CN103733117A

CN103733117A - 立体光学系统

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Publication number: CN103733117A
Application number: CN201180059801.XA
Authority: CN
Inventors: 凯文·布伦特·梅; 里查德·J·迈克尔
Original assignee: Medivision Inc
Current assignee: Medivision Inc
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-10-18
Also published as: KR20140036125A; EP2630543B1; CA2815079A1; US9494802B2; WO2012054481A1; US20130258462A1; US20170031169A1; KR101966960B1; EP2630543A4; JP5985488B2; CN103733117B; JP2013545132A; EP2630543A1; US10310283B2

Abstract

本文提供了一种用于显示和记录来自单透镜光学装置的立体图像的适配器系统及使用这样的适配器系统产生立体图像的方法。该适配器系统利用沿诸如，例如显微镜或内窥镜的单透镜光学装置的光路安装的主动式立体快门，以提供立体图像到沿相同的光路安装的摄像机或相机。

Description

立体光学系统

发明领域

本发明一般涉及立体光学设备，更具体地涉及适合将立体成像设备安装到如医疗显微镜和内窥镜的传统的单透镜光学装置的立体光学组件。

发明背景

许多立体成像和/或观看布置是已知的。例如GB606,065，其可以追溯到1948年，公开了一种以立体的方式观看大型模型的布置，其中包含物镜和附加透镜的观看管与两个相互正交的反光镜组合，所述反光镜将从附加透镜的左侧和右侧区域出射的光转移到双眼观看布置的相应的目镜。美国专利第2639653号，其可以追溯到1949年，公开了一种使用显微镜拍摄显微照片的相机布置，可以通过立体镜观看图片以获得对象的立体感。因此，参与产生立体图像的基本光学系统是众所周知的。然而，以一种允许轻松捕捉静态和动态影像的方式将这些立体技术应用到如显微镜和内窥镜的传统的光学装置，明显更加复杂，且考虑到投入到这些技术的时间和精力，已不能获得可预期的成功。

例如，现代研究的显微镜经常采用分光组件以允许更多的观看、视频和相机附件端口。可利用的分束器具有各种各样的配置，且除了主观看目镜外，可以提供一个或多个光连接端口。此外，为了提供更大的灵活性，某些适配器被设计成允许多个相机被安装到显微镜分束器上的单一的光学端口。用于同时将摄像机和35-mm相机安装在手术显微镜分束器的一侧上的适配器，例如，在美国专利第4272161号和4143938号中示出，其公开内容通过引用并入本文。这些适配器可从Carl Zeiss公司购买，其由加利福尼亚州的伯班克Urban工程公司制造。

其他的现有技术参考文献描述了其他光学适配器，允许将摄像机、自动光圈控制的使用、变焦的集成及倍率变化集成到这些光学附件中。例如，具有集成的摄像机的分束器在美国专利第4805027和4344667号中示出，具有三个相同的光具组和4个观察站的分束器在美国专利第4688907号示出；用于手术显微镜适配器的自动光圈控制系统在美国专利第3820882和4300167号中示出;用于内窥镜相机的变焦透镜适配器在美国专利第4781448号中示出；允许使用不同的焦距倍率的通用的适配器在美国专利第5264928号示出，上述每个专利的公开内容通过引用并入本文。

虽然具有多种功能和用途，这种显微镜适配器一般只允许非立体图像的记录或投影。显微镜的最新进展是增加了允许立体图像的投影记录的立体成像装置。通常的显微镜包含单一的物镜，它的功能是产生要观看的对象的放大图像，及用于使用一只眼睛观看的单一的目镜，或使用右眼和左眼观看的双目镜，或使用相机或摄像机记录放大图像的进入孔。这些传统的适配器中的大部分只允许通过物镜的一条光路进行观察，使得观看者并没有深度感。为了解决此局限性，某些适配器，特别是对于在外科应用中使用的那些，已被改进以允许立体观看。然而，大多数这些适配器需要使用在不同的光轴的多个物镜，如美国专利出版公开第2002/0080481号中公开的装置，或者使用被设计成从多个光轴获取图像的单一的相机，如美国专利第3574295号中所公开的，其中每一个专利文献的公开内容通过引用并入本文。不幸的是，任何这样的多相机装置都极其复杂且生产成本较高。

单透镜立体显微镜目镜适配器已经提出，然而，到目前为止，这些装置具有严重的缺点。一类这样的单透镜立体显微镜适配器需要使用偏振器或滤光器，然而，这样的装置已知降低图像的光学质量，且常常需要观看者相对于图像保持特定的视角。所需要的偏振器或滤光器，这两者都具有显着的缺点。这种装置的示例在美国专利第3712199、4716066、5835264、5867312和6275335号提供，其公开内容通过引用并入本文。其他可供选择的方法需要使用主动式快门，其安装更加昂贵，维修更加困难，并且当它失效时，显着降低透镜的光学特性。这样的方法已被公开在例如，美国专利第5471237、5617007和5828487号，其公开内容通过引用并入本文。

同样地，最近已开发了立体内窥镜。鉴于内窥镜的尺寸限制，非常可取的是使光学系统的横向尺寸最小化，且因为这个原因，许多设计在其的将形成左和右图像的光间隔的光路中使用单一的物镜和分束布置。例如美国专利第5222477号公开了一种立体的内窥镜布置，其中，光圈挡片位于内窥镜末端的摄像机组件的物镜附近。挡片的左侧和右侧的光圈被耦合到视频切换布置的快门交替地打开。以这种方式，左和右图像被快速连续地检测，且可被交替地显示在监视器屏幕上，使得通过一副眼镜它们能够被立体地观看，其中左和右目镜在与显示器同步的快速连续中被交替地遮挡。这样的显示系统可购买到。然而，快门布置具有不能很容易地改装到现有的单目镜内窥镜的缺点。此外，将快门部件添加到内窥镜的端部趋向于增加其体积，这是不希望的。

