JP2007068876A - 医療用立体観察システム - Google Patents

Abstract

【課題】深い奥行きのある空間を広い範囲で快適に観察することができ、観察者が観察物体を疲労感が発生することなく観察することができる医療用立体観察システムを提供する。
【解決手段】互いに視差を有する左眼用の第１の像と、右眼用の第２の像を撮像する立体撮像ユニット３７と、立体撮像ユニット３７で撮像した画像を立体視可能に表示できる立体表示ユニットからなる医療用立体観察システムにおいて、立体撮像ユニット３７は左眼用の第１の像を撮像する第１撮像光学系３９と、右眼用の第２の像を撮像する第２撮像光学系３８とを有し、それぞれの撮像光学系の焦点位置４７、４６を立体撮像ユニットから見てそれぞれの撮像光学系の光軸４３、４２の交点４５より遠方に配置する。
【選択図】 図６

Description

本発明は特に医用画像を立体観察する場合に好適な医療用立体観察システムに関する。

近年、医療分野（特に外科分野）において立体内視鏡、手術用（実体）顕微鏡などの医療用立体観察システムを用いた手技が普及しつつある。

医療用立体観察システムは通常２眼式であり、図１に示すように、観察物体（１）の視差を有する左右の像を撮像するための撮像光学系と撮像素子を内蔵した立体撮像ユニット（２）と、この立体撮像ユニット（２）からの左右像の映像信号により立体像を生成する立体映像信号処理ユニット（３）と、立体映像信号処理ユニット（３）の立体像を表示する立体表示ユニット（４）の３つのユニットからなる。

そして、この医療用立体観察システムでは、立体撮像ユニット（２）の撮像光学系により物体の像が撮像素子の撮像面に形成される。視差を有する左右の像を得るために、撮像光学系には様々な方式が用いられる。

撮像素子で取得した左右の画像は、映像信号として立体撮像ユニット（２）から立体映像信号処理ユニット（３）に伝送される。立体映像信号処理ユニット（３）は後段の立体表示ユニット（４）に対して必要な信号処理を行う。立体表示ユニット（４）は、立体映像信号処理ユニット（３）から送出された立体像をもとに表示素子上に左右の画像を形成する。

左右の画像を分離して観察者の両眼に伝達するために、立体表示ユニット（４）にも様々な方式が存在する。

立体表示ユニットの方式の代表的な一例として、観察者の顔面の極近くに配置された光学系により直接、それぞれ画像に対応する観察者の左右の瞳（眼）に投光し、等価的に大画面の画像情報を虚像として立体観察させるようにした虚像立体観察式がある。

立体視内視鏡と虚像立体観察式の立体表示ユニットを組み合わせたシステムに関する従来技術として、特許文献１に記載のものがある。この立体観察システムは、自然な臨場感で立体内視鏡の画像を観察するために、立体内視鏡の撮像画角と、虚像立体観察式表示ユニットの画像観察画角との関係を定めたものである。
特開平８−３１３８２８号公報

しかしながら、自然な臨場感による立体視観察までは実現できても、実際に立体観察システムを使用する際に発生する立体視観察時の疲労要因とその解決方法については上記従来例では十分な検討がなされていなかった。

医療用立体観察システムを使用し立体観察する際に発生する疲労について以下に説明する。

立体観察システムの立体表示ユニットでは、図２に示すように立体表示ユニットのディスプレイ表示面（５）に対し様々な位置に左右画像の持つ視差量に応じて観察物体（６）が再現される。

このとき各状態において、観察者の輻輳距離（再現空間を見るときの左右視線の交差する位置から眼までの距離）と調節距離（画像を見るときの眼のピントが合っている位置から眼までの距離）の関係は様々な状態を取り、左右画像の持つ視差量がゼロの時（図中ｃ）は輻輳距離と調節距離は一致し、左右画像が視差量を持った時（図中ａ、ｂ、ｄ、ｅ）は輻輳距離と調節距離は一致しない。

通常の自然な観察においては輻輳距離と調節距離は一致しており、立体像観察時の調節距離と輻輳距離が大きく乖離している状態は観察者に不自然な観察を強いることになり視覚疲労・不快感に大きく影響することが知られている。

疲労感・不快感を感じることなく立体観察できるようにするためには、輻輳距離と調節距離の乖離量をある一定の範囲内に留める必要がある。

この輻輳距離と調節距離の乖離の許容値について検討したものを図２９に示す。この検討は、被検者１２名に対し立体表示装置にて調節距離と輻輳距離の様々な関係で立体観察してもらい官能的に疲労を感じるかどうかの評価をしたものである。

この検討により、輻輳距離と調節距離の乖離の許容について以下の結果を得た。

０．９≦輻輳距離／調節距離≦１．３２５
この輻輳距離と調節距離の乖離の許容量により、ディスプレイ表示面近傍には観察物体が快適に観察できるための再現位置の空間的な制限ができる。この制限範囲内の空間を快適観察可能範囲（７）とし、快適観察可能範囲は前記ディスプレイ表示面近傍で観察者（８）側に狭く、観察者から遠方側に広く分布している。

