CN114521859A - 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统 - Google Patents

一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114521859A
CN114521859A CN202210202195.2A CN202210202195A CN114521859A CN 114521859 A CN114521859 A CN 114521859A CN 202210202195 A CN202210202195 A CN 202210202195A CN 114521859 A CN114521859 A CN 114521859A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical
group
image transfer
relay
amplification
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210202195.2A
Other languages
English (en)
Inventor
王立强
王子川
杨青
郭飞
袁波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU, Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202210202195.2A priority Critical patent/CN114521859A/zh
Publication of CN114521859A publication Critical patent/CN114521859A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/043—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances for fluorescence imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00002—Operational features of endoscopes
    • A61B1/00011—Operational features of endoscopes characterised by signal transmission
    • A61B1/00013—Operational features of endoscopes characterised by signal transmission using optical means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00163—Optical arrangements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00163—Optical arrangements
    • A61B1/00193—Optical arrangements adapted for stereoscopic vision
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/042—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances characterised by a proximal camera, e.g. a CCD camera

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Endoscopes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜二次光学放大与转像中继系统。该光学系统通过二次转像放大设计，将常规双光路腹腔镜的光轴间距由4‑5mm增大至10mm以上，并在放大像面的同时保证像质不损失。该中继系统包含第一级转像放大组、转向棱镜组、第二级转像放大组。对任一光路系统而言，该内窥镜成像光学系统将成像光通道分为可见光通道和近红外荧光通道。本系统可通过二次光学放大与转像中继系统设计将现有双光路腹腔镜的光轴间距增大至合理尺寸，以解决现有摄像系统尺寸过大，无法实现双光路腹腔镜同步摄像的问题。

Description

一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转 像中继系统
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统。
背景技术
如今，微创手术已经成为外科医学各领域的重要发展方向。对病人而言，微创手术具有损伤小、术后恢复快等特点，而任何一项微创手术的开展都离不开内窥镜的帮助。内窥镜具有既能诊断又能治疗的特点，迎合了早期诊断及低创伤治疗的医疗发展方向，是医疗器械的重点发展领域之一。现有内窥镜(特别是国产内窥镜)存在一些问题：如图像的清晰度不高，影响早期诊断能力；光学放大倍数不高、视场角度不大等。这些问题限制了内镜早期诊断能力，常常会迫使医生对病人组织进行更多的活检来弥补其不足。因此目前4K超清内窥镜的开发是目前医用内窥镜的一个主要发展方向。
