CN114895442B - 基于液态透镜的光学系统及内窥镜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液态透镜的光学系统，包括管镜系统和摄像系统，管镜系统包括依次设置的物镜组、转像棒镜组和目镜组；物镜组包括依次设置的透镜单元、第一棱镜单元和至少一个双胶合透镜组，透镜单元包括一个弯月透镜和一个平凹透镜；摄像系统包括液态透镜、多个透镜组和光阑，多个透镜组包括依次设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，液态透镜位于第一透镜组朝向物面的一侧，光阑位于液态透镜朝向物面的一侧；管镜系统的目镜组与摄像系统相连，且摄像系统的光阑位于目镜组的出瞳位置处。本发明还提供一种内窥镜。

Description

基于液态透镜的光学系统及内窥镜

技术领域

本发明涉及光学成像系统技术领域，尤其是涉及一种基于液态透镜的光学系统及内窥镜。

背景技术

镜头能够通过对焦的方式清晰地采集不同工作距离的图像，传统变焦镜头（例如内窥镜镜头）的对焦方式是基于机械运动来实现的，比如通过手动调节旋钮（也可以通过安装电机驱动），从而驱动镜头中的镜片或镜组沿着光轴作横向运动，通过改变镜片之间或镜头与相机芯片之间的光学间隔，从而补偿因工作距离的改变而造成镜头成像焦点的偏移。

上述传统的对焦方式，由于需要较多的时间控制镜片或镜组沿着光轴作横向运动，故对焦速度慢；而且，在部分应用场景中（例如医生使用内窥镜进行手术），由于需要手动调节旋钮进行对焦，使得操作不方便，从而影响使用者的使用体验。而且，现有的部分变焦镜头还存在工作距离范围窄、对焦清晰度不够等问题。

同时，在内窥镜系统中，其一般由管镜系统和摄像系统组成，摄像系统往往是单独进行设计（即管镜系统和摄像系统分别单独进行设计），为了能够更好地矫正像差，一般将摄像系统的光阑放置在镜组之中（因为在像差矫正中，慧差、像散、畸变、垂轴色差都和光阑的位置有关系）。管镜系统和摄像系统在连接时，一般是管镜系统的目镜组和摄像系统进行连接，即目镜的出瞳位置与摄像系统进行连接，如果此时摄像系统的光阑是在镜头组的中间，而不是目镜的出瞳位置，那么摄像系统与管镜系统的匹配效果较差，会出现挡光、杂光等问题（某些透镜的通光口径（尤其是靠近光阑处）不能完全匹配，在这些透镜表面会有光线外溢或被遮挡，造成杂光、挡光等问题，进一步对图像形成串扰，严重影响用户的观测）。而且，现有的管镜系统的物镜一般是由单个平凹透镜组成，但单个平凹透镜在成像时容易产生畸变，从而影响内窥镜的成像效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液态透镜的光学系统，旨在解决或至少部分解决上述背景技术存在的不足，既能够实现快速地自动对焦，而且工作距离范围广，清晰度高，同时该基于液态透镜的光学系统与管镜系统的匹配性好，能够避免出现挡光、杂光等问题。

本发明提供一种基于液态透镜的光学系统，包括管镜系统和摄像系统，所述管镜系统包括沿着光轴从物面到像面依次设置的物镜组、转像棒镜组和目镜组；

所述物镜组包括沿着光轴从物面到像面依次设置的透镜单元、第一棱镜单元和至少一个双胶合透镜组；所述透镜单元包括一个弯月透镜和一个平凹透镜，所述弯月透镜位于所述平凹透镜朝向物面的一侧，所述弯月透镜的凸面朝向物面，所述平凹透镜的凹面朝向像面；

所述摄像系统包括液态透镜、多个透镜组和光阑，多个所述透镜组包括沿着光轴从物面到像面依次设置的第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，每个所述透镜组包括至少一个透镜；所述液态透镜位于所述第一透镜组朝向物面的一侧，所述光阑位于所述液态透镜朝向物面的一侧；所述液态透镜和所述第二透镜组均具有正光焦度，所述第一透镜组和所述第三透镜组均具有负光焦度；所述第一透镜组朝向物面一侧的表面为凹面，所述第三透镜组朝向物面一侧的表面为凹面；所述第四透镜组包括一个具有负光焦度的场镜，所述场镜朝向像面一侧的表面为凹面；

所述管镜系统的所述目镜组与所述摄像系统相连，且所述摄像系统的所述光阑位于所述目镜组的出瞳位置处。

在一种可实现的方式中，所述摄像系统满足以下条件：r+2d*arctan（H/2f）≤R；其中，r表示所述光阑的口径，R表示所述液态透镜的通光口径，d表示所述光阑与所述液态透镜之间的光学距离，H表示所述摄像系统的像高，f表示整个所述摄像系统的等效焦距。

在一种可实现的方式中，所述第四透镜组包括至少两个透镜，所述场镜位于所述第四透镜组的至少两个透镜中朝向像面的一侧。

在一种可实现的方式中，所述摄像系统还满足以下条件：R_max-R＜2mm；其中，R_max表示多个所述透镜组的最大通光口径，R表示所述液态透镜的通光口径。

在一种可实现的方式中，所述液态透镜的工作电压在最低供电电压与最高供电电压之间；当所述液态透镜在所述最低供电电压与所述最高供电电压之间工作时，所述液态透镜均具有正光焦度，且所述摄像系统能够使物面在无穷远至100mm的距离范围内清晰成像。

