JP2006208407A - 立体画像観察用顕微鏡システム - Google Patents

Abstract

【課題】 観察物体の立体感の再現性がよく、観察者の目の疲労が少ない立体画像を供給する立体画像撮影装置および立体画像表示装置および立体画像観察用顕微鏡システムを提供する。
【解決手段】 光軸方向の異なる物点距離にピントのあった画像を撮影する撮影装置と、撮影装置により撮影した複数の画像を観察者の視線方向に重ねて表示する表示装置とで構成された立体画像観察用顕微鏡システムにおいて、撮影装置は、被写体の像を取得する対物光学系１と、対物光学系により取得された像の倍率を調整する変倍光学系２と、変倍光学系により倍率調整された像を撮像する複数の撮像素子５、６を備えており、更に以下の条件式を満たす。
ｆob×NAmax≧１５ 、 NAmin≧0.02 、 0.25≦ｄ×NA／(R×β)≦２
【選択図】 図１

Description

本発明は、観察物体に作業を加えるのに適した電子画像立体観察顕微鏡に関する。

従来、顕微鏡下での微細加工や、患部付近の狭い領域での正確な作業が求められる顕微鏡下での手術には、実体顕微鏡が用いられてきた。近年、これらの作業を遠隔操作で行うことが望まれている。というのは、遠隔操作で作業を行うことができれば、加工技能者や医師が現場へ移動することなく、遠隔地から対応できるようになるからである。このような遠隔操作を実現するためには、実体顕微鏡により観察される被写体の像を画像化して表示装置上に表示できるようにするのが望ましい。

このような用途に適用されるものとしては、観察者の両眼視差を利用して表示画像を立体的に観察させる装置が知られている。例えば、両眼視差の効果が現れる程度に被写体に対する角度を変えて撮影した画像を表示装置上に表示し、観察者が左右の目で夫々の画像を見ることにより被写体を立体的に観察するステレオ画像観察装置などがある。

このような装置の場合、撮像部の光学系の被写界深度を深くすると撮像面上での解像が劣化し、他方、撮像面上での解像をよくするために撮像部の光学系の開口を大きくすると、被写界深度が浅くなるという問題がある。顕微鏡下の手術や微細加工に用いるステレオ画像観察装置においては、術者の作業精度に直接影響を与える観察画像の解像劣化は絶対に許容できない。そのため、この種のステレオ画像観察装置では、観察画像を高解像化するために撮像部の光学系の被写界深度が浅くなっており、術者は作業中に何度もフォーカス調整を行わなければならず、作業効率の低下や作業者の疲労の原因となっていた。

また、このようなステレオ画像観察装置によるステレオ画像は、観察者の視線方向で立体的に見えにくいことが知られている。すなわち、被写体の境界部分（例えば物体の輪郭）の画像は比較的立体として捉え易いが、観察者の視線方向に連続的に物体が存在するような被写体では、平板に絵を書いたような立体感の無い画像になって、観察者が被写体を立体として認識することができない。このような観察者の視線方向の立体感の欠如した画像は、術者が観察物体の形状を誤認する可能性があるため、この種の用途のステレオ画像としては適さない。

このため、従来、視線方向の立体情報が得られる超多眼観察やホログラムの装置および方法が提案されている。しかし、これらの提案では、撮像系の解像度が不足し、実用化が難しい。また、DFD式（Depth-Fused3D）装置および方法が例えば次の特許文献１，２に提案されている。

特許文献１には、視線方向に複数並べた画像の同一位置の表示濃度を変えることで複数の画像の間の位置関係が表現できることが示されている。また、特許文献２には、光軸方向に離れた位置にあるフォーカスの合っている像とフォーカスから外れている像をそれぞれ撮像し、それらを重ねて表示することにより視線方向の情報量を増やして観察者に立体像を認識させる例が示されている。
特開２０００−２１４４１３号公報 特開２０００−３４１４７３号公報

従来、一般的には、このように像を重ねても複数の像があるのが認識されるだけで観察者は像を立体的に捉えることはできないと思われていた。また、ピントの合っていない画像はコントラストの低下など画像劣化になるとして、ピントの合っていない部分を消すなどの画像補正が行われていた。

