CN110927957A - 一种微型浸液显微物镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型浸液显微物镜，属于共聚焦显微内窥镜的技术领域。从物侧到像侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，第一透镜具有正光焦度，其像侧面是凸面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第三透镜具有正光焦度，第三透镜为双胶合透镜，其物侧的透镜为正透镜，像侧的透镜为负透镜；第四透镜具有正光焦度，第四透镜为弯月形透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第五透镜具有正光焦度，为弯月形透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第六透镜具有正光焦度，为玻璃非球面透镜。本发明的目的在于解决在极小的外径及长度限制下无法同时保证数值孔径大且成像性能好的技术问题。
Description
技术领域
本发明属于共聚焦显微内窥镜领域，更具体地，涉及一种微型浸液显微物镜。
背景技术
共聚焦显微内窥镜是目前最新的内窥成像技术之一，可通过胃镜、结肠镜等通道进入人体进行高分辨率成像，获取局部组织学图像，为医生进行微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断提供帮助。其中，微型显微物镜是共聚焦显微内窥镜最核心的组件，但目前的微型显微物镜还不能很好地满足进入内窥镜的器械腔的需求，或者即便能满足外径需求，在其数值孔径增大的同时镜头的像差、场曲畸变结果不理想，进而导致其成像性能不佳。
如何在极小的外径及长度限制下，设计一种透镜元件少、数值孔径大、公差不敏感同时保证其成像性能的微型显微物镜是亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微型浸液显微物镜，其目的在于解决在极小的外径及长度限制下无法同时保证数值孔径大且成像性能好的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微型浸液显微物镜，从物侧到像侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，所述第一透镜具有正光焦度，其像侧面是凸面；所述第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜为双胶合透镜，其物侧的透镜为正透镜，像侧的透镜为负透镜；所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜为弯月形透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；所述第五透镜具有正光焦度，所述第五透镜为弯月形透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；所述第六透镜具有正光焦度，为玻璃非球面透镜。
优选地，所述微型浸液显微物镜的外径小于2.8mm，光学长度小于9mm。
优选地，所述第一透镜的折射率Nd1>1.8。
优选地，所述第四透镜满足：0.56<(r41-t4)/r42<0.73，其中，r41、r42分别为第四透镜物侧、像侧的曲率半径；t4为第四透镜的中心厚度。
优选地，所述第五透镜满足：1.35<(r51-t5)/r52<1.64，其中，r51、r52分别为第五透镜物侧、像侧的曲率半径；t5为第五透镜的中心厚度。
优选地，所述微型浸液显微物镜满足：y41>y42>y51，其中，y41、y42分别为边缘光线与第四透镜物侧面、像侧面的交高；y51为边缘光线与第五透镜物侧面的交高。
优选地，所述微型浸液显微物镜满足：y51<y52，其中，y51、y52分别为边缘光线与第五透镜物侧面、像侧面的交高。
优选地，所述微型浸液显微物镜满足：1.5<F4/F5<2.0，其中，F4和F5分别为第四透镜与第五透镜的有效焦距。
优选地，所述微型浸液显微物镜满足：TTL/F<10，其中，TTL和F分别为所述微型浸液显微物镜的光学总长及有效焦距。
