CN107450151A - 手术显微镜无焦连续变倍系统 - Google Patents

手术显微镜无焦连续变倍系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无焦连续变倍系统，用于一手术显微镜中，手术显微镜包括变焦凸轮，变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，无焦连续变倍系统包括沿光轴依次配置的第一至第四透镜组，第一透镜组为前固定组；第二透镜组为补偿组；第三透镜组为变倍组；第四透镜组为后固定组；变焦凸轮转动带动第二透镜组和第三透镜组同时沿光轴运动时，系统焦距值呈线性连续变化，其中，第三透镜组按照第二凸轮曲线的规律运动，第二透镜组按照第一凸轮曲线的规律运动，第一凸轮曲线为指数曲线，第二凸轮曲线为线性曲线。在连续变焦距系统中，系统焦距值与变焦凸轮的一条凸轮曲线同为线性变化，这为该系统的工程化提供了巨大的优势。

Description

手术显微镜无焦连续变倍系统
技术领域
本发明涉及一种连续变倍系统，具体地说，是涉及一种高分辨力手术显微镜的无焦连续变倍系统。
背景技术
手术显微镜系统物平面位于大物镜物方焦平面上，经过大物镜后，出射平行光束，经过变倍系统后，出射仍为平行光束，由其后的辅助镜组将此平行光束会聚于目镜的物方焦面上，整个系统的变倍调焦是通过无焦变倍组的变焦实现的。无焦变倍系统是手术显微镜光学系统的关键组成部分，承担了手术显微镜系统连续变倍功能，实现了物平面范围的连续改变，消除了医生因视场跳跃而带来的不适感，同时采用消色差技术，使得医生获得的图像清晰、颜色失真小，提高了手术过程中的安全性。
申请号为200610068032.0的中国发明专利，公开了一种变焦透镜装置，变焦凸轮转动时带动相关透镜组移动以达到变焦的目的。
申请号为201310668054.0的中国发明专利申请公开了一种显微镜光学变焦系统，组成该系统的各透镜组件中分别包含双胶合透镜、单透镜以及三单透镜结构，结构以及变倍较为复杂。同时，其显微镜光学变焦系统的凸轮曲线为一条线性、一条U型的回头曲线，且该系统未提及在透镜移动变化过程中系统焦距值的变化趋势。在手术显微镜光学系统中，对连续变焦成像系统的体积有严格要求，需要体积小型化，现有的光学变焦系统达不到要求。
发明内容
(1)发明目的
本发明的目的是提供一种连续变焦光学系统，采用四组元变倍形式，视场变化范围为0至8.8°，入曈直径变化范围为6.4mm至17mm，变倍比为1:6，同时本发明涉及的变焦距光学系统的焦距在变焦过程中为线性均匀变化，消除了焦距变化的拐点，使用更为流畅、舒适、便捷、无跳跃感。
本发明的另一目的是提供一种包含上述的无焦连续变倍系统的手术显微镜。
(2)发明内容
为了实现上述目的，本发明提供一种手术显微镜无焦连续变倍系统，用于手术显微镜中，所述手术显微镜包括变焦凸轮，所述无焦连续变倍系统包括沿光轴依次配置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第一透镜组为前固定组，所述第四透镜组为后固定组，所述变焦凸轮转动带动所述第二透镜组和所述第三透镜组同时于所述第一透镜组和所述第四透镜组之间沿光轴运动以使系统焦距值变化，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，其特征在于，所述第二透镜组为补偿组，所述第三透镜组为变倍组，系统焦距值呈线性连续变化，其中，所述第二透镜组按照所述第一凸轮曲线的规律运动，所述第三透镜组按照所述第二凸轮曲线的规律运动，所述第一凸轮曲线为指数曲线，所述第二凸轮曲线为线性曲线。
其中，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第四透镜组分别具有正焦距值，所述第三透镜组具有负焦距值。
其中，系统焦距值与所述第三透镜组至所述第一透镜组的中心距离正相关。
其中，所述第二透镜组和所述第三透镜组同向运动。
其中，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组以及所述第四透镜组均为双胶合透镜。
其中，所述第一透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜组包括第五透镜和第六透镜，所述第四透镜组包括第七透镜和第八透镜，所述第一透镜至所述第八透镜依次沿光轴配置且均为双球面透镜。
其中，所述第一透镜采用的光学玻璃是H-ZK10，所述第二透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第二透镜采用的光学玻璃是H-LaF3B，所述第四透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第五透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第六透镜采用的光学玻璃是H-LaF3B，所述第七透镜采用的光学玻璃是H-K10，所述第八透镜采用的光学玻璃是H-ZF6。
