ОБЪЕКТИВ ЭНДОСКОПА
ENDOSCOPE LENS

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:
-1
-1
- 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 и на краю поля N=30 мм,
- 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%.
I
I,1
II
II,1
II,2
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 содержит отрицательный мениск с оптической силой φ, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой φ, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой φ и склеенную линзу с оптической силой φ.
I,2
В отличие от прототипа, в первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой φ, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:
I
0.25<|φ/φ|<0.35,
II
0.48<φ/φ<0.58,
I,2
0.3<φ/φ<0.4,
II,1
0.5<φ/φ<0.6,
II,2
0.05<φ/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%.
22
22
22
В частности, введение дополнительной плосковыпуклой линзы в первый компонент и выполнение плосковыпуклой линзы второго компонента склеенной позволило уменьшить астигматизм от значения С=0.275λ (в прототипе) до C=0.003λ (в предлагаемом объективе), где C - коэффициент волновой аберрации астигматизма.
Выполнение оптических сил линз и компонентов, удовлетворяющих условиям:
I
0.25<|φ/φ|<0.35,
II
0.48<φ/φ<0.58,
I,2
0.3<φ/φ<0.4,
II,1
0.5<φ/φ<0.6,
II,2
0.05<φ/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.
I
I,1
Объектив эндоскопа включает два компонента. Первый компонент (I) с оптической силой φ, содержит отрицательный мениск 1 с оптической силой φ, обращенный вогнутой стороной к изображению.
II
II,1
II,2
I,2
Второй компонент (II) с оптической силой φ, разделенный с компонентом I апертурной диафрагмой (АД), содержит плосковыпуклую линзу 2 с оптической силой φ и склеенную линзу 3,4 с оптической силой φ. В компонент I перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза 5 с оптической силой φ, 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
I
|φ/φ|=0.29,
II
φ/φ=0.53,
I,2
φ/φ=0.35,
II,1
2,6
φ/φ=φ/φ=0.54,
II,2
3,4
φ/φ=φ/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%,
-1
- коэффициенты передачи модуляции для пространственных частот до 100 мм 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.