變焦光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)及電子內(nèi)窺鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種變焦光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)及電子內(nèi)窺鏡，其中，變焦光學(xué)系統(tǒng)沿其光軸且自物側(cè)起依次包括：固定透鏡組，具有負(fù)的光焦度；變焦透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來改變所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距；補(bǔ)償透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來校正因改變焦距所產(chǎn)生的像差。本發(fā)明具有大孔徑、寬視場、可放大觀察、可變焦等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】變焦光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)及電子內(nèi)窺鏡

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)成像【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種變焦光學(xué)系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng) 及電子內(nèi)窺鏡。

【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)窺鏡成像技術(shù)經(jīng)歷了百年發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，而今電子內(nèi)窺鏡以清晰逼真的 圖像和小型化的微電子電路獲得更廣泛的應(yīng)用。
[0003] 隨著對被測物體表面狀況觀察要求的提高，目前存在著具有可放大觀察物體且可 變焦物鏡成像系統(tǒng)的迫切需求。例如，工業(yè)管道口徑尺寸存在大范圍變化，以及需要細(xì)節(jié)放 大觀察被攝物時(shí)，或者醫(yī)學(xué)診療中對病變體部位進(jìn)行放大觀察時(shí)，均需內(nèi)窺鏡具有變焦功 能，而無需更換不同物鏡系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在下文中給出關(guān)于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關(guān)于本發(fā)明的某些方面的基本理 解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關(guān) 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0005] 本發(fā)明提供一種具有大孔徑、寬視場、可放大觀察、可變焦等優(yōu)點(diǎn)的變焦光學(xué)系 統(tǒng)、內(nèi)規(guī)鏡物鏡系統(tǒng)及電子內(nèi)規(guī)鏡。
[0006] -方面，本發(fā)明提供了一種變焦光學(xué)系統(tǒng)，沿所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸且自物側(cè) 起依次包括：
[0007] 固定透鏡組，具有負(fù)的光焦度；
[0008] 變焦透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來改變所述變焦光 學(xué)系統(tǒng)的焦距；
[0009] 補(bǔ)償透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來校正因改變焦距 所廣生的像差。
[0010] 另一方面，本發(fā)明還提供了 一種內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)，包括上述變焦光學(xué)系統(tǒng)。
[0011] 又一方面，本發(fā)明還提供了一種電子內(nèi)窺鏡，所述電子內(nèi)窺鏡的一端設(shè)有上述內(nèi) 丟見鏡物鏡系統(tǒng)。
[0012] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案中，變焦光學(xué)系統(tǒng)采用反攝遠(yuǎn)光學(xué)成像系統(tǒng)，使離物側(cè)最 遠(yuǎn)的補(bǔ)償透鏡組對應(yīng)的視場角減小，有益像差校正，在變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端可獲得較大 視場，同時(shí)達(dá)到大孔徑的目的；此外，沿光軸移動(dòng)變焦透鏡組可改變變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距， 使得變焦光學(xué)系統(tǒng)具有較高倍率的調(diào)焦功能，可實(shí)現(xiàn)對物側(cè)的放大觀察，成像質(zhì)量較好，可 滿足醫(yī)學(xué)診療、工業(yè)管道檢查等應(yīng)用需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以 根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0014] 圖1A-圖1C分別為本發(fā)明實(shí)施例二提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)在其工作距離為無窮 遠(yuǎn)的情況下的廣角端、介于廣角端和遠(yuǎn)攝端之間的中間狀態(tài)、遠(yuǎn)攝端的光學(xué)元件布置示意 圖；
