CN108681054A - 用于消化道内的近红外微型显微物镜组及探头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组，包括从物体侧依次配置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述显微物镜组的每个所述透镜具有相适配的参数以使所述微型显微物镜组的通光孔径小于2mm时在785‑860nm的近红外波长下的工作距为200‑300μm、放大倍数为1.7‑3.0、视场可达360μm。近红外微型显微物镜组能对消化道黏膜肌层等位于组织表面200μm以下的结构进行观察，且能较好地配合光纤束实现对组织细胞的观察。

Description

用于消化道内的近红外微型显微物镜组及探头
技术领域
本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组及包含该微型显微物镜组的探头。
背景技术
在我国，胃肠道肿瘤发病率和病死率居恶性肿瘤前列，早期诊断可有效提高存活率。对粘膜表层细胞形态和深层微血管结构进行同时探测并获取组织学成像结果，可有助于胃肠道肿瘤的早期诊断和分类。
共聚焦显微内窥镜是目前最新的内窥成像技术之一，可在普通内镜检查的同时进行在体高分辨率成像，实时获取粘膜的组织学成像结果，为医生进行临床诊断和癌症预后提供帮助。微型物镜探头是共聚焦显微内窥镜的关键技术之一，可将光纤束单根光纤出射的发散光聚焦在样品上激发荧光，并收集样品产生的荧光耦合入光纤束的单根光纤。
经过对已有专利文献检索发现，中国发明申请号为201310065134.7，公开日为2013年06月12号的专利自述为：“一种用于共聚焦内窥显微镜的近红外微型显微物镜探头，属于光学技术领域。本发明包括微型双焦点显微物镜组、成像光纤束。成像光纤束设在微型显微物镜组前。微型显微物镜组光瞳在无限远处，具有双焦点成像能力，可对样品浅层和样品深层同时成像。微型显微物镜组在光纤束端的数值孔径与成像光纤束的单根光纤的数值孔径匹配。本发明尺寸控制在能通过常规内镜工作通道进入人体内部，并能将光线聚焦在两个不同深度的焦平面上，再收集焦平面产生的荧光返回共聚焦内窥成像系统。具有双焦点成像能力，焦距分别为50μm和200μm，可对样品浅层和深层同时成像，数值孔径分别为0.5和0.4。”其不足之处在于：1、该设计物方和像方数值孔径分别为0.5和0.4，其放大倍数为1.25，无法配合光纤束观察细胞结构；2、最大成像深度只有200μm，无法对消化道黏膜肌层等位于组织表面200μm以下的结构进行观察。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，提供了一种能配合光纤束观察细胞结构且能对组织表面200μm以下的结构进行观察的用于消化道内的近红外微型显微物镜组以及探头。
本发明提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组，包括从物体侧依次配置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述显微物镜组的每个所述透镜具有相适配的参数以使所述微型显微物镜组的通光孔径小于2mm时在785-860nm的近红外波长下的工作距为200-300μm、放大倍数为1.7-3.0、视场可达360μm。
本发明的效果是：该用于消化道内的近红外微型显微物镜组可在波长为785-860nm的波长使用，能对消化道黏膜肌层等位于组织表面200μm以下的结构进行观察；由于该微型物镜具有约2倍的放大倍数，故能较好地配合光纤束实现对组织细胞的观察。
本发明还提供一种探头，包括如上所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组套设于其外的壳体。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组的光路结构示意图；
图2为实施例1的像方点列图；
图3为实施例1在像方径向四个视场处的光程差曲线；
图4为实施例1的像方场曲曲线和畸变曲线；
图5为实施例1的MTF曲线和色差焦移曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组。
该用于消化道内的近红外微型显微物镜组沿其光轴方向从物端到像端依次包括：一个物面、一个具有正光焦度的第一透镜10、一个由具有负光焦度的透镜20和一个具有正光焦度的透镜30组成的第二透镜、一个具有负光焦度的第三透镜40、一个具有正光焦度的第四透镜50、以及一成像面60。取像时，光线是先经过物面、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，最后在成像面上成像。
