具有减少的色球差的复消色差棒状透镜中继系统以及具有改进的中继系统的内窥镜的制作方法

本发明总体上涉及医学图像捕获领域，并且更具体地涉及用于提高荧光成像和可见光成像性能的内窥镜设计。

背景技术：

1、内窥镜，尤其是刚性内窥镜，通常使用图像中继系统，由此来自物体的图像光被收集在远侧放置的物镜处，并然后由中继系统通过细长轴中继到该轴的近侧，在该轴的近侧定位有接目镜或图像传感系统。自h·霍普金斯(h.hopkins)创新以来，内窥镜中继系统通常包括一系列中继透镜(通常成对)。这些中继透镜系统通常主要由棒状透镜元件组成，例如参见美国专利第3,257,902号。与霍普金斯之前使用的系统相比，棒状透镜中继系统有许多优点，但也引入了它们自己的问题，其中包括在系统中使用的每个棒状透镜都会引入和成倍增加的光学像差。特别是色球差在内窥镜系统中可普遍存在，特别是当使用较小的f数以允许更多的光从内窥镜轴的远端传输到近端时，这通常是理想的。色球差会导致纵向色差随着透镜表面不同区域的不同波长而变化。即使主要色差得到很好的校正，这种色球差也会产生在给定焦平面上对于某些波长没有焦点的图像。

2、某些内窥镜手术使用荧光剂或自发荧光来允许增强的组织可视化。可以将诸如染料的荧光剂注射或以其他方式施用于组织。随后，激发光被导向组织。响应于激发光，荧光剂发出荧光(发射光，通常波长比激发光长)，从而允许传感器检测该发射光。图像数据由传感器收集，并且检查收集的图像可以指示所观察的组织中荧光剂的存在和浓度。此外，可能会发生一种称为自发荧光的现象，即在没有荧光剂的情况下，组织在特定条件下发出荧光。也可以检测到这种自发荧光。基于检测到的荧光的成像——称为“荧光成像”(fi)——可用于医学诊断和测试以及许多其他科学领域，并且它可以与可见光成像结合用于许多目的，包括增强外科手术可视化和精度。

3、典型的现有技术内窥镜2(如图1所示)通常包括第一成像透镜(例如，物镜)，其后是从封闭区域1内部捕获光学图像并将该图像从封闭区域1内部传输到外部的一系列载体透镜(例如，中继器)。内窥镜2的近端可以经由直接耦合或适配器附接到摄像头3或用于观看的目镜。摄像头3通常包括用于接收光学图像并在图像传感器上形成真实光学图像的透镜。然后，图像传感器捕获的数字图像可以传输到相机控制单元(ccu)或其他类似模块进行分析和显示。

4、通常，用于fi应用(例如，用于使用常用染料吲哚菁绿(icg)的应用)的内窥镜主要是为可见光影像而设计和部署的。因此，它们通常不会设计为在红外光和可见光之间保持恒定的焦点。在打算在非常宽的波长范围内使用的系统中，色球差特别麻烦。将内窥镜用于fi和视觉成像通常会将使用的波长范围从400-750纳米(nm)(从紫色到红色的可见光)扩展到400-950nm(可见光谱加上nir光谱)或更宽。为了执行fi成像，此类窥镜通常采用适当的滤光片来阻挡激发光并传输荧光。然而，如前所述，由于这些内窥镜通常针对传统的可见光观察进行了优化。因此，由于窥镜光学元件(包括中继透镜系统)的特性，红外荧光聚焦在与可见光不同的平面上。这主要是由于在整个光学系统中发生的色差，特别是在图像中继系统中，色差由于色球差而进一步加剧，特别是当使用快速中继系统时，即具有小f数的系统。存在补偿由此产生的焦距差异的现有方法。摄像头解决方案包括采用多个传感器的解决方案，其中与特定波长带相关联的传感器(例如，一个用于可见光，一个用于红外光)位于不同焦平面。入射图像光通过二向色分束器定向到适当的传感器。在多个传感器上检测各种光谱带，每个传感器都单独定位在适当的焦平面，从而产生两个独立捕获的对焦图像。该方法的缺点仅部分归因于多个图像传感器的必要的复杂性和成本。另一个主要问题是，与这种摄像头一起使用的每个单独的内窥镜都包括光学器件，这些光学器件可能特定于该窥镜的品牌、型号和制造。每个特定的内窥镜将具有不同量的色误差，从而需要与其一起使用的任何摄像头专门补偿与耦合的窥镜相关联的误差。构建能够补偿各种内窥镜型号的单个摄像头是非常困难的。另一种摄像头解决方案在本技术的发明人于2020年10月10日授权并通过引用并入本文的美国专利第10,806,332b2号(“具有减少的色差的荧光成像范围(fluorescence imaging scope with reduced chromatic aberration)”)中公开。在这篇引文中，发明人提出了一系列光学元件，包括分束棱镜，以便将聚焦到特定焦平面的各种波长带分开，使得不同的波段分开传播，并且然后分离的光束被使得穿过独立的有效光学距离，此时它们被重新组合并聚焦到单个图像传感器上，其中所有fi和可见光谱都被聚焦捕获。

5、补偿焦距差异的其他努力(例如，如在授予特萨(tesar)等人的美国专利第8773756号中所做的努力)涉及使用将光分成两条路径(可见光谱路径和nir光谱路径)的光耦合器。两条光束路径中的每一条都使用不同的光学元件来补偿色焦差。然而，与摄像头解决方案一样，此类系统无法补偿各种内窥镜之间的差异或无法补偿整个期望光谱中的各种色差。例如，在可见光谱的深蓝色范围内，在与红外(ir)光相同的方向上，存在色差，tesar未解决该色差，导致可见图像的深蓝色范围没有理想地与可见光的剩余部分一样聚焦在同一平面上。内窥镜中使用的光学材料的色散特性以及通过此类光学材料的长玻璃路径使得从紫色或深蓝色到红外的整个光谱的常规校正变得特别困难。最后，色差包括由于来自物体空间的倾斜入射光引起的纵向色差和横向色差二者。采用透镜或棱镜来校正纵向色差的技术通常会引入不想要的横向色差。另一种基于中继透镜的校正系统在本发明人于2020年12月21日提交并通过引用并入本文的美国专利申请第17/129,391号(“具有减少的色差的棒状透镜中继系统(rod lens relay system with reduced chromatic aberration)”)中提出。发明人的这项先前发明提出了几种有利的棒状透镜设计，用于减少中继系统中的色差，并相对于先前已知的系统(例如tesar的系统)简化光学系统。

6、由于内窥镜侧解决方案(例如，专门设计的中继和/或物镜系统)提供了优于摄像头解决方案的某些优势，例如允许这些校正内窥镜与多个兼容的摄像头一起使用，因此需要的是，在对于旨在使可见光成像的窥镜从紫色到红色以及对于fi-vis窥镜从紫色到红外的感兴趣波长的整个感兴趣光谱范围内，能够实现针对与色差(特别是色球差)相关联的问题的内窥镜侧解决方案的装置和方法，从而允许可靠的捕获对焦广谱图像。还应注意的是，当中继系统速度异常快(如可能时通常希望)和/或需要大量中继器将光学信息从窥镜的远端传输到近端时，单个中继器的色球差在整个中继系统上累积，导致图像进一步恶化，和/或需要更复杂的物镜来尝试补偿聚集的像差。因此，特别需要的是内窥镜侧解决方案，特别是其中在中继透镜元件本身内进行必要的色球差校正的系统，从而减少现有技术的整个系统在宽的可见范围(例如，400-700nm)内和/或在可能用于可见光和荧光成像的整个光谱(例如，400-900nm)中存在的色球差。进一步需要的是用于宽带成像应用且没有昂贵和缓慢的光学元件(例如，自动聚焦机构或适配器以及用于色差校正的处理系统)的内窥镜。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是改进内窥镜装置在从紫色到红色的整个可见光谱和/或整个可见光谱以及近红外(nir)范围内的成像。为了实现这个目的，本发明的各个方面提供了装置和光学系统(特别是中继透镜)的进步，其增强了fi和可见光两种能力的内窥镜成像。公开了复消色差中继透镜和相关联系统，它们在整个可见光谱和/或从紫色(约400nm)到红外(约900nm)光谱范围内校正色球差，该范围通常用于内窥镜手术的可见光和荧光成像。特别地，公开了具体的中继透镜和系统设计，它们利用比迄今为止可能比任何先前已知的系统更显著减少色球差的光学元件更少的光学元件。此外，一些实施例使得能够使用比其他现有技术系统可能的更经济的部件，降低成本，同时简化中继透镜系统本身以及它们可以在其中使用的内窥镜装置的制造。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种用于内窥镜的中继系统。中继系统包括相对于中央空气间层对称定位的一对相对的棒状透镜组件，其中每个棒状透镜组件包括基本上由弯月形透镜、第一透镜、棒状透镜和第二透镜组成的光学元件。弯月形透镜被定位成紧邻中央空气间层并且凸表面面向空气间层。第一透镜具有正焦度，其中凸面被定位成与弯月形透镜的内面相邻，并且在一些实施例中由具有反常部分色散的材料形成。棒状透镜与具有正焦度的第一透镜相邻，并且具有第一面和第二面，第一面和第二面二者均为光束通过面，且第二面是平坦/平面的。第二透镜是平凸的，而且也具有带两个面的正光焦度，平坦面与棒状透镜的第二平坦面相邻。通过在从光谱的紫色区域到至少该光谱的红色区域的整个连续光谱内操纵光以在共同的图像平面中达到共同的焦点，由弯月形透镜、具有正焦度的第一透镜、棒状透镜和具有正焦度的第二透镜组成的这个中继透镜组件一起提供色差校正，并且其中球面像差在整个光谱内得到很好的校正。

3、根据本发明的一些实施方式，发生色差和球面像差校正的光谱主要在可见光谱到近红外(nir)光谱中。在一些实施例中，光谱为400-900nm。在另一些实施例中，光谱主要在可见光范围内，即约400-700nm。

4、一些实施方式的一个方面是，棒状透镜可以具有两个平坦表面，在这种情况下，具有正焦度的第一透镜是平凸透镜，其平坦面与棒状透镜的第一平坦面相邻。

5、在一些实施例中，具有正焦度的第一透镜为凸-凸透镜/双凸透镜。

6、本发明的一些实施方式的一个方面是，具有正焦度的第一透镜由具有反常部分色散的材料构成。在一些实施方式中，该具有正焦度的第一透镜由氟玻璃、磷酸盐玻璃或氟磷酸盐玻璃组成；并且在587nm的波长下具有1.43和1.55之间的折射率。

7、在本发明的一些实施例中，所有四个光学元件，即弯月形透镜、具有正光焦度的第一透镜、棒状透镜和具有正光焦度的第二透镜，被粘合在一起以形成单个单元。

8、所述实施例中的一些的一个方面是，具有正焦度的第二透镜具有比棒状透镜的那些值更高的折射率和更低的阿贝数。

9、在一些实施例中，每个棒状透镜组件具有小于六的工作f数。在一些实施例中，中继系统本身可以在棒状透镜组件之间的中央空气间层中包含孔径光阑。

10、根据本发明的第二方面，提供了一种内窥镜，其包括具有远端和近端的轴。物镜或透镜系统收集来自主体场景的光并将其传递到图像中继系统。中继系统包括根据上述公开的实施例中的一个或多个的至少一对棒状透镜组件。中继系统将图像光中继到近侧透镜组，该透镜组将包括波长在可见光范围内以及在一些实施例中进入nir范围的广谱光的图像聚焦到单个图像平面上。

11、特定实施例包括至少5个中继透镜对，所述中继透镜对中的至少一个是诸如先前描述的校正对。

12、本发明的一些实施例的另一个方面是一种电子图像传感器，其被放置在内窥镜的图像平面中以便捕获由中继系统中继的主体场景的图像。

13、根据以下对优选实施例的描述并结合附图，本发明的这些和其他特征将变得显而易见。