JP2000338416A

JP2000338416A - 立体視顕微鏡

Info

Publication number: JP2000338416A
Application number: JP11152636A
Authority: JP
Inventors: Satoru Tachihara; 悟立原; Kazushige Tanaka; 千成田中
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-08
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP3605315B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】被写体の像を電子的に撮影する撮影光学
系２００は、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、リレー光学系からの被写体
光を互いに近接させる輻輳寄せプリズム２６０とを備え
ている。また、ズーム光学系による一次像の形成位置に
は、視野絞り２７０，２７１が配置されており、リレー
光学系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が配置されている。各リ
レー光学系の結像倍率Ｍ_Rは、−３＜Ｍ_R＜−１の条件を
満たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【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７−１０４
１９３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１
０５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１
０８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１
１５，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，ＳＰＥＣ
Ｔ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１
００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１
０１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２７０，２７
１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２４０，２５
０によってリレーされた被写体光は、ハイビジョンＣＣ
Ｄ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ＣＣＤ
１１６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ＣＣ
Ｄ１１６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１
１７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１
０８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１
０１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１
１２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１２
０を、モニタとして内蔵している。このＬＣＤパネル１
２０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１
２１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２
２０，２３０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１０
２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Ｃ
ＣＤ１１６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Ａ
ｘ2，Ａｘ3は、クローズアップ光学系２１０の光軸Ａｘ
1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２１
０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３０
０をもクローズアップ光学系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２２０，２３
０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２
１０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２
７０，２７１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２０
０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２４２，２５２，２
４３，２５３を光軸方向に移動させて第１レンズ群２４
１，２５１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２４０，２
５０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２４
３，２５３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２４１，２５
１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２２０，２３
０、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ＣＣＤ１
１６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Ａｘ
1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２４
０，２５０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５
８ｍｍリレー光学系：全長２２２ｍｍ、レンズ最大有効径１
８ｍｍ

【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２２
０，２３０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８／２
７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２４
１，２５１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２４
０，２５０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３
０ｍｍリレー光学系：全長１９９ｍｍ、レンズ最大有効径１
４ｍｍ

【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２
１２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２６，２
７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２６
１、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:m
m)、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

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年５月２６日（２０００．５．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３５

【補正方法】変更

【補正内容】

【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２１
０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３０
０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。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【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。

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 13/00 Ｈ０４Ｎ 13/00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】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。
【請求項３】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。