RU2047882C1

RU2047882C1 - Optical system of endoscope

Info

Publication number: RU2047882C1
Application number: RU93031388A
Authority: RU
Inventors: А.В. Буцевицкий; Л.Е. Сорин; С.В. Белов
Original assignee: Малое внедренческое предприятие "Алькор"
Priority date: 1993-07-05
Filing date: 1993-07-05
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: optical instrument engineering. SUBSTANCE: optical system of endoscope has head objective 1, and erecting systems 2-4. Each erecting system has two identical biconvex rod lenses 6 and 7, between which the correction member is disposed. The system also has eye-piece 5. Correction member is made of two identical glued components 8 and 9, which have biconvex and biconcave lenses 10, 11 and 12, 13 correspondingly. The lenses are disposed symmetrically to aperture diaphragm 14. Lens erecting system is introduced in front of eye-piece by means of mirrors 15 and 21. The last erecting system is formed by two identical glued lens components 16 and 17, which components have negative meniscus 18, which is turned with its concavity to aperture diaphragm. The components also have biconcave lens 19. Meniscus 18 and lens 19 are disposed symmetrically to aperture diaphragm 20. EFFECT: improved efficiency of operation. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к отпическому приборостроению, а именно, к оптическим системам эндоскопа и может быть использовано в медицине для исследования внутренних поверхностей труднодоступных объектов. The invention relates to optical instrumentation, and in particular, to optical systems of an endoscope and can be used in medicine to study the internal surfaces of hard-to-reach objects.

Широко известны оптические системы эндоскопов, описанные в диссертации на соискание ученой степени к.т.н. Молева А.И. на тему "Исследование и расчет оптических систем эндоскопов со стержневидными компонентами", М. 1975, которые содержат стержневидные компоненты (рис. 1-11). The optical systems of endoscopes that are described in the dissertation for the degree of candidate of technical sciences are widely known. Moleva A.I. on the topic "Research and calculation of optical systems of endoscopes with rod-shaped components", M. 1975, which contain rod-shaped components (Fig. 1-11).

Конструкция таких эндоскопов позволяет уменьшить кривизну изображения в каждом из стержневидных объективов оборачивающей систему путем снабжения их со стороны соответствующего промежуточного изображения наружной отрицательной линзой, выполненной из стекла с низким показателем преломления. The design of such endoscopes makes it possible to reduce the curvature of the image in each of the rod-shaped lenses of the wrapping system by supplying them from the side of the corresponding intermediate image with an external negative lens made of glass with a low refractive index.

Известна оптическая система эндоскопа (а.с. СССР N 1654766, кл. G 02 B 23/00, 1991), содержащая объектив, систему передачи изображения из последовательно расположенных оборачивающих систем и окуляр, причем каждая оборачивающая система содержит два положительных, двояковыпуклых стержневидных стеклянных компонентов, в одном из которых поверхность склейки, ближайшая к другому компоненту, выполнена с отрицательной оптической силой. В систему передачи изображения введена по меньшей мере еще одна дополнительная оборачивающая система из двух одинаковых положительных двояковыпуклых стержневидных склеенных компонентов с плоскими поверхностями склеек. Остальные оборачивающие системы установлены симметрично относительно дополнительной оборачивающей системы, причем во втором компоненте каждой из остальных оборачивающих систем все поверхности склеек выполнены плоскими. A known optical system of an endoscope (USSR AS N 1654766, class G 02 B 23/00, 1991), comprising a lens, an image transmission system from sequentially located wrapping systems and an eyepiece, each wrapping system containing two positive, biconvex rod-shaped glass components, in one of which the gluing surface closest to the other component is made with negative optical power. At least one additional additional wrapping system of two identical positive biconvex rod-shaped glued components with flat gluing surfaces has been introduced into the image transmission system. The remaining wrapping systems are installed symmetrically with respect to the additional wrapping system, and in the second component of each of the remaining wrapping systems, all surfaces of the glues are made flat.

