CN113589519A - 细管径高清内窥镜光学系统 - Google Patents

细管径高清内窥镜光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种细管径高清内窥镜光学系统，包括用于成像的物镜组件(1)，还包括用于光束传输的中继组件(2)和用于将像面转接给目视或相机的目镜组件(3)，所述中继组件(2)位于所述物镜组件(1)和所述目镜组件(3)之间。本发明可以细化内窥镜的镜管口径，提高解像清晰度，增大实际工作的视场范围。

Description

细管径高清内窥镜光学系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种细管径高清内窥镜光学系统。
背景技术
随着内窥镜微创技术的普及和内窥镜工艺技术的提高，医用内窥镜的应用已成为内科和外科等科室不可或缺的医用诊断和手术设备，因此对生命安全与健康至关重要。现有技术中的医用内窥镜的镜管口径普遍较大，解像清晰程度不高，视场范围小，因而难以适应现代医疗诊断和越来越高的手术难度的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细管径高清内窥镜光学系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种细管径高清内窥镜光学系统，包括用于成像的物镜组件，还包括用于光束传输的中继组件和用于将像面转接给目视或相机的目镜组件，所述中继组件位于所述物镜组件和所述目镜组件之间。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件包括从物方至第一中间像面依次排列的光焦度为负的第一物侧透镜、光焦度为正的第二物侧透镜、光焦度为正的第三物侧透镜、光焦度为负的第四物侧透镜、光焦度为正的第五物侧透镜、光焦度为负或正的第六物侧透镜、光焦度为正或负的第七物侧透镜、光焦度为负或正的第八物侧透镜、光焦度为正或负的第九物侧透镜和光焦度为正或负的第十物侧透镜。
根据本发明的一个方面，所述第一物侧透镜为平凹型，所述第二物侧透镜为平凸型，所述第三物侧透镜为双凸型，所述第四物侧透镜为双凹型，所述第五物侧透镜为双凸型，所述第六物侧透镜为凹凹、凸凸或凸凹型，所述第七物侧透镜为凸凸或凹凹型，所述第八物侧透镜为凸凹、凹凹或凸凸型，所述第九物侧透镜为凸凸或凹凸型，所述第十物侧透镜为弯月状，且向像面弯曲。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件的第二物侧透镜像方仅包括以下胶合镜组：所述第六物侧透镜和所述第七物侧透镜胶合组成的胶合镜组以及所述第八物侧透镜和所述第九物侧透镜胶合组成的胶合镜组。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件的第二物侧透镜像方仅包括以下胶合镜组：所述第四物侧透镜和所述第五物侧透镜胶合组成的胶合镜组、所述第六物侧透镜和所述第七物侧透镜胶合组成的胶合镜组以及所述第八物侧透镜和所述第九物侧透镜胶合组成的胶合镜组。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件的第二物侧透镜像方仅包括以下胶合镜组：所述第三物侧透镜和所述第四物侧透镜胶合组成的胶合镜组以及所述第六物侧透镜和所述第七物侧透镜胶合组成的胶合镜组。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件的第二物侧透镜像方仅包括以下胶合镜组：所述第四物侧透镜和所述第五物侧透镜胶合组成的胶合镜组以及所述第六物侧透镜和所述第七物侧透镜胶合组成的胶合镜组。
根据本发明的一个方面，所述物镜组件还包括视向角棱镜，位于所述第一物侧透镜和所述第二物侧透镜之间，并与所述第二物侧透镜胶合。
根据本发明的一个方面，所述第一物侧透镜的中心厚度d_L1和最大光学有效口径D_L1满足以下关系：0.32≤d_L1/D_L1≤0.47。
根据本发明的一个方面，所述第一物侧透镜的折射率Nd_L1满足以下条件：1.87≤Nd_L1≤2.05。
根据本发明的一个方面，所述第四物侧透镜的折射率Nd_L4和阿贝数Vd_L4分别满足以下条件：1.64≤Nd_L4≤2.00；15.44≤Vd_L4≤32.5。
根据本发明的一个方面，所述第五物侧透镜的折射率Nd_L5和阿贝数Vd_L5分别满足以下条件：1.41≤Nd_L5≤1.77；45.35≤Vd_L5≤95.19。
