CN102958420A - 微创手术系统中的双光路棱镜与摄像机 - Google Patents

Abstract

在一种微创手术系统中，摄像机包括棱镜元件，其中在棱镜元件内具有透镜。透镜为非可见光校正所产生的图像的焦点，从而使该图像的焦点与可见光的焦点基本相同。可替换地，透镜为可见光校正所产生的图像的焦点，从而使该图像的焦点与非可见光的焦点基本相同。

Description

微创手术系统中的双光路棱镜与摄像机

相关申请的交叉参考

本申请要求在2010年7月2日提交的由发明人Ian McDowall命名为“DUAL OPTICAL PATH PRISM AND CAMERA IN AMINIMALLY INVASIVE SURGICAL SYSTEM”的美国临时申请No.61/361372的优先权和利益，该申请全部内容包含在此以供参考。

技术领域

本发明各方面涉及内窥镜成像，并且更具体地涉及同时聚焦可见光图像和近红外图像或者紫外图像。

背景技术

加利福利亚Sunnyvale的直观外科手术公司出售的da手术系统是微创远程操作手术系统，其为患者提供许多好处，比如降低对身体的创伤、加快术后恢复和缩短住院时间。da

手术系统的一个重要组成部分是提供可视图像的双通道（即左和右）视频采集和显示从而为外科医生提供立体观察的能力。

这种电子立体成像系统可以向外科医生输出高清晰度视频图像，并且可以允许例如改变焦距以提供一种“放大”视图的特征，该特征允许外科医生识别特定的组织类型和特性，并且以增加的精确度工作。然而，在典型的外科手术领域中，难以确定某些组织类型，或者其他组织可能至少部分地遮挡感兴趣的组织。这使手术程序变复杂。

在一些应用中，近红外光谱中的荧光图像和反射的白光图像被用于微创手术中。但是，近红外荧光图像的后焦距与反射的白光图像的后焦距不同。因此，当从一种操作模式或者从另一种模式转换时，需要调焦。当同时观察近红外荧光图像和反射的白光图像时，内窥镜和摄像机中的典型的光学器件不会同时提供两种图像的焦点。在紫外光谱中同样也会出现类似的情形。

在2010年4月15日公开的国际公开号WO2010/042522A1的申请中提出一种解决不同波长图像的焦平面差异的方案。该方法使用包括由不同材料制成的截面的棱镜，其中不同的材料具有不同的折射率。二向色涂层被设置在截面之间的对角线表面上，以便对角线表面的一半涂覆有短波通过涂层（short pass coating），该短波通过涂层透射可见光且反射近红外光。对角线表面的另一半涂覆有长波通过涂层，该长波通过涂层透射近红外光且反射可见光。

该方法适用于小的焦点差异。然而，由于所需的棱镜尺寸变得过大，所以该方法对于较大的焦点差异是不实际的。该方法还需要实际较大的摄像机，由于较大的摄像机组件导致图像路径变得有些横向偏置。该方法还需要找出具有准确地“校正”指数和阿贝数/色散数的两种材料以满足设计。存在很有限数量的合适的材料，所以解决方案可能不可行。该方法也无法校正更多的一般的光学像差。

发明内容

在一个方面中，内窥摄像机被配置为聚焦图像中的一个之后，恰当地聚焦可见和非可见光图像。在一个方面中，摄像机包括棱镜元件，其中棱镜元件内具有透镜。透镜校正在近红外的感兴趣的波长范围处由内窥镜光学器件产生的纵向（轴向）颜色，以便可见光图像和近红外图像均进入摄像机中的成像传感器的焦点。摄像机内的图像捕获装置和聚焦光学器件可以保持不变。

在本文中使用的术语荧光在近红外光谱中发射光，但是这仅是示例说明性的，而不意图限制。鉴于该公开，荧光能够经过处理在近红外光谱或者在紫外光谱内发射光。

透过没有被刻意设计成具有良好的性能的光学器件的近红外成像很可能在近红外内表现出轴向色像差和其他的光学像差。棱镜元件中的透镜也可减轻一些其他的像差。

在一个方面中，棱镜元件中的透镜是可换的/可变的，以便能够使用带有内窥镜的摄像机，其中内窥镜具有不同的光学特性。在另一方面中，透镜形成于棱镜元件内的两个相邻棱镜面中。可替换地，在可替换路径中，曲面能够在棱镜的斜角边面上。在又一个方面中，使用衍射元件代替透镜。

在另一方面中，在一个示例中，非可见光是荧光，可见光包括白光的可见成分。在再一个方面，荧光是近红外荧光。

方法包括从微创手术器械接收光，其包括可见光和非可见光。可见光与非可见光分开。

在该方法中，可见光和非可见光中的一个透过透镜。透镜校正由可见光和非可见光中的一个形成的图像的焦点，以便产生可见和非可见光图像的光学器件的整个系统焦距（在被成像的波长处测得）大致相同，因此产生由可见光和非可见光形成的图像的合理焦点。

同样，在该方法中，来自透镜的可见光和非可见光中的一个与可见光和非可见光中的另一个重组。经重组的可见光和非可见光被聚焦。

在本方法的另一方面中，可见光和非可见光中的一个透过透镜。透镜校正由可见光和非可见光中的一个形成的图像的焦点，以便图像的焦点与由可见光和非可见光中的另一个形成的图像的焦点大致相同。来自透镜的可见光和非可见光中的一个与可见光和非可见光中的另一个重组。

