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一種 三維 腹腔鏡 光學系統
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摘要
申請專利號:

CN201220525490.3

申請日:

20121015

公開號:

CN202843575U

公開日:

20130403

當前法律狀態:

有效性:

失效

法律詳情:
IPC分類號: A61B1/313,G02B23/24,G02B27/22 主分類號: A61B1/313,G02B23/24,G02B27/22
申請人: 浙江大學,杭州首天光電技術有限公司
發明人: 王立強,唐佳,陸祖康
地址: 310027 浙江省杭州市西湖區浙大路38號
優先權: CN201220525490U
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司 代理人: 韓介梅
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201220525490.3

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本實用新型公開的三維腹腔鏡光學系統包括兩個結構完全相同、且光路互相平行的鏡筒,每個鏡筒中的前部安裝有成像部件,在成像部件的后方安裝有一個或多個光軸重合的傳像部件。本實用新型采用兩路光軸完全平行的光路結構,將體內圖像分別成像于兩個相同尺寸的圖像傳感器上,無需光軸轉折,即無需目鏡部件及棱鏡或反射鏡元件,結構緊湊,體積小巧便攜,裝配工藝簡單,能夠達到80°的大視場,小于3%的畸變,使醫生在手術中能獲得清晰、立體感強的真實視覺影像。

權利要求書

1.一種三維腹腔鏡光學系統,其特征在于包括圓筒(22),在圓筒(22)的前端面設有保護片(20),圓筒(22)內固定有兩個結構完全相同、且光路(30)互相平行的鏡筒(21),每個鏡筒(21)中的前部安裝有成像部件(31),在成像部件(31)的后方安裝有一個或多個光軸重合的傳像部件(32),在成像部件(31)與傳像部件(32)之間設有第四隔圈(11),相鄰兩個傳像部件(32)之間設有第七隔圈(19),所述的成像部件(31)從物方到像方依次裝置第一透鏡(1)、第二透鏡(2)、第三透鏡(3)、第一隔圈(4)、第一膠合透鏡(5)、第二膠合透鏡(6)、第二隔圈(7)、第三膠合透鏡(8)、第三隔圈(9)和第四膠合透鏡(10);其中,第一透鏡(1)為負透鏡,其面向物方為凸面,面向像方為凹面,第二透鏡(2)為負透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凹面,第三透鏡(3)為正透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凸面,第一膠合透鏡(5)由第一和第二子透鏡(5.1、5.2)膠合組成,第一子透鏡(5.1)面向物方為凸面,面向像方為凸面,第二子透鏡(5.2)面向物方為凹面,面向像方為凹面,第一子透鏡(5.1)面向像方的面與第二子透鏡(5.2)面向物方的面為膠合面,第二膠合透鏡(6)由第三和第四子透鏡(6.1、6.2)膠合組成,第三子透鏡(6.1)面向物方為凹面,面向像方為凹面,第四子透鏡(6.2)面向物方為凸面,面向像方是凸面,第三子透鏡(6.1)面向像方的面與第四子透鏡(6.2)面向物方的面為膠合面,第三膠合透鏡(8)由第五和第六子透鏡(8.1、8.2)膠合組成,第五子透鏡(8.1)面向物方為凸面,面向像方為凸面,第六子透鏡(8.2)面向物方為凹面,面向像方為凸面,第五子透鏡(8.1)面向像方的面與第六子透鏡(8.2)面向物方的面為膠合面,第四膠合透鏡(10)由第七和第八子透鏡(10.1、10.2)膠合組成,第七子透鏡(10.1)面向物方為凸面,面向像方為凸面,第八子透鏡(10.2)面向物方為凹面,面向像方為凹面,第七子透鏡(10.1)面向像方的面與第八子透鏡(10.2)面向物方的面為膠合面,位于第三透鏡(3)和第一膠合透鏡(5)之間的第一隔圈(4)同時起孔徑光欄的作用;每個傳像部件(32)是一個成像放大率為1:1的對稱結構,從物方到像方依次裝置第五膠合透鏡(12)、第五隔圈(13)、第六膠合透鏡(14)、第六隔圈(15)、第七膠合透鏡(16)、第七隔圈(17)和第八膠合透鏡(18);其中,第五膠合透鏡(12)由第九和第十子透鏡(12.1、12.2)膠合組成,第九子透鏡(12.1)面向物方為凸面,面向像方為凹面,第十子透鏡(12.2)面向物方為凸面,面向像方為凸面,第九子透鏡(12.1)面向像方的面與第十子透鏡(12.2)面向物方的面為膠合面,第六膠合透鏡(14)由第十一和第十二子透鏡(14.1、14.2)膠合組成,第十一子透鏡(14.1)面向物方為凸面,面向像方為凸面,第十二子透鏡(14.2)面向物方為凹面,面向像方為凸面,第十一子透鏡(14.1)面向像方的面與第十二子透鏡(14.2)面向物方的面為膠合面;第七膠合透鏡(16)和第六膠合透鏡(14)結構完全相同,并與第六膠合透鏡(14)同光軸對稱放置,第八膠合透鏡(18)和第六膠合透鏡(12)結構完全相同,并與第六膠合透鏡(12)同光軸對稱放置。2.根據權利要求1所述的三維腹腔鏡光學系統,其特征在于:鏡筒(21)內的成像部件(31)和一個傳像部件(32)共有三個透鏡(1、2、3)和八個膠合透鏡(5、6、8、10、12、14、16、18),總共有30個鏡面,從物方到像方依次是:第一透鏡(1)的凸面為第一鏡面,第一透鏡(1)的凹面為第二鏡面;第二透鏡(2)的平面為第三鏡面,第二透鏡(2)的凹面為第四鏡面;第三透鏡(3)的平面為第五鏡面,第三透鏡(3)的凸面為第六鏡面;第一子透鏡(5.1)面向物方的凸面為第七鏡面,第一子透鏡(5.1)和第二子透鏡(5.2)的膠合面為第八鏡面,第二子透鏡(5.2)面向像方的凹面為第九鏡面;第三子透鏡(6.1)面向物方的凹面為第十鏡面,第三子透鏡(6.1)和第四子透鏡(6.2)的膠合面為第十一鏡面,第四子透鏡(6.2)面向像方的凸面為第十二鏡面;第五子透鏡(8.1)面向物方的凸面為第十三鏡面,第五子透鏡(8.1)和第六子透鏡(8.2)的膠合面為第十四鏡面,第六子透鏡(8.2)的凸面為第十五鏡面;第七子透鏡(10.1)面向物方的凸面為第十六鏡面,第七子透鏡(10.1)和第八子透鏡(10.2)的膠合面為第十七鏡面,第八子透鏡(10.2)面向像方的凹面為第十八鏡面;第九子透鏡(12.1)面向物方的凸面為第十九鏡面,第九子透鏡(12.1)和第十子透鏡(12.2)的膠合面為第二十鏡面,第十子透鏡(12.2)面向像方的凸面為是第二十一鏡面;第十一子透鏡(14.1)面向物方的凸面為第二十二鏡面,第十一子透鏡(14.1)和第十二子透鏡(14.2)的膠合面為第二十三鏡面,第十二子透鏡(14.2)面向像方的凸面為第二十四鏡面,第七膠合透鏡(16)面向物方的凸面為第二十五鏡面,膠合面為第二十六鏡面,面向像方的凸面為第二十七鏡面,第八膠合透鏡(18)面向物方的凸面為第二十八鏡面,膠合面為第二十九鏡面,面向像方的凸面為第三十鏡面,30個鏡面的結構參數見表1:表1。

