一种显微外视镜系统
阅读说明：本技术 一种显微外视镜系统 (Micro external view mirror system ) 是由 廖家胜 邵航 唐洁 刘威 于 2021-08-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种显微外视镜系统,包括：成像系统、照明系统和穿戴式观察眼镜；成像系统包括大物镜以及位于大物镜上侧的至少三个成像光路,每个成像光路设置有同轴的连续变倍体透镜、管镜以及光学探测器,连续变倍体透镜位于管镜与大物镜之间,管镜位于连续变倍体透镜与光学探测器之间；照明系统用于为大物镜下侧照明；所述穿戴式观察眼镜用于获取两个成像光路的光学探测器采集的图像信息,并根据该图像信息进行显示,其中,穿戴式观察眼镜为AR眼镜或VR眼镜。达到的技术效果为：用增强/虚拟显示替代裸眼或者偏振式3D屏,有效解决了现有显微镜的视场遮挡及体积庞大等问题。(The invention discloses a microscopic external mirror system, comprising: an imaging system, an illumination system, and wearable viewing glasses; the imaging system comprises a large objective lens and at least three imaging light paths positioned on the upper side of the large objective lens, wherein each imaging light path is provided with a coaxial continuous zoom lens, a tube lens and an optical detector; the illumination system is used for illuminating the lower side of the large objective lens; the wearable observation glasses are used for acquiring image information acquired by the optical detectors of the two imaging light paths and displaying the image information according to the image information, wherein the wearable observation glasses are AR glasses or VR glasses. The technical effects achieved are as follows: the enhanced/virtual display is used for replacing a naked eye or polarized 3D screen, so that the problems of field shielding, large size and the like of the existing microscope are effectively solved.)
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种显微外视镜系统。
背景技术
显微外视镜由手术显微镜衍化而来，其部分光学原理、结构极其相似，不一样的是手术显微镜由目视观测，而显微外视镜由屏前观测，进而导致二者的重量、体积、外形也不一样，外视镜相比于手术显微镜而言更轻巧，支架更简单。基于手术显微镜的外科手术要求外科医生以各种角度观察解剖结构,目视观测需要外科医生脖子和身体弯曲很长时间，助手通常处于相似或更差的约束中，会导致外科医生不适和疲劳，对手术质量存在潜在的隐患，外视镜通过观看屏幕进行手术，很好的避免了这个问题。外视镜自2008年推出市场以来，以其独特的优势广受外科医生青睐，目前代表性产品有奥林巴斯的ORBEYE和卡尔斯托兹的3D。
虽然外视镜部分技术指标已经超越手术显微镜，但是巨大的3D显示屏使得本来就狭小的手术室更加拥挤，搬运亦不方便，关键地是，外视镜的成像镜头对主刀医生的视野有遮挡，使医生必须仰着脖子观看屏幕操作手术，会增加医生的疲劳感。
发明内容
为此，本发明提供一种显微外视镜系统，以解决现有技术中的上述问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种显微外视镜系统，包括：
成像系统、照明系统和穿戴式观察眼镜；
所述成像系统包括大物镜以及位于大物镜上侧的至少三个成像光路，每个所述成像光路设置有同轴的连续变倍体透镜、管镜以及光学探测器，所述连续变倍体透镜位于所述管镜与所述大物镜之间，所述管镜位于所述连续变倍体透镜与所述光学探测器之间；
所述照明系统用于为所述大物镜下侧照明；
所述穿戴式观察眼镜用于获取两个成像光路的光学探测器采集的图像信息，并根据该图像信息进行显示，其中，所述穿戴式观察眼镜为AR眼镜或VR眼镜。
