光学设备的制作方法

1.本技术涉及一种用于为具有相机的装置提供物体的放大的设备。具体地，实施例涉及用于医学视觉检查的设备并且涉及用于辅助用户执行医学手术的设备。具体地，本技术涉及配置为与移动用户装置一起使用的仪器，该仪器在保持对工具的足够访问的同时提供增强的像质量(image quality)。


背景技术：

2.用于医疗诊断的现有仪器依赖于视觉或摄影检查。通常，它们提供实时观察到的物体解剖结构的放大像的手段。一些检查通常与需要工具进入的过程结合，例如从外耳道去除耳垢。被检查的结构的详细可视化对于准确诊断和手术进行期间引起的潜在疼痛或损伤最小化都是至关重要的。在执行手术的同时具有本体结构的可视化进一步增加了所提供的护理质量，从而提供了记录整个过程的能力以用于后续分析。这种设备昂贵且难以操作。
3.一些仪器将传统光学系统与移动用户装置结合，从而提供改进的人体工程学、可用性和成本，用于更广泛地访问相关联的手术(诸如耳道的微抽吸)。然而，这样的仪器通常表现出差的像(image)放大和细节，并且不能为工具进入提供足够的空间。
4.gb-a-2569325公开了一种手柄、窥器安装件、智能电话安装件和间隔元件。间隔元件配置成用于保持窥器安装件与智能电话安装件之间的光学分离距离。设备还包括用于智能电话的相机和光源以及光学元件的光路，以聚焦像和/或引导光。光学元件可配置为向智能电话的相机提供双像。在使用中，该设备使得能够清楚地看到耳道，同时允许微抽吸工具的访问以插入到耳道中。还公开了用于微抽吸工具的管套夹具和引导件。


技术实现要素：

5.在独立权利要求中阐述了本发明的多个方面并且在从属权利要求中阐述了优选的特征。
6.本文描述了用于为具有相机的装置提供物体的放大的设备，该设备包括：
7.第一光学元件，布置在第一位置处以在中间像平面中提供物体的像；以及
8.第二光学元件，布置在第二位置处以对中间像进行光学放大，从而在最终像平面中提供最终像；
9.用于相对于该装置将设备安装在固定位置中器件，使得装置的取景框被支撑在最终像平面中；
10.间隔元件，用于将第一光学元件保持在离物体固定距离处；
11.其中，中间像平面和第二光学元件是沿在第一光学元件与最终像平面之间延伸的光路布置的；
12.其中，第二光学元件布置在中间像平面与最终像平面之间的光路上；
13.其中，沿着光路从中间像平面到最终像平面的第一距离显著小于沿着光路从第一光学元件到中间像平面的第二距离。
14.设备可以为经受检查的物体提供显著增加的放大率，同时提供用于工具接近物体的干净空间。具体地，如所描述地布置的两个光学元件的使用显著增加物体的放大率，同时间隔元件将物体保持在距第一光学元件固定距离处，从而允许提供用于工具访问的空间。
15.第二距离可以是第一距离的至少两倍，并且优选地比第一距离大约5倍。可替代地，第二距离可以比第一距离大至少约十进制数量级(decimal order)。应注意，沿着光路的距离可显著大于物理直线距离，具体是如果光路被弯曲和转向，如下文更详细地描述。
16.虽然装置可以简单地包括相机和用于操作相机的硬件和软件，但是可选地，具有相机的装置包括移动用户装置，诸如智能电话或平板装置。它还可以包括定制装置，该定制装置包括相机、硬件和软件以及可选地屏幕和无线通信能力。
17.设备还可包括用于限定孔的本体，通过该孔检查人类或动物解剖结构。光路优选地穿过该孔。本体可以是用于放置在患者的耳道中的窥器。设备可包括耳镜。窥器可以布置在间隔元件的远端处，并且间隔元件可以配置成提高用于工具通过窥器进入耳道的间隙。
18.设备还可包括第三光学元件，该第三光学元件布置在中间像平面处的光路上。第三光学元件可以包含在中间像平面处的整个像并且可以布置成使得第一光学元件和第二光学元件位于共轭平面中。有利地，该特征减小了由错过第二光学元件的较高场角的光引起的最终像渐晕效应。
19.至少一个光学元件，优选地每个光学元件可以包括透镜。第一光学元件可以包括两个双合透镜。
