一種圖像采集和原位投影的光學裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種圖像采集和原位投影的光學裝置，包括波分復用模塊，用于將兩種不同波長的光束復用至光纖中；光纖準直器，用于將光纖中輸出的光束進行準直；聚焦透鏡，用于將準直后的光束進行聚焦；MEMS掃描鏡，用于將聚焦后的光束反射到成像物體表面；光電檢測模塊，用于接收成像物體表面反射回的近紅外光并將其轉變?yōu)殡娦盘?；成像和投影控制模塊，用于根據電信號控制波分復用模塊輸出兩種不同波長的光束，并控制MEMS掃描鏡的偏轉速度。本發(fā)明由于成像光源和投影光源輸出的光被耦合到同一根光纖中再準直輸出，保證了二者的光路完全重合，可以在物體表面得到無漂移的投影圖像；并且性能穩(wěn)定、體積小、成本低。
【專利說明】一種圖像采集和原位投影的光學裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像檢測【技術領域】，更具體地，涉及一種圖像采集和原位投影的光學裝直。
【背景技術】
[0002]可見光波段為390_780nm，當物體表面各部分能夠對此波段的光形成差異化的反射率，就可以產生色彩或者灰度，形成人眼可見的圖像。但是也存在很多物體，其表面各部分對可見光的反射率無明顯差異，因此在可見光照射下，不能呈現出人眼可見的表面圖像。如果改成以可見光波段之外的其他光線來照射，就可能產生差異化的反射率，然而所呈現的圖像不能被人眼直接觀察到，只能以各種光電探測器來檢測。
[0003]比如某些膚色較深或者脂肪層偏厚的人，其手背的靜脈輪廓不甚清晰可見，而當以近紅外光照射時，則可以產生明顯差異化的反射率，形成圖像，然而此圖像非人眼可見。如果能夠以近紅外波段的光電探測器檢測此圖像，再以檢測到的圖像數據對可見光進行調制，原位投影到手背上，則可以觀察到靜脈的清晰輪廓。
[0004]因此對人眼不能直接觀察的物體表面圖像，可以通過分析物體的光譜特征，選擇以一種波長的光線(不可見光)來照射物體，并以相應的光電探測器來采集圖像信息，再通過另一種波長的光線(可見光)，將圖像原位投影到物體的表面，其效果等同于人眼直接觀察到物體的表面圖像。
[0005]現有的圖像采集和原位投影技術主要有兩種，第一種是以紅外CCD直接對物體表面成像，再以液晶面板將圖像通過可見光投影到物體表面，這種技術方案的優(yōu)點是成像和投影速度快，缺點是成本昂貴；第二種是以紅外光、掃描鏡、光探測器構成掃描成像系統，以可見光和掃描鏡構成掃描投影系統，這種技術方案的優(yōu)點是成本較低，其成像和投影速度稍低，但是可以滿足要求，因為人眼的視覺駐留效應，只要投影速度達到每秒25幀以上即可。
[0006]圖像采集和原位投影技術，要求投影光路與成像光路完全重合，以上兩種技術方案，均通過空間光路來實現二者的共線設計，運用了多組棱鏡和透鏡進行光路調整，光路結構復雜，不僅調節(jié)麻煩、誤差較大，而且占用空間，難以做到小型化。以上第二種方案中，如圖1所示，近紅外光源I發(fā)出近紅外光，經過濾波片和后續(xù)的透鏡組約束光束大小后并聚焦到投影物體表面，然后近紅外光束入射到行掃描鏡，假如將物體表面通過XY坐標系將各個點進行定位，轉動行掃描鏡的鏡面就可以將光束沿著X方向進行掃描。然后近紅外光束入射到場掃描鏡，轉動場掃描鏡的鏡面就可以將光束沿著Y方向進行掃描，這樣就可以將物體表面的每一個點都掃描到。近紅外光束經過物體表面反射后經過光電探測器處理后轉化為電信號輸入到控制模塊中，控制可見光源2發(fā)出可見光，并讓光電探測模塊暫停工作?？梢姽饨涍^上述光路路線之后，最終投射到物體表面成像，顯現出靜脈位置。采用一個行掃描鏡和一個場掃描鏡，實現二維掃描成像和投影，兩個掃描鏡使光路結構復雜化，并難以實現小型化設計。
