JP3605315B2

JP3605315B2 - 立体視顕微鏡

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Publication number: JP3605315B2
Application number: JP15263699A
Authority: JP
Inventors: 悟立原; 千成田中
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP2000338416A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察対象物を拡大観察する立体視顕微鏡に関し、特に、顕微鏡画像を撮像素子により電気的に撮影するタイプの立体視顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
立体視顕微鏡は、例えば、脳神経外科手術のように微細な組織を処置する際に使用される。
即ち、脳のように微細な組織からなる器官は、その構造組織を肉眼で識別することが困難であるために、このような器官の処置は、顕微鏡下で行わざるを得ない。しかも、単眼の顕微鏡では組織の立体的構造を認識することが困難であるので、組織を立体的に拡大観察させて正確な処置を可能とするため、このような処置には双眼の立体視顕微鏡が用いられていた。
【０００３】
ただし、従来の立体視顕微鏡は、顕微鏡の接眼レンズを直接肉眼で覗くように設計されているため、手術を担当する主術者（場合によってはその助手）は顕微鏡画像を見ることができるものの、それ以外の者（例えば、麻酔医，看護婦，研修医，遠隔地に居るアドバイザー）は、同じ顕微鏡画像を見ることができないので、迅速且つ的確な分担作業を行ったり遠隔地からの的確な助言を行うことができない。
【０００４】
そこで、従来から、撮像素子を用いて顕微鏡画像を電気信号として出力させる手法が提案されている。これによれば、撮影された画像を複数のディスプレイに表示し、これらをそれぞれ立体視ビューアーを用いて観察することにより、複数の関係者が顕微鏡画像を同時に立体視することができる。例えば特開平７−１０４１９３号公報には、双眼顕微鏡の接眼レンズの後段に撮影系光学アダプターを取り付け、顕微鏡画像をハイビジョンカメラで撮影する構成が開示されている。撮影系光学アダプターには、接眼レンズからの被写体光をリレーして撮像素子上に結像させるリレー光学系と、撮像素子としてのハイビジョン用ＣＣＤとが含まれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示される立体視顕微鏡は、肉眼観察用の双眼顕微鏡を流用してこれにアダプターを付加した構成であるため、観察光学系は肉眼観察時にも充分な拡大率を得られるよう設計されており、光学系が大型化し、双眼顕微鏡とアダプターとを含むシステム全体のサイズが大きくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、肉眼観察用の双眼顕微鏡を流用するのではなく、撮像素子を用いた立体視顕微鏡として特化することにより、システム全体の光学系を小型化することが可能な立体視顕微鏡を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するため、本発明の立体視顕微鏡は、単一の光軸を有し、被写体に対向して配置されたクローズアップ光学系と、クローズアップ光学系の光軸に対してそれぞれ平行な光軸を有し、クローズアップ光学系における互いに異なる箇所を通過した被写体光により一定の位置に被写体の一次像を形成する変倍可能な一対のズーム光学系と、ズーム光学系により形成される一次像の位置にそれぞれ配置され、一次像のエッジを規定する一対の視野絞りと、一次像をリレーして被写体の二次像を形成する一対のリレー光学系と、一対の二次像を撮影する撮像素子とを備え、各リレー光学系の結像倍率Ｍ_Ｒが、以下の条件、
−３＜Ｍ_Ｒ＜−１
を満たすことを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、被写体光は、クローズアップ光学系を介して入射し、一対のズーム光学系により所定の視差を持つ一対の一次像が視野絞りの位置に形成される。クローズアップ光学系は、被写体がその焦点位置に位置するよう調整され、被写体からの発散光をほぼ平行光に変換するコリメート機能を有する。一次像は、一対のリレー光学系によりリレーされ、撮像面上に一対の二次像が形成される。撮影された画像は、液晶ディスプレイやＣＲＴ等の表示装置に表示され、これを立体視ビュアーを用いて両目で観察することにより、被写体を拡大して立体視により観察することができる。
