CN202843575U - 一种三维腹腔镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的三维腹腔镜光学系统包括两个结构完全相同、且光路互相平行的镜筒，每个镜筒中的前部安装有成像部件，在成像部件的后方安装有一个或多个光轴重合的传像部件。本实用新型采用两路光轴完全平行的光路结构，将体内图像分别成像于两个相同尺寸的图像传感器上，无需光轴转折，即无需目镜部件及棱镜或反射镜元件，结构紧凑，体积小巧便携，装配工艺简单，能够达到80°的大视场，小于3%的畸变，使医生在手术中能获得清晰、立体感强的真实视觉影像。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种三维腹腔镜光学系统。
背景技术
腔镜外科是今后医学发展的一大主流，与传统开腹手术相比，具有手术创伤轻，病人痛苦小，术后恢复快等诸多优点；腔镜设备是腔镜外科的关键设备，辅助医生开展微创外科手术。腔镜设备是医生视觉的延伸，无需开腹即可观察体内脏器，进行疾病诊疗及手术。但普通腔镜在手术中医生无法像开腹手术一样获得清晰、立体感强的真实视觉影像，导致一些腔镜手术操作困难，术中容易损伤重要脏器结构，严重并发症的发生率明显增高等情况，因此有必要进行三维腹腔镜设备技术探索，扩大腹腔镜手术的应用范围。
现有三维腹腔镜光学系统不仅包括成像部件与传像部件，而且包括目镜部件，在目镜部件后面，再加上耦合光学部件，将体内图像成像于图像传感器（CCD或CMOS）的光敏面，光路结构复杂，目镜部件为了匹配人体的双目瞳距，必须通过棱镜或反射镜，使光轴转折90度，增加分离度后，再次转折90度。这种结构不仅增大了光学系统尺寸，且造成光学设计困难，装配难度增大，工艺性差。
例如美国专利No.5,776,049，该专利中介绍的三维腹腔镜的光学系统就是通过棱镜的全反射使光轴进行了二次转折，拓宽了双目系统的基线距，增大了光学系统的尺寸，并给装配带来了一定的难度。另一美国专利No. 6,720,988，该专利中也对光轴进行了转折，同样的增大了光学系统的尺寸，给装配带来了一定的难度。同时该专利的成像部件中左右两边的前端透镜的光轴并不是平行的，而是相交在一点，只有在相交点处的平面内，成像才是最清楚的，离该平面越远就越模糊。这使得在操作该三维腹腔镜时，需要对距离精确的把握。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种结构紧凑，装配工艺简单，且图像清晰度高，视场大，畸变小的三维腹腔镜光学系统。
本实用新型的三维腹腔镜光学系统包括圆筒，在圆筒的前端面设有保护片，圆筒内固定有两个结构完全相同、且光路互相平行的镜筒，每个镜筒中的前部安装有成像部件，在成像部件的后方安装有一个或多个光轴重合的传像部件，在成像部件与传像部件之间设有第四隔圈，相邻两个传像部件之间设有第七隔圈，所述的成像部件从物方到像方依次装置第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一隔圈、第一胶合透镜、第二胶合透镜、第二隔圈、第三胶合透镜、第三隔圈和第四胶合透镜；其中，第一透镜为负透镜，其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第二透镜为负透镜，其面向物方为平面，面向像方为凹面，第三透镜为正透镜，其面向物方为平面，面向像方为凸面，第一胶合透镜由第一和第二子透镜胶合组成，第一子透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面，第二子透镜面向物方为凹面，面向像方为凹面。第一子透镜面向像方的面与第二子透镜面向物方的面为胶合面，第二胶合透镜由第三和第四子透镜胶合组成，第三子透镜面向物方为凹面，面向像方为凹面，第四子透镜面向物方为凸面，面向像方是凸面，第三子透镜面向像方的面与第四子透镜面向物方的面为胶合面，第三胶合透镜由第五和第六子透镜胶合组成，第五子透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面，第六子透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面，第五子透镜面向像方的面与第六子透镜面向物方的面为胶合面，第四胶合透镜由第七和第八子透镜胶合组成，第七子透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