CN113331772A - 一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头，该鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心距离小于0.5mm或重合，沿光轴从物侧至像侧依次包括第一镜片、第二镜片、第三镜片、固定光阑、第四镜片和滤光片，第一镜片为具有负光焦度的弯月形镜片，且凹面朝向固定光阑，第二镜片为具有负光焦度的双凹镜片，第三镜片为具有正光焦度的双凸透镜，第四镜片为具有正光焦度的弯月形镜片，且凹面朝向固定光阑。本发明能保证不同介质环境下的图像一致性，具有小型化、轻量化、成本低，分辨率高，成像质量好，视场角大，光圈大的优点。

Description

一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及到一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头。

背景技术

胶囊内窥镜通过保护球罩隔绝机芯与人体消化道，保护球罩同时也是镜头的可视窗，胶囊式内窥镜工作的人体消化道大体为水环境或空腔，水介质和空气介质折射率不同导致通过保护球罩的光线偏折不同，影响图像质量的稳定性。

胶囊内窥镜拍摄过程中，随着人体消化道蠕动而前进运动时无法控制拍摄角度和拍摄方位，存在拍摄不全，无法达到全面检查的问题。现有的胶囊式内窥镜通常采用超广角镜头扩大拍摄视野，但视场角仍小于150度，已不能满足内窥镜市场的使用需求，急需设计出具有更大视场角且不随介质环境影响的镜头，实现超大视场角稳定拍摄。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头，技术方案如下：

一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头，包括同心圆结构的保护球罩，还包括沿物侧至像侧沿光轴依次物理连接的第一镜片、第二镜片、第三镜片、固定光阑、第四镜片，其中：

所述鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心的距离小于0.5mm；

所述保护球罩物侧面圆心与保护球罩像侧面圆心重合；

所述第一镜片具有负光焦度，第一镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面；

所述第二镜片具有负光焦度，第二镜片物侧面为凹面，像侧面为凹面；

所述第三镜片具有正光焦度，第三镜片物侧面为凸面，像侧面为凸面；

所述第四镜片具有正光焦度，第四镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面。

进一步的，所述鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心重合。

进一步的，所述鱼眼镜头固定光阑设置在第三镜片和第四镜片之间。

进一步的，所述鱼眼镜头满足条件：FBL＞0.5mm，其中，FBL为鱼眼镜头的光学后焦。

进一步的，所述鱼眼镜头满足条件式：

，

，

，其中

为该鱼眼镜头的总光焦度，

为第一镜片的光焦度，

为第二镜片的光焦度，

为第三镜片的光焦度，

为第四镜片的光焦度。

进一步的，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的任一镜片至少一面为非球面。

进一步的，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料满足条件式：

，其中

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的折射率，

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的阿贝系数。

进一步的，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料为玻璃或塑料的任一种。

进一步的，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的非球面面型满足条件式

，其中，Y为入射光线的高度，R为非球面在光轴附近的曲率半径，A₂为圆锥系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为高阶非球面系数，X为与光轴相距Y的非球面上的点到非球面顶点的切平面的垂直长度，所述切平面为垂直于光轴的平面。

采用本发明的鱼眼镜头，将入瞳中心设置为与保护球罩球心的距离小于0.5mm或重合，光线通过保护球罩时无偏折，镜头拍摄不受环境介质的影响，采用四片透镜，具有成本低，尺寸小，安装使用方便，视场角大，所摄面积广，光圈大，在低照度下能清晰成像，相对照度高，图像边缘和图像中心都能清晰成像。

