一种超细径大景深高分辨率内窥光学成像系统的制作方法

[0001]
本发明涉及内窥光学成像系统技术领域，具体涉及一种超细径大景深高分辨率内窥光学成像系统。


背景技术：

[0002]
随着科学技术的发展，医用内窥镜经历了从硬性医用内窥镜到光纤内窥镜再到电子内窥镜的转变过程。镜头是医用内窥镜的重要组成部分，它的成像质量的好坏直接影响着内窥镜的使用效果。并且对于内窥镜装置来说，它将会向微型化、观测范围广、高性能等方向发展。内窥镜是目前很常用的一种医疗检测设备，可以经人体的天然孔道进入到达所要检查病变的位置，对病变情况进行实时动态成像，但受人体结构限制，狭窄区常规内窥镜检查时无法抵达，并给人体造成不适感，因此内窥镜的体积越小，给人体造成的不适感越小，在市场中将具有更大的竞争力。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于提供一种超细径大景深高分辨率内窥光学成像系统，具有具有超细径、大景深及高分辨率的镜头，其超细径内窥镜可抵达人体更细的腔道，同时，大景深可实现更大工作范围内的高分辨率成像，进而提高诊断的准确率。
[0004]
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
[0005]
一种超细径大景深高分辨率内窥光学成像系统，其特征在于，包括从物侧依次设置的第一透镜、第二透镜、光阑、第三透镜、第四透镜，红外滤光片，芯片保护玻璃，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为球面透镜且均以空气为间隔分离设置，所述第一透镜具有负光焦度，其物侧面为平面，其像侧面为凹面；所述第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，其像侧面为凸面；所述第三透镜具有负光焦度，其物侧面为凸面，其像侧面为凹面；所述第四透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面，其像侧面为凸面；所述第一透镜物侧面的最大的有效半径≤0.5；所述内窥光学成像系统的镜头f数为5-8。
[0006]
进一步地，所述内窥光学成像系统的全视场角在75
°-
105
°
之间，镜片最大口径为1.0mm，工作距离为2mm-50mm，镜头总长≤3.0mm。
[0007]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0008]
et12＞0.15mm；
[0009]
et34＞0.07mm；
[0010]
0.45<r7≤0.95；
[0011]
r2≥0.45；
[0012]
r6>0.45；
[0013]
et2>0.37mm；
[0014]
其中，et12为所述第一透镜与第二透镜边缘处空气间隙，et34第三透镜和第四透镜边缘处空气间隙，r7为第四透镜物侧面凸面曲率半径，r2为所述第一透镜像侧面凹面曲
率半径，r6为所述第三透镜像侧面凹面曲率半径，et2为所述第二透镜的边厚。
[0015]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0016]
2.5<f*tan(hfov)/t34<7.5；
[0017]
其中，f为内窥光学光学成像系统的有效焦距，t34为第三透镜和第四透镜在光轴上的空气间隔，hfov为内窥光学成像系统的最大视场角的一半。
[0018]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0019]
0.5mm<f*tan(hfov)<0.8mm；
[0020]
其中，f为内窥光学成像系统的有效焦距,hfov为内窥光学成像系统的最大视场角的一半。
[0021]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0022]-6.5≤f3/f<-1.5；
[0023]
1.2<f4/f<1.5；
[0024]-5.0<(f3/f+f2/f)<-0.5；
[0025]
其中，f2为第二透镜的有效焦距，f3为第三透镜的有效焦距，f4为第四透镜的有效焦距，f为内窥光学成像系统的有效焦距。
[0026]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0027]-2.5<r4/r3<-0.5；
[0028]
1.0<(r5+r6)/r7≤7.0；
[0029]-2.0<(r7-r8)/(r7+r8)<22.0；
[0030]
其中，r3为第二透镜物侧面的曲率半径，r4为第二透镜像侧面的曲率半径，r5为第三透镜物侧面的曲率半径，r6为第三透镜像侧面的曲率半径，r7为第四透镜物侧面的曲率半径，r8为第四透镜像侧面的曲率半径。
[0031]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0032]
2.0<∑ct/ct2<3.5；
[0033]
0.45<∑ct/ttl<0.6；
[0034]
