全方位三維立體視覺的單目內窺鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種單目內窺鏡系統(tǒng)。該單目內窺鏡系統(tǒng)包括：透明護罩，由透明材料制備，呈圓筒狀結構；圖像傳感器芯片，固定于透明護罩的后端，其所在平面與透明護罩的中心軸線垂直；魚眼透鏡，固定于透明護罩內，圖像傳感器芯片的正前方；以及二次曲面反射鏡，固定于透明護罩內，魚眼透鏡的正前方，其凸部朝向魚眼透鏡。其中，單目內窺鏡系統(tǒng)外圍的環(huán)向視場內的場景信息透過透明護罩，并由二次曲面反射鏡反射至魚眼透鏡，圖像傳感器芯片采集魚眼透鏡上的圖像，從而實現(xiàn)環(huán)向視場內場景信息的收集。本發(fā)明采用魚眼透鏡和二次曲面反射鏡結合的方式可實現(xiàn)環(huán)向360°成像，解決了傳統(tǒng)內窺鏡只能實現(xiàn)前向小視場成像的問題。
【專利說明】全方位三維立體視覺的單目內窺鏡系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于醫(yī)學成像領域，尤其涉及一種全方位三維立體視覺的單目內窺鏡系 統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 無創(chuàng)、微創(chuàng)外科技術是當代臨床醫(yī)學最主要的發(fā)展趨勢之一，它推動了醫(yī)療工程 朝著高度自動化、低損傷性診斷治療的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的內窺鏡診療術作為無創(chuàng)、微創(chuàng)外科 的一種重要手段，得到了廣泛的應用，其典型器材是光導纖維內窺鏡、電子內窺鏡和超聲內 窺鏡。但是當前內窺鏡技術主要是二維成像技術，所成圖像缺乏三維空間信息，無法獲得深 度、尺寸等三維場景信息，使得醫(yī)生在手術時需憑經(jīng)驗進行判斷和操作。然而在臨床醫(yī)學 上，很多胃腸道等疾病的病灶處具有獨特的表面形貌，三維圖像比二維圖像更利于發(fā)現(xiàn)病 灶處，并進行診斷。因此，如內窺鏡可實現(xiàn)三維成像，則將利于診斷，并可大大提高手術安全 系數(shù)，使許多高難度的手術得意順利實施。
[0003] 目前醫(yī)用三維內窺鏡技術主要有兩種：雙目視覺三維內窺鏡和結構光三維內窺 鏡。其中，雙目視覺三維內窺鏡的前端集成兩個微型攝像頭，可從兩個視點觀察同一目標， 獲取不同視角下的目標圖像，然后通過三角測量原理計算圖像像素間的位置偏差（即視 差）來獲取目標的三維信息，實現(xiàn)三維成像，利用該方法的代表性發(fā)明專利有三維電子內 窺鏡攝像裝置（專利申請?zhí)枺?01310018826. 6)，以及內窺鏡和管道內壁三維圖像重建方法 (專利申請?zhí)枺?01310226328.0)等；結構光三維內窺鏡則主要由一個微型攝像頭和一個結 構光投射器組成，工作時結構光投射器向目標投射結構光，結構光照射到目標上被目標表 面形貌信息調制而發(fā)生變形，微型攝像頭接收攜帶目標三維輪廓信息的變形光場，通過解 調變形光場便可實現(xiàn)目標三維成像，利用該方法的代表性發(fā)明專利有振幅型投射光柵三維 內窺鏡（專利申請?zhí)枺?00810040865. 5)，三維內窺鏡裝置（專利申請?zhí)枺?01310027653.4) 等。現(xiàn)有醫(yī)用三維內窺鏡技術存在以下問題：
[0004] (1)視野小無法實現(xiàn)全方位成像
[0005] 現(xiàn)有三維內窺鏡大多成像視場小，無法實現(xiàn)全景成像，如圖1所示，對于腸道等環(huán) 形腔道無法實現(xiàn)環(huán)向三維成像，只能獲得內窺鏡探頭前方腔道或組織的圖像，不能獲取內 窺鏡探頭環(huán)向的全景圖像，存在較大盲區(qū)。
[0006] (2)直徑尺寸瓶頸問題
