JP2004243133A - 架台を有する顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｘ軸及びＹ軸だけでなくＺ軸に関しても、即ち３次元的に振動の補償（平衡化、減衰補正）を実行することが可能な架台を有する顕微鏡。
【解決手段】 顕微鏡及び／又は架台が少なくとも１つの支持部材と振動補償装置とを有する形式の架台を有する顕微鏡において、少なくとも１つのＡＲＥＳ構造要素（７１）が、振動補償装置として、少なくとも１つの前記支持部材（２又は７）の内部又は表面に、又は前記支持部材（２又は７）の１つの代わりに配設される。
【選択図】図２

Description

本発明は、とりわけ架台を有する手術用顕微鏡等の架台を有する顕微鏡に関する。本発明は、特に、顕微鏡および／または架台が少なくとも１つの支持部材と振動補償装置とを有する形式の、とりわけ架台を有する手術用顕微鏡等の架台を有する顕微鏡に関する。

手術用顕微鏡は架台により支持されており、架台は床に起立するか、または壁または天井に取り付けられている。例えばＸＹ（位置）調整、ズーム調整、継手アームのブレーキ解除等の機能により顕微鏡を使用することにより、または例えば近くを通過するトラックの振動やエアコン装置の防振が不十分であることに起因する外部振動により顕微鏡が振動することがあり、このため、顕微鏡画像の視認可能な（眼に見えて分かるような）不安定性（画像ぶれ）が生じる。

視認可能な不安定性を回避するために、写真対物レンズおよび双眼鏡に関して、対策が幾つか提案されている（例えば、特許文献１〜１３、及び非特許文献１参照）。これら既知の方策では、障害を引き起こす振動が電子的または機械的に検出され、その後、例えば（１つの）レンズまたは（１つの）プリズム等の光学的構造要素が、振動の補償がなされるように運動ないし調整される。この運動ないし調整は、とりわけモータ駆動装置または機械的てこ作用によって制御して行われる。上記の技術と対比可能な、手術用顕微鏡用システムを記載している文献もある（特許文献１４〜１７参照）。この場合においても、システムの振動が測定され、これにより（１つの）光学素子、この場合は主対物レンズが、振動が補償されるよう制御される。

ＵＳ−Ｂ１−６ ２２６ ４５８ ＵＳ−Ｂ１−６ １９１ ８１３ ＵＳ−Ａ−５ ９４０ ６３０ ＵＳ−Ａ−５ ５６１ ４９８ ＵＳ−Ａ−５ ３３３ ０３２ ＵＳ−Ａ−５ ２４５ ３７８ ＵＳ−Ａ−５ ２４３ ４６２ ＵＳ−Ａ−５ １８２ ６７１ ＵＳ−Ａ−５ １２６ ５６１ ＵＳ−Ａ−５ １０７ ２９３ ＵＳ−Ａ−５ １０１ ２３０ ＵＳ−Ａ−４ ９７０ ５４０ ＵＳ−Ａ−３ ９４２ ８６２ ＵＳ−Ａ−５ ７３１ ８９６ ＵＳ−Ａ−５ ７８６ ９３６ ＤＥ−Ａ−４３ ４２ ７１７ ＤＥ−Ａ−４３ ４２ ５３８ "Zeiss Information"4,(1995) Nr.6, ２４頁 E. J. Breitbach et al., "Adaptive Structures - Concepts and Prospects", ドイツ航空宇宙研究施設（German Aerospace Research Establishment：ＤＬＲ）の空力弾性研究所（Institute of Aeroelasticity）及び構造機械研究所（Institute of Structural Mechanics）、３〜８頁（発行日不明）

本願発明は他の機器にも良好に使用することができるが、本願発明との対比の便宜上、以下の説明、とりわけ欠点の説明は、手術用顕微鏡に限定して行っている（しかしながら、以下の説明は、対応する他の機器に関しても同様に当て嵌まる）。上記特許文献１４〜１７は、システムの振動の測定を行うような、手術用顕微鏡のための方策を記載している。主対物レンズを顕微鏡に対して相対的にＸＹ平面で運動させることのできる複数のモータがこの振動を補償するため、物体（被検対象）の画像は比較的静止して接眼レンズに現れる。

この既知の方策の重大な欠点は、対物レンズは、その振動に関し、ＸＹ平面でしか補償されないことである。Ｚ方向では、減衰されずに振動し続ける。従って対物レンズの焦点深度（Tiefenschaerfe）によって最早補償できないような振動は物体画像のコントラストの鮮鋭度を大きく損なう。

