CN118050884A - 一种手术显微镜的光学结构及手术显微镜 - Google Patents

一种手术显微镜的光学结构及手术显微镜 Download PDF

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CN118050884A CN202211427023.1A CN202211427023A CN118050884A CN 118050884 A CN118050884 A CN 118050884A CN 202211427023 A CN202211427023 A CN 202211427023A CN 118050884 A CN118050884 A CN 118050884A
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杨晓光
徐久麒
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Abstract

本发明涉及一种手术显微镜的光学结构及手术显微镜，光学结构包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，转向单元包括直角屋脊棱镜；双目镜单元包括棱/透镜组、第一直角棱镜、第二直角棱镜以及目镜，棱/透镜组包括小物镜，或将第一直角棱镜、第二直角棱镜替换为斜方棱镜。本发明的光学结构设计为“倒像‑倒像”，直角屋脊棱镜使得转向单元内部光路的光程缩短约一半，更有利于减小观察光路的光线渐晕；两次内部反射避免了镜像现象，且图像旋转了180度，从而可以去掉双目镜单元中的倒像棱镜；有效简化了系统中光学镜组的结构。

Description

一种手术显微镜的光学结构及手术显微镜
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种手术显微镜的光学结构及手术显微镜。
背景技术
手术显微镜是一种医用精密光学设备，用于临床显微观察与手术治疗。作为核心部件，光学显微观察系统中包括主镜镜身和双目镜筒，在其间的平行光路中，还可根据需要设置各种附件，实现不同的附加功能。
为了提供舒适的人体工学姿势，现有的手术显微镜通常在主镜镜身上方增加光路转折结构，将光路转折90度，使得双目镜筒能够完全水平设置，一方面降低了视线高度，增大了操作空间，另一方面能够拉长水平观察距离，使医生保持舒适的坐姿。基于需要避免产生镜像和保持图像正向的考虑，现有技术中的光路转折结构均由五棱镜实现，如专利CN211123465U公开了一种手术显微镜，采用五棱镜与施密特棱镜或其他棱镜组合的方式来实现对光线的转折和分光；CN216148235U公开的一种手术显微镜同样采用五棱镜作为光路转折元件，具体结构如图1、2所示。而五棱镜由于自身原理所限，内部光程较长，固定结构的空气间隔也较大，增加了观察系统的渐晕，甚至会完全遮挡掉边缘视场的光线，造成暗角。同时，现有手术显微镜双目镜筒与目镜的组合光路与开普勒望远镜相同，为了能够观察到正立图像，需要在双目镜筒的光路中加入倒像棱镜，其中最为常见的普罗棱镜一般由三块直角棱镜胶合组成，如图17a、17b、17c、17d所示，此棱镜结构复杂，加工装配成本都较高，而且同样存在内部光程长的问题，会造成小物镜透镜组复杂化，进一步增加了设计和制造成本。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种手术显微镜的光学结构。
为达到上述目的，本发明采用的第一个技术方案是：
一种手术显微镜的光学结构，包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，其中：
所述的转向单元包括直角屋脊棱镜；
所述的双目镜单元包括沿光路方向依次设置的棱/透镜组、第一直角棱镜、第二直角棱镜以及目镜，所述的棱/透镜组包括小物镜，
物面光束经所述的直角屋脊棱镜翻转180度，经所述的棱/透镜组、第一直角棱镜、第二直角棱镜后继续翻转180度形成正立实像并被目镜所观察。
上述技术方案优选地，所述的棱/透镜组为可调角度棱/透镜组。
进一步优选地，所述的可调角度棱/透镜组包括第三直角棱镜、第四直角棱镜以及第五直角棱镜，所述的第三直角棱镜、第四直角棱镜以及第五直角棱镜沿光路方向依次设置，所述的第三直角棱镜、第五直角棱镜可围绕光轴与所述的第四直角棱镜相对转动，且转动角度始终相等。