[0015] 圖2A-圖2C分別為本實(shí)施例二在變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端，分別測得的縱向球差像 差、像散場曲率和畸變像差；
[0016] 圖3A-圖3C分別為本實(shí)施例二在變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝端，分別測得的縱向球差像 差、像散場曲率和畸變像差；
[0017] 圖4A-圖4C分別為本發(fā)明實(shí)施例三提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)在其工作距離為有限距 離（如30_)的情況下的廣角端、介于廣角端和遠(yuǎn)攝端之間的中間狀態(tài)、遠(yuǎn)攝端的光學(xué)元件 布置不意圖；
[0018] 圖5A-圖5C分別為本實(shí)施例三在變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端，分別測得的縱向球差像 差、像散場曲率和畸變像差；
[0019] 圖6A-圖6C分別為本實(shí)施例三在變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝端，分別測得的縱向球差像 差、像散場曲率和畸變像差。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是 本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。在本發(fā)明的一個(gè)附圖或一種實(shí)施方式中描述 的元素和特征可以與一個(gè)或更多個(gè)其它附圖或?qū)嵤┓绞街惺境龅脑睾吞卣飨嘟Y(jié)合。應(yīng)當(dāng) 注意，為了清楚的目的，附圖和說明中省略了與本發(fā)明無關(guān)的、本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的 部件和處理的表示和描述。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有付出創(chuàng)造 性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0021] 實(shí)施例一
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例一提供了一種變焦光學(xué)系統(tǒng)，該變焦光學(xué)系統(tǒng)沿其光軸且自物側(cè)起 依次包括：固定透鏡組、變焦透鏡組和補(bǔ)償透鏡組。
[0023] 固定透鏡組具有負(fù)的光焦度。離物側(cè)最近的固定透鏡組采用負(fù)的光焦度可有效提 高廣角端視場角范圍，且有效控制整個(gè)系統(tǒng)的最大口徑，從而有助物鏡小型化的實(shí)現(xiàn)。
[0024] 變焦透鏡組具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來改變所述變焦光學(xué) 系統(tǒng)的焦距。例如，變焦透鏡組沿光軸向靠近像面MG處移動(dòng)，可改變變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦 距。
[0025] 補(bǔ)償透鏡組具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來校正因改變焦距所 產(chǎn)生的像差，從而保持整個(gè)系統(tǒng)總長度不變，實(shí)現(xiàn)對物側(cè)的放大觀察。
[0026] 本實(shí)施例提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)離物側(cè)最近的透鏡組為具有負(fù)的光焦度的固定透 鏡組，固定透鏡組后的其他透鏡組均為正的光焦度的變焦透鏡組和補(bǔ)償透鏡組，由此組成 的反攝遠(yuǎn)光學(xué)成像系統(tǒng)，使離物側(cè)最遠(yuǎn)的補(bǔ)償透鏡組對應(yīng)的視場角減小，有益像差校正，在 變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端可獲得較大視場，同時(shí)達(dá)到大孔徑的目的；此外，沿光軸移動(dòng)變焦透 鏡組可改變變焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距，使得變焦光學(xué)系統(tǒng)具有較高倍率的變焦功能，可實(shí)現(xiàn)對 物側(cè)的放大觀察，成像質(zhì)量較好，可滿足醫(yī)學(xué)診療、工業(yè)管道檢查等應(yīng)用需求。
[0027] 上述技術(shù)方案中，為了獲得寬視角，可選的，所述固定透鏡組包括折射率&大于 1. 8的透鏡，且變焦透鏡組和補(bǔ)償透鏡組中至少其中之一包括折射率N2大于1. 8的透鏡。
[0028] 可選的，固定透鏡組包括一第一透鏡，變焦透鏡組包括一第二透鏡和一第三透鏡， 補(bǔ)償透鏡組包括一第四透鏡和一第五透鏡。該方案由五個(gè)透鏡即可組成光焦度負(fù)、正、正的 反攝遠(yuǎn)光學(xué)成像系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本較低。
[0029] 可選的，可在變焦光學(xué)系統(tǒng)約中央位置處設(shè)置孔徑光闌，如在第四透鏡和第五透 鏡之間設(shè)置孔徑光闌，該方案可有效抑制變焦光學(xué)系統(tǒng)中的軸外光線，獲得較大的孔徑。