上記技術には、顕微鏡全体が観察を行っている外科医に対し相対的に依然として振動し続けることがあり得、そのため当該外科医（観察者）は、場合によっては、過度に大きな振動により顕微鏡の射出瞳を見失ったり或いはけられ（口径食）の生じた画像を観察するに至るという更なる欠点もある。

後者の欠点を回避するために、光学システム全体を振動に対して補償することが提案されている。このような方策は、例えば、上記特許文献１４〜１７で提案されている。

当該方策によると、振動を補償するために、複数のモータが顕微鏡全体をＸＹ平面で運動させるため、物体画像は比較的静止して接眼レンズに現れはする。しかしながら、この場合も、Ｚ方向での補償は行われない。これら複数のモータは、より大きな質量を運動させなければならいという欠点もある。

それゆえ、本発明の課題は、Ｘ軸及びＹ軸だけでなくＺ軸に関しても、即ち３次元的に振動の補償（平衡化、減衰）を実行することが可能な、光学システム全体のための軽量かつ小型の振動補償装置を備えた架台を有する顕微鏡を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一視点により、顕微鏡及び／又は架台が少なくとも１つの支持部材と振動補償装置とを有する形式の架台を有する顕微鏡（顕微鏡−架台システム）を提供する。この顕微鏡において、少なくとも１つのＡＲＥＳ（能動的応答性柔（フレキシブル）構造：Actively Reacting Flexible Structure）構造要素が、振動補償装置として、少なくとも１つの前記支持部材の内部又は表面に、又は前記支持部材の１つの代わりに配設されることを特徴とする（形態１・基本構成）。

本発明の独立請求項１により、所定の課題として掲げた効果が、上述の通り達成される。即ち、本発明の架台を有する顕微鏡は、Ｘ軸及びＹ軸だけでなくＺ軸に関しても、即ち３次元的に振動の補償（平衡化、減衰）を実行することが可能である（基本構成）。ＡＲＥＳ構造要素は必要に応じて３次元的な能動的補償を行うよう配設される。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が、後述の通りそれぞれ達成される。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を示すが、これらは従属請求項の対象でもありうる。
（２） 上記の顕微鏡において、少なくとも１つのＡＲＥＳ構造要素は、前記支持部材の少なくとも１つの振動の腹（波腹）の生成可能部位に配設されることが好ましい（形態２）。
（３） 上記の顕微鏡において、少なくとも２つのＡＲＥＳ構造要素が、前記顕微鏡及び／又は前記架台の互いに異なる部位に配設されることが好ましい（形態３）。
（４） 上記の顕微鏡において、前記顕微鏡とそれ（該顕微鏡）以外の架台との連動解除・分離（又は顕微鏡と架台との間における振動の分離）をするため、１つの支持部材の代わりに、１つのＡＲＥＳ構造要素が自己支持型（自立式）要素として配設されることが好ましい（形態４）。
（５） 上記の顕微鏡において、少なくとも１つのＡＲＥＳ構造要素が、主対物レンズの直接的な振動の分離（補償ないし抑止）をするため、該主対物レンズを担持する部材として該顕微鏡内に配設されることが好ましい（形態５）。
（６） 上記の顕微鏡において、前記振動補償装置は、圧電的エネルギ供給装置を有することが好ましい（形態６）。
（７） 上記の顕微鏡において、前記ＡＲＥＳ構造要素は、空間的（三次元的）格子構造を有することが好ましい（形態７）。
（８） 上記の顕微鏡において、前記ＡＲＥＳ構造要素は、振動補償のためだけでなく、無振動的な位置の安定化のためにも制御可能に構成されることが好ましい（形態８）。
（９） 上記の顕微鏡は、手術用顕微鏡として構成されることが好ましい（形態９）。
（１０） 上記の顕微鏡は、ステレオ手術用顕微鏡として構成されることが好ましい（形態１０）。

