CN111522137A - 一种内窥镜物镜、内窥镜及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内窥镜物镜、内窥镜及成像方法，其中，内窥镜物镜包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、滤光器、光阑、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和图像传感器。本发明内窥镜物镜滤光器安装于第二透镜之后，第三透镜之前，可有效地防止由于滤光器和其附近元件之间的多次反射而降低内窥镜拍摄图像中出现重影的概率，提高了内窥镜的可靠性。

Description

一种内窥镜物镜、内窥镜及成像方法
技术领域
本发明涉及内窥镜领域，特别是涉及一种内窥镜物镜、内窥镜及成像方法。
背景技术
如图1所示，在医疗领域中广泛应用的内窥镜系统，内窥镜镜体一般由导光部10、通用线缆部20、操作部30、插入部40、弯曲部50、头端部60组成。头端部60内的摄像头前有透镜组，为了实现在一定范围内观察距离远近都能保证图像清晰，就需要使用变焦镜头，变焦镜头在一定范围内可以变换焦距，从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，头端部对变焦镜头的要求为可靠性高，小型化，反应迅速化。
然而，现有技术中，如专利申请号为“201810882667.7”、名称为“一种内窥镜物镜光学系统”，专利申请号为“201080057622.8”名称为“内窥镜用物镜及使用该内窥镜用物镜的内窥镜”等专利中，由于滤光器和其附近元件之间的多次反射，容易导致内窥镜拍摄图像中出现重影，影响内窥镜的可靠性。此外，现有技术中内窥镜物镜的小型化也成为亟待解决的问题。
因此本领域技术人员致力于开发一种可靠性高的内窥镜物镜。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种可靠性高的内窥镜物镜。
为实现上述目的，本发明提供了一种内窥镜物镜，包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、滤光器、光阑、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和图像传感器。
较佳的，所述滤光器与光阑为组合结构。
为了实现内窥镜物镜小型化，所述第一透镜由平板窗玻璃和第一平凹透镜胶合而成，所述第一平凹透镜的凹面朝向像侧；
所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月型透镜；
所述第三透镜为液体透镜，所述第三透镜的平面朝向物侧；
所述第四透镜由双凸透镜和第二平凹透镜胶合而成，所述第二平凹透镜的平面朝向像侧。
为了进一步实现内窥镜物镜小型化，所述第一平凹透镜满足关系式：n1＞1.8，0.7＜f1/f＜1；
其中，n1为第一平凹透镜的折射率，f1为第一平凹透镜的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
进一步的，所述第三透镜满足关系式：1.17＜f3/f＜1.47；
其中，f3为第三透镜的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
为防止运输和使用过程中损伤物镜表面，所述平板窗玻璃由高硬度的材料制成。
较佳的，所述平板窗玻璃由红宝石制成。
本发明还提供了一种内窥镜，包括上述的内窥镜物镜。
本发明还提供了一种成像方法，包括以下步骤：
1)让光线从物侧入射后，进行一次发散和一次会聚；
2)对会聚后的光线进行滤光；然后，让滤光后的光线经过光阑；
3)对经过光阑的光线进行两次会聚；然后，让两次会聚后的光线在感光元件的感光面上生成光像并转换为电信号输出。
本发明的有益效果是：本发明内窥镜物镜滤光器安装于第二透镜之后，第三透镜之前，可有效地防止由于滤光器和其附近元件之间的多次反射而降低内窥镜拍摄图像中出现重影的概率，提高了内窥镜的可靠性。
附图说明
图1是现有技术中内窥镜镜体的结构示意图。
图2是本发明内窥镜物镜的结构示意图。
图3是本发明内窥镜物镜具体实施方式中液体透镜的变焦原理图。
图4是本发明内窥镜物镜具体实施方式中液体透镜的结构示意图。
图5是本发明内窥镜物镜具体实施方式中的变焦数据示意图。
图6是本发明内窥镜物镜具体实施方式表二中第一组不同视场角下的光学传递函数示意图。
图7是本发明内窥镜物镜具体实施方式表二中第一组的场曲和畸变示意图。
图8是发明内窥镜物镜具体实施方式表二中第二组不同视场角下的光学传递函数示意图。
图9是发明内窥镜物镜具体实施方式表二中第二组的场曲和畸变示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
一种成像方法，包括以下步骤：
1)让光线从物侧入射后，进行一次发散和一次会聚；
2)对会聚后的光线进行滤光；然后，让滤光后的光线经过光阑；
3)对经过光阑的光线进行两次会聚；然后，让两次会聚后的光线在感光元件的感光面上生成光像并转换为电信号输出。
如图2所示，上述的成像方法可通过一种内窥镜物镜实现，该内窥镜物镜包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜301、具有正光焦度的第二透镜302、滤光器FL、光阑S、具有正光焦度的第三透镜303、具有正光焦度的第四透镜304和图像传感器305；第三透镜303为上述的液体透镜。
本实施例中，滤光器FL与光阑S为组合结构。有利于内窥镜物镜的小型化。
本实施例中，第一透镜301由平板窗玻璃301a和第一平凹透镜301b胶合而成；第一平凹透镜301b的凹面朝向像侧；
第二透镜302为凸面朝向物侧的弯月型透镜；
第三透镜303为液体透镜，第三透镜303的平面朝向物侧；如图3所示，液体透镜主要由电极层101，绝缘层102，导电液103，外加电压104组成；当外加电压为零时，导电液103的形状如虚线所示；当外加电压不为零时，电极层101和导电液103中间的绝缘层102两边会聚集一定的电荷；电荷会改变绝缘层102的亲水性，从而改变绝缘层102和导电液103之间的表面张力；进而改变接触角的大小，改变导电液103的形状，从而实现透镜焦距的变化。本实施例中，第三透镜303的平面为绝缘层102朝向物侧的平面。