在本方法的又一个方面中，可见光和非可见光中的一个透过透镜。透镜修改由可见光和非可见光中的一个形成的图像的像差，以便感知的图像焦点与由可见光和非可见光中的另一个形成的图像的焦点相同。来自透镜的可见光和非可见光中的一个与可见光和非可见光中的另一个重组。

微创手术系统包括摄像机，其包括棱镜元件，其中棱镜元件内具有透镜。在一个方面中，使用衍射元件代替透镜。透镜校正由可见光和非可见光中的一个形成的图像的焦点，以便该图像的焦点与透过棱镜元件的可见光和非可见光中的另一个形成的另一个图像的焦点大致相同。

棱镜元件包括具有通过反射涂层的第一表面。涂层使可见光和非可见光中的另一个通过涂层，并且反射可见光和非可见光中的一个。

棱镜元件还包括第二表面，该第二表面与第一表面相对且分离，并且具有反射涂层。

棱镜元件包括多个棱镜。在一个方面中，透镜形成在多个棱镜中的两个相邻棱镜面中。

在又一个方面中，微创手术系统包括具有成像平面和焦点校正组件的摄像机。焦点校正组件包括第一光学路径、包含透镜的第二光学路径、共同的起始位置以及共同的结束位置。第二光学路径的长度比第一光学路径的长度更长。

参考摄像机配置和定位焦点校正组件，以便第一光谱中的光和第二光谱中的光均聚焦在成像平面上，从而形成在成像平面上基本焦点对准的可见光图像和非可见光图像，其中第一光谱中的光从起始位置通过第一光学路径到达结束位置，第二光谱中的光从起始位置通过第二光学路径到达结束位置。

附图说明

图1示出微创远程操作手术系统的高度示意性视图，其中该手术系统包括具有对可见光图像和非可见光图像有共同焦点的内窥摄像机。

图2示出现有的内窥摄像机的方框图。

图3示出新型摄像机的方框图，其中该摄像机包括具有透镜的棱镜元件、聚焦透镜组、CCD棱镜体以及CCD。

图4A示出来自第一内窥镜的可见光和非可见光图像的聚焦特性图。

图4B示出来自第二内窥镜的可见光和非可见光图像的聚焦特性图。

图5示出棱镜元件的一个示例的更详细说明。

图6A至图6E示出图5所示棱镜元件的操作。

图7A至图7E示出棱镜元件的可替换实现方式。

在附图中，参考标记的第一个数字指示具有该参考标记的元件首次出现在其中的附图。

具体实施方式

如本文使用的，电子立体成像包括使用两个成像通道（即，左和右图像的通道）。

如本文使用的，立体光学路径包括用于传输来自组织的光的内窥镜中的两个通道（例如，左和右图像的通道）。在每个通道中被传输的光代表组织的不同视图。光能够形成一个或更多个图像。不失一般性或者适用性的情况下，下面更完整描述的各方面还能够被用于下文中的区域连续立体声采集系统和/或区域连续显示系统。

如本文所使用的，照射路径包括向组织提供照射的内窥镜中的路径。

如本文所使用的，在可见光电磁辐射谱中捕获的图像被称为采集的可见光图像。

如本文所使用的，白光是可见白光，其由三种（或者更多）可见颜色成分组成，例如，红色可见颜色成分、绿色可见颜色成分和蓝色可见颜色成分。如果由照射器提供可见颜色成分，可见颜色成分被称为可见颜色照射成分。白光还可以指可见光谱中的更连续光谱，例如，如同可从加热的钨丝中看见的。

如本文所使用的，可见光图像包括可见颜色成分。

如本文所使用的，非可见光图像是不包括三个可见颜色成分中的任何一个的图像；因此，非可见光图像是由通常被认为是可见范围之外的光形成的图像。

如本文所使用的，在可见光电磁辐射谱中捕获的图像被称为采集的可见光图像。

如本文所使用的，作为由于荧光被捕获的图像在本文中被称为采集的荧光图像。存在各种荧光成像方式。例如，由可注射染料、荧光蛋白或者荧光标记抗体的使用导致荧光。例如，可由激光或者其他能量源激发导致荧光。荧光图像能够提供患者体内对于手术关键的重要信息，例如病理信息（例如，发荧光的肿瘤）或者是解剖学信息（例如，荧光标记的肌腱）。在下面的说明中，作为示例使用近红外谱中的荧光。

如本文所使用的，通过反射涂层是这样的涂层，其使与过渡波长具有第一预定义关系的波长通过，并且反射与过渡波长具有第二预定义关系的波长。例如，如本文所使用的，短波通过长波反射涂层是这样的涂层，其主要使比过渡波长更短的波长通过，并且主要反射比过渡波长更长的波长。因此，在该示例中，第一预定义关系是更短，而第二预定义关系是更长。

本发明各方面有助于通过微创手术系统100中的摄像机120L和120R（图1）采集到焦点对准的来自手术区域的可见光图像和非可见光图像，该微创手术系统100例如加利福利亚Sunnyvale的直观外科手术公司出售的da

微创远程操作手术系统。在一个方面中，摄像机120L和120R用于微创手术系统，该微创手术系统包括两种观察模式：正常模式以及一个或更多个增强模式。人们使用显示模式开关152在观察模式之间切换，其中显示模式开关152通常位于外科医生控制台150上。

