一次性硬管内窥镜的制作方法

1.本发明属于光学设计技术领域，具体涉及一种一次性硬管内窥镜本体及其光学系统设计方法，该设计方法设计的硬管内窥镜其物镜和3组转像系统构成硬管内窥镜本体，硬管内窥镜主体光学系统无法校正的球差、色差、场曲等像差由后续的cmos相机成像系统校正。


背景技术：

2.如图1所示，现有的硬管内窥镜光学系统包含三部分：obj为硬管内窥镜物镜，其对物体成倒像；rel为硬管内窥镜光学转像系统，其对物镜所成的像重新1:1成像，经多次转像后最终在硬管内窥镜目镜物方焦面处成正立的实像，其作用是增加硬管内窥镜的工作长度；ocu为硬管内窥镜目镜，将内窥镜图像成像在无穷远，观察者可通过其观察前述正立实像。
3.图2为现有的硬管内窥镜光学转像系统结构图，该种结构由一对结构参数相同的双胶合薄透镜组构成，光阑位于中间，垂轴像差得到良好校正。但由于采用薄透镜组，系统光能透过率较低，且在装配时镜片容易倾斜，从而影响像质，现在已经没有企业使用。
4.图3所示现有的硬管内窥镜光学转像系统，其为对称结构，其中hopkins棒状透镜一端与焦距为负的薄负透镜相胶合，薄透负镜使用高折射率、高色散的光学玻璃，用于校正轴向色差，但不能校正场曲。这种硬管内窥镜光学转像系统优点是结构简单，缺点在于hopkins棒状透镜非胶合面半径大，用传统的光学加工工艺加工比较困难。
5.图4所示现有的硬管内窥镜光学转像系统结构，hopkins棒状透镜两端胶合博透镜，hopkins棒状透镜球面半径小，加工简单，但胶合面多，胶合费工时，同时，胶合面偏心严重影响图像质量。
6.图5所示现有的硬管内窥镜光学转像系统中，仅使用结构对称的两个hopkins棒状透镜，透镜片数最少，不能校正任何像差，球面半径大，加工难度都非常大，目前无法被被企业广泛使用。
7.目前，硬管内窥镜光学系统由目镜、3或者5组转像系统与目镜组组成，结构复制，成本高，无法一次性使用。
8.本发明要解决的技术难题为：在设计透镜片数最少，使一次性硬管内窥镜本体成本最低。不校正传统的由物镜和3组光学结构相同的1：1对称转像系统构成的硬管内窥镜本体光学系统存在的球差、慧差、场曲等像差，取消目镜和眼罩，硬管内窥镜本体末端为锥面，与特制cmos接口配合使用。


