CN211348828U - 一种镜头和高光谱内窥成像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于光学技术领域，提供了一种镜头和高光谱内窥成像装置，镜头包括具有正屈光度的第一透镜、具有负屈光度的第二透镜、具有正屈光度的第三透镜、具有负屈光度的第四透镜、具有正屈光度的第五透镜和具有正屈光度的第六透镜，第一至第六透镜同光轴设置，且沿光轴从物体侧至像侧依次排列。本镜头采用光学玻璃合理匹配的方法，将光学系统色差控制在合理范围内，在拓宽能够消除色差的光谱范围的同时，提高了成像的清晰度与质量，有效减小了镜头的直径，使之可以设置于成像光纤的端部伸入狭小的空间内，适合高光谱内窥成像应用领域。

Description

一种镜头和高光谱内窥成像装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，特别涉及一种镜头和高光谱内窥成像装置。

背景技术

高光谱内窥成像是目前最新的成像技术之一，可以在对患者进行常规内镜检查的同时，对其体内组织实现高光谱成像，实时获取患者体内粘膜的组织学光谱特征，为医生进行临床诊断和癌症预防提供帮助。高光谱内窥成像技术中，光纤内窥探头是高光谱内窥成像的关键技术之一。

随着成像光纤束工艺不断精进，高光谱内窥成像装置对内窥镜的光学性能要求越来越高。然而，目前的内窥镜头消除色差的光谱范围窄，无法在宽光谱范围使用，且成像质量差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种镜头，旨在解决传统的光学镜头消除色差的波段窄，高光谱成像质量差的技术问题。

本实用新型是这样实现的，一种镜头，所述镜头包括具有正屈光度的第一透镜、具有负屈光度的第二透镜、具有正屈光度的第三透镜、具有负屈光度的第四透镜、具有正屈光度的第五透镜和具有正屈光度的第六透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜同光轴设置，且沿所述光轴从物体侧至像侧依次排列。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一透镜的折射率大于等于1.7。

在本实用新型的一个实施例中，所述透镜的工作光谱范围涵盖400nm～1000nm波段。

在本实用新型的一个实施例中，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第二透镜的凹面正对所述第三透镜，所述第四透镜为凸凹透镜，所述第四透镜的凹面正对所述第五透镜。

在本实用新型的一个实施例中，所述第二透镜的折射率高于所述第三透镜，所述第二透镜的阿贝数小于所述第三透镜；所述第四透镜的折射率高于所述第五透镜，所述第四透镜的阿贝数小于所述第五透镜。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一透镜和所述第六透镜均为凹凸透镜，所述第一透镜正对物方空间的一面和所述第六透镜正对像方空间的一面均为凹面。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一透镜正对物方空间的凹面周围设置有平面部。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均为球面透镜。

在本实用新型的一个实施例中，所述镜头的直径小于等于3.5mm，长度小于等于15mm，物方视场大于等于720um，像方视场大于等于280um，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，所述第四透镜的焦距为f4，所述第五透镜的焦距为f5，所述第六透镜的焦距为f6，满足下列关系：

3.0653mm≤f1≤3.7465mm；

-7.5044mm≤f2≤-6.1400mm；

3.5215mm≤f3≤4.3041mm；

-6.3477mm≤f4≤-5.1936mm；

4.6978mm≤f5≤5.7417mm；

5.3747mm≤f6≤6.5691mm。

本实用新型的另一目的在于提供一种采用了如上所述的镜头的高光谱内窥成像装置，所述高光谱内窥成像装置还包括照明组件、传像光纤束和高光谱相机，所述镜头用于将体内组织的成像并耦合进入所述传像光纤束，所述照明组件用于对体内组织进行照明，所述传像光纤束连接所述镜头和所述高光谱相机，用于将所述镜头对体内组织的成像传送至所述高光谱相机处。

实施本实用新型的一种镜头和高光谱内窥成像装置，至少具有以下有益效果：

本实用新型提供的镜头，在作为物镜的第一透镜和作为像方镜头的第六透镜之间依次设置第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，组成两个消色差透镜组，这样，成像过程中经过两次色差消除，可以通过合理的选材与设计，拓宽能够消除色差的光谱范围的同时，提高了成像的清晰度与质量，且第一消色差透镜组和第二消色差透镜组的焦距均为正值，有效减小了镜头的直径，使之可以设置于成像光纤的端部伸入狭小的空间内，对物方空间进行高清晰度的高光谱成像。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的透镜的示意图；

