消杂光硬管内窥镜光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种硬管内窥镜的光学系统，包括物镜组和中继系统。物镜组包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组及第四透镜组。孔径光阑位于第二透镜组。中继系统由奇数对放大率为1∶1的转像透镜组成，其中包含两个完全相同的三胶合棒状透镜，相邻棒状透镜间距离相等，将物镜所成的像在工作镜管内多次传递；最终的像通过目镜人眼或CCD探测器接收。该系统全视场角在70°以内，将其对准光源时像面无杂光，完全消除了进入镜筒的杂光对成像的干扰，在120lp/mm处MTF值大于0.3，具有大视场、大景深、小场曲、消畸变、亮度均匀、结构简单、成本较低等特点。1是无杂光硬质内窥镜光学系统结构示意图，其中1为物镜组。
【专利说明】消杂光硬管内窥镜光学系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种硬管内窥镜的光学系统，特别涉及一种可消除杂光、大视场、大景深、小场曲、消畸变、亮度均勻、结构简单且成本较低的内窥镜光学系统。
【背景技术】
[0002]医用内窥镜是经人体的天然孔道，或微创切口进入人体内进行观察及治疗的器械。它通过利用多组中继透镜组，将物镜所成的像在细长的镜筒中多次传递，最终经由目镜到达人眼或由CXD探测器接收。
[0003]虽然目前医用内窥镜的制造加工技术已相当成熟，但现有的一些内窥镜产品存在着较严重的杂光问题。如图1所示，将某内窥镜产品对准远处的光源观察，当光源位于中心视场时，像点周围有不明显的杂光，当光源偏离中心时，像面上出现一个圆心位于视场中心的杂光环，随着光源位置向视场边缘移动，杂光环随之增大，且半径始终与像高相等，圆心位置保持不变。像面上的杂光与像混在一起，影响像的观察和显示。
【发明内容】
[0004]本发明正是鉴于现有技术的这种状况而提出的，其目的在于提供一种能够有效消除杂光、大视场、大景深、小场曲、消畸变、亮度均勻、便于加工装调的内窥镜光学系统。
[0005]为了达到上述目的，本发明提供以下方案。
[0006]一种硬管内窥镜，其特征在于，它包括物镜组和中继系统，所述物镜组、中继系统从物体侧依次排列，中继系统后接目镜或CCD探测器。
[0007]本发明的一个实施例中，所述物镜组由四组透镜组组成:第I透镜为负透镜，面型为平凹型，物体侧为平面，实现本发明具有较大的70°视场的目的；第2透镜为双胶合透镜，由两片弯月形透镜胶合而成，孔径光阑位于胶合面上；第3透镜为双胶合透镜，由一片双凸透镜及一片弯月形透镜胶合而成；第4透镜为一片弯月形单透镜。
[0008]本发明的一个实施例中，所述中继系统由奇数对转像透镜组组成，每对转像透镜组包含两个结构材料完全相同的棒状三胶合透镜，其结构为一个较长的双凸棒状单透镜，单透镜两端各胶合一片薄弯月形透镜，其中棒状单透镜结构对称，胶合的两片薄透镜结构形状及材料完全相同，即上述棒状三胶合透镜为完全对称的结构，其材料折射率均小于
1.8。上述奇数对转像透镜组在物镜组后依次排列，各棒镜之间距离相等。
[0009]采用本发明的实施例，物体发出的光线经上述物镜组成I个倒立中间像，像面位于所述物镜组与中继系统之间的空气中；中间像在中继系统中被多次转像,每组转像组之间的空气中有大小相等方向倒转的中间像，在中继系统后得到正立的中间像，最终由目镜或CXD探测器接收。
[0010]在上述实施例中，所述物镜组的第1、2透镜间有比较大的空气间隔，第2透镜的镜片厚度较薄，其前表面的通光口径很小，孔径光阑位于第2透镜的胶合面处，由于具有此种结构特点，该物镜组可以完全消除进入系统内部的杂光。[0011]在上述实施例中，组成中继系统的棒状透镜的材料结构相同，其材料折射率均小于1.8，有效降低加工成本。
[0012]在上述实施例中，最终成像在1201p/mm处各视场的MTF值均大于0.3，各像差均得到很好的校正，像质理想；系统的畸变在20%以内，经数字处理校正后可基本消除畸变，畸变小于2% ;各视场对应的像面相对照度均在90%以上，像面亮度均匀；系统景深大、场曲小、结构简单且成本较低。
[0013]本发明的内窥镜光学系统，由物镜组及中继系统组成，可完全消除杂光的干扰，其结构简单，便于加工装调，视场角在70°以内的情况下能得到较好的像质，从而构成消杂光、大视场、大景深、小场曲、消畸变、亮度均匀、结构简单且像质良好的内窥镜光学系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是某内窥镜产品在对准光源观察时的像面杂光情况；
[0015]图2是本发明的实施例1的内窥镜光学系统的整体结构图，其中I为物镜组；
[0016]图3是表示图2的物镜组的结构图；
[0017]图4是表示图2的一组中继转像组的结构图；
[0018]图5是本发明实施例1的内窥镜的像差图，其中(A)是D = 0.24mm时的球差，(B)是2ω = 70°时的像散，(C)是2ω = 70°时的畸变，其中I是d光，2是F光，3是C光，4是子午，5是弧矢；
[0019]图6是本发明实施例1对光源不同角度时的仿真像面照度分布；
