CN112946870A

CN112946870A - 视频内窥镜透镜系统、内窥镜物镜、视频内窥镜及方法

Info

Publication number: CN112946870A
Application number: CN202011353951.9A
Authority: CN
Inventors: H·鲍曼
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2019-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-06-11
Also published as: EP3828612A1; DE102019008226A1; US20210157120A1; EP3828612B1

Abstract

本发明涉及一种视频内窥镜所用的透镜系统(1)，其按照从物侧起的顺序包括盖玻璃(20)、第一透镜(40)、第二透镜(60)和一个或多个其它透镜，其中，所有透镜是单透镜。孔径光阑(21)被布置在第一透镜(40)或第二透镜(60)的物侧，孔径光阑(21)的像侧的所有透镜是非球面的，所有透镜由玻璃或晶体材料制成，并且至少一个透镜具有近似等于或超过1.66的折射率n。本发明还涉及内窥镜物镜、视频内窥镜以及用于组装内窥镜物镜的方法。

Description

视频内窥镜透镜系统、内窥镜物镜、视频内窥镜及方法

技术领域

本发明涉及视频内窥镜所用的透镜系统、包括相应透镜系统的内窥镜物镜、具有这种物镜的视频内窥镜、以及内窥镜物镜所用的组装方法。

背景技术

用于医疗或非医疗应用的内窥镜具有被配置用于引入到人类或动物身体或要检查的其它物体的内腔中的延长的轴。该轴可以是刚性的、半柔性的或柔性的。通常，内窥镜具有附接到轴的近(即，靠近用户)端部分的手柄。在轴的远(即，远离用户)端部分，物镜透镜系统被布置用于生成身体或物体的腔中的目标场的图像。在视频内窥镜(也记为电子内窥镜)中，所生成的内窥镜图像由电子图像传感器拍摄。根据广泛的设计，图像传感器被布置在轴的远端部分，该图像传感器的传感器平面在物镜透镜系统的像平面中。在这种情况下，所收集到的图像数据最终通过轴以电子方式发送至显示装置和/或图像处理单元，以向用户显示内窥镜图像。这种视频内窥镜被记为尖端上芯片(COTT)内窥镜。可重复使用的医用内窥镜需要在每次使用后进行清洗和灭菌。特别地，可重复使用的医用内窥镜通常经受包括高温和加压蒸汽的高压灭菌过程。

如EP 2 402 808 A1中所公开的，内窥镜所用的物镜透镜按照从物侧起的顺序包括具有负折射性能的前组、孔径光阑和具有正折射性能的后组，其中，前组包括作为负的弯月形透镜的第一透镜以及作为具有朝向物侧的凹表面的负透镜的第二透镜，并且后组包括正的第三透镜以及由胶合在一起的正透镜和负透镜组成的第四透镜。所有透镜的光学表面是球面的。物镜具有180°以上的视角，并且具有如从第一透镜的物侧表面到像平面测量到的相当长的延伸。

EP 2 413 176 A1涉及一种胶囊内窥镜，该胶囊内窥镜包括具有凹半球表面的形状的用于拍摄物体表面的图像的摄像光学系统。为了扩宽视角并使图像表面在整个视角上与摄像表面的邻接处一致，摄像光学系统被配置为满足以真实图像表面的位置和虚拟物体平面的近轴图像形成位置表示的条件。胶囊内窥镜的摄像光学系统使用塑料透镜。胶囊内窥镜只能使用一次。

在EP 2 725 401 B1中，描述了一种用于内窥镜的小型广角物镜光学系统，该物镜光学系统按照从物侧起的顺序包括孔径光阑、正的第一组、第二组、正的第三组以及第四组，其中，第三组由包含正透镜和负透镜的胶合透镜形成。第三组可以包括衍射光学元件。

根据EP 3 132 735 A1，提供了一种胶囊内窥镜，其中物镜透镜单元在极端的物侧包括透镜，该透镜是具有负性能的弯月形透镜并且被配置成具有朝向物侧的凸表面。

在EP 2 474 851 B1中，公开了一种物镜光学系统，该物镜光学系统具有宽视角并且可用于内窥镜。物镜光学系统按照从物侧起的顺序包括负性能的第一组、孔径光阑、正性能的第二组以及第三组。各组可以由单个透镜组成。透镜由树脂材料制成。

根据US 9,257,470 B2，成像透镜包括第一光学系统以及被设置在第一光学系统和成像元件之间的微透镜阵列。第一光学系统包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜。第二透镜和第三透镜由塑料材料制成。在US 2015/0077622 A1中，公开了一种用于获取距离图像和可见图像的成像透镜，该成像透镜包括第一光学系统以及被设置在第一光学系统和成像元件之间的微透镜阵列。第一光学系统包括孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中，第二透镜、第三透镜和第四透镜各自包括树脂。

如DE 10 2005 015 145 A1中所公开的，从物侧看，物镜包括沿着共同光轴布置的具有正性能的第一透镜、具有负性能的第二透镜、具有正性能的第三透镜和具有负性能的第四透镜。透镜由塑料材料制成。

传统上，内窥镜物镜具有远心光束路径，以避免渐晕。在COTT内窥镜中，通常采用在轴向方向上具有长的延伸的物镜透镜系统来实现近远心路径。然而，内窥镜的轴的远端部分中的可用空间非常有限。在一方面，内窥镜轴的外直径受到内窥镜的预期应用限制，例如受到轴被插入体腔中所经由的开口或切口的宽度限制。在另一方面，内窥镜的多个元件在轴的远端部分具有相当大的空间要求，例如，除了内窥镜物镜之外，还具有照明光导或光学器件通道和仪器通道。

用于移动电话中的照相机的物镜透镜系统不适用于内窥镜应用。特别地，移动电话物镜在垂直于其光轴的方向上具有相当大的延伸或占用面积。此外，移动电话物镜不符合施加于可重复使用的内窥镜的清洗和灭菌方面的要求。此外，移动电话的光学图像质量一般低于内窥镜的要求。

