CN217821057U - 定焦适配器光学系统及4k内窥镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种定焦适配器光学系统及4K内窥镜。定焦适配器光学系统包括：具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面；具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为平面；具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面。上述定焦适配器光学系统，在实现良好的成像质量的同时还能够实现小尺寸效果。

Description

定焦适配器光学系统及4K内窥镜

技术领域

本实用新型涉及内窥镜成像技术领域，特别是涉及一种定焦适配器光学系统及4K内窥镜。

背景技术

医用内窥镜是一种可进入人体内进行观察、诊断或治疗的医疗设备，一般包括摄像主机、摄像头和内窥镜镜子，其中摄像头通过光学适配器与内窥镜镜子实现光路连通，光学适配器按功能分为固定焦距适配器(即定焦适配器)和可变焦距适配器(即变焦适配器)。

随着内窥镜的迅速发展，业界对内窥镜的性能要求也越来越高。其中，为了最大程度地获取病灶区域的清晰图像，提升诊断的准确率，业界提出了具备良好的成像质量的4K(超高清)内窥镜。然而，目前的4K内窥镜在实现良好的成像质量的同时，容易导致尺寸增大，难以兼顾高成像质量和小尺寸，不利于提升4K内窥镜的适用性。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种定焦适配器光学系统及4K内窥镜，以兼顾高成像质量和小尺寸。

一种定焦适配器光学系统，所述定焦适配器光学系统中具有光焦度的透镜的数量为五片，且所述定焦适配器光学系统沿光轴由物侧至像侧依次包括：

具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为平面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.3≤f2/(f2-f3)≤0.6；

其中，f2为所述第一透镜的有效焦距，f3为所述第二透镜的有效焦距。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

11.6≤f4/CT4≤14.6；

其中，f4为所述第三透镜的有效焦距，CT4为所述第三透镜于光轴上的厚度。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

1≤CT5/T45≤3；

其中，CT5为所述第四透镜于光轴上的厚度，T45为所述第三透镜的像侧面至所述第四透镜的物侧面于光轴上的距离。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

8deg≤Semi-FOV≤15deg；

其中，Semi-FOV为所述定焦适配器光学系统的最大视场角的一半。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

30mm≤f≤31mm；

其中，f为所述定焦适配器光学系统的有效焦距。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统还包括设于所述第一透镜物侧的第一保护元件，且所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.3≤CT2/(T12+T23)≤0.6；

其中，CT2为所述第一透镜于光轴上的厚度，T12为所述第一保护元件的像侧面至所述第一透镜的物侧面于光轴上的距离，T23为所述第一透镜的像侧面至所述第二透镜的物侧面于光轴上的厚度。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统还包括设于所述第五透镜像侧的第二保护元件，且所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.2≤CT6/(T56+T67)≤0.7；

其中，CT6为所述第五透镜于光轴上的厚度，T56为所述第四透镜的像侧面至所述第五透镜的物侧面于光轴上的距离，T67为所述第五透镜的像侧面至所述第二保护元件的物侧面于光轴上的距离。

在其中一个实施例中，所述定焦适配器光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

一种4K内窥镜，包括如上述任一实施例所述的定焦适配器光学系统。

上述定焦适配器光学系统，第一透镜具有正光焦度，第一透镜的物侧面为凸面，能够有效会聚射入定焦适配器光学系统的光线，有利于缩短定焦适配器光学系统的总长，实现小尺寸设计；同时还有利于收集充足的光线，满足成像的亮度需求。第二透镜具有负光焦度，第二透镜的物侧面为凹面，能够合理分配定焦适配器光学系统的光焦度，使得第二透镜的负光焦度能够有效平衡第一透镜的负光焦度，从而有效校正和平衡第一透镜收集光线所产生的各项像差。第三透镜具有正光焦度，第三透镜的物侧面为平面，有利于合理调节光线的走向使得光线能够在第三透镜平缓过渡，从而有利于降低鬼像和像差的产生，同时还有利于降低第三透镜的设计、制造和装配难度，从而有利于降低定焦适配器光学系统的公差敏感度。第四透镜具有正光焦度，第四透镜的物侧面为凸面，有利于进一步会聚光线，从而进一步缩短定焦适配器光学系统的总长，同时还有利于分担第三透镜的正光焦度，有利于定焦适配器光学系统中光焦度的合理分配，从而有利于降低定焦适配器光学系统的像差敏感度。第四透镜的正光焦度与第五透镜的负光焦度相配合，还有利于平衡定焦适配器光学系统的色差，提升定焦适配器光学系统的光学性能。第五透镜具有负光焦度，第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面，有利于将光线有效发散至成像面，既有利于增大定焦适配器光学系统的成像面尺寸，也有利于光线在成像面上的入射角更容易与感光元件相匹配，从而提升定焦适配器光学系统的分辨率和成像的相对照度。具备上述光焦度及面型特征，定焦适配器光学系统能够兼顾高成像质量和小尺寸。

