一种立体内窥镜电子成像光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种小畸变、大视场立体内窥镜电子成 像光学系统设计。
【背景技术】
[0002] 当今世界上微创手术已经成为外科医学各领域发展方向。微创手术具有对病人损 伤小、减少术间病人痛苦、术后康复时间短等多项优点，应用越来越广泛。而任何一项微创 手术的开展都离不开硬管内窥镜。硬管内窥镜由于技术先进、应用方便、产品多样化、专业 化，因此受到患者和外科医生的欢迎。目前，膀胱镜、宫腔镜、喉镜、鼻窦镜、腹腔镜、关节镜 等各种硬管内窥镜在我国县级医院已经普遍应用。
[0003] 传统的微创手术由医生亲自操作手术器械，通过观察硬管内窥镜的二维电子图像 来进行，手术精确性因人而异，长时间的手术也会偶尔发生误操作。随着电子技术的不断发 展，出现了手术机械人，通过手术机械人的机械手精确控制手术器械，可以提高手术精度， 减小创口，使病人快速康复。
[0004] 为了精确控制手术器械的位置，手术机械人使用立体内窥镜观察病变组织，该立 体内窥镜具有两个观察用光学通道，每个通道的光学图像分别成像在CCD或CMOS上，利用 软件技术合成立体图像，在显示器上显示。
[0005] 对于立体内窥镜或腹腔镜来讲，需要视场角大，一般需大于80°，以便观察大范围 手术视野。80°视场角的光学系统，相对畸变在25%左右。为了不使手术器械的图像变形， 要求光学系统畸变小，一般相对畸变需小于5%，国外内窥镜生产商通常使用非球面技术校 正光学系统畸变。
[0006] 如图1所示，硬管内窥镜光学系统包含三部分：硬管内窥镜物镜0BJ，对物体成倒 像；硬管内窥镜光学转像系统REL，对物镜所成的像重新1:1成像，经多次转像后最终在硬 管内窥镜目镜物方焦面处成正立的实像（硬管内窥镜光学转像系统含有多组结构相同的 转像透镜组，这些转像透镜组将物镜所成的像多次成像，增加光学系统总长，以满足硬管内 窥镜工作长度的要求）；硬管内窥镜目镜0CU，将内窥镜图像成像在无穷远，观察者可通过 其观察前述正立实像。
[0007] 通过目镜观察内窥镜图像的方法现在已经很少使用，尤其是腹腔镜微创手术，必 须使用内窥镜转像系统。例如：在目镜后加一个接口透镜，将目镜的无穷图像成像在CCDS CMOS器件上。在显示器上看到的是二维图像，它没有深度方向的位置信息。
[0008] 图2至图5分别表示现有技术中不同光学结构形式的常用硬管内窥镜光学转像系 统结构示意图。
[0009] CMOS器件上。在显示器上看到的是二维图像，它没有深度方向的位置信息。
[0010] 图2至图5分别表示现有技术中不同光学结构形式的常用硬管内窥镜光学转像系 统结构示意图。
[0011] 如图2所示的硬管内窥镜光学转像系统结构图，为早期硬管内窥镜光学转像系 统，由一对由薄正透镜1和薄负透镜2组成的双胶合透镜组构成，孔径光阑3位于中间，垂 轴像差得到良好校正。但由于采用薄透镜组，系统理论光能透过率较低，且在装配时镜片容 易倾斜，从而影响系统像质，现在几乎没有企业采用。
[0012] 如图3、图4和图5所示的硬管内窥镜光学转像系统结构示意图，均为Hopkins提 出棒状镜转像系统后，各企业使用的不同结构形式。与图2所示结构相比，理论光能透过率 高，对于尿道膀胱镜等超细硬管内窥镜来讲，像面亮度明显提高。
[0013] 如图3所示的硬管内窥镜光学转像系统中，一对Hopkins棒状透镜4, 一端与焦距 为负的薄负透镜2相胶合，薄负透镜2使用高折射率、高色散的光学玻璃，用于校正轴向色 差，但不能校正场曲。该结构的优点是结构简单，缺点在于Hopkins棒状透镜非胶合面半径 大，用传统的光学加工工艺加工比较困难，国外企业采用该结构较多。
[0014] 如图4所示的硬管内窥镜光学转像系统中，Hopkins棒状透镜4,两端分别与焦距 为负的薄负透镜2相胶合，薄负透镜2使用高折射率、高色散的光学玻璃，用于校正轴向色 差，但不能校正场曲。该结构优点是采用对称结构，Hopkins棒状透镜4两端的薄透镜2结 构参数相同，Hopkins棒状透镜球面半径小，加工相对来讲比较容易；该结构的缺点是胶合 面多，胶合时容易偏心，胶合面对图像质量影响大。国内企业大多数采用该结构。立体内窥 镜，如果转像系统采用7组图4所示结构，镜片数量达到42片，胶合面28个，这将使光能透 过率下降，并且加工误差也会使图像质量劣化。
[0015]目前，硬管内窥镜光学转像系统通常使用如图4所示结构，它是对称结构， Hopkins棒状透镜球面半径小，采用玻璃打孔配盘的方法加工。Hopkins棒状透镜、打孔玻 璃配与夹具用胶粘接固定后，再进行细磨和抛光。每次细磨和抛光过程会导致Hopkins棒 状透镜定心精度下降，并且很难加工球面半径大的Hopkins棒状透镜。
[0016] 如图5所示结构，由两片Hopkins棒状透镜4组成，其棒状透镜两个球面半径相 同，孔径光阑3位于两片Hopkins棒状透镜4中间，并且第一片棒状透镜4的像方焦点与第 二片棒状透镜4的物方焦点重合，构成双远心（4F)系统，转像系统中间像（物）位于第一 片棒状透镜4的物方焦点，转像系统中间像（像）第二片棒状透镜4的像方焦点处。该结 构无法校正任何像差，球面半径大，不论采用玻璃打孔配盘还是磨边定心工艺，加工难度都 非常大，几乎没有企业采用该结构。
[0017] 立体内窥镜具有两个光学观察通道，每个观察通道的物镜和转像系统和传统的硬 管内窥镜相同。它需要将目镜无穷远的像成像在CCD或CMOS器件上的接口透镜。立体内 窥镜同时使用两个CCD或CMOS器件上，光学系统设计时必须考虑空间布局。
[0018]综上所述，立体内窥镜光学系统设计涉及物镜、转像系统、电子成像光学系统设计 三方面，如何使三者有机结合在一起，在满足工作距和空间布局要求的前提下，光学系统光 能透过率最高、图像清晰，畸变小，是需要解决的技术难题。
【发明内容】
[0019] 针对上述的现有技术及存在的问题，本发明提出了一种立体内窥镜电子成像光学 系统，设计大视场、小畸变、高质量、低成本立体内窥镜光学系统。
[0020] 本发明提出了一种立体内窥镜电子成像光学系统，该系统沿光线传播方向依次为 Hopkins棒状透镜、一组及以上的转像双胶合透镜、斜方棱镜、成像双胶合透镜、单透镜和保 护窗口；该系统的转像透镜的像被直接放大到CCD或CMOS像素面，轴向放大率为1. 1~2 ; 其中：
[0021] 所述Hopkins棒状透镜用于增加系统的工作长度，有效减少透镜数量；
[0022] 所述斜方棱镜用于增加立体内窥镜两个光学通道后续透镜组的光轴间距离，满足 两个C⑶或CMOS器件的空间布局要求；
[0023] 所述成像双胶合透镜和单透镜用于放大图像，参与校正系统畸变，使系统畸变减 小。
[0024] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0025] (1)本发明没有使用目镜，使光学系统透镜片数最少，可以减小透镜表面反射导致 的杂散光，提高图像对比度；
[0026] (2)本发立体内窥镜电子成像光学系统中有一片Hopkins棒状透镜，可以增加立 体内窥镜工作长度，减少转像系统组数，减少胶合面数，可以减小胶合面对光能的吸收，提 高光能透过率；
[0027] (3)本发明斜方棱镜后的双胶合透镜和单透镜参与系统畸变校正，可以最大限度 校正系统畸变，同时保证边缘视场照度，提供清晰的电子图像；
[0028] (4)本发明的立体内