【發(fā)明內容】

[0007]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種圖像采集和原位投影的光學裝置，其目的在于提供一種可以實現投影光路與成像光路的精確重合的光學裝置，由此解決現有技術中光路結構復雜且誤差大的技術問題。
[0008]本發(fā)明提供了一種圖像采集和原位投影的光學裝置，包括波分復用模塊，用于將兩種不同波長的光束復用至光纖中；光纖準直器，通過所述光纖與所述波分復用模塊連接，用于將所述光纖中輸出的光束進行準直；聚焦透鏡，用于將準直后的光束進行聚焦；MEMS掃描鏡，用于將聚焦后的光束反射到成像物體表面；光電檢測模塊，用于接收所述成像物體表面反射回的近紅外光并將其轉變?yōu)殡娦盘?；以及成像和投影控制模塊，分別與所述波分復用模塊、所述MEMS掃描鏡和所述光電檢測模塊連接，用于根據所述電信號控制所述波分復用模塊輸出兩種不同波長的光束，并控制所述MEMS掃描鏡的偏轉速度,還控制所述光電檢測模塊在近紅外光時工作，在可見光時暫停工作。
[0009]更進一步地，所述波分復用模塊包括第一半導體激光器、第二半導體激光器、濾波片和第一光纖頭；所述第一半導體激光器的輸入控制端與所述成像和投影控制模塊連接，作為成像光源，用于輸出一種波長(成像光源使用的是近紅外光)的光束；所述第二半導體激光器的輸入控制端與所述成像和投影控制模塊連接，作為投影光源，用于輸出另一種波長(投影光源是可見光)的光束；兩種不同波長的光束分別通過所述濾波片和所述第一光纖頭復用到同一根光纖中。
[0010]更進一步地，所述光纖準直器包括同軸設置的第二光纖頭、準直透鏡和玻璃管；所述玻璃管為環(huán)狀圓柱體且內部中空的結構，所述第二光纖頭和所述準直透鏡設置于所述玻璃管內，所述第二光纖頭用于固定光纖，所述玻璃管用于固定所述第二光纖頭和所述準直透鏡。
[0011]更進一步地，所述準直透鏡為第一柱形透鏡，所述第一柱形透鏡的輸入表面為平面，所述第一柱形透鏡的輸出表面為凸球面。
[0012]更進一步地，所述準直透鏡為第二柱形透鏡，所述第二柱形透鏡的輸入表面為平面，所述第二柱形透鏡的輸出表面為平面，所述第二柱形透鏡的折射率沿徑向按照拋物線規(guī)律漸變遞減。
[0013]更進一步地，所述聚焦透鏡的聚焦光斑的直徑2?f，準直光束的尺寸2ω。和所述聚焦透鏡的焦距f滿足公式作ωf=λf/πωc，λ為近紅外光的波長或可見光的波長。
[0014]更進一步地，所述MEMS掃描鏡的掃描速度大于每秒25幀。
[0015]本發(fā)明還提供了一種醫(yī)用靜脈影像儀，包括用于以近紅外光照射成像，再通過可見光原位投影于待測物體的光學裝置，其特征在于，所述光學裝置上述的光學裝置。
