CN115969293A - 一种内窥镜模组的模组前端装置 - Google Patents

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Abstract

本说明书实施例提供一种内窥镜模组的模组前端装置；所述模组前端装置内设有成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；所述光束扩散部设置在所述光纤安装通道的前端，所述光束扩散部包括凹透镜；所述光纤安装通道内安装的光纤的出射光束经过所述光束扩散部折射后，出射角度增大。通过在光纤照明内窥镜的前端安装本说明书的模组前端装置，使光纤出射角增大，扩大光照范围，并均匀光束，有利于内窥镜的成像模组拍摄到清晰的图像。

Description

一种内窥镜模组的模组前端装置
优先权信息
本申请要求于2021年12月27日提交的申请号为20211608616.3的中国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本说明书涉及内窥镜装置领域，特别涉及一种内窥镜模组的模组前端装置。
背景技术
近年来，内窥镜在医疗领域等中得到了广泛使用，该内窥镜包括可被***受检体内的***部，并可从***部的前端照射照明光来观察被照明的部位。由于光纤导光照明具有不易发热、尺寸小等优势，光纤导光照明作为前端照明装置在内窥镜中使用十分广泛。
光纤按材质又分为玻璃光纤和高分子材料光纤。受限于材料本身物理特性影响，玻璃光纤可以达到较大的光束出射角度，使得照明区域能够覆盖内窥镜成像模组的整个视野范围。但是玻璃光纤由于工艺复杂和玻璃配方垄断等原因，其价格十分昂贵，因此在一次性内窥镜应用领域，高分子材料光纤使用十分广泛。而高分子材料的光纤受限于材料本身的特性，无法达到理想的光束出射角度，进而难以使照明区域覆盖整个成像视野。因此，有必要提出一种内窥镜模组，使得内窥镜即使采用高分子材料光纤作为前端照明装置，也能获得理想的光束出射角度，提高照明区域的覆盖范围。
发明内容
本说明书实施例之一提供一种内窥镜模组的模组前端装置。所述模组前端装置包括：成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；所述光束扩散部设置在所述光纤安装通道的前端，所述光束扩散部包括凹透镜；所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部的折射后，出射角度增大；所述光束扩散部满足以下条件式：
Figure BDA0004016998070000011
其中，EFL是所述光束扩散部的光学有效焦距，Df是所述光纤的口径。
在一些实施例中，所述光束扩散部靠近所述光纤安装通道的内侧面为凹面，所述光束扩散部远离所述光纤安装通道的外侧面为平面。
在一些实施例中，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束从所述凹面进入所述光束扩散部，并在所述凹面发生第一折射后射向所述平面，在所述平面发生第二折射后射出所述光束扩散部；所述光束在经过第一次折射和第二次折射后的扩散角度大于每次折射前的扩散角度。
在一些实施例中，所述凹面为非球面曲面；所述非球面曲面面型满足以下条件式：
Figure BDA0004016998070000021
其中，rA-max是非球面的最大光学有效口径；zA-max是非球面的最大光学有效口径rA-max对应的矢高。
在一些实施例中，所述非球面曲面的曲面面型的二次曲线系数k至少基于所述光束扩散部的材料折射率确定。
在一些实施例中，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域的直径比值大于或等于1.5。
在一些实施例中，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，射出的光束与射入时的光束相比，半峰值照度区域的直径比值大于或等于1.2。
在一些实施例中，所述光束经过所述光束扩散部后，射出的光束的峰值照度区域和/或所述半峰值照度区域的直径至少基于所述非球面曲面的曲面面型的近轴球面曲率半径确定。
在一些实施例中，所述模组前端装置采用一体成型加工而成。
在一些实施例中，所述模组前端装置采用透明材料，所述透明材料包括聚碳酸酯材料、聚苯乙烯材料或聚甲基丙烯酸甲酯。
在一些实施例中，所述光纤安装通道包括第一部分和第二部分，所述第一部分通过所述第二部分与所述成像模组安装通道连通。
在一些实施例中，所述第一部分呈半圆形截面，所述第二部分呈方形截面。
在一些实施例中，所述模组前端装置包括两个光纤安装通道，两个光纤安装通道轴对称分布在所述成像模组安装通道的两侧。
在一些实施例中，所述光束扩散部的内侧面为光滑面；所述光束扩散部的外侧面为漫射面。
附图说明
本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的应用场景示意图；
图2是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的三维结构示意图；
