专利名称:具有双视场的体内成像设备及使用方法存在许多申请,其中成像系统是用来生成监视区域的全视图,但是当在全视图 中检测感兴趣的区域时,希望得到具有实际上更高放大率的“显微镜视图(microscope view) ”。在胃肠道内部的内窥镜成像或基于胶囊成像中存在这种要求的实例。存在可以自己口服的胶囊。在这些申请中,为了在容许的时间内覆盖足够的区域, 可能成像系统能够以低放大率并通过大视场来查看胃肠(GI)道的连续部分。当以该放大 率检测感兴趣的区域时,或许希望以实际上更高的放大率来查看该区域。对于内窥镜系统,例如,0. Imm级的细节必须以较低的放大率等级检测,但或许希 望以高放大率等级将细节成像小到例如1至2微米。对于通常可用的系统而言这通常是不可行的。为了得到希望的放大率,高分辨率 成像阵列与宽视场的一同使用,在经济上是行不通的。以下组合(i)非常高的分辨率,具有(ii)大视场,以及(iii)以当前使用的检测 阵列成像,通常不可能在当前可用的静态、单孔(single bore)、光学成像系统中实现。存在包含(incorporating)变焦功能的成像系统。然而,在设备中不可能总是包 含为构成这样的变焦透镜成像系统所必需的运动机构。此外,在这样的变焦系统中在最低 放大率与最高放大率之间的比率通常限制在大约10的因数,以得到较高的放大率比率,两 个元件必需独立变焦,这种方案复杂且成本高。
在一个实施例中,可以在单个光学系统中得到大范围的放大率。可以使用具有在 中心区域非常高的像素密度的成像阵列。用适当设计的光学器件,这种高像素密度可以使 高放大率图像的细节被分辨。在现有技术的系统中,由于除非大量使用,否则生产具有在高 放大率图像下降处的中心区域中较小像素尺寸的专用阵列成本上是不划算的,因此整个成 像阵列通常具有与高放大率图像分辨率相称的像素尺寸。这些申请当前使用的探测器阵 列,不论是CMOS还是(XD,通常具有用于小型设备的高达400X400的像素。为了在图像的 中心处得到希望的高分辨率,像素总数必须是大约几万乘以几万。如果使用根据当前技术状况的成像系统来实现上述目标,那么非常高的分辨率、具有大视场、以及以当前使用的检测阵列成像这三条标准之一必须放宽。本发明的一个实施例包括用于检查或成像管腔内壁的可以自己口服的设备(例 如胶囊),其包括双视场成像系统,同时具有适度放大率的宽视场,以及具有显著更高放大 率的窄视场。这样的光学系统也可以用于成为内窥镜的一部分。一些实施例不同于现有技 术的系统,因为它们使用用于双视场(FOV)的单个成像阵列。一些实施例也不同于现有技 术的系统,因为它们通常具有静态光学元件配置,其中至少一些元件在两种不同的FOV成 像系统的两者之间共享。高放大率系统的成像元件,具有更小的视场,并具有显著小于低放 大率系统的直径,其可以与低放大率系统的成像元件同轴布置,从而可以使用相同的成像 阵列而无需偏转镜、光束组合器或运动系统。它们定位在低放大率系统的轴上意味着环绕 其中心轴的低放大率系统的成像平面的小部分被高放大率组件所遮挡。然而,两套透镜的 精细设计可以将该遮挡区域限制到介于5°和10°之间。在不同的放大率处的不同的有用 孔径可以与不同的焦距比数(F-numbers)相关联,其可以根据设计需要进行选择。通常要求这种双视场/双分辨率系统可以是高达100的放大率范围(也可以使用 其它范围)。提高的分辨率可能要求更大的数值孔径和用于透镜组的增大的有效焦距,几乎 以与提高的分辨率相同的比率。因而,高放大率光学系统可以具有比低放大率系统长100 数量级的焦距。在设计靠近轴的光学系统的处理高放大率场的部分时,可以考虑如上性能。 