根据GB-A-2268,283提供的在内窥镜的出射光瞳的分束布置避免了上面提到的美国专利第5222477号的布置的问题，但需要分束器的光轴与内窥镜的光轴的精确布置，并且还需要从内窥镜的目镜出射的光线是平行的。此外，提供的分束布置不希望地增加了反射面的数量，并增加了装置的费用。

这些装置中的从单一的透镜产生立体图像的持续问题的一个解决方案在美国专利第5914810号中由瓦特提出，其单一简单的快门元件中将透镜分割成三个偏移段。（瓦特专利的公开内容通过引用并入本文。虽然瓦特技术貌似为单透镜立体成像提供了可行的解决方案，迄今为止，还没有将该技术集成到手术显微镜或内窥镜的尝试。

因此，将有利的是开发能够允许从使用简单的被动式“光学快门”的诸如显微镜和内窥镜的单透镜标准光学装置投影或记录立体图像的光学适配器，所述“光学快门”允许使用基础光学装置的包括可变倍率的全部功能。

发明内容

本发明针对用于将摄像机和/或相机通过分束器或通过目镜连接到传统或专门改进的诸如，例如显微镜和内窥镜的单透镜光学装置的适配器，以提供立体图像。

在一个实施例中，用于显微镜的光学适配器包括主体外壳，它具有被定向以接收沿轴向光束路径的来自传统的显微镜分束器的光的内部分束器。该适配器光束分离器反射沿着横向光束路径的部分轴向光。该适配器还包括可拆卸地安装到主体外壳并具有沿轴向光束设置的立体快门的鼻形片组件。在这样的实施例中，所述立体快门可被定位于分束器内，相机安装件或鼻形片在光圈之前或之后，使得对摄像机/相机投影的图像是立体的。

在另一个实施例中，光学适配器包括快门元件，其被包含到单透镜内窥镜或类似内窥镜的装置内的在内窥镜系统的光瞳平面/或光瞳平面的附近。

在又一实施例中，所述立体快门包括布置成选择性地遮挡从所述另外的透镜装置的左侧区域和右侧区域出射的光以在所述图像平面形成右图像和左图像的装置，并且具有用于组合所述右图像和左图像以形成所述对象的视场的立体表示的装置。在这样的实施例中，用于组合右图像和左图像的装置例如可以包括产生表示交替的左图像和右图像的视频信号的视频处理电路。这样的视频信号可以被视为电子形式的立体表示。

在又一实施例中，快门装置包括从左到右分布的两个以上快门元件的阵列，及用于控制所述光学快门元件的光传输以改变在所述右图像和左图像之间的立体基区宽度的装置。这些元件可以采用适合产生在左图像和右图像之间的位置变化的任何形状。

在又一实施例中，所述快门装置包括控制装置，用于改变所述另外的透镜装置的未被遮挡的左侧和右侧区域的大小，以改变在所述图像平面的场宽和/或照明。优选地，所述快门装置包括被布置成形成具有可控的宽度和/或高度和间隔的垂直单元的多灵敏度的快门元件。在这样的一个实施例中，场的宽度与距离检测器集成，这样可以优化图像的视差。

在又一实施例中，快门和相机相对于彼此定位以优化立体成像。在这样的实施例中，快门和相机可以互连，使得一个的旋转导致另一个元件等效相关的旋转，使得相机和快门始终保持适当的对齐。

在又一实施例中，快门被电子地控制，使得快门元件可被手动控制。在一个这样的实施例中，快门可被关闭以允许2D观看而无需修改该装置。在另一种这样的实施例中，快门和相机被控制以允许触发立体静态图像。

在又一实施例中，本发明针对使用立体光学适配器投影、记录和观看立体图像的方法。

在又一个实施例中，本发明针对立体光学适配器，其包括光学适配器主体，所述光学适配器主体被配置为将限定待成像区域的单透镜光学装置与图像捕获装置光学互连，所述光学适配器主体至少包括立体快门和光学中继器，其中，所述立体快门被配置成从所述单透镜光学装置的成像区域生成立体图像，其中，所述光学中继器包括被配置为将光从所述单透镜光学装置通过所述立体快门传输到所述图像捕获装置的一个或多个光学元件，且其中，所述立体快门和所述相机之间的旋转对齐是固定的，以确保通过所述图像捕获设备捕获立体图像。

在一个这样的实施例中，所述立体快门被配置成交替地遮挡从所述单透镜光学装置的预定区域出射的光。在另一个这样的实施例中，所述预定区域是所述成像区域的左侧和右侧区域。

在又一个这样的实施例中，所述快门包括多个单独可控的可遮挡区域。在另一个这样的实施例中，所述可遮挡区域由选自由机械的、机电的、化学的和材料构成的组的装置形成。在又一个这样的实施例中，所述可遮挡区域被形成为选自由曲线形、圆形、六角形和矩形构成的组的形状。在又一个这样的实施例中，所述可遮挡区域中的至少一个是固定的。

在又一个这样的实施例中，所述立体快门被设置在所述光学中继器和所述单透镜光学装置之间。在一个这样的实施例中，所述立体快门被设置在所述光学中继器和所述图像捕获装置之间。在另一个这样的实施例中，所述立体快门被设置有光学中继器。在又一个这样的实施例中，所述光学中继器包括光圈。在又一个这样的实施例中，所述立体快门被设置在所述单透镜光学装置或所述图像捕获装置中的一个内。在又一个这样的实施例中，所述立体快门用作光圈。

在又一个这样的实施例中，所述立体快门被包含在变焦透镜内。在一个这样的实施例中，所述变焦透镜包括被配置成可拆卸地放置成与所述立体快门光学对齐以调节所述适配器的焦距的一系列会聚透镜。