[0007] 對于傳統(tǒng)的雙目視覺三維內窺鏡和結構光三維內窺鏡，都存在尺寸瓶頸問題。對 于雙目視覺，為了形成視差圖像，要求兩個攝像頭間滿足一定的距離間隔，這大大限制了雙 目視覺三維內窺鏡的直徑尺寸的壓縮；對于結構光三維內窺鏡，則要求結構光投射器和攝 像頭間也必須滿足一定的距離間隔，這限制了內窺鏡直徑尺寸的進一步壓縮。因此，現(xiàn)有的 三維內窺鏡的直徑尺寸遇到了瓶頸，難以進一步壓縮內窺鏡探頭的直徑尺寸。
【發(fā)明內容】
[0008] (一）要解決的技術問題
[0009] 鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種單目內窺鏡系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)內窺鏡只能 實現(xiàn)前向小視場成像的問題。
[0010] (二）技術方案
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種單目內窺鏡系統(tǒng)。該單目內窺鏡系統(tǒng)包括：透 明護罩7,由透明材料制備，呈圓筒狀結構；圖像傳感器芯片1，固定于透明護罩7的后端，其 所在平面與透明護罩7的中心軸線垂直；魚眼透鏡2,固定于透明護罩7內，圖像傳感器芯 片1的正前方；以及二次曲面反射鏡3,固定于透明護罩7內，魚眼透鏡2的正前方，其凸部 朝向魚眼透鏡2。其中，單目內窺鏡系統(tǒng)外圍的環(huán)向視場內的場景信息透過透明護罩7,并 由二次曲面反射鏡3反射至魚眼透鏡2,圖像傳感器芯片1采集魚眼透鏡2上的圖像，從而 實現(xiàn)環(huán)向視場內場景信息的收集。
[0012] (三）有益效果
[0013] 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明全方位三維立體視覺的單目內窺鏡系統(tǒng)具有以 下有益效果：
[0014] (1)采用魚眼透鏡和二次曲面反射鏡結合的方式可實現(xiàn)環(huán)向360°成像，并可提 供二維全景圖像，從而解決了傳統(tǒng)內窺鏡只能實現(xiàn)前向小視場成像的問題，尤其可用于環(huán) 向360°成像需求的腸胃內窺成像；
[0015] (2)采用魚眼透鏡、二次曲面反射鏡以及前視透鏡組可實現(xiàn)不同視場場景信息的 采集，并通過圖像實現(xiàn)環(huán)向360°和不小于180°半球視域視場內場景的圓形全景圖像，所 以，相比于傳統(tǒng)的醫(yī)學內窺鏡，本發(fā)明可提供更大視野內場景信息，有效減少盲區(qū)；
[0016] (3)實現(xiàn)三維成像所用的一個微型圖像傳感器芯片和一個魚眼透鏡及二次曲面反 射鏡均布放在內窺鏡軸向方向，通過魚眼透鏡和二次曲面反射鏡實現(xiàn)視差圖像的采集與處 理，實現(xiàn)立體視覺三維成像，解決了傳統(tǒng)雙目視覺內窺鏡徑向特定間局布放微型攝像頭而 導致三維內窺鏡直徑尺寸無法進一步壓縮的問題，同時也為結構光三維內窺鏡直徑尺寸無 法壓縮而導致無法應用的情況提供了替代技術解決方案。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為現(xiàn)有技術三維內窺鏡的示意圖；
[0018] 圖2A、圖2B和圖2C分別為根據(jù)本發(fā)明實施例單目內窺鏡系統(tǒng)中單目內窺鏡本體 的剖面圖、俯視圖和側視圖；
[0019] 圖3A為圖2A中單目內窺鏡本體的光路圖；
[0020] 圖3B為圖2A中單目內窺鏡本體的視場示意圖；
[0021] 圖3C為由單目內窺鏡本體中圖像傳感器芯片獲得的原始圖像；
[0022] 圖3D為利用圖3C中的圓形環(huán)帶圖像A、B、D和E通過圖像處理按照由內向外A、 D、E和B的順序進行圖像融合后的圓形全景圖像；
[0023] 圖3E為根據(jù)本發(fā)明實施例單目內窺鏡系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理部分，利用圖3C中相同感 興趣場景所成的不同視點的兩幅圖像-圓形環(huán)帶C和圓形環(huán)帶E進行三維重建，獲得的三 維圖像。
