JP2005078082A

JP2005078082A - 落射光照明装置が組み込まれたステレオ手術用顕微鏡

Info

Publication number: JP2005078082A
Application number: JP2004246950A
Authority: JP
Inventors: Ulrich Sander; ザンダーウルリッヒ
Original assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Current assignee: Leica Microsystems Schweiz AG
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2004-08-26
Publication date: 2005-03-24
Also published as: DE10339619A1; EP1510847A1; US20050046937A1

Abstract

【課題】
従来の手術用顕微鏡と比べて、重量・寸法が小さく、顕微鏡筐体における熱の発生を回避ないし低減でき、（帯電を惹起し得る）顕微鏡筐体への大電流の供給も必要なく、また、エネルギ効率も比較的良好で、顕微鏡筐体の運動の自由度の阻害も回避ないし低減され得るステレオ手術用顕微鏡を提供すること。
【解決手段】
顕微鏡筐体に組み込まれた落射光照明装置を有するステレオ手術用顕微鏡において、白色照明光（１４）を放射する少なくとも１つの発光ダイオード（１）、照明光学系（１０）及び偏向要素（７）は、該白色照明光（１４）によってコアキシャル落射光照明法で被検対象面（６）を照明可能なように配されること、及び前記組み込まれた落射光照明装置（１２）には、落射光照明の電気エネルギ供給のため、少なくとも１つの組込型電気エネルギ供給ユニット（１６）が配されることを特徴とする。
【選択図】
図３

Description

本発明は、顕微鏡筐体に組み込まれた落射光照明装置を有するステレオ手術用顕微鏡に関する。

落射光照明（Auflichtbeleuchtung）とは、透過光照明とは異なり、不透明な試料ないし被検対象への照明であると理解されるべきものである。手術用顕微鏡では、落射光照明は、通常、主対物レンズを通過するように、即ちコアキシャルに行われる。（主対物レンズを介して）試料に対して投射された光は、当該試料によって反射され、顕微鏡において結像される。

これに対して透過光照明では、照明光は、被検対象を通過して対物レンズに到達する。このため、この照明によっては、多かれ少なかれ透明な（光透過性の）試料しか検査できないこととなる。この場合、光吸収性が比較的小さい試料構造は、明るい背景に暗く又は色つきで現れる。このために必要な光強度は、良好な落射光照明に必要な光強度よりも格段に小さい。落射光照明の光が強ければ強いほど及び「白色」的であればあるほど、より良好な観察を手術用顕微鏡によって実行することができる。しかしながら、出力の大きい落射光照明は、損失出力が大きく、多量の熱を発生し、それを実現する装置は、通常、重量も大きく寸法も大きい。これらの欠点をすべて回避するために、種々の方策が提案されている。とりわけ、１つは、改善された光源を顕微鏡本体に使用することであり、他のものは、光源を外部に取り付けることである。

ＤＥ１９９１９０９６Ａ１ＤＥ１９８４５６０３Ｃ２ＤＥ１００３０７７２Ａ１雑誌（Zeitschrift）"Elektronikpraxis"、第１９号（Nr.19）、第８８頁以下、１９９８年１０月９日

しかしながら、前者の（第１の）方策では、現在利用可能な光源の出力に限界がある。顕微鏡筐体に直接発生する熱と重量がとりわけ不利であり、場合によっては、顕微鏡筐体の寸法が大きくなることも欠点となる。更に、フレキシブルな給電線によって−場合によってはそれも大電流で−顕微鏡筐体に電気エネルギを供給しなければならないという問題もある。

これに対し、後者の（第２の）方策は、顕微鏡筐体の外部に光源が配置されるため上記第１の方策の欠点を伴わないので、原理的には有利である。しかしながら、この第２の方策の場合もエネルギ効率（Energiebilanz）が比較的悪いことに加えて、顕微鏡筐体の自由な運動を妨害し得る高価でフレキシブルな光伝送部材（光ファイバ）を設けなければならないという欠点がある。

