消雜光硬管內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出一種硬管內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)，包括物鏡組和中繼系統(tǒng)。物鏡組包括第一透鏡組、第二透鏡組、第三透鏡組及第四透鏡組。孔徑光闌位于第二透鏡組。中繼系統(tǒng)由奇數(shù)對(duì)放大率為1∶1的轉(zhuǎn)像透鏡組成，其中包含兩個(gè)完全相同的三膠合棒狀透鏡，相鄰棒狀透鏡間距離相等，將物鏡所成的像在工作鏡管內(nèi)多次傳遞；最終的像通過(guò)目鏡人眼或CCD探測(cè)器接收。該系統(tǒng)全視場(chǎng)角在70°以?xún)?nèi)，將其對(duì)準(zhǔn)光源時(shí)像面無(wú)雜光，完全消除了進(jìn)入鏡筒的雜光對(duì)成像的干擾，在120lp/mm處MTF值大于0.3，具有大視場(chǎng)、大景深、小場(chǎng)曲、消畸變、亮度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低等特點(diǎn)。1是無(wú)雜光硬質(zhì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為物鏡組。
【專(zhuān)利說(shuō)明】消雜光硬管內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硬管內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種可消除雜光、大視場(chǎng)、大景深、小場(chǎng)曲、消畸變、亮度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]醫(yī)用內(nèi)窺鏡是經(jīng)人體的天然孔道，或微創(chuàng)切口進(jìn)入人體內(nèi)進(jìn)行觀察及治療的器械。它通過(guò)利用多組中繼透鏡組，將物鏡所成的像在細(xì)長(zhǎng)的鏡筒中多次傳遞，最終經(jīng)由目鏡到達(dá)人眼或由CXD探測(cè)器接收。
[0003]雖然目前醫(yī)用內(nèi)窺鏡的制造加工技術(shù)已相當(dāng)成熟，但現(xiàn)有的一些內(nèi)窺鏡產(chǎn)品存在著較嚴(yán)重的雜光問(wèn)題。如圖1所示，將某內(nèi)窺鏡產(chǎn)品對(duì)準(zhǔn)遠(yuǎn)處的光源觀察，當(dāng)光源位于中心視場(chǎng)時(shí)，像點(diǎn)周?chē)胁幻黠@的雜光，當(dāng)光源偏離中心時(shí)，像面上出現(xiàn)一個(gè)圓心位于視場(chǎng)中心的雜光環(huán)，隨著光源位置向視場(chǎng)邊緣移動(dòng)，雜光環(huán)隨之增大，且半徑始終與像高相等，圓心位置保持不變。像面上的雜光與像混在一起，影響像的觀察和顯示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明正是鑒于現(xiàn)有技術(shù)的這種狀況而提出的，其目的在于提供一種能夠有效消除雜光、大視場(chǎng)、大景深、小場(chǎng)曲、消畸變、亮度均勻、便于加工裝調(diào)的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供以下方案。
[0006]一種硬管內(nèi)窺鏡，其特征在于，它包括物鏡組和中繼系統(tǒng)，所述物鏡組、中繼系統(tǒng)從物體側(cè)依次排列，中繼系統(tǒng)后接目鏡或CCD探測(cè)器。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述物鏡組由四組透鏡組組成:第I透鏡為負(fù)透鏡，面型為平凹型，物體側(cè)為平面，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明具有較大的70°視場(chǎng)的目的；第2透鏡為雙膠合透鏡，由兩片彎月形透鏡膠合而成，孔徑光闌位于膠合面上；第3透鏡為雙膠合透鏡，由一片雙凸透鏡及一片彎月形透鏡膠合而成；第4透鏡為一片彎月形單透鏡。
[0008]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述中繼系統(tǒng)由奇數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)像透鏡組組成，每對(duì)轉(zhuǎn)像透鏡組包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)材料完全相同的棒狀三膠合透鏡，其結(jié)構(gòu)為一個(gè)較長(zhǎng)的雙凸棒狀單透鏡，單透鏡兩端各膠合一片薄彎月形透鏡，其中棒狀單透鏡結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，膠合的兩片薄透鏡結(jié)構(gòu)形狀及材料完全相同，即上述棒狀三膠合透鏡為完全對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，其材料折射率均小于
1.8。上述奇數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)像透鏡組在物鏡組后依次排列，各棒鏡之間距離相等。
[0009]采用本發(fā)明的實(shí)施例，物體發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)上述物鏡組成I個(gè)倒立中間像，像面位于所述物鏡組與中繼系統(tǒng)之間的空氣中；中間像在中繼系統(tǒng)中被多次轉(zhuǎn)像,每組轉(zhuǎn)像組之間的空氣中有大小相等方向倒轉(zhuǎn)的中間像，在中繼系統(tǒng)后得到正立的中間像，最終由目鏡或CXD探測(cè)器接收。