还应当注意，最初为移动电话设计的高分辨率图像传感器通常包含微透镜阵列，该微透镜阵列要求物镜透镜系统具有相对陡峭的主光线角度(CRA)，主光线角度随着与内窥镜物镜的光轴的距离的增加而变化。这种微透镜阵列可能导致图像劣化，例如，当与标准COTT物镜一起使用时，导致图像的边缘区域中的颜色偏移。在通过引用而并入本申请的EP3 420 881 A1中，提供了视频内窥镜设计，其包括位于远端区域中的物镜和图像传感器，该图像传感器具有微透镜阵列，微透镜阵列具有针对指定主光线角度设计的微透镜偏移。

发明内容

本发明的目的是提供一种视频内窥镜所用的改进透镜系统。特别地，本发明的目的是提供一种用于视频内窥镜的透镜系统，该透镜系统避免或减轻了例如与移动电话行业所用的高分辨率电子图像传感器的空间要求、灭菌、图像质量和/或使用相关的一个或多个上述缺点。本发明的另一目的是提供一种视频内窥镜所用的改进内窥镜物镜、具有这种内窥镜物镜的视频内窥镜、以及内窥镜物镜所用的改进组装方法。

该目的由根据本申请的透镜系统、根据本申请的视频内窥镜物镜、根据本申请的视频内窥镜、以及根据本申请的用于组装视频内窥镜物镜的方法满足。本发明的特定实施例在从属权利要求中示出。

根据本发明的方面，本发明涉及一种视频内窥镜所用的透镜系统。视频内窥镜可以是分别具有刚性、半柔性或柔性轴的刚性、半柔性或柔性内窥镜。轴被配置用于插入到人类或动物身体或要通过内窥镜观察的其它物体的内腔中。视频内窥镜可被设计用于医疗或非医疗用途。透镜系统特别地被配置为视频内窥镜所用的物镜透镜系统，其中，物镜透镜系统可被布置在轴的远端部分。最优选地，视频内窥镜是在物镜透镜系统的像平面中布置有电子图像传感器的尖端上芯片内窥镜。

根据本发明，透镜系统按照从物侧起的顺序包括盖玻璃、第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜。盖玻璃、第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜沿着透镜系统的光轴布置。在本申请中，透镜系统或包括透镜系统的内窥镜物镜的光学元件的物侧也被记为其“远”侧，因为该侧一般是远离内窥镜的用户的一侧。相应地，光学元件、透镜系统或内窥镜物镜的像侧也被记为其“近”侧。然而，根据内窥镜的设计，物镜透镜系统的光轴可以相对于用户的方向成一定角度倾斜。

第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜各自为单透镜，也就是说，所有透镜由空气间隙隔开或至多逐点接触相邻透镜。因此，透镜系统没有复合透镜，并且不包括胶合的透镜对、三合透镜或多合透镜。此外，透镜都不与具有折光性能的任何其它光学元件(诸如衍射光学元件)胶合或集成。

根据本发明，孔径光阑被布置在第二透镜的物侧，即第二透镜的远侧。特别地，孔径光阑可被布置成第一透镜的远侧，例如在盖玻璃和第一透镜之间，或者孔径光阑可被布置在第一透镜和第二透镜之间。孔径光阑可被直接布置在盖玻璃或第一透镜或第二透镜的光学表面上，或者可以与盖玻璃和透镜分开布置。光学表面是沿着光轴布置并且被要聚焦于图像传感器上的图像光穿过的透镜系统中的透镜和其它光学元件的表面。特别地，透镜的光学表面可以是透镜的折射表面，即具有折射性能的表面。

进一步根据本发明，至少位于孔径光阑的像侧(即，孔径光阑的近侧)的所有透镜是非球面透镜。优选地，各非球面透镜的两个光学表面是都非球面的。最优选地，透镜系统的所有透镜是非球面的，并且透镜系统中的透镜的所有光学表面是非球面的。非球面表面可以是凸面、凹面，或者可以包括凸面、凹面和/或平面部分。特别地，非球面表面相对于相应透镜的对称轴旋转对称，使得凸面、凹面和/或平面部分形成透镜的相应折射表面的对称环形部分。透镜的对称轴与彼此以及透镜系统的光轴对准，使得非球面表面相对于透镜系统的光轴旋转对称。透镜系统除了包括透镜外还包括盖玻璃，并且可以包括其它元件，诸如一个或多个玻璃板、过滤器、隔膜、微透镜阵列等。本申请中的术语“透镜”不包括这些其它元件。

此外，根据本发明，所有透镜例如由玻璃或更一般的非晶态无机材料和/或晶体材料(诸如蓝宝石)制成。特别地，第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜都不是由塑料或聚合材料制成或者都不包括塑料或聚合材料。此外，所述透镜至少之一具有等于或超过1.66的折射率n。具有折射率n≥1.66的至少一个透镜可以是第一透镜、第二透镜、或一个或多个其它透镜其中之一。优选地，第二透镜具有折射率n≥1.66，以及/或者第三透镜具有折射率n≥1.66，其中第三透镜是一个或多个其它透镜中的沿着光轴在近端方向上紧接在第二透镜之后的透镜。最优选地，第二透镜和第三透镜这两者具有折射率n≥1.66。在本发明中，折射率n是如传统定义的折射率n_d，即适用于589nm的波长(对应于钠D线)。

由于上述特征的组合，透镜系统具有短的整体长度，允许提供优良的图像质量，并且可以适于商业高分辨率图像传感器。特别地，透镜系统可以适于移动电话中所采用的高分辨率图像传感器，该高分辨率图像传感器在传感器区域的边缘部分中具有超过15°的主光线角度(CRA)，并且具有非线性CRA功能。特别地，透镜系统可被设计成使得整体长度与像圈直径之比约为1.5或更小。此外，透镜系统具有改进的热稳定性，并且可以能够承受高温、特别是在高压灭菌过程中达到的约134℃或更高的温度，而不会使光学性能显著劣化；因此，包括透镜系统的内窥镜可以是可高压灭菌的，因此透镜系统可以用于可重复使用的内窥镜的物镜中。还发现使用玻璃或晶体材料允许改进对色像差的校正。所有透镜都是单透镜，可以避免与非球面表面的使用和制造有关的限制。由于非球面表面，因此畸变可以例如被有利地校正为直到距光轴的角度ω为42.5°时小于10％、并且直到距光轴的角度ω为80°时小于50％。透镜系统可以具有约160°或更小的视场(2ω)。因此，根据本发明的透镜系统特别适合用于内窥镜物镜。

