專利名稱：用于內(nèi)窺鏡的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及這樣的光學(xué)儀器，即，其適于觀察有孔并且/或者不可探查的空間，并且可以用來觀察諸如體內(nèi)器官及其腔的物體，以及位于這種器官中的特定物體，例如，腫瘤或囊腫。這些光學(xué)儀器包括內(nèi)窺鏡、耳鏡、腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、支氣管鏡、喉鏡、膀胱鏡，以及其他類似的剛性內(nèi)窺醫(yī)學(xué)檢查裝置。然而，這種光學(xué)儀器并不限于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，而是可以應(yīng)用于如上所述的檢查可能適用的多種領(lǐng)域中的任一領(lǐng)域，例如，如以管道鏡的形式應(yīng)用于機械應(yīng)用。更具體地，本發(fā)明涉及進一步被設(shè)計成一次性使用的這種光學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知的有各種光學(xué)儀器，它們被設(shè)計成使得能夠觀察到不容易探查到或不容易直接用于檢查的區(qū)域。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，例如，使用多種光學(xué)儀器，如內(nèi)窺鏡、關(guān)節(jié)鏡、支氣管鏡等，來檢查體腔的內(nèi)部，包括耳道到關(guān)節(jié)和肺。典型地，經(jīng)由構(gòu)成或?qū)蜻@種腔的自然人體管道來實現(xiàn)利用這些儀器對這種腔的探查。然而，在某些情況下，已知的是，進行小外科切割手術(shù)，由此使儀器可以進到腔中。
剛性的和柔性的內(nèi)窺鏡在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。和它們的剛性對應(yīng)物不同，柔性內(nèi)窺鏡使得可以探查到人體的相對多孔并且遠(yuǎn)的區(qū)域，如腸道。然而，與剛性內(nèi)窺鏡相比，柔性內(nèi)窺鏡提供了更差的圖像質(zhì)量，相對昂貴，并且對于許多應(yīng)用都不適合。它們通常還不適于耐受通過高壓加熱消毒器進行的消毒處理。
剛性內(nèi)窺鏡在以上方面具有優(yōu)點，尤其是就圖像質(zhì)量而言。通常，剛性內(nèi)窺鏡包括延長管，該延長管具有用于插入體腔內(nèi)的遠(yuǎn)端；帶有目鏡的近端；以及位于該管的內(nèi)部并沿著其長度的多個透鏡，用于形成體腔和/或位于體腔內(nèi)的物體的圖像，并將該圖像傳送給觀察部件，例如內(nèi)科醫(yī)生可以通過該觀察部件觀察體腔和/或位于體腔內(nèi)的物體。典型地，將管的內(nèi)表面涂黑，以防止其中發(fā)生不希望的殘余光反射。
US 5891015公開了一種內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括剛性管，該剛性管具有遠(yuǎn)端、近端以及位于遠(yuǎn)端與近端之間的成像系統(tǒng)，該近端帶有包括圖像感受面的觀察部件，該成像系統(tǒng)完全占據(jù)管的內(nèi)部，并包括單個非球面平凹前透鏡、單個非球面內(nèi)透鏡以及兩個玻璃桿。該成像系統(tǒng)用于形成物體的圖像并隨后將其傳給圖像感受面，該圖像感受面讀取該圖像并使得能夠顯示該圖像以進行觀察。
US 6398724公開了一種內(nèi)窺鏡，該內(nèi)窺鏡包括帶有遠(yuǎn)端和近端的密封插入管，該密封插入管與聚焦組件相關(guān)聯(lián)，該聚焦組件具有多個光學(xué)部件并安裝在內(nèi)窺鏡殼中，所述管可拆卸地接合到該內(nèi)窺鏡殼。該插入管包括多個光學(xué)元件，這些光學(xué)元件沿著該插入管的長度位于其中，并適于在聚焦組件內(nèi)形成物體的圖像，由這些光學(xué)元件將圖像從該聚焦組件傳送給與CCD傳感器的圖像感受面相重合的像平面?？梢酝ㄟ^移動該CCD傳感器以調(diào)節(jié)在圖像感受面與靜止圖像之間的距離，來對物體的圖像進行聚焦?？刹鹦恫迦牍苁悄透邏杭訜岬模虼丝梢詥为殞ζ溥M行消毒，從而消除了對整個內(nèi)窺鏡進行消毒的必要，尤其是消除了對內(nèi)窺鏡的多個部件(如聚焦組件和CCD傳感器)進行消毒的必要，對它們進行充分消毒相對要復(fù)雜且昂貴得多。
對于可重用醫(yī)療器械，在重用它們之前進行消毒是很關(guān)鍵的，通過各種方法(如通過高壓加熱消毒)來執(zhí)行這種消毒。然而，可重用內(nèi)窺鏡的精密且復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得難以實現(xiàn)對它們的絕對消毒。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中已提出對一次性內(nèi)窺鏡的需求，其一方面提供高質(zhì)量成像，另一方面可以由相對廉價的部件來制成，并被制造得足夠廉價，以使得對于單個病人使用之后即丟棄是成本合算的。
