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CN108107565A - 一种立体内窥镜光学系统 - Google Patents

一种立体内窥镜光学系统 Download PDF

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CN108107565A CN201711245694.5A CN201711245694A CN108107565A CN 108107565 A CN108107565 A CN 108107565A CN 201711245694 A CN201711245694 A CN 201711245694A CN 108107565 A CN108107565 A CN 108107565A
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王俊茹
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Abstract

本发明涉及光学领域，具体涉及手术机器人用立体内窥镜光学系统设计，其特征是，设有左光学系统和右光学系统，其特征在于左光学系统和右光学系统沿光线传播方向均依次设有物镜、3组4f转像系统、类目镜棒状透镜、具有正光角度的双胶合目镜光焦度增强透镜、斜方棱镜、保护玻璃、四胶合接口透镜和CCD或CMOS相机，其中，左光学系统和右光学系统设有一个左、右光路共用的保护玻璃，左斜方棱镜和右斜方棱镜均与保护玻璃相胶结，四胶合接口透镜从左往右依次设有口径相同且相胶合的第一双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜和凹凸透镜，由于采用上述结构，本发明具有结构简化、工作长度长、体积小、重量轻等优点。

Description

一种立体内窥镜光学系统
技术领域
本发明涉及光学领域，具体的涉及手术机器人用立体内窥镜光学系统设计。
背景技术
随着科学技术的不断进步，机器人已经走上了手术台，用手术机器人换医生，可以使手术更精细，创口更小。
手术机器人要发挥其精准的定位精度，离不开其眼睛—立体内窥镜。立体内窥镜有电子式立体内窥镜和光学式立体内窥镜两种，前者物镜和CCD集成在一起，体积小，但分辨率低；后者物镜后面有3到5组4f光学转像系统，用于增加立体内窥镜工作长度，其分辨率高，但体积大。
当今世界上微创手术已经成为外科医学各领域发展方向。微创手术具有对病人损伤小、减少术间病人痛苦、术后康复时间短等多项优点，应用越来越广泛。而任何一项微创手术的开展都离不开硬管内窥镜。硬管内窥镜由于技术先进、应用方便、产品多样化、专业化，因此受到患者和外科医生的欢迎。目前，膀胱镜、宫腔镜、喉镜、鼻窦镜、腹腔镜、关节镜等各种硬管内窥镜在我国县级医院已经普遍应用。
图1单目硬管内窥镜理想光学系统图，物体O经过物镜fo成像为Oo；物镜后面是由两个焦距fR相同的正透镜组成的4f转像系统，图像共轭距为4fR，为了使硬管内窥镜有足够的工作长度，通常使用3到5组4f转像系统，例如，腹腔镜使用3组4f转像系统，膀胱镜使用5组4f转像系统；最后一组4f转像系统的图像OR被目镜 fOCU放大到无穷远，视角放大率与目镜焦距fOCU有关，目镜焦距fOCU越短，视角放大率越大；为了获得硬管内窥镜的电子图像，必须使用具有正光焦度的接口透镜fe，将目镜无穷远的图像成像在CCD或 CMOS像面。
图2是硬管内窥镜4f转像系统图，为了增加光能透过率，通常使用棒状透镜，其中心厚度是直径的6～10倍，前后焦点距离大约3.5～5.5mm。图3是单透镜组成的4f转像系统，其棒状透镜两个球面半径相同，加工及装配工艺性好，省去了胶合工艺，但色差无法校正；图4是双胶合透镜组成的4f转像系统图，由它一片棒状透镜和弯月形薄透镜胶合组成，色差校正效果好。
