CN116699820B - 手术显微镜的成像镜组 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种手术显微镜的成像镜组，涉及手术显微镜光学成像设备的技术领域，包括共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组和探测器模组；探测器模组上具有像面，共口径物镜远离像面的一侧具有物面，物面包括第一物面和第二物面，第一物面和第二物面之间形成工作成像距离，变倍镜组能够对工作成像距离内的任意物面根据变焦曲线连续变焦，共口径物镜、变倍镜组和补偿镜组参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，由于镜片少的缘故，系统的透过率大幅提升，提高对色彩的还原度，缓解了有技术中存在的镜头整体分辨率不高、控制逻辑的复杂以及系统镜片繁杂的技术问题；能够满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的操作要求。

Description

手术显微镜的成像镜组

技术领域

本发明涉及手术显微镜光学成像设备技术领域，尤其是涉及一种手术显微镜的成像镜组。

背景技术

手术显微镜的使用，不但使医生能够看清手术部位的精细结构，还可以进行凭肉眼无法完成的各种显微手术，大大拓展了手术治疗范围，提高了手术精密度和病人治愈率；目前，手术显微镜已成为一种常规的医疗设备。

现有技术中，针对外科手术显微镜的光学系统设计和搭建中，会利用液体透镜对手术切面实现层切成像，利用人眼的视觉暂留功能实现大景深的输出；但是，由于液体透镜相当于双胶合透镜，其成像质量很差，且配合快速的调整切换实现大景深，在工作范围上大打折扣，且分辨率因为液体透镜等镜片的限制，镜头的解像力也不够，整体分辨率不高；或者，会利用多组配合搭配的镜片组保证连续变倍的问题，但是，会造成系统镜片组繁杂，精度控制等要求极高，导致控制逻辑的复杂以及系统镜片的繁杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术显微镜的成像镜组，以缓解有技术中存在的镜头整体分辨率不高、控制逻辑的复杂以及系统镜片繁杂的技术问题。

本发明提供的一种手术显微镜的成像镜组，包括：共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组和探测器模组；

所述探测器模组上具有像面，所述共口径物镜远离所述像面的一侧具有物面，所述共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组和探测器模组沿着物面至像面的方向间隔布置；

所述变倍镜组和所述补偿镜组能够沿着物面至像面的方向移动，所述物面包括第一物面和第二物面，所述第一物面和所述第二物面之间形成工作成像距离，所述变倍镜组能够对所述工作成像距离内的任意物面根据变焦曲线连续变焦，所述补偿镜组用于对所述变倍镜组移动后的像面进行矫正，以使所述探测器模组的像面成像。

在本发明较佳的实施例中，所述变倍镜组的移动距离为2mm-15mm，以根据变焦曲线的移动对所述第一物面至所述第二物面形成200mm-650mm的工作成像距离。

在本发明较佳的实施例中，所述第一物面位于所述共口径物镜处200mm处，所述第一物面的成像最大视野为直径5.2mm的物面；

所述第二物面位于所述共口径物镜处650mm处，所述第一物面的成像最大视野为直径130mm的物面。

在本发明较佳的实施例中，所述变倍镜组为正焦距，焦距范围为30mm-100mm，所述变倍镜组成像均为球面。

在本发明较佳的实施例中，所述补偿镜组的补偿移动距离为3mm-32mm。

在本发明较佳的实施例中，所述物面至所述像面具有两条成像路径，所述变倍镜组和所述补偿镜组能够将两条所述成像路径分别透过至所述探测器模组成像。

在本发明较佳的实施例中，所述探测器模组包括分光棱镜、第一探测器和第二探测器；

所述第一探测器与其中一条所述成像路径对应布置，所述第二探测器与其中另外一条所述成像路径对应布置；

所述分光棱镜设置有多个，所述第一探测器和所述第二探测器分别通过一个所述分光棱镜接收成像光线，所述第一探测器和所述第二探测器用于白光成像。

在本发明较佳的实施例中，所述探测器模组还包括第三探测器和第四探测器；

所述第三探测器和所述第四探测器呈相对布置，且所述第三探测器与所述第一探测器呈垂直布置，所述第四探测器与所述第二探测器呈垂直布置，所述第三探测器和所述第四探测器分别通过一个所述分光棱镜接收成像光线，所述第一探测器和所述第二探测器用于荧光造影成像。

