CN1665439A - 用于内窥镜的光学设备 - Google Patents

Abstract

一种光学设备，用于在工作距离范围内观察对象。所述设备包括特定长度的细长管，该细长管具有远端和近端。所述设备还包括位于所述远端并具有宽视角的成像系统。所述设备还包括与所述近端相连并具有窄视角的望远镜系统。所述成像系统被设计为在位于所述设备的光轴上并且在所述管内与所述近端相比更靠近所述远端的图像平面上形成图像。所述望远镜系统被设计为能够观察所述对象的所述图像。所述设备尤其适于用作为医学应用中的内窥镜，并可以是一次性的。

Description

用于内窥镜的光学设备

技术领域

本发明涉及光学仪器，其适用于观察深陷的和/或难以到达的空间，并且该光学仪器可用于观察诸如内部身体器官及其内腔的对象，以及这些器官中的特定对象，例如肿瘤或囊肿。这些光学仪器包括内窥镜、耳镜、腹腔镜、关节内窥镜、气管镜、喉镜(laringoscopes)、膀胱镜以及其它类似的刚性内窥镜医学检查设备。然而，这些光学仪器并不限于医用，并且可以用于其中可应用上述检查的多种领域，例如以管道镜的方式在机械应用中使用。更具体地，本发明涉及进一步设计为一次性的这种光学仪器。

背景技术

在本领域中，已知被设计为能够观察不易接近或直接进行检查的区域的多种光学仪器。例如，在医学应用中，使用诸如内窥镜、关节内窥镜、气管镜等的多种光学仪器来检查从耳道至关节和肺的范围的身体内腔的内部。通常经由构成或导向该内腔的自然身体管腔来实现通过这些仪器到达这些内腔。然而，在某些情况下要形成小的手术切口，仪器可以通过该切口到达内腔。

刚性内窥镜和柔性内窥镜在本领域中是公知的。与刚性内窥镜不同，柔性内窥镜使得能够到达身体的相当深和相当远的区域，例如肠道。然而，与刚性内窥镜相比，柔性内窥镜提供的图像质量较差，相对昂贵，并且对于许多应用并不适用。通常，它们也不适用于通过高压灭菌器进行消毒。

刚性内窥镜在以上方面具有优势，尤其是在考虑图像质量的情况下。通常，刚性内窥镜包括：长管，其具有用于插入到身体内腔中的远端、带有目镜的近端；以及位于该管的内部并沿其长度分布的多个透镜，用于形成身体内腔的图像和/或身体内腔中的对象的图像，并将该图像传送给观察组件，例如可以由医生通过该观察组件对图像进行观察。通常，该管的内表面被涂成黑色，以防止其中反射不期望的残留光。

US 5,891,015公开了一种内窥镜，其包括一刚性管，该刚性管具有远端、带有包括像敏(image-sensitive)表面的观察组件的近端，以及远端和近端之间的成像系统，该成像系统完全占据了该管的内部，并且包括单个平凹非球面(ashperical)前透镜、单个非球面内透镜、以及两个玻璃棒。该成像系统用于形成对象的图像，并随后将其传送给像敏表面，该像敏表面读取该图像，并使其能够显示，以进行观察。

US 6,398,724公开了一种内窥镜，其包括具有远端和近端的密封插入管，该密封插入管与具有光学组件并且安装在内窥镜外壳中的聚焦组件相连，该插入管可拆卸地安装在内窥镜壳上。该插入管包括位于其中沿其长度分布并且适用于形成该聚焦组件内部的对象的图像的光学组件，由该光学组件将图像从聚焦组件传送给与CCD传感器的像敏表面重合的图像平面。可以通过移动CCD传感器来对该对象的图像进行聚焦，以调整该像敏表面和静态图像之间的距离。该可拆卸的插入管能够经受高压灭菌器的作用，并且因此可以单独进行消毒，从而消除了对整个内窥镜进行消毒的需要，尤其是对其组件(例如，聚焦组件和CCD传感器)进行消毒的需要，这些组件的适当消毒相当复杂并且成本较高。

