JP5351556B2 - 寿命を改善した顕微鏡用照明装置 - Google Patents

Description

（関連出願の表示）本願はドイツ特許出願ＤＥ１０２００８０１１５２６．６号（２００８年２月２８日出願）の優先権を主張するものであり、上記出願の全記載事項は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、寿命を改善した照明装置、特に顕微鏡用（とりわけ手術用顕微鏡）の照明装置に関する。

顕微鏡、特に手術用顕微鏡の最近の従来型照明装置は、主にハロゲンランプ又はガス放電ランプ、特にキセノンランプが対象領域照明用光源として用いられている。

ハロゲンランプはコストが安い半面、寿命が短く（約５０時間）、また使用時間が増加するにつれてフィラメント材料が蒸発し、バルブ（電球）に堆積するために照度が下がるという欠点がある。さらに、スペクトルの強度最大点がランプの色温度により昼光（デイライト）に比べて変移しているため、誤った色の印象を与える。

従って例えば手術用顕微鏡のように非常に明るい照明が必要な場合、キセノンランプが好んで用いられる。キセノンランプは、バルブ内でガス放電により発光するようにキセノンを含む混合ガスを充填したガス放電ランプである。これは、スペクトルの可視領域において広いスペクトル成分で強い発光能力を持つという特徴を有する。現在のところ用いられるキセノンランプでは、バルブ内部に配置された２つの電極に高電圧をかけることによって、ガス放電が引き起こされている。繰り返すが、使用時間が増加するにつれて、電極材料が蒸発しバルブに堆積するために照度が低下し、最終的に電極材料が全て蒸発するとランプは点かなくなる。経験によれば、従来のキセノンランプの寿命は約５００使用時間である。従って手術用顕微鏡においては、長い手術中にキセノンランプが不意に切れる可能性がある。

不意に照明装置が切れることを回避すべく、これまで種々の提案がなされてきた。例えば、光源としてキセノンランプを有する照明装置において、使用時間カウンタが用いられている。これは、使用時間がある時間を過ぎると、予防手段として作業者がランプを交換できるようにするためのものである。さらに、ドイツ特許公開ＤＥ１０２００５０６０４６９Ａ１には、手術中に主ランプから予備のランプに切替えるランプ交換システムが開示されている。ランプの照度が適切なセンサでモニタされ、必要な場合は自動的にランプ交換が開始されるのである。
なお、誘電体導波管に一体化したプラズマランプも知られている（特許文献２）。

ＤＥ１０２００５０６０４６９Ａ１ ＵＳ２００２／００１１８０２Ａ１

上記各特許文献の全記載は引用をもって本書に繰り込み記載されているものとする。
これらの方法により、寿命が限られていることに関する問題は軽減されてはいるが、解決されたわけではない。さらに、使用時間カウンタは照明能力の単なる大まかな指標に過ぎず、想定寿命前に切れたり、使用期限の警告が出てもまだ使用可能であることもある。さらに、キセノンランプ又は他の放電ランプへの交換、及び／又は予備の光源を交換メカニズムとともに用意することは大変であり、コストもかかる。また、手術顕微鏡の照明装置として特許文献２のようにマイクロ波を用いる場合は、マイクロ波が手術室にある鋭敏な電子機器に影響を与えたり、手術室内にいるスタッフに暴露することを防止する必要がある。

