具有对焦功能的内窥镜成像物镜及对焦方法
阅读说明：本技术 具有对焦功能的内窥镜成像物镜及对焦方法 (Endoscope imaging objective lens with focusing function and focusing method ) 是由 顾良 毛军刚 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种成像物镜对焦方法,其在成像物镜中增加用于调焦的楔形棱镜组,该楔形棱镜组包括楔角一致、且斜面平行放置的两个楔形棱镜,其中楔角α满足60°≤α≤85°,两个楔形棱镜可沿斜面方向相对运动,改变光透过楔形棱镜组的距离,实现光路连续对焦。本发明的对焦方法简单易行,且占用空间小,有利于内窥镜镜体整体的小型化。(The invention discloses an imaging objective focusing method, which is characterized in that a wedge prism group for focusing is added in an imaging objective, the wedge prism group comprises two wedge prisms with consistent wedge angles and parallel inclined planes, wherein the wedge angle alpha is more than or equal to 60 degrees and less than or equal to 85 degrees, the two wedge prisms can move relatively along the inclined plane direction, the distance of light penetrating through the wedge prism group is changed, and the continuous focusing of a light path is realized. The focusing method is simple and easy to implement, occupies small space and is beneficial to the miniaturization of the whole endoscope body of the endoscope.)
技术领域
本发明涉及医用内窥镜领域，特别是涉及一种具有对焦功能的内窥镜成像物镜及对焦方法。
背景技术
医用内窥镜是一种常用的医疗器械。医用内窥镜经人体的天然孔道，或者是经手术做的小切口进入人体内。使用时将内窥镜导入预检查的器官，可直接窥视有关部位的变化。医生在利用医用内窥镜为患者手术时，局部病灶显示的越清楚，医生越容易精确的判断病情并且精确的实施手术。医用内窥镜图像质量的好坏直接决定着内窥镜的使用效果也标志着内窥镜技术的发展水平。
近年来，摄像元件画质提升显著，高清、全高清、4K摄像系统陆续推出。目前大多数的医用电子内窥镜使用定焦镜头如专利CN110651213A,CN101507596A。对于定焦镜头来说能够清晰观察的深度范围(即景深)由镜头的光圈值(以下简称”Fno”)决定，Fno越大观察的景深范围越大，相对应的是Fno越大对应的图像分辨率越低，Fno越大进入内窥镜摄像系统的光通量越少，图像信号越差。为获得高清的图像画质只有进一步缩小镜头的Fno，Fno缩小后观察的景深变窄。医用电子内窥镜使用过程中既要在远工作距离处观察寻找病症的位置又需要在近距离处识别病理特征及实施手术，因此定焦镜头无法同时实现高清画质及大观察景深。
为解决高分辨率高清图像画质及大观察景深的矛盾，近年来提出了多种对焦内窥镜成像镜头设计。专利CN105717626A中指出通过移动镜组CE2的位置分别获得对远点的观察及近点的观察。专利CN105899994A中通过移动镜片L3的位置分别获得对远点的观察及近点的观察。但在上述及类似的专利中通过驱动一组镜片的前后移动来获得对远点及近点的观察。在驱动透镜移动的过程中，为了使镜片移动的过程顺畅而必须保证移动部件与固定部件间存在一定程度的间隙。因此在对焦透镜在光轴上移动的过程中，易于产生对焦透镜相对光轴的偏心。特别是近年来，摄像元件的高像素化推进，由于镜片偏心误差引起的像质劣化更加显著。
