CN106772950B - 一种全分离式内窥镜物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全分离式内窥镜物镜，包括从物体侧起依次连接的第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件，第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件均以空气为间隔分离设置，第一透镜为物侧面曲率半径大于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向像侧面的负透镜，第二透镜为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凸面朝向物侧面的正透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向物侧面的负透镜。本发明采用全分离式的组成结构，结构简单，工艺制作成本低，避免了高低温下胶合元件易导致失效的问题，具有较强的实用性。

Description

一种全分离式内窥镜物镜
技术领域
本发明属于内窥镜的技术领域，具体涉及一种全分离式内窥镜物镜。
背景技术
目前，广泛使用的电子内窥镜采用的是常温下浸没消毒方式，常温浸没消毒方式仍然存在一定的感染概率，在微创手术中使用的硬质内窥镜，由于需要更高的消毒等级，采用了高温高压进行灭菌，为了降低感染概率，采用消毒等级更高的高温高压方式进行灭菌操作将更有利于电子内窥镜的临床应用。
内窥镜物镜，大部分采用了光学胶将两片不同材料透镜进行胶合组成胶合镜用于降低光学系统的像差，但胶合镜在高低温循环变化下存在失效风险，一方面胶合镜用的光学胶在长时间高温加热时易由无色透明状态变化至有色状态，进而导致吸光度增加，图像亮度降低并最终失效；另一方面，为了降低像差，胶合镜是将两种不同光学材料进行胶合。在高低温循环变化时，物体在不断地热胀冷缩，由于不同材料的热膨胀系数不同，在长时间高低温循环下所产生的应力容易导致胶层老化至两片玻璃开裂失效。
此外，胶合镜意味着更复杂的结构和工艺，结构的复杂度和加工工艺的难度不仅增加了产品成本，也降低了产品可靠性和寿命。
内窥镜物镜视场角通常达到140°，属于超广角光学系统，超广角成像的条件下，由于光线在光学表面入射角度过大，使得像散和像面弯曲显著，以往的内窥镜物镜，为了降低像散和像面弯曲的影响，采用包括胶合镜在内的镜片组合，但其结构复杂，工艺难度高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全分离式内窥镜物镜，以解决现有内窥镜物镜结构复杂、工艺难度高和避免高低温下胶合元件易导致失效的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种全分离式内窥镜物镜，包括从物体侧起依次连接的第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件；
第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件均以空气为间隔分离设置；
第一透镜为物侧面曲率半径大于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向像侧面的负透镜；
第二透镜为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凸面朝向物侧面的正透镜；
第三透镜为正透镜；
第四透镜为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向物侧面的负透镜；
全分离式内窥镜物镜满足下述条件：
-1.0<f1/f<-0.9
1.1<f12/f34<2.1
-1.1<f4/f<-0.9
其中，f为物镜整体焦距，f1为第一透镜的焦距，f12为第一透镜和第二透镜的组合焦距，f34为第三透镜和第四透镜组合焦距，f4为第四透镜的焦距。
优选地，第一透镜和第二透镜满足下述条件：
0.4<d2/(n2*d3)<0.6
-0.7<r2/r3<-0.4
其中，d2为第一透镜和第二透镜间空气间隔的厚度，d3为第二透镜轴向厚度，n2为第二透镜在d光下的折射率，r2为第一透镜凹面曲率半径，r3为第二透镜凸面曲率半径。
