CN108873264A - 胶囊内窥镜的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种胶囊内窥镜的光学系统，包括半球形罩、焦距为正的第一透镜组、光阑、焦距为正的第三透镜和芯片保护玻璃；半球形罩具有负光焦度，其中靠近物侧面在近轴区域是凸面，靠近像侧面在近轴区域是凹面，上述两个面都是球面；第一透镜组由焦距为负的第一透镜与焦距为正的第二透镜构成；在本方案中，将光阑的设置可以有效的增大光学系统的视场角；整个内窥镜轮廓和胶囊相似，便于检查身体者口服；在满足半球形罩的形状需求的前提下，减小该光学系统整体长度并控制畸变的大小；具有大视场角小口径的优点，工作时单个画面的成像范围更广，可以一次性拍摄到更多的人体信息。

Description

胶囊内窥镜的光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种胶囊内窥镜的光学系统。
背景技术
随着科技的进步，内窥镜技术也得到了快速的发展，胶囊内窥镜的出现很好的优化了医患检查身体病灶时的体验，而且其对病情较严重的患者和老年人都很友好，由于其口服检查的特性，胶囊内窥镜尤其适合消化道相关疾病的检查；但胶囊内窥镜也存在尺寸偏大，成像画面照度偏暗，畸变偏大等问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种减小半球形罩并可以增大成像照度的胶囊内窥镜的光学系统，该光学系统半球形罩到物镜的轴上距离较小，可以有效减小内窥镜的尺寸；同时该光学系统的相对孔径也较小，可以明显的增大成像照度。
一种胶囊内窥镜的光学系统，包括半球形罩、焦距为正的第一透镜组、光阑、焦距为正的第三透镜和芯片保护玻璃；半球形罩具有负光焦度，其中靠近物侧面在近轴区域是凸面，靠近像侧面在近轴区域是凹面，上述两个面都是球面；第一透镜组由焦距为负的第一透镜与焦距为正的第二透镜构成；该光学系统满足以下关系式：
Rb<L<Ra
1<f1/f<12.2
1<f3/f<1.75
0.89<|R31+R32|/|R31-R32|<1
其中，Ra是半球形罩靠近物侧面的曲率半径，Rb是半球形罩靠近像侧面的曲率半径，L是从半球形罩靠近物侧面的顶点到第一透镜靠近物侧面顶点的距离，f1、f3以及f分别是第一透镜组、第三透镜以及整个光学系统的焦距，R31和R32分别是第三透镜物侧面和像侧面的曲率半径。
在其中一个实施例中，第一透镜的像面侧为凹面；第二透镜的物面侧为凸面；第三透镜像面侧为凸面，三片透镜均为塑胶非球面镜片。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
0.2<Lu/TTL<0.5
其中，Lu为该光学系统的物距，TTL为该光学系统第一透镜的物侧面至成像面的轴上距离。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
20<|Vd1-Vd2|<40
其中，Vd1为第一透镜的阿贝数，Vd2为第二透镜的阿贝数。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
7.5<TTL/ImgH<8.5
其中，TTL为该光学系统第一透镜的物侧面至成像面的轴上距离，ImgH为光学系统的最大像高。
在其中一个实施例中，该光学系统在空气中工作时满足下列关系式：
5.5<Tb1/f<6.5
0.4<T12/f<0.5
0.01<T2s/f<0.04
1.4<T3i/f<2.0
其中，Tb1为半球形罩像侧面至第一透镜物侧面的轴上距离，T12为第一透镜像侧面至第二透镜物侧面的轴上距离，T2s为第二透镜像侧面至光阑的轴上距离，T3i为第三透镜的像侧面至像面的轴上距离，f为整个光学系统的焦距。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
0.21<CTb/∑CT<0.27
0.10<CT1/∑CT<0.31
0.22<CT2/∑CT<0.42
0.23<CT3/∑CT<0.43
其中，∑CT为第一透镜至第三透镜分别于光轴上的厚度总和，CTb为半球形罩于光轴上的厚度，CT1为第一透镜于光轴上的厚度，CT2为第二透镜于光轴上的厚度，CT3为第三透镜于光轴上的厚度。、
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
38<FNO·ImgH/β<88
其中，FNO为该光学系统的光圈值，ImgH为该光学系统的最大像高，β为该光学系统的垂轴放大率。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
1.7<f·tan(ω/2)/ImgH<4.5
其中，f为整个光学系统的焦距，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角，ImgH为该光学系统的最大像高。
与现有技术相比，本发明的胶囊内窥镜的光学系统，其半球形罩和三枚镜片都是塑胶材质，成本低且适合批量生产；本光学系统相比以往胶囊内窥镜成像照度明显增加，畸变大小也得到了较好的控制，视场角大小也有提高，使得镜头使用时可检查范围增大。
附图说明
图1为本发明一个实施例中光学系统整体结构的透镜剖视图；