图2是本实用新型实施例提供的透镜的调制传递曲线图；

图3是本实用新型实施例提供的透镜的均方根直径曲线图；

图4是本实用新型实施例提供的高光谱内窥成像装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的透镜的外观示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-镜头；10-第一透镜；20-第二透镜；30-第三透镜；40-第四透镜；50-第五透镜；60-第六透镜；101-第一镜面；102-第二镜面；103-第三镜面；104-第四镜面；105-第五镜面；106-第六镜面；107-第七镜面；108-第八镜面；109-第九镜面；110-第十镜面；111-第十一镜面；112-第十二镜面；2-传像光纤束；3-照明组件；4-高光谱相机。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本实用新型所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请参阅图1和图5，本实施例提供了一种镜头1，包括具有正屈光度的第一透镜10、具有负屈光度的第二透镜20、具有正屈光度的第三透镜30、具有负屈光度的第四透镜40、具有正屈光度的第五透镜50和具有正屈光度的第六透镜60，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60同光轴设置，且沿光轴从物体侧至像侧依次排列；优选的，第二透镜20和第三透镜30组成的透镜组具有正屈光度，第四透镜40和第五透镜50组成的透镜组具有正屈光度；可选的，孔径光阑设置于第四透镜40靠近像侧的一面上。

在作为物镜的第一透镜10和作为像方镜头1的第六透镜60之间依次设置第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50，组成两个消色差透镜组，这样，成像过程中经过两次色差消除，可以通过合理的选材与设计，拓宽能够消除色差的光谱范围的同时，提高了成像的清晰度与质量；另外，通过控制第一消色差透镜组20和第二消色差透镜组30中各个透镜的折射能力与色散系数，使其总体的焦距为正，可以在进一步增强镜头1的消色差能力的同时，能够对第一透镜10和第六透镜60之间的光线进行会聚，有效减小了镜头1的直径，使镜头1能够设置于成像光纤的端部伸入狭小的空间内，对物方空间进行高清晰度的高光谱成像。

在本实用新型的一个实施例中，第一透镜10的折射率大于等于1.7，从而能够获得更高的数值孔径，将光束向光轴方向会聚。作为本实施例的一个具体方案，第一透镜10可以采用型号为N-LAF21的玻璃材料。

在本实用新型的一个实施例中，透镜的工作光谱范围涵盖400nm～1000nm波段。

请参阅图1，在本实用新型的一个实施例中，第二透镜20为凸凹透镜，第二透镜20的凹面正对第三透镜30，第四透镜40为凸凹透镜，第四透镜40的凹面正对第五透镜50。光线经过第二透镜20和第三透镜30后，初步消除成像的色差，进一步地经过第四透镜40和第五透镜50后，再次对其色差进行消除。

在本实用新型的一个实施例中，第二透镜20的折射率高于第三透镜30，第二透镜20的阿贝数小于第三透镜30；第四透镜40的折射率高于第五透镜50，第二透镜20的阿贝数小于第五透镜50。可选地，第二透镜20和第四透镜40均采用玻璃材料制成。优选的，第二透镜20和第四透镜40采用冕牌玻璃、火石玻璃、钡冕玻璃、轻冕玻璃或者重冕玻璃中折射率高、阿贝数低的玻璃材料磨制。其中，型号为N-SF66的玻璃材料的折射率高达1.923，而阿贝数只有20左右，第二透镜20和第四透镜40采用型号为N-SF66的玻璃材料，能够确保第二透镜20和第四透镜40足够高的折射率和足够低的阿贝数对镜头1的色差进行校正，拓宽镜头1能够清晰成像的光谱范围。作为本实施例的一个可选方案，第三透镜30和第五透镜50采用更低折射率、更高阿贝数的材料，如型号为N-FK5HTI的玻璃材料。可选的，第二透镜20和第四透镜40是完全相同的，第三透镜30和第五透镜50是完全相同的，这样的设置可以降低镜头1的制造与组装成本。