进一步地，所述穿戴式观察眼镜被配置为通过以下方式确定获取图像信息的两个成像光路：
根据佩戴穿戴式观察眼镜的医生的视角，确定获取图像信息的两个成像光路。
进一步地，所述穿戴式观察眼镜用于获取两个成像光路的光学探测器采集的图像信息，并根据该图像信息进行显示，包括：
两个成像光路的光学探测器采集的图像信息压缩后传输至所述穿戴式观察眼镜，所述穿戴式观察眼镜根据该图像信息确定大物镜下物方目标的3D场景信息并显示该3D场景信息。
进一步地，所述连续变倍体包括：
前固定组透镜、变倍组透镜、补偿组透镜及后固定组透镜，由所述大物镜至所述管镜，所述前固定组透镜、所述变倍组透镜、所述补偿组透镜及所述后固定组透镜依次间隔设置。
进一步地，所述照明系统包括：
光纤光源、反射棱镜以及照明透镜，所述光纤光源与所述照明透镜连接，所述照明透镜与所述反射棱镜连接，经照明透镜的光束再经反射棱镜转折至大物镜，在大物镜下的物方目标上形成光斑。
进一步地，所述光纤光源与所述照明透镜之间设置有匀光板。
进一步地，所述照明透镜与所述反射棱镜之间设置有滤光片。
进一步地，多个所述成像光路沿所述大物镜的光轴呈中心对称分布。
进一步地，所述成像光路的数量大于或等于3个。
进一步地，相邻两个所述成像光路的光轴的间距大于或等于20mm。
本发明具有如下优点：
本发明实施例提供的基于增强/虚拟显示的显微外视镜，视点的增多由于更多地医生可以在自然视觉角度下进行操作，而双视点的显微外视镜只有主刀医生一个人在自然视角状态下，自然视角下的操作与医生的正常习惯一致，给手术带来极大的便利性。
同时视点的增多，对于手术场景的三维重建精度有质的提升，为手术导航、智能手术提供了有力的技术支撑。
此外，多视点可以将一路或者两路光路用于荧光或者窄带光成像，相比手术显微镜，精简了光学、机械结构，实现更多功能融合。
用增强/虚拟显示替代裸眼或者偏振式3D屏，有效解决了现有显微镜的视场遮挡及体积庞大等问题，四视点的显微外视镜如果采用3D屏的观测方式，每个医生需要单独的一块3D屏，使得本来就狭窄的手术室更加拥挤，设备成本也更高，采用AR/VR眼镜则能有效避免这个问题。
本发明对于现有显微外视镜的颜色失真、长时间观看不舒适等问题，也采取了有效的解决方案，对于颜色失真，将成像系统的设计波段拓宽，以探测器的量子曲线和照明光谱为标准，设计宽波段复消色差成像系统，在无须颜色校正的状态下用硬件成像还原物体的本真颜色，对于观看不舒适等问题，着重解决AR/VR眼镜与成像系统的视觉匹配及低延时技术问题，有效地降低了医生观看的不适感。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明一些实施例提供的一种显微外视镜系统的剖面图。
图2为本发明一些实施例提供的一种显微外视镜系统的立体图。
图中：1、物方目标；2、大物镜；3.1、前固定组透镜；4.1、变倍组透镜；5.1、补偿组透镜；6.1、后固定组透镜；7.1、管镜；8.1、光学探测器；9、反射棱镜；10、照明透镜；11、光纤光源；12、显示系统；12.1、穿戴式观察眼镜；13、成像系统。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
如图1和图2所示，本发明实施例中的一种显微外视镜系统，包括：
成像系统13、照明系统和穿戴式观察眼镜12.1；成像系统13包括大物镜2以及位于大物镜2上侧的至少三个成像光路，每个成像光路设置有同轴的连续变倍体透镜、管镜7.1以及光学探测器8.1，连续变倍体透镜位于管镜7.1与大物镜2之间，管镜7.1位于连续变倍体透镜与光学探测器8.1之间；照明系统用于为大物镜2下侧照明；穿戴式观察眼镜12.1用于获取两个成像光路的光学探测器8.1采集的图像信息，并根据该图像信息进行显示，其中，穿戴式观察眼镜12.1为AR眼镜12.1或VR眼镜12.1。
如此，用增强/虚拟显示替代裸眼或者偏振式3D屏，有效解决了现有显微镜的视场遮挡及体积庞大等问题，四视点的显微外视镜如果采用3D屏的观测方式，每个医生需要单独的一块3D屏，使得本来就狭窄的手术室更加拥挤，设备成本也更高，采用AR/VR眼镜12.1则能有效避免这个问题。此外，多视点可以将一路或者两路光路用于荧光或者窄带光成像，相比手术显微镜，精简了光学、机械结构，实现更多功能融合。
示例性地，穿戴式观察眼镜12.1被配置为通过以下方式确定获取图像信息的两个成像光路：
根据佩戴穿戴式观察眼镜12.1的医生的视角，确定获取图像信息的两个成像光路。
佩戴穿戴式观察眼镜12.1的医生的视角，即医生相对于大物镜2下物方目标1的视角。根据佩戴穿戴式观察眼镜12.1的医生的视角，确定获取图像信息的两个成像光路，能使穿戴式观察眼镜12.1中的视角与医生的视角一致，这样，医生在手术过程中更加自如，提升了使用的便捷性。
示例性地，穿戴式观察眼镜12.1用于获取两个成像光路的光学探测器8.1采集的图像信息，并根据该图像信息进行显示，包括：
两个成像光路的光学探测器8.1采集的图像信息压缩后传输至穿戴式观察眼镜12.1，穿戴式观察眼镜12.1根据该图像信息确定大物镜2下物方目标1的3D场景信息并显示该3D场景信息。
