CN109669263A - 微型显微物镜组及显微内窥镜 - Google Patents

微型显微物镜组及显微内窥镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微型显微物镜组，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，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工作距为0‑90μm。本发明提供了一种结构紧凑的透镜组合，同时通过各透镜具备相适配的参数使得该微型显微物镜组的工作距介于最佳穿透深度0‑90μm之间，从而可以获得最佳的分辨率及信号强度。

Description

微型显微物镜组及显微内窥镜
技术领域
本发明涉及光学镜头技术领域，具体而言，涉及一种微型显微物镜及显微内窥镜。
背景技术
探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)是一种可以借助胃镜、结肠镜等通道伸入人体，获取局部组织学图像来实现微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断的医疗设备。因为具有快速、准确且无创等特点，它可能在不久的将来取代传统的内镜活检与病理学检查，成为胃肠道疾病及早期胃肠道癌变诊断的主要手段及设备。
微型显微物镜组是探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件。微型显微物镜组传递激发能量，并收集来自组织粘膜层的细胞的荧光信号，并通过相干光纤束等一系列光学元件(模块)将荧光信号传递到光电探测器。
组织粘液是非均匀的浑浊液体，因此它对光信号有强烈的衰减及散射特性。因此如何改进微型显微物镜组以提高其分辨率及信号强度是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型显微物镜组，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，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工作距为0-90μm。通过四个参数相适配的透镜使得该微型显微物镜组的工作距介于最佳穿透深度0-90μm之间，因而可以获得最佳的分辨率及信号强度。
本发明的实施例是这样实现的：
一种微型显微物镜组，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，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工作距为0-90μm。
作为上述方案的优选，所述参数包括透镜的类型、透镜的光焦度、所述透镜的各面的曲率半径、相邻所述透镜的相邻面之间的厚度、所述透镜的材料、所述透镜的通光孔径。
作为上述方案的优选，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双非球面透镜，所述第四透镜的类型为双凸透镜；所述第一透镜具有正光焦度、所述第二透镜具有负光焦度、所述第三透镜具有负光焦度、所述第四透镜具有正光焦度。
作为上述方案的优选，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的通光孔径均小于0.9mm。
作为上述方案的优选，所述第一透镜的材料为掺稀土元素的高折射率玻璃，所述第二透镜的材料为萤石玻璃-冕玻璃组合，所述第三透镜的材料为塑料非球面透镜。
作为上述方案的优选，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的通光孔径分别为D1、D2、D3、D4，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，每个所述透镜的焦距与通光孔径的关系满足如下条件：
(1)0<f1/D1<1；
(2)f2/D2>1；
(3)f3/D3<0；
(4)f4/D4>0。
作为上述方案的优选，所述微型显微物镜组的放大倍率为2-3、F数为1.8-2.2。
本发明提供的微型显微物镜组，具有如下有益效果：
(1)通过从物体侧依次配置第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜，且使每个透镜具有相适配的参数以使所述微型显微物镜组的工作距为0-90μm。本发明提供了一种结构紧凑且工作距较佳的透镜组合。和现有技术相比，本发明提供的微型显微物镜组，简化了镜头的结构，提高成品率；同时，微型显微物镜的工作距介于最佳穿透深度0-90μm之间，因而可以获得最佳的分辨率及信号强度，提高探头式共聚焦显微内窥镜的整体性能，其结构精简、成本低廉，可以很好的解决目前医学诊断的需求。
(2)具体通过设置透镜的类型、透镜的光焦度、所述透镜的各面的曲率半径、相邻所述透镜的相邻面之间的厚度、所述透镜的材料、所述透镜的通光孔径以保证微型显微物镜组的工作距为0-90μm。
(3)每个透镜的通光孔径均小于0.9mm，使得包含该微型显微物镜组的显微内窥镜能顺利作用于直径为2.6mm的活检通道。
本发明还提供一种显微内窥镜，包括镜筒和上述任一项所述的微型显微物镜组，所述微型显微物镜组设置在所述镜筒上。
作为上述方案的优选，所述第一透镜靠近物面的镜面具有倒角，所述第一透镜通过胶水固定于所述镜筒内。
作为上述方案的优选，所述第一透镜靠近物面的镜面处于所述镜筒外。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的微型显微物镜组的结构示意图；
图2为本发明实施例3提供的微型显微物组镜像面各个视场的横向像差曲线；
图3为本发明实施例3提供的微型显微物镜组像面上的MTF曲线；
图4为本发明实施例3提供的微型显微物镜组像面上的场曲与畸变曲线；
图5为本发明提供的一种显微内窥镜的结构示意图；
图6为本发明提供的又一种显微内窥镜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该微型显微物镜及显微内窥镜中各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
