照明／ファイバオプティクス

革新的な光ファイバ応用を照らし出す
セアド・ドリック
最先端の生体医学への応用を可能にする細径のファイバベースの照射システ
ムには、新型の光源が必要である。
細径の光ファイバによって、光遺伝巨大なエミッタでは、良いコリメーった。一次光学シミュレーションでは、学、二光子顕微鏡、硝子体網膜手術ションを実現するために巨大なレンズ角度強度分布の半値全幅（ FWHM ）拡など最先端の生体医学への応用が可能が必要であり、狭いエリアへの照射や散 を考 慮 するのに十 分 である。FWとなっている。しかしながら、これら細径の光ファイバにおいては非効率

HM の角拡散は、レーザダイオード製の細径ファイバに十分な光を誘導するだ。光源の進歩は、エミッタ面積サイ造者が広く用いている。これと比較しことには、新型の光源を必要とする。

ズの縮小と角度強度分布の減少に直接て、より複雑な形状を持つ他の一次光効果的な光学設計と合わせて、レーザ関連するといわれている。歴史的には、源の角度強度分布では、十分に使いこダイオードがこの役目を果たし得るもろうそく、エジソン電球、ナトリウムなすことがさらに難しい。のであり、生体医学や生命科学だけでランプ、2 〜 3cm サイズのランプ（キセ白熱電球や他のランプは、スペクトなく、多くの他分野でも応用される。

ノンランプなど）、1mm 四方サイズのルプロファイルやスペクトルパワー分LED、1 × 5μm サイズのレーザダイオ

布を大きく変え得る広帯域幅のスペクードと存在した。エミッタサイズは光トルを持つ。LED はピーク放射波長付

従来の光ファイバ照射
一般的な光ファイバ照射システム源の重要なパラメータであるにもかか近で約 50nm の狭い帯域幅をもち、さは、一次光源と二次光源（「一次光源わらず、しばしば製造者は公表しないらにレーザダイオードはわずか数 nmと二次光源」を参照）、光ファイバレセか明記しないでいる。の非常に狭い放射帯域幅を持つ。

プタクル、それらの間にある光学系、角度強度分布は、遠視野放射パター

光学的に関連するレセプタクルのパそしてパッシブまたはアクティブな冷ン、極性放射パターン、遠視野強度分

ラメータには、サイズ、受光角、反射却と電子回路を有する機械的筐体から布ともいわれている。ろうそくや電球性がある。レセプタクルの構成には、構成される。のようなかつての光源は、無指向性の単心光ファイバ、光ファイババンドル、光源の主な光学パラメータは、エミ角度強度分布を示す。LED やレーザダ

リキッドライトガイドがある。レセプ

ッタサイズ、角度強度分布、発光スペイオードが登場するまで、限定された

タクルの直径は、シングルモード光フクトルプロファイルだ。他の重要なパ

遠視野放射パターンを持つものはなかァイバが数ミクロン、マルチモードフ

ラメータには、起動時間、直接変調がった。より狭い角度強度分布拡散によァイバが数百ミクロン、光ファイババ可能なこと、ウォールプラグ効率、寿り、コリメーションや集束においてよンドルが数ミリメートル、リキッドラ命、目への安全性がある。

り多くの光を光学的に捕獲しやすくな

イトガイドなら通常 5mm だ。
シングルモードファイバを例外とし白熱電球
低い出力ソース
画像 光の損失
光学系

光ファイバ
高い出力

Ce:YAG結晶

図 １ 光 ファイバに光 源 を誘 導する際、 白 熱 電
球 では効 率 が悪く、Ce:YAG 結晶 の輝 点 であれば効率が良い。て、 受 光 角 は通 常 60 ° 以 上 である。
反射防止コーティングのないレセプタ
クル表面の反射性は入射角とともに増加する。ただし、光がすべて伝搬されたときにおけるブリュースター角でのp 偏光は除く。

光ファイバ系におけるトレードオフ
ラグランジェ不変量では、エミッタサ

42

2019.9 Laser Focus World Japanイズとその角度強度拡散（エタンジェ）が光放射表面から光学系の画像表面までa)b)
光ファイバ一定であることを述べている。もし、光源が受容器より大きいエタンジェを有し光ファイバコネクタていれば、放射光の一部は必然的に損集束レンズ失となる。光学系の拡大によってエミッOptional ﬁlter