說明書

技術領域

本實用新型涉及一種三維腹腔鏡光學系統。

背景技術

腔鏡外科是今后醫學發展的一大主流,與傳統開腹手術相比,具有手術創傷輕,病人痛苦小,術后恢復快等諸多優點;腔鏡設備是腔鏡外科的關鍵設備,輔助醫生開展微創外科手術。腔鏡設備是醫生視覺的延伸,無需開腹即可觀察體內臟器,進行疾病診療及手術。但普通腔鏡在手術中醫生無法像開腹手術一樣獲得清晰、立體感強的真實視覺影像,導致一些腔鏡手術操作困難,術中容易損傷重要臟器結構,嚴重并發癥的發生率明顯增高等情況,因此有必要進行三維腹腔鏡設備技術探索,擴大腹腔鏡手術的應用范圍。

現有三維腹腔鏡光學系統不僅包括成像部件與傳像部件,而且包括目鏡部件,在目鏡部件后面,再加上耦合光學部件,將體內圖像成像于圖像傳感器(CCD或CMOS)的光敏面,光路結構復雜,目鏡部件為了匹配人體的雙目瞳距,必須通過棱鏡或反射鏡,使光軸轉折90度,增加分離度后,再次轉折90度。這種結構不僅增大了光學系統尺寸,且造成光學設計困難,裝配難度增大,工藝性差。

