CN116679436B - 大景深3d手术显微系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大景深3D手术显微系统，涉及医疗器械的技术领域，系统工作时，两个相机内的第一透镜组和图像探测器之间的距离连续变化，从而得到多组第一图像和第二图像，数据处理器可以实时获取第一图像和第二图像，并通过图像处理技术获得第一图像和第二图像重叠的部分，然后将实时获取的多个重叠部分匹配到3D画面中，从而得到完整的3D画面。并且，通过对图像探测器的像元尺寸和相机的孔径的限定，从而使系统在200mm～650mm范围内的任意一个物面能够以4mm～60mm范围的景深清晰成3D画面。

Description

大景深3D手术显微系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种大景深3D手术显微系统。

背景技术

随着电子技术的发展，照相芯片的小型化以及光学镜片加工精度的提升等，用于外科手术的手术显微镜也朝着高分辨推进，同时光学的体积成本也随之下降。

目前市场上的一些种显微镜系统使用液体透镜对手术切面实现层切成像，利用人眼的视觉暂留功能实现大景深的输出，由于液体透镜相当于双胶合透镜，其最终的3D输出效果以及景深效果不够真实。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大景深3D手术显微系统，以缓解现有的显微镜系统利用液体透镜实现大景深效果但最终的3D输出效果以及景深效果不够真实的技术问题。

第一方面，本发明提供的一种大景深3D手术显微系统，包括：

相机，相机的数量为两个，两个相机的光轴平行；所述相机包括沿光轴方向依次设置的第一透镜组和图像探测器；所述第一透镜组和图像探测器之间的距离可调，且两个相机中的第一透镜组和图像探测器之间的距离一致；两个所述相机用于同时分别形成第一图像和第二图像；

数据处理器，所述数据处理器分别与两个所述相机连接，所述数据处理器能够获取第一图像和第二图像中的重叠部分，并将重叠部分匹配到3D画面中；

所述图像探测器的像元尺寸为1.7微米×1.7微米；所述相机的孔径F#为5～12可调节，以使所述大景深3D手术显微系统的景深在4mm～60mm范围内可调节。

进一步的，所述图像探测器的分辨率大于4032×3024像素。

进一步的，第一透镜组为高斯透镜组。

进一步的，所述第一透镜组的焦距取值范围为：5mm～35mm；

所述第一透镜组的波长取值范围为：380nm～950nm；

所述第一透镜组的视场直径取值范围为：200mm@φ100mm范围内；650mm@φ300mm范围内。

进一步的，所述第一透镜组包括：

沿光轴依次设置的：

第一透镜，所述第一透镜为焦距范围在20mm～70mm范围内的双凸正透镜；

第二透镜，所述第二透镜为由一片双凸透镜和一片双凹透镜组合而成的双胶合正透镜，所述第二透镜的焦距范围在100mm～2000mm范围内；

光阑，所述光阑用于调节所述相机的孔径F#；

第三透镜，所述第三透镜为由一片双凹透镜和一片双凸透镜组合而成的双胶合透镜，所述第三透镜的焦距范围在-25mm～-75mm范围内；

第四透镜，所述第四透镜为双弯月负透镜，所述第四透镜焦距范围在-100mm～-300mm范围内；

第五透镜，所述第五透镜为双凸正透镜，所述第五透镜的焦距范围在10mm～50mm范围内。

进一步的，所述图像探测器的分辨率为8192×6144像素；所述第一透镜组的焦距为28mm；所述第一透镜组的F#为4，所述第一透镜组和图像探测器之间的距离可调范围为2.7mm，以使所述大景深3D手术显微系统从200mm～650mm的工作距离内实现视场直径φ6.2mm～φ192mm的物方视野连续可调。

