CN116327092B - 光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3d内窥镜及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜及成像系统，为解决3D成像的内窥镜的结构复杂的问题而发明。所述内窥镜包括：一物镜，设在内窥镜的远端，用于收集内窥镜的远端端部外侧待观察的目标物所反射的光；中继光学系统，设在物镜的像侧，用于将光传输到放大单元；以及放大单元，设在中继光学系统的像侧，用于将光传输到第一摄像单元和第二摄像单元；第一摄像单元，设在中继光学系统的像侧，用于接收光并基于光生成目标物的第一图像；第二摄像单元，设在中继光学系统的像侧，用于接收光并基于光生成目标物的第二图像。本发明实施例适用于使用内窥镜对腹腔、膀胱、鼻腔和颅底等部位进行检查的视频场景中。

Description

光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜及成像 系统

技术领域

本发明涉及医学诊断器械技术领域，尤其涉及一种光学系统和成像单元一体化设计的3D内窥镜、成像系统及成像方法。

背景技术

医学诊断器械是识别患者的各种医疗状况的设备或者仪器，能够辅助医生进行准确和及时的诊断，以使医生能够对疾病进行有效治疗和管理。内窥镜是进行微创手术时常用的一种医疗诊断器械。

为了对病灶区域实现3D（Three Dimensional）成像，现有内窥镜包括两路光路，每路光路分别包括物镜和中继光学系统。这种可实现3D成像的内窥镜的结构比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提供一种光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜、成像系统及成像方法，便于通过简单的结构实现3D成像。

为实现上述目的，本发明实施方式提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施方式提供一种光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜，包括：一物镜，设在所述内窥镜的远端，用于收集所述内窥镜的远端端部外侧待观察的目标物所反射的光；一中继光学系统，设在所述物镜的像侧，用于将所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，传输到放大单元；放大单元，设在所述中继光学系统的像侧，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，传输到第一摄像单元和第二摄像单元；所述第一摄像单元和所述第二摄像单元并排设置在所述放大单元的像侧，且所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的通光口径位于所述放大单元的出射光的光斑范围内；其中，所述第一摄像单元，用于接收所述放大单元传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，并基于所述光生成所述目标物的第一图像；以及所述第二摄像单元，用于接收所述放大单元传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，并基于所述光生成所述目标物的第二图像。

根据本发明的一种具体实现方式，所述第一摄像单元包括第一摄像镜头和第一成像传感器；所述放大单元和所述第一摄像镜头形成第一放大装置，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，在所述第一成像传感器上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像；所述第二摄像单元包括第二摄像镜头和第二成像传感器；所述放大单元和所述第二摄像镜头形成第二放大装置，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，在所述第二成像传感器上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像。

根据本发明的一种具体实现方式，所述第一摄像单元和所述第二摄像单元，可一起绕所述放大单元的光轴旋转。

根据本发明的一种具体实现方式，所述放大单元的光出射角度为15°以上。

根据本发明的一种具体实现方式，所述放大单元的出瞳距为5mm以上。

根据本发明的一种具体实现方式，所述放大单元的整体光焦度为负。

根据本发明的一种具体实现方式，所述放大单元包括第一放大单元、第二放大单元和第三放大单元；其中，所述第一放大单元包括具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，所述第一透镜的像侧面与所述第二透镜的物侧面相互胶合，组成第一胶合镜；所述第二放大单元包括具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，所述第三透镜的像侧面与所述第四透镜的物侧面相互胶合，组成第二胶合镜；所述第三放大单元包括具有负光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；所述第五透镜的像侧面与所述第六透镜的物侧面相互胶合，组成第三胶合镜。

根据本发明的一种具体实现方式，所述的光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜，还包括：插入管，所述物镜和所述中继光学系统设在所述插入管中，其中所述物镜设在所述插入管的远端；放大单元支撑件，所述放大单元支撑件的第一端与所述插入管的近端相连，所述放大单元设在所述放大单元支撑件中；摄像单元支撑件，所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元支撑件的第二端相连；所述第一摄像单元和所述第二摄像单元并排设置在所述摄像单元支撑件上；手柄，所述手柄与所述摄像单元支撑件的第二端相连。

根据本发明的一种具体实现方式，所述摄像单元支撑件可绕所述放大单元的光轴旋转。

根据本发明的一种具体实现方式，所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元的第二端可拆卸连接；其中，所述放大单元的第二端的端部，具有用于卡入所述摄像单元支撑件的第一端的卡接凸起；所述摄像单元支撑件的第一端，具有用于容设所述卡接凸起的卡口；所述卡口的边缘设有弹性卡接件；所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元的第二端相连接的状态下，所述卡接凸起插设在所述卡口内，所述弹性卡接件将所述卡接凸起卡设在所述卡口内。

