一种用于立体内窥镜的光学成像系统及立体内窥镜的制作方法

1.本发明总地涉及光学成像领域，具体而言涉及一种用于立体内窥镜的光学成像系统及立体内窥镜。


背景技术：

2.当今世界微创手术已经成为外科医学各领域的发展方向。微创手术具有对病人损伤小、减少病人术间痛苦、术后康复时间短等多项优点，应用越来越广泛。
3.随着科学技术的不断发展，手术机器人作为一种新型微创手术平台，能够代替外科医生进行微创手术。它使外科手术的精度超越了人手的极限，对整个外科手术观念来说是一次革命性的飞跃，被广泛应用于泌尿外科、胸外科、妇科和腹部外科等微创手术领域。
4.为了精确控制手术器械的位置，手术机器人使用立体内窥镜观察病变组织。对于立体内窥镜或腹腔镜来讲，需要大的视场角来观察大范围的手术视野。同时，由于立体内窥镜前端部的尺寸限制，要求构成每个光学通道的内窥镜用物镜光学成像系统的口径尽量小。另外，手术时希望能看清对焦位置前后一定范围的图像，要求内窥镜物镜光学成像系统具有大景深和高分辨率。
5.因此，提出一种大视场、小口径、短尺寸、大景深、高分辨率的内窥镜光学成像系统，对于立体内窥镜而言有重大的意义。


技术实现要素：

6.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
7.针对现有技术的不足，本发明一方面提供了一种光学成像系统，所述光学成像系统由物方至像方依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，其中：所述第一透镜为负光焦度透镜；所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜为正光焦度透镜；所述第五透镜为正光焦度透镜，所述第六透镜为负光焦度透镜，并且所述第五透镜和第六透镜构成胶合透镜组。
8.在一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜均为球面玻璃透镜。
9.在一个实施例中，所述光学成像系统还包括设置在所述第三透镜和所述第四透镜之间的光阑。
10.在一个实施例中，所述第一透镜的焦距与所述光学成像系统的焦距的比值满足：0.95<|f1/f|<1.05，其中，f1为所述第一透镜的焦距，f为所述光学成像系统的焦距。
11.在一个实施例中，所述第二透镜的焦距与所述第三透镜的焦距满足：0.52<|f2/f3
|<0.62，其中，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。
12.在一个实施例中，所述第五透镜的焦距与所述第六透镜的焦距满足：0.85<|f5/f6|<0.92，其中，f5为所述第五透镜的焦距，f6为所述第六透镜的焦距。
13.在一个实施例中，所述第一透镜的折射率大于或等于1.72，所述第一透镜的色散系数大于或等于50；所述第二透镜的折射率大于或等于1.75，所述第二透镜的色散系数小于或等于26；所述第三透镜的折射率大于或等于1.75，所述第三透镜的色散系数小于或等于25；所述第四透镜的折射率小于或等于1.65，所述第四透镜的色散系数大于或等于60；所述第五透镜的折射率小于或等于1.65，所述第五透镜的色散系数大于或等于48；所述第六透镜的折射率大于或等于1.84，所述第六透镜的色散系数小于或等于25。
14.在一个实施例中，所述光学成像系统的光学总长大于或等于14.1mm，且小于或等于15.2mm。
15.在一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜、所述第五透镜和所述第六透镜的直径均小于3.5mm。
16.在一个实施例中，所述光学成像系统的半像高度与所述光学成像系统的光学总长之比小于或等于0.12。
17.在一个实施例中，所述第一透镜的有效口径与所述光学成像系统的半像高度之比小于2.0。
18.在一个实施例中，所述光学成像系统的后焦距与所述光学成像系统的有效焦距之比大于1.75且小于或等于1.95。
19.本发明实施例另一方面提供一种立体内窥镜，包括：如上所述的光学成像系统；以及图像传感器，所述图像传感器设置在所述光学成像系统的像方。
20.本发明实施例的光学成像系统具有大视场、小口径、短尺寸、大景深、高分辨率的优点，本发明实施例的立体内窥镜由于采用了上述光学成像系统，因而也具备类似的优点。
附图说明
21.本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
