高度校正的中繼系統的制作方法
【專利說明】高度校正的中繼系統
【背景技術】
[0001] 對于一部分醫生感興趣的是在超過可見帶的狀況（regime)的其它波段狀況下可 視化組織和身體結構，所述可見帶一般被視為處于從400nm到700nm的范圍內或附近。尤 其感興趣的是近紅外區域（700nm到900nm)，其中諸如靛青綠（ICG)熒光劑之類的染料并且 被用作標記物，并且其中組織具有增加的透明度。附加地，內窺鏡的分辨率要求已經隨著視 頻成像中所使用的高清晰度（HD)檢測器的引入而增加，這歸功于與早期的NTSC或PAL格 式相比更小且更為眾多的像素。因而，針對使得能夠在除正常可見區域之外的近紅外中實 現擴展的波段性能、更高的采樣頻率和深度穿透的內窺鏡的光學改進將是有利的。
[0002] 在其中使用內窺鏡的診斷和治療過程二者中，有利的是提供引導顯像和熒光標記 物。這些被用在外科手術過程中以將醫生對組織和結構的可視化擴展到超過其先天能力的 區域。因而，在可見帶加上人類視覺之外的更長波長區域中的良好可視化是合期望的結果。
[0003] 眾所周知的是，由硅制成的檢測器在紅外區域中非常好地做出響應，盡管該能力 通常不用在醫學成像系統中，因為人類眼睛在硅最佳響應處是看不見的，即在700nm以上。 作為結果，用于外科手術的光學儀器已經不只是由于其處于人類視覺之外而忽略該檢測器 能力，而是有目的地遮擋它，因為NIR檢測器響應不對應于視覺的主要顏色分量，即紅色、 綠色和藍色。正常成像系統和硅響應由主要顏色裝倉（bin)，這是通過單獨像素之上的濾色 器(在單個檢測器的情況下）或者用于將整個束路徑分成針對其自身檢測器的紅色、綠色和 藍色路徑的較大濾色器。這后一種配置通常被稱為三芯片攝像機。NIR檢測器響應可以被 認為是黑色和白色響應。挑戰在于使其對應于可見狀況的光學路徑長度。
[0004] 內窺鏡被構造成通過窄開口或路徑來觀察身體內的深處，并且包括可以通過功能 要求而分組的眾多光學元件。
[0005] 桿透鏡組裝件或中繼透鏡以分組對進行使用（諸如3對或5對)，并且要求對內窺 鏡物鏡組裝件的產物再成像以形成內窺鏡的視場光闌（stop)處的圖像。用于視頻用途的 目鏡或耦合透鏡然后觀看視場光闌和圖像的組合。當在可見波段之外使用時，現有內窺鏡 中繼器的縱向色差以波長顯著地增加焦點的位移，其中較長的波長基本上落在可見圖像焦 點的波長之外。該可見波段之外位移誤差是累積性的，其總和對于醫生對高分辨率的預期 以及對高分辨率的需求而言過大。這在嘗試利用被設計以供可見光譜中使用的內窺鏡來在 近紅外光譜中分辨血管成像、神經成像和/或腫瘤邊緣中的精細細節時是特別麻煩的。
[0006] 較大直徑的內窺鏡通常具有比較小直徑的內窺鏡更快的f數。要求較大直徑的內 窺鏡的更多光學性能，這是因為如下的醫生預期：較大的內窺鏡具有高的分辨率以及光學 校正的性質，其要求在光學列被放大時對校正更快系統施加更多努力。l〇mm內窺鏡的直徑 對長度比大于2. 8mm或4mm直徑內窺鏡的直徑對長度比，從而導致改進的明亮度和更大的 分辨率。10mm直徑內窺鏡以及類似直徑的內窺鏡具有以約1:6(F6)操作的中繼系統，而 4mm直徑內窺鏡具有以約1:7(F7 )操作的中繼器，其中更小的內窺鏡以對應更低的F數操 作。
[0007] Hopkins的US專利3, 257, 902教導，利用玻璃桿填充內窺鏡中繼器內的空氣空間 基本上相對于現有的內窺鏡的操作F數而增加了內窺鏡的操作F數，其使用較寬地隔開的 膠合雙透鏡來生產遠心中繼系統。這導致可見波段中的更明亮的圖像和更好的診斷。
[0008] 眾所周知的是，遠心設計是用于生產不具有大量漸暈的中繼系統的要求。T.H. Tomkinson,J.L.Bentley,Μ.K.Crawford,C.J.Harkrider,D.T.Moore和J.L. Rouke的"Rigidendoscopicrelaysystems:acomparativestudy'，，Appl.Opt. 35, 6674-6683 (1996)〇