在本发明较佳的实施例中，还包括数据处理器和显示设备；

所述数据处理器分别与所述第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器和所述显示设备电信号连接，所述数据处理器用于分别对所述第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器接收的图像信息进行处理，以通过所述显示设备成像显示。

在本发明较佳的实施例中，还包括光阑；

所述光阑位于所述变倍镜组和所述补偿镜组之间，所述共口径物镜、变倍镜组、光阑、补偿镜组和探测器模组呈模块化集成于镜头内。

本发明提供的一种手术显微镜的成像镜组，包括：共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组和探测器模组；探测器模组上具有像面，共口径物镜远离像面的一侧具有物面，共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组和探测器模组沿着物面至像面的方向间隔布置；变倍镜组和补偿镜组能够沿着物面至像面的方向移动，物面包括第一物面和第二物面，第一物面和第二物面之间形成工作成像距离，变倍镜组能够对工作成像距离内的任意物面根据变焦曲线连续变焦，补偿镜组用于对变倍镜组移动后的像面进行矫正，以使探测器模组的像面成像；通过变倍镜组的有焦系统，使得第一物面至第二物面能够实现连续变焦，同时共口径物镜、变倍镜组、补偿镜组参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，由于镜片少的缘故，系统的透过率大幅提升，提高对色彩的还原度，缓解了有技术中存在的镜头整体分辨率不高、控制逻辑的复杂以及系统镜片繁杂的技术问题；能够满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的操作要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的手术显微镜的成像镜组的模块化镜头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的手术显微镜的成像镜组的整体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的手术显微镜的成像镜组的变焦曲线图。

图标：100-共口径物镜；200-变倍镜组；300-补偿镜组；400-探测器模组；401-分光棱镜；402-第一探测器；403-第二探测器；404-第三探测器；405-第四探测器；500-物面；501-第一物面；502-第二物面；600-数据处理器；700-显示设备；800-光阑。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本实施例提供的手术显微镜的成像镜组，包括：共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300和探测器模组400；探测器模组400上具有像面，共口径物镜100远离像面的一侧具有物面500，共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300和探测器模组400沿着物面500至像面的方向间隔布置；变倍镜组200和补偿镜组300能够沿着物面500至像面的方向移动，物面500包括第一物面501和第二物面502，第一物面501和第二物面502之间形成工作成像距离，变倍镜组200能够对工作成像距离内的任意物面500根据变焦曲线连续变焦，补偿镜组300用于对变倍镜组200移动后的像面进行矫正，以使探测器模组400的像面成像。

需要说明的是，本实施例提供的手术显微镜的成像镜组基于相机成像原理，利用高分辨率的探测器模组400配合变焦显微镜组，能够对术区的连续显微和宽画幅成像；具体地，从物面500至像面沿着光线的传播方向依次布置有共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300和探测器模组400，其中运动部件为变倍镜组200和补偿镜组300，变倍镜组200作为有焦系统，变倍因子为β1.3-6.6，在包含5×电子放大的前提下，光学放大倍率为2.2×-55×连续位置倍率可调，视场直径可达φ5.2-φ130mm，视野连续清晰，解决了定档变倍过程中视野有隔断跳跃的痛点，变倍比为1：6，且整个变倍过程中像面保持稳定，像质良好，像差校正平衡，并达到复消色差的效果；其中，变倍镜组200起到调焦作用，根据变焦曲线利用变倍镜组200的移动实现了第一物面501至第二物面502之间的工作成像距离的连续变焦成像，同时补偿镜组300能够对变倍镜组200带来的像面移动以及引起的像差进行矫正和补偿，使得整体能够清晰成像；进一步地，共口径物镜100作为光线入口，能够对变倍镜组200形成共口径成像聚光，最后通过探测器模组400的高分辨率完成清晰成像，实现了覆盖整个口腔手术、心脑血管、以及神经外科手术等的应用场景，满足医生对各种体位的术中要求；同时由于采用高分辨率传感系统以及高分辨率变焦系统，因此也具备了大景深功能，使得系统控制简单，且稳定性高。

