CN113974528A - 一种内窥镜模组的模组前端装置 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供一种内窥镜模组的模组前端装置；所述模组前端装置内设有成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；所述光束扩散部安装在所述光纤安装通道的前端；所述光纤安装通道内安装的光纤的出射光束经过所述光束扩散部后出射角度增大。通过在光纤照明内窥镜的前端安装本说明书的内窥镜模组，使光纤出射角增大，扩大光照范围，并均匀光束，有利于内窥镜的成像模组拍摄到清晰的图像。

Description

一种内窥镜模组的模组前端装置

技术领域

本说明书涉及内窥镜装置领域，特别涉及一种内窥镜模组的模组前端装置。

背景技术

近年来，内窥镜在医疗领域等中得到了广泛使用，该内窥镜包括可被插入受检体内的插入部，并可从插入部的前端照射照明光来观察被照明的部位。由于光纤导光照明具有不易发热、尺寸小等优势，光纤导光照明作为前端照明装置在内窥镜中使用十分广泛。

光纤按材质又分为玻璃光纤和高分子材料光纤。受限于材料本身物理特性影响，玻璃光纤可以达到较大的光束出射角度，使得照明区域能够覆盖内窥镜成像模组的整个视野范围。但是玻璃光纤由于工艺复杂和玻璃配方垄断等原因，其价格十分昂贵，因此在一次性内窥镜应用领域，高分子材料光纤使用十分广泛。而高分子材料的光纤受限于材料本身的特性，无法达到理想的光束出射角度，进而难以使照明区域覆盖整个成像视野。因此，有必要提出一种内窥镜模组，使得内窥镜即使采用高分子材料光纤作为前端照明装置，也能获得理想的光束出射角度，提高照明区域的覆盖范围。

发明内容

本说明书实施例之一提供一种内窥镜模组的模组前端装置。所述内窥镜模组的模组前端装置，包括：成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；所述光束扩散部安装在所述光纤安装通道的前端；所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后出射角度增大。

在一些实施例中，所述光束扩散部靠近所述光纤安装通道的内侧面为光学曲面，所述光束扩散部远离所述光纤安装通道的外侧面为平面。

在一些实施例中，所述光束扩散部为透明材料。

在一些实施例中，所述光束扩散部的内侧面为光滑面。

在一些实施例中，所述光束扩散部的外侧面为漫射面。

在一些实施例中，所述光束扩散部的光学曲面为非球面。

在一些实施例中，所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，照明区域照度峰值分布范围相对于未经过所述光束扩散部时增大。

在一些实施例中，所述非球面的曲面面型基于所述光束扩散部的材料物理特性确定，所述材料物理特性至少包括折射率。

在一些实施例中，所述非球面的曲面面型公式为：

，

其中，c是设置于所述光纤安装通道内的光纤的半径的倒数；k 是二次曲线系数；r是非球面口径；α₁, α₂, … … α₈是非球面系数；z 是非球面矢高；所述二次曲线系数k根据光束扩散部的材料物理特性确定。

在一些实施例中，所述模组前端装置采用一体成型工艺加工而成。

附图说明

本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：

图1是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的应用场景示意图；

图2是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的三维结构示意图；

图3是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的主视图；

图4是根据本说明书一些实施例所示的光束扩散部的截面图；

图5是根据本说明书一些实施例所示的光纤的光束出射示意图；

图6是根据本说明书一些实施例所示的光纤的光束原始张角状态图；

图7是根据本说明书一些实施例所示的光纤安装光束扩散部后光束扩散后的发射状态图；

图8是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端未安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图；

图9是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。

近年来，内窥镜在医疗领域等中得到了广泛使用，内窥镜包括可被插入受检体内的插入部，并可从插入部的前端照射照明光来观察被照明的部位。在内窥镜照明技术中，尤其是在一次性内窥镜应用领域，高分子材料光纤使用十分广泛。而高分子材料的光纤受限于高分子材料的特性，光束出射角度有限（通常为小于70°），进而难以使照明区域覆盖整个成像视野。为了使照明充满整个视野，在一些实施例中，可以通过增加光源数量来提高照明视野，但这会导致内窥镜整体外径增加，不利于外科手术使用，且会出现由于照明区域叠加导致的光照度不均匀等问题，影响内窥镜的成像效果。本说明书一些实施例提出了一种可以扩大出射光束出射角度的内窥镜模组的模组前端装置，通过将本说明书中的模组前端装置安装在内窥镜模组的前端部，光纤传导的光束从前端部射出，经过模组前端装置内的光束扩散部的折射后其光束出射角度增大，进而提高照明区域覆盖范围。

