CN107315241A - 一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学系统设计技术领域，具体涉及一种用于手术显微镜的大物镜系统，特别是一种连续变焦大物镜系统。本发明提出的用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，负透镜组为固定组，变焦形式采用机械补偿法，通过沿光轴方向移动正透镜组实现连续变焦和景深可调，实现了焦距范围从230mm到400mm，工作距从150mm到350mm，术面观察范围从Φ20mm到Φ125mm的变焦设计。同时，光学设计时使用复消色差技术，选取含异常色散系数的特定光学玻璃，系统分辨率高，图像清晰。

Description

一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统

技术领域

本发明属于光学系统设计技术领域，具体涉及一种用于手术显微镜的大物镜系统，特别是一种连续变焦大物镜系统。

背景技术

手术显微镜放大了手术视野，使医生能够看清手术部位的精细结构，可以进行凭肉眼无法完成的各种显微手术，拓展了手术治疗范围，提高了手术精细程度，广泛应用在眼科、耳鼻喉科、口腔科、神经外科、手外科、妇科等众多医疗领域中。手术显微镜有大物镜型和小物镜型两种形式，高性能手术显微镜一般选用大物镜型，大物镜又分为定焦式和变焦式两种，相对于定焦式，变焦式大物镜工作距可调，手术中可因实际需要调换不同焦距的大物镜，缩短手术时间，并可降低由于更换物镜带来的交叉感染。

在手术显微镜大物镜设计方面，国内较少选用变焦形式，公开号为CN103558683A的中国发明专利申请公开的“用于手术显微镜的长工作距复消色差大物镜”是一个定焦系统，工作距较长，但无法调节。

理想的用于手术显微镜的大物镜系统，应当可以同时满足连续变焦和工作距可调。连续变焦系统是一种焦距可以连续变化，而在变焦过程中术面保持稳定且像质保持良好的系统，可得到不同大小的视场角、不同大小的影像和不同景物范围，在视场转换过程中能够保持图像的连续性。景深决定手术显微镜的工作距离，大物镜景深可调，其通过沿光轴移动系统中特定光学透镜组来实现手术显微镜的工作距可调，使手术操作更准确，对手术中不同深浅的部位处理更精准。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，以解决如何获得连续可变的工作距的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，该连续变焦大物镜系统沿光路路径依次设置有大物镜系统、变倍系统、接目物镜系统和目镜系统；其中，大物镜系统距离物面最近；大物镜系统包括负透镜组和正透镜组，负透镜组靠近物面，正透镜组靠近变倍系统；负透镜组为固定组，正透镜组沿光轴移动以实现连续变焦大物镜的连续变焦。

进一步地，正透镜组为三胶合透镜，负透镜组为双胶合透镜。

进一步地，从变倍系统向物面的方向，正透镜组依次具有胶合连接的第一透镜、第二透镜和第三透镜；负透镜组依次具有胶合连接的第四透镜和第五透镜；其中，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均为双球面透镜。

进一步地，从变倍系统向物面的方向，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜依次具有第三至第九球面；其中，第三球面的半径为109.19mm，厚度为6.95mm；第四球面的半径为-490.56mm，厚度为7.8mm；第五球面的半径为-64.0mm，厚度为4.0mm；第六球面的半径为-137.75mm，厚度为21.07mm至1.07mm；第七球面的半径为-130.23mm，厚度为5.35mm；第八球面的半径为-70.56mm，厚度为4.0mm；第九球面的半径为-230.87mm，厚度为150.0mm至350.0mm。

进一步地，第三透镜和第四透镜的间隔为21.07mm时，连续变焦大物镜系统的焦距为230mm，工作距为150mm。

进一步地，第三透镜和第四透镜的间隔为1.07mm时，连续变焦大物镜系统的焦距为400mm，工作距为350mm。

进一步地，第一透镜采用的光学玻璃为H-ZLaF68。

进一步地，第二透镜采用的光学玻璃为H-ZPK1。

进一步地，第三透镜和第四透镜采用的光学玻璃为H-ZF62。

进一步地，第五透镜采用的光学玻璃为H-QF6。

(三)有益效果

本发明提出的用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，负透镜组为固定组，变焦形式采用机械补偿法，通过沿光轴方向移动正透镜组实现连续变焦和景深可调，实现了焦距范围从230mm到400mm，工作距从150mm到350mm，术面观察范围从Φ20mm到Φ125mm的变焦设计。同时，光学设计时使用复消色差技术，选取含异常色散系数的特定光学玻璃，系统分辨率高，图像清晰。

