CN110251049A - 内窥镜镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内窥镜镜头，从物侧到像侧依次包括：物侧面为凹面、像侧面为凸面的第一透镜；具有正光焦度或负光焦度第二透镜；以及设于所述第二透镜与所述像侧之间的滤光片；其中，所述第一透镜为玻璃或塑胶非球面镜，所述第二透镜为玻璃或塑胶非球面镜片；所述内窥镜镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一透镜与所述物侧之间，或者位于所述第一透镜与所述第二透镜之间。本发明提供的内窥镜镜头，通过对各个透镜以及滤光片和光阑的合理搭配和限定，能够在缩小镜头口径的同时保证大的视场角以及大景深，有效地增加观察的范围和深度。

Description

内窥镜镜头
技术领域
本发明涉及医学镜头技术领域，特别是涉及一种内窥镜镜头。
背景技术
内窥镜是经人体的天然孔道深入到人体，透过成像的影像观察内部结构或病理状况的医疗器械。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。
但目前的内窥镜镜头还存在口径大、景深小、视场角小的问题，内窥镜的口径越小，给人体造成的不适感越小，并且内窥镜口径过大会增加生产成本，同时，视场角与景深的大小也是内窥镜使用的重要参数，视场角小会影响镜头观察的范围，而景深小影响镜头观察的深度。
发明内容
为此，本发明的目的在于提出一种减小镜头口径，增大视场角，提供大景深范围的内窥镜镜头。
一种内窥镜镜头，从物侧到像侧依次包括：
物侧面为凹面、像侧面为凸面的第一透镜；
具有正光焦度或负光焦度第二透镜；
以及设于所述第二透镜与所述像侧之间的滤光片；
其中，所述第一透镜为玻璃或塑胶非球面镜，所述第二透镜为玻璃或塑胶非球面镜片；
所述内窥镜镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一透镜与所述物侧之间，或者位于所述第一透镜与所述第二透镜之间。
本发明提供的内窥镜镜头，第一透镜用于光线的收集和畸变的矫正，并能有效减小镜头口径，第二透镜主要用于消除像差，如球差、场曲、像散等，通过对各个透镜以及滤光片和光阑的合理搭配和限定，能够在缩小镜头口径的同时保证大的视场角，该内窥镜镜头的口径可以缩小到不超过1.0mm，长度小于等于2.0mm，能给有效的减轻病人在检查时的痛苦，并能进入更狭窄的病变部位进行检查。同时能保证镜头视场角达到大于等于120°，并景深在5-35mm范围内都能成清晰成像，实现了小口径、大景深、大视场角的效果，有效地增加观察的范围和深度。此外，该内窥镜镜头还具有畸变小的特点，提高了边缘解像能力，保证了成像效果。
此外，上述内窥镜镜头，其中，所述内窥镜镜头满足条件式：
r1/r2>1；
TTL/Dmax<3；
其中，r1、r2分别表示所述第一透镜物侧面和像侧面的曲率半经，TTL表示所述内窥镜镜头的光学总长，Dmax表示所述内窥镜镜头中最大透镜的口径。
上述内窥镜镜头，其中，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<f2/Fno+f<1；
其中，f表示所述内窥镜镜头的有效焦距，Fno表示所述内窥镜镜头的工作F数。
上述内窥镜镜头，其中，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<IH/θ<0.01；
其中，θ表示所述内窥镜镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时相对应的所述内窥镜镜头的像高。
上述内窥镜镜头，其中，所述第一透镜、所述第二透镜均为非球面透镜。
上述内窥镜镜头，其中，所述内窥镜镜头的非球面的表面形状满足下列条件式：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
进一步地，所述内窥镜镜头的光学总长小于1.50mm。
进一步地，所述内窥镜镜头的Fno小于等于2.85。
进一步地，所述内窥镜镜头的视场角大于等于120°。
进一步地，所述内窥镜镜头的适用光谱范围为：400nm～700nm。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明第一实施例中的内窥镜镜头的截面结构示意图；
图2为本发明第一实施例中的内窥镜镜头的场曲曲线图；
图3为本发明第一实施例中的内窥镜镜头的畸变曲线图；
图4为本发明第一实施例中的内窥镜镜头的轴向色差图；
图5为本发明第二实施例中的内窥镜镜头的截面结构示意图；
图6为本发明第二实施例中的内窥镜镜头的场曲曲线图；
图7为本发明第二实施例中的内窥镜镜头的畸变曲线图；
图8为本发明第二实施例中的内窥镜镜头的轴向色差图；
图9为本发明第三实施例中的内窥镜镜头的截面结构示意图；
图10为本发明第三实施例中的内窥镜镜头的场曲曲线图；
图11为本发明第三实施例中的内窥镜镜头的畸变曲线图；
图12为本发明第三实施例中的内窥镜镜头的轴向色差图；
图13为本发明第四实施例中的内窥镜镜头的截面结构示意图；
