一种内窥镜用4K变焦耦合器的制作方法

一种内窥镜用4k变焦耦合器
技术领域
1.本发明属于内窥镜用变焦耦合光学系统，尤其涉及微创医疗手术，该内窥镜用4k变焦耦合器同时适用于可见和近红外波段。


背景技术：

2.变焦耦合器用于与内窥镜配合，是内窥目镜与成像芯片之间的转接系统，将内窥镜探测到的图像传递到探测器上，便于更好的观察，常见用于现代医疗微创手术中。兼具超高清成像和齐变焦功能的耦合器是多种实际应用场景下的迫切需求。
3.为了应对上述需求，如公开号为cn111929877a的中国专利公开了一种医用内窥镜光学变焦4k适配器，该装置有9片透镜，且含一片非球面透镜，具有焦距从16mm到32mm的变焦效果，使用4k分辨率1/2.5英寸芯片，能够清晰均匀成像。但该装置属于光学变焦，只能在几个特定位置实现像面的完全稳定，并非无级变焦，且不具备调焦功能。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种兼具超高清成像和无极变焦的光学系统——内窥镜用4k变焦耦合器。该耦合器全部采用球面透镜，并且能较好的配合目视内窥系统进行无级变焦实现对物方的变倍观察。
5.本发明提供的一种内窥镜用4k变焦耦合器，包括前保护片、探测器芯片、及其之间的光学成像镜组。
6.所述光学成像镜组从前保护片到探测器芯片之间沿光轴方向排布顺序是第一胶合透镜、第二胶合透镜、第三胶合透镜、第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜。第一胶合透镜与第二胶合透镜组成固定镜组；第三胶合透镜与第一正透镜组成变倍镜组，第二正透镜与第一负透镜组成补偿镜组；固定镜组不动，变倍镜组与补偿镜组沿光轴方向联动实现变焦效果。
7.所述光学成像镜组满足以下条件式(1)(2)(3)(4)
8.0.7《la/l0《0.95
ꢀꢀ
(1)
9.0.7《fz/f0《1.3
ꢀꢀ
(2)
[0010]-0.1》fb/fg》-0.4
ꢀꢀ
(3)
[0011]-0.1》fc/fg》-0.4
ꢀꢀ
(4)
[0012]
其中，
[0013]
la：所述光学成像镜组从第三胶合透镜物方表面到像面沿光轴方向的距离；
[0014]
l0：所述光学成像镜组从前保护片物方表面到像面沿光轴方向的距离；
[0015]
fz：所述光学成像镜组从第三胶合透镜物方表面到第一负透镜像方表面沿光轴方向的距离；
[0016]
f0：所述光学成像镜组的有效焦距；
[0017]
fb为变倍镜组的有效焦距；
[0018]
fg为固定镜组的有效焦距；
[0019]
fc为补偿镜组的有效焦距；
[0020]
作为优选，所述第一胶合透镜、第二及胶合透镜、第三胶合透镜、第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜满足下列条件：
[0021]
rc1a1《0；rc1a2》0；rc1b2》rc1b1》0；rc2a2》0；rc2b1》0；rc2b2《0；rc3a1》0；rc3a2《0；rc3b2《rc3b1《0；rz11》0；rz12《0；rz22《0；rf11《0；rf12》0；
[0022]
其中，第一胶合透镜包含靠近前保护片的第一胶合透镜a和靠近第二胶合透镜的第一胶合透镜b，第二胶合透镜包含靠近第一胶合透镜的第二胶合透镜a和靠近第三胶合透镜的第二胶合透镜b，第三胶合透镜包含靠近第二胶合透镜的第三胶合透镜a和靠近第一正透镜的第三胶合透镜b。
[0023]
其中rc1a1为所述第一胶合透镜a的物方表面曲率半径；rc1a2为所述第一胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc1b2为所述第一胶合透镜b的像方表面曲率半径；rc1b1为所述第一胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc2a2为所述第二胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc2b1为所述第二胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc2b2为所述第二胶合透镜b的像方表面曲率半径；rc3a1为所述第三胶合透镜a的物方表面曲率半径；rc3a2为所述第三胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc3b1为所述第三胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc3b2为所述第三胶合透镜b的像方表面曲率半径；rz11为所述第一正透镜的物方表面曲率半径；rz12为所述第一正透镜的像方表面曲率半径；rz22为所述第二正透镜的像方表面曲率半径；rf11为所述第一负透镜的物方表面曲率半径；rf12为所述第一负透镜的物方表面曲率半径；
[0024]