附图说明

图1为本实施例连续变焦大物镜系统示意图；

图2为本实施例入瞳直径Φ6.4mm，入瞳距55mm，焦距230mm，工作距150mm大物镜系统示意图；

图3为本实施例入瞳直径Φ6.4mm，入瞳距55mm，焦距400mm，工作距350mm大物镜系统示意图；

图4为本实施例入瞳直径Φ17mm，入瞳距70mm，焦距230mm，工作距150mm大物镜系统示意图；

图5为本实施例入瞳直径Φ17mm，入瞳距70mm，焦距400mm，工作距350mm大物镜系统示意图；

图6为本实施例入瞳直径Φ17mm，入瞳距86mm，焦距230mm，工作距150mm大物镜系统示意图；

图7为本实施例入瞳直径Φ17mm，入瞳距86mm，焦距400mm，工作距350mm大物镜系统示意图；

图8为本实施例正负透镜组与变焦位置曲线

图9为本实施例高倍率大物镜MTF曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例提出一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，其结构如图1所示。该连续变焦大物镜系统沿光路路径依次设置有大物镜系统10、变倍系统20、接目物镜系统30和目镜系统40。

本实施例的连续变焦大物镜系统，可实现的技术性能为：

a)焦距：230mm～400mm；

b)工作距：150mm～350mm；

c)术面观察范围：Φ20mm～Φ125mm；

d)光阑A直径：Φ6.4mm～Φ17mm；

e)系统总长(第一表面到最后一面的距离)：58mm。

其中，大物镜系统10距离物面最近。大物镜系统10距离所观察的物面最近。大物镜系统10是整个手术显微镜的关键之一，大物镜系统10可将光线聚焦在手术区域并为后续光学系统提供准直光束。

图2为大物镜系统10的示意图。从变倍系统20向物面的方向，大物镜系统10依次具有正透镜组100和负透镜组200。负透镜组200为固定组，正透镜组100沿光轴移动以实现连续变焦大物镜的连续变焦。其中，从变倍系统20到物面的方向，正透镜组100依次具有胶合连接的第一透镜110、第二透镜120和第三透镜130，负透镜组200依次具有胶合连接的第四透镜210和第五透镜220。第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜210和第五透镜220均为双球面透镜。

手术显微镜一般为双目成像，后续光学系统由两路组成，即变倍系统20、接目物镜系统30和目镜系统40均为两路光路。后两路光路的单光路光轴与大物镜系统的光轴存在一定的偏移量，本实施例使用的光阑A偏移量取11mm。光阑A大小和位置由后续光学系统实际入瞳大小和位置(因变倍而变化)而定。

光阑A到第一透镜110的间隔设计时取55mm、70mm、86mm，对应光阑A大小Φ6.4mm、Φ17mm、Φ17mm；对应术面作像方线视场。设计中采用了实用性很强的多重结构设计法。

该系统采用复消色差技术，分别为三胶合透镜和双胶合透镜，为校正系统色差，同时使用较少的透镜片数简化结构，两个胶合组均采用特殊色散的光学材料，详见表1。

表1

面序号	半径(mm)	厚度(mm)	光学材料	光阑孔径(mm)
					1Stop(光阑)	Infinity	55(可变)		Φ6.4(可变)
2(虚拟面)	Infinity	0.5(可变)
					3	109.19	6.95	H-ZLaF68	Φ54.0
4	-490.56	7.8	H-ZPK1	Φ54.0
					5	-64.0	4.0	H-ZF62	Φ54.0
6	-137.75	21.07(可变)		Φ54.0
					7	-130.23	5.35	H-ZF62	Φ54.0
8	-70.56	4.0	H-QF6	Φ54.0
					9	-230.87	150.0(可变)		Φ54.0
Image	Infinity	0.0		Φ125.0(可变)

从变倍系统向物面的方向，第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜210和第五透镜220依次具有第三至第九球面(对应于上表的面序号3至9)。其中，第三球面的半径为109.19mm，厚度为6.95mm；第四球面的半径为-490.56mm，厚度为7.8mm；第五球面的半径为-64.0mm，厚度为4.0mm；第六球面的半径为-137.75mm，厚度为21.07mm至1.07mm；第七球面的半径为-130.23mm，厚度为5.35mm；第八球面的半径为-70.56mm，厚度为4.0mm；第九球面的半径为-230.87mm，厚度为150.0mm至350.0mm。