图5是硬管内窥镜目镜图，一般由两片薄透镜胶合组成，焦距一般在10～20mm左右，它相当于图1中的fOCU。
图6是硬管内窥镜电子成像光学系统图，相当于图1 中的fe，一般由一组或两组双胶合透镜组成，也有采用非球面透镜的光学系统。
传统的微创手术由医生亲自操作手术器械，通过观察硬管内窥镜的二维电子图像来进行，手术精确性因人而异，长时间的手术也会偶尔发生误操作。随着电子技术的不断发展，出现了手术机械人，通过手术机械人的机械手精确控制手术器械，可以提高手术精度，减小创口，使病人快速康复。
为了精确控制手术器械的位置，手术机械人使用立体内窥镜观察病变组织，该立体内窥镜具有两个观察用光学通道，每个通道的光学图像分别成像在CCD或CMOS上，利用软件技术合成立体图像，在显示器上显示。立体内窥镜图像是否清晰，立体感是否逼真，是手术机器人能否发挥其优势的关键。手术机器人用立体内窥镜必须解决的关键技术是图像分辨率、左右图像颜色一致性、逼真的立体感，同时有较小的体积。
根据图1单目硬管内窥镜理想光学系统图可以计算出，为了在CCD或CMOS上获得清晰的图像，并且图像充满屏幕，最后一组4f转像系统的图像yR必须放大，CCD或CMOS上的像高ye为：
ye＝yR*fR/fOCU
一般情况下，立体内窥镜yR为1.5mm左右，1/3英寸CCD或 CMOS对角线长度6mm，相当与ye＝3mm，这样接口透镜焦距fR≌2fOCU。
为了便于器械操作，立体内窥镜工作长度大约350～ 400mm左右比较理想，需要使用4f转像系统增加其工作长度，为了减少系统镜片数量，中国专利专申请公布号CN105242393A，申请公布日2016年01月13日，公开了一种立体内窥镜电子成像光学系统，其物镜和由三组结构对称的棒状透镜构成的1:1转像系统后面，沿光线传播方向设有Hopkins棒状透镜、一组及以上的转像双胶合透镜、斜方棱镜、成像双胶合透镜、单透镜和保护窗口；该系统将前述转像系统的像直接放大到CCD或CMOS像素面，轴向放大率为1.1～2；其中：所述Hopkins棒状透镜用于增加系统的工作长度，有效减少透镜数量；所述斜方棱镜用于增加立体内窥镜两个光学通道后续透镜组的光轴间距离，满足两个CCD或CMOS器件的空间布局要求。但是，虽然其成像双胶合透镜组、单透镜和保护窗口也可以于放大图像，参与校正系统畸变，使系统畸变减小，但是，其不仅结构复杂，双胶合透镜的前后也必须使用平面窗口进行密封防水。此外，两个斜方棱镜单独设置，使用时需要分别进行调节，十分繁琐。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明将提供一种结构简化、工作长度长、体积小、重量轻的一种立体内窥镜光学系统。
为了实现上述功能，本发明将采用以下技术方案：
一种立体内窥镜光学系统，设有左光学系统和右光学系统，其特征在于左光学系统和右光学系统沿光线传播方向均依次设有物镜、3 组4f转像系统、类目镜棒状透镜、具有正光角度的双胶合目镜光焦度增强透镜、斜方棱镜、保护玻璃、四胶合接口透镜和CCD或CMOS 相机，其中，左光学系统和右光学系统设有一个左、右光路共用的保护玻璃，左斜方棱镜和右斜方棱镜均与保护玻璃相胶结，四胶合接口透镜从左往右依次设有口径相同且相胶合的第一双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜和凹凸透镜。
本发明所述4f转像系统是由两个焦距fR相同的正棒状透镜组成的，其图像共轭距为4fR、类目镜棒状透镜与4f转像系通中的正透镜的焦距相同均为fR，其中心厚度是直径的6～10倍，前后焦点距离大约3.5～5.5mm，所述前、后焦点距离指的是成像面到球面顶点的距离。
