JP7842409B2

JP7842409B2 - 立体メガネ

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Publication number: JP7842409B2
Application number: JP2023092626A
Authority: JP
Inventors: 康博高木; 泰史宮島
Original assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2023-06-05
Filing date: 2023-06-05
Publication date: 2026-04-08
Anticipated expiration: 2043-06-05
Also published as: JP2024174671A

Description

特許法第３０条第２項適用ウェブサイトの掲載日：令和５年２月１４日、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｔｅ．ｏｒ．ｊｐ／ｋｅｎ／ｐａｐｅｒ／２０２３０３０７ＷＡＬｄ／ウェブサイトの掲載日：令和５年２月２７日、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｔｅ．ｏｒ．ｊｐ／ｃｏｎｔｅｎｔ／ｔｅｃｈ－ｒｅｐ／集会名：一般社団法人映像情報メディア学会立体メディア技術研究会、開催日：令和５年３月７日

本発明は、立体内視鏡手術に好適に用いられる立体メガネに関する。

立体映画、立体テレビなど、画像の立体表示を可能とするものが実用化されている。それらの多くは立体メガネを用いた２眼式立体表示である。このような２眼式立体表示においては、輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労が問題点として挙げられている。

輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労を簡便な構成で軽減する手段としては、本発明の発明者らが下記特許文献１で提案したように、光軸直交方向に屈折力（度数）を変化させた広焦点レンズを立体メガネに組み込みことが有効である。広焦点レンズを介して立体視することで快適に立体視できる立体画像の範囲が拡大し、利用者の視覚疲労を低減させることができる。

国際公開ＷＯ２０２０／００８８０４号公報

ところで、内視鏡手術の分野においても、術部の画像を立体表示させる立体内視鏡の利用が図られている。立体映画や立体テレビなどの場合、利用者は立体画像を見続けるのに対して、立体内視鏡を用いた立体内視鏡手術にあっては、異なる位置に配置された複数の３Ｄモニタを見ながら施術を行うほか、手術中に３Ｄモニタ以外の周囲の状況から様々な情報を得る必要があり、利用者である術者は視線を大きく移動させる。このため立体メガネに組み込まれたレンズの周辺部において見え方に歪みが生じると、術者に違和感や不快感を感じさせることになってしまい、術者の疲労感を高める一因となっていた。
本発明は、上述した問題を解決するものであり、立体内視鏡手術における術者の疲労感を軽減することが可能な立体メガネを提供することを目的とする。

而してこの発明の第１の局面の立体メガネは、
画像表示装置の表示画面に表示された左目用画像と右目用画像に対して、前記左目用画像のみを透過する左目用光学フィルタと、
前記左目用画像と前記右目用画像に対して、前記右目用画像のみを透過する右目用光学フィルタと、
前記左目用光学フィルタと光透過方向に重なり合うように配設された左目用光学板と、
前記右目用光学フィルタと光透過方向に重なり合うように配設された右目用光学板と、を備え、立体内視鏡手術に用いられる立体メガネであって、
前記左目用および右目用光学板は、
光学中心から離れるほど平均度数がマイナス側に変化する中央領域と、
前記中央領域よりも外側において平均度数線の視角度１度当りの傾きが絶対値でが０．０１ディオプタ以下の周辺領域と、が設けられている。

このように規定された第１の局面の立体メガネによれば、光学板の中央領域を通じて立体画像を観察することにより快適に立体視できる輻輳の範囲を画像表示装置の前方に広げて輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労が軽減されるとともに、光学板の周辺領域における画像の歪みを抑えることで画像歪みに起因する違和感や不快感の発生を抑制することができるため、立体内視鏡手術における術者の疲労感を軽減することができる。

ここで前記中央領域は、視角度１５度の仮想円の領域を含んで構成することができる。この場合、光学中心～視角度１５度の範囲内における度数変化量を絶対値で０．２５～０．４０ディオプタとすることができる。

また前記中央領域は、視角度２５度の仮想円の領域を含んで構成することができる。この場合、光学中心～視角度２５度の範囲内における度数変化量を絶対値で０．４９～０．６４ディオプタとすることができる。

