一种用于内窥镜的光学系统

本发明涉及内窥镜设计，尤其是指一种用于内窥镜的光学系统。

背景技术：

1、随着医学的不断提升，医学内窥镜在外科手术中起到了愈发重要的作用。使用内窥镜观察人体病变组织，具有操作简便、直观、安全等优点。然而，无论是识别具有弥漫性和斑片状特征的病变组织，还是小而稀疏的早期病灶，都对内窥镜的识别能力有较高要求，传统可见光内窥镜往往难以满足这样的需求。近年来，荧光技术逐渐用于辅助内窥镜成像，为外科手术提供了更大的帮助。在荧光内窥镜中，利用特定荧光染料，如吲哚菁绿(indocyanine green，icg)，与生物体内的蛋白质或抗体等结合，在病变部位积累形成荧光标记物。病变组织在特定光源照射下会发出荧光，极大提升了手术精准度和可视化水平。

2、近年来光学工作者们提出了很多不同的内窥镜设计方案。朱佳巍等人使用zemax光学设计软件设计了一款超小型医疗用广角内窥镜镜头，镜头视场角达150°，并采用共模生产方式进行加工，节约成本，但是畸变过大，可能会造成医生判断失误。何旭舟等人基于zemax设计了一款分辨率达到2k的内窥镜光学系统，其成像质量佳，但视场范围不大，不便于观察到更广泛的区域。上述的光学系统设计只考虑可见光波段的传输与成像性能，而未充分考虑所选玻璃材料会在荧光波段传输特性，从而影响系统整体成像效果。venugopal等提出了一种微创手术同步彩色和近红外荧光刚性内镜成像系统的设计、表征和验证，灵敏度高，但是其视野只有30°，细节观察受限。刘弘光等人使用近红外荧光二区和可见光成像，在原位大鼠结肠直肠癌模型中验证，促进了荧光成像在临床中的应用。但是icg在近红外二区荧光相对较弱，对探针的荧光强度、激发的功率有更高的要求，工艺复杂。另外，市场上常见的腹腔内窥镜品牌有德国卡尔史托斯、日本奥林巴斯、美国史赛克等，这些品牌大部分生产的内窥镜口径较大，直径多为5.5mm和10mm。而随着内窥镜技术的进步和医疗水平的提升，关于细径腹腔镜的应用逐渐增多，但相关产品较少，德国storz史托斯小儿腹腔镜以其5mm的直径受到认可，而德国richard wolf狼牌小儿腹腔镜则以其更为精细的3.5mm直径成为另一热门选择。总体来看，内窥镜偏向小口径的设计逐渐成为一种趋势。同时，常见的腹腔内窥镜的视场角度范围通常包括0°、30°、45°和70°，然而这些角度所提供的视野范围相对有限。考虑到腹腔内窥镜使用场景，小视场角会限制医生的观察范围,宽广的视野可以提供更全面的观察。

技术实现思路

1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中用于腹腔的内窥镜设计不完善的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于内窥镜的光学系统，包括依次设置的前物镜模块、中继系统模块和放大物镜模块，所述前物镜模块用于对病变组织进行成像，所述中继系统模块用于对前物镜模块的成像进行传输，所述放大物镜模块用于对中继系统模块传输的成像进行放大。

3、在本发明的一个实施例中，所述前物镜模块包括依次设置的前组和后组，所述前组为负透镜组，所述负透镜组包括依次连接的第一平凹透镜、第一负弯月透镜；所述后组为正透镜组，所述正透镜组包括依次连接的第一双胶合透镜、第二双胶合透镜，其中，

4、所述第一平凹透镜和第一负弯月透镜之间的距离为0.5-100mm；

5、所述第一负弯月透镜和第一双胶合透镜之间的距离为0.5-100mm；

6、所述第一双胶合透镜和第二双胶合透镜之间的距离为0.5-100mm；

7、所述第一平凹透镜两个表面的曲率半径分别为0mm、1.638mm；第一负弯月透镜两个表面的曲率半径分别为-11.237mm、-3.839mm；第一双胶合透镜的前表面、胶合面和后表面的曲率半径分别为3.222mm、-0.918mm、-1.595mm；第二双胶合透镜的曲率半径的前表面、胶合面和后表面分别为-14mm、1.090mm、-3.050mm。

