CN110770637A - 视觉光学系统、医用观察器和医用观察器系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种三维图像，该三维图像具有更高的图像质量，而不需要调节眼睛宽度并且同时减小光学系统尺寸。根据本发明的视觉光学系统在从观察者侧观察时沿着光路至少具有第一偏振构件(101)、反射镜(103)、第二偏振构件(105)和图像显示设备(107)。第一偏振构件(101)的偏振状态与第二偏振构件(105)的偏振状态相互正交。

Description

视觉光学系统、医用观察器和医用观察器系统

技术领域

本发明涉及视觉光学系统、医用观察器和医用观察器系统。

背景技术

传统上，如专利文献1中公开的3D头戴式显示器(3D-HMD)已知为图像显示设备的实施例。在3D-HMD中，对应于右眼和左眼中的每一个的两个视觉光学系统以瞳孔间距并排布置，并且视差图像显示在包括在视觉光学系统中的图像显示器上。以这种方式，佩戴3D-HMD的观察者可以三维地观察显示在图像显示器上的图像。

引文列表

专利文献

专利文献1：WO 2015/125508

发明内容

技术问题

在上述3D-HMD中，右眼和左眼光学系统的瞳孔间距需要根据观察者在使用之前的瞳孔间距来调节。瞳孔间距对应于观察者在右眼视觉光学系统中的观察位置和观察者在左眼视觉光学系统中的观察位置之间的距离。需要预调整的原因是，当不执行调整时，出现在图像显示设备上的图像被渐晕以产生不可观察区域。然而，上述调节瞳孔间距离的工作是复杂的，并且强烈需要消除瞳孔间调节。

此外，在上述HMD配置中，眼睛和视觉光学系统的相对位置由头戴式系统精确地固定。因此，上述HMD配置不能在使用者佩戴眼镜的状态下使用。因此，需要根据观察者的视觉能力来调节(即，屈光度调节)视觉光学系统的聚焦位置。

瞳孔间调节和屈光度调节是复杂的，并且需要在需要快速的医疗场所消除。

人的右眼和左眼之间的距离在个体之间差别很大。为了即使当具有不同瞳孔间距的观察者使用视觉光学系统时也能够在没有渐晕的情况下观察显示在图像显示设备上的图像，需要放大视觉光学系统的眼动范围(在视觉上识别虚像的范围)。换句话说，为了即使当眼睛的位置偏心时也防止有效光束的渐晕，需要将构成视觉光学系统的透镜的部分有效直径设置得较大。

根据用于视觉光学系统的图像显示设备的尺寸，当两个视觉光学系统以瞳孔间距并排布置时，右眼视觉光学系统中的图像显示设备和左眼视觉光学系统中的图像显示设备可能彼此干涉而引起问题。在这种情况下，当缩小所使用的图像显示设备的尺寸时，可以避免干扰。然而，实际上，由于以下原因，难以实现上述眼动范围的放大和图像显示设备的缩小。

观察图像(出现在图像显示设备上的图像的虚像)的大小由规格确定。因此，当在保持由规格确定的观察图像的尺寸的同时缩小图像显示设备的尺寸时，需要缩短视觉光学系统的焦距(换言之，需要放大视觉光学系统的放大率)。在这种情况下，考虑到大的有效直径的设置，需要减小透镜的曲率以确保构成视觉光学系统的每个透镜的边缘厚度，并且每个透镜的放大率减小。因此，为了补偿每个透镜的小功率，透镜的数量增加，并且视觉光学系统的尺寸和重量增加。

由于上述原因，在光学设计方面存在缩小图像显示设备尺寸的限制，并且因此可以想到通过反射镜折叠光路。然而，当采用这种折叠配置时，形成不被反射镜反射而是直接到达观察者的虚像。这种不被反射镜反射而是直接到达观察者的虚像被称为“鬼像”。当产生鬼像时，观察者在三维图像的右侧和左侧看到最初不必要的鬼像，这导致图像质量降低的问题。

因此，鉴于上述情况，本公开提出了一种能够利用不需要瞳孔间调节的缩小的光学系统来提供高质量图像的视觉光学系统，以及包括该视觉光学系统的医用观察器和医用观察器系统。

问题的解决方案

根据本公开，提供了一种视觉光学系统，其在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：第一偏振构件；反射镜；第二偏振构件；以及图像显示设备，其中，第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

此外，根据本公开，提供了一种医用观察器，其包括视觉光学系统，该视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：第一偏振构件；反射镜；第二偏振构件；以及图像显示设备，其中，第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

此外，根据本公开，提供了一种医用观察器系统，该医用观察器系统包括：图像处理单元，用于对其中拍摄了作为经受手术的部位的手术部位的图像进行图像处理，并输出获得的手术部位拍摄图像；以及医用观察器，用于将从图像处理单元输出的手术部位拍摄图像呈现给观察器，其中，医用观察器包括视觉光学系统，该视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：第一偏振构件；反射镜；第二偏振构件；图像显示设备，以及第一偏振构件的偏振状态和第二偏振构件的偏振状态彼此正交。

