CN108761768A - 一种内窥镜物镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内窥镜物镜光学系统，其技术方案的要点是从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜、光阑、具有正光焦度的第二透镜、红外滤光片和芯片保护玻璃。第一透镜物侧面为凸面，第一透镜像侧面为凹面；第二透镜物侧面和第二透镜像侧面均为凸面；所述第一透镜、第二透镜均为塑胶非球面镜片。本发明可缩小内窥镜的口径同时加大视场角，使用本光学系统的内窥镜镜头口径可缩小到2.0mm，长度小于3mm，这就意味着可以极大地减轻病人检查的痛苦，同时使用本光学系统的内窥镜镜头视场角可以达到150°，更加有利于对人体病变位置的观察监控。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种内窥镜物镜光学系统。
【背景技术】
随着科技的快速发展,医疗事业也得到了巨大的推进，使用内窥镜进行检查以及使用内窥镜进行微创手术的技术逐渐发展和成熟。内窥镜是集中了光学、电子、软件等于一体的检测仪器，经人体的天然孔道进入到达所要检查的病变位置，对病变情况进行实时动态成像监控。目前大部分内窥镜口径较大，进入人体的过程比较痛苦，也不便于对通道较狭窄的病变部位进行检查，受人体结构限制，内窥镜的体积越小，给人体造成的不适感越小，在市场中将具有更大的竞争；同时，视场角的大小也是内窥镜使用的重要参数，视场角越大，越有利于观察，增加医疗检测的范围，但是需要关注，较大的视场角带来的边缘视场的畸变问题。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种内窥镜物镜的口径缩小、视场角增大的光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种内窥镜物镜光学系统，其特征在于：从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜L1、光阑ST0、具有正光焦度的第二透镜L2、红外滤光片IR和芯片保护玻璃GS；
第一透镜物侧面S1为凸面，第一透镜像侧面S2为凹面；第二透镜物侧面S4和第二透镜像侧面S5均为凸面；所述第一透镜L1、第二透镜L2均为塑胶非球面镜片；
该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-1.9<f(a)-f(b)/f<-2.0；
其中，f(a)为第一透镜L1的焦距，f(b)为第二透镜L2的焦距，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
1.3<D1+D5/T15<1.4；
其中，D1为第一透镜物侧面S1的有效直径大小；D5为第二透镜像侧面S5的有效直径大小；T15为第一透镜物侧面S1与第二透镜像侧面S5在光轴上的距离。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：3.5<TTL/f<4.47；
其中，TTL为该第一透镜物侧面S1至成像面S10的轴上距离；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-1.0<f1/f<-1.1；
0.9<f2/f<1.0；
其中，f1为第一透镜L1的等效焦距；f2为第二透镜L2的等效焦距，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.9<Y/f<1.0；
其中，Y为该内窥镜物镜光学系统的半像高；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.8<tanω<1.0；
其中，ω为该内窥镜物镜光学系统的半视场角ω。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.1<Sag2/f<0.15；
其中，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距，Sag2为所述第一透镜像侧面S2和光轴的交点至第一透镜像侧面S2有效半径顶点之间的轴上距离。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.9<(Sag2+Sag1)/(Sag2-Sag1)<1.2；
0.9<(Sag4/D4+Sag3/D3)/(Sag4/D4-Sag3/D3)<1.2；
其中，Sag1为第一透镜物侧面S1和光轴的交点至第一透镜物侧面S1有效半径顶点之间的轴上距离；Sag2为第一透镜像侧面S2和光轴的交点至第一透镜像侧面S2有效半径顶点之间的轴上距离。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-0.10<(Sag1/f-Sag5/f)<-0.12；
-0.10<(Sag5/f-Sag9/f)<-0.12；
其中，Sag1为第一透镜物侧面S1和光轴的交点至第一透镜物侧面S1有效半径顶点之间的轴上距离；Sag5为第二透镜像侧面S5和光轴的交点至第二透镜像侧面S5有效半径顶点之间的轴上距离；f为整个内窥镜物光学系统的焦距。
如上所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.4<T12/∑T<0.5；
0.5<T45/∑T<0.6；
其中，T12为第一透镜L1在光轴上的中心厚度；T45为第二透镜L2在光轴上的中心厚度；∑T为第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的中心厚度的总和。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
1、本发明可缩小内窥镜的口径同时加大视场角，使用本光学系统的内窥镜镜头口径可缩小到2.0mm，长度小于3mm，这就意味着可以极大地减轻病人检查的痛苦，同时使用本光学系统的内窥镜镜头视场角可以达到150°，更加有利于对人体病变位置的观察监控。
2、本发明的内窥镜物镜光学系统，视场角大，边缘视场的畸变控制在-75％左右，更加有利于对人体病变位置的观察监控。内窥镜物镜光学系统前组透镜由负正结构组成，通过增大正负透镜色散系数的差值来达到校正色差的目的。实体结构采用两片塑胶镜片，成本较低。同时，该内窥镜光学系统构成的内窥镜物镜公差敏感度低，可以使用无台阶，无螺牙的简单金属镜筒进行装配，有效降低了镜头口径，提高了镜头的通配性。
【附图说明】
图1是本发明内窥镜物镜光学系统的平面示意图。
图2是图1的内窥镜物镜光学系统的像差曲线图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明技术特征作进一步详细说明以便于所述领域技术人员能够理解。
如图1所示，本内窥镜物镜光学系统从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜L1，光阑ST，具有正光焦度的第二透镜L2，红外滤光片IR，芯片保护玻璃GS。
每个透镜都具有物侧面和像侧面，第一透镜物侧面S1为凸面，第一透镜像侧面S2为凹面；第二透镜物侧面S4和第二透镜像侧面S5均为凸面；所述第一透镜L1、第二透镜L2均为塑胶非球面镜片；第一透镜L1和第二透镜L2的中间是光阑ST，红外滤光片IR具有物侧面S6和像侧面S7。
本发明的内窥镜物镜光学系统成像时，被摄物体发出或者反射的光线进入光学系统并穿过芯片保护玻璃GS的物侧面S8和像侧面S9，最终在成像面S10上成像。
在本光学系统中，满足下述条件式：
-1.9<f(a)-f(b)/f<-2.0；
其中，f(a)为第一透镜L1的焦距，f(b)为第二透镜L2的焦距，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距；
本内窥镜物镜光学系统，采用一片具有负光焦度的第一透镜L1，中间为光阑ST，然后加一片具有正光焦度的第二透镜L2的结构，使得经过第一透镜L1后的物方视场角变小，减小了后面的视场负担。同时，合理分配前组和后组的光焦度，可以很好的控制系统的各种像差，本系统的前后组光的焦度之和为0，场曲得到了很好的校正。
在本光学系统中，满足下述条件式：
1.3<D1+D5/T15<1.4；
其中，D1为第一透镜物侧面S1的有效直径大小；D5为第二透镜像侧面S5的有直效径大小；T15为第一透镜物侧面S1与第二透镜像侧面S5在光轴上的距离。
此内窥镜物镜光学系统中的口径主要受第一透镜L1的物侧和第二透镜L2的像侧口径限制，需要通过D1+D5/T15的关系式来限制系统口径，此关系式比值过大则不利于控制整个口径；过小则不利于校正色差。
在本光学系统中，满足下述条件式：
3.5<TTL/f<4.47；
其中，TTL为该第一透镜物侧面S1至成像面S10的轴上距离；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。通过调节各个透镜的光焦度相互补偿。有利于减小总长，并且在此基础上保证了较大的视场角。
在本光学系统中，f1为第一透镜L1的等效焦距；f2为第二透镜L2的等效焦距，其中，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距；所述的内窥镜物镜光学系统满足下列条件：
-1.0<f1/f<-1.1；
0.9<f2/f<1.0；
由于第一透镜L1具有负光焦度，有效的增大了内窥镜物镜光学系统的视场角，从而保证了成像面S10的相对照度。通过合理分配第一透镜L1和第二透镜L2的光焦度，有利于控制此内窥镜物镜光学系统的色差和球差。
在本光学系统中，此内窥镜物镜光学系统满足下述条件式：
0.9<Y/f<1.0；
其中，Y为该内窥镜物镜光学系统的半像高；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
上述关系式一方面是限制整个内窥镜物镜光学系统的结构比例，当上述关系式超过上限值时，内窥镜物镜光学系统的口径将会增大，不能满足内窥镜的小口径要求；当上述关系式低于下限值时，内窥镜物镜光学系统总长将过长，不利于实现内窥镜物镜光学系统的广角化。另一方面是平衡整个内窥镜物镜光学系统的放大倍率和景深大小，当上述关系式超过上限值时，内窥镜物镜光学系统的放大倍率将偏小，随之系统的物方分辨率将变差；当上述关系式低于下限值时，内窥镜物镜光学系统将不能满足大景深的要求。
在本光学系统中，满足下述条件式：
0.8<tanω<1.0；
其中，ω为该内窥镜物镜光学系统的半视场角ω。
确保内窥镜物镜光学系统有足够的视角以获得所需的取像范围。
在本光学系统中，满足下述条件式：
0.1<Sag2/f<0.15；
其中，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距，Sag2为所述第一透镜像侧面S2和光轴的交点至第一透镜像侧面S2有效半径顶点之间的轴上距离。
当Sag2/f满足上述条件时，第一透镜L1具有较好的加工性，可以减小像面S10外视场的主光线入射角，另外可以降低第一透镜像侧面S2对偏心和倾斜的敏感度。
在本光学系统中，满足下述条件式：
0.9<(Sag2+Sag1)/(Sag2-Sag1)<1.2；
其中，Sag1为第一透镜物侧面S1和光轴的交点至第一透镜物侧面S1有效半径顶点之间的轴上距离；Sag2为第一透镜像侧面S2和光轴的交点至第一透镜像侧面S2有效半径顶点之间的轴上距离。
当(Sag4/D4+Sag3/D3)/(Sag4/D4-Sag3/D3)满足上述条件时，即0.9<(Sag4/D4+Sag3/D3)/(Sag4/D4-Sag3/D3)<1.2时，有利于校正内窥镜物镜光学系统的球差。