优选地，d光波长为587.5nm。
优选地，孔径光阑、第二透镜和第三透镜满足下列条件
1.1<Tf/Tb<1.4
其中，Tf为孔径光阑物侧面到第二透镜像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑像侧面到第三透镜物侧面的空气等效厚度。
优选地，图像传感元件由靠近第四透镜的表面玻璃和光敏面组成。
本发明提供的全分离式内窥镜物镜，具有以下有益效果：
本全分离式内窥镜物镜各透镜间均以空气间隔设置，不使用光学胶对各光学元件进行胶合，避免了高低温条件下内窥镜物镜失效的问题；同时第一透镜满足了超广角的条件，而由超广角引起的大量像散和场曲，第二透镜可以大幅度降低第一透镜的像散和场曲，降低光线在第二透镜表面的入射角度，进而降低像差平衡难度；滤光片和第三透镜的设置，保证滤光片不会过大的偏离对称结构，同时滤除进入光学系统的红外光，提升图像对比度，优化图像质量。
本发明采用全分离式的组成结构，结构简单，工艺制作成本低，避免了高低温下胶合元件易导致失效的问题，具有较强的实用性。
附图说明
图1为全分离式内窥镜物镜的结构示意图。
图2是本发明实施例1到实施例3的内窥镜物镜剖面示意图。
图3是本发明实施例1的传递函数图。
图4是本发明实施例1的场曲和畸变图。
图5是本发明实施例2的传递函数图。
图6是本发明实施例2的场曲和畸变图。
图7是本发明实施例3的传递函数图。
图8是本发明实施例3的场曲和畸变图。
图9是本发明实施例4的传递函数图。
图10是本发明实施例4的场曲和畸变图。
其中，L1、第一透镜；L2、第二透镜；CF、滤光片；AS、孔径光阑；L3、第三透镜；L4、第四透镜；CG、表面玻璃；IMG、光敏面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案的实施方式进行详细地说明：
根据本申请的一个实施例，如图1所示，本方案的全分离式内窥镜物镜，包括从物体侧起依次由第一透镜L1、第二透镜L2、滤光片CF、孔径光阑AS、第三透镜L3、第四透镜L4和图像传感元件组成。
第一透镜L1为物侧面曲率半径大于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向像侧面的负透镜，第二透镜L2为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凸面朝向物侧面的正透镜，第三透镜L3为正透镜，第四透镜L4为物侧面曲率半径小于像侧面曲率半径，且其上的凹面朝向物侧面的负透镜，图像传感元件由靠近第四透镜L4的表面玻璃CG和光敏面IMG组成。
为降低光线在各个光学面上的入射角，保持光学系统公差特性的良好，全分离式内窥镜物镜满足所有的下述条件式(1)-(3)，
-1.0<f1/f<-0.9 (1)
1.1<f12/f34<2.1 (2)
-1.1<f4/f<-0.9 (3)
其中f为物镜整体焦距，f1为第一透镜L1的焦距，f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f34为第三透镜L3和第四透镜L4组合焦距，f4为第四透镜L4的焦距。由于内窥镜中所成像通常要求距离光学系统3mm-100mm，因此需要一定程度上破坏镜头的对称性，而超出上述条件(1)-(3)会导致光学系统球差、像散、场曲等像差难于抵消，同时也会容易导致光学镜头容易受到光学制造公差的影响。
为了实现大视角，第一透镜L1和第二透镜L2满足所有的下述条件式(4)-(5)，
0.4<d2/(n2*d3)<0.6 (4)
-0.7<r2/r3<-0.4 (5)
其中d2为第一透镜L1和第二透镜L2间空气间隔的厚度，d3为第二透镜L2轴向厚度，n2为第二透镜L2在d光(587.5nm)下的折射率，r2为第一透镜L1凹面曲率半径，r3为第二透镜L2凸面曲率半径。
由于满足了超广角的条件，第一透镜L1会产生大量的像散和场曲，在条件(4)的约束下，第二透镜L2可以大幅度降低第一透镜L1的像散和场曲，进一步满足条件(5)可降低光线在第二透镜L2表面的入射角度，进而降低像差平衡难度。
为了进一步平衡各光学元件的像差，孔径光阑AS、第二透镜L2和第三透镜L3满足所有的下列条件式(6)
1.1<Tf/Tb<1.4 (6)
