光学成像方法、系统及胶囊型医疗设备与流程

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种光学成像方法、系统及胶囊型医疗设备。

背景技术：
目前常见的可变焦透镜单元如单体液晶透镜或液晶微透镜阵列，由于这类可变焦透镜单元在器件制造完成时，其光学特性就已经基本固定了，由于上述可变焦透镜单元通过电压控制可以形成凸透镜或凹透镜，然而在成像系统设计中，制造厂商很少考虑对可变焦透镜单元发挥其最大性能。随着现代生活节奏的加快，消化道疾病成为人们常发病。目前临床中有采用带有插管的电子内窥镜或医用无线内窥镜(胶囊内窥镜)来进行消化道疾病的诊断。无论是电子内窥镜还是胶囊内窥镜都携带有拍摄设备，通过这些拍摄设备拍摄消化道内尤其是肠道内的病理图像。因而现有技术的胶囊内窥镜中也需要光学成像系统，例如对比文件1(CN103477269B，公告日2016.01.06)公开一种液晶透镜、液晶透镜驱动方法、透镜单元、摄像机模块及胶囊型医疗设备，上述胶囊型医疗设备虽然采用了作为可变焦透镜单元的液晶透镜，主要方案是通过改变液晶透镜自身的结构实现在胶囊型医疗设备中实现焦点变化，然而，对比文件1没有考虑对液晶透镜的光学性能进行改进，更不可能在胶囊型医疗设备中依据胶囊特点优化光学设计。因此，现有技术的采用可变焦透镜单元的光学成像方法、光学成像系统及采用前述光学成像系统的胶囊型医疗设备在成像方式上有待进一步改进。

技术实现要素：
本发明提供一种光学成像方法、光学成像系统及胶囊型医疗设备，用以解决现有技术中没有考虑最大化发挥可变焦透镜单元的光学性能的问题。本发明提供一种光学成像方法，所述光学成像方法包括以下步骤：S10获取可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；S20依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；其中，步骤S20具体包括：依据该预设的最小目标距离，计算出所述最大目标距离和所述可变焦透镜单元在非透镜状态下的目标距离，计算公式如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3；S30在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦。本发明还提供一种光学成像系统，其中，所述光学成像系统包括：可变焦透镜单元，形成折射率梯度分布；主透镜单元，用于拍摄场景形成光学图像；处理单元，用于获取所述可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和所述主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；其中，所述处理单元还包括：数据获取模块，用于获取所述可变焦透镜单元在非透镜状态下的目标距离；计算模块，计算出所述最大目标距离和所述非透镜状态下的目标距离，计算公式如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3；对焦单元，用于在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦；图像传感器，用于将光学图像转换为电信号。本发明还提供一种胶囊型医疗设备，其中，所述胶囊型医疗设备包括：胶囊壳体，所述胶囊壳体至少有一部分光线可穿透；设于胶囊壳体内的成像系统，其中，所述成像系统包括：可变焦透镜单元，形成折射率梯度分布；主透镜单元，用于拍摄场景形成光学图像；处理单元，用于获取所述可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和所述主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；其中，所述处理单元还包括：数据获取模块，用于获取所述可变焦透镜单元在非透镜状态下的目标距离；计算模块，计算出所述最大目标距离和所述非透镜状态下的目标距离，计算公式如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3；对焦单元，用于在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦；图像传感器，用于将光学图像转换为电信号。较佳地，所述最小目标距离为所述可变焦透镜单元至所述胶囊壳体的外壁的距离。较佳地，所述胶囊型医疗设备还包括：电源，用于为所述胶囊型医疗设备提供工作电源；信号传输单元，用于所述胶囊型医疗设备工作时接收或发送数据；光源，用于在所述成像系统工作时提供照明；控制单元，用于控制所述胶囊型医疗设备工作，其中，在所述成像系统工作时，依据所述胶囊型医疗设备的位置信息调节所述光源的亮度。