CN107561677A - 手术显微镜的连续变焦照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术显微镜的连续变焦照明系统，与具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线的一变焦凸轮相配合，包括沿中心光轴依次配置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜组；第一透镜为前固定组，为正光焦度透镜；第二透镜为变倍组，为负光焦度透镜；第三透镜为补偿组，为负光焦度透镜；第四透镜组为后固定组；变焦凸轮转动带动第二、第三透镜同时于第一透镜和第四透镜组之间沿中心光轴运动以使系统焦距值呈线性连续变化，第二透镜按照第一凸轮曲线的规律运动，第三透镜按照第二凸轮曲线的规律运动，第一凸轮曲线为线性曲线，第二凸轮曲线为指数曲线。本发明消除手术显微镜使用过程中需单独控制照明范围及照明系统工作距不可调节的弊端。

Description

手术显微镜的连续变焦照明系统

技术领域

本发明属于照明系统技术领域，涉及一种手术显微镜的连续变焦照明系统。

背景技术

照明系统是手术显微镜系统的重要组成部分，传统照明系统在手术显微镜成像系统低放大倍率时，若照明区域正好覆盖视场；则当成像系统放大倍率增加时，视场变小，但照明区域不变，引起对比度下降，不易看清目标。

现有手术显微镜照明系统有如公告号为CN 103091823 A，名称为“用于体视显微镜特别是手术显微镜的照明器件”所公开的，具有至少一个光源、第一聚光透镜系统、孔径光阑、第二聚光镜系统和物镜，照明光从光源通过第一聚光透镜系统、孔径光阑、第二聚光镜系统和物镜被引导到物平面中，孔径光阑被设置作为双孔板或者四孔板。该种结构的照明器件可以有效地获得红反射，但是，由于其不能调整照明区域，当成像系统工作距离减小时，可能产生灼伤患处组织的危险；工作距离大时，可能照明的能量不够。

若要实现手术显微镜照明系统可调整照明区域，势必需要引入变焦装置，现有的变焦装置有如申请号为200610068032.0的中国发明专利，通过变焦凸轮转动时带动相关透镜组移动以达到变焦的目的。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种照明范围、工作距可调整的照明系统，以克服传统手术显微镜使用过程中需单独控制照明范围及照明系统工作距不可调节的弊端。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种手术显微镜的连续变焦照明系统，所述照明系统与手术显微镜的变焦凸轮相配合，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，所述照明系统包括沿中心光轴依次配置的：

作为前固定组的第一透镜，为正光焦度透镜；

作为变倍组的第二透镜，为负光焦度透镜；

作为补偿组的第三透镜，为负光焦度透镜；以及

作为后固定组的第四透镜组；

其中，所述变焦凸轮转动带动所述第二透镜和所述第三透镜同时于所述第一透镜和所述第四透镜组之间沿中心光轴运动以使系统焦距值呈线性连续变化，所述第二透镜按照所述第一凸轮曲线的规律运动，所述第三透镜按照所述第二凸轮曲线的规律运动，所述第一凸轮曲线为线性曲线，所述第二凸轮曲线为指数曲线。

其中，所述第四透镜组包括：

靠近所述第三透镜设置的第四透镜，为正光焦度透镜；

靠近光源设置的第六透镜，为负光焦度透镜；以及

设置在所述第四透镜与所述第六透镜之间的第五透镜，为正光焦度透镜。

其中，所述照明系统还包括耦合透镜系统，所述耦合透镜系统具有中心轴，所述中心轴与所述中心光轴垂直。

其中，所述耦合透镜系统包括：

反射镜，设置在所述中心光轴与所述中心轴相交处；以及

第七透镜，设置在所述中心轴上；

其中，所述反射镜将从第一透镜出射的光线反射至所述第七透镜。

其中，所述反射镜为非45°反射镜，所述第七透镜为同轴透镜。

其中，所述反射镜为45°反射镜，所述第七透镜为离轴透镜。

其中，所述耦合透镜系统包括：

反射镜，设置在所述中心光轴与所述中心轴相交处；以及

沿所述中心轴顺次设置的第七透镜和第八透镜；

其中，所述反射镜将从第一透镜出射的光线反射至所述第七透镜。

其中，所述第七透镜与所述第八透镜之间的距离能够在25mm与3mm之间进行调整。

其中，所述反射镜为旋转反射镜，所述第七透镜与所述第八透镜皆为同轴透镜以构成同轴透镜组。

其中，所述反射镜为45°反射镜，所述第七透镜与所述第八透镜皆为离轴透镜以构成离轴透镜组。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的手术显微镜的连续变焦照明系统，与手术显微镜的一变焦凸轮相配合，可以自动调整照明区域大小、照明系统工作距离，即避免了像面照度不够，又防止了灼伤患处组织的风险。更，采用负-负连续变倍形式，实现与手术显微镜成像系统的联动连续变倍，系统变倍比、像面大小符合联动要求。