それゆえ、本発明の課題は、上記２つの方策が有する欠点を伴わないか大幅に回避する新規なコアキシャル落射光照明を有するステレオ手術用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、顕微鏡筐体に組み込まれた落射光照明装置を有するステレオ手術用顕微鏡が提供される。このステレオ手術用顕微鏡において、白色照明光を放射する少なくとも１つの発光ダイオード、照明光学系及び偏向要素は、該白色照明光によってコアキシャル落射光照明法で被検対象面を照明可能なように配されること、及び前記組み込まれた落射光照明装置には、落射光照明の電気エネルギ供給のため、少なくとも１つの電気エネルギ供給ユニット（バッテリー又は蓄電池）が組み込まれるよう配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、上記課題に対応する効果が上述の通り達成される。即ち、本発明のステレオ手術用顕微鏡は、従来のものと比べて、重量・寸法が小さく、顕微鏡筐体における熱の発生を回避ないし低減でき、顕微鏡筐体への大電流の供給も必要なく、また、エネルギ効率も比較的良好で、顕微鏡筐体の運動の自由度の阻害も回避ないし低減され得る。
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上記基本構成を形態１として示すが、これらは従属請求項の対象でもあり得る。
（２）上記形態１のステレオ手術用顕微鏡において、前記照明光学系と前記発光ダイオードとの間に、光伝送ファイバが配されることは好ましい（形態２）。
（３）上記形態２のステレオ手術用顕微鏡において、前記照明光学系は、適合された照射特性を有するレンズによって又は少なくとも１つの光伝送ファイバによって置換されることが好ましい（形態３）。
（４）上記形態１〜３のステレオ手術用顕微鏡において、前記発光ダイオードは、ルミネセンスコンバージョン（Lumineszenzkonversion）原理に従い作動する１チップＬＥＤであることが好ましい（形態４）。
（５）上記形態１〜４のステレオ手術用顕微鏡において、前記白色照明光は、白色光ＬＥＤとして構成される前記少なくとも１つの発光ダイオード、又は赤色光、緑色光及び青色光をそれそれ放射する発光ダイオード群に由来すること、及び前記白色照明光の色温度は、ポテンシオメータ又は電圧可変装置ないし変圧装置（Spannungswandlers, Potential transformer）によって調節可能であることが好ましい（形態５）。
（６）上記形態１のステレオ手術用顕微鏡において、前記照明光学系は、ケーラー照明原理に従って配置ないし構成されることが好ましい（形態６）。
（７）上記形態１のステレオ手術用顕微鏡において、前記照明光学系は、ケーラー照明ではない照明の原理に従って配置ないし構成されることも可能である（形態７）。
（８）ステレオ手術用顕微鏡の被検対象面の落射光照明（方法）は、照明ビーム路が顕微鏡ビーム路に対し少なくともほぼコアキシャルに（koaxial）案内されるよう、発光ダイオードを顕微鏡筐体に組み込むことによって行うことができる。

本発明者は、白色光を放射する出力の強い発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を使用し、これを顕微鏡−装置に組み込むことにより上記課題が解決されることを見出した。ここに、顕微鏡−装置への組み込みとは、外部に配設された落射光照明装置が、それ自体既知のように、被検対象野を（対物レンズを介さずに）（斜め）側方から照明するよう構成されるのではなく、（落射光照明装置が）顕微鏡筐体に直接配設され、かつ照明ビーム路が顕微鏡ビーム路に対してコアキシャルに主対物レンズを通過するよう延在するように構成されることと理解されるべきである。

本発明者が見出したように、有色光を放射する発光ダイオードは、十分に大きい出力強度を有する落射光照明に対しても利用することができる。発光ダイオードは軽量であり、「冷たい」光を生成する。即ち、発光ダイオードは、損失熱は僅かしか生成しない。発光ダイオードの寸法は小さく、直接接続（配設）されたバッテリー等の電気エネルギ供給ユニットから供給可能な小さな動作電圧しか必要としない。かくして照明源（光源）を顕微鏡筐体に配設することにより生じる欠点は最早存在しないため、照明源を外部に配設するという既知の方策を用いる必要も最早存在しない。換言すれば、顕微鏡筐体自体への発光ダイオードの配設を不可とする理由は存在しないので、（顕微鏡筐体の）運動の自由度を制限する光伝送部材（Lichtleiter）による欠点は最早生じない。

