CN112107278A - 一种小口径内窥镜光学系统 - Google Patents

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朱佳巍
李宇键
叶晓健
符致秋
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Abstract

本发明提供了一种小口径内窥镜光学系统，自物侧面到像侧面依次包括滤光片、光阑、具有正光焦度的第一透镜、具有负光焦度的第二透镜、芯片保护玻璃。该光学系统满足如下条件式：0.1<|f1/f|<0.7；0.6<|f2/f|<1.3；1.7<|R11+R12|/|R11‑R12|<2.1；其中，f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距，f是整个光学系统的焦距，R11和R12分别是第一透镜物侧面和第一透镜像侧面的曲率半径。本发明涉及的小口径内窥镜光学系统，两片镜片都是塑胶材料，降低了成本的同时也更适合量产。与以往的内窥镜相比，不仅保证了成像质量，且大大地缩小了内窥镜的总长与口径，满足了目前内窥镜小型化发展的趋势。

Description

一种小口径内窥镜光学系统
【技术领域】
本发明涉及一种内窥镜光学系统，尤其是涉及一种小口径内窥镜光学系统。
【背景技术】
随着医疗电子设备的发展，人们对内窥镜的要求也越来越高，人们既希望内窥镜的体积能够越做越小，也希望内窥镜光学系统拥有更高的成像质量。但是，内窥镜的体积与成像质量是相互约束的，体积变小通常意味着需要牺牲光学系统的成像质量，包括视场角，照度以及工作距等。因此，为了减少内窥镜对病人的伤害，需要在保证内窥镜成像质量的同时，尽可能地减少内窥镜的口径。
本发明就是基于这种情况作出的。
【发明内容】
本发明克服了现有技术的不足，提供一种小口径内窥镜光学系统，其最大的优势是口径非常小，最大口径小于1mm，光学系统整体长度小于2.6mm；该光学系统结构紧凑，体积优势明显，并且在一定的景深范围内有较好的成像质量。
本发明所采用的技术方案为：
一种小口径内窥镜光学系统，自物侧面到像侧面依次包括滤光片(IR)、光阑(ST)、具有正光焦度的第一透镜(L1)、具有负光焦度的第二透镜(L2)、芯片保护玻璃(CG)，该光学系统满足如下条件式：
0.1<|f1/f|<0.7；
0.6<|f2/f|<1.3；
1.7<|R11+R12|/|R11-R12|<2.1；
其中，f1是第一透镜(L1)的焦距，f2是第二透镜(L2)的焦距，f是整个光学系统的焦距，R11和R12分别是第一透镜(L1)物侧面(S4)和第一透镜(L1)像侧面(S5)的曲率半径。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)物侧面(S4)为凹面，像侧面(S5)为凸面；第二透镜(L2)物侧面(S6)为凹面，像侧面(S7)为凹面；所述第一透镜(L1)和第二透镜(L2)均为塑胶非球面镜片。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.23<f/TTL<0.71；其中，f是整个光学系统的焦距，TTL为该光学系统滤光片(IR)物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
30<|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。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
2.7<TTL/ImgH<3.4；其中，ImgH为该光学系统的最大像高，TTL为该光学系统滤光片物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.25<Ts1/f<0.41；
0.04<T12/f<0.11；
1.1<T2i/f<2.3；
其中，Ts1为滤光片(IR)像侧面(S2)至第一透镜(L1)物侧面(S4)的轴上距离，T12为第一透镜(L1)像侧面(S5)和第二透镜(L2)物侧面(S6)的轴上距离；T2i为第二透镜(L2)像侧面(S7)至像面(S10)的轴上距离，f是整个光学系统的焦距。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.81<CT1/∑CT<0.84；
0.41<CT2/∑CT<0.58；
其中，∑CT为该光学系统滤光片(IR)、第二透镜(L2)分别于光轴上的厚度总和；CT1为该光学系统第一透镜(L1)于光轴上的厚度，CT2为该光学系统第二透镜(L2)于光轴上的厚度。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
11<FNO·ImgH/β<25；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。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.6<f·tan(ω/2)/ImgH<1.5；其中，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角。
与现有技术相比，本发明有如下优点：
本发明提供的小口径内窥镜光学系统，与以往的内窥镜相比，在保证了成像质量的同时，大大地缩小了内窥镜的总长与口径，满足了目前内窥镜小型化发展的趋势；该光学系统使用的两片镜片皆为塑胶镜片，降低了成本的同时也更适合于量产。
【附图说明】
图1是本发明小口径内窥镜光学系统的结构示意图；
图2是本发明小口径内窥镜光学系统的畸变图；
图3是本发明小口径内窥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做进一步详细的描述。
一种小口径内窥镜光学系统，自物侧面到像侧面依次包括滤光片(IR)、光阑(ST)、正光焦度的第一透镜(L1)、负光焦度的第二透镜(L2)、芯片保护玻璃(CG)，该光学系统满足如下条件式：
0.1<|f1/f|<0.7； (1)
0.6<|f2/f|<1.3； (2)
1.7<|R11+R12|/|R11-R12|<2.1； (3)
其中，f1是第一透镜(L1)的焦距，f2是第二透镜(L2)的焦距，f是整个光学系统的焦距，R11和R12分别是第一透镜(L1)物侧面(S4)和第一透镜(L1)像侧面(S5)的曲率半径。
