CN214669862U - 一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，它包括复合棱镜、双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器；按光线入射方向，入射光线依次经复合棱镜的多项式自由曲面、第一反射镜面、第二反射镜面和平面透射镜面后，再依次经双胶合透镜的双凸透镜和双凹透镜、非球面透镜的前表面和后表面，成像于像面接收器，系统的孔径光阑设在平面透镜面处，双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器共光轴，光轴与复合棱镜的出射主光线重合。本实用新型提供的光学镜头具有大相对孔径、微型化、高分辨率的特点，在满足大视场成像的前提下，较好的控制了全视场像差，获得较好的成像质量。
Description
技术领域
本实用新型涉及医用设备技术领域，特别是涉及一种医用内窥镜成像系统。
背景技术
微型内窥镜作为一种光学检查工具，正变得越来越重要，它扩大了微创手术的适用性。目前，市场提供的医用微型内窥镜存在视场较小的不足，且均大都采用球面镜设计，使得整个内窥镜系统中，不仅镜片数量多，尺寸大，且很难兼顾分辨率等光学性能的要求。
在本实用新型作出之前，中国发明专利CN103229087A发布了一种能够改变视场方向的内窥镜光学系统，但视场较小且结构复杂，镜片数量多，导致结构不够微型化。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种具有视场角较大，镜片数量少，成本低廉，架构简单，方便一次性使用的基于自由曲面的医用离轴大视场微型内窥镜光学系统。
实现本实用新型发明目的技术方案是提供一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，它包括复合棱镜、双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器；所述复合棱镜的镜面包括多项式自由曲面、第一反射镜面、第二反射镜面和平面透射镜面，所述的多项式自由曲面为复合棱镜的光线入射面，第一反射镜与多项式自由曲面主光线法线的夹角为α，52°≤α≤54°，第二反射镜与第一反射镜的夹角为β， 8°≤β≤9°，平面透射镜位于与出射主光线垂直的面上；所述的双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器共光轴，所述光轴与复合棱镜的出射主光线重合；所述的双胶合透镜包括双凸透镜和双凹透镜；所述的非球面透镜，它的前表面为非球面，后表面为球面；
按光线入射方向，入射光线依次经复合棱镜的多项式自由曲面、第一反射镜面、第二反射镜面和平面透射镜面后，再依次经双胶合透镜的双凸透镜和双凹透镜、非球面透镜的前表面和后表面，成像于像面接收器，系统的孔径光阑设在平面透镜面处；
所述的多项式自由曲面其面型Z的方程式为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，R=-13.038，C1 =-0.393，C2=-2.125×10-3，C3=-9.50×10-1，C4=7.44×10-1，C5=-7.88×10-1，C6=7.75×10-1，C7=-9.22×10-1，C8=-6.58×10-1，C9=-8.13×10-1，C10=-5.37×10-1，C11=5.58×10-1，C12=-5.32×10-1,C13=8.41×10-1，C14=9.10×10-1，C15=9.78×10-1；
所述的非球面透镜的前表面其非球面面型Z1的方程式为：
式中，r为镜面的孔径半径，k=-3.261，c=0.336，B1=8.77×10-1，B2=2.87×10-1，B3=-7.8×10-1，B4=9.95×10-1，B5=-3.40×10-1，B6=-8.90×10-1，B7=-9.11×10-1，B8=-8.77×10-1，B9=-3.92×10-1 。
本实用新型技术方案中，所述的复合棱镜、双胶合透镜和非球面透镜的材料为PMMA。
本实用新型技术方案提供的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，它的工作F数的取值范围为6﹤F/#﹤6.5；它的物方视场为±30mm；它的入瞳直径为1mm。系统长为20mm，宽为9mm；系统的成像光斑半径小于4.3μm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
1.本实用新型的入射面采用的是XY多项式的自由曲面，并与棱镜集成，有助于缩小成像光斑直径，提高成像质量和系统分辨率，在医疗应用中获得更佳的成像效果。
