ГРАДИЕНТНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЕРХТОНКОГО ЭНДОСКОПА С НАПРАВЛЕНИЕМ НАБЛЮДЕНИЯ, ОТЛИЧНЫМ ОТ ПРЯМОГО Российский патент 1998 года по МПК G02B23/24 

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к оптическим системам жестких эндоскопов.

Изобретение найдет применение в сверхтонких эндоскопах, предназначенных для контроля за проведением диагностических, лечебных и хирургических манипуляций, а также визуального осмотра особо узких полостей и биологических каналов тела человека, например, у детей младшего возраста.

Оптические системы сверхтонких жестких эндоскопов известны, в том числе с направлением наблюдения, отличным от прямого.

Они состоят из последовательно расположенных по оптической оси головного оптического устройства изменения направления оптической оси, объекта (формирующего изображение предметной плоскости), системы передачи изображения и расположенного на проксимальном конце устройства обработки изображения, например, окуляра, фотообъекта и т.п..

Наиболее высокое качество получаемого изображения в сверхтонких жестких эндоскопах обеспечивают оптические системы в которых в качестве объектива и системы передачи изображения (транслятора) используются градиентные оптические элементы-градиенты - с радиальным распределением показателя преломления (РПП).

Так известна градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа (патент США N 4.735.491, кл. 350-413, 1988), содержащая линзовый головной объектив с призменной системой для изменения направления оптической оси, градиентную систему передачи изображения (транслятор) и окуляр.

Данная оптическая система характеризуется достаточно высокими оптическими характеристиками. Вместе с тем ей присущи существенные недостатки. В частности, из-за выполнения головного объекта многолинзовым возникают технологические сложности при изготовлении и сборке оптических блоков из микролинз малого диаметра (менее 1,5 мм). Наличие большого количества границ "воздух-стекло" обуславливает значительные потери света.

Известна также (выбранная за прототип) оптическая система сверхтонкого эндоскопа A 17-17-14-70 (проспект фирмы "Олимпус", Япония) которая содержит (фиг. 3) последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство 1, изменяющее направление оптической оси (оптический клин), градан-объектив 2, градан-транслятор 3 и окуляр 4. При этом объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, а объектив имеет длину по оси равную четверти периода градана, то есть d_об = 0,25 T_об, причем T_об = , где d_об - длина градана-объектива, T_об - период градана, g_об - силовой параметр РПП градана, π - постоянный коэффициент.

Оптическая система сверхтонкого эндоскопа A-17-17-14-70 отличается от оптической системы (патент США N 735.491, кл. 350-413), большей технологичностью из-за отсутствия микролинз, а также значительным светопропусканием.

Однако и этой оптической системе присущ ряд недостатков.

Во-первых, мал угол зрения в пространстве предметов и недостаточна величина диапазона возможных углов направления наблюдения. Это связано с тем, что входной зрачок градиентной оптической системы, в которой используется объектив с длиной равной четверти периодов, расположен на первой поверхности объектива (Медицинская техника. - 1994, N 5, с. 19-24).

Известно, что наибольший угол поля зрения достигается в случае, когда входной зрачок оптической системы эндоскопа располагается посередине призмы или иного устройства изменения направления наблюдения (Новости медицинской техники. - 1980, - вып. 1, с. 9-12). Отсюда вытекает требование к оптической системе эндоскопа иметь вынесенный вперед относительно первой поверхности объектива входной зрачок, что одновременно позволит расширить диапазон углов направления наблюдения за счет использования призм, имеющих большую длину хода лучей, а также сложных составных клиньев.

Во-вторых, в указанной оптической системе эндоскопа качество изображения снижено из-за того, что изображение, сформированное граданом-объективом, имеющим длину по оси равную четверти периода, располагается в плоскости склеенных поверхностей градана-объектива и градана-транслятора. Поэтому при рассматривании изображения через окуляр достаточно большого увеличения четко наблюдаются все дефекты склейки (мельчайшие воздушные пузыри, трещины, царапины, недополировка и т.п.).

Кроме того, недостатком прототипа является то, что в оптической системе эндоскопа в качестве устройства, изменяющего направление оптической оси, применен клин, выходной гранью наклеенных на первую поверхность градана-объектива. При этом входная грань наклонена к оси эндоскопа. В этом случае невозможно получить достаточно большое угловое поле (более 50) при требуемой величине отклонения оптической оси (более 25) из-за значительной анаморфозы на одном из краев поля зрения вследствие очень больших углов падения части лучей на входную грань клина.

Изобретение решает задачу увеличения угла поля зрения и расширения диапазона углов направления наблюдения в градиентных оптических системах с одновременным повышением качества изображения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в градиентной оптической системе сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения от прямого, содержащей последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменение направления оптической оси, градан-объектив, градан транслятор и окуляр, причем объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, согласно настоящему изобретению длина градана-объектива определяется выражением
,
причем

,
где
d_об - длина градана-объектива, мм;
S_вх.зр - расстояние от первой поверхности градана-объектива до входного зрачка оптической системы, мм;
D_тр - диаметр градана-транслятора, мм;
2ω_o - угол поля зрения в пространстве предметов градиентной оптической системы "объектив-транслятор", угл.град.;
n_об - показатель преломления материала градана-объектива вдоль оптической оси;
g_об - коэффициент РПП в градане-объективе (силовой параметр), мм^-1, определяемый согласно зависимости
,
где
n(Y) - распределение показателя преломления материала градана-объектива вдоль его радиуса;
Y - текущая координата, мм;
n₄, h₆ - постоянные коэффициенты.

Согласно изобретению устройство изменения направления оптической оси может быть выполнено в виде двух оптических клиньев, наружные поверхности которых расположены перпендикулярно оси эндоскопа, а внутренние поверхности наклонены в противоположные стороны к той же оси. Устройство для изменения направления оптической оси может иметь и иную конструктивную реализацию, например, в виде одиночного оптического клина, входная поверхность которого расположена перпендикулярно к оси эндоскопа, а за клином установлена тонкая защитная плоско параллельная пластина, наклеенная на входной торец градана-объектива.

Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что, благодаря предложенным и реализованным в оптической системе конструктивным решениям, осуществлен вынос входного зрачка, что позволило увеличить угловую пропускную способность устройства изменения направления оптической оси, повысить качество изображения и, одновременно, расширить диапазон углов направления наблюдения за счет возможности использования призм, имеющих большую длину хода лучей, и сложных составных клиньев.

Изложенная сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 (а, б) представлены принципиальные схемы предлагаемой оптической системы; на фиг. 2 (а, б) - ход лучей через устройство изменения направления оптической оси предлагаемой оптической системы; на фиг. 3 - оптическая система эндоскопа A-17-17-14-70 (прототип).

Согласно предложению оптическая система сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения отличным от прямого состоит (фиг. 1,а) из расположенных вдоль оптической оси устройства 1 изменения направления оптической оси, градана-объектива 2 и градана-транслятора 3, расположенных взаимно без зазора, и окуляра 4.

Положение входного зрачка в оптической системе, состоящей из градана-объектива и градана-транслятора, относительно первой поверхности объектива определяется выражением
.

В этом случае при длине объектива равной π /2g_об входной зрачок будет совпадать с первой поверхностью объектива. Если длина объектива менее π /2g_об, то входной зрачок будет вынесен вперед, что обеспечивает достижение поставленной цели.

Угловое поле градиентной оптической системы определяется выражением
.

Исходя из требований к эндоскопу выбирают конструкцию устройства изменения направления оптической оси и определяют необходимый вынос входного зрачка оптической системы, при котором будет отсутствовать виньетирование краевых пучков лучей на боковых поверхностях оптических элементов, составляющих это устройство. Определив необходимый вынос входного зрачка с помощью формулы 1 рассчитывают длину градана-объектива, обеспечивающую этот вынос, а затем уточняют значение углового поля градиентной оптической системы по формуле 2.

Предложенное устройство 1 изменения направления оптической оси выполнено в виде двух оптических клиньев 5 и 6, наружные поверхности которых 7 и 8 расположены перпендикулярно оси эндоскопа, а внутренние поверхности 9 и 10 наклонены в противоположные стороны к той же оси.

Устройство 1 изменения направления оптической оси может быть выполнено в виде одиночного клина 11 (фиг. 1,б), входная поверхность 12 которого расположена перпендикулярно к оси эндоскопа, а за клином установлена тонкая защитная плоскопараллельная пластина 13, наклеенная на входной торец градана-объектива 2.

Ориентировка клина 11 нормально расположенной к оси эндоскопа поверхностью 12 в сторону объектов позволило увеличить угол направления наблюдения до 25^o (у прототипа - 14^o) и применить градан-объектив с углом поля зрения 50^o. Выполнение устройства 1 изменения направления оптической оси в виде двух оптических клиньев 5 и 6, наружные поверхности 7 и 8 которых расположены перпендикулярно к оси эндоскопа, а внутренние поверхности 9 и 10 наклонены в противоположные стороны к той же оси, позволило не только увеличить по сравнению с прототипом угол направления наблюдения до 28^o, но и применить градан-объектив с более широким углом поля зрения, равным 68^o.

Выполнение градан-объектива с указанной выше длиной по оси позволяет не только вынести вперед положение плоскости вход зрачка, но одновременно отнести от выходного торца градан-объектива плоскость изображения на расстояние, равное в первом приближении выносу входного зрачка, тем самым устраняя возможность резкого видения дефектов поверхности склейки объектива и транслятора в окуляр большого увеличения.

На фиг. 2 показан ход лучей через устройство изменения направления оптической оси, состоящее из двух оптических клиньев (фиг. 2,а), и одного оптического клина (фиг. 2,б). Эти устройства нашли применение в цистоскопе для детей младшего возраста Ци-ВС-01 и эндоскопе для оториноларингологии ЛОР-ВС-01.

Работа оптической системы сверхтонкого жесткого эндоскопа с направлением наблюдения отличным от прямого заключается в следующем. Лучи света, отраженные от исследуемого объекта, который расположен в труднодоступной полости или особо узком биологическом канале в стороне от оси эндоскопа, попадает в устройство 1 изменения направления оптической оси (призму или оптический клин), а затем - объектив 2, который формирует первое промежуточное изображение объекта в плоскости, расположенной за объективом (фиг. 1 а,б).

Далее изображение, сформированное объективом 2, с помощью системы 3 передачи изображения (транслятора) доставляется к окуляру 4, через который рассматривается наблюдателем под некоторым увеличением.

Наилучшим образом технологии изготовления и сборки сверхтонкого жесткого эндоскопа с направлением наблюдения отличным от прямого отвечают граданы - оптические элементы, выполненные в виде стеклянного стержня с плоскими торцами, показатель преломления материала которого в радиальном направлении изменяется по определенному закону. При этом градан-объектив 2 и градан-транслятор 3 расположены взаимно друг за другом без зазора (в частности склеены), образуя оптически нерасстраиваемую в процессе эксплуатации прибора градиентную систему "объектив-транслятор".

Следует отметить, что градан-объектив 2 для получения большого угла зрения должен иметь существенно большее значение апертуры, чем градан-транслятор 3. Это достигается благодаря выполнению градан-объектива из специального стекла с высоким осевым показателем преломления. (Ремизов Н.В. Автореферат диссерт. на соиск. уч. степ. к.ф.- м.н., Л., 1984).Это стекло, как правило, химический нестойко и требует защиты рабочих поверхностей (торцев) объектива от воздействия атмосферы. Поэтому призма или оптический клин (устройство 1 изменения направления оптической оси) обычно наклеиваются на входной торец градана-объектива 2.

Таким образом, оптическая система сверхтонкого жесткого эндоскопа с направлением наблюдения отличным от прямого, содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр, выполненная вышеуказанным образом, позволяет не только увеличить угол поля зрения и расширить диапазон углов направления наблюдения, но одновременно повысить качество наблюдаемого изображения объекта.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам жестких эндоскопов, предназначенных для контроля за проведением диагностических, лечебных и хирургических манипуляций, а также визуального осмотра особо узких полостей и биологических каналов тела человека. Сущность изобретения: градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа содержит устройство 1 изменения направления оптической оси, градан-объектив 2, градан-транслятор 3 и окуляр 4. Устройство 1 изменения направления оптической оси выполнено в виде двух оптических клиньев 5 и 6, наружные поверхности которых 7 и 8 расположеы перпендикулярно оси эндоскопа, а внутренние поверхности 9 и 10 наклонены в противоположные стороны к той же оси. Устройство 1 изменения направления оптической оси может быть выполнено также в виде одиночного клина 11, входная поверхность 12 которого расположена перпендикулярно к оси эндоскопа, а за клином 11 установлена тонкая защитная плоско-параллельная пластина 13, наклеенная на входной торец градана-объектива 2. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения, отличным от прямого, содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр, причем объектив и транслятор имеют плоские торцы и расположены взаимно без зазора, отличающаяся тем, что длина градана-объектива определяется выражением

причем


где d_о б - длина градана-объектива, мм;
S_{в х .зр.} - расстояние от первой поверхности градана-объектива до входного зрачка градиентной оптической системы;
D_т р - диаметр градана-транслятора, мм;
2ω_o - угол поля зрения в пространстве предметов градиентной оптической системы, угл.град.;
n_о б - показатель преломления материала градана-объектива вдоль его оптической оси;
g_о б - коэффициент РПП в градан-объективе, мм^- 1, определяемый согласно зависимости

где n(Y) - распределение показателя преломления градана-объектива вдоль его радиуса;
Y - текущая координата, мм;
h₄, h₆ - постоянные коэффициенты. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство изменения направления оптической оси выполнено в виде двух клиньев, наружные поверхности которых расположены перпендикулярно оси эндоскопа, а внутренние поверхности наклонены в противоположные стороны к той же оси. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство изменения направления оптической оси выполнено в виде одиночного оптического клина, входная поверхность которого расположена перпендикулярно к оси эндоскопа, а за клином установлена тонкая защитная плоскопараллельная пластина, наклеенная на входной торец градана-объектива.