JP2016180759A - １組のフィルタ、蛍光観察システム、および蛍光観察を実行する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の非蛍光領域をよりよく認識できる、蛍光観察システムを提供する。【解決手段】蛍光観察のための１組のフィルタは照明光フィルタ８４と観察光フィルタ９１とを備え、が成立し、λは波長、ＴL（λ）は照明光フィルタの透過特性であり、ＴO（λ）は観察光フィルタ９１の透過特性であり、Ａ1、Ａ2は０と１との間の数であり、／ｒ（上付きバーを／で代用する）はＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における座標であり、ＳはＣＩＥｘｙ色度図におけるスペクトル軌跡と呼ばれるラインであり、／Ｗ（上付きバーを／で代用する）はＣＩＥｘｙ色度図における白色点である。【選択図】図１

Description

分野
本発明は、蛍光観察システム、蛍光観察を実行するための方法、ならびにこのようなシステムおよび方法において使用することができる１組のフィルタに関する。

背景
蛍光観察は、対象物の中の異なる構造体を視覚的に判別するために、工学、生物学および医学の多数の分野で使用されている。この観察では、照明光フィルタが照明光源と観察する対象物との間のビーム経路に配置される。照明光フィルタは実質的に、蛍光色素の蛍光を励起することができる光のみを通す。観察光フィルタが撮像光学部品のビーム経路に配置される。観察光フィルタは蛍光のみを通すが、照明光フィルタを通過できる光は実質的に観察光フィルタを通過することができない。対象物の蛍光構造体は、像の中の明るい領域として認識できる。この像は、観察光学部品の中を見ることによって目で観察される像、または、観察光学部品を介してカメラによって記録された像である。この対象物の非蛍光構造体は暗いままなので、非蛍光領域に含まれる構造体は認識できない。

非蛍光構造体に対する蛍光構造体の位置をよりよく求めることができるためには、像の中で対象物の非蛍光領域も見えることが望ましい。この点に関し、ＵＳ６，２１２，４２５Ｂ１は、蛍光を発する対象物の蛍光構造体および光を反射する非蛍光構造体がともに観察光フィルタの下流で見えるよう、照明光フィルタの透過特性および観察光フィルタの透過特性を相対的に調整することを示唆している。

対象物の非蛍光領域は、このような照明光フィルタおよび観察光フィルタの調整では十分に見えないことがわかっている。

ＵＳ６，２１２，４２５Ｂ１

概要
したがって、対象物の非蛍光領域をよりよく認識できる、１組のフィルタ、蛍光観察システム、および蛍光観察を実行するための方法を提供することが望ましい。

本発明は、上記課題を考慮してなされた。
本発明は、対象物の蛍光領域および非蛍光領域を観察できる、１組のフィルタ、蛍光観察システム、および方法を提供する。

実施の形態に従うと、照明光フィルタは、第１の部分特性と第２の部分特性との和である、光の波長に依存する透過特性を有する。第１の部分特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する第１の波長範囲を有する。第２の部分特性は、しきい値波長を上回る波長において、透過率が第２の値よりも小さくかつ第３の値よりも大きい値を有する第２の波長範囲を有する。第１の波長範囲と第２の波長範囲との間の波長において、照明光フィルタの透過率は第４の値よりも小さい値を有する。

しきい値波長は、使用される蛍光プロセスに基づいて求められる波長であり、蛍光プロセスを励起するために使用される波長を、蛍光プロセスを検出するために使用される波長から分離する。ある実施の形態では、しきい値波長は、使用される蛍光プロセスの励起スペクトルの最大値よりも大きくかつ使用される蛍光プロセスの発光スペクトルの最大値よりも小さくなるように選択される。しかしながら、このような選択とは異なる場合があり、しきい値波長は、励起スペクトルの最大値の波長よりも小さくなるよう、または励起スペクトルの最大値の波長よりも大きくなるように選択できる。なぜなら、実際には蛍光プロセスの励起スペクトルと発光スペクトルとは重なっているからである。

照明光フィルタの透過特性の第１の部分特性は、蛍光励起光を対象物に与える機能を有する。このために、第１の部分特性は、しきい値波長を下回る第１の波長範囲の中で、第１の値よりも大きい透過率の値を有する。第１の値は、フィルタを設計するときに、できるだけ高くなるように選択される。例示の値は０．７５または０．９よりも大きい。１．０という値は、最適化の目標となり得る。このような値としては、実際はそれに近い値しか得られない。

照明光フィルタの透過特性の第２の部分特性は、蛍光を励起するためではなく対象物の非蛍光構造体を可視化するのに使用される一定量の光を対象物に与える機能を有する。この光は、波長がしきい値波長よりも大きいため、対象物によって反射されると観察光フィルタを通過できるので、対象物の非蛍光構造体はこのような光によって認識できる。

