CN112099223A - 一种内窥镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内窥镜装置，包括工作镜管；照明器件、成像器件、照明光导通道和成像光导通道，设置于工作镜管内部；照明装置和成像装置，设置于工作镜管外部；其中，照明装置输出的光束进入工作镜管内的照明光导通道，经照明器件投射至待检查区域；待检查区域反射回的图像信号沿成像光导通道传输至成像装置；照明装置投射照明光，和/或，结构光。本发明提供一种内窥镜装置，通过将照明光和结构光在同一光导通道内投射至待检查区域，实现对待检查区域的照明以及二维图像和三维图像的采集，在满足内窥使用功能的前提下，进一步缩小了内窥镜装置的结构尺寸。

Description

一种内窥镜装置

技术领域

本发明属于二维或三维成像技术领域，具体地说，涉及一种内窥镜装置。

背景技术

内窥镜通过内置于工作镜管内的照明光路、成像光路实现对腔内物体的二维观测。然而一般内窥镜只提供平面图像,缺乏深度信息，这一缺憾阻滞了内窥镜技术的深入应用。投影条纹三维扫描技术在腔外物体上的成功应用显示了其高平面分辨率、高深度分辨率的技术特征，这一技术特征正是内窥镜技术所追求的。

众所周知的内窥镜三维测量技术(相移技术)，美国专利US2009/0225333通过获取几个投射在物体上、相移的条纹图像，计算物体的表面形貌。该发明使用照明光源通过工作镜管内的传光光纤、投射白光照明物体用于观测；利用照明光源通过工作镜管内的传光光纤切换照明工作镜管内的多个条纹发生器件、投射相移条纹图像到物体上用于三维形貌测量。由于内窥镜工作镜管尺寸限制，投射的条纹图数量较少，难以满足结构光三维测量技术的需求。

美国专利US13232699公开了：第一照明光源通过工作镜管内的传光光纤投射白光照明物体用于观测；第二照明光源照射设置在工作镜管外的多个条纹发生器件、工作镜管内一束传像光纤传输多个相移条纹图像于物体上。由于条纹发生器件在内窥镜工作镜管外，该发明有助于减小内窥镜的结构尺寸。

投影条纹三维扫描技术需要投射相移条纹计算分数级位相；投射编码条纹确定整数级位相，现有内窥镜三维测量技术仅能投射相移条纹计算分数级位相，无法投射编码条纹，整数级位相靠“去包裹”展开，因此现有内窥镜三维测量技术未能全面、完整实施投影条纹三维扫描技术，只适用于连续表面形貌测量。

此外现有内窥镜三维测量技术至少需要两个照明光路：白光或单色光照明；结构光照明。如能将其合二为一则可进一步减小投影条纹三维扫描对内窥镜的结构尺寸需求。

因此，有必要对现有技术的不足和缺陷进行改进，提供一种内窥镜装置，通过将照明光和相移条纹图、编码条纹图在同一光导通道内投射至待检查区域，实现对待检查区域的照明以及二维图像和三维图像的采集，在满足内窥使用功能的前提下，进一步缩小了内窥镜装置的结构尺寸。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的内窥镜装置。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种内窥镜装置，包括

