CN114176483B - 偏振光内窥镜装置摄像头光学系统、摄像头及内窥镜装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要公开一种偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其包括从物侧向像侧轴向依次设置的光学适配器和分光器；所述光学适配器的焦距为27～35mm，反远比1～1.5，总长30～40mm。本发明通过光学适配器焦距、总长和反远比有效选择，既能简化结构，减少空气间隔，实现体积小型化，又能保证光学系统有效分辨率和图像质量；形成较窄的主光线入射角，与图像传感器匹配，使得不同视场均可以获得较好的亮度响应；还能够与分光器的有效匹配，为进一步地分光采集图像提供技术基础。

Description

偏振光内窥镜装置摄像头光学系统、摄像头及内窥镜装置

技术领域

本发明涉及内窥镜技术领域，具体涉及一种偏振光内窥镜装置。

背景技术

医用内窥镜是一种可插入人体体腔和脏器内腔内进行直接观察、诊断、治疗的医用电子光学仪器，它采用尺寸极小的光学镜头将所要观察的腔内物体通过微小的物镜成像系统进行光学成像，然后将光学成像发送到图像处理主机上，最后在显示屏上输出图像处理后的观察图像，供医生观察和诊断。

请参考图1所示，目前内窥镜装置整体包括光源、内窥镜、摄像头和主机。其中，摄像头的光学系统一般包括光学适配镜头，分为固定焦距适配器(即：光学定焦适配器)和可变焦距适配器(即：光学变焦适配器)，以及支撑该适配器的机械架构。通过目镜连接模块和内窥镜目镜相连后，内窥镜的图像信息传递到光学适配器，成像到后端的图像传感器，并放大显示在显示器上。

光的散射现象是光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象，偏离原方向的光称为散射光。散射光会影响成像清晰度，导致目标模糊，甚至导致目标无法探测。在使用内窥镜装置的临床手术中(如骨科手术、泌尿外科手术、妇科手术等)，在生理盐水介质下，手术腔体内充满了生理盐水、血液、骨渣、软组织残渣、结石微粒等，这些物质构成一个非均匀介质，因此此类介质的反射光会产生散射，从而影响内窥镜装置成像清晰度，在这种情况下，现有技术中用于内窥镜装置的摄像头光学系统，无法解决前述问题，导致手术视野模糊，影响手术的安全性和有效性。能否有效地抑制非均匀介质中的散射光，提升术中视野清晰度，尤为重要。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：降低术中环境因素的干扰，使内窥镜装置输出更清晰的图像。

据此，本发明的一种实施例提供一种偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，包括：光学适配器和分光器，从物侧向像侧轴向依次设置；所述光学适配器的焦距为27～35mm，总长为30mm～40mm，反远比1～1.5。

在一种实施例中，所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，所述分光器具备对光波波长380nm～λ和λ～700nm两个波段进行选择的光学特性，对波长380nm～λ的光波反射，同时对波长λ～700nm的光波透射，或对波长380nm～λ的光波透射，同时对波长λ～700nm的光波反射；所述λ为600nm～670nm范围内的任意值；所述分光器分得的380nm～λ波段光波用于普通白光成像，所述分光器分得的λ～700nm波段光波用于偏振光成像。

在一种实施例中，所述分光器包括相互胶合的两个棱镜，其分光面具备对光波波长分成380nm～λ和λ～700nm两个波段进行选择的光学特性。

在一种实施例中，所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，所述分光器的分光面设置有多层介质光学薄膜，所述λ＝635nm。

在一种实施例中，所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，所述光学适配器包括第一镜组和第二镜组，从物侧向像侧轴向依次设置；所述第一镜组的焦距为15～25nm；所述第二镜组的焦距为100～150nm。

在一种实施例中，所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，所述第一镜组包括第一镜组第一双胶合透镜和第一镜组第二双胶合透镜,从物侧向像侧轴向依次设置；所述第二镜组包括第二镜组负透镜、第二镜组双胶合透镜、第二镜组正透镜，从物侧向像侧轴向依次设置。

