JP4398352B2

JP4398352B2 - 医療用立体撮像装置

Info

Publication number: JP4398352B2
Application number: JP2004350265A
Authority: JP
Inventors: 泰志浪井; 憲志廣瀬; 浩二安永
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: US20060135866A1; US7768701B2; JP2006158452A; US7453631B2; US20090054765A1

Description

本発明は外科手術、特に脳神経外科、耳鼻科咽喉科、整形・形成外科、産婦人科、あるいは眼科などにおいて使用される医療用立体撮像装置に関する。

従来、脳神経外科等においては微細な術部の拡大観察を行うために手術用顕微鏡が使用されている。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、器官の処置は顕微鏡下で行われている。脳神経外科の手術は、ごく狭い領域で、血管や神経といった非常に重要でかつデリケートな組織を対象として、それらの観察だけでなく、実際に血管や神経を繋いだり、血管や神経をよけて腫瘍を取り除いたりという処置を行う。そのため、従来の手術用顕微鏡は観察対象を拡大観察するだけでなく、処置を行うために観察対象物を立体的に捉えられることが重要な機能になっている。

一般に人が目で物体を立体的に捉える場合はさまざまな情報を手がかりとする。その情報には両眼視差、遠近感（遠くの物体は小さく、近くの物体は大きく）、深さ方向によるボケ、物体の重なり、過去の経験、知識、記憶などが挙げられる。ここで、未知の試料（見たことのない物体）を一様な台の上に置き、四方八方から照明をして影をつけないようにして観察をするような場合（顕微鏡観察ではよくある状況）を想定してみる。このような場合、上記に示した物体を立体的に捉えるための情報のうち、物体の重なり、知識、過去の経験などは役に立たたなくなり、物体の奥行きを知る手がかりとしては両眼視差が有効になる。手術用顕微鏡はこの両眼視差により立体視を行い、観察対象の奥行き情報を得られるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−２８２４２８号公報

上述の特許文献１において開示されている手術用顕微鏡は、右目用と左目用の左右２本の光束を備えており、接眼光学系を通して観察を行えるように構成されている。観察者は視差のある左右それぞれの観察対象物の像を左右それぞれの目で捉え、観察者の頭の中でこれらを融像することにより観察対象物を立体的に捉えることができる。
また、近年は、接眼光学系の代わりに、左右それぞれの光路の結像面近傍に撮像素子を配置して視差のある画像を撮像する医療用立体撮像装置と、医療用立体撮像装置が撮像した画像を立体表示装置に表示することにより、観察対象物の立体観察が行えるように構成された医療用立体観察装置が使用され始めている。

特許文献１に開示されている実施例２の、各ＷＤ、実視野条件における手術用顕微鏡の画角を表１に示す。

表１に示すように各条件での画角は数度程度と非常に狭い。一般に手術用顕微鏡を用いた手術は観察だけでなく処置を伴うため、観察視野内で術部を処置するための処置具などが頻繁に移動する。
このような場合、画角が狭いと対物光軸方向に処置具を動かしても観察深度内で観察像の大きさにはほとんど変化がなく観察される。すなわち遠近感がない。通常、人が裸眼視を行う場合、近くのものは大きく、遠くのものは小さく捉え、移動する物体に対しては目で知覚されるその物体の大きさの変化量によって、奥行き感を得ている。

これについて図１２および図１３を用いて説明する。
図１２（ａ）から図１２（ｃ）は画角が小さい際における観察者の視線方向に移動する物体を観察した場合の奥行き感を表した図である。図１３（ａ）から図１３（ｃ）は画角が大きい際における観察者の視線方向に移動する物体を観察した場合の奥行き感を表した図である。また、図１２（ａ），図１３（ａ）は物体が観察者に近づく様子を示した図であり、図１２（ｂ），（ｃ），図１３（ｂ），（ｃ）は物体が観察者に近づく際の観察視野を示すものである。

観察者に対して球体を同じように近づけたり、遠ざけたりしても、観察する視野角の違いによって観察者が球体を捉える時の感覚が異なる。
すなわち、図１２（ａ）から図１２（ｃ）に示すように、観察視野角が狭いと遠近感が得られ難く、このため、球体が観察者に近づいたことがわかり難い。これは、観察者と球体の距離が変わっても、観察者が捉える球体の大きさがあまり変化しないことに起因している。
一方、図１３（ａ）から図１３（ｃ）の示すように観察視野角が広い場合には、観察者と球体の距離が変わることによって、観察者が捉える球体の大きさの変化量が大きく、遠近感が得られやすい。このため、観察者は観察視野内で奥行きを感じることができる。このように、立体視のできない２次元のモニターなどに映し出される映像において奥行きを感じることができるのは、この遠近感が寄与するところが大きい。

