CN107966800B - 一种手术显微镜用助手镜光学系统 - Google Patents

一种手术显微镜用助手镜光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手术显微镜助手镜光学系统，包括：助手镜小物镜目视装置以及连接所述分光棱镜系统与所述助手镜小物镜目视装置的助手镜光学转像装置，所述助手镜光学转像装置包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜，转接所述分光棱镜系统的出射光束；第二反射镜，转折所述第一反射镜的出射光束至所述助手镜小物镜目视装置，所述第二反射镜的出射光束具有出射光轴；还包括相对所述出射光轴对称设置的两块斜方棱镜，均具有与所述出射光轴垂直的入射面和出射面，且所述出射面相对所述入射面远离所述出射光轴，所述第二反射镜的出射光线射入两块所述斜方棱镜的入射面，通过两块所述斜方棱镜的出射面射出后分别相对所述出射光轴偏移一距离。

Description

一种手术显微镜用助手镜光学系统
技术领域
本发明属于一种手术显微镜光学系统，具体涉及一种手术显微镜用助手镜光学系统。
背景技术
手术显微镜应用在复杂的显微手术中，是辅助手术成功进行的关键设备，手术显微镜的使用大大提高了手术的精确性和安全性。
手术显微镜的镜头主光路主要由大物镜，变倍系统，小物镜转像系统以及目镜系统组成；其中大物镜可分为定焦大物镜与可调焦大物镜；变倍系统分为连续变倍系统与分档变倍系统；小物镜转像系统根据不同使用情况设计不同的棱镜结构形式。
手术显微镜助手镜一般作为手术显微镜附件，安装在手术显微镜的主光路中，助手镜光轴与手术显微镜光轴重合(夹角0°)或成一定的夹角相交于物面中心，两者视野重叠。其使用为医院手术、教学及科研带来了便利。
专利号为201420743624.8的中国实用新型专利公开了一种手术显微镜用助手镜光学系统，通过使用道威棱镜实现了对于俯仰调节造成的成像旋转的补偿，重点描述道威棱镜在手术显微镜助手镜的位置设定，但是其未公开相关的透镜结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种手术显微镜助手镜光学系统，用于解决上述现有技术的问题。
本发明的手术显微镜助手镜光学系统，与手术显微镜的分光棱镜系统相连接，其中，包括：助手镜小物镜目视装置以及连接所述分光棱镜系统与所述助手镜小物镜目视装置的助手镜光学转像装置，所述助手镜光学转像装置包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜，转接所述分光棱镜系统的出射光束；第二反射镜，转折所述第一反射镜的出射光束至所述助手镜小物镜目视装置，所述第二反射镜的出射光束具有出射光轴；还包括相对所述出射光轴对称设置的两块斜方棱镜，均具有与所述出射光轴垂直的入射面和出射面，且所述出射面相对所述入射面远离所述出射光轴，所述第二反射镜的出射光线射入两块所述斜方棱镜的入射面，通过两块所述斜方棱镜的出射面射出后分别相对所述出射光轴偏移一距离。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，两块所述斜方棱镜的入射面的一端点与所述出射光轴的同一位置相接触。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述助手镜光学转像装置还包括第一透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组设置于所述分光棱镜系统和所述第一反射镜之间，所述第三透镜组设置于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述第一透镜组为双胶合透镜，按照入射光束传递路径依序具有第一镜面、第二镜面和第三镜面，所述第一镜面和所述第二镜面为球面，所述第三镜面为平面，所述第一镜面的半径为49.38mm，所述第二镜面的半径为-26.44mm，所述第二镜面至第一镜面的厚度为4.00mm，所述第三镜面至所述第二镜面的厚度为1.8mm。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述第三透镜组为双胶合透镜，按照光束传递路径依序具有第七镜面、第八镜面和第九镜面，所述第七镜面为平面，所述第八镜面和所述第九镜面为球面，所述第八镜面的半径为26.44mm，所述第九镜面的半径为-49.38mm，所述第七镜面与所述第六镜面的间隔为131.44mm，所述第八镜面至所述第七镜面的厚度为1.80mm，所述第九镜面至所述第八镜面的厚度为4.00mm。