在正常观察模式中，手术区域的可见光图像通过摄像机120L和120R采集，并且被显示在立体显示器151中。在增强模式中，非可见光图像通过摄像机120L和120R采集。采集的非可见光图像通过使用可见颜色成分被处理，例如伪着色/伪彩色，并且被呈现在立体显示器151中。在一些方面中，增强模式还可以采集可见光图像。

当不同图像被采集，在未对摄像机做出任何调焦的情况下，摄像机120L和120R适当地将可见光图像和非可见光图像分别聚焦在捕获部件121L和121R上。在一个方面中，摄像机120L和120R被聚焦，从而用捕获部件121L、121R采集可见光图像，并且在未对摄像机120L和120R做任何进一步调整的情况下，用相同的捕获部件121L和121R聚焦获得非可见光图像。

如下更加完整解释的，每个摄像机120L和120R包括棱镜元件（或者具有光功率的其他装置，例如具有变化的折射率的二元表面或者材料），该棱镜元件在其内具有透镜。例如，在一方面中，使用衍射元件代替透镜。衍射元件具有衍射光学表面，其包含提供修正波阵面能力的小结构。衍射表面能够通过包括全息摄影术的多种技术，或者通过形成相息图或者二元表面制造。在具有衍射表面的棱镜元件中，穿过衍射元件的光路径能够具有相对受限的波长范围，这有助于实施这样的表面。

在一个方面中，能够形成非可见光图像的非可见光透过透镜。透镜校正非可见光图像的焦点，以便非可见光图像的焦点与可见光图像的焦点大致相同。

棱镜元件对可见光图像无显著影响。摄像机120L和120R无需改变内窥镜101中的光学法则，同时向不同的图像位置提供解决方案，其中图像位置有时被称为平面，是由用于可见光图像和非可见光图像的光学器件形成。

在进一步详细考虑摄像机120L和120R之前，描述了微创手术系统100。系统100仅是示例说明性的，而不意图将摄像机120L、120R的应用限制于该特定的系统。

微创手术系统100，例如da

手术系统，包括摄像机120L和120R。在该示例中，位于外科医生控制台150的外科医生远程操纵被安装在机器人操纵器臂（未示出）上的内窥镜101。还有与da

手术系统关联的其他部分，缆绳/电缆等等，但是这些在图1中并未示出，以避免从本公开转移注意。关于微创手术系统的进一步信息可以参见例如美国专利申请No.11/762165（2007年6月13日提交；公开微创手术系统）和美国专利US6331181（2001年12月18日提交；公开外科手术机器人工具、数据结构以及使用），其中这两个申请包含在此作为参考。

例如双模照射器110的照射系统被耦合至内窥镜101。双模照射器110包括白光源111和荧光激发源112。源111和112的具体实现方式不是关键。双模照射器110与立体内窥镜101中的至少一个照射路径结合使用以照射组织103。

在一个示例中，双模照射器110具有两种操作模式：正常显示模式和增强显示模式。在正常显示模式中，白光源111提供以白光照射组织103的照射。在正常显示模式中不使用荧光激发源112。

在增强显示模式中，在一个方面中，白光源111提供一个或者更多可见颜色成分用以照射组织103。在另一方面，当荧光激发源112接通时，不使用白光的可见颜色成分的任何一个。通常，三个（或者更多）可见颜色成分组成白光，即白光包括第一可见颜色成分、第二可见颜色成分和第三可见颜色成分。三个可见颜色成分的每个是不同的可见颜色成分，例如红色成分、绿色成分和蓝色成分。还可以使用更多的颜色成分，例如青色。

在增强显示模式中，荧光激发源112提供激发组织103的荧光图像的荧光激发照射成分。例如，来自荧光激发源112的窄带光被用于激发特定组织的近红外发射荧光，以便通过摄像机120L和120R采集组织103内的特定组织的荧光图像。

在一个方面中，白光源111包括用于每个不同可见颜色照射成分的源。对于红绿蓝实现方式，在一个示例中，源是激光器，即红色激光器、绿色激光器和蓝色激光器。表1给出在该示例中使用的每个激光器的输出波长范围。

表1

可见颜色照射成分	波长
		红色	670纳米（nm）
绿色	550nm
		蓝色	450nm

在白光源111中使用激光器仅是示例性的，而不意图作为限制。例如，白光源111还能够使用多激光二极管源，或者代替激光器的发光二极管来实现，并且白光源111能够采用在可见光谱中的多于三个的主要波长峰值。可替换地，白光源111能够使用带有椭圆后向反射器和带通滤波器涂层的氙气灯，从而产生用于可见光图像的宽带的白色照射光。氙气灯的使用同样仅作为示例性，而不是意图作为限制。例如，可以使用高压水银弧光灯、其他弧光灯或者其他宽带灯源。

当荧光激发波长出现在可见光谱之外时（例如，在近红外（NIR）光谱中），激光模块（或者其他能量源，例如发光二极管或者被滤波的白光）被用作荧光激发源112。

因此，在一个方面中，荧光由来自荧光激发源112中的激光模块的光触发。作为示例，使用808nm的激光激发荧光，并且荧光激发最大值为835nm。

在正常显示模式或者增强显示模式中，来自所述光源或者多个光源的光被导入光纤束116。光纤束116将光提供至立体内窥镜101中的照射路径，其又将光导向至组织103。

在一个方面中，内窥镜101还包括两个光学通道，其用于传送来自组织103的光，例如反射的白光和/或荧光。反射的白光是一个或多个正常可见光图像。

来自组织103（图1）的光通过内窥镜101中的立体光学路径传送到摄像机120L和120R。如下更为完整说明的，摄像机120L包括棱镜元件、聚焦透镜组，并且在该方面中，包括左图像电荷耦合装置（CCD）121L。类似地，摄像机120R包括棱镜元件、聚焦透镜组，并且在该方面中，包括右图像CCD121R。