本发明所述左光学系统和右光学系统的物镜、4f转像系统、类目镜棒状透镜、具有正光角度的双胶合目镜光焦度增强透镜、斜方棱镜和保护玻璃集成在一起，构成立体内窥镜；四胶合接口透镜和两个CCD或CMOS相机集成在一起，构成立体内窥镜摄像系统。
本发明所述第一双凸透镜前表面半径34mm，后表面半径-6.5mm，中心厚度4.8mm，材料STIH4-OHARA；第一双凹透镜前表面半径-6.5mm，后表面半径6.5mm，中心厚度5.6mm，材料H-ZBaF21；第二双凸透镜球面半径相同，均为6.5mm，中心厚度8mm，材料 SBSM16-OHARA；第四片是凹凸透镜，前表面半径-6.5mm，后表面半径 -25mm，中心厚度4mm，材料H-LaF4。
本发明制备四胶合接口透镜时，第一双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜和凹凸透镜，口径相同，加工时以第一双凹透镜为定位基准，用耐高温光敏胶将第一双凸透镜和第一双凹透镜胶合在一起，以凹凸透镜为基准，将它与第二双凸透镜用耐高温光敏胶胶合在一起，最后以第一双凸透镜和第一双凹透镜的胶合件为基准，将两个胶合件用耐高温光敏胶胶合在一起。
本发明所述斜方棱镜和左右光路共用的保护玻璃的等效厚度是21mm，保护玻璃厚度2mm，斜方棱镜将光轴距离拉大到 27-33mm，斜方棱镜和保护玻璃间用耐高温紫外光敏胶胶合。
本发明所述类目镜棒状透镜球面焦距fR在30-35mm之间。
本发明所述双胶合目镜光焦度增强透镜从左至右依次设有第一球面透镜和第二球面透镜，第一面球面半径-50mm，胶合面球面半径7.5mm，最后一面的球面半径-18.5mm，玻璃材料分别是 STIH4-OHARA和H-LaK1，两个球面透镜用耐高温紫外光敏胶胶合，焦距fa＝88.3mm。
本发明所述左光学系统和右光学系统光轴间的距离d是体视基距，左光学系统和右光学系统的光轴间的距离设置一般小于 6mm，最好在4～6mm，体视基距越大，立体感越强。
本发明所述3组4f转像系统为3组结构对称的棒状透镜构成的1:1转像系统。
为了使手术机器人用立体内窥镜有良好的图像质量，同时体积小，本专利采使用3组4f转像系统可以获得400mm的工作距，使用类目镜棒状透镜有效增加了立体内窥镜的工作长度，通过双胶合目镜光焦度增强透镜有效减小了立体内窥镜摄像系统的尺寸，减轻重量，便于机器人操作；斜方棱镜与保护玻璃胶合在一起，简化了立体内窥镜的机械结构，降低了装配时的调整难度；采用四胶合接口透镜，省去了密封防水防尘结构，两个CCD或CMOS的装配尺寸空间最小，具有结构简化、工作长度长、体积小、重量轻等优点。
附图说明
图1单目硬管内窥镜理想光学系统图。
图2是单透镜组成的4f转像系统。
图3是双胶合透镜组成的4f转像系统图。
图4是硬管内窥镜目镜图。
图5是硬管内窥镜电子成像光学系统。
图6是立体硬管内窥镜理想光学系统图。
图7是本发明的立体内窥镜与各种光学元件的布局图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图7中，左光路沿光线传播方向依次为最后一组4f转像系统的图像1-1；左类目镜棒状透镜1-2，其光学结构参数与内窥镜中使用的3组4f转像系统相同，即图2中的单透镜棒状透镜，其焦距fR；具有正光焦度的左双胶合目镜光焦度增强透镜1-3，其焦距fa；左斜方棱镜1-4，其作用是将立体内窥镜工作部位d＝6mm左右的体视基距即左右光路的光轴距离加大到30mm左右，以便于有足够的空间安装两个CCD或CMOS相机；左右光路共用的保护玻璃5，用于密封防水；四胶合接口透镜1-6，其作用是将光学图像成像在CCD或 CMOS上，获得电子图像；1-7—左光路在CCD或CMOS相机上的光学图像。