蛍光性対象物が発する蛍光は典型的には強度が低いため、蛍光像の中で対象物の非蛍光領域を認識できる強度が、蛍光領域を認識する強度よりも実質的に高くないことが望ましい。なぜなら、そうでなければ非蛍光領域が蛍光領域よりも明るく光るからである。このため、第２の部分特性によって対象物に与えられる光の量が、第２の波長範囲における照明光フィルタの透過率を第２の値よりも小さくかつ第３の値よりも大きくなるように選択することによって、制限されることが有利であろう。ここで、第２の値は第１の値よりも小さいので、第２の波長範囲における最大透過率は第１の波長範囲における最大透過率よりも著しく小さい。しかしながら、第２の波長範囲における最大透過率は第３の値よりも大きい。この第３の値は、好ましくは光を全く透過させないフィルタの透過特性の波長範囲に含まれる非常に低い透過率ではなく、著しい透過率を表わす。このような低い透過率の値はたとえば第１の波長範囲と第２の波長範囲との間に設けられ、ここでの透過率は第４の値よりも小さい。第４の値は、好ましくはこれらの波長の光を全く透過させないフィルタの透過率を表わす。

要約すると、照明光フィルタは以下の性質を有し得る。このフィルタは互いに分離された複数の波長範囲の著しい量の光を透過させ、これら複数の波長範囲のうちの少なくとも１つは、しきい値波長よりも小さいところにあり、大量の光を通過させ、これら複数の波長範囲のうちの少なくとも１つは、しきい値波長よりも大きいところにあり、比較的少量であるがそれでもなお著しい量の光を通過させる。

ある実施の形態に従うと、第１の値を０．５０とすることができ、および／または第２の値を０．０１とすることができ、第３の値を０．０００５とすることができ、および／または第４の値を０．０００２とすることができる。

いくつかの実施の形態に従うと、観察光フィルタは、第３の部分特性と第４の部分特性との和である透過特性を有し得る。しかしながら、第４の部分特性は任意であるため、観察光フィルタの透過特性は、以下で第３の部分特性としてより詳細に示す特性によって完全に表わすことができる。

第３の部分特性は、しきい値波長を上回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有する。第３の部分特性は、蛍光と、非蛍光領域を認識するための光とがともにフィルタを通過するようにする機能を有する。非蛍光領域を認識するための光は、たとえば照明光フィルタの第２の部分特性によって対象物に到達できる。蛍光の強度は典型的には低いので、第３の波長範囲における透過率の最大値は可能な限り高い。たとえば、このような最大値は上記第１の値よりも大きい。結果として、対象物の蛍光構造体および対象物の非蛍光構造体双方を認識できる。これは、必ずしも蛍光を励起しないような波長を有する著しい量の光を対象物に与え、この光が蛍光とともに観察光フィルタ通過するようにすることで実現される。このような性質は以下の式で表わしてもよい。

λは波長を表わし、
Ｔ₁（λ）は第１の部分特性であり、
Ｔ₂（λ）は第２の部分特性であり、
Ｔ₃（λ）は第３の部分特性であり、
Ｔ_L（λ）＝Ｔ₁（λ）＋Ｔ₂（λ）は照明光フィルタの透過特性であり、
Ｔ_O（λ）は観察光フィルタの透過特性であり、
Ａ₁、Ａ₂は０と１との間の数である。

式（１）は、蛍光励起光を対象物に与えるための照明光フィルタの第１の部分特性と、蛍光を通過させるための観察光フィルタの第３の部分特性との間のスペクトルの重なりが値Ａ₁を有し得ることを示す。

式（２）は、蛍光ではなくしたがって対象物の非蛍光領域の観察に使用し得る著しい量の光が、照明光フィルタと観察光フィルタとの組合せを通過し得ることを示す。

ある実施の形態に従うと、Ａ₂を０．１とすることができ、またはＡ₂を０．０５とすることができ、またはＡ₂を０．０１とすることができ、またはＡ₂を０．００５とすることができる。

観察光フィルタの透過特性が第３の部分特性と第４の部分特性との和である実施の形態において、第４の部分特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第２の値よりも小さくかつ第３の値よりも大きい値を有する第４の波長範囲を有する。第４の部分特性は、蛍光ではなくしたがって非蛍光対象物を認識するのに使用し得る光がフィルタを通過するようにする機能を有する。この光は蛍光よりも明るく光ってはならないため、第４の部分特性によって観察光フィルタを通過できる光の量は、第４の波長範囲における透過率の最大値を、最大透過率のために最適化された透過率を表わし得る第１の値よりも著しく小さい第２の値よりも小さくなるように選択することによって制限される。一方で、観察光フィルタを透過する、しきい値波長を下回る量は、それでもなお著しい量でなければならない。このために、第４の波長範囲における透過率の最大値は、透過を実質的に妨げ
ることを意図した透過率を表わす第４の値よりも著しく大きい第３の値よりも大きい。

