CN116184650A - 一种医疗用倍率放大型内窥镜光学*** - Google Patents

一种医疗用倍率放大型内窥镜光学*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，包括从物面侧依次布置的第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组、滤光片和CMOS芯片，物面与CMOS芯片互为物像共轭关系，第一镜组为负折射率镜组，第二镜组、第三镜组和第四镜组均为正折射率镜组，第一镜组和第二镜组之间设置有***光阑，第三镜组用于沿内窥镜***的光轴移动进行变焦和切换低倍状态、高倍状态，第一镜组朝向物面一侧设置有第一凹透镜。本发明相较于现有技术，简化变焦方式，在变焦过程中像质优异且稳定，高倍时的放大倍率和F数更高，分辨率也更高。

Description

一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***
技术领域
本发明属于内窥镜光学***领域，尤其涉及一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***。
背景技术
内窥镜是目前临床上必不可少的医疗设备之一。随着摄像头的微型化和内窥镜***端的细径化发展，微创手术应运而生。常规内窥镜视场比较大，但是分辨率较低，只能实现医生观察和手术的目的，不能用于病理诊断。为了解决医疗观察、手术及实时精密诊断的需求，对能够进行变焦的内窥镜光学***的需求变强，变焦内窥镜低倍时可以观看大视场，利于手术，高倍时视场小，但是分辨率高，利于精密诊断。
放大内窥镜光学***通过使透镜组沿光轴移动，能够切换通常低倍状态和放大观察状态，同时焦距也发生改变。如中国专利CN201480016424.5中公开了一种放大内窥镜光学***，该放大内窥镜光学***具备多个透镜组以及与摄像元件接合的负透镜，通过使上述透镜组中的一部分透镜组移动，至少能够进行通常观察状态和近距离放大状态的切换。
现有技术中(如上述专利)，变焦时透镜组的移动调整复杂，低倍状态和高倍状态切换不便，放大倍率不高。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，简化变焦方式，在变焦过程中像质优异且稳定，高倍时的放大倍率和F数更高，分辨率也更高。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，包括从物面侧依次布置的第一镜组、第二镜组、第三镜组、第四镜组、滤光片和CMOS芯片，物面与CMOS芯片互为物像共轭关系，第一镜组为负折射率镜组，第二镜组、第三镜组和第四镜组均为正折射率镜组，第一镜组和第二镜组之间设置有***光阑，第三镜组用于沿内窥镜***的光轴移动进行变焦和切换低倍状态、高倍状态，第一镜组朝向物面一侧设置有第一凹透镜，第一凹透镜的焦距与内窥镜低倍***焦距的比值满足以下关系：
Figure BDA0003705141420000021
式中，f11为所述第一凹透镜(11)的焦距，f为内窥镜低倍***焦距。第一镜组由多片透镜组成，主要用于收集物方各视场信息，整体具备负的折射率。***光阑位于第一镜组和第二镜组之间，第二镜组、第三镜组和第四镜组均具备正的折射率，将第一镜组的发散光线精密汇聚成像，滤光片(保护片表面镀膜形成)位于CMOS芯片前方。
作为上述技术方案的进一步描述：
第一镜组的焦距与第一凹透镜的焦距比值满足以下关系：
Figure BDA0003705141420000022
/>
式中，f1为第一镜组的焦距。
作为上述技术方案的进一步描述：
第二镜组的焦距与内窥镜低倍***焦距比值满足以下关系：
Figure BDA0003705141420000023
式中，f2为第二镜组的焦距。
作为上述技术方案的进一步描述：
第三镜组和第四镜组的组合焦距与内窥镜低倍***焦距比值满足以下关系：
Figure BDA0003705141420000031
式中，f34为第三镜组和第四镜组的组合焦距。
作为上述技术方案的进一步描述：
***光阑与第一镜组和第二镜组的中心距离比值满足以下关系：
Figure BDA0003705141420000032
式中，dg为***光阑至第二镜组的距离，d23为第一镜组至第二镜组的距离。
作为上述技术方案的进一步描述：
随着工作距(物面至第一凹透镜前表面的距离)的变化，内窥镜***变焦过程中，第二镜组和第四镜组之间的距离不变，第三镜组沿内窥镜***光轴的移动方向与物面的移动方向一致。
作为上述技术方案的进一步描述：
第一凹透镜靠近像面侧的曲率半径与其焦距之比满足如下关系：
Figure BDA0003705141420000033
式中，r为第一凹透镜靠近像面侧的曲率半径。
作为上述技术方案的进一步描述：
