宽视场物镜的制作方法

1.本发明涉及一种具有宽视场的物镜。具体地，本发明涉及一种可在内窥镜中使用的具有宽视场的物镜。


背景技术：

2.具有大于180
°
视场(fov)的物镜的内窥镜是本领域中已知的。然而，这种内窥镜的视场通常仅略大于180
°
。人们希望有一种具有更大视场的内窥镜。


技术实现要素：

3.本发明的目的是改进现有技术。即，根据本发明的各方面，提供了根据各个独立权利要求的物镜。此外，本发明的各方面提供了一种包括根据前述方面的物镜的传感器系统和一种包括该传感器系统的内窥镜。进一步细节记载于相关从属权利要求。
4.根据本发明的一些实施例，可以实现以下优点中的至少一个：
[0005]-物镜具有大于225
°
的宽视场。
[0006]-像圆中的最大主射线角小于30
°
，使得可以采用传统的半导体图像传感器(如cmos或ccd)。
[0007]-图像具有小的畸变，特别是小的f/θ-畸变。
[0008]-即使在适用于内窥镜的小规模版本中，也可以毫不费力地生产透镜。
[0009]
从下面的详细描述中，进一步的优点变得明显。
[0010]
应当理解的是，上述修改和下面描述的示例中的任一个可以单独地或组合地应用于它们所涉及的各个方面，除非它们被明确地说明为排除替代方案。
附图说明
[0011]
从下面结合附图对本发明优选实施例的详细描述中，进一步的细节、特征、目的和优点是显而易见的，其中：
[0012]
图1描绘了根据本发明的一些实施例的物镜的一般设置；
[0013]
图2示出了根据本发明的一些实施例的传感器系统的一般设置；
[0014]
图3示出了根据本发明的传感器系统的实施例1；
[0015]
图4示出了根据本发明的传感器系统的实施例2；
[0016]
图5示出了根据本发明的传感器系统的实施例3；
[0017]
图6示出了根据本发明的传感器系统的实施例4；
[0018]
图7示出了根据本发明的传感器系统的实施例5；
[0019]
图8示出了根据本发明的传感器系统的实施例6；
[0020]
图9示出了根据本发明的传感器系统的实施例7；以及
[0021]
图10示出了根据本发明的传感器系统的实施例8。
具体实施方式
[0022]
下面，参照附图详细描述本发明的某些实施例，其中，除非另有描述，否则实施例的特征可以彼此自由组合。然而，应明确理解的是，对某些实施例的描述仅通过示例的方式给出，并且绝不旨在将其理解为将本发明限于所公开的细节。
[0023]
图1示出了根据本发明的一些实施例的物镜的一般设置。即，物镜从物侧到像侧依次由以下组成：
[0024]
两个弯月面透镜(第一弯月面透镜1和第二弯月面透镜2)，均具有朝向物侧的凸侧；第一聚光单元3，其使来自第二弯月面透镜2的光聚光；孔径光阑4；第二聚光单元5，其使来自孔径光阑4的光聚光。第一聚光单元3和第二聚光单元5中的每一个可以包括一个或多个透镜，并且两个聚光单元3、5中的透镜的总数不少于四个且不多于六个。第二弯月面透镜2的顶点与第一弯月面透镜1的像侧的透镜表面间隔开。
[0025]
根据本发明的一些实施例，第一弯月面透镜1在像侧的半径(r2)、第二弯月面透镜2在物侧的半径(r3)和第二弯月面透镜2在像侧的半径(r4)满足以下三个条件中的至少两个：
[0026]
r2/r4≥1.40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)；
[0027]
r4/r3≥0.111
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；以及
[0028]
r2/r3≥0.16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)。
[0029]
这些条件的含义如下：
[0030]
根据条件(1)，第一弯月面透镜1和第二弯月面透镜1的像侧的曲率基本相等，或者第二弯月面透镜2的像侧的曲率大于第一弯月面透镜1的像侧的曲率。在现有技术中，该商通常小于1，这意味着第一弯月面透镜的像侧的曲率大于第二弯月面透镜的像侧的曲率。如果条件(1)不满足，则f/θ-失真增强。此外，如果条件(1)不满足(例如，由于r2减小而r3和r4保持不变)，则在115
°
视角下的mtf@150lp/mm减小。
[0031]
第二条件(2)限定第二弯月面透镜2的物侧的曲率远小于第二弯月面透镜2的像侧的曲率。然而，它还限定第二弯月面透镜2的物侧的曲率与像侧的曲率相比不可忽略。
[0032]
在现有技术中，这种具有宽视场的物镜(鱼眼物镜)的第二透镜基本上是平凸的，且在某些情况下，它甚至可以是双凹透镜。与现有技术相反，根据本发明的一些实施例，第二弯月面透镜2是“真正的”弯月面透镜，而不是基本上平凹透镜或双凹透镜。
[0033]
如果条件(2)不满足，则在115
°
视角下的mtf@150lp/mm减小(例如，由于r3增加而r2和r4保持不变)。而且，fov可能减小。
[0034]
第三条件(3)限定第一弯月面透镜1的像侧的曲率大于第二弯月面透镜2的物侧的曲率。这是第二弯月面透镜2的顶点与第一弯月面透镜1间隔开的原因。条件(3)还限定与第一弯月面透镜1的像侧的曲率相比，第二弯月面透镜2的物侧的曲率不可忽略。如条件(2)所讨论的，在现有技术中，第二透镜的物侧的表面通常是基本平坦的(平凹透镜或甚至双凹透镜)。在本发明的一些实施例中，第二弯月面透镜2的物侧的曲率不能被认为是基本平坦的。因此，第一弯月面透镜1的在像侧的表面和第二弯月面透镜2的在物侧的表面形成一种弯月面空气透镜。