また、図３に示すように、立体観察システムのもう一方のユニットである立体撮像ユニット（９）は、立体撮像ユニットに対する観察物体（１１）の位置に応じた視差を有する左右画像（１１．５）を撮像し、前記立体表示ユニット（１０）に供給する。

立体表示ユニットの快適観察可能範囲（７）の最も観察者側（７．５）に観察物体を再現するときの観察物体の立体撮像ユニット（９）に対する位置（１２）と、快適観察可能範囲（７）の最も観察者から遠方側（７．６）に観察物体を再現するときの観察物体の立体撮像ユニット（９）に対する位置（１３）とで挟まれた空間が、「実空間」での快適観察可能範囲（１４）となる。

この実空間での快適観察可能範囲（１４）は、立体撮像ユニット（９）が有する左右の撮像光学系の光軸の交点（１５）に対して立体撮像ユニット側に狭く、立体撮像ユニットから遠方側に広く分布している。

従来の立体撮像ユニットにおいては左右の撮像光学系の光軸の交点と焦点位置とが一致しているため、実空間での快適観察可能範囲は焦点位置に対して立体撮像ユニット側に狭く、奥側に広く分布しているとも言える。

一方、医療用として用いられる立体観察システムは主に外科手術時の観察手段として用いられ、図４（ａ）に示すように体内にある例えば腫瘍などの目的物（１６）に到達するまで組織を開創した状態を観察する場合が多い。

この場合観察者は目的物（１６）を注意深く観察しつつも、開創部（１７）にも目をくばり開創部からの出血などにも十分な注意を払わなければならない。このため、観察者が観察したい範囲は図中の点線で囲った範囲（１８）となり、最も注意深く観察したい目的物（１６）から観察者（１９）側に伸びる奥行きをもった空間となる。

また、図４（ｂ）に示すように、体表面（２０）上にある術部（２１）を処置する場合にも観察者は術部（２１）だけではなく針糸（２２）の状態、持針器などの処置具（２３）にも十分注意を払い処置を進めなければならない。このため、観察したい範囲は図中の点線で囲った範囲（２４）となり、こちらも同じく、最も注意深く観察したい術部（２１）から観察者（２５）側に伸びる奥行きを持った空間となる。

図５は、観察者（２６）が前述した立体観察システム（２７）にて、図４（ａ）で示したような観察物体（２８）を観察する様子を示している。観察者は立体撮像ユニット（２９）にて奥行き方向に深さのある観察物体の底部（３０）に焦点を合わせ撮像し、立体表示ユニット（３１）にて再現される観察像を観察している。

このとき、立体撮像ユニットによる実空間での快適観察可能範囲（３２）と、観察者が観察したい範囲（３３）は図の様に一部（３３．５）しか一致していない。

このため、立体表示ユニット（３１）に再現された観察像空間（３４）の観察者側の部分（３５）は、立体表示ユニットによる快適観察可能範囲（３６）からはみ出し、観察者がこのはみ出した部分を観察する際に強い疲労を感じてしまう。

この疲労は前述したように輻輳距離と、調節距離に許容量以上の大きなズレが生じて発生するものであり、観察者に視覚疲労・不快感を与えてしまう。

前記従来例では、このような問題点の原因や解決法について述べられていなかった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、医療用立体観察システムの立体撮像ユニットの構成及び立体撮像ユニットと立体表示ユニットの好ましい関係を設定することにより疲労のない立体視観察を得ることのできる医療用立体観察システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明の医療用立体観察システムは、
（１）互いに視差を有する左眼用の第１の像と、右眼用の第２の像を撮像する立体撮像ユニットと、前記立体撮像ユニットで撮像した画像を立体視可能に表示できる立体表示ユニットからなる医療用立体観察システムにおいて、
前記立体撮像ユニットは前記左眼用の第１の像を撮像する第１撮像光学系と、前記右眼用の第２の像を撮像する第２撮像光学系とを有し、それぞれの撮像光学系の焦点位置を前記立体撮像ユニットから見てそれぞれの撮像光学系の光軸の交点より遠方に配置することを特徴とする。

撮像光学系の光軸は、撮像光学系の入射瞳中心と撮像素子の撮像範囲中心の物体側共役点とを結ぶ直線でもよい。また、第１、第２撮像光学系の光軸の交点は、各光軸が最も近接する点と置き換えてもよい。

この構成を図６を用いて説明する。図中（３７）は立体撮像ユニット、（３８）は前記立体撮像ユニットが有する右眼用像取得のための第２撮像光学系、（３９）は左眼用像取得のための第１撮像光学系、（４０、４１）は撮像手段、（４２）は第２撮像光学系の光軸、（４３）は第１撮像光学系の光軸、（４５）は第１、第２撮像光学系光軸の交点、（４６）は第２撮像光学系の焦点位置、（４７）は第１撮像光学系の焦点位置、（４８）はこの立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲をそれぞれ示している。

立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲（４８）は立体撮像ユニット（３７）にて撮像される左右の像の視差量によってその奥行き方向の広がりが決まる。よって、視差量の発生に影響しない撮像光学系の焦点位置（４６、４７）をどの位置に設定しようとも、立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲の立体撮像ユニット（３７）に対する（より詳しくは各光軸の交点（４５）に対する）位置関係は変わらない。

