本發(fā)明屬于內(nèi)窺鏡的技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種全分離式內(nèi)窺鏡物鏡。
背景技術(shù):
目前,廣泛使用的電子內(nèi)窺鏡采用的是常溫下浸沒消毒方式,常溫浸沒消毒方式仍然存在一定的感染概率,在微創(chuàng)手術(shù)中使用的硬質(zhì)內(nèi)窺鏡,由于需要更高的消毒等級(jí),采用了高溫高壓進(jìn)行滅菌,為了降低感染概率,采用消毒等級(jí)更高的高溫高壓方式進(jìn)行滅菌操作將更有利于電子內(nèi)窺鏡的臨床應(yīng)用。
內(nèi)窺鏡物鏡,大部分采用了光學(xué)膠將兩片不同材料透鏡進(jìn)行膠合組成膠合鏡用于降低光學(xué)系統(tǒng)的像差,但膠合鏡在高低溫循環(huán)變化下存在失效風(fēng)險(xiǎn),一方面膠合鏡用的光學(xué)膠在長(zhǎng)時(shí)間高溫加熱時(shí)易由無色透明狀態(tài)變化至有色狀態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致吸光度增加,圖像亮度降低并最終失效;另一方面,為了降低像差,膠合鏡是將兩種不同光學(xué)材料進(jìn)行膠合。在高低溫循環(huán)變化時(shí),物體在不斷地?zé)崦浝淇s,由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同,在長(zhǎng)時(shí)間高低溫循環(huán)下所產(chǎn)生的應(yīng)力容易導(dǎo)致膠層老化至兩片玻璃開裂失效。
此外,膠合鏡意味著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工藝,結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度和加工工藝的難度不僅增加了產(chǎn)品成本,也降低了產(chǎn)品可靠性和壽命。
內(nèi)窺鏡物鏡視場(chǎng)角通常達(dá)到140°,屬于超廣角光學(xué)系統(tǒng),超廣角成像的條件下,由于光線在光學(xué)表面入射角度過大,使得像散和像面彎曲顯著,以往的內(nèi)窺鏡物鏡,為了降低像散和像面彎曲的影響,采用包括膠合鏡在內(nèi)的鏡片組合,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝難度高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種全分離式內(nèi)窺鏡物鏡,以解決現(xiàn)有內(nèi)窺鏡物鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度高和避免高低溫下膠合元件易導(dǎo)致失效的問題。
為達(dá)到上述目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
一種全分離式內(nèi)窺鏡物鏡,包括從物體側(cè)起依次連接的第一透鏡、第二透鏡、濾光片、孔徑光闌、第三透鏡、第四透鏡和圖像傳感元件;
第一透鏡、第二透鏡、濾光片、孔徑光闌、第三透鏡、第四透鏡和圖像傳感元件均以空氣為間隔分離設(shè)置;
第一透鏡為物側(cè)面曲率半徑大于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凹面朝向像側(cè)面的負(fù)透鏡;
第二透鏡為物側(cè)面曲率半徑小于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凸面朝向物側(cè)面的正透鏡;
第三透鏡為正透鏡;
第四透鏡為物側(cè)面曲率半徑小于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凹面朝向物側(cè)面的負(fù)透鏡;
全分離式內(nèi)窺鏡物鏡滿足下述條件:
-1.0<f1/f<-0.9
1.1<f12/f34<2.1
-1.1<f4/f<-0.9
其中,f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡的焦距,f12為第一透鏡和第二透鏡的組合焦距,f34為第三透鏡和第四透鏡組合焦距,f4為第四透鏡的焦距。
優(yōu)選地,第一透鏡和第二透鏡滿足下述條件:
0.4<d2/(n2*d3)<0.6
-0.7<r2/r3<-0.4
其中,d2為第一透鏡和第二透鏡間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡軸向厚度,n2為第二透鏡在d光下的折射率,r2為第一透鏡凹面曲率半徑,r3為第二透鏡凸面曲率半徑。
優(yōu)選地,d光波長(zhǎng)為587.5nm。
優(yōu)選地,孔徑光闌、第二透鏡和第三透鏡滿足下列條件
1.1<Tf/Tb<1.4
