CN117331210A - 用于内窥镜的远端部分的分束装置、物镜***和内窥镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内窥镜的远端部分的分束装置，其中该分束装置包括具有第一入口表面、第一内入射表面和第一出口表面的第一棱镜以及具有第二入口表面和第二出口表面的第二棱镜以及二向色分束层，其中第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面相邻，并且二向色分束层被布置在该相邻表面之间，使得包括第一和第二光谱区的入射光束被第一棱镜的第一内入射表面反射，入射到第一棱镜的第一出口表面上，并且被二向色分束层***成第一光谱区的第一光束和第二光谱区的第二光束，以便并行地由第一图像传感器捕获第一光谱区的独立图像并由第二图像传感器捕获第二光谱区的独立图像。此外，本发明涉及一种物镜***和内窥镜。

Description

用于内窥镜的远端部分的分束装置、物镜***和内窥镜
技术领域
本发明涉及一种用于内窥镜的远端部分的分光装置，其中该分光装置包括具有第一入口表面、第一内入射表面和第一出口表面的第一棱镜，具有第二入口表面和第二出口表面的第二棱镜，以及二向色分束层，并且用于捕获第一光谱区的光的至少第一图像传感器和用于捕获第二光谱区的光的至少第二图像传感器能够分配给该分束装置，其中第一光谱区和第二光谱区至少部分地彼此不同。此外，本发明涉及一种物镜***和一种内窥镜。
背景技术
用于医学和非医学应用的内窥镜可以同时利用白光成像和荧光成像。旨在用于工业用途而非医学用途的内窥镜器械通常被称为管道镜。由于本发明涉及医学内窥镜和管道镜两者，因此术语“内窥镜”总体上被用于包括这两种器械。能够用单个光路和仅单个图像传感器捕获白光图像和荧光图像的传统内窥镜通过用交错的白光和激发照明收集交替帧来做到这一点。这样的***布置导致帧速率显著低于仅使用可见白光的***的帧速率，通常最多达到仅白光***的帧速率的一半。除了白光帧和荧光帧之间必要的快门操作之外，荧光帧的灵敏度还受到沿着单个共享光路的几个光学元件的限制，这通常导致不能相对于另一个信号衰减一个信号。图像处理随后分析来自交替帧的图像并将其组合成具有低的总体帧速率的荧光/白光叠加。与单个白光图像相比，该技术导致荧光范围内的较低灵敏度以及叠加图像的降低的亮度和分辨率。
替代方案是在内窥镜中放置两个完整的物镜***，用于独立地捕获白光图像和荧光图像，而不是仅使用一个图像传感器、对帧进行快门操作并将白光图像和荧光图像叠加。然而，由于并行的两个物镜***的空间要求，更不用说增加的定向复杂性，这对于芯片在尖端上的(chip-on-the-tip，COTT)内窥镜来说不是可行的解决方案，其中相应的一个或多个电子图像传感器被布置在远端部分中，例如内窥镜的窄轴的尖端上。
US 2012/0248333 A1公开了一种用于荧光诊断的装置，其可以同时在荧光模式和白光模式下进行操作，并且包括具有用于接收白光图像的第一图像传感器和用于接收荧光图像的第二图像传感器的相机，其中该相机可以被连接到内窥镜的近端，或者被布置在内窥镜的轴的远端部分中。该相机包括分束器，该分束器直接在分束器的第一棱镜与第二棱镜之间的界面上将观察路径划分为第一子路径和第二子路径。用于阻挡与第二图像传感器相关联的荧光之外的光谱范围内的光以捕获荧光的观察光谱滤光片可以被布置在两个棱镜之间的界面中，第二棱镜用作将荧光引导到第二图像传感器的荧光路径。相反，白光在与第一子路径的界面处被反射并被引导到第一图像传感器。由于在两个棱镜之间的界面处立即且直接地分开，两个棱镜在其长度和高度上具有相同的物理尺寸，并且分束器具有正方形设计，通过该正方形设计，第二图像传感器被布置为垂直于光路和第一图像传感器。
EP 3 346 897 B1描述了一种可连接到显微镜***或作为相机头连接到内窥镜***的医学成像装置，该医学成像装置包括具有二向色膜的分色棱镜，该分色棱镜被配置为将入射光分为具有可见光波长频段的第一光和具有荧光波长频段的第二光。该分色棱镜包括第一棱镜和第二棱镜，其中进入第一棱镜的入射光被第一棱镜与第二棱镜之间的界面处的二向色膜立即且直接地分开。由二向色膜分出的可见光在第一棱镜内被反射，并在第一棱镜的反射表面处被再次反射，从而被引导到位于第一棱镜外部的用于捕获可见光的第一图像传感器。第二棱镜起到荧光光路的作用，将已穿过二向色膜的荧光传送到第二荧光图像传感器。第二荧光图像传感器的位置可以沿着光路相对于第二棱镜移动，以调节可见光光路和荧光光路的相对光路长度。在该分色棱镜中，第二棱镜的出射侧和荧光图像传感器被布置为垂直于光轴，并且由于可见光在朝向入射光的反射表面处的全反射条件，第一棱镜和第二棱镜中的每一个的最长侧被布置为彼此垂直。因此，分色棱镜在沿着光路的纵向方向上以及在其高度上都是消耗空间的，因此不适合布置在内窥镜的窄轴中。
发明内容
本发明的目的是改进已知的现有技术。
该问题通过一种用于内窥镜的远端部分的分束装置来解决，其中该分束装置包括具有第一入口表面、第一内入射表面和第一出口表面的第一棱镜、具有第二入口表面和第二出口表面的第二棱镜以及二向色分束层，并且用于捕获第一光谱区的光的至少第一图像传感器和用于捕获第二光谱区的光的至少第二图像传感器能够分配给分束装置，其中第一光谱区和第二光谱区至少部分地彼此不同，并且第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面相邻，并且二向色分束层被布置在该相邻表面之间，使得包括第一光谱区和第二光谱区的入射光束被第一棱镜的第一内入射表面反射，入射到第一棱镜的第一出口表面上，并被二向色分束层***成第一光谱区的第一光束和第二光谱区的第二光束，以便并行地由第一图像传感器捕获第一光谱区的独立图像且由第二图像传感器捕获第二光谱区的独立图像。