如图4所示，本实施例中的液体透镜，包括套筒207、分别粘接在套筒207两端的第一透明玻璃201和第二透明玻璃205；第一透明玻璃201和第二透明玻璃205之间密封有第一透明电极203、第二透明电极206、位于第一透明电极203和第二透明电极206之间互不相溶的电活性液体202和绝缘液体204；套筒207的内壁和第二透明电极206朝向绝缘液体204的侧面上均设有疏水层。本实施例中，疏水层由交联聚乙烯制成；电活性液体202为氯化钾溶液，绝缘液体204为香柏油；第一透明玻璃201和第二透明玻璃205上设有透明氧化铟锡膜；套筒207由聚四氟乙烯树脂制成；
上述的液体透镜调焦过程为：改变外部电压，引起电活性液体202与绝缘液体204之间的界面张力；从而实现电活性液体202与绝缘液体204之间的接触角变化；进一步实现透镜的焦距的改变。上述的液体透镜具有结构简单，成本低的优点。
第四透镜304由双凸透镜304a和第二平凹透镜304b胶合而成；第二平凹透镜304b的平面朝向像侧。在变焦过程中，能够对物镜系统中的像差变化进行补偿，以便实现高质量的图像分辨率。
第一平凹透镜301b满足关系式：n1＞1.8，0.7＜f1/f＜1；
其中，n1为第一平凹透镜301b的折射率，f1为第一平凹透镜301b的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
本实施例中，n1＞1.8，即限定了第一平凹透镜301b的材料折射率；如果小于1.8将导致变焦物镜的外径变大，不便实现物镜的小型化；
0.7＜f1/f＜1，即限定了第一平凹透镜301b与近景点物镜焦距、远景点物镜焦距的比值；当第一平凹透镜301b的焦距与远景点物镜焦距比值小于下限0.7，将导致物镜的长度变长，不利于内窥镜的小型化；如果第一平凹透镜301b的焦距与近景点物镜焦距比值大于上限1，将导致物镜的放大倍数较小；本实施例中，第一平凹透镜301b具有较大的放大倍数；有利于实现物镜观察范围的广角化。
第三透镜303满足关系式：1.17＜f3/f＜1.47；
其中，f3为第三透镜303的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
本实施例中，1.17＜f3/f＜1.47，即限定了第三透镜303的参数特点；如果大于上限1.47物镜的总长度会减小，但光学放大倍数也会降低；如果小于下限值1.17将使得物镜的总长度变长，不便于小型化。
平板窗玻璃301a由高硬度的材料制成。本实施例中，平板窗玻璃301a由红宝石制成。有利于防止运输和使用过程中损伤物镜表面。
上述的内窥镜物镜可应用于一种内窥镜。
以下表一和表二为本实施例的变焦数据：
表一
Figure BDA0002508347920000061
Figure BDA0002508347920000071
表一为各个物面的参数，表中物面1-16参见图5所示。
表二
第一组 第二组
D0 10mm 2mm
D1 0.85mm 0.23mm
D2 0.37mm 0.24mm
R1(球面曲率半径) 0.93mm 0.78mm
2ω(视场角) 140° 72°
F(焦距) 1.03mm 1.3mm
F#(光圈F数) 7.03 7.42
Β(横向放大率) -0.095 -0.55
TOTR(光学总长) 6.75mm 6.75mm
表二为控制第三透镜303即液体透镜得到的两组对比参数。
如图6-图9所示，图6为表二中第一组不同视场角下的光学传递函数；图7是表二中第一组的场曲和畸变；图8是表二中第二组不同视场角下的光学传递函数；图9是表二中第二组的场曲和畸变。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种内窥镜物镜，其特征在于，包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜(301)、具有正光焦度的第二透镜(302)、滤光器(FL)、光阑(S)、具有正光焦度的第三透镜(303)、具有正光焦度的第四透镜(304)和图像传感器(305)。
2.如权利要求1所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述滤光器(FL)与光阑(S)为组合结构。
3.如权利要求1或2所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述第一透镜(301)由平板窗玻璃(301a)和第一平凹透镜(301b)胶合而成，所述第一平凹透镜(301b)的凹面朝向像侧；
所述第二透镜(302)为凸面朝向物侧的弯月型透镜；
所述第三透镜(303)为液体透镜，所述第三透镜(303)的平面朝向物侧；
所述第四透镜(304)由双凸透镜(304a)和第二平凹透镜(304b)胶合而成，所述第二平凹透镜(304b)的平面朝向像侧。
4.如权利要求3所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述第一平凹透镜(301b)满足关系式：n1＞1.8，0.7＜f1/f＜1；
其中，n1为第一平凹透镜(301b)的折射率，f1为第一平凹透镜(301b)的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
5.如权利要求3或4所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述第三透镜(303)满足关系式：1.17＜f3/f＜1.47；
其中，f3为第三透镜(303)的焦距，f为内窥镜物镜的焦距。
6.如权利要求3所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述平板窗玻璃(301a)由高硬度的材料制成。
7.如权利要求6所述的内窥镜物镜，其特征在于，所述平板窗玻璃(301a)由红宝石制成。
8.一种内窥镜，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的内窥镜物镜。
9.一种成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)让光线从物侧入射后，进行一次发散和一次会聚；
2)对会聚后的光线进行滤光；然后，让滤光后的光线经过光阑；
3)对经过光阑的光线进行两次会聚；然后，让两次会聚后的光线在感光元件的感光面上生成光像并转换为电信号输出。
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