CN114637098A - 一种8k腹腔镜的物镜结构 - Google Patents

一种8k腹腔镜的物镜结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种8K腹腔镜的物镜结构，其创新点在于：包括沿光线传播方向依次设置的第一透镜、第一三胶合镜组、第二三胶合镜组和第八透镜，所述第一透镜和第八透镜均为非球面透镜，所述第一三胶合镜组包括胶合为一体的第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第三透镜折射率nd＞1.9，所述第一透镜的后表面与第二透镜的平面胶合为一体，所述第一透镜折射率nd＞1.8，所述第二三胶合透镜包括胶合为一体的第五透镜、第六透镜和第七透镜，第四透镜通过隔圈与第五透镜连为一体，第七透镜通过隔圈与第八透镜连为一体。本发明能够适应8K分辨率腹腔镜的物镜要求，且F数小于3，畸变小于15%，以及视场角≥80度。

Description

一种8K腹腔镜的物镜结构
技术领域
本发明涉及一种腹腔镜的物镜结构，具体涉及一种8K腹腔镜的物镜结构，属于医疗器械中内窥镜光学***的技术领域。
背景技术
硬管腹腔镜由三部分组成，即物镜(Objective)、转像镜(Relay Lens)和目镜(Ocular)。其工作原理是：病灶面被光纤束导入的光照亮，物镜将病灶面成像到物镜后焦面，由三组或者五组放大倍率为-1的中继***将物镜后焦面的像传导至目镜的前焦面附近，从目镜的出瞳出射光束接***行光。人眼可以直接在目镜出瞳处观察，或者使用适配器将图像成到焦平面探测器上，可以是CCD或者CMOS。
FHD(全高清)内窥镜的空间分辨率约为8C/°，而4K腹腔镜的空间分辨率能够达到15C/°，那么8K的腹腔镜空间分辨率需要达到30C/°以上。目前市场的主流产品依然是FHD，仅少数产品分辨率略高于FHD，真正达到8K分辨率的设计还未见报道。主要原因是与其参数匹配的4K分辨率的相机在2018年之后才被大规模应用，8K的摄像机在未来几年必然大规模推向市场，因此有必要提前进行8K腔镜的研制。8K的分辨率需要达到FHD的4倍，因此这是一个完全新的光学***。
物镜在硬管腹腔镜中承担着重要作用，它是硬管内窥镜成像的第一个环节，根据光学***的极限分辨率计算公式可见：
Figure BDA0003586732570000011
内窥镜工作波段为可见光，即420nm-700nm波段，分辨率完全取决于F/#。FHD腹腔镜物镜的F#为7.2-6，那么4K腹腔镜物镜的F#约为6-3，而要达到8K分辨率，物镜F#需要小于3。
在已有的专利技术中，CN103917910 A公开的内窥镜用物镜及内窥镜(参照图4)以及CN 104054013 A公开的内窥镜物镜(参照图5)的技术方案中可见，在光学***更加复杂的情况下仅仅能够实现高清分辨率的成像。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能够适应8K分辨率腹腔镜的物镜要求，且F数小于3，畸变小于15％，以及视场角≥80度的8K腹腔镜的物镜结构。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种8K腹腔镜的物镜结构，其创新点在于：包括沿光线传播方向依次设置的第一透镜、第一三胶合镜组、第二三胶合镜组和第八透镜，所述第一透镜和第八透镜均为非球面透镜，
所述第一三胶合镜组包括胶合为一体的第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第二透镜的前表面为平面，后表面为凹面，所述第三透镜的前后表面均为凸面，所述第四透镜为非球面透镜，且后表面为偶次非球面结构，所述第三透镜前后表面的凸面分别与第二透镜的凹面和第四透镜的凹面胶合为一体，所述第三透镜具有超高折射率，且折射率nd＞1.9，
所述第一透镜的后表面为偶次非球面结构，且第一透镜的后表面与第二透镜的平面胶合为一体，所述第一透镜具有超高折射率，且折射率nd＞1.8，
所述第二三胶合透镜包括胶合为一体的第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第五透镜的前后表面均为凸面，所述第六透镜的前后表面均为凹面，所述第七透镜的前表面为凸面，后表面为凸面，所述第六透镜的前后表面的凹面分别与第五透镜的凸面和第七透镜的凸面胶合为一体，
所述第一三胶合镜组的第四透镜通过隔圈与第二三胶合镜组的第五透镜连为一体，所述第二三胶合镜组的第七透镜通过隔圈与第八透镜连为一体，所述第八透镜的后表面为偶次非球面结构。
