CN112748556A - 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，来从最远点物体向最近点物体对焦。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；第二透镜组为调焦透镜，凸面朝向像面进行设置；第一透镜组是由凹面朝向像面的平凹透镜和凸面透镜朝向像面的凸面透镜组成。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，具有光学调焦功能，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，而为了更精细的检查病变，需要更高图像质量的病变图像。这是需要选用更高像素的图像传感器，且需要内窥镜光学系统具有更优的观察景深。相对于以往的内窥镜光学系统，匹配高像素的图像传感器需要更大的焦距，在相同的光圈下，对应的景深就会变小。而如果通过缩小光圈来扩展景深，则会由于衍射造成图像像质恶劣，且图像整体亮度会下降，所以就需要具有调焦功能的内窥镜光学系统。且为了在整个景深范围内观察时都具有较广的观察视野，要求内窥镜光学系统在调焦观察视角变动少。作为这样的物镜光学系统，存在专利文献1～3中所记载的物镜光学系统。

专利文献1：日本专利JP4934233B2

专利文献2：日本专利JP6355866B2

专利文献3：日本专利JP6230770B1

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。所以内窥镜光学系统中，也逐步采用CMOS取代CCD。对于高像素的CMOS图像传感器，具有较大的像面尺寸，需要在内窥镜应用时实现内窥镜光学系统紧凑化设计。

另外，常见的CMOS图像传感器，为了更好接收紧凑型内窥镜光学系统的边缘光线，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光线(从内窥镜光学系统入射大哦CMOS表面)，从而具有特定的CRA(光线入射角)要求，所以实际应用时，需要内窥镜光学系统的像面与之匹配，不然会导致边缘画面出现暗区或者色偏。

具有调焦功能的光学系统在进行调焦时，需要使透镜移动。因此，一般存在调焦光学系统的全长会大于固定焦点光学系统的全长。而为了匹配高像素的CMOS图像传感器，需要内窥镜光学系统进行紧凑化设计，且匹配CMOS图像传感器的CRA要求，并具有良好的光学像差校准。

在紧凑化设计方面，上述专利文献1中记载的物镜光学系统像高为1.72mm，能够匹配大尺寸的图像传感器，并利用简单的结构减少镜片，从而使物镜光学系统紧凑化，并且该物镜光学系统通过使边缘视场光线在所有镜组上的光线高度相对较低，使在整个物镜光学系统在调焦过程中各镜组都具有较小的轴外像差且能够移动镜组校正。

而上述专利文献2中记载的物镜光学系统通过整体系统缩放，虽然整个物镜光学系统小型化，但像高仅为0.6mm，只能匹配的小尺寸的图像传感器。

上述专利文献3中记载的物镜光学系统具有小型化且匹配较大尺寸图像传感器的综合性能，像高能达到1mm。显然，以等比例缩小系统尺寸为前提的紧凑化设计是无法匹配高像素大尺寸CMOS图像传感器的。

另外，专利文献1，专利文献2和专利文献3中记载的物镜光学系统，其最终入射到像面上的边缘视场光线接近远心设计，显然无法与大CRA要求的图像传感器匹配。

由此可见，如何能够提高光学系统的适用性为本领域需解决的问题。

发明内容

针对于现有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调焦功能的双焦点内窥镜光学系统，很好地解决了上述的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供的可调焦的内窥镜光学系统，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，来从最远点物体向最近点物体对焦；所述第二透镜组为调焦透镜，凸面朝向像面进行设置；所述第二透镜组与第三透镜组之间设有固定光阑；所述固定光阑设置在第二透镜组的入射光线处，可以使第二透镜组在整个光学系统中入射光线与出射光线角度都偏小；

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，所述第一透镜组包括第一透镜组包括平凹透镜和平凸透镜，从物体侧依次排列；所述平凹透镜的凹面朝向像面进行设置；所述平凸透镜的凸面朝向像面进行设置。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.95<|f1/f3|<1.6

所述f1是第一透镜组焦距；所述f3是第三透镜组焦距。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

1.2<|f1/ft|<2.2

所述f1是第一透镜组焦距；所述ft是内窥镜光学系统最远点观察时的焦距。

进一步地，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

TT/IH<5.5

所述TT是内窥镜光学系统的总长(不包括物距)；所述IH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：

