CN106580236B - 立体内窥镜光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种立体内窥镜光学系统，包括沿着镜管的中心轴线对称配置的左、右两路光学系统，左、右光学系统从物体侧向成像侧方向均包括成像部件、传像部件、转像部件和摄像机模组；所述的成像部件用于对场景捕获并且焦距小于2mm；本发明的系统满足以下条件：(1)焦距<5mm；(2)20mm<景深<200mm；(3)70°<视场角<80°；(4)380mm<镜体工作长度<390mm；(5)5.2mm<视差<5.5mm。

Description

立体内窥镜光学系统
技术领域
本发明涉及立体内窥镜光学系统，特别涉及一种微创手术机器人下三维立体内窥镜光学系统结构。
背景技术
目前，机器人辅助手术操作已经成为国际医疗机器人领域热点研究方向。其中，机器人辅助微创手术操作以其应用范围广泛、需求度高等特点成为其中较为突出的研究内容。在传统腔镜手术操作中，医生通过观察由单路内窥镜捕获的2D平面图像进行手术，操作中医生缺乏对手术环境的直观立体感，从而限制医生的操作能力，增大手术工作强度，并降低了手术操作精度。机器人辅助微创手术操作将三维立体视觉技术应用到微创手术操作中，为医生提供具有深度感知的三维立体视觉成像，并提供整体或局部放大手术操作视野等功能。该领域的发展不仅提高了医生手术操作精度，延伸了外科医生的操作技能，而且大大缩短外科医生接受微创手术机器人培训周期，并广泛应用于多种外科手术中，为更多患有复杂疾病的病人进行成功救治。
目前应用于临床的微创外科手术机器人系统只有美国Intuitive Surgical公司开发的daVinci系统，该系统也是当前唯一通过美国FDA认证的商业化的人体微创外科手术机器人系统。但该机器人具有体积大、质量重和价格昂贵的缺点。迄今为止，具有立体视觉的微创手术机器人系统在国内没有形成商业化产品，这主要是由于技术难度大、医疗认证复杂和成本高等原因。
国内有个别单位将立体内窥镜作为单独产品做过研究和实验。所开发的微创手术立体内窥镜光学系统包括成像部件、传像部件、转像部件以及用于接收光线的光敏图像传感器CCD或CMOS，光学零件较多，光路结构复杂，降低光纤透过率并影响最终成像质量。另外，现有微创手术立体内窥镜的光学结构大多数是在平面内窥镜光学结构基础上进行双路调整得到，内窥镜景深范围、视场角、焦距范围和内窥镜镜体工作长度较小，不适合应用于微创手术机器人系统。微创手术机器人系统的光学结构需要较大范围的景深、较长的镜体工作长度和较大视场范围，而且要满足结构紧凑、装配工艺简单和图像清晰度高的要求。目前，对于立体图像捕获有单相机和双相机两种结构，而双相机的光学结构更加接近人体的双瞳观察特点。因此，开发一套满足上述微创手术机器人立体内窥镜要求，并符合人体双瞳观察舒适度的立体内窥镜光学系统非常重要。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种立体内窥镜光学系统。该系统具有0°和30°的视向角结构、较大视场角、大范围内窥镜景深、较长镜体工作长度，并且满足光学系统对焦调整需求。实现图像清晰度高，视场空间大，结构紧凑并便于消毒。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一种立体内窥镜光学系统，它包括沿着镜管的中心轴线对称配置的左、右两路光学系统，左、右光学系统从物体侧向成像侧方向均包括成像部件、传像部件、转像部件和摄像机模组；
所述的成像部件用于对场景捕获并且焦距小于2mm；
所述的传像部件包括至少一组转镜组，第一转镜组从物方到像方依次连接有第七胶合透镜、光阑、间隔管和第八胶合透镜,第七胶合透镜与第八胶合透镜结构完全相同，沿光阑处的成像面对称放置；第七、第八胶合透镜沿入射光线传递方向包括依次相互胶合相连的第七、第八胶合透镜的第一子透镜、第二子透镜和第三子透镜，第七、第八胶合透镜的第一子透镜面向物方的镜面为凸面，面向像方的镜面为凹面，第七、第八胶合透镜的第二子透镜为正透镜，第七、第八胶合透镜第二子透镜面向物面的镜面和像方的镜面均为凸面，第七、第八胶合透镜的第三子透镜面向物方的镜面为凹面，面向像方为凸面，所述的第七、第八胶合透镜的第二子透镜的两个凸面分别与第七、第八胶合透镜的第一子透镜的凹面以及第七、第八胶合透镜的第三子透镜的凹面相连；
所述的转像部件通过棱镜或反射镜将从传像部件射出的光轴转折90°增加两路平行光轴的分离度，光轴转折90°后再次转折90°使两路光轴沿与从传像部件射出的光轴平行的方向射出，再次转折90°后的两路光轴的距离为5.2mm-5.5mm；