根据本公开，形成要在图像显示设备上显示的图像的光束通过第二偏振构件变为预定偏振状态，并且被反射镜的反射表面反射以到达第一偏振构件。第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交，并且因此通过上述路径到达第一偏振构件的光束透射通过第一偏振构件到达观察者，并且没有被反射镜反射而到达第一偏振构件的光束不能透射通过第一偏振构件。

本发明的有益效果

如上所述，根据本公开，可以向更高质量的图像提供不需要瞳孔间调节的缩小的光学系统。

上述效果不必受到限制，并且本文所述的任何效果或可从说明书理解的其它效果可与上述效果一起呈现或代替上述效果。

附图说明

[图1A]是示意性地示出根据本公开的实施方案的视觉光学系统的说明图。

[图1B]是示意性地示出根据该实施方案的视觉光学系统的说明图。

[图2]是示意性地示出根据该实施方案的视觉光学系统的说明图。

[图3A]是示意性地示出根据该实施方案的视觉光学系统的说明图。

[图3B]是示意性地示出根据该实施方案的视觉光学系统的说明图。

[图4]是示意性地示出根据该实施方案的视觉光学系统的实施例的说明图。

[图5]是用于描述根据该实施方案的视觉光学系统中的目镜的说明图。

[图6]是用于描述根据该实施方案的视觉光学系统中的目镜的说明图。

[图7]是用于描述根据该实施方案的视觉光学系统中的目镜的说明图。

[图8]是用于描述包括根据该实施方案的视觉光学系统的医用观察器、医用观察器系统和手术系统的说明图。

[图9]是用于描述第一实施例中的视觉光学系统的说明图。

[图10]是用于描述第一实施例中的视觉光学系统的曲线图。

[图11]是用于描述第二实施例中的视觉光学系统的曲线图。

[图12]是用于描述第三实施例中的视觉光学系统的曲线图。

[图13]是用于描述第四实施例中的视觉光学系统的说明图。

[图14]是用于描述第四实施例中的视觉光学系统的曲线图。

具体实施方式

参考附图，下面详细描述本发明的优选实施方案。在说明书和附图中，具有基本相同的功能配置的部件由相同的附图标记表示以省略重叠的描述。

描述按以下顺序给出：

1.实施方案

1.1视觉光学系统

1.2医用观察器、医用观察器系统和手术系统

2.实施例

(实施方案)

<视觉光学系统>

首先，参照图1A至图7详细描述根据本公开的第一实施方案的视觉光学系统。

图1A至图3B是示意性地示出根据本实施方案的视觉光学系统的说明图。图4是示意性地示出根据本实施方案的视觉光学系统的实施例的说明图。图5至图7是用于描述根据本实施方案的视觉光学系统中的目镜的说明图。

根据本实施方案的视觉光学系统是一种光学系统，用于当观察者注视视觉光学系统时使显示在图像显示设备上的图像到达观察者的眼睛。在视觉光学系统10中，如在图1A中示意性地示出的，至少第一偏振构件101、反射镜103、第二偏振构件105和图像显示设备107按照依次布置在从观察者侧观察的光路上。如在图1A中所示，在根据本实施方案的视觉光学系统10中，光路由反射镜103弯曲，并且因此可以实现能够扩大眼动范围并且缩小图像显示设备107的尺寸同时消除瞳孔间调节的需要的光学设计。根据本实施方案的视觉光学系统10可以在不使用所谓的头戴式系统的情况下实现，并且因此即使当观察者佩戴眼镜时，观察者也可以观察输出到图像显示设备107的图像而无需屈光度调节。

图1A示出了单目视觉光学系统10，但是如在图1B中示出的，可以使用在图1A中示出的两个视觉光学系统10，使得视觉光学系统10之一是用于左眼的视觉光学系统10L并且另一个是用于右眼的视觉光学系统10R。当提供如图1B所示的左右一对视觉光学系统10L和10R并且从提供在视觉光学系统10L和10R中的图像显示设备107显示视差图像时，观察者可以观察三维图像。在以下描述中，两个视觉光学系统10L和10R有时统称为“视觉光学系统10”。

在如图1A和图1B所示的根据本实施方案的视觉光学系统10中，第一偏振构件101中的偏振状态和第二偏振构件105中的偏振状态彼此正交。形成显示在图像显示设备107上的图像的光束通过第二偏振构件105变为预定偏振状态，并被反射镜103的反射表面反射，并且然后到达第一偏振构件101。在反射镜103的反射表面上，光束的偏振状态由于反射而从由第二偏振构件105给出的偏振状态改变为与偏振状态正交的偏振状态。如上所述，第一偏振构件101中的偏振状态和第二偏振构件105中的偏振状态彼此正交，并且因此通过上述路径到达第一偏振构件101的光束透射通过第一偏振构件101到达观察者而不衰减光量。

