WO2019208005A1

WO2019208005A1 - 接眼光学系、医療用ビューア及び医療用ビューアシステム

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Publication number: WO2019208005A1
Application number: PCT/JP2019/010450
Authority: WO
Inventors: 聡史長江; 丈司畠山; 一郎辻村
Original assignee: ソニー株式会社
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2019-10-31
Also published as: US12130440B2; EP3620844B1; US11733517B2; JP2020173459A; CN110770637A; JP6733834B2; EP3620844A1; EP3620844A4; JP7375688B2; CN110770637B; JPWO2019208005A1; US20230350210A1; US20210149198A1

Abstract

本発明は、眼幅調整を不要としながら、光学系の小型化を図りつつ、より高画質な立体像を提供することを目的とする。　本発明の接眼光学系は、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材（１０１）、ミラー（１０３）、第２偏光部材（１０５）、及び、画像表示デバイス（１０７）が順に配置されており、前記第１偏光部材（１０１）における偏光状態と、前記第２偏光部材（１０５）における偏光状態とが、互いに直交する。

Description

接眼光学系、医療用ビューア及び医療用ビューアシステム

　本開示は、接眼光学系、医療用ビューア及び医療用ビューアシステムに関する。

　従来、画像表示装置の一例として、以下の特許文献１に開示されているような３Ｄヘッドマウントディスプレイ（３Ｄ－ＨＭＤ）が知られている。この３Ｄ－ＨＭＤでは、右目と左目にそれぞれ対応する接眼光学系が、眼幅距離で２つ並列されており、それぞれの接眼光学系が備える画像表示ディスプレイに視差を有する画像を表示させる。これにより、３Ｄ－ＨＭＤを装着した観察者は、画像表示ディスプレイに表示される画像を、立体観察することができる。

国際公開第２０１５／１２５５０８号

　上記のような３Ｄ－ＨＭＤでは、使用前に、左右の接眼光学系の眼幅距離を、観察者が自身の眼幅に応じて調整することが求められる。ここで、眼幅距離とは、右眼用の接眼光学系での観察者の覗き位置と、左眼用の接眼光学系での観察者の覗き位置と、の間の離隔距離に対応する。事前の調整が求められる理由は、調整を行わない場合には、画像表示デバイスに映し出される画像がケラれてしまい、観察できない領域が生じてしまうからである。しかしながら、上記のような眼幅距離の調整作業は煩雑であり、眼幅調整を無くすことが強く希求されている。

　更に、上記のようなＨＭＤ構成において、眼と接眼光学系との相対位置は、文字通りヘッドマウント方式によって、固定されてしまう。このため、上記のようなＨＭＤ構成は、眼鏡をかけた状態では使用することができない。すると、観察者の視力に応じて、接眼光学系のピント位置を調整すること（すなわち、視度調整）が必須となる。

　このような、眼幅調整及び視度調整は、迅速性が求められる医療の現場において、煩雑であり、無くすことが求められている。

　人間における右眼と左眼との間の間隔は、大きく個人差がある。異なる眼幅を有する観察者が使用する場合であっても、画像表示デバイスに表示される画像がケラれずに観察できるようにするためには、接眼光学系のアイボックス（虚像が視認される範囲）を広くすることが求められる。すなわち、眼の位置が偏心した場合であっても、有効光線がケラれないようにするために、接眼光学系を構成するレンズ等の部品有効径を大きく設定しなければならない。

　ところで、接眼光学系に用いる画像表示デバイスの大きさによっては、２つの接眼光学系を眼幅距離で並列させたときに、右眼用の接眼光学系における画像表示デバイスと、左眼用の接眼光学系における画像表示デバイスとが干渉して、問題となる場合がある。このような場合、用いる画像表示デバイスの大きさを小型化すれば、干渉回避が可能であるとも考えられる。しかしながら、実際上は、先に述べたアイボックスの広域化と、画像表示デバイスの小型化とを両立することは、以下の理由から困難である。

　観察像（画像表示デバイスに映る画像の虚像）の大きさは、仕様で定められている。そのため、仕様に定められた観察像の大きさを保持しつつ画像表示デバイスを小型化していくと、接眼光学系の焦点距離を短く（換言すれば、接眼光学系の倍率を大きく）することが求められる。このとき、有効径を大きく設定することを考慮すると、接眼光学系を構成する各レンズのエッジ厚を確保するために、レンズの曲率を緩めざるを得ず、各レンズのパワーが小さくなっていく。その結果、各レンズのパワーが小さいことを補うために、レンズ枚数が増大し、接眼光学系の大型化・重量化につながってしまう。

　上記のような理由から、画像表示デバイスの小型化には光学設計上の限界があるため、ミラーで光路を折り曲げることに思い至る。しかしながら、このような折り曲げ構成を採用した場合、ミラーでは反射せずに観察者に直接到達する虚像が生じてしまう。このような、ミラーでは反射せずに観察者に直接到達する虚像は、ゴーストと呼ばれる。このようなゴーストが発生した場合、観察者は、３次元像の左右両側に、本来不要なゴーストを見ることとなり、画質の低下が問題となる。

　そのため、上記事情に鑑みて、本開示では、眼幅調整を不要としながら、光学系の小型化を図りつつ、より高画質な像を提供することが可能な接眼光学系と、かかる接眼光学系を備えた医療用ビューア及び医療用ビューアシステムとを提案する。

　本開示によれば、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する、接眼光学系が提供される。

　また、本開示によれば、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を備える、医療用ビューアが提供される。