2.本实用新型提供的内窥镜光学系统，通过引入自由曲面与非球面，减少了镜片使用的数量，从而减小了系统的体积，具有视场大，结构紧凑，微型化等诸多优点，满足医用内窥镜的需求。
3.本实用新型提供的内窥镜光学系统，其中所有镜片材料均采用PMMA制成，可简化制作工艺，降低成本，适宜批量生产，可一次性使用。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的光学镜头的畸变曲线图；
图3是本实用新型实施例提供的光学镜头的场曲、像散曲线图；
图4是本实用新型实施例提供的光学镜头的传递函数曲线MTF曲线图；
图5是本实用新型实施例提供的光学镜头的相对照度图；
图6是本实用新型实施例提供的光学镜头的光线追迹点列图；
图中，1.复合棱镜；11.多项式自由曲面；12.第一反射镜面；13.第二反射镜面；14.平面透射镜面（光阑）；2.双胶合透镜；21.双凸透镜；22.双凹透镜；3.非球面透镜；31.非球面；32.球面；4.像面探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案做进一步详细的说明。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统的结构示意图；由图1可见，光学系统包括复合棱镜1、双胶合透镜2、非球面透镜3和像面接收器4；复合棱镜的镜面包括多项式自由曲面11、第一反射镜面12、第二反射镜面13和平面透射镜面14，本实施例中，多项式自由曲面为复合棱镜的光线入射面，第一反射镜与多项式自由曲面主光线法线的夹角为α，52°≤α≤54°，第二反射镜与第一反射镜的夹角为β， 8°≤β≤9°，平面透射镜位于与出射主光线垂直的面上；双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器共光轴，光轴与复合棱镜的出射主光线重合；双胶合透镜包括双凸透镜21和双凹透镜22；非球面透镜它的前表面31为非球面，后表面32为球面。
光线从物侧方向入射，经过复合棱镜的入射面多项式自由曲面11，第一反射面12和第二反射面13后，通过平面透射镜面14（系统光阑），再经过双胶合透镜2的双凸透镜21和双凹透镜22、非球面透镜3的前表面非球面31和后表面球面32后，会聚到像面接收器4上。
本实施例中，复合棱镜的多项式自由曲面的面型Z表达式为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，R=-13.038，C1 =-0.393，C2=-2.125×10-3，C3=-9.50×10-1，C4=7.44×10-1，C5=-7.88×10-1，C6=7.75×10-1，C7=-9.22×10-1，C8=-6.58×10-1，C9=-8.13×10-1，C10=-5.37×10-1，C11=5.58×10-1，C12=-5.32×10-1,C13=8.41×10-1，C14=9.10×10-1，C15=9.78×10-1。
本实用新型实例中，非球面透镜的前表面采用非球面设计，非球面的面型表达式Z1为：
式中，r为镜面的孔径半径，k=-3.261，c=0.336，B1=8.77×10-1，B2=2.87×10-1，B3=-7.8×10-1，B4=9.95×10-1，B5=-3.40×10-1，B6=-8.90×10-1，B7=-9.11×10-1，B8=-8.77×10-1，B9=-3.92×10-1 。
本实施例提供的光学系统各元件的结构参数参见表1：
表1：
| 光学元件（面） | 曲率半径(mm) | 间隔(mm) | 空气间隔(mm) | 材料 |
| 11 | -13.038 | 2.9 | 0 | PMMA |
| 12 | - | -4.5 | 0 | - |
| 13 | - | 3.83 | 0 | - |
| 14 | - | 0 | 1.851 | - |
| 21 | 2.384 | 1.757 | 0 | PMMA |
| 22 | -8.206 | 1.243 | 0 | PC |
| 23 | 4.026 | 0 | 0.957 | - |
| 31 | 2.977 | 1.88 | 0 | PMMA |
| 32 | 3.330 | 0 | 3.5 | - |
参见附图2，它是本实施例提供的光学镜头的畸变曲线图，图中，横坐标为相对于像面的畸变值(单位%)，纵坐标表示归一化视场，由图2结果可知，光学镜头的畸变像差已得到了较好的校正，畸变率得到了小于3％。
参见附图3，它是本实施例提供的光学镜头的场曲像散曲线图，图中，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线，图中虚线曲线和实线曲线分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，由图3结果可知，镜头有效的校正了像散和场曲，使得两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。
