CN112384839B - 物镜光学系统和内窥镜 - Google Patents

Abstract

物镜光学系统(10)具有：从物体侧起依次排列的第1球透镜(1)和第2球透镜(2)；以及第1光学介质(3)和第2光学介质(4)中的至少一方，第1光学介质(3)是配置于第1球透镜(1)的物体侧的固体或液体，紧贴于第1球透镜(1)的物体侧的面(1a)上的整个光路区域，第2光学介质(4)是配置于第2球透镜(2)的与物体相反的一侧的固体或液体，紧贴于第2球透镜(2)的与物体相反的一侧的面(2b)上的整个光路区域，第1球透镜(1)与第2球透镜(2)之间的光路由空气填满。

Description

物镜光学系统和内窥镜

技术领域

本发明涉及物镜光学系统。

背景技术

以往，已知有具有球透镜的物镜光学系统(例如，参照专利文献1。)。球透镜的形状简单，因此，制造、组装和微小化较容易。因此，球透镜适用于小直径的内窥镜的物镜光学系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2007-515211号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，球透镜产生的像差较大。因此，存在需要用于校正球透镜所产生的像差以获得像差较少的图像的、平凸透镜这样的校正用光学部件的不良情况。

本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种物镜光学系统，能够抑制球透镜引起的像差的产生并通过球透镜形成像差较少的物体像。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式是一种物镜光学系统，其中，所述物镜光学系统具有：从物体侧起依次排列的第1球透镜和第2球透镜；以及第1光学介质和第2光学介质中的至少一方，所述第1光学介质是配置于所述第1球透镜的所述物体侧的固体或液体，所述第1光学介质紧贴于所述第1球透镜的所述物体侧的面上的整个光路区域，所述第2光学介质是配置于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧的固体或液体，所述第2光学介质紧贴于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧的面上的整个光路区域，所述第1球透镜与所述第2球透镜之间的光路由空气填满。

发明效果

根据本发明，起到能够抑制球透镜引起的像差的产生并通过球透镜形成像差较少的物体像的效果。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的物镜光学系统的整体结构图。

图2A是图1的物镜光学系统的变形例的整体结构图。

图2B是图1的物镜光学系统的其他变形例的整体结构图。

图3是图1的物镜光学系统的其他变形例的整体结构图。

图4A是示出在第2组的射出面上，主光线向外的轴外光的图。

图4B是示出在第2组的射出面上，主光线是远心的轴外光的图。

图4C是示出在第2组的射出面上，主光线向内的轴外光的图。

图5是示出通过光学模拟而得到的主光线倾角与像差的关系的曲线图。

图6是说明条件式(1)的导出方法的图。

图7是说明条件式(2)的导出方法的图。

图8是实施例1的物镜光学系统的整体结构图。

图9是图8的物镜光学系统的像差图。

图10是实施例2的物镜光学系统的整体结构图。

图11是图10的物镜光学系统的像差图。

图12是实施例3的物镜光学系统的整体结构图。

图13是图12的物镜光学系统的像差图。

图14是实施例4的物镜光学系统的整体结构图。

图15是图14的物镜光学系统的像差图。

图16是实施例5的物镜光学系统的整体结构图。

图17是实施例6的物镜光学系统的整体结构图。

图18是实施例7的物镜光学系统的整体结构图。

图19是图18的物镜光学系统的像差图。

图20是比较例1的物镜光学系统的整体结构图。

图21是图20的物镜光学系统的像差图。

图22是比较例2的物镜光学系统的整体结构图。

图23是图22的物镜光学系统的像差图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明一个实施方式的物镜光学系统。

如图1所示，本实施方式的物镜光学系统10具有从物体O侧起依次排列在光轴A上的第1组G1和第2组G2。物镜光学系统10也可以还具有如玻璃罩和滤光片那样的实质上不具有屈光力的光学元件。