作为本实施例的一个可选方案，第一透镜10的折射率高于第三透镜30和第五透镜50，第一透镜10的阿贝数低于第三透镜30和第五透镜50，能够提高镜头1的数值孔径与在宽波段范围内消除色差的能力。

请参阅图1，在本实用新型的一个实施例中，第一透镜10设置为凹凸透镜，其正对物方空间的一面为第一表面101，第一表面101为凹面且凹面四周设置有平面部。这样的设计可以使得第一透镜10能够适用于更为复杂的物方空间环境，保证第一表面101与空气接触，方便对人体内部的组织进行成像，对于各种常见介质下的物方空间环境都能够在很宽的波长范围内清晰成像；且将第一表面101设置为凹面，并在凹面周围设计平面部，能够防止直接接触物方空间的第一表面受到剐蹭损伤。

在本实用新型的一个实施例中，第六透镜60为凹凸透镜，其正对像方空间的一面为凹面，防止在安装过程中发生剐蹭损伤。

在本实用新型的一个实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60均为球面透镜，方便透镜的加工与磨制。

在本实用新型的一个实施例中，第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60的直径均小于3.5mm。这样的设计便于伸入更加狭小的空间并对狭小空间内进行高光谱成像，尤其适用于人体组织内窥设备，便于对人体内部的粘膜等组织进行高光谱成像分析。

请参阅图4，本实用新型实施例还提供一种采用了如上所述的镜头1的高光谱内窥成像装置，高光谱内窥成像装置还包括照明组件3、传像光纤束2和高光谱相机4，镜头1用于将体内组织的成像并耦合进入传像光纤束2，照明组件3用于对体内组织进行照明，传像光纤束2连接镜头1和高光谱相机4，用于将镜头1对体内组织的成像传送至高光谱相机4处。

下面以具体的实施例说明本实用新型实施例提供的镜头1的有益效果。

实施例一

在本实施例中，镜头1包括依次设置的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40、第五透镜50和第六透镜60，第二透镜20和第三透镜30组成第一消色差透镜组，第四透镜40和第五透镜50组成第二消色差透镜组，透镜之间的介质为空气或者真空，第一透镜10采用高折射率低阿贝数的材料制成。可选的，第一透镜10采用折射率1.7以上的N-LAF21玻璃材料；第三透镜30、第五透镜50和第六透镜60采用折射率1.6以下的材料制成。具体地，可以采用N-PK52A玻璃、N-FK5HTI玻璃、N-PSK3玻璃或者P-SK58A玻璃等；第二透镜20和第四透镜40采用高折射率，且阿贝数足够低的材料制成，本实施例中采用N-SF66玻璃磨制第二透镜20和第四透镜40。通过合理设计各个透镜的镜面，可以使得镜头1消除400nm-1000nm范围内各个波长色差的同时，还能够获得更为优良的成像质量。

实施例二

本实施例是作为实施例一的一种更为具体的实施方式，第一透镜10采用N-LAF21玻璃制成，第二透镜20和第四透镜40采用N-SF66玻璃制成，第三透镜30和第五透镜50采用N-FK5HTI玻璃制成，第六透镜60采用P-SK58A玻璃制成。

在本实施例中，从第一透镜10接触物方空间的一面到第六透镜60接触像方空间的一面分别为第一镜面101至第十二镜面112，设曲面的球心在物方空间一侧的镜面的曲率半径为负值，各个镜面的曲率半径和间距分别如下设置(数据单位为毫米)：

第一镜面101曲率半径-0.903，与下一镜面间距1.372；

第二镜面102曲率半径-1.125，与下一镜面间距2.084；

第三镜面103曲率半径3.851，与下一镜面间距1；

第四镜面104曲率半径2.084，与下一镜面间距1；

第五镜面105曲率半径4.26，与下一镜面间距1.574；

第六镜面106曲率半径-3.020，与下一镜面间距1；

第七镜面107曲率半径6.991，与下一镜面间距1；

第八镜面108曲率半径2.796，与下一镜面间距1.027；

第九镜面109曲率半径6.608，与下一镜面间距1.557；

第十镜面110曲率半径-3.795，与下一镜面间距1；

第十一镜面111曲率半径3.850，与下一镜面间距2.397；

第十二镜面112曲率半径-29.815。

这样设置的镜头1，镜头1的直径小于等于3.5mm，长度小于等于15mm，物方视场大于等于720um，像方视场大于等于280um，第一透镜10的焦距为f1，第二透镜20的焦距为f2，第三透镜30的焦距为f3，第四透镜40的焦距为f4，第五透镜50的焦距为f5，第六透镜60的焦距为f6，满足下列关系：

