CN112731638A - 一种内窥镜光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内窥镜光学系统,包括第一透镜组,第二透镜组和第三透镜组组成并从物体侧依次排列，通过在光轴上移动第二透镜组进行光学系统变焦；其中，第三透镜组包括至少一个正胶合透镜，负胶合透镜，正透镜和负透镜并依次排列；第二透镜组是由正胶合透镜，负胶合透镜组成；第一透镜组是由平凹透镜和凸面透镜组成；平凹透镜凹面朝向像面的进行设置；凸面透镜朝向物面进行设置。本方案为一种像差被良好校正的紧凑型内窥镜光学系统，能够匹配具有大CRA要求的高像素CMOS图像传感器，具有光学放大功能，且具有超清观察效果。

Description

一种内窥镜光学系统

技术领域

本发明涉及内窥镜技术领域，具体涉及一种具有变焦功能的内窥镜光学系统。

背景技术

在现代医疗检查时，使用内窥镜能够在人体内进行病变检查，而为了直接在人体内完成病变的诊断，可以使用具有放大观察功能的内窥镜。具有放大观察功能的内窥镜含有变焦物镜，该物镜在常规观察状态下具有大视场角特点，适用于整体观察；而在近距离状态下，通过内部镜片位置的切换后实现光学变焦，具有小视场角的特点，适用于局部观察，例如一下专利均实现了内窥镜物镜放大观察功能。

日本专利JP5580953B1(以下记为“专利文献1”)公开了一种由正-负-正三组透镜构成的变倍物结构，通过第二透镜组沿光轴移动实现变倍和对焦。日本专利JP5567114B2(以下记为“专利文献2”)公开了一种由负-正-负四组透镜构成的变倍物镜结构，通过第二透镜组组合第三透镜组沿光轴移动实现变倍和对焦。日本专利JP6674450B2(以下记为“专利文献3”)公开了一种由三组透镜构成的倍率物镜结构，第一透镜组为正透镜组，第二透镜组为负透镜组，第三透镜组至少具有凹面朝向物体侧的凸凹透镜及正透镜组组成，通过使至少第二透镜组相对固定透镜组即第一透镜组沿光轴方向移动，实现光学像变倍。

近年来，随着CMOS图像传感器技术的发展，其相对CCD图像传感器，具有低成本，低功耗的特点，并且还在图像解析度和帧数上具有优势，所以在内窥镜光学系统中，也逐步采用CMOS来取代CCD。对于高像素的CMOS图像传感器，CMOS图像传感器，为了更好接收紧凑型物镜的边缘光线，自身通过修正CMOS表面上的微透镜阵列，使越远离CMOS图像传感器中心的像素匹配越大于入射角度光线(从物镜入射到CMOS表面)，从而具有特定的CRA(主光线入射角)要求，所以实际应用时，需要物镜的像面CRA与之匹配，不然会导致边缘画面出现暗区或者色偏。

上述专利文献1和专利文献2所记载的内窥镜物镜，通过采用较长的物镜结构，保证边缘视场光线在所有镜组上的光线高度都较小，从而使在整个物镜在变倍过程中各镜组都具有较小的轴外像差且能被移动镜组校正，但是该种结构并不适用于高像素的大尺寸图像传感器，会导致整个内窥镜巨型化；另外，虽然专利文献3能够实现紧凑化设计，但是同专利文献1和专利文献2一样，其边缘视场在像面上的主光线入射角偏小并且随着物镜变倍而变化，所以并不能匹配具有大CRA要求的CMOS图像传感器。

由此可见，现急需提供一种适用性强的内窥镜光学系统为本领域需解决的问题。

发明内容

针对于现有内窥镜光学系统存在适用性低的技术问题，本发明的目的在于提供一种具有变焦功能的内窥镜光学系统，很好地解决了上述的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供的内窥镜光学系统,包括第一透镜组,第二透镜组和第三透镜组组成；所述第一透镜组,第二透镜组和第三透镜组从物体侧依次排列，通过在光轴上移动第二透镜组进行光学系统变焦。

所述第三透镜组包括至少一个正胶合透镜，负胶合透镜，正透镜和负透镜；所述正胶合透镜，负胶合透镜，正透镜和负透镜从第二透镜组侧依次排列；所述正胶合透镜与负胶合透镜相互配合可以进行球差和色差校正；所述正透镜与负透镜配合可以进行慧差、像散、倍率色差和场曲校正；

