CN115993707A - 一种广角内窥镜镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广角内窥镜镜头，由物侧至像侧依次包含：保护窗片、第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜、保护玻璃片和图像传感器，所述第一透镜、第二透镜、第五透镜具有负光焦度，所述第三透镜、第四透镜具有正光焦度；保护窗片和第一透镜的物侧面为平面，使得保护窗片便于装配，降低镜头的密封、装配难度；第一透镜、第二透镜两片负光焦度透镜的组合，有益于收集大视场光线，减小透镜的通光孔径，缩小镜头尺寸，预留出足够的非感光区域用于镜头的密封，在保证内窥镜镜头图像清晰度的同时，具有极低成本、镜片数少、大景深、超广角特点。

Description

一种广角内窥镜镜头

技术领域

本发明涉及内窥镜技术领域，特别是涉及一种广角内窥镜镜头。

背景技术

微创手术的出现，使得病人可以通过小创口甚至无创口完成手术治疗，具备疼痛轻、恢复快的优点，内窥镜在微创手术应用上具有重要作用。内窥镜术野、景深、清晰度、色彩还原性、产品稳定性、使用成本均与镜头息息相关。内窥镜镜头的设计影响内窥镜配套的结构设计、电子设计走向，是决定内窥镜产品成功与否的重要因素之一。

目前市场上内窥镜的镜头，一般由多片玻璃镜片组成，小尺寸玻璃镜片非常容易出现面偏心、镜片偏薄、偏厚、口径偏小等问题，带来较高的加工难度和成本。相对而言，树脂镜片加工成的镜头则不存在上述问题，但是树脂镜头多为高次非球面，对公差尤其是边缘视场的公差敏感，实际加工出的镜头成像效果一般不太理想。另外，内窥镜前端的空间非常紧凑，窗片和内窥镜前端的胶贴合面积非常小，密封性也难以保证。根据几何光学的景深公式和高斯公式，定焦镜头在需要拍摄近距离物体时，景深范围很小，而直接提升景深范围，受衍射影响，艾里斑的尺寸会变大，导致图像清晰度降低。因此，以低成本加工小尺寸内窥镜镜头的同时，提升内窥镜的景深和清晰度具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种广角内窥镜镜头，以极低成本加工小尺寸内窥镜镜头的同时，保证镜头成像清晰度，提升内窥镜景深。

为实现上述效果，本发明的技术方案如下：

一种广角内窥镜镜头，由物侧至像侧依次包含：第一透镜、第二透镜、第三透镜、光阑、第四透镜、第五透镜，所述第一透镜、第二透镜、第五透镜具有负的光焦度，所述第三透镜、第四透镜具有正光焦度；光阑紧贴于第四透镜的物侧面；

所述第一透镜的物侧面为平面或凸面、像侧面为凹面；所述第二透镜的像侧面为凹面；所述第三透镜的物侧面为凸面；所述第四透镜的物侧面、像侧面均为凸面；所述第五透镜的物侧面、像侧面均为凹面。

上述方案中，第一透镜、第二透镜负责收集大视场的光线，且两片负光焦度的透镜收集光线有利于减小透镜的通光孔径，缩小镜头尺寸，并预留出足够的粘胶面积，利于对透镜进行密封。所述光阑S后侧，至少分配一片正光焦度的透镜、一片负光焦度的透镜，正负光焦度的透镜为分离状态，更好地校正内窥镜镜头的场曲。光阑紧贴于第四透镜的物侧面用于对光束孔径进行限制。