参见附图4，它是本实施例提供的光学镜头各个视场对应像面上的传递函数MTF曲线。由图4可知，在120lp/mm下0.8视场以内的光学传递函数均大于0.35，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明镜头成像清晰、均匀，系统在全波段以及0.8视场以内具有很好的成像质量。
参见附图5，它是本实施例提供的光学镜头的相对照度图，由图5可知，光束在像面位置处的辐射照度分布均匀、能量集中，满足使用要求。
参见附图6，它是本实施例提供的光学镜头的光线追迹点列图，图中各个视场的点列图均方根半径小于2μm，点列图几何半径小于4μm，满足系统使用要求。
综上所述，本实用新型提供的包含自由曲面的医用离轴大视场微型内窥镜光学系统在满足一定条件式的前提下，可实现整个光学系统的小型化，其物镜最大通光直径为φ1mm左右、视场角可达±30mm，在采样频为120lp/mm，0.8视场以内的光学传递函数均大于0.35，最近成像距离可达3.5mm，成像光斑小于4.3μm，系统长为20mm，宽为9mm，满足医用内窥镜大视场、小型化和高分辨率要求。此外，系统中的所有镜片均采用PMMA和PC制成，可简化制作工艺，降低成本，适宜批量生产，可一次性使用。
Claims (7)
1.一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：它包括复合棱镜（1）、双胶合透镜（2）、非球面透镜（3）和像面接收器（4）； 所述复合棱镜的镜面包括多项式自由曲面（11）、第一反射镜面（12）、第二反射镜面（13）和平面透射镜面（14），所述的多项式自由曲面为复合棱镜的光线入射面，第一反射镜与多项式自由曲面主光线法线的夹角为α，52°≤α≤54°，第二反射镜与第一反射镜的夹角为β， 8°≤β≤9°，平面透射镜位于与出射主光线垂直的面上；所述的双胶合透镜、非球面透镜和像面接收器共光轴，所述光轴与复合棱镜的出射主光线重合；所述的双胶合透镜包括双凸透镜（21）和双凹透镜（22）；所述的非球面透镜，它的前表面（31）为非球面，后表面（32）为球面；
按光线入射方向，入射光线依次经复合棱镜的多项式自由曲面、第一反射镜面、第二反射镜面和平面透射镜面后，再依次经双胶合透镜的双凸透镜（21）和双凹透镜（22）、非球面透镜（3）的前表面和后表面，成像于像面接收器，系统的孔径光阑设在平面透镜面处；
所述的多项式自由曲面其面型Z的方程式为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，R=-13.038，C1 =-0.393，C2=-2.125×10-3，C3=-9.50×10-1，C4=7.44×10-1，C5=-7.88×10-1，C6=7.75×10-1，C7=-9.22×10-1，C8=-6.58×10-1，C9=-8.13×10-1，C10=-5.37×10-1，C11=5.58×10-1，C12=-5.32×10-1,C13=8.41×10-1，C14=9.10×10-1，C15=9.78×10-1；
所述的非球面透镜的前表面其非球面面型Z1的方程式为：
式中，r为镜面的孔径半径，k=-3.261，c=0.336，B1=8.77×10-1，B2=2.87×10-1，B3=-7.8×10-1，B4=9.95×10-1，B5=-3.40×10-1，B6=-8.90×10-1，B7=-9.11×10-1，B8=-8.77×10-1，B9=-3.92×10-1 。
2.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：所述的复合棱镜、双胶合透镜和非球面透镜的材料为PMMA。
3.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：它的工作F数的取值范围为6﹤F/#﹤6.5。
4.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：它的物方视场为±30mm。
5.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：它的入瞳直径为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：系统长为20mm，宽为9mm。
7.根据权利要求1所述的一种医用离轴大视场微型内窥镜光学系统，其特征在于：系统的成像光斑半径小于4.3μm。
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