光线进入光学系统后，光线首先经过滤光片(IR)折射，再经过光阑(ST)，然后依次通过第一透镜(L1)和第二透镜(L2)，最终成像在特定芯片上。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)物侧面(S4)为凹面，像侧面(S5)为凸面；第二透镜(L2)物侧面(S6)为凹面，像侧面(S7)为凹面；所述第一透镜(L1)和第二透镜(L2)均为塑胶非球面镜片。
满足式(1)(2)(3)的小口径内窥镜光学系统，可以约束镜片的曲率半径和焦距，控制透镜的弯曲程度，减小光学系统的总长与口径，使光学系统结构紧凑，满足小型化的要求；第一透镜(L1)物侧面(S4)为凹面，像侧面(S5)为凸面，第二透镜(L2)物侧面(S6)为凹面，像侧面(S7)为凹面，可以减少光学像差，减低公差的敏感程度，同时有效地减小光学系统总长。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
0.23<f/TTL<0.71； (4)
其中，f是整个光学系统的焦距，TTL为该光学系统滤光片(IR)物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
满足式(4)的小口径内窥镜光学系统可以保证有较短的工作距同时拥有较大的视场角。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
30<|Vd1-Vd2|<40； (5)
其中，Vd1为第一透镜(L1)的阿贝数；Vd2为第二透镜(L2)的阿贝数。
式(5)可以用来约束光学系统的材料范围，减少倍率色差。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件：
2.7<TTL/ImgH<3.4； (6)
其中，ImgH为该光学系统的最大像高，TTL为该光学系统滤光片(IR)物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
满足式(6)的小口径内窥镜光学系统既能限制光学系统的总长，满足小型化的需求，又能将镜头的像质约束在理想范围内；
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
0.25<Ts1/f<0.41； (7)
0.04<T12/f<0.11； (8)
1.1<T2i/f<2.3； (9)
其中，Ts1为滤光片(IR)像侧面(S2)至第一透镜(L1)物侧面(S4)的轴上距离，T12为第一透镜(L1)像侧面(S5)和第二透镜(L2)物侧面(S6)的轴上距离；T2i为第二透镜(L2)像侧面(S7)至像面(S10)的轴上距离，f是整个光学系统的焦距。
满足式(7)(8)(9)的小口径内窥镜光学系统，在有利于减少光学系统总长的同时，可以保证光学系统的视场角和畸变在要求范围内，满足小型化的要求。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
0.81<CT1/∑CT<0.84； (10)
0.41<CT2/∑CT<0.58； (11)
其中，∑CT为该光学系统滤光片(IR)、第二透镜(L2)分别于光轴上的厚度总和；CT1为该光学系统第一透镜(L1)于光轴上的厚度，CT2为该光学系统第二透镜(L2)于光轴上的厚度。
满足式(10)可以约束光学系统的口径与畸变。
满足式(11)可以约束光学系统的总长。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
11<FNO·ImgH/β<25； (12)
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。
满足式(12)的光学系统，可以用来限制光学系统的景深、照度和放大率在合适的范围内，当FNO·ImgH/β低于下限值时，内窥镜光学系统的景深将变差，当FNO·ImgH/β超过上限值时，内窥镜光学系统的垂轴放大率将偏小，会影响镜头整体的分辨率，并且镜头照度也会下降。
如上所述的小口径内窥镜光学系统，该光学系统满足如下条件式：
0.6<f·tan(ω/2)/ImgH<1.5； (13)
其中，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角。
综上，本发明提供的小口径内窥镜光学系统，与以往的内窥镜相比，在保证了成像质量的同时，大大地缩小了内窥镜的总长与口径，满足了目前内窥镜小型化发展的趋势；该光学系统使用的两片镜片皆为塑胶镜片，降低了成本的同时也更适合于量产。
以下为该小口径内窥镜光学系统实施例中的一些光学参数，该实施例的透镜数据表中，半径和厚度的单位是mm，像差曲线图中的S(实线)和T(虚线)分别代表弧矢像面和子午像面。
图1为该小口径内窥镜光学系统整体结构图，图2为该小口径内窥镜光学系统的畸变图，图3为该小口径内窥镜光学系统的像差曲线图。
下表为实施例的透镜数据表
表1为小口径内窥镜光学系统的结构参数表
Surface Type Radius(mm) Thickness(mm) Glass
Object Sphere Infinity 3.8
1 Sphere Infinity 0.2100 1.517:64.2
2 Sphere Infinity 0.2200
Stop Sphere Infinity 0.0300
4 Asphere -0.6501 0.3531 1.544:56.2
5 Asphere -0.1857 0.0600
6 Asphere -1.3752 0.2200 1.633:23.35
7 Asphere 0.8287 0.6668
8 Sphere Infinity 0.5098 1.517:64.2
9 Sphere Infinity 0.014
Image Sphere Infinity 0.2200
表1
表2为小口径内窥镜光学系统的第一透镜L1的矢高与半径R的比值
Figure BDA0002725670330000051
Figure BDA0002725670330000061
表2
表3为小口径内窥镜光学系统的第二透镜L2的矢高与半径R的比值
Figure BDA0002725670330000062
表3

