CN116661125A - 具有减少的色球差的复消色差棒状透镜中继系统以及具有改进的中继系统的内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有减少的色球差的复消色差棒状透镜中继系统以及具有改进的中继系统的内窥镜。提出了一种图像中继系统，该系统包括相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件。棒状透镜组件包括紧邻中央空气间层定位并且凸表面面向空气间层的弯月形透镜、具有正光焦度且凸面被定位成与弯月形透镜的内面相邻的第一透镜、与具有正焦度的第一透镜相邻的棒状透镜以及被定位成与棒状透镜相邻的具有正光焦度的第二透镜，中继系统被设计成使得宽光谱范围内的光到达共同焦点，并校正宽光谱范围内的球面像差。还提出了一种采用这种中继系统的内窥镜。

Description

具有减少的色球差的复消色差棒状透镜中继系统以及具有改 进的中继系统的内窥镜

技术领域

本发明总体上涉及医学图像捕获领域，并且更具体地涉及用于提高荧光成像和可见光成像性能的内窥镜设计。

背景技术

内窥镜，尤其是刚性内窥镜，通常使用图像中继系统，由此来自物体的图像光被收集在远侧放置的物镜处，并然后由中继系统通过细长轴中继到该轴的近侧，在该轴的近侧定位有接目镜或图像传感系统。自H·霍普金斯(H.Hopkins)创新以来，内窥镜中继系统通常包括一系列中继透镜(通常成对)。这些中继透镜系统通常主要由棒状透镜元件组成，例如参见美国专利第3,257,902号。与霍普金斯之前使用的系统相比，棒状透镜中继系统有许多优点，但也引入了它们自己的问题，其中包括在系统中使用的每个棒状透镜都会引入和成倍增加的光学像差。特别是色球差在内窥镜系统中可普遍存在，特别是当使用较小的f数以允许更多的光从内窥镜轴的远端传输到近端时，这通常是理想的。色球差会导致纵向色差随着透镜表面不同区域的不同波长而变化。即使主要色差得到很好的校正，这种色球差也会产生在给定焦平面上对于某些波长没有焦点的图像。

某些内窥镜手术使用荧光剂或自发荧光来允许增强的组织可视化。可以将诸如染料的荧光剂注射或以其他方式施用于组织。随后，激发光被导向组织。响应于激发光，荧光剂发出荧光(发射光，通常波长比激发光长)，从而允许传感器检测该发射光。图像数据由传感器收集，并且检查收集的图像可以指示所观察的组织中荧光剂的存在和浓度。此外，可能会发生一种称为自发荧光的现象，即在没有荧光剂的情况下，组织在特定条件下发出荧光。也可以检测到这种自发荧光。基于检测到的荧光的成像——称为“荧光成像”(FI)——可用于医学诊断和测试以及许多其他科学领域，并且它可以与可见光成像结合用于许多目的，包括增强外科手术可视化和精度。

典型的现有技术内窥镜2(如图1所示)通常包括第一成像透镜(例如，物镜)，其后是从封闭区域1内部捕获光学图像并将该图像从封闭区域1内部传输到外部的一系列载体透镜(例如，中继器)。内窥镜2的近端可以经由直接耦合或适配器附接到摄像头3或用于观看的目镜。摄像头3通常包括用于接收光学图像并在图像传感器上形成真实光学图像的透镜。然后，图像传感器捕获的数字图像可以传输到相机控制单元(CCU)或其他类似模块进行分析和显示。

通常，用于FI应用(例如，用于使用常用染料吲哚菁绿(ICG)的应用)的内窥镜主要是为可见光影像而设计和部署的。因此，它们通常不会设计为在红外光和可见光之间保持恒定的焦点。在打算在非常宽的波长范围内使用的系统中，色球差特别麻烦。将内窥镜用于FI和视觉成像通常会将使用的波长范围从400-750纳米(nm)(从紫色到红色的可见光)扩展到400-950nm(可见光谱加上NIR光谱)或更宽。为了执行FI成像，此类窥镜通常采用适当的滤光片来阻挡激发光并传输荧光。然而，如前所述，由于这些内窥镜通常针对传统的可见光观察进行了优化。因此，由于窥镜光学元件(包括中继透镜系统)的特性，红外荧光聚焦在与可见光不同的平面上。这主要是由于在整个光学系统中发生的色差，特别是在图像中继系统中，色差由于色球差而进一步加剧，特别是当使用快速中继系统时，即具有小f数的系统。存在补偿由此产生的焦距差异的现有方法。摄像头解决方案包括采用多个传感器的解决方案，其中与特定波长带相关联的传感器(例如，一个用于可见光，一个用于红外光)位于不同焦平面。入射图像光通过二向色分束器定向到适当的传感器。在多个传感器上检测各种光谱带，每个传感器都单独定位在适当的焦平面，从而产生两个独立捕获的对焦图像。该方法的缺点仅部分归因于多个图像传感器的必要的复杂性和成本。另一个主要问题是，与这种摄像头一起使用的每个单独的内窥镜都包括光学器件，这些光学器件可能特定于该窥镜的品牌、型号和制造。每个特定的内窥镜将具有不同量的色误差，从而需要与其一起使用的任何摄像头专门补偿与耦合的窥镜相关联的误差。构建能够补偿各种内窥镜型号的单个摄像头是非常困难的。另一种摄像头解决方案在本申请的发明人于2020年10月10日授权并通过引用并入本文的美国专利第10,806,332B2号(“具有减少的色差的荧光成像范围(Fluorescence Imaging Scope with Reduced Chromatic Aberration)”)中公开。在这篇引文中，发明人提出了一系列光学元件，包括分束棱镜，以便将聚焦到特定焦平面的各种波长带分开，使得不同的波段分开传播，并且然后分离的光束被使得穿过独立的有效光学距离，此时它们被重新组合并聚焦到单个图像传感器上，其中所有FI和可见光谱都被聚焦捕获。