已知有設(shè)計一次性內(nèi)窺鏡的嘗試，其公開物例如包括US 4964710、US 5188092、US 5892630以及US 5423312。US 5423312公開了一種帶有一次性軸的剛性內(nèi)窺鏡，該一次性軸包括剛性管和位于該剛性管的近端處的柄，該柄可以從該剛性管斷開。該剛性管被具有零聚焦力的高折射率桿和安裝在該桿的遠(yuǎn)端和近端用于形成圖像的相對簡單的透鏡占據(jù)，以覆蓋寬物場并將圖像傳給攝像機。已提出了采用光纖、包層桿或涂鋁透明導(dǎo)光管的形式的照明導(dǎo)光裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種用于觀察一工作距離范圍處的物體的光學(xué)裝置，該裝置具有光軸，并包括細(xì)長管、成像系統(tǒng)以及望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，所述細(xì)長管具有一定長度并具有遠(yuǎn)端和近端，所述成像系統(tǒng)置于所述遠(yuǎn)端處并具有寬視角，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與所述近端相關(guān)聯(lián)并具有窄視角，所述成像系統(tǒng)被設(shè)計成在像平面處形成所述物體的圖像，所述像平面位于所述軸上并在所述管內(nèi)，與到所述近端相比更靠近于所述遠(yuǎn)端，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)被設(shè)計成使得能夠觀察所述物體的所述圖像。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，與所述細(xì)長管的近端相關(guān)聯(lián)，而與所述成像系統(tǒng)及其像平面隔開所述細(xì)長管的長度的大部分，該長度是根據(jù)設(shè)計該裝置所針對的應(yīng)用來選擇的。然而，對于任何選定的長度，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的視角總是如此之窄，以至于在所述像平面的位置處的跨度不超過所述細(xì)長管的寬度。按此方式，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)使得不需要中間圖像形成光學(xué)部件，如在所述管內(nèi)用于將圖像傳送到位于所述裝置的近端處的圖像傳感器(人眼、CCD攝像機等)的多個中繼透鏡，就能夠觀察物體的圖像。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的成像系統(tǒng)的寬視角可以與本發(fā)明所提到的類型的常規(guī)光學(xué)裝置中的相同。然而，優(yōu)選地，該視角如此之寬，而使所述成像系統(tǒng)具有如此短的焦距，以至于在整個工作距離范圍上其像平面的位置都位于所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的景深內(nèi)。由此，可以將所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)固定為預(yù)定布置，使得所述光學(xué)裝置能夠提供對位于工作范圍內(nèi)的任何物體的圖像的清楚觀察，而不需要調(diào)節(jié)所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)對于根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置可能最簡單且最廉價的設(shè)計，所述成像系統(tǒng)具有提供其寬視角所必需的最少數(shù)量的元件，所有這些元件都集中在所述管的遠(yuǎn)端處。為此，優(yōu)選地，所述成像系統(tǒng)包括采用整球(即，球)透鏡形式的單個元件，可以從該整球透鏡去除某些部分，例如，從該整球透鏡切除該球的外圓柱部分以得到鼓狀形狀。使用球透鏡是優(yōu)選的，這不僅是因為這種透鏡具有單個元件可能具有的最短焦距，而且因為它提供了如下的附加優(yōu)點它會產(chǎn)生相對小的色像差并帶來可忽略的畸變(如像散和彗差)量。此外，可以容易地計算出由所述球透鏡產(chǎn)生的幾何畸變，因此也可以容易地通過圖像處理技術(shù)或光學(xué)地(如通過安裝校正光學(xué)系統(tǒng))來校正該幾何畸變。優(yōu)選地，這種校正光學(xué)系統(tǒng)由適于減小所述成像系統(tǒng)的畸變的單個校正光學(xué)元件組成。該校正光學(xué)元件可以采用任何合適的形式，如能夠?qū)崿F(xiàn)該目的的平凸透鏡的形式。
另選地，根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的成像系統(tǒng)可以包含非球面、寬視角部件，所述部件具有所述球透鏡的許多理想特征，但是產(chǎn)生小得多的畸變，優(yōu)選地，該畸變小到不需要校正光學(xué)元件的程度。
所述成像系統(tǒng)還可以包括包圍所述管的周部的照明光導(dǎo)，其可以采用現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何形式，例如，采用沿所述管延伸的光纖線或環(huán)形筒的形式。
