用于控制光的光学性质的方法和设备的制造方法
【专利说明】用于控制光的光学性质的方法和设备 夺叉引用
[0001] 本申请是提交于2012年9月24日的美国临时专利申请第61/705,027号（代理 人案号40556-726. 101)的非临时申请并要求其权益；上述申请通过引用而全文并入于此。
【背景技术】
[0002] 对目标区域照明以允许操作者更清晰地观察目标区域可能是具有挑战性的。由头 灯或壁挂式灯提供的外部光照需要不断的调整，并且仍然可能在目标区域中投下不需要的 阴影。此外，这些照明方法可能无法照明深居于表面之下的目标区域。可以将光纤耦合至工 具以帮助照明目标区域，但光纤系统在传输光方面可能效率较低，并且由此造成的光损失 显著减少了递送到目标区域的光量。通过提供强大的光源可以做出克服光传输的低效率的 尝试，但这可能导致过度发热，并且在一些情况下这会导致起火。除了与提供对工作区域的 充足照明相关联的挑战之外，照明系统必须能够进入狭小的空间而不占据很大的体积一一 该体积本来是工具或操作者的手所需要的，或者除此之外是查看工作区域所需要的。照明 装置和系统还必须能够与所使用的工具协同地相互作用并符合于在其中使用它们的空间。
[0003] 因此，仍然需要高效地递送光并提供优质光以照明工作区域的改进的光照装置和 系统。这样的光照装置和系统优选地具有小的轮廓，从而使它们可以容易地定位在工作区 域中并符合于该区域，而不占据过多的空间。在优选实施方式中，光照装置和系统可以用 于外科手术应用以照明术野（surgical field)，并且它们可以与其他外科手术器械协同使 用，所述外科手术器械诸如是保持组织远离工作区域的牵开器，或者是从术野移除不需要 的流体和碎片的吸棒。本文所描述的示例性实施方式将会实现这些目标中的至少一些目 标。
【发明内容】
[0004] 本发明总体上涉及用于照明区域的器械，并且优选地可以涉及用于照明术野的器 械。
[0005] 在本发明的第一方面，一种用于照明术野的外科手术器械包括光波导，该光波导 用于通过全内反射从所述光波导的近端向所述光波导的远端传输光。所述光波导具有前表 面和后表面。所述外科手术器械还具有安置于所述前表面和/或所述后表面上的一个或多 个控制元件，所述一个或多个控制元件从所述光波导提取光并且独立地控制所提取的光的 两个或更多个光学性质。所述控制元件可以是所述波导上的表面特征，并且因此在本说明 书中还可以称为表面特征。然而，这并不旨在限制，并且因此所述控制元件并不一定是表面 特征。
[0006] 所述光波导可以是非光纤光波导，并且可以由单一均质材料形成。所述一个或多 个控制元件可以包括安置于所述前表面上的第一表面特征和安置于所述后表面上的第二 表面特征。所述两个或更多个光学性质可以包括第一光学性质和第二光学性质。所述第一 光学性质可以包括第一方向或第一发散角（divergence angle)，并且所述第二光学性质可 以包括第二方向或第二发散角，并且所述第一表面特征在所述第一方向或所述第一发散角 上控制所提取的光，并且所述第二表面特征在所述第二方向或所述第二发散角上控制所提 取的光。所述一个或多个控制元件可以包括安置于所述前表面上的一个或多个前面控制元 件，以及安置于所述后表面上的一个或多个后面控制元件。所述前面控制元件可以独立于 控制所述第二光学性质的所述一个或多个后面控制元件而控制所述第一光学性质。所述一 个或多个控制元件中的至少一些控制元件可以同时控制所述第一光学性质和所述第二光 学性质，并且它们可以安置于所述前表面上或后表面上或全部两个表面上。所述第一控制 元件可以不同于所述第二控制元件。所述一个或多个控制元件可以包括棱柱状图案、多个 刻面（facet)，或者柱状透镜（lenticular lens)。
[0007] 所述棱柱状图案可以包括厚度、升起物和出射面，以及具有从所述升起物顶部延 伸至所述出射面底部的深度的沟槽。沟槽深度可以小于所述光波导的厚度的1/3。所述沟 槽深度沿着所述棱柱状图案可以是恒定的。所述光波导可以包括多个沟槽，并且所述多个 沟槽可以符合于非球面等式。所述棱柱状图案可以具有小于Imm的节距，并且所述升起物 可以具有〇度到25度的升起物角度。所述出射面可以具有0度到25度的出射面角度。所 述棱柱状图案可以正交于所述光波导的纵轴。
