ОБЪЕКТИВ ЭНДОСКОПА Российский патент 2014 года по МПК G02B9/34 G02B13/00 

Изобретение относится к области эндоскопии, к объективам для эндоскопов (ОЭ), и может быть использовано в видеоэндоскопах, предназначенных для исследования внутренних органов человека.

К особенностям объективов для видеоэндоскопов относятся:

- малые габариты - по диаметру линзы менее 2÷3 мм, по длине менее 4÷7 мм,

- малые значения фокусных расстояний f'=0.5÷2 мм,

- большие угловые поля зрения 2ω>120°

- большие оптические задние отрезки S'≥f',

- наклон главных лучей ω' в пространстве изображений не должен превышать 17°, что обусловлено свойствами ПЗС-приемника,

- объектив работает в диапазоне расстояний до предмета S=3÷100 мм,

- требуется высокое качество изображения по всему полю на всем диапазоне рабочих расстояний.

Известны конструкции оптических схем объективов, состоящих из 3-5 линз, в разной степени удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям [1-5].

В качестве прототипа предлагаемого ОЭ можно рассматривать объектив [2] с угловым полем в пространстве предметов 2ω=140°. Прототип содержит два компонента, разделенные апертурной диафрагмой, из которых первый компонент с отрицательной оптической силой выполнен в виде отрицательного мениска, второй компонент состоит из плосковыпуклой и склеенной линз. ОЭ имеет небольшие габариты и хорошее качество изображения на средних и больших дистанциях, но обладает целым рядом недостатков:

- низкое качество изображения на коротких расстояниях до объекта S=3÷5 мм, Так, например, при расстоянии S=3 мм коэффициент передачи контраста, равный 0.4, достигается в центре поля на частоте 20 мм^-1 и на краю поля N=30 мм^-1,

- большой угол главного луча в пространстве приемника, достигающий ω'=40° для края поля, что ухудшает работу ПЗС-приемника,

- малая освещенность на краю поля изображения - до 40%.

Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение хорошего качества изображения во всем интервале изменений рабочего отрезка S=3÷100 мм, уменьшение угла наклона главного луча до значений, меньших ω'=17°, и повышение относительной освещенности на краю поля изображения до 60%.

Для решения поставленной задачи предложен объектив эндоскопа, который, как и прототип, выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых с оптической силой φ_I содержит отрицательный мениск с оптической силой φ_I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой φ_II, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой φ_II,1 и склеенную линзу с оптической силой φ_II,2.

В отличие от прототипа, в первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой φ_I,2, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:

0.25<|φ_I/φ|<0.35,

0.48<φ_II/φ<0.58,

0.3<φ_I,2/φ<0.4,

0.5<φ_II,1/φ<0.6,

0.05<φ_II,2/φ<15, где φ оптическая сила объектива в целом.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что благодаря предлагаемой схеме выполнения ОЭ, в которой первый компонент, содержащий отрицательный мениск, обращенный вогнутой стороной к изображению, дополнен плосковыпуклой линзой, а во втором компоненте, содержащем плосковогнутую линзу и склеенную линзу, плосковыпуклая линза выполнена склеенной, удалось улучшить качество изображения на коротком расстоянии до объекта S=3÷5 мм), уменьшить угол главного луча с оптической осью ω' до 15° и повысить относительную освещенность на краю поля до 60%.

В частности, введение дополнительной плосковыпуклой линзы в первый компонент и выполнение плосковыпуклой линзы второго компонента склеенной позволило уменьшить астигматизм от значения С₂₂=0.275λ (в прототипе) до C₂₂=0.003λ (в предлагаемом объективе), где C₂₂ - коэффициент волновой аберрации астигматизма.

Выполнение оптических сил линз и компонентов, удовлетворяющих условиям:

0.25<|φ_I/φ|<0.35,

0.48<φ_II/φ<0.58,

0.3<φ_I,2/φ<0.4,

0.5<φ_II,1/φ<0.6,

0.05<φ_II,2/φ<0.15,

где φ - оптическая сила объектива в целом, обеспечило уменьшение угла главного луча с оптической осью ω', коррекцию хроматических аберраций и кривизны изображения.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена оптическая схема объектива эндоскопа, и Приложением.