所述的摄像机模组包括沿内窥镜中心轴线对称放置右路摄像机和左路摄像机，用于将从转像部件射出的腹腔内图像信息捕获后分别在右路摄像机和左路摄像机上进行成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1.所述的立体内窥镜光学系统满足以下条件：(1)焦距<5mm；(2)20mm<景深<200mm；(3)70°<视场角<80°；(4)380mm<镜体工作长度<390mm；(5)5.2mm<视差<5.5mm。
具有上述性能的本实施方式的立体内窥镜系统光学结构，根据性能1，满足临床应用的传统腹腔镜国际通行焦距标准，增强成像的三维立体感。
另外，根据性能2，能够获得适度的景深范围。在机器人辅助微创手术操作中，景深小于20mm以下的情况下容易产生立体感过强、外科医生眼睛疲劳和头晕的状况，当景深大于200mm以上时会大大降低立体感使得空间深度感知能力下降。同时，结合微创手术机器人多条操作臂协同工作的特点，本实施方式所提供的适度景深范围为操作医生提供对观察组织近景和远景的需要，也避免了过于狭小的视野范围会造成机械臂之间的干涉与碰撞问题。
另外，根据性能3，本实施方式为外科医生提供足够的视场角范围。当视场角较小时，内窥镜对观察组织信息量捕获不足，影响医生对解剖结构和病变组织的判断。当视场角较大时，视场内的图像会产生较大的畸变，导致医生对观察组织结构的误判断，并导致外科医生眼睛疲劳状况。
另外，根据性能4，立体内窥镜的工作长度满足微创手术机器人系统对立体内窥镜长度的要求。在机器人辅助微创手术操作中，操作臂通过快换连接装置夹持立体内窥镜以捕获操作场景信息。操作臂的运动空间较大需要立体内窥镜的工作长度大于传统手持平面内窥镜长度。
另外，根据性能5，立体内窥镜的双路光学结构视差满足立体成像需求。在立体内窥镜镜体外径尺寸的约束下，选择最大的立体视差以增强双路图像合成后的空间深度感。
2.本发明的光学系统为并行排列的两路相互独立、结构相同且对称的结构，布局紧凑，便于装配。通过调整平行间距模拟人眼观察物体时的位移视差，满足长时间观察舒适性。
3.本发明的转像棱镜通过两次光轴偏向，实现光线的入射方向与射出方向成所需偏转角度包括0°，30°，增加两路平行光轴的分离度并保证其平行度。手术中调整腹腔镜以获取更大的观察空间。
4.本发明的传像部件是一个成像放大率为1:1的对称结构，通过四组结构相同的光学转镜组，将腹腔内图像经长距离传输成像在图像传感器上，满足微创手术机器人系统对立体内窥镜较长镜体长度的要求。该对称转镜组结构减少了所需镜组数量，图像清晰度高，透光性好，光学性能优。
5.本发明的光阑放置于第一转镜组两组镜片中间位置，避免在光线交叉的情况下两条光线在光学图像的成像面发生重叠。
6.本发明的大棱镜胶合透镜组两侧的子透镜结构实现传像部件与转像部件之间的连接和定位。成像图像质量不受大棱镜装配精度的影响，两侧子透镜能够完全保证两路光学结构的光轴为预设的折线方向。可以大棱镜在立体内窥镜镜体内的多种放置结构，减小立体内窥镜外形尺寸。
7.本发明的转像部件结构中具有对焦调整结构，该结构可以补偿使用过程中由于温度和震动等外界环境变化对内窥镜本身结构带来的微小偏差变化。
附图说明
图1为本发明的立体内窥镜光学系统总体结构示意图；
图2-(a)为立体内窥镜光学系统30°视向角成像镜头结构；
图2-(b)为立体内窥镜光学系统0°视向角成像镜头结构；
图3为本发明的立体内窥镜光学系统传像单元总体结构示意图；
图4-(a)为本发明的立体内窥镜光学系统传像部分第一转镜组结构示意图；
图4-(b)为本发明的立体内窥镜光学系统传像部分第一转镜组的光线传递示意图；
图5为本发明的立体内窥镜光学系统传像部分第二转镜组结构示意图；
图6为本发明的立体内窥镜光学系统转像与成像单元总体结构示意图；
图7为本发明的立体内窥镜光学系统转像部件结构示意图；
图8为本发明的立体内窥镜光学系统光学传递函数。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
图1为本发明的立体内窥镜光学系统总体结构示意图。本发明的立体内窥镜光学系统由两路间隔排列、相互独立、结构相同且对称放置的光学系统组成，每个光学系统都包括成像部件1右路成像部件1-a和左路成像部件1-b，传像部件2右路传像部件2-a和左路传像部件2-b，转像部件3右路转像部件3-a和左路转像部件3-b和摄像机模组4右路摄像机4-a和左路摄像机4-b。两路光学系统沿着镜管5的中心轴线l对称配置，两个传递光轴G1G2并行排列在中心轴线l两侧。形成两个光学图像的两条光线分别不交叉地独立，通过配置的两台摄像机单元4，能够同时拍摄具有视差的两个光学图像。基于位移视差法双光路实时图像合成的立体成像原理，光学系统将腹腔内图像信息捕获后分别在右路摄像机4-a和左路摄像机4-b上进行成像，使得双光路系统分别获取有视差的视频流。