补偿焦距差异的其他努力(例如，如在授予特萨(Tesar)等人的美国专利第8773756号中所做的努力)涉及使用将光分成两条路径(可见光谱路径和NIR光谱路径)的光耦合器。两条光束路径中的每一条都使用不同的光学元件来补偿色焦差。然而，与摄像头解决方案一样，此类系统无法补偿各种内窥镜之间的差异或无法补偿整个期望光谱中的各种色差。例如，在可见光谱的深蓝色范围内，在与红外(IR)光相同的方向上，存在色差，Tesar未解决该色差，导致可见图像的深蓝色范围没有理想地与可见光的剩余部分一样聚焦在同一平面上。内窥镜中使用的光学材料的色散特性以及通过此类光学材料的长玻璃路径使得从紫色或深蓝色到红外的整个光谱的常规校正变得特别困难。最后，色差包括由于来自物体空间的倾斜入射光引起的纵向色差和横向色差二者。采用透镜或棱镜来校正纵向色差的技术通常会引入不想要的横向色差。另一种基于中继透镜的校正系统在本发明人于2020年12月21日提交并通过引用并入本文的美国专利申请第17/129,391号(“具有减少的色差的棒状透镜中继系统(Rod Lens Relay system with Reduced Chromatic Aberration)”)中提出。发明人的这项先前发明提出了几种有利的棒状透镜设计，用于减少中继系统中的色差，并相对于先前已知的系统(例如Tesar的系统)简化光学系统。

由于内窥镜侧解决方案(例如，专门设计的中继和/或物镜系统)提供了优于摄像头解决方案的某些优势，例如允许这些校正内窥镜与多个兼容的摄像头一起使用，因此需要的是，在对于旨在使可见光成像的窥镜从紫色到红色以及对于FI-vis窥镜从紫色到红外的感兴趣波长的整个感兴趣光谱范围内，能够实现针对与色差(特别是色球差)相关联的问题的内窥镜侧解决方案的装置和方法，从而允许可靠的捕获对焦广谱图像。还应注意的是，当中继系统速度异常快(如可能时通常希望)和/或需要大量中继器将光学信息从窥镜的远端传输到近端时，单个中继器的色球差在整个中继系统上累积，导致图像进一步恶化，和/或需要更复杂的物镜来尝试补偿聚集的像差。因此，特别需要的是内窥镜侧解决方案，特别是其中在中继透镜元件本身内进行必要的色球差校正的系统，从而减少现有技术的整个系统在宽的可见范围(例如，400-700nm)内和/或在可能用于可见光和荧光成像的整个光谱(例如，400-900nm)中存在的色球差。进一步需要的是用于宽带成像应用且没有昂贵和缓慢的光学元件(例如，自动聚焦机构或适配器以及用于色差校正的处理系统)的内窥镜。

发明内容

本发明的一个目的是改进内窥镜装置在从紫色到红色的整个可见光谱和/或整个可见光谱以及近红外(NIR)范围内的成像。为了实现这个目的，本发明的各个方面提供了装置和光学系统(特别是中继透镜)的进步，其增强了FI和可见光两种能力的内窥镜成像。公开了复消色差中继透镜和相关联系统，它们在整个可见光谱和/或从紫色(约400nm)到红外(约900nm)光谱范围内校正色球差，该范围通常用于内窥镜手术的可见光和荧光成像。特别地，公开了具体的中继透镜和系统设计，它们利用比迄今为止可能比任何先前已知的系统更显著减少色球差的光学元件更少的光学元件。此外，一些实施例使得能够使用比其他现有技术系统可能的更经济的部件，降低成本，同时简化中继透镜系统本身以及它们可以在其中使用的内窥镜装置的制造。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于内窥镜的中继系统。中继系统包括相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件，其中每个棒状透镜组件包括基本上由弯月形透镜、第一透镜、棒状透镜和第二透镜组成的光学元件。弯月形透镜被定位成紧邻中央空气间层并且凸表面面向空气间层。第一透镜具有正焦度，其中凸面被定位成与弯月形透镜的内面相邻，并且在一些实施例中由具有反常部分色散的材料形成。棒状透镜与具有正焦度的第一透镜相邻，并且具有第一面和第二面，第一面和第二面二者均为光束通过面，且第二面是平坦/平面的。第二透镜是平凸的，而且也具有带两个面的正光焦度，平坦面与棒状透镜的第二平坦面相邻。通过在从光谱的紫色区域到至少该光谱的红色区域的整个连续光谱内操纵光以在共同的图像平面中达到共同的焦点，由弯月形透镜、具有正焦度的第一透镜、棒状透镜和具有正焦度的第二透镜组成的这个中继透镜组件一起提供色差校正，并且其中球面像差在整个光谱内得到很好的校正。

根据本发明的一些实施方式，发生色差和球面像差校正的光谱主要在可见光谱到近红外(NIR)光谱中。在一些实施例中，光谱为400-900nm。在另一些实施例中，光谱主要在可见光范围内，即约400-700nm。

一些实施方式的一个方面是，棒状透镜可以具有两个平坦表面，在这种情况下，具有正焦度的第一透镜是平凸透镜，其平坦面与棒状透镜的第一平坦面相邻。

在一些实施例中，具有正焦度的第一透镜为凸-凸透镜/双凸透镜。

本发明的一些实施方式的一个方面是，具有正焦度的第一透镜由具有反常部分色散的材料构成。在一些实施方式中，该具有正焦度的第一透镜由氟玻璃、磷酸盐玻璃或氟磷酸盐玻璃组成；并且在587nm的波长下具有1.43和1.55之间的折射率。