[0035]
如果条件(3)不满足，则在115
°
视角下的mtf@150lp/mm减小(例如，由于r2减小而r3和r4保持不变时，或者由于r3增大而r2和r4保持不变时)。而且，视场可能减小。
[0036]
优选地，满足以下条件(1')、(2')和(3')中的至少一个：
[0037]
r2/r4≥1.55
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1')；
[0038]
r4/r3≥0.131
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2')；以及
[0039]
r2/r3≥0.20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3')。
[0040]
更优选地，满足以下条件(1”)、(2”)和(3”)中的至少一个：
[0041]
r2/r4≥1.64
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1”)；
[0042]
r4/r3≥0.152
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2”)；以及
[0043]
r2/r3≥0.24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3”)。
[0044]
更优选地，满足以下条件(1”')、(2”')和(3”')中的至少一个：
[0045]
r2/r4≥1.64
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1”')；
[0046]
r4/r3≥0.19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2”')；以及
[0047]
r2/r3≥0.35
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3”')。
[0048]
优选地，另外满足以下条件中的至少一个：
[0049]
1.98≥r2/r4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)；
[0050]
0.35≥r4/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)；以及
[0051]
0.65≥r2/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。
[0052]
如果满足条件(4)至(6)中的至少一个，则确保可以容易地制造相应的透镜。也就是说，在这些情况下，并不要求相应的表面是一个半球。此外，如果条件(5)和(6)不满足，则在115
°
视角下的mtf@150lp/mm减小(例如，由于在r4和r2不变时r3较大)。而且，如果条件(4)和(6)不满足(例如，由于在r4和r3不变时r2较大)，在115
°
的视角下的mtf@150lp/mm减小，并且视场因渐晕而减小。
[0053]
更优选地，另外满足以下条件中的至少一个：
[0054]
1.94≥r2/r4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4')；
[0055]
0.32≥r4/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5')；以及
[0056]
0.61≥r2/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6')。
[0057]
更优选地，还满足以下条件中的至少一个：
[0058]
r2/r4≥1.90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
””
)；
[0059]
0.24≥r4/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5”)；以及
[0060]
0.40≥r2/r3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6”)。
[0061]
根据本发明的一些实施例，物镜具有不小于225
°
的视场。优选地，视场不小于230
°
，或者甚至不小于234
°
。另一方面，为了便于物镜的制造，视场可以不大于240
°
，优选地不大于236
°
。
[0062]
注意，视场被限定成使得具有与第一弯月面透镜的顶点相距8mm距离的球体的像圆具有2.08mm至2.18mm的直径，并且在像圆中的每个位置处的主射线角不大于28
°
。因此，传统的半导体图像检测器，例如omnivision ov5670，可用于捕获没有渐晕的图像。
