一种多孔径成像系统、一种内窥镜和一种内窥镜系统的制作方法

[0001]
本申请涉及光学成像技术领域，更具体地说，涉及一种多孔径成像系统、一种内窥镜和一种内窥镜系统。


背景技术：

[0002]
目前，可以采用多孔径成像方式实现多光谱同时成像，即，使用一个多孔径成像镜头配合一个具有mosaic镀膜的图像传感器进行成像，图像传感器上不同色彩镀膜区域可成不同颜色的像。然而，多孔径成像镜头通常由多个微透镜拼接而成，在大视场光线入射时，各微透镜对应的子成像单元之间容易产生光线串扰，进而影响成像效果。
[0003]
在相关技术中，通常在多孔径成像镜头和图像传感器之间加入多个光学防串扰隔离层，以阻止了各个子成像单元间的光线串扰，但此种方式无疑会大大增加多孔径成像系统的结构复杂性和加工难度。
[0004]
因此，如何在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时，防止不同成像单元之间的串扰是本领域技术人员需要解决的技术问题。


技术实现要素：

[0005]
本申请的目的在于提供一种多孔径成像系统、一种内窥镜和一种内窥镜系统，在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时防止不同成像单元之间的串扰。
[0006]
为实现上述目的，本申请提供了一种多孔径成像系统，包括沿光路方向设置的双远心系统、微透镜阵列和图像传感器，所述双远心系统包括沿所述光路方向设置的第一透镜、视场光阑和第二透镜，所述微透镜阵列包括沿所述光路方向的垂直方向设置的多个子透镜，所述图像传感器位于所述微透镜阵列的成像平面；
[0007]
其中，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述微透镜阵列中的子透镜的孔径大小为d
n
，焦距为f
3n
；
[0008]
则，所述视场光阑的大小d满足：
[0009]
d≤f2×
d
n
/f
3n
。
[0010]
优选的，所述视场光阑的大小d满足：d＝f2×
d
n
/f
3n
。
[0011]
优选的，所述微透镜阵列中包括至少两种类型的子透镜，每种类型的子透镜具有不同的孔径大小和焦距；
[0012]
所述图像传感器位于焦距最大的子透镜的焦平面；
[0013]
所述多孔径成像系统还包括：
[0014]
转像单元，其设置于其他焦距较小的子透镜与所述图像传感器之间，用于将所述焦距较小的子透镜所成的像转移到所述图像传感器。
[0015]
优选的，所述转像单元包括：沿光路方向设置的场镜和中继镜组，所述场镜设置于所述焦距较小的子透镜的焦平面处。
[0016]
优选的，所述微透镜阵列中包括第一类子透镜和第二类子透镜；
[0017]
所述第一类子透镜的孔径大小为d1，焦距为f
31
，所述第二类透镜的孔径大小为d2，焦距为f
32
，其中，d1＞d2且f
31
＞f
32
；
[0018]
则，所述场镜的焦距f4和所述中继镜组的焦距f5分别满足：
[0019]
f4＝l
×
f
32
/(2f
32
+l)；
[0020]
f5＝l/4；
[0021]
其中，l为所述第二类子透镜的焦平面与所述第一类子透镜的焦平面之间的距离。
[0022]
优选的，所述第一类子透镜和其在所述图像传感器中对应的成像区域均无滤光膜层；
[0023]
所述第二类子透镜或其在所述图像传感器中对应的成像区域设置有滤光膜层。
[0024]
优选的，所述第一类子透镜包括1个，所述第二类子透镜包括至少3个；所述滤光膜层至少包括红光滤光膜层、绿光滤光膜层和蓝光滤光膜层。
[0025]
为实现上述目的，本申请提供了一种内窥镜，包括如上述的多孔径成像系统。
[0026]
优选的，所述内窥镜为刚性镜体。
[0027]
为实现上述目的，本申请提供了一种内窥镜系统，包括如上述的内窥镜。
[0028]
通过以上方案可知，本申请提供的一种多孔径成像系统，包括沿光路方向设置的双远心系统、微透镜阵列和图像传感器，所述双远心系统包括沿所述光路方向设置的第一透镜、视场光阑和第二透镜，所述微透镜阵列包括沿所述光路方向的垂直方向设置的多个子透镜，所述图像传感器位于所述微透镜阵列的成像平面；其中，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述微透镜阵列中的子透镜的孔径大小为d
n
，焦距为f
3n
；则，所述视场光阑的大小d满足：d≤f2×
d
n
/f
3n
。
[0029]
