CN115113368B - 一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统。沿光轴方向，从物侧到像侧依次为固定的负透镜组、可动的正透镜组。通过移动可动的正透镜组可改变内窥镜光学系统的焦距，完成对100mm～0mm物距下的成像以及变倍放大。本发明涉及一种高性能细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，在普通观察时，内窥镜镜头的视场角可达到140°；通过变焦可实现对发现的人体病患处的高分辨成像。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，具体涉及一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统。
背景技术
近年来，随着微电子技术及工艺的发展，摄像元件在实现高像素化的同时也实现了单个像素大小的缩小。高像素摄像元件的小型化使得几十万甚至几百万像素的摄像元件能够运用于电子内窥镜中，获得高分辨率的清晰图像。目前，电子内窥镜在医疗领域得到广泛运用，主要用于观察消化器官、支气管、鼻腔、咽喉、泌尿器官等脏器。通过内窥镜的监视器，医疗人员可以直接观察到人体内脏器的病变情况，进行病理诊断以及协助进行微创手术。
另一方面，由于内窥镜的镜身需要插入体腔内，尤其是常常运用于窄的体腔内，这对电子内窥镜的尺寸做出了小型化的要求；而且在插入患者体内时内窥镜的直径越小，患者所感受到的痛苦越小。而电子内窥镜的硬质部外径尺寸主要受限于光学系统的大小与成像元件的大小。如今，已有1/10英寸或更小尺寸的CMOS元件满足细径电子内窥镜的要求，对应的光学成像系统也应当满足超细径的要求。而且在体内观察时，在提供高分辨率画质的同时期望电子内窥镜的视场范围越大越好，这样能够有效减小医生查找病变位置的操作时间与步骤。同时市场需求也期望电子内窥镜能够具有调焦功能，能够对视野内的病变处提供进一步的画质性能。为了满足市场期望，运用于细径内窥镜的光学成像系统也应当具有细径、高分辨率、可调焦的特点。
发明内容
针对上述现有技术及存在的问题，本发明提出了一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统。该光学系统可运用于细径内窥镜如胃肠镜中，光学性能上具有广角、高分辨率、可调焦的特点，满足了当前医用内窥镜的期望需求。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明所解决的技术问题主要采用以下方案来实现：
一种广角医用电子内窥镜光学成像系统，沿光学系统的光轴从物方至像方依次包括：
固定透镜组,具有负的光焦度；
变焦透镜组,具有正的光焦度，用于通过其沿所述光轴的移动来改变内窥镜光学系统的焦距。
上述方案中，优选的，从物侧到像侧，所述固定透镜组包括第一透镜、第二透镜以及第三透镜。第一透镜为平凹负透镜，第二透镜为平凹负透镜，第三透镜为双凸正透镜；变焦透镜组包括第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜。其中第四透镜为双凸透镜、第五透镜为双凸透镜、第六透镜为弯月透镜、第七透镜为平凸透镜、第八透镜为双凸透镜，第九透镜为双凸透镜。进一步地，第五透镜与第六透镜构成胶合透镜。
另外，根据本发明的优选方式，应满足如下条件式：
-2.7<fg1/f<-1.6..........................................(1)
其中fg1为第一透镜组的组合焦距，f为各个工作状态下整体内窥镜光学系统的焦距。
H4/2<1.08mm.........................................(2)
其中H4为各个工作状态下透镜L1像侧凹面上的通光口径。
2.08<fg2/f<3.4..........................................(3)
其中fg2为正透镜组G2的组合焦距，f为各个工作状态下整体光学系统的组合焦距。
0.06<d12/TTL<0.3........................................(4)
其中d12为各个工作状态下正透镜组与负透镜组之间的空气间隔，TTL为整个光学系统的长度。
本发明的有益之处在于：
1.提供了一种可用于细径医疗内窥镜的光学成像系统，全部采用球面透镜，便于生产加工，整体光学系统直径不超过4mm，通过调整各透镜间的组合焦距，使成像时系统的像面弯曲、色差等各个像差得到了良好的校正。
2.所提供的细径电子内窥镜光学成像系统的视场角可达到140°，在此视场下全视场畸变程度基本控制在60％以内，满足了广角成像的要求。
3.所提供的超细径电子内窥镜光学成像系统通过光学补偿变焦设计，具备调焦功能，可对物距100mm～0mm实现调焦，实现大视野范围内病变位置查找及对病变位置聚焦放大的功能，在0mm处MTF达到0.2时物方分辨率达到300lp/mm以上，满足高分辨率画质的要求。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的实施例的在广角工作状态(物距＝100mm)下光学系统结构示意图。
图2为本发明的实施例的在广角工作状态(物距＝100mm)下的MTF曲线图。
图3为本发明的实施例的在广角工作状态(物距＝100mm)下畸变曲线图。
图4为本发明的实施例的在放大工作状态(物距＝0mm)下光学系统结构示意图。
