[发明专利]用于多传感器内窥镜的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于内窥镜的宽视场物镜系统。

背景技术

内窥镜已在医学界取得了普遍公认，因为它们提供了在对病人创伤最小的情况下用于进行手术的手段，同时使医生查看病人的内部剖析。多年来，许多内窥镜已被研发出来，并根据具体应用分类，诸如膀胱镜、结肠镜、腹腔镜、上消化道内镜等。内窥镜可以插入到人体的自然开口中，或穿过皮肤上的切口。

内窥镜通常是细长的管状轴，刚性或柔性，在其远端处具有摄像机或光纤透镜组件。该轴连接到手柄，手柄有时包括用于直接观看的目镜。经由外部屏幕观察通常也是可行的。各种手术工具可以插入穿过内窥镜中的工作通道，用于进行不同的外科手术。

已知存在各种内窥镜，在其前端插入部分中采用光学头部，用于观察体腔或诸如下消化道等管腔（lumen）的内部。通常，这样的光学头部至少包括用于照明物体的照明装置、物镜系统和传感器阵列。

US6,956,703公开了用于内窥镜的物镜，包括前端透镜单元部件和后端透镜单元部件，其间定位了孔径光阑，其中前端透镜单元部件从物体侧起依次包括：具有负折射光焦度（refractive power）的第一透镜和具有正折射光焦度的第二透镜，其将具有小曲率半径的表面指向物体侧；其中后端透镜单元部件包括：具有正折射光焦度、将具有小曲率半径的表面指向图像侧的第三透镜、具有正折射光焦度的第四透镜以及具有负折射光焦度的第五透镜；并且其中第四透镜和第五透镜被接合。满足以下条件：2.0<|f3/f|<3.0，其中f是总系统的合成焦距（composite focal length），而f3是第三透镜的焦距。尽管如此，非对称结肠环境需要宽视场（FOV）捕获的高品质图像，这无法只用一个检测器来完成。

已经采取了更多努力，以提高这些系统的光学设计并打造宽视场，这例如记载于题为“紧凑型广角透镜（Compact wide angle lens）”的第5,870,234号美国专利中，以及题为“电子内窥镜（Electronic endoscope）”的第6,476,851号美国专利中。虽然这些专利带来了宽视场的优点，但它们主要提供前视野。另一个缺点是从外周观看宽视野图像的边界时的显著失真。

通过使用例如申请号为2005/0168616、题为“用于利用多图像透镜捕获图像的方法和设备（Methods and apparatus for capturing images with a multi-image lens）”的美国专利中所示的多图像透镜，或者通过使用例如题为“提供全向覆盖和照明的光学透镜（Optical lens providing Omni-directional coverage and illumination）”的7,362,516号美国专利中所公开的其它全向光学解决方案，这些缺点可以部分地解决。这些技术可以在图像的外周以相对低的失真支持宽FOV，但它们受到的主要缺点是侧面观察时的低光学分辨率。这些技术的另一个缺点是复杂性和占用空间设计，这通常消除了将其它重要特征如射流器、工作通道和照明源结合至内窥镜的可能性。

在本领域中，针对诸如结肠镜的内窥镜，仍需要在用于医疗应用的设备的所需尺寸内提供宽FOV、广泛的景深/焦深（DOF）以及可接受的分辨率。

发明内容

下面的实施例及其方面结合意指示例性的和说明性的而不是限制范围的系统、工具和方法来描述并示出。

当前发明的目的是提供一种或多种光学系统，用于被容纳在内窥镜的同一头部（端部）中的前视摄像机和侧视摄像机。摄像机连同它们各自的光学系统适于提供在使用内窥镜检查的复杂环境的宽FOV捕获的高品质图像。根据一些实施例，提供了一种内窥镜，其至少包括基本上相互垂直的前视摄像机和侧视摄像机。根据一些实施例，任何摄像机可包括小尺寸的图像传感器，诸如CCD或CMOS传感器（下文中指的是CCD，但也可以指CMOS或任何其它传感器）。为了保持内窥镜前部的外径尽可能小，在多个摄像机中使用的光学系统需要紧凑。具体而言，侧视摄像机的光学轨道要短。在两个侧视摄像机沿同一轴线定位的情况下，基本上优选地垂直于内窥镜的长轴的情况下，内窥镜头部的最小直径限于摄像机（它一般包括摄像机的光学轨道、传感器、任何电子电路以及可位于传感器后面的布线）总长度的至少两倍。缩短总长度应不影响FOV或导致失真。这两个光学特性应与最小总长度一起维持。