图3是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置的主视图；
图4是根据本说明书一些实施例所示的光束扩散部的截面图；
图5是根据本说明书一些实施例所示的光纤的光束出射示意图；
图6是根据本说明书一些实施例所示的光纤从非球面曲面面型的光束扩散部射出时光束传播方向示意图；
图7是光纤从常规的平凹透镜射出时光束传播方向示意图；
图8是根据本说明书一些实施例所示的光纤的光束原始张角状态图；
图9是根据本说明书一些实施例所示的光纤在安装光束扩散部后光束扩散后的发射状态图；
图10是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端未安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图；
图11是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图；
图12是根据本说明书一些实施例所示的模组前端装置(两组光纤)的光束出射示意图；
图中：10、内窥镜模组；100、模组前端装置；101、成像模组安装通道；102、光纤安装通道；103、器械通道；104、光束扩散部；200、衔接套管；300、蛇骨；400、成像模组；500、光纤。
具体实施方式
为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。
近年来，内窥镜在医疗领域等中得到了广泛使用，内窥镜包括可被***受检体内的***部，并可从***部的前端照射照明光来观察被照明的部位。在内窥镜照明技术中，尤其是在一次性内窥镜应用领域，高分子材料光纤(即塑料光纤)使用十分广泛。而高分子材料的光纤受限于高分子材料的特性，光束出射角度有限(通常为小于70°)，进而难以使照明区域覆盖整个成像视野。为了使照明充满整个视野，在一些实施例中，可以通过增加光源数量来提高照明视野，但这会导致内窥镜整体外径增加，不利于外科手术使用，且会出现由于照明区域叠加导致的光照度不均匀等问题，影响内窥镜的成像效果。
在现有技术中，一些内窥镜上采用塑料光纤进行照明，并通过增加散光镜片来扩大光纤射出光束的扩散角度。例如，申请号为202120035628.0，专利名称为“一种内窥镜照明装置”的实用新型专利，该专利的技术方案中，散光镜片为平凸透镜，凸透镜的一面为凸面，一面为平面。由于平凸透镜对光线起汇聚作用，根据平凸透镜的共轭性，其无论是以凸面作为光线的入射面，还是以平面作为光线的入射面，入射的光线经过该平凸透镜后均会向该平凸透镜的焦点汇聚。当光线汇聚到焦点后，会继续往前传播而发散，根据凸透镜的成像原理，焦点处可以视为形成了光源的实像，射向目标的光线可以视为由该实像发出。这一效果相当于将光源置于平凸透镜的焦点处，然后直接使用焦点处的光源照射目标，难以真正起到发散光线或均匀光线的作用。也就是说，光源发出的光线的扩散角度实际并未增大，其均光程度也未改变。
本说明书一些实施例提出了一种可以扩大出射光束出射角度的内窥镜模组的模组前端装置，该模组前端装置包括形成为凹透镜的光束扩散部。通过将本说明书中的模组前端装置安装在内窥镜模组的前端部，光纤传导的光束从前端部射出，经过模组前端装置内的光束扩散部的折射后其光束出射角度(或称为扩散角度)增大，进而提高照明区域覆盖范围。模组前端装置采用一体成型工艺加工而成，使得模组前端装置具有更紧凑的结构，相匹配的内窥镜的结构也可以做得更小；同时一体注塑加工可以更好的保证产品的密封性，以及减少组装成本和物料成本。
另外，光纤传导的光束从光纤端部射出时，其中间部分最亮，四周慢慢变暗。当成像模组进行拍摄时，成像模组在进行曝光自动调整时，会根据照明区域中间部分的亮度降低拍摄亮度，从而导致整个视场范围内的拍摄亮度降低，进而导致整个照明区域的成像不清晰。本说明书一些实施例提供的模组前端装置，可以在扩大出射光束出射角度的同时，还能起到均匀光束的作用。在一些实施例中，模组前端装置可以通过特定的光学曲面，改变光束的照度能量分布，实现均匀光束的目的。
图1是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的应用场景示意图；图2是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的立体结构示意图；图3是根据本说明书一些实施例所示的内窥镜模组的主视图；图4是根据本说明书一些实施例所示的光束扩散部的截面图。以下将对本说明书实施例所涉及的内窥镜模组进行详细说明。需要注意的是，以下实施例仅用于解释本说明书，并不构成对本说明书的限定。