对于可重新使用的医学仪器来说，在重新使用之前进行消毒是至关重要的，并且通过诸如高压灭菌的多种方法来进行这种消毒。然而，可重新使用的内窥镜的精密和复杂的结构使得难以实现对其进行彻底的消毒。

因此，在本领域中产生了对一次性内窥镜的需求，一方面，其提供高质量的成像，而另一方面，可以通过相对廉价的组件来制造，并且将其制造得足够廉价，以使其具有在一位患者使用之后丢弃的成本效率。

例如US 4,964,710、US 5,188,092和US 5,892,630中公开了设计一次性内窥镜的尝试。

发明内容

本发明提出了一种光学设备，用于观察位于工作距离范围内的对象，该设备具有光轴，并且包括：特定长度的细长管，该细长管具有远端和近端；位于所述远端并具有宽视角的成像系统；以及与所述近端相连并具有窄视角的望远镜系统，该成像系统被设计为在沿所述轴位于所述管内部与所述近端相比更靠近所述远端的图像平面上形成所述对象的图像，所述望远镜系统被设计为能够观察该对象的所述图像。

通过与所述细长管的近端相连，根据本发明的光学设备的望远镜系统与所述成像系统以及所述图像平面间隔开，间隔距离为所述细长管的大部分长度，根据设计该设备的预期应用来选择所述细长管的长度。然而，对于任意选定的长度，所述望远镜系统的视角始终很窄，以致于在所述图像平面处不能将视角扩展为超过所述细长管的宽度。这样，所述望远镜系统使得可以观察所述对象的图像，而无需中间成像光学组件(例如所述管中的多个中继透镜)来将所述图像传送到所述管的近端。

根据本发明的光学设备的成像系统的宽视角可以与本发明所提及的那种传统光学设备中的相同。然而，优选地，该视角较宽，结果使得该成像系统具有较短的焦距，以使所述图像平面的位置在整个工作距离范围内位于该望远镜系统的景深之内。因此，可以将该望远镜系统固定在预定的位置，使得该光学设备能够提供位于工作范围内的任意对象的图像的清晰视图，而无需调整该望远镜系统。

为了实现能够用于根据本发明的光学设备的最简单且最廉价的设计，该成像系统具有提供其宽视角所需的最小数目的元件，所有这些元件都集中在该管的远端。为此，该成像系统优选地包括整球(也就是球形)透镜形式的单个元件，可以从该元件移除某些部分，例如从该球形切除外部圆柱体部分，以获得鼓形形状。使用球透镜是优选的，这不仅是因为这种透镜具有能够用于单个元件的最短焦距，而且因为它提供了另外的优点，即产生相对小的像差以及导致可忽略的失真(例如像散和慧差)量。此外，可以容易地计算由球透镜产生的几何失真，并且因此还可以容易地通过图像处理技术或者光学地(例如，通过结合校正光学系统)来进行校正。这种校正光学系统优选地包括单个校正光学元件，其用于减小成像系统的失真。该校正光学元件可以是能够实现该目的的任何适合的形式，例如平凸透镜的形式。

根据本发明的光学设备的成像系统可以另选地包括非球面、宽视角构件，该构件具有球透镜的许多理想特征，但产生相当小的失真，优选地，达到不需要校正光学元件的程度。

该成像系统还可以包括围绕所述管的周边的照明光导(light guide)，该光导可以是本领域中公知的任何形式，例如是沿所述管延伸的光导纤维束(fiber optics strand)的形式或者环形圆柱体的形式。

可以使用根据本发明的光学设备直接或者间接地(例如经由用于将图像中继到诸如视频图像传感器、照相胶片等的像敏设备的装置，然后例如显示在视频屏幕上)通过眼睛来观察对象的图像。

本发明的光学设备的一个最重要的应用是用作为内窥镜，在这种情况下，所述细长管优选为刚性的，并且可以具有适用于该内窥镜的预期应用的任意尺寸，只要管的总长度远远大于其宽度，由于如上所述，所述成像系统的组件都集中在远端，并且所述望远镜系统与所述管的近端相连，所以所述管的大部分没有光学元件。例如，对于包括球透镜(如上所述，直径为d)的成像系统，当所述管的总长度超过直径d大约的10-100倍时，整个成像系统在所述管中仅延伸大约2-3倍直径d的单个连续长度。