在各种操作模式中，左图像CCD121L采集左图像，右图像CCD121R采集右图像。左图像CCD121L和右图像CCD121R中的每个可以是：多个CCD，该多个CCD的每个捕获不同的可见颜色成分；带有不同CCD范围的单个CCD，该单个CCD捕获特定的可见颜色成分等。仅示出三芯片CCD传感器。还可以使用带有颜色滤波器阵列的单个CMOS图像传感器，或者三CMOS颜色图像传感器组件。

摄像机120L通过左摄像机控制单元（CCU）130L被耦合至外科医生控制台150中的立体显示器151。摄像机120R通过右摄像机控制单元130R被耦合至外科医生控制台150中的立体显示器151。摄像机控制单元（CCU）130L和130R接收来自系统进程（process）162的信号。系统进程162代表系统100中的各种控制器。

显示模式选择开关152将信号提供至用户界面161，用户界面161又将所选择的显示模式传送至系统进程162。系统进程162中的各种控制器配置双模照射器110内的功率和水平控制器115，配置左和右摄像机控制单元130L和130R以采集所需的图像，以及配置处理采集的图像以便在显示器150中给外科医生呈现要求的图像所需要的任何其他元件。

用于将采集的可见光图像与荧光图像结合用以显示的特定的技术对于理解校正可见光图像和非可见光图像之间的焦点差异的新方法来说不是必要的。不考虑观察模式，在仅可见光、仅荧光或者结合的可见光和荧光的情况下，在为可见光图像设置焦点之后未对系统做任何调整的情况下，即在未改变内窥镜光学器件，未改变摄像机焦点以及未对采集的图像进行任何处理以补偿采集的可见光和荧光图像之间焦点差异的情况下，采集的图像和显示的图像两者通常保持焦点对准。

图2示出现有的摄像机220的方框图，其中该摄像机220使用内窥镜101的每个图像通道。内窥镜图像201是来自内窥镜101的组织103的图像。图像201通过前窗222到达聚焦透镜组223，该聚焦透镜组223是聚焦单元的示例。

聚焦透镜组223沿着摄像机220的纵向轴线移动。聚焦透镜组223被定位以便图像201聚焦在CCD棱镜体224中的CCD221上。遗憾的是，如上所述，可见光图像和非可见光图像的焦点不同。

如果图像210是可见光图像，则聚焦透镜组223被定位在第一位置，从而将（多个）可见成分聚焦在CCD221上。如果图像210是非可见光图像，例如，在近红外光谱内，其通常包括范围在700nm至1000nm之间的波长，则聚焦透镜组223被定位在第二位置，从而将非可见光图像聚焦在CCD221上。第一和第二位置是不同的。这种焦点差异在从捕获荧光图像变为捕获可见光图像时尤为显著，反之亦然。

图3示出新型焦点校正组件的方框图，其中该焦点校正组件与内窥镜101的每个通道一起使用。在该示例中，新型焦点校正组件被包括在摄像机120A中。摄像机120A可以被用作摄像机120L和摄像机120R。同样地，新型焦点校正组件可以用于单像内窥镜。在摄像机120A中，不再使用现有的前窗222，而是使用棱镜元件330，有时被称为棱镜组件。棱镜元件330包括透镜331。聚焦透镜组223、CCD棱镜体224和CCD221与现有摄像机220中的一样，并且在一个方面中，被直接用于摄像机120A中，也就是不做改变。聚焦透镜组223为聚焦单元。CCD棱镜体224和CCD221为图像捕获单元。

如下更加完整的说明，在一个方面中，透镜331校正来自内窥镜101的非可见光的焦点，以便由非可见光形成的非可见光图像的焦点与由来自内窥镜101的可见光形成的可见光图像的焦点大致相同。在此，“大致相同的”焦点和“基本”焦点对准表示当人们观察非可见光图像和可见光图像时，两种图像的焦点差异对于该人并不显著，即，对于两种图像来说，图像的表观锐度相似。在实际情况中，因为近红外光波长较长，所以近红外图像的衍射受限的锐度比可见光图像的更低。实际光学系统可能具有其他像差/畸变，这也由于波长影响了图像锐度。

同样地，当提到人们观察非可见光图像时，其表示已在系统100中处理（例如，伪着色）采集的非可见光图像，以便非可见光图像能够在显示器151中呈现为可见光图像。对摄像机120A采集的图像执行该处理，并且该处理不影响摄像机120A的操作，如本文中描述的。伪着色的一个示例描述在共同待决和共同提交的美国专利申请No.12/575093（2009年10月7日提交的；公开了用于在临床图像上显示增强的图像数据的方法和设备）中，其全部内容包含在此作为参考。