[0010]在上述實(shí)施例中，所述物鏡組的第1、2透鏡間有比較大的空氣間隔，第2透鏡的鏡片厚度較薄，其前表面的通光口徑很小，孔徑光闌位于第2透鏡的膠合面處，由于具有此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該物鏡組可以完全消除進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部的雜光。[0011]在上述實(shí)施例中，組成中繼系統(tǒng)的棒狀透鏡的材料結(jié)構(gòu)相同，其材料折射率均小于1.8，有效降低加工成本。
[0012]在上述實(shí)施例中，最終成像在1201p/mm處各視場(chǎng)的MTF值均大于0.3，各像差均得到很好的校正，像質(zhì)理想；系統(tǒng)的畸變?cè)?0%以?xún)?nèi)，經(jīng)數(shù)字處理校正后可基本消除畸變，畸變小于2% ;各視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的像面相對(duì)照度均在90%以上，像面亮度均勻；系統(tǒng)景深大、場(chǎng)曲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低。
[0013]本發(fā)明的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，由物鏡組及中繼系統(tǒng)組成，可完全消除雜光的干擾，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工裝調(diào)，視場(chǎng)角在70°以?xún)?nèi)的情況下能得到較好的像質(zhì)，從而構(gòu)成消雜光、大視場(chǎng)、大景深、小場(chǎng)曲、消畸變、亮度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且像質(zhì)良好的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是某內(nèi)窺鏡產(chǎn)品在對(duì)準(zhǔn)光源觀察時(shí)的像面雜光情況；
[0015]圖2是本發(fā)明的實(shí)施例1的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，其中I為物鏡組；
[0016]圖3是表示圖2的物鏡組的結(jié)構(gòu)圖；
[0017]圖4是表示圖2的一組中繼轉(zhuǎn)像組的結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的內(nèi)窺鏡的像差圖，其中(A)是D = 0.24mm時(shí)的球差，(B)是2ω = 70°時(shí)的像散，(C)是2ω = 70°時(shí)的畸變，其中I是d光，2是F光，3是C光，4是子午，5是弧矢；
[0019]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1對(duì)光源不同角度時(shí)的仿真像面照度分布；
[0020]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的內(nèi)窺鏡像面相對(duì)照度曲線(xiàn)圖，其中橫坐標(biāo)為視場(chǎng)角(° )，縱坐標(biāo)為相對(duì)照度(％);
[0021]圖8是本發(fā)明的實(shí)施例2的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖，其中I是物鏡組；
[0022]圖9是表示圖8的物鏡組的結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖10是表示圖8的一組中繼轉(zhuǎn)像組的結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖11是本發(fā)明實(shí)施例2的內(nèi)窺鏡的像差圖，其中(A)是D = 0.24mm時(shí)的球差，(B)是2ω = 70°時(shí)的像散，(C)是2ω = 70°時(shí)的畸變，其中I是d光，2是C光，3是F光，4是子午，5是弧矢；
[0025]圖12是本發(fā)明實(shí)施例2的內(nèi)窺鏡像面相對(duì)照度曲線(xiàn)圖，其中橫坐標(biāo)為視場(chǎng)角(° )，縱坐標(biāo)為相對(duì)照度(％)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面，參照?qǐng)D2?圖12并結(jié)合實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0027]圖2是實(shí)施例1的整體結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，內(nèi)窺鏡的物鏡組和中繼系統(tǒng)中的所有光學(xué)元件均沿光軸在鏡筒內(nèi)依次排開(kāi)。
[0028]圖3是實(shí)施例1的物鏡組的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置在內(nèi)窺鏡的頭端部，包括第一透鏡組L1、第二透鏡組L2、第三透鏡組L3和第四透鏡組L4，物鏡組所成中間像位于第四透鏡組L4之后。
[0029]第一透鏡組LI為負(fù)透鏡，其面型為平凹型，面向物體側(cè)為平面；第二透鏡組L2由兩片彎月形透鏡膠合而成，膠合面上設(shè)置有孔徑光闌S ;第三透鏡組L3為雙凸正透鏡和彎月形負(fù)透鏡膠合組成；第四透鏡組L4為正透鏡，面型為彎月形。
[0030]光線(xiàn)在通過(guò)第一透鏡組LI后，由于第一透鏡組LI及第二透鏡組L2間有很大的空氣間隔，部分入射角較大的雜光投射到鏡筒內(nèi)壁，被其吸收；另一部分投射到第二透鏡組L2的前表面，由于此面的通光口徑較小，這部分雜光無(wú)法通過(guò)，被前表面的端面吸收；通過(guò)前表面的光線(xiàn)中，依然存在具有較大入射角的雜光，這部分光線(xiàn)被光闌S阻擋；通過(guò)光闌S的光線(xiàn)全部為成像光線(xiàn)，因此雜光被全部消除，像面上只有光源對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)。光源位于不同視場(chǎng)角其對(duì)應(yīng)像面仿真照度分布如圖6所示。
[0031]圖4是實(shí)施例1的一組中繼轉(zhuǎn)像組的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置在物鏡組之后，包括第五透鏡組L5和第六透鏡組L6，第五透鏡組L5的前端為物鏡所成的中間像，第六透鏡組L6的后端為此轉(zhuǎn)像組所成的中間像。
[0032]第五透鏡組L5由三片透鏡膠合組成，透鏡51為一片彎月形負(fù)透鏡，透鏡52為一對(duì)稱(chēng)的雙凸棒狀透鏡，透鏡53與透鏡51的結(jié)構(gòu)材料相同。第六透鏡組L6與第五透鏡組L5完全相同。
[0033]如圖2，中繼系統(tǒng)包含奇數(shù)組圖4所示的轉(zhuǎn)像組，相鄰轉(zhuǎn)像組之間的距離相等。中繼系統(tǒng)中，中間像位于每組轉(zhuǎn)像組的空氣間隔內(nèi)，各相鄰中間像的大小相等，方向相反。
[0034]實(shí)施例1
[0035]如圖2所示，在本實(shí)施例中，所述內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)參見(jiàn)表I。
[0036]表I
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種硬管內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng),其視場(chǎng)角在70°以?xún)?nèi)，包括物鏡組和中繼系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，其物鏡組焦距滿(mǎn)足Imm< EFL < 2mm,中繼系統(tǒng)放大率為1:1。
3.如權(quán)利要求2所述的物鏡組，其特征在于:包括第一透鏡組、第二透鏡組、第三透鏡組及第四透鏡組。第一透鏡組為負(fù)透鏡組，面型為平凹型；第二透鏡組為一組雙膠合透鏡，由兩片彎月形透鏡膠合而成，孔徑光闌位于膠合面上；第三透鏡組是一組雙膠合透鏡，由一片雙凸型正透鏡和一片彎月形負(fù)透鏡膠合而成；第四透鏡是一片彎月形正透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的物鏡組，其特征在于:光線(xiàn)通過(guò)物鏡組成一個(gè)倒立的中間像，中間像面位于物鏡組后的空氣中。
5.如權(quán)利要求3所述的物鏡組，其特征在于:第一透鏡組及第二透鏡組之間有較大的空氣間隔，第二透鏡組的鏡片厚度較小，且第二透鏡組的前表面的通光口徑很小，孔徑光闌位于第二透鏡組的膠合面。采用此種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的內(nèi)窺鏡物鏡可以完全消除進(jìn)入系統(tǒng)的雜光。
6.如權(quán)利要求2所述的中繼系統(tǒng)，其特征在于:由奇數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)像透鏡組成，每對(duì)轉(zhuǎn)像透鏡包含兩個(gè)完全相同的棒狀三膠合透鏡，三膠合透鏡由2片相同的彎月形透鏡膠合在對(duì)稱(chēng)雙凸棒狀單透鏡兩端面而成，相鄰兩棒狀透鏡的間距相等，棒鏡材料的折射率均小于1.8，成本較低。
7.如權(quán)利要求6所述的中繼系統(tǒng)，其特征在于:由物鏡組所成的中間像經(jīng)由中繼系統(tǒng)傳遞奇數(shù)次，在轉(zhuǎn)像組間的空氣間隔中形成中間像，相鄰的中間像大小相等，方向相反。
8.如權(quán)利要求2所述的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，其特征在于:所述內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的視場(chǎng)角在70°以?xún)?nèi)，1201p/mm處的MTF值大于0.3 ;畸變小于20 %，經(jīng)數(shù)字處理校正后可基本消除像面畸變，畸變小于2% ;各視場(chǎng)對(duì)應(yīng)像面相對(duì)照度均在90%以上，像面亮度均勻；系統(tǒng)景深大、場(chǎng)曲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低。
9.如權(quán)利要求1至8所述的硬管內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，以鏡管直徑4毫米為例，對(duì)于其它直徑鏡管的硬管內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)，原理一致，結(jié)構(gòu)類(lèi)似，只需參數(shù)上做微調(diào)。
【文檔編號(hào)】G02B23/24GK103969819SQ201310027055
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月25日
【發(fā)明者】王涌天, 禹璐, 程德文, 劉小華 申請(qǐng)人:北京威斯頓亞太光電儀器有限公司