CN108957706B - 一种4k腹腔镜成像物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具备4K超高清成像功能的腹腔镜物镜，该物镜从物体侧到像侧依次由保护玻璃窗、负组胶合透镜、正组胶合透镜组成，其中正组胶合透镜组共有3组。上述物镜结构实现消色差、短焦距、长工作距离的成像功能。本发明的腹腔镜物镜具备结构紧凑、片数少、分辨率高、视场大、畸变小的优点。

Description

一种4K腹腔镜成像物镜
技术领域
本发明涉及一种腹腔镜物镜，尤其涉及一种具备4K超高清成像功能的腹腔镜物镜。
背景技术
腹腔镜外科手术是现代医学发展的一大主流，具有创伤轻、病人痛苦小、术后恢复快等诸多优点；同时能显著缩短术后住院时间，减少医疗资源的消耗。光学成像是腹腔镜设备最关键的部分，医生的操作完全依赖腹腔镜获取的图像，图像的清晰度直接关系到术中对疾病的判断，对血管胆管等组织结构的辨认，以及操作的准确性和精确性，总体上光学成像与手术的安全性密切相关。因此，腹腔镜技术的主要发展趋势就是不断的提高光学成像质量。目前光学成像已从1080p高清向4K超高清发展，4K腹腔镜图像分辨率达到3840×2160，是1080p高清图像的4倍，提供更清晰的器官和组织细节，提高病灶的定位精度，对手术质量及安全性的提高有很大作用。
腹腔镜物镜光学***是腹腔镜的关键部件，既要保证高清晰、又要同时实现大视场角和小畸变成像，这在光学设计上非常具有挑战性。大视场角对于扩大医生视野效果明显，小畸变又进一步提高体内器官及组织尺寸和位置的准确度。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备4K超高清晰度成像的腹腔镜物镜，该物镜结构紧凑、片数少、视场大、畸变小，可在1/2”图像传感器规格上实现4K左右的超高清成像。
本发明的一种具备4K超高清成像的腹腔镜物镜，包括镜筒，在镜筒内从物方到像方依次贴合有第一胶合透镜、第一隔圈、第二胶合透镜、第三胶合透镜、第二隔圈和第四胶合透镜，在第一胶合透镜的物方可装配有保护玻璃窗；其中从物方到像方，保护玻璃窗的两个面均为平面；第一胶合透镜包括第一负透镜和第一正透镜，第一负透镜其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第一正透镜其面向物方为平面，面向像方为凸面；第二胶合透镜包括第二正透镜和第二负透镜，第二正透镜两个面均为凸面，第二负透镜两个面均为凹面；第三胶合透镜包括第三负透镜和第三正透镜，第三负透镜两个面均为凹面，第三正透镜两个面均为凸面；第四胶合透镜包括第四负透镜和第四正透镜，第四负透镜其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第四正透镜两个面均为凸面。
所述的保护玻璃窗采用蓝宝石材料，物方平面曲率半径为无穷，镜面距离为0.80mm，镜面半径2.6510mm，像方平面曲率半径为无穷，镜面距离为0.20mm，镜面半径2.3471mm，透镜半径为3.0mm；
第一负透镜采用H-ZLAF55D玻璃材料，其凸面曲率半径为33.75mm，镜面距离0.60mm，镜面半径2.1308mm，第一负透镜的凹面曲率半径为2.81mm，镜面距离为0.75mm，镜面半径为1.6887mm，透镜半径为2.4mm；
第一正透镜同样采用H-ZLAF55D玻璃材料，其平面曲率半径为无穷，镜面距离11.20mm，镜面半径1.6632mm，第一正透镜的凸面曲率半径为-5.24mm，镜面距离为1.06mm，镜面半径为0.8212mm，透镜半径为2.75mm；
第一负透镜的透镜半径2.4mm大于其凹面镜面半径1.6887mm，在凹面端面处形成平面，此平面与第一正透镜的平面胶合；
第二正透镜采用H-ZF1玻璃材料，其物方凸面曲率半径为3.14mm，镜面距离为1.95mm，镜面半径为1.0793mm，像方凸面曲率半径为-3.14mm，且和第二负透镜的物方凹面胶合；第二正透镜的透镜半径为2.0mm；
第二负透镜采用H-ZF72A玻璃材料，其物方凹面曲率半径为-3.14mm，镜面距离为1.06mm，镜面半径为1.0522mm，第二负透镜的像方凹面曲率半径为3.14mm，镜面距离为0.30mm，镜面半径为1.2213mm，第二负透镜的透镜半径为2.4mm；
第三负透镜采用H-ZF52玻璃材料，其物方凹面曲率半径为-12.53mm，镜面距离为0.60mm，镜面半径为1.1069mm，其像方凹面的曲率半径为7.01mm，且和第三正透镜的物方凸面胶合；
第三正透镜采用H-ZPK5玻璃材料，其物方凸面曲率半径为7.01mm，镜面距离1.65mm，镜面半径为1.2968mm，其像方凸面曲率半径为-4.302mm，镜面距离0.15mm，镜面半径为1.6859mm，第三负透镜和第三正透镜的透镜半径均为2.4mm；