このような仕組みによって、少なくとも２つの異なる波長範囲から、対象物の非蛍光領域を観察するための光が与えられる。これは主として、蛍光ではなく照明光フィルタの第２の部分特性によって対象物に与えられ、第３の部分特性によって観察光フィルタを通過する光、および、照明光フィルタの第１の部分特性によって対象物に与えられ、第４の部分特性によって観察光フィルタを通過する光である。対象物の非蛍光領域を観察するためのこれら２つの波長範囲の間には、スペクトル距離がある。このスペクトル距離によって、非蛍光領域が単色に見えないという利点が得られる。さらに、非蛍光領域を複数のスペクトル範囲において認識できる。その結果、対象物の非蛍光領域における異なる構造体を、単色認識と比較してよりよく認識できる。

ここでは、照明光フィルタの第２の部分特性および観察光フィルタの第４の部分特性によって、互いに隔てられた複数のスペクトル範囲における光を透過させることが可能である。これらスペクトル範囲は、混合された光が白色に近い光となるように選択できる複数のスペクトル範囲から、非蛍光領域の観察に利用できる光が得られるように、選択できる。したがって、非蛍光白色面を、照明光フィルタおよび観察光フィルタのシステムを通して白色面として認識できる。

いくつかの実施の形態に従うと、１組のフィルタは照明光フィルタと観察光フィルタとを含む。観察光フィルタの透過特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、照明光フィルタの透過特性は、しきい値波長を上回る波長において、透過率が第４の値よりも小さい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有する。観察光フィルタの透過特性は、しきい値波長を上回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、観察光フィルタの透過特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第４の値よりも小さい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有する。

λは波長を表わし、
Ｔ_L（λ）は照明光フィルタの透過特性であり、
Ｔ_O（λ）は観察光フィルタの透過特性であり、
Ａ₁、Ａ₂は０と１との間の数であり、
／ｒ（上付きバーを／で代用する、以下同様）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における座標であり、
Ｓは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図におけるスペクトル軌跡と呼ば
れるラインであり、
／Ｗ（上付きバーを／で代用する、以下同様）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点である。

先に説明したように、式（２）は、蛍光ではなく対象物の非蛍光領域の観察のために機能し得る著しい量の光が、照明光フィルタと観察光フィルタとの組合せを通過し得ることを示す。

式（３）は、照明光フィルタと観察光フィルタとの組合せを通過する、蛍光ではない光が、異なるスペクトル範囲に含まれていること、および、そのスペクトル強度が、その混合物が白色に近い光となるように調整されることを示す。

これらの性質を定義するために、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間を参照する。この色空間の色度図では、光の赤色部分がｘ座標で表わされ、光の緑色部分がｙ座標で表わされ、光の青色部分ｚが、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１を満たす。ＣＩＥ色度図のスペクトル軌跡と呼ばれる馬蹄形の曲線は、純粋なスペクトル色を表わす。白色点の座標は、ｘ＝１／３、ｙ＝１／３である。

式（３）の積分は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図におけるスペクトル軌跡ラインであるラインＳに沿って算出される。式（３）は、スペクトル軌跡ライン上の光強度の重心を求めることを表わしており、照明光フィルタと観察光フィルタとの組合せの透過率を表わす積Ｔ_L・Ｔ_Oを用いて重み付けが行なわれる。重心を求めた結果は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図におけるベクトル／Ｒ（上付きバーを／で代用する、以下同様）である。

式（４）は、重心を求めた結果／Ｒと、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点／Ｗとの間の距離が、予め定められた値よりも小さくしたがって白色に近いことを示す。

さらなる実施の形態に従うと、上記フィルタの組は、対象物を照明するための光源を含む蛍光観察システムと一体化される。ここで、フィルタの透過特性は、光源が発する光のスペクトルを考慮して調整できる。たとえば、これは、上記式の中の積Ｔ_L・Ｔ_Oを、積Ｉ_Q・Ｔ_L・Ｔ_Oで置換することによって実現でき、Ｉ_Qは光源の光のスペクトル分布を表わす。

本開示の上記およびその他の有利な特徴は、添付の図面を参照する本開示の例示の実施の形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。なお、本開示の可能な実施の形態すべてが必ずしも本明細書において認識される利点すべてまたはいずれかを表わしているわけではない。

蛍光観察システムの概略図である。 蛍光観察のための１組のフィルタを概略的に説明するグラフである。 蛍光観察のための１組のフィルタを概略的に説明するグラフである。 蛍光観察のための１組のフィルタを概略的に説明するグラフである。 蛍光観察のための１組のフィルタを概略的に説明するグラフである。 ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図の色度図を表わしたものを示し、図２ａ〜図２ｄを参照しながら説明される１組のフィルタの性質が示されている。

