CN116841032A - 一种内窥镜镜头、电子内窥镜及图像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于内窥镜技术领域，提出了一种内窥镜镜头、电子内窥镜及图像采集方法，在印刷电路板上开设安装孔，在安装孔内安装与镜管轴向平行的双面图像传感器，在双面图像传感器的两侧位置，分别设置有将镜组中光束转换到双面图像传感器上的光束转换机构，通过减少图像传感器数量以及安装孔的开设，降低了对内窥镜镜头径向尺寸上的要求；同时，在镜管内位于双面图像传感器和镜组之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构，通过遮光机构的旋转对两个镜组中的光束进行交替遮挡，以实现双面图像传感器两个面的交替曝光，用一个图像传感器实现左右两通道镜组各自连续视频图像的获取，同时避免了双面图像传感器两侧同时曝光出现模糊图像的问题。

Description

一种内窥镜镜头、电子内窥镜及图像采集方法

技术领域

本发明属于内窥镜技术领域，尤其涉及一种内窥镜镜头、电子内窥镜及图像采集方法。

背景技术

电子内窥镜光学镜组和图像传感器都位于内窥镜前端，一些技术中图像传感器与镜组光轴垂直布置，受限于内窥镜尺寸，一般光学镜组和图像传感器尺寸都采用小尺寸设计。图像传感器的尺寸大小直接影响图像分辨率和图像质量，受该限制，电子内窥镜图像质量相对光学内窥镜较差，严重限制了电子内窥镜的发展。

发明人发现，为了实现在内窥镜前端有限空间内增加图像传感器的尺寸，以达到提高采集图像质量的目的，现有技术中有将图像传感器与镜组光轴平行布置的方案，图像传感器与镜组光轴平行布置后固定在印刷电路板上，此时需要设置棱镜组等结构来改变光束的方向，使其可以被图像传感器接收；实际操作中，为了接收两个分布于同一平面镜组的两个光束，需要在印刷电路板上对称固定两个图像传感器，分别用于对两个光束的接收，而在印刷电路板上对称固定两个图像传感器的方式，虽然可以增加图像传感器的面积，但是在印刷电路板厚度方向上也增加了尺寸，加上分别设置在两个图像传感器前方用于改变光束方向的棱镜组等结构，影响内窥镜镜头的径向尺寸，不利于内窥镜向小尺寸方向的发展。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种内窥镜镜头、电子内窥镜及图像采集方法，将印刷电路板上的两个图像传感器替换为一个双面图像传感器，减小了印刷电路板厚度方向上的尺寸，降低了对内窥镜镜头径向尺寸上的要求；同时设置了可以在两个镜组之间进行旋转的遮光机构，实现了双面图像传感器两侧交替曝光的目的，在获取3D视频图像的同时保证了采集图像的质量。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种内窥镜镜头，采用如下技术方案：

一种内窥镜镜头，包括镜管，以及安装在所述镜管端部的两个光轴位于同一平面的镜组；

所述镜管内部的中间位置设置有印刷电路板，所述印刷电路板上开设有安装孔，所述安装孔内安装有与所述镜管轴向平行的双面图像传感器；所述镜管内位于所述双面图像传感器的两侧位置，分别设置有将镜组中光束转换到所述双面图像传感器上的光束转换机构；

所述镜管内位于所述双面图像传感器和镜组之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构，通过所述遮光机构的旋转对两个镜组中的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器两个面的交替曝光。