В системе передачи изображения все компоненты с плоскими поверхностями склеек выполнены одинаковыми, в каждой из остальных оборачивающих систем поверхность склейки с отрицательной оптической силой образована двояковыпуклой и вогнутоплоской линзами. In the image transmission system, all components with flat gluing surfaces are made identical; in each of the other wrapping systems, the gluing surface with negative optical power is formed by biconvex and concave flat lenses.

Но данная оптическая система не обеспечивает требуемого качества изображения, имеет малое линейное поле. But this optical system does not provide the required image quality, has a small linear field.

Известна также оптическая система цистоскопа (а.с. СССР N 591790, кл. G 02 B 23/00, 1976), содержащая объектив, оборачивающие системы, включающие две двояковыпуклые стержневые линзы, коллективы и окуляр. Она снабжена установленным в одной из оборачивающих систем коррекционным элементом, выполненным в виде трехсклеенной афокальной линзы, состоящей из двух двояковыпуклых линз и размещенной между ними двояковогнутой линзы. Эта оптическая система выбрана в качестве прототипа. Also known is the optical system of the cystoscope (AS USSR N 591790, class G 02 B 23/00, 1976) containing a lens, wrapping systems including two biconvex rod lenses, teams and an eyepiece. It is equipped with a correction element installed in one of the wrapping systems, made in the form of a three-glued afocal lens, consisting of two biconvex lenses and a biconcave lens placed between them. This optical system is selected as a prototype.

Однако такая оптическая система не обеспечивает требуемого качества изображения, имеет малое линейное поле. However, such an optical system does not provide the required image quality, has a small linear field.

В основу изобретения положена задача создания конструкции оптической системы эндоскопов, которая позволила бы получить высокотехнологичную систему с высоким качеством изображения. The basis of the invention is the task of creating the design of the optical system of endoscopes, which would allow to obtain a high-tech system with high image quality.

Поставленная задача решается тем, что в оптической системе эндоскопа, содержащей последовательно расположенные по ходу излучения и оптически сопряженные между собой объектив, N оборачивающих систем, каждая из которых включает в себя две идентичные стержневидные двояковыпуклые линзы, и окуляр, причем в одной из оборачивающих систем между двумя идентичными стержневидными двояковыпуклыми линзами установлен коррекционный элемент, введены N-1 идентичных коррекционных элементов, каждый из которых установлен в соответствующей оборачивающей системе между двумя идентичными стержневидными двояковыпуклыми линзами и каждый из N коррекционных элементов выполнен в виде двух идентичных склеенных компонентов, состоящих из двуяковыпуклой и двояковогнутой линз, обращенных друг к другу. The problem is solved in that in the optical system of the endoscope, containing successively located along the radiation path and optically conjugated objective, N wrapping systems, each of which includes two identical rod-shaped biconvex lenses, and an eyepiece, and in one of the wrapping systems between two identical rod-shaped biconvex lenses installed correction element, introduced N-1 identical correction elements, each of which is installed in the corresponding reversing system between the two identical rod-lenticular lenses N and each of the adjustable elements is configured as a cemented two identical components consisting of dvuyakovypukloy and biconcave lenses facing each other.

Указанный технический результат достигается тем, что между двояковогнутыми линзами коррекционного элемента может быть установлена апертурная диафрагма, перед окуляром вводится дополнительная линзовая оборачивающая система из двух склеенных компонентов, каждый из которых состоит из отрицательного мениска и двояковыпуклой линзы, а между склеенными компонентами установлена апертурная диафрагма, причем склеенные компоненты установлены симметрично относительно апертурной диаграммы. The indicated technical result is achieved in that an aperture diaphragm can be installed between the biconcave lenses of the correction element, an additional lens wrapping system of two glued components is introduced in front of the eyepiece, each of which consists of a negative meniscus and a biconvex lens, and an aperture diaphragm is installed between the glued components glued components are installed symmetrically with respect to the aperture diagram.