本申请提供的多孔径成像系统设置双远心系统，其中的光阑作为视场光阑，限制进入微透镜阵列的光线，控制着微透镜阵列中各个子透镜的的视场角，进而使得任一子透镜的的最大正视场与相邻子透镜的最大负视场两者对应的像高在同一位置处或互不干扰，从而可以有效防止图像之间产生串扰。由此可见，本申请通过配合设置双远心系统并对其中的视场光阑的大小进行限定，可以在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时防止不同成像单元之间的串扰。本申请还公开了一种内窥镜和一种内窥镜系统，同样能实现上述技术效果。
[0030]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
[0032]
图1为本申请实施例提供的一种多孔径成像系统的结构图；
[0033]
图2为本申请实施例提供的另一种多孔径成像系统的结构图；
[0034]
图3为本申请实施例提供的一种成像示意图；
[0035]
图4为本申请实施例提供的一种内窥镜系统的结构图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
[0037]
本申请实施例公开了一种多孔径成像系统，在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时防止不同成像单元之间的串扰。
[0038]
参见图1，为本申请实施例提供的一种多孔径成像系统的结构图，如图1所示，该多孔径成像系统10可以包括沿光路方向设置的双远心系统100、微透镜阵列200和图像传感器300。
[0039]
其中，所述双远心系统100包括沿所述光路方向设置的第一透镜110、视场光阑120和第二透镜130。
[0040]
所述微透镜阵列200由多个子透镜ln拼接而成；
[0041]
所述图像传感器300位于所述微透镜阵列200的成像平面。
[0042]
其中，所述第一透镜110的焦距为f1，所述第二透镜120的焦距为f2，所述微透镜阵列中的子透镜ln的孔径大小为d
n
，焦距为f
3n
；其中，n是指第n个子透镜；
[0043]
则，所述视场光阑的大小d满足：
[0044]
d≤f2×
d
n
/f
3n
。
[0045]
在具体实施中，双远心光学系统100中的视场光阑120可限制进入微透镜阵列的光线。视场光阑120的大小控制着进入微透镜阵列200的视场角，进而控制微透镜阵列中各子透镜ln对应的子块图像的大小，使得相邻子块图像不会发生重叠，防止图像之间产生串扰。
[0046]
微透镜阵列200包括沿光路方向的垂直方向设置的多个子透镜ln，每个子透镜ln可单独对双远心光学系统100出射的平行光分别成像，形成多个针对同一物方的子块图像，其中，因各个子透镜ln之间具有一定的偏移量，所以对应地，子块图像之间也具有特定的位置偏移量。具体而言，物方的光线经过双远心光学系统100可形成平行光，进入微透镜阵列200，微透镜阵列200中的每个子透镜ln对其分别成像，最终形成若干个具有特定尺寸和偏移量、无串扰的子块图像。
[0047]
若微透镜阵列包括n个子透镜，每个子透镜的孔径大小均为d，焦距均为f3；则，子块图像之间没有串扰的临界条件为，某一子透镜的最大正视场与相邻子透镜的最大负视场两者对应的像高在同一位置，则每一子透镜所形成的子块图像尺寸最大为d，即子透镜的最大像高为d/2，从而求得子透镜的视场角为限制该视场角需要控制视场光阑，则视场光阑大小d应当为f2×
d/f3，总的视场角φ＝d/2f1＝f2×
d/2f1f3，总像面大小s＝nd。
[0048]
由此，可以理解的是，当双远心光学系统中视场光阑d满足d≤f2×
d
n
/f
3n
时，即可限制各个子透镜ln的视场角使每个子块图像的最大像高不超过d
n
/2，保证任意相邻子块图像不会发生重叠，防止图像之间产生串扰。可选地，在实际应用中，为了提升各子块图像的空间分辨率，可以使d＝f2×
d
n
/f
3n
。
[0049]
基于上述技术方案可知，本申请提供的多孔径成像系统设置双远心系统，其中的光阑作为视场光阑，限制进入微透镜阵列的光线，控制着微透镜阵列中各个子透镜的的视场角，进而使得任一子透镜的的最大正视场与相邻子透镜的最大负视场两者对应的像高在同一位置处或互不干扰，从而可以有效防止图像之间产生串扰。由此可见，本申请实施例通过配合设置双远心系统并对其中的视场光阑的大小进行限定，可以在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时防止不同成像单元之间的串扰。
[0050]
进一步地，基于上述实施方式可知，为了避免子块图像之间产生光学串扰，各个子透镜ln形成的子块图像的大小应当不超过该子透镜ln的孔径大小d
