.feature 光学部品製造光学部品のメーカーに課題をつきつける生命科学アンドリュー・リンチ計測装置の設計者は、バイオメディカル用の光学部品に固有の製造上の挑戦一般の光学ガラスに比べると、これらに助けられ、その結果としてのトレードオフをうまく利用して、装置のシスの原材料の価格は 2 〜 10 倍、またはそテム性能を最大化している。れ以上になる。また、製造面でも、さらなるコストの加算が必要になる。 17 世紀と 18 世紀に顕微鏡が発明さ能な透明材料の範囲を限定し、これらケイ酸塩は扱いやすく研磨も容易だれ普及して以来、バイオメディカルにの材料の相対コストは高くなり、相当が、上述した材料の多くは加工が容易使われる光学技術は著しく発展した。に高い光学精度の確保が必要になる。でない。ガラスに比べると、さまざま新しい技術の出現とともに、医用レー最も広く使われる UV 波長の光学材に異なる硬度、熱的性質、破壊特性をザ、フローサイトメータ、新型顕微鏡料には、合成石英と水晶、フッ化カル示し、その製造と使用には周囲の環境などのバイオメディカル用の光学機器シウムなどのいくつかのフッ化物系材からの特定の保護が必要になることもはますます複雑になっている。これら料、塩化ナトリウムなどの特定のハロ多い。例えば、激しい吸湿性で知られの計測システムの複雑さによって、使ゲン化アルカリの他、サファイアのよるハロゲン化アルカリは、従来法とは用する光学部品に対する要求は留まるうな結晶がある。可視波長に使われる異なる研磨法が要求され、加工した製ことなく増え続け、こうした要求は光学部品メーカーへの課題として転化さ（a）れてきた。このような製造上の課題は、経験豊富なバイオメディカル用の装置企業が、実現可能な製造能力の範疇で、計測システムの性能を賢明に前進させることに一役買ってきた。図 1　この OD4（ a ）フィルタと OD6（ b ）フィルタを用いた試料の画像が示すように、蛍光顕微鏡法はわずかな部品や仕様の違いから顕著な違いが起こる。 UV 波長バイオメディカルは応用範囲が広く、用途もそれぞれに異なるが、そこにはいくつかの共通課題があり、それらが使用される光学部品に対して難題をもたらしている。その課題の一つは紫外（b）（ UV ）光の使用にある。UV の使用はいくつかの理由で必要になる。例えば、眼科の屈折矯正手術（ LASIK またはその場角膜曲率形成術）では UV 光の（可視光に比べて）強いエネルギーと、短い波長での高い精度が有効である。また、蛍光顕微鏡法では UV 光による試料の励起や撮像が必要になる（図 1 ）。製造の観点から言うと、UV は利用可 30 2011.2 Laser Focus World Japan ＊これはLaser Focus World Japan 2011年2月号掲載記事のリプリントです。©ICS Convention Design, Inc. All rights reserved. 品の保管と使用にも特別の注意が必要な設計者の選択はもちろん正しいが、よになる。水分の吸収は真空容器に入れり安価な一般のガラス材料が十分に使ることで防止できるが、この方法は使える場合も同じ様に多い。このことは、用場所の制限が大きな問題になる。対とくに望ましくない光が光学配置の前照的にサファイアは材料間の性質の違段で遮蔽される場合に該当し、種々のいを説明する場合の例になる。硬度が吸収と後方反射が起こる場合にも恐らダイヤモンドの次に高いサファイアは、く適用できる。通常の研磨剤を使用できないため、ダ N‐BK7 ガラスと Borofloat ガラスは、イヤモンド系の研磨剤が必要になる。いずれも高性能フィルタの基板としてこれらの材料の多くは UV の屈折率十分に使用されてきた実例であるが、が低くなる。このことは、大きな屈折それには透過対遮蔽（信号対雑音）比の率の材料に比べると、こうした材料を向上を可能にした新しい光学コーティ用いる UV 用の集光レンズの曲率が大ング技術も貢献している。これらのガきくなることを意味している。そのたラスは石英ガラスよりも安価なため、めに、より大きな曲率のレンズを生産し多数の独自の高性能フィルタを必要とようとすると、同時に研磨できる数量する光学システム設計の代替基板としが減少し、レンズ単価へのコストの転て歓迎される。このようなシステム設化が問題になる。この問題の解決には、計が必要となる応用としては、競争のレンズを二つ以上の要素に「分割」し、激しい各種の流体／化学分析計とフロ光の屈曲作用を共有する方法がよく知ーサイトメトリが好例である。られている。この方法はコスト低減に光学コーティング技術は大きな進歩をはあまり貢献しないが、光学吸収のよ遂げたが、バイオメディカル応用が要求うな好ましくない副作用を防ぐ。しかし、する難しさを免れたわけではない。光この方法は実証済みの選択肢という段学基板の場合と同様に、UV で機能する階に留まっている。コーティング材料は少なく、いずれも価 UV 透明材料の相対コストの高さと格が高い。UV コーティング材料は酸化使用の難しさを考えると、光学設計者ハフニウム、酸化スカンジウム、二酸化が材料の限界を完全に理解することがケイ素、酸化アルミニウムなどが広く使最も重要になることは間違いない。