进一步的，所述大景深3D手术显微系统还包括位于两个相机前方的公共保护镜。

进一步的，两个相机的光轴之间的距离的取值范围为：30mm～150mm。

进一步的，所述图像探测器为CMOS探测器。

进一步的，还包括显示设备，所述显示设备包括偏光3D显示屏幕。

本发明的至少具备以下优点或有益效果：

本发明提供的大景深3D手术显微系统，包括：相机和数据处理器。相机的数量为两个，两个相机的光轴平行；所述相机包括沿光轴方向依次设置的第一透镜组和图像探测器；所述第一透镜组和图像探测器之间的距离可调，且两个相机中的第一透镜组和图像探测器之间的距离一致；两个所述相机用于同时分别形成第一图像和第二图像；所述数据处理器分别与两个所述相机连接，所述数据处理器能够获取第一图像和第二图像中的重叠部分，并将重叠部分匹配到3D画面中；所述图像探测器的像元尺寸为1.7微米×1.7微米；所述相机的孔径F#为5～12可调节，以使所述大景深3D手术显微系统的景深在4mm～60mm范围内可调节。

系统工作时，两个相机内的第一透镜组和图像探测器之间的距离连续变化，从而得到多组第一图像和第二图像，数据处理器可以实时获取第一图像和第二图像，并通过图像处理技术获得第一图像和第二图像重叠的部分，然后将实时获取的多个重叠部分匹配到3D画面中，从而得到完整的3D画面。并且，通过对图像探测器的像元尺寸和相机的孔径的限定，从而使系统的物面能够以4mm～60mm范围的景深清晰成3D画面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。

图1为本发明实施例提供的大景深3D手术显微系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的大景深3D手术显微系统的单相机MTF传递函数分辨率曲线。

图标：100-相机；110-第一透镜组；120-图像探测器；

200-数据处理器；

300-公共保护镜；400-显示设备。

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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以是两个元件内部的连通。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。

如图1和图2所示，本发明提供的大景深3D手术显微系统，包括：相机100和数据处理器200。

相机100的数量为两个，两个相机100结构相同且互为镜像，模拟人的左右眼。两个相机100的光轴平行，两个相机100的光轴之间的距离D的取值范围为：30mm～150mm。

所述相机100包括沿光轴方向依次设置的第一透镜组110和图像探测器120，并且，所述第一透镜组110和图像探测器120之间的距离可调。相机100中，第一透镜组110和图像探测器120能够沿光轴方向产生相对运动，可以通过固定第一透镜组110，活动图像探测器120，也可以通过固定图像探测器120，而活动第一透镜组110，实现变倍。其中，相机100的第一透镜组110的变倍因子的范围为1.3～7.8，在5倍电子放大的前提下，相机100的光学放大倍率为2.2倍～66倍连续位置倍率可调，视野连续清晰，解决了定档变倍过程中视野有隔断跳跃的痛点，变倍比为1:6，且整个变倍过程中像面保持稳定，像质良好，像差校正平衡，并达到复消色差的效果。

两个相机100中的第一透镜组110和图像探测器120之间的距离始终一致，可以采用同步驱动的方式，例如，系统包括驱动模块，将两个相机100中的第一透镜组110均固定在同一驱动模块上，利用驱动模块带动两个第一透镜组110一起沿光轴靠近图像探测器120或者远离图像探测器120。或者利用两个一样的驱动机构分别与两个第一透镜组110连接，然后将两个第一透镜组110移动至相同的初始位置，同步启动或者停止两个驱动机构，从而实现两个相机100中的第一透镜组110和图像探测器120之间的距离始终一致。

在第一透镜组110和图像探测器120距离连续改变的过程中，两个相机100同时分别形成连续的多组第一图像和第二图像。所述数据处理器200分别与两个所述相机100连接，在某一时间点，所述数据处理器200能够获取第一图像和第二图像中的重叠部分，并将重叠部分匹配到3D画面中，再连续图像采集和处理的过程中，连续的重叠部分匹配到3D画面中从而可以形成完整的3D画面。

景深表示图像探测器120接收到不同物面且都能够成像的清晰范围，为了实现大景深，本方案中，所述图像探测器120的像元尺寸为1.7微米×1.7微米；所述相机100的孔径F#为5～12可调节，以使所述大景深3D手术显微系统的景深在4mm～60mm范围内可调节，能够做到大景深，能够提高系统的衍射极限，增强系统的分辨率，具有不用重复对焦的优势，稳定性极好。