例示の実施の形態の詳細な説明
下記例示の実施の形態において、機能および構造が似ている構成要素にはできる限り同様の参照番号を付す。したがって、特定の実施の形態の個々の構成要素の特徴を理解するためには、他の実施の形態の説明および開示の要約の説明を参照すればよい。

以下、蛍光観察システムの実施の形態について、外科用顕微鏡を参照しながら説明する。しかしながら、蛍光観察システムの実施の形態は、外科用顕微鏡に限定されず、対象物に向けられた照明光が照明光フィルタでフィルタリングされ対象物から発せられた光が観察光フィルタでフィルタリングされるいかなる種類の蛍光観察システムも含む。

図１を参照して、蛍光観察システムまたは顕微鏡１は、光軸７を有する対物レンズ５を含む顕微鏡検査光学部品３を備える。観察する対象物９は、対物レンズ５の物体平面に位置する。対象物９から発せられた光は、対物レンズ５によって像側ビーム１１に成形される。２つのズームシステム１２、１３は、ビーム１１の中に位置し、光軸７から間隔をおかれている。ズームシステム１２、１３は、ビーム１１から２つの部分ビーム１４および１５を選択し、部分ビーム１４および１５を、偏向プリズム（図示せず）を介して接眼レンズ１６、１７に与える。ユーザは、対象物９が拡大表示されたものを認識するために、左目１８および右目１９で接眼レンズを覗き込む。

半透明鏡２１は、光の一部をビーム２３としてカメラシステム２４に与えるために、部分ビーム１５の中に位置し得る。カメラシステム２４は、１つのカメラまたは複数のカメラを含み得る。示されている実施の形態では、カメラシステム２４は、半透明鏡２５を通過したビーム２３の光をカメラアダプタ光学部品３１を介して受けるカメラ３２と、半透明鏡２５から反射したビーム２３の光をフィルタ５７およびカメラアダプタ光学部品５３を介して受けるカメラ５５とを含む。フィルタ５７を、対象物９に含まれる蛍光色素の蛍光のみを透過させる蛍光フィルタとすることができる。したがって、カメラ３２は対象物９の通常の光の像を検出することができ、カメラ５５は対象物９の蛍光の像を検出することができる。カメラ３２および５５の像は、それぞれデータ接続３３および６５を介してコントローラ３５に与えられ、コントローラのメモリ９５に保存できる。

同様に、半透明鏡３７は、カメラアダプタ光学部品４１を介してカメラ４３に与えられる部分ビーム３９を反射するために、他方の部分ビーム１４の中に位置して、カメラ４３も通常の光の像を検出できるようにすることができる。カメラ４３が検出した像は、データ接続４５を介してコントローラ３５に送られる。

ディスプレイ６９はデータ接続６７を介してコントローラ３５に接続され、ディスプレイ６９上に表示された像は、投影光学部品７０を介し、さらに部分ビーム１５の中に位置するさらなる半透明鏡６８を介して、接眼レンズ１７のビーム経路に投影され、これにより、ユーザは、ディスプレイ６９上に表示された像および対象物の像の双方を、ユーザの目１９で直接認識できる。コントローラ３５は、たとえば、カメラ３２、５５および４３によって検出された、または検出画像の解析によって生成された、対象物のデータまたは像を、投影してもよい。

コントローラ３５はまた、カメラによって検出された像を頭部装着ディスプレイ４９に与える。頭部装着ディスプレイは、ユーザの右目および左目それぞれのための２つのディスプレイ５１および５２を含む。

顕微鏡１はさらに、対象物９に導かれる照明光ビーム８１を生成するための照明システム６３を備える。このために、照明システム６３は、たとえばハロゲンランプまたはキセノンランプ７１といった広帯域光源と、反射器７２と、ランプ７１から発せられた光をフ
ァイバ束７７に結合するために１つ以上のレンズ７５によってファイバ束７７の入口端７６上に導き得るコリメートされた光ビーム７４を生成するためのコリメータ７３とを備える。この光は、ファイバ束７７によって対象物９に近い位置まで送られ、ファイバ束７７から束７７の出口端７８で放出され、コリメート光学部品７９によってコリメートされて対象物９に導かれる照明光ビーム８１を与える。

照明システム６３はさらに、蛍光観察のための照明光フィルタ８４と、通常の光の観察のための照明光フィルタ８５とを含むフィルタプレート８３を備える。コントローラ３５によって制御されるアクチュエータ８７は、矢印８８によって示されるように、蛍光の観察のための照明光フィルタ８４または通常の光の観察のための照明光フィルタ８５をビーム７４の中に選択的に位置付けるために設けられる。観察する対象物において蛍光を励起させる場合は、蛍光の観察のための照明光フィルタ８４がビーム７４の中に置かれ、対象物９を白色光といった通常の光の下で観察する場合は、通常の光の観察のための照明光フィルタ８５がビーム７４の中に置かれる。照明光フィルタ８５は、たとえば、より短い波長が送られている間の対象物９の不必要な昇温を避けるために、ランプ７１によって生成された赤外線または近赤外線を透過させないように構成できる。