进一步的，所述遮光机构包括安装在所述镜管中间的动力装置，以及安装在所述动力装置上的遮光板，所述遮光板为开设有通光孔的圆形板。

进一步的，所述动力装置为电机，所述电机的转动速度与所述双面图像传感器的帧率相同(或为帧率的整数倍)。

进一步的，所述通光孔为弧形长孔。

进一步的，所述光束转换机构为棱镜组。

进一步的，所述棱镜组将镜组中光束转换90°。

进一步的，两个镜组均包括位于所述镜管端部的前镜组，以及位于所述镜管内部的后镜组。

进一步的，所述印刷电路板上安装有主芯片。

为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种内窥镜，采用如下技术方案：

一种电子内窥镜，采用了如第一方面中所述的内窥镜镜头。

为了实现上述目的，第三方面，本发明还提供了一种图像采集方法，采用如下技术方案：

一种内窥镜镜头图像采集方法，采用了如第一方面中所述的内窥镜镜头，包括：

镜组发出的光束经过光束转换机构被所述双面图像传感器接收；在所述双面图像传感器接收光束过程中，所述遮光机构对两个镜组发出的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器两个面的交替曝光。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在印刷电路板上开设安装孔，在安装孔内安装与镜管轴向平行的双面图像传感器，在双面图像传感器的两侧位置，分别设置有将镜组中光束转换到所述双面图像传感器上的光束转换机构，在实现图像传感器沿镜管轴向位置安装的基础上，较印刷电路板两侧分别固定一个图像传感器的方式相比，减小了印刷电路板厚度方向上的尺寸，同时，印刷电路板上开设的安装孔属于镂空结构，进一步减小了印刷电路板厚度方向上的尺寸，通过减少图像传感器数量以及安装孔的开设，极大的降低了对内窥镜镜头径向尺寸上的要求，满足了内窥镜向小型化发展的需求，也降低了对使用图像传感器的成本；同时，在镜管内位于双面图像传感器和镜组之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构，通过遮光机构的旋转对两个镜组中的光束进行交替遮挡，以实现双面图像传感器两个面的交替曝光，用一个图像传感器实现左右两通道镜组各自连续视频图像的获取，同时避免了双面图像传感器两侧同时曝光出现模糊图像的问题，在获取3D视频图像的同时保证了内窥镜采集图像的质量。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本发明实施例1的图像传感器与镜组光轴垂直布置示意图；

图2为本发明实施例1的图像传感器与镜组光轴平行布置示意图；

图3为本发明实施例1的两个图像传感器的布置示意图；

图4为本发明实施例1的结构示意图；

图5为本发明实施例1的遮光机构意图；

图6为本发明实施例1的通光孔意图；

其中，1、图像传感器；2、镜组；21、前镜组；22、后镜组；3、镜管；4、印刷电路板；5、棱镜组；6、双面图像传感器；7、遮光机构；71、通光孔；72、电机；8、动力装置；9、主芯片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，为目前一些传统技术中，图像传感器1与镜组2光轴垂直布置的方式，图1为典型的3D电子内窥镜镜头结构示意图，内窥镜镜头由两组平行布置的镜组2构成，镜组2与图像传感器1组成镜头模组；其中，镜组2可以包括前镜组21和后镜组22。镜组2的光轴与镜管3轴线平行，镜组2的光轴与图像传感器1平面垂直。两组镜组2排列沿图像传感器1长边方向，从而使观察到的图像符合人眼观察习惯，水平方向为长边。

然而，如图1中所述的内窥镜镜头，镜组2和图像传感器1都位于内窥镜前端，图像传感器1与镜组2光轴垂直布置，受限于内窥镜尺寸，镜组2和图像传感器1尺寸都采用小尺寸设计，图像传感器1的尺寸大小直接影响图像分辨率和图像质量，受该限制，电子内窥镜图像质量相对光学内窥镜较差，严重限制了电子内窥镜的发展。

针对图1中内窥镜镜头存在的问题，如图2所示，现有技术中有将图像传感器1与镜组2光轴平行布置的方案，图像传感器1与镜组2光轴平行布置后固定在印刷电路板4上，此时需要设置棱镜组5等结构来改变光束的方向，使其可以被图像传感器1接收；实际操作中，如图3所示，为了接收两个光轴位于同一平面镜组2的两个光束，需要在印刷电路板4上对称固定两个图像传感器1，分别用于对两个光束的接收。可以理解的，图像传感器1为单面图像传感器。具体的，镜管3外尺寸为10mm或不大于10mm，从而可以与现市场上的内窥镜产品做到通用互换，直接使用兼容配套的内窥镜耗材。两个镜组2外尺寸可以为4.2mm，两个镜组2光轴间距5mm，两个镜组2视场角为80°，可以在最佳观察距离下形成足够大的10°视场视差角，提供更加具有立体感的图像画面。棱镜组5中棱镜为五棱镜，光束从镜组2摄入棱镜组5，发生两次全反射，光线角度转换90°照射在图像传感器1上。两个图像传感器1对称布置在印刷电路板4两侧，其中图像传感器1可以采用1/4’CMOS图像传感器，采用COB封装形式，其有效图像面积约为10mm²，相比典型的3D电子内窥镜镜头结构中图像传感器与光轴垂直线性排列的方法中一般采用的1/6’图像传感器，其有效感光图像面积增加一倍以上，可以提供更优的图像质量的视频画面。