Коррекционный элемент выполнен из двух идентичных компонентов, состоящих из двояковыпуклой и двояковогнутой линз, представляет собой симметричную систему, поэтому не вносит комы, дисторсии и хроматизма увеличения. Так как линзы имеют равные радиусы кривизны, следовательно, повышается технологичность. The correction element is made of two identical components, consisting of a biconvex and biconcave lenses, is a symmetrical system, therefore, does not introduce coma, distortion and increase chromatism. Since the lenses have equal radii of curvature, therefore, manufacturability is increased.

Данная конструкция оборачивающей системы дает практически безаберрационное изображение, поэтому при необходимости для удлинения системы можно применять несколько оборачивающих систем, при этом качество изображения практически не изменится. This design of the wrapping system gives a practically non-aberrational image, therefore, if necessary, several wrapping systems can be used to lengthen the system, while the image quality remains practically unchanged.

Каждая оборачивающая система имеет телескопический ход главных лучей в пространстве предметов и изображений. Each wrapping system has a telescopic course of the main rays in the space of objects and images.

Линзовая оборачивающая система, введенная перед окуляром дает возможность проводить наблюдение за проведением хирургических вмешательств дополнительно через эндоскоп. The lens wrapping system, introduced in front of the eyepiece, makes it possible to monitor the conduct of surgical interventions additionally through an endoscope.

Использование линз оборачивающей системы простой конструкции заменяет использование одновременно трех стержневых оборачивающих систем, что позволяет уменьшить потери света на поглощение, уменьшается стоимость всего прибора. The use of lenses of a wrapping system of a simple design replaces the use of three rod wrapping systems at the same time, which reduces the absorption of light and reduces the cost of the entire device.

Изобретение поясняется конкретным, но не ограничивающим настоящее изобретение, вариантом выполнения. The invention is illustrated by a specific, but not limiting, invention.

На фиг. 1 изображена оптическая схема эндоскопа; на фиг.2 графическое изображение аберраций оптической системы эндоскопа; на фиг.3 графическое изображение аберраций оптической системы эндоскопа с дополнительной оборачивающей системой. In FIG. 1 shows an optical diagram of an endoscope; figure 2 is a graphical representation of the aberrations of the optical system of the endoscope; figure 3 is a graphical representation of the aberrations of the optical system of an endoscope with an additional wrapping system.

Изображенная на фиг.1 оптическая система эндоскопа содержит последовательно установленные по ходу излучения объектив 1, три одинаковые оборачивающие системы 2, 3 и 4 и окуляр 5. The optical system of the endoscope shown in FIG. 1 contains a lens 1 sequentially installed along the radiation path, three identical wrapping systems 2, 3 and 4 and an eyepiece 5.

Каждая из оборачивающих систем содержит по две одинаковые двояковыпуклые стержневидные линзы 6 и 7, между которыми располагается коррекционный блок, состоящий из двух идентичных склеенных компонентов 8 и 9. Каждый склеенный компонент состоит из двояковыпуклой линзы 10, 11 и двояковогнутой линзы 12 и 13. Между линзами 12 и 13 распложена апертурная диафрагма 14. Оптическая система может быть дополнена линзовой оборачивающей системой для организации второго канала для наблюдения. Эта оборачивающая система вводится в оптическую систему эндоскопа с помощью плоского зеркала 15, установленного под углом 45^о к оптической оси системы для разворота ее на угол 90^о от первоначального положения. За зеркалом 15 установлены склеенные компоненты 16, 17, каждый из которых состоит из отрицательного мениска 1 8 и двояковыпуклой линзы 19, обращенных друг к другу. Посередине между линзами 19 установлена апертурная диафрагма 20. Перед вторым компонентом 17 установлено второе плоское зеркало 21 для разворота оптической оси системы на 90^о. За компонентом 7 установлен окуляр 5. Плоские зеркала 15 и 21 позволяют сократить общую длину трубки эндоскопа.Each of the wrapping systems contains two identical biconvex rod-shaped lenses 6 and 7, between which there is a correction block consisting of two identical glued components 8 and 9. Each glued component consists of a biconvex lens 10, 11 and a biconcave lens 12 and 13. Between the lenses 12 and 13 have an aperture diaphragm 14. The optical system can be supplemented with a lens wraparound system for organizing a second observation channel. This turning system is introduced into the optical system of the endoscope via a plane mirror 15 mounted at an angle of ^{45 °} to the optical axis of the system to rotate through an angle of ^about 90 from the initial position. Behind the mirror 15, glued components 16, 17 are installed, each of which consists of a negative meniscus 1 8 and a biconvex lens 19, facing each other. An aperture diaphragm 20 is installed in the middle between the lenses 19. A second flat mirror 21 is installed in front of the second component 17 to rotate the optical axis of the system 90 ^° . An eyepiece 5 is installed behind component 7. Flat mirrors 15 and 21 reduce the total length of the tube of the endoscope.

