CN116360091B - 一种大视场高分辨oct内窥镜光学成像系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，涉及内窥镜光学成像系统技术领域，其技术方案要点是：包括沿着光轴从光纤到物侧依次排列的光纤、准直透镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；各透镜均具有正光焦度；准直透镜满足：0.5<f准直/f内窥镜<1.5，f准直为准直透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；第一透镜满足：1.5<f1/f内窥镜<3.5；第二透镜满足：6<f2/f内窥镜<12；第三透镜满足：1.3<f3/f内窥镜<2；第四透镜满足：1.5<f4/f内窥镜<2.5。本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统具有小型化、大视场以及高成像质量的优点。

Description

一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统
技术领域
本申请涉及内窥镜光学成像系统技术领域，具体而言，涉及一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统。
背景技术
光学相干断层扫描（OCT）是一种基于迈克尔逊干涉的差分检测医用光学成像技术，可以获得高分辨率的断层图像，被誉为“光学活检”技术，其主流应用可分为眼科OCT、内窥OCT两大类。其中OCT内窥镜在心血管、消化系统、呼吸道、脑神经、妇科等临床医学领域具有广阔的应用前景。
OCT内窥镜用于血管介入手术时，需要通过动脉进入人体，在X射线造影图像的引导下定位待检冠状动脉，然后注入2-3秒的生理盐水将血液转移出待测部位。同时OCT内窥镜在此时间段内沿血管方向进行5-10cm的螺旋扫描，以获得冠状动脉壁微观结构的实时信息。 OCT内窥镜还可以监测咽喉内壁的微观结构，气道的形状和大小，分析以诊断发育不良、喉癌和睡眠呼吸暂停等疾病，
然而上述这些满足小尺寸管腔道需求的内窥镜均采用环形扫描成像的方式，为了实现小型化普遍牺牲了镜头的成像性能，导致内窥镜的分辨率，景深，视场等性能参数较差，难以满足更多的内窥应用场景，镜头成为了OCT系统中的最短板，这类OCT内窥镜对胃肠、腔内疾病的诊断具有一定的局限性。
针对上述问题，需要进行改进。
发明内容
本申请的目的在于提供一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，具有小型化、大视场以及高成像质量的优点。
第一方面，本申请提供了一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，技术方案如下：
包括光纤，该系统包括沿着光轴从所述光纤到物侧依次排列的准直透镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；
所述准直透镜具有正光焦度；
所述第一透镜具有正光焦度；
所述第二透镜具有正光焦度；
所述第三透镜具有正光焦度；
所述第四透镜具有正光焦度；
所述准直透镜满足：0.5<f准直/f内窥镜<1.5，其中，f准直为所述准直透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第一透镜满足：1.5<f1/f内窥镜<3.5，其中，f1为第一透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第二透镜满足：6<f2/f内窥镜<12，其中，f2为第二透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第三透镜满足：1.3<f3/f内窥镜<2，其中，f3为第三透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第四透镜满足：1.5<f4/f内窥镜<2.5，其中，f4为第四透镜的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距。
利用第一透镜和第二透镜组成一个汇聚光路，可以汇聚出光路的第一个焦点，有利于延长光路的总长度，提高了内窥镜深入人体的深度，同时可以减少像差并提高分辨率，利用第三透镜延长光路总长度，利用较低光焦度的第四透镜产生大视场，同时还具备较低的像差，因此，本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统具有小型化、大视场以及高成像质量的有益效果。
进一步地，在本申请中，所述f准直/所述f内窥镜为：0.811、0.832、0.885、0.912、0.953或1.012。
准直透镜与整个光学成像系统的焦距满足上述比值的时候，可以使光学成像系统具有更高的成像质量。