[0030] 可選的，補(bǔ)償透鏡組可選用膠合透鏡組，如由第四透鏡和第五透鏡膠合形成的透 鏡組，以在像差校正過程中更好地補(bǔ)償色差。
[0031] 針對變焦光學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)攝端視角范圍的限制，可實(shí)現(xiàn)對物體進(jìn)行合適的放大觀察， 可選的，本發(fā)明在變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝位置的視角tfov滿足下式：
[0032] 25° ^ tfov ^ 30° (1)
[0033] 如果廣角位置的視角大于85°，則系統(tǒng)將類似魚眼透鏡，對物側(cè)的成像產(chǎn)生較大 的變形。為避免對物側(cè)成像造成較大變形，可選的，本發(fā)明在變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角位置的視 角wfov滿足下式：
[0034] 76° ^ wfov ^ 85° (2)
[0035] 在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合式（1)和式（2)，可實(shí)現(xiàn)寬視角并有效控制物側(cè)成像的變形程 度。
[0036] 可選的，本發(fā)明變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝端的焦距ft和變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的焦 距fw，二者的比值（即變倍比）滿足下式以獲取較大的視角范圍：
[0037] 2. 5 ^ ft/fw ^ 3. 5 (3)
[0038] 可選的，為了提供寬視角，本發(fā)明變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的后焦距fb和所述變焦 光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的焦距fw，二者的比值被限制于較小的值，如二者的比值滿足下式：
[0039] 1.2^ fb/fw ^1.8 (4)
[0040] 由于本發(fā)明提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)采用反攝遠(yuǎn)系統(tǒng)，因此拉長了系統(tǒng)的后工作距， 故可通過增大系統(tǒng)的最后一個(gè)透鏡與CCD之間的距離，并基于式（4)獲得較大的廣角端的 視場角。而且系統(tǒng)工作時(shí)，軸外光束通過變焦透鏡組以后，光線與光軸的傾角大大減小，致 使補(bǔ)償透鏡組對應(yīng)的像方視場角變小，能更好地矯正系統(tǒng)的像差。
[0041] 變焦光學(xué)系統(tǒng)中變焦透鏡組的移動(dòng)范圍過小則難以實(shí)現(xiàn)所需的變倍比，但移動(dòng)范 圍過大，則較難校正像差來獲得較高的成像質(zhì)量。權(quán)衡變倍比和成像質(zhì)量，可選的，本發(fā)明 的變焦光學(xué)系統(tǒng)由其廣角端向其遠(yuǎn)攝端變焦的過程中，所述變焦透鏡組沿所述光軸的可調(diào) 范圍Ml和所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的總長度Τ0Τ的比值滿足下式：
[0042] 0· 2 彡 M1/T0T 彡 0· 35 (5)。
[0043] 實(shí)施例二
[0044] 本發(fā)明提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)中，在滿足光焦度等要求的基礎(chǔ)上，變焦光學(xué)系統(tǒng)各 透鏡組以及其包括的各透鏡的具體類型或形狀可根據(jù)實(shí)際需要選擇，本發(fā)明對此并不限 制，下面以某一可選實(shí)現(xiàn)方式并結(jié)合附圖進(jìn)行說明。
[0045] 圖1A、圖1B、圖1C分別為本發(fā)明實(shí)施例二提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)在其工作距離為無 窮遠(yuǎn)的情況下的廣角端、介于廣角端和遠(yuǎn)攝端之間的中間狀態(tài)、遠(yuǎn)攝端的光學(xué)元件布置示 意圖，其中，工作距離是變焦光學(xué)系統(tǒng)的第一個(gè)透鏡鏡片距被攝物體之間的距離。
[0046] 如圖1A-圖1C所示，本實(shí)施例提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)沿其光軸并自物側(cè)OBJ起依次 包括：固定透鏡組W1、變焦透鏡組W2和補(bǔ)償透鏡組W3。
[0047] 固定透鏡組W1包括一第一透鏡L1。第一透鏡L1為平凹負(fù)透鏡，其平面朝向物側(cè)。
[0048] 變焦透鏡組W2包括一第二透鏡L2和一第三透鏡L3。第二透鏡L2為雙凸正透鏡， 第三透鏡L3為凸面朝向物側(cè)的彎月負(fù)透鏡。第二透鏡L2和第三透鏡L3之間設(shè)有孔徑光 闌S。
[0049] 補(bǔ)償透鏡組W3包括一第四透鏡L4和一第五透鏡L5。第四透鏡L4為雙凸正透鏡， 第五透鏡L5為凹面朝向物側(cè)的彎月負(fù)透鏡。雙凸正透鏡的一凸面和凹面朝向物側(cè)的彎月 負(fù)透鏡的一凹面膠合形成混合透鏡，以更好的補(bǔ)償色差。
[0050] 沿變焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸且位于第五透鏡L5的后方設(shè)有(XD芯片，(XD芯片前可設(shè) 有玻璃蓋片P，像面頂G緊位于C⑶芯片的玻璃蓋片P之后。
[0051] 變焦物鏡系統(tǒng)由廣角端成為遠(yuǎn)攝端的期間，固定透鏡組W1固定、變焦透鏡組W2向 物側(cè)OBJ移動(dòng)，補(bǔ)償透鏡組W3 -邊增大其與變焦透鏡組W2的間隔一邊向物側(cè)移動(dòng)直至成 為中間狀態(tài)，隨后又一邊減少其與變焦透鏡組W2的間隔一邊向物側(cè)OBJ移動(dòng)，最終至遠(yuǎn)攝 端。