在又一个这样的实施例中，所述适配器可拆卸地互连在所述图像捕获装置和所述单透镜光学装置之间。在一个这样的实施例中，所述适配器被集成在所述图像捕获装置内。在另一个这样的实施例中，所述适配器被集成在所述单透镜光学装置内。

在又一个这样的实施例中，进入所述立体快门的光具有接近无穷远的一个共轭。在一个这样的实施例中，所述光学中继器位于所述单透镜光学装置的出射光瞳附近。

在又一个这样的实施例中，所述单透镜光学装置是显微镜或内窥镜中的一种。

在又一个这样的实施例中，所述图像捕获装置选自由下列项构成的组：机械式相机、数码相机、CCD、CMOS、数码摄像机和光场捕获系统。

在又一个这样的实施例中，所述适配器利用所述单透镜光学装置的透镜的整个区域。

在又一个这样的实施例中，所述立体快门和图像捕获装置中的至少一个被安装在被配置为允许所述立体快门关于所述图像捕获装置旋转对齐的调节台上。在一个这样的实施例中，所述立体快门和图像捕获装置被安装在被配置为允许所述立体快门关于所述图像捕获装置旋转对齐的可旋转的调节台上，且其中，所述调节台被互连使得所述立体快门或所述图像捕获装置中的一方的旋转导致其对应方的等效旋转。

在又一个这样的实施例中，所述适配器包括控制所述立体快门的操作的可编程控制器电路。在一个这样的实施例中，所述快门包括被配置为交替地遮挡从所述单透镜光学装置的预定区域出射的光的多个单独可控的可遮挡区域，并且其中所述可编程控制器电路控制各个所述可遮挡区域的操作。在另一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路还与所述图像捕获装置进行信号通信，并且被配置为同步所述图像捕获装置与所述立体快门的打开和关闭以确保立体观看。在又一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路被配置为禁用所述立体快门，使得所述适配器可以被重新配置成非立体装置。在又一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路被配置为检查在立体图像中形成的阴影，并优化所述立体快门的操作以获得最佳的立体成像。在又一个这样的实施例中，所述图像捕获装置具有卷帘式快门，且其中，所述可编程控制器电路被配置为同步所述立体快门与所述卷帘式快门。在又一个这样的实施例中，所述适配器还包括至少两个图像捕获装置，且所述可编程控制器电路被配置为同步所述两个图像捕获装置以捕获单个静态立体图像。在又一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路被配置为允许将来自所述图像捕获装置的数据以选自由下列项构成的组的格式转换为立体视频输出：帧连续的、渐进的、隔行的、并排的、棋盘格的和水平交错/逐行的。在又一个这样的实施例中，所述适配器还包括脉冲光，且其中，所述可编程控制器电路被配置为同步所述立体快门与所述脉冲光以允许由所述图像捕获设备捕获高速运动。在又一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路被配置为使所述立体快门的位置与所述单透镜光学装置的光轴对中。在又一个这样的实施例中，所述可编程控制器电路被配置为确定由所述图像捕获装置捕获的图像的视差。

在又一个这样的实施例中，所述立体快门是电子的，且所述立体效果通过图像信号处理产生。

附图的简要描述

通过参考下面的详细描述，当结合附图进行考虑时，本发明的这些和其它特征和优点将被更好地理解，其中：

图1是示出了根据现有技术的一对传统的相机安装适配器系统的透视图;

图2是根据现有技术的传统相机安装适配器系统的透视图;

图3是根据现有技术的传统相机安装适配器系统的分解视图;

图4是根据现有技术的传统相机安装适配器系统的截面图;

图5是根据现有技术的传统的内窥镜的截面图;

图6A和图6B是根据现有技术的立体快门的示意图;

图7A至7C是根据现有技术的立体快门的另一个实施例的示意图;

图8A至8D是根据当前发明的立体相机安装适配器系统的一系列实施例的示意图;

图9是根据当前发明的立体相机安装适配器系统的一个实施例的光线图的示意图;

图10是根据当前发明的立体相机安装适配器系统的另一个实施例的光线图的示意图;

图11是根据当前发明的立体内窥镜的一个实施例的示意图。

图12是根据当前发明的相机和立体快门之间的同步的示意图;

图13是视差现象的示意图;及

图14A至14C是根据当前发明的立体快门的另一个实施例的示意图。

本发明的详细描述

当前的发明针对用于将摄像机和/或相机连接到传统的单透镜光学装置，例如，显微镜或内窥镜，以提供被观看图像的立体图像记录或投影的立体适配器。特别是，当前的发明改进了立体光学适配器，以便允许将瓦特专利（美国专利号5914810）的立体图像捕获技术包含到传统的如显微镜和内窥镜的单透镜光学装置。虽然当前的发明可以应用于任何数量的光学装置，下面的讨论将集中在本发明的两种实现，显微镜和内窥镜。

传统显微镜的摄像机/相机适配器概述

传统的摄像机/相机的显微镜适配器系统示于图1中。如图所示，传统的视频适配器系统允许一对相机或其他光学装置10被安装在单一的显微镜光束分离器组件（BS）上。视频适配器可以被安装到可以从诸如，例如Carl Zeiss公司的商业供应商购买的任何传统的显微镜和分束器组件。在图1中，第一视频适配器系统10A具有安装在其上的摄像机VC（以虚线示出），而第二视频适配器系统10B具有安装到其上的摄像机VC（以虚线示出）和相机C（也以虚线示出）。如将在下面详细讨论的，这些传统的视频适配器系统10包括允许选择各种功能以允许安装不同的摄像机和/或相机，提供不同的焦距倍率且允许来自不同制造商的各种设备与显微镜和分束器的互连的许多组件。

现在参照图2-4，将描述传统的视频适配器系统10的基本结构。任何视频适配器系统的基本部件包括：主体外壳12，其限定保持分束器16的轴向通道14。虽然所示的分束器包括一对相对的棱镜，但应当理解也可以在这些装置中使用用于反射和/或部分反射来自沿着光束路径20移动的显微镜物镜的光18的轴向光束的任何装置，包括单一的棱镜、部分反射镜、可转动的反射镜，或任何等效结构。