所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

W1＞60°

W2＜55°

0.2<|f1/f3|<1

所述W1是最远点观察时的最大半视场角；所述W2是最近点观察的最大半视场角；所述f1是第一透镜组100焦距，所述f3是第三透镜组300焦距。

进一步地，所述第二透镜组是由正胶合透镜，负胶合透镜组成；所述正胶合透镜与负胶合透镜从第一透镜组侧依次设置；所述正胶合透镜与负胶合透镜进行配合连接，具有正的光焦度，可以对近距离下的倍率色差进行矫正；所述第二透镜组与第三透镜组之间设有固定光阑。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

θ>20°

所述θ是内窥镜光学系统中最大像高对应的视场主光线在像面上的入射角。

进一步地，所述第一透镜组是由平凹透镜和凸面透镜组成；所述平凹透镜凹面朝向像面的进行设置；所述凸面透镜朝向物面进行设置。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.6<|f2/f1|<0.8

所述f1是第一透镜组的焦距；所述f2是第二透镜组200的焦距。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.15<|f2/f3|<0.5

所述f2是第二透镜组200的焦距；所述f3是第三透镜组300的焦距。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

TT/ymax<8

所述TT是内窥镜光学系统的总长(不包括物距)；所述ymax是内窥镜光学系统的最大半像高。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.8<d/ft<1.4

所述d是近距离和远距离观察状态下第2透镜组的移动距离；所述ft是最远点观察时的物镜焦距。

本发明提供的内窥镜光学系统，其为一种像差被良好校正的紧凑型内窥镜光学系统，能够匹配具有大CRA要求的高像素CMOS图像传感器，具有光学放大功能，且具有超清观察效果。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图2为本内窥镜光学系统在最近点观察状态时的概略结构图。

图3为本实施例1中的内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图4为本实施例1中的内窥镜光学系统在最近点观察状态时的概略结构图。

图5为本实施例1中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差图。

图6为本实施例1中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差和CRA曲线图。

图7为本实施例1中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差图。

图8为本实施例1中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差和CRA曲线图。

图9为本实施例2中的内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图10为本实施例2的内窥镜光学系统在最近点观察状态时的概略结构图。

图11为本实施例2中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差图。

图12为本实施例2中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差和CRA曲线图。

图13为本实施例2中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差图。

图14为本实施例2中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差和CRA曲线图。

图15为本实施例3中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图16为本实施例3中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的概略结构图。

图17为本实施例3中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差图。

图18为本实施例3中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的像差和CRA曲线图。

图19为本实施例3中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差图。

图20为本实施例3中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的像差和CRA曲线图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本方案提供的一种内窥镜光学系统，参见图1-图2，其包括第一透镜组100，第二透镜组200和第三透镜组300，从物体侧依次排列。通过在光轴上移动第二透镜组200进行光学系统变焦。

第三透镜组300至少具有一个正胶合透镜310和负胶合透镜320，一个正透镜330和一个负透镜340。正胶合透镜310，负胶合透镜320，正透镜330和负透镜340依次排列。其中，正胶合透镜310和负胶合透镜320相互配合连接，与第二透镜组200进行相对设置，上述内窥镜光学系统满足如下条件式：

W1＞60°…(1)

W2＜55°…(2)

0.2<|f1/f3|<1…(3)

其中，W1是最远点观察时的最大半视场角，W2是最近点观察的最大半视场角，f1是第一透镜组100焦距，f3是第三透镜组300焦距。

其中，负透镜340能够有效的增大主光线出射角，而配合正透镜330使用，在保证内窥镜光学系统具有较大边缘视场CRA的同时具有良好像差校正能力，其中正胶合透镜310与负胶合透镜320具有良好的球差和轴上的色差校正能力；正负分离透镜具有良好的慧差，像散，倍率色差和场曲校正能力。

条件式(1)为了在生物体内进行常规病变检查时，需要尽可能广角，减少漏检率，所以至少需要半视场角大于60度。

条件式(2)为了在近距离放大观察时，具有足够的放大倍率，能够完成病变诊断，所以至少需要半视场角小于55度。

条件式(3)是为了良好校正像差的同时设计小型化。若超过条件式(3)的上限，第一透镜组100对光线折射不足，该透镜组结构大型化；若超过条件式(3)的下限，则无法充分进行第一透镜组100中的像差，特别是慧差，像散和倍率色差，难以校准。