其中Tf为孔径光阑AS物侧面到第二透镜L2像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑AS像侧面到第三透镜L3物侧面的空气等效厚度，在条件(6)的作用下，使滤光片CF不会过大的偏离对称结构，同时，滤光片CF滤除进入光学系统的红外光，从而提升图像对比度，优化图像质量。
在以下各实施例中，r表示曲率半径，d表示面间隔，nd表示d光(587.5nm)的折射率，vd表示d光(587.5nm)的阿贝数，OBJ表示物面，IMA表示像面，STO表示孔径光阑AS，FNO表示光学系统F数，f为光学镜头焦距。
实施例1：
如图2-4所示，本实施例中，f1/f＝-0.906，f12/f34＝1.188，f4/f＝-0.9，d2/(n2*d3)＝0.539，r2/r3＝-0.615，Tf/Tb＝1.221。
其中f为物镜整体焦距，f1为第一透镜L1的焦距，f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f34为第三透镜L3和第四透镜L4组合焦距，f4为第四透镜L4的焦距，d2为第一透镜L1和第二透镜L2间空气间隔的厚度，d3为第二透镜L2轴向厚度，n2为第二透镜L2在d光(587.5nm)下的折射率，Tf为孔径光阑AS物侧面到第二透镜L2像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑AS像侧面到第三透镜L3物侧面的空气等效厚度。
所得各数据如下：
FNO＝7.2，f＝0.999
Figure BDA0001234595230000061
Figure BDA0001234595230000071
图3为本发明光学系统传递函数图，可见各视场传递函数曲线TS同图中所示衍射极限Diff.Limit接近，具有良好的像质。
图4为本发明光学系统场曲(Field Curvature)和畸变(Distortion)，由图可知本发明光学系统像面弯曲均在0.05mm以内，满足成像质量要求，同时由于大视场的条件下，大的图像畸变也是可以接受的。
实施例2
如图2、图5和图6所示，本实施例中，f1/f＝-0.946，f12/f34＝1.522，f4/f＝-1.021，d2/(n2*d3)＝0.463，r2/r3＝-0.414，Tf/Tb＝1.352。
其中f为物镜整体焦距，f1为第一透镜L1的焦距，f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f34为第三透镜L3和第四透镜L4组合焦距，f4为第四透镜L4的焦距，d2为第一透镜L1和第二透镜L2间空气间隔的厚度，d3为第二透镜L2轴向厚度，n2为第二透镜L2在d光(587.5nm)下的折射率，Tf为孔径光阑AS物侧面到第二透镜L2像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑AS像侧面到第三透镜L3物侧面的空气等效厚度。
所得各数据如下：
FNO＝7.0，f＝0.958
Figure BDA0001234595230000072
Figure BDA0001234595230000081
图5为本发明光学系统传递函数图，可见各视场传递函数曲线TS同图中所示衍射极限Diff.Limit接近，具有良好的像质。
图6为本发明光学系统场曲(Field Curvature)和畸变(Distortion)，由图可知本发明光学系统像面弯曲均在0.05mm以内，满足成像质量要求，同时由于大视场的条件下，大的图像畸变也是可以接受的。
实施例3
如图2、图7和图8所示，本实施例中，f1/f＝-0.949，f12/f34＝2.096，f4/f＝-0.991，d2/(n2*d3)＝0.463，r2/r3＝-0.450，Tf/Tb＝1.774。
其中f为物镜整体焦距，f1为第一透镜L1的焦距，f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f34为第三透镜L3和第四透镜L4组合焦距，f4为第四透镜L4的焦距，d2为第一透镜L1和第二透镜L2间空气间隔的厚度，d3为第二透镜L2轴向厚度，n2为第二透镜L2在d光(587.5nm)下的折射率，Tf为孔径光阑AS物侧面到第二透镜L2像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑AS像侧面到第三透镜L3物侧面的空气等效厚度。
