ОБЪЕКТИВ ЭНДОСКОПА Российский патент 2012 года по МПК G02B9/34 G02B23/24 

Предлагаемое изобретение относится к области эндоскопии, к объективам для эндоскопов и может быть использовано в видеоэндоскопах.

Эндоскопы предназначены для исследования внутренних органов человека.

Объективы, применяемые в приборах такого типа, имеют ряд особенностей:

- Габаритные размеры объективов эндоскопов (ОЭ) ограничены в диаметре до 2,5-3 мм и в длине до 4-7 мм от первой преломляющей поверхности до плоскости изображений.

- Фокусное расстояние ОЭ определяется требуемым углом его поля зрения и диаметром приемника и находится в пределах 0,5-1,5 мм.

- Необходимость обеспечения близкого к телецентрическому хода главных лучей в пространстве изображений (ω'<17°), определяемого свойствами приемника (ПЗС матрицы).

- Первая поверхность фронтальной линзы ОЭ должна быть плоской или иметь достаточно большой радиус для обеспечения возможности ее смывания в процессе работы.

- Должен обеспечиваться задний отрезок, достаточный для размещения в пространстве изображения ИК фильтра и защитного стекла приемника.

- Качество изображения объектива видеоэндоскопа должно быть выше, чем у объектива волоконного эндоскопа, что связано с большим, чем волоконного жгута, числом элементов в устройствах, формирующих изображение (ПЗС матрицы).

- От объективов, предназначенных для видеоэндоскопов, требуется обеспечение высокой разрешающей способности на всем диапазоне рабочих расстояний до объекта.

Оптическая схема такого объектива должна содержать минимальное число компонентов и отличаться простотой, технологичностью и использовать традиционную элементную базу (линзы со сферическими поверхностями). Известны конструкции оптических схем объективов, в разной мере удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям и состоящие из 3-4 линз [1, 2, 3, 4, 5].

В качестве прототипа предлагаемого ОЭ можно рассматривать объектив [5] с угловым полем в пространстве предметов 2ω=140°. Прототип содержит два компонента, из которых первый имеет положительную оптическую силу, второй - отрицательную, фильтр и защитное стекло ПЗС матрицы.

Первый компонент состоит из первой отрицательной и второй положительной линз, разделенных апертурной диафрагмой, второй компонент состоит из первой отрицательной и второй положительной линз, склеенных вместе, при этом вторая поверхность второй линзы - вогнутая.

ОЭ отличается небольшими габаритами и высоким качеством изображения, но имеет и недостатки:

- Резкое ухудшение качества изображения на коротких расстояниях до объекта (3-5 мм), что уменьшает интервал изменения переднего отрезка.

- Нетелецентричность - слишком большой угол главного луча в пространстве изображений (ω'=40°), что может привести к виньетированию на краю поля изображения.

- Мало угловое поле зрения в пространстве предметов (2ω=130-140°)

- Большое падение освещенности на краю поля изображения - до 60%

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение приемлемого качества изображения на всем интервале изменения рабочего отрезка - от 3 до 100 мм, увеличение углового поля зрения до 2ω=150-160°, обеспечение близкого к телецентрическому ходу главных лучей в пространстве изображений ω'<17° (определяется параметрами применяемого приемника) и повышение освещенности на краю поля зрения.

Для решения поставленной задачи предложен объектив эндоскопа, который, как и прототип, выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых I с оптической силой φ_I содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к изображению, и плосковыпуклую линзу с оптической силой φ₂, и второй компонент II с оптической силой φ_II, содержит склеенную линзу с оптической силой φ_3,4, состоящую из отрицательной и положительной линз с оптическими силами φ₃ и φ₄.

В отличие от прототипа, первый компонент I выполнен с отрицательной оптической силой, а второй компонент II - с положительной оптической силой, во втором компоненте II перед склеенной линзой введена двояковыпуклая линза с оптической силой φ₅, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:

0.35<|φ_I/φ|<0.45

0.5<φ_II/φ<0.6

0.35<φ₅|<0.5

0.15<φ₂<0.25

0.65<|φ₃/φ₄|<0.75

0.97<dφ<1.05,

где φ - оптическая сила объектива в целом,

d - расстояние между первой и второй линзами I компонента.

Кроме того, показатели преломления материалов линз отвечают следующим условиям:

n₁>1.85

n₂=n₅=n₄,

где n₁ - показатель преломления стекла отрицательного мениска 1;

n₂ - показатель преломления стекла плосковыпуклой линзы 2;

n₅ - показатель преломления стекла двояковыпуклой линзы 5;

n₄ - показатель преломления стекла положительной склеенной линзы 4.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что объектив эндоскопа состоит из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых отрицательный содержит две одиночные линзы - отрицательный мениск и положительную плосковыпуклую линзу. Плоская поверхность второй линзы совпадает с плоскостью апертурной диафрагмы.

Во второй компонент, выполненный положительным, введена дополнительная двояковыпуклая линза. Положительная сила второго компонента дает возможность обеспечить допустимую телецентричность. Отрицательная сила первой линзы первого компонента дает возможность увеличить угловое поле зрения. При этом необходимо сохранить по возможности меньшее фокусное расстояние, увеличение которого вызывает падение качества изображения на краях рабочего диапазона расстояний до предмета за счет неустранимой расфокусировки. С другой стороны, при малом фокусном расстоянии и при большом угловом поле зрения и, соответственно, большой отрицательной дисторсии, линейное поле в пространстве изображений будет мало.