根据本发明的透镜系统可被设计成使得物距是有限的，也就是说，位于几厘米或数厘米的距离处的物体可以在图像传感器上以高图像质量成像。特别地，物距小于约50cm，优选地小于约30cm，更优选地小于约8cm，或例如在约1至10cm之间。

根据本发明的优选实施例，折射率n≥1.66的至少一个透镜具有折射率n≥1.7或最优选地具有n≥1.8。此外，多于一个透镜(特别是第二透镜和第三透镜)可以都具有折射率n≥1.7或n≥1.8。以这种方式，可以进一步增强图像质量，从而允许改进对畸变和/或色像差的校正。

根据本发明的优选实施例，透镜系统中的至少一个透镜具有约为或超过70、更优选地约为或超过80的阿贝数ν。特别地，阿贝数ν≥70或ν≥80的至少一个透镜可以是第一透镜。以这种方式，可以实现对色像差的进一步改进校正。在本发明中，阿贝数ν是如传统定义的阿贝数ν_d，即，与Fraunhofer C、D和F谱线(分别对应于656.3nm、589.3nm和486.1nm的波长)相关。

优选地，透镜系统至多包括三个透镜。也就是说，透镜系统恰好包括三个透镜，即第一透镜、第二透镜和第三透镜。因此，例如，透镜系统可以包括总共六个折射光学表面，所有这些折射光学表面是非球面的。以这种方式，可以提供允许高质量图像校正的特别简单的设计。

优选地，第一透镜具有正折射性能。特别地，第一透镜可以是双凸面透镜。这里以及在下文中，术语“折射性能”、“凸面”和“凹面”涉及相应透镜的与透镜系统的光轴相邻或与光轴交叉的表面部分。第一透镜可以例如具有如下的物侧表面和像侧表面，其中，所述物侧表面在与光轴相邻的内侧部分中包括曲率半径较大的凸面部分、以及所述像侧表面在内侧部分中包括曲率半径较小的凸面部分。以这种方式，可以改进图像质量、特别是对图像传感器的CRA功能的适应能力。

在本发明的实施例中，第二透镜可以是具有朝向像侧的凸面表面的正弯月形透镜。在可选实施例中，第二透镜可以是在其物侧表面具有较小曲率半径、并且在其像侧表面具有较大曲率半径的双凹面透镜。第三透镜优选为在其物侧具有凸面表面的正或负弯月形透镜。

根据特别优选实施例，至少一个透镜具有非球面表面，如随着距光轴的径向距离的增加所见，该非球面表面相对于光轴具有表面倾斜转折点。以这种方式，可以实现对电子图像传感器的CRA功能的改进适应，其中该非球面表面可以随着距光轴的径向距离的变化而呈现高度非线性，并且甚至可以具有一个或多个转折点。

优选地，盖玻璃由平面玻璃板形成，该平面玻璃板具有彼此平行延伸、特别地与光轴近似垂直的两个平面表面。进一步优选地，孔径光阑被布置在盖玻璃的近侧或像侧的平面表面上。孔径光阑可以通过空气间隙与第一透镜的物侧表面分开。孔径光阑可以由盖玻璃的近侧的涂层形成，或者可以是单独的元件。

根据本发明的有利实施例，平面玻璃板被布置在按照从物侧起的顺序的一个或多个其它透镜中的最后一个透镜与透镜系统的像平面之间。在像平面中，可以放置尖端上芯片内窥镜的电子图像传感器。作为平面玻璃板的替代或附加，微透镜阵列可被布置成与图像传感器的传感器平面相邻，因此在像平面和平面玻璃板之间。平面玻璃板有利于改进机械稳定性并调整透镜系统的焦距。玻璃板和/或图像传感器可以配备有滤光器。

这里以及在下文中，透镜的直径被定义为相应透镜的物侧折射表面的直径和像侧折射表面的直径中的最大值，其中，直径是在与透镜系统的光轴垂直的径向方向上测量的。

根据本发明的特别优选实施例，第二透镜与第一透镜相比具有更大的直径。因此，第二透镜的两个光学表面的直径中的较大直径超过第一透镜的两个光学表面的直径中的较大直径。进一步优选地，第三透镜与第二透镜相比具有更大的直径。在透镜系统包括多于三个透镜的情况下，以其它优选的方式，透镜系统中的在近端方向上位于第三透镜之后的第四透镜与第三透镜相比具有更大的直径，并且，如果存在多于四个透镜，按照从物侧起的顺序，连续透镜各自具有比相应的在前透镜更大的直径。因此，透镜的直径朝向透镜系统或包括透镜系统的内窥镜物镜的像侧增大。根据本发明的该方面，已发现以这种方式，可以实现大的高分辨率图像传感器上的无阻碍成像，同时朝向透镜系统或内窥镜物镜的远端，透镜系统或内窥镜物镜的整体直径减小。这在配备有透镜系统的内窥镜在其轴的远端部分中包括其它元件(例如，光源或其它照明光学器件)、远端部分中的可用空间受到了严格限制的情况下是特别有利的。此外，由于光进入透镜系统所经由的小开口，因此杂散光可以减少。

