CN103799951A - 胶囊内镜的大视场透镜系统以及具有大视场透镜系统的胶囊内镜 - Google Patents

胶囊内镜的大视场透镜系统以及具有大视场透镜系统的胶囊内镜 Download PDF

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CN103799951A CN201310520669.9A CN201310520669A CN103799951A CN 103799951 A CN103799951 A CN 103799951A CN 201310520669 A CN201310520669 A CN 201310520669A CN 103799951 A CN103799951 A CN 103799951A
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Abstract

一种透镜系统可应用于胶囊内镜并包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有非球状凹面，其具有半径R2。第二透镜具有非球状凸面，其具有半径R3并面对第一透镜。第三透镜具有非球状凸面，其具有半径R6。其中，透镜系统满足下列条件：R2/Gap＞1且ABS(R3/R2)＞1.28；1＜ABS(R6/R2)＜1.1且R6＜0；以及V2＜V1且V2＜V3；其中，Gap为从第一透镜的非球状凹面的曲率中心到第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示第一透镜、第二透镜与第三透镜的阿贝数（Abbe number）。

Description

胶囊内镜的大视场透镜系统以及具有大视场透镜系统的胶囊内镜
技术领域
本发明关于一种胶囊内镜的大视场透镜系统以及具有大视场透镜系统的胶囊内镜。
背景技术
胶囊内镜为一种诊断装置并为可吞入的光学摄像装置。此装置具有足够小的尺寸以及椭圆形状以方便病人吞入。通常来说，胶囊内镜包括至少一发光单元、广视角摄像透镜系统、影像传感器、处理单元、无线传输器以及电源单元。其中，发光单元可提供照明给所需要摄取的景像，影像传感器接收原始的影像数据，处理单元处理原始影像数据，无线传输器传输影像数据，电源单元例如为电池。
技术人员启动内镜以撷取影像，然后病人吞入内镜。当内镜经过食道、胃及肠道时，其收集并传送影像数据。由于能收集影像数据的时间相对较短，并且可能会有不舒服以及胶囊定位不佳的原因，所以胶囊能配备高质量、广角、大视场的光学组件以增加取得所需影像的机会是相当重要的。
发明内容
本发明揭露一种透镜系统，其包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有非球状凹面，其具有半径R2。第二透镜具有非球状凸面，其具有半径R3并面对第一透镜。第三透镜具有非球状凸面，其具有半径R6。其中，透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从第一透镜的非球状凹面的曲率中心到第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示第一透镜、第二透镜与第三透镜的阿贝数(Abbe number)。
本发明揭露另一种透镜系统，其包括第一基板、第一透镜、第二基板、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有平面与非球状凹面，平面接触第一基板，非球状凹面具有半径R2。第二基板具有非球状凸面与平面，非球状凸面具有半径R3并面对第一透镜，平面接触第二基板。第三透镜具有平面与非球状凸面，平面接触第二基板，非球状凸面具有半径R6。其中，第二基板位于第二透镜与第三透镜之间。其中，透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从第一透镜的非球状凹面的曲率中心到第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示第一透镜、第二透镜与第三透镜的阿贝数。
本发明揭露一种胶囊内镜，其包括壳体、电源以及透镜系统。透镜系统包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜具有非球状凹面，其具有半径R2。第二透镜具有非球状凸面，其具有半径R3并面对第一透镜。第三透镜具有非球状凸面，其具有半径R6。其中，透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从第一透镜的非球状凹面的曲率中心到第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示第一透镜、第二透镜与第三透镜的阿贝数。
附图说明
本发明前述及其它特征可参照相关附图及例示实施例即可明了，其中相同的组件将以相同的符号加以标示。同时，附图表达与本发明特征有关的示意，并未且亦不需要依据实际情形完整绘制。附图中特征的尺寸可能为清楚说明的目的而放大。
图1为本发明实施例的胶囊内镜的方块示意图。
图2为本发明实施例的大视场透镜模块的方块示意图，其可作为胶囊内镜。
图3(a)至图3(d)分别显示图2的透镜模块的球面像差、场曲率、失真以及横向色像差的曲线图。
图4为本发明另一实施例的大视场透镜模块的方块示意图，其可作为胶囊内镜。