于是，为芯片在尖端上的内窥镜提供了二向色分束器，以使得能够通过两个独立的图像传感器同时捕获两个不同光谱区的图像。因此，与采用单个光路的现有技术的内窥镜相比，可以实现各个光谱区的所捕获图像的总体帧速率、各自灵敏度和亮度的增加。由于分束装置的特定设计，即将第一棱镜的第一内入射表面、第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面布置成与第一棱镜的第一出口表面相邻，并且将二向色分束层布置在这些相邻表面之间，提供了一种节省空间的分束装置，其足够小以布置在内窥镜的远端部分和/或远侧尖端中。
此外，由于分束装置的几何形状和节省空间的设计，通过引入仅存在于每个相应路径中的另外的光学元件和/或涂层，能够实现相对光束路径的优化。由此，可以优化所定义的光谱区的灵敏度和图像亮度，而不必影响其他光谱区的光学参数。
本发明的主要思想之一是分束装置的特殊设计，其中第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面作为相邻表面，并且二向色分束层被布置在这些相邻表面之间和/或相邻表面的一个表面上。不同于已知的分束棱镜，在其中在进入第一棱镜之后，入射光被安置在第一棱镜的第一出口表面上且刚好在两个棱镜之间的界面上游处的二向色涂层立即且直接地***，而在本发明的分束装置中，包括第一和第二光谱区的入射光束首先被第一棱镜的第一内入射表面反射、进一步通过并入射到第一棱镜的第一出口表面上，之后这些反射的入射光束被二向色分束层***成第一光谱区的第一光束和第二光谱区的第二光束。于是，实现了第一棱镜和第二棱镜以及整个分束装置的节省空间的几何形状，从而允许分束装置和/或可分配的图像传感器在纵向和径向方向上容易地装配在内窥镜的轴内部，并且使得能够同时在第一光谱区和第二光谱区中捕获独立的图像，每个图像由单独的专用图像传感器提供，从而提高图像质量。
每个第一和第二棱镜的几何形状以及分束装置的几何形状可以被更灵活地设计，因为在入射光束的行进方向上，在行进穿过第一入口表面之后，入射光束不会在相同行进方向上被第一棱镜和第二棱镜之间的界面直接***，而是首先被第一内入射表面反射并朝向第一棱镜的第一出口表面通过，然后才被布置在第一棱镜的第一出口表面与第二棱镜的第二入口表面之间的二向色分束层***成具有不同光谱区的两个光束。因此，可以更灵活地选择第一棱镜和第二棱镜的物理尺寸以及第一图像传感器和第二图像传感器的局部布置，从而可以更容易地适应每个特定轴直径的限制和轴内部的可用空间。
如根据本公开所使用，除非另有说明，否则以下术语应理解为具有以下含义。
特别地，“分束装置”是一种将光束分成两束的光学装置。分束装置特别用于将入射光束以特定比率分成两个独立的光束，并由此分成第一光谱区的第一光束和第二光谱区的第二光束。优选地，分束装置有效地***入射光，使得几乎在实际中，100％的反射光属于第一光谱区，而100％的透射光属于第二光谱区。在这方面，要强调的是，术语“第一”和“第二”仅用于区分，而不是用于某种序列，因此，反之亦然，第一光谱区的第一光束也可以透射通过相邻表面并穿过第二棱镜，并且第二光谱区的第二光束可以被二向色分束层反射并穿过第一棱镜并通过第一内入射表面离开第一棱镜。该分束装置特别是具有两个棱镜的二向色分束器，其将光分成不同波长或波长范围的两个光束，并因此分为不同的光谱区。因此，该分束装置包括布置在两个棱镜的相邻表面和/或第一棱镜的出口表面和/或第二棱镜的第二入口表面之间的二向色分束层。与本领域已知的分束器相比，该分束装置不包括两个三角棱镜，这两个三角棱镜在它们的基部处组合，因此在每个三角形的最长边处组合。相反，在本发明的分束装置中，第一棱镜的第一出口表面(特别是第一棱镜的第二长边)被布置为与第二棱镜的第二入口表面相邻，并因此与第二棱镜的基部相邻。因此，本发明的分束装置不具有立方体形状。由此，通过二向色分束层在相邻表面处被反射的第一光谱区的第一光束和透射穿过二向色分束层并进一步透射穿过第二棱镜的第二光谱区的第二光束可以在各自棱镜内具有不同的光路。分束装置的第一棱镜首先通过在其第一内入射表面上反射入射光束而充当入射光束及其所包括的第一光谱区和第二光谱区的光束的公共光路，并且仅在被二向色分束层***之后，the
第一棱镜还充当第一光谱区的反射的第一光束的光路，该反射的第一光束将入射到第一内入射表面上并通过第一内入射表面离开第一棱镜以便由可分配的第一图像传感器捕获。因此，第二棱镜仅用作第二光谱区的透射的第二光束的光路。
特别地，“棱镜”被理解为几何体棱镜形式的部件。棱镜可以用于不同的光学效果。棱镜的光学性质尤其取决于三角形的角和/或光学有效棱镜表面相对于彼此的位置以及材料的折射率。特别地，第一棱镜和第二棱镜包括玻璃，并且第一棱镜和第二棱镜的玻璃被选择为具有相同或几乎相同的折射率。在与入射光的行进方向平行的截面图中并且在纵向截面中，第一棱镜和第二棱镜各自具有基本上三角形的形状。特别地，“基本上三角形”是指棱镜的三角形的三个角并非都必须是锐角。三角形的一个或多个角也可以被形成为钝角或修剪角，因此不是完全成角度的。因此，代替角度(angle)，可以在截面和/或纵向截面中存在具有彼此之间的边的两个拐角(corner)。优选地，第一棱镜不包含直角，而第二棱镜可以在纵向截面中包含直角。当然，代替棱镜的拐角或钝边中的角度，拐角可以是弯曲的或不同的形状。