3.0653mm≤f1≤3.7465mm；

-7.5044mm≤f2≤-6.1400mm；

3.5215mm≤f3≤4.3041mm；

-6.3477mm≤f4≤-5.1936mm；

4.6978mm≤f5≤5.7417mm；

5.3747mm≤f6≤6.5691mm。

在第十二镜面112后的3mm处成像时，如图2所示，能够获得高于0.38的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递)曲线，如图3所示的视场位置-RMS(Root MeanSquare均方根直径)关系曲线图，该镜头1在全视场范围内获得优于1.8微米的均方根直径，可以对细胞组织实现高成像质量的高光谱成像。

更为直观地、数据更为精确地，第一镜面至第十二镜面的参数如下表所示：

其中，各符号含义如下：

半径、间隔、焦距的单位均为mm；

表一中的玻璃材质来自肖特玻璃库，参考下表，本领域的技术人员可以根据玻璃更换原则替换现有系统所使用的玻璃材料，如下所示。

需要说明的是，更换玻璃时，应该尽量选用阿贝数接近的玻璃，正透镜尽量选用高折射率的冕牌玻璃。为保证光焦度不变，玻璃更换后，还应微调透镜的半径，新的折射率n_new、新的曲率半径r_new，和原来的折射率n、原来的曲率半径r，应满足以下关系：

除此之外也可用Ohara株式会社小原，Hoya株式会社，Coming，Sumita株式会社住田，Nikon株式会社尼康等厂商生产的玻璃进行替换，需要特别说明的是，可用不同厂商的玻璃材料进行替换，而不是仅仅局限于某一厂商。

以上所述仅为本实用新型的可选实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种镜头，其特征在于，所述镜头包括具有正屈光度的第一透镜、具有负屈光度的第二透镜、具有正屈光度的第三透镜、具有负屈光度的第四透镜、具有正屈光度的第五透镜和具有正屈光度的第六透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜同光轴设置，且沿所述光轴从物体侧至像侧依次排列。

2.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率大于等于1.7。

3.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述透镜的工作光谱范围涵盖400nm～1000nm波段。

4.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第二透镜的凹面正对所述第三透镜，所述第四透镜为凸凹透镜，所述第四透镜的凹面正对所述第五透镜。

5.如权利要求4所述的镜头，其特征在于，所述第二透镜的折射率高于所述第三透镜，所述第二透镜的阿贝数小于所述第三透镜；所述第四透镜的折射率高于所述第五透镜，所述第四透镜的阿贝数小于所述第五透镜。

6.如权利要求1-5任一项所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜和所述第六透镜均为凹凸透镜，所述第一透镜正对物方空间的一面和所述第六透镜正对像方空间的一面均为凹面。

7.如权利要求6所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜正对物方空间的凹面周围设置有平面部。

8.如权利要求1-5任一项所述的镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜均为球面透镜。

9.如权利要求1所述的镜头，其特征在于，所述镜头的直径小于等于3.5mm，长度小于等于15mm，物方视场大于等于720um，像方视场大于等于280um，所述第一透镜的焦距为f1，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，所述第四透镜的焦距为f4，所述第五透镜的焦距为f5，所述第六透镜的焦距为f6，满足下列关系：

3.0653mm≤f1≤3.7465mm；

-7.5044mm≤f2≤-6.1400mm；

3.5215mm≤f3≤4.3041mm；

-6.3477mm≤f4≤-5.1936mm；

4.6978mm≤f5≤5.7417mm；

5.3747mm≤f6≤6.5691mm。

10.一种高光谱内窥成像装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的镜头，所述高光谱内窥成像装置还包括照明组件、传像光纤束和高光谱相机，所述镜头用于将体内组织的成像并耦合进入所述传像光纤束，所述照明组件用于对体内组织进行照明，所述传像光纤束连接所述镜头和所述高光谱相机，用于将所述镜头对体内组织的成像传送至所述高光谱相机处。

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