CN114002826B - 一种光学镜头、内窥镜成像系统及内窥镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及一种光学镜头、内窥镜成像系统及内窥镜。光学镜头应用于内窥镜，光学镜头包括自物方至像方依次排布的第一透镜、第一胶合透镜、滤光片、第四透镜、光阑、第二胶合透镜和第七透镜；第一透镜的物侧表面为凸面，第一透镜的像侧表面为凹面；第一胶合透镜的物侧表面为凹面，第一胶合透镜的像侧表面为凸面；第四透镜的物侧表面为凸面，第四透镜的像侧表面为凹面；第二胶合透镜的物侧表面为凸面，第二胶合透镜的像侧表面为凸面；第七透镜的物侧表面为凹面，第七透镜的像侧表面为平面。本发明的光学镜头可以有效减小近轴球差，矫正边缘色差，从而提高边缘视场解像力，缩短焦距，进一步增大视场范围，提高成像质量。

Description

一种光学镜头、内窥镜成像系统及内窥镜
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，具体涉及一种光学镜头、内窥镜成像系统及内窥镜。
背景技术
光学镜头是成像系统中必不可少的部件，直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和效果。光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等。光学镜头的应用非常的广泛，例如，内窥镜就设置有光学镜头。医生利用内窥镜可以观察身体内的病变，有利于制定出最佳的治疗方案。但现有技术中，内窥镜中使用的光学镜头具有成像质量差的缺陷。
发明内容
因此，本发明提供一种光学镜头，解决或部分解决现有技术中内窥镜中的光学镜头具有成像质量差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种光学镜头，应用于内窥镜，所述光学镜头包括自物方至像方依次排布的第一透镜、第一胶合透镜、滤光片、第四透镜、光阑、第二胶合透镜和第七透镜；
所述第一透镜的物侧表面为凸面，所述第一透镜的像侧表面为凹面；
所述第一胶合透镜的物侧表面为凹面，所述第一胶合透镜的像侧表面为凸面；
所述第四透镜的物侧表面为凸面，所述第四透镜的像侧表面为凹面；
所述第二胶合透镜的物侧表面为凸面，所述第二胶合透镜的像侧表面为凸面；
所述第七透镜的物侧表面为凹面，所述第七透镜的像侧表面为平面。
可选地，所述第一透镜满足，
0＜f2/fL1＜2；
其中，f2表示所述第一透镜的像侧表面的焦距，fL1表示所述第一透镜的焦距。
可选地，所述第一胶合透镜自物方至像方依次包括第二透镜和第三透镜；
所述第二透镜的物侧表面为凹面，所述第二透镜的像侧表面为凹面；
所述第三透镜的物侧表面为凸面，所述第三透镜的像侧表面为凸面。
可选地，所述第一透镜和所述第二透镜满足，0＜f4/d＜15；
其中，f4表示所述第二透镜的像侧表面的焦距的绝对值，d表示所述第一透镜的像侧表面顶点到所述第二透镜的像侧表面顶点的距离。
可选地，所述第二透镜和所述第三透镜满足：
0＜(f3/fL2+f5/fL3)/fL23＜3；
其中，f3表示所述第二透镜的物侧表面的焦距，f5表示所述第三透镜的像侧表面的焦距，fL2表示所述第二透镜的焦距，fL3表示所述第三透镜的焦距，fL23表示所述第一胶合透镜的焦距。
可选地，所述第二胶合透镜自物方至像方依次包括第五透镜和第六透镜；
所述第五透镜的物侧表面为凸面，所述第五透镜的像侧表面为凹面；
所述第六透镜的物侧表面为凸面，所述第六透镜的像侧表面为凸面。
可选地，所述第一透镜、所述第一胶合透镜、所述滤光片、所述第四透镜、所述第二胶合透镜和所述第七透镜均为玻璃透镜。
可选地，所述第四透镜和所述第七透镜为冕牌玻璃。
可选地，所述第四透镜和所述第七透镜的阿贝数大于等于60。
可选地，所述滤光片为红外滤光片。
可选地，所述第一透镜的物侧表面的外周设置遮光涂层，所述遮光涂层围成矩形透光窗口。
可选地，所述光学镜头还包括前置镜组和后置镜组；
所述前置镜组包括前置壳体和所述第一透镜；所述前置壳体呈筒状结构，且围成第一内腔；所述第一透镜位于所述前置壳体的一端；
所述后置镜组包括后置壳体、所述第一胶合透镜、所述滤光片、所述第四透镜、所述光阑、所述第二胶合透镜和所述第七透镜；所述后置壳体呈筒状结构，且围成第二内腔；所述第一胶合透镜、所述滤光片、所述第四透镜、所述光阑、所述第二胶合透镜、所述第七透镜均设置于所述第二内腔内；