上述のような３次元的ＡＲＥＳ構造要素について記載している文献もある（非特許文献２参照）。ＡＲＥＳ構造要素は、アダプティブ、スマート、ないしインテリジェント構造（adaptive, smart, or intelligent structures）とも称され、２次元（mono-functional）から３次元（multifunctional）のものへ発展して来ている。ＡＲＥＳ構造要素は、振動の測定に基づいて組込型駆動要素（複数）を、当該各駆動要素が当該振動に対しリアルタイムで対抗（補償・抑止）的に（即ちダイナミックないしインテリジェントに）作用し、以って当該振動によって構造部材における外径形状（輪郭）又は重要なインタフェース（結合部位）の位置変化が引き起こされないように、制御を行う自己制御型の構造要素である。ＡＲＥＳ構造要素の近傍又はＡＲＥＳ構造要素自体の内部に配設される加速度センサ（複数）がこのような振動を測定し、ＡＲＥＳ構造要素（特にフレーム構造体の棒、ロッドないしバー状の構造要素や支点ないしジョイント要素等）の変形ないし形態変化（Variation）を介して直接的に３次元（ＸＹＺ）方向において当該振動の補償を行い、以って、本発明に応じ、観察者ないし空間に対して相対的に、３つのすべての空間方向に関して顕微鏡全体を静止させる。３次元ＡＲＥＳの例としては、ｘ，ｙ方向のみならずｚ方向にも可変制御可能な構造要素を備えたヤグラ状のフレーム構造体（骨組み構造ないし格子構造）が考えられる。

本発明の更なる利点は、このようなＡＲＥＳ構造要素を支持アームと直接代替させることにより、即ちこのようなＡＲＥＳ構造要素を振動補償要素としてだけでなく同時に支持要素としても使用することにより、構成部材数を減少することができるということにある。このため、顕微鏡領域に配設される複数のセンサを有し質量が大きくて嵩張るモータ（複数）又は付加的な光学的補償要素（複数）を不要とし、並びにこれらにより生じる視野の妨害が回避される。上記非特許文献２の内容は、引用を持ってここに記載され本出願の開示の範囲に含まれるものとみなす。

顕微鏡ないし架台は、振動補償するために、１つのＡＲＥＳ構造要素を、有利には、（複数の）振動の腹（波腹）のうちの１つの生成可能部位で使用するか、又は複数のＡＲＥＳ構造要素を互いに異なる部位で使用する。

顕微鏡を当該顕微鏡以外の架台からの振動の分離、即ち架台と顕微鏡との間における振動の分離をするために、支持部材の代わりに、ＡＲＥＳ構造要素を自己支持型ないし自立式（selbsttragend）要素として配設することもできる。或いは、主対物レンズを直接的に振動の補償（分離ないし抑止）をするために、ＡＲＥＳ構造要素を顕微鏡の内部に配設することも可能である。ＡＲＥＳ構造要素は、振動補償のためだけではなく、無振動的に位置の安定化を図るために制御されることも可能である。ＡＲＥＳ構造要素には、圧電的にエネルギの供給を行うことも可能であり、そのため、場合によっては、通常の電気回路から独立して機能することも可能である。この場合、圧電結晶は形状変化により励起されて電圧を生成し、この電圧を用いて他の圧電アクチュエータを励起し対応した制御（Gegensteuerung）を行う。上述の各形態は、手術用顕微鏡又はステレオ手術用顕微鏡にも適用可能である。

本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施例は、発明の理解の容易化のためのものであり、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において当業者により実施可能な付加・置換・修正等を排除することは意図しない。また、特許請求の範囲に付した図面参照符号も発明の理解の容易化のためのものであり、本発明を図示の態様に限定することは意図しない。なお、これらの点に関しては、補正・訂正後においても同様である。

各図は関連的かつ総括的に記載されている。同じ参照符号は同じ構造要素ないし部材を示し、異なる添え字の付された参照符号は機能的に同じ構造要素ないし部材を示す。

図１に、従来技術に関する、床１０に起立する架台１を有する手術用顕微鏡（顕微鏡−架台システム）を示した。架台１は、空間内において自由に位置決めするための可動の鋏型アーム２を有する。この鋏型アーム２の自由端部には、観察者により所期の目的に適合する精密位置合わせをするためのＸＹ調整装置３が配設されている。この顕微鏡−架台システムでは、主対物レンズ６と接眼レンズを備える鏡筒４とを含む顕微鏡５は、観察者の眼９に適合するよう、支持アーム７によって取り付けられている。

振動補償ための複数のセンサを備えるモータ８は、主対物レンズ６の領域に直接配置されており、このモータ８は、調節要素として主対物レンズ６に作用する。センサを備えるモータ８は、従来技術によれば、鋏型アーム２と支持アーム７との間、又は支持アーム７と顕微鏡５との間に配設することも可能である（尤も図１には示していない。）。

