RU2179405C2 - Endoscope optical system - Google Patents
Endoscope optical system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2179405C2 RU2179405C2 RU2000112660A RU2000112660A RU2179405C2 RU 2179405 C2 RU2179405 C2 RU 2179405C2 RU 2000112660 A RU2000112660 A RU 2000112660A RU 2000112660 A RU2000112660 A RU 2000112660A RU 2179405 C2 RU2179405 C2 RU 2179405C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- convex
- plane
- lenses
- optical system
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
- Endoscopes (AREA)
- Instruments For Viewing The Inside Of Hollow Bodies (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к оптическим системам эндоскопических приборов, предназначенных для наблюдения узких биологических каналов и труднодоступных полостей тела человека. The invention relates to medical equipment, namely to optical systems of endoscopic devices designed to observe narrow biological channels and inaccessible cavities of the human body.
Особенно перспективно применение изобретения в сверхтонких жестких эндоскопах (офтальмологических эндоскопах, различных типов эндоскопах для детей младшего возраста и т. п.) с диаметром рабочего конца эндоскопа менее чем 3 мм. Particularly promising is the use of the invention in ultra-thin rigid endoscopes (ophthalmic endoscopes, various types of endoscopes for young children, etc.) with a working end diameter of less than 3 mm.
Изобретение может быть использовано также в оптических устройствах и приборах, выполняющих аналогичные функции в технике. The invention can also be used in optical devices and devices that perform similar functions in technology.
Оптические системы эндоскопов известны, в том числе и эндоскопов, предназначенных для работы в узких биологических каналах. The optical systems of endoscopes are known, including endoscopes designed to work in narrow biological channels.
Они состоят из последовательно расположенных по оптической оси объектива, формирующего изображение предметной плоскости, системы передачи изображения (СПИ) и устройства наблюдения или обработки изображения, например окуляра, фотообъектива, телевизионной камеры и т.п. They consist of sequentially located along the optical axis of the lens forming the image of the subject plane, an image transmission system (STI) and an observation or image processing device, for example, an eyepiece, a photo lens, a television camera, etc.
Технологический процесс изготовления оптических элементов с диаметром менее 1,3 мм (что соответствует диаметру рабочего конца эндоскопа около 3 мм), сборка из них оптических систем являются чрезвычайно трудоемкими. Поэтому в оптических системах сверхтонких эндоскопов не применяют сложные многолинзовые конструкции объективов и СПИ. The manufacturing process of optical elements with a diameter of less than 1.3 mm (which corresponds to a diameter of the end of the endoscope of about 3 mm), the assembly of optical systems from them is extremely time-consuming. Therefore, optical systems of ultrathin endoscopes do not use complex multi-lens constructions of lenses and SPI.
Известна оптическая система эндоскопа (патент США 4.641.927, кл. 350-413, 1982г.), в которой как объектив, так и СПИ выполнены в виде градиентных оптических элементов с радиальным градиентом показателя преломления (граданов). A known optical system of an endoscope (US patent 4.641.927, class 350-413, 1982), in which both the lens and the SPI are made in the form of gradient optical elements with a radial gradient of the refractive index (gradan).
Однако эта оптическая система эндоскопа имеет существенные недостатки. Во-первых, объектив-градан не обеспечивает угол поля зрения выше 75o. Во-вторых, стекло, из которого изготавливается такой объектив-градан, химически нестойко, что создаст сложности при изготовлении такой оптической системы.However, this optical system of the endoscope has significant drawbacks. Firstly, the grad lens does not provide an angle of field of view above 75 o . Secondly, the glass from which such a grad lens is made is chemically unstable, which will create difficulties in the manufacture of such an optical system.