进一步优选地，所述的棱/透镜组包括半五棱镜，所述的小物镜、半五棱镜沿光路方向依次设置。
上述技术方案优选地，所述的棱/透镜组中不包括弯月透镜。
上述技术方案优选地，所述的小物镜包括具有正光焦度的第一双胶合透镜组，并且满足：
50mm＜|fG1|＜200mm，
其中：fG1为第一双胶合透镜组焦距，
R1为双胶合透镜组胶合面曲率半径，
为胶合面有效孔径。
进一步优选地，所述的目镜为包括沿光路方向依次设置的单透镜、第二双胶合透镜组，并且满足：
0.5＜fG3/fG1＜2，
其中：fL3为第二双胶合透镜组焦距。
上述技术方案优选地，所述的双目镜单元还包括场镜，所述的场镜为单透镜。
上述技术方案优选地，所述的双目镜单元还包括光阑。
为达到上述目的，本发明采用的第二个技术方案是：
一种手术显微镜的光学机构，包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，其中：
所述的转向单元包括直角屋脊棱镜；
所述的双目镜单元包括沿光路方向依次设置的棱/透镜组、斜方棱镜以及目镜，所述的棱/透镜组包括小物镜，
物面光束经所述的直角屋脊棱镜翻转180度，经所述的棱/透镜组、斜方棱镜后继续翻转180度形成正立实像并被目镜所观察。
为达到上述目的，本发明采用的第三个技术方案是：
本发明的另一个目的是提供一种手术显微镜。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种手术显微镜，包括显微镜主体、转向延长器以及双目镜筒，所述的转向延长器连接在所述的显微镜主体上，所述的双目镜筒连接在所述的转向延长器上，所述的手术显微镜还包括所述的光学结构，所述的转向单元设置在所述的转向延长器内，所述的双目镜单元设置在所述的双目镜筒内。
上述技术方案优选地，所述的双目镜筒具有与所述的转向延长器连接并可相对所述的转向延长器在竖直方向上转动调节的转动连接组件，所述的棱/透镜组为可调节度棱/透镜组，所述的可调角度棱/透镜组设置在所述的转动连接组件内。
上述技术方案优选地，所述的转向延长器内设置有固定座，所述的直角屋脊棱镜设置在所述的固定座上。
上述技术方案优选地，所述的双目镜筒、转向延长器之间可拆卸地连接。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、转向延长器内部光路的光程缩短约一半，更有利于减小观察光路的光线渐晕；
2、通过直角屋脊棱镜的两次内部反射避免了镜像现象，且图像旋转了180度，从而可以去掉双目镜单元中复杂、高成本的倒像棱镜；
3、避免了现有技术中双目镜筒内必须设置倒像棱镜从而造成的过长光程，降低了小物镜的设计难度，简化了光学透镜组结构；
4、改善了光学系统的观察效果，同时简化了透镜组和棱镜组的光学结构，降低装校难度，节约生产、制造成本。
附图说明
附图1为手术显微镜的示意图；
附图2为现有技术中转向延长器、双目镜筒的连接示意图；
附图3a为现有技术中一种手术显微镜光学结构示意图；
附图3b为现有技术中另一种手术显微镜光学结构示意图；
附图4a为实施例一中手术显微镜的主视示意图；
附图4b为实施例一中手术显微镜的俯视示意图；
附图4c为实施例一中手术显微镜的仰视示意图；
附图5为实施例一中光学结构的示意图；
附图6为实施例一的光学结构中双目镜单元的光路图；
附图7为实施例二中光学结构的示意图；
附图8为实施例二的光学结构中双目镜单元的光路图；
附图9为实施例三中直筒双目镜筒的示意图；
附图10为实施例三的光学结构中双目镜单元的示意图；
附图11为实施例四中45°斜筒双目镜筒的示意图；
附图12为实施例四的光学结构中双目镜单元的示意图；
附图13为对比例中光学结构中双目镜单元的示意图；
附图14为五棱镜的示意图；
附图15a、15b为直角屋脊棱镜的示意图；
附图16为五棱镜、直角屋脊棱镜的重叠示意图；
附图17a、17b、17c、17d为普罗棱镜的示意图；
附图18a、18b为斜方棱镜的示意图。
以上附图中：
1、显微镜主体；2、转向延长器；20、锁紧孔；21、固定座；3、双目镜筒；30、定位孔；31、转动连接组件；
40、直角屋脊棱镜；41、第三直角棱镜；42、小物镜；43、第四直角棱镜；44、第五直角棱镜；45、第一直角棱镜；46、第二直角棱镜；47、场镜；48、光阑；49、目镜；