照明光フィルタ８４および８５それぞれをビーム７４の中に選択的に配置することについては、ユーザがボタン７９などの入力装置を介して制御できる。

蛍光観察のための観察光フィルタ９１は部分ビーム１５および１４各々の中に置かれる。コントローラ３５によって制御されるアクチュエータ９３が設けられ、矢印９４で示されるように、観察光フィルタ９１を部分ビーム１４および１５から選択的に移動させる。

観察光フィルタ９１は、蛍光観察のための照明光フィルタ８４がビーム７４の中に配置される場合にビーム経路１４、１５の中に配置され、通常の光の観察のための照明光フィルタ８５がビーム７４の中に配置される場合はビーム経路１４、１５から取出される。このために、コントローラ３５は、ユーザが入力装置９７を起動させたときに、アクチュエータ８７とともにアクチュエータ９３を作動させてもよい。

示されている実施の形態では、蛍光観察のための照明光フィルタ８４および蛍光観察のための観察光フィルタ９１は、コントローラによって制御されるアクチュエータによってビーム経路に挿入されまたはビーム経路から取出される。しかしながら、これらフィルタをビーム経路に挿入しビーム経路から取出すために、ユーザの手で直接操作されるフィルタホルダ上に、これらフィルタを載置することも可能である。蛍光観察のための照明光フィルタおよび観察光フィルタは各々、観察することが所望される蛍光性を有する蛍光色素に適合させた透過特性を有する。複数の蛍光色素が周知であり、以下でより詳細に示すように、照明光フィルタおよび観察光フィルタを含むフィルタの組をこれら蛍光色素各々に対して与えることができる。これらフィルタの組とともに使用できる蛍光色素は、蛍光色素を含む対象物９の構造体を人間の目で認識できるようにするために、蛍光色素の蛍光が可視光の波長を含んでいなければならないという点においてのみ、限定される。以下、フィルタの組の性質について、蛍光色素フルオレセインの蛍光を観察するように設計された照明光フィルタおよび観察光フィルタを含む例示のフィルタの組を参照しながら説明する。このために図２ａ〜図２ｄを参照する。

図２ａは、フルオレセインの励起スペクトルのグラフ１０１およびフルオレセインの発光スペクトルのグラフ１０３を正規化して表わした概略図である。励起スペクトル１０１の最大値の波長は約４８５ｎｍであり、発光スペクトル１０３の最大値の波長は約５１４ｎｍである。励起スペクトル１０１のグラフおよび発光スペクトル１０３のグラフは重なり合っている。

図２ｂは、３８０ｎｍから７８０ｎｍの波長範囲における照明光フィルタの透過特性１０５のグラフを縦座標の対数目盛りで示した概略図である。これは、フィルタの組の性質を示すための関連する可視光の波長範囲である。しきい値波長は図２ｂにおいて参照番号１０７で示される。示されている実施の形態では、しきい値波長１０７は、励起スペクトル１０１の最大値と蛍光スペクトル１０３の最大値との間に位置するように選択される。しかしながらこのような選択は不要である。励起スペクトル１０１および蛍光スペクトル１０３がそれぞれ、しきい値波長１０７においてゼロよりも著しく大きい強度値を有する限り、励起スペクトル１０１の最大値の波長よりも小さくなるようまたは蛍光スペクトル１０３の最大値の波長よりも大きくなるように、このしきい値波長を選択することも可能である。

透過特性１０５は、３８０ｎｍから７８０ｎｍの全範囲内において定められた２つの部分特性ＩとＩＩとの和である。部分特性Ｉは、しきい値波長１０７を下回る波長において、透過率が値Ｌ１よりも大きい値を有する波長範囲１０９を有する。部分特性Ｉは、蛍光色素の蛍光を励起するために蛍光励起光が照明光フィルタを通過するようにする機能を有する。波長範囲１０９内のフィルタの透過率は、高効率を実現するためにできるだけ高くなるように選択される。値Ｌ１は、たとえばフィルタをこの波長範囲における高透過率のために最適化した場合に得ることができる透過率の値を表わす。示されている実施の形態では、Ｌ１の値は０．６である。

