CN212255770U - 一种液体透镜、变焦内窥镜物镜及内窥镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液体透镜、变焦内窥镜物镜及内窥镜，其中，液体透镜包括套筒、分别粘接在所述套筒两端的第一透明玻璃和第二透明玻璃，所述第一透明玻璃和第二透明玻璃之间密封有第一透明电极、第二透明电极、位于所述第一透明电极和第二透明电极之间互不相溶的电活性液体和绝缘液体，所述套筒的内壁和所述第二透明电极朝向所述绝缘液体的侧面上均设有疏水层。本实用新型变焦内窥镜物镜通过将液体透镜应用于物镜和对透镜组的设置，实现了变焦内窥镜物镜的小型化、轻量化，且提高了可靠性，同时透镜组不需要通过移动位移的方式就能实现变焦功能。

Description

一种液体透镜、变焦内窥镜物镜及内窥镜

技术领域

本实用新型涉及内窥镜领域，特别是涉及一种液体透镜、变焦内窥镜物镜及内窥镜。

背景技术

如图1所示，在医疗领域中广泛应用的内窥镜系统，内窥镜镜体一般由导光部10、通用线缆部20、操作部30、插入部40、弯曲部50、头端部60组成。头端部60内的摄像头前有透镜组，为了实现在一定范围内观察距离远近都能保证图像清晰，就需要使用变焦镜头，变焦镜头在一定范围内可以变换焦距，从而得到不同宽窄的视场角，不同大小的影像和不同景物范围。变焦镜头在不改变拍摄距离的情况下，可以通过变动焦距来改变拍摄范围，头端部对变焦镜头的要求为小型化，反应迅速化，可靠性高。

如图2所示，现有技术一般是采用电机810驱动软轴820旋转，软轴820 的一端与透镜座830螺纹连接，当软轴820旋转时透镜座830可以带动透镜运动，从而实现焦距的改变。

可见，现有技术的内窥镜头端部变焦镜头是通过控制透镜组移动来实现变焦和补偿像面，而透镜组的移动距离限制了变焦镜头的小型化；同时控制透镜组移动的精密机械结构同样加工复杂，不利于变焦镜头小型化；在透镜组通过移动实现变焦的过程中，难免会发生机械磨损，降低了变焦镜头的可靠性。

此外，随着科技的发展，液体透镜已广泛应用于图像采集、目标追踪、生物识别等众多领域，具有独特的吸引力，成为当今微纳研究领域的研究热点之一。但现有的液体透镜结构略复杂、成本略高。

因此本领域技术人员致力于开发一种小型化的变焦内窥镜物镜。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种小型化的变焦内窥镜物镜。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种液体透镜，包括套筒、分别粘接在所述套筒两端的第一透明玻璃和第二透明玻璃，所述第一透明玻璃和第二透明玻璃之间密封有第一透明电极、第二透明电极、位于所述第一透明电极和第二透明电极之间互不相溶的电活性液体和绝缘液体，所述套筒的内壁和所述第二透明电极朝向所述绝缘液体的侧面上均设有疏水层。

较佳的，所述电活性液体为氯化钾溶液，所述绝缘液体为香柏油。

较佳的，所述疏水层由交联聚乙烯制成；所述套筒由聚四氟乙烯树脂制成；为了提高成像质量，所述第一透明玻璃和第二透明玻璃上设有透明氧化铟锡膜。

本实用新型还提供了一种变焦内窥镜物镜，包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、光阑、具有正光焦度的第三透镜、具有正光焦度的第四透镜和图像传感器，所述第三透镜为上述的液体透镜。

为了实现变焦内窥镜物镜小型化，所述第一透镜由平板窗玻璃和第一平凹透镜胶合而成，所述第一平凹透镜的凹面朝向像侧；

所述第二透镜为凸面朝向物侧的弯月型透镜；

所述第三透镜的平面朝向物侧；

所述第四透镜由双凸透镜和第二平凹透镜胶合而成，所述第二平凹透镜的平面朝向像侧。

为了进一步实现变焦内窥镜物镜小型化，所述第一平凹透镜满足关系式： n₁＞1.8，0.7＜f₁/f＜1；

其中，n₁为第一平凹透镜的折射率，f₁为第一平凹透镜的焦距，f为变焦内窥镜物镜的焦距；

所述第三透镜满足关系式：1.17＜f₃/f＜1.47；

其中，f₃为第三透镜的焦距，f为变焦内窥镜物镜的焦距。

为了降低内窥镜拍摄图像时出现重影的概率，所述第二透镜和光阑之间设有滤光器，所述滤光器与光阑为组合结构。

为防止运输和使用过程中损伤物镜表面，所述平板窗玻璃由高硬度的材料制成。

本实用新型还提供了一种内窥镜，包括上述的变焦内窥镜物镜。

本实用新型的有益效果是：本实用新型变焦内窥镜物镜通过将液体透镜应用于物镜和对透镜组的设置，实现了变焦内窥镜物镜的小型化、轻量化，且提高了可靠性，同时透镜组不需要通过移动位移的方式就能实现变焦功能。