図２に、本発明による架台１を有する手術用顕微鏡（顕微鏡−架台システム）の一例を示した。架台１は、空間において自由に位置決めを行うための可動の鋏型アーム２を有し、この鋏型アーム２の自由端部には、観察者により所期の目的に適合する精密位置合わせを実行するためのＸＹ調整装置３が配設される。しかしながら、この顕微鏡−架台システムの場合、図１に示した従来技術の支持アーム７の代わりに、ＡＲＥＳ構造要素７１が配設されており、このＡＲＥＳ構造要素７１が、主対物レンズ６及び接眼レンズを備える鏡筒４を含む顕微鏡５を担持している。

図３に、ＡＲＥＳ構造要素７１の一例を示した。このＡＲＥＳ構造要素７１は、空間的（三次元的）格子構造を有する。更に、このＡＲＥＳ構造要素７１は、本発明の顕微鏡−架台システムでは、図１に示した従来技術の顕微鏡−架台システムの支持アーム７並びに複数のセンサを備えるモータ８の機能を代替することができるため、これら（支持アーム７及びモータ８）を使用しなくても、顕微鏡−架台システムを有効に稼動することができる。ＡＲＥＳ構造要素としては、上述のような空間的格子構造の他、プレート状、フィルム（シート）状その他各種形態のものも使用可能である。本発明の顕微鏡−架台システムでは、これら各種形態のＡＲＥＳ構造要素を使用することにより、例えば、架台自体の振動の減衰（制振）、架台に顕微鏡を固定するための振動の減衰、顕微鏡内での対物レンズを固定するための振動の減衰が実現可能となる。

図３に示すＡＲＥＳ構造要素７１は、自立的なものの一例であり、３次元的格子構造（骨組み構造ないしフレームワーク構造）の一部に、一例として、ＡＲＥＳ構造要素の長軸に平行に並置された（特に微小）伸縮自在な能動的制御要素７２ａ、７２ｂ、７２ｃを備えると共に小円で示す各結節点は回転ジョイントとして構成され、かくて下端面７１ａに対し上端面７１ｂの相対的３次元的変位（立体的角度変位を含む）を実現できる。能動的制御要素７２ａ、７２ｂに着目すると、その選択的制御により、上端面７１ｂの面の微小傾き（従って面の法線方向の軸線の角度変位）が制御されることが判る。また、格子組みの対角線上にタイロッドとして配した能動的制御要素７２ｃの伸縮に応じて、ＡＲＥＳ構造要素７１の長軸の湾曲ないし直線性をマイクロ制御できる。微小伸縮要素としては、例えば、電気的制御可能な圧電変換素子を用いることができる。

既知の手術用顕微鏡の側面図。 本発明の架台を有する手術用顕微鏡の一例の側面図。 ＡＲＥＳ構造要素の一例の斜視図。

符号の説明

１ 架台
２ 鋏型アーム（支持部材）
３ ＸＹ調整装置
４ 接眼レンズを備える鏡筒
５ （手術用）顕微鏡
６ 主対物レンズ
７ 支持アーム（支持部材）
８ センサ（複数）を備えるモータ
９ 観察者の眼
１０ 床
７１ ＡＲＥＳ構造要素
７１ａ 下端面
７１ｂ 上端面
７２ａ〜７２ｃ ＡＲＥＳ構造要素の能動的制御要素

Claims (6)

1. 顕微鏡及び／又は架台が少なくとも１つの支持部材と振動補償装置とを有する形式の架台を有する顕微鏡において、
   少なくとも１つの能動的応答性柔構造要素（以下「ＡＲＥＳ構造要素」という）（７１）が、振動補償装置として、少なくとも１つの前記支持部材（２、７）の内部又は表面に、又は前記支持部材（２、７）の１つの代わりに配設されること
   を特徴とする顕微鏡。
2. 少なくとも１つのＡＲＥＳ構造要素（７１）は、前記支持部材（２、７）の少なくとも１つの振動の腹の生成可能部位に配設されること
   を特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
3. 少なくとも２つのＡＲＥＳ構造要素（７１）が、前記顕微鏡（５）及び／又は前記架台（１）の互いに異なる部位に配設されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡。
4. 前記顕微鏡（５）とそれ以外の架台（１）との連動解除・分離をするため、１つの支持部材（２、７）の代わりに、１つのＡＲＥＳ構造要素（７１）が自己支持型要素として配設されること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の顕微鏡。
5. 少なくとも１つのＡＲＥＳ構造要素（７１）が、主対物レンズ（６）の直接的な振動の分離をするため、該主対物レンズ（６）を担持する部材として該顕微鏡（５）内に配設されること
   を特徴とする請求項１に記載の顕微鏡。
6. 前記振動補償装置は、圧電的エネルギ供給装置を有すること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の顕微鏡。

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