Claims (9)

1.一种小口径内窥镜光学系统，其特征在于从物侧到像侧依次包括五个部分：滤光片(IR)、光阑(ST)、具有正光焦度的第一透镜(L1)、具有负光焦度的第二透镜(L2)、芯片保护玻璃(CG)，该系统满足以下条件式：
0.1<|f1/f|<0.7；
0.6<|f2/f|<1.3；
1.7<|R11+R12|/|R11-R12|<2.1；
其中，f1是第一透镜(L1)的焦距，f2是第二透镜(L2)的焦距，f是整个光学系统的焦距，R11和R12分别是第一透镜(L1)物侧面(S4)和第一透镜(L1)像侧面(S5)的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于：第一透镜(L1)物侧面(S4)为凹面，像侧面(S5)为凸面；第二透镜(L2)物侧面(S6)为凹面，像侧面(S7)为凹面；所述第一透镜(L1)和第二透镜(L2)均为塑胶非球面镜片。
3.根据权利要求1或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.23<f/TTL<0.71；
其中，f是整个光学系统的焦距，TTL为该光学系统滤光片物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
4.根据权利要求1或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
30<|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或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
2.7<TTL/ImgH<3.4；
其中，ImgH为该光学系统的最大像高，TTL为该光学系统滤光片物侧面(S1)至成像面(S10)的轴上距离。
6.根据权利要求1或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.25<Ts1/f<0.41；
0.04<T12/f<0.11；
1.1<T2i/f<2.3；
其中，Ts1为滤光片(IR)像侧面(S2)至第一透镜(L1)物侧面(S4)的轴上距离，T12为第一透镜(L1)像侧面(S5)和第二透镜(L2)物侧面(S6)的轴上距离；T2i为第二透镜(L2)像侧面(S7)至像面(S10)的轴上距离，f是整个光学系统的焦距。
7.根据权利要求1或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.81<CT1/∑CT<0.84；
0.41<CT2/∑CT<0.58；
其中，∑CT为该光学系统滤光片(IR)、第二透镜(L2)分别于光轴上的厚度总和；CT1为该光学系统第一透镜(L1)于光轴上的厚度，CT2为该光学系统第二透镜(L2)于光轴上的厚度。
8.根据权利要求1或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
11<FNO·ImgH/β<25；
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或2所述的小口径内窥镜光学系统，其特征在于该光学系统满足如下条件式：
0.6<f·tan(ω/2)/ImgH<1.5；
其中，ω为该光学系统置于空气中的最大视场角。
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