CN114099133B - 一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，属于光学镜头领域。该物镜从像面到手术加工面沿光轴依次包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组；所述第一透镜组，为正光焦度的透镜组，包括一片或多片透镜，用于对入射激光进行收集；所述第二透镜组，为负光焦度的多胶合透镜组，用于对收集的激光进行色差和色散补偿；所述第三透镜组，为正光焦度的多胶合透镜组，用于减小激光因不同视场角光线引起的像场弯曲以及大视场畸变。本发明能够在不损失光学质量的前提下，实现大视场和大数值孔径，且所用的镜片数量少，能有效用于激光眼科手术。
Description
技术领域
本发明属于光学镜头技术领域，更具体地，涉及一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜。
背景技术
当今近视人数日渐增多，近视矫正的方式可以分为体外矫正和手术矫正两种。传统的体外矫正方法，即通过佩戴眼镜矫正视力，给日常生活带来不便。而通过手术矫正视力，具有较高稳定性，方便快捷，且不影响日常生活，因此逐渐成为近视者矫正视力的选择。
通过手术矫正视力的方案，又分为机械切割、准分子激光切割、飞秒激光切割等方案。其中飞秒激光切割具有非接触、层析切片能力、小切口的优点，是近视手术的优选方案。手术通过手术物镜将飞秒激光聚焦在近视者角膜内部，进行有规划的定向切割。由于该手术利用了飞秒激光的双光子效应，因此对能量集中度有较高需求；同时由于需要对角膜进行整体扫描，因此对扫描面尺寸有较高需求。转化为物镜的描述性术语，即要求该手术物镜同时具有大数值孔径和大视场。
现存物镜设计方案中，其视场范围和数值孔径都可以做到较大，但是由于视场与数值孔径是一组相互制约的参数，很难做到在不损失光学质量的前提下，同时提升视场范围和数值孔径。因此，解决该现有问题，实现大数值孔径和大视场同时满足的手术物镜，进而满足飞秒激光手术的需求，是亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，通过设计各透镜组的技术参数，在不损失光学质量的前提下，提升手术物镜的视场和数值孔径。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，从像面到手术加工面沿光轴依次包括：第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组；
所述第一透镜组，为正光焦度的透镜组，所述第一透镜组为第一双凸透镜，用于对入射激光进行收集；
所述第二透镜组，为负光焦度的多胶合透镜组，用于对收集的激光进行色差和色散补偿，以减小增大数值孔径带来的像差；
所述第三透镜组，为正光焦度的多胶合透镜组，用于减小所述第二透镜组出射的激光因不同视场角光线引起的像场弯曲以及大视场畸变；
所述第一双凸透镜的曲率半径满足：
15mm＜r11f＜45mm，-180mm≤r11r＜-150mm；
其中，r11f、r11r分别为第一双凸透镜前表面和后表面的曲率半径；
所述第二透镜组沿光路方向依次为：第二双凸透镜，第一弯月透镜，双凹透镜；光焦度依次为：正，负，负；
所述第三透镜组沿光路方向依次为：第二弯月透镜，凸透镜，且都具有正光焦度；焦距关系满足：f31＜f32；
其中，f31为第二弯月透镜的焦距，f32为凸透镜的焦距；且所述凸透镜为平凸透镜或凹凸透镜；
所述第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组的焦距分别满足：
|f10|＞f/2，|f20|＞f/2，|f30|＞f/2；
其中，f10、f20、f30分别为第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组的焦距，f为所述手术物镜的焦距。
进一步地，所述第一透镜组的折射率n11满足：
1.4＜n11＜1.7。
进一步地，所述第一双凸透镜的口径d满足：d＞20mm。
进一步地，所述第二透镜组的三个透镜的折射率和曲率半径分别满足：