进一步地，在本申请中，所述f1/所述f内窥镜为：2.901、2.911、2.925、2.962、2.973或3.052。
第一透镜与整个光学成像系统的焦距满足上述比值的时候，可以使光学成像系统具有更高的成像质量。
进一步地，在本申请中，所述f2/所述f内窥镜为：8.377、9.462、10.862、11.573或11.922。
第二透镜与整个光学成像系统的焦距满足上述比值的时候，可以使光学成像系统具有更高的成像质量。
进一步地，在本申请中，所述f3/所述f内窥镜为：1.422、1.542、1.655、1.782或1.883。
第三透镜与整个光学成像系统的焦距满足上述比值的时候，可以使光学成像系统具有更高的成像质量。
进一步地，在本申请中，所述f4/所述f内窥镜为：1.512、1.762、1.913、2.153、2.334或2.482。
第四透镜与整个光学成像系统的焦距满足上述比值的时候，可以使光学成像系统具有更高的成像质量。
进一步地，在本申请中，所述f准直/所述f内窥镜为0.912，所述f1/所述f内窥镜为2.962，所述f2/所述f内窥镜为10.862，所述f3/所述f内窥镜为1.655，所述f4/所述f内窥镜为2.153。
进一步地，在本申请中，视场范围满足：FOV≥3mm，其中，FOV为整个光学成像系统的最大视场高度。
进一步地，在本申请中，还包括振镜，所述振镜设置在所述准直透镜和所述第一透镜之间，所述振镜用于改变所述光轴的方向。
进一步地，在本申请中，还包括光阑，所述光阑设置在所述准直透镜与所述振镜之间。
由上可知，本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，利用第一透镜和第二透镜组成一个汇聚光路，可以汇聚出光路的第一个焦点，有利于延长光路的总长度，提高了内窥镜深入人体的深度，同时可以减少像差并提高分辨率，利用第三透镜延长光路总长度，利用较低光焦度的第四透镜产生大视场，同时还具备较低的像差，因此，本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统具有小型化、大视场以及高成像质量的有益效果。
附图说明
图1为本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统的结构示意图。
图2为本申请光学成像系统的OTF曲线图。
图中：100、光纤；200、准直透镜；300、第一透镜；400、第二透镜；500、第三透镜；600、第四透镜；700、物侧；800、振镜；900、光阑；1000、保护玻璃。
具体实施方式
下面将结合本申请中附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
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。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参照图1，一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，技术方案如下：
该系统包括光纤100，以及沿着光轴从光纤100到物侧700依次排列的准直透镜200、第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600；
准直透镜200具有正光焦度；
第一透镜300具有正光焦度；
第二透镜400具有正光焦度；
第三透镜500具有正光焦度；
第四透镜600具有正光焦度；
准直透镜200满足：0.5<f准直/f内窥镜<1.5，其中，f准直为准直透镜200的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
在满足该条件式的情况下，可以保证准直透镜200的有效口径不会过大，从而有利于整体光学成像系统的小型化设计。在超过上述条件式的上限时，会导致准直透镜200的尺寸过大，在低于上述条件式的下限时，会增大准直透镜200的球差，不利于成像质量的提升。
第一透镜300满足：1.5<f1/f内窥镜<3.5，其中，f1为第一透镜300的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
在满足上述条件式的情况下，可以扩大视场角，同时还能扩增内窥镜光学成像系统的总长，从而兼顾广角特性和深入人体目标的实现。在超过上述条件式的范围时，会导致第一透镜300的光焦度过小，不利于扩大视场角同时会导致第一透镜300上的入射角增大，不利于光学成像系统总长的增加。
第二透镜400满足：6<f2/f内窥镜<12，其中，f2为第二透镜400的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
在满足上述条件式的情况下，能够合理配置第一透镜300和第二透镜400的光焦度的分布，有利于校正球差、慧差等像差，从而提升内窥镜光学成像系统的成像质量。在超过上述条件式的范围时，难以在缩短第一透镜300和第二透镜400的组合焦距的同时有效校正自身和准直透镜200的球差、慧差等像差。