8、在本发明的一个实施例中，所述前物镜模块满足：

9、

10、其中，a为前物镜模块的最大半视场角放大倍数，ω为前物镜模块的最大半视场角，ω'为后组最大半视场角。

11、在本发明的一个实施例中，所述前组和后组的焦距、相对孔径值满足：

12、

13、

14、其中，f1为前组焦距；f2为后组焦距；1/f1为前组相对孔径值；1/f2为后组相对孔径值；y1为平行光线与前组交点的高度；y′为非平行光线与前组交点的高度；f为整体光学系统焦距；l为前物镜模块的总长；f为前物镜模块的光圈数；d为前组和后组之间的距离。

15、在本发明的一个实施例中，所述中继系统模块包括三组转像系统，每组所述转像系统采用两个相同且对称的棒状镜，每组对称的棒状镜产生的垂轴像差大小相同方向相反，对称的棒状镜用以自行消除垂轴色差，轴向色差变成单个棒状镜的两倍。

16、在本发明的一个实施例中，所述棒状镜包括入射端、内部光学结构、出射端，所述棒状镜的入射端和出射端表面半径为0-3mm；所述棒状镜的长度为30-40mm；所述入射端和出射端长度相同，所述内部光学结构的长度比入射端、出射端长13-17mm；入射端和内部光学结构的接触面曲率半径限制在3-6mm；内部光学结构和出射端的接触面曲率半径限制在-6～-3mm。

17、在本发明的一个实施例中，所述转像系统之间的距离为5-10mm，每个所述转像系统中两个棒状镜之间的距离为5-10mm。

18、在本发明的一个实施例中，所述放大物镜模块的放大倍率β表示为：

19、β＝h'/h

20、其中，h表示经过前物镜模块和中继系统模块后形成的像高；h'表示经过放大物镜模块后形成的像高。

21、在本发明的一个实施例中，所述放大物镜模块包括依次设置的第二负弯月透镜、第三双胶合透镜、第三负弯月透镜、第二平凹透镜，其中，

22、所述第二负弯月透镜和第三双胶合透镜之间的距离为0.5-100mm；

23、所述第三双胶合透镜和第三负弯月透镜之间的距离为0.5-100mm；

24、所述第三负弯月透镜和第二平凹透镜之间的距离为0.5-100mm。

25、在本发明的一个实施例中，还包括对用于内窥镜的光学系统进行优化，优化后的放大物镜模块包括依次设置的第四双胶合透镜、复合面透镜、第五双胶合透镜、第六双胶合透镜、平面透镜，其中，

26、所述第四双胶合透镜和复合面透镜之间的距离为0.800mm；

27、所述复合面透镜和第五双胶合透镜之间的距离为1.209mm；

28、所述第五双胶合透镜和第六双胶合透镜之间的距离为0.800mm；

29、所述第六双胶合透镜和平面透镜之间的距离为0.809mm；

30、所述第四双胶合透镜的的前表面、胶合面和后表面的曲率半径分别为：-0.783mm、-2.057mm、-1.584mm；所述复合面透镜的两个表面的曲率半径分别为：9.827mm、-4.640mm；所述第五双胶合透镜的的前表面、胶合面和后表面的曲率半径分别为:8.286mm、-1.964mm、24.788mm；所述第四双胶合透镜的的前表面、胶合面和后表面的曲率半径分别为1.972mm、-2.704mm、4.390mm；所述平面透镜的两个表面的曲率半径分别为0mm、0mm。

31、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

32、本发明所述的用于内窥镜的光学系统，包括前物镜模块、中继系统模块和放大物镜模块，并对每个模块进行了设计与优化，不仅考虑可见光波段的传输与成像性能，还考虑荧光波段传输特性与成像性能，实验证明，本发明用于内窥镜的光学系统实现了大视场角、小口径的同时，也有效控制了畸变大小，本发明的用于内窥镜的光学系统能够给病人带来的创伤较小，实用性较强。