[0020]图7是本发明实施例1的内窥镜像面相对照度曲线图，其中横坐标为视场角(° )，纵坐标为相对照度(％);
[0021]图8是本发明的实施例2的内窥镜光学系统的整体结构图，其中I是物镜组；
[0022]图9是表示图8的物镜组的结构图；
[0023]图10是表示图8的一组中继转像组的结构图；
[0024]图11是本发明实施例2的内窥镜的像差图，其中(A)是D = 0.24mm时的球差，(B)是2ω = 70°时的像散，(C)是2ω = 70°时的畸变，其中I是d光，2是C光，3是F光，4是子午，5是弧矢；
[0025]图12是本发明实施例2的内窥镜像面相对照度曲线图，其中横坐标为视场角(° )，纵坐标为相对照度(％)。
【具体实施方式】
[0026]下面，参照图2?图12并结合实施例，进一步阐述本发明。
[0027]图2是实施例1的整体结构图，如图2所示，内窥镜的物镜组和中继系统中的所有光学元件均沿光轴在镜筒内依次排开。
[0028]图3是实施例1的物镜组的结构图，设置在内窥镜的头端部，包括第一透镜组L1、第二透镜组L2、第三透镜组L3和第四透镜组L4，物镜组所成中间像位于第四透镜组L4之后。
[0029]第一透镜组LI为负透镜，其面型为平凹型，面向物体侧为平面；第二透镜组L2由两片弯月形透镜胶合而成，胶合面上设置有孔径光阑S ;第三透镜组L3为双凸正透镜和弯月形负透镜胶合组成；第四透镜组L4为正透镜，面型为弯月形。
[0030]光线在通过第一透镜组LI后，由于第一透镜组LI及第二透镜组L2间有很大的空气间隔，部分入射角较大的杂光投射到镜筒内壁，被其吸收；另一部分投射到第二透镜组L2的前表面，由于此面的通光口径较小，这部分杂光无法通过，被前表面的端面吸收；通过前表面的光线中，依然存在具有较大入射角的杂光，这部分光线被光阑S阻挡；通过光阑S的光线全部为成像光线，因此杂光被全部消除，像面上只有光源对应的像点。光源位于不同视场角其对应像面仿真照度分布如图6所示。
[0031]图4是实施例1的一组中继转像组的结构图，设置在物镜组之后，包括第五透镜组L5和第六透镜组L6，第五透镜组L5的前端为物镜所成的中间像，第六透镜组L6的后端为此转像组所成的中间像。
[0032]第五透镜组L5由三片透镜胶合组成，透镜51为一片弯月形负透镜，透镜52为一对称的双凸棒状透镜，透镜53与透镜51的结构材料相同。第六透镜组L6与第五透镜组L5完全相同。
[0033]如图2，中继系统包含奇数组图4所示的转像组，相邻转像组之间的距离相等。中继系统中，中间像位于每组转像组的空气间隔内，各相邻中间像的大小相等，方向相反。
[0034]实施例1
[0035]如图2所示，在本实施例中，所述内窥镜的结构参数参见表I。
[0036]表I
[0037]
【权利要求】
1.一种硬管内窥镜光学系统,其视场角在70°以内，包括物镜组和中继系统。
2.如权利要求1所述的内窥镜光学系统，其物镜组焦距满足Imm< EFL < 2mm,中继系统放大率为1:1。
3.如权利要求2所述的物镜组，其特征在于:包括第一透镜组、第二透镜组、第三透镜组及第四透镜组。第一透镜组为负透镜组，面型为平凹型；第二透镜组为一组双胶合透镜，由两片弯月形透镜胶合而成，孔径光阑位于胶合面上；第三透镜组是一组双胶合透镜，由一片双凸型正透镜和一片弯月形负透镜胶合而成；第四透镜是一片弯月形正透镜。
4.如权利要求3所述的物镜组，其特征在于:光线通过物镜组成一个倒立的中间像，中间像面位于物镜组后的空气中。
5.如权利要求3所述的物镜组，其特征在于:第一透镜组及第二透镜组之间有较大的空气间隔，第二透镜组的镜片厚度较小，且第二透镜组的前表面的通光口径很小，孔径光阑位于第二透镜组的胶合面。采用此种结构特点的内窥镜物镜可以完全消除进入系统的杂光。
6.如权利要求2所述的中继系统，其特征在于:由奇数对转像透镜组成，每对转像透镜包含两个完全相同的棒状三胶合透镜，三胶合透镜由2片相同的弯月形透镜胶合在对称双凸棒状单透镜两端面而成，相邻两棒状透镜的间距相等，棒镜材料的折射率均小于1.8，成本较低。
7.如权利要求6所述的中继系统，其特征在于:由物镜组所成的中间像经由中继系统传递奇数次，在转像组间的空气间隔中形成中间像，相邻的中间像大小相等，方向相反。
8.如权利要求2所述的内窥镜系统，其特征在于:所述内窥镜系统的视场角在70°以内，1201p/mm处的MTF值大于0.3 ;畸变小于20 %，经数字处理校正后可基本消除像面畸变，畸变小于2% ;各视场对应像面相对照度均在90%以上，像面亮度均匀；系统景深大、场曲小、结构简单且成本较低。
9.如权利要求1至8所述的硬管内窥镜光学系统，以镜管直径4毫米为例，对于其它直径镜管的硬管内窥镜光学系统，原理一致，结构类似，只需参数上做微调。
【文档编号】G02B23/24GK103969819SQ201310027055
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月25日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】王涌天, 禹璐, 程德文, 刘小华 申请人:北京威斯顿亚太光电仪器有限公司