　また、本開示によれば、手術が行われている部位である術部を撮像した画像を画像処理し、得られた術部撮像画像を出力する画像処理ユニットと、前記画像処理ユニットから出力された前記術部撮像画像を、観察者に提示する医療用ビューアと、を備え、前記医療用ビューアは、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を備える、医療用ビューアシステムが提供される。

　本開示によれば、画像表示デバイスに表示される画像を構成する光線は、第２偏光部材によって所定の偏光状態となり、ミラーの反射面で反射された後に、第１偏光部材へと到達する。第１偏光部材における偏光状態と第２偏光部材における偏光状態とは、互いに直交するため、上記経路で第１偏光部材に到達した光線は、第１偏光部材を透過して観察者へと至る一方で、ミラーで反射することなく第１偏光部材に到達した光線は、第１偏光部材を透過することができない。

　以上説明したように本開示によれば、眼幅調整を不要としながら、光学系の小型化を図りつつ、より高画質な像を提供することが可能となる。

　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、又は、本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。

本開示の実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系の一例を模式的に示した説明図である。同実施形態に係る接眼光学系における接眼レンズについて説明するための説明図である。同実施形態に係る接眼光学系における接眼レンズについて説明するための説明図である。同実施形態に係る接眼光学系における接眼レンズについて説明するための説明図である。同実施形態に係る接眼光学系を備える医療用ビューア、医療用ビューアシステム、及び、手術用システムを説明するための説明図である。実施例１の接眼光学系について説明するための説明図である。実施例１の接眼光学系について説明するためのグラフ図である。実施例２の接眼光学系について説明するためのグラフ図である。実施例３の接眼光学系について説明するためのグラフ図である。実施例４の接眼光学系について説明するための説明図である。実施例４の接眼光学系について説明するためのグラフ図である。

　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．実施形態
　１．１　接眼光学系について
　１．２　医療用ビューア、医療用ビューアシステム、及び、手術用システムについて
２．実施例

（実施形態）
＜接眼光学系について＞
　まず、図１Ａ～図７を参照しながら、本開示の第１の実施形態に係る接眼光学系について、詳細に説明する。
　図１Ａ～図３Ｂは、本実施形態に係る接眼光学系を模式的に示した説明図である。図４は、本実施形態に係る接眼光学系の一例を模式的に示した説明図である。図５～図７は、本実施形態に係る接眼光学系における接眼レンズについて説明するための説明図である。

　本実施形態に係る接眼光学系は、当該接眼光学系を観察者が覗き込んだ場合に、画像表示デバイスに表示された画像を、観察者の眼に到達させるための光学系である。この接眼光学系１０では、図１Ａに模式的に示したように、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材１０１、ミラー１０３、第２偏光部材１０５、及び、画像表示デバイス１０７が順に配置されている。図１Ａに示したように、本実施形態に係る接眼光学系１０は、ミラー１０３で光路を折り曲げた状態となっているため、眼幅調整を不要としながら、アイボックスの広域化と画像表示デバイス１０７の小型化とを両立することが可能な光学設計を、実現することが可能となる。また、本実施形態に係る接眼光学系１０は、いわゆるヘッドマウント方式を採用せずとも実現可能であるため、観察者が眼鏡を装着している場合であっても、観察者は視度調整を行うことなく画像表示デバイス１０７に出力された画像を観察することができる。

　また、図１Ａでは、単眼の接眼光学系１０を示したが、図１Ｂに示したように、図１Ａに示した接眼光学系１０を２つ用い、一方を左眼用の接眼光学系１０Ｌとし、もう一方を右眼用の接眼光学系１０Ｒとすることができる。図１Ｂに示したような左右一対の接眼光学系１０Ｌ，１０Ｒを設け、各接眼光学系１０Ｌ，１０Ｒに設けられた画像表示デバイス１０７から視差を有する画像をそれぞれ表示させることで、観察者は、立体像を観察することが可能となる。なお、以下の説明では、２つの接眼光学系１０Ｌ，１０Ｒを総称して、接眼光学系１０ということがある。

　図１Ａ及び図１Ｂに示したような、本実施形態に係る接眼光学系１０では、第１偏光部材１０１における偏光状態と、第２偏光部材１０５における偏光状態と、が互いに直交するようになっている。画像表示デバイス１０７に表示される画像を構成する光線は、第２偏光部材１０５によって所定の偏光状態となり、ミラー１０３の反射面で反射された後に、第１偏光部材１０１へと到達する。ここで、ミラー１０３の反射面では、光線の偏光状態が、反射によって、第２偏光部材１０５によって付与された偏光状態から当該偏光状態に直交する偏光状態へと変化する。先だって言及したように、第１偏光部材１０１における偏光状態と、第２偏光部材１０５における偏光状態とは、互いに直交するため、上記経路で第１偏光部材１０１に到達した光線は、光量が減衰することなく第１偏光部材１０１を透過して、観察者へと至る。

　一方、ミラー１０３で反射することなく第１偏光部材１０１に到達した光線（例えば、図２に模式的に示した直接像ゴーストｇ）は、偏光状態が第２偏光部材１０５によって付与された偏光状態のままであるため、第１偏光部材１０１を透過することができない。これにより、ミラー１０３で反射することなく第１偏光部材１０１に到達した直接像ゴーストｇは、観察者へと至ることは無いため、直接像ゴーストｇの光量を減衰させて観察者に提供される画像の高画質化を図ることが可能となる。

　このように、偏光状態が互いに直交する２つの偏光部材を組み合わせて用いることで、直接像ゴーストの観察者への到達を抑制しつつ、有効光線は確実に観察者へと到達させるという効果を奏することが可能となる。

