JP2008227490A - 特に手術用顕微鏡のための照明モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤによって光が生成され、最大のＣＲＩ値と同時に可変の色温度をもつ白色の照明光を提供することを可能にし、式ＣＲＩ_{Beleuchtungsmodul}＞８０が成り立つような、手術用顕微鏡の照明モジュールを提供する。
【解決手段】本発明は、少なくとも１つの白色光ＬＥＤを有する光源を備えた照明モジュールに関する。本発明では、白色光ＬＥＤに加えて、赤色光のＬＥＤと緑色光のＬＥＤが設けられている。照明モジュール１００は、照明光のための照明モジュールの出力部１１２で白色の照明光を提供するために、白色光ＬＥＤの光を、赤色光のＬＥＤの光及び緑色光のＬＥＤの光と混合する光混合装置１０７を含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも１つの白色光ＬＥＤを有する光源を備えた照明モジュールに関する。

手術者が手術用顕微鏡で手術領域を明るく、かつ良好なコントラストで見ることができるようにするためには、強度が高く、色が変わらない光源によって手術領域が照明されなくてはならない。

そのため、光源としてハロゲンランプやキセノンランプを用いることが知られている。このような光源は温度放射体として作用する。ハロゲンランプは、Ｔ＝２８００°ＫからＴ＝３２００°Ｋの範囲内の温度Ｔのとき、黒体放射体の分光強度にほぼ相当する分光強度をもつ光を生成する。キセノンランプは、温度Ｔ＝４８００°Ｋの黒体放射体の分光強度にほぼ等しい分光強度をもつ光を放出する。

光源としてのキセノンランプやハロゲンランプは熱放射体であるため、光の生成が、強い温度発生と結びついているという欠点を有している。したがってこのようなランプの耐用寿命は限られており、ランプから放出される光の分光強度は、耐用寿命全体を通じて一定ではない。

ＬＥＤによって光を生成する照明モジュールは、このような欠点を有していない。ＬＥＤは比較的低い電気出力で光を生成することが可能で、その際、熱放射体の場合のような大量の熱が発生することがない。キセノンランプやハロゲンランプに比べて、ＬＥＤは低コストで製作することができ、より長い耐用寿命にわたって作動させることができる。

ＬＥＤでは、発光ダイオードの中で電荷担体が１つの量子状態から別の量子状態へ移行する際にエネルギーを放出し、このエネルギーが光に変換されることによって生じる、エレクトロルミネセンスによって光が生成される。したがって、エレクトロルミネセンスにより生成される光の波長スペクトルは、温度放射体に比べて狭帯域である。

ＬＥＤによって白色光を生成するために、色の異なる３つ又はそれ以上の赤、緑、青の色の発光ダイオードに由来する光を互いに重ね合わせるか、又は、たとえば蛍光体を含有する変換材料に青色ＬＥＤの光が当てられることによって、エレクトロルミネセンスにより生成された狭帯域の光を白色光へ変換することが知られている。異なる色のＬＥＤの光を混合して白色光にする場合、個々のＬＥＤから放出される光強度を変えることによって、結果的に生じる白色光の色温度を調整することができる。このとき光源の色温度とは、光源の色印象を与える黒体放射体の色温度を意味している。

赤、緑、青の色の発光ダイオードの光を混合することによって白色光を生成する照明モジュール、又は、青色ＬＥＤの光が蛍光体を含む変換材料に通されることによって白色光が生起される照明モジュールは、いわゆるＣＲＩ値がハロゲン光源ないしキセノン光源の白色光のものに比べて低い白色光しか生成することができない。

ここで、本件において照明モジュールから放出される白色光のＣＲＩ値とは、非特許文献１の３１７頁の式１９．９に記載された数値を意味しており、この数値は、対照光源を基準としたうえで、光源としての照明モジュールで照明される規格化されたカラーチャートの色忠実度を表す目安となっている。このときＣＲＩ値は、以下においては温度Ｔ＝４８００°Ｋの黒体の熱放射体を基準とする。

赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＬＥＤに由来する光を重ね合わせることによって白色光を生成する、従来技術から知られている照明モジュールについては次式が成り立つ：
ＣＲＩ_{LED-Lichtquelle}＜８０
Ｅ．フレッド・シューベルト（E. Fred Schubert）「発光ダイオード（Light Emitting Diodes）」ケンブリッジ大学出版局（Cambridge University Press）、第２版、２００６年