同时，本发明的一种实施例提供一种用于偏振光内窥镜装置的摄像头，包括白光图像传感器；还包括偏振光图像传感器和具备上述任一技术特征的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统；所述380nm～λ波段光波成像于所述白光图像传感器，所述λ～700nm波段光波成像于所述偏振光图像传感器。

再者，本发明的一种实施例提供一种偏振光内窥镜装置，采用上述偏振光内窥镜装置摄像头。

依据上述实施例的偏振光内窥镜装置，通过光学适配器焦距、反远比有效选择，既能简化结构，减少空气间隔，实现体积小型化，又能保证光学系统有效分辨率和图像质量；使主光线入射角(CRA)较窄，与图像传感器匹配，使得不同视场均可以获得较好的亮度响应；还能够与分光器的有效匹配，为进一步地分光采集图像提供基础。

进一步地，依据上述实施例的偏振光内窥镜装置，利用光学适配器传输过来的光信号被分光器分成两个部分，一部分成像在白光图像传感器上，一部分成像在偏振光图像传感器上，可以同时获取术中普通白光图像和偏振光图像，二者互为印证补充。在术中环境模糊的情况下，偏振光成像可以提供更加清晰的图像，实现透血、透骨渣等功能，这样可以有效地抑制非均匀介质中的散射光，保持术中手术视野持续清晰，大幅提高了手术的安全性、有效性。

附图说明

图1为现有技术中的一种内窥镜装置结构示意图；

图2为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置结构示意图；

图3为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统结构示意图；

图4为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统中的光学适配器结构示意图；

图5为本发明图4所示的光学适配器的调制传递函数(MTF)曲线图；

图6为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统中的分光器结构示意图；

图7为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统中的分光器分光模式示意图；

图8为本发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统中的分光器分光模式示意图；

图9为发明一种实施例的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统中的分光器分光模式示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本发明中，物侧是指透镜的位置更靠近被测物一侧，像侧指透镜的位置更靠近成像面一侧。各透镜可以采用现有技术中的材质，如玻璃材质、水晶或有机玻璃等。符号“～”表示某个参数的取值范围，该取值范围包括两个端点值；比如：λ为600nm～670nm表示λ取值为范围600nm～670nm内的任意值，包括600nm和670nm二值。

在本发明的一种实施例中，请参考图2和图3所示，图2为偏振光内窥镜装置的结构示意图，图3所示为其中的摄像头光学系统，包括光学适配器和分光器，分光器将从光学适配器传递过来的光信号分成两部分：对380nm～λ和λ～700nm两个波段进行选择，对波长380nm～λ的光波反射，同时对波长λ～700nm的光波透射，或对波长380nm～λ的光波透射，同时对波长λ～700nm的光波反射；λ为600nm～670nm；波长380nm～λ的光波由白光图像传感器11接收，波长λ～700nm的光波由偏振光图像传感器12接收。白光图像传感器11、偏振光图像传感器12的位置由分光器决定，即视分光器的分光特性，位置可能对调。白光图像传感器接收白光图像，偏振光图像传感器接收偏振光光谱图像。

在本发明的一种实施例中，请参考图4所示，摄像头光学系统包括光学定焦适配器，光学适配器包括前保护片、第一镜组10、第二镜组20和后保护片。第一镜组10、第二镜组20相对位置固定，整体可以相对于图像传感器前后做微小的移动，达到对焦和调节景深的作用。

在本发明的一种实施例中，本例的光学适配器的焦距为27～35mm，总长为30～40mm(总长即前保护片到后保护片之间的距离)，为适配分光器，采用反远比结构，其工作距离L(即后保护片到图像传感器像面之间的距离)和焦距f的比值为反远比，本例中反远比1～1.5，通过第一镜组与第二镜组的配合，使主光线的入射角(CRA)小于15°，与图像传感器较好地匹配。

