CN113520594A - 一种双光路3d成像模组的装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种双光路3D成像模组的装配方法，应用于双光路3D成像模组，所述双光路3D成像模组包括：第一图像传感器和第二图像传感器，第一图像传感器基座和第二图像传感器基座，第一成像光路和第二成像光路，基底；其中，第一图像传感器基座与第一图像传感器连接，第一图像传感器与第一成像光路连接，形成第一路镜；第二图像传感器基座与第二图像传感器连接，第二图像传感器与第二成像光路连接，形成第二路镜；第一图像传感器基座和第二图像传感器基座分别与基底连接。

Description

一种双光路3D成像模组的装配方法

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种双光路3D成像模组的装配方法。

背景技术

3D电子内窥镜利用双目视差原理进行三维测量，可广泛应用于医疗手术机器人、工业无损检测领域。3D电子内窥镜是医疗手术机器人的核心元件，提供精准的微创手术位姿、病灶尺寸等信息，用于实现手术机器人的自动控制。3D电子内窥镜的核心元件是3D成像模组，其测量精度决定真个系统性能。3D成像模组可分为双光路双传感器和单光路复用单传感器两种。其中，双光路3D成像模组，具有独立的两路光路及成像传感器。因此双光路3D成像模组较单光路复用3D成像模组具有更高的分辨率和精度，是高端3D电子内窥镜核心部件，但因结构复杂、零件精密，而存在装配难的问题。通常光路装配精度受限于所使用的传感器的像素精度。另一方面所使用的传感器往往也需要校准，不能作为校准参考基线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供了一种高精度的高效装配方法，采用先进半导体光刻工艺制作高精度标定板，作为校准基线。通过标定板校准双光路标定器和3D成像模组的光路,再使用双光路标定器标定3D成像模组的传感器。相对传统方法，本发明有效提高3D电子内窥镜测量精度，可促进相关医疗手术机器人、以至工业测量、机器视觉相关技术的发展。因此本发明有重要社会意义。

本发明提供了一种双光路3D成像模组的装配方法，应用于双光路3D成像模组，所述双光路3D成像模组包括：第一图像传感器和第二图像传感器，第一图像传感器基座和第二图像传感器基座，第一成像光路和第二成像光路，基底；其中，第一图像传感器基座与第一图像传感器连接，第一图像传感器与第一成像光路连接，形成第一路镜；第二图像传感器基座与第二图像传感器连接，第二图像传感器与第二成像光路连接，形成第二路镜；第一图像传感器基座和第二图像传感器基座分别与基底连接；

所述方法包括：

第一图像传感器和第二图像传感器的排布位置确定后，根据第一图像传感器和图像传感器的靶面中心位置，设计具有第一标定板和第二标定板；所述第一标定板具有第一标定图案，所述第一标定图案覆盖第一图像传感器的靶面；所述第二标定板具有第二标定图案，所述第二标定图案覆盖第二图像传感器的靶面；其中，所述第一标定板和所述第二标定板采用半导体紫外曝光技术，在石英衬底上蚀刻铬掩膜，形成的标板图案为包括5个西门子星图，所述5个西门子星图位于标板图案的上、下、左、右四角及中心；其中，第一标定板的标板图案的中心位置的星图中心与第二标定板的标板图案的中心位置的星图中心之间的距离，等于所述第一图像传感器的靶面中心和所述第二图像传感器的靶面中心之间的距离；

使用所述第一标定板对所述第一路镜进行标定，以及使用所述第二标定板对所述第二路镜进行标定；其中，在标定过程中，根据所述第一路镜对应的成像清晰度动态校准所述第一路镜，以及根据所述第二路镜对应的成像清晰度动态校准所述第二路镜。