第三透镜500满足：1.3<f3/f内窥镜<2，其中，f3为第三透镜500的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
在满足上述条件式的情况下，有利于增长整个光学成像系统的长度，同时也有利于第一透镜300和第二透镜400的加工和组装。在低于上述条件式的下限时，会导致第一透镜300的光焦度过大，使第一透镜300的面型过于弯曲，不利于第一透镜300的成型和组装，在超过上述条件式的上限时，会导致第一透镜300的光焦度过小，使整个光学成像系统的总长缩小。
第四透镜600满足：1.5<f4/f内窥镜<2.5，其中，f4为第四透镜600的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距。
在满足上述条件式的情况下，有利于减小离轴光束在第三透镜500和第四透镜600上的入射角，从而有利于校正慧差，提升整个光学成像系统的成像质量，同时，可以使得第三透镜500和第四透镜600的面型不会过度弯曲，从而有利于第三透镜500和第四透镜600的加工和组装。
其中，光纤100为单模光纤，芯径一般为9μm，只存在一种传输模式的光纤100，工作波段在近红外波段，这是激光输出端，采用单模光纤不会发生色散，质量更加稳定。
其中，准直透镜200为平凸正透镜，靠近光纤100的一面为平面，靠近第一透镜300的一面为凸面。
其中，第一透镜300为双胶合负弯月透镜，靠近准直透镜200的一面为凹面，靠近第二透镜400的一面为凸面。
其中，第二透镜400为双胶合负弯月透镜，靠近第一透镜300的一面为凸面，靠近第三透镜500的一面为凹面。
其中，第三透镜500为双胶合负弯月透镜，靠近第二透镜400的一面为凸面，靠近第四透镜600的一面为凹面。
其中，第四透镜600为双胶合负弯月透镜，靠近第三透镜500的一面为凹面，靠近物侧700一面为凸面。
利用第一透镜300和第二透镜400组成一个汇聚光路，可以汇聚出光路的第一个焦点，有利于延长光路的总长度，提高了内窥镜深入人体的深度，同时可以减少像差并提高分辨率，利用第三透镜500延长光路总长度，利用较低光焦度的第四透镜600产生大视场，同时还具备较低的像差，并且第一透镜300具有正光焦度，有利于汇聚平行光束，第二透镜400具有较小的光焦度，有利于校正第一透镜300产生的像差，第三透镜500具有正光焦度，能够把来自第二透镜400的汇聚光束发散到第四透镜600并延长光学总长，第四透镜600具有较小的正光焦度，有利于汇聚扫描光束到较深的地方，有利于降低内窥镜的敏感性，并且可以补正第三透镜500产生的像差，因此，本申请提供的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统具有小型化、大视场以及高成像质量的有益效果。
优选地，f准直/f内窥镜为：0.811、0.832、0.885、0.912、0.953或1.012。
优选地，f1/f内窥镜为：2.901、2.911、2.925、2.962、2.973或3.052。
优选地，f2/f内窥镜为：8.377、9.462、10.862、11.573或11.922。
优选地，f3/f内窥镜为：1.422、1.542、1.655、1.782或1.883。
优选地，f4/f内窥镜为：1.512、1.762、1.913、2.153、2.334或2.482。
优选地，f准直/f内窥镜为0.912，f1/f内窥镜为2.962，f2/f内窥镜为10.862，f3/f内窥镜为1.655，f4/f内窥镜为2.153。
在一些具体的实施方式中，光纤100的端面可以镀有增透膜，增透膜可以是近红外波段的增透膜，同时，端面还可以设置有倾斜角用来提高镜头效率，降低散斑噪声，具体地，倾斜角的角度可以是8度。
在一些具体的实施方式中，准直透镜200、第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600的表面镀有增透膜，增透膜可以是近红外波段的增透膜。
进一步地，在其中一些实施例中，视场范围满足：FOV≥3mm，其中，FOV为整个光学成像系统的最大视场高度。
在满足上述条件式的情况下，整体的光学成像系统具备广角特性，在体内进行病理检查时，能够大视野观察从而降低漏查的风险。
具体地，FOV可以为：3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm或4.4mm。
进一步地，在其中一些实施例中，还包括振镜800，振镜800设置在准直透镜200和第一透镜300之间，振镜800用于改变光轴的方向。
其中，振镜800是一种矢量扫描器件，能够提供XY方向的往复扫描。
其中，光纤100和准直透镜200构成了扩束准直结构，再加上振镜800，则一起形成了扫描光路，用于使内窥镜满足OCT的使用需求。
