ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ ОБЪЕКТИВ ЭНДОСКОПА Российский патент 2003 года по МПК G02B23/24 

Предлагаемое изобретение относится к области эндоскопии, к объективам для эндоскопов. Эндоскопы предназначены для индивидуального исследования внутренних органов человека, пустых полостей машин и механизмов и т.п.

Объективы, применяемые в приборах такого типа, имеют ряд особенностей, нехарактерных для прочих оптических систем. В частности, габаритные размеры объективов эндоскопов (ОЭ) ограничены по диаметру 2,5-3 мм и по длине до 10 мм от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений. Фокусное расстояние ОЭ определяется углом его поля зрения и диаметром приемника и находится в пределах 0,4-1,5 мм. Для обеспечения возможности сопряжения ОЭ с приемником на его выходе необходимо обеспечить телецентрический ход главных лучей. В качестве приемников изображения могут использоваться жесткие трансляторы с градиентным распределением показателя преломления, линзовые трансляторы изображения, гибкие волоконно-оптические световоды или электронные приборы зарядовой связи (ПЗС - матрицы).

Первая поверхность фронтальной линзы объектива эндоскопа должна быть плоской или иметь малую кривизну для обеспечения возможности ее омывания в процессе работы.

В настоящее время разрабатываются эндоскопы нового поколения, отличающиеся улучшенным качеством изображения при увеличенном угле поля зрения. Основная трудность при создании ОЭ для таких приборов состоит в необходимости исправления дисторсии изображения, которая возрастает пропорционально 3-й степени величины угла поля зрения. У большинства современных ОЭ при наибольшей величине углового поля 2ω=90^o величина дисторсии составляет 25-30%, что доставляет значительные неудобства пользователям приборов. В эндоскопах нового поколения требуемая величина поля зрения достигает 2ω=120^o. При этом крайне желательным представляется уменьшение дисторсии до 15-20% при сохранении или даже улучшении качества изображения по всему полю [1],[2],[3],[4], [5],[6],[7].

Обычно это достигается внесением в оптическую схему ОЭ линз с асферическими поверхностями [6]. Однако данное решение может оказаться в ряде случаев неприемлемым по технологическим причинам.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объективу является объектив эндоскопа [8] с угловым полем в пространстве предметов 2ω=120^o.

Прототип содержит четыре компонента, первый из которых отрицательная линза, второй - положительная линза, третий - склеенный компонент положительной оптической силы, состоящий из двух линз, и четвертый компонент, выполненный в виде коллективной линзы, склеенной с противомуаровым фильтром. Между вторым и третьим компонентами расположена апертурная диафрагма. При этом задний рабочий отрезок системы равен нулю (изображение формируется на последней плоской поверхности фильтра). В целях компенсации дисторсии первая поверхность первой отрицательной линзы выполнена не плоской, а выпуклой, с малой стрелкой прогиба и асферическим профилем, описываемым уравнением восьмого порядка.

Недостатком объектива эндоскопа, выбранного в качестве прототипа, является то, что дисторсия в системе остается достаточно большой (≈25%) и ее дальнейшая коррекция до 15% требует асферизации одной из поверхностей третьего компонента.

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение дисторсии при улучшении качества изображения по всему полю.

Для решения поставленной задачи предложен широкоугольный объектив эндоскопа, который, как и прототип, включает четыре компонента, первый из которых выполнен в виде отрицательного мениска, второй - положительный, выполненный в виде линзы, а четвертый - в виде коллектива, кроме того, между вторым и третьим компонентами у переднего фокуса третьего и четвертого компонентов размещена апертурная диафрагма.

В отличие от прототипа в предлагаемом широкоугольном объективе эндоскопа второй положительный компонент, оптическая сила которого удовлетворяет условию 2<ϕ_оэ/ϕ₁₁<3, где ϕ_оэ - оптическая сила объектива эндоскопа; ϕ₁₁ - оптическая сила второго компонента, дополнен двумя линзами, установленными перед основной, первая из которых отрицательная с большей кривизной второй поверхности по ходу лучей, вторая представляет собой мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а третья, основная, - двояковыпуклую линзу так, что для них справедливы соотношения
0,6<|ϕ₂/ϕ₃|<0,8 и 1<|ϕ₂/ϕ₄|<1,6,
где ϕ₂ - оптическая сила первой линзы второго компонента; ϕ₃ - оптическая сила второй линзы второго компонента; ϕ₄ - оптическая сила третьей основной линзы второго компонента.