在一种可实现的方式中，当所述液态透镜在所述最低供电电压下工作时，所述液态透镜内液滴层的曲率半径为-81mm；当所述液态透镜在所述最高供电电压下工作时，所述液态透镜内液滴层的曲率半径为-8mm。

在一种可实现的方式中，所述最低供电电压为43V，所述最高供电电压为59V。

在一种可实现的方式中，所述基于液态透镜的光学系统的总长＜50mm。

在一种可实现的方式中，多个所述透镜组中所有具有负光焦度的透镜的阿贝数均小于40。

在一种可实现的方式中，所述摄像系统的像高为H，所述摄像系统的等效焦距为f，所述摄像系统还满足以下条件：0.14≤H/2f≤0.212，且f≤25mm。

在一种可实现的方式中，所述摄像系统还包括第二棱镜单元，所述第二棱镜单元位于所述第四透镜组朝向像面的一侧，所述第二棱镜单元用于将RGB三种颜色的光区分开；

所述第二棱镜单元R通道的模系要求为：Tavg＜1%@400nm~570nm，Tavg＞88%@595nm ~700nm，Tavg＞50%@580nm~584nm；

所述第二棱镜单元G通道的模系要求为：Tavg＜1%@400nm ~480nm&595nm ~700nm，Tavg＞87%@510nm ~570nm，Tavg＜50%@580nm~584nm；

所述第二棱镜单元B通道的模系要求为：Tavg>95%@400nm~480nm，Tavg<4%@505nm~700nm。

在一种可实现的方式中，所述液态透镜的最小焦距为f₁，所述第一透镜组的焦距为f₂；所述摄像系统还满足以下条件：f₁≥2|f₂|。

在一种可实现的方式中，所述第二透镜组的焦距为f₃，所述摄像系统的等效焦距为f；所述摄像系统还满足以下条件：f/2f₃＞1。

在一种可实现的方式中，所述弯月透镜与所述平凹透镜具有相同的口径，所述平凹透镜朝向所述弯月透镜一侧的表面为平面，所述弯月透镜的凹面侧壁与所述平凹透镜的平面侧壁胶合连接。

在一种可实现的方式中，所述第一棱镜单元展开后的等效长度为8mm~12mm。

在一种可实现的方式中，所述物镜组中的所述第一棱镜单元和所述双胶合透镜组以及所述转像棒镜组均具有相同的物理口径，且三者的物理口径均小于7mm。

在一种可实现的方式中，所述摄像系统的像高为H，所述摄像系统的等效焦距为f，所述物镜组的等效焦距为f’，所述物镜组的视场角为θ，所述目镜组的等效焦距为f’’；所述基于液态透镜的光学系统满足以下条件：

。

本发明还提供一种内窥镜，包括以上所述的基于液态透镜的光学系统。

本发明提供的基于液态透镜的光学系统，其中摄像系统包括依次设置液态透镜、第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组和第四透镜组，且液态透镜和第二透镜组均具有正光焦度，第一透镜组和第三透镜组均具有负光焦度，第一透镜组和第三透镜组朝向物面一侧均为凹面，其目的分别是为了矫正液态透镜和第二透镜组的正光焦度所产生的像差；第四透镜组包括一个具有负光焦度的场镜，该场镜朝向像面一侧的表面为凹面，其目的是为了矫正场曲以及垂轴色差；通过上述的透镜组合，能够将所产生的像差进行匹配消除，不会产生较大的光线偏转，从而保证透镜组的有效通光口径基本与液态透镜的通光口径一致；同时通过调节液态透镜的工作电压，能够快速地调节液态透镜的焦距，从而快速地调节系统的焦距，无需手动驱动或电机驱动对焦，实现快速地自动对焦，而且工作距离范围广，清晰度高。

同时，由于光阑位于摄像系统的最前端，在该摄像系统与管镜系统的目镜组连接时，光阑位于目镜组的出瞳位置处，从而使该摄像系统能够与管镜系统完全匹配，从而避免出现挡光、杂光等问题。

而且，由于管镜系统的物镜组采用弯月透镜和平凹透镜的组成方式，相较于传统的单个平凹透镜，能有效地减少硬管镜产生的畸变，提高内窥镜的成像效果。

附图说明

图1为本发明实施例中基于液态透镜的光学系统的光路结构示意图。

图2为本发明实施例中管镜系统的结构示意图。

图3为图2中物镜组的结构示意图。

图4为图2中转像棒镜组的结构示意图。

图5为图2中目镜组的结构示意图。

图6为本发明实施例中摄像系统的结构示意图。

图7为本发明实施例中第四成像面的MTF曲线图。

图8为本发明实施例中第四成像面的点阵图。

图9为本发明实施例中第四成像面的畸变示意图。

图10为本发明实施例中目镜组的MTF曲线图。

图11为本发明实施例中目镜组的点阵图。

图12为本发明实施例中摄像系统的MTF曲线图。

图13为本发明实施例中摄像系统的点阵图。

图14为本发明实施例中第二棱镜单元的结构示意图。

图15为本发明实施例中第二棱镜单元的产品实测光谱图。

图16为本发明实施例中基于液态透镜的光学系统的画面匹配示意图。

图中，1-摄像系统，11-窗口片，111-光阑，12-液态透镜，13-第一透镜组，14-第二透镜组，15-第三透镜组，16-第四透镜组，161-场镜，17-滤光片，18-第二棱镜单元，19-图像传感器，2-管镜系统，21-物镜组，211-透镜单元，2111-弯月透镜，2112-平凹透镜，212-第一棱镜单元，2121-棱镜，2122-平凸透镜，213-双胶合透镜组，22-转像棒镜组，221-棒镜组，23-目镜组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