在上述和下面的示例中，非可见光透过透镜，并且可见光直接透过棱镜元件。这仅是示例说明性的，而不意图作为限制。鉴于本公开，在这种应用是有利的情况下，本领域技术人员能够使用透镜聚焦校正可见光，并且使非可见光直接透过棱镜元件。因此，就更具一般性而言，可见光和非可见光之一透过透镜。可见光和非可见光中另一个直接透过棱镜元件。

在图3所示的示例中，来自内窥镜的光301包括可见光301V和非可见光301NV。换句话说，光301包括可见波长301V和非可见波长301NV。可见光301V直接透过棱镜元件330。然而，棱镜元件330的表面302，其为第一表面的示例，包括反射非可见光301NV并且允许可见光301V透过的涂层。因此，涂层从光301中提取非可见光301NV，即这将导致能够形成可见光图像的可见光301V与能够形成非可见光图像的非可见光301NV分开。

被提取的非可见光301NV透过透镜331，这样校正了由光301NV形成的图像的焦点，从而产生经焦点校正的非可见光301NV_校正。经焦点校正的非可见光301NV_校正经由棱镜元件330与可见光301V重组，并且经重组的光透过聚焦透镜组223。现在，经焦点校正的非可见光301NV_校正和可见光301V具有相同的虚拟位置，以便聚焦透镜组223恰当地将两图像聚焦在CCD221上。

如下列更完整的描述，能够以各种方式形成棱镜元件和透镜331。在一个方面中，透镜331是可更换的。因此，透镜可以专用于特定的内窥镜，并且能够被插入棱镜元件330中。如果另一个内窥镜需要不同的透镜，则可以替换透镜。因此，摄像机120A能够使用任何内窥镜，只要有恰当的透镜，例如，校正来自内窥镜的非可见光图像的焦点的透镜是可用的。

另一方面，透镜331在棱镜的面中形成，或者在棱镜元件330中的多个棱镜的面中形成。在该方面，棱镜元件与内窥镜类型有关。对于特定的内窥镜，将棱镜元件插入摄像机120A中，其中该棱镜元件校正来自该内窥镜的非可见光图像的焦点。

因此，在一方面中，微创手术系统包括成像平面，例如CCD221和焦点校正组件350。焦点校正组件350包括第一光学路径和第二光学路径。第一和第二光学路径两者均在共同的起始位置351和共同的结束位置352之间延伸。第二光学路径的长度比第一光学路径的长度更长。第二光学路径包括透镜331。图像焦点校正组件350被配置和定位以便第一光谱中的光和第二光谱中的光均聚焦在成像平面221上，从而形成在成像平面221上基本焦点对准的图像，其中第一光谱中的光从起始位置351通过第一光学路径到达结束位置352，第二光谱中的光从起始位置351通过第二光学路径到达结束位置352。

在一个方面中，第一光学路径是基本直的，第二光学路径是折叠的。第二光学路径包括使第一光谱透过并且反射第二光谱的表面302。在一个方面中，如下更完整地描述，第一光谱包括可见光谱的至少一部分，以及第二光谱包括红外光谱的至少一部分。在另一方面中，第二光谱为医疗荧光的荧光光谱。

再次，一个现有的方案使用具有不同折射率的材料校正可见光和非可见光图像之间的焦点，从而需要基于焦距差异的不同尺寸的结构。相比之下，在摄像机120A中，在一个方面中，棱镜元件330的尺寸保持不变，而仅有元件330内的透镜功率被改变。

图4A和图4B示出用于为特定的内窥镜确定合适的透镜的方法示例。图4A是针对12mm的内窥镜（12mm表示内窥镜的外直径）。内窥镜的设计波长是486nm、587nm以及656nm。内窥镜在近红外区（例如850nm）不恰当地聚焦。曲线401示出关于可见光图像的焦点位置与物距的变化。曲线402示出位于850nm的近红外区内的非可见光图像的焦点位置与物距的变化。曲线403示出曲线401和曲线402之间的差异。

如通过曲线403所示，实际上，焦点位置差异在物距范围内为恒量。因此，针对该内窥镜的透镜331被选择以补偿由曲线403表示的焦点的差值，以便当来自内窥镜的近红外光通过透镜331时，焦点被校正，并且对于感兴趣的工作距离，曲线401和402重合。

图4B是针对8.5mm的内窥镜。曲线411示出关于可见光图像的焦点位置与物距的变化。曲线412示出位于850nm的近红外区内的非可见光图像的焦点位置和物距的变化。曲线413示出曲线411和412之间的差异。

在该示例中，图4A和4B中的焦点差异太大而无法使用共同透镜校正。因此，使用两个不同的透镜，其中一个用于如由曲线403表示的所需校正，另一个用于如由曲线413表示的所需校正。

如由曲线413所示，在感兴趣的物距范围内焦点位置差异相对恒定。在该示例中，图4A和图4B中的焦点位置差异太大而无法使用共同透镜校正。因此，使用两个不同的透镜，其中一个用于如由曲线403表示的所需校正，另一个用于如由曲线413表示的所需校正。因此，针对该内窥镜的用于产生图4B所示的数据的透镜331，被选择以补偿由曲线413表示的焦点的差值，以便当近红外图像通过透镜331时，焦点被校正，并且对于感兴趣的工作距离，曲线411和412重合。

图5示出棱镜元件330的一个示例的更详细说明。棱镜元件330A包括大的直角棱镜501，如图5所示，其顶部被切去。顶部被切去的尺寸不重要。棱镜元件330还包括两个菱形棱镜502和503以及透镜531。