[0024] 【圖中主要元件符號說明】
[0025] 1-微型圖像傳感器芯片； 2-魚眼透鏡；
[0026] 3-二次曲面反射鏡； 4-前視透鏡組；
[0027] 5-LED燈； 6_半透半反鏡；
[0028] 7-透明護罩； 8-前視窗口；
[0029] 9-頭部固定支架； 10-魚眼透鏡固定支架；
[0030] 11-外圍電路板； 12-尾部護套；
[0031] 13-前面板； 14-導線束；
[0032] 15-細導線束； 16-通光孔；
[0033] 17-目標。
【具體實施方式】
[0034] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員 所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等 于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0035] 本發(fā)明通過魚眼透鏡和二次曲面反射鏡實現(xiàn)視差圖像的采集，從而實現(xiàn)全方位三 維立體視覺，解決了傳統(tǒng)雙目視覺內窺鏡徑向特定間局布放微型攝像頭而導致三維內窺鏡 直徑尺寸無法進一步壓縮的問題。
[0036] 在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種全方位三維立體視覺的單目內窺鏡 系統(tǒng)。該單目內窺鏡系統(tǒng)包括單目內窺鏡本體（即光學部分）和數(shù)據(jù)處理裝置（即計算 機）。
[0037] 圖2A、圖2B和圖2C分別為根據(jù)本發(fā)明實施例單目內窺鏡系統(tǒng)中單目內窺鏡本體 的剖面圖、俯視圖（從垂直前面板方向）和側視圖。請參照圖2A、圖2B和圖2C，本實施例 單目內窺鏡系統(tǒng)中的單目內窺鏡本體包括：透明護罩7,由透明材料制備，呈圓筒狀結構； 微型圖像傳感器芯片1，通過外圍電路板固定于透明護罩7的后端，其所在平面與透明護罩 7的中心軸線垂直；魚眼透鏡2,通過魚眼透鏡固定支架10固定于透明護罩7內，微型圖像 傳感器芯片1的前方；二次曲面反射鏡3,其為空心結構，頂部具有通光孔，固定于透明護罩 7內，魚眼透鏡2的正前方，其凸部朝向魚眼透鏡2 ;前視透鏡組4,固定于透明護罩7內，二 次曲面反射鏡3的正前方，正對二次曲面反射鏡3的通光孔設置。
[0038] 本實施例中，單目內窺鏡本體外圍的環(huán)向360°的場景信息透過透明護罩7,并由 二次曲面反射鏡3反射至魚眼透鏡2,前方的場景信息經(jīng)由前視透鏡組4和二次曲面反射鏡 3頂部的通光孔，透射至魚眼透鏡2,微型圖像傳感器芯片1采集魚眼透鏡2上的圖像，從而 實現(xiàn)環(huán)向360°和前方不小于180°半球視域視場內場景的圓形全景圖像。
[0039] 以下分別對本實施例單目內窺鏡系統(tǒng)的各個組成部分進行詳細說明。
[0040] 如圖2A所示，在單目內窺鏡本體中，外圍電路板11與微型圖像傳感器芯片1相 連，用于為微型圖像傳感器芯片1提供所需的外圍電路支持，保證微型圖像傳感器芯片1正 常工作，并將微型圖像傳感器芯片1采集的圖像信息經(jīng)導線束14回傳給數(shù)據(jù)處理裝置，即 計算機。
[0041] 魚眼透鏡2通過魚眼透鏡固定支架10固定在微型圖像傳感器芯片1的前方，用于 收集環(huán)向360°和180°半球域視場內全部場景信息。
[0042] 含通光孔16的二次曲面反射鏡3固定在頭部固定支架9上，位于魚眼透鏡2的正 前方，與魚眼透鏡2相對，將環(huán)向360°的場景信息反射至魚眼透鏡2,經(jīng)魚眼透鏡2后進入 微型圖像傳感器芯片1實現(xiàn)圖像信息采集。二次曲面反射鏡3內部為空心，且在二次曲面 反射鏡3的頂部存在圓形通光孔16。