例如美國專利No.5,776,049,該專利中介紹的三維腹腔鏡的光學系統就是通過棱鏡的全反射使光軸進行了二次轉折,拓寬了雙目系統的基線距,增大了光學系統的尺寸,并給裝配帶來了一定的難度。另一美國專利No.?6,720,988,該專利中也對光軸進行了轉折,同樣的增大了光學系統的尺寸,給裝配帶來了一定的難度。同時該專利的成像部件中左右兩邊的前端透鏡的光軸并不是平行的,而是相交在一點,只有在相交點處的平面內,成像才是最清楚的,離該平面越遠就越模糊。這使得在操作該三維腹腔鏡時,需要對距離精確的把握。

發明內容

針對現有技術的不足,本實用新型的目的是提供一種結構緊湊,裝配工藝簡單,且圖像清晰度高,視場大,畸變小的三維腹腔鏡光學系統。

本實用新型的三維腹腔鏡光學系統包括圓筒,在圓筒的前端面設有保護片,圓筒內固定有兩個結構完全相同、且光路互相平行的鏡筒,每個鏡筒中的前部安裝有成像部件,在成像部件的后方安裝有一個或多個光軸重合的傳像部件,在成像部件與傳像部件之間設有第四隔圈,相鄰兩個傳像部件之間設有第七隔圈,所述的成像部件從物方到像方依次裝置第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第一隔圈、第一膠合透鏡、第二膠合透鏡、第二隔圈、第三膠合透鏡、第三隔圈和第四膠合透鏡;其中,第一透鏡為負透鏡,其面向物方為凸面,面向像方為凹面,第二透鏡為負透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凹面,第三透鏡為正透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凸面,第一膠合透鏡由第一和第二子透鏡膠合組成,第一子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凸面,第二子透鏡面向物方為凹面,面向像方為凹面。第一子透鏡面向像方的面與第二子透鏡面向物方的面為膠合面,第二膠合透鏡由第三和第四子透鏡膠合組成,第三子透鏡面向物方為凹面,面向像方為凹面,第四子透鏡面向物方為凸面,面向像方是凸面,第三子透鏡面向像方的面與第四子透鏡面向物方的面為膠合面,第三膠合透鏡由第五和第六子透鏡膠合組成,第五子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凸面,第六子透鏡面向物方為凹面,面向像方為凸面,第五子透鏡面向像方的面與第六子透鏡面向物方的面為膠合面,第四膠合透鏡由第七和第八子透鏡膠合組成,第七子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凸面,第八子透鏡面向物方為凹面,面向像方為凹面,第七子透鏡面向像方的面與第八子透鏡面向物方的面為膠合面,位于第三透鏡和第一膠合透鏡之間的第一隔圈同時起孔徑光欄的作用;每個傳像部件是一個成像放大率為1:1的對稱結構,從物方到像方依次裝置第五膠合透鏡、第五隔圈、第六膠合透鏡、第六隔圈、第七膠合透鏡、第七隔圈和第八膠合透鏡;其中,第五膠合透鏡由第九和第十子透鏡膠合組成,第九子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凹面,第十子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凸面,第九子透鏡面向像方的面與第十子透鏡面向物方的面為膠合面,第六膠合透鏡由第十一和第十二子透鏡膠合組成,第十一子透鏡面向物方為凸面,面向像方為凸面,第十二子透鏡面向物方為凹面,面向像方為凸面,第十一子透鏡面向像方的面與第十二子透鏡面向物方的面為膠合面;第七膠合透鏡和第六膠合透鏡結構完全相同,并與第六膠合透鏡同光軸對稱放置,第八膠合透鏡和第六膠合透鏡結構完全相同,并與第六膠合透鏡同光軸對稱放置。

鏡筒中的傳像部件的個數可根據實際使用需要而定,只需通過第七隔圈將相鄰兩個傳像部件隔開并固定。

本實用新型的三維腹腔鏡光學系統,采用兩路光軸完全平行的光路結構,將體內圖像分別成像于兩個相同尺寸的圖像傳感器上,無需光軸轉折,即無需目鏡部件及棱鏡或反射鏡元件,結構緊湊,體積小巧便攜,裝配工藝簡單。且光學設計容易,圖像的清晰度高,光學性能優,能夠達到80°的大視場,小于3%的畸變,很高的光學傳遞函數(MTF)。

