CN109152521A - 紧凑双目图像捕获设备 - Google Patents

Abstract

双目图像捕获设备包括多个堆叠的电路板、被安装到多个堆叠的电路板中的第一电路板的前置双图像传感器以及被安装到多个堆叠的电路板中的一个或多个并被耦合以接收由双图像传感器产生的电信号的信号调节电子器件。双图像传感器被封装在气密外壳内。在一些示例中，气密外壳可以由第一电路板、被固定到第一电路板的过渡环和被固定到过渡环的光学器件安装座形成。在一些示例中，气密外壳可以使用具有匹配的热膨胀系数的材料形成。在一些示例中，双目图像捕获设备通过轴封装，多个堆叠的电路板沿着该轴的长度堆叠。

Description

紧凑双目图像捕获设备

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2016年7月14日提交的名称为“COMPACT BINOCULAR IMAGECAPTURE DEVICE(紧凑双目图像捕获设备)”的美国临时专利申请62/362,224的申请日的优先权和权益，上述申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于进行图像引导手术的图像捕获设备，并且更具体地涉及用于进行图像引导手术的紧凑双目图像捕获设备。

背景技术

与传统的开放手术技术相比，用于进行微创外科手术的医疗机器人系统(诸如远程操作系统)提供了许多益处，包括减轻疼痛、缩短住院时间、更快恢复正常活动、结疤最小、减少恢复时间以及减少组织损伤。因此，对这种医疗远程操作系统的需求强劲且不断增长。

医疗远程操作系统的示例包括来自加利福尼亚州森尼维耳市的直观外科手术公司的da外科手术系统和daS^TM外科手术系统。这些系统中的每一个都包括外科医生的控制台、患者侧推车、高性能三维(“3-D”)视觉系统以及直观外科手术公司专有的仿照人类手腕的Endo铰接器械。当被添加到握持外科手术器械的操纵器的运动时，这些铰接器械允许其末端执行器具有至少六个运动自由度，这可与开放手术的自然运动相当或甚至更大。在进行医疗手术期间，查看由图像捕获设备捕获的外科手术部位的二维或三维实时图像是有用的。图像捕获设备在医疗手术期间使用之前，先通过高压釜清洁工艺消毒。

因此，提供一种具有与高压釜清洁兼容的紧凑外形的支持双目成像的图像捕获设备将是有利的。

发明内容

说明书随附的权利要求书最好地总结了本发明的实施例。

在一些示例中，双目图像捕获设备可以包括：多个堆叠的电路板；被安装到多个堆叠的电路板中的第一电路板的前置双图像传感器；以及被安装到多个堆叠的电路板中的一个或多个并被耦合以接收由双图像传感器产生的电信号的信号调节电子器件。双图像传感器被封装在气密外壳内。

在一些示例中，双目图像捕获设备可以包括：以立体结构(tombstone)配置布置的第一电路板和第二电路板，使得第二电路板以垂直角度被安装到第一电路板；被安装到第一电路板的前置双图像传感器；以及被安装到第二电路板并被耦合以接收由双图像传感器产生的电信号的信号调节电子器件。双图像传感器被封装在气密外壳内。

在一些示例中，一种用于组装双目图像捕获设备的方法可以包括：将双图像传感器固定到第一电路板；将信号调节电子器件固定到一个或多个第二电路板；堆叠第一电路板和一个或多个第二电路板，以电耦合双图像传感器和信号调节电子器件；以及将双图像传感器密封在耐高压釜的气密外壳中。

应当理解，前述的一般性描述和以下详细描述本质上都是示例性和解释性的，并且旨在提供对本公开的理解而不限制本公开的范围。就这一点而言，从以下详细描述中，本公开的其他方面、特征和优点对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

附图说明

图1是根据一些实施例的使用具有医疗装置随附单元(bundled unit of medicaldevices)的医疗远程操作系统的手术室的简化图。

图2是根据一些实施例的握持医疗装置随附单元的远程操作臂组件的简化图。

图3是根据一些实施例的医疗装置随附单元的远端的简化图。

图4A和图4B是根据一些实施例的具有前置传感器的双目图像捕获设备的简化图。

图5A和图5B是根据一些实施例的处于立体结构配置的双目图像捕获设备的简化图。

图6A和图6B是根据一些实施例的分别从分解角度和从侧面来看的具有倒装芯片图像信号处理器的处于立体结构配置的双目图像捕获设备的简化图。

图7A-图7E是根据一些实施例的处于堆叠配置的双目图像捕获设备的简化图。

图8是根据一些实施例的用于制造双目图像捕获设备的方法800的简化图。

具体实施方式

作为示例，图1示出了手术室的顶视图，其中外科医生20正在利用医疗远程操作系统100对躺在手术台50上的患者40进行医疗手术。一名或多名助手30可位于患者40附近以辅助手术，同时外科医生20通过操纵外科医生控制台10上的控制装置108、109来远程操作地进行手术。

在本示例中，医疗装置的随附单元300通过单个入口孔(entry port)150插入患者40中。随附单元300可以用在单孔系统中。尽管在本示例中入口孔150是微创切口，但是在进行其他医疗手术时，它可以替代地是自然身体腔道。随附单元300由远程操作臂组件200(也称为“臂200”)握持和操纵。尽管在本示例中仅使用一个远程操作臂组件，但是医疗远程操作系统100配备有额外的远程操作臂组件128、129，这些额外的远程操作臂组件在进行本医疗手术期间被转动移开，因为它们未被使用。

控制台10包括用于向外科医生显示外科手术部位的3-D图像的3-D监视器104、左可操纵控制装置108和右可操纵控制装置109、脚踏板105以及处理器102。控制装置108、109可包括各种输入装置(诸如操纵杆、手套、触发枪、用手操作的控制器等)中的任何一个或多个。处理器102可以是集成到控制台10中或位于其旁边或附近的专用计算机，或者它可以包括在整个系统100中以分布式处理方式分布的多个处理或控制器部件/元件(component)。