同样，右光路沿光线传播方向依次为最后一组4f转像系统的图像2-1；右类目镜棒状透镜2-2，其光学结构参数与内窥镜中使用的3组4f转像系统相同，即图2中的单透镜棒状透镜，其焦距fR；具有正光焦度的右双胶合目镜光焦度增强透镜2-3，其焦距fa；右斜方棱镜2-4，其作用是将立体内窥镜工作部位d＝6mm左右的体视基距即左右光路的光轴距离加大到30mm左右，以便于有足够的空间安装两个CCD或CMOS相机；四胶合接口透镜2-6，其作用是将光学图像成像在CCD或CMOS上，获得电子图像；右光路在CCD 或CMOS相机上的光学图像2-7。
为了使用类目镜棒状透镜将立体内窥镜的工作长度增加到400mm左右，又不增加立体内窥镜摄像系统外形尺寸，在类目镜棒状透镜后面加入双胶合目镜光焦度增强透镜，其焦距fa＝30mm左右，它于类目镜棒状透镜的组合焦距为15mm左右。按公式1计算，四胶合接口透镜的焦距30mm左右，它在满足满足成像要求的同时，也能满足调整结构的空间要求。这样就可以缩短立体内窥镜摄像系统的尺寸，减轻重量，便于机器人操作。由于双胶合目镜光焦度增强透镜已经有一个胶合面，整个光学系统色差得到了良好校正，四胶合接口透镜如果采用图5所示结构，两组双胶合透镜的前后必须使用平面窗口进行密封防水，结构复杂。本专利采用四胶合接口透镜，既可以密封防水防尘，体积也小。斜方棱镜与保护玻璃胶合在一起，省去了装配时的复杂调整过程，简化了机械结构。
实施例一
表1中，第1面是物镜的像经过几组4f转像系统所成的中间像面；第2～3面是类目镜棒状透镜的光学结构参数，球面半径18.5，厚度46.15，材料H-K9L，焦距fR＝31.26。第4～6面是双胶合目镜光焦度增强透镜，第一面球面半径-50mm，胶合面球面半径7.5mm，最后一面的球面半径-18.5mm，玻璃材料分别是STIH4-OHARA和 H-LaK1，两个球面透镜用耐高温紫外光敏胶胶合，焦距fa＝88.3mm。第7～8面间玻璃厚度21mm，是斜方棱镜14和左右光路共用的保护玻璃5的等效厚度，保护玻璃厚度2mm，斜方棱镜将光轴距离拉大到30mm左右，斜方棱镜和保护玻璃间用耐高温紫外光敏胶胶合。第 9～13面是四胶合接口透镜的结构参数，第一片是双凸透镜，前表面半径34mm，后表面半径-6.5mm，中心厚度4.8mm，材料STIH4-OHARA；第二片是双凹透镜，前表面半径-6.5mm，后表面半径6.5mm，中心厚度5.6mm，材料H-ZBaF21；第三片透镜是双凸透镜，球面半径相同，为6.5mm，中心厚度8mm，材料SBSM16-OHARA；第四片是凹凸透镜，前表面半径-6.5mm，后表面半径-25mm，中心厚度4mm，材料H-LaF4。这四片透镜口径相同，都是11mm，加工时一第二片为定位基准，用耐高温光敏胶将两片透镜胶合在一起，以第四片为基准，将它与第三片透镜用耐高温光敏胶胶合在一起，最后以第一片和第二片的胶合件为基准，将两个胶合件用耐高温光敏胶胶合在一起。装配时，调整俩个四胶合接口透镜的的位置和角度方向，在 CCD或CMOS器件上获得清晰图像。
为了使手术机器人用立体内窥镜在满足工作长度的基础上，获得良好的图像质量、且体积小、质量轻，本专利采使用三组 4f转像系统加上类目镜棒状透镜的使用可以有效增加立体内窥镜的工作长度，通过双胶合目镜光焦度增强透镜有效减小了立体内窥镜摄像系统的尺寸，减轻重量，便于机器人操作；斜方棱镜与保护玻璃胶合在一起，简化了立体内窥镜的机械结构，降低了装配时的调整难度；采用四胶合接口透镜，省去了密封防水防尘结构，两个CCD或CMOS 的装配尺寸空间最小，具有结构简化、工作长度长、体积小、重量轻等优点。

Claims (10)