ところが、実際にピントの合っていない画像を残したまま観察者の視線方向に画像を重ねて見た場合、ピントの合っていない画像は視線方向に立体感を与えるのに寄与しており、観察者は自然な立体像を観察することができる。観察者の視線方向に画像を並べることにより、従来の実体顕微鏡で観察者がフォーカスを変えたときに得られる光学像の変化にごく近い見えが再現されることがその理由であり、上記特許文献１、２による手法は、観察者が視線方向の像を複数の点情報として認識し、かつその像のコントラスト変化（像の濃度変化）を立体情報としている捉えていることを利用したものである。しかし、この方法で立体画像を作成してもなお、顕微鏡下の外科手術などに利用する立体画像としては立体感不足である。

本発明の目的は、観察物体を立体画像として表示したときに、顕微鏡下で外科手術等を行うのに十分な立体情報を含んで観察物体の立体感の再現性がよく、長時間観察しても観察者の目の疲労が少ない立体画像を供給する立体画像撮影装置および立体画像表示装置および立体画像観察用顕微鏡システムを提供することにある。

本発明の立体画像観察用顕微鏡システムは、光軸方向の異なる物点距離にピントのあった画像を撮影する撮影装置と、撮影装置により撮影した複数の画像を観察者の視線方向に重ねて表示する表示装置とで構成されている。

撮影装置は、被写体の像を取得する対物光学系と、対物光学系により取得された像の倍率を調整する変倍光学系と、変倍光学系により倍率調整された像を撮像する複数の撮像素子を備えており、変倍光学系はアフォーカル光束中に配置されるのが望ましい。また、以下の条件式（１）、（２）、（３）を満足するのが望ましい。

条件式（１） ｆob×NAmax≧１５
条件式（２） NAmin≧0.02
条件式（３） 0.25≦ ｄ×NA／(R×β) ≦ ２
ただし、
ｆobは対物光学系の焦点距離（単位：mm）、
NAmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
NAminは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最小値、
βは変倍光学系の変倍率、
NAは変倍光学系の変倍率がβのときの撮影装置の光学系の入射側開口数、
Rは対物光学系の前に置いた白黒のラインペアを、撮像素子の撮像面上の水平方向に白黒のラインが並ぶように撮像し、撮像素子から送られてくる画像信号を処理する回路系を通してモニタに表示したときに、白黒ラインペアのモニタ上でのコントラストが１０％となるときの白黒ラインペアの幅（単位：mm）、ｄは隣合う２つの撮像素子の撮像面間隔（単位：mm）、である。

（１）式は立体画像観察用顕微鏡システムとしての作業性を確保するための条件式であって、（１）式の条件を満足しない場合には、被写体と撮影装置の距離が十分にとれず、顕微鏡下での微細加工における技術者の作業性や、患部付近の狭い領域での正確な作業が求められる顕微鏡下での手術における術者の作業性が悪くなる。

（２）式は立体画像観察用顕微鏡システムの撮影装置の光学系が取り得る入射側開口数の最小値を規定するものであって、条件式の下限を外れると、取得される画像の立体感が不足する。このため、術者が画像を観察しながら患部に対して処置をするときに、メスなどの処置具と患部との位置把握がし難くなる。

（３）式は撮影装置の光学系の光路上に隣り合って配置される撮像素子の撮像面の位置関係を規定するものである。条件式の下限を外れると、撮像素子によって取得した２つの画像のコントラスト差が十分に得られない。このため、ピント位置の異なる２つの画像を表示装置により観察者の視線方向に重ねて表示したときに、観察者が２つの画像のコントラスト変化に基づく立体感を感じ難くなり、立体的な画像として認識することができない。また、条件式の上限を超えると、撮像素子によって取得した２つの画像のコントラスト差が大きくなりすぎて、表示装置に表示された２つの画像の相関が無くなってしまう。このため、観察者が表示画像を見たときに、立体的な画像として認識することができない。

立体画像観察用顕微鏡システムの表示装置は、撮影装置によって撮像された異なる物体距離にピントのあった画像を観察者の視線上に以下のような順序で重ねて表示するように構成されている。すなわち、撮影装置に対してより近い物点に対してピントのあった画像を観察者に対してより近い位置に表示し、撮影装置に対してより遠い物点に対してピントのあった画像を観察者からより遠い位置に表示するように構成されている。また、観察者の視線方向に隣り合って配置される表示面１と表示面２は、以下の条件を満たすのが望ましい。