为了进一步解决内窥镜对焦物镜的镜片偏心引入的像质劣化问题。专利CN104054013A通过使用一组臂构件来切换一个平板玻璃和一个具有光焦度的对焦透镜来实现对不同工作距离的对焦，该专利虽部分地解决了对焦过程因对焦镜片的偏心引起的像质退化，但在插入对焦透镜过程中如果对焦透镜光轴没有与物镜光轴重合依然会存在像质劣化的问题,因此该对焦机构对机械精度要求极高。而且该切换装置占据空间很大，不利于内窥镜的头端外径小型化。且该设计只能实现对近点和远点的两处位置对焦，不能实现连续的对焦过程。
综上所述，目前已有内窥镜物镜设计存在以下问题。定焦镜头无法同时满足目前内窥镜高画质大观察景深范围的要求。目前的双焦点成像物镜设计一定程度上解决了大景深和高分辨率的要求，但存在因对焦过程中结构间隙引起光学元件偏心进一步引起像质劣化的问题。臂构件切换光路中光学元件的装置一定程度上还存在对焦镜片中心和物镜中心不重合引起像质劣化的问题，该臂构件结构占用空间大不利于内窥镜的小型化，而且该结构只能在近点和远点两个位置实现对焦，可能存在近点和远点观察深度不能完全覆盖景深范围的问题。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种在满足大景深和高分辨率的同时还能连续对焦的具有对焦功能的内窥镜成像物镜及对焦方法。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种成像物镜对焦方法，在成像物镜中增加用于调焦的楔形棱镜组，该楔形棱镜组包括楔角一致、且斜面平行放置的两个楔形棱镜，其中楔角α满足60°≤α≤85°，两个楔形棱镜可沿斜面方向相对运动，改变光透过楔形棱镜组的距离，实现光路连续对焦。
接上述技术方案，楔形棱镜组置于成像物镜最后一个镜片和图像传感器之间。
接上述技术方案，楔形棱镜组置于成像物镜中任意两个光学组件之间。
接上述技术方案，楔形棱镜组的其中一个楔形棱镜位置固定，另一个楔形棱镜可沿斜面方向移动。
本发明还提供一种上述成像物镜对焦方法的应用，该成像物镜对焦方法应用于内窥镜。
本发明还提供一种内窥镜成像物镜，其内设有用于调焦的楔形棱镜组，该楔形棱镜组包括楔角一致、且斜面平行放置的两个楔形棱镜，其中楔角α满足60°≤α≤85°，两个楔形棱镜可沿斜面方向相对运动。
接上述技术方案，该内窥镜成像物镜还包括从物方至像方的平面透镜L1、具有负的光焦度的第一透镜组G1、双平透镜、具有正的光焦度的第二透镜组G2、具有正的光焦度的第三透镜组G3，楔形棱镜组置于第一透镜组G1和第二透镜组G2之间，或者第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，或者置于第三透镜组G3和图像传感器之间。
接上述技术方案，第一透镜组G1包括具有负的光焦度的弯月透镜L2和具有负的光焦度的平凹透镜L3，且弯月透镜L2与平凹透镜L3之间、平凹透镜L3与双平透镜之间均设置黑色吸光材料。
接上述技术方案，双平透镜与第二透镜组G2之间设有黑色遮光材料制成的孔径光阑。
本发明产生的有益效果是：本发明通过在成像物镜内增加用于调焦的楔形棱镜组，通过调节楔形棱镜组中的两个楔形棱镜，改变光透过楔形棱镜组的距离，实现光路连续对焦。由于调焦过程中没有透镜会偏离光轴，因此不会引起像质的退化。可见本发明的对焦方法简单易行，且占用空间小，有利于内窥镜镜体整体的小型化。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1(a)是本发明实施例成像物镜在近观察点聚焦时的对焦原理图；
图1(b)是本发明实施例成像物镜在远观察点聚焦时的对焦原理图；
图2是本发明实施例成像物镜结构示意图；
图3是本发明实施例内窥镜成像物镜的结构示意图；
图4是本发明另一实施例内窥镜成像物镜的结构示意图；
图5是本发明一个实施例中成像物镜调制度；