其中,Tf為孔徑光闌物側(cè)面到第二透鏡像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌像側(cè)面到第三透鏡物側(cè)面的空氣等效厚度。
優(yōu)選地,圖像傳感元件由靠近第四透鏡的表面玻璃和光敏面組成。
本發(fā)明提供的全分離式內(nèi)窺鏡物鏡,具有以下有益效果:
本全分離式內(nèi)窺鏡物鏡各透鏡間均以空氣間隔設(shè)置,不使用光學(xué)膠對(duì)各光學(xué)元件進(jìn)行膠合,避免了高低溫條件下內(nèi)窺鏡物鏡失效的問題;同時(shí)第一透鏡滿足了超廣角的條件,而由超廣角引起的大量像散和場(chǎng)曲,第二透鏡可以大幅度降低第一透鏡的像散和場(chǎng)曲,降低光線在第二透鏡表面的入射角度,進(jìn)而降低像差平衡難度;濾光片和第三透鏡的設(shè)置,保證濾光片不會(huì)過大的偏離對(duì)稱結(jié)構(gòu),同時(shí)濾除進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的紅外光,提升圖像對(duì)比度,優(yōu)化圖像質(zhì)量。
本發(fā)明采用全分離式的組成結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝制作成本低,避免了高低溫下膠合元件易導(dǎo)致失效的問題,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
附圖說明
圖1為全分離式內(nèi)窺鏡物鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1到實(shí)施例3的內(nèi)窺鏡物鏡剖面示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的傳遞函數(shù)圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1的場(chǎng)曲和畸變圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的傳遞函數(shù)圖。
圖6是本發(fā)明實(shí)施例2的場(chǎng)曲和畸變圖。
圖7是本發(fā)明實(shí)施例3的傳遞函數(shù)圖。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例3的場(chǎng)曲和畸變圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例4的傳遞函數(shù)圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例4的場(chǎng)曲和畸變圖。
其中,L1、第一透鏡;L2、第二透鏡;CF、濾光片;AS、孔徑光闌;L3、第三透鏡;L4、第四透鏡;CG、表面玻璃;IMG、光敏面。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)地說明:
根據(jù)本申請(qǐng)的一個(gè)實(shí)施例,如圖1所示,本方案的全分離式內(nèi)窺鏡物鏡,包括從物體側(cè)起依次由第一透鏡L1、第二透鏡L2、濾光片CF、孔徑光闌AS、第三透鏡L3、第四透鏡L4和圖像傳感元件組成。
第一透鏡L1為物側(cè)面曲率半徑大于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凹面朝向像側(cè)面的負(fù)透鏡,第二透鏡L2為物側(cè)面曲率半徑小于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凸面朝向物側(cè)面的正透鏡,第三透鏡L3為正透鏡,第四透鏡L4為物側(cè)面曲率半徑小于像側(cè)面曲率半徑,且其上的凹面朝向物側(cè)面的負(fù)透鏡,圖像傳感元件由靠近第四透鏡L4的表面玻璃CG和光敏面IMG組成。
為降低光線在各個(gè)光學(xué)面上的入射角,保持光學(xué)系統(tǒng)公差特性的良好,全分離式內(nèi)窺鏡物鏡滿足所有的下述條件式(1)-(3),
-1.0<f1/f<-0.9 (1)
1.1<f12/f34<2.1 (2)
-1.1<f4/f<-0.9 (3)
其中f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡L1的焦距,f12為第一透鏡L1和第二透鏡L2的組合焦距,f34為第三透鏡L3和第四透鏡L4組合焦距,f4為第四透鏡L4的焦距。由于內(nèi)窺鏡中所成像通常要求距離光學(xué)系統(tǒng)3mm-100mm,因此需要一定程度上破壞鏡頭的對(duì)稱性,而超出上述條件(1)-(3)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)球差、像散、場(chǎng)曲等像差難于抵消,同時(shí)也會(huì)容易導(dǎo)致光學(xué)鏡頭容易受到光學(xué)制造公差的影響。