0.4<d/ft<0.6

所述ft是内窥镜光学系统最远点观察时的焦距；所述d是近距离和远距离两种观察状态下第二透镜组的移动距离。

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，具有光学调焦功能，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为本双焦点内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图2为本双焦点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近点观察状态时的像差图。

图7为本实施例2中内窥镜光学系统在最远点观察状态时的概略结构图。

图8为本实施例2中内窥镜光学系统在最近点观察状态时的概略结构图。

图9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10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11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12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13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14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。

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，包括第一透镜组，第二透镜组和第三透镜组；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，来从最远点物体向最近点物体对焦。

其中，第二透镜组200包括调焦透镜210，其凸面朝向像面设置；第二透镜组200与第三透镜组300之间具有固定光阑400，上述内窥镜光学系统满足如下条件式

θ>20°…(1)

其中，θ是内窥镜光学系统最大像高对应的视场主光线在像面上的入射角。

根据本方式，第二透镜组200采用一个凸面朝向像面的调焦透镜210，且位于固定光阑400之前，这样第二透镜组200在整个光学系统中其入射光线和出射光线角度都偏小，整个调焦过程中也不会产生高级像差，便于整个系统简单化设计，并且由于靠近固定光阑400光线在第二透镜组200上的高度也最小化，所以活动机构设计也能小型化。

其次，由于固定光阑400位于第二透镜组200之后，在调焦过程中，固定光阑400与像面IH之间的光线基本不变，这样在近距离和远距离两种观察状态下，内窥镜光学系统的CRA基本相同，不会由于调焦导致CRA与图像传感器不匹配。

另外，目前高像素的COMS图像传感器其CRA要求集中在20°到30°之间，所以条件式(1)是为了内窥镜光学系统其最大像高对应的视场主光线在像面IH上的入射角θ能大于20°，这样能够使内窥镜光学系统的CRA曲线与CMOS传感器的CRA曲线尽可能匹配。

第三透镜组300包括至少一个正胶合透镜310，一个负胶合透镜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从第二透镜组200侧依次排列。

其中，正胶合透镜310与负胶合透镜320相互连接并配合使用，正负胶合透镜具有良好的球差和轴上色差校正能力；正透镜330与负透镜340进行连接，负透镜340能够有效增大主光线出射角，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；其次，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。

上述内窥镜光学系统满足如下条件式：

0.95<|f1/f3|<1.6…(2)

其中，f1是第一透镜组焦距，f3是第三透镜组焦距。

条件式(2)是为了良好校正像差的同时设计紧凑化。若超过条件式(2)的上限1.6，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(2)的下限0.95，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。

接着，第一透镜组100包括平凹透镜110和平凸透镜120，从物体侧依次排列；其中平凹透镜110的凹面朝向像面进行设置，平凸透镜120的凸面朝向像面进行设置。

由于内窥镜光学系统是广角物镜，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和凸面朝向像面的平凸透镜120进行组合，两个镜片都能够直接贴合机械结构件上的台阶面，相对于球面镜片，两个镜片的装配倾斜误差将容易控制，降低装配难度。

上述内窥镜光学系统满足如下条件式：

1.2<|f1/ft|<2.2…(3)

其中，ft是内窥镜光学系统最远点观察时的焦距。

条件式(3)是对视场角的限制。若超出条件(3)的上限2.2时，该内窥镜光学系统视场角变大，虽然能够确保足够的观察范围，但由于装配误差，容易产生视场偏差和边角杂光；若超出条件(3)的下限1.2时，则该内窥镜光学系统视场角变小，导致临床使用时观察范围不足。

进一步地，该内窥镜光学系统还满足如下条件式：

TT/IH<5.5…(4)

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

条件式(4)是限制内窥镜光学系统相对sensor的长度，若超过条件式(4)上限5.5时，整体光学系统过长。

进一步地，该内窥镜光学系统还满足如下条件式：

0.4<d/ft<0.6…(5)

其中，d是两种观察状态下第二透镜组200的移动距离。

条件式(5)是规定第二透镜组200的位置调整量。若超出条件式(5)上限0.6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(5)下限0.4时，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，其通过在光轴上移动第二透镜组200进行光学系统调焦，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6，表示的是当第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到像面侧的状态，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

