RU2622988C2 - Эндоскоп с изменяемой оптической силой на основе технологии жидкой линзы - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине. Эндоскоп содержит корпус, волоконный светопровод, периферическую линзовую систему, датчик расстояния, исполнительный элемент, контроллер. Волоконный светопровод расположен внутри корпуса эндоскопа и сконфигурирован для образования тракта распространения светового потока. Периферическая линзовая система расположена в корпусе эндоскопа по тракту распространения светового потока и содержит жесткую оптическую линзу и герметизированную линзу, заполненную жидкостью, которая включает поверхность жесткой оптической линзы и мембрану, выполненную из гибкого, прозрачного, водонепроницаемого материала. При этом гибкая мембрана растягивается непосредственно по поверхности жесткой оптической линзы. Жесткая оптическая линза может быть выполнена из стекла, пластмассы или любого другого подходящего материала. Датчик расстояния прикреплен к периферическому концу корпуса эндоскопа и сконфигурирован для определения расстояния между периферическим концом корпуса эндоскопа и объектом, расположенным перед периферическим концом. Исполнительный элемент является электромеханическим и подсоединен к герметизированной линзе, и сконфигурирован для получения сигнала. Причем сигнал содержит команду исполнительному элементу на изменение оптической силы герметизированной линзы. Контроллер подсоединен к исполнительному элементу и сконфигурирован для подачи команды исполнительному элементу на изменение оптической силы герметизированной линзы. Способ управления линзовой системой эндоскопа содержит получение сигнала от датчика расстояния; сравнение сигнала с оптической силой, определяемой герметизированными линзами и требуемым увеличением; и настройку оптических сил герметизированных линз и расстояния на основе этого сравнения. Применение данных изобретений позволит сохранить фокусировку при перемещении эндоскопа ближе или дальше от объекта. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Осуществления настоящего изобретения относится к линзам, заполненным жидкостью и, в частности, к изменяемым линзам, заполненным жидкостью.

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основные жидкие линзы были известны по крайней мере с 1958 г., как описано в патенте США №2,836,101, целиком введенном здесь ссылкой. Более поздние примеры могут быть найдены в статье Tang'a et al. "Dynamically Reconfigurable Fluid Core Fluid Cladding Lens in a Microfluidic Channel" ("Плакированные жидкие линзы с динамически реконфигурируемым жидким ядром в микроструйном канале"), Lab Chip, 2008 г., т.8, стр.395, и в Международной публикации патентных заявок № WO 2008/063442, каждый из которых целиком введен здесь ссылкой. Применения этих жидких линз были ориентированы на фотонику, технологию цифровых телефонов и камер, а также на микроэлектронику.

Жидкие линзы были предложены также для офтальмологических применений (см., например, Патент США №7,085,065, который целиком введен здесь ссылкой). Во всех случаях преимущества жидких линз, такие как широкий динамический диапазон, способность предоставлять адаптивную коррекцию, робастность и низкая стоимость, должны быть сбалансированы с ограничениями по размеру апертуры, возможностями утечки и согласованности в характеристиках. Эндоскопы являются оптическими инструментами, которые дают возможность пользователям рассматривать области, где не осуществимо типичное визуальное наблюдение с прямой видимостью, такие, как области внутри организма. Эндоскоп может быть жестким, более широко известный как бороскоп, или гибким, обычно называемый фиброэндоскопом. Эндоскопы обычно содержат несколько линз вдоль оптического тракта и предоставляют изображение объекта на одном конце эндоскопа пользователю, наблюдающему через другой конец эндоскопа. Использование традиционных линз внутри эндоскопов определяет конкретное рабочее расстояние, при котором рассматриваемый объект находится в фокусе. Отклонение от этого рабочего расстояния будет приводить к тому, что объект кажется размытым пользователю, рассматривающего его на противоположном конце. Таким образом, для того чтобы сохранялась четкая фокусировка объекта, эндоскоп должен оставаться неподвижным при определенном расстоянии от объекта. Изменение этого рабочего расстояния, или фокальной длины, может быть достигнуто переключением между линзами, имеющими различные оптические силы, внутри эндоскопа. Однако, как только эндоскоп будет использоваться, будет очень трудно изменять какую-либо из линз, находящихся внутри него. Более того, при использовании неподвижных линз с жесткими формами могут быть получены только дискретные рабочие расстояния и дискретные коэффициенты увеличения.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном примере осуществления, эндоскоп содержит корпус, один или более волоконных светопроводов, герметизированную линзу, заполненную жидкостью, исполнительный элемент, подсоединенный к герметизированной линзе, заполненной жидкостью, и контроллер. Внутри корпуса эндоскопа расположены один или более волоконных светопроводов, сконфигурированных для образования тракта распространения светового потока, который проходит через линзу, заполненную жидкостью. Исполнительный элемент сконфигурирован так, что он изменяет оптическую силу герметизированной линзы, заполненной жидкостью. Контролер сконфигурирован так, что подает сигнал на исполнительный элемент, при этом сигнал содержит команду для исполнительного элемента на изменение оптической силы герметизированной линзы, заполненной жидкостью.