為了實(shí)現(xiàn)大視角,第一透鏡L1和第二透鏡L2滿足所有的下述條件式(4)-(5),
0.4<d2/(n2*d3)<0.6 (4)
-0.7<r2/r3<-0.4 (5)
其中d2為第一透鏡L1和第二透鏡L2間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡L2軸向厚度,n2為第二透鏡L2在d光(587.5nm)下的折射率,r2為第一透鏡L1凹面曲率半徑,r3為第二透鏡L2凸面曲率半徑。
由于滿足了超廣角的條件,第一透鏡L1會(huì)產(chǎn)生大量的像散和場(chǎng)曲,在條件(4)的約束下,第二透鏡L2可以大幅度降低第一透鏡L1的像散和場(chǎng)曲,進(jìn)一步滿足條件(5)可降低光線在第二透鏡L2表面的入射角度,進(jìn)而降低像差平衡難度。
為了進(jìn)一步平衡各光學(xué)元件的像差,孔徑光闌AS、第二透鏡L2和第三透鏡L3滿足所有的下列條件式(6)
1.1<Tf/Tb<1.4 (6)
其中Tf為孔徑光闌AS物側(cè)面到第二透鏡L2像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌AS像側(cè)面到第三透鏡L3物側(cè)面的空氣等效厚度,在條件(6)的作用下,使濾光片CF不會(huì)過大的偏離對(duì)稱結(jié)構(gòu),同時(shí),濾光片CF濾除進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的紅外光,從而提升圖像對(duì)比度,優(yōu)化圖像質(zhì)量。
在以下各實(shí)施例中,r表示曲率半徑,d表示面間隔,nd表示d光(587.5nm)的折射率,vd表示d光(587.5nm)的阿貝數(shù),OBJ表示物面,IMA表示像面,STO表示孔徑光闌AS,F(xiàn)NO表示光學(xué)系統(tǒng)F數(shù),f為光學(xué)鏡頭焦距。
實(shí)施例1:
如圖2-4所示,本實(shí)施例中,f1/f=-0.906,f12/f34=1.188,f4/f=-0.9,d2/(n2*d3)=0.539,r2/r3=-0.615,Tf/Tb=1.221。
其中f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡L1的焦距,f12為第一透鏡L1和第二透鏡L2的組合焦距,f34為第三透鏡L3和第四透鏡L4組合焦距,f4為第四透鏡L4的焦距,d2為第一透鏡L1和第二透鏡L2間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡L2軸向厚度,n2為第二透鏡L2在d光(587.5nm)下的折射率,Tf為孔徑光闌AS物側(cè)面到第二透鏡L2像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌AS像側(cè)面到第三透鏡L3物側(cè)面的空氣等效厚度。
所得各數(shù)據(jù)如下:
FNO=7.2,f=0.999
圖3為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖,可見各視場(chǎng)傳遞函數(shù)曲線TS同圖中所示衍射極限D(zhuǎn)iff.Limit接近,具有良好的像質(zhì)。
圖4為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲(Field Curvature)和畸變(Distortion),由圖可知本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲均在0.05mm以內(nèi),滿足成像質(zhì)量要求,同時(shí)由于大視場(chǎng)的條件下,大的圖像畸變也是可以接受的。
實(shí)施例2
如圖2、圖5和圖6所示,本實(shí)施例中,f1/f=-0.946,f12/f34=1.522,f4/f=-1.021,d2/(n2*d3)=0.463,r2/r3=-0.414,Tf/Tb=1.352。
其中f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡L1的焦距,f12為第一透鏡L1和第二透鏡L2的組合焦距,f34為第三透鏡L3和第四透鏡L4組合焦距,f4為第四透鏡L4的焦距,d2為第一透鏡L1和第二透鏡L2間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡L2軸向厚度,n2為第二透鏡L2在d光(587.5nm)下的折射率,Tf為孔徑光闌AS物側(cè)面到第二透鏡L2像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌AS像側(cè)面到第三透鏡L3物側(cè)面的空氣等效厚度。
所得各數(shù)據(jù)如下:
FNO=7.0,f=0.958