Объектив эндоскопа включает два компонента. Первый компонент (I) с оптической силой φ_I, содержит отрицательный мениск 1 с оптической силой φ_I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению.

Второй компонент (II) с оптической силой φ_II, разделенный с компонентом I апертурной диафрагмой (АД), содержит плосковыпуклую линзу 2 с оптической силой φ_II,1 и склеенную линзу 3,4 с оптической силой φ_II,2. В компонент I перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза 5 с оптической силой φ_I,2, а плосковыпуклая линза выполнена склеенной из линз 2 и 6.

В заднем отрезке объектива расположена плоскопараллельная пластинка 7, представляющая собой ИК-фильтр и защитное стекло приемника.

Работа предлагаемого объектива эндоскопа осуществляется следующим образом.

Отрицательный первый компонент I, состоящий из отрицательного мениска 1 и плосковыпуклой линзы 5, обеспечивает уменьшение углов внеосевых пучков с оптической осью перед АД и увеличение заднего отрезка объектива. Следующий за АД положительный второй компонент II, включающий линзы 2, 3, 4, 6 и плоскопараллельную пластинку 7, формирует реальное изображение предмета в плоскости установки, единой для всего диапазона рабочих расстояний S. В Приложении приведен объектив со следующими оптическими силами линз и компонентов

|φ_I/φ|=0.29,

φ_II/φ=0.53,

φ_I,2/φ=0.35,

φ_II,1/φ=φ_2,6/φ=0.54,

φ_II,2/φ=φ_3,4/φ=0.12.

Параметры объектива:

- диапазон рабочих расстояний S=3÷100 мм,

- угол поля зрения 2ω=140°,

- угол главного луча с оптической осью для края поля не превышает ω'=15°,

- относительная освещенность на краю поля изображения составляет 60%,

- коэффициенты передачи модуляции для пространственных частот до 100 мм^-1 для разных рабочих расстояний приведены на графиках ЧКХ.

Таким образом, объектив эндоскопа обладает высоким качеством изображения в пределах углового поля 2ω=140° и рабочих расстояний S=3÷100 мм. Существенно по сравнению с прототипом улучшена относительная освещенность на краю поля до 60% и уменьшен угол ω' главного луча с оптической осью более чем в два раза.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

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

2. Япония, патент JP 71403 79, G02B 13/04, 1995 г. - прототип.

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

4. Япония, патент JP 6308381, G02B 13/04, 1994 г.

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

Объектив выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой. Первый компонент с оптической силой φ_I содержит мениск с оптической силой φ_I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению. Второй компонент с оптической силой φ_II содержит плосковыпуклую линзу с оптической силой φ_II,1 и склеенную линзу с оптической силой φ_II,2. В первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой φ_I,2, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной. Оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям: 0.25<|φ_I/φ|<0.35, 0.48<φ_II/φ<0.58, 0.3<φ_I,2/φ<0.4, 0.5<φ_II,1/φ<0.6, 0.05<φ_II,2/φ<0.15, где φ оптическая сила объектива в целом. Технический результат - обеспечение хорошего качества изображения во всем интервале изменений рабочего отрезка S=3÷100 мм, уменьшение угла наклона главного луча до значений, меньших ω'=17°, и повышение относительной освещенности на краю поля изображения до 60%. 1 ил., 1 пр.

Объектив эндоскопа, выполненный из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых с оптической силой φ_I, содержащий мениск с оптической силой φ_I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой φ_II, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой φ_II,1 и склеенную линзу с оптической силой φ_II,2, отличающийся тем, что в первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой φ_I,2, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:

0.25<|φ_I/φ|<0.35,

0.48<φ_II/φ<0.58,

0.3<φ_I,2/φ<0.4,

0.5<φ_II,1/φ<0.6,

0.05<φ_II,2/φ<0.15,
где φ оптическая сила объектива в целом.