本发明中的成像部件1安装在光学系统的前部，是对场景捕获的第一部分，该部分的像质直接影响光学系统的最终成像质量。成像部件1的焦距小于2mm。传像部件2在不改变像面大小的情况下实现像的长距离传输，同时对像质进行调节。转像部件3通过棱镜或反射镜将光轴转折90°增加两路平行光轴的分离度，再次转折90°恢复两路光轴的平行度。该部分结构为摄像机单元提供足够的放置和位置调整空间。
在手术操作过程中，对操作空间内同一观察对象进行图像捕获后，观察获取的两幅操作场景图像，该平行排列结构能够抑制周边处产生纵向和横向偏移的问题。这种纵向和横向的周边偏移会使外科医生在观察合成后的立体图像时难以在大脑中对两幅图像进行融合处理，引起观察不适应状况并对观察对象产生错误的空间感知。本实施方式中的平行结构能够缓解这一问题的产生，为外科医生提供舒适的观察效果和准确的场景信息。
图2-(a)为30°视向角成像镜头结构；图2-(b)为0°视向角成像镜头结构。成像部件1安装于光学系统的前部，是对场景捕获的第一部分，该部分的像质直接影响光学系统最终成像质量。成像部件1的焦距小于2mm。两种视向角成像镜头结构分别为30°和0°满足不同机器人辅助微创手术类型的需求。
作为本发明的成像镜头结构的第一种实施方式，图2-(a)中，本发明的立体内窥镜光学系统30°视向角成像镜头结构。所述的成像部件从物体侧沿光线射出方向依次设置的保护片A1-1a、第二透镜A1-2a、小棱镜1-3a、第四透镜A1-4a、第五透镜A1-5a、第六胶合透镜A1-6a，所述的小棱镜1-3a为光轴偏向构件，透过了第二透镜1-2a的光线经小棱镜1-3a的入射面r6入射，再经下反射面r7和上反射面r8偏向两次后，经由射出面r9沿与镜管5的中心轴线l平行的方向射出，从第二透镜A1-2a射入的光线与从第六胶合透镜A1-6a射出的光线的夹角为30度。
作为本发明的一种实施方式：
所述的保护片A 1-1a为具有双侧平坦面的平行平板保护片；
第二透镜A1-2a的入射面r4为平坦面，其面向物方的入射面r4为平面，面向像方的射出面r5为凹面。
所述的第四透镜A1-4a为正透镜，其面向物方的入射面r10为平面，面向像方的射出面r11为凸面。
所述的第五透镜1-5a正透镜，其面向物方的入射面r12为凸面，面向像方的射出面r13为平面。
第六胶合透镜A1-6a由第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a和第六胶合透镜第二子透镜A1-6-2a组成。第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a面向物方的入射面r14和面向像方的射出面r15均为凹面，第六胶合透镜第二子透镜A1-6-2a为正透镜，其面向物方r15为凸面并与第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a面向像方的凹面胶合，第六胶合透镜第二子透镜A面向像方的射出面r16为凸面。
在本实施方式中，保护片1-1a为平行平板，保护片1-1a的入射面r2和射出面r3分别配置了平坦面，用于对镜管内镜组进行密封保护。第二透镜A1-2a为负透镜，第二透镜A1-2a的入射面r4为平坦面，其面向物方的入射面r4为平面，面向像方的射出面r5为凹面。通过改变两条光线在成像部件处的传递光轴G1、G2的平行间距能够调整本发明立体内窥镜的视差，能够获取对不同深度场合观察时的立体沉浸感，并且通过缩小两条光线的传递光轴G1、G2的平行间距，能够减小立体内窥镜镜体外径尺寸。
另外，物体侧配置了平坦面的小棱镜1-3a为玻璃平行平板，小棱镜1-3a位于第二透镜A1-2a与第四透镜A1-4a之间，为光轴偏向构件。由此，透过了物体侧的第二透镜1-2a的光线通过利用小棱镜1-3a的入射面和出射面偏向两次与镜管5的中心轴线l平行。小棱镜的四个面分别为入射面r6、下反射面r7、上反射面r8和射出面r9。下反射面r7与上反射面r8表面进行镀银处理，防止光线折射出小棱镜1-3a内部，同时避免外来杂光对折射光线的影响。
由此，在图2-(a)中，透过物体侧的保护片A1-1a与第二透镜A1-2a的光线沿传递光轴G1实现入射面r6和射出面r9偏向两次而向与入射方向成30度角的方向射出。第四透镜1-4a为正透镜，其面向物方的入射面r10为平面，面向像方的射出面r11为凸面。第五透镜1-5a正透镜，其面向物方的入射面r12为凸面，面向像方的射出面r13为平面。第六胶合透镜A1-6a由第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a和第六胶合透镜第二子透镜A1-6-2a组成。第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a为负透镜，面向物方的入射面r14为凹面，面向像方的射出面r15为凹面并与第六胶合透镜第二子透镜A1-6-2a胶合。第六胶合透镜第二子透镜A1-6-2a为正透镜，面向物方为凸面并与第六胶合透镜第一子透镜A1-6-1a胶合，面向像方的射出面r16为凸面。