Описывается способ в соответствии с одним примером осуществления эндоскопа. Способ содержит получение сигнала от датчика расстояния. Сигнал, принятый датчиком расстояния, определяется расстоянием между периферическим концом эндоскопа и объектом перед периферическим концом эндоскопа. Способ также содержит сравнение принятого сигнала с оптической силой одной или более герметизированных линз, заполненных жидкостью, и с требуемым увеличением, и настройку по меньшей мере одной оптической силы одной или более герметизированных линз, заполненных жидкостью, и расстояния на базе этого сравнения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР/ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые фигуры чертежей, которые введены здесь и образуют часть спецификации, иллюстрируют примеры осуществления настоящего изобретения и, совместно с описанием, служат также для объяснения принципов изобретения и дают возможность специалисту в соответствующей области техники реализовывать и использовать изобретение.

Фиг. 1 - иллюстрирует пример бороскопа, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг. 2 - иллюстрирует пример фиброэндоскопа, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг. 3А - Фиг. 3С - иллюстрируют примеры осуществления периферической линзовой системы, которая содержит линзу, заполненную жидкостью.

Фиг. 4 - иллюстрирует получение эндоскопом сцены объекта, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг. 5 - представляет таблицу, показывающую результаты смоделированного изображения, основываясь на жидких линзах изменяющейся кривизны.

Фиг. 6 - представляет результаты моделирования графика зависимости радиуса поверхности линзы от давления, приложенного к мембране, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг. 7А - Фиг. 7С - иллюстрируют расположения оптических компонентов эндоскопа относительно герметического окна и поверхности образца, в соответствии с одним примером осуществления.

Фиг. 8 - является блок-схемой способа управления линзовой системой эндоскопа, в соответствии с одним примером осуществления эндоскопа.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя здесь обсуждаются определенные конфигурации и компоновки, следует понимать, что это делается только в иллюстративных целях. Специалисты в соответствующей области техники поймут, что могут быть использованы и другие конфигурации и компоновки без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Специалистам в соответствующей области техники будет очевидно, что это изобретение может быть использовано также в различных других применениях.

Заметим, что ссылки в описании изобретения на "одно осуществление", "осуществление", "пример осуществления" и прочее указывают на то, что описанное осуществление может содержать определенную особенность, структуру или характеристику, но каждое осуществление может и не содержать с необходимостью определенную особенность, структуру или характеристику. Более того, такие фразы не относятся с необходимостью к одному и тому же осуществлению. Кроме того, когда описывается определенная особенность, структура или характеристика во взаимосвязи с одним примером осуществления, любому специалисту в этой области техники будет понятно влияние такой особенности, структуры или характеристики во взаимосвязи с другими примерами осуществления, явно или неявно описанными.

Жидкие линзы имеют важные преимущества перед традиционными, жесткими линзами. Во-первых, жидкие линзы могут легко настраиваться. Тем самым, в соответствии с одним примером осуществления, эндоскоп, требующий дополнительной коррекции положительной оптической силы для рассмотрения ближних объектов, может быть оснащен жидкой линзой базовой оптической силы, отвечающей определенному расстоянию. Пользователь эндоскопа может затем настраивать жидкую линзу для получения дополнительной коррекции положительной оптической силы, которая необходима для рассмотрения объектов на промежуточных и других расстояниях. В альтернативном варианте, оптическая сила может быть скорректирована автоматически, как часть контура управления с обратной связью, как будет более подробно описано позднее.

Во-вторых, жидкие линзы могут быть настроены непрерывно в желаемом диапазоне оптической силы. В качестве примера осуществления, фокальная длина, определяемая одной или более линзами, заполненными жидкостью, внутри эндоскопа, может быть настроена так, чтобы точно соответствовать расстоянию между периферическим концом эндоскопа и объектом перед периферическим концом эндоскопа, предоставляя пользователю возможность перемещать эндоскоп ближе или дальше от объекта, сохраняя при этом фокусировку.

На Фиг.1 иллюстрируется один пример осуществления бороскопа 100. Бороскопы имеют жесткую структуру вдоль всего тракта светового потока внутри бороскопа. Они обычно используются во многих промышленных применениях, например, при обследовании двигателей, обследовании опасных областей внутри химических или атомных предприятий и тому подобное. Бороскопы используются также во время хирургических операций для предоставления хирургу улучшенного изображения в теле пациента во время процедуры. В одном примере осуществления, бороскоп 100 содержит верхнюю секцию 101 и трубчатую секцию 103. Пользователь обычно держит бороскоп 100 за верхнюю секцию 101, в то время как трубчатая секция 103 содержит оптические элементы, которые обеспечивают фокусировку и распространение светового потока.

Верхняя секция 101 может содержать глазной щиток 102, окулярное окно 104, линзу окуляра 106 и источник света 108. Пользователь смотрит через окулярное окно 104 и воспринимает световой поток, получаемый от периферического конца 122 бороскопа 100. В одном примере осуществления, источник света 108 является широкополосным источником. В альтернативном варианте, источник света 108 может быть монохроматическим источником. Световой поток, распространяющийся от источника света 108, объединяется посредством фокусирующих элементов (не показаны) внутрь светопровода освещения 112, в соответствии с одним примером осуществления.

Трубчатая секция 103 может содержать корпус 110, светопровод освещения 112, несущую трубку оптики 114, линзу объектива 116 и периферическую линзовую систему 118, расположенную на периферическом конце 122 или вблизи от него. Корпус 110 может быть из любого жесткого материала, такого как нержавеющая сталь, а также содержит все оптические компоненты внутри трубчатой секции 103, в соответствии с одним примером осуществления.