本発明の構成によると、各撮像光学系の焦点位置（４６、４７）を立体撮像ユニットから見て各光軸の交点（４５）より遠方に配置することで、立体撮像ユニット（３７）から見て実空間での快適観察可能範囲（４８）を焦点位置（４６、４７）より手前側に広く確保できる。

この状態で前述した図４（ａ）の様な観察物体を観察した場合、図７で示すように、観察者が見たい空間（４９）を、立体撮像ユニット（５０）の実空間での快適観察可能範囲（５１）がより広くカバーできるため、観察者は観察物体を疲労感が発生することなく観察することができる。

さらに、本発明の医療用立体観察システムは、
（２）前記第１撮像光学系と前記第２撮像光学系のそれぞれの光軸の交点から、前記第１撮像光学系の物体側焦点面中心と前記第２撮像光学系の物体側焦点面中心とを結ぶ直線までの距離をｘとすると、ｘが以下の条件（１）を満たすことを特徴とする。
｛５．９×ＷＤ×tan（ω₁／２）｝／｛Ｌ×tan（α／２）＋５．９×tan（ω₁／２）｝
≦ｘ（ｍｍ）≦
｛２１．７×ＷＤ×tan（ω₁／２）｝／｛Ｌ×tan（α／２）＋２１．７×tan（ω₁／２）｝
・・・（１）
ただし、ＷＤは前記立体撮像ユニットの作動距離（立体撮像ユニットの最も物体側の面から立体撮像ユニットが有する物体側ピント位置までの距離）、ω₁は前記第１、第２撮像光学系の対角画角、αは前記第１、第２撮像光学系のそれぞれの光軸が物体側でなす角、Ｌは前記立体表示ユニットにおける観察画像の対角距離である。

上記ω₁について図８を用いて詳細に説明する。ω₁は前記立体撮像ユニットが有する撮像光学系の対角画角を示すが、より詳細には、前記立体撮像ユニットが有する左眼用撮像手段（５２）の撮像範囲（５３）の対角直線（５４）を、左眼用撮像光学系（５５）で物体側（被写体側）のある位置（５６）に投影し、この投影された対角直線（５７）の片側の端点（５８）と左眼用撮像光学系（５５）の入射瞳中心（５９）を結ぶ直線（６０）と、投影された対角直線（５７）のもう片方の端点（６１）と入射瞳中心（５９）を結ぶ直線（６２）とのなす角を示す。

図示しない右眼側についてもまったく同様なためここでは省略する。

なお、図９に示すように、撮像手段（５２）の撮像範囲の形状を絞り（６３）や電気的手段により丸形状などに限定する場合は、前記対角直線の代わりに限定撮像範囲（６４）内の最大長を持つ直線（６５）を用いる
また、上記Ｌについて図１０（ａ）を用いて詳細に説明する。Ｌは前記立体表示ユニットにおける観察画像の対角距離を示すが、より詳細には、立体表示ユニットが有する画像表示手段（６７）に表示され観察者（６６）により観察される観察画像（６８）の対角直線（６９）の長さを示す。

なお、図１０（ｂ）に示すように、観察画像は画像表示手段上に表示された画像そのものではなく、画像表示手段（７１）に表示された画像が光学手段（７２）により投影された実像（７０）でもよい。

また、図１０（ｃ）に示すように、画像表示手段（７３）に表示された画像が接眼光学系などの光学手段（７４）により投影された虚像（７５）でもよい。

さらに、図１１に示すように、画像表示手段（６７）の表示範囲（７６）より小さく丸形状などに限定表示する場合は、前記対角直線の代わりに限定表示範囲（７７）内の最大長を持つ直線（７８）の長さを用いる。

立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲は、前述したように立体撮像ユニットにて撮像される左右の像の視差量によってその奥行き方向の広がりが決まり、立体撮像ユニットが有する第１、第２撮像光学系の光軸の交点を基準にその前後周辺に分布する。

本願の条件（１）は、第１、第２撮像光学系の光軸の交点に対しそれぞれの焦点位置をどの位置に配置するかを制限する式であるが、言い換えると立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲に対し焦点位置をどの位置に配置するかを制限する式である。

第１、第２撮像光学系の各焦点位置の配置が条件（１）の下限を下回っている場合、図１２に示すように第１、第２撮像光学系（７９Ｒ，７９Ｌ）のそれぞれの焦点位置（８０Ｒ，８０Ｌ）より上側に立体撮像ユニット（８１）の実空間での快適観察可能範囲（８２）を広く確保できないため、深い奥行きのある空間（８３）を広い範囲で快適に観察することができない。

条件（１）の上限を上回っている場合、図１３に示すように第１、第２撮像光学系（７９Ｒ，７９Ｌ）のそれぞれの焦点位置（８０Ｒ，８０Ｌ）が立体撮像ユニット（８１）の実空間での快適観察可能範囲（８２）をはみ出してしまうために焦点を合わせた観察物体の範囲（８４）を快適に観察することができない。

