CN105242393A - 一种立体内窥镜电子成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立体内窥镜电子成像光学系统，物镜和由三组结构对称的棒状透镜构成的1:1转像系统后面，沿光线传播方向依次为Hopkins棒状透镜、一组及以上的转像双胶合透镜、斜方棱镜、成像双胶合透镜、单透镜和保护窗口；该系统将前述转像系统的像直接放大到CCD或CMOS像素面，轴向放大率为1.1～2；其中：所述Hopkins棒状透镜用于增加系统的工作长度，有效减少透镜数量；所述斜方棱镜用于增加立体内窥镜两个光学通道后续透镜组的光轴间距离，满足两个CCD或CMOS器件的空间布局要求；所述成像双胶合透镜和单透镜用于放大图像，参与校正系统畸变，使系统畸变减小。

Description

一种立体内窥镜电子成像光学系统

技术领域

本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种小畸变、大视场立体内窥镜电子成像光学系统设计。

背景技术

当今世界上微创手术已经成为外科医学各领域发展方向。微创手术具有对病人损伤小、减少术间病人痛苦、术后康复时间短等多项优点，应用越来越广泛。而任何一项微创手术的开展都离不开硬管内窥镜。硬管内窥镜由于技术先进、应用方便、产品多样化、专业化，因此受到患者和外科医生的欢迎。目前，膀胱镜、宫腔镜、喉镜、鼻窦镜、腹腔镜、关节镜等各种硬管内窥镜在我国县级医院已经普遍应用。

传统的微创手术由医生亲自操作手术器械，通过观察硬管内窥镜的二维电子图像来进行，手术精确性因人而异，长时间的手术也会偶尔发生误操作。随着电子技术的不断发展，出现了手术机械人，通过手术机械人的机械手精确控制手术器械，可以提高手术精度，减小创口，使病人快速康复。

为了精确控制手术器械的位置，手术机械人使用立体内窥镜观察病变组织，该立体内窥镜具有两个观察用光学通道，每个通道的光学图像分别成像在CCD或CMOS上，利用软件技术合成立体图像，在显示器上显示。

对于立体内窥镜或腹腔镜来讲，需要视场角大，一般需大于80°，以便观察大范围手术视野。80°视场角的光学系统，相对畸变在25％左右。为了不使手术器械的图像变形，要求光学系统畸变小，一般相对畸变需小于5％，国外内窥镜生产商通常使用非球面技术校正光学系统畸变。

如图1所示，硬管内窥镜光学系统包含三部分：硬管内窥镜物镜OBJ，对物体成倒像；硬管内窥镜光学转像系统REL，对物镜所成的像重新1:1成像，经多次转像后最终在硬管内窥镜目镜物方焦面处成正立的实像(硬管内窥镜光学转像系统含有多组结构相同的转像透镜组，这些转像透镜组将物镜所成的像多次成像，增加光学系统总长，以满足硬管内窥镜工作长度的要求)；硬管内窥镜目镜OCU，将内窥镜图像成像在无穷远，观察者可通过其观察前述正立实像。

通过目镜观察内窥镜图像的方法现在已经很少使用，尤其是腹腔镜微创手术，必须使用内窥镜转像系统。例如：在目镜后加一个接口透镜，将目镜的无穷图像成像在CCD或CMOS器件上。在显示器上看到的是二维图像，它没有深度方向的位置信息。

图2至图5分别表示现有技术中不同光学结构形式的常用硬管内窥镜光学转像系统结构示意图。

CMOS器件上。在显示器上看到的是二维图像，它没有深度方向的位置信息。

图2至图5分别表示现有技术中不同光学结构形式的常用硬管内窥镜光学转像系统结构示意图。

如图2所示的硬管内窥镜光学转像系统结构图，为早期硬管内窥镜光学转像系统，由一对由薄正透镜1和薄负透镜2组成的双胶合透镜组构成，孔径光阑3位于中间，垂轴像差得到良好校正。但由于采用薄透镜组，系统理论光能透过率较低，且在装配时镜片容易倾斜，从而影响系统像质，现在几乎没有企业采用。

如图3、图4和图5所示的硬管内窥镜光学转像系统结构示意图，均为Hopkins提出棒状镜转像系统后，各企业使用的不同结构形式。与图2所示结构相比，理论光能透过率高，对于尿道膀胱镜等超细硬管内窥镜来讲，像面亮度明显提高。