在一种可能的实现方式中，标定采用的光源为200nm-760nm。

在一种可能的实现方式中，所述光源的光波段为220nm或550nm。

在一种可能的实现方式中，使用光源照射第一标定板和第二标定板，使用双光路标定器观测第一标定板和第二标定板，根据成像清晰度动态校准第一路镜或第二路镜。

在一种可能的实现方式中，所述双光路标定器包括第一棱镜、第二棱镜、第一双远心结构光路、第二双远心结构光路、合光光路。

在一种可能的实现方式中，所述合光光路包括尺寸相同的第一立方体反射镜、第二立方体反射镜、第三立方体反射镜、第四立方体透射镜、第五立方体分光镜。

本发明实施例提供的装配方法，可以高精度、高效地装配双光路3D成像模组。采用先进半导体光刻工艺制作高精度标定板，作为校准基线。相对传统可见光波段，本发明使用短波长光源提高校装精度。通过标定板校准双光路标定器和3D成像模组的光路,再使用校准后的双光路标定器标定3D成像模组的传感器。最后，再实现3D成像模组的传感器对与双光路的装调。

相对传统方法，本发明采用了高精度光刻标定板作为参考基线、设计了直观的双光路标定器、增加了对双传感器、双光路预调校，可有效提高3D电子内窥镜测量精度，可促进相关医疗手术机器人、以至工业测量、机器视觉相关技术的发展。因此本发明有重要社会意义。

并且，利用本发明后，可以高精度的高效装配双光路3D成像模组，装配过程可控可测，可适用于大规模生产。

附图说明

图1.本发明双光路标定器结构及应用示意图；

图2.本发明所述校准步骤流程图；

图3.本发明所述双光路3D成像模组结构图；

图4.本发明所述棱镜5的结构示意图。

具体实施方式

下列实施例仅用于说明本申请，而不应视为限制本申请的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在进一步描述本申请具体实施方式之前，应理解，本申请的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本申请实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本申请的保护范围；在本申请说明书和权利要求书中，除非文中另外明确指出，单数形式“一个”、“一”和“这个”包括复数形式。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本申请另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本申请中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本申请的记载，还可以使用与本申请实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本申请。

实施例一

本实施例提供了一种双光路3D成像模组的装配方法，其特征在于包括双光路3D成像模组、标定板、双光路标定器、精密位移台、光源和校准步骤。

所述双光路3D成像模组，包括图像传感器1和图像传感器2，图像传感器基座1.1和图像传感器基座2.1，成像光路1.2和成像光路2.2，基底14。图像传感器基座1.1与图像传感器1连接，图像传感器1与成像光路1.2连接。图像传感器基座2.1与图像传感器2连接，图像传感器2与成像光路2.2连接。图像传感器基座1.1与基底14连接。图像传感器基座2.1与基底14连接。其中，图像传感器基座1.1和图像传感器基座2.1为柔性FPC电路板，校准后，粘接到基底14。

在一个示例中，所述标定板为光刻工艺制作的透明标板。标板图案为西门子星图，且每个光路具有5个西门子星图,位于校准图像区域的上、下、左、右四角及中心。5个图案同时清晰，则认为调校位置准确。标定板有两个型号，为标定板A和标定板B。标定板B比标定板A等比例放大n倍。

所述双光路标定器，结构包括棱镜5、棱镜6、双远心结构光路7、双远心结构光路8、合光光路。合光光路包括尺寸相同的立方体反射镜9、立方体反射镜10、立方体反射镜12、立方体透射镜10、立方体分光镜13。双远心结构光路7、双远心结构光路8具有n倍放大倍数。