其中，所述变焦凸轮为圆柱体，所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线分别为分布于圆柱体外壁面的凹槽。
本发明还提供一种手术显微镜，包括变焦凸轮和无焦连续变倍系统，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，所述无焦连续变倍系统为上述任一项所述的无焦连续变倍系统。
(3)有益效果
本发明的有益效果在于，本发明中涉及的变焦距光学系统的凸轮曲线一条为线性、一条为指数变化，没有回头型的曲线，减少了拐点、方便了加工。系统焦距值在变焦过程中为线性均匀变化，消除了焦距变化的拐点，使用更为流畅、舒适、便捷、无跳跃感。
本发明的无焦连续变倍系统光学设计时使用消色差技术，涉及的透镜组均采用双胶合透镜，每片均可对小组件结构独立的校正色差，分辨力高，配合后续系统使用图像清晰，颜色失真小，提高了手术过程中的安全性。
附图说明
图1是本发明的无焦连续变倍系统变焦趋势及大视场范围(a)与小视场范围(b)下的光学系统示意图。
图2是本发明的无焦连续变倍系统变焦过程中凸轮曲线图。
图3是本发明的带后续辅助镜的无焦连续变倍系统变焦过程中系统焦距值改变曲线图。
图4是本发明的无焦连续变倍系统大视场范围情况下的畸变网格和视场图。
图5是本发明的无焦连续变倍系统小视场范围情况下的畸变网格和视场图。
其中，10第一透镜组，20第二透镜组，30第三透镜组，40第四透镜组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
本发明采用正-负变倍结构形式，通过变倍组和补偿组配合实现连续的无焦变倍，系统变倍比大、视场范围连续变化，消除了医生因视场跳跃而带来的不适感。本发明的用于手术显微镜的无焦连续变倍系统，变倍比为1:6，视场变化范围为0至8.8°，入曈直径变化范围为6.4mm至17mm。
图1为本发明涉及的无焦连续变倍系统光学结构示意图，其中a是变倍系统在大视场范围情况下的光学结构；b是变倍系统在小视场范围下的光学结构。本发明的无焦连续变倍系统采用正-负四组元变倍形式，其中第一透镜组10的焦距为正，是前固定组；第二透镜组20的焦距为正，是补偿组；第三透镜组30的焦距为负，是变倍组；第四透镜组40的焦距为正，是后固定组。四个透镜组沿光轴依次配置。手术显微镜的变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，变焦凸轮转动带动第二透镜组20和第三透镜30组于第一透镜组10和第四透镜组40之间同时沿光轴运动时，系统焦距值呈线性连续变化。其中，第三透镜组30按照第二凸轮曲线的规律运动，第二透镜组20按照第一凸轮曲线的规律运动，第一凸轮曲线为补偿组的移动规律，第二凸轮曲线为变倍组的移动规律。其中，第一凸轮曲线为指数曲线，第二凸轮曲线为线性曲线。
具体地，如图1所示，第二透镜组20和第三透镜30组同时沿光轴运动时，Thickness3、Thickness 6和Thickness 9同时改变以实现连续改变视场范围、改变变倍比的功能。图2为无焦连续变倍系统在变焦过程中的凸轮曲线，显示了Thickness 3和Thickness 9在变焦过程中的移动趋势，其中Thickness 9为线性变化，Thickness 3起到补偿作用变化趋势为指数形式。两间隔最大平移量为34mm。
图3为带后续辅助经的无焦连续变倍系统变焦过程中焦距改变曲线，焦距变化6倍，变化趋势为线性变化，同图2中Thickness 9变化趋势相同。在连续变焦距系统中，焦距与一条凸轮曲线同为线性变化，这为该系统的工程化提供了巨大的优势。
本发明涉及的变焦距光学系统的焦距在变焦过程中为线性均匀变化，消除了焦距变化的拐点，使用更为流畅、舒适、便捷、无跳跃感。同时本发明中涉及的变焦距光学系统的凸轮曲线一条为线性、一条为指数变化，没有回头型的曲线，减少了拐点、方便了变焦凸轮的加工。
本发明中，系统焦距值随变倍组移动改变的公式为：
f(x)＝10x-214.9
其中：x为作为变倍组的第三透镜组30与作为前固定组的第一透镜组10的最后一片透镜中心的距离，f(x)为系统焦距值。也就是说，系统焦距值与第三透镜组30至第一透镜组10的中心距离正相关。
另，本发明的第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30以及第四透镜组40均为双胶合透镜，各透镜组采用双胶合透镜，透镜材料均经过匹配的消色差设计。