[0016]本發(fā)明由于成像光源和投影光源輸出的光被I禹合到同一根光纖中再準直輸出，因此可以保證二者的光路完全重合，從而可以在物體表面得到無漂移的投影圖像。并且波分復用模塊具有性能穩(wěn)定和體積小、成本低的特點；采用二維MEMS掃描鏡，進一步簡化了光路結構并縮小了系統的尺寸)【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是現有技術提供的光學裝置的結構示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明實施例提供的圖像采集和原位投影的光學裝置的模塊結構示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明實施例提供的圖像采集和原位投影的光學裝置中波分復用模塊的結構示意圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實施例提供的圖像采集和原位投影的光學裝置中光纖準直器的結構示意圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實施例提供的圖像采集和原位投影的光學裝置中MEMS掃描鏡的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0023]鑒于上述，針對現有技術的不足，本發(fā)明通過引入光纖和MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems,微電子機械系統)技術,提出了一種新型的圖像采集和原位投影的光學裝置，可以實現投影光路與成像光路的精確重合，并具有結構簡單、體積小和成本低的特點。
[0024]本發(fā)明提出的圖像采集和原位投影的光學裝置，包括波分復用模塊1、光纖準直器
2、聚焦透鏡3、MEMS掃描鏡4、光電檢測模塊5、以及成像和投影控制模塊6。波分復用模塊I輸出的光由光纖輸出到光纖準直器2,然后光束通過光路經過聚焦透鏡3,其中光纖準直器2的中心與聚焦透鏡3的中心同在光束中心，MEMS掃描鏡4中心設置于光束的中心。光電檢測模塊5置于經物體表面反射后的光束路徑上，成像和投影控制模塊6控制波分復用模塊I中的兩個光源的開斷以及MEMS掃描鏡4的偏轉速度，同時控制光電檢測模塊5在近紅外光時工作，在可見光時暫停工作。
[0025]其中，波分復用模塊I中包括兩個發(fā)射不同波長的半導體激光器、一個濾波片和一個光纖頭，兩個激光器分別作為成像光源和投影光源，二者發(fā)出的不同波長的光束，通過濾波片復用到同一根光纖中。光纖準直器2將光纖中輸出的光束進行準直。聚焦透鏡3將準直后的光束進行聚焦于成像物體表面。MEMS掃描鏡4將光束反射到成像物體表面。光電檢測模塊5接收成像物體表面反射回的近紅外光并將其轉變?yōu)殡娦盘枺㈦娦盘柾ㄟ^電路輸入到成像和投影控制模塊6。成像和投影控制模塊6通過電路分別控制波分復用模塊I中的兩半導體激光器的開斷以及MEMS掃描鏡4的偏轉速度，同時控制光電檢測模塊5在近紅外光時工作，在可見光時暫停工作。
[0026]該光學裝置的工作原理是，首先通過成像和投影控制模塊6點亮波分復用模塊I中的成像光源發(fā)出近紅外光，近紅外光信號入射到光纖準直器2并將近紅外光信號轉換為準直近紅外光束，準直紅外光束入射到聚焦透鏡3后聚焦到MEMS掃描鏡4上，并由成像和投影控制模塊6提供電壓控制其偏轉速度。MEMS掃描鏡4將入射光束反射并聚焦到成像物體表面的某個點后，近紅外光束再次反射，并將反射的近紅外光信號入射到光電探測模塊5，光電探測模塊5探測成像物體表面的反射光，由成像物體表面不同點所接收到的光信號強度不同從而測得不同反射點的反射率，以此得到反射點的圖像灰度，然后由光電探測模塊5反饋給成像和投影控制模塊6 —個電信號使成像和投影控制模塊6控制波分復用模塊I關掉近紅外光源，打開投影可見光源發(fā)出可見光信號，與此同時成像和投影模塊6控制光電檢測模塊5在近紅外光時工作,在可見光時暫停工作。