СТЕРЕОСКОПИЧЕСКИЙ ВИДЕОЭНДОСКОП

Полезная модель относится к системам формирования и представления стереоскопических изображений с использованием монитора, позволяющего наблюдать изображение формата 3D, и предназначена для удаленного визуального исследования объектов, расположенных в труднодоступной полости, например, в организме человека или в иной частично замкнутой области пространства, доступ в которые затруднен в силу естественных конструктивных, анатомических или иных физических причин.
Известен стереоскопический видеоэндоскоп, содержащий корпус, являющийся дистальной частью видеоэндоскопа, в передней части корпуса расположены два одинаковых объектива, оптические оси которых в пространстве изображений параллельны, и два одинаковых твердотельных приемника изображения, причем каждый приемник изображения расположен на оптической оси соответствующего объектива, каждый объектив снабжен интегрированным фронтальным призматическим модулем, выполненным в виде блока склеенных между собой клиновидных призм и двух линз на входной и выходной поверхностях блока, а твердотельные приемники изображения установлены за каждым из объективов в дистальной части. Осветительный канал видеоэндоскопа выполнен на основе световодного волокна, RU 113376 U1, опубл. 10.02.2012.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Недостатком прототипа являются большие габаритные размеры дистальной части видеоэндоскопа, имеющие принципиальное значение, особенно, при использовании в малоинвазивных медицинских технологиях. Большие габаритные размеры обусловлены наличием двух приемников изображения, которые технически сложно выполнить в малых размерах, а также использованием осветительного канала на основе световодного волокна, что увеличивает размеры видеоэндоскопа, в частности, толщину гибкого соединительного вала. Кроме того, оптическая настройка двух параллельно работающих приемников изображения, включающая юстировку оптических осей объективов для уменьшения искажений стереоскопического изображения, является сложным процессом.
Задачей настоящей полезной модели является уменьшение габаритных размеров дистальной части стереоскопического видеоэндоскопа за счет использования одного объектива с апертурной диафрагмой, позволяющего использовать один приемник изображения, вместо двух, для удовлетворения требования к идентичности оптических схем получения левого и правого изображений стереопары.
Поставленная задача решается за счет того, что в стереоскопическом видеоэндоскопе, содержащем корпус, в передней части которого расположен источник света и объектив, за которым на оптической оси объектива установлен твердотельный приемник изображения, расположенный в плоскости, параллельной главной оптической плоскости объектива, при этом твердотельный приемник изображения выполнен в виде малоразмерной твердотельной матрицы, согласно полезной модели, в главной оптической плоскости объектива установлена диафрагма с двумя расположенными по горизонтали отверстиями, а между объективом и приемником изображения установлено два оптических затвора, расположенных напротив соответствующего отверстия диафрагмы в плоскости, параллельной главной оптической плоскости объектива, причем оптические затворы выполнены с возможностью попеременного открытия и закрытия для попеременного перекрытия света от соответствующего отверстия диафрагмы, при этом видеоэндоскоп снабжен устройством управления, выполненным с возможностью формирования сигналов, управляющих работой источника света, приемника изображения и оптических затворов, а также формирования телевизионного сигнала изображения.
Преимущественно, устройство управления содержит синхрогенератор, формирователь телевизионного сигнала изображения, формирователь сигналов управления твердотельным приемником изображения, формирователь сигналов управления оптическими затворами, формирователь тока питания источника света, при этом выход синхрогенератора соединен со входами формирователя телевизионного сигнала изображения, формирователя сигналов управления твердотельным приемником изображения, формирователя сигналов управления оптическими затворами, причем выход формирователя тока питания источника света соединен со входом питания источника света, выходы формирователя сигналов управления оптическими затворами соединены с оптическими затворами, прозрачность которых изменяется в противофазе при смене полей телевизионной развертки, выход формирователя сигналов управления твердотельным приемником изображения соединен со входом твердотельного приемника изображения, а вход формирователя телевизионного сигнала изображения соединен с твердотельным приемником изображения, при этом выход формирователя телевизионного сигнала изображения является выходом стереоскопического видеоэндоскопа.
