ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ВИДЕОЭНДОСКОПА

Предлагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению, а точнее, к эндоскопии. Полезная модель работает с твердотельными приемниками и может быть использована для получения изображений от объектов внутри закрытых полостей.
Известен объектив видеоэндоскопа по патенту США №6,994,668 B2. МПК G02B 9/34, A61B 1/00., опубл.01.07.2004. Объектив видеоэндоскопа содержит четыре компонента и блок фильтров твердотельного приемника. Первый компонент выполнен в виде плосковогнутой линзы, второй склеен из положительной двояковыпуклой и отрицательной линз, третий компонент имеет вид двояковыпуклой линзы, четвертый склеен из двояковыпуклой и вогнуто-выпуклой линз. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами.
Недостаток известного объектива видеоэндоскопа - малое относительное отверстие и нетелецентрический ход главных лучей в пространстве изображений, а также малая длина оптической системы, не дающая возможности вынести приемник изображения в проксимальную часть эндоскопа.
Наиболее близким по техническому решению является оптическая система видеоэндоскопа по патенту США №2002/0027723 A1 МПК G02B 15/14 от 07.03.2002. Она состоит из семи компонентов, первый из которых - защитная стеклянная плоскопараллельная пластина, второй представляет собой склейку из положительной и двояковогнутой отрицательной линз, либо две несклеенные линзы - двояковыпуклую и плосковогнутую, третий компонент выполнен в виде склеенного блока из двух плоскопараллельных пластин, положительной и отрицательной линз, четвертый компонент является положительной линзой, пятый склеен из положительной и отрицательной линз, шестой выполнен в виде двояковогнутой линзы и седьмой - склейка отрицательной и положительной линз. Апертурная диафрагма расположена внутри третьего компонента.
Недостатком прототипа является малое относительное отверстие, не превышающее значения 1:7 и невозможность использования его в видеоэндоскопах, у которых приемник изображения вынесен в проксимальную часть, как, например, в системе по патенту РФ №2390305 G03B 29/00 от 04.03.2009.
Задачей полезной модели является создание оптической системы для использования в видеоэндоскопе с вынесенным в проксимальную часть приемником изображения, увеличение относительного отверстия и разрешающей способности по всему полю с одновременным сохранением возможности изменения угла наблюдения.
Для решения указанной задачи оптическая система видеоэндоскопа выполнена из пятнадцати компонентов, первые пять из которых образуют объектив. Первый компонент представляет собой плосковогнутую линзу, обращенную плоской поверхностью к предмету, второй выполнен в виде склейки плоскопараллельной пластины и плосковогнутой линзы, третий является положительным мениском, обращенным выпуклостью к изображению, четвертый компонент выполнен в виде склейки из двух положительных линз и одной отрицательной линзы между ними, а пятый компонент представляет собой положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету. Шестой компонент выполнен в виде склейки отрицательного мениска и положительной линзы, седьмой компонент - положительная линза, восьмой представляет собой склейку из положительной и отрицательной двояковогнутой линзы, обращенную вогнутостью к изображению. Девятый компонент является склейкой отрицательной двояковогнутой и положительной линз, обращенной вогнутостью к предмету. Десятый компонент - положительная линза, одиннадцатый компонент выполнен в виде склейки положительной линзы и отрицательного мениска. Двенадцатый компонент выполнен в виде склейки отрицательного мениска и положительной линзы, тринадцатый компонент - положительная линза, четырнадцатый компонент представляет собой склейку из положительной и отрицательной двояковогнутой линзы, обращенную вогнутостью к изображению. Пятнадцатый компонент является плоскопараллельной пластинкой. Апертурная диафрагма расположена между вторым и третьим компонентами.
Кроме того, плоскопараллельная пластина второго компонента выполнена в виде склейки из трех клиновидных призм для изменения угла направления наблюдения Компоненты, следующие после пятого, образуют оптическую систему переноса изображения в проксимальную часть эндоскопа, которая состоит из трех групп одинаковых компонентов, каждая из которых в отдельности представляет собой проекционный объектив, строящий изображение с увеличением равным - 1.
e
e
e
41
42
43
Входящая в состав второго компонента отрицательная плосковогнутая линза в сочетании с третьим компонентом в виде толстого положительного мениска способствует увеличению относительного отверстия системы. Тройной склеенный четвертый компонент эффективно компенсирует хроматические аберрации, проявляющиеся при увеличении относительного отверстия оптической системы, причем коэффициенты дисперсии материалов его первой (ν ), второй (ν ) и третьей (ν ) линз связаны соотношениями:
e
e
e
e
e
e
41
42
41
43
42
43
0,25ν ≤ν ≤0,4ν ; 0,4ν ≤ν ≤0,6ν
71
71
Пятый компонент в виде толстого положительного мениска с малой оптической силой формирует положительную кривизну поля, которую компенсирует последующая система переноса изображения, суммарно вносящая отрицательную кривизну поля. Осевая толщина (d) отрицательной линзы седьмого компонента из первой оборачивающей группы линз системы переноса изображения связана с диаметром этой линзы (D) соотношением:
71
71
2.5≤d/D≤5
72
71
Толщина положительной линзы склеенного седьмого компонента (d) связана с толщиной d соотношением:
71
72
7≤d/d≤13
e
e
Седьмой компонент выполнен из материала с показателем преломления n≥1.7 и коэффициентом дисперсии 49≤ν≤55
e
e
81
82
Коэффициенты дисперсии материалов положительной (ν ) и отрицательной (ν ) линз восьмого компонента связаны соотношением:
e
e
81
82
1,8≤ν /ν ≤2,5
Такие соотношения оптических характеристик материалов компонентов обеспечивают высокий уровень компенсации хроматических аберраций.