虽然对于视频适配器的操作不是必要的，大部分传统的设计还包括鼻形片组件24，它可以通过如传统的锁紧环26的机构可拆卸地固定到主体外壳12的近端。鼻形片组件24还包括轴向通道27，当鼻形片组件固定到主体外壳时，轴向通道27与主体外壳12中的轴向通道14对齐。如这些图中所示，鼻形片组件24还可以包括安装在鼻形片的端部的可调节光圈36。该光圈可以使用调节环38来调节，该调节环38可通过包括筒（如图4所示的元件40）的任何传统的连接组件被连接到光圈。可替代地，视频适配器系统可进一步包括电动光圈控制机构来根据从外部设备诸如，例如，可被安装在摄像机内的远程光传感器（未示出）接收的命令自动控制光圈36。

视频适配器还可以包括透镜盒28，其用于在光18到达摄像机或相机之前聚焦或以其他方式改变光18的光学特性。透镜盒28（图4）本质上是空心管，具有安装在其中的单一的透镜或复合透镜或透镜系列。盒28内的透镜34的光学和轴向位置可以改变，以为所连接的摄像机或相机获得不同的焦距倍率。为此，在所示的实施例中，透镜盒通过容纳在所述壳体的螺纹插座32中的螺纹连接器30可拆卸地安装到主体外壳12，但是，应该理解的是，透镜可以任何合适的方式被连接到壳体，并且如果没有必要改变透镜的话，可以被固定在适当的位置。

现在转到摄像机安装插座，如示于图1至4的，在这些传统的设计中，视频安装插座42形成在主体外壳12中并容纳包括基座44和锁定环46的视频安装和聚焦组件，具体如图3和4所示。锁定环46可适于接收任何合适的相机连接器，包括C安装环和卡口式安装环。

如图2-4中所示的，视频适配器系统10终止在插座56，在图1和4中，其被示出为在合适的位置带防尘盖52。为了连接相机，防尘帽52将被移除并被透镜保持架组件54（图4A）替换，透镜保持架组件54可以被螺纹插入到形成在主体壳体12的插座56。任何合适的单个或复合透镜可被更换地安装在透镜保持架组件54中，这样它会处于与鼻形片组件24远离的分束器一侧的轴向光束路径18上。透镜保持架组件54还可以在其近端包括用于通常通过带螺纹的插座固定另一相机主体的装置。当然，插座的性质将取决于相机安装件的类型，且适配器系统10可以包括任意数量的透镜保持架组件54，以适应不同的相机。

不管互连方法如何，透镜将被选择以和设置在鼻形片24中的透镜盒28光学兼容，如前所述。简而言之，与摄像机VC和相机C相关的透镜可以被独立地选取以为每个相机提供不同的焦距倍率。

传统内窥镜光学概述

在图5中提供了内窥镜的传统的光学布置。如图所示，在传统的单透镜内窥镜中，光学系统包括用于在第一图像平面57A形成图像的物镜57，用于将平面57A中的图像传送到第二图像平面57B的可选的中继系统58，和用于观看传送的图像的目镜59。物镜57和传输系统58占据通常由环形的光导纤维束包围的相对小直径的筒。透镜的典型直径约为2.5mm。

在使用中，内窥镜由医生插入在主体腔内或类似物中以查看内部的主体区域。物镜57在第一图像平面57A形成待查看区域的图像，该图像由中继系统58传输到靠近目镜59的第二图像平面57B用于由医生直接观看或通信到电视摄像机。在下面将要讨论的各种实施例中，可选的中继系统58可以包括多个胶接的五-元件组件58A。组件58A被成对布置，每一对提供传输模块（即，将图像从模块前面的一个平面传输到模块后面的第二平面的模块）。使用这样的光学方案，可以将内窥镜远端的景象传输到在观看者位置的内窥镜近端。

瓦特立体技术概述

虽然以上的讨论集中在包括显微镜适配器和内窥镜的传统的单透镜光学装置的结构和功能，当前的发明针对修改现有技术的适配器结构以包括在上文披露的美国专利第5914810号中提出的立体成像技术的立体光学适配器。在可以详细描述新颖的显微镜安装件之前，需要对瓦特立体成像方法进行说明。

瓦特方法的核心是提供一种新的立体快门61，如在图6A、6B和7A至7C中示意性地示出的。快门被布置成在来自专用的视频处理电路的信号的控制下，优选以很快的速率（例如对于视频每秒60次，尽管应当理解，可以使用任何合适的速率，较高的速率将提供较优越的性能）交替地遮挡从目镜的左侧和右侧区域出射的光。快门由可单独控制的区域构成，所述区域由机械的、机电的、化学的或材料的能够快速切换诸如，例如液晶材料的装置构成。在本实施例中，如图6和7所示，这些区域由可以单独由来自控制电路的信号控制的垂直条62a到62h构成。例如，在图6A中，当左手侧图像形成时，元件62a和62b打开。在快门开关信号产生的瞬间，这些快门元件关闭，然后快门元件62e和62g打开，如图6b所示，从而允许形成右手侧图像。

上述序列以极快的速度重复，诸如，例如，每秒24个图像对。虽然在上面的例子中使用了垂直条，应当理解的是，快门可以被划分成任何形状、大小或尺寸的单元，只要单元能够选择性地遮挡快门的不同垂直区域。例如，代替为直的，立体快门的各个元件可以是弯曲的、圆形的、六角形的等。此外，尽管上述快门的所有的单个元件由类似的机电或机械元件形成，但应当理解快门可以由这些元件的混合制成。例如，在一个实施例中，中间的快门元件可以是固定的或机械的，而两侧的元件是可电控的元件，例如，液晶元件。

