[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2192029C1 - Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа - Google Patents

Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа Download PDF

Info

Publication number
RU2192029C1
RU2192029C1 RU2001112470/28A RU2001112470A RU2192029C1 RU 2192029 C1 RU2192029 C1 RU 2192029C1 RU 2001112470/28 A RU2001112470/28 A RU 2001112470/28A RU 2001112470 A RU2001112470 A RU 2001112470A RU 2192029 C1 RU2192029 C1 RU 2192029C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gradan
optical
lens
translator
grad
Prior art date
Application number
RU2001112470/28A
Other languages
English (en)
Inventor
А.Н. Алиханов
В.Ф. Матюхин
Original Assignee
Государственное Унитарное Дочернее Предприятие Государственного Предприятия "Нпо Астрофизика" Особое Конструкторское Бюро "Солнечная И Точная Оптика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное Унитарное Дочернее Предприятие Государственного Предприятия "Нпо Астрофизика" Особое Конструкторское Бюро "Солнечная И Точная Оптика" filed Critical Государственное Унитарное Дочернее Предприятие Государственного Предприятия "Нпо Астрофизика" Особое Конструкторское Бюро "Солнечная И Точная Оптика"
Priority to RU2001112470/28A priority Critical patent/RU2192029C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2192029C1 publication Critical patent/RU2192029C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Endoscopes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам жестких эндоскопов, и может быть использовано для внутриполостной диагностики и микрохирургии сложных биологических и технических объектов. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров (диаметра дистальной части) и повышении качества изображения сверхтонкого эндоскопа при одновременном увеличении его термомеханической прочности. Эндоскоп содержит устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр, причем градан-объектив и градан-транслятор расположены без зазора, а градан-объектив имеет длину по оси, не превышающую четверти периода градана-объектива. Устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив и градан-транслятор образуют общую внешнюю цилиндрическую поверхность, светозащитная оболочка выполнена в виде кольцевого оптического световода и без зазоров установлена на внешнюю цилиндрическую поверхность граданов. На свободную от кольцевого оптического световода поверхность градана-транслятора соосно с ним установлено оптическое устройство ввода, вход которого совмещен с выходом кольцевого оптического световода, а его выход - с внешним источником подсветки. Оптическое устройство ввода может быть выполнено в виде сельфока с центральным осевым отверстием. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к оптическим системам жестких эндоскопов.
Изобретение найдет применение при создании нового поколения эндоскопических микрооптических систем для внутриполостной диагностики и микрохирургии сложных биологических и технических объектов, предназначенных для контроля за проведением диагностических, лечебных, хирургических и технологических манипуляций, а также визуального осмотра особо узких полостей и биологических каналов тела человека, например детей младшего возраста.
Оптические системы сверхтонких 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, объектива (формирующего изображение предметной плоскости), системы передачи изображения и устройства обработки изображения, например окуляра, фотообъектива 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 - граданы с радиальным распределением показателя преломления (РПП).
Так, известна градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа [1], 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 объектива 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 оптическая система сверхтонкого эндоскопа А-17-17-14-70 [2] , которая содержит последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство, изменяющее направление оптической оси (оптический клин), градан-объектив, градан-транслятор и окуляр. 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=0,25 Тоб, причем
Figure 00000002
,
где d - длина градана-объектива, Тоб - период градана, g - силовой параметр РПП градана, π - постоянный коэффициент.
Оптическая система сверхтонкого эндоскопа А-17-17-14-70 отличается от оптической системы [1] 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 длиной, равной четверти периодов, расположен на первой поверхности объектива [3].
Известно, что наибольший угол поля зрения достигается в случае, когда входной зрачок оптической системы эндоскопа располагается посередине призмы или иного устройства изменения направления наблюдения [4]. 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, недополировка и т.п.).
Известна также (выбранная за прототип) градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения, отличным от прямого, [5], 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, длина градана-объектива определяется выражением
Figure 00000003