[0009] 為了生產以快F數的非漸暈遠心中繼器，在Heimbeck的US專利#5, 005, 960和 Leiner的US專利#5, 684, 629中已經教導了。這些參考文獻示出在可見波段中的視場中心 中的良好校正的圖像的產生，盡管在大多數情況下由于有限數目的自由度，其是消色差校 正。殘余像差(諸如散光和彗形像差)通常通過使用物鏡組裝件中的抵消像差而針對內窺鏡 中的離軸視場點進行校正。特別地，眾所周知的是，場曲由正彎曲元件產生，并且在幾乎所 有情況下，內窺鏡的中繼系統在桿組裝件的每一個端部上的其相應空氣-玻璃界面處由正 冪（power)表面構成。存在針對物鏡中進行補償的大量場曲，其在本內窺鏡中針對可見波 段成功完成。
[0010] 當人們增加可見之外波段中的高度校正(例如近紅外校正）需求時，變得必要的是 向以不同材料的附加透鏡元件的形式的中繼器添加更多的自由度。具有2種材料的內窺鏡 中繼器(諸如US專利5, 005, 960)提供軸線上的精細消色差校正，但是在.7視場和整個視 場點處，存在符合2種元件解決方案的明顯未校正的散光、場曲、彗形像差和色差，通稱為 消色差校正。因此，針對超高度消色的性能，必須考慮3和4種材料解決方案，即在4個波 長處、可見中的RGB和NIR(近紅外）處的校正。
[0011] 附加地，市場需要隨著高清晰度視頻的引入而改變。在一旦制造商設法減少部件 計數來降低成本的情況下(其偏好有限數目的元件)，高清晰度視頻（HD)現在要求更高性 能，因此必須重新考慮元件的數目。通過明智使用半徑和玻璃選擇，可以將附加玻璃元件添 加到中繼系統以利用通過選擇更長半徑而獲得的制造效率，這是因為更多的這樣的透鏡可 以由光學儀器制造者添加到制造工具。在短半徑的情況下，一個或者幾個表面在碾磨或拋 光工具上一次產生。在較長半徑的情況下，可以在相同碾磨或拋光時間中產生更多數目。附 加地，每工具更多透鏡得出更準確的結果。相比于與金屬間隔物組合地組裝的單獨玻璃元 件，膠合組件更有可能恰當地對齊，因此所添加的元件應當被視為粘合組裝件的一部分。
[0012] 因而，市場中存在針對HD內窺鏡的良好定義且長時期的需要，該HD內窺鏡可以在 約相同平面中分辨可見和近紅外光二者的，并且因而可以為外科醫生增強組織和結構的可 見性。
【發明內容】
[0013] 提供一種用于在內窺鏡中使用的高度校正的對稱去像散中繼系統。相比現有內窺 鏡，本發明系統提供從藍色光到NIR光的寬得多的波段性能，具有高效數值孔徑以產生明 亮的高對比度圖像的附加優點。
[0014] 用于內窺鏡的高度校正的中繼組裝件由關于形成限制孔徑的準直（CO11imated) 區域對稱的一對桿透鏡組裝件構成；其中在每一個平（Plano)平桿元件的一側上具有膠合 雙透鏡，與光闌鄰近的雙透鏡的負彎月形透鏡包括具有折射率1.60且色散或阿貝數 為1> 39的具有反常部分色散的玻璃，該雙透鏡的正透鏡具有具有折射率ne< 1. 54且色 散或阿貝數為60的玻璃，離光闌區域最遠的膠合雙透鏡均具有具有折射率r^> 1. 75 并且色散或阿貝數為Ve> 37的正透鏡，該雙透鏡的負透鏡包括熔融石英。
[0015] 鄰近并且粘合到桿透鏡的平端的雙透鏡的材料和半徑的發明的布置滿足以下條 件：從圖像形成側，正冪的高折射率適度色散的元件被組合以熔融石英的負冪平凹元件，平 平桿元件，具有非常低折射率低色散材料的平凸正冪元件，以及彎月形透鏡，所述彎月形透 鏡為負冪低折射率但是稍微高于其附近的鄰居的折射率并且還具有低色散但是比其附近 的鄰居稍微更大的色散。前述透鏡組裝件形成關于光闌的對稱中繼系統的第一半部。跟著 該光闌的是以相反順序的相同布置。
[0016] 具有以上材料組合的適度色散的高折射率正元件(特別地，熔融石英負構件）和其 它低折射率且低色散材料的組合形成高度校正的寬波段中繼組裝件，其最小化寬范圍波長 之上的色差，并且基本上校正球形像差、散光、彗形像差和場曲。說明書內存在充足數目的 自由度，以最小化次級光譜并且允許在常規長度內窺鏡或肥胖癥治療長度內窺鏡中使用許 多對中繼器，一直在寬波段范圍之上進行校正以允許在單個檢測器上或者可替換地在復用 檢測器系統上分辨定位在一起的可見和近紅外圖像。
【附圖說明】
[0017] 圖1是