第一凹透镜的材质为石英玻璃，石英玻璃(silica)生物相容性好。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，光学***由第一镜组、***光阑、第二镜组、第三镜组、第四镜组、滤光片和CMOS芯片组成，物面位于第一镜组前方，并且物面与CMOS芯片互为物像共轭关系，物面至第一镜组中第一凹透镜前表面的距离为工作距，工作距越大，物方线视场越大，放大倍率和分辨率低，工作距越小，物方线视场越小，放大倍率和分辨率高。正常情况下，物面移动一旦超出其景深范围，像面将会模糊，为了保持物面与CMOS芯片的共轭关系，需要通过变焦方式来实现。本方案中第三镜组为变焦组，物面的移动通过第三镜组的轴向移动进行补偿，第三镜组的移动方向与物面移动方向一致。第三镜组移动过程中，其它镜组的位置关系均不变。本方案基于CRA为零度的CMOS芯片，有效感光面对角线尺寸小于1mm，可实现物方视场不低于130度的精确成像，整体镜片尺寸小于1.8mm，在变焦过程中像质优异且稳定，物面前后移动过程中，变倍比可达5.5倍乃至更高，高倍分辨率可达10um，满足细镜的手术观察及诊断要求。
2、本发明中，将前组玻璃更换为生物相容性更好的SILICA，即第一凹透镜的材料为生物相容性好的石英玻璃(silica)，分辨率更高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的光学结构示意图。
图2为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的变焦示意图，其中A1为低倍状态，B1为中倍状态，C1为高倍状态，。
图3为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的低倍状态传递函数图。
图4为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的低倍状态点列图。
图5为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的中倍状态传递函数图。
图6为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的中倍状态点列图。
图7为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的高倍状态传递函数图。
图8为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案一的高倍状态点列图。
图9为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的光学结构示意图。
图10为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的变焦示意图，其中A2为低倍状态，B2为中倍状态，C2为高倍状态，。
图11为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的低倍状态传递函数图。
图12为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的低倍状态点列图。
图13为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的中倍状态传递函数图。
图14为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的中倍状态点列图。
图15为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的高倍状态传递函数图。
图16为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案二的高倍状态点列图。
图17为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的光学结构示意图。
图18为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的变焦示意图，其中A3为低倍状态，B3为中倍状态，C3为高倍状态，。
图19为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的低倍状态传递函数图。
图20为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的低倍状态点列图。
图21为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的中倍状态传递函数图。
图22为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的中倍状态点列图。
图23为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的高倍状态传递函数图。
图24为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案三的高倍状态点列图。
图25为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的光学结构示意图。
