一种内窥镜系统及内窥镜摄像机光学系统一体化设计方法与流程

本方案涉及一种内窥镜光学系统，特别涉及一种一体化内窥镜及内窥镜光学系统的设计方法。

背景技术：

随着科学技术飞速发展，无论是在医学技术领域，例如耳内窥镜、鼻内窥镜、喉内窥镜、腹腔镜、泌尿系统内窥镜、妇科内窥镜、关节腔镜等；还是在工业领域，例如探伤内窥镜、检测内窥镜等，内窥镜的使用都变得越来越广泛。然而，现有的内窥镜在使用中几乎完全与摄像系统相结合使用，从最初的硬质内窥镜摄像主机330线、430线、480线、到1920*1080p全高清摄像系统，从ccd芯片发展到cmos芯片，目前利用cmos芯片已经能够达到3840*2160800万像素4k超高清摄像标准。但是，光学内窥镜由于受光学结构限制无法达到超高清水平，已经影响到整体图像显示效果。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种内窥镜系统，其包括沿光路方向依次设置的物镜模块、中继模块、目镜模块、光学接口光路模块和数字超高清摄像机，其特征在于：所述的物镜模块所成的像经中继模块和目镜模块后以非平行光的方式/发散光的方式投射至所述光学接口光路模块。

如上所述的内窥镜系统，所述内窥镜为硬质内窥镜。

如上所述的内窥镜系统，所述非平行光/发散光经所述光学接口光路模块后在所述数字相机上形成高清图像。

如上所述的内窥镜系统，成像在所述数字超高清摄像机上的图像的成像质量优于所述光学接口光路模块所输出的图像的成像质量。

如上所述的内窥镜系统，成像在所述数字相机上的图像的成像质量优于成像在所述目镜模块的目视面上的图像的成像质量。

如上所述的内窥镜系统，所述系统的相对孔径w＝d/f’，其中，w为相对孔径；d为整个系统的入瞳直径即目视系统的入瞳直径；f’为系统的组合焦距，f’＝(f’o·f’c)/f’e，其中，f’o为所述物镜模块的焦距，f’c为所述光学接口光路模块的焦距，f’e为所述目镜的焦距。

如上所述的内窥镜系统，所述系统的相对孔径为1:4-1:6。

如上所述的内窥镜系统，所述物镜模块针对不同规格的产品的入瞳直径为0.2mm～1mm。

如上所述的内窥镜系统，所述目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。

如上所述的内窥镜系统，所述物镜模块的入瞳直径为0.2mm～1mm，所述目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。

如上所述的内窥镜系统，所述系统用于球面或非球面内窥镜。

如上所述的内窥镜系统，所述系统用于外观直径为1.9mm、2.7mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm的内窥镜

如上所述的内窥镜系统，所述系统的视向角可以为0°、30°、45°或者70°以上。

如上所述的内窥镜系统，所述系统中所述物镜模块到所述目镜模块可以为任意长度。

根据本发明的另一个方面，提出了一种内窥镜摄像机光学系统一体化设计方法，所述系统包括沿光路方向依次设置的物镜模块、中继模块、目镜模块、光学接口光路模块和数字超高清摄像机，通过提高所述目镜模块的出瞳直径来提高所述系统的相对孔径，从而提高成像在所述数字超高清摄像机上的图像的分辨率。

如上所述的设计方法，所述目镜模块的出瞳直径提高至3mm-6mm。

如上所述的设计方法，通过提高所述物镜模块的入瞳直径来提高成像在所述数字相机上的图像的分辨率。

如上所述的设计方法，所述物镜模块的入瞳直径提高至0.2mm～1mm。

如上所述的设计方法，所述目镜模块的出瞳直径提高至3mm-6mm的同时，所述物镜模块的入瞳直径提高至0.2mm～1mm。

如上所述的设计方法，所述系统的相对孔径w＝d/f’，其中，w为相对孔径；d为整个系统的入瞳直径即目视系统的入瞳直径；f’为系统的组合焦距，f’＝(f’o·f’c)/f’e，其中，f’o为所述物镜模块的焦距，f’c为所述光学接口光路模块的焦距，f’e为所述目镜的焦距。。