编号	半径	厚度	折射率	阿贝数
					SO	Infinity	15.000
1	Infinity	0.300	1.883	40.87
					2	1.291	0.772
3	6.106	0.525	1.850	30.06
					4	Infinity	0.100
5	1.310	0.705	1.487	70.42
					6	1.948	1.139
Stop	Infinity	0.050
					8	1.870	1.040	1.618	63.41
9	-0.882	0.300	1.620	36.35
					10	-2.339	0.145
11	3.896	0.558	1.618	63.41
					12	Infinity	0.275
13	-1.609	0.300	1.755	27.55
					14	Infinity	0.000
15	Infinity	0.210	1.607	70.00
					16	Infinity	0.838
17	Infinity	0.300	1.517	64.21
					18	Infinity	0.045
SI	Infinity

表2

表3

条件式	值
		θ	32.7
|f1/f3|	1.06
		|f1/ft|	1.39
TT/IH	5.12
		d/ft	0.46

实施例2：

参见图7-图10，表示的是当第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到像面侧的状态，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

	最远点观察状态	最近点观察状态
			DO	15.000	3.900
D4	0.100	0.866
			D6	1.332	0.566
半视场角(°)	72.0	71.6
			Fno	7.5	7.6

表6

条件式	值
		θ	35.8
|f1/f3|	1.30
		|f1/ft|	1.67
TT/IH	5.07
		d/ft	0.50

实施例3：

参见图11-图14，表示的是当第二透镜组200移动到物体侧的状态，即最远点观察状态和第二透镜组200移动到像面侧的状态，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

编号	半径	厚度	折射率	阿贝数
					SO	Infinity	18.000
1	Infinity	0.300	1.883	40.87
					2	1.556	0.877
3	5.459	0.610	1.904	31.32
					4	Infinity	0.100
5	1.519	0.654	1.487	70.42
					6	2.243	1.240
Stop	Infinity	0.231
					8	1.961	0.856	1.618	63.41
9	-1.121	0.300	1.673	32.18
					10	-2.738	0.215
11	2.909	0.616	1.618	63.41
					12	Infinity	0.274
13	-1.614	0.300	1.755	27.55
					14	Infinity	0.000
15	Infinity	0.210	1.602	70.00
					16	Infinity	0.572
17	Infinity	0.300	1.517	64.21
					18	Infinity	0.045
SI	Infinity

表8

	最远点观察状态	最近点观察状态
			DO	18.000	5.500
D4	0.100	0.800
			D6	1.240	0.540
半视场角(°)	84.0	79.5
			Fno	7.5	7.6

表9

条件式	值
		θ	34.3
|f1/f3|	1.50
		|f1/ft|	2.08
TT/IH	5.19
		d/ft	0.47

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(5)，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，具有光学调焦功能，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 (6)

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，来从最远点物体向最近点物体对焦；所述第二透镜组为调焦透镜，凸面朝向像面进行设置；所述第二透镜组与第三透镜组之间设有固定光阑；所述固定光阑设置在第二透镜组的入射光线处，可以使第二透镜组在整个光学系统中入射光线与出射光线角度都偏小；

所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

θ>20°

所述θ是内窥镜光学系统最大像高对应的视场主光线在像面上的入射角。

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，所述第一透镜组包括第一透镜组包括平凹透镜和平凸透镜，从物体侧依次排列；所述平凹透镜的凹面朝向像面进行设置；所述平凸透镜的凸面朝向像面进行设置。

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：

0.95<|f1/f3|<1.6

所述f1是第一透镜组焦距；所述f3是第三透镜组焦距。

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，所述内窥镜光学系统满足如下条件式：

1.2<|f1/ft|<2.2

所述f1是第一透镜组焦距；所述ft是内窥镜光学系统最远点观察时的焦距。

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：

TT/IH<5.5

所述TT是不包括物距的内窥镜光学系统的总长；所述IH是内窥镜光学系统的最大半像高。

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：

0.4<d/ft<0.6

所述ft是内窥镜光学系统最远点观察时的焦距；所述d是近距离和远距离两种观察状态下第二透镜组的移动距离。

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