另外，光纤传导的光束从光纤端部射出时，其中间部分最亮，四周慢慢变暗。当成像模组进行拍摄时，成像模组在进行曝光自动调整时，会根据照明区域中间部分的亮度降低拍摄亮度，从而导致整个视场范围内的拍摄亮度降低，进而导致整个照明区域的成像不清晰。本说明书一些实施例提供了一种可以在扩大出射光束出射角度的同时，还能均匀光束的内窥镜模组的模组前端装置。在一些实施例中，模组前端装置设置有均匀光束的漫射面，光纤传导的光束通过光束扩散部的折射后，再通过漫射面均匀的扩散出去，将照明范围变广且整体照明度更加均匀，以实现均匀光束的目的。在一些实施例中，模组前端装置也可以通过特定的光学曲面，改变光束的传播方向，实现均匀光束的目的。

图1是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的应用场景示意图；图2是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的立体结构示意图；图3是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的主视图；图4是根据本说明书一些实施例所示的光束扩散部的截面图。以下将对本说明书实施例所涉及的内窥镜模组进行详细说明。需要注意的是，以下实施例仅用于解释本说明书，并不构成对本说明书的限定。

内窥镜模组10，主要应用于医学多功能内窥镜上。在一些实施例中，如图1所示，内窥镜模组10可以包括模组前端装置100，衔接套管200，蛇骨300，成像模组400以及光纤500。参见图2，模组前端装置100可以包括成像模组安装通道101、器械通道103、光纤安装通道102和光束扩散部104。在一些实施例中，模组前端装置100通过衔接套管200固定连接在医学多功能内窥镜的蛇骨300前端（即靠近人体组织进行手术的一端），成像模组400从蛇骨300的管道穿过安装到模组前端装置100内的成像模组安装通道101中，光纤500从蛇骨300的管道穿过安装到模组前端装置100内的光纤安装通道102中，手术时一些手术器械可以穿过蛇骨300的管道再从模组前端装置100内的器械通道103穿出，直接作用到人体组织处。使用时，所述光纤500可以发射出具有一定出射角度（例如60°、70°等）的用于照明的光束，射向人体组织处。在一些实施例中，光束扩散部104设置在光纤安装通道102的前端，光纤安装通道102内安装的光纤（例如光纤500）发出的光束经过光束扩散部104的折射后，射向人体组织处。在一些实施例中，光纤（例如光纤500）发出的光束经过光束扩散部104的折射后出射角度增大。关于光束扩散部104的更多内容可以参见本说明书图5-图7的相关描述，此处不在赘述。

在一些实施例中，光纤500可以是一组。在一些实施例中，光纤500也可以是多组。在一些实施例中，光纤安装通道102的数量可以与光纤500相同。在一些实施例中，参见图2-图3，光纤500可以是两组，模组前端装置100可以包括两个光纤安装通道102。

在一些实施例中，光束扩散部104可以是透明材料。优选的，光束扩散部采用高透明材料。在一些实施例中，高透明材料可以是光束透过该材料时，光束的能量损失小于5%的材料。在一些实施例中，光束扩散部为聚碳酸酯材料（简称PC）。聚碳酸酯材料，是一种无色透明的无定性热塑性材料，耐冲击性能好，透明度高，加工性能好。

在一些实施例中，光束扩散部也可以采用聚苯乙烯材料（简称PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（简称PMMA）、玻璃等。聚苯乙烯材料，是一种热塑性树脂，流动性好，加工性能好，易着色，尺寸稳定性好，可用注塑、挤塑、吹塑、发泡、热成型、粘接、涂覆、焊接、机加工、印刷等方法加工成各种制件，特别适用于注射成型。聚甲基丙烯酸甲酯，是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。玻璃透明度高，折射率佳，但是本说明书中的光束扩散部尺寸特别小，用玻璃制作工艺复杂，成本较高，可以适用于多次重复使用的内窥镜模组。

在一些实施例中，光纤（如光纤500）可以采用玻璃光纤，也可以采用高分子材料光纤。优选的，光纤（如光纤500）采用高分子材料光纤，高分子材料光纤是以高分子为主要材料制成的光学传导纤维(又称高分子光导纤维)，由高折射率的均匀塑料芯和低折射率的塑料涂层组成。高分子材料光纤具有重量轻，韧性好，接受光的能力强的优点。高分子材料光纤，成本低廉，适合一次性内窥镜使用。但是高分子材料光纤的出射角度有限，本身难以满足照明需求，因此为了扩大一次性内窥镜的照明范围，需要扩大光纤的光束出射角度。在一些实施例中，由于光束扩散部104为透明材料，光纤（如光纤500）发出的光束在非垂直入射光束扩散部104时，可以发生折射而改变光束的传播方向。在一些实施例中，光纤发出的光束在非垂直地入射至光束扩散部104时会发生折射而使光纤的出射光束的出射角度增大。在一些实施例中，光束扩散部104对出射光束出射角度增大比例范围可以是1.2~2倍，在一些实施例中，参见图5-图6，光纤原始出射角度可以为50°~70°。例如，光纤原始出射角度可以为60°。在一些实施例中，经过光束扩散部104的折射后光束的出射角度可以为80°~160°。由于本质上从光纤端面出射的光通量是一定的，经过折射扩散后，出射光束扩散的角度越大，单位面积的照度越低，所以折射后光束的出射角度并不是越大越好。当成像模组的视场角度大于光束的出射角度时，无法完整的成像，当成像模组的视场角度小于光束的出射角度时，又会浪费出射光束的光通量，出现因为照度低导致成像不清晰。所以为了达到最佳的使用效果，折射后光束的出射角度要和成像模组视场角度匹配。例如，当成像模组的视场为120°时，为了比较好的使用效果，经过光束扩散部104的折射后光束的出射角度可以为120°。当然，如果选用更大视场角度的成像模组，就要相应的增大折射后光束的出射角度。