如上所述的设计方法，所述系统的相对孔径为1:4-1:6。

如上所述的设计方法，所述设计方法用于硬质内窥镜。

如上所述的设计方法，所述设计方法用于球面或非球面内窥镜。

如上所述的设计方法，所述系统用于外观直径为1.9mm、2.7mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm的内窥镜

如上所述的设计方法，所述系统的视向角可以为0°、30°、45°或者70°以上

如上所述的设计方法，所述系统中所述物镜模块到所述目镜模块可以为任意长度。

根据本发明的另一个方面，提出一种用于如上所述的内窥镜系统的内窥镜，其包括所述物镜模块、所述中继模块和所述目镜模块。

根据本发明的另一个方面，提出一种用于如上所述的内窥镜系统的内窥镜，其包括所述物镜模块、所述中继模块、所述目镜模块和所述光学接口光路模块。

根据本发明的另一个方面，提出一种用于如上所述的内窥镜系统的光学适配接口，其包括所述光学接口光路模块。

本发明通过提高内窥镜光学系统的入瞳直径和出瞳直径，提高整体的相对孔径，提高分辨率，对内窥镜系统整体考虑设计整体优化，不考虑每一部分的像质。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的示意图。

图3是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的物镜模块示意图。

图4是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的中继模块的示意图。

图5是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的场镜的示意图。

图6是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的目镜的示意图。

图7是根据本发明一个实施例的光学接口光路模块的示意图。

图8为本发明的一个实施例的内窥镜系统mtf图。

图9为本发明的一个实施例的物镜模块与中继模块整体mtf图。

图10为本发明的一个实施例的目镜mtf图。

图11为本发明的一个实施例的光学接口光学mtf图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者特性的改变。

本发明提出了一种全新的内窥镜一体化光学系统，能够大幅度提高内窥镜的分辨率；并且，在本发明的一些实施例中，内窥镜的成本并不会明显提高。

图1是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的示意图。如图所示，内窥镜系统100包括：物镜模块101、中继模块102、目镜模块103、光学接口光路模块104、以及成像装置105。成像装置105可以为数字超高清摄像机。物镜模块101可以包括入瞳106和多个透镜，用于对待观察区域成像。入瞳106可以是类似于光阑，用于限制进入物镜模块的光线。中继模块102包括多个透镜，用于对物镜模块成像的光多次成像，从而传递物镜模块所成的像。目镜模块103包括多个透镜，用于放大从中继模块102接收的像。目镜模块103包括出瞳107。光学接口光路模块104包括多个透镜，用于将来自目镜模块103的成像光线成像到成像装置105的成像面上。光学接口光路模块104紧挨目镜模块103，因此目镜模块103的出瞳107也可以作为光学接口光路模块的入瞳。进一步地，内窥镜可以包括显示器108，用来显示来自成像装置106的图像。

本领域技术人员应当理解，由于光学接口光路模块104与成像装置105适配。在一些实施例中，在光学接口光路模块104与成像装置105的参数给出的情况下，内窥镜的光学系统可以仅包括物镜模块101、中继模块102、和目镜模块103。设计人员根据光学接口光路模块104与成像装置105的参数设计物镜模块101、中继模块102、和目镜模块103。因此，内窥镜的光学系统不包括光学接口光路模块104与成像装置105的情况也包括在本发明的保护范围之中。进一步地，在内窥镜的光学系统可以仅包括物镜模块101、中继模块102、和目镜模块103情况下，在成像装置105给定的情况下，设计人员可以仅设计光学接口光路模块104并将光学接口光路模块104单独提供。因此，光学接口光路模块104也在本发明的保护范围之中。