1.2＜n21＜1.6，10mm＜r21f＜30mm，-60mm＜r21r＜-30mm；
1.7＜n22＜2.1，-60mm＜r22f＜-30mm，-40mm＜r22r＜-10mm；
1.5＜n23＜1.9，-40mm＜r23f＜-10mm，5mm＜r23r＜15mm；
其中，n21、r21f、r21r分别为第二双凸透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n22、r22f、r22r分别为第一弯月透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n23、r23f、r23r分别为双凹透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径。
进一步地，所述第二弯月透镜和凸透镜的焦距满足：f31＜50mm且f32＞50mm。
进一步地，所述第三透镜组的两个透镜的折射率和曲率半径分别满足：
1.5＜n31＜1.9，45mm＜r31f＜75mm，5mm＜r31r＜15mm；
1.5＜n32＜1.9，5mm＜r32f＜15mm，r32r＞500mm；
其中，n31、r31f、r31r分别为第二弯月透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n32、r32f、r32r分别为凸透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径。
进一步地，在所凸透镜和手术加工面之间设有平板透镜，所述平板透镜的厚度为0.5mm，折射率为1.330，色散系数为55.800。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
（1）本发明的用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，通过设计的第一透镜组对入射激光进行收集，第二透镜组引入与不同波长在传输时造成的时间延迟和空间偏移相反的延迟与偏移量，对收集的激光进行色差和色散补偿，以弥补增大数值孔径带来的像差，第三透镜组引入与不同视场角光线引起的像场弯曲以及大视场畸变相反的弯曲和畸变量，以弥补增大视场带来的像差，使得形成的手术物镜的数值孔径NA可以达到0.2＜NA＜0.5，其视场直径D达到9mm＜D＜15mm。且该手术物镜在手术加工面（即物面）的全视场光学质量达到衍射极限，全视场畸变＜0.02%，全视场斯特列尔比＞0.95。即在不损失光学质量的情况下，可以实现大视场和大数值孔径，能有效用于激光眼科手术。
（2）作为优选，第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组满足的的焦距关系有利于光线在不同透镜组之间以小偏转角传播，引入公差影响小，有利于提升大批量生产加工的质量。
（3）作为优选，通过具有正光焦度的第二双凸透镜的低色散和负光焦度的第一弯月透镜和双凹透镜的高色散，实现了对该手术物镜的垂轴色差和轴向色差的补偿。
（4）作为优选，第二弯月透镜和凸透镜满足的焦距关系，能够减小该手术物镜的畸变和场曲。
（5）作为优选，光路系统中加入的平板透镜，可以使激光聚焦在角膜下一定深度的位置。
总而言之，本发明的用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，能够在不损失光学质量的情况下，可以实现大视场和大数值孔径，并且所用的镜片数量少，能有效用于激光眼科手术。
附图说明
图1为实施例1的光学系统图。
图2为实施例1的点列图。
图3为实施例1的调制传递函数图。
图4为实施例1的全视场调制传递函数变化图。
图5为实施例1的波前图。
图6为实施例1的畸变图。
图7为实施例1的惠更斯波前图。
图8为实施例2的光学系统图。
图9为实施例2的点列图。
图10为实施例2的调制传递函数图。
图11为实施例2的全视场调制传递函数变化图。
图12为实施例2的波前图。
图13为实施例2的畸变图。
图14为实施例2的惠更斯波前图。
图15为实施例3的光学系统图。
图16为实施例3的点列图。
图17为实施例3的调制传递函数图。