[0043] 前視透鏡組4固定在頭部固定支架9上，可收集內窺鏡前方的場景信息，并將收集 的場景信息經(jīng)由二次曲面反射鏡3的通光孔16后進入魚眼透鏡2,最終被微型圖像傳感器 芯片1采集。
[0044] 需要注意的是，如圖2B所示，頭部固定支架9除固定二次曲面反射鏡3和前視透 鏡組4外，該固定支架上還裝有4組照明燈，4組照明燈位于前視透鏡組4四周，用于環(huán)向 360°照明和前向視場照明。每組照明燈由一個LED燈5和位于LED燈前方的半透半反鏡 6組成。
[0045] LED燈5由細導線束15供電（見圖2C)，該細導線束含正線和負線兩根導線，貼在 透明護罩內側，將外部供電經(jīng)導線束14后再經(jīng)該細導線束輸送給4個LED燈5。4個LED 燈5并聯(lián)工作，工作時，LED燈5發(fā)光照射到半透半反鏡6上，一部分光透過半透半反鏡6由 單目內窺鏡本體的前端射出，對前方視場進行照明，另一部分光則經(jīng)半透半反鏡6反射由 單目內窺鏡本體側面向側后方射出，如圖3A所示，每組照明燈可實現(xiàn)環(huán)向90 °照明，從而4 組照明燈可對內窺鏡環(huán)向360°視場進行照明。
[0046] 魚眼透鏡固定支架10、微型圖像傳感器芯片1和外圍電路板11都封裝在不透明的 尾部護套12中。魚眼透鏡2、二次曲面反射鏡3、前視透鏡組4、頭部固定支架9和照明燈則 封裝在透明護罩7中。在該內窺鏡的前端有前面板13,如圖2B所示，前面板上有前視窗口 8,便于前視透鏡組4收集前方視場內的場景信息，同時保護前視透鏡組4不受污染。
[0047] 單目內窺鏡本體的尾部有導線束14輸出。該導線束具有三方面功能：一是實現(xiàn)單 目內窺鏡本體方向控制，實現(xiàn)導向操作；二是為單目內窺鏡本體內的LED燈5、外圍電路板 11和微型圖像傳感器芯片1供電。三是將微型圖像傳感器芯片1采集的圖像信息輸出至數(shù) 據(jù)處理裝置。
[0048] 本實施例中，單目內窺鏡本體前端的頭部固定支架9通過前面板13固定在透明護 罩7上。該頭部固定支架9呈圓筒狀，其后端向徑向外圍延伸，由不透明材料制備。該頭部 固定支架具有四個功能，如圖2A所示：一是固定二次曲面反射鏡3,該二次曲面反射鏡與魚 眼透鏡2相對，二次曲面反射鏡3的通光孔指向魚眼透鏡2 ;二是固定前視透鏡組4于其圓 筒結構內，實現(xiàn)前視透鏡組4的光軸和二次曲面反射鏡3、魚眼透鏡2以及微型圖像傳感器 芯片1的光軸共軸；三是固定4組LED燈5和半透半反鏡6,其中每組的半透半反鏡5均位 于LED燈6的前方；四是隔離LED燈5發(fā)出的燈光，阻止燈光直接經(jīng)前視透鏡組4通過二次 曲面反射鏡3的通光孔16及魚眼透鏡2后被微型圖像傳感器芯片1接收而形成光污染。
[0049] 需要說明的是，本實施例中由LED燈和半透半反鏡組成的照明裝置為四組，但本 發(fā)明并不以此為限。本發(fā)明中，照明裝置可以為固定在頭部固定支架上，分布在前視透鏡組 四周的M組，其中，照明燈的組數(shù)M由每組照明裝置中LED燈所實現(xiàn)的照明視場Θ IW決定， 360 M =-c ^lOV
[0050] 如圖2A和圖2C所示，透明護罩7具有兩個功能：一是窗口功能，允許本實施例單 目內窺鏡本體環(huán)向360°視場內的場景信息透過透明護罩7進入魚眼透鏡2以及被二次曲 面反射鏡3反射，并允許LED燈5經(jīng)半透半反鏡6反射的光透過透明護罩7向單目內窺鏡本 體的側后方輸出，照亮側后方場景；二是保護功能，保護魚眼透鏡2、二次曲面反射鏡3、LED 燈5和半透半反鏡6不受污染。
[0051] 本實施例中，二次曲面反射鏡3滿足單一視點約束，可采用雙曲面反射鏡實現(xiàn)，該 雙曲面反射鏡的焦點與魚眼透鏡2的光心重合。
[0052] 如圖3A所示，各個區(qū)域的成像情況如下：
[0053] (1)以目標17的P1點為例，LED燈5經(jīng)半透半反鏡6反射對P1點照明，由P 1點散 射的光一部分可經(jīng)二次曲面反射鏡3反射后再進入魚眼透鏡2,并最終被微型圖像傳感器 芯片1接收，同時，由P 1點散射的光還可直接進入魚眼透鏡2,經(jīng)魚眼透鏡2后被微型圖像 傳感器芯片1接收，從而在微型圖像傳感器芯片1上形成與P 1點對應的兩個像點c和e ;