よって条件（１）を満たす構成の医療用立体観察システムであると、立体撮像ユニットが有する第１、第２撮像光学系の各焦点位置は立体撮像ユニットの実空間での快適観察可能範囲内の最適位置に配置され、深い奥行きのある空間を広い範囲で快適に観察することができ、観察者は観察物体を疲労感が発生することなく観察することができる。

また、本発明の医療用立体観察システムは、
（３） 互いに視差を有する左眼用の第１の像と右眼用の第２の像を撮像する立体撮像ユニットと、前記立体撮像ユニットで撮像した画像を立体視可能に表示できる第１の観察者用の立体表示ユニットと第２の観察者用の立体表示ユニットからなる医療用立体観察システムにおいて、
前記第１の観察者用の立体表示ユニットを観察する際の輻輳角αＡと、前記第２の観察者用の立体表示ユニットを観察する際の輻輳角αＢは以下の条件（２）を満たすことを特徴とする。

０． ５≦αＡ／αＢ≦２ ・・・（２）
立体観察システムによる再現空間は、図２７に示すように、撮像ユニット（２１０）の内向角αと表示ユニット（２１２）を観察する際の輻輳角α'との関係により、観察する実空間に対して歪んで再現される。

撮像ユニットの内向角αと表示ユニットの輻輳角α'がα＜α'の関係にあるとき、実空間での立方体を観察すると、観察方向につぶれる様に歪んだ再現空間が観察される。

撮像ユニットの内向角αと表示ユニットの輻輳角α'がα＞α'の関係にあるとき、実空間での立方体を観察すると、観察方向に伸びる様に歪んだ再現空間が観察される。

撮像ユニットの内向角αと表示ユニットの輻輳角α'がα＝α'の関係にあるときは実空間での立方体は歪まずにスケール倍された再現空間として観察される。

この再現空間の歪みは観察対象が空間的に歪んで観察されるだけではなく、外科手術においては処置具で術部を触る、切る、縫うなどの処置作業に影響する。例えば再現空間が観察方向に伸びるように歪んでいる場合、処置具を僅かに動かしただけでも観察される再現空間中の処置具は強調されて大きく動いているように見えるため、処置具のターゲットへの誘導に支障をきたすためである。

ただし、再現空間の歪みと処置作業（運動）の関係は観察像からのフィードバックにより一定の時間を掛けることで慣れることができる。

しかし、図２８に示すような、１つの撮像ユニット（２１４）に対し複数の表示ユニット（第１の表示ユニット（２１７）、第２の表示ユニット（２１９））を接続し、複数人の観察者（２１６、２１８）が術部（２１５）を観察できる立体観察システムにおいて、第１の表示ユニットの輻輳角αＡの値と、第２の表示ユニットの輻輳角αＢの値が大きく異なり、かつ第１の表示ユニットを使用する観察者と、第２の表示ユニットを使用する観察者が頻繁に入れ替わる場合に問題が発生する。外科手術の場合、手術の進行状況に応じて観察者が頻繁に入れ替わることがある。

この問題は、撮像ユニットの内向角αと第１の表示ユニットの輻輳角αＡとの関係で決まる再現空間の歪み状況と、撮像ユニットの内向角αと第２の表示ユニットの輻輳角αＢとの関係で決まる再現空間の歪み状況とが異なるため、観察者が第１の表示ユニットから第２の表示ユニットに移った際に、第２の表示ユニットの再現空間歪みに慣れるまで処置作業に違和感を感じてしまうことである。この処置作業の違和感は使用する表示ユニットを移るたびに発生し、結果として観察者に疲労感を与えてしまうこととなる。

実験により第１の表示ユニットの輻輳角αＡと第２の表示ユニットの輻輳角αＢが条件（２）を満たしていれば表示ユニットを移った際の処置作業の違和感が少ないことがわかった。

よって条件（２）を満たす医療用立体観察システムであれば、観察者は疲労感を生じることなく表示ユニットを移ることができ、手術の進行を妨げることがない。

本願の医療用立体観察システムによれば、深い奥行きのある空間を広い範囲で快適に観察することができ、観察者は観察物体を疲労感が発生することなく観察することができる。又、複数の観察者用の立体表示ユニットを備えた医療用立体観察システムにおいて、観察者は疲労感を生じることなく表示ユニットを移ることができ、手術の進行を妨げることがない。

（第１実施例）
図１４は本実施例にかかる医療用立体観察システムの図である。

本実施例の立体観察システムは、電子画像手術用顕微鏡（８５）、電子画像立体内視鏡（８６）などの立体撮像ユニット、映像信号処理ユニット（８７）、前記立体撮像ユニットに照明光を供給する光源ユニット（８８）と、図中Ａ〜Ｅに図示した各種立体表示ユニットのいずれかからなる。

図中Ａの表示ユニットは視差バリア方式の眼鏡無し立体表示装置を示し、ＬＣＤ（８９）上に短冊状に左右の画像を並べその前にバリア（９０）を配置し、観察者（９３）の左右眼にそれぞれ選択的に相応する画像を導き立体観察観察できるようにしたものである。