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述助手镜光学转像装置还包括第二透镜组，所述第二透镜组设置于所述第一透镜组和所述第一反射镜之间。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述第二透镜组为双胶合透镜，按照光束传递路径依序具有第四镜面、第五镜面和第六镜面，所述第四镜面、所述第五镜面和所述第六镜面均为球面，所述第四镜面的半径为-10.94mm，所述第五镜面的半径为24.88mm，所述第六镜面的半径为-16.35mm，所述第四镜面与所述第三镜面的间隔为84.54mm，所述第五镜面至所述第四镜面的厚度为3.00mm，所述第六镜面至所述第五镜面的厚度为5.00mm。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组均为双胶合透镜，均包括组合而成的前单透镜和后单透镜，前单透镜的出射光线进入后单透镜，各单透镜的焦距f'为：
Figure GDA0002464705750000041
其中，n为单透镜的折射率，r1、r2分别为单透镜前后表面的曲率半径，光束穿过单透镜的前表面后进入单透镜的后表面，d为单透镜的中心厚度；
组成双胶合透镜的前单透镜的焦距为f前，后单透镜焦距为f后，与组合后的双胶合透镜焦距f胶的关系为：
Figure GDA0002464705750000042
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述助手镜光学转像装置还包括消除所述第一反射镜和所述第二反射镜绕各自光轴转动所产生像旋的道威棱镜。
根据本发明的手术显微镜助手镜光学系统的一实施例，其中，所述道威棱镜设置于所述第二反射镜和所述斜方棱镜的入射面之间，所述第二反射镜的出射光束通过所述道威棱镜后进入所述斜方棱镜。
本发明的手术显微镜助手镜光学系统的有益功效在于，采用本发明的手术显微镜用助手镜光学系统，系统结构简单、使用方便，通过设置两块斜方棱镜使出射光线一分为二，分别进入左右人眼。使用道威棱镜补偿助手镜使用调节产生的像旋，其消旋具有同步性好，可靠性高。采用棱镜与透镜相组合的光学机构，助手镜光轴与手术显微镜主光镜光轴重合、满足不同观察姿势的要求的同时，立体视觉良好，使用便捷。
附图说明
图1所示为本发明的手术显微镜光学结构简图；
图2所示为本发明的手术显微镜助手镜光学系统光学结构简图；
图3所示为本发明的手术显微镜助手镜官学系统的MTF曲线图。
其中，附图标记：
1 大物镜系统；
2 变倍系统；
3 分光棱镜系统；
4 小物镜目视系统；
5 助手镜光学转像装置；
6 小物镜目视系统；
51 第一透镜组；
52 第二透镜组；
53 第一反射镜；
54 第三透镜组；
55 第二反射镜；
56 道威棱镜；
57 斜方棱镜；
58 斜方棱镜。
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。
图1所示为本发明的手术显微镜光学结构简图，如图1所示，助手镜是手术显微镜的重要附件，变倍系统出射的平行光经过分光棱镜进入助手镜光学系统中。手术显微镜助手镜系统主要由助手镜光学转像系统5和小物镜目视系统6两部分组成。本发明涉及助手镜光学系统是指助手镜光学转像系统。
图1为本发明的手术显微镜的光学结构简图，如图1所示，手术显微镜包括大物镜系统1、变倍系统2、分光棱镜系统3、小物镜目视系统4、助手镜光学转像装置5和助手镜小物镜目视装置6。助手镜光学转像装置5和助手镜小物镜目视装置6组成了本发明的手术显微镜助手镜光学系统。其中，助手镜小物镜目视装置6和小物镜目视系统4可进行互换使用，本发明的显微镜助手镜光学系统的设计是指对助手镜光学转像装置5的设计。
如图1所示，为保证助手镜光轴与手术显微镜主镜光轴重合，本发明的助手镜光学转像装置5与手术显微镜的分光棱镜系统3相连接，经分光棱镜系统3的分光棱镜分光后的平行光进入显微镜助手镜光学转像装置5。