进一步地，所述透镜类型具体为：所述第一胶合透镜a为双凹透镜，具有负光焦度；所述第一胶合透镜b为弯月透镜，具有正光焦度；所述第二胶合透镜a为平凹透镜，具有负光焦度；所述第二胶合透镜b为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三胶合透镜a为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三胶合透镜b为弯月透镜，具有负光焦度；所述第一正透镜为双凸透镜；所述第二正透镜为平凸透镜；所述第一负透镜为双凹透镜。
[0025]
进一步地，所述光学成像镜组光阑面与前保护片物方表面贴合。
[0026]
进一步地，所述第一胶合透镜的焦距介于-25mm与-5mm之间；所述第二胶合透镜的焦距介于10mm与30mm之间；所述第三胶合透镜的焦距介于40mm与60mm之间；所述第一正透镜焦距介于10mm与30mm之间；所述第二正透镜焦距介于10mm与30mm之间；所述第一负透镜的焦距介于-20mm与-5mm之间。
[0027]
更进一步地，所述第一胶合透镜a的折射率介于1.60与1.70之间；所述第一胶合透镜b的折射率介于1.85与2.00之间；所述第二胶合透镜a的折射率介于1.55与1.70之间；所述第二胶合透镜b的折射率介于1.50与1.65之间；所述第三胶合透镜a的折射率介于1.50与1.65之间；所述第三胶合透镜b的折射率介于1.85与2.00之间；所述第一正透镜的折射率介于1.50与1.65之间；所述第二正透镜的折射率介于1.85与2.00之间；所述第一负透镜的折射率介于1.70与1.80之间。
[0028]
本发明的有益效果是：该内窥镜用4k变焦耦合器可实现焦距从14mm到32mm的变焦效果，入瞳直径3.5mm。使用4k分辨率1/1.8英寸探测器芯片，畸变小于2％。该耦合器全部采用球面透镜，可有效的控制成本，并且能较好的配合目视内窥系统进行无级变焦实现对物方的变倍观察。
附图说明
[0029]
图1为本发明提供的一种内窥镜用4k变焦耦合器的整体结构示意图；
[0030]
图2为本发明提供的一种内窥镜用4k变焦耦合器的固定镜组、变倍镜组、补偿镜组示意图；
[0031]
图3为所述实施例的像方球差曲线、像方场曲曲线和畸变曲线；
[0032]
图4为所述实施例的mtf曲线；
具体实施方式
[0033]
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。应当理解，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0034]
请参阅图1，本发明提供一种内窥用4k变焦耦合器，其特征在于：它包括前保护片10到探测器芯片20之间的光学成像镜组。所述光学成像镜组从前保护片10到探测器芯片20之间沿光轴方向排布顺序是第一胶合透镜c10、第二胶合透镜c20、第三胶合透镜c30、第一正透镜z10、第二正透镜z20、第一负透镜f10。第一胶合透镜c10与第二胶合透镜c20组成固定镜组100；第三胶合透镜c30与第一正透镜z10组成变倍镜组200，第二正透镜z20与第一负透镜f10组成补偿镜组300；固定镜组100不动，图1中虚线框内，变倍镜组200与补偿镜组300沿光轴方向联动实现变焦效果。所述变焦耦合器的每个所述透镜具有相适配的参数以使所述4k变焦耦合器具备焦距从14mm到32mm的变焦效果，入瞳直径3.5mm。使用4k分辨率1/1.8英寸探测器芯片，畸变小于2％。该耦合器全部采用球面透镜，并且能较好的配合目视内窥系统进行无级变焦实现对物方的变倍观察。
[0035]
第一胶合透镜c10包含靠近前保护片10的第一胶合透镜a和靠近第二胶合透镜c20的第一胶合透镜b，第二胶合透镜c20包含靠近第一胶合透镜c10的第二胶合透镜a和靠近第三胶合透镜c30的第二胶合透镜b，第三胶合透镜c30包含靠近第二胶合透镜c20的第三胶合透镜a和靠近第一正透镜z10的第三胶合透镜b。
[0036]
请参阅图2，其中c1a1为所述第一胶合透镜a的物方表面；c1a2为所述第一胶合透镜a的像方表面；c1b2为所述第一胶合透镜b的物方表面；c1b1为所述第一胶合透镜b的像方表面；c2a2为所述第二胶合透镜a的像方表面；c2b1为所述第二胶合透镜b的物方表面；c2b2为所述第二胶合透镜b的像方表面；c3a1为所述第三胶合透镜a的物方表面；c3a2为所述第三胶合透镜a的像方表面；c3b1为所述第三胶合透镜b的物方表面；c3b2为所述第三胶合透镜b的像方表面；z11为所述第一正透镜z10的物方表面；z12为所述第一正透镜z10的像方表面；z22为所述第二正透镜z20的像方表面；f11为所述第一负透镜f10的物方表面；f12为所述第一负透镜f20的物方表面；
[0037]
进一步地，所述透镜类型具体为：所述第一胶合透镜a为双凹透镜，具有负光焦度；所述第一胶合透镜b为弯月透镜，具有正光焦度；所述第二胶合透镜a为平凹透镜，具有负光焦度；所述第二胶合透镜b为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三胶合透镜a为双凸透镜，具有正光焦度；所述第三胶合透镜b为弯月透镜，具有负光焦度；所述第一正透镜z10为双凸透镜；所述第二正透镜z20为平凸透镜；所述第一负透镜f10为双凹透镜。