在现有的内窥镜光学系统设计中，物镜模块102和中继模块103被作为一个整体设计和检测；目镜模块104被单独设计和检测。光学接口光路模块104根据目镜模块103的出瞳和视场以及成像装置105进行设计，以保证在成像装置105的成像面上的成像质量。本领域技术人员已经尝试了很长的时间希望通过改进物镜模块102和中继模块103、目镜模块104或者光学接口光路模块104的设计以增加内窥镜的分辨率，提高成像的质量，但是都没有取得成功。

为了说明本发明内窥镜光学系统的结构，定义新的参数：整体相对孔径w，其中

w＝d/f’(1)

其中，w为相对孔径。d为光学系统的入瞳直径；具体地，d可以为物镜模块101的入瞳106的直径。f’为光学系统的组合焦距，其符合如下定义：

f’＝(f’o·f’c)/f’e(2)

其中，f’o为所述物镜模块101的焦距，f’c为所述光学接口光路模块104的焦距，f’e为所述目镜模块103的焦距。

对于光学系统而言，分辨率能够由像方孔径角(这里表示为u’)决定。一般而言，像方孔径角越大分辨率越高。像方孔径角u’符合如下公式：

2tanu’＝dc/f’c(3)

其中，dc光学接口光路模块104的入瞳。f’c光学接口光路模块104的焦距。由于光学接口光路模块104的入瞳108即整个内窥镜光学系统的出瞳d’，因此有如下公式：

dc＝d’(4)

由此，可以得到如下公式：

2tanu’＝d’/f’c(5)

由于光路的可逆性，内窥镜的光学系统可以近似看作为倒置的望远镜。因此，有如下的公式：

d’/f’c＝d/f’(6)

由此，可以得到公式

2tanu’＝d/f’(7)

由此可见，光学系统的相对孔径w越大，像方孔径角u’越大，光学系统的分辨率越高。

根据本发明的一个实施例，整体相对孔径w的范围为1:4-1:6。举例现有腹腔镜产品入瞳直径一般为0.2mm～0.4mm，出瞳直径为1mm～2mm相对孔径为1:10。在本发明的一些实施例中，入瞳直径为0.6mm，出瞳直径为3mm～6mm，相对孔径为1:4～1:6，可以实现视场角50°到120°的不同产品全视场范围内mtf>0.2@120lp/mm(即每毫米可分辨120对线)的清晰度。

进一步地，根据公式(1)，提高光学系统的物镜模块101的入瞳107有利于提高光学系统的分辨率。根据本发明的一个实施例，所述物镜模块针对不同规格的产品的入瞳直径为0.2mm～1mm。

如上所述，从光学系统的角度，内窥镜的光学系统可以近似看作为倒置的望远镜。目镜模块103的出瞳d’符合以下公式：

d’＝d·f’e/f’o(8)

其中，d’为光学系统的出瞳直径。d为光学系统的入瞳直径。f’o为所述物镜模块101的焦距，f’c为所述光学接口光路模块104的焦距，f’e为所述目镜模块103的焦距。

参考公式(2)，在d不变的情况下，d’越大，f’e/f’o越大。一般而言，光学接口光路模块104的焦距是不变的，那么f’＝(f’o·f’c)/f’e越小，因此w＝d/f’越大。

因此，增大光学系统的出瞳直径d’，即目镜模块的出瞳直径有利于提高系统的分辨率。

根据本发明的一个实施例，所述目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。

根据本发明的一个实施例，入瞳106和出瞳107的大小影响内窥镜光学系统的分辨率。但是，入瞳或者出瞳过大，引入的杂光过多，像的清晰度和分辨率也会受到影响。根据本发明的一个实施例，所述物镜模块的入瞳直径为0.2mm～1mm，且所述目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。

