CN106997095B - 超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，该系统由前后设置的共轴于同一光轴上的倍率镜和接目镜二组光学系统构成，系统的视放大倍率г=г1×β，其中г1为接目镜的视放大倍率、β为倍率镜的放大倍率；所述倍率镜由前后设置的前镜组和后镜组构成，倍率镜与传像光纤耦接，且倍率镜单独与具有CS接口或C接口的摄像机耦接；所述接目镜和倍率镜之间存在中间像，接目镜与出瞳位置之间的出瞳距为Lp′。本发明具有结构简单、质量轻等特点，视放大倍率г=35～150，出瞳距Lp′=10～15mm，分辨力≥150线对/mm，且光学传函OTF≥0.2，确保长出瞳距的情况下保证了分辨力。

Description

超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统。

背景技术

内窥镜的发展已超过200年历史，经历了硬性内窥镜、光纤内窥镜、电子内窥镜、胶囊内窥镜的发展阶段，自1999年始超细直径内窥镜由德国铂立公司（Polydiagnost GmbH.）率先采用日本藤仓公司（Fujikura Ltd.）的石英传像光纤（image fiber，以下简称传像光纤）和自聚焦透镜组装进入市场，众所周知超细直径内窥镜将在医疗微创/无创、工业精密无损检测、公检法系统的微细痕迹识别等领域有广阔的应用前景，我国“国家重点研发计划：基础材料技术提升与产业化重点专项2016年度项目申报指南”列入超细直径内窥镜的发展方向，今后十年将扮演重要角色。

超细直径内窥镜所应用的传像光纤或光纤传像束的像面直径不大于0.6mm，则要求目镜的倍率为35～150，不同于传统内窥镜的目镜视放大倍率7～25，目镜的视放大倍率г=250/f′,其中f′为目镜的焦距，由此可见倍率越大则焦距越短。在倍率г≥50，即焦距f′≤5mm时，采用传统目镜系统进行设计和制造，使出瞳距Lp′≥10mm，也就是说要满足人眼观察要求是有一定难度。传像光纤的像素直径≤4µm，要求目镜的光学系统分辨力≥150线对/mm，远高于传统目镜50线对/mm的要求。统筹光学加工工艺和装配工艺，设计和制造出同时满足长出瞳距和高分辨力非常困难，如果牺牲分辨力确保长出瞳距则丢失了许多重要信息；牺牲出瞳距确保分辨力则难以观察。

为了解决上述问题，德国雪莉公司（SCHöLLY FIBEROPTIC GMBH）采用的高倍率目镜系统由接目镜和转接镜构成，转接镜主要承担放大倍数，接目镜主要承担出瞳距，但不便与具C接口（或CS接口）CCD(或CMOS)摄像机耦接，给使用带来了不实用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种超细直径内窥镜用高倍率目镜光学系统，其中视放大倍率г=35～150，出瞳距Lp′=10～15mm，分辨力≥150线对/mm，且光学传函OTF≥0.2。

实现本发明目的的技术方案是：一种超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，该系统由前后设置的共轴于同一光轴上的倍率镜和接目镜二组光学系统构成，系统的视放大倍率г=г1×β，其中г1为接目镜的视放大倍率、β为倍率镜的放大倍率；所述倍率镜由前后设置的前镜组和后镜组构成，倍率镜与传像光纤耦接，且倍率镜单独与具有CS接口或C接口的摄像机耦接；所述接目镜和倍率镜之间存在中间像，接目镜与出瞳位置之间的出瞳距为Lp′。

上述技术方案所述出瞳距Lp′=10～15mm，接目镜的视放大倍率г1=10～25，即焦距f1′=10～25mm。

上述技术方案所述焦距f1′=10～15mm，出瞳距和入瞳距均为正值。

上述技术方案所述倍率镜的放大倍率β=3～10，设前镜组焦距f2′，后镜组焦距f3′,组合成的放大倍率β=f2′/f3′=3～10。

上述技术方案所述倍率镜的工作距离大于或等于8mm，前镜组焦距f2′≥10mm。

上述技术方案所述传像光纤数值孔径≥0.4，所述倍率镜的后镜组焦距f3′≤4mm、后工作距离≥1mm。

上述技术方案所述中间像与具有C接口或CS接口的摄像机耦接，在第二摄像机的耙面上成像。

上述技术方案所述摄像机均为CCD或CMOS摄像机。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

（1）本发明具有结构简单、质量轻等特点，视放大倍率г=35～150，出瞳距Lp′=10～15mm，分辨力≥150线对/mm，且光学传函OTF≥0.2，确保长出瞳距的情况下保证了分辨力。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明高倍率目镜的原理结构图。

