CN114839743B - 内窥镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内窥镜，包括光学成像镜头，光学成像镜头包括从物方到相方的依次布置的第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板、芯片保护玻璃，第一玻璃基板背面压印有第一非球面参数特征功能薄膜，第一非球面参数特征功能薄膜具有第一非球面，第二玻璃基板正面镀有光阑并且压印有第二非球面参数特征功能薄膜，第二非球面参数特征功能薄膜具有第二非球面、第三非球面，第二玻璃基板背面压印有第三非球面参数特征功能薄膜，第三非球面参数特征功能薄膜具有第四非球面，第三玻璃基板正面压印有第四非球面参数特征功能薄膜，第四非球面参数特征功能薄膜具有第五非球面、第六非球面，本发明解决了现有内窥镜长度过长、直径较大的问题。

Description

内窥镜
技术领域
本发明涉及医用内窥镜领域。
背景技术
医用内窥镜通过伸入患者体内观测局部组织的病变来分析病情，对于鼻腔、耳内、咽喉等复杂组织，深入人体的器械过大会导致患者产生卡塞、憋气等不适。此外，对于光学成像镜头，需要有一定的工作距离，如果被观测物体紧紧靠近物镜，将无法拍摄相应的组织的清晰图像，严重影响内窥镜的工作效果。另外，对于进入复杂人体组织的摄像部件，因为空间的限制，观测部件的活动范围很小，必须有较大的观测视角来缩短实际的拍摄次数和时间来加快诊断进展缩短患者痛苦。同时，病变的诊断还要求内窥镜系统有优良的像质。因此，小型化、广视角和高相质是医用内窥镜研发的重要开发指标。
常规的医用内窥镜设计和制造过程中多采用玻璃镜片、塑胶胶片或者玻璃、塑胶镜片组合的方式。该传统方法对于大视角光学系统而言，镜头长度常常达到数十毫米，镜头直径需要达到五毫米以上，重量达到十克左右，对内窥镜医疗产品的整体设计造成很大的挑战。
发明内容
发明目的：本发明目的是解决现有内窥镜长度过长、直径较大的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种内窥镜，包括光学成像镜头，所述光学成像镜头包括从物方到相方的依次布置的第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板、芯片保护玻璃，第一玻璃基板背面压印有第一非球面参数特征功能薄膜，第一非球面参数特征功能薄膜具有第一非球面，第二玻璃基板正面镀有光阑并且压印有第二非球面参数特征功能薄膜，第二非球面参数特征功能薄膜具有第二非球面、第三非球面，第二玻璃基板背面压印有第三非球面参数特征功能薄膜，第三非球面参数特征功能薄膜具有第四非球面，第三玻璃基板正面压印有第四非球面参数特征功能薄膜，第四非球面参数特征功能薄膜具有第五非球面、第六非球面，芯片保护玻璃背面设置成像芯片，第一非球面、第二非球面、第三非球面、光阑、第四非球面、第五非球面、第六非球面、成像芯片沿光线传播方向同轴排列；
所述光学成像镜头的光圈F数为3，光学总长为2.04mm，最大直径为1.4mm，视场角为120度，焦距为0.42mm。
进一步的，所述第一非球面参数特征功能薄膜、第二非球面参数特征功能薄膜、第三非球面参数特征功能薄膜、第四非球面参数特征功能薄膜为塑胶材质。
进一步的，所述第一玻璃基板、第二玻璃基板、第三玻璃基板的d光折射率为1.52，阿贝数为55，第一非球面、第二非球面、第四非球面、第五非球面的d光折射率为1.53，阿贝数为50.6，第三非球面、第六非球面的d光折射率为1.68，阿贝数为33。