条件式（４） αn ＞ a×Ｅ／（Ｄ＋ａ）
条件式（５） αf ＞ a×Ｅ／Ｄ
ただし、
Ｅは観察者の眼幅（単位：mm）、
Ｄは観察者の観察位置から観察者に近い方の表示面１までの距離（単位：mm）、
ａは表示面１と表示面２の間隔（単位：mm）、
αfは観察者に近い方の表示面１に表示される物点像が観察者に遠い方の表示面２に表示されるときの大きさ（単位：mm）、
αnは観察者に遠い方の表示面２に表示される物点像が観察者に近い方の表示面１に表示されるときの大きさ（単位：mm）である。

（４）、（５）式は観察者の視線方向に重なった画像を立体画像として認識させるために表示装置が満たすべき構成条件である。観察者が両眼で観察したときに、表示面１と表示面２に表示される同一物点の画像が重なって見える必要があり、そのためには（４）、（５）式の両方を満たすことが望ましい。どちらかの条件を満たさない表示装置では表示画像が立体的に見え難くなって観察者に著しい疲労を与えることになり好ましくない。

観察者の眼幅は、一般的には５５〜７５mm程度であるので、（４）、（５）式において、Ｅの値を８０mm以上に設定してからその他のパラメータの値を決定すると、ほとんどの観察者が立体観察可能な表示装置を構成することができる。また、Eの値を大きく設定することで、表示画像に運動視差の効果が加わることになり、観察者が表示装置の表示画面内で視線を移動させたときにも立体感を失うことなく自然な立体画像観察を行うことができる。

（４）、（５）式を満足させるためには、表示装置にデジタルズーム機能を持たせて各表示面の表示倍率を調整できるように構成するのが望ましい。

さらに、表示装置に対して観察者が観察する位置を移動した場合でも表示画像の立体感が失われないようにするために、撮影装置と表示装置はそれぞれ以下の条件式を満足するのが望ましい。

条件式（６） NAmax≧0.15
条件式（７） ｜βid×Ii／D／tanγ｜≦ 0.2
ただし、
NAmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
Iiは撮影装置に配置される撮像素子の撮像面における光軸位置から最大像高位置までの距離（単位：mm）、
γは撮影装置に配置される撮像素子の撮像面における最大像高位置に入射する主光線の光軸に対する傾き角度、
Ｄは観察者の観察位置から観察者に最も近い表示面までの距離（単位：mm）、
βidは撮像素子の受光面に結像した像を表示面に表示する倍率である。

撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値が（６）式の下限を下回ると、微小な被写体を高倍率で観察するときに画像の立体感が不足する。このため、表示装置に対して観察者が観察する位置を移動すると表示画像の立体感が失われてしまい好ましくない。

（７）式は撮影装置の取り得る撮影視野範囲に対して表示装置が立体画像として表示できる範囲を最適化するための条件式である。（７）式の条件を外れると、撮影装置の取り得る撮影視野範囲に対して表示装置が立体画像として表示できる範囲が狭くなってしまう。このため、観察者が観察位置を移動したときに立体画像として常に認識できる範囲がごく狭い範囲に制限されてしまい好ましくない。

ところで、顕微鏡による実際の観察では、撮影装置の光学系の光軸に対して３次元的に傾いた物体面を観察することが多い。このような場合には、撮像素子の撮像面における光軸位置を支点にして、撮像面が物体面と同じだけ傾くように構成することにより、撮像面でのピントのずれを補正することができる。このような構成とするためには、撮影装置の光学系を像側にテレセントリックな光学系とするのが望ましい。

また、表示装置側でも同じように、表示面中心を支点にして表示面が撮像面と同じだけ傾くように構成し、撮像面の傾きに応じてそれぞれの表示面ごとに画像表示倍率を調整することにより、中心から周辺まで歪むことなく自然な立体画像を再現することができる。そのため、光軸に対する撮像面の傾きを検出して、それぞれの表示面に表示する倍率を決定する機構、および、決定した表示倍率をもとにして画像を加工する機構を表示装置内に備えるのが望ましい。

以上に説明した構成により、観察物体を立体画像として表示したときに、顕微鏡下で外科手術等を行うのに十分な立体情報を含んでおり、観察者の視線方向での観察物体の立体感の再現性がよく、長時間観察しても観察者の目の疲労が少ない立体画像を供給する立体画像撮影装置および立体画像表示装置および立体画像観察用顕微鏡システムを提供することができる。