50、斜方棱镜；51、半五棱镜；52、五棱镜；53、弯月透镜；540、541、普罗棱镜；55、施密特屋脊棱镜。
具体实施方式
下面将结合附图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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例一：
如图4a、4b4c所示的一种手术显微镜，包括显微镜主体1、转向延长器2以及双目镜筒3，其中：转向延长器2连接在显微镜主体1上，双目镜筒3连接在转向延长器2上。具体的：双目镜筒3、转向延长器2之间可以通过如定位孔30、锁紧孔20可拆卸地连接。双目镜筒3具有转动连接组件31，通过转动连接组件31使得双目镜可相对转向延长器2在竖直方向上转动调节，转动连接组件31作为双目镜筒的常用结构，在此不再进行展开赘述。
如图5所示：手术显微镜内设置对应的光学结构，光学结构包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，转向单元设置在转向延长器2内，双目镜单元设置在双目镜筒3内。具体的说：
转向单元包括直角屋脊棱镜40，在转向延长器2内设置有固定座21，直角屋脊棱镜40设置在固定座21上。
如图3a所示的光学结构中采用了五棱镜52，将两者比对后发现，五棱镜52(图14)的光程长度为3.41D0，直角屋脊棱镜40(图15a、15b)的光程长度为1.73D0(D0为棱镜的通光孔径)，直角屋脊棱镜40的光程长度比五棱镜52的光程长度缩短1.68D0，以最小通光孔径18mm计算，直角屋脊棱镜40较五棱镜52的光程缩短30.24mm(等效空气间隔约20mm)。
此外直角屋脊棱镜40的光轴交转折点高于中点，在将光轴抬高同样距离时，其边缘与五棱镜52相比更接近固定面(图16)，进一步缩短空气间隔，以最小通光孔径18mm计算，13.2mm的空气间隔被玻璃取代，缩短空气间隔约4.5mm。
因此，在此平行光路中采用直角屋脊棱镜显著缩短了光程，边缘视场主光线的投射高度被大幅降低，有效降低了边缘渐晕，避免了图像边缘暗淡甚至被遮挡的情况发生。
双目镜单元包括沿光路方向依次设置的棱/透镜组、第一直角棱镜45、第二直角棱镜46、场镜47、光阑48以及目镜49。其中：棱/透镜组为可调角度棱/透镜组，可调角度棱/透镜组设置在转动连接组件31内。在本实施例中：可调角度棱/透镜组包括第三直角棱镜41、小物镜42、第四直角棱镜43以及第五直角棱镜44。
即整个光学结构为沿光路方向依次设置的直角屋脊棱镜40、第三直角棱镜41、小物镜42、第四直角棱镜43、第五直角棱镜44、第一直角棱镜45、第二直角棱镜46、场镜47、光阑48以及目镜49，物面光束经直角屋脊棱镜40翻转180度，经经第三直角棱镜41、小物镜42、第四直角棱镜43、第五直角棱镜44、第一直角棱镜45、第二直角棱镜46场镜47后继续翻转180度在光阑48处形成正立实像被目镜49所观察。
如图3a所示的光学结构中采用了普罗棱镜540，将两者比对后发现，普罗棱镜540由三块棱镜组合粘接而成，而且需要区分左、右两种组合方式，加工、装配和校正都相对复杂，成本高。同时，现有双目镜筒的小物镜42焦距一般为170mm，由于后续光路结构需求，特别是普罗棱镜540光程长度过长，需要增加厚弯月透镜53将小物镜42的光学主面后移，而厚弯月透镜53定心困难，曲率半径敏感度高，公差要求严格，加工和制造成本都较高。
本申请采用两个直角棱镜装调更容易，间距可调，便于瞳距范围的调整，且根据光路，第一直角棱镜45口径可以减小，便于机械结构设计和组装(双光路中心距离一般只有22mm)；同时，由于小物镜42后续光程长度大幅减少，不需要额外增加厚弯月透镜53来调整像面位置，系统简化，减低成本。
在本实施例中：
小物镜42为具有正光焦度的第一双胶合透镜组(两个透镜)，并且满足：
50mm|fG1|＜200mm，
其中：fG1为第一双胶合透镜组焦距，R1为双胶合透镜组胶合面曲率半径，为胶合面有效孔径。
场镜47为具有负光焦度的单透镜。
目镜49为沿光路方向依次设置的单透镜、第二双胶合透镜组(两个透镜)，并且满足：
0.5＜FL3/fG1＜2，
其中：fL3为第二双胶合透镜组焦距。
如图6、表1所示，提供了本实施例中双目镜单元的光学参数：
面编号 半径 厚度 Nd Vd 半孔径
1 Infinity 20 1.52 64.2 10
