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CN106842547B - 内窥用摄像物镜光学系统 - Google Patents

内窥用摄像物镜光学系统 Download PDF

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CN106842547B CN201710101554.4A CN201710101554A CN106842547B CN 106842547 B CN106842547 B CN 106842547B CN 201710101554 A CN201710101554 A CN 201710101554A CN 106842547 B CN106842547 B CN 106842547B
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Abstract

本发明公开了一种内窥用摄像物镜光学系统，自物体侧到像侧依次包括第一透镜组、光阑和第二透镜组，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组由第一透镜和第二透镜组成，所述第二透镜组由一具有正光焦度的第三透镜组成，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为由塑料材料制成，并满足以下条件式：f/H(L1r1)<4；H(L1r1)/IMH<0.5；其中，f是内窥用摄像物镜光学系统的焦距，H(L1r1)是指常规观察时最大像高对应的主光线通过第一透镜组的物体侧的面所对应的高度，IMH是常规观察时对应的芯片感光面上的最大像高。本发明提供的内窥用摄像物镜光学系统，具有小径化、视场广角大、像差校正良好且成本低的特点。

Description

内窥用摄像物镜光学系统
技术领域
本发明涉及一种物镜光学系统，具体地说，涉及一种内窥用摄像物镜光学系统。
背景技术
内窥镜是一种医疗光学仪器，由体外经过人体自然腔道送入体内，对体内疾病进行检查，可以直接观察到脏器内腔病变，确定其部位、范围，并可进行照相、活检或刷片，大大的提高了癌的诊断准确率，并可进行某些微创手术治疗。
为了更大程度减轻患者的痛苦，缩短手术后康复的时间，减轻医生的工作，提高可视化和科学数据化判断的诊断水平，则需要更进一步地减小内窥镜摄像系统并提高其成像拍摄效果，因此研究和使用更大拍摄视野、更小更清晰的内窥摄像用物镜光学系统成为技术上的课题。
为了实现小型化和良好的光学性能，中国专利文献CN204101801U中记载了从物体侧依次由具有负光焦度的第一透镜、光阑、具有正光焦度的第二透镜和第三透镜组成的内窥镜物镜系统。其通过采用弱光焦度且主要起校正像差功能的第一透镜及第三透镜夹着具有强光焦用于实现成像的第二透镜的构造，成为能够达到小型化的三片透镜构造，能够实现良好的成像性能。但是其第一透镜采用玻璃模压非球面，其制造成本非常之高，且相对高速注塑生产的塑料透镜来说，玻璃模压非球面的生产效率也比较低，不利于大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种内窥用摄像物镜光学系统，具有小径化、视场广角大且成本低的特点。
本发明公开的内窥用摄像物镜光学系统所采用的技术方案是:
一种内窥用摄像物镜光学系统，自物体侧到像侧依次包括第一透镜组、光阑和第二透镜组，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组由第一透镜和第二透镜组成，所述第二透镜组由一具有正光焦度的第三透镜组成，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为由塑料材料制成，并满足以下条件式：
f/H(L1r1)<4；
H(L1r1)/IMH<0.5；
其中，f是内窥用摄像物镜光学系统的焦距，H(L1r1)是指常规观察时最大像高对应的主光线通过第一透镜组的物体侧的面所对应的高度，IMH是常规观察时对应的芯片感光面上的最大像高。
作为优选方案，所述第一透镜组满足以下条件式：
0.4<f/f_G1<1.0；
其中，f_G1是上述第一透镜组的焦距。
作为优选方案，所述第一透镜组由具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜构成，且满足以下条件式：
-2.0<f/f1<-0.3；
1.0<f/f2<1.8；
其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距。
作为优选方案，所述第三透镜满足以下条件式:
f/f3<0.4；
其中，f3为第三透镜的焦距。
作为优选方案，所述第一透镜和第二透镜还满足以下条件式：
|1/(f1*V1)+1/(f2*V2)+1/(f3*V3)|<0.02；
