CN101373258A - 内视镜头及内视镜装置 - Google Patents

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Abstract

一种内视镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组和具有正光焦度的第二透镜群组，第一透镜群组包括一个具有负光焦度的第一透镜，内视镜头满足如下条件公式：－35＜f12/f＜－10，3.5＜f14/f＜3.9和n1＞1.8，其中，f表示内视镜头的系统焦距，f12和f14分别表示第一透镜群组和第二透镜群组的有效焦距，n1表示第一透镜的折射率系数。此外，本发明还提供一种使用上述内视镜头的内视镜装置。

Description

内视镜头及内视镜装置
技术领域
本发明涉及内视镜头以及使用该内视镜头的内视镜装置。
背景技术
内视镜装置主要被应用于工业和医疗领域。
工业用内视镜装置主要包括镜头，光纤，以及目视器，其中，镜头和目视器分设于光纤的两端。当操作者检修机器内的构件或者电路板时，可以不拆卸机器，而将镜头连同部分光纤伸入机器内部。通过目视器观察由该镜头摄取的影像，进行观测诊断作业，待发现异常而需要进一步维修作业时，再拆卸机器，以提高维修、检测作业的方便性。
医疗用内视镜装置近年已提出一种结构轻小的胶囊型装置，该胶囊型内视镜装置主要包括电源单元、照明单元、通信单元以及镜头单元。电源单元用于向照明单元和通信单元提供能量，照明单元用于照射胶囊附近的体腔部位，使这些部位发出反射光线。镜头单元用于摄取外界物体发出的光线，得到图像信号，通信单元用于发送图像信号。使用者通过口服该胶囊型内视镜装置，首先由镜头单元获取体腔内部特定部位的图像画面，得到图像信号，然后通信单元通过例如无线发射方式将图像信号发送给身体附近的接收装置，以在身体外部显示图像画面，方便检测。
上述工业用内视镜及医疗用内视镜，镜头单元一方面需要观察到大视场角范围内物体的画面，另一方面，需要具备较佳的画面成像品质，以供精确判断具体机件或者体腔部位的状态特征。然而，目前尚未有既能在大视场角下取像，又具备较好成像品质的内视镜头以及使用该内视镜头的工业用内视镜装置和医疗用内视镜装置。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种较大视场角度和较佳成像品质的内视镜头。
还有必要提供一种使用该内视镜头的内视镜装置。
一种内视镜头，从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组和具有正光焦度的第二透镜群组，第一透镜群组包括一个具有负光焦度的第一透镜，所述内视镜头满足如下条件公式：-35<f12/f<-10，3.5<f14/f<3.9和n1>1.8，其中，f表示所述内视镜头的系统焦距，f12和f14分别表示所述第一透镜群组和第二透镜群组的有效焦距，n1表示所述第一透镜的折射率系数。
一种内视镜装置，包括内视镜头，电源单元，照明单元，影像处理单元以及无线发射单元，所述电源单元分别电性连接所述照明单元，影像处理单元和无线发射单元，所述内视镜头摄取外界画面，所述影像处理单元将外界画面转换成电信号，所述无线发射单元接收所述电信号，并将所述电信号调制成电磁波，所述内视镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组和具有正光焦度的第二透镜群组，第一透镜群组包括一个具有负光焦度的第一透镜，所述内视镜头满足如下条件公式：-35<f12/f<-10，3.5<f14/f<3.9和n1>1.8，其中，f表示所述内视镜头的系统焦距，f12和f14分别表示所述第一透镜群组和第二透镜群组的有效焦距，n1表示所述第一透镜的折射率系数。
上述内视镜头以及使用该内视镜头的内视镜装置，通过符合上述条件公式的内视镜头摄取外界物体的画面，其视场角度至少在139o以上，同时具有较佳的成像品质。
附图说明
图1为内视镜装置的模块示意图。
图2为图1所示之内视镜头的光学元件示意图。
图3A为图2所示之第一实施方式的内视镜头的光学参数。