在上述技术方案中，所述第一透镜的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-3＞a3＞1.0E-4
1.0E-5＞a4＞1.0E-6
5＞R＞0
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数；
偶次非球面的矢高计算公式为：
Figure BDA0003586732570000031
其中，Z为矢高，k为圆锥系数，r为环带高度。
在上述技术方案中，所述第四透镜的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-7＞a3＞1.0E-6
1.0E-9＞a4＞1.0E-8
-5＞R＞-10
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
在上述技术方案中，所述第八透镜的偶次非球面结构参数为：
-1.0E-5＞a2＞＝-1E-4
1E-6＞a3＞1.0E-7
2.0E-7＞a4＞1.0E-8
-10＞R＞-20
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
在上述技术方案中，所述第二透镜、第三透镜和第四透镜通过紫外光敏胶胶合为一体。
在上述技术方案中，所述第五透镜、第六透镜和第七透镜通过紫外光敏胶胶合为一体。
在上述技术方案中，所述第一透镜的后表面通过紫外光敏胶与第二透镜的平面胶合为一体。
本发明所具有的积极效果是：采用本发明的8K腹腔镜的物镜结构后，本发明包括沿光线传播方向依次设置的第一透镜、第一三胶合镜组、第二三胶合镜组和第八透镜，所述第一透镜和第八透镜均为非球面透镜，
所述第一三胶合镜组包括胶合为一体的第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第二透镜的前表面为平面，后表面为凹面，所述第三透镜的前后表面均为凸面，所述第四透镜为非球面透镜，且后表面为偶次非球面结构，所述第三透镜前后表面的凸面分别与第二透镜的凹面和第四透镜的凹面胶合为一体，所述第三透镜具有超高折射率，且折射率nd＞1.9，由于内窥镜的尺寸有限，通过后期调整实现镜片倾斜的控制是困难的，因此本发明需要在设计时一方面降低公差，一方面避免倾斜。所述第三透镜具有超高折射率才能在三胶合透镜内部的分界面上产生足够的光焦度，对像差的平衡有更多贡献，另一方面胶合面本身也降低了面型加工的精度要求，
所述第一透镜的后表面为偶次非球面结构，且第一透镜的后表面与第二透镜的平面胶合为一体，所述第一透镜具有超高折射率，且折射率nd＞1.8，
所述第二三胶合透镜包括胶合为一体的第五透镜、第六透镜和第七透镜，所述第五透镜的前后表面均为凸面，所述第六透镜的前后表面均为凹面，所述第七透镜的前表面为凸面，后表面为凸面，所述第六透镜的前后表面的凹面分别与第五透镜的凸面和第七透镜的凸面胶合为一体，
所述第一三胶合镜组的第四透镜通过隔圈与第二三胶合镜组的第五透镜连为一体，所述第二三胶合镜组的第七透镜通过隔圈与第八透镜连为一体，所述第八透镜的后表面为偶次非球面结构；
本发明为了实现低F数的情况下进行像差的控制，引入了3片非球面透镜，且三片透镜皆为偶次非球面，除此之外还使用了两组三胶合的结构，这样设计的目的是：第一，可见光成像***中，色差的平衡是重要环节，而到了微创手术的应用场景，血管、神经等组织结构从形状上难以分别，主要通过颜色来分辨，因此两个三胶合透镜是色差校正的关键，第二，在窥镜***中，由于镜片装调过程的调节是无法实现的，三片胶合的方式相当于在元件加工时保证了相互的加工和位置公差，减小了后期的装配难度。
因此，本发明通过引入个非球面，仅适用了两个三胶合透镜组和两个单透镜的简单结构就实现了F2.4的8K分辨率物镜的设计，比之前报道的全高清设计结构更加简单，成像分辨率更高；同时，将具有超高折射率的透镜与偶次非球面结构的结合是本发明的技术关键。超高折射率在提供同等屈光度的情况下，表面曲率半径更大，面型平缓，产生残余像差较小，非球面的引入更进一步降低了第一表面引入的像差，为像差平衡起到了积极作用。
本发明的物镜结构的F#达到了2.4，因此能够根据透过率、景深、照明能量等方面的权衡，选择适当的F#。而后续的中继镜为了需要与物镜的F#保持一致，目镜和棒镜的衔接则遵循光瞳衔接的原则，保证没有光束阻挡发生。
附图说明
图1为本发明一种8K腹腔镜的物镜结构的结构示意图；
图2为本发明的场曲曲线示意图；
图3为物镜的点列图；
图4为已有技术中第一种光学***结构图；
图5为已有技术中第二种光学***结构图。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