Оптическая система эндоскопа работает следующим образом. The optical system of the endoscope works as follows.

Построенное объективом 1 изображение переносится оборачивающими системами 2, 3 и 4, 16, 17 в переднюю фокальную плоскость окуляра 5. Все промежуточные изображения строятся в плоскостях апертурных диафрагм. В качестве конкретного примера нами была рассчитана оптическая система эндоскопа со следующими оптическими характеристиками: увеличение крат 2,0 фокусное рас- стояние, мм 1223,86
передний рабочий отрезок, мм 225,0
величина рабочего поля, град 80,0
величина рабочего поля, мм 43,4
вынос выходного зрачка, мм 12,0
диаметр выходного зрачка, мм 1
На фиг.2 изображены графики аберраций для системы эндоскопа без линзовых оборачивающих компонентов 16, 17, из которых следует, что рассчитанный эндоскоп обладает следующим качеством изображения.The image constructed by the lens 1 is transferred by the wrapping systems 2, 3 and 4, 16, 17 to the front focal plane of the eyepiece 5. All intermediate images are built in the planes of the aperture diaphragms. As a specific example, we calculated the optical system of the endoscope with the following optical characteristics: magnification 2.0 times the focal length, mm 1223.86
front working segment, mm 225.0
magnitude of the working field, deg 80.0
magnitude of the working field, mm 43.4
exit pupil, mm 12.0
exit pupil diameter, mm 1
Figure 2 shows the graphs of aberrations for the endoscope system without lens wrapping components 16, 17, from which it follows that the calculated endoscope has the following image quality.

Поперечная сферическая аберрация для точки на оси для основной длины волны не превышает 6", а во всем спектральном диапазоне 3'40". Коэффициент неизопланазии равен: на краю зрачка 0,033% на зоне 0,017%
Волновые аберрации в длинах волн для точки на оси равны: h_зр W_e W_F ^' W_e ^' 1,0 0,013 0,50 0,376 0,866 0,010 0,383 0,223 0,707 0,006 0,254 0,104 0,5 0,002 0,126 0,090 0 0 0 0
Дисторсия по полю равна: край 6,3% зона 4%
Кривизна изображения и астигматизм равны:
J -21,7 мм L_t ^' -0,91 h_s ^' -0,098 L_s ^' L_t ^' 0,81
J -15,34 L_t ^' -0,12 h_s ^' -0,32 L_s ^' L_t ^'0,44
Поперечная сферическая аберрация в широком наклонном пучке лучей в меридиональном сечении не превышает 5^', в сагиттальном сечении 40^" для основной длины волны.Transverse spherical aberration for a point on the axis for the main wavelength does not exceed 6 ", and in the entire spectral range 3'40". The coefficient of non-isoplanasia is equal to: on the edge of the pupil 0,033% in the area of 0,017%
The wave aberrations in the wavelengths for a point on the axis are: h _sp W _e W _F ^' W _e ^' 1.0 0.013 0.50 0.376 0.866 0.010 0.383 0.223 0.707 0.006 0.254 0.104 0.5 0.002 0.126 0.090 0 0 0 0
Field distortion equals: edge 6.3% zone 4%
Image curvature and astigmatism are equal:
J -21.7 mm L _t ^' -0.91 h _s ^' -0.098 L _s ^' L _t ^' 0.81
J -15.34 L _t ^' -0.12 h _s ^' -0.32 L _s ^' L _t ^' 0.44
The transverse spherical aberration in a wide inclined beam of rays in the meridional section does not exceed 5 ^' , in the sagittal section 40 ^" for the main wavelength.