2 Infinity 4.5 10
3 61.85 1.5 1.59 29.9 8.5
4 37.26 2.5 1.49 57.4 8.5
5 Infinity 8 8.5
6 Infinity 51 1.52 64.2 10
7 Infinity 16 10
8 Infinity 20 1.52 64.2 10
9 Infinity 16.6 10
10 Infinity 18 1.52 64.2 9
11 Infinity 10 9
12 Infinity 24 1.52 64.2 12
13 Infinity 3 12
14 -30.72 1.5 1.49 57.4 9
15 -98.9 16 9
16 Infinity 9.5
17 -238.9 2 1.85 23.8 12
18 22.839 10 1.62 60.3 12
19 -17 0.5 12
20 28.18 6 1.62 60.3 12
21 Infinity 23.5 12
其中：半径为镜片表面曲率半径，厚度为镜片中心厚度，Nd为d光(波长589.3nm)在光学玻璃中的折射率；Vd为阿贝数。
本实施例采用的光学结构为设计为“倒像-倒像”，较图3a的现有光学结构，其内部光程缩短约一半，更有利于减小观察光路的光线渐晕；两次内部反射避免了镜像现象，且图像旋转了180度，可以去掉后续双目镜单元中的倒像棱镜，结构简单，成本低。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，在本实施例中：采用斜方棱镜50替代了实施例中的第一直角棱镜45和第二直角棱镜46，如图7所示。
即整个光学结构为沿光路方向依次设置的直角屋脊棱镜40、第三直角棱镜41、小物镜42、第四直角棱镜43、第五直角棱镜44、斜方棱镜50、场镜47、光阑48以及目镜49，物面光束经直角屋脊棱镜40翻转180度，经经第三直角棱镜41、小物镜42、第四直角棱镜43、第五直角棱镜44、斜方棱镜50后继续翻转180度形成正立实像，再经场镜47、光阑48被目镜49所观察。
如图3a所示的光学结构中采用了普罗棱镜540，将两者比对后发现，普罗棱镜540的光程长度为4D0，斜方棱镜50的光程长度为2D0，斜方棱镜50的光程长度比普罗棱镜540的光程长度缩短2D0，以最小通光孔径22mm计算，斜方棱镜50比普罗棱镜540的光程缩短44mm。
本申请采用斜方棱镜50，如图18a、18b所示，左右棱镜一致，加工、装配和校正都相对简单，成本低。
如图8、表2所示，提供了本实施例中双目镜单元的光学参数：
面编号 半径 厚度 Nd Vd 半孔径
1 Infinity 20 1.52 64.2 10
2 Infinity 4.5 10
3 61.85 1.5 1.59 29.9 8.5
4 37.26 2.5 1.49 57.4 8.5
5 Infinity 8 8.5
6 Infinity 51 1.52 64.2 10
7 Infinity 16 10
8 Infinity 20 1.52 64.2 10
9 Infinity 16.6 10
10 Infinity 52 1.52 64.2 9
11 Infinity 3 12
12 -30.72 1.5 1.49 57.4 9
13 -98.9 18 9
14 Infinity 9.5
15 -238.9 2 1.85 23.8 12
16 22.839 10 1.62 60.3 12
17 -17 0.5 12
18 28.18 6 1.62 60.3 12
19 Infinity 23.5 12
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，在本实施例中：双目镜筒为直筒双目镜筒，如图9所示，即不具有转动连接组件31，目镜49光轴与小物镜42光轴保持平行，此时，棱/透镜组仅包括小物镜42，如图10所示。
即双目镜单元为沿光路方向依次设置的小物镜42、第一直角棱镜45、第二直角棱镜46、场镜47、光阑48以及目镜49。
如图3b所示的光学结构中采用了普罗棱镜541，将两者比对后发现，普罗棱镜541由两块大直角棱镜组合粘接而成，而且需要区分左、右两种组合方式，占用结构空间大，重量大，加工、装配和校正都相对复杂，成本高。本申请采用两个直角棱镜装调更容易，间距可调，便于瞳距范围的调整，便于机械结构设计和组装，占用空间小、重量轻、加工、装配和校正便利，成本低。