タサイズが縮小すれば角拡散が増加し、コリメートレンズ逆も然りである。残念ながら、従来の集束放物面鏡光源のエミッタサイズとエタンジェは、レーザダイオード

限られた開口数の細径光ファイバのも

図 ２ ブリュ ースター 角における複数のレーザダイ
オードの Ce:YAG 結 晶 による励起と、その蛍光を光ファイバがとらえることによって真に効率の良いシステムが実現した。この光源の最初のバージョン
では各レーザダイオードとCe:YAG 結 晶 に 対 し て別々のヒートシンクが使われていたが（ a ）、次のバージョンでは共通のヒートシンクを使用する（ b ）。

Ce:YAG結晶のよりはるかに大きい（図 1）。
従来のランプと組み合わせた光ファ

コリメートレンズ

イバの照射システムは非効率的で巨大であり、複雑な光学やフィルタを有し、径が大きい光ファイバや液体ライトガイドにのみ適している。細径の光ファ

Ce:YAG結晶
集束レンズ

イバにより効率良く光を誘導するには、より小さなエタンジェ、少なくともより蛍光の被覆層を持つ窒化ガリウム

1000 倍の光出力をサポートする。コヒ

小さいエミッタサイズを持つ新しい一LEDは、スペクトル的により広い「白色」ーレント光の明るい光源をもたらす細次光源と二次光源が必要となる。
径の大きい光ファイバの照射システ
ムにおいて特定の色を持つ LED を使光の照射をもたらす。それにもかかわ径ファイバに、レーザダイオード、レーらず、単色 LED と同じ理由で細径ファザダイオードバーやアレイを誘導するたイバへの誘導には適していない。

めのさまざまな実用的ソリューションが用することは、比較的小さなエミッタ

レーザダイオードは比較的小さなエある。難点は、スペックル、狭いスペと調整のしやすさなどのおかげで従来タンジェとエミッタ（厚さは 1μm 未満、クトル帯域幅、限られた波長選択だ。の光源から向上が見られる。しかしな長さは数ミクロンから数百ミクロン）をがら、LED はさほど明るくなく、細径もち、波長板の「速軸」方向ではビームの光ファイバへの誘導は効率が悪い。

広がりが最大 70°、「遅軸」方向ではわ

真に効率の良い光ファイバ照射シス加えて、波長選択が限られている。

ず か 12 °で あ る。 青 色 LED の 100 〜

テムでは、小さいエタンジェ（少なくと二次光源の効率もエリアが狭いエミッタ）、高い輝度、広い光学スペクトルを持つ二次光源が一次光源と二次光源必要となる。この種の光源は、比較的光源という言葉は通常、複雑な照明シスの波長域を持つ光に変換したものを二次小さいエタンジェと高い輝度を持つ青テムという意味と、ランプや LED やレー光源と呼ぶ。

色レーザダイオードで実現できる。レー

ザダイオードのように純粋な光源というこの考えは白色 LED でよく描かれる。

ザダイオードをコリメートし、異なる入意味の両方で使われる。このあいまいさ

この場合の一次光源は、蛍光体コーティを避けるため、白熱電球、水銀ランプ、ングに照射する青色 LED だ。コーティ

射角にて蛍光結晶の輝点に集束させる

ハライドランプ、高輝度放電（ HID ）ラ

ングは、受け取る光の大部分を蛍光スペンプ、蛍光ランプ、単色 LED、レーザクトルに変換し、変換されなかった残りダイオード、ガスレーザなどの光源を意の青色と合わせて、いわゆる白色光を作味する言葉として一次光源を使う。そしる。その光は青色の光と蛍光体との相互て、結晶やファイバレーザなど、一次光作用を経て作成されるため、白色 LED源からさまざまな方法で、特にほとんどは二次光源と見なされる。と、光は広いスペクトル帯域幅の蛍光に変換される。この手法のよく知られた応用例は、BMW i8 のヘッドライトデザインである。青色の光の一部を蛍光に変換し、残りの青色と混合させて白色光を合成するというものだ。
加ドリックレンズ社（ Doric Lenses ）Laser Focus World Japan 2019.943

照明／ファイバオプティクス

Ce:YAG の 300 μ m 径のスポット

出力光ファイバ
100 μｍ , 開口数 0.22200 μｍ , 開口数 0.53400 μｍ , 開口数 0.53960 μｍ , 開口数 0.63

スペクトル幅光束（ル(nm)ーメン）

出力
(mW)

放射照度
(mW/mm2 )光束（ルーメン）

出力(mW)

放射照度(mW/mm2 )光束（ルーメン）

出力
(mW)

放射照度
(mW/mm2 )光束（ルーメン）

出力
(mW)