特别地，透镜系统的整体形状近似为截头圆锥形或截头棱锥形。也就是说，透镜系统朝向物侧成锥形，并且透镜系统的径向外表面或包络具有截头圆锥或截头棱锥的近似形状，其中，圆锥或棱锥的中心轴至少近似与透镜系统的光轴一致。特别地，盖玻璃形成圆锥或棱锥的截头端。截头圆锥或截头棱锥的底端位于透镜系统的像侧。优选地，截头圆锥或截头棱锥的最大直径或最大边长(其分别为圆锥底部的直径或棱锥底部的边长)小于或至少不超过电子图像传感器(包括其基板或封装)的最大边长或对应边长。以这种方式，可以最优地利用内窥镜尖端、即内窥镜的轴的远端部分中的可用空间。

根据本发明的特别优选实施例，至少第一透镜和第二透镜以及优选的一个或多个其它透镜各自具有功能缘，该功能缘具有位于相应光学表面外(即，位于距光轴的径向距离比距相应光学表面的径向距离更大的位置处)的平面表面。优选地，各功能缘的物侧呈现平面表面，最优选地，两侧都具有平面表面。特别地，第二透镜的功能缘与第一透镜的功能缘相比具有更大的外直径。最优选地，第三透镜的功能缘的外直径超过第二透镜的功能缘的外直径，并且在适用的情况下，第四透镜或其它透镜的功能缘的外直径进一步朝向透镜系统的像侧增大。各透镜的功能缘可以与透镜一体形成，透镜包括制成一块的功能缘；可选地，透镜可以胶合为形成功能缘的环形元件。盖玻璃还可以呈现包含其像侧平面表面和物侧平面表面的功能缘，或者各表面的外部可被视为形成功能缘。功能缘允许将透镜彼此保持固定关系。此外，可以便于组装包括透镜系统的内窥镜物镜。

本发明还涉及内窥镜物镜。内窥镜物镜是视频内窥镜、特别是尖端上芯片视频内窥镜所用的物镜。内窥镜物镜包括彼此保持固定关系的如上所述配置的透镜系统、透镜和其它光学元件。

以优选的方式，至少第一透镜和第二透镜各自包括如上所述的功能缘，其中，第二透镜的直径大于第一透镜的直径，并且第二透镜的功能缘被安装在第一透镜的功能缘上或者被安装在第一透镜的功能缘上所安装的间隔件上。以另一优选的方式，第三透镜还包括功能缘，其中，第三透镜的直径大于第二透镜的直径，并且第三透镜的功能缘被安装在第二透镜的功能缘上或者被安装在第二透镜的功能缘上所安装的间隔件上。另外，功能缘还可被设计为后续透镜的间隔件。其它透镜(如果适用的话)也可以具有功能缘，从物侧看，各功能缘被安装在在前透镜的功能缘上或者被安装在各在前功能缘上所安装的间隔件上。功能缘可以通过粘合剂、特别地通过将各功能缘的平面物侧表面胶合到在前功能缘或相应功能缘之间所布置的间隔件的相应平面像侧表面，而安装到彼此或安装到间隔件。盖玻璃也可以具有功能缘，并且可以以与第一透镜相对应的方式安装。还可采用另一间隔件来调节到图像传感器的轴向距离。有利地，间隔件可以由玻璃或晶体或金属材料形成。间隔件可以是环形的，被布置成相对于光轴近似对称。以这种方式，可以实现特别稳定和稳健的布置，并促进透镜系统的组装。

内窥镜物镜可以具有截头圆锥或截头棱锥的整体形状。特别地，透镜系统可被封闭在优选由诸如金属材料等的不透明材料形成的近似截头圆锥形或截头棱锥形外壳中。外壳可以例如通过粘合剂而固定到电子图像传感器的物侧或电子图像传感器的载体或封装。最优选地，截头圆锥或截头棱锥形外壳的底部具有不超过图像传感器(包括图像传感器的基板或封装)的相应尺寸的截面尺寸。外壳或其它间隔件可被配置用于调节到图像传感器的距离，使得传感器区域被保持在像平面中。以这种方式，内窥镜物镜整体可被容易且精确地安装到图像传感器并作为包括图像传感器的单元被插入到内窥镜轴中，其光轴优选地与轴的纵向轴对准，并且图像传感器与纵轴垂直。

本发明还涉及视频内窥镜，其具有：延长的轴、被布置在轴的远端部分的内窥镜物镜、以及被布置在内窥镜物镜的像平面中的电子图像传感器。延长的轴被配置用于插入到人类或动物身体的体腔中或者插入到其它物体的腔中。视频内窥镜可被设计用于医疗或非医疗应用。轴可以是刚性的、半柔性的或柔性的。视频内窥镜可以包括被布置在轴的近端的头部零件，该头部零件保持在主体的外部。内窥镜物镜被配置成如上所述，包括如上所述的透镜系统。

特别地，电子图像传感器是高清晰度(HD)图像传感器，其具有例如全HD分辨率。在图像传感器的远端侧，可以布置具有非线性CRA功能的微透镜阵列，并且内窥镜物镜的透镜系统适于图像传感器和微透镜阵列的CRA功能。以这种方式，可以利用被设计用于移动电话的现成高分辨率图像传感器，从而提供高图像质量。特别地，视频内窥镜可以包括具有内窥镜物镜的透镜系统适应于的非线性CRA功能的图像传感器，并且透镜系统可以同时被配置用于对色像差和/或畸变和/或其它像差的高质量校正。此外，可以避免阴影或渐晕。此外，可以最优地利用视频内窥镜的轴的远端部分中的可用空间，并且内窥镜可以是可高压灭菌的。优选地，视频内窥镜是可重复使用的、可高压灭菌的医学视频内窥镜。

根据本发明的又一方面，提供了用于组装视频内窥镜、特别是尖端上芯片视频内窥镜所用的内窥镜物镜的方法。根据该方法，提供第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜，其中，所有透镜是单透镜，至少第二透镜和一个或多个其它透镜是非球面的，所有透镜由玻璃或晶体材料制成，并且至少一个透镜具有近似等于或超过1.66的折射率n。透镜可以通过众所周知的制造方法产生，例如通过模塑或研磨和抛光和/或通过在透镜毛坯上压印非球面表面而产生。各透镜具有功能缘(其两侧优选具有平面表面)，并且透镜的直径以及功能缘的外直径从第一透镜到第二透镜增大，从第二透镜到第三透镜增大，并且(在适用的情况下)从第三透镜到其它透镜增大。此外，还提供了在两侧具有平行的平面表面的平面盖玻璃。