圖5為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖,可見各視場(chǎng)傳遞函數(shù)曲線TS同圖中所示衍射極限D(zhuǎn)iff.Limit接近,具有良好的像質(zhì)。
圖6為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲(Field Curvature)和畸變(Distortion),由圖可知本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲均在0.05mm以內(nèi),滿足成像質(zhì)量要求,同時(shí)由于大視場(chǎng)的條件下,大的圖像畸變也是可以接受的。
實(shí)施例3
如圖2、圖7和圖8所示,本實(shí)施例中,f1/f=-0.949,f12/f34=2.096,f4/f=-0.991,d2/(n2*d3)=0.463,r2/r3=-0.450,Tf/Tb=1.774。
其中f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡L1的焦距,f12為第一透鏡L1和第二透鏡L2的組合焦距,f34為第三透鏡L3和第四透鏡L4組合焦距,f4為第四透鏡L4的焦距,d2為第一透鏡L1和第二透鏡L2間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡L2軸向厚度,n2為第二透鏡L2在d光(587.5nm)下的折射率,Tf為孔徑光闌AS物側(cè)面到第二透鏡L2像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌AS像側(cè)面到第三透鏡L3物側(cè)面的空氣等效厚度。
所得各數(shù)據(jù)如下:
FNO=7.3,f=0.970
圖7為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖,可見各視場(chǎng)傳遞函數(shù)曲線TS同圖中所示衍射極限D(zhuǎn)iff.Limit接近,具有良好的像質(zhì)。
圖8為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲(Field Curvature)和畸變(Distortion),由圖可知本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲均在0.05mm以內(nèi),滿足成像質(zhì)量要求,同時(shí)由于大視場(chǎng)的條件下,大的圖像畸變也是可以接受的。
實(shí)施例4
如圖2、圖9和圖10所示,本實(shí)施例中,f1/f=-0.954,f12/f34=2.018,f4/f=-0.993,d2/(n2*d3)=0.463,r2/r3=-0.445,Tf/Tb=1.756。
其中f為物鏡整體焦距,f1為第一透鏡L1的焦距,f12為第一透鏡L1和第二透鏡L2的組合焦距,f34為第三透鏡L3和第四透鏡L4組合焦距,f4為第四透鏡L4的焦距,d2為第一透鏡L1和第二透鏡L2間空氣間隔的厚度,d3為第二透鏡L2軸向厚度,n2為第二透鏡L2在d光(587.5nm)下的折射率,Tf為孔徑光闌AS物側(cè)面到第二透鏡L2像側(cè)面的空氣等效厚度,Tb為孔徑光闌AS像側(cè)面到第三透鏡L3物側(cè)面的空氣等效厚度。
所得各數(shù)據(jù)如下:
FNO=6.8,f=0.964
圖9為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖,可見各視場(chǎng)傳遞函數(shù)曲線TS同圖中所示衍射極限D(zhuǎn)iff.Limit接近,具有良好的像質(zhì)。
圖10為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲(Field Curvature)和畸變(Distortion),由圖可知本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)像面彎曲均在0.05mm以內(nèi),滿足成像質(zhì)量要求,同時(shí)由于大視場(chǎng)的條件下,大的圖像畸變也是可以接受的。
本發(fā)明采用全分離式的組成結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝制作成本低,避免了高低溫下膠合元件易導(dǎo)致失效的問題,具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
雖然結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)地描述,但不應(yīng)理解為對(duì)本專利的保護(hù)范圍的限定。在權(quán)利要求書所描述的范圍內(nèi),本領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改和變形仍屬本專利的保護(hù)范圍。