实施例四：
本实施例与实施例一基本相同，不同之处在于，在本实施例中：双目镜筒为45°斜筒双目镜筒，如图11所示，即不具有转动连接组件31，目镜49光轴与小物镜42光轴保持45°夹角，此时，棱/透镜组包括小物镜42、半五棱镜51，小物镜42、半五棱镜51沿光路方向依次设置，如图12所示。
即双目镜单元为沿光路方向依次设置的小物镜42、半五棱镜51、第一直角棱镜45、场镜47、第二直角棱镜46、光阑48以及目镜49。
对比如图13所示的光学结构中采用了施密特屋脊棱镜55，本实施例采用的半五棱镜51加工、装配和校正都相对简单，成本低。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种手术显微镜的光学结构，包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，其特征在于：
所述的转向单元包括直角屋脊棱镜；
所述的双目镜单元包括沿光路方向依次设置的棱/透镜组、第一直角棱镜、第二直角棱镜以及目镜，所述的棱/透镜组包括小物镜，
物面光束经所述的直角屋脊棱镜翻转180度，经所述的棱/透镜组、第一直角棱镜、第二直角棱镜后继续翻转180度形成正立实像并被目镜所观察。
2.根据权利要求1所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的棱/透镜组为可调角度棱/透镜组。
3.根据权利要求2所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的可调角度棱/透镜组包括第三直角棱镜、第四直角棱镜以及第五直角棱镜，所述的第三直角棱镜、第四直角棱镜以及第五直角棱镜沿光路方向依次设置，
所述的第三直角棱镜、第五直角棱镜可围绕光轴与所述的第四直角棱镜相对转动，且转动角度始终相等。
4.根据权利要求1所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的棱/透镜组包括半五棱镜，所述的小物镜、半五棱镜沿光路方向依次设置。
5.根据权利要求1所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的棱/透镜组中不包括弯月透镜。
6.根据权利要求1所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的小物镜包括具有正光焦度的第一双胶合透镜组，并且满足：
其中：fG1为第一双胶合透镜组焦距，
R1为双胶合透镜组胶合面曲率半径，
为胶合面有效孔径。
7.根据权利要求6所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的目镜为包括沿光路方向依次设置的第二双胶合透镜组、单透镜，并且满足：
其中：fL3为第二双胶合透镜组焦距。
8.根据权利要求1所述的手术显微镜的光学结构，其特征在于：所述的双目镜单元还包括场镜，所述的场镜为单透镜。
9.一种手术显微镜的光学机构，包括沿光路方向依次设置的转向单元、双目镜单元，其特征在于：
所述的转向单元包括直角屋脊棱镜；
所述的双目镜单元包括沿光路方向依次设置的棱/透镜组、斜方棱镜以及目镜，所述的棱/透镜组包括小物镜，
物面光束经所述的直角屋脊棱镜翻转180度，经所述的棱/透镜组、斜方棱镜后继续翻转180度形成正立实像并被目镜所观察。
10.一种手术显微镜，包括显微镜主体、转向延长器以及双目镜筒，所述的转向延长器连接在所述的显微镜主体上，所述的双目镜筒连接在所述的转向延长器上，其特征在于：所述的手术显微镜还包括权利要求1至9中任意一项权利要求所述的光学结构，所述的转向单元设置在所述的转向延长器内，所述的双目镜单元设置在所述的双目镜筒内。
11.根据权利要求10所述的手术显微镜，其特征在于：所述的双目镜筒具有与所述的转向延长器连接并可相对所述的转向延长器在竖直方向上转动调节的转动连接组件，所述的棱/透镜组为可调角度棱/透镜组，所述的可调角度棱/透镜组设置在所述的转动连接组件内。
12.根据权利要求10所述的手术显微镜，其特征在于：所述的双目镜筒、转向延长器之间可拆卸地连接。
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