另一方面，在没有被反射镜103反射的情况下到达第一偏振构件101的光束(例如，图2中示意性地示出的直接图像鬼像g)不能透射通过第一偏振构件101，因为其偏振状态仍然是由第二偏振构件105给出的偏振状态。以这种方式，没有被反射镜103反射而到达第一偏振构件101的直接图像鬼像g没有到达观察者，并且因此可以衰减直接图像鬼像g的光量以提高提供给观察者的图像质量。

如上所述，通过组合使用偏振状态彼此正交的两个偏振构件，可以起到有效光束可靠地到达观察者同时防止直接图像鬼像到达观察者的效果。

当使用诸如根据本实施方案的视觉光学系统的光路折叠结构时，直接图像鬼像g的光束(以下有时称为“鬼像光束”)在透镜有效直径附近通过。因此，当增大透镜有效直径以缩小图像显示设备107的尺寸并且消除瞳孔间调节的需要时，存在鬼像光束容易到达观察者的折衷。然而，通过如上所述组合使用偏振状态彼此正交的两个偏振构件101和105，可以有效地阻挡直接图像鬼像。

在根据本实施方案的视觉光学系统10中，第一偏振构件101和第二偏振构件105没有特别限制，并且可以使用任何公知的偏振构件的组合。

例如，第一偏振构件101和第二偏振构件105可以是线性偏振片。第一偏振构件101和第二偏振构件105可以是圆偏振片，均由线性偏振片和1/4波片(λ/4板)形成。

当第一偏振构件101和第二偏振构件105是线性偏振片时，仅需要安装线性偏振片，使得一个线性偏振片的偏振轴方向(偏振方向)为例如-45°，而另一个线性偏振片的偏振方向为例如+45°。以这种方式，可以容易地产生彼此正交的偏振状态。当第一偏振构件101和第二偏振构件105是圆偏振片时，与使用线性偏振片的情况相比，成本增加，但是如在线性偏振片中偏振方向的组合的调节变得不必要，并且因此便于视觉光学系统的对准(调节和组装)。

第一偏振构件101和第二偏振构件105的组合不限于上述实施例。例如，第一偏振构件101可以是线性偏振片，且第二偏振构件105可以是1/2波片(λ/2板)。原因是图像显示设备107(例如，液晶显示器(LCD))通常自身发射线偏振光，并且因此第二偏振构件105不需要是线性偏振片，并且可以通过使用λ/2板来获得期望的偏振方向。当这个概念被向前推动时，可以通过将LCD的发射光的偏振方向设置为±45度来消除第二偏振构件105本身。第一偏振构件101可以是线性偏振片，且第二偏振构件105可以是偏振构件，其中线性偏振片和1/2波片按照该顺序从观察者侧设置。

在如上所述安装第一偏振构件101和第二偏振构件105的情况下，可以在将偏振构件结合到图像显示设备(例如LCD)的保护玻璃的同时安装偏振构件。通过以这种方式安装第一偏振构件101和第二偏振构件105，可以抑制由图像显示设备107产生的热量和前方的低温空气之间的温差引起的偏振构件冷凝的可能性，从而进一步提高提供给观察者的图像质量。然而，当偏振构件简单地结合到保护玻璃上时，容易识别粘附到偏振构件表面的灰尘。因此，当将偏振构件结合到保护玻璃上时，优选注意在偏振构件和保护玻璃的表面上存在附着。

优选地，第一偏振构件101和第二偏振构件105的尺寸根据图像显示设备107的尺寸来设置。

反射镜103是用于反射从图像显示设备107发射的光束并通过第二偏振构件105的反射表面变为预定偏振状态以将光束导向第一偏振构件101的构件。当光束被反射镜103的反射表面反射时，光束的偏振状态变为与由第二偏振构件105给出的偏振状态正交的状态。以这种方式，由反射镜103反射的光束可以透射通过第一偏振构件101。

反射镜103没有特别限制，可以适当地使用各种公知的反射镜。优选使用具有较高反射率的反射镜。作为这种反射镜，金属(例如铝)沉积反射镜和电介质多层反射镜是公知的。作为根据本实施方案的反射镜103，优选使用金属沉积反射镜。通过在图4中的视觉光学系统10L来描述该原因。

应当理解，从屏幕左侧发出的到达观察者眼睛的光束与从屏幕右侧发出的到达观察者眼睛的光束相比，从反射镜的法线测量的到反射镜的入射角更大。通过在基底上沉积多个光学薄膜以实现可见光波长带宽中的反射特性来形成电介质多层反射镜，但是已知光谱特性根据入射角而改变。因此，如果在根据本实施方案的视觉光学系统的光学配置中将电介质多层反射镜用作反射镜103，则从屏幕的左侧发射以到达观察者眼睛的光束变得比从屏幕的右侧发射以到达观察者眼睛的光束更蓝。这种状态是图像的颜色阴影，并且不是优选的，因为在医学领域(例如，手术)中需要真实的颜色再现。