причем
Figure 00000004

Figure 00000005

где d - длина градана-объектива, мм;
Sвx.зр - расстояние от первой поверхности градана-объектива до входного зрачка градиентной оптической системы;
Dтр - диаметр градана-транслятора, мм;
o - угол поля зрения в пространстве предметов градиентной оптической системы, угл. град.;
nоб - показатель преломления материала градана-объектива вдоль его оптической оси;
g - коэффициент РПП в градане-объективе, мм-1, определяемый согласно зависимости
n2(Y)=n2об[1-(gY)2+h4(gY)4+h6(gобY)6+...],
где n(Y) - распределение показателя преломления материала градана-объектива вдоль его радиуса;
Y - текущая координата, мм;
h4, h6 - постоянные коэффициенты.
Благодаря предложенным в [5] конструктивным решениям осуществлен вынос входного зрачка, что позволило повысить качество изображения и, одновременно, расширить диапазон углов направления наблюдения. Однако и этой оптической системе присущ ряд недостатков.
Во-первых, недостатком прототипа является то, что в оптической системе эндоскопа в качестве устройства, изменяющего направление оптической оси, применены сложные клинья, что существенно снижает технологичность оптической системы и затрудняет получение сверхтонких эндоскопов диаметром менее 1,5 мм.
Во-вторых, оптическая система не защищена конструктивно от влияния внешних оптических и термомеханических воздействий, что снижает механическую стойкость системы, делает ее хрупкой и капризной в эксплуатации, а отсутствие световой защиты от рассеянного излучения в оптической системе снижает контраст изображения и ухудшает его качество. Требуется введение дополнительных мер световой защиты от рассеянного внутреннего и внешнего излучения, включая введение в конструкцию эндоскопа механических защитных кожухов, что ведет к увеличению его габаритных размеров (диаметра дистального конца).
Это особенно важно при создании особо тонких (менее 1,25 мм) эндоскопических систем.
Наиболее существенным недостатком известной оптической системы является то, что в ней отсутствуют элементы для передачи световой энергии, необходимой для освещения закрытых внутренних полостей. В известных эндоскопических системах подсветка объектов осуществляется с использованием световолоконного жгута, конструктивно встраиваемого в эндоскопический прибор. Это требует дополнительного конструктивного пространства во внутренней области дистальной части эндоскопа, вблизи градиентно-оптического канала, для размещения и закрепления световолоконного жгута, что также существенно влияет на увеличение внешнего диаметра эндоскопа.
С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в уменьшении габаритных размеров (диаметра дистальной части) и повышении качества изображения сверхтонкого эндоскопа при одновременном увеличении его термомеханической прочности.
В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в градиентную оптическую систему сверхтонкого эндоскопа, содержащую последовательно установленные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр, причем, градан-объектив и градан-транслятор расположены без зазора, а градан-объектив имеет длину по оси, не превышающую четверти периода градана-объектива, введены светозащитная оболочка и оптическое устройство ввода, при этом устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив и градан-транслятор образуют общую внешнюю цилиндрическую поверхность длиной L1, светозащитная оболочка выполнена в виде кольцевого оптического световода длиной L2, не превышающей L1, и без зазоров установлена на внешнюю цилиндрическую поверхность граданов, а на свободную от кольцевого оптического световода поверхность градана-транслятора, соосно с ним, установлено оптическое устройство ввода, при этом вход оптического устройства ввода совмещен с выходом кольцевого оптического световода, а его выход - с внешним источником подсветки.
В градиентной оптической системе оптическое устройство ввода может быть выполнено в виде сельфока с центральным осевым отверстием.
Светозащитная оболочка может быть выполнена в виде последовательно нанесенных на внешнюю цилиндрическую поверхность защитного слоя и покрытий из чередующихся оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления.
В особо тонких (ультратонких менее 1 мм) эндоскопах устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив и градан-транслятор могут быть выполнены в виде единого цилиндрического стержня со сферической формой внешнего торца.
Таким образом, сущность изобретения заключается в том, что благодаря предложенным и реализованным в оптической системе конструктивным решениям осуществлена оптическая и термомеханическая защита сверхтонкой градиентной оптической системы, что позволило значительно уменьшить диаметр дистальной части эндоскопа, а также повысить качество изображения, устранив влияние внешнего и внутреннего рассеянного излучения. Реализация светозащитной оболочки в виде кольцевого оптического световода, оптически совмещенного со входом оптического устройства ввода, позволила расширить функциональные возможности оптической системы эндоскопа, повысить ее технологичность, что важно при серийном производстве аппаратуры, и значительно уменьшить диаметр дистальной части эндоскопа за счет исключения дополнительных конструктивных элементов, включая промежуточные кожухи и световолоконный жгут.
На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы предлагаемой оптической системы, где 1 - устройство изменения направления оптической оси, 2 - градан-объектив, 3 - кольцевой оптический световод, 4 - градан-транслятор, 5 - светозащитная оболочка, 6 - защитные слои кольцевого световода, 7 - оптическое устройство ввода, 8 - окуляр, 9 - световолоконный жгут, 10 - конденсор, 11 - источник подстветки.
Оптическая система сверхтонкого эндоскопа состоит (фиг.1) из расположенных вдоль оптической оси устройства 1 изменения направления оптической оси, градана-объектива 2 и градана-транслятора 4, расположенных взаимно без зазора, окуляра 8, многослойной светозащитной оболочки 5, состоящей из защитных слоев 6 и кольцевого оптического световода 3, и оптического устройства ввода 7.