また前記中央領域は、視角度３５度の仮想円の領域を含んで構成することができる。この場合、光学中心～視角度３５度の範囲内における度数変化量を絶対値で０．７９～０．９４ディオプタとすることができる。

上記のように度数を変化させた左目用および右目用光学板は、光学中心を通る前後方向の軸をｚ軸、光学板の後方に向かう方向をｚ軸の正方向としたとき、光学板の前面および後面の少なくとも一方のｚ座標値に、ａ₃ｒ³＋ａ₄ｒ⁴＋ａ₆ｒ⁶＋ａ₈ｒ⁸＋ａ₁₀ｒ¹⁰（但し、ｒはｚ軸からの距離、ａ₃，ａ₄，ａ₆，ａ₈，ａ₁₀は定数）で表される非球面成分を付加させることで実現させることができる。

またこの発明では、前記左目用および右目用光学板に、近視、遠視、乱視の少なくとも何れかを矯正するための処方度数成分を更に付加することができる。

本発明の一実施形態の立体メガネの構成を示した図である。図１の光学板を示した図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は縦断面図である。調節と輻輳との関係を説明するための図である。同光学板の光軸直交方向に沿った平均度数の変化を示した図である。（Ａ）は光学板無しの状態で異なる位置の視標を撮影した写真、（Ｂ）は光学板を介して異なる位置の視標を撮影した写真である。図４とは異なる平均度数の変化を示した図である。図４、図６とは異なる平均度数の変化を示した図である。左右の光学フィルタを一体のアイシールドで構成した変形例を示した図である。

次に本発明の一実施形態に係る立体メガネを、図面に基づいて説明する。
図１において、１０は２眼式立体表示で用いられる立体メガネで、更に詳しくは、立体内視鏡手術に用いられる立体メガネである。立体メガネ１０は、フレーム１２に左目用光学フィルタ１４ａと右目用光学フィルタ１４ｂが取り付けられている。左目用光学フィルタ１４ａと右目用光学フィルタ１４ｂの前方（眼球と反対側）あるいは後方（眼球側）には、これら光学フィルタ１４ａ，１４ｂとそれぞれ重なり合う位置に、左目用光学板１６ａと右目用光学板１６ｂが取り付けられている。なお、以下の説明では、左目用光学フィルタ１４ａと右目用光学フィルタ１４ｂを単に「光学フィルタ１４」と称する場合がある。また、左目用光学板１６ａと右目用光学板１６ｂを単に「光学板１６」と称する場合がある。

光学フィルタ１４ａと１４ｂは、それぞれ、左目用画像と右目用画像を選択的に透過させる機能を有する。立体メガネ１０では、図示を省略する３Ｄモニタ（画像表示装置）の表示画面に表示された左目用画像と右目用画像に対して、右目用画像に関する光が左目用光学フィルタ１４ａにより遮断され、左目用画像に関する光のみが左目用光学フィルタ１４ａを透過するように構成されている。また、左目用画像に関する光が右目用光学フィルタ１４ｂにより遮断され、右目用画像に関する光のみが右目用光学フィルタ１４ｂを透過するように構成されている。このため、利用者の左目１８ａでは左目用画像が、また利用者の右目１８ｂでは右目用画像が見えることとなる。

本例において、光学フィルタ１４ａ，１４ｂは偏光方式に対応した偏光子で構成されている。２眼式立体表示では、左右の画像を分離する方式として偏光方式の他、液晶シャッタ方式や分光フィルタ方式があり、光学フィルタ１４ａと１４ｂを液晶シャッタや分光フィルタで構成することも可能である。

図２は光学板１６を示した図で、（Ａ）は光学板１６の正面図、（Ｂ）は光学板１６の縦断面図である。この光学板１６はフレーム１２の形状に合わせて外形を加工する前の形状であり、正面視で円形状をなしている。なお、以下の説明において光学板１６の「上方」、「下方」とは、立体メガネを装用した利用者にとっての「上方」、「下方」とする。