优选地，反射镜103的尺寸根据图像显示设备107的尺寸来设置。优选地，反射镜103的安装角度(例如，反射镜103的反射表面和第一偏振构件101的光轴之间的角度)被设置为使得显示在图像显示设备107的显示屏上的所有图像的光可以被引导到观察者。

在图像显示设备107的显示屏上，各种图像被显示并呈现给观察者。根据本实施方案的图像显示设备107没有特别限制，并且例如可以使用各种公知的显示器，例如液晶显示器和有机电致发光(EL)显示器。

优选地，图像显示设备107的尺寸在不需要瞳孔间调节并且可以放大眼动范围的范围内尽可能小。

如在图3A和图3B中示意性地示出的，优选地，根据本实施方案的视觉光学系统10进一步包括在第一偏振构件101与反射镜103之间的光路上的目镜111。通过提供目镜111，可以放大显示在图像显示设备107的显示屏上的图像并将其提供给观察者。因此，通过提供目镜111可以进一步缩小图像显示设备107的尺寸。

这种目镜111可以是单个透镜或可以是包括多个透镜的透镜组。目镜111的透镜表面可以是球面或非球面。此外，对目镜111的玻璃材料没有特别限制，并且可以适当地使用任何公知的玻璃材料。

在根据本实施方案的视觉光学系统10中，优选地，在反射镜103侧的目镜111的透镜表面(当目镜111由透镜组形成时，至少在反射镜103侧上最靠近反射镜103定位的透镜的透镜表面)具有凸曲率，如图4所示。

当光路如在根据本实施方案的视觉光学系统10中那样折叠时，除了上述的直接图像鬼像g之外，可以产生下面的鬼像。具体地，从图像显示设备107发射并且透射通过第二偏振构件105的光束可以到达目镜111的表面，已经被目镜111的表面反射的光束可以到达反射镜103，并且已经到达反射镜103的光束可以透射通过目镜111和第一偏振构件101以到达观察者。这种光束在下文中被称为“透镜反射图像鬼像g”。

如在图4中所例示的，至少最靠近反射镜103定位的透镜表面的曲率具有凸曲率，并且因此在鬼像光通量中只有目镜111的凸表面的切线分量被反射以到达反射镜103并且被阻止到达观察者。换言之，目镜111的凸表面充当漫射反射镜以漫射鬼像光束，并且可以抑制观察眼睛上每单位鬼像光通量的亮度。当实际执行光束跟踪模拟时，如在图5中示意性地示出的，揭示了透镜反射图像鬼像g'的光通量是薄的并且亮度是低的(换言之，透镜反射图像鬼像g'的F数是大的)。以这种方式，通过在第一偏振构件101和反射镜103之间设置目镜111，可以抑制直接图像鬼像和透镜反射图像鬼像，以获得更高质量的图像。

在反射镜103的反射表面上，可以在从图像显示设备107发射的光束中由反射镜103侧的目镜111的透镜表面反射的反射光到达反射镜103的反射表面的位置附近设置用于阻挡由反射镜103反射的反射光(透镜反射图像鬼像)的屏蔽。代替屏蔽，可以提供用于吸收透镜反射图像鬼像的构件，使得透镜反射图像鬼像不被反射镜103的反射表面反射。通过提供这种机制，可以进一步提高图像质量。

如在图6中所例示的，可以想到将目镜111布置在第一偏振构件101的观察者侧上。同样在这种情况下，可以实现在抑制直接图像鬼像的同时可靠地透射有效光束的效果。然而，当第一偏振构件101位于目镜111的反射镜103侧时，第一偏振构件101的表面可以用作平面反射镜，并且例如在图7中示意性地示出的，所有鬼像光通量被第一偏振构件101的表面反射以到达观察者。因此，不能抑制鬼像光通量的亮度。

当上述目镜111的放大率为β时，优选建立3<β<5的关系。当目镜111的放大率β为3或更小时，目镜111的焦距可以增加以放大眼动范围，但是图像显示设备107的尺寸增加。在这种情况下，当设置如图1B和图3B所示的双目光学系统时，可能难以避免两个图像显示设备107之间的干涉(物理接近)。另一方面，当目镜111的放大率β为5或更大时，图像显示设备107可以容易地缩小尺寸，但是目镜111的焦距减小并且眼动范围窄，这不能响应眼睛摆动。目镜111的放大率β更优选大于3.5且小于4.5，还更优选大于3.7且小于4.3。

当上述目镜111的角放大率为γ时，优选建立1.2<γ<1.5的关系。当目镜111的角放大率γ为1.2或更小时，目镜111的焦距可以增加以放大眼动范围，但是图像显示设备107的尺寸可以增加，这不是优选的。另一方面，当目镜111的角放大率γ为1.5或更大时，图像显示设备107可以容易地缩小尺寸，但是目镜111的焦距减小并且眼动范围窄，这不能响应眼睛摆动并且这不是优选的。目镜111的角放大率γ更优选大于1.2且小于1.4，还更优选大于1.2且小于1.3。