与本领域的许多公知的设计相比，本发明提供了一种内窥镜的简单设计，该设计可以通过很少的光学元件进行操作，这些光学元件中的大部分设置在下述两个位置之一，即作为所述成像系统的一部分的所述细长管的远端附近或者作为所述望远镜系统的一部分的所述细长管的近端附近。因此，与本领域中公知的具有许多透镜和/或其它光学元件的相对复杂的内窥镜设计(其容易导致内窥镜甚至在稍微弯曲之后无法使用，并往往由此而被损坏)相比，本发明的内窥镜的简单设计为该设备提供了许多重要的优点，包括该装置对于在操作过程中可能施加在其上的弯曲力和其它机械载荷敏感度相对低。此外，本发明的内窥镜容易组装，尤其是因为其有限数量的成像光学元件位于该设备的少数特定位置，特别是靠近其末端。

除上述之外，本发明的简单设计还提供了另一优点，即能够因此而提供相对廉价的内窥镜或其它这种设备，这还由此使得能够生产完全一次性的内窥镜或者具有一次性部分的内窥镜，例如具有成像系统的刚性细长管。事实上，这种内窥镜管是本发明的另一方面。

可以使本发明的内窥镜或内窥镜管变得足够廉价以实现一次性使用的设备对于例如必须经常对导入人体的仪器进行消毒的医学应用特别有利。

此外，根据本发明的内窥镜的简单设计和组装使得其成本足够低廉，尤其是例如通过选择廉价的材料和方法来进行制造，使得在每次使用之后丢弃整个内窥镜在经济上可行。例如，通过使用合适的塑料材料来制造所述成像系统、所述望远镜系统、所述细长管以及所述内窥镜体的其它部分，可以使所述内窥镜的成本最低。此外，例如，如上所述，由于球透镜的简单几何形状，而使得可以容易并廉价地制造球透镜，所以在成像系统中使用球透镜，对于这方面尤其有利。此外，由于球透镜的对称结构，使得球透镜容易组装，这是因为其方向性在任意位置相同。

优选制造方法的另一示例包括通过一条金属薄片来制造所述细长管，通过电镀(glavanic coating)、涂料或其它合适的材料使该金属薄片的一个侧面变黑。然后对该金属薄片进行冷延或热延以及焊接，以形成所述管，同时使变黑的侧面构成其内表面，以用作为本领域中公知的用于防止通过所述管传播并对图像质量有负面影响的有害残留反射光的手段。

附图说明

为了理解本发明并明了如何在实践中实施本发明，将参照附图仅通过非限定性的示例来说明不同的实施例，附图中：

图1是根据本发明的内窥镜的光学结构的示意图；

图2是图1所示内窥镜的一个实施例的示意性部分剖面图；

图3是该内窥镜的一部分(在图2中指定为III)的放大剖面图；

图4是图1所示内窥镜的另一实施例的示意性部分剖面图；

图5是该内窥镜的一部分(在图5和图7中指定为V)的放大剖面图；

图6是该内窥镜的一部分(在图5和图7中指定为VI)的示意性剖面图；以及

图7是图1所示内窥镜的另一实施例的示意性部分剖面图。

具体实施方式

以下将参照图1概括地描述根据本发明的内窥镜2。内窥镜2适于通过观察者的眼睛E或者图像接收观察装置(例如CCD相机)(未示出)来观察位于预定工作距离范围内的对象3，例如身体器官内部或者肿瘤。内窥镜2包括沿公共光轴O设置的成像部分2a和观察部分2b。

成像部分2a包括中空刚性细长管4，其中安装有成像系统8。细长管4的宽度为w，其远端5和近端6之间相隔的长度为L，长度L远远大于管的宽度w。在管4内靠近其远端5设置成像系统8，成像系统8用于在邻近成像系统8的图像平面9上形成对象3的图像。成像系统8具有宽视角α，即短焦距，以使图像平面9的位置响应于工作距离的变化仅略微改变。为了提供所表示的宽视角，成像系统8例如包括：直径为d的单个球透镜12；以及平凸透镜13形式的校正光学元件，其用于减小由球透镜12产生的失真。成像部分2a还包括位于管4的远端5、球透镜12前面的窗口7。