进一步的，所述第一透镜的折射率n1与第三透镜的折射率n2，第四透镜的折射率n3与第五透镜的折射率n4，满足如下关系：

0.08<|n1-n2|<0.25

0.08<|n3-n4|<0.25。

上述方案中，对第一透镜与第三透镜、第四透镜与第五透镜的折射率分别加以限定，有利于降低内窥镜镜头整体的色差，降低弥散斑尺寸。

进一步的，所述第三透镜物侧面的孔径D₁与曲率C₁，像侧面的孔径D₂与曲率C₂，满足如下关系：

|D₁C₁-D₂C₂|≥0.25。

上述方案中，对第三透镜的孔径和曲率的限定提高了广角内窥镜镜头的可加工性。

进一步的，所述内窥镜镜头的景深δ满足如下关系式：

其中，Z为容许弥散斑直径，p为拍摄物到入瞳的距离，a为入瞳半径，f为内窥镜镜头焦距。减小内窥镜镜头的焦距有利于提升景深。

进一步的，第四透镜、第五透镜组合的焦距f₅₆，相比于镜头的总焦距f，其满足下列关系式：

1<f₅₆/f<2。

进一步的，所述第二透镜～第五透镜均为树脂镜片，所述第一透镜为玻璃镜片或树脂镜片。

上述方案中，镜片中至少有4片为树脂镜片可以大幅度降低镜头加工成本。

进一步的，所述树脂镜片至少一个面为非球面，非球面的面型x表述为：

其中h是非球面上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，A_i是非球面第i阶系数。

进一步的，所述第五透镜朝向像面的一侧设有用于采集光信号的图像传感器。

上述方案中，所述保护窗片的物侧面的平面和所述第一透镜物侧面的平面贴合。保护窗片设置为平面可以增大保护窗片的和第一透镜的贴合面积，密封性良好。

进一步的，所述第一透镜、图像传感器的物侧面分别设有保护窗片、保护玻璃片；所述保护窗片、保护玻璃片的物侧面、像侧面均为平面。

进一步的，所述第一透镜保护玻璃片的莫氏硬度>8，采用Al₂O₃玻璃材料制成。可以增强内窥镜镜头抗划伤的能力。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明内窥镜镜头由五片光焦度不为零的透镜组成，保护窗片和第一透镜的物侧面为平面，使得保护窗片便于装配，降低镜头的密封、装配难度；第一透镜、第二透镜两片负光焦度透镜的组合，有益于收集大视场光线，把广角镜头的光束聚拢，减小透镜的通光孔径，缩小镜头尺寸，预留出足够的非感光区域用于镜头的密封；第四透镜、第五透镜承担主要的光焦度，减小内窥镜镜头的焦距以增大景深。内窥镜镜头采用了4～5片树脂镜片，极大降低了镜头的制造成本。在保证内窥镜镜头图像清晰度的同时，具有低成本、易加工、大景深、超广角的特点，具有实际应用价值。

附图说明

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

图1为本发明实施例提供的内窥镜镜头结构的示意图；

图2是本发明的内窥镜镜头在不同视场角下的MTF曲线示意图；

图3是本发明的内窥镜镜头在15mm工作距离处的弥散斑和艾里斑示意图；

图4是本发明的内窥镜镜头在5mm物距处的弥散斑和艾里斑示意图；

图5是本发明的内窥镜镜头在100mm物距处的弥散斑和艾里斑示意图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，都是本发明保护的范围。

在介绍本申请实施例之前首先对本申请实施例中涉及到的相关名词作如下释义：

光焦度：等于像侧光束会聚度与物方光束会聚度之差，它表征光学系统偏折光线的能力。

入射光瞳：光学名词，与实际影响入射光能量和分辨率的孔径光阑对应。它是孔径光阑通过前面光组在光学系统的物空间所成的像，简称入瞳。

主点：主视线与透视面的交点，或者垂轴放大率为1的一对共轭面(即主平面)与光学系统光轴的交点。

场曲：又称“像场弯曲”，当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个像面，给观察和照相造成困难。