然后可見光信號入射到光纖準直器2將可見光信號轉換為準直可見光束，準直可見光束入射到聚焦透鏡3后聚焦到其焦點處MEMS掃描鏡4上，MEMS掃描鏡4將入射光束投影并聚焦到成像物體表面第一次反射位置。通過成像和投影控制模塊6的協調控制，讓MEMS掃描鏡4以大于每秒25幀的速度進行二維掃描，并且光電檢測模塊5和波分復用模塊I的響應和切換速度高于掃描速度，就可以在物體表面得到穩(wěn)定的二維投影圖像。
[0027]在本發(fā)明實施例中，光纖準直器由一個光纖頭和一個準直透鏡組成。所述光纖準直器中的準直透鏡可以采用C-Lens或者自聚焦透鏡，準直光束的光斑尺寸，取決于所采用透鏡的參數。所述光纖準直器和波分復用模塊中的光纖頭，是通過一個毛細管固定光纖，以便在應用中進行裝配和定位。所述光纖頭中的毛細管，其內徑稍大于光纖外徑，其外徑則根據定位和裝配的需要進行設計，毛細管材料可以采用玻璃或者陶瓷。波分復用模塊中的濾波片，對成像光波長透射，而對投影光波長反射；或者對成像光波長反射，而對投影光波長透射。波分復用模塊中的兩個激光器均為半導體激光器，可靠性高、功耗低且利于小型化封裝。
[0028]作為本發(fā)明的一個實施例，波分復用模塊中用于耦合輸出的光纖，可以是單模光纖，也可以是多模光纖。聚焦透鏡由多片單透鏡組成，可以進行消像差設計，在物體表面得到較小的聚焦光斑，保證成像和投影的圖像分辨率。MEMS掃描鏡，可以沿著X軸和Y軸進行二維掃描，掃描面積取決于掃描鏡的偏角幅度和被掃描物體與掃描鏡的距離。
[0029]本發(fā)明實施例由于成像光源和投影光源輸出的光被I禹合到同一根光纖中再準直輸出，因此可以保證二者的光路完全重合，從而可以在物體表面得到無漂移的投影圖像。并且波分復用模塊具有性能穩(wěn)定和體積小、成本低的特點。采用二維MEMS掃描鏡，進一步簡化了光路結構并縮小了系統的尺寸。
[0030]本發(fā)明的主要思想是將成像光源和投影光源通過波分復用技術耦合到同一根光纖中，然后通過光纖準直器輸出，從原理上保證成像光路和投影光路完全重合；以一個二維偏轉的MEMS掃描鏡代替?zhèn)鹘y結構中的行掃描鏡和場掃描鏡兩個掃描鏡，實現整個系統的小型化設計。
[0031]本發(fā)明實施例提供的光學裝置與現有技術相比，主要區(qū)別是現有技術運用多個透鏡組進行光束變化以達到兩光束的光路重合，但是光束在傳播時是有發(fā)散角的，這里使用多透鏡也是為了避免兩光束在傳播過程中由于發(fā)散角導致的最后投影在物體表面是光斑大小不同而造成的投影失真這一情況的發(fā)生。同時，這個方案的掃描方式是用兩個掃描鏡對X方向和Y方向分開掃描，故而集成程度不高，占用了很大的空間。而本發(fā)明使用光纖將兩光束稱合在一起，即使光束在傳播過程中會有發(fā)散角，但是一直束縛在一根光纖中，所以可以很好的保證兩光束的光路重合。同時使用體積微小的MEMS掃描鏡，可以同時對X方向和Y方向進行掃描從而達到二維掃描，而我們經過一些結構參數的設計使得光束到達MEMS掃描鏡時光斑很小，能夠由MEMS完全反射。另外，現有技術是將光路在空間中傳播，運用透鏡組進行多次光路變換，不僅占用空間，而且光路重合效果很差，從而造成了誤差。本發(fā)明是將兩束光都耦合在一根光纖中，從而做到光路重合。而且在掃描和投影上，原有方案是用兩個鏡子(分別是行掃描鏡以及場掃描鏡)分別對X方向和Y方向進行掃描和投影，從而達到二維掃描。而本方案則是使用MEMS掃描鏡，其結構微小，而且運用靜電引力或者磁場引力作用于MEMS掃描鏡的X軸與Y軸，使得MEMS掃描鏡能在X方向和Y方向上都能進行轉動，從而進行二維掃描。