如图3所示的硬管内窥镜光学转像系统中，一对Hopkins棒状透镜4，一端与焦距为负的薄负透镜2相胶合，薄负透镜2使用高折射率、高色散的光学玻璃，用于校正轴向色差，但不能校正场曲。该结构的优点是结构简单，缺点在于Hopkins棒状透镜非胶合面半径大，用传统的光学加工工艺加工比较困难，国外企业采用该结构较多。

如图4所示的硬管内窥镜光学转像系统中，Hopkins棒状透镜4，两端分别与焦距为负的薄负透镜2相胶合，薄负透镜2使用高折射率、高色散的光学玻璃，用于校正轴向色差，但不能校正场曲。该结构优点是采用对称结构，Hopkins棒状透镜4两端的薄透镜2结构参数相同，Hopkins棒状透镜球面半径小，加工相对来讲比较容易；该结构的缺点是胶合面多，胶合时容易偏心，胶合面对图像质量影响大。国内企业大多数采用该结构。立体内窥镜，如果转像系统采用7组图4所示结构，镜片数量达到42片，胶合面28个，这将使光能透过率下降，并且加工误差也会使图像质量劣化。

目前，硬管内窥镜光学转像系统通常使用如图4所示结构，它是对称结构，Hopkins棒状透镜球面半径小，采用玻璃打孔配盘的方法加工。Hopkins棒状透镜、打孔玻璃配与夹具用胶粘接固定后，再进行细磨和抛光。每次细磨和抛光过程会导致Hopkins棒状透镜定心精度下降，并且很难加工球面半径大的Hopkins棒状透镜。

如图5所示结构，由两片Hopkins棒状透镜4组成，其棒状透镜两个球面半径相同，孔径光阑3位于两片Hopkins棒状透镜4中间，并且第一片棒状透镜4的像方焦点与第二片棒状透镜4的物方焦点重合，构成双远心(4F)系统，转像系统中间像(物)位于第一片棒状透镜4的物方焦点，转像系统中间像(像)第二片棒状透镜4的像方焦点处。该结构无法校正任何像差，球面半径大，不论采用玻璃打孔配盘还是磨边定心工艺，加工难度都非常大，几乎没有企业采用该结构。

立体内窥镜具有两个光学观察通道，每个观察通道的物镜和转像系统和传统的硬管内窥镜相同。它需要将目镜无穷远的像成像在CCD或CMOS器件上的接口透镜。立体内窥镜同时使用两个CCD或CMOS器件上，光学系统设计时必须考虑空间布局。

综上所述，立体内窥镜光学系统设计涉及物镜、转像系统、电子成像光学系统设计三方面，如何使三者有机结合在一起，在满足工作距和空间布局要求的前提下，光学系统光能透过率最高、图像清晰，畸变小，是需要解决的技术难题。

发明内容

针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种立体内窥镜电子成像光学系统，设计大视场、小畸变、高质量、低成本立体内窥镜光学系统。

本发明提出了一种立体内窥镜电子成像光学系统，该系统沿光线传播方向依次为Hopkins棒状透镜、一组及以上的转像双胶合透镜、斜方棱镜、成像双胶合透镜、单透镜和保护窗口；该系统的转像透镜的像被直接放大到CCD或CMOS像素面，轴向放大率为1.1～2；其中：

所述Hopkins棒状透镜用于增加系统的工作长度，有效减少透镜数量；

所述斜方棱镜用于增加立体内窥镜两个光学通道后续透镜组的光轴间距离，满足两个CCD或CMOS器件的空间布局要求；

所述成像双胶合透镜和单透镜用于放大图像，参与校正系统畸变，使系统畸变减小。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明没有使用目镜，使光学系统透镜片数最少，可以减小透镜表面反射导致的杂散光，提高图像对比度；

(2)本发立体内窥镜电子成像光学系统中有一片Hopkins棒状透镜，可以增加立体内窥镜工作长度，减少转像系统组数，减少胶合面数，可以减小胶合面对光能的吸收，提高光能透过率；

(3)本发明斜方棱镜后的双胶合透镜和单透镜参与系统畸变校正，可以最大限度校正系统畸变，同时保证边缘视场照度，提供清晰的电子图像；

(4)本发明的立体内窥镜光学系统透镜片数少，加工成本低，装配简单。

本发明涉及物镜、转像系统、电子成像透镜系统设计三方面，使三者有机结合在一起，在满足工作距要求的前提下，光学系统光能透过率高、电子图像清晰，畸变小，解决了这方面的技术难题。