通过在每次曝光时控制快门元件打开的数目，照明和/或景深可以被控制且传统的光圈36（图2）可以省略。例如，如果仅有快门元件62c打开以形成左侧图像和仅有快门元件62f被打开以形成右侧图像，则光圈的f数将相对于图6中示出的增加，从而照明将减少，并且景深增加。

左侧和右侧图像之间的立体间隔也可以通过调整被打开以形成左侧图像的快门元件和被打开以形成右侧图像的快门元件之间的间隔来改变。例如，通过打开元件62a和62b以形成左侧图像，和打开元件62g和62h以形成右侧图像，可以增加间隔。以这种方式，曝光和立体间隔可以独立地变化。另外，也可以将快门元件在垂直方向上划分，从而能够进一步控制待获得的光圈大小和位置。

在操作过程中，视频处理电路产生表示从视场的左部和右部产生的交替的左和右图像的视频信号，并将该视频信号发送到立体监视器或其它的立体观看装置，其以同样的速度交替地显示左图像和右图像。然后，用户可以使用被设计成用于所选择的观看装置的眼镜在屏幕上观看图像。

图7示出了上述的立体快门元件61的另一种操作模式。在本实施例中，视频电路将被编程来产生三态切换信号，这将依次导致快门元件62a和62b打开以形成左侧图像（见图7a），快门元件62d和62e打开以形成中央的图像（图7b），和快门元件62g和62h打开以形成右侧图像（图7c）。到观看设备的相应的三态切换信号将该设备同步到接收到的图像。虽然这种操作模式稍微损害了立体效果，但它增加了平均照度并减少了闪烁，从而在某些情况下，提高了图像的整体质量。

立体光学适配器

当前的发明提供了一种用于将诸如上述的立体快门与用于诸如，例如显微镜或内窥镜的任何传统的单透镜光学装置的传统的摄像机/相机适配器集成的系统。在下面讨论本发明的被配置用于显微镜（图8A到8D）和内窥镜（图9）的适配器的几种可供选择的配置的示意图。

如图8A到89C所示，在多个不同的配置中，本发明的快门可被集成到显微镜64中。例如，立体快门66可以被定位在相机适配器透镜组件68内，或者在透镜70和光圈72的前面（图8A），或者在光圈后面且在多元件透镜的不同的透镜元件之间（图8B）。另外，快门可被放置在显微镜64本身的相机/视频端口74内，在显微镜适配器透镜组件68之前（图8C）。

应当理解的是，这些只是一些示例性的配置，透镜适配器中的透镜的数量可以改变以适应光学装置的具体布置。例如，立体快门可与变焦透镜集成。在这样的实施例中，如图8D中示意性地示出的，会聚透镜76将通过标准的机械/机电连接（未示出）被连接到另外的会聚透镜78以使焦距可被调整。中间发散透镜80被提供且快门82（可以是参考图6和7中的任何一个示出和描述的）例如被安装在另外的会聚透镜84的后面，光圈通常为定位在此。该图像如通常一样然后被集中在摄像机/相机86上。在优选的实施例中，针对最佳放置，快门组件被设置在棒透镜之间。

另外，装置的非必要方面也可以省略。例如，如上所述的，立体快门可以作为光圈来操作，从而消除了对第二光圈的需要。

这些不同的配置各有不同的优势。例如，保持快门在适配器内，允许通过简单地移动适配器使之与内窥镜对齐或失准，内窥镜具有标准的内窥镜或立体内窥镜的功能。此外，通过连接适配器和相机，可以在握持相机的同时旋转观测镜，这尤其对于成角度的观测镜是非常重要的（即，30度DOV）。此外，在这样的实施例中，该观测镜可以使用标准的目镜连接器来替代，如果在程序的中间需要切换观测镜的角度（即，从0度观测镜到70度观测镜），或者如果在程序期间，观测镜出现故障，这是很重要的。最后，当快门没有位于观测镜内但位于相机耦合器中时，成本降低了，因为也可以使用标准仪器，这允许独立于快门来旋转观测镜，这允许消毒该观测镜，而不用担心损坏快门，且其将所有的电子器件和电缆保持在耦合器内。类似的优点可以通过将快门永久地集成到摄像头来获得。在这样的情况下，在制造并永久性地附接/集成期间，快门和耦合器可以对齐，虽然很明显，这需要特殊用途的相机。

不考虑被集成到适配器和显微镜中的立体快门或特定的光学器件的位置，重要的是，该适配器的光学器件和相机安装件被对齐和选择，以确保立体图像无失真地到达摄像机/相机且在正确的配置中。图9和10示出了显示两个不同的透镜/快门配置的操作的光线迹线的示意图。如图所示，优选被快门88遮挡的光线86如图所示为平行的，但可替换地为会聚或发散的。如果快门被包含到相机耦合器光学器件/适配器，这是特别重要的。平行光线对于快门是理想的位置，因为该光瞳面包含完整的图像信息。因此，在优选的实施例中，接目镜被设计成提供来自内窥镜的光，其共轭接近无穷远。在这样的几乎无穷远的共轭系统，透镜系统可被放置于该出射面或内窥镜的光瞳处，这样光尽可能地靠近快门。具有无穷远的共轭或近无穷远的共轭的系统允许内窥镜和耦合器之间的距离改变，并且可以更容易地保持光学系统对准。相反，如果光线是会聚的，快门最好靠近透镜被定位。

另外，这样的实施例是去除内窥镜并具有包括新技术的传统的内窥镜的理想的方法。例如，可以提供用于现有的内窥镜的适配器，以为目镜准直出射的光线。可以构造各种适配器以用于各种品牌和型号的具有各种出射角度或目镜放大倍率的内窥镜。例如，如果提供光线发散10度的内窥镜且放在适配器透镜的后面，以确保该系统的共轭几乎是无穷远的，则有可能使用本发明的耦合器而不考虑那角度。但应当理解，这样的适配器可以是单独的或被设计到内窥镜中。