Светопровод освещения 112 может быть мультимодовым, одномодовым или поляризационно-модовым светопроводом. В альтернативном варианте, вместо светопровода освещения 112 может использоваться волоконно-оптический кабель. Несущая трубка 114 содержит оптические элементы, создающие тракт, по которому возвращающийся световой поток доходит до линзы окуляра 106, в соответствии с одним примером осуществления. Эти оптические элементы могут содержать стеклянные штабики с отполированными поверхностями, а показатели преломления выбираются такими, чтобы минимизировать затухание света.

Линза объектива 116 используется для дальнейшей фокусировки светового потока, который был передан через периферическую линзовую систему 118, в соответствии с одним примером осуществления. Периферическая линзовая система 118 может содержать одну или более линз, заполненных жидкостью, которые обеспечивают возможность изменяемой настройки фокальной длины и увеличения, определяемых линзами. Этот фактор возможности настройки обеспечивает различные рабочие расстояния между периферическим концом 122 и используемым объектом (не показан), сохраняя при этом фокусировку на объекте при его отображении на окулярном окне 104. Дальнейшее описание, касающееся применения линз, заполненных жидкостью, внутри периферической линзовой системы 118, будет представлено позднее. Следует заметить, что бороскоп 100 может содержать любое число других линз, предназначенных для модулирования тракта светового потока.

В одном примере осуществления, бороскоп 100 может содержать датчик расстояния (не показан), подсоединенный около периферического конца 122. В одном примере осуществления, датчик расстояния прикреплен к корпусу 110. Датчик расстояния передает сигнал и измеряет отраженный сигнал для определения расстояния между периферическим концом 122 корпуса и объектом расположенным перед периферическим концом 122 корпуса. Датчик расстояния может определять расстояние, основываясь на сравнении амплитуды переданного сигнала с амплитудой отраженного сигнала. Величина затухания сигнала, когда он проходит через воздух или другое рабочее вещество, может быть связана с пройденным расстоянием в предположении, что известны конкретные коэффициенты для воздуха или жидкости, такие как коэффициенты, определяемые влажностью. В альтернативном варианте, датчик расстояния может действовать как интерферометр и определять расстояние, основываясь на интерференционном сигнале, образуемым комбинированием отраженного сигнала с эталонным сигналом. Сигналы, переданные и принятые датчиком расстояния, могут быть любыми сигналами, известными специалистам в этой области техники, которые используются для измерения расстояния, включая, но не ограничиваясь этим, инфракрасные волны, видимый свет, акустические волны и тому подобное.

На Фиг.2 иллюстрируется один пример осуществления фиброэндоскопа 200. Фиброэндоскопы содержат оптические элементы, подобные оптическим элементам бороскопов, но используют волоконно-оптический кабель для передачи всего светового потока по длине фиброэндоскопа, что обеспечивает значительно более высокую механическую гибкость. Фиброэндоскопы часто используются во время хирургических операций, особенно при перемещении через большие органы, например, через толстую кишку. Фиброэндоскоп 200 содержит линзу окуляра 204, волоконно-оптический кабель 206, линзу объектива 208 и периферическую линзовую систему 210. Каждый их этих элементов может быть расположен внутри корпуса 205, который может состоять из гибкого, но прочного материала для защиты оптических элементов внутри него, такого как полиэтилентерефталат (PET). В альтернативном варианте, корпус 205 может быть подсоединен к концу волоконно-оптического кабеля 206 и содержать в себе по меньшей мере линзу объектива 208 и периферическую линзовую систему 210.

Необходимо понимать, что периферическую линзовую систему 210 фиброэндоскопа 200 и периферическую линзовую систему 118 бороскопа 100 следует рассматривать как синонимы и как системы, способные работать одинаковым образом. Любое описание, относящееся к одной из них, может также быть использовано для описания другой.

В одном примере осуществления, световой поток 202 будет виден пользователю 201 через линзу окуляра 204. Световой поток 202 фокусируется на фокальной плоскости 212 посредством оптических компонентов в тракте светового потока 202 внутри фиброэндоскопа 200, в соответствии с одним примером осуществления. Если объект будет расположен на фокальной плоскости 212, то он будет представляться пользователю 201 в фокусе. В другом примере осуществления, световой поток 202 фиксируется камерой на ПЗС, расположенной перед линзой окуляра 204. Перемещение фокальной плоскости 212 ближе или дальше от периферического конца фиброэндоскопа 200 зависит от оптической силы, определяемой каждой из линз внутри тракта светового потока, а также от их расстояния друг от друга. В одном примере осуществления, периферическая линзовая система 210 содержит одну или более линз, заполненных жидкостью, которые обеспечивают изменяемую настройку фокальной длины и увеличения, определяемых этими линзами. Этот фактор возможности настройки обеспечивает различные рабочие расстояния между периферическим концом фиброэндоскопа 200 и объектом, сохраняя при этом фокусировку на объекте.

Периферическая линзовая система 210 может содержать одну или более герметизированных линз, заполненных жидкостью, и одну или более жестких оптических линз. В одном примере осуществления, каждая из жестких оптических линз привносит постоянную оптическую силу, в то время как герметизированные линзы, заполненные жидкостью, позволяют настраивать свою оптическую силу приложением изменяемого давления к гибкой мембране, которая изменяет кривизну линзы. Изменения в кривизне мембраны герметизированной линзы, заполненной жидкостью, изменяют увеличение герметизированной линзы, заполненной жидкостью.

