JP2013514137A - 眼球照明用のフォトニック格子ｌｅｄ - Google Patents

Abstract

各フォトニック格子光源は眼球用照明器における光ファイバを駆動し、眼球の内部を照明する。白色光を生成するために、フォトニック格子LEDのRGBの組み合わせが使用され得る。代替的に、フォトニック格子LEDの二色性の組み合わせが白色光を生成する。
【選択図】図１ａ

Description

本出願は、眼球手術における照明法に関し、より詳細には、フォトニック格子発光ダイオード(フォトニック格子LED)による眼球照明法に関する。

眼球照明によれば、医師は、手術処置の間において硝子体および網膜の如き眼球の内部構造を照明することが許容される。眼球内照明器(眼内照明器)は、カニューレの内孔内に光ファイバを含んでいる。上記光ファイバの基端を適切な光源により駆動することにより、上記ファイバの末端から発せられた光は眼球の所望部分を照明する。最近の小寸切開技術は、20ゲージ(0.0295インチ直径)、または、25ゲージの如き更に高ゲージとさえされる比較的に高ゲージのカニューレを必要とする。しかし医師等はまた、眼球内の手術野を適切に照明するために眼内照明器からの十分な光量(luminous power)も望んでいる。

これらの２つの目標、すなわち、高ゲージのカニューレの使用、および、十分な光量の達成は、以下の如く相互に対立する。カニューレはその内孔内に光ファイバを保持するので、該カニューレのゲージが大きくなるほど、囲繞される光ファイバの太さはそれに従って減少される必要がある。このように光ファイバの直径が減少されると、該ファイバの光収集能力に関連する該ファイバのエタンデュ(etendue)が低下し、これは、該ファイバの直径と該ファイバの開口数との積により決定される。対照的に、習用の発光ダイオード(LED)の如き眼内照明器の光源に対するエタンデュは、比較的に高い。エタンデュの保存の法則に基づくと、高エタンデュの光源が低エタンデュのファイバを駆動すると、光は喪失されることになる。換言すると、光源からの光の一部分であって、光ファイバのエタンデュにより範囲限定されるという一部分のみが、その光ファイバに結合する。上記光源からの上記光の残部は、喪失されてしまう。このことは、眼内照明器の光源として、キセノン、ハロゲン、または、高輝度放電(HID)電球の如き高度に発光性の光源が使用されたときには問題とならない、と言うのも、ファイバに結合された光源であって、その様に比較的に強力であるという光源から出力された光の一部分でさえも、手術野を満足に照明するに十分な光量だからである。しかし、斯かる習用の非半導体の光源は、相当の電力を消費し乍ら、比較的に大量の熱を発生する。対照的に、眼内照明器に対するLED光源は相当に低温であり且つ消費する電力が少ないので、バッテリ給電式の用途に対しては更に適切とされる。また、LED光源は更に安全である、と言うのも、習用の電球光源と比較して、LEDは手術処置の間において焼き切れにくいからである。これに加え、LEDはハロゲンもしくはHID光源と比較してコストが低い。故にLEDは、習用のHIDもしくはハロゲン電球の使用に対する魅力的な代替策を構成するが、それらの光量は典型的には、習用の電球光源より少ない。故に、習用のLEDの比較的に高いエタンデュ、および、比較的に低いその光量に依り、習用のLEDは、低エタンデュの光ファイバへと十分な光エネルギを受け渡さない。

故に、当業界においては、LED光源の利点を享受し乍ら、眼球内の手術野に対して十分な光量を提供するという優れた眼球用照明器に対する要望が在る。

本開示内容の第1の見地に依れば、赤色用のフォトニック格子LEDと、青色用のフォトニック格子LEDと、緑色用のフォトニック格子LEDと、上記赤色用、青色用および緑色用の各フォトニック格子LEDからの光線を結合して単一の光線とすべく作用し得る光学的結合器と、レンズと、光ファイバとを含み、上記レンズは、上記単一の光線を上記光ファイバの基端上へと焦点合わせすべく作用し得る、眼球用照明器が提供される。