特别地，第一棱镜的“第一入口表面”是第一棱镜的表面，包括第一和第二光谱区的入射光束(射入光束)通过该表面进入第一棱镜。第一棱镜的第一入口表面的区域可以用作入口孔径，并且入射光束的有效直径之外的区域可以被制成对入射光不透明。优选地，入射光束仅通过第一棱镜的第一入口表面进入分束装置。指向入射光束的第二棱镜的相应表面尤其对于入射光束是不透射的。因此，第一棱镜的第一入口表面和第二棱镜的非光束通过表面的区域可以涂覆有不透明物质，例如黑色涂料，以避免任何杂散光或不想要的光进入其中。
特别地，第一棱镜的“第一内入射表面”是第一棱镜的基部，并且因此是第一棱镜的最长边。特别地，第一内入射表面被布置在入射光束的行进方向上，使得在通过第一入口表面进入第一棱镜之后，入射在第一内入射表面上的入射光束被第一内入射表面朝向两个棱镜的相邻表面以及其间的二向色分束层反射。在首次入射到第一内入射表面上时，该表面特别地用作所有光谱区的第一反射表面，并且仅在该反射之后，由二向色分束层进行***。在分束之后，由二向色分束层反射的第一光谱区的第一光束可以入射到第一内入射表面上并穿过第一内入射表面。因此，第一内入射表面特别是在两个光谱区的第一共同入射的情况下为全内反射(TIR)表面，并且在仅由第一光谱区的反射光束进行的第二入射的情况下为透射表面。
特别地，第一棱镜的“第一出口表面”是第一棱镜的与第二棱镜的第二入口表面相邻的表面。在纵向截面中，第一出口表面特别是第一棱镜的底侧，由此第一棱镜被布置在第二棱镜上方。
第二棱镜的纵截面优选为直角三角形，其中直角被布置在与第二入口侧相对的第二棱镜的底部。特别地，第二棱镜的“第二入口侧”是第二棱镜的最长侧，因此是直角三角形斜边。特别地，“第二出口表面”是基本上平行于入射光束的行进方向和/或光轴布置的第二棱镜的表面。
关于术语“相邻”，应当理解的是，第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面被布置为彼此邻近和/或邻接。然而，第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入射表面不必彼此直接接触。因此，“相邻”也意味着光束首先穿过第一棱镜的第一出口表面，然后穿过第二棱镜的第二入口表面。因此，具有布置在其间的二向色分束层的两个相邻表面可以直接地或间接地彼此邻近布置。在后一种情况下，相邻表面可以通过另一种材料、空气间隙和/或其他元件分开。
通常，第一棱镜和第二棱镜以及分束装置的几何形状可以在纵截面和/或横截面中的相应侧面的长度、在第一棱镜和第二棱镜的单个表面的区域中以及在纵截面和/或横截面中的相应表面的各侧边之间的内角上变化，只要实现第一棱镜和第二棱镜的所述和所需的功能以及由此实现分束装置的整体性能即可。重要的是，分束装置的每个棱镜的光束角度应如此布置，使得从第一出口表面反射回第一棱镜内的光将以接近90°的角度入射到第一内入射表面上。考虑到这一点，可以选择其余角度。在一个这样的示例中，在纵截面中，第一棱镜的第一入口表面和第一内入射表面之间的内角可以是45°。第一棱镜的第一入口表面和第一出口表面之间的内角可以是112.5°。垂直于入射光束并由此从第一棱镜的第一入口表面向下延伸的第二棱镜的表面的内角可以是90°，并且第二入口表面与第二出口表面之间的内角在纵截面中可以是23°。由于这种棱镜几何形状，未透射通过第一棱镜的第一出口表面的光束以大约45°的角度反射，因此根据需要以大约90°的角度入射到第一棱镜的第一内入射表面上，从而使其透射通过。因此，许多棱镜设计是可能的，其中进入第一棱镜的光首先从第一内入射表面反射，然后在第一出口表面处反射之后穿过该第一棱镜。
“内角”是指由位于各个棱镜内部的两个相邻边所围成的角度。棱镜的拐角形成内角的顶点。
特别地，“二向色分束层”是根据光的波长选择性地反射或透射光的薄层。该二向色分束层被选择为使得入射光被分成第一光谱区的第一光束和第二光谱区的第二光束。二向色分束层可以是施加到第一棱镜的第一出口表面的涂层。在某些实施例中，分束层可以是施加到第一棱镜的第一出口表面的涂层和施加到第二棱镜的第二入口表面的涂层。棱镜的相邻表面以及相关的一个或多个涂层可以通过光学胶合剂来粘合。这些带涂层的表面和光学胶合剂的组合由此可以起到二向色滤光片的作用。特别地，术语“二向色分束层布置在相邻表面之间”是指二向色分束层和/或涂层布置在两个相邻表面的至少一个表面上。因此，一个二向色分束层可以布置在第一棱镜的第一出口表面上或第二棱镜的第二入口表面上，或者两个二向色分束层可以布置在第一棱镜的第一出口表面上和第二棱镜的第二入口表面上。然而，二向色分束层的精确带通还取决于先前已经被第一棱镜的第一内入射表面反射的入射光的入射角。例如，二向色分束层被选择用于22.5°的入射角(AOI)，以使先前反射的入射光束作为第一光谱区的第一光束被反射回到第一内入射表面。因此，22.5°的选定AOI不是第一光谱区的第一光束的反射的尖锐截止。二向色分束层也可以是介电涂层或二向色镜。二向色分束层可以布置在相邻表面之间或相邻表面之一处，或者空气间隙可以额外布置在相邻表面之间。优选地，在二向色分束层上，第一光束被反射45°，而第二光束被透射并朝向第二棱镜传递。
特别地，“入射角”(AOI)是入射在表面上的光线与在入射点处垂直于该表面的线(称为“法线”)之间的角度。
特别地，“光轴”是这样一条线，即在光学***中存在沿着该线的一定程度的旋转对称性。特别地，光轴是限定入射光束传播通过分束装置前面的物镜***或进入分束装置所沿着的路径的假想线。优选地，光轴穿过透镜***和/或物镜***内的每个光学元件的曲率中心和/或分束装置的第一棱镜的第一入口表面。然而，光轴也可以由透镜、光学元件和/或包括两个棱镜的分束装置弯曲和/或引导。