通过以上的描述可以看出，本发明摒弃了物镜模块102和中继模块103、目镜模块104或者光学接口光路模块104的分别设计的缺点，采用了一体化的设计思想，充分考虑的光路的可逆性，能够极大地提高内窥镜的分辨率。在本发明的一些实施例中，采用本发明光学系统的内窥镜的清晰度能够达到mtf>0.2@120lp/mm；并且本发明的光学系统几乎没有增加任何的成本，从而解决了本领域中长期未能解决的提高内窥镜分辨率的问题。

进一步地，本发明的方案并未对内窥镜光学系统的其他方面造成影响。根据本发明的一个实施例，内窥镜光学系统用于球面或非球面内窥镜。根据本发明的一个实施例，内窥镜光学系统用于外观直径为1.9mm、2.7mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm的内窥镜。根据本发明的一个实施例，内窥镜光学系统的视向角可以为0°、30°、45°或者70°以上。根据本发明的一个实施例，内窥镜光学系统中所述物镜模块到所述目镜模块可以为任意长度。

下面通过本发明的视向角30°的内窥镜系统进行说明，并且与现有的内窥镜光学系统进行一些比较，以更好地表明本发明的特点。本领域技术人员应当理解，本实施例仅仅是用于说明本发明的技术方案而非用于限制本发明的范围。

图2是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的示意图。图3是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的物镜模块示意图。图4是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的中继模块的示意图。图5是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的场镜的示意图。图6是根据本发明一个实施例的内窥镜光学系统的目镜模块的示意图。图7是根据本发明一个实施例的光学接口光路模块的示意图。

本实施例中，现有内窥镜的相对孔径为1:8～1:10不能达到高清的分辨率。本实施例的相对孔径为1:4.5，相对照度可以达到现有内窥镜的2～4倍。具体而言，现有内窥镜入瞳直径为0.2mm～0.4mm,本实施例的入瞳直径为0.6mm，将30°转向棱镜展开成平板入瞳位置在第一片负透镜后2mm处。本实施例中，现有内窥镜出瞳直径为1mm～2mm，本实施例的出瞳直径为5mm，出瞳位置在目镜模块模块走后片镜片后4mm处。本实施例中，光学接口光学模块的入瞳直径为5mm，入瞳位置与目镜模块模块的出瞳位置一致。本实施例中，内窥镜可以实现视向角30°的观察方向，视场角70°的观察范围。

具体而言，如图2所示，内窥镜的光学系统包括物镜模块的入瞳01、物镜模块02、中继模块03、场镜04、视场光阑、目镜模块05、光学接口光路模块06和用于成像的ccd(cmos)。图3示出了物镜模块的组成以及其中的光路。如图所示，物镜模块包括2片单片透镜，1片转向棱镜，1片三胶合镜片，和3片双胶合镜片。通过光学系统的物镜模块，待观察的区域经过物镜模块后能够成清晰的像。

图4示出了中继模块及其中的光路。如图所示，中继模块包括3组相同的转像组，每一转像组包括2片双胶合透镜。经过中继模块的多次成像，物镜模块所成的像实现了在中继模块中的传递。本发明的光学系统的中继模块可以包括任意数量的转像组，因此，物镜模块到所述目镜模块可以为任意长度。

图5示出了场镜和视场光阑以及相关光路。场镜设置在中继模块最后一组镜片后的一定距离处，对中继传递的像进行折转，降低目镜模块光学系统及光学接口光路模块的口径。本实施例中视场光阑的直径为4.1mm，限制视场的大小为75°。图6示出了目镜模块及其中的光路。如图所示，目镜模块包括2片双胶合镜片。在本实施例中，目镜模块的入瞳的直径为5毫米，设置在目镜模块最后一组镜片后4mm处。如图6所示，从目镜模块出射的光线是发散的/非平行的，而非平行光。一般认为，目镜模块出射平行光是更为合理的选择，然而按照本发明的光学系统，从目镜模块出射的光线是非平行光，而这将更有利于提高内窥镜光学系统的分辨率。图7示出了光学接口光路模块及其中的光路。如图所示，光学接口光路模块包括3片双胶合镜片。应当注意，图6中目镜模块的出瞳即为图7中光学接口光路模块的入瞳。经过光学接口光路模块后来自目镜模块的光线在成像面上成高清图像。