本発明の課題は、ＬＥＤによって光が生成され、最大のＣＲＩ値と同時に可変の色温度をもつ白色の照明光を提供することを可能にし、次式
ＣＲＩ_{Beleuchtungsmodul}＞８０
が成り立つような、手術用顕微鏡の照明モジュールを提供することにある。

この課題は、赤色光（Ｒ）のＬＥＤと緑色光（Ｇ）のＬＥＤが設けられており、照明モジュールは、照明モジュールの出力部で白色の照明光を提供するために、白色光ＬＥＤの光を、赤色光（Ｒ）のＬＥＤの光及び緑色光（Ｇ）のＬＥＤの光と混合する光混合装置を含んでいる、冒頭に述べた種類の照明モジュールによって解決される

このようにして白色光を提供する照明モジュールが提供され、この白色光の色再生は、白色光ＬＥＤ又はＲＧＢ−ＬＥＤで生成される白色光に比べて改善されており、それにより、広い色領域にわたって観察者に自然な見かけの印象を与えることが可能となる。

本発明の発展例では、各々のＬＥＤから放出される光強度を制御するために制御ユニットが設けられている。このようにして、照明モジュールから放出される照明光の分光強度を調整することが可能である。

本発明の発展例では、照明モジュールによって該当する色温度の白色光を最大のＣＲＩ値で生成するために、白色光のＬＥＤ、赤色光のＬＥＤ、緑色光のＬＥＤの所要の電流をさまざまな色温度について保存しているデータ記憶装置が制御ユニットに付属している。このようにして、照明モジュールにおける色再生を最適化することができる。

本発明の発展例では、照明モジュールは、照明モジュールから放出される白色光の所望の色温度を入力するための入力ユニットを有している。このようにして、照明モジュールによって生成される白色光の色温度を、観察される物体領域の必要性に合わせて適合化することができる。

本発明の好ましい実施形態が図面に示されており、以下において説明する。

図１の照明モジュール１００は、冷却ユニット１０３に接合された支持体ソケット１０２に配置されたチップ型混合モジュール１０１を含んでいる。チップ型混合モジュール１０１の中には、２つの白色光ＬＥＤが配置されているとともにそれぞれ１つの赤色光（Ｒ）と緑色光（Ｇ）のＬＥＤが光源として配置されている。

チップ型混合モジュール１０１は制御ユニット１０４に接続されている。この制御ユニット１０４には、データ記憶装置１０５と入力ユニット１０６とが付属している。制御ユニット１０４は、チップ型混合モジュール１０１の中の両白色光ＬＥＤ、赤色光ＬＥＤ（Ｒ）、緑色光ＬＥＤ（Ｇ）を通る電流を制御する。

照明モジュール１００の中では、チップ型混合モジュール１０１から射出された光が集積ロッド１０７を通過する。集積ロッド１０７は光混合装置として作用し、チップ型混合モジュールから放出される光を均質化する。集積ロッド１０７は、白色光１０９が集積ロッド１０８から射出される射出側１０８で、視野絞り１１０によって閉じられている。この視野絞り１１０には、正の屈折力をもつレンズ１１１が付属している。正の屈折力をもつこのレンズ１１１は視野絞り１１０を無限大に結像し、それにより、光の照明モジュール１００の出力部１１２で平行な照明光線が提供される。

図２は、図１のチップ型混合モジュール１０１の斜視図を示している。このチップ型混合モジュール１０１は枠部２０１を有しており、その中に第１の白色光ＬＥＤ２０２と、第２の白色光ＬＥＤ２０３と、赤色光（Ｒ）ＬＥＤ２０４と、緑色光（Ｇ）ＬＥＤ２０５とが収容されている。