附图说明

图1为一些实施例中定焦适配器光学系统的结构示意图；

图2为一些实施例中定焦适配器光学系统的传递函数曲线图；

图3为一些实施例中定焦适配器光学系统的离焦曲线图；

图4为一些实施例中定焦适配器光学系统的点列图；

图5为一些实施例中定焦适配器光学系统的场曲和畸变曲线图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

请参见图1，本申请提供一种定焦适配器光学系统10，可应用于医疗器械中，例如应用于硬管内窥镜或软管内窥镜中。在一些实施例中，定焦适配器光学系统10沿光轴110由物侧至像侧依次包括第一透镜E2、第二透镜E3、第三透镜E4以及第五透镜E5。在一些实施例中，系统还可包括设于第一透镜E2的物侧的第一保护元件E1以及设于第五透镜E6的像侧的第二保护元件E7。

第一保护元件E1具有物侧面S1和像侧面S2，第一透镜E2具有物侧面S3和像侧面S4，第二透镜E3具有物侧面S5和像侧面S6，第三透镜E4具有物侧面S8和像侧面S9，第四透镜E5具有物侧面S10和像侧面S11，第五透镜E6具有物侧面S12和像侧面S13，第二保护元件E7具有物侧面S14和像侧面S15。系统还包括位于第二保护元件E7像侧的成像面S16，光线经系统各透镜的调节后能够入射到成像面S16成像。第一保护元件E1和第二保护元件E7能够对系统的各透镜以及设于成像面S16处的感光元件起到保护作用。当然，系统也可不设置第一保护元件E1和第二保护元件E7，但系统各透镜的相对位置以及第五透镜E6与成像面S16的距离保持不变。

在一些实施例中，第一保护元件E1和第二保护元件E7均可以为玻璃平板。当然，第一保护元件E1和第二保护元件E7还可以为其他任意适用的具有高透光率且能够保护系统各透镜以及设于成像面S18处的感光元件的材质。

具体地，在一些实施例中，第一透镜E2具有正光焦度，第一透镜E1的物侧面S3为凸面，能够有效会聚射入定焦适配器光学系统10的光线，有利于缩短定焦适配器光学系统10的总长，实现小尺寸设计；同时还有利于收集充足的光线，满足成像的亮度需求。第二透镜E3具有负光焦度，第二透镜E3的物侧面S5为凹面，能够合理分配定焦适配器光学系统10的光焦度，使得第二透镜E3的负光焦度能够有效平衡第一透镜E2的负光焦度，从而有效校正和平衡第一透镜E2收集光线所产生的各项像差。第三透镜E4具有正光焦度，第三透镜E4的物侧面S8为平面，有利于合理调节光线的走向使得光线能够在第三透镜E4平缓过渡，从而有利于降低鬼像和像差的产生，同时还有利于降低第三透镜E4的设计、制造和装配难度，从而有利于降低定焦适配器光学系统10的公差敏感度。第四透镜E5具有正光焦度，第四透镜E5的物侧面S10为凸面，有利于进一步会聚光线，从而进一步缩短定焦适配器光学系统10的总长，同时还有利于分担第三透镜E4的正光焦度，有利于定焦适配器光学系统10中光焦度的合理分配，从而有利于降低定焦适配器光学系统10的像差敏感度。第四透镜E5的正光焦度与第五透镜E6的负光焦度相配合，还有利于平衡定焦适配器光学系统10的色差，提升定焦适配器光学系统10的光学性能。第五透镜E6具有负光焦度，第五透镜E6的物侧面S12和像侧面S13均为凹面，有利于将光线有效发散至成像面S16，既有利于增大定焦适配器光学系统10的成像面尺寸，也有利于光线在成像面S16上的入射角更容易与感光元件相匹配，从而提升定焦适配器光学系统10的分辨率和成像的相对照度。

具备上述屈折力和面型配置，能够有效提升系统的景深，同时系统的畸变、色差等像差也能够得到此有效校正，使得定焦适配器光学系统10在实现良好的成像质量的同时，也能够具有小尺寸的效果，有利于系统在内窥镜中的组装和使用，同时系统的视场角也不会过小，能够满足诊断的取像需求。