在本发明的一些实施例中，所有四个光学元件，即弯月形透镜、具有正光焦度的第一透镜、棒状透镜和具有正光焦度的第二透镜，被粘合在一起以形成单个单元。

所述实施例中的一些的一个方面是，具有正焦度的第二透镜具有比棒状透镜的那些值更高的折射率和更低的阿贝数。

在一些实施例中，每个棒状透镜组件具有小于六的工作f数。在一些实施例中，中继系统本身可以在棒状透镜组件之间的中央空气间层中包含孔径光阑。

根据本发明的第二方面，提供了一种内窥镜，其包括具有远端和近端的轴。物镜或透镜系统收集来自主体场景的光并将其传递到图像中继系统。中继系统包括根据上述公开的实施例中的一个或多个的至少一对棒状透镜组件。中继系统将图像光中继到近侧透镜组，该透镜组将包括波长在可见光范围内以及在一些实施例中进入NIR范围的广谱光的图像聚焦到单个图像平面上。

特定实施例包括至少5个中继透镜对，所述中继透镜对中的至少一个是诸如先前描述的校正对。

本发明的一些实施例的另一个方面是一种电子图像传感器，其被放置在内窥镜的图像平面中以便捕获由中继系统中继的主体场景的图像。

根据以下对优选实施例的描述并结合附图，本发明的这些和其他特征将变得显而易见。

附图说明

从本文给出的详细描述和仅以说明的方式给出的附图将更充分地理解本发明，因此不限制本发明，并且其中：

图1是现有技术内窥镜系统的示意图。

图2是包括窥镜及附接的摄像头的内窥镜装置的框图。

图3是根据本发明一些实施例的光学中继系统的部分截面图。

图4是示出根据在一个示例实施例中表1的值的波长对利用图3的光学中继系统可实现的焦移的图表。

图5是示出根据在另一个示例实施例中表2的值的波长对利用图3的光学中继系统的变体可实现的焦移的图表。

图6是示出根据在另一个示例实施例中表3的值的波长对利用图3的光学中继系统的变体可实现的焦移的图表。

图7是根据本发明的另一些实施例的光学中继系统的部分截面图，其中棒状透镜的两个面都是平面。

图8是示出根据在另一个示例实施例中表4的值的波长对利用图7的光学中继系统的变体可实现的焦移的图表

图9是示出根据在另一个示例实施例中表5的值的波长对利用图7的光学中继系统的变体可实现的焦移的图表。

图10示出了各种光学中继系统的数据，比较了不同系统在一定波长范围内的球面像差。

图11示出了各种中继系统的MFT曲线，比较了本发明与现有技术中继系统的能力。

图12是根据本发明示例实施例的包括示例图像捕捉装置的系统的硬件框图。

具体实施方式

如本文所使用的，相对于其他元件“光学布置”的第一元件(例如，传感器和透镜)是指第一元件沿着包括第一元件和其他元件的共同的光路的位置。例如，光学布置在图像传感器和物镜之间的透镜组是指透镜组占据光行进的光路的一部分(例如，从物镜到图像传感器)以用于捕获图像或视频。

由于数码相机和FI传感器以及用于信号捕获和处理的相关电路是众所周知的，因此本说明书将特别针对构成根据本发明的方法和设备的一部分或更直接地与其协作的元件。本文未具体示出或描述的元件选自本领域已知的那些。将描述的实施例的某些方面以软件形式提供。考虑到如以下材料中根据本发明所示出和描述的系统，本文未具体示出、描述或建议的可用于实施本发明的软件是常规的并且在此类领域的普通技术范围内。

图2是根据本发明示例实施例的内窥镜装置100的框图。内窥镜装置100(“装置100”、“内窥镜100”)包括连接到近侧元件101的轴102。近侧元件101可以是包括目镜的眼罩，使用户能够看到穿过轴102的可见光。眼罩还可以充当附接元件以经由卡口连接或本领域已知的其他连接系统将窥镜连接到包含一个或多个图像传感器的摄像头216。可替代地，摄像头元件可以经由近侧元件101与轴集成在一起。支撑所描绘元件的各种结构部件以及本领域中已知的并且没有示出以避免混淆本发明的示例实施例的相关细节的其他部件(例如照明源、荧光激发源和控件)在本文的图中被省略。左侧示出了内窥镜轴102的远端尖端，包括盖玻片202，在此版本中，盖玻片直接面向轴102的纵轴，但也可以如在本领域中已知的那样相对于纵轴成角度定位。在盖玻片202的后面或近侧示出了物镜204的优选位置，通常靠着或非常靠近盖玻片202，并且优选地在构造中与盖玻片组装在一起。虽然广角镜头优选用于物镜204，但这不是限制性的，并且可以在各种实施例中使用任何合适的镜头。物镜204可以是物镜组104的一部分，物镜组104可以包括一个或多个附加透镜103。内窥镜轴102中透镜的具体数量和布置将根据应用广泛变化。在物镜204或物镜组104的近侧光学布置或附接的是棒状透镜中继系统107，其用于使光沿近侧方向向下传递到轴102。包括棒状透镜对的棒状透镜中继系统107适于引导图像光以在一个或多个棒状透镜的近端处创建远心内部图像空间，其中近侧透镜组214定位如下文进一步讨论的。此外，轴102通常是刚性的，但也已知轴设计变体允许棒状透镜用于半柔性轴中，在该轴中，柔性接头存在于沿棒状透镜之间的轴的一个或多个位置，而轴沿着包含棒状透镜的部分是刚性的。这种轴设计可用于本发明的各种实施例中。

棒状透镜中继系统107针对内窥镜的多个透镜的球差和色差(尤其是色球差)进行校正，使得具有第一波长光谱的第一部分光和具有不同于第一波长光谱的第二波长光谱的第二部分光被聚焦到基本上同一个图像平面上。组件214被定位在棒状透镜中继系统107近侧的远心内部图像空间内。近侧透镜组214优选地被定位在装置100的近侧元件101内，但可以部分地跨越轴102和近侧元件101的体积或者可以是摄像头或目镜216的元件。

通常，棒状透镜中继系统107与内窥镜装置100集成在一起，特别是与轴102集成，并且被设计成针对包括色球差的光学像差进行校正。目镜或图像传感器组件及其相关联的电子器件(一起构成相机)可以与装置集成或者可以是分离的且可拆卸的，例如可拆卸的目镜或可拆卸的摄像头。因此，在各种实施例中，本发明可以构成内窥镜装置或包括内窥镜装置100的成像系统。