Указанных недостатков лишена оптическая система эндоскопа (А/С СССР 571171, G 02 В 9/00, 1976г.), содержащая объектив из двух положительных компонентов, систему передачи изображения в виде регулярного волоконного световода и окуляр, причем компоненты объектива выполнены в виде двух одинаковых плосковыпуклых линз, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, а толщина линз превышает их радиус кривизны в 1,1-1,2 раза. Но указанная оптическая система эндоскопа не обеспечивает хорошего качества изображения из-за очень большой величины аберрации дисторсии (41% для угла поля зрения 90o), что вызывает недопустимо большие искажения геометрической формы изображения рассматриваемых объектов.The indicated disadvantages are deprived of the optical system of the endoscope (A / C of the USSR 571171, G 02
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранная авторами за прототип оптическая система эндоскопа (патент США 4354734, кл. 350/96.26, 1982г.), содержащая последовательно расположенные вдоль оптической оси объектив, выполненный в виде двух плосковыпуклых компонентов, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, систему передачи изображения в виде регулярного волоконного световода и окуляр. При этом первый компонент объектива склеен из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы, а в плоскости склейки расположена апертурная диафрагма. Второй компонент объектива - линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения. Кроме того, конструктивные параметры линз объектива связаны следующими зависимостями:
0,7|r3|≤d2≤1,1|r3|;
n2≥1,75, n3≥1,75,
0,6(n3-1)(d2+d3)≤r4≤1,4(n3-1)(d2+d3),
где r3 и r4 - радиус кривизны выпуклых поверхностей первой и второй линзы соответственно;
n2 и n3 - показатель преломления материала первой и второй линзы соответственно;
d2 - толщина первой линзы;
d3 - воздушный промежуток между линзами.Closest to the technical nature of the present invention is the authors selected for the prototype optical system of an endoscope (US patent 4354734, CL 350 / 96.26, 1982), containing a lens arranged in series along two optical axes, made in the form of two plane-convex components, the convex surfaces of which are installed towards one another, an image transmission system in the form of a regular fiber waveguide and an eyepiece. In this case, the first component of the lens is glued from a plane-parallel plate and a plane-convex lens, and an aperture diaphragm is located in the gluing plane. The second component of the lens is a lens, a flat surface glued to the input end of the image transmission system. In addition, the design parameters of the lenses of the lens are connected by the following dependencies:
0.7 | r 3 | ≤d 2 ≤1.1 | r 3 |;
n 2 ≥1.75, n 3 ≥1.75,
0.6 (n 3 -1) (d 2 + d 3 ) ≤r 4 ≤1,4 (n 3 -1) (d 2 + d 3 ),
where r 3 and r 4 - the radius of curvature of the convex surfaces of the first and second lenses, respectively;
n 2 and n 3 are the refractive index of the material of the first and second lenses, respectively;
d 2 is the thickness of the first lens;
d 3 - the air gap between the lenses.
Однако указанная оптическая система эндоскопа имеет следующие существенные недостатки:
- из-за значительной дисторсии (31% для угла поля зрения 90o) заметно искажается геометрическая форма изображения рассматриваемых объектов;
- из-за выполнения линз объектива относительно толстыми (с толщиной более 0,7 радиуса кривизны) затруднен технологический процесс их центрирования, что повышает себестоимость их изготовления.However, the specified optical system of the endoscope has the following significant disadvantages:
- due to significant distortion (31% for a 90 ° field of view), the geometric shape of the image of the objects in question is noticeably distorted;
- due to the implementation of the lenses are relatively thick (with a thickness of more than 0.7 radius of curvature), the technological process of their centering is difficult, which increases the cost of their manufacture.
Настоящее изобретение решает задачу улучшения качества изображения и повышения технологичности изготовления компонентов оптической системы эндоскопа. The present invention solves the problem of improving image quality and improving the manufacturability of the manufacture of components of the optical system of the endoscope.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в оптической системе эндоскопа, содержащей последовательно расположенные вдоль оптической оси объектив, выполненный в виде двух плосковыпуклых компонентов, выпуклые поверхности которых установлены навстречу одна другой, систему передачи изображения и окуляр, при этом первый компонент объектива склеен из плоскопараллельной пластины и плосковыпуклой линзы, а вторым компонентом объектива является плосковыпуклая линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения, согласно настоящему изобретению радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз объектива соотносятся как 1,6|r3|≤r4≤2,1|r3|, где r3, r4 - радиусы кривизны выпуклых поверхностей плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно, кроме того, линзы выполнены с толщиной d2<0,7|r3|,d4<0,7|r3|, где d2, d4 - толщины плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно, кроме того, плоскопараллельная пластина объектива выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива, кроме того, система передачи изображения выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления.The solution to this problem is achieved by the fact that in the optical system of the endoscope, containing a lens sequentially arranged along the optical axis, made in the form of two plane-convex components, the convex surfaces of which are mounted towards each other, an image transmission system and an eyepiece, while the first lens component is glued from a plane-parallel plate and a plano-convex lens, and the second component of the lens is a plano-convex lens, a flat surface glued to the input end of the transmission system and images, according to the present invention, the radii of curvature of the convex surfaces of the lenses of the lens are correlated as 1.6 | r 3 | ≤r 4 ≤2.1 | r 3 |, where r 3 , r 4 are the radii of curvature of the convex surfaces of plano-convex lenses of the first and second lens components accordingly, in addition, the lenses are made with a thickness of d 2 <0.7 | r 3 |, d 4 <0.7 | r 3 |, where d 2 , d 4 are the thicknesses of the plano-convex lenses of the first and second lens components, respectively, in addition , the plane-parallel plate of the lens is made with an axial length exceeding the focal length of the lens, except o, the image transmission system is designed as a gradient optical element with a radial distribution of refractive index.