本発明の第2の見地に依れば、第1フォトニック格子LEDと、第2フォトニック格子LEDと、上記第1および第2のフォトニック格子LEDからの光線を結合して単一の光線とすべく作用し得る光学的結合器と、レンズと、光ファイバとを含み、上記レンズは、上記単一の光線を上記光ファイバの基端上へと焦点合わせすべく作用し得る、眼球用照明器が提供される。

本発明の第3の見地に依れば、第1フォトニック格子LEDおよび第2フォトニック格子LEDを配備する段階と、上記第1および第2のフォトニック格子LEDを、各LEDが光線を生成する様に夫々の電流により駆動する段階と、上記第1および第2のフォトニック格子LEDからの各光線を整列させて単一の光線とする段階と、上記単一の光線を光ファイバの基端に焦点合わせする段階と、上記光ファイバの末端から光を眼球の内部に送出して該内部を照明する段階とを含む、眼球の内部に対して照明を提供する方法が提供される。

RGB式のフォトニック格子LEDによる眼球用照明器の概略図である。 二色式のフォトニック格子LEDによる眼球用照明器の概略図である。 図１ｂの二色式の眼球用照明器においてフォトニック格子LEDの如き単色光源の適切な対合により達成され得る白色光領域を表す色度図である。

眼内照明器における光ファイバを駆動するために、フォトニック格子LED(photonic lattice LED)として知られる種類の発光ダイオード(LED)が活用される。フォトニック格子LEDは比較的に低エタンデュの光源であることから、斯かる光源が、眼内照明器に対して好適である高ゲージのカニューレにより必要とされる比較的に低エタンデュの光ファイバを駆動する場合には、効率が高くなる。この手法においては、眼球内の手術野を適切なレベルの光束により照明するために、フォトニック格子LEDにより放出された光が、眼内照明器の光ファイバ内へと十分な程度で結合される。

フォトニック格子LEDと対照的に、習用のLEDは、該LEDの表面に関して直交方向および横方向の両方に光を発する。しかし、フォトニック格子LEDの表面には、波長未満の微小構造であって、横方向に向けられる光の放出が最小限とされもしくは排除される如く、自己的に光線平行化を行うという波長未満の微小構造がパターン形成される。フォトニック格子LEDにおける上記微小構造の格子状の配置構成は、光子をLED表面から直交方向に導向すると共に、習用的な横方向への伝搬を抑止する。故に、フォトニック格子LEDは同等の習用のLEDよりも明るいだけでなく、その光放出に関する自己平行化的な性質は、光学システムに対する自身の結合を容易化する。例示的なフォトニック格子LEDは米国特許第7,301,271号に開示されており、その内容は言及したことにより全体的に本明細書中に援用される。フォトニック格子LEDは、たとえば、ルミナス・デバイス社(Luminous Devices, Inc.)から市販されている。

以下の考察は、異なる色の複数のフォトニック格子LEDを使用して白色照光を生成する眼内照明器に関している。但し、本明細書中に開示される原理は、単一の白色光用フォトニック格子LEDによる眼球用照明器を構成するために容易に応用され得ることは理解される。次に図面を参照すると、図１ａに示された如く、赤色、緑色、青色(RGB)の眼球用照明器100は、眼内照明のために光ファイバを駆動する。Xプリズム120を適切に駆動するために、青色用のフォトニック格子LED105、赤色用のフォトニック格子LED110、および、緑色用のフォトニック格子LED115が整列される。各フォトニック格子LEDの自己平行化的な性質の故に、LED105、110および115とXプリズム120との間にコリメータは必要とされない。Xプリズム120は、各フォトニック格子LEDにより提供された平行化光線を整列させて単一の光線125とすべく作用する。各フォトニック格子LEDから光線125を提供するために他の形式の光学的結合器が使用され得ることは理解される。非球面レンズ130の如きレンズは、光線125を、結合器140内の光ファイバ135の基端上へと焦点合わせする。ファイバ135は(縮尺通りには描かれていない)ハンドピース150を通してプローブもしくはカニューレ160に結合されて、眼球の内側の照明のための照明放出光170を提供する。カニューレ160は、ステンレス鋼もしくは他の適切な材料を用いて形成され得る。眼球用照明器100の動作の間において、各フォトニック格子LEDからの熱を熱シンク175が吸引除去する。