图5(a)至图5(d)分别显示图4的透镜模块的球面像差、场曲率、失真以及横向色像差的曲线图。
具体实施方式
图1为本发明实施例的胶囊内镜的方块示意图。如图1所示，胶囊内镜5包括密封体7，其内设有大视场透镜模块10。从物体回来的光线11被接收以成像，光线可由灯50发出并经过密封体7的透光部9再射至透镜模块10。透镜模块10在影像传感器22上形成影像，影像传感器22将所接收的光线转成电信号并将其传送至主处理单元24。主处理单元24处理电信号以得到数字影像信号，数字影像信号可被编码并通过无线传输器30传送出去，亦可被其它装置读取。上述所有的子系统若必要时皆由电源单元40供电，电源单元40可包括至少一合适的电池及/或功率调节器/放大器电路（若有需要）。
需注意者，图1所示的态样仅为举例。本发明可应用任何配置的胶囊内镜。
由于胶囊内镜使用的特殊环境，使其能收集影像数据的时间相对较短，并且可能会有不舒服以及胶囊定位不佳的原因，所以胶囊能配备高质量、广角、大视场的光学组件以增加取得所需影像的机会是相当重要的。在实施例中，胶囊内镜的光学组件至少遵照下列需求：(1)大视场(FOV)，例如大于110度；(2)小尺寸，例如1.2mm x1.2mm x2.1mm，包括影像平面；(3)低成本，例如在透镜系统中包括不超过三个透镜；以及(4)良好的光学质量，例如极少的像差。
图2为本发明实施例的大视场透镜模块的方块示意图，其可作为胶囊内镜。如图2所示，透镜模块100至少符合上述大视场透镜模块10的四种需求。透镜模块100包括第一基板102、第一透镜104、第二透镜106、第二基板108以及第三透镜110。此外，透镜模块100包括两个玻璃板112、114，设置于影像平面116之前。
第一基板102包括两个平行的平面，其中第一平面面对物体空间(objectspace)。第一透镜104具有平面(半径R1=∞)，所述平面接触第一基板102的第二平面。第一透镜104还具有非球状凹面118，其具有半径R2。第一基板102与第一透镜104收集进入透镜模块100的大角度入射的光线。平凹第一透镜104减少射入模块100的光线的入射角、减少失真、并且减少模块100内的入射光的横切(cross-section)。
第二透镜106具有非球状凸面120，其具有半径R3并面对第一透镜104。第二透镜106还具有平面(半径R4=∞)。第二透镜106与第一透镜104之间有一预设间距。所述预设间距位于第一透镜104的非球状面118的曲率中心与第二透镜106的非球状面120的曲率中心之间，并定义为间距Gap由标号122所表示，所述间距Gap位于第一透镜104的非球状面118与第二透镜106的非球状面120之间。在一实施例中，间距122存在空气作为媒介。第二透镜106的平面接触第二基板108，第二基板108具有两个平行的平面。第二透镜106传送光线至透镜模块100的停止部124。
第三透镜110具有平面(半径R5=∞)，其接触第二基板108。第三透镜110还具有非球状凸面126，其具有半径R6。因此，第二基板108位于第二透镜106与第三透镜110之间。停止部124位于第二基板108与第三透镜110之间。第三透镜110使光线经过两个玻璃板112、114而到达影像平面116。玻璃板112、114之间可存在一小间距。玻璃板114可为影像传感器的覆盖玻璃(cover glass)。玻璃板114与影像平面116之间亦可存在一小间距。
停止部124位于透镜模块100内并可使光锥在视场中保持对称。这有助于维持调制转换函数(MTF)的对称性能。
表1显示图2的透镜模块100的透镜数据。
Figure BDA0000404143110000071
表1所显示的设计的数据符合下列三种状况：
状况(1)R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28
状况(2)1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0
状况(3)V2<V1且V2<V3
其中，V1、V2、V3分别表示第一透镜104、第二透镜106与第三透镜110的阿贝数。ABS表示绝对值。R2、R3、R6分别表示第一透镜104、第二透镜106与第三透镜110的非球状面的半径。间距Gap表示第一透镜104的非球状面118的曲率中心到第二透镜106的非球状面120的曲率中心之间的距离。
图3(a)至图3(d)分别显示图2的透镜模块100的球面像差、场曲率、失真以及横向色像差的曲线图。如图3(a)所示，三条由左至右的曲线分别对应波长为435.8nm(曲线f)、587.6nm(曲线d)、656.3nm(曲线c)的光线。球面像差落在合理的(possible)范围，从-0.10mm到0.10mm。请参照图3(b)，场曲率落在合理的范围，从-0.10mm到0.10mm。请参照图3(c)，失真落在合理的范围，从-50%到50%。请参照图3(d)，横向色像差被限制于艾里斑内，从-5.00μm到5.00μm。就如熟悉技艺的技术人员所知，像差值微不足道。
在一实施例中，透镜模块100的光学部分（包括第一基板102、第一透镜104、第二透镜106、第二基板108与第三透镜110）的尺寸约为1.04mm×1.04mm×1.12mm，总计约为1.21mm3。从第一基板的外表面到影像平面的总长度约为2.085mm，其小于2.2mm。在一实施例中，透镜模块100使用两个基板与三个透镜组件。例如，图2所示的态样符合下面四个需求：(1)大视场(FOV)，约118度；(2)小尺寸，约为1.04mm x1.04mm x2.085mm(第一基板的尺寸×总长度)；(3)低成本，因其只包括三个透镜组件；以及(4)良好的光学质量，极少的像差。需注意者，本发明不限于上述四种规格。