　本実施形態に係る接眼光学系のような光路の折り曲げ構造を採用した場合、直接像ゴーストｇの光線（以下、「ゴースト光線」とも称する。）は、レンズ有効径付近を通過するようになる。そのため、レンズ有効径を大きくして、画像表示デバイス１０７の小型化を図るとともに、眼幅調整を不要なものとすると、ゴースト光線が観察者に到達しやすくなるというトレードオフが存在していた。しかしながら、上記のように、偏光状態が互いに直交する２つの偏光部材１０１，１０５を組み合わせて用いることで、効果的に直接像ゴーストを遮断することができる。

　ここで、本実施形態に係る接眼光学系１０において、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、特に限定されるものではなく、公知の任意の偏光部材の組み合わせを使用することができる。

　例えば、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、それぞれ直線偏光板とすることが可能である。また、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、それぞれ、直線偏光板及び１／４波長板（λ／４板）からなる円偏光板とすることも可能である。

　第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５をそれぞれ直線偏光板とする場合には、一方の直線偏光板の偏光軸の方向（偏光方向）が例えば－４５°であり、もう一方の直線偏光板の偏光方向が例えば＋４５°であるように、各直線偏光板を設置すればよい、これにより、互いに直交する偏光状態を容易に作り出すことができる。また、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５をそれぞれ円偏光板とする場合には、直線偏光板を用いる場合よりもコスト高になるものの、直線偏光板のような偏光方向の組み合わせの調整が不要となるため、接眼光学系のアラインメント（調整組立）が容易となる。

　また、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５の組み合わせは、上記の例に限定されるものではなく、例えば、第１偏光部材１０１を直線偏光板とし、第２偏光部材１０５を１／２波長板（λ／２板）とすることが可能である。なぜならば、画像表示デバイス１０７（例えば、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｄｉｓｐｌａｙ：ＬＣＤ）等）は、一般的にそれ自体が直線偏光で発光しているため、第２偏光部材１０５を殊更直線偏光板とする必要はなく、λ／２板を用いることで、任意の偏光方向にできるからである。そして、この考え方を推し進めれば、ＬＣＤの発光の偏光方向を±４５度にすることで、第２偏光部材１０５自体を削除できる。また、第１偏光部材１０１は、直線偏光板とし、第２偏光部材１０５は、観察者側から順に、直線偏光板及び１／２波長板が配置された偏光部材とすることも可能である。

　なお、上記のような第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５を設置する際、これらの偏光部材を、画像表示デバイス（ＬＣＤなど）の保護ガラスに貼り付けた上で設置してもよい。このように設置することで、画像表示デバイス１０７から発せられる熱と前方の低温の空気との温度差によって偏光部材が結露してしまう可能性を抑制することができ、観察者に提供される画像のより一層の高画質化を図ることが可能となる。ただし、偏光部材を保護ガラスに貼り付けると、偏光部材の表面に付着しているゴミ等が認識されやすくなってしまうため、偏光部材を保護ガラスに貼り付ける際には、偏光部材及び保護ガラスの表面における付着物の存在に注意を払うことが好ましい。

　ここで、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５の大きさは、画像表示デバイス１０７の大きさに応じて設定されることが好ましい。

　ミラー１０３は、画像表示デバイス１０７から発し、第２偏光部材１０５によって所定の偏光状態となった光線を、反射面にて反射させて、第１偏光部材１０１の方向へと導光する部材である。ミラー１０３の反射面で光線が反射する際に、光線が有している偏光状態が、第２偏光部材１０５によって付与された偏光状態に対して直交する状態へと変化する。これにより、ミラー１０３によって反射した光線は、第１偏光部材１０１を透過することができる。

　ミラー１０３については、特に限定されるものではなく、公知の各種のミラーを適宜用いることが可能であり、なるべく反射率の高いミラーを用いることが好ましい。このようなミラーとして、金属（例えば、アルミニウム等）蒸着ミラーや、誘電体多層膜ミラーが公知であるが、本実施形態に係るミラー１０３としては、金属蒸着ミラーを用いることが好ましい。その理由を図４の接眼光学系１０Ｌを例にとって説明する。

　画面左から発して観察者の眼に至る光線は、画面右から発して観察者の眼に至る光線よりも、ミラー法線から測ったミラーへの入射角度が大きいことがわかる。誘電体多層膜ミラーとは、基材に光学薄膜を多層蒸着することで、可視光波長帯域における反射特性を実現するものであるが、入射角度に応じて分光特性が変化してしまうことが知られている。このため、本実施形態に係る接眼光学系の光学構成において、ミラー１０３として誘電体多層膜ミラーを使用してしまうと、画面左から発して観察者の眼に至る光線は、画面右から発して観察者の眼に至る光線よりも、青みがかってしまう。このような状態は、画像の色シェーディングであり、医療（例えば外科手術）においては忠実な色再現が求められることから、好ましくない。

　また、ミラー１０３の大きさは、画像表示デバイス１０７の大きさに応じて設定されることが好ましい。また、ミラー１０３の設置角度（例えば、ミラー１０３の反射面と、第１偏光部材１０１の光軸とのなす角度）は、画像表示デバイス１０７の表示画面に表示された画像を全て観察者へと導光することが可能となるように設定されることが好ましい。

　画像表示デバイス１０７の表示画面には、各種の画像が表示されて、観察者へと提供される。本実施形態に係る画像表示デバイス１０７は、特に限定されるものではなく、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイ等、公知の各種のディスプレイを用いることが可能である。

