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
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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