特われている。コーティング材料の多くは定の材料の選択が避けられない場合もかなり軟質で、吸水性も高い。光学コーあるが、安価な UV 材料、つまり石英ティングはコーティング設計の専門企業ガラスで十分な場合も多い。また、石との共同作業が有益であり、それ以外英ガラスが使われる場合でも、より一の包括的な助言を述べることは難しい。般的なガラスで間に合う場合がある。このことは蛍光実験において UV 光医用レーザの遮蔽または透過に使用される特殊なバイオメディカル用の光学部品は UV 光学フィルタが好例になる。石英ガラ以外にも固有の課題がある。医用レースは実質的に自家蛍光（ UV 光を照射さザの多くは波長には関係なく高パワーれた石英ガラスからの望ましくない蛍ビームを発生するため、このことが光光）を発生しないため、設計者の多くは学コーティング、光学表面、光学材料フィルタの基板として石英ガラスを選のいずれにも影響を及ぼす。このよう択しがちである。多くの場合、このようなレーザに応用できる光学部品は、低 Laser Focus World Japan 2011.2 31 .feature 光学部品製造パワーの応用に比べると、より厳しい仕様が求められる。コーティングと基板材料は注意深く選択し、突発故障を引き起こすバルクの吸収効果を最小にしなければならない。基板は気泡と不純物がなく、できるだけ均質のガラスが必要になる。コーティングは高パワーレーザを照射する際に光学部品に起きる故障の主な原因の一つであり、故障の防止には欠陥のほとんどないコーティングが必要になる。コーティングに共通する欠陥には微視的ピンホール（コーティングのボイド）、金属小塊（コーティング材料に共通する固有の介在物）、その他の外部デブリなどの光吸収サイトが含まれる。光学表面はできるだけ細かく研磨図 2　反射鏡に基づく反射型顕微鏡の対物レンズは深紫外から遠赤外までの色収差の補正が必要となる撮像用途に役立つ。し、研磨工程から自然に発生する多数の表面の擦傷と陥没穴をできるだけ排の手段と機能を実現している。伝統的業の多くは、そのシステムに使用され除しなければならない。これらの高度な対物レンズから接眼レンズまでの光る光学部品の一般的な性能要求を把握な精密加工は、いずれも光学部品の燃路には、さまざまな照明（レーザやレーしているが、光学部品のどのような仕焼、亀裂、場合によっては破砕をもたザ以外の光源を含む）ばかりでなく、様に基づいて必要とするシステム性能らす可能性のある高パワーレーザ吸収カメラ、検出器および分光器専用の光が生まれるかを知らずに、生産のコスの原因の排除には重要になる。路も存在する。これらの光路にはいずト効果を追及している場合もある。こ引き続き医用レーザを例にとると、精れも調和動作の機能を備えた新品の光のことは多数の光学部品と多数の光路度に関する要求は、現在バイオメディ学部品が要求される。その中核となるが必要となるシステムの場合にも当てカル用光学部品に求められることが多対物レンズは、新しい顕微鏡の多様なはまる（図 2 ）。光学部品メーカーがシい厳しい光学特性と公差の幅広い議論光路を支える最重要の組立部品としてステムメーカーの目標性能を理解しさがなされるようになることは容易に推の役割を果たすため、その光学設計、えすれば、コスト効果のある部品への定される。レーザ手術に使われる光学製造および組立は驚異的な発展を遂げ修正を提案することもできる。バイオ部品は、すべての公差を非常に厳しくている。新奇材料、複数の精密光学素メディカル用の光学部品を生産するこ設定し、レンズ形状やその他の不完全子、組立中の能動アラインメントを使との難しさを広く理解し、設計と製造性から生じる焦点ずれや散乱の問題を用する必要から、顕微鏡対物レンズのの関係者が設計と見積りの両方の段階回避しなければならない。さもなけれなかにはそのコストが新車の価格に匹において一緒に作業することが、バイば、手術した患者には予想外の結果や敵するものもある。オメディカル用の光学プロジェクトの障害が発生する。バイオメディカル装置を製造する企成功にとって重要になる。光学顕微鏡新型の顕微鏡システムは、今日利用可能な光学装置の中で最も複雑なシステムの一つである。新型顕微鏡は多数の光学部品を接続してさまざまな撮像 32 2011.2 Laser Focus World Japan 推奨文献（ 1 ）H.H. Karow, Fabrication Methods for Precision Optics, New York: J. Wiley & Sons （ 2004 ）. （ 2 ）R .E. Fisher, B. Tadic-Galeb, and P.R. Yoder, Optical System Design, New York: McGraw Hill （ 2008 ）. 著者紹介アンドリュー・リンチ（ Andrew Lynch ）は米エドモンド・オプティクス社（ Edmund Optics ）のソリューションエンジニア。e-mail: [email protected] LFWJ