工作镜管；

照明器件、成像器件、照明光导通道和成像光导通道，设置于所述工作镜管内部；

照明装置和成像装置，设置于所述工作镜管外部；

其中，所述照明装置输出的光束进入所述工作镜管内的所述照明光导通道，经所述照明器件投射至待检查区域；

所述待检查区域反射回的图像信号经所述成像器件成像后，沿所述成像光导通道传输至所述成像装置；

所述照明装置投射照明光，和/或，结构光。

此外，照明光，和/或，结构光进入所述照明光导通道后，沿同一所述照明光导通道经所述照明器件照射至所述待检查区域；

在一个实施方案中，所述照明光导通道为一束内置于所述工作镜管内的传像光纤；

在一个实施方案中，所述成像光导通道传输的信号为电信号时，在所述工作镜管内，靠近成所述成像器件一侧设置有传感器件。

进一步地，所述照明装置包括光源、空间光调制器和数字光控制器；

所述光源发射的光束定向照射所述空间光调制器，所述数字光控制器根据可编程的图案序列控制所述空间光调制器调制照明光束，调制后的照明光束为照明光，和/或，结构光。

同时，所述可编程的图案序列包括形成照明光的等灰度照明位图，和/或，形成结构光的条纹位图；

在一个实施方案中，形成条纹位图为相移条纹位图和编码条纹位图；

在一个实施方案中，相移条纹位图为8比特正弦灰度分布；

编码条纹位图为1比特黑白灰度分布；

在一个实施方案中，正弦灰度分布相移条纹位图的条纹周期为8个像素；

在一个实施方案中，正弦灰度分布相移条纹位图的相移角度为0°、90°、180°和270°。

进一步地，所述可编程的图案像素与所述空间光调制器的物理像素数相等。

更进一步地，所述可编程的图案由空间光调制器按图案曝光时间显示。

并且，所述可编程的图案序列由所述空间光调制器按图案周期顺序切换，每一图案周期发出一个同步信号；

在一个实施方案中，图案周期发出的同步信号，同步触发所述成像装置获取所述待检查区域反射回的该帧图像；

所述成像装置获取该帧图像完毕后，所述照明装置切换下一图案，开始下一图案周期，并重复上述步骤。

而且，所述照明装置投射照明光，所述成像装置对传输回的图像信号处理后得到二维光学图像；

所述照明装置投射结构光，所述成像装置对传输回的图像信号处理后得到三维形貌图像。

另外，所述照明器件、所述成像器件的光轴平行或者交叉设置；

在一个实施方案中，所述照明器件、所述成像器件为设置在所述工作镜管内的透镜。

进一步地，当所述照明器件、所述成像器件的光轴平行时，所述照明器件的视场不小于所述成像器件的视场；

在一个实施方案中，所述照明器件的视场范围不小于所述照明器件和所述成像器件的光学中心距。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过将照明光和结构光在同一光导通道内投射至待检查区域，实现对待检查区域的照明以及二维图像和三维图像的采集，在满足内窥使用功能的前提下，进一步缩小了内窥镜装置的结构尺寸；

2、通过在将照明光和结构光在同一光导通道内设置，并且设置了能够切换照明光和结构光的照明装置，实现了内窥镜观察时的二维和三维成像，同时能够选择单独使用照明光或者结构光，实现单一功能，灵活、多变，适应性更强；

3、本发明在内窥镜内投射用于计算分数级位相的相移条纹位图和用于确定整数级位相的编码条纹位图可以全面、完整满足投影条纹三维扫描技术的实施要求，扩大内窥镜三维测量的试用范围、增强内窥镜三维测量的鲁棒性。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

在附图中：

图1是本发明内窥镜装置结构第一示意图；

图2是本发明内窥镜装置结构第二示意图；

图3是本发明内窥镜装置结构第三示意图；

图4是本发明内窥镜装置结构第四示意图。

图中：1、工作镜管；2、照明装置；201、光源；202、空间光调制器；203、数字光控制器；3、照明器件；4、照明光导通道；5、成像装置；6、成像器件；7、成像光导通道；8、待检查区域；9、传感器件。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1至图4为本发明内窥镜装置结构第一、第二、第三和第四示意图，通过图中的展示可知，本发明通过将照明装置2和成像装置5设置于工作镜管1外部，照明装置2将照明光和结构光在同一照明光导通道4内投射，节省了工作镜管1的内部空间；照明装置投射用于计算分数级位相的相移条纹位图和用于确定整数级位相的编码条纹位图可以全面、完整满足投影条纹三维扫描技术的实施要求，扩大内窥镜三维测量的试用范围、增强内窥镜三维测量的鲁棒性。并且，在实际应用中，可以选择照明光和结构光交替照射，也可以选择照明光和结构光的单独照射，满足多种需求。此外，在图中还可以看到成像器件6和照明器件3的光轴可以是平行设置，也可以是交叉设置，满足多种场合和需求，在交叉设置中，图3和图4仅仅举例了两种情况，在实际产品中照明器件3也可以是倾斜设置的，或者照明器件3和成像器件6同时倾斜设置，形成交叉光轴。另外，本发明所述的照明光导通道4和成像光导通道7可以是传像光纤，成像光导通道7也可以是传输电信号的相应设备。当成像光导通道7传输的信号为电信号时，在所述工作镜管1内，靠近成所述像器件一侧设置有传感器件9；当成像光导通道7为传像光纤时，在所述工作镜管1外，靠近所述成像装置一侧设置有传感器件9。