面，第八子透镜面向物方为凹面，面向像方为凹面，第七子透镜面向像方的面与第八子透镜面向物方的面为胶合面，位于第三透镜和第一胶合透镜之间的第一隔圈同时起孔径光栏的作用；每个传像部件是一个成像放大率为1:1的对称结构，从物方到像方依次装置第五胶合透镜、第五隔圈、第六胶合透镜、第六隔圈、第七胶合透镜、第七隔圈和第八胶合透镜；其中，第五胶合透镜由第九和第十子透镜胶合组成，第九子透镜面向物方为凸面，面向像方为凹面，第十子透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面，第九子透镜面向像方的面与第十子透镜面向物方的面为胶合面，第六胶合透镜由第十一和第十二子透镜胶合组成，第十一子透镜面向物方为凸面，面向像方为凸面，第十二子透镜面向物方为凹面，面向像方为凸面，第十一子透镜面向像方的面与第十二子透镜面向物方的面为胶合面；第七胶合透镜和第六胶合透镜结构完全相同，并与第六胶合透镜同光轴对称放置，第八胶合透镜和第六胶合透镜结构完全相同，并与第六胶合透镜同光轴对称放置。
镜筒中的传像部件的个数可根据实际使用需要而定，只需通过第七隔圈将相邻两个传像部件隔开并固定。
本实用新型的三维腹腔镜光学系统，采用两路光轴完全平行的光路结构，将体内图像分别成像于两个相同尺寸的图像传感器上，无需光轴转折，即无需目镜部件及棱镜或反射镜元件，结构紧凑，体积小巧便携，装配工艺简单。且光学设计容易，图像的清晰度高，光学性能优，能够达到80°的大视场，小于3%的畸变，很高的光学传递函数(MTF)。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构示意图。
图2是成像部件结构示意图。
图3是传像部件的结构示意图。
图4是本实用新型的光学传递函数。
图5是本实用新型的畸变。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本实用新型。
图1所示，本实用新型的三维腹腔镜光学系统包括圆筒22，在圆筒22的前端面设有保护片20，圆筒22内固定有两个结构完全相同、且光路30互相平行的镜筒21，每个镜筒21中的前部安装有成像部件31，在成像部件31的后方安装有一个或多个光轴重合的传像部件32，图例中，设置有5个传像部件32，在成像部件31与传像部件32之间设有第四隔圈11，相邻两个传像部件32之间设有第七隔圈19。
所述的成像部件31如图2所示，从物方到像方依次装置第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第一隔圈4、第一胶合透镜5、第二胶合透镜6、第二隔圈7、第三胶合透镜8、第三隔圈9和第四胶合透镜10；其中，第一透镜1为负透镜，其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第二透镜2为负透镜，其面向物方为平面，面向像方为凹面，第三透镜3为正透镜，其面向物方为平面，面向像方为凸面，第一胶合透镜5由第一和第二子透镜5.1、5.2胶合组成，第一子透镜5.1面向物方为凸面，面向像方为凸面，第二子透镜5.2面向物方为凹面，面向像方为凹面，第一子透镜5.1面向像方的面与第二子透镜5.2面向物方的面为胶合面，第二胶合透镜6由第三和第四子透镜6.1、6.2胶合组成，第三子透镜6.1面向物方为凹面，面向像方为凹面，第四子透镜6.2面向物方为凸面，面向像方是凸面，第三子透镜6.1面向像方的面与第四子透镜6.2面向物方的面为胶合面，第三胶合透镜8由第五和第六子透镜8.1、8.2胶合组成，第五子透镜8.1面向物方为凸面，面向像方为凸面，第六子透镜8.2面向物方为凹面，面向像方为凸面，第五子透镜8.1面向像方的面与第六子透镜8.2面向物方的面为胶合面，第四胶合透镜10由第七和第八子透镜10.1、10.2胶合组成，第七子透镜10.1面向物方为凸面，面向像方为凸面，第八子透镜10.2面向物方为凹面，面向像方为凹面，第七子透镜10.1面向像方的面与第八子透镜10.2面向物方的面为胶合面，位于第三透镜3和第一胶合透镜5之间的第一隔圈4同时起孔径光栏的作用。
