CN114137705A - 微型浸液物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜为非球面透镜，第二透镜为双胶合透镜；第一透镜靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起、中间的胶合面向像面凸起，第三透镜的两面均向物面凸起，第四透镜靠近物面的一侧向物面凸起、靠近像面的一侧向像面凸起，第五透镜的两面均向物面凸起。它们相互配合后不仅可以校正色差、球差、彗差、像散等等，完成高质量成像，还可以改善生产制造的难度，提高性能及良品率，并降低量产成本。

Description

微型浸液物镜
技术领域
本发明属于共聚焦显微内窥镜领域，更具体地，涉及微型浸液物镜。
背景技术
探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)是一种可以借助胃镜、结肠镜等通道进入人体自然腔道，获取局部组织学图像来实现微小病灶、胃肠道病变及早期胃肠道癌变的精准诊断的医疗设备。因为具有快速、准确且无创等特点，它可能在不久的将来取代传统的内镜活检与病理学检查，成为胃肠道疾病及早期胃肠道癌变诊断的主要手段及设备。
微型浸液物镜是探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件。微型浸液物镜传递激发能量，并收集来自染色组织的荧光信号，并通过传像光纤束等一系列光学元件(模块)将荧光信号传递到光电探测器。作为探头式共聚焦显微内窥镜(pCLE)的核心组件，微型浸液物镜会进入胃镜、结肠镜等内镜的器械孔道。对一般的胃镜、结肠镜等内镜而言，器械孔道的内镜在2.8-3.8mm之间。为了兼容不同内镜的器械孔道，微型浸液物镜的机械外径最好小于2.8mm，同时考虑内镜的构造，微型浸液物镜的整体长度受到了限制。
因此，微型浸液物镜的设计需要考虑很多方面的因素，但这些因素又会导致制造成像性能下降、装配时良率显著降低、量产成本高，因此，如何设计一个外径尺寸小、整体长度短而成像性能不错且生产成本较低的微型浸液物镜是亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了微型浸液物镜，其目的在于解决在外径及长度限制下无法同时保证微型浸液物镜的优秀参数和生产良率等方面的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜为非球面透镜，第二透镜为双胶合透镜；
第一透镜靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起、中间的胶合面向像面凸起，第三透镜的两面均向物面凸起，第四透镜靠近物面的一侧向物面凸起、靠近像面的一侧向像面凸起，第五透镜的两面均向物面凸起。
通过上述技术方案，物方激发的荧光的信号从物面开始，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜后成像在像面，然后沿着传像光纤束成像在光电探测器上，从而实现对组织的探测。除第一透镜之外，其他均为非球面透镜，它们之间相互配合后不仅可以更好地校正色差、球差、彗差、像散等等，使物面采集到的荧光信号更好地汇聚到像面上，完成高质量成像，在保持外径及长度满足临床需要的情况下，还可以改善生产制造的难度，提高了微型浸液物镜的性能及良品率，并显著降低了量产成本。
附图说明
图1是微型浸液物镜的结构图；
图2是实施例1的横向像差曲线图；
图3是实施例1的MTF曲线图；
图4是实施例2的横向像差曲线图；
图5是实施例2的MTF曲线图。
图中，L1、第一透镜；L2、第二透镜；L3、第三透镜；L4、第四透镜；L5、第五透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出微型浸液物镜，包括从物面至像面依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5，第一透镜L1为球面透镜，第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5为非球面透镜，第二透镜L2为双胶合透镜；
第一透镜L1靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜L2靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起、中间的胶合面向像面凸起，第三透镜L3的两面均向物面凸起，第四透镜L4靠近物面的一侧向物面凸起、靠近像面的一侧向像面凸起，第五透镜L5的两面均向物面凸起。
进一步地，第一透镜L1、第二透镜L2、第四透镜L4具有正光焦度，第三透镜L3、第五透镜L5具有负光焦度，在微型浸液物镜中，它们的焦距满足以下关系：0<fL1<fL4<fL2；fL5<fL3<0；fL1、fL2、fL3、fL4、fL5分别是第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5的焦距。
进一步地，第二透镜L2的第一面S21是光阑。
