JP5587897B2 - 顕微鏡用立体照明システム - Google Patents

Description

本発明は、顕微鏡用の新規な立体照明システムに関する。

顕微鏡は、多くの様々な分野で使用される。本発明は、どのような分野でも使用することができるが、特に外科的状況又は極めて立体感のある物体、特に封包物によって部分的に閉塞されたものを拡大する必要がある任意の他の適用において特に有用である。この一例は、眼科手術である。

外科的状況には、この適用のために考案及び販売される数多くの様々な顕微鏡が存在する。それらの顕微鏡の幾つかは、先行技術に分類される形態で表現される。先行技術顕微鏡には、立体的な２つの平行光ビームを例えば外科的手術で検査中の組織の対象面に送出するものはない。

先行技術顕微鏡は、（１）対物レンズから１つ又はそれ以上の非平行光ビーム又は（２）対物レンズより下方で単一の非平行光ビームを対象面に送出した。平行な光ビームを対物レンズを通して送ると、平行でない光ビームを透過させる。米国特許第４，７７９，９６８号に記載の及びツァイス赤反射強化モジュール（Ｚｅｉｓｓ Ｒｅｄ Ｒｅｆｌｅｘ Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ Ｍｏｄｕｌｅ）であると考えられる先行技術照明システムは、図１及び図３が非平行である対物レンズを通過する対象面へのビームを図示しているように、単一の非平行光ビームを対物レンズ１又は１ａを通して単一光源から対象面へ送出した。ツァイスルメラ（Ｚｅｉｓｓ Ｌｕｍｅｒａ）顕微鏡であると考えられる別の先行技術照明システムは、対物レンズを通して２つの集束（非平行）ビームを対象面へ送出した。Ｍｏｌｌｅｒ ＥＯＳ ９００顕微鏡からの先行技術照明システムは、対物レンズを通して２つの集束（非平行）光ビームを対象面へ送出した。

照明システムの新規な態様は、少なくとも部分的に重複する２つの平行光ビームを対象面へ送出することであり、立体照明を作り出す。更に、照明の独立システムは、立体システムに対して斜角を成して提供される。何れのシステムも、共に又は別々に使用することができる。

本明細書で画定し、特に記述がない限り、（ａ）「平行光」は、集束又は分散することなく部分的に平行である、任意の光源からの光線を意味し、（ｂ）「平行化」は、光ビームが少なくとも部分的に平行になるように、光ビームを配置、集束又は分散する過程を意味する。各立体ビーム用の光源が全く点源であった場合、対象面にビームの重複はほとんどないであろう。白色光源を用いれば、レンズの焦点距離は、波長によって変化する。理想平行ビームは、集束レンズの焦点に位置する単色点源から生じる。しかしながら、光源が大きいほど、より多くの他の影響が発生する。電球の一方の側からの光は、例えば、電球の他方の側からの光とは異なる点で集束レンズに入り、そのためにそれらの光は、それらがレンズを出る時に異なった反応を示す。レンズの光軸の真上に位置する光は、平行であるが、軸から外れた光には、ビーム内に或る種の分散が生じる。

立体照明システム及び斜照明システムを示している、照明システムの上面からの図である。矢印付き線は、それらがビーム分割器（立体照明用）に当たって及びミラー（斜照明用）全体に当たって反射するまで、その光源からの光ビームの中心を表している。 立体照明システムの一方の側の側面概略図である。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている単一の平行光ビーム及び目的のレンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 光が立体照明システムに対して斜角を成してオフセットされる、斜照明システムの側面概略図である。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている光ビーム及び対物レンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 既存の顕微鏡用の取り外し可能なモジュールである本発明の側面図であり、立体照明システムの側面概略図及び光ビームが対象面を照らす方法を含んでいる。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている平行光ビーム及び対物レンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 既存の顕微鏡用の取り外し可能なモジュールである本発明の側面図であり、斜照明システムの側面概略図及び光ビームが対象面を照らす方法を含んでいる。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている光ビーム及び対物レンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 既存の顕微鏡に取り付けられるモジュールである本発明の側面図であり、立体照明システムの側面概略図及び光ビームが対象面を照らす方法を含んでいる。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている平行光ビーム及び対物レンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 既存の顕微鏡に取り付けられるモジュールである本発明の側面図であり、斜照明システムの側面概略図及び光ビームが対象面を照らす方法を含んでいる。この図は、対象面、この事例では眼を照らしている光ビーム及び対物レンズを通過して双眼鏡へ向かって進む眼の赤色反射からの光を示している。 立体及び斜照明システム、光ビームの中心及び対象面上の照明パターンを含む、照明システムの３次元切り取り図である。 各照明源の独立制御用の加減抵抗器及び外部電源との接続を備えている照明システム図示している。