附图说明

图1是现有技术中内窥镜镜体的结构示意图。

图2是现有技术中变焦内窥镜物镜的结构示意图。

图3是本实用新型液体透镜的变焦原理示意图。

图4是本实用新型液体透镜的结构示意图。

图5是本实用新型变焦内窥镜物镜的结构示意图。

图6是本实用新型变焦内窥镜物镜具体实施方式中的变焦数据示意图。

图7是本实用新型变焦内窥镜物镜具体实施方式表二中第一组不同视场角下的光学传递函数示意图。

图8是本实用新型变焦内窥镜物镜具体实施方式表二中第一组的场曲和畸变示意图。

图9是本实用新型变焦内窥镜物镜具体实施方式表二中第二组不同视场角下的光学传递函数示意图；

图10是本实用新型变焦内窥镜物镜具体实施方式表二中第二组的场曲和畸变示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，需注意的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图3所示，液体透镜主要由电极层101，绝缘层102，导电液103，外加电压104组成；当外加电压为零时，导电液103的形状如虚线所示；当外加电压不为零时，电极层101和导电液103中间的绝缘层102两边会聚集一定的电荷；电荷会改变绝缘层102的亲水性，从而改变绝缘层102和导电液103之间的表面张力；进而改变接触角的大小，改变导电液103的形状，从而实现透镜焦距的变化。

如图4所示，一种液体透镜，包括套筒207、分别粘接在套筒207两端的第一透明玻璃201和第二透明玻璃205；第一透明玻璃201和第二透明玻璃205之间密封有第一透明电极203、第二透明电极206、位于第一透明电极203和第二透明电极206之间互不相溶的电活性液体202和绝缘液体204；套筒207的内壁和第二透明电极206朝向绝缘液体204的侧面上均设有疏水层。

本实施例中，电活性液体202为氯化钾溶液，绝缘液体204为香柏油；

疏水层由交联聚乙烯制成；套筒207由聚四氟乙烯树脂制成；第一透明玻璃201和第二透明玻璃205上设有透明氧化铟锡膜；

上述的液体透镜调焦过程为：改变外部电压，引起电活性液体202与绝缘液体204之间的界面张力；从而实现电活性液体202与绝缘液体204之间的接触角变化；进一步实现透镜的焦距的改变。上述的液体透镜具有结构简单，成本低的优点。

如图5所示，上述的液体透镜可应用于一种变焦内窥镜物镜，包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜301、具有正光焦度的第二透镜302、光阑S、具有正光焦度的第三透镜303、具有正光焦度的第四透镜304和图像传感器305；第三透镜303为上述的液体透镜。

本实施例中，第一透镜301由平板窗玻璃301a和第一平凹透镜301b胶合而成；第一平凹透镜301b的凹面朝向像侧；

第二透镜302为凸面朝向物侧的弯月型透镜；

第三透镜303的平面朝向物侧；本实施例中，第三透镜303的平面为第二透明玻璃205朝向物侧的平面。

第四透镜304由双凸透镜304a和第二平凹透镜304b胶合而成；第二平凹透镜304b的平面朝向像侧。在变焦过程中，能够对物镜系统中的像差变化进行补偿，以便实现高质量的图像分辨率。

第一平凹透镜301b满足关系式：n₁＞1.8，0.7＜f₁/f＜1；

其中，n₁为第一平凹透镜301b的折射率，f₁为第一平凹透镜301b的焦距， f为变焦内窥镜物镜的焦距。

本实施例中，n₁＞1.8，即限定了第一平凹透镜301b的材料折射率；如果小于1.8将导致变焦物镜的外径变大，不便实现物镜的小型化；

0.7＜f₁/f＜1，即限定了第一平凹透镜301b与近景点物镜焦距、远景点物镜焦距的比值；当第一平凹透镜301b的焦距与远景点物镜焦距比值小于下限 0.7，将导致物镜的长度变长，不利于内窥镜的小型化；如果第一平凹透镜301b 的焦距与近景点物镜焦距比值大于上限1，将导致物镜的放大倍数较小；本实施例中，第一平凹透镜301b具有较大的放大倍数；有利于实现物镜观察范围的广角化。

第三透镜303满足关系式：1.17＜f₃/f＜1.47；

其中，f₃为第三透镜303的焦距，f为变焦内窥镜物镜的焦距。

本实施例中，1.17＜f₃/f＜1.47，即限定了第三透镜303的参数特点；如果大于上限1.47物镜的总长度会减小，但光学放大倍数也会降低；如果小于下限值 1.17将使得物镜的总长度变长，不便于小型化。

第二透镜302和光阑S之间设有滤光器FL；滤光器FL与光阑S为组合结构；滤光器FL安装于第二透镜302之后，第三透镜303之前，可有效地防止由于滤光器FL和其附近元件之间的多次反射而降低内窥镜拍摄图像中出现重影的概率，提高了内窥镜物镜的可靠性。