　画像表示デバイス１０７の大きさは、眼幅調整を不要としながら、かつ、アイボックスの広域化を実現可能な範囲で、なるべく小さなものとすることが好ましい。

　また、本実施形態に係る接眼光学系１０は、図３Ａ及び図３Ｂに模式的に示したように、第１偏光部材１０１と、ミラー１０３との間の光路上に、接眼レンズ１１１を更に有することが好ましい。接眼レンズ１１１を設けることで、画像表示デバイス１０７の表示画面に表示されている画像を拡大して観察者に提供することが可能となる。そのため、接眼レンズ１１１を設けることで、画像表示デバイス１０７の更なる小型化を図ることができる。

　かかる接眼レンズ１１１は、１枚のレンズから構成されていてもよいし、複数枚のレンズから構成されるレンズ群であってもよい。また、接眼レンズ１１１のレンズ面は、球面であってもよいし、非球面であってもよい。更に、接眼レンズ１１１の硝材については、特に限定されるものではなく、公知の任意の硝材を適宜用いることが可能である。

　ただし、本実施形態に係る接眼光学系１０において、接眼レンズ１１１におけるミラー１０３側のレンズ面（接眼レンズ１１１がレンズ群で構成される場合、少なくとも、最もミラー１０３側に位置するレンズのミラー１０３側のレンズ面）は、図４に一例を示したように、凸の曲率を有することが好ましい。

　本実施形態に係る接眼光学系１０のように光路が折り曲げられている場合には、先だって説明した直接像ゴーストｇ以外に、以下のようなゴーストが発生する可能性がある。すなわち、画像表示デバイス１０７及び第２偏光部材１０５を経た光線が、接眼レンズ１１１の表面に到達し、接眼レンズ１１１の表面で反射した光線がミラー１０３に達して、ミラー１０３に到達した光線が、接眼レンズ１１１及び第１偏光部材１０１を経て、観察者へと到達する可能性が考えられる。このような光線のことを、以下では「レンズ反射像ゴーストｇ’」と称することとする。

　図４に例示したように、少なくとも、最もミラー１０３側に位置するレンズ面の曲率が凸の曲率を有することで、ゴースト光線束のうち、接眼レンズ１１１の凸面の接線成分のみが反射して、ミラー１０３へと到達し、観察者に至らないようにすることができる。すなわち、接眼レンズ１１１の凸面が発散ミラーの働きをして、ゴースト光線を発散させて、観察眼における単位当たりのゴースト光線束の照度を抑制することが可能となる。実際、光線追跡シミュレーションを実施すると、図５に模式的に示したように、レンズ反射像ゴーストｇ’の光線束は細く、輝度が弱くなる（換言すれば、レンズ反射像ゴーストｇ’のＦ値が暗くなる）ことが明らかとなった。このように、第１偏光部材１０１とミラー１０３との間に接眼レンズ１１１を設けることで、直接像ゴースト及びレンズ反射像ゴーストを抑制して、更に一層優れた高質化を実現することが可能となる。

　また、ミラー１０３の反射面において、画像表示デバイス１０７から出た光線のうち接眼レンズ１１１のミラー１０３側のレンズ面で反射した反射光が、ミラー１０３の反射面に到達する位置の近傍に対して、ミラー１０３で反射した反射光（レンズ反射像ゴースト）を遮蔽する遮蔽物を設けてもよい。また、遮蔽物の代わりに、レンズ反射像ゴーストがミラー１０３の反射面において反射しないように、レンズ反射像ゴーストを吸収するような部材を設けてもよい。このような機構を設けることで、更なる高画質化を実現することが可能となる。

　なお、図６に一例を示したように、接眼レンズ１１１を、第１偏光部材１０１の観察者側に配置することも考えうる。この場合においても、直接像ゴーストを抑制しつつ、有効光線はしっかりと透過させるという効果を実現することは可能である。しかしながら、接眼レンズ１１１のミラー１０３側に第１偏光部材１０１が位置する場合、第１偏光部材１０１の表面が平面ミラーの働きをしてしまい、例えば図７に模式的に示したように、全てのゴースト光線束が第１偏光部材１０１の表面で反射して、観察者に到達してしまう。そのため、ゴースト光線束の照度を抑制することが出来なくなる。

　上記のような接眼レンズ１１１の拡大倍率をβとすると、３＜β＜５の関係が成立することが好ましい。接眼レンズ１１１の拡大倍率βが３以下である場合、接眼レンズ１１１の焦点距離を長くすることが可能となり、アイボックスの広域化を実現することができるが、画像表示デバイス１０７のサイズが大きくなってしまう。この場合に、図１Ｂ及び図３Ｂに示したような２眼用の接眼光学系を設定する際に、２つの画像表示デバイス１０７間の干渉（物理的に近付きあってしまうこと）を避けることが困難となる可能性がある。一方、接眼レンズ１１１の拡大倍率βが５以上となる場合は、画像表示デバイス１０７の小型化を図ることが容易となるが、接眼レンズ１１１の焦点距離は短くなってアイボックスは狭小となり、眼振りに対応できなくなる可能性がある。接眼レンズ１１１の拡大倍率βは、より好ましくは、３．５超過４．５未満であり、更に好ましくは、３．７超過４．３未満である。

　また、上記のような接眼レンズ１１１の角倍率をγとすると、１．２＜γ＜１．５の関係が成立することが好ましい。接眼レンズ１１１の角倍率γが１．２以下である場合には、接眼レンズ１１１の焦点距離を長くすることが可能となり、アイボックスの広域化を実現することができるが、画像表示デバイス１０７のサイズが大きくなってしまう可能性があるため、好ましくない。一方、接眼レンズ１１１の角倍率γが１．５以上である場合には、画像表示デバイス１０７の小型化を図ることが容易となるが、接眼レンズ１１１の焦点距離は短くなってアイボックスは狭小となり、眼振りに対応できなくなる可能性があるため、好ましくない。接眼レンズ１１１の角倍率γは、より好ましくは、１．２超過１．４未満であり、更に好ましくは、１．２超過１．３未満である。

