本发明三维成像技术领域，尤其涉及一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统以及内窥镜成像系统。
背景技术
近年来，随着微创外科的发展与普及，用于人体治疗的医用内窥镜系统在骨科、脊柱外科、妇科、泌尿外科及神经外科等领域得到了大规模的应用。
公开号为cn104935915a的专利文献中公开了一种三维内窥镜，包括插入管及三维成像单元。其中，三维成像单元包括图像传感器及集成在插入管内的第一镜头与第二镜头；第一镜头与第二镜头用于在同时刻对同一场景进行取像，以获取存在视差的第一图像及第二图像；第一镜头包括第一取像镜头、第一调焦镜组及设于第一取像镜头与第一调焦镜组之间的第一传像体，第二镜头包括第二取像镜头、第二调焦镜组及设于第二取像镜头与第二调焦镜组之间的第二传像体。图像传感器的靶面包括第一感光区与第二感光区，第一感光区与第二感光区相互分离，第一图像经第一镜头投射至第一感光区，第二图像经第二镜头投射至第二感光区。
与传统的二维内窥镜系统相比，以该三维内窥镜构建的三维内窥镜系统能够真实地还原真实视觉中的三维立体手术视野，并具有放大作用，克服了二维内窥镜生成二维视野所造成的视觉差别与不便，便于在各种脏器之间查找病变部位，以精确切除及重建，尤其是在遇到解剖层次多、血管复杂、手术难度大的手术时。三维内窥镜系统通过呈现真实术野中的自然纵深感，以降低这类手术对手术医生具有很娴熟的镜下技术和丰富的实践经验的要求。
当前，我国大部分医院还在使用二维内窥镜系统，如果将这些二维内窥镜系统更换为昂贵的三维内窥镜系统，需要花费大量的资金，不仅不利于降低患者治疗成本，而且在更换过程中会产生大量闲置的二维内窥镜系统设备。
此外，除了上述用于人体医疗的二维医用内窥镜系统，用于动物医疗的二维医用内窥镜系统及用于工业的二维工业用内窥镜系统也存在相同的兼容问题。
技术实现要素：
本发明的主要目的是提供一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统以及内窥镜成像系统，能够在兼容现有二维内窥镜系统的情况下实现三维内窥镜系统的效果。
为了实现上述主要目的，本发明提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统，包括第一物镜、第二物镜、第一传像柱、第二传像柱、第一像阑、第二像阑、第一调焦镜组、第二调焦镜组、第一偏转棱镜、第二偏转棱镜、第一柱状透镜以及第二柱状透镜；所述第一物镜和第二物镜用于获取物面光束，分别得到第一光束和第二光束；所述第一传像柱和第二传像柱，用于分别对应将所述第一物镜获取的第一光束以及所述第二物镜获取的第二光束沿内窥镜行进方向传输，并分别经过所述第一像阑和第二像阑后被所述第一调焦镜组和第二调焦镜组接收并投射；所述第一偏转棱镜位于所述第一调焦镜组的下游，所述第二偏转棱镜位于所述第二调焦镜组的下游；所述第一偏转棱镜用于对所述第一调焦镜组接收并投射出的第一光束进行反射，所述第二偏转棱镜用于对所述第二调焦镜组接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器；第一柱状透镜设于所述第一偏转棱镜与所述图像传感器之间，所述二柱状透镜设于所述第二偏转棱镜与所述图像传感器之间；所述第一柱状透镜用于对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束进行压缩，所述第二柱状透镜用于对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束进行压缩，从而使所述图像传感器的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像。
由上述方案可见，本发明提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统通过第一偏转棱镜位于所述第一调焦镜组的下游以对所述第一调焦镜组接收并投射出的第一光束进行反射，以及通过第二偏转棱镜位于所述第二调焦镜组的下游以对所述第二调焦镜组接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，并投射在二维内窥镜系统用摄像接头的图像传感器靶面上相互分离的第一感光区与第二感光区上，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器，获得三维内窥镜系统的效果；另外，通过第一柱状透镜设于所