根据该方法，按照从物侧起的顺序并且居中布置第一透镜、第二透镜和一个或多个其它透镜按照，使得透镜的对称轴彼此重合，从而形成内窥镜物镜的光轴。例如通过涂层或者通过将环形隔膜放置在盖玻璃或第一透镜的像侧表面上或附近来在第二透镜的像侧设置孔径光阑。通过将第二透镜的功能缘的物侧表面胶合到第一透镜的功能缘的像侧表面来在第一透镜的功能缘上安装第二透镜的功能缘；可选地，将间隔件胶合到第一透镜的功能缘的像侧表面，并且将第二透镜与其功能缘的物侧表面一起胶合到间隔件。第三透镜以与相应的方式安装到第二透镜，即，第三透镜的功能缘胶合到第二透镜的功能缘或胶合到在安装在其上的间隔件。在适用的情况下，在近端方向上在第三透镜之后以相应的方式安装其它透镜。可包括孔径光阑的盖玻璃以与相应的方式安装到第一透镜，特别地，盖玻璃的功能缘或外部被胶合到第一透镜的功能缘的物侧表面。透镜组件的像侧上的最后一个透镜可以胶合到可被安装到用作电子图像传感器的保护盖的玻璃板的间隔件，其中，该间隔件提供这样的轴向距离，使得传感器平面被布置在透镜系统的焦平面中。提供孔径光阑以及安装透镜、间隔件和盖玻璃的上述步骤可以按照与所述不同的顺序进行。

在连续步骤中，透镜、盖玻璃和(如果适用的话)间隔件的组件被成形为截头圆锥形或截头棱锥形。例如，透镜组件可以形成或多或少的矩形或圆柱形块；在这种情况下，块的外表面例如通过研磨或切割来进行机械加工，以达到截头圆锥形或截头棱锥形形状。可选地，上述元件可以都被配置成在安装时形成相应的形状。

此后，将截头圆锥形或截头棱锥形透镜组件插入到优选由诸如金属材料等的不透明材料制成的相应形状和尺寸的外壳中，并且例如通过粘合剂而固定在外壳中。最优选地，外壳提供了以气密密封的方式封闭透镜系统的元件。外壳可以固定到电子图像传感器的载体或封装，从而调节到传感器区域的距离，或者可以采用附加的间隔件来调节距离，使得图像传感器位于物镜的焦平面中。可与图像传感器形成机械单元的外壳可被插入到视频内窥镜的轴的远端部分中。

如上所述和如下所述的本发明的特征不仅适用于所述的组合，而且适用于其它组合或单独适用，而不脱离本发明的范围。

附图说明

本发明的其它方面将根据附图和以下的特定实施例的描述中显而易见。

图1以轴向截面图示出根据本发明的第一实施例的透镜系统；

图2以轴向截面图示出根据本发明的第二实施例的透镜系统；

图3以轴向截面图示出根据本发明的第三实施例的透镜系统；

图4以轴向截面图示出根据示例性实施例的透镜组件；

图5以简化方式示出根据第一变形的内窥镜物镜和电子图像传感器；

图6以简化方式示出根据第二变形的内窥镜物镜和电子图像传感器。

具体实施方式

在图1、2和3中，以轴向截面图示出根据本发明的透镜系统的示例性实施例。根据所示的各实施例，透镜系统1包括光学表面2～11，这些光学表面2～11按照从物侧起的顺序为盖玻璃20的平面表面2、3、第一透镜40的非球面表面4、5、第二透镜60的非球面表面6、7、第三透镜80的非球面表面8、9、以及玻璃板100的平面表面10、11。在透镜系统1的焦平面中具有传感器平面的电子图像传感器110被进一步布置到像侧。例如，图像传感器110可以是CCD、CMOS或MOSFET传感器。在玻璃板100和图像传感器110之间布置了微透镜阵列(未示出)。在盖玻璃20的像侧表面3上，例如通过环形隔膜或通过盖玻璃20的表面3上的涂层而形成孔径光阑21。图1至3还示出从目标场进入透镜系统1中的示例性光线，从而在图像传感器110上形成目标场的图像。

如图1至3中所描绘的各透镜系统1仅包括三个透镜，即第一透镜40、第二透镜60和第三透镜80，各透镜具有两个非球面光学表面。透镜40、60、80以及盖玻璃20、玻璃板100和图像传感器110沿着透镜系统1的光轴12布置。透镜40、60、80的光学表面4至9相对于光轴12对称。在所示示例中，盖玻璃10的平面表面2、3和玻璃板100的平面表面10、11与光轴12垂直。从图1至3中可以看出，透镜40、60、80的直径随透镜的数字增加而增大，即，从透镜系统1的物侧到像侧增大。各透镜40、60、80的直径被定义为从光轴12测量到的两个光学表面的直径中的较大直径。玻璃板100的直径超过第三透镜80的直径。盖玻璃20可以具有超过第一透镜40的直径的直径，然而盖玻璃20的外部可用于安装透镜系统1或内窥镜物镜(见下文)。透镜40、60、80和玻璃板100由玻璃制成，而盖玻璃20由蓝宝石组成。

在表1a至3b中给出描述根据所示实施例的各透镜系统1的光学表面的参数。特别地，表1a、2a和3a给出各折射表面的内侧部分的半径R、如在光轴12上从相应光学表面开始测量的相应光学元件或空气间隙的厚度d、相应光学元件的折射率n和阿贝数ν。以传统的方式(见上文)定义折射率n和阿贝数ν。表1b、2b和3b给出如以传统方式定义的非球面表面4～9的系数，表示作为r的各种幂的函数的、表面点在轴向方向上的位移，其中r是距光轴12的距离。