上面已经参照图1A至图7详细描述了根据本实施方案的视觉光学系统10。

<医用观察器、医用观察器系统和手术系统>

接下来，参考图8简要描述包括根据本实施方案的视觉光学系统10的医用观察器200和医用观察器系统600以及包括医用观察器200的手术系统1000。图8是用于描述包括根据本实施方案的视觉光学系统的医用观察器、医用观察器系统和手术系统的说明图。

如图8示意性地示出，根据本实施方案的手术系统1000包括手术单元300和医用观察器系统600。例如，如在图8中示意性地示出的，根据本实施方案的医用观察器系统600包括医用观察器200、图像处理单元400和图像传输单元500。图8示出了根据本实施方案的医用观察器系统600包括图像传输单元500的情况，但是医用观察器系统600不一定需要包括图像传输单元500。

此外，优选地，除了上述手术单元300和医用观察器系统600之外，根据本实施方案的手术系统1000还包括用于操作手术单元300的操作单元700。

根据本实施方案的医用观察器200是构成医用观察器系统600的设备之一，并且显示由稍后描述的手术单元300中的成像单元301拍摄的各种图像，以向诸如医生的使用者提供由成像单元301拍摄的各种图像。在医用观察器200中，如上所述的视觉光学系统10安装在目镜单元(由图8中的虚线围绕的区域)附近，诸如医生的使用者观看到该目镜单元中。

如上所述，根据本实施方案的视觉光学系统10可以利用不需要屈光度调节和瞳孔间调节的缩小的光学系统来提供更高质量的图像。因此，诸如医生的使用者可以通过简单地观察目镜单元来观察与手术部位(经受手术的部位)相关的高质量拍摄图像(手术部位拍摄图像)，而不执行屈光度调节和瞳孔间调节。

具有上述功能的根据本实施方案的医用观察器200由各种硬件构成，例如中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、输入设备、输出设备和通信设备。

如上所述，在根据本实施方案的手术系统1000中，优选地，用于诸如医生的使用者操作手术单元300的操作单元700设置为不同于手术单元300和医用观察器系统600的单元。操作单元700设置有由诸如医生的使用者用他/她的手操作的操作臂701和由诸如医生的使用者用他/她的脚操作的操作踏板703。除了上述结构之外，操作单元700还可以设置有用于操作手术单元300的各种按钮(未示出)。通过操作操作臂701和操作踏板703，诸如医生的使用者可以将设置在手术单元300中的成像单元301和手术工具单元303控制到期望的状态。

具体地，诸如医生的使用者可以在观察从医用观察器200中的视觉光学系统10提供的图像的同时操作操作臂701和/或操作踏板703，以控制成像单元301的成像位置或成像放大率，并且操作提供给手术工具单元303的各种手术工具，诸如高频刀、镊子以及圈套器钢丝。

诸如医生的使用者在观察手术部位的手术部位拍摄图像的同时操作操作单元700，并且因此优选地，操作单元700设置在医用观察器200附近，并且医用观察器200和操作单元700可以集成在一起。

手术单元300以有线或无线方式连接到医用观察器系统600和手术单元700中的每一个。在手术单元300中，成像单元301和手术工具单元303基于从操作单元700传输的关于诸如医生的使用者的操作的使用者操作信息来操作。以这种方式，即使当诸如医生的使用者位于远离进行手术的患者的位置时，也可以对患者进行手术。

成像单元301可以是例如设置在无影灯附近的各种成像照相机，或者可以是设置到内窥镜单元或显微镜单元的各种照相机单元。成像单元301根据需要拍摄的图像被传输到包括在医用观察器系统600中的图像处理单元400。

手术工具单元303是其中用于各种手术的手术工具(例如高频刀、镊子和圈套器钢丝)由各种机器人臂(未示出)保持的单元。手术工具单元303响应于在操作单元700中对操作臂701和/或操作踏板703执行的使用者操作而操作。

图像处理单元400例如是由CPU、ROM、RAM、输入设备、输出设备和通信设备实现的处理器单元的实施例。图像处理单元400以有线或无线方式连接到医用观察器200和手术单元300中的每一个。图像处理单元400根据需要对通过由手术单元300中的成像单元301拍摄手术部位而获得的图像执行预定图像处理，以获得手术部位拍摄图像。由图像处理单元400执行的图像处理没有特别限制，并且执行各种公知的图像处理，例如去马赛克。当图像处理单元400生成手术部位拍摄图像时，图像处理单元400将生成的手术部位拍摄图像输出到图像传输单元500。

图像处理单元400可以组合从成像单元301(例如，提供给内窥镜单元或显微镜单元的相机单元)提供的2D/3D图像和诸如使用者界面(UI)的处理后的图像(辅助图像)，从而生成叠加有各种信息的组合图像作为手术部位拍摄图像。优选地，图像处理单元400具有各种终端，例如DVI终端，用于将上述手术部位拍摄图像输出到外部输出设备，例如设置在外部的外部监视器。此外，图像处理单元400可将语音信息传输到图像传输单元500。