第二方面，本发明一实施方式提供一种内窥镜成像系统，包括：内窥镜，用于获取待观察的目标物所反射的光，并基于所述光同时生成所述目标物的第一图像和第二图像；图像处理单元，与所述内窥镜电连接，用于基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的3D图像；显示装置，与所述图像处理单元电连接，用于显示所述3D图像；其中，所述内窥镜为前述任一实施方式所述的光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜。

第三方面，本发明一实施方式提供一种内窥镜3D成像方法，包括：通过一物镜收集待观察的目标物所反射的光；通过一中继光学系统，将所述物镜收集的所述光，传输到一放大单元；通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像；通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像；基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的第一3D图像。

根据本发明的一种具体实现方式，所述通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像，包括：通过所述放大单元和所述第一摄像单元中的第一摄像镜头，对所述中继光学系统像侧的光斑进行放大，在所述第一摄像单元中的第一成像传感器上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像；所述通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像，包括：通过所述放大单元和所述第二摄像单元中的第二摄像镜头，对所述中继光学系统像侧的所述光斑进行放大，在所述第二摄像单元中的第二成像传感器上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像。

根据本发明的一种具体实现方式，在生成所述目标物的第一3D图像之后，所述内窥镜3D成像方法还包括：保持第一摄像单元和所述第二摄像单元不动，将所述物镜、所述中继光学系统和所述放大单元一起绕所述放大单元的光轴旋转一角度；通过所述放大单元和所述第一摄像单元生成所述目标物的第三图像；过所述放大单元和所述第二摄像单元生成所述目标物的第四图像；基于所述第三图像和所述第四图像，生成所述目标物的第二3D图像；其中，所述第二3D图像的图像内容与所述第一3D图像的图像内容的空间朝向相同。

相对于通过两路光路，每路光路分别包括物镜及中继光学系统来实现3D成像的现有内窥镜，本发明实施方式所提供的可旋转3D内窥镜、内窥镜成像系统及内窥镜3D成像方法，通过一个物镜和一个中继光学系统形成一条光路，通过该光路将物镜收集的目标物所反射的光，传输到放大单元，放大单元将该光路传输的目标物所反射的光传输到第一摄像单元和第二摄像单元，以便于根据第一摄像单元和第二摄像单元对目标物实现3D成像，结构更加简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图。

图1为本发明光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜一实施方式的结构示意图（仅示出了光路部分）；

图2为图1所示实施方式中的第一摄像单元的结构示意图；

图3为图1所示实施方式中的第二摄像单元的结构示意图；

图4为图1所示实施方式中的放大单元结构示意图；

图5为本发明光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜一实施方式的立体结构示意图；

图6为图5中摄像单元支撑件与放大单元相分离的示意图；

图7为图6的局部剖视图；

图8为图5所示内窥镜的分解图；

图9为本发明一实施方式中的镜组套的立体结构示意图；

图10为本发明内窥镜成像系统一实施方式的模块示意图；

图11为本发明内窥镜3D成像方法一实施方式的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“后”、“水平”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”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申请和简化描述，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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，当元件被称为“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

本发明实施方式提供一种光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜、内窥镜成像系统及内窥镜3D成像方法，便于通过简单的结构实现内窥镜的3D成像。

以下结合图1至图11，对本发明实施方式进行进一步说明。

实施例一

图1示出了本发明光学系统和摄像单元一体化设计的可旋转3D内窥镜一实施方式的结构示意图，为清楚起见，图1中仅示出了光路部分。参看图1所示，本实施方式的内窥镜10可包括一物镜11、一中继光学系统12、放大单元15、第一摄像单元13和第二摄像单元14。

其中，物镜11，设在内窥镜10的远端，用于收集内窥镜10的远端端部外侧待观察的目标物20所反射的光。内窥镜10的远端是内窥镜10靠近待观察的目标物20的一端。待观察的目标物20可以是膀胱、鼻腔和胃等部位中的病灶。

在一些示例中，物镜11可包括物透镜（图中未示出）和转换棱镜（图中未示出），通过物透镜和转换棱镜一起获得物镜11的特定视场角，例如0°、12°、30°、70°或者90°等。通过旋转物镜可改变物镜的视场范围。

中继光学系统12，设在物镜11的像侧，用于将物镜11在内窥镜10的远端端部收集的光，传输到放大单元15。换言之，物镜11设在中继光学系统12的物侧，可将待观察的目标物20所反射的光汇聚到中继光学系统12中。其中，中继光学系统12的物侧是中继光学系统12靠近待观察的目标物20的一侧。

中继光学系统12可由多个或多组棒镜组成，如三组或五组等奇数组棒镜组成。棒镜组的数量多少取决于所传输的距离（内窥镜的工作长度）的长短。传输的距离越长，所需要的棒镜组就越多，反之就越少。

放大单元15，设在中继光学系统12的像侧，用于将中继光学系统12传输的物镜11在内窥镜10的远端端部收集的光，传输到第一摄像单元13和第二摄像单元14，以在第一摄像单元13和第二摄像单元14中分别生成目标物的放大的图像。