对内窥镜而言，荧光镜(工作光谱为400～900nm)相较于传统的白光镜(工作光谱为400-700nm)具有更广的工作光谱，近红外波段具备更强的穿透能力，能够提供人体表层组织图像以及表层一下组织的荧光造影，比如血管显影等；白光镜则主要展现人体组织的表层图像。因此，目前荧光镜也已经广泛运用于临床中。
在手术过程中，若是只通过单路内窥镜捕获的2D平面图像进行手术，操作中医生缺乏对手术环境的直观立体感，从而限制医生的操作能力，增大手术工作强度，并降低了手术操作精度。针对医生的需求，立体内窥镜可以为医生提供三维立体的图像，能够为医生提供更准确的病患信息，避免医生手术的误操作。
目前的临床需求希望内窥镜能够提供更清晰(4K)、更立体(3D)的图像。然而就目前内窥镜的产品而言，单独的4K超清内窥镜、单独的3D内窥镜以及荧光内窥镜均有相应的产品在市场上出现。但是目前市场上的内窥镜产品中满足了4K的超清图像功能的均没有实现立体成像的要求，只能提供2D的白光或者荧光图像；满足立体成像要求的内窥镜受限于分辨能力，存在清晰度的问题。这意味着医生在临床过程中只能在清晰度与立体图像中做出选择。如何将立体成像与4K结合起来是目前内窥镜发展面临的一大难题。因此开发一套既能实现4K成像，又能实现立体成像的荧光内窥镜是十分重要的。
但是由于内窥镜在实际运用中，镜筒本身的直径会受到限制，一般内窥镜的前端直径被限制在10mm以内，在这一条件下，立体双光路系统的所得成像面的大小受限，无法满足放置4K成像所需CMOS的空间要求，如何解决这一问题是实现4K与立体成像融合的关键。
发明内容
针对上述现有技术及存在的问题，本发明提出了一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统。该光学系统与双光路通道衔接，中继光学系统包括：第一级转像放大组、转向棱镜组、第二级转像放大组。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统，它包括沿着镜管的中心轴线对称配置的左、右两路光学系统。左、右光学系统从物侧向成像侧均包括物镜成像单元(依次包括成像物镜组、转像镜组)、第一级转像放大组、转向棱镜组、第二级转像放大组、目镜成像单元(可依次包括成像目镜组、耦合镜组、成像元件组)。通过调整平行间距模拟人眼观察物体时的位移视差。
所述成像物镜组，用于对场景捕获。
所述转像镜组，为成像放大率为1:1的对称结构，将成像物镜组捕获的图像进行长距离传输，同时进行与成像物镜组共同完成像差的校正，得到较好的像质。
本发明中转像放大组为二级放大组。第一级转像放大组与1：1转像镜组一起置于镜筒内，位于转向棱镜组前；第二级转像放大组置于转向棱镜组后，与目镜成像单元位于同一镜筒内。通过二级放大的方式可以在保证像面大小满足成像需求的同时有效避免前端内窥镜直径过大的问题。对于内窥腹腔镜而言，其前端直径一般被限制在10mm以内，在双光路的情况下，单光路的最大直径不能超过5mm，在这一情况下想要实现4K级的像质是不现实的，因为像面过小，CMOS/CCD的大小受限，无法满足4K成像的要求。为了满足4K的像质，对像面的放大必不可少，且为了满足前端的直径要求，设计为二级放大系统。第一级转像放大组与物镜端转像镜组衔接位于同一镜筒内，用于将传出像进行一次放大，并由设于所述镜筒外的转向棱镜组传出；第二级转像放大组与成像目镜衔接，位于同一镜筒内，对第一级中继放大像进行二次放大的同时完成像差校正。
进一步的，所述第一级转像放大组依次包括第一双胶合正透镜、第二双胶合正透镜、第三双胶合负透镜、第四双胶合正透镜。第一级转像放大组与光轴垂直方向上直径均不超过4.8mm，一次中继半像高在1.5-2mm内，保证后续单路光学系统的口径不大于15mm。第二级转像放大组将一次中继像二次放大至所需像高，半像高一般在2～3mm内；第二级转像放大组与第一级转像放大组之间应有不小于25mm的光轴方向距离。
所述转向棱镜组，位于第一级转像放大组与第二级转像放大组中间，通过两次反射(可以通过3个斜方棱镜，通过表面反射实现两路光轴的两次90度转折从而实现双通道光路光轴的分离)增加立体内窥镜两个光学通道的光轴间距离，满足后续镜组以及两个CMOS/CCD的空间布局要求。
所述成像目镜组，对经过转像放大后的图像成像于无穷远，便于与后续耦合镜组协同完成成像。
所述耦合镜组，将过目镜后所得的无穷远像成像于CMOS/CCD图像传感器上，也可通过变焦来调整像面大小。在CMOS/CCD前设置一分光元件用于将光线分别成像于白光所用CMOS/CCD和荧光所用CCD/CMOS。
和现有技术相比，本发明的有益之处为：
1.基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统通过特有的二次转像放大与转向中继系统可实现4K成像与立体成像，将4K超清图像与立体图像相结合，能够极大地提升医生对患者的检查能力以及手术操作精度。