其中，∑ct为第一透镜至第四透镜在光轴上中心厚度的总和，ct2为第二透镜在光轴上的中心厚度，ttl为第一透镜物侧面至成像面的轴上距离。
[0035]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0036]
0.5<|f12/f34|<4.5；
[0037]
其中，f12为第一透镜和第二透镜的组合焦距，f34为第三透镜和第四透镜的组合焦距。
[0038]
进一步地，所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0039]
0.3<dt41/∑at<1.0；
[0040]
其中，dt41为第四透镜物侧面的最大的有效半径，∑at为第一透镜至第四透镜任意相邻两透镜之间在光轴上的空气间隔的总和。
[0041]
本发明的有益效果有：
[0042]
(1)本发明通过限定第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的面型及其光焦度，能够使内窥光学成像系统具有良好的成像质量；通过限定第一透镜物侧面的最大的有效半径，能够使内窥光学成像系统具有超细径的特性；通过适当地调整内窥光学成像系统
的有效焦距和入瞳直径，使内窥光学成像系统具有大景深的特性；
[0043]
(2)本发明通过限定第一透镜、第三透镜和第四透镜的曲率半径，第一透镜像侧面边缘到第二透镜物侧面边缘的空气间隙及第三透镜像侧面边缘到第四透镜物侧面边缘的空气间隙，能够使内窥光学成像系统满足光学和结构尺寸的加工要求；
[0044]
(3)本发明通过优化内窥光学成像系统的有效焦距、透镜间的组合焦距、透镜像侧面的曲率半径、透镜的光轴上中心厚度、透镜物侧面的最大的有效半径等参数，进一步优化内窥光学成像系统的成像质量，使镜头小型化，又满足加工性能。
附图说明
[0045]
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0046]
图1为本发明的实施例1的结构示意图。
[0047]
图2为本发明的实施例1的轴上色差曲线图。
[0048]
图3为本发明的实施例1的像散曲线图。
[0049]
图4为本发明的实施例1的畸变曲线图。
[0050]
图5为本发明的实施例1的mtf曲线图。
[0051]
图6为本发明的实施例2的结构示意图。
[0052]
图7为本发明的实施例2的轴上色差曲线图。
[0053]
图8为本发明的实施例2的像散曲线图。
[0054]
图9为本发明的实施例2的畸变曲线图。
[0055]
图10为本发明的实施例2的mtf曲线图。
[0056]
图11为本发明的实施例3的结构示意图。
[0057]
图12为本发明的实施例3的轴上色差曲线图。
[0058]
图13为本发明的实施例3的像散曲线图。
[0059]
图14为本发明的实施例3的畸变曲线图。
[0060]
图15为本发明的实施例3的mtf曲线图。
[0061]
图16为本发明的实施例4的结构示意图。
[0062]
图17为本发明的实施例4的轴上色差曲线图。
[0063]
图18为本发明的实施例4的像散曲线图。
[0064]
图19为本发明的实施例4的畸变曲线图。
[0065]
图20为本发明的实施例4的mtf曲线图。
[0066]
图21为本发明的实施例5的结构示意图。
[0067]
图22为本发明的实施例5的轴上色差曲线图。
[0068]
图23为本发明的实施例5的像散曲线图。
[0069]
图24为本发明的实施例5的畸变曲线图。
[0070]
图25为本发明的实施例5的mtf曲线图。
具体实施方式
[0071]
如图1、图6、图11、图16、图21所示，一种超细径大景深高分辨率内窥光学成像系统，包括从物侧依次设置的第一透镜e1、第二透镜e2、光阑sto、第三透镜e3、第四透镜e4，红
外滤光片e5，芯片保护玻璃e6，所述第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3和第四透镜e4均为球面透镜且均以空气为间隔分离设置，所述第一透镜e1具有负光焦度，其物侧面s1为平面，其像侧面s2为凹面；所述第二透镜e2具有正光焦度，其物侧面s3为凸面，其像侧面s4为凸面；所述第三透镜e3具有负光焦度，其物侧面s5为凸面，其像侧面s6为凹面；所述第四透镜e4具有正光焦度，其物侧面s7为凸面，其像侧面s8为凸面；滤光片e5具有物侧面s9和像侧面s10；芯片保护玻璃e6具有物侧面s11和像侧面s12。来自物体的物面obj的光依次穿过各表面s1至s12并最终成像在成像面s13上。所述第一透镜e1物侧面的最大的有效半径≤0.5；所述内窥光学成像系统的镜头f数为5-8。所述内窥光学成像系统的全视场角在75
°-
105
°
之间，镜片最大口径为1.0mm，工作距离为2mm-50mm，镜头总长≤3.0mm。
[0072]
本发明通过限定第一透镜e1、第二透镜e2、第三透镜e3和第四透镜e4的面型及其光焦度，能够使内窥光学成像系统具有良好的成像质量；通过限定第一透镜e1物侧面的最大的有效半径，能够使内窥光学系统具有超细径的特性；通过适当地调整内窥光学成像系统的有效焦距和入瞳直径，即镜头f数，能够使内窥光学成像系统具有大景深的特性。