本实施例提供的手术显微镜的成像镜组，包括：共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300和探测器模组400；探测器模组400上具有像面，共口径物镜100远离像面的一侧具有物面500，共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300和探测器模组400沿着物面500至像面的方向间隔布置；变倍镜组200和补偿镜组300能够沿着物面500至像面的方向移动，物面500包括第一物面501和第二物面502，第一物面501和第二物面502之间形成工作成像距离，变倍镜组200能够对工作成像距离内的任意物面500根据变焦曲线连续变焦，补偿镜组300用于对变倍镜组200移动后的像面进行矫正，以使探测器模组400的像面成像；通过变倍镜组200的有焦系统，使得第一物面501至第二物面502能够实现连续变焦，同时共口径物镜100、变倍镜组200、补偿镜组300参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，由于镜片少的缘故，系统的透过率大幅提升，提高对色彩的还原度，缓解了有技术中存在的镜头整体分辨率不高、控制逻辑的复杂以及系统镜片繁杂的技术问题；能够满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的操作要求。

在上述实施例的基础上，进一步地，在本发明较佳的实施例中，变倍镜组200的移动距离为2mm-15mm，以根据变焦曲线的移动对第一物面501至第二物面502形成200mm-650mm的工作成像距离。

如图3所示，变倍镜组200基于变焦曲线进行移动，基于变焦曲线当变倍镜组200的移动距离在2mm-15mm时，能够对第一物面501至第二物面502形成200mm-650mm的工作成像距离，其中，在球面光学体系的变焦中，往往需要变倍镜组200和补偿镜组300进行移动达到一个新的稳态平衡，这个稳态平衡是根据物距的不同而进行调整的。本实施例中，物距在200mm-650mm之间调整时，变倍镜组200和补偿镜组300会进行变化，达到新的平衡，而变倍镜组200和补偿镜组300的运动轨迹，如图3所示；由于变倍镜组200和补偿镜组300非按照固定值移动，一般而言，会在一个圆形的镜筒上加工好凸轮移动的槽，在电机带动镜筒旋转时，变倍镜组200和补偿镜组300会按照预先设计的槽来移动，此便为凸轮曲线的设计方案。

在本发明较佳的实施例中，第一物面501位于共口径物镜100处200mm处，第一物面501的成像最大视野为直径5.2mm的物面；第二物面502位于共口径物镜100处650mm处，第一物面501的成像最大视野为直径130mm的物面。

根据实际应用中，利用变倍镜组200和补偿镜组300参与到像差的控制中，物方的NA值可从0.05~0.15，物面500的视场可达到直径φ5.2~φ130mm，系统测总长不超过200mm；视场从5.2mm变化到135mm的原因为变焦导致物距的增大，物距增大由于NA（发散角）的原因，物面自然会越来越大；另外，物方的NA值大，能够提高系统的衍射极限，增强系统的分辨率；本实施例提供的模块化镜头的总长仅有178mm，因此可以达到物面500的视场直径φ5.2~φ130mm。

在本发明较佳的实施例中，变倍镜组200为正焦距，焦距范围为30mm-100mm，变倍镜组200成像均为球面。

在本发明较佳的实施例中，补偿镜组300的补偿移动距离为3mm-32mm。

本实施例中，变倍镜组200可以为双胶合镜组和一个正透镜组成的一套负焦距系统，能够矫正前共口径物镜100带来的球差和边缘视场的慧差；补偿镜组300可以为双胶合镜组和一个正透镜组成的一套正焦距系统，能够矫正变倍组物镜带来的球差和边缘视场的慧差，以使得整个系统能够清晰成像。