控制台10通常与患者位于同一房间内以便外科医生可以直接监视手术，必要时在物理上是可访问的，并且能够直接与助手通话而不是通过电话或其他通讯媒介。然而，应当理解，外科医生也可以位于不同的房间、完全不同的建筑物或者远离患者的允许远程外科手术的其他位置。

如图3所示，随附单元300可包括两个外科手术器械或工具338、339和图像捕获设备340(也称为“图像捕获单元340”)。外科手术工具338、339中的每个均与控制装置108、109中的一个相关联。外科医生通过操纵控制装置108、109来进行医疗手术，使得处理器102引起它们各自相关联的外科手术工具338、339的相应移动，同时当所述移动被图像捕获设备140捕获时，外科医生在控制台监视器104上查看3-D形式的手术部位。

优选地，控制装置108、109将具有与其相关联的工具338、339至少相同的自由度，以向外科医生提供远程呈现，或者具有控制装置108、109与工具338、339成一体的感觉，使得外科医生具有直接控制工具338、339的强烈感觉。

优选地，监视器104位于外科医生的手附近，使得它将显示被定向成使外科医生感觉他或她实际上正在直接向下朝手术部位看的投影图像。为此，工具338、339的图像优选地看起来基本上位于外科医生的手所在的位置。

此外，优选地将实时图像投影到透视图像中，使得外科医生能够通过工具338、339的末端执行器322、332的相应的控制装置108、109操纵工具338、339的末端执行器322、332，就好像在查看实质上真实存在的工作空间一样。通过真实呈现，意味着图像的呈现是模拟物理上操纵工具338、339的操作者的视点的真实透视图像。因此，处理器102将工具338、339的坐标转变成感知到的位置，使得透视图像是如果图像捕获设备140直接位于工具338、339后面将会看到的图像。

处理器102在系统100中执行各种功能。它执行的一个重要功能是通过总线110上的控制信号将控制装置108、109的机械运动转换并传递到远程操作臂组件200，以便外科医生能够有效地操纵工具338、339。

尽管被描述为处理器，但是应认识到，处理器102可以在实践中通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。而且，如本文所述的它的功能可以由一个单元执行或者分给不同部件来完成，每个部件可以依次通过硬件、软件和固件的任何组合来实现。此外，尽管被示为控制台10的一部分或物理上与控制台10相邻，但处理器102还可以包括分布在整个系统中(例如，在安装在患者侧推车120和/或远程操作臂组件128、129、200以及控制台10中的印刷电路板中，或者替代地，在安装到控制台10的印刷电路板中)的若干个子单元。

关于诸如本文所述的医疗远程操作系统的各个方面的配置和操作的更多细节，参见例如共同拥有的美国专利No.6,493,608“Aspects of a Control System of aMinimally Invasive Surgical Apparatus(微创外科手术装置的控制系统的方面)”和共同拥有的美国专利No.6,671,581“Camera Referenced Control in a MinimallyInvasive Surgical Apparatus(微创外科手术装置中的摄像机参考控制)”，上述专利通过引用并入本文。

作为示例，图2示出了正握持医疗装置的随附单元300的远程操作臂组件200的简化侧视图(不一定按比例或完整示出)。在该示例中，工具引导件270通过患者中包括入口孔150的微创切口被插入，并且通过引导件握持器240被联接至远程操作臂组件200。随附单元300然后可以通过工具引导件270被插入患者。远程操作臂组件200由患者侧推车120的基座201机械地支撑。

连杆202、203通过水平装配接头204、205被联接在一起并被联接至基座201。在该示例中，装配接头204、205是无源接头，其允许在其制动器被释放时手动定位臂200。例如，装配接头204允许连杆202绕轴线206手动旋转，并且装配接头205允许连杆203绕轴线207手动旋转。

尽管在该示例中仅示出了两个连杆和两个装配接头，但是在与本发明结合的这个及其他远程操作臂组件中，可以适当地使用更多或更少的连杆和更多或更少的装配接头。例如，虽然装配接头204、205对于臂200的水平定位是有用的，但是附加的装配接头可以被包括并且可用于臂200的有限的竖直和角定位。然而，对于臂200的主要竖直定位，臂200也可以沿着基座201的竖直轴线可滑动地移动并锁定在适当的位置。

远程操作臂组件200还包括两个有源接头和由马达驱动的多个齿轮。偏航接头210允许臂部分230围绕轴线261旋转，并且俯仰接头220允许臂部分230围绕与轴线261垂直并与该附图的平面正交的轴线旋转。接口302包括滑架245和随附单元300的近端上的配合件，例如马达驱动的齿轮，其通过常规接头、电缆和滑轮系统致动外科手术工具338、339和图像捕获单元340的移动。

臂部分230被配置为使得当俯仰接头220通过其马达旋转时，部分231、232总是彼此平行。因此，随附单元300可以通过驱动偏航马达和俯仰马达而被可控制地移动，以便绕枢轴点262枢转，枢轴点262通常通过装配接头204、205的手动定位而定位，以便位于到患者体内的入口点处。另外，随附单元300被联接到臂部分230上的滑架245，滑架245进而被联接到线性驱动机构以沿其插入轴线263伸展或缩回随附单元300。

尽管滑架245中的偏航接头210、俯仰接头220和马达驱动的齿轮中的每一个均由单独的接头或齿轮控制器控制，但是这些控制器可以由共同的主/从控制系统控制，使得随附单元300中的医疗装置可以通过用户(例如，外科医生或操作者)对与其相关联的控制装置的操纵来控制。

作为示例，图3示出了随附单元300的远端的透视图。随附单元300包括用于进行医疗手术的可移除的外科手术工具338、339和用于查看患者体内外科手术部位处的手术的可移除的图像捕获单元340。工具338、339和图像捕获单元340中的每一个延伸通过形成在随附单元300的内芯中的独立的管腔。进行医疗手术期间或为进行医疗手术做准备时替换外科手术工具338、339中的一者或两者于是可以通过助手将不再需要的工具从其管腔移除并通过将来自托盘60的替代工具131插入腾出的管腔中而将所述不再需要的工具替换为替代工具131来完成。替代地，如果有未使用的管腔可用，则可以通过这些可用管腔中的一个插入另外的工具，而无需移除任何已经就位的其他工具。