根据本发明的一个方面，所述第十物侧透镜的第一个光学面的曲率半径R_L10_S1和第二个光学面的曲率半径R_L10_S2满足以下关系：0.80≤R_L10_S2/R_L10_S1≤0.96。
根据本发明的一个方面，所述中继组件包括三组中继透镜组，所述中继透镜组由两个三胶合长棒状镜组对称排列构成，形成双远心结构。
根据本发明的一个方面，所述三胶合长棒状镜组包括依次排列的光焦度为负第一中继透镜、光焦度为正的第二中继透镜和光焦度为负的第三中继透镜。
根据本发明的一个方面，所述第一中继透镜为凸凹型的弯月状，所述第二中继透镜为凸凸型的长棒状，所述第三中继透镜为凹凸型，且与所述第一中继透镜对称。
根据本发明的一个方面，所述第一中继透镜的折射率Nd_H_L1和阿贝数Vd_H_L1以及所述第二中继透镜的折射率Nd_H_L2和阿贝数Vd_H_L2分别满足以下条件：1.53≤Nd_H_L1≤1.67；34.22≤Vd_H_L1≤51.22；1.44≤Nd_H_L2≤1.64；57.96≤Vd_H_L2≤86.61。
根据本发明的一个方面，所述目镜组件为物方远心结构，其物平面与所述中继组件的像平面共面。
根据本发明的一个方面，所述目镜组件包括沿光线传播的方向依次排列的光焦度为正或负的第一目侧透镜、光焦度为正的第二目侧透镜、光焦度为负的第三目侧透镜和光焦度为正的第四目侧透镜。
根据本发明的一个方面，所述第一目侧透镜为凹凸型的弯月状，且向物面弯曲，所述第二目侧透镜为双凸型，所述第三目侧透镜为凹凸型的弯月状，所述第四目侧透镜为双凸型。
根据本发明的一个方面，所述第二目侧透镜和所述第三目侧透镜胶合组成胶合镜组。
根据本发明的一个方面，还包括位于所述中继组件中部的光阑。
根据本发明的方案，内窥镜光学系统具有精确设计的物镜组件、中继组件和目镜组件，使这些组件良好衔接。并通过使用不同的玻璃材料，设计不同形状的透镜，使这些透镜合理配合。如此，可以细化内窥镜的镜管口径，提高解像清晰度，增大实际工作的视场范围。
根据本发明的一个方案，在物镜组件中合理设置正光焦度透镜和负光焦度透镜，起到收纳一定角度的入射光线的作用，且可以避免入射光线通过每一个光学面时出现大角度的偏折，使光线走势平缓，有利于校正像差，降低公差敏感程度。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第一透镜的中心厚度和最大光学有效口径的关系，可以在实现小口径的同时，确保可加工性。
根据本发明的一个方案，第一透镜和第二透镜之间还设有一个视向角棱镜，从而可以将光轴偏转30°或者70°，使内窥镜在实际应用中更具适应性和灵活性，满足不同工作环境的使用要求。
根据本发明的一个方案，第一透镜使用高折射率的材料，可以收纳大角度的物方视场光束，又可以缩小由第一透镜出射后进入棱镜的光束口径，确保光束在棱镜中传输时不被切割，有足够的光能到达像面，提高画面亮度。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第四透镜和第五透镜所使用的材料的折射率和阿贝数，有利于校正内窥镜光学系统的色差，保证解像性能。
根据本发明的一个方案，通过合理设置第十透镜的第一个光学面的曲率半径和第二个光学面的曲率半径的关系，可以产生一个负的场曲，与后续传向系统的场曲互相补偿抵消，保证解像性能。
根据本发明的一个方案，中继组件可以增加光学系统的机械长度，满足内窥镜在实际医疗中的使用要求。中继透镜组设计成双远心结构，保证了在传输过程中物像放大倍率不变，且不引入横向方向的像差，而只存在纵向方向的色差，有利于整个系统的像差校正，保证稳定的解像品质。
根据本发明的一个方案，三胶合长棒状透镜两端的第一透镜和第三透镜完全相同且对称，再合理设置这些透镜的折射率和阿贝数，可以有效校正纵向色差。
根据本发明的一个方案，目镜组件中的第一目侧透镜为弯曲向物面的弯月状，从而保证了目镜组件有良好的物方远心度，便于承接中继组件的像平面。第二目侧透镜和第三目侧透镜构成的双胶合透镜，有利于校正由中继组件所产生的纵向色差。第四目侧透镜起到调整出射光线角度的作用，更好地与后续的人眼或相机承接。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的内窥镜光学系统整体结构图；
图2示意性表示本发明的第一种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的结构图；
图3示意性表示本发明的一种实施方式的内窥镜光学系统中的视向角棱镜效果；
图4示意性表示本发明的一种实施方式的内窥镜光学系统中的中继组件的结构图；
