこの技術は、複雑な３次元（三次元）導波路のための進歩した製造方法となるまでに成長している（非特許文献２ないし４）。フェムトセコンド（１０００兆分の１秒）のマイクロマシニングおよび直接のレーザー書き込みとしても知られるＵＬＩは、サブバンドギャップ（ｓｕｂ−ｂａｎｄｇａｐ）光の集束超短パルスに依存して、誘電材料内の非線形多光子吸収を駆動し、その結果、材料の局所構造を恒久的に変化させる。ＵＬＩ誘起される修正の周知の発現は、局所的な屈折率の変化であり、それは不均一な屈折率プロフィルを有する光導波路および体積格子のような三次元デバイスの直接的な刻印を容易にする（非特許文献５、６）。
【０００３】
焦点体積内で起こる修正は、一般に、主に刻印中に使用されるパルスエネルギーおよび持続時間に応じて、３つのタイプ（タイプＩ、ＩＩおよびＩＩＩ）のうちの１つに分類される。タイプＩは、非晶質シリカを構成するＳｉＯ4四面体環の緻密化から生じる局所屈折率のほぼ均一な増加を記載している（非特許文献１３）。この形態は、一般に、２００ｆｓ以下のレーザーパルスを用いた溶融シリカでのみ利用可能である（非特許文献１４）。タイプＩＩの修正は、組織化された「ナノ格子」、電界偏光に対して直交して形成される高屈折率および低屈折率を有する材料の周期的な交番面の形成によって特徴付けられる（非特許文献１５）。より高いパルスエネルギーでは、タイプＩＩＩの修正が起こり、そこではナノ格子が無秩序になり、微小爆発（非特許文献１６）が焦点体積内に空隙を作り出す。
【０００４】
ナノ格子の形成は、近年広く研究されてきたが、正確な基礎となるプロセスは、現在の研究の主題のままである。モデルは、とりわけ定在波干渉（非特許文献１５）およびナノプラズモニクス（非特許文献１１）に基づいて提唱されており、そして真の性質はそれぞれの組み合わせを組み込んでもよい。ナノ格子の正確な構造化は、正のフィードバックループが存在し、それによってエネルギーが周期的に蓄積して、それらの形成に至ることを示唆している。さらなる研究により、ナノ格子は、ナノプレーンからの散乱光の建設的干渉によって生成された隣接するナノプレーン間に生じる強度ピークのために、短縮期間と共に進化することを実証した（非特許文献１７）。
【０００５】
かなりの関心を集めている第２の徴候は、レーザー修正された領域のケミカルエッチング速度を高めるためにＵＬＩが使用され得るということである。ケミカルエッチングと組み合わせてＵＬＩを使用することは最近大きな注目を集めており、電気通信から医薬までの範囲にわたる用途でマイクロメートル規模でのマイクロオプティカル（非特許文献８）、マイクロ流体（非特許文献９）、およびマイクロメカニカル（非特許文献１０）デバイスの製造を可能にしている。
【０００６】
ケミカルエッチングを用いたＵＬＩは、自由形状構造を有する部品を供給するという他のガラスの微細製造技術に対して、特に、ユニークな利点を提供する。さらに、この方法は適応性があり、拡張性があり、そして費用効果があり、膨大な数の用途のためのカスタム光学部品の製造に非常に適している。しかしながら、ＵＬＩの複雑な性質は、多くの変数が刻印中のガラスの全体的な修正に寄与するという事実から生じており、あるシステムから次のシステムへの繰り返し可能な製造は、必ずしも容易ではないことを意味している。
【０００７】
分光技術は、体内の組織のタイプを区別するために医学研究で使用されている。光子吸収、放出、および散乱を含むものを含み、多くの形態の分光分析が研究されてきた。これらのカテゴリーのいずれかで分光法を実行するための重要なステップは、通常同じであり、励起または励起光が標的部位に送達され、光は物質と相互作用し、散乱または吸収され、スペクトル的に変化した光が集められ、集められた光は分光情報を分解し、物質を構成する原子と分子を識別するために分散される。多くの場合、関心のある組織部位にアクセスするのは困難であり、組織とプロービング器具との間に直接の見通し線がない。この例には、食道の裏地と遠位の肺が含まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｄａｖｉｓ、Ｋ．  Ｍ．、Ｍｉｕｒａ、Ｋ．、Ｓｕｇｉｍｏｔｏ、Ｎ．ｅｔ  ａｌ、「フェムトセコンドレーザーを用いてのガラスへの導波路の書き込み」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２１（２１）、１７２９〜１７３１（１９９６）
【非特許文献２】Ｔｈｏｍｓｏｎ、Ｒ．Ｒ．、Ｈａｒｒｉｓ、Ｒ．Ｊ．、Ｂｉｒｋｓ、Ｔ．Ａ  ｅｔ  ａｌ、「アストロフォトニクスのための１２１導波路ファンアウトの超高速レーザー刻印」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３７（１２）、２３３１〜２３３３（２０１２）
【非特許文献３】Ｃｈｅｎ、Ｆ  ａｎｄ  ｄｅ  Ａｌｄａｎａ、Ｊ．Ｒ．Ｖ．、「フェムトセコンド  −  レーザーマイクロマシニングにより製造された結晶性誘電材料中の光導波路」、Ｌａｓｅｒ  ＆  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ、８（２）、２５１〜２７５（２０１４）。
【非特許文献４】Ｍａｒｓｈａｌｌ、Ｇ．Ｄ．、Ａｍｓ、Ｍ．、ａｎｄ  Ｗｉｔｓｆｏｒｄ、Ｍ．Ｊ．、「バルク溶融シリカ中の直接レーザー書き込み導波路  −  ブラッグ格子」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３１（１８）、２６９０−２６９１（２００６）
【非特許文献５】Ｎｏｌｔｅ、Ｓ．、Ｗｉｌ、Ｍ．、Ｂｕｒｇｈｏｆｆ、Ｊ．Ｅｔ  ａｌ、「フェムトセコンド導波路書き込み：３次元集積光学への新たな道」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａ  −  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、７７（１）、１０９〜１１１（２００３）
【非特許文献６】Ｈｉｒａｏ、Ｋ．  ａｎｄ  Ｍｉｕｒａ、Ｋ．、「フェムトセコンドレーザーによるシリカおよび関連材料への導波路および格子の書き込み」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｓｏｌｉｄｓ、２３９（１〜３）、９１〜９５（１９９８）
【非特許文献７】Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ、Ｄ．、Ａｒｒｉｏｌａ、Ａ．、Ａｌｌｉｎｇｔｏｎ  −  Ｓｍｉｔｈ、Ｊ．Ｒ．  Ｅｔ  ａｌ、「近赤外天文学機器のための自由形状マイクロレンズアレイに向けて」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＳＰＩＥ。  ９１５１（２０１４）
【非特許文献８】Ｗｕ、Ｄ．、Ｘｕ、Ｊ．、Ｎｉｕ、Ｌ．Ｇ．  ｅｔ  ａｌ、「カップリングフリーオプトフルイディクスセル計数のためのフラット足場支持フェムトセコンドレーザー微細加工を用いた設計可能なマイクロ光学デバイスのチャンネル内統合」、Ｌｉｇｈｔ−Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、４  、８（２０１５）
【非特許文献９】Ｓｕｇｉｏｋａ、Ｋ．ａｎｄ  Ｃｈｅｎｇ、Ｙ．、「フェムトセコンドレーザーマイクロマシニングによるガラス内の三次元マイクロ流体構造の製作」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａ  −  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、１１４（１）、２１５〜２２１（２０１４）
【非特許文献１０】Ｈｏｒｓｔｍａｎｎ−Ｊｕｎｇｅｍａｎｎ、Ｍ．、Ｇｏｔｔｍａｎｎ、Ｊ．  ａｎｄ  Ｗｏｒｔｍａｎｎ、Ｄ．、「Ｆｓレーザー誘起選択的なエッチングによるＳｉＯ2およびサファイアのナノおよび微細構造」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｍｉｃｒｏ  Ｎａｎｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、４（２）、１３５−１４０  （２００９）
【非特許文献１１】Ｂａｒｄｗａｊ、Ｖ．Ｒ．、Ｓｉｍｏｖａ、Ｅ．、Ｒａｊｅｅｖ、Ｐ．Ｐ．  ｅｔ  ａｌ「溶融シリカ内部の平面ナノ構造の光学的に製造されたアレイ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９６（５）、４（２００６）
【非特許文献１２】Ｈｅ、Ｆ．、Ｃｈｅｎｇ、Ｙ．、Ｑｉａｏ、Ｌ．Ｌ  ｅｔ  ａｌ、「フェムトセコンドレーザーマイクロマシニングにより溶融シリカチップ上に製作されたマイクロレンズを用いた２光子蛍光励起」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９６（４）、（２０１０）
【非特許文献１３】Ｂｅｌｌｏｕａｒｄ、Ｙ．、Ｂａｒｔｈｅｌ、Ｅ．、Ｓａｉｄ，  ＡＡ  ｅｔ  ａｌ「低エネルギーフェムトセコンドレーザーパルスにさらされたバルク溶融シリカの走査型熱顕微鏡およびラマン分析」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１６（２４）、１９５２０−１９５３４（２００８）
【非特許文献１４】Ｈｎａｔｏｖｓｋｙ、Ｃ．、Ｔａｙｌｏｒ、Ｒ．Ｓ．、Ｒａｊｅｅｖ、Ｐ．Ｐ．  ｅｔ  ａｌ  「溶融シリカ中のフェムトセコンドレーザー加工ナノ格子のパルス幅依存性」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、８７（１）、（２００５）
【非特許文献１５】Ｓｈｉｍｏｔｓｕｍａ、Ｙ．、Ｋａｚａｎｓｋｙ、Ｐ．Ｇ．、Ｑｉｕ、Ｊ．Ｒ，  ｅｔ  ａｌ  「超短光パルスにより照射されたガラス中の自己組織化ナノ格子」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９１（２４）、４（２００３）