附圖說明

???????圖1是本實用新型的總體結構示意圖。

???????圖2是成像部件結構示意圖。

???????圖3是傳像部件的結構示意圖。

???????圖4是本實用新型的光學傳遞函數。

???????圖5是本實用新型的畸變。

?具體實施方式

以下結合附圖進一步說明本實用新型。

圖1所示,本實用新型的三維腹腔鏡光學系統包括圓筒22,在圓筒22的前端面設有保護片20,圓筒22內固定有兩個結構完全相同、且光路30互相平行的鏡筒21,每個鏡筒21中的前部安裝有成像部件31,在成像部件31的后方安裝有一個或多個光軸重合的傳像部件32,圖例中,設置有5個傳像部件32,在成像部件31與傳像部件32之間設有第四隔圈11,相鄰兩個傳像部件32之間設有第七隔圈19。

所述的成像部件31如圖2所示,從物方到像方依次裝置第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第一隔圈4、第一膠合透鏡5、第二膠合透鏡6、第二隔圈7、第三膠合透鏡8、第三隔圈9和第四膠合透鏡10;其中,第一透鏡1為負透鏡,其面向物方為凸面,面向像方為凹面,第二透鏡2為負透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凹面,第三透鏡3為正透鏡,其面向物方為平面,面向像方為凸面,第一膠合透鏡5由第一和第二子透鏡5.1、5.2膠合組成,第一子透鏡5.1面向物方為凸面,面向像方為凸面,第二子透鏡5.2面向物方為凹面,面向像方為凹面,第一子透鏡5.1面向像方的面與第二子透鏡5.2面向物方的面為膠合面,第二膠合透鏡6由第三和第四子透鏡6.1、6.2膠合組成,第三子透鏡6.1面向物方為凹面,面向像方為凹面,第四子透鏡6.2面向物方為凸面,面向像方是凸面,第三子透鏡6.1面向像方的面與第四子透鏡6.2面向物方的面為膠合面,第三膠合透鏡8由第五和第六子透鏡8.1、8.2膠合組成,第五子透鏡8.1面向物方為凸面,面向像方為凸面,第六子透鏡8.2面向物方為凹面,面向像方為凸面,第五子透鏡8.1面向像方的面與第六子透鏡8.2面向物方的面為膠合面,第四膠合透鏡10由第七和第八子透鏡10.1、10.2膠合組成,第七子透鏡10.1面向物方為凸面,面向像方為凸面,第八子透鏡10.2面向物方為凹面,面向像方為凹面,第七子透鏡10.1面向像方的面與第八子透鏡10.2面向物方的面為膠合面,位于第三透鏡3和第一膠合透鏡5之間的第一隔圈4同時起孔徑光欄的作用。

每個傳像部件32如圖3所示,它是一個成像放大率為1:1的對稱結構,從物方到像方依次裝置第五膠合透鏡12、第五隔圈13、第六膠合透鏡14、第六隔圈15、第七膠合透鏡16、第七隔圈17和第八膠合透鏡18;其中,第五膠合透鏡12由第九和第十子透鏡12.1、12.2膠合組成,第九子透鏡12.1面向物方為凸面,面向像方為凹面,第十子透鏡12.2面向物方為凸面,面向像方為凸面,第九子透鏡12.1面向像方的面與第十子透鏡12.2面向物方的面為膠合面,第六膠合透鏡14由第十一和第十二子透鏡14.1、14.2膠合組成,第十一子透鏡14.1面向物方為凸面,面向像方為凸面,第十二子透鏡14.2面向物方為凹面,面向像方為凸面,第十一子透鏡14.1面向像方的面與第十二子透鏡14.2面向物方的面為膠合面;第七膠合透鏡16和第六膠合透鏡14結構完全相同,并與第六膠合透鏡14同光軸對稱放置,第八膠合透鏡18和第六膠合透鏡12結構完全相同,并與第六膠合透鏡12同光軸對稱放置。

在進行腹腔手術時,將本實用新型的腹腔鏡前端伸入病患腹腔,然后在照明系統的配合下,左右兩個成像部件對病患的病變組織進行成像,形成左右兩個不同的圖像,然后分別經過后端的傳像部件,最終分別成像在左右兩個相同尺寸的圖像傳感器(cmos或ccd)上,再由圖像傳感器輸出到外部的圖像工作站,經處理形成左右格式的實時的高清的視頻,并通過三維顯示器顯示清晰的,立體感強烈的三維視頻信息。