在该示例中，透镜531是一种玻璃类型的凹透镜533与另一种玻璃类型的凸透镜532的组合，产生双合透镜，其具有用于制造棱镜组件的合宜的厚度，以及提供所需的焦点校正。

如本领域技术人员已知的，菱形棱镜使入射光束移位，同时图像中无角偏移或者取向变化。菱形棱镜502在第一面502_顶部具有第一涂层，以及可选地，在第二面502_底部具有第二涂层，第二面502_底部与第一面502_顶部相对并且从第一面502_顶部移动/与第一面502_顶部间隔。菱形棱镜503还在第一面503_顶部具有第一涂层，以及可选地，在第二面503_底部具有第二涂层。

在一个方面中，当非可见光图像位于电磁辐射谱的近红外部分时，第一涂层是具有接近808nm过渡的短波通过长波反射涂层。这意味着第一涂层使比约808nm更短的波长通过，并且反射比约808nm更长的波长。在一个方面中，该涂层位于棱镜玻璃502_顶部、503_顶部上，并且用光学胶粘剂被夹至棱镜501。因此，涂层是隐藏的。涂层还可以被放在棱镜501的侧边上而不是菱形棱镜上。第二涂层仅需反射非可见光图像，并且无需任何特殊的带通特性。第二涂层可以被实现为具有金属反射镜涂层。在另一方面中，还能够在该表面使用全内反射，然而，在可制造性和易于处理方面，金属反射镜涂层表现地更好。

在此，第一和第二被用作形容词以区分涂层，而不意图指示在特定表面上的涂层数量。同样地，顶部、底部以及侧边被用作形容词以辅助区分附图中看到的元件，并且有助于使元件之间相对关系直观化。例如，顶部和底部表面是第一和第二表面，其彼此相对且分离。侧表面为第三表面，其在第一和第二表面之间延伸。

顶部、底部以及侧面不被用来限定绝对的物理位置。在实际实施中，内窥镜图像601（图6A）进入摄像机的物理底部，因此棱镜元件330位于摄像机的物理底部部分。因此，当棱镜元件在摄像机中并且摄像机连接至内窥镜时，图6A中内窥镜图像601进入通过的菱形棱镜502的部分是棱镜底部。

图6A至6E被用于说明摄像机120A中的棱镜元件330（图3和图5）的操作。来自内窥镜的光被用于形成图像，我们将这样的光称为“内窥镜图像”601（图6A）。内窥镜图像601包括由可见光所形成的可见光图像，以及由非可见光所形成的非可见光图像。内窥镜图像601首先通过窗口602。在一个方面中，菱形棱镜502邻近窗口602的一侧是正方形，但是摄像机壁中的开口是圆形。因此，在该方面中，窗口602是圆形窗口。在一个方面中，棱镜元件330为16毫米厚，并且在菱形棱镜502的一侧设置具有小空隙（未示出）的一毫米厚的圆形窗口。在一个方面中，窗口602为Schott BK7玻璃窗。

在通过窗口602之后，内窥镜图像601透过菱形棱镜502的侧壁，到达菱形棱镜502的面502_顶部上的第一涂层（图6A）。面502_顶部（其为第一表面的示例）上的第一涂层将非可见光601NV与可见光601V分离（图6B）。具体地，可见光601V通过第一涂层。非可见光601NV被菱形棱镜502的面502_顶部上的第一涂层反射。

被反射的非可见光601NV被面502_底部（其为第二表面的示例）上的第二涂层再次反射。从第二涂层反射的非可见光通过透镜531（图6C）。透镜531校正非可见光601NV的焦点。经焦点校正的非可见光601NV被菱形棱镜503的面503_底部（其为第三表面的示例）上的第二涂层反射（图6D）。

自菱形棱镜503的面503_底部反射的经焦点校正的非可见光601NV（图6D）被菱形棱镜503的面503_顶部上的第一涂层再次反射（图6E），菱形棱镜503的面503_顶部是第四表面的示例，其与第三表面相对并且与第三表面分离。菱形棱镜503的面503_顶部上的第一涂层还使可见光601V通过涂层。因此，菱形棱镜503的面503_顶部上的第一涂层重组可见光601V和经焦点校正的非可见光601NV。经重组的光通过聚焦透镜组223，在CCD221上正确地形成可见光和非可见光图像。

具有透镜531的棱镜元件330固定不匹配的可见光和非可见光焦点。棱镜元件330取代摄像机前窗，但是无需对摄像机或者内窥镜做其他修改以实现焦点校正。

上述示例是针对近红外光谱中的非可见光。然而，鉴于本公开，通过选择合适的涂层，能够针对电磁辐射谱的其他部分中的非可见光实施棱镜元件。同样地，在上述示例中，非可见光被聚焦校正，可见光仅通过棱镜元件。在一些方面，有利的是使用带有透镜的棱镜元件，聚焦校正可见光并且使非可见光通过。在其他方面，可见光和非可见光都可以通过棱镜元件中的透镜，从而获得期望的焦点。

上述棱镜元件330的棱镜仅是示例说明性的，而不意图作为限制。鉴于以上描述，本领域技术人员能够实现分开可见光和非可见光、焦点校正与图像中的一个对应的光然后重组光的元件。例如，图7A至图7E示出棱镜元件330的可替换的实现方式。