　以上、図１Ａ～図７を参照しながら、本実施形態に係る接眼光学系１０について、詳細に説明した。

＜医療用ビューア、医療用ビューアシステム及び手術用システムについて＞
　続いて、図８を参照しながら、本実施形態に係る接眼光学系１０を備える医療用ビューア２００及び医療用ビューアシステム６００、並びに、かかる医療用ビューア２００を含む手術用システム１０００について、簡単に説明する。図８は、本実施形態に係る接眼光学系を備える医療用ビューア、医療用ビューアシステム及び手術用システムを説明するための説明図である。

　本実施形態に係る手術用システム１０００は、図８に模式的に示したように、手術ユニット３００と、医療用ビューアシステム６００と、を備える。また、本実施形態に係る医療用ビューアシステム６００は、例えば図８に模式的に示したように、医療用ビューア２００と、画像処理ユニット４００と、画像伝送ユニット５００と、を備える。なお、図８では、本実施形態に係る医療用ビューアシステム６００が画像伝送ユニット５００を備える場合について図示しているが、医療用ビューアシステム６００は、画像伝送ユニット５００を有していなくともよい。

　更に、本実施形態に係る手術用システム１０００は、上記の手術ユニット３００及び医療用ビューアシステム６００に加えて、手術ユニット３００を操作するための操作ユニット７００を有していることが好ましい。

　本実施形態に係る医療用ビューア２００は、医療用ビューアシステム６００を構成する装置の一つであり、後述する手術ユニット３００の撮像ユニット３０１で撮像された各種の画像を表示させて、医師等のユーザに対して、撮像ユニット３０１で撮像された各種の画像を提供する。かかる医療用ビューア２００のうち、医師等のユーザが覗き込む接眼ユニット付近（図８において破線で囲った領域）に対し、先だって説明したような接眼光学系１０が実装される。

　本実施形態に係る接眼光学系１０は、以上説明したように、視度調整及び眼幅調整を不要としながら、光学系の小型化を図りつつ、より高画質な像を提供することが可能である。そのため、医師等のユーザは、視度調整及び眼幅調整を実施することなく、ただ接眼ユニットを覗き込むだけで、高画質な術部（手術が行われている部位）に関する撮像画像（術部撮像画像）を、観察することができる。

　上記のような機能を有する本実施形態に係る医療用ビューア２００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、入力装置、出力装置、通信装置等といった各種のハードウェアから構成されている。

　また、上記のように、本実施形態に係る手術用システム１０００には、手術ユニット３００及び医療用ビューアシステム６００とは異なるユニットとして、医師等のユーザが手術ユニット３００を操作するための操作ユニット７００が設けられていることが好ましい。この操作ユニット７００は、医師等のユーザが手で操作する操作アーム７０１と、医師等のユーザが足で操作する操作ペダル７０３と、が設けられている。また、操作ユニット７００には、上記の構成に加えて、手術ユニット３００を操作するための各種のボタン等（図示せず。）等が設けられていてもよい。医師等のユーザは、これら操作アーム７０１及び操作ペダル７０３等を操作することで、手術ユニット３００に設けられた撮像ユニット３０１や手術器具ユニット３０３を、所望の状態に制御することができる。

　具体的には、医師等のユーザは、医療用ビューア２００の接眼光学系１０から提供される画像を観察しながら、操作アーム７０１及び／又は操作ペダル７０３等を操作して、撮像ユニット３０１の撮像位置や撮像倍率を制御したり、手術器具ユニット３０３に設けられた高周波ナイフや鉗子やスネアワイヤ等といった各種手術器具を操作したりすることができる。

　医師等のユーザは、術部に関する術部撮像画像を観察しながら、操作ユニット７００の操作を行うため、かかる操作ユニット７００は、医療用ビューア２００の近傍に設けられていることが好ましく、医療用ビューア２００と操作ユニット７００とが一体となっていてもよい。

　手術ユニット３００は、医療用ビューアシステム６００及び操作ユニット７００のそれぞれと有線又は無線で互いに接続されている。手術ユニット３００では、操作ユニット７００から送信された、医師等のユーザの操作に関するユーザ操作情報に基づき、撮像ユニット３０１及び手術器具ユニット３０３が稼働する。これにより、医師等のユーザが、手術を受ける患者と離れた位置に存在する場合であっても、患者に対して手術操作を行うことができる。

　撮像ユニット３０１は、例えば無影灯の近傍に設けられた各種の撮像カメラであってもよいし、内視鏡ユニットや顕微鏡ユニット等に設けられた各種のカメラユニットであってもよい。これらの撮像ユニット３０１で随時撮像される画像は、医療用ビューアシステム６００が備える画像処理ユニット４００へと送信される。

　手術器具ユニット３０３は、高周波ナイフ、鉗子、スネアワイヤ等といった各種の手術で用いられる手術器具が、各種のロボットアーム（図示せず）等に保持されているユニットである。手術器具ユニット３０３は、操作ユニット７００の操作アーム７０１及び／又は操作ペダル７０３等に対して行われたユーザ操作に応じて稼働する。