[0063]
根据本发明的一些实施例，如果第一弯月面透镜1在物侧的半径被表示为r1，则满足以下条件(7)：
[0064]
4.0≤r1/r4≤7.6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)。
[0065]
更优选地，满足以下条件(7')和(7”)之一：
[0066]
4.0≤r1/r4≤6.0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7')；
[0067]
4.5≤r1/r4≤5.5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7”)。
[0068]
第一弯月面透镜1的直径可以不大于7毫米，以便容易地将物镜包括在内窥镜中。然而，通常，第一弯月面透镜1的直径不受限制，例如，如果物镜与内窥镜中的物镜应用不同。
[0069]
根据本发明的一些实施例，第一弯月面透镜1和第二弯月面透镜2的折射率之和不小于3.56，和/或第一弯月面透镜和第二弯月面透镜的阿贝数之和不小于58。在587.6nm波长下测定了折射率。阿贝数定义为vd＝(n
d-1)/(n
f-nc)，其中nd、nf和nc分别是材料在夫琅和费d-、f-和c-谱线的波长(分别为587.6nm、486.1nm和656.3nm)下的折射率。优选地，折射率之和不小于3.8或甚至不小于4。相应地，阿贝数之和优选地不小于60，甚至更优选地不小于70。
[0070]
根据一些实施例，第一聚光单元3由一个、两个或三个透镜组成。例如，第一聚光单元3可以由单个双凸透镜组成。作为另一示例，第一聚光单元3可以由双凸透镜和弯月面透镜组成，该弯月面透镜具有朝向物侧的凹侧。这些透镜可以胶合。作为又一选择，第一聚光单元3可以由具有朝向物侧的凹侧的弯月面透镜和平凸透镜组成。作为具有三个透镜的示例，第一聚光单元3可以由双凹透镜和两个平凸透镜组成，其中，双凹透镜和两个平凸透镜中的第一个可以胶合。作为另一选择，第一聚光单元3可以由平凹透镜和平凸透镜(其中，两个平面可以胶合)以及平凸透镜组成。这些示例并不是限制性的。
[0071]
相应地，第二聚光单元5可以由两个、三个或四个透镜组成。例如，第二聚光单元5可以由包括两个或三个透镜(它们可以被胶合)的单个单元(胶合透镜)组成。该单元还可用于校正色差，并确保主射线角不大于预定值，诸如30
°
或优选地28
°
。此外，第二聚光单元5可以包括由单个透镜或双透镜组成的另一单元，其中，该另一单元比前一单元更靠近孔径光阑。这些示例并不是限制性的。
[0072]
根据本发明的一些实施例，物镜具有小的畸变。例如，在0
°
视角下，每mm 300个线对的调制传递函数(mtf@300lp/mm)大于13％(优选地大于15％)；在115
°
视角下，mtf@150lp/mm大于22％(优选地大于25％)；在所有视角下，mtf@100lp/mm大于45％(优选地大于50％)。
[0073]
根据本发明的一些实施例的传感器系统包括如上所述的物镜和用于将由物镜在传感器区域(光敏区域)7上形成的图像转换成电信号的传感器装置。例如，传感器装置可以是ccd装置或cmos装置，其包括排列成阵列的许多像素。像素间距可为0.9μm至1.4μm，且特别是1.12μm。
[0074]
通常，传感器装置由覆盖传感器区域7的盖玻片6覆盖。在这种情况下，盖玻片6位于第二聚光单元5与传感器区域7之间。
[0075]
从第一弯月面透镜1的顶点到传感器区域7的通过透镜的长度可以不超过10mm。因此，传感器系统特别适用于内窥镜。传感器系统可以被优化为对位于第一弯月面透镜1的顶点前面8mm处的球体成像。在这种情况下，像圆应该适合于传感器装置的传感器区域7。即，像圆被包括在传感器区域7中。在示例中，像圆可以具有不小于2.08mm且不超过2.20mm的直径。
[0076]
然而，在一些实施例中，像圆包括传感器区域7，或者传感器区域7的主要部分和像
圆重叠(例如大于70％，更优选地大于80％，或更优选地大于90％)。在一些实施例中，如果像圆的直径表示为di，物镜的视场表示为fov，第一弯月面透镜1的直径表示为d1，以及物镜的f数表示为f，则可以满足以下条件(8)：
[0077]
55≤(di*fov)/(d1*f)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)。
[0078]
此外，可满足以下条件(9)：
[0079]
(di*fov)/(di*f)≤140
ꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0080]
在一些实施例中，根据条件(8)的下限可以优选地为60或64。在一些实施例中，根据条件(9)的上限可以优选地为135或131。
[0081]
根据条件(8)，空间被特别有效地使用。
[0082]
如已经多次提到的，物镜和传感器装置可在包括管部和头部的内窥镜中使用。头部设置在管部的远端。该头部可以包括上文定义的传感器系统。
[0083]