【非特許文献１６】Ｇｌｅｚｅｒ、Ｅ．  Ｎ．  ａｎｄ  Ｍａｚｕｒ、Ｅ．，「透明材料におけるマイクロ爆発で駆動される超高速レーザー」  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、７１（７）、８８２−８８４（１９９７）
【非特許文献１７】Ｌｉａｏ、Ｙ．、Ｐａｎ、Ｗ．Ｊ．、Ｃｕｉ、Ｙ．Ｅｔ  ａｌ  「フェムトセコンドレーザー照射によるガラス中の１００ｎｍ以下の周期を有するインボリュームナノ格子の形成」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、４０（１５）、３６２３−３６２６（  ２０１５）
【非特許文献１８】Ｋａｎｇ、Ｊ．Ｋ．ａｎｄ  Ｍｕｓｇｒａｖｅ、Ｃ．Ｂ．  「ＳｉＯ2のＨＦ  ／  Ｈ2Ｏケミカルエッチングのメカニズム」  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１１６（１）、２７５−２８０（２００２）
【非特許文献１９】Ｍａｒｃｉｎｋｅｖｉｃｉｕｓ、Ａ．、Ｊｕｏｄｋａｚｉｓ、Ｓ．、Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｍ．  ｅｔ  ａｌ  「シリカ中のフェムトセコンドレーザー支援三次元微細加工」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２６（５）、２７７−２７９（２００１）
【非特許文献２０】Ｈｎａｔｏｖｓｋｙ、Ｃ．、Ｔａｙｌｏｒ、Ｒ．Ｓ．、Ｓｉｍｏｖａ、Ｅ．Ｅｔ  ａｌ，「溶融シリカにおけるフェムトセコンドレーザー支援マイクロ流体チャンネル製造における偏光選択的エッチング」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３０（１４）、１８６７〜１８６９（２００５）
【非特許文献２１】Ｂｅｌｌｏｕａｒｄ、Ｙ．、Ｓａｉｄ、Ａ．、Ｄｕｇａｎ、Ｍ．  ｅｔ  ａｌ、「フェムトセコンドレーザーパルスおよびケミカルエッチングを用いた高アスペクト比のマイクロ流体チャンネルおよびトンネルの作製」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１２（１０）、２１２０−  ２１２９（２００４）
【非特許文献２２】Ａｇａｒｗａｌ、Ａ．Ａｎｄ  Ｔｏｍｏｚａｗａ、Ｍ．、「赤外スペクトルとの溶融シリカ特性の相関関係」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｎｏｎ  −  Ｃｒｙｓｔａｌｌｙ  Ｓｏｌｉｄｓ、２０９（１−２）、１６６−１７４（１９９７）
【非特許文献２３】Ｔａｙｌｏｒ、Ｒ．、Ｈｎａｔｏｖｓｋｙ、Ｃ．、ａｎｄ  Ｓｉｍｏｖａ、Ｅ．、「溶融シリカガラス内のフェムトセコンドレーザー誘起自己組織化平面ナノクラックの応用」、Ｌａｓｅｒ＆Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗｓ、２（１−２）、２６−４６（２００８）
【非特許文献２４】Ｃａｎｎｉｎｇ、Ｊ．、Ｌａｎｃｒｙ、Ｍ．、Ｃｏｏｋ、．  ｅｔ  ａｌ、「フェムトセコンドレーザー処理され招かれたらシリカ導波路の解剖学」、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、１（５）、９９８〜１００８（２０１１）
【非特許文献２５】Ｆｉｏｒｉｎ、Ｒ．、ｄａ  Ｃｏｓｔａ、Ｌ．  Ｎ．、  Ａｂｅ、Ｉ．  ｅｔ  ａｌ  「フェムトセコンドレーザーとケミカルエッチングによるソーダ石灰ガラス中のマイクロチャンネルの製造」、２０１３  Ｓｂｍｏ  ／  Ｉｅｅｅ  Ｍｔｔ−Ｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ｉｃｒｏｗａｖｅ  ＆  Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （Ｉｍｏｃ）、  ３（２０１３）
【非特許文献２６】Ｒｉｃｈｔｅｒ、Ｓ．、Ｈｅｉｎｒｉｃｈ、Ｍ．、Ｄｏｒｉｎｇ、Ｓ．  ｅｔ  ａｌ、「高い繰り返し率でのフェムトセコンドレーザー誘起ナノ格子の形成」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａ  −  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ、１０４（２）、５０３〜５０７（２０１１）
【非特許文献２７】Ｄｒｓ、Ｊ．、Ｋｉｓｈｉ、Ｔ．、ａｎｄ  Ｂｅｌｌｏｕａｒｄ、Ｙ．、「複雑な三次元物体のレーザー支援モーフィング」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、２３（１３）、１７３５５−１７３６６（２０１５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光ファイバーは、身体の領域に到達するのが困難な場合に、分光法を実行するために使用されてきた。ファイバーを使用して、光は、空洞、中空器官、または皮下注射針を介して軟組織を通過した内視鏡の器具チャンネルを通って配送および収集される。可能な限り多くの光を集めるために、光を組織上に導き、そして次にファイバーに戻すための光学システムが遠位端に必要とされている。操作の侵襲的性質のために、遠位端光学システム（ＤＯＳ）を小型化したいという要望がある。小型化プロセスは製造の観点から困難である。この多くの場合、個々のマイクロ構成要素の複雑な手動調整が必要である。結果として、現在のＤＯＳ製造技術は高価で、労働集約的であり、そして一般に、商業的製造には不適当である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、誘電体基質をレーザー刻印して基質の材料を修正する工程と、未修正材料よりも高いエッチング速度で修正材料を除去するように基質をケミカルエッチングする工程とを含むデバイスの製造方法が提供される。レーザー刻印は、修正材料が、非修正材料よりも高いエッチング速度を有する複数のタイプの修正材料から選択されたタイプとなるように制御される。
【００１１】
修正材料のタイプを制御することによって、所望のエッチング速度選択性が達成され、製造プロセスの信頼性が向上される。
【００１２】
複数のタイプの修正材料は、タイプＩ、タイプＩＩおよびタイプＩＩＩを備えるかまたはそれらからなってもよい。選択されたタイプは、全ての修正材料について同じであり得、そして好ましくはタイプＩＩである。タイプＩＩの修正は、タイプＩおよびタイプＩＩＩの修正材料と比較して、より大きいエッチング速度選択性（修正材料と未修正材料のエッチング速度の間の比）を達成すると考えられる。しかしながら、特定のデバイスの製造のためには、修正された材料の異なる領域間で異なるエッチング速度を有することが望ましいかもしれない。したがって、基質の異なる領域に対して異なる選択されたタイプを使用することができる。異なるタイプの修正材料間の遷移領域は、エッチング液の輸送を制御するために使用されてもよい。
【００１３】
複数のタイプの修正材料は、異なる配向のナノ格子（例えば、タイプＩＩの修正材料で達成されるように、高屈折率と低屈折率を有する材料の周期面）を含み得る。選択されたタイプは、実質的に刻印方向におけるナノ格子の整列であってもよい。
【００１４】
レーザー刻印は、刻印方向に対するレーザービームの偏光の方向を制御するように制御されてもよい。レーザー刻印は、レーザービームの電界が刻印方向に対して実質的に直交して整列するように制御されてもよい。
【００１５】
レーザー刻印は、修正材料の選択されたタイプを達成するために、レーザービームのエネルギーがエネルギー閾値を超えて維持されるように制御されてもよい。基質はシリカ材料を含んでもよく、エネルギー閾値は１００〜２００ｎＪの間でもよい。
【００１６】
レーザー刻印は、パルスレーザーの使用を含むことができ、レーザーは、レーザーパルスの繰り返し率を所定の繰り返し率の閾値内に維持するように制御することができる。基質はシリカ材料を含んでもよく、繰り返し率の閾値は、１ＭＨｚ未満および／または２ＭＨｚを超えてもよい。
【００１７】
レーザー刻印は、修正材料の層を形成するように制御されてもよく、修正材料の層間の分離は、所定の層分離閾値内に維持される。基質はシリカ材料を含み、層分離の閾値は０．７μｍから１０μｍの間であってもよい。
【００１８】
レーザー刻印は、デバイスが所望の表面トポグラフィーを有するように、レーザービームの偏光を制御することによって制御されてもよい。
【００１９】
レーザー刻印は、デバイスの表面を形成する場所に修正材料を形成するとき、レーザービームの偏光が表面に対して実質的に直交するように、制御されてもよい。これにより、ケミカルエッチングによって表面に横方向の隆起が生じる。そのような表面は、回折格子などの所望の光学作用を達成するために有用であるかもしれない。
【００２０】
レーザー刻印は、デバイスの表面を形成する場所に修正材料を形成するとき、レーザービームの偏光が表面に対して実質的に平行に配向されるように、または円形の偏光になるように、制御されてもよい。これは、表面に対して直交する偏光を有するレーザービームの場合よりも滑らかな表面の形成をもたらかもしれない。
【００２１】