图3B为图2所示之第一实施方式的内视镜头的非球面系数。
图4A为图2所示之第二实施方式的内视镜头的光学参数。
图4B为图2所示之第二实施方式的内视镜头的非球面系数。
图5A为图2所示之第一实施方式的内视镜头的纵向球面像差图。
图5B为图2所示之第一实施方式的内视镜头的像散场曲图。
图5C为图2所示之第一实施方式的内视镜头的畸变图。
图6A为图2所示之第二实施方式的内视镜头的纵向球面像差图。
图6B为图2所示之第二实施方式的内视镜头的像散场曲图。
图6C为图2所示之第二实施方式的内视镜头的畸变图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施方式进行说明：
请参阅图1，一种胶囊型内视镜装置100，其尺寸大小类似于日常使用的口服胶囊，主要用于摄取体腔内特定部位的图像画面，并将该图像画面提供给检测人员作参考。该内视镜装置100包括内视镜头10，影像处理单元20，无线发射单元30，电源单元40以及照明单元50。电源单元40分别电性连接影像处理单元20，无线发射单元30以及照明单元50。电源单元40可以是微型电池，用于提供影像处理单元20，无线发射单元30以及照明单元50正常工作所需的能量。照明单元50可以是微型的发光二极管，位于内视镜头10的两侧，用于照射内视镜装置100周围的物体，使周围的物体发出内视镜头10可以接收的光线。影像处理单元20包括感测部22(例如CCD，CMOS感测器)和电路处理部24。感测部22通过光电转换过程，将由内视镜头10摄取的光线转换成电信号，电路处理部24接收电信号，通过A/D转换，编码等将电信号处理成图像信号。无线发射单元30电性连接影像处理单元20，用于接收电路处理部24传递而来的图像信号，并将图像信号调制成可以发射的电磁波信号。通过无线接收装置(图未示出)接收所述电磁波信号，经内部电路处理，即可在例如CRT，LCD等显示装置上显示体腔内特定部位被摄取到的图像，以供检测人员作为参考。
请参阅图2，内视镜头10被设置成一种固定焦距镜头，以满足内视镜装置100小封装体积的需求。内视镜头10包括若干球面透镜和非球面透镜，并通过该等透镜单元，摄取外界物体画面。以物方平面16和像方平面18为参考，内视镜头10于该物方平面16和像方平面18之间依次包括第一透镜群组12和第二透镜群组14。第一透镜群组12具有负光焦度，主要用于接收较大角度范围入射的光线。假设内视镜头10的系统焦距为f，第一透镜群组12的有效焦距为f12，第一透镜群组12和内视镜头10系统之间最好满足条件公式(1)：
-35<f12/f<-10   (1)
公式(1)用于限制第一透镜群组12具有较小的焦距，以收取大角度入射的光线，设置f12/f>-35可以有效增加收取光线的角度达139o，但f12/f>-10则会使镜片过度弯曲，从而产生过大的像散场曲和高阶像差，而且曲率半径小的透镜加工相对较为困难。
第二透镜群组14具有正光焦度，主要用于接收经第一透镜群组的光线，并将该光线汇聚到像平面18上。假设第二透镜群组14的有效焦距为f14，第二透镜群组14和内视镜头10系统之间最好满足条件公式(2)：
3.5<f14/f<3.9  (2)
公式(2)用于限制第二透镜群组14，使镜头设计尽量接近远心系统，从而使经第一透镜群组入射的光线有效汇聚到CCD或者CMOS影像感测装置的感测表面上，也即像平面18上，提升光线的利用效率。此外，为了适当的平衡光焦度和控制总长度，限定此合理的范围。
第一透镜群组12从物方平面16一侧开始，依次包括第一透镜122、第二透镜124以及第三透镜126。第一透镜122与第二透镜124为弯月形凹透镜，其凸面弯向物方平面16，具有负光焦度，以最大限度的接收从外界入射的光线。第一透镜122和第二透镜124被设置成非球面透镜，以提供较小的球面像差。非球面第一透镜122和第二透镜124的面形由方程X＝CY2{1+1-[(1+K)C2Y2]1/2}-1+A4Y4+A6Y6+A8Y8+A10Y10决定，其中，C为曲面顶点处曲率半径的倒数，K为圆锥系数，A4、A6、A8、A10分别为非球面系数，Y为曲面上的点距离光轴的高度，X为曲面上的点在光轴上的投影距离曲面顶点的轴上距离。第三透镜126为球面双凸透镜，具有正光焦度，其可以进一步平衡入射光线经过第一透镜122与第二透镜124所产生的球面像差和畸变像差，提高成像品质。