图18为实施例3的全视场调制传递函数变化图。
图19为实施例3的波前图。
图20为实施例3的畸变图。
图21为实施例3的惠更斯波前图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
10为第一透镜组，20为第二透镜组，30为第三透镜组，40为光学平板，11为第一双凸透镜，21为第二双凸透镜，22为第一弯月透镜，23为双凹透镜，31为第二弯月透镜，32为凸透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本说明书中使用的相对性用语，例如“前”“后”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的单元翻转使其颠倒，则所叙述在“前”的组件将会成为在“后”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“左”“右”等也作具有类似含义。
实施例1
如图1所示，本实施例中的大视场大数值孔径手术物镜，从像面到手术加工面沿光轴依次包括：具有正光焦度的第一透镜组10、具有负光焦度的第二透镜组20、具有正光焦度的第三透镜组30。
第一透镜组10，为正光焦度的组合透镜组，包括单片或多片透镜，作为整体系统的入瞳，提供整个物镜对手术激光的收集功能。
本实施例中，第一透镜组10为单片双凸透镜，即第一双凸透镜11，其折射率n11满足：
1.4＜n11＜1.7。
其曲率半径满足：
15mm＜r11f＜45mm，-180mm≤r11r＜-150mm，其中，r11f、r11r分别为第一双凸透镜11的前表面和后表面的曲率半径。
由上述折射率和曲率半径组合下，可以实现入射激光的有效收集。
第一透镜组口径d满足：
d＞20mm，便于整个物镜对手术激光的收集，能够增大本实施例中的手术物镜的数值孔径。
第二透镜组20，总体为负光焦度的组合透镜组，包括多片胶合透镜。优选的，第二透镜组20为三片透镜胶合而成，沿光路方向依次包括：第二双凸透镜21，第一弯月透镜22，双凹透镜23，其光焦度分别为正，负，负，形成整体为负光焦度的组合透镜组。
其中，第二双凸透镜21折射率n21满足：
1.2＜n21＜1.6。
其曲率半径满足：
10mm＜r21f＜30mm，-60mm＜r21r＜-30mm，其中，r21f、r21r分别为第二双凸透镜21的前表面和后表面的曲率半径。
第一弯月透镜22折射率n22满足：
1.7＜n22＜2.1。
其曲率半径满足：
-60mm＜r22f＜-30mm，-40mm＜r22r＜-10mm，其中，r22f、r22r分别为第一弯月透镜22的前表面和后表面的曲率半径。
双凹透镜23折射率n23满足：
1.5＜n23＜1.9。
其曲率半径满足：
-40mm＜r23f＜-10mm，5mm＜r23r＜15mm，其中，r23f、r23r分别为双凹透镜23的前表面和后表面的曲率半径。
由于不同波长光线之间在手术物镜中，存在时间延迟和空间偏移，通过具有正光焦度的第二双凸透镜21的低色散和负光焦度的第一弯月透镜22和双凹透镜23的高色散，引入与原有时间延迟和空间偏移相反的延迟与偏移量，使不同波长光线会聚于像面上同一个点，实现对本实施例中的手术物镜的垂轴色差和轴向色差的补偿。
第三透镜组30总体为正的组光焦度，包括多片胶合透镜。
优选的，第三透镜组30为两片透镜胶合而成，包括：第二弯月透镜31，凸透镜32胶合而成，其中，凸透镜32为平凸透镜或凹凸透镜。其光焦度分别为正，正，形成整体为正光焦度的组合透镜组。
第二弯月透镜31折射率n31满足：
1.5＜n31＜1.9。
其曲率半径满足：
45mm＜r31f＜75mm，5mm＜r31r＜15mm，其中，r31f、r31r分别为第二弯月透镜31的前表面和后表面的曲率半径。
凸透镜32折射率n32满足：
1.5＜n32＜1.9。
其曲率半径满足：
5mm＜r32f＜15mm，r32r＞500mm，其中，r32f、r32r分别为凸透镜32的前表面和后表面的曲率半径。
该手术物镜设计中，还增加了2mm厚度光学平板40，以仿真手术过程中实际使用的情况，实际设计的物镜中并不包含该光学平板。
