一种红外纤维内窥镜的制作方法

本发明属于内窥镜技术领域，具体涉及一种红外纤维内窥镜。

背景技术：

内窥镜技术随着科学的进步不断地提升，在工业制造、机械加工、电力电子、土木建筑等一系列相关领域得到广泛的应用，特别在医疗领域，内窥镜成为日常诊疗和手术中必不可少的设备。近年来，内窥镜发展产生了更多的形式：超细纤维内窥镜、超长视频内窥镜，多弯头管道检测内窥镜、立体声双通道内窥镜等。纤维内窥镜中的光纤传像束是将一定数量的具有相同长度的光纤，按照一定的排列方式，进行集合经固化抛磨后而成的无源器件，质量较轻、可任意角度弯曲、可在复杂的空间中进行图像传输，在医疗、工业、科研、以及航天、军事等各个领域得到了普遍的应用。

在医疗领域，特别在进行一些重要器官解剖结构观察的时候，需要在血液环境中进行观测，常见的可见光内窥镜则由于血液对可见光波段吸收与散射效应强烈的原因，导致可见光成像出现严重扭曲变形，且存在相对照度差等问题。血液对红外波段光信息的吸收和散射相对较弱，因此设计工作在红外波段的内窥镜系统对于手术过程的观测具有重要意义。然而现在的内窥镜镜头较为普遍存在的问题是视场角相对较小，在观测的过程中需要不断地调整转换镜头以获取不同方位的信息，大大地降低了观测与手术的效率；镜头的接收孔径偏小，已有的一些大视场内窥镜系统采用的非球面和自由曲面结构设计，加工难度大。并且红外镜头设计大视场角的情况下面临结构复杂，尺寸偏大，成本过高等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种结构紧凑、加工方便、性能优异的红外纤维内窥镜。

本发明提供的红外纤维内窥镜（物镜光学系统），其结构参见图1所示，系统采用像方远心、反远距结构，通过镜片结构的优化，在保证结构紧凑、镜片数少的情况下实现了138°大视场角、82%以上的相对照度以及高远心度，能够和光纤传像束很好地进行耦合匹配，且所有镜片均采用球面结构，大大降低了加工难度，节约了加工成本。

本发明提供的红外纤维内窥镜，包括：依次同轴排列的第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、成像面7；其中，所述第一透镜1为凹透镜，面向物方的第一表面11和面向像方的第二表面12均凸向物方；所述第二透镜3为凹透镜，面向物方的第三表面31和面向像方的第四表面32均凸向像方；所述第三透镜4为凹透镜，面向物方的第四表面32和面向像方的第五表面41均凸向像方；所述第四透镜5为凸透镜，面向物方的第六表面51凸向物方，面向像方的第七表面52凸向像方；所述第五透镜6为凹透镜，面向物方的第七表面52和面向像方的第八表面61均凸向像方。

进一步地，所述第一透镜1的光焦度为负，其焦距f1为-3.3265mm；所述第二透镜3的光焦度为正，其焦距f2为47.022mm；所述第三透镜4的光焦度为正，其焦距f3为2.2688mm；所述第四透镜5的光焦度为负，其焦距f4为-126.23mm；所述第五透镜6的光焦度为正，其焦距f5为4.6249mm。

进一步地，所述第一透镜1的折射率n和阿贝数v分别为1.7945和45.5269；所述第二透镜3的折射率n和阿贝数v分别为1.8059和34.2421；所述第三透镜4的折射率n和阿贝数v分别为1.6675和41.9314；所述第四透镜5的折射率n和阿贝数v分别为1.5923和68.3986；所述第五透镜6的折射率n和阿贝数v分别为1.7495和34.9505。

进一步地，所述物镜光学系统的工作波段是1.2-1.8μm，全视场在空间分辨率21lp/mm处均大于0.65，成像面相对照度大于82%，有效焦距为1.101mm，f数为4，最大视场角为138°，最大外径8.1196mm，系统全场10.38mm，后工作距离为0.2362mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明根据现有内窥镜成像系统的不足，设计了一种红外纤维内窥镜，将视场角提升到138°的情况下能够保证光学系统和后继光纤传像束的耦合，系统在工作时无需反复移动镜头转换视角进行观测，大大提高了工作效率；