可以利用所述望遠(yuǎn)鏡的目鏡通過人眼直接實現(xiàn)對在所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的像平面中獲得的物體的圖像的觀察，或者可以例如通過用于將圖像傳送到圖像感受器件(如視頻圖像傳感器、感光膠片等)的裝置，在可將該圖像顯示在例如視頻屏面上之后，來間接地實現(xiàn)對圖像的觀察。
本發(fā)明的光學(xué)裝置的一個最基本的應(yīng)用是用作內(nèi)窺鏡，在此情況下，優(yōu)選地，所述細(xì)長管是剛性的，并且可以具有適于該內(nèi)窺鏡所針對的應(yīng)用的任何尺寸，只要所述管的總長度遠(yuǎn)大于其寬度即可，該管長度的至少一半沒有圖像形成光學(xué)元件，這是因為，如上所述，所述成像系統(tǒng)的部件集中在所述遠(yuǎn)端處，并且所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)關(guān)聯(lián)于或位于所述管的近端的附近。例如，對于包括如上所述的直徑為d的球透鏡的成像系統(tǒng)，典型地，整個成像系統(tǒng)在所述管內(nèi)分布在約為直徑d的僅2到3倍的單個連續(xù)長度上，而所述管的總長度的跨度約為直徑d的10到100倍。
本發(fā)明的光學(xué)裝置還可以包括位于所述細(xì)長管中的透明光學(xué)介質(zhì)，該透明光學(xué)介質(zhì)填充在所述成像系統(tǒng)與所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之間的空間和/或所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的內(nèi)部。該介質(zhì)可以采用由折射率超過1的光學(xué)質(zhì)量透明材料制成的一個或更多個桿的形式?？梢詫λ龆鄠€桿中的至少一個桿的一端或兩端進行成形，以使桿具有圖像聚焦光學(xué)特性并且/或者具有機械定位裝置。
與在現(xiàn)有技術(shù)中已知的許多內(nèi)窺鏡相比，本發(fā)明提供了內(nèi)窺鏡的簡單設(shè)計，因為它可以通過很少的光學(xué)元件來操作，這些光學(xué)元件中的大部分位于兩個位置中的一個位置處，即位于所述細(xì)長管的遠(yuǎn)端的附近，作為所述成像系統(tǒng)的一部分；或者位于所述近端的附近，作為所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一部分。由此，本發(fā)明的內(nèi)窺鏡的簡單設(shè)計為該裝置提供了許多重要優(yōu)點，包括與現(xiàn)有技術(shù)中已知的相對復(fù)雜的內(nèi)窺鏡設(shè)計(其具有許多透鏡和/或其他光學(xué)元件，即使在輕微彎曲之后，也存在使該內(nèi)窺鏡在光學(xué)上不可操作的可能性，并且往往被損壞)相比，本裝置對于在處理過程中可能施加給它的彎曲力和其他機械載荷來說具有相對低的敏感度。此外，本發(fā)明的內(nèi)窺鏡容易組裝，這尤其是因為它的有限數(shù)量個圖像形成光學(xué)部件位于本裝置的少且特定的位置處(具體來說，在本裝置的末端附近)，或者可以按預(yù)定次序?qū)⑦@些圖像形成光學(xué)部件簡單地逐個“扔進”所述細(xì)長管中，如可以將前述透明桿“扔進”所述細(xì)長管中那樣。
除以上優(yōu)點以外，本發(fā)明的簡單設(shè)計還提供了能夠由此生產(chǎn)相對廉價的內(nèi)窺鏡或其他這種裝置的又一優(yōu)點，因而還使得能夠生產(chǎn)完全一次性的內(nèi)窺鏡或具有一次性部件(如帶有其成像系統(tǒng)的剛性細(xì)長管)的內(nèi)窺鏡。實際上，這種內(nèi)窺鏡管是本發(fā)明的另一方面。
使得本發(fā)明的內(nèi)窺鏡或內(nèi)窺鏡管可以充分廉價以一次性使用的便利性，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用(其中，用于引入到例如人體中的器械必須經(jīng)常經(jīng)受消毒處理)中尤其是有利的特征。
此外，例如，尤其是通過選擇較廉價的材料和方法來進行制造，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡的簡單設(shè)計和組裝使得它的成本能夠充分地最小化，在每次使用該內(nèi)窺鏡之后整體丟棄它，這可以在經(jīng)濟上變得可行。例如，通過由合適的塑料材料來生產(chǎn)所述成像系統(tǒng)、所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、所述透明桿(如果存在的話)、所述細(xì)長管以及所述內(nèi)窺鏡主體的其他部分，可以使所述內(nèi)窺鏡的成本最小化。此外，如上所述，例如，在所述成像系統(tǒng)中使用球透鏡可能在該方面特別有利，因為球透鏡幾何形狀簡單，所以可以容易且廉價地生產(chǎn)該球透鏡。此外，由于球透鏡的對稱性，所以容易對該球透鏡進行組裝，因為它的取向在任何布置下都是相同的。
當(dāng)使用塑料透明材料來制造本發(fā)明的光學(xué)元件時，可以使用非球面壓模成形塑料部件，由此進一步減少所需光學(xué)元件的數(shù)量并降低所述裝置的最終成本。