光阑：指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面,限制光束或限制视场(成像范围)大小。

OTF：Optical transfer function，光学传递函数。

MTF：Modulation Transfer Function，调制传递函数，是分析镜头的解像比较科学的方法。

空间频率：指每度视角内图象或刺激图形的亮暗作正弦调制的栅条周数，单位：周期(lp)/mm。

艾里斑：点光源通过衍射受限透镜成像时，由于衍射而在焦点处形成的光斑。中央是明亮的圆斑，周围有一组较弱的明暗相间的同心环状条纹，把其中以第一暗环为界限的中央亮斑称作艾里斑。

弥散斑：点光源(即星点)经过光学系统后在像面前后不同截面上所成的衍射像的光强分布即为弥散斑。弥散斑能量的分布情况能够非常灵敏地反映光学的像差和缺陷，因此定量测量弥散斑参数是控制光学系统成像质量的重要手段。

实施例1

为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种广角内窥镜镜头的一个实施例，由物侧至像侧依次包含：第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、光阑S、第四透镜5、第五透镜6和用于采集入射光信号的图像传感器8，所述第一透镜2、第二透镜3、第五透镜6具有负光焦度，所述第三透镜4、第四透镜5具有正光焦度；光阑紧贴于第四透镜5的物侧，两者之间距离为0；

所述第一透镜2的物侧面为平面或凸面、像侧面为凹面；所述第二透镜3的像侧面为凹面；所述第三透镜4的物侧面为凸面；所述第四透镜5的物侧面、像侧面均为凸面；所述第五透镜6的物侧面、像侧面均为凹面。

具体的，所述第一透镜2、图像传感器8的物侧面分别设有保护窗片1、保护玻璃片7；所述保护窗片1、保护玻璃片7的物侧面、像侧面均为平面，所述保护窗片1的莫氏硬度>8，采用Al₂O₃玻璃材料制成。所述保护窗片1的物侧面的平面和所述第一透镜2物侧面的平面贴合。

需要说明的是，所述保护窗片1和第一透镜2的物侧面为平面，使得保护窗片1便于装配，缩减内窥镜镜头的加工周期，降低镜头的密封、装配难度，使得保护窗片1和第一透镜2的密封更加简单。所述第一透镜2、第二透镜3负责收集大视场的光线，第三透镜4用于平衡第一透镜2、第二透镜3带来的像差，光阑S负责吸收杂散光与减小轴外视场的像差，第四透镜5承担内窥镜镜头主要的光焦度，第五透镜6负责校正场曲。光线从物侧经过图像传感器8前的保护玻璃片7，入射到图像传感器8的感光芯片上，发生光电转换得到像侧图像，像侧图像显示在内窥镜的显示屏上。图像传感器8采用小尺寸的CMOS图像传感器。

第一透镜2、第二透镜3两片负光焦度透镜的组合，有益于收集大视场光线，减小镜片的通光孔径，缩小镜头尺寸，预留出足够的非感光区域，使得镜头更加容易密封。为了降低加工误差的影响，在设计阶段将光线的入射角、出射角均控制在30°以内，光线小幅度的弯折有利于提升镜头抵抗公差的能力，结合公差分析，使得内窥镜镜头设计值和实际产品的差异较小，一致性好，对公差不敏感。

具体的，所述第一透镜2的折射率n1与第三透镜4的折射率n2，第四透镜5的折射率n3与第五透镜6的折射率n4，满足如下关系：

0.08<|n1-n2|<0.25

0.08<|n3-n4|<0.25。

上述方案中，n1-n2的范围限定了平凹透镜的材料折射率，如果|n1-n2|小于0.08将不利于内窥镜镜头色差的校正，降低图像的清晰度。如果|n1-n2|大于0.25，将极大增加树脂镜片的材料成本。n3-n4范围的效果限定同上，在此不再赘述。