进一步的，所述第一非球面的曲率半径为0.257mm，第二非球面的曲率半径为0.558mm，第三非球面的曲率半径为0.807mm,第四非球面的曲率半径为-0.358mm；第五非球面的曲率半径为0.7718mm，第六非球面的曲率半径为-0.122mm；
所述第一玻璃基板的厚度为0.2mm，第一玻璃基板背面到第一非球面中心的距离为0.05mm,第一非球面中心到第二非球面中心的距离为0.29mm，第二非球面中心到第三非球面中心的距离为0.08mm，第三非球面中心到第二玻璃基板正面的距离为0.06mm，第二玻璃基板的厚度为0.2mm，第二玻璃基板背面到第四非球面中心的距离为0.11mm，第四塑胶非球面中心到第五非球面中心的距离为0.02mm，第五非球面中心到第六非球面中心的距离为0.38mm，第六非球面中心到第三玻璃基板正面的距离为0.05mm，第三玻璃基板的厚度为0.2mm。
进一步的，所述第一非球面、第六非球面的光焦度为负值，第二非球面、第三非球面、第四非球面、第五非球面的光焦度为正值。
进一步的，所述第一非球面、第二非球面、第三非球面、第四非球面、第五非球面、第六非球面的非球面面型公式为：
式中，z为非球面在光轴方向高度为r时，距离非球面顶点的距离矢高，c为镜片面曲率，K为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为高阶非球面系数；
第一非球面的参数为：k＝0.456，B＝0.1231，C＝-0.04719，D＝0.05531，A，E，F，G，H取0；
第二非球面的参数为：k＝15.983，B＝0.1317，C＝-0.05521，D＝0.01524，E＝0.23815，F＝-0.32638，A，G，H取0；
第三非球面的参数为：k＝6.383，B＝0.6265，C＝-2.16375，D＝8.42659，E＝-19.9939，F＝11.64452，A，G，H取0；
第四非球面的参数为：k＝-1.605，B＝0.1205，C＝-0.82561，D＝0.29814，E＝0.34903，F＝0.03761，A，G，H取0；
第五非球面的参数为：k＝-0.808，B＝0.4628，C＝-0.1251，D＝-0.79714，E＝0.63594，F＝0.00148，A，G，H取0；
第六非球面的参数为：k＝-1.662，B＝1.2099，C＝-1.33982，D＝0.84335，E＝-0.40918，F＝0.011235，A，G，H取0。
有益效果：本发明提出的将带有非球面参数特征的功能薄膜压印在玻璃基板上代替传统的玻璃、塑胶镜片实现相差矫正的新型光学内窥镜，通过适当布局光阑位置和相应的材料组合，使用具有传统镜片光学功能、性能的微米级压印光学组件可以得到超薄、微小、光学性能优良的内窥镜，其较现有内窥镜的优点体现在：
1、本发明为大光圈(F3)、小尺寸(直径1.4mm，长度2.04mm)、大视场(120度)镜头；
2、本发明采用纳米压印的策略，将um级别厚度，带有曲率和非球面系数的功能薄膜压印在玻璃基板上，使大视角、宽光谱、超短、超细内窥镜镜头实现可设计制造；
3、本发明采用在玻璃基板正反两面压印非球面材料的方式制造微小镜头，可以做多层压印；
4、本发明像质优良。
附图说明
图1为本发明内窥镜光学成像镜头的结构组成图。
图2为该光学成像镜头的像散曲线。
图3为该光学成像镜头的畸变曲线。
图4为该光学成像镜头的MTF曲线。
图5为该光学成像镜头的相对照度曲线。