在一实施例中，透镜模块100的焦距为0.4mm，其小于0.43mm，并且焦比(F-number)为4。在一实施例中，光线于影像平面的直径为0.938mm，其小于1mm。在一实施例中，第一透镜104、第二透镜106与第三透镜110的非球状面的锥值(conic value)为零。
图4为本发明另一实施例的大视场透镜模块的方块示意图，其可作为胶囊内镜。如图4所示，透镜模块200亦至少符合上述大视场透镜模块10的四种需求。透镜模块200包括第一基板202、第一透镜204、第二透镜206、第二基板208以及第三透镜210。此外，透镜模块200包括玻璃板214，其位于影像平面216之前。
第一基板202包括两个平行的平面，其中第一平面面对物体空间(objectspace)。第一透镜204具有平面(半径R1=∞)，所述平面接触第一基板202的第二平面。第一透镜204还具有非球状凹面218，其具有半径R2。
第二透镜206具有非球状凸面220，其具有半径R3并面对第一透镜204。第二透镜206还具有平面(半径R4=∞)。第二透镜206与第一透镜204之间有预设间距。所述预设间距位于第一透镜204的非球状面218的曲率中心与第二透镜206的非球状面220的曲率中心之间，并定义为间距Gap由标号222所表示，所述间距Gap位于第一透镜204的非球状面218与第二透镜206的非球状面220之间。在一实施例中，间距222存在空气作为媒介。第二透镜206的平面接触第二基板208，第二基板208具有两个平行的平面。
第三透镜210具有平面(半径R5=∞)，其接触第二基板208。第三透镜210还具有非球状凸面226，其具有半径R6。因此，第二基板208位于第二透镜206与第三透镜210之间。停止部224位于第二基板208与第三透镜210之间。第三透镜210使光线经过玻璃板214而到达影像平面216。玻璃板214可为影像传感器的覆盖玻璃(cover glass)。玻璃板214与影像平面216之间亦可存在小间距。
停止部224位于透镜模块200内并可使光锥在视场中保持对称。这有助于维持调制转换函数(MTF)的对称性能。
表2显示图4的透镜模块200的透镜数据。
Figure BDA0000404143110000091
Figure BDA0000404143110000101
表2所显示的设计的数据符合下列三种状况：
状况(1)R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28
状况(2)1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0
状况(3)V2<V1且V2<V3
图5(a)至图5(d)分别显示图4的透镜模块200的球面像差、场曲率、失真以及横向色像差的曲线图。如图5(a)所示，三条由左至右的曲线分别对应波长为435.8nm(曲线f)、587.6nm(曲线d)、656.3nm(曲线c)的光线。球面像差落在合理的(possible)范围，从-0.05mm到0.05mm。请参照图5(b)，场曲率落在合理的范围，从-0.10mm到0.10mm。请参照图5(c)，失真落在合理的范围，从-50%到50%。请参照图5(d)，横向色像差被限制于艾里斑内，从-5.00μm到5.00μm。就如熟悉技艺的技术人员所知，像差值微不足道。
在一实施例中，透镜模块200的光学部分(包括第一基板202、第一透镜204、第二透镜206、第二基板208与第三透镜210)的尺寸约为1.18mm×1.18mm×1.261mm，总计约为1.76mm3。从第一基板的外表面到影像平面的总长度约为1.94mm。在一实施例中，透镜模块200使用两个基板与三个透镜组件。例如，图4所示的态样符合下面四个需求：(1)大视场(FOV)，约115度；(2)小尺寸，约为1.18mm x1.18mm x1.94mm(第一基板的尺寸×总长度)；(3)低成本，因其只包括三个透镜组件；以及(4)良好的光学质量，极少的像差。需注意者，本发明不限于上述四种规格。
在一实施例中，透镜模块200的焦距为0.43mm，并且焦比(F-number)为3.8，其小于4。在一实施例中，光线于影像平面的直径为0.885mm，其小于1mm。在一实施例中，第一透镜204、第二透镜206与第三透镜210的非球状面的锥值(conic value)为零。
特征的组合
本发明的多种特征已于上详述。本发明函盖上述所有特征的任一或任何组合，除非在叙述中排除了某一特征的组合。下面的例子依据本发明说明一些特征的组合。
在一实施例中，停止部位于第二基板与第三透镜之间。
在一实施例中，透镜系统的视场大于110度。
在一实施例中，透镜系统从第一基板的外表面到影像平面的总长度小于2.1mm。
在一实施例中，透镜系统的焦距等于或小于0.43mm。
在一实施例中，透镜系统的焦比等于或小于4。
在一实施例中，光线于透镜系统的影像平面的直径小于1.0mm。
在一实施例中，第一基板与第二基板各有两个平行的平面。
在一实施例中，透镜系统设置于胶囊内镜内。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包括于权利要求书中。