“内窥镜”(特别是视频内窥镜)是指在细长轴的远端处具有用于数字图像采集并将数据从此处例如传输到内窥镜的近端的装置的内窥镜。该内窥镜包括细长轴和手柄，该细长轴和手柄可彼此连接。在本发明中，至少两个数字图像传感器位于细长轴的远端处，用于图像采集。特别地，视频内窥镜是任何种类的数字内窥镜，例如2D结肠镜或胃肠镜或3D视频内窥镜。特别地，该内窥镜是芯片在尖端上的内窥镜(COTT)。
特别地，“细长轴”是刚性的、半柔性的或柔性的管。特别地，该轴被配置为***到要被内窥镜观察的腔体中，例如人体或动物体的腔体中。在工业应用中，内窥镜或管道镜的轴将被放置在元件(例如管道)中或其他难以直接进入的区域(例如墙后面)。通常，该轴可以具有在4mm至10mm的范围内的外径。除了物镜***和两个或更多个图像传感器之外，该轴还可以包括用于冲洗或穿过工作器械的一个或多个通道(通常称为“工作通道”)，以便在腔体或开口中实现所需效果。该轴可以在其近端处可拆卸地连接到手柄或永久地连接到手柄。细长轴的远端部分是远离使用者的部分，而该轴的近端部分更靠近使用者。
特别地，“图像传感器”的传感器平面在分束装置的图像平面中。第一图像传感器的传感器平面可以被布置成与第一棱镜的第一内入射表面基本上相距一定距离并与之平行，并且第二图像传感器的传感器平面可以被布置成与第二棱镜的第二出口表面相距一定距离并与之基本平行。图像传感器(特别是电子图像传感器)例如可以是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。优选地，电子图像传感器是具有例如全高清分辨率的高清(HD)图像传感器。通常，电子图像传感器被配置为将捕获的图像转换成电图像信号并因此转换成图像数据。特别地，电子图像传感器被布置在远端部分(例如轴的尖端)中，并且通过诸如电线、缆线和/或柔性印刷电路板之类的电传输线将电图像信号从轴的远端传输到其近端。优选地，由电子图像传感器生成的电图像信号被从轴传送到内窥镜的手柄和/或显示***和/或处理单元，以便显示所捕获的图像。可替代地，电图像信号可以被无线传输，其可以直接从远端部分传输，也可以在中继到手柄中容纳的发射器后传输。特别地，分配给分束装置和/或布置在分束装置外部的第一图像传感器和第二图像传感器被布置在内窥镜的远侧尖端或远端部分中。在3D视频内窥镜的情况下，分别平行布置四个图像传感器，每组两个图像传感器从给定的不同视角提供可见光图像和荧光图像。
关于“第一光谱区和第二光谱区至少部分地彼此不同”，应当理解，第一光谱区及其第一波长带和第二波谱区及其第二波长带不包括完全相同的波长。然而，第一光谱区可以完全包括第二光谱区，反之亦然。例如，第一光谱区可以包括400nm至900nm的波长范围，并且第二光谱区可以包括700nm至800nm的波长范围。
在另一个实施例中，分束装置包括第一图像传感器和/或第二图像传感器。
因此，在保持分束装置的紧凑设计的情况下，第一图像传感器可以被布置在第一棱镜的第一内入射表面的外侧，和/或第二图像传感器可以在第二棱镜的第二出口表面的外侧。因此，第一图像传感器和/或第二图像传感器同样可布置在内窥镜的轴的远端部分内。在第一传感器和第二图像传感器的布置中，优选地两个图像传感器相互机械对准和/或数字对准。优选地，用于捕获具有第一光谱区的第一光束和具有第二光谱区的第二光束的两个图像传感器被布置在与分束装置的相应距离处，使得两个路径的光路长度具有相同的值，从而获得第一和第二光束的对焦图像。第一图像传感器和第二图像传感器可以分别包括朝向第一棱镜和第二棱镜的相应表面的盖玻片。
为了由第一棱镜的第一内入射表面立即反射的入射光束的最佳分割，二向色分束层被布置在第一棱镜的第一出口表面上或第二棱镜的第二入口表面上。
在本发明的又一实施例中，具有包括白光的第一照明光谱区和包括激发光的第二激发光谱区的光源可分配给分束装置，使得被照场景内的荧光团发射荧光。
于是，尽管仅使用入射光束的一个光路，但通过分束装置，可以由专用于可见光范围内的白光成像的第一传感器和专用于荧光成像的第二图像传感器同时且独立地收集白光图像和荧光图像。因此，与在白光帧和荧光帧之间进行内窥镜快门操作的传统方式相比，对于芯片在尖端上的内窥镜，可以获得重叠模式下的高总体帧速率和增加的荧光成像灵敏度，同时保持白光亮度。
在一些实施例中，单个照明光谱区将同时包含照明光谱区和激发光谱区。
“白光”(也被称为“可见光”)通常被理解为是指380nm至750nm的光的组合波长，即在紫外区域和红外区域之间，即人眼感知的光谱部分内的电磁辐射。
特别地，“荧光”是由被称为荧光团的物质发出的光，该物质已吸收了光或其他磁辐射。通常用特定的激发波长或波段照射荧光团，从而产生具有特定发射波长或波段的光的发射。通常，发射波长比激发波长更长。例如，在常用的荧光团吲哚菁绿(ICG)的情况下，在IR光谱中，激发波长范围是在600nm至900nm之间，而发射波长范围是在750nm至950nm之间。在通常用于在手术期间光学地限定肿瘤区域的荧光成像中，在用内窥镜进行成像之前，直接用荧光团将生物材料(例如体腔中的组织)染色，或者通过身体或微生物将给药物质转化为荧光团。此外，也可以在没有先前通过荧光团或染料着色的情况下观察到自动荧光。
因此，“荧光”可以指荧光团的激发和/或发射波长或波段。导致荧光团发射荧光的辐射通常被称为“激发光”，而从荧光团发射的所得光被称为“发射光”或“荧光”。在荧光成像中，可选的荧光滤光片可以阻挡激发波长到达检测图像传感器，因此荧光仅包括由荧光团发射的光。
为了通过二向色分束层实现高性能的二向色***，可以在二向色分束层的出口侧与第二棱镜的第二入口表面之间布置空气间隙。