内窥镜模组10，主要应用于医学多功能内窥镜上。在一些实施例中，如图1所示，内窥镜模组10可以包括模组前端装置100，衔接套管200，蛇骨300，成像模组400以及光纤500。如图2所示，模组前端装置100可以包括成像模组安装通道101、器械通道103、光纤安装通道102和光束扩散部104。在一些实施例中，模组前端装置100通过衔接套管200固定连接在医学多功能内窥镜的蛇骨300前端(即靠近人体组织进行手术的一端)，成像模组400从蛇骨300的管道穿过安装到模组前端装置100内的成像模组安装通道101中，光纤500从蛇骨300的管道穿过安装到模组前端装置100内的光纤安装通道102中，手术时一些手术器械可以穿过蛇骨300的管道再从模组前端装置100内的器械通道103穿出，直接作用到人体组织处。使用时，所述光纤500可以发射出具有一定出射角度(或称为扩散角度，例如60°、70°等)的用于照明的光束，射向人体组织处。在一些实施例中，光束扩散部104设置在光纤安装通道102的前端，光束扩散部104构成凹透镜。光纤安装通道102内安装的光纤(例如光纤500)发出的光束经过光束扩散部104的折射后，射向人体组织处。在一些实施例中，光纤(例如光纤500)发出的光束经过光束扩散部104的折射后扩散角度增大。
在一些实施例中，光束扩散部104满足以下条件式1：
Figure BDA0004016998070000051
其中，EFL(全称Effective focus length)是光束扩散部的光学有效焦距。光束扩散部的光学有效焦距EFL可以采用专用仪器测量(例如焦距测量仪、光学参数测定仪等)直接测量获得。Df是安装在光纤安装通道102内的光纤的口径。当光束扩散部104满足条件式1时，可以使光纤(例如光纤500)发出的光束经过光束扩散部104的折射后，不仅扩散角度增大，而且可以提高光束的照明均匀性，具体可以参见下文表1部分的描述。
在一些实施例中，光纤(如光纤500)采用高分子材料光纤，高分子材料光纤是以高分子为主要材料制成的光学传导纤维(又称高分子光导纤维)，由高折射率的均匀塑料芯和低折射率的塑料涂层组成。高分子材料光纤具有重量轻，韧性好，接受光的能力强的优点。高分子材料光纤，成本低廉，适合一次性内窥镜使用。但是高分子材料光纤的出射角度有限，本身难以满足照明需求，因此为了扩大一次性内窥镜的照明范围，需要扩大光束扩散角度。
在一些实施例中，光束扩散部104构成凹透镜，光纤发出的光束经过光束扩散部104时会发生折射而发散，使光束射出光束扩散部104扩散角度增大。在一些实施例中，光束扩散部104可以是平凹透镜(即一面为凹面，一面为平面)。在一些实施例中，光束扩散部104靠近光纤安装通道102的内侧面为凹面，光束扩散部104远离光纤安装通道102的外侧面为平面。
在一些实施例中，光束扩散部104靠近光纤安装通道102的内侧面也可以为平面，光束扩散部104远离光纤安装通道102的外侧面为凹面(图中未示出)。根据凹透镜成像的共轭性，光纤500发出的光束从平面进入光束扩散部104，并从凹面射出同样可以增大光束的扩散角度。
在一些实施例中，光束扩散部104对出射光束出射角度增大比例范围可以是1.2～2倍，在一些实施例中，参见图8，光纤原始出射角度可以为50°～70°。例如，光纤原始出射角度可以为60°。在一些实施例中，参见图9，经过光束扩散部104的折射后光束的出射角度可以为80°～130°。由于本质上从光纤端面出射的光通量是一定的，经过折射扩散后，出射光束扩散的角度越大，单位面积的照度越低，所以折射后光束的出射角度并不是越大越好。当成像模组的视场角度大于光束的出射角度时，无法完整的成像，当成像模组的视场角度小于光束的出射角度时，又会浪费出射光束的光通量，出现因为照度低导致成像不清晰。所以为了达到最佳的使用效果，折射后光束的出射角度要和成像模组视场角度匹配。例如，当成像模组的视场为120°时，为了比较好的使用效果，经过光束扩散部104的折射后光束的出射角度可以为120°。当然，如果选用更大视场角度的成像模组，就要相应的增大折射后光束的出射角度。
在一些实施例中，为了使光束经过光束扩散部104后有较大的扩散角度，可以通过设计凹透镜的凹面的面型使光束在经过光束扩散部104时发生两次扩散角度增大的折射。参见图5、图6，光纤500发出的光束从凹面进入光束扩散部104，并在凹面发生第一折射后射向平面，在平面发生第二折射后射出光束扩散部104。光纤500发出的光束在经过第一次折射和第二次折射后的扩散角度均大于每次折射前的扩散角度，实现了光纤500发出的光束经过光束扩散部104的折射后有较大的扩散角度的目的。
在一些实施例中，通过设置光束扩散部104的入射表面的形状，可以控制光纤发出的光束在射入光束扩散部104时的光线入射角度，从而在已知光束扩散部104的材料折射率的情况下控制光束经光束扩散部104折射后的传播方向，实现第一次扩散角度增大。在一些实施例中，参见图4，光束扩散部104的入射表面可以是光束扩散部104靠近所述光纤安装通道102的内侧面。在一些实施例中，光束扩散部104的内侧面(即凹面)可以为光学曲面。本说明书中的光学曲面是指具有光学折射功能的曲面。在一些实施例中，光学曲面可以是非球面。在一些实施例中，通过设置光束扩散部104的出射表面的形状，可以进一步控制光纤的出射光束从光束扩散部104射出后的出射方向，实现第二次扩散角度增大。在一些实施例中，光束扩散部104的出射表面可以是所述光束扩散部104远离所述光纤安装通道102的外侧面。在一些实施例中，光束扩散部104的外侧面可以为平面。