本発明の目的は、限られたランプ寿命の問題を解決し、最大限に一定で長時間の照明が得られると共に、マイクロ波の漏洩を防止した手術顕微鏡用照明装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する照明装置により達成される。即ち、第１の視点において、本発明に係る照明装置は、手術用顕微鏡のための照明装置であって、照明光学系とガス放電ランプの形式の１以上の光源を有し、該光源は、マイクロ波発振器、マイクロ波の導波管及び発光物質を有する無電極バルブを含む。該バルブは、該発光物質がマイクロ波により励起されて光を放射するように該マイクロ波導波管と結合されている。また、該光源を覆うマイクロ波放射のための遮蔽体を備え、マイクロ波を透過しないように構成した、可視光のための出口窓を備える。該出口窓は、光透過性であって導電性を有するインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のコーティングを有する。
本発明のさらなる有利な改良形態は従属項、詳細な説明及び図面に示される。即ち、前記マイクロ波導波管は、高誘電率の材料を含み、誘電率は２より大きいことが好ましい。また、前記光源の周囲全体を覆う、マイクロ波放射のための遮蔽体を含むことが好ましい。また、前記出口窓は、特に金属蒸着層、好ましくはインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）層である、光透過性であって導電性を有するコーティングを有することが好ましい。また、前記出口窓は、レンズで構成されていることが好ましい。また、前記バルブ及び前記マイクロ波導波管は、互いに分離できるユニットとして構成されることが好ましい。また、前記光源は、前記マイクロ波導波管と選択的に結合できる、好ましくは異なる発光物質を有する種々のバルブ（複数）を有することが好ましい。また、余剰の熱を放散するための熱交換装置を有する筐体を有することが好ましい。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は専ら理解を助けるためのものであり、図示の態様に限定することを意図するものではない。

顕微鏡、特に手術用顕微鏡の本発明に係る照明装置は、ガス放電ランプの形式の１以上の光源及び対象領域に光を投影する照明用光学系を含む。従来技術と異なり、電極を有するガス放電ランプではなく、電極のないガス放電ランプを用いる。このため、光源はマイクロ波発振器、マイクロ波導波管及び発光物質を有する無電極バルブ（電球）を含む。無電極バルブはマイクロ波導波管に結合され、発光物質がマイクロ波で励起されて発光するようになっている。バルブにマイクロ波を注入することにより、バルブ内でガス放電が開始され、プラズマが生成して原子及び分子遷移及び再結合放射により可視光及び／又は紫外光が発生する。無電極入力（放電）は、材料が消耗したりバルブ壁面に沈着する電極がないという利点を有する。こうして非常に長い寿命を持ち、寿命期間の間一定の照度を保つ光源が提供される。

寿命は、例えば２００００時間にわたる範囲である。これは従来システムの４０倍の寿命であり、さらに集中使用しても数年間はメンテナンスフリーで使用できる。このような状況下においては、機能をモニタリングするシステムや、光源を自動的に交換するシステムは基本的に不要であるが、さらなる安全策として装備しておくこともできる。

発光物質は一般的にガス充填物質であり、特に希ガスと例えば金属蒸気のような光放出体とから構成される。充填物質は、昼光（デイライト）に類似のスペクトルを持つという理由からキセノン（キセノンランプ）が好ましい。光放出特性を改善するため、バルブにはコーティングすることができる。バルブは、大きな熱負荷にさらされるため、石英ガラス又はセラミックで構成することが好ましい。

マイクロ波導波管は、特定の周波数のマイクロ波が共振するように形成され、そのためマイクロ波導波管の中に配置した、又は導波管に統合されたバルブの中に特に大量のマイクロ波エネルギを注入することができる。しかしこの場合、波長は空気中又は真空中で比較的大きく、バルブは典型的には波長の２分の１の長さを持つので、光源としては大きなスペースを必要とする。

半導体ベースの電子素子又はマイクロ波源、例えば０．５〜３０ＧＨｚ、好ましくは０．５〜１０ＧＨｚの周波数のマイクロ波を発生する、クライストロン又はマグネトロンが、高周波／マイクロ波発振器として用いられる。マイクロ波発振器はバルブから熱的に絶縁されていることが好ましい。１０００℃にもなるバルブによる損傷や破壊を防ぐためである。