本发明的说明书和权利要求书中所涉及的上、下、左、右、前、后、顶、底等（如果存在）方位词是以附图中的结构位于图中的位置以及结构相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，方位词的使用不应限制本发明请求保护的范围。

如图1至图6所示，本发明实施例提供的基于液态透镜的光学系统，包括管镜系统2和摄像系统1，管镜系统2包括沿着光轴从物面到像面（即从图1中看为从左至右的方向）依次设置的物镜组21、转像棒镜组22和目镜组23；

物镜组21包括沿着光轴从物面到像面依次设置的透镜单元211、第一棱镜单元212和至少一个双胶合透镜组213；透镜单元211包括一个弯月透镜2111和一个平凹透镜2112，弯月透镜2111位于平凹透镜2112朝向物面的一侧；弯月透镜2111的凸面朝向物面，弯月透镜2111的凹面朝向像面；平凹透镜2112的凹面朝向像面，平凹透镜2112的平面朝向物面；

摄像系统1包括液态透镜12、多个透镜组和光阑111。多个透镜组包括沿着光轴从物面到像面依次设置的第一透镜组13、第二透镜组14、第三透镜组15和第四透镜组16，每个透镜组包括至少一个透镜；液态透镜12位于第一透镜组13朝向物面的一侧，光阑111位于液态透镜12朝向物面的一侧；液态透镜12和第二透镜组14均具有正光焦度，第一透镜组13和第三透镜组15均具有负光焦度；第一透镜组13朝向物面一侧的表面为凹面，第三透镜组15朝向物面一侧的表面为凹面；第四透镜组16包括一个具有负光焦度的场镜161，场镜161朝向像面一侧的表面为凹面，第四透镜组16可以为正透镜（即具有正光焦度），也可以为负透镜（即具有负光焦度）；

管镜系统2的目镜组23与摄像系统1相连，且摄像系统1的光阑111位于目镜组23的出瞳位置处。

具体地，在本实施例中，当光线由像面开始传播时，光线在经过光阑111后，光线按照一定的角度开始发散，因此需要有一个带有正光焦度的透镜减小光线的发散度，这样相当于减小了光线口径，有益于后方像差的矫正，故将液态透镜12设置为具有正光焦度。第一透镜组13主要是用于平衡具有正光焦度的液态透镜12产生的像差，第二透镜组14用于承担光路主要的聚光效果，第三透镜组15主要用于平衡第二透镜组14所产生的像差，第四透镜组16朝向像面一侧的表面凹向像面，其目的主要是矫正场曲和垂轴色差。

具体地，本实施例通过将摄像系统1设置为依次包括液态透镜12、第一透镜组13、第二透镜组14、第三透镜组15和第四透镜组16，且液态透镜12和第二透镜组14均具有正光焦度，第一透镜组13和第三透镜组15均具有负光焦度，第一透镜组13和第三透镜组15朝向物面一侧均为凹面，其目的分别是为了矫正液态透镜12和第二透镜组14的正光焦度所产生的像差；第四透镜组16包括一个具有负光焦度的场镜161，该场镜161朝向像面一侧的表面为凹面，其目的是为了矫正场曲以及垂轴色差；通过上述的透镜组合，能够将所产生的像差进行匹配消除，不会产生较大的光线偏转，从而保证透镜组的有效通光口径基本与液态透镜12的通光口径一致；同时通过调节液态透镜12的工作电压，能够快速地调节液态透镜12的焦距，从而快速地调节系统的焦距，无需手动驱动或电机驱动对焦，实现快速地自动对焦，而且工作距离范围广，清晰度高。

同时，由于光阑111位于该摄像系统1的最前端，在该摄像系统1与管镜系统2的目镜组23连接时，光阑111位于目镜组23的出瞳位置处，从而使该摄像系统1能够与管镜系统2完全匹配，从而避免出现挡光、杂光等问题。

而且，由于管镜系统2的物镜组21采用弯月透镜2111和平凹透镜2112的组成方式，相较于传统的单个平凹透镜，能有效地减少硬管镜产生的畸变，提高内窥镜的成像效果。虽然将平凹透镜做成非球面结构也可以有效减小畸变，但是非球面的制造成本较高，同时只能选用低熔点的玻璃热压成型，这种加工方式相较于传统的冷加工而言，面型精度的一致性略差，后期的组装废品率较高；基于上述原因，本实施例通过在平凹透镜2112靠近物面一侧加入了一个弯月透镜2111，可以有效地降低畸变。当视场角为80°时，畸变可以由原来的25%降至16%。

作为一种实施方式，摄像系统1满足以下条件：r+2d*arctan（H/2f）≤R；其中，r表示光阑111的口径，R表示液态透镜12的通光口径，d表示光阑111与液态透镜12之间的光学距离，H表示摄像系统1的像高，f表示整个摄像系统1的等效焦距。

具体地，因受限于当前液态透镜12的制程工艺，液态透镜12的通光口径一般都比较小，若光线口径超过液态透镜12的通光口径，则会导致边缘光线的成像范围发生变化，视场光线将被遮挡，边缘光线不能被全部看见而出现暗边；为了避免上述问题的发生，故将液态透镜12紧靠光阑111之后设置，同时对光阑111的口径、液态透镜12的通光口径、光阑111与液态透镜12之间的光学距离等参数进行限定，使其满足r+2d*arctan（H/2f）≤R，使得光线能够从光阑111无遮挡的全部透过液态透镜12，从而避免上述问题的产生。