方法は、ケミカルエッチングの後に基質を火炎研磨することを含んでもよい。火炎研磨は、全体的な表面形状を維持しながら、デバイスの表面粗さを減少させるべく使用されてもよい。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、デバイスの製造に使用されるレーザー刻印装置への命令を生成する方法が提供され、ここでデバイスは、基質の材料を修正するべく誘電体基質をレーザー刻印すること、そして修正された材料を除去するべく未修正材料よりも高いエッチング速度でケミカルエッチングすることによって製造される。この方法は、パラメータを使用して達成される所定のエッチング速度選択性に基づいてレーザー刻印パラメータを選択すること、そしてレーザー刻印装置が選択されたパラメータに基づいて基質をレーザー刻印するのを生じさせる命令を生成することを含んでいる。
【００２３】
方法は、形成されるデバイスのジオメトリーに基づいてパラメータを決定することを含んでもよい。基質の材料を修正するために使用されるパラメータは、基質の表面の配向、要求される表面粗さなどの基質の機能、および／または修正される材料の異なる体積に要求される異なるエッチング速度に依存し得る。パラメータは、これらの所望の結果を達成するために選択されてもよい。
【００２４】
パラメータは、例えば、刻印方向および／または形成されるデバイスの表面に対するレーザービームの偏光、レーザービームのエネルギー、レーザービームの繰り返し率、修正される材料の層間の間隔および書き込み速度のうちの１つまたは複数であってもよい。
【００２５】
本発明の第３の態様によれば、プロセッサによって実行されるとき、プロセッサに本発明の第２の態様の方法を実行させる命令を格納したデータ記憶媒体が提供される。
【００２６】
本発明の上記態様のデータ記憶媒体は、例えば、フロッピーディスク、ＣＤ ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ ／ ＲＡＭ（−Ｒ ／ −ＲＷおよび＋ Ｒ ／ ＋ ＲＷを含む）、ＨＤ ＤＶＤ、ブルーレイディスク、メモリ（メモリースティック（商標）、ＳＤカード、コンパクトフラッシュ（登録商標）カードなど）、ディスクドライブ（ハードディスクドライブなど）、テープ、任意の磁気／光記憶デバイス、またはワイヤまたは光ファイバー上の信号または無線信号、例えば有線または無線ネットワークを介して送信される信号などの一時的なデータキャリア（インターネットダウンロード、ＦＴＰ転送など）などの非一時的データ記憶媒体のような命令を機械に提供するのに適した媒体とすることができる。
【００２７】
本発明の第４の態様によれば、基質の材料を修正するために誘電体基質をレーザー刻印することと、未修正材料よりも高いエッチング速度で修正材料を除去するために基質をケミカルエッチングすることとを含み、レーザー刻印することが本発明の第２の態様に従って生成された命令に基づいて制御されるデバイスの製造方法が提供される。
【００２８】
本発明の第５の態様によれば、光学的に透明な材料の単一の基質であって、その中に少なくとも１つの集光レンズおよびチャンネルが形成されている単一の基質を備え、当該チャンネルは、光ファイバーを受け入れ、そして前記集光レンズが当該集光レンズによって収集された光を前記光ファイバーに結合させるべく、その中に挿入された光ファイバーを整列させるように配列されている光学デバイスが提供される。
【００２９】
集光レンズは、収集された光を光ファイバーの端部または内部の一点に集束させてもよい。
【００３０】
単一の基質は、励起光を単一の基質の外側の焦点に集束させるための１つ以上の伝送レンズをさらに備え、そして集光レンズは、焦点から散乱された光を光ファイバーに結合させるように配列されていてもよい。
【００３１】
単一の基質は、その中に、伝送レンズと、配送用光ファイバーを受け入れるためのさらなるチャンネルとが形成され、さらなるチャンネルは、配送用光ファイバーによって配送された励起光が伝送レンズに衝突するように、その中に挿入された配送用光ファイバーを整列させるべく配列されていてもよい。伝送レンズは、励起光をコリメートするコリメートレンズであってもよい。さらなるチャンネルは、チャンネルが集光レンズに対して終端する場所よりも伝送レンズに近いところで終端してもよい。このようにして、コリメートレンズに対する集光レンズの面積の比は、それらのそれぞれの光軸に沿う同じ位置でチャンネルとさらなるチャンネルとを終端させることと比較して増加されてもよい。この比率は、光デバイスの対応する収集効率に影響を及ぼす、単一デバイスのためのフィルファクタ（ｆｉｌｌ  ｆａｃｔｏｒ）を画定している。
【００３２】
光学デバイスは、（コリメートレンズによってコリメートされていてもよい）励起光を一点に集束させるための集束レンズ、および／または励起光にさらされる点から発する光をコリメートするためのさらなる別の基質を備えてもよく、さらに別の基質は、接続構造によって単一の基質に接続されている。一体型基質は、別個の基質によって受け入れられ、および／または、別個の基質を受け入れるように構成されてもよい。例えば、一体型基質は、別の基質の対応する雌型または雄型の接続部によって受容されるかまたは受容するための雄型または雌型の接続部を備えることができる。集束レンズおよび収集レンズを支持する別々の基質を提供することは、各レンズの表面の火炎研磨などの研磨を単純化し得るが、これらのレンズが単一の一体型基質に組み込まれる場合、研磨はより困難になり得る。
【００３３】
単一の基質は、複数の集光レンズを備えることができ、各集光レンズはそれに関連する対応するチャンネルを有している。光ファイバーを受け入れるためのこの対応するチャンネルは、集光レンズがこの集光レンズによって収集された光を光ファイバーに結合させるように、それに挿入された光ファイバーを整列させるべく配列されている。複数の集光レンズは、花弁状のデザインで配列されてもよい。花弁状のデザインは、コリメートレンズのような伝送レンズまたは伝送レンズのうちの１つの周りに中心付けられてもよい。
【００３４】
花弁のデザインは、円または環状に連続する集光レンズを提供する複数の集光レンズを備えてもよい。集光レンズの連続体は、伝送レンズまたは伝送レンズのうちの１つを囲んでいる輪の中にあってもよい。各集光レンズの開口は、非円形であってもよい。各集光レンズの開口は、円形または環状の扇形であってもよい。各集光レンズは、伝送レンズまたは伝送レンズのうちの１つから延在することができる。
【００３５】
光学デバイスは、励起光にさらされた点から発する光をコリメートし、そのコリメート光を１つの集光レンズ／複数の集光レンズに向ける集束レンズを備えてもよく、集光レンズ／複数の集光レンズによって満たされるコリメートされた光の開口比は、２／３より大きく、好ましくは７／１０より大きく、最も好ましくは９／１０より大きい。
【００３６】
デバイスは、内視鏡を備えてもよい。一体型のデバイスは、内視鏡の遠位端の一部分を形成してもよい。
【００３７】
内視鏡は、一体型基質のチャンネル内に挿入された収集光ファイバーを含み得る。収集光ファイバーの端部は、収集光ファイバーに入ることから励起光の励起波長をろ過するためのコーティングを含んでもよい。
【００３８】
内視鏡は、励起光を伝送するための光源を備えてもよい。光源は伝送用光ファイバーを備えてもよい。伝送用光ファイバーは、一体型基質のさらなるチャンネル内に収容されてもよい。
【００３９】
収集用光ファイバーおよび／または配送用光ファイバーは、対応するチャンネルまたはさらなるチャンネル内に接着されてもよい。
【００４０】
本発明の第６の態様によれば、本発明の第５の態様による光学デバイスを形成する方法が提供され、当該方法は、光透過性基質を選択的にレーザー刻印することによってレーザー刻印された基質を形成することと、レーザー刻印された基質を基質の材料を除去するべくケミカルエッチングすることとを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明を実施するためのデバイスの概略図である。
【図２ａ】図２ａは、一次元横方向チャンネルのエッチング速度を測定する刻印されたジオメトリーを示す。
【図２ｂ】図２ｂは、（各表面用の刻印ツール経路を有する）二次元表面のエッチング速度を測定する刻印されたジオメトリーを示す。
【図３】図３（ａ）は、１００から５２０ｎＪまで増加するパルスエネルギーで刻印され、９０分間５％ＨＦ溶液中でエッチングされた一群の単一走査チャンネルの顕微鏡写真であり、図３（ｂ）は、刻印され、９０分間５％ＨＦ中でエッチングされた二次元表面へのエッチング液の浸透を示している。エッチング液はガラスの両面に浸透し、これはレーザー書き込み中、刻印対象からのそれらの距離に対応して近（左）および遠（右）として示されている。
【図４ａ】図４ａは、一次元チャンネルのパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、サンプル中に２５０、５００、および７５０μｍの深さで刻印されたチャンネルの偏光状態について、そして全パルスエネルギー範囲にわたっての選択性が測定された。
【図４ｂ】図４ｂは、一次元チャンネルのパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、サンプル中に２５０、５００、および７５０μｍの深さで刻印されたチャンネルの偏光状態について、そして全パルスエネルギー範囲にわたっての選択性が測定された。
【図４ｃ】図４ｃは、一次元チャンネルのパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、サンプル中に２５０、５００、および７５０μｍの深さで刻印されたチャンネルの偏光状態について、そして全パルスエネルギー範囲にわたっての選択性が測定された。
【図４ｄ】図４ｄは、一次元チャンネルのパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、サンプル中に２５０、５００、および７５０μｍの深さで刻印されたチャンネルの偏光状態について、そして全パルスエネルギー範囲にわたっての選択性が測定された。
【図５ａ】図５ａは、平面に関するパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、各偏光状態で刻印された表面の選択性を示すグラフがプロットされている。