優(yōu)選制造方法的另一示例包括使用金屬片條生產(chǎn)所述細(xì)長管，通過鍍敷、油漆或其他合適的材料使該金屬片條的一側(cè)變黑。然后對該條進行冷拉或熱拉，并對其進行焊接以形成所述管，所述變黑側(cè)構(gòu)成所述管的內(nèi)表面，以如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣充當(dāng)這樣的裝置，即，其用于防止不希望的殘留光反射通過所述管傳播并不利地影響圖像質(zhì)量。


為了理解本發(fā)明并明白可如何實際執(zhí)行本發(fā)明，以下僅以非限制性示例的方式參照附圖對多個不同實施例進行描述，在附圖中圖1A是根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡的光學(xué)裝置的示意性例示圖；圖1B和1C是圖1A所示的光學(xué)裝置的變形例的示意性例示圖；圖2是圖1A所例示的內(nèi)窺鏡的一個實施例的示意部分橫剖視圖；圖3是內(nèi)窺鏡的在圖2中標(biāo)為III的部分的放大橫剖視圖；圖4是圖1A所例示的內(nèi)窺鏡的另一實施例的示意部分橫剖視圖；圖5是內(nèi)窺鏡的在圖4中標(biāo)為V的部分的放大橫剖視圖；圖6是內(nèi)窺鏡的在圖5和7中標(biāo)為VI的部分的示意橫剖視圖；以及圖7是圖1A所例示的內(nèi)窺鏡的再一實施例的示意部分橫剖視圖。
具體實施例方式
以下參照圖1A對根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡2進行概述。內(nèi)窺鏡2適于由觀察者的眼睛E或圖像接收觀察裝置(例如CCD攝像機(未示出))觀察預(yù)定工作距離范圍內(nèi)的物體3(如人體器官或腫瘤的內(nèi)部)。內(nèi)窺鏡2包括沿公共光軸O布置的成像部分2a和觀察部分2b。
成像部分2a包括其中安裝有成像系統(tǒng)8的中空剛性細(xì)長管4。細(xì)長管4具有寬度w和將其遠(yuǎn)端5與近端6分開的長度L，該管的長度L遠(yuǎn)大于寬度w。成像系統(tǒng)8置于管4內(nèi)，靠近其遠(yuǎn)端5，并適于在鄰近成像系統(tǒng)8的像平面9上形成物體3的圖像。成像系統(tǒng)8具有這樣的寬視角α(即，短焦距)，即，使得像平面9的位置僅響應(yīng)于工作距離的變化而稍微變化。為了提供所指示的寬視角，成像系統(tǒng)8例如包括直徑為d的單球透鏡12，和采用平凸透鏡13形式的校正光學(xué)元件，該平凸透鏡13適于減小由球透鏡12產(chǎn)生的畸變。成像部分2a還包括窗7，窗7在管4的遠(yuǎn)端5位于球透鏡12前方。
內(nèi)窺鏡2的觀察部分2b包括殼11，管4在其近端6處連接到該殼11；和容納在該殼11內(nèi)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10包括第一會聚透鏡20和第二會聚透鏡22，由此限定了一牛頓望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10具有由管4的寬度w和在像平面9與第一會聚透鏡20之間的距離限定的窄視角β。由于這種窄視角，而且考慮到成像系統(tǒng)8的光學(xué)元件(即，透鏡12和13)集中在管4的遠(yuǎn)端5處并且望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10的光學(xué)元件(即，透鏡20和22)靠近管4的近端6的事實，所以管4的長度L的大部分沒有光學(xué)元件，尤其是在像平面9與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10之間沒有光學(xué)元件。由此，例如，在管4的長度L為球透鏡12的直徑d的約10到100倍的情況下，成像系統(tǒng)8的跨布長度為直徑d的約2到3倍，管的長度的約70％到98％沒有光學(xué)元件。
望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10具有預(yù)定景深，并且其與成像系統(tǒng)8隔開，以確保像平面9(由于成像系統(tǒng)的寬視角，其位置隨工作距離的變化僅輕微變化)在整個工作距離范圍上位于該景深內(nèi)。因此，可以將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10固定在預(yù)定結(jié)構(gòu)中，而使其像平面位于透鏡20與22之間，從而使得內(nèi)窺鏡2能夠提供位于工作距離范圍內(nèi)的任何物體的圖像的清楚視圖，從而消除了調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10的必要性。
望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10被設(shè)計成具有這樣的放大倍率參數(shù)，即，確保物體3形成在像平面9處并通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀察到的圖像完全占據(jù)觀察者的眼睛E的視網(wǎng)膜的有效部分或另一圖像接收觀察裝置(例如，CCD傳感器)的圖像感受面。按此方式，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10使得不需要任何中間部件(如管內(nèi)的多個透鏡)就能夠觀察到物體的圖像，以將該圖像傳送到近端6。