22.附图中：图1示出了根据本发明一个实施例的光学成像系统的示意图；图2示出了根据本发明一个实施例的光学成像系统的调制传递函数曲线图；图3示出了根据本发明一个实施例的光学成像系统的倍率色差曲线图；图4示出了根据本发明一个实施例的光学成像系统的离焦曲线图；图5示出了根据本发明一个实施例的光学成像系统的调制传递函数随视场变化的曲线图。
具体实施方式
23.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进
行描述。
24.应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。
25.为了更好地理解本技术，将参考附图对本技术的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本技术的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本技术的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
26.应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。例如，在不背离本技术的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。
27.在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。
28.在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜中最靠近被摄物的表面称为该透镜的物方面，每个透镜中最靠近成像面的表面称为该透镜的像方面。
29.还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本技术的实施方式时，使用“可”表示“本技术的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。
30.除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本技术所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
31.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.下面，参考图1
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图5对本发明一实施例的光学成像系统做详细说明。在下文的描述中，透镜具有正光焦度，表明其对光线的屈折是汇聚性的；透镜具有负光焦度，表明其对光线的屈折是发散性的。透镜表面为凸面是指透镜的曲率半径为正，反之透镜的表面为凹面是指其曲率半径为负。若透镜表面为凸面且未界定凸面位置时，则表示透镜表面可于近轴处为凸面；若透镜表面为凹面且未界定凹面位置时，则表示透镜表面可于近轴处为凹面。若透镜的光焦度或焦距未界定其区域位置时，则表示透镜的光焦度或焦距可为透镜于近轴处的光焦度或焦距。
33.如图1所示，本发明一个实施例的光学成像系统100包括六枚透镜，由物方至像方依次为第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104、第五透镜105和第六透镜
106。来自物方的光线依次经过第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104、第五透镜105和第六透镜106之后成像到位于第六透镜106像方的成像面上。
34.其中，第一透镜101为负光焦度透镜，优选平凹形负光焦度透镜；第二透镜102、第三透镜103和104第四透镜为正光焦度透镜；第五透镜为正光焦度透镜，第六透镜106为负光焦度透镜，并且第五透镜105和第六透镜106为胶合透镜组。更具体地，第一透镜101的物侧面为平面、像侧面为凹面；第二透镜102的物侧面为平面、像侧面为凸面；第三透镜103的物侧面和像侧面均为凸面；第四透镜104的物侧面和像侧面均为凸面；第五透镜105的物侧面和像侧面均为凸面；第六透镜106的物侧面为凹面、像侧面为凸面，且第六透镜106的物侧面与第五透镜105的像侧面形状互补，相互胶合。本发明实施例通过对上述六枚透镜进行了合理的光学设置，使光学成像系统100在保证高分辨率的同时还具有大景深的优势，以及具备大视场、小口径、短尺寸的优点，能够满足立体内窥镜的使用需求。
35.在一个实施例中，上述六枚透镜均为球面玻璃透镜。本发明实施例的光学成像系统100采用全球面玻璃透镜的设计方案，使其易于加工，造价低，并且对比非球面而言有效减小了组装误差，提升了组装良率。且采用球面玻璃透镜具有更好的通用性，降低了后期维修的难度。