光学板１６は、図２（Ａ）で示すように、中央領域２１と、中央領域２１よりも外側に設けられた周辺領域２２と、中央領域２１と周辺領域２２との間に位置する中間領域２３と、を備えている。

中央領域２１は、光学板１６の光学中心Ｏを含む領域で立体視の際に使用される。
上記特許文献１に記載されているように、立体視において、輻輳位置と調節位置が一致していれば、輻輳調節矛盾による視覚疲労は生じない。しかし、視覚疲労が生じない快適な立体視を実現するためには、輻輳位置と調節位置が完全に一致している必要はなく、輻輳位置と調節位置の一致には、ある程度の許容範囲があることが知られている。

図３は、輻輳と調節の関係を示した図である。同図において、横軸は輻輳を、縦軸は調節を示している。単位はディオプタ（Ｄ）で、距離をメートルで表して逆数をとったものである。輻輳と調節とが一致していない場合であっても、これらが、図３に示すＤ_farとＤ_nearとの間に位置するような関係にあれば、視覚疲労が生じない快適な立体視が可能とされてる。すなわち、快適な立体視を実現する輻輳と調節の一致には許容範囲がある。
ここで、快適に立体視可能な立体画像の表示領域は、輻輳により知覚される奥行きＤvに対応する遠位端Ｄ_farおよび近位端Ｄ_nearを用いて表すことができる。Ｄ_far，Ｄ_nearはＤｖを用いて、
Ｄ_far＝１．１２９Ｄ_v＋０．４４２・・・式（１）
Ｄ_near＝１．０３５Ｄ_v－０．６２６・・・式（２）
と与えられる。

例えば、立体内視鏡手術における３Ｄモニタの画面（表示画面）までの観察距離が１．４ｍ（０．７１Ｄ）であるとする。この観察距離に目のピントを合わせた場合、式（１）～（２）でＤ_far＝０．７１Ｄ、Ｄ_near＝０．７１ＤとしてＤ_vを求めると、快適に立体視できる輻輳の範囲Ｍ₁は０．７７ｍ（１．３Ｄ）～４．１ｍ（０．２４Ｄ）と求まる。ここで、立体内視鏡手術においては主に３Ｄモニタの前方側に立体表示されることを考慮すれば、術者の視覚疲労を軽減するためには３Ｄモニタの前方側に存在する不快な領域（輻輳調節矛盾が生じる領域）を解消させることが重要である。この場合、光学板１６の焦点が合っているとみなす範囲（被写界深度）を３Ｄモニタの前方側に延伸させることで、視覚疲労が生じない快適な立体視が可能な領域を３Ｄモニタの前方側に広げることができる。

例えば、光学板１６を介して観察時の焦点距離を６．２５ｍ（－０．１６Ｄ）～－∞（０Ｄ）の範囲で変化させると、目がピント合わせできる範囲が０．７１Ｄ～０．８７Ｄとなる。式（１）～（２）でＤ_far＝０．７１Ｄ、Ｄ_near＝０．８７ＤとしてＤ_vを求めると、快適に立体視できる輻輳の範囲Ｍ₂が０．６９ｍ（１．４４Ｄ）～４．１ｍ（０．２４Ｄ）に広がる。すなわち、３Ｄモニタ前方に快適な領域が広がることが分かる。このため本例では、中央領域２１において光学中心Ｏから離れるほど平均度数をマイナス側に変化させることで、光学板１６の被写界深度を３Ｄモニタの前方側に延伸させている。

図４は、光学板１６の光軸直交方向に沿った平均度数の変化を示した図である。
同図で示す視角度αは、光学板１６の光軸上でレンズ後面側の屈折面から距離２５ｍｍの位置に眼球中心が配置されている場合の角度を示すもので、光学板１６の周縁部に向かう程、視角度αの値は大きくなる（図２（Ｂ）参照）。