更に、発光ダイオードは、従来技術の欠点を伴わない又は大幅に回避しているだけではなく、付加的な利点を有するため優れている。例えば、発光ダイオードは、長寿命であり、非常に頑強であり、振動（衝撃）に対して非感受性である。更に、空間的光分布及び色温度の調節も可能である。

透過光照明に対して発光ダイオードを使用することは既知である（例えば上掲特許文献１参照）。しかしながら、これは、あくまで、冒頭に述べたような、モノスコピックな実験用顕微鏡のための透過光照明であって、ステレオスコピックな手術用顕微鏡のための落射光照明ではない。実験用顕微鏡と手術用顕微鏡との間の根本的相違は、実験用顕微鏡は大きな開口数（例えば０．９）により作動するのに対し、手術用顕微鏡では小さな開口数（例えば０．０５）が使用されるということである。

上掲特許文献１によれば、単独で又は複数集積して配置された発光ダイオードは、顕微鏡筐体の構造（自体）にコアキシャル的に直接組み込まれるのではなく、軸線上、即ち光源−被検対象−顕微鏡の軸線上に配されている。

本出願人の上掲特許文献２には、透過光照明のための発光ダイオード構成体（複数の赤色−緑色−青色ＬＥＤの１つの組合体又は複数の白色光ＬＥＤ）が記載されている。２つの光源によるコンデンサ原理が記載されているが、いずれにしろ（ＬＥＤは）顕微鏡構造には組み込まれていない。その図面を参酌すると、実験用顕微鏡のための透過光照明に関するものであるが、この透過光照明からは、手術用顕微鏡のためのコアキシャルな主（落射光）照明としての、本発明の技術的思想及びＬＥＤ照明の組み込みは想到されない。

更に、上掲特許文献３には、複数のＬＥＤを用い、とりわけ顕微鏡の落射光照明のために構想された照明装置が記載されている。この照明装置は、いわば自立的（quasi autark）な、（ＬＥＤが）リング状に多重（集積）配置されたＬＥＤ照明であるが、構造的にもとりわけ光学的にも顕微鏡構造にコアキシャルに組み込まれたものではなく、従って被検対象に対する（対物レンズを介さない）側方からの傾斜（斜め）照明しか行うことができない。この照明装置では、対物レンズの周囲にリング状に配置された比較的多数の小さなＬＥＤは被検対象を直接照射し、この照明は何らかの光学系によって結像されることはない。

本発明によれば、上述の通り、白色光ＬＥＤ照明源は、主（落射光）照明として顕微鏡構造にコアキシャルに組み込まれるため、その光は少なくとも主対物レンズによって又はこれに加えて付加的に照明光学系によって被検対象野（面）に結像される。

これは、本発明によれば、とりわけ以下の変形形態において実現することができる：
・白色光ＬＥＤ及びケーラー原理による照明光学系を用いる変形形態；
・白色光ＬＥＤ及び非ケーラー原理による照明光学系を用いる変形形態；
・特別の照明光学系を備えず、場合によりＬＥＤに適合された照射特性を有するレンズを有する白色光ＬＥＤを用いる変形形態；
・白色光ＬＥＤ、及び該白色光ＬＥＤと照明光学系との間に配置される付加的光伝送ファイバを用いる変形形態；
・白色光ＬＥＤ及び光ファイバ光学系を用いる変形形態。

本発明の更なる一変形形態では、種々異なる複数のＬＥＤ照明源が使用される。これは、その混合光が人間の眼には白色光として知覚される赤色−緑色−青色ＬＥＤの組合体であり得る。

また、ルミネセンスコンバージョン（Lumineszenzkonversion）原理に従い作動する１又は複数の１チップＬＥＤを使用することもできる。この白色光発光ダイオードは、ＧａＮ又はＩｎＧａＮをベースとする本来的には青色光を放射するＬＥＤである。これについては非特許文献１を参照されたい。（なお、略説すると、このＬＥＤから放射されたエネルギの大きい青色光によって、適切な有機又は無機発光物質（ないし発光団）、ないし所謂ルミネセンスコンバージョン素子（例えば、Ｃｅ^３＋イオンがドープされた、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２ガーネットベース（Granatbasis）の発光物質色素（Leuchtstoffpigment））を照射し、該発光物質から放射された複数種類の可視光により白色光が生成される。）