チップ型混合モジュール１０１の中の白色光ＬＥＤ２０２、２０３の模式的な構造が図３に示されており、以下において説明する。

白色光ＬＥＤ３００は、ＧａＩｎＮ／ＧａＮからなるＬＥＤチップ３０１を含んでいる。このチップは支持体３０２の上に配置されており、接触線３０３、３０４によって第１及び第２の電気接続部３０５，３０６と接続されている。支持体３０２の中では、ＬＥＤチップ３０１が蛍光体層３０７に埋設されている。白色ＬＥＤの機能原理は、非特許文献１の３５３頁に記載されている。すなわちＬＥＤチップ３０１は青色の光を放出し、この光が蛍光体層３０７を通過するときに黄色光を生成し、これが青色のＬＥＤ光と重ね合わされて、加法による分光色混合としての白色光になる。そして、こうして生成された白色光が、構造全体がその中に鋳込まれているプラスチック体３０８を通って周囲へ放出される。

図４は、図１のチップ型混合モジュール１０１の中にある赤色光（Ｒ）ＬＥＤ又は緑色光（Ｇ）ＬＥＤの構造を説明するものである。このＬＥＤは、ＬＥＤチップ４０１を含んでいる。赤色光を生成するために、このＬＥＤチップはＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ構造からなっている。緑色の光は、ＧａＡｓＰ：Ｎヘテロ構造からなるＬＥＤチップによって生成させることができる。白色光ＬＥＤの場合と同じく、ＬＥＤチップ４０１は支持体４０２の中に配置されており、接触線４０３、４０４によって第１及び第２の電気接続部４０５，４０６と接続されている。ＬＥＤチップから放出される光は、プラスチック外装４０８を通って周囲へ放出される。

チップ型混合モジュールの中で１つの共通の支持基板の上に配置された白色光ＬＥＤ、赤色光ＬＥＤ、緑色光ＬＥＤを備えるチップ型混合モジュールを製作することも可能である。この場合、ＬＥＤは支持基板とともに１つの共通のプラスチック体で外装されているのが好ましい。

図５では、混合モジュールのＬＥＤに通されるさまざまな電流の強さについて、照明モジュール１００から放出される照明光の分光強度Ｉが、曲線５００によって「任意単位」（ａ．ｕ．）で示されている。図１に示すチップ型混合モジュール１０１の中にある両方の白色光ＬＥＤによって、照明モジュールから放出される白色光の基本明度が得られる。白色光ＬＥＤから放出される光の分光強度の推移は、青色のスペクトル領域にある局所的な最大値５０１によって特徴づけられる。この最大値は、白色光ＬＥＤで青色光の変換によって白色光が生成されることに起因するものであり、青色光は蛍光体層を通過し、その際に、生成された青色光が図５の波長領域５０２に変換される。

図１のチップ型混合モジュール１０１の中にある白色光発光ダイオードは、最大の光強度用として作動するのが好ましい。

赤色光（Ｒ）ＬＥＤと緑色光（Ｇ）ＬＥＤに供給される電流を調整することで、これらの発光ダイオードから放出される照明光の強度を調整し、このようにして、図１の照明モジュール１００から放出される照明光の分光強度における局所的な最大値５０３と５０４の特徴を調整することができる。このようにして、照明光の色温度とこれに対応する当該光のＣＲＩ値を変えることができる。

図６には、非特許文献１の３０８頁に掲載されている、ＣＩＥ標準に基づく色度図の一部が示されており、この色度図では、図１のチップ型混合モジュール１０１の中にある白、赤、緑のＬＥＤの積分相対強度Ｉ_W，Ｉ_R、Ｉ_Gの６通りの異なる値について、生成される白色光の対応するＣＩＥ値の組（ＣＩＥ_x：ＣＩＥ_y）が描き込まれている。

このとき、生成される白色光の色温度Ｔ_Farbeは、４７８５°Ｋ＜Ｔ_Farbe＜４８１１°Ｋの範囲内にある。ＣＩＥ値の組（ＣＩＥ_x：ＣＩＥ_y）には、チップ型混合モジュールのＬＥＤから放出される照明光の積分相対強度の下記の表に掲げる値が前提となっている：