本発明は、顕微鏡用照明システムであり、照明システムは、顕微鏡の対物レンズより下方にある。本発明は、２つの照明システムを含んでおり、第１は、（本明細書で画定する）平行光の２つのビームを対象面１６へ送出する光立体システムである。平行光のそれらの２つのビームは、対象面上で少なくとも部分的に重複する。立体平行光の利点は、類似の状況下で従来式の照明システムによって作り出されたものより改善された三次元的な視界である。非平行光と比較して、平行光を部分的に閉塞された開口部の中へ送出することは、（ａ）より多くの光の量且つ（ｂ）より直接的な光を可能にする。平行光の少なくとも部分的な重複は、双眼鏡を通してユーザーが視ることで、対象面を立体視で最適に視ることを可能にする。立体システムに対して斜角を成す追加的な照明システムも更に設けられるが、斜システム用の光は平行である必要はない。

好適な実施形態は、光を非球面集束レンズ及び次に適切な焦点面に設置されている平凸レンズを通過させることによって、２つの立体光ビームのそれぞれに平行光ビームを作り出している。平行化は、光源と対象面との間の複数の点（例えば、フィルタリングの前又は後、若しくはビームが分割される前又は後）で遂行することができる。

本発明は、顕微鏡完成品に組み込むことができる又は既存の顕微鏡に適合するモジュールとして構成することができる。モジュールとして構成する場合、モジュールは、顕微鏡の対物レンズに置き換える対物レンズ１１ａを具備する。モジュール型の具備する対物レンズ１１ａ又は組み込み型の対物レンズの下方に位置するのは、光を対象面１６に方向付けるための照明要素である。顕微鏡の構成は、照明システムに実質的に影響を及ぼすことがなければ変更されてもよい。

好適な実施形態では、１つの光源は、２つの平行光ビームとして下記の要素によって対象面１６に方向付けられる、立体システム用の光の２つのビームを作り出している。別の実施形態では、２つの平行光ビームは、光ビーム毎に１つ、２つの光源、によって作り出される。立体システム用の光源５及び斜システム用の光源７の照明構成要素は、モジュール又は既存の顕微鏡の内側に設置され、不透明隔壁６によって隔てられる。立体光源５からのビームは、光を集めて集束させる２つの集束レンズ４によって集められる。

好適な実施形態では、集束レンズを通過する、各々の集められ、集束された光ビームは、赤外線フィルター３を通過し、次に紫外線フィルター２を通過し、更に次に平行レンズ８を通過して透過される。１つの実施形態では、平行レンズは、上流で非球面集束レンズと合わせて使用され、適切な焦点面に配置される場合、平行光を作り出す正の焦点距離を有する二重凸レンズである（即ち、両面が曲面になっている）。

好適な実施形態では、しかしながら、立体システム用の１つの光源は、以下の方法で光の２つのビームを作り出すために使用される。光源の２つの側の各々からのビームは、平行レンズ８に達する前にドーブプリズム１（光を計１８０°、２倍屈曲させる）を通過して方向付けられる。平行レンズを通過後、それぞれの平行光ビームは、次に９０°プリズム１０によって屈折される。平行光のそれぞれの柱は、互いに平行な状態で９０°プリズム１０から出るので、それぞれは、平行光のそれぞれの一部が対象面１６に向かって下向きに反射されるような角度でビーム分割器１２にぶつかる。