图5为本发明的实施例的在放大工作状态(物距＝0mm)下的MTF曲线图。
图6为本发明的实施例的在放大工作状态(物距＝0mm)下畸变曲线图。
图7为本发明的实施例的在广角普通工作状态(物距＝10mm)下光学系统结构示意图。
图8为本发明的实施例的在广角普通工作状态(物距＝10mm)下的MTF曲线图。
图9为本发明的实施例的在广角普通工作状态(物距＝10mm)下畸变曲线图.。
具体实施方式
本发明的一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，从物侧起依次配置为保护玻璃片，负光焦度的第一透镜组G1、光阑S、具有正光焦度的第二透镜组G2。整体构成一反远距光学结构，满足其相对于焦距而言较长工作距离的要求。受限于细径的外径宽度，光学系统的机械结构应当尽量简单，在进行变焦设计时优先考虑机械结构上相对简单的光学补偿变焦方式，所述光阑与第二透镜组可通过搭载可动机构进行轴向整体移动，只需要通过一根牵引钢丝调整第一透镜组与第二透镜组的间隔即可实现物距100mm～0mm范围内的调焦功能，由于光学补偿变焦方式相对于机械变焦方式而言像差校正能力较弱，需要对透镜组设计进行更合理的限制与优化。
所述第一透镜组G1整体光焦度为较大的负值，确保满足广角的需求。透镜组G1从物侧到像侧依次为平凹负透镜L1、平凹负透镜L2以及双凸正透镜L3，其中平凹负透镜L1的像侧面以及平凹负透镜的物侧为凹面。负透镜L1、L2的组合具有较大的负光焦度，实现将大入射角入射的光线的折射角度快速下降，且合理分配L1和L2的光焦度，避免大的偏角出现，引起像差变大。在两负透镜后放置一正透镜L3，用于平衡两负透镜引入的正球差以及场曲等，同时调整边缘光线方向，避免其在后续像面上位置较高，引起孔径偏大。对第一透镜组G1应满足如下关系：
-2.7<fg1/f<-1.6.........................................(1)
H4/2<1.08mm...........................................(2)
其中fg1为第一透镜组的组合焦距，f为各个工作状态下整体内窥镜光学系统的焦距。H4为透镜L1像侧凹面上的通光口径。当低于条件式(1)的下限值时，负透镜组的光焦度过小。由此，内窥镜用物镜光学系统的全长、透镜直径变大，从而无法实现小型化。当超过条件式(1)的上限值时，负透镜组的光焦度过大，容易产生球差、彗差、色像差而导致性能劣化，或者容易因制造偏差而导致图像质量劣化。当超过条件式(2)的上限值时会导致后续通光孔径过大。
光阑S设置在紧贴正透镜组G2物侧，可有效避免轴外光线在后续透镜面上的高度过大，有利于控制透镜组G2的孔径。透镜组G2由双凸透镜L4、双凸透镜L5、弯月透镜L6、平凹透镜L7、双凸透镜L8、双凸透镜L9组成。对整个系统而言，光学系统需要具有正光焦度，所以透镜组G2的光焦度需要为正。同时由于正透镜组G2承担了变焦的功能，需要与透镜组G1与像面保持一段合适的距离供可G2移动。为了在校正像差的同时更好的校正色差，将透镜L5与L6胶合，来校正系统的色差。对该光学系统应满足如下条件：
2.08<fg2/f<3.4..........................................(3)
0.06<d12/TTL<0.3........................................(4)
其中fg2为正透镜组G2的组合焦距，f为各个工作状态下整体光学系统的组合焦距；d12为正透镜组与负透镜组之间的空气间隔，TTL为整个光学系统的长度。
当超过条件式(3)的上限值时，正透镜组的光焦度过小，变焦距离相应增加，不利于系统的小型化；当超过条件值(3)的下限值时，正透镜组的光焦度过大，像面弯曲过度，不利于像差校正。
如图1所示，本发明的实施例在物距为100mm时的结构，物侧到像侧依次为：
平凹负透镜L1、平凹负透镜L2、双凸正透镜L3、光阑、双凸透镜L4、双凸透镜L5、弯月透镜L6、平凹透镜L7、双凸透镜L8、双凸透镜L9。可选的，在L1左侧及L9右侧可添加保护玻璃L0、L10。光学系统的参数如表1所示。此工作状态下的MTF曲线图如图2所示，畸变曲线图如图3所示。此时最大视场角为143°，满足广角的要求。在2x68°视场处畸变大小为60％。
表1物距100mm时细径广角内窥镜参数
如图4所示，本发明的实施例在物距为0mm时的结构，物侧到像侧依次为：
平凹负透镜L1、平凹负透镜L2、双凸正透镜L3、光阑、双凸透镜L4、双凸透镜L5、弯月透镜L6、平凹透镜L7、双凸透镜L8、双凸透镜L9。可选的，在L1左侧及L9右侧可添加保护玻璃L0、L10。光学系统的参数如表2所示。此工作状态下的MTF曲线图如图5所示，畸变曲线图如图6所示。
表2物距0mm时内窥镜参数
| 面号 | 表面类型 | 曲率半径(mm) | 厚度(mm) | 材料 | 半孔径(mm) |
| S1 | 球面 | 1.00E+18 | 0.4 | n＝1.768v＝72.27 | 1.95 |
| S2 | 球面 | 1.00E+18 | 0.28 | n＝1.833v＝40.80 | 1.62 |
| S3 | 球面 | 1.378 | 0.795 | 1.1 | |
| S4 | 球面 | -2.5 | 0.3 | n＝1.833v＝40.80 | 1.1 |
| S5 | 球面 | 1.00E+18 | 0.2 | 1.62 | |