一般に手術用顕微鏡は、両眼視差に頼って観察対象物の奥行き情報を得ているため、観察視野内を移動する物体に対しては遠近感が得られ難い。そのため、観察者は、物体を目視で観察するときに感じる奥行き感覚とは異なる非常に不自然な奥行き感覚を感じながら、それを観察者の頭の中で補正しつつ手術を行わなければならず、観察者に対して著しい疲労を与えていた。
手術用顕微鏡の接眼光学系を撮像素子に置き換えた医療用立体撮像装置と、医療用立体撮像装置が撮像した画像を立体表示装置に表示して観察する医療用立体観察装置においても同様の問題があることは言うまでもない。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、両眼視差に加えて、遠近感（遠くのモノは小さく、近くのモノは大きく）を付加することにより、肉眼視に近い、より自然な立体感で手術が行える医療用立体撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系と、該対物光学系側から入射する光束をアフォーカルな光束として前記撮像素子側に射出し、前記対物光学系が結像した像を前記撮像素子の撮像面近傍に伝送するコリメータ光学系とを含み、該コリメータ光学系と前記撮像素子の間に設定される瞳位置とその共役位置との間に前記対物光学系が配置されることを特徴とする。
上記発明においては、前記コリメータ光学系と前記撮像素子の間に、該撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系が配置されていることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系を含み、前記撮像光学系の入射瞳位置を前記対物光学系と被写体との間に配置したことを特徴とする。
また、上記参考例においては、前記撮像光学系は、さらに１対の変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の範囲のうち、少なくとも１つの倍率に設定したときに、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることが望ましい。

さらに、上記参考例においては、前記撮像光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の範囲のうち、少なくとも低倍の範囲に倍率が設定されたときに、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることが望ましい。

上記参考例においては、前記撮像光学系がさらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の範囲のうち、前記撮像光学系の合焦範囲における被写体面上での視野範囲が４０ｍｍ以上となる倍率に設定されたときに、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることが望ましい。

上記参考例においては、前記視野範囲が前記撮像素子の有効画素範囲により規定されることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系と、前記対物光学系が結像した像を前記撮像素子の撮像面近傍に伝送するリレー光学系を含み、前記リレー光学系内に設定される瞳位置とその共役位置との間に対物光学系が配置されることを特徴とする。

上記参考例においては、前記リレー光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記リレー光学系内に設定される瞳位置と撮像素子の間に前記変倍光学系が配置されていることが望ましい。

上記参考例においては、前記リレー光学系は、さらに前記対物光学系側から入射する光束をアフォーカルな光束として前記撮像素子側に射出するコリメータ光学系と、前記コリメータ光学系が射出したアフォーカル光束を前記撮像素子の撮像面に結像する結像光学系を含み、該コリメータ光学系は、前記対物光学系と変倍光学系の間に配置され、該結像光学系は、前記変倍光学系と撮像素子の間に配置されていることが望ましい。

上記参考例においては、前記リレー光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを所望の大きさに調整し、かつ前記対物光学系側から入射する光束をアフォーカルな光束として前記撮像素子側に射出する変倍光学系と、該変倍光学系が射出したアフォーカル光束を前記撮像素子の撮像面に結像する結像光学系を含み、前記リレー光学系内に設定される瞳位置と撮像素子の間に前記変倍光学系が配置され、前記変倍光学系と前記撮像素子の間に前記結像光学系が配置されていることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、上記条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする。

上記参考例においては、前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系と前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の範囲のうち、少なくとも１つの倍率に設定したときに、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系と前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の範囲のうち、少なくとも１つの倍率に設定したときに、上記条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする。

上記参考例においては、前記撮像光学系の合焦範囲にある被写体面上での視野範囲が上記条件式（３）を満たすことが望ましい。

上記参考例においては、前記視野範囲は、前記撮像素子の有効画素範囲により規定されることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、被写体を立体撮影するための左右１対の撮像ユニットを備えた医療用立体撮像装置において、前記撮像ユニットは撮像光学系と撮像素子を含み、左右それぞれの撮像光学系は、該撮像光学系の中心軸が平行になるように配置され、左右それぞれの撮像素子は、該撮像光学系の中心軸に対して偏心し、かつ互いに遠ざかるように配置されていることを特徴とする。

上記参考例においては、前記リレー光学系内に設定される瞳位置の近傍に絞りを設け、前記絞りを前記リレー光学系の光軸方向に、前記瞳位置を含む所定の範囲だけ移動する移動機構を備えていることが望ましい。

上記参考例においては、前記リレー光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記絞りが変倍光学系の変倍動作に連動して所定位置まで移動する機構を備えていることが望ましい。

本発明の参考例としての医療用立体観察装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた立体撮像装置と、前記立体撮像装置が撮像した画像を表示する立体表示装置より構成される医療用立体観察装置において、前記撮像光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系の変倍動作にともなって、前記立体表示装置に表示される被写体の像の大きさが、前記撮像光学系の合焦範囲における被写体面上での視野範囲に換算して４０ｍｍ以上となったときに、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることを特徴とする。

本発明の参考例としての医療用立体観察装置は、被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた立体撮像装置と、前記立体撮像装置が撮像した画像を表示する立体表示装置より構成され、上記条件式（１１）および（１２）を満足する医療用立体観察装置において、前記立体表示装置に表示される被写体の像の大きさを前記撮像光学系の合焦範囲における被写体面上での視野範囲に換算したときに、上記条件式（１３）を満たすことを特徴とする。

上記参考例においては、前記撮像光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の全範囲において、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間に配置されることが望ましい。

上記参考例においては、前記撮像光学系は、さらに前記撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系を含み、前記変倍光学系により変えることができる倍率の全範囲において、前記撮像光学系の入射瞳位置が前記対物光学系と被写体の間の特定位置に固定されることが望ましい。