在操作過程中，通過球透鏡12和平凸透鏡13使從物體3反射出并沿公共光軸O通過窗7進入內(nèi)窺鏡2的光線會聚，并在像平面9處形成物體3的圖像(未示出)。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10將該圖像從像平面9通過像平面21傳送到觀察者的眼睛E。隨著物體3與內(nèi)窺鏡2之間的工作距離的變化，像平面9的位置相應(yīng)地變化。然而，由于成像組件8的焦距非常短，所以像平面9的位置的變化程度是如此之小，以至于即使工作距離顯著變化，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10也仍然使得能夠清楚地觀察到物體的圖像。因此，即使工作距離變化了，也不需要調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10。
通過使用可買到的光線跟蹤程序進行的計算機化仿真，并通過基于該計算機化仿真進行的理論計算，對根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡的上述操作進行了建模和測試。此外，還建立了該內(nèi)窺鏡的測試模型，例如，以下給出了其中兩個示例。


圖1B例示了與圖1A所示的內(nèi)窺鏡類似的內(nèi)窺鏡，其中，通過將望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10的類似于圖1A中的透鏡20的第一會聚透鏡20’置于細(xì)長管4的內(nèi)部，對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10進行了修改，并且其中，在細(xì)長管4內(nèi)在透鏡20’的兩側(cè)引入了折射率大于1的透明桿31和32。
圖1C例示了與圖1B所示的內(nèi)窺鏡類似的內(nèi)窺鏡，其中，將透明桿31’和32’形成為，使得它們的遠(yuǎn)端被形成為透鏡。在桿31’中，將遠(yuǎn)端形成為球面或非球面透鏡，以與透鏡13一起或取代透鏡13來執(zhí)行畸變校正的功能。在桿32’中，將遠(yuǎn)端形成為取代圖1A中的透鏡20或圖1B中的透鏡20’的透鏡。優(yōu)選地，這兩個桿是相同的，以簡化內(nèi)窺鏡的制造和組裝。顯然，僅一個桿可以形成為在其一端處具有透鏡。此外，可以將這些桿的每個端部形成有由折射率與該桿的其余部分的材料的折射率不同的材料制成的透鏡部件，從而使得如果需要的話可以進行色差校正?？梢詫U的端部的外部形成為給定長度的環(huán)形，從而提供桿的合適間隔并簡化組裝過程。
圖2到7示出了本發(fā)明的內(nèi)窺鏡的3個不同實施例，它們都基于以上描述的和圖1所示的光學(xué)裝置和概念。具體地，這些內(nèi)窺鏡中的每一個都包括內(nèi)窺鏡管，在其遠(yuǎn)端處具有成像系統(tǒng)8；和內(nèi)窺鏡殼，其容納管的近端并將圖1所示的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)容納于其中。圖2到7所示的內(nèi)窺鏡都具有沿著這些管從靠近它們的近端的位置延伸到它們的遠(yuǎn)端的照明光導(dǎo)裝置，以照明待成像的物體。這些內(nèi)窺鏡中的照明光導(dǎo)裝置包括安裝于內(nèi)窺鏡殼的連接器，該連接器可與光源(未示出)的光導(dǎo)相連接。
圖2示出了一種可重用內(nèi)窺鏡102，該可重用內(nèi)窺鏡102包括內(nèi)窺鏡管104和與該內(nèi)窺鏡管104永久耦合的殼111。管104包括相隔開的內(nèi)套管142和外套管144，并且該內(nèi)窺鏡包括采用光纖線140形式的照明光導(dǎo)裝置，光纖線140在管104的內(nèi)套管142與外套管144之間并穿過殼111延伸，以使得能夠通過連接器150與光源相通信，如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的。
圖3示出了圖2所示的內(nèi)窺鏡102的遠(yuǎn)端的放大圖，其例示了將透鏡12和13安裝在管104的內(nèi)套管142中的簡單方式，在它們之間存在間隔物160，這些間隔物160用于按預(yù)定操作布置來固定這些透鏡。
圖4示出了具有一次性內(nèi)窺鏡管204的內(nèi)窺鏡202，內(nèi)窺鏡管204的內(nèi)套管142包含如上述內(nèi)窺鏡102中的成像系統(tǒng)8，并且內(nèi)窺鏡管204沒有外套管。該內(nèi)窺鏡202還包括可重用內(nèi)窺鏡殼211，和可拆卸地連接到該內(nèi)窺鏡殼211的管204。照明光導(dǎo)裝置采用環(huán)形光導(dǎo)筒218的形式，該環(huán)形光導(dǎo)筒218共軸地且接觸地貼近內(nèi)套管142，以從光源通過安裝在殼211中的連接器250來引導(dǎo)光。
圖5示出了圖4所示的內(nèi)窺鏡202的遠(yuǎn)端的放大圖，其例示了沿內(nèi)套管142延伸并在管204的遠(yuǎn)端處具有突出末端270的光導(dǎo)筒218。