部分特性ＩＩは、しきい値波長を上回る波長において、透過率が第２の値Ｌ２よりも小さくかつ値Ｌ３よりも大きい値を有する少なくとも１つの第２の波長範囲を含む。部分特性ＩＩは、蛍光を励起するためではなく対象物の非蛍光領域を認識できるよう、対象物を照明するために用いられる照明光フィルタを光が通過するようにする機能を有する。非蛍光領域は蛍光領域よりも明るく光ってはならないため、かつ、蛍光は典型的には強度が低いため、照明光は、部分特性ＩＩにより、照明光フィルタを比較的低い強度で透過する。これが、透過率ができるだけ高いことが望ましい波長範囲における透過特性を下回る値Ｌ１よりも小さい値Ｌ２よりも部分特性ＩＩの最大値が小さい理由である。示されている実施の形態では、値Ｌ２は０．１である。しかしながら、部分特性ＩＩによって与えられる透過率は、値Ｌ４よりも著しく大きい値Ｌ３よりも大きい。照明光フィルタが実質的に照明光を遮断することが望ましい最も低い波長範囲内では、透過率は値Ｌ４よりも小さい。示されている実施の形態では、値Ｌ３は０．０００２であり、値Ｌ４は０．００００５である。

観察光フィルタの透過特性１１３を図２ｃに概略的に示す。ここでも透過特性１１３は２つの部分特性ＩＩＩとＩＶとの和である。部分特性ＩＩＩは、しきい値波長１０７を上回る波長において、透過率が値Ｌ１よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲１１５を有する。部分特性ＩＩＩは、蛍光および照明光双方が観察光フィルタを通過するようにする機能を有する。この光は照明光フィルタの部分特性ＩＩによって対象物に到達したものである。これが、対象物の蛍光領域および非蛍光領域双方を認識できる理由である。蛍光領域を認識できるのは、蛍光が部分特性ＩＩＩによって観察光フィルタを通過できるからであり、非蛍光領域を認識できるのは、部分特性ＩＩによって対象物に到達した光が観察光フィルタを通過できるからである。

部分特性ＩＶは、しきい値波長１０７を下回る波長において、透過率が値Ｌ２よりも小さくかつ値Ｌ３よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲１１７を含む。部分特性ＩＶは、対象物の非蛍光領域を可視化するために、照明光フィルタの部分特性Ｉによって対象物に到達し対象物から反射または対象物で散乱した光が観察光フィルタを通過するようにする機能を有する。照明光フィルタの部分特性ＩＩと同様、観察光フィルタの部分
特性ＩＶは、蛍光領域よりも明るく光るのを回避するために、値Ｌ２よりも小さくかつ値Ｌ３よりも大きい最大透過率を有する。値Ｌ３は値Ｌ４よりも著しく大きい。光が観察光フィルタを透過することを遮断すべき波長範囲内では、透過特性１１３は値Ｌ４よりも小さい。

図２ｂおよび図２ｃに概略的に示した性質を有する光フィルタは、たとえば誘電材料の複数の層をガラス基板上に蒸着させることによって製造できる。適切な層の組成および厚みは、光工学分野において周知の数学的シミュレーション方法を用いて求めることができる。さらに、観察光フィルタおよび照明光フィルタは各々、ともに光ビーム経路内に配置されフィルタ全体の性質を与える２つ以上の別々のフィルタによって、与えることができる。たとえば、照明光フィルタは、適切に選択された２つの高域フィルタおよび適切に選択された２つの低域フィルタによって与えてもよい。

図２ｄは、照明光フィルタの透過特性１０５と観察光フィルタの透過特性１１３との積を概略的に示す。この積は、３つの波長範囲において著しい強度を示す。これら範囲は主に、観察光フィルタの部分特性ＩＶが著しい透過を示す波長範囲１１７、照明光フィルタの部分特性ＩＩが著しい透過を示す波長範囲１１５、および、透過率がライン１２３によって表わされる、しきい値波長１０７の周りの領域である。ライン１２３によって表わされる透過率は、透過特性Ｉの肩部分１２５と観察光フィルタの透過特性ＩＩＩの肩部分１２７の、スペクトルの重なりによるものである。対象物の非蛍光領域を観察するための光を与えるために、肩部分１２５および１２７を意図的に与えることが可能である。フィルタの製造における技術的限界が原因で透過特性の任意の急峻なエッジが得られないためにこのスペクトルの重なりが実際避けられない可能性もある。

肩部分１２５および１２７の重なりによってフィルタの組を通過する光の強度は、次の通りであり、重なりがなければゼロであり、何らかの重なりがあれば値Ａ₁よりも小さい
。

波長範囲１１７における部分特性ＩＶによってフィルタの組を通過する光の強度は、以下の式によって表わされ、Ａ₁よりも大きくかつ０．５Ａ₂よりも小さい。

同様に、部分特性ＩＩによってフィルタの組を通過する強度は、以下の式によって表わされ、この強度も重なり１２３によって生じる強度よりも大きくかつ０．５Ａ₂よりも小
さい。

図２ａ〜図２ｄは、少なくとも２つの異なる波長範囲からの光が、対象物の非蛍光領域の認識に著しく貢献することを示している。その利点は、対象物の非蛍光領域は単色に見えず、対象物の非蛍光白色領域はほとんど白に見えるという点にある。