例えば、手術用顕微鏡のように観察視野が比較的狭い光学系では、光学系の入射瞳位置を被写体面に近づけて配置することで広い観察視野角を確保することができる。
本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、医療用立体撮像装置を構成する撮像光学系の入射瞳位置を撮像光学系の最も被写体側の面から被写体までの間に配置することによって、適当な広さの観察視野を確保し、撮像した画像に遠近感の情報を付加するように構成した。また、医療用立体撮像装置により撮像し、医療用立体観察装置により提供される画像に遠近感の情報を付加するために必要な観察視野角の条件は、以下のようなものである。

図１１は被写体（物体面）Ｏを撮像光学系Ｌと撮像素子Ｃを有する撮像ユニットによって撮像する様子を図示したものである。撮像光学系Ｌの瞳位置をｐ、観察視野角の１／２をθとし、撮像ユニットの被写界深度内にある高さｒの被写体を撮像する場合を考える。被写体を図１１のようにｄだけ移動した場合、撮像ユニットにより撮像される被写体の高
さｒ´は（４）式で表される。

よって、撮像ユニットの観察視野の変化率は（５）式で表される。

手術用顕微鏡を使用した外科手術においては、観察者が手術用顕微鏡の観察視野中で処置具を動かす範囲は観察視野範囲の１／４程度である。そこで、（５）式にｄ＝ｒ／２を代入して求められる医療用立体観察装置の観察視野の変化率において、遠近感のある画像を得るために最適な条件は（６）式のように設定される。

（６）式の下限値を越えた場合、観察視野内で被写体を移動させても被写体の大きさの変化率が小さく、医療用立体撮像装置が撮像する画像に遠近感の情報を付加することができない。このため、観察者は観察画像から奥行き感を感じとることができない。
（６）式の上限値を越えた場合、観察視野内で被写体を移動させたときに被写体の大きさの変化率が大きくなりすぎてしまい、観察者が立体画像を観察する際に逆に違和感を覚えるようになる。このため、観察者の疲労の原因となり好ましくない。（６）式よりθを求めると、８．８°＜２θ＜４６°であり、それ故、医療用立体撮像装置により撮像し、医療用立体撮像装置により提供される画像に遠近感の情報を付加するために必要な観察視野角の条件は、（７）式のようになる。

また、本発明の参考例としての医療用立体観察装置は、（８）式を満足するとより好ましい。

（８）式の下限値を越えるとＷＤが少なくなって、鉗子等を観察視野内で十分な余裕を持って動かすことができなくなり、手術がし辛くなるので好ましくない。また、本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、左右１対の撮像光学系の光軸が被写体面付近で交差するように構成することにより、左右の撮像素子により撮像される画像に視差を持たせているので、ＷＤを（８）式の上限を越えて長くすると、装置が大型化してしまう。このため、装置の操作性が損なわれてしまい好ましくない。

また、本発明の参考例としての医療用立体撮像装置は、撮像光学系中に、撮像する像の大きさを調整する変倍光学系を含んでいてもよい。その場合、変倍光学系の変倍動作により、撮像光学系の合焦範囲にある被写体面上での視野が（９）式に示される範囲を変化するのが望ましい。

（９）式の下限値を越えた状況では、注目している観察対象物が観察視野内いっぱいに拡大されており、もはや観察視野内で処置具を大きく動かす動作を必要としないので、立体画像に遠近感の情報を付加して奥行きが感じられるようにする必要がない。また、（９）式の上限値を越えた状況では観察視野において注目している観察対象物が占める割合が小さくなりすぎて実用的ではない。

本発明の医療用立体撮像装置によれば、撮像光学系の入射瞳位置を撮像光学系の最も被写体側の面から被写体までの間に配置することによって、両眼視差に加えて、遠近感を付加することにより、肉眼視に近い、より自然な立体感で手術が行えるという効果を奏する。

〔第１参考実施例〕
以下、図１から図４を参照して本発明の参考例としての医療用立体撮像装置における第１参考実施例を説明する。
図１は本実施例における医療用立体撮像装置を含むシステムの全体図であり、図２は本実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図であり、図３は医療用立体撮像装置を用いた外科手術において、術部に対する処置具の動きを模式的に表した模式図であり、図４は表示装置に表示される処置具を移動させた際の術野の様子を模式的に表した模式図である。

図１に従い本実施例におけるシステム全体の構成を説明する。
図中の符号１は患者Ａに対する外科手術を行うために、被写体αである術部ａを観察するための医療用立体撮像装置であり、符号２は医療用立体撮像装置１に接続され、医療用立体撮像装置１で撮像した観察像を立体表示可能な３Ｄモニターである。３Ｄモニターにはグリップ７が設けられている。医療用立体撮像装置１と、３Ｄモニター２はアーム３に接続され、術部ａを観察しやすい位置へ自由に移動し、固定することが可能になっている。符号４は光源であり、光源４を発した光はアーム３を経由して医療用立体撮像装置１に接続されたライトガイド４ａによって、術部ａまで伝送される。符号５はカメラコントロールユニット（以降ＣＣＵと呼ぶ）であり、アーム３を経由して医療用立体撮像装置１および、３Ｄモニター２に接続され、医療用立体撮像装置１からの撮像信号を画像信号に変換して３Ｄモニターに送信する。光源４および、ＣＣＵ５はトロリー６に収納されている。