附图说明

图1是本发明一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统变焦趋势及短焦距(a)与长焦距(b)下的光学系统示意图；

图2是本发明的手术显微镜的连续变焦照明系统变焦过程中凸轮曲线；

图3是本发明的手术显微镜的连续变焦照明系统变焦过程中焦距改变曲线；

图4是本发明另一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统(具有耦合透镜系统)的光学结构示意图；

图5是图4系统的像面均匀度示意图；

图6是本发明再一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统在最小倍率、耦合透镜系统在最短工作距处的光学结构示意图；

图7是图6系统的像面均匀度示意图；

图8是本发明再一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统在最大倍率、耦合透镜系统在最短工作距处的光学结构示意图；

图9是图8系统的像面均匀度示意图；

图10是本发明再一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统在最小倍率、耦合透镜系统在最长工作距处光学结构示意图；

图11是图10系统的像面均匀度示意图；

图12是本发明再一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统在最大倍率、耦合透镜系统在最长工作距处光学结构示意图；

图13是图12系统的像面均匀度示意图。

其中，1—第一透镜，2—第二透镜，3—第三透镜，4—第四透镜，5—第五透镜，6—第六透镜，7—反射镜，8—第七透镜，9—第八透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的手术显微镜的连续变焦照明系统是一种连续变倍照明系统，与手术显微镜的变焦凸轮相配合，该变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线。结合参阅图1，图1为本发明一实施例的手术显微镜的连续变焦照明系统变焦趋势及短焦距(a)与长焦距(b)下的光学系统示意图，其中a是照明系统在短焦距、大视场情况的光学结构；b是照明系统在长焦距、小视场下的光学结构。

如图1所示，照明系统包括沿中心光轴依次配置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3以及第四透镜组。第一透镜1作为前固定组，为正光焦度透镜。第二透镜2作为变倍组，为负光焦度透镜。第三透镜3作为补偿组，为负光焦度透镜。第四透镜组作为后固定组。其中，变焦凸轮(图中未示出)转动带动第二透镜2和第三透镜3同时于第一透镜1和第四透镜组之间沿中心光轴运动以使系统焦距值呈线性连续变化，第二透镜2按照第一凸轮曲线的规律运动，第三透镜3按照第二凸轮曲线的规律运动，第一凸轮曲线为线性曲线，第二凸轮曲线为指数曲线。第四透镜组包括第四透镜4、第五透镜4以及第六透镜6，第四透镜4靠近第三透镜3设置，为正光焦度透镜。第六透镜6靠近一光源设置，为负光焦度透镜。第五透镜5设置在第四透镜4与第六透镜6之间，为正光焦度透镜。明显地，本发明采用负-负四组元变倍形式，通过连续同时改变Thickness 2、Thickness 4和Thickness 6实现改变焦距、改变变倍比的功能。

本发明实施例的照明系统变倍比为1:6，出射平行光。下面表1列出了本发明一较佳实施例的照明系统各个表面的具体参数，表中的“序号”是从光线入射端开始排列，第一透镜1的光束入射面为序号1，光束出射面为序号2，其它镜面序号以此类推；“曲率半径”分别给出每个波面所对应的球面半径，如果顶点的曲率中心位于顶点左边，则曲率半径为负，反之为正，如果某个表面顶点区域为平面，则将其曲率半径记为“∞”；“间距”出相邻两个表面之间沿光轴的中心距离，如果两个表面属于同一块镜片，则间距表示该镜片的厚度。光学系统的具体参数如下：