内窥镜2的观察部分2b包括：外壳11，管4在其近端6处与外壳11相连；以及望远镜系统10，容纳在外壳11中。望远镜系统10包括第一会聚透镜20和第二会聚透镜22，由此限定牛顿望远镜结构。望远镜系统10具有由管4的宽度w以及图像平面9和第一会聚透镜20之间的距离限定的窄视角β。由于该窄视角，并鉴于成像系统8的光学元件(即透镜12和13)集中在管4的远端5处，而望远镜系统10的光学元件(即透镜20和22)位于管4的近端6附近的事实，所以长度L的大部分没有光学元件，尤其是在图像平面9和望远镜系统10之间。因此，例如，如果管4的长度L为球透镜12的直径d的大约10-100倍，并且成像系统8延伸大约2-3倍直径d的长度，则管长度的大约70-98％保持没有光学元件。

望远镜系统10具有预定的景深，并且与成像系统8间隔开，以保证图像平面9(由于成像系统的宽视角，其位置在工作距离中仅有微小的变化)在整个工作距离范围中位于该景深内。因此，可以将望远镜系统10固定在预定的结构中，同时仍然使得内窥镜2能够提供位于工作距离范围内的任意对象的图像的清晰视图，由此消除了调整望远镜系统10的需要。

望远镜系统10被设计为具有放大率参数，以保证形成在图像平面9处并通过该望远镜系统观察的对象3的图像完全占据观察者的眼睛E的视网膜的有效部分或者诸如CCD传感器的另一图像接收观察装置的像敏表面。这样，望远镜系统10使得能够观察对象的图像，而无需任何中间组件(例如管内的多个透镜)来将图像传送到近端6。

在操作时，从对象3反射并沿光轴O通过窗口7进入内窥镜2的光线由球透镜12和平凸透镜13会聚，并在图像平面9处形成对象3的图像(未示出)。望远镜系统10将该图像从图像平面9传送到观察者的眼睛E。当对象3和内窥镜2之间的工作距离改变时，图像平面9的位置也相应地改变。然而，由于球透镜12的焦距非常小，使得即使工作距离变化很大，图像平面9的位置变化程度也很小，所以望远镜系统10仍能够提供对象的图像的清晰视图。因此，无论工作距离如何变化，也无需调整望远镜系统10。

通过使用已商品化的光线跟踪程序的计算仿真并基于该仿真进行理论计算，对根据本发明的内窥镜的上述操作进行建模和测试。此外，也建立了该内窥镜的多个测试模型，例如，以下表示该多个测试模型中的两个示例。

	内窥镜参数	模型1	模型2
				1	管4的长度	110	180
2	工作距离的范围，mm	3-∞	3-∞
				3	管的宽度w，mm	3	3
4	成像系统的视角(FOV)，°	70	70
				5	球透镜的焦距，mm	2.2	2.2
6	球透镜的直径d，mm	3	3
				7	校正元件的直径，mm	3	3
8	望远镜系统的放大率	5	7
				9	校正元件的屈光力，屈光度	100	100
10	望远镜系统的第一透镜的屈光力，屈光度	25	25
				11	望远镜系统的第二透镜的屈光力，屈光度	125	167
12	望远镜系统的景深，mm	1.4	1.4
				13	图像平面的位置范围(在整个工作距离范围内)，mm	1.4	1.4

图2到7表示本发明的内窥镜的三个不同实施例，这三个实施例都基于图1所示的上述光学结构和概念。具体地，各个内窥镜都包括：内窥镜管，该内窥镜管在其远端具有成像系统8；以及内窥镜外壳，其与该管的近端相连，并且其中容纳有图1所示的望远镜系统。图2到7中所示的内窥镜都具有照明光导装置，该照明光导装置沿该管从靠近其近端的位置延伸到其远端，用于对待成像的对象进行照明。内窥镜中的该照明光导装置包括安装在内窥镜外壳上的多个连接器，这些连接器可与光源(未示出)的光导相连。