图26为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的变焦示意图，其中A4为低倍状态，B4为中倍状态，C4为高倍状态，。
图27为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的低倍状态传递函数图。
图28为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的低倍状态点列图。
图29为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的中倍状态传递函数图。
图30为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的中倍状态点列图。
图31为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的高倍状态传递函数图。
图32为一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***方案四的高倍状态点列图。
图例说明：
1、第一镜组；11、第一凹透镜；2、第二镜组；3、第三镜组；4、第四镜组；5、滤光片；6、CMOS芯片；7、物面；8、***光阑。
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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
实施例一
以下参阅附图1-8和表格1-2，来说明本发明的第一个实施方式所涉及的放大内窥镜光学***。
放大内窥镜光学***物体侧起依次为第一镜组1、***光阑8、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、滤光片5和CMOS芯片6。其中第一镜组1由三片透镜组成，第一凹透镜11为平凹透镜，材料为石英，第二片透镜为两个表面曲率半径一样的双凹透镜，第三片透镜为两个表面曲率半径一样的双凸透镜，第二片透镜和第三片透镜的材料一样，第一镜组1具备负的折射率，***孔径光阑8位于第一镜组1和第二镜组2之间，第二镜组2为一片表面曲率一样的双凸透镜，第三镜组3为双胶合透镜，第四镜组4为一片平凸透镜，第二镜组2、第三镜组3和第四镜组4均具备正的折射率，将第一镜组1传输的发散光线会聚。第三镜组3为变焦组，随着工作距由10mm变至1.168mm，第三镜组3沿轴向移动0.75mm，放大倍率变化5.1倍，整个变焦过程像质稳定，传递函数和点列图均在衍射极限内。对于对角线1mm的CMOS芯片，低倍视场可达130度，高倍分辨率可达11um。本例中所有视场的CRA均小于2度，适用于CRA为零度的CMOS芯片。
表1为放大内窥镜方案一的光学结构实际参数
面序号 Radius Thickness Ne vd
0(物面) Infinity D1
1 Infinity 0.25 1.45846 67.821
2 0.682 0.464
3 -1.222 0.366 1.80610 40.945
4 1.222 0.119
5 2.789 1.505 1.80610 40.945
6 -2.789 0.367
stop Infinity 0.118
8 1.939 1.348 1.55248 63.372
9 -1.939 D2
10 1.204 0.594 1.43780 94.523
11 -1.204 0.350 2.0033 28.316
12 7.704 D3
13 1.891 0.622 1.80400 46.574
14 Infinity 0.197
15 Infinity 0.35 1.51680 64.199
16 Infinity 0.1
17(像面) Infinity
表2为放大内窥镜方案一的光学结构变焦数据
低倍 中倍 高倍
D1 10 4.25 1.168
D2 0.185 0.329 0.931
D3 0.852 0.708 0.106
f’ 0.579 0.573 0.536
F数 4.95 4.90 4.64
放大倍率 -0.054 —0.114 —0.278
实施例二
以下参阅附图9—16和表格3—4，来说明本发明的第二个实施方式所涉及的放大内窥镜光学***。
放大内窥镜光学***物体侧起依次为第一镜组1、***光阑8、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、滤光片5和CMOS芯片6。其中第一镜组1由三片透镜组成，第一片透镜(第一凹透镜11)为平凹透镜，材料为石英，第二片透镜为两个曲率半径不一样的双凹透镜，第三片透镜为两个表面曲率半径不一样的双凸透镜，第二片透镜和第三片透镜的材料不一样，第一镜组1具备负的折射率，***孔径光阑8位于第一镜组1和第二镜组2之间，第二镜组2为一片表面曲率不一样的双凸透镜，第三镜组3为双胶合透镜，第四镜组4为一片双凸透镜，第二镜组2、第三镜组3和第四镜组4均具备正的折射率，将第一镜组1传输的发散光线会聚。第三镜组3为变焦组，随着工作距由10.5mm变至1.211mm，第三镜组3沿轴向移动0.86mm，整个变焦过程像质稳定，放大倍率变化5.9倍，变焦过程像质稳定，传递函数和点列图均在衍射极限内。对于对角线1mm的CMOS芯片，低倍视场可达130度，高倍分辨率可达11um。本例中所有视场的CRA均小于2度，适用于CRA为零度的CMOS芯片。
表3为放大内窥镜方案二的光学结构实际参数
面序号 Radius Thickness Ne vd
0(物面) Infinity D1
1 Infinity 0.271 1.45846 67.821
2 0.703 0.370
3 -1.264 0.351 1.90069 37.051
4 0.9 0.113
5 1.406 0.897 1.56732 42.808
6 -1.280 0.384
stop Infinity 0.120
8 4.446 0.955 1.62041 60.374
9 -1.385 D2
10 2.239 0.465 1.47047 66.885
11 -1.087 0.350 1.92286 20.88
12 —8.769 D3
13 1.886 0.481 1.56888 62.961
14 —6.122 0.313
15 Infinity 0.35 1.51680 64.199
16 Infinity 0.1
17(像面) Infinity
表4为放大内窥镜方案二的光学结构变焦数据
低倍 中倍 高倍
D1 10.5 4.244 1.211
D2 0.249 0.527 1.109
D3 0.961 0.683 0.101
f’ 0.570 0.567 0.556
F数 5.06 5.04 4.96
放大倍率 -0.051 -0.114 -0.3
实施例三
以下参阅附图17-24和表格5-6，来说明本发明的第三个实施方式所涉及的放大内窥镜光学***。
放大内窥镜光学***物体侧起依次为第一镜组1、***光阑8、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、滤光片5和CMOS芯片6。其中第一镜组1由两片透镜组成，第一片透镜平凹透镜，材料为石英，第二片透镜为弯月透镜，第一镜组1具备负的折射率，***孔径光阑8位于第一镜组1和第二镜组2之间，第二镜组2为一片表面曲率一样的双凸透镜，第三镜组3为双胶合透镜，第四镜组4为一片双凸透镜，第二镜组2、第三镜组3和第四镜组4均具备正的折射率，将第一镜组1传输的发散光线会聚。第三镜组3为变焦组，随着工作距由10.5mm变至1.172mm，第三镜组3沿轴向移动0.997mm，放大倍率变化5.6倍，变焦过程像质稳定，传递函数和点列图均在衍射极限内。对于对角线1mm的CMOS芯片，低倍视场可达130度，高倍分辨率可达11um。本例中所有视场的CRA均小于2度，适用于CRA为零度的CMOS芯片。
表5为放大内窥镜方案三的光学结构实际参数
面序号 Radius Thickness Ne vd
0(物面) Infinity D1
1 Infinity 0.254 1.45846 67.821
2 0.603 0.374
3 -1.037 2.403 1.90366 31.318
4 -3.365 0.250
stop Infinity 0
6 1.658 1.215 1.49700 81.613
7 -1.658 D2
8 2.200 0.408 1.49700 81.613
9 -1.070 0.300 1.90366 31.318
10 -15.157 D3
11 1.572 0.438 1.56888 62.961
12 Infinity 0.2
13 Infinity 0.35 1.51680 64.199
14 Infinity 0.1
15(像面) Infinity
表6为放大内窥镜方案三的光学结构变焦数据
低倍 中倍 高倍
D1 10.5 4.243 1.172
D2 0.185 0.471 1.182
D3 1.108 0.822 0.111
f’ 0.589 0.585 0.566
F数 5.04 5.01 4.88
放大倍率 -0.054 —0.117 -0.3
实施例四
以下参阅附图25-32和表格7-8，来说明本发明的第四个实施方式所涉及的放大内窥镜光学***。
放大内窥镜光学***物体侧起依次为第一镜组1、***光阑8、第二镜组2、第三镜组3、第四镜组4、滤光片5和CMOS芯片6。其中第一镜组1由两片透镜组成，第一片透镜为(第一凹透镜11)平凹透镜，材料为石英，第二片透镜为弯双胶合透镜，第一镜组1具备负的折射率，***孔径光阑8位于第一镜组1和第二镜组2之间，第二镜组2为一片表面曲率不一样的双凸透镜，第三镜组3为双胶合透镜，第四镜组4为一片表面曲率不一样的双凸透镜，第二镜组2、第三镜组3和第四镜组4均具备正的折射率，将第一镜组1传输的发散光线会聚。第三镜组3为变焦组，随着工作距由10.5mm变至1.136mm，镜组3沿轴向移动0.981mm，放大倍率变化5.9倍，变焦过程像质稳定，传递函数和点列图均在衍射极限内。对于对角线1mm的CMOS芯片，低倍视场可达130度，高倍分辨率可达11um。本例中所有视场的CRA均小于2度，适用于CRA为零度的CMOS芯片
表7为放大内窥镜方案四的光学结构实际参数
面序号 Radius Thickness Ne vd
0(物面) Infinity D1
1 Infinity 0.295 1.45846 67.821
2 0.618 0.338
3 -1.066 0.435 1.90069 37.051
4 0.883 1.0 1.62588 35.714
5 -1.419 0.57
stop Infinity 0.12
7 2.868 1.007 1.53028 60.474
8 -1.301 D2
9 2.368 0.416 1.47047 66.885
10 -1.06 0.35 1.84667 23.828
11 -11.515 D3
12 1.992 0.644 1.65950 62.961
13 -23.481 0.24
14 Infinity 0.35 1.51680 57.385
15 Infinity 0.1
16(像面) Infinity
表8为放大内窥镜方案四的光学结构变焦数据
低倍 中倍 高倍
D1 10.5 4.244 1.136
D2 0.19 0.487 1.171
D3 1.092 0.796 0.111
f’ 0.574 0.572 0.560
F数 5.05 5.03 4.95
放大倍率 -0.051 -0.115 -0.3
表9各实施例中的权利要求值
权力要求值 例1 例2 例3 例4
f11/f -2.53 -2.68 -2.21 -2.34
f1/f11 0.68 0.73 0.85 0.78
f2/f 3.4 3.18 3.2 3.2
f34/f 6.54 5.34 5.64 5.72
dg/d23 0.24 0.24 0 0.17
r/f1 -0.47 -0.46 -0.46 -0.46
工作原理：
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，包括从物面(7)侧依次布置的第一镜组(1)、第二镜组(2)、第三镜组(3)、第四镜组(4)、滤光片(5)和CMOS芯片(6)，所述物面(7)与所述CMOS芯片(6)互为物像共轭关系，所述第一镜组(1)为负折射率镜组，所述第二镜组(2)、所述第三镜组(3)和所述第四镜组(4)均为正折射率镜组，所述第一镜组(1)和所述第二镜组(2)之间设置有***光阑(8)，所述第三镜组(3)用于沿内窥镜***的光轴移动进行变焦和切换低倍状态、高倍状态，所述第一镜组(1)朝向所述物面(7)一侧设置有第一凹透镜(11)，所述第一凹透镜(11)的焦距与内窥镜低倍***焦距的比值满足以下关系：
Figure FDA0003705141410000011
式中，f11为所述第一凹透镜(11)的焦距，f为内窥镜低倍***焦距。
2.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述第一镜组(1)的焦距与所述第一凹透镜(11)的焦距比值满足以下关系：
Figure FDA0003705141410000012
式中，f1为所述第一镜组(1)的焦距。
3.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述第二镜组(2)的焦距与内窥镜低倍***焦距比值满足以下关系：
Figure FDA0003705141410000013
式中，f2为所述第二镜组(2)的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述第三镜组(3)和所述第四镜组(4)的组合焦距与内窥镜低倍***焦距比值满足以下关系：
Figure FDA0003705141410000021
式中，f34为所述第三镜组(3)和所述第四镜组(4)的组合焦距。
5.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述***光阑(8)与所述第一镜组(1)和所述第二镜组(2)的中心距离比值满足以下关系：
Figure FDA0003705141410000022
式中，dg为所述***光阑(8)至所述第二镜组(2)的距离，d23为所述第一镜组(1)至所述第二镜组(2)的距离。
6.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，内窥镜***变焦过程中，所述第二镜组(2)和所述第四镜组(4)之间的距离不变，所述第三镜组(3)沿内窥镜***光轴的移动方向与所述物面(7)的移动方向一致。
7.根据权利要求2所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述第一凹透镜(11)靠近像面侧的曲率半径与其焦距之比满足如下关系：
Figure FDA0003705141410000023
式中，r为所述第一凹透镜(11)靠近像面侧的曲率半径。
8.根据权利要求1所述的一种医疗用倍率放大型内窥镜光学***，其特征在于，所述第一凹透镜(11)的材质为石英玻璃。
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