CN104122659A

CN104122659A - 变焦光学系统、内窥镜物镜系统及电子内窥镜

Info

Publication number: CN104122659A
Application number: CN201310144429.3A
Authority: CN
Inventors: 张梅; 耿征
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-23
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-10-29

Abstract

本发明提供一种变焦光学系统、内窥镜物镜系统及电子内窥镜，其中，变焦光学系统沿其光轴且自物侧起依次包括：固定透镜组，具有负的光焦度；变焦透镜组，具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来改变所述变焦光学系统的焦距；补偿透镜组，具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来校正因改变焦距所产生的像差。本发明具有大孔径、宽视场、可放大观察、可变焦等优点。

Description

变焦光学系统、内窥镜物镜系统及电子内窥镜

技术领域

本发明涉及光学成像技术领域，特别是涉及一种变焦光学系统、内窥镜物镜系统及电子内窥镜。

背景技术

内窥镜成像技术经历了百年发展，应用领域广泛，而今电子内窥镜以清晰逼真的图像和小型化的微电子电路获得更广泛的应用。

随着对被测物体表面状况观察要求的提高，目前存在着具有可放大观察物体且可变焦物镜成像系统的迫切需求。例如，工业管道口径尺寸存在大范围变化，以及需要细节放大观察被摄物时，或者医学诊疗中对病变体部位进行放大观察时，均需内窥镜具有变焦功能，而无需更换不同物镜系统。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明提供一种具有大孔径、宽视场、可放大观察、可变焦等优点的变焦光学系统、内窥镜物镜系统及电子内窥镜。

一方面，本发明提供了一种变焦光学系统，沿所述变焦光学系统的光轴且自物侧起依次包括：

固定透镜组，具有负的光焦度；

变焦透镜组，具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来改变所述变焦光学系统的焦距；

补偿透镜组，具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来校正因改变焦距所产生的像差。

另一方面，本发明还提供了一种内窥镜物镜系统，包括上述变焦光学系统。

又一方面，本发明还提供了一种电子内窥镜，所述电子内窥镜的一端设有上述内窥镜物镜系统。

本发明提供的技术方案中，变焦光学系统采用反摄远光学成像系统，使离物侧最远的补偿透镜组对应的视场角减小，有益像差校正，在变焦光学系统的广角端可获得较大视场，同时达到大孔径的目的；此外，沿光轴移动变焦透镜组可改变变焦光学系统的焦距，使得变焦光学系统具有较高倍率的调焦功能，可实现对物侧的放大观察，成像质量较好，可满足医学诊疗、工业管道检查等应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A-图1C分别为本发明实施例二提供的变焦光学系统在其工作距离为无穷远的情况下的广角端、介于广角端和远摄端之间的中间状态、远摄端的光学元件布置示意图；

图2A-图2C分别为本实施例二在变焦光学系统的广角端，分别测得的纵向球差像差、像散场曲率和畸变像差；

图3A-图3C分别为本实施例二在变焦光学系统的远摄端，分别测得的纵向球差像差、像散场曲率和畸变像差；

图4A-图4C分别为本发明实施例三提供的变焦光学系统在其工作距离为有限距离（如30mm）的情况下的广角端、介于广角端和远摄端之间的中间状态、远摄端的光学元件布置示意图；

图5A-图5C分别为本实施例三在变焦光学系统的广角端，分别测得的纵向球差像差、像散场曲率和畸变像差；

图6A-图6C分别为本实施例三在变焦光学系统的远摄端，分别测得的纵向球差像差、像散场曲率和畸变像差。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供了一种变焦光学系统，该变焦光学系统沿其光轴且自物侧起依次包括：固定透镜组、变焦透镜组和补偿透镜组。

固定透镜组具有负的光焦度。离物侧最近的固定透镜组采用负的光焦度可有效提高广角端视场角范围，且有效控制整个系统的最大口径，从而有助物镜小型化的实现。

变焦透镜组具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来改变所述变焦光学系统的焦距。例如，变焦透镜组沿光轴向靠近像面IMG处移动，可改变变焦光学系统的焦距。

补偿透镜组具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来校正因改变焦距所产生的像差，从而保持整个系统总长度不变，实现对物侧的放大观察。

本实施例提供的变焦光学系统离物侧最近的透镜组为具有负的光焦度的固定透镜组，固定透镜组后的其他透镜组均为正的光焦度的变焦透镜组和补偿透镜组，由此组成的反摄远光学成像系统，使离物侧最远的补偿透镜组对应的视场角减小，有益像差校正，在变焦光学系统的广角端可获得较大视场，同时达到大孔径的目的；此外，沿光轴移动变焦透镜组可改变变焦光学系统的焦距，使得变焦光学系统具有较高倍率的变焦功能，可实现对物侧的放大观察，成像质量较好，可满足医学诊疗、工业管道检查等应用需求。