其中，V1为第一透镜的阿贝数，V2为第二透镜的阿贝数，V3为第三透镜的阿贝数。
作为优选方案，内窥用摄像物镜光学系统还满足以下条件式：
TTL/f<3.2；
BF/f>1.4；
其中，TTL是第一透镜的物侧面到芯片在光轴上的距离，BF是第三透镜的像侧面到芯片在光轴上的距离。
作为优选方案，所述第一透镜至少有一面为非球面，所述第二透镜至少有一面为非球面。
作为优选方案，所述第三透镜透镜具有至少一面的非球面。
作为优选方案，所述第一透镜的像侧面和第二透镜的物侧面通过胶水胶合在一起。
本发明公开的内窥用摄像物镜光学系统的有益效果是：通过条件式f/H(L1r1)<4对物镜光学系统的焦距进行限定，更好地实现广角化，条件式H(L1r1)/IMH<0.5通过对常规观察时最大像高对应的主光线通过第一透镜组的物体侧的面所对应的高度H(L1r1)与常规观察时对应的芯片感光面上的最大像高IMH之间的比值进行限定，在实现小口径化的前提下，优化像面弯曲，并对轴外相差进行抑制，且由第一透镜和第二透镜组成正光焦度的第一透镜组，第二透镜组由一具有正光焦度的第三透镜组成，使得本发明提供的物镜光学系统，具有小径化、视场广角大且像差校正良好的特点，由于第一透镜、第二透镜和第三透镜均为塑料材料制成，成本低，利于推广。
附图说明
图1是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例一的结构示意图；
图2是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例一的像差曲线示意图；
图3是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例二的结构示意图；
图4是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例二的像差曲线示意图。
图5是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例三的结构示意图；
图6是本发明内窥用摄像物镜光学系统实施例三的像差曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:
一种内窥用摄像物镜光学系统，自物体侧到像侧依次包括具有负光焦度的第一透镜组、光阑、具有正光焦度的第二透镜组、滤光片、平板玻璃和芯片感光面。所述滤光片主要是用于截止特定波长，所述平板玻璃主要保护芯片的感光面。
所述第一透镜组由像侧面为凹面的具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜构成，相比单一透镜，有利于边缘像差校正，所述第二透镜组由具有正光焦度的第三透镜构成。
通过设置下述条件式(1)和(2)，从而成功实现内窥用摄像物镜光学系统的小径化和广角化。
f/H(L1r1)<4； (1)
H(L1r1)/IMH<0.5； (2)
条件式(1)限定了内窥用摄像物镜光学系统的焦距，若内窥用摄像物镜光学系统的焦距过长，光焦度过弱，聚焦能力不足，广角化难实现。
条件式(2)限定了内窥用摄像物镜光学系统的第一透镜的光学有效口径。一般公知，成像芯片的大小很大程度决定内窥镜的直径，为了不断地实现小口径，最大像高对应的主光线通过第一透镜组的物体侧的面所对应的高度H(L1r1)决定了透镜口径的大小，也就是决定了内窥用摄像物镜光学系统的物理口径，H(L1r1)/IMH小于一定值，则可实现内窥用摄像物镜光学系统的小口径化。
进一步地，内窥用摄像物镜光学系统满足以下条件式：
0.4<f/f_G1<1.0； (3)
通过合理配置第一透镜组的弱光焦度，使其充分折转轴外光线的同时不会带入额外增加的像差，特别是轴外视场的场曲像差，倘若配置第一透镜组的光焦度太强，则会加大第二透镜组像差校正的负担，致使内窥用摄像物镜光学系统更复杂。
进一步地，优选内窥用摄像物镜光学系统的第一透镜组由具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜构成，第一透镜和第二透镜满足以下条件式：
-2.0<f/f1<-0.3； (4)
1.0<f/f2<1.8； (5)
通过合理配置第一透镜组的光焦度分布，使其更好地压缩大视场光线同时有效聚焦光线。若f/f1超过所述条件(4)的上限，则第一透镜的负光焦度过弱，不能轴外视场的光线进行有效地折转；若f/f1低于所述条件(4)的下限，则第一透镜组的负光焦度过强，加大了轴外视场的像差校正难度。
若f/f2超过所述条件(5)的上限，则第二透镜组的正光焦度过强，加重系统球差的校正和轴外像差特别是场曲的校正；若f/f1低于所述条件(5)的下限，则第二透镜的光焦度过弱，不能有效地聚焦光线，增加系统的结构长度。
条件式(4)限定第一透镜的折射率。
进一步地，所述第二透镜组由第三透镜构成，且第三透镜满足以下条件式：
f/f3<0.4； (6)