1.一种立体内窥镜光学系统，设有左光学系统和右光学系统，其特征在于左光学系统和右光学系统沿光线传播方向均依次设有物镜、3组4f转像系统、类目镜棒状透镜、具有正光角度的双胶合目镜光焦度增强透镜、斜方棱镜、保护玻璃、四胶合接口透镜和CCD或CMOS相机，其中，左光学系统和右光学系统设有一个左、右光路共用的保护玻璃，左斜方棱镜和右斜方棱镜均与保护玻璃相胶结，四胶合接口透镜从左往右依次设有口径相同且相胶合的第一双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜和凹凸透镜。
2.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于4f转像系统是由两个焦距相同的结构对称的正棒状透镜组成的，其图像共轭距为4 、类目镜棒状透镜与4f转像系通中的正透镜的焦距相同均为，其中心厚度是直径的6～10倍，前后焦点距离在3.5～5.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于左光学系统和右光学系统的物镜、4f转像系统、类目镜棒状透镜、具有正光角度的双胶合目镜光焦度增强透镜、斜方棱镜和保护玻璃集成,构成立体内窥镜；四胶合接口透镜和两个CCD或CMOS相机集成,构成立体内窥镜摄像系统。
4.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于第一双凸透镜前表面半径34mm，后表面半径-6.5mm，中心厚度4.8mm，材料STIH4-OHARA；第一双凹透镜前表面半径-6.5mm，后表面半径6.5mm，中心厚度5.6mm，材料H-ZBaF21；第二双凸透镜球面半径相同，均为6.5mm，中心厚度8mm，材料SBSM16-OHARA；第四片是凹凸透镜，前表面半径-6.5mm，后表面半径-25mm，中心厚度4mm，材料H-LaF4。
5.根据权利要求4所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于制备四胶合接口透镜时，第一双凸透镜、第一双凹透镜、第二双凸透镜和凹凸透镜，口径相同，加工时以第一双凹透镜为定位基准，用耐高温光敏胶将第一双凸透镜和第一双凹透镜胶合在一起，以凹凸透镜为基准，将它与第二双凸透镜用耐高温光敏胶胶合在一起，最后以第一双凸透镜和第一双凹透镜的胶合件为基准，将两个胶合件用耐高温光敏胶胶合在一起。
6.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于斜方棱镜和左右光路共用的保护玻璃的等效厚度是21mm，保护玻璃厚度2mm，斜方棱镜将光轴距离拉大到27-33mm，斜方棱镜和保护玻璃间用耐高温紫外光敏胶胶合。
7.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于类目镜棒状透镜球面半径18.5，厚度46.15，材料H-K9L，焦距为30-35mm。
8.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于双胶合目镜光焦度增强透镜从左至右依次设有第一球面透镜和第二球面透镜，第一面球面半径-50mm，胶合面球面半径7.5mm，最后一面的球面半径-18.5mm，玻璃材料分别是STIH4-OHARA和H-LaK1，两个球面透镜用耐高温紫外光敏胶胶合，焦距=88.3mm。
9.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于左光学系统和右光学系统光轴间的距离d是体视基距，左光学系统和右光学系统的光轴间的距离设置小于6mm。
10.根据权利要求1所述的一种立体内窥镜光学系统，其特征在于3组4f转像系统为3组结构对称的棒状透镜构成的1:1转像系统。
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