图5示意性表示本发明的一种实施方式的内窥镜光学系统中的目镜组件的结构图；
图6示意性表示本发明的第一种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的MTF图；
图7示意性表示本发明的第二种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的结构图；
图8示意性表示本发明的第二种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的MTF图；
图9示意性表示本发明的第三种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的结构图；
图10示意性表示本发明的第三种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的MTF图；
图11示意性表示本发明的第四种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的结构图；
图12示意性表示本发明的第四种实施方式的内窥镜光学系统中的物镜组件的MTF图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的细管径高清内窥镜光学系统，包括从物方至像面依次排列的用于成像的物镜组件1、用于光束传输的中继组件2和用于将像面转接给目视或相机的目镜组件3。即，中继组件2位于物镜组件1和目镜组件3之间。这三个组件良好衔接，可以细化内窥镜的镜管口径，提高解像清晰度，增大实际工作的视场范围。此外，本发明细管径高清内窥镜光学系统的还包括位于中继组件2中部的光阑。
参见图2，本发明中，物镜组件1包括从物方至第一中间像面依次排列的光焦度为负的第一物侧透镜L1、光焦度为正的第二物侧透镜L2、光焦度为正的第三物侧透镜L3、光焦度为负的第四物侧透镜L4、光焦度为正的第五物侧透镜L5、光焦度为负或正的第六物侧透镜L6、光焦度为正或负的第七物侧透镜L7、光焦度为负或正的第八物侧透镜L8、光焦度为正或负的第九物侧透镜L9和光焦度为正或负的第十物侧透镜L10。第一物侧透镜L1为平凹型，第二物侧透镜L2为平凸型，第三物侧透镜L3为双凸型，第四物侧透镜L4为双凹型，第五物侧透镜L5为双凸型，第六物侧透镜L6为凹凹、凸凸或凸凹型，第七物侧透镜L7为凸凸或凹凹型，第八物侧透镜L8为凸凹、凹凹或凸凸型，第九物侧透镜L9为凸凸或凹凸型，第十物侧透镜L10为弯月状，且向像面弯曲。在某些实施方式中，第六物侧透镜L6和第七物侧透镜L7、第八物侧透镜L8和第九物侧透镜L9、第四物侧透镜L4和第五物侧透镜L5、第三物侧透镜L3和第四物侧透镜L4均可组成双胶合镜组。
如此，本发明在物镜组件1中合理放置正光焦度透镜和负光焦度透镜，起到收纳一定角度的入射光线的作用，并且可以避免入射光线通过每一个光学面时出现大角度的偏折，使光线走势平缓，有利于校正像差，降低公差敏感程度。
本发明中，物镜组件1还包括视向角棱镜P，其位于第一物侧透镜L1和第二物侧透镜L2之间，与第一物侧透镜L1紧贴，与第二物侧透镜L2胶合。视向角棱镜P的成像效果可参见图3所示，其可以将光轴偏转30°或者70°，使内窥镜在实际应用中更具适应性和灵活性，满足不同工作环境的使用要求。
本发明中，第一物侧透镜L1的中心厚度d_L1和最大光学有效口径D_L1满足以下关系：0.32≤d_L1/D_L1≤0.47。满足以上关系，可以实现小口径，并能确保可加工性。
本发明中，第一物侧透镜L1的折射率Nd_L1满足以下条件：1.87≤Nd_L1≤2.05。如此，第一透镜L1使用了高折射率的材料，从而可以收纳大角度的物方视场光束，又可以缩小由第一透镜L1出射后进入棱镜的光束口径，确保光束在棱镜中传输时不被切割，有足够的光能到达像面，提高画面亮度。
本发明中，第四物侧透镜L4的折射率Nd_L4和阿贝数Vd_L4分别满足以下条件：1.64≤Nd_L4≤2.00；15.44≤Vd_L4≤32.5。如此，第四透镜L4所使用的材料折射率和阿贝数满足上述关系时，有利于校正内窥镜光学系统的色差，保证解像性能。
本发明中，第五物侧透镜L5的折射率Nd_L5和阿贝数Vd_L5分别满足以下条件：1.41≤Nd_L5≤1.77；45.35≤Vd_L5≤95.19。如此，第五透镜L5所使用的材料折射率和阿贝数满足上述关系时，有利于校正内窥镜光学系统的色差，保证解像性能。
