ВХОДНАЯ ЧАСТЬ ЭНДОСКОПА Российский патент 2002 года по МПК G02B23/00 A61B1/00 G02B21/02 G02B23/24 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических системах гибких и жестких эндоскопов с малым диаметром, предназначенных для наблюдения внутренних полостей при эндоскопических исследованиях в медицине и различных областях техники.

Оптические системы эндоскопов состоят, как правило, из входной части, представляющей собой широкоугольный объектив, и системы передачи изображения, перепроектирующей изображение, даваемое объективом, в переднюю фокальную плоскость окуляра при визуальном наблюдении или в плоскость приемника при телевизионной регистрации изображения.

Основными требованиями к входной части эндоскопа являются:
- большой (не менее 70^o) угол поля зрения, близкий к телецентрическому ходу главного луча в пространстве изображения;
- отсутствие дисторсии и асферических поверхностей.

Известны оптические системы эндоскопов [1-3], состоящие из трехкомпонентных объективов: четырехлинзовых [1,2] и трехлинзового [3]. Конструкции объективов просты и при больших угловых полях (более 70^o) имеют значительную величину дисторсии.

Известна также входная часть эндоскопа [4], объектив которого состоит из базового "силового" компонента, содержащего две плосковыпуклых линзы, и отрицательного первого компонента - плосковогнутой линзы, установленной перед "силовым" компонентом. Первый компонент объектива - плосковыпуклая линза с апертурной диафрагмой на передней поверхности, второй компонент - положительная линза.

Плосковогнутая линза компенсирует кривизну изображения, вносимую "силовым" компонентом. Апертурная диафрагма совпадает с передним эквивалентным фокусом "силового" компонента, что обеспечивает телецентрический ход луча в пространстве изображения. Выбором оптических материалов и соотношением радиусов исправляется астигматизм и сферическая аберрация. Ввиду того что вогнутая поверхность плосковогнутой линзы и выпуклая поверхность первой линзы "силового" компонента концентричны апертурной диафрагме, эти поверхности не вносят дисторсии. Однако поверхности второй плосковыпуклой линзы "силового" компонента не концентричны главному лучу и вносят значительную дисторсию, равную 100% при 2β=120^o и более 50% при 2β=90^o. Наличие остаточной дисторсии является принципиальным недостатком прототипа. Значительная дисторсия при угловых полях, больших 70^o, является причиной сознательного уменьшения поля зрения объектива с помощью полевой диафрагмы. Кроме того, остаточная дисторсия, превышающая допустимые 5-10%, приводит к необъективной оценке изображения, наблюдаемого при эндоскопических исследованиях. Дисторсия может явиться причиной травмы пациента, а также привести к порче инструмента при медицинских исследованиях.

Задачей изобретения является повышение качества изображения за счет уменьшения дисторсии входной части эндоскопа.

Для достижения этого технического результата предлагается входная часть эндоскопа, содержащая объектив из трех компонентов и апертурную диафрагму, установленную между первым и вторым компонентами, а также систему передачи изображения. Первый компонент объектива - плосковогнутая линза с вогнутой поверхностью, концентричной апертурной диафрагме, второй и третий компоненты - положительные линзы. Особенностью предлагаемой входной части эндоскопа является наличие четвертого компонента в виде плосковогнутой линзы, обращенной плоской поверхностью к системе передачи изображения. Кроме того, второй компонент предлагаемой входной части эндоскопа выполнен в форме шара, третий компонент выполнен в виде двояковыпуклой линзы с оптической силой, составляющей 0,4-0,7 эквивалентной оптической силы объектива, а апертурная диафрагма совмещена с вершиной линзы - шара. Если входная часть эндоскопа предназначена для наблюдения объектов с углом визирования 0^o, то радиусы кривизны первого, второго и четвертого компонентов по своей абсолютной величине составляют 0,9-1,2 эквивалентного фокусного расстояния объектива, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,6-0,7 эквивалентной оптической силы объектива. Для изменения угла визирования в пределах от 15 до 90^o в оптическую систему входной части эндоскопа между первым и вторым компонентами вводится призменный блок с двумя отражающими поверхностями и углом между входной и выходной гранями в интервале от 7^o30' до 45^o. Первый компонент закреплен на входной грани призменного блока, выходная грань призменного блока совмещена с апертурной диафрагмой, радиусы кривизны первого, второго и четвертого компонентов по абсолютной величине составляют 1,3-3,0 эквивалентного фокусного расстояния объектива, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,4-0,5 эквивалентной оптической силы объектива.

