CN105659139A - 3d视频显微镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可放大看不清楚或不容易确认的人体部位，以供医生边观察边进行手术的手术用显微镜装置，尤其涉及一种在监视器中以3D立体影像方式显示患部以更具现实感地支援手术，利用对被摄物体图像进行成像的隐色棱镜使被摄物体在无弯曲地平整显示，从而去除色差，清晰显示，而且，可简便地调整所显示的被摄物体的聚散和倍率的3D视频显微镜装置。本发明的3D视频显微镜装置，包括：一对图像传感器；隐色棱镜，使所输入的被摄物体图像在去除色差的状态下在上述图像传感器中进行成像；一对变焦镜头，将通过上述隐色棱镜的被摄物体的图像以一定倍率传递至上述图像传感器。

Description

3D视频显微镜
技术领域
本发明涉及一种放大肉眼难以观察或视野未能达到的部位并通过监视器立体显示，从而广泛用于为进行手术的医疗领域的各种工业领域的视频显微镜装置，尤其涉及一种在监视器中以3D立体影像方式显示被摄物体(例如，患者的患部、各种机械装置、半导体元件等)以更具现实感地观察被摄物体，利用对被摄物体图像进行成像的隐色棱镜使被摄物体在无弯曲地平整显示，从而去除色差，清晰显示，而且，可简便地调整所显示的被摄物体的聚散和倍率的3D视频显微镜装置。
背景技术
众所周知，显微镜为放大被摄物体的器械，过去需要观察者将眼睛移动到目镜观察被摄物体，但近来随着技术的发展，出现将被摄物体显示于监视器，从而观察者无需受行动制约(例如，需将眼睛对准母亲的状态下行动)即可放大被摄物体进行观察的视频显微镜装置。
现在，上述视频显微镜装置在进行手术的医疗领域和各种工业领域的使用正在逐渐增加。
本发明的3D视频显微镜装置预计主要用于进行手术的医疗领域，因此下面主要以医疗领域为准进行说明。当然，本发明的3D视频显微镜装置也能用于各种工业领域。
一般而言，医疗手术用显微镜是在医疗机构的外科、眼科、神经外科、耳鼻咽喉科、脊柱外科及产科等放大看不清楚或不容易确认的人体部位，以供医生边观察边进行手术的医疗器械的一种。
医生边观察通过手术用显微镜拍摄的患者的患部边进行手术，而医生之外的辅助人员及与患者相关的监护人通过监视器在手术室及外部对患者的患部及手术进行过程进行观察。
此时，因显示于监视器中的影像为单纯的二维影像，从而难以准确观察及确认手术部位。
因此，最近开发出在手术进行过程中显示立体影像，从而不仅可观察患部还可以观察患部的另一面的同时进行手术的三维影像系统。
关于手术用显微镜装置的现有技术有已公开的公开专利第10-2012-0138520号的“手术显微镜系统”、注册专利第10-1092108号的“手术用显微镜”等。
手术用显微镜装置，包括：图像传感器(例如，CCD、CMOS)，通过进行处理使被摄物体的图像成像并使被摄物体的图像显示于监视器；凸透镜，使被摄物体的图像在图像传感器中成像；变焦镜头，设置于凸透镜和图像传感器之间并调节被摄物体图像的倍率。
如上所述，在现有技术的手术用显微镜装置中，为被摄物体图像的成像使用凸透镜，但因凸透镜的突出形状的结构和所通过的图像光的折射特性，被摄物体在监视器中弯曲，以突出或凹陷的形状显示。
若长时间观察与实际不同的被摄物体在监视器中弯曲显示的影像，则将引起眩晕，给手术者产生负面影响，妨碍完成精密的手术，还有可能导致医疗事故。
因此，急需在即使长时间注视监视器并进行手术时也不会引起眩晕的技术，但现有技术未能解决上述问题。
另外，在3D立体影像中，若左侧图像和右侧图像之间的时差量不准确，则注视立体影像的人根据无意识的大脑的命令人为矫正所显示的被摄物体的时差量，引起眩晕和眼部疲劳，因此需要聚散的调整。
调整聚散的简单的方法之一为调整在被摄物体和显微镜内部使被摄物体在图像传感器成像的透镜之间的距离。
但是，在现有技术的手术用显微镜装置中，使被摄物体在图像传感器上成像的透镜被固定，因此难以在手术中调整聚散。