图像传输单元500例如是由CPU、ROM、RAM、输入设备、输出设备和通信设备实现的中继单元的实施例，并且用作用于将从图像处理单元400输出的手术部位拍摄图像输出到医用观察器200的中继盒。因此，当不需要在图像处理单元400和医用观察器200之间进行信息的传输和接收的中继时，不必在根据本实施方案的医用观察器系统600中设置图像传输单元500。

图像传输单元500以有线或无线方式连接到医用观察器200和图像处理单元400中的每一个。图像传输单元500将从图像处理单元400输出的手术部位拍摄图像传输到医疗使用者。以这种方式，手术部位拍摄图像被呈现给观察者，例如使用医用观察器200的医生。

优选地，图像传输单元500具有各种终端，例如DVI终端，用于将从图像处理单元400提供的手术部位拍摄图像输出到外部输出设备，例如外部提供的外部监视器。图像传输单元500可以将从诸如DVI终端的各种终端输入的图像传输到医用观察器200。此外，图像传输单元500具有用于连接到各种训练设备的终端，并且可以具有用于将从训练设备输入的训练图像输出到医用观察器200和诸如外部监视器的外部输出设备的功能。

图8示出了图像处理单元400和图像传输单元500是分离的设备，但是图像处理单元400和图像传输单元500中的每一个可以实现为单个控制设备的功能。

上面已经简要描述了根据本实施方案的医用观察器200、医用观察器系统600和手术系统1000。

实施例

下面通过实施例更具体地描述根据本公开的视觉光学系统。以下实施例仅仅是根据本公开的视觉光学系统的实施例，并且根据本公开的视觉光学系统不限于以下实施例。

(第一实施例)

在下面描述的第一实施例中，设计了相同的右视觉光学系统和左视觉光学系统，每个视觉光学系统具有由图4中示出的两个透镜形成的目镜，并且执行图像形成模拟。

该模拟假定第一偏振构件101和第二偏振构件105在结合到保护玻璃时存在。作为图像显示设备107，使用液晶显示面板(5.2英寸，半对角线：66.1mm)。液晶显示面板是具有全HD(1920×1080像素)分辨率的液晶显示面板。此外，反射镜103的反射表面与目镜的光轴之间的角度为37度。

眼距位于距透镜表面20mm的位置，并且从眼睛到液晶显示面板(LCD面板)的虚像的距离(虚像距离)为550mm。右LCD面板和左LCD面板在水平方向偏移4.923mm以将双目会聚距离设定为870mm。参考瞳孔间距离为62mm，并且设定眼距以响应水平方向±10.72mm的眼睛摆动。图9示意性地示出了在最大眼睛摆动期间的光束图。

其它设定条件在下表1中共同表示。第一实施例中的视觉光学系统中的透镜参数如表2所示。

表1

表2

图10示出了在奈奎斯特频率下的白光离焦MTF。MTF意味着当从眼睛到图像显示设备(即，当被认为是图像形成光学系统时)跟踪反向光束时，视觉光学系统的图像形成性能。在图10中，水平轴是相对于图像平面(图像显示设备表面)为0的前后离焦位置(mm)。垂直轴是MTF(对比度值)。当MTF为10％(0.1)或更大时，这意味着可以视觉分辨图像。

在第一至第四实施例中，用作图像显示设备的LCD的英寸尺寸不同，并且因此像素间距也不同。在第一实施例中，如表1所示，从像素间距计算的奈奎斯特频率是8(lp/mm)。因此，在图10中，奈奎斯特频率是8(lp/mm)。将表1与下面描述的表3、表5和表7进行比较，可以理解，奈奎斯特频率随着英寸尺寸变小而变大。换句话说，必须以较高频率设计透镜，并且设计难度增加。

图10示出了在F1：屏幕中心，F2：屏幕左下方70％，F3：屏幕左上方70％，F4：屏幕右下方70％，F5：屏幕右上方70％的屏幕位置处的垂直方向(Y轴方向)上的MTF和水平方向(X轴方向)上的MTF。衍射极限(Diff.lim)表示衍射极限。从图10可以理解，第一实施例中的视觉光学系统能够实现全HD观察，因为图像在从屏幕中心到屏幕外围的对角线70％的范围内被分辨到奈奎斯特频率。以此方式，应当理解，第一实施例中的视觉光学系统表现出优异的对比度，并且可以向观察者提供高质量的图像。

(第二实施例)

在下面的第二实施例中，设计了相同的右视觉光学系统和左视觉光学系统，每个视觉光学系统具有由图4中示出的两个透镜形成的目镜，并且执行图像形成模拟。

该模拟假定第一偏振构件101和第二偏振构件105在结合到保护玻璃时存在。作为图像显示设备107，使用液晶显示面板(4.5英寸，半对角线：57.0mm)。液晶显示面板是具有全HD(1920×1080像素)分辨率的液晶显示面板。此外，反射镜103的反射表面与目镜的光轴之间的角度为37度。