在一些实施例中，参见图6，光束扩散部104的凹面为非球面，由于非球面没有固定的球心，因此，通过设计非球面的曲面面型即可控制光束经过非球面后的传播方向。在一些实施例中，通过设计非球面的曲面面型可以使得光束经过非球面后发生第一次折射而使扩散角度增大，扩散角度增大后的光束经平面射出时发生第二次折射，扩散角度再次增大。关于非球面的曲面面型的具体设置方式可以参见本说明书其他地方的描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，光束扩散部104的凹面也可以设置为球面，通过设置光源(即光纤)相对于球面的位置也可以实现光束扩散角度增大的效果。图7是光束从凹面为球面的平凹透镜射出时光束传播方向示意图。当平凹透镜的凹面为球面时，光束经凹面折射后的传播方向取决于光源(例如，光纤)相对于球面球心的位置。当光源位于球面球心处时，凹面不对光束产生折射作用，光束经凹面后的传播方向不改变，之后光束经过出射面(平面)折射后的光束发散角度变大。当光源位于球面球心与凹面之间时，光束经凹面的折射后的扩散角度变小，之后光束经过出射面(平面)折射后的光束发散角度变大。图7示出了光源位于球面的球心与凹面之间的位置时，光束的传播路径，从图7中可以看出，光束从凹面为球面的平凹透镜的凹面射入时发生第一次折射，由于光纤是从空气中射入平凹透镜(即光从光疏介质射入光密介质，折射角小于入射角)，光束经过凹面第一次折射后的光束发散角度变小了，光束从平凹透镜的平面射出时发生第二次折射(即光从光密介质射入光密介质，折射角大于入射角)，光束经过平面第二次折射后的光束发散角度变大。在一些实施例中，可以将光源设置于球面球心远离凹面的一侧(图中未示出)，此时光束经凹面的第一次折射后的扩散角度变大，光束从平凹透镜的平面射出时发生第二次折射，扩散角度再次增大。对比图6和图7可知，将凹面设置为非球面，并通过设置非球面的曲面面型，可以更准确的控制光束经光束扩散部104后的传播方向，实现更大的光束扩散角度，同时光纤也可以设置在更靠近光束扩散部104的位置，有利于减小模组前端装置100的体积。
在一些实施例中，对光束扩散部104的凹面进行优化设计，还可以提高照明均匀性。照明均匀性，是指光束照射至目标时所形成的光斑中，照度随光斑直径的变化趋势，该变化趋势变缓则照明均匀性提高。关于设置光束扩散部104实现照明均匀性的更多内容，可以参见本说明书图10-图11的相关描述，再次不再赘述。
在一些实施例中，非球面的曲面面型可以基于模组前端装置100的材料物理特性确定，所述材料物理特性包括折射率、透射率、雾度等。在一些实施例中，当材料的透射率和雾都一定时，非球面的曲面面型主要基于模组前端装置100的材料的折射率确定。由于模组前端装置100选定一种材料后，其材料的折射率是一定的，可以根据材料的折射率、需要得到的出射角度以及原始的光纤光束发散角度，确定光束进入非球面时的入射角度，这个入射角度是入射光束与入射点处入射表面法线的夹角。光束在曲面面型上任意一点的入射角度确定后，即可确定曲面面型上该点的法线方向，从而确定曲面面型上该点处曲面面型的弧度变化。用同样的方法，计算得到非球面的曲面面型上多个点的弧度变化，通过对多个点进行拟合，就能得到这一非球面的曲面面型。
在一些实施例中，非球面的曲面面型可以通过非球面的矢高与非球面在该矢高所对应的口径之间的函数表示。在一些实施例中，非球面的曲面面型公式为：
Figure BDA0004016998070000081
其中，c是曲面面型的近轴球面曲率半径R的倒数(即c＝1/R)；k是二次曲线系数；r是非球面的口径；α1，α2……α8是非球面系数；z是非球面的矢高。参见附图4，其中，原点O可以表示非球面曲面面型的中心点，点A可以表示非球面曲面面型上的任意一点，则图中zA是点A的矢高，rA是点A的非球面的口径。在一些实施例中，非球面的口径r的最大值略比光纤的半径大0.02～0.1mm。
在一些实施例中，非球面的曲面面型可以通过非球面的矢高与非球面在该矢高所对应的口径之间的函数表示。在一些实施例中，非球面系数α1，α2……α8均等于0，因此非球面的曲面面型公式可以为：
Figure BDA0004016998070000082
在一些实施例中，通过设计公式1或公式2中的二次曲线系数k即可设计非球面的曲面面型。在一些实施例中，二次曲线系数k至少基于模组前端装置100的材料的折射率确定。在一些实施例中，二次曲线系数k值可以为-2.8～-3.5。该二次曲线系数k值可以根据需要扩大的出射角度的大小以及所选用的材料来计算和模拟得出。例如，模组前端装置100的材料为聚碳酸酯材料(简称PC)，光束经过光束扩散部104后的出射角度为120°，则非球面的二次曲线系数k为-2.8～-3.5，优选地，k为-3.17。
在一些实施例中，为了进一步提高光束扩散部104对光束的均光性，可以设置非球面曲面面型的近轴球面曲率半径R在合适的范围内。在一些实施例中，光纤的光束经过光束扩散部后，射出的光束所形成的照射光斑中，在同等照度下的直径范围至少基于所述非球面曲面的曲面面型的近轴球面曲率半径R确定。近轴球面曲率半径R是指光轴无限小区域内的球面半径。在一些实施例中，基于不同的光纤材质、光纤直径、光纤原始出射角、平凹透镜和被照明目标的距离、有效照明区域等，来确定近轴球面曲率半径R的取值。
