内窥镜装置摄像头偏振光光学系统、摄像头及内窥镜装置的制作方法

1.本发明涉及内窥镜技术领域，具体涉及一种内窥镜装置。


背景技术：

2.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。
3.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定焦适配器，成像到后端图像传感器采集图像信息，并放大显示在显示器上。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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：从物侧向像侧轴向依次设置的光学适配器和分光器；所述分光器具备将光波波长分成r、g、b三个波段和特殊光λ～700nm波段进行选择的光学特性；对其中的一个波段的光波透射，同时对其余三个波段的光波反射；所述分光器分得的所述r、g、b三个波段光波用于普通成像，所述分光器分得的λ～700nm波段光波用于偏振光成像；其中λ为600nm～670nm范围内的任意值。
7.在一种实施例中，内窥镜装置摄像头偏振光光学系统，所述分光器包括第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜和第四棱镜，胶合形成有三个分光面，所述三个分光面组合形成具备对光波分成r、g、b三个波段和特殊光λ～700nm波段进行选择的光学特性。
8.在一种实施例中，所述三个分光面分别设置有多层介质光学薄膜，实现光波分成r、g、b三个波段和特殊光λ～700nm波段进行选择的光学特性。
9.在一种实施例中，所述λ的值为635nm。
10.在一种实施例中，所述光学适配器的焦距为27～35mm，反远比为1～1.5。
11.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15～30nm，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。
12.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，
13.包括红光图像传感器或第一白光图像传感器、绿光图像传感器或第二白光图像传感器、蓝光图像传感器或第三白光图像传感器；
14.还包括偏振光图像传感器和如权利要求1～8中任一项所述的偏振光内窥镜装置摄像头光学系统；
15.所述r、g、b三个波段光波分别成像于对应的所述红光图像传感器或第一白光图像传感器、绿光图像传感器或第二白光图像传感器、蓝光图像传感器或第三白光图像传感器，所述λ～700nm波段光波成像于所述偏振光图像传感器。
16.再者，本发明的一种实施例提供一种偏振光内窥镜装置，采用任一上述技术特征的用于偏振光内窥镜装置的摄像头。
17.依据上述实施例的偏振光内窥镜装置，利用光学适配器适配分光器，光波波长分成r、g、b三个波段和特殊光λ～700nm，并分别进行成像，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。
18.进一步地，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；采用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基础。
附图说明
19.图1为现有技术中的一种内窥镜装置结构示意图；
20.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；
21.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；
22.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；
23.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；
24.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；
25.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。
具体实施方式
26.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技术能被更好的理解。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，本技术相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本技术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。
27.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。
28.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。而本技术所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
29.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。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600nm～670nm范围内的任意值，包括600nm和670nm二值。
30.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四个波段，分别为蓝光b、绿光g、红光r和特殊光波段，对应380～500nm、500～560nm、560nm～λ和λ～700nm光谱；对其中的一个波段的光波透射，同时对其余三个波段的光波反射；其中λ为600nm～670nm范围内的任意值。蓝光、绿光和红光对应成像于蓝光图像传感器、绿光图像传感器和红光图像传感器，用于普通的白光成像；特殊光波段对应成像于偏振光图像传感器，用于特殊成像。
31.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。
32.在本发明的一种实施例中，本例的光学适配器的焦距27～35mm，总长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(即光学适配器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，本例中反远比为1～1.5，通过第一镜组10与第二镜组20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。