所得各数据如下：
FNO＝7.3，f＝0.970
Figure BDA0001234595230000082
Figure BDA0001234595230000091
图7为本发明光学系统传递函数图，可见各视场传递函数曲线TS同图中所示衍射极限Diff.Limit接近，具有良好的像质。
图8为本发明光学系统场曲(Field Curvature)和畸变(Distortion)，由图可知本发明光学系统像面弯曲均在0.05mm以内，满足成像质量要求，同时由于大视场的条件下，大的图像畸变也是可以接受的。
实施例4
如图2、图9和图10所示，本实施例中，f1/f＝-0.954，f12/f34＝2.018，f4/f＝-0.993，d2/(n2*d3)＝0.463，r2/r3＝-0.445，Tf/Tb＝1.756。
其中f为物镜整体焦距，f1为第一透镜L1的焦距，f12为第一透镜L1和第二透镜L2的组合焦距，f34为第三透镜L3和第四透镜L4组合焦距，f4为第四透镜L4的焦距，d2为第一透镜L1和第二透镜L2间空气间隔的厚度，d3为第二透镜L2轴向厚度，n2为第二透镜L2在d光(587.5nm)下的折射率，Tf为孔径光阑AS物侧面到第二透镜L2像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑AS像侧面到第三透镜L3物侧面的空气等效厚度。
所得各数据如下：
FNO＝6.8，f＝0.964
Figure BDA0001234595230000092
Figure BDA0001234595230000101
图9为本发明光学系统传递函数图，可见各视场传递函数曲线TS同图中所示衍射极限Diff.Limit接近，具有良好的像质。
图10为本发明光学系统场曲(Field Curvature)和畸变(Distortion)，由图可知本发明光学系统像面弯曲均在0.05mm以内，满足成像质量要求，同时由于大视场的条件下，大的图像畸变也是可以接受的。
本发明采用全分离式的组成结构，结构简单，工艺制作成本低，避免了高低温下胶合元件易导致失效的问题，具有较强的实用性。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种全分离式内窥镜物镜，其特征在于：由从物体侧起依次连接的第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件组成；
所述第一透镜、第二透镜、滤光片、孔径光阑、第三透镜、第四透镜和图像传感元件均以空气为间隔分离设置；
所述第一透镜为物侧面曲率半径的绝对值大于像侧面曲率半径的绝对值，且其上的凹面朝向像侧面的负透镜；
所述第二透镜为物侧面曲率半径的绝对值小于像侧面曲率半径的绝对值，且其上的凸面朝向物侧面的正透镜；
所述第三透镜为正透镜；
所述第四透镜为物侧面曲率半径的绝对值小于像侧面曲率半径的绝对值，且其上的凹面朝向物侧面的负透镜；
所述全分离式内窥镜物镜满足下述条件：
-1.0<f1/f<-0.9
1.1<f12/f34<2.1
-1.1<f4/f<-0.9
其中，f为物镜整体焦距，f1为第一透镜的焦距，f12为第一透镜和第二透镜的组合焦距，f34为第三透镜和第四透镜组合焦距，f4为第四透镜的焦距；
所述第一透镜和第二透镜满足下述条件：
0.4<d2/(n2*d3)<0.6
-0.7<r2/r3<-0.4
其中，d2为第一透镜和第二透镜间空气间隔的厚度，d3为第二透镜轴向厚度，n2为第二透镜在d光下的折射率，r2为第一透镜凹面曲率半径，r3为第二透镜凸面曲率半径；
d光波长为587.5nm。
2.根据权利要求1所述的全分离式内窥镜物镜，其特征在于：所述孔径光阑、第二透镜和第三透镜满足下列条件
1.1<Tf/Tb<1.4
其中，Tf为孔径光阑物侧面到第二透镜像侧面的空气等效厚度，Tb为孔径光阑像侧面到第三透镜物侧面的空气等效厚度。
3.根据权利要求1所述的全分离式内窥镜物镜，其特征在于：所述图像传感元件由靠近第四透镜的表面玻璃和光敏面组成。
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