第二透镜群组14从物方平面16一侧开始，依次包括第四透镜142、第五透镜144、第六透镜146以及第七透镜148。第四透镜142为球面双凹透镜，具有负光焦度。第五透镜144为球面弯凸透镜，其凸面弯向像方平面18，具有正光焦度。第六透镜146为球面双凸透镜，具有正光焦度。第七透镜148为球面弯月形凹透镜，其凸面弯向像方平面18，具有负光焦度。为了有效降低内视镜头的系统色差，第四透镜142、第五透镜144、第六透镜146和第七透镜148中至少有一片镜片的阿贝系数大于60。
假设第一透镜122靠近物方平面16一侧的透镜表面的有效通光孔的直径为D1，第一透镜122的折射率系数为n1，为了使内视镜头10具有较小的系统体积，第一透镜122的通光孔径D1和第一透镜群组12的有效焦距f12之间最好满足条件公式(3)，第一透镜122的折射率n1满足条件公式(4)：
0.5<D1/f12<-0.2  (3)
n1>1.8  (4)
公式(3)设置D1/f12>-0.5可以使镜片具有较小的有效通光孔径，从而该内视镜头10尺寸较小，但D1/f12>-0.2则会使内视镜头10广角特性变差，因此限定在此范围内。公式(4)设置n1>1.8可以有效增加收取光线的角度。
假设镜头总长度为TTL，为兼顾内视镜头10的总长度，内视镜头10最好进一步满足条件公式(5)：
0.05<f/TTL<0.1  (5)
设置f/TTL<0.1，可以有效缩短镜头的长度，但f/TTL<0.05时，则会产生较大的高阶像差，进而使成像品质降低。
该内视镜头10还包括一光阑13。光阑13较佳地被设置成关于物方16和像方18对称，也即该光阑13分别与物方16和像方18间隔设置数目基本相同的透镜单元。例如，该光阑13位于第三透镜126和第四透镜142之间，以限制通过该内视镜头10的光线的通量。
内视镜头10各光学元件第一实施方式的光学参数如图3A所示，其中非球面的第一透镜122和第二透镜124，其圆锥系数K以及非球面系数A4、A6、A8、A10如图3B所示，从而可以确定非球面的面形。
由图3A所示内视镜头10各光学元件第一实施方式的数据，如曲率半径、厚度、折射率等，利用焦距计算公式可计算求得第一透镜122的有效焦距f12为-7.2946mm，第二透镜群组14的有效焦距f14为1.7657mm。内视镜头10的系统焦距f为0.48mm，镜头总长度TTL为7.1mm。容易计算得到f12/f＝-15.331，f14/f＝3.711，D1/f12＝-0.4798，f/TTL＝0.067，分别满足该广角透镜10的成像条件公式(1)-35<f12/f<-10，公式(2)3.5<f14/f<3.9，公式(3)0.5<D1/f12<-0.2和公式(5)0.05<f/TTL<0.1。其中，第一透镜122的折射率系数n1＝1.8601，满足公式(4)n1>1.8，第五透镜144和第六透镜146的阿贝系数均大于60。在满足上述条件公式的第二实施方式的内视镜头10，其产生的各种像差满足内视镜装置的成像要求，如以下实验结果所示。
请参阅图5A第一实施方式的广角透镜10的纵向球面像差图，纵轴表示通光孔径大小，横轴表示纵向球面像差数值。在各纵向球面像差图中，分别为针对g线(λ值350nm)，d线(λ值550nm)，c线(λ值700nm)而观察到的在不同通光孔径下所对应的纵向球面像差值。其中，g线产生的纵向球面像差值在(-0.14mm，-0.06mm)范围内，d线产生的纵向球面像差值在(-0.04mm，0.02mm)范围内，c线产生的纵向球面像差值在(0.00mm，0.06mm)范围内。总体而言，第一实施方式的广角透镜10对可见光产生的纵向球面像差值在(0.20mm，0.20mm)范围内，满足内视镜装置大角度成像要求。
请参阅图5B和5C第一实施方式的广角透镜10的像散场曲(field curvature)图和畸变(distortion)图，图中纵轴表示像点距离内视镜头10中心光轴的高度。在全视场角度2ω为149.72°的范围内产生的子午场曲值和弧矢场曲值均在(-1mm，1mm)范围内，最大畸变率在(-20％，20％)内，满足内视镜装置大角度成像要求。