可以通过使用具有不同的中心形式和周围形式的透镜,或者通过将用于高放大率的单独的 透镜植入低放大率透镜的中心区域来生成该轴向部分。使用这样的系统可以使传统成像阵列得以使用,而不必使用过度小的像素尺寸, 由于成像阵列中心区域中的像素比周围中的像素接收放大更高的图像,使得同样均勻的、 适度的像素密度可以分辨高放大率区域中物体更细微的细节。一个示例性实施方式包括用于检查管腔内壁的设备,该设备包括用于通下管腔的细长外壳,用于照明管腔内部的源,以及用于成像内壁的光学成像系统,所述光学成像系统包括二维探测器阵列,用于在 探测器阵列上提供物体的第一图像的宽视场成像系统,所述第一图像具有相对于物体的第 一放大率,以及用于在探测器阵列上提供物体的一部分的第二图像的窄视场成像系统,所 述物体的一部分的第二图像具有大于或显著大于第一放大率的第二放大率。窄视场成像系 统可以包括同轴置于宽视场成像系统内的透镜。两个成像系统都可以使用至少一个共用的 透镜来将图像投射到探测器阵列上。在这样的设备中,探测器阵列可以具有均勻的像素阵列,并且由于在较宽的区域 上成像(根据在每个图像中成像的相关区域),第一图像能够提供显著比第二图像更多数 量的信息细节。相反,通过使用窄视场系统,第二图像能够提供显著更高的放大率。探测器 阵列可以提供具有占用其中心区域的第二图像和占用其周围的第一图像的复合图像。在这 种情况下,复合图像的每一部分都可以通过相对于物体移动系统来达到聚焦。作为另一种 情况,所述系统可以包括用于调整宽视场成像系统或窄视场系统的元件位置的聚焦机构。 复合图像的每个部分应该能够聚焦而不必相对于物体移动系统。在上述设备的另一个实施方式中,至少一个共用的透镜可以包括置于探测器阵列 前面用于将第一和第二图像两者聚焦到阵列上的透镜。探测器阵列可以是CCD阵列、CMOS阵列或红外线(IR)成像阵列,或者其它适合的阵列。在任一上述设备中,第二图像可以具有大于或显著大于第一图像的放大率。此外, 不需要变焦机构就可以得到放大率的范围。结合附图从以下详细的描述中将更加充分的认识和理解当前要求的发明,其中图1示意性地示出根据本发明的一个实施例的包含双视场成像光学器件的口服胶囊;图2示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于以低放大率等级提供物体的 宽视场图像的示例性成像系统;图3示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于以高放大率等级提供物体的 一部分的窄视场图像的示例性成像系统;图4示意性地示出根据本发明的一个实施例的通过将图2和图3中所示的系统组 合成一个具有双视场功能的合成系统而得到的示例性成像系统;图5示出根据本发明的一个实施例的当系统与物体置于使高放大率图像散焦的 距离时,在图4的系统的显示器上看到的图像的实例;图6示出根据本发明的一个实施例的当系统与物体置于使放大率图像最优化/聚 焦的距离时,在图4的系统的显示器上看到图像的实例;图7是示出根据本发明的一个实施例方法的流程图。
一种具有双视场的体内成像设备及使用方法,其中该体内成像设备具有有适度的放大率的宽视场,以及有显著更高的放大率的窄视场,其轴向地重叠于宽视场上。单个成像阵列用于两个视场。光学元件中的至少一些在两个不同的视场成像系统之间共享。具有显著小于低放大率系统的直径的高放大率系统的成像元件,与低放大率系统的成像元件同轴布置,从而可以使用相同的成像阵列而无需偏转镜、合束组合器或运动系统。它们定位在低放大率系统的轴上意味着环绕其中心轴的小部分成像平面被高放大率组件所遮挡。
具有双视场的体内成像设备及使用方法
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