CN111474699B - 一种可编程孔径的手术显微镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程孔径的手术显微镜，涉及手术显微镜领域，所述手术显微镜包括沿光路设置的：物镜、可编程孔径光阑、望远变倍补偿系统及合成口径相机阵列，其中，物面位于所述物镜的焦平面上，物面的反射光束经物镜后以平行光出射；所述平行光经可编程孔径光阑调制，变成多束具有一定间隔的具有特殊形状的平行光出射；所述具有特殊形状的平行光经望远变倍补偿系统扩束或者缩束后出射；经望远变倍补偿系统出射的光束被合成口径相机阵列接收，相机阵列采集图像经计算融合、交织后投射至3D显示屏上，获得物体的3D图像。本发明能够解决现有屏前一体化手术显微镜景深及分辨率低以及3D视图与实物有偏差的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及手术显微镜领域，具体涉及一种可编程孔径的手术显微镜。
背景技术
显微镜在外科手术中的引入和发展，使得与外科手术相关的临床及科研水平从宏观迈入微观，显著地提升了整体手术技术水平。外科手术能够通过显微镜将手术视野放大，改善术野的照明和视觉效果，使病灶显示清晰，操作更精细、准确，再辅以各种显微手术器械，能够在最大程度切除病灶，将医源性手术创伤降到最低限度。外科手术显微镜的出现使许多以往不能进行的外科手术变为可能，是目前重大疾病的最主要治疗手段。虽然近年来对手术显微镜的研究非常活跃，并且也取得了一系列突破性的进展，但是还有很多问题亟需解决。
比如这几年非常火的屏前一体化手术显微镜，它基于双目立体成像和三维显示技术，可将术野三维图像实时投影至显示屏上，相比于传统目视显微镜，它更有利于显微外科手术操作，但现有产品依旧存在一系列问题，例如：一、3D视频长时间观测会给人带来强烈的不适感；二、3D成像与真实物体不一致，物体深度方向有被拉长或者压缩之感；三、景深及分辨率低。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种可编程孔径的手术显微镜，用以解决现有屏前一体化手术显微镜景深及分辨率低以及3D视图与实物有偏差的问题。
为实现上述目的，本发明实施例主要提供如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种可编程孔径的手术显微镜，
所述手术显微镜包括沿光路设置的：物镜、可编程孔径光阑、望远变倍补偿系统及合成口径相机阵列，其中，物面位于所述物镜的焦平面上，物面的反射光束经物镜后以平行光出射；所述平行光经可编程孔径光阑调制，变成两束具有一定间隔的具有特殊形状的平行光出射；所述具有特殊形状的平行光经望远变倍补偿系统扩束或者缩束后出射；经望远变倍补偿系统出射的光束被合成口径相机阵列接收，相机阵列采集图像经计算融合、交织后投射至3D显示屏上，获得物体的3D图像。
优选地，所述可编程孔径光阑由若干个子单元组成，每个子单元具备独自控制其透光、拦光或吸收光的能力，所述子单元的体积和数量与其精度成正比。
优选地，所述望远变倍补偿系统依次设置的第一固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和第二固定镜组。
优选地，所述可编程孔径光阑包括透射式可编程孔径光阑和反射式可编程孔径光阑，所述透射式可编程孔径光阑通过透射式空间光调制器实现，所述反射式可编程孔径光阑通过反射式空间光调制器实现。
优选地，所述望远变倍补偿系统和相机阵列之间设置有分光器。
优选地，所述分光器与相机阵列之间添加有偏振片或滤光片。
优选地，所述相机阵列是由多个规则排布的子相机组成，子相机包括成像透镜和探测器，探测器位于成像透镜的焦平面上，其中，子相机的数量大于或等于可编程孔径光阑分束的数量，子相机的入瞳大于经望远变倍补偿系统后的光束的口径。
优选地，所述显微镜还包括照明系统和探测系统，所述照明系统包括同轴照明系统或离轴照明系统，照明系统用于在手术显微镜的使用过程中提供光源；所述探测系统包括3D显示系统或目视系统，所述3D显示系统用于获得3D图像，所述目视系统通过控制可变编程孔径光阑，使输出的光束只有两路，以实现目视探测。
本发明实施例提供的技术方案至少具有如下优点：
本发明实施例提供的一种可编程孔径的手术显微镜，利用可编程孔径光阑，可快速、任意改变双光路乃至多光路的中心间距，能满足不同应用场景下的视差匹配；实现相同口径或者不同口径的四光路、八光路乃至更多光路同时成像，可有效提升成像系统分辨率及景深；可轻易集成光谱成像系统，为手术诊断提供更多信息；通过改变相机阵列的部分子相机的焦距，本实施例可以实现比传统手术显微镜范围更宽的放大倍率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种可编程孔径的手术显微镜的结构示意图图。
图2为本发明实施例提供的透射式可编程孔径光阑手术显微镜成像系统示意图。
