CN219516193U - 一种广角镜头、成像系统及内窥镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种广角镜头及内窥镜光学系统，广角镜头包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜，采用对称式的光学结构，能够降低由大角度光线引起的像差校正难度。第一透镜具有负光焦度，其物侧面为平面，像侧面为凹面，焦距满足‑2.5≤f₁/f≤‑2，能够平衡其偏角能力和引入的像差；第一透镜厚度满足0.15≤d₁≤0.55，能够平衡其尺寸和对光线的收集能力。第二透镜至第四透镜均具有正光焦度，可与第一透镜配合使用，更好地消除畸变和慧差。因而，本实用新型的广角镜头能够在具有较大视场角的同时满足小尺寸、大景深的要求，可适用于内窥镜成像系统。

Description

一种广角镜头、成像系统及内窥镜

技术领域

本实用新型涉及光学系统领域，特别是涉及一种广角镜头。本实用新型还涉及一种成像系统和具备该成像系统的内窥镜。

背景技术

在当前医疗行业，内窥镜被广泛应用。内窥镜的头端具有较小的尺寸，可通过外创或者自然通道进入体腔，对体腔内被测部位进行成像，以辅助医生实现对病变的观察、检测和治疗。

在一些应用场景中，为了满足观察需求，要求内窥镜具有较大的视场角，但是，当前市场上用于内窥镜的广角镜头较少，现有的广角镜头不能满足小尺寸、大景深的要求，不适于内窥镜使用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种广角镜头，应用于内窥镜，能够具有较大的视场角并且能够减小尺寸以及扩大景深。本实用新型还提供一种成像系统和内窥镜。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种广角镜头，包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，其物侧面为平面，像侧面为凹面，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均具有正光焦度；

所述广角镜头满足以下条件式：

-2.5≤f₁/f≤-2；和，

0.15≤d₁≤0.55；

其中，f表示所述广角镜头的有效焦距，f₁表示所述第一透镜的焦距，d₁表示所述第一透镜在光轴上的厚度。

示例性地，所述广角镜头还满足以下条件式：

1.9≤d₀₁/d₀₂≤2.5；

其中，d₀₁表示所述光阑与所述第二透镜的间隔距离，d₀₂表示所述光阑与所述第三透镜的间隔距离。

示例性地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中每一透镜的物侧面及像侧面均为球面。

示例性地，所述第二透镜为凹凸透镜，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为双胶合透镜。

示例性地，所述广角镜头还满足以下条件式：3.5≤f₃/f≤4，其中，f₃表示所述第三透镜的焦距。

示例性地，所述广角镜头还满足以下条件式：5≤f₄/f≤5.8，其中，f₄表示所述第四透镜的焦距。

示例性地，所述广角镜头还满足以下条件式：

0.2≤d₄₂≤1，其中，d₄₂表示所述第四透镜与所述广角镜头的成像面的间隔距离。

示例性地，所述第一透镜的口径为1.9±0.2mm，所述广角镜头的光学总长为4.6±0.5mm。

一种成像系统，包括：

如上所述的广角镜头；

成像器件，其设置于所述广角镜头的成像面上。

一种内窥镜，包括如上所述的成像系统。

由上述技术方案可知，本实用新型所提供的一种广角镜头包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜，采用对称式的光学结构，能够降低由大角度光线引起的像差校正难度。其中第一透镜具有负光焦度，其物侧面为平面，像侧面为凹面，第一透镜的焦距满足-2.5≤f₁/f≤-2，能够平衡第一透镜的偏角能力和引入的像差，使广角镜头具有较大视场角以及利于大景深成像；第一透镜在光轴上的厚度满足0.15≤d₁≤0.55，能够平衡第一透镜的尺寸和对光线的收集能力，使得在不影响成像亮度的情况下减小其口径，有助于使广角镜头减小尺寸。第二透镜、第三透镜和第四透镜均具有正光焦度，可与第一透镜配合使用，更好地消除畸变和慧差。因而，本实用新型的广角镜头能够在具有较大视场角的同时满足小尺寸、大景深的要求，能够应用于内窥镜。

本实用新型提供的一种成像系统和内窥镜，能够达到上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本实用新型实施例提供的一种成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的广角镜头在物距为7mm时成像的MTF曲线；

图3为本实用新型实施例的广角镜头在物距为7mm时的场曲图；

图4为本实用新型实施例的广角镜头在物距为7mm时的畸变曲线图。

说明书附图中的附图标记包括：

10-广角镜头，100-光阑，101-第一透镜，102-第二透镜，103-第三透镜，104-第四透镜，1041-第一子透镜，1042-第二子透镜；

20-保护玻璃；

30-成像器件。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供一种广角镜头，包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，其物侧面为平面，像侧面为凹面，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均具有正光焦度；