作为本发明进一步优选的方案：
所述成像部件涉及的16个镜面的结构参数见表1：
表1
作为本发明的成像镜头结构的第二种实施方式，图2-(b)为本发明的立体内窥镜光学系统0°视向角成像镜头结构。所述的成像部件从物体侧沿光线射出方向依次设置有保护片B和光轴彼此重合的第二透镜B1-2b、第四透镜B1-4b、第五透镜B1-5b和第六胶合透镜B1-6b。
作为0°视向角成像镜头结构的一种实施方式：
在本实施方式中，所述的0°视向角成像镜头结构包括从物体侧沿光线射出方向依次间隔设置的保护片B1-1b、第二透镜B1-2b、第四透镜B1-4b、第五透镜B1-5b、第六胶合透镜B1-6b，第二透镜B1-2b、第四透镜B1-4b、第五透镜B1-5b和第六胶合透镜B1-6b的透镜中心均沿传递光轴G1方向放置。
所述的保护片B1-1b的入射面r2和射出面r3分别配置了平坦面，保护片B1-1b为平行平板；
所述的第二透镜B1-2b为负透镜，其面向物方的入射面r4为平面，面向像方的射出面r5为凹面；
所述的第四透镜B1-4b为正透镜，其面向物方的入射面r10为平面，面向像方的射出面r11为凸面；
所述的第五透镜B1-5b正透镜，其面向物方的入射面r12为凸面，面向像方的射出面r13为平面；
第六胶合透镜B1-6b由第六胶合透镜第一子透镜B1-6-1b和第六胶合透镜第二子透镜1-6-2b组成，所述的第六胶合透镜第一子透镜B1-6-1b为负透镜，面向物方的入射面r14为凹面，面向像方的射出面r15为凹面并与第六胶合透镜第二子透镜B1-6-2b的面向物方的入射面胶合。
第六胶合透镜第二子透镜B1-6-2b面向物方的入射面r15和面向像方的射出面r16均为凸面。
作为0°视向角成像镜头结构的所述成像部件涉及的镜面结构优选的参数见表1。
如图2-(b)所示，构成0°视向角成像镜头光学系统的各个光学构件相互靠近，因此，也可以使充分靠近的光学构件以成像部件1为整体成为共同的一体化的光学构件方式，来避免光学构件间彼此的干扰。特别是，通过使物体侧的成像部件1一体化，能够简化装配过程、并且提高装配精度。
所述的成像部件1中涉及的各透镜之间可以采用间隔圈间隔设置。
图3为本发明的立体内窥镜光学系统传像单元总体结构示意图。所述的成像部件的尾端透镜与传像部件的首端透镜之间通过间隔圈相连，本发明的传像部件是一个成像放大率为1:1的对称结构，包括至少一组转镜组，可以根据镜管长度的需要，从物方到像方依次可以连接有多组光轴彼此重合的转镜组。作为本发明的一种实施方式，可以包括四组转镜组，所述的四组转镜组的设置方式为：间隔圈一2-5、第一转镜组2-1、间隔圈二2-6、第二转镜组2-2、间隔圈三2-7、第三转镜组2-3、间隔圈四2-8、第四转镜组2-4与间隔圈五2-9。间隔圈一2-5左侧与成像部件的射出面r16为紧配合，两者之间无相对滑动。在本实施方式中，除第一转镜组2-1内设有光阑外，其余第二转镜组2-2、第三转镜组2-3与第四转镜组2-4为结构相同的光学转镜组，每组转镜组的光线在进入转组与射出转组时方向与大小保持一致。间隔圈一2-5、间隔圈二2-6、间隔圈三2-7、间隔圈四2-8与间隔圈五2-9为转镜组间间隔，实现转镜组间距准确定位，通过控制其精度范围，能够对各转镜组间像质传递起到控制作用。在本实施方式中，如图3所示，间隔圈一2-5、间隔圈二2-6、间隔圈三2-7、间隔圈四2-8与间隔圈五2-9为消光处理后的非反射表面，减小光学图像在光学构件间传递时候的杂光影响。所述的多转镜组结构满足微创手术机器人系统对立体内窥镜镜体长度的要求。与传统平面腹腔镜相比具有较长的镜体长度，本实施方式中应用于微创手术机器人系统的内窥镜镜体外径小于或等于12mm，镜体长度大于380mm小于390mm。同时，转镜组光学结构实现的另一功能为消除光学图像在传递过程中色差影响并且降低图像畸变程度。
图4-(a)为本发明的立体内窥镜光学系统传像部分第一转镜组结构示意图。本发明的第一转镜组2-1从物方到像方依次连接有第七胶合透镜2-1-1、光阑2-1-2、间隔管2-1-4和第八胶合透镜2-1-3。第七胶合透镜2-1-1与第八胶合透镜2-1-3结构完全相同，沿光阑2-1-2处的成像面r22对称放置。