本発明によれば、観察物体を立体画像として表示したときに、顕微鏡下で外科手術等を行うのに十分な立体情報を含んで観察物体の立体感の再現性がよく、長時間観察しても観察者の目の疲労が少ない立体画像を供給する立体画像撮影装置および立体画像表示装置および立体画像観察用顕微鏡システムを提供することができる。

（第１実施例）
第１実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を図１に、表示装置を図２に示す。

撮影装置には、条件式（１）から（３）を満たす光学系として、物体O側から順に、アフォーカル対物レンズ1と、対物レンズ1からのアフォーカル光束をアフォーカル変倍するアフォーカルズームレンズ2と、アフォーカルズームレンズ2から射出するアフォーカル光束を結像する結像レンズ3と、結像レンズ3からの光束を分割する光分割素子4と、光分割素子で分割した光束を撮像する撮像素子5,6の撮像面In,Ifが配置されている。

図１には、物体Ｏの像位置Ｉと、撮像面In、Ifの共役位置In'、Iｆ'との関係を示した。InとIｆ'の間隔、In'とIfとの間隔をｄとすると、像位置IとIn、Iｆの間隔がd/2となるように撮像面を配置するのが好ましい。このような構成により、物体Ｏを挟んで光軸方向の異なる物点距離にピントのあった画像を所望の倍率で撮影することができる。

表示装置は、撮像面Inにより撮像された画像を表示するディスプレイ７と、撮像面Ifにより撮像された画像を表示するディスプレイ８が間隔aで配置され、観察者９が距離Dの位置から表示面を観察する。

観察者９が両眼で表示面を観察する場合、ディスプレイ７上に表示される物点像ｆがディスプレイ８上に表示されるときの像の大きさαｆと、ディスプレイ８上に表示される物点像eがディスプレイ７上に表示されるときの像の大きさαｎが、条件式（４）と（５）を満たすように画像表示倍率の調整が行われる。

このとき、２つのディスプレイに表示される画像のコントラスト差は、撮像面InとIfにおけるMTF（Modulation Transfer Function）の差に近似するように調整されるのが望ましい。そのため、表示装置には、撮像素子により取得された画像信号をもとにして所定の演算を行う機構（図示せず）及びデジタルズームなどの画像処理機構（図示せず）が配置されている。このように、観察者９の視線方向にコントラストのついた画像を表示させることにより、観察者９は、実際に物体の光学像を目視観察する場合と変わらない自然な感覚で拡大画像の立体観察ができる。

また、撮影装置と表示装置がさらに条件式（７）を満たすように構成すると、撮影装置によって取得した画像を表示装置側で加工する量が少なくできるので好ましい。

なお、表示装置のディスプレイには、透過型の液晶ディスプレイなどを使用するのが望ましい。また、表示装置の光路上にハーフミラーのような画像合成光学系を配置することもできる。
（第２実施例）
第２実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を図３に、表示装置を図４に示す。

撮影装置には、条件式（１）、（２）を満たす光学系として、物体O側から順に、アフォーカル対物レンズ1と、対物レンズ1からのアフォーカル光束をアフォーカル変倍するアフォーカルズームレンズ2と、アフォーカルズームレンズ2から射出するアフォーカル光束を結像する結像レンズ3と、結像レンズ3からの光束を分割する３分割プリズム10と、３分割プリズムにより分割された光束を撮像する３つの撮像素子１１、１２、１３が配置されている。図３には、物体Ｏの像位置Ｉと、撮像素子１１の撮像面１４、撮像素子１２の撮像面１５の共役位置１５'、撮像素子１６の共役位置１６'との関係を示した。本実施例の撮影装置は、３つの撮像面が物体Ｏの像位置Ｉを挟んで配置され、かつ撮像面１４と撮像面１５の共役位置１５'の間隔をd1、撮像面１５の共役位置１５'と撮像面１６の共役位置１６'の間隔をd2としたときに、以下の条件式（３−１）、（３−２）を満たすように構成されている。

条件式（３−１） 0.25≦ ｄ1×NA／(R×β) ≦ ２
条件式（３−２） 0.25≦ ｄ2×NA／(R×β) ≦ ２
ただし、d1、d2以外のパラメータの定義は条件式（３）と同じである。