Плоскопараллельный пятнадцатый компонент, установленный перед поверхностью изображения, должен учитываться при коррекции аберраций, поскольку он расположен в сходящемся пучке лучей. Компонент является оптическим фильтром приемника изображения, установленного в проксимальной части эндоскопа.
Указанная совокупность обеспечивает необходимое и достаточное количество параметров для решения поставленной задачи. Полученная таким образом оптическая система обеспечивает равномерный дифракционный уровень качества изображения по всему полю при увеличении относительного отверстия до значений 1:3,5-1-4 и может быть применена в видеоэндоскопах с проксимальным приемником изображения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлена принципиальная схема оптической системы видеоэндоскопа.
На фиг.2 представлена схема первого и второго компонентов, выполненных в виде призматического блока для отклонения угла наблюдения;
На фиг.3 приведены графики частотно-контрастных характеристик конкретной реализации предлагаемой оптической системы.
Оптическая система видеоэндоскопа содержит последовательно по ходу лучей пятнадцать компонентов и апертурную диафрагму (АД), расположенную между вторым и третьим компонентами. Первый компонент 1 плосковогнутая линза, обращенная плоской поверхностью к предмету, второй компонент 2 - склейка из плоскопараллельной пластины и плосковогнутой линзы, обращенная вогнутой стороной к изображению, третий компонент 3 - положительный мениск, обращенный выпуклой стороной к изображению, четвертый компонент 4 склеен из двух положительных линз и одной отрицательной, двояковогнутой линзы между ними, пятый компонент 5 - положительный мениск, обращенный выпуклостью к предмету, шестой компонент 6 склеен из отрицательного мениска и положительной линзы, седьмой компонент 7 - одиночная положительная линза, восьмой компонент 8 склеен из положительной и отрицательной линз, девятый 9, десятый 10 и одиннадцатый и компоненты идентичны восьмому 8, седьмому 7 и шестому 6 компонентам соответственно, но ориентированы относительно последних в обратном направлении, а компоненты двенадцатый 12, тринадцатый 13 и четырнадцатый 14 полностью идентичны шестому 6, седьмому 7 и восьмому 8 компонентам соответственно, пятнадцатый компонент 15 является плоскопараллельной пластинкой и представляет собой оптический фильтр приемника изображения.
Заявленная полезная модель работает следующим образом. Световой поток от объекта последовательно проходит через все компоненты оптической системы 1-15, после которых формируется изображение на плоскости приемника 16.
Конструктивные параметры конкретного примера технической реализации оптической системы видеоэндоскопа приведены в таблице 1. Представленная оптическая система имеет относительное отверстие 1:4, угловое поле в пространстве предметов 70° и рассчитана на работу с ПЗС- матрицей типоразмера 1/8″ (диагональ светочувствительной области 3 мм)
Таблица 1.
Конструктивные параметры оптической системы эндоскопа
N поверхности
Радиусы, мм
Толщины, мм
Марки стекол
Объект
Плоскость
40,00
1
Плоскость
0,50
ТК14
2
2,466
0,60
3
Плоскость
4,80
Ф1
4
Плоскость
3,00
ТК14
5
7,053
2,10
6
-7,000
6,26
ТФ10
7
-5,073
0,47
8
14,947
3,22
ЛК3
9
-4,482
1,00
ТФ10
10
9,540
2,50
СТК19
11
-18,155
0,06
12
6,225
3,37
СТК19
13
6,100
24,90
14
19,753
23,80
ТФ5
15
6,734
2,19
ТК21
16
-54,746
12,12
17
62,555
4,19
СТК19
18
-34,899
25,31
19
13,227
4,19
ТК21
20
-12,752
5,40
Ф1
21
36,922
15,99
22
-36,922
5,40
Ф1
23
12,752
4,19
ТК21
24
-13,227
25,31
25
34,896
4,19
СТК19
26
-62,555
12,12
27
54,746
2,19
ТК21
28
-6,734
23,80
ТФ5
29
-19,752
30,03
30
19,752
23,80
ТФ5
31
6,734
2,19
ТК21
32
-54,746
12,12
33
62,555
4,19
СТК19
34
-34,896
25,31
35
13,227
4,19
ТК21
36
-12,752
5,40
Ф1
37
36,922
7,32
38
Плоскость
0,50
К8
39
Плоскость
0,45
Изображение
Плоскость
Технический результат состоит в получении светосильной оптической системы с высоким качеством изображения по всему полю, пригодной для использования в видеоэндоскопах с приемником изображения, установленным в проксимальной части.