[发明专利]用于刚性联接的图像传感器和内窥镜的机械图像旋转

说明书

背景技术

科技的进步带动了医用成像能力的发展。由于构成内窥镜的部件的进步，内窥镜式外科手术成为享受这些最有利进步的领域之一。

在例如关节镜手术和腹腔镜手术中使用的传统内窥镜被设计为使得图像传感器被放置在装置近侧端部的手持件单元内。在这样的构型中，内窥镜单元必须通过一组复杂的精确联接的光学部件，以最小的损失和失真将入射光沿着传感器的长度传入传感器。由于部件价格昂贵且采用劳动密集型制造工艺，所以内窥镜单元的成本主要取决于光学器件。此外，此类范围为精密机械，并且相对微小的冲击就可轻易损坏其部件或干扰其相对校准程度。为了维持图像质量，需要频繁而昂贵的维修周期。

此问题的解决方案之一是将图像传感器置于内窥镜内的远侧端部处，从而可能获得类似于在手机相机中普遍实现的光学简单性、稳健性和经济性。然而，此方法的可接受的解决方案非常重要，因其引入了自有的一套工程挑战，而不仅仅是传感器必须设置在非常有限的面积内这一事实。

对传感器面积的强制约束自然而然地推动了向着更少和/或更小像素的方向发展。降低像素数将直接影响空间分辨率。像素面积减小将降低可用信号容量和灵敏度。信号容量降低又将减小动态范围，即相机从大范围亮度场景中同时捕获所有有用信息的能力。存在多种方法，不仅可延伸像素本身的动态范围，还可延伸成像系统的动态范围。然而这些方法均存在某些类型的缺陷(例如分辨率或帧率方面的缺陷)，并且这些缺陷会引入不可取的人工痕迹，在极端情况下会成为难题。灵敏度降低的结果是需要更大的光功率才能将场景中的较暗区域调整至可接受的信号水平。减小光圈数也可弥补灵敏度损失，但会造成空间变形和焦深减小。

将图像传感器置于内窥镜式装置的远侧端部引入了新的挑战，而当将图像传感器远离内窥镜式装置的远侧端部设置时并不存在这些挑战。例如，在手术期间，用户或操作人员通常会旋转或改变内窥镜式装置的角度，因此，图像传感器将改变方向，显示在屏幕上的图像水平线也将改变。需要将容纳图像传感器的装置和系统设置于内窥镜式装置的远侧端部，同时不改变方向并为使用者或操作人员保持恒定的图像水平线。正如将要看到的那样，本公开提供的装置和系统可高效完美地满足上述要求。

附图说明

本公开的非限制性具体实施和不完全具体实施参照以下附图进行描述，其中不同视图中的类似附图标号是指类似部件，除非另外指明。参照以下具体实施方式和附图，可更好地理解本公开的优点，其中：

图1为内窥镜式系统的侧面剖视图，示出了位于内窥镜的尖端处的刚性联接图像传感器，并进一步示出了根据一个具体实施的固定式内腔和可旋转外腔；

图2为图1的内窥镜式系统的侧面剖视图，以分解图形式示出了内腔和外腔及其各自的光学部件；

图3为根据一个具体实施的图1中所示的内窥镜尖端的放大的详细视图；

图4为根据一个具体实施的内窥镜尖端的放大的详细视图；

图5示出内窥镜式装置的一个具体实施，示出了外腔沿内窥镜的远侧透镜和棱镜旋转同时保持图像传感器的位置以形成广角视野的能力；

图6示出内窥镜式装置的一个具体实施，其中外腔相对于图5中的视图进行180度旋转，与图5相比以及根据一个具体实施示出有限的视野；

图7A和图7B分别示出了单片传感器的具体实施的透视图和侧视图，此单片传感器具有根据本公开教导内容和原理的用于生成三维图像的多个像素阵列；

图8A和图8B分别示出了在多个基板上构建的图像传感器的具体实施的透视图和侧视图，其中形成像素阵列的多个像素列位于第一基板上，并且多个电路列位于第二基板上，并示出了一个像素列至其相关联或对应的电路列之间的电气连接和通信；并且

图9A和图9B分别示出了图像传感器的具体实施的透视图和侧视图，该图像传感器具有多个用于生成三维图像的像素阵列，其中多个像素阵列与图像传感器构建在多个基板上。

具体实施方式

本公开涉及用于刚性联接图像传感器可进行图像旋转的内窥镜式装置和系统。本公开允许远侧棱镜旋转，从而改变用户或操作人员的视角，同时传感器保持固定位置不变。这样，在使用传统刚性内窥镜系统方面具有丰富经验的用户或操作人员可采用与预期相同的方式使用本装置。用户或操作人员可旋转外腔，从而改变视角，同时传感器仍然保持在固定位置，屏幕上可视的图像也保持在恒定水平线上。棱镜旋转时传感器可以不旋转，这样用户将不会失去方向。