每个传像部件32如图3所示，它是一个成像放大率为1:1的对称结构，从物方到像方依次装置第五胶合透镜12、第五隔圈13、第六胶合透镜14、第六隔圈15、第七胶合透镜16、第七隔圈17和第八胶合透镜18；其中，第五胶合透镜12由第九和第十子透镜12.1、12.2胶合组成，第九子透镜12.1面向物方为凸面，面向像方为凹面，第十子透镜12.2面向物方为凸面，面向像方为凸面，第九子透镜12.1面向像方的面与第十子透镜12.2面向物方的面为胶合面，第六胶合透镜14由第十一和第十二子透镜14.1、14.2胶合组成，第十一子透镜14.1面向物方为凸面，面向像方为凸面，第十二子透镜14.2面向物方为凹面，面向像方为凸面，第十一子透镜14.1面向像方的面与第十二子透镜14.2面向物方的面为胶合面；第七胶合透镜16和第六胶合透镜14结构完全相同，并与第六胶合透镜14同光轴对称放置，第八胶合透镜18和第六胶合透镜12结构完全相同，并与第六胶合透镜12同光轴对称放置。
在进行腹腔手术时，将本实用新型的腹腔镜前端伸入病患腹腔，然后在照明系统的配合下，左右两个成像部件对病患的病变组织进行成像，形成左右两个不同的图像，然后分别经过后端的传像部件，最终分别成像在左右两个相同尺寸的图像传感器（cmos或ccd）上，再由图像传感器输出到外部的图像工作站，经处理形成左右格式的实时的高清的视频，并通过三维显示器显示清晰的，立体感强烈的三维视频信息。
实施例
三维腹腔镜光学系统每个镜筒21内的成像部件31和一个传像部件32共有三个透镜1、2、3和八个胶合透镜5、6、8、10、12、14、16、18，总共有30个镜面，从物方到像方依次是：第一透镜1的凸面为第一镜面，第一透镜1的凹面为第二镜面；第二透镜2的平面为第三镜面，第二透镜2的凹面为第四镜面；第三透镜3的平面为第五镜面，第三透镜3的凸面为第六镜面；第一子透镜5.1面向物方的凸面为第七镜面，第一子透镜5.1和第二子透镜5.2的胶合面为第八镜面，第二子透镜5.2面向像方的凹面为第九镜面；第三子透镜6.1面向物方的凹面为第十镜面，第三子透镜6.1和第四子透镜6.2的胶合面为第十一镜面，第四子透镜6.2面向像方的凸面为第十二镜面；第五子透镜8.1面向物方的凸面为第十三镜面，第五子透镜8.1和第六子透镜8.2的胶合面为第十四镜面，第六子透镜8.2的凸面为第十五镜面；第七子透镜10.1面向物方的凸面为第十六镜面，第七子透镜10.1和第八子透镜10.2的胶合面为第十七镜面，第八子透镜10.2面向像方的凹面为第十八镜面；第九子透镜12.1面向物方的凸面为第十九镜面，第九子透镜12.1和第十子透镜12.2的胶合面为第二十镜面，第十子透镜12.2面向像方的凸面为是第二十一镜面；第十一子透镜14.1面向物方的凸面为第二十二镜面，第十一子透镜14.1和第十二子透镜14.2的胶合面为第二十三镜面，第十二子透镜14.2面向像方的凸面为第二十四镜面，第七胶合透镜16面向物方的凸面为第二十五镜面，胶合面为第二十六镜面，面向像方的凸面为第二十七镜面，第八胶合透镜18面向物方的凸面为第二十八镜面，胶合面为第二十九镜面，面向像方的凸面为第三十镜面，30个镜面的结构参数见表1：
表1
| 镜面号 | 曲率半径（mm） | 镜面距离（mm） | 镜面半径（mm） | 玻璃材料 |
| 1 | 10.0000 | 1.1000 | 2.1000 | ZF52A |
| 2 | 1.4200 | 0.4870 | 1.0630 | |
| 3 | Infinity | 0.6000 | 2.1000 | ZF52A |
| 4 | 2.5250 | 0.5200 | 1.0000 | |
| 5 | Infinity | 2.8000 | 2.1 | LAK52 |
| 6 | -2.6290 | 3.3723 | 1.5005 | |
| 7 | 2.1420 | 1.0600 | 0.7879 | ZF52A |
| 8 | -2.4290 | 0.6000 | 0.7209 | ZF4 |
| 9 | 1.5780 | 0.4160 | 0.6264 | |
| 10 | -1.1500 | 0.6000 | 0.6341 | ZF4 |
| 11 | 2.1420 | 1.8400 | 1.1071 | LAK52 |
| 12 | -2.7290 | 0.2010 | 1.5224 | |
| 13 | 12.4950 | 1.8000 | 1.6859 | LAK52 |
| 14 | -2.0300 | 0.6000 | 1.7281 | ZF52A |
| 15 | -7.1000 | 0.2000 | 1.8913 | |
| 16 | 3.8400 | 1.7200 | 1.9001 | BAF5 |
| 17 | -3.8400 | 2.600 | 1.7375 | ZLAF55 |