図４の例では、光学中心Ｏを含む中央領域２１は、視角度２５度の仮想円の領域を含む大きさとされており、中央領域２１において平均度数は光学中心Ｏから光学板周縁部に向けてマイナス側に略直線的に変化している。詳しくは光学中心Ｏ～視角度１５度の範囲内における度数変化量Ｌ₁（図４参照）が絶対値で０．２５～０．４０ディオプタ、また光学中心～視角度２５度の範囲内における度数変化量Ｌ₂が絶対値で０．４９～０．６４ディオプタとされている。

度数変化量を大きくすることで、快適な立体視が可能な領域をより広げることができる一方、過度に度数変化量を大きくした場合には像の分解能は低下する。このため本例では実際に立体内視鏡手術において立体像が表示される範囲等を考慮して度数変化量を上記のように規定している。

一方、中央領域２１よりも外側の周辺領域２２は、度数変化を抑えた度数一定の領域とされている。光学板周辺部での画像の歪みを抑えるためである。本例では、図４の部分拡大図で示すように、光学板１６の周辺領域２２における平均度数線の傾きβが絶対値で視角度１度当り０．０１ディオプタ以下と規定されている。好ましくは０．００５ディオプタ以下、より好ましくは０．００２５ディオプタ以下である。
なお、図４で示すように、中央領域２１において略一定の傾きで漸次マイナス側に変化した平均度数線は、中央領域２１と周辺領域２２との間の中間領域２３においてその傾きを徐々に小さくし、周辺領域２２において平均度数は略一定とされている。
このような光軸直交方向に沿った平均度数の変化は光学板１６の前面および後面の少なくとも一方に非球面成分を付加することで得ることができる。

次に光学板１６の形状について説明する。図２で示すように、光学板１６は、後面２５が式（ｉ）で定義される凹面とされ、前面２６が式（ii）で定義される凸面とされている。なお、光学板１６の光学中心Ｏ（後面２５では基点Ｏ₁、前面２６では基点Ｏ₂）を通る前後方向の軸をｚ軸とし、光学板１６の後方に向かう方向をｚ軸の正方向とする。ｚ軸は光学板１６の光軸に一致する。

ｚ＝ｒ²／（Ｒ₁＋（Ｒ₁ ²－Ｋｒ²）^1/2）＋δ …式（ｉ）
ｚ＝ｒ²／（Ｒ₂＋（Ｒ₂ ²－Ｋｒ²）^1/2） …式（ii）

式（ｉ）、（ii）のｒは、ｚ軸からの距離である。すなわち、後面２５では基点Ｏ₁、前面２６では基点Ｏ₂を中心として、ｚ軸に直交する左右方向、上下方向の軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸とする直交座標系を考えた場合、ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2である。Ｒ₁、Ｒ₂は面の頂点における曲率半径、Ｋはコーニック係数である。
光学板１６の後面２５は上記式（ｉ）で表される回転対称の非球面形状とされている。後面２５を定義する式（ｉ）において、δは、ａ₃ｒ³＋ａ₄ｒ⁴＋ａ₆ｒ⁶＋ａ₈ｒ⁸＋ａ₁₀ｒ¹⁰（但し、ｒはｚ軸からの距離、ａ₃，ａ₄，ａ₆，ａ₈，ａ₁₀は定数）で表される非球面成分である。
したがって、本例の光学板１６は、前面２６が球面、後面２５が非球面となる。なお、Ｒ₁、Ｒ₂は、処方度数（本例では０Ｄ）によって決まる。

例えば、図４で示す平均度数の変化は、屈折率ｎ：１．６０８の素材から成る中心厚２．１ｍｍの光学板１６において、上記式（ｉ）、（ii）における各定数を以下のように規定したものである。
後面曲率半径Ｒ₁：１４６．７８ｍｍ、前面曲率半径Ｒ₂：１４７．５７ｍｍ、Ｋ：－０．６、ａ₃：１．８４×１０^-05、ａ₄：８．１０×１０^-08、ａ₆：－３．７９×１０^-10、ａ₈：２．７９×１０^-13、ａ₁₀：－７．４２×１０^-17