【０００９】
カラー画像を撮影する場合、撮像素子としては、例えば１枚のカラーＣＣＤを設けてもよいし、色分解光学系を介在させて各色成分毎にＣＣＤを設けてもよい。
【００１０】
リレー光学系と撮像素子との間に、リレー光学系からの被写体光を互いに近接させる光軸間距離縮小素子を備えた場合、撮像素子は、単一の撮像面の隣接した領域に形成される二次像を撮影することができる。
【００１１】
また、リレー光学系は、視野絞り側から順に、いずれも正のパワーを持つ第１、第２、第３レンズ群を備え、第１，第２レンズ群により視野絞りを透過した発散光をほぼ平行光とし、第３レンズ群により収束させることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
以下に説明する実施形態による立体視顕微鏡は、例えば脳神経外科手術の際に用いられる手術支援システムに組み込まれて使用される。この手術支援システムは、立体視顕微鏡によって患者の組織をビデオ撮影して得られた立体映像（ステレオ映像）を、予め得られていた患部のデータに基づいて作成したＣＧ（コンピュータグラフィック）映像と合成して、主術者専用の立体視ビューアーや他のスタッフ用のモニタ等に表示し、また、録画装置に録画するシステムである。
【００１４】
（手術支援システムの全体構成）
図１は、この手術支援システムの概略を示すシステム構成図である。この図１に示されるように、手術支援システムは、立体視顕微鏡１０１と、この立体視顕微鏡１０１の背面の上端近傍に取り付けられたハイビジョンＣＣＤカメラ１０２と、同じく下端近傍に取り付けられた顕微鏡位置測定装置１０３と、立体視顕微鏡１０１の上面に取り付けられたカウンターウェイト１０４と、このカウンターウェイト１０４に開けられた貫通孔を貫通して立体視顕微鏡１０１の内部に導通されたライトガイドファイバ１０５と、このライトガイドファイバ１０５を通じて立体視顕微鏡１０１に照明光を導入する光源装置１０６と、ディスク装置１０７を有する手術計画用コンピュータ１０８と、顕微鏡位置測定装置１０３及び手術計画用コンピュータ１０８に接続されたリアルタイムＣＧ作成装置１０９と、このリアルタイムＣＧ作成装置１０９及びハイビジョンＣＣＤカメラ１０２に接続された画像合成装置１１０と、この画像合成装置１１０に接続された分配器１１１と、この分配器１１１に接続された録画装置１１５，モニタ１１４及び立体視ビューア１１３等から、構成されている。
【００１５】
上述したディスク装置１０７には、患者Ｐの患部を予め様々な撮影装置で撮影することによって得られた画像（ＣＴスキャン画像，ＭＲＩ画像，ＳＰＥＣＴ画像，血管造影画像，等）が格納されているとともに、これらの各種画像に基づいて予め作成された患部及び周辺組織の３次元データが格納されている。なお、この３次元データは、患者Ｐの外皮又は内部組織の特定部位に設定された基準点（マーキング等）を原点として定義された３次元ローカル座標上で、患部及び周辺組織の形状、大きさ及び位置を、ベクトル形式又はマップ形式で特定するデータとなっている。
【００１６】
また、上述した立体視顕微鏡１０１は、その背面に取付られたマウントを介して、第１スタンド１００のフリーアーム１００ａの先端に、着脱自在に固定されている。従って、この立体視顕微鏡１０１は、第１スタンド１００のフリーアーム１００ａの先端が届く半径内で、移動自在であるとともに、任意の向きに向くことができる。但し、ここでは、便宜上、立体視顕微鏡１０１に対するその被写体の向きを「下」と定義し、逆向きを「上」と定義するものとする。
【００１７】
この立体視顕微鏡１０１内の光学構成については後で詳しく説明するが、その概略構成を述べると、図２に示すように、撮影光学系２００は、単一の光軸を持つ大径のクローズアップ光学系２１０，及びこのクローズアップ光学系２１０における互いに異なる箇所を透過した被写体光により被写体の一次像を形成する左右一対のズーム光学系２２０，２３０からなる対物光学系と、ズーム光学系２２０，２３０による被写体の一次像の位置に配置された左右一対の視野絞り２７０，２７１と、この一次像をリレーする左右一対のリレー光学系２４０，２５０とを備える。リレー光学系２４０，２５０によってリレーされた被写体光は、ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２内に導入され、ハイビジョンサイズ（縦横のアスペクト比＝９：１６）の撮像面を有するＣＣＤ１１６における左右の各撮像領域（縦横のアスペクト比＝９：８）に夫々二次像として再結像される。この光学系においては、クローズアップ光学系２１０を共通の要素として、ズーム光学系２２０、リレー光学系２４０が右の撮影光学系を構成し、ズーム光学系２３０、リレー光学系２５０が左の撮影光学系を構成し、併せて所定の基線長を隔てて配置された一対の撮影光学系をなす。