[0073]
所述内窥光学成像系统满足以下关系：
[0074]
(1)et12＞0.15mm；
[0075]
et34＞0.07mm；
[0076]
0.45<r7≤0.95；
[0077]
r2≥0.45；
[0078]
r6>0.45；
[0079]
et2>0.37mm。
[0080]
其中，et12为所述第一透镜e1与第二透镜e2边缘处空气间隙，et34第三透镜e3和第四透镜e4边缘处空气间隙，r7为第四透镜e4物侧面凸面曲率半径；r2为所述第一透镜e1像侧面凹面曲率半径，r6为所述第三透镜e3像侧面凹面曲率半径，et2为所述第二透镜的边厚。
[0081]
本发明通过限定第一透镜e1、第三透镜e3和第四透镜e4的曲率半径，第一透镜e1像侧面边缘到第二透镜e2物侧面边缘的空气间隙及第三透镜e3像侧面边缘到第四透镜e4物侧面边缘的空气间隙，能够使内窥光学成像系统满足光学和结构尺寸的加工要求。
[0082]
(2)2.5<f*tan(hfov)/t34<7.5；
[0083]
其中，f为内窥光学成像系统的有效焦距，t34为第三透镜e3和第四透镜e4在光轴上的空气间隔，hfov为内窥光学成像系统的最大视场角的一半。
[0084]
本发明通过对第三透镜e3和第四透镜e4在光轴上的空气间隔的优化及像高的限定，使得系统同时具有高分辨率且容易加工的特点。
[0085]
(3)0.5mm<f*tan(hfov)<0.8mm；
[0086]
其中，f为内窥光学成像系统的有效焦距，hfov为内窥光学成像系统的最大视场角的一半。
[0087]
本发明通过合理地分配内窥光学成像系统的有效焦距及最大视场角的一半，可有效地压缩了系统的尺寸，使得光线偏折角度小。
[0088]
(4)-6.5≤f3/f<-1.5；
[0089]
1.2<f4/f<1.5；
[0090]-5.0<(f3/f+f2/f)<-0.5；
[0091]
其中，f2为第二透镜e2的有效焦距，f3为第三透镜e3的有效焦距，f4为第四透镜e4的有效焦距，f为内窥光学成像系统的有效焦距。
[0092]
本发明通过控制第三透镜e3的焦距与内窥光学成像系统的有效焦距比值范围，能够合理的控制其光焦度的贡献范围，同时合理的控制其正球差的贡献率，使得其能合理的平衡正透镜产生的负的光焦度。
[0093]
本发明通过约束第四透镜e4的光焦度与内窥光学成像系统的有效焦距比值在合理的范围，能够使得其平衡后剩余球差来平衡前三片透镜产生的球差，进而对系统的球差进行微调和控制，并且加强对轴上视场像差的精确控制。
[0094]
本发明通过合理控制第三透镜e3的焦距与内窥光学成像系统的有效焦距比值以及第二透镜e2的焦距与内窥光学成像系统的有效焦距比值之和的范围，能够贡献合理的正三阶球差和负五阶球差，平衡第二透镜e2和第三透镜e3所产生的负三阶球差和正五阶球差，使系统具有较小的球差，保证轴上视场良好的成像质量。
[0095]
(5)-2.5<r4/r3<-0.5；
[0096]
1.0<(r5+r6)/r7≤7.0；
[0097]-2.0<(r7-r8)/(r7+r8)<22.0；
[0098]
其中，r3为第二透镜e2物侧面的曲率半径，r4为第二透镜e2像侧面的曲率半径，r5为第三透镜e3物侧面的曲率半径，r6为第三透镜e3像侧面的曲率半径，r7为第四透镜e4物侧面的曲率半径，r8为第四透镜e4像侧面的曲率半径。
[0099]
本发明通过限定第二透镜e2物侧面和像侧面的曲率半径的比值范围，能够有效的约束第二透镜e2的形状，进而有效的控制第二透镜e2的物侧和像侧表面的像差贡献率，来有效的平衡系统与孔径带相关的像差，进而有效的提升系统的成像质量。
[0100]
本发明通过控制第三透镜e3和第四透镜e4物侧面及像侧面的曲率半径，能够对内窥光学成像系统的各个视场的主光线在像面的入射角有相对合理的控制，满足内窥光学成像系统设计主光线入射角度的要求。
[0101]
本发明通过控制第四透镜e4的物侧面曲率半径和像侧面曲率半径在一合理的范围，能够有效的控制其物侧和像侧表面像散量的贡献，进而有效的对中间视场和孔径带的像质进行合理的控制。
[0102]
(6)2.0<∑ct/ct2<3.5；
[0103]
0.45<∑ct/ttl<0.6；
[0104]
其中，∑ct为第一透镜e1至第四透镜e4在光轴上中心厚度的总和，ct2为第二透镜e2在光轴上的中心厚度，ttl为第一透镜e1物侧面至成像面的轴上距离。
[0105]
本发明通过约束所有透镜在光轴上中心厚度的总和与第二透镜e2在光轴上的中心厚度的比值在一合理的范围，既保证满足加工性能，又满足镜头小型化。
[0106]
本发明通过控制所有透镜在光轴上中心厚度的总和与光学系统总长的比值范围，能够合理的控制其平衡后剩余畸变的范围，使得系统具有良好的畸变表现。
[0107]
(7)0.5<|f12/f34|<4.5；
[0108]
其中，f12为第一透镜e1和第二透镜e2的组合焦距，f34为第三透镜e3和第四透镜e4的组合焦距。
s9球面无穷0.30000.36671.52,64.1s10球面无穷0.03000.4141 s11球面无穷0.40000.42141.52,64.1s12球面无穷0.04000.4873 s13球面无穷 0.4962 [0130]