ビーム分割器１２から対象面１６に向かって下向きに反射される平行光のそれらの柱は、具備する対物レンズ１１ａの焦点距離によって決められるように立体照明重複部２７で少なくとも部分的に互いに重複する。ビーム分割器１２を通過する光の平行光からの光の一部は、反射防止光吸収体１３によって吸収される。好適な実施形態では、ビーム分割器１２は、光を半分に分割し、一方の半分は、対象面１６へ反射され、他方の半分は、反射防止光吸収体１３に向かってビーム分割器を通過する。ビーム分割器１２は、ハーフミラー又は別の割合で部分的に反射性の（例えば４分の３反射する）ミラーであってもよい。ビーム分割器１２の機能は、光を対象面１６からユーザー用双眼鏡２２へ上向きに通過させるようにすることである。平行光ビームは、双眼鏡へ透過される光と同軸である。平面ガラスカバー１５は、構成要素を汚れから保護するためにモジュールの底部を密閉する。

光の３つのビームが、本発明には必要とされるが、それらは、様々な方法で獲得することができる。１つの方法は、各自が独自の集束レンズ及び平行レンズのセットを有している状態の３つの光源を使用することであろう。別の方法は、本明細書で描写するモデルのような、２つの光源を使用することであろう。これは、立体路用に１つの電球の２つの側から、及び斜路用に第２の光源から光を放出することを利用するであろう。別の方法は、１つの光源を使用することであろう。光は、３つの必要なビームを別々に形成するために電球の３つの側から集められ、集束され及び平行にされることもできる、又は光は、集められ、次に別々のビームに光学的に分けられ、その後経路を下る。１つより多くの光源を使用する重要な利点は、最適に視るために立体光と斜光の間の照明比率を調整する能力である。１つの光源を使用すること及び光の比率を調整する能力を有することは、光を適宜に遮断するために機械的なシャッタを必要とするであろう。別の光源の変化は、光ファイバー光源を使用することである。これは、単に、電球をシステムの非常に近接した位置から移動してそれらをより離れた場所に設置する。この利点は、現実的にモジュール内では適合しないであろうより高い出力光源、外科的手術の近接部から移動された電球によって発生される熱及び同じく遠隔部に移動された内部ファンから出る騒音及び空気を使用する能力である。光ファイバーシステムに伴う１つの不利点は、光ファイバーケーブルを通る間の光の損失である。光調達のための別の変化は、ＬＥＤ（光発光ダイオード）光源である。ＬＥＤ、電球及び光ファイバー源の何れかの組み合わせを一体化した１つのシステムを有することも可能である。

斜システム７用の光源は、前述の第２の光源からの光が、光源７からの光を集めて集束させる集束レンズ４を通過して方向付けられるように設置される。集束レンズ４から集められ集束された光は、赤外線フィルター３及び紫外線フィルター２を通過して集束レンズ４からの発散光を集光する集光レンズ８ａへ透過される。光は、収集レンズ８ａを通過して、対象面１６の斜照明２８が達成される角度で、対象面１６に向かって下向きに反射される。斜照明２８は、物体は中間又はそれより高い領域にあると仮定して、ユーザーの両眼に対する全視野の範囲に及ぶ。斜照明２８は、照明が、眼の強膜から反射する光からユーザーにとっての眩しさを除去するために対象面１６のより小さい区域、例えば片眼の虹彩に集中されるように、調整可能な機械的アパーチャ２５によって低減することができる。

赤外線フィルター３及び紫外線フィルター２は、光源５、７と対象面１６との間の経路の任意の好都合な位置に設置することができる。

加減抵抗器２６は、対象面１６に投射される光の量を制御するために２つの光源５、７の強度を制御する。

冷却ファン１７は、電球受け棚１９又は照明システムの他の光源に非常に近接して取り付けられる。

モジュラー構成要素のハウジング１８は、既存の顕微鏡と接続するための取り付け部を含んでいる。この取り付け部は、既存の顕微鏡の対物レンズを取り外した後、既存の顕微鏡の対物レンズ受け器に取り付けられる。この取り付け部は、モジュールハウジング１８を既存の顕微鏡の対物レンズ受け器１１の適所に係止する。この取り付け部の好適な実施形態は、既存の顕微鏡にねじ止め又は他の方法で取り付けられる取り付けリング２０である。

本発明を含む全部の顕微鏡用では、双眼鏡２２は、顕微鏡本体２１に収納されるズーム光学素子２３と連絡しており、且つ対物レンズ１１ａと連絡している。焦点駆動ハウジング２４が存在する。