【図５ｂ】図５ｂは、平面に関するパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、各偏光状態で刻印された表面の選択性を示すグラフがプロットされている。
【図５ｃ】図５ｃは、平面に関するパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、各偏光状態で刻印された表面の選択性を示すグラフがプロットされている。
【図５ｄ】図５ｄは、平面に関するパラメータスタディの結果を示し、各繰り返し率について、各偏光状態で刻印された表面の選択性を示すグラフがプロットされている。
【図６】図６は、各偏光状態について刻印された層間の間隔の関数としてのエッチング速度を示すグラフである。
【図７】図７は、表面に直交して配列された電界（図７の（ａ））と平行に配列された電界（図７の（ｂ））とでもって刻印された表面間の比較である。水平方向の切れ目は、あるパラメータと次のパラメータとの間隔を示している。
【図８】図８の（ａ）− （ｃ）は、レーザー並進方向に対して直交、平行、および円形（それぞれ（ａ）〜（ｃ））の偏光で刻印された特徴部について、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定された表面トポグラフィーを示し、図８の（ｄ）− （ｆ）は、各表面についての付随するラインプロフィルであり、各ラインのカットアウトは５０μｍにわたり、それぞれの場合において被写界深度は−４００ｎｍである。
【図９】図９は、様々なレーザー偏光（ここでは、−２．５°〜２．５°で示されている）で刻印され、ＨＦ中でエッチングされた表面の高コントラスト顕微鏡写真である。偏光は、中心で表面に直交し、隣接する表面ごとに±０．５°回転している。
【図１０】図１０（ａ）および１０（ｂ）は、偏光角θの関数として測定された隆起間隔ｓのプロットである。ナノ格子間隔ｄが得られるのを許容するようにラインフィットが測定値に適用された。
【図１１】図１１は、マイクロレンズの特徴付けのための実験的設定である。レンズは溶融シリカ基質の縁に刻印されエッチングされている。光はシングルモードのステップインデックスファイバーで照射され、開口がＣＣＤで画像化される。
【図１２】図１２の（ａ）は、直径４００μｍ、厚さ３２μｍの刻印されエッチングされた非球面マイクロレンズの顕微鏡写真であり、図１２の（ｂ）および１２の（ｃ）は、レンズ表面の４２．９μｍ断面にわたって原子間力顕微鏡で測定された三次元および二次元表面形状である。測定断面は高さ０．５８μｍに及んでいる。ＨＦエッチングの特徴である高空間周波数表面がはっきりと見え、９１．５ｎｍのＲＭＳ表面粗さを定量化している。
【図１３】図１３（ａ）は、火炎研磨を受けた後の製造されたマイクロレンズの顕微鏡写真であり、図１３の（ｂ）および１３の（ｃ）は、研磨されたレンズのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）走査データを繰り返して、４２μｍ四方の断面の表面トポグラフィーおよび対応するラインプロフィルを示している。
【図１４】図１４は、比較のために、火炎研磨の前後で測定されたレンズプロフィルと刻印されたプロフィルのプロットである。磨かれたレンズは、わずかに急ではなく、それ故、より球面のプロフィルを有している。刻印されたレンズとエッチングされたレンズとの間の違いは、刻印された経路を囲む領域内の元の材料のエッチングによって生じている。
【図１５】図１５は、ＣＣＤ上に撮像された画像であり、図１５の（ａ）は、ＣＣＤ上に撮像されたシングルモードファイバーからのモードの画像、図１５の（ｂ）および１５の（ｃ）は、研磨されていない（ｂ）および火炎研磨された（ｃ）の両方の刻印されたマイクロレンズを通して撮像された同じファイバーモードを示している。
【図１６】図１６は、中心ファイバーを介して光を伝達し、周囲の６本のファイバーを使用して後方散乱光を集める遠位端光学システム（ＤＯＳ）の二次元概略図を示している。
【図１７】図１７は、ある長さの微小光学素子を通って発散した後に、ファイバーからの励起光をコリメートするために使用されるレンズのモデル化の結果を示す。
【図１８】図１８は、ポンプ光をサンプル上に集束させ、戻ってくるラマン信号をコリメートする、集束構成（左）およびコリメーション構成（右）における集束レンズのモデル化の結果を示す。
【図１９】図１９は、５０μｍのコア直径を有するマルチモードファイバーへのラマン信号結合をモデル化した結果を示す。
【図２０】図２０は、ＤＯＳを構成する組み立てられた構成要素のレンダリング（完成予想図）を示し、ここで、ラマン信号収集レンズは、信号検出効率を最大にするために重なっている。
【図２１】図２１は、ＤＯＳの後ろのスポットに集束する励起光およびラマン信号生成の光線追跡モデルであり、光線はレンズ対によってコリメート（平行に）され収集された信号の割合を示している。ＤＯＳ開口で検出された一部の光線は、収集ファイバーに向かって反射されるが、結合することはできない。
【図２２】図２２は、集光ファイバーの入口に位置される検知器面に入射する光の強度分布である。
【図２３】図２３の（ａ）は、１つの周りの６つのマイクロレンズの写真であり、図２３（ｂ）は、上方から見たマイクロレンズの光学顕微鏡写真、そして図２３（ｃ）は、ある角度での当該マイクロレンズの光学顕微鏡写真である。
【図２４】図２４の（ａ）は、７つの発散スポットを示すマイクロレンズアレイを通る７８０ｎｍ光の画像であり、図２４の（ｂ）から（ｄ）は、焦点を通過するときに光を集めるために使用される２５ｍｍレンズによって生成されるスポットを示す画像であり、そして、図２４の（ｅ）は、焦点に集められた７つのスポットのカメラ画像である。
【図２５】図２５は、本発明の他の実施形態に係る遠位端光学システムの断面図である。
【図２６】図２６は、図２５に示された遠位端光学システムの端面図である。
【図２７】図２７は、２つのレンズ面を示し、図２７（ａ）は、円形の集光レンズのアレイを有し、および図２７（ｂ）は、重なり合う「花弁」デザインを有する集光レンズのアレイを有している。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
選択的なエッチング
フッ化水素酸（ＨＦ）溶液に浸されると、溶融シリカは溶解して、最初にフッ化ケイ素、その後、化学反応に続いてケイフッ化水素酸を形成する（非特許文献１８）。
ＳｉＯ2 ＋ ６ ＨＦ→Ｈ2 ＳｉＦ6 ＋ ２ Ｈ2Ｏ。
【００４３】
溶融シリカのエッチング速度は、ガラスとエッチング液の間の分子化学、および温度などの外部要因によって異なる。選択的エッチングのためには、１〜４０％の酸を含有する水溶液が一般的に使用され、そしてエッチング時間は、数分から数時間まで変化し得る。５％ＨＦ溶液中に浸漬されたとき、未修正の、すなわち元のままの溶融シリカは、約０．０５μｍ ／分のエッチング速度を有している。修正されたタイプＩ、ＩＩおよびＩＩＩは、それぞれ、エッチング速度の増加を容易にすることが示されており（非特許文献１９）、そして特定の刻印パラメータについては、最大で２桁までの増加を達成することができる（非特許文献２０）。エッチング速度の増加に寄与するメカニズムは、存在する修正のタイプに依存する。タイプＩの修正では、リングオーダ（環の秩序）の短縮による平均Ｓｉ − Ｏ − Ｓｉ結合角の減少が、エッチング速度との相関関係を見ている（非特許文献２１，２２）。
【００４４】
タイプＩＩでは、エッチング速度はナノ格子の配向に大きく依存し、最大エッチング速度が配向面に沿った方向で観察される。より速いエッチング液の輸送を可能にするナノクラック（非特許文献２３）および多孔質材料平面（非特許文献２４）の存在は、この状況で観察された方向性エッチング速度の増加を潜在的に説明することができる。最後に、タイプＩＩＩの修正で観察されたエッチング速度の増加は、タイプＩで経験した修正に加えて、材料内のマイクロ空洞の存在によって説明することができる。
【００４５】
最初に、マイクロ光学素子の効率的な製造を達成するために、刻印された光学部品の形状は、エッチング後に複製される必要がある。これを拡張して、製造の解像限界は、刻印プロセスだけでなくエッチング段階によっても設定される。元のままの溶融シリカは固有のエッチング速度を有するので、ＨＦ中に浸漬されると、修正領域と未修正領域の両方がエッチングされる。形状分解能は、エッチング段階の間に費やされる合計時間を最小にすることによって最大にされる。言い換えれば、エッチング選択性、すなわち、修正材料と未修正材料のエッチング速度の間の比は、最大にされるべきである。第二に、エッチング後に得られる表面の粗さは、光学スループットおよびマイクロ光学素子の品質を最大にするために、最小にされるべきである。
【００４６】
［実験方法］
刻印手順
レーザー刻印は、１０３０ｎｍで３５０ｆｓパルスを放射するＭｅｎｌｏ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ＢｌｕｅＣｕｔファイバーレーザーを使用して達成された。パルス繰り返し率は、２５０ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚおよび２ＭＨｚの間で選択可能であった。ビームのパルスエネルギーと偏光状態の自動制御は、図１のように配列され、電動回転マウントに取り付けられた一連の波長板と偏光ビームスプリッタを使用して達成された。ビームは、０．４ＮＡの非球面対物レンズを用いて、溶融シリカ（屈折率＝１．４５０）に集束させたとき、理論１ ／ ｅ2上の２．１９μｍのスポット直径および７．３０μｍの共焦点パラメータの回折限界スポットに集束された。１０×１０×１ｍｍの寸法の刻印されるべきサンプルが正方形の開口内に取り付けられ、上下両方からの調査を可能にした。各方向に２５ｍｍ移動し、０．１マイクロメートルの分解能を有する３軸ＡＬＩＯインダストリーズの並進ステージを使用して、刻印中に集束ビームを通してサンプルを平行移動させた。空気圧カウンターバランスと対になったクロスローラーベアリングを使用して、滑らかな３次元移動が達成された。ステージは、各軸にＵＤＭｎｔスレーブモジュールを備えたＡＣＳ  Ｍｏｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ＳＰｉｉＰｌｕｓ  ＮＴＭネットワークマネージャを介してイーサネット（登録商標）経由で制御された。