20.设备还可包括设置在光路上的孔径光阑，其中，孔径光阑实现设备的入射光瞳的直径的减小，任选地其中第一光学元件包括两个双合透镜，并且孔径光阑设置在两个双合透镜之间。这通过增加光学器件的f数来增加最终像中的景深。
21.设备还可包括镜子布置，该镜子布置包括多个镜子，该多个镜子布置成使光路转向远离并随后朝向在第一光学元件和最终像平面之间延伸的轴线，使得光路比第一光学元件和最终像平面之间的距离长。多个镜子可以将光路转向至基本上平行于并且靠近装置的远端表面的平面，即，沿着平行于移动装置的背面的路径。这提供了以下优点：能够折叠光路的一部分，从而提供更紧凑和人体工程学的设备，同时保持足够的干净空间用于工具进入。
22.第一光学元件可以是消色差的。第一光学元件的前焦距可以不小于约80mm，优选地不小于100mm。第一光学元件的前焦距可以不大于约180mm，优选地不大于150mm。第二光学元件的屈光力可以不小于约3屈光度，优选地不小于5屈光度。第二光学元件的屈光力可以不大于约25屈光度，优选地不大于23屈光度。设备的光学放大系数可以不小于约8，优选地不小于11。注意，1屈光度＝1m-1
。
23.设备还可包括照明布置，该照明布置包括通电光源，优选为多个白光led。设备还可包括光学布置，光学布置经配置成将来自通电光源的光引导朝向物体。通电光源可以由装置提供，例如，它可以是与装置的相机相关联的闪光灯。照明布置还可包括用于控制通电光源的电子电路并且还包括用于将通电光源和电子电路附接到间隔元件的器件，其中，光学布置包括准直器。有利地，为了更好的像质量，照明配置增加最终像的光亮。设备还可包括用于为该光源供电的电源，优选地是可再充电的锂离子电池，并且还包括用于控制电源的电子电路。设备还可包括手柄。电源和用于控制电源的电子电路可以布置在手柄中。
24.可以为具有从上述设备接收像的相机的移动计算装置提供伴随的应用，并且这种应用可以配置为裁切像、数字放大像和/或实时反转像。
25.应用还可以配置为控制和设置与系统相关联的其他参数。例如，其可布置为控制通电光源的强度、频率和光束宽度，并且控制设备中的一个或多个孔的直径。
26.根据另一方面，本文描述一种用于为具有相机的装置放大物体的方法，该方法包括以下步骤：
27.将第一光学元件布置在第一位置处以在中间像平面中提供物体的像；以及
28.将第二光学元件布置在第二位置处以光学地放大中间像以便在最终像平面中提供最终像；
29.相对于装置将第一光学元件和第二光学元件安装在固定位置中，使得装置的取景框支撑在最终像平面中；
30.通过使用间隔元件将第一光学元件保持在距物体的固定距离处；
31.其中，中间像平面和第二光学元件是沿在第一光学元件与最终像平面之间延伸的光路布置的；
32.其中，第二光学元件布置在中间像平面与最终像平面之间的光路上；
33.其中，沿光路从中间像平面到最终像平面的第一距离显著小于沿光路从第一光学元件到中间像平面的第二距离。
34.如上所述，实施例可使经受检查的物体的放大率大大增加，同时提供用于工具接近物体的干净空间。
35.方法还可包括将第三光学元件布置在处于中间像平面中的光路上的步骤，该第三光学元件在中间像平面处包含整个像并且布置成使得第一光学元件和第二光学元件位于共轭平面中。
36.方法还可以包括以下步骤：布置多个镜子，以使光路转向离开并随后朝向在第一光学元件和最终像平面之间延伸的轴线，使得光路比第一光学元件和最终像平面之间的距离长。该方法还可包括以下步骤：布置多个镜子以将光路转向至基本上平行于并且邻近装置的远端表面的平面。该方法还可包括以下步骤：将光学元件和多个镜子安装在壳体中，其中，壳体被部分地或完全地密封并且为穿过一个或多个内部腔的光路提供空间。
37.方法还可包括以下步骤：使用通电光源和相关联的光学布置照亮物体，该光源优选地是多个白光led。通电光源可以由装置提供。该方法还可包括以下步骤：使用电子电路控制通电光源并且将该电子电路附接到该间隔元件。该方法还可包括以下步骤：将手柄耦接至间隔元件。该方法还可包括使用电源和相关联的电子电路来对通电光源供电。电源和相关联的电子电路可以布置在手柄中。