在一些实施例中，通过设置光束扩散部104的入射表面的形状，可以控制光纤发出的光束在射入光束扩散部104时的入射角度，从而在已知光束扩散部104的材料折射率的情况下控制光束经光束扩散部104折射后的传播方向。在一些实施例中，参见图4，光束扩散部104的入射表面可以是所述光束扩散部104靠近所述光纤安装通道102的内侧面。在一些实施例中，光束扩散部104的内侧面可以为光学曲面。本说明书中的光学曲面是指具有光学折射功能的曲面。例如，光学曲面可以是具有规则形状的球面。又例如，光学曲面可以是具有不规则形状的非球面等。在一些实施例中，通过设置光束扩散部104的出射表面的形状，可以进一步控制光纤的出射光束从光束扩散部104射出后的出射方向。在一些实施例中，光束扩散部104的出射表面可以是所述光束扩散部104远离所述光纤安装通道102的外侧面。在一些实施例中，光束扩散部104的外侧面可以为平面。通过设置具有高透明属性的光束扩散部104的入射表面和出射表面的形状，可以使光束扩散部104在扩大光纤发出的光束的出射角度，达到扩大照明范围的目的的同时，不会损失或仅极少量的损失光束的能量，保证照明的效果。

在一些实施例中，所述光束扩散部104的光学曲面为非球面。在一些实施例中，非球面是指回转对称的单位弧长所对应的弧度不同的表面。在一些实施例中，对非球面进行弧度变化设计，可以使非球面可以具有独特的曲面面型。通过将光学曲面设置为非球面，对非球面的曲面面型上各点所对应的弧度变化进行设计，可以获得独特的光束扩散角度。在一些实施例中，所述非球面的曲面面型基于所述光束扩散部104的材料物理特性确定，所述材料物理特性包括折射率、透射率、雾度等。由于选定一种材料后，其材料的折射率是一定的，可以根据材料的折射率、需要得到的出射角度以及原始的光纤光束发散角度，去推导光束进入非球面时的入射角度，这个入射角度是入射光束与入射点处入射表面法线的夹角。通过计算曲面面型上任意一点处曲面面型的弧度变化，可以得到非球面曲面上这一个点的法线方向。用同样的方法，计算得到非球面的曲面面型上多个点的弧度变化，通过对多个点进行拟合，就能得到这一非球面的曲面面型。

在一些实施例中，非球面的曲面面型可以通过非球面的矢高与非球面在该矢高所对应的口径之间的函数表示。在一些实施例中，所述非球面的曲面面型公式为：

。

其中，c是设置于所述光纤安装通道内的光纤的半径的倒数；k 是二次曲线系数；r是非球面的口径；

，

……

是非球面系数；z 是非球面的矢高；所述二次曲线系数k根据光束扩散部的材料物理特性确定。在一些实施例中，所述光束扩散部为聚碳酸酯材料（简称PC），其二次曲线系数k为 -3.17。由于光纤发出的光束本身就是具有一定出射角度的发散形光束（如附图6所示），不同角度的光线射到光束扩散部104的不同矢高位置时的入射方向不同，因此，不同的矢高处要有不同的非球面的口径才能得到曲面面型上任意一点的不同的法线方向，以便与该点光束的入射方向相匹配，来控制光束在该点的入射角度，进而控制光束的出射角度，最终达到需要的光束扩散角度。因此，通过上述非球面的曲面面型公式计算得到的非球面的曲面面型，可以获得独特的光束扩散角度，如附图7所示，经过光束扩散部104折射后的光线，扩大了光束扩散角度，同时将原本中间比较聚集的光线向四周扩散，以达到均匀光线的作用。