图2至图7是示意了六个不同光阑直径和位置、不同焦距、不同工作距的大物镜的具体实施例。其中，图2是入瞳直径为Φ6.4mm，入瞳距T1为55mm，焦距为230mm，工作距L1为150mm的大物镜系统示意图；图3是入瞳直径为Φ6.4mm，入瞳距T2为55mm，焦距为400mm，工作距L2为350mm的大物镜系统示意图；图4是入瞳直径为Φ17mm，入瞳距T3为70mm，焦距为230mm，工作距L3为150mm的大物镜系统示意图；图5是入瞳直径为Φ17mm，入瞳距T4为70mm，焦距为400mm，工作距L4为350mm的大物镜系统示意图；图6是入瞳直径为Φ17mm，入瞳距T5为86mm，焦距为230mm，工作距L5为150mm的大物镜系统示意图；图7是入瞳直径为Φ17mm，入瞳距T6为86mm，焦距为400mm，工作距L6为350mm的大物镜系统示意图。

本发明的大物镜系统变焦采用机械补偿式，通过沿光轴方向移动正透镜组100来实现连续变焦，焦距范围从230mm到400mm选取5个点，对应焦距、工作距及正负透镜组的间隔见表2。其中，正、负透镜组间隔即正透镜组100的第三透镜130与负透镜组200的第四透镜210之间的间隔。

表2

焦距(mm)	工作距(mm)	正、负透镜组间隔(mm)
			230	150.0	21.07
270	198.4	14.10
			320	256.4	7.84
370	314.5	3.27
			400	350.0	1.07

图8是正负透镜组间隔与变焦位置的曲线，两组间隔从20.07mm到1.07mm，正透镜组100行程为20mm，变焦曲线平滑无拐点，接近线性，保证了系统变焦的可行性。

图9是高倍率大物镜MTF曲线。医生更为关心的是高倍率像质的优劣，低倍率主要用于捕获病变部位，其分辨率可以适当的降低，故重点考察大物镜高倍率的成像质量，MTF@35lp/mm≥0.3，接近衍射极限，说明高倍率大物镜具有较好的成像质量，符合使用要求。

本实施例提出的大物镜系统连续变焦、工作距可调，能够避免手术中更换大物镜带来的不便，缩短手术时间，减少由于更换大物镜带来的院内交叉感染。同时，光学设计时使用复消色差技术，选取含异常色散系数的特定光学玻璃，系统分辨率高，图像清晰。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于手术显微镜的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述连续变焦大物镜系统沿光路路径依次设置有大物镜系统、变倍系统、接目物镜系统和目镜系统；其中，所述大物镜系统距离物面最近；所述大物镜系统包括负透镜组和正透镜组，所述负透镜组靠近所述物面，所述正透镜组靠近所述变倍系统；所述负透镜组为固定组，所述正透镜组沿光轴移动以实现所述连续变焦大物镜的连续变焦。

2.如权利要求1所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述正透镜组为三胶合透镜，所述负透镜组为双胶合透镜。

3.如权利要求2所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，从所述变倍系统向所述物面的方向，所述正透镜组依次具有胶合连接的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述负透镜组依次具有胶合连接的第四透镜和第五透镜；其中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜均为双球面透镜。

4.如权利要求3所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，从所述变倍系统向所述物面的方向，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜依次具有第三至第九球面；其中，所述第三球面的半径为109.19mm，厚度为6.95mm；所述第四球面的半径为-490.56mm，厚度为7.8mm；所述第五球面的半径为-64.0mm，厚度为4.0mm；所述第六球面的半径为-137.75mm，厚度为21.07mm至1.07mm；所述第七球面的半径为-130.23mm，厚度为5.35mm；所述第八球面的半径为-70.56mm，厚度为4.0mm；所述第九球面的半径为-230.87mm，厚度为150.0mm至350.0mm。

5.如权利要求4所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜的间隔为21.07mm时，所述连续变焦大物镜系统的焦距为230mm，工作距为150mm。

6.如权利要求4所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜的间隔为1.07mm时，所述连续变焦大物镜系统的焦距为400mm，工作距为350mm。

7.如权利要求3所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第一透镜采用的光学玻璃为H-ZLaF68。

8.如权利要求3所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第二透镜采用的光学玻璃为H-ZPK1。

9.如权利要求3所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第三透镜和所述第四透镜采用的光学玻璃为H-ZF62。

10.如权利要求3所述的连续变焦大物镜系统，其特征在于，所述第五透镜采用的光学玻璃为H-QF6。