述第一偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束进行压缩，以及通过第二柱状透镜设于所述第二偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束进行压缩，使所述图像传感器的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像，从而能够保证在兼容匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器的情况下不降低分辨率，大大提高图像传感器利用率，不影响视野。
作为优选的方案，藉由所述第一柱状透镜对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束在水平方向进行压缩，以及藉由所述第二柱状透镜对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束在水平方向上进行压缩。
作为另一优选的方案，藉由所述第一柱状透镜对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束在竖直方向进行压缩，以及藉由所述第二柱状透镜对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束在竖直方向上进行压缩。
作为优选的方案，进行所述压缩的压缩比＝d1/d2，其中d1为压缩后的图像在竖直方向上的直径，d2为压缩后图像在水平方向上的直径。
作为优选的方案，所述第一柱状透镜以及所述第二柱状透镜均镀有增透膜。
作为优选的方案，所述第一调焦镜组、第二调焦镜组为两个光学透镜。
作为优选的方案，所述第一偏转棱镜与所述第二偏转棱镜均为平行四边形棱镜。
作为优选的方案，所述第一偏转棱镜包括第一反射平面、第二反射平面及第三反射平面，所述第二反射平面与所述第一光束的光轴相平行，所述第一反射平面与所述第三反射平面位于所述第二反射平面的同侧；
沿光束在所述内窥镜中的行进方向，所述第三反射平面位于所述第一反射平面的下游，所述第一反射平面与所述第二反射平面间的间距逐渐减小，所述第三反射平面与所述第二反射平面间的间距逐渐增大，且所述第一反射平面与所述第二反射平面间的夹角等于所述第三反射平面与所述第二反射平面间的夹角；
所述第二偏转棱镜包括第四反射平面、第五反射平面及第六反射平面，所述第五反射平面与所述第二光束的光轴相平行，所述第四反射平面与所述第六反射平面位于所述第五反射平面的同侧；
沿光束在所述内窥镜中的行进方向，所述第六反射平面位于所述第四反射平面的下游，所述第四反射平面与所述第五反射平面间的间距逐渐减小，所述第六反射平面与所述第五反射平面间的间距逐渐增大，且所述第四反射平面与所述第五反射平面间的夹角等于所述第六反射平面与所述第五反射平面间的夹角。
作为优选的方案，所述第一偏转棱镜由第一前偏转棱镜与第一后偏转棱镜组成，所述第一反射平面位于所述第一前偏转棱镜上，所述第二反射平面与所述第三反射平面位于所述第一后偏转棱镜上，所述第一前偏转棱镜与所述第一后偏转棱镜的对接面间通过胶合固定连接，所述第一前偏转棱镜与所述第一后偏转棱镜的对接面上均镀有增透膜；
所述第二偏转棱镜由第二前偏转棱镜与第二后偏转棱镜组成，所述第四反射平面位于所述第二前偏转棱镜上，所述第五反射平面与所述第六反射平面位于所述第二后偏转棱镜上，所述第二前偏转棱镜与所述第二后偏转棱镜的对接面间通过胶合固定连接，所述第二前偏转棱镜与所述第二后偏转棱镜的对接面上均镀有增透膜。
本发明还提供了一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜成像系统，包括内窥镜系统、图像传感器、处理器以及三维显示装置；所述内窥镜系统采用如上所述的兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统；所述图像传感器的第一感光区和第二感光区用于接收所述第一图像和第二图像，生成第三图像；所述处理器包括图像处理模块、图像分割模块、图像合成模块以及控制模块，所述图像处理模块用于将压缩的所述第三图像进行拉伸还原；所述图像分割模块将拉伸后的所述第三图像分割成存在视差的两幅二维图像；所述图像合成模块用于将所述图像分割模块分割得到的相互存在视差的两幅二维图像进行处理合成一幅三维图像；所述控制模块根据所述图像合成模块合成得到的三维图像所记载的图像信息控制所述三维显示装置显现三维图像。