【００４７】
フェムトセコンドのレーザーパルスは、それらのエネルギーおよび偏光を制御するために、一連の自動回転波長板および偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を通過する。ビームは、下方からサンプル上に集束された０．４ＮＡ非球面レンズを介して、背面研磨（ＢＰ）ミラーによって偏向される。電力が監視され、刻印プロセスがリアルタイムで画像化される。
【００４８】
エッチング手順
すべてのエッチングは、１部の４０％ストックＨＦを７部の脱イオン水に希釈することによって調製した５％フッ化水素酸（ＨＦ）水溶液中で行なわれた。サンプルがエッチング液に浸され、エッチング時間中、典型的には１〜４時間超音波浴に置かれた。エッチング後、サンプルは最初に脱イオン水中で、最後にアセトンの超音波浴中で複数回、すすがれた。
【００４９】
［パラメータ調査］
方法論
刻印中にエネルギーが材料に蓄積されるプロセスは、発生する修正に大きな影響を与える可能性がある。エネルギー蓄積は、波長、パルス幅、パルスエネルギー、偏光状態、パルス繰り返し率および集束ＮＡを含む多くの照射パラメータを変えることによって制御することができる。照射パラメータに加えて、材料がスポットを通って並進される速度、深さおよび方向も修正に影響を及ぼし得る。したがって、さまざまな材料の修正が発生する可能性がある広大なパラメータ空間が存在している。全パラメータ空間にわたって大域的最適パラメータを見つけることを試みる実験を実行することは実際的ではなく、そのような最適パラメータがあるシステムから次のシステムへと保存されるという保証はない。その代わりに、特にマイクロ光学製造を考慮して、局所的最適パラメータが見出された。そのために、調査したパラメータ空間が表１にまとめられている。
【００５０】
【表１】
2020509400.tif 000003
【００５１】
刻印ジオメトリーもまたエッチング速度に影響を与える。例えば、一次元チャンネルは、材料を通るエッチング液の移動のために、同一の照射パラメータで刻印されるとき、二次元表面に対して異なる速度でエッチングすることがある。三次元造形物作製のために、表面と横方向チャンネルとの組み合わせが一般的に書き込まれる。そのために、これらの各ジオメトリーについてパラメータ空間が調べられた。刻印された構造体の形態は、図２ａおよび図２ｂに示されている。
【００５２】
チャンネルは、単一のトラックに沿って、レーザーフォーカスを通して基質を横方向に１回並進させることによって刻印された。ガラス基質の縁部近くに刻印されるチャンネルの場合、高ＮＡレンズに関連する急峻な入射角のためにビームクリッピングが生じる。クリッピングは修正の効果を少なくし、より深い刻印深さの場合でより顕著になる。バルク中に均質に修正された材料を露呈させるために、エッチングの前にガラスの縁部が数十マイクロメートル削られ研磨された。
【００５３】
サンプルを通して焦点をラスター走査することによって表面が刻印され、基質の全厚に亘って修正された材料平面を形成した。表面は、２３０μｍの幅および隣接する平面間の２０μｍの間隔で書き込まれた。基質は部分的にエッチングされ、各面を通るエッチング液の浸透距離が測定された。次に、選択された基質をもう一度エッチングして、エッチング液がサンプルを完全に貫通するようにした。
【００５４】
その後、基質は修正された領域を露呈させ、そして表面プロファイリングおよび調査のための直接アクセスを提供するべく切り裂かれた。
【００５５】
［結果］
エッチング速度選択性
選択性は、修正された材料と未修正材料のエッチング速度の間の比として測定された。ガラスのエッチングは本質的に三次元であるが、我々にとって興味のあるエッチング液の輸送は一方向として単純化することができる。それ故、ここでの全てのエッチング速度は時間当たりの長さの単位で引用される。未使用材料のエッチング速度は、５％ＨＦ溶液中に２４時間純粋な溶融シリカを浸し、チャンネルの場合には問題の刻印された構造と同じ軸に沿って、すなわち長軸（ｙ軸）に沿って、表面の場合には短辺（ｚ軸）に沿ってエッチバック長を測定することにより測定された。この方法を使用して、バージン（未使用）エッチング速度は、ｙ軸およびｚ軸に沿ってそれぞれ０．０５１±０．００５μｍ ／分および０．０４７±０．００５μｍ ／分であると測定された。
【００５６】
一次元チャンネル
エッチング後に撮った刻印チャンネルの典型的な顕微鏡写真が図３ａに示されている。それ自体選択性の指標であるチャンネルの先細りは、エッチング液が伝播するにつれてチャンネルが経験する純粋な材料の外側へのエッチングによって引き起こされる。
【００５７】
チャンネルの長さが測定され、個々のパラメータセットの選択性を計算するために使用された。選択性Ｓは、
【００５８】
【数１】
2020509400.tif 000004
として計算された。ここで、ｌ（エル）はチャンネル長、εは未使用材料のエッチング速度、Ｔはエッチング時間である。各繰り返し率および書き込み深さに対するパルスエネルギーの関数としてのエッチング速度は、図４ａ〜４ｄにグラフで示されている。
【００５９】
個々の照射パラメータは、チャンネルのエッチング速度において観察された傾向の原因である。各パラメータからの寄与がここに要約される：
【００６０】
パルスエネルギー：  最小のパルスエネルギー、すなわち修正閾値が必要とされ、それの前には選択性への増加は起こらなかった。エッチング速度の急激な上昇は、タイプＩＩの形態（レジーム）に入る修正に対応している。この修正閾値は、基質内により深く刻み込むとき、増加した。これは、ガラスを通して集中されるスポットの収差によるものである。修正閾値は１００〜２００ｎＪの範囲内にあることが見出された。閾値が達成された後、選択性は、平行な偏光および円形の偏光ではわずかに増加し続け、直交する偏光では着実に減少した。より高いパルスエネルギーに対する選択性の減少は、修正がタイプＩＩからタイプＩＩＩへ移行するにつれてナノ格子の予想される無秩序化によって説明することができる。
【００６１】
偏光：  選択性を決定する際の最も重要な変数は、レーザー電界の向きであった。刻印方向に対して直交して整列された場合、最大選択性は、５〜１０の平行偏光および円形偏光と比較して、各繰り返し率について１００以上であることが見出された。これらの結果は、透過性ナノ格子が速いエッチング液輸送を可能にし（非特許文献２５）、そして偏光方向に対して直交して形成するという現在の理論と一致する。
【００６２】
繰り返し率：  パルス繰り返し率は、修正される材料のエッチング速度にそれほど大きな影響を及ぼさなかった。選択性の急激な低下は、１ＭＨｚでの高いパルスエネルギーに対して見られる。これはおそらく、刻印中の高い繰り返し率に関連した熱の蓄積によるものであり、おそらくナノ格子の崩壊を招く。
【００６３】
平面
９０分間エッチングした後、照射された表面が基質の縁部を通して写真撮影され、エッチング液の侵入深さが測定された。典型的なエッチング面が図３（ｂ）に示されている。ここでもまた、パルスエネルギーの関数として、そして調べられた各パラメーターについてのエッチング速度選択性が、図５ａ〜５ｄにプロットされている。層の分離、すなわち表面ラスターパターンの隣接するラング（ｒｕｎｇ）間の間隔が、２５０ｋＨｚのパルス繰り返し率で刻印された平面についてさらに調べられ、その結果が図６にプロットされている。
【００６４】
また、各パラメータ群からのエッチング速度への寄与が分析された。
【００６５】
パルスエネルギー：  表面については、エッチング速度修正閾値は、パルス当たり約１００ｎＪに達せられた。より高いパルスエネルギーでは、選択性は、徐々に増加する平行な偏光を除いて横ばいになるように見えた。
【００６６】
偏光：  刻印されたチャンネルと同様に、表面は、刻印方向に対して直交して整列された入射電界で刻印されたときに最大の選択性を示す。やはりこれも、線形偏光配向に対して直交し、修正材料内に形成するナノ格子の整列によるものである。結果は、修正される領域を通るエッチング液の輸送における偏光の重要性を強調しており、ナノ平面が表面に沿って整列するとき、エッチング液は表面を横切って浸透することができるが、直交するナノ平面の場合には、エッチング液は基質を長手方向に貫通して浸透することしかできない。
【００６７】
繰返し速度：  並進速度は終始一定に保たれたので、単位長さ当たりに蓄積された総エネルギーは、パルス繰返し速度と共に線形的に変化する。繰り返し率は、平均選択性が他の繰り返し率での刻印に対して半分に減少した１ＭＨｚでの刻印を除いて、選択性に微妙にしか影響を及ぼさないように見えた。バルク内での熱蓄積は、ナノ格子の破壊およびエッチング速度の明らかな低下の原因となり得ると考えられている。しかしながら、エッチング速度は、熱蓄積がより大きくなると予想される２ＭＨｚで回復されている。エッチング液の輸送は、ナノ格子が乱れ始めるタイプＩＩとタイプＩＩＩとの間の移行の間に最も妨げられている。
【００６８】
層分離：  直交偏光の場合、図６において平坦な青い曲線で表されるように、層間の分離はエッチング速度にほとんど影響を及ぼさないことが観察される。しかしながら、平行偏光および円形偏光の場合、層が互いに接近するにつれてエッチング速度は増加する。製造時間は層分離の逆数に比例するので、実際には、エッチング速度と層分離との間にトレードオフが存在する。０．７から１μｍの間の層分離が最適であるように見え、そしてこのレベルでは、円形および平行偏光の選択性が直交偏光のそれに近づく。