图6为该光学成像镜头的色差曲线。
图中：1-第一玻璃基板；2-第一非球面；3-第二非球面；4-第三非球面；5-光阑；6-第二玻璃基板；7-第四非球面；8-第五非球面；9-第六非球面；10-第三玻璃基板；11-芯片保护玻璃；12-成像芯片。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种内窥镜，包括光学成像镜头，该光学成像镜头包括从物方到相方的依次布置的第一玻璃基板1、第二玻璃基板6、第三玻璃基板10、芯片保护玻璃11，第一玻璃基板1背面压印有第一非球面参数特征功能薄膜，第一非球面参数特征功能薄膜具有第一非球面2，第二玻璃基板6正面镀有光阑5并且压印有第二非球面参数特征功能薄膜，第二非球面参数特征功能薄膜具有第二非球面3、第三非球面4，第二玻璃基板6背面压印有第三非球面参数特征功能薄膜，第三非球面参数特征功能薄膜具有第四非球面7，第三玻璃基板10正面压印有第四非球面参数特征功能薄膜，第四非球面参数特征功能薄膜具有第五非球面8、第六非球面9，芯片保护玻璃11背面设置成像芯片12，第一非球面2、第二非球面3、第三非球面4、光阑5、第四非球面7、第五非球面8、第六非球面9、成像芯片12沿光线传播方向同轴排列；通过相应的光学元件组合，该光学成像镜头实现了大光圈、微尺寸、广角成像，其光圈F数为3，光学总长为2.04mm，最大直径为1.4mm，视场角为120度，焦距为0.42mm。
本发明中，采用纳米压印的策略，将um级别厚度，带有曲率和非球面系数的功能薄膜压印在玻璃基板上，第一非球面参数特征功能薄膜、第二非球面参数特征功能薄膜、第三非球面参数特征功能薄膜、第四非球面参数特征功能薄膜为塑胶材质
本发明各个光学元件的参数如表1所示：
表1-镜头参数表备注：带*为非球面
面序号 曲率半径(mm) 厚度(mm) 折射率 阿贝数
1 infinity 0.2 1.52 55
2 infinity 0.05 1.53 50.6
*3 0.257 0.29
*4 0.558 0.08 1.53 50.6
*5 0.807 0.06 1.68 33
STO infinity 0.2 1.52 55
7 infinity 0.11 1.53 50.6
*8 -0.358 0.02
*9 0.7718 0.38 1.53 50.6
*10 -0.122 0.05 1.68 33
11 infinity 0.2 1.52 55
12 infinity 0.4 1.51 63
本发明中，第一非球面2、第六非球面9的光焦度为负值，第二非球面3、第三非球面4、第四非球面7、第五非球面8的光焦度为正值。
本发明中，第一非球面2、第二非球面3、第三非球面4、第四非球面7、第五非球面8、第六非球面9的非球面面型公式为：
式中，z为非球面在光轴方向高度为r时，距离非球面顶点的距离矢高，c为镜片面曲率，K为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为高阶非球面系数。本实施例中的非球面参数表主要用到了B、C、D、E、F，而A、G、H取0。
各个非球面的参数如表2所示：
表2-非球面参数表
图2和3为本发明内窥镜光学成像镜头的像散及畸变曲线，表明该光学成像镜头的畸变控制在了53.5％以内。
图4为本发明内窥镜光学成像镜头的的MTF曲线，该光学成像镜头在166线对的MTF达到了0.3.
图5为本发明内窥镜光学成像镜头的相对照度曲线，在全视场范围相对照度大于0.9.