二次曲线系数k主要决定了光纤射出的光线经过平凹透镜后的光纤扩散角度的大小，近轴球面曲率半径R主要决定经过平凹透镜后的出射光线的亮度均匀性。在一些实施例中，二次曲线系数k和近轴球面曲率半径R可以通过计算和模拟同时确定。在一些实施例中，二次曲线系数k和近轴球面曲率半径R的确定过程可以包括以下步骤：(1)基于安装在光纤安装通道102内的光纤的光谱建立光纤的等效光源模型。(2)基于光束扩散部104材料的折射率建立透镜模型，其中，透镜模型为平凹透镜模型，平凹透镜的凹面朝向等效光源，平面朝向被照明物体。(3)基于光束经过平凹透镜后的目标扩散角度和目标照明均匀性，确定目标函数，并基于所述目标函数确定二次曲线系数k和近轴球面曲率半径R。需要说明的是，上述步骤不必严格按照顺序执行，例如，步骤(1)和(2)的顺序可以互换。
在一些实施例中，非球面的曲面面型满足以下条件式2：
Figure BDA0004016998070000091
其中，rA-max是非球面的最大光学有效口径。在本实施例中，非球面的最大光学有效口径为非球面上靠近安装在光纤安装通道102内的光纤的一端的口径，该最大光学有效口径在数值上等于安装在光纤安装通道102内的光纤的口径，即数值上rA-max＝Df。zA-max是非球面的最大光学有效口径rA-max对应的矢高。
在一些实施例中，光束扩散部104的非球面的曲面面型满足条件式1和条件式2时，不仅保证了经过光束扩散部104后出射的光束照明范围扩大，又保证了光束照射均匀，具体参见下文表1部分。
图10根据本说明书一些实施例所示的光纤前端未安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图；图11是根据本说明书一些实施例所示的光纤前端安装光束扩散部时，出射光束的照度分布模拟图。图中，纵坐标是照度，单位是勒斯，横坐标是照明视场的半径，单位是毫米。在一些实施例中，通过观测从光束扩散部104射出的光束在目标区域形成的光斑的有效照明区域的直径即可衡量光束的扩散程度。有效照明区域，是指光纤射出的光束经过平凹透镜后所能照射的有效范围。该有效照明区域，与光束经过光束扩散部的折射后射出的出射角度，以及平凹透镜和被照明目标的距离相关。在一些实施例中，被照明目标(例如，手术中需要被照明的人体器官)与平凹透镜之间的距离是一个定值。在一些实施例中，光纤为高分子光纤，被照明目标与平凹透镜之间的距离是7mm，参见图10，原始光纤出射的光线在照度为100lux时，对应的有效照明区域c的直径为7.6mm。光线在照度为100lux以下时，由于光照过低可以认为是无效光照范围。参见图11，光纤的光束经过光束扩散部104的折射后扩散角度增加，使得出射的光线在照度为100lux时，对应的有效照明区域c’的直径为20.5mm。因此，光束扩散部104的设计，可以使光纤发出的光束经过光束扩散部104的折射后，有效的增大光束的扩散角度，实现了光线有效照明范围的增大，以保证光线有效照明范围大于成像模组的视场范围。
在一些实施例中，通过观测从光束扩散部104射出的光束在目标区域形成的光斑的峰值照度区域和/或半峰值照度区域的直径即可衡量光束的照明均匀性，从光束扩散部104射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域和/或半峰值照度区域的直径增大，则光束经过光束扩散部104后的照明均匀性提高。峰值照度区域，是指光束照度大于等于光束照度峰值95％的光照区域，参见图10中的a以及图11中的a’。半峰值照度区域，是指光束照度大于等于光束照度峰值50％的光照区域，参见图10中的b以及图11中的b’。
在一些实施例中，安装在光纤安装通道102内的光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域的直径比值大于或等于1.5。
在一些实施例中，安装在光纤安装通道102内的光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，半峰值照度区域的直径比值大于或等于1.2。
对比图10和图11，在图10(光纤未安装光束扩散部)中，在照度曲线的峰值处的照度值会很高，峰值区域集中在了照明范围的峰值照度区域，导致视场的中间区域照度值很高(达到了50000勒斯)，因此中间集中的一点非常亮，当成像模组进行拍摄时，成像模组在进行曝光自动调整时，会根据照明区域中间部分的亮度降低拍摄亮度，从而导致整个视场范围内的拍摄亮度降低，进而导致整个照明区域的成像不清晰。光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域的直径比值大于或等于1.5，即视场范围的中间区域明显增大，且整体照度值降低(约22000勒斯)。在一些实施例中，对比图10和图11，在图11(光纤前安装光束扩散部104)中，原始光束的峰值照度区域的直径a可以是1.4mm，经过光束扩散部104折射后光束的峰值照度区域的直径a’可以是2.6mm。光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域的直径比值为1.857。因此，在成像模组对人体组织成像时，视场中间比较大的一个范围的亮度都是比较均匀的，且照度低于未设置光束扩散部104时照度的峰值，因此，当成像模组进行拍摄时，整体拍摄亮度不需要进行较大的降低即可进行拍摄。