所谓高清图像，其分辨率为mtf>0.2@40lp/mm以上，mtf>0.2@50lp/mm以上，mtf>0.2@60lp/mm以上，mtf>0.2@70lp/mm以上，mtf>0.2@80lp/mm以上，mtf>0.2@90lp/mm以上，mtf>0.2@100lp/mm以上，mtf>0.2@110lp/mm以上，mtf>0.2@120lp/mm以上，mtf>0.2@130lp/mm以上，mtf>0.2@140lp/mm以上，或者mtf>0.2@150lp/mm以上。

图8为本发明的一个实施例的内窥镜系统mtf图。在本实施例中，光学系统的分辨率可以高达mtf>0.2@120lp/mm。进一步地，图9为本发明的一个实施例的物镜模块与中继整体mtf图。图10为本发明的一个实施例的目镜模块mtf图。图11为本发明的一个实施例的光学接口光学mtf图。

值得注意的是，在本实施例中，参考图9，物镜模块镜的成像质量仅仅为达到mtf>0.2@40lp/mm。在本实施例中，参考图10，目镜模块的成像质量也仅仅才达到mtf>0.2@20lp/mm。然而，在本实施例中，参考图11，在光学接口光路模块的成像质量却达到出人意料的mtf>0.1@120lp/mm。也就是说，成像在成像装置成像面上的图像的成像质量优于物镜模块和中级光学组、或者目镜模块、或者光学接口光路模块单独所输出的图像的成像质量。物镜模块与中继模块，目镜模块，光学接口光路模块的光学传递函数不需要单独考虑成像质量，但整体光学传递函数(如图8)可以达到设计要求。

根据本发明的一个实施例，提出一种内窥镜光学系统的一体化设计方法。所述设计方法可以应用在如上的光学系统中，所述光学系统包括沿光路方向依次设置的物镜模块、中继模块、和目镜模块，所述方法包括：提高所述目镜模块的出瞳直径来提高所述系统的相对孔径；或者，提高所述物镜模块的入瞳直径来提高所述系统的相对孔径。在一些实施例中，所述目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。在另一些实施例中，所述物镜模块的入瞳直径为0.2mm～1mm。

根据本发明的一个实施例，可以选择同时提高所述目镜模块的出瞳直径和所述物镜模块的入瞳直径来提高所述系统的相对孔径。在一些实施例中，物镜模块的入瞳直径为0.2mm～1mm，目镜模块的出瞳直径为3mm-6mm。

进一步地，根据本发明的一个实施例，所述光学系统进一步包括沿光路方向依次设置的光学接口光路模块和成像装置，其中光学接口光路模块紧挨目镜模块。所述方法进一步包括：设置所述系统的相对孔径为1:4-1:6，其中所述系统的相对孔径w＝d/f’，其中，w为相对孔径；d为光学系统的入瞳直径；f’为光学系统的组合焦距，f’＝(f’o·f’c)/f’e，其中，f’o为所述物镜模块的焦距，f’c为所述光学接口光路模块的焦距，f’e为所述目镜模块的焦距。

根据本发明的一个实施例，所述系统用于球面或非球面内窥镜光学系统。根据本发明的一个实施例，所述系统用于外观直径为1.9mm、2.7mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm的内窥镜光学系统。根据本发明的一个实施例，所述系统的视向角可以为0°、30°、45°或者70°以上。根据本发明的一个实施例，物镜模块到目镜模块之间可以为任意长度。

根据本发明的一个实施例，提出了一种内窥镜，其包括：如上所述的内窥镜光学系统；或者如上所述的设计方法所设计的内窥镜光学系统。根据本发明的一个实施例，所述内窥镜为硬质内窥镜。