内视镜头10各光学元件第二实施方式的光学参数如图4A所示，其中非球面的第一透镜122和第二透镜124，其圆锥系数K以及非球面系数A4、A6、A8、A10如图4B所示。
由图4A所示内视镜头10各光学元件第二实施方式的数据，可计算求得第一透镜122的有效焦距f12为-16.4351mm，第二透镜群组14的有效焦距f14为1.8290mm。内视镜头10的系统焦距f为0.50mm，镜头总长度TTL为7.12mm。容易计算得到f12/f＝-32.778，f14/f＝3.648，D1/f12＝-0.2072，f/TTL＝0.070，分别满足该广角透镜10的成像条件公式(1)-35<f12/f<-10，公式(2)3.5<f14/f<3.9，公式(3)-0.5<D1/f12<-0.2和公式(5)0.05<f/TTL<0.1。其中，第一透镜122的折射率系数n1＝1.8135，满足公式(4)n1>1.8，第五透镜144和第六透镜146的阿贝系数均大于60。在满足上述条件公式的第二实施方式的内视镜头10，其产生的各种像差满足内视镜装置的成像要求，如以下实验结果所示。
请参阅图6A第一实施方式的广角透镜10的纵向球面像差图，其中，g线产生的纵向球面像差值在(-0.12mm，-0.06mm)范围内，d线产生的纵向球面像差值在(-0.02mm，0.06mm)范围内，c线产生的纵向球面像差值在(0.04mm，0.08mm)范围内。总体而言，第一实施方式的广角透镜10对可见光产生的纵向球面像差值在(-0.20mm，0.20mm)范围内，满足内视镜装置大角度成像要求。
请参阅图6B和6C第一实施方式的广角透镜10的像散场曲图和畸变图。在全视场角度2ω为139.2°的范围内产生的子午场曲值和弧矢场曲值均在(-1mm，1mm)范围内，最大畸变率在(-20％，20％)内，满足内视镜装置大角度成像要求。
上述内视镜头10以及使用该内视镜头的内视镜装置，至少通过成像条件公式-35<f12/f<-10，3.5<f14/f<3.9和n1>1.8，可使视场角度至少达到139o以上，同时兼有较好的成像品质。进一步通过条件公式-0.5<D1/f12<-0.2和0.05<f/TTL<0.1，使内视镜头10和内视镜装置100具有较小的体积和长度。
上述内视镜头10仅为较佳实施方式，本领域具有普通知识的技术人员在此基础上可以作一定的变更。例如，光阑13被设置位于第一透镜群组12相邻透镜单元之间，或者第二透镜群组14相邻透镜单元之间，或者没有光阑13。

Claims (15)

  1. 【权利要求1】一种内视镜头，从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组和具有正光焦度的第二透镜群组，所述第一透镜群组包括一个具有负光焦度的第一透镜，其特征在于：所述内视镜头满足如下条件公式：-35<f12/f<10，3.5<f14/f<3.9和n1>1.8，其中，f表示所述内视镜头的系统焦距，f12和f14分别表示所述第一透镜群组和第二透镜群组的有效焦距，n1表示所述第一透镜的折射率系数。
  2. 【权利要求2】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述第一透镜群组从所述第一透镜到像方一侧还依次包括具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，所述第一透镜和第二透镜为向物方一侧凸起的非球面弯月形凹透镜，所述第三透镜为球面双凸透镜。
  3. 【权利要求3】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述第二透镜群组从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜和第六透镜，具有负光焦度的第七透镜，所述第四透镜为球面双凹透镜，所述第五透镜为向像方一侧凸起的球面弯凸透镜，所述第六透镜为球面双凸透镜，所述第七透镜为向像方一侧凸起的球面弯月形凹透镜。