Как линза окуляра 204, так и линза объектива 208 могут быть любой формы и могут быть связаны с одной или более других линз с целью модуляции тракта светового потока 202, в соответствии с одним примером осуществления. Волоконно-оптический кабель 206 может содержать любое число одномодовых, многомодовых или поляризационно-модовых светопроводов.

В одном примере осуществления, фиброэндоскоп 200 может также содержать датчик расстояния 214. Датчик расстояния 214 передает сигнал и измеряет отраженный сигнал для определения расстояния между периферической линзовой системой 210 и объектом перед периферической линзовой системой 210. В одном примере осуществления, датчик расстояния 214 прикреплен к внешней поверхности корпуса 205 на периферической линзовой системе 210 или около нее. В другом примере осуществления, датчик расстояния 214 прикреплен к внутренней поверхности корпуса 205 на периферической линзовой системе 210 или около нее. Датчик расстояния 214 может работать таким же самым образом, что и датчик расстояния, ранее описанный для бороскопа 100.

На Фиг. 3А - Фиг. 3С представлены виды сбоку примеров осуществления конфигурации линз внутри периферической линзовой системы 210. В каждом примере конфигурации периферической линзовой системы 210 имеется настраиваемая герметизированная линза, заполненная жидкостью, и жесткая оптическая линза. Кривизна линзы, заполненной жидкостью, изменяется и изменяет полную оптическую силу, создаваемую комбинацией линз, то есть, оптическую силу жесткой линзы (фиксированная) + оптическую силу линзы, заполненной жидкостью (переменная).

На Фиг. 3А иллюстрируется пример первой конфигурации 300, которая содержит линзу, заполненную жидкостью, 304, присоединенную к плосковогнутой линзе 302. Линза, заполненная жидкостью, 304 может быть мембраной, заполненной жидкостью, растянутой по жесткой структуре. В первой конфигурации 300 задняя сторона плосковогнутой линзы 302 образует жесткую структуру линзы, заполненной жидкостью, в соответствии с одним примером осуществления. Относительно низкая оптическая сила, создаваемая плосковогнутой линзой 302, обеспечивает большую фокальную длину, которая может быть уменьшена в зависимости от кривизны линзы, заполненной жидкостью, 304, в соответствии с одним примером осуществления.

Кривизна, определяемая линзой, заполненной жидкостью, 304 обуславливает то, что световой поток проходит через прогиб под углом, пропорциональным имеющейся кривизне. В одном примере осуществления, кривизна линзы, заполненной жидкостью, 304 может управляться электромеханическим исполнительным элементом (не показан), подсоединенным к резервуару с жидкостью (не показан). Этот электромеханический исполнительный элемент может создавать давление на резервуар с жидкостью, которое принудительно вводит жидкость в линзу, которая заполнена жидкостью, 304, тем самым уменьшая радиус кривизны определяемый линзой, заполненной жидкостью, 304. Электромеханический исполнительный элемент может также понижать давление на резервуар с жидкостью и увеличивать радиус кривизны, определяемый линзой, заполненной жидкостью, 304. Электромеханический исполнительный элемент может быть пьезоэлектрическим исполнительным элементом, как описано в патентной заявке США №13/270,910, которая целиком введена здесь ссылкой.

На Фиг.3B иллюстрируется пример второй конфигурации 306, которая содержит линзу, заполненную жидкостью, 304, присоединенную к плосковыпуклой линзе 308. Относительно высокая оптическая сила (по сравнению с плосковогнутой линзой 302), создаваемая плосковыпуклой линзой 308, обеспечивает короткую фокальную длину, которая может быть далее уменьшена в зависимости от кривизны линзы, заполненной жидкостью, 304.

На Фиг.3C иллюстрируется пример третьей конфигурации 310, которая содержит линзу, заполненную жидкостью, 304, присоединенную к искривленной стороне плосковогнутой линзы 312. В одном примере осуществления, линза, заполненная жидкостью, 304 в третьей конфигурации 310 может создавать или положительную, или отрицательную кривизну за счет искривленной формы жесткой структуры, над которой растянута мембрана. Это может обеспечивать более широкий диапазон возможной настройки оптической силы, определяемой комбинацией линз.

На Фиг.4 иллюстрируется пример осуществления эндоскопического изображения, получаемого от образца с использованием фиброэндоскопа. В одном примере осуществления, фиброэндоскоп содержит описанные ранее элементы, такие как волоконно-оптический кабель 206, линзу объектива 208 и периферическую линзовую систему 210. Фиброэндоскоп может также содержать дополнительную оптическую линзу 402. Световые лучи 401 иллюстрируют прохождение через оптические элементы и падение на фокальную плоскость 404, в соответствии с одним примером осуществления. Расстояние от фокальной плоскости 404 до периферического конца фиброэндоскопа описывается рабочим расстоянием 412. В соответствии с одним примером осуществления, периферическая линзовая система 210 расположена на периферическом конце фиброэндоскопа. Угол половины поля обзора 406 описывает наибольший угол, под которым световые лучи 401 выходят из периферической линзовой системы 210. Этот угол непосредственно связан с коэффициентом увеличения, создаваемого периферической линзовой системой 210. Более высокие коэффициенты увеличения приводят к более низкой величине угла половины поля обзора 406.