實施例

三維腹腔鏡光學系統每個鏡筒21內的成像部件31和一個傳像部件32共有三個透鏡1、2、3和八個膠合透鏡5、6、8、10、12、14、16、18,總共有30個鏡面,從物方到像方依次是:第一透鏡1的凸面為第一鏡面,第一透鏡1的凹面為第二鏡面;第二透鏡2的平面為第三鏡面,第二透鏡2的凹面為第四鏡面;第三透鏡3的平面為第五鏡面,第三透鏡3的凸面為第六鏡面;第一子透鏡5.1面向物方的凸面為第七鏡面,第一子透鏡5.1和第二子透鏡5.2的膠合面為第八鏡面,第二子透鏡5.2面向像方的凹面為第九鏡面;第三子透鏡6.1面向物方的凹面為第十鏡面,第三子透鏡6.1和第四子透鏡6.2的膠合面為第十一鏡面,第四子透鏡6.2面向像方的凸面為第十二鏡面;第五子透鏡8.1面向物方的凸面為第十三鏡面,第五子透鏡8.1和第六子透鏡8.2的膠合面為第十四鏡面,第六子透鏡8.2的凸面為第十五鏡面;第七子透鏡10.1面向物方的凸面為第十六鏡面,第七子透鏡10.1和第八子透鏡10.2的膠合面為第十七鏡面,第八子透鏡10.2面向像方的凹面為第十八鏡面;第九子透鏡12.1面向物方的凸面為第十九鏡面,第九子透鏡12.1和第十子透鏡12.2的膠合面為第二十鏡面,第十子透鏡12.2面向像方的凸面為是第二十一鏡面;第十一子透鏡14.1面向物方的凸面為第二十二鏡面,第十一子透鏡14.1和第十二子透鏡14.2的膠合面為第二十三鏡面,第十二子透鏡14.2面向像方的凸面為第二十四鏡面,第七膠合透鏡16面向物方的凸面為第二十五鏡面,膠合面為第二十六鏡面,面向像方的凸面為第二十七鏡面,第八膠合透鏡18面向物方的凸面為第二十八鏡面,膠合面為第二十九鏡面,面向像方的凸面為第三十鏡面,30個鏡面的結構參數見表1:

表1

鏡面號 曲率半徑(mm) 鏡面距離(mm) 鏡面半徑(mm) 玻璃材料 1 10.0000 1.1000 2.1000 ZF52A 2 1.4200 0.4870 1.0630 ? 3 Infinity 0.6000 2.1000 ZF52A 4 2.5250 0.5200 1.0000 ? 5 Infinity 2.8000 2.1 LAK52 6 -2.6290 3.3723 1.5005 ? 7 2.1420 1.0600 0.7879 ZF52A 8 -2.4290 0.6000 0.7209 ZF4 9 1.5780 0.4160 0.6264 ? 10 -1.1500 0.6000 0.6341 ZF4 11 2.1420 1.8400 1.1071 LAK52 12 -2.7290 0.2010 1.5224 ? 13 12.4950 1.8000 1.6859 LAK52 14 -2.0300 0.6000 1.7281 ZF52A 15 -7.1000 0.2000 1.8913 ? 16 3.8400 1.7200 1.9001 BAF5 17 -3.8400 2.600 1.7375 ZLAF55 18 9.0800 1.0618 1.4105 ? 19 28.6400 9.4000 2.0500 ZK11 20 7.3800 1.6000 2.0500 ZF2 21 -24.8800 1.0000 2.0500 ? 22 11.7540 11.6000 2.0500 ZK6 23 -4.6540 1.4500 2.0500 ZF6 24 -39.74 1.4000 2.0500 ? 25 39.74 1.4500 2.0500 ZF6 26 4.6540 11.600 2.0500 ZK6 27 -11.7540 1.0000 2.0500 ? 28 24.8800 1.6000 2.0500 ZF2 29 -7.3800 9.4000 2.0500 ZK11 30 -28.6400 ? 2.0500 ?

圖4和圖5說明了本實用新型的光學成像性能。

圖4計算了歸一化坐標中視場角0°(中央視場),視場角29.27°(0.7視場),視場角40°(邊緣視場)三個視場的光學傳遞函數值。由圖4可見,本實用新型在傳遞函數為0.3時,視場角40°(邊緣視場)的傳遞函數值能達到135lp/mm,視場角29.27°(0.7視場)的傳遞函數值能達到175lp/mm,視場角18°(0.4視場)的傳遞函數值能達到195lp/mm,視場角0°(中央視場)的傳遞函數值能夠大于200lp/mm。表明本實用新型的三維腹腔鏡光學系統的最大視場能夠達到80°,并能夠實現高分辨率高清晰度成像。圖5是本實用新型的三維腹腔鏡光學系統在530nm情況下畸變,表明在530nm波長下,該三維腹腔鏡光學系統的畸變都能控制在3%以下。圖4和圖5表明本實用新型的三維腹腔鏡光學系統具有視場大,畸變小,分辨率高的優點。

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