本发明通过将照明光和包括相移条纹图和编码条纹图的结构光在同一光导通道内投射至待检查区域8实现对待检查区域8的照明以及二维图像和三维图像的采集，在满足内窥使用功能的前提下，进一步缩小了内窥镜装置的结构尺寸；通过在将照明光和结构光在同一光导通道内设置，并且设置了能够切换照明光和结构光的照明装置2，实现了内窥镜观测时的光学成像和形貌测量，同时能够选择单独使用照明光或者结构光，实现单一功能，灵活、多变，适应性更强。

实施例一

如图1至图4所示，本实施例所述的一种内窥镜装置，包括工作镜管1；照明器件3、成像器件6、照明光导通道4和成像光导通道7，设置于所述工作镜管1内部；照明装置2和成像装置5，设置于所述工作镜管1外部；其中，所述照明装置2输出的光束进入所述工作镜管1内的所述照明光导通道4，经所述照明器件3投射至待检查区域8；所述待检查区域8反射回的图像信号经所述成像器件6成像后，沿所述成像光导通道7传输至所述成像装置5；所述照明装置2投射照明光，和/或，结构光，所述成像装置5存储物体的照明光、结构光照明的图像。

实施例二

如图1至图4所示，本实施例以上述实施例一为基础，本实施例所述一种内窥镜装置，照明光，和/或，结构光进入所述照明光导通道4后，沿同一所述照明光导通道4经所述照明器件3照射至所述待检查区域8，通过照明装置2，将照明光和结构光在同一照明光导通道4内投射，进一步的释放了工作镜管1的内部空间。

实施例三

如图1至图4所示，本实施例以上述实施例一或实施例二为基础，本实施例所述一种内窥镜装置，所述照明光导通道4为一束内置于所述工作镜管1内的传像光纤。

实施例四

如图1至图4所示，本实施例以上述实施例一至实施例三为基础，本实施例所述一种内窥镜装置，所述成像光导通道7传输的信号为电信号时，在所述工作镜管1内，靠近成所述成像器件一侧设置有传感器件9。

实施例五

如图1至图4所示，本实施例以上述实施例一至实施例四为基础，本实施例所述一种内窥镜装置，所述照明装置2包括光源201、空间光调制器202和数字光控制器203；所述光源201发射的光束定向照射所述空间光调制器202，所述数字光控制器203根据可编程的图案序列控制所述空间光调制器202调制照明光束，调制后的照明光束为照明光，和/或，结构光。

实施例六

如图1至图4所示，本实施例以上述实施例一至实施例五为基础，本实施例所述一种内窥镜装置，所述可编程的图案序列包括形成照明光的等灰度照明位图，和/或，形成结构光的条纹位图；其中，形成条纹位图为相移条纹位图和编码条纹位图。

实施例七

本实施例以上述实施例六为基础，本实施例所述相移条纹位图为8比特正弦灰度分布；编码条纹位图为1比特黑白灰度分布；进一步地，正弦灰度分布相移条纹位图的条纹周期为8个像素，正弦灰度分布相移条纹位图的相移角度为0°、90°、180°和270°。

实施例八

本实施例以上述实施例六或实施例七为基础，本实施例所述可编程的图案像素与所述空间光调制器202的物理像素数相等。

实施例九

本实施例以上述实施例六至实施例八为基础，本实施例所述可编程的图案由空间光调制器202按图案曝光时间显示。

实施例十

本实施例以上述实施例一至实施例九为基础，本实施例所述可编程的图案序列由所述空间光调制器202按图案周期顺序切换，每一图案周期发出一个同步信号，图案周期发出的同步信号，同步触发所述成像装置5获取所述待检查区域8反射回的该帧图像；所述成像装置5获取该帧图像完毕后，所述照明装置2切换下一图案，开始下一图案周期，并重复上述步骤。