[0052] 本實(shí)施例提供的變焦光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例一相同技術(shù)效果的基礎(chǔ)上，僅采 用常用的平凹、雙凸、彎月等三類普通透鏡（五片普通透鏡）即可組成光焦度負(fù)、正、正的反 攝遠(yuǎn)光學(xué)成像系統(tǒng)，可獲得多倍(如近3倍)的變焦，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，透鏡數(shù)量少，易于加 工、易于機(jī)械裝調(diào)、成本較低，像差校正效果較好，在整個(gè)變焦范圍內(nèi)均可達(dá)到較優(yōu)的成像 質(zhì)量，可滿足醫(yī)學(xué)診療、工業(yè)管道檢查等應(yīng)用需求。
[0053] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)施還提供了變焦光學(xué)系統(tǒng)物側(cè)OBJ到像面MG之 間的各光學(xué)元件的一組可選參數(shù)，具體如表1所示：
[0054] 表 1
[0055]

【權(quán)利要求】
1. 一種變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，沿所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的光軸且自物側(cè)起依次包 括： 固定透鏡組，具有負(fù)的光焦度； 變焦透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來改變所述變焦光學(xué)系 統(tǒng)的焦距； 補(bǔ)償透鏡組，具有正的光焦度，用于通過其沿所述光軸的移動(dòng)來校正因改變焦距所產(chǎn) 生的像差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述固定透鏡組包括一第一透鏡，所述變焦透鏡組包括一第二透鏡和一第三透鏡，所 述補(bǔ)償透鏡組包括一第四透鏡和一第五透鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡和所述第三透鏡 之間設(shè)置有孔徑光闌。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡和所述第五透鏡 膠合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一透鏡為平凹負(fù)透鏡，其 平面朝向物側(cè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第二透鏡為雙凸正透鏡，所 述第三透鏡為凸面朝向物側(cè)的彎月負(fù)透鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述第四透鏡為雙凸正透鏡，所 述第五透鏡為凹面朝向物側(cè)的彎月負(fù)透鏡。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 在所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝位置的視角tfov滿足：25° < tfov < 30°。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：在所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的 廣角位置的視角wfov滿足： 76° < wfov < 85°。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的遠(yuǎn)攝端的焦距ft和所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的焦距fV，二者 的比值滿足：2. 5彡ft/fw彡3. 5。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的后焦距fb和所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的廣角端的焦距fV，二 者的比值滿足：1. 2 < fb/fw < 1. 8。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述變焦透鏡組沿所述光軸的可調(diào)范圍Ml和所述變焦光學(xué)系統(tǒng)的總長度T0T，二者的 比值滿足：〇· 2 < M1/T0T < 0· 35。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一所述的變焦光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于： 所述固定透鏡組包括折射率大于1. 8的透鏡，且所述變焦透鏡組和補(bǔ)償透鏡組中至少 其中之一包括折射率大于1. 8的透鏡。
14. 一種內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-13任一所述的變焦光學(xué)系 統(tǒng)。
15. -種電子內(nèi)窺鏡，其特征在于，所述電子內(nèi)窺鏡的一端設(shè)有如權(quán)利要求14所述的 內(nèi)丟見鏡物鏡系統(tǒng)。
【文檔編號】G02B23/24GK104122659SQ201310144429
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月23日
【發(fā)明者】張梅, 耿征 申請人:張梅, 耿征