33.在本发明的一种实施例中，第一镜组10焦距15～30mm，具有正的光焦度，包括第一镜组第一正透镜101、第一镜组第一负透镜102、第一镜组第二正透镜103和第一镜组第二负透镜104，从物侧轴向依次设置。其中第一镜组第一负透镜102、第一镜组第二正透镜103和第一镜组第二负透镜104，从物侧至像侧方向胶合而成三胶合透镜，可以消除色差，减少空气间隔，简化结构。
34.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
二镜组第一双胶合透镜201和第二镜组第二双胶合透镜202，从物侧轴向依次排列。其中第二镜组第一双胶合透镜201由负透镜和正透镜从物侧至像侧方向胶合而成；第二镜组第二双胶合透镜202由负透镜和正透镜从物侧至像侧方向胶合而成；简化机械结构，使光学适配器的总长紧凑，利于小型化。
35.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。
36.在本发明的一种实施例中，请参考图6所示，本例的分光器包括第一棱镜1、第二棱镜2、第三棱镜3和第四棱镜4，第一棱镜1和第二棱镜2的胶合处设置第一分光面，第二棱镜2与第三棱镜3的胶合处设置第二分光面，第三棱镜3与第四棱镜4胶合处设置第三分光面。分光器将从光学适配器传递过来的光信号分成四个波段，分别为蓝光、绿光、红光和特殊光波段，对应380～500nm、500～560nm、560～635nm和635～700nm光波波段，即本例中λ为635nm。其中三个波段的光波分别在各分光面上反射形成第一反射光束、第二反射光束和第三反射光束，而一个波段的光波透射形成透射光束。第一反射光束对应成像于第一图像传感器11上，第二反射光束对应成像于第二图像传感器12上，第三反射光束对应成像于第三图像传感器13上，透射光束对应成像于第四图像传感器14上。第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器的称谓，针对的是各个图像传感器的相对位置，根据接收到的成像光束的波段，对应使用红光图像传感器、蓝光图像传感器、绿光图像传感器和偏振光图像传感器。
37.在一种实施例中，第一棱镜1为一个方形棱镜和一个三角棱镜的结合体，第二棱镜2为梯形棱镜，第三棱镜3为非对称切割的半五棱形棱镜，第四棱镜4为梯形棱镜。棱镜形状的选择并非唯一，只要能实现本发明的光学性能要求即可。
38.在一种实施例中，各个分光面上镀有多层介质光学薄膜，多层介质光学薄膜直接采用分立的二向色性滤光膜，对光波进行选频，即对光波波长进行选择，将光波分成四个波段，b光、g光、r光和特殊光，为380～500nm、500～560nm、560～635nm和635～700nm。b光、g光、r光用于普通的白光成像，特殊光用于偏振光成像；分别成像于第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器。
39.上述各个实施例中，λ的值选为635nm,一方面，很好地涵盖了rgb的光波范围，保证rgb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特殊光，保证偏振光成像的质量和临床参考价值。
40.在一种实施例中，通过分光器的三个分光面组合形成对光波进行选频，将光波分成四个波段，b光、g光、r光和特殊光，对应为380～500nm、500～580nm、580～670nm和670～700nm波段，即本例中λ为670nm；b光、g光、r光用于普通的白光成像，特殊光用于偏振光成像；分别成像于第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器。
41.在一种实施例中，通过分光器的三个分光面组合形成对光波进行选频，将光波分成四个波段，b光、g光、r光和特殊光，对应为380～480nm、480～550nm、550～600nm和600～700nm波段，即本例中λ为600nm；b光、g光、r光用于普通的白光成像，特殊光用于偏振光成像；分别成像于第一图像传感器、第二图像传感器、第三图像传感器和第四图像传感器。
42.在一种实施例中，上述红光图像传感器、蓝光图像传感器、绿光图像传感器的其中
之一个、其中之二个或三个，可采用普通的白光图像传感器替代，均可以实现rgb三个波段的普通白光成像。如下表的图像传感器选用组合：
[0043][0044]
在本发明的一种实施例中，请参考图7所示，各个分光面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；高折射率材料膜层和低折射率材料膜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膜层设置于一棱镜斜面上，低折射率材料膜层设置于另一棱镜斜面上。光线入射光角为10
°
～50
°
，不同波长的光经膜层透射和反射。请参考下表，不同的分光面、不同的折射率材料层的不同组合配置，产生了不同的分光模式，如下表所示。
[0045]
分光模式表
[0046]
分光模式第一反射光束第二反射光束第三反射光束透射光束1特殊光gbr2b特殊光gr3bg特殊光r4bgr特殊光
[0047]
采用本发明的各实施例中，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，通过光学适配器的大反远比设计，反远比为1～1.5，可以保证光学适配器有适当的光学后截距，利于增设分光器；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)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，提取特殊波段的光谱，用于偏振光成像；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。
[0048]
在本发明的上述各实施例中，第一白光图像传感器、第二白光图像传感器和第三白光图像传感器、红光图像传感器、绿光图像传感器、蓝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。
[0049]
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，双胶合透镜或三胶合透镜等可以用分立的相应负透镜和正透镜依次设置来代替，而分立的透镜也可以用相应的胶合透镜来替代，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。