　画像処理ユニット４００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力装置、出力装置、通信装置等により実現されるプロセッサユニットの一例である。画像処理ユニット４００は、医療用ビューア２００及び手術ユニット３００のそれぞれと、有線又は無線で互いに接続されている。画像処理ユニット４００は、手術ユニット３００の撮像ユニット３０１が随時撮像した、術部を撮像した画像に対し所定の画像処理を施して、術部撮像画像とする。ここで、画像処理ユニット４００が実施する画像処理は、特に限定されるものではなく、デモザイク処理等の公知の各種の画像処理が実施される。画像処理ユニット４００は、術部撮像画像を生成すると、生成した術部撮像画像を、画像伝送ユニット５００へと出力する。

　画像処理ユニット４００は、撮像ユニット３０１（例えば、内視鏡ユニットや顕微鏡ユニットに設けられたカメラユニット）から供給された２Ｄ／３Ｄ画像と、ユーザインタフェース（Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ＵＩ）等の加工された画像（補助画像）と、を合成して、様々な情報が重畳された合成画像を術部撮像画像として生成することも可能である。また、画像処理ユニット４００は、上記のような術部撮像画像を、外部に設けられた外付けモニタ等の外部出力装置に出力する、ＤＶＩ端子等の各種端子を有していることが好ましい。更に、画像処理ユニット４００は、画像伝送ユニット５００との間で音声情報の伝送を行うことも可能である。

　画像伝送ユニット５００は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力装置、出力装置、通信装置等により実現されるリレーユニットの一例であり、画像処理ユニット４００から出力された術部撮像画像を、医療用ビューア２００に出力する中継用ボックスとして機能する。そのため、画像処理ユニット４００と医療用ビューア２００との間で実施される情報の送受信に際して、中継が不要である場合には、本実施形態に係る医療用ビューアシステム６００に画像伝送ユニット５００を設けなくともよい。

　画像伝送ユニット５００は、医療用ビューア２００及び画像処理ユニット４００のそれぞれと、有線又は無線で互いに接続されている。画像伝送ユニット５００は、画像処理ユニット４００から出力された術部撮像画像を、医療用ユーザへと伝送する。これにより、医療用ビューア２００を使用している医師等の観察者に対して、術部撮像画像が提示されるようになる。

　また、画像伝送ユニット５００には、画像処理ユニット４００から供給された術部撮像画像を、外部に設けられた外付けモニタ等の外部出力装置に出力する、ＤＶＩ端子等の各種端子を有していることが好ましい。また、画像伝送ユニット５００は、ＤＶＩ端子等の各種端子から入力された画像を、医療用ビューア２００に伝送することも可能である。更に、画像伝送ユニット５００は、各種のトレーニング機器を接続する端子等を有しており、トレーニング機器から入力されたトレーニング画像を医療用ビューア２００や外付けモニタ等の外部出力装置に出力させる機能を有していてもよい。

　なお、図８では、画像処理ユニット４００及び画像伝送ユニット５００が別個の装置であるように図示されているが、画像処理ユニット４００及び画像伝送ユニット５００は、ある一つの制御装置の一機能として、それぞれ実装されていてもよい。

　以上、本実施形態に係る医療用ビューア２００、医療用ビューアシステム６００及び手術用システム１０００について、簡単に説明した。

　以下に、実施例を示しながら、本開示に係る接眼光学系について、より具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本開示に係る接眼光学系の一例にすぎず、本開示に係る接眼光学系が下記に示す例に限定されるものではない。

（実施例１）
　以下に示す実施例１では、図４に示した、２つのレンズからなる接眼レンズを有する左右同一の接眼光学系について設計し、結像シミュレーションを行った。

　かかるシミュレーションでは、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、保護ガラスに貼り付けられて存在しているものとした。また、画像表示デバイス１０７として、液晶ディスプレイパネル（５．２インチ、半対角６６．１ｍｍ）のものを使用した。かかる液晶ディスプレイパネルは、フルＨＤ（１９２０×１０８０画素）の解像度を有する液晶ディスプレイパネルである。更に、ミラー１０３の反射面と、接眼レンズの光軸とのなす角は、３７度とした。

　アイレリーフは、レンズ面から２０ｍｍの位置とし、眼から液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤパネル）の虚像までの距離（虚像距離）は、５５０ｍｍとした。左右のＬＣＤパネルを、４．９２３ｍｍだけ水平方向にオフセットすることで、両眼輻輳距離を８７０ｍｍと設定している。また、眼幅の基準を６２ｍｍとし、水平方向に±１０．７２ｍｍまでの眼振りに対応したアイレリーフ設定とした。最大眼振り時の光線図を、図９に模式的に示した。

　その他の設定条件については、以下の表１にまとめて示した。また、本実施例の接眼光学系のレンズパラメータは、表２に示した通りである。

　図１０は、ナイキスト周波数における、白色光スルーフォーカスＭＴＦを示したものである。このＭＴＦは、眼から画像表示デバイスへ逆光線追跡した場合（すなわち、結像光学系として捉えた場合）の接眼光学系の結像性能を意味するものである。図１０において、横軸は、像面（画像表示デバイス面）を基準０としたときの前後スルーフォーカス位置（ｍｍ）である。また、縦軸は、ＭＴＦ（コントラスト値）である。ＭＴＦが１０％（０．１）以上あれば、目視で解像して見えると考えてよい。

　実施例１～４において、画像表示デバイスとして用いた各ＬＣＤのｉｎｃｈサイズは異なっており、このため、画素ピッチも異なっている。実施例１においては、画素ピッチから算出されるナイキスト周波数は、表１に示したように、８（ｌｐ／ｍｍ）である。従って、図１０は、８（ｌｐ／ｍｍ）で描いた。なお、表１と、以下に示す表３、表５、表７とを比較すると、ｉｎｃｈサイズが小さくなるほど、ナイキスト周波数が大きくなっていくことがわかる。すなわち、より高い周波数でレンズ設計を行う必要が生じ、設計難易度は高まる方向となる。