Технический результат настоящего изобретения заключается в следующем. Выполнение линз объектива с радиусами кривизны их выпуклых поверхностей, отвечающими зависимости 1,6|r3|≤r4≤2,1|r3|, позволяет заметно уменьшить дисторсию, поскольку при указанном соотношении радиусов кривизны достигается экстремум (минимум) дисторсии в таком объективе. Кроме того, относительно тонкие линзы (с толщиной, меньшей 0,7|r3|) значительно технологичнее при изготовлении. Причем в случае необходимости (например, при применении в качестве СПИ градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления) гарантированно обеспечивается расположение плоскости изображения, сформированного объективом, на значительном расстоянии (до 10 диоптрий при увеличении окуляра 25х) от ближайшей поверхности склейки. При этом повышается качество изображения, так как становятся незаметными неизбежные дефекты (грязь, царапины, пузыри и т.п.) склеенной поверхности. Кроме того, в указанном случае отпадает необходимость установки в объективе вещественной апертурной диафрагмы, поскольку роль апертурной диафрагмы выполняет боковая цилиндрическая поверхность градиентного элемента. Все это упрощает изготовление оптической системы эндоскопа.The technical result of the present invention is as follows. The implementation of the lenses of the lens with the radii of curvature of their convex surfaces corresponding to the dependences 1.6 | r 3 | ≤r 4 ≤2.1 | r 3 | can significantly reduce distortion, since with the specified ratio of the radii of curvature an extremum (minimum) of distortion is achieved in such the lens. In addition, relatively thin lenses (with a thickness less than 0.7 | r 3 |) are much more technologically advanced in manufacturing. Moreover, if necessary (for example, when using a gradient optical element with a radial distribution of the refractive index as an SPI), the image plane formed by the lens is guaranteed to be located at a considerable distance (up to 10 diopters with an eyepiece magnification of 25 x ) from the nearest gluing surface. At the same time, the image quality is improved, as the inevitable defects (dirt, scratches, bubbles, etc.) of the glued surface become invisible. In addition, in this case, there is no need to install a material aperture diaphragm in the lens, since the role of the aperture diaphragm is played by the lateral cylindrical surface of the gradient element. All this simplifies the manufacture of the optical system of the endoscope.
Применение плоскопараллельной пластины объектива, выполняющей роль защитного стекла, с осевой длиной, превышающей величину фокусного расстояния объектива, позволяет (например, в медицинских эндоскопах) надежно герметизировать оптическую систему, так как в этом случае значительно увеличивается площадь контакта боковой цилиндрической поверхности защитного стекла с металлической трубкой, в которую устанавливается оптика. The use of a plane-parallel plate of the lens, which acts as a protective glass, with an axial length exceeding the focal length of the lens, allows (for example, in medical endoscopes) to reliably seal the optical system, since in this case the contact area of the side cylindrical surface of the protective glass with the metal tube increases significantly into which the optics are installed.
Следует отметить, что при увеличении воздушного промежутка между выпуклыми поверхностями компонентов объектива, так же как и при увеличении показателя преломления линз, абсолютная величина дисторсии уменьшается. Однако при уменьшении расстояния между выпуклыми поверхностями компонентов объектива не только повышается равномерность освещенности изображения (из-за уменьшения виньетирования наклонных пучков лучей света), но и одновременно снижается кривизна поверхности изображения, так как этому способствует уменьшение оптической силы линз объектива (при соблюдении постоянности величины фокусного расстояния объектива). Следовательно, изменяя вышеуказанный параметр оптической системы, можно достигать необходимых требований к качеству изображения. It should be noted that with an increase in the air gap between the convex surfaces of the lens components, as well as with an increase in the refractive index of the lenses, the absolute value of distortion decreases. However, with a decrease in the distance between the convex surfaces of the lens components, not only the uniformity of image illumination increases (due to a decrease in the vignetting of oblique beams of light rays), but the curvature of the image surface also decreases, since this reduces the optical power of the lens lenses (subject to a constant focal length lens distance). Therefore, by changing the above parameter of the optical system, it is possible to achieve the necessary requirements for image quality.