同时，振镜800可以用来改变光轴的方向，具体的，可以通过振镜800使光轴发生90度的折转，从光纤100发出的光经过准直透镜200以后照射在振镜800上，振镜800将光折转90度以后依次穿过第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600，最后照射在物面上，从而减少光学成像系统在单一方向上的尺寸。
在本申请的方案中，物侧700所在的面为物面，物面可以理解为光线在第四透镜600的物侧700的汇聚点构成的虚拟面，在使用过程中，让样品中心与物面重合，这样就能够使样品深处反射的光线能够耦合进光纤100内。
在一些具体的实施方式中，振镜800的反射镜表面镀有金膜，通过镀设金膜可以提高反射效率，并且降低散斑噪声。
具体地，振镜800可以是机械振镜、可以是MEMS振镜。
进一步地，在其中一些实施例中，还包括光阑900，光阑900设置在准直透镜200与振镜800之间。
通过在准直透镜200与振镜800之间设置光阑900，配合具有正光焦度的第一透镜300以及具有正光焦度的第二透镜400构成的汇聚结构可以实现光学成像系统的像差优化。
具体地，光阑900可以通过螺纹连接在准直透镜200的外壳上，这样可以降低安装难度。
此外，在一些实施例中，第四透镜600和物面之间还设置有保护玻璃1000，保护玻璃1000与物面的间距为1mm，用于保护光学成像系统不进水。
在一些实施方式中，准直透镜200、第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600的光学表面均可以是非球面，则各透镜的光学表面于近光轴处和圆周处的面型可能不相同，采用非球面的机构可以提高透镜设计的灵活性，并且可以有效校正球差，改善成像质量。
在另外一些实施方式中，准直透镜200、第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600的光学表面均可以是球面，则各透镜的光学表面于近光轴处和圆周处的面型相同。
在一些实施方式中，各透镜的材质可以均为玻璃或均为塑料。采用塑料材质的透镜能够减少重量并降低生产成本，配合光学成像系统的小尺寸以实现轻薄化设计。而采用玻璃材质的透镜使光学成像系统具备优良的光学性能以及较高的耐温性能。需要注意的是，光学成像系统中各透镜的材质也可以为玻璃和塑料的任意组合。
具体地，作为其中的一种优选实施例，光学成像系统中各透镜的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数、最大视场角FOV、数值孔径NA以及光学成像系统的有效焦距f的详细参数如下表所示：
其中，折射率和阿贝数的参考波长为1310nm，物面可理解为光学成像系统的投影面与成像面。由光纤100至物面的各元件依次按照上表从上至下的的顺序排列。第一透镜300的第一行表示第一透镜300的靠近光纤100的面，第二行和第三行表示第一透镜300靠近物侧700的面，以此类推。第一透镜300的厚度参数列中的第一个数值为第一透镜300中，双胶合透镜中的第一个透镜在光轴上的厚度，第二个数值为双胶合透镜中另外一片透镜在光轴上的厚度，第三个数值为第一透镜300靠近物侧700的面与第二透镜400靠近光纤100的面于光轴上的距离，厚度参数列其他数值的含义可由此推得。
值得注意的是，第一透镜300、第二透镜400、第三透镜500以及第四透镜600均为双胶合透镜，因此均具有三个面。
其中，准直透镜200的材料可以是熔石英玻璃。
其中，第一透镜300的三个面设为R1、R2和R3，曲率半径分别是-73.86mm，5.42mm，-15.15mm，第一透镜300距离振镜800的距离为10mm。R1到R2为2.22mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.64，阿贝数Vd=30.5。R2到R3为2.85mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.67，阿贝数Vd=50.5。
第二透镜400的三个面设为R4、R5和R6，曲率半径分别是7.23mm，-10.16mm，10.24mm，第二透镜400距离第一透镜300的距离为5.23mm。R4到R5为4.25mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.67，阿贝数Vd=50.5。R5到R6为2.39mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.54，阿贝数Vd=20.9。
第三透镜500的三个面设为R7、R8和R9，曲率半径分别是15.55mm，-4.34mm，-18.5mm，第三透镜500距离第二透镜400的距离为15.92mm。R7到R8为16.35mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.64，阿贝数Vd=30.5。R8到R9为16.35mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.77，阿贝数Vd=25.7。