表示装置には、撮像面１４により撮像された画像を表示するディスプレイ１７と撮像面１５により撮像された画像を表示するディスプレイ１８とが間隔a1で配置され、ディスプレイ１８と撮像面１６により撮像された画像を表示するディスプレイ１９とが間隔a2で配置される。また、観察者２０の観察位置からディスプレイ１７までの距離をD1、観察者２０の観察位置からディスプレイ１８までの距離をD2となるように設定される。

観察者２０が両眼で表示面を観察する場合、ディスプレイ１７上に表示される物点像pn1がディスプレイ８上に表示されるときの像の大きさαｆ1と、ディスプレイ１８上に表示される物点像pｆ1がディスプレイ１７上に表示されるときの像の大きさαｎ1が、以下の条件式（４−１）と（５−１）を満たすように画像表示倍率の調整が行われる。また、ディスプレイ１８上に表示される物点像pｆ1がディスプレイ１９上に表示されるときの像の大きさαｆ2と、ディスプレイ１９上に表示される物点像pｆ2がディスプレイ１８上に表示されるときの像の大きさαｎ1が、以下の条件式（４−２）と（５−２）を満たすように画像表示倍率の調整が行われる。各条件式のおいてＥは観察者２０の眼幅であり、Ｅ＝８０mm以上に設定するのが望ましい。

条件式（４−１） αn1 ＞ a1×Ｅ／（Ｄ１＋ａ1）
条件式（５−１） αf1 ＞ a１×Ｅ／Ｄ１
条件式（４−２） αn2 ＞ a2×Ｅ／（Ｄ2＋ａ2）
条件式（５−２） αf2 ＞ a2×Ｅ／Ｄ2
このとき、３つのディスプレイに表示される画像のコントラスト差は、それぞれの撮像面におけるMTFの差に近似するように調整されるのが望ましい。そのため、表示装置には、撮像素子により取得された画像信号をもとにして所定の演算を行う機構（図示せず）及びデジタルズームなどの画像処理機構（図示せず）が配置されている。このように、観察者２０の視線方向に表示させる画像に含まれるコントラスト情報の密度を高めることにより、観察者２０は、より自然な感覚で拡大画像の立体観察ができる。

撮像装置側の撮像素子と表示装置側のディスプレイの数をさらに増やすことも可能である。その場合でも、撮像装置の光学系の光軸上で隣り合う任意の３つの撮像面が条件式（３−１）、（３−２）を満たし、かつ、上記３つの撮像面が取得した画像を表示し、観察者２０の視線方向に隣り合う３つのディスプレイの表示面が条件式（４−１）、（５−１）および条件式（４−２）、（５−２）を満たすように構成するのが望ましい。

なお、実施例１及び実施例2の撮影装置では、結像レンズ3の像側で光束を分割しているが、結像レンズ３よりも物体側で分割することもできる。
（第３実施例）
第３実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を図５に、表示装置を図６に示す。

本実施例の基本的な装置構成は実施例１の構成と同じであるので、実施例1と構成が異なる部分のみを説明する。顕微鏡による実際の観察では、撮影装置の光学系の光軸に対して３次元的に傾いた物体面を観察することが多い。そこで、本実施例の撮影装置は、物体面の傾きに対応して撮像面が傾くように構成されている。さらに、撮影装置の光学系に配置されるズームレンズ機構やフォーカス調整機構に連動して撮像面の傾きを調整し、物体面に対して常にピントのあった状態が保たれるように構成されている。

また、表示装置側でも撮像面の傾きを検出して、ディスプレイの表示面を撮像面の傾きと同じだけ傾けることができるように構成されている。このように、撮影装置の光学系の光軸に対する観察面の傾きを考慮することで、観察者９は表示装置に表示される画像を中心から周辺まで歪むことなく自然な立体画像として観察することができる。
（第４実施例）
第４実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を図７に、表示装置を図９に示す。