图2为本发明一个实施例中光学系统的像差曲线图；
图3为本发明一个实施例中光学系统的畸变图；
图4为本发明一个实施例中光学系统的点列图。
具体实施方式
以下结合图1至图4对本发明的具体实施方式做进一步阐述：
一种胶囊内窥镜的光学系统，包括半球形罩PH、焦距为正的第一透镜组G1、光阑ST、焦距为正的第三透镜L3和芯片保护玻璃CG；半球形罩PH具有负光焦度，其中靠近物侧面在近轴区域是凸面，靠近像侧面在近轴区域是凹面，上述两个面都是球面；第一透镜组G1由焦距为负的第一透镜L1与焦距为正的第二透镜L2构成；该光学系统满足以下关系式：
Rb<L<Ra
1<f1/f<12.2
1<f3/f<1.75
0.89<|R31+R32|/|R31-R32|<1
其中，Ra是半球形罩PH靠近物侧面的曲率半径，Rb是半球形罩PH靠近像侧面的曲率半径，L是从半球形罩PH靠近物侧面的顶点到第一透镜L1靠近物侧面顶点的距离，f1、f3以及f分别是第一透镜组G1、第三透镜L3以及整个光学系统的焦距，R31和R32分别是第三透镜L3物侧面和像侧面的曲率半径。
在本方案中，将光阑ST固定到第二透镜L2和第三透镜L3之间可以有效的增大光学系统的视场角；半球形罩PH物侧面为凸面，使整个内窥镜轮廓和胶囊相似，便于检查身体者口服；通过限制Rb<L<Ra，可在满足半球形罩PH的形状需求的前提下，减小该光学系统整体长度并控制畸变的大小；通过限定半球形罩PH以及三个透镜的曲率半径和焦距，构成了一个大视场角小口径的光学系统，工作时单个画面的成像范围更广，可以一次性拍摄到更多的人体信息。
在其中一个实施例中，第一透镜L1的像面侧为凹面；第二透镜L2的物面侧为凸面；第三透镜L3像面侧为凸面，三片透镜均为塑胶非球面镜片。
在本实施例中，第一透镜L1像侧面为凹面，第二透镜L2物侧面为凸面，可有效减小光学系统的总长。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
0.2<Lu/TTL<0.5
其中，Lu为该光学系统的物距，TTL为该光学系统第一透镜L1的物侧面至成像面的轴上距离。
胶囊内窥镜主要用于观察人体病灶，因此要求工作距值偏小；在本实施例中，满足该关系式的胶囊内窥镜的光学系统对近景和远景的分辨率具有较好的平衡能力；当光学系统的Lu/TTL低于下限0.2时，远景的分辨率变差，当光学系统的Lu/TTL超过上限0.5时，近景的分辨率变差。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
20<|Vd1-Vd2|<40
其中，Vd1为第一透镜L1的阿贝数，Vd2为第二透镜L2的阿贝数。
在本实施例中，通过该关系式可约束透镜材料的范围，并以此优化光学系统的倍率色差。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
7.5<TTL/ImgH<8.5
其中，TTL为该光学系统第一透镜L1的物侧面至成像面的轴上距离，ImgH为光学系统的最大像高。
在本实施例中，通过该关系式可均衡光学系统总长和整体像质，将TTL与ImgH之间的比值限制在7.5与8.5之间，既能限制光学系统的总长，满足内窥镜的小型化需求，又能将镜头的像质约束在理想额范围内。
在其中一个实施例中，该光学系统在空气中工作时满足下列关系式：
5.5<Tb1/f<6.5
0.4<T12/f<0.5
0.01<T2s/f<0.04
1.4<T3i/f<2.0
其中，Tb1为半球形罩PH像侧面至第一透镜L1物侧面的轴上距离，T12为第一透镜L1像侧面至第二透镜L2物侧面的轴上距离，T2s为第二透镜L2像侧面至光阑ST的轴上距离，T3i为第三透镜L3的像侧面至像面的轴上距离，f为整个光学系统的焦距。
在本实施例中，限制Tb1/f在5.5～6.5的范围内可约束整个光学系统的长度，使得该胶囊内窥镜的光学系统满足使用需求；限制T12/f在0.4～0.5的范围内可约束光学系统的视场角和畸变，如果T12/f低于0.4则难以满足设计大视场的要求，如果T12/f高于0.5则会使得畸变过大；限制T3i/f在1.4～2.0的范围内，可限制内窥镜光学系统的视场角、畸变和场曲，当T3i/f低于1.4时光学系统的畸变和场曲会偏大，T3i/f高于2.0是光学系统的视场角偏小。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
0.21<CTb/∑CT<0.27
0.10<CT1/∑CT<0.31
0.22<CT2/∑CT<0.42
0.23<CT3/∑CT<0.43
其中，∑CT为第一透镜L1至第三透镜L3分别于光轴上的厚度总和，CTb为半球形罩PH于光轴上的厚度，CT1为第一透镜L1于光轴上的厚度，CT2为第二透镜L2于光轴上的厚度，CT3为第三透镜L3于光轴上的厚度。
在本实施例中，通过限制CTb/∑CT的范围可约束光学系统的口径和畸变，CTb/∑CT低于0.21时，光学系统的畸变会偏大，同时成型加工难度较高，CTb/∑CT高于0.27时光学系统的口径会偏大。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
38<FNO·ImgH/β<88
其中，FNO为该光学系统的光圈值，ImgH为该光学系统的最大像高，β为该光学系统的垂轴放大率。
在本实施例中，该关系式可限制光学系统的景深、照度和放大率，当FNO·ImgH/β低于38时，内窥镜光学系统的景深将变差，当FNO·ImgH/β超过88时，内窥镜光学系统的垂直放大率将偏小，会影响镜头整体的分辨率，并且镜头照度也会下降。
在其中一个实施例中，该光学系统满足以下关系式：
1.7<f·tan(ω/2)/ImgH<4.5
其中，f为整个光学系统的焦距，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角，ImgH为该光学系统的最大像高。
如表1所示，为本发明胶囊内窥镜的光学系统其中一个实施例中各透镜设计的具体参数表：
表1
如表2所示，为其中一个实施例中第一透镜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
如表3所示，为其中一个实施例中第三透镜L3的各非球面矢高与半径R的比值范围：
表3
说明书附图中的参考波长为656nm,587nm,486nm，图2的像差曲线图中的实线S和虚线T分别代表弧矢像面和子午像面。

Claims (9)

1.一种胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：包括半球形罩(PH)、焦距为正的第一透镜组(G1)、光阑(ST)、焦距为正的第三透镜(L3)和芯片保护玻璃(CG)；半球形罩(PH)具有负光焦度，其中靠近物侧面在近轴区域是凸面，靠近像侧面在近轴区域是凹面，上述两个面都是球面；第一透镜组(G1)由焦距为负的第一透镜(L1)与焦距为正的第二透镜(L2)构成；该光学系统满足以下关系式：
Rb<L<Ra
1<f1/f<12.2
1<f3/f<1.75
0.89<|R31+R32|/|R31-R32|<1
其中，Ra是半球形罩(PH)靠近物侧面的曲率半径，Rb是半球形罩(PH)靠近像侧面的曲率半径，L是从半球形罩(PH)靠近物侧面的顶点到第一透镜(L1)靠近物侧面顶点的距离，f1、f3以及f分别是第一透镜组(G1)、第三透镜(L3)以及整个光学系统的焦距，R31和R32分别是第三透镜(L3)物侧面和像侧面的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)的像面侧为凹面；第二透镜(L2)的物面侧为凸面；第三透镜(L3)的像面侧为凸面，三片透镜均为塑胶非球面镜片。
3.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
0.2<Lu/TTL<0.5
其中，Lu为该光学系统的物距，TTL为该光学系统第一透镜(L1)的物侧面至成像面的轴上距离。
4.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
20<|Vd1-Vd2|<40
其中，Vd1为第一透镜(L1)的阿贝数，Vd2为第二透镜(L2)的阿贝数。
5.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
7.5<TTL/ImgH<8.5
其中，TTL为该光学系统第一透镜(L1)的物侧面至成像面的轴上距离，ImgH为光学系统的最大像高。
6.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统在空气中工作时满足下列关系式：
5.5<Tb1/f<6.5
0.4<T12/f<0.5
0.01<T2s/f<0.04
1.4<T3i/f<2.0
其中，Tb1为半球形罩(PH)像侧面至第一透镜(L1)物侧面的轴上距离，T12为第一透镜(L1)像侧面至第二透镜(L2)物侧面的轴上距离，T2s为第二透镜(L2)像侧面至光阑(ST)的轴上距离，T3i为第三透镜(L3)的像侧面至像面的轴上距离，f为整个光学系统的焦距。
7.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
0.21<CTb/∑CT<0.27
0.10<CT1/∑CT<0.31
0.22<CT2/∑CT<0.42
0.23<CT3/∑CT<0.43
其中，∑CT为第一透镜(L1)至第三透镜(L3)分别于光轴上的厚度总和，CTb为半球形罩(PH)于光轴上的厚度，CT1为第一透镜(L1)于光轴上的厚度，CT2为第二透镜(L2)于光轴上的厚度，CT3为第三透镜(L3)于光轴上的厚度。
8.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
38<FNO·ImgH/β<88
其中，FNO为该光学系统的光圈值，ImgH为该光学系统的最大像高，β为该光学系统的垂轴放大率。
9.根据权利要求1所述的胶囊内窥镜的光学系统，其特征在于：该光学系统满足以下关系式：
1.7<f·tan(ω/2)/ImgH<4.5
其中，f为整个光学系统的焦距，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角，ImgH为该光学系统的最大像高。
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