システムのサイズをさらに小さくして、基台（スタンド）、フレーム、及び／又は照明用光学系（ないし装置）に大きな設計適合（修正）をしないで特に顕微鏡検査に用いるため、ＵＳ２００２／００１１８０２Ａ１に記載されているように、マイクロ波導波管はバルブを形成する領域を除いて、高い誘電率と高い耐熱性を有する材料を含むことが好ましい。誘電率は好ましくは２より大きく、特に好ましくは９より大きい。例えば酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム又は酸化チタニウムのような特殊なセラミックスや、シリコーンオイルが誘電体として考えられる。マイクロ波導波管とバルブの配置関係、寸法及び／又は材料並びに充填ガスは、ＵＳ２００２／００１１８０２Ａ１に記載のようにすることができる。特にそこに記載された運転モードのうちの一つ（「共振キャビティモード」、「誘電体オシレータモード」）が適用できる。全体で、バルブのサイズは導波管内の誘電体のおかげでわずか数ミリメートルになり、その結果光源はコンパクトに構成でき、従来用いられていたガス放電ランプと異なり、例えば隙間にはめ込むように、顕微鏡構造の中に搭載することができる。

光源は、全ての面を遮蔽体で囲むことが好ましい。マイクロ波を漏洩しないように構成するためである。これにより、マイクロ波が手術室にある鋭敏な電子機器に影響を与えたり、手術室内にいるスタッフに暴露するのを防止できる。遮蔽は、例えば導電体（例えば導電体をコーティングした）筐体（ないしハウジング）で作ることができる。光が放出される（出口）窓の領域は、光透過性の導電体層を設けることが好ましく、特に光放出窓を形成するレンズに導電体をコーティングしたものが好ましい。このため、光透過性であるインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）層が好適に用いられる。遮蔽体は、光源用の固定フレームに統合して設けても良い。

光源用筐体には、余剰の熱を放散するための熱交換器を備えることが好ましい。これには、例えば冷却フィンのように表面積を広くする受動冷却、及び／又は冷媒特に空気を循環させる能動冷却を含む。代替的又は追加的に、ペルチェ素子による冷却も可能である。

照明を任意の異なる照明光スペクトル特性に適合させるため、又は予期せぬバルブの消耗が発生した場合に備え、バルブは交換可能に構成することができる。特に導波管及びマイクロ波発振器とは独立して交換できるように、導波管から取り外し可能なようにすることができる。光源全体を交換する場合に比べ、技術的、財政的支出を少なくすることができる。

本発明のさらなる改良として、光源には好ましくは異なる発光物質を有する種々のバルブを備え、マイクロ波導波管に選択的に接続結合できるようにしておくことができる。このため、マイクロ波の最大入射位置に任意のバルブを設置する自動交換（置換）システムを備えることができる。

本発明に係る、電極のないガス放電ランプを用いる照明装置により、特に手術用顕微鏡のための照明装置の寿命を大きく延ばすことができ、照明装置の寿命への対策を低減することができると共に、マイクロ波の漏洩を防止できる。

本発明に係る実施例を、図面と共に以下に説明する。図面は単なる模式図である。
無電極ガス放電ランプの形式による光源を有する、本発明の一実施例に係る照明装置の模式図である。 本発明に係る、交換可能なバルブと導波管の一実施例である。 本発明に係る照明装置を持つ顕微鏡の一実施例である。

図１は、光源１と照明用光学系１３を有する顕微鏡用照明装置の模式図である。照明用光学系１３のいくつかの部分（ここでは模式的にレンズ７）は、光源１と構造的ユニットを形成しうる。

光源１は、ガス発光物質を気密シールで密封したバルブ６を有するガス放電ランプである。バルブ６はマイクロ波の導波管４の中に埋め込まれており、そして例えば導波管の中でマイクロ波の共振条件が満たされたときに最大の電界強度となる位置に配置されている。マイクロ波は、例えばプリント回路基板上の半導体素子であるマイクロ波発振器により、結合材（カップリング）３を通して導波管４内へ入射される。バルブ６を除き、導波管４は高い誘電率を持つ誘電体５で満たされており、マイクロ波の有効波長が真空に対して相対的に小さくなるようにしている。バルブ６は、誘電体５の窪み（凹部）１６として形成することができ、あるいはそのような窪み１６の内部に配置することができる。
図１の構造を文章的に説明すると、次のとおりである。即ち、矩形形断面の筐体９は、マイクロ波遮蔽体１０として構成され、出口窓７に対応する位置に所定空隙を介してバルブ６が配されている。バルブ６は、導波管４に充満された誘電体５の一端部に配した凹部１６として形成又は配置されている。
誘電体５のバルブ６とは反対の側には、結合材（カップリング）３が配され、その後面（右側面）はマイクロ波発振器２に当接している。マイクロ波発振器２は、結合材３と共に熱伝導材料１１に取り囲まれており、また熱伝導材料１１は誘電体５をその外周部及び後面(右側壁部)において取り囲んでいる。