优选地，所述微型浸液显微物镜满足：BF/F<1，其中，BF和F分别为所述微型浸液显微物镜的后焦距及有效焦距。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的一种微型浸液显微物镜，通过优化配置各个透镜的形状及光焦度，能够在极小的外径及长度限制下具有透镜元件少、数值孔径大、公差不敏感、量产潜力大且同时保证成像性能的优势。
附图说明
图1是一种微型浸液显微物镜的第一实施例的结构图；
图2是一种微型浸液显微物镜的第一实施例的横向像差曲线；
图3是一种微型浸液显微物镜的第一实施例的场曲曲线和畸变曲线；
图4是一种微型浸液显微物镜的第二实施例的结构图；
图5是一种微型浸液显微物镜的第二实施例的横向像差曲线；
图6是一种微型浸液显微物镜的第二实施例的场曲曲线和畸变曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出一种微型浸液显微物镜，从物侧到像侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，第一透镜具有正光焦度，其像侧面是凸面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第三透镜具有正光焦度，第三透镜为双胶合透镜，其物侧的透镜为正透镜，像侧的透镜为负透镜；第四透镜具有正光焦度，第四透镜为弯月形透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；第五透镜具有正光焦度，为弯月形透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；第六透镜具有正光焦度，为玻璃非球面透镜。通过上述结构的微型浸液显微物镜，通过该物镜的光线更加平滑，使得该微型浸液显微物镜在极小的外径及长度限制下不仅数值孔径大，同时具有公差不敏感、量产潜力大等优势。
通过优化布局各个透镜的形状及光焦度，微型浸液显微物镜的外径小于2.8mm，光学长度小于9mm，能够顺利进入内窥镜的器械腔。
通过将双胶合的第三透镜置于正光焦度的第一透镜、正光焦度的第二透镜之后，能充分发挥双胶合透镜的消色差特性，使整个镜头的色差得到更好的控制。
通过凹面相对的、弯月形正透镜第四透镜和第五透镜，可校正场曲及彗差。
通过将非球面的第六透镜放置于靠近像侧处，充分发挥了非球面的特性，更有利于校正上游光线累积的球差及彗差，减小弥散斑的尺寸。这种配置可以减小各视场入射到第六透镜物侧面的入射角，从而避免产生高级像差，使得整个镜头的成像性能得到保障。
第一透镜的折射率Nd1>1.8，使其靠近像侧的表面有较大的曲率半径，从而可以增大第一透镜的外径，有助于镜片的生产制造及装配。
第四透镜满足：0.56<(r41-t4)/r42<0.73，其中，r41、r42分别为第四透镜物侧、像侧的曲率半径；t4为第四透镜的中心厚度。第五透镜满足：1.35<(r51-t5)/r52<1.64，其中，r51、r52分别为第五透镜物侧、像侧的曲率半径；t5为第五透镜的中心厚度。微型浸液显微物镜满足：y41>y42>y51，其中，y41、y42分别为边缘光线与第四透镜物侧面、像侧面的交高，y51为边缘光线与第五透镜物侧面的交高。微型浸液显微物镜满足：y51<y52，其中，y51、y52分别为边缘光线与第四透镜物侧面、像侧面的交高。微型浸液显微物镜满足：1.5<F4/F5<2.0，其中，F4和F5分别为第四透镜与第五透镜的有效焦距。满足上述五组关系式的微型浸液显微物镜，能够合理配置第四透镜及第五透镜的结构及光焦度，一方面能够更好的校正上游各透镜累积的球差及彗差等横向色差，另一方面能够减小系统的场曲及像散，从而提高整个镜头的成像性能。
微型浸液显微物镜满足：TTL/F<10，其中，TTL和F分别为微型浸液显微物镜的光学总长及有效焦距。微型浸液显微物镜满足：BF/F<1，其中，BF和F分别为微型浸液显微物镜的后焦距及有效焦距。上述公式结合这两个公式限定了整个镜头的结构特征，所有公式共同作用使本发明的物镜达到了在极小的外径及长度限制下具有透镜元件少、数值孔径大、公差不敏感、量产潜力大同时成像性能好的技术效果。
下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明。
第一实施例