Признаками, отличающими предлагаемую входную часть эндоскопа от указанного выше известного устройства, принятого за прототип, являются наличие четвертого компонента в виде плосковогнутой линзы, выполнение второго компонента в форме шара, а третьего компонента - в виде двояковыпуклой линзы с оптической силой, составляющей 0,4-0,7 эквивалентной оптической силы объектива, а также совмещение апертурной диафрагмы с вершиной линзы-шара. Благодаря такой конструкции объектива первым "силовым" элементом является второй компонент, выполненный в виде линзы-шара. Если апертурная диафрагма совмещена с центром кривизны линзы-шара, то линзу-шар можно рассматривать как концентрическую линзу для главных лучей. Такой компонент обладает большой отрицательной кривизной поля, радиус которой равен фокусному расстоянию линзы, но при этом дисторсия строго равна нулю. Если апертурную диафрагму совместить с вершиной линзы-шара, то незначительная дисторсия линзы-шара компенсируется дополнительной четвертой отрицательной линзой. Таким образом, в отличие от прототипа в "силовом" компоненте отсутствует дисторсия. Кроме того, дополнительно введенный четвертый отрицательный компонент вместе с первым отрицательным компонентом компенсирует кривизну изображения. В связи с тем что центр кривизны первого компонента совпадает с апертурной диафрагмой, первый компонент не вносит дисторсии. Выполнение третьего компонента в виде двояковыпуклой линзы с оптической силой, составляющей 0,4-0,7 эквивалентной оптической силы объектива, позволяет перепроектировать апертурную диафрагму в мнимый задний фокус четвертого компонента. В результате третий и четвертый компоненты обеспечивают телецентричность хода главного луча в пространстве изображения. Таким образом, передний эквивалентный фокус третьего и четвертого компонентов совпадают с апертурной диафрагмой. При одной из возможных форм реализации изобретения, а именно, когда угол визирования ограничен 0^o (п.2 формулы), абсолютные величины радиусов кривизны первого, второго и дополнительно введенного четвертого компонента могут быть конкретизированы и находятся в диапазоне от 0,9 до 1,2 эквивалентного фокусного расстояния объектива, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,6-0,7 эквивалентной оптической силы объектива. Такое соотношение радиусов позволяет полностью компенсировать кривизну изображения и при выбранной оптической силе третьего компонента обеспечить телецентрический ход лучей в пространстве изображения. При этом происходит компенсация астигматизма. В другом случае, когда необходимо получение дополнительного технического результата, а именно обеспечение возможности изменять угол визирования в интервале от 15 до 90^o (п.3 формулы), во входную часть эндоскопа между первым и вторым компонентами вводится призменный блок с двумя отражающими поверхностями и углом между входной и выходной гранями, равным половине угла визирования. Введение призменного блока обуславливает иные параметры оптических компонентов. Для исключения поворота изображения призменный блок имеет две отражающие поверхности. Оптическая длина хода луча в блоке значительна и составляет несколько значений фокусного расстояния объектива. Для компенсации полевых аберраций (астигматизма, кривизны изображения, дисторсии) радиусы кривизны первого, второго и четвертого компонентов по абсолютной величине составляют 1,3-3,0 значения эквивалентного фокусного расстояния, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,4-0,5 эквивалентной оптической силы объектива.

Сущность изобретения поясняется чертежами, а также "Приложением", в котором дан аберрационный выпуск примеров конкретного выполнения изобретения. На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема входной части эндоскопа, на фиг.2 - пример выполнения входной части эндоскопа с установленным в ней призменным блоком.

Объектив эндоскопа состоит из четырех оптических компонентов. Первый компонент представляет собой плосковогнутую линзу I, второй компонент - линзу-шар 2, третий компонент - двояковыпуклую линзу 3, а четвертый компонент - плосковогнутую линзу 4, плоской поверхностью обращенную к системе передачи изображения 5. Апертурная диафрагма 6 совмещена с вершиной линзы-шара 2.

В конструкции, представленной на фиг.2, обеспечивающей изменение угла визирования в пределах от 15 до 90^o, между плосковогнутой линзой 1 и линзой-шаром 2 установлен призменный блок 7, состоящий из склеенных между собой призм 8 и 9 и имеющий две отражающие поверхности 10 и 11. Входная 12 и выходная 13 грани призменного блока 7 образуют между собой угол β, значения которого находятся в пределах от 7^o30' до 45^o, что обеспечивает изменение угла визировамия эндоскопа 2β в пределах от 15 до 90^o. На входной грани 12 призменного блока 7 закреплена, например приклеена плосковогнутая линза 1. Выходная грань 13 призменного блока 7 совмещена с апертурной диафрагмой 6.

Работа объектива эндоскопа заключается в следующем.

Посредством обладающей отрицательной оптической силой линзы I, "силовой" части объектива (линзы 2, 3) и отрицательной линзы 4 вблизи последней плоской поверхности объектива формируется действительное уменьшенное изображение, которое передается системой передачи изображение 5 либо в переднюю фокальную плоскость окуляра при визуальном наблюдении объекта, либо фотографируется, либо обрабатывается иным приемником.

