CN104049356B - 包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明是包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统。包括两个光学观察通道，两个光学通道物方主光线互相平行，两个物方主光线之间的距离为D；其特征在于：所述物镜光学系统还包括一个平凹透镜，紧贴光学通道的物镜前光学表面；平凹透镜具有前后两个光学面，前光学面为平面，后光学面为在平面上设置有两个球形凹面的光学面；两个球形凹面的球心至后光学面平面部分的距离设定为A；两个球形凹面的球心分别位于两条物方主光线的两个外侧，并且分别离较近处的物方主光线的距离为C；其中，R为指定的平凹透镜凹面半径，n为指定的平凹透镜光学材料的折算率，L为指定的最佳物距，B为指定的平凹透镜的厚度，并且满足B+A‑R＞0。能够提高手术器械空间定位精度。

Description

包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统

技术领域

本发明属于硬管内窥镜光学系统设计技术领域，具体涉及一种可以用于工业、医用或微创手术用双目立体内窥镜的硬管内窥镜体视物镜光学系统。

背景技术

从上世纪70年代开始，先进国家纷纷开展微创手术，硬管内窥镜是微创手术不可缺少的精密光学仪器，它有对病人损伤小、减少病人术间痛苦、术后康复时间短等多项优点，应用越来越广泛。

随着科学技术的不断发展，手术机器人作为一种新型微创手术平台，代替外科医生进行微创手术，如达芬奇手术机器人。它使外科手术的精度超越了人手的极限，对整个外科手术观念来说是一次革命性的飞跃，被广泛应用于泌尿外科、胸外科、妇科和腹部外科等微创手术领域。

手术机器人的关键核心技术是具有内窥镜功能的高分辨率三维(3D)镜头，对手术视野具有10倍以上的放大倍数，能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像，使主刀医生较使用普通腹腔镜手术更能把握操作距离，更能辨认组织结构，提升了手术精确度。

用于手术机器人微创手术的微创手术用双目立体内窥镜具有两个光学通道，具有两个接收用CCD摄像机，通过软件合成技术可以看到三维立体图像。

如图1所示，用于工业领域、医学领域和微创手术立体内窥镜领域的硬管内窥镜包括两个平行的光学通道，每个光学通道包括三部分：硬管内窥镜物镜(OBJ)、硬管内窥镜光学转像系统(REL)和硬管内窥镜目镜(OCU)，如图1所示。其中，硬管内窥镜物镜OBJ对物成倒像；硬管内窥镜光学转像系统REL对物镜OBJ所成的像重新1:1成像，经多次重新聚焦和转像之后最终在硬管内窥镜目镜OCU物方焦面(Object plate)上成正立的实像，使硬管内窥镜OCU的光学长度满足硬管内窥镜工作长度要求；观察者通过硬管内窥镜目镜观察正立实像。

现在手术机器人微创手术使用的微创手术用双目立体内窥镜，其两个光学通道的物方主光线是互相平行的，如图3所示，图4表示左右光学观察通道观察的位置不同，计算机图像匹配时取能看到的共同部分，图像匹配精度低，降低了立体图像的立体感和手术器械定位精度。

发明内容

本发明在设计用于工业或微创手术用双目立体内窥镜的硬管内窥镜物镜光学系统时，通过使物镜前端第一片平凹透镜偏心，使物方轴上点主光线相交于被观察组织表面，增加图像的立体感，减小使用计算机软件合成立体图像时，由于观察距离的变化带来的立体图像失真，可以提高手术器械空间定位精度。

本发明需要解决的技术问题为：由于微创手术用双目立体内窥镜的两个光学系统物方主光线平行导致的计算机合成立体图像立体感差，图像匹配精度低，手术器械位置定位精度低的技术难题。

本发明的技术方案如下所述：

一种包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统，包括两个光学观察通道，两个光学通道物方主光线互相平行，两个物方主光线之间的距离为D；其中：所述物镜光学系统还包括一个平凹透镜，紧贴光学通道的物镜前光学表面；平凹透镜具有前后两个光学面，前光学面为平面，后光学面为在平面上设置有两个球形凹面的光学面；