作为一种实施方式，液态透镜12的最小焦距为f₁（即液态透镜12在变焦时的最小焦距），第一透镜组13的焦距为f₂；摄像系统1还满足以下条件：f₁≥2|f₂|。这样设置的目的是为了让液态透镜12在变焦的过程中，尽可能地保证光线的角度变化较小，同时，利用光焦度更大（即焦距更小）的第一透镜组13对液态透镜12的像差进行矫正。

作为一种实施方式，由于第二透镜组14用于承担光路主要的聚光效果，故第二透镜组14需要较大的光焦度（即焦距较小），第二透镜组14的焦距为f₃；因此摄像系统1还满足以下条件：f/2f₃＞1（即f＞2f₃）。

具体地，当液态透镜12的焦距在发生改变时，整个摄像系统1的等效焦距也在发生变化，故可以通过调整各透镜组的焦距组合使整个摄像系统1的等效焦距维持在设计范围内，故本实施例不对各透镜组的具体焦距数值进行限定，而是对液态透镜12、第一透镜组13、第二透镜组14的焦距比值范围进行限定，从而方便透镜组的选型，并能够使整个摄像系统1的等效焦距维持在设计范围内。

作为一种实施方式，为了使摄像系统1更好地配合管镜系统2，该摄像系统1还满足以下条件：0.14≤H/2f≤0.212，且f≤25mm。优选地，f在16mm~18mm之间。

如图6所示，作为一种实施方式，第四透镜组16包括至少两个透镜，场镜161位于第四透镜组16的至少两个透镜中朝向像面的一侧（即场镜161位于第四透镜组16的最右侧），以保证第四透镜组16朝向像面一侧的表面为凹面。

如图6所示，作为一种实施方式，摄像系统1还满足以下条件：R_max-R＜2mm；其中，R_max表示多个透镜组的最大通光口径，R表示液态透镜12的通光口径。通过对液态透镜12与各透镜组的通光口径进行进一步地限定，能够进一步地减小光线的偏转，保证透镜组的有效通光口径与液态透镜12的通光口径的一致性。

如图6所示，作为一种实施方式，液态透镜12的工作电压在最低供电电压与最高供电电压之间；当液态透镜12在最低供电电压与最高供电电压之间工作时，液态透镜12均具有正光焦度，且摄像系统1能够使物面在无穷远至100mm（即被观察物体至该摄像系统1之间的距离）的距离范围内清晰成像。

作为一种实施方式，当液态透镜12在最低供电电压下工作时，液态透镜12内液滴层（图未示）的曲率半径为-81mm；当液态透镜12在最高供电电压下工作时，液态透镜12内液滴层的曲率半径为-8mm，即液态透镜12内液滴层的曲率半径变化值为-81mm~-8mm，此时系统对应的对焦距离为∞~100mm。

作为一种实施方式，最低供电电压为43V，最高供电电压为59V，即液态透镜12的工作电压范围为43~59V。通过选用电压值较低的液态透镜12，能够避免在工作时因供电电压（尤其是最高供电电压）过高而导致的漏电危险。同时，本实施例在最低供电电压与最高供电电压之间以0.2V为一个变化值（即在最低供电电压的基础上以0.2V为公差递增，或在最高供电电压的基础上以0.2V为公差递减，每个点均进行数据采样），通过增加采样数据点，以尽可能地保证镜头不出现虚焦（即防止物体至系统之间的距离恰好不在对焦数据点上）。

作为一种实施方式，为了保证系统的整体尺寸合理，避免其长度过长，该摄像系统1的总长＜50mm。进一步地，摄像系统1的总长＜45mm。

作为一种实施方式，多个透镜组中所有具有负光焦度的透镜（包括第一透镜组13、第三透镜组15和第四透镜组16中的负透镜）的阿贝数vd均小于40，即具有负光焦度的透镜采用高色散材料（也即低阿贝数的材料）制成，以此能够有效地减少正透镜带来的垂轴色差。优选地，所有具有负光焦度的透镜的阿贝数vd均小于30。

如图6所示，作为一种实施方式，摄像系统1还包括滤光片17，滤光片17设置于第四透镜组16朝向像面的一侧。滤光片17为红外滤光片，滤光片17能够通过波长为400-850nm的光线，其余波段截止（即滤光片17的使用波长可以兼容400-780nm的可见光以及波长为780-850nm的近红外光）。

如图6所示，作为一种实施方式，摄像系统1还包括图像传感器19（sensor），图像传感器19位于第四透镜组16朝向像面的一侧，滤光片17位于第四透镜组16与图像传感器19之间。图像传感器19的对角线尺寸为L，上述的摄像系统1的像高H与图像传感器19的对角线尺寸L两者的意义和数值大小是等同的。

如图6所示，作为一种实施方式，摄像系统1还包括第二棱镜单元18，第二棱镜单元18位于第四透镜组16朝向像面的一侧。第二棱镜单元18位于第四透镜组16与图像传感器19之间，且第二棱镜单元18设置于滤光片17朝向像面的一侧。第二棱镜单元18起分色作用，用于将RGB三种颜色的光区分开（即把白光分解为RGB三原色），以供图像传感器19采集光信号。