表1本发明的照明系统的结构参数

下面表2列出了本发明一较佳实施例的照明系统变焦参数。

表2变焦参数

Zoom	Thickness 2(mm)	Thickness 4(mm)	Thickness 6(mm)
				1	6.9	10.4	20.0
2	16.6	4.8	15.8
				3	19.2	6.2	11.8
4	19.7	9.2	8.4
				5	19.6	12.2	5.5
6	19.3	15.0	3.0

在本发明另一实施例中，照明系统还包括耦合透镜系统，耦合透镜系统具有一中心轴，中心轴与前述的中心光轴垂直。如图4所示，耦合透镜系统包括反射镜7以及第七透镜8。反射镜7设置在中心光轴与中心轴相交处。第七透镜8设置在中心轴上。反射镜7将从第一透镜1出射的光线反射至第七透镜8。其中，反射镜7可为非45°反射镜，第七透镜8可为同轴透镜；或者，反射镜7可为45°反射镜，第七透镜8为离轴透镜。

在本发明再一实施例中，照明系统还包括耦合透镜系统，耦合透镜系统具有一中心轴，中心轴与前述的中心光轴垂直。如图6、8、10、12所示，耦合透镜系统包括反射镜7、第七透镜8以及第八透镜9。反射镜7设置在中心光轴与中心轴相交处。第七透镜8和第八透镜9沿中心轴顺次设置。反射镜7将从第一透镜1出射的光线反射至第七透镜8。其中，第七透镜8与第八透镜9之间的距离能够在25mm与3mm之间进行调整，该距离的变动可以引起照明系统工作距离在150mm与350mm之间进行改变，解决手术显微镜照明系统工作距离不能与成像系统随动的问题。反射镜7可为旋转反射镜，第七透镜8与第八透镜9皆为同轴透镜以构成同轴透镜组；或者，反射镜7为45°反射镜，第七透镜8与第八透镜9皆为离轴透镜以构成离轴透镜组。耦合透镜系统采用旋转反射镜时，可解决手术显微镜成像系统工作距改变时带来的照明范围漂移问题，同时解决照明系统工作距与成像系统工作距随动问题。

在上述另一实施例及再一实施例中，耦合透镜系统变倍比为1.82，平行光入射，采用两片透镜实现变倍功能；采用可旋转反射镜实现照明区域与成像视场随动不漂移。耦合透镜系统实现照明系统工作距离与手术显微镜成像系统联动可变，大大提高了手术显微镜系统的工作距，最长工作距达350mm，最短工作距为150mm，满足手术显微镜的实际使用要求。其结构参数见表3，变焦参数见表4。

表3

表4

下面表5给出了本发明的照明系统的光学玻璃参数

表5光学玻璃的参数

光学玻璃	折射率nd	色散系数νd	λ80/λ5
				H-ZF6	1.75	27.53	42/37
H-ZK9B	1.62	60.34	36/30
				H-LaK7A	1.71	53.83	37/28
H-K9L	1.51	64.2	33/29

在实际应用中，以上各透镜的具体参数，如曲率半径，透镜厚度，透镜间隔等，可做一定的细微调整以满足不同的系统参数要求。

图2为本发明的照明系统在变焦过程中的凸轮曲线，显示了Thickness 2和Thickness 6在变焦过程中的移动趋势，其中Thickness 2为线性变化，Thickness 6起到补偿作用变化趋势为指数形式。两间隔最大平移量为17mm。

图3为本发明的照明系统变焦过程中焦距改变曲线，焦距变化6倍，变化趋势为线性变化，同图2中Thickness 2变化趋势相同。在连续变焦距系统中，焦距与一条凸轮曲线同为线性变化，这为该系统的工程化提供了巨大的优势。

图4显示了本发明的照明系统与耦合透镜系统光学配合使用，实现固定工作距模式下的照明，系统通过采用反射镜与一片透镜(含离轴透镜)实现光路折转照明指定工作距、指定照明区域的功能。

图5为本发明的照明系统在固定工作距离下的像面均匀度分布及曲线示意图，可看出该像面具有高均匀度。

图6为本发明的照明系统在最小倍率、最短工作距处工作的光学结构示意图。连续变倍照明系统采用最小倍率、像面大、便于搜寻目标；耦合透镜系统采用两透镜间距最大的工作状态、工作距短、适于观察顶层结构；此时，全系统工作在最小倍率、最短工作距处。在工作距150mm处得到Φ75mm的像面。