所述精密位移台由4个独立可6轴亚微米精度位移台组成，位移精度应达到200nm。

所述光源光谱范围包括200nm-760nm，照明空间均匀度不超过20％，且波段可选。

在一个示例中，所述校准步骤包括，双光路标定器标定，双图像传感器位置标定，双光路镜头标定，3D成像模组传感器对与双光路装配及验证。

所述双光路标定器进行标定，使用光源照射标定板，使用双光路标定器观测标定板，根据成像清晰度动态校准双光路标定器。

所述对双图像传感器位置进行标定，使用图像传感器1和图像传感器2的RGB Rawdata原始图像进行分析。

所述双光路镜头标定，使用光源照射标定板，使用双光路镜头观测标定板，根据成像清晰度动态校准双光路镜头。

所述3D成像模组传感器对与双光路装配及验证，包括将标定后的双光路镜头装配到双图像传感器上，并动态校准位置。

实施例二，

首先要确定图像传感器型号。图像传感器1、图像传感器2靶面中心的距离由3D成像模组应用场景的尺寸决定，通常装配在10mm直径的圆柱体内,且使靶面中心的距离越大越好，图像传感器越大越好，均有利于提高3D成像模组使用时的测量精度。一种优选方案是选择两路1920×1080P分辨力，像素大小在1.2μm×1.2μm左右的CMOS图像传感器。

图像传感器1、图像传感器2及其排布位置确定后，根据图像传感器1、图像传感器2靶面中心位置，设计具有2组标定图案的标定板A。标定板A和标定板B采用半导体紫外曝光技术，在石英衬底上蚀刻铬掩膜。形成标板图案为两组符合ISO12233国际标准的西门子星图，且每组图案具有5个西门子星图,位于校准图像区域的上、下、左、右四角及中心。两组图案分别覆盖图像传感器1、图像传感器2靶面。两组图案中心位置星图的中心点，之间的距离与图像传感器1、图像传感器2靶面中心的距离一致。标板图案也可以是楔形图或者UASF分辨力测试图，但5个图案要一致，以作为标准平面基线。

光源可以采用氙灯作为发光源，氙灯具有很宽的光谱范围，通常可以达到190–1100nm，因此可以涵盖200nm-760nm。也可采用多个LED组合，涵盖200nm-760nm。通过设计合适的发散玻片或漫反射玻片，可以实现均匀照明。通过均匀光源照明标定板A。光源波段通过窄带滤色片可选择，一种优选为紫光波段如220nm和550nm。采用220nm校准双光路标定器，效果精度高于550nm。550nm是大多数可见光路设计的中心参考波段，用于标定可见光波段的双光路镜头。

双光路标定器结构包括棱镜5、棱镜6、双远心结构光路7、双远心结构光路8、合光光路。采用宽光谱材料设计的远心镜头结构。宽光谱材料如GaF2、石英等。所述双远心结构光路7和双远心结构光路8为同一设计，该双远心结构的一种实施方案为两个焦点重合的凸透镜组成。其中，短焦距的凸透镜靠近棱镜5、棱镜6，长焦距的凸透镜靠近立方体反射镜9、立方体透射镜10。双远心结构光路具有成像倍率与距离无关的特点，通常用于光刻机镜头。长焦距与短焦距的比值即光学放大倍数，大于1，以形成对标定板A的放大观测。双远心结构光路选用优化过径向色差，使得200nm与500nm下的光学放大倍数一致。一种实施方案为光学放大倍数是5。

双远心结构光路7、双远心结构光路8尽可能选择大的通光孔径，但会增加外径尺寸，造成与光刻标定板A上紧凑的2图案不匹配。双远心结构光路7、双远心结构光路8不能同时与光刻标定板A上紧凑的2图案中心对齐最佳成像。因此设计合适的棱镜进行匹配。棱镜5、棱镜6为同一款反射棱镜，如图4所示，斜线标记的表面是镜面，棱镜倾斜角度α是45度。镜像为完美成像没有像差。b为a的镜像，c为b的镜像，则c为a的完美镜像。所述棱镜效果是平移了一个a像的长度。此平移效果可以叠加，只需要增加棱镜的长度即可。选择合适的长度，将标定板A上紧凑的2组图案，投影到间距较大的双远心结构光路7、双远心结构光路8的物面。如图1所示。