[0054] (2)以目標17的P2點為例，LED燈5經(jīng)半透半反鏡6反射對P2點照明，由P 2點散 射的光直接進入魚眼透鏡2被微型圖像傳感器芯片1采集，形成與P2點對應的像點d，該P 2 點無法經(jīng)二次曲面發(fā)射鏡3反射成像；
[0055] (3)以目標17的P3點為例，LED燈5經(jīng)半透半反鏡6反射對P3點照明，由P 3點散 射的光經(jīng)二次曲面反射鏡3反射后進入魚眼透鏡2,在微型圖像傳感器芯片1上形成與P3 點對應的像點b。
[0056] 此外，對于單目內窺鏡本體正前方某點為例，可由LED燈5發(fā)出的光經(jīng)半透半反鏡 6后照亮，該點的散射光可經(jīng)前視窗口 8后由前視透鏡組4收集，然后通過二次曲面發(fā)射鏡 3的通光孔16,再進入魚眼透鏡2,最終在微型圖像傳感器芯片1上形成與該點對應的像點 B 〇
[0057] 顯然，通過魚眼透鏡2、二次曲面反射鏡3以及前視透鏡組4可分別收集不同視場 內的場景信息，并在微型圖像傳感器芯片上形成呈同心環(huán)狀的原始圖像，如圖3B所示。
[0058] 請參照圖3B和圖3C，原始圖像由內向外由A、B、C、D和E五個圓形環(huán)帶圖像組成。 該原始圖像的組成如下：
[0059] (1)在圖3C中，A為中心圖像，由前視透鏡組4收集內窺鏡前方視場內場景信息， 即圖3B中陰影區(qū)A所示區(qū)域的場景信息，并先后經(jīng)過二次曲面反射鏡3的通光孔16以及 魚眼透鏡2匯聚至微型圖像傳感器芯片1上獲得；
[0060] (2)B和C所對應的圓形環(huán)帶圖像是二次曲面反射鏡反射成像區(qū)圖像，即內窺鏡 360°環(huán)向場景信息經(jīng)二次曲面反射鏡3反射后再經(jīng)魚眼透鏡2匯聚至微型圖像傳感器芯 片1上所形成的圖像，所成像區(qū)域為圖3B中陰影區(qū)B和C所示區(qū)域；
[0061] 其中，C為二次曲面反射鏡反射成像區(qū)圖像中與魚眼透鏡直接成像區(qū)圖像交疊區(qū) 域的圖像，B為二次曲面反射鏡反射成像區(qū)圖像除去C后剩余部分的圖像。
[0062] (3)D和E所對應的圓形環(huán)帶圖像則是魚眼透鏡直接成像區(qū)圖像，即環(huán)向360°和 180°半球域視場內場景信息經(jīng)魚眼透鏡2直接匯聚至微型圖像傳感器芯片1上所成的圖 像，所成像區(qū)域為圖3B中陰影區(qū)D和E所示區(qū)域；
[0063] 其中，E為魚眼透鏡直接成像區(qū)圖像中與二次曲面反射鏡反射成像區(qū)圖像交疊區(qū) 域的圖像，D為魚眼透鏡直接成像區(qū)圖像除去E后剩余部分的圖像。
[0064] 需要注意的是，圓形環(huán)帶圖像C和E是對相同感興趣場景所成的不同視點的兩幅 圖像，對應圖3B中陰影區(qū)C和E所覆蓋區(qū)域，其中圓形環(huán)帶圖像C是感興趣場景信息經(jīng)二 次曲面反射鏡3反射后再經(jīng)魚眼透鏡2匯聚所成圖像，圓形環(huán)帶圖像E則是感興趣場景信 息直接由魚眼透鏡2匯聚所成圖像。
[0065] 由于圓形環(huán)帶圖像C和E所對應的成像場景一致，因此在重建圓形全景圖像時，圓 形環(huán)帶圖像C和E只選擇具有較高分辨率的圓形環(huán)帶圖像E即可。利用圖3C中的圓形環(huán)帶 圖像A、B、D和E通過圖像處理按照由內向外A、D、E和B的順序進行圖像融合，如圖3D所 示，獲得單目內窺鏡本體環(huán)向360°和不小于180°半球視域視場內場景的圓形全景圖像， 即圖3B中陰影區(qū)A、D、E和B所覆蓋區(qū)域，從而實現(xiàn)環(huán)向360°三維成像和全方位全景成像。 [0066] 圓形環(huán)帶C和E是相同感興趣場景所成的不同視點的兩幅圖像，這兩幅圖像具有 視差，滿足雙目立體視覺算法進行三維重建的條件，因此，可利用C和E對應的圓形環(huán)帶圖 像通過雙目立體視覺算法可實現(xiàn)感興趣場景的三維重建，獲得圖3B中陰影區(qū)C和E所對應 的感興趣場景的三維圖像，如圖3E所示。