Кроме того, третий компонент, представляющий собой линзу отрицательной оптической силы, выполнен из материала, показатель преломления которого изменяется относительно базового показателя n₀ в направлении r, перпендикулярном оптической оси по закону, определяемому уравнением

а четвертый компонент-коллектив, оптическая сила которого удовлетворяет условию 2,0<ϕ_оэ/ϕ_IV<2,3, где ϕ_IV - оптическая сила коллектива, выполнен в виде двух положительных линз, вторая из которых имеет последнюю поверхность, совмещенную с поверхностью изображения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в данном объективе задача компенсации дисторсий при сохранении высокого качества изображения как в центре, так и по полю решается путем выполнения третьего компонента из материала с градиентным распределениием показателя преломления, а также внесения следующих изменений:
- первая отрицательная плосковогнутая линза не имеет асферических поверхностей;
- между первой линзой и апертурной диафрагмой количество линз может изменяться от 1 до 3, в зависимости от полевого угла объектива;
- третий компонент с градиентным распределением показателя преломления для компенсации дисторсий расположена позади апертурной диафрагмы вблизи ее плоскости, а его преломляющие поверхности могут быть плоскими или иметь незначительную кривизну;
- коллектив представляет собой систему из двух положительных линз.

Таким образом, в предложенном широкоугольном объективе эндоскопа получена дисторсия менее 15% при резком увеличении углового поля системы.

Кроме того, данный объектив позволяет достаточно полно корректировать аберрации и обеспечивает высокую разрешающую способность по полю.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на на фиг.1 представлена оптическая схема объектива; на фиг. 2 - график изменения показателя преломления.

Объектив эндоскопа включает четыре компонента. Первый компонент выполнен в виде мениска 1, второй - положительный, оптическая сила которого удовлетворяет условию 2<ϕ_оэ/ϕ_II<3, где ϕ_оэ - оптическая сила объектива эндоскопа; ϕ_II - оптическая сила второго компонента, выполнен в виде трех линз, первая из которых отрицательная 2 имеет большую кривизну второй поверхности по ходу лучей, вторая линза выполнена в виде положительного мениска 3, обращенного выпуклостью к изображению, а третья линза 4 имеет обе выпуклые поверхности. Для них справедливы соотношения
0,6<|ϕ₂/ϕ₃|<0,8 и 1<|ϕ₂/ϕ₄|<1,6,
где ϕ₂ - оптическая сила первой линзы второго компонента; ϕ₃ - оптическая сила второй линзы второго компонента; ϕ₄ - оптическая сила третьей основной линзы второго компонента.

Третий компонент 5 выполнен в виде линзы отрицательной оптической силы из материала, показатель преломления которого изменяется относительно базового показателя n₀ в направлении r, перпендикулярном оптической оси по закону, определяемому уравнением

причем изменение показателя преломления по сечению элемента не превышает ±0,001 на участке r=(0÷0,33)R_max, а на участке r=(0.33÷1)R_max имеет место возрастание показателя преломления по закону, близкому к экспоненциальному, с изменением его величины на +0.1±0.03 (см. таблицу и фиг.2), где R_max - максимальное значение светового радиуса элемента.

Четвертый компонент-коллектив выполнен в виде двух положительных линз 6 и 7, вторая из которых имеет последнюю поверхность, совмещенную с поверхностью изображения, и удовлетворяют условию 2,0<ϕ_оэ/ϕ_IV<2,3, где ϕ_IV - оптическая сила коллектива.

Между вторым и третьим компонентами у переднего фокуса третьего и четвертого компонентов размещена апертурная диафрагма 8.

Принцип работы предлагаемого объектива состоит в следующем: первая группа линз, состоящая из компонентов 1, 2, 3, и 4, образует положительную систему, которая уменьшает угол главного луча с оптической осью с 60 до 30^o для крайней точки поля в воздушном промежутке перед апертурной диафрагмой 8. Первые два отрицательных компонента служат для развития полевого угла до 120^o, но одновременно вносят значительную отрицательную дисторсию и кривизну поля. Компоненты III и IV обладают в сумме положительной оптической силой и вносят незначительную компенсирующую положительную дисторсию. Главную роль в исправлении дисторсии играет компонент III, выполненный из материала с градиентным распределением показателя преломления в направлении, перпендикулярном оптической оси, который расположен вблизи плоскости апертурной диафрагмы 8.