【００１８】
このような一対の撮影光学系によってＣＣＤ１１６の撮像面上における左右の各撮像領域に形成された像は、所定の基線長を隔てた二箇所から夫々撮影した画像を左右に並べたステレオ画像と等価である。そして、このＣＣＤ１１６の出力信号は、画像プロセッサ１１７によってハイビジョン信号として生成されて、ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２から画像合成装置１１０へ向けて出力される。なお、この立体視顕微鏡１０１内には、クローズアップ光学系２１０の焦点位置近傍に存在する被写体を照明する照明光学系３００（図６参照）が内蔵されている。そして、この照明光学系３００には、光源装置１０６からライトガイドファイババンドル１０５を介して照明光が導入される。
【００１９】
図１に戻り、立体視顕微鏡１０１に取り付けられた顕微鏡位置測定装置１０３は、クローズアップ光学系２１０の光軸上に存在する被写体までの距離，クローズアップ光学系２１０の光軸の立体的な向き，上記基準点の位置を測定し、測定したこれら情報に基づいて上記ローカル座標における被写体の位置を算出する。そして、これら光軸の向き及び被写体の位置の情報を、リアルタイムＣＧ作成装置１０９に通知する。
【００２０】
このリアルタイムＣＧ作成装置１０９は、顕微鏡位置測定装置１０３から通知された光軸の向き及び被写体の位置の情報，及び手術計画用コンピュータ１０８からダウンロードした３次元データに基づいて、この光軸の向きから患部（例えば腫瘍）を立体視したのと等価なＣＧ画像（例えば、ワイヤフレーム画像）をリアルタイムに生成する。このＣＧ画像は、立体視顕微鏡１０１内の光学系と同じ基線長，及び同じ被写体距離での立体画像（ステレオ画像）として生成される。そして、リアルタイムＣＧ作成装置１０９は、このようにして生成したＣＧ画像を示すＣＧ画像信号を、随時、画像合成装置１１０に入力する。
【００２１】
この画像合成装置１１０は、ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２から入力された実際の被写体のハイビジョン信号に、リアルタイムＣＧ作成装置１０９から得られたＣＧ画像信号を、縮尺を調整してスーパーインポーズする。このようなＣＧ画像信号のスーパーインポーズがなされたハイビジョン信号が示す画像においては、実際に撮影して得られた画像中で、患部の形状，大きさ及び位置が、ワイヤフレーム等のＣＧ画像として示されている。このスーパーインポーズのなされたハイビジョン信号は、分配器１１１によって、主術者Ｄ用の立体視ビューワ１１３，その他の手術スタッフ用又は遠隔地に居るアドバイザ用のモニタ１１４，及び、録画装置１１５へ、夫々供給される。
【００２２】
立体視ビューワ１１３は、第２スタンド１１２のフリーアーム１１２ａの先端から垂下して取り付けられている。従って、主術者Ｄが処置を施し易い姿勢に合わせて、立体視ビューワ１１３を配置することが可能になっている。この立体視ビューワ１１３の概略構成を図３に示す。この図３に示されるように、立体視ビューワ１１３は、ハイビジョンサイズのＬＣＤパネル１２０を、モニタとして内蔵している。このＬＣＤパネル１２０に分配器からのハイビジョン信号による映像が表示された場合には、図４の平面図に示すように、ＬＣＤパネル１２０の左半分１２０ｂには、ＣＣＤ１１６における左側撮像領域にて撮影された映像が表示され、右半分１２０ａには、ＣＣＤ１１６における右側撮影領域にて撮影された映像が表示される。
【００２３】
これら左右の映像の境界線１２０ｃは、後述する視野絞り２７０，２７１の位置調整如何により、ずれたり傾むいたりする。立体視ビューワ１１３内の光路は、視野絞り２７０，２７１が正確に調整された際における境界線１２０ｃに対して垂直に設置された隔壁１２１により、左右に区分けされている。この隔壁１２１の両側には、夫々、ＬＣＤパネル１２０側から順番に、楔プリズム１１９及び接眼レンズ１１８が配置されている。この接眼レンズ１１８は、ＬＣＤパネル１２０に表示された映像の虚像を、観察眼Ｉの前方約１ｍ（−１ディオプトリ）の位置に拡大して形成するレンズである。また、楔プリズム１１９は、観察眼Ｉの輻輳角が１ｍ先に存在する物体を観察するのと等しい角度になるように光の進行方向を補正し、自然な立体観察を可能としている。