第一摄像单元13和第二摄像单元14，并排设置在放大单元15的像侧，且第一摄像单元13和第二摄像单元14的通光口径位于放大单元的出射光的光斑范围。

第一摄像单元13和第二摄像单元14分别具有预定的视场角。第一摄像单元13和第二摄像单元14的通光口径位于放大单元15的出射光的光斑范围，可使得放大单元15的出射光的光斑位于第一摄像单元13和第二摄像单元14的视场角范围内，这样，第一摄像单元13和第二摄像单元14可同时对放大单元15的出射光的光斑进行采集，以便对同一目标物从不同的方位（或视角）同时成像。

具体地，第一摄像单元13，用于接收放大单元15传输的物镜11在内窥镜10的远端端部收集的光，并基于该光生成目标物20的第一图像。

第二摄像单元14，用于接收放大单元15传输的物镜11在内窥镜10的远端端部收集的光，并基于该光生成目标物20的第二图像。

本实施方式中，物镜、中继光学系统和放大单元，与两个摄像单元相配合， 可形成一体化的3D内窥镜光学系统。

特别地，一个放大单元和两个摄像单元（第一摄像单元13和第二摄像单元14）相配合，形成一体化的放大成像设计，可同时生成同一目标物的两个放大图像。

本发明实施方式提供的内窥镜，通过一个物镜和一个中继光学系统形成一条光路，通过该光路将物镜收集的目标物所反射的光，传输到放大单元，放大单元将该光路传输的目标物所反射的光传输到第一摄像单元和第二摄像单元；第一摄像单元和第二摄像单元并排设置在放大单元的像侧，且第一摄像单元和第二摄像单元的通光口径位于放大单元的出射光的光斑范围内，由此使得第一摄像单元和第二摄像单元，能够从不同视角同时采集同一目标物所反射的光，分别生成第一图像和第二图像。这样，便于后续根据第一图像和第二图像生成目标物的3D（three dimensional）图像。具体地，后续可根据第一图像和第二图像能够获取不同视角下观察同一目标物的视差，以便通过视差计算得出目标物的深度信息，实现更好的深度感知，从而可生成目标物的3D图像。3D图像也可称为三维图像或立体图像。

相对于通过两路光路，每路光路分别包括物镜及中继光学系统来实现3D成像的现有内窥镜，本发明实施方式所提供的3D内窥镜，通过一个物镜和一个中继光学系统形成一条光路，通过该光路将物镜收集的目标物所反射的光，传输到放大单元，放大单元将该光路传输的目标物所反射的光传输到第一摄像单元和第二摄像单元，以便于根据第一摄像单元和第二摄像单元对目标物实现3D成像，结构更加简单。

此外，相比于在内窥镜的前端并排设置两路光学系统，本发明实施方式在内窥镜的前端（也可称为插入端）仅需设置一路光学系统，可大大减小内窥镜的前端的外径尺寸，有利于减小手术创口的大小。

在一些实施例中，内窥镜前端的外径可为3mm-6mm。在一个例子中，内窥镜前端的外径可为3mm；在另一个例子中，内窥镜前端的外径可为4mm；在又一个例子中，内窥镜前端的外径可为5mm；在又一个例子中，内窥镜前端的外径可为6mm。

在一些实施方式中，物镜11收集内窥镜的远端端部外侧待观察的目标物所反射的光后，可在物镜11的像侧形成第一中间图像（倒立的实像），中继光学系统12将第一中间图像1:1地传递（或转像）至中继光学系统12的像侧以形成第二中间图像。

第一中间图像经一组棒镜传递后会产生图像颠倒。当中继光学系统12中的棒镜组的数量为奇数时，形成的第二中间图像为正立的实像。中继光学系统12在将第一中间图像1:1地传递（或转像）至中继光学系统12的像侧以形成第二中间图像的过程中，在中继光学系统12中可形成多个中间图像。

放大单元15将第二中间图像传输到第一摄像单元13和第二摄像单元14，以在第一摄像单元13和第二摄像单元14中分别生成目标物的放大的图像，即所述第一图像和所述第二图像。在一些实施方式中，第二中间图像可形成在放大单元15的物侧的焦平面处，这样，形成第二中间图像的光线，穿过放大单元15后形成平行光（即将第二中间图像成像在无穷远处），该平行光可同时被第一摄像单元13和第二摄像单元14所捕捉，分别生成所述第一图像和所述第二图像。亦即第一摄像单元13和第二摄像单元14可同时通过放大单元15捕捉到第二中间图像，基于光的直线传播原理，第一摄像单元13和第二摄像单元14实际捕捉到的为目标物的物面，由此可基于目标物的物面分别生成所述第一图像和所述第二图像。

在一些实施方式中，第一摄像单元13与第二摄像单元14之间的距离小于或等于3mm。在一个例子中，该距离为3mm，在另一个例子，该距离为2mm，在由一个例子，该距离为0.5mm。