図２に従い医療用立体撮像装置１の撮像光学系の構成を説明する。
３つのレンズＬ１ａ，Ｌ２ａ，Ｌ３ａにより右目用対物光学系（対物光学系）Ｌａが構成され、３つのレンズＬ１ｂ，Ｌ２ｂ，Ｌ３ｂにより左眼用対物光学系（対物光学系）Ｌｂが構成されている。Ｆ１ａ，Ｆ２ａ，Ｆ３ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂ，Ｆ３ｂは赤外光カットや、モアレ除去等を目的とした光学フィルターである。右目用ＣＣＤ（撮像素子）８ａは右目用対物光学系Ｌａからの観察像を撮像し、左目用ＣＣＤ（撮像素子）８ｂは左目用対物光学系Ｌｂからの観察像を撮像し、ＣＣＵ５に出力する。９ａは右目用明るさ絞り（絞り）、９ｂは左眼用明るさ絞り（絞り）であり、左右それぞれの対物光学系の術部側に配置されており、入射瞳位置を規定している。
この時、医療用立体撮像装置１の画角２θは瞳位置を起点として図に示すように定義される。また、術者の作業空間にあたるＷＤは医療用立体撮像装置１の下面から、被写体αまでの距離で定義される。

以上により画角が一定であれば、ＷＤが長くなれば実視野Φが大きくなり（低倍）、ＷＤが短くなれば実視野Φが小さく（高倍）なる。また、モニター画面に表示される画像上での視野は、撮像素子の撮像面の有効画素エリアと、撮像素子の撮像面に結像する実視野Φの大きさの関係によってきまる。例えば、撮像素子の撮像面の有効画素エリアが長方形であり、撮像素子の撮像面に結像する実視野Φが有効画素エリアに内接する程度の大きさである場合には、実際に画面に表示されるのは実視野Φに内接する長方形の部分であり、長方形の対角線が、実視野Φの直径に相当する。医療用立体撮像装置１はいわゆるグリノータイプの観察装置になっている。本実施例における詳細なレンズデータは以下の表２および表３に示す。

次に、上記の構成からなる本実施例における医療用立体撮像装置１における作用について説明する。
図１に示すように、術者はまずグリップ７を保持してアーム３を移動させながら、医療用立体撮像装置１および、３Ｄパネル２を術部ａが観察できる位置に配置する。
次に術者は術部ａの観察を行う。光源４から照射された照明光はライトガイド４ａを通して、術部ａを照明する。術部ａへの照明光の反射光は右目用明るさ絞り９ａ、左眼用明るさ絞り９ｂを通り、フィルターＦ１ａ，Ｆ２ａ，Ｆ１ｂ，Ｆ２ｂ、右目用対物光学系Ｌａ、左眼用対物光学系Ｌｂ、フィルターＦ３ａ，Ｆ３ｂを通って、右目用の光束は右目用ＣＣＤ８ａに、左眼用の光束は左目用ＣＣＤ８ｂに結像する。右目用ＣＣＤ８ａ、左目用ＣＣＤ８ｂは右目用、左目用の画像情報をＣＣＵ５に出力する。ＣＣＵ５は受け取った画像情報を３Ｄモニター２に出力し、３Ｄモニター２は術部ａを立体表示する。術者は３Ｄモニター２により術部ａの３次元観察を行う。この時、術部ａへのピントの調整は、グリップ７を保持し、医療用立体撮像装置１をアーム３によって術部ａへの距離を変更することによって行う。

次に術者は処置にうつる。処置中の作用については図３および図４を参照しながら説明する。術者は術部ａ中に病変部ｂを認めると、処置具１０（例えば鉗子、電気メス等）を把持し、医療用立体撮像装置１の視野内の位置Ｂに移動する。すなわち、医療用立体撮像装置１の画角２θで決定する実視野の境界Ｄの内部に手を入れる。この時３Ｄモニターには図４（ａ）のように処置具１０は表示される。
次に術者は処置具１０を病変部ｂに向かって、図３中Ｃの位置に移動する。この時３Ｄモニターには図４（ｂ）のように処置具１０は表示される。本実施例においては医療用立体撮像装置１が備える光学系の入射瞳位置を右目用、左目用対物光学系Ｌａ，Ｌｂの物体側の面よりも前方（物体側）に配置した。これにより、入射瞳を対物光学系の内部に配置する場合に比べて画角を広く設定することができる。図３の矢印Ｅ方向への物体の動きに対して、対物光学系のピントの合う範囲では、図４のように医療用立体撮像装置１に近いものは大きく、遠いものは小さく見えるようになる。

このように、本実施例では光学系をグリノータイプとして人間が裸眼で観察している状態に近く両眼視差の情報を得やすいように構成し、更に、被写体と対物光学系の間に入射瞳を配置して画角を広く設定し、遠近感の情報が加わるようにしたので、より自然な立体感を得ることができる。
なお、本実施例においては医療用立体撮像装置１と３Ｄモニター２一体としたが、それぞれを別々のアームに支持しても良い。