[0067] 本實施例中，感興趣場景的三維重建由數(shù)據(jù)處理裝置，即計算機完成，其利用相同 感興趣場景所成的不同視點的兩幅圖像通過雙目立體視覺算法可實現(xiàn)感興趣場景的三維 重建，獲得感興趣區(qū)域的三維圖像。用戶可進一步通過三維圖像獲取目標尺寸、距離信息 等。
[0068] 總體而言，本實施例內窺鏡系統(tǒng)的具體操作步驟如下：
[0069] 步驟一：開啟單目內窺鏡本體，照明燈照明場景；
[0070] 步驟二：微型圖像傳感器芯片采集圖像，并經(jīng)過導線束將采集的原始圖像信息回 傳給計算機；
[0071] 步驟三：圓形全景圖像重建：計算機對原始圖像進行處理，通過對原始圖像中環(huán) 帶圖像進行圖像融合，重建圓形全景圖像；
[0072] 步驟四：三維圖像重建：計算機對原始圖像進行處理，利用原始圖像中的環(huán)帶圖 像C和E通過雙目立體視覺算法進行三維重建，獲取環(huán)向場景的三維圖像；
[0073] 步驟五：用戶可通過顯示器上的圓形全景圖像和三維圖像觀察目標，并對內窺鏡 進行導向。
[0074] 至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員 應當對本發(fā)明單目內窺鏡系統(tǒng)有了清楚的認識。
[0075] 此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形 狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。
[0076] 綜上所述，本發(fā)明采用魚眼透鏡和二次曲面反射鏡結合的方式可實現(xiàn)環(huán)向360° 三維成像，并可提供二維全景圖像，從而解決了傳統(tǒng)三維內窺鏡只能實現(xiàn)前向小視場成像 的問題，尤其可用于360°環(huán)向三維成像需求的腸胃內窺成像。
[0077] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，包括： 透明護罩（7)，由透明材料制備，呈圓筒狀結構； 圖像傳感器芯片（1)，固定于所述透明護罩（7)的后端，其所在平面與所述透明護罩 (7)的中心軸線垂直； 魚眼透鏡（2)，固定于所述透明護罩（7)內，所述圖像傳感器芯片（1)的正前方；以及 二次曲面反射鏡（3)，固定于所述透明護罩（7)內，所述魚眼透鏡（2)的正前方，其凸部 朝向所述魚眼透鏡（2); 其中，單目內窺鏡系統(tǒng)外圍的環(huán)向視場內的場景信息透過所述透明護罩（7)，并由所述 二次曲面反射鏡（3)反射至所述魚眼透鏡（2)，所述圖像傳感器芯片（1)采集魚眼透鏡（2) 上的圖像，從而實現(xiàn)環(huán)向視場內場景信息的收集。
2. 根據(jù)權利要求1所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述二次曲面反射鏡（3)為空 心結構，其頂部具有通光孔； 所述單目內窺鏡還包括： 前視透鏡組（4)，固定于所述透明護罩（7)內，所述二次曲面反射鏡（3)的正前方，正對 所述二次曲面反射鏡（3)頂部的通光孔設置； 其中，所述前視透鏡組（4)、二次曲面反射鏡（3)、魚眼透鏡（2)以及圖像傳感器芯片 (1)的光軸共軸，所述單目內窺鏡前方視場內的場景信息經(jīng)由所述前視透鏡組（4)和所述 二次曲面反射鏡（3)頂部的通光孔，透射至魚眼透鏡（2)，所述圖像傳感器芯片（1)采集魚 眼透鏡（2)上的圖像，實現(xiàn)前方視場內場景信息的收集。