n
；又，在实际应用中，视场光阑的大小d和第二透镜的焦距f2通常为固定值；从而，结合上述公式d＝f2×
d
n
/f
3n
可见，子块图像的大小与其对应的子透镜的焦距f
3n
大致呈正相关：子透镜的孔径大小d
n
越大，其所形成的子块图像尺寸越大，对应地，该子透镜的焦距f
3n
越大。
[0051]
由此可见，当采用具有不同的孔径大小d
n
和焦距f
3n
的多个子透镜组成所微透镜阵列，并且这些子透镜的孔径大小和焦距均满足d≤f2×
d
n
/f
3n
时，可以获取到不同画幅大小的子块图像，同时，还可以保证这些子块图像之间不产生光学串扰。
[0052]
有鉴于此，如图2所示，本申请实施例还提供了另一种多孔径成像系统20，其能够根据实际需要形成多幅尺寸不一的子块图像。
[0053]
其中，该多孔径成像系统20与如图1所示的多孔径成像系统的10的区别在于：
[0054]
在该多孔径成像系统20中，微透镜阵列200中包括至少两种类型的子透镜，每种类型的子透镜具有不同的孔径大小，以形成至少两种尺寸的子块图像；并且，每种类型的子透镜具有不同的焦距，以满足d≤f2×
d
n
/f
3n
，保证各子块图像之间不产生光学串扰。
[0055]
进一步地，可以理解的是，由于物方具有相同的视场角，经过不同焦距的子透镜后，成像的位置没有位于同一平面上，焦距越大的子透镜的成像位置距离该子透镜的距离越远。因此，在本实施例中，图像传感器300位于焦距最大的子透镜的焦平面；并且，为了使得所有的子块图像位于同一平面(即，图像传感器300)上，该多孔径成像系统20还包括：设置于其他焦距较小的子透镜与图像传感器300之间的转像单元400，用于将其他焦距较小的子透镜所成的像转移到焦距最大的子透镜的焦平面上。
[0056]
具体地，所述转像单元400包括：沿光路方向设置的场镜410和中继镜组420，所述场镜410设置于所述焦距较小的子透镜的焦平面处，用于采集所述焦距较小的子透镜所成的像，并限制进入中继镜组420的光线，中继镜组420用于将场镜输出的光线重新成像于图像传感器300。
[0057]
其中，作为一种可行的实施方式，所述微透镜阵列200中可以包括第一类子透镜210和第二类子透镜220；所述第一类子透镜210的孔径大小均为d1，焦距均为f
31
，所述第二类透镜220的孔径大小均为d2，焦距均为f
32
，其中，d1＞d2，f
31
＞f
32
，且视场光阑120的大小d＝f2d1/f
31
＝f2d2/f
32
。
[0058]
由于第一类子透镜210的焦距f
31
大于第二类子透镜220的焦距f
32
，因此图像传感器300位于第一类子透镜210的焦平面上，转像单元400需要将第二类子透镜220所成的像转移到图像传感器300上。具体地，根据第一类子透镜210的焦距f
31
和第二类子透镜220的焦距f
32
，可以求得第一类子透镜210的焦平面与第二类子透镜220的焦平面的距离l；为了不改变第二类子透镜220所成的像的大小，遵循2倍焦距的原理，可求得中继镜组的420焦距f5＝l/
4。为保证第一类子透镜210的焦平面与第二类子透镜220的焦平面之间的光学元件不干扰相邻孔径的成像，需在第二类子透镜220的焦平面处设置场镜410，并且调整场镜410的焦距使得中继镜组420的尺寸降到最小，则场镜410的焦距f4＝l
×
f
32
/(2f
32
+l)。
[0059]
其中，可以理解的是，虽然图2中仅示意出一个第一类子透镜210和一个第二类子透镜220，但实际应用中，第一类子透镜210和第二类子透镜220的数量可以分别为1个、2个、3个或者更多个，其可根据实际需求而确定。对应地，转像单元400中的场镜410和中继镜组的420的数量、设置位置和光学特性等也可根据实际需求而做出相应的改变。
[0060]
进一步地，为了能够同时采集到多光谱图像，可以在各个子透镜或者其在图像传感器中对应的成像区域设置不同颜色的滤光膜层。
[0061]
优选的，所述第一类子透镜210和其在所述图像传感器中对应的成像区域均无滤光膜层；所述第二类子透镜220或其在所述图像传感器中对应的成像区域设置有滤光膜层。
[0062]
其中，由于用于采集灰度图像的单色传感器具有更强的感光能力，能够减少因滤波而造成的光损失，并且，人眼对结构细节比较敏感，但对色彩较为不敏感，因此，可以将较大的成像区域分配给灰度图像，而较小的成像区域分配给彩色图像，以使输出的灰度图像具有较高的空间分辨率，同时保留具有较低空间空间分辨率的彩色图像。
[0063]