また、本出願人により本願と同時に出願されたドイツ特許出願（DE 103 39 618.7）、及び対応日本出願（整理番号P7647EE）（以下「同時出願」という。）には、互いに異なる可視光を放射する複数のＬＥＤにそれぞれ配される複数の光伝送アームと、該光伝送アームが合流して一体化されてなる分岐・合束部とから構成されるマルチアーム光伝送装置において、該複数のＬＥＤから放射された光が混合されることが記載されている。本出願と上記同時出願の教示は、組み合わせることができる。例えば、本出願の光源及び光伝送部材の代わりに、同時出願の（複数のＬＥＤとマルチアーム光伝送装置とを含んで構成される）照明装置を使用することができる。上記同時出願の照明装置は、赤色光を放射する少なくとも１つの発光ダイオードと、緑色光を放射する少なくとも１つの発光ダイオードと、青色光を放射する少なくとも１つの発光ダイオードとを含むか、又は黄色光を放射する少なくとも１つの発光ダイオードと、青色光を放射する少なくとも１つの発光ダイオードとを含むよう構成されたＬＥＤユニットを有する光学観察装置のための照明装置において、前記複数の発光ダイオードには、分岐・合束部を有するマルチアーム光伝送装置が後置されること、及び前記複数の発光ダイオードの各々には、それぞれ１つの光伝送アームの受光端部が配されることを特徴とするものである。

以下に、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って、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・置換等を行うこと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。

各図面は互いに関連して包括的に記載されている。同じ参照符号は同じ構成要素・部材を表し、添字の異なる参照符号は機能的に同じ又は類似の構成要素・部材を表す。

図１（ａ）に、ＬＥＤ落射光照明のための構造部材上に多数のＬＥＤが二重のリング状に配されている様子を示すが、これは、本発明に最も近い従来技術である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した断面Ａ−Ａに沿って矢印の方向に見た断面図において、複数のＬＥＤがリング状構造部材に配されている様子を示している。この構造部材は、例えば、対物レンズに（上から被せるようにして）取り付けることができる。

図２は、照明装置１２が顕微鏡１１に配置される態様の一例を示す。照明装置１２は、電気エネルギ供給ユニット１６（バッテリー又は蓄電池）が組み込まれた発光ダイオード１と照明光学系１０とを有する。照明光学系１０は、更に、ケーラー照明の原理に従い構成・配置されており、レンズ２、絞り３及びレンズ４を有する。この２つのレンズ２及び４は、何れも一枚のレンズとして図示されているが、原理的に、（複数のレンズから構成される）レンズ群とすることができる。発光ダイオード１から放射されレンズ２、絞り３及びレンズ４を通過する照明ビーム路は、象徴的に、軸線１４で示されているが、偏向要素７に入射する。この偏向要素７は、照明光を主対物レンズ５を介し顕微鏡軸線９に対してコアキシャルに被検対象面６上へ偏向する。反射された照明光は、再び主対物レンズ５を介して顕微鏡１１へ到達し、更に観察者眼１５に到達する。

ケーラーの原理による照明構成の基本的利点は、被検対象野（面）を均一ないし一様に照明することができること、即ち光強度が辺縁領域に向かって（徐々に）減少しないことである。

図３は、図２に示したものと同様に構成された、顕微鏡１１における照明装置１２の一例を示す。ただし、この変形例では、照明光学系１０がケーラー照明でない照明（非ケーラー照明）の原理に従って構成・配置されている（絞り３はレンズ２の上流に配される）という点において図２のものとは異なる。

非ケーラー照明の原理による照明形態の利点は、構造を短くかつコンパクトにすることができることであり、更に照明野の中央部が明るいことと、均質性（Homogenitaet）即ち照明野辺縁領域に対する照明野中央部の明るさが調節可能であることにある。