第二透镜组配置具有正弱光焦度的第三透镜的主要作用是校正像差。若f/f3超出所述条件(6)的上限，则光焦度过强，不利于校正轴上球差和轴外像差。
为了得到高性能的内窥用摄像物镜光学系统，满足以下条件式：
|1/(f1*V1)+1/(f2*V2)+1/(f3*V3)|<0.02； (7)
为了微型化内窥用摄像物镜光学系统，还需要满足以下条件式：
TTL/f<3.2； (8)
BF/f>1.4； (9)
为了实现小径化、广角且高性能，所述第一透镜具有至少1面为非球面，第二透镜具有至少1面为非球面，所述第三透镜具有至少1面为非球面，优选所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均具有2面为非球面。通过设置非球面，有利于像差补正。需要说明的是，在所述第一透镜、第二透镜和第三透镜设置为非球面的情况下，优选采用塑胶注塑透镜，其量产性效率高且成本低。
需要说明的是，上述内窥用摄像物镜光学系统能实现小径化、广角且高清光学性能的技术思想如上所述，然而，具体而言，能实现全系统的透镜中最大透镜为外径2.0mm以下，且优选1.0mm以下的内窥用摄像物镜光学系统。
需要重要说明的是，为了实现小径化、广角且百万以上高清光学性能，在本实施方案中，使用下述非球面公式：
Figure BDA0001231863350000051
其中，Z表示非球面沿光轴方向的矢高，y表示非球面沿垂直光轴方向的距离，c表示中心曲率，为半径的倒数，k表示圆锥系数或者二次项常数，A4-A16分别表示4次-16次非球面系数
上述符合分别说明如下：
f:内窥用摄像物镜光学系统的焦距；f1:第一透镜的焦距；f2:第二透镜的焦距；f3:第三透镜的焦距；H(L1r1):指常规观察时最大像高对应的主光线通过第一透镜的物体侧的面所对应的高度；IMH:常规观察时对应的芯片感光面上的最大像高；V1:第一透镜的阿贝数；V2:第二透镜的阿贝数；V3:第三透镜的阿贝数；BF:第三透镜的像侧面到芯片在光轴上的距离；TTL:第一透镜物侧面到芯片在光轴上距离。
实施例一
请参考图1，一种内窥用摄像物镜光学系统自物体侧到像侧依次包括具有负光焦度的第一透镜组10、光阑30、具有正光焦度的第二透镜组20、滤光片40、平板玻璃50和芯片感光面60。所述滤光片40主要是用于截止特定波长，所述平板玻璃50主要保护芯片的感光面60。
所述第一透镜组10由负光焦度的第一透镜11和具有正光焦度的第二透镜12构成，所述第一透镜11的物侧面和像侧面均为凹面，所述第一透镜11的物侧面为球面，所述第一透镜11的像侧面为非球面，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且为非球面，所述光阑30设置于第二透镜12的像侧面上，第二透镜组20由正光焦度的第三透镜21构成，所述第三透镜21的物侧面为带曲率拐点的非球面，其像侧面为凸面，且为非球面。本实施例内窥用摄像物镜光学系统实现像高1.05mm,全视场角大于100度，口径小于1.2mm。下表为本实施例内窥用摄像物镜光学系统的数据，本实施例的各种像差曲线图请参考图2。
Figure BDA0001231863350000061
Figure BDA0001231863350000071
Figure BDA0001231863350000072
非球面系数
Figure BDA0001231863350000073
上述表格中，第2面为第一透镜的物侧面，第3面为第一透镜的像侧面，第4面为第二透镜的物侧面，第5面为第二透镜的像侧面，第6面为第三透镜的物侧面，第7面为第三透镜的像侧面，第8面为滤光片的物侧面，第9面为滤光片的像侧面，第10面为平板玻璃的物侧面，第11面为平板玻璃的像侧面。
实施例二
请参考图3，一种内窥用摄像物镜光学系统自物体侧到像侧依次包括具有负光焦度的第一透镜组10、光阑30、具有正光焦度的第二透镜组20、滤光片40、平板玻璃50和芯片感光面60。所述滤光片40主要是用于截止特定波长，所述平板玻璃50主要保护芯片的感光面60。
所述第一透镜组10由负光焦度的第一透镜11和具有正光焦度的第二透镜12构成，所述第一透镜11的物侧面和像侧面均为凹面，所述第一透镜11的物侧面和像侧面均为非球面，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且为非球面，所述光阑30设置于第二透镜12的像侧面上，第二透镜组20由正光焦度的第三透镜21构成，所述第三透镜21的物侧面为带曲率拐点的非球面，其像侧面为凸面，且为非球面。本实施例内窥用摄像物镜光学系统实现像高1.02mm,全视场角大于100度，口径小于1.5mm。下表为本实施例内窥用摄像物镜光学系统的数据，本实施例的各种像差曲线图请参考图4。
Figure BDA0001231863350000081
Figure BDA0001231863350000082
非球面参数