Положение входного зрачка в оптической системе, состоящей из градана-объектива и градана-транслятора, относительно первой поверхности объектива при длине градана-объектива менее π/2gоб будет вынесено вперед, что обеспечивает повышение качества изображения.
Устройство изменения направления оптической оси 1 может быть выполнено в виде одиночного клина (фиг.1) и одновременно выполнять роль защитной пластины, наклеенной на входной торец градана-объектива 2.
Выполнение градана-объектива с указанной выше длиной по оси позволяет не только вынести вперед положение плоскости входного зрачка, но отнести от выходного торца градана-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.
Введение светозащитной оболочки 5 (фиг.1) позволяет:
во-первых, устранить влияние рассеянного излучения и тем самым повысить контраст изображения,
во-вторых, упрочнить оптическую структуру сверхтонких градановых стержней, сделать ее более эластичной и термомеханически стойкой.
Выполнение светозащитной оболочки в виде многослойного оптического световода с чередующимися защитными и оптически прозрачными слоями с различными показателями преломления позволило совместить функции оптической и механической защиты градановых элементов с возможностью эффективной светопередачи для трансляции мощных световых потоков, необходимых для освещения исследуемых полостей, а также для решения других функциональных задач, например концентрации лазерного излучения и проведения различных технологических операций. Эффективность кольцевых световодов значительно выше идентичных по размеру конструкций из волоконных световодов.
Отсутствуют зоны затенения и дефекты совмещения отдельных волокон в жгуты, выше апертурные возможности и эффективность светопередачи.
Оптическое устройство ввода 7 обеспечивает сопряжение и передачу световой энергии от внешнего источника 11 через конденсор 10 с проводящим слоем кольцевого оптического световода 3. Оптическое устройство сопряжения может быть выполнено различным образом, например в виде сельфока с центральным осевым отверстием либо в виде световолоконного жгута, как показано на Фиг.1, 2, позиция 7. Могут быть использованы и другие решения, например в виде линзы с центральным осевым отверстием, концентрирующей излучение от источника 11 в торец светопроводящего слоя кольцевого оптического световода.
Работа оптической системы сверхтонкого жесткого эндоскопа заключается в следующем.
Световой поток внешнего источника 11 через конденсор 10 и оптическое устройство ввода 7 направляется на вход кольцевого оптического световода 3. Многократно отражаясь от внешних слоев протяженного кольцевого световода, световой поток направляется в закрытую труднодоступную полость и освещает ее.
Лучи света, отраженные от исследуемого объекта, который расположен в труднодоступной полости или особо узком биологическом канале в стороне от оси эндоскопа, попадают в устройство изменения направления оптической оси 1 (призму или оптический клин), а затем объектив 2, который формирует первое промежуточное изображение объекта в плоскости, расположенной за объективом 2 (фиг.1, 2). Далее изображение, сформированное объективом 2, с помощью системы передачи изображения (транслятора) 4 доставляется к окуляру 8, 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 или сварены), 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 градана-объектива из специального стекла с высоким осевым показателем преломления [6]. Это стекло, как правило, химически нестойко и требует защиты рабочих поверхностей (торцев) объектива от воздействия атмосферы. Поэтому призма или оптический клин (устройство 1 изменения направления оптической оси) обычно наклеивается на входной торец градана-объектива 2.
Для наблюдения особо тонких микрополостей, где не требуются большие углы наблюдения, а требуется ультратонкий дистальный конец эндоскопа (менее 1 мм), например в офтальмологии, маммоэндоскопии, микроэндоскопии и т.д., градиентно-оптическая система может быть выполнена в виде единого цилиндрического стержня со сферической формой внешнего торца. В этом случаи роль объектива выполняет сферическая часть граданового элемента, а остальная часть градана обеспечивает трансляцию изображения в плоскость наблюдения.
Механическую защиту оптической системы осуществляет многослойная защитная оболочка. Как показали анализ информационных источников и проведенные исследования, при введении многослойной светозащитной оболочки прочностные характеристики оптической системы сверхтонкого эндоскопа увеличились в 8 раз, что не является пределом, качество изображения улучшилось в 1,3 раза, а эффективность светопередачи по кольцевому оптическому световоду - в 2,5 раза. При этом достигнуто уменьшение диаметра дистальной части эндоскопа на 75%.
Таким образом, оптическая система сверхтонкого жесткого эндоскопа, содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор, светозащитную оболочку, выполненную в виде кольцевого оптического световода, размещенную без зазоров на внешней цилиндрической поверхности граданов, оптическое устройство ввода и окуляр, выполненная вышеуказанным образом, позволяет не только уменьшить габаритные размеры (диаметр дистальной части), увеличить его термомеханическую прочность, расширить диапазон углов направления наблюдения, но одновременно повысить качество наблюдаемого изображения объекта.
В настоящее время на предприятии разработана конструкторская документация предложенного устройства и идет изготовление аппаратуры сверхтонкого маммоэндоскопа Ма-ВС-01.
Источники информации
1. Патент США 4735491, кл. 350-413, 1988.
2. Проспект фирмы "Олимпус", Япония.
3. Медицинская техника. - 1994, 5, с.19-24.
4. Новости медицинской техники. - 1980, - вып. 1, с.9-12.
5. Описание изобретения к патенту RU 2108609 С1 - прототип.
6. Ремизов Н.В. Автореферат диссерт. на соиск. уч. степ. к. ф.-м. н., Л. , 1984.
7. Проспект "SPECIAL OPTICAL FIBER TECHNOLOGIES", 1999.