图14为本发明第四实施例中的内窥镜镜头的场曲曲线图；
图15为本发明第四实施例中的内窥镜镜头的畸变曲线图；
图16为本发明第四实施例中的内窥镜镜头的轴向色差图；
图17为本发明第五实施例中的内窥镜镜头的截面结构示意图；
图18为本发明第五实施例中的内窥镜镜头的场曲曲线图；
图19为本发明第五实施例中的内窥镜镜头的畸变曲线图；
图20为本发明第五实施例中的内窥镜镜头的轴向色差图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供内窥镜镜头，从物侧到像侧依次包括：
物侧面为凹面、像侧面为凸面的第一透镜；
具有正光焦度或负光焦度第二透镜；
以及设于所述第二透镜与所述像侧之间的滤光片；
其中，所述第一透镜为玻璃或塑胶非球面镜，所述第二透镜为玻璃或塑胶非球面镜片；
所述内窥镜镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一透镜与所述物侧之间，或者位于所述第一透镜与所述第二透镜之间。
在一些实施方式中，为了有效减小镜头尺寸，所述内窥镜镜头满足条件式：
r1/r2>1；
TTL/Dmax<3；
其中，r1、r2分别表示所述第一透镜物侧面和像侧面的曲率半经，TTL表示所述内窥镜镜头的光学总长，Dmax表示所述内窥镜镜头中最大透镜的口径。
第一透镜物侧面与像侧面曲率半经同号，使第一透镜呈弯月形透镜，同时减小光学总长和最大口径的比值，能保证在有足够大的视场角度的同时，有效的缩小镜头的口径和光学总长，进而保证镜头口径小于等于1.0mm，长度不超过2.0mm，能给有效的减轻病人在检查时的痛苦，并能进入更狭窄的病变部位进行检查。
在一些实施方式中，为了保证成像镜头有较大景深，从而增大观察深度，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<f2/Fno+f<1；
其中，f表示所述内窥镜镜头的有效焦距，Fno表示所述内窥镜镜头的工作F数。
满足上述条件式能保证镜头有足够大的景深范围，本发明中所述内窥镜镜头能在5-35mm范围内成清晰地像，增大了检测范围，保证医疗检测中有足够的观察深度。
在一些实施方式中，为了使内窥镜镜头可以很好地控制畸变，减小由畸变带来的成像变形，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<IH/θ<0.01；
其中，θ表示所述内窥镜镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时所述内窥镜镜头的像高。
通过控制f-θ畸变来提高边缘视场的放大倍率，从而提高了内窥镜镜头边缘的解像能力，使其满足边缘视场画面拉平展开后，有足够的分辨率。
在一些实施方式中，所述第一透镜、所述第二透镜均为非球面透镜。
使用非球面透镜不仅可以有效的矫正各种相差，如球差、慧差、场曲、畸变等，还能有效减少镜片数量，缩小镜片口径，有助于缩小镜头的整体尺寸。
在一些实施方式中，所述内窥镜镜头的非球面的表面形状满足下列条件式：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
上述内窥镜镜头，第一透镜用于光线的收集和畸变的矫正，并能有效减小镜头口径，第二透镜主要用于消除像差，如球差、场曲、像散等，通过对各个透镜以及滤光片和光阑的合理搭配和限定，能够在缩小镜头口径的同时保证大的视场角，该内窥镜镜头的口径可以缩小到不超过1.0mm，长度小于等于2.0mm，能给有效的减轻病人在检查时的痛苦，并能进入更狭窄的病变部位进行检查。同时能保证镜头视场角达到大于等于120°，并景深在5-35mm范围内都能成清晰成像，实现了小口径、大景深、大视场角的效果，有效地增加观察的范围和深度。此外，该内窥镜镜头还具有畸变小的特点，提高了边缘解像能力，保证了成像效果。
下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在以下每个实施例中，内窥镜镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径有所不同，具体不同可参见各实施例中的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在以下各个实施例中，所述内窥镜镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。
实施例1：
请参阅图1，本发明第一实施例提供的内窥镜镜头100，从物面S10到像面S20依次包括：第一透镜L1、第二透镜L2、光阑ST、滤光片G1。
第一透镜L1具有正光焦度，且物侧面S1为凹面、像侧面S2为凸面，第一透镜L1是玻璃非球面透镜。
第二透镜L2具有正光焦度，且物侧面S3为凹面、像侧面S4为凸面，第二透镜L2是玻璃球面透镜。在本发明的其它实施例中，第二透镜L2可以是塑胶非球面透镜。
光阑ST设于第一透镜L1之前(即第一透镜L1与物面S10之间)，滤光片G1设于第二透镜L2与像面S20之间。滤光片G1的物侧面为S5，滤光片G1的像侧面为S6，本发明第一实施例中提供的内窥镜镜头100中各个镜片的相关参数如表1-1所示。