由于不同视场角光线在手术物镜中，存在像场弯曲以及大视场畸变，由于上述透镜满足的折射率和曲率半径关系，第二弯月透镜31的焦距f31满足：f31＜50mm，且凸透镜32的焦距f32满足：f32＞50mm，引入与原有像场弯曲和畸变相反的弯曲和畸变量，使不同视场角光线在手术物镜中，聚焦于同一个平面上，能够减小物镜畸变和场曲。
优选的，该系统满足以下关系式：
|f10|＞f/2；
|f20|＞f/2；
|f30|＞f/2。
其中，f10为第一透镜组焦距，f20为第二透镜组焦距，f30为第三透镜组焦距，f为手术物镜整体焦距。
满足以上关系式，有利于光线在不同透镜组之间以小偏转角传播，引入公差影响小，对大批量生产加工中提供了质量保证。
在手术物镜满足上述关系式限制以及优选设计，可以实现整个装置，即本发明设计的手术物镜的其数值孔径NA满足：
0.2＜NA＜0.5；
其视场直径D满足：
9mm＜D＜15mm；
实现了在大视场大数值孔径下，该手术物镜达到理论的衍射极限的成像效果。
如图2所示，为本实施例手术物镜的点列图。从图中可以看出，该手术物镜所有光线追迹结果均处于艾里斑以内。艾里斑为一个光学系统的理论最小光斑，所有光线追迹均在艾里斑内，说明本实施例中的手术物镜达到衍射极限的成像效果。
如图3所示，为本实施例手术物镜的调制传递函数图。表示该手术物镜在所有视场调制传递函数达到同数值孔径光学系统理论上最高值，即为衍射极限对应数值，说明本实施例中的手术物镜达到衍射极限的成像效果。
如图4所示，为本实施例手术物镜的全视场调制传递函数变化图。从图中可以看出，全视场调制传递函数在同一空间频率具有从中心到边缘具有一致性，可以认为本实施例中的手术物镜全视场成像以及加工能力具体一致性，不会产生不同位置的成像和加工偏差。
如图5所示，为本实施例手术物镜的全视场波前图，表示该手术物镜波前比理论衍射极限波前小，因此达到衍射极限的成像效果。
如图6所示，为本实施例手术物镜的畸变图，从图中可以看出，该手术物镜全视场畸变小于0.2%，可以认为本实施例中的手术物镜畸变可忽视。
如图7所示，为本实施例手术物镜的惠更斯波前图，其斯特列尔比为0.955。斯特列尔比越高，加工效果越好，一般手术物镜要求斯特列尔比大于0.9，即本实施例中的手术物镜斯特列尔比远大于现有的手术物镜要求。
本实施例光学镜片具体参数如下表所示，其中，平面编号是从第一透镜组第一透镜面（左面）开始。其中，ne为光学镜片的折射率，ve为光学镜片的色散系数。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中的系统在凸透镜32和手术加工面之间增加了厚度为0.5mm，折射率为1.330，色散系数为55.800的平板透镜，此设计用以仿真手术中激光聚焦在角膜下0.5mm深度位置。
如图8-图14所示，与实施例1类似，本实施例中的手术物镜的效果仍然达到衍射极限水平，畸变仍然小于0.2%，斯特列尔比仍达到0.9以上。
本实施例光学镜片具体参数如下表所示：
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例中的手术物镜最后一面，即凸透镜32后表面，其曲率半径为无限大，即凸透镜32后表面为平面，在一些应用场合，需要手术物镜与其他手术器械进行无缝衔接，使用平面可以达到这种效果。
如图15-图21所示，与实施例1类似，本实施例中的手术物镜的效果仍然达到衍射极限水平，畸变仍然小于0.2%，斯特列尔比仍达到0.9以上。
本实施例光学镜片具体参数如下表所示：
现存物镜设计方案中，视场与数值孔径是一组相互制约的参数，难以实现同时具备大数值孔径和大视场的手术物镜。其原因在于，增大视场与数值孔径的同时，手术需要进行修正的像差也会增大，其具体表现为增大视场，会导致大视场的场曲、像散和畸变的增大；增大数值孔径，会导致色差和色散的增大，本专利通过合理的设计，实现对上述像差的补偿和优化，最终可以实现大视场和大数值孔径的手术物镜。
本发明中的所有光学透镜全为透射、同轴、球面镜结构，便于加工和安装。