因此，可以选择二向色分束层的性质，以便最大化第一光谱区的第一光束的所需反射。这种选择是通过确定二向色分束层相对于空气间隙的适当特性来实现的。为此，空气间隙的尺寸可以在2μm至30μm范围内，特别是5μm至20μm，优选地7.5μm至15μm。这样一来，第一光束和/或白光的图像与第二光束和/或荧光的图像之间的对比度增加，并且确保没有白光束撞击专用于荧光捕获的第二图像传感器。
在另一个实施例中，在第二光谱区的第二光束穿过的相邻表面的区域之外的空气间隙中布置一个致远元件(distancing element)或者布置两个或更多个致远元件。
通过在空气间隙中布置一个致远元件或若干个致远元件，可以精确地调节空气间隙的尺寸。由于一个或多个致远元件可以被布置在相邻表面和/或二向色分束层的边缘处，所以第二光谱区的第二光束可以穿过空气间隙而不撞击相应的致远元件，并且因此没有任何负光学干涉。
特别地，“致远元件”是指可布置在空气间隙中的任何元件，以提供空气间隙的精确深度。致远元件可以是任何三维物体，例如位于空气间隙的外部相对侧处的薄板，由此第二光束穿过空气间隙的中心区域。同样，可以使用三个或更多个珠子作为致远元件，或者可以采用具有适当厚度的电铸箔。
为了在空间上固定一个或多个致远元件，可以通过空气间隙中的粘合剂来稳固一个或多个致远元件。
通过利用粘合剂固定一个或多个致远元件，提供了带有二向色分束层的第一棱镜的第一出口侧与第二棱镜的第一入口表面之间的精确距离，以及二向色分束层用于反射白光光线路径的性能的高再现性和二向色分束层的长寿命。因此，应用了粘合剂的高精度剂量，优选地带有致远元件(例如在粘合剂内相对均匀地浸渍的多个具有高精度半径的陶瓷珠)，以控制第一棱镜的带有二向色分束层的第一出口表面与第二棱镜的第二入口表面之间的粘合斑点的尺寸。优选地，一个粘合斑点包括分布在斑点区域上的至少三个珠子，以在相邻表面之间提供稳定可靠的距离。
总体而言，针对精确限定的空气间隙提供了用于可靠地反射第一光束和/或白光光线路径的高性能二向色分束层。
在本发明的另一个实施例中，二向色分束层通过光学胶合剂与第二棱镜的第二入口表面连接。
在一些实施例中，二向色分束层的性质是针对其相对于给定光学胶合剂的性能而特别选择的。特别选择的二向色分束层与连接第一棱镜的第一出口表面和第二棱镜的第二入口表面的光学胶合剂直接接触。在这种情况下，粘附到第一棱镜的第一出口表面或第二棱镜的第二入口表面上的直接接触光学胶合剂的电介质涂层被用作二向色分束层。因此，第一光束和/或白光的高度可靠的反射由二向色分束层提供，其中两个棱镜直接连接而在其间没有相关的空气间隙。
为了进一步增加进入的入射光束在第一棱镜的第一内入射表面上的反射，第一棱镜可以包括折射率高于1.60、最优选地高于1.61、可能高于1.70的玻璃，从而优化第一和第二光谱区的光束在第一内入射表面处的全内反射。
通常，第一内入射表面是透射的和反射的，这取决于光线的入射角。作为期望的全内反射的结果，到达第一棱镜的第一内入射表面与外部空气的界面处的入射光束没有折射到空气中，而是完全反射回到第一棱镜中。因此，临界角是产生全反射的最小入射角，其中在第一内入射表面处的入射点处，在相应的临界光线与法线之间测量临界角。因此，如果入射角接近法线并低于临界角，则第一内入射表面是透射的。相反，当入射角大于临界角时，发生全内反射，并且入射光束(包括两个光谱区)被反射朝向第一出口表面，并由此被反射朝向二向色分束层。因此，例如，以相对于法线并高于临界角的大约45°的入射角入射到第一棱镜的第一内入射表面上的入射光束以相对于法线为45°的反射角全反射，使得入射光束和反射光束以90°的总角度重新定向。于是，第一内入射表面可以被设计为是可靠的，对于>36°的AOI射线具有高反射性，并且对于<7°的AOI射线具有高透射性。
因此，选择第一棱镜的玻璃的折射率，使得包括第一光谱区和第二光谱区两者的入射光束通过全内反射在第一内入射表面上可靠地反射。因此，与暴露于空气中的第一内入射表面的相反界面相比，第一棱镜的玻璃优选地具有相应较高的折射率。然而，这是一种折衷方案，因为在第一棱镜的玻璃的折射率较高的情况下，在第一内入射表面处的全内反射被优化，而在第一棱镜的第一出口表面处，当第一棱镜具有较低的折射率时，二向色分束层被优化，这也允许分束装置的更紧凑的设计。通过选择玻璃的特定折射率(这对于两个棱镜是相同的)，两个棱镜的所需或优选的角度可以相应地变化。
光学介质的“折射率”是一个无量纲的数字，其表示介质的光弯曲能力。折射率尤其决定了光在进入光学介质时光路弯曲或折射的程度。为了实现高于1.61的折射率是优选的。
在又一个实施例中，第一棱镜的第一入口表面和/或第一内入射表面包括宽带抗反射涂层。
宽带抗反射涂层增加了通过第一入口表面和/或第一内入射表面处的相应界面的透射。此外，可能由例如存在于棱镜的第一内入射表面的表面上的水滴或划痕引起的重影图像被宽带抗反射涂层抑制而不能被第一图像传感器捕获。此外，一般来说，抗反射涂层可以被施加到任何表面(例如第一棱镜的第一入口表面)，以改善穿过该表面的光的透射。
特别地，“抗反射涂层”是施加到分束装置的表面上(特别是第一棱镜上)的一种光学涂层，以减少反射。此外，抗反射涂层还可以通过消除杂散光和其他光学干扰源来提高图像的对比度。
为了优化第一图像传感器对对应于第一光谱区的第一光束的图像的捕获，第一棱镜被设计为使得由二向色分束层反射的第一光谱区的第一光束以大约90°的入射角入射到第一内入射表面上并穿过第一内入射表面。
在所有情况下，反射的第一光束以小于上述临界角的入射角入射到第一内入射表面上。
在又一实施例中，在第一棱镜的第一内入射表面的出口侧与第一图像传感器之间和/或在第二棱镜的第二出口表面的出口侧与第二图像传感器之间布置间隙。