2.本发明通过特有的二次转像放大与转向中继系统，在满足4K成像与立体成像需求的同时增大了立体双通道光路光轴的间距(可将常规双光路腹腔镜的光轴间距由4-5mm增大至10mm以上，并在放大像面的同时保证像质不损失)，提供了空间，可以设置分光元件，能够同时实现荧光成像与白光成像。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明
图1为本发明的实施例的光学系统结构示意图；
图2为本发明的实施例的光学系统的转像放大物镜与转向棱镜组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述。
图1为本发明的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的总体结构示意图。本发明的光学系统两路间隔排列、相互独立、结构相同且对称放置的光学系统组成。每路光学系统由物侧到像侧沿光轴方向依次为成像物镜1、1:1转像透镜组2、第一级转像放大组3-1、转向棱镜组3-2、第二级转像放大组3-3、成像目镜组4、变耦合镜组及分光成像CMOS组5。
本发明的实施例中成像物镜1放置于光学系统前端，后接1:1转像透镜组2。转像透镜组2在不改变成像物镜1捕获的图像大小的情况下，能够调节所捕获图像的像质。成像物镜为普通75°视场内窥镜物镜。1:1转像透镜组将物镜所得像传出时同时进行像差校正。
转像放大组放置于1:1转像系统后方，用于将转像系统传输出的中继图像进行二级放大，包括第一级转像放大组和第二级转像放大组，第一级转像放大组与物镜端转像透镜组衔接位于同一镜筒内，用于将传出像进行一次放大，并由设于所述镜筒外的转向棱镜组传出；第二级转像放大组与成像目镜组衔接，位于同一镜筒内，对第一级中继放大像进行二次放大的同时完成像差校正。
图2为转像放大组及转向透镜组示意图，表1为转像放大组的透镜参数。所述第一级转像放大组依次包括第一双胶合正透镜即图中透镜3-1-1及3-1-2、第二双胶合正透镜即图中透镜3-2-1及3-2-2、第三双胶合负透镜即图中透镜3-3-1及3-3-2、第四双胶合正透镜即图中透镜3-4-1及3-4-2。所述第二级转像放大组依次包括第七双胶合正透镜即图中透镜3-7-1及3-7-2、第八双胶合正透镜即图中透镜3-8-1及3-8-2、第九双胶合负透镜即图中透镜3-9-1及3-9-2、第十双胶合正透镜即图中透镜3-10-1及3-10-2。S94-S105为第一级转像放大镜组对应的镜面，S109-S120为第二级转像放大镜组对应的镜面。第一级转像放大镜组由于与成像物镜组、转像透镜组放置于同一镜筒内，所用镜片半径受限不得大于4.8mm，所得一级放大中继像需要控制大小避免镜片过大，控制一次中继半像高在1.5-2mm内，保证后续单路光学系统的口径不大于15mm。但为了得到较大像面，需要对一次放大中继像进行二次放大，使二次放大后使得半像高一般在2～3mm内；在进行光学设计时将S105与S109之间预留一段较长的距离，这一距离不低于25mm。用于模拟放置全反射转向棱镜时光线传播的光轴距离，同时保证有足量空间放置转向棱镜。中间的转向棱镜组可以采用三个斜方棱镜3-5、3-6均用于反射90°转折光轴，各光路经两次反射后与传像元件的光轴平行的方向射出。并增加后续双光路的光轴间隔，便于后续CMOS/CCD等元件的安装。
表1转像放大透镜组参数
Figure BDA0003529832920000041
Figure BDA0003529832920000051
注：表中S106～108是虚拟面，实际对应放置转像棱镜的反射面。
成像目镜位于第二级转像放大镜组后方，用于将转像放大所得像成像于无穷远，得到平行出射的出射光。所得到的平行光相对于光轴的角度与后续耦合镜需求相对应。
此外，系统还包括光纤照明装置，光纤照明装置可采用普通硬管内窥镜的常规安装方法，因此不在本专利中进行说明。
综上所述，本发明的一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统通过二级放大设计，在内窥镜直径与空间受限的情况下实现了4K成像与立体成像相结合，同时能够实现白光成像与荧光成像，极大地提升医生对患者的检查能力以及手术操作精度。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统沿镜管中轴对称设置双光路，所述中继系统由前至后包括：第一级转像放大组、转向棱镜组、第二级转像放大组，第一级转像放大组与内窥镜光学系统中物镜成像单元衔接设于同一镜筒中，第二级转像放大组与内窥镜光学系统中目镜成像单元衔接，所述转向棱镜组、第二级转像放大组设于所述镜筒外。
2.根据权利要求1所述的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，所述物镜成像单元包括成像物镜组、1:1转像镜组，第一级转像放大组与光轴垂直方向上直径均不超过4.8mm，成像物镜组、1:1转像镜组、第一级转像放大组置于同一镜筒内，且使得一次中继半像高在1.5-2mm内，保证后续单路光学系统的口径不大于15mm。
3.根据权利要求1所述的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，所述第一级转像放大组依次包括第一双胶合正透镜、第二双胶合正透镜、第三双胶合负透镜、第四双胶合正透镜。