図４に、光伝送ファイバ（束）１８が付加された照明装置１２の一例を示す。この光伝送ファイバ１８は、発光ダイオード１と照明光学系１０との間に配置されている。この変形例では、照明光学系１０は、図示のように非ケーラー照明の原理に従って構成することも、（図２に示したように）ケーラー照明の原理に従って構成することも可能である。

図５は、図２〜図４に示した照明光学系１０が省略され、その代わりに（ＬＥＤに）適合された照射特性を有するレンズ１７を使用するＬＥＤ照明装置を有するステレオ手術用顕微鏡を示す。このレンズ１７は、図示のように、発光ダイオード１に直接取り付けることができる。

図６は、照明装置の図２〜図５に示した光学要素の代わりに光伝送ファイバ１８だけを使用する照明装置の一例の構成を示す。

図７には、顕微鏡１１のための架台構造１３の一例を示す。架台は、壁面取付型架台、天井取付型架台、床上載置型架台、又はその他任意の形態の架台であって良い。照明装置１２は、寸法が小さく、架台構造１３に組み込まれている。照明装置１２に組込式電気エネルギ供給ユニット１６（バッテリー又は蓄電池）を配することによって、架台１３内を通過するか架台１３に沿って配される電流又は光を伝送するケーブル又は光伝送部材を設けることは不要となるため、該ケーブル又は光伝送部材による架台１３ないし顕微鏡１１の運動自由度の制限が回避可能となる。

（ａ）本発明に最も近い従来技術のリング状落射光ＬＥＤ構成体。（ｂ）図１（ａ）に示された既知の構成体の矢視Ａ−Ａ断面図。照明装置の光学系がケーラー照明の原理に従って構成されている顕微鏡における照明装置の構成の一例。照明装置の光学系がケーラー照明でない照明の原理に従って構成されている顕微鏡における照明装置の構成の一例。図２又は図３の構成において光伝送ファイバを付加したものの一例。図２の構成において、照明光学系をレンズで置換したものの一例。照明装置のすべての光学要素が光伝送ファイバにより置換された構成の一例。照明装置が組み込まれた手術用顕微鏡の架台構造の一例。

符号の説明

１発光ダイオード
２レンズ
３絞り
４レンズ
５主対物レンズ
６被検対象面
７偏向要素
９顕微鏡軸線
１０照明光学系
１１顕微鏡
１２ＬＥＤ照明装置
１３顕微鏡架台
１４照明ビーム路の軸線
１５観察者眼
１６組み込まれた（組込式）電気エネルギ供給ユニット（バッテリー又は蓄電池）
１７適合された照射特性を有するレンズ
１８光伝送ファイバ
Ａ−Ａ断面

Claims

顕微鏡筐体に組み込まれた落射光照明装置を有するステレオ手術用顕微鏡において、
白色照明光（１４）を放射する少なくとも１つの発光ダイオード（１）、照明光学系（１０）及び偏向要素（７）は、該白色照明光（１４）によってコアキシャル落射光照明法で被検対象面（６）を照明可能なように配されること、及び
前記組み込まれた落射光照明装置（１２）には、落射光照明の電気エネルギ供給のため、少なくとも１つの電気エネルギ供給ユニット（１６）が組み込まれるよう配されること
を特徴とするステレオ手術用顕微鏡。
前記照明光学系（１０）と前記発光ダイオード（１）との間に、光伝送ファイバ（１８）が配されること
を特徴とする請求項１に記載のステレオ手術用顕微鏡。
前記照明光学系（１０）は、適合された照射特性を有するレンズ（１７）によって又は少なくとも１つの光伝送ファイバ（１８）によって置換されること
を特徴とする請求項２記載のステレオ手術用顕微鏡。
前記発光ダイオード（１）は、ルミネセンスコンバージョン原理に従い作動する１チップＬＥＤであること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のステレオ手術用顕微鏡。
前記白色照明光（１４）は、白色光ＬＥＤとして構成される前記少なくとも１つの発光ダイオード（１）、又は赤色光、緑色光及び青色光をそれそれ放射する発光ダイオード群に由来すること、及び
前記白色照明光（１４）の色温度は、ポテンシオメータ又は電圧可変装置によって調節可能であること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のステレオ手術用顕微鏡。