更具体地说，在图9中，Zeiss显微镜的非连续的模型被提供。在此模型中，物镜是175mm×直径50mm，CCD透镜为55mm FL×直径20mm，转台离轴12mm。轴向场点（蓝色）角度被调整为通过快门和CCD透镜的中心。边际场点（红色和黄色）被转换来填充l/3in CCD。CCD的长尺寸与立体通道（y轴）在同一轴线上。所有场点的角度被调整为通过快门的中心。对于100%有效的顶部，最大快门直径为5.5mm。在图10中，入射光瞳的位置是距物体486mm。转台处的通道的间隔是24mm，而光瞳的入口处的通道间隔是66mm。在入射光瞳处的快门的图像是直径15.4mm。（MS=15.4/5.5=2.8倍）。

这些光学器件的模拟结果表明，虽然立体图像可以从使用本发明的适配器的任何传统的显微镜获得，在显微镜中使用的物镜或通过件（pass-through）的直径越大，立体效果将越好。特别是，传统的内窥镜设计不能最大化立体视图。例如，在传统的内窥镜中，具有直径6.5mm的透镜只可使用直径4.5mm的透镜部分。其缺点是，如果光线弯曲时，可能导致渐晕（在外围处的图像的亮度或饱和度与图像的中心相比减少了）。但是，通过模拟表明，系统的入射光瞳对于最大化立体效果是重要的。在传统和立体的内窥镜之间的实现上的这种差异的原因是基于它们的目的。在传统的内窥镜中，使用较小入射直径允许更好的聚焦深度。然而，使用较大入射直径提供了提供改进的视在内光瞳直径的较大区域，这大大提高了立体效果和光透射（亮度），但这两者对于非立体的内窥镜都不是关键的。因此，在一个优选的实施例中，立体内窥镜系统的物镜被设计成最大限度地利用透镜。

另外，传统的内窥镜的光学设计针对光学系统的中心被优化。同样，传统的单透镜立体系统利用快门遮挡中心，以便当它们被设计为在光路边缘的70％被优化时，可以实现更好的光学性能。在当前的发明中，快门总是遮挡图像的中心部分的一部分。通过增加这种遮挡，可以在边缘看的越来越多，扩大了视在内光瞳直径。使用本发明的多部件快门，可以来回移动阻塞部，这样通过使用这样的加权设计，可以在中心的70％处实现最佳的图像质量。

现在将本发明的光学适配器集成到内窥镜中，示例性实施例的示意图被提供在图11中。如图所示，在本发明的这个实施例中，具有在其远端的物镜90和在其近端的目镜94的传统的单目镜刚性内窥镜89被光耦合到相机（示意性地示出），其聚焦从稍远的透镜装置出射的光，即通过聚焦透镜98将从目镜94出射的光聚焦到相机的光学器件99。本领域技术人员将理解，实际上，透镜98通常将是多元件透镜，且曝光通常将由光圈控制（图中未示出）。正如到目前为止所描述的，该布置是传统的。另外，相机可以是摄像机或照相机，在这种情况下，来自透镜98的光被聚焦到摄像机或胶片相机的感光的图像平面。

根据本发明，提供了快门96，其被布置为在来自视频处理电路的信号的控制下，优选以诸如每秒60次或更高（对于视频）的极快速度交替地遮挡从目镜94的左侧和右侧区域出射的光。如图所示，快门96可被设置在透镜98的前面，在多元件透镜98的不同的透镜元件之间（图中未示出），或例如，可位于透镜98和相机之间。特别地，快门可以是机械式或电子式的，如印在透镜98的表面上的LCD快门。被快门96遮挡的光线优选是接近无穷远的共轭，如图所示，但可替换地为会聚或发散的。尤其当光线是会聚的时，快门应该优选位于靠近透镜处。

应当理解，虽然上述实施例关于内窥镜进行了描述，但光学适配器也可以被应用到例如腹腔镜、检孔仪、膀胱镜或关节镜。此外，如将在后面讨论的，用户可以拖拉聚焦或变焦（假设透镜具有这种设施）而不影响立体成像。

不考虑本发明的立体光学适配器被包含到其中的单透镜光学装置的实际类型，应当理解，具体的结构限制需要予以考虑。例如，在一般的单透镜装置中，通过简单地旋转相机或相机适配器，可以改变屏幕上的投影图像的位置。显然，相机或相机适配器的任何这样的旋转被转换到观看屏上，从而允许观看者修改他们的观看角度，而无需移动或旋转样本（在外科手术的情况下，这可能是患者的身体）。然而，在当前的发明中，这种操作观察对象的观看角度的方式是复杂的。特别是，因为有必要使视频显示器与快门同步，以便它可以在左视图和右视图之间切换来产生立体效果，快门和相机相对于彼此的方向必须保持固定。如果相机或快门的方向相对于彼此改变时，视频显示器将不“知道”被发送到它的图像是来自快门的右部还是左部，且立体效果会被破坏或劣化。图12提供了示意图，示出相机和快门的相对方向的变化如何影响屏幕上的立体图像。在视图A，相机100和快门102正确对齐，所以当快门在左视图和右视图之间切换时，相机在正确的方向将这些图像传输到屏幕104。然而，在视图B，快门被旋转90度，所以有“顶”视图和“底”视图。然而，相机并没有被旋转，所以显示器仍然将顶部方向显示为左方向。其结果是，立体效果对于观察者而言被破坏。