在本实施方式中，第七胶合透镜2-1-1沿入射光线传递方向依次由相互胶合相连的第一子透镜A2-1-1-1、第二子透镜A2-1-1-2和第三子透镜A2-1-1-3。第一子透镜A2-1-1-1面向物方的镜面r18为凸面，面向像方的镜面r19为凹面，第二子透镜A2-1-1-2为正透镜，第二子透镜A面向物面的镜面r19和像方的镜面r20均为凸面，第三子透镜A2-1-1-3面向物方的镜面r20的凹面，面向像方r21为凸面，所述的第二子透镜A两个凸面分别与第一子透镜A凹面以及第三子透镜A的凹面相连。
光阑2-1-2在光轴方向上具有恒定的厚度，放置于第七胶合透镜2-1-1与第八胶合透镜2-1-3中间位置，避免在光线交叉的情况下两条光线在光学图像的成像面发生重叠。间隔管2-1-4为转镜组内间隔，间隔第七胶合透镜2-1-1和第八胶合透镜2-1-3的同时，对光阑2-1-2起到固定支撑作用。
第八胶合透镜2-1-3由沿入射光线传递方向依次由相互胶合相连的第一子透镜B2-1-3-1、第二子透镜B2-1-3-2和第三子透镜2-1-3-3组成。第一子透镜B2-1-3-1面向物方的镜面r23为凸面，面向像方为凹面，第二子透镜B2-1-3-2为正透镜，第二子透镜B面向物面的镜面r24和面向像方的镜面r25均为凸面。第三子透镜B2-1-3-3面向物方r25为凹面，面向像方的镜面r26为凸面。所述的第二子透镜B两个凸面分别与第一子透镜B凹面以及第三子透镜B的凹面相连。
如图4-(b)，立体内窥镜光学系统传像部分第一转镜组的光线传递示意图，成像面r27为形成光学图像的光线会聚面，同理，图3中所示成像面r37，r47，r57为相同的功能结构，分别为第二转镜组2-2、第三转镜组2-3和第四转镜组2-4的光线会聚面。成像面r32，r42，r52分别为第二转镜组2-2、第三转镜组2-3和第四转镜组2-4的转镜组内部成像面。
间隔圈二2-6放置于第八胶合透镜与第九胶合透镜之间。
图5为本发明的立体内窥镜光学系统传像部分第二转镜组结构示意图。第二转镜组在透镜结构上与第一转镜组相同，该结构简化了加工制造中的工艺并降低生产成本。本发明的第二转镜组从物方到像方依次设置第九胶合透镜2-2-1，间隔管2-2-2与第十胶合透镜。第九胶合透镜2-2-1和第十胶合透镜2-2-3均与第八胶合透镜2-1-3相同，沿光轴方向依次放置。间隔管2-2-2为转镜组内间隔，间隔第九胶合透镜2-2-1和第十胶合透镜2-2-3。第九胶合透镜的首端透镜与第一转镜组的间隔圈二2-6固定相连。
第二转镜组、第三转镜组以及第四转镜组中各相同的透镜的镜面的结构参数相同。
在本实施方式中，第九胶合透镜2-2-1沿入射光线传递方向依次由相互胶合相连依次相连的第一子透镜A2-2-1-1、第二子透镜A2-2-1-2和第三子透镜A2-2-1-3组成。第一子透镜A2-2-1-1面向物方的镜面r28为凸面，面向像方的镜面r29为凹面，第二子透镜A2-2-1-2为正透镜，第二子透镜A面向物面的镜面r29和像方的镜面r30均为凸面，第三子透镜A2-2-1-3面向物方的镜面r30的凹面，面向像方r31为凸面，所述的第二子透镜A两个凸面分别与第一子透镜A凹面以及第三子透镜A的凹面相连。
间隔管2-2-2为转镜组内间隔，放置于第九胶合透镜2-2-1与第十胶合透镜2-2-3中间位置，避免在光线交叉的情况下两条光线在光学图像的成像面发生重叠。
第十胶合透镜2-2-3由沿入射光线传递方向依次由相互胶合相连的第一子透镜B2-2-3-1、第二子透镜B2-2-3-2和第三子透镜2-2-3-3组成。第一子透镜B2-2-3-1面向物方的镜面r33为凸面，面向像方r34为凹面，第二子透镜B2-2-3-2为正透镜，第二子透镜B面向物面的镜面r34和面向像方的镜面r35均为凸面。第三子透镜B2-3-3-3面向物方r35为凹面，面向像方的镜面r36为凸面。所述的第二子透镜B两个凸面分别与第一子透镜B凹面以及第三子透镜B的凹面相连。
所述传像部件涉及镜面的结构参数见表2。
表2
图6为本发明的立体内窥镜光学系统转像与成像单元总体结构示意图，所述的转像部件3通过棱镜或反射镜将从传像部件射出的光轴转折90°增加两路平行光轴的分离度，光轴转折90°后再次转折90°使两路光轴沿与从传像部件射出的光轴平行的方向射出，再次转折90°后的两路光轴的距离为5.2mm-5.5mm；
所述的转像部件主要包括立体内窥镜右路转像部件3-a与立体内窥镜左路转像部件3-b。其中，两部分沿内窥镜中心轴线l对称放置。所述的摄像机模组用于将从转像部件3射出的腹腔内图像信息捕获后分别在在右路摄像机4-a和左路摄像机4-b上进行成像。右路摄像机4-a与左路摄像机4-b也沿内窥镜中心轴线l对称放置。其中，右路摄像机4-a与左路摄像机4-b为两个相同的高清摄像机，摄像机的CCD感光面即为光路系统的最终成像面。光线沿光轴方向在1/3英寸的CCD上成像，在后端可以对CCD位置调整。