第1组G1具有第1球透镜1和第1光学介质3。

第1球透镜1具有物体O侧的透镜面1a、和与物体O相反的一侧的透镜面1b。透镜面1a和透镜面1b是具有彼此相同的曲率半径并且具有共同的曲率中心的球面。

第1光学介质3配置于第1球透镜1的物体O侧。第1光学介质3在供来自物体O的光通过的透镜面1a上的整个光路区域，与透镜面1a紧贴。第1光学介质3的物体O侧的面(物体侧面)3a是平坦面或具有任意的曲率的球面。

第2组G2具有第2球透镜2和第2光学介质4。

第2球透镜2具有物体O侧的透镜面2a、和与物体O相反的一侧的透镜面2b。透镜面2a和透镜面2b是具有彼此相同的曲率半径并且具有共同的曲率中心的球面。

第2光学介质4配置于第2球透镜2的与物体O相反的一侧。第2光学介质4在供来自物体O的光通过的透镜面2b上的整个光路区域，与透镜面2b紧贴。第2光学介质4的与物体O相反的一侧的面(像侧面)4b是平坦面或具有任意的曲率的球面。

透镜面1b与透镜面2a之间的光路被空气填满。透镜面1b和透镜面2a可以在光轴A上的1个点处相互接触，也可以相互远离。

来自物体O的光是通过透过第1光学介质3、第1球透镜1、第2球透镜2和第2光学介质4来成像的。这时的成像位置还有时在第2球透镜2或第2光学介质4的内部。在该情况下，成像后的光束透过第2球透镜2和第2光学介质4，或透过第2光学介质4。物镜光学系统10的后侧焦点(第1组G1和第2组G2整体的后侧焦点)位于透镜面2a的与物体O相反的一侧。后侧焦点是平行光束入射到透镜系统时的成像位置。

第1光学介质3和第2光学介质4是光学上透明的液体或光学上透明的固体。液体例如是水或油。固体例如是塑料、玻璃或涂敷材料。光学介质3、4具有比空气的折射率大的折射率。基于第1组G1和第2组G2各自的制造的容易性的观点，光学介质3、4优选为光学粘接剂或树脂。例如，光学介质3、4是通过使通用的光学粘接剂在透镜面1a、2b上固化来形成的。

接着，对以这样的方式构成的物镜光学系统10的作用进行说明。

第1球透镜1和第2球透镜2分别具有正的屈光力。因此，能够通过第1球透镜1和第2球透镜2使从物体O入射到物镜光学系统10的光会聚，形成物体O的像I。

在该情况下，能够在球透镜1、2的制造中应用轴承用钢球的制造技术，因此，球透镜1、2的制造和微小化较容易。此外，球透镜1、2是球体，因此，组装较容易。因此，具有能够容易地制造例如适合搭载于小直径的内窥镜的前端部的小型物镜光学系统10这一优点。

此外，通过与透镜面1a紧贴的第1光学介质3，与不存在第1光学介质3的情况相比减少了透镜面1a上的光线的折射角。同样，通过与透镜面2b紧贴的第2光学介质4，与不存在第2光学介质4的情况相比减少了透镜面2b上的光线的折射角。由此，具有能够抑制球透镜1、2引起的像差的产生量并通过球透镜1、2形成像差较少的高质量的像I这一优点。

此外，通过设置有光学介质3，第1组G1的正的屈光力与球透镜1单体的正的屈光力弱。同样地，通过设置有光学介质4，第2组G2的正的屈光力比球透镜2单体的正的屈光力弱。根据本实施方式，通过使用两个球透镜1、2，能够补偿光学介质3、4引起的屈光力的减弱，从而实现与单体的球透镜1或2的正的屈光力同等或其以上的正的屈光力。

此外，通过设置有两个球透镜1、2，具有能够确保与由单一的球透镜构成的物镜光学系统的视场角同等或其以上的视场角这一优点。例如，仅由球透镜2和光学介质4构成的物镜光学系统的视场角比仅由球透镜2构成的物镜光学系统的视场角小。能够通过两个球透镜1、2补偿这样的光学介质3、4引起的视场角的减小。