具体的，所述第三透镜4物侧面的孔径D₁与曲率C₁，像侧面的孔径D₂与曲率C₂，通过如下关系的限制，保证其具备可加工性。

|D₁C₁-D₂C₂|≥0.25。

具体的，所述内窥镜镜头的景深δ满足如下关系式：

其中，Z为容许弥散斑直径，p为拍摄物到入瞳的距离，a为入瞳半径，f为内窥镜镜头焦距。通过光阑前负、负、正镜组的搭配，使镜组的主点尽可能朝像侧移动，通过限制第四透镜5、第五透镜6的焦距范围，使其承担光学系统主要的光焦度，缩小系统的焦距f，从而增大光学系统的景深δ。因此第四透镜5、第五透镜6组合的焦距f₅₆，相比于镜头的总焦距f，有如下范围限定：

1<f₅₆/f<2。

具体的，所述第二透镜3～第五透镜6均为树脂镜片，第一透镜2可以是树脂镜片，也可以是玻璃镜片，所述树脂镜片至少一个面为非球面，非球面的面型x表述为：

其中h是非球面上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，A_i是非球面第i阶系数。

本发明内窥镜镜头由五片光焦度不为零的透镜组成，具有大景深、小尺寸、低成本、加工周期短、密封简单、结构紧凑、小型化的特点，具备140°以上的视场角。光阑后方的正、负透镜为分离状态，以更好地校正场曲。

实施例2

具体地，在实施例1的基础上，结合具体的实施例子对方案进行说明，进一步体现本方案的技术效果。具体为：

如图1所述，光学镜头由物侧OBJ至像侧图像传感器感光面DET依序包括：保护窗片1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、光阑S、第四透镜5、第五透镜6、CMOS保护窗片7和用于采集入射光信号的图像传感器8，所述第一透镜2、第二透镜3、第五透镜6具有负光焦度，所述第三透镜4、第四透镜5具有正光焦度；光阑紧贴于第四透镜5的物侧距离为0；

所述保护窗片1的物侧面S1为平面，像侧面S2为平面，第一透镜2的物侧面S3为平面或凸面、像侧面S4为凹面；所述第二透镜3的物侧面S5为凹面，像侧面S6为凹面；所述第三透镜4的物侧面S7为凸面,像侧面S8为凹面；所述第四透镜5的物侧面S10、像侧面S11均为凸面；所述第五透镜6的物侧面S12、像侧面S13均为凹面。

具体的，所述第一透镜2、图像传感器8的物侧面分别设有保护窗片1、保护玻璃片7；所述保护玻璃片7的物侧面S14、像侧面S15均为平面，所述图像传感器感光面DET为平面。所述保护窗片1的莫氏硬度>8，采用Al₂O₃玻璃材料制成。所述保护窗片1的像侧面S2和所述第一透镜2物侧面S3贴合。

下表1示出了实施例2的光学镜头的基本参数表，其中，曲率半径、厚度/距离和焦距的单位均为毫米(mm)。

表1光学镜头的基本参数表

在本示例中，光学镜头的总有效焦距f为1.061mm，光学镜头的总长度(即从表面S1至图像传感器感光表面DET在光轴上的距离)TTL为7.46mm，光学镜片的最大有效半径为1.88mm，光学镜头的F数为6.47，光学镜头的最大视场角FOV为140.0°，光学镜头的入瞳直径ENPD为0.175mm。

表2示出了可用于实施例2中非球面S4～S8、S10～S13中各镜面的高次项系数A4、A6、A8、A10、A12，其中，各非球面面型可由上述实施例1中给出的非球面面型公式限定。

表2非球面S4～S8、S10～S13中各镜面的高次项系数表

面号	A4	A6	A8	A10	A12
						S4	-0.072	-0.016	-5.908E-003	1.897E-003	-2.354
S5	-7.598E-003	-3.708E-003	-1.902E-003	-1.642E-005	-7.981
						S6	-0.028	-1.803E-003	-0.050	-0.021	-0.037
S7	8.983E-003	-0.016	-2.370E-003	-0.033	0.010
						S8	0.129	-0.128	-0.596	3.928	-4.959
S10	0.177	17.009	-433.509	4903.764	-1.847
						S11	-0.332	0.748	8.892	-43.476
S12	-0.979	1.386	0.000	-14.067
						S13	0.062	-0.244	0.094	0.243