第四透镜600的三个面设为R10、R11和R12，曲率半径分别是18.76mm，5.42mm，-15.47mm，第四透镜600距离第三透镜500的距离为40.52mm。R10到R11为16.35mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.64，阿贝数Vd=30.5。R11到R12为16.35mm，其间的材料为熔石英玻璃，折射率Nd=1.77，阿贝数Vd=25.7。
通过上述设置，该光学成像系统的入射波长范围为：1250nm-1360nm；
视场范围为：4mm；
分辨率为：5um；
以上参数性能使该光学成像系统满足了大成像深度、大视场与高分辨率之间的平衡。
具体的，本申请提供的光学成像系统的OTF图如图2所示，由此可以看出，本申请提供的光学成像系统具有分辨率高、像差小以及成像质量优秀等优点。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，包括光纤(100)，其特征在于，该系统包括具有光焦度的透镜，具有光焦度的透镜由沿着光轴从所述光纤(100)到物侧(700)依次排列的准直透镜(200)、第一透镜(300)、第二透镜(400)、第三透镜(500)以及第四透镜(600)组成；
所述准直透镜(200)具有正光焦度；
所述第一透镜(300)具有正光焦度；
所述第二透镜(400)具有正光焦度；
所述第三透镜(500)具有正光焦度；
所述第四透镜(600)具有正光焦度；
所述准直透镜(200)满足：0.5<f准直/f内窥镜<1.5，其中，f准直为所述准直透镜(200)的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第一透镜(300)满足：1.5<f1/f内窥镜<3.5，其中，f1为第一透镜(300)的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第二透镜(400)满足：6<f2/f内窥镜<12，其中，f2为第二透镜(400)的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第三透镜(500)满足：1.3<f3/f内窥镜<2，其中，f3为第三透镜(500)的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距；
所述第四透镜(600)满足：1.5<f4/f内窥镜<2.5，其中，f4为第四透镜(600)的焦距，f内窥镜为整个光学成像系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f准直/所述f内窥镜为：0.811、0.832、0.885、0.912、0.953或1.012。
3.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f1/所述f内窥镜为：2.901、2.911、2.925、2.962、2.973或3.052。
4.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f2/所述f内窥镜为：8.377、9.462、10.862、11.573或11.922。
5.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f3/所述f内窥镜为：1.422、1.542、1.655、1.782或1.883。
6.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f4/所述f内窥镜为：1.512、1.762、1.913、2.153、2.334或2.482。
7.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，所述f准直/所述f内窥镜为0.912，所述f1/所述f内窥镜为2.962，所述f2/所述f内窥镜为10.862，所述f3/所述f内窥镜为1.655，所述f4/所述f内窥镜为2.153。
8.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，视场范围满足：FOV≥3mm，其中，FOV为整个光学成像系统的最大视场高度。
9.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，还包括振镜(800)，所述振镜(800)设置在所述准直透镜(200)和所述第一透镜(300)之间，所述振镜(800)用于改变所述光轴的方向。
10.根据权利要求9所述的一种大视场高分辨OCT内窥镜光学成像系统，其特征在于，还包括光阑(900)，所述光阑(900)设置在所述准直透镜(200)与所述振镜(800)之间。
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