因此，在第一棱镜的第一内入射表面的出口侧之间设置的间隙(优选为空气间隙)进一步增强了上述第一内入射表面处的全内反射。此外，布置在第一棱镜和/或第二棱镜的相应表面的出口侧与相应图像传感器之间的空气间隙可用于调节第一光束和第二光束的光路长度。在一些情况下，光路长度可以具有相同的值。然而，在其他情况下，为了校正与每个单独波段相关联的焦距，每个光束的光路长度可以不同，使得荧光图像(由通常在NIR区域中的波长组成)聚焦在其相应的第二图像传感器上，而具有稍微不同焦平面的白光将具有不同的相关光路长度，并且其图像传感器将被适当地放置以使得白光图像(通常由可见光谱中的光组成)聚焦在其相应的第一图像传感器上。由此，可以调节相应间隙的尺寸以实现相应光路的所需长度，或者相应的图像传感器可以通过致动器(例如线性马达或压电元件)局部移动。因此，通过调整通过移动相应图像传感器的位置而实现的相应空气间隙的长度，可以优化焦点，并且可以以适当的焦点来收集白光图像和荧光图像。因此，空气间隙可被用于第二图像传感器相对于第一图像传感器的焦点和位置的对准。
为了增加两个光谱区之间的对比度，光学滤波涂层被定位在第二出口表面的出口侧上，和/或在第二出口表面的出口侧与第二图像传感器之间，用于增加第二光谱范围的光束的光密度。
可选的光学滤波涂层实现了将光密度优选地增加到OD6以用于400nm至800nm之间的辐射的能力。这允许进一步消除第二光谱区和/或荧光光谱之外的不期望波长。因此，由于该光学滤波涂层，可以实现对非荧光辐射的高阻挡。根据二向色分束层的质量，标准抗反射涂层可以可替代地用作光学滤波涂层。
在本发明的另一个方面，该问题通过用于内窥镜的物镜***来解决，其中该物镜***可布置在内窥镜的细长轴的远端部分中，并且用于捕获第一光谱区的图像的至少第一图像传感器和用于捕获第二光谱区的图像的至少第二图像传感器能够布置在该远端部分中，其中该物镜***包括具有第一透镜、第二透镜和可选的另外的透镜的物镜透镜***，以便从物镜侧接收图像光并将图像光传向第一图像传感器和第二图像传感器，其中该物镜***包括先前描述的分束装置，其中该分束装置被布置在物镜透镜***的最近侧透镜与第一图像传感器和第二图像传感器之间，以及，可选择地，用于阻断激发波长或用于区分第一光谱区和第二光谱区的滤光片。
因此，内窥镜的物镜***被提供有用于两个光谱区的仅一个光路，优选地用于白光成像和荧光成像，其中在透镜***之后，这一个光路被分束装置分成用于第一光谱区内的第一光束的独立的第一光路和用于第二光谱区内的第二光束的独立的第二光路，从而允许通过独立的专用图像传感器同时捕获与第一和第二光谱区中的每一个相关联的图像。于是，提供了一种具有二向色分束装置的物镜***，该物镜***被布置在内窥镜的窄轴的远端部分中。
“物镜***”是包括物镜透镜***的光学***，用于接收、向前传递和修改来自物体空间的图像光，并且可分配或包括用于捕获图像的至少两个图像传感器。
特别地，按照从物体侧起的顺序，“物镜透镜***”包括盖玻片和/或第一透镜、第二透镜和可选的另外的透镜，它们沿着透镜***的光轴排列。可选地，一个或多个滤光片可以位于透镜***的任何两个透镜之间。
特别地，“透镜”是通过折射来会聚或散射光束(光线)的透射光学体。第一透镜、第二透镜和可选的另外的透镜可以是通过空气间隙分开的单个透镜，或者最多在点上与相邻透镜接触。此外，透镜可以是组合式复合透镜和/或杆状透镜。优选地，透镜由玻璃和/或晶体材料制成。
在本发明的另一方面，该问题通过内窥镜来解决，特别是具有手柄、细长轴、光源和物镜***和/或图像处理单元和/或显示***的医学或工业视频内窥镜，其中该内窥镜包括先前描述的分束装置或者物镜***是先前描述的物镜***，从而由第一图像传感器捕获的第一光谱区的图像和由第二图像传感器捕获的第二光谱区的图像被独立地并行捕获和/或能够由显示***显示为重叠图像。
附图说明
通过以下特定实施例的示例性描述来进一步解释本发明。这些附图显示：
图1是内窥镜和显示***的示意性局部三维视图，
图2是具有分束装置和两个图像传感器的物镜***的示意性截面图，
图3是具有两个棱镜和两个图像传感器的分束装置的示意性纵截面图，以及
图4是分束装置的第一棱镜和第二棱镜之间的相邻表面上的示意性横截面图。
具体实施方式
视频内窥镜101包括手柄103和细长轴105，二者可在轴105的近端107处彼此连接。手柄103包括操作者控件115并且在其近端处经由缆线113连接到外部控制和处理单元(未示出，通常被称为相机控制单元(CCU))和/或连接到图1所示的显示***201。显示***201包括用于显示内窥镜图像的监视器203和操作者控件215。
视频内窥镜101被设计成提供来自身体(未示出)的腔体内的物体空间的视频和图像数据。为此，细长轴105在其远端109处包括远端部分111。细长轴105的远端部分111包括物镜***301以及物镜透镜***303，后面是近侧329上的分束装置401(见图2)。
沿着光轴373从远侧327朝向近侧329，透镜***303包括盖玻片339，接着是第一最远侧物镜340，接着是衰减和/或中继光学元件341、形成为组合透镜的第二透镜343、第三透镜345、第四透镜347，以及布置在第四透镜347和形成为组合透镜的随后的第五透镜353之间的常规荧光滤光片349。在透镜***303的第五个也是最后一个透镜353附近，分束装置401被布置为包括用于白光的第一图像传感器423和用于荧光的第二图像传感器425。在透镜***303中，荧光滤光片349用于吸收荧光的激发波长，并且仅传递在物体空间中使用的荧光团的发射波带。