参看图2，在一些实施方式中，第一摄像单元13包括第一摄像镜头131和第一成像传感器132；放大单元15和第一摄像镜头131形成第一放大装置，用于将中继光学系统12传输的物镜11在内窥镜的远端端部收集的所述光，在第一成像传感器132上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像。

参看图3，第二摄像单元14包括第二摄像镜头141和第二成像传感器142；放大单元15和第二摄像镜头141形成第二放大装置，用于将中继光学系统12传输的物镜11在内窥镜的远端端部收集的所述光，在第二成像传感器142上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像。

本实施方式中，放大单元15和第一摄像镜头131形成第一放大装置，即放大单元15和第一摄像镜头131一体化设计为第一放大装置，该第一放大装置为类李斯特显微物镜形式，放大单元15的出射光为平行光，该平行光进入第一摄像镜头131汇聚到第一成像传感器132上成像。

同理，放大单元15和第二摄像镜头141形成第二放大装置，即放大单元15和第二摄像镜头141一体化设计为第二放大装置，该第二放大装置亦为类李斯特显微物镜形式，放大单元15的出射光为平行光，该平行光进入第二摄像镜头141汇聚到第二成像传感器142上成像。

本实施方式中，放大单元15和第一摄像镜头131一体化设计为第一放大装置，以及放大单元15和第二摄像镜头141一体化设计为第二放大装置，这样可以充分利用第一摄像单元13和第二摄像单元14所固有的摄像镜头，配合放大单元15实现目标物在第一成像传感器132和第二成像传感器142上形成放大的图像，由此可减少放大单元15自身对光学器件的使用，缩短放大单元15的长度，从而可从整体上缩短内窥镜的长度，既有利于降低内窥镜的制造成本，又方便内窥镜的使用操作。

在一些例子中，第一摄像镜头131和第二摄像镜头141可分别为成像分辨率为1080P的摄像镜头。在另一些例子中，第一摄像镜头131和第二摄像镜头141可分别为成像分辨率为4K的摄像镜头。在又一些例子中，第一摄像镜头131和第二摄像镜头141可分别为成像分辨率为8K的摄像镜头。

在一些例子中，第一成像传感器132和第二成像传感器142可分别为CCD（Charge-coupled Device，电荷耦合元件）。在另一些例子中，第一成像传感器132和第二成像传感器142可分别为CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体）。

在一些实施例中，第一摄像镜头131和第二摄像镜头141的成像分辨率可为4K，第一成像传感器132和第二成像传感器142的尺寸可分别为1''/1.8、1''/3、1''/2.5或者1''/2。

在另一些实施例中，第一摄像镜头131和第二摄像镜头141的成像分辨率可为720P，第一成像传感器132和第二成像传感器142的尺寸可为1''/18或者1''/12。

在一些实施方式中，第一摄像单元13和第二摄像单元14，可一起绕放大单元15的光轴旋转。换言之，在保持第一摄像单元13和所述第二摄像单元14不动的情况下，可将物镜11、中继光学系统12和放大单元15一起绕放大单元15的光轴旋转一角度。其中，物镜11、中继光学系统12和放大单元15也为一体化设计，三者在物理结构上可以连接在一起且相对位置固定。

在物镜11具有可对目标物进行斜视的视场角（比如30度、45度、50度或70度等的视场角）时，通过绕放大单元15的光轴（亦即中继光学系统12的光轴）转动物镜11、中继光学系统12和放大单元15这一一体化结构，可改变物镜11的视野范围。

在这种情况下，由于保持第一摄像单元13和第二摄像单元14不动，如保持第一摄像单元13的光轴和第二摄像单元14的光轴所在的平面始终处于水平方向，这样就可保持通过第一摄像单元13和第二摄像单元14获取的目标物图像的方位保持不变（如始终处于正立方向），便于观察者可观察到始终处于正立方向的图像，避免为获得不同的视野范围，绕放大单元15的光轴旋转物镜11、中继光学系统12和放大单元15，而导致获得的图像也随之旋转，甚至出现不能成像的问题。

放大单元15可对经过放大单元15的光的出射角度起到放大作用，以便在较小的出瞳距处即可获得满足第一摄像单元13和第二摄像单元14的通光口径所需要的光斑。

在一些实施方式中，放大单元15的光出射角度为15°以上。在一些实施例中，放大单元15的光出射角度范围可为15°~70°。在一个例子中，放大单元15的光出射角度为15°、20°或25°；在另一个例子中，放大单元15的光出射角度为30°；在又一个例子中，放大单元15的光出射角度为35°；在再一个例子中，放大单元15的光出射角度为40°。