在一些实施例中，所述光束扩散部104的内侧面为光滑面。在一些实施例中，所述光束扩散部104的外侧面为漫射面。这里所说的光滑面和漫射面是一个相对的概念，漫射面是指对光线发生不规则反射（如反射方向不同）的平面，光滑面是指对光线发生规则反射（如反射方向相同）的平面。内侧面的设置为比较平整光洁的光滑面，是为了减少光束到达外侧面时由于反射产生的损失，保证光束折射效果。外侧面设置为漫射面，可以通过设置例如雾面或磨砂面获得，其表面粗糙，光束经过漫射面射出会发生光束的漫射，从而改变少部分光束的传播方向而达到均光的目的。在本说明书中所述漫射面只是起到均匀光束的作用，而不具有增大出射角的功能，其仅能少部分地影响光束的传播方向，而对光束射出光束扩散部104时的整体出射方向影响不大。

图8根据本说明书一些实施例所示的光纤前端未安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图；图9是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图。

在一些实施例中，光束扩散部104也可以不设置漫射面，而是通过非球面的曲面特性对光束进行扩散而达到均匀光线的目的。在一些实施例中，参考附图8、图9，利用非球面在各Y坐标上R值不同的曲面特性，可以使光束扩散部104在扩大光束出射角度的同时，对照明区域照度均匀性做调整优化。附图8、图9中纵坐标是照度，单位是勒斯，横坐标是照明视场的半径，单位是毫米。对比图8和图9，在图8（光纤未安装光束扩散部）中，在照度曲线的峰值处的照度值会很高，峰值区域集中在了照明范围的中间区域（半径为0.1毫米~0.3毫米的区域），导致视场的中间区域（半径为0.1毫米~0.3毫米的圆形区域）照度值很高（达到了22000勒斯），因此中间集中的一点非常亮，当成像模组进行拍摄时，成像模组在进行曝光自动调整时，会根据照明区域中间部分的亮度降低拍摄亮度，从而导致整个视场范围内的拍摄亮度降低，进而导致整个照明区域的成像不清晰。对比图8和图9，在图9（光纤前安装光束扩散部）中，照度曲线的峰值位于半径为0.8毫米~1.2毫米的照明区域，该区域的照度值都几乎相同（约为21600勒斯），也就是说在光纤前设置具有非球面内侧面的光束扩散部104后，峰值照度区域半径增大了5倍，照度值降低了约400勒斯，在成像模组对人体组织成像时，视场中间比较大的一个范围的亮度都是一样的，且照度低于未设置光束扩散部104时照度的峰值，因此，当成像模组进行拍摄时，整体拍摄亮度不需要进行较大的降低即可进行拍摄。另一方面，参见图9，设置光束扩散部104后相同半径的视场范围内的照明亮度随视场半径的变化较小，因此，有利于减小非峰值区域与峰值区域的亮度差异，进一步提高成像效果。因此，通过设置光束扩散部104，可以起到均匀光束的效果，使成像模组能拍到清晰的图像。

在一些实施例中，所述模组前端装置100为同一种材料制成，采用一体成型工艺加工而成。在一些实施例中，光束扩散部104也可以单独制造并粘合在光纤安装通道102的前端。由于该模组前端装置体积较小，如果用分体生产再粘合的技术，相对来说要更加耗费成本，因此可以根据材料特性来选择一体成型工艺加工，来减少生产成本、提高产量。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。

同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，除非权利要求中明确说明，本说明书所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本说明书流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本说明书实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20%的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

针对本说明书引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本说明书作为参考。与本说明书内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本说明书权利要求最广范围有限制的文件（当前或之后附加于本说明书中的）也除外。需要说明的是，如果本说明书附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本说明书所述内容有不一致或冲突的地方，以本说明书的描述、定义和/或术语的使用为准。

最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (10)

1.一种内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于，包括：成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；

所述光束扩散部安装在所述光纤安装通道的前端；

所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部的折射后出射角度增大。

2.如权利要求1所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部为透明材料。

3.如权利要求2所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部与靠近所述光纤安装通道靠近的内侧面为光学曲面，所述光束扩散部远离所述光纤安装通道的外侧面为平面。

4.如权利要求3所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部的内侧面为光滑面。

5.如权利要求3所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部的外侧面为漫射面。

6.如权利要求3所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部的光学曲面为非球面。

7.如权利要求6所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，照明区域照度峰值分布范围相对于未经过所述光束扩散部时增大。

8.如权利要求7所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述非球面的曲面面型基于所述光束扩散部的材料物理特性确定，所述材料物理特性至少包括折射率。

9.如权利要求8所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述非球面的曲面面型公式为：

其中，c是设置于所述光纤安装通道内的光纤的半径的倒数；k 是二次曲线系数；r是非球面口径；α1, α2, … … α8是非球面系数；z 是非球面矢高；所述二次曲线系数k根据光束扩散部的材料‌‌物理特性确定。

10.如权利要求1-9任一项所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述模组前端装置采用一体成型工艺加工而成。

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