薄透镜组(一个或一个以上的单透镜组合成的透镜组)的色差参数公式为：其中为该透镜组中每个单透镜的光焦度，vi为该单透镜玻璃的阿贝数。阿贝数是光学玻璃的一个特性常数，具体公式为n为波长光线的折射率，nf-nc为计算色差时所用的两种波长光线的折射率差，即色散。
消色差设计是通过两种玻璃材料阿贝数和光焦度的匹配，使得全系统达到消色差的设计结果。
本发明的各透镜组采用双胶合透镜，可以通过选取两种阿贝数不同的玻璃，分配好两者的光焦度，实现透镜组色差常数为零的设计，进而实现全系统的消色差设计。
本发明的无焦连续变倍系统的第一透镜组10、第二透镜组20、第三透镜组30以及第四透镜组40的结构参数见表1，变焦参数见表2，采用的玻璃见表3。
表1
表2
表3
图4是无焦连续变倍系统大视场范围情况下的畸变网格和视场图。可看出，在大视场范围下，无焦变倍系统畸变小于0.98％，系统畸变与像高比为0.025，图像清晰、变形小、颜色失真小，满足大视场范围下，医生搜索目标区域的要求。
图5是无焦连续变倍系统小视场范围情况下的畸变网格和视场图。可看出，在小视场范围下，无焦变倍系统畸变小于0.18％，系统畸变与像高比为0.0045，系统分辨力高、图像清晰度高、变形小、颜色失真小，满足小视场范围下，医生对目标精细操作的要求。
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 (9)

1.一种手术显微镜无焦连续变倍系统，用于手术显微镜中，所述手术显微镜包括变焦凸轮，所述无焦连续变倍系统包括沿光轴依次配置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，所述第一透镜组为前固定组，所述第四透镜组为后固定组，所述变焦凸轮转动带动所述第二透镜组和所述第三透镜组同时于所述第一透镜组和所述第四透镜组之间沿光轴运动以使系统焦距值变化，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，其特征在于，所述第二透镜组为补偿组，所述第三透镜组为变倍组，系统焦距值呈线性连续变化，其中，所述第二透镜组按照所述第一凸轮曲线的规律运动，所述第三透镜组按照所述第二凸轮曲线的规律运动，所述第一凸轮曲线为指数曲线，所述第二凸轮曲线为线性曲线。
2.根据权利要求1所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第四透镜组分别具有正焦距值，所述第三透镜组具有负焦距值。
3.根据权利要求1所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，系统焦距值与所述第三透镜组至所述第一透镜组的中心距离正相关。
4.根据权利要求1所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述第二透镜组和所述第三透镜组同向运动。
5.根据权利要求1至4任一项所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组以及所述第四透镜组均为双胶合透镜。
6.根据权利要求5所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述第一透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第二透镜组包括第三透镜和第四透镜，所述第三透镜组包括第五透镜和第六透镜，所述第四透镜组包括第七透镜和第八透镜，所述第一透镜至所述第八透镜依次沿光轴配置且均为双球面透镜。
7.根据权利要求6所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述第一透镜采用的光学玻璃是H-ZK10，所述第二透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第二透镜采用的光学玻璃是H-LaF3B，所述第四透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第五透镜采用的光学玻璃是H-ZF6，所述第六透镜采用的光学玻璃是H-LaF3B，所述第七透镜采用的光学玻璃是H-K10，所述第八透镜采用的光学玻璃是H-ZF6。
8.根据权利要求1所述的无焦连续变倍系统，其特征在于，所述变焦凸轮为圆柱体，所述第一凸轮曲线和所述第二凸轮曲线分别为分布于圆柱体外壁面的凹槽。
9.一种手术显微镜，包括变焦凸轮和无焦连续变倍系统，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，其特征在于，所述无焦连续变倍系统为权利要求1至8任一项所述的无焦连续变倍系统。
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