組み込みシステムは、ズームシステム及び対物レンズ１１ａより下方で顕微鏡の本体の中に完全に密閉される。

ミラー及びプリズムなどの付属の光学素子は、投影ビームが適正な角度でシステムを出るように光を屈折させるために使用される。それらは、更に、単一の光ビームを２つの光ビームに分割するために使用することができる。これは、唯一つの光源が使用された場合又は光ファイバーシステムが使用され、入射ビームを２つ又は３つのビームに変換する必要がある場合に行われることができるであろう。光の再方向付け又は経路に沿った分割のために付属の光学素子をこのように設置することは、ビームが適切な場所に方向付けられる限り、機能には無関係であるが、各光のインターフェイスで発生する損失を留意されたい。

システムの内部の方々で光を方向付けるために同じ又は異なる光源、ミラー及びプリズムの１つ又はそれ以上を使用すること、光源から十分なビームがない場合、光の経路沿いの任意の点でビームを分割するためにプリズムを使用すること、照明の強度制御用の機械的シャッタを使用すること又は使用しないこと、紫外線及び赤外線のフィルターの設置、及び斜光が領域を照明する方向及び角度でさえも、実現することができる非常に多くの組み合わせが存在する。最終的には、それらの差異は、適切に行われる場合、全て、２つの平行立体照明ビームが顕微鏡の光学的視経路の直接路で４５度の角度に設定されたビーム分割器１２に当たること、及び第３の斜照明ビームが前述の照明の水準及び／又は比率を制御する能力を備えた幾らかのオフセット角度で対象面１６に当たること、に帰結する。

Claims (15)

1. 顕微鏡用照明システムにおいて、
   ａ．２つの非平行光ビームを作り出す少なくとも１つの光源と、
   ｂ．前記２つの非平行光ビームが２つの平行レンズに向かって別々に通過する２つの集束レンズと、
   ｃ．前記２つの非平行光ビームのそれぞれを別々に平行化し、前記２つの平行光ビームをビーム分割器へ送る前記２つの平行レンズと、
   ｄ．前記２つの平行光ビームの一部を対象面へ反射し、それによって前記２つの平行光ビームが前記対象面で部分的に重複する、前記ビーム分割器と、を備えている、顕微鏡用照明システム。
2. 前記２つの平行光ビームの前記軸に対して斜角を成してオフセットされる前記対象面に送出される少なくとも１つの非平行光ビームを追加した、請求項１に記載の発明。
3. 前記ビーム分割器の裏側に反射防止光吸収体を追加した、請求項１に記載の発明。
4. 前記２つの平行光ビームのそれぞれが、実質的に互いに平行であり且つ実質的に同じ平面にある中心を有している、請求項１に記載の発明。
5. 前記対象面の前面に透過され、前記２つの平行光ビームの中心の軸によって作られる平面に対して斜角を成してオフセットされる軸を有する中心を有している第３の光ビームを更に備えている、請求項１に記載の発明。
6. 前記第３の光ビームが全視野の範囲を照明する、請求項５に記載の発明。
7. 前記２つの平行光ビームの強度を調整する手段を更に備えている、請求項１に記載の発明。
8. 前記２つの平行光ビームの幅を調整する手段を更に備えている、請求項１に記載の発明。
9. 前記第３の光ビームの強度を調整する手段を更に備えている、請求項５に記載の発明。
10. 前記第３の光ビームの幅を調整する手段を更に備えている、請求項５に記載の発明。
11. 一方で前記２つの平行光ビームと、他方で前記第３の光ビームと、の間で光の強度の比率を調整する手段を更に備えている、請求項５に記載の発明。
12. 前記２つの平行光ビームが前記対象面に対して０度の入射角を成す、請求項１に記載の発明。
13. 前記２つの平行光ビームが対物レンズより下方にある、請求項１に記載の発明。
14. 前記２つの平行光ビームが対物レンズを通過しない、請求項１に記載の発明。
15. ビーム分割器より下方の前記２つの平行光ビームが、対物レンズより上方の観察ビームと実質的に同じ軸を有する、請求項１に記載の発明。

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