【００２４】
このような立体視ビューワ１１３によって立体視される映像、又は、モニタ１１４に表示される映像においては、上述したように、予め各種撮影装置によって撮影された画像に基づいて検出されていた腫瘍等の患部の形状，大きさ及び位置を示すワイヤフレーム等のＣＧがスーパーインポーズされている。従って、これらを観察している主術者Ｄ又はその他の手術スタッフは、実際の映像中では識別が困難である患部を、容易に識別することができる。これにより、正確且つ迅速な処置が可能となる。
【００２５】
（立体観察装置の構成）
次に、上述した立体視顕微鏡１０１（ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２を含む）の具体的な構成を、詳細に説明する。この立体視顕微鏡１０１は、図５の斜視図に示すように、ハイビジョンＣＣＤカメラ１０２が取り付けられた背面が扁平であり、且つ、表面（背面の反対側面）の両側縁が面取りされた略角柱形状を有する。そして、その上面の中央に、開口が円形の凹部１０１ａが形成されている。この凹部１０１ａの中心には、ライトガイドファイババンドル１０５の先端が挿通固定された円筒部材であるガイドパイプ１２２が挿入される挿入口（図示略）が形成されている。なお、この挿入口の開口に取り付けられた円環状の部材（ファイバガイド挿入部）１２３は、挿入口に挿入されたガイドパイプ１２２を固定するチャックである。
【００２６】
＜光学構成＞
次に、立体視顕微鏡１０１内の光学構成を、図６乃至図９を参照して説明する。図６は顕微鏡光学系の全体構成を示す斜視図、図７は側面図、図８は正面図、図９は平面図である。
【００２７】
顕微鏡光学系は、図６に示すように、被写体の像を電子的に撮影する撮影光学系２００と、ライトガイドファイババンドル１０５により光源装置１０６から導かれた照明光により被写体を照明する照明用光学系３００とから構成されている。
【００２８】
撮影光学系２００は、前記のようにクローズアップ光学系２１０、及び左右一対のズーム光学系２２０，２３０から構成される対物光学系と、この対物光学系により形成された被写体の一次像をリレーして被写体の二次像を形成する左右一対のリレー光学系２４０，２５０と、これらのリレー光学系２４０，２５０からの被写体光を互いに近接させる光軸間距離縮小素子としての輻輳寄せプリズム２６０とを備えている。
【００２９】
また、ズーム光学系２２０，２３０による一次像の形成位置には、視野絞り２７０，２７１がそれぞれ配置されており、リレー光学系２４０，２５０には光路を直角に偏向する光路偏向素子としてのペンタプリズム２７２，２７３がそれぞれ配置されている。
【００３０】
このような構成により、ＣＣＤカメラ１０２内に配置されたＣＣＤ１１６上の隣接した２つの領域に、所定の視差を持つ左右の被写体像を形成することができる。なお、光学系の説明においては、「左右」はＣＣＤ１１６上に投影された際にその撮像面の長手方向に一致する方向、「上下」はＣＣＤ１１６上で左右方向に直交する方向とする。以下、各光学系の構成を順に説明する。
【００３１】
クローズアップ光学系２１０は、図６、図７、図８に示すように、物体側から順に負の第１レンズ群２１１と正の第２レンズ群２１２とが配列して構成される。第２レンズ群２１２は、光軸方向に移動可能であり、その移動調整により異なる距離の被写体に対して焦点を合わせることができる。すなわち、クローズアップ光学系２１０は、被写体がその焦点位置に位置するよう調整され、被写体からの発散光をほぼ平行光に変換するコリメート機能を有する。
【００３２】
クローズアップ光学系２１０の第１，第２レンズ群２１１，２１２は、光軸方向から見た平面形状がいずれもＤカットされたほぼ半円形状であり、このカットされた部分に照明光学系３００が配置されている。
【００３３】
一対のズーム光学系２２０，２３０は、クローズアップ光学系２１０からの無限遠結像の被写体光を視野絞り２７０，２７１の位置にそれぞれ結像させる。
一方のズーム光学系２２０は、図６〜図８に示すように、クローズアップ光学系２１０側から順に、正、負、負、正のパワーをそれぞれ有する第１〜第４レンズ群２２１，２２２，２２３，２２４により構成され、第１，第４レンズ群２２１，２２４を固定し、第２，第３レンズ群２２２，２２３を光軸方向に移動させてズーミングを行う。主に第２レンズ群２２２の移動により倍率を変化させ、第３レンズ群２２３の移動により焦点位置を一定に保つ。
【００３４】