Выполнение показателей преломления материалов линз, отвечающих следующим условиям:

n₁>1.85

n₂=n₅=n₄,

где n₁ - показатель преломления стекла отрицательного мениска 1;

n₂ - показатель преломления стекла плосковыпуклой линзы 2;

n₅ - показатель преломления стекла двояковыпуклой линзы 5;

n₄ - показатель преломления стекла положительной склеенной линзы 4, обеспечивает увеличение углового зрения и улучшают технологичность всего объектива.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где представлена оптическая схема объектива эндоскопа, и приложением.

Объектив эндоскопа включает два компонента. Первый компонент I выполнен отрицательным и содержит две одиночные линзы, первая из которых - отрицательный мениск 1, обращенный вогнутой стороной к изображению, вторая линза 2 - плосковыпуклая, плоская сторона которой совпадает с апертурной диафрагмой AD. Второй компонент II, так же как и прототип, содержит отрицательную 3 и положительную 4 линзы, склеенные друг с другом. В отличие от прототипа в положительный компонент II предлагаемого объектива перед склеенной линзой 3, 4 введена двояковыпуклая линза 5. В заднем отрезке расположена плоскопараллельная пластина 6, представляющая собой ИК-фильтр и защитное стекло приемника.

Работа предлагаемого объектива эндоскопа осуществляется следующим образом.

Отрицательный первый компонент I, обеспечивая увеличение углового поля зрения в пространстве предметов, уменьшает углы внеосевых пучков с оптической осью перед апертурной диафрагмой AD. Следующий за апертурной диафрагмой AD положительный второй компонент II формирует реальное изображение предмета в плоскости установки, единой для всего диапазона рабочих расстояний. Введенная в него двояковыпуклая линза 5 вместе со склеенной линзой 3, 4 частично компенсируют астигматизм и кривизну поля первого компонента I, а соотношение оптических сил линз и первого и второго компонентов и марок стекол позволяет получить высококачественное изображение по всему полю зрения на всем интервале рабочих расстояний.

В Приложении приведен объектив со следующими оптическими силами линз:

φ_I=-0.4

φ_II=0.55

φ₅=0.425

φ₂=0.25

φ₃/φ₄=-0.67

Параметры объектива:

- Диапазон рабочих расстояний S=3-100 мм

- Угол поля зрения 2ω=160°

- Фокусное расстояние f'=0.93 мм

- Коэффициент передачи модуляции для пространственной частоты N=80 мм^-1 более 20% по всему полю изображения на всем диапазоне S.

- Телецентричность - угол главного луча для края поля в пространстве изображений не превышает ω'=12°.

- Падение освещенности на краю поля изображения не превышает 25%.

- При расчете учитывались ИК фильтр и защитное стекло приемника плоскопараллельной пластины 6.

Таким образом, обеспечена достаточно хорошая телецентричность - угол главного луча в пространстве изображений составляет ω'<12° и, существенно по сравнению с прототипом, улучшено распределение освещенности по полю изображения - падение освещенности не превышает 25%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Япония, патент JP 2006276779, G02B 13/00, 2006 г.

2. Япония, патент JP 2004258611, G02B 23/26, 2004 г.

3. Япония, патент JP 63 083 81, G02B 13/04, 1994 г.

4. Япония, патент JP 8334688, G02B 13/04, 1996 г.

5. Япония, патент JP 7140379, G02B 13/04, 1995 г. - прототип.

Объектив выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент I с отрицательной оптической силой φ_I содержит отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к изображению, и плоско-выпуклую линзу с оптической силой φ₂. Второй компонент II с положительной оптической силой φ_II содержит склеенную линзу с оптической силой φ_3,4, состоящую из отрицательной и положительной линз с оптическими силами φ₃ и φ₄. Во втором компоненте II перед склеенной линзой введена двояковыпуклая линза с оптической силой φ₅. Оптические силы линз и компонентов удовлетворяют условиям: 0.35<|φ_I/φ|<0.45, 0.5<φ_II/φ<0.6, 0.35<φ₅<0.5, 0.15<φ₂<0.25, 0.65<|φ₃/φ₄|<0.75, 0.97<dφ<1.05, где φ - оптическая сила объектива в целом; d - расстояние между первой и второй линзами I компонента. Технический результат - обеспечение приемлемого качества изображения на всем интервале изменения рабочего отрезка - от 3 до 100 мм, увеличение углового поля зрения до 2ω=150-160°, обеспечение близкого к телецентрическому ходу главных лучей в пространстве изображений ω'<17° (определяется параметрами применяемого приемника) и повышение освещенности на краю поля зрения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 прилож.

1. Объектив эндоскопа, выполненный из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых I с оптической силой φ_I, содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к изображению, и плоско-выпуклую линзу с оптической силой φ₂, и второй компонент II с оптической силой φ_II, содержащий склеенную линзу с оптической силой φ_3,4, состоящую из отрицательной и положительной линз с оптическими силами φ₃ и φ₄, отличающийся тем, что первый компонент I выполнен с отрицательной оптической силой, а второй компонент II - с положительной оптической силой, во втором компоненте II перед склеенной линзой введена двояковыпуклая линза с оптической силой φ₅; при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:
0,35<|φ_I/φ|<0,45,
0,5<φ_II/φ<0,6,
0,35<φ₅<0,5,
0,15<φ₂<0,25,
0,65<|φ₃/φ₄|<0,75,
0,97<dφ<1,05,
где φ - оптическая сила объектива в целом;
d - расстояние между первой и второй линзами I компонента.

2. Объектив эндоскопа по п.1, отличающийся тем, что показатели преломления материалов линз отвечают следующим условиям:
n₁>1,85,
n₂=n₃=n₄,
где n₁ - показатель преломления стекла отрицательного мениска 1;
n₂ - показатель преломления стекла плосковыпуклой линзы 2;
n₅ - показатель преломления стекла двояковыпуклой линзы 5;
n₄ - показатель преломления стекла положительной склеенной линзы 4.