公开
技术问题
本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种3D视频显微镜，
首先，作为使被摄物体的图像在图像传感器中成像的成像部件，替代凸透镜使用棱镜，以使显示于监视器中的被摄物体无弯曲地平整显示，因此即使长时间注视监视器，因可减少眼部的疲劳感，能完成无医疗事故的安全的手术，而棱镜采用由两个折射率不同的叠加而成的无色差的隐色棱镜，从而提供高质量的被摄物体影像；
在连接变焦镜头和图像传感器的轴上选择性地设置定焦镜头，从而可在显微镜中简便地任意调整被摄物体自身的倍率；
隐色棱镜可前后移动，从而可简便地调整聚散。
技术方案
为达到上述目的，本发明的3D视频显微镜，包括：
一对图像传感器；
隐色棱镜，使所输入的被摄物体图像在去除色差的状态下在上述图像传感器中进行成像；
一对变焦镜头，将通过上述隐色棱镜的被摄物体的图像以一定倍率传递至上述图像传感器。
另外，还包括在连接上述图像传感器和变焦镜头的虚拟轴上选择性地设置并调整成像于上述图像传感器的被摄物体的倍率的正焦镜头。
上述隐色棱镜可前进或后退，从而可调整聚散。
技术效果
上述构成的本发明为在将被摄物体成像于图像传感器时替代凸透镜使用棱镜，以使显示于监视器中的被摄物体不弯曲突出或凹陷而平整显示，从而即使长时间注视监视器也能减少眼部的眩晕，而且，为了克服一般色差较大的棱镜的缺陷，叠加折射率不同的第一棱镜和第二棱镜形成无色差的隐色棱镜，并在通过显微镜的患部的观察方向和观察距离发生变化时，通过前后移动隐色棱镜简便调节聚散，从而具体清晰高质量的3D立体影像的手术用3D显微镜装置，是非常有用于医疗产业发展的发明。
附图说明
图1为本发明的手术用3D显微镜装置的主要部分斜视图；
图2为表示本发明的手术用3D显微镜装置和对在此拍摄的影像进行处理并输出至监视器的影像处理装置的框图。
【符号说明】
10：图像传感器
20：隐色棱镜
30：变焦镜头
40：定焦镜头
最佳方式
下面，结合附图对本发明的3D视频显微镜进行详细说明。
在结合附图对本发明的3D视频显微镜进行具体说明之前，
本发明可进行各种变形且可有各种实施例，而在下面，将详细说明实施例(aspect)。但是，不是把本发明限定在特定事实方式，而需包含属于本发明的思想及技术范围的所有变更、均等物乃至替代物。
在附图中，相同附图标记，尤其是十位及个位数或十位、个位及字母相同的附图标记表示具有相同或类似功能的部件，在没有特殊说明的情况下，附图中的各附图标记所指示的部件遵循上述标准。
另外，各附图中的要素，为了帮助理解而夸张或简化表示其大小和厚度，但本发明不受这些图的限制。
用于本申请的术语只是说明特定实施例(aspect)而非限制本发明。在语境中没有明显的区别，则单数的记载包含复数的含义。在本申请中，“包括”或“拥有”等术语表示存在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、结构、部件或它们的组合，而非预先排除一个或以上的其他特征、数字、步骤、动作、结构、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
除非有特别的说明，包括技术或科学术语在内的在此使用的所有术语的意思与本发明所属技术领域的技术人员通常所理解的意思一样。一般使用的与词典中定义的术语相同的术语具有与相关技术的语境中的意思相同的含义，除非有明确的定义，在本申请中不具有理想的或过度的含义。
如图所示，本发明的手术用3D显微镜装置包括图像传感器10、隐色棱镜20、变焦镜头30、定焦镜头40。
上述图像传感器10对所输入的被摄物体的图像(以光的形式输入)进行处理生成影像数据并将所生成的影像数据传送至主体。主体将图像传感器10传送的影像数据输出至监视器进行显示。
上述图像传感器10有CCD元件、CMOS元件等，本发明作为提供3D立体影像的显微镜，上述图像传感器10具备一对以获得从各被摄物体(患部)的左侧拍摄的左眼图像和从右侧拍摄的右眼图像进行处理。