如图1是一种微型浸液显微物镜的第一实施例的结构图，从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜L1；具有正光焦度的第二透镜L2；具有正光焦度的第三透镜L3；具有正光焦度的第四透镜L4；具有正光焦度的第五透镜L5及具有正光焦度的第六透镜L6。从图中光线走向可以看出，各面的入射角较小并且平滑，因此各面的光焦度配置合理，制造公差合适，易于量产。
如下表1是微型浸液显微物镜的第一实施例的具体参数，其中，曲率半径、厚度和通光孔径的单位均为毫米(mm)。
表1微型浸液显微物镜的具体参数
本实施例中微型浸液显微物镜的工作距离为0.06mm，第一透镜S11面为平面、通光孔径为0.17mm，S12面的曲率半径为-1.333mm、通光孔径为0.70mm；第一透镜的中心厚度为1.517mm，第一透镜的S12面与第二透镜的S21面之间的中心距离为0.10mm。
第二透镜S21面的曲率半径为-8.290mm、通光孔径为0.77mm，S22面的曲率半径为-2.392mm、通光孔径为0.85mm；第二透镜的中心厚度为0.622mm，第二透镜的S22面与第三透镜的S31面之间的中心距离为0.10mm。
第三透镜S31面的曲率半径为3.631mm、通光孔径为0.84mm，S32面的曲率半径为-1.581mm、通光孔径为0.83mm，S33面的曲率半径为120.968mm、通光孔径为0.84mm；S31面到S32面的中心厚度为1.014mm，S32面到S33面的中心厚度为0.400mm，第三透镜的S33面与第四透镜的S41面之间的中心距离为0.305mm。
第四透镜S41面的曲率半径为1.648mm、通光孔径(即为边缘光线与第四透镜物侧面的交高y41)为0.85mm，S42面的曲率半径为1.497mm、通光孔径(即为边缘光线与第四透镜像侧面的交高y42)为0.69mm；第四透镜的中心厚度为0.646mm，第四透镜的S42面与第五透镜的S51面之间的中心厚度为0.788mm。
第五透镜S51面的曲率半径为-1.528mm、通光孔径(即为边缘光线与第五透镜物侧面的交高y51)为0.67mm，S52面的曲率半径为-1.510mm、通光孔径(即为边缘光线与第五透镜像侧面的交高y52)为0.80mm；第五透镜的中心厚度为0.72mm，第五透镜的S52面与第五透镜的S61面之间的中心厚度为0.1mm。
第六透镜S61面的曲率半径为2.025mm、通光孔径为0.73mm，S62面的曲率半径为1.249mm、通光孔径为0.45mm；第六透镜的中心厚度为1.719mm，第六透镜的S62面与像面之间的距离为0.5mm。
根据表1中的第一透镜与第二透镜的参数，具有强光焦度的、平凸的第一透镜和相对较弱光焦度的第二透镜逐步偏折来自物方的大孔径光线，可校正镜头的绝大部分球差。
根据表1中的第三透镜的参数，通过光焦度接近零的双胶合的第三透镜，可校正镜头的色差及部分彗差。
第一实施例中非球面的面型由各非球面的高次项系数按如下公式表示：
其中，z为非球面沿z光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；K为圆锥系数；A2i是非球面第2i阶的修正系数。
下表2给出了第一实施例中非球面S61、S62的圆锥系数K及高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
表2非球面S61、S62的圆锥系数K及高次项系数
| 序号 | K | A4 | A6 | A8 | A10 | A12 | A14 | A16 |
| S61 | -1.71E+00 | -4.22E-02 | 4.19E-02 | -4.13E-01 | 6.33E-01 | 1.05E-01 | -1.53E+00 | 1.08E+00 |
| S62 | 5.45E+00 | -5.47E-01 | -8.34E+00 | 7.03E+01 | -3.61E+02 | -6.49E+01 | 6.68E+03 | -1.80E+04 |
根据本发明第一实施例的微型浸液显微物镜满足：
Nd1＝1.838，(r41-t4)/r42＝0.67，(r51-t5)/r52＝1.49，y41＝0.85，y42＝0.69，
y51＝0.67，y52＝0.80，F4/F5＝1.93，TTL/F＝9.20，BF/F＝0.56。