チップモジュール１０１から放出される光の色温度Ｔ_Farbeの比較的些細な変化で、生成される光に生じるＣＲＩ値の明らかな変化が得られることが示されている。チップ型混合モジュール１０１の中のＬＥＤによって生成される白色光のＣＲＩ値が、対応する相対積分強度Ｉ_R，Ｉ_W、Ｉ_Gのさまざまな値について図７に示されている。ここでは、ＣＩＥ色座標の組（ＣＩＥ_x：ＣＩＥ_y）に属するＣＩＥ_yの値と、Ｔ＝４８００°Ｋのときの黒色の温度放射体のＣＩＥ_y値との差異ΔＣＩＥ_yに対して、相応に生成された白色光のＣＲＩ値がプロットされている。これによれば、チップ型混合モジュール１０１の中のＬＥＤの相対強度を変えることで調整することができるＣＲＩ値について、ＣＲＩ＝９４を上回る最大値が生じている。つまり、チップ型混合モジュールの中のＬＥＤの相対積分強度を適宜調整することで、最善の色再生のための白色光を生成することができる。特に、このようにして、図１の照明モジュール１００から出る光についてＣＲＩ値＞８０を設定することができる。

図１の照明モジュール１００のデータ記憶装置１０５には、ＣＲＩ値が最大になる、照明モジュールの混合モジュール１０１の白色光ＬＥＤ、赤色光ＬＥＤ、緑色光ＬＥＤの電流が、所定の色温度について記憶されている。照明モジュール１００の入力ユニット１０６を通じて、所望の色温度を選択することができる。この選択された色温度について、制御ユニット１０４は、最大のＣＲＩ値をもつ照明光を生成するために、混合モジュール１０１のＬＥＤに対する適切な電流を援用する。

図８は、図１を参照して説明した構造を有する照明モジュール８０２を備えた照明装置８０１を含む手術用顕微鏡８００を示している。照明装置は、顕微鏡主対物レンズ８０３を通って手術用顕微鏡の物体領域８０４へ誘導されてこれを照明する照明光を生成する。

本発明による照明モジュールを示す模式図である。 ２つの白色光ＬＥＤと、１つの赤色（Ｒ）ＬＥＤならびに１つの緑色（Ｇ）ＬＥＤとを備えるチップ型混合モジュールである。 チップ型混合モジュールの白色光ＬＥＤの模式的な構造である。 チップ型混合モジュールの赤色光（Ｒ）ＬＥＤないし緑色光（Ｇ）ＬＥＤの模式的な構造である。 さまざまに選択された色温度についての、照明モジュールから放出される白色光の分光強度である。 チップ型混合モジュールに由来する光の色値を含む、ＣＩＥ標準に基づく色度図の部分図である。 温度Ｔ＝４８００°Ｋの黒体の熱放射体を基準とする、チップ型混合モジュールに由来する白色光のＣＲＩ値である。 照明装置としての照明モジュールを備える手術用顕微鏡である。

符号の説明

１００ 照明モジュール、１０４ 制御ユニット、１０５ データ記憶装置、１０６ 入力ユニット、２０２ 白色光ＬＥＤ、２０３ 白色光ＬＥＤ、２０４ 赤色光ＬＥＤ、２０５ 緑色光ＬＥＤ

Claims (5)

1. 照明光のための照明モジュールであって、
   少なくとも１つの白色光ＬＥＤ（２０２，２０３）を有する光源を備えている、照明モジュールにおいて、
   赤色光のＬＥＤ（２０４）と、
   緑色光のＬＥＤ（２０５）とが設けられており、
   前記照明モジュール（１００）は、前記照明モジュール（１００）の出力部で白色の照明光を提供するために、前記白色光ＬＥＤ（２０２，２０３）の光を、前記赤色光のＬＥＤ（２０４）の光及び前記緑色光のＬＥＤ（２０５）の光と混合する光混合装置を含んでいることを特徴とする照明モジュール。
2. 各々の前記ＬＥＤ（２０２，２０３，２０４，２０５）から放出される光強度を制御するために制御ユニット（１０４）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の照明モジュール。
3. 前記照明モジュール（１００）によって該当する色温度の白色光を最大のＣＲＩ値で生成するために、前記白色光のＬＥＤ（２０２，２０３）、前記赤色光のＬＥＤ（２０４）、前記緑色光のＬＥＤ（２０５）の所要の電流をさまざまな色温度について保存しているデータ記憶装置（１０５）が前記制御ユニット（１０４）に付属していることを特徴とする請求項２に記載の照明モジュール。
4. 前記照明モジュール（１００）は、前記照明モジュール（１００）から放出される白色光の所望の色温度を入力するための入力ユニット（１０６）を有していることを特徴とする請求項３に記載の照明モジュール。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の照明モジュールを備えている手術用顕微鏡。

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