图7为本发明的立体内窥镜光学系统转像部件结构示意图。本发明的光学系统转像部件沿入射光线传递方向依次间隔设置有第十一透镜3-1、大棱镜胶合透镜组3-2、第十二胶合透镜3-3、第十三透镜3-4和第十四挡片3-5，各透镜之间可以采用隔圈。
在本实施方式中，第十一透镜3-1为负透镜，其面向物方的镜面r58与面向像方的镜面r59均为凹面。大棱镜胶合透镜组3-2由第一子透镜C3-2-1、第二子透镜C3-2-2、大棱镜3-2-3和第三子透镜C3-2-4组成。其中，第一子透镜C3-2-1为正透镜，其面向物方的镜面r60和面向像方的镜面r61均为凸面，第二子透镜C3-2-2为负透镜，其面向物方的镜面r61为凹面，面向像方的镜面r62为平面，第三子透镜C3-2-4为正透镜，其面向物方的镜面r67为平面，其面向像方的镜面r68为凸面。大棱镜3-2-3具有四个平行平板面，分别为入射面r63、上反射面r64、下反射面r65和射出面r66，大棱镜的入射面r63与射出面r66平行，大棱镜的上反射面r64与大棱镜下反射面r65平行。
所述的转像部件的第十一透镜3-1与传像部件中的第四转镜组中最末端的透镜的镜面r56通过间隔圈五2-9紧密贴合。所述的第一子透镜C的两个凸面分别与第十一透镜3-1凹面以及第二子透镜C3-2-2凹面胶合相连，所述的第二子透镜C3-2-2的平面与大棱镜入射面r63胶合，所述的大棱镜射出面r66与第三子透镜C3-2-4平面胶合，从第二子透镜C3-2-2射出的光线经过大棱镜3-2-3入射面r63，再经过大棱镜3-2-3上反射面r64折射90度和下反射面r65折射90度，然后经过射出面r66射出。
本发明的大棱镜胶合透镜组两侧的子透镜结构实现传像部件2与转像部件3之间的连接和定位。因此，成像图像质量不受大棱镜装配精度的影响，两侧子透镜能够完全保证两路光学结构的传递光轴G1、G2为预设的折线方向。该光路结构使立体内窥镜镜体可以实现多种放置结构，减小立体内窥镜外形尺寸并降低设备的装配难度。
由此，透过物体侧第十一透镜3-1、第一子透镜3-2-1和第二子透镜3-2-2的光线沿光轴方向利用入射面r63和射出面r66偏向两次而向与入射方向平行的方向射出。第十二胶合透镜3-3由沿入射光线传递方向依次胶合连接的第一子镜D3-3-1和第二子镜D3-3-2组成。第一子镜D3-3-1为正透镜，其面向物方的镜面r69和面向像方的镜面r70均为凸面，第二子镜D3-3-2为负透镜，其面向物方的镜面r70和面向像方的镜面r71均为凹面，第十三透镜3-4为正透镜，其面向物方的镜面r73与面向像方的镜面r74均为凸面。所述的第二子镜D面向物方的凹面与第一子镜D的凸面胶合连接。
在本实施方式中，所述的第十二胶合透镜3-3与第十三透镜3-4间的间隔距离通过调节结构能够调整，所述的调节结构包括弹簧，所述的弹簧放置于第二子镜D3-3-2面向像方的镜面r71与第十三透镜面向物方的镜面r73之间，一个顶丝端面与第十三透镜面向像方的镜面r74接触，通过旋转顶丝带动第十三透镜3-4的直线移动，从而调整第十二胶合透镜3-3与第十三透镜3-4的间距，实现对焦调整。
可以将第十二胶合透镜3-3在镜管中的位置固定，沿水平方向推动第十三透镜3-4位置时，沿第十三透镜3-4两侧配设有限位装置设定其调整范围，所述的限位装置可以采用固定在镜管内的限位台阶。在立体内窥镜使用过程中，当其内部结构发生轻微移动后，例如，在使用中温度与湿度等环境变化对光学系统构件相对位置产生影响，以及运输中震动影响，调整第十二胶合透镜3-3与第十三透镜间的距离保证内窥镜图像成像质量。十四挡片3-5为平行平板，与镜管端面进行连接，用于对镜管内镜组进行密封保护，十四挡片3-5的入射面r75和射出面r76分别配置了平坦面。镜管内镜组整体均为密封设置，可在超声波下进行清洗，也满足等离子消毒的需要。
作为本发明的优选的实施方式，所述转像部件涉及镜面的结构参数见表3：
表3
图8为本发明的立体内窥镜光学系统光学传递函数。归一化坐标中分别计算视场角0°中央视场，视场角10°0.2视场、视场角19°0.5视场、视场角28°0.7视场，视场角37°边缘视场等多个视场的光学传递函数值。本发明在传递函数为0.3时，各个视场角的传递函数值都能大于60lp/mm。本发明的最大视场能够达到80°，并能够实现高分辨率高清晰度成像。

Claims (7)

1.立体内窥镜光学系统，其特征在于：包括沿着镜管(5)的中心轴线(l)对称配置的左、右两路光学系统，左、右光学系统从物体侧向成像侧方向均包括成像部件、传像部件、转像部件和摄像机模组；
所述的成像部件用于对场景捕获并且焦距小于2mm；