附图说明

图1：本发明第一实施例的结构示意图。

图2：本发明第一实施例在空气介质中的MTF传递函数曲线图。

图3：本发明第一实施例在空气介质中的相对照度图。

图4：本发明第一实施例在空气介质中的畸变曲线图。

图5：本发明第一实施例在水介质中的MTF传递函数曲线图。

图6：本发明第一实施例在水介质中的相对照度图。

图7：本发明第一实施例在水介质中的畸变曲线图。

图8：本发明第二实施例的结构示意图。

图9：本发明第二实施例在空气介质中的MTF传递函数曲线图。

图10：本发明第二实施例在空气介质中的相对照度图。

图11：本发明第二实施例在空气介质中的畸变曲线图。

图12：本发明第二实施例在水介质中的MTF传递函数曲线图。

图13：本发明第二实施例在水介质中的相对照度图。

图14：本发明第二实施例在水介质中的畸变曲线图。

各序号及对应的名称分别为：

保护球罩110，球罩物侧面111，球罩像侧面112，第一镜片210，第一物侧面211，第一像侧面212，第二镜片220，第二物侧面221，第二像侧面222，第三镜片230，第三物侧面231，第三像侧面232，固定光阑240，第四镜片250，第四物侧面251，第四像侧面252，滤光片260，成像面270。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头，从物侧至像侧至像侧依次物理连接的第一镜片210、第二镜片220、第三镜片230、固定光阑240、第四镜片250和滤光片260，该鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心的距离小于0.5mm，第一镜片为具有负光焦度的弯月形镜片，且凹面朝向固定光阑，避免了边缘光线的掠入射，负光焦度承担的视场角降低了后续镜片的入射角度，凹面朝向固定光阑的设计降低了球差和彗差，第二镜片为具有负光焦度的双凹镜片，承担大量负光焦度，产生的正球差用于校正后组正透镜的负球差。第三镜片为具有正光焦度的双凸透镜，与第二镜片距离较近，形成正负光角度分离的结构形式，用于校正大视场带来的场曲，第四镜片为具有正光焦度的弯月形镜片，可以校正场曲，凹面朝向固定光阑的设计降低了球差和彗差，承担系统大部分正光焦度，用于将光线成像在感光芯片上。固定光阑位于第三镜片和第四镜片之间。通过调整镜片与固定光阑的距离，可以校正像散，尤其可以良好的补正彗差、畸变和垂轴像差。

优选的，该鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心重合，此时透明罩对系统总光焦度无贡献，光线通过保护球罩时不会发生偏折，消除环境介质对图像质量的影响。

优选的，该鱼眼镜头满足条件：FBL＞0.5mm，其中，FBL为鱼眼镜头的光学后焦，合理的光学后焦有利于镜头调试和组装。

优选的，该鱼眼镜头还满足条件式：

，

，

，其中

为该鱼眼镜头的总光焦度，

为第一镜片的光焦度，

为第二镜片的光焦度，

为第三镜片的光焦度，

为第四镜片的光焦度，合理的光焦度分配能保证大视场下的成像质量。

优选的，该第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的任一镜片至少一面为非球面，有利于校正球差和彗差。

优选的，该第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料满足条件式：

，其中

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的折射率，

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的阿贝系数，有利于校正色差，进一步提高成像质量。

优选的，该第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料为玻璃或塑料的任一种。

第一实施例：

如图1所示，本发明胶囊式内窥镜的鱼眼镜头入瞳中心位于保护球罩110球心附近，从物侧至像侧依次包括第一镜片210、第二镜片220、第三镜片230、固定光阑240、第四镜片250、滤光片260和成像面270；

保护球罩110为同心圆结构，保护球罩110的球罩物侧面111的圆心与保护球罩110的球罩像侧面112圆心重合；

第一镜片210具有负光焦度，第一镜片210的第一物侧面211为凸面，第一镜片210的第一像侧面212为凹面；

第二镜片220具有负光焦度，第二镜片220的第二物侧面221为凹面，第二镜片220的第二像侧面222为凹面；

第三镜片230具有正光焦度，第三镜片230的第三物侧面231为凸面，第三镜片230的第三像侧面232为凸面；

第四镜片250具有正光焦度，第四镜片250的第四物侧面251为凹面，第四镜片250的第四像侧面252为凸面。

本具体实施例中，固定光阑240位于第三镜片230和第四镜片250之间，第一镜片210、第二镜片220、第三镜片230和第四镜片250均采用塑料材料制成，各个镜片的两个表面均为非球面，滤光片260用于滤除不需要的光线，例如滤除红外光的滤光片。

本具体实施例中，鱼眼镜头的详细光学数据如表1所示：

表1

其中，带*为非球面，该非球面面型满足以下公式：

其中，Y为入射光线的高度，R为非球面在光轴附近的曲率半径，A₂为圆锥系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为高阶非球面系数，X为与光轴相距Y的非球面上的点到非球面顶点的切平面的垂直长度，所述切平面为垂直于光轴的平面，即X表示非球面离开非球面顶点在光轴方向的距离。