如图6及图14所示，作为一种实施方式，第二棱镜单元18采用philip分色棱镜，其包括三个棱镜。进入的光先经过第一楔形棱镜181并通过第一楔形棱镜181的第一表面1811上的二向色滤光膜反射蓝光，反射的蓝光经过第一楔形棱镜181的第二表面1812全反射后穿过其第三表面1813进入到蓝色通道B；穿过第一楔形棱镜181的第一表面1811后的红光和绿光进入第二楔形棱镜182，并通过第二楔形棱镜182的第一表面1821上的二向色滤光膜反射红光，反射的红光经过第二楔形棱镜182的第二表面1822全反射后穿过其第三表面1823进入到红色通道R；穿过第二楔形棱镜182的第一表面1821后的绿光进入第三棱镜183，第三棱镜183的表面1831镀膜，以过滤掉多余的杂光并进一步提升光线对比度，绿光在穿过第三棱镜183的表面1831后进入到绿色通道G。

为了提高成像色彩的鲜艳度，需要对每一层镀膜曲线进行限定，第二棱镜单元18的实际镀膜效果如图15所示。具体地，第二棱镜单元18的R通道的模系要求（即R通道的光谱）为：Tavg＜1%@400nm~570nm，Tavg＞88%@595nm ~700nm，Tavg＞50%@580nm~584nm（其具体含义为：第二棱镜单元18对于波长为400nm~570nm的光线的平均透过率小于1%，对于波长为595nm ~700nm的光线的平均透过率大于88%，对于波长为580nm~584nm的光线的平均透过率大于50%）；

第二棱镜单元18的G通道的模系要求（即G通道的光谱）为：Tavg＜1%@400nm ~480nm&595nm ~700nm，Tavg＞87%@510nm ~570nm，Tavg＜50%@580nm~584nm；

第二棱镜单元18的B通道的模系要求（即B通道的光谱）为：Tavg>95%@400nm ~480nm，Tavg<4%@505nm~700nm。

具体地，光线通过第二棱镜单元18后分离为三基色，每一个通道的颜色通过一个感应器的调制分别形成相应的灰度图，最后合成为一副彩色图像进行显示，这样的方式抛开了单片感应器需要分时调节的方式，使得三基色的纯度更高，单色性更好，最终显示时可以得到亮度更高、色彩更鲜艳的图像。同时，为了能够得到更纯正的颜色且不丢失某光谱（例如黄色），故通过特定的镀膜来达到显示效果（即对第二棱镜单元18的R、G、B通道的光谱分别进行限定）。

如图6所示，作为一种实施方式，摄像系统1还包括窗口片11，窗口片11起密封作用（密封镜筒的入光口），窗口片11位于液态透镜12朝向物面的一侧，光阑111设置于窗口片11上。

具体地，将光阑111设置于窗口片11上有利于减小系统的整体尺寸，且方便元器件的布置，并能够进一步减小光阑111与目镜组23出瞳位置处的距离。在本实施例中，光阑111设置于窗口片11朝向物面的一侧（即窗口片11的左侧面），从而使得光阑111更靠近于管镜系统2中目镜组23的出瞳位置处，但缺点是光阑111容易被划伤而导致杂散光的产生；当然，光阑111也可以设置于窗口片11朝向像面的一侧（即窗口片11的右侧面），从而避免光阑111被划伤，但缺点是光阑111与目镜组23出瞳位置处的距离相较于上述结构更远。当然，在其它实施例中，光阑111也可以不设置于窗口片11上，而是设置于窗口片11与液态透镜12之间。

如图3所示，作为一种实施方式，为了方便装配，弯月透镜2111与平凹透镜2112具有相同的口径，平凹透镜2112朝向弯月透镜2111一侧的表面（即左侧面）为平面，弯月透镜2111的凹面侧壁（即右侧壁）与平凹透镜2112的平面侧壁胶合连接。在组装时，先将弯月透镜2111和平凹透镜2112胶合组装作为一个整体，然后再与第一棱镜单元212进行胶合，这样的工艺方式与传统的冷加工胶合方式一致，可以大幅度提高良率。

作为一种实施方式，第一棱镜单元212展开后的等效长度为8mm~12mm。第一棱镜单元212的展开长度需要大于或等于8mm，这样是为了满足30°角转向棱镜的制作，同时也应当尽量压缩棱镜体积，因此限定第一棱镜单元212的展开长度小于或等于12mm。

如图3所示，作为一种实施方式，第一棱镜单元212由一个棱镜2121和一个平凸透镜2122组成，平凸透镜2122位于棱镜2121朝向像面的一侧，且平凸透镜2122的凸面朝向像面。

如图3所示，作为一种实施方式，物镜组21中的双胶合透镜组213是为了矫正系统的球差，以及460~830nm（即可见光波段到荧光波段）波长光线的色差。

如图1、图2及图4所示，作为一种实施方式，转像棒镜组22将物镜组21的像形成三次等大的中继像，即转像棒镜组22由三组相同的棒镜组221构成，每一组棒镜组221由一对相同的胶合透镜逆向组成（即该对相同的胶合透镜呈轴对称设置），且靠近物面一侧的透镜的长度远大于靠近像面一侧的透镜的长度。

具体地，在本实施例中，如图1及图2所示，当外界的光线进入物镜组21后经过第一次成像，形成一次成像面；然后第一次成像面的光束经过转像棒镜组22的三组棒镜组221后形成三次等大的中继像，分别形成二次成像面、三次成像面和四次成像面。

如图1至图4所示，作为一种实施方式，物镜组21中的第一棱镜单元212和双胶合透镜组213以及转像棒镜组22均具有相同的物理口径（即管镜系统2从第一棱镜单元212到最后一组棒镜组221之间的光线元件均具有相同的物理口径），且三者的物理口径均小于7mm，优选地均为6mm。这样设计的好处是可以将整个成像系统套入到一个管材里面，不需要分段安装，不仅可以减小装配误差，而且有利于气密性的结构设计。