上述隐色棱镜20将所输入的被摄物体的图像传递至上述图像传感器10进行成像。
如上所述，在现有技术中作为使被摄物体在图像传感器10中进行成像的成像部件一般使用凸透镜，但是因凸透镜突出形状结构特性，显示于监视器的被摄物体的图像与实际不同，以弯曲突出(或凹陷)的形状显示，若长时间注释将引起眩晕。
但是，棱镜能使被摄物体无弯曲地以实际相同的形状成像于图像传感器10中并显示于监视器，因此不存在引发上述眩晕的问题。
只是棱镜存在较之凸透镜色差大的缺陷。即，因较之凸透镜棱镜对所输入的被摄物体的光的颜色(波长)的折射率差异大，因此在显示于监视器的被摄物体的周围出现像彩虹的边缘。
为解决上述产生色差的问题，本发明使用叠加具有不同折射率的第一棱镜21和第二棱镜22的隐色棱镜20去除色差。
上述隐色棱镜20的第一棱镜21的后面和第二棱镜22的前面由平面结构构成并相互贴紧，第一棱镜21的前面具有中央突出的棱角结构以各获得被摄物体的左侧图像和右侧图像的输入，而上述第二棱镜22的后面具有中央凹陷的结构以将从第一棱镜21的前面两侧输入的被摄物体的左侧图像和右侧图像传递至各一对图像传感器10。
为具备适合于手术的焦距f并在实现上述焦距f的同时去除色差，上述隐色棱镜20根据第一棱镜21和第二棱镜22的折射率决定材质和角度(θ1、θ2)。
此时，具备可最大限度地减少隐色棱镜20的体积(尤其前后方向的长度)，提高显微镜的小型化水平和内部安装的便利性，容易加工第一棱镜21和第二棱镜22，不容易受外部冲击损伤的角度(θ1、θ2)为宜。
适合于手术的隐色棱镜20的焦距f为50mm～500mm，而较佳为200mm～400mm。
在上述焦距f范围内，当考虑体积的最小化、加工的便利性、对外部冲击的耐久性及去除色差的效率性时，上述第一棱镜的角度(θ1)为5～40度，较佳为7～15度，而上述第二棱镜的角度(θ2)为2～10度，较佳为4～8度。
上述隐色棱镜20可前进或后退，从而可调整3D立体影像的聚散。
在3D立体影像中，若被摄物体的观察方向和观察距离发生变化，则将在左侧图像和右侧图像之间产生时差量，而当发生时差量时，显示于监视器的被摄物体的轮廓变得模糊，而观测者因看到没有对焦的物体而将感到严重的疲劳。
因此，在手术过程中，当因通过显微镜的患部的观察方向和观察距离发生变化而在左侧图像和右侧图像之间产生时差量时，需要通过简单的操作减少时差量。即，需要简单地调整聚散。
本发明通过前进后退装置(未图示)前进或后退隐色棱镜20，在手术过程中简单地调整聚散。
上述一对变焦镜头30设置于上述隐色棱镜20的后方两侧，以将通过隐色棱镜20的被摄物体的图像放大至一定倍率传递至上述图像传感器10。
上述变焦镜头30具备各种排列的各种形式，以根据使用者(手术者)的操作及时地将所希望倍率的一对变焦镜头30设置于隐色棱镜20的后方两侧。
上述定焦镜头40由一对构成，选择性地设置于连接各一对上述变焦镜头30和上述图像传感器10的虚拟轴上，以调整成像于上述图像传感器10中的被摄物体的倍率。
换言之，当定焦镜头40设置于连接上述变焦镜头30和上述图像传感器10的虚拟轴上时，将从上述变焦镜头30传递的被摄物体的图像放大至一定倍率(例如，0.5倍、2倍)传递至上述图像传感器10，而在设置于偏离连接上述变焦镜头30和上述图像传感器10的虚拟轴的位置时，通过上述变焦镜头30的被摄物体的图像直接传递至图像传感器10，以使被摄物体根据变焦镜头的倍率成像于图像传感器10并显示于监视器。
上述定焦镜头40通过旋转装置(未图示)旋转，以设置于连接上述变焦镜头30和上述图像传感器10的虚拟轴上或设置于偏离虚拟轴的位置。
当如图所示具备一对定焦镜头40时，定焦镜头40旋转90度设置于虚拟轴上，而逆向旋转90度偏离虚拟轴。