该物面为非球面，材料设定为SEAWATER，符合水浸环境的要求。
第一透镜10为平凸透镜，方便与组织直接接触，由于尺寸变小，选用了高折射率的玻璃材料H-ZLAF68B。第一透镜10包括一个第一物端表面S11及一个第一像端表面S12。
第二透镜为由透镜20和透镜30组合形成的双胶合透镜，分别由高折射率低色散系数的ZF52和高折射率高色散系数的H-LAK52配合校正色差；透镜20包括一个第二物端表面S21及一个第二像端表面S22；透镜30包括一个第三物端表面S31及一个第三像端表面S32，第二像端表面S22与第三物端表面S31紧贴重合。
第三透镜40为非球面弯月透镜，可用于校正球差和场曲，塑料材料为PMMA，为非球面透镜常用材料，具有高热抗性和对光高透过率等优点。第三透镜40包括一个第四物端表面S41及一个第四像端表面S42。
第四透镜50为双凸透镜，主要用于补偿剩余像差。第四透镜50包括一个第五物端表面S51及一个第五像端表面S52。
第一物端表面S11为平面，方便与组织直接接触。第一像端表面S12、第二物端表面S21、第三物端表面S31、第三像端表面S32、第四物端表面S41、第五物端表面S51和第五像端表面S52均为凸面。第二像端表面S22、第四像端表面S42均为凹面。
即该用于消化道内的近红外微型显微物镜组满足下列条件式：
(1)R1F＞0，R1R＜0；
(2)R2F＞R2R＞0；
(3)R3F＞0，R3R＜0；
(4)R4F＞R4R＞0；
(5)R5F＞0，R5R＜0。
其中，R1F为所述第一透镜的第一物端表面S11的曲率半径；R1R为所述第一透镜的第一像端表面S12的曲率半径；R2F为第二透镜20的第二物端表面S21的曲率半径；R2R为第二透镜20的第二像端表面S22的曲率半径；R3F为第三透镜30的第三物端表面S31的曲率半径；R3R为第三透镜30的第三像端表面S32的曲率半径；R4F为第四透镜40的第四物端表面S41的曲率半径；R4R为第四透镜40的第四像端表面S42的曲率半径；R5F为第五透镜50的第五物端表面S51的曲率半径；R5R为第五透镜50的第五像端表面S52的曲率半径。
外径小于2.6mm的该用于消化道内的近红外微型显微物镜组的具体实施例如下：
实施例1
该实施例提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组的工作距离为300μm、F数为2.012、通光孔径为1.466mm、h/d＝0.437(其中h为物方边缘光线经过第一个透镜的高度，d为工作距离)，各透镜的具体参数详见表1和表2。
表1
表1中带字母a的表面为非球面，相应的非球面系数如表2所示：
表2
非球面 K4 K6 K8 K10 K12
S41 -0.079 -0.035 -0.336 0.633 -0.807
S42 0.016 -2.619 13.259 -50.343 47.635
本实施例中用于消化道内的近红外微型显微物镜组的放大倍数为2.0。由于其通光孔径小于2mm，而常规的外壳的厚度为0.2mm，因此由其做成的带外壳的探头的直径会小于2.6mm。
实施例2
该实施例提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组的工作距离为250μm、F数为1.984、通光孔径为1.512、h/d＝0.473(其中h为物方边缘光线经过第一个透镜的高度，d为工作距离)，各透镜的具体参数详见表3和表4。
表3
表3中带字母a的表面为非球面，相应的非球面系数如表4所示：
表4
非球面 K4 K6 K8 K10 K12
S41 0.067 0.131 -0.373 0.752 -0.457
S42 0.212 -3.597 20.432 -65.937 -53.689
本实施例中用于消化道内的近红外微型显微物镜组的放大倍数为1.8。由于其通光孔径小于2mm，而常规的外壳的厚度为0.2mm，因此由其做成的带外壳的探头的直径会小于2.6mm。
实施例3
该实施例提供的一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组的工作距离为200μm、F数为2.043、通光孔径为1.504、h/d＝0.457(其中h为物方边缘光线经过第一个透镜的高度，d为工作距离)，各透镜的具体参数详见表5和表6。
表5
表5中带字母a的表面为非球面，相应的非球面系数如表6所示：
表6
非球面 K4 K6 K8 K10 K12
S41 -0.069 -0.043 -0.297 0.604 -0.754