如图1、2、3所示，一种8K腹腔镜的物镜结构，包括沿光线传播方向依次设置的第一透镜1、第一三胶合镜组、第二三胶合镜组和第八透镜8，所述第一透镜1和第八透镜8均为非球面透镜，
所述第一三胶合镜组包括胶合为一体的第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，所述第二透镜2的前表面为平面，后表面为凹面，所述第三透镜3的前后表面均为凸面，所述第四透镜4为非球面透镜，且后表面为偶次非球面结构，所述第三透镜3前后表面的凸面分别与第二透镜2的凹面和第四透镜4的凹面胶合为一体，所述第三透镜3具有超高折射率，且折射率nd＞1.9，由于内窥镜的尺寸有限，通过后期调整实现镜片倾斜的控制是困难的，因此本发明需要在设计时一方面降低公差，一方面避免倾斜。所述第三透镜具有超高折射率才能在三胶合透镜内部的分界面上产生足够的光焦度，对像差的平衡有更多贡献，另一方面胶合面本身也降低了面型加工的精度要求，
所述第一透镜1的后表面为偶次非球面结构，且第一透镜1的后表面与第二透镜2的平面胶合为一体，所述第一透镜1具有超高折射率，且折射率nd＞1.8，
所述第二三胶合透镜包括胶合为一体的第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7，所述第五透镜5的前后表面均为凸面，所述第六透镜6的前后表面均为凹面，所述第七透镜7的前表面为凸面，后表面为凸面，所述第六透镜6的前后表面的凹面分别与第五透镜5的凸面和第七透镜7的凸面胶合为一体，
所述第一三胶合镜组的第四透镜4通过隔圈与第二三胶合镜组的第五透镜5连为一体，所述第二三胶合镜组的第七透镜7通过隔圈与第八透镜8连为一体，所述第八透镜8的后表面为偶次非球面结构。
进一步地，所述第一透镜1的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-3＞a3＞1.0E-4
1.0E-5＞a4＞1.0E-6
5＞R＞0
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数；
偶次非球面的矢高计算公式为：
Figure BDA0003586732570000071
其中，Z为矢高，k为圆锥系数，r为环带高度。
所述第一透镜1、第四透镜4和第八透镜8的偶次非球面的矢高计算方式相同。
进一步地，所述第四透镜4的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-7＞a3＞1.0E-6
1.0E-9＞a4＞1.0E-8
-5＞R＞-10
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
进一步地，所述第八透镜8的偶次非球面结构参数为：
-1.0E-5＞a2＞＝-1E-4
1E-6＞a3＞1.0E-7
2.0E-7＞a4＞1.0E-8
-10＞R＞-20
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
本发明的物镜结构参数，见表1，
表1：
Figure BDA0003586732570000081
Figure BDA0003586732570000091
本发明所述第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4通过紫外光敏胶胶合为一体。所述第五透镜5、第六透镜6和第七透镜7通过紫外光敏胶胶合为一体。所述第一透镜1的后表面通过紫外光敏胶与第二透镜2的平面胶合为一体。所述紫外光敏胶的耐高温的紫外光敏胶，且耐高温的温度为125℃～135℃。这样设计的好处是：不仅能够平衡色差，而且能保证光学***能够在高温蒸汽消毒时不发生结构变化。
图2是***的畸变控制曲线，从曲线可见在最大视场时畸变值约为15％，在内窥镜正常的范围内(小于20％)。
图3是物镜的点列图，从该图中可见，零视场点斑RMS半径仅为0.824μm，而艾里斑半径为1.72μm，说明***的几何像差得到完美校正。
本发明为了实现低F数的情况下进行像差的控制，引入了3片非球面透镜，且三片透镜皆为偶次非球面，除此之外还使用了两组三胶合的结构，这样设计的目的是：第一，可见光成像***中，色差的平衡是重要环节，而到了微创手术的应用场景，血管、神经等组织结构从形状上难以分别，主要通过颜色来分辨，因此两个三胶合透镜是色差校正的关键，第二，在窥镜***中，由于镜片装调过程的调节是无法实现的，三片胶合的方式相当于在元件加工时保证了相互的加工和位置公差，减小了后期的装配难度。