在一些实施例中，定焦适配器光学系统100还包括光阑S7，光阑S7可设置于第一透镜E2的物侧，或者设置于系统中任意两个透镜之间。具体地，在一些实施例中，光阑S7设置于第二透镜E3和第三透镜E4之间。光阑S7中置的设计，配合系统中各透镜的屈折力和面型配置，有利于减小定焦适配器光学系统10的相对孔径，从而有效过滤成像质量差的边缘视场光线，进而有利于提升系统的成像质量。

进一步地，在一些实施例中，定焦适配器光学系统10满足条件式：0.3≤f2/(f2-f3)≤0.6；其中，f2为第一透镜E2的有效焦距，f3为第二透镜E3的有效焦距。满足上述条件式时，能够合理分配第一透镜的正光焦度和第二透镜的负光焦度，有利于第一透镜和第二透镜之间像差的有效平衡，从而提升系统的成像质量。

在一些实施例中，定焦适配器光学系统10满足条件式：11.6≤f4/CT4≤14.6；其中，f4为第三透镜E4的有效焦距，CT4为第三透镜E4于光轴110上的厚度，即第三透镜E4的中心厚度。满足上述条件式时，能够合理配置第三透镜E4的有效焦距和中心厚度的比值，有利于缩短系统的总长，实现小尺寸效果。

在一些实施例中，定焦适配器光学系统10满足条件式：1≤CT5/T45≤3；其中，CT5为第四透镜E5于光轴110上的厚度，即第四透镜E5的中心厚度，T45为第三透镜E4的像侧面S9至第四透镜E5的物侧面S10于光轴110上的距离，即第三透镜E4和第四透镜E5于光轴110上的空气间隔。满足上述条件式时，能够合理配置第四透镜E5的中心厚度以及第三透镜E4与第四透镜E5之间的空气间隔，同样有利于缩短定焦适配器光学系统10的总长，实现小尺寸效果。

在一些实施例中，定焦适配器光学系统10满足条件式：0.3≤CT2/(T12+T23)≤0.6；其中，CT2为第一透镜E2于光轴110上的厚度，T12为第一保护元件E1的像侧面S2至第一透镜E2的物侧面S3于光轴110上的距离，即第一保护元件E1与第一透镜E2之间于光轴110上的空气间隔，T23为第一透镜E2的像侧面S4至第二透镜E3的物侧面S5于光轴110上的厚度，即第一透镜E2与第二透镜E3之间于光轴110上的空气间隔。满足上述条件式时，有利于缩短系统的轴上尺寸，实现小尺寸效果，同时能够使得系统的结构不会过于紧凑，有利于提升系统的组装良率。

在一些实施例中，第一透镜E2的像侧面S4可以为凹面、平面或凸面，第二透镜E3的像侧面S6可以为凹面、平面或凸面，第四透镜E5的像侧面S11可以为凹面、平面或凸面。只要各透镜的光焦度和面型的配合能够兼顾高成像质量和小尺寸即可。具体地，在一些实施例中，第一透镜E2的像侧面S4为平面，第二透镜E3的像侧面S6为平面，第四透镜E5的像侧面S11为平面，第三透镜E4的像侧面S9为凸面。第二透镜E3的像侧面S6与第三透镜E4的物侧面S8为平面，配合光阑S7设于第二透镜E3和第三透镜E4的设计，有利于第二透镜E3、光阑S7以及第三透镜E4之间的间隔结构、固定结构的设置和组装，从而有利于提升系统的结构稳定性。

在一些实施例中，定焦适配器光学系统10满足条件式：8deg≤Semi-FOV≤15deg；30mm≤f≤31mm；其中，Semi-FOV为定焦适配器光学系统10的最大视场角的一半，f为定焦适配器光学系统10的有效焦距。满足上述条件式时，能够合理配置系统的视场角和有效焦距的范围，配合系统各透镜的屈折力和面型设计，有利于压缩系统的总长，同时也能够降低系统的像差敏感度，提升系统的成像质量，另外还有利于使得系统的视场角不会过小，从而能够满足4K内窥镜诊断的取像需求。

在一些实施例中，系统各透镜的物侧面和像侧面均为球面，在实现以上各效果的同时，球面的设置还有利于降低系统的设计和制造难度，同样有利于缩小系统的尺寸，从而有利于系统在4K内窥镜中的应用。在一些实施例中，系统各透镜的材质可均为玻璃或均为塑料，也可以为玻璃和塑料的任意组合，通过采用常用易得的材质，有利于降低系统的制造难度和制造成本。