出瞳距是放大单元15中最靠近像侧的一片透镜，到第一摄像单元13或第二摄像单元14中的摄像头中最靠近物侧的一片透镜之间的轴向距离。

在一些实施方式中，放大单元15的出瞳距为5mm以上。在一些实施例中，所述放大单元15的出瞳距范围可为5mm-50mm。在一个例子中，放大单元15的出瞳距为5mm 、10mm、15mm 或20mm；在另一个例子中，放大单元15的出瞳距为25mm；在又一个例子中，放大单元15的出瞳距为30mm；在再一个例子中，放大单元15的出瞳距为40mm。

在一个例子中，放大单元15的出瞳距为30mm以上，光斑大小26mm，可满足两组4K摄像镜头的通光口径。

在一些实施方式中，放大单元15的出瞳距可调，可调范围可为±2mm，用于补偿系统加工误差与装调误差。

为获得较大的出射角度，在一些实施方式中，放大单元15的整体光焦度为负。

参看图4，在一实施例中，放大单元15包括第一放大单元151、第二放大单元152和第三放大单元153。其中，第一放大单元151、第二放大单元152和第三放大单元153均为双胶合透镜，类李斯特型结构。

第一放大单元151，包括具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，第一透镜的像侧面与所述第二透镜的物侧面相互胶合，组成第一胶合镜。其中，第一透镜的物侧面为凹面，第一透镜的像侧面为凹面；第二透镜的物侧面为凸面，第二透镜的像侧面为凸面。

在一些示例中，第一透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(-3.40，-2.95)，第一透镜的折射率优选大于1.7。第二透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(2.95，2.70)，第二透镜的折射率优选大于1.6。

在一些实施例中，第一透镜和第二透镜的阿贝数满足以下要求：

vd2-vd1>15；

其中，vd1是第一透镜在d线的色散系数，vd2是第二透镜在d线的色散系数。

通过第一透镜、第二透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值、以及上述折射率与阿贝数（也称为色散系统，用以表示透明介质色散能力的指数，数值越小而色散现象越厉害）的搭配，可大幅地减小由于系统视场增大而引起的边缘像差（彗差，倍率色差，像散与场区）的增大，有助于避免扫尾、边缘虚化模糊等问题，生成色差还原，成像焦点实的高质量图像。

第二放大单元152包括具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，所述第三透镜的像侧面与所述第四透镜的物侧面相互胶合，组成第二胶合镜。其中，第三透镜的物侧面为凸面，第三透镜的像侧面为凸面；第四透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面。

在一些示例中，第三透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(2.76，2.93)，第三透镜的折射率优选大于1.6；第四透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(-3.15，-2.78)，第四透镜的折射率优选大于1.5。

在一些实施例中，第三透镜和第四透镜的阿贝数满足以下要求：

vd3-vd4>20；

其中，vd3是第三透镜在d线的色散系数，vd4是第四透镜在d线的色散系数。

通过第三透镜、第四透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值、以及上述折射率与阿贝数的搭配，可大幅地减小由于系统视场增大而引起的边缘像差的增大，有助于避免扫尾、边缘虚化模糊等问题，生成色差还原，成像焦点实的高质量图像。

第三放大单元153包括具有负光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；第五透镜的像侧面与第六透镜的物侧面相互胶合，组成第三胶合镜。其中，第五透镜的物侧面为凹面，第五透镜的像侧面为凸面；第六透镜的物侧面为凹面，第六透镜的像侧面为凸面。

在一些示例中，第五透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(-2.10，-1.94)，第五透镜的折射率优选大于1.5；第六透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值优选为(-3.91，-2.88)，第六透镜的折射率优选大于1.6。

在一些实施例中，第五透镜和第六透镜的阿贝数满足以下要求：

vd6-vd5>10；

其中，vd5是第五透镜在d线的色散系数，vd6是第六透镜在d线的色散系数。

通过第五透镜、第六透镜的焦距与物侧面的有效口径的比值、以及上述折射率与阿贝数的搭配，大幅地减小由于系统视场增大而引起的边缘像差（彗差，倍率色差，像散与场区）的增大，有助于避免扫尾、边缘虚化模糊等问题，生成色差还原，成像焦点实的高质量图像。

参看图5，在一些实施方式中，所述可旋转3D内窥镜10，还可包括：插入管16、放大单元支撑件17、摄像单元支撑件18及手柄19。

图1所示实施例中的物镜11和中继光学系统12设在插入管16中，其中物镜11设在插入管16的远端。通过转动插入管16即可实现物镜11、中继光学系统12和放大单元15的转动。

放大单元支撑件17的第一端与插入管16的近端相连，图1所示的放大单元15设在放大单元支撑件17中。

摄像单元支撑件18的第一端与放大单元支撑件17的第二端相连；图1所示实施例中的第一摄像单元13和第二摄像单元14并排设置在摄像单元支撑件18上。

手柄19与摄像单元支撑件18的第二端相连。

在一些实施方式中，摄像单元支撑件18可绕放大单元15的光轴旋转。换言之，在保持摄像单元支撑件18不动的情况下，可将插入管16绕放大单元15的光轴旋转一角度，可改变物镜11的视野范围。