由此，在一些实施例中，可以采用第一类子透镜210采集灰度图像，采用第二类子透镜220采集彩色图像。具体为，在所述第二类子透镜220或其在所述图像传感器300中对应的成像区域设置滤光膜层，以采集对应颜色的子块图像，而在所述第一类子透镜210和其在所述图像传感器300中对应的成像区域均不设置滤光膜层，以采集灰度的子块图像。通过将具有较高空间分辨率的灰度图像与具有较低空间分辨率的彩色图像进行融合处理，能够在采用单一图像传感器的情况下，获得清晰度较高的多光谱图像。
[0064]
其中，由于多光谱图像通常由红色图像信号、绿色图像信号和蓝色图像信号组成，因此，在实际应用中，所述第一类子透镜210可以包括1个，所述第二类子透镜220可以包括至少3个，所述滤光膜层可以包括红光滤光膜层、绿光滤光膜层和蓝光滤光膜层。
[0065]
当然，为了能够采集到更多彩色图像信号，以实现多模式成像，所述第二类子透镜220还可以包括更多个，比如，如图3所示，其所形成的彩色图像还可以包括荧光图像和uv图像(即，蓝紫光图像)。
[0066]
由此可见，本实施例中的微透镜阵列包括不同类型的子透镜，可以形成不同成像区域大小的子块图像，通过设置转像单元，使得所有的子块图像位于同一平面上，从而获得画幅不一的子块图像。
[0067]
进一步地，可以以较大的像素区域采集灰度图像，以较小的像素区域采集彩色图像，将具有较高空间分辨率的灰度图像与具有较低空间分辨率的彩色图像进行融合处理，能够在采用单一图像传感器的情况下，获得较高的图像空间分辨率。
[0068]
本申请实施例公开了一种内窥镜，其可以包括如上述任一实施例提供的多孔径成像系统。
[0069]
作为一种具体的实现方式，请参见图4，为本申请实施例提供的一种内窥镜的结构图。如图4所示，该内窥镜包括镜管2、导光束接口3和设置于所述镜管2内部的光学成像系统1，所述镜管2与所述光学成像系统1之间设置有导光纤维；所述光学成像系统1沿光路方向包括物镜组11、棒状镜组12、目镜组13和如上述任一实施例提供的多孔径成像系统10。
[0070]
导光束接口3与提供外部光源的导光束连接，外部光源可以包括照明光源和/或激励光源，其产生的照明光通过导光束接口进入镜管内的导光纤维，每根导光纤维的出光端面具有一定发散角，通过该导光纤维传送到镜管2的远端端面，用于照明待检的生物组织。经生物组织表面反射回来的光线被物镜组11采集，经棒状镜组12传递，被目镜组13接收，进而经过多孔径成像系统10成像后，形成具有特定色彩、特定空间分布的子块图像。
[0071]
其中，双远心光学系统中的视场光阑可限制进入微透镜阵列的光线。视场光阑的大小控制着进入微透镜阵列的视场角，进而控制微透镜阵列中各子透镜对应的子块图像的大小，使得相邻子块图像不会发生重叠，防止图像之间产生串扰。微透镜阵列包括多个沿光路方向的垂直方向设置的多个子透镜，每个子透镜可单独对双远心光学系统形成的平行光分别成像，形成多个子块图像，这些子块图像是对同一物方成的像，子块图像之间具有特定的位置偏移量。这样目镜输出的平行光经过双远心光学系统、微透镜阵列、及必要时后方的转像系统，最终形成若干个具有特定尺寸和偏移量、无串扰的子块图像。
[0072]
此外，需要说明的是，在本实施例中，以所述内窥镜为刚性内窥镜为例进行说明，主要是因为刚性内窥镜中放置多孔径成像系统的空间通常更宽裕，将本申请提供的多孔径成像系统应用于刚性内窥镜中尤为合适；但可以理解的是，在工艺条件允许时，本申请实施例提供的多孔径成像系统也可以应用于具有可挠性的插入部的内窥镜，亦即，本申请实施例提供的内窥镜也可以为软性内窥镜。
[0073]
本申请实施例提供的内窥镜，其中双远心系统中的光阑作为视场光阑，限制进入微透镜阵列的光线，控制着微透镜阵列中各个子透镜的的视场角，进而使得任一子透镜的的最大正视场与相邻子透镜的最大负视场两者对应的像高在同一位置处或互不干扰，从而可以有效防止图像之间产生串扰。由此可见，本申请实施例通过配合设置双远心系统并对其中的视场光阑的大小进行限定，可以在不增加多孔径成像系统结构复杂性的同时防止不同成像单元之间的串扰。
[0074]
本申请还提供了一种内窥镜系统，包括上述任一实施例提供的内窥镜，还可以包括用于为所述内窥镜提供照明光的内窥镜光源和用于对图像传感器输出的图像信号进行处理的图像处理器。本申请提供的内窥镜系统同样可以实现上述内窥镜实现的技术效果。
[0075]
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
[0076]
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。