他方のズーム光学系２３０も、上記のズーム光学系２２０と同一構成であり、第１〜第４レンズ群２３１，２３２，２３３，２３４から構成される。これらのズーム光学系２２０，２３０は、図示せぬ駆動機構により連動し、左右の画像の撮影倍率を同時に変化させることができる。
ズーム光学系２２０，２３０の光軸Ａｘ２，Ａｘ３は、クローズアップ光学系２１０の光軸Ａｘ１に対して平行であり、かつ、図７に示すように、ズーム光学系２２０，２３０の光軸Ａｘ２，Ａｘ３を含む平面が、この平面と平行なクローズアップ光学系２１０のメリディオナル面に対し、Ｄカット部の反対側にΔだけ離れている。
【００３５】
なお、クローズアップ光学系２１０の直径は、ズーム光学系２２０，２３０の最大有効径と照明光学系３００の最大有効径とを内包する円の直径より大きく設定されている。上記のようにズーム光学系２２０，２３０の光軸Ａｘ２，Ａｘ３をクローズアップ光学系２１０のメリジオナル面から離れた位置に設定することにより、一対のズーム光学系２２０，２３０が占める２つの円形のスペースと、照明光学系３００が占める円形のスペースとをクローズアップ光学系２１０が占める円形のスペース内に効率よく配置することができる。したがって、ズーム光学系２２０，２３０の瞳を大きく保ちつつ、Ｄカット部をも大きくできるため、照明光学系３００をもクローズアップ光学系２１０の占める径内に収めることができ、全体をコンパクトにまとめることができる。
【００３６】
また、上記のように対物光学系をクローズアップ光学系２１０と一対のズーム光学系２２０，２３０とに分けて構成することにより、長い作動距離（被写体からクローズアップ光学系２１０の最も被写体側の面までの距離）と高い変倍比を確保しつつ、調整機構や光学設計を単純化することができる。すなわち、クローズアップ光学系２１０を左右の画像で共用することにより、単一のレンズの移動により左右の画像のピントを同時に合わせることができるため、焦点調節用の機構を単純化することができる。また、クローズアップ光学系２１０は、被写体光を平行光にする機能のみを、各ズーム光学系２２０，２３０は、入射する平行光により一次像を変倍可能に形成する機能のみを実現すればよいため、それぞれの光学系の光学設計を単純化することができる。なお、４群タイプのズームレンズは、変倍比を大きく確保することができ、かつ、全長の変化がないため、実施形態のように複数の光学系の中間に設けられる変倍光学系として用いるのに望ましい。
【００３７】
視野絞り２７０，２７１は、ズーム光学系２２０，２３０により形成される一次像の位置に配置されている。視野絞り２７０，２７１は、図６に示すように、外形が円形状で左右方向のそれぞれ内側に半円形の開口を有している。各視野絞り２７０，２７１は、この開口の直線状のエッジがＣＣＤ１１６上での左右画像の境界線に相当する方向に一致し、それより内側の光束のみを透過させるように配置されている。
【００３８】
前述のように、実施形態の顕微鏡は、左右の二次像を単一のＣＣＤ１１６上の隣接領域に形成させるため、ＣＣＤ１１６上での左右の画像の境界を明確にして画像の重なりを防ぐ必要がある。このため、一次像の位置に視野絞り２７０，２７１が配置されている。半円開口の直線エッジをいわゆるナイフエッジとして機能させ、それより内側の光束のみを透過させることにより、ＣＣＤ１１６上での左右の画像の境界を明確にすることができる。
【００３９】
なお、視野絞り２７０，２７１上に形成される一次像は、リレー光学系２４０，２５０により再結像されて二次像となり、かつ、一次像と二次像との間の光路で左右、上下共に偶数回反射されるため、一次像と二次像とでは上下、左右が反転する。したがって、一次像の位置で左右方向の外側を規定するナイフエッジは、二次像の位置では左右方向の内側、すなわち左右の画像の境界を規定することとなる。
【００４０】
リレー光学系２４０，２５０は、上述のようにズーム光学系２２０，２３０により形成された一次像を再結像させる作用を持ち、いずれも３枚の正レンズ群により構成される。
一方のリレー光学系２４０は、図６及び図７に示すように、単一の正メニスカスレンズから構成される第１レンズ群２４１と、負、正の貼合わせで構成され、全体として正のパワーを持つ第２レンズ群２４２と、単一の両凸レンズから構成される第３レンズ群２４３とから構成されている。第１レンズ群２４１と第２レンズ群２４２との間には、光路を直角に偏向する光路偏向素子としてのペンタプリズム２７２が配置され、第２レンズ群２４２と第３レンズ群２４３との間には光量調節用の明るさ絞り２４４が設けられている。
【００４１】