由上述方案可见，本发明提供的三维内窥镜成像系统通过第一偏转棱镜位于所述第一调焦镜组的下游以对所述第一调焦镜组接收并投射出的第一光束进行反射，以及通过第二偏转棱镜位于所述第二调焦镜组的下游以对所述第二调焦镜组接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，并投射在二维内窥镜系统用摄像接头的图像传感器靶面上相互分离的第一感光区与第二感光区上，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器，获得三维内窥镜系统的效果；另外，通过第一柱状透镜设于所述第一偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束进行压缩，以及通过第二柱状透镜设于所述第二偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束进行压缩，使所述图像传感器的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像，然后再通过处理器将压缩的图像进行对应的还原处理后获得正常图像(例如，原形图像)，从而能够保证在兼容匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器的情况下不降低分辨率，大大提高图像传感器利用率，不影响视野。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜成像系统的结构框图。
图2是本发明实施例提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统的第一偏转棱镜和第二偏转棱镜的结构示意图。
图4是采用本发明实施例提供的三维内窥镜系统在图像传感器上获取的图像示意图。
图5是采用本发明实施例提供的三维内窥镜成像系统通过处理器处理后获取的图像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
参考图1，本发明实施例提供了一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜成像系统100，该三维内窥镜成像系统包括内窥镜系统1、图像传感器2、处理器3以及三维显示装置4。其中，内窥镜系统1采用兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统1。
结合参考图1和图2，本发明实施例提供了一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统1，包括第一物镜111、第二物镜121、第一传像柱112、第二传像柱122、第一像阑113、第二像阑123、第一调焦镜组114、第二调焦镜组124、第一偏转棱镜115、第二偏转棱镜125、第一柱状透镜116以及第二柱状透镜126。
其中，所述第一物镜111和第二物镜112用于获取物面光束，分别得到第一光束和第二光束。其中，所述第一物镜111获取的第一光束依次经过第一传像柱112、第一像阑113、第一调焦镜组114、第一偏转棱镜115以及第一柱状透镜116后成像在图像传感器的第一感光区；所述第二物镜112获取的第二光束依次经过第二传像柱122、第二像阑123、第二调焦镜组124、第二偏转棱镜125以及第二柱状透镜126后成像在图像传感器的第二感光区。
具体的，所述第一传像柱121和第二传像柱122，用于分别对应将所述第一物镜111获取的第一光束以及所述第二物镜112获取的第二光束沿内窥镜行进方向传输，并分别经过所述第一像阑113和第二像阑123后被所述第一调焦镜组和第二调焦镜组接收并投射。其中，所述第一像阑113和第二像阑123也称为视场光阑，用于限制图像大小，减少图像传感器的两幅图像之间的干扰，从而控制图像大小和物面的范围。
所述第一偏转棱镜115位于所述第一调焦镜组114的下游，所述第二偏转棱镜125位于所述第二调焦镜组124的下游。其中，所述第一调焦镜组114、第二调焦镜组124为两个光学透镜。
所述第一偏转棱镜115用于对所述第一调焦镜组114接收并投射出的第一光束进行反射，所述第二偏转棱镜125用于对所述第二调焦镜组124接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器2。
所述第一柱状透镜116设于所述第一偏转棱镜115与所述图像传感器2之间，所述二柱状透镜126设于所述第二偏转棱镜125与所述图像传感器2之间。