在本光学系统中，满足下述条件式：
-0.10<(Sag1/f-Sag5/f)<-0.12；
其中，Sag1为第一透镜物侧面S1和光轴的交点至第一透镜物侧面S1有效半径顶点之间的轴上距离；Sag5为第二透镜像侧面S5和光轴的交点至第二透镜像侧面S5有效半径顶点之间的轴上距离；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
当(Sag5/f-Sag9/f)满足上述条件时，即-0.10<(Sag5/f-Sag9/f)<-0.12时，有利于校正内窥镜物镜光学系统的像散和球差。
在本光学系统中，满足下述条件式：
0.4<T12/∑T<0.5；
0.5<T45/∑T<0.6；
其中，T12为第一透镜L1在光轴上的中心厚度；T45为第二透镜L2在光轴上的中心厚度；∑T为第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的中心厚度的总和。
满足上述条件式有利于合理分配第一透镜L1、第二透镜L2的中心厚度，平衡内窥镜物镜光学系统的各像差，同时保证镜片具有合理的厚薄比，有利于保证高精度的注塑成型和良好的可装配性。
下表为本发明实施例的透镜数据表
表1为本内窥镜物镜光学系统的透镜数据表。
表1
表2为本内窥镜物镜光学系统第一透镜L1和第二透镜L2的各非球面矢高与半径R的比值范围。
表2
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种内窥镜物镜光学系统，其特征在于：从物侧到像侧依次包括：具有负光焦度的第一透镜(L1)、光阑(ST0)、具有正光焦度的第二透镜(L2)、红外滤光片(IR)和芯片保护玻璃(GS)；
第一透镜物侧面(S1)为凸面，第一透镜像侧面(S2)为凹面；第二透镜物侧面(S4)和第二透镜像侧面(S5)均为凸面；所述第一透镜(L1)、第二透镜(L2)均为塑胶非球面镜片；
该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-1.9<(f(a)-f(b))/f<-2.0；
其中，f(a)为第一透镜(L1)的焦距，f(b)为第二透镜(L2)的焦距，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
1.3<(D1+D5)/T15<1.4；
其中，D1为第一透镜物侧面(S1)的有效直径大小；D5为第二透镜像侧面(S5)的有效直径大小；T15为第一透镜物侧面(S1)与第二透镜像侧面(S5)在光轴上的距离。
3.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：3.5<TTL/f<4.47；
其中，TTL为该第一透镜物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
4.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-1.0<f1/f<-1.1；
0.9<f2/f<1.0；
其中，f1为第一透镜(L1)的等效焦距；f2为第二透镜(L2)的等效焦距，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
5.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.9<Y/f<1.0；
其中，Y为该内窥镜物镜光学系统的半像高；f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距。
6.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.8<tanω<1.0；
其中，ω为该内窥镜物镜光学系统的半视场角ω。
7.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.1<Sag2/f<0.15；
其中，f为整个内窥镜物镜光学系统的焦距，Sag2为所述第一透镜像侧面(S2)和光轴的交点至第一透镜像侧面(S2)有效半径顶点之间的轴上距离。
8.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.9<(Sag2+Sag1)/(Sag2-Sag1)<1.2；
0.9<(Sag4/D4+Sag3/D3)/(Sag4/D4-Sag3/D3)<1.2；
其中，Sag1为第一透镜物侧面(S1)和光轴的交点至第一透镜物侧面(S1)有效半径顶点之间的轴上距离；Sag2为第一透镜像侧面(S2)和光轴的交点至第一透镜像侧面(S2)有效半径顶点之间的轴上距离。
9.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
-0.10<(Sag1/f-Sag5/f)<-0.12；
-0.10<(Sag5/f-Sag9/f)<-0.12；
其中，Sag1为第一透镜物侧面(S1)和光轴的交点至第一透镜物侧面(S1)有效半径顶点之间的轴上距离；Sag5为第二透镜像侧面(S5)和光轴的交点至第二透镜像侧面(S5)有效半径顶点之间的轴上距离；f为整个内窥镜物光学系统的焦距。
10.根据权利要求1所述的内窥镜物镜光学系统，其特征在于该内窥镜物镜光学系统满足下列条件式：
0.4<T12/∑T<0.5；
0.5<T45/∑T<0.6；
其中，T12为第一透镜(L1)在光轴上的中心厚度；T45为第二透镜(L2)在光轴上的中心厚度；∑T为第一透镜(L1)和第二透镜(L2)在光轴上的中心厚度的总和。
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