较佳地，所述可变焦透镜单元为单体液晶透镜或液晶微透镜阵列。本发明提供的光学成像方法、光学成像系统及胶囊型医疗设备，对可变焦透镜单元进行光学性能设计，依据实际需要先设置预设的最小目标距离，进而通过主透镜单元、可变焦透镜单元等的光学参数获取其最大目标距离，使得在可变焦透镜单元的最大目标距离和最小目标距离内可任意对焦，在保证最小目标距离实现对焦下，实现最大的对焦范围，充分利用可变焦透镜单元的光学性能。附图说明图1为本发明较佳实施方式的光学成像方法的流程示意图。图2为本发明较佳实施方式的光学成像系统的结构示意图。图3为本发明较佳实施方式的胶囊型医疗设备的结构示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。请参见图1，图1为本发明较佳实施方式的光学成像方法的流程示意图。本发明的光学成像方法，主要包括以下步骤：S10获取可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；需要说明的是，可变焦透镜单元的光焦度分布范围为[P-max,P+max]，还有光焦度(opticalpower)为可变焦透镜单元焦距f的倒数。还有，可变焦透镜单元为单体液晶透镜或液晶微透镜阵列。单体液晶透镜是指液晶透镜的尺寸较大，一个液晶透镜就可实现成像时变焦的要求，较佳是单体液晶透镜的尺寸同主透镜单元的尺寸相匹配。而主透镜单元通常包括焦距固定的一系列玻璃透镜组合形成，主要是形成固定焦距拍摄场景图像。S20依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；最小目标距离是可变焦透镜单元能对焦的最小距离。在最小目标距离确定后，依据P+max、Pmain、P-max以及d便能确定出最大目标距离。在步骤S20中，所述步骤S20还包括：S21获取所述可变焦透镜单元在非透镜状态下的目标距离。非透镜状态下的目标距离介于前述最小目标距离与最大目标距离之间。在一个较佳实施例中，所述步骤S20具体包括：依据该预设的最小目标距离，计算出所述最大目标距离和所述非透镜状态下的目标距离，计算公式如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3。当可变焦透镜单元与主透镜单元相互贴着时，d值可取0。还有上述公式推导说明如下：首先依据高斯成像公式：1/f＝1/u+1/v，而可变焦透镜单元的光焦度P＝1/f，光学成像系统中，包括主透镜单元和可变焦透镜单元，主透镜单元用于拍摄场景图像，其焦距通常保持固定，在最大正光焦度和最大负光焦度之间，依据光焦度P与电压之间关系，P＝f(V1，V2)，因此调节电压即可实现光焦度的调节。其次，前述光学成像系统中，处于正透镜状态(即凸透镜状态时)的可变焦透镜单元，在其预设的最小目标距离时，也即焦距值最小fmin，对应最大正光焦度P+max。成像系统总焦距1/F＝1/fmain+1/fmin+d*(1/fmain)*(1/fmin)，而1/F＝1/u+1/v，其中，fmain表示主透镜单元的焦距，fmin表示最小目标距离处的焦距，将焦距替换成相应的光焦度，就得出上述式①。上述式②是因为非透镜状态下，可变焦透镜单元的焦距为0，因此总焦距为主透镜单元的焦距。同理，上述式③是在最大负光焦度时得到的关系式，类似前面式①，不再详述。S30在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦。在得出最大目标距离后，可变焦透镜单元可以在上述最小目标距离和最大目标距离内变焦。这样就可以得知可变焦透镜单元的光学性能，从而可充分利用可变焦透镜单元的光学性能。本发明提供的光学成像方法，对可变焦透镜单元进行光学性能设计，依据实际需要先设置预设的最小目标距离，进而通过主透镜单元、可变焦透镜单元等的光学参数获取其最大目标距离，使得在可变焦透镜单元的最大目标距离和最小目标距离内可任意对焦，在保证最小目标距离实现对焦下，实现最大的对焦范围，充分利用可变焦透镜单元的光学性能。请参见图2，图2为本发明较佳实施方式的光学成像系统的结构示意图。本发明还提供一种光学成像系统，主要包括：可变焦透镜单元10，形成折射率梯度分布；当可变焦透镜单元10按照一定规则的折射率梯度分布时，呈现出正透镜(凸透镜)状态或负透镜(凹透镜)状态。主透镜单元20，用于拍摄场景形成光学图像；主透镜单元20可以是多个焦距固定的玻璃透镜组合形成；处理单元30，用于获取所述可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和所述主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；对焦单元40，用于控制可变焦透镜单元10在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦；图像传感器50，用于将光学图像转换为电信号。