图2、图3、图4、图5为内窥镜镜头性能仿真结果。图3、图4、图5右上角数字表示光线的波长，单位μm；图中的圆表示当前状态下的艾里斑，点的集合表示当前状态下的弥散斑；图中像面指像面高度。

从图2调制传递函数MTF曲线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，在空间频率120lp/mm处，全视场景深范围内MTF均＞0.2，100°视场角范围内(即图2中半视场角≤50°的曲线)的MTF达到0.32以上，接近衍射状态。

如图3点阵图所示，设计光学工作距离15mm处，艾里斑半径远大于弥散斑半径，内窥镜镜头的像差得到了充分的平衡，不同波长下的弥散斑分布差异较小，镜头色差较小，成像质量较好。

图4为5mm物距处的光斑点阵图，图5为100mm物距处的光斑点阵图，可以看出，近景5mm和远景100mm位置处，弥散斑的几何半径大小与艾里斑的半径接近，弥散斑的均方根半径小于艾里斑半径，考虑镜头加工公差的影响，实际加工的内窥镜镜头的弥散斑均方根半径与艾里斑半径相当，具备良好的匹配度，从而使镜头具备5～100mm景深和良好的成像清晰度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种广角内窥镜镜头，其特征在于，由物侧至像侧依次包含：第一透镜(2)、第二透镜(3)、第三透镜(4)、光阑S、第四透镜(5)、第五透镜(6)，所述第一透镜(2)、第二透镜(3)、第五透镜(6)具有负光焦度，所述第三透镜(4)、第四透镜(5)具有正光焦度；光阑紧贴于第四透镜(5)的物侧面；

所述第一透镜(2)的物侧面为平面或凸面、像侧面为凹面；所述第二透镜(3)的像侧面为凹面；所述第三透镜(4)的物侧面为凸面；所述第四透镜(5)的物侧面、像侧面均为凸面；所述第五透镜(6)的物侧面、像侧面均为凹面。

2.根据权利要求1所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第一透镜(2)的折射率n1与第三透镜(4)的折射率n2，第四透镜(5)的折射率n3与第五透镜(6)的折射率n4，满足如下关系：

0.08<|n1-n2|<0.25

0.08<|n3-n4|<0.25。

3.根据权利要求2所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第三透镜(4)物侧面的孔径D₁与曲率C₁，像侧面的孔径D₂与曲率C₂，满足如下关系：

|D₁C₁-D₂C₂|≥0.25。

4.根据权利要求3所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第四透镜(5)、第五透镜(6)组合的焦距f₅₆，相比于镜头的总焦距f，满足下列关系式：

1<f₅₆/f<2。

5.根据权利要求4所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第四透镜(5)、第五透镜(6)为分离状态。

6.根据权利要求5所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第二透镜(3)～第五透镜(6)均为树脂镜片，第一透镜(2)为玻璃镜片或树脂镜片。

7.根据权利要求6所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述树脂镜片至少一个面为非球面，非球面的面型x表述为：

其中，h是非球面上任一点到光轴的高度，c是顶点曲率，k是锥形常数，A_i是非球面第i阶系数。

8.根据权利要求7所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第五透镜(6)朝向像面的一侧设有用于采集入射光信号的图像传感器(8)。

9.根据权利要求8所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述第一透镜(2)、图像传感器(8)的物侧面分别设有保护窗片(1)、保护玻璃片(7)；所述保护窗片(1)、保护玻璃片(7)的物侧面、像侧面均为平面。

10.根据权利要求9所述一种广角内窥镜镜头，其特征在于，所述保护窗片(1)的莫氏硬度>8，采用Al₂O₃玻璃材料制成。

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