所述第一柱状透镜116用于对所述第一偏转棱镜115反射出的第一光束进行压缩，所述第二柱状透镜126用于对所述第二偏转棱镜125反射出的第二光束进行压缩，从而使所述图像传感器2的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像。
本发明实施例提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜系统通过第一偏转棱镜115位于所述第一调焦镜组114的下游以对所述第一调焦镜组114接收并投射出的第一光束进行反射，以及通过第二偏转棱镜125位于所述第二调焦镜组124的下游以对所述第二调焦镜组12接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，并投射在二维内窥镜系统用摄像接头的图像传感器2靶面上相互分离的第一感光区与第二感光区上，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器，获得三维内窥镜系统的效果。另外，本发明实施例进一步通过第一柱状透镜116设于所述第一偏转棱镜115与所述图像传感器2之间以对所述第一偏转棱镜115反射出的第一光束进行压缩，以及通过第二柱状透镜126设于所述第二偏转棱镜125与所述图像传感器2之间以对所述第二偏转棱镜125反射出的第二光束进行压缩，使所述图像传感器的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像，从而能够保证在兼容匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器的情况下不降低分辨率，大大提高图像传感器利用率，不影响视野。
在一个优选方案中，藉由所述第一柱状透镜116对所述第一偏转棱镜115反射出的第一光束在水平方向进行压缩，以及藉由所述第二柱状透镜126对所述第二偏转棱镜125反射出的第二光束在水平方向上进行压缩。
在另一优选方案中，藉由所述第一柱状透镜116对所述第一偏转棱镜115反射出的第一光束在竖直方向进行压缩，以及藉由所述第二柱状透镜126对所述第二偏转棱镜125反射出的第二光束在竖直方向上进行压缩。
另外，在采用第一柱状透镜116对所述第一偏转棱镜115反射出的第一光束进行压缩以及所述第二柱状透镜126对所述第二偏转棱镜125反射出的第二光束进行压缩时的压缩比＝d1/d2，其中d1为压缩后的图像在竖直方向上的直径，d2为压缩后图像在水平方向上的直径。其中，所述第一柱状透镜116以及所述第二柱状透镜126均镀有增透膜。
参见图3，第一偏转棱镜第二偏转棱镜第一偏转棱镜115由第一前偏转棱镜511与第一后偏转棱镜512通过胶合得到，第一前偏转棱镜511的胶合面5110与第一后偏转棱镜512的胶合面5120均镀有增透膜。第二偏转棱镜125由第二前偏转棱镜521与第二后偏转棱镜522通过胶合得到，第二前偏转棱镜521胶合面5210与第二后偏转棱镜522的胶合面5220均镀有增透膜。
参见图3，沿光束在内窥镜中的行进方向，第一偏转棱镜115位于第一调焦镜组114的下游，第二偏转棱镜125位于第二调焦镜组124的下游。
第一调焦镜组114接收并投射出第一光束021，第一光束021投射至第一偏转棱镜115的入射面上，第一光束021进入第一前偏转棱镜511后，经第一反射平面501反射后从胶合面5110投射出，并从胶合面5120进入第一后偏转棱镜512，先后经第二反射平面502及第三反射平面503反射，并从第一后偏转棱镜512的出射面投射出第一光束022。
第二镜头4将接收并投射出第二光束031，第二光束031投射至第二偏转棱镜125的入射面上，第二光束031进入第二前偏转棱镜521后，经第四反射平面504反射后从胶合面5210投射出，并从胶合面5220进入第二后偏转棱镜522，先后经第五反射平面505及第六反射平面506反射，并从第二后偏转棱镜522的出射面投射出第二光束032。
在第一偏转棱镜115中，第二反射平面502与第一光束021的光轴相平行。沿光束在内窥镜中的行进方向，第一反射平面501与第二反射平面502间的间距逐渐减小，而第三反射平面503与第二反射平面502间的间距逐渐增大，且第一反射平面501与第二反射平面502间的夹角α与第三反射平面503与第二反射平面502间的夹角β相等。