[0032]為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的光學裝置，現結合附圖對本發(fā)明做進一步描述:
[0033]參閱附圖2，該圖像采集和原位成像光學裝置的具體實施例中，包括波分復用模塊
1、光纖準直器2、聚焦透鏡3、MEMS掃描鏡4、光電檢測模塊5、以及成像和投影控制模塊6，其中成像和投影控制模塊6可以對波分復用模塊1、MEMS掃描鏡4和光電檢測模塊6三者進行協調控制，從而保證系統的正常工作。
[0034]參閱附圖3，波分復用模塊I中包括第一半導體激光器11、第二半導體激光器13、濾波片12和第一光纖頭14，兩個激光器分別作為成像光源和投影光源，二者發(fā)出的不同波長的光束，通過濾波片12復用并耦合到同一根光纖中。其中第一半導體激光器作為成像光源，輸出近紅外光；第二半導體激光器作為投影光源，輸出可見光；兩種不同波長的光束分別通過濾波片和第一光纖頭復用到同一根光纖中。
[0035]該光學裝置的工作原理是，首先通過成像和投影控制模塊6點亮波分復用模塊I中的成像光源發(fā)出近紅外光，近紅外光信號入射到光纖準直器2并將近紅外光信號轉換為準直近紅外光束，準直紅外光束入射到聚焦透鏡3后聚焦到MEMS掃描鏡4上，并由成像和投影控制模塊6提供電壓控制其偏轉速度。MEMS掃描鏡4將入射光束反射并聚焦到成像物體表面的某個點后，近紅外光束再次反射，并將反射的近紅外光信號入射到光電探測模塊5，光電探測模塊5探測成像物體表面的反射光，由成像物體表面不同點所接收到的光信號強度不同從而測得不同反射點的反射率，以此得到反射點的圖像灰度，然后由光電探測模塊5反饋給成像和投影控制模塊6 —個電信號使成像和投影控制模塊6控制波分復用模塊I關掉近紅外光源，打開投影可見光源發(fā)出可見光信號，與此同時成像和投影模塊6控制光電檢測模塊5在近紅外光時工作,在可見光時暫停工作。然后可見光信號入射到光纖準直器2將可見光信號轉換為準直可見光束，準直可見光束入射到聚焦透鏡3后聚焦到其焦點處MEMS掃描鏡4上，MEMS掃描鏡4將入射光束投影并聚焦到成像物體表面第一次反射位置。通過成像和投影控制模塊6的協調控制，讓MEMS掃描鏡4以大于每秒25幀的速度進行二維掃描，并且光電檢測模塊5和波分復用模塊I的響應和切換速度高于掃描速度，就可以在物體表面得到穩(wěn)定的二維投影圖像。
[0036]參閱附圖4，光纖準直器2由第二光纖頭21、準直透鏡22和玻璃管23組成，第二光纖頭21、準直透鏡22和玻璃管23同軸設置；玻璃管23為環(huán)狀圓柱體且內部中空的結構，第二光纖頭21和所述準直透鏡22設置于玻璃管23內，第二光纖頭21用于固定光纖頭和準直透鏡22。其中，玻璃管為環(huán)狀圓柱體，內部中空，其內徑包著光纖頭和準直透鏡，光纖頭，用以固定光纖頭和準直透鏡。光纖頭是毛細玻璃管，光纖插入光纖頭內管，光纖頭用以對光纖起支撐和固定作用，光纖外徑略小于光纖頭內徑。準直透鏡的軸線與光纖在同一直線上。綜合來說，玻璃管、準直透鏡、光纖透鏡、光纖是同軸的，也就是說它們的軸線是在同一條直線上。第二光纖頭21對光纖起支撐和定位作用，其內徑稍大于光纖外徑，其外徑則根據裝配需要設計，第二光纖頭21 —般以玻璃或者陶瓷材料制作。準直透鏡22可以采用C-Lens或者自聚焦透鏡,如附圖4 (a)所不,C-Lens是一種柱形透鏡,輸入和輸出表面分別為平面和凸球面，準直光束的光斑尺寸2 ω。取決于光波長λ、光纖中的模場直徑2 Oc1、以及C-Lens參數:材料折射率η和球面曲率半徑R，如式(I)。