図中Ｂの表示ユニットは偏光眼鏡式立体表示装置を示し、ＣＲＴ（９１）の手前に順次に偏光方向を変換する偏光シャッター（９２）を配置し、観察者（９３）は偏光眼鏡（９４）を掛けることで左右の画像が相応する左右の眼に順次に導かれ立体観察できるようにしたものである。

図中Ｃの表示ユニットは虚像観察式立体表示装置を示し、左右の小型ＬＣＤ（９５、９６）の前に左右の接眼光学系（９７、９８）を配置し、観察者（９３）は接眼光学系による虚像を観察することで立体観察できるようにしたものである。

図中Ｄの表示ユニットは直接観察式立体表示装置を示し、左右のＬＣＤ（９９、１００）に表示された画像がミラー（１０１）によって観察者の眼に導かれ、観察者は左右のＬＣＤ上に表示された画像をそれぞれ相応する眼で直接観察することで立体観察できるようにしたものである。

図中Ｅの表示ユニットは投影式立体表示装置を示し、左右のプロジェクター（１０２、１０３）から、フレネル凹面鏡からなるスクリーン（１０４）に左右の画像が投影され、フレネル凹面鏡からなるスクリーンは左右の画像をそれぞれ相応する観察者の眼に導くことで立体観察できるようにしたものである。

また図１５に、図１４中の電子画像手術用顕微鏡（８５）の光学系の構成を示す。

立体撮像装置である電子画像手術用顕微鏡（１０５）は、左右のＣＣＤ（１０６Ｒ、１０６Ｌ）と、このＣＣＤ面上に観察物体（１０８）の互いに視差を持つ像を結像する撮像光学系（１０７）を有す。撮像光学系の物体側の焦点（１１０Ｒ、１１０Ｌ）は、電子画像手術用顕微鏡（１０５）の鏡体部からみて撮像光学系の左右光軸（１０９Ｒ、１０９Ｌ）の交点（１１１）より遠方に配置してある。

つまり、電子画像手術用顕微鏡の鏡体部下面（１１２）から撮像光学系の左右光軸の交点（１１１）までの距離をＡとおき、鏡体部下面（１１２）から撮像光学系の左右の物体側焦点（１１０Ｒ、１１０Ｌ）を結ぶ直線（１１３）の中点（１１４）までの距離をＢとおくとＡ＜Ｂの関係となるように構成してある。

この構成によると、電子画像手術用顕微鏡の物体側の焦点（１１０Ｒ、１１０Ｌ）より手前側（電子画像手術用顕微鏡側）に実空間での快適観察可能範囲（１１４．５）を多く取ることができる。

また図１６に、図１４中の電子画像立体内視鏡（８６）の構成を示す。

立体撮像装置である電子画像立体内視鏡（１１５）は、左右のＣＣＤ（１１６Ｒ、１１６Ｌ）と、このＣＣＤ面上に観察物体（１１７）の互いに視差を持つ像を結像する撮像光学系（１１８）を有す。撮像光学系の物体側の焦点（１１９Ｒ、１１９Ｌ）は、電子画像立体内視鏡（１１５）の鏡体部からみて撮像光学系の左右光軸（１２０Ｒ、１２０Ｌ）の交点（１２１）より遠方に配置してある。

つまり、電子画像立体内視鏡の下面（１２２）から撮像光学系の左右光軸の交点（１２１）までの距離をＣとおき、また電子画像立体内視鏡の下面（１２２）から撮像光学系の左右の物体側焦点（１１９Ｒ、１１９Ｌ）を結ぶ直線（１２３）の中点（１２４）までの距離をＤとおくとＣ＜Ｄの関係となるように構成してある。

この構成によると、電子画像立体内視鏡の物体側焦点（１１９Ｒ、１１９Ｌ）より手前側（電子画像立体内視鏡側）に実空間での快適観察可能範囲（１２４．５）を多く取ることができる。

上記構成による各立体撮像装置と各立体表示装置の組み合わせからなる立体観察システムによれば、図４（ａ）（ｂ）で示したような観察者が観察したい奥行き方向に空間をもった観察物体を観察しても、図１７に示すように観察者が立体撮像装置（１２５）の焦点（１２６Ｒ、１２６Ｌ）を観察物体（１２７）の深部に合わせることで立体撮像装置による実空間での快適観察可能範囲（１２８）が観察物体（１２７）を広くカバーすることができ、結果として表示装置（１２９）によって再現される観察物体（１３０）は表示装置による快適観察可能範囲（１３１）内に広くカバーされ、観察者（１３２）は調節位置と輻輳位置のズレによる疲労を強く感じることなく再現された観察物体を観察できる。

図１７中、（１３３）は映像信号処理ユニット、（１３４）は立体撮像ユニットに照明光を供給する光源ユニットを示している。

（第２実施例）
図１８は本実施例にかかる医療用立体観察システムの図である。

本実施例の立体観察システムは、撮像ユニットとしての電子画像手術用顕微鏡（１３５）と、電子画像手術用顕微鏡を保持する保持アーム（１３５．５）と、虚像観察式の立体表示ユニット（１３６）と、立体表示ユニットを保持する保持アーム（１３６．５）と、電子画像手術用顕微鏡に照明光を供給する光源ユニット（１３７）、電子画像手術用顕微鏡が撮像した映像信号を処理する映像信号処理ユニット（１３８）、立体表示ユニットに映像信号を供給する映像信号供給ユニット（１３９）とからなっている。