在一些实施例中，光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，半峰值照度区域的直径比值大于或等于1.1。在一些实施例中，参见图11，原始光束的半峰值照度区域的直径b可以是5mm，经过光束扩散部104折射后光束的半峰值照度区域的直径b’可以是8.4mm，因此光纤发出的光束经过光束扩散部104后，射出的光束与射入时的光束相比，半峰值照度区域的直径比值为1.68。
上述实施例中所提到的折射后的峰值照度区域直径a’、半峰值照度区域直径b’的大小可以用来表征从光束扩散部104出射的光线的均匀性。另一方面，参见图11，设置光束扩散部104后相同半径的视场范围内的照明亮度随视场半径的变化较小，因此，有利于减小非峰值区域与峰值区域的亮度差异，进一步提高成像效果。因此，通过设置光束扩散部104，可以起到均匀光束的效果，使成像模组能拍到清晰的图像。
在一些实施例中，模组前端装置100(即包括光束扩散部104在内的整个模组前端装置)为同一种材料制成，采用一体成型工艺加工而成。由于该模组前端装置体积较小，如果用分体生产再粘合的技术，相对来说要更加耗费成本，因此本说明书所述的模组前端装置100根据材料特性来选择一体成型工艺加工，来减少生产成本、提高产量。一体成型的模组前端装置无需镶嵌光束扩散部，无需粘接，没有缝隙，彻底杜绝消毒不安全的隐患，同时还能避免光束扩散部脱落的风险。
在一些实施例中，模组前端装置100可以是透明材料。优选的，模组前端装置100采用高透明材料。在一些实施例中，高透明材料可以是光束透过该材料时，光束的能量损失小于5％的材料。在一些实施例中，模组前端装置100可以采用聚碳酸酯材料(简称PC)。聚碳酸酯材料，是一种无色透明的无定性热塑性材料，耐冲击性能好，透明度高，加工性能好。
在一些实施例中，模组前端装置100也可以采用聚苯乙烯材料(简称PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)等。聚苯乙烯材料，是一种热塑性树脂，流动性好，加工性能好，易着色，尺寸稳定性好，可用注塑、挤塑、吹塑、发泡、热成型、粘接、涂覆、焊接、机加工、印刷等方法加工成各种制件，特别适用于注射成型。聚甲基丙烯酸甲酯，是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。
相对于分体结构，采用物美价廉的材料和一体成型工艺来生产模组前端装置100，使得模组前端装置100具有更紧凑的结构，相匹配的内窥镜模组10的结构也可以做的更小。同时一体注塑加工可以更好的保证产品的密封性，以及减少组装成本和物料成本。例如，本说明书所述的模组前端装置100，采用聚碳酸酯材料(简称PC)一体注塑成型，根据开模费、材料费和人工费计算下来成本大约为0.03～0.1元/个。目前市面上的模组前端装置，一般需要镶嵌一片玻璃材质的光束扩散部(俗称“玻璃散光镜片”)，例如杭州好克光电仪器有限公司生产的直径为0.8mm规格的玻璃散光镜片，按3000个起订量来算单价大约在100～160元/个。该玻璃散光镜片尺寸小、精度高，则与之相匹配的模组前端装置也需要高精度，玻璃散光镜片还需要粘接组装在模组前端装置上，精度越高组装难度越高，组装的人工成本也高，且由于玻璃散光镜片成本高，在内窥镜使用时需要对玻璃散光镜片反复消毒使之循环使用。本说明书所述的模组前端装置，其成本相对于玻璃散光镜片成本可降低1000～3000倍，生产成本低至可以作为一次性医疗用品，使得本说明书所述的模组前端装置100可以在医疗领域广泛应用。
在一些实施例中，参见图2，光纤安装通道102包括第一部分121和第二部分122，第一部分121通过第二部分122与成像模组安装通道101连通，使得光纤安装通道102和成像模组安装通道101形成一个连通的腔体。该结构设计是为了提高用来生产模组前端装置的注塑模型的使用寿命。因为，如果光纤安装通道102的截面呈圆形(与安装在其内部的光纤500的外径尺寸相匹配)，则光纤安装通道102呈圆柱状的长条空腔。例如，选用的光纤500的直径可以是0.5mm，则光纤安装通道102可以是内径略大于0.5mm的圆柱状的长条空腔。当进行上述实施例中一体注塑成型的模组前端装置100的注塑生产时，该光纤安装通道102内需要安装一根形状匹配的长条钢棒占据这个空间(即型腔填充物)，使得融化的塑胶不能够进入到这个空腔内，最终产品冷却成型后才能形成圆柱状的长条空腔作为光纤安装通道102。当使用直径为0.5mm的长条钢棒作为光纤安装通道102的型腔填充物时，由于钢棒材质非常坚硬，且尺寸又非常小，在注塑生产过程中，融化的塑胶液体以一个非常快的速度注射进模具型腔内时，会对钢棒产生很大的冲击，容易导致钢棒的损坏。注塑生产过程中，钢棒损坏就需要停止注塑生产，进行钢棒更换，会严重降低生产效率。
在选用同材质的型腔填充物(例如，钢料)时，材质本身的强度无法更改，因此，在上述实施例中，采用增加型腔填充物的体积，来增加型腔填充物的强度。因此，在一些实施例中，可以对模组前端装置100的光纤安装通道102周边没有功能的区域进行结构优化，使光纤安装通道102的体积增大，且与成像模组安装通道101相连通。