分束装置401包括第一棱镜403和第二棱镜405，其中第一棱镜403被布置在第二棱镜405上方，如图3所示。第一棱镜403包括垂直于物镜***301的光轴373定向的第一入口表面407。第一入口表面407的区域用作入口孔径，并且射入光束311的有效直径之外的区域被制成对射入光是不透明的。因此，第一棱镜403的第一入口表面407的区域和第二棱镜405的非光束通过表面被涂覆有作为不透明物质的黑色涂料，以避免任何杂散光或不期望的光进入其中。第一入口表面407包括宽带抗反射涂层431。此外，第一棱镜包括第一内入射表面409，该第一内入射表面同样包括宽带抗反射涂层433。在第一内入射表面409的出口侧上，第一空气间隙419被定位在第一传感器盖玻片427和用于捕获白光的第一图像传感器423之前。此外，第一棱镜403包括第一出口表面411。第一出口表面411包括二向色涂层417，该二向色涂层充当白光的反射镜和荧光发射光的抗反射涂层，并且被布置为与第二棱镜405的第二入口表面413相邻。第二棱镜405包括平行于物镜***301的光轴373布置的第二出口表面415。在第二出口表面415的出口侧之间，第二空气间隙421被布置在第二传感器盖玻片429和用于捕获荧光的第二图像传感器425之前(见图3)。
在带有第一棱镜403的二向色涂层417的第一出口表面411与第二棱镜405的第二入口表面413之间，可以布置空气间隙439(见图4)。空气间隙439具有10μm的厚度，这由通过粘合剂447固定的具有相应直径的珠子445来保证。包含在相应粘合剂447中的固定珠子445被布置在带有二向色涂层417的第一出口表面411与第二入口表面413之间的外边缘上(图4仅显示了相邻表面411、413的左侧上的斑点)。
在使用视频内窥镜101时，来自远侧327处的物体空间的物体光束309由物镜***301收集，并由物镜透镜***303在单个光路上调节。在透镜***303的最后的第五透镜353之后，入射光束311穿过第一棱镜403的第一入口表面407进入分束装置401并入射到第一内入射表面409上。由于第一棱镜403包括折射率为1.65的玻璃，并且由于空气间隙419布置在第一内入射表面409的出口侧，包括白光和荧光的入射光束311在第一内入射表面409上被全反射，从而被重定向90°作为第一反射入射光束315。因此，第一反射入射光束315入射到第一出口表面411和二向色涂层417上。第一反射入射光束315被二向色涂层417分为白光束323和荧光束325。白光束323朝向第一内入射表面409反射回来45°，并穿过第一内入射表面409，随后穿过空气间隙419和第一传感器盖玻片427，由第一图像传感器423捕获。荧光束325在具有固定在粘合剂447中的珠子445的斑点之间的区域中透射通过二向色涂层417和空气间隙439。荧光束325横穿第二棱镜405，基本垂直于第二出口表面415离开该棱镜，穿过空气间隙421和第二传感器盖玻片429，由第二图像传感器425捕获。可选地，可以将涂层添加到第二棱镜405的第二出口表面415，以便增加穿过该表面的荧光束(325)的透射(例如抗反射涂层)或进一步增加两个光谱区之间的对比度(例如仅传递预期发射辐射的波长带通滤光片)。
于是，视频内窥镜101被提供有布置在其远端部分中的紧凑的物镜***301和分束装置401，其在物镜透镜***303中具有单个光路，该光路随后被带有二向色涂层417的分束装置401分成独立的白光束323和荧光束325，这两个光束被独立的第一图像传感器423和第二图像传感器425捕获，以便同时提供高质量图像。
附图标记
101 视频内窥镜
103 手柄
105 细长轴
107 轴的近端
109 轴的远端
111 远端部分
113 缆线
115 操作者控件
201 显示***
203 监视器
215 操作者控件
301 物镜***
303 透镜***
309 物体光束
311 入射光束
315 第一反射入射光束
323 白光束
325 荧光束
327 远侧
329 近侧
339 盖玻片
340 第一最远物镜
341 衰减和/或中继光学元件
343 第二透镜(组合)
345 第三透镜
347 第四透镜
349 荧光滤光片
353 第五透镜(组合)
373 光轴
401 分束装置
403 第一棱镜
405 第二棱镜
407 第一入口表面
409 第一内入射表面
411 第一出口表面
413 第二入口表面
415 第二出口表面
417 二向色涂层
419 空气间隙
421 空气间隙
423 第一图像传感器(白光)
425 第二图像传感器(荧光)
427 第一传感器盖玻片
429 第二传感器盖玻片
431 宽带抗反射涂层
433 宽带抗反射涂层
439 空气间隙
445 珠子
447 粘合剂

Claims (15)

1.一种用于内窥镜(101)的远端部分(111)的分束装置(401)，其中所述分束装置(401)包括具有第一入口表面(407)、第一内入射表面(409)和第一出口表面(411)的第一棱镜(403)、具有第二入口表面(413)和第二出口表面(415)的第二棱镜(405)以及二向色分束层(417)，并且用于捕获第一光谱区的光的至少第一图像传感器(423)和用于捕获第二光谱区的光的至少第二图像传感器(425)能够分配给所述分束装置(401)，其中所述第一光谱区和所述第二光谱区至少部分地彼此不同，其特征在于：所述第一棱镜(403)的所述第一出口表面(411)和所述第二棱镜(405)的所述第二入口表面(413)相邻，并且所述二向色分束层(417)被布置在所述相邻表面(411，413)之间，使得包括所述第一光谱区和所述第二光谱区的入射光束(311)被所述第一棱镜(403)的所述第一内入射表面(409)反射，入射到所述第一棱镜(403)的所述第一出口表面(411)上，并被所述二向色分束层(417)***成所述第一光谱区的第一光束(323)和所述第二光谱区的第二光束(325)，以便并行地由所述第一图像传感器(423)捕获所述第一光谱区的独立图像并由所述第二图像传感器(425)捕获所述第二光谱区的独立图像。