图像捕获设备340优选地包括用于手术部位的三维成像的一对立体摄像机342、343(和/或单个双目摄像机)以及用以增强所捕获的图像中物体的可见性的照明装置344(例如，发光二极管(LED)或从外部来源传输光的光纤束)。还可以在随附单元300的可用管腔中设置辅助图像捕获单元(诸如超声探头)，用于“查看”解剖结构以用于外科手术目的或诊断目的。

在一些实施例中，随附单元300中还包括外套管310，用于保护其内芯和通过其插入的医疗装置(即，外科手术工具和图像捕获单元)。外套管310可以是刚性的。替代地，它可以由柔性材料形成或包括有源和/或无源可弯曲部分，使得当随附单元300通过其移动到患者体内的手术部位时，随附单元300可以与身体内腔的形状相符。

外科手术工具338、339各自具有可控制地可伸展、可旋转且可弯曲的臂，其相应的末端执行器322、332通过腕部机构323、337被联接到所述臂。例如，外科手术工具339的臂包括由远侧接头334、336联接的三个连杆331、333、335。近侧连杆335可沿着插入轴线352(插入轴线352优选地平行于随附单元300的插入轴线263)可控制地可伸展和缩回，并且可控制地绕插入轴线352旋转(如旋转角度353所示)。另一方面，中间连杆333可通过远侧接头336相对于连杆335可控制地弯曲(如弯曲角度351所示)，并且远侧连杆331被联接到连杆333、335且可由远侧接头334弯曲，使得其弯曲角度354与连杆333的弯曲角度方向相反，并因此使连杆331、335保持平行对齐。

外科手术工具338的臂类似于外科手术工具339的臂构造。共同拥有的美国专利No.6,817,974“Surgical Tool Having Positively Positionable Tendon-ActuatedMulti-Disk Wrist Joint(具有可主动定位的腱致动的多圆盘式腕部接头的外科手术工具)”中提供腕部机构323、337的一个示例的更多细节，上述专利通过引用并入本文。

图像捕获设备340还具有可控制地可伸展、可旋转且可弯曲的臂345，臂345有助于沿着其插入轴线(其可平行于随附单元300的插入轴线263)至少插入/缩回图像捕获单元340并有助于俯仰运动，以便实现在图像捕获设备340在外科手术工具338、339“上方”的足够高度，以便在外科手术期间正确地查看它们。为了加强图像捕获设备340的附加定位和定向能力，还可以提供附加的自由度，例如图像捕获设备340绕其插入轴线的滚动角运动。为了增强可操作性，图像捕获臂345还可以是可弯曲的，例如外科手术工具338、339的可控制地可弯曲、可旋转且可伸展的臂。

图4A和图4B是根据一些实施例的具有前置传感器的双目图像捕获设备400的简化图。根据符合图1-图3的一些实施例，图像捕获设备400可以用于实现随附单元300的图像捕获设备340。根据一些实施例，双目图像捕获设备400可以用在与随附单元300不同的系统中。具体地，图像捕获设备400非常适合于要求小特征尺寸、坚固耐用且能够承受高压灭菌的成像应用。例如，双目图像捕获设备400可以用在诸如医疗远程操作系统和/或手持式内窥镜之类的医疗器械中。虽然双目图像捕获设备400可能特别地非常适合于医学成像应用，但是双目图像捕获设备400也可以用于一般的成像应用，例如移动设备的摄影和/或视频应用。

根据一些实施例，双目图像捕获设备400包括有助于小特征尺寸和/或紧凑设计的一个或多个特征。在一些示例中，双目图像捕获设备400的直径‘d’可小于10mm。在一些示例中，双目图像捕获设备400的纵横比(即，长度‘l’与直径‘d’之间的比率)可小于10:1。

如图4A和图4B中所示，双目图像捕获设备400以从细长装置的远端向外前视的角度获取双目图像。在一些实施例中，细长装置可以是能够被插入解剖孔和/或解剖通道的内窥镜，用于在医疗手术期间获取图像。与这样的实施例相符，双目图像捕获设备400可以定位在内窥镜的远侧尖端处。

轴410完全或部分地封装双目图像捕获设备400的部件。在一些示例中，轴410可对应于8.8mm内窥镜轴，在这种情况下，轴410的直径‘d’是8.8mm。更通常地，轴410的直径‘d’足够小以适应双目图像捕获设备400通过解剖孔和/或解剖通道的插入/缩回。根据一些实施例，可以使用刚性管形成轴410。在一些实施例中，轴410可以是柔性的。尽管被示为具有圆形横截面，但是应当理解，轴410的横截面还可以是椭圆形、多边形和/或任何其他合适的形状。在一些示例中，轴410的直径‘d’和/或形状可沿着轴410的长度变化。尽管双目图像捕获设备400的部件通常设置在轴410内，但是一些部件可以从轴410的侧面和/或从轴410的远端向外伸出。

可选的照明模块420从双目图像捕获设备400的远端提供照明。在一些实施例中，双目图像捕获设备400用于捕获具有很少或没有环境照明的场景，例如内部解剖腔和/或通道。因此，照明模块420用作场景的主照明源，以支持图像采集。在一些实施例中，照明模块420可包括一个或多个照明源，例如发光二极管(LED)。在一些示例中，照明源可以包括LED环以增加照明的亮度和均匀度。在一些实施例中，照明源可以在照明模块420的外部，在这种情况下，照明模块可以包括无源光学部件，例如光纤线、透镜、反光镜和/或类似物。例如，照明模块420可以包括一条或多条光纤线，以将从双目图像捕获设备400的近端接收的光亮传送到双目图像捕获设备400的各部件周围并传送出远端。如图4A和图4B所示，照明模块420包括设置在轴410的相反侧上的两条这样的光纤线，以向场景提供均匀的照明强度。