撮影装置は、物体側より順に、物体の像を取得してアフォーカル光束を射出する対物レンズ21と、対物レンズから射出するアフォーカル光束をアフォーカル変倍するズームレンズ22と、ズームレンズ中の瞳をリレーするアフォーカルリレーレンズ23と、アフォーカルリレーレンズ中に配置され、左眼用画像を取得するための光路と右眼用画像を取得するための光路に分割する光分割素子24と、光分割素子で分割された後の光路中において、左右の撮像素子により取得される画像に視差情報を付加するために光軸に対して偏心させて配置した開口絞り28L、28Rと、開口絞りを通過した光束を撮像素子の撮像面上に結像する結像レンズ29L、29Rと、結像レンズから射出する結像光束を２つの光路に分割する光分割素子30L、30Rと、物体Ｏの像位置31L、31Rの前後に配置され、ピント位置の異なる被写体像を撮像する撮像素子の撮像面32L、33L、32R、33Rから構成されている。また、左右のアフォーカルリレーレンズ23L、23R中には、左右の光路の間隔を調整する反射部材25、26、27が配置されている。

図７には、物体Ｏの像位置31L、31Rに対する、撮像面32L、32Rとその共役位置32'L、32'Rと、撮像面33L、33Rとその共役位置33'L、33'Rとの関係を示した。本実施例の撮影装置は、撮像面が物体Ｏの像位置Ｉを挟んで配置され、かつ撮像面32と撮像面33の共役位置33'との間隔をdeとしたとき、以下の条件式（６）を満たすように構成されている。

条件式（６） 0.25≦ ｄe×NAlr／(R×β) ≦ ２
ただし、
NAlrは変倍光学系の変倍率がβのときの撮影装置の光学系の入射側開口数、
Rは対物光学系の前に置いた白黒のラインペアを、撮像素子の撮像面上の水平方向に白黒のラインが並ぶように撮像し、撮像素子から送られてくる画像信号を処理する回路系を通してモニタに表示したときに、白黒ラインペアのモニタ上でのコントラストが１０％となるときの白黒ラインペアの幅（単位：mm）、ｄは隣合う２つの撮像素子の撮像面間隔（単位：mm）である。

また、本実施例の撮影装置は、以下の条件式も満たすのが望ましい。

条件式（７） ｆob×NAlrmax≧１５
条件式（８） NAlrmin≧0.02
ただし、
ｆobは対物光学系の焦点距離（単位：mm）、
NAlrmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
NAlrminは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最小値である。

撮像装置の光学系を上記のような構成にすることによって、視差の情報と視線方向のコントラスト情報とを観察者に立体感を与えるための情報として提供することができる。

図８は、光軸から偏心させて左右の開口絞り28L、28Rを配置すると、撮影装置としてどの程度の開口径が確保できるかを示すために、左右の開口絞りの開口35L、35Rと左右の開口絞りを配置しない状態での撮影装置の開口34を重ねて表示した図である。図８に示すように、本実施例の構成では左右の開口絞りの開口径を左右の開口絞りを配置しない状態での撮影装置の開口径の1/2以上にすることができるので、十分な視差を確保して、しかも開口の大きい光学系が構成できる。

図９に示すように本実施例の表示装置には、観察者41の観察位置から遠い順に、左右それぞれの撮像面33L、33Rが取得した画像を表示するディスプレイ36L、36Rと、左右の撮像面32L、32Rが取得した画像を表示するディスプレイ37L、37Rと、ディスプレイに表示された画像を拡大して観察する左右の接眼レンズ38L、38Rが配置されている。また、接眼レンズの光路中には観察者の眼幅に合わせて左右の光路の間隔を調整する反射部材39L、39R、40L、40Rが配置されている。

また、Eeは、左右それぞれの目をおくと像が立体的に見える範囲である。更に、本実施例の表示装置は、観察者が左右どちらの目をEeの範囲で動かしても、ディスプレイ37L、37Rの画像と、ディスプレイ38L、38Rの画像が重なるように、以下の条件式を満たすのが望ましい。

条件式（９） αne ＞ ae×Ee／（2foc＋ae）
条件式（１０） αfe ＞ ae×Ee／2foc
ただし、左眼用の表示装置における各パラメーターの関係を示した図１０によれば、
ｆocは接眼レンズの焦点距離、
ａeはディスプレイ37Lとディスプレイ38Lの表示面の間隔、
αfeはディスプレイ38Lの表示面上に表示される物点像eeがディスプレイ37Lの表示面上に表示されるときの像の大きさ、
αneはディスプレイ37Lの表示面上に表示される物点像feがディスプレイ38Lの表示面上に表示されるときの像の大きさ、
Eeは表示装置の接眼レンズの眼幅調整可能範囲である。