在一个较佳的实施例中，所述处理单元30还包括：数据获取模块，用于获取所述可变焦透镜单元在非透镜状态下的目标距离。在一个较佳实施例中，所述处理单元具体用于获取所述可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和所述主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d；依据一预设的最小目标距离，计算出所述最大目标距离和所述非透镜状态下的目标距离，计算公式如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3。本发明提供的光学成像系统，对可变焦透镜单元进行光学性能设计，依据实际需要先设置预设的最小目标距离，进而通过主透镜单元、可变焦透镜单元等的光学参数获取其最大目标距离，使得在可变焦透镜单元的最大目标距离和最小目标距离内可任意对焦，在保证最小目标距离实现对焦下，实现最大的对焦范围，充分利用可变焦透镜单元的光学性能。请参见图3，图3为本发明较佳实施方式的胶囊型医疗设备的结构示意图。如图3所示，本发明还提供一种胶囊型医疗设备100，这类胶囊型医疗设备100如胶囊内窥镜或带有诊断和体内手术治疗的胶囊机器人。所述胶囊型医疗设备100包括：胶囊壳体110，所述胶囊壳体110至少有一部分光线可穿透；设于胶囊壳体内的成像系统120，其中，所述成像系统包括：可变焦透镜单元10，形成折射率梯度分布；主透镜单元20(图3未示，参见图2)，用于拍摄场景形成光学图像；处理单元30(图3未示，参见图2)，用于获取所述可变焦透镜单元的最大正光焦度P+max、最大负光焦度P-max和所述主透镜单元的光焦度Pmain以及所述主透镜单元与所述可变焦透镜单元之间的光心距离d(图中未示出)；依据一预设的最小目标距离，获取所述可变焦透镜单元在最大负光焦度下的最大目标距离；具体来说，采用以下方式计算得出最大目标距离和所述非透镜状态下的目标距离，如下：Pmain+P+max–d*Pmain*P+max＝1/D1+1/v①Pmain＝1/D2+1/v②Pmain+P-max–d*Pmain*P-max＝1/D3+1/v③上述三式中，式①表示最大正光焦度下，预设的最小目标距离D1与像距v的关系，式②表示在非透镜状态下，目标距离D2与像距v之间的关系，式③表示在最大负光焦度下，最大目标距离与像距v之间的关系，当预设最小目标距离D1确定时，则利用式②与式①之间的差值即可获取目标距离D2，利用式③与式①之间的差值即可获取最大目标距离D3。对焦单元40(图3未示，参见图2)，用于在所述最小目标距离和所述最大目标距离范围内对焦；图像传感器50(图3未示，参见图2)，用于将光学图像转换为电信号。可以采用cmos图像传感器或CCD图像传感器。上述说明中，需指出的是，成像系统120的可变焦透镜单元10对应胶囊壳体110的光线可穿透部分。在一个较佳实施例中，所述最小目标距离为所述可变焦透镜单元至所述胶囊壳体的外壁的距离。进一步地，如图3所示，所述胶囊型医疗设备至少还包括：电源130，用于为所述胶囊型医疗设备提供工作电源；信号传输单元140，用于所述胶囊型医疗设备工作时接收或发送数据；光源150，用于在所述成像系统工作时提供照明；光源150优选LED光源，分布在可变焦透镜单元10的周围。控制单元160，用于控制所述胶囊型医疗设备工作，其中，在所述成像系统工作时，依据所述胶囊型医疗设备的位置信息调节所述光源的亮度。这里的胶囊型医疗设备的位置信息包括：胶囊型医疗设备在体内相对消化道的姿态(如在肠道内倾斜、平放、竖直等)、可变焦透镜单元距离消化道内壁的第一距离以及光源发光部分距离消化道内壁的第二距离，这个第二距离主要是便于控制光源的亮度以便提供均匀照明，使得成像系统在成像时成像不均匀，或者出现暗区无法分辨的问题。采用陀螺仪测量胶囊型医疗设备的姿态，如相对消化道的倾斜角度，用红外测距等传感器测量第一距离和第二距离的数值。此外，需要说明的是，胶囊型医疗设备可依据光源距离消化道内壁的距离、光源调节后是否能均匀照明等来决定是否启动成像系统进行拍照，这样可大大减少成像质量差的图片量，减少不必要的传输，而且大大节约胶囊型医疗设备的电池电量，延长其续航时间。进一步地，所述可变焦透镜单元为单体液晶透镜或液晶微透镜阵列。本发明提供的胶囊型医疗设备，对可变焦透镜单元进行光学性能设计，依据实际需要先设置预设的最小目标距离，进而通过主透镜单元、可变焦透镜单元等的光学参数获取其最大目标距离，使得在可变焦透镜单元的最大目标距离和最小目标距离内可任意对焦，在保证最小目标距离实现对焦下，实现最大的对焦范围，充分利用可变焦透镜单元的光学性能。以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。