双目光学模块430从场景接收光亮(即，光和/或其他电磁信号)并将一对图像投影到双图像传感器440上。双目光学模块430可包括一个或多个透镜、反光镜、光圈、滤光器、棱镜、偏光器和/或类似物，以实现期望的图像特性(例如，焦距和/或光谱特性)。双目光学模块430的一个或多个部件可以是可调节的，以便改变图像特性(例如，改变焦距)。

双图像传感器440通常包括适合于将来自双目光学模块430的这对投影图像转换为模拟和/或数字电信号的任何装置，该模拟和/或数字电信号保留包含在投影图像中的信息的至少一部分。根据一些示例，双图像传感器440可以包括电荷耦合器件(CCD)传感器、有源像素传感器、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器、N型金属氧化物半导体(NMOS)传感器和/或类似物。根据一些实施例，双图像传感器440可以包括具有双有源区域的单个单片传感器，和/或可以包括多个分立传感器(discrete sensors)。

通常，期望图像传感器(例如，双图像传感器440)的有效面积尽可能大以改善图像质量。例如，相对于小图像传感器，大图像传感器可具有更多像素以提高分辨率和/或具有更大像素以提高灵敏度。然而，因为双目图像捕获设备400具有小直径‘d’(例如，10mm或更小)，所以可用于图像传感器的空间通常受到限制，特别是在直径方向上。在满足双目图像捕获设备400的空间限制的同时增加图像传感器的面积的一种方式是以面向两侧的配置安装图像传感器。在面向两侧的配置中，图像传感器的一个边缘沿着双目图像捕获设备400的长度放置，并因此不受直径限制。然而，由于若干原因，面向两侧的配置存在问题。首先，为了将图像投影到面向两侧的图像传感器上，双目光学模块430的任务是将来自图像捕获设备400的远端的光改变90度重定向。这通常增加双目光学模块430的复杂性和/或成本，并且会降低图像质量。其次，尽管在某些情况下面向两侧的图像传感器可用于单目成像应用，但是将面向两侧的图像传感器结合到双目成像应用中甚至更具挑战性。尤其是考虑到双目图像捕获设备400的空间限制，将一对图像投影到面向两侧的图像传感器上会涉及相当大的额外复杂性和成本。因此，面向两侧的图像传感器可能不是非常适合用在双目图像捕获设备400中。

为了解决这些挑战，双目图像捕获设备400的双图像传感器440被配置为前置图像传感器，其具有朝向双目图像捕获设备400的远端定向的有效面积。相对于面向两侧的配置，处于面向前面配置的双目光学模块430会是简化的、更便宜和/或更紧凑的，这是因为投影图像没有被重定向90度并且因为相对于单目成像应用双目成像应用中几乎不涉及额外复杂性。

为了在满足轴410的直径限制的同时增加处于面向前面配置的双图像传感器440的有效面积，双图像传感器440的形状可以调整为与轴410的横截面形状相符。例如，当轴410具有圆形横截面时，八边形形状比矩形形状更加与轴410相符。因此，双图像传感器440可以具有八边形形状，如可以通过锯掉或劈掉矩形传感器的角而形成。

在一些实施例中，双图像传感器440可以设置在气密外壳442内。气密外壳442保护双图像传感器440免受湿气和/或其他污染物的影响。此外，气密外壳442对高压釜清洁期间经历的温度循环是机械稳健(robust)的。虽然气密外壳442被描绘为封装双图像传感器440，但是应当理解，双目图像捕获设备400的其他部件也可以气密密封在气密外壳442内。下面参考图5-图7更详细地描述气密外壳442的实施例。

在一些示例中，由双图像传感器440产生的电信号具有相对小的信号幅度。具体地，由于它们的低幅度，电信号可能不适合长距离传输，例如，从远程操作臂组件的远端传输到其近端。因此，双图像传感器电耦合到调节模块450，调节模块450接收由双图像传感器440产生的电信号并将它们转换以进行传输。在一些示例中，调节模块450可以包括信号调节电子器件，信号调节电子器件包括一个或多个图像信号处理器(ISP)、放大器、模数(A/D)转换器、图像编码器和/或类似物。在一些示例中，调节模块450的输出可以是数字视频信号馈送。数字视频信号馈送(或捕获的图像数据的另一信号表示)经由连接器460从双目图像捕获设备400发出。在一些示例中，连接器460被配置为发送图像数据并接收电力和/或控制信号。

为了改善图像质量，调节模块450的部件通常定位在与双图像传感器440紧密物理接近的位置。这防止或减轻由双图像传感器440在长传输线上产生的电信号的劣化。这也有助于紧凑、简单且稳健的设计。在一些示例中，调节模块450的图像信号处理器可以设置在双图像传感器440的背面上(即，“倒装芯片”配置)。在一些示例中，图像信号处理器和双图像传感器440可以安装在电路板的相反侧上，使得由双图像传感器440产生的电信号通过电路板被短距离(例如，几毫米或更小)传送。在一些示例中，调节模块450的图像信号处理器和/或其他部件相对于双图像传感器440可以以“立体结构”配置安装，如下面参考图5和图6更详细地描述的。在一些示例中，调节模块450可以相对于双图像传感器440以“堆叠”配置安装，如下面参考图7更详细描述的。

在手术期间，双目图像捕获设备400的电子部件(其可包括照明模块420、双图像传感器440、调节模块450和/或连接器460的各种部件)产生废热。热管理模块470可选地用于将废热从双目图像捕获设备400传导走以防止过热。在一些实施例中，热管理模块470可以包括热耦合到双目图像捕获设备400的一个或多个部件的散热器。在一些示例中，散热器可以被配置为将热量在向近侧方向上从双目图像捕获设备400传导走。在一些示例中，热管理模块470可以包括在整个双目图像捕获设备400中的各个位置处施加的导热膏。然而，在一些实施例中，双目图像捕获设备400可以不包括热管理模块470。具体地，双目图像捕获设备400的紧凑设计可提供足够的热传导以在没有专用的热管理模块470的情况下防止过热。