筐体９のバルブ６の近傍には、可視光領域では透過性で、好ましくはマイクロ波領域では実質的に電磁波不透過性である、出口窓（放出窓）７を有する。本実施例に示すように、これはレンズとして構成でき、その場合は照明用光学系１３の一部として機能的に直接構成される。

十分な電界強度に達すると、マイクロ波により発光物質の中でガス放電が誘起される。こうして可視領域の放射光が生成され、出口窓７及び照明用光学系１３を通して出力され、顕微鏡の対象領域に投影される。

このため、照明用光学系１３は、例えば光源１からの光を光ガイドファイバ１５に入射させるためのレンズ１４又はレンズシステムを含む。これにより、図３に示すように光は顕微鏡の対象領域内又はその前面にガイドされる。

マイクロ波導波管４及びマイクロ波発振器２は、筐体９内に配置される。これらはもしも筐体壁に直接取り付けられていない場合、これらの部材と筐体壁との間に、熱放散を良くするための熱伝導材料１１が設けられる。周辺環境との熱交換は、本実施例では筐体外表面に設けた冷却フィン１２によりさらに促進される。

筐体９は、例えば適切にコーティングすることにより、導電性を持たせることが好ましい。これにより、マイクロ波の遮蔽体１０としての機能を持たせることができる。同様に遮蔽のため、出口窓７は、導電性で光透過性のコーティングを施しておく。これはまた熱防護フィルタの役目も果たす。代替的に、従来より光強度調整器としてのみ用いられてきた穴あき金属板が、その導電特性のため、ＲＦ（高周波）フィルタとして用いることができる。

マイクロ波発振器のための電源及び時に設けられる制御装置は、図示していない。フィルタ及び／又は光線整形又は光線ブロック要素もまた光源１の内部又は外部の光経路内に配置することができる。生成する可視光の強度を測定するセンサをさらに配置することができる。これは、一定の又は調節可能な強度の光を生成させるために、選択的にマイクロ波発振器又はその制御装置に制御ループを構成するように結合させることができる。

図２は、バルブ６を導波管４又は誘電体５から分離可能に構成した模式図である。通常すべての電子装置要素を一度に交換する必要はなく、その他の部分は引き続き使用するのが普通であるので、この構成により、バルブ６の修理が必要な場合に、それを迅速に行うことができる。

図では、バルブ６は１以上の別のバルブ６’を選択的に用いることができることを示している。この別のバルブは、例えば異なる色温度を持つ単色光ライトのように異なるスペクトル成分を発生させる、例えば異なる充填物質を含む。発光スペクトル分析／顕微鏡検査においては、例えば、１つの放電ランプで特定の染料を選択的に励起するために離散線スペクトルを発生させ、他のバルブで白色光を発生させるようにすることが有益である。本発明では、このような異なるタイプの照明を容易に切替えることができる。

このため、例えばバルブ６、６’は、フィールド（電磁界）強度が最大の位置に選択的にバルブ６、６’の片方を配置できるように、導波管４に対して相対的に配置又は移動できる支持体１７に配設（搭載）することができる。このため、交換装置１８が用いられる。これらの要素は筐体９内部に配置され、交換装置はバルブ交換のために開ける必要がないように駆動できることが好ましい。

２つの光源が選択的に用いられる公知の照明装置に比べて、本実施例においては２つの選択的光路を結合する光学系を不要にできる。これは、バルブ即ち光発生位置を常に同じ位置に配置しているからであり、そのためバルブを交換したときでも（従来ランプを交換したときのように）照明光学系の調整を行う必要がない。