医師は、手術の間において眼球用照明器100により生成される光の組成を変化させ、一定の特定構造を更に良好に強調することを望み得る。たとえば医師は、ひとつの処置の間には青色の色調、または、別の処置の間には(もしくは、同一の処置の各部分に関して)異なる色調を望むことがある。眼球用照明器100により提供される光の色および知覚強度を変化させるために、各フォトニック格子LEDは、“LEDを時間的にディザリングして複数ビットの色分解能を達成する方法およびシステム”と称されると共に、言及したことにより全体的に本明細書中に援用されるという米国特許第7,286,146号に記述された如く変調され得る。斯かる処理手順において、各LEDにより生成される光の実際の周波数は変化しないが、人間の視覚の低域通過特性の故に、照明器100により生成された名目的な白色光の知覚色は、(たとえば1kHzより速い)十分な高速にて各フォトニック格子LEDを順次的にパルス駆動して所望の色の光の視覚的な知覚を引き起こすことにより変化せしめられ得る。概略的にこのことは、たとえば、パルス幅変調、時間的ディザリング、および、他の適切な技術の如き、種々の技術により達成され得る。たとえば、(不図示の)コントローラは、特定の時的間隔にわたり実質的に一定の電流を以て、フォトニック格子LED105、110および115を駆動し得る。各フォトニック格子LEDの内の所定の１個のLEDに供給される実質的に一定の電流の時的間隔が短いほど、各フォトニック格子LEDから発せられつつある光に対して観測者が観測する明るさ(すなわち知覚強度)は低い。故に、異なる周波数にてフォトニック格子LED105、110および115を交互動作させることにより、照明光線170に対して異なる色の知覚を引き起こし得る。代替的に、各LEDに対して電流は個別的に調節されることで、組み合わされた出力における光出力および結果的な色を変化させ得る。

必要とされるLED光源の個数を減少するために、照明器100における各色用のLEDに置き換わるべく、単一の白色フォトニック格子LEDが使用され得る。白色LEDの実施形態においては当然乍ら、Xプリズム120の如き光学的結合器は不要である。代わりに、白色LED式の眼球用照明器の残部が、照明器100に関して図１に示された如きである様に、レンズ130が整列される。但し現在において、白色光フォトニック格子LEDは実現されていない。故に、照明器100に関して必要とされるLED光源の個数を減少するために、図１ｂに図示された如き二色式の眼球用照明器180が開示さる。該照明器180は、各々が二色性ミラー195の如き光学的結合器を通して混合される第1フォトニック格子LED185および第2フォトニック格子LED190を含む。二色性ミラーは色フィルタとして作用する、と言うのも、それは選択された狭帯域の色の光を通過させる一方、他の全ての色の光を反射するからである。故に、照明器180に対して二色性ミラー195は、フォトニック格子LED185からの光は通過させる一方、LED190からの光を反射すべく構成される。その結果は、結合された単一の光線125である。図１ｂにおける残りの構成要素は、図１ａの照明器100に関して記述された如く機能する。LED185および190は各々、図２の色度図200に関して更に論じられる如く特定の色の光を生成する。

図２は、本開示内容の実施形態に従う二色式の眼球用照明器180において達成され得る白色光領域を表す色度図200またはグラフを示している。たとえば色度図200は、CIE1931色度グラフ、CIE1976色度グラフ、または、他の任意で適切な色度グラフと考えられ得る。色度図200は概略的に、人間の目で視認可能な色の範囲を表している。更に詳細には、上記図は、上記で論じられたフォトニック格子LED185および190の如き単色光源により生成され得る色の範囲を表している。

示された如く色度図200は、該図が左半域Lおよび右半域Rに分割される如く、分割線202により分割される。その点に関し、上記色度図の右半域および左半域は、各フォトニック格子LEDにより生成され得る可能的な色を表している。故に、色度図200は、左半域Lは、約518nmより短い波長を有する光を発する第1フォトニック格子LED204を表し、且つ、右半域Rは、約518nmより長い波長を有する光を発する第2フォトニック格子LED206を表す如く、２つの半域に分割される。