本内窥镜光学系统中的第二透镜组200是由一个正胶合透镜210和一个负胶合透镜220组成，正胶合透镜210和负胶合透镜220相互配合，且具有正的光焦度。正胶合透镜210和负胶合透镜220相互配合连接，其中负胶合透镜220相对第三透镜组300中的正胶合透镜310设置。

若第二透镜组200使用单镜片，则无法校正近距离状态下的倍率色差。若使用双分离镜片，则在镜头组装时两个镜片容易出现相对偏心和倾斜，并且改透镜组作为移动透镜组，装配误差不仅影响物镜像，也会影响两种观察状态下的物镜像差差异，致使增加最终的校像难度。

而本实例中第二透镜组200采用正负双胶合透镜，具有简单的结构又有足够的像差校正能力。

在第二透镜组200和第三透镜组300之间具有固定光阑400。在第二透镜组200和第三透镜组300之间设置固定光阑400是为了使光阑和像面之间的结构不受第二透镜组200移动影响，这样在两种观察状态下，物镜的CRA随像方视场的变化曲线保持一致。

若将固定光阑400置于第二透镜组200前，由于第二透镜组200移动，会导致固定光阑400后的第二透镜组200和第三透镜组300的组合焦距发生改变，从而使两种观察状态下物镜的CRA随像方视场的变化曲线产生差异。这样会导致很难使两种观察状态下，物镜的CRA曲线都与CMOS传感器的CRA曲线匹配。

在上述实例中，该内窥镜光学系统满足如下条件式：

θ>20°…(4)

其中，θ是内窥镜光学系统中最大像高对应的视场主光线在像面上的入射角。需要内窥镜光学系统其最大像高对应的现场主光线在像面上的入射角θ能大于20度，这样能够使内窥镜光学系统的CRA曲线与COMS传感器CRA曲线尽可能的匹配。

本内窥镜光学系统中的第一透镜组100是由一个平凹透镜110和平凸透镜120组成。其中平凹透镜110的凹面朝向像面设置，平凸透镜120的凸面朝物面设置；其中，平凸透镜120相对第二透镜组200设置。

由于内窥镜物镜是广角物镜，第一透镜组100的组装误差对视场像差具有较高灵敏度，所以采用凹面朝向像面的平凹透镜110和凸面朝向物面的平凸透镜120进行组合，两个镜片的平面之间采用间隔圈进行定位，相对于球面镜片，两个镜片之间具有更小的相对倾斜误差，降低装配难度。

由上述第一透镜组100，第二透镜组200和第三透镜组300相互配合构成的一种内窥镜光学系统，其中第一透镜组100和第二透镜组200还需满足下列条件式：

0.6<|f2/f1|<0.8…(5)

其中，f1是第一透镜组100的焦距，f2是第二透镜组200的焦距。

条件式(5)是为了具有良好工艺性且设计小型化。若超出条件(5)的上限0.8，则第二透镜组200位置灵敏度较低，第二透镜组200移动量变长，导致光学系统变长；若超出条件(5)的下限0.6，则第二透镜组200位置灵敏度较高，容易导致实际装配结果与设计差异较大，需要提升结构零件加工和装配精度，导致工艺难度大。

进一步地，第二透镜组200和第三透镜组300需满足下列条件式：

0.15<|f2/f3|<0.5…(6)

其中，f2是第二透镜组200的焦距，f3是第三透镜组300的焦距。

条件式(6)是为了良好校正像差和校像工艺性。若超出条件(6)中式子的下限0.15，则第三透镜组300的焦距变大，则校正场曲的能力不足，容易导致整体像面清晰度不一致；若超出条件(6)中式子的上限0.5，则第三透镜组300的焦距变小，导致内窥镜光学系统后焦距变短，采用sensor校像调节时空间受限。

进一步地，该内窥镜光学系统还需满足如下条件式：

TT/ymax<8…(7)

其中，TT是内窥镜光学系统的总长(不包括物距)，ymax是内窥镜光学系统的最大半像高。

条件式(7)是限制内窥镜光学系统相对sensor的长度，若超过条件式(7)上限时8，整体光学系统过长。

进一步地，0.8<d/ft<1.4…(8)

其中，d是两种观察状态下第2透镜组的移动距离，ft是最远点观察时的物镜焦距。

条件式(8)是规定第二透镜组200的位置调整量，若超出条件式(8)上限1.4时，则由于调整量过大，导致整体光学系统过长；若超出条件式(8)下限时0.8，则很难充分确保规定的调整量，增加了元件制造难度。