图6是本发明一个实施例中成像物镜像场示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
光在实际传播过程中，光经过折射率为n的平板玻璃传播的距离d0’相当于光在空气中的传播距离d0。二者存在关系为d0＝d0’/n。如图1(a)所示，成像物镜在近观察点聚焦时，图像传感器CMOS距最后一片透镜距离L＝d1+d2+d3,转换为对应的后焦距为Lo＝d1+d3+d2/n2，n2为平板玻璃的折射率；如图1(b)所示，在远观察点聚焦时，CMOS距离最后一片镜片后表面距离为L’＝d1’+d3’+d2’,对应后焦距为LO’＝d1’+d3’+d2’/n2 n2为平板玻璃的折射率。可以看出保持物理距离L＝L’不变,通过改变不同的插入平板玻璃的厚度可以实现对成像镜头不同工作距离的对焦。
基于上述对焦原理，图2的实施例提供了一种成像物镜的对焦方法，其中成像物镜的位置和图像传感器的位置保持固定的状态，成像物镜在后焦范围内设有调焦棱镜组，棱镜组包括P1和P2两个棱镜，两个棱镜中间空气间隔为d。棱镜P1和棱镜P2均为楔形棱镜，且两个棱镜的斜面相邻平行设置，两个棱镜可以相对运动。且两楔形棱镜楔角一致，楔角α满足60°≤α≤85°。楔角α为楔面与水平向的夹角。如果α＜60°光线在一个楔形面上出射角和另一个楔形面上入射角都较大，从光学性能上来说在两种不同折射率介质分界面上随着入射角或出射角角度的增加，在两种折射率介质的分界面上反射光会显著增加。两种介质分界面上随入射角度增加增大的反射光会形成透射光的减少影响图像的亮度，而且反射出去的反射光也会形成杂散光造成图像退化。如果α＞85°，若实现同样的对焦距离，楔形块需要移动的距离过长不利于内窥镜小型化的应用。
本实施例中P1为运动棱镜，P2为固定棱镜。在实现对焦过程中通过推动棱镜P1沿X方向移动(确切地说是沿斜面方向移动)，保持两棱镜间距d不变，则棱镜P1进入光路中的棱镜厚度发生改变，进而实现物镜对焦的过程。本发明实施例中优选0.1mm＜d＜2mm。
楔形棱镜组既可以置于成像物镜最后一个镜片和图像传感器之间，更方便各种物镜的对焦。楔形棱镜组也可以置于成像物镜中任意两个光学组件之间，虽然设计上更复杂但是同样可以实现连续对焦。
该实施例中，由于成像物镜组和图像传感器CMOS的相对位置固定，调节棱镜P1对焦过程中相当于切换平行平板的玻璃厚度，因没有透镜会偏离光轴，所以不会引起像质的退化。通过精密控制P1的移动量可以对不同的观察距离实现连续的对焦。可见本发明的对焦方法简单易行，占用空间小，有利于内窥镜镜体整体的小型化。
上述成像物镜的对焦方法可以应用于各种内窥镜，如电子腹腔镜。
如图3所示，本发明实施例的内窥镜成像物镜内设有用于调焦的楔形棱镜组，该楔形棱镜组包括楔角一致、且斜面平行放置的两个楔形棱镜P1和P2，其中楔角α满足60°≤α≤85°，两个楔形棱镜可沿斜面方向相对运动，通过两楔形棱镜组的相对运动实现光路的对焦功能。本发明实施例中楔形棱镜最薄处的厚度大于等于0.4mm。
如图3所示，该内窥镜成像物镜还包括从物方至像方的平面透镜L1、具有负的光焦度的第一透镜组G1、双平透镜L4、具有正的光焦度的第二透镜组G2、具有正的光焦度的第三透镜组G3，楔形棱镜组置于第一透镜组G1和第二透镜组G2之间，或者第二透镜组G2和第三透镜组G3之间，或者置于第三透镜组G3和图像传感器之间。如图3所示的实施例中，楔形棱镜组置于第三透镜组G3和图像传感器之间。其中，L1透镜为蓝宝石保护窗口，具备高硬度防刮花。G1为具有负光焦度的透镜组，主要作用是降低高视场角入射光线到后面L4平面透镜上的投射角，实现大的视场角。L4为双平面透镜，主要作用是替代具有转向功能棱镜在物镜中的光路，实现0度视向物镜和30度视向物镜除棱镜外的物料共用。
其中，第一透镜组G1包括具有负的光焦度的弯月透镜L2和具有负的光焦度的平凹透镜L3，且弯月透镜L2与平凹透镜L3之间、平凹透镜L3与双平透镜之间均设置黑色吸光材料。
双平透镜L4与第二透镜组G2之间设有黑色遮光材料制成的孔径光阑。
整个成像物镜镜头的焦距为f,成像镜头对应的像高为h。双平透镜L4长度d4满足0.7*f*h<d4<1.2*f*h。焦距f与像高h与内窥镜采用的图像传感器参数有关，在本发明实施例中：2mm＜f<2.5mm，1.2mm＜h<1.8mm。