〔実施例〕
図５に従って本発明における一実施例を説明する。ただし、第１参考実施例と同名称、同番号のものは、第１参考実施例と同様であるので、ここでの説明は省略する。
図５は本実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図である。

まず、図５に従い医療用立体撮像装置１内部の撮像光学系の構成を説明する。
３つのレンズＬ４ａ，Ｌ５ａ，Ｌ６ａにより右目用対物光学系（対物光学系）Ｌａ１が構成され、２つのレンズＬ７ａ，Ｌ８ａによって右目用コリメーターレンズ（コリメータ光学系）Ｌａ２が構成され、７つのレンズＬ９ａ〜Ｌ１５ａにより右目用変倍光学系（変倍光学系）Ｌａ３が構成されている。同様に３つのレンズＬ４ｂ，Ｌ５ｂ，Ｌ６ｂにより左目用対物光学系（対物光学系）Ｌｂ１が構成され、２つのレンズＬ７ｂ，Ｌ８ｂによって左目用コリメーターレンズ（コリメータ光学系）Ｌｂ２が構成され、７つのレンズＬ９ｂ〜Ｌ１５ｂにより左目用変倍光学系（変倍光学系）Ｌｂ３が構成されている。Ｆ４ａ〜Ｆ７ａ、Ｆ４ｂ〜Ｆ７ｂは赤外光カットや、モアレ除去等を目的とした光学フィルターである。右目用ＣＣＤ１０ａは右目用変倍光学系Ｌａ３からの観察像を撮像し、左目用ＣＣＤ１０ｂは左目用変倍光学系Ｌｂ３からの観察像を撮像し、ＣＣＵ５に出力する。
この時右目用ＣＣＤ（撮像素子）１０ａ、左目用ＣＣＤ（撮像素子）１０ｂは平行に並んだ光学系Ｌａ１〜Ｌａ３、Ｌｂ１〜Ｌｂ３の光軸に対してそれぞれのＣＣＤの有効画素エリアの中心を外側（図ではそれぞれのＣＣＤが互いに離れる方向）に偏心させて配置している。これにより、被写体αにおいて、左右の観察中心が一致するようにしている。

符号１１ａは医療用立体撮像装置１の右目用光学系の瞳位置を示しており、右目用光学系の瞳位置１１ａは右目用対物光学系Ｌａ１および右目用コリメーターレンズＬａ２によって右目用光学系の瞳位置１１ａと共役な瞳位置１２ａにリレーされる。同様に、符号１１ｂは医療用立体撮像装置１の左目用光学系の瞳位置を示しており、左目用光学系の瞳位置１１ｂは左目用対物光学系Ｌｂ１および左目用コリメーターレンズＬｂ２によって左目用光学系の瞳位置１１ｂと共役な瞳位置１２ｂにリレーされる。
このような構成とすることにより、左右の光学系の入射瞳を、光学系の最も物体側の面から被写体までの間に配置するのと等価の作用を得ることができる。本実施例における詳細なレンズデータは以下の表４から表６に示す。

次に、上記の構成からなる本実施例における医療用立体撮像装置１における作用について説明する。
第１参考実施例と同様に、術者は医療用立体撮像装置１および、３Ｄパネル２を術部ａが観察できる位置に配置し、術部ａの観察を行う。光源４から照射された照明光はライトガイド４ａを通して、術部ａを照明する。術部ａからの反射光は、右目用対物光学系Ｌａ１（左目用対物光学系Ｌｂ１）、右目用コリメーターレンズＬａ２（左目用コリメーターレンズＬｂ２）、右目用変倍光学系Ｌａ３（左目用変倍光学系Ｌｂ３）、フィルターＦ４ａ〜Ｆ７ａ（Ｆ４ｂ〜Ｆ７ｂ）を通って、右目用の光束は右目用ＣＣＤ１０ａ（左眼用の光束は左目用ＣＣＤ１０ｂ）によって撮像される。右目用ＣＣＤ１０ａ、左目用ＣＣＤ１０ｂはそれぞれ左目用、右目用の画像情報をＣＣＵ５に出力する。これらの画像情報により術者は３Ｄモニター２により立体観察を行う。
次に術者は処置にうつる。ここでの作用は第１参考実施例と同様であるので、説明を省略する。術者が処置を行う過程では、術者は図示しない変倍スイッチを押すことにより、変倍光学系Ｌａ３（Ｌｂ３）の、Ｌ１１ａ，Ｌ１２ａ（Ｌ１１ｂ，Ｌ１２ｂ）の位置を図示しないレンズ位置移動枠をモータ等により移動させ、モニター上に映し出された術部の画像の拡大・縮小を行う。

光学系を上述した構成としたことにより、術部の拡大縮小が行われている間、入射瞳位置１２ａの位置は変化することなく常に対物レンズと被写体の間に位置している。そのため、手術用顕微鏡に通常採用される光学系構成に比べて、同一の実視野に対して常に画角の広い状態が確保されている。

〔第２参考実施例〕
図６に従って本発明の参考例としての医療用立体撮像装置における第２参考実施例を説明する。ただし、第１参考実施例と同名称、同番号のものは、第１参考実施例と同様であるので、ここでの説明は省略する。
図６は本実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図である。