38.本文中描述的任何系统特征也可被提供为方法特征，反之亦然。如本文中所使用，器件加功能特征可替代地依据其相应结构来表示。
39.本发明的一个方面中的任何特征可以以任何合适的组合应用于本发明的其他方面。具体地，方法方面可以应用于系统方面，反之亦然。此外，一个方面中的任何、一些和/或所有特征可以以任何适当的组合应用于任何其他方面中的任何、一些和/或所有特征。
40.还应了解，在本发明的任何方面中描述和定义的不同特征的特定组合可独立实施和/或提供和/或使用。
附图说明
41.现在将仅通过实例并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：
42.图1a示出了包括第一光学元件和第二光学元件的设备的示意性侧视图；
43.图1b示出了还包括第三光学元件的图1a的示意性侧视图；
44.图2a示出了图1b的设备的示意性侧视图，其中光路通过镜子布置转向；
45.图2b示出了根据一个实施例的图2a的设备的立体远端示意图；
46.图2c示出了根据替代实施例的图2a的设备的立体远端示意图；
47.图2d示出了根据另一替代实施例的图2a的设备的立体远端示意图；
48.图2e示出了根据图2a的实施例的示例性设备的立体远端视图；
49.图3示出了根据示例性实施例的第一光学元件的示意性侧视图；
50.图4a示出了根据第一实例的照明布置的示意性截面侧视图；
51.图4b示出了根据第二实例的照明布置的示意性截面侧视图；
52.图5a示出了根据图2的设备的手柄的实施例的示意性截面侧视图；
53.图5b示出了根据一个实施例的相关联的充电支架的示意性截面侧视图；
54.图6示出了执行像操作的应用的示意图。
具体实施方式
55.参考图1a和图1b，现在将描述根据第一实施例的用于为具有相机的设备(在该实施例中为移动用户装置)提供物体102的放大的设备100。设备包括第二光学元件112和在第一位置106处的第一光学元件104。第一光学元件104在中间像平面110中提供物体102的像108。然后，像108被第二光学元件112光学放大，以在最终像平面116中提供最终像114。中间像平面110和第二光学元件112沿着在第一光学元件104与最终像平面116之间延伸的光路118布置。光学元件104、112的焦距使得从第一光学元件104到中间像平面110的距离大于从中间像平面110到第二光学元件112的距离。
56.如图1b中所示，可以在中间像平面110处提供第三光学元件120，使得第三光学元件120包含整个像108。第三光学元件120布置成使得第一光学元件104和第二光学元件112位于共轭平面中。
57.在这两个实施例中，间隔元件(图1a或图1b中未示出)保持第一光学元件104与物体102之间的固定间隔。提供了用于将设备100安装在相对于移动用户装置的固定位置的手段(在图1a或图1b中也未示出)，使得移动用户装置的取景框被支撑在最终像平面116中。优选地，至少一个光学元件是透镜或透镜系统。
58.在两个位置之间获得的光路118的长度将被称为沿着光路118的距离，并且不同于两个位置之间的最短空间距离。从中间像平面110至最终像平面116的沿着光路118的距离显著小于从中间像平面110至第一光学元件104的沿着光路118距离。
59.注意，图1a和图1b不是按比例绘制的，并且第一光学元件104与物体102的平面之间的距离可以大于光学元件104、112之间的空间距离以及第一光学元件104与像平面116之间的空间距离。即，间隔元件布置成提供足够大的间隙以允许接近手术工具或其他装置。
60.为了避免疑问，设备100的最靠近物体102的端将被称为远端，即离用户最远的端，并且设备100的离移动用户装置最近的端将被称为近端，即最靠近用户的端。