図５は光学板１６を用いた場合の効果を示した図である。ここでの評価は以下のようにして行った。入射瞳径を人間の平均瞳孔径である５ｍｍとしたカメラのレンズ前方、距離１．４ｍ（３Ｄモニタの表示画面までの距離に相当）の位置に「ＳＣＲＥＥＮ」と表記された視標１を配置するとともに、距離１．１５ｍ（表示される立体像までの距離に相当）の位置に「３ＤＩＭＡＧＥ」と表記された視標２を配置し、視標２にカメラのピントを合わせた状態で視標１と視標２を撮影した。図５の（Ａ）は光学板無しの状態で視標を撮影した写真、（Ｂ）は光学板１６を介して視標を撮影した写真である。

図５の（Ａ）と（Ｂ）を比較すると、光学板無しの（Ａ）において視標１の文字がぼけて見えるのに対し、光学板有りの（Ｂ）では視標１の文字の見え方は（Ａ）の場合に比べて鮮明であり、ピント合わせされた視標２の文字と比べても変化は少なく、（Ａ）と（Ｂ）とで被写界深度の差が大きいことが分かる。即ち、光学板１６を用いることでピント合わせできる範囲が広がり、これに伴ない立体視した場合での快適な立体視できる範囲についても拡大させることができる。

以上のように構成された立体メガネ１０によれば、光学板１６の中央領域２１を通じて立体画像を観察することにより、良好に立体視できる領域を拡大させることできるとともに、光学板１６の周辺領域２２における画像の歪みを抑えることができるため、立体内視鏡手術における輻輳調節矛盾や画像の歪みに起因する術者の疲労感を軽減することができる。

なお本発明では、光学板１６における中央領域２１の大きさを適宜変更可能である。
図６は、光学板１６における中央領域２１を小さくして、光学板周辺に設けられた度数一定の領域を広げた場合の平均度数の変化を示した図である。
この例において、中央領域２１は、視角度１５度の仮想円の領域を含む大きさとされており、光学中心～視角度１５度の範囲内における度数変化量Ｌ₁が絶対値で０．２５～０．４０ディオプタとされている。このため図６の例においても、中央領域２１における平均度数線の傾きは図４の場合と略同じであり、中央領域２１を通じて得られる快適に立体視できる輻輳の範囲を３Ｄモニタの前方に広げる効果は図４の場合と同様に得ることができる。一方で、度数変化を抑えた周辺領域２２は、図４の場合よりも広範囲に設けられており、光学板１６の広い範囲で歪を抑える効果を得ることができる。

例えば、図６で示す平均度数の変化は、屈折率ｎ：１．６０８の素材から成る中心厚２．１ｍｍの光学板１６において、上記式（ｉ）、（ii）における各定数を以下のように規定することで実現させることができる。
Ｋ：－３．０、ａ₃：２．２２×１０^-05、ａ₄：－２．８６×１０^-07、ａ₆：４．２４×１０^-11、ａ₈：３．５６×１０^-14、ａ₁₀：－１．７２×１０^-17

また図７は、光学板１６における中央領域２１を図６とは逆に大きくして、光学板周辺に設けられた度数一定の領域を狭めた場合の平均度数の変化を示した図である。
この例において、中央領域２１は、視角度３５度の仮想円の領域を含む大きさとされており、光学中心～視角度１５度の範囲内における度数変化量Ｌ₁が絶対値で０．２５～０．４０ディオプタで、光学中心～視角度２５度の範囲内における度数変化量Ｌ₂が絶対値で０．４９～０．６４ディオプタで、光学中心～視角度３５度の範囲内における度数変化量Ｌ₃が絶対値で０．７９～０．９４ディオプタとされている。
この図７の例によれば、光学板周辺での画像の歪を抑えつつ、図４の場合よりも広い範囲に亘って（即ち、視線を光学中心からずらした状態であっても）快適に立体視できる輻輳の範囲を３Ｄモニタの前方に広げる効果を得ることができる。