他方のリレー光学系２５０も、上記のリレー光学系２４０と同一構成であり、第１、第２、第３レンズ群２５１，２５２，２５３から構成され、第１レンズ群２５１と第２レンズ群２５２との間には、光路偏向素子としてのペンタプリズム２７３が配置され、第２レンズ群２５２と第３レンズ群２５３との間には明るさ絞り２５４が設けられている。
【００４２】
視野絞り２７０，２７１を通過した発散光は、リレー光学系の第１レンズ群２４１，２５１及び第２レンズ群２４２，２５２により再びほぼ平行光に変換され、明るさ絞り２４４，２５４を通過した後、第３レンズ群２４３，２５３により再度結像して二次像を形成する。すなわち、リレー光学系の第１レンズ群２４１，２５１及び第２レンズ群２４２，２５２は、視野絞り２７０，２７１からの被写体光をほぼ平行光にするコリメートレンズ群を構成し、第３レンズ群２４３，２５３は、コリメートレンズ群からの被写体光を収束させる収束レンズ群としての機能を備えている。
【００４３】
リレー光学系２４０，２５０中にペンタプリズム２７２，２７３を配置することにより、クローズアップ光学系２１０の光軸方向に沿った撮影光学系２００の全長を短くすることができる。また、光路偏向素子としてミラーを用いると、角度ズレにより反射光の方向が大きくずれるが、ペンタプリズム２７２，２７３を用いることにより、直角に偏向された両光軸を含む面に対して垂直な軸回りに角度がずれた場合にも、反射方向を一定に保つことができる。
【００４４】
なお、リレー光学系２４０，２５０は、その第２レンズ群２４２，２５２と第３レンズ群２４３，２５３が光軸方向、及び光軸に垂直な方向に調整自在である。これらの第２，第３レンズ群２４２，２５２，２４３，２５３を光軸方向に移動させて第１レンズ群２４１，２５１及び第２レンズ群２４２，２５２の合成焦点距離を変化させることにより、リレー光学系２４０，２５０全体の倍率（二次像の像高）を調整することができる。また、第３レンズ群２４３，２５３のみを光軸方向に移動させることにより、リレー光学系のバックフォーカスを変化させ、ＣＣＤ１１６に対する焦点調節が可能となる。さらに、第２レンズ群２４２，２５２及び第３レンズ群２４３，２５３を一体にして光軸と垂直な方向に調整することにより、二次像の光軸に直交する面内での位置を調整することができる。このような調整のため、第２レンズ群２４２，２５２と第３レンズ群２４３，２５３とは一体の外鏡筒に保持され、第３レンズ群２４３，２５３は更にこの外鏡筒に対して光軸方向に移動可能な内鏡筒に保持されている。
【００４５】
このように第２レンズ群２４２，２５２と第３レンズ群２４３，２５３とは調整のために移動するため、これらのレンズ群の間にペンタプリズム２７２，２７３を設けると調整機構が複雑化する。そこで、ペンタプリズム２７２，２７３は、視野絞り２７０，２７１と第２レンズ群２４２，２５２との間に設けることが望ましい。さらに、第１レンズ群２４１，２５１により被写体光の発散度合いが弱められるため、ペンタプリズムの有効径を小さくするためには、実施形態のようにペンタプリズム２７２，２７３を第１レンズ群２４１，２５１と第２レンズ群２４２，２５２との間に設けることが望ましい。
【００４６】
リレー光学系２４０，２５０とＣＣＤカメラ１０２との間に配置された輻輳寄せプリズム２６０は、それぞれのリレー光学系２４０，２５０からの被写体光の左右の間隔を狭める機能を有する。立体視による立体感を得るためには左右のズーム光学系２２０，２３０、リレー光学系２４０，２５０の間には所定の基線長が必要である。他方、ＣＣＤ１１６上の隣接した領域に二次像を形成するためには光軸間の距離を基線長より小さくする必要がある。そこで、輻輳寄せプリズム２６０により、リレー光学系の光軸をそれぞれ内側にシフトさせることにより、所定の基線長を確保しつつ同一ＣＣＤ上への結像を可能としている。
【００４７】
輻輳寄せプリズム２６０は、図６及び図９に示すように、五角柱の左右対称な光軸シフトプリズム２６１，２６２を、０．１ｍｍ程度の隙間をあけて対向配置することによって構成されている。
光軸シフトプリズム２６１，２６２は、図９に示すように、互いに平行な入射端面と射出端面とを備え、かつ、内側と外側とに互いに平行な第１，第２反射面を備えている。また、これらの光軸シフトプリズム２６１，２６２は、入射、射出端面や反射面に対して垂直な方向で平面的に見ると、平行四辺形の鋭角の頂角の一方を射出端面に直交する線で切り取って形成された五角形状である。光軸間距離縮小素子としては、互いに平行な２つの反射面が必要となるが、これを上記のようにプリズムとして構成することにより、２つの反射面の相互の位置関係が固定され、平面ミラー２枚を用いるより調整が容易となる。
【００４８】