在图7A至图7E中，实线被用于表示来自内窥镜的光以及重组的光，其中来自内窥镜的光包含可见光和非可见光，重组的光允许形成经焦点校正的图像。虚线表示从内窥镜光中提取出来的并且通常被聚焦校正的光。虚线和点线被用于表示通过棱镜元件的光。依据特定实现方式，经焦点校正的光成分可以是可见光、非可见光或者是两者。选择合适的涂层使两种光成分中的一种通过并且反射两种光成分中的另一种。在此，光成分是非可见光和可见光。

在图7A中，棱镜元件330A包括六个直角棱镜701、702、703、704、705和706，以及透镜331A。间隔物707被定位在棱镜702和703之间。透镜331A邻近间隔物707设置并且设置在棱镜705和706之间。间隔物707和透镜331A的位置可以互换。同样，可以用第二透镜代替间隔物707。通过反射涂层，例如第一涂层，被放在棱镜701和704的表面上。反射涂层，例如第二涂层，被放在棱镜705和706的表面上。

棱镜元件330A使用一种式样的棱镜，其便于制造。通过反射涂层可以被施加在棱镜701或棱镜702和棱镜704或棱镜703中任一个的斜边上，并且涂层设计需要适应用于将棱镜701固定至棱镜702以及将棱镜703固定至棱镜704的粘合方法。相对于图7B所示的菱形方法，对于棱镜705和706的玻璃选择，棱镜元件330A提供更多的灵活性。在简单情况下，棱镜701、702、703和704均是相同的玻璃（尽管对此并无要求）。然而，棱镜705和706可以由不同的玻璃制成，因为棱镜705和706仅位于非可见光路径中，并且通过棱镜705和706的光线是特定的波长组。

在图7B中，棱镜元件330B包括两个直角棱镜710和711，两个菱形棱镜712和713，以及透镜331B。间隔物714被设置在棱镜710和711之间。透镜331B定位为邻近间隔物714并定位在棱镜712和713之间。间隔物714和透镜331B的位置可以互换。同样，可以用第二透镜替换间隔物714。菱形棱镜712和713具有等同于以上参考图5所述的涂层。棱镜元件330B的元件少于棱镜元件330A的元件，所以有较少的胶合表面，这样提供了更好的对准。

在图7C中，棱镜元件330C包括两个立方分束器720和721，两个直角棱镜722和723，以及透镜331C。间隔物724被设置在立方分束器720和721之间。透镜331C定位为邻近间隔物724并且定位在棱镜722和723之间。间隔物724和透镜331C的位置可以互换。同样，可以用第二透镜替换间隔物724。

在图7D中，棱镜元件330D包括一个大的直角棱镜730，四个小的直角棱镜731、732、734和735，以及透镜731D。棱镜730顶部被切去，以便透镜731D可以被放在棱镜733和734之间。棱镜元件330D允许关于棱镜733、734的玻璃选择。同样，该配置能够按需要使透镜331D作为棱镜733、734的一部分，参见下文。

在图7E中，棱镜元件330E包括一个大的直角棱镜740，两个小的直角棱镜741和742，以及两个棱镜743和744，两个棱镜743和744的每个具有被配置为形成透镜331E的面。可替换地，棱镜741、743可以被实现为菱形棱镜，其具有按图7E所示配置的面。棱镜743和744具有不同的玻璃。棱镜743和744在其斜边上还具有半径。

说明本发明各方面和各实施例的以上描述和附图不应被视为限制。例如，在光路中，棱镜元件330（其为棱镜组件的示例）和聚焦透镜组223能够以相反的顺序设置。同样，棱镜元件330可以位于独立的部件中，其中该部件被设置在摄像机和内窥镜之间。进一步地，棱镜元件330可以位于内窥镜中，恰好在自窗口离开进入摄像机之前的位置。

说明本发明各方面和各实施例的以上描述和附图不应被视为限制，权利要求限定受保护的发明。在不背离本说明书和权利要求的精神和范围的情况下，可以作出各种机械的、构成的、结构的、电气的和操作的改变。在一些实例中，为了避免模糊本发明，未示出或详细描述众所周知的电路、结构和技术。

此外，本说明书的技术名词不意图限制本发明。例如，空间关系术语——例如“下方”、“在……之下”、“下部”“上方”、“在……之上”、“近端”、“远端”以及类似术语——可被用于描述一个元件或特征与附图中示出的另一个元件或特征的关系。这些空间关系术语旨在涵盖包含附图中所示出的位置和取向之外的所使用的和操作的装置的不同部位（即位置）和取向（即旋转方位）。例如，如果附图中的装置被倒转，被描述为在其他元件或者特征的“之下”或者“下方”的元件，则将在其他元件或者特征的“之上”或者“上方”。因此，示例性术语“在……之下”能够包括之上和之下的位置和取向。装置可以其他方式被取向（旋转90度或者处于其他取向），并且相应地解释本文使用的空间相对的描述法。同样，沿着和围绕各种轴线运动的描述包括各种特定装置位置和取向。

除非上下文另有所指，否则单数形式“一”、“一个”和“所述/该”同样旨在包括复数形式。术语“含有”、“包含”、“包括”等规定存在所述特征、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除一个或者更多其他特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在和增加。描述为耦合的部件可以是电气或者机械地直接耦合，或者其可以经由一个或者更多中间部件被间接耦合。