例えば、図７で示す平均度数の変化は、屈折率ｎ：１．６０８の素材から成る中心厚２．１ｍｍの光学板１６において、上記式（ｉ）、（ii）における各定数を以下のように規定することで実現させることができる。
Ｋ：０．２、ａ₃：１．８４×１０^-05、ａ₄：－１．８８×１０^-08、ａ₆：－６．２１×１０^-12、ａ₈：－６．８５×１０^-14、ａ₁₀：３．５３×１０^-17

以上、本発明の実施形態について詳述したが、これはあくまでも一例示であり、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲において様々変更を加えた形態で実施可能である。
例えば、上記実施形態では左右別体の光学フィルタをそれぞれフレームに取り付ける構成としたが、図８で示すように左右の光学フィルタを一体のアイシールド４０で構成することも可能である。このようにすることで血液などの飛沫から術者の目を保護する効果を高めることができる。
また上記実施形態では、光学板の後面に非球面成分を付加したが、場合によっては光学板の前面に非球面成分を付加しても良いし、前面および後面に非球面成分を付加することも可能である。
また上記実施形態では、光学板の周辺領域を全周に亘って度数一定の領域としたが、場合によっては周方向の一部にのみ度数一定の領域を設けることも可能である。
また上記実施形態では、立体メガネに用いる光学板として、実質的に度の入っていないプラノレンズを用いているが、光学板に近視、遠視、乱視の少なくとも何れかを矯正するための度数成分を更に付加することも可能である。
また上記実施形態では、光学フィルタと光学板とを別体で構成したが、場合によっては光学板の内部に光学フィルタに相当する偏光フィルムを内層するなどして光学フィルタと光学板を一体に構成することも可能である。

１０立体メガネ
１４，１４ａ，１４ｂ光学フィルタ
１６，１６ａ，１６ｂ光学板
２１中央領域
２２周辺領域
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃ 度数変化量
Ｏ光学中心
α 視角度
β 平均度数線の傾き

Claims

画像表示装置の表示画面に表示された左目用画像と右目用画像に対して、前記左目用画像のみを透過する左目用光学フィルタと、
前記左目用画像と前記右目用画像に対して、前記右目用画像のみを透過する右目用光学フィルタと、
前記左目用光学フィルタと光透過方向に重なり合うように配設された左目用光学板と、
前記右目用光学フィルタと光透過方向に重なり合うように配設された右目用光学板と、を備え、立体内視鏡手術に用いられる立体メガネであって、
前記左目用および右目用光学板は、
光学中心から離れるほど平均度数がマイナス側に変化する中央領域と、
前記中央領域よりも外側において平均度数線の視角度１度当りの傾きが絶対値で０．０１ディオプタ以下の周辺領域と、が設けられ、
前記中央領域は、視角度１５度の仮想円の領域を含んで構成され、光学中心～視角度１５度の範囲内における度数変化量が絶対値で０．２５～０．４０ディオプタである、立体メガネ。
前記中央領域は、視角度２５度の仮想円の領域を含んで構成され、光学中心～視角度２５度の範囲内における度数変化量が絶対値で０．４９～０．６４ディオプタである、請求項１に記載の立体メガネ。
前記中央領域は、視角度３５度の仮想円の領域を含んで構成され、光学中心～視角度３５度の範囲内における度数変化量が絶対値で０．７９～０．９４ディオプタである、請求項２に記載の立体メガネ。
前記左目用および右目用光学板は、光学中心を通る前後方向の軸をｚ軸、光学板の後方に向かう方向をｚ軸の正方向としたとき、光学板の前面および後面の少なくとも一方のｚ座標値に、ａ₃ｒ³＋ａ₄ｒ⁴＋ａ₆ｒ⁶＋ａ₈ｒ⁸＋ａ₁₀ｒ¹⁰（但し、ｒはｚ軸からの距離、ａ₃，ａ₄，ａ₆，ａ₈，ａ₁₀は定数）で表される非球面成分が付加されている、請求項１～３の何れかに記載の立体メガネ。
前記左目用および右目用光学板は、近視、遠視、乱視の少なくとも何れかを矯正するための処方度数成分が更に付加されている、請求項４に記載の立体メガネ。