因此，在本发明的一个实施例中，立体快门和相机被设置在适配器上，在独立可转动的连接件上，诸如允许快门和相机的合适的方向的任何适当类型的手动或自动的调节环。一旦快门和相机被适当地取向，然后它们通过机械或机电连接互连，使得快门或相机中的一个的旋转导致快门或相机中的另一个在同一方向且具有相同的旋转角度的等同的旋转。使用这样的同步互连，为用户提供了改变观察对象的方向而不会劣化或毁坏立体效果且也不需要移动被观察对象的可能性。例如，使用这样的互连，允许在耦合器中的光学器件被移动以聚焦图像时，快门和光学器件被移动。正确地聚焦而不干扰相机和快门的方向是很重要的，因为否则立体对应将被破坏。由于内窥镜上的密封，配置这样的聚焦同步需要额外的工程。特别是，传统的内窥镜在外面具有紧密密封在里面的透镜的两个窗口，然后有带把手的凸轮机构，其向前和向后驱动透镜来调整焦点。在更复杂的变焦机构上，具有将一组光学器件移动到合适的位置以增大倍率的调整变焦机构和调整焦点的另一个环。将具有最佳位置，在此位置快门应关于该光学器件被定位。因此，需要固定该位置，这样当光学器件被聚焦时，其在适当的点。对于简单的聚焦，可以简单地固定快门和透镜之间的位置并整体移动整个系统，但在具有变焦的装置中，也必要的是用凸轮带动（cam）快门，这样它与变焦透镜一起移入和移出位置。一个示例性的耐高温高压系统，其中，运动发生在紧密密封装置外，可以在美国专利申请号68/55106和63/98724中发现，其公开内容均通过引用并入本文。

应当理解，控制立体快门的操作的可编程的电路装置（图中未示出）也随光学适配器提供。该电路装置控制各快门元件从透射过渡到不透明的状态，以及控制快门元件从不透明过渡到透射状态。此电路装置也可与相机和/或视频显示装置互连，以将每个视频帧的可视视频部分与快门同步。

这种可控的电子装置的存在与本发明的主动立体快门的结合在立体光学器件的操作中允许了很大的灵活性。例如，使用快门控制电路装置，用户可以执行一些独特的功能：

·立体快门控制技术允许快门被瞬间打开和关闭。这允许在3D和2D视图之间瞬时转换，而无需对透镜、快门或适配器进行任何改动。

·也可以嵌入同步电路，这样用户可以控制左场和右场，使其与相机的正确的奇数帧和偶数帧对齐。此电路可以允许手动控制此同步或自动同步L/R视图与特定的相机要求。

·使用立体快门控制技术，也可以将视频的处理/定时与快门同步和将快门与相机同步，这样可以确保所有三个元件（快门/相机/视频显示）都被同步以显示相同的L/R视图，及在任意时刻，如果它们变得不同步，切换这些元件。

·对齐功能可以被构建到快门驱动器中，以验证快门的正确位置和方向，来最优化图像质量和立体效果。在这样的实施例中，该驱动器检查阴影以确定快门是否在正确的位置，且驱动器将各段打开和关闭，以最大限度地提高立体效果或对齐。

·快门驱动器还可以被配置在样本的上方或下方，光学器件的左侧和/或右侧，以适应在现代CMOS/MOS芯片技术中的卷帘式快门。总之，一些新的相机系统不具有一次全部打开和关闭的整体快门，而是一行一行地动作的卷帘式快门。在这些卷帘式或逐行的快门中，其结果将是间歇的立体效果。因此，有必要通过频率匹配来确保针对这和卷帘式快门的快门补偿。

·也可以使用控制器来触发照相机一次拍摄将被同步到右侧和左侧的两张图片，从而允许拍摄高品质的立体图像，而无需机械移动适配器的任何元件。

·在另一个实施例中，额外的视频处理器电路可以包括在快门控制器中，其将允许以任何所需的格式，包括帧连续的、渐进的、隔行的、并排的、棋盘格的和水平交错的/一行一行的等，将帧连续的立体图像转换到立体视频输出。

·快门驱动器也可以和脉冲光同步，这样快门驱动器和脉冲光系统可以一起使用以3D捕捉高速运动。例如，使用这样的系统可以执行3D频闪以研究声带或身体的其他快速移动的部位。

·最后，因为正在使用多元件/多像素快门，可以选择性地布置左侧和右侧（即，中心像素关于光轴或图像中心的位置），以帮助使用反馈机制自动地使快门的位置在中央，或者手动使快门的位置在中央，而无需机械地调节快门位置。

使用立体快门控制器也允许图像分析。在一个实施例中，对样本的左图像和右图像进行检查以确定适当的图像视差。视差是沿着两条不同的视线观看的对象的视在位置的明显的位移或差，并通过这两条线之间的倾斜角或半角测量，如图13中示意性地示出的。如该示意图中所示，观察员（M）从两个不同的位置（P1和P2）观看对象（O）。O比背景（B）更接近观察者，所以从P1到P2的位置变化迫使O到相应的位置S1和S2的投影变化。由于B比O远得多，关于O的投影位置的变化比关于B的要大。因此，观察者觉察到O的位置相对于B的可视变化。为了在当前的系统中考虑这点，快门的宽度可以被调整，如图14A到图14C所示，以调整系统的视差，从而提高图像质量。如这些示意图中所示的，当视差增加（从图14A到14B到14C）时，在快门（106）中激活的右侧（110）元件和左侧（108）元件的数目增加。这种立体快门宽度调整可以通过快门控制器手动完成，或可替代地被包含到反馈回路系统，使得在变焦或放大对象时，将自动调整快门视差。在这样的系统中，视差调整可以根据基于单透镜光学装置的放大或缩小水平的某些预置来进行，或通过测距装置，诸如，例如，短测距声纳来进行。

虽然上面的讨论集中在快门系统，但应当理解，快门可以是电子设计的，其中立体快门的效果是逻辑的，或通过图像信号处理被软件驱动的。例如，被称为光场捕获的新技术并不捕捉聚焦的图像，而是捕获通常的光圈将处在的图像。因此，该过程获取混乱不清的数据，然后对其进行处理以形成3-D图像。这样的装置的一个示例是由Lytro公司生产的光场检测器。在该装置中，传感器检测整个光场，而不是单一比特的信息。