在这种情况下，由于保持摄像单元支撑件18不动，亦即保存第一摄像单元13和第二摄像单元14不动，如保持第一摄像单元13的光轴和第二摄像单元14的光轴所在的平面始终处于水平方向，这样就可保持通过第一摄像单元13和第二摄像单元14获取的目标物图像的方位保持不变（如始终处于正立方向），便于观察者可观察到始终处于正立方向的图像，避免为获得不同的视野范围，绕放大单元15的光轴旋转插入管16，而导致获得的图像也随之旋转，甚至出现不能成像的问题。

参看图6，在一些实施方式中，摄像单元支撑件18的第一端与放大单元支撑件17的第二端可拆卸连接。

在一个例子中，放大单元支撑件17的第二端的端部，具有用于卡入所述摄像单元支撑件18的第一端的卡接凸起；摄像单元支撑件18的第一端，具有用于容设所述卡接凸起的卡口，卡口的边缘设有弹性卡接件（图中未示出）。摄像单元支撑件18的第一端与放大单元支撑件17的第二端相连接的状态下，卡接凸起插设在卡口内，弹性卡接件将卡接凸起卡设在卡口内。

在一个例子中，弹性卡接件可包括卡接片和复位弹性件。卡口的侧壁上具有用于安装卡接片的槽口。卡接片包括按压部、铰接部和卡接部，铰接部位于按压部和卡接部之间。卡接片设在所述槽口内，通过铰接部铰接在卡口处，并与复位弹性件（如扭簧）相连。自然状态下，按压部凸出于所述槽口，卡接部伸入卡口内部。按压按压部，按压部向下移动，通过杠杆作用使得卡接部从卡口内部缩回。释放按压部，按压部在复位弹性件的作用下向所述槽口的外部移动，通过杠杆作用使得卡接部伸入卡口内部。

参看图7及图8，在一实施例中，摄像单元支撑件18可包括内窥镜卡口181、对焦导管182、镜组套183、连接座185、对焦手轮186和传感器支撑件187。内窥镜卡口181与对焦导管182相连，例如可通过螺钉固定连接。镜组套183设在对焦导管182内，用于支撑第一摄像镜头131和第二摄像镜头141。传感器支撑件187设在镜组套183的一端，用于支撑第一成像传感器132和第二成像传感器142。

对焦导管182的尾端与手柄19通过连接座183相连，例如，对焦导管182与手柄19可分别与连接座183的两端螺纹连接。对焦导管182的尾端与手柄19连接在一起时，传感器支撑件187位于手柄19的腔体内。传感器支撑件187上的第一成像传感器132和第二成像传感器可通过数据线与外部的图像处理装置相连。

在一些示例中，镜组套183包括第一镜组固定座和第二镜组固定座，第一镜组固定座和第二镜组固定座通过螺钉固定连接。

参看图9，在一示例中，镜组套183包括第一固定孔1831和第二固定孔1832，第一摄像镜头131设于第一固定孔1831中，第二摄像镜头141设于第二固定孔1832中。

对焦手轮186套设在对焦导管182上。对焦手轮186上设有齿；在对焦导管上设有槽孔；导向柱（图中未示出）的第一端穿过槽孔与镜组套183相连，第二端与对焦导管182的齿相配合，这样，在旋转对焦手轮186时，对焦手轮186可带动导向柱一同运动，并可通过槽孔限制导向柱的旋转，使导向柱只能水平移动，从而驱动镜组套183沿对焦导管182的轴向移动。顺时针旋转对焦手轮186可驱动镜组套183沿对焦导管182的轴向向前移动，逆时针旋转对焦手轮186可驱动镜组套183沿对焦导管182的轴向向后移动。

为了给内窥镜插入管16的远端的物镜11提供照明，在一些实施方式中，在插入管16内设有照明用的光纤。

在一个例子中，在插入管16上可设有光纤座20，所述光纤座20上设有通孔。插入管16内设有与光纤座20上的通孔相连通的光纤孔，在该通孔及光纤孔内可穿设有照明用的光纤。光纤座20可设在插入管16于放大单元15相连接的位置处。

上述实施方式中，摄像单元支撑件18的第一端与放大单元支撑件17的第二端可拆卸连接。本发明不限于此。在其它一些实施方式中，摄像单元支撑件18的第一端与放大单元支撑件17的第二端也可固定连接。

在一些实施方式中，第一摄像单元13和第二摄像单元14可同时通过放大单元15捕捉到第三中间图像，基于光的直线传播原理，第一摄像单元13和第二摄像单元14实际捕捉到的为目标物的物面，由此可基于目标物的物面分别生成所述第一图像和所述第二图像。第三中间图像为放大单元15将第二中间图像进行放大后，在放大单元15像侧的成像平面处生成的图像，第三中间图像为第二中间图像的放大图像。