Изложенная сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - принципиальная схема оптической системы эндоскопа (артроскопа) и ход лучей в ней;
на фиг.2 - таблица ряда конструктивных параметров объектива-прототипа и трех вариантов объектива, выполненного согласно изобретению, и соответствующей этим объективам дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90o);
на фиг. 3 - сравнительные графики изменения дисторсии по полю зрения объектива-прототипа и объектива, выполненного по изобретению (вариант 3), конструктивные данные которых приведены в таблице фиг.2;
на фиг.4 - график зависимости от показателя преломления линз 7 и 3 минимального значения дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90o) и график коэффициента 
на фиг.5 - таблица конструктивных параметров оптической системы медицинского эндоскопа (артроскопа).The essence of the invention is illustrated by the description and drawings, which show:
figure 1 is a schematic diagram of the optical system of an endoscope (arthroscope) and the path of the rays in it;
figure 2 is a table of a number of design parameters of the prototype lens and three lens options made according to the invention and the distortion corresponding to these lenses (for the angle of view 2 W = 90 o );
in FIG. 3 - comparative graphs of distortion changes in the field of view of the prototype lens and the lens made according to the invention (option 3), the structural data of which are shown in the table of figure 2;
figure 4 is a graph of the dependence on the refractive index of the
figure 5 is a table of structural parameters of the optical system of a medical endoscope (arthroscope).
Оптическая система эндоскопа (фиг.1) содержит объектив 1, выполненный из двух плосковыпуклых компонентов 2 и 3, выпуклые поверхности которых установлены навстречу друг другу, систему передачи изображения 4 и окуляр 5. При этом компонент 2 объектива 1 выполнен склеенным из плоскопараллельной пластины 6 и плосковыпуклой линзы 7, а вторым компонентом 3 объектива 1 является линза, плоской поверхностью наклеенная на входной торец системы передачи изображения 4. Линзы 7 и 3 выполнены с толщиной d2<0,7|r3|,d4<0,7|r3|, и с радиусами, которые соотносятся как 1,6|r3|≤r4≤2,1|r3|, где d2, d4 - толщины, а r3, r4 - радиусы кривизны выпуклых поверхностей линз 7 и 3 соответственно. При этом система передачи изображения 4 выполнена в виде градиентного оптического элемента с радиальным распределением показателя преломления (градана-транслятора). Плоскопараллельная пластина 6 выполнена с осевой длиной, превышающей фокусное расстояние объектива 1. Воздушный промежуток между линзами 7 и 3 равен d3.The optical system of the endoscope (Fig. 1) contains a
Работа оптической системы эндоскопа заключается в следующем. Объектив 1, состоящий из компонентов 2 и 3, включающих плоскопараллельную пластину 6 (защитное стекло) и линзы 7, 3, формирует изображение объекта в плоскости, расположенной за входным торцем градана-транслятора 4, который переносит это изображение на другой конец оптической системы, где оно рассматривается через окуляр 5. The operation of the optical system of the endoscope is as follows. The
Ход лучей света через оптическую систему понятен из рассмотрения рисунка на фиг.1. The path of light rays through the optical system is clear from a consideration of the figure in figure 1.
В объективе величина дисторсии зависит от следующих параметров:
- соотношения 
- воздушного промежутка d3 между линзами 7 и 3;
- показателя преломления линз 7 и 3.In the lens, the amount of distortion depends on the following parameters:
- relations
- air gap d 3 between
- refractive index of
Вышеизложенное иллюстрируют таблица (фиг.2) и графики (фиг.3) для объектива-прототипа и объектива с минимальным значением дисторсии (три варианта), имеющих одинаковое фокусное расстояние, равное 1,0 мм, линзы которых выполнены с толщиной по оси, равной 0,5 мм, из стекла с показателем преломления n=1,883, и отличающихся величиной воздушного промежутка между линзами 7 и 3. The above is illustrated in the table (figure 2) and graphs (figure 3) for the prototype lens and the lens with a minimum distortion value (three options) having the same focal length equal to 1.0 mm, the lenses of which are made with a thickness along the axis equal to 0.5 mm, made of glass with a refractive index of n = 1.883, and differing in the size of the air gap between the
Для объектива 1, линзы 7 и 3 которого находятся в осевом контакте (d3= 0), на фиг.4 приведен график зависимости от показателя преломления n линз 7 и 3 минимального значения дисторсии (для угла поля зрения 2 W=90o) и график коэффициента 
По данному изобретению авторами разработана оптическая система медицинского эндоскопа (артроскопа), СПИ которой является градиентный оптический элемент и конструктивные параметры которой представлены в таблице. Оптическая система имеет следующие оптические характеристики:
- диаметр оптики рабочей части - 1,5 мм;
- угол поля зрения - 90o;
- диаметр входного зрачка - 0,167 мм;
- диаметр выходного зрачка - 1,74 мм;
- увеличение на рабочем расстоянии 10 мм - 2,3х.According to this invention, the authors developed an optical system for a medical endoscope (arthroscope), the optical spectrometer of which is a gradient optical element and whose structural parameters are presented in the table. The optical system has the following optical characteristics:
- diameter of the optics of the working part - 1.5 mm;
- the angle of view is 90 o ;
- diameter of the entrance pupil - 0.167 mm;
- the diameter of the exit pupil is 1.74 mm;
- increase at a working distance of 10 mm - 2.3 x
В этой оптической системе дисторсия не превышает 27%. In this optical system, the distortion does not exceed 27%.