3. 根據(jù)權利要求2所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 魚眼透鏡固定支架（10)，用于將所述魚眼透鏡（2)固定于所述透明護罩（7)內，所述圖 像傳感器芯片（1)的正前方； 頭部固定支架（9)，呈圓筒狀結構，固定于所述透明護罩內，由不透明材料制備； 其中，所述二次曲面透鏡固定于該頭部固定支架（9)的后端，且所述前視透鏡組（4)固 定于該頭部固定支架（9)的圓筒狀結構內。
4. 根據(jù)權利要求3所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述頭部固定支架（9)的后端 朝向徑向外圍延伸； 所述單目內窺鏡還包括：M組的照明裝置，固定于頭部固定支架的后端，前視透鏡組 ⑷的外圍，用于對視場進行照明，其中M3 1。
5. 根據(jù)權利要求4所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述照明裝置的組數(shù)M滿足： ,,300 M=- ^IOV 其中，ΘIW為照明裝置中LED燈所實現(xiàn)的照明視場。
6. 根據(jù)權利要求4所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述N組的照明裝置中，每一 組照明裝置包括： LED燈（5);以及 位于該LED(4)前方的半透半反鏡（6); 其中，所述LED燈（5)發(fā)射光的一部分由所述半透半反鏡（5)反射，穿過所述透明護 罩，從所述單目內窺鏡側面向側后方射出，照亮所述單目內窺鏡的環(huán)向視場，另一部分透過 所述半透半反鏡（5)，從所述單目內窺鏡前端射出，照亮所述內窺鏡的前方視場。
7. 根據(jù)權利要求6所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，還包括： 導線束（14)，由單目內窺鏡的尾部輸出，其具有三方面功能：一是實現(xiàn)所述單目內窺 鏡方向控制；二是為單目內窺鏡內的LED燈（5)和圖像傳感器芯片（1)供電；三是將所述圖 像傳感器芯片（1)采集的圖像信息輸出。
8. 根據(jù)權利要求7所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，由所述圖像傳感器芯片獲取 的原始圖像由A、B、C、D和E五個圓形環(huán)帶圖像組成，其中： 中心圖像A為由前視透鏡組（4)收集單目內窺鏡的前方視場內場景信息，并先后經(jīng)過 所述二次曲面反射鏡（3)的通光孔（16)以及魚眼透鏡（2)匯聚至圖像傳感器芯片（1)上 獲得； 圓形環(huán)帶圖像B、C為單目內窺鏡的環(huán)向視場內的場景信息經(jīng)所述二次曲面反射鏡（3) 反射后再經(jīng)由所述魚眼透鏡（2)匯聚至圖像傳感器芯片（1)上獲得； 圓形環(huán)帶圖像D、E為是環(huán)向和180°半球域視場內場景信息經(jīng)所述魚眼透鏡（2)直接 匯聚至所述圖像傳感器芯片（1)上獲得。
9. 根據(jù)權利要求8所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述圓形環(huán)帶圖像C和E是由 相同感興趣區(qū)域所成的不同視點的兩幅圖像； 所述單目內窺鏡系統(tǒng)還包括： 數(shù)據(jù)處理裝置，用于利用所述圓形環(huán)帶圖像C和E通過雙目立體視覺算法實現(xiàn)感興趣 場景的三維重建，獲得感興趣場景的三維圖像。
10. 根據(jù)權利要求1至9中任一項所述的單目內窺鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述二次曲面 反射鏡（3)為雙曲面反射鏡，其焦點與所述魚眼透鏡（2)的光心重合。
【文檔編號】G02B23/24GK104434001SQ201410658292
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】王新偉, 李友福, 周燕 申請人:中國科學院半導體研究所