上述技术方案中，为了获得宽视角，可选的，所述固定透镜组包括折射率N₁大于1.8的透镜，且变焦透镜组和补偿透镜组中至少其中之一包括折射率N₂大于1.8的透镜。

可选的，固定透镜组包括一第一透镜，变焦透镜组包括一第二透镜和一第三透镜，补偿透镜组包括一第四透镜和一第五透镜。该方案由五个透镜即可组成光焦度负、正、正的反摄远光学成像系统，结构简单紧凑，成本较低。

可选的，可在变焦光学系统约中央位置处设置孔径光阑，如在第四透镜和第五透镜之间设置孔径光阑，该方案可有效抑制变焦光学系统中的轴外光线，获得较大的孔径。

可选的，补偿透镜组可选用胶合透镜组，如由第四透镜和第五透镜胶合形成的透镜组，以在像差校正过程中更好地补偿色差。

针对变焦光学系统远摄端视角范围的限制，可实现对物体进行合适的放大观察，可选的，本发明在变焦光学系统的远摄位置的视角tfov满足下式：

25°≤tfov≤30° （1）

如果广角位置的视角大于85°，则系统将类似鱼眼透镜，对物侧的成像产生较大的变形。为避免对物侧成像造成较大变形，可选的，本发明在变焦光学系统的广角位置的视角wfov满足下式：

76°≤wfov≤85° （2）

在实际应用中，结合式（1）和式（2），可实现宽视角并有效控制物侧成像的变形程度。

可选的，本发明变焦光学系统的远摄端的焦距ft和变焦光学系统的广角端的焦距fw，二者的比值（即变倍比）满足下式以获取较大的视角范围：

2.5≤ft/fw≤3.5 （3）

可选的，为了提供宽视角，本发明变焦光学系统的广角端的后焦距fb和所述变焦光学系统的广角端的焦距fw，二者的比值被限制于较小的值，如二者的比值满足下式：

1.2≤fb/fw≤1.8 （4）

由于本发明提供的变焦光学系统采用反摄远系统，因此拉长了系统的后工作距，故可通过增大系统的最后一个透镜与CCD之间的距离，并基于式（4）获得较大的广角端的视场角。而且系统工作时，轴外光束通过变焦透镜组以后，光线与光轴的倾角大大减小，致使补偿透镜组对应的像方视场角变小，能更好地矫正系统的像差。

变焦光学系统中变焦透镜组的移动范围过小则难以实现所需的变倍比，但移动范围过大，则较难校正像差来获得较高的成像质量。权衡变倍比和成像质量，可选的，本发明的变焦光学系统由其广角端向其远摄端变焦的过程中，所述变焦透镜组沿所述光轴的可调范围M1和所述变焦光学系统的总长度TOT的比值满足下式：

0.2≤M1/TOT≤0.35 （5）。

实施例二

本发明提供的变焦光学系统中，在满足光焦度等要求的基础上，变焦光学系统各透镜组以及其包括的各透镜的具体类型或形状可根据实际需要选择，本发明对此并不限制，下面以某一可选实现方式并结合附图进行说明。

图1A、图1B、图1C分别为本发明实施例二提供的变焦光学系统在其工作距离为无穷远的情况下的广角端、介于广角端和远摄端之间的中间状态、远摄端的光学元件布置示意图，其中，工作距离是变焦光学系统的第一个透镜镜片距被摄物体之间的距离。

如图1A-图1C所示，本实施例提供的变焦光学系统沿其光轴并自物侧OBJ起依次包括：固定透镜组W1、变焦透镜组W2和补偿透镜组W3。

固定透镜组W1包括一第一透镜L1。第一透镜L1为平凹负透镜，其平面朝向物侧。

变焦透镜组W2包括一第二透镜L2和一第三透镜L3。第二透镜L2为双凸正透镜，第三透镜L3为凸面朝向物侧的弯月负透镜。第二透镜L2和第三透镜L3之间设有孔径光阑S。

补偿透镜组W3包括一第四透镜L4和一第五透镜L5。第四透镜L4为双凸正透镜，第五透镜L5为凹面朝向物侧的弯月负透镜。双凸正透镜的一凸面和凹面朝向物侧的弯月负透镜的一凹面胶合形成混合透镜，以更好的补偿色差。

沿变焦光学系统的光轴且位于第五透镜L5的后方设有CCD芯片，CCD芯片前可设有玻璃盖片P，像面IMG紧位于CCD芯片的玻璃盖片P之后。

变焦物镜系统由广角端成为远摄端的期间，固定透镜组W1固定、变焦透镜组W2向物侧OBJ移动，补偿透镜组W3一边增大其与变焦透镜组W2的间隔一边向物侧移动直至成为中间状态，随后又一边减少其与变焦透镜组W2的间隔一边向物侧OBJ移动，最终至远摄端。