图6为本发明内窥镜光学成像镜头的色差曲线，在全视场范围色差小于1个艾里斑半径。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种内窥镜，包括光学成像镜头，其特征在于：所述光学成像镜头包括从物方到像方的依次布置的第一玻璃基板（1）、第二玻璃基板（6）、第三玻璃基板（10）、芯片保护玻璃（11），第一玻璃基板（1）背面压印有第一非球面参数特征功能薄膜，第一非球面参数特征功能薄膜具有第一非球面（2），第二玻璃基板（6）正面镀有光阑（5）并且压印有第二非球面参数特征功能薄膜，第二非球面参数特征功能薄膜具有第二非球面（3）、第三非球面（4），第二玻璃基板（6）背面压印有第三非球面参数特征功能薄膜，第三非球面参数特征功能薄膜具有第四非球面（7），第三玻璃基板（10）正面压印有第四非球面参数特征功能薄膜，第四非球面参数特征功能薄膜具有第五非球面（8）、第六非球面（9），芯片保护玻璃（11）背面设置成像芯片（12），第一非球面（2）、第二非球面（3）、第三非球面（4）、光阑（5）、第四非球面（7）、第五非球面（8）、第六非球面（9）、成像芯片（12）沿光线传播方向同轴排列；
所述光学成像镜头的光圈F数为3，光学总长为2.04mm，最大直径为1.4mm，视场角为120度，焦距为0.42mm；
所述第一非球面（2）的曲率半径为0.257mm，第二非球面（3）的曲率半径为0.558mm，第三非球面（4）的曲率半径为0.807mm, 第四非球面（7）的曲率半径为-0.358mm；第五非球面（8）的曲率半径为0.7718mm，第六非球面（9）的曲率半径为-0.122mm；
所述第一玻璃基板（1）的厚度为0.2mm，第一玻璃基板（1）背面到第一非球面（2）中心的距离为0.05mm, 第一非球面（2）中心到第二非球面（3）中心的距离为0.29mm，第二非球面（3）中心到第三非球面（4）中心的距离为0.08 mm，第三非球面（4）中心到第二玻璃基板（6）正面的距离为0.06 mm，第二玻璃基板（6）的厚度为0.2mm，第二玻璃基板（6）背面到第四非球面（7）中心的距离为0.11mm，第四非球面（7）中心到第五非球面（8）中心的距离为0.02mm，第五非球面（8）中心到第六非球面（9）中心的距离为0.38mm，第六非球面（9）中心到第三玻璃基板（10）正面的距离为0.05mm，第三玻璃基板（10）的厚度为0.2mm。
2.根据权利要求1所述的一种内窥镜，其特征在于：所述第一非球面参数特征功能薄膜、第二非球面参数特征功能薄膜、第三非球面参数特征功能薄膜、第四非球面参数特征功能薄膜为塑胶材质。
3.根据权利要求1所述的一种内窥镜，其特征在于：所述第一玻璃基板（1）、第二玻璃基板（6）、第三玻璃基板（10）的d光折射率为1.52，阿贝数为55，第一非球面（2）、第二非球面（3）、第四非球面（7）、第五非球面（8）的d光折射率为1.53，阿贝数为50.6，第三非球面（4）、第六非球面（9）的d光折射率为1.68，阿贝数为33。
4.根据权利要求1所述的一种内窥镜，其特征在于：所述第一非球面（2）、第六非球面（9）的光焦度为负值，第二非球面（3）、第三非球面（4）、第四非球面（7）、第五非球面（8）的光焦度为正值。
5.根据权利要求1所述的一种内窥镜，其特征在于：所述第一非球面（2）、第二非球面（3）、第三非球面（4）、第四非球面（7）、第五非球面（8）、第六非球面（9）的非球面面型公式为：
式中，z为非球面在光轴方向高度为r时，距离非球面顶点的距离矢高，c为镜片面曲率，K为圆锥系数，A、B、C、D、E、F、G、H为高阶非球面系数；
第一非球面（2）的参数为：k=0.456，B=0.1231，C=-0.04719，D=0.05531，A，E，F，G，H取0；
第二非球面（3）的参数为：k=15.983，B=0.1317，C=-0.05521，D=0.01524，E=0.23815，F=-0.32638，A，G，H取0；
第三非球面（4）的参数为：k=6.383，B=0.6265，C=-2.16375，D=8.42659，E=-19.9939，F=11.64452，A，G，H取0；
第四非球面（7）的参数为：k=-1.605，B=0.1205，C=-0.82561，D=0.29814，E=0.34903，F=0.03761，A，G，H取0；
第五非球面（8）的参数为：k=-0.808，B=0.4628，C=-0.1251，D=-0.79714，E=0.63594，F=0.00148，A，G，H取0；
第六非球面（9）的参数为：k=-1.662，B=1.2099，C=-1.33982，D=0.84335，E=-0.40918，F=0.011235，A，G，H取0。
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