物方激发的荧光的信号从物面开始，依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5后成像在像面，然后沿着传像光纤束成像在光电探测器上，从而实现对组织的探测。具体地，第一透镜L1接近半球形透镜，这样配置有助于在高数值孔径下，以低球差的方式捕获光线，离开第一透镜L1的边缘光线仍然从光轴发散。因此，在第一透镜L1之后放置正光焦度的第二透镜L2来向光轴弯曲光线。由于边缘光线将很大幅度的弯曲，因此，第二透镜L2采用每个面均为非球面的双胶合消色差透镜，让靠近光轴的近轴光线不产生太大的弯曲，这样不仅可以校正色差，还能提供最大程度与孔径相关的像差。第三透镜L3适当的弯曲光线，然后通过第四透镜L4提供足够的球差、色差、彗差等用于校正残余的像差。同时，光线在第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4的各面上轻微偏折，因此光线足迹在这几个面上基本保持不变。第三透镜L3及第四透镜L4的各面逐步校正由第二透镜L2的S21面引入的比较大的球差，同时第三透镜L3及四透镜L4将引入部分彗差、像散等，它们会被第五透镜L5的S51面校正。第五透镜L5将光线会聚到像方的传像纤维束上。另外，将第五透镜L5的最后一个曲面设置为非球面，校正佩兹瓦尔场曲率，并校正整个镜头残余的其他像差。并且，本申请中除第一透镜L1之外均采用了非球面透镜，具有圆锥系数、非球面系数等额外的参数，在设计上更加灵活且更容易获得更有的性能，同时，注塑或压模的非球面透镜不仅具有更高的精度，还有容易“复制”的特点，“复制”的非球面透镜一致性好，良率高，量产成本更低。
更进一步地，还满足：12<TTL/EFL<15；TTL是微型浸液物镜的总长，EFL是微型浸液物镜的等效焦距。
具体地，第一透镜L1是平凸透镜，其材料的折射率和阿贝数分别是1.833：40.8。其曲率为C，|C|＜1。在平衡物方数值孔径及像差校正难度的情况下，|C|越小越好。优选地，本发明所述的微型浸液物镜中取|C|＝0.8。
进一步地，微型浸液物镜满足以下关系式：0<D1/fL1<2；0<D2/fL2<1；-1<D3/fL3<0；0<D4/fL4<2；-1<D5/fL5<0；其中，D1、D2、D3、D4、D5分别是第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5的通光全孔径。
实施例1
作为本发明的一种具体的实施例，以“折射率：阿贝数”的形式来代表材料，各透镜的参数如表1所示：
表1
Figure BDA0003402971930000041
即，第一透镜L1靠近物面的一面通光半孔径为0.17mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.22mm、通光半孔径为0.60mm，第一透镜L1的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.45mm、与第二透镜L2相邻两面之间的中心厚度为0.08mm；
第二透镜L2靠近物面的一面曲率半径为1.23mm、通光半孔径为0.69mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.13mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为-6.45mm、通光半孔径为0.80mm，第二透镜L2从物面到像面依次由材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0和材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为0.99mm、0.99mm，第二透镜L2与第三透镜L3相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第三透镜L3靠近物面的一面曲率半径为2.25mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为0.87mm、通光半孔径为0.77mm，第三透镜L3的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为1.00mm、与第四透镜L4相邻两面之间的中心厚度为0.17mm；
第四透镜L4靠近物面的一面曲率半径为0.85mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为-17.42mm、通光半孔径为0.80mm，第四透镜L4的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0、中心厚度为1.60mm、与第五透镜L5相邻两面之间的中心厚度为0.20mm；
第五透镜L5靠近物面的一面曲率半径为0.83mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为0.42mm、通光半孔径为0.35mm，第五透镜L5的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为0.99mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.40mm。
其中，“类型”标记为“偶次”的表面是偶次非球面，其非球面方程如下：
Figure BDA0003402971930000051
其中，z表示表面的矢高，c表示曲率半径，且c＝1/r，k表示圆锥系数，k2i是非球面系数，i＝0、1、2、…。
各偶次非球面透镜系数如表2：
表2：
Figure BDA0003402971930000052
如图2所示，为本实施例的横向像差曲线图，可以看到，整个视场内的横向像差都接近或小于1μm，说明像差整体得到了充分的校正，具有优异的成像性能。
本实施例的数值孔径为0.75，如图3所示，在整个视场内MTF都接近衍射极限，能够最大程度的提高光信号的耦合效率，增加共聚焦图像的对比度。
实施例2
作为本发明的一种具体的实施例，以“折射率：阿贝数”的形式来代表材料，各透镜的参数如表3所示：
表3
Figure BDA0003402971930000061