所述后置壳体的一端插入到所述第一内腔中，所述后置壳体与所述前置壳体连接。
可选地，所述第一内腔的腔壁设置有消光涂层；和/或，所述第二内腔的腔壁设置有消光涂层。
本发明的光学镜头包括第一胶合透镜和第二胶合透镜两组粘合体透镜，可以有效减小近轴球差、矫正边缘色差，从而提高边缘视场解像力，缩短焦距，进一步增大视场范围，提高成像质量。
本发明的另一目的在于提出一种内窥镜成像系统及内窥镜，以解决或部分解决现有内窥镜中的光学镜头具有成像质量差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种内窥镜成像系统，包括图像传感器和上述的光学镜头，所述图像传感器位于所述光学镜头的成像面处，所述图像传感器用于将所述光学镜头形成的光学图像转换为电信号。
一种内窥镜，包括上述的内窥镜成像系统，以及依次连接的镜头、可弯部、入腹组件和控制手柄，所述镜头内设有所述图像传感器和所述光学镜头。
所述内窥镜成像系统及内窥镜与上述的光学镜头相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本发明实施例提供的一种内窥镜的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光学镜头的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一透镜的物侧表面的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的光学镜头的调制传递函数曲线图；
图5为本发明实施例提供的光学镜头的色差示图；
图6为本发明实施例提供的光学镜头的场曲示图；
图7为本发明实施例提供的光学镜头的畸变示图。
附图标记说明：
411-镜头；
412-光学镜头；
4121-第一透镜；41211-第一透镜的物侧表面；41212-第一透镜的像侧表面；41213-透光窗口；
4122-第二透镜；41221-第二透镜的物侧表面；41222-第二透镜的像侧表面；
4123-第三透镜；41231-第三透镜的物侧表面；41232-第三透镜的像侧表面；
4124-第四透镜；41241-第四透镜的物侧表面；41242-第四透镜的像侧表面；
4125-第五透镜；41251-第五透镜的物侧表面；41252-第五透镜的像侧表面；
4126-第六透镜；41261-第六透镜的物侧表面；41262-第六透镜的像侧表面；
4127-第七透镜；41271-第七透镜的物侧表面；41272-第七透镜的像侧表面；
4128-滤光片；4129-光阑；4130-第一胶合透镜；4131-第二胶合透镜；4132-成像面；
413-可弯部；417-入腹组件；419-控制手柄。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图2所示，本发明一实施例公开了一种光学镜头，光学镜头应用于内窥镜，所述光学镜头包括自物方至像方依次排布的第一透镜4121、第一胶合透镜4130、滤光片4128、第四透镜4124、光阑4129、第二胶合透镜4131和第七透镜4127；所述第一透镜的物侧表面41211为凸面，所述第一透镜的像侧表面41212为凹面；所述第一胶合透镜4130的物侧表面为凹面，所述第一胶合透镜4130的像侧表面为凸面；所述第四透镜的物侧表面41241为凸面，所述第四透镜的像侧表面41242为凹面；所述第二胶合透镜4131的物侧表面为凸面，所述第二胶合透镜4131的像侧表面为凸面；所述第七透镜的物侧表面41271为凹面，所述第七透镜的像侧表面41272为平面。
本发明实施例中的光学镜头包括第一胶合透镜4130和第二胶合透镜4131两组粘合体透镜，可以有效减小近轴球差、矫正边缘色差，从而提高边缘视场解像力，缩短焦距，进一步增大视场范围，提高成像质量。
在一实施例中，所述第一透镜4121满足，0＜f2/fL1＜2；其中，f2表示所述第一透镜的像侧表面41212的焦距，fL1表示所述第一透镜4121的焦距。
当第一透镜4121满足0＜f2/fL1＜2时，可以有效地增大视场角，保证光学镜头的视场角不小于70°，并且有效地减小光线与光轴的夹角，减小后续镜片矫正像差的负担，减小后续镜片的口径。
如图2所示，在一实施例中，所述第一胶合透镜4130自物方至像方依次包括第二透镜4122和第三透镜4123；所述第二透镜的物侧表面41221为凹面，所述第二透镜的像侧表面41222为凹面；所述第三透镜的物侧表面41231为凸面，所述第三透镜的像侧表面41232为凸面。