实施例十一

本实施例以上述实施例一至实施例十为基础，本实施例所述照明装置2投射照明光，所述成像装置5对传输回的图像信号处理后得到二维光学图像；所述照明装置2投射结构光，所述成像装置5对传输回的图像信号处理后得到三维形貌图像。

实施例十二

如图2所示，本实施例以上述实施例一至实施例十一为基础，本实施例所述的一种内窥镜装置，位于工作镜管1外的照明装置2以DMD4500为空间光调制器202，以DLPC350为数字光控制器203的PRO4500数字光处理机。LED光源201照射DMD4500，DMD4500显示存储在PRO4500数字光处理机内的位图，DMD4500反射输出的位图经光纤藕合镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，传像光纤端面输出的位图经位于工作镜管1内的照明镜头投射至物体上；物体反射回的光经位于工作镜管1内的成像镜头在位于工作镜管1内的CCD/CMOS传感器上成像，照明镜头、成像镜头光轴平行。工作镜管1内设置有传感器件9，所述的传感器件9为CCD/CMOS。CCD/CMOS的输出电信号存入位于工作镜管1外的成像装置5，成像装置5存储的图像可以用于二维图像分析/三维形貌重建。

实施例十三

如图1所示，本实施例以上述实施例一至实施例十一为基础，本实施例所述的一种内窥镜装置，位于工作镜管1外的照明装置2以DMD4500为空间光调制器202，以DLPC350为数字光控制器203的PRO4500数字光处理机。LED光源201照射DMD4500，DMD4500显示存储在PRO4500数字光处理机内的位图，DMD4500反射输出的位图经光纤藕合镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，传像光纤端面输出的位图经位于工作镜管1内的照明镜头投射至物体上；物体反射回的光经位于工作镜管1内的成像镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，照明镜头、成像镜头光轴平行。工作镜管1外设置有传感器件9，所述的传感器件9为CCD/CMOS。传像光纤输出的光信号经位于工作镜管外的CCD/CMOS存入位于工作镜管1外的成像装置5，成像装置5存储的图像可以用于二维图像分析/三维形貌重建。

实施例十四

如图3所示，本实施例以上述实施例一至实施例十一为基础，本实施例所述的一种内窥镜装置，位于工作镜管1外的照明装置2以DMD4500为空间光调制器202，以DLPC350为数字光控制器203的PRO4500数字光处理机。LED光源201照射DMD4500，DMD4500显示存储在PRO4500数字光处理机内的位图，DMD4500反射输出的位图经光纤藕合镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，传像光纤端面输出的位图经位于工作镜管1内的照明镜头投射至物体上；物体反射回的光经位于工作镜管1内的成像镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，照明镜头、成像镜头光轴交叉。工作镜管1外设置有传感器件9，所述的传感器件9为CCD/CMOS。传像光纤输出的光信号经位于工作镜管外的CCD/CMOS存入位于工作镜管1外的成像装置5，成像装置5存储的图像可以用于二维图像分析/三维形貌重建。

实施例十五

如图4所示，本实施例以上述实施例一至实施例十一为基础，本实施例所述的一种内窥镜装置，位于工作镜管1外的照明装置2以DMD4500为空间光调制器202，以DLPC350为数字光控制器203的PRO4500数字光处理机。LED光源201照射DMD4500，DMD4500显示存储在PRO4500数字光处理机内的位图，DMD4500反射输出的位图经光纤藕合镜头射入位于工作镜管1内的传像光纤，传像光纤端面输出的位图经位于工作镜管1内的照明镜头投射至物体上；物体反射回的光经位于工作镜管1内的成像镜头在位于工作镜管1内的CCD/CMOS传感器上成像，照明镜头、成像镜头光轴交叉。工作镜管1内设置有传感器件9，所述的传感器件9为CCD/CMOS。CCD/CMOS的输出电信号存入位于工作镜管1外的成像装置5，成像装置5存储的图像可以用于二维图像分析/三维形貌重建。

