CN109044246A - 一种内窥光学*** - Google Patents

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赵知诚
罗宗平
杨惠林
沈为民
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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Abstract

本发明涉及一种医学用的内窥成像***，可配合微型面阵探测器使用，获得高分辨率视频图像；为解决现有技术中视场和分辨率不高的技术问题，采用一种内窥光学***，包括前组和后组，所述前组朝向目标物且光焦度为负，用于入射光束的收集；所述后组具有正光焦度，用于将出射光束会聚至像面上；实现了宽视场高分辨率内窥成像，同时配合转折棱镜还可以实现倾斜视场成像；还可仅用两种玻璃材料实现内窥成像设计，降低了加工成本。

Description

一种内窥光学***
技术领域
本发明涉及一种医学用的内窥成像***，可配合微型面阵探测器使用，获得高分辨率视频图像。
背景技术
在医学诊疗中，为了能够准确地到达病灶，减少对患者的损伤，要求在活检时或者手术时具有较高的定位精度。与X光或超声波等辅助定位手段相比，医用内窥镜具有使用方便，直观以及定位精度高等优点，已经成为了临床治疗的重要手段之一。借助于内窥镜，医生可以通过目镜对病灶进行观察，也可以通过面阵探测器获取视频图像。随着探测器技术的发展，探测器的像元尺寸越来越小，要求内窥镜光学***具有更高的分辨率。同时为了使得医生在操作时具有足够大的视野，要求内窥镜光学***具有较宽的视场。
采用非球面元件，能够有效提高内窥镜光学***的性能，但具有成本高，加工难度大等缺点。为了有效降低***成本和制造难度，希望在宽视场高分辨率内窥镜光学***中尽量采用球面光学元件。CN104305951“细径广角医用电子内窥镜光学成像***”提出采用6片球面元件实现100°视场角，空间分辨率达到100lp/mm。设计结果中使用了6种玻璃材料。CN103370646B“内窥镜光学***以及内窥镜”提出多种设计，采用3片单透镜和1片双胶合透镜实现大视场内窥成像。设计结果中使用了4种玻璃材料。
发明内容
本发明为解决现有技术中视场和分辨率不高的技术问题，采用的技术方案如下：
一种内窥光学***，包括前组和后组，所述前组朝向目标物且光焦度为负，用于入射光束的收集；所述后组具有正光焦度，用于将出射光束会聚至像面上；若整个***焦距为f，前组焦距为f前，后组焦距为f后，则光学***满足以下条件：-1.7<f前/f<-1.75且1.5<f后/f<1.6，其中所述f前/f为前组焦距f前与整个***焦距f比值，f后/f为后组焦距f前与整个***焦距f比值。
所述前组为具有负光焦度的平凹透镜，其平面朝向物方，其凹面曲率半径R1满足以下条件：0.55mm<R1<0.65mm。满足以上条件可以有效压缩出射光束的角度，且前表面为平面，易于加工和装配。
所述后组从物方到像方依次包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，第一透镜的焦距满足以下条件：1.8mm<f1<2mm，第二透镜的焦距满足以下条件：3mm<f2<3.2mm，第三透镜的焦距满足以下条件：2mm<f3<2.2mm，第四透镜的焦距满足以下条件：-0.9mm<f4<-1.2mm。满足以上条件，可以有效地校正***像差，达到接近衍射极限的成像质量。
上述方案内窥光学***中包含两种玻璃材料。
在很多应用场合，内窥镜光学***需要安装在带有倾斜面的钢管中，此时就要求内窥光学***具有一定的视向角。通过在前组和后组之间加入转折棱镜，可以实现这类倾斜成像内窥光学***。
附图说明
图1为内窥光学***示意图；
图2为实施例1的内窥光学***图；
图3为实施例1的点列图；
图4为实施例1的调制传递函数曲线；
图5为实施例1的畸变曲线；
图6为本发明实施例2的内窥光学***图。
其中：1-前组，2-后组，11-平凹透镜，21-第一透镜，22-第二透镜，23-第三透镜，24-第四透镜，3-探测器窗口，4-像面，5-转折棱镜。
具体实施方式
为了更清楚地说明发明，下面结合附图及实施例作进一步描述：
实施例一：
一种内窥光学***，如图1所示，前组1朝向目标物，用于入射光束的收集，并压缩入射光束的角度，使得经过前组1后光束的出射角得到有效的压缩，后组2用于光束的会聚在探测器窗口3的像面4处，后组2同时对***像差的校正，以便得到清晰的图像包括前组和后组；所述前组朝向目标物且光焦度为负，用于入射光束的收集；所述后组具有正光焦度，用于将出射光束会聚至像面上；若整个***焦距为f，前组焦距为f前，后组焦距为f后，则光学***满足以下条件：-1.7<f前/f<-1.75且1.5<f后/f<1.6，其中所述f前/f为前组焦距f前与整个***焦距f比值，f后/f为后组焦距f前与整个***焦距f比值。
具体的实施例1的内窥光学***如图2所示，从物方到像方依次为平凹透镜11、第一透镜21、第二透镜22，第三透镜23及第四透镜24，探测器窗口3以及像面4。该光学***的工作波段为0.4-0.7um，F/#为4.37，焦距为0.6726mm，全视场角为90°。整个***中透镜的参数如表1所示。
表1实施例1的透镜参数表
前表面曲率半径(mm) 后表面曲率半径(mm) 厚度(mm) 材料
平凹透镜11 Inf 0.6 0.25 HK9L
第一透镜21 1.566 -2.32 0.3321 HK9L
第二透镜22 2.52 -2.7 0.3105 HK9L
第三透镜23 2.445 -1.445 0.3785 HZF7
第四透镜24 -1.083 3.704 0.1675 HK9L
图3为实施例1的星点图，可见该光学***在0视场的星点几何尺寸约为1.414um，在0.5视场的星点几何尺寸约为1.17um，在0.7视场范围内的星点几何尺寸约为1.412um，在1视场的星点几何尺寸约为1.164um，各视场星点尺寸均小于艾利斑尺寸。
图4为实施例1的调制传递函数曲线，其具体传递函数值如表2所示。
表2实施例1的调制传递函数值
图5是实施例1的畸变曲线，由图中可知该***存在一定的畸变，这在内窥镜***中是比较常见的。实施例1的最大畸变出现在边缘视场，约为26.7％。通过图像处理等方法，可以校正成像时的畸变。
实施例二：
一种倾斜成像内窥光学***，包括前组、转折棱镜以及后组，所述前组的光焦度为负，用于宽视场入射光束的收集，所述转折棱镜用于入射光束的偏转，所述后组具有正光焦度，用于将转折棱镜组的出射光束会聚至像面上，所述转折棱镜从物方依次包含两个反射面，其第一反射面的主光线入射角θ1满足以下条件：24°<θ1<47°；其第二反射面的主光线入射角θ2满足以下条件：43°<θ2<67°。图6是实施例2的光学***图，与实施例1相比，前组和后组之间加入了转折棱镜5。转折棱镜的第一反射面的Y轴倾角为35.5°，第二反射面的Y轴倾角为55°，该***的视向角为45°。
由于本技术方案的使用实现了宽视场高分辨率内窥成像，同时配合转折棱镜还可以实现倾斜视场成像。本技术方案还可仅用两种玻璃材料实现内窥成像设计，降低了加工成本。