图3是根据一些实施例的用于内窥镜装置100的光学中继透镜系统300的代表性局部截面图。应当注意的是，该图示出了所描述的光学元件的一般形状并且不应被理解为表示单个或整体元件的实际按比例测量值。如下表所示，每个公开的实施例在每个元件的特定形状和尺寸方面有所不同。所描绘的中继系统300可用作例如图2的系统中的棒状透镜中继系统107。中继系统300包括相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件301。可以串联使用一对以上的这样的对以提供具有更大长度的整个中继系统，并且本发明在使用多对棒状透镜组件的系统中特别有益。棒状透镜组件301之间的中央空气间层可以包含孔径光阑。本发明的各种实施例具有每个棒状透镜组件301仅包含四个光学元件的优点，并且每个棒状透镜组件可以完全粘合在一起，这可以简化轴102内的整个中继系统的设计和组装。

根据图3所示的实施例，每个棒状透镜组件301包括被定位成与相对的棒状透镜组件相邻的弯月形透镜302。具有正光焦度的凸-凸透镜304具有被定位成与弯月形透镜302的内面相邻的第一凸面和位于相对侧的第二凸面。另一些实施例可以包括代替凸-凸透镜304使用的不同透镜。棒状透镜306具有被定位成与凸-凸透镜304的第二凸面相邻的第一凹表面。棒状透镜306的相对的外表面是平坦表面，并且与其相邻定位的是具有正光焦度并且具有与棒状透镜306的平面背离的凸面的平凸透镜308。

示出了代表性光线图，其示出了光310从左侧描绘的物体平面传递到右侧描绘的图像平面所采用的路径。应当注意，光线310仅出于说明的目的而被示出，并且不应被视为指示光线将行进通过系统的确切路径。通过在期望的广谱范围内(例如，从蓝色区域到近红外区域)操纵光310以基本上没有球色差并且具有基本相同的有效光程长度，并因此在共同的图像平面处达到共同的焦点，弯月形透镜302、凸-凸透镜304、棒状透镜306和平凸透镜308一起执行光学像差校正。这允许在整个光谱范围内同时成像，其中图像基本上没有由于球色差引起的像差。每个棒状透镜组件301除了列出的那些之外没有额外的光学操纵元件，这些元件一起提供足以允许在所描绘的共同的成像平面上在期望的光谱范围内同时成像或者顺序或单独成像(例如可见光和NIR成像)而无需对可见光和红外光谱进行重新聚焦调整的色度和色球差校正。顺序成像有时用于各种FI技术，例如在其中图像场景首先用白光照明然后随后用目标荧光团的激发波长照明的方法中。色球差的量和校正的色差可以根据各种光学操纵元件的材料、尺寸和曲率而变化。根据系统的f数，足以允许在期望的光谱范围内同时成像的色球差的量和由于色差引起的焦点位置校正可以在400nm至900nm的光谱范围内偏移小于约15微米。本发明的特别的好处是可以在光学系统中使用较小的f数，从而允许从照明场景中收集和中继更多的光，而不是迄今为止在不引入由于色球差引起的显著像差的情况下可能的光。在期望的宽波段内。本发明的优选实施例将具有6或更小的中继系统的工作f数。此外，根据系统中中继的数量，这种焦点位置校正以及色球差可能会有所不同，因为相关误差会在多个中继上累积。更优选地，采用图3的中继系统的某些实施例可实现对该范围内的10微米焦移的总像差的校正。

弯月形透镜302优选地由折射率大于1.70且阿贝数在32和45之间的冕玻璃(crownglass)构成。优选地，通常为双凸透镜但也可以是另一正焦度透镜的第一正焦度透镜304由具有反常部分色散的材料构成。例如，各种类型的冕玻璃可用于该透镜，优选材料选自磷酸盐玻璃、萤石玻璃、氟磷酸盐玻璃。优选使用相对高的阿贝数。例如，本文公开的示例实施例采用阿贝数约为77和91的冕玻璃。例如，在一些实施例中，第一正焦度透镜304具有76.98的阿贝数。在一些实施例中，棒状透镜306是例如图3中所示的平凹透镜。具有一个或多个平坦表面可以有利于简化棒状透镜元件的生产(并最小化相关费用)。平凸透镜308具有正光焦度并且优选地被选择为使得其折射率大于棒状透镜306的折射率。表1中给出了图3所示的实施例的一种可能实施方式的表面元件的光学特性。

表1——图3实施例的一种实施方式的表面数据总结

图4是根据具有表1所示特性的示例实施方式示出焦移值并从而示出利用图3的中继系统对于给定波长可实现的色差校正的图表。纵轴显示从0.4到0.9(400纳米到900纳米)的光波长，并且横轴显示中继系统使用整个内窥镜光学组件中的单对棒状透镜组件301所提供的焦移。从图表中可以看出，焦移在整个光谱范围内变化，在405纳米波长处约为2微米，并且在900纳米波长处呈现出约3.5微米焦移的曲线，对于从所描绘光谱的一端到另一端的约为1.5微米的总焦移，在587.6nm处焦移为零。由本发明的光学中继系统提供的这种焦移最小化了根据波长的焦点位置的变化，该变化通常由于常规棒状透镜中继对的色差而存在。

图3中所示中继设计的另一些实施例是可能的，这取决于系统的需要。表2中给出了图3所示实施例的另一种实施方式的表面元件的光学特性。

表2——图3所示实施例的另一种实施方式的表面数据总结

图5是根据具有表2所示特性的示例实施方式示出利用图3的中继系统可实现的色差校正的图表。从图表中可以看出，焦移在整个光谱范围内变化，在405纳米波长处约为-1.3微米，并且在900纳米波长处呈现出约2.2微米焦移的曲线，对于从所描绘光谱的一端到另一端的约为3.5微米的总焦移，在650纳米范围内焦移为大约-0.3微米，并且在587.6nm处焦移为零。由本发明的光学中继系统提供的这种焦移最小化了依据波长的焦点位置的变化，该焦点位置的变化通常由于常规棒状透镜中继对的色差而存在。