然而，如图2中的方案，在印刷电路板4上对称固定两个图像传感器1的方式，虽然可以增加图像传感器1的面积，但是在印刷电路板4厚度方向上也增加了尺寸，加上分别设置在两个图像传感器1前方用于改变光束方向的棱镜组5等结构，影响内窥镜镜头的径向尺寸，不利于内窥镜向小尺寸方向的发展。

为了解决图2中内窥镜镜头存在的问题，如图4所示，本实施例提供了一种内窥镜镜头，采用如下技术方案：

一种内窥镜镜头，包括镜管3，以及安装在所述镜管3端部的两个光轴位于同一平面的镜组2；

所述镜管3内部的中间位置设置有印刷电路板4，所述印刷电路板4上开设有安装孔，所述安装孔内安装有与所述镜管3轴向平行的双面图像传感器6；所述镜管3内位于所述双面图像传感器6的两侧位置，分别设置有将镜组2中光束转换到所述双面图像传感器6上的光束转换机构；

所述镜管3内位于所述双面图像传感器6和镜组2之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构7，通过所述遮光机构7的旋转对两个镜组2中的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器6两个面的交替曝光。

具体的，在所述印刷电路板4上开设安装孔，在安装孔内安装与所述镜管2轴向平行的所述双面图像传感器6，在所述双面图像传感器6的两侧位置，分别设置有将所述镜组2中光束转换到所述双面图像传感器6上的光束转换机构，在实现图像传感器沿镜管轴向位置安装的基础上，较印刷电路板4两侧分别固定一个图像传感器1的方式相比，减小了所述印刷电路板4厚度方向上的尺寸，同时，所述印刷电路板4上开设的安装孔属于镂空结构，进一步减小了所述印刷电路板4厚度方向上的尺寸，通过减少图像传感器数量以及安装孔的开设，极大的降低了对内窥镜镜头径向尺寸上的要求，满足了内窥镜向小型化发展的需求，也降低了对使用图像传感器的成本；同时，在所述镜管3内位于所述双面图像传感器6和所述镜组2之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构7，通过遮光机构7的旋转对两个镜组中的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器6两个面的交替曝光，用一个图像传感器实现左右两通道镜组各自连续视频图像的获取，同时避免了所述双面图像传感器6两侧同时曝光出现模糊图像的问题，在获取3D视频图像的同时保证了内窥镜采集图像的质量。

如果不设置所述遮光机构，所述双面图像传感器6两侧同时曝光，两侧曝光的图像数据同时读取，会导致图像传感器输出的图像错乱，即输出图像为左右两通道所呈现的有视差/错位图像的叠加，两侧同时曝光也会影响图像传感器感光区域的曝光水平，致使输出图像模糊、过曝。两光路通道图像叠加输出图像不能分离，无法输出可形成3D视觉的图像信息，无法应用于3D内窥镜手术。

如图4和图5所示，所述遮光机7构包括安装在所述镜管3中间的动力装置，以及安装在所述动力装置上的遮光板，所述遮光板为开设有通光孔71的圆形板。

为了保证图像的质量以及采集图像的效率，本实施例中，所述动力装置为电机72，所述电机72的转动速度与所述双面图像传感器6的帧率相同，可以理解的，所述双面图像传感器6间隔曝光两次的时间与所述通光孔71在两个镜组2间的切换时间相等，比如第一次曝光时，光束通过所述通光孔71在所述双面图像传感器6的第一个面形成图像，比如第二次曝光时，光束通过所述通光孔71在所述双面图像传感器6的第二个面形成图像，依次类推。

当所述通光孔71转过与镜组2和棱镜组5同光路时，光束摄入双面图像传感器6的一个面，此时该面曝光成像，同时另一侧路光路被遮挡，不参与成像；在下一帧遮光板转过180°，所述通光孔71转至另一侧光路，另一侧光路曝光成像。以此完成两侧光路的交替曝光成像，该两帧图像结合形成一组3D图像，一般3D成像30～60帧/秒，前述左右光路相邻的两帧图像间隔不影响3D成像观感。