本实施例提供的变焦光学系统在实现上述实施例一相同技术效果的基础上，仅采用常用的平凹、双凸、弯月等三类普通透镜（五片普通透镜）即可组成光焦度负、正、正的反摄远光学成像系统，可获得多倍（如近3倍）的变焦，具有结构简单紧凑，透镜数量少，易于加工、易于机械装调、成本较低，像差校正效果较好，在整个变焦范围内均可达到较优的成像质量，可满足医学诊疗、工业管道检查等应用需求。

在上述技术方案的基础上，本实施还提供了变焦光学系统物侧OBJ到像面IMG之间的各光学元件的一组可选参数，具体如表1所示：

表1

序号	曲率半径r	厚度d	折射率Nd	阿贝数Vd
					OBJ	INF	INF
1	INF	0.8	1.88	40.76
					2	5.8680	D1
3	50.9193	2.7112	1.81	25.38
					4	-20.7253	1.8456
S	INF	0.22
					6	4.6018	2.2	1.71	53.83

7	3.9000	D2
					8	11.9430	1.2742	1.71	53.83
9	-3.5033	1	1.81	25.38
					10	-12.0859	D3
11	INF	0.5	1.52	64.2
					12	INF	0.15
IMG	INF

表1中，OBJ表示物侧，S表示孔径光阑，IMG表示像面，INF表示无穷大。

由表1可知，本实施例提供的变焦光学系统包括的各光学元件非常便于加工。如果不考虑非球面的加工成本，在系统中还可以再引入非球面，将会更好的校正球差、彗差等像差，获得更优的成像质量。

表2列出了本实施例变焦光学系统在其广角端、中间状态和远摄端的可变距离D1、D2和D3，变焦光学系统的视场角2ω（°），变焦光学系统的有效焦距EFL，以及变焦光学系统的有效通光孔径（F#）数FNo。

表2

序号	广角端	中间状态	远摄端
				D1	11.9012	4.9717	2.9944
D2	0.4041	2.6271	0.3000
				D3	7.6524	12.3588	16.6632

2ω	82	40	26
				EFL	3.8781	7.4014	11.3685
FNo	3.793	4.984	6.666

图2A-图2C分别为本实施例二在变焦光学系统的广角端，分别利用波长为656.27nm、587.56nm和486.13nm的光束测得的纵向球差像差和像散场曲率、以及采用波长656.27nm的光束测得的畸变像差。图3A-图3C分别为本实施例二在变焦光学系统的远摄端，分别利用波长为656.27nm、587.56nm和486.13nm的光束测得的纵向球差像差和像散场曲率、以及采用波长656.27nm的光束测得的畸变像差。由图2A-图3C可见，本实施例变焦光学系统的像差校正效果较好，畸变较小，在整个变焦范围内都达到良好的成像质量。

实施例三

本实施例与上述实施例二相似，特征和技术效果相同的部分参见上文记载，不再赘述；二者区别包括：本实施例的工作距离为有限距离（如30mm），该情形下变焦光学系统在其广角端、介于广角端和远摄端之间的中间状态、远摄端的光学元件布置示意图，如图4A-图4C所示。变焦光学系统物侧OBJ到像面IMG之间的各光学元件的一组可选参数，具体如表3所示：

表3

序号	曲率半径r	厚度d	折射率Nd	阿贝数Vd
					OBJ	INF	30
1	INF	0.8	1.88	40.76
					2	5.868	D1

3	29.920	1.8	1.86	36.59
					4	-20.375	1.8889
S	INF	0.3
					6	4.580	2.2	1.71	53.83
7	3.74	D2
					8	11.749	2	1.71	53.83
9	-4.215	1	1.92	21.51
					10	-10.00	D3
11	INF	0.5	1.52	64.2
					12	INF	0.15
IMG	INF

表3中，OBJ表示物侧，S表示孔径光阑，IMG表示像面，INF表示无穷大。

由表3可知，本实施例提供的变焦光学系统包括的各光学元件非常便于加工。如果不考虑非球面的加工成本，在系统中还可以再引入非球面，将会更好的校正球差、彗差等像差，获得更优的成像质量。

表4列出了本实施例变焦光学系统在其广角端、中间状态和远摄端的可变距离D1、D2和D3，变焦光学系统的视场角2ω（°），变焦光学系统的有效焦距EFL，以及变焦光学系统的有效通光孔径（F#）数FNo。

表4

序号

广角端

中间状态

远摄端

D1	12.1585	4.9559	3.3810
				D2	1.6045	3.2678	0.4000
D3	6.2882	11.8286	16.2712
				2ω	82	40	26
EFL	3.6964	7.0634	9.6674
				FNo	3.447	4.443	5.436