波長範囲１１１における部分特性ＩＩのおよび波長範囲１１７における部分特性ＩＶの幅および値の大きさは、さまざまな波長範囲における光の量を定めるととともに、対象物の非蛍光領域を観察するために利用できる。図２ｄでは、利用できる光が、部分特性ＩＶによる波長範囲４８５ｎｍ〜５０５ｎｍにおいて、部分特性ＩＩによる相対的により広い波長範囲６２０ｎｍ〜７００ｎｍよりも高いスペクトルパワー密度を有することを示す。対象物の非蛍光領域を視覚化するために利用できる光のスペクトル分布は、対象物の非蛍光白色面が以下で図３を参照しながら説明するようにできればユーザに対して白色の印象を与えるように、選択される。

図３は、ＣＩＥ−１９３１色空間のＣＩＥ−色度図の概略図である。スペクトル軌跡と呼ばれるラインには参照番号Ｓが付され、白色点には参照番号Ｗが付される。図３における矩形ＩＶは、観察光フィルタの部分特性ＩＶの透過率がＬ３よりも大きい値を有するスペクトル軌跡ラインＳの領域を示し、矩形ＩＩは、照明光フィルタの部分特性ＩＩがＬ３よりも大きい値を有するスペクトル軌跡ラインＳの領域を示す。非蛍光領域を観察するための光はしたがって、スペクトル軌跡ラインの部分ＩＩおよびＩＶにある。部分ＩＶの重心は図３において参照番号１３１で示され、部分ＩＩの重心は図３において参照番号１３３で示される。部分ＩＶおよびＩＩの重心および重みは、これらの部分の光が合わさって白色点Ｗに近い光の混合物が形成されるように選択される。この光の混合は図３において矢印１３５で示される。

上記照明光フィルタおよび観察光フィルタの透過特性の性質は、以下の式（３）および式（４）によって表わされる。

λは波長を表わし、
Ｔ_L（λ）は照明光フィルタの透過特性であり、
Ｔ_O（λ）は観察光フィルタの透過特性であり、
／ｒは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における座標であり、
Ｓは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図におけるスペクトル軌跡ラインと呼ばれるラインであり、
／Ｗは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点である。

式（３）の分子における積分は、スペクトル軌跡ラインＳに沿っている。項／ｒ・ｄｒのため、重心の決定は、重み付けＴ_L（／ｒ）・Ｔ_O（／ｒ）を用いて色空間の座標内で行なわれる。式（３）の分母における積分も、スペクトル軌跡ラインＳに沿っている。この積分は、値／ＲがスペクトルラインＳに沿った関数Ｔ_L（／ｒ）・Ｔ_O（／ｒ）の重心を表
わすよう、正規化のために使用される。

式（４）は、この重心／Ｒの、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点／Ｗからの距離が、０．２よりも小さいことを示す。他の実施の形態に従うと、この距離は０．１５よりも小さくまたは０．１よりも小さくすることができる。このことは、白色の非蛍光対象物を観察するために利用できる光が白に近い印象を与えることを意味する。

図２ａ〜図２ｄを参照しながら説明してきたフィルタの組の設計のさらなる利点は、部分特性ＩＩによって、６２０ｎｍを上回る赤色光も非蛍光領域の観察のために利用できる点にある。これにより、対象物上に存在し得る血液を、緑のスペクトル範囲における蛍光色素フルオレセインの蛍光の観察を邪魔することなく、その本来の色で認識できる。

蛍光色素フルオレセインを用いる場合は、しきい値波長１０７を、５１０ｎｍから５４０ｎｍの範囲の中から、特に５２０ｎｍから５３０ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲１１１の波長を６００ｎｍから７５０ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲ＩＶの波長を４７５ｎｍから５１５ｎｍの範囲の中から選択することが有効であろう。

蛍光色素ヒペリシンを用いる場合は、しきい値波長を、５７５ｎｍから６１０ｎｍの範囲の中から、特に５８５ｎｍから６００ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲１１１の波長を６１０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲１１７の波長を４２０ｎｍから５６０ｎｍの範囲の中から選択することが有効であろう。ここで、波長範囲１１７は特に２つの部分、すなわち４２０ｎｍと４９０ｎｍとの間の第１の部分と５１０ｎｍと５６０ｎｍとの間の第２の部分とを含み得る。

蛍光色素または前駆体５ａｌａ（プロトポルフィリンＩＸ）を用いる場合は、しきい値波長を５８０ｎｍから６２０ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲１１１の波長を６１０ｎｍから７５０ｎｍの範囲の中から選択し、波長範囲１１７の波長を４２０ｎｍから５６０ｎｍの範囲の中から選択することが有効であろう。ここで、波長範囲１１７は特に２つの部分、すなわち４２０ｎｍと４９０ｎｍとの間の第１の部分と５１０ｎｍと５６０ｎｍとの間の第２の部分とを含み得る。