在一些实施例中，参见图2，第一部分121呈半圆形截面，第二部分122呈方形截面。该结构设计，使得在注塑生产过程中，光纤安装通道102和成像模组安装通道101内可以采用一体的型腔填充物(即光纤安装通道102内的型腔填充物型腔填充物和成像模组安装通道101内的型腔填充物设计成一个整体的钢料)，有效增加了型腔填充物的强度，明显提高了注塑模具的使用寿命，进而提高了模组前端装置100注塑生产的效率。
在一些实施例中，光纤安装通道102可以是一个，用以安装一组光纤500。在一些实施例中，光纤安装通道102也可以是多个，可以同时安装多组光纤500。在一些实施例中，光纤安装通道102的数量可以与光纤500的数量相同。在一些实施例中，模组前端装置100包括多个光纤安装通道102，多个光纤安装通道102分布在成像模组安装通道101的周围，使用多组光纤500能使照明区域增大。成像模组安装通道101、器械通道103和光纤安装通道102的排布情况，可以根据不同手术的具体需求来对模组前端装置100进行设计，在此不做限定。
在一些实施例中，参见图2-图3，模组前端装置100可以包括两个光纤安装通道102，可以安装两组光纤500。两个光纤安装通道102轴对称设置在成像模组安装通道101的两侧。例如，两个光纤安装通道102可以左右对称设置在成像模组安装通道101的两侧。由于模组前端装置100整体结构较小，又要开设成像模组安装通道101和/或器械通道103等通道，只能在模组前端装置100的有限空间结构上设置多个光纤安装通道102，且还要保证成像效果(即不仅要保证照明范围足够大，又要保证光束均匀)，因此在成像模组安装通道101的两侧轴对称设置两个光纤安装通道102是较优的布局。参见图12，模组前端装置100的两个光纤安装通道102轴对称设置在成像模组安装通道101的两侧。成像模组安装通道101内用以安装成像模组，成像模组的摄像焦点位于成像模组安装通道101的轴线上。两个光纤安装通道102内用以安装两组光纤，两组光纤发出的光束从模组前端装置100射出时，在成像模组安装通道101的前方具有光束重叠区域，可以增加重叠区域的光照强度，可以有效提高成像清晰。在一些实施例中，模组前端装置100也可以只设一个光纤安装通道102，但是一组光纤出射的光束照明区域的中心与成像模组的摄像焦点具有位置偏差(即摄像焦点在照明区域中较暗的位置)，会导致成像不清晰。在一些实施例中，模组前端装置100也可以在成像模组安装通道101的四周均匀分布四个光纤安装通道102，虽然四组光纤出射的光束照明区域可能可以保证照明范围足够大，且成像模组的摄像焦点处的亮度足够，但是四个光纤安装通道102会导致整个模组前端装置100的结构体积变大，而在医疗领域中，模组前端装置100的体积越小越好。因此，在模组前端装置100上两个光纤安装通道102的设计是较优的方案。
在一些实施例中，所述光束扩散部104的内侧面为光滑面。在一些实施例中，所述光束扩散部104的外侧面为漫射面。这里所说的光滑面和漫射面是一个相对的概念，漫射面是指对光线发生不规则反射(如反射方向不同)的平面，光滑面是指对光线发生规则反射(如反射方向相同)的平面。内侧面的设置为比较平整光洁的光滑面，是为了减少光束到达外侧面时由于反射产生的损失，保证光束折射效果。外侧面设置为漫射面，可以通过设置例如雾面或磨砂面获得，其表面粗糙，光束经过漫射面射出会发生光束的漫射，从而改变少部分光束的传播方向而达到均光的目的。例如，图12中两组光纤发出的光束会成像模组安装通道101的前方形成光束重叠区域，有可能会出现重叠区域亮度过高，而漫射面的设计，可以进一步提升出射的光束的照明均匀性。
在一些实施例中，光束扩散部104也可以不设置漫射面，而是通过上述实施例中非球面的曲面特性对光束进行扩散而达到均匀光线的目的。不设置漫反射面，可以尽可能地保留光通量，确保关照亮度足够。
本说明中的光学扩散部104以及使用光纤时的实验参数表(表1)如下：
Figure BDA0004016998070000141
上述表1中，仅作为示例，提供了本说明书一些实施例的光束扩散部的五组实验参数(实验1、实验2、实验3、实验4和实验5)。另外，表1中还提供了一组不满足条件式2的光束扩散部的实验参数(实验6)，以及，一组不满足条件式1的光束扩散部的实验参数(实验7)。表1中，材质、光纤的口径Df、
Figure BDA0004016998070000142
以及被照目标和光学扩散部之间的距离是本说明书实施例的光束扩散部的光学参数。出射角度和有效照明区域的直径的数值，可以用于说明光纤经过光束扩散部的折射后实现了光束照明范围扩大的效果。射出与射入时的光束峰值照度区域的直径比值、射出与射入时的光束半峰值照度区域的直径比值，可以用于衡量光束的照明均匀性。从实验1、实验2、实验3、实验4和实验5的五组实验参数可以看出，光束扩散部104的非球面的曲面面型同时满足条件式1和条件式2时，根据表1中出射角度和有效照明区域的直径可以满足光纤发出的光束经过光束扩散部的折射后出射角度增大，根据表1中射出与射入时的光束峰值照度区域的直径比值和射出与射入时的光束半峰值照度区域的直径比值可以满足光束照射均匀，即不仅可以保证经过光束扩散部104后出射的光束照明范围扩大，又可以保证光束照射均匀。从实验6的实验参数可以看出，当实验6的光学扩散部的