因此，本发明通过引入非球面，仅适用了两个三胶合透镜组和两个单透镜的简单结构就实现了F2.4的8K分辨率物镜的设计，比之前报道的全高清设计结构更加简单，成像分辨率更高；同时，将具有超高折射率的透镜与偶次非球面结构的结合是本发明的技术关键。超高折射率在提供同等屈光度的情况下，表面曲率半径更大，面型平缓，产生残余像差较小，非球面的引入更进一步降低了第一表面引入的像差，为像差平衡起到了积极作用。
本发明的物镜结构的F#达到了2.4，因此能够根据透过率、景深、照明能量等方面的权衡，选择适当的F#。而后续的中继镜为了需要与物镜的F#保持一致，目镜和棒镜的衔接则遵循光瞳衔接的原则，保证没有光束阻挡发生。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：包括沿光线传播方向依次设置的第一透镜(1)、第一三胶合镜组、第二三胶合镜组和第八透镜(8)，所述第一透镜(1)和第八透镜(8)均为非球面透镜，
所述第一三胶合镜组包括胶合为一体的第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)，所述第二透镜(2)的前表面为平面，后表面为凹面，所述第三透镜(3)的前后表面均为凸面，所述第四透镜(4)为非球面透镜，且后表面为偶次非球面结构，所述第三透镜(3)前后表面的凸面分别与第二透镜(2)的凹面和第四透镜(4)的凹面胶合为一体，所述第三透镜(3)具有超高折射率，且折射率nd＞1.9，
所述第一透镜(1)的后表面为偶次非球面结构，且第一透镜(1)的后表面与第二透镜(2)的平面胶合为一体，所述第一透镜(1)具有超高折射率，且折射率nd＞1.8，
所述第二三胶合透镜包括胶合为一体的第五透镜(5)、第六透镜(6)和第七透镜(7)，所述第五透镜(5)的前后表面均为凸面，所述第六透镜(6)的前后表面均为凹面，所述第七透镜(7)的前表面为凸面，后表面为凸面，所述第六透镜(6)的前后表面的凹面分别与第五透镜(5)的凸面和第七透镜(7)的凸面胶合为一体，
所述第一三胶合镜组的第四透镜(4)通过隔圈与第二三胶合镜组的第五透镜(5)连为一体，所述第二三胶合镜组的第七透镜(7)通过隔圈与第八透镜(8)连为一体，所述第八透镜(8)的后表面为偶次非球面结构。
2.根据权利要求1所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第一透镜(1)的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-3＞a3＞1.0E-4
1.0E-5＞a4＞1.0E-6
5＞R＞0
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数；
偶次非球面的矢高计算公式为：
Figure FDA0003586732560000021
其中，Z为矢高，k为圆锥系数，r为环带高度。
3.根据权利要求1所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第四透镜(4)的偶次非球面结构参数为：
1.0E-3＞a2＞＝1E-4
1E-7＞a3＞1.0E-6
1.0E-9＞a4＞1.0E-8
-5＞R＞-10
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
4.根据权利要求1所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第八透镜(8)的偶次非球面结构参数为：
-1.0E-5＞a2＞＝-1E-4
1E-6＞a3＞1.0E-7
2.0E-7＞a4＞1.0E-8
-10＞R＞-20
其中，a2为偶次非球面4阶系数，a3为偶次非球面6阶系数，a4为偶次非球面8阶系数，R为曲率半径，E为科学计数法中指数。
5.根据权利要求1所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第二透镜(2)、第三透镜(3)和第四透镜(4)通过紫外光敏胶胶合为一体。
6.根据权利要求1所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第五透镜(5)、第六透镜(6)和第七透镜(7)通过紫外光敏胶胶合为一体。
7.根据权利要求4所述的8K腹腔镜的物镜结构，其特征在于：所述第一透镜(1)的后表面通过紫外光敏胶与第二透镜(2)的平面胶合为一体。
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