系统工作时，两个相机100内的第一透镜组110和图像探测器120之间的距离连续变化，从而得到连续的多组第一图像和第二图像，数据处理器200可以实时获取第一图像和第二图像，并通过图像处理技术获得第一图像和第二图像重叠的部分，然后将实时获取的多个重叠部分匹配到3D画面中，从而得到完整的3D画面。并且，通过对图像探测器120的像元尺寸和相机100的孔径的限定从而具备大景深，从而使系统在200mm～650mm范围内的任意一个物面能够以4mm～60mm范围的景深清晰成3D画面，满足牙科以及心脑血管和神经外科等手术要求。

本方案中，所述图像探测器120的分辨率大于4032×3024像素，本实施例中采用8192×6144像素。例如，图像探测器120使用一英寸的PLUS版本的探测器，其分辨率达到了8192×6144像素，属于大底板，高分辨率探测器。

本方案中，第一透镜组110可以为高斯透镜组，且两个相机100内的第一透镜组110互为镜像。第一透镜组110包括多个光学元件，本实施例中，第一透镜组110包括沿光轴依次设置的沿光轴依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为焦距范围在20mm～70mm范围内的双凸正透镜。所述第二透镜为由一片双凸透镜和一片双凹透镜组合而成的双胶合正透镜，所述第二透镜的焦距范围在100mm～2000mm范围内。所述光阑用于调节所述相机100的孔径F#。所述第三透镜为由一片双凹透镜和一片双凸透镜组合而成的双胶合透镜，所述第三透镜的焦距范围在-25mm～-75mm范围内。所述第四透镜为双弯月负透镜，所述第四透镜焦距范围在-100mm～-300mm范围内。所述第五透镜为双凸正透镜，所述第五透镜的焦距范围在10mm～50mm范围内。运用高斯透镜组的对称性，可以对近距离下引起的慧差以及球差进行良好的矫正，使得整个系统能够在工作距离内清晰成像。进一步的，本实施例中的各个透镜合理配置组合，解决了大小视场覆盖、宽工作距离，高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，同时具有小型化和轻型化的结构和外形，在总长仅有60mm的情况下可使全像高达到9.8mm。

具体的，所述第一透镜组110的焦距取值范围为：5mm～35mm。所述第一透镜组110的波长取值范围为：380nm～950nm；所述第一透镜组110的视场直径取值范围为：200mm@φ100mm范围内；650mm@φ300mm范围内。

在最近工作距离200mm处的左右眼视轴夹角α1可以为35°，而在最远工作距离650mm处的左右眼视轴夹角α2可以为3°。

本实施例中，所述图像探测器120的分辨率为8192×6144像素；所述第一透镜组110的焦距为28mm；所述第一透镜组110的F#为4，所述第一透镜组110和图像探测器120之间的距离可调范围为2.7mm，以使所述大景深3D手术显微系统从200mm～650mm的工作距离L内实现视场直径φ6.2mm～φ192mm的物方视野连续变倍。也就是说，通过对系统参数进行合理的限定，可以是系统在650mm的物面1处所能成像的最大视野为φ192mm，而在200mm的物面2处所能成像的最大视野为φ6.2mm。

所述大景深3D手术显微系统还包括位于两个相机100前方的公共保护镜300，起到防尘作用。

两个相机100的光轴可以分别代表人眼所观察到双目3D画面光轴中心点处的左眼视轴和右眼视轴，模拟人眼之间的间距，二者之间的距离的取值范围可以为：30mm～150mm。

所述图像探测器120为CMOS探测器（互补性金属氧化物半导体探测器），配合第一透镜组110，通过系统联动，利于安装调试。系统所有透镜参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，同时因为透镜少的缘故，系统的透过率大幅提升，对色彩的还原度很有优势。