黒体曲線210の近傍には白色領域208が示される。示された如く、分割線202は白色領域208を分割する。白色領域208は、色度図200の左右の半域の各々からの単色光源を組み合わせることにより生成され得る白色光のスペクトル領域を表している。更に詳細には、白色領域208は、LED204および206の整列による、黒体曲線210に沿うもしくはその近傍の異なる色温度の白色光を包含している。故に分割線202は、白色領域208を通る基準点であって、左半域Lにおいて第1の単色光源204から発せられた光の波長を、右半域Rにおいて第2の単色光源206から発せられた光の波長と組み合わせることにより白色光の生成を許容するという基準点を定義している。

フォトニック格子LED204および206は、約400nm〜約700nmの範囲内の特定波長にて光を生成すべく構成される。換言すると、LED204および206は各々、可視光線のスペクトル内の一定の固有の色を生成する。その点に関し、図２は、フォトニック格子LED204は約518nmより短い波長を有する光を発し且つフォトニック格子LED206は約518nmより長い波長を有する光を発することを示している。

図２に見られる如く、LED204が左半域Lからの特定波長にて光を発し且つLED206が右半域Rからの特定波長にて光を発するとき、混合により生成された結果的な光は、図２の色度図上で上記の２個の光源の間に延在する光色軸に沿う特定点として定義され得る。各特定波長は一切の任意の値とされ得るが、白色光を生成する最適な有効性は、一定の範囲の波長同士を組み合わせたときに達成されることが確認されている。図２に示された如く、波長の領域CD(たとえば、495nm〜405nm)および波長の領域AB(たとえば575nm〜650nm)は、LED204および206の如き２個の単色光源を用いて白色光を生成するための最適な有効性のために選択される波長の最適な領域を表している。換言すると、LED光源204および206を併用して白色光を生成するときには、LED204を、領域CD内に収まる波長を有する光を該LEDが発する如く選択し、且つ、LED206をは、領域AB内に収まる波長を有する光を該LEDが発する如く選択することが最適である。

図２に示された如く、LED204が492nmにおける動作に対して選択され且つLED206が620nmにおける動作に対して選択されるなら、人間の目に対する、斯かる各光源に対して結合された光の結果的な知覚は、光色軸212に沿って位置する。但しもし、LED204および206が他の特定の周波数における動作に対して選択されるなら、光色軸214、216および218の如き他の光軸に帰着する。以下の表１は、光源204および206により生成されつつある光波長であって、色度図200に示された色スペクトルの白色領域208と交差する光色軸212、214、216および218を定義するという光波長の種々の組み合わせを示している。

上記の表１は白色領域208と交差する光色軸を生成する光の波長の組み合わせの特定例を示しており、この表は、例示目的に対してのみ考慮されるが、使用され得る波長の可能的な組み合わせの何らかの明示的もしくは暗黙的な限定と解釈されてはならない。更に、表１に示された波長の組み合わせは領域ABおよびCDから選択された波長を含むが、このことは、色度グラフ200の分割線202の各側から組み合わせ得る波長であって、白色領域208と交差する光色軸を定義すべく使用され得るという波長の可能的な範囲の限定を意味してはいない。LED対に対する例示的な色の割当ては、黄色／紫色、または、青緑色／赤色であろう。

再び図１ｂを参照すると、もし、LED185および190の相対強度が、コントローラ199を用い、たとえば図１ａの照明器100に関して論じられた技術などにより変調されるなら、照明器180は、白色領域208内における色軸212上の一点上に位置する色を有すると知覚される光170を生成する。LED185および190の変調を変化させることにより、知覚される色は色軸212のひとつの点から他の点へと変化される。LED185および190の如き二色光源の調節の更なる詳細は、“二色性白色光照明器”と称されると共に、その内容は言及したことにより全体的に本明細書中に援用されるという、代理人処理番号：3510を有する米国特許出願第61/287,425号に見出され得る。