眼距位于距透镜表面20mm的位置，并且从眼睛到液晶显示面板(LCD面板)的虚像的距离(虚像距离)为550mm。右LCD面板和左LCD面板在水平方向偏移4.474mm，以将双目会聚距离设定为870mm。参考瞳孔间距离为62mm，并且设定眼距以响应水平方向±10.72mm的眼睛摆动。

其它设定条件在下表3中共同表示。第二实施例中的视觉光学系统中的透镜参数如表4所示。

表3

表4

图11示出了通过模拟获得的视觉光学系统中的MTF。图11中示出的MTF的符号系统与第一实施例中的相同。从图11可以理解，第二实施例中的视觉光学系统能够实现全HD观察，因为图像在从屏幕中心到屏幕外围的对角线70％的范围内被分辨到奈奎斯特频率。以此方式，应当理解，第二实施例中的视觉光学系统表现出优异的对比度，并且可以向观察者提供高质量的图像。

(第三实施例)

在下面的第三实施例中，设计了相同的右视觉光学系统和左视觉光学系统，每个视觉光学系统具有由图4中示出的两个透镜形成的目镜，并且执行图像形成模拟。

该模拟假定第一偏振构件101和第二偏振构件105在结合到保护玻璃时存在。作为图像显示设备107，使用液晶显示面板(4.0英寸，半对角线：50.7mm)。液晶显示面板是具有全HD(1920×1080像素)分辨率的液晶显示面板。此外，反射镜103的反射表面与目镜的光轴之间的角度为37度。

眼距位于距透镜表面20mm的位置，并且从眼睛到液晶显示面板(LCD面板)的虚像的距离(虚像距离)为550mm。右LCD面板和左LCD面板在水平方向偏移3.986mm以将双目会聚距离设定为870mm。参考瞳孔间距离为62mm，并且设定眼距以响应水平方向±10.72mm的眼睛摆动。

其它设定条件在下表5中共同表示。第三实施例中的视觉光学系统中的透镜参数如表6所示。

表5

表6

图12示出了通过模拟获得的视觉光学系统中的MTF。图12中示出的MTF的符号系统与第一实施例中的相同。从图12可以理解，第三实施例中的视觉光学系统能够实现全HD观察，因为图像在从屏幕中心到屏幕外围的对角线70％的范围内被分辨到奈奎斯特频率。以此方式，应当理解，第三实施例中的视觉光学系统表现出优异的对比度，并且可以向观察者提供高质量的图像。

(第四实施例)

在下面的第四实施例中，设计了相同的右视觉光学系统和左视觉光学系统，每个视觉光学系统具有由在图13中示出的三个透镜形成的目镜，并且执行图像形成模拟。

该模拟假定第一偏振构件101和第二偏振构件105在结合到保护玻璃时存在。作为图像显示设备107，使用液晶显示面板(4.0英寸，半对角线：50.7mm)。液晶显示面板是具有全HD(1920×1080像素)分辨率的液晶显示面板。此外，反射镜103的反射表面与目镜的光轴之间的角度为37度。

眼距位于距透镜表面20mm的位置，并且从眼睛到液晶显示面板(LCD面板)的虚像的距离(虚像距离)为550mm。右LCD面板和左LCD面板在水平方向偏移3.959mm以将双目会聚距离设定为870mm。参考瞳孔间距离为62mm，并且设定眼距以响应水平方向±10.72mm的眼睛摆动。

其它设定条件共同地表示在下表7中。第四实施例中的视觉光学系统中的透镜参数如表8所示。

表7

表8

图14示出了通过模拟获得的视觉光学系统中的MTF。图14中示出的MTF的符号系统与第一实施例中的相同。从图14可以理解，第四实施例中的视觉光学系统能够实现全HD观察，因为图像在从屏幕中心到屏幕外围的对角线70％的范围内被分辨到奈奎斯特频率。以此方式，应当理解，第四实施例中的视觉光学系统表现出优异的对比度，并且可以向观察者提供高质量的图像。

虽然以上参照附图详细描述了本公开的示例性实施方案，但是本公开的技术范围不限于这些实施例。显然，本公开的技术领域的普通技术人员可以想到在权利要求中描述的技术概念的范围内的各种改变和修改。应当理解，这些改变和修改属于本公开的技术范围。

这里描述的效果仅仅是说明性的或示例性的，而不限于此。换言之，根据本公开的特征可以表现出对于本领域技术人员而言从本文的描述以及上述效果或代替上述效果显而易见的其他效果。

以下配置也属于本公开的技术范围。

(1)

一种视觉光学系统，在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，其中，

第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

(2)