例如，穿戴式观察眼镜12.1可以通过有线通信获取图像信息。或者，穿戴式观察眼镜12.1可以通过无线通信(例如5G通信)获取图像信息，既能够保证图像传输质量又能减少占用的空间。示例性地，任何连接方式的实时输出帧率不低于60帧。
示例性地，连续变倍体包括：前固定组透镜3.1、变倍组透镜4.1、补偿组透镜5.1及后固定组透镜6.1，由大物镜2至管镜7.1，前固定组透镜3.1、变倍组透镜4.1、补偿组透镜5.1及后固定组透镜6.1依次间隔设置。
示例性地，照明系统包括：光纤光源11、反射棱镜9以及照明透镜10，光纤光源11与照明透镜10连接，照明透镜10与反射棱镜9连接，经照明透镜10的光束再经反射棱镜9转折至大物镜2，在大物镜2下的物方目标1上形成光斑。
示例性地，光纤光源11与照明透镜10之间设置有匀光板。
如此，可以使在大物镜2下的物方目标1上形成的光斑更加均匀。
示例性地，照明透镜10与反射棱镜9之间设置有滤光片。
示例性地，多个成像光路沿大物镜2的光轴呈中心对称分布。
示例性地，相邻成像光路光轴之间的距离相等，以能确保更多的相同视差3D图像输出。
示例性地，观察系统的每个AR/VR穿戴式观察眼镜12.1对应四个光路中的两个，可以根据主刀医生、助手医生或者其它医务人员数量和方位选择连接成像系统13的光学探测器8.1，光学探测器8.1的方位与医生操作的方位一致。
示例性地，成像光路的数量大于或等于3个。
例如，成像光路的数量可以为4个。
示例性地，相邻两个成像光路的光轴的间距大于或等于20mm。
其中，所述AR/VR穿戴式观察眼镜12.1与对应连的接成像系统13的两个光路必须视差匹配，视差匹配可以通过调节相邻光轴之间的距离、AR/VR眼镜12.1光学系统设计等多种方式实现，此处不再赘述。
示例性地，光纤光源11光纤端面的照度均匀且需要满足以下条件要求：
式中，E1为光纤端面的照度(单位为勒克斯)，f2为照明透镜10的焦距，f1为大物镜2的焦距；
示例性地，四个连续变倍体，每个变倍体的光机结构一样，在倍率变化的过程中，四个连续变倍体同步改变，每个探测器8.1获得的图像尺寸及放大倍率一致。
具体地，光纤光源11发出的光，理论上要求端面照度均匀，实际中完全均匀很难达到，可以在保证总能量的前提下，在光纤端面后面加匀光板，照明透镜10的前焦平面与匀光板重合，经照明透镜的光束再经反射棱镜11转折至大物镜2，在物面上形成一个比成像视场略大的均匀光斑。对颜色有要求的系统可将滤光片加在照明透镜和反射棱镜之间。
物面1位于大物镜2的焦平面上，被照亮物体的反射光束经大物镜2后被四个连续变倍体透镜分成四部分，每部分光束均包含物面各目标点的信息，不同的是每部分光束观察目标点的视角不一样，四个连续变倍体沿大物镜光轴中心对称分布，相邻连续变倍体光轴之间的距离优选22或者24mm。
当然，相邻连续变倍体光轴之间的距离也可以取20mm或20mm以上的数值，此处不再赘述。
部分光束同时经过4个连续变倍体透镜的前固定组透镜3.1、变倍组透镜4.1、补偿组透镜5.1及后固定组透镜6.1后，再经对应的管镜7.1聚焦在光学探测器8.1上，连续变倍体透镜通过变倍组透镜和补偿组透镜的同步移动实现物的放大和缩小，4个连续变倍体要求同步变焦，每个变体体及管镜的光机结构一样。
4个光学探测器采集的图像视角不相同，取任意两个光学探测器的图像压缩输出至穿戴式观察眼镜12.1,即可获得3D场景信息，视角的选择取决于医生的位置，优选地是相邻两个探测器的图像输出至一个AR/VR穿戴式观察眼镜，可以保证至少四个医生在自然视觉下同时手术。目前的技术穿戴式观察眼镜12.1与探测器的连接要通过有线才能保证高帧率、高质量的输出，随着5G技术的发展，最终的优选是穿戴式观察眼镜12.1与探测器无线连接。
相比于现有的显微外视镜，本发明实施例提供的基于增强/虚拟显示的四视点显微外视镜，视点的增多由于更多地医生可以在自然视觉角度下进行操作，而双视点的显微外视镜只有主刀医生一个人在自然视角状态下，自然视角下的操作与医生的正常习惯一致，给手术带来极大的便利性，同时视点的增多，对于手术场景的三维重建精度有质的提升，为手术导航、智能手术提供了有力的技术支撑，此外，多视点可以将一路或者两路光路用于荧光或者窄带光成像，相比手术显微镜，精简了光学、机械结构，实现更多功能融合。用增强/虚拟显示替代裸眼或者偏振式3D屏，有效解决了现有显微镜的视场遮挡及体积庞大等问题，四视点的显微外视镜如果采用3D屏的观测方式，每个医生需要单独的一块3D屏，使得本来就狭窄的手术室更加拥挤，设备成本也更高，采用AR/VR眼镜则能有效避免这个问题。本发明对于现有显微外视镜的颜色失真、长时间观看不舒适等问题，也采取了有效的解决方案，对于颜色失真，将成像系统的设计波段拓宽，以探测器的量子曲线和照明光谱为标准，设计宽波段复消色差成像系统，在无须颜色校正的状态下用硬件成像还原物体的本真颜色，对于观看不舒适等问题，着重解决AR/VR眼镜与成像系统的视觉匹配及低延时技术问题，有效地降低了医生观看的不适感。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
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