请参照图1，本发明提供一种微型显微物镜组1000，其包括从物体侧到像侧依次配置的第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400，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工作距为0-90μm。通过简化显微物镜组的结构从而简化其生产及装配工艺；通过对各透镜参数进行调配以使微型显微物镜组的工作距为0-90μm，从而提高所述微型显微物镜组的分辨率及信号强度。
进一步地，所述参数包括透镜的类型、透镜的光焦度、所述透镜的各面的曲率半径、相邻所述透镜的相邻面之间的厚度、所述透镜的材料、所述透镜的通光孔径。通过调配各透镜的上述参数可以实现工作距离为0-90μm。
进一步地，所述第一透镜100为掺稀土元素的高折射率玻璃，且其具有正光焦度；所述第二透镜200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，且其材质为萤石玻璃-冕玻璃组合，其具有负光焦度；所述第三透镜300为塑料的双非球面透镜，其具有正光焦度；所述第四透镜400为双凸透镜，其具有正光焦度。所述第一透镜100使用掺稀土元素的高折射率玻璃，更容易获得更大的物方NA；所述第二透镜200为萤石玻璃-冕玻璃组合的双胶合透镜，这样的结构能够用于消除不同波长引起的色差；所述第三透镜300为塑料的双面非球面透镜，这样的结构用于会聚经过所述第二透镜200之后的光束；所述第四透镜400选用双凸透镜，可以用于消除光学系统剩余的像差，并将不同视场的光束会聚到成像面上。
进一步地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的通光孔径均小于0.9mm。通光孔径小于0.9使得包含该微型显微物镜组的显微内窥镜适用于直径小于2.6mm的活检通道。
进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的通光孔径分别为D1、D2、D3、D4，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，每个所述透镜的焦距与通光孔径的关系满足如下条件：
(1)0<f1/D1<1；
(2)f2/D2>1；
(3)f3/D3<0；
(4)f4/D4>0。
上述焦距与通光孔径的关系进一步限定了参数的取值。
进一步地，所述微型显微物镜组的放大倍率为2-3、F数为1.8-2.2。放大倍率处于2-3之间获得的视野较佳，F数处于1.8-2.2之间使得镜头有合适的焦深，从而配合0-90μm的工作距使得微型显微物镜组可以获得最佳的分辨率及信号强度，提高了镜头的整体性能。
进一步地，所述微型显微物镜组1000的入瞳位于无限远，这样可以保证从传像光纤束传输过来的光能量可以均匀的照明组织细胞。
进一步地，所述微型显微物镜组1000的出瞳位于无限远，这样可以保证从组织细胞被激发、返回传像光纤束的荧光与激发光沿同一根单模光纤传输，而不会偏移到其他光纤。
下面列出几个实施例以显示每个所述透镜具有相适配的参数以使工作距为0-90μm。
实施例1
请参照表1，作为本发明的一种具体的实施例，微型显微物镜组1000的工作距离为70μm时，各透镜的参数如表1所示：
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
面编号 K K2 K4 K6 K8 K10 K12
物面 -489.3635 0 1.211E+01 -1.248E+02 -2.992E+04 1.914E+06 -3.448E+07
S31 2.70E+02 0 -7.640E-02 -3.213E-02 -3.331E-01 6.397E-01 -8.100E-01
S32 -1.75E-2 0 -1.142E-02 -2.418E+00 1.381E+01 -4.937E+01 3.886E+01
坐标系以光学镜头设计软件ZEMAX的表述为参考，描述上述非球面的非球面方程如下：
其中：
c＝1/r0
式中r0是表1中的“曲率半径”。
本实施例中微型显微物镜组1000的放大率为2.2，F数为1.9，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400的有效焦距f1、f2、f3及f4分别为1.5mm、3.7mm、-15.3mm与1.5mm。
实施例2
请参照表3，作为本发明的一种具体的实施例，微型显微物镜组1000的工作距离为90μm时，各透镜的参数如表3所示：
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
面编号 K K2 K4 K6 K8 K10 K12
物面 2.218E+005 0 1.413E+01 -1.400E+02 -3.014E+04 1.917E+06 -3.486E+07
S31 0.270 0 -7.640E-02 -3.213E-02 -3.331E-01 6.397E-01 -8.100E-01
S32 -1.75E-2 0 -1.142E-02 -2.418E+00 1.381E+01 -4.937E+01 3.886E+01
本实施例中微型显微物镜组1000的放大率为2.2，F数为2.0，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400的有效焦距f1、f2、f3及f4分别为1.5mm、3.7mm、-15.3mm与1.6mm。
实施例3
请参照表5，作为本发明的一种具体的实施例，微型显微物镜组1000的工作距离为50μm时，各透镜的参数如表5所示：
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
面编号 K K2 K4 K6 K8 K10 K12
物面 -1.71E+04 0 1.420E+01 -1.422E+02 -2.961E+04 1.939E+06 -3.392E+07
S31 0.310 0 -7.640E-02 -3.213E-02 -3.331E-01 6.397E-01 -8.100E-01