В одном примере осуществления, сцена объекта 410 представляет собой часть кишечной стенки, которая отображается на фокальной плоскости 404. В одном примере осуществления, в периферической линзовой системе 210 настраиваются одна или более линз, заполненных жидкостью, для настройки фокальной длины равной рабочему расстоянию 412 так, чтобы сцена объекта 410 находилась в фокусе. В другом примере осуществления, в периферической линзовой системе 210 настраиваются одна или более линз, заполненных жидкостью, для настройки коэффициента увеличения так, чтобы обеспечить желаемое увеличение сцены объекта 410.

В одном примере осуществления, эндоскопическое изображение 408 отображает то, что видел бы пользователь или камера на ПЗС, расположенная на ближайшем конце эндоскопа.

На Фиг.5 показана таблица, содержащая смоделированные изображения, полученные от эндоскопа, при изменении радиуса кривизны линзы, заполненной жидкостью, внутри эндоскопа, в соответствии с одним примером осуществления. Эта таблица предоставляет также значения коэффициента увеличения, угла половины поля обзора и рабочего расстояния (фокальной длины), полученные для каждого изменения в кривизне. В одном примере осуществления, радиус кривизны может указывать эффективный радиус кривизны, создаваемый многими линзовыми компонентами; например, линза, заполненная жидкостью, с радиусом кривизны -1.8 мм может также быть реализована комбинацией одной или более линз, заполненных жидкостью, и одной или более жестких линз для модуляции тракта светового потока таким же самым образом, как и единственная линза, заполненная жидкостью, с радиусом кривизны -1.8 мм.

Отрицательный радиус кривизны указывает на вогнутую кривизну, в то время как положительный радиус кривизны указывает на выпуклую кривизну. Кроме того, чем ближе будет число к нулю, тем более экстремальной будет кривизна. Для данных по таблице слева направо линза, заполненная жидкостью, изменяется от вогнутой формы с высокой кривизной до выпуклой формы с высокой кривизной.

Изменение кривизны линзы влияет на фокальную длину и соответственно изменяет рабочее расстояние. В смоделированном примере рабочие расстояния находятся в диапазоне от 7.5 мм до 1 мм для радиуса жидкой линзы с кривизной от -1.8 мм до 1.1 мм соответственно.

Моделирование показывает также возрастание коэффициента увеличения, определяемого системой линзы, заполненной жидкостью, когда линза, заполненная жидкостью, изменяется в сторону более выпуклой формы, в соответствии с одним примером осуществления. Возрастание увеличения происходит из-за изменения расстояния между мембраной линзы, заполненной жидкостью, и другими оптическими элементами, связанными с линзой, заполненной жидкостью, когда мембрана выпучивается наружу. Угол половины поля обзора уменьшается, когда увеличение возрастает, поскольку световой поток собирается от меньшей части объекта. В смоделированном примере угол половины поля обзора изменяется от 32 градусов до 15 градусов при изменении радиуса кривизны жидкой линзы от -1.8 мм до 1.1 мм соответственно.

На Фиг.5 представлены изображения части кишечной стенки для каждого радиуса кривизны линзы, заполненной жидкостью. По мере возрастания увеличения, смоделированные изображения позволяют более подробно исследовать кишечную стенку, сохраняя при этом достаточную контрастность для различения специфических особенностей.

На Фиг.6 представлен полученный по результатам моделирования график зависимости радиуса кривизны линзы, заполненной жидкостью, от давления на мембране. Моделирование проводится в предположении, что линза, заполненная жидкостью, имеет мембрану с радиусом 0.2 мм и толщиной 5 микрон. Свойства материала мембраны, включая модуль Юнга, коэффициент Пуассона и прочее, выбираются такими же, что свойства полиэтилентерефталата (PET).

Эти результаты показывают, что минимальный радиус кривизны в 2.5 мм в положительном или отрицательном направлении можно было бы достичь при приложенных давлениях свыше 200 мбар. В смоделированном примере радиус кривизны, изменяющийся от -2.5 мм до 2.5 мм, соответствует изменению увеличения от 2х до 5х.

Моделирование также может быть проведено с использованием различных значений толщины или радиуса линзы, заполненной жидкостью. Например, мембрана толщиной 1 микрон может обеспечивать диапазон увеличения от 1x до 8x, когда прикладываются давления до 500 мбар.

На Фиг.7A-Фиг.7C иллюстрируются примеры расположения компонентов фиброэндоскопа 200 относительно поверхности образца 702. Поверхность образца 702 может быть поверхностью любого объекта, наблюдаемого из фиброэндоскопа 200, такого, например, как внутренняя стенка толстой кишки. На Фиг.7A показывается фиброэндоскоп 200 с герметическим окном 704, покрывающим оптические элементы, прикрепленные к концу волоконно-оптического кабеля 206, в соответствии с одним примером осуществления. Герметическое окно 704 обеспечивает защиту оптических элементов, расположенных внутри него, и является прозрачным, обеспечивая прохождение оптических сигналов, в соответствии с одним примером осуществления. Периферический конец 706 герметического окна 704 находится напротив поверхности образца 702, при этом оптические элементы также расположены напротив поверхности образца 702, обеспечивая подробное исследование, в соответствии с примером осуществления, представленным на Фиг.7A.