なお、右眼用の表示装置も同様の関係であるので説明を省略する。

このように、観察者41の視線方向に表示させる画像にコントラスト情報を付加し、更に左眼用の画像と右眼用の画像に分割して視差情報を付加することにより、光学像を目視観察する場合と遜色の無い立体感の再現性を確保したので、本実施例の立体画像観察用顕微鏡システムは、より自然な感覚で、長時間観察しても眼の疲労を感じることなく立体画像観察が可能な拡大画像を提供することができる。

ほとんどの人の眼幅は５５〜７５mmに入り、人の瞳径の最大値は概ね７ｍｍであるので、左右のEeの間隔を６５ｍｍにしてEeの直径をφ１３．５にすれば、ほとんどの人が眼幅調整をしなくても立体観察することができる。 さらに大きくすると、運動視差の効果が加わり、より立体感が強まる。Eeをφ２０くらいにすると効果が大きい。

なお、表示装置のディスプレイには、透過型の液晶ディスプレイなどを使用するのが望ましい。また、表示装置の光路上にハーフミラーのような画像合成光学系を配置することもできる。

第１実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を示す図である。 第１実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける表示装置を示す図である。 第２実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を示す図である。 第２実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける表示装置を示す図である。 第３実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を示す図である。 第３実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける表示装置を示す図である。 第４実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける撮影装置を示す図である。 左右の開口絞りの開口と左右の開口絞りを配置しない状態での撮影装置の開口を重ねて表示した図である。 第４実施例の立体画像観察用顕微鏡システムにおける表示装置を示す図である。 左眼用の表示装置における各パラメーターの関係を示した図である。

符号の説明

１ 対物レンズ
２ アフォーカルズームレンズ
３ 結像レンズ
４ 光分割素子
５、６ 撮像素子
Ｏ 物体
Ｉ 像位置
In、If 撮像面
In'、Iｆ' 共役位置

Claims (8)

