JPH05107448A

JPH05107448A - 双眼実体顕微鏡

Info

Publication number: JPH05107448A
Application number: JP26936791A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Morizumi; 雅明森住
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1993-04-30

Abstract

(57)【要約】【目的】双眼実体顕微鏡に測距信号に基づく自動合焦
機能を組み込むについて、被検体表面での測距用光束の
直接反射による誤測距を防止する。【構成】被検体に測距用光束を照射する投光手段60
と、測距用光束に基づき被検体の位置ずれに対応した測
距信号を出力する測距手段40と、測距信号に基づいて駆
動される合焦機構とを配設する一方、前記投光手段およ
び測距手段に偏光フィルタ49,64 を介装してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、手術用顕微鏡などとし
て使用される双眼実体顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば手術などを行う場合
に、患部が微細なときには、この患部を双眼実体顕微鏡
によって拡大しつつ処置を施しているものであり、この
双眼実体顕微鏡としては対物レンズの後方に実質的に双
眼拡大鏡を構成する拡大光学系を配設してなり、その焦
点調整としては顕微鏡全体を支柱に構成されたラックア
ンドピニオンにより上下動または横動させる機構を設置
したものが実用化されている。

【０００３】また、上記双眼実体顕微鏡には、被検体を
照明する落射照明手段を内蔵したものも知られている。
この落射照明手段は、光源からの照明光を前記対物レン
ズを通して被検体に照射するように構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかして、上記のよう
な従来の双眼実体顕微鏡では、自動合焦機能は備えてお
らず、使用者が拡大像を見ながら合焦操作を行いピント
を合わせているものであって、使用中に顕微鏡を外して
目視状態での処置を行ってから再び顕微鏡を使用する時
などに、顕微鏡の移動に対応してピントがずれたのを修
正する作業が必要となり、また、被検部の観察位置を変
えた時にも合焦し直す作業が必要で、その合焦作業が煩
雑であるという問題を有している。

【０００５】特に、手術中に出血などの緊急な事態に陥
ったときには、被検部から顕微鏡を外して緊急処置を施
さなければならず、再度被検部の作業を行う際に再合焦
が必要となり、患部に対する処置に加えて顕微鏡の移
動、合焦操作が必要で、迅速な作業の妨げとなる恐れが
ある。

【０００６】その対策として、特殊な架台を工夫し、顕
微鏡を観察位置から外した後、再び観察位置に対する同
一合焦位置に戻せるように復帰する記憶手段を備えた機
構を設置することが考えられるが、この機構を付設した
ものでは、重量の大きな双眼実体顕微鏡の全体を所定焦
点位置に対応して位置制御する機構が大型となり作動の
軽快さが欠けると共に、高価なものとなる。

【０００７】そこで、上記双眼実体顕微鏡に自動合焦機
能を持たせることが考えられるが、そのための機構とし
て、被検体に対して測距用光束を照射し、この光束によ
り被検体の光軸方向の位置に関連した測距信号を出力す
る測距手段を配設し、この測距信号に基づいて合焦機構
を駆動して自動合焦を行うように構成した際に、表面で
直接反射が生じるような被検体の場合には誤測距が生起
する恐れがある。

【０００８】すなわち、例えば、双眼実体顕微鏡の使用
環境が医療分野の場合に、被検体表面が液体で覆われて
鏡面状となっているときがあり、測距用に被検体表面に
投光した光束が上記液体表面で直接反射し、この反射光
によって測距を行うと、実際の被検体表面からの物体距
離とは異なる距離を測定し、自動合焦機能が正常に作動
しない問題を有する。この誤測距の状態を位相差検出方
式の測距手段と、アクティブ方式の測距手段との場合で
説明すると、次のようになる。

【０００９】まず、位相差検出方式の測距手段は、被検
体に対してターゲット投影系からターゲット像を投光
し、このターゲット像を測距手段における測距対物レン
ズにより再結像させた後、その再結像した像を一対のレ
ンズにより、検出素子上に再結像させ、この検出素子上
にできた一対の結像のピッチをもとにターゲット像の位
置すなわち被検体表面の位置を検出するものである。そ
して、前記ターゲット投影系からのターゲット像は、予
め被検体との位置関係で設定基準近傍に結像するように
設計され、このターゲット結像点と被検体面の位置とが
必ずしも合致しているものではないが、通常、前記被検
体の表面は粗面であり、しかも、ターゲット投影光学系
が結像点での深度が深くなるように設計されているた
め、被検体上にできたターゲット像は少しボケた状態で
はあるが、検出素子上で演算するのに十分なコントラス
ト比を有し、正確な測距が行えるものである。