实施例二

参看图10，本发明实施方式提供一种内窥镜成像系统，包括：内窥镜10、图像处理单元22和显示装置23。其中，所述内窥镜10为实施例一中任一所述的内窥镜。

内窥镜10，用于获取待观察的目标物所反射的光，并基于所述光同时生成所述目标物的第一图像和第二图像。

图像处理单元22，与所述内窥镜10电连接，用于基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的3D图像。

显示装置23，与所述图像处理单元22电连接，用于显示所述3D图像。

在一些实施例中，由于内窥镜10中的第一摄像单元和第二摄像单元的光学中心点在一条直线上，两个光学中心点的距离为立体视觉系统的瞳距。由于这个瞳距，第一和第二摄像单元通过所述物镜、中继光学系统及放大单元对物体的成像形成视觉差分别获得第一图像和第二图像。第一图像和第二图像通过图像处理单元22进行处理，最终形成带有深度信息的3D视觉效果。

本实施方式提供的内窥镜成像系统，与前述任一3D内窥镜实施方式的实现原理和技术效果基本相同，在此不再赘述。

实施例三

参看图11，本发明实施例提供一种内窥镜3D成像方法，包括：

S301、通过一物镜收集待观察的目标物所反射的光。

S302、通过一中继光学系统，将所述物镜收集的所述光，传输到一放大单元。

S303、通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像。

S304、通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像。

S305、基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的第一3D图像。

本实施方式提供的内窥镜3D成像方法，与前述任一3D内窥镜实施方式中的3D成像过程和技术效果基本相同，在此不再赘述。

在一些实施方式中，所述通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像（步骤S303），包括：通过所述放大单元和所述第一摄像单元中的第一摄像镜头131，对所述中继光学系统像侧的光斑进行放大，在所述第一摄像单元中的第一成像传感器132上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像；

所述通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像（步骤S304），包括：通过所述放大单元和所述第二摄像单元中的第二摄像镜头，对所述中继光学系统像侧的所述光斑进行放大，在所述第二摄像单元中的第二成像传感器上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像。

本实施方式中，放大单元和第一摄像镜头131一体化配合，以及放大单元和第二摄像镜头一体化配合，以分别实现对所述中继光学系统像侧的所述光斑进行放大，这样可以充分利用第一摄像单元和第二摄像单元所固有的摄像镜头，配合放大单元实现目标物在第一成像传感器和第二成像传感器上形成放大的图像，由此可减少放大单元自身对光学器件的使用，缩短放大单元的长度，从而可从整体上缩短内窥镜的长度，既有利于降低内窥镜的制造成本，又方便内窥镜的使用操作。

在一些实施方式中，在生成所述目标物的第一3D图像（步骤S305）之后，所述内窥镜3D成像方法还包括步骤：保持第一摄像单元和所述第二摄像单元不动，将所述物镜、所述中继光学系统和所述放大单元一起绕所述放大单元的光轴旋转一角度；通过所述放大单元和所述第一摄像单元生成所述目标物的第三图像；通过所述放大单元和所述第二摄像单元生成所述目标物的第四图像；基于所述第三图像和所述第四图像，生成所述目标物的第二3D图像；其中，所述第二3D图像的图像内容与所述第一3D图像的图像内容的空间朝向相同。

本实施方式中，在将所述物镜、所述中继光学系统和所述放大单元一起绕所述放大单元的光轴旋转一角度以改变视野范围的情况下，由于保持第一摄像单元和第二摄像单元不动，如保持第一摄像单元的光轴和第二摄像单元的光轴所在的平面始终处于水平方向，这样就可保持通过第一摄像单元和第二摄像单元获取的目标物图像的方位保持不变（如始终处于正立方向），便于观察者可观察到始终处于正立方向的图像，避免为获得不同的视野范围，绕放大单元的光轴旋转物镜、中继光学系统和放大单元，而导致获得的图像也随之旋转，甚至出现不能成像的问题。

本发明一个或多个实施方式，可应用于内窥镜的相关科室，也可以代替现有的手术显微镜使用。相对于现有的手术显微镜，本发明中的一个或多个实施方式中，物镜的视场角可大于50度，在手术中比现有手术显微镜可看到更多的空间范围，由此可获得被观察部位的更多信息。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光学3D内窥镜，其特征在于，包括：

一物镜，设在所述内窥镜的远端，用于收集所述内窥镜的远端端部外侧待观察的目标物所反射的光；

一中继光学系统，设在所述物镜的像侧，用于将所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，传输到放大单元；

放大单元，设在所述中继光学系统的像侧，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，传输到第一摄像单元和第二摄像单元；

所述第一摄像单元和所述第二摄像单元并排设置在所述放大单元的像侧，且所述第一摄像单元和所述第二摄像单元的通光口径位于所述放大单元的出射光的光斑范围内；

其中，所述第一摄像单元，用于接收所述放大单元传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，并基于所述光生成所述目标物的第一图像；以及

所述第二摄像单元，用于接收所述放大单元传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，并基于所述光生成所述目标物的第二图像；