61.第二光学元件112布置成减小相机的最小聚焦距离(和有效焦距)，从而允许像108被放置得更靠近最终像平面116以用于聚焦的最终像114。
62.设备100可以用于医学检查和任何关联的手术。因此，举例来说，设备100可以结合到医疗装置(诸如耳镜、内窥镜或检眼镜)中或与医疗装置结合实施，以用于检查内部或外部解剖结构。
63.在一个实例中，第一光学元件104具有约100mm-150mm的焦距，并且沿着光路118远离物体102约一个焦距放置。因此，中间像平面110沿着光路118距第一光学元件104约300mm。如在这个实例中，可以使用第一光学元件104实现放大，发现通过沿着光路118从第一光学元件104到物体102以及从第一光学元件104到中间像平面110的距离的比率实现。第二光学元件112具有约10屈光度(dioptre)的屈光力(power)并将相机的最小聚焦距离减小1.6倍，并且与具有约3.2的放大系数的第一光学元件104(等于2x 1.6，其中，物体102与第一光学元件104之间的距离与第一光学元件104与中间像平面110之间的距离之比为2：1)组合。替代地，如果第二光学元件112的屈光力是23屈光度，则最小聚焦距离减小约2.4倍，并且实现约4.8的放大系数。有利地，与单独使用相机与物体102相似分离相比，该设备100利用10屈光度的第二光学元件112实现大于约8倍的放大率，并且利用23屈光度的第二光学元件112实现大于约11倍的放大率。
64.参考图2a，现在将描述根据第二实施例的包括耳镜的设备100。用于将设备100安装在相对于移动用户装置200的固定位置的器具包括壳体204，间隔元件206从壳体204向远侧延伸。手柄208和窥器210耦接至间隔元件206，窥器210限定孔，可通过该孔检查人或动物解剖结构(诸如患者的耳道)。窥器210布置在间隔元件206的远端上并且在设备100的操作期间放置在患者的耳道中。这提供了物体102(耳道)与第一光学元件104之间的固定间隔。间隙212对于工具通过窥器210接近耳道是足够大的，以适合于诸如微抽吸的医疗手术。
65.设备100还包括镜子布置220，该镜子布置包括多个镜子222，以将光路218转向远离并随后朝向在第一光学元件104和最终像平面116之间延伸的轴线。因此，光路218长于第一光学元件104与最终像平面116之间的距离。多个镜子222优选为多个平面镜子，例如直径为约10或12.5mm。相机202的孔被示出支撑在图2a中的最终像平面116中。在对应于图2a、图2b和图2e的一个实例中，壳体204的边界尺寸为约80mm x 30mm x 170mm。
66.如图2c中所示，多个镜子222可以将光路218转向到基本上平行于和靠近移动用户装置200的远侧表面(即后表面)的平面。存在许多其他的折叠布置，例如在图2d中示出了另外的布置。在图2c的实例中，壳体204的边界尺寸为约20mm x 50mm x 120mm。
67.参考图3，现将描述根据替代实施例的设备100中的第一光学元件104。在该实施例中，第一光学元件104包括布置在相对的定向上的两个消色差双合透镜(achromatic doublet)300、302。如图3中通过实例光射线320所示，消色差双合透镜300、302具有一个无限共轭(infinite conjugate)，意味着光射线320在消色差双合透镜300、302之间形成准直光束。使用消色差双合透镜300、302减少了可能引起颜色边缘伪影的消色差。消色差双合透镜300、302的性能在设备100具有小于约5度的视场角的情况下是衍射受限的，意味着像差的其他常见形式被减小，诸如球面像差、彗形像差和像散。消色差双合透镜300、302可以不相同，其中它们的焦距(分别等于第一光学元件104的前焦距和后焦距)根据物体102和中间像平面110距第一光学元件104的相应距离而不同。