[0037]
【權利要求】
1.一種圖像采集和原位投影的光學裝置，其特征在于，包括: 波分復用模塊(1)，用于將兩種不同波長的光束復用至光纖中； 光纖準直器(2)，通過所述光纖與所述波分復用模塊(I)連接，用于將所述光纖中輸出的光束進行準直； 聚焦透鏡(3)，用于將準直后的光束進行聚焦； MEMS掃描鏡(4)，用于將聚焦后的光束反射到成像物體表面； 光電檢測模塊(5)，用于接收所述成像物體表面反射回的近紅外光并將其轉變?yōu)殡娦盘枺灰约? 成像和投影控制模塊(6)，分別與所述波分復用模塊(I)、所述MEMS掃描鏡(4)和所述光電檢測模塊(5)連接，用于根據所述電信號控制所述波分復用模塊(I)輸出兩種不同波長的光束，并控制所述MEMS掃描鏡(4)的偏轉速度，還控制所述光電檢測模塊(5)在近紅外光時工作，在可見光時停止工作。
2.如權利要求1所述的光學裝置，其特征在于，所述波分復用模塊(I)包括第一半導體激光器(11 )、第二半導體激光器(13)、濾波片(12)和第一光纖頭(14); 所述第一半導體激光器(11)的輸入控制端與所述成像和投影控制模塊(6)連接，作為成像光源，用于輸出一種波長的光束； 所述第二半導體激光器(13)的輸入控制端與所述成像和投影控制模塊(6)連接，作為投影光源，用于輸出另一種波長的光束； 兩種不同波長的光束分別通過所述濾波片(12)和所述第一光纖頭(14)復用到同一根光纖中。
3.如權利要求1所述的光學裝置，其特征在于，所述光纖準直器(2)包括同軸設置的第二光纖頭(21)、準直透鏡(22)和玻璃管(23);所述玻璃管(23)為環(huán)狀圓柱體且內部中空的結構，所述第二光纖頭(21)和所述準直透鏡(22 )設置于所述玻璃管(23 )內，所述第二光纖頭(21)用于固定光纖，所述玻璃管用于固定所述第二光纖頭和所述準直透鏡。
4.如權利要求3所述的光學裝置，其特征在于，所述準直透鏡(22)為第一柱形透鏡，所述第一柱形透鏡的輸入表面為平面，所述第一柱形透鏡的輸出表面為凸球面。
5.如權利要求3所述的光學裝置，其特征在于，所述準直透鏡(22)為第二柱形透鏡，所述第二柱形透鏡的輸入表面為平面，所述第二柱形透鏡的輸出表面為平面，所述第二柱形透鏡的折射率沿徑向按照拋物線規(guī)律漸變遞減。
6.如權利要求1-5任一項所述的光學裝置，其特征在于，所述聚焦透鏡(3)的聚焦光斑的直徑2?f，準直光束的尺寸2ω。和所述聚焦透鏡(3)的焦距f滿足公式卿=$，λ為近紅外光的波長或可見光的波長。
7.如權利要求1-6任一項所述的光學裝置,其特征在于,所述MEMS掃描鏡的掃描速度大于每秒25幀。
8.一種醫(yī)用靜脈影像儀，包括用于以近紅外光照射成像，再通過可見光原位投影于待測物體的光學裝置，其特征在于，所述光學裝置為權利要求1-7任一項所述的光學裝置。
【文檔編號】G02B6/32GK103543495SQ201310338283
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年8月5日 優(yōu)先權日:2013年8月5日
【發(fā)明者】萬助軍, 錢銀博, 米仁杰, 李曉磊, 劉陳, 劉德明, 胡雪麗 申請人:華中科技大學, 河南海闊醫(yī)療器械有限公司