【００６９】
「刻印方向」は、ある幾何学座標から次の幾何学座標への横方向の変位の方向である。例えば、図２に示される座標システムを使用すると、一次元チャンネルは、ｙに沿ってサンプルを並進移動することによって、ｙ軸に沿っての刻印方向に刻印された。ナノ格子は、ｘ−ｙ平面内の電界配向（線形偏光角）に対して直交して形成される。チャンネルがｙに沿って刻印され、偏光もｘ−ｙ平面内でｙに沿って配向されている場合、偏光は、「平行」とラベル付けされる。チャンネルがｙに沿って刻印されているが、偏光がｘ−ｙ平面内のｘに沿って配向されている場合、偏光は「直交」とラベル付けされる。
【００７０】
表面形状
刻印中に各表面に行われる特定の修正は、エッチング速度を決定するだけでなく、エッチング後に得られる表面構造も決定する。エネルギー蓄積の跡は、表面トポグラフィー上の恒久的なアーティファクトとして担持される。図７の（ａ）および７の（ｂ）の顕微鏡写真は、それぞれ（ａ）および（ｂ）の書き込み方向に対して直交して、および平行に整列されたレーザー偏光で刻印された表面について、有意に異なる形態を示している。
【００７１】
表面をより厳密に検査するために、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）走査が５０×５０μｍの面積にわたって実施された。表面トポグラフィーは、他のすべてのパラメータを一定に保ちながら、偏光線形（書き込み方向に対して直交しておよび平行）および円形で、刻印された表面について測定された。ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）走査から得られた表面トポグラフィーは、図８の（ａ）から（ｆ）に示されている。
【００７２】
偏光状態が線形であり、図８（ａ）のように刻印された表面に対して直交して配向されている場合、横方向の隆起が表面に沿って偏光方向に対してほぼ直交して形成されることが観察される。測定された隆起は、約２０μｍの変動する分離および〜２００ｎｍのステップ高さを有していた。標準二乗平均平方根（ＲＭＳ）およびピークツーピーク表面粗さを、１００μｍ2の面積にわたる隆起間の平面上でサンプリングし、その平均は、それぞれ、１６．５２ｎｍおよび７１．１ｎｍであることが分かった。
【００７３】
図８（ｂ）のように偏光が刻印方向に沿って整列されると、表面隆起の空間的分離は、約１桁減少し、表面を長手方向に貫通して９０度回転した。サンプリングされた平均ＲＭＳおよびピークツーピーク表面粗さは、それぞれ、９８．８ｎｍおよび３７７．９ｎｍであることが分かった。
【００７４】
図８（ｃ）に示すように、入射光が円形偏光である場合にも同様の表面構造が見られた。再度、ＲＭＳおよびピークツーピーク表面粗さが測定され、そして、それぞれ、８５．４８ｎｍおよび３５７．２ｎｍの値が得られた。
【００７５】
図８（ａ）で観察された周期的な隆起の起源を説明することを試みるために、表面は、並進方向に対する直交から±７°まで、０．５°段階で反復される刻印ビームの線形偏光で刻印された。エッチングされた表面が、標準的な白色光反射率顕微鏡で画像化された。画像は明確さのために強化され、そして一緒にステッチされた。結果は図９に示されている。
【００７６】
偏光が表面に対して直交して整列されるにつれ、隆起の分離距離がピークになることが観察される。隆起の向きもまた明確に画定されたパターンに従っている。偏光が直交して整列されたとき、隆起は水平に見えた。偏光をちょうど６°だけ回転させた後、隆起の角は水平に対して８７．６°であると測定された。
【００７７】
これらの観察はモデルで説明することができる。ナノ格子が表面に対して直交して形成されるとき（平行偏光）、それらはナノ格子の間隔ｄの周期に等しい周期ｓで、表面上にそれらの縁部を直接に刻印する。ナノ格子が回転するにつれて、それらの周期は、θ＝０のときにナノ格子が表面に対して無限大になる角度θの正弦６°にわたって１ずつ増加する。図１０の（ｂ）から、
【００７８】
【数２】
2020509400.tif 000005
が期待され得る。モデルの妥当性をテストするために、１／ｓ（漸近線を避けるために反転された）に対するθのプロットが作成され、その結果が図１０（ａ）に示されている。実験データとモデルから予想される値との間の良好な一致を示唆するデータフィットが行われた。フィットされた曲線から、ナノ格子の周期は、３６６±８ｎｍであることが見出され、これは、ナノ格子形成の第１段階についてのナノプラズモン（ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃ）モデルによって予測されるように、λ／２ｎ（３５５ｎｍ）と一致する（非特許文献２６）。刻印中にレーザーに最も近い表面に近いナノ格子周期の減少が観察される。ナノプラズモンモデルはさらに、ナノ格子の進化を予測する。蓄積されたパルス数または総エネルギーが増加するにつれて、ナノ格子の間隔は減少する。観測結果はこれで説明でき、表面近くでは、焦点体積は常軌を逸していないので最大の修正が行われる。サンプルの奥深くにあるのに対して、常軌を逸したパルスは、全体的な修正にはあまり寄与しない。
【００７９】
討論
二次元表面の縦方向選択性は、書き込み方向に対して直交して配向された偏光では、調べた範囲の層分離に関係なく、１００倍に著しく増加されることが示されている。修正に必要とされる最小パルスエネルギーは、一貫して１００〜１５０ｎＪであり、ピーク修正は約２００ｎＪであった。この範囲内の修正は、ナノ格子の形成が予想されるタイプＩＩレジームにしっかりと置かれている。エッチング後に得られた表面上のナノ格子の「フットプリント」が観察され、そしてナノ平面の横方向の積み重ねが、得られた表面の粗さに寄与する、エッチングされた表面に沿っての波紋を形成する。隣接する隆起間の間隔で測定されたＲＭＳ表面粗さは１６．５２ｎｍであり、これは円形偏光で刻印された表面と比較して５分の１に相当し、分光用途で一般に使用される８００ｎｍの光に対して約λ／ ５０である。さらに、基質のより深部に刻印されるときに、隆起間の間隔が減少し、これはより低い有効パルスエネルギーに起因することが観察された。この目的のために、刻印ビームの偏光およびパルスエネルギーの正確な制御は、ナノ格子および表面の整列を可能にし、これは、原則として、隆起分離が無限大に向かうのを見るはずである。実施されると、光学的表面品質を有する構造体の反復可能な製造が達成可能である。
【００８０】
ＵＬＩマイクロマシニングについて見いだされた最適局部的パラメータの要約が表２にあたえられる。
【００８１】
【表２】
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【００８２】
［最適化された製造］
方法
刻印プロセス
レンズのような二次元構造を刻印するためには、表面形状が、最初に、数値モデリングまたはＣＡＤソフトウェアを用いて生成される。その後、表面が、刻印レーザーのための単一走査ツール経路を表す層にスライスされる。刻印対物レンズから最も遠い層から始めて、全プロフィールが得られるまで、層は順次刻印される。この方法は、刻印中に修正領域とビームとの間の交差が生じないことを確実にし、そうでなければ不必要な収差をもたらす可能性がある。エッチング液が基質を素早く貫通することを可能にするために、レンズ表面に加えて，エッチングチャンネルおよび平面が書き込まれる。レンズ表面の典型的な刻印時間は約２０分であり、エッチングは３時間後に完了した。
【００８３】
製造されたレンズの品質を特徴付けるために、表面形状、粗さおよび光学的処理量が測定された。特徴付けのための実験デバイスが図１１に示されている。レンズは、５．０μｍのモードフィールド直径を有する０．１３ＮＡ、７８０ＨＰの光ファイバーからの出力をコリメートするように設計された。レンズは、図１１に示されるように、レンズの焦点距離に等しい長さでガラスセグメントの縁部に刻印された。ファイバーがレンズセグメントの後縁に接触され、この界面での散乱を減らすべく屈折率整合流体が使用された。標準的な成形非球面が、コリメートされた光を光検知器上に集束させるべく使用された。マイクロレンズのスループットは、ファイバーから自由空間に直接現れる検出された光とマイクロレンズを通って伝送されたものと比較することによって測定された。
【００８４】
火炎研磨
火炎研磨は、材料の表面粗さを減少させるために材料の表面に熱を加える方法を記載している。材料が加熱されると、表面上で粗さを構成している高空間周波数の産物が、バルク基質よりも早く加熱する。したがって、加熱中に表面上の微細層が液体になり自由に流動する瞬間が存在する。冷却する前に、自然な表面張力が液体層をバルクの方へ引き寄せ、表面積を最小にする傾向がある。結果として、高周波表面粗さは表面全体にわたって恒久的に滑らかにされる。以前に、ＣＯ2レーザー加熱は、ＵＬＩ加工された立方体をサブナノメートルの表面粗さを有するほぼ完全な球に変形させるために使用され得ることが示されている（非特許文献２７）。さらに、ＵＬＩ加工表面の表面粗さは、オキシ水素炎を直接に適用することによって改善された（非特許文献１２）。精密な火炎から直接に熱を加えることによって全体的な表面形状を維持しながら、マイクロレンズの表面品質を改善するために、同様の方法が使用される。
【００８５】
火炎研磨は、水酸化カリウム電解質を有するオキシ水素火炎発生器を用いて達成され、約１８００℃のピーク火炎温度をもたらした。レンズは、単一の５秒間バーストで炎と直接に接触され、その後顕著な表面研磨が起こった。
【００８６】
［結果とキャラクタリゼーション］
粗さ
最適なパラメータで刻印され、エッチングされた直径４００μｍのマイクロレンズが図１２に示されている。ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）走査が、４２．９×４２．９μｍの切片で行なわれ、そしてＲＭＳおよびピークツーピーク表面粗さが１００μｍ2の面積にわたってサンプリングされた。ＲＭＳおよびピークツーピークについて、それぞれ、９１．５ｎｍおよび３２３．６ｎｍの平均粗さ値が見出された。