光導(dǎo)筒218可以由透明材料形成，并具有使用折射率低于光導(dǎo)材料的折射率的材料涂敷的內(nèi)表面和外表面。由此筒218能夠基于全內(nèi)反射的原理來引導(dǎo)光。另選地，可以在筒218的外表面和內(nèi)表面以折射涂層對筒218進行涂敷，從而也使得它能夠在其中有效地引導(dǎo)光。在現(xiàn)有技術(shù)中已知的有各種類型的光導(dǎo)筒，例如，從US 5396366和US 5423312可以獲知將這些光導(dǎo)筒連接到連接器250(圖4所示)的方法。
與光纖結(jié)構(gòu)(如以上參照圖2和3描述的光纖結(jié)構(gòu))相比，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)窺鏡202的光導(dǎo)筒218尤其有利的在于，其制造和組裝廉價得多。這使得可以將管204制成成本合算的一次性的，尤其是如果筒218以及成像系統(tǒng)8和管204本身是由合適的低成本材料制成的并具有易于組裝的設(shè)計的話。按此方式，可以單獨制造包括成像系統(tǒng)8和光導(dǎo)筒218的管204，并將其可拆卸地接合到內(nèi)窺鏡202，從而在使用之后可以將其拆下、丟棄，并由另一個新的這種管來代替它。此外，筒218與圖2和3所示的光纖線140的結(jié)構(gòu)相比能夠傳輸更多的光。后者是因為在多條圓柱光纖線之間不可避免地存在間隔，而在筒218的情況下，這些間隔由筒218的材料占據(jù)，這也能夠貢獻投射光量。
為了提供再一優(yōu)點，在其制造過程中，對光導(dǎo)筒218的末端270進行熱處理，以使其呈球隆起形，而使得光能夠按相對寬的角度從末端270分布開。類似地，可以通過任何已知方法制造本發(fā)明的內(nèi)窺鏡中的筒218的末端，使其具有很多種其他設(shè)計，這些設(shè)計適于按希望的強度分布來導(dǎo)引從筒218投射的光，以適合成像系統(tǒng)的視角。
如圖6所示，內(nèi)窺鏡202(圖4和5所示)具有L形連接光導(dǎo)元件280，該L形連接光導(dǎo)元件280置于管的內(nèi)套管142上，在光導(dǎo)筒218之后靠近管的近端，并延伸到連接器250中。元件280在靠近其第一端部280a的區(qū)域中是環(huán)形的，而在鄰近其第二端部(未示出)的區(qū)域中是實心的，適于在其第二端部處從光源的光導(dǎo)裝置引導(dǎo)光，并將該光引導(dǎo)到與第一端部280a鄰接的光導(dǎo)筒218。元件280具有旨在使光傳輸效率最大化的特定設(shè)計，其在第一端部280a處的橫截面積與筒218的橫截面積相匹配，而在連接器250內(nèi)在第二端部附近變細(xì)，以與光源的光導(dǎo)裝置的端部相匹配。按此方式，元件280用來使得能夠?qū)⒐鈴墓庠匆龑?dǎo)到筒218，而使光源與筒218之間的光損耗最小。
圖7示出了內(nèi)窺鏡302，該內(nèi)窺鏡302在其管304、其光導(dǎo)筒218以及其光導(dǎo)元件280的設(shè)計上類似于圖4到6的內(nèi)窺鏡202，不同之處僅在于其被設(shè)計成在每次使用之后可整體丟棄，即，其殼311以及容納在其中的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(圖1所示)也是一次性的。管304可以與殼311是一體的，或者可以可拆卸地連接到殼311。
上述內(nèi)窺鏡中的照明裝置可以由LED來代替或者與LED相關(guān)聯(lián)，所述LED通過電纜連接到或可連接到外部電源或內(nèi)部電池，后一情況使得該單元可以是完全自持的。可以將所述LED置于內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)端處，在此情況下電纜將沿內(nèi)窺鏡的周部延伸，例如，在它的管(例如，管104、204或304)的內(nèi)套管與外套管之間延伸。另選地，可以將所述LED設(shè)置得遠(yuǎn)離遠(yuǎn)端，例如，設(shè)置在內(nèi)窺鏡的近端處，具體地，設(shè)置在其觀察部分端部處，在此情況下，應(yīng)當(dāng)設(shè)置照明光導(dǎo)裝置，以將光從所述LED引導(dǎo)到內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)端。這種裝置可以包括光纖光導(dǎo)、塑料光導(dǎo)等。LED的數(shù)量可以隨它們的功率和所需照明而變化。位于內(nèi)窺鏡的遠(yuǎn)端處的多個LED的周向分布，或與位于內(nèi)窺鏡的近端處的多個LED相連接的多個光導(dǎo)的遠(yuǎn)端的周向分布，可以是均勻的或任意的。
應(yīng)當(dāng)理解，上述內(nèi)窺鏡僅為根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)裝置的示例，而本發(fā)明的范圍完全包括對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可能顯見的其他實施例和應(yīng)用。由此，本光學(xué)裝置可以用來使得能夠觀察到不容易探查到或不容易直接用于檢查的區(qū)域。雖然本裝置在很多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(其中可能希望對病人的有孔區(qū)的邊界進行檢查)中尤其有用，但是不僅可以將本光學(xué)裝置用作內(nèi)窺鏡，而且在經(jīng)過必要的修改之后，它還可以是任何類似儀器的一部分，這些儀器包括耳鏡、腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡、支氣管鏡、喉鏡、膀胱鏡或其他這種內(nèi)窺醫(yī)學(xué)檢查裝置。此外，盡管本說明書著重于本發(fā)明的作為內(nèi)窺鏡等的光學(xué)裝置的實施例，但是應(yīng)當(dāng)指出，本裝置并不限于醫(yī)學(xué)應(yīng)用，而是可以應(yīng)用于其中可以應(yīng)用如上所述的檢查的多種領(lǐng)域中的任一領(lǐng)域，例如，在經(jīng)過必要的修改之后，可以例如以管道鏡的形式應(yīng)用于機械應(yīng)用。實際上，還可以將圖2到7所示的內(nèi)窺鏡用作管道鏡。
此外，上述光學(xué)裝置可以具有附加部件，舉例來說如各種光偏轉(zhuǎn)元件(例如，棱鏡)，如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的，可以將這些光偏轉(zhuǎn)元件與成像系統(tǒng)的所有其他部件一起置于遠(yuǎn)端處，以使得能夠觀察到遠(yuǎn)離光軸的物體。為此，如上所述，可以將球透鏡的一些部分切除掉，以使它具有前截頭圓錐形，而空出空間來容納這種元件。
此外，內(nèi)窺鏡可以包括適于防止汽體凝結(jié)在窗的表面上的前窗加熱機構(gòu)。還可以將內(nèi)窺鏡的到光源的連接器150和250置于其他位置處，例如，置于殼的與管的遠(yuǎn)端相對的遠(yuǎn)端處，以在醫(yī)學(xué)檢查等的過程中成為障礙物。
權(quán)利要求
1.一種用于觀察一工作距離范圍處的物體的光學(xué)裝置，該裝置具有光軸，并包括細(xì)長管、成像系統(tǒng)以及望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，所述細(xì)長管具有一定長度并具有遠(yuǎn)端和近端，所述成像系統(tǒng)置于所述遠(yuǎn)端處并具有寬視角，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與所述近端相關(guān)聯(lián)并具有窄視角，所述成像系統(tǒng)被設(shè)計成在像平面處形成所述物體的圖像，所述像平面位于所述軸上并在所述管內(nèi)，相比于到所述近端更靠近于所述遠(yuǎn)端，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)被設(shè)計成使得能夠觀察所述物體的所述圖像，其中，所述細(xì)長管內(nèi)的在所述成像系統(tǒng)與所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之間的空間，和/或所述細(xì)長管的在所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與所述近端之間的空間，填充有折射率大于1的透明光學(xué)介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與所述像平面隔開得不小于所述長度的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)裝置，其中，所述透明介質(zhì)是按至少一個透明桿的形式設(shè)計的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)裝置，其中，所述透明桿被設(shè)計成充當(dāng)所述成像系統(tǒng)的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)裝置，其中，所述透明桿被設(shè)計成執(zhí)行所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的前透鏡的功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述窄視角是由所述管在所述像平面的位置處的寬度和所述像平面與所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之間的距離來限定的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述成像系統(tǒng)的所述視角如此之寬，以至于其焦距如此之短，使得所述像平面的所述位置在整個工作距離范圍上都位于所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的景深內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述成像系統(tǒng)包括具有所述寬視角的至少一個成像元件，和適于減小由所述成像元件導(dǎo)致的所述圖像中的畸變的至少一個校正光學(xué)元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)裝置，其中，所述成像元件包括球透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)裝置，其中，所述校正光學(xué)元件是平凸透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)裝置，其中，所述球透鏡的直徑為d，并且所述成像系統(tǒng)在所述管內(nèi)分布在約為直徑d的2到3倍的單個連續(xù)長度上，而所述管的長度跨度約為直徑d的10到100倍。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述裝置被設(shè)計成是完全一次性的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1到12中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述成像系統(tǒng)或所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的至少一個光學(xué)部件是由塑料制成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1到13中的任何一項所述的光學(xué)裝置，包括可重用部，其包括所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；和一次性部，其具有可拆卸地安裝于所述可重用部的所述管的形式。
15.根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述裝置是內(nèi)窺鏡。
16.根據(jù)權(quán)利要求1到14中的任何一項所述的光學(xué)裝置，其中，所述裝置是管道鏡。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中的任何一項所述的光學(xué)裝置，還包括照明光導(dǎo)，該照明光導(dǎo)被設(shè)計成共軸地且接觸地貼近所述細(xì)長管。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)裝置，其中，所述光導(dǎo)由光纖線組成。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光學(xué)裝置，其中，所述光導(dǎo)是環(huán)形筒。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)裝置，其中，所述環(huán)形筒具有被處理成具有如下設(shè)計的末端，即，該設(shè)計適于按適合于所述成像系統(tǒng)的所述視角的希望強度分布來引導(dǎo)從所述末端投射的光。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)裝置，還包括適于將來自光源的光導(dǎo)向所述筒的光導(dǎo)元件，所述元件被設(shè)計成在一端處與所述筒相匹配，而在另一端處與所述光源相匹配，以減小光損耗。
22.根據(jù)權(quán)利要求1到16中的任何一項所述的光學(xué)裝置，還包括連接到或可連接到外部電源或內(nèi)部電池的一個或更多個發(fā)光二極管。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中，所述發(fā)光二極管置于所述內(nèi)窺鏡的所述遠(yuǎn)端處。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)裝置，其中，所述發(fā)光二極管置于所述內(nèi)窺鏡的所述近端處，特別地，置于所述內(nèi)窺鏡的觀察部分端部處。
25.一種用于與根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置一起使用的細(xì)長管。
全文摘要
一種用于觀察一工作距離范圍處的物體的光學(xué)裝置。該裝置包括細(xì)長管(4)，其具有遠(yuǎn)端和近端；成像系統(tǒng)(8)，置于所述遠(yuǎn)端處并具有寬視角；以及望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(10)，與所述近端相關(guān)聯(lián)并具有窄視角。所述細(xì)長管內(nèi)的在所述成像系統(tǒng)與所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之間的空間和/或所述細(xì)長管的在所述望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)與所述近端之間的空間，填充有折射率大于1的透明光學(xué)介質(zhì)(31、32)。本裝置尤其適于充當(dāng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的內(nèi)窺鏡，并且可以是一次性的。
文檔編號A61B1/00GK1905830SQ200480040523
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者謝爾蓋·V·阿列克謝科, 阿列克謝·R·葉夫謝耶夫, 彼得·Y·勞紹夫, 安德雷·P·別洛烏索夫, 列夫·迪亞曼特, 尤里·N·杜布尼斯特科夫, 德米特里·M·馬爾科維奇, 弗拉基米爾·亨里埃維奇·梅萊丁, 亞歷山大·V·斯塔羅哈 申請人:視覺范圍技術(shù)有限公司