在一实施例中，所述第一透镜4121和所述第二透镜4122满足，0＜f4/d＜15；其中，f4表示所述第二透镜的像侧表面41222的焦距的绝对值，d表示所述第一透镜的像侧表面41212顶点到所述第二透镜的像侧表面41222顶点的距离。
第一透镜4121和第二透镜4122满足以上条件式可以有效地避免第三透镜的像侧表面41232的光线反射汇聚在第二透镜的像侧表面41222上，进而反射到成像面上产生鬼影，避免鬼影对成像质量产生影响。
在一实施例中，所述第二透镜4122和所述第三透镜4123满足：0＜(f3/fL2+f5/fL3)/fL23＜3；其中，f3表示所述第二透镜的物侧表面41221的焦距，f5表示所述第三透镜的像侧表面41232的焦距，fL2表示所述第二透镜4122的焦距，fL3表示所述第三透镜4123的焦距，fL23表示所述第一胶合透镜4130的焦距。
第二透镜4122和第三透镜4123满足上述条件式，可以有效地控制第一胶合透镜4130的物侧表面和第一胶合透镜4130的像侧表面的曲率半经，避免第一胶合透镜4130的表面出现过度弯曲，保证光线通过第一胶合透镜4130后不会有较大的折射角，从而降低第一胶合透镜4130的公差敏感度，有效地提升组装良率。
如图2所示，在一实施例中，所述第二胶合透镜4131自物方至像方依次包括第五透镜4125和第六透镜4126；所述第五透镜的物侧表面41251为凸面，所述第五透镜的像侧表面41252为凹面；所述第六透镜的物侧表面41261为凸面，所述第六透镜的像侧表面41262为凸面。
本发明实施例中透镜数据如下表所示，
透镜 透镜表面 曲率半径 厚度 直径 折射率 阿贝数
第一透镜 第一透镜的物侧表面 8.693 0.7 3.4 1.883 40.8
第一透镜的像侧表面 1.912 0.73 2.4
第二透镜 第二透镜的物侧表面 -41.905 0.7 2.3 1.883 40.8
第三透镜 第二透镜和第三透镜胶合面 3.266 1.5 2.3 1.673 32.1
第三透镜的像侧表面 -3.266 0.2 2.2
滤光片 滤光片的物侧表面 infinity 0.3 infinity 1.53
滤光片的像侧表面 infinity 0.2 infinity
第四透镜 第四透镜的物侧表面 3.075 1.2 1.8 1.487 70.2
第四透镜的像侧表面 14.14 0.1 1.25
光阑 0.2 0.46
第五透镜 第五透镜的物侧表面 5.35 0.7 0.9 1.847 23.8
第六透镜 第五透镜和第六透镜胶合面 1.843 1.6 1.1 1.697 55.5
第六透镜的像侧表面 -1.843 0.3 1.7
第七透镜 第七透镜的物侧表面 -1.104 0.7 2.2 1.487 70.2
第七透镜的像侧表面 infinity 0.826 1.94
成像面 infinity 3.2
第四透镜4124、第五透镜4125、第六透镜4126和第七透镜4127通过光焦度的合理分配，将畸变控制在很小的范围内，有利于提高边缘视场的放大倍率，使边缘视场获得更多像素，提高边缘视场的解像力。
如图4所示，中心视场下，MTF50>120lp/mm；0.7视场下MTF50>68lp/mm，本发明实施例的光学镜头具有更优异的分辨率和解析力表现。
如图5所示，0.7视场下色差小于0.01，对色差控制好。
如图6和图7所示，在0.7视场下场曲小于0.5，全视场下场曲小于0.1；在0.7视场下畸变小于0.8%，全视场下畸变小于1%。0.7视场和全视场中光学镜头具有优秀表现。
在一实施例中，所述第一透镜4121、所述第一胶合透镜4130、所述滤光片4128、所述第四透镜4124、所述第二胶合透镜4131和所述第七透镜4127均为玻璃透镜。
第一透镜4121、第一胶合透镜4130、滤光片4128、第四透镜4124、第二胶合透镜4131和第七透镜4127均为玻璃透镜时，光学镜头具有良好的热稳定性和机械强度，温漂小，有利于在密闭空间内的长时间稳定工作。
在一实施例中，所述第四透镜4124和所述第七透镜4127为冕牌玻璃。
在一实施例中，所述第四透镜4124和所述第七透镜4127的阿贝数大于等于60。
阿贝数大于等于60为高阿贝数，第四透镜4124和第七透镜4127使用高阿贝数的冕牌玻璃，大大减少色球差的产生，抑制色散，提高成像质量。