Claims (23)

1.一种透镜系统，其特征在于，包括：
第一透镜，具有非球状凹面，其具有半径R2；
第二透镜，具有非球状凸面，其具有半径R3并面对所述第一透镜；以及
第三透镜，具有非球状凸面，其具有半径R6；
其中，所述透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从所述第一透镜的非球状凹面的曲率中心到所述第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜与所述第三透镜的阿贝数。
2.如权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，还包括：
第一基板；以及
第二基板，设置于所述第二透镜与所述第三透镜之间。
3.如权利要求2所述的透镜系统，其特征在于：
所述第一透镜还包括与所述第一基板接触的平面；
所述第二透镜还包括与所述第二基板接触的平面；以及
所述第三透镜还包括与所述第二基板接触的平面。
4.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，还包括：
停止部，位于所述第二基板与所述第三透镜之间。
5.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的视场大于110度。
6.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统从第一基板的外表面到影像平面的总长度小于2.1mm。
7.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的焦距等于或小于0.43mm。
8.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统的焦比等于或小于4。
9.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，光线于所述透镜系统的影像平面的直径小于1.0mm。
10.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板各有两个平行的平面。
11.如权利要求3所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统设置于胶囊内镜内。
12.一种透镜系统，其特征在于，包括：
第一基板；
第一透镜，具有平面与非球状凹面，所述平面接触所述第一基板，所述非球状凹面具有半径R2；
第二基板；
第二透镜，具有非球状凸面与平面，所述非球状凸面具有半径R3并面对所述第一透镜，所述平面接触所述第二基板；以及
第三透镜，具有平面与非球状凸面，所述平面接触所述第二基板，所述非球状凸面具有半径R6；
其中，所述第二基板位于所述第二透镜与所述第三透镜之间；
其中，所述透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从所述第一透镜的非球状凹面的曲率中心到所述第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜与所述第三透镜的阿贝数。
13.如权利要求12所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统设置于胶囊内镜内。
14.一种胶囊内镜，其特征在于，包括：
壳体；
电源；以及
透镜系统，包括：
第一透镜，具有非球状凹面，其具有半径R2；
第二透镜，具有非球状凸面，其具有半径R3并面对所述第一透镜；以及
第三透镜，具有非球状凸面，其具有半径R6；
其中，所述透镜系统满足下列条件：
R2/Gap>1且ABS(R3/R2)>1.28；
1<ABS(R6/R2)<1.1且R6<0；以及
V2<V1且V2<V3；
其中，Gap为从所述第一透镜的非球状凹面的曲率中心到所述第二透镜的非球状凸面的曲率中心的距离，ABS表示绝对值，V1、V2、V3分别表示所述第一透镜、所述第二透镜与所述第三透镜的阿贝数。
15.如权利要求14所述的胶囊内镜，其特征在于，所述透镜系统还包括：
第一基板；以及
第二基板，设置于所述第二透镜与所述第三透镜之间。
16.如权利要求15所述的胶囊内镜，其特征在于：
所述第一透镜还包括与所述第一基板接触的平面；
所述第二透镜还包括与所述第二基板接触的平面；以及
所述第三透镜还包括与所述第二基板接触的平面。
17.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，还包括：
停止部，位于所述第二基板与所述第三透镜之间。
18.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，所述透镜系统的视场大于110度。
19.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，所述透镜系统从所述第一基板的外表面到影像平面的一总长度小于2.1mm。
20.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，所述透镜系统的焦距等于或小于0.43mm。
21.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，所述透镜系统的焦比等于或小于4。
22.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，光线于所述透镜系统的影像平面的直径小于1.0mm。
23.如权利要求16所述的胶囊内镜，其特征在于，所述第一基板与所述第二基板各有两个平行的平面。
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