　図１０において、Ｆ１：画面中心、Ｆ２：画面左下７０％、Ｆ３：画面左上７０％、Ｆ４：画面右下７０％、Ｆ５：画面右上７０％の各画面位置における、垂直方向（Ｙ軸方向）のＭＴＦと水平方向（Ｘ軸方向）のＭＴＦを表している。また、ＤｉｆｆＲａｃｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔ（Ｄｉｆｆ．ｌｉｍ）とは、回折限界を表す。図１０から明らかなように、本実施例における接眼光学系は、画面中心から画面周辺の対角７０％の範囲にわたって、ナイキスト周波数まで解像していることから、フルＨＤの観察が可能であることがわかる。このように、本実施例に係る接眼光学系は、優れたコントラストを示しており、高画質な画像を観察者に提供可能であることがわかる。

（実施例２）
　以下に示す実施例２では、図４に示した、２つのレンズからなる接眼レンズを有する左右同一の接眼光学系について設計し、結像シミュレーションを行った。

　かかるシミュレーションでは、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、保護ガラスに貼り付けられて存在しているものとした。また、画像表示デバイス１０７として、液晶ディスプレイパネル（４．５インチ、半対角５７．０ｍｍ）のものを使用した。かかる液晶ディスプレイパネルは、フルＨＤ（１９２０×１０８０画素）の解像度を有する液晶ディスプレイパネルである。更に、ミラー１０３の反射面と、接眼レンズの光軸とのなす角は、３７度とした。

　アイレリーフは、レンズ面から２０ｍｍの位置とし、眼から液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤパネル）の虚像までの距離（虚像距離）は、５５０ｍｍとした。左右のＬＣＤパネルを、４．４７４ｍｍだけ水平方向にオフセットすることで、両眼輻輳距離を８７０ｍｍと設定している。また、眼幅の基準を６２ｍｍとし、水平方向に±１０．７２ｍｍまでの眼振りに対応したアイレリーフ設定とした。

　その他の設定条件については、以下の表３にまとめて示した。また、本実施例の接眼光学系のレンズパラメータは、表４に示した通りである。

　シミュレーションにより得られた接眼光学系のＭＴＦを、図１１に示した。図１１に示したＭＴＦの表記方法は、実施例１と同様である。図１１から明らかなように、本実施例における接眼光学系は、画面中心から画面周辺の対角７０％の範囲にわたって、ナイキスト周波数まで解像していることから、フルＨＤの観察が可能であることがわかる。このように、本実施例における接眼光学系は、優れたコントラストを示しており、高画質な画像を観察者に提供可能であることがわかる。

（実施例３）
　以下に示す実施例３では、図４に示した、２つのレンズからなる接眼レンズを有する左右同一の接眼光学系について設計し、結像シミュレーションを行った。

　かかるシミュレーションでは、第１偏光部材１０１及び第２偏光部材１０５は、保護ガラスに貼り付けられて存在しているものとした。また、画像表示デバイス１０７として、液晶ディスプレイパネル（４．０インチ、半対角５０．７ｍｍ）のものを使用した。かかる液晶ディスプレイパネルは、フルＨＤ（１９２０×１０８０画素）の解像度を有する液晶ディスプレイパネルである。更に、ミラー１０３の反射面と、接眼レンズの光軸とのなす角は、３７度とした。

　アイレリーフは、レンズ面から２０ｍｍの位置とし、眼から液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤパネル）の虚像までの距離（虚像距離）は、５５０ｍｍとした。左右のＬＣＤパネルを、３．９８６ｍｍだけ水平方向にオフセットすることで、両眼輻輳距離を８７０ｍｍと設定している。また、眼幅の基準を６２ｍｍとし、水平方向に±１０．７２ｍｍまでの眼振りに対応したアイレリーフ設定とした。

　その他の設定条件については、以下の表５にまとめて示した。また、本実施例の接眼光学系のレンズパラメータは、表６に示した通りである。

　シミュレーションにより得られた接眼光学系のＭＴＦを、図１２に示した。図１２に示したＭＴＦの表記方法は、実施例１と同様である。図１２から明らかなように、本実施例における接眼光学系は、画面中心から画面周辺の対角７０％の範囲にわたって、ナイキスト周波数まで解像していることから、フルＨＤの観察が可能であることがわかる。このように、本実施例における接眼光学系は、優れたコントラストを示しており、高画質な画像を観察者に提供可能であることがわかる。

（実施例４）
　以下に示す実施例４では、図１３に示した、３つのレンズからなる接眼レンズを有する左右同一の接眼光学系について設計し、結像シミュレーションを行った。

　アイレリーフは、レンズ面から２０ｍｍの位置とし、眼から液晶ディスプレイパネル（ＬＣＤパネル）の虚像までの距離（虚像距離）は、５５０ｍｍとした。左右のＬＣＤパネルを、３．９５９ｍｍだけ水平方向にオフセットすることで、両眼輻輳距離を８７０ｍｍと設定している。また、眼幅の基準を６２ｍｍとし、水平方向に±１０．７２ｍｍまでの眼振りに対応したアイレリーフ設定とした。

　その他の設定条件については、以下の表７にまとめて示した。また、本実施例の接眼光学系のレンズパラメータは、表８に示した通りである。

　シミュレーションにより得られた接眼光学系のＭＴＦを、図１４に示した。図１４に示したＭＴＦの表記方法は、実施例１と同様である。図１４から明らかなように、本実施例における接眼光学系は、画面中心から画面周辺の対角７０％の範囲にわたって、ナイキスト周波数まで解像していることから、フルＨＤの観察が可能であることがわかる。このように、本実施例における接眼光学系は、優れたコントラストを示しており、高画質な画像を観察者に提供可能であることがわかる。