【００１０】しかし、前述のように被検体表面が液体で
覆われている場合には、この被検体表面で前記ターゲッ
ト投影が鏡面反射され、被検体表面に投影され多少ボケ
ているターゲット像が再結像されるのではなく、この反
射光がそのまま測距手段の光学系に入射され、検出素子
上に再結像されることになる。したがって、投影された
ターゲット像の結像点を被検体表面として、この結像点
までの光路長を測距演算することで、結像点から被検体
表面までの光軸方向の距離が測距誤差として発生し、合
焦位置がずれることになる。

【００１１】一方、アクティブ方式の測距手段は、測距
用投光手段による投光ビームが被検体に対して投光さ
れ、被検体上にスポット像を対物レンズの光軸上で結像
させる。このスポット像は測距系レンズにより検出素子
上に再結像され、このスポット像の光軸方向の位置ずれ
量を再結像の位置から測定した信号が測距信号として出
力されるものである。

【００１２】ここで、被検体の表面が液体に濡れた滑面
状態の場合、この表面で前記スポット像を投影している
投光ビームが鏡面反射することで、反射した投光ビーム
がそのまま測距手段の光学系に入射されて検出素子に結
像されることになり、被検体面の上のスポット像の結像
でないことから、反射ビームは反射面の傾きに応じて検
出素子上でのスポット位置がずれてしまう。これによ
り、異なる位置を被検体面として測距演算し、合焦位置
がずれることになる。

【００１３】本発明は上記事情に鑑み、双眼実体顕微鏡
に自動合焦機能を持たせるについて、被検体面が鏡面反
射を生起するような場合にも正確な測距が行えるように
構成することを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の双眼実体顕微鏡は、双眼拡大光学系の前に対物
レンズを配設すると共に、光源からの照明光を上記対物
レンズを通して被検体に照射する落射照明手段を備え、
被検体に測距用光束を照射する測距用投光手段と、上記
測距用投光手段による測距用光束に基づき被検体の位置
ずれに対応した測距信号を出力する測距手段と、上記測
距手段の信号に基づいて駆動される合焦機構とを配設す
る一方、上記測距用投光手段および測距手段に偏光フィ
ルタを介装して構成したものである。

【００１５】

【作用】上記のような双眼実体顕微鏡では、落射照明手
段によって被検体に対して照明光が投光され、観察用光
束が対物レンズから左右の双眼拡大光学系を経て接眼レ
ンズに至り拡大像が使用者に観察される。また、測距用
投光手段によって測距用光束が被検体に対して投光さ
れ、この測距用光束による被検体表面の像が測距手段の
光学系によって検出素子の上に結像され、この結像に基
づいて測距信号が出力され、上記測距信号に基づき合焦
機構を駆動して自動合焦が行われる。

【００１６】そして、上記測距用投光手段および測距手
段に偏光フィルタを介装したことにより、被検体表面が
液体で濡れている場合のように鏡面反射する状態であっ
ても、測距用投光手段からの測距用光束が被検体表面で
鏡面反射した光束がそのまま測距手段の光学系に入射し
て検出素子上に結像しないようにして、被検体の表面で
の直接反射による影響に基づく誤測距を排除し、正確な
測距に基づく自動合焦行えるようにしている。この自動
合焦機能によって手術中などに顕微鏡を移動して物体距
離が変動しても自動合焦により合焦操作を不要とし、使
用者は被検体への処置に専念できるようにしている。

【００１７】

【実施例】以下、図面に沿って本発明の実施例を説明す
る。

【００１８】＜実施例１＞図１に位相差検出方式の測距
手段を備えた双眼実体顕微鏡の内部光学機構の概略構成
を示している。

【００１９】双眼実体顕微鏡10は、図示しない密閉ハウ
ジング内に双眼拡大光学系20、落射照明手段30、測距手
段40、測距用投光手段60等が配設されているものであ
り、被検体Ｗに面して口径の大きな対物レンズ11（ユニ
ット）が配設されている。

【００２０】上記対物レンズ11は、図２にも示すように
全体として負のレンズ系（凹レンズ）の特性を有する固
定対物レンズ11a と、その背部の全体として正のレンズ
系（凸レンズ）の特性を有する可動対物レンズ11b とに
よって構成されている。なお、上記可動対物レンズ11b
は後述の合焦機構50の駆動によって光軸方向に移動可能
に配設されている。

【００２１】そして、上記対物レンズ11の背部（上方）
における中央部の両側に、被検体Ｗの拡大像を得るため
の左右１組の双眼拡大光学系20が設置されている。この
双眼拡大光学系20は、図２にも示すように、対物レンズ
11側から左右のズームレンズ第１群21、ズームレンズ第
２群22、リレーレンズ群23、第１プリズム部24、第２プ
リズム部25、接眼レンズ26（ユニット）がそれぞれ順に
配設されて構成されている。