所述的传像部件包括至少一组转镜组，第一转镜组(2-1)从物方到像方依次连接有第七胶合透镜(2-1-1)、光阑(2-1-2)、间隔管(2-1-4)和第八胶合透镜(2-1-3),第七胶合透镜(2-1-1)与第八胶合透镜(2-1-3)结构完全相同，沿光阑(2-1-2)处的成像面(r22)对称放置；第七、第八胶合透镜沿入射光线传递方向包括依次相互胶合相连的第七、第八胶合透镜的第一子透镜、第二子透镜和第三子透镜，第七、第八胶合透镜的第一子透镜面向物方的镜面为凸面，面向像方的镜面为凹面，第七、第八胶合透镜的第二子透镜为正透镜，第七、第八胶合透镜第二子透镜面向物面的镜面和像方的镜面均为凸面，第七、第八胶合透镜的第三子透镜面向物方的镜面为凹面，面向像方为凸面，所述的第七、第八胶合透镜的第二子透镜的两个凸面分别与第七、第八胶合透镜的第一子透镜的凹面以及第七、第八胶合透镜的第三子透镜的凹面相连；
所述的转像部件(3)通过棱镜或反射镜将从传像部件射出的光轴转折90°增加两路平行光轴的分离度，光轴转折90°后再次转折90°使两路光轴沿与从传像部件射出的光轴平行的方向射出，再次转折90°后的两路光轴的距离为5.2mm-5.5mm；
所述的摄像机模组包括沿内窥镜中心轴线(l)对称放置右路摄像机(4-a)和左路摄像机(4-b)，用于将从转像部件(3)射出的腹腔内图像信息捕获后分别在右路摄像机(4-a)和左路摄像机(4-b)上进行成像；
所述的成像部件为30°视向角成像镜头结构，所述的30°视向角成像镜头结构从物体侧沿光线射出方向依次设置的保护片A(1-1a)、第二透镜A(1-2a)、小棱镜(1-3a)、第四透镜A(1-4a)、第五透镜A(1-5a)、第六胶合透镜A(1-6a)，所述的小棱镜(1-3a)为光轴偏向构件，透过了第二透镜A(1-2a)的光线经小棱镜(1-3a)的入射面(r6)入射，再经下反射面(r7)和上反射面(r8)偏向两次后，经由射出面(r9)沿与镜管(5)的中心轴线(l)平行的方向射出，从第二透镜A(1-2a)射入的光线与从第六胶合透镜A(1-6a)射出的光线的夹角为30度；
所述的保护片A(1-1a)为具有双侧平坦面的平行平板保护片；
第二透镜A(1-2a)面向物方的入射面(r4)为平面，面向像方的射出面(r5)为凹面；
所述的第四透镜A(1-4a)为正透镜，其面向物方的入射面(r10)为平面，面向像方的射出面(r11)为凸面；
所述的第五透镜A(1-5a)为正透镜，其面向物方的入射面(r12)为凸面，面向像方的射出面(r13)为平面；
第六胶合透镜A(1-6a)由第六胶合透镜第一子透镜A(1-6-1a)和第六胶合透镜第二子透镜A(1-6-2a)组成，其中，第六胶合透镜第一子透镜A(1-6-1a)为负透镜，其面向物方的入射面(r14)和面向像方的射出面(r15)均为凹面，第六胶合透镜第二子透镜A(1-6-2a)为正透镜，其面向物方(r15)为凸面并与第六胶合透镜第一子透镜A(1-6-1a)面向像方的凹面胶合，第六胶合透镜第二子透镜A面向像方的射出面(r16)为凸面。
2.立体内窥镜光学系统，其特征在于：包括沿着镜管(5)的中心轴线(l)对称配置的左、右两路光学系统，左、右光学系统从物体侧向成像侧方向均包括成像部件、传像部件、转像部件和摄像机模组；
所述的成像部件用于对场景捕获并且焦距小于2mm；
所述的传像部件包括至少一组转镜组，第一转镜组(2-1)从物方到像方依次连接有第七胶合透镜(2-1-1)、光阑(2-1-2)、间隔管(2-1-4)和第八胶合透镜(2-1-3),第七胶合透镜(2-1-1)与第八胶合透镜(2-1-3)结构完全相同，沿光阑(2-1-2)处的成像面(r22)对称放置；第七、第八胶合透镜(2-1-1)沿入射光线传递方向包括依次相互胶合相连的第七、第八胶合透镜的第一子透镜、第二子透镜和第三子透镜，第七、第八胶合透镜的第一子透镜面向物方的镜面为凸面，面向像方的镜面为凹面，第七、第八胶合透镜的第二子透镜为正透镜，第七、第八胶合透镜第二子透镜面向物面的镜面和像方的镜面均为凸面，第七、第八胶合透镜的第三子透镜面向物方的镜面为凹面，面向像方为凸面，所述的第七、第八胶合透镜的第二子透镜的两个凸面分别与第七、第八胶合透镜的第一子透镜的凹面以及第七、第八胶合透镜的第三子透镜的凹面相连；
所述的转像部件(3)通过棱镜或反射镜将从传像部件射出的光轴转折90°增加两路平行光轴的分离度，光轴转折90°后再次转折90°使两路光轴沿与从传像部件射出的光轴平行的方向射出，再次转折90°后的两路光轴的距离为5.2mm-5.5mm；
所述的摄像机模组包括沿内窥镜中心轴线(l)对称放置右路摄像机(4-a)和左路摄像机(4-b)，用于将从转像部件(3)射出的腹腔内图像信息捕获后分别在右路摄像机(4-a)和左路摄像机(4-b)上进行成像；
所述的成像部件为0°视向角成像镜头结构，所述的0°视向角成像镜头结构包括从物体侧沿光线射出方向依次间隔设置的保护片B(1-1b)、第二透镜B(1-2b)、第四透镜B(1-4b)、第五透镜B(1-5b)、第六胶合透镜B(1-6b)，第二透镜B(1-2b)、第四透镜B(1-4b)、第五透镜B(1-5b)和第六胶合透镜B(1-6b)的透镜中心均沿传递光轴(G1)方向放置；