图3中所示中继设计的另一个实施例的表面光学特性的呈现在表3中给出。

表3——图3所示实施例的一种实施方式的表面数据总结

表面	半径	厚度	指数	阿贝数	清晰直径
						物体	无穷大	9.398	空气		3.27
1	22.5067	1.500	1.963	24.11	5.4
						2	无穷大	31.757	1.618	49.83	5.4
3	16.5703	3.000	1.529	76.98	5.4
						4	-8.5082	1.125	1.835	42.71	5.4
5	-12.9618	0.450	空气		5.4
						STO	无穷大	0.450	空气		4.37
7	12.9618	1.125	1.835	42.71	5.4
						8	8.5082	3.000	1.529	76.98	5.4
9	-16.5703	31.757	1.618	49.83	5.4
						10	无穷大	1.500	1.963	24.11	5.4
11	-22.5067	9.398	空气		5.4
						IMA	无穷大				3.27

图6是根据具有表3所示特性的示例实施方式示出利用图3的中继系统可实现的色差校正的图表。从图表中可以看出，焦移在整个光谱范围内变化，在405纳米波长处约为-1.3微米，并且在750纳米波长处呈现出约2.5微米焦移的曲线，对于从所描绘光谱的一端到另一端的约为3.8微米的总焦移，在587.6nm处焦移为零，该描绘的光谱主要覆盖从400nm到750nm的可见光谱。由本发明的光学中继系统提供的这种焦移最小化了依据波长的焦点位置的变化，该焦点位置的变化通常由于常规棒状透镜中继对的色差而存在。

图7是根据将在内窥镜装置100中使用的附加实施例的光学中继透镜系统700的代表性局部截面图。应当注意的是，该图示出了所描述的光学元件的一般形状并且不应被理解为表示单个或整体元件的实际按比例测量值。如下表所示，每个公开的实施例在每个元件的特定形状和尺寸方面有所不同。这种光学设计与图3所示的主要结构区别在于，该设计利用具有两个平坦表面的棒状元件706。这种变化可以简化生产并降低与棒状元件706的制造和中继系统700的制造相关联的成本。中继系统700包括相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件701。与上面讨论的实施例一样，可以串联使用一对以上的这样的对以提供具有更大长度的整个中继系统，并且本发明在使用多对棒状透镜组件的系统中特别有益。棒状透镜组件701之间的中央空气间层可以包含孔径光阑。并且每个棒状透镜组件可以完全粘合在一起，这可以简化轴102内的整个中继系统的设计和组装。

根据图7所示的实施例，每个棒状透镜组件701包括被定位成与相对的棒状透镜组件相邻的弯月形透镜702。具有正焦度的第一平凸透镜704具有被定位成与弯月形透镜702的内面相邻的第一凸面和位于相对侧的第二平面。另一些实施例可以包括代替平凸透镜704使用的不同透镜。棒状元件706具有被定位成与平凸透镜704的第二平面相邻的第一平坦表面。棒状透镜706的相对的外表面是平坦表面，并且与其相邻定位的是具有正光焦度并且具有与棒状透镜706的平面背离的凸面的平凸透镜708。

示出了代表性光线图，其示出了光710从左侧描绘的物体平面传递到右侧描绘的图像平面所采用的路径。应当注意，光线310仅出于说明的目的而被示出，并且不应被视为指示光线将行进通过系统的确切路径。通过在期望的广谱范围内(例如，从蓝色区域到近红外区域)操纵光710以基本上没有色球差并且具有基本相同的有效光程长度，并因此在共同的图像平面处达到共同的焦点，弯月形透镜702、平凸透镜704、棒状元件706和平凸透镜708一起执行光学像差校正。这允许在整个光谱范围内同时成像，其中图像基本上没有由于球色差引起的像差。每个棒状透镜组件701除了列出的那些之外没有额外的光学操纵元件，这些元件一起提供足以允许在所描述的共同的成像平面上在期望的光谱范围内同时成像或者顺序或单独成像(例如可见光和NIR成像)而无需对可见光和红外光谱进行重新聚焦调整的色度和色球差校正。顺序成像有时用于各种FI技术，例如在其中图像场景首先用白光照明然后随后用目标荧光团的激发波长照明的方法中。色球差的量和校正的色差可以根据各种光学操纵元件的材料、尺寸和曲率而变化。取决于系统的f数，足以允许在期望的光谱范围内同时成像的色球差的量和由于色差引起的焦点位置校正可以在400nm至900nm的光谱范围内偏移小于约15微米。本发明的特别的好处是可以在光学系统中使用较小的f数，从而允许从照明场景中收集和中继更多的光，而不是迄今为止在期望的宽波段内不引入由于色球差引起的显著像差的情况下可能的光。本发明的优选实施例将具有6或更小的中继系统的工作f数。此外，根据系统中中继的数量，这种焦点位置校正以及色球差可能会有所不同，因为相关误差会在多个中继上累积。更优选地，采用图7的中继系统的某些实施例可实现对该范围内的10微米焦移的总像差的校正。

弯月形透镜702优选地由折射率大于1.70且阿贝数在32和35之间的玻璃构成。优选地，通常为平凸透镜但也可以是另一正焦度透镜的第一正焦度透镜704由具有反常部分色散的材料构成。例如，各种类型的冕玻璃可用于该透镜，优选材料选自磷酸盐玻璃、萤石玻璃或氟磷酸盐玻璃。优选使用相对高的阿贝数。例如，本文公开的示例实施例采用阿贝数约为91的冕玻璃。例如，在一些实施例中，第一正焦度透镜704具有90.90的阿贝数。在一些实施例中，棒状透镜706是例如图7中所示的平-平透镜。具有两个平坦表面可以有利于简化棒状透镜元件的生产(并最小化相关费用)。平凸透镜708具有正光焦度并且优选地被选择为使得其折射率大于棒状元件706的折射率。表4中给出了图7所示的实施例的一种可能实施方式的表面元件的光学特性。