4.根据权利要求1所述的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，所述转向棱镜组用于将双光路进行两次90度转折，实现双光路光轴的分离。
5.根据权利要求1所述的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，第二级转像放大组与成像目镜放置于同一镜筒内，用于将一次中继像二次放大至所需像高，半像高在2～3mm内；所述第二级转像放大组协同第一级转像放大组完成像差校正。
6.根据权利要求1所述的基于双光路设计的立体荧光内窥镜光学系统的二次光学放大与转像中继系统，其特征在于，第二级转像放大组与第一级转像放大组之间有不小于25mm的光轴方向距离。
CN202210202195.2A 2022-03-03 2022-03-03 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统 Pending CN114521859A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210202195.2A CN114521859A (zh) 2022-03-03 2022-03-03 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210202195.2A CN114521859A (zh) 2022-03-03 2022-03-03 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114521859A true CN114521859A (zh) 2022-05-24

Family

ID=81626748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210202195.2A Pending CN114521859A (zh) 2022-03-03 2022-03-03 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114521859A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115316919A (zh) * 2022-09-15 2022-11-11 广东欧谱曼迪科技有限公司 双相机3d光学荧光内窥镜摄像系统、方法及电子设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115316919A (zh) * 2022-09-15 2022-11-11 广东欧谱曼迪科技有限公司 双相机3d光学荧光内窥镜摄像系统、方法及电子设备
CN115316919B (zh) * 2022-09-15 2023-06-30 广东欧谱曼迪科技有限公司 双相机3d光学荧光内窥镜摄像系统、方法及电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106236006B (zh) 3d光学分子影像腹腔镜成像系统
JP3580869B2 (ja) 立体視内視鏡
JP3628717B2 (ja) 立体視内視鏡
JPH11503844A (ja) ステレオビデオ内視鏡の対物レンズ系
CN110840386A (zh) 基于单探测器的可见光和近红外荧光3d共成像内窥镜系统
CN103735243A (zh) 一种双路3d腹腔镜及双路3d腹腔镜系统
CN114521859A (zh) 一种基于双光路设计的立体荧光内窥镜的二次光学放大与转像中继系统
WO2024046414A1 (zh) 一种手持式内窥镜成像系统
CN116982916B (zh) 一种宽视场荧光内窥成像装置和方法
CN111772560A (zh) 一种基于双通道高效传输的荧光内窥镜成像系统及方法
CN216696844U (zh) 偏振光内窥镜光学适配器
CN203693556U (zh) 双路3d腹腔镜及双路3d腹腔镜系统
CN216792582U (zh) 内窥镜偏振光光学适配器
JPH08122666A (ja) 立体視内視鏡
JPH09248276A (ja) 視野方向可変硬性鏡装置
CN201135423Y (zh) 腹腔内窥镜
CN110115557B (zh) 一种高光谱内窥成像装置及成像方法
CN106444004B (zh) 前后视场电子内窥镜
CN104434006A (zh) 一种双通道内窥镜
CN110623626A (zh) 用于二维腹腔镜的二维-三维成像转换器
KR101610171B1 (ko) 입체 이미지를 촬영하기 위한 단안식 복강경
CN112971687A (zh) 一种可实现2d转3d成像的新型内窥镜适配器
CN110623625A (zh) 用于二维腹腔镜的三维成像转换器
CN115316919B (zh) 双相机3d光学荧光内窥镜摄像系统、方法及电子设备
CN116327092B (zh) 光学系统和成像单元一体化设计的可旋转3d内窥镜及成像系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination