ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭНДОСКОПА Российский патент 2002 года по МПК A61B1/55 

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопических приборов, предназначенных для наблюдения узких биологических каналов и труднодоступных полостей тела человека.

Особенно перспективно применение изобретения в сверхтонких жестких эндоскопах (офтальмологических эндоскопах, различных типов эндоскопах для детей младшего возраста и т. п.) с диаметром рабочего конца эндоскопа менее чем 3 мм.

Изобретение может быть использовано также в оптических устройствах и приборах, выполняющих аналогичные функции в технике.

Оптические системы эндоскопов известны, в том числе и эндоскопов, предназначенных для работы в узких биологических каналах.

Они состоят из последовательно расположенных по оптической оси объектива, формирующего изображение предметной плоскости, системы передачи изображения (СПИ) и устройства наблюдения или обработки изображения, например окуляра, фотообъектива, телевизионной камеры и т.п.

Технологический процесс изготовления оптических элементов с диаметром менее 1,3 мм (что соответствует диаметру рабочего конца эндоскопа около 3 мм), сборка из них оптических систем являются чрезвычайно трудоемкими. Поэтому в оптических системах сверхтонких эндоскопов не применяют сложные многолинзовые конструкции объективов и СПИ.

Известна оптическая система эндоскопа (патент США 4.641.927, кл. 350-413, 1982г.), в которой как объектив, так и СПИ выполнены в виде градиентных оптических элементов с радиальным градиентом показателя преломления (граданов).

Однако эта оптическая система эндоскопа имеет существенные недостатки. Во-первых, объектив-градан не обеспечивает угол поля зрения выше 75^o. Во-вторых, стекло, из которого изготавливается такой объектив-градан, химически нестойко, что создаст сложности при изготовлении такой оптической системы.

Указанных недостатков лишена оптическая система эндоскопа (А/С СССР 571171, G 02 В 9/00, 1976г.), содержащая объектив из двух положительных компонентов, систему передачи изображения в виде регулярного волоконного световода и окуляр, причем компоненты объектива выполнены в виде двух одинаковых плосковыпуклых линз, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, а толщина линз превышает их радиус кривизны в 1,1-1,2 раза. Но указанная оптическая система эндоскопа не обеспечивает хорошего качества изображения из-за очень большой величины аберрации дисторсии (41% для угла поля зрения 90^o), что вызывает недопустимо большие искажения геометрической формы изображения рассматриваемых объектов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная авторами за прототип оптическая система эндоскопа (патент США 4354734, кл. 350/96.26, 1982г.), содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси объектив, выполненный в виде двух плосковыпуклых компонентов, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, систему передачи изображения в виде регулярного волоконного световода и окуляр. При этом первый компонент объектива склеен из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы, а в плоскости склейки расположена апертурная диафрагма. Второй компонент объектива - линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения. Кроме того, конструктивные параметры линз объектива связаны следующими зависимостями:
0,7|r₃|≤d₂≤1,1|r₃|;
n₂≥1,75, n₃≥1,75,
0,6(n₃-1)(d₂+d₃)≤r₄≤1,4(n₃-1)(d₂+d₃),
где r₃ и r₄ - радиус кривизны выпуклых поверхностей первой и второй линзы соответственно;
n₂ и n₃ - показатель преломления материала первой и второй линзы соответственно;
d₂ - толщина первой линзы;
d₃ - воздушный промежуток между линзами.

Однако указанная оптическая система эндоскопа имеет следующие существенные недостатки:
- из-за значительной дисторсии (31% для угла поля зрения 90^o) заметно искажается геометрическая форма изображения рассматриваемых объектов;
- из-за выполнения линз объектива относительно толстыми (с толщиной более 0,7 радиуса кривизны) затруднен технологический процесс их центрирования, что повышает себестоимость их изготовления.

Настоящее изобретение решает задачу улучшения качества изображения и повышения технологичности изготовления компонентов оптической системы эндоскопа.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в оптической системе эндоскопа, содержащей последовательно расположенные вдоль оптической оси объектив, выполненный в виде двух плосковыпуклых компонентов, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, систему передачи изображения и окуляр, при этом первый компонент объектива склеен из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы, а вторым компонентом объектива является плосковыпуклая линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения, согласно настоящему изобретению радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз объектива соотносятся как 1,6|r₃|≤r₄≤2,1|r₃|, где r₃, r₄ - радиусы кривизны выпуклых поверхностей плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно, кроме того, линзы выполнены с толщиной d₂<0,7|r₃|,d₄<0,7|r₃|, где d₂, d₄ - толщины плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно, кроме того, плоскопараллельная пластина объектива выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива, кроме того, система передачи изображения выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления.

Технический результат настоящего изобретения заключается в следующем. Выполнение линз объектива с радиусами кривизны их выпуклых поверхностей, отвечающими зависимости 1,6|r₃|≤r₄≤2,1|r₃|, позволяет заметно уменьшить дисторсию, поскольку при указанном соотношении радиусов кривизны достигается экстремум (минимум) дисторсии в таком объективе. Кроме того, относительно тонкие линзы (с толщиной, меньшей 0,7|r₃|) значительно технологичнее при изготовлении. Причем в случае необходимости (например, при применении в качестве СПИ градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления) гарантированно обеспечивается расположение плоскости изображения, сформированного объективом, на значительном расстоянии (до 10 диоптрий при увеличении окуляра 25^х) от ближайшей поверхности склейки. При этом повышается качество изображения, так как становятся незаметными неизбежные дефекты (грязь, царапины, пузыри и т.п.) склеенной поверхности. Кроме того, в указанном случае отпадает необходимость установки в объективе вещественной апертурной диафрагмы, поскольку роль апертурной диафрагмы выполняет боковая цилиндрическая поверхность градиентного элемента. Все это упрощает изготовление оптической системы эндоскопа.

Применение плоскопараллельной пластины объектива, выполняющей роль защитного стекла, с осевой длиной, превышающей величину фокусного расстояния объектива, позволяет (например, в медицинских эндоскопах) надежно герметизировать оптическую систему, так как в этом случае значительно увеличивается площадь контакта боковой цилиндрической поверхности защитного стекла с металлической трубкой, в которую устанавливается оптика.

Следует отметить, что при увеличении воздушного промежутка между выпуклыми поверхностями компонентов объектива, так же как и при увеличении показателя преломления линз, абсолютная величина дисторсии уменьшается. Однако при уменьшении расстояния между выпуклыми поверхностями компонентов объектива не только повышается равномерность освещенности изображения (из-за уменьшения виньетирования наклонных пучков лучей света), но и одновременно снижается кривизна поверхности изображения, так как этому способствует уменьшение оптической силы линз объектива (при соблюдении постоянности величины фокусного расстояния объектива). Следовательно, изменяя вышеуказанный параметр оптической системы, можно достигать необходимых требований к качеству изображения.

Изложенная сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - принципиальная схема оптической системы эндоскопа (артроскопа) и ход лучей в ней;
на фиг.2 - таблица ряда конструктивных параметров объектива-прототипа и трех вариантов объектива, выполненного согласно изобретению, и соответствующей этим объективам дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90^o);
на фиг. 3 - сравнительные графики изменения дисторсии по полю зрения объектива-прототипа и объектива, выполненного по изобретению (вариант 3), конструктивные данные которых приведены в таблице фиг.2;
на фиг.4 - график зависимости от показателя преломления линз 7 и 3 минимального значения дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90^o) и график коэффициента соответствующего этому минимальному значению дисторсии;
на фиг.5 - таблица конструктивных параметров оптической системы медицинского эндоскопа (артроскопа).

Оптическая система эндоскопа (фиг.1) содержит объектив 1, выполненный из двух плосковыпуклых компонентов 2 и 3, выпуклые поверхности которых установлены навстречу друг другу, систему передачи изображения 4 и окуляр 5. При этом компонент 2 объектива 1 выполнен склеенным из плоскопараллельной пластины 6 и плосковыпуклой линзы 7, а вторым компонентом 3 объектива 1 является линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения 4. Линзы 7 и 3 выполнены с толщиной d₂<0,7|r₃|,d₄<0,7|r₃|, и с радиусами, которые соотносятся как 1,6|r₃|≤r₄≤2,1|r₃|, где d₂, d₄ - толщины, а r₃, r₄ - радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз 7 и 3 соответственно. При этом система передачи изображения 4 выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления (градана-транслятора). Плоскопараллельная пластина 6 выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива 1. Воздушный промежуток между линзами 7 и 3 равен d₃.

Работа оптической системы эндоскопа заключается в следующем. Объектив 1, состоящий из компонентов 2 и 3, включающих плоскопараллельную пластину 6 (защитное стекло) и линзы 7, 3, формирует изображение объекта в плоскости, расположенной за входным торцем градана-транслятора 4, который переносит это изображение на другой конец оптической системы, где оно рассматривается через окуляр 5.

Ход лучей света через оптическую систему понятен из рассмотрения рисунка на фиг.1.

В объективе величина дисторсии зависит от следующих параметров:
- соотношения радиусов кривизны выпуклых поверхностей линз 7 и 3 (при изменении соотношения К радиусов кривизны график дисторсии имеет четко выраженный экстремум - минимум);
- воздушного промежутка d₃ между линзами 7 и 3;
- показателя преломления линз 7 и 3.

Вышеизложенное иллюстрируют таблица (фиг.2) и графики (фиг.3) для объектива-прототипа и объектива с минимальным значением дисторсии (три варианта), имеющих одинаковое фокусное расстояние, равное 1,0 мм, линзы которых выполнены с толщиной по оси, равной 0,5 мм, из стекла с показателем преломления n=1,883, и отличающихся величиной воздушного промежутка между линзами 7 и 3.

Для объектива 1, линзы 7 и 3 которого находятся в осевом контакте (d₃= 0), на фиг.4 приведен график зависимости от показателя преломления n линз 7 и 3 минимального значения дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90^o) и график коэффициента соответствующего этому минимальному значению дисторсии. Показатель преломления n стекла линз 7 и 3 одинаков.

По данному изобретению авторами разработана оптическая система медицинского эндоскопа (артроскопа), СПИ которой является градиентный оптический элемент и конструктивные параметры которой представлены в таблице. Оптическая система имеет следующие оптические характеристики:
- диаметр оптики рабочей части - 1,5 мм;
- угол поля зрения - 90^o;
- диаметр входного зрачка - 0,167 мм;
- диаметр выходного зрачка - 1,74 мм;
- увеличение на рабочем расстоянии 10 мм - 2,3^х.

В этой оптической системе дисторсия не превышает 27%.

Таким образом, разработанная оптическая система эндоскопа позволяет повысить качество изображения путем уменьшения дисторсии и увеличить технологичность изготовления компонентов оптической системы эндоскопа.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопических приборов, предназначенных для наблюдения узких биологических каналов и труднодоступных полостей тела человека. Оптическая система эндоскопа содержит объектив, выполненный из двух плосковыпуклых компонентов, систему передачи изображения и окуляр. Выпуклые поверхности компонентов установлены навстречу друг другу. Первый компонент объектива выполнен склеенным из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы. Вторым компонентом объектива является линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения. Плосковыпуклые линзы первого и второго компонентов выполнены с определенными расчетной толщиной и радиусами. Система передачи изображения выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления. Плоскопараллельная пластина выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива. Техническим результатом изобретения является повышение качества изображения при повышении технологичности конструкции объектива в целом. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Оптическая система эндоскопа, содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси объектив, выполненный в виде двух плосковыпуклых компонентов, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, систему передачи изображения и окуляр, при этом первый компонент объектива склеен из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы, а вторым компонентом объектива является плосковыпуклая линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения, отличающаяся тем, что радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз объектива соотносятся как 1,6|r₃|≤r₄≤2,1|r₃|,
где r₃, r₄ - радиусы кривизны выпуклых поверхностей плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно. 2. Оптическая система по п. 1, отличающаяся тем, что в объективе линзы выполнены толщиной d₂<0,7|r₃|, d₄<0,7|r₃|, где d₂, d₄ - толщины плосковыпуклых линз первого и второго компонентов соответственно. 3. Оптическая система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что плоскопараллельная пластина выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива. 4. Оптическая система по пп. 1-3, отличающаяся тем, что система передачи изображения выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления.