大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 10838 A(43)申请公布日 2017.03.08

(21)申请号 201611256378.3(22)申请日 2016.12.30

(71)申请人 北京理工大学

地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5

号(72)发明人 常军　朱懿　陈蔚霖　刘鑫　

张泽霞　余鸿昊　牛亚军　吕凤先　(51)Int.Cl.

G02B 21/24(2006.01)G02B 15/16(2006.01)G02B 27/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书7页 附图2页

CN 10838 A()发明名称

大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统

(57)摘要

本发明属于光学仪器技术领域，尤其是涉及一种大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统。该系统包括变焦物镜系统(1)、孔径光阑(2)、无焦变倍系统(3)、转像系统(4)、第二物镜系统(5)以及目镜系统(6)。系统合理分配系统各部分需要校正的光学像差，并引入两个非球面，校正大视场成像引入的高级光学像差，实现大视场显微的良好成像；利用变焦物镜系统和无焦变倍系统之间及其中各组元按照不同规律做复杂运动，实现放大倍率的连续改变，并保持像面位置固定；利用“正负”光焦度的分配，实现长工作距。本发明满足临床应用需求，系统大视场、可变焦、长工作距，特别适用于有大视场需求的神经外科手术或者游离皮瓣移植手术等领域。

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1.大视场长焦距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：包括光焦度为正的双胶合透镜1和光焦度为负的双胶合透镜2组成的变焦物镜系统(1)，孔径光阑(2)，光焦度为正的双胶合透镜3、光焦度为负的双胶合透镜4、光焦度为负的单透镜5以及光焦度为负的双胶合透镜6组成的无焦变倍系统(3)，Abbe棱镜7组成的转像系统(4)，光焦度为负的双胶合透镜8、光焦度为正的单透镜9和光焦度为负的双胶合透镜10组成的第二物镜系统(5)；光焦度为负的双胶合透镜11、光焦度为正单透镜12、光焦度为负的单透镜13以及光焦度为正的双胶合透镜14组成的目镜系统(6)；在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列；系统的孔径光阑(2)位于变焦物镜系统和无焦变倍系统之间，系统出瞳15与人眼瞳孔重合。由大物方视场进入系统的光线，依次经过各光学元件后经由系统出瞳进入人眼。

2.根据权利要求1所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：所述的无焦变倍系统(3)中光焦度为负的双胶合透镜4和光焦度为负的单透镜5的后表面均采用非球面，并设置10阶非球面系数如表3所示。

3.根据权利要求1所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：所述的变焦距物镜系统(3)采用“正负”光焦度合理配合的形式，即包括光焦度为正的双胶合透镜1和光焦度为负的双胶合透镜2，实现手术显微镜的400mm长工作距离。

4.根据权利要求1所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：所述的目镜系统(6)采用近似对称式双胶合结构作为初始系统(光焦度为负的双胶合透镜11、光焦度为正的双胶合透镜14)，来校正系统色差，在近似对称式双胶合结构之间加入两片单透镜，以校正系统大视场带来的除色差以外的其余部分高级像差，最终目镜系统整体焦距为25mm,以实现目镜的10x放大，满足了大视场，小孔径，短焦距的特点。

5.根据权利要求1所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：所述的变焦物镜系统(1)中光焦度为正的双胶合透镜1、光焦度为负的双胶合透镜2，以及无焦变倍系统(3)中光焦度为正的双胶合透镜3、光焦度为负的双胶合透镜4、光焦度为负的单透镜5和光焦度为负的双胶合透镜6，都按复杂的运动规律进行运动，以此连续改变系统焦距，来实现1:6(4x～24x)连续变倍，且在不同焦距时，系统的像面都不发生移动。

6.根据权利要求1所述的大视场长焦距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于该光学系统的设计方法如下：

1)系统为实现大视场范围内的清晰显微成像，必然会引入场曲、畸变、色差、像散等高级像差，不能用单一的光学系统结构进行这些像差的校正。所以在本系统在设计时，将像差分配到各分系统中，对各分系统进行合理的光学结构设计。设计过程中，在无焦变倍系统(3)中引入两个非球面，不仅可以显著提高系统成像质量，增加系统分辨率，还可以减少系统的透镜数量，令系统有更高的光学透过率；目镜系统(6)采用类似对称结构的两片双胶合透镜能够校正由于系统大视场引入的色差，在两片双胶合结构之间的两片单透镜，能够校正像散、畸变等大视场给系统带来的部分高级像差；

2)为了满足手术显微镜系统长工作距离的要求，变焦物镜系统(1)采用一片光焦度为正的双胶合透镜1和一片光焦度为负的双胶合透镜2，利用“正负”光焦度配合的形式，实现手术显微镜的400mm长工作距离；

3)为了实现1：6倍(4x～24x)连续变倍，通过变焦物镜系统(1)中双胶合透镜1、2之间的光学间隔改变，以及无焦变倍系统(3)中四个组元(即双胶合透镜3，双胶合透镜4、单透镜5

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以及双胶合透镜6)的相对移动，并配合变焦距物镜系统(1)和无焦变倍系统(3)之间的光学间隔改变，实现系统组合焦距的连续改变，从而实现系统放大倍率的连续改变；

4)系统在连续变焦过程中，为避免有害的像面移动，各组元都需要设计不同的规律，从而使得像面在系统不同焦距时都保持固定。

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大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统

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技术领域[0001]本发明属于光学仪器技术领域，尤其是涉及一种大视场工作距连续变倍手术显微镜光学系统，特别适用于有大视场和长工作距需求的神经外科手术或者游离皮瓣移植手术等领域。

背景技术[0002]在进行神经外科手术或游离皮瓣移植手术时，常常首先需要发现受创部位，对受创部位进行观察，如肌肉腐烂程度、血管端口损坏程度等，一般在外科手术中受创部分面积均较大(超过100mm)；在手术过程中，需要进行微细血管和神经解剖、连接、缝合，由于这些组织和血管非常细小，仅仅通过肉眼无法准确的观察到它的形态，需要通过显微技术进行放大观察；此外，为了便于微创手术时手术器械的操作，手术显微镜要求相同焦距情况下工作距长，避免由于更换大物镜延长手术时间，增加院内交叉感染的机会，故目前缺少一种为神经外科手术或游离皮瓣移植手术服务的能够呈现大视场放大图像的长工作距离的连续变倍手术显微镜设备。[0003]国内与本发明相似的技术为一篇硕士学位论文“神经外科手术显微镜研制”，文章针对新型手术显微镜，设计了最大物方视场100mm的变焦手术显微镜。该变焦手术显微镜仅使用单双胶合透镜作为物镜，一个二组元变倍光学系统完成变倍，目镜采用传统的凯涅尔目镜。当手术显微镜的物方视场增大，场曲和高级像差也随之增大，将严重影响手术显微镜的成像质量，故需要设计新型手术显微镜物镜、无焦变倍系统、第二物镜以及目镜来实现大视场的功能，采用更为复杂的结构来校正像差。且当使用单组双胶合透镜作为手术显微镜的物镜时，不能实现工作距离长于物镜的焦距，实现系统的长工作距，此外单双胶合透镜只能校正色差，无法校正二级光谱，导致手术显微镜的分辨率下降。[0004]大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统与传统的手术显微镜光学系统相比，一方面通过新型手术显微镜变焦距物镜系统、无焦变倍系统、第二物镜系统和目镜系统的整体匹配优化设计，校正由于大视场引入的场曲和高级像差，实现物方视场170mm的大视场显微成像，使得系统能够在神经外科手术或游离皮瓣移植手术中提供整体受创部分的图像，以方便医生在手术进行过程中既能对创伤部位或整体皮瓣进行寻找和观察，又能进行局部血管、神经观测；另一方面，医生在手术过程中，常常需要改变手术显微镜的放大倍率，利用变焦距物镜系统结合变无焦倍系统，实现1:6(4x～24x)连续变倍，满足医生观察不同尺度血管神经的要求，大大方便医生的手术，提高手术成功率；此外，利用“正负”两组双胶合透镜组成变焦距物镜系统，并合理进行光焦度的分配，克服传统设计手术显微镜大物镜工作距短的缺点，校正二级光谱，提高图像分辨率，实现系统长工作距离。[0005]新系统具有大视场、长工作距离、可变焦改变放大倍率的特点，使用便利，满足医生不同观察需求，在神经外科手术或者游离皮瓣移植手术等领域具有重要的应用价值。发明内容

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本发明的目的是探索新型大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，解决现

有的手术显微镜视场小、工作距离较短无法满足神经外科手术或游离皮瓣移植手术中需要发现创伤部位的技术问题，提出一种新型大视场长工作距连续变倍手术显微光学系统。[0007]本发明解决技术问题的具体技术方案是：[0008]一种新型大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统，其特征在于：包括变焦物镜系统(1)、孔径光阑(2)、无焦变倍系统(3)、转像系统(4)、第二物镜系统(5)以及目镜系统(6)。其中，光焦度为正的双胶合透镜1和光焦度为负的双胶合透镜2组成变焦距物镜系统(1)；光焦度为正的双胶合透镜3、光焦度为负的双胶合透镜4、光焦度为负的单透镜5以及光焦度为负的双胶合透镜6共同组成无焦变倍系统(3)；转像系统(4)包含Abbe棱镜7，起到转像的作用；光焦度为负的双胶合透镜8、光焦度为正的单透镜9和光焦度为负的双胶合透镜10组成的第二物镜系统(5)；光焦度为负的双胶合透镜11、光焦度为正单透镜12、光焦度为负的单透镜13以及光焦度为正的双胶合透镜14组成目镜光学系统(6)；在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列。系统的孔径光阑(2)位于变焦距物镜系统和无焦变倍系统之间，系统出瞳15与人眼瞳孔重合。[0009]优选的，所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的变焦物镜系统(1)采用一片光焦度为正的双胶合透镜1和一片光焦度为负的双胶合透镜2，利用“正负”光焦度配合的形式，能够实现手术显微镜的400mm长工作距离，满足神经外科手术或者游离皮瓣移植手术的使用要求。物镜光学系统能够将由不同物方视场进入系统的光线进行发散，成为平行光出射。[0010]优选的，所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的无焦变倍系统(3)中将双胶合透镜4和单透镜5的最后一面均设置为非球面。非球面的引入，能够校正由于大视场引入的高级像差，提高系统成像质量，还可以减少系统的透镜数量，令系统有更高的光学透过率。入射到无焦变倍系统(3)的光线是平行光，经由无焦变倍系统(3)出射的光线也是平行光。[0011]优选的，所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统中的目镜系统(6)，需要满足大视场，小孔径，短焦距的特点，最终焦距设计为25mm,以实现目镜的10x放大。目镜系统以对称式双胶合结构作为初始系统结构，在此基础上进行改进，以校正系统色差；在对称式双胶合结构之间加入两片单透镜，以校正系统大视场带来的除色差以外的其余部分高级像差，提高系统成像质量，增加系统分辨率，提高系统对目标识别分辨能力。[0012]优选的，所述的大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统通过变焦物镜系统(1)中双胶合透镜1、2之间的光学间隔改变，以及无焦变倍系统(3)中四个组元(即双胶合透镜3，双胶合透镜4、单透镜5以及双胶合透镜6)的相对移动，并配合变焦物镜系统(1)和无焦变倍系统(3)之间的光学间隔改变，实现系统组合焦距的连续改变，从而实现系统放大倍率的连续改变。在连续变焦过程中，为避免有害的像面移动，各组元都需要按照不同的规律做复杂的运动，使得像面在系统不同焦距时都保持固定。[0013]本发明具有以下显著优点：本发明通过变焦物镜系统、无焦变倍系统、第二物镜系统以及目镜系统的优化设计，合理分配系统各部分需要校正的光学像差，并引入两个非球面，解决大视场成像引入的场曲、畸变、像散等高级光学像差的问题，实现大视场显微的良好成像，克服传统手术显微镜视场较小，在神经外科手术或游离皮瓣移植手术中需要不断

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移动来发现受创部位来进行观察的缺点，特别适用于创伤面积较大的神经外科手术、游离皮瓣移植手术等，能够方便医生观察和操作，显著提高医疗效率。该新型手术显微镜采用一片光焦度为正的双胶合透镜1和一片光焦度为负的双胶合透镜2组成的变焦距物镜系统，利用“正负”光焦度的配合，实现手术显微镜的长工作距离。此外，该手术显微镜系统还可进行1：6倍(4x～24x)连续变焦，实现放大倍数的连续改变，满足医生不同的观察需求，且在连续变焦过程中系统像面位置始终保持一致，使得系统在变倍过程中都能获得连续清晰的图像。

附图说明[0014]图1是本发明大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的4x放大结构二维示意图；[0015]图2是本发明大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的12x放大结构二维示意图；[0016]图3是本发明大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的24x放大结构二维示意图；[0017]图4是本本发明大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的4x放大三维结构示意图；[0018]图中，(1)-变焦物镜系统、(2)-孔径光阑、(3)-无焦变倍系统、(4)-转像系统、(5)-第二物镜系统、(6)-目镜系统、1-光焦度为正的双胶合透镜、2-光焦度为负的双胶合透镜、3-光焦度为正的双胶合透镜、4-光焦度为负的双胶合透镜、5-光焦度为负的单透镜、6-光焦度为负的双胶合透镜、7-Abbe棱镜、8-光焦度为负的双胶合透镜、9-光焦度为正的单透镜、10-光焦度为负的双胶合透镜、11-光焦度为负的双胶合透镜、12-光焦度为正单透镜、13-光焦度为负的单透镜、14-光焦度为正的双胶合透镜、15-系统出瞳。具体实施方式[0019]下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：[0020]如图1所示，大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统包括：光焦度为正的双胶合透镜1和光焦度为负的双胶合透镜2组成的变焦物镜系统(1)，孔径光阑(2)，光焦度为正的双胶合透镜3、光焦度为负的双胶合透镜4、光焦度为负的单透镜5以及光焦度为负的双胶合透镜6组成的无焦变倍系统(3)，Abbe棱镜7组成的转像系统(4)，光焦度为负的双胶合透镜8、光焦度为正的单透镜9和光焦度为负的双胶合透镜10组成的第二物镜系统(5)；光焦度为负的双胶合透镜11、光焦度为正单透镜12、光焦度为负的单透镜13以及光焦度为正的双胶合透镜14组成的目镜光学系统(6)；在光线传播方向上，各光学元件在同一光轴上按顺序依次排列。[0021]首先，物面位于变焦物镜系统(1)的焦平面上，物体发出光线通过变焦物镜系统(1)中的光焦度为正的双胶合透镜1和光焦度为负的双胶合透镜2后成为平行光出射，采用“正负”双胶合透镜配合的形式，能够令手术显微镜系统的工作距离长于变焦物镜系统(1)的焦距；接着，平行光经过孔径光阑(2)之后进入无焦变倍系统(3)，依次通过光焦度为正的双胶合透镜3，光焦度为负的双胶合透镜4，光焦度为负的单透镜5以及光焦度为负的双胶合