根据本发明的一个实施例，提出了一种内窥镜的制造方法，包括如下步骤：提供沿光路方向的物镜模块、中继模块、目镜模块、光学接口光路模块和成像装置；设置所述目镜模块的出瞳直径或者所述物镜模块的入瞳直径以具有提高的所述系统的相对孔径；以及调整物镜模块、中继模块、目镜模块、光学接口光路模块中的一个或多个以使得待观察区域在成像装置的成像面上成高清图像。

根据本发明的一个实施例，所述高清图像的分辨率为mtf>0.2@40lp/mm以上，mtf>0.2@50lp/mm以上，mtf>0.2@60lp/mm以上，mtf>0.2@70lp/mm以上，mtf>0.2@80lp/mm以上，mtf>0.2@90lp/mm以上，mtf>0.2@100lp/mm以上，mtf>0.2@110lp/mm以上，mtf>0.2@120lp/mm以上，mtf>0.2@130lp/mm以上，mtf>0.2@140lp/mm以上，或者mtf>0.2@150lp/mm以上。

根据本发明的一个实施例，提出了一种内窥镜光学系统的制造方法，包括：提供沿光路方向的物镜模块、中继模块、目镜模块；提供与所述光学系统适配的光学接口光路模块和成像装置的参数；设置所述目镜模块的出瞳直径或者所述物镜模块的入瞳直径以具有提高的所述系统的相对孔径；以及调整物镜模块、中继模块、目镜模块中的一个或多个以使得待观察区域经过物镜模块所成的像经过中继模块和目镜模块出射后能够在所述适配的光学接口光路模块和成像装置的参数所定义的成像装置的成像面上成高清图像。

根据本发明的一个实施例，所述高清图像的分辨率为mtf>0.2@40lp/mm以上，mtf>0.2@50lp/mm以上，mtf>0.2@60lp/mm以上，mtf>0.2@70lp/mm以上，mtf>0.2@80lp/mm以上，mtf>0.2@90lp/mm以上，mtf>0.2@100lp/mm以上，mtf>0.2@110lp/mm以上，mtf>0.2@120lp/mm以上，mtf>0.2@130lp/mm以上，mtf>0.2@140lp/mm以上，或者mtf>0.2@150lp/mm以上。

根据本发明的一个实施例，提出了一种用于内窥镜光学系统的光学接口光路模块，其包括多个透镜，所述多个透镜接收待观察区域经物镜模块所成的像在中继模块和目镜模块后以非平行光的方式/发散光的方式出射的光线并出射光线以在成像装置的成像面上成高清图像。

根据本发明的一个实施例，所述高清图像的分辨率为mtf>0.2@40lp/mm以上，mtf>0.2@50lp/mm以上，mtf>0.2@60lp/mm以上，mtf>0.2@70lp/mm以上，mtf>0.2@80lp/mm以上，mtf>0.2@90lp/mm以上，mtf>0.2@100lp/mm以上，mtf>0.2@110lp/mm以上，mtf>0.2@120lp/mm以上，mtf>0.2@130lp/mm以上，mtf>0.2@140lp/mm以上，或者mtf>0.2@150lp/mm以上。

本发明的内窥镜光学系统和内窥镜通过提高系统整体相对孔径来改变光路的系统分辨率，而且这种提高相对孔径设计方案，不仅可以应用在30°腹腔镜中，也可以应用到等各种外观直径，和各种内窥镜长度中，及各种视向角中，如0°、30°、45°、70°不局限于以上所列出的直径规格、长度规格、视向角规格。例如：腹腔镜0°、30°，直径10mm，直径5mm或4mm宫腔镜、膀胱镜、关节镜、鼻内镜、喉内镜、耳内镜、椎间孔镜等硬性内窥镜。本发明的内窥镜也可以用于工业领域。

上述实施例仅供说明本发明之用，而并非是对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本发明公开的范畴。