另外，在本说明书中，“球透镜”是指如下透镜：物体侧的透镜面和与物体相反的一侧的透镜面是具有彼此相同的曲率半径并且具有共同的曲率中心的球面。因此，“球透镜”包含除了物体侧和与物体相反的一侧的两个透镜面以外的面是球面以外的形状的透镜。

在本实施方式中，设置有第1光学介质3和第2光学介质4双方，但是，也可以取而代之，如图2A和图2B所示，仅设置有第1光学介质3和第2光学介质4中的任意一方。

即使在省略了光学介质3、4中的任意一方的结构中，也能够得到透镜面1a或透镜面2b上的光线的折射角的减少效果。因此，能够利用两个球透镜1、2和一个光学介质3或4来兼顾抑制较大的屈光力及视场角和像差的产生。

在本实施方式中，也可以如图3所示，还具有像传输系统5，该像传输系统5配置于第2球透镜2的与物体O相反的一侧，传输由第1球透镜1和第2球透镜2形成的像I。

像传输系统5是多个透镜的组合或折射率分布型(GRIN)透镜。通过设置像传输系统5，能够使由第1组G1和第2组G2形成的像I在像面IMG的期望的位置上重新成像。

在具有像传输系统5的物镜光学系统11中，如图3所示，后侧焦点F优选位于第2球透镜2的内部。在后侧焦点F位于第2球透镜2内的设计中，与后侧焦点F位于第2球透镜2的与物体O相反的一侧的设计相比，物体侧面3a和透镜面1a的负的屈光力减小，各光束的边缘光线的最大光线高度降低。因此，能够进一步减少球面像差和色差。此外，在后侧焦点与球透镜1、2或光学介质3、4的光学面1a、1b、2a、2b、3a、4b一致的情况下，光学面上的灰尘等对由第1球透镜1和第2球透镜2形成的无限远的物体像产生影响，导致无限远的物体像的质量下降。通过使后侧焦点F位于第2球透镜2内，能够在焦点对准光路中的光学面1a、1b、2a、2b、3a、4b上的垃圾等的情况下，防止垃圾等的影响引起的无限远的物体像的质量下降。

在第1球透镜1和第2球透镜2具有彼此相同的半径并且由彼此相同的材料形成、第1光学介质3的物体侧面3a是与光轴A垂直的平坦面的情况下，物镜光学系统11满足下述条件式(1)。

0≤{n₁(2n₃-n₁)-n₁LN}/{2n₃-(n₁-3n₃)(n₁-2)-(n₁-1)LN}≤2……(1)

其中，n₁是第1球透镜1和第2球透镜2的折射率，R₁是第1球透镜1和第2球透镜2的半径，n₃是第1光学介质3的折射率，L是透镜面1b与透镜面2a之间的在光轴A上的间隔。N＝(n₁n₃+n₁-2n₃)/R₁。

条件式(1)规定了后侧焦点F位于第2球透镜2的内部的条件。即，通过设计成满足条件式(1)，能够制造后侧焦点F位于第2球透镜2内的物镜光学系统11。

在透镜面1b与透镜面2a在光轴A上相互相切(即，L＝0)的情况下，条件式(1)改写为下述条件式(1’)。

0≤{n₁(2n₃-n₁)}/{2n₃-(n₁-3n₃)(n₁-2)}≤2……(1’)

在后侧焦点F位于第2球透镜2内且像侧面4b是与光轴A垂直的平坦面的情况下，物镜光学系统11也可以满足下述条件式(2)。

1≤(R₁+R₂)*[{1/cos(2θ₂-θ₁)}-1]/L……(2)

其中，R₁是第1球透镜1的半径，R₂是第2球透镜2的半径，L是透镜面1b与透镜面2a之间的在光轴A上的间隔、n₂是第2球透镜2的折射率，n₄是第2光学介质4的折射率。θ₁＝sin^-1(1/n₄)、θ₂＝sin^-1(1/n₂)。

条件式(2)规定了最大像高处的与光轴A平行的光线不被折出(蹴られる)而通过第1组G1和第2组G2的条件。即，通过满足条件式(2)，能够防止第1组G1和第2组G中的渐晕的产生，最大限度确保视野。