下面举例说明其在具体应用时的工作过程。

本方案提供的内窥镜光学系统，其具体通过在光轴上移动第二透镜组200进行光学系统变焦，下面列举了3个实施例对其进行说明：

实施例1：

参见图3-图8，表示的是当第二透镜组200移动到像面侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最近点观察状态，基于上述第二透镜组200的状态。

具体参见表1，表2,和表3的数据，其为本实例中进行具体实验测试的参数和测试结果。

表1

表2

	常规观察状态	近距离放大观察状态
			DO	10.000	2.10
D6	1.636	0.194
			D9	0.100	1.542
视场角	145.000	95
			Fno	8.000	8

表3

条件式	值
		W1	72.5
W2	47.5
		|f1/f3|	0.50
θ	31.99
		|f2/f1|	0.73
|f2/f3|	0.37
		TT/ymax	7.36
d/ft	0.98

实施例2：

参见图9-图14，表示的是当第二透镜组200移动到像面侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最近点观察状态.基于上述第二透镜组200的状态。

具体参见表4，表5,和表6的数据，其为本实例中进行具体实验测试的参数和测试结果。

表4

表5

表6

条件式	值
		W1	72.5
W2	47.5
		|f1/f3|	0.59
θ	33.00
		|f2/f1|	0.70
|f2/f3|	0.41
		TT/ymax	6.83
d/ft	1.06

实施例3：

参见图15-图20，表示的是当第二透镜组200移动到像面侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最近点观察状态.基于上述第二透镜组200的状态。

具体参见表7，表8,和表9的数据，其为本实例中进行具体实验测试的参数和测试结果。

表7

表8

	常规观察状态	近距离放大观察状态
			DO	15.0000	2.20
D6	2.354	0.484
			D9	0.100	1.970
视场角	170.000	95
			Fno	8.000	8

表9

条件式	值
		W1	85.0
W2	47.5
		|f1/f3|	0.28
θ	30.00
		|f2/f1|	0.67
|f2/f3|	0.19
		TT/ymax	7.75
d/ft	1.25

由上述三个实施例中的数据能够看出,内窥光学系统满足条件式(1)～条件式(8)，是一种像差被良好校正的紧凑型内窥镜光学系统，能够匹配具有大CRA要求的高像素CMOS图像传感器，具有光学放大功能，且具有超清观察效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种内窥镜光学系统,其特征在于,包括第一透镜组,第二透镜组和第三透镜组组成；所述第一透镜组,第二透镜组和第三透镜组从物体侧依次排列，通过在光轴上移动第二透镜组进行光学系统变焦。

所述第三透镜组包括至少一个正胶合透镜，负胶合透镜，正透镜和负透镜；所述正胶合透镜，负胶合透镜，正透镜和负透镜从第二透镜组侧依次排列；所述正胶合透镜与负胶合透镜相互配合可以进行球差和色差校正；所述正透镜与负透镜配合可以进行慧差、像散、倍率色差和场曲校正；

所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

W1＞60°

W2＜55°

0.2<|f1/f3|<1

所述W1是最远点观察时的最大半视场角；所述W2是最近点观察的最大半视场角；所述f1是第一透镜组100焦距，所述f3是第三透镜组300焦距。

2.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜组是由正胶合透镜，负胶合透镜组成；所述正胶合透镜与负胶合透镜从第一透镜组侧依次设置；所述正胶合透镜与负胶合透镜进行配合连接，具有正的光焦度，可以对近距离下的倍率色差进行矫正；所述第二透镜组与第三透镜组之间设有固定光阑。

3.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

θ>20°

所述θ是内窥镜光学系统中最大像高对应的视场主光线在像面上的入射角。

4.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组是由平凹透镜和凸面透镜组成；所述平凹透镜凹面朝向像面的进行设置；所述凸面透镜朝向物面进行设置。

5.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.6<|f2/f1|<0.8

所述f1是第一透镜组的焦距；所述f2是第二透镜组200的焦距。

6.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.15<|f2/f3|<0.5

所述f2是第二透镜组200的焦距；所述f3是第三透镜组300的焦距。

7.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

TT/ymax<8

所述TT是内窥镜光学系统的总长(不包括物距)；所述ymax是内窥镜光学系统的最大半像高。

8.根据权利要求1所述的一种内窥镜光学系统，其特征在于，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.8<d/ft<1.4

所述d是近距离和远距离观察状态下第2透镜组的移动距离；所述ft是最远点观察时的物镜焦距。

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