[0038]
作为优选，所述第一胶合透镜、第二及胶合透镜、第三胶合透镜、第一正透镜、第二
正透镜、第一负透镜满足下列条件：
[0039]
rc1a1《0；rc1a2》0；rc1b2》rc1b1》0；rc2a2》0；rc2b1》0；rc2b2《0；rc3a1》0；rc3a2《0；rc3b2《rc3b1《0；rz11》0；rz12《0；rz22《0；rf11《0；rf12》0；
[0040]
其中rc1a1为所述第一胶合透镜a的物方表面曲率半径；rc1a2为所述第一胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc1b2为所述第一胶合透镜b的像方表面曲率半径；rc1b1为所述第一胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc2a2为所述第二胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc2b1为所述第二胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc2b2为所述第二胶合透镜b的像方表面曲率半径；rc3a1为所述第三胶合透镜a的物方表面曲率半径；rc3a2为所述第三胶合透镜a的像方表面曲率半径；rc3b1为所述第三胶合透镜b的物方表面曲率半径；rc3b2为所述第三胶合透镜b的像方表面曲率半径；rz11为所述第一正透镜的物方表面曲率半径；rz12为所述第一正透镜的像方表面曲率半径；rz22为所述第二正透镜的像方表面曲率半径；rf11为所述第一负透镜的物方表面曲率半径；rf12为所述第一负透镜的物方表面曲率半径；
[0041]
该内窥镜用4k变焦耦合器满足下列条件(1)(2)(3)(4)：
[0042]
0.7《la/l0《0.95
ꢀꢀ
(1)
[0043]
0.7《fz/f0《1.3
ꢀꢀ
(2)
[0044]-0.1》fb/fg》-0.4
ꢀꢀ
(3)
[0045]-0.1》fc/fg》-0.4
ꢀꢀ
(4)
[0046]
其中，
[0047]
la：所述光学成像镜组从第三胶合透镜物方表面到像面沿光轴方向的距离；
[0048]
l0：所述光学成像镜组从前保护片物方表面到像面沿光轴方向的距离；
[0049]
fz：所述光学成像镜组从第三胶合透镜物方表面到第一负透镜像方表面沿光轴方向的距离；
[0050]
f0：所述光学成像镜组的有效焦距；
[0051]
fb为变倍镜组的有效焦距；
[0052]
fg为固定镜组的有效焦距；
[0053]
fc为补偿镜组的有效焦距；
[0054]
以1/1.8英寸探测器芯片与耦合器共轴放置为例，给出本发明的一种内窥用4k变焦耦合器的具体实施例如下：
[0055]
该实施例的光路结构如图1。各透镜的具体透镜数据示于表1，并将变焦数据示于表2，将各像差图示于图3-4。
[0056]
表1
[0057][0058][0059]
表2
[0060]
焦距/mm142432d9/mm16.8889.4252.498d14/mm9.7253.2852.103d18/mm4.05717.96026.069
[0061]
实施例中一种内窥用4k变焦耦合器，最终可实现焦距从14mm到32mm的变焦效果，入瞳直径3.5mm，使用4k分辨率1/1.8英寸探测器芯片，畸变小于2％。
[0062]
在图3中，从左起依次示出实施例的一种内窥用4k变焦耦合器光学成像镜组的球差、像散、畸变的各像差图。在球差曲线图中，用实线示出球差曲线。在像散曲线图中，用实线示出子午面内的像差，用虚线示出弧矢面内的像差。在畸变曲线图中，用实线示出系统的畸变像差。
[0063]
图4为mtf曲线图，图中给出了在频率0-150cy/mm处中心视场、0.15mm(0.5视场)、0.2mm(0.707视场)、0.3mm(边缘视场)四个不同位置的子午面和弧矢面所对应的mtf曲线并给出衍射极限条件下的mtf曲线进行对比。图中250lp/mm下各视场的mtf曲线大于0.1。3840*2160的1/1.8英寸芯片的像素是2微米，对应尼奎斯特频率为250lp/mm，在该线对下mtf数值》0.1即满足芯片的分辨率要求。
[0064]
在表3示出实施一种内窥用4k变焦耦合器光学成像镜组的条件式(1)(3)(4)及其涉及的相应参数值。在表4示出条件式(2)及其涉及的相应参数值。表3、表4示出的值是以586nm为设计主波长。
[0065]
表3
[0066][0067][0068]
表4
[0069]
编号参数数值1数值2数值31fz15.62122.45525.8242f01424323fz/f01.1160.9360.807
[0070]
以上，举出实施方式和实施例对本发明进行了说明，但是本发明不限定于上述实施方式和实施例，能够进行各种变形。例如，各透镜的曲率半径、厚度、面间隔、折射率、以及阿贝数不限定于上述实施例所示的值，也可以取其他值。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。