На Фиг.7B показывается фиброэндоскоп 200, отодвинутый на некоторое расстояние от поверхности образца 702 вместе с герметическим окном 704, в соответствии с одним примером осуществления. Таким образом, перемещение фиброэндоскопа 200 и герметического окна 200 связаны, и герметическое окно 704 рассматривается как закрепленное на конце фиброэндоскопа 200, в соответствии с одним примером осуществления.

На Фиг.7C показывается фиброэндоскоп 200, когда оптические элементы и волоконно-оптический кабель 206 внутри герметического окна 704 могут передвигаться независимо от герметического окна 704. В этом примере периферический конец 706 герметического окна 704 помещается на поверхности образца 702, в то время как остальная часть фиброэндоскопа 200 отодвигается на некоторое расстояние от поверхности образца 702.

В одном примере осуществления, перемещение волоконно-оптического кабеля 206 с прикрепленными к нему оптическими элементами может управляться посредством ползунка, подсоединенного к корпусу (не показан) фиброэндоскопа 200. В одном примере, пользователь может передвигать ползунок для линейного перемещения фиброэндоскопа 200 по направлению к поверхности образца 702 или от нее, как показано на Фиг.7B. В другом примере, пользователь может передвигать ползунок для линейного перемещения оптических элементов и волоконно-оптического кабеля 206 внутри герметического окна 704, как показано на Фиг. 7С.

На Фиг. 8 иллюстрируется пример способа 800 управления линзовой системой, в соответствии с одним примером осуществления эндоскопа.

В блоке 802 сигнал принимается от датчика расстояния, присоединенного около конца эндоскопа. Сигнал определяется расстоянием между датчиком расстояния и объектом, находящимся перед периферическим концом эндоскопа. В альтернативном варианте, расстояние может быть любой величиной, измеренной датчиком расстояния. Этот сигнал может быть принят от датчика расстояния или в электронной, или в оптической форме. Измерение расстояния может соответствовать определенной амплитуде напряжения, частоте переменного тока или любому другому типу модуляции, которая была бы понятна специалисту в этой области техники.

В блоке 804 принятый сигнал анализируется для определения соответствующего расстояния.

В блоке 806 сигнал, соответствующий определенному расстоянию, сравнивается с текущей фокальной длиной, определяемой периферической линзовой системой внутри эндоскопа. Фокальная длина, определяемая периферической линзовой системой, может быть определена на основании оптической силы (непосредственно связанной с кривизной) одной или более линз, заполненных жидкостью, внутри периферической линзовой системы. Если, используя в качестве примера периферическую линзовую систему, представленную на Фиг. 3А, линза, заполненная жидкостью, 304 имеет оптическую силу равную 0, то фокальная длина периферической линзовой системы равна фокальной длине, определяемой плосковогнутой линзой 302 (или обратной величиной оптической силы, определяемой плосковыпуклой линзой 302). В альтернативном варианте, если линза, заполненная жидкостью, 304 имеет оптическую силу равную 1.0, то фокальная длина периферической линзовой системы равна фокальной длине, определяемой как плосковогнутой линзой 302, так и линзой, заполненной жидкостью 304 (обратной величиной дополнительных оптических сил как плосковогнутой линзы 302, так и линзы, заполненной жидкостью, 304).

Оптическая сила одной или более линз, заполненных жидкостью, также непосредственно связана с кривизной одной или более линз, заполненных жидкостью. Эта кривизна может быть измерена на основании величины давления, приложенного каждым исполнительным элементом, подсоединенным к одной или более линз, заполненных жидкостью. В другом примере осуществления, кривизна может быть измерена дополнительным оптическим датчиком. В альтернативном варианте, кривизна может быть измерена пьезорезистивным элементом.

В блоке 808, на основании сравнения настраивается, если необходимо, оптическая сила одной или более линз, заполненных жидкостью. В одном примере осуществления, если измеренное расстояние равно фокальной длине, то настройка не требуется. В другом примере осуществления, если измеренное расстояние находится внутри определенного порогового диапазона фокальной длины, то настройка не требуется. Однако если измеренное расстояние находится вне определенного порогового диапазона от фокальной длины, может быть необходима настройка оптической силы одной или более линз, заполненных жидкостью. В одном примере, настройка проводится изменением кривизны одной или более линз, заполненных жидкостью.

Если измеренное расстояние будет больше, чем пороговый диапазон выше фокальной длины, то оптическая сила одной или более линз, заполненных жидкостью, уменьшается. Оптическая сила может быть уменьшена передачей сигнала на исполнительный элемент о снижении давления на резервуар с жидкостью, связанный с линзой, заполненной жидкостью. Перемещение жидкости внутрь резервуара увеличивает радиус кривизны связанной с ним линзы, заполненной жидкостью, и таким образом уменьшает ее оптическую силу.

Если измеренное расстояние будет меньше, чем пороговый диапазон ниже фокальной длины, то оптическая сила одной или более линз, заполненных жидкостью, увеличивается. Оптическая сила может быть увеличена передачей сигнала на исполнительный элемент о повышении давления на резервуар с жидкостью, связанный с линзой, заполненной жидкостью. Перемещение жидкости внутрь линзы, заполненной жидкостью, уменьшает радиус кривизны связанной с резервуаром линзы, заполненной жидкостью, и таким образом увеличивает ее оптическую силу.