两个球形凹面的球心至后光学面平面部分的距离设定为A；

两个球形凹面的球心分别位于两条物方主光线的两个外侧，并且分别离较近处的物方主光线的距离为C；

$C=\frac{\mathrm{nDR}}{2(n-1)(B+A-R)+2\mathrm{nL}(n-1)}$

其中，R为指定的平凹透镜凹面半径，n为指定的平凹透镜光学材料的折算率，L为指定的最佳物距，B为指定的平凹透镜的厚度，并且满足B+A-R＞0。

如上所述的一种包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统，其中：平凹透镜胶合于光学通道的物镜前光学表面。

本发明取得的有益效果为：

增加微创手术用双目立体内窥镜图像的立体感，减小计算机软件合成立体图像时，由于观察距离的变化带来的立体图像失真，提高手术器械空间定位精度。

附图说明

图1为硬管内窥镜光学系统示意图；

图2为本发明光路示意图，两个光学观察通道的物方主光线相交于最佳物距处；

图3为现有技术立体内窥镜主光线方向示意图，其两个光学观察通道的物方主光线互相平行，

图4为现有技术立体内窥镜左右观察通道观察的范围不重合的示意图，如所示；

图5为本发明所述的硬管内窥镜物镜结构图，前组平凹透镜1、三胶合转向棱镜2与平凸透镜3胶合在一起；

图6为通过使平凹透镜偏心，改变立体内窥镜物方主光线方向结构示意图，平凹透镜偏心量使两个光学观察通道的物方主光线相交于最佳物距处。

其中，OBJ、硬管内窥镜物镜，REL、硬管内窥镜光学转像系统，OCU、硬管内窥镜目镜，R1、硬管内窥镜光学转像系统第一部分，R2、硬管内窥镜光学转像系统第二部分，R3、硬管内窥镜光学转像系统第三部分，

Object plate、硬管内窥镜目镜OCU物方焦面，

1、前组平凹透镜，2、三胶合转向棱镜，3、平凸透镜，4、硬管内窥镜物镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的微创手术用双目立体内窥镜体视物镜光学系统进行详细说明。

本实施方案，如图6所示，光学加工时，使平凹透镜偏心磨边时两组通道各有一个相同的固定偏心量，该偏心量使两个光学观察通道的物方主光线相交于最佳物距处，偏心大小为：

$C=\frac{\mathrm{nDR}}{2(n-1)(B+A-R)+2\mathrm{nL}(n-1)}$

其中，D为体视基距，即两个光学观察通道光轴互相平行部分光轴间的距离，R为平凹透镜凹面半径，n为平凹透镜光学材料的折算率，L为最佳物距，B为平凹透镜的厚度，A为平凹透镜凹面圆心到镜面的距离，装配时使平凹透镜光轴远离内窥镜端面对称轴方向，指定了等式右侧的各个参数后，即可求得符合要求的C。

本技术方案中并不限定于某一种固定的物镜，对于任何物镜，均可以通过粘贴本技术方案所述平凹透镜，进行改进，得到更加良好的物象，提高成像水平。

Claims (2)

1.一种包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统，包括两个光学观察通道，两个光学观察通道物方主光线互相平行，两个物方主光线之间的距离为D；其特征在于：所述物镜光学系统还包括一个平凹透镜，紧贴光学观察通道的物镜前光学表面；平凹透镜具有前后两个光学面，前光学面为平面，后光学面为在平面上设置有两个球形凹面的光学面；

两个球形凹面的球心至后光学面平面部分的距离设定为A；

两个球形凹面的球心分别位于两条物方主光线的两个外侧，并且分别离较近处的物方主光线的距离为C；

$C=\frac{nDR}{2(n-1)(B+A-R)+2nL(n-1)}$

其中，R为指定的平凹透镜凹面半径，n为指定的平凹透镜光学材料的折射率，L为指定的最佳物距，B为指定的平凹透镜的厚度，并且满足B+A-R>0。

2.如权利要求1所述的一种包括平凹透镜的双目立体内窥镜体视物镜光学系统，其特征在于：平凹透镜胶合于光学观察通道的物镜前光学表面。