如图4所示，双平透镜L4可以转换成等光路的30度偏转棱镜实现观察视向角转换。通过光轴的偏转能够观察到不在镜体正前方视场范围内的物体，提升观察范围。
平面透镜L1可选用蓝宝石平面透镜，具有硬度高耐刮擦，化学稳定性好的特征。
弯月透镜L2具有负的光焦度f2，平凹透镜L3具有负的光焦度f3，弯月透镜L2与平凹透镜L3组成的第一透镜组G1具有负的光焦度fG1。其中：1.9＜|f2/f|＜2.8；2.5＜|f3/f|＜3.2；1.3＜|fG1/f|＜1.5。
第二透镜组G2包括透镜L5、透镜L6，两者中间通过光学胶水胶合,第二透镜组G2具有正的光焦度fG2，且2.5＜fG2/f＜3.0。
第三透镜组G3包括透镜L7、L8、L9，L8和L9两者之间通过光学胶水胶合，第三透镜组G3具有正的光焦度fG3，且2.9＜fG3/f＜3.2。
弯月透镜L2与平凹透镜L3之间设置黑色吸光材料J1,平凹透镜L3与双平透镜L4之间设置黑色吸光材料J2,通过J1与J2的设置，达到消除杂散光的目的。双平透镜L4与第二透镜组G2之间还设置黑色遮光材料的孔径光阑(Stop)。孔径光阑为选择光束通过的光孔，除通光孔外的区域都是黑色。孔径光阑作为限制入射光束大小的孔，孔径光阑的大小可改善成像镜头的分辨率、通光能力和景深。本专利中孔径光阑孔直径的取值范围在0.6mm～1.3mm之间。
本发明一实施案例的内窥镜用物镜的透镜结构和光路如图1(b)所示。表1中表示该实施案例的内窥镜用物镜的基本透镜数据。表1的surface栏结构要素的物体侧的面为第1个，随着向像侧而依次增加的第i个(i＝1，2，3，…)面的编号，R栏表示第i个面的曲率半径，d栏表示第i个面与第i+1个面的光轴Z上的面间隔。此外，Nd栏表示以最靠近物体侧的光学要素为第1个，随着向像侧而依次增加的第j个(j＝1，2，3，…)光学要素的d线(波长587.6nm)所涉及的折射率，νd栏表示第j个光学要素的d线基准的阿贝数。曲率半径的符号是将面形状向物体侧凸出的情况设为正，将向像侧凸出的情况设为负。面间隔的最下栏的值是表中所示的最靠近像侧的面与像面之间的光轴Z上的面间隔。基本透镜数据中也包含表示孔径光阑Stop。
表1：内窥镜用物镜的基本透镜数据
surface
R
d
Nd
Vd
1
Infinity
1.0
1.7682
72.2372
2
Infinity
0.2
3
35.87
1.0
1.5639
60.7914
4
2.54
0.69
5
infinity
1.0
1.8348
42.7432
6
6.47
0.289
7
infinity
6.0
1.8348
42.7432
stop
infinity
0.08
10
72.40
1.16
1.8041
46.5677
11
-8.06
1.0
1.7170
47.9202
12
-5.28
5.076
13
42.78
2.0
1.5639
60.7914
14
-5.41
0.083
15
7.11
1.82
1.4565
90.2697
16
-4.18
1.67
1.8467
23.787
17
-19.04
0.4
18
infinity
4.0
1.9108
35.2557
19
infinity
0.355
20
infinity
0.4
1.5168
64.2124
像面
infinity
0.045
在表2中，作为数据项，表示整个系统的焦距f’、FNo.、全视角2ω(单位是度)。
表2：镜头参数
f’
2.3712
FNo
5.4
2ω
80°
在以上所示的各表中，对角度的单位使用度，对长度的单位使用mm，但为了光学系统即使按比例放大或者按比例缩小也能够使用，因此也能够使用其他适当的单位。
如图5、图6所示，本发明所涉及的内窥镜具有优秀的光学性能，70％以内视场在调制度0.3时光学传递函数达到200lp/mm。像场弯曲小于0.03mm，达到了高清电子腹腔镜的要求。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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