在腔镜手术应用条件下，通常使用高亮度白光冷光源作为照明光源，且腔镜手术器械通常都是金属原色，容易产生高亮光斑及高对比反差图像，第四透镜4124和第七透镜4127可以极大减少了该条件下色差的产生，提高了图像质量。
在一实施例中，所述滤光片4128为红外滤光片。
滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件，红外滤光片选取的是红外波段，红外波段包括的波长范围很宽广，从780nm-4um。使用红外滤光片可以减少红外波段对图像传感器的影响，增强手术视野图像。
可选地，滤光片还可以是针对特定波长（640nm~680nm）的红光的截止滤光片或半通滤光片，阻止或减少红光通过，从而在腹腔内组织观察过程中增强对血管的显示效果。
如图3所示，在一实施例中，所述第一透镜的物侧表面41211的外周设置遮光涂层，所述遮光涂层围成矩形透光窗口41213。
在一实施例中，光阑4129为孔径光阑，使用光阑4129可以获得大景深，减少球差和像散，减少畸变，提高成像质量，减少图像处理工作量。
如图2所示，在一实施例中，所述光学镜头412还包括前置镜组和后置镜组；所述前置镜组包括前置壳体和所述第一透镜4121；所述前置壳体呈筒状结构，且围成第一内腔；所述第一透镜4121位于所述前置壳体的一端；所述后置镜组包括后置壳体、所述第一胶合透镜4130、所述滤光片4128、所述第四透镜4124、所述光阑4129、所述第二胶合透镜4131和所述第七透镜4127；所述后置壳体呈筒状结构，且围成第二内腔；所述第一胶合透镜4130、所述滤光片4128、所述第四透镜4124、所述光阑4129、所述第二胶合透镜4131和所述第七透镜4127均设置于所述第二内腔内；所述后置壳体的一端插入到所述第一内腔中，所述后置壳体与所述前置壳体连接。
光学镜头412包括前置镜组和后置镜组，光学镜头412组装时，可以通过后置壳体的一端插入到第一内腔中的深度进行调焦，易于装配调焦。
在一实施例中，所述第一内腔的腔壁设置有消光涂层；和/或，所述第二内腔的腔壁设置有消光涂层。
第一内腔的腔壁设置有消光涂层，以及第二内腔的腔壁设置有消光涂层，可以减少内壁反射杂光对成像的噪声。
本发明实施例中的光学镜头具有极好的像场场曲，畸变控制，畸变<2%，极小色差；大景深、免对焦设计。且由于光学镜头的结构使其对加工精度及装配精度的容错能力大幅提升。且30mm-50mm物距下0.7视场平均MTF@50lp/mm>0.7，高频MTF@120lp/mm>0.5，且在景深范围内衰减很小。并且实现较大视场角70±3°，且保持适合人眼观察的空间距离感。
此外，在景深范围内，本发明实施例提供的光学镜头最大约0.12倍的高放大倍率，与27英寸~42英寸的显示设备配合使用，可以获得最大40倍的视觉放大效果，极大地方便了医生对微小组织的精细操作。
本发明一实施例还公开了一种内窥镜成像系统，包括图像传感器和上述的光学镜头412，所述图像传感器位于所述光学镜头412的成像面4132处，所述图像传感器用于将所述光学镜头412形成的光学图像转换为电信号。
如图1所示，本发明一实施例还公开了一种内窥镜，包括上述的内窥镜成像系统，以及依次连接的镜头411、可弯部413、入腹组件417和控制手柄419，所述镜头411内设有所述图像传感器和所述光学镜头412。
光学镜头412具有高分辨率、微畸变、小场曲和极小色差的优点，这使得内窥镜成像系统和内窥镜具有更加优秀的成像效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种光学镜头，其特征在于，应用于内窥镜，所述光学镜头包括自物方至像方依次排布的第一透镜（4121）、第一胶合透镜（4130）、滤光片（4128）、第四透镜（4124）、光阑（4129）、第二胶合透镜（4131）和第七透镜（4127）；
所述第一透镜的物侧表面（41211）为凸面，所述第一透镜的像侧表面（41212）为凹面；
所述第一胶合透镜（4130）的物侧表面为凹面，所述第一胶合透镜（4130）的像侧表面为凸面；
所述第四透镜的物侧表面（41241）为凸面，所述第四透镜的像侧表面（41242）为凹面；
所述第二胶合透镜（4131）的物侧表面为凸面，所述第二胶合透镜（4131）的像侧表面为凸面；
所述第七透镜的物侧表面（41271）为凹面，所述第七透镜的像侧表面（41272）为平面；
所述第一胶合透镜（4130）自物方至像方依次包括第二透镜（4122）和第三透镜（4123）；
所述第二透镜的物侧表面（41221）为凹面，所述第二透镜的像侧表面（41222）为凹面；