图2所示为本发明的手术显微镜助手镜光学系统光学结构简图，如图2所示，本实施例中，助手镜光学转像装置5包括按照光路依次设置的第一透镜组51、第二透镜组52、第一反射镜53、第三透镜组54、第二反射镜55、道威棱镜56和斜方棱镜57、58。其中，第一反射镜53转接分光棱镜系统3光束，第二反射镜55转折光路到助手镜小物镜目视装置6。
如图2所示，满足主刀医生显微镜观察角度可调节的同时，为了使助手医生与主刀医生更好地配合，要求助手镜也可以根据主刀医生的观察方向相应调整观察体位。为了满足助手镜不同观察姿势的需要，第一反射镜53与第二反射镜55各自绕其光轴旋转实现空间角度的转换，光学观察可沿图示方向旋转，从而改变观察方向。在助手镜光学转像装置5中，道威棱镜56主要作用是当助手镜变换观察角度时，助手镜观察到的影像与主刀医生所观察到的影像发生旋转，通过旋转道威棱镜56来补偿像的旋转，使助手镜观察的像与主刀镜的观察像一致。道威棱镜56在外部手轮机构的带动下发生旋转用以实现像旋的消除。道威棱镜56的重要特性是：当棱镜56绕光轴旋转α角时，反射像同向旋转2α角，所以道威棱镜56转动量是反射镜转角的1/2即可补偿由反射镜转动引起的像旋转。
如图2所示，第二反射镜55具有出射光轴A，道威棱镜56的出射光轴B与第二反射镜55的出射光轴A重合。
如图2所示，为通过助手镜实现立体观察，本发明在助手镜光学转像装置5中加入两块斜方棱镜57、58将助手镜光学转像装置5的光孔一分为二，使出射光束分成两束，分别进入左右人眼，从而实现双眼观察。从而使助手镜具有一定体视视觉效果。
如图1以及图2所示，具体地，斜方棱镜57和斜方棱镜58相对第二反射镜55的出射光轴A对称设置。斜方棱镜57具有与第二反射镜55的出射光轴A垂直的入射面和出射面，且斜方棱镜57的出射面2相对其入射面571远离出射光轴A。同样地，另一斜方棱镜58具有与第二反射镜55的出射光轴A垂直的入射面和出射面，且斜方棱镜58的出射面相对其入射面远离出射光轴A。第二反射镜55的出射光线通过道威棱镜56后进入斜方棱镜57、58的入射面，通过两块斜方棱镜57、58的出射面射出后分别相对出射光轴A偏移一距离。如图所示，光线通过斜方棱镜57射出后分成了两部分C1和C2。
如图1以及图2所示，第一透镜组51、第三透镜组55的设计实现了光瞳传递，助手镜光学系统对放大倍率没有贡献。其中第二透镜组52的使用有两点优势，第二透镜组52有利于助手镜光学系统像差的校正，同时使光束发生偏折，以减小系统径向尺寸。第一透镜组51用于将入射光线进行第一次汇聚，入射至第二透镜组52。
如图1以及图2所示，本实施例中，道威棱镜56位于第三透镜组55之后，有利于助手镜光学系统的装调,手术显微镜助手镜光学系统结构参数见表1，第一透镜组51、第二透镜组52与第三透镜组55分别由双胶合透镜组成，系统棱镜等效为平行平板玻璃。
本发明的手术显微镜助手镜光学系统，并不局限于表1所述光学参数，本发明同时保护在相近透镜组间隔、相近光学总长、相近透镜组光学焦距下演变的其它光学参数。
表1助手镜系统光学参数
Figure GDA0002464705750000081
表1中助手镜系统选用光学胶合透镜组利于光学系统色差的消除，三组双胶合透镜的使用提高系统成像质量，且结构简单、易于加工。
本发明助手镜并不局限于所述光学结构参数，透镜的折射率n，前后表面曲率半径r1、r2，透镜中心厚度d决定了透镜的焦距f'为：
Figure GDA0002464705750000082
组成双胶合透镜的两个单透镜焦距分别为f前、f后，与胶合透镜焦距f胶关系：
Figure GDA0002464705750000083
即光学结构参数决定了各个胶合透镜组的焦距，本发明同时保护在表1中各个胶合透镜组焦距、光学总长下符合上述数学关系的其它光学结构参数。
图3所示为助手镜系统光学系统MTF曲线图，如图3所示，中心视场MTF@40lp/mm>0.6，边缘视场MTF@40lp/mm>0.4，像质较好，接近衍射极限，说明系统具有较好的成像质量，符合使用要求。
本发明所述手术显微镜助手镜光学系统，并不局限于上述结构。例如本发明所涉及道威棱镜56的位置也可在第一透镜组51之前，即设置于分光棱镜系统3和第一透镜组51之间，分光棱镜系统3的出射光束通过道威棱镜后进入第一透镜组51；也可以设置于分光棱镜57之后，即设置于斜方棱镜57和助手镜小物镜目视装置6之间，斜方棱镜57、58的出射光束经过道威棱镜后进入助手镜小物镜目视装置。