本发明中的手术物镜基于无限远矫正进行设计，物镜整体为无限远矫正状态工作，可以匹配场镜与tubelens进行观察。且使用场景不仅限于进行飞秒激光屈光手术，其针对需求大视场大数值孔径的激光操作场景均可以使用，如激光打标，激光光刻，以及荧光成像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于眼科手术的大视场大数值孔径手术物镜，其特征在于，从像面到手术加工面沿光轴依次包括：第一透镜组（10）、第二透镜组（20）、第三透镜组（30）；
所述第一透镜组（10），为正光焦度的透镜组，所述第一透镜组（10）为第一双凸透镜（11），用于对入射激光进行收集；
所述第二透镜组（20），为负光焦度的多胶合透镜组，用于对收集的激光进行色差和色散补偿，以减小增大数值孔径带来的像差；
所述第三透镜组（30），为正光焦度的多胶合透镜组，用于减小所述第二透镜组出射的激光因不同视场角光线引起的像场弯曲以及大视场畸变；
所述第一双凸透镜（11）的曲率半径满足：
15mm＜r11f＜45mm，-180mm≤r11r＜-150mm；
其中，r11f、r11r分别为第一双凸透镜前表面和后表面的曲率半径；
所述第二透镜组（20）沿光路方向依次为：第二双凸透镜（21），第一弯月透镜（22），双凹透镜（23）；光焦度依次为：正，负，负；
所述第三透镜组（30）沿光路方向依次为：第二弯月透镜（31），凸透镜（32），且都具有正光焦度；焦距关系满足：f31＜f32；
其中，f31为第二弯月透镜的焦距，f32为凸透镜的焦距；且所述凸透镜（32）为平凸透镜或凹凸透镜；
所述第一透镜组（10）、第二透镜组（20）、第三透镜组（30）的焦距分别满足：
|f10|＞f/2，|f20|＞f/2，|f30|＞f/2；
其中，f10、f20、f30分别为第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组的焦距，f为所述手术物镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的手术物镜，其特征在于，所述第一透镜组（10）的折射率n11满足：1.4＜n11＜1.7。
3.根据权利要求2所述的手术物镜，其特征在于，所述第一双凸透镜的口径d满足：d＞20mm。
4.根据权利要求1所述的手术物镜，其特征在于，所述第二透镜组的三个透镜的折射率和曲率半径分别满足：
1.2＜n21＜1.6，10mm＜r21f＜30mm，-60mm＜r21r＜-30mm；
1.7＜n22＜2.1，-60mm＜r22f＜-30mm，-40mm＜r22r＜-10mm；
1.5＜n23＜1.9，-40mm＜r23f＜-10mm，5mm＜r23r＜15mm；
其中，n21、r21f、r21r分别为第二双凸透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n22、r22f、r22r分别为第一弯月透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n23、r23f、r23r分别为双凹透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径。
5.根据权利要求4所述的手术物镜，其特征在于，所述第二弯月透镜（31）和凸透镜（32）的焦距满足：f31＜50mm且f32＞50mm。
6.根据权利要求1所述的手术物镜，其特征在于，所述第三透镜组的两个透镜的折射率和曲率半径分别满足：
1.5＜n31＜1.9，45mm＜r31f＜75mm，5mm＜r31r＜15mm；
1.5＜n32＜1.9，5mm＜r32f＜15mm，r32r＞500mm；
其中，n31、r31f、r31r分别为第二弯月透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径；n32、r32f、r32r分别为凸透镜的折射率、前表面和后表面的曲率半径。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的手术物镜，其特征在于，在所述凸透镜（32）和手术加工面之间设有平板透镜，所述平板透镜的厚度为0.5mm，折射率为1.330，色散系数为55.800。
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