まず、図６に従い医療用立体撮像装置１内部の撮像光学系の構成を説明する。
２つのレンズＬ１６，Ｌ１７により対物光学系Ｌｃ１が構成され、７つのレンズＬ１８〜Ｌ２４により変倍光学系Ｌｃ２が構成され、２つのレンズＬ２５，Ｌ２６により結像光学系Ｌｃ３が構成されている。Ｌ２７は瞳分割プリズムであり、Ｌ２８，Ｌ２９は反射プリズムである。右目用ＣＣＤ（撮像素子）１３ａは反射プリズムＬ２８からの観察像を撮像し、左目用ＣＣＤ（撮像素子）１３ｂは反射プリズムＬ２９からの観察像を撮像する。Ｆ８は赤外光カットや、モアレ除去等を目的とした光学フィルターである。１４は低倍時の瞳位置、１５は中倍時の瞳位置、１６は高倍時の瞳位置を示している。本実施例における詳細なレンズデータは以下の表７から表９に示す。

次に、上記の構成からなる本実施例における医療用立体撮像装置１における作用について説明する。
第１参考実施例と同様に、術者は医療用立体撮像装置１および、３Ｄパネル２を術部ａが観察できる位置に配置し、術部ａの観察を術部全体の把握ができる低倍の状態で行う。本発明においては実視野Φ５０ｍｍ以上の状態で術部全体を観察するために、倍率を低倍とする。
光源４から照射された照明光はライトガイド４ａ通して、術部ａを照明する。術部ａへの照明光の反射光は、対物光学系Ｌｃ１、フィルターＦ８、変倍光学系Ｌｃ２、結像光学系Ｌｃ３を通り、瞳位置に配置された瞳分割プリズムＬ２７が、瞳を右目用光束、左目用光束に分割する。右目用光束は反射プリズムＬ２８により向きを変え右目用ＣＣＤ１３ａに、左目用光束は反射プリズムＬ２９により向きを変え左目用ＣＣＤ１３ｂによって撮像される。右目用ＣＣＤ１３ａ、左目用ＣＣＤ１３ｂはそれぞれ右目用、左目用の画像情報をＣＣＵ５に出力する。これらの画像情報により術者は３Ｄモニター２により３次元観察を行う。

次に術者は処置にうつる。ここでの作用は第１参考実施例と同様であるので、説明を省略する。術者が処置を行う過程では、術者は図示しない変倍スイッチを押すことにより、変倍光学系Ｌｃ２の、Ｌ２２，Ｌ２１の位置を図示しないレンズ位置移動枠を図示しないモータ等を制御することによって移動させ、術部の拡大を行う。術部の拡大が行われている間、瞳位置は低倍時で１４、中倍時で１５、高倍時で１６の位置に、倍率が高くなるにつれ術部から遠い位置に配置されている。そのため、倍率が高くなるにつれて従来の手術用顕微鏡に近い位置に瞳が移動し、遠近感（遠くのものは小さく、知覚のものは大きく）が小さくなっていく。

一つの変倍光学系Ｌｃ２を用い、瞳を分割することで立体視を行うため、小型化が可能となる。
一般に、穴の奥などを高倍で観察しながら処置を行う場合は、遠近感が強いと観察したい部分が高倍であっても小さく観察されてしまうことから、非常に細かい作業を行う場合にはかえってやりにくくなってしまうことがある。逆に、低倍側では遠近の効果が強いほうがより肉眼視に近く、自然な感覚で手術を行うことができる。そのため、本実施例においては低倍側では瞳が物体側に近づくことにより遠近感の効果が強く、高倍側では瞳が物体から離れることにより遠近の効果が弱くなり、手術の実用性に即して遠近感の効果が変化するようになっている。

〔第３参考実施例〕
図７に従って本発明の参考例としての医療用立体撮像装置における第３参考実施例を説明する。ただし、第１参考実施例と同名称、同番号のものは、第１参考実施例と同様であるので、ここでの説明は省略する。
図７は本実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図である。

まず、図７に従い医療用立体撮像装置１内部の撮像光学系の構成を説明する。
１１個のレンズＬ３０〜Ｌ４１により焦点距離可変の対物光学系Ｌｃ４が構成され、６個のレンズＬ４２〜Ｌ４７によりコリメーターレンズ（コリメータ光学系）Ｌｃ５が構成され、１３個のレンズＬ４８ａ〜Ｌ６０ａにより、右目用変倍光学系（変倍光学系）Ｌａ４が構成され、１３個のレンズＬ４８ｂ〜Ｌ６０ｂにより左目用変倍光学系（変倍光学系）Ｌｂ４が構成されている。また２つのレンズＬ６１ａ，Ｌ６２ａにより右目用結像光学系（結像光学系）Ｌａ５が、２つのレンズＬ６１ｂ，Ｌ６２ｂにより左目用結像光学系（結像光学系）Ｌｂ５が構成されている。Ｆ９ａ，Ｆ１０ａ，Ｆ９ｂ，Ｆ１０ｂ，Ｆ１１は赤外光カットや、モアレ除去等を目的とした光学フィルターである。１８は低倍時の瞳位置、１９は高倍時の瞳位置を示している。本実施例における詳細なレンズデータは以下の表１０から表１４に示す。
なお、表１０および表１１は一連のレンズデータを示す表であり、表１２および表１３も一連のレンズデータを示す表である。