图2表示可重新使用的内窥镜102，其包括内窥镜管104以及与内窥镜管104永久连接的外壳111。管104包括间隔开的内套管142和外套管144，并且该内窥镜包括光导纤维束140形式的照明光导装置，该光导纤维束140在管104的内套管142和外套管144之间延伸并穿过外壳111，以能够通过连接器150与光源连通，如本领域所公知的。

图3表示图2所示内窥镜102的远端的放大视图，示出了将透镜12和13与它们之间的间隔物160一起安装在管104的内套管142中的简单方式，该间隔物160用于将这些透镜固定在预定的工作位置。

图4表示具有一次性内窥镜管204的内窥镜202，与上述内窥镜102相同，其具有包含成像系统8的内套管142，但是没有外套管。该内窥镜202还包括：可重新使用的内窥镜外壳211；以及可拆卸地安装在内窥镜外壳211上的管204。照明光导装置为与内套管142同轴并接触地邻接的环形光导圆柱体218，以通过安装在外壳211中的连接器250传导来自光源的光。

图5表示图4中所示内窥镜202的远端的放大视图，示出了沿内套管142延伸并在管204的远端具有凸出末端270的光导圆柱体218。

光导圆柱体218可以由透明材料形成，并且其内表面和外表面涂覆有折射率小于光导材料的材料。因此，圆柱体218能够基于全内反射的原理来传导光。另选地，可以在圆柱体218的外表面和内表面上涂覆反射涂层，由此也使得能够高效地传导通过其中的光。在本领域中已知多种类型的光导圆柱体，并且可以从中(例如，从US 5,396,366和US5,423,312)习得将其连接到连接器250(图4中所示)的方法。

与诸如以上参照图2和3描述的光导纤维结构相比，根据本发明的内窥镜202的光导圆柱体218的特殊优势在于其制造和组装特别廉价。这使得在成本效率方面能够将管204制成一次性的，尤其是在圆柱体218以及成像系统8和管204本身是由合适的低成本材料制成并且具有易于组装的设计的情况下。这样，可以单独制造包括成像系统8和光导圆柱体218的管204，并将其可拆卸地连接到内窥镜202上，以使得可以在使用后将其拆除、丢弃，并使用另一个新的这种管来代替它。此外，与图2和3所示的光导纤维束140的结构相比，圆柱体218能够传导更多的光。后者是因为在圆柱体218的情况下，在圆柱体光导纤维束之间的空间由圆柱体218的材料占据，这些空间也能够对投射的光量有帮助。

为了提供另一优点，在制造过程中，对光导圆柱体218的末端270进行热处理，以使其具有球形凸出的形状，以使得能够以相对宽的角度从末端270散布光。类似地，可以通过任何已知的方法来制造本发明的内窥镜中的圆柱体218的末端，以具有更多的其它设计，这些设计适于以所需的强度分布引导从该末端投射的光，以适合于该成像系统的视角。

如图6所示，内窥镜202(图4和5所示)具有L形连接的光导元件280，其位于管的内套管142上，靠近管的近端，紧随光导圆柱体218之后，并延伸到连接器250中。元件280在靠近其第一端部280a的区域中为环形，而在邻近其第二端部(未示出)的区域中为实心的，元件280用于在其第二端部传导来自光源的光导装置的光，并将其引导到在第一端部280a处邻接的光导圆柱体218。元件280具有特殊的设计，该设计使其第一端部280a处的横截面积与圆柱体218的匹配，以使光传输效率最大，而在靠近第二端部的连接器250中其横截面积逐渐减小，以匹配光源的光导装置的横截面积。这样，元件280用于使光能够从光源传导到圆柱体218，同时使它们之间的光的损耗最小。

图7表示内窥镜302，该内窥镜302在管304、光导圆柱体218以及光导元件280的设计方面与图4到6的内窥镜202相似，其不同仅在于内窥镜302被设计为在每次使用之后，将其整体丢弃，也就是说，其外壳311以及其中容纳的望远镜系统(图1中所述)也是一次性的。可以将管304集成或可拆卸地连接到外壳311上。