2.根据权利要求1所述的分束装置(401)，其特征在于：所述分束装置(401)包括所述第一图像传感器(423)和/或所述第二图像传感器(425)。
3.根据权利要求1或2所述的分束装置(401)，其特征在于：所述二向色分束层(417)被布置在所述第一棱镜(403)的所述第一出口表面(411)上或所述第二棱镜(405)的所述第二入口表面(413)上。
4.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其中光源可分配给所述分束装置(401)，其特征在于：所述光源包括包含白光的第一照明光谱区和包含激发光的第二激发光谱区，从而使被照场景内的荧光体发射荧光。
5.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于在所述二向色分束层(417)的出口侧与所述第二棱镜(405)的所述第二入口表面(413)之间布置有空气间隙(439)。
6.根据权利要求5所述的分束装置(401)，其特征在于在所述第二光谱区的所述第二光束(325)穿过的所述相邻表面(411,413)的区域之外的所述空气间隙(439)中布置有一个致远元件或者两个或更多个致远元件(445)。
7.根据权利要求6所述的分束装置(401)，其特征在于所述一个致远元件或所述多个致远元件(445)通过粘合剂(447)固定在所述空气间隙(439)中。
8.根据权利要求1-4中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于所述二向色分束层(417)通过光学胶合剂与所述第二棱镜(405)的所述第二入口表面(413)相连。
9.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于所述第一棱镜(403)包括折射率高于1.60且最优选高于1.61且可能高于1.70的玻璃，以优化所述第一光谱区和所述第二光谱区的所述光束在所述第一内入射表面(409)处的全内反射。
10.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于所述第一棱镜(403)的所述第一入口表面(407)和/或所述第一内入射表面(409)包括宽带抗反射涂层(431,433)。
11.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于所述第一棱镜(403)被设计成使得由所述二向色分束层(417)反射的所述第一光谱区的所述第一光束(323)以大约90°的入射角入射到所述第一内入射表面(409)上并穿过所述第一内入射表面(409)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的分束装置(401)，其特征在于在所述第一棱镜(403)的所述第一内入射表面(409)的出口侧与所述第一图像传感器(423)之间和/或在所述第二棱镜(405)的所述第二出口表面(415)的出口侧与所述第二图像传感器(425)之间布置有间隙(419,412)。
13.根据权利要求12所述的分束装置(401)，其特征在于光学滤波涂层(435)被定位在所述第二出口表面(415)的所述出口侧上和/或定位在所述第二出口表面(415)的所述出口侧与所述第二图像传感器(425)之间，以便增加所述第二光谱范围的所述光束(325)的光密度。
14.一种用于内窥镜(101)的物镜***(301)，其中所述物镜***(301)能够布置在所述内窥镜(101)的细长轴(105)的远端部分(111)中，并且用于捕获第一光谱区的图像的至少第一图像传感器(423)和用于捕获第二光谱区的图像的至少第二图像传感器(425)能够布置在所述远端部分(111)中，其中所述物镜***(301)包括具有第一透镜(341)、第二透镜(343)和可选的另外的透镜(345,347,353)的物镜透镜***(303)，以便从物镜侧接收图像光并将所述图像光传向所述第一图像传感器(423)和所述第二图像传感器(425)，其特征在于：所述物镜***(301)包括根据权利要求1至13中的一项所述的分束装置(401)，其中所述分束装置(401)被布置在所述物镜透镜***(301)的最近侧透镜(453)与所述第一图像传感器和所述第二图像传感器(423,425)之间，以及，可选择地，用于阻断激发波长或用于区分所述第一光谱区和所述第二光谱区的滤光片(349)。
15.一种内窥镜(101)，尤其是医学或工业视频内窥镜，其具有手柄(103)、细长轴(105)、光源、物镜***和/或图像处理单元和/或显示***(201)，其特征在于：所述内窥镜(101)包括根据权利要求1至13中的一项所述的分束装置(401)或所述物镜***是根据权利要求14所述的物镜***(301)，从而由所述第一图像传感器(423)捕获的所述第一光谱区的图像和由所述第二图像传感器(425)捕获的所述第二光谱区的图像被独立地并行捕获和/或能够由显示***(201)显示为重叠图像。
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