リレー光学系２４０，２５０からの被写体光は、各光軸シフトプリズム２６１，２６２の入射端面から入射し、外側の反射面で反射されて左右方向で内側に向けられ、内側の反射面で再び入射時と同じ光軸方向に反射され、射出端面から射出してＣＣＤカメラ１０２に入射する。この結果、左右の被写体光はその進行方向を変えずに左右の間隔のみが狭められ、同一のＣＣＤ１１６上に二次像を形成する。
【００４９】
照明光学系３００は、被写体に照明光を投影する機能を有し、図６及び図７に示すように、ライトガイドファイバーバンドル１０５から射出する発散光の発散度合いを調整する照明レンズ３１０と、照明範囲と撮影範囲とを一致させるための楔プリズム３２０とから構成されている。照明レンズ３１０の光軸Ａｘ４は、図７に示すようにクローズアップ光学系２１０の光軸Ａｘ１と平行であり、かつ、所定量偏心しているため、このままでは照明範囲の中心と撮影範囲の中心とが一致せず、照明光量が無駄になる。楔プリズム３１０を設けることにより、上記の不一致を解消でき、照明光量を有効に利用することができる。
【００５０】
上記の撮影光学系２００は、撮像素子を用いた立体視顕微鏡に特化して設計されており、ズーム光学系２２０，２３０は肉眼観察用双眼顕微鏡の対物光学系よりも倍率が低く設定され、その分リレー光学系２４０，２５０の結像倍率Ｍ_Ｒが、以下の条件、
−３＜Ｍ_Ｒ＜−１
を満たすよう設定されている。
【００５１】
一般に、ズームレンズは焦点距離が長くなるほど、レンズ全長、レンズ径、重量が増大する。特に、顕微鏡に利用されるような高解像度のズームレンズでは、構成レンズ枚数も多いため、長焦点距離化による全長、重量の増加が顕著である。したがって、上記のようにズーム光学系２２０，２３０の焦点距離を短く設定することにより、立体視顕微鏡全体のサイズ、重量を小さくすることができる。
【００５２】
以下に具体的な数値を例示して比較説明する。従来の双眼顕微鏡と撮影系光学アダプターとを組み合わせたシステムでは、双眼顕微鏡単独での使用も考慮し、ズーム光学系の倍率を設定しなければならない。他方、双眼顕微鏡側の倍率が充分高いため、アダプター側のリレー光学系は等倍結像系を用いれば足りる。例えば、Ｆ６／１８〜１８０ミリの変倍比１０倍のズーム光学系と等倍のリレー光学系を用いて２ｍｍ×２ｍｍの領域に二次像を形成する場合、ズーム光学系、リレー光学系のサイズは以下の通りとなる。
ズーム光学系：全長２３０ｍｍ、レンズ最大有効径５８ｍｍ
リレー光学系：全長２２２ｍｍ、レンズ最大有効径１８ｍｍ
【００５３】
これに対し、実施形態のシステムでは、例えばＦ４／１２−１２０ミリの変倍比１０倍のズーム光学系と、１．５倍の結像倍率のリレー光学系とで上記と同一の領域に二次像を形成する場合、ズーム光学系２２０，２３０の焦点距離範囲が２／３となるため、全長、レンズ径は単純計算で約２／３、体積、重量は約８／２７となる。また、リレー光学系２４０，２５０も倍率が等倍から１．５倍となることにより、第１レンズ群２４１，２５１の焦点距離を２／３にすることができる。そこで、ズーム光学系２２０，２３０、リレー光学系２４０，２５０のサイズは以下の通りとなる。
ズーム光学系：全長１２０ｍｍ、レンズ最大有効径３０ｍｍ
リレー光学系：全長１９９ｍｍ、レンズ最大有効径１４ｍｍ
【００５４】
なお、リレー光学系の結像倍率Ｍ_Ｒが−１以上になると、上述したズーム光学系の小型化の効果が得られなくなる。また、結像倍率Ｍ_Ｒが−３以下になると、一定の変倍範囲をカバーするためにはズーム光学系の広角端での焦点距離が短くなりすぎ、画角が過大となって収差の補正が困難となる。また、ＣＣＤ面上での照度を一定値以上に保つためには、リレー光学系の拡大倍率に比例してズーム光学系、リレー光学系の第１レンズ群のＦナンバーを小さくする必要があり、収差の補正が困難となる。
【００５５】
次に、上記の実施形態にかかる立体視顕微鏡の撮影光学系２００の具体的な実施例を４例説明する。
【００５６】
【実施例１】
図１０は、実施例１にかかる撮影光学系を展開して示すレンズ図である。実施例１の顕微鏡光学系の具体的な数値構成は表１に示されている。面番号１〜６はクローズアップ光学系２１０であり、面番号１〜３が第１レンズ群２１１、面番号４〜６が第２レンズ群２１２を示す。面番号７〜２３はズーム光学系２２０であり、面番号７〜１１が第１レンズ群２２１、面番号１２〜１４が第２レンズ群２２２、面番号１５，１６が第３レンズ群２２３、面番号１７〜２３が第４レンズ群を示す。面番号２４〜３２はリレー光学系２４０であり、面番号２４，２５が第１レンズ群２４１、面番号２６，２７がペンタプリズム２７２、面番号２８〜３０が第２レンズ群２４２、面番号３１，３２が第３レンズ群２４３を示す。面番号３３，３４は光軸シフトプリズム２６１、面番号３５，３６はＣＣＤカメラ１０２内に配置された色分解プリズム２８０を示している。実施例１におけるリレー光学系２４０，２５０の結像倍率Ｍ_Ｒは、−１．５倍である。