本具体实施例的各个非球面的参数详细数据如表2所示：

表2

图2为本发明第一实施例在空气介质中的MTF传递函数曲线图，图3为在空气介质中的相对照度图，图4为在空气介质中的畸变曲线图，图5为物侧为水介质的MTF传递函数曲线图，图6为在水介质中的相对照度曲线图，图7为在水介质中的畸变曲线图，可以看出空气介质和水介质下成像质量一致，分辨率高，160lp/mm下空间频率各视场MTF值大于0.33，成像质量好，边缘视场与中心视场的相对照度大于0.6，相对照度高，畸变控制在25%内，图像变形小。

在第一实施例中，该鱼眼镜头的镜头焦距f=0.50mm，光圈数FNO=3，视场角FOV=180°，系统总长TTL=0.55mm，像面直径φ=1.6mm，本发明第一实施例结构简单，尺寸小，光圈大，视场角大，相对照度高，畸变小，成像质量高，在不同介质环境下可以保持良好的光学性能。

第二实施例：

如图8所示本发明第二实施例的结构示意图，本实施例与第一实施例的各个镜片的面型凹凸和光焦度分配相同，仅各镜片表面的曲率半径、透镜厚度等光学参数有所不同，第二实施例的详细光学数据如表3所示：

表3

第二实施例的各个非球面的参数详细数据如表4所示：

表4

图9为本发明第二实施例在空气介质中的MTF传递函数曲线图，图10为在空气介质中的相对照度图，图11为在空气介质中的畸变曲线图，图12为物侧为水介质的MTF传递函数曲线图，图13为在水介质中的相对照度曲线图，图14为在水介质中的畸变曲线图。可以看出本发明的鱼眼镜头在空气介质和水介质下成像质量一致，分辨率高，160lp/mm下空间频率各视场MTF值大于0.33，成像质量好，边缘视场与中心视场的相对照度大于0.6，相对照度高，畸变控制在25%内，图像变形小。

在第二实施例中，该鱼眼镜头的镜头焦距f=0.48mm，光圈数FNO=3，视场角FOV=200°，系统总长TTL=0.55mm，像面直径φ=1.6mm； 本发明的鱼眼镜头结构简单，尺寸小，光圈大，视场角大，相对照度高，畸变小，成像质量高，在不同介质环境下可以保持良好的光学性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的发明构思之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于胶囊内窥镜的鱼眼镜头，包括同心圆结构的保护球罩，其特征在于，还包括沿物侧至像侧沿光轴依次物理连接的第一镜片、第二镜片、第三镜片、固定光阑、第四镜片，其中：

所述鱼眼镜头入瞳中心到保护球罩球心的距离小于0.5mm；

所述保护球罩物侧面圆心与保护球罩像侧面圆心重合；

所述第一镜片具有负光焦度，第一镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面；

所述第二镜片具有负光焦度，第二镜片物侧面为凹面，像侧面为凹面；

所述第三镜片具有正光焦度，第三镜片物侧面为凸面，像侧面为凸面；

所述第四镜片具有正光焦度，第四镜片物侧面为凸面，像侧面为凹面。

2.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头入瞳中心与保护球罩球心重合。

3.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头固定光阑设置在第三镜片和第四镜片之间。

4.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足条件：FBL＞0.5mm，其中，FBL为鱼眼镜头的光学后焦。

5.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述鱼眼镜头满足条件式

，

，

，其中

为该鱼眼镜头的总光焦度，

为第一镜片的光焦度，

为第二镜片的光焦度，

为第三镜片的光焦度，

为第四镜片的光焦度。

6.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的任一镜片至少一面为非球面。

7.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料满足条件式：

，其中

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的折射率，

分别为第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片d光下的阿贝系数。

8.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的材料为玻璃或塑料的任一种。

9.根据权利要求1所述的鱼眼镜头，其特征在于，所述第一镜片、第二镜片、第三镜片和第四镜片的非球面面型满足条件式

，其中，Y为入射光线的高度，R为非球面在光轴附近的曲率半径，A₂为圆锥系数，A₄、A₆、A₈、A₁₀、A₁₂为高阶非球面系数，X为与光轴相距Y的非球面上的点到非球面顶点的切平面的垂直长度，所述切平面为垂直于光轴的平面。

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