在第二偏转棱镜125中，第五反射平面505与第二光束031的光轴相平行。沿光束在内窥镜中的行进方向，第四反射平面504与第五反射平面505间的间距逐渐减小，而第六反射平面506与第五反射平面505间的间距逐渐增大，且第四反射平面504与第五反射平面505间的夹角γ与第六反射平面506与第五反射平面505间的夹角δ相等。
第一反射平面501、第二反射平面502、第三反射平面503、第四反射平面504、第五反射平面505及第六反射平面506均为在棱镜表面镀反射膜构成，经过这些反射平面的反射，从而改变第一光束与第二光束的光轴之间的间距。
如图3所示，通过选择不同尺寸结构的第一偏转棱镜115与第二偏转棱镜125，，使第一偏转棱镜115投射出的第一光束022将投射至图像传感器的第一感光区上，第二偏转棱镜125投射出的第二光束032将投射至图像传感器的第二感光区上。以下以第一偏转棱镜115为例，对棱镜尺寸结构的选择进行说明。当第一后偏转棱镜512的纵向尺寸满足要求，如果不满足要求则根据实际需要进行调整，通过改变第三反射平面503与第二反射平面502之间的间距，就可以调整投射出的第一光束与入射的第一光束的光轴的相对位置，从而改变第一光束与第二光束的光轴之间的间距。
此外，也可以通过改变第一反射平面及第三反射平面与第二反射平面之间的夹角来改变第一光束与第二光束的光轴之间的间距，从而满足不同尺寸图像传感器的成像要求。
返回参考图1，本发明实施例提供的三维内窥镜成像系统100通过设于图像传感器2的感光面同侧的内窥镜系统1，同时对同一物面从不同角度进行取像，从而获得两幅存在视差的图像，即第一图像与第二图像。结合图4参考，所述图像传感器2包括第一感光区21和第二感光去22，第一感光区21与第二感光区22为靶面上相对分离的两个区域，即二者间无重叠部分。第一感光区21和第二感光区22分别用于接收所述第一图像201和第二图像202，生成第三图像。
具体的，由所述第一物镜111获取的第一光束依次经过第一传像柱112、第一像阑113、第一调焦镜组114、第一偏转棱镜115以及第一柱状透镜116后压缩成像在图像传感器的第一感光区，得到第一图像201；由所述第二物镜112获取的第二光束依次经过第二传像柱122、第二像阑123、第二调焦镜组124、第二偏转棱镜125以及第二柱状透镜126后压缩成像在图像传感器的第二感光区，得到第二图像202。
继续参考图1，所述处理器3包括图像处理模块30、图像分割模块31、图像合成模块32以及控制模块33，所述图像处理模块30用于将压缩的所述第三图像进行拉伸，还原为压缩前的形状图像(例如圆形图像)；例如，柱状透镜的曲率和安装位置是由图像传感器的长宽比决定的。如果图像传感器的长宽比为1:1，使用柱状透镜将图像的宽度压缩为原来的1/2，那么图像处理模块30就将图像传感器获得的第三图像在宽度上拉伸2倍。
所述图像分割模块31将所述图像处理模块30拉伸后的第三图像分割成存在视差的两幅二维图像；所述图像合成模块32用于将所述图像分割模块31分割得到的相互存在视差的两幅二维图像进行处理合成一幅三维图像；所述控制模块33根据所述图像合成模块合成得到的三维图像所记载的图像信息控制所述三维显示装置4显现三维图像。其中，经过处理器3处理后得到的圆形图像如图5所示。
可见，本发明实施例提供的一种兼容二维内窥镜的三维内窥镜成像系统通过第一偏转棱镜位于所述第一调焦镜组的下游以对所述第一调焦镜组接收并投射出的第一光束进行反射，以及通过第二偏转棱镜位于所述第二调焦镜组的下游以对所述第二调焦镜组接收并投射出的第二光束进行反射，从而改变所述第一光束与所述第二光束的光轴间的间距，并投射在二维内窥镜系统用摄像接头的图像传感器靶面上相互分离的第一感光区与第二感光区上，以匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器，获得三维内窥镜系统的效果；另外，通过第一柱状透镜设于所述第一偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第一偏转棱镜反射出的第一光束进行压缩，以及通过第二柱状透镜设于所述第二偏转棱镜与所述图像传感器之间以对所述第二偏转棱镜反射出的第二光束进行压缩，使所述图像传感器的第一感光区和第二感光区分别获得压扁后的第一图像和第二图像，然后再通过处理器将压缩的图像进行对应的还原处理后获得正常图像(例如，原形图像)，从而能够保证在兼容匹配二维内窥镜系统的摄像接头中的图像传感器的情况下不降低分辨率，大大提高图像传感器利用率，不影响视野。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。