表4——图7所示实施例的一种实施方式的表面数据总结

图8是根据具有表4所示特性的示例实施方式示出利用图7的中继系统可实现的色差校正的图表。从图表中可以看出，焦移在整个光谱范围内变化，在405纳米波长处约为-4.5微米，并且在900纳米波长处呈现出约7.8微米焦移的曲线，对于从所描绘光谱的一端到另一端的约为12.3微米的总焦移，在675纳米范围内焦移为大约-2微米，并且在587.6nm处焦移为零，该描绘的光谱主要覆盖从400nm到900nm的可见光和NIR光谱。由本发明的光学中继系统提供的这种焦移最小化了根据波长的焦点位置的变化，该变化通常由于常规棒状透镜中继对的色差而存在。

图7中所示中继设计的另一个实施例的表面光学特性的呈现在表5中给出。

表5——图7所示实施例的一种实施方式的备选表面数据总结

图9是根据具有表5所示特性的示例实施方式示出利用图7的中继系统主要在可见光谱上可实现的色差校正的图表。从图表中可以看出，焦移在整个光谱范围内变化，在405纳米波长处约为-1.8微米，并且在750纳米波长处呈现出约4.5微米焦移的曲线，对于从所描绘光谱的一端到另一端的约为6.3微米的总焦移，在587.6nm处焦移为零，该描绘的光谱主要覆盖从400nm到700nm的可见光谱。由本发明的光学中继系统提供的这种焦移最小化了根据波长的焦点位置的变化，该变化通常由于常规棒状透镜中继对的色差而存在。

通过与图10中的其他系统的比较来说明本文所公开的中继系统的一些好处。显示球面像差(以波为单位)与400-900nm可见光和NIR光谱波长之间的关系。为本发明呈现由菱形标记表示的数据1001，其显示整个光谱范围内的非常低、相对一致的球面像差值。相比之下，对于本领域已知的常规消色差光学系统，数据1002由三角形标记示出，示出了在相同波长范围内的球面像差值的明显变化。同样，由X形标记表示的数据1003示出了本发明人先前讨论的美国专利申请第17/129,391号中公开的实施例之一的球面像差，也展示了在整个光谱范围内的显著球面像差。方形标记显示的数据表示Tesar在先前讨论的美国专利第8,773,756号中公开的实施例之一的整个光谱范围内的球面像差，示出了整个范围内的显著变化和显著像差。因此可以清楚地看到，由于在可见光和NIR光中成像以及在同一光谱范围内保持最小变化和绝对球面像差所需的宽波长范围，本发明在校正两种色差方面提供了显著改进。

对于其中图像总共中继了五次(即使用了5对中继透镜)的理论中继系统，可以展示本发明相对于现有技术的优点的另一个度量在图11所示的轴上MTF(模块化传递函数)曲线中示出。示出了光学系统的MFT与以cy/mm为单位的频率的关系。同样，菱形标记代表本发明，三角形标记代表来自传统消色差光学系统的数据，X形标记对应于Duckett的美国专利申请17/129,391，并且方形标记对应于Tesar在美国专利8,773,756中建议的系统。衍射极限1101由实线示出，可以看出它与本发明产生的数据非常接近并且几乎重叠到它经常被遮盖的点。相比之下，其他每个系统都明显偏离0到400cy/mm空间频率范围内的衍射极限。

参照图12，即包括具有如上所述的改进的色差校正的图像捕获装置和内窥镜装置的系统的框图。本发明适用于不止一种类型的能够进行图像捕获的装置，例如具有FI功能的内窥镜、其他FI医学成像装置。优选版本是成像窥镜系统，例如内窥镜。

如内窥镜装置系统的示意图所示，光源8用可以在紫外范围或红外/近红外范围或前述两者的可见光谱之外的可见光和/或荧光激发光照射主体场景9。光源8可以包括被配置为在整个期望光谱中提供光的单个光发射元件，或者可见光发射元件和一个或多个荧光激发光发射元件。此外，光源8可以包括穿过窥镜主体的光纤，或者位于窥镜前部处或附近的其他光发射布置，例如LED或激光二极管。

如图所示，从对象场景反射的光10(或者，可替代地，在荧光的情况下，被主体场景吸收并随后发射的激发光8)被输入到光学组件11，在那里光被聚焦以形成(一个或多个)固态图像传感器222和/或(一个或多个)荧光传感器223处的图像。

光学组件11包括根据本文提供的技术构造的光学中继系统。例如，可以使用图3或图7的实施例或者另一些实施例。如关于图2所讨论的，额外的透镜组可以包括在摄像头处。如上所述，光学组件的一部分可以体现在摄像头或其他第一光学装置中，而另一些部分则在内窥镜或其他窥镜装置中，或者光学组件11可以包含在单个成像装置中。图像传感器222(其可以包括单独的R、G和B传感器阵列)和荧光传感器223通过对每个图像元素(像素)的电荷进行积分将入射的可见光和不可见光转换为电信号。注意，荧光传感器223被示为可选的虚线框，因为实施例可以使用RGB图像传感器222来仅检测白光图像或也检测荧光(例如，NIR、ICG、FI)。当荧光处于可由图像传感器222检测到的处于或接近通常由RGB传感器阵列检测到的可见光谱中的光谱中时，可以使用后一种方案。

当然，本发明的中继透镜系统的替代实施方式是可能的。例如，光学组件11可以包括二向色分束元件，并且可以将光谱的一个波段引导至一个传感器用于视觉成像并且将另一波段引导至另一个传感器用于荧光成像。由于本发明实现了对与中继系统中的色差相关联的问题的窥镜侧解决方案，所以不需要调整摄像头图像传感器组件28以确保可见图像和FI图像都处于焦点中。