在本技术的上下文中，术语透镜定义了具有前表面和后表面以及有效折射率大于1的介质的透明主体。整个透镜的折射率(基本上)是均匀的。通常，透镜表面是球形的。然而，透镜表面可以是非球面的，只要它偏离球面不超过相应半径的10％(优选地5％，更优选地2％)。通常，透镜的材料是玻璃。然而，在一些实施例中，透镜中的一个或多个可以由塑料制成。
[0084]
前透镜(第一弯月面透镜)优选地应具有对酸和/或碱的高抗性。前透镜优选地应为高度抗划伤的。
[0085]
透镜中的一个或多个可以具有抗反射涂层或增强对酸和/或碱的抗性和/或增强抗划伤性的涂层。只要该涂层不厚于透镜最大厚度的10％(优选地5％，更优选地1％)，这些涂层就被包括在透镜的定义中，尽管这些涂层通常具有与透镜其余部分不同的折射率。
[0086]
在图3至图10和对应的表1至表8中，更详细地说明了本发明的实施例1至8。这些图中的每一个示出了根据本发明的一些实施例的包括物镜的传感器系统的横截面图。此外，示出了中心光路和极值视场处的光路。表标明了各自的透镜参数。半径、厚度和孔径以mm表示。表9总结了实施例1至8的本发明的一些相关参数。表10表示用于本发明实施例1至8的玻璃的折射率和阿贝数。然而，本发明并不限于这些玻璃。
[0087]
表1：实施例1的透镜数据
[0088]
[0089][0090]
表2：实施例2的透镜数据
[0091][0092]
表3：实施例3的透镜数据
[0093]
[0094][0095]
表4：实施例4的透镜数据
[0096][0097]
表5：实施例5的透镜数据
[0098]
[0099][0100]
表6：实施例6的透镜数据
[0101][0102]
表7：实施例7的透镜数据
[0103][0104]
表8：实施例8的透镜数据
[0105][0106]
表9：实施例1至8的杂项数据
[0107][0108]
表10
[0109]
[0110][0111]
以下方面属于原发明：
[0112]
1.物镜，从物侧到像侧依次由以下组成：
[0113]
第一弯月面透镜，具有朝向物侧的凸侧；
[0114]
第二弯月面透镜，具有朝向物侧的凸侧；
[0115]
第一聚光单元，被配置成使来自第二弯月面透镜的光聚光；
[0116]
孔径光阑；
[0117]
第二聚光单元，被配置成使来自孔径光阑的光聚光；其中
[0118]
第二弯月面透镜的顶点与第一弯月面透镜间隔开；
[0119]
第一聚光单元和第二聚光单元中的透镜的总数不少于4个且不多于6个；
[0120]
如果第一弯月面透镜在像侧的半径表示为r2，第二弯月面透镜在物侧的半径表示为r3，并且第二弯月面透镜在像侧的半径表示为r4，则满足以下三个条件中的至少两个：
[0121]
r2/r4≥1.40；
[0122]
r4/r3≥0.111；以及
[0123]
r2/r3≥0.16。
[0124]
2.根据方面1的物镜，其中，满足以下条件中的至少一个：
[0125]
1.98≥r2/r4；
[0126]
0.35≥r4/r3；以及
[0127]
0.65≥r2/r3。
[0128]
3.根据方面1和2中任一项的物镜，其中，满足以下条件中的至少一个：
[0129]
r2/r4≥1.64；
[0130]
r4/r3≥0.19；以及
[0131]
r2/r3≥0.35。
[0132]
4.根据方面1至3中任一项的物镜，其中，满足以下条件中的至少一个：
[0133]
第一聚光单元由一个透镜或两个透镜或三个透镜组成；以及
[0134]
第二聚光单元由三个透镜或四个透镜组成。
[0135]
5.根据方面1至4中任一项的物镜，其中，物镜的视场不小于225
°
。
[0136]
6.根据方面1至5中任一项的物镜，其中，
[0137]
如果第一弯月面透镜在物侧的半径表示为r1，则满足以下条件：
[0138]
4.0≤r1/r4≤7.6。
[0139]
7.根据方面1至6中任一项的物镜，其中，满足以下条件中的至少一个：
[0140]
第一弯月面透镜的折射率与第二弯月面透镜的折射率之和不小于3.56；以及
[0141]
第一弯月面透镜的阿贝数与第二弯月面透镜的阿贝数之和不小于58，其中
[0142]
折射率是在587.6nm的波长下确定的。
[0143]
8.根据方面1至7中任一项的物镜，其中，第一弯月面透镜的直径不大于7mm。
[0144]
9.一种传感器系统，包括
[0145]
根据方面1至8中任一项的物镜；
[0146]
传感器装置，被配置成将由物镜在传感器区域上形成的图像光电转换成电信号；以及
[0147]
盖玻片，覆盖传感器区域，其中，盖玻片位于第二聚光单元与传感器区域之间。
[0148]
10.根据方面9的传感器系统，其中，位于传感器区域上的第一弯月面透镜的顶点前面8mm处的球体的像圆被包括在传感器区域中。
[0149]
11.根据方面10的传感器系统，其中，从第一弯月面透镜的顶点到传感器区域的光学长度不大于10mm。
[0150]
12.根据方面11的传感器系统，其中，在像圆的每个位置处的主射线角不大于30
°
。
[0151]
13.根据方面11和12中任一项的传感器系统，其中，如果像圆的直径表示为di，物镜的视场表示为fov，第一弯月面透镜的直径表示为d1，且物镜的f数表示为f，则满足以下条件：
[0152]
64≤(di*fov)/(d1*f)。
[0153]
14.一种内窥镜，包括管部和位于管部的远端处的头部，其中，头部包括根据方面9至13中任一项的传感器系统。