Благодаря установлению в главной оптической плоскости объектива диафрагмы с двумя расположенными по горизонтали отверстиями, и расположению напротив соответствующего отверстия диафрагмы между объективом и приемником изображения двух оптических затворов, выполненных с возможностью попеременного открытия и закрытия для попеременного перекрытия света от соответствующего отверстия диафрагмы, создаются две идентичные оптические схемы получения левого и правого изображений стереопары, что позволяет использовать один объектив с апертурной диафрагмой, вместо двух, и один приемник изображения, вместо двух. Вследствие этого уменьшаются габаритные размеры дистальной части стереоскопического видеоэндоскопа. Устройство управления предложенной конструкции позволяет формировать сигналы, управляющие работой источника света, приемника изображения и оптических затворов, а также формировать телевизионный сигнал изображения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлено:
на Фиг. 1 - функциональная схема стереоскопического видеоэндоскопа;
на Фиг. 2 - конструктивные элементы стереоскопического видеоэндоскопа;
на Фиг. 3-оптическая схема стереоскопического видеоэндоскопа;
на Фиг. 4 - блок-схема устройства управления стереоскопического
видеоэндоскопа;
на Фиг. 5 - временная диаграмма управления работой оптических затворов.
Стереоскопический видеоэндоскоп содержит дистальную часть, заключенную в пыле- и влагонепроницаемый корпус 1, соединенную гибким соединительным валом с телевизионным монитором или стандартным телевизором с возможностью просмотра стереоскопических изображений формата 3D.
В передней части корпуса 1 расположен источник 2 света, выполненный в виде светодиодной лампы, и объектив 3, в главной оптической плоскости которого установлена апертурная диафрагма 4 с двумя расположенными по горизонтали отверстиями 5 и 6. Источник 2 света расположен в углублении передней части объектива 3. За объективом 3 на его оптической оси установлен твердотельный приемник 7 изображения, расположенный в плоскости, параллельной главной оптической плоскости объектива 3. Твердотельный приемник 7 изображения выполнен по технологии «прибор с зарядовой связью» (ПЗС) или по технологии «комплементарная структура металл-оксид-полупроводник» (КМОП) (см. Горбачев А.А., Коротаев В.В., Ярышев С.Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. -СПб.: НИУ ИТМО, 2013. - 98 с), например, в виде малоразмерной твердотельной матрицы, в частности, матрице типа 1/2,8'' CMOS Sony Exmor (IMX222), 2 Mpxl). Между объективом 3 и приемником 7 изображения установлено два жидкокристаллических оптических затвора 8 и 9, расположенных напротив соответствующего отверстия 5 и 6 диафрагмы 4 в плоскости, параллельной главной оптической плоскости объектива 3. Оптические затворы 8 и 9 выполнены с возможностью попеременного открытия и закрытия для попеременного перекрытия света от соответствующего отверстия 5 и 6 диафрагмы 4.
Видеоэндоскоп содержит устройство 10 управления, выполненное с возможностью формирования сигналов, управляющих работой источника 2 света, приемника 7 изображения и оптических затворов 8 и 9, а также формирования стандартного телевизионного сигнала 11 изображения на выходе видеоэндоскопа.
Устройство 10 управления (фиг. 4) содержит синхрогенератор 12, вырабатывающий сигнал синхронизации телевизионной кадровой развертки частотой 50 Гц и другие сигналы, входящие в состав стандартных телевизионных сигналов по ГОСТ 7841-92. Выход синхрогенератора 12 соединен со входами формирователя 13 телевизионного сигнала 11 изображения, формирователя 14 сигналов управления твердотельным приемником 7 изображения, формирователя 15 сигналов управления оптическими затворами 8 и 9. Устройство 10 управления содержит также формирователь 16 тока питания источника 2 света. Устройство 10 управления имеет вход 17 для подачи электрического питания, например, напряжением 12 В, для обеспечения работоспособности элементов 12-16.
Формирователь 16 тока питания источника 2 света выполнен, в частности, в виде стабилизатора тока, например, на микросхеме LM 317. Выход 18 формирователя 16 соединен со входом питания источника 2 света.
Формирователь 15 сигналов управления оптическими затворами 8 и 9 вырабатывает парафазный управляющий сигнал (фиг. 5), поступающий в прямой и обратной полярности через выходы 19 и 20 на жидкокристаллические оптические затворы 8 и 9. Как показано на фиг.5, прозрачность оптических затворов 8 и 9 изменяется в противофазе, изменения происходят при смене полей телевизионной развертки во время передачи кадрового импульса синхронизации (см. В.Е.Джакония и др. Телевидение: учебник для вузов - М., 2007. 616 с: ил.; Блинов Л.М._Жидкие кристаллы. Структура и свойства. М, 2013 480 с; https://www.ixbt.com/video/stereo-nv.shtml).
