带转向角的内窥镜设计

温故知新
在《内窥镜转向棱镜设计》中,我们和大家详细推导了棱镜的摆位角度计算过程。这种棱镜由三个小棱镜胶合而成,组合成大棱镜方便结构组装卡位。

这种棱镜有几个比较棘手的问题需要重点关注:

  1. 需要在第2次反射区域做反射镀膜处理,反射镀膜(上图橙色区域)控制不好可能会遮挡入射光的有效孔径宽度。

  2. 受限于内镜娇小的尺寸,这种设计入射光和反射光很难做到比较大的空间错位,如果两者要拉出很大的空间距离,很容易造成整个镜头的横向尺寸过大;如果二者空间距离没有拉开的话,很容易造成外围视场的遮挡,形成暗角。如下图红色圈所示:

巧妙利用空气间隙

上述方案镜头横向尺寸过大,很难满足日益严苛的微创临床需求。

我们把棱镜1和棱镜2之间的胶合,替换成空气间隙,反射镀膜区域去掉,光路的第2次反射利用TIR实现,由于TIR反射区域是透明表面,不影响正常光线入射,因此入射光线区域和TIR反射区域可以重叠,大幅缩减了内窥镜头的横向尺寸。

全内反射的灵活性

由于不再限制光线入射和第2次反射之间的光路干涉,在确保镜头体积比较小的前提下,我们可以达成更大的FOV和更灵活的视向角,我们设计了FOV=160°,转向角55°的内窥镜头,如下所示,大家不难发现,这个镜头我们利用TIR仅仅采用单棱镜就达成了设计目标。

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作者:潘

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