在本实施方式中，物镜光学系统10、11也可以在光路中的任意位置还具有明亮度光圈6。能够利用明亮度光圈6适当地控制物体像I的明亮度。

明亮度光圈6优选配置于第2组G2的与物体O相反的一侧，例如，如图3所示，配置在像传输系统5内。

像差的产生量取决于第2球透镜2的透镜面2b上的最轴外光(最軸外光)的主光线相对于光轴的倾角。该倾角通过物镜光学系统10、11内的明亮度光圈6的位置来控制。如图4A和图4B所示，明亮度光圈6配置于第2组G2的光线的射出面(透镜面2b或像侧面4b)上的轴外光的主光线向外、远心或大致远心的位置。

具体而言，明亮度光圈6配置于主光线倾角θ为5°以下的位置。主光线倾角θ是最轴外光的主光线相对于光轴A的倾角。正的主光线倾角θ表示最轴外光的主光线向外(参照图4A。)，负的主光线倾角θ表示最轴外光的主光线向内(参照图4C。)。

图5示出了针对后述的实施例5的物镜光学系统，通过光学模拟分析主光线倾角θ与像差的关系所得的结果。在θ≤5°的范围内，几乎不产生波像差。另一方面，在θ>5°的范围内，主光线倾角θ越大，波像差越大。

这样，通过配置于第2组G2的与物体O相反的一侧的明亮度光圈6的位置将主光线倾角θ控制为5°以下，由此能够进一步抑制像差的产生。

具有明亮度光圈6的物镜光学系统10、11能够优选与摄像元件进行组合。摄像元件例如配置于像传输系统5的与物体O相反的一侧。能够通过明亮度光圈6适当地调整由摄像元件拍摄的像I的明亮度。也可以替代摄像元件，将透镜、光圈、镜框等任意的元件配置于像传输系统5的与物体O相反的一侧。

接着，参照图6和图7，对条件式(1)和(2)的导出方法进行说明。

条件式(1)以下述的方式被导出。

如图6所示，执行近轴光线跟踪。后侧焦点F是与光轴A平行地入射的近轴光线i与光轴A交叉的位置。后侧焦点F位于第2球透镜2的内部，等价于在第2球透镜2的透镜面2a上所折射的近轴光线j在到达透镜面2b之前与光轴A交叉、即、透镜面2a与后侧焦点F之间的距离X满足下式(a)。

0≤X≤2×R₁……(a)

各面3a、1a、1b、2a上的折射矩阵R₁、R₂、R₃、R₄和传输矩阵T₁、T₂、T₃如下所述。

[式1]

在入射到物体侧面3a的近轴光线i(h₁、0)通过透镜面2a上的折射而成为光线j(h₄、α₄)的情况下，下式(b)成立。

[式2]

当根据式(b)求出α₄、h₄时，得到X＝h₄/(α₄/h₁)。根据X和式(a)，导出条件式(1)。

条件式(2)以下述的方式被导出。

首先，如图7所示，根据从像I朝向物体O的光线k通过透镜面2a的条件，求出h_max。在图7中，标记C1表示第1球透镜1的中心，标记C2表示第2球透镜2的中心。

为了使光线k通过透镜面2a，根据斯涅耳定律，需要满足下式。

n₂sinθ₂≤1……(c)

此外，根据透镜面2b上的斯涅耳定律，下式(d)成立。

n₄sinθ₁＝n₂sinθ₂……(d)

其中，sinθ₁＝h/R₂……(e)。根据式(c)、(d)、(e)，得到1≤R₂/hn₄，由此计算为h_max＝R₂/h₄。

接着，考虑通过透镜面2a的边缘后的光线与第1球透镜1交叉的条件。该条件大致等价于通过透镜面2a的边缘后的光线通过第1球透镜1和折射率为n₃的物质的条件。

在上述条件中，图7的D满足D≤R₁……(f)。

根据图7的几何学关系，D如下式(g)那样表示。

[式3]