此时，若具备两对以上的定焦镜头40，则可更多样地调整倍率。即，若具备调整倍率的两对定焦镜头40，则可以60度为间距设置定焦镜头40或另一定焦镜头40、无定焦镜头40(没有定焦镜头40)，从而每当通过旋转装置旋转60度时即可调整被摄物体的倍率。
下面结合图2对本发明的3D显微镜装置和对在此拍摄的影像进行处理并输出至监视器的影像处理装置进行简要说明。
隐色棱镜20从两侧接受作为观察对象(拍摄对象)的被摄物体89的图像的输入，并按不同波长变换从两侧输入的图像的光路径以去除色差，以输入至各设置于后方的一对变焦镜头30。
上述隐色棱镜20可前进或后退，从而可机械地调整从两侧输入的被摄物体图像(及左眼图像和右眼图像)的聚散。
上述变焦镜头30将从隐色棱镜20传递的被摄物体放大至一定倍率，而上述定焦镜头30将从上述变焦镜头30传递的被摄物体的图像再一次以一定倍率进行放大(或缩小)。
设置于上述定焦镜头40的后方的焦点镜头92在镜筒93内部沿光路径前进或后退以调整被摄物体图像的焦点。
上述图像传感器10使通过上述焦点镜头92的被摄物体的图像输入并成像，并作为所输入的被摄物体的图像将光数据变换为影像数据。
上述图像传感器10的影像数据传送至转换器95，而转换器95对所输入的影像数据进行适合于进行预处理的格式变换等。
在上述转换器95中进行格式变换等的影像数据传送至预处理部96以加工成适合于存储及处理的形式，并完成变形为空间及时间轴的预处理。
在上述预处理部96完成预处理的影像数据传送至ISP部97以调整影像的颜色或亮度等。
在上述ISP部97调整颜色和亮度等的影像数据传送至聚散调整部98以调整左眼用影像数据和右眼用影像数据的中心及距离感等完成聚散的调整。
通过上述聚散调整部98调整聚散的影像数据通过发射机101、102输出至具有多路复用功能的监视器104并由监视器104通过合成显示为立体影像，传送至合成部99进行合成之后，输出至监视器105、106显示为立体影像。
此时，通过上述聚散调整部98调整聚散的左眼用影像数据可传送至HDM仪器(HeadMountDisplay，例如具备监视器3D眼镜或耳机)的左右侧监视器，以在HMD仪器的佩戴者左眼和右眼各显示左眼影像和右眼影像，从而使佩戴者的左右眼直接看到立体影像。
在图2中未进行说明的附图标记107为通过电源管理、光源控制、命令信号处理等整体上控制3D视频显微镜装置和影像处理装置的控制器，108为用户界面，而109为作为外部输入装置的手动开关和脚踏开关。
上述实施例仅用以说明具有特性形状和结构的3D视频显微镜而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改、变形或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种3D视频显微镜装置，包括：一对图像传感器；隐色棱镜，使所输入的被摄物体图像在去除色差的状态下在上述图像传感器中进行成像；一对变焦镜头，将通过上述隐色棱镜的被摄物体的图像以一定倍率传递至上述图像传感器。
2.根据权利要求1所述的3D视频显微镜装置，其特征在于：还包括在连接上述图像传感器和变焦镜头的虚拟轴上选择性地设置并调整成像于上述图像传感器的被摄物体的倍率的正焦镜头。
3.根据权利要求1或2所述的3D视频显微镜装置，其特征在于：上述隐色棱镜可前进或后退，从而可调整聚散。
4.根据权利要求1或2所述的3D视频显微镜装置，其特征在于：上述隐色棱镜包括前面具有中央突出的棱角结构以各获得被摄物体的左侧图像和右侧图像的输入的第一棱镜，及其前面叠加于上述第一棱镜的后面，而后面具有中央凹陷的结构以将从第一棱镜的前面两侧输入的被摄物体的左侧图像和右侧图像传递至各一对图像传感器的第二棱镜，而上述隐色棱镜的焦距f为200mm～400mm，上述第一棱镜的角度(θ1)为7～15度，上述第二棱镜的角度(θ2)为4～8度。
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