[0008] 所述控制元件可以包括安置于所述前表面或所述后表面上的多个刻面。一个或多 个控制元件可以包括柱状透镜，所述柱状透镜可以平行于所述光波导的所述纵轴。所述光 波导的所述前表面可以基本上是平面的，并且所述后表面可以包括具有节距和半径的凹形 或凸形柱状透镜。所述节距和半径可以控制通过透镜并相对于所述光波导的所述纵轴提取 的光的横向发散。
[0009] 所述光波导可以包括纵轴，并且所述第一方向可以横向于所述纵轴。所述第一光 学性质可以包括第一方向或第一发散角，并且所述第一方向或所述第一发散角可以横向于 所述纵轴。所述第一方向或第一发散角可以相对于所述纵轴形成角度。所述第二光学性质 可以包括第二方向或第二发散角，并且所述第二方向或第二发散角可以横向于所述第一方 向。所述第二方向或所述第二发散角可以相对于所述纵轴形成发散角。
[0010] 所述一个或多个控制元件可以包括平行于所述光波导的所述纵轴定向的第一组 表面特征和横向于所述纵轴定向的第二组表面特征，所述第一组表面特征用于控制在横向 于所述纵轴的方向上的光提取，而所述第二组表面特征用于控制在相对于所述纵轴形成角 度的方向上的光提取。所述第一组表面特征和所述第二组表面特征可以彼此一起安置于所 述光波导的同一表面上。所述一个或多个控制元件可以包括由在第一方向和与所述第一方 向相反的第二方向上定向的特征的组合所形成的表面特征。所述控制元件可以形成安置于 所述前表面或所述后表面上的一个或多个凸起或枕状物。所述一个或多个凸起控制在两个 方向上或者在两个发散角上提取的光。所述光波导的所述前表面或所述后表面可以包括用 于控制从所述光波导提取的光的发散角的凸形区或凹形区，并且所述前表面或所述后表面 中的另一个可以基本上是平面的。所述光波导可以包括成角度的远端尖端，该远端尖端用 于捕获未被所述一个或多个表面特征提取的剩余的光。所述尖端可以是成角度的、平坦的， 或者具有其他构型。此外，所述尖端可以具有诸如微特征等表面特征，所述微特征包括棱 镜、微透镜、刻面，或者用于控制离开所述光波导的远端尖端的光的其他构型。所述一个或 多个表面特征可以包括安置于所述前表面上的表面特征和安置于所述后表面上的表面特 征。位于所述前表面上的表面特征可以控制所述第一光学性质，并且位于所述后表面上的 表面特征可以控制所述第二光学性质。可以在所述前表面或后表面上安置涂层或包层。所 述涂层或包层可以具有比所述波导的折射率更低的折射率。
[0011] 在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的方法包括提供具有前表面和后表面 的光波导，向所述光波导中输入光，以及通过全内反射经所述光波导传输光。所述方法还包 括经由安置于所述光波导的所述前表面或后表面上的一个或多个控制元件从所述光波导 提取光，并且控制从所述光波导提取的光用所述一个或多个表面特征来控制所提取的光的 至少两种光学性质。所述两种光学性质可以包括两个方向或两个发散角，以便使光照明所 述术野。
[0012] 输入光可以包括将所述光波导与光源光学地親合起来。光学地親合可以包括将所 述光波导与光纤耦合起来。所述一个或多个控制元件可以仅安置于所述光波导的所述前表 面上或者仅安置于所述后表面上。控制所提取的光可以包括控制所提取的光相对于所述光 波导的纵轴的水平发散和垂直发散。
[0013] 在本发明的另一个方面，一种用于照明术野的外科手术器械包括第一光波导和第 二光波导。所述波导被配置用于通过全内反射从光源向所述术野传输光，并且所述光波导 具有面向所述术野的前表面和与之相反的后表面。所述外科手术器械还包括耦合元件，该 耦合元件同时附接至所述第一光波导和所述第二光波导。所述耦合元件具有纵轴，并且所 述第一光波导和第二光波导可相对于彼此移动并且可绕所述纵轴枢转。
[0014] 所述耦合元件可以允许所述第一光波导相对于所述第二光波导的定位，以便使这 两个光波导之间的角度或曲率半径是可调整的。所述第一光波导或所述第二光波导可以包 括安置于所述前表面或所述后表面中的任一个上的一个或多个控制元件，并且所述一个或 多个控制元件从所述光波导提取光并控制所提取的光的第一光学性质。所述一个或多个控 制元件还可以从所述光波导提取光并控制所提取的光的第二光学性质。
[0015] 所述外科手术器械可以进一步包括牵开器刀片，该牵开器刀片具有内表面和外表 面，并且耦合至所述第一光波导或所述第二光波导。所述第一光波导和第二光波导可以符 合于所述牵开器刀片的所述内表面或所述外表面，或者符合于任何其他衬底，诸如可塑背 衬。所述牵开器刀片可以包括管状套管，并且所述第一光波导或所述第二光波导可以包括 平