68.第一光学元件104还包括孔径光阑310，该孔径光阑设置在消色差双合透镜300、302之间。孔径光阑310实现设备100的入射光瞳的直径的减小，其中入射光瞳是设备100中沿着光路118的最小光学孔。这具有增加设备100的f数(即，焦距与入射光瞳直径之比)的效果。最终像114中的景深由于放大而减小。为了补偿，通过增加f数来实现更大的景深。在一些实施例中，孔径光阑310的直径可以在多个不同尺寸之间调节。
69.在一个实例中，远侧消色差双合透镜300和近侧消色差双合透镜302均具有100-150mm的有效焦距并且通过1mm的间隙彼此分开。孔径光阑310具有6.3mm的孔直径。第三光学元件120具有30mm的有效焦距，并且沿着光路118从近侧消色差双合透镜302向近侧布置约148mm。第二光学元件112具有12.5屈光度的屈光力并且设置成从第三光学元件120沿着光路118朝近侧约30mm且从最终像平面116沿着光路118朝远侧约1mm。最近的焦平面在从远侧消色差双合透镜300远离约147mm并且从镜210的远端远离5mm处；在最近焦平面处，景深为2mm并且f数为3。最远焦平面存在于远离最近焦点平面17mm处；在最远焦点平面处，景深为2.6mm。在该实例中，光学元件104、112、120具有12.5mm的直径。设备100的光学特性可被设计为匹配特定移动用户装置的特定光学器件。这允许适当地调谐最终像114的质量，尤其是参考景深和聚焦范围。
70.在类似的实例中，孔径光阑310具有3mm的孔直径，并且光学元件104、112、120具有8mm的直径。在此实例中，最近焦平面存在于距窥器210的远端5mm处，并且最远焦平面存在于远离最近焦平面16.8mm处。在最近焦点平面和最远焦点平面处的景深分别为7.7mm和9.6mm。在最近焦平面的f数为6.3。
71.参考图4和图5，设备100还包括根据现在将描述的优选实施例的照明布置400。照明布置400包括通电光源410和光学布置420，该光学布置配置成用于将来自通电光源410的光引导朝向物体102。照明布置400安装到设备100，例如在窥器中(参考图4a)或基本上邻近于移动用户装置200(参考图4b)。如在图4b中，由移动用户装置200提供通电光源410；否则，通电光源410是多个白光led。光学布置420是用于校准从通电光源410发出的光的准直器。以此方式将额外光引导到物体102以增加最终像114中的物体102的光亮，从而提供良好的像质量，而不管设备100的可减少可用光的部分，诸如孔径光阑310。
72.照明布置400还包括用于控制通电光源410的电子电路502，以及用于将通电光源410和电子电路502附接到设备100的器件，包括将通电光源和电子电路定位在设备的内部。照明布置400还包括用于对光源410供电的电源504以及用于控制该电源的电子电路506，该电源504优选地是可再充电的锂离子电池。此外，设备100包括充电支架
73.在一个实例中，如图4a、图5a和图5b中所示，照明布置400布置在窥器210中。在此布置中，通电光源410包括白光led环，该白光led环设置在圆形印刷电路板上，该圆形印刷电路板围绕窥器210的周向延伸。光学布置420围绕窥器210的内部轮廓的区段延伸，并且耦接到通电光源410以沿着窥器210的长度朝向物体102引导光。电子电路502和用于启动通电光源410的用户可操作按钮510布置在间隔元件206中。电源504及其相关电路506设置在把手208中，从而为移动用户装置200提供配重。技术人员将认识到，可以提供光源及其相关联的电源的其他布置。
74.如图5b中所示，充电支架520配置成接收设备100的手柄208以便对电源504进行充电。充电支架520包括充电支架盖522和用于连接到外部电源的布线526，其中，布线526经由
缆线收回系统528耦接到充电支架520以用于朝向盖522机械地偏置布线526。例如，缆线收回系统528可包括多个弹簧和滑轮。用于控制电源504的充电的电子电路524布置在充电支架520内。充电支架520因此提供用于对设备100的电源504充电的装置。