数据处理器200可以为具有高速数据和图像处理能力的服务器或者电脑，包括云端服务器或者其他形式的计算装置。

显示设备400可以为给医生观看的3D或者2D屏幕，其中3D屏幕包括偏光3D显示屏幕等。

综上所述，本实施例中提供的系统具有以下特点：

当对物面1进行双目3D视觉成像时，此时为远距离650mm处最大工作距离下最大视野范围φ192mm。

当对物面2进行双目3D视觉成像时，此时为近距离200mm处最小工作距离下最小视野范围φ6.4mm。

在实际的应用中，采用本实施例的系统，具有结构简单的优势，让每片透镜都参与到矫正像差的过程中来，例如，图中的系统，NA的范围为0.03～0.14，物方视场φ6.4～φ192 mm的变倍3D显微镜头，不考虑工作距离总长只有60mm，能够做到轻量化，小型化。

本实施例中的系统在全视场下的畸变为3％，畸变控制在比较小的范围内，满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的操作要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种大景深3D手术显微系统，其特征在于，包括：

相机（100），相机（100）的数量为两个，两个相机（100）的光轴平行；所述相机（100）包括沿光轴方向依次设置的第一透镜组（110）和图像探测器（120）；所述第一透镜组（110）和图像探测器（120）之间的距离可调，且两个相机（100）中的第一透镜组（110）和图像探测器（120）之间的距离一致；两个所述相机（100）用于同时分别形成第一图像和第二图像；

数据处理器（200），所述数据处理器（200）分别与两个所述相机（100）连接，所述数据处理器（200）能够获取第一图像和第二图像中的重叠部分，并将重叠部分匹配到3D画面中；

所述图像探测器（120）的像元尺寸为1.7微米×1.7微米；以使所述大景深3D手术显微系统的景深在4mm～60mm范围内可调节；

所述第一透镜组（110）的波长取值范围为：380nm～950nm；

所述第一透镜组（110）的视场直径取值范围为： 200mm@φ100mm范围内；650mm@φ300mm范围内；

所述第一透镜组（110）包括：

沿光轴依次设置的：

第一透镜，所述第一透镜为焦距范围在20mm～70mm范围内的双凸正透镜；

第二透镜，所述第二透镜为由一片双凸透镜和一片双凹透镜组合而成的双胶合正透镜，所述第二透镜的焦距范围在100mm～2000mm范围内；

光阑，所述光阑用于调节所述相机（100）的孔径F#；

第三透镜，所述第三透镜为由一片双凹透镜和一片双凸透镜组合而成的双胶合透镜，所述第三透镜的焦距范围在-25mm～ -75mm范围内；

第四透镜，所述第四透镜为双弯月负透镜，所述第四透镜焦距范围在-100mm～-300mm范围内；

第五透镜，所述第五透镜为双凸正透镜，所述第五透镜的焦距范围在10mm～50mm范围内；

所述图像探测器（120）的分辨率为8192×6144像素；所述第一透镜组（110）的焦距为28mm；所述第一透镜组（110）的F#为4，所述第一透镜组（110）和图像探测器（120）之间的距离可调范围为2.7mm，以使所述大景深3D手术显微系统的物距在200mm～650mm之间可调，并在200mm～650mm的工作距离内实现视场直径φ6.2mm～φ192mm的物方视野连续可调。

2.根据权利要求1所述的大景深3D手术显微系统，其特征在于：

第一透镜组（110）为高斯透镜组。

3.根据权利要求1所述的大景深3D手术显微系统，其特征在于：

所述大景深3D手术显微系统还包括位于两个相机（100）前方的公共保护镜（300）。

4.根据权利要求1所述的大景深3D手术显微系统，其特征在于：

两个相机（100）的光轴之间的距离的取值范围为：30mm～150mm。

5.根据权利要求1所述的大景深3D手术显微系统，其特征在于：

所述图像探测器（120）为CMOS探测器。

6.根据权利要求1所述的大景深3D手术显微系统，其特征在于：

还包括显示设备（400），所述显示设备（400）包括偏光3D显示屏幕。