ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭНДОСКОПА Российский патент 1995 года по МПК G02B23/24 A61B1/00 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопов и найдет применение в эндоскопах приборах, предназначенных для осмотра и фотографирования различных полостей и биологических каналов тела человека. Оно может быть использовано также в оптических устройствах, выполняющих аналогичные функции в технике.

Известна оптическая система эндоскопа, состоящая из объектива, системы передачи изображения и окуляра [1] Обычно создаваемое эндоскопами изображение наблюдаемых объектов в значительной степени искажено из-за имеющей место аберрации дисторсии, возникающей вследствие непостоянства по полю зрения увеличения объектива (увеличение снижается по мере удаления от оптической оси). При угле поля зрения 90^о относительная дисторсия превышает -40% Присутствие отрицательной по знаку дисторсии в объективе эндоскопа позволяет загнать в узкую световую трубку системы передачи изображения пучок лучей света, падающий в объектив под довольно большими углами. При этом дисторсия хотя и не вызывает нерезкости в изображении, однако существенно нарушает геометрическое подобие между предметом и изображением, что не только мешает работе наблюдателя, но и не позволяет точно оценивать как размеры объектов, так и расстояние от них до входного окна оптической системы.

Известна оптическая система эндоскопа, в которой аберрация дисторсии уменьшена [2] принятая за прототип и содержащая объектив типа перевернутого телеобъектива, линзовую систему передачи изображения, построенную из стержневидных линз, и окуляр, снабженная компенсатором, выполненным в виде компонента из отрицательной плосковогнутой и положительной выпукло-плоской линз, расположенного за оборачивающей системой на расстоянии, не превышающем двух диоптрий от фокальной плоскости окуляра, причем показатель преломления положительной линзы не менее чем на 0,2, превышает показатель преломления отрицательной линзы.

Однако этой оптической системе эндоскопа также присущи существенные недостатки, а именно недостаточна степень коррекции дисторсии в широкоугольных оптических системах (с углами поля зрения 90^о и более); велика вероятность наблюдения в окуляр мешающих работе посторонних включений (дефектов обработки линз компенсатора и материалов, из которых они изготовлены, а также осыпки и пыли, осевших на оптических поверхностях линз компенсатора, так как они расположены вблизи фокальной плоскости окуляра, на расстоянии, не превышающем двух диоптрий); высока себестоимость изготовления линз компенсатора, так как из-за близкого расположения их к фокальной плоскости окуляра ужесточены требования как к материалу линз (в отношении пузырности), так и к чистоте обработки рабочих поверхностей линз.

Цель изобретения повышение качества изображения за счет уменьшения дисторсии и устранения вероятности наблюдения мешающих работе дефектов изготовления линз и сборки оптической трубки при снижении требований к пузырности материала линз и чистоте их рабочих поверхностей и, соответственно, удешевлении эндоскопа.

Цель достигается благодаря тому, что в оптической системе эндоскопа, содержащей объектив, линзовую оборачивающую систему передачи изображения, окуляр и расположенный за системой передачи изображения перед окуляром компенсатор, содержащий двухлинзовый компонент из отрицательной и положительной разделенных воздушным промежутком линз, установленный перед передней фокальной плоскостью окуляра, компенсатор снабжен дополнительным двухлинзовым из положительной и отрицательной разделенных воздушным промежутком линз компонентом, установленным за передней фокальной плоскостью окуляра, причем компоненты компенсатора обращены положительными линзами навстречу друг другу и удалены от передней фокальной плоскости окуляра на расстояние, превышающее две диоптрии.

В компенсаторе первая линза может быть выполнена менискообразной, вогнутостью обращенной к окуляру, вторая двояковыпуклая, третья менискообразная, выпуклостью обращенная к окуляру, четвертая двояковогнутая.

Уменьшение аберрации дисторсии достигается благодаря выполнению компенсатора в виде двух двухлинзовых компонентов, размещенных по разные стороны от передней фокальной плоскости окуляра при заявленных взаимном расположении линз в компенсаторе и форме их выполнения, что позволяет удалить эти компоненты от передней фокальной плоскости окуляра на расстояние, превышающее две диоптрии, и осуществлять коррекцию дисторсии в два этапа с суммарной степенью коррекции, превышающей степень ее коррекции в прототипе, и достаточной степенью коррекции дисторсии в широкоугольных (с углом поля зрения 90^о) оптических системах, чем обеспечивается повышение качества изображения, позволяя правильно оценивать (измерять) линейные размеры наблюдаемых через прибор объектов и расстояние от них до входного окна эндоскопа. Этим же обеспечивается возможность снижения требований к материалу (пузырность) и качеству изготовления (чистота поверхностей) линз без ущерба качеству изображения, что снижает себестоимость их изготовления.

При этом каждый из двухлинзовых компонентов компенсатора, так же как и весь компенсатор в целом, работает с увеличением, близким к +1^х, и ходом главных лучей, близким к телецентрическому, и обладает положительной по знаку (подушкообразной) дисторсией, суммарная величина которой достаточна для компенсации отрицательной по знаку (бочкообразной) суммарной дисторсии впередистоящей системы и окуляра. В результате создается бездисторсионная (ортоскопическая) оптическая система эндоскопа.

На фиг. 1 показана принципиальная схема оптической системы; на фиг.2 графики относительной дисторсии аберраций оптических систем (гистероскопа и артроскопа, прототипа).

Оптическая система эндоскопа состоит (фиг.1) из объектива 1 перевернутого телеобъектива, линзовой оборачивающей системы 2 передачи изображения, содержащей стержневидные линзы, а также расположенного за системой 2 передачи изображения перед окуляром 3 компенсатора 4, выполненного в виде двух двухлинзовых компонентов 5, 6, каждый из которых состоит из разделенных воздушным промежутком положительной линзы 7 и 8 и отрицательной линзы 9 и 10 соответственно. Компоненты 6, 5 установлены по разные стороны от передней фокальной плоскости 11 окуляра 3 на расстоянии, превышающем две диоптрии, и обращены к ней своими положительными линзами 7 и 8.

При этом в двухлинзовом компоненте 5, установленном перед передней фокальной плоскостью 11 окуляра 3 и работающем в сходящихся пучках лучей света, отрицательная линза 9 выполнена в виде мениска, обращенного вогнутостью к окуляру 3, а положительная 7 двояковыпуклой, а в двухлинзовом компоненте 6, установленном за передней фокальной плоскостью 11 окуляра 3 и работающем в расходящихся пучках лучей света, положительная линза 8 выполнена в виде мениска, обращенного выпуклостью в сторону окуляра 3, а отрицательная 10 двояковогнутой.

Каждый из двухлинзовых компонентов 5, 6 компенсатора 4, так же как и весь компенсатор 4, работает с увеличением, близким к +1*, и ходом главных лучей, близким к телецентрическому. Линзы 7-10 компонентов 5, 6 могут быть выполнены из одинакового материала.

В зависимости от конкретных аберраций объектива 1, системы 2 передачи изображения 2 и окуляра 3 при окончательной коррекции аберраций поверхность линз 7-10, обращенная в сторону объектов, может принять плоскую форму, обеспечивая необходимую компенсацию дисторсии. Первый вариант выполнения линз 7-10 является предпочтительным, так как в более широких пределах обеспечивает требуемую степень коррекции аберраций комы и астигматизма, а во втором варианте форма линз более технологична.

Работа оптической системы эндоскопа заключается в следующем.

Объектив 1 формирует изображение исследуемых объектов в плоскости, расположенной перед линзовой оборачивающей системой 2 передачи изображения. Для того, чтобы можно было передать это изображение к окуляру 3 внутри узкой световой трубки, объектив должен обеспечить телецентрический ход главных лучей изображения в пространстве (требование диктуется условиями переноса изображения оборачивающей системой), причем, чем большей по абсолютной величине и отрицательной по знаку аберрацией дисторсии обладает объектив, тем более широкий угол поля зрения обеспечивается оптической системой эндоскопа.

Сформированное объективом 1 изображение переносится к окуляру 3 с помощью линзовой оборачивающей системы 2 передачи изображения. При этом лучи света на своем пути проходят через установленный после системы 2 компенсатор 4, построенный из компонентов 5, 6, содержащих линзы 7-10, каждый из двухлинзовых компонентов 5, 6 компенсатора 4, так же как и весь компенсатор 4 в целом, обладают близким к телецентрическому ходам главных лучей, работают с увеличением, близким к +1*, и имеют положительную по знаку, подушкообразную по форме дисторсию, величина которой достаточна для компенсации отрицательной по знаку, бочкообразной по форме дисторсии как впередистоящей оптической системы (объектива 1 и системы передачи изображения 2), так и окуляра 3. В результате формируется ортоскопическое (бездисторсионное) изображение наблюдения объектов.

Выполнение в компенсаторе 4 "силовых" линз 8, 9 менискообразными, при котором положительная линза 8 обращена к окуляру 3 выпуклостью, а отрицательная линза 9 вогнутостью, позволяет при значительном удалении линз 8, 9 от передней фокальной плоскости 11 окуляра 3 обеспечить получение в нем положительной дисторсии достаточно большой величины, а выполнение коррекционных линз положительной 7 двояковыпуклой (или плосковыпуклой) и отрицательной 10 двояковогнутой (или плосковогнутой) позволяет обеспечить достойную коррекцию остальных аберраций (комы, астигматизма и т.д.), причем совместное использование в компенсаторе 4 линз 7-10, выполненных, как указано выше, позволяет добиться в широкоугольной оптической системе эндоскопа высокого качества изображения, о чем свидетельствуют графики аберраций, представленные на фиг.2, оптических систем гистероскопа и артроскопа соответственно, где приняты следующие обозначения: Δ относительная дисторсия; ω половинный угол поля зрения.

Кроме того, размещение линз 7, 8 компенсатора 4 по разные стороны от передней фокальной плоскости 11 окуляра 3 на расстоянии, превышающем две диоптрии, исключает вероятность наблюдения в окуляр 3 мешающих работе посторонних включений (дефектов обработки линз компенсатора и материалов, из которых они изготовлены, а также осыпки и пыли).

Анализ кривых, представленных на графиках, позволяет сделать вывод о достаточно высокой степени коррекции аберраций в оптических системах гистеро- и артроскопа, что предопределяет хорошее качество получаемого изображения.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет улучшить качество изображения путем более высокой степени коррекции дисторсии с одновременным снижением требований к изготовлению линз компенсатора 4, что наглядно видно из графиков аберрации дисторсии (фиг.2).

Хорошее качество изображения, обусловленное соответствующей степенью коррекции дисторсии, позволяет, в свою очередь, эффективно оценивать (измерять) поперечные размеры наблюдаемых при этом объектов при использовании в том числе и широкоугольных оптических систем эндоскопов.

Кроме того, использование заявляемой оптической системы эндоскопа дает определенный экономический эффект, особенно при значительных масштабах производства, обусловленный сниженными требованиями к чистоте рабочих поверхностей линз компенсатора и качеству материала для их изготовления.

Использование: в медицине для осмотра и фотографирования различных полостей и биологических каналов тела человека с высоким качеством изображения, в том числе и для оптических систем с углом поля зрения, меньшим или равным 90°. Сущность изобретения: в оптической системе эндоскопа, содержащей линзовую оборачивающую систему передачи изображения и окуляр, установлен расположенный за системой передачи изображения перед окуляром компенсатор, содержащий два двухлинзовых компонента, каждый из которых составлен из отрицательной и положительной разделенных воздушным промежутком линз, причем первый компонент установлен перед передней фокальной плоскостью окуляра, а второй компонент установлен за передней фокальной плоскостью окуляра, причем компоненты компенсатора обращены положительными линзами навстречу друг другу и удалены от передней фокальной плоскости окуляра на расстояние, превышающее две диоптрии. Предпочтительное выполнение линз компенсатора: первая - минискообразная, вогнутостью обращенная к окуляру, вторая - двояковыпуклая, третья - менискообразная, выпуклостью обращенная к окуляру, четвертая - двояковыгнутая. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭНДОСКОПА, содержащая объектив, линзовую оборачивающую систему передачи изображения, окуляр и расположенный за системой передачи изображения перед окуляром компенсатор, содержащий двухлинзовый компонент из отрицательной и положительной разделенных воздушным промежутком линз, установленный перед передней фокальной плоскостью окуляра, отличающаяся тем, что компенсатор снабжен дополнительным двухлинзовым из положительной и отрицательной разделенных воздушным промежутком линз компонентом, установленным за передней фокальной плоскостью окуляра, причем компоненты компенсатора обращены положительными линзами навстречу друг другу и удалены от передней фокальной плоскости окуляра на расстояние, превышающее две диоптрии. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в компенсаторе первая линза выполнена менискообразной, вогнутостью обращенной к окуляру, вторая - двояковыпуклой, третья менискообразной, выпуклостью обращенной к окуляру, четвертая двояковогнутой.