電子画像手術用顕微鏡（１３５）は互いに視差を持つ術部（１４０）の映像を撮像し、この映像は映像信号処理ユニット（１３７）、映像信号供給ユニット（１３９）を経由して立体表示ユニット（１３６）に表示される。観察者（１４１）は立体表示ユニットに表示された画像を観察することで術部の立体観察が行える。

図１９は前記電子画像手術用顕微鏡の光学系の構成を示した図である。

図中、（１４２）は電子画像手術用顕微鏡の鏡体部、（１４３Ｒ、１４３Ｌ）はＣＣＤ、（１４４）は撮像光学系、（１４５Ｒ）は撮像光学系の右眼光路の焦点位置、（１４５Ｌ）は撮像光学系の左眼光路の焦点位置、（１４８Ｒ）は撮像光学系の右眼光路の光軸、（１４８Ｌ）は撮像光学系の左眼光路の光軸、（１５６）は前記各光軸の交点をそれぞれ示している。

また、図中ＷＤは作動距離であり電子画像手術用顕微鏡の鏡体部（１４２）の最も物体側の面から撮像光学系の焦点位置（１４５Ｒ、１４５Ｌ）までの距離を示す。αは内向角であり撮像光学系の右眼光路の光軸（１４８Ｒ）と左眼光路の光軸（１４８Ｌ）のなす角度を示す。ω₁は撮像光学系の対角画角を示す。ｘは焦点位置シフト量であり、撮像光学系の各光軸の交点（１５６）から撮像光学系の焦点までの距離を示す。

本実施例の電子画像手術用顕微鏡では前記各パラメータを以下のように設定してある。

ＷＤ＝２５０ｍｍ，α＝４°，ω₁＝２０°，ｘ＝４０ｍｍ
図２０は前記立体表示装置の光学系の構成を示した図である。

図中（１５０）は立体表示装置の鏡体部、（１５１Ｒ、１５１Ｌ）はＬＣＤ、（１５２Ｒ、１５２Ｌ）は接眼光学系、（１５３）は接眼光学系によりＬＣＤ上に表示された画像が投影された虚像を示し、Ｌは観察者（１５５）が観察する観察画像の対角距離をそれぞれ示している。

本実施例の表示装置では前記パラメータを以下のように設定してある。

Ｌ＝５０８ｍｍ
上記電子画像手術用顕微鏡及び立体表示装置の各パラメーターを本願の条件（１）に当てはめると、１３．８５ｍｍ≦ｘ≦４４．３ｍｍとなる。

本実施例でのｘの値は４０ｍｍであり、上記条件を満たす。

上記条件を満たす本実施例は、図２１（Ａ）に示すように電子画像手術用顕微鏡（１３５）の実空間での快適観察可能範囲（１５９）を電子画像手術用顕微鏡の焦点位置（１６０）より手前側（電子画像手術用顕微鏡側）に広く確保できる。

よって、観察者（１４１）がこの電子画像手術用顕微鏡にて奥行き方向に空間を持つ観察物体（１６１）を観察する場合、電子画像手術用顕微鏡の実空間での快適観察範囲（１５９）は観察物体（１６１）を広くカバーする。

このため、図２１（Ｂ）に示すように、立体表示装置（１３６）によって虚像位置（１６３）周辺に再現される観察物体（１６２）は同じく虚像位置（１６３）周辺に存在する表示装置による快適観察可能範囲（１６４）内に広くカバーされ、観察者（１４１）は調節位置と輻輳位置のズレによる疲労を強く感じることなく再現された観察物体を観察できる。

（第３実施例）
図２２は本実施例にかかる医療用立体観察システムの図である。

本実施例の立体観察システムは、撮像ユニットとしての電子画像立体内視鏡（１６５）と、電子画像立体内視鏡を保持する保持アーム（１６６）と、投影式の立体表示ユニット（１６７）と、立体表示ユニットを保持する保持アーム（１６８）と、電子画像立体内視鏡に照明光を供給する光源ユニット（１６９）、電子画像立体内視鏡が撮像した映像信号を処理する映像信号処理ユニット（１７０）、立体表示ユニットに映像信号を供給する映像信号供給ユニット（１７１）とからなっている。

電子画像立体内視鏡（１６５）は互いに視差を持つ術部の映像を撮像し、この映像は映像信号処理ユニット（１７０）、映像信号供給ユニット（１７１）を経由して立体表示ユニット（１６７）に表示される。観察者（１７２）は立体表示ユニットに表示された画像を観察することで術部の立体観察が行える。