本发明中，第十物侧透镜L10的第一个光学面的曲率半径R_L10_S1和第二个光学面的曲率半径R_L10_S2满足以下关系：0.80≤R_L10_S2/R_L10_S1≤0.96。如此，第十透镜L10两个光学面的曲率半径满足上述关系时，可以产生一个负的场曲，与后续传向系统的场曲互相补偿抵消，保证解像性能。
参见图4，本发明的中继组件2包括三组中继透镜组21，中继透镜组21由两个三胶合长棒状镜组211对称排列构成，形成双远心结构。中继组件2的设置是为了增加光学系统的机械长度，满足内窥镜在实际医疗中的使用要求。中继透镜组21设计成双远心结构则保证了在传输过程中物像放大倍率不变，且不引入横向方向的像差，而只存在纵向方向的色差，有利于整个系统的像差校正，保证稳定的解像品质。
本发明中，三胶合长棒状镜组211包括依次排列的光焦度为负的第一中继透镜H_L1、光焦度为正的第二中继透镜H_L2和光焦度为负的第三中继透镜H_L3。第一中继透镜H_L1为凸凹型的弯月状，第二中继透镜H_L2为凸凸型的长棒状，第三中继透镜H_L3为凹凸型，且与第一中继透镜H_L1对称放置。
第一中继透镜H_L1的折射率Nd_H_L1和阿贝数Vd_H_L1以及第二中继透镜H_L2的折射率Nd_H_L2和阿贝数Vd_H_L2分别满足以下条件：1.53≤Nd_H_L1≤1.67；34.22≤Vd_H_L1≤51.22；1.44≤Nd_H_L2≤1.64；57.96≤Vd_H_L2≤86.61。实际上，三胶合长棒状镜组211中的第一中继透镜H_L1和第三中继透镜H_L3完全相同，只是对称布置而已。如此，中继组件2的组成单元为两端透镜完全相同且对称胶合的三胶合长棒状镜组221，再配合上述折射率和阿贝数的关系设置，可以有效校正纵向色差。
参见图5，本发明的目镜组件3为物方远心光学结构，其物平面与中继组件2的像平面共面。目镜组件3包括沿光线传播的方向依次排列的光焦度为正或负的第一目侧透镜E_L1、光焦度为正的第二目侧透镜E_L2、光焦度为负的第三目侧透镜E_L3和光焦度为正的第四目侧透镜E_L4。第一目侧透镜E_L1为凹凸型的弯月状，且向物面弯曲，第二目侧透镜E_L2为双凸型，第三目侧透镜E_L3为凹凸型的弯月状，第四目侧透镜E_L4为双凸型。其中，第二目侧透镜E_L2和第三目侧透镜E_L3胶合组成双胶合镜组。如此，第一目侧透镜E_L1设计成弯曲向物面的弯月状，保证了目镜组件3有良好的物方远心度，便以承接中继组件2的像平面。由第二物侧透镜E_L2和第三物侧透镜E_L3构成的双胶合镜组，有利于校正由中继组件2所产生的纵向色差。第四目侧透镜E_L4则起到调整出射光线角度的作用，更好地与后续的人眼或相机承接。
以下以四组实施方式来具体说明本发明的细管径高清内窥镜光学系统，在下列实施方式中，以S1、S2、…、SN表示各光学元件的面，胶合镜组的胶合面记为一面。
具体符合上述条件式的各实施方式的参数如下表1所示：
Figure BDA0003190082250000111
表1
第一种实施方式
参见图2和图6，在本实施方式中，第六物侧透镜L6和第七物侧透镜L7胶合组成双胶合镜组，第八物侧透镜L8和第九物侧透镜L9胶合组成双胶合镜组。第六物侧透镜L6为凹凹型，第七物侧透镜L7为凸凸型，第八物侧透镜L8为凸凹型，第九物侧透镜L9为凸凸型。视场角度FOV＝75°。
本实施方式的内窥镜光学系统的各透镜参数如下表2所示：
Figure BDA0003190082250000121
Figure BDA0003190082250000131
表2
第二种实施方式
参见图7和图8，在本实施方式中，第四物侧透镜L4和第五物侧透镜L5胶合组成胶合镜组，第六物侧透镜L6和第七物侧透镜L7胶合组成胶合镜组，第八物侧透镜L8和第九物侧透镜L9胶合组成胶合镜组。第六物侧透镜L6为凸凸型，第七物侧透镜L7为凹凹型，第八物侧透镜L8为凸凹型，第九物侧透镜L9为凸凸型。视场角度FOV＝77°。
本实施方式的内窥镜光学系统的各透镜参数如下表3所示：
Figure BDA0003190082250000132
Figure BDA0003190082250000141
Figure BDA0003190082250000151
表3
第三种实施方式
参见图9和图10，在本实施方式中，第三物侧透镜L3和第四物侧透镜L4胶合组成双胶合镜组，第六物侧透镜L6和第七物侧透镜L7胶合组成双胶合镜组。第六物侧透镜L6为凸凹型，第七物侧透镜L7为凸凸型，第八物侧透镜L8为凹凹型，第九物侧透镜L9为凸凸型。视场角度FOV＝79°。
本实施方式的内窥镜光学系统的各透镜参数如下表4所示：
Figure BDA0003190082250000152
Figure BDA0003190082250000161