| 18 | 9.0800 | 1.0618 | 1.4105 | |
| 19 | 28.6400 | 9.4000 | 2.0500 | ZK11 |
| 20 | 7.3800 | 1.6000 | 2.0500 | ZF2 |
| 21 | -24.8800 | 1.0000 | 2.0500 | |
| 22 | 11.7540 | 11.6000 | 2.0500 | ZK6 |
| 23 | -4.6540 | 1.4500 | 2.0500 | ZF6 |
| 24 | -39.74 | 1.4000 | 2.0500 | |
| 25 | 39.74 | 1.4500 | 2.0500 | ZF6 |
| 26 | 4.6540 | 11.600 | 2.0500 | ZK6 |
| 27 | -11.7540 | 1.0000 | 2.0500 | |
| 28 | 24.8800 | 1.6000 | 2.0500 | ZF2 |
| 29 | -7.3800 | 9.4000 | 2.0500 | ZK11 |
| 30 | -28.6400 | 2.0500 |
图4和图5说明了本实用新型的光学成像性能。
图4计算了归一化坐标中视场角0°（中央视场），视场角29.27°（0.7视场），视场角40°（边缘视场）三个视场的光学传递函数值。由图4可见，本实用新型在传递函数为0.3时，视场角40°（边缘视场）的传递函数值能达到135lp/mm，视场角29.27°（0.7视场）的传递函数值能达到175lp/mm，视场角18°（0.4视场）的传递函数值能达到195lp/mm，视场角0°（中央视场）的传递函数值能够大于200lp/mm。表明本实用新型的三维腹腔镜光学系统的最大视场能够达到80°，并能够实现高分辨率高清晰度成像。图5是本实用新型的三维腹腔镜光学系统在530nm情况下畸变，表明在530nm波长下，该三维腹腔镜光学系统的畸变都能控制在3%以下。图4和图5表明本实用新型的三维腹腔镜光学系统具有视场大，畸变小，分辨率高的优点。
Claims (2)
1.一种三维腹腔镜光学系统，其特征在于包括圆筒（22），在圆筒（22）的前端面设有保护片（20），圆筒（22）内固定有两个结构完全相同、且光路（30）互相平行的镜筒（21），每个镜筒（21）中的前部安装有成像部件（31），在成像部件（31）的后方安装有一个或多个光轴重合的传像部件（32），在成像部件（31）与传像部件（32）之间设有第四隔圈（11），相邻两个传像部件（32）之间设有第七隔圈（19），所述的成像部件（31）从物方到像方依次装置第一透镜（1）、第二透镜（2）、第三透镜（3）、第一隔圈（4）、第一胶合透镜（5）、第二胶合透镜（6）、第二隔圈（7）、第三胶合透镜（8）、第三隔圈（9）和第四胶合透镜（10）；其中，第一透镜（1）为负透镜，其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第二透镜（2）为负透镜，其面向物方为平面，面向像方为凹面，第三透镜（3）为正透镜，其面向物方为平面，面向像方为凸面，第一胶合透镜（5）由第一和第二子透镜（5.1、5.2）胶合组成，第一子透镜（5.1）面向物方为凸面，面向像方为凸面，第二子透镜（5.2）面向物方为凹面，面向像方为凹面，第一子透镜（5.1）面向像方的面与第二子透镜（5.2）面向物方的面为胶合面，第二胶合透镜（6）由第三和第四子透镜（6.1、6.2）胶合组成，第三子透镜（6.1）面向物方为凹面，面向像方为凹面，第四子透镜（6.2）面向物方为凸面，面向像方是凸面，第三子透镜（6.1）面向像方的面与第四子透镜（6.2）面向物方的面为胶合面，第三胶合透镜（8）由第五和第六子透镜（8.1、8.2）胶合组成，第五子透镜（8.1）面向物方为凸面，面向像方为凸面，第六子透镜（8.2）面向物方为凹面，面向像方为凸面，第五子透镜（8.1）面向像方的面与第六子透镜（8.2）面向物方的面为胶合面，第四胶合透镜（10）由第七和第八子透镜（10.1、10.2）胶合组成，第七子透镜（10.1）面向物方为凸面，面向像方为凸面，第八子透镜（10.2）面向物方为凹面，面向像方为凹面，第七子透镜（10.1）面向像方的面与第八子透镜（10.2）面向物方的面为胶合面，位于第三透镜（3）和第一胶合透镜（5）之间的第一隔圈（4）同时起孔径光栏的作用；每个传像部件（32）是一个成像放大率为1:1的对称结构，从物方到像方依次装置第五胶合透镜（12）、第五隔圈（13