根据第一实施例并且如在图1中可以看出，与光学表面4、5的相应内侧部分相关地，第一透镜40是具有几乎平面的物侧表面4和凸面像侧表面5的双凸面透镜。第二透镜60是在像侧具有凸面表面的正弯月形透镜。第三透镜80是在像侧具有凹面表面的负弯月形透镜。如轴向截面中所见，透镜表面4～9中的各透镜相对于光轴具有表面倾斜转折点。也就是说，在表面的靠近光轴12的部分中，光学表面在物侧方向上越来越倾斜，但是在外侧表面部分中物侧方向上的倾斜随着距光轴12的径向距离r的增大而减小，或者在内侧部分中，表面倾斜在像侧方向上随着径向距离r的增大而增大，而在外侧部分中则随着径向距离r的增大而减小。图1的实施例的光学参数在表1a和1b中给出。第一实施例的f数为6.0，并且视角(2ω)为73°。

表1a

表面	R[mm]	d[mm]	n	ν
					2	无限大	0.50	1.77	72
3	无限大	0.10
					4	2.5	0.40	1.50	81
5	-0.57	0.22
					6	-3.7	0.46	1.69	53
7	-0.47	0.05
					8	2.6	0.40	1.90	21
9	0.97	0.53
					10	无限大	0.40	1.51	63
11	无限大	0.05

表1b

系数

表面4

表面5

表面6

表面7

表面8

表面9

圆锥

-4.1E+01

-2.8E+00

-3.3E-01

-8.8E-01

-3.4E+00

-1.3E+00

针对r2的系数

0.0E+00

针对r4的系数

-1.4E+00

5.1E+00

6.2E-01

-4.6E-01

-6.7E-01

-9.5E-01

针对r6的系数

1.2E+01

-5.4E+01

7.6E+00

3.0E+00

8.7E-01

1.2E+00

针对r8的系数

-1.5E+02

1.8E+02

7.2E+01

4.2E-01

-1.2E+00

-1.7E+00

针对r10的系数

-5.4E+01

-6.6E-09

9.4E+01

7.3E-03

1.8E-02

1.2E+00

针对r12的系数

2.2E+01

0.0E+00

-1.8E+02

0.0E+00

根据第二实施例并且如图2中所描绘的，与光学表面4、5的相应内侧部分相关地，第一透镜40是具有几乎平面的物侧表面4和凸面像侧表面5的双凸面透镜。第二透镜60是双凹面透镜。第三透镜80是在像侧具有凹面表面的正弯月形透镜。如轴向截面中所见，透镜表面4、6至9中的各透镜表面相对于光轴具有至少一个表面倾斜转折点。特别地，表面7具有两个转折点，表面8和9各自具有三个转折点。第二实施例的光学参数在表2a和2b给出。第二实施例的f数为5.0，并且视角(2ω)为81.5°。

表2a

表面	R[mm]	d[mm]	n	ν
					2	无限大	0.50	1.77	72
3	无限大	0.10
					4	2.6	0.46	1.43	95
5	-0.42	0.20
					6	-0.80	0.40	1.69	53
7	0.00	0.10
					8	1.4	0.40	1.69	53
9	2.9	0.25
					10	无限大	0.40	1.51	63
11	无限大	0.05

表2b

系数

表面4

表面5

表面6

表面7

表面8

表面9

圆锥

1.6E+01

-3.2E-09

-8.8E-01

-5.6E+23

3.1E-01

5.2E+00

针对r2的系数

0.00E+00

针对r4的系数

-2.1E+00

4.6E+00

3.9E+00

1.5E+00

6.2E+00

4.9E+00

针对r6的系数

7.7E+01

-9.0E+01

-1.1E+02

-4.2E+00

-6.9E+01

-4.1E+01

针对r8的系数

-5.3E+03

1.1E+03

1.6E+03

-2.7E+00

2.9E+02

1.3E+02

针对r10的系数

1.3E+05

-9.0E+03

-1.3E+04

5.2E+00

-6.2E+02

-2.0E+02

针对r12的系数

-1.6E+06

3.6E+04

4.9E+04

1.5E+01

7.1E+02

1.4E+02

针对r14的系数

1.0E+07

-5.3E+04

-7.1E+04

1.2E+01

-4.1E+02

-4.1E+01

针对r16的系数

-2.3E+07

-4.7E+00

-3.3E+02

-3.7E+01

9.6E+01

-2.2E-02

根据第三实施例并且如图3中所示，与光学表面4、5的相应内侧部分相关地，第一透镜40是具有几乎平面的物侧表面4和凸面像侧表面5的双凸面透镜。第二透镜60是在像侧具有凸面表面的正弯月形透镜。第三透镜80是在像侧具有凹面表面的负弯月形透镜。如轴向截面中所见，透镜表面4、7至9中的各透镜相对于光轴具有表面倾斜转折点。第三实施例的光学参数在表3a和3b中给出。第三实施例的f数为5.5，并且视角(2ω)为79°。

表3a

表3b

系数

表面4

表面5

表面6

表面7

表面8

表面9

圆锥

-7.1E-03

-4.1E-06

2.8E-03

-1.4E-02

2.0E-03

-8.8E-01

针对r2的系数

-7.1E-03

-4.1E-06

2.8E-03

-1.4E-02

2.0E-03

-8.8E-01

针对r4的系数

-1.3E+00

1.2E+00

1.6E+00

9.8E-01

-6.9E-02

-1.6E-02

针对r6的系数

8.3E+00

-7.6E+00

-4.9E+00

-7.9E-01

-1.4E-01

2.3E-02

针对r8的系数

-1.0E+02

1.4E+01

5.2E+00

2.6E-01

1.0E-01

-7.4E-03

在图1～3所示的各实施例中，透镜系统1适于全HD图像传感器，例如具有1920×1080像素阵列的OV5670图像传感器。像圈直径例如为约2.5mm。物距在约10至100mm之间，例如约为15mm或70mm。