　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、又は、上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。

　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、
　前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する、接眼光学系。
（２）
　前記第１偏光部材と前記ミラーとの間の光路上に、接眼レンズが更に配置されており、
　前記接眼レンズにおける前記ミラー側のレンズ面は、凸の曲率を有する、（１）に記載の接眼光学系。
（３）
　前記接眼レンズの拡大倍率をβとすると、３＜β＜５の関係が成立する、（２）に記載の接眼光学系。
（４）
　前記接眼レンズの角倍率をγとすると、１．２＜γ＜１．５の関係が成立する、請求項（２）又は（３）に記載の接眼光学系。
（５）
　前記ミラーの反射面において、前記画像表示デバイスから出た光線のうち前記接眼レンズの前記ミラー側のレンズ面で反射した反射光が前記ミラーの反射面に到達する位置の近傍には、前記ミラーで反射した前記反射光を遮蔽する遮蔽物が設けられる、（２）～（４）の何れか１つに記載の接眼光学系。
（６）
　前記第１偏光部材及び前記第２偏光部材は、それぞれ直線偏光板である、（１）～（５）の何れか１つに記載の接眼光学系。
（７）
　前記第１偏光部材及び前記第２偏光部材は、それぞれ、直線偏光板及び１／４波長板からなる円偏光板である、（１）～（５）の何れか１つに記載の接眼光学系。
（８）
　前記第１偏光部材は、直線偏光板であり、
　前記第２偏光部材は、１／２波長板である、（１）～（５）の何れか１つに記載の接眼光学系。
（９）
　前記第１偏光部材は、直線偏光板であり、
　前記第２偏光部材は、観察者側から順に、直線偏光板及び１／２波長板が配置された偏光部材である、（１）～（５）の何れか１つに記載の接眼光学系。
（１０）
　観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を備える、医療用ビューア。
（１１）
　手術が行われている部位である術部を撮像した画像を画像処理し、得られた術部撮像画像を出力する画像処理ユニットと、
　前記画像処理ユニットから出力された前記術部撮像画像を、観察者に提示する医療用ビューアと、
を備え、
　前記医療用ビューアは、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を有する、医療用ビューアシステム。
（１２）
　前記画像処理ユニットから出力された前記術部撮像画像を、医療用ビューアへと伝送する画像伝送ユニットを更に備える、（１１）に記載の医療用ビューアシステム。

　　　１０　　接眼光学系
　　１０１　　第１偏光部材
　　１０３　　ミラー
　　１０５　　第２偏光部材
　　１０７　　画像表示デバイス
　　１１１　　接眼レンズ
　　２００　　医療用ビューア
　　３００　　手術ユニット
　　３０１　　撮像ユニット
　　３０３　　手術器具ユニット
　　４００　　画像処理ユニット
　　５００　　画像伝送ユニット
　　６００　　医療用ビューアシステム
　　７００　　操作ユニット
　　７０１　　操作アーム
　　７０３　　操作ペダル
　１０００　　手術用システム

Claims

　観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、
　前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する、接眼光学系。
　前記第１偏光部材と前記ミラーとの間の光路上に、接眼レンズが更に配置されており、
　前記接眼レンズにおける前記ミラー側のレンズ面は、凸の曲率を有する、請求項１に記載の接眼光学系。
　前記接眼レンズの拡大倍率をβとすると、３＜β＜５の関係が成立する、請求項２に記載の接眼光学系。
　前記接眼レンズの角倍率をγとすると、１．２＜γ＜１．５の関係が成立する、請求項２に記載の接眼光学系。
　前記ミラーの反射面において、前記画像表示デバイスから出た光線のうち前記接眼レンズの前記ミラー側のレンズ面で反射した反射光が前記ミラーの反射面に到達する位置の近傍には、前記ミラーで反射した前記反射光を遮蔽する遮蔽物が設けられる、請求項２に記載の接眼光学系。
　前記第１偏光部材及び前記第２偏光部材は、それぞれ直線偏光板である、請求項１に記載の接眼光学系。
　前記第１偏光部材及び前記第２偏光部材は、それぞれ、直線偏光板及び１／４波長板からなる円偏光板である、請求項１に記載の接眼光学系。
　前記第１偏光部材は、直線偏光板であり、
　前記第２偏光部材は、１／２波長板である、請求項１に記載の接眼光学系。
　前記第１偏光部材は、直線偏光板であり、
　前記第２偏光部材は、観察者側から順に、直線偏光板及び１／２波長板が配置された偏光部材である、請求項１に記載の接眼光学系。
　観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を備える、医療用ビューア。
　手術が行われている部位である術部を撮像した画像を画像処理し、得られた術部撮像画像を出力する画像処理ユニットと、
　前記画像処理ユニットから出力された前記術部撮像画像を、観察者に提示する医療用ビューアと、
を備え、
　前記医療用ビューアは、観察者側からみた光路上に、少なくとも、第１偏光部材、ミラー、第２偏光部材、及び、画像表示デバイスが順に配置されており、前記第１偏光部材における偏光状態と、前記第２偏光部材における偏光状態と、が互いに直交する接眼光学系を有する、医療用ビューアシステム。
　前記画像処理ユニットから出力された前記術部撮像画像を、医療用ビューアへと伝送する画像伝送ユニットを更に備える、請求項１１に記載の医療用ビューアシステム。