实施例十六

本实施例以上述实施例一至实施例十五为基础，本实施例所述的一种内窥镜装置，当所述照明器件3、所述成像器件6的光轴平行时，所述照明器件3的视场不小于所述成像器件6的视场，并且所述照明器件3的视场不小于所述照明器件3和所述成像器件6的光学中心距。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种内窥镜装置，其特征在于：包括

工作镜管(1)；

照明器件(3)、成像器件(6)、照明光导通道(4)和成像光导通道(7)，设置于所述工作镜管(1)内部；

照明装置(2)和成像装置(5)，设置于所述工作镜管(1)外部；

其中，所述照明装置(2)输出的光束进入所述工作镜管(1)内的所述照明光导通道(4)，经所述照明器件(3)投射至待检查区域(8)；

所述待检查区域(8)反射回的图像信号经所述成像器件(6)成像后，沿所述成像光导通道(7)传输至所述成像装置(5)；

所述照明装置(2)投射照明光，和/或，结构光。

2.根据权利要求1所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

照明光，和/或，结构光进入所述照明光导通道(4)后，沿同一所述照明光导通道(4)经所述照明器件(3)照射至所述待检查区域(8)；

优选地，所述照明光导通道(4)为一束内置于所述工作镜管(1)内的传像光纤；

更优选地，所述成像光导通道(7)传输的信号为电信号时，在所述工作镜管(1)内，靠近成所述像器件一侧设置有传感器件(9)。

3.根据权利要求1或2所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

所述照明装置(2)包括光源(201)、空间光调制器(202)和数字光控制器(203)；

所述光源(201)发射的光束定向照射所述空间光调制器(202)，所述数字光控制器(203)根据可编程的图案序列控制所述空间光调制器(202)调制照明光束，调制后的照明光束为照明光，和/或，结构光。

4.根据权利要求3所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

所述可编程的图案序列包括形成照明光的等灰度照明位图，和/或，形成结构光的条纹位图；

优选地，形成条纹位图为相移条纹位图和编码条纹位图；

更优选地，相移条纹位图为8比特正弦灰度分布；

编码条纹位图为1比特黑白灰度分布；

还优选地，正弦灰度分布相移条纹位图的条纹周期为8个像素；

再优选地，正弦灰度分布相移条纹位图的相移角度为0°、90°、180°和270°。

5.根据权利要求4所述的一种内窥镜装置，其特征在于：所述可编程的图案像素与所述空间光调制器(202)的物理像素数相等。

6.根据权利要求4所述的一种内窥镜装置，其特征在于：所述可编程的图案由空间光调制器(202)按图案曝光时间显示。

7.根据权利要求1至6所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

所述可编程的图案序列由所述空间光调制器(202)按图案周期顺序切换，每一图案周期发出一个同步信号；

优选地，图案周期发出的同步信号，同步触发所述成像装置(5)获取所述待检查区域(8)反射回的该帧图像；

所述成像装置(5)获取该帧图像完毕后，所述照明装置(2)切换下一图案，开始下一图案周期，并重复上述步骤。

8.根据权利要求1-7任一所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

所述照明装置(2)投射照明光，所述成像装置(5)对传输回的图像信号处理后得到二维光学图像；

所述照明装置(2)投射结构光，所述成像装置(5)对传输回的图像信号处理后得到三维形貌图像。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

所述照明器件(3)、所述成像器件(6)的光轴平行或者交叉设置；

优选地，所述照明器件(3)、所述成像器件(6)为设置在所述工作镜管(1)内的透镜。

10.根据权利要求9所述的一种内窥镜装置，其特征在于：

当所述照明器件(3)、所述成像器件(6)的光轴平行时，所述照明器件(3)的视场不小于所述成像器件(6)的视场；

优选地，所述照明器件(3)的视场范围不小于所述照明器件(3)和所述成像器件(6)的光学中心距。

Images