Распределение показателя преломления в компоненте III в направлении, перпендикулярном оптической оси, имеет вид кривой (см. фиг.2). Расположение апертурной диафрагмы 8 вблизи первой поверхности компонента III позволяет уменьшить нарастание комы наклонных пучков и сохранять их симметрию относительно главных лучей внутри неоднородной среды. Последние две положительные линзы 6 и 7, образуя компонент IV, играют роль коллектива, одновременно участвуя как в выносе выходного зрачка системы для обеспечения телецентрического хода главных лучей в пространстве изображений, так и в компенсации остаточных аберраций внеосевых пучков, в том числе астигматизма. При этом они слабо или почти не влияют на дисторсию.

Предложенная схема позволяет получить дисторсию менее 15% при резком увеличении углового поля системы. При полевом угле ω=45^o дисторсия описываемого ОЭ не превышает 10,5%. Кроме того, данная система обеспечивает высокую разрешающую способность по полю и позволяет достаточно полно корректировать аберрации.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Япония, заявка N 4-76089, кл. G 02 В 21/02, 1984 г.

2. Япония, заявка N 2767106, кл. G 02 В 23/24, 1988 г.

3. Япония, заявка N 2804267, кл. G 02 В 15/15, 1988 г.

4. Япония, заявка N 2709611, кл. G 02 B 13/14, 1988 г.

5. Япония, заявка N 2876252, кл. Q 02 B 15/14, 1990 г.

6. Япония, заявка N 2920670, кл. G 02 B 13/14, 1990 г.

7. Германия, заявка N 19736617, кл. G 02 B 17/34, 1997 г.

8. Патент США N 5208702, МПК G 02 B 13/22, НКИ 359-663, 1991 г. - прототип.

Объектив эндоскопа может быть использован в эндоскопии, для индивидуального исследования внутренних органов человека, пустых полостей машин и механизмов и т.п. Задача - уменьшение дисторсии при улучшении качества изображения по всему полю. Объектив эндоскопа содержит четыре компонента, первый из которых выполнен в виде отрицательного мениска, а четвертый - в виде коллектива, и апертурную диафрагму, размещенную между вторым и третьим компонентами у переднего фокуса третьего и четвертого компонентов. Второй положительный компонент содержит основную линзу и установленные перед ней две линзы, первая из которых отрицательная с большей кривизной второй поверхности по ходу лучей, вторая - мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а третья, основная, - двояковыпуклая линза. Третий компонент - отрицательная линза выполнена из материала, показатель преломления которого изменяется относительно базового показателя n_o в направлении r, перпендикулярном оптической оси по закону, определяемому уравнением, указанным в формуле. четвертый компонент-коллектив выполнен в виде двух положительных линз, вторая из которых имеет последнюю поверхность, совмещенную с поверхностью изображения. Оптические силы объектива, компонентов и входящих в них линз связаны соотношениями, указанными в формуле изобретения. Технический результат - уменьшение дисторсии при улучшении качества изображения по всему полю. 1 табл., 2 ил.

Широкоугольный объектив эндоскопа, содержащий четыре компонента, первый из которых выполнен в виде отрицательного мениска, второй - положительный, выполненный в виде линзы, а четвертый - в виде коллектива, и апертурную диафрагму, размещенную между вторым и третьим компонентами у переднего фокуса третьего и четвертого компонентов, отличающийся тем, что второй положительный компонент, оптическая сила которого удовлетворяет условию: 2<ϕ_оэ/ϕ₁₁<3, где ϕ_оэ - оптическая сила объектива эндоскопа, ϕ₁₁ - оптическая сила второго компонента, дополнен двумя линзами, установленными перед основной, первая из которых отрицательная с большей кривизной второй поверхности по ходу лучей, вторая представляет собой мениск, обращенный выпуклостью к изображению, а третья, основная - двояковыпуклую линзу так, что для них справедливы соотношения: 0,6<|ϕ₂/ϕ₃|<0,8 и 1<|ϕ₂/ϕ₄|<1,6, где ϕ₂ - оптическая сила первой линзы второго компонента, ϕ₃ - оптическая сила второй линзы второго компонента, ϕ₄ - оптическая сила третьей основной линзы второго компонента, кроме того, третий компонент, представляющий собой линзу отрицательной оптической силы, выполнен из материала, показатель преломления которого изменяется относительно базового показателя n_o в направлении r, перпендикулярном оптической оси, по закону, определяемому уравнением

а четвертый компонент-коллектив, удовлетворяющий условию 2,0<ϕ_оэ/ϕ_IV<2,3, где ϕ_IV - оптическая сила коллектива, выполнен в виде двух положительных линз, вторая из которых имеет последнюю поверхность, совмещенную с поверхностью изображения.