鉴于本公开，通过使用用户感兴趣的操作系统和计算机编程设计语言，可以在多种计算机系统配置中实施这样的指令，该指令被用于关于增强显示系统描述的操作中的任何一个或者操作的任何组合。

所有示例和示例性参考都是非限制性的，不应被用来将权利要求限制于本文所述的具体实现方式和实施例及其等价物。由于一个标题下的正文部分可以交叉参考或者应用于一个或者更多标题下的正文部分，所以标题仅是形式，而不应被用于以任何方式限制主题。最后，鉴于本公开，关于一个方面或者实施例所描述的特定特征也可以被应用于本发明的其他公开的方面或者实施例，即使它们未在附图中具体示出或者未在正文部分被描述。

Claims (22)

1.一种方法，其包含：

从微创手术器械接收光，所述光包括可见光和非可见光；

将所述可见光与所述非可见光分开；

使所述可见光和所述非可见光中的一个通过透镜，其中所述透镜校正由所述可见光和所述非可见光中的一个形成的图像的焦点，以便所述图像的焦点与由所述可见光和非可见光中的另一个形成的另一个图像的焦点大致相同；以及

将来自所述透镜的所述可见光和所述非可见光中的一个与所述可见光和所述非可见光中的所述另一个重组。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包含：

用聚焦透镜组聚焦经重组的可见光和非可见光。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述分开进一步包含：

使所述可见光和所述非可见光通过至第一表面上，所述第一表面具有通过反射表面涂层，

其中所述可见光和所述非可见光中的所述另一个通过所述表面涂层，并且所述可见光和所述非可见光中的所述一个被所述表面涂层反射，从而产生第一反射光。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述分开进一步包含：

使所述第一反射光通过至第二表面上，所述第二表面具有第二表面涂层，

其中所述第一反射光被所述第二表面涂层反射，从而产生第二反射光。

5.根据权利要求4所述的方法，其中使所述可见光和所述非可见光中的一个通过透镜进一步包含使所述第二反射光通过所述透镜。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述非可见光包含荧光。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述荧光包含近红外光谱内的光。

8.根据权利要求1所述的方法，其中使用衍射元件代替所述透镜。

9.一种微创手术系统，其包含：

摄像机，其包括棱镜元件，在所述棱镜元件内具有透镜，其中所述透镜校正由可见光和非可见光中的一个形成的图像的焦点，以便所述图像的焦点与通过所述棱镜元件的所述可见光和所述非可见光中的另一个形成的另一个图像的焦点大致相同。

10.根据权利要求9所述的微创手术系统，其中所述棱镜元件进一步包含：

第一表面，其具有通过反射涂层，其中所述涂层使所述可见光和所述非可见光中的所述另一个通过所述涂层，并且反射所述可见光和所述非可见光中的所述一个。

11.根据权利要求10所述的微创手术系统，其中所述棱镜元件进一步包含：

第二表面，其与所述第一表面相对并且与所述第一表面分离，所述第二表面具有反射涂层。

12.根据权利要求10所述的微创手术系统，其中所述棱镜元件进一步包含：

第三表面，其与所述第一表面不同，并且具有通过反射涂层。

13.根据权利要求9所述的微创手术系统，其中所述棱镜元件包括多个棱镜。

14.根据权利要求13所述的微创手术系统，其中所述透镜形成在所述多个棱镜中的两个相邻棱镜的面中。

15.根据权利要求9所述的微创手术系统，其中所述非可见光谱光包含在荧光中。

16.根据权利要求15所述的微创手术系统，其中所述荧光包含近红外光谱内的光。

17.一种微创手术系统，其包含：

摄像机，其包含成像平面；和

焦点校正组件，其包含：

第一光学路径，

包含透镜的第二光学路径，

共同的起始位置，以及

共同的结束位置；

其中所述第二光学路径的长度比所述第一光学路径的长度更长；并且

其中参考所述摄像机配置和定位所述焦点校正组件，以便第一光谱中的光和第二光谱中的光均聚焦在所述成像平面上，从而形成在所述成像平面上基本焦点对准的可见光图像和非可见光图像，其中所述第一光谱中的光从所述起始位置通过所述第一光学路径到达所述结束位置，所述第二光谱中的光从所述起始位置通过所述第二光学路径到达所述结束位置。

18.根据权利要求17所述的微创手术系统，

其中所述第一光学路径是基本直的，而所述第二光学路径是折叠的。

19.根据权利要求17所述的微创手术系统，其中所述第二光学路径部分地由第一表面限定，其中所述第一表面使所述第一光谱通过并且反射所述第二光谱。

20.根据权利要求17所述的微创手术系统，其中所述第一光谱包含至少部分所述可见光谱，并且其中所述第二光谱包含至少部分所述红外光谱。

21.根据权利要求17所述的微创手术系统，其中所述第二光谱为窄带谱，其对应于医疗荧光团的荧光发射谱。

22.一种方法，其包含：

从微创手术器械接收光，所述光包括可见光和非可见光；

将所述可见光与所述非可见光分开；

使所述可见光和所述非可见光中的一个通过透镜，其中所述透镜修正由所述可见光和所述非可见光中的一个形成的图像的像差，以便所述图像的焦点与由所述可见光和非可见光中的另一个形成的另一个图像的焦点大致相同；以及

将来自所述透镜的所述可见光和所述非可见光中的所述一个与所述可见光和所述非可见光中的所述另一个重组。

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