第四负透镜采用H-LAF4玻璃材料，其物方凸面曲率半径为10.8mm，镜面距离为0.67mm，镜面半径为1.8649mm，其像方凹面的曲率半径为3.04mm，且和第四正透镜的物方凸面胶合；
第四正透镜采用H-ZPK5玻璃材料，其物方凸面曲率半径为3.04mm，镜面距离2.11mm，镜面半径为1.9524mm，其像方凸面曲率半径为-9.03mm，镜面距离2.49mm，镜面半径为2.0040mm，第四负透镜和第四正透镜的透镜半径均为2.4mm。
一般情况下，腹腔镜物镜后端的实像面经过中继光学***传输至体外，中继光学***通常为3-5级，每级成像放大率均为1倍。因此，物镜的成像性能决定了整个腹腔镜光学***的成像性能。中继光学***后端可直接由CMOS或CCD图像传感器成实像，在监视器上显示体内图像，也可通过目镜成虚像，由眼睛观察或由摄像***采集图像。
以中继光学***后端接1/2”CMOS或CCD图像传感器为例(如OS08A10),其像面尺寸为7.7mm×4.4mm,像素尺寸2μm，空间截止频率250lp/mm。本发明的腹腔镜物镜在0.5视场范围内其调制度均与衍射极限(DIFFRACTION LIMIT)相差不多，在调制度为0.26时，0.5视场范围内的空间频率值达到185lp/mm左右，其在CMOS光敏面的像素分辨率达到2849×1628，接近4K的分辨率3840×2160，优于1080p的1920×1080，且成像视场角达到90度，畸变率约为12％。因此具有分辨率高、视场大、畸变小的成像优点。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明在设计物距下(35mm物距)的光学传递函数。
图3是本发明在设计物距下(35mm物距)的畸变曲线。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
图1所示，本发明公开的一种具备4K超高清成像功能的腹腔镜物镜，包括镜筒(6)，在镜筒(6)内从物方到像方依次贴合有第一胶合透镜(2)、第一隔圈(7)、第二胶合透镜(3)、第三胶合透镜(4)、第二隔圈(8)和第四胶合透镜(5)，在第一胶合透镜(2)的物方可装配有保护玻璃窗(1)；其中从物方到像方，保护玻璃窗(1)的两个面均为平面；第一胶合透镜(2)包括第一负透镜(21)和第一正透镜(22)，第一负透镜(21)其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第一正透镜(22)其面向物方为平面，面向像方为凸面；第二胶合透镜(3)包括第二正透镜(31)和第二负透镜(32)，第二正透镜(31)其面向物方和像方均为凸面，第二负透镜(32)两个面均为凹面；第三胶合透镜(4)包括第三负透镜(41)和第三正透镜(42)，第三负透镜(41)两个面均为凹面，第三正透镜(42)两个面均为凸面；第四胶合透镜(5)包括第四负透镜(51)和第四正透镜(52)，第四负透镜(51)其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第四正透镜(52)两个面均为凸面。保护玻璃窗(1)不必装配在镜筒(6)中，而是根据腹腔镜的整体设计，根据需要装配在腹腔镜的内镜管头端部，采用蓝宝石玻璃材料，起到密封和防磨损的功能。
本实例中腹腔镜物镜总共有15个镜面，从物方到像方依次定义为：保护玻璃窗1的物方平面为第1镜面，保护玻璃窗1的像方平面为第2镜面，第一负透镜21的物方凸面为第3镜面，第一负透镜21的像方凹面为第4镜面，第一正透镜22的物方平面为第5镜面，第一正透镜22的像方凸面为第6镜面，第二正透镜31的物方凸面为第7镜面，第二正透镜31与第二负透镜32的胶合面为第8镜面，第二负透镜32的像方凹面为第9镜面，第三负透镜41的物方凹面为第10镜面，第三负透镜41与第三正透镜42的胶合面为第11镜面，第三正透镜42的像方凸面为第12镜面，第四负透镜51的物方凸面为第13镜面，第四负透镜51与第四正透镜52的胶合面为第14镜面，第四正透镜52的像方凸面为第15镜面。15个镜面的结构参数见表1：
表1
在应用于腹腔镜成像时，本发明的物镜实像面经过中继光学***传输至体外，中继光学***通常为3-5级，每级成像放大率均为1倍。因此，物镜的成像性能决定了整个腹腔镜光学***的成像性能。中继光学***后端可直接由CMOS或CCD图像传感器成实像，在监视器上显示体内图像，也可通过目镜成虚像，由眼睛观察或由摄像***采集图像。
图2和图3说明了本发明的光学成像性能。