【００２２】この双眼実体顕微鏡10の基本構成となる双
眼拡大光学系20は、左右ズームレンズ第１群21から接眼
レンズ26に至る双眼望遠光学系の前に対物レンズ11を配
設して、有限距離（合焦距離Ｌ）に焦点が合わせられる
ように構成したものである。また、上記合焦距離Ｌは、
前記対物レンズ11の可動対物レンズ11b を光軸方向に移
動することで変更させて被検体Ｗの位置に合焦させるも
のである。

【００２３】上記対物レンズ11に対する左右の双眼拡大
光学系20の前方には落射照明手段30が配設され、この落
射照明手段30は、図４にも示すように、対物レンズ11の
光軸とほぼ平行に配設された光源31（ランプ）とコンデ
ンサレンズ群32と、２個の直角プリズム33,34 とによっ
て構成された照明光学系を有し、前記対物レンズ11を通
して照明光を被検体Ｗに向けて照射する。

【００２４】また、上記落射照明手段30と一体に測距用
投光手段60が配設され、この測距用投光手段60は、図４
にも示すように、光源61から投光レンズ62、チャート板
63、偏光フィルタ64、プリズム64を順に備え、前記落射
照明手段30の直角プリズム33に対し、背部からチャート
板63によるターゲット像を照明光と共に、被検体Ｗ表面
に投光するように構成されている。

【００２５】一方、前記落射照明手段30とは反対側の後
方には、位相差検出方式の測距手段40が配設されてい
る。この測距手段40は、図４に示すように、対物レンズ
11側から測距対物レンズ41、２個の測距プリズム42,43
、フィールドレンズ44、セパレータレンズ45、検出素
子46（ラインセンサ）による測距光学系47を有してい
る。上記検出素子46、セパレータレンズ45、フィールド
レンズ44、一方の測距プリズム43は図１のようにユニッ
ト化されて検出モジュール48に構成されている。また、
上記２個の測距プリズム42,43 の間には偏光フィルタ49
が介装されている。

【００２６】上記測距光学系47では、対物レンズ11を経
た被検体Ｗ上のターゲット像が測距対物レンズ41により
２個のプリズム42,43および偏光フィルタ49を通った後
フィールドレンズ44近くに結像され、この結像した像は
フィールドレンズ44を通りセパレータレンズ45により２
つに分離されて検出素子46上の２位置に再結像する。そ
して、その検出原理は、フィールドレンズ44近くに結像
した像の合焦位置からの結像位置ずれ（ずれ量Δ）に対
応して、検出素子46上に再結像した２つの像の間隔ｄ
（ピッチ）が変化し、この間隔ｄをもとに上記ずれ量Δ
を算出し、該ずれ量Δが所定範囲内となるように合焦機
構50を駆動して自動合焦を行うものである。

【００２７】そして、上記測距用投光手段60に偏光フィ
ルタ64を介装して、ターゲット像の投光を偏光化すると
共に、測距手段40に偏光フィルタ49を介装したことで、
上記ターゲット像が鏡面状態の被検体表面で直接反射さ
れても、反射光の検出素子46上への再結像を阻止するよ
うにし、この直接反射による誤測距の発生を防止してい
る。

【００２８】なお、上記測距光学系47において、測距プ
リズム42,43 は光学的には必須のものではなく、フィー
ルドレンズ44、セパレータレンズ45、検出素子46、偏光
フィルタ49の設置位置が確保できる場合には不要であ
る。

【００２９】上記合焦機構50は、図２に簡略に例示する
ように、前記対物レンズ11の可動対物レンズ11b をカム
筒51の回転に伴って光軸方向に移動可能に設け、モータ
52で上記カム筒51を回転駆動するような公知の機構に構
成してなり、前記検出モジュール48の検出素子46からの
信号を演算処理した測距信号に基づく合焦位置を変更す
る駆動信号を、合焦機構50のモータ52に出力して被検体
Ｗに自動合焦させるものである。

【００３０】図３には、前記対物レンズ11に対する各光
学系の平面的配置を示すものであり、この口径の大きい
対物レンズ11に対し、その中心部の左右両側に双眼拡大
光学系20の口径の小さい左右ズームレンズ第１群21,21
が配設され、その前方の中央位置には落射照明手段30の
直角プリズム34が配設され、反対側の後方の中央位置に
は測距光学系47の測距対物レンズ41（測距プリズム42）
が配設されている。なお、上記と逆に双眼拡大光学系20
の前方に測距光学系47を後方に照明光学系を配設するよ
うにしてもよい。