表4
第四种实施方式
参见图11和图12，在本实施方式中，第四物侧透镜L4和第五物侧透镜L5胶合组成双胶合镜组，第六物侧透镜L6和第七物侧透镜L7胶合组成双胶合镜组。第六物侧透镜L6为凹凹型，第七物侧透镜L7为凸凸型，第八物侧透镜L8为凸凸型，第九物侧透镜L9为凹凸型。视场角度FOV＝81°。本实施方式的内窥镜光学系统的各透镜参数如下表5所示：
Figure BDA0003190082250000171
Figure BDA0003190082250000181
表5
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种细管径高清内窥镜光学系统，包括用于成像的物镜组件(1)，其特征在于，还包括用于光束传输的中继组件(2)和用于将像面转接给目视或相机的目镜组件(3)，所述中继组件(2)位于所述物镜组件(1)和所述目镜组件(3)之间。
2.根据权利要求1所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)包括从物方至第一中间像面依次排列的光焦度为负的第一物侧透镜(L1)、光焦度为正的第二物侧透镜(L2)、光焦度为正的第三物侧透镜(L3)、光焦度为负的第四物侧透镜(L4)、光焦度为正的第五物侧透镜(L5)、光焦度为负或正的第六物侧透镜(L6)、光焦度为正或负的第七物侧透镜(L7)、光焦度为负或正的第八物侧透镜(L8)、光焦度为正或负的第九物侧透镜(L9)和光焦度为正或负的第十物侧透镜(L10)。
3.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述第一物侧透镜(L1)为平凹型，所述第二物侧透镜(L2)为平凸型，所述第三物侧透镜(L3)为双凸型，所述第四物侧透镜(L4)为双凹型，所述第五物侧透镜(L5)为双凸型，所述第六物侧透镜(L6)为凹凹、凸凸或凸凹型，所述第七物侧透镜(L7)为凸凸或凹凹型，所述第八物侧透镜(L8)为凸凹、凹凹或凸凸型，所述第九物侧透镜(L9)为凸凸或凹凸型，所述第十物侧透镜(L10)为弯月状，且向像面弯曲。
4.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)的第二物侧透镜(L2)像方仅包括以下胶合镜组：所述第六物侧透镜(L6)和所述第七物侧透镜(L7)胶合组成的胶合镜组以及所述第八物侧透镜(L8)和所述第九物侧透镜(L9)胶合组成的胶合镜组。
5.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)的第二物侧透镜(L2)像方仅包括以下胶合镜组：所述第四物侧透镜(L4)和所述第五物侧透镜(L5)胶合组成的胶合镜组、所述第六物侧透镜(L6)和所述第七物侧透镜(L7)胶合组成的胶合镜组以及所述第八物侧透镜(L8)和所述第九物侧透镜(L9)胶合组成的胶合镜组。
6.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)的第二物侧透镜(L2)像方仅包括以下胶合镜组：所述第三物侧透镜(L3)和所述第四物侧透镜(L4)胶合组成的胶合镜组以及所述第六物侧透镜(L6)和所述第七物侧透镜(L7)胶合组成的胶合镜组。
7.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)的第二物侧透镜(L2)像方仅包括以下胶合镜组：所述第四物侧透镜(L4)和所述第五物侧透镜(L5)胶合组成的胶合镜组以及所述第六物侧透镜(L6)和所述第七物侧透镜(L7)胶合组成的胶合镜组。
8.根据权利要求2所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述物镜组件(1)还包括视向角棱镜(P)，位于所述第一物侧透镜(L1)和所述第二物侧透镜(L2)之间，并与所述第二物侧透镜(L2)胶合。
9.根据权利要求2-8中任一项所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述第一物侧透镜(L1)的中心厚度d_L1和最大光学有效口径D_L1满足以下关系：0.32≤d_L1/D_L1≤0.47。
10.根据权利要求2-8中任一项所述的内窥镜光学系统，其特征在于，所述第一物侧透镜(L1)的折射率Nd_L1满足以下条件：1.87≤Nd_L1≤2.05。
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