Figure BDA0001231863350000091
上述表格中，第2面为第一透镜的物侧面，第3面为第一透镜的像侧面，第4面为第二透镜的物侧面，第5面为第二透镜的像侧面，第6面为第三透镜的物侧面，第7面为第三透镜的像侧面，第8面为滤光片的物侧面，第9面为滤光片的像侧面，第10面为平板玻璃的物侧面，第11面为平板玻璃的像侧面。
实施例三
请参考图5，一种内窥用摄像物镜光学系统自物体侧到像侧依次包括具有负光焦度的第一透镜组10、光阑30、具有正光焦度的第二透镜组20、滤光片40、平板玻璃50和芯片感光面60。所述滤光片40主要是用于截止特定波长，所述平板玻璃50主要保护芯片的感光面60。
所述第一透镜组10由负光焦度的第一透镜11和具有正光焦度的第二透镜12胶合构成，所述第一透镜11的物侧面为凹面，像侧面均为凸面，且均为非球面，所述第二透镜的物侧面和像侧面均为凸面，且为非球面，所述第一透镜11的像侧面和第二透镜12的物侧面通过胶水胶合在一起，提高色差校正效果，所述光阑30设置于第二透镜12的像侧面上，第二透镜组20由正光焦度的第三透镜21构成，所述第三透镜21的物侧面为凹面且为非球面，其像侧面为凸面且为非球面。本实施例内窥用摄像物镜光学系统实现像高1.07mm,全视场角大于108度，口径小于1.5mm。下表为本实施例内窥用摄像物镜光学系统的数据，本实施例的各种像差曲线图请参考图6。
Figure BDA0001231863350000092
Figure BDA0001231863350000101
Figure BDA0001231863350000102
非球面参数
Figure BDA0001231863350000103
上述表格中，第2面为第一透镜的物侧面，第3面为第一透镜的像侧面，第4面为第二透镜的物侧面，第5面为第二透镜的像侧面，第6面为第三透镜的物侧面，第7面为第三透镜的像侧面，第8面为滤光片的物侧面，第9面为滤光片的像侧面，第10面为平板玻璃的物侧面，第11面为平板玻璃的像侧面。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种内窥用摄像物镜光学系统，自物体侧到像侧依次由第一透镜组、光阑和第二透镜组组成，其特征在于，所述第一透镜组具有正光焦度，所述第一透镜组由第一透镜和第二透镜组成，所述第二透镜组由一具有正光焦度的第三透镜组成，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜为由塑料材料制成，并满足以下条件式：
f/H(L1r1)<4；
H(L1r1)/IMH<0.5；
其中，f是内窥用摄像物镜光学系统的焦距，H(L1r1)是指常规观察时最大像高对应的主光线通过第一透镜组的物体侧的面所对应的高度，IMH是常规观察时对应的芯片感光面上的最大像高；
所述第一透镜组由具有负光焦度的第一透镜和具有正光焦度的第二透镜构成，且满足以下条件式：
-2.0<f/f1<-0.3；
1.0<f/f2<1.8；
其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组满足以下条件式：
0.4<f/f_G1<1.0；
其中，f_G1是上述第一透镜组的焦距。
3.如权利要求2所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜满足以下条件式:
f/f3<0.4；
其中，f3为第三透镜的焦距。
4.如权利要求1-3任一项所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜还满足以下条件式：
|1/(f1*V1)+1/(f2*V2)+ 1/(f3*V3)|<0.02；
其中，V1为第一透镜的阿贝数，V2为第二透镜的阿贝数，V3为第三透镜的阿贝数。
5.如权利要求4所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，还满足以下条件式：
TTL/f<3.2；
BF/f>1.4；
其中，TTL是第一透镜的物侧面到芯片在光轴上的距离，BF是第三透镜的像侧面到芯片在光轴上的距离。
6.如权利要求1-3任一项所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜至少有一面为非球面，所述第二透镜至少有一面为非球面。
7.如权利要求6所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第三透镜具有至少一面的非球面。
8.如权利要求1-3任一项所述的内窥用摄像物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜的像侧面和第二透镜的物侧面通过胶水胶合在一起。
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