図２３は前記電子画像立体内視鏡の光学系の構成を示した図である。

図中（１７３）は電子画像立体内視鏡の鏡体部、（１７４Ｒ、１７４Ｌ）はＣＣＤ、（１７５）は撮像光学系、（１７６Ｒ）は撮像光学系の右眼光路の焦点位置、（１７６Ｌ）は撮像光学系の左眼光路の焦点位置、（１７７Ｒ）は撮像光学系の右眼光路の光軸（右眼光路の入射瞳中心（１７８Ｒ）とＣＣＤの撮像範囲中心（１７９Ｒ）の物体側共役点（１７６Ｒ）とを結ぶ直線）、（１７７Ｌ）は撮像光学系の左眼光路の光軸（左眼光路の入射瞳中心（１７８Ｌ）とＣＣＤの撮像範囲中心（１７９Ｌ）の物体側共役点（１７６Ｌ）とを結ぶ直線）、（１８０）は撮像光学系の各光軸の交点をそれぞれ示している。

また、図中ＷＤは作動距離であり電子画像立体内視鏡の鏡体部（１７３）の最も物体側の面から撮像光学系の焦点位置（１７６Ｒ、１７６Ｌ）までの距離を示す。αは内向角であり撮像光学系の右眼光路の光軸（１７７Ｒ）と左眼光路の光軸（１７７Ｌ）のなす角度を示す。ω₁は撮像光学系の対角画角を示す。ｘは焦点位置シフト量であり、撮像光学系の各光軸の交点（１８０）から撮像光学系の焦点までの距離を示す。

本実施例の電子画像手術用顕微鏡では前記各パラメータを以下のように設定してある。

ＷＤ＝５０ｍｍ，α＝６．９°，ω₁＝６０°，ｘ＝１２ｍｍ
図２４は前記立体表示装置の光学系の構成を示した図である。

図中（１８５）はフレネル凹面鏡（１８６）とデフューザー（１８７）からなる画像投影スクリーン、（１８８Ｒ、１８８Ｌ）は画像投影スクリーンに左右の画像を投影するプロジェクターを示す。右眼用画像投影プロジェクター（１８８Ｒ）により投影された画像は画像投影スクリーン（１８５）のフレネル凹面鏡（１８６）の作用により観察者（１８９）の右眼に導かれ観察者の右眼にて観察される。同様に左眼用画像投影プロジェクター（１８８Ｌ）により投影された画像は観察者の左眼にて観察される。よって観察者は左右の画像をそれぞれ相当する眼にて観察でき、立体観察をすることができる。図中Ｌは観察者が観察する観察画像の対角距離を示している。

本実施例の表示装置では前記パラメータを以下のように設定してある。

Ｌ＝４７８ｍｍ
上記電子画像立体内視鏡及び立体表示装置の各パラメーターを本願の条件（１）に当てはめると、５．２８ｍｍ≦ｘ≦１５．１５ｍｍとなる。

本実施例でのｘの値は１２ｍｍであり、上記条件を満たす。

上記条件を満たす本実施例は、図２５（Ａ）に示すように電子画像立体内視鏡（１９２）の実空間での快適観察可能範囲（１９１）を電子画像立体内視鏡の焦点位置（１９３）より手前側（電子画像立体内視鏡側）に広く確保できる。

よって、観察者がこの電子画像立体内視鏡にて術部（１９４）や処置具（１９５）からなる奥行き方向に空間を持つ観察空間を観察する場合、電子画像立体内視鏡の実空間での快適観察可能範囲（１９１）は観察空間を広くカバーする。

このため、図２５に示すように立体表示装置（１６７）によって画像投影スクリーン（１９６）周辺に再現される観察空間（１９７）は、同じく画像投影スクリーン周辺に存在する表示装置による快適観察可能範囲（１９８）内に広くカバーされ、観察者（１７２）は調節位置と輻輳位置のズレによる疲労を強く感じることなく再現された観察物体を観察できる。

（第４実施例）
図２６は本実施例にかかる医療用立体観察システムの図である。

本実施例の立体観察システムは、撮像ユニットとしての電子画像手術用顕微鏡（１９９）と、第１の観察者（２０４）用の虚像観察式立体表示装置（２００）と、電子画像手術用顕微鏡と立体表示装置とを接続する接続部（２０１）、立体表示装置を保持する保持アーム（２０２）、第２の観察者（２０３）用の視差バリア方式眼鏡無し立体表示装置（２０５）、前記視差バリア方式眼鏡無し立体表示装置を保持する保持アーム（２０６）とからなっている。

図中のαＡは第１の観察者が第１の観察者用の虚像観察式立体表示装置を観察する際の輻輳角、αＢは第２の観察者が第２の観察者用の視差バリア方式眼鏡無し立体表示装置を観察する際の輻輳角、αは電子画像手術用顕微鏡の左右光路光軸の互いになす角である内向角を示している。

本実施例の医療用立体観察システムでは前記各パラメータを以下のように設定してある。

αＡ＝３．５°，αＢ＝２°，α＝４°
よって、αＡ／αＢ＝１．６となり、本願の条件（２）を満たす。

本願の条件（２）は表示装置輻輳角の異なる２つの表示装置を交互に使用しても作業に違和感を感じないための条件である。

よって、手術の進行状況にあわせて互いの観察者が入れ替わっても観察者が表示装置を移ったことによる処置作業の違和感を感じることが無いため、疲労感なく観察及び処置作業を続けることができる。