本发明公开一种手术显微镜用助手镜光学系统，与手术显微镜的分光棱镜系统相连接，包括助手镜小物镜目视装置以及连接分光棱镜系统与助手镜小物镜目视装置的助手镜光学转像装置，助手镜光学转像装置包括转接分光棱镜系统的出射光束的第一反射镜、转折第一反射镜的出射光束至助手镜小物镜目视装置的第二反射镜，第二反射镜的出射光束具有出射光轴，还包括相对出射光轴对称设置的两块斜方棱镜，均具有与所出射光轴垂直的出射面和入射面，且出射面相对入射面远离出射光轴，第二反射镜的出射光线射入两块斜方棱镜的入射面，通过两块斜方棱镜的出射面射出后分别相对出射光轴偏移一距离。本发明结构简单，同步性及可靠性高。
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 (5)

1.一种手术显微镜助手镜光学系统，与手术显微镜的分光棱镜系统相连接，其特征在于，包括：助手镜小物镜目视装置以及连接所述分光棱镜系统与所述助手镜小物镜目视装置的助手镜光学转像装置，所述助手镜光学转像装置包括：
第一反射镜，转接所述分光棱镜系统的出射光束；
第二反射镜，转折所述第一反射镜的出射光束至所述助手镜小物镜目视装置，所述第二反射镜的出射光束具有出射光轴；
相对所述出射光轴对称设置的两块斜方棱镜，均具有与所述出射光轴垂直的入射面和出射面，且所述出射面相对所述入射面远离所述出射光轴，所述第二反射镜的出射光线射入两块所述斜方棱镜的入射面，通过两块所述斜方棱镜的出射面射出后分别相对所述出射光轴偏移一距离；
所述助手镜光学转像装置还包括第一透镜组和第三透镜组，所述第一透镜组设置于所述分光棱镜系统和所述第一反射镜之间，所述第三透镜组设置于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间；
所述助手镜光学转像装置还包括第二透镜组，所述第二透镜组设置于所述第一透镜组和所述第一反射镜之间；所述第二透镜组为双胶合透镜，按照光束传递路径依序具有第四镜面、第五镜面和第六镜面；
所述第三透镜组为双胶合透镜，按照光束传递路径依序具有第七镜面、第八镜面和第九镜面，所述第七镜面为平面，所述第八镜面和所述第九镜面为球面，所述第八镜面的半径为26.44mm，所述第九镜面的半径为-49.38mm，所述第七镜面与所述第六镜面的间隔为131.44mm，所述第八镜面至所述第七镜面的厚度为1.80mm，所述第九镜面至所述第八镜面的厚度为4.00mm；
所述第一透镜组为双胶合透镜，按照入射光束传递路径依序具有第一镜面、第二镜面和第三镜面，所述第一镜面和所述第二镜面为球面，所述第三镜面为平面，所述第一镜面的半径为49.38mm，所述第二镜面的半径为-26.44mm，所述第二镜面至第一镜面的厚度为4.00mm，所述第三镜面至所述第二镜面的厚度为1.8mm；
所述第四镜面、所述第五镜面和所述第六镜面均为球面，所述第四镜面的半径为-10.94mm，所述第五镜面的半径为24.88mm，所述第六镜面的半径为-16.35mm，所述第四镜面与所述第三镜面的间隔为84.54mm，所述第五镜面至所述第四镜面的厚度为3.00mm，所述第六镜面至所述第五镜面的厚度为5.00mm。
2.根据权利要求1所述的手术显微镜助手镜光学系统，其特征在于，两块所述斜方棱镜的入射面的一端点与所述出射光轴的同一位置相接触。
3.根据权利要求1所述的手术显微镜助手镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组均为双胶合透镜，均包括组合而成的前单透镜和后单透镜，前单透镜的出射光线进入后单透镜，各单透镜的焦距f'为：
Figure FDA0002679437320000021
其中，n为单透镜的折射率，r1、r2分别为单透镜前后表面曲率半径，d为单透镜的中心厚度；组成双胶合透镜的前单透镜的焦距为f前，后单透镜的焦距为f后，与组合后的双胶合透镜的焦距f胶的关系为：
Figure FDA0002679437320000031
4.根据权利要求1所述的手术显微镜助手镜光学系统，其特征在于，所述助手镜光学转像装置还包括消除所述第一反射镜和所述第二反射镜绕各自光轴转动所产生像旋的道威棱镜。
5.根据权利要求4所述的手术显微镜助手镜光学系统，其特征在于，所述道威棱镜设置于所述第二反射镜和所述斜方棱镜的入射面之间，所述第二反射镜的出射光束通过所述道威棱镜后进入所述斜方棱镜。
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