【００３１】ここで、前記合焦機構50における可動対物
レンズ11b の移動量に対する合焦距離の変更例を示せ
ば、固定対物レンズ11a の焦点距離ｆ₁が−350mm 、可
動対物レンズ11b の焦点距離ｆ₂が 150mmとし、両者の
中心距離Ｓ（図２参照）を２〜15mmまで変化させるもの
とすると、固定対物レンズ11a の中心から被検体Ｗまで
の合焦距離Ｌは 256〜220mm まで変化する。すなわち、
上記可動対物レンズ11bの移動量13mmに対する合焦ゾー
ンが36mmとなり、その間に置かれた被検体Ｗに対して可
動対物レンズ11b の駆動によって自動合焦を行うことが
できる。

【００３２】上記実施例によれば、測距用投光手段60お
よび測距手段40への偏光フィルタ64,49 の介装により、
ターゲット像の被検体表面での直接反射による誤検出を
防止しつつ正確な測距による良好な自動合焦機能を確保
することができる。

【００３３】また、対物レンズ11の双眼拡大光学系20に
使用されていないスペースおよび光路を有効利用して落
射照明手段30と測距用投光手段60の光学系および測距手
段40の測距光学系47を配設したことで、従来使用されて
いない場所に中心光束によらなくても測距可能な位相差
検出方式の測距手段40を組み込み、さらに、対物レンズ
11の一部を移動する合焦機構50を設けたことに伴って、
合焦動作が迅速な自動合焦機能を有する双眼実体顕微鏡
10をコンパクトに構成できる。さらに、従来構造の双眼
実体顕微鏡10に対する自動合焦機能の付設も、少ない構
造変更によって行える。

【００３４】加えて、対物レンズ11の後に測距光学系47
を配設したことで、上記対物レンズ11を交換して顕微鏡
10の総合倍率を変化させても、測距機能には影響なく合
焦機構50を接続することで自動合焦機能が得られる。

【００３５】＜実施例２＞図５に本例のアクティブ方式
の測距手段を備えた双眼実体顕微鏡の内部光学機構の概
略構成を示している。

【００３６】双眼実体顕微鏡100 は、図示しない密閉ハ
ウジング内に双眼拡大光学系20、落射照明手段30、測距
用投光手段140 、測距手段145 等が配設されているもの
であり、被検体Ｗに面して対物レンズ11が配設されてい
る。上記対物レンズ11、双眼拡大光学系20、落射照明手
段30は前例と同様に構成され、同一構成には同一符号を
付して説明を省略する。

【００３７】前記左右の双眼拡大光学系20の間には測距
用投光手段140 が配設されている。この測距用投光手段
140 は、図７にも示すように、赤外光を照射する投光Ｌ
ＥＤ141 （発光ダイオード）と、投光レンズ142 、投光
プリズム143 、偏光フィルタ144 とにより構成され、投
光ＬＥＤ141 からの赤外光による投光ビームを対物レン
ズ11の光軸中心と同軸位置から対物レンズ11を通して被
検体Ｗに投光し、被検体Ｗ上にスポット像の形に結像す
る。

【００３８】また、前記落射照明手段30とは反対側の後
方には、アクティブ方式の測距手段145 が配設されてい
る。この測距手段145 は、図７にも示すように、対物レ
ンズ11側から測距系レンズ146 、測距プリズム147 、偏
光フィルタ150 、検出モジュール148 による測距光学系
を有している。上記検出モジュール148 は、検出素子14
9 （図８参照）を内蔵してユニット化されているもので
あり、前記測距用投光手段140 によるスポット像の光軸
方向の位置ずれを検出する。

【００３９】上記測距手段145 による検出原理は、図８
に示すように、前記測距用投光手段140 によって投光さ
れたスポット像がＡ₀点にいる被検体Ｗ上に結像し、こ
のスポット像が測距系レンズ146 を通って検出モジュー
ル148 の検出素子149 のＢ₀点に再結像される。また、
被検体ＷがＡ₁点にある場合には、そのスポット像は測
距系レンズ146 によって上記検出素子149 の異なるＢ₁
点に再結像される。すなわち、被検体Ｗの位置がＡ₀か
らＡ₁にＬ₀だけ移動するのに対応して、検出素子149
での再結像位置がＢ₀からＢ₁に変位量ｄだけ移動する
ように変化し、この再結像位置の変位量ｄをもとに上記
被検体Ｗの位置を算出し、合焦機構50を駆動して自動合
焦を行うものである。