图2计算了35mm物距时不同物高0mm(AXIS)，物高7mm(0.25FIELD)，物高15mm(0.5FIELD),物高25mm(0.8FIELD)和物高35mm(1.0FIELD，45°)五个视场的光学传递函数值。由图2可见，本发明在调制度为0.26时，所有视场的空间频率值能达到150lp/mm以上。其中物高15mm(0.5FIELD)的调制度为0.26时，对应的空间频率值为185lp/mm。以中继光学***后端接1/2”CMOS或CCD图像传感器为例(如OS08A10),其像面尺寸为7.7mm×4.4mm,像素尺寸2μm，空间截止频率250lp/mm(优于本发明物镜光学***的空间频率)。其在CMOS光敏面的像素分辨率达到2849×1628，接近4K的分辨率3840×2160，优于1080p的分辨率1920×1080。
图3表明本发明的物镜在35mm物距下，对物高35mm的目标成像时，其畸变率约为12％，表明其成像视场可达到90°。因此本发明具有分辨率高、视场大、畸变小的成像优点。

Claims (2)

1.一种具备4K超高清成像功能的腹腔镜物镜，其特征在于：包括镜筒（6），在镜筒（6）内从物方到像方由第一胶合透镜（2）、第一隔圈（7）、第二胶合透镜（3）、第三胶合透镜（4）、第二隔圈（8）和第四胶合透镜（5）组成，在第一胶合透镜（2）的物方可装配有保护玻璃窗（1）；其中从物方到像方，保护玻璃窗（1）的两个面均为平面；第一胶合透镜（2）由第一负透镜（21）和第一正透镜（22）组成，第一负透镜（21）其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第一正透镜（22）其面向物方为平面，面向像方为凸面；第二胶合透镜（3）由第二正透镜（31）和第二负透镜（32）组成，第二正透镜（31）两个面均为凸面，第二负透镜（32）两个面均为凹面；第三胶合透镜（4）由第三负透镜（41）和第三正透镜（42）组成，第三负透镜（41）两个面均为凹面，第三正透镜（42）两个面均为凸面；第四胶合透镜（5）由第四负透镜（51）和第四正透镜（52）组成，第四负透镜（51）其面向物方为凸面，面向像方为凹面，第四正透镜（52）两个面均为凸面。
2.根据权利要求1所述的具备4K超高清成像功能的腹腔镜物镜，其特征在于：
所述的保护玻璃窗（1）采用蓝宝石SAPPHIRE材料，物方平面曲率半径为无穷，镜面距离为0.80mm，镜面半径2.6510mm，像方平面曲率半径为无穷，镜面距离为0.20mm，镜面半径2.3471mm，透镜半径为3.0mm；
第一负透镜（21）采用H-ZLAF55D玻璃材料，其物方凸面曲率半径为33.75mm，镜面距离0.60mm，镜面半径2.1308mm，第一负透镜（21）的像方凹面曲率半径为2.81mm，镜面距离为0.75mm，镜面半径为1.6887mm，透镜半径为2.4mm；
第一正透镜（22）同样采用H-ZLAF55D玻璃材料，其平面曲率半径为无穷，镜面距离11.20mm，镜面半径1.6632mm，第一正透镜（22）的凸面曲率半径为-5.24mm，镜面距离为1.06mm，镜面半径为0.8212mm，透镜半径为2.75mm；
第一负透镜（21）的透镜半径2.4mm大于其凹面镜面半径1.6887mm，在凹面端面处形成平面，此平面与第一正透镜（22）的平面胶合；
第二正透镜（31）采用H-ZF1玻璃材料，其物方凸面曲率半径为3.14mm，镜面距离为1.95mm，镜面半径为1.0793mm，像方凸面曲率半径为-3.14mm，且和第二负透镜（32）的物方凹面胶合；第二正透镜（31）的透镜半径为2.0mm；
第二负透镜（32）采用H-ZF72A玻璃材料，其物方凹面曲率半径为-3.14mm，镜面距离为1.06mm，镜面半径为1.0522mm，第二负透镜（32）的像方凹面曲率半径为3.14mm，镜面距离为0.30mm，镜面半径为1.2213mm，第二负透镜（32）的透镜半径为2.4mm；
第三负透镜（41）采用H-ZF52玻璃材料，其物方凹面曲率半径为-12.53mm，镜面距离为0.60mm，镜面半径为1.1069mm，其像方凹面的曲率半径为7.01mm，且和第三正透镜（42）的物方凸面胶合；
第三正透镜（42）采用H-ZPK5玻璃材料，其物方凸面曲率半径为7.01mm，镜面距离1.65mm，镜面半径为1.2968mm，其像方凸面曲率半径为-4.302mm，镜面距离0.15mm，镜面半径为1.6859mm，第三负透镜（41）和第三正透镜（42）的透镜半径均为2.4mm；
第四负透镜（51）采用H-LAF4玻璃材料，其物方凸面曲率半径为10.8mm，镜面距离为0.67mm，镜面半径为1.8649mm，其像方凹面的曲率半径为3.04mm，且和第四正透镜（52）的物方凸面胶合；
第四正透镜（52）采用H-ZPK5玻璃材料，其物方凸面曲率半径为3.04mm，镜面距离2.11mm，镜面半径为1.9524mm，其像方凸面曲率半径为-9.03mm，镜面距离2.49mm，镜面半径为2.0040mm，第四负透镜（51）和第四正透镜（52）的透镜半径均为2.4mm。
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