S32 -1.26 0 -1.142E-02 -2.418E+00 1.381E+01 -4.937E+01 3.886E+01
本实施例中微型显微物镜组1000的放大率为2.1，F数为2.0，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400的有效焦距f1、f2、f3及f4分别为1.5mm、3.9mm、-15.3mm与1.6mm。
实施例4
请对照表7，作为本发明的一种具体的实施例，微型显微物镜组1000的工作距离为10μm时，各透镜的参数如表7所示：
表7中带字母a的表面为非球面，相应的非球面系数如表8所示：
表8
面编号 K K2 K4 K6 K8 K10 K12
物面 -1.36E+05 0 1.41E+02 -1.49E+02 -2.99E+04 1.93E+06 -3.42E+07
S31 2.70E-01 0 -7.65E-04 -3.24E-02 -3.34E-01 6.39E-01 -8.12E-01
S32 -1.74E-02 0 -1.00E-03 -2.41E+00 1.39E+01 -4.91E+01 4.01E+01
本实施例中微型显微物镜组1000的放大率为2.1，F数为1.9，第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400的有效焦距f1、f2、f3及f4分别为1.5mm、3.7mm、-15.2mm与1.6mm。
由于实施例1-4的微型显微物组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3作详细说明。具体如下：
图2是实施例3中微型显微物镜组1000像面各个视场的横向像差曲线，分别给出了0视场、0.5视场、0.707视场和1.0视场的横向像差曲线。已知艾利斑半径为1.217μm，0视场、0.5视场、0.707视场及1.0视场的RMS半径分别为0.573um、0.986um、0.982um与0.963um,设计已经达到衍射极限，表明微型显微物镜的成像质量十分优秀。
图3是实施例3中微型显微物镜组1000像面上的MTF曲线，分别给出了0视场、0.5视场、0.707视场和1.0视场四个视场的子午、弧矢MTF曲线及衍射极限条件下的MTF曲线。四个视场上的子午、弧矢MTF曲线与衍射极MTF曲线有一定差距，但在拉奎斯特采样频率的处的MTF均大于0.5，表明达到设计要求的分辨率，满足设计要求。
图4是实施例3中该微型显微物镜组1000像面上的场曲与畸变曲线。从场曲曲线可以看出，三个设计波长下的场曲最大值都小于15μm；换算得到的物方场曲最大值及像散最大值都小于共聚焦显微内窥镜2000系统的轴向分辨率。从畸变曲线可以看出，整个视场的最大畸变小与0.5％，不影响成像及人眼对形状的识别。
实施例5
如图5所示，本发明还提供一种显微内窥镜2000，包括镜筒500和实施例1-3任一项所述的微型显微物镜组，所述微型显微物镜组设置在所述镜筒内，所述第一透镜100靠近物面的镜面S11具有倒角，所述第一透镜通过点胶的工艺将胶水600固定于所述镜筒500内。这种结构可以使第一透镜100与镜筒500的前端间隙可以容纳更多的胶水，使粘接更加牢固，防止了液体的渗入及可能的不良事件。
实施例6
如图6所示，与实施例5不同的是：所述第一透镜靠近物面的镜面S11处于所述镜筒500外。若镜筒与第一透镜靠近物面的镜面S11平齐，在进行制造的过程中可能会导致S11面相对镜筒凹陷。为了保证结构的稳定性，所述第一透镜靠近物面的镜面S11与所述镜筒500的端面的距离d的范围为0.05-0.1mm，从而使微型显微物镜的量产更加有保障。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种微型显微物镜组，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，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工作距为0-90μm。
2.根据权利要求1所述的微型显微物镜组，其特征在于，所述参数包括透镜的类型、透镜的光焦度、所述透镜的各面的曲率半径、相邻所述透镜的相邻面之间的厚度、所述透镜的材料、所述透镜的通光孔径。
3.根据权利要求2所述的微型显微物镜组，其特征在于，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双非球面透镜，所述第四透镜的类型为双凸透镜；所述第一透镜具有正光焦度、所述第二透镜具有负光焦度、所述第三透镜具有负光焦度、所述第四透镜具有正光焦度。
4.根据权利要求2所述的微型显微物镜组，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的通光孔径均小于0.9mm。
5.根据权利要求2所述的微型显微物镜组，其特征在于，所述第一透镜的材料为掺稀土元素的高折射率玻璃，所述第二透镜的材料为萤石玻璃-冕玻璃组合，所述第三透镜的材料为塑料非球面透镜。
6.根据权利要求4所述的微型显微物镜组，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的通光孔径分别为D1、D2、D3、D4，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜的焦距分别为f1、f2、f3、f4，每个所述透镜的焦距与通光孔径的关系满足如下条件：
(1)0<f1/D1<1；
(2)f2/D2>1；
(3)f3/D3<0；
(4)f4/D4>0。
7.根据权利要求1-6任一项所述的微型显微物镜组，其特征在于，所述微型显微物镜组的放大倍率为2-3、F数为1.8-2.2。
8.一种显微内窥镜，其特征在于，包括镜筒和权利要求1至7任一项所述的微型显微物镜组，所述微型显微物镜组设置在所述镜筒上。
9.根据权利要求8所述的显微内窥镜，其特征在于，所述第一透镜靠近物面的镜面具有倒角，所述第一透镜通过胶水固定于所述镜筒内。
10.根据权利要求9所述的显微内窥镜，其特征在于，所述第一透镜靠近物面的镜面处于所述镜筒外。
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