内窥镜成像系统及蓝宝石保护窗设计方法与流程

本发明涉及内窥镜成像相关，特别是涉及内窥镜成像系统及蓝宝石保护窗设计方法。

背景技术：

1、双目内窥镜可以在微创手术中为医生提供组织表面的三维形状、器械的空间位置等关键三维信息。在手术中，通过内窥镜获取高质量的三维信息，对于微创手术技术的实践和发展都具有格外重要的作用。高质量的组织表面三维信息不仅可以给部分病变的诊断提供客观的依据，也为智能化机器人外科微创手术提供发展基础。目前基于普通双目内窥镜，采用基于特征检测和匹配的三维图像重构方法对组织本身纹理特征依赖较强、重建的稠密度和准确度受组织特征影响。通过偏振成像技术，无需纹理特征的存在或关于组织反射性质的假设，即可得到每个像素的法线方向，为稠密三维重建提供重要的线索，提高三维重建质量。

2、现有双目内窥镜不适合偏振测量成像：1)普通双目内窥镜存在较强的退偏性质，使得系统无法进行精确的偏振测量；2)直接在双目内窥镜的成像端加装检偏装置实现偏振成像会使系统的体积过大无法适应微创手术设备小型化的需求。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对在双目内窥镜的成像端加装检偏装置会导致系统体积过大的问题，提供一种体积较小且适用于偏振测量成像的内窥镜成像系统及蓝宝石保护窗设计方法。

2、本申请首先提供一种内窥镜成像系统，包括外壳、蓝宝石保护窗、两条成像通道、线性偏振成像单元以及图像处理主机，两条所述成像通道相互平行设置于所述外壳内，所述外壳远离所述线性偏振成像单元的一端通过所述蓝宝石保护窗封装；所述线性偏振成像单元安装于所述成像通道的目镜的后焦面，且包括图像传感器以及微偏振器阵列，所述微偏振器阵列集成于所述图像传感器靠近所述目镜的一侧，且与所述图像传感器逐像素对齐，所述图像传感器与所述图像处理主机电连接。

3、在其中一个实施例中，所述蓝宝石保护窗为c切蓝宝石平晶。

4、在其中一个实施例中，所述蓝宝石保护窗包括同心设置的连接部以及透光部，所述透光部位于所述连接部内侧，且所述透光部的厚度小于所述连接部的厚度。

5、在其中一个实施例中，所述透光部的厚度小于0.2mm。

6、在其中一个实施例中，所述内窥镜成像系统还包括正单轴晶体，所述正单轴晶体设置于所述蓝宝石保护窗与所述成像通道之间。

7、在其中一个实施例中，所述内窥镜成像系统还包括分光装置，所述分光装置设置于所述成像通道与所述线性偏振成像单元之间。

8、在其中一个实施例中，所述微偏振器阵列为全斯托克斯微偏振器阵列。

9、在其中一个实施例中，所述内窥镜成像系统还包括照明通道、起偏装置以及光源，所述照明通道设置于所述外壳内，所述光源产生的光经由所述照明通道对成像目标场景进行照明，所述起偏装置设置于所述光源与所述照明通道之间；所述照明通道采用保偏光导，所述起偏装置为基于时域调制的全斯托克斯起偏装置。

10、在其中一个实施例中，所述内窥镜成像系统还包括照明通道、起偏装置以及光源，所述照明通道设置于所述外壳内，所述光源产生的光经由所述照明通道对成像目标场景进行照明，所述起偏装置设置于所述光源与所述照明通道之间；所述照明通道采用保偏光导，所述起偏装置为基于时域调制的线性斯托克斯起偏装置。