如图1、图2及图5所示，作为一种实施方式，设置目镜组23的目的是将棒镜组221第四次成像面的光束转化为平行光，目镜组23的出瞳位置连接摄像系统1，并且出瞳位置应该和摄像系统1的光阑111位置重合。目镜组23为对称式目镜结构，其由两个相互对称的双胶合透镜构成，其特点是垂轴色差和轴向色差都能校正的较好，像散和慧差也可以校正得很好，场曲也比较小，同时由于镜组为相互对称的结构，因此制作成本更为低廉。

作为一种实施方式，摄像系统1的像高为H，摄像系统1的等效焦距为f；物镜组21的等效焦距为f’，物镜组21的视场角为θ，半角约为30~40°；目镜组23的等效焦距为f’’；为了更好地将物镜组21、目镜组23以及摄像系统1进行匹配，该基于液态透镜的光学系统满足以下条件：

（即显示区域的面积占比为70%~100%）。这样设置的目的是尽可能地使整体系统有较高的像素占比，获得更大的显示区域。如图16所示，图中矩形部分为摄像系统1中图像传感器19的尺寸，圆形区域为管镜系统2的视场范围，圆形区域与矩形部分围成的区域即为实际应用中的显示区域。在实际应用中，还应该让该显示区域尽可能的大一些，这样像素损失较少，观测区域大，可以减轻使用者的疲劳。

本发明实施例提供的基于液态透镜的光学系统的优点包括：

1、通过将摄像系统1设置为依次包括液态透镜12、第一透镜组13、第二透镜组14、第三透镜组15和第四透镜组16，且液态透镜12和第二透镜组14均具有正光焦度，第一透镜组13和第三透镜组15均具有负光焦度，第四透镜组16包括一个具有负光焦度的场镜161，该场镜161朝向像面一侧的表面为凹面，通过上述的透镜组合，能够将所产生的像差进行匹配消除，不会产生较大的光线偏转，从而保证透镜组的有效通光口径基本与液态透镜12的通光口径一致；同时通过调节液态透镜12的工作电压，能够快速地调节液态透镜12的焦距，从而快速地调节系统的焦距，无需手动驱动或电机驱动对焦，实现快速地自动对焦，而且工作距离范围广，清晰度高。

2、由于光阑111位于该摄像系统1的最前端，在该摄像系统1与管镜系统2的目镜组23连接时，光阑111位于目镜组23的出瞳位置处，从而使该摄像系统1能够与管镜系统2完全匹配，从而避免出现挡光、杂光等问题。

3、通过将液态透镜12紧靠光阑111之后设置，同时对光阑111的口径、液态透镜12的通光口径、光阑111与液态透镜12之间的光学距离等参数进行限定，使其满足r+2d*arctan（H/2f）≤R，使得光线能够从光阑111无遮挡的全部透过液态透镜12，从而避免出现暗边等缺陷。

4、通过将管镜系统2的物镜组21采用弯月透镜2111和平凹透镜2112的组成方式，相较于传统的单个平凹透镜，能有效地减少硬管镜产生的畸变，提高内窥镜的成像效果。

下面以具体的实施例来对本发明提供的基于液态透镜的光学系统进行详细说明。

如图1至图6所示，本实施例提供的基于液态透镜的光学系统，包括管镜系统2和摄像系统1。

其中摄像系统1包括沿着光轴从物面到像面依次设置的窗口片11、液态透镜12、第一透镜组13、第二透镜组14、第三透镜组15、第四透镜组16、滤光片17、第二棱镜单元18和图像传感器19。光阑111设置于窗口片11上且位于窗口片11朝向物面的一侧。

其中，液态透镜12具有正光焦度，通过改变液态透镜12的焦距能够使摄像系统1在距离物面无穷远到100mm的距离范围内清晰成像。在调节液态透镜12的焦距时，液态透镜12始终具有正光焦度的特性，液态透镜12的电压调节范围为49V~56V，对应的液滴层的曲率半径为-26.9mm~-10.7mm，对应的焦距变化范围为245mm~97mm。

第一透镜组13为一个双胶合透镜，第一透镜组13朝向物面一侧的表面为凹面，第一透镜组13朝向像面一侧的表面为凹面，第一透镜组13具有负光焦度，其焦距约为-8.17mm。

第二透镜组14由两个单正透镜组成，第二透镜组14具有正光焦度，其焦距约为5.73mm。

第三透镜组15为一个双胶合透镜，第三透镜组15朝向物面一侧的表面为凹面，第三透镜组15朝向像面一侧的表面为凹面，第三透镜组15具有负光焦度，其焦距约为-7.6mm。

第四透镜组16由两个单正透镜和一个具有负光焦度的场镜161组成，场镜161位于第四透镜组16的三个透镜中朝向像面的一侧（即场镜161位于第四透镜组16的最右侧），第四透镜组16具有正光焦度，其焦距约为13.644mm。

具体地，通过将第二透镜组14设置为由两个单正透镜组成，将第四透镜组16设置为由两个单正透镜和一个具有负光焦度的场镜161组成，这样设置的好处是能够减小每个透镜的光焦度，使光线的偏折角度更小，小的偏折角可以使镜头整体的公差灵敏度变的更低，利于生产良率的提升。