Следует понимать, что способ 800 управления линзовой системой эндоскопа может храниться в виде команд на носителе записи, считываемых компьютером и исполняемых процессором. Может быть использован любой носитель записи, считываемый компьютером, какой был бы известен специалистам в этой области техники, включая, но без ограничений, ЗУПВ, флэш-память, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ), дисковод жесткого диска и прочее.

Компоненты различных примеров осуществления эндоскопа, описанные здесь, например, корпус, герметическое окно, несущая оптическая труба и прочее, могут быть изготовлены любым подходящим процессом, таким как инжекционное формование металла (MIM), литье, механическая обработка, формовка пластмассы под давлением и тому подобное. Выбор материалов может быть определен требованиями механических свойств, температурной чувствительностью, оптическими свойствами, такими как дисперсия, свойствами формуемости или любыми другими факторами, очевидными рядовому специалисту в этой области техники.

Жидкость, используемая в жидкой линзе, может быть бесцветной жидкостью, однако другие примеры осуществления содержат жидкость, которая является окрашенной, что зависит от применения, например, когда линзу предполагается использовать для солнцезащитных очков. Одним из примеров жидкости, которая может быть использована, является жидкость, производимая компанией Dow Corning, г. Мидленд, Мичиган, под торговым наименованием «diffusion pump oil» («масло диффузионных насосов»), которое обычно называется как «silicon oil» («кремнийорганическое масло»).

Линза, заполненная жидкостью, может содержать жесткую оптическую линзу, выполненную из стекла, пластмассы или любого другого подходящего материала. Другими подходящими материалами являются, например, но без ограничений, карбоната диэтилгликоль бисалил (DEG-BAC), поли(метилметакрилат) (РММА) и патентованный комплекс полимочевины, торговое наименование TRIVEX (PPG).

Жидкая линза может содержать мембрану, выполненную из гибкого, прозрачного, водонепроницаемого материала, такого, например, но без ограничений, как один или более из прозрачных и упругих полиолефинов, полициклоалифатиков, простых полиэфиров, сложных полиэфиров, полиимидов и полиуретанов, например, пленок поливинилиденхлорида, включая имеющиеся в продаже пленки, такие как пленки, выпускаемые под наименованием MYLAR и SARAN. Другими полимерами, подходящими для использования в качестве материалов мембран, являются, например, но без ограничений, полисульфоны, полиуретаны, политиоуретаны, полиэтилентерефталат, полимеры циклоолефинов и алифатических или алициклических простых эфиров.

Соединительная трубка между линзой, заполненной жидкостью, и резервуаром может быть выполнена из одного или более материалов, таких как TYGON (поливинилхлорид), PVDF (поливинилиденфторид) и естественный каучук. Например, PVDF может быть подходящим материалом из-за его износостойкости, проницаемости и устойчивости к образованию складок.

Различные компоненты примеров осуществления эндоскопа, за исключением оптического волокна, могут быть любой подходящей формы и могут быть выполнены из пластмассы, металла или любого другого подходящего материала. В одном примере осуществления различные компоненты корпуса эндоскопа в сборе выполнены из легкого материала, такого, например, но без ограничений, как пластмасса с высокой прочностью к удару, алюминий, титан или подобный материал. В одном примере осуществления, корпус может быть выполнен целиком или частично из прозрачного материала.

Резервуар, подсоединенный к одной или более линз, заполненных жидкостью, может быть выполнен, например, но без ограничений, из поливиниледендифторида, такого как термообжатый VITON(R), поставляемый компанией DuPont Performance Elastomers LLC, г. Уилмингтон, Делавэр, DERAY-KYF 190, производимый DSG-CANUSA, г. Мекленхайм, Германия (гибкий), RW-175, производимый компанией Tyco Electronics Corp., г. Беруин, Пенсильвания (ранее Raychem Corp.) (полужесткий) или из любого другого подходящего материала. Дополнительные примеры осуществления резервуара описаны в Публикации патента США №2011/0102735, которая целиком введена здесь ссылкой.

Любые дополнительные линзы, помимо описанных линз, заполненных жидкостью, которые могут использоваться в примерах осуществления скомпонованного эндоскопа, могут быть из любого достаточно прозрачного материала и могут быть любой формы, включая, но без ограничений, двояковыпуклой, плосковыпуклой, плосковогнутой, двояковогнутой и прочее. Дополнительные линзы могут быть жесткими или гибкими.

Необходимо принять во внимание, что для интерпретации формулы изобретения предполагается использовать раздел "Подробное описание изобретения", а не разделы "Краткое изложение" и "Реферат изобретения". Разделы "Краткое изложение" и "Реферат изобретения" могут излагать один или более, но не все примеры осуществлений настоящего изобретения, как оно задумано изобретателями, и тем самым ими никоим образом не намеревается ограничивать настоящее изобретение и прилагаемую формулу изобретения.

Настоящее изобретение было выше описано с помощью функциональных компоновочных блоков, иллюстрирующих реализацию заданных функций и отношений между ними. Границы этих функциональных компоновочных блоков были определены здесь произвольно для удобства описания. При условии, что надлежащим образом выполняются заданные функции и отношения между ними, могут быть определены альтернативные границы.