所述第三透镜的物侧表面（41231）为凸面，所述第三透镜的像侧表面（41232）为凸面；
所述第二透镜（4122）和所述第三透镜（4123）满足：
0＜(f3/fL2+f5/fL3)/fL23＜3；
其中，f3表示所述第二透镜的物侧表面（41221）的焦距，f5表示所述第三透镜的像侧表面（41232）的焦距，fL2表示所述第二透镜（4122）的焦距，fL3表示所述第三透镜（4123）的焦距，fL23表示所述第一胶合透镜（4130）的焦距；
所述第二胶合透镜（4131）自物方至像方依次包括第五透镜（4125）和第六透镜（4126），所述第五透镜的像侧表面（41252）为凹面，所述第六透镜的物侧表面（41261）为凸面。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜（4121）满足，
0＜f2/fL1＜2；
其中，f2表示所述第一透镜的像侧表面（41212）的焦距，fL1表示所述第一透镜（4121）的焦距。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜（4121）和所述第二透镜（4122）满足，0＜f4/d＜15；
其中，f4表示所述第二透镜的像侧表面（41222）的焦距的绝对值，d表示所述第一透镜的像侧表面（41212）顶点到所述第二透镜的像侧表面（41222）顶点的距离。
4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五透镜的物侧表面（41251）为凸面，所述第六透镜的像侧表面（41262）为凸面。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜（4121）、所述第一胶合透镜（4130）、所述滤光片（4128）、所述第四透镜（4124）、所述第二胶合透镜（4131）和所述第七透镜（4127）均为玻璃透镜。
6.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜（4124）和所述第七透镜（4127）为冕牌玻璃。
7.根据权利要求6所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜（4124）和所述第七透镜（4127）的阿贝数大于等于60。
8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述滤光片（4128）为红外滤光片。
9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的物侧表面（41211）的外周设置遮光涂层，所述遮光涂层围成矩形透光窗口（41213）。
10.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头（412）还包括前置镜组和后置镜组；
所述前置镜组包括前置壳体和所述第一透镜（4121）；所述前置壳体呈筒状结构，且围成第一内腔；所述第一透镜（4121）位于所述前置壳体的一端；
所述后置镜组包括后置壳体、所述第一胶合透镜（4130）、所述滤光片（4128）、所述第四透镜（4124）、所述光阑（4129）、所述第二胶合透镜（4131）和所述第七透镜（4127）；所述后置壳体呈筒状结构，且围成第二内腔；所述第一胶合透镜（4130）、所述滤光片（4128）、所述第四透镜（4124）、所述光阑（4129）、所述第二胶合透镜（4131）、所述第七透镜（4127）均设置于所述第二内腔内；
所述后置壳体的一端插入到所述第一内腔中，所述后置壳体与所述前置壳体连接。
11.根据权利要求10所述的光学镜头，其特征在于，
所述第一内腔的腔壁设置有消光涂层；和/或，
所述第二内腔的腔壁设置有消光涂层。
12.一种内窥镜成像系统，其特征在于，包括图像传感器和权利要求1-11中任一项所述的光学镜头（412），所述图像传感器位于所述光学镜头（412）的成像面（4132）处，所述图像传感器用于将所述光学镜头（412）形成的光学图像转换为电信号。
13.一种内窥镜，其特征在于，包括权利要求12所述的内窥镜成像系统，以及依次连接的镜头（411）、可弯部（413）、入腹组件（417）和控制手柄（419），所述镜头（411）内设有所述图像传感器和所述光学镜头（412）。
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