放射照度
(mW/mm2 )480-680*

4.1

8.6

1095

4594

2992

110

230

1830

168

350

484

510-54012.1

267

1021668

26

55

438

4594

130

542-576

1.32.7

344

14

29923

3572

53

452

108

149

545-619

2.34.7

596

24

51

1633

60

125

996

87

181

250

573-613

1.22.5

318

13

28891

32

67

533

4593

128

577-647

1.43.038216331050

387962954112155* フルスペクトルの手法では、セリウムをドープしたイッって配置された（図 2a ）

スペクトルを持 つ二 次 光 源 となる。

トリウム・アルミニウム・ガーネット

小型化、簡便な組立、熱管理のため、200μm 径のファイバに誘導するのに（ Ce:YAG ）結晶に、複数の青色レーザ

この光源の次のバージョンでは複数の完璧であり、光遺伝学や小型の蛍光顕ダイオードからp 偏光した光がブリューレーザダイオードが同一面で放射状に微鏡における光ファイバへの光伝搬でスター角で向けられ、反射損失はない配置されている。光はお互いに平行にデファクトスタンダードとなっている。

（米国特許 9,933,605 B2 ）。この手法でコリメートされ、放物線を描いて蛍光結晶の上面をよく研磨すれば蛍光（480結晶に 300μm 径のスポットを狙う（図〜 650nm ）のみを放射し、やや研削す

2b ）。この構造（米国特許 10,094,536

れば蛍光と散乱青色光が混合されて白の最初のバージョンでは 5 つのレーザダ

B1 ）では、蛍光結晶とレーザダイオー色光となる（図 3 ）。もし十分な冷却がイオードが用いられ、コリメーションとドで共通のヒートシンクを使用する。

あれば、他の結晶や輝点が使われ得る。

集束光がブリュースター角の方向に沿結晶の 300μm 径のスポットは、広い

この光源における出力、放射照度、光a)b)

相対的スペクトルパワー密度〔a.u.〕相対的スペクトルパワー密度〔a.u.〕

は、結晶の非常に限定された小さいエリアでレーザビームが重なる。この光源

a)

1.0
研磨された
Ce:YAG面

0.8

Ce:YAG

0.6

Ce:YAG

LED/LD

0.4
0.20.0400

コリメート光学
500

600
700
波長〔nm〕

800
フィルタ

フィルタ

9810400

研削された
Ce:YAG面
500
600
波長〔nm〕

700

図３ 青色レーザダイオードで照射された
Ce:YAG 結晶の放射スペクトルは、上面を研磨するか（a）、研削するか（b）によって異なる。

44b)

2019.9 Laser Focus World Japan

集束レンズ

図４ スペクトルフィルタを使用するコネクタ化光源の概要を示す。蛍光のみ（ a ）、青色 LED ま
たはレーザダイオードと組み合わせた蛍光（ b ）。

る。それぞれ小型の光遺伝学的システ

200μm ファイバに誘導することはか

Ce:YAG 光源は、ファイバ結合モジムと二光子蛍光顕微鏡システムで使わなりの困難だったが、Ce:YAG 光源な

ュール、コリメートモジュール、コネクれる（ドリックレンズ社提供）。個体レら容易である。

タ化 Ce:YAG 光源、青色 LED またはレーザと異なり、Ce:YAG 光源は電気的ーザダイオードと組み合わせたコネクタに変調できる。

束の使用を表に示す。

白色光の照射は、歯科のヘッドランプ、手術室の照明、他の医療・非医療化 Ce:YAG 光源として供給されている。

硝子体網膜手術における内部照射になど、発散が小さい光ビームを必要と後者の 2 つの光源には、互換性のある

おいて Ce:YAG 光源は、網膜に有害とする応用においても同様に、システムフィルタセットとドライバがある（図 4 ）

される青の波長を除いた広帯域の可視設計者やユーザーにとって魅力であ光をもたらすことができる。目の内部る。最近の顕微鏡法では、細径の光フ応用でコントラストや視認性を向上させる

ァイバで伝搬する照明は、径が大きい

Ce:YAG 光源は最初、活性制御に注ために青色の光が必要であれば、独立ファイバよりも明るい像をもたらし、目した光遺伝学において、ハロロドプして制御可能な LED または LD チャネ

かつ他の手術機器を置けるスペースがシン標識された神経細胞に 200 μ m 光ルを追加できる。

広くなるとして人気となっている。

ファイバを通じて黄色の光を送るため

もう 1 つの利点は、200μm 径の光に開発された。また、オプシン活性やファイバに合う 27Ga より小さいカニ

蛍光励起に必要な 480 〜 650nm のス

ューラを、目を損傷させることなく挿ペクトルから任意の一部も伝搬でき入、排出できることだ。従来の電球を著者紹介
セアド・ドリックはドリックレンズ社の CEO。
mail: sead@doriclenses.com http://doriclenses.com

LFWJ

Laser Focus World Japan 2019.945