图5A和图5B是根据一些实施例的处于立体结构配置的双目图像捕获设备500的简化图。在符合图1-图4的一些实施例中，双目图像捕获设备500可用于实现双目图像捕获设备400的特征中的至少一些。

双目图像捕获设备500完全或部分地被外管502包住。沿外管502的上部和下部灌封一对光纤线504。虽然为了清楚起见被示为位于双目图像捕获设备500的远端，外管502和/或光纤线504可以沿双目图像捕获设备500的长度延伸。根据符合图1-图4的一些实施例，外管502和光纤线504可分别对应于轴410和照明模块420。

具有八边形平面内形状的双图像传感器510以前向配置(即，朝向双目图像捕获设备500的远端定向)被设置。双图像传感器510被安装在电路板512上。根据一些实施例，双图像传感器510可以被引线键合到电路板512。在一些示例中，电路板512可以是陶瓷电路板以提供用于双图像传感器510的耐温和/或防潮背衬。在一些示例中，可以使用具有低(或零)透湿度和/或高导热率的另一种材料形成电路板512。

过渡环514被粘附/贴附(affixed to)到电路板512。在一些示例中，过渡环514可以是通过硬钎焊被粘附到电路板512的可伐环。在一些示例中，可以使用具有与电路板512的热膨胀系数(CTE)相匹配的CTE和/或与诸如硬钎焊、焊接、胶合和/或类似手段等工艺兼容的另一种材料形成过渡环514。

光学器件外壳516被粘附到过渡环514。在一些示例中，光学器件外壳516可以是不锈钢外壳，其通过焊接(例如，激光焊接)被粘附到过渡环514。在一些示例中，可以使用诸如17-4不锈钢和/或440不锈钢之类的合金形成不锈钢外壳，以与电路板512、过渡环514和/或光学玻璃的CTE相匹配。在一些示例中，光学器件外壳516可以封装双目光学器件，例如双目光学模块430。为清楚起见，双目光学器件未在图5A或图5B中示出，但是在一些实施例中其可以从双目图像捕获设备的远端延伸。根据一些实施例，盖玻片518可以被粘附到过渡环514的外缘520。例如，盖玻片518可以通过胶被粘附到过渡环514。

根据符合图1-图4的一些实施例，电路板512、环514、光学器件外壳516和/或盖玻片518可形成对应于气密外壳442的气密密封室。气密密封室封装双图像传感器510和/或设置在光学器件外壳516内的光学部件(例如，双目光学模块430)。根据一些实施例，气密密封室可以填充有惰性气体(例如，氮气)，以减少或防止双图像传感器510和/或光学器件外壳516内含有的光学部件的冷凝或其他污染。有利地，使用具有匹配的CTE的材料(例如，陶瓷电路板512、可伐过渡环514、不锈钢光学器件外壳516以及用在双目光学器件中的光学玻璃和/或盖玻片518)来形成双目图像捕获设备500的气密密封室，以减少在高压釜清洁期间由热循环引起的变形和/或应力。

电路板532可以包括各种信号调节电子器件，例如图像信号处理器530、主机电子器件534和/或连接器536。图像信号处理器530被耦合以接收来自双图像传感器510的电子信号并基于所接收的电子信号生成数字图像数据。通过连接器536输出数字图像数据(例如，数字视频馈送)。电子器件534可包括一个或多个电容器、电阻器、二极管、振荡器、传感器(例如，温度传感器)和/或类似物。在一些示例中，电路板532可以是陶瓷电路板，以便改善对高压釜清洁和/或诸如人体的严峻操作环境的耐受性。在一些示例中，电路板532可以是FR-4电路板和/或任何其他合适类型的电路板。

电路板532以立体结构配置被安装到电路板512。在立体结构配置中，电路板532的边缘以直角邻接电路板512的背面。如图5A和图5B中所示，电路板532被安装在电路板512的大致竖直中心处。在一些示例中，电路板532可以被刚性地粘附到电路板512。在一些示例中，电路板532可以与电路板512直接接触和/或可以粘合到电路板512上。根据符合图1-图4的一些实施例，被安装到电路板532的部件可对应于调节模块450和/或连接器460。

散热器540经由支撑构件542被耦合到电路板532和/或电路板512。散热器540被配置为散去被安装到电路板532和/或电路板512的电子部件的热量。有利地，立体结构配置提供了通往电路板532背面上的大表面区域的途径，以使自安装到散热器540正面的部件的热传递最大化。在一些示例中，散热器540可以是铜热管。然而，通常，铜的CTE与陶瓷电路板的CTE不匹配。因此，可以使用与陶瓷的CTE相匹配的过渡材料(例如，Cu-Mo和/或Cu-W合金)来形成支撑构件542。与这样的实施例一致，支撑构件542可以通过硬钎焊被粘附到电路板532和/或电路板512。根据符合图1-图4的一些实施例，散热器540和/或支撑构件542可对应于热管理模块470。

图6A和图6B是根据一些实施例的具有倒装芯片图像信号处理器的处于立体结构配置的双目图像捕获设备600的简化图。根据符合图1-图4的一些实施例，双目图像捕获设备可以用于实现双目图像捕获设备400的至少一些特征。

与图5A和图5B的双目图像捕获设备500类似，双目图像捕获设备600包括管602、光纤线604、双图像传感器610、电路板612、具有外缘620的过渡环614、光学器件外壳616、盖玻片618、图像信号处理器630、电路板632、电子器件634、连接器636、散热器640和支撑构件642。在一些示例中，图像信号处理器630、电子器件634和/或连接器6236可以用作信号调节电子器件。这些特征通常对应于图5A和/或图5B的类似标记的特征。