双远心结构光路7、双远心结构光路8输出给合光光路。合光光路包括尺寸相同的立方体反射镜9、立方体反射镜10、立方体反射镜12、立方体透射镜11、立方体分光镜13。光线传输如图1所示，通过立方体分光镜13合并为一个图像。在立方体分光镜13图像输出端，观测所成像的清晰度。调节双光路标定器，使得两幅图像完全重叠，且最佳清晰度。至此，双光路标定器标定完毕。

同理，用标定板A对双光路镜进行标定，使用550nm光源照射标定板A，使用双光路镜头观测标定板A，根据成像清晰度动态校准双光路镜头。

对双图像传感器位置进行标定。如图1所示，双光路标定器标定板A位置换位图像传感器1、图像传感器2。立方体分光镜13出射口的像面位置放置标定板B。标定板B此时为被观察物体。通过精密位移台调节图像传感器1、图像传感器2位置，达到清晰成像，将图像传感器1、图像传感器2与基底14粘接固定。此外，使用图像传感器1和图像传感器2的RGB Rawdata原始图像进行分析。将RGB通道原始数据转换为灰度图，则分辨率比彩色图像提高一倍，用灰度图对分辨率进行分析，将获得更高解析力和校准精度。

同理，对双光路镜头进行校准。双光路镜头包括镜头1.2、镜头2.2，选择一致性较佳的两个镜头。对标定板A进行观察，调节两个像同样大小，且清晰，则认为双光路镜头校准完毕。

用上述校对后的图像传感器1、图像传感器2，与双光路镜头进行匹配。动态调整两者相对位置，图像传感器1、图像传感器2成像一致且清晰为优。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双光路3D成像模组的装配方法，其特征在于，应用于双光路3D成像模组，所述双光路3D成像模组包括：第一图像传感器和第二图像传感器，第一图像传感器基座和第二图像传感器基座，第一成像光路和第二成像光路，基底；其中，第一图像传感器基座与第一图像传感器连接，第一图像传感器与第一成像光路连接，形成第一路镜；第二图像传感器基座与第二图像传感器连接，第二图像传感器与第二成像光路连接，形成第二路镜；第一图像传感器基座和第二图像传感器基座分别与基底连接；

所述方法包括：

第一图像传感器和第二图像传感器的排布位置确定后，根据第一图像传感器和图像传感器的靶面中心位置，设计具有第一标定板和第二标定板；所述第一标定板具有第一标定图案，所述第一标定图案覆盖第一图像传感器的靶面；所述第二标定板具有第二标定图案，所述第二标定图案覆盖第二图像传感器的靶面；其中，所述第一标定板和所述第二标定板采用半导体紫外曝光技术，在石英衬底上蚀刻铬掩膜，形成的标板图案为包括5个西门子星图，所述5个西门子星图位于标板图案的上、下、左、右四角及中心；其中，第一标定板的标板图案的中心位置的星图中心与第二标定板的标板图案的中心位置的星图中心之间的距离，等于所述第一图像传感器的靶面中心和所述第二图像传感器的靶面中心之间的距离；

使用所述第一标定板对所述第一路镜进行标定，以及使用所述第二标定板对所述第二路镜进行标定；其中，在标定过程中，根据所述第一路镜对应的成像清晰度动态校准所述第一路镜，以及根据所述第二路镜对应的成像清晰度动态校准所述第二路镜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标定采用的光源为200nm-760nm。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述光源的光波段为220nm或550nm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，使用光源照射第一标定板和第二标定板，使用双光路标定器观测第一标定板和第二标定板，根据成像清晰度动态校准第一路镜或第二路镜。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述双光路标定器包括第一棱镜、第二棱镜、第一双远心结构光路、第二双远心结构光路、合光光路。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述合光光路包括尺寸相同的第一立方体反射镜、第二立方体反射镜、第三立方体反射镜、第四立方体透射镜、第五立方体分光镜。

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