图3为本发明实施例提供的反射式可编程孔径光阑手术显微镜成像系统示意图。
图4为本发明实施例提供的分光器位置示意图。
图5为本发明实施例提供的相机阵列的子相机分布示意图。
图中：物面1、物镜2、可编程孔径光阑3、望远变倍补偿系统4、第一固定镜组4.1、变倍镜组4.2、补偿镜组4.3、第二固定镜组4.4、分光器5、相机阵列6、成像透镜6.1、探测器6.2、偏振片7、反射镜8、投影物镜9、普通光阑10、滤光片11、聚光镜12、光源13、子相机14。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为解决背景技术中提到的现有产品技术问题，提升立体手术显微镜成像质量，本发明突破传统手术显微镜多光路成像必须多个连续变倍补偿系统思路，利用可编程孔径光阑和合成口径相机阵列等计算摄像技术，在仅采用一个望远连续变倍补偿系统的条件下，实现一种体视辐辏角可调、成像光路数量可变、观测信息多及分辨率高的立体手术显微镜。
参考图1，本发明实施例提供的一种可编程孔径的手术显微镜包括沿光路设置的：物镜2、可编程孔径光阑3、望远变倍补偿系统4及合成口径相机阵列6，其中，物面1位于物镜2的焦平面上，物面1的反射光束经物镜2后以平行光出射；平行光经可编程孔径光阑3调制，变成两束具有一定间隔的具有特殊形状的平行光出射；具有特殊形状的平行光经望远变倍补偿系统4扩束或者缩束后出射；经望远变倍补偿系统4出射的光束被合成口径相机阵列6接收，相机阵列6采集图像经计算融合、交织后投射至3D显示屏上，获得物体的3D图像。
具体地，可编程孔径光阑3由若干个子单元组成，每个子单元具备独自控制其透光、拦光或吸收光的能力，所述子单元的体积和数量与其精度成正比，即子单元越小，数量越多，精度越高。
可编程孔径光阑3的主要功能是将成像系统的光束进行分束，分出的每个光路都包含物面1视场的完整信息；可编程孔径光阑3的位置在物镜2出瞳处或者望远变倍补偿系统4的孔径光阑处或者望远变倍补偿系统4的出瞳处，优选的是物镜2出瞳位置或者望远变倍补偿系统4的出瞳，具体位置参见附图1所示。
可编程孔径光阑3的实现型式有多种，包括透射式可编程孔径光阑和反射式可编程孔径光阑，透射式可编程孔径光阑通过透射式空间光调制器实现，参考图2，为透射式可编程孔径光阑手术显微镜成像系统示意图，其原理是让光路能够直接穿过透射式空间光调制器，达到透射的效果。
参考图3，反射式可编程孔径光阑通过反射式空间光调制器实现，反射式顾名思义是在光束发射到可编程孔径光阑3上时，起到反射的效果，光路的方向发生改变。
在实际应用中，也可以在消光板上机械加工不同距离、不同形状的孔，通过更换不同消光板实现多种形式分光，来实现可编程孔径光阑3的作用。
进一步地，望远变倍补偿系统4依次设置的第一固定镜组4.1、变倍镜组4.2、补偿镜组4.3和第二固定镜组4.4，其功能是将进入的平行光束连续地改变其光束口径，出射光束依旧为平行光束。
优选地，参考图4，本实施例中的望远变倍补偿系统4和相机阵列6之间设置有分光器5，能实现更多路光束同时成像。分光器5与相机阵列6之间添加有偏振片7或滤光片，能实现高分辨多光谱及偏振成像。
进一步地，图5为相机阵列6的子相机分布示意图，图中可以看出相机阵列6是由多个规则排布的子相机14组成。其中，子相机包括成像透镜6.1和探测器6.2，探测器6.2位于成像透镜6.1的焦平面上，其中，子相机14的数量大于或等于可编程孔径光阑3分束的数量，子相机14的入瞳大于经望远变倍补偿系统4后的光束的口径。
需要说明的是，本实施例的可编程孔径光阑3在调制光束的时候必须以相机阵列6分布为依据，可编程孔径光阑3分束的数量须小于或者等于相机阵列6中子相机数量，分束后的单光路经望远变倍补偿系统4后的光束口径须小于子相机入瞳。在相机阵列6分布不变的情况下，可以通过调节光束口径、光束之间的中心间距实现最佳分辨率及立体成像效果。
进一步地，上述是本实施例显微镜的成像结构，除此之外，显微镜还包括照明系统和探测系统，照明系统包括同轴照明系统或离轴照明系统，照明系统用于在手术显微镜的使用过程中提供光源。同轴照明即照明系统与成像结构共用物镜2或者共用物镜2与望远变倍补偿系统4。离轴照明即照明系统独立于成像结构之外，离轴照明状态下，可编程孔径光阑3能实现的分束数量比同轴照明多。
探测系统包括3D显示系统或目视系统，3D显示系统是将光场相机采集的图像经计算融合成两幅图像，再对两幅图像进行交织，最后利用3D显示技术输出，即可获得3D图像；在光场相机仅有两个子相机的情况，直接对两幅图像进行交织，再利用3D显示技术输出即可或者3D图像。
目视系统是通过控制可变编程孔径光阑，让输出的光束只有两路，将光场相机换成传统的双目观察头，即可实现目视探测。目视探测过程中，根据探测效果实时调节两路光束的中心间距、口径能实现最佳分辨率及立体效果。
本实施例的图1、图2、图3和图4中的晕染部分为光线传播路径。
在公开了上述成像结构、照明系统和探测系统之后，结合实际应用对可变编程孔径手术显微镜的功能做原理进行介绍：
参考图1，照明系统的光源13位于聚光镜的焦平面上，光源经聚光镜12后为平行光输出，再经滤光片11滤光，普通光阑10位于聚光镜的孔径处且位于投影物镜的前焦面上，普通光阑表面的光照度均匀，普通光阑处的光场经投影物镜9准直、再经反射镜8折转45度，最后经物镜2聚焦在物面1上，调节光阑大小可以改变物面1上的照明视场直径，照明强度由光源功率控制。
物面1的反射光经物镜2变成平行光输出，平行光经过可编程孔径光阑3调制后变成两束不同口径、不同中心距的平行光束，再经望远变倍补偿系统4对光束进行扩束或缩束，再经相机阵列6获得图像，然后将图像先进行计算融合变成两幅高分辨率图像，再对两幅图像进行3D交织，交织后的图像投射至3D显示屏上，即获得物体的3D图像。
其中，若显微镜设置有分光器5和偏振片7，偏振片7可替换成滤光片，则光速经过望远变倍补偿系统4再经分光器5进行分束，透射部分经相机阵列6直接成像，反射部分经在相机阵列子相机前面添加滤光片或者偏振片实现光谱或者偏振成像。
相比于现有手术显微镜，本发明实施例提供的可编程孔径手术显微镜只采用一路望远变倍补偿系统，在装配集成工艺精度方面，其难度系数较两路望远变倍补偿系统低；且现有手术显微镜其双光路之间的间距固定，即其视差角固定，由于不同显示器数字放大倍率及人的观测位置不同，导致观测到的3D图像纵深感与真实物体不一致，本发明利用可编程孔径光阑，可快速、任意改变双光路乃至多光路的中心间距，能满足不同应用场景下的视差匹配；本发明利用可编程孔径光阑能轻松实现相同口径或者不同口径的四光路、八光路乃至更多光路同时成像，可有效提升成像系统分辨率及景深；本发明相比于现有手术显微镜光学系统，可轻易集成光谱成像系统，为手术诊断提供更多信息；本发明可以将相机阵列换为传统手术显微镜的双目观察系统，利用可编程孔径光阑实时调节双光束口径尺寸、中心距实现更高分辨率及更好的立体成像效果；基于可编程孔径光阑及相机阵列，通过改变相机阵列的部分子相机的焦距，本实施例可以实现比传统手术显微镜范围更宽的放大倍率。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本发明所描述的功能可以用硬件与软件组合来实现。当应用软件时，可以将相应功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述手术显微镜包括沿光路设置的：物镜、可编程孔径光阑、望远变倍补偿系统及合成口径相机阵列，
其中，物面位于所述物镜的焦平面上，物面的反射光束经物镜后以平行光出射；
所述平行光经可编程孔径光阑调制，变成两束具有一定间隔的具有特殊形状的平行光出射；
所述具有特殊形状的平行光经望远变倍补偿系统扩束或者缩束后出射；
经望远变倍补偿系统出射的光束被合成口径相机阵列接收，相机阵列采集图像经计算融合、交织后投射至3D显示屏上，获得物体的3D图像；
所述显微镜还包括照明系统和探测系统，所述照明系统包括同轴照明系统或离轴照明系统，照明系统用于在手术显微镜的使用过程中提供光源；
所述探测系统包括3D显示系统或目视系统，所述3D显示系统用于获得3D图像，所述目视系统通过控制可变编程孔径光阑，使输出的光束只有两路，以实现目视探测。
2.如权利要求1所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述可编程孔径光阑由若干个子单元组成，每个子单元具备独自控制其透光、拦光或吸收光的能力，所述子单元的体积和数量与其精度成正比。
3.如权利要求1所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述望远变倍补偿系统依次设置的第一固定镜组、变倍镜组、补偿镜组和第二固定镜组。
4.如权利要求1所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述可编程孔径光阑包括透射式可编程孔径光阑和反射式可编程孔径光阑，所述透射式可编程孔径光阑通过透射式空间光调制器实现，所述反射式可编程孔径光阑通过反射式空间光调制器实现。
5.如权利要求1所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述望远变倍补偿系统和相机阵列之间设置有分光器。
6.如权利要求5所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述分光器与相机阵列之间添加有偏振片或滤光片。
7.如权利要求1所述的一种可编程孔径的手术显微镜，其特征在于，所述相机阵列是由多个规则排布的子相机组成，子相机包括成像透镜和探测器，探测器位于成像透镜的焦平面上，其中，子相机的数量大于或等于可编程孔径光阑分束的数量，子相机的入瞳大于经望远变倍补偿系统后的光束的口径。
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