Таким образом, разработанная оптическая система эндоскопа позволяет повысить качество изображения путем уменьшения дисторсии и увеличить технологичность изготовления компонентов оптической системы эндоскопа. Thus, the developed optical system of the endoscope can improve image quality by reducing distortion and increase the manufacturability of manufacturing components of the optical system of the endoscope.
Claims (4)
где r3, r4 - радиусы кривизны выпуклых поверхностей плосковыпуклых линз первого и второго компонентов объектива соответственно.1. The optical system of the endoscope, comprising a lens sequentially arranged along the optical axis, made in the form of two plane-convex components, the convex surfaces of which are mounted towards each other, an image transmission system and an eyepiece, the first component of the lens glued from a plane-parallel plate and a plane-convex lens, and the second the lens component is a plano-convex lens, a flat surface glued to the input end of the image transmission system, characterized in that the radii of curvature s convex surfaces of the lenses of the lens are correlated as 1.6 | r 3 | ≤r 4 ≤2,1 | r 3 |,
where r 3 , r 4 are the radii of curvature of the convex surfaces of plane-convex lenses of the first and second lens components, respectively.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000112660A RU2179405C2 (en) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Endoscope optical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000112660A RU2179405C2 (en) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Endoscope optical system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2179405C2 true RU2179405C2 (en) | 2002-02-20 |
Family
ID=20234896
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000112660A RU2179405C2 (en) | 2000-05-23 | 2000-05-23 | Endoscope optical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2179405C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7511891B2 (en) * | 2006-09-28 | 2009-03-31 | Grintech Gmbh | Miniaturized optically imaging system with high lateral and axial resolution |
-
2000
- 2000-05-23 RU RU2000112660A patent/RU2179405C2/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7511891B2 (en) * | 2006-09-28 | 2009-03-31 | Grintech Gmbh | Miniaturized optically imaging system with high lateral and axial resolution |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3765500B2 (en) | Endoscope objective lens | |
| US5093719A (en) | Endoscopic gradient index optical systems | |
| JPH08122632A (en) | Objective for endoscope | |
| JPS6177819A (en) | Image transmitting optical system | |
| JP2019032510A (en) | Objective lens for endoscope and endoscope | |
| JPH07122692B2 (en) | Objective lens for endoscope | |
| US4735491A (en) | Optical system for endoscopes | |
| CN112882208B (en) | Large-field-of-view imaging objective lens | |
| JPH10509812A (en) | Integrated optical system for endoscopes | |
| US7154683B1 (en) | Five-element optical device | |
| KR100189069B1 (en) | Small wide angle photo lens | |
| JPH02272512A (en) | Image transmission optical system | |
| JPH10268188A (en) | Large-aperture lens for photographic at low illuminance | |
| RU2179405C2 (en) | Endoscope optical system | |
| CN107402446B (en) | Front objective lens of endoscope | |
| KR102158985B1 (en) | Lens system for endo-microscope probe | |
| JP3556283B2 (en) | Illumination optical system for microscope | |
| JP3655689B2 (en) | Endoscopic eyepiece system | |
| CN114326063B (en) | High-magnification telecentric lens | |
| RU2092880C1 (en) | Ocular | |
| KR102455585B1 (en) | Lens system for endo-microscope probe | |
| RU2080632C1 (en) | Optical system of endoscope | |
| TW201819985A (en) | Six-piece microscope lens system | |
| SU1670662A1 (en) | Photographic lens | |
| RU2111518C1 (en) | Lens for near-infrared light |