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、装置のシステム性能を最大化している。

17世紀と18世紀に顕微鏡が発明され普及して以来、バイオメディカルに使われる光学技術は著しく発展した。新しい技術の出現とともに、医用レーザ、フローサイトメータ、新型顕微鏡などのバイオメディカル用の光学機器はますます複雑になっている。これらの計測システムの複雑さによって、使用する光学部品に対する要求は留まることなく増え続け、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。

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（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は利用可能な透明材料の範囲を限定し、これらの材料の相対コストは高くなり、相当に高い光学精度の確保が必要になる。
　最も広く使われるUV波長の光学材料には、合成石英と水晶、フッ化カルシウムなどのいくつかのフッ化物系材料、塩化ナトリウムなどの特定のハロゲン化アルカリの他、サファイアのような結晶がある。可視波長に使われる一般の光学ガラスに比べると、これらの原材料の価格は2 〜10倍、またはそれ以上になる。また、製造面でも、さらなるコストの加算が必要になる。
　ケイ酸塩は扱いやすく研磨も容易だが、上述した材料の多くは加工が容易でない。ガラスに比べると、さまざまに異なる硬度、熱的性質、破壊特性を示し、その製造と使用には周囲の環境からの特定の保護が必要なることも多い。例えば、激しい吸湿性で知られるハロゲン化アルカリは、従来法とは異なる研磨法が要求され、加工した製品の保管と使用にも特別の注意が必要になる。水分の吸収は真空容器に入れることで防止できるが、この方法は使用場所の制限が大きな問題になる。対照的にサファイアは材料間の性質の違いを説明する場合の例になる。硬度がダイヤモンドの次に高いサファイアは、通常の研磨剤を使用できないため、ダイヤモンド系の研磨剤が必要になる。これらの材料の多くはUVの屈折率が低くなる。このことは、大きな屈折率の材料に比べると、こうした材料を用いるUV用の集光レンズの曲率が大きくなることを意味している。そのた
めに、より大きな曲率のレンズを生産しようとすると、同時に研磨できる数量が減少し、レンズ単価へのコストの転化が問題になる。この問題の解決には、レンズを二つ以上の要素に「分割」し、光の屈曲作用を共有する方法がよく知られている。この方法はコスト低減にはあまり貢献しないが、光学吸収のような好ましくない副作用を防ぐ。しかし、この方法は実証済みの選択肢という段階に留まっている。UV透明材料の相対コストの高さと使用の難しさを考えると、光学設計者が材料の限界を完全に理解することが最も董要になることは間違いない。特定の材料の選択が避けられない場合もあるが、安価なUV材料、つまり石英ガラスで十分な場合も多い。また、石英ガラスが使われる場合でも、より一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光の遮蔽または透過に使用される特殊な光学フィルタが好例になる。石英ガラスは実質的に自家蛍光（UV光を照射された石英ガラスからの望ましくない蛍光）を発生しないため、設計者の多くはフィルタの基板として石英ガラスを選択しがちである。

（もっと読む場合は出典元へ）
出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2011/02/a213c37c6f5779939666567e03f75320.pdf