Формирователь 14 сигналов управления твердотельным приемником 7 изображения представляет собой источник сигналов, необходимых для работы твердотельного приемника 7 изображения и управляющих процессами адресации, считывания, переноса, развертки и формирования, тем самым, в твердотельном приемнике 7 сигнала телевизионного изображения (см. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле / В.В. Березин, А.А. Умбиталиев, Ш.С. Фахми, А К. Цыцулин, Н.Н. Шипилов; Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: Радио и связь, 2006. - 312 с). Выход 21 формирователя 14 соединен со входом твердотельного приемника 7 изображения.
Формирователь 13 телевизионного сигнала изображения предназначен для преобразования электрического сигнала, поступающего на его вход 22 от твердотельного приемника 7 изображения, в стандартный телевизионный сигнал путем добавления в него сигналов гашения, синхронизации и приведения этот сигнал к виду, удовлетворяющему требованиям ГОСТ 7845-92, обеспечивая сигналу изображения тем самым способность отображаться на мониторе или стандартном телевизоре, в том числе, имеющем функцию воспроизведения изображений в формате 3D. Выход 11 формирователя 13 является выходом стереоскопического видеоэндоскопа и связан через гибкий вал с телевизионным монитором или стандартным телевизором с возможностью просмотра стереоскопических изображений формата 3D.
Устройство работает следующим образом:
На вход 17 питания устройства 10 управления подают электрическое питание, например, напряжением 12 В, включается источник 2 света.
Изображение объекта 23 наблюдения, освещаемое источником 2 света, проходит через объектив 3, через левое 5 и правое 6 отверстия в диафрагме 4, а затем через оптические затворы 8 и 9, световой поток от объекта 23 наблюдения фиксируется твердотельным приемником 7 изображения.
Синхрогенератор 12 вырабатывает сигнал синхронизации телевизионной кадровой развертки частотой 50 Гц, поступающий на входы формирователей 13-15, которые вырабатывают соответствующие управляющие сигналы.
Формирователь 15 посредством сигналов на выходах 19 и 20 управляет работой жидкокристаллических затворов 8 и 9, заставляя их попеременно пропускать или блокировать световой поток от объектива 3 к приемнику 7 изображения с частотой, вдвое меньшей частоты кадровой развертки телевизионного сигнала (50 Гц). Световой поток от объекта 23 наблюдения проходит попеременно через левый или правый оптические затворы 8 и 9, обеспечивая формирование твердотельным приемником 7 сигнала изображения такого сигнала, который на протяжении одного поля телевизионной развертки соответствует, например, «левой» позиции наблюдения, определяемой положением левого отверстия 5 в диафрагме 4, а на протяжении следующего поля телевизионной развертки (фиг. 5) соответствует изображению «правой» позиции наблюдения, определяемой положением правого отверстия 6 в диафрагме 4 относительно объекта наблюдения. Сигнал изображения с выхода твердотельного приемника 7 сигнала изображения поступает на вход 22 формирователя 13 телевизионного сигнала изображения, где преобразуется в стандартный телевизионный сигнал, и через выход 11 устройства 10 управления поступает на выход стереоскопического видеоэндоскопа. Стандартный телевизионный сигнал, соответствующий сигналу изображения, может быть воспроизведен с помощью стереоскопического монитора или телевизора, позволяющего наблюдать изображение формата 3D с помощью специальных очков, Например, может быть использован телевизор Toshiba 47L7453RBЮ) который при приеме телевизионного сигнала с последовательным чередованием левого и правого изображений стереопары и частоте обновления экрана 100 Гц воспроизводит изображения стереопары с коммутируемой поляризацией и использованием поляризационных стереоочков (см. https://www.ixbt.com/dvd/toshiba-4717453rb.shtml). Аналогичными возможностями обладает телевизор LG 42LB652V (см. http://www.lg.com/ru/televisions/lg-42LB652V-lcd-led-televisions).
0
Оптическая схема получения стереоскопического изображения с помощью стереоскопического видеоэндоскопа показана на фиг. 3. Из рисунка следует, что объект наблюдения 23 находится на расстоянии L от объектива 3 видеоэндоскопа, а стереоскопический базис b стереосъемки объекта 23 определяется как расстояние между центрами отверстий 5 и 6 диафрагмы, при этом разность в углах наблюдения объекта 23 для обоих изображений стереопары составит величину:
где обозначения входящих в формулу величин поясняются на фиг. 3.
0
Например, при L=20 мм, а b=3 мм угловое смещение для обеих позиций стереосъемки составит величину около 10 градусов, что обеспечивает гарантию получения стереоскопического эффекта (см. Валюс Н.А., Стереоскопия. Изд АН СССР, М., 1962) при воспроизведении сигнала изображения с выхода 11 на стереоскопическом мониторе или стандартном телевизионном приемнике с функцией 3D.