【００８７】
次いで、同じマイクロレンズが上述のように火炎研磨され、表面粗さの測定が繰り返えされた。ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）走査の結果が図１３に示されている。表面品質は、平均ＲＭＳおよびピークツーピークで大幅に改善され、それぞれ、２．１５ｎｍおよび６．１６ｎｍであることが判明した。これらは、研磨されていないレンズの粗さの２．３４％までのＲＭＳ表面粗さの減少に対応する。
【００８８】
図１２のレンズについて観察された高い空間周波数粗さは、今や表面上で滑らかにされ、２．１５ｎｍのＲＭＳ粗さが報告された。
【００８９】
表面形状
火炎研磨前後のエッチングされたレンズの形状を刻印されたものと比較するために、白色光干渉計を使用して表面がプロフィルされた。測定データは数値適合とともに図１４にプロットされている。
【００９０】
これは、レンズ表面上のエッチング液の輸送を分析することによって説明することができる。エッチング液は表面の縁部から浸透するので、これらの領域はレンズの中心に近い領域よりも長いエッチング時間を経験する。これに加えて、より大きい傾斜を有するレンズの領域は、表面上のナノ格子の固定された配向のために、よりゆっくりとエッチングされるだろう。表面形状は、刻印中に偏光を動的に制御することによって、エッチング後により厳密に複製され得る。火炎研磨されたレンズのプロフィルは、未研磨のレンズのプロフィルとよく一致している。〜１μｍのレンズサグ（ｓａｇ）の減少が顕著に浅い傾斜と共に測定された。火炎研磨している間、ガラスの液体層は表面積を減少させるべく流動し、ほぼ球形をとりそして傾斜を平らにする。この望ましくない作用は、レーザー刻印中に補正され得る。
【００９１】
光学的スループット
ファイバーから直接出るパワーを測定したところ、５．１２±０．０５ｍＷであった。火炎研磨前後のレンズ透過後に検出された光は、それぞれ、５．０２±０．０５ｍＷおよび５．１６±０．０５ｍＷであった。これは、レンズ未研磨レンズと火炎研磨レンズについての光学スループットが、それぞれ、９８．０±１．４％と１００．８±１．４％に相当している。ファイバーから発せられたモードフィールドは、研磨前後の両方でレンズを用いて結像され、スポット図が図１５に示されている。
【００９２】
遠位端光学システム（ＤＯＳ）
図１６から図２１は、光を標的組織に向け、そしてラマン信号を収集する遠位端光学システム（ＤＯＳ）１００を示している。ＤＯＳは、配光と集光のために選択されたファイバー、ファイバー構成、およびプローブが使用される実際の用途などを含む、さまざまな要因に大きく依存している。
【００９３】
ファイバージオメトリーの具体的な値は一例であり、これらの値に対する変更は本明細書に記載の本発明の範囲内である。
【００９４】
デバイスの基本動作原理が図１６に概略的に示されている。ポンプ光は、３．５μｍのコア直径および１２５μｍのクラッド直径および０．１２の開口数（ＮＡ）を有するシングルモードファイバー１０１によって配送される。ファイバー１０１は、コア内で生成され、次いでＤＯＳの中央スロット／チャンネル１０７に挿入されるラマン（Ｒａｍａｎ）前方散乱を阻止するために狭帯域フィルターで被覆される。コアおよびクラッドの直径がそれぞれ５０μｍおよび１２５μｍで、ＮＡが０．２２の６本のマルチモード収集ファイバー１０２ａ、１０２ｂは、ポンプ波長の光がファイバーに入るのを阻止するために、ハイパスフィルターで被覆されるべきである。これらは、残りの６つのファイバースロット／チャンネル１０６ａから１０６ｆに挿入されている。ポンプ光は、ＤＯＳ１０１の背後の標的上に集束される前にコリメートされる。生成されたラマン信号は全方向に放射される。その信号のいくらかは、ＤＯＳ１０１に戻って放射し、集束レンズ１０３を通してコリメートし、そして収集レンズリングアレイ１０４を通って収集ファイバー１０２ａ、１０２ｂに結合する。
【００９５】
デバイスを最適化するために、光線追跡ソフトウェア「Ｚｅｍａｘ」が使用された。まず、各レンズが、個別に「連続的」モードでモデル化された。連続的モードでは、波長やＮＡなどの事前に画定された仕様に対して、光線方程式が、ある表面から次の表面へと解かれる。Ｚｅｍａｘは、ユーザーの要求に基づいて光学システムを最適化するために使用される、「メリット関数」が定義されることを許容する。そのような要求は、「オペランド」の形でメリット関数に入力される。
【００９６】
ファイバーは、デバイスからエッチングされたスロットに挿入され接着される。接着剤は、光の屈折およびデバイスに入る際の散乱を最小限に抑えるために、ファイバーコアを基質と屈折率整合させるように選択される。光が遭遇する第１の伝送レンズ１０５の機能は、図１７に示されるようにビームをコリメートすることである。光は、０．１２のＮＡでシングルモードファイバーの３．５μｍのコアを出る。検知効率を最大にするためには、伝送レンズの開口を完全に満たすことが不可欠である。これを達成するために、伝送レンズ１０５までの距離を変えることによって、最大光線高さを選択された半直径に設定するオペランドがメリット関数に追加された。コリメーションのために伝送レンズの形状を最適化するために、像面における光線入射角について解くオペランドが、標的が０°に設定されて使用された。次に、関数は、示された結果を得るために、最適半径および非球面の円錐定数について解いた。
【００９７】
ポンプビームが遭遇する次の表面は集束レンズ１０３である。集束レンズ１０３の目的は、ポンプ光を光学システムの後ろの組織に集束させ、次いでラマン信号を逆方向にコリメートすることである。励起波長は、７８５ｎｍであり、関心のある指紋範囲は、８００から１８００ｃｍ-1の間のシフトを導入する。これは、８３７から９１４ｎｍの間のラマン信号波長範囲に関連する。集束レンズをモデル化するために、この範囲にわたる複数の波長が同時に解決されるように選択された。集束レンズ１０５は、ラマン信号コリメーション構成（図１８）において最適化された。なぜなら、この信号は集束レンズの全断面を透過するのに対して、ポンプ光は中心のみを透過するからである。マイクロオプティクスの背面と焦点との間の距離は、癌前の識別子が豊富であることが示されている組織の深さに関連して、２００μｍに設定された。レンズは、最初のレンズと同じオペランドを使用してコリメーション用に最適化された。後壁の厚さおよびレンズの直径は、構造的完全性を維持しながら、レンズ表面にＴＩＲが発生することなく、許容される光の円錐角を最大にするように選択された。
【００９８】
光が遭遇する最終構造は、集光レンズリングアレイ１０４である。集光レンズアレイ１０４は、光をマルチモード集光ファイバーに結合する６つの同一レンズ１０４ａから１０４ｆのセットである。図１９に示すように、最適化プロセス中に、１つのレンズがモデル化された。集光レンズの場合、開口数は０．２２である。レンズとファイバー端部との間の間隔は、０．２２のＮＡを維持しながら、ファイバーコア半直径（５０μｍ）に等しい（ファイバー遠位端における）入射光線高さに対して最適化された。レンズの直径は、フィルファクタを最大化し、したがって収集されたラマン信号を最大化するように、中央レンズの縁部とデバイスの外側縁部との間の空間を満たすように設計された。この構成では、リングアレイ内の個々のレンズが重なり合う。これは、１つが最大の充填率を達成することを可能にし、ＵＬＩを使用しての予測可能な製造上の問題を提起するべきではない。
【００９９】
個々のレンズ面は、ＣＡＤモデリングプログラムで組み立てられ、完全なデバイスは図２０に示されている。
【０１００】
デバイス全体をモデル化するには、複数の光源（ポンプ光とラマン信号）があり、そして迷光ビームが相互作用する可能性がある多くの表面を有しテジオメトリーが複雑であるので、順次的な光線追跡では不十分であることが分かった。Ｚｅｍａｘはまた、非順次的な光線追跡機能も提供しており、これにより、現実の世界と同じように、光線が物理的な順序で表面と相互作用している。非順次モードは、複数の光源、対象物および検知器が三次元空間内に自由に配置されることを許容し、したがって、ポンプ光の分析およびラマン信号の検出を同時に実行することができる。ＣＡＤファイルを外部ソースからインポートするとき、ファイルタイプ変換によってジオメトリー異常が発生する可能性があり、これらの異常は、シミュレーション中に個々の光線がデバイスと相互作用する方法に影響を及ぼす可能性があることに注意することが重要である。
【０１０１】
励起光は、中心ファイバースロットの端部から出てくる、溶融シリカの０．１２のＮＡに関連する円錐角を有する点光源としてモデル化されている。第２の点光源は、ポンプ光の焦点で生じるラマン散乱を表すために配置されている。実際には、ラマン信号は全方向に等しく放出されるが、しかしながら、モデリングのために、現実をより厳密にシミュレートするように、集束レンズの開口を一杯にする円錐角が選択されている。図２１は、レンズの開口を出入りする光線がたどる経路を示す。ごく一部の光線が、集光ファイバーに向かって送信される前にＤＯＳの側面に沿って全反射されている。しかしながら、入射角がＮＡによって許容される角度を超えるので、この光がファイバーに入ることは不可能である。中心ファイバーに到達するラマン信号は、狭帯域ファイバーコーティングによって除去される。
【０１０２】
５０万の光線のシミュレーションのために、検出面に入射する光の強度分布が図２２にプロットされている。収集ファイバーコアへの入り口を示す明確な強度ピークがあり、それぞれ、コアの直径に関連して５０μｍの範囲の直径を有する。レンズシステムは中心軸に関して対称的であるので、各強度ピークはそれ自身の中心に関して対称的であると予想されるであろう。しかしながら、これは事実ではなく、わずかに非対称な形状がインポートされたＣＡＤファイルの所産であり、システム自体に固有のものではない可能性がある。