本開示はある例示の実施の形態を示しているが、数多くの代替例、変形および変更が当業者にとって明らかであることは明白である。したがって、本開示の中で示した例示の実施の形態は、例示を目的としており決して限定を意図しない。さまざまな変更を、以下の請求項によって定められる本開示の精神および範囲を逸脱することなく行ない得る。

Claims (9)

1. 照明光フィルタと観察光フィルタとを備える１組のフィルタであって、
   前記照明光フィルタの透過特性は第１の部分特性と第２の部分特性との和であり、
   前記観察光フィルタの透過特性は少なくとも１つの第３の部分特性を含み、
   前記第１の部分特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、
   前記第２の部分特性は、前記しきい値波長を上回る波長において、透過率が第２の値よりも小さくかつ第３の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの第２の波長範囲を有し、
   前記照明光フィルタの透過率は、前記第１の波長範囲と前記第２の波長範囲との間において、第４の値よりも小さい値を有し、
   前記第３の部分特性は、前記しきい値波長を上回る波長において、透過率が前記第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの第３の波長範囲を有し、
   前記第４の値は前記第３の値よりも小さく、前記第３の値は前記第２の値よりも小さく、前記第２の値は前記第１の値よりも小さい、１組のフィルタ。
2. 

   λは波長を表わし、
   Ｔ₁（λ）は前記第１の部分特性であり、
   Ｔ₂（λ）は前記第２の部分特性であり、
   Ｔ₃（λ）は前記第３の部分特性であり、
   Ｔ_L（λ）＝Ｔ₁（λ）＋Ｔ₂（λ）は前記照明光フィルタの透過特性であり、
   Ｔ_O（λ）は前記観察光フィルタの透過特性であり、
   Ａ₁、Ａ₂は０と１との間の数である、請求項１に記載の１組のフィルタ。
3. 前記観察光フィルタの透過特性は、前記第３の部分特性と第４の部分特性との和であり、前記第４の部分特性は、前記しきい値波長を下回る波長において、透過率が前記第２の値よりも小さくかつ前記第３の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの第４の波長範囲を有し、前記観察光フィルタの透過率は、前記第４の波長範囲と前記第３の波長範囲との間において、前記第４の値よりも小さい値を有する、請求項１または２に記載の１組のフィルタ。
4. 

   Ｔ₄（λ）は前記第４の部分特性（ＩＶ）であり、Ｔ_O（λ）＝Ｔ₃（λ）＋Ｔ₄（λ）である、請求項３に記載の１組のフィルタ。
5. 

   ／ｒ（上付きバーを／で代用する）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における座標であり、
   Ｓは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図のスペクトル軌跡ラインと呼ばれるラインであり、
   ／Ｗは（上付きバーを／で代用する）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点である、請求項１から４のうち１項に記載の１組のフィルタ。
6. 照明光フィルタと観察光フィルタとを備える１組のフィルタであって、
   前記観察光フィルタの透過特性は、しきい値波長を下回る波長において、透過率が第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、前記照明光フィルタの透過特性は、前記しきい値波長を上回る波長において、透過率が第４の値よりも小さい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、
   前記観察光フィルタの透過特性は、前記しきい値波長を上回る波長において、透過率が前記第１の値よりも大きい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、前記観察光フィルタの透過特性は、前記しきい値波長を下回る波長において、透過率が前記第４の値よりも小さい値を有する少なくとも１つの波長範囲を有し、
   

   

   λは波長を表わし、
   Ｔ_L（λ）は前記照明光フィルタの透過特性であり、
   Ｔ_O（λ）は前記観察光フィルタの透過特性であり、
   ／ｒ（上付きバーを／で代用する）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における座標であり、
   Ｓは、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図のスペクトル軌跡と呼ばれるラインであり、
   ／Ｗは（上付きバーを／で代用する）は、ＣＩＥ１９３１ＸＹＺ色空間のＣＩＥｘｙ色度図における白色点である、１組のフィルタ。
7. 

   のうちの少なくとも１つが成立する、請求項５および６のうち１項に記載の１組のフィルタ。
8. 対象物を照明するための光源と、前記対象物を撮像するための観察光学部品と、請求項
   １から７のうち１項に記載の１組のフィルタとを備える蛍光観察システムであって、観察光フィルタは、前記光源と前記対象物との間の照明ビーム経路に配置され、観察光フィルタは、前記観察光学部品のビーム経路に配置される、蛍光観察システム。
9. 請求項１から７のうち１項に記載の１組のフィルタを用いて蛍光観察を実行する方法であって、前記方法は、
   対象物に向けられた照明光ビームを前記１組のフィルタの照明光フィルタを用いてフィルタリングするステップと、
   前記対象物から発せられた光を前記１組のフィルタの観察光フィルタを用いてフィルタリングするステップとを含む、方法。

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