Claims (4)

1. Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа, содержащая последовательно установленные вдоль оптической оси устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив, градан-транслятор и окуляр, причем градан-объектив и градан-транслятор расположены без зазора, а градан-объектив имеет длину по оси, не превышающую четверти периода градана, отличающаяся тем, что в нее введены светозащитная оболочка и оптическое устройство ввода, при этом устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив и градан-транслятор образуют общую внешнюю цилиндрическую поверхность длиной L1, светозащитная оболочка выполнена в виде кольцевого оптического световода длиной L2, не превышающей L1, и без зазоров установлена на внешнюю цилиндрическую поверхность граданов, а на свободную от кольцевого оптического световода поверхность градан-транслятора, соосно с ним, установлено оптическое устройство ввода, при этом вход оптического устройства ввода совмещен с выходом кольцевого оптического световода, а его выход - с внешним источником подсветки.
2. Градиентная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что оптическое устройство ввода выполнено в виде сельфока с центральным осевым отверстием.
3. Градиентная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что светозащитная оболочка выполнена в виде последовательно нанесенных на внешнюю цилиндрическую поверхность покрытий из чередующихся защитных и оптически прозрачных слоев с различными показателями преломления.
4. Градиентная оптическая система по п.1, отличающаяся тем, что устройство изменения направления оптической оси, градан-объектив и градан-транслятор выполнены в виде единого цилиндрического стержня со сферической формой внешнего торца.
RU2001112470/28A 2001-05-11 2001-05-11 Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа RU2192029C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001112470/28A RU2192029C1 (ru) 2001-05-11 2001-05-11 Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001112470/28A RU2192029C1 (ru) 2001-05-11 2001-05-11 Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2192029C1 true RU2192029C1 (ru) 2002-10-27

Family

ID=20249382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001112470/28A RU2192029C1 (ru) 2001-05-11 2001-05-11 Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2192029C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8454501B2 (en) 2006-04-03 2013-06-04 V.I.M.S. Video Interventionnelle Medicale Scientifique Protection for endoscope, and corresponding endoscope

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8454501B2 (en) 2006-04-03 2013-06-04 V.I.M.S. Video Interventionnelle Medicale Scientifique Protection for endoscope, and corresponding endoscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3901220A (en) Endoscopes
US5630784A (en) Method of making and using a rigid endoscope having a modified high refractive index tunnel rod
US5093719A (en) Endoscopic gradient index optical systems
US3944341A (en) Wide-angle ophthalmoscope and fundus camera
US8145018B2 (en) Apparatus for obtaining information for a structure using spectrally-encoded endoscopy techniques and methods for producing one or more optical arrangements
JP5225438B2 (ja) 小型内視鏡システム
EP2235576B1 (en) Grin lens microscope system
EP3748338A1 (en) Omni-directional viewing apparatus
JP2002186578A (ja) ライトガイドおよび内視鏡
US5263110A (en) Imaging endoscope and endoscopic method employing phase conjugate imaging techniques
CN111474694A (zh) 一种大视场微型内窥镜
JP7289845B2 (ja) 光学内視鏡
CN1665439A (zh) 用于内窥镜的光学设备
US6063024A (en) Observation apparatus
GB2536793A (en) Endoscope
RU2192029C1 (ru) Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа
JP2004513386A (ja) 有限な直径の開口部を通してのみ接近可能な遠隔物体の画像を提供するための装置
JP6501995B1 (ja) 撮像光学系及び内視鏡
JPH04229816A (ja) 同軸照明式観察装置
RU2108609C1 (ru) Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа с направлением наблюдения, отличным от прямого
Epstein Hypodermic fiberscope
US7603013B1 (en) Fiberscopes and fiber bundles
RU2179405C2 (ru) Оптическая система эндоскопа
RU2098007C1 (ru) Волоконно-оптический эндоскопический зонд
Gardner Optical physics with emphasis on endoscopes

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20050512