如图6所示，所述通光孔71为弧形长孔，可以保证来自镜组2的所有光束均可以通过，提高成像质量。

所述光束转换机构为棱镜组5；所述棱镜组5将镜组中光束转换90°，以实现所述双面图像传感器6可以接受到垂直光束。

两个镜组2均包括位于所述镜管3端部的前镜组21，以及位于所述镜管3内部的后镜组22。两组平行对称布置的镜组2，可以同时提供具有视差的两路视频图像。其中，单路镜头模组包括一个镜组2、一个棱镜组5和双面图像传感器6，置于镜座和镜管3中，所述镜座可以理解为所述镜管3的一部分，用于安装镜组2。镜座和镜管3为结构和支撑件，材质可以为医用不锈钢；镜组2可以为透镜镜组，用以收集光线，提供内窥镜所需的视场角，具有矫正球差、慧差、像散、场曲、畸变和色差等像差的功能。棱镜组5位于镜组2后，棱镜组5可以包括透镜和一五棱镜，其提供转像功能，可以将光束的走向偏转90°，满足结构布局的需要；同时，经两次转像后获得正像，符合观察习惯，减少后期的软件图像处理过程，节省、释放硬件处理资源。

所述印刷电路板(PCBA)4采用全铺铜工艺，具有良好的导热性，可以将图像传感器核心产热部的累积热量均匀散布到整个PCBA板，在PCBA板后方有布置有导热块，其材质为纯铜、纯铝和石墨烯等高导热材质，其一面贴合在PCBA板上，另一侧与镜管3曲面贴合，可以将PCBA板上的热量均匀导出到镜管3上，或导热块采用高导热热管，将PCBA累积热量沿镜管3轴向传递到内窥镜后端，从而减少前端的热累积导致镜头超温引发的人体损伤风险。

所述印刷电路板4上安装有主芯片9，对获取的图像进行处理。

本实施例中，采用沿内窥镜轴向中置布置的双面图像传感器6设计，减少了所述印刷电路板4的总厚度，便于内窥镜径向光路的优化设计，进而提高成像质量；采用沿内窥镜轴向中置布置的双面图像传感器6设计，仅使用单一图像传感器即可实现3D成像，减少了图像传感器的成本；采用沿内窥镜轴向中置布置的双面图像传感器6设计，双面图像传感器6两面交替曝光成像，分时采集、同时显示输出3D图像的方法。

实施例2：

本实施例提供了一种电子内窥镜，采用了如实施例1中所述的内窥镜镜头；需要说明的是，电子内窥镜包括的其他部分可以通过常规技术实现，在此不再详述。

实施例3：

本实施例提供了一种内窥镜镜头图像采集方法，采用了如实施例1中所述的内窥镜镜头，包括：

镜组2发出的光束经过光束转换机构被所述双面图像传感器6接收；在所述双面图像传感器6接收光束过程中，所述遮光机构7对两个镜组发出的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器6两个面的交替曝光。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种内窥镜镜头，其特征在于，包括镜管，以及安装在所述镜管端部的两个光轴位于同一平面的镜组；

所述镜管内部的中间位置设置有印刷电路板，所述印刷电路板上开设有安装孔，所述安装孔内安装有与所述镜管轴向平行的双面图像传感器；所述镜管内位于所述双面图像传感器的两侧位置，分别设置有将镜组中光束转换到所述双面图像传感器上的光束转换机构；

所述镜管内位于所述双面图像传感器和镜组之间的位置上，设置有可旋转的遮光机构，通过所述遮光机构的旋转对两个镜组中的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器两个面的交替曝光。

2.如权利要求1所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述遮光机构包括安装在所述镜管中间的动力装置，以及安装在所述动力装置上的遮光板，所述遮光板为开设有通光孔的圆形板。

3.如权利要求2所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述动力装置为电机，所述电机的转动速度与所述双面图像传感器的帧率相同(或为帧率整数倍)。

4.如权利要求2所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述通光孔为弧形长孔。

5.如权利要求1所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述光束转换机构为棱镜组。

6.如权利要求5所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述棱镜组将镜组中光束转换90°。

7.如权利要求1所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，两个镜组均包括位于所述镜管端部的前镜组，以及位于所述镜管内部的后镜组。

8.如权利要求1所述的一种内窥镜镜头，其特征在于，所述印刷电路板上安装有主芯片。

9.一种电子内窥镜，其特征在于，采用了如权利要求1-8任一项所述的内窥镜镜头。

10.一种内窥镜镜头图像采集方法，其特征在于，采用了如权利要求1-8任一项所述的内窥镜镜头，包括：

镜组发出的光束经过光束转换机构被所述双面图像传感器接收；在所述双面图像传感器接收光束过程中，所述遮光机构对两个镜组发出的光束进行交替遮挡，以实现所述双面图像传感器两个面的交替曝光。