1. 光軸方向の異なる物点距離にピントのあった画像を撮影する撮影装置と、撮影装置により撮影した複数の画像を観察者の視線方向に重ねて表示する表示装置とで構成された立体画像観察用顕微鏡システムにおいて、撮影装置は、被写体の像を取得する対物光学系と、対物光学系により取得された像の倍率を調整する変倍光学系と、変倍光学系により倍率調整された像を撮像する複数の撮像素子を備えており、更に以下の条件式を満たすことを特徴とする立体画像観察用顕微鏡システム。
   ｆob×NAmax≧１５
   NAmin≧0.02
   0.25≦ ｄ×NA／(R×β) ≦ ２
   ただし、
   ｆobは対物光学系の焦点距離（単位：mm）、
   NAmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
   NAminは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最小値、
   βは変倍光学系の変倍率、
   NAは変倍光学系の変倍率がβのときの撮影装置の光学系の入射側開口数、
   Rは対物光学系の前に置いた白黒のラインペアを、撮像素子の撮像面上の水平方向に白黒のラインが並ぶように撮像して表示装置の表示面に表示したときに、白黒ラインペアの表示面上でのコントラストが１０％となるときの白黒ラインペアの幅（単位：mm）、
   ｄは隣合う２つの撮像素子の撮像面間隔（単位：mm）、
   である。
2. 表示装置は、撮影装置に対してより近い物体にしてピントのあった画像を観察者に対してより近い位置に表示し、撮影装置に対してより遠い物体に対してピントのあった画像を観察者からより遠い位置に表示するように構成され、更に、観察者の視線方向に隣り合って配置される表示面１と表示面２が以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
   αn ＞ a×Ｅ／（Ｄ＋ａ）
   αf ＞ a×Ｅ／Ｄ
   ただし、
   Ｅは観察者の眼幅（単位：mm）、
   Ｄは観察者の観察位置から観察者に近い方の表示面１までの距離（単位：mm）、
   ａは表示面１と表示面２の間隔（単位：mm）、
   αfは観察者に近い方の表示面１に表示される物点像が観察者に遠い方の表示面２に表示されるときの大きさ（単位：mm）、
   αnは観察者に遠い方の表示面２に表示される物点像が観察者に近い方の表示面１に表示されるときの大きさ（単位：mm）、
   である。
3. 撮影装置と表示装置は、更に以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
   NAmax≧0.15
   ｜βid×Ii／D／tanγ｜≦ 0.2
   ただし、
   NAmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
   Iiは撮影装置に配置される撮像素子の撮像面における光軸位置から最大像高位置までの距離（単位：mm）、
   γは撮影装置に配置される撮像素子の撮像面における最大像高位置に入射する主光線の光軸に対する傾き角度、
   Ｄは観察者の観察位置から観察者に最も近い表示面までの距離（単位：mm）、
   βidは撮像素子の受光面に結像した像を表示面に表示する倍率、
   である。
4. 撮影装置の光学系の光軸に対して傾いた物体面を観察する場合において、撮影装置は、撮像素子の撮像面における光軸位置を支点にして、撮像面が物体面と同じだけ傾くように構成され、表示装置は、表示面の中心を支点にして、表示面が撮像面と同じだけ傾くように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
5. 撮影装置の光学系が像側テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項４に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
6. 光軸方向の異なる物点距離にピントのあった画像を撮影する撮影装置と、撮影装置により撮影した複数の画像を接眼レンズの光軸上に重ねて表示する表示装置とで構成された立体画像観察用顕微鏡システムにおいて、撮影装置は、物体側より順に、物体の像を取得してアフォーカル光束を射出する対物レンズと、対物レンズから射出するアフォーカル光束をアフォーカル変倍するズームレンズと、ズームレンズ中の瞳をリレーするアフォーカルリレーレンズと、アフォーカルリレーレンズ中に配置され、左眼用画像を取得するための光路と右眼用画像を取得するための光路に分割する光分割素子と、光分割素子で分割された後の光路中において、左右の撮像素子により取得される画像に視差情報を付加するために光軸に対して偏心させて配置した開口絞りと、開口絞りを通過した光束を撮像素子の撮像面上に結像する結像レンズと、物体の像位置の前後に配置され、ピント位置の異なる被写体像を撮像する撮像素子から構成され、以下の条件式を満たすことを特徴とする立体画像観察用顕微鏡システム。
   0.25≦ ｄe×NAlr／(R×β) ≦ ２
   ただし、
   NAlrは変倍光学系の変倍率がβのときの撮影装置の光学系の入射側開口数、
   Rは対物光学系の前に置いた白黒のラインペアを、撮像素子の撮像面上の水平方向に白黒のラインが並ぶように撮像し、撮像素子から送られてくる画像信号を処理する回路系を通してモニタに表示したときに、白黒ラインペアのモニタ上でのコントラストが１０％となるときの白黒ラインペアの幅（単位：mm）、ｄは隣合う２つの撮像素子の撮像面間隔（単位：mm）、である。
7. 表示装置は、撮影装置の撮像素子が取得した左眼用画像と右眼用画像をそれぞれ表示する複数のディスプレイと、ディスプレイに表示された画像を拡大して観察する一対の接眼レンズで構成され、ディスプレイは、撮影装置に対してより近い物体にしてピントのあった画像を接眼レンズに対してより近い位置に表示し、撮影装置に対してより遠い物体に対してピントのあった画像を接眼レンズからより遠い位置に表示するように接眼レンズの光軸上に配置され、更に、接眼レンズの光軸上で隣り合って配置されるディスプレイの表示面が以下の条件を満たすことを特徴とする請求項６に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
   αne ＞ ae×Ee／（2foc＋ae）
   αfe ＞ ae×Ee／2foc
   ただし、
   ｆocは接眼レンズの焦点距離、
   ａeはディスプレイの表示面の間隔、
   αfeは接眼レンズに近いディスプレイの表示面上に表示される物点像eeが接眼レンズから遠いディスプレイの表示面上に表示されるときの像の大きさ、
   αneは接眼レンズから遠いディスプレイの表示面上に表示される物点像feが接眼レンズに近いディスプレイの表示面上に表示されるときの像の大きさ、
   Eeは表示装置の接眼レンズの眼幅調整可能範囲、である。
8. 撮像装置が更に以下の条件を満たすことを特徴とする請求項６に記載の立体画像観察用顕微鏡システム。
   ｆob×NAlrmax≧１５
   NAlrmin≧0.02
   ただし、
   ｆobは対物光学系の焦点距離（単位：mm）、
   NAlrmaxは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最大値、
   NAlrminは撮影装置の光学系の取り得る入射側開口数の最小値、である。
   

Images