图7为图6系统的像面均匀度分布及曲线示意图，可看出该系统像面能量分布均匀。

图8是本发明的照明系统在最大倍率、最短工作距处工作的光学结构示意图。连续变倍照明系统采用最大倍率、像面小、便于观察细节；耦合透镜系统采用两透镜间距最大的工作状态、工作距短、适于观察顶层结构；此时，全系统工作在最大倍率、最短工作距处。在工作距150mm处得到Φ13mm的像面。

图9是图8系统的像面均匀度分布及曲线示意图，看出该像面具有高均匀度，满足设计要求。

图10是本发明的照明系统在最小倍率、最长工作距处工作的光学结构示意图。连续变倍照明系统采用最小倍率、像面大、便于搜寻目标；耦合透镜系统采用两透镜间距最小的工作状态、工作距大、适于观察深层结构；此时，全系统工作在最小倍率、最长工作距处。在工作距350mm处得到Φ75mm的像面。

图11是图10系统的像面均匀度分布及曲线示意图，可看出该系统像面能量分布均匀。

图12是本发明的照明系统在最大倍率、最长工作距处工作的光学结构示意图。连续变倍照明系统采用最大倍率、像面小、便于观察细节；耦合透镜系统采用两透镜间距最小的工作状态、工作距大、适于观察深层结构；此时，全系统工作在最大倍率、最短工作距处。在工作距350mm处得到Φ17mm的像面。

图13是图12系统的像面均匀度分布及曲线示意图，看出该像面具有高均匀度，满足设计要求。

从上可以看出，本发明的手术显微镜的连续变焦照明系统，其手术显微镜照明范围、照明工作距、照明中心皆可改变，以便满足联动成像系统视场及工作距改变的需求，从而能消除手术中视场内对比度下降、视场外的组织被灼伤的风险，使系统操作更为简便、安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述照明系统与手术显微镜的变焦凸轮相配合，所述变焦凸轮具有第一凸轮曲线和第二凸轮曲线，所述照明系统包括沿中心光轴依次配置的：

作为前固定组的第一透镜，为正光焦度透镜；

作为变倍组的第二透镜，为负光焦度透镜；

作为补偿组的第三透镜，为负光焦度透镜；以及

作为后固定组的第四透镜组；

其中，所述变焦凸轮转动带动所述第二透镜和所述第三透镜同时于所述第一透镜和所述第四透镜组之间沿中心光轴运动以使系统焦距值呈线性连续变化，所述第二透镜按照所述第一凸轮曲线的规律运动，所述第三透镜按照所述第二凸轮曲线的规律运动，所述第一凸轮曲线为线性曲线，所述第二凸轮曲线为指数曲线。

2.根据权利要求1所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述第四透镜组包括：

靠近所述第三透镜设置的第四透镜，为正光焦度透镜；

靠近光源设置的第六透镜，为负光焦度透镜；以及

设置在所述第四透镜与所述第六透镜之间的第五透镜，为正光焦度透镜。

3.根据权利要求1或2所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述照明系统还包括耦合透镜系统，所述耦合透镜系统具有中心轴，所述中心轴与所述中心光轴垂直。

4.根据权利要求3所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述耦合透镜系统包括：

反射镜，设置在所述中心光轴与所述中心轴相交处；以及

第七透镜，设置在所述中心轴上；

其中，所述反射镜将从第一透镜出射的光线反射至所述第七透镜。

5.根据权利要求4所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述反射镜为非45°反射镜，所述第七透镜为同轴透镜。

6.根据权利要求4所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述反射镜为45°反射镜，所述第七透镜为离轴透镜。

7.根据权利要求3所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述耦合透镜系统包括：

反射镜，设置在所述中心光轴与所述中心轴相交处；以及

沿所述中心轴顺次设置的第七透镜和第八透镜；

其中，所述反射镜将从第一透镜出射的光线反射至所述第七透镜。

8.根据权利要求7所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述第七透镜与所述第八透镜之间的距离能够在25mm与3mm之间进行调整。

9.根据权利要求8所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述反射镜为旋转反射镜，所述第七透镜与所述第八透镜皆为同轴透镜以构成同轴透镜组。

10.根据权利要求8所述的手术显微镜的连续变焦照明系统，其特征在于，所述反射镜为45°反射镜，所述第七透镜与所述第八透镜皆为离轴透镜以构成离轴透镜组。