在一些实施例中，系统满足以下数据：f2/(f2-f3)＝0.47；f4/CT4＝12.61；CT5/T45＝1.62；CT2/(T12+T23)＝0.48；CT6/(T56+T67)＝0.48；Semi-FOV＝11.42deg；f＝30.50mm；TTL＝45.0mm；其中，TTL为第一透镜E2的物侧面S3至成像面S16于光轴110上的距离，即定焦适配器光学系统10的光学总长。满足以上数据所能够获得的效果可由上述记载推得，由以上数据可以看出，系统具备小尺寸的优点，有利于系统在4K内窥镜中的组装和应用。

当然，在满足以上的光焦度、面型及参数配置的前提下，系统中各透镜的面型的曲率半径以及系统中任意两元件之间的空气间隔还可有其他设置，从而获得不同结构的系统，只要系统能够实现以上各个效果即可。

请参见图2、图3、图4和图5，图2为一些实施例中系统的传递函数(MTF)曲线图，图3为一些实施例中系统的离焦曲线图，图4为一些实施例中系统的点列图，图5从左到右依次为一些实施例中系统的场曲曲线图和畸变曲线图。由图2至图5可知，在一些实施例中，系统的分辨率满足280lp/mm时，全视场MTF值大于0.2，且与衍射极限接近，系统点列图中的弥散斑均小于艾里斑，光斑直径均包含在艾里斑内，处于衍射极限，系统的畸变控制在0.05％以内。由此，系统具有低畸变，高成像质量的效果。

本申请还提供一种取像模组，包括感光元件以及上述任意实施例所述的定焦适配器光学系统10，感光元件设于定焦适配器光学系统10的像侧，感光元件的感光面与成像面S16重合，光线经定焦适配器光学系统10的调节后能够入射到感光元件上成像。具体地，感光元件210可以为电荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或互补金属氧化物半导体器件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor Sensor，CMOS Sensor)。

在一些实施例中，本申请还提供一种4K内窥镜，包括固定件以及如上述任一实施例所述的取像模组，取像模组设于固定件。具体地，取像模组可应用于4K内窥镜的定焦适配器中，固定件可以为支撑该取像模组的机械结构。4K内窥镜可以为任意适用的硬管内窥镜或软管内窥镜。在4K内窥镜的定焦适配器中采用上述的定焦适配器光学系统10，定焦适配器光学系统10具有体积小、低畸变、大景深、大后焦和高成像质量等效果，使得系统后端有足够的空间与感光元件对接，同时有利于系统在4K内窥镜中的组装并有利于减小4K内窥镜的体积，从而有利于提升4K内窥镜的适用范围和成像品质。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统中具有光焦度的透镜的数量为五片，且所述定焦适配器光学系统沿光轴由物侧至像侧依次包括：

具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面为凸面；

具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凹面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为平面；

具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜的物侧面为凸面；

具有负光焦度的第五透镜，所述第五透镜的物侧面和像侧面均为凹面。

2.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.3≤f2/(f2-f3)≤0.6；

其中，f2为所述第一透镜的有效焦距，f3为所述第二透镜的有效焦距。

3.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

11.6≤f4/CT4≤14.6；

其中，f4为所述第三透镜的有效焦距，CT4为所述第三透镜于光轴上的厚度。

4.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

1≤CT5/T45≤3；

其中，CT5为所述第四透镜于光轴上的厚度，T45为所述第三透镜的像侧面至所述第四透镜的物侧面于光轴上的距离。

5.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

8deg≤Semi-FOV≤15deg；

其中，Semi-FOV为所述定焦适配器光学系统的最大视场角的一半。

6.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

30mm≤f≤31mm；

其中，f为所述定焦适配器光学系统的有效焦距。

7.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统还包括设于所述第一透镜物侧的第一保护元件，且所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.3≤CT2/(T12+T23)≤0.6；

其中，CT2为所述第一透镜于光轴上的厚度，T12为所述第一保护元件的像侧面至所述第一透镜的物侧面于光轴上的距离，T23为所述第一透镜的像侧面至所述第二透镜的物侧面于光轴上的厚度。

8.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统还包括设于所述第五透镜像侧的第二保护元件，且所述定焦适配器光学系统满足以下条件式：

0.2≤CT6/(T56+T67)≤0.7；

其中，CT6为所述第五透镜于光轴上的厚度，T56为所述第四透镜的像侧面至所述第五透镜的物侧面于光轴上的距离，T67为所述第五透镜的像侧面至所述第二保护元件的物侧面于光轴上的距离。

9.根据权利要求1所述的定焦适配器光学系统，其特征在于，所述定焦适配器光学系统还包括光阑，所述光阑设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

10.一种4K内窥镜，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的定焦适配器光学系统。

Images