即，第一透镜L1靠近物面的一面通光半孔径为0.18mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.19mm、通光半孔径为0.63mm，第一透镜L1的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.43mm、与第二透镜L2相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第二透镜L2靠近物面的一面曲率半径为1.18mm、通光半孔径为0.75mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.23mm、通光半孔径为0.75mm，靠近像面的一面曲率半径为-3.21mm、通光半孔径为0.82mm，第二透镜L2从物面到像面依次由材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0和材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为0.99mm、0.98mm，第二透镜L2与第三透镜L3相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第三透镜L3靠近物面的一面曲率半径为2.81mm、通光半孔径为0.78mm，靠近像面的一面曲率半径为0.88mm、通光半孔径为0.72mm，第三透镜L3的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为1.02mm、与第四透镜L4相邻两面之间的中心厚度为0.30mm；
第四透镜L4靠近物面的一面曲率半径为0.89mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为27.24mm、通光半孔径为0.80mm，第四透镜L4的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0、中心厚度为1.42mm、与第五透镜L5相邻两面之间的中心厚度为0.38mm；
第五透镜L5靠近物面的一面曲率半径为0.95mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为0.46mm、通光半孔径为0.35mm，第五透镜L5的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为0.99mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.27mm。
其中，“类型”标记为“偶次”的表面是偶次非球面，各偶次非球面透镜系数如表4：
表4
Figure BDA0003402971930000071
如图4所示，为本实施例的横向像差曲线图，可以看到，整个视场内的横向像差得到了充分的校正，具有优异的成像性能。
本实施例的数值孔径为0.75，如图5所示，在整个视场内MTF都接近衍射极限，能够最大程度的提高光信号的耦合效率，增加共聚焦图像的对比度。
根据以上二个实施例中各参数计算如表5所示的参数数据，其中WFno.是工作F数。
表5
Figure BDA0003402971930000081
可以发现，四个实施例中0<fL1<fL4<fL2；fL5<fL3<0。
D1、D2、D3、D4及D5分别是第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5的全孔径，分别取光线与各面的透镜的最大值，即D1＝max(D11,D12)，D2＝max(D21,D22)，D3＝max(D31,D32,D33)，D4＝max(D41,D42,D43)，D5＝max(D51,D52)。
实施例1中，TTL/EFL＝12.81，D1/fL1＝0.88，D2/fL2＝0.69，D3/fL3＝-0.53，D4/fL4＝1.05，D5/fL5＝-0.06。
实施例2中，TTL/EFL＝14.91，D1/fL1＝0.95，D2/fL2＝0.83，D3/fL3＝-0.66，D4/fL4＝0.98，D5/fL5＝-0.22。
本领域的技术人员容易理解，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，凡在本发明的精神和原则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 (8)

1.微型浸液物镜，其特征在于，包括从物面至像面依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜，第一透镜为球面透镜，第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜为非球面透镜，第二透镜为双胶合透镜；
第一透镜靠近物面的一面为平面、靠近像面的一面向像面凸起，第二透镜靠近物面的一面向物面凸起、靠近像面的一面向像面凸起、中间的胶合面向像面凸起，第三透镜的两面均向物面凸起，第四透镜靠近物面的一侧向物面凸起、靠近像面的一侧向像面凸起，第五透镜的两面均向物面凸起。
2.根据权利要求1所述的微型浸液物镜，其特征在于，微型浸液物镜满足：0<fL1<fL4<fL2；fL5<fL3<0；fL1、fL2、fL3、fL4、fL5分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜及第五透镜的焦距。
3.根据权利要求2所述的微型浸液物镜，其特征在于，微型浸液物镜满足以下关系式：0<D1/fL1<2；0<D2/fL2<1；-1<D3/fL3<0；0<D4/fL4<2；-1<D5/fL5<0；
其中，D1、D2、D3、D4、D5分别是第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜的通光全孔径。