Claims (5)

1.一种内窥光学***，包括前组和后组，所述前组朝向目标物且光焦度为负；所述后组具有正光焦度，用于将出射光束会聚至像面上；光学***满足以下条件：-1.7<f前/f<-1.75且1.5<f后/f<1.6，其中所述f为***焦距为，f前为前组焦距，f后为后组焦距，f前/f为前组焦距f前与整个***焦距f比值，f后/f为后组焦距f前与整个***焦距f比值。
2.根据权利要求1所述内窥光学***，其特征在于：前组为具有负光焦度的平凹透镜，其平面朝向物方，其凹面曲率半径R1满足以下条件：0.55mm<R1<0.65mm。
3.根据权利要求1所述内窥光学***，其特征在于：所述后组从物方到像方依次包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有正光焦度的第三透镜和具有负光焦度的第四透镜，第一透镜的焦距f1满足以下条件：1.8mm<f1<2mm，第二透镜的焦距f2满足以下条件：3mm<f2<3.2mm，第三透镜的焦距f3满足以下条件：2mm<f3<2.2mm，第四透镜的焦距f4满足以下条件：-0.9mm<f4<-1.2mm。
4.根据权利要求3所述内窥光学***，其特征在于：所述内窥光学***中包含两种玻璃材料。
5.一种倾斜成像内窥光学***，包括前组、转折棱镜以及后组，所述前组的光焦度为负，所述转折棱镜用于入射光束的偏转，所述后组具有正光焦度，用于将转折棱镜组的出射光束会聚至像面上，所述转折棱镜从物方到像方依次包含两个反射面，其第一反射面的主光线入射角θ1满足以下条件：24°<θ1<47°；其第二反射面的主光线入射角θ2满足以下条件：43°<θ2<67°。
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