如图4所示，透镜40、60、80各自具有功能缘41、61、81，这些功能缘41、61、81可以与相应透镜一体化，或者可以单独形成并胶合到相应透镜上。各功能缘在物侧以及像侧具有平面表面，该平面表面垂直于光轴12延伸。此外，环形间隔件42、62被布置在相应功能缘41、61、81之间。此外，在玻璃板100和第三透镜80的功能缘81之间设置了另一间隔件82。间隔件42、62、82的两侧具有平面表面，并且与其平面表面一起胶合到功能缘41、61、81的相应相邻平面表面以及玻璃板100。此外，盖玻璃20的功能缘22(其可以是盖玻璃20的外部)被胶合到第一透镜10的功能缘41的物侧表面。功能缘41、61、81和间隔件42、62具有用以将盖玻璃20和透镜40、60、80保持在表中所指示的相应距离处的厚度。间隔件82具有用以将玻璃板100保持在一定距离处以使得图像传感器110在透镜系统1的焦平面内的厚度。

在图4中，透镜系统1本身被配置为第二实施例。然而，其它实施例可以包括功能缘，并且可以以相应的方式安装。透镜40、60、80和盖玻璃20(包括各自的功能缘41、61、81和间隔件42和62)以及玻璃板100的组件13是内窥镜物镜15的一部分或形成内窥镜物镜15。由于透镜在近端方向上具有增大的直径，因此图4所示的透镜组件13具有整体的截头圆锥形或接头棱锥形形状，其中圆锥或棱锥的尖端指向远端方向。透镜组件13可被封闭在外壳14中，从而形成内窥镜物镜15，该内窥镜物镜15可以是气密密封单元。这在图5和6的立体图中以示意性的简化方式示出。

在第一变形中并且如图5中所描绘的，外壳14具有截头圆锥形形状，盖玻璃20位于圆锥的截头端。根据图6所示的另一变形，外壳具有截头棱锥形形状，盖玻璃20被布置在棱锥的截头端。在这种情况下，盖玻璃20以及透镜40、60、80和/或玻璃板100例如可以是方形、矩形或圆形；在后一种情况下，功能缘41、61、81在径向截面图中具有方形轮廓。在圆锥或棱锥的底端，外壳14被安装在图像传感器110上，或者被安装在图像传感器110的载体或封装上。以这种方式，可以形成紧凑的成像单元，该紧凑的成像单元可以容易地插入和安装在内窥镜轴的远端部分中。在可选实施例中，内窥镜物镜15可以具有整体圆柱形形状(未示出)。

根据视频内窥镜物镜15所用的示例性组装方法，提供了第一透镜40、第二透镜60和第三透镜80，其均为单透镜，即，透镜40、60、80都不是复合透镜或胶合的双透镜、三合透镜或多合透镜(见图1～3)。第一透镜40、第二透镜60和第三透镜80由玻璃或晶体材料(例如，蓝宝石)组成。第二透镜60和第三透镜80各自具有超过1.66的折射率n，并且第一透镜40具有超过80的阿贝数ν，如表1a、2a和3a中的示例性实施例所示。各透镜40、60、80是非球面的，在两侧具有旋转对称的非球面表面，如表1b、2b和3b中以示例性方式给出。透镜40、60、80可以通过例如经由模塑、切割或研磨来形成透镜毛坯、并在透镜毛坯上压印非球面表面而制成。

此外，如图4所示，透镜40、60、80中的各透镜具有功能缘41、61、81，这些功能缘41、61、81在两侧具有平面表面，该平面表面形成在光学表面外，即，形成在距相应透镜40、60、80的对称轴较大径向距离的位置处。功能缘41、61、81的平面表面与各相应透镜40、60、80的对称轴垂直。第二透镜60的直径超过第一透镜40的直径，即，特别地，第二透镜60具有光学表面6、7(其与第一透镜40的光学表面4、5相比均具有更大的直径)，并且第二透镜60的功能缘61的外直径大于第一透镜40的功能缘41的外直径。以类似的方式，参考光学表面以及功能缘61、81，第三透镜80的直径超过第二透镜60的直径。

此外，提供了盖玻璃20和玻璃板100，其各自具有相对的平行平面光学表面2、3、10、11。在盖玻璃20的像侧表面3上布置了孔径光阑21。例如，可以通过在盖玻璃20的像侧平面表面3上提供涂层或者通过在盖玻璃20的像侧安装隔膜来形成孔径光阑21。盖玻璃20还可以具有功能缘22，该功能缘22由盖玻璃20的外周部分形成。

通过将功能缘41的物侧表面胶合到盖玻璃20或盖玻璃20上所安装的孔径光阑21的像侧表面3来在盖玻璃20的功能缘22上安装第一透镜的功能缘41。由玻璃或金属制成的第一环形间隔件42胶合到第一透镜40的功能缘41的像侧表面，第二透镜60相对于第一透镜40居中，使得两个透镜40、60的各自对称轴重合，并且第二透镜60的功能缘61胶合到第一间隔件42的像侧表面。此外，第二环形间隔件62胶合到第二透镜60的功能缘61的像侧表面，第三透镜80相对于第二透镜60居中，使得两个透镜60、80的各自对称轴重合，并且第三透镜80的功能缘81胶合到第二间隔件62的像侧表面。第三环形间隔件82胶合到第三透镜80的功能缘81的像侧表面，并且玻璃板100胶合到第三间隔件82的像侧表面。功能缘41、61、81和间隔件42、62、82各自具有轴向厚度，该轴向厚度适于根据高质量成像的需要在相应透镜40、60和80之间形成空气间隙。

以这种方式形成的透镜组件13根据功能缘41、61、81、间隔件42、62、82和玻璃板100的外圆周形状而具有截头圆锥或截头棱锥的形状，或者被机械加工成整体的截头圆锥或截头棱锥形状。透镜组件13被插入到相应形状的外壳14中，从而形成内窥镜物镜15。