上述された実施形態は、本発明を例証するものであり、限定するものではない。本発明の原理に従う多くの改変および変更が可能であることも理解すべきである。故に、本発明の有効範囲は、以下の各請求項によってのみ定義される。

Claims (19)

1. 赤色用のフォトニック格子LEDと、
   青色用のフォトニック格子LEDと、
   緑色用のフォトニック格子LEDと、
   前記赤色用、青色用および緑色用の各フォトニック格子LEDからの光線を結合して単一の光線とすべく作用し得る光学的結合器と、
   レンズと、
   光ファイバとを備え、
   前記レンズは、前記単一の光線を前記光ファイバの基端上へと焦点合わせすべく作用し得る、眼球用照明器。
2. 前記光学的結合器はXプリズム式の光学的結合器である、請求項１に記載の眼球用照明器。
3. ハンドピースと、
   前記ハンドピースの末端から延在するプローブであって、前記光ファイバの末端部分は前記ハンドピースを貫通して該プローブ内へと延在するというプローブとを更に備える、請求項１に記載の眼球用照明器。
4. 前記プローブはステンレス鋼製のプローブである、請求項３に記載の眼球用照明器。
5. 前記赤色用、緑色用および青色用の各フォトニック格子LEDからの熱を吸収すべく作用し得る複数の熱シンクを更に備える、請求項１に記載の眼球用照明器。
6. 前記レンズは非球面レンズである、請求項１に記載の眼球用照明器。
7. 前記赤色用、緑色用および青色用の各フォトニック格子LEDを変調して前記単一の光線の色を変化させるべく作用し得るコントローラを更に備える、請求項１に記載の眼球用照明器。
8. 第1フォトニック格子LEDと、
   第2フォトニック格子LEDと、
   前記第1および第2のフォトニック格子LEDからの光線を結合して単一の光線とすべく作用し得る光学的結合器と、
   レンズと、
   光ファイバとを備え、
   前記レンズは、前記単一の光線を前記光ファイバの基端上へと焦点合わせすべく作用し得る、眼球用照明器。
9. 前記第1フォトニック格子LEDは第1波長を有する光線を生成すると共に、前記第2フォトニック格子LEDは第2波長を有する光線を生成し、
   前記単一の光線は、前記第1および第2の波長の結果として白色光線である、請求項８に記載の眼球用照明器。
10. 前記第1波長は黄色光に対応し且つ前記第2波長は紫色光に対応する、請求項９に記載の眼球用照明器。
11. 前記第1波長は青緑光に対応し且つ前記第2波長は赤色光に対応する、請求項９に記載の眼球用照明器。
12. 前記光学的結合器は二色性ミラーである、請求項８に記載の眼球用照明器。
13. 前記レンズは非球面レンズである、請求項８に記載の眼球用照明器。
14. ハンドピースと、
    前記ハンドピースの末端から延在するプローブであって、前記光ファイバの末端部分は前記ハンドピースを貫通して該プローブ内へと延在するというプローブとを更に備える、請求項８に記載の眼球用照明器。
15. 前記第1および第2の格子LEDを変調して前記単一の光線の色を変化させるべく作用し得るコントローラを更に備える、請求項８に記載の眼球用照明器。
16. 第1フォトニック格子LEDおよび第2フォトニック格子LEDを配備する段階と、
    前記第1および第2のフォトニック格子LEDを、各LEDが光線を生成する様に夫々の電流により駆動する段階と、
    前記第1および第2のフォトニック格子LEDからの各光線を結合して単一の光線とする段階と、
    前記単一の光線を光ファイバの基端に焦点合わせする段階と、
    前記光ファイバの末端から光を眼球の内部に送出して該内部を照明する段階とを有する、眼球の内部に対して照明を提供する方法。
17. 前記第1フォトニック格子LEDにより発せられた光の第1波長および前記第2フォトニック格子LEDにより発せられた光の第2波長は、色度グラフの白色領域と交差する光軸を定義する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記単一の光線の色が前記白色領域内に位置する様に夫々の電流を変調する段階を更に備える、請求項１６に記載の方法。
19. 前記変調は、パルス幅変調および振幅変調の内の一方を含む、請求項１８に記載の方法。

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