所述第一摄像单元和所述第二摄像单元，可一起绕所述放大单元的光轴旋转；

所述第一摄像单元包括第一摄像镜头和第一成像传感器；所述放大单元和所述第一摄像镜头一体化设计为第一放大装置，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，在所述第一成像传感器上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像；

所述第二摄像单元包括第二摄像镜头和第二成像传感器；所述放大单元和所述第二摄像镜头一体化设计为第二放大装置，用于将所述中继光学系统传输的所述物镜在所述内窥镜的远端端部收集的所述光，在所述第二成像传感器上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像；

所述第一摄像镜头和所述第二摄像镜头分别为成像分辨率为4K的摄像镜头。

2.根据权利要求1所述的3D内窥镜，其特征在于，所述放大单元的光出射角度为15°以上。

3.根据权利要求1所述的3D内窥镜，其特征在于，所述放大单元的出瞳距为5mm以上。

4.根据权利要求1所述的3D内窥镜，其特征在于，所述放大单元的整体光焦度为负。

5.根据权利要求4所述的3D内窥镜，其特征在于，所述放大单元包括第一放大单元、第二放大单元和第三放大单元；其中，

所述第一放大单元包括具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜，所述第一透镜的像侧面与所述第二透镜的物侧面相互胶合，组成第一胶合镜；

所述第二放大单元包括具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，所述第三透镜的像侧面与所述第四透镜的物侧面相互胶合，组成第二胶合镜；

所述第三放大单元包括具有负光焦度的第五透镜和具有负光焦度的第六透镜；所述第五透镜的像侧面与所述第六透镜的物侧面相互胶合，组成第三胶合镜。

6.根据权利要求1所述的3D内窥镜，其特征在于，还包括：

插入管，所述物镜和所述中继光学系统设在所述插入管中，其中所述物镜设在所述插入管的远端；

放大单元支撑件，所述放大单元支撑件的第一端与所述插入管的近端相连，所述放大单元设在所述放大单元支撑件中；

摄像单元支撑件，所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元支撑件的第二端相连；所述第一摄像单元和所述第二摄像单元并排设置在所述摄像单元支撑件上；

手柄，所述手柄与所述摄像单元支撑件的第二端相连。

7.根据权利要求6所述的3D内窥镜，其特征在于，所述摄像单元支撑件可绕所述放大单元的光轴旋转。

8.根据权利要求7所述的3D内窥镜，其特征在于，所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元的第二端可拆卸连接；

其中，所述放大单元支撑件的第二端的端部，具有用于卡入所述摄像单元支撑件的第一端的卡接凸起；

所述摄像单元支撑件的第一端，具有用于容设所述卡接凸起的卡口；所述卡口的边缘设有弹性卡接件；

所述摄像单元支撑件的第一端与所述放大单元的第二端相连接的状态下，所述卡接凸起插设在所述卡口内，所述弹性卡接件将所述卡接凸起卡设在所述卡口内。

9.一种内窥镜成像系统，其特征在于，包括：

内窥镜，用于获取待观察的目标物所反射的光，并基于所述光同时生成所述目标物的第一图像和第二图像；

图像处理单元，与所述内窥镜电连接，用于基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的3D图像；

显示装置，与所述图像处理单元电连接，用于显示所述3D图像；

其中，所述内窥镜为权利要求1-8中任一所述的光学3D内窥镜。

10.一种内窥镜3D成像方法，其特征在于，包括：

通过一物镜收集待观察的目标物所反射的光；

通过一中继光学系统，将所述物镜收集的所述光，传输到一放大单元；

通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像；

通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像；

基于所述第一图像和所述第二图像，生成所述目标物的第一3D图像;

在生成所述目标物的第一3D图像之后，所述内窥镜3D成像方法还包括：

保持第一摄像单元和所述第二摄像单元不动，将所述物镜、所述中继光学系统和所述放大单元一起绕所述放大单元的光轴旋转一角度；

通过所述放大单元和所述第一摄像单元生成所述目标物的第三图像；

通过所述放大单元和所述第二摄像单元生成所述目标物的第四图像；

基于所述第三图像和所述第四图像，生成所述目标物的第二3D图像；其中，所述第二3D图像的图像内容与所述第一3D图像的图像内容的空间朝向相同；

所述通过所述放大单元和第一摄像单元生成所述目标物的第一图像，包括：通过所述放大单元和所述第一摄像单元中的第一摄像镜头，对所述中继光学系统像侧的光斑进行放大，在所述第一摄像单元中的第一成像传感器上形成所述第一图像；所述第一图像为所述目标物的放大图像；

所述通过所述放大单元和第二摄像单元生成所述目标物的第二图像，包括：通过所述放大单元和所述第二摄像单元中的第二摄像镜头，对所述中继光学系统像侧的所述光斑进行放大，在所述第二摄像单元中的第二成像传感器上形成所述第二图像；所述第二图像为所述目标物的放大图像。