包括固定到图像传感器的传感器区域的微透镜阵列的电子图像传感器110可被布置在组件13或物镜15的像侧。第三间隔件82和玻璃板100具有用以限定到图像传感器110的轴向距离的厚度，使得当图像传感器或微透镜阵列直接邻近玻璃板100的像侧安装时，或者当外壳14固定到图像传感器110的表面或者固定到图像传感器110的载体或封装(参见图5和6)时，图像传感器110的传感器平面被布置在透镜组件13的焦平面中。可选地，可以调节透镜组件13或外壳14与图像传感器110之间的间隙，使得图像传感器位于透镜组件13的焦平面内，并且图像传感器110固定在与外壳14相对应的距离中或者固定在内窥镜的轴中。

为了清楚起见，并没有在所有图中显示所有附图标记。如果在图的描述中没有明确提及附图标记，则其具有与在其它图中相同的含义。

附图标记

1 透镜系统

2 表面

3 表面

4 表面

5 表面

6 表面

7 表面

8 表面

9 表面

10 表面

11 表面

12 光轴

13 组件

14 外壳

15 内窥镜物镜

20 盖玻璃

21 孔径光阑

22 功能缘

40 第一透镜

41 功能缘

42 间隔件

60 第二透镜

61 功能缘

62 间隔件

80 第三透镜

81 功能缘

82 间隔件

100 玻璃板

110 图像传感器

Claims

1.一种视频内窥镜所用的透镜系统(1)，按照从物侧起的顺序所述透镜系统包括盖玻璃(20)、第一透镜(40)、第二透镜(60)和一个或多个其它透镜，其中，所有透镜是单透镜，孔径光阑(21)被布置在所述第一透镜(40)或所述第二透镜(60)的物侧，所述孔径光阑(21)的像侧的所有透镜是非球面的，所有透镜由玻璃和/或晶体材料制成，并且至少一个透镜具有近似等于或超过1.66的折射率n。

2.根据权利要求1所述的透镜系统，其特征在于，所述至少一个透镜具有近似等于或超过1.7、优选地近似等于或超过1.8的折射率n。

3.根据权利要求1或2所述的透镜系统，其特征在于，所述至少一个透镜具有超过70、优选地超过80的阿贝数ν。

4.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统(1)包括至多3个透镜。

5.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述第一透镜(40)具有正折射性能。

6.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜中至少之一具有非球面表面，所述非球面表面相对于光轴(12)具有表面倾斜转折点。

7.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述孔径光阑(21)被布置在所述盖玻璃(20)的像侧表面(3)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统(1)包括平面玻璃板(100)，所述平面玻璃板(100)被布置在所述一个或多个其它透镜中的按照从所述物侧起的顺序的最后一个其它透镜与所述透镜系统(1)的像平面之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述第二透镜(60)与所述第一透镜(40)相比具有更大的直径。

10.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，所述透镜系统(1)的整体形状近似为截头圆锥形或截头棱锥形。

11.根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统，其特征在于，至少所述第一透镜(40)和所述第二透镜(60)各自具有功能缘(41、61)，所述功能缘(41、61)在其相应的光学表面外具有平面表面。

12.一种视频内窥镜所用的内窥镜物镜，其特征在于，所述内窥镜物镜包括根据前述权利要求中任一项所述的透镜系统(1)。

13.根据权利要求12所述的内窥镜物镜，其特征在于，至少所述第一透镜(40)和所述第二透镜(60)各自具有功能缘(41、61)，所述功能缘(41、61)在其相应的光学表面外具有平面表面，其中，所述第二透镜(60)的功能缘(61)被安装在所述第一透镜(40)的功能缘(41)上，或者被安装在所述第一透镜(40)的功能缘(41)上所安装的间隔件(42)上。

14.一种视频内窥镜，其具有延长的轴、被布置在所述轴的远端部分中的物镜、以及被布置在所述物镜的像平面中的电子图像传感器(110)，其特征在于，所述物镜是根据权利要求12或13所述的内窥镜物镜。

15.根据权利要求14所述的视频内窥镜，其特征在于，所述图像传感器(110)是高清晰度图像传感器，以及/或者在所述图像传感器(110)的远侧布置有具有非线性CRA功能的微透镜阵列。

16.一种用于组装内窥镜物镜的方法，所述方法包括以下的步骤：

-提供第一透镜(40)、第二透镜(60)和一个或多个其它透镜，其中，所有透镜是单透镜，至少所述第二透镜(60)和所述一个或多个其它透镜是非球面的，所有透镜由玻璃或晶体材料制成，并且至少一个透镜具有近似等于或超过1.66的折射率n，其中，各透镜具有在两侧具备平面表面的功能缘(41、61、81)，并且所述第二透镜(60)的直径和所述第二透镜的功能缘(61)的外直径超过所述第一透镜(40)或所述第一透镜(40)的功能缘(41)的相应直径，以及其中，所述一个或多个其它透镜的直径和所述一个或多个其它透镜的功能缘的外直径超过所述第二透镜(60)或所述第二透镜(60)的功能缘(61)的相应直径；

-按照从物侧起的顺序并且居中布置所述第一透镜(40)、所述第二透镜(60)和所述一个或多个其它透镜，孔径光阑(21)被设置在所述第二透镜(60)的像侧，所述第二透镜(60)的功能缘(61)被安装在所述第一透镜(40)的功能缘(41)上或者被安装在所述第一透镜(40)的功能缘(41)上所安装的间隔件(42)上，所述一个或多个其它透镜被安装在所述第二透镜(60)上或者被安装在所述第二透镜(60)上所安装的间隔件(62)上，并且盖玻璃(20)被安装在所述第一透镜(40)的功能缘(41)的物侧；

-透镜、盖玻璃(20)和在具有间隔件的情况下的间隔件(41、61)的组件(13)被成形为截头圆锥形形状或截头棱锥形形状；

-截头圆锥形形状或截头棱锥形形状的组件(13)被插入到相应形状和尺寸的外壳(14)中并被固定在所述外壳(14)中。