【００５７】
表中、ｒはレンズ各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔（単位：ｍｍ）、ｎは波長５８８ｎｍにおける各レンズの屈折率、νｄは各レンズのアッベ数である。
【００５８】
【表１】

【００５９】
【実施例２】
図１１は、実施例２にかかる顕微鏡光学系を展開して示すレンズ図である。実施例２の顕微鏡光学系の具体的な数値構成は表２に示されている。面番号と各光学素子との対応は実施例１におけるのと同様である。実施例２におけるリレー光学系２４０，２５０の結像倍率Ｍ_Ｒは、−１．５倍である。
【００６０】
【表２】

【００６１】
【実施例３】
図１２は、実施例３にかかる顕微鏡光学系を展開して示すレンズ図である。実施例３の顕微鏡光学系の具体的な数値構成は表３に示されている。面番号と各光学素子との対応は実施例１におけるのと同様である。実施例３におけるリレー光学系２４０，２５０の結像倍率Ｍ_Ｒは、−１．８７５倍である。
【００６２】
【表３】

【００６３】
【実施例４】
図１３は、実施例４にかかる顕微鏡光学系を展開して示すレンズ図である。実施例４の顕微鏡光学系の具体的な数値構成は表４に示されている。面番号と各光学素子との対応は実施例１におけるのと同様である。実施例４におけるリレー光学系２４０，２５０の結像倍率Ｍ_Ｒは、−２．０倍である。
【００６４】
【表４】

【００６５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の立体視顕微鏡によると、対物光学系により形成された一次像をリレーするリレー光学系の結像倍率Ｍ_Ｒを、−３＜Ｍ_Ｒ＜−１の範囲に設定することにより、対物光学系に含まれるズーム光学系の可変焦点距離の上限及び下限を短くすることができ、レンズ枚数が多いズーム光学系のサイズ、重量を軽減し、顕微鏡の小型、軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による立体視顕微鏡を組み込んだ手術支援システムの全体構成を示す概略図。
【図２】立体視顕微鏡内の光学構成の概略を示す光学構成図。
【図３】立体視ビューワの光学構成の概略を示す光学構成図。
【図４】ＬＣＤパネルの平面図。
【図５】立体視顕微鏡の外観斜視図。
【図６】顕微鏡光学系の全体構成を示す斜視図。
【図７】図６に示す顕微鏡光学系の側面図。
【図８】図６に示す顕微鏡光学系の正面図。
【図９】図６に示す顕微鏡光学系の平面図。
【図１０】実施例１の撮影光学系を展開して示すレンズ図。
【図１１】実施例２の撮影光学系を展開して示すレンズ図。
【図１２】実施例３の撮影光学系を展開して示すレンズ図。
【図１３】実施例４の撮影光学系を展開して示すレンズ図。
【符号の説明】
１０２ＣＣＤカメラ
２００撮影光学系
２１０クローズアップ光学系
２２０，２３０ズーム光学系
２４０，２５０リレー光学系
２６０輻輳寄せプリズム
２７０，２７１視野絞り
２７２，２７３ペンタプリズム
３００照明光学系
３１０照明レンズ
３２０楔プリズム

Claims

単一の光軸を有し、被写体に対向して配置されたクローズアップ光学系と、
前記クローズアップ光学系の光軸に対してそれぞれ平行な光軸を有し、前記クローズアップ光学系における互いに異なる箇所を通過した被写体光により一定の位置に被写体の一次像を形成する変倍可能な一対のズーム光学系と、
前記ズーム光学系により形成される前記一次像の位置にそれぞれ配置され、該一次像のエッジを規定する一対の視野絞りと、
前記一次像をリレーして被写体の二次像を形成する一対のリレー光学系と、
一対の前記二次像を撮影する撮像素子とを備え、
前記各リレー光学系の結像倍率Ｍ_Ｒが、以下の条件、
−３＜Ｍ_Ｒ＜−１
を満たすことを特徴とする立体視顕微鏡。
前記リレー光学系と前記撮像素子との間に、前記リレー光学系からの被写体光を互いに近接させる光軸間距離縮小素子を備え、前記撮像素子は、単一の撮像面の隣接した領域に形成される前記二次像を撮影することを特徴とする請求項１に記載の立体視顕微鏡。
前記リレー光学系は、前記視野絞り側から順に、いずれも正のパワーを持つ第１、第２、第３レンズ群を備え、該第１，第２レンズ群により前記視野絞りを透過した発散光をほぼ平行光とし、前記第３レンズ群により収束させることを特徴とする請求項１に記載の立体視顕微鏡。