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透镜6，最终出射平行光，其中双胶合透镜4和单透镜5的最后一面均为非球面；由无焦变倍系统出射的平行光进入转像系统(4)，通过Abbe棱镜7实现倒像，并且能够缩短系统距离，但并不改变光线角度，依然保持平行光出射，方便医生的观察；接着，平行光进入第二物镜系统(5)，依次经过光焦度为负的双胶合透镜8、光焦度为正的单透镜9和光焦度为负的双胶合透镜10，最终会聚，将变焦物镜系统(1)、无焦变倍系统(2)以及棱镜系统(4)提供的无穷远目标成像到其焦平面上；最后，会聚光线进入由光焦度为负的双胶合透镜11、光焦度为正的单透镜12、光焦度为负的单透镜13、以及光焦度为正的双胶合透镜14组成的目镜光学系统(6)，实现观察目标的再次放大，出射平行光线通过系统出瞳15进入医生眼睛进行观察。[0022]系统的孔径光阑(2)位于变焦物镜系统(1)和无焦变倍系统(3)之间，与物平面共轭；系统出瞳15与人眼瞳孔重合，随着放大倍数的改变，出瞳距离发生改变，系统放大倍率越高时该值越小。为满足戴眼镜操作者的使用便利，采用高眼点目镜系统设计，使出瞳距离最大达到22mm，最小也超过15mm。[0023]大视场光学系统必然会引入场曲、畸变、色差、像散等高级像差，且不能用单一的光学系统结构进行像差的校正，所以在本系统中将像差分配到各分系统中，来获得像面良好的像质。如无焦变倍系统引入两个非球面，不仅可以显著提高系统成像质量，增加系统分辨率，还可以减少系统的透镜数量，令系统有更高的光学透过率；目镜系统采用类似对称结构的两片双胶合透镜能够校正由于系统大视场引入的色差，在两片双胶合结构之间的两片单透镜，能够校正像散、畸变等大视场给系统带来的部分高级像差。故在大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统的设计过程中，需要对各分系统进行合理的光学结构设计，从全局出发进行光学像差的合理分配，以达到各视场目标的良好成像，实现大视场的成像要求。[0024]大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统能够实现1:6(4x～24x)连续变倍，设计时首先通过高斯光学计算出变焦物镜系统(1)和无焦变倍系统(3)中各组元的结构初始参数，在此基础上进行优化设计以满足系统成像质量要求，然后将变焦范围按等比级数取出3个不同的焦距位置(即对应不同的放大倍数)，以不同的焦距设置多重结构，各多重结构中透镜的曲率、厚度与材料均必须保持不变，仅通过改变各元件之间的光学间隔，即变焦物镜系统(1)和无焦变倍系统(3)中光学元件之间的相对移动来实现焦距的连续改变，实现1：6的变倍比。此外，在设置各组元的复杂运动规律时，不仅应该实现足放大倍数的连续改变，还应该保持像面的稳定，避免像面随着焦距的改变而发生移动，才能使系统在整个变倍过程中都能获得连续清晰的图像。[0025]实施例中大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统基本光学参数如表1所示。[0026]实施例中大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统4x、12x、24x放大时的系统参数如表2所示。[0027]实施例中大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统中表面非球面系数如表3所示。[0028]实施例中大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统在不同放大倍率下，所有视场的光学系统传递函数在30lp/mm处均能达到0.2以上，满足人眼观察需求，且良好校正由于大视场引入的场曲和高级像差，成像质量良好。

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由以上实施例可以看出，本发明设计了一种大视场长工作距连续变倍手术显微镜

光学系统，最大能够覆盖物方170mm直径的视场，克服了在神经外科手术或游离皮瓣移植等手术中，医生需要反复切换来寻找和观察创伤部位的缺点，良好校正由于大视场引入的场曲、色差等高级像差，成像清晰；能够实现1:6(4x～24x)连续变倍，满足医生不同观察需求；利用“正负”光焦度的分配，克服传统设计手术显微镜大物镜工作距短的缺点，校正二级光谱，提高图像分辨率，实现系统长工作距离。故本发明能够方便医生在神经外科手术或游离皮瓣移植等手术中的使用，显著提高医疗效率，增加手术成功率。[0030]表1大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统基本光学参数

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主要技术参数数值最大数值孔径0.04系统放大率4x～24x连续变倍比1:6最大物方视场直径Φ170mm系统工作距离400mm最小出瞳距离15mm[0032]表2大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统4x、12x、24x放大时的系统参数

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表3大视场长工作距连续变倍手术显微镜光学系统中表面非球面系数

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图3

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