附图说明

图1为硬管内窥镜光学系统结构示意图；

图2至图5为现有技术中几种常用硬管内窥镜光学转像系统结构示意图；

图6为本发明的棒状透镜结构示意图；

图7为本发明的立体内窥镜物镜结构示意图，a)为直视物镜结构图，b)为斜视物镜结构图；

图8为本发明的电子成像透镜系统结构实施例示意图，分别与两CCD或CMOS器件分别对接，以获得并显示立体图像。

附图标记：1：薄正透镜；2：薄负透镜；3：孔径光阑；4：Hopkins棒状透镜；5：蓝宝石保护片；6：第一平凹负透镜；7：第二平凹负透镜；8：等效平行平板；9：平凸透镜；10：棱镜；11：物镜第一胶合件；12：物镜第二胶合件；13：Hopkins棒状透镜；14：一组或两组双胶合透镜；15：斜方棱镜；16：双胶合透镜；17：单透镜；18：保护窗口。

具体实施方式

立体内窥镜具有两个光学观察通道，每个观察通道结构参数相同。对于立体内窥镜来讲，不需要人直接观察光学图像，而是观察显示器上的电子图像，因此，它不需要有目镜，这是与硬管内窥镜不同的。它需要将最后一组转像系统的像成像在CCD或CMOS器件像素面上，该系统同时使用两个CCD或CMOS器件，设计时必须考虑空间布局。

下面结合附图和光学设计数据表1对本发明的立体内窥镜光学系统进行详细说明。

物镜采用孔径光阑前具有两片平凹透镜的反远距结构，两片平凹透镜可以很好地平衡轴上和轴外像差，并提供足够的后工作距。结构见图7(a)。为了满足直视和斜视内窥镜的需要，还有考虑棱镜的结构，见图7(b)。

如图7a所示的直视立体内窥镜物镜结构图，蓝宝石保护片5、第一平凹负透镜6、第二平凹负透镜7、平行平板8(也可以与后续平凸透镜加工成一体)、平凸透镜9，五者胶合在一起；图7b是30°斜视立体内窥镜物镜结构图，该结构包括蓝宝石保护片5、第一平凹负透镜6、第二平凹负透镜7、棱镜10、平凸透镜9，五者胶合在一起；。其优点是提高了密封的可靠性，降低了装配难度。

立体内窥镜工作长度在300mm～450mm之间，选择转像系统结构和组数是关乎系统图像质量的关键。例如：耳镜工作长度小于100mm，采用1组转像系统就可以了；关节镜工作长度180mm，采用三组转像系统；尿道膀胱镜工作长度300mm，采用5组转像系统；对于工作长度380mm的立体内窥镜，转像系统采用7组似乎比较合理。

为了使立体内窥镜成正立实像，转像系统组数必须是奇数。本发明采用3组转像系统，并且使用图5所示结构。但3组转像系统无法提供380mm的工作距。本专利由电子成像透镜系统提供一部分工作长度，巧妙解决了3组转像系统工作长度不足的难题。与采用5组(最大30片透镜)或7组(最大42片透镜)转像系统相比，本专利结构镜片数仅有6片。3组转像系统无法校正任何像差，如何校正色差是设计的技术难点。本专利结构利用物镜和子成像透镜系统联合校正色差。

电子成像透镜系统沿光线传播方向依次为凸平Hopkins棒状透镜13、一组或两组双胶合透镜14、斜方棱镜15、双胶合透镜组16、单透镜17、平行平板18，参见图8。凸平Hopkins棒状透镜13起增加工作长度的作用；一组或两组双胶合透镜14可以平衡色差及轴外像差；斜方棱镜用于增加后续电子器件间的光轴间的距离，便于两个CCD或CMOS器件的安装；后续双胶合透镜组和单透镜组合在一起，将图像放大的同时，与物镜配合，达到校正各种像差，尤其是畸变的作用。