所述的保护片B(1-1b)为平行平板；
所述的第二透镜B(1-2b)为负透镜，其面向物方的入射面(r4)为平面，面向像方的射出面(r5)为凹面；
所述的第四透镜B(1-4b)为正透镜，其面向物方的入射面(r10)为平面，面向像方的射出面(r11)为凸面；
所述的第五透镜B(1-5b)为正透镜，其面向物方的入射面(r12)为凸面，面向像方的射出面(r13)为平面；
所述的第六胶合透镜B(1-6b)由第六胶合透镜第一子透镜B(1-6-1b)和第六胶合透镜第二子透镜(1-6-2b)组成，所述的第六胶合透镜第一子透镜B(1-6-1b)为负透镜，面向物方的入射面(r14)为凹面，面向像方的射出面(r15)为凹面并与第六胶合透镜第二子透镜B(1-6-2b)的面向物方的入射面胶合；
所述的第六胶合透镜第二子透镜B(1-6-2b)面向物方的入射面(r15)和面向像方的射出面(r16)均为凸面。
3.根据权利要求1或者2所述的立体内窥镜光学系统，其特征在于：所述的第一转镜组的第八胶合透镜的第三子透镜的凸面通过间隔圈与第二转镜组的第九胶合透镜的首端透镜固定相连，所述的第二转镜组从物方到像方依次设置有第九胶合透镜(2-2-1)、间隔管(2-2-2)与第十胶合透镜，所述的第九胶合透镜(2-2-1)和第十胶合透镜与第八胶合透镜结构相同。
4.根据权利要求3所述的立体内窥镜光学系统，其特征在于：所述的转像部件沿入射光线传递方向依次间隔设置有第十一透镜(3-1)、大棱镜胶合透镜组(3-2)、第十二胶合透镜(3-3)、第十三透镜(3-4)和第十四挡片(3-5)。
5.根据权利要求4所述的立体内窥镜光学系统，其特征在于：所述的第十一透镜(3-1)为负透镜，其面向物方的镜面(r58)与面向像方的镜面(r59)均为凹面；所述的大棱镜胶合透镜组(3-2)由第一子透镜C(3-2-1)、第二子透镜C(3-2-2)、大棱镜(3-2-3)和第三子透镜C(3-2-4)组成；其中，第一子透镜C(3-2-1)为正透镜，其面向物方的镜面(r60)和面向像方的镜面(r61)均为凸面，第二子透镜C(3-2-2)为负透镜，其面向物方的镜面(r61)为凹面，面向像方的镜面(r62)为平面，第三子透镜C(3-2-4)为正透镜，其面向物方的镜面(r67)为平面，其面向像方的镜面(r68)为凸面,大棱镜(3-2-3)具有四个平行平板面，分别为入射面(r63)、上反射面(r64)、下反射面(r65)和射出面(r66)，大棱镜的入射面(r63)与射出面(r66)平行，大棱镜的上反射面(r64)与大棱镜下反射面(r65)平行；
所述的转像部件第十一透镜(3-1)与传像部件中的转镜组中最末端的透镜的镜面(r56)通过间隔圈紧密贴合；
所述的第一子透镜C的两个凸面分别与第十一透镜(3-1)凹面以及第二子透镜C(3-2-2)凹面胶合相连，所述的第二子透镜C(3-2-2)的平面与大棱镜入射面(r63)胶合，所述的大棱镜射出面(r66)与第三子透镜C(3-2-4)平面胶合，从第二子透镜C(3-2-2)射出的光线经过大棱镜(3-2-3)入射面(r63)，再经过大棱镜(3-2-3)上反射面(r64)折射90度和下反射面(r65)折射90度，然后经过射出面(r66)射出；
第十二胶合透镜(3-3)由沿入射光线传递方向胶合连接的第一子镜D(3-3-1)和第二子镜D(3-3-2)组成,所述的第二子镜D面向物方的凹面与第一子镜D的凸面胶合连接第一子镜D(3-3-1)为正透镜，其面向物方的镜面(r69)和面向像方的镜面(r70)均为凸面，第二子镜D(3-3-2)为负透镜，其面向物方的镜面(r70)和面向像方的镜面(r71)均为凹面，第十三透镜(3-4)为正透镜，其面向物方的镜面(r73)与面向像方的镜面(r74)均为凸面。
6.根据权利要求5所述的立体内窥镜光学系统，其特征在于：所述的第十二胶合透镜(3-3)与第十三透镜(3-4)间的间隔距离通过调节结构能够调整，所述的调节结构包括弹簧，所述的弹簧放置于第二子镜D(3-3-2)面向像方的镜面(r71)与第十三透镜面向物方的镜面(r73)之间，一个顶丝端面与第十三透镜面向像方的镜面(r74)接触，通过旋转顶丝带动第十三透镜(3-4)的直线移动，从而调整第十二胶合透镜(3-3)与第十三透镜(3-4)的间距，实现对焦调整。
7.根据权利要求6所述的立体内窥镜光学系统，其特征在于：所述的第十二胶合透镜(3-3)固定在镜管中，在第十三透镜(3-4)两侧的镜管中配设有限位装置设定其调整范围。
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