图5A-图5C分别为本实施例二在变焦光学系统的广角端，分别利用波长为656.27nm、587.56nm和486.13nm的光束测得的纵向球差像差和像散场曲率、以及采用波长656.27nm的光束测得的畸变像差。图6A-图6C分别为本实施例二在变焦光学系统的远摄端，分别利用波长为656.27nm、587.56nm和486.13nm的光束测得的纵向球差像差和像散场曲率、以及采用波长656.27nm的光束测得的畸变像差。由图5A-图6C可见，本实施例变焦光学系统的像差校正效果较好，畸变较小，在整个变焦范围内都达到良好的成像质量。

通过上述分析可知，本发明实施例提供的变焦光学系统离物侧最近的透镜组为具有负的光焦度的固定透镜组，固定透镜组后的其他透镜组均为正的光焦度的变焦透镜组和补偿透镜组，由此组成的反摄远光学成像系统，使离物侧最远的补偿透镜组对应的视场角减小，有益像差校正，在变焦光学系统的广角端可获得较大视场，同时达到大孔径的目的；此外，沿光轴移动变焦透镜组可改变变焦光学系统的焦距，使得变焦光学系统具有较高倍率的调焦功能，可实现对物侧的放大观察，并具有结构简单紧凑，透镜数量少，成本较低，像差校正效果较好，在整个变焦范围内均可达到较优的成像质量。

实施例四

本发明实施例还提供了一种物镜光学系统，该物镜光学系统包括上述任一实施例提供的变焦光学系统。由于在物镜中设置了上述变焦光学系统，因此可获得较大孔径、较宽视场、可变焦、对物体可实现放大观察，也有利于实现物镜的小型化，降低成本。

实施例五

本发明实施例还提供了一种电子内窥镜，该电子内窥镜的一端设置有上述变焦光学系统。变焦光学系统的最后一个透镜之后可设置有如CCD芯片等图像采集装置。在一种可选的实现方式中，物镜成像系统可包括采用五片普通透镜组成变焦光学系统，变焦光学系统的广角端视场角（2ω）可达到82度，远摄端视场角为26度，有效通光孔径（F#）数约为4左右，图像采集装置为1/3.6″的CCD，单元像素尺寸为6μm×6μm。

由于电子内窥镜一端设有的物镜成像系统具有的上述优点，因此内窥镜普适性较强，在实际使用过程中无需更换不同物镜成像系统即可满足如工业管道口径尺寸存在大范围变化且需要细节放大观察物、或者医学诊疗中对病变体部位进行放大观察等实际应用需求。

在本发明上述各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：只读存储器（Read-Only Memory，简称ROM）、随机存取存储器（Random Access Memory，简称RAM）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种变焦光学系统，其特征在于，沿所述变焦光学系统的光轴且自物侧起依次包括：

固定透镜组，具有负的光焦度；

2.根据权利要求1所述的变焦光学系统，其特征在于：

所述固定透镜组包括一第一透镜，所述变焦透镜组包括一第二透镜和一第三透镜，所述补偿透镜组包括一第四透镜和一第五透镜。

3.根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第二透镜和所述第三透镜之间设置有孔径光阑。

4.根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第四透镜和所述第五透镜胶合。

5.根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第一透镜为平凹负透镜，其平面朝向物侧。

6.根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第二透镜为双凸正透镜，所述第三透镜为凸面朝向物侧的弯月负透镜。

7.根据权利要求2所述的变焦光学系统，其特征在于，所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为凹面朝向物侧的弯月负透镜。

8.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：

在所述变焦光学系统的远摄位置的视角tfov满足：25°≤tfov≤30°。

9.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：在所述变焦光学系统的广角位置的视角wfov满足：

76°≤wfov≤85°。

10.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：

所述变焦光学系统的远摄端的焦距ft和所述变焦光学系统的广角端的焦距fw，二者的比值满足：2.5≤ft/fw≤3.5。

11.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：

所述变焦光学系统的广角端的后焦距fb和所述变焦光学系统的广角端的焦距fw，二者的比值满足：1.2≤fb/fw≤1.8。

12.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：

所述变焦透镜组沿所述光轴的可调范围M1和所述变焦光学系统的总长度TOT，二者的比值满足：0.2≤M1/TOT≤0.35。

13.根据权利要求1-7任一所述的变焦光学系统，其特征在于：

所述固定透镜组包括折射率大于1.8的透镜，且所述变焦透镜组和补偿透镜组中至少其中之一包括折射率大于1.8的透镜。

14.一种内窥镜物镜系统，其特征在于，包括如权利要求1-13任一所述的变焦光学系统。

15.一种电子内窥镜，其特征在于，所述电子内窥镜的一端设有如权利要求14所述的内窥镜物镜系统。