【００４０】そして、上記測距用投光手段140 に偏光フ
ィルタ144を介装して、スポット像の投光を偏光化する
と共に、測距手段145 に偏光フィルタ150 を介装したこ
とで、上記スポット像が鏡面状態の被検体表面で直接反
射されても、反射光の検出素子149 上への再結像を阻止
するようにし、この直接反射による被検体表面の傾きに
対応した誤測距の発生を防止している。

【００４１】上記合焦機構50は、前例と同様であり、ま
た、図６の平面的配置においては、対物レンズ11の中心
部の左右両側に配設された双眼拡大光学系20の左右ズー
ムレンズ第１群21,21 の前方には落射照明手段30の直角
プリズム34が配設され、反対側の後方の中央位置には測
距手段145 における光学系の測距系レンズ146 （測距プ
リズム147 ）が配設されている。さらに、前記双眼拡大
光学系20の左右のズームレンズ第１群21,21 の間には、
測距用投光手段140 の投光プリズム143 が配設され、こ
の投光プリズム143 による投光ビームの中心は対物レン
ズ11の中心と一致して設けられている。

【００４２】本実施例によれば、測距用投光手段140 お
よび測距手段145 への偏光フィルタ144,150 の介装によ
り、スポット像の被検体表面での直接反射による誤検出
を防止しつつ正確な測距による良好な自動合焦機能を確
保することができる。また、上記測距用投光手段140 に
よる投光ビームの光軸は対物レンズ11の光軸と同軸とな
っており、投光スポット像は被検体Ｗに垂直に投光さ
れ、このスポット像の位置は常に双眼立体視像の中央に
あり、被検体Ｗと測距検出位置との間にパララックスが
生じない。

【００４３】なお、上記各実施例においては、対物レン
ズ11の一部を移動する合焦機構50を設け、測距手段40,1
45からの出力信号に基づいてレンズ系の焦点距離を変更
して合焦させるようにしているが、この合焦機構として
は顕微鏡全体を光軸方向に移動する駆動方式に設け、そ
の駆動により対物レンズ11の焦点距離位置に被検体Ｗの
位置を合わせて自動合焦を行うように構成してもよい。
また、本発明は手術用顕微鏡に限られることなく、他の
医療用、実験用等の双眼実体顕微鏡に適用可能である。

【００４４】

【発明の効果】上記のような本発明双眼実体顕微鏡によ
れば、測距用光束を投光する測距用投光手段と、測距用
光束に基づき被検体の位置ずれに対応した測距信号を出
力する測距手段とを設けると共に、上記投光手段および
測距手段に偏光フィルタを介装し、測距手段の信号に基
づき合焦機構を駆動するように設けたことにより、被検
体表面での直接反射による誤測距を防止しつつ双眼実体
顕微鏡に動作特性のよい自動合焦機能をコンパクトに設
置することができ、顕微鏡を観察位置に移動した際の合
焦操作を不要とし、使用者は常時鮮明な拡大像を観察し
て被検体への処置に専念でき、手術用顕微鏡等として実
用上優れた効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における双眼実体顕微鏡
の内部光学機構を示す概略構成図

【図２】図１の例の双眼拡大光学系の構成図

【図３】図１の例の対物レンズに対する各光学系の配置
図

【図４】図１の例の測距光学系および照明光学系の構成
図

【図５】第２の実施例における双眼実体顕微鏡の内部光
学機構を示す概略構成図

【図６】図５の例の対物レンズに対する各光学系の配置
図

【図７】図５の例の測距用投光手段、測距手段および照
明光学系の構成図

【図８】図５の例のアクティブ方式の測距手段の検出原
理を示す説明図

【符号の説明】

10,100 双眼実体顕微鏡Ｗ被検体 11 対物レンズ 20 双眼拡大光学系 26 接眼レンズ 30 落射照明手段 40,145 測距手段 46,149 検出素子 50 合焦機構 60,140 測距用投光手段 49,64,144,150 偏光フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０２Ｂ 21/22 7246−2Ｋ 7811−2ＫＧ０２Ｂ 7/11 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】双眼拡大光学系の前に対物レンズが配設
されると共に、光源からの照明光を上記対物レンズを通
して被検体に照射する落射照明手段を備えた双眼実体顕
微鏡において、被検体に測距用光束を照射する測距用投
光手段と、上記測距用投光手段による測距用光束に基づ
き被検体の位置ずれに対応した測距信号を出力する測距
手段と、上記測距手段の信号に基づいて駆動される合焦
機構とを配設する一方、前記測距用投光手段および測距
手段に偏光フィルタを介装したことを特徴とする双眼実
体顕微鏡。