| S6 | 球面 | 18.28 | 0.98 | n＝1.904v＝32.32 | 1.62 |
| S7 | 球面 | -3.46 | 0.8 | 1.279 | |
| S8 | 球面 | 1.00E+18 | 0 | 0.584 | |
| S9 | 球面 | 2.79 | 0.77 | n＝1.624v＝43.88 | 1.1 |
| S10 | 球面 | -4.68 | 0.14 | 1.1 | |
| S11 | 球面 | 5.62 | 1.1 | n＝1.517v＝64.21 | 1.1 |
| S12 | 球面 | -1.38 | 0.26 | n＝1.887v＝23.79 | 1.1 |
| S13 | 球面 | -5 | 0.46 | 1.1 | |
| S14 | 球面 | 1.00E+18 | 0.3 | n＝1.883v＝28.90 | 1.25 |
| S15 | 球面 | 3.03 | 0.102 | 0.89 | |
| S16 | 球面 | 12.51 | 0.79 | n＝1.487v＝70.42 | 1.25 |
| S17 | 球面 | -3.72 | 0.328 | 1.25 | |
| S18 | 球面 | 5.83 | 0.77 | n＝1.903v＝18.90 | 1.4 |
| S19 | 球面 | -13.93 | 3.52 | 1.4 | |
| S20 | 球面 | 1.00E+18 | 0.4 | n＝1.517v＝64.21 | 1.2 |
| S21 | 球面 | 1.00E+18 | 0.1 | n＝1.768v＝72.27 | 1.2 |
如图7所示，本发明的实施例在物距为10mm时的结构，物侧到像侧依次为：
平凹负透镜L1、平凹负透镜L2、双凸正透镜L3、光阑、双凸透镜L4、双凸透镜L5、弯月透镜L6、平凹透镜L7、双凸透镜L8、双凸透镜L9。可选的，在L1左侧及L9右侧可添加保护玻璃L0、L10。光学系统的参数如表3所示。此工作状态下的MTF曲线图如图8所示，畸变曲线图如图9所示。最大视场角2x70°处畸变大小为59％。
表3物距10mm时内窥镜参数
综上所述，本发明通过限定L1凹面的最大有效半径，可移动的正透镜组额焦距、固定的负透镜组的焦距及整体光学系统焦距的关系，合理的放置光阑的位置以及选择透镜的类型，得到了易于加工生产的一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统。该系统能够满足细径、140°广角视场以及对病患处进行进一步聚焦放大的功能，且各工作工作状态下具有良好的图像质量，满足实际医疗手术中的细径、广角、小型化、高分辨率的需求，具有广阔的运用前景。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (6)
1.一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，该细径广角医用电子内窥镜光学成像系统由第一透镜组与第二透镜组组成，所述第一透镜组为固定透镜组，所述第二透镜组为可动透镜组，固定透镜组具有负的光焦度，可动透镜组具有正的光焦度；从物侧到像侧，所述第一透镜组由第一透镜、第二透镜以及第三透镜组成；第一透镜为平凹负透镜，第二透镜为平凹负透镜，第三透镜为双凸正透镜；
从物侧到像侧，所述第二透镜组由第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜以及第九透镜组成；其中第四透镜为双凸透镜、第五透镜为双凸透镜、第六透镜为弯月负透镜、第七透镜为平凹透镜、第八透镜为双凸透镜，第九透镜为双凸透镜；第一透镜组与整个光学系统之间满足如下关系：-2.7<fg1/f<-1.6；其中fg1为第一透镜组的组合焦距，f为各个工作状态下整体内窥镜光学系统的焦距；
第二透镜组与整个光学系统之间满足如下关系：2.08<fg2/f<3.4；其中fg2为第二透镜组的组合焦距，f为各个工作状态下整体内窥镜光学系统的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，其变焦方式为光学补偿变焦，通过变焦可实现对工作距离100mm~0mm的成像。
3.根据权利要求1所述的细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，第五透镜与第六透镜构成胶合透镜。
4.根据权利要求1所述的细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，第一透镜组与整个光学系统之间满足如下关系：H4/2<1.08mm；其中H4为各个工作状态下第一透镜像侧凹面上的通光口径。
5.根据权利要求1所述的细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，第一透镜组与整个光学系统之间满足如下关系：0.06<d12/TTL<0.3；其中d12为各个工作状态下第二透镜组与第一透镜组之间的空气间隔，TTL为整个光学系统的长度。
6.根据权利要求1所述的细径广角医用电子内窥镜光学成像系统，其特征在于，孔径光阑设置在紧贴第二透镜组的靠近物侧面。
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2022
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