4.根据权利要求3所述的微型浸液物镜，其特征在于，微型浸液物镜满足：12<TTL/EFL<15；TTL是微型浸液物镜的总长，EFL是微型浸液物镜的等效焦距。
5.根据权利要求1所述的微型浸液物镜，其特征在于，第二透镜靠近物面的一侧是光阑。
6.根据权利要求1所述的微型浸液物镜，其特征在于，所述第一透镜的曲率为C，|C|＜1。
7.根据权利要求3所述的微型浸液物镜，其特征在于，第一透镜靠近物面的一面通光半孔径为0.17mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.22mm、通光半孔径为0.60mm，第一透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.45mm、与第二透镜相邻两面之间的中心厚度为0.08mm；
第二透镜靠近物面的一面曲率半径为1.23mm、通光半孔径为0.69mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.13mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为-6.45mm、通光半孔径为0.80mm，第二透镜从物面到像面依次由材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0和材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为0.99mm、0.99mm，第二透镜与第三透镜相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第三透镜靠近物面的一面曲率半径为2.25mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为0.87mm、通光半孔径为0.77mm，第三透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为1.00mm、与第四透镜相邻两面之间的中心厚度为0.17mm；
第四透镜靠近物面的一面曲率半径为0.85mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为-17.42mm、通光半孔径为0.80mm，第四透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0、中心厚度为1.60mm、与第五透镜相邻两面之间的中心厚度为0.20mm；
第五透镜靠近物面的一面曲率半径为0.83mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为0.42mm、通光半孔径为0.35mm，第五透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为0.99mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.40mm；
TTL/EFL＝12.81，D1/fL1＝0.88，D2/fL2＝0.69，D3/fL3＝-0.53，D4/fL4＝1.05，D5/fL5＝-0.06。
8.根据权利要求3所述的微型浸液物镜，其特征在于，第一透镜靠近物面的一面通光半孔径为0.18mm，靠近像面的一面曲率半径为-1.19mm、通光半孔径为0.63mm，第一透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.88:40.8、中心厚度为1.43mm、与第二透镜相邻两面之间的中心厚度为0.05mm；
第二透镜靠近物面的一面曲率半径为1.18mm、通光半孔径为0.75mm，中间的胶合面的曲率半径为-1.23mm、通光半孔径为0.75mm，靠近像面的一面曲率半径为-3.21mm、通光半孔径为0.82mm，第二透镜从物面到像面依次由材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0和材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4的两片透镜胶合而成，两片透镜的中心厚度依次为0.99mm、0.98mm，第二透镜与第三透镜相邻两面之间的中心厚度为0.09mm；
第三透镜靠近物面的一面曲率半径为2.81mm、通光半孔径为0.78mm，靠近像面的一面曲率半径为0.88mm、通光半孔径为0.72mm，第三透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为1.02mm、与第四透镜相邻两面之间的中心厚度为0.30mm；
第四透镜靠近物面的一面曲率半径为0.89mm、通光半孔径为0.80mm，靠近像面的一面曲率半径为27.24mm、通光半孔径为0.80mm，第四透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.54:56.0、中心厚度为1.42mm、与第五透镜相邻两面之间的中心厚度为0.38mm；
第五透镜靠近物面的一面曲率半径为0.95mm、通光半孔径为0.72mm，靠近像面的一面曲率半径为0.46mm、通光半孔径为0.35mm，第五透镜的材料用“折射率：阿贝数”表示为1.64:22.4、中心厚度为0.99mm、靠近像面的一面与像面之间的中心厚度为0.27mm；
TTL/EFL＝14.91，D1/fL1＝0.95，D2/fL2＝0.83，D3/fL3＝-0.66，D4/fL4＝0.98，D5/fL5＝-0.22。
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