技术实现要素：

9.本发明需要解决的技术问题为：物镜和3组光学结构相同的1：1对称转像系统构成的硬管内窥镜本体，使一次性硬管内窥镜主体成本最低，结构最简单。
10.本发明的技术方案如下所述：
11.物镜与3组光学结构相同的1：1对称转像系统构成的一次性硬管内窥镜本体，可以满足关节镜、鼻窦镜的175mm工作长度要求，由于像差没有得到校正，也没有目镜，无法单独使用，需要与本发明中另外设计的cmos相机成像系统以及计算机软件来配合，标定硬管内窥镜视场方向后即可投入正常工作。
12.本发明中的一次性硬管内窥镜光学系统，其3组光学结构相同的1：1对称转像系统由6根球面半径相同的双凸厚透镜组成，物镜和3组光学结构相同的1：1对称转像系统系统构成硬管内窥镜本体，适用于鼻窦镜、关节镜等。由3组光学结构相同的1：1对称转像系统系统构成的转像系统，只能将位于第一组转像系统前焦点的物镜的像经过3组转像系统后在最后一组转像系统后焦点处成像，此时尚无法良好校正任何像差，其像差由后续的cmos相机成像系统校正。cmos相机成像系统由准直透镜组和成像透镜组组成，准直透镜组将转像系统的图像成像在无穷远，同时校正由物镜和3组转像系统构成的硬管内窥镜本体光学系统无法校正的球差、慧差、场曲等像差；cmos相机成像系统成像透镜组将cmos相机成像系统准直透镜组成像在无穷远的像汇聚在cmos像面上，同时进一步校正其前面的光学系统的剩余像差，获得理想图像。为了标定硬管内窥镜视场方向，采用计算机软件控制图像显示范围的方法，限制硬管内窥镜视场显示范围，并提供方向标功能。
13.本发明的有益效果为：
14.1)本发明的一次性硬管内窥镜光学系统镜片数量少，没有目镜和眼罩，结构简单，成本低。
15.2)本发明的cmos相机成像系统可以有效校正一次性硬管内窥镜本体光学系统的各种像差，获得清晰图像。
16.3)本发明的一次性硬管内窥镜本体可以一次性使用，也可以复消使用；
17.4)本发明的cmos相机成像系统取代传统的接口透镜结构，节省了大量的目镜和眼罩。
18.5)电子视场光阑，节约了机械视场光阑的成本，机械件结构更简单。
附图说明
19.图1为现有的三段式硬管内窥镜光学系统结构图。
20.图2为现有的硬管内窥镜光学转像系统结构原理图。
21.图3为现有的硬管内窥镜光学转像系统结构一。
22.图4为现有的硬管内窥镜光学转像系统结构二。
23.图5为现有的硬管内窥镜光学转像系统结构三。
24.图6a为本发明的一次性硬管内窥镜本体总体结构图。
25.图6b为本发明的0
°
直视内窥镜物镜结构图。
26.图6c为本发明的30
°
斜视物镜结构结构图。
27.图6d为本发明的70
°
斜视物镜结构图。
28.图6e为本发明的3组转像系统结构图。
29.图7a为本发明的cmos相机成像系统光学结构图。
30.图7b为本发明的cmos相机成像系统准直透镜组结构图。
31.图7c为本发明的cmos相机成像系统成像透镜组结构图。
32.图8是本发明的经计算机软件处理后的成像图。
33.图9是一次性硬管内窥镜结构示意图。
34.图10是cmos相机成像系统机械结构图
具体实施方式
35.一次性硬管内窥镜本体如图6a所示，由物镜和3组光学结构相同的1：1对称转像系统组成。其中，1-1是蓝宝石保护片、1-2是平凹透镜、1-3是光阑片、1-5是转向棱镜、1-5是平凸透镜，5个光学零件按设计要求胶合在一起，形成物镜第一组件；2-1是平凹透镜、2-2是平凸透镜，两者胶合在一起，形成物镜第二组件；3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6是结构参数完全相同的双凸厚透镜，它们前后焦点相接，构成3组光学结构相同的1：1对称转像系统，3-1的前焦点与物镜像面image位置重合，image1、image2、image3是3组转像系统成的像，image3位于3-6双凸厚透镜的后焦点。
36.图6b为0
°
直视内窥镜物镜结构，它不含棱镜1-4；图6c为30
°
斜视物镜结构；图6d为70
°
斜视物镜结构；图6e是3组转像系统结构图。
37.由物镜与3组光学结构相同的1：1对称转像系统构成的一次性硬管内窥镜本体的各种像差没有得到校正，加入cmos相机成像系统后像差得到了很好的校正。像image3被cmos相机成像系统准直透镜组成像在无穷远，像image4是cmos相机成像系统成像透镜组在cmos像面成的像。
38.图7a是cmos相机成像系统光学结构图，图7b是cmos相机成像系统准直透镜组结构图，图7c是cmos相机成像系统成像透镜组结构图。
39.图8是用计算机软件将cmos中心直径3.2mm范围外的像素不显示，一次性硬管内窥镜图像显示在直径3.2mm范围内，并且设置了方向标。为了获得清晰的光学图像，cmos相机成像系统成像透镜组可以沿光轴方向微调焦。
40.图9是一次性硬管内窥镜结构示意图，图6a所示一次性硬管内窥镜本体光学系统镜片依次装配在一次性硬管内窥镜内管6-2中；内管6-2与外管6-1中间装配有照明光纤丝，照明光纤丝的另一端通过照明光纤束连接套6-4的入射端，光纤端面被抛光；主体6-3与外管6-1之间激光密封焊接；主体6-3与照明光纤束连接套6-4之间激光密封焊接或者环氧胶粘接；主体6-3与末端密封套6-5之间激光密封焊接；末端保护片6-6与末端密封套6-5之间环氧胶密封粘接；末端密封套6-5与一次性硬管内窥镜本体固定件6-7之间用激光密封焊接，焊接时调整两者之间的相对位置，使图像清晰，定位销6-8与一次性硬管内窥镜本体固定件6-7压配，以确定硬管内窥镜本体方向。
41.图10是cmos相机成像系统机械结构图，锁紧环7-1将一次性硬管内窥镜本体固定件6-7与cmos相机成像系统主体7-3之间的锥面配合锁紧，定位销6-8在cmos相机成像系统主体7-3的月牙槽内，起限位作用。cmos相机成像系统主体7-3与cmos相机连接，cmos相机成像系统准直透镜组的镜片依次装配在直透镜组镜筒7-2中，cmos相机成像系统成像透镜组镜片依次装配在成像透镜组镜筒7-4内，直透镜组镜筒7-2与成像透镜组镜筒7-4依次装配在cmos相机成像系统主体7-3内。为了调整成像透镜组镜头位置，可以加入调焦机构，这里略去。
42.本发明中本发明的cmos相机成像系统取代传统的接口透镜结构，节省了大量的目
镜和眼罩的同时能够使得传统的硬管内窥镜本体光学系统的球差、色差和场曲得到校正，结合采用电子视场光阑，节约了机械视场光阑的成本，机械件结构更简单。