在本发明较佳的实施例中，物面500至像面具有两条成像路径，变倍镜组200和补偿镜组300能够将两条成像路径分别透过至探测器模组400成像。

本实施例中，针对物方的成像原理，物面500至共口径物镜100形成角度，利用共口径物面500进行共口径成像聚光，使得成像光线能够呈平行形成两条成像路径，利用平行输送的光线，能够使得正对应的探测器模组400接收光线进行成像。

在本发明较佳的实施例中，探测器模组400包括分光棱镜401、第一探测器402和第二探测器403；第一探测器402与其中一条成像路径对应布置，第二探测器403与其中另外一条成像路径对应布置；分光棱镜401设置有多个，第一探测器402和第二探测器403分别通过一个分光棱镜401接收成像光线，第一探测器402和第二探测器403用于白光成像。

本实施例中，第一探测器402和第二探测器403分别两条成像路径对应布置，即利用第一探测器402和第二探测器403正面接收物方的光线输送，第一探测器402和第二探测器403的前端分别通过一个分光棱镜401进行光线接收，保证了第一探测器402和第二探测器403对光线正对的正常白光形成成像。

在本发明较佳的实施例中，探测器模组400还包括第三探测器404和第四探测器405；第三探测器404和第四探测器405呈相对布置，且第三探测器404与第一探测器402呈垂直布置，第四探测器405与第二探测器403呈垂直布置，第三探测器404和第四探测器405分别通过一个分光棱镜401接收成像光线，第一探测器402和第二探测器403用于荧光造影成像。

本实施例中，第三探测器404和第四探测器405的前端均采用分光棱镜401进行透光输送，第三探测器404和第四探测器405由于位于成像路径的垂直位置，当需要对物方进行荧光造影成像时，可以通过在第三探测器404和第四探测器405位置处设置有不同的荧光滤波片，以针对不同的波段实现荧光造影成像。

可选地，第一探测器402、第二探测器403、第三探测器404、第四探测器405均可以采用高分辨率的CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）探测器。

在本发明较佳的实施例中，还包括数据处理器600和显示设备700；数据处理器600分别与第一探测器402、第二探测器403、第三探测器404、第四探测器405和显示设备700电信号连接，数据处理器600用于分别对第一探测器402、第二探测器403、第三探测器404和第四探测器405接收的图像信息进行处理，以通过显示设备700成像显示。

本实施例中，能够根据变倍镜组200的变焦以及探测器模组400和数据处理器600的图像信息处理，实现对手术显微镜物方的层切成像，再通过高频的显示设备700输出，利用人眼的视觉暂留合成图像，从而实现高分辨、大景深输出。

可选地，数据处理器600可以采用具有高速数据和图像处理能力的处理器或电脑，或者采用云端服务器或者其他形式的计算装置，显示设备700可以采用3D或2D显示屏幕，此处对数据处理器600和显示设备700具体型号选择不作限定。

在本发明较佳的实施例中，还包括光阑800；光阑800位于变倍镜组200和补偿镜组300之间，共口径物镜100、变倍镜组200、光阑800、补偿镜组300和探测器模组400呈模块化集成于镜头内。

本实施例中，光阑800作为变倍镜组200和补充镜组之间的透光结构，光阑800能够改变整体光线路径的进光量，使得物镜能够在合适的光照亮度下清晰成像。

本实施例提供的手术显微镜的成像镜组能够从200mm~650mm的大距离内实现φ5.2~φ130mm的物方视野连续变焦，且景深达到了50mm，使用高分辨率CMOS探测器，配合双目共口径显微光学系统，通过系统联动，利于安装调试；整体结构中所有镜片参与到像差矫正，得光学成像系统的颜色分明，色彩还原性与像面还原性好，同时因为镜片少的缘故，整体结构的透过率大幅提升，对色彩的还原度很有优势；通过利用各个透镜合理配置组合，解决了大小视场覆盖、宽工作距离，高画幅下难以实现高分辨率和低畸变的难题，同时具有小型化和轻型化的结构和外形，在总长仅有178mm的情况下可使全像高达到7.5mm；因共口径变倍显微系统，景深达到了50mm，具有不用重复对焦的优势，稳定性极好；在实际运行过程中，全视场下的畸变为3％，畸变控制在比较小的范围内，满足牙科、心脑血管、神经外科等手术的操作要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种手术显微镜的成像镜组，其特征在于，包括：共口径物镜（100）、变倍镜组（200）、补偿镜组（300）和探测器模组（400）；