Figure BDA0004016998070000143
(即不满足条件式2)时，出射角度和有效照明区域的直径都较小，则说明光束照明扩大的效果较差，同时射出与射入时的光束峰值照度区域的直径比值和射出与射入时的光束半峰值照度区域的直径比值也较小，则说明光束照射均匀效果差。从实验7的实验参数可以看出，当实验7的光学扩散部的
Figure BDA0004016998070000151
(即不满足条件式1)时，虽然出射角度和有效照明区域的直径较好，则说明光束照明扩大的效果较好，但是射出与射入时的光束峰值照度区域的直径比值和射出与射入时的光束半峰值照度区域的直径比值较小，则说明光束照射均匀效果差。因此，在一些实施例中，同时满足条件式1和条件式2的光束扩散部104(例如，实验1、实验2、实验3、实验4和实验5)，为本说明书中较优的实施例。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
同理，应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本说明书一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
最后，应当理解的是，本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则。其他的变形也可能属于本说明书的范围。因此，作为示例而非限制，本说明书实施例的替代配置可视为与本说明书的教导一致。相应地，本说明书的实施例不仅限于本说明书明确介绍和描述的实施例。

Claims (14)

1.一种内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于，包括：成像模组安装通道、器械通道、光纤安装通道和光束扩散部；
所述光束扩散部设置在所述光纤安装通道的前端，所述光束扩散部构成凹透镜；
所述光纤安装通道内安装的光纤发出的光束经过所述光束扩散部的折射后，出射角度增大；
所述光束扩散部满足以下条件式：
Figure FDA0004016998060000011
其中，EFL是所述光束扩散部的光学有效焦距，Df是所述光纤的口径。
2.如权利要求1所述的模组前端装置，其特征在于，所述光束扩散部靠近所述光纤安装通道的内侧面为凹面，所述光束扩散部远离所述光纤安装通道的外侧面为平面。
3.如权利要求2所述的模组前端装置，其特征在于，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束从所述凹面进入所述光束扩散部，并在所述凹面发生第一折射后射向所述平面，在所述平面发生第二折射后射出所述光束扩散部；所述光束在经过第一次折射和第二次折射后的扩散角度大于每次折射前的扩散角度。
4.如权利要求1所述的模组前端装置，其特征在于，所述凹面为非球面曲面；所述非球面曲面面型满足以下条件式：
Figure FDA0004016998060000012
其中，rA-max是非球面的最大光学有效口径；zA-max是非球面的最大光学有效口径rA-max对应的矢高。
5.如权利要求4所述的模组前端装置，其特征在于，所述非球面曲面的曲面面型的二次曲线系数k至少基于所述光束扩散部的材料折射率确定。
6.如权利要求5所述的模组前端装置，其特征在于，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，射出的光束与射入时的光束相比，峰值照度区域的直径比值大于或等于1.5。
7.如权利要求6所述的模组前端装置，其特征在于，安装在所述光纤安装通道内的光纤发出的光束经过所述光束扩散部后，射出的光束与射入时的光束相比，半峰值照度区域的直径比值大于或等于1.2。
8.如权利要求7所述的模组前端装置，其特征在于，所述光束经过所述光束扩散部后，射出的光束的所述峰值照度区域和/或所述半峰值照度区域的直径至少基于所述非球面曲面的曲面面型的近轴球面曲率半径R确定。
9.如权利要求1所述的模组前端装置，其特征在于，所述模组前端装置采用一体成型加工而成。
10.如权利要求9所述的模组前端装置，其特征在于，所述模组前端装置采用透明材料，所述透明材料包括聚碳酸酯材料、聚苯乙烯材料或聚甲基丙烯酸甲酯。
11.如权利要求9所述的模组前端装置，其特征在于，所述光纤安装通道包括第一部分和第二部分，所述第一部分通过所述第二部分与所述成像模组安装通道连通。
12.如权利要求11所述的模组前端装置，其特征在于，所述第一部分呈半圆形截面，所述第二部分呈方形截面。
13.如权利要求9所述的模组前端装置，其特征在于，所述模组前端装置包括两个光纤安装通道，两个光纤安装通道轴对称分布在所述成像模组安装通道的两侧。
14.如权利要求1-13中任一项所述的内窥镜模组的模组前端装置，其特征在于：所述光束扩散部的内侧面为光滑面；所述光束扩散部的外侧面为漫射面。
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