75.在设备100的以上实施例中，光学元件104、112、120可以进一步配置为例如经由镜子、透镜和/或棱镜的一者或多者的布置提供立体最终像114。相机202可以是立体相机，并且移动用户装置200可以包括用于显示这种立体像的内置硬件，例如自动立体屏幕。可替代地，移动用户装置200可耦接到用户的合适的外部观察硬件，诸如双目眼镜。有利地，这允许用户观看物体102的双2d像，从而提供深度感知。
76.参考图6，现在将描述可与所有先前实施例一起操作的应用600。应用600经由移动用户装置200的相机202的一个或多个像传感器接收数字格式的最终像114。应用600配置为对像执行选择的任意数量的操作610以产生输出像630。经由移动用户装置200的图形用户界面，应用600在屏幕上显示输出像630。此外，应用600可操作以使用选择的任何数量的配置控制620来实现设备100中的配置改变。应用600因此允许进一步的数字像增强并且可以用于为用户最佳地显示物体102的像114。
77.在一个实例中，操作610包括裁切612、数字放大614和/或实时像反转616。裁切612和数字放大614允许在屏幕上最大化像114中的感兴趣区域。放大614可以超缩放像，即，将像放大超过相机202中的传感器像素与屏幕像素之间的一对一映射。设备100的光学元件可配置成使得最终像示出物体102的反转版本。实时像反转616允许校正这种错误表示。
78.在另一实例中，配置控制620包括控制物体102的光亮622和设备100中的光学器件的孔624。光亮控制622经由电子电路502、506与照明布置400通信，例如以便改变通电光源410的强度、频率或光束宽度。孔控制624调节存在于设备100中的一个或多个可调节孔的直径，诸如孔径光阑310或移动用户装置200的相机202的内部孔。技术人员将认识到，设备100的其他可调节元件可由应用600通过适当的机电通信来控制。同样地，该应用可以在没有配置控制620的情况下实现。
79.在以上所有实施例和实例中，一些或全部放大率可以用除了透镜之外的光学元件(诸如镜子和/或棱镜)来实现。使用具有足够质量的光学元件(包括透镜、镜子和棱镜)，使得假设设备100的光学性能是衍射受限的。当使用足够小的场角时诸如场曲和几何失真的效果不是重要的，如上所述。
80.设备100可以用于除耳道之外的其他医疗检查手术的范围。例如，设备100可以用于检查鼻子、喉咙和嘴，包括用于辅助牙科手术。设备100还可以用于外部检查，诸如眼睛或皮肤表面的检查，对于该检查，可能需要专门的附件，诸如限制器或支撑件。对于不同的特定使用情况，可以在间隔元件的远端处提供用于限定孔的不同本体。例如，设计成用于患者的嘴或身体的窥器，该窥器限定孔，患者皮肤的表面可以穿过该孔口进行检查。设备可以同样地用于兽医及人类医学应用。
81.虽然以上实例中的许多针对医疗检查，但是如所描述的设备100可以同样用于其他行业中的一系列应用。这些可以包括但不限于制造质量控制、检查电子电路以及检查用于取证目的的物品。作为质量控制过程的一部分，设备100可以用于检测制造材料中的表面缺陷(诸如裂缝)。可替代地，可以使用所描述的设备100非侵入性地检查物理和生物项目以用于法医调查。
82.尽管示出了特定架构，但是可以采用任何适当的硬件或软件架构。上述实施例和实例应被理解为说明性实例。设想另外的实施例、方面或实例。应当理解，关于任何一个实施例、方面或实例所描述的任何特征可以单独使用，或与所描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例、方面或实例的一个或多个特征结合使用，或与任何其他实施例、方面或实例的任何组合结合使用。此外，在不背离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，还可采用以上未描述的等同物和修改。