）、第六胶合透镜（14）、第六隔圈（15）、第七胶合透镜（16）、第七隔圈（17）和第八胶合透镜（18）；其中，第五胶合透镜（12）由第九和第十子透镜（12.1、12.2）胶合组成，第九子透镜（12.1）面向物方为凸面，面向像方为凹面，第十子透镜（12.2）面向物方为凸面，面向像方为凸面，第九子透镜（12.1）面向像方的面与第十子透镜（12.2）面向物方的面为胶合面，第六胶合透镜（14）由第十一和第十二子透镜（14.1、14.2）胶合组成，第十一子透镜（14.1）面向物方为凸面，面向像方为凸面，第十二子透镜（14.2）面向物方为凹面，面向像方为凸面，第十一子透镜（14.1）面向像方的面与第十二子透镜（14.2）面向物方的面为胶合面；第七胶合透镜（16）和第六胶合透镜（14）结构完全相同，并与第六胶合透镜（14）同光轴对称放置，第八胶合透镜（18）和第六胶合透镜（12）结构完全相同，并与第六胶合透镜（12）同光轴对称放置。
2.根据权利要求1所述的三维腹腔镜光学系统，其特征在于：镜筒（21）内的成像部件（31）和一个传像部件（32）共有三个透镜（1、2、3）和八个胶合透镜（5、6、8、10、12、14、16、18），总共有30个镜面，从物方到像方依次是：第一透镜（1）的凸面为第一镜面，第一透镜（1）的凹面为第二镜面；第二透镜（2）的平面为第三镜面，第二透镜（2）的凹面为第四镜面；第三透镜（3）的平面为第五镜面，第三透镜（3）的凸面为第六镜面；第一子透镜（5.1）面向物方的凸面为第七镜面，第一子透镜（5.1）和第二子透镜（5.2）的胶合面为第八镜面，第二子透镜（5.2）面向像方的凹面为第九镜面；第三子透镜（6.1）面向物方的凹面为第十镜面，第三子透镜（6.1）和第四子透镜（6.2）的胶合面为第十一镜面，第四子透镜（6.2）面向像方的凸面为第十二镜面；第五子透镜（8.1）面向物方的凸面为第十三镜面，第五子透镜（8.1）和第六子透镜（8.2）的胶合面为第十四镜面，第六子透镜（8.2）的凸面为第十五镜面；第七子透镜（10.1）面向物方的凸面为第十六镜面，第七子透镜（10.1）和第八子透镜（10.2）的胶合面为第十七镜面，第八子透镜（10.2）面向像方的凹面为第十八镜面；第九子透镜（12.1）面向物方的凸面为第十九镜面，第九子透镜（12.1）和第十子透镜（12.2）的胶合面为第二十镜面，第十子透镜（12.2）面向像方的凸面为是第二十一镜面；第十一子透镜（14.1）面向物方的凸面为第二十二镜面，第十一子透镜（14.1）和第十二子透镜（14.2）的胶合面为第二十三镜面，第十二子透镜（14.2）面向像方的凸面为第二十四镜面，第七胶合透镜（16）面向物方的凸面为第二十五镜面，胶合面为第二十六镜面，面向像方的凸面为第二十七镜面，第八胶合透镜（18）面向物方的凸面为第二十八镜面，胶合面为第二十九镜面，面向像方的凸面为第三十镜面，30个镜面的结构参数见表1：
表1
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| CN 201220525490 CN202843575U (zh) | 2012-10-15 | 2012-10-15 | 一种三维腹腔镜光学系统 |
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| CN102920425A (zh) * | 2012-10-15 | 2013-02-13 | 浙江大学 | 三维腹腔镜光学系统 |
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- 2012-10-15 CN CN 201220525490 patent/CN202843575U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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| CN102920425A (zh) * | 2012-10-15 | 2013-02-13 | 浙江大学 | 三维腹腔镜光学系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20130403 Effective date of abandoning: 20140917 |
|
| RGAV | Abandon patent right to avoid regrant |