次に、上記の構成からなる本実施例における医療用立体撮像装置１における作用について説明する。
第１参考実施例と同様に、術者は医療用立体撮像装置１および、３Ｄパネル２を術部ａが観察できる位置に配置し、術部ａの観察を術部全体の把握ができる低倍の状態で行う。光源４から照射された照明光はライトガイド４ａを通して、術部ａを照明する。術部ａへの照明光の反射光は、フィルターＦ１１、対物光学系Ｌｃ４、コリメーターレンズＬｃ５、右目用変倍光学系Ｌａ４、左目用変倍光学系Ｌｂ４、右目用結像光学系Ｌａ５、左目用結像光学系Ｌｂ５、フィルターＦ９ａ，Ｆ１０ａ，Ｆ９ｂ，Ｆ１０ｂを通り、右目用光束は右目用ＣＣＤ１７ａに、左目用光束は左目用ＣＣＤ１７ｂによって撮像される。右目用ＣＣＤ１７ａ、左目用ＣＣＤ１７ｂはそれぞれ右目用、左目用の画像情報をＣＣＵ５に出力する。

これらの画像情報により術者は３Ｄモニター２により３次元観察を行う。このとき術者は、術部の位置や状態を鑑みて、被写体である術部に対して手術の行いやすい距離に医療用立体撮像装置１を配置するため、図示しない焦準スイッチを押すことにより対物光学系Ｌｃ４のレンズＬ３０，Ｌ３１の位置を図示しないレンズ位置移動枠を図示しないモータ等を制御することによって移動させ、医療用立体撮像装置１の焦点位置を変更し術部にピントを合わせる。この時、倍率が同じであれば医療用立体撮像装置１に対する瞳の位置は変化しない。

次に術者は処置にうつる。ここでの作用は第１参考実施例と同様であるので、説明を省略する。術者が処置を行う過程では、術者は図示しない変倍スイッチを押すことにより、変倍光学系Ｌａ４，Ｌｂ４のレンズＬ５１ａ〜Ｌ５６ａ、Ｌ５１ｂ〜Ｌ５６ｂの位置を図示しないレンズ位置移動枠を図示しないモータ等を制御することによって移動させ術部の拡大を行う。術部の拡大が行われている間、瞳位置は低倍時で１８、高倍時で１９の位置に、倍率が高くなるにつれ術部から遠い位置に配置されている。そのため、倍率が高くなるにつれて従来の手術用顕微鏡に近い位置に瞳が移動し、遠近感（遠くのものは小さく、知覚のものは大きく）が小さくなっていく。

このように、本実施例では焦点距離可変対物光学系と組み合わせても遠近感の効果を得ることができる。

〔第４参考実施例〕
図８から図１０に従って本発明の参考例としての医療用立体撮像装置における第４参考実施例を説明する。
図８は本実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図であり、図９は医療用立体撮像装置内部に設けられた絞り可動部の構成図であり、図１０は本実施例における絞り位置制御部のブロック図である。

図８に従い医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成を説明する。本実施例の医療用立体撮像装置１内部のレンズ構成は、上述した本発明に係る一実施例と同一であるため説明を省略する。２０ａは右目用絞り（絞り）、２０ｂは左目用絞り（絞り）であり、それぞれ左右の瞳位置を規定している。２１ａ、２１ｂはそれぞれ右目用絞り２０ａ、左目用しぼり２０ｂによって規定された瞳と共役な位置関係にある瞳の位置を示している。

図９に従い、右目用絞り２０ａ、左目用絞り２０ｂの可動部の構成を説明する。右目用絞り２０ａには側面に設けられたガイド用メネジ２０ａ´があり、送りネジ２２ａとかみ合っており、図示しない回転規制手段によりネジ方向にのみ直動可能となっている。２３ａは送りネジ２２ａに接続されたモータである。同様に左目用絞り２０ｂにも側面に設けられたガイド用メネジ２０ｂ´があり、送りネジ２２ｂとかみ合っており、図示しない回転規制手段によりネジ方向にのみ直動可能となっている。２３ｂは送りネジ２２ｂに接続されたモータである。この時左右の送りねじ２２ａ，２２ｂの軸方向は、内口角θ´になっている。

図１０に従い、絞り位置制御部の説明をする。２６は絞り位置を変更するために、術者が入力する図示しないスイッチからの信号を受け取る入力部であり、入力された信号は制御部２７に出力される。制御部２７には倍率検出部２８、メモリー２９がそれぞれ接続されている。また制御部２７にはモータ２３ａ，２３ｂが接続されている。

次に、上記の構成からなる本実施例における医療用立体撮像装置１における作用について説明する。
術者が観察をしてから、倍率変更、処置を行うまでの作用は上述した本発明に係る一実施例と同様であるので、説明を省略する。
術者は、術部の見え方の不自然さを解消するため、図示しないスイッチを押す。スイッチからの入力信号は入力部２６で受信され、その信号を制御部２７に送る。制御部２７はモータ駆動信号をモータ２３ａ，２３ｂに出力しモータ２３ａ，２３ｂを同時に回転させる。モータ２３ａ，２３ｂが回転すると、送りネジ２２ａ，２２ｂも同時に回転する。
これにより、絞り２０ａ，２０ｂはそれぞれ送りネジ２２ａ，２２ｂに対してガイド用メネジ２０ａ´，２０ｂ´でかみ合っているため、送りネジ２２ａ，２２ｂの回転に連動して送りネジ２２ａ，２２ｂの軸方向にそれぞれ移動する。絞りの動きに連動し左右それぞれの瞳位置は矢印２５ａ，２５ｂ方向に移動する。