Эндоскоп имеет дифракционное качество изображения. The endoscope has a diffractive image quality.

Предельная разрушающая способность на предмете равна 14,75 лин/мм. The ultimate destructive ability on the subject is equal to 14.75 lines / mm.

Эндоскоп в визуальном канале с линзовой оборачивающей системой, графики аберрацией которого изображены на фиг.3, обладает, как видно из графиков, следующим качеством изображения. The endoscope in the visual channel with a lens wrapping system, the graphs of the aberration of which are shown in figure 3, has, as can be seen from the graphs, the following image quality.

Поперечная сферическая аберрация для точки на оси для основной длины волны не превышает 39^", а во всем спектральном диапазоне 5^'16^". Коэффициент неизопланазии равен: на краю зрачка 0,033% на зоне 0,017%
Волновые аберрации для точки на оси равны: h_зр W_e W_F ^' W_e ^' 1,0 0,041 0,62 0,468 0,866 0,022 0,45 0,363 0,707 0,010 0,28 0,240 0,5 0,002 0,14 0,119 0 0 0 0
Дисторсия по полю равна: край 6,3% зона 4%
Кривизна изображения и астигматизм равны:
J -21,7 мм Z_t ^' -0,99 Z_s ^' 0,16 Z_s ^' Z_t ^I 1,15
J -15,34 мм Z_t ^' -0,16 Z_s ^' 0,46 Z_s ^' Z _tI0,62
Поперечная сферическая аберрация в широком наклонном пучке лучей в меридиональном сечении непревышает 5^', а в сагиттальном сечении 39^".Transverse spherical aberration for a point on the axis for the main wavelength does not exceed 39 ^" , and in the entire spectral range 5 ^'16 ^" . The coefficient of non-isoplanasia is equal to: on the edge of the pupil 0,033% in the area of 0,017%
The wave aberrations for a point on the axis are: h _sp W _e W _F ^' W _e ^' 1.0 0.041 0.62 0.468 0.866 0.022 0.45 0.363 0.707 0.010 0.28 0.240 0.5 0.002 0.14 0.119 0 0 0 0
Field distortion equals: edge 6.3% zone 4%
Image curvature and astigmatism are equal:
J -21.7 mm Z _t ^' -0.99 Z _s ^' 0.16 Z _s ^' Z _t ^I 1.15
J -15.34 mm Z _t ^' -0.16 Z _s ^' 0.46 Z _s ^' Z _t I0.62
Cross spherical aberration in a wide inclined beam of rays in the meridional section does not exceed 5 ^' , and in the sagittal section 39 ^" .

Таким образом, из вышеизложенного следует, что предложенная оптическая система эндоскопа имеет улучшенное качество изображения, увеличенное угловое поле, повышенную технологичность. Thus, from the foregoing, it follows that the proposed optical system of the endoscope has improved image quality, increased angular field, increased manufacturability.

Claims

1. OPTICAL SYSTEM OF THE ENDOSCOPE, containing sequentially located along the radiation path and optically paired lens, N wrapping systems, each of which includes two identical rod-shaped biconvex lenses, and a eyepiece, moreover, in one of the wrapping systems between two identical rod-shaped biconvex lenses a correction element is installed, characterized in that N-1 identical correction elements are introduced into it, each of which is installed in the corresponding reversing system rod-row two identical biconvex lenses, and each of the N correction element is formed as a cemented two identical components, consisting of a biconcave lens, facing each other.

2. The system according to claim 1, characterized in that an aperture diaphragm is located between the biconcave lenses of the correction element.

3. The system according to claim 1, characterized in that an additional lens wrapping system is installed in front of the eyepiece, made of two glued components, each of which consists of a negative meniscus and a biconvex lens, and an aperture diaphragm is installed between the glued components, and the glued components are installed symmetrically relative to the aperture diaphragm.