立体観察システムの構成を示すブロック図である。 立体表示ユニットのディスプレイ表示面に対し様々な位置に観察物体が再現される様子を示す図である。 立体撮像ユニットが観察物体の位置に応じた視差を有する左右画像を撮像して立体表示ユニットに供給することを示す図である。 医療用として用いられる立体観察システムの観察範囲を示す図である。 従来の立体観察システムの問題点を示す図である。 本願の基本構成を示す図である。 本願の立体撮像ユニットの、実空間での快適観察可能範囲がカバーする範囲をを示す図である。 撮像光学系の対角画角の説明図である。 撮像範囲が丸形状の場合の撮像光学系の対角画角の説明図である。 立体表示ユニットにおける観察画像の対角距離の説明図である。 表示範囲が丸形状の場合の立体表示ユニットにおける観察画像の対角距離の説明図である。 本願の条件（１）を満足しない場合の快適観察可能範囲を示す図である。 本願の条件（１）を満足しない場合の快適観察可能範囲を示す図である。 本願の第１実施例の構成を示すブロック図である。 本願の第１実施例の電子画像手術用顕微鏡の光学系の構成を示す図である。 本願の第１実施例の電子画像立体内視鏡の光学系の構成を示す図である。 本願の第１実施例の立体観察システムの効果を示す図である。 本願の第２実施例の構成を示す図である。 本願の第２実施例の電子画像手術用顕微鏡の光学系の構成を示す図である。 本願の第２実施例の立体表示装置の光学系の構成を示す図である。 本願の第２実施例の立体観察システムの効果を示す図である。 本願の第３実施例の構成を示す図である。 本願の第３実施例の電子画像立体内視鏡の光学系の構成を示す図である。 本願の第３実施例の立体表示装置の光学系の構成を示す図である。 本願の第３実施例の立体観察システムの効果を示す図である。 本願の第４実施例の構成を示す図である。 立体観察システムによる再現空間が、撮像ユニットの内向角αと表示ユニットを観察する際の輻輳角α'との関係により、観察する実空間に対して歪んで再現されることを示す図である。 複数の表示ユニットを備えた立体観察システムにおいて、複数人の観察者が入れ替わりながら観察する様子を示す図である。 輻輳距離と調節距離との乖離の許容値についての検討結果を示す図である。

符号の説明

３７ 立体撮像ユニット
３８ 第２撮像光学系
３９ 第１撮像光学系
４０，４１ 撮像手段
４２ 第２撮像光学系の光軸
４３ 第１撮像光学系の光軸
４５ 交点
４６，４７ 焦点位置
４８ 実空間での快適観察可能範囲

Claims (3)

1. 互いに視差を有する左眼用の第１の像と、右眼用の第２の像を撮像する立体撮像ユニットと、前記立体撮像ユニットで撮像した画像を立体視可能に表示できる立体表示ユニットからなる医療用立体観察システムにおいて、
   前記立体撮像ユニットは前記左眼用の第１の像を撮像する第１撮像光学系と、前記右眼用の第２の像を撮像する第２撮像光学系とを有し、それぞれの撮像光学系の焦点位置を前記立体撮像ユニットから見てそれぞれの撮像光学系の光軸の交点より遠方に配置することを特徴とする医療用立体観察システム。
2. 前記第１撮像光学系と前記第２撮像光学系のそれぞれの光軸の交点から、前記第１撮像光学系の物体側焦点面中心と前記第２撮像光学系の物体側焦点面中心とを結ぶ直線までの距離をｘとすると、ｘが以下の条件（１）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の医療用立体観察システム。
   ｛５．９×ＷＤ×tan（ω₁／２）｝／｛Ｌ×tan（α／２）＋５．９×tan（ω₁／２）｝
   ≦ｘ（ｍｍ）≦
   ｛２１．７×ＷＤ×tan（ω₁／２）｝／｛Ｌ×tan（α／２）＋２１．７×tan（ω₁／２）｝
   ・・・（１）
   ただし、ＷＤは前記立体撮像ユニットの作動距離（立体撮像ユニットの最も物体側の面から立体撮像ユニットが有する物体側ピント位置までの距離）、ω₁は前記第１、第２撮像光学系の対角画角、αは前記第１、第２撮像光学系のそれぞれの光軸が物体側でなす角、Ｌは前記立体表示ユニットにおける観察画像の対角距離である。
3. 互いに視差を有する左眼用の第１の像と右眼用の第２の像を撮像する立体撮像ユニットと、前記立体撮像ユニットで撮像した画像を立体視可能に表示できる第１の観察者用の立体表示ユニットと第２の観察者用の立体表示ユニットからなる医療用立体観察システムにおいて、
   前記第１の観察者用の立体表示ユニットを観察する際の輻輳角αＡと、前記第２の観察者用の立体表示ユニットを観察する際の輻輳角αＢは以下の条件（２）を満たすことを特徴とする医療用立体観察システム。
   ０． ５≦αＡ／αＢ≦２ ・・・（２）
   

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