11、本申请第二方面提供一种蓝宝石保护窗设计方法，用于设计上述的内窥镜成像系统中的蓝宝石保护窗，包括以下步骤：

12、a.通过以下方程式对蓝宝石保护窗中的异常光进行追迹，确定异常光的传播方向：

13、

14、其中，[ξe,oηe,oζe,o]为异常光和正常光的折射方向向量，[αβγ]为蓝宝石保护窗光轴的方向向量，其余参数可由以下方程式确定；

15、

16、

17、＝αξo+ηo

18、b.根据正常光和异常光的传播方向，结合蓝宝石保护窗的光轴方向，利用折射率椭球计算得到蓝宝石保护窗对异常光传播的折射率：

19、

20、其中，θ为异常光在蓝宝石保护窗中的传播方向与晶体光轴的夹角；

21、c.通过以下公式计算出蓝宝石保护窗中的正常光与异常光的相位差：

22、

23、其中，δ为蓝宝石保护窗中正常光和异常光的相位差,h为蓝宝石保护窗的晶体厚度，λ为入射光的波长，no和ne为正常光和异常光在蓝宝石保护窗晶体中的折射率，θo和θe为正常光和异常光在蓝宝石保护窗晶体中的折射角；

24、d.根据内窥镜视场角的大小，代入步骤c中公式得到正常、异常光相位差δ，在视场中，δ呈现环状干涉条纹分布，蓝宝石保护窗的厚度限制应为0级斑纹充满整个视场的最大厚度：

25、

26、其中，δ0为0级斑纹内的相位差。

技术特征：

1.一种内窥镜成像系统，其特征在于，包括外壳、蓝宝石保护窗(10)、两条成像通道(20)、线性偏振成像单元(30)以及图像处理主机(40)，两条所述成像通道(20)相互平行设置于所述外壳内，所述外壳远离所述线性偏振成像单元(30)的一端通过所述蓝宝石保护窗(10)封装；

2.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述蓝宝石保护窗(10)为c切蓝宝石平晶。

3.根据权利要求2所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述蓝宝石保护窗(10)包括同心设置的连接部(11)以及透光部(12)，所述透光部(12)位于所述连接部(11)内侧，且所述透光部(12)的厚度小于所述连接部(11)的厚度。

4.根据权利要求3所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述透光部(12)的厚度小于0.2mm。

5.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括正单轴晶体，所述正单轴晶体设置于所述蓝宝石保护窗(10)与所述成像通道(20)之间。

6.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括分光装置，所述分光装置设置于所述成像通道(20)与所述线性偏振成像单元(30)之间。

7.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述微偏振器阵列(32)为全斯托克斯微偏振器阵列。

8.根据权利要求7所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括照明通道(50)、起偏装置以及光源(60)，所述照明通道(50)设置于所述外壳内，所述光源(60)产生的光经由所述照明通道(50)对成像目标场景进行照明，所述起偏装置设置于所述光源(60)与所述照明通道(50)之间；

9.根据权利要求1所述的内窥镜成像系统，其特征在于，所述内窥镜成像系统还包括照明通道(50)、起偏装置以及光源(60)，所述照明通道(50)设置于所述外壳内，所述光源(60)产生的光经由所述照明通道(50)对成像目标场景进行照明，所述起偏装置设置于所述光源(60)与所述照明通道(50)之间；

10.一种蓝宝石保护窗设计方法，用于设计权利要求1～4、6～9中任意一项所述的内窥镜成像系统中的蓝宝石保护窗，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种内窥镜成像系统及蓝宝石保护窗设计方法。该内窥镜成像系统包括外壳、蓝宝石保护窗、两条成像通道、线性偏振成像单元以及图像处理主机，两条成像通道相互平行设置于外壳内，外壳远离线性偏振成像单元的一端通过蓝宝石保护窗封装；线性偏振成像单元安装于成像通道的目镜的后焦面，且包括图像传感器以及多个微偏振器阵列，微偏振器阵列集成于图像传感器靠近目镜的一侧，且与图像传感器逐像素对齐，图像传感器与图像处理主机电连接；通过将线性偏振成像单元安装于目镜的后焦面，目镜直接将两个成像通道的出射光成像在线性偏振成像单元的不同区域，结构相对较为紧凑，能够满足内窥镜成像系统的小型化需求。

技术研发人员：宋嘉伟,祁绩
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13