表1-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表1-2所示。
表1-2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差分别如图2、图3和图4所示。由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，由图2至图4可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。需要指出的是，图2和图4中存在多条曲线，其中，不同的实线或虚线代表不同波长。
实施例2
请参阅图5，本发明第二实施例提供的内窥镜镜头200。本实施例当中的内窥镜镜头200与第一实施例当中的内窥镜镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的内窥镜镜头200的第二透镜L2为具有负光焦度的塑胶非球面透镜且其物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表2-1所示。
表2-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表2-2所示：
表2-2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差分别如图6、图7和图8所示。由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，由图6至图8可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。需要指出的是，图6和图8中存在多条曲线，其中，不同的实线或虚线代表不同波长。
实施例3
请参阅图9，本发明第三实施例提供的内窥镜镜头300。本实施例当中的内窥镜镜头300与第一实施例当中的内窥镜镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的内窥镜镜头300的第二透镜L2物侧面S3为凸面，像侧面S4为凹面，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表3-1所示：
表3-1
本实施例的各透镜非球面的参数如表3-2所示：
表3-2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差分别如图10、图11和图12所示。由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，由图10至图12可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。需要指出的是，图10和图12中存在多条曲线，其中，不同的实线或虚线代表不同波长。
实施例4
请参阅图13，本发明第四实施例提供的内窥镜镜头400。本实施例当中的内窥镜镜头400与第一实施例当中的内窥镜镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的内窥镜镜头400的第一透镜L1具有负光焦度，第二透镜L2物侧面S3为凸面，光阑ST设于第一透镜L1与第二透镜L2之间，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表4-1所示：
表4-1
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
S10 物面 Infinity 10.000000
S1 非球面 -0.734052 0.298056 1.851 40.10
S2 非球面 -0.577969 0.016642
ST 光阑 Infinity 0.023595
S3 非球面 0.545348 0.243316 1.851 40.10
S4 非球面 -0.936002 0.011182
S5 球面 Infinity 0.157136 1.517 64.21
S6 球面 Infinity 0.269081
S20 像面 Infinity —
本实施例的各透镜非球面的参数如表4-2所示：
表4-2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差分别如图14、图15和图16所示。由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，由图14至图16可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。需要指出的是，图14和图16中存在多条曲线，其中，不同的实线或虚线代表不同波长。
实施例5
请参阅图17，本发明第五实施例提供的内窥镜镜头500。本实施例当中的内窥镜镜头500与第一实施例当中的内窥镜镜头100大抵相同，不同之处在于，本实施例当中的内窥镜镜头500的光阑ST设于第一透镜L1与第二透镜L2之间，以及各透镜的曲率半径、材料选择不同，具体各个透镜的相关参数参见表5-1所示：
表5-1
表面序号 表面类型 曲率半径 厚度 折射率 阿贝数
S10 物面 Infinity 10.000000
S1 非球面 -0.496826 0.549441 1.693 53.20
S2 非球面 -0.276341 0.026422
ST 光阑 Infinity 0.037997
S3 非球面 -0.373511 0.385209 1.497 81.52
S4 非球面 -0.188617 0.014944
S5 球面 Infinity 0.210000 1.517 64.21
S6 球面 Infinity 0.175035
S20 像面 Infinity —
本实施例的各透镜非球面的参数如表5-2所示：
表5-2
在本实施例中，其场曲、畸变、轴向色差分别如图18、图19和图20所示。由于像点的数据范围越小，代表镜头性能越好，由图18至图20可以看出，本实施例中场曲、畸变、色差都能被很好的校正。需要指出的是，图18和图20中存在多条曲线，其中，不同的实线或虚线代表不同波长。
请参阅表6，表6是上述5个实施例及其对应的光学特性，包括系统焦距f、光圈数Fno、半视场角θ和系统总长TTL，以及与前面每个条件式对应的数值。
表6
条件式 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
f(mm) 0.385 0.586 0.431 0.357 0.277
Fno 2.760 2.822 2.820 3.083 2.802
2θ(deg) 125.0 130.0 120.0 122.0 120.0
TTL(mm) 1.30 1.32 1.01 1.02 1.40
r1/r2 15.3 5.2 4.1 1.3 1.8
f<sup>2</sup>/Fno+f 0.439 0.708 0.497 0.399 0.304
TTL/D<sub>max</sub> 1.506 1.281 1.522 2.943 2.785
IH/θ 0.0075 0.008 0.007 0.005 0.006
综合上述各实施例，均达到了以下的光学指标：(1)视场角：2θ≥120°；(2)光学总长：TTL＜1.50mm；(3)适用光谱范围为：400nm～700nm。
本发明提供的内窥镜镜头中，第一透镜L1用于光线的收集和畸变的矫正，并能有效减小镜头口径，第二透镜L2主要用于消除像差，如球差、场曲、像散等。
综上，本发明提供的内窥镜镜头通过对各个透镜以及滤光片和光阑的合理搭配和限定，能够在缩小镜头口径的同时保证大的视场角，该内窥镜镜头的口径可以缩小到不超过1.0mm，长度小于等于2.0mm，能给有效的减轻病人在检查时的痛苦，并能进入更狭窄的病变部位进行检查。同时能保证镜头视场角达到大于等于120°，并景深在5-35mm范围内都能成清晰成像，实现了小口径、大景深、大视场角的效果，有效地增加观察的范围和深度。此外，该内窥镜镜头还具有畸变小的特点，提高了边缘解像能力，保证了成像效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种内窥镜镜头，其特征在于，从物侧到像侧依次包括：
物侧面为凹面、像侧面为凸面的第一透镜；
具有正光焦度或负光焦度第二透镜；
以及设于所述第二透镜与所述像侧之间的滤光片；
其中，所述第一透镜为玻璃或塑胶非球面镜，所述第二透镜为玻璃或塑胶非球面镜片；
所述内窥镜镜头还包括光阑，所述光阑位于所述第一透镜与所述物侧之间，或者位于所述第一透镜与所述第二透镜之间。
2.根据权利要求1所述的内窥镜镜头，其特征在于，所述内窥镜镜头满足条件式：
r1/r2>1；
TTL/Dmax<3；
其中，r1、r2分别表示所述第一透镜物侧面和像侧面的曲率半经，TTL表示所述内窥镜镜头的光学总长，Dmax表示所述内窥镜镜头中最大透镜的口径。
3.根据权利要求1所述的内窥镜镜头，其特征在于，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<f2/Fno+f<1；
其中，f表示所述内窥镜镜头的有效焦距，Fno表示所述内窥镜镜头的工作F数。
4.根据权利要求1所述内窥镜镜头，其特征在于，所述内窥镜镜头满足条件式：
0<IH/θ<0.01；
其中，θ表示所述内窥镜镜头的半视场角，IH表示在半视场角θ时所述内窥镜镜头的像高。
5.根据权利要求1-4任一项所述的内窥镜镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜均为非球面透镜。
6.根据权利要求5所述内窥镜镜头，其特征在于，所述内窥镜镜头的非球面的表面形状满足下列条件式：
其中，z表示曲面离开曲面顶点在光轴方向的距离，c表示曲面顶点的曲率，K表示二次曲面系数，h表示光轴到曲面的距离，B、C、D、E和F分别表示四阶、六阶、八阶、十阶和十二阶曲面系数。
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