所述探测器模组（400）上具有像面，所述共口径物镜（100）远离所述像面的一侧具有物面（500），所述共口径物镜（100）、变倍镜组（200）、补偿镜组（300）和探测器模组（400）沿着物面（500）至像面的方向间隔布置；

所述变倍镜组（200）和所述补偿镜组（300）能够沿着物面（500）至像面的方向移动，所述物面（500）包括第一物面（501）和第二物面（502），所述第一物面（501）和所述第二物面（502）之间形成工作成像距离，所述变倍镜组（200）能够对所述工作成像距离内的任意物面（500）根据变焦曲线连续变焦，所述补偿镜组（300）用于对所述变倍镜组（200）移动后的像面进行矫正，以使所述探测器模组（400）的像面成像；

所述变倍镜组（200）为正焦距，焦距范围为30mm-100mm，所述变倍镜组（200）成像均为球面。

2.根据权利要求1所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述变倍镜组（200）的移动距离为2mm-15mm，以根据变焦曲线的移动对所述第一物面（501）至所述第二物面（502）形成200mm-650mm的工作成像距离。

3.根据权利要求2所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述第一物面（501）位于所述共口径物镜（100）处200mm处，所述第一物面（501）的成像最大视野为直径5.2mm的物面；

所述第二物面（502）位于所述共口径物镜（100）处650mm处，所述第一物面（501）的成像最大视野为直径130mm的物面。

4.根据权利要求2所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述补偿镜组（300）的补偿移动距离为3mm-32mm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述物面（500）至所述像面具有两条成像路径，所述变倍镜组（200）和所述补偿镜组（300）能够将两条所述成像路径分别透过至所述探测器模组（400）成像。

6.根据权利要求5所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述探测器模组（400）包括分光棱镜（401）、第一探测器（402）和第二探测器（403）；

所述第一探测器（402）与其中一条所述成像路径对应布置，所述第二探测器（403）与其中另外一条所述成像路径对应布置；

所述分光棱镜（401）设置有多个，所述第一探测器（402）和所述第二探测器（403）分别通过一个所述分光棱镜（401）接收成像光线，所述第一探测器（402）和所述第二探测器（403）用于白光成像。

7.根据权利要求6所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，所述探测器模组（400）还包括第三探测器（404）和第四探测器（405）；

所述第三探测器（404）和所述第四探测器（405）呈相对布置，且所述第三探测器（404）与所述第一探测器（402）呈垂直布置，所述第四探测器（405）与所述第二探测器（403）呈垂直布置，所述第三探测器（404）和所述第四探测器（405）分别通过一个所述分光棱镜（401）接收成像光线，所述第一探测器（402）和所述第二探测器（403）用于荧光造影成像。

8.根据权利要求7所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，还包括数据处理器（600）和显示设备（700）；

所述数据处理器（600）分别与所述第一探测器（402）、第二探测器（403）、第三探测器（404）、第四探测器（405）和所述显示设备（700）电信号连接，所述数据处理器（600）用于分别对所述第一探测器（402）、第二探测器（403）、第三探测器（404）和第四探测器（405）接收的图像信息进行处理，以通过所述显示设备（700）成像显示。

9.根据权利要求5所述的手术显微镜的成像镜组，其特征在于，还包括光阑（800）；

所述光阑（800）位于所述变倍镜组（200）和所述补偿镜组（300）之间，所述共口径物镜（100）、变倍镜组（200）、光阑（800）、补偿镜组（300）和探测器模组（400）呈模块化集成于镜头内。