根据式(f)和式(g)，导出条件式(2)。其中，根据透镜面2a和透镜面2b上的斯涅耳定律，满足下式。

θ₁＝sin^-1(h_max/R₂)＝sin^-1(1/n₄)

θ₂＝sin^-1(1/n₂)

【实施例】

接着，对本实施方式的物镜光学系统10、11的实施例进行说明。

在各实施例的透镜数据中，r表示曲率半径(mm)，d表示面间隔(mm)，Nd表示对于d线的折射率，νd表示对于d线的阿贝数，OBJ表示物体面，IMG表示像面，S表示明亮度光圈。各实施例的物镜光学系统的像差图示出了由第1组和第2组形成的像的像差。

(实施例1)

图8示出本发明的实施例1的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统由第1球透镜、第2球透镜、第1光学介质、第2光学介质和明亮度光圈构成。在图8中，省略了明亮度光圈的图示。

图9示出本实施例的物镜光学系统的像差图。

透镜数据

各种数据

图20示出比较例1的物镜光学系统。比较例1的物镜光学系统由单一的球透镜和明亮度光圈构成。在图20中，省略了明亮度光圈的图示。比较例1的透镜数据和各种数据如下所述。图21示出比较例1的物镜光学系统的像差图。

根据图9与图21的比较可知，本发明的实施例1的物镜光学系统的像差、特别是球面像差、色差和像面弯曲与比较例1的像差相比大幅度地减少。

透镜数据

各种数据

图22示出比较例2的物镜光学系统。比较例2的物镜光学系统由单一的球透镜、平凸透镜和明亮度光圈构成。平凸透镜起到校正球透镜所产生的像差的作用。在图22中，省略了明亮度光圈的图示。比较例2的透镜数据如下所述，物体侧数值孔径是0.018。图23示出比较例2的物镜光学系统的像差图。

根据图9与图23的比较可知，本发明的实施例1的物镜光学系统的像差、特别是球面像差、色差和像面弯曲与比较例2的物镜光学系统的像差相比大幅度地减少。即，第1光学介质和第2光学介质引起的球透镜的像差的抑制效果比平凸透镜引起的球透镜的像差的校正效果大。

透镜数据

(实施例2)

图10示出本发明的实施例2的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统由第1球透镜、第2球透镜、第1光学介质、第2光学介质和明亮度光圈构成。在图10中，省略了明亮度光圈的图示。

第1球透镜和第2球透镜具有相同的半径并且由相同的材质构成。后侧焦点F位于第2球透镜内。后侧焦点F与第2球透镜的与物体相反的一侧的透镜面之间的距离是0.244mm。

图11示出本实施例的物镜光学系统的像差图。与实施例1相比，进一步减少了本实施例的物镜光学系统的球面像差和色差。

透镜数据

各种数据

(实施例3)

图12示出本发明的实施例3的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统由第1球透镜、第2球透镜、第1光学介质、第2光学介质和明亮度光圈构成。在图12中，省略了明亮度光圈的图示。

第1球透镜和第2球透镜具有相同的半径并且由相同的材质构成。第1光学介质的物体侧面是与光轴垂直的平坦面。后侧焦点F位于第2球透镜内。具体而言，条件式(1)的不等式的中间值是1.456，本实施例的物镜光学系统满足条件式(1)。后侧焦点F与第2球透镜的与物体相反的一侧的透镜面之间的距离是0.268mm。

图13示出本实施例的物镜光学系统的像差图。

透镜数据

各种数据

(实施例4)

图14示出本发明的实施例4的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统由第1球透镜、第2球透镜、第1光学介质、第2光学介质和明亮度光圈构成。在图14中，省略了明亮度光圈的图示。

第1球透镜和第2球透镜具有相同的半径并且由相同的材质构成。第1球透镜和第2球透镜在光轴上的一个点处相互接触。第1光学介质的物体侧面是与光轴垂直的平坦面。后侧焦点F位于第2球透镜内。具体而言，条件式(1’)的不等式的中间值是1.52，本实施例的物镜光学系统满足条件式(1’)。后侧焦点F与第2球透镜的与物体相反的一侧的透镜面之间的距离是0.336mm。