Вышеприведенное описание определенных примеров осуществления будет, таким образом, полностью раскрывать сущность изобретения, что позволяет другим специалистам использованием знаний в этой области техники легко модифицировать и/или адаптировать для различных приложений такие определенные примеры осуществления без чрезмерных экспериментов, без отклонения от общей концепции настоящего изобретения. Поэтому, базируясь на представленном здесь изучении и руководстве, предполагается, что такие адаптации и модификации будут находиться в пределах значения и диапазона эквивалентов раскрытых примеров осуществления. Следует понимать, что фразеология и терминология дана здесь с целью описания, а не ограничения, так что терминология или фразеология настоящей спецификации должна интерпретироваться квалифицированными специалистами в свете идей изобретения и руководства.

Объем и область применения настоящего изобретения не должны быть ограничены каким-либо из описанных выше примеров осуществления, но должны быть определены только в соответствии со следующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.

Claims (36)

1. Эндоскоп, содержащий:

корпус эндоскопа;

по меньшей мере один волоконный светопровод, расположенный внутри корпуса эндоскопа и сконфигурированный для образования тракта распространения светового потока;

периферическую линзовую систему, расположенную в корпусе эндоскопа по тракту распространения светового потока, содержащую:

1) по меньшей мере одну жесткую оптическую линзу; и

2) по меньшей мере одну герметизированную линзу, заполненную жидкостью, которая включает:

поверхность жесткой оптической линзы;

по меньшей мере одну мембрану, выполненную из гибкого, прозрачного, водонепроницаемого материала,

при этом гибкая мембрана растягивается непосредственно по поверхности жесткой оптической линзы;

при этом жесткая оптическая линза может быть выполнена из стекла, пластмассы или любого другого подходящего материала,

датчик расстояния, прикрепленный к периферическому концу корпуса эндоскопа, сконфигурированный для определения расстояния между периферическим концом корпуса эндоскопа и объектом, расположенным перед периферическим концом;

исполнительный элемент, который является электромеханическим исполнительным элементом и, соответственно, подсоединен к герметизированной линзе, заполненной жидкостью, и сконфигурирован для получения сигнала, при этом сигнал содержит команду исполнительному элементу на изменение оптической силы герметизированной линзы, заполненной жидкостью, на основе этого сравнения; и

контроллер, подсоединенный к исполнительному элементу и сконфигурированный для подачи команды исполнительному элементу на изменение оптической силы герметизированной линзы, заполненной жидкостью.

2. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что датчик расстояния использует волны ИК диапазона.

3. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что датчик расстояния является ультразвуковым датчиком.

4. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что датчик расстояния использует волны видимого диапазона света.

5. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что контроллер дает команду исполнительному элементу на основе измерения, полученного от датчика расстояния.

6. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что исполнительный элемент сконфигурирован для изменения давления, приложенного к резервуару с жидкостью, подсоединенному к герметизированной линзе, заполненной жидкостью.

7. Эндоскоп по п. 6, отличающийся тем, что приложенное давление изменяет кривизну гибкой мембраны по меньшей мере одной герметизированной линзы, заполненной жидкостью.

8. Эндоскоп по п. 7, отличающийся тем, что изменения в кривизне мембраны герметизированной линзы, заполненной жидкостью, изменяют увеличение герметизированной линзы, заполненной жидкостью.

9. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что исполнительный элемент сконфигурирован для изменения увеличения в диапазоне от 2х до 5х.

10. Эндоскоп по п. 8, отличающийся тем, что кривизна гибкой мембраны имеет минимальный радиус кривизны, равный 2.5 мм.

11. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что корпус эндоскопа содержит герметическое окно, и при этом внутри герметического окна расположены по меньшей мере один оптический светопровод, по меньшей мере одна герметизированная линза, заполненная жидкостью, по меньшей мере одна жесткая оптическая линза и исполнительный элемент.

12. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что корпус также содержит ползунок, сконфигурированный для перемещения по меньшей мере одного оптического светопровода, по меньшей мере одной герметизированной линзы, заполненной жидкостью, по меньшей мере одной жесткой оптической линзы и исполнительного элемента по длине корпуса.

13. Эндоскоп по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна жесткая оптическая линза является вогнутой линзой.

14. Способ управления линзовой системой эндоскопа, содержащий:

получение сигнала от датчика расстояния, при этом сигнал определяется расстоянием между периферическим концом эндоскопа и объектом, расположенным перед периферическим концом эндоскопа;

сравнение сигнала с оптической силой, определяемой одной или более герметизированными линзами, заполненными жидкостью, и требуемым увеличением; и

настройку по меньшей мере одной из оптических сил одной или более герметизированных линз, заполненных жидкостью, и расстояния на основе этого сравнения.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что получение сигнала происходит непрерывно.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что получение сигнала состоит в непрерывном получении оптического сигнала.

17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что получение сигнала состоит в непрерывном получении акустического сигнала.

18. Способ по п. 14, отличающийся тем, что при сравнении также сравнивается сигнал с радиусом кривизны одной или более герметизированных линз, заполненных жидкостью.

19. Способ по п. 14, отличающийся тем, что настройка оптической силы состоит в настройке кривизны одной или более герметизированных линз, заполненных жидкостью.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что настройка кривизны осуществляется одним или более электромеханическими исполнительными элементами.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что одно или более давлений, приложенных к одному или более резервуарам с жидкостью, подсоединенным к одной или более герметизированным линзам, заполненным жидкостью, изменяется электромеханическими исполнительными элементами.

Images