根据(1)的视觉光学系统，进一步包括布置在第一偏振构件与反射镜之间的光路上的目镜，其中，

在反射镜侧的目镜的透镜表面具有凸曲率。

(3)

根据(2)的视觉光学系统，其中，满足3<β<5的关系，其中，β是目镜的放大率。

(4)

根据(2)或(3)的视觉光学系统，其中，满足1.2<γ<1.5的关系，其中，γ是目镜的角放大率。

(5)

根据(2)至(4)中任一项的视觉光学系统，其中，在反射镜的反射表面上，在从图像显示设备发射的光束中由反射镜侧的目镜的透镜表面反射的反射光到达反射镜的反射表面的位置附近设置用于阻挡由反射镜反射的反射光的屏蔽件。

(6)

根据(1)至(5)中任一项的视觉光学系统，其中，第一偏振构件和第二偏振构件是线性偏振片。

(7)

根据(1)至(5)中任一项的视觉光学系统，其中，

该第一偏振构件和第二偏振构件分别是由线性偏振片和1/4波片形成的圆偏振片。

(8)

根据(1)至(5)中任一项的视觉光学系统，其中，

该第一偏振构件是线性偏振片，并且

第二偏振构件是1/2波片。

(9)

根据(1)至(5)中任一项的视觉光学系统，其中，

该第一偏振构件是线性偏振片，并且

第二偏振构件是其中线性偏振片和1/2波片从观察者侧依次设置的偏振构件。

(10)

一种医用观察器，包括视觉光学系统，该视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，其中，

第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

(11)

一种医用观察器系统，包括：

图像处理单元，用于对其中拍摄了作为经受手术的部位的手术部位的图像进行图像处理，并输出获得的手术部位拍摄图像；以及

医用观察器，用于将从图像处理单元输出的手术部位拍摄图像呈现给观察器，其中，

该医用观察器包括视觉光学系统，该视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，以及

第一偏振构件中的偏振状态和第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

(12)

根据(11)的医用观察器系统，进一步包括图像传输单元，用于将从图像处理单元输出的手术部位拍摄图像传输到医用观察器。

附图标记列表

10 视觉光学系统

101 第一偏振构件

103 反射镜

105 第二偏振构件

107 图像显示设备

111 目镜

200 医用观察器

300 手术单元

301 成像单元

303 手术工具单元

400 图像处理单元

500 图像传输单元

600 医用观察器系统

700 操作单元

701 操作臂

703 操作踏板

1000 手术系统。

Claims (12)

1.一种视觉光学系统，在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，其中，

所述第一偏振构件中的偏振状态和所述第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

2.根据权利要求1所述的视觉光学系统，进一步包括布置在所述第一偏振构件与所述反射镜之间的光路上的目镜，其中，

在所述反射镜侧的所述目镜的透镜表面具有凸曲率。

3.根据权利要求2所述的视觉光学系统，其中，满足3<β<5的关系，其中，β是所述目镜的放大率。

4.根据权利要求2所述的视觉光学系统，其中，满足1.2<γ<1.5的关系，其中，γ是所述目镜的角放大率。

5.根据权利要求2所述的视觉光学系统，其中，在所述反射镜的反射表面上，在从所述图像显示设备发射的光束中由所述反射镜侧的所述目镜的透镜表面反射的反射光到达所述反射镜的反射表面的位置附近设置用于阻挡由所述反射镜反射的反射光的屏蔽件。

6.根据权利要求1所述的视觉光学系统，其中，所述第一偏振构件和所述第二偏振构件是线性偏振片。

7.根据权利要求1所述的视觉光学系统，其中，

所述第一偏振构件和所述第二偏振构件分别是由线性偏振片和1/4波片形成的圆偏振片。

8.根据权利要求1所述的视觉光学系统，其中，

所述第一偏振构件是线性偏振片，并且

所述第二偏振构件是1/2波片。

9.根据权利要求1所述的视觉光学系统，其中，

所述第一偏振构件是线性偏振片，并且

所述第二偏振构件是其中线性偏振片和1/2波片从观察者侧依次设置的偏振构件。

10.一种医用观察器，包括视觉光学系统，所述视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，其中，

所述第一偏振构件中的偏振状态和所述第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

11.一种医用观察器系统，包括：

图像处理单元，用于对其中拍摄了作为经受手术的部位的手术部位的图像进行图像处理，并输出获得的手术部位拍摄图像；以及

医用观察器，用于将从所述图像处理单元输出的所述手术部位拍摄图像呈现给观察器，其中，

所述医用观察器包括视觉光学系统，所述视觉光学系统在从观察者侧观察的光路上至少依次包括：

第一偏振构件；

反射镜；

第二偏振构件；以及

图像显示设备，以及

所述第一偏振构件中的偏振状态和所述第二偏振构件中的偏振状态彼此正交。

12.根据权利要求11所述的医用观察器系统，进一步包括图像传输单元，用于将从所述图像处理单元输出的所述手术部位拍摄图像传输到所述医用观察器。

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