術者は遠近感が弱い場合は絞り２０ａ，２０ｂを被写体α側に移動させることにより共役な位置の瞳２１ａ，２１ｂを物体面α側に配置する。逆に遠近感が強い場合は絞り２０ａ，２０ｂを医療用立体撮像装置１側に移動させることにより、共役な位置の瞳２１ａ，２１ｂを物体面αから遠い位置に配置する。
一方、医療用立体撮像装置１の倍率に応じてあらかじめメモリー２９に好みの位置を登録しておくこともできる。倍率の変更作業に応じて倍率検出部２８は倍率検出を行い、検出結果を制御部２７に出力する。制御部２７は倍率検出部２８から入力された信号と、メモリー２９からの信号とを比較し、変更された倍率での絞り位置を算出し、その位置へ絞りを移動させるための駆動信号をモータ２３ａ，２３ｂに入力する。これにより、先に説明したものと同一の作用により絞り位置は変更される。

このように、本実施例では絞りを移動させることで瞳を移動させ、術者の好みにあった遠近感の設定を行うことができる。変倍と同期して低倍時には絞りを物体側へ、高倍時には絞り医療用立体撮像装置１側へ動かすことにより実施例３と同様の効果を得ることも可能である。また各倍率ごとの好みの遠近感をあらかじめ設定しておけば、変倍に連動して好みの遠近感の調整が可能である。
また、本実施例においては上述した本発明に係る一実施例と同一の光学系を用いたが、対物光学系が焦点距離可変であっても良い。その場合、ＷＤが長い時には絞りを前に出して瞳を被写体側へ移動させ、ＷＤが短い時には絞りを手前に動かして、瞳をＣＣＤ側へ移動させることにより、ＷＤによらず遠近の感覚を同じにできる効果がある。

第１参考実施例における医療用立体撮像装置を含むシステムを示す全体図である。図１の医療用立体撮像装置内部の撮像光学系の構成図である。図１の医療用立体撮像装置を用いた外科手術において、術部に対する処置具の動きを表した模式図である。図１の表示装置に表示される処置具を移動させた際の術野の様子を表した模式図である。本発明の一実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系を示す構成図である。第２参考実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系を示す構成図である。第３参考実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系を示す構成図である。第４参考実施例における医療用立体撮像装置内部の撮像光学系を示す構成図である。図８の医療用立体撮像装置内部に設けられた絞り可動部を示す構成図である。図８の医療用立体撮像装置における絞り位置制御部のブロック図である。被写体を撮像光学系と撮像素子を有する撮像ユニットによって撮像する様子を示した図である。画角が小さい際における観察者の視線方向に移動する物体を観察した場合の奥行き感を表した図である。画角が大きい際における観察者の視線方向に移動する物体を観察した場合の奥行き感を表した図である。

１医療用立体撮像装置
８ａ，１０ａ，１３ａ，１７ａ右目用ＣＣＤ（撮像素子）
８ｂ，１０ｂ，１３ｂ，１７ｂ左目用ＣＣＤ（撮像素子）
９ａ右目用明るさ絞り（絞り）
９ｂ左眼用明るさ絞り（絞り）
２０ａ右目用絞り（絞り）
２０ｂ左目用絞り（絞り）
α 被写体
Ｌａ，Ｌａ１右目用対物光学系（対物光学系）
Ｌｂ，Ｌｂ１左眼用対物光学系（対物光学系）
Ｌａ２右目用コリメーターレンズ（コリメータ光学系）
Ｌｂ２左目用コリメーターレンズ（コリメータ光学系）
Ｌａ３，Ｌａ４右目用変倍光学系（変倍光学系）
Ｌｂ３，Ｌｂ４左目用変倍光学系（変倍光学系）
Ｌｃ１，Ｌｃ４対物光学系
Ｌｃ２変倍光学系
Ｌｃ３結像光学系
Ｌｃ５コリメーターレンズ（コリメータ光学系）
Ｌａ５右目用結像光学系（結像光学系）
Ｌｂ５左目用結像光学系（結像光学系）

Claims

被写体を立体撮影するための撮像光学系と撮像素子を備えた医療用立体撮像装置において、
前記撮像光学系は、被写体の像を結像面に結像する対物光学系と、該対物光学系側から入射する光束をアフォーカルな光束として前記撮像素子側に射出し、前記対物光学系が結像した像を前記撮像素子の撮像面近傍に伝送するコリメータ光学系とを含み、
該コリメータ光学系と前記撮像素子の間に設定される瞳位置とその共役位置との間に前記対物光学系が配置されることを特徴とする医療用立体撮像装置。
前記コリメータ光学系と前記撮像素子の間に、該撮像素子が撮像する被写体の像の大きさを調整する変倍光学系が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の医療用立体撮像装置。