平板窗玻璃301a由高硬度的材料制成。本实施例中，平板窗玻璃301a由红宝石制成。有利于防止运输和使用过程中损伤物镜表面。

上述的变焦内窥镜物镜可应用于一种内窥镜。

上述的变焦内窥镜物镜还可实现一种变焦方法，包括以下步骤：

1)让光线从物侧入射后，进行一次发散和一次会聚；然后，让会聚后的光线经过光阑；

2)在经过光阑的光线光路上提供一个液体透镜，让液体透镜的绝缘液体侧和电活性液体侧形成电位差；

3)让经过光阑的光线入射液体透镜；增大电源电压，使绝缘液体和电活性液体的交界处的凸面向像侧凹陷，增大液体透镜的焦距；减小电源电压，使电绝缘液体和活性液体的交界处的凸面向物侧突出，减小液体透镜的焦距；

4)对出射液体透镜的光线进行会聚。

具体到本实施例中，第一透镜组包括第一透镜和第二透镜，第二透镜组包括第三透镜和第四透镜；将第一透明电极和第二透明电极分别连接电源负极和电源正极；增大电源电压时，电活性液体和绝缘液体的交界处的凸面向像侧凹陷，第三透镜的焦距变大；减小电源电压时，电活性液体和绝缘液体的交界处的凸面向物侧突出，第三透镜的焦距变小。

以下表一和表二为本实施例的变焦数据：

表一

表一为各个物面的参数，表中物面1-16参见图6所示。

表二

	第一组	第二组
			D0	10mm	2mm
D1	0.85mm	0.23mm
			D2	0.37mm	0.24mm
R1(球面曲率半径)	0.93mm	0.78mm
			2ω(视场角)	140°	72°
F(焦距)	1.03mm	1.3mm
			F#(光圈F数)	7.03	7.42
Β(横向放大率)	-0.095	-0.55
			TOTR(光学总长)	6.75mm	6.75mm

表二为控制第三透镜303即液体透镜得到的两组对比参数。

如图7-图10所示，图7为表二中第一组不同视场角下的光学传递函数；图 8是表二中第一组的场曲和畸变；图9是表二中第二组不同视场角下的光学传递函数；图10是表二中第二组的场曲和畸变。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种液体透镜，其特征在于，包括套筒(207)、分别粘接在所述套筒(207)两端的第一透明玻璃(201)和第二透明玻璃(205)，所述第一透明玻璃(201)和第二透明玻璃(205)之间密封有第一透明电极(203)、第二透明电极(206)、位于所述第一透明电极(203)和第二透明电极(206)之间互不相溶的电活性液体(202)和绝缘液体(204)，所述套筒(207)的内壁和所述第二透明电极(206)朝向所述绝缘液体(204)的侧面上均设有疏水层。

2.如权利要求1所述的液体透镜，其特征在于，所述电活性液体(202)为氯化钾溶液，所述绝缘液体(204)为香柏油。

3.如权利要求1或2所述的液体透镜，其特征在于，所述疏水层由交联聚乙烯制成；所述套筒(207)由聚四氟乙烯树脂制成；所述第一透明玻璃(201)和第二透明玻璃(205)上设有透明氧化铟锡膜。

4.一种变焦内窥镜物镜，其特征在于，包括从物侧至像侧依次设置的具有负光焦度的第一透镜(301)、具有正光焦度的第二透镜(302)、光阑(S)、具有正光焦度的第三透镜(303)、具有正光焦度的第四透镜(304)和图像传感器(305)，所述第三透镜(303)为如权利要求1至3任一项所述的液体透镜。

5.如权利要求4所述的变焦内窥镜物镜，其特征在于，所述第一透镜(301)由平板窗玻璃(301a)和第一平凹透镜(301b)胶合而成，所述第一平凹透镜(301b)的凹面朝向像侧；

所述第二透镜(302)为凸面朝向物侧的弯月型透镜；

所述第三透镜(303)的平面朝向物侧；

所述第四透镜(304)由双凸透镜(304a)和第二平凹透镜(304b)胶合而成，所述第二平凹透镜(304b)的平面朝向像侧。

6.如权利要求5所述的变焦内窥镜物镜，其特征在于，所述第一平凹透镜(301b)满足关系式：n₁＞1.8，0.7＜f₁/f＜1；

其中，n₁为第一平凹透镜(301b)的折射率，f₁为第一平凹透镜(301b)的焦距，f为变焦内窥镜物镜的焦距；

所述第三透镜(303)满足关系式：1.17＜f₃/f＜1.47；

其中，f₃为第三透镜(303)的焦距，f为变焦内窥镜物镜的焦距。

7.如权利要求4所述的变焦内窥镜物镜，其特征在于，所述第二透镜(302)和光阑(S)之间设有滤光器(FL)，所述滤光器(FL)与光阑(S)为组合结构。

8.如权利要求5所述的变焦内窥镜物镜，其特征在于，所述平板窗玻璃(301a)由高硬度的材料制成。

9.一种内窥镜，其特征在于，包括如权利要求4-8任一项所述的变焦内窥镜物镜。

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