图像传感器222和荧光传感器223可以是有源像素互补金属氧化物半导体传感器(CMOS APS)或电荷耦合器件(CCD)。

到达图像传感器222和/或荧光传感器223的光10的总量由光源8的强度、光学组件11的孔径以及图像传感器222和荧光传感器223对电荷进行积分的时间来调节。考虑到对应于聚焦在图像传感器222和荧光传感器223上的光的强度和空间分布的数字化信号的强度和空间分布，曝光控制器40响应场景中可用的光量。

曝光控制器40还控制来自光源8的荧光激发光的发射并且可以控制可见光和荧光发光元件同时开启，或者交替以允许在没有可见光的情况下捕获荧光帧，如果所采用的荧光成像方案需要这样的话。曝光控制器40还可以控制光学组件11的孔径，并且间接地控制图像传感器222和荧光传感器223对电荷进行积分的时间。从曝光控制器40到定时发生器26的控制连接被示为虚线，因为控制通常是间接的。

通常，曝光控制器40对于传感器222和223中的每一个具有不同的定时和曝光方案。由于不同类型的感测数据，曝光控制器40可以通过将传感器222积分至多至在固定的60赫兹(Hz)或50Hz帧速率(分别针对美国视频和欧洲视频的标准帧速率)内允许的最大值来控制传感器222和223的积分时间，同时荧光传感器223可以被控制以将其积分时间从传感器222帧时间的一小部分变为传感器222帧时间的许多倍。传感器222的帧速率通常将支配同步过程，使得基于传感器223的图像帧被重复或内插以在时间上与传感器222的50或60fps速率同步。

来自图像传感器222和荧光传感器223的模拟信号由模拟信号处理器22处理并施加到模数(A/D)转换器24以将模拟传感器信号数字化。每个代表图像流或基于数据的图像表示的数字化信号作为图像信号27和第一荧光信号29被馈送到图像处理器30。对于其中图像传感器222还用于检测荧光的版本，荧光数据被包括在图像信号27中，通常在三个颜色通道中的一个或多个中。

图像处理电路30包括执行数字图像处理功能以如本领域已知的那样处理和过滤接收到的图像的电路。图像处理电路可以包括用于分别处理可见光图像数据和FI图像数据的分离的并行流水线。这样的电路在本领域中是已知的并且将不在这里进一步描述。

图像处理电路30可以提供本领域已知的算法，用于在组合图像显示中组合可见光图像和FI图像，并且进一步突出显示或强调FI图像以便容易地区分图像中荧光特征的存在。

定时发生器26产生各种时钟信号以选择行和像素并同步图像传感器222和荧光传感器223、模拟信号处理器22以及A/D转换器24的操作。图像传感器组件28包括图像传感器222和荧光传感器223、调整控件20、模拟信号处理器22、A/D转换器24和定时发生器26。图像传感器组件28的功能元件可以如通常对CMOS图像传感器所做的那样制造为单个集成电路，或者它们可以是单独制造的集成电路。

系统控制器50基于存储在程序存储器54中的软件程序控制图像捕捉装置的整体操作。该存储器还可以用于存储用户设置选择和相机关闭时要保存的其他数据。

系统控制器50通过指示曝光控制器40设置光源8的强度、光学组件11的孔径并控制光学组件11中的各种滤光器以及获取基于可见光和荧光的图像流可能需要的定时来控制数据捕获的顺序。在一些版本中，光学组件11包括被配置为衰减激发光并透射荧光的滤光器。数据总线52包括用于地址、数据和控制信号的通路。

经处理的图像数据被连续发送到视频编码器80以产生视频信号。该信号由显示控制器82处理并呈现在图像显示器88上。该显示器通常是具有发光二极管(LED LCD)背光的液晶显示器，但也使用其他类型的显示器。经处理的图像数据也可以存储在系统存储器56或其他内部或外部存储装置中。

包括图像显示器88、用户输入64和状态显示器62的全部或任意组合的用户界面60由在系统控制器50上执行的软件程序的组合控制。用户输入通常包括打字键盘、计算机指点装置、按钮、翘板开关、操纵杆、旋转拨号盘或触摸屏的某种组合。系统控制器50管理呈现在一个或多个显示器上(例如，图像显示器88上)的图形用户界面(GUI)。具体而言，系统控制器50通常将具有模式切换用户输入(通常通过内窥镜或摄像头本身上的按钮，但可能通过GUI接口)，并作为响应发送命令以基于存储在系统存储器中的预定设置来调整图像处理电路30。优选地，与本文的任何装置设计一起采用的系统提供在至少两种模式——可见光模式和FI模式——之间切换的能力，并且更优选地包括组合模式，其中FI图像以本领域已知的合适的方式与可见图像组合或重叠。这样的设置可以包括针对不同型号的窥镜的不同设置，这些窥镜可以附接到摄像头或包含图像传感器组件28的其他成像装置。

除了系统控制器50和曝光控制器40之外，图像处理电路30是本实施例中的三个可编程逻辑装置、处理器或控制器之一。图像处理电路30、控制器50、曝光控制器40、系统存储器56和程序存储器54、视频编码器80和显示控制器82可以容纳在相机控制单元(CCU)70内。

CCU 70可负责为光源8、图像传感器组件28和/或光学组件11供电并进行控制。在一些版本中，单独的前端相机模块可以执行图像处理电路30的一些图像处理功能。

虽然成像装置功能控制在多个可编程逻辑装置、处理器和控制器之间的这种分布是典型的，但是这些可编程逻辑装置、处理器或控制器可以以各种方式组合而不影响成像装置的功能操作以及发明的应用。这些可编程逻辑装置、处理器或控制器可以包括一个或多个可编程逻辑装置、数字信号处理器装置、微控制器或其他数字逻辑电路。尽管已经描述了这样的可编程逻辑装置、处理器或控制器的组合，但是显然可以指定一个可编程逻辑装置、数字信号处理器、微控制器或其他数字逻辑电路来执行所有需要的功能。所有这些变化都可以执行相同的功能并落在本发明的范围内。