  4. 【权利要求4】如权利要求3所述的内视镜头，其特征在于：所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜中至少一个透镜的阿贝系数大于60。
  5. 【权利要求5】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式-0.5<D1/f12<-0.2，其中，D1表示所述第一透镜靠近物方一侧透镜表面的有效通光孔的直径。
  6. 【权利要求6】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式0.05<f/TTL<0.1，其中，TTL表示内视镜头系统的总长度。
  7. 【权利要求7】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式2ω>139o，其中ω表示所述内视镜头的半视场角。
  8. 【权利要求8】如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述内视镜头还包括一光阑，所述光阑位于所述第三透镜和第四透镜之间。
  9. 【权利要求9】一种内视镜装置，包括内视镜头，电源单元，照明单元，影像处理单元以及无线发射单元，所述电源单元分别电性连接所述照明单元，影像处理单元和无线发射单元，所述内视镜头摄取外界画面，所述影像处理单元将外界画面转换成电信号，所述无线发射单元接收所述电信号，并将所述电信号调制成电磁波，其特征在于：所述内视镜头从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第一透镜群组和具有正光焦度的第二透镜群组，所述第一透镜群组包括一个具有负光焦度的第一透镜，所述内视镜头满足如下条件公式：35<f12/f<-10，3.5<f14/f<3.9和n1>1.8，其中，f表示所述内视镜头的系统焦距，f12和f14分别表示所述第一透镜群组和第二透镜群组的有效焦距，n1表示所述第一透镜的折射率系数。
  10. 【权利要求10】如权利要求9所述的内视镜装置，其特征在于：所述第一透镜群组从所述第一透镜到像方一侧还依次包括具有负光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，所述第一透镜和第二透镜为向物方一侧凸起的非球面弯月形凹透镜，所述第三透镜为球面双凸透镜。
  11. 【权利要求11】如权利要求9所述的内视镜装置，其特征在于：所述第二透镜群组从物方一侧到像方一侧依次包括具有负光焦度的第四透镜，具有正光焦度的第五透镜和第六透镜，具有负光焦度的第七透镜，所述第四透镜为球面双凹透镜，所述第五透镜为向像方一侧凸起的球面弯凸透镜，所述第六透镜为球面双凸透镜，所述第七透镜为向像方一侧凸起的球面弯月形凹透镜。
  12. 【权利要求12】如权利要求11所述的内视镜装置，其特征在于：所述第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜中至少一个透镜的阿贝系数大于60。
  13. 【权利要求13】如权利要求9所述的内视镜装置，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式-0.5<D1/f12<-0.2，其中，D1表示所述第一透镜靠近物方一侧透镜表面的有效通光孔的直径。
  14. 【权利要求14】如权利要求9所述的内视镜装置，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式0.05<f/TTL<0.1，其中，TTL表示内视镜头系统的总长度。
  15. 【权利要求15】如权利要求9所述的内视镜装置，其特征在于：如权利要求1所述的内视镜头，其特征在于：所述内视镜头满足条件公式2ω>139o，其中ω表示所述内视镜头的半视场角。
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