在本发明的一种实施例中，第一镜组10焦距为15～25mm，具有正的光焦度，包括第一镜组第一双胶合透镜101和第一镜组第二双胶合透镜102，从物侧轴向依次设置。第一镜组第一双胶合透镜101，由负透镜和正透镜从物侧至像侧方向胶合而成，第一镜组第二双胶合透镜102由正透镜和负透镜从物侧至像侧方向胶合而成。

在本发明的一种实施例中，第二镜组20焦距100～150mm，具有正的光焦度。包括第二镜组负透镜201、第二镜组双胶合透镜202和第二镜组正透镜203，从物侧轴向依次排列。其中第二镜组双胶合透镜202由负透镜和正透镜从物侧至像侧方向胶合而成；第二镜组第一负透镜201、第二镜组第二负透镜202、第二镜组正透镜203密接装配，简化机械结构，使光学适配器的总长紧凑，利于小型化。

调制传递函数(MTF)曲线是对光学系统成像质量的一个重要指标。请参考图5所示，上述实施例中，光学适配器的分辨率满足220lp/mm时，全视场对比度值大于0.25，且与衍射极限接近，成像质量较好。

在本发明的一种实施例中，请参考图6和图7所示，本例的分光器由两个棱镜胶合组成，胶合处两斜面间为分光器的分光面P，可将入射光一部分反射，一部分透射。如图6所示，一个棱镜为半五棱形棱镜，其截面形状为从正五棱形中对称分割的一半，另一个棱镜为梯形棱镜，二者胶合后，梯形棱镜的最大底面与半五棱形棱镜的最小底面处于同一平面。当然，图6只是一种示例，半五棱形棱镜也可以是非正五棱形的一半，具体棱的角度根据光路实际需要的角度进行调整即可。

入射光束经分光面后分成了透射光束和反射光束。分光面上镀有多层介质光学薄膜，在一种实施例中，多层介质光学薄膜可采用二向色性滤光膜，对光波进行选频，即对光波波长进行选择，将光波分成380nm～λ和λ～700nm两个波段，λ为600nm～670nm范围内的任意值。波长380nm～λ的光束用于普通白光成像，波长λ～700nm的光束用于偏振光成像，分别成像于白光图像传感器11和偏振光图像传感器12上。

在本发明的一种实施例中，分光面P上镀有多层不同折射率材料，通常为高折射率材料层和低折射率材料层依次层叠；高折射率材料层和低折射率材料层可以设置于分光面其中任一棱镜的斜面上，也可以高折射率材料层设置于一棱镜斜面上，低折射率材料层设置于另一棱镜斜面上。光线入射光角为40°～50°，不同波长的光经各材料层透射和反射。

在本发明的一种实施例中，请参考图7所示，分光模式为波长380～635nm的白光反射，对应成像于白光图像传感器；波长635～700nm的偏振光透射，对应成像于偏振光图像传感器。本例的λ为635nm。λ的值选为635nm,一方面，全面地涵盖了白光的光波范围，保证白光成像的还原度和成像质量；另一方面，能够保证采集到足够波长范围的偏振光，保证偏振光成像的质量和临床参考价值。在本发明的一种实施例中，请参考图8所示，通过低折射率材料膜层和高折射率材料层依次层叠，分光器的分光模式为波长600～700nm的偏振光反射，对应成像于偏振光图像传感器；波长380～600nm的白光透射，对应成像于白光图像传感器。本例的λ值为600nm。

在本发明的一种实施例中，请参考图9所示，通过低折射率材料膜层和高折射率材料层依次层叠，分光器的分光模式为波长670～700nm的偏振光反射，对应成像于偏振光图像传感器；波长380～670nm的白光透射，对应成像于白光图像传感器。本例的λ值为670nm。