36.第一透镜101为负光焦度透镜，可提供较大的视场角。在一个实施例中，第一透镜的焦距f1与所述光学成像系统100整体的焦距f的比值满足：0.95<|f1/f|<1.05。将第一透镜101设置为平凹形负光焦度透镜，对轴外入射光线进行发散，减小了大视角光线与光轴的夹角，使像差校正更加容易。
37.第二透镜102至第四透镜104均为正光焦度透镜，用于充分汇聚第一透镜101折射后的光线。光学成像系统100所需要的负折射力的大部分由第一透镜101负责。由于第一透镜101的负折射力大，因此会产生较大的像差，第二透镜102至第四透镜104有助于适当地校正由第一透镜产生的像差。
38.本发明实施例将第二透镜102和第三透镜103设置为双凸面透镜，能快速汇聚第一透镜101折射后的光线。本发明实施例将第四透镜104设置为双凸面透镜，能够进一步地汇聚光线，降低光线入射像面高度，同时，第四透镜104还可以与设置在第三透镜103和第四透镜104之间的光阑共同作用，有效校正球面玻璃透镜形成的像差。
39.本发明实施例将第五透镜105和第六透镜106设置为胶合透镜组，采用胶合透镜组有利于最大限度地减少或消除色差，提高成像质量。
40.本发明实施例的光学成像系统100还包括至少一个光阑，用于减少杂散光，提升影像品质。该光阑可以是可变光阑或不可变光阑。光阑的位置越靠前，越有利于矫正主光线角度，光阑的位置越靠后，系统的视场角越大，有利于满足光学成像系统的广角特性，为了使二者达到一个较佳的平衡，在一个实施例中，光阑可以设置在第三透镜103与第四透镜104之间。
41.在一个实施例中，在第六透镜106与成像面之间还设置有滤光元件。滤光元件包括红外滤光片，用于滤除进入光学成像系统100中的红外波段光，避免红外光照射到图像传感器上产生噪声。滤光元件的材质包括玻璃，其不影响光学成像系统的焦距。
42.在一个实施例中，第二透镜的焦距f2与第三透镜的焦距f3之间满足：0.52<|f2/f3|<0.62，第五透镜的焦距f5和第六透镜的焦距f6之间满足0.85<|f5/f6|<0.92。通过使第二
透镜102和第三透镜103的焦距之间的关系、以及第五透镜105与第六透镜106的焦距之间的关系满足上述条件，能够合理各透镜的有效焦距，有利于调整光线聚焦位置，控制光学成像系统100的总长。
43.进一步地，第一透镜101至第六透镜106的折射率和色散系数还满足以下条件中的至少一个：第一透镜101的折射率nd1满足：nd1≥1.72，第一透镜101的色散系数v1满足：v1≥50；第二透镜102的折射率nd2满足：nd2≥1.75，第二透镜102的色散系数v2满足：v2≤26；第三透镜103的折射率nd3满足：nd3≥1.75，第三透镜103的色散系数v3满足：v3≤25；第四透镜104的折射率nd4满足：nd4≤1.65，第四透镜104的色散系数v4满足：v4≥60；第五透镜105的折射率nd5满足：nd5≤1.65，第五透镜105的色散系数v5满足：v5≥48；第六透镜106的折射率nd6满足：nd6≥1.84，第六透镜106的色散系数v6满足：v6≤25。满足上述条件有利于消除色差和像差。
44.进一步地，光学成像系统100的光学总长l满足：14.1mm≤l≤15.2mm。 进一步地，第一透镜101、第二透镜102、第三透镜103、第四透镜104、第五透镜105和第六透镜106的直径均小于3.5mm，优选小于或等于3mm。满足上述条件的光学成像系统具备小口径、短尺寸的优点，符合立体内窥镜对于小型化的需求。
45.进一步地，光学成像系统100的半像高度h与光学总长l之间满足：h/l≤0.12。进一步地，第一透镜101的有效口径d1、光学成像系统100的半像高度h和光学成像系统100的光学总长l还满足以下条件：d1/h＜2.0。满足上述条件时，有利于实现光学成像系统100的紧凑性和小型化，同时还使光学成像系统100具有高像素性能。
46.进一步地，光学成像系统100的后焦距bfl以及光学成像系统100的有效焦距f满足以下条件：1.75<bfl/f≤1.95。
47.本发明一个实施例光学成像系统各透镜的结构参数具体如表1所示。在表1中，前表面表示透镜的物侧面，后表面表示透镜的像侧面；f表示光学成像系统的有效焦距，l表示光学成像系统的光学总长，fov表示视场角，d1表示第一透镜的有效孔径，h表示光学成像系统的半像高度，bfl表示光学成像系统的后焦距；表1中曲率半径和厚度的单位为mm；表1中任一透镜、光阑和红外滤光片的表面的曲率半径为infinity（无限）时，表示该表面为平面。
48.表1