该摄像系统1满足以下条件：r+2d*arctan（H/2f）≤R；其中，r表示光阑111的口径，R表示液态透镜12的通光口径，d表示光阑111与液态透镜12之间的光学距离，H表示摄像系统1的像高，f表示整个摄像系统1的等效焦距。

摄像系统1还满足以下条件：R_max-R＜2mm；其中，R_max表示多个透镜组的最大通光口径。在本实施例中，R_max-R=0.6mm。

为提高色彩鲜艳度，第二棱镜单元18采用philip分色棱镜，第二棱镜单元18的R通道的模系要求（即R通道的光谱）为：Tavg＜1%@400nm~570nm，Tavg＞88%@595nm ~700nm，Tavg＞50%@580nm~584nm；第二棱镜单元18的G通道的模系要求（即G通道的光谱）为：Tavg＜1%@400nm ~480nm&595nm ~700nm，Tavg＞87%@510nm ~570nm，Tavg＜50%@580nm~584nm；第二棱镜单元18的B通道的模系要求（即B通道的光谱）为：Tavg>95%@400nm ~480nm，Tavg<4%@505nm~700nm。

为了使该摄像系统1更好地配合管镜系统2，该摄像系统1还满足以下条件：0.14≤H/2f≤0.212，且f≤25mm。优选地，f在16mm~18mm之间。在本实施例中，摄像系统1的等效焦距f为16.3mm，摄像系统1的像高H为6.4mm，H/2f=0.196，摄像系统1的总长约为43.7mm。

在管镜系统2中，物镜组21包括沿着光轴从物面到像面依次设置的透镜单元211、第一棱镜单元212和一个双胶合透镜组213；透镜单元211包括一个弯月透镜2111和一个平凹透镜2112，弯月透镜2111位于平凹透镜2112朝向物面的一侧，弯月透镜2111的凸面朝向物面，平凹透镜2112的凹面朝向像面。

同时，在整个系统中，摄像系统1的像高H为6.4mm，摄像系统1的等效焦距为f为16.3mm；物镜组21的等效焦距f’为2.6mm，物镜组21的视场角θ为80°，半角为40°；目镜组23的等效焦距为f’’为14mm；通过公式

可以计算出，显示面积的区域占比约为80%。

由于管镜系统2中有多组中继系统，因此需要对每一个子系统的像质进行分析。图7至图9表示管镜系统2中在第四成像面位置的像质，从图7所示的第四成像面的MTF（Modulation Transfer Function，调制传递函数）曲线图中可以看出，在全视场角范围内，视场的传递函数均达到衍射极限，成像效果优异。从图8所示的第四成像面的点阵图可以看出，艾利斑的半径为4.062um，而光斑的RMS半径不超过2.5um，在艾利斑范围内，已达到衍射极限；因此，在第四成像面位置，整个画面均有良好的成像效果。从图9所示的第四成像面的畸变示意图中可以看出各视场的场曲和畸变，从畸变的图例中可以看出，当视场角达到80°时，畸变仅为16%，其中的主要原因是由于在平凹透镜2112靠近物方一侧加入了一个弯月透镜2111，从而可以有效地降低畸变。

在紧接着第四成像面处，需要将像面汇聚的光束通过目镜组23转化为平行光，因此目镜组23也需要有与第四成像面相匹配的成像质量才行。从图10所示的目镜组的MTF曲线图中可以看出，各视场的MTF均达到衍射极限，且与第四成像面的空间频率基本相当，都可以达到200lp/mm。从图11所示的目镜组的点阵图中可以看出，目镜组23的艾利斑为4.013um，与第四成像面相当，RMS半径小于2um，在满足衍射极限的情况下，依旧与第四成像面的空间频率相当。因此，可以看出由物镜组21、转像棒镜组22和目镜组23构成的管镜系统2具有良好的成像质量。

为了将摄像系统1更好的匹配到管镜系统2中，将摄像系统1的光阑111与管镜系统2中目镜组23的出瞳连接（即摄像系统1的光阑111位置与目镜组23的出瞳位置重合），且摄像系统1的分辨率应该大于管镜系统2的成像质量。从图12所示的摄像系统的MTF曲线图可以看出各视场的传递函数已经达到衍射极限，成像效果优异。从图13所示的摄像系统的点阵图可以看出，艾利斑的尺寸为3.58um，摄像系统1的分辨率大于管镜系统2的分辨率，摄像系统1各视场的RMS远小于艾利斑的尺寸，镜头具有良好的成像质量。

本实施例中各光学组件的具体参数，如下表所示：

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于液态透镜的光学系统，包括管镜系统（2）和摄像系统（1），其特征在于，所述管镜系统（2）包括沿着光轴从物面到像面依次设置的物镜组（21）、转像棒镜组（22）和目镜组（23）；

所述物镜组（21）由沿着光轴从物面到像面依次设置的透镜单元（211）、第一棱镜单元（212）和一个双胶合透镜组（213）组成；所述透镜单元（211）由一个弯月透镜（2111）和一个平凹透镜（2112）组成，所述弯月透镜（2111）位于所述平凹透镜（2112）朝向物面的一侧，所述弯月透镜（2111）的凸面朝向物面，所述平凹透镜（2112）的凹面朝向像面；所述第一棱镜单元（212）由一个棱镜（2121）和一个平凸透镜（2122）组成，所述平凸透镜（2122）位于所述棱镜（2121）朝向像面的一侧，且所述平凸透镜（2122）的凸面朝向像面；