如本文所使用的，术语“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应理解为开放式的，即，意指包括但不限于。关于在权利要求中用于修饰权利要求要素的序数术语(诸如“第一”、“第二”、“第三”等)的任何使用本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先权、优先级或次序，或方法行为执行的时间顺序。相反，除非另有具体说明，否则此类序数术语仅用作标签，以将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一要素区分开来(但为了使用序数术语)。

尽管已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离由随附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。本文描述的特征的组合不应被解释为限制性的，并且本文的特征可用于根据本发明的任何工作组合或子组合。因此，根据美国专利法和任何相关的外国专利法，本描述应被解释为为本文中特征的任何工作组合或某些子组合提供书面支持。

此外，本申请的范围并不旨在限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法和步骤的特定实施例。正如本领域的普通技术人员从本发明的公开内容中容易理解的那样，可以根据本发明利用目前存在或以后将被开发的执行基本上相同的功能或实现与本文描述的相应实施例基本相同的结果的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤。因此，随附权利要求旨在将这样的工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种用于内窥镜的中继系统，所述中继系统包括：

相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件，其中每个棒状透镜组件包括基本上由以下物体组成的光学元件：

弯月形透镜，其被定位成紧邻中央空气间层，并且具有面向所述空气间层的凸表面和与之相对的内凹面；

具有正光焦度的第一透镜，其具有被定位成与所述弯月形透镜的所述内面相邻的凸面以及第二面；

与具有正光焦度的所述第一透镜相邻的棒状透镜，所述棒状透镜具有与所述第一透镜的所述第二面相邻的第一面以及第二面，所述棒状透镜的第一面和第二面二者均为光束通过表面；和

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜具有与所述棒状透镜的所述第二面相邻的内面以及外凸面，

其中，通过在跨从光谱的紫色区域经过至少所述光谱的红色区域的连续光谱内操纵光以在共同的图像平面中达到共同的焦点，所述弯月形透镜、具有正光焦度的所述第一透镜、所述棒状透镜和具有正光焦度的所述第二透镜一起提供色差校正，并且其中球面像差跨所述光谱得到很好的校正。

2.根据权利要求1所述的中继系统，其中所述光谱的范围从所述光谱的所述紫色区域到所述光谱的近红外区域即NIR区域。

3.根据权利要求1所述的中继系统，其中所述光谱范围为400-700nm。

4.根据权利要求2所述的中继系统，其中所述光谱范围为400-900nm。

5.根据权利要求1所述的中继系统，其中所述棒状透镜的第二光束通过面是平坦的，并且具有正焦度的所述第二透镜为平凸透镜，所述平凸透镜的内面是平坦的并且与所述棒状透镜的平坦的第二面相邻。

6.根据权利要求5所述的中继系统，其中所述棒状透镜具有两个平坦的光束通过面，并且具有正焦度的所述第一透镜为平凸透镜，所述棒状透镜的平坦的第二面与所述棒状透镜的平坦的第一面相邻。

7.根据权利要求1所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第一透镜是双凸透镜。

8.根据权利要求1所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第一透镜由具有反常部分色散的材料构成。

9.根据权利要求8所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第一透镜由选自由氟玻璃、磷酸盐玻璃和氟磷酸盐玻璃组成的组的材料构成；并且其中具有正焦度的所述第一透镜在587nm的波长处具有1.43和1.55之间的折射率。

10.根据权利要求1所述的中继系统，其中每个棒状透镜组件的所有元件都粘合在一起。

11.根据权利要求1所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第二透镜具有比所述棒状透镜更高的折射率和更低的阿贝数。

12.根据权利要求1所述的中继系统，其中每个棒状透镜组件具有小于六的工作f数。

13.根据权利要求1所述的中继系统，其中所述棒状透镜组件之间的所述中央空气间层还包括孔径光阑。

14.一种内窥镜，其包括：

具有远端和近端的轴；

在所述轴的所述远端处或附近的物镜，用于收集来自物体场景的光；

中继系统，其用于将捕获的光从所述轴的所述远端中继到所述近端，所述中继系统包括：

相对于中央空气间层对称定位的一对相对的校正的棒状透镜组件，其中

每个校正的棒状透镜组件包括基本上由下述物体组成的光学元件：

弯月形透镜，其被定位成紧邻中央空气间层，并且具有面向所述空气间层的凸表面和与之相对的内凹面；

具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜具有被定位成与所述弯月形透镜的所述内面相邻的凸面以及第二面；

与具有正光焦度的所述第一透镜相邻的棒状透镜，所述棒状透镜具有与所述第一透镜的所述第二面相邻的第一面以及第二面，所述棒状透镜的第一面和第二面二者均为光束通过表面；和

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜具有与所述棒状透镜的所述第二面相邻的内面以及外凸面，

其中，通过跨从光谱的紫色区域经过至少所述光谱的红色区域的连续光谱操纵光以在共同的图像平面中达到共同的焦点，所述弯月形透镜、具有正光焦度的所述第一透镜、所述棒状透镜和具有正光焦度的所述第二透镜一起提供色差校正，并且其中球面像差跨所述光谱得到很好的校正；

近侧透镜组，其用于将所述中继系统中继的所述光聚焦到所述共同的图像平面上。

15.根据权利要求14所述的内窥镜，其中所述中继系统包括至少五对相对的棒状透镜组件，并且所述五个棒状透镜组件中的至少一个是校正的棒状透镜组件。

16.根据权利要求15所述的内窥镜，其中所述五个或更多个棒状透镜组件中的每一个是校正的棒状透镜组件。

17.根据权利要求14所述的内窥镜，还包括放置在所述共同的图像平面处以捕获聚焦的中继光的图像的图像传感器。

18.根据权利要求14所述的内窥镜，其中所述棒状透镜组件的f数小于六。

19.根据权利要求14所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第一透镜由具有反常部分色散的材料构成。

20.根据权利要求19所述的中继系统，其中具有正焦度的所述第一透镜由选自由氟玻璃、磷酸盐玻璃和氟磷酸盐玻璃组成的组的材料构成；并且其中具有正焦度的所述第一透镜在587nm的波长处具有1.43和1.55之间的折射率。