参见图2至图5，其中图2示出了本发明实施例光学成像系统在150lp/mm时的调制传递函数（modulation transfer function，mtf）曲线图；图3为本发明实施例的光学成像系统的倍率色差曲线图；图4为本发明实施例的光学成像系统的离焦曲线图；图5为本发明实施例的光学成像系统分别在60lp/mm、100lp/mm、150lp/mm和200lp/mm时的mtf随视场变化曲线图。
49.从图2可以看出，在150 lp/mm时，本发明实施例的光学成像系统的全视场的mtf值在0.4以上，且较为集中，满足高清使用要求。
50.从图3可以看出，本发明实施例的光学成像系统的倍率色差小于1.5μm，在airy半径之内，可视为无色差。
51.从图4可以看出，本实施例的光学成像系统具有较大焦深，离焦为0.04mm时，mtf值均在0.4以上，从而具有大景深。
52.从图5可以看出，本发明实施例的光学成像系统在60 lp/mm、100 lp/mm、150 lp/mm和200 lp/mm时mtf随视场变化平缓，说明全视场的mtf值集中，中心到边缘分辨率变化小，符合高清广角镜头的使用要求。
53.综上，本发明实施例的光学成像系统至少具有如下优点：（1）本发明实施例的光学成像系统中所有透镜均为球面玻璃透镜，且易于加工，对比非球面而言有效减小了组装误差，提升组装良率；
（2）通过对六枚透镜进行合理的光学设计，使得光学成像系统在保证高分辨率的同时也具有大景深的优势；（3）光学成像系统的口径可小于3mm，水平视场角可高达78.5
°
，非常适合作为立体内窥镜的摄像模组使用；（4）本发明实施例的光学成像系统100为像方远心系统，远心度小于5度，有利于提高边缘照度，同时当传感器像平面与最佳像面有一定偏离时仍能保证清晰度，降低组装时的对焦难度。
54.本发明实施例的光学成像系统100可以应用于立体内窥镜。因此，本发明实施例还可以提供一种立体内窥镜。本发明实施例的立体内窥镜包括如上各种实施例所述的光学成像系统100以及图像传感器，图像传感器设置在光学成像系统100的像方。
55.图像传感器可以提供使通过透镜折射的光在其上成像的成像面。此外，图像传感器可以将成像在成像面上的光信号转换为供计算机或其他合适的立体内窥镜使用的电信号。图像传感器可以采用互补金属氧化物半导体（cmos，complementary metal oxide semiconductor）图像传感器或者电荷耦合元件（ccd，charge
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coupled device）图像传感器等，本发明实施例对此不做限制。
56.由于本发明实施例的立体内窥镜所采用的光学成像系统具有小型化的特点，当各透镜的直径小于3mm时，通过合理的结构设计可以使得立体内窥镜的套管外径小于10mm，满足临床需求。本发明实施例的立体内窥镜的其他有益技术效果与上述光学成像系统100相类似，故在此不再赘述。
57.本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书（包括伴随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
58.此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
59.本发明实施例中所使用的技术术语仅用于说明特定实施例而并不旨在限定本发明。在本文中，单数形式“一”、“该”及“所述”用于同时包括复数形式，除非上下文中明确另行说明。进一步地，在说明书中所使用的用于“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件。
60.在所附权利要求中对应结构、材料、动作以及所有装置或者步骤以及功能元件的等同形式（如果存在的话）旨在包括结合其他明确要求的元件用于执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于实施例和描述的目的被给出，但并不旨在是穷举的或者将被发明限制在所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，多种修改和变形对于本领域的一般技术人员而言是显而易见的。本发明中所描述的实施例能够更好地揭示本发明的原理与实际应用，并使本领域的一般技术人员可了解本发明。
61.本发明中所描述的流程图仅仅为一个实施例，在不偏离本发明的精神的情况下对
此图示或者本发明中的步骤可以有多种修改变化。比如，可以不同次序的执行这些步骤，或者可以增加、删除或者修改某些步骤。本领域的一般技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。