【０１０３】
ＵＬＩを使用すると、カスタム表面およびレンズプロフィルを製造することができ、これにより、光がどのようにして標的組織に送達および分配されるかをより詳細に制御できる。
【０１０４】
ＤＯＳデバイスに使用されるものと同様の、周りを囲む１つの「花弁」レンズ配列の実施例が製作された。レンズは、溶融シリカ基質の縁部に５００ ｋＨｚの繰り返し率で製造され、その厚さはレンズの焦点距離に一致するように設計されている（図２３（ａ））。マイクロレンズの表面は、若干の粗さを有することが視覚的に観察されたが、明らかな所産は観察されなかった（図２３（ｂ））。
【０１０５】
花弁のマイクロレンズ配列が再びシングルモードファイバーで試験された。ビームがマイクロレンズアレイを完全に満たすことを確実にするためにファイバーがサンプルからわずかに後方に配置された状態で、比較的急速に発散する７つのスポットのパターンが観察された（図２４（ａ））。２５ｍｍの焦点距離のレンズを使用してビームを集束させ（図２４（ｂ）〜（ｄ））、そして非常に明確に画定された焦点で、最小の散乱光が観察された（図２４（ｅ））。焦点では、システムからマイクロレンズが取り外された４．６ｍＷと比較して、４．１６ｍＷの電力が測定された。これは高いスループットを示している。この場合の損失の大部分は、ファイバーおよびマイクロレンズアレイの背面でのフレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）損失によるものであり、これは完成されたデバイスには存在しないであろう。
【０１０６】
本発明による遠位端光学システムのさらなる実施形態が、図２５および図２６に示されている。図２５および図２６では、図１６〜図２４を参照して説明した前の実施形態の特徴に対応する、この実施形態の特徴を指すのに、同じシリーズ番号２００の同じ参照番号が使用されている。
【０１０７】
この実施形態と先の実施形態との間の違いは、遠位端システム２００が２つの別々の基質／構成要素２００ａおよび２００ｂから形成されていることである。第１の構成要素２００ａは、集光レンズ２０４ａ〜２０４ｆ、第１の伝送レンズ／コリメートレンズ２０５、並びにチャンネル２０６ａ〜２０６ｆおよび２０７が形成されている一体型シリカ基質を備えている。第２の構成要素２００ｂは、その中に集束レンズ２０３が形成されている単一のシリカ基質を備えている。第１の構成要素２００ａは、第２の構成要素２００ｂの開口に挿入するための雄型接続部材を形成している。この点において、第２の構成要素２００ｂは、集束レンズ２０３によってキャップされた中空の受容部２０８を含み、中空の受容部２０８は、第１の構成要素２００ａを受容するように寸法決めされている。受容部２０８は、段付きの内部プロフィル２０８を有し、第１の構成要素２００ａが構成要素２００ｂに挿入されることができる範囲を制限するために、第１の構成要素２００ａの外側プロフィルの対応する段と係合するように構成されている。
【０１０８】
組み立てられた構成要素２００ａおよび２００ｂによって形成されたキャビティの内側に光学面２０４ａ〜２０４ｆ、２０５および２０３を設けることは、遠位端システムと患者組織との接触が、これらの光学面の性能に影響を及ぼさないことを確実にする。患者の組織と接触する集束レンズ２０３の背面２０９は光学的に研磨されている。
【０１０９】
集光レンズおよびコリメートレンズ２０４ａ〜２０４ｆおよび２０５の花弁の設計は、図２６に見られるように、コリメートレンズ２０５が六角形ではなく円形の開口を有し、そして各集光レンズ２０４ａ〜２０４ｆがコリメートレンズ２０５の外側範囲に対応する内側湾曲境界を有する開口を有するという点で他の実施形態と異なる。この実施形態では、コリメートレンズは１００μｍの直径を有し、集光レンズ２０４ａ〜２０４ｆの外径は８００μｍである。
【０１１０】
集束レンズ２０３および集光レンズ２０４ａ〜２０４ｆは共に非球面形状を有している。
【０１１１】
配送用光ファイバー２０１は小さいＮＡを有しているので、そこから出てくる光は発散が少なく、中央コリメートレンズ２０５を完全に満たす。チャンネル２０７、したがって中心ファイバー２０１もまた、レンズ２０５の表面に近いところで終端２０７ａされており、その結果、励起光が花弁表面上に小さい足跡を有している。配送用光ファイバー２０１の遠位端は、配送用光ファイバー２０１内で発生したラマンバックグラウンドのような不要な波長の光をろ過するために被覆されている（２１２）。
【０１１２】
レンズの花弁表面の充填因子ＦＦは、その上に当たる光を集める表面の部分として定義される。これは、１から図２７（ｂ）におけるｒとＲで定義される円の面積の比を引いたものである。
【０１１３】
【数３】
2020509400.tif 000007
【０１１４】
集光された光量Ｉは、花弁レンズの表面積に比例する。記載されている遠位端光学デバイス２００は、０．９８４のＦＦまたは９８．４％の理論的収集効率を有しているものとして計算されている。これは、図２に示されるような６つのレンズが１つの円形の開口を持つ表面の場合よりもはるかに高くなる。
【０１１５】
収集光ファイバー２０２ａ〜２０２ｆの端部は、不要な蛍光および後方散乱励起光をろ過するために被覆されている（２１３ａ、２１３ｄ）。
【０１１６】
光ファイバーは、対応するチャンネル２０６ａから２０６ｆ、２０７内で光ファイバーを接着することによって、遠位端システムに結合される。チャンネルへの光ファイバーの挿入は、光ファイバーの端部を対応するレンズと位置合わせするように作用する。収集ファイバー２０２ａ〜２０２ｆは、配送ファイバー用に使用される小さいコアのシングルモード光ファイバー２０７に対して、大きいコアのマルチモード光ファイバーである。収集ファイバー２０２ａ〜２０２ｆの大きな開口数は、ファイバーの結合および集光を助けるが、配送ファイバーの小さい開口数は、レンズ表面上の励起光の足跡を比較的小さく保つ。
【０１１７】
［結論］
３次元微細構造のＵＬＩおよびケミカルエッチング製造プロセスを最適化するために、溶融シリカのエッチング速度に対する様々な刻印パラメータの寄与が説明されている。「ナノ格子」の形成および配列は、エッチング液がガラスを素早く貫通するのを許容する役割を果たす。表面に直交して設定されたレーザー偏光でもって表面を刻印することによって、ナノ平面が表面と平行に形成され、エッチングが強化された。そうすることによって、１５０から２００ｎＪの間のパルスエネルギーに対して、１００までのエッチング速度選択性が得られ、これはタイプＩＩの修正に最適である。エッチング速度の向上と共に、ナノ格子はエッチング後に刻印表面上に恒久的な特徴を形成した。表面粗さは、刻印中に偏光を正確に制御することによって約５倍減少させることができる。三次元構造は、通常、三次元印刷と同様に、層ごとに刻印されている。層間の間隔は、エッチング速度の減少をほとんどまたは全く伴わずに、１μｍから１０μｍまで増大させることができるが、表面粗さを増大させる。この知識により、光学的な要求がない構造では、刻印時間を大幅に短縮できる。７８０ｎｍで９８．０％のスループットで、可視からＮＩＲの波長で〜λ／ １０に相当する表面粗さを有するマイクロレンズを製造する能力が実証されている。火炎研磨では、レンズの全体的なプロフィルを維持しながら、表面粗さが実験的誤差内で約λ／ ３６０まで減少し、スループットが１００％まで増加した。磨かれていないレンズは、導光および集光を含む光学用途に適しているであろうが、磨かれたレンズは、より短い波長でさえも、マイクロイメージングに適しているはずである。
【図１】
2020509400.tif 000008
【図２ａ】
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【図２ｂ】
2020509400.tif 000010
【図３】
2020509400.tif 000011
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
2020509400.tif 000018
【図５ｄ】
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【図６】
2020509400.tif 000020
【図７】
2020509400.tif 000021
【図８】
2020509400.tif 000022
【図９】
2020509400.tif 000023
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2020509400.tif 000026
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2020509400.tif 000029
【図１６】
2020509400.tif 000030
【図１７】
2020509400.tif 000031
【図１８】
2020509400.tif 000032
【図１９】
2020509400.tif 000033
【図２０】
2020509400.tif 000034
【図２１】
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【図２２】
2020509400.tif 000036
【図２３】
2020509400.tif 000037
【図２４】
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【図２５】
2020509400.tif 000039
【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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2020509400.tif 000043
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