В гибких эндоскопах система передачи изображения 5 может быть выполнена в виде волоконно-оптического световода. В этом случае объектив эндоскопа формирует действительное уменьшенное изображение на входном торце световода, и изображение передается на проксимальный конец эндоскопа.

В жестких эндоскопах в качестве системы передачи изображения применяются наборы линзовых оборачивающихся систем либо трансляторы из указанных элементов.

Ход осевого и главного лучей через объектив эндоскопа, поясняющий его работу, приведен на фиг.1.

Входная часть эндоскопа с призменным блоком, представленным на фиг.2, работает аналогично объективу, изображенному на фиг.1.

В качестве примеров конкретного выполнения изобретения в "Приложении" дан аберрационный выпуск объективов, изображенных на фиг.1 и фиг.2.

Для объектива, представленного на фиг.1, поперечная сферическая аберрация составляет доли микрон, а в волновой мере 0,02λ для основной длины волны λ= 0,546 мкм, неизопланатизм равен 0,6%, кривизна изображения и астигматизм не превышают 0,1 мм по всему полю зрения. Поперечные аберрации широких наклонных пучков менее 0,02 мм по всему полю зрения для основной длины волны. Дисторсия на краю поля зрения (β = 40^°) равна 0,03 мм (6,8%), наибольшая дисторсия в средней зоне изображения для β=29^o38' составляет 7,1% (см. листы 1, 2, 3 "Приложения").

Для широкоугольной оптической системы с призмой, приведенной на фиг.2, значения аберраций равны аберрациям оптической системы, представленной на фиг.1, за исключением дисторсии, которая на краю поля зрения (β = 45^°) равна 9%.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с известными аналогами и прототипом позволяет повысить качество изображения наблюдаемых объектов за счет сведения к минимуму дисторсии входной части эндоскопа.

Одновременно с этим предлагаемый объектив имеет простую и технологичную конструкцию, пригодную для реализации в серийном производстве.

Источники информации
I. Патент Японии 5-30250, кл.G 02 В 23/26, A 61 B 1/04, опубл. 07.05.1993.

2. Патент Японии 5-11604, кл. G 02 В 23/26, A 61 B 1/00, опубл. 16.02.1993.

3. Патент Японии 5-24488, кл. G 02 В 23/26, A 61 B 1/00, опубл. 08.04.1993.

4. Авт. св. СССР 1663597, кл. G 02 В 23/00, 23/26, A 61 B 1/00, опубл. 1991 (прототип).

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических системах гибких и жестких эндоскопов с малым диаметром, предназначенных для наблюдения внутренних полостей при эндоскопических исследованиях в медицине и различных областях техники. Входная часть эндоскопа содержит объектив из четырех компонентов, апертурную диафрагму, установленную между первым и вторым компонентами, и систему передачи изображения. Первый компонент объектива - плосковогнутая линза с вогнутой поверхностью, концентричной апертурной диафрагме, второй компонент - положительная линза, выполненная в форме шара, третий компонент - положительная двояковыпуклая линза с оптической силой, составляющей 0,4-0,7 эквивалентной оптической силы объектива, четвертый компонент представляет собой плосковогнутую линзу, обращенную плоской поверхностью к системе передачи изображения. Апертурная диафрагма оптической системы совмещена с вершиной линзы-шара. Технический результат - повышение качества изображения наблюдаемых объектов за счет сведения дисторсии к минимуму. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Входная часть эндоскопа, содержащая объектив из трех компонентов, апертурную диафрагму, установленную между первым и вторым компонентами, и систему передачи изображения, причем первый компонент объектива - плосковогнутая линза с вогнутой поверхностью, концентричной апертурной диафрагме, а второй и третий компоненты - положительные линзы, отличающаяся тем, что объектив снабжен четвертым компонентом в виде плосковогнутой линзы, обращенной плоской поверхностью к системе передачи изображения, второй компонент выполнен в форме шара, третий компонент - в виде двояковыпуклой линзы с оптической силой, составляющей 0,4-0,7 эквивалентной оптической силы объектива, а апертурная диафрагма совмещена с вершиной линзы-шара. 2. Входная часть эндоскопа по п. 1, отличающаяся тем, что по абсолютной величине радиусы кривизны первого, второго и четвертого компонентов составляют 0,9-1,2 эквивалентного фокусного расстояния объектива, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,6-0,7 эквивалентной оптической силы объектива. 3. Входная часть эндоскопа по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена расположенным между первым и вторым компонентами призменным блоком с двумя отражающими поверхностями и углом между входной и выходной гранями в интервале от 7^o30' до 45^o, при этом первый компонент закреплен на входной грани призменного блока, выходная грань призменного блока совмещена с апертурной диафрагмой, радиусы кривизны первого, второго и четвертого компонентов по абсолютной величине составляют 1,3-3,0 эквивалентного фокусного расстояния объектива, а оптическая сила третьего компонента составляет 0,4-0,5 эквивалентной оптической силы объектива.