上述参数条件下，获得的微型浸液显微物镜的横向像差曲线如图2所示。图中最大标尺是5微米，虚线、实线、点划线分别表示参考波长、短波长、长波长的横向像差曲线。从图中可以看到，第一实施例的微型浸液显微物镜在整个视场内的横向像差得到了充分的校正，具有优异的成像性能。
图3是第一实施例的微型浸液显微物镜的场曲曲线和畸变曲线。图中纵坐标是归一化入瞳直径，横坐标分别是场曲及畸变。从图中可以看到，该实施例下的微型浸液显微物镜在整个视场内的场曲小于20um，最大畸变约等于2％，表明该物镜在数值孔径大的同时其成像性能同样得到了保证。
第二实施例
如图4是一种微型浸液显微物镜的第二实施例的结构图，从物侧到像侧依次包括：具有正光焦度的第一透镜L1；具有正光焦度的第二透镜L2；具有正光焦度的第三透镜L3；具有正光焦度的第四透镜L4；具有正光焦度的第五透镜L5及具有正光焦度的第六透镜L6。从图中光线走向可以看出，各面的入射角较小并且平滑，因此各面的光焦度配置合理，制造公差合适，易于量产。
如下表4是一种微型浸液显微物镜的第二实施例的具体参数，其中，曲率半径、厚度和通光孔径的单位均为毫米(mm)。
表3微型浸液显微物镜的具体参数
本实施例中微型浸液显微物镜的工作距离为0.06mm，第一透镜S11面为平面、通光孔径为0.17mm，S12面的曲率半径为-1.326mm、通光孔径为0.69mm；第一透镜的中心厚度为1.49mm，第一透镜的S12面与第二透镜的S21面之间的中心距离为0.22mm。
第二透镜S21面的曲率半径为-14.593mm、通光孔径为0.79mm，S22面的曲率半径为-2.717mm、通光孔径为0.85mm；第二透镜的中心厚度为0.51mm，第二透镜的S22面与第三透镜的S31面之间的中心距离为0.16mm。
第三透镜S31面的曲率半径为3.504mm、通光孔径为0.85mm，S32面的曲率半径为-1.601mm、通光孔径为0.84mm，S33面的曲率半径为66.492mm、通光孔径为0.84mm；S31面到S32面的中心厚度为0.85mm，S32面到S33面的中心厚度为0.40mm，第三透镜的S33面与第四透镜的S41面之间的中心距离为0.1mm。
第四透镜S41面的曲率半径为1.605mm、通光孔径为(即为边缘光线与第四透镜物侧面的交高y41)0.85mm，S42面的曲率半径为1.481mm、通光孔径(即为边缘光线与第四透镜像侧面的交高y42)为0.69mm；第四透镜的中心厚度为0.67mm，第四透镜的S42面与第五透镜的S51面之间的中心厚度为0.72mm。
第五透镜S51面的曲率半径为-1.518mm、通光孔径(即为边缘光线与第五透镜物侧面的交高y51)为0.66mm，S52面的曲率半径为-1.502mm、通光孔径(即为边缘光线与第五透镜像侧面的交高y52)为0.80mm；第五透镜的中心厚度为0.82mm，第五透镜的S52面与第五透镜的S61面之间的中心厚度为0.10mm。
第六透镜S61面的曲率半径为2.033mm、通光孔径为0.72mm，S62面的曲率半径为1.249mm、通光孔径为0.44mm；第六透镜的中心厚度为1.71mm，第六透镜的S62面与像面之间的距离为0.52mm。
根据表1中的第一透镜与第二透镜的参数，具有强光焦度的、平凸的第一透镜和相对较弱光焦度的第二透镜逐步偏折来自物方的大孔径光线，可校正镜头的绝大部分球差。
根据表1中的第三透镜的参数，通过光焦度接近零的双胶合的第三透镜，可校正镜头的色差及部分彗差。
非球面的面型由各非球面的高次项系数按如下公式表示：
其中，z为非球面沿z光轴方向在高度为r的位置时，距非球面顶点的距离矢高；c为非球面的近轴曲率，c＝1/R(即，近轴曲率c为上表1中曲率半径R的倒数)；K为圆锥系数；A2i是非球面第2i阶的修正系数。
下表5给出了第二实施例中非球面S61、S62的圆锥系数K及高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14和A16。
表4非球面S61、S62的圆锥系数K及高次项系数
| 面序号 | K | A4 | A6 | A8 | A10 | A12 | A14 | A16 |
| S61 | -2.06E+00 | -4.69E-02 | 3.34E-02 | -4.14E-01 | 6.13E-01 | 7.74E-02 | -1.52E+00 | 1.05E+00 |