所述转像棒镜组（22）由三组相同的棒镜组（221）构成，每一组所述棒镜组（221）由一对相同的胶合透镜逆向组成，该对相同的胶合透镜呈轴对称设置；

所述目镜组（23）为对称式目镜结构，所述目镜组（23）由两个相互对称的双胶合透镜构成；

所述摄像系统（1）包括液态透镜（12）、多个透镜组和光阑（111），多个所述透镜组由沿着光轴从物面到像面依次设置的第一透镜组（13）、第二透镜组（14）、第三透镜组（15）和第四透镜组（16）组成，每个所述透镜组包括至少一个透镜；所述液态透镜（12）位于所述第一透镜组（13）朝向物面的一侧，所述光阑（111）位于所述液态透镜（12）朝向物面的一侧；所述液态透镜（12）和所述第二透镜组（14）均具有正光焦度，所述第一透镜组（13）和所述第三透镜组（15）均具有负光焦度；所述第一透镜组（13）为一个双胶合透镜，所述第一透镜组（13）朝向物面一侧的表面为凹面，所述第一透镜组（13）朝向像面一侧的表面为凹面；所述第二透镜组（14）由两个单正透镜组成；所述第三透镜组（15）为一个双胶合透镜，所述第三透镜组（15）朝向物面一侧的表面为凹面，所述第三透镜组（15）朝向像面一侧的表面为凹面；所述第四透镜组（16）具有正光焦度，所述第四透镜组（16）由两个单正透镜和一个具有负光焦度的场镜（161）组成，所述场镜（161）位于所述第四透镜组（16）的三个透镜中朝向像面的一侧，所述场镜（161）朝向像面一侧的表面为凹面；

所述液态透镜（12）的工作电压在最低供电电压与最高供电电压之间；当所述液态透镜（12）在所述最低供电电压与所述最高供电电压之间工作时，所述液态透镜（12）均具有正光焦度，且所述摄像系统（1）能够使物面在无穷远至100mm的距离范围内清晰成像；

所述液态透镜（12）的最小焦距为f₁，所述第一透镜组（13）的焦距为f₂；所述摄像系统（1）还满足以下条件：f₁≥2|f₂|；

所述第二透镜组（14）的焦距为f₃，所述摄像系统（1）的等效焦距为f；所述摄像系统（1）还满足以下条件：f/2f₃＞1；

所述管镜系统（2）的所述目镜组（23）与所述摄像系统（1）相连，且所述摄像系统（1）的所述光阑（111）位于所述目镜组（23）的出瞳位置处；

所述摄像系统（1）的像高为H，所述摄像系统（1）的等效焦距为f，所述物镜组（21）的等效焦距为f’，所述物镜组（21）的视场角为θ，所述目镜组（23）的等效焦距为f’’；所述基于液态透镜的光学系统满足以下条件：

。

2.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述摄像系统（1）满足以下条件：r+2d*arctan（H/2f）≤R；其中，r表示所述光阑（111）的口径，R表示所述液态透镜（12）的通光口径，d表示所述光阑（111）与所述液态透镜（12）之间的光学距离，H表示所述摄像系统（1）的像高，f表示整个所述摄像系统（1）的等效焦距。

3.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述摄像系统（1）的像高为H，所述摄像系统（1）的等效焦距为f，所述摄像系统（1）还满足以下条件：0.14≤H/2f≤0.212，且f≤25mm。

4.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述摄像系统（1）还满足以下条件：R_max-R＜2mm；其中，R_max表示多个所述透镜组的最大通光口径，R表示所述液态透镜（12）的通光口径。

5.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，当所述液态透镜（12）在所述最低供电电压下工作时，所述液态透镜（12）内液滴层的曲率半径为-81mm；当所述液态透镜（12）在所述最高供电电压下工作时，所述液态透镜（12）内液滴层的曲率半径为-8mm。

6.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述最低供电电压为43V，所述最高供电电压为59V。

7.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，多个所述透镜组中所有具有负光焦度的透镜的阿贝数均小于40。

8.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述摄像系统（1）还包括第二棱镜单元（18），所述第二棱镜单元（18）位于所述第四透镜组（16）朝向像面的一侧，所述第二棱镜单元（18）用于将RGB三种颜色的光区分开；

所述第二棱镜单元（18）R通道的模系要求为：Tavg＜1%@400nm~570nm，Tavg＞88%@595nm ~700nm，Tavg＞50%@580nm~584nm；

所述第二棱镜单元（18）G通道的模系要求为：Tavg＜1%@400nm ~480nm&595nm~700nm，Tavg＞87%@510nm~570nm，Tavg＜50%@580nm~584nm；

所述第二棱镜单元（18）B通道的模系要求为：Tavg>95%@400nm ~480nm，Tavg<4%@505nm~700nm；

其中，Tavg表示所述第二棱镜单元（18）对光线的平均透过率。

9.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述弯月透镜（2111）与所述平凹透镜（2112）具有相同的口径，所述平凹透镜（2112）朝向所述弯月透镜（2111）一侧的表面为平面，所述弯月透镜（2111）的凹面侧壁与所述平凹透镜（2112）的平面侧壁胶合连接。

10.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述第一棱镜单元（212）展开后的等效长度为8mm~12mm。

11.如权利要求1所述的基于液态透镜的光学系统，其特征在于，所述物镜组（21）中的所述第一棱镜单元（212）和所述双胶合透镜组（213）以及所述转像棒镜组（22）均具有相同的物理口径，且三者的物理口径均小于7mm。

12.一种内窥镜，其特征在于，包括如权利要求1-11中任一项所述的基于液态透镜的光学系统。

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