表1立体内窥镜光学系统光学设计数据表

序号	半径	厚度	材料
				物面	1e+018	20	Air
1	1e+018	0.8	SAPHIR_SPECIAL

2	1e+018	0.4	K9
				3	1.368	0.3	Air
4	1e+018	0.4	K9
				5	3.081	0.3	Air
6	1e+018	3	LaF10
				Sto	1e+018	3.4	LaF10
8	1e+018	4.63	LaF10
				9	-5	1.3	Air
10	62.95	4.3	ZBaF21
				11	-5.48	2	SF4
12	1e+018	0.6	Air
				13	6.045	3.8	K9
14	-4.58	2	SF4
				15	1e+018	4.1	Air
16	1e+018	4.3	Air
				17	16.65	41.35	K9
18	-16.65	4.3	Air
				19	1e+018	4.3	Air
20	16.65	41.35	K9
				21	-16.65	4.3	Air
22	1e+018	4.3	Air
				23	16.65	41.35	K9
24	-16.65	4.3	Air
				25	1e+018	4.3	Air
26	16.65	41.35	K9

27	-16.65	4.3	Air
				28	1e+018	4.3	Air
29	16.65	41.35	K9
				30	-16.65	4.3	Air
31	1e+018	4.3	Air
				32	16.65	41.35	K9
33	-16.65	4.3	Air
				34	1e+018	4.3	Air
35	16.65	38	K9
				36	1e+018	2.3	Air
37	1e+018	1.5	SF4
				38	10	4	ZK14
39	-26.7	1.2	Air
				40	1e+018	0	Air
41	26.7	0.8	SF4
				42	10	4	ZK14
43	-26.7	15	Air
				44	1e+018	18.2	K9
45	1e+018	11.3	Air
				46	1e+018	0	Air
47	1e+018	0	Air
				48	1e+018	0	Air
49	1e+018	3	ZK14
				50	-4.7	1.5	F1
51	5.728	2.9	Air

52	11.749	5.6	ZBaF21
				53	-21	2.2	Air
54	1e+018	5	K9
				55	1e+018	11.6	Air
56	1e+018	0	Air
				像面	1e+018	0	Air

表1中，1～14面为物镜结构参数，优化设计时要控制凹面3、5的半径，使其平台具有足够的宽度，以便于胶合后不漏水，6～8面间的厚度要等于转向棱镜的等效厚度。

表1中，15面为物镜的像面。

表1中，17～33面为三组转像系统结构参数，由两片棒状透镜组成，其棒状透镜两个球面半径相同，为16.65，材料K9。孔径光阑位于两片棒状透镜中间，并且第一片棒状透镜的像方焦点与第二片棒状透镜的物方焦点重合，构成双远心(4F)系统，转像系统中间像(物)位于第一片棒状透镜的物方焦点，转像系统中间像(像)第二片棒状透镜的像方焦点处。该结构无法校正色差，必须用物镜和后续的电子成像透镜系统校正。结构见图4。

表1中，35～55面为电子成像透镜系统结构参数；35～36面为凸平Hopkins棒状透镜13，凸面半径依然采用16.65，有效增加立体内窥镜工作长度，提高了系统的加工工艺性；37～43面为一组或两组双胶合透镜14的结构参数；44～45面为平面，它的厚度等于斜方棱镜15的等效厚度，以便两个CCD或CMOS器件不干涉；49～53面为双胶合透镜组16、单透镜17，将前面系统的像放大，使图像充满CCD或CMOS，同时参与校正转像系统的色差和物镜畸变；54～55面为平行平板，起密封窗作用。

图8是本发明的立体内窥镜与各种光学元件的布局图，最右边是像面，与CCD或CMOS器件的像面重合。

光学加工时，凹面3、5的的平台需要抛光，以便于胶合，并与后面的棱镜或平凸透镜胶合。

Claims (1)

1.一种立体内窥镜电子成像光学系统，其特征在于，物镜和由三组结构对称的棒状透镜构成的1:1转像系统后面，沿光线传播方向依次为Hopkins棒状透镜、一组及以上的转像双胶合透镜、斜方棱镜、成像双胶合透镜、单透镜和保护窗口；该系统将前述转像系统的像直接放大到CCD或CMOS像素面，轴向放大率为1.1～2；其中：

所述Hopkins棒状透镜用于增加系统的工作长度，有效减少透镜数量；

所述斜方棱镜用于增加立体内窥镜两个光学通道后续透镜组的光轴间距离，满足两个CCD或CMOS器件的空间布局要求；

所述成像双胶合透镜和单透镜用于放大图像，参与校正系统畸变，使系统畸变减小。