| S62 | 5.49E+00 | -5.93E-01 | -8.96E+00 | 7.06E+01 | -3.56E+02 | -4.78E+01 | 6.66E+03 | -1.84E+04 |
根据本发明第二实施例的微型浸液显微物镜满足：
Nd1＝1.838，(r41-t4)/r42＝0.63，(r51-t5)/r52＝1.55，y41＝0.85，y42＝0.69，
y51＝0.66，y52＝0.80，F4/F5＝1.72，TTL/F＝9.20，BF/F＝0.56。
上述参数条件下，获得微型浸液显微物镜的横向像差曲线如图5所示。图中最大标尺是5微米，虚线、实线、点划线分别表示参考波长、短波长、长波长的横向像差曲线。从图中可以看到，第二实施例的微型浸液显微物镜在整个视场内的横向像差得到了充分的校正，具有优异的成像性能。
图6是第二实施例的微型浸液显微物镜的场曲曲线和畸变曲线。图中纵坐标是归一化入瞳直径，横坐标分别是场曲及畸变。从图中可以看到，该实施例下的微型浸液显微物镜的在整个视场内的场曲小于20um，最大畸变约等于2％，表明该物镜在数值孔径大的同时其成像性能同样得到了保证。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型浸液显微物镜，其特征在于，从物侧到像侧依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜，
所述第一透镜具有正光焦度，其像侧面是凸面；
所述第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜为双胶合透镜，其物侧的透镜为正透镜，像侧的透镜为负透镜；
所述第四透镜具有正光焦度，所述第四透镜为弯月形透镜，其物侧面为凸面，像侧面为凹面；
所述第五透镜具有正光焦度，所述第五透镜为弯月形透镜，其物侧面为凹面，像侧面为凸面；
所述第六透镜具有正光焦度，为玻璃非球面透镜。
2.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜的外径小于2.8mm，光学长度小于9mm。
3.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述第一透镜的折射率Nd1>1.8。
4.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述第四透镜满足：
0.56<(r41-t4)/r42<0.73，
其中，r41、r42分别为第四透镜物侧、像侧的曲率半径；t4为第四透镜的中心厚度。
5.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述第五透镜满足：
1.35<(r51-t5)/r52<1.64，
其中，r51、r52分别为第五透镜物侧、像侧的曲率半径；t5为第五透镜的中心厚度。
6.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜满足：
y41>y42>y51，
其中，y41、y42分别为边缘光线与第四透镜物侧面、像侧面的交高；y51为边缘光线与第五透镜物侧面的交高。
7.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜满足：
y51<y52，
其中，y51、y52分别为边缘光线与第五透镜物侧面、像侧面的交高。
8.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜满足：
1.5<F4/F5<2.0，
其中，F4和F5分别为第四透镜与第五透镜的有效焦距。
9.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜满足：
TTL/F<10，
其中，TTL和F分别为所述微型浸液显微物镜的光学总长及有效焦距。
10.如权利要求1所述的微型浸液显微物镜，其特征在于，所述微型浸液显微物镜满足：
BF/F<1，
其中，BF和F分别为所述微型浸液显微物镜的后焦距及有效焦距。
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