S42 0.192 -2.539 12.945 -24.368 -1.154
本实施例中用于消化道内的近红外微型显微物镜组的放大倍数为2.1。由于其通光孔径小于2mm，而常规的外壳的厚度为0.2mm，因此由其做成的带外壳的探头的直径会小于2.6mm。
由于实施例1-3的微型显微物镜组的镜像面各个视场的横向像差曲线、MTF曲线、场曲与畸变曲线相接近，故只选取实施例1作详细说明。具体如下：
图2为像方点列图，图中给出了像方中心、180μm(0.5视场)、250μm(0.707视场)和360μm(边缘视场)四个不同位置的弥散斑形态及均方根尺寸。艾利斑半径为1.93μm，所有视场弥散斑均方根尺寸均小于艾利斑尺寸，可认为该设计达到近似衍射极限。所有视场弥散斑尺寸均小于3μm，即小于光纤束单根光纤的直径，满足该近红外微型显微物镜的要求。
图3是该近红外微型显微物镜在像方径向四个视场处的光程差曲线。其中860nm波长对应的曲线光程差最大，在光瞳边缘处最大可达0.52λ。其余曲线均能满足光瞳范围内的光程差小于λ，说明外径2.6mm的微型物镜设计可近似认为是达到了衍射极限性能。
图4为该近红外微型显微物镜的像方场曲曲线和畸变曲线。根据图
(a)场曲曲线可知，三种波长情况下，场曲最大值为10μm。由公式1-1可知：
其中，m为放大倍数。此处，m为2.0，n物方为水的折射率，即1.33,z物方为物方场曲，z像方为像方场曲。
换算到物方场曲最大值为3.33μm，小于荧光共聚焦内窥镜的轴向分辨率。从图(b)的畸变曲线中可以看到，视场边缘畸变最大为0.14％，小于人眼可分辨畸变，不影响成像。
图5为该近红外微型显微物镜的MTF曲线和色差焦移曲线。其中图(a)为像方中心、180μm(0.5视场)、250μm(0.707视场)和360μm(边缘视场)四个不同位置的子午面和弧矢面的MTF曲线，并给出衍射极限条件下的MTF曲线进行对比。8条MTF曲线均与衍射极限条件下MTF曲线存在一定差距，在186lp/mm处MTF均大于0.45，满足大于0.4的设计指标。图(b)色差焦移曲线中最大色差焦移为9μm，物方焦距最大位移为3μm，小于共聚焦系统的轴向分辨率。由于ZEMAX软件说明中提及色差焦移曲线仅供参考，非近轴系统时计算结果不太准确，因此该结果不计入像质评价结果，但仍可认为该设计很好地校正了色差。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于消化道内的近红外微型显微物镜组，其特征在于：包括从物体侧依次配置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜，所述显微物镜组的每个所述透镜具有相适配的参数以使所述微型显微物镜组的通光孔径小于2mm时在785-860nm的近红外波长下的工作距为200-300μm、放大倍数为1.7-3.0、视场可达360μm。
2.根据权利要求1所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组，其特征在于：所述微型显微物镜组的F数的范围为：1.8＜F<2.2；0.35＜h/d<0.5，其中，h为物方边缘光线经过第一透镜的高度，d为工作距离。
3.根据权利要求2所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组，其特征在于：所述参数包括透镜的类型、透镜的光焦度、所述透镜的各的曲率半径、相邻所述透镜的相邻面之间的厚度、所述透镜的材料、所述透镜的直径。
4.根据权利要求3所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组，其特征在于：所述透镜类型具体为：所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜的类型为从物体侧依次配置的一块负透镜和一块正透镜胶合而成的双胶合透镜，所述第三透镜的类型为非球面弯月透镜，所述第四透镜的类型为双凸透镜；所述透镜的光焦度为：所述第一透镜具有正光焦度、所述第二透镜具有正光焦度、所述第三透镜具有负光焦度、所述第四透镜具有正光焦度。
5.根据权利要求3所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组，其特征在于：所述第一透镜的材料为高折射率玻璃，所述第二透镜的材料为火石玻璃-冕玻璃组合，所述第三透镜的材料为塑料非球面透镜。
6.一种探头，包括如权利要求1-5任一项所述的用于消化道内的近红外微型显微物镜组和套设于其外的壳体。
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