该广角镜头还满足以下条件式：

-2.5≤f₁/f≤-2，和，0.15≤d₁≤0.55；

其中，f表示所述广角镜头的焦距，f₁表示所述第一透镜的焦距，d₁表示所述第一透镜在光轴上的厚度。

为了使本广角镜头具有较大视场角和较大景深，第一透镜可采用具备较大偏角能力和球差贡献较小的平凹透镜。其中，当第一透镜的焦距f₁与该广角镜头的有效焦距f之间满足条件式：-2.5≤f₁/f≤-2时，能够平衡第一透镜的偏角能力和引入的像差。具体而言，若f₁/f比值小于该条件式的下限值，则第一透镜的偏角能力过大，不利于后续透镜收集大角度光线；若f₁/f比值超过该条件式的上限值，则第一透镜的偏角能力不足，会引入严重像差，比如球差、慧差等，且不利于大景深成像。

第一透镜在光轴上的厚度满足0.15≤d₁≤0.55，能够平衡第一透镜的尺寸和对光线的收集能力，第一透镜的物侧面为平面，对光线的偏折能力较小，当第一透镜的厚度d₁超过上述条件式的上限值时，光线到达其凹面距离较远，需要第一透镜具有较大的口径来收集大角度光线，会造成广角镜头的口径过大，进而使内窥镜头端过大，对人体造成不适感；当d₁小于上述条件式的下限值时，影响成像面收集的光线强度，会造成所成图像亮度不够。因此第一透镜在光轴上的厚度满足上述条件，可使得在不影响成像亮度的情况下减小第一透镜的口径，有助于使广角镜头减小尺寸。

第二透镜、第三透镜和第四透镜均具有正光焦度，可以配合第一透镜(平凹透镜)，更好地消除畸变和慧差。

因此，本实施例的广角镜头能够在具有较大视场角时减小尺寸以及扩大景深，能够应用于内窥镜，满足内窥镜对镜头具备大视场角、尺寸小和大景深的要求。

进一步地，本实施例的广角镜头还满足以下条件式：1.9≤d₀₁/d₀₂≤2.5，其中，d₀₁表示所述光阑与所述第二透镜的间隔距离，d₀₂表示所述光阑与所述第三透镜的间隔距离。光阑所处位置满足上述条件，能够降低大角度光线引入的像散、慧差和畸变。

具体地，在一个实施例中，第二透镜可以为凹凸透镜，第三透镜可以为双凸透镜，第四透镜可以为双胶合透镜。

其中，使用凹凸透镜作为第二透镜，能够校正第一透镜引入的球差和色差，配合第一透镜进一步减小广角成像带来的球差和色差。

使用双凸透镜作为第三透镜，能够具有较小的偏角能力。进一步地，第三透镜的焦距f₃与该广角镜头的有效焦距f之间还可以满足以下条件式：3.5≤f₃/f≤4，使得第三透镜成为具备较小偏角能力的双凸透镜，能够减轻第四透镜的偏角承担能力。

使用双胶合透镜作为第四透镜，能够实现宽带的广角成像，又，由于该双胶合透镜具有正光焦度，承担较小的偏角能力，因此，该双胶合透镜能够在消除色差、球差的同时，引入较小的其余像差。

具体地，本实施例的广角镜头中，该双胶合透镜由两个子透镜胶合而成，示例性地，该双胶合透镜中靠近物侧的子透镜(可称之为第一子透镜)的物侧面和像侧面均为凸面，而靠近像侧的子透镜(可称之为第二子透镜)的物侧面为与第一子透镜的像侧面(凸面)贴合的凹面，像侧面为凸面。本实施例的广角镜头采用双胶合透镜，基于这两个子透镜的面形以及合理配置其折射率，可实现宽带450～680nm范围内的消色差成像。进一步地，本实施例的广角镜头还满足以下条件式：5≤f₄/f≤5.8，其中，f₄表示所述双胶合透镜的焦距。当不满足该条件时，本广角镜头的最佳成像面会前后发生移动，导致成像器件上的像模糊。

进一步地，本实施例的广角镜头还满足以下条件式：0.2≤d₄₂≤1，其中，d₄₂表示所述双胶合透镜与该广角镜头的成像面的间隔距离。当满足该条件式时，可便于将本广角镜头组装到内窥镜的成像系统中。

优选地，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜中每一透镜的物侧面及像侧面均为球面，球面透镜的加工工艺成熟，易加工。

需要说明的是，光焦度是指平行光经过光学系统，光线的传播方向会发生偏折，用于表征光学系统对入射平行光束的偏折本领。光学系统具有正光焦度，表明对光线的偏折是会聚性的；光学系统具有负光焦度，表明对光线的偏折是发散性的。在本实用新型中，若透镜的光焦度或焦距未界定其区域位置时，则表示该透镜的光焦度或焦距可为透镜于近光轴处的光焦度或焦距。

对于镜头中各透镜排布，在从物侧到像侧为从左到右的情况下，透镜物侧面为凸面是指透镜物侧面过面上任意一点做切面，表面总是在切面的右边，其曲率半径为正，反之物侧面则为凹面，其曲率半径为负。透镜像侧面为凸面是指透镜像侧面过面上任意一点做切面，表面总是在切面的左边，其曲率半径为负，反之像侧面为凹面，其曲率半径为正。