实施例5
[0131]
本实施例的各透镜的表面类型、曲率半径、厚度、半口径及材料如表5所示。
[0132]
表5实施例5内窥光学成像系统透镜参数
[0133][0134][0135]
上述实施例1-5中，内窥光学成像系统的基础数据如表6所示。
[0136]
表6各实施例内窥光学成像系统的基础数据
[0137]
基础数据/实施例实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5f1(mm)-0.65-0.61-0.74-0.60-0.67f2(mm)0.810.780.700.720.78f3(mm)-2.81-3.38-1.34-2.19-3.35f4(mm)0.780.771.050.760.94f(mm)0.630.560.740.540.74ttl(mm)2.913.002.992.902.95imgh(mm)0.500.500.500.500.60hfov(
°
)45.1448.4438.5750.8044.97
[0138]
其中，f为内窥光学成像系统的有效焦距，f1为第一透镜e1的有效焦距，f2为第二透镜e2的有效焦距，f3为第三透镜e3的有效焦距，f4为第四透镜e4的有效焦距，ttl为第一透镜e1物侧面至成像面的轴上距离，imgh为内窥光学成像系统的半像高，hfov为内窥光学成像系统的最大视场角的一半。
[0139]
上述实施例1-5中，内窥光学成像系统满足表7的条件。
[0140]
表7各实施例内窥光学成像系统的条件关系
[0141][0142][0143]
对于实施例1，图2为光学成像镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图3为光学成像镜头的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图4为光学成像镜头的畸变曲线，其表示不同像高处对应的畸变大小值。图5为光学成像镜头的mtf曲线，其表示不同空间频率下，中心视场、0.5视场子午方向、0.5视场弧矢方向、1.0视场子午方向和1.0视场弧矢方向mtf值，其中，1.0视场对应的全视场角为90.3
°
。
[0144]
对于实施例2，图7为光学成像镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图8为光学成像镜头的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图9为光学成像镜头的畸变曲线，其表示不同像高处对应的畸变大小值。图10为光学成像镜头的mtf曲线，其表示不同空间频率下，中心视场、0.5视场子午方向、0.5视场弧矢方向、1.0视场子午方向和1.0视场弧矢方向mtf值，其中，1.0视场对应的全视场角为96.9
°
。
[0145]
对于实施例3，图12为光学成像镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图13为光学成像镜头的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图14为光学成像镜头的畸变曲线，其表示不同像高处对应的畸变大小值。图15为光学成像镜头的mtf曲线，其表示不同空间频率下，中心视场、0.5视场子午方向、0.5视场弧矢方向、1.0视场子午方向和1.0视场弧矢方向mtf值，其中，1.0视场对应的全视场角为77.1
°
。
[0146]
对于实施例4，图17为光学成像镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图18为光学成像镜头的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图19为光学成像镜头的畸变曲线，其表示不同像高处对应的畸变大小值。图20为光学成像镜头的mtf曲线，其表示不同空间频率下，中心视场、0.5视场子午方向、0.5视场弧矢方向、1.0视场子午方向和1.0视场弧矢方向mtf值，其中，1.0视场对应的全视场角为102.6
°
。
[0147]
对于实施例5，图22为光学成像镜头的轴上色差曲线，其表示不同波长的光线经由镜头后的会聚焦点偏离。图23为光学成像镜头的像散曲线，其表示子午像面弯曲和弧矢像面弯曲。图24为光学成像镜头的畸变曲线，其表示不同像高处对应的畸变大小值。图25为光学成像镜头的mtf曲线，其表示不同空间频率下，中心视场、0.5视场子午方向、0.5视场弧矢方向、1.0视场子午方向和1.0视场弧矢方向mtf值，其中，1.0视场对应的全视场角为90.0
°
。
[0148]
综上，本发明的内窥光学成像系统，具有超细径、大景景深及高分辨率的镜头，结构紧凑，便于加工和安装，具有良好的成像质量，满足医用内窥镜的小型化、轻量化、广角化的需求。
[0149]
上述说明是示例性的而非限制性的。通过上述说明本领域技术人员可以意识到本发明的许多种改变和变形，其也将落在本发明的实质和范围之内。