采用本发明的各实施例中，通过光学适配器的大反远比设计，工作距离L(即后保护片到图像传感器像面之间的距离)和焦距f的比值为反远比，反远比为1～1.5的设计，可以保证光学适配器具有适当的光学后焦距，可用于增设分光器；高分辨率设计，减少空气间隔，简化结构；光学适配器的第一镜组与第二镜组的配合，使主光线的入射角(CRA)小于15°，与图像传感器相匹配，使得不同视场均可以获得较好的亮度响应；由于分光器的增设，可分光并对光谱进行选频，提取特殊波段的偏振光谱，用于特殊光谱的偏振光成像；在术中模糊的情况下，偏振光成像可以提供更加清晰的图像，实现透血、透骨渣等功能，这样可以保持术中手术视野持续清晰，大幅提高了手术的安全性、有效性。

在本发明的上述各实施例中，白光图像传感器或偏振光图像传感器只是相对于该图像传感器所接收的光波段而言，均可以采用现有技术的图像传感器，如CCD图像传感器或CMOS图像传感器。同时，偏振光成像可以采用现有技术中对光的偏振态敏感的图像传感器，或更适于偏振光成像的图像传感器。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。例如，本发明各实施例中，双胶合透镜可以用分立的相应负透镜和正透镜依次设置来代替，第一、第二镜组的相对位置可以作适当调整，各镜组中的各透镜的设置位置也可以作适当调整，只要能够保证光学适配器的整体参数要求。而分光器的形状也不限于实施例所述，只要是其分光特性能够满足要求即可。

Claims (9)

1.一种偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，包括：从物侧向像侧轴向依次设置的光学适配器和分光器；所述光学适配器的焦距为27～35mm，总长30～40mm，反远比为1～1.5；所述分光器具备将光波波长分成380nm～λ和λ～700nm两个波段进行选择的光学特性，对波长380nm～λ的光波反射，同时对波长λ～700nm的光波透射，或对波长380nm～λ的光波透射，同时对波长λ～700nm的光波反射；所述λ为600nm～670nm范围内的任意值；所述分光器分得的380nm～λ波段光波用于普通白光成像，所述分光器分得的λ～700nm波段光波用于偏振光成像。

2.如权利要求1所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述分光器包括相互胶合的两个棱镜，其分光面具备对光波波长分成380nm～λ和λ～700nm两个波段进行选择的光学特性。

3.如权利要求2所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述分光器的分光面设置有多层介质光学薄膜，所述λ=635nm。

4.如权利要求3所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述分光器包括相互胶合的两个棱镜，其中一个为梯形棱镜，另一个为半五棱形棱镜。

5.如权利要求4所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述多层介质光学薄膜包括高折射率材料膜层和低折射率材料膜层，二者依次层叠。

6.如权利要求1-5中任一项所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述光学适配器包括从物侧向像侧轴向依次设置的第一镜组（10）和第二镜组（20）；所述第一镜组的焦距为15～30nm，具有正的光焦度；所述第二镜组的焦距为100～150nm，具有正的光焦度。

7.如权利要求6所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统，其特征在于，所述第一镜组（10）包括从物侧向像侧轴向依次设置的第一镜组第一双胶合透镜（101）和第一镜组第二双胶合透镜（102）；所述第二镜组（20）包括从物侧向像侧轴向依次设置的第二镜组负透镜（201）、第二镜组双胶合透镜（202）、第二镜组正透镜（203）。

8.一种用于偏振光内窥镜装置的摄像头，包括白光图像传感器；其特征在于，还包括偏振光图像传感器和如权利要求1～7中任一项所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统；所述380nm～λ波段光波成像于所述白光图像传感器，所述λ～700nm波段光波成像于所述偏振光图像传感器。

9.一种偏振光内窥镜装置，其特征在于，包括如权利要求8所述的用于偏振光内窥镜装置的摄像头。