本实施例还提供一种成像系统，包括广角镜头和成像器件，所述成像器件设置于所述广角镜头的成像面上，所述广角镜头采用以上任一实施例所述的广角镜头。

下面以具体实施例对本成像系统进行详细说明。请参考图1，图1为本实施例提供的一种成像系统的结构示意图，如图1所示，本实施例的成像系统包括广角镜头10、保护玻璃20和成像器件30，成像器件30设置于广角镜头的成像面上，保护玻璃20覆盖在成像器件30朝向广角镜头10的一侧，用于保护成像器件30免受损伤。

其中，广角镜头10包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜101、第二透镜102、光阑100、第三透镜103和第四透镜104，其中，第四透镜104为由第一子透镜1041和第二子透镜1042粘接而成的双胶合透镜，每一透镜具有朝向物方的物侧面以及朝向像方的像侧面。

第一透镜101具有负光焦度，其物侧面r1为平面，像侧面r2为凹面，第二透镜102具有正光焦度，其物侧面r3为凹面，像侧面r4为凸面，第三透镜103具有正光焦度，其物侧面r6为凸面，像侧面r7为凸面，第四透镜104具有正光焦度，第四透镜104中的第一子透镜1041的物侧面r8为凸面，像侧面r9为凸面，第二子透镜1042的物侧面r9为凹面，像侧面r10为凸面，其中，可以理解的是，第一子透镜1041的像侧面与第二子透镜1042的物侧面相贴合，均以r9表示。各个透镜均为球面透镜。

具体地，本实施例广角镜头的详细的光学数据如表1所示，其中，r5表示光阑表面。

表1

表面序号	曲率半径(mm)	厚度(mm)	折射率	阿贝数
					r1	∞	0.500	1.63	586.8
r2	0.521	0.600
					r3	-1.312	0.500	1.48	68.5
r4	-1.331	0.600
					r5	∞	0.271
r6	2.672	0.500	1.88	40.8
					r7	-2.253	0.020
r8	2.103	0.271	1.62	63.4
					r9	-0.736	0.261	1.92	18.9
r10	-1.614	0.882
					r11(保护玻璃)	∞	0.150	1.52	64.17
r12(保护玻璃)	∞	0.045
					r13(像面)	∞	0

基于上述光学设计参数得到的广角镜头10的性能参数包括：有效焦距f＝0.3898mm，光圈值F#＝4，视场角2w＝130°，景深DOF＝4-120mm，第一透镜101的口径为1.9±0.2mm，光学总长为4.6±0.5mm。

此外，经基于该广角镜头10对物距为7mm的成像效果进行仿真，可以得到如图2所示的MTF曲线，如图3所示的场曲图，以及，如图4所示的畸变曲线图。根据图2～4可见，本实施例提供的广角镜头10在物距为7mm时的畸变小于60％，像质较高，所有视场均接近于衍射极限，具备极高的成像清晰度。

本实施例的成像系统使用的广角镜头能够在具有较大视场角的同时满足小尺寸、大景深的要求，从而使该成像系统具有大视场角、大景深和高像质，实现清晰成像，并且尺寸小，能够减小对人体造成的不适感。

本实施例还提供一种内窥镜，包括如上述实施例所述的成像系统。其中，该成像系统的详细技术特征及其技术效果请参见上文相关部分的介绍，此处便不再赘述。另外，关于内窥镜中的其他结构特征，亦可参考现有技术中的常规方案，此处亦不再细述。

以上对本实用新型所提供的一种广角镜头、成像系统及内窥镜进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种广角镜头，其特征在于，包括沿着光轴由物侧至像侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜和第四透镜，其中，所述第一透镜为具有负光焦度的平凹透镜，其物侧面为平面，像侧面为凹面，所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均具有正光焦度；

所述广角镜头满足以下条件式：

-2.5≤f₁/f≤-2；和，

0.15≤d₁≤0.55；

其中，f表示所述广角镜头的有效焦距，f₁表示所述第一透镜的焦距，d₁表示所述第一透镜在光轴上的厚度。

2.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头还满足以下条件式：

1.9≤d₀₁/d₀₂≤2.5；

其中，d₀₁表示所述光阑与所述第二透镜的间隔距离，d₀₂表示所述光阑与所述第三透镜的间隔距离。

3.根据权利要求1所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜中每一透镜的物侧面及像侧面均为球面。

4.根据权利要求1～3任一项所述的广角镜头，其特征在于，所述第二透镜为凹凸透镜，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为双胶合透镜。

5.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头还满足以下条件式：3.5≤f₃/f≤4，其中，f₃表示所述第三透镜的焦距。

6.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头还满足以下条件式：5≤f₄/f≤5.8，其中，f₄表示所述第四透镜的焦距。

7.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述广角镜头还满足以下条件式：

0.2≤d₄₂≤1，其中，d₄₂表示所述第四透镜与所述广角镜头的成像面的间隔距离。

8.根据权利要求4所述的广角镜头，其特征在于，所述第一透镜的口径为1.9±0.2mm，所述广角镜头的光学总长为4.6±0.5mm。

9.一种成像系统，其特征在于，包括：

如权利要求1～8任一项所述的广角镜头；

成像器件，其设置于所述广角镜头的成像面上。

10.一种内窥镜，其特征在于，包括如权利要求9所述的成像系统。