図３は、例えば立体手術用顕微鏡である顕微鏡２０に照明装置を取り付ける方法を示す。光源１からの光は光ガイドファイバ１５に入射され、光ガイドファイバ１５はその出口側が顕微鏡鏡体まで通じている。照明用光学系１３は、ファイバ１５とレンズで象徴化されている。顕微鏡２０は物体面（対象平面）２５の上方に図示され、物体面から像（イメージ光）が観察光路２４に沿って主対物レンズ２１、鏡筒２２及び接眼鏡２３を通過し、観察者に至る。光ガイドファイバ１５の出口端から出た観察光路は、偏向プリズム２６又は偏向要素により偏向され、実質的に同軸の照明光路２６を形成し、主対物レンズ２１を通過して物体面２５に焦点が合わされている。照明はまた、主体物レンズ２１のわきを通過して、主対物レンズの光軸２４に対して斜めに伸びる照明光路を持つ傾斜照明として形成することもできる。

本発明の変形例として、光源１を全体として交換可能とすることもできる。図３においては、代替光源１’が図示されている。光源１’からの光は、第１の光源１からの光と代替的に光ガイドファイバ１５に入射する。代替光源１’は第１の光源１と同様に構成することができるし、又は例えばハロゲンランプのように異なる設計でもよい。光源１、１’は、交換装置２７により移動又は置換できる。光源１、１’は、ドイツ特許文献ＤＥ１０２００５０６０４６９Ａに記載のように交換することが好ましい。対応する部材（例えばセンサ、制御装置、交換システム）もまたこの文献に記載した配置及び機能とともに、本照明装置に適用することができる。

顕微鏡の作業範囲から離れた位置に光源１を配置し、光ガイドファイバ１５を用いて顕微鏡に光を入射させるかわりに、光源１を顕微鏡のごく近傍に配置し、又は顕微鏡に統合した部材とすることができる。例えば対物レンズの近傍に配置し、レンズ及び偏向要素を用いて対象に光を照射することができる。

以上、本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例の構成にのみ制限されるものではなく、本発明の範囲内で当業者であればなしうるであろう各種変形、修正を含むことはもちろんである。

１、１’ 光源
２ マイクロ波発振器
３ 結合材（カップリング）
４ マイクロ波導波管
５ 誘電体
６、６’ バルブ
７ 放出窓（レンズ）
８ コーティング
９ 筐体
１０ 遮蔽体
１１ 熱カップリング（熱伝導材料）
１２ 熱交換表面（冷却フィン）
１３ 照明用光学系
１４ レンズ
１５ 光ガイドファイバ
１６ 窪み（凹部）
１７ 支持体
１８ バルブ交換装置
２０ 顕微鏡
２１ 主対物レンズ
２２ 鏡筒
２３ 接眼鏡
２４ 観察光路（光軸）
２５ 物体面
２６ 照明光路（光軸）
２７ 光源交換装置

Claims (6)

1. 手術用顕微鏡のための照明装置であって、
   照明光学系（１３）とガス放電ランプの形式の１以上の光源（１）を有し、
   該光源（１）は、マイクロ波発振器（２）、マイクロ波の導波管（４）及び発光物質を有する無電極バルブ（６、６’）を含み、該バルブは、該発光物質がマイクロ波により励起されて光を放射するように該マイクロ波導波管（４）と結合されており、
   該光源（１）を覆うマイクロ波放射のための遮蔽体（１０）を備え、
   マイクロ波を透過しないように構成した、可視光のための出口窓（７）を備え、
   該出口窓（７）は、光透過性であって導電性を有するインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のコーティング（８）を有する、
   ことを特徴とする照明装置。
2. 前記マイクロ波導波管（４）は、高誘電率の材料（５）を含み、誘電率は２より大きい、ことを特徴とする、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記出口窓（７）は、レンズで構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 前記バルブ（６）及び前記マイクロ波導波管（４）は、互いに分離できるユニットとして構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の照明装置。
5. 前記光源（１）は、前記マイクロ波導波管（４）と選択的に結合できる、異なる発光物質を有する種々の複数のバルブ（６、６’）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の照明装置。
6. 余剰の熱を放散するための熱交換装置（１１、１２）を有する筐体（９）を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の照明装置。

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