图15示出本实施例的物镜光学系统的像差图。

透镜数据

各种数据

(实施例5)

图16示出本发明的实施例5的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统是在实施例4的物镜光学系统中组合由多个透镜的组合构成的像传输系统的例子。明亮度光圈配置于像传输系统内。

透镜数据

各种数据

(实施例6)

图17示出本发明的实施例6的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统是在实施例2的物镜光学系统中组合由GRIN透镜构成的像传输系统的例子。明亮度光圈配置于像传输系统内。

透镜数据

各种数据

(实施例7)

图18示出本发明的实施例7的物镜光学系统的结构。本实施例的物镜光学系统由第1球透镜、第2球透镜、第1光学介质、第2光学介质和明亮度光圈构成。在第2光学介质的与物体相反的一侧还设置有像传输系统。第2光学介质的像侧面是与光轴垂直的平坦面。本实施例的物镜光学系统是L＝0，因此，满足条件式(2)。

图19示出本实施例的物镜光学系统的像差图。

透镜数据

各种数据

标号说明

10、11：物镜光学系统；1：第1球透镜；2：第2球透镜；3：第1光学介质；4：第2光学介质；5：像传输系统；6：明亮度光圈；G1：第1组；G2：第2组；A：光轴；F：后侧焦点；I：像；O：物体。

Claims (7)

1.一种物镜光学系统，其具有：

从物体侧起依次排列的第1球透镜和第2球透镜；以及

第1光学介质和第2光学介质中的至少一方，

所述第1光学介质是配置于所述第1球透镜的所述物体侧的固体或液体，所述第1光学介质紧贴于所述第1球透镜的所述物体侧的面上的整个光路区域，

所述第2光学介质是配置于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧的固体或液体，所述第2光学介质紧贴于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧的面上的整个光路区域，

所述第1球透镜与所述第2球透镜之间的光路由空气填满。

2.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其中，

后侧焦点位于所述第2球透镜的所述物体侧的面的、与所述物体相反的一侧。

3.根据权利要求2所述的物镜光学系统，其中，

所述物镜光学系统具有像传输系统，该像传输系统配置于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧，所述后侧焦点位于所述第2球透镜的内部。

4.根据权利要求3所述的物镜光学系统，其中，

所述第1球透镜和所述第2球透镜具有彼此相同的半径，并由彼此相同的材料形成，

所述第1光学介质的所述物体侧的面是与光轴垂直的平坦面，

所述物镜光学系统满足下述条件式(1)，

0≤{n₁(2n₃-n₁)-n₁LN}/{2n₃-(n₁-3n₃)(n₁-2)-(n₁-1)LN}≤2……(1)

其中，

n₁是所述第1球透镜和所述第2球透镜的折射率，

R₁是所述第1球透镜和所述第2球透镜的半径，

n₃是所述第1光学介质的折射率，

L是所述第1球透镜的与所述物体相反的一侧的面与所述第2球透镜的所述物体侧的面之间的在光轴上的间隔，

N＝(n₁n₃+n₁-2n₃)/R₁。

5.根据权利要求3所述的物镜光学系统，其中，

所述第2光学介质的所述相反的一侧的面是与光轴垂直的平坦面，

所述物镜光学系统满足下述条件式(2)，

1≤(R₁+R₂)*[{1/cos(2θ₂-θ₁)}-1]/L……(2)

其中，

R₁是所述第1球透镜的半径，

R₂是所述第2球透镜的半径，

L是所述第1球透镜的与所述物体相反的一侧的面与所述第2球透镜的所述物体侧的面之间的在光轴上的间隔，

n₂是所述第2球透镜的折射率，

n₄是所述第2光学介质的折射率，

θ₁＝sin^-1(1/n₄)、θ₂＝sin^-1(1/n₂)。

6.根据权利要求1所述的物镜光学系统，其中，

该物镜光学系统还具有明亮度光圈，

该明亮度光圈配置于所述第2球透镜的与所述物体相反的一侧。

7.一种内窥镜，其包含权利要求1所述的物镜光学系统。

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