在任何上述实施例中，应该理解，捕捉光图像的装置可包括任何适当的记录/图像/相机捕捉系统，诸如，例如，CCD、CMOS或光场捕获系统，且这样的捕获系统可被放置在光瞳处且使用电子快门或立体的间隔可通过如上所述的图像处理来完成。

等同原则

为了说明和描述的目的，提供了本发明的描述。其目的不是穷举或将本发明限制到所描述的精确形式，且在参考以上教导后，许多改进和变化是可能的。例如，尽管适配器光学系统和电路的以上讨论关于显微镜分束器或内窥镜进行了描述，也应该理解，该适配器可以通过显微镜的目镜同样适用于显微镜，或可被应用到其他的单透镜光学装置。实施例被选择和描述以最好地解释本发明的原理及其实际应用。此描述将使本领域的其他技术人员能够在各个实施例中最好地利用和实践本发明，并进行适合于某一特定用途的各种修改。本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.一种立体光学适配器，包括：

光学适配器主体，所述光学适配器主体被配置为将限定待成像区域的单透镜光学装置与图像捕获装置光学互连，所述光学适配器主体至少包括立体快门和光学中继器;

其中，所述立体快门被配置成从所述单透镜光学装置的成像区域生成立体图像;

其中，所述光学中继器包括被配置为将光从所述单透镜光学装置通过所述立体快门传输到所述图像捕获装置的一个或多个光学元件;及

其中，所述立体快门和所述相机之间的相对旋转对齐是可调的，使得所述旋转对齐是可配置的以确保通过所述图像捕获设备捕获所述立体图像。

2.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被配置成交替地遮挡从所述单透镜光学装置的预定区域出射的光。

3.根据权利要求2所述的立体光学适配器，其中，所述预定区域是所述成像区域的左侧和右侧区域。

4.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述快门包括多个单独可控的可遮挡区域。

5.根据权利要求4所述的立体光学适配器，其中，所述可遮挡区域由选自由机械的、机电的、化学的和材料构成的组的装置形成。

6.根据权利要求4所述的立体光学适配器，其中，所述可遮挡区域被形成为选自由曲线形、圆形、六角形和矩形构成的组的形状。

7.根据权利要求4所述的立体光学适配器，其中，所述可遮挡区域中的至少一个是固定的。

8.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被设置在所述光学中继器和所述单透镜光学装置之间。

9.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被设置在所述光学中继器和所述图像捕获装置之间。

10.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被设置有光学中继器。

11.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述光学中继器包括光圈。

12.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被设置在所述单透镜光学装置或所述图像捕获装置中的一个内。

13.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门用作光圈。

14.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门被包含在变焦透镜内。

15.根据权利要求14所述的立体光学适配器，其中，所述变焦透镜包括被配置成可拆卸地放置成与所述立体快门光学对齐以调节所述适配器的焦距的一系列会聚透镜。

16.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述适配器可拆卸地互连在所述图像捕获装置和所述单透镜光学装置之间。

17.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述适配器被集成在所述图像捕获装置内。

18.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述适配器被集成在所述单透镜光学装置内。

19.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，进入所述立体快门的光具有被配置为接近准直的共轭。

20.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述光学中继器位于所述单透镜光学装置的出口附近。

21.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述单透镜光学装置是显微镜或内窥镜中的一种。

22.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述图像捕获装置选自由下列项构成的组：机械式相机、数码相机、CCD、CMOS、数码摄像机和光场捕获系统。

23.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述适配器利用所述单透镜光学装置的物镜的整个区域。

24.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门和所述图像捕获装置中的至少一个被安装在被配置为允许所述立体快门关于所述图像捕获装置旋转对齐的调节台上。

25.根据权利要求24所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门和所述图像捕获装置被安装在被配置为允许所述立体快门关于所述图像捕获装置旋转对齐的可旋转的调节台上，其中，所述调节台被互连使得所述立体快门或所述图像捕获装置中的一方的旋转导致其对应方的等效旋转。

26.根据权利要求1所述的立体光学适配器，还包括控制所述立体快门的操作的可编程控制器电路。

27.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述快门包括被配置为交替地遮挡从所述单透镜光学装置的预定区域出射的光的多个单独可控的可遮挡区域，并且其中所述可编程控制器电路控制各个所述可遮挡区域的操作。

28.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路还与所述图像捕获装置进行信号通信，并且被配置为将所述图像捕获装置与所述立体快门的打开和关闭同步，以确保立体观看。

29.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路被配置为禁用所述立体快门，使得所述适配器可以被重新配置成非立体装置。

30.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路被配置为检查在所述立体图像中形成的阴影，并优化所述立体快门的操作以获得最佳的立体成像。

31.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述图像捕获装置具有卷帘式快门，且其中，所述可编程控制器电路被配置为将所述立体快门与所述卷帘式快门同步。

32.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述图像捕获装置包括相机，且其中，所述可编程控制器电路被配置为将所述相机与立体透镜同步以捕获单个静态立体图像。

33.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路被配置为允许将来自所述图像捕获装置的数据以选自由下列项构成的组的格式转换为立体视频输出：帧连续的、渐进的、隔行的、并排的、棋盘格的和水平交错/逐行的。

34.根据权利要求26所述的立体光学适配器，还包括脉冲光，且其中，所述可编程控制器电路被配置为将所述立体快门与所述脉冲光同步以允许由所述图像捕获设备捕获高速运动。

35.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路被配置为使所述立体快门的位置与所述单透镜光学装置的光轴对中。

36.根据权利要求26所述的立体光学适配器，其中，所述可编程控制器电路被配置为确定由所述图像捕获装置捕获的图像的视差。

37.根据权利要求1所述的立体光学适配器，其中，所述立体快门是电子的，且立体效果通过图像信号处理产生。