应该理解，上述内窥镜仅是根据本发明的光学设备的示例，并且本发明的范围完全涵盖对于本领域的技术人员来说很明显的其它实施例和应用。因此，该光学设备可以用于使得能够观察不易到达或直接进行检查的任何区域。因为该设备在希望检查患者的内腔区域的边界的多种医学领域尤其有用，所以该光学设备不仅可以用作为内窥镜，而且可以用作为任何相似仪器的一部分，例如经过必要改进的耳镜、腹腔镜、关节内窥镜、气管镜、喉镜、膀胱镜或其它这种内窥镜医学检查装置。此外，尽管本说明集中在作为内窥镜等的本发明的光学设备的实施例上，但是应该注意，该设备并不限于医用，而是可以用于可应用上述检查(例如，在机械应用中以经过必要改进的管道镜的形式)的多种领域中的任何一个，上述检查是可应用的。事实上，图2到7所示的内窥镜也可以用作为管道镜。

此外，上述光学设备可以具有其它组件，例如，如本领域中所公知的各种偏光元件(例如，棱镜)，可以将其与成像系统的所有其它组件一起设置在远端，以使得能够观察远离光轴的对象。为此，可以如上所述从球透镜切除多个部分，以使其具有前截头圆锥体(frusto-conical)形状，以腾出空间用来容纳这些元件。

此外，该内窥镜可以包括前窗口加热机制，用于防止在窗口表面上凝结水蒸气。可以将该内窥镜的连接到光源的连接器150和250设置在其它位置，例如设置在与管的远端相对的外壳的远端，以在医学检查等中作为阻抗(hindrance)。

Claims (19)

1、一种光学设备，用于在工作距离范围内观察对象，所述设备具有光轴，并包括：特定长度的细长管，该细长管具有远端和近端；位于所述远端并具有宽视角的成像系统；以及与所述近端相连并具有窄视角的望远镜系统，所述成像系统被设计为在位于所述光轴上并且在所述管内与所述近端相比更靠近所述远端的图像平面上成像，所述望远镜系统被设计为能够观察所述对象的所述图像。

2、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述望远镜系统与所述图像平面间隔开，间隔距离为所述长度的大部分。

3、根据权利要求2所述的光学设备，其中所述窄视角由所述图像平面位置处的所述管的宽度以及所述图像平面和所述望远镜系统之间的距离限定。

4、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述成像系统的所述视角很宽，结果使得其焦距很短，以致于所述图像平面的所述位置在整个工作距离范围内位于所述望远镜系统的景深之内。

5、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述成像系统包括：具有所述宽视角的至少一个成像元件；以及至少一个校正光学元件，用于减小由所述成像元件导致的所述图像中的失真。

6、根据权利要求5所述的光学设备，其中所述成像元件包括球透镜。

7、根据权利要求5所述的光学设备，其中所述校正光学元件是平凸透镜。

8、根据权利要求6所述的光学设备，其中所述球透镜的直径为d，并且在所述管的长度超过大约10-100倍所述直径d的情况下，所述成像系统在所述管中延伸大约2-3倍所述直径d的单个连续长度。

9、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述设备被设计为完全一次性。

10、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述成像系统或所述望远镜系统中的至少一个光学组件由塑料制成。

11、根据权利要求1所述的光学设备，包括：可重新使用部分，其包括所述望远镜系统；以及所述管的形式的一次性部分，可拆卸地安装在所述可重新使用部分上。

12、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述设备是内窥镜。

13、根据权利要求1所述的光学设备，其中所述设备是管道镜。

14、根据权利要求1所述的光学设备，还包括照明光导，其被设计为与所述细长管共轴并接触地邻接。

15、根据权利要求14所述的光学设备，其中所述光导由光导纤维束构成。

16、根据权利要求14所述的光学设备，其中所述光导是环形圆柱体。

17、根据权利要求16所述的光学设备，其中所述环形圆柱体具有经处理的末端，以具有下述设计，该设计用于以适合于所述成像系统视角的所需强度分布引导从所述环形圆柱体投射的光。

18、根据权利要求16所述的光学设备，还包括光导元件，用于将光从光源传导到所述圆柱体，该元件被设计为在一端与所述圆柱体相匹配，而在另一端与所述光源相匹配，以减少光损耗。

19、一种细长管，用于与权利要求1中限定的所述光学设备一起使用。

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