图2为本发明实施例1采用ZEMAX软件生成的光学系统图。

图3为本发明实施例1采用ZEMAX软件生成的光学传递函数。

图4为本发明实施例1采用ZEMAX软件生成的点列图。

图5为本发明实施例1中3倍倍率镜的光学系统图。

图6为本发明实施例1中3倍倍率镜的光学传递函数。

图7为本发明实施例1中3倍倍率镜的点列图。

图8为本发明实施例2采用ZEMAX软件生成的光学系统图。

图9为本发明实施例2采用ZEMAX软件生成的光学传递函数。

图10为本发明实施例2采用ZEMAX软件生成的点列图。

图11为本发明实施例2中5倍倍率镜的光学系统图。

图12为本发明实施例2中5倍倍率镜的光学传递函数。

图13为本发明实施例2中5倍倍率镜的点列图。

附图中标号为：1.出瞳，2.接目镜，3.中间像，4.倍率镜，5.所观察物。

具体实施方式

（实施例1）

所观察物5，对超细直径内窥镜来说指的是传像光纤的传像端面。

观察成像截面直径0.5mm的传像光纤，要求视放大倍率大于60倍。

如表一：面序号1～5为接目镜2，面序号6～17为倍率镜4，光学玻璃均为中国成都光明公司生产。接目镜2焦距f1′=12.4mm，其视放大倍率г1=250/ f1′=20.16。倍率镜4前镜组的面序号6～10，焦距f2′=11.2mm；倍率镜4后镜组的面序号11～17，焦距f3′=3.7mm，则倍率镜4的放大倍率β=f2′/f3′=3.03；倍率镜4前置工作距离即物距为8.5mm，便于CS接口和C接口摄像机耦接，机械设计和安装不难。目镜的组合焦距f′=-4.1mm，负号表示成像面转换一次，则视放大倍率为г=г1×β=61倍。目镜的出瞳距Lp′=14mm、出瞳1直径4mm，便于人眼观察。目镜与传像光纤的工作距离为1. 5mm，方便安装和调像。

表一：

由表一通过光学软件设计的目镜光学系统图如图2所示。

由表二通过光学设计软件计算的光学传递函数如图3所示，分辨力为200线对/mm，光学传函OTF≥0.35。

由表一通过光学设计软件计算的点列图如图4所示，成像边缘的像素分辨4.271µm，略大于4µm，可以接受。

3倍倍率镜4通过光学软件设计生成的光学系统图如图5所示。

3倍倍率镜4光学传递函数通过光学设计软件计算的如图6所示，分辨力为150线对/mm，光学传函OTF≥0.2。

3倍倍率镜4通过光学设计软件计算的点列图如图7所示，0.5mm成像边缘的像素分辨≤3.5µm。

（实施例2）

观察成像截面直径0.3mm的传像光纤，要求视放大倍率100左右。

如表二：面序号1～5为接目镜2，面序号6～17为倍率镜4。接目镜2焦距f1′=12.9mm，其视放大倍率г1=250/ f1′=19.38。倍率镜4前镜组的面序号6～12，焦距f2′=19.2mm；倍率镜4后镜组的面序号13～17，焦距f3′=3.84mm，则倍率镜4的放大倍率β=f2′/f3′=5；倍率镜4前置工作距离12.3mm，便于CS接口和C接口摄像机耦接，机械设计和安装简单。目镜的组合焦距fˊ=-2.5mm，负号表示成像面转换一次，则视放大倍率为г=г1×β=100倍。目镜的出瞳距Lp′=11.55mm、出瞳1直径3mm。目镜与传像光纤的工作距离为1.45mm。

表二：

由表二通过光学软件设计的目镜光学系统图如图8所示。

由表二通过光学设计软件计算的光学传递函数如图9所示，分辨力为150线对/mm，光学传函OTF≥0.4。

由表二通过光学设计软件计算的点列图如图10所示，成像边缘的像素分辨率4µm。

5倍倍率镜4通过光学软件设计生成的光学系统图如图11所示。

5倍倍率镜4光学传递函数通过光学设计软件计算的如图12所示，分辨力为200线对/mm，光学传函OTF≥0.23。

5倍倍率镜4通过光学设计软件计算的点列图如图13所示，0.3mm成像边缘的像素分辨2.27µm，小于4µm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，倍率镜在内窥镜中有实用性，以及关于接目镜、倍率镜的前后镜组有多种结构，只要不脱离本发明的结构，是本发明的覆盖范围。另外本发明虽然是作为目镜使用的光学系统进行说明，本发明的光学系统可应用于手持高倍率观察系统等中。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：该系统由前后设置的共轴于同一光轴上的倍率镜和接目镜二组光学系统构成，系统的视放大倍率Γ＝Γ1×β，其中Γ1为接目镜的视放大倍率、β为倍率镜的放大倍率；所述倍率镜由前后设置的前镜组和后镜组构成，倍率镜与传像光纤耦接，且倍率镜单独与具有CS接口或C接口的摄像机耦接；所述接目镜和倍率镜之间存在中间像，接目镜与出瞳位置之间的出瞳距为Lp′；所述接目镜的视放大倍率Γ1＝10～25，倍率镜的放大倍率β＝3～10，设前镜组焦距f2′，后镜组焦距f3′，组合成的放大倍率β＝f2′/f3′；所述出瞳距Lp′＝10～15mm，焦距f1′＝10～25mm；所述倍率镜的后镜组后工作距离≥1mm。

2.根据权利要求1所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述焦距f1′＝10～15mm，出瞳距和入瞳距均为正值。

3.根据权利要求2所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述倍率镜的工作距离大于或等于8mm，前镜组焦距f2′≥10mm。

4.根据权利要求3所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述传像光纤数值孔径≥0.4。

5.根据权利要求3所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述倍率镜的后镜组焦距f3′≤4mm。

6.根据权利要求4或5所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述中间像与具有C接口或CS接口的摄像机耦接，在摄像机的耙面上成像。

7.根据权利要求6所述的超细直径内窥镜用高倍率目镜的光学系统，其特征在于：所述摄像机均为CCD或CMOS摄像机。