Градиентная оптическая система сверхтонкого эндоскопа

 

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.

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 , где d - длина градана-объектива, Тоб - период градана, g - силовой параметр РПП градана, - 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 причем 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;
2o - 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)=n2 об[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 /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.


Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Эндоскоп // 1615663
Изобретение относится к контрольно-измерительным средствам технической дефектации и диагностики труднодоступных зон

Изобретение относится к оптическим системам для неразрушающего контроля внутренних поверхностей удлиненных трубчатых деталей постоянного или изменяющегося диаметра в машиностроении

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в эндоскопах медицинского назначения

Эндоскоп // 1554889
Изобретение относится к эндоскопии и может быть использовано для исследования внутренних труднодоступных полостей

Изобретение относится к оптическому приборостроению для медицинской техники и может быть использовано в эндоскопах преимущественно с диаметром канала передачи изображения 1 мм

Эндоскоп // 1296988

Изобретение относится к оптическому приборостроению и позволяет улучшить цветопередачу

Изобретение относится к области спектроскопических астрофизических исследований и касается способа сравнительного анализа спектра звезды. Способ заключается в том, что свет от опорного источника разлагают в опорный линейчатый спектр, который сравнивают со спектром исследуемой звезды. При этом свет от опорного источника предварительно пропускают через входную щель, коллиматор, дифракционную решётку и камерный объектив, с помощью чего формируют изображение опорного спектра на маске, закрывающей яркие линии, после чего оставшийся спектр собирают линзой-коллектором и направляют в основной астрономический спектрограф, в котором и производят сравнение опорного спектра и спектра исследуемой звезды. Технический результат заключается в увеличении точности измерений. 3 ил.
Наверх