与被安装到电路板512的图像信号处理器530不同，图像信号处理器630以倒装芯片配置被设置在双图像传感器610的背面上。有利地，图像信号处理器630的倒装芯片配置缩小了由双图像传感器610产生的电信号传播到达图像信号处理器630的距离，这改善了图像质量。此外，因为双图像传感器610和图像信号处理器630在同一芯片上，所以倒装芯片配置减少了分立元件的数量。这降低了双目图像捕获设备600的复杂性。与在单个芯片上集成双图像传感器610和图像信号处理器630的其他方法(例如，在芯片的同一侧上的具有双图像传感器610和图像信号处理器630的片上系统配置)不同，倒装芯片配置不会减小双图像传感器610的有效面积。

图7A-图7E是根据一些实施例的处于堆叠配置的双目图像捕获设备700的简化图。根据符合图1-图4的一些实施例，双目图像捕获设备可以用于实现双目图像捕获设备400的至少一些特征。

与双目图像捕获设备500和600类似，双目图像捕获设备700包括管702、光纤线704、双图像传感器710、电路板712、具有外缘720的过渡环714、光学器件外壳716、盖玻片718、图像信号处理器730、电路板732、电子器件734、连接器736、散热器740和支撑构件742。在一些示例中，图像信号处理器730、电子器件734和/或连接器736可以用作信号调节电子器件。这些特征通常对应于图5和图6的类似标记的特征。如图7所示，图像信号处理器730被安装到电路板712的背面。图7描绘了图5和图6中未示出的若干特征。例如，双目图像捕获设备700包括通过螺纹连接器746耦合到散热器740的散热器延伸部744。

图7描绘了以堆叠配置布置的电路板712和732。可选地，电路板的堆叠配置可以包括一个或多个附加电路板750，以增加诸如电子器件734和/或连接器736之类的部件的总可用电路板面积。有利地，以堆叠配置布置电路板可以改善双目图像捕获设备700的紧凑型。此外，尽管双目图像捕获设备700被示为包括散热器740，但是堆叠配置可以提供足以使得散热器740(以及相关部件，诸如支撑构件742和散热器延伸部744)可被省略的热传导。

为了便于堆叠，电路板712、732和/或750可以具有相同或相似的平面形状和尺寸。在一些示例中，电路板712、732和/或750可以具有对齐的键合焊盘752，以在相邻的电路板之间创建一个或多个电触点。也就是说，特定电路板的正面或远侧面上的键合焊盘与邻近的电路板的背面或近侧面上的键合焊盘对齐。在一些实施例中，堆叠的电路板的部分可以相对于键合焊盘752凹陷以在邻近的电路板之间形成间隙，以便在该间隙中适配所安装的部件。尽管图7中示出的电路板堆叠包括三个电路板712、732和750，但是应当理解，电路板堆叠可以包括任何数量的电路板。

根据一些实施例，电路板堆叠中的相邻电路板可以直接彼此耦合和/或使用粘合剂耦合。相邻电路板之间的耦合促进沿着电路板堆叠的长度的热传递，因为堆叠的电路板中的一个或多个可能不具有与散热器740的直接连接。在一些示例中，可以使用焊料、导电环氧树脂、金属键合(例如硬钎焊、烧结、焊接和/或类似手段)、各向异性导电膜(ACF)、各向异性导电膏(ACP)和/或类似物形成相邻电路板的键合焊盘752之间的电气和/或机械接触。

附加地或替代地，电路板堆叠中的相邻电路板可以通过间隙(例如气隙)分开。例如，可以提供间隙以容纳安装到电路板的大器件，以允许堆叠弯曲和/或类似情况。就这一点而言，在相邻电路板之间无论有没有直接物理接触，堆叠配置可以包括以具有面向平面表面的任何合适的布置方式堆叠电路板712、732和/或750。

如图7b和图7c中所示，双目图像捕获设备700包括双目光学器件760、尾端件762和窗片764。在一些示例中，窗片764可以是蓝宝石窗片。根据符合图1-图4的一些实施例，双目光学器件760、尾端件762和/或窗片764可对应于双目光学模块430。尾端件762、光学器件外壳716、窗片764、盖玻片718、过渡环714和/或电路板712形成可填充有惰性气体(例如氮气)的气密密封体积766。

为了促进双目图像捕获设备700中的气密性、机械完整性和/或有效的热传递，可以使用硬钎焊(参见例如硬钎焊接口770)和/或焊接(参见例如焊接接口772)技术来粘附双目图像捕获设备700的邻接部件。在一些示例中，焊接接口772可以激光焊接。如图7c中所示，硬钎焊接口770的示例包括散热器740与支撑构件742之间、支撑构件742与电路板750之间和电路板712与过渡环714之间的接口。焊接接口772的例子包括过渡环714与光学器件外壳716之间、光学器件外壳716与双目光学器件760之间和光学器件外壳716与尾端件762之间的接口。尾端件762和窗片764之间的接口是软钎焊接口774。例如，可以使用窗片焊料将窗片764粘附到尾端件762。虽然已经描述了特定实施例，但是应当理解，可以使用各种其他技术(例如，玻璃熔化、环氧树脂灌封、烧结、粘合剂和/或类似手段)来形成部件之间的接口。

图8是根据一些实施例的用于制造双目图像捕获设备的方法800的简化图。根据符合图1-图7的一些实施例，方法800可以用于组装双目图像捕获设备400、500、600和/或700。根据一些实施例，方法800可用于以符合图5和/或图6的立体结构配置或者以符合图7的堆叠配置来组装双目图像捕获设备。根据一些实施例，使用方法800组装的双目图像捕获设备可以非常紧凑，具有不大于10mm的直径和/或不大于10:1的纵横比。根据一些实施例，使用方法800组装的双目图像捕获设备可以与高压釜清洁兼容。例如，对湿气敏感的部件可以被气密密封以承受蒸汽处理，并且彼此邻接的部件可以具有匹配的热膨胀系数以承受热循环。

在进程805处，制造第一电路板和一个或多个第二电路板。根据一些实施例，第一电路板和/或所述一个或多个第二电路板可以是陶瓷电路板。当以堆叠配置组装双目图像捕获设备时，第一电路板和/或所述一个或多个第二电路板可具有大致相同的平面内形状和/或尺寸。此外，第一电路板和/或所述一个或多个第二电路板可以具有对齐的键合焊盘，以允许堆叠中的相邻电路板之间的电气连接。更进一步地，第一电路板和/或所述一个或多个第二电路板可以具有凹陷部分，以适配处于堆叠配置的电子部件。

在进程810处，将过渡环固定到第一电路板。根据一些实施例，过渡环可以是具有与陶瓷的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数的可伐环。根据一些实施例，过渡环可以通过硬钎焊被固定到第一电路板。

在进程815处，将双图像传感器固定到第一电路板。根据一些实施例，双图像传感器可以是具有双有效面积的单片图像传感器。根据一些实施例，双图像传感器可以具有八边形形状，以在放置在圆形管中时相对于矩形形状增加填充因子。根据一些实施例，双图像传感器可以通过引线键合和/或任何其他合适的集成电路封装技术被固定到第一电路板。

在一些示例中，双目图像捕获设备可以包括信号调节电子器件，诸如图像信号处理器、电子器件和/或类似物。在进程820处，将图像信号处理器固定到第一电路板或所述一个或多个第二电路板。根据一些实施例，图像信号处理器可以以倒装芯片配置被设置在双图像传感器的背面上，在这种情况下，进程820与进程815合并(即，固定双图像传感器和固定图像信号处理器在同样的步骤中完成)。根据一些实施例，图像信号处理器可以被固定到第一电路板的与双图像传感器相反的背面。这样的实施例可以缩小图像信号处理器与双图像传感器之间的距离，以便于低噪声操作。根据一些实施例，图像信号处理器可以被固定到所述一个或多个第二电路板(即，在与双图像传感器不同的电路板上)。虽然图像信号处理器和双图像传感器之间的距离更长，但是这样的实施例可以缩小图像信号处理器和散热器之间的距离，以促进热传递。根据一些实施例，图像信号处理器可以通过引线键合和/或任何其他合适的集成电路封装技术被固定到第一电路板或所述一个或多个第二电路板。

在进程825处，将电子器件固定到所述一个或多个第二电路板。根据一些实施例，电子器件可以包括一个或多个电阻器、电容器、电感器、二极管、传感器(例如，温度传感器)、振荡器、功率转换器和/或类似物。根据一些实施例，电子器件可以向双图像传感器和/或图像信号处理器供应电信号(例如，时钟信号和/或功率信号)。根据一些实施例，电子器件可以调节从双图像传感器和/或图像信号处理器接收的电信号(例如，电子器件可以包括用于信号调节的一个或多个放大器、滤波器、电平移位器和/或类似物)。根据一些实施例，电子器件可以通过软钎焊、引线键合和/或类似手段被固定到所述一个或多个第二电路板。

在进程830处，将支撑构件固定到所述一个或多个第二电路板。根据一些实施例，支撑构件可以是铜合金(例如，Cu-Mo或Cu-W)，以便于稍后连接CTE与陶瓷电路板不匹配的铜散热器。当以堆叠配置组装双目图像捕获设备时，支撑构件可以被固定到堆叠中的最近侧的电路板。当以立体结构配置组装双目图像捕获设备时，支撑构件可以被固定到所述一个或多个第二电路板的与电子器件和/或图像信号处理器相反的背面。根据一些实施例，支撑构件可以通过硬钎焊被固定到所述一个或多个第二电路板。

在进程835处，将连接器固定到所述一个或多个第二电路板。根据一些实施例，连接器可以被配置为发送所捕获的图像数据并接收功率信号和/或控制信号。当以堆叠配置组装双目图像捕获设备时，连接器可以被固定到堆叠中的最近侧的电路板。当以立体结构配置组装双目图像捕获设备时，连接器可以被固定在所述一个或多个第二电路板的近端。根据一些实施例，连接器可以通过软钎焊被固定到所述一个或多个第二电路板。

在进程840处，以堆叠配置或立体结构配置组装第一电路板和所述一个或多个第二电路板。当以堆叠配置组装双目图像捕获设备时，通过对齐键合焊盘并使用诸如ACF、ACP、焊料、烧结金属膏和/或类似物等技术形成导电接触来产生堆叠的电路板之间的电气接触。可以在相邻的电路板之间施加粘合剂，以改善沿着堆叠的电路板的长度的机械完整性和/或热传递。当以立体结构配置组装双目图像捕获设备时，所述一个或多个第二电路板靠着第一电路板的背面安装并且相对于第一电路板具有垂直取向。

在进程845处，将光学器件安装座固定到过渡环。根据一些实施例，光学器件安装座可包括不锈钢组件。根据一些实施例，不锈钢组件可由具有与陶瓷和/或光学玻璃的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数的不锈钢合金(例如，17-4或440不锈钢)构成。根据一些实施例，光学器件安装座可通过焊接(例如，激光焊接)被固定到过渡环。

在进程850处，组装双目光学器件。根据一些实施例，双目光学器件被对齐以在双图像传感器上形成一对图像，以便于三维成像应用。根据一些实施例，双目光学器件包括一对基本相同的光学组件，以形成这对图像中的每一个。根据一些实施例，双目光学器件被安装到光学器件安装座。在一些示例中，双目光学器件可以被安装在光学器件安装座内和/或可以从光学器件安装座伸出。根据一些实施例，双目光学器件可包括盖玻片以覆盖和/或密封双图像传感器。根据一些实施例，盖玻片可以胶合到过渡环和/或光学器件安装座的外缘。

在进程855处，将尾端件固定到光学器件安装座。根据一些实施例，尾端件可包括具有与光学器件安装座类似的材料特性的不锈钢组件。根据一些实施例，尾端件可包括窗片，例如镀覆的蓝宝石窗片。在一些示例中，窗片可以被软钎焊到尾端件的不锈钢组件。根据一些实施例，尾端件可通过焊接(例如，激光焊接)被固定到光学器件安装座。根据一些实施例，将尾端件固定到光学器件安装座会导致在双目光学器件和/或双图像传感器周围形成气密密封。因此，进程855可以在经吹扫的环境中进行，以防止湿气和/或污染物在组装进程中进入气密密封的体积。例如，进程855可以在惰性气体环境(例如，氮气)中进行。

在进程860处，组装光纤。根据一些实施例，光纤可以沿着沿双目图像捕获设备的上部和下部延伸的一个或多个通道进行灌封。因此，灌封的光纤可具有半圆柱形状，其一侧以双目图像捕获设备的弯曲表面为边界，并且其另一侧以双目图像捕获设备的封装部件的平坦表面为边界。

在进程865处，组装散热器。根据一些实施例，散热器可包括铜热管。在一些示例中，铜热管可以通过硬钎焊和/或通过焊接被固定到支撑构件。根据一些实施例，散热器可包括通过螺纹附接件被耦合到铜热管的散热器延伸部。

在进程870处，将进程805-进程865的组装的双目图像捕获设备固定到轴。根据一些实施例，轴可以是完全或部分地封装双目图像捕获设备的金属管。根据一些实施例，轴可以是8.8mm内窥镜轴。根据一些实施例，通过焊接(例如，激光焊接)将轴固定到双目图像捕获设备的一个或多个部分。例如，轴可以被焊接到尾端件。根据一些实施例，导热膏可以被施加在轴与第一陶瓷板和/或一个或多个第二陶瓷板之间，以便于通过轴散热。当双目图像捕获设备不包括专用散热器时(例如，当从方法800中省略进程830和/或865时)，这样的实施例会特别有用。

尽管已经示出和描述了说明性的实施例，但是在前述公开中设想了范围广泛的修改、改变和替换，并且在某些情况下，可以采用实施例的一些特征而无需相应地使用其他特征。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求限制，并且以与本文公开的实施例的范围一致的方式概括地解释权利要求是恰当的。

Claims (22)

1.一种双目图像捕获设备，其包括：

多个堆叠的电路板；

前置双图像传感器，其被安装到所述多个堆叠的电路板中的第一电路板，所述双图像传感器被封装在气密外壳内；以及

信号调节电子器件，其被安装到所述多个堆叠的电路板中的一个或多个并被耦合以接收由所述双图像传感器产生的电信号。

2.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其中所述信号调节电子器件包括图像信号处理器。

3.根据权利要求2所述的双目图像捕获设备，其中所述图像信号处理器被设置在所述双图像传感器的背面上。

4.根据权利要求2所述的双目图像捕获设备，其中所述图像信号处理器被设置在所述第一电路板的与所述双图像传感器相反的背面上。

5.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其中所述气密外壳由以下形成：

所述第一电路板；

被固定到所述第一电路板的过渡环；和

被固定到所述过渡环的光学器件安装座。

6.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其中所述气密外壳使用具有匹配的热膨胀系数的材料形成。

7.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其中所述多个堆叠的电路板中的一个或多个具有凹陷部分，在所述凹陷部分中安装所述信号调节电子器件。

8.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其还包括被安装到所述多个堆叠的电路板中的第二电路板的连接器，所述第二电路板在所述多个堆叠的电路板的与所述第一电路板相反的一侧上。

9.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其还包括被安装到所述多个堆叠的电路板中的第二电路板的散热器，所述第二电路板在所述多个堆叠的电路板的与所述第一电路板相反的一侧上。

10.根据权利要求9所述的双目图像捕获设备，其中所述散热器包括铜热管。

11.根据权利要求10所述的双目图像捕获设备，其中所述铜热管通过由铜合金形成的支撑构件被安装到所述第二电路板，所述铜合金具有与所述第二电路板的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。

12.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其还包括将一对图像投影到所述双图像传感器上的双目光学器件。

13.根据权利要求1所述的双目图像捕获设备，其中所述双目图像捕获设备通过轴被封装，并且其中所述多个堆叠的电路板沿着所述轴的长度堆叠。

14.一种双目图像捕获设备，其包括：

第一电路板和第二电路板，其被布置成立体结构配置，使得所述第二电路板以垂直角度被安装到所述第一电路板；

前置双图像传感器，其被安装到所述第一电路板，所述双图像传感器被封装在气密外壳内；以及

信号调节电子器件，其被安装到所述第二电路板并被耦合以接收由所述双图像传感器产生的电信号。

15.根据权利要求14所述的双目图像捕获设备，其中所述第一电路板和所述第二电路板直接接触。

16.根据权利要求14所述的双目图像捕获设备，其还包括散热器，其被安装到所述第二电路板的与所述信号调节电子器件相反的背面。

17.根据权利要求14所述的双目图像捕获设备，其中所述气密外壳由以下项形成：

所述第一电路板；

被固定到所述第一电路板的过渡环；和

被固定到所述过渡环的光学器件安装座。

18.根据权利要求17所述的双目图像捕获设备，其中所述气密外壳还通过盖玻片形成，所述盖玻片被胶合到所述过渡环的外缘。

19.一种组装双目图像捕获设备的方法，其包括：

将双图像传感器固定到第一电路板；

将信号调节电子器件固定到一个或多个第二电路板；

堆叠所述第一电路板和所述一个或多个第二电路板，以电耦合所述双图像传感器和所述信号调节电子器件；以及

将所述双图像传感器密封在耐高压釜的气密外壳中。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一电路板和所述一个或多个第二电路板中的每一个包括用于与邻近的电路板进行电气接触的键合焊盘。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一电路板和所述一个或多个第二电路板中的相邻成对的所述键合焊盘是对齐的。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一电路板和所述一个或多个第二电路板中的相邻成对的所述键合焊盘通过由以下各项组成的组中的一个或多个电耦合：各向异性导电膜、各向异性导电膏、导电环氧树脂和焊料。