（2）本发明采用像方远心、反远距的结构，大大减小了系统的尺寸，最大外径8.1196mm，系统工作在1.2-1.8μm近红外波段的情况下，可在可见光内窥镜难以工作成像质量差的环境下获取优异观测质量，能够保证在极限分辨率21lp/mm处mtf数值均大于0.65，且全视场的相对照度大于82%；

（3）本发明中所有透镜均采用球面结构设计，大大降低了加工难度，节约了加工成本。

附图说明

图1为本发明的红外纤维内窥镜的结构图示。

图2为本发明的红外纤维内窥镜的成像示意图。

图3为本发明实施例中的mtf传递函数曲线示意图。

图4为本发明实施例中的弥散斑示意图。

图5为本发明实施例中的轴向像差示意图。

图6为本发明实施例中的相对照度示意图。

图7为本发明实施例中的衍射圈入能量示意图。

图中标号：1为第一透镜，2为光阑，3为第二透镜，4为第三透镜，5第四透镜，6为第五透镜，7成像面，11为第一表面，12为第二表面，31为第三表面，32为第四表面，41为第五表面，51为第六表面，52为第七表面，61为第八表面。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明提供的红外广角内窥镜物镜光学系统，包括：第一透镜1、光阑2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、成像面7；所述第一透镜1为凹透镜，面向物方的第一表面11和面向像方的第二表面12均凸向物方；所述第二透镜3为凹透镜，面向物方的第三表面31和面向像方的第四表面32均凸向像方；所述第三透镜4为凹透镜，面向物方的第四表面32和面向像方的第五表面41均凸向像方；所述第四透镜5为凸透镜，面向物方的第六表面51凸向物方，面向像方的第七表面52凸向像方；所述第五透镜6为凹透镜，面向物方的第七表面52和面向像方的第八表面61均凸向像方。

进一步地，所述第一透镜1的光焦度为负，其焦距f1为-3.3265mm；所述第二透镜3的光焦度为正，其焦距f2为47.022mm；所述第三透镜4的光焦度为正，其焦距f3为2.2688mm；所述第四透镜5的光焦度为负，其焦距f4为-126.23mm；所述第五透镜6的光焦度为正，其焦距f5为4.6249mm。

进一步地，所述第一透镜1的折射率n和阿贝数v分别为1.7945和45.5269；所述第二透镜3的折射率n和阿贝数v分别为1.8059和34.2421；所述第三透镜4的折射率n和阿贝数v分别为1.6675和41.9314；所述第四透镜5的折射率n和阿贝数v分别为1.5923和68.3986；所述第五透镜6的折射率n和阿贝数v分别为1.7495和34.9505。

进一步地，所述第一表面11的曲率半径为5.3306mm，所述第二表面12的曲率半径为1.9050mm，所述第一透镜1的中心厚度为0.7500mm；进一步地，所述第三表面31的曲率半径为-79.9755mm，所述第四表面的曲率半径为-4.2277mm，所述第二透镜3的中心厚度为1.0577mm；进一步地，所述第五表面41的曲率半径为-4.2777mm，所述第三透镜4的中心厚度为0.2945mm；进一步地，所述第六表面的曲率半径为6.4200mm，所述第七表面的曲率半径为-1.2735mm，所述第四透镜5的中心厚度为2.0756mm；进一步地，所述第八表面61的曲率半径为-2.4658mm，所述第五透镜6的中心厚度为1.8186mm。进一步地，所述第二表面12和光阑2的中心间隔为4.0638mm,所述光阑2和第三表面31的中心间隔为0.0271mm,所述第五表面41和第六表面51的中心间隔为0.0637mm，所述第八表面61和成像面7之间的中心间隔为0.2362mm。

进一步地，如图2所示，成像面处接收光束的主光线均与主轴平行，远心度高达0.0384，像方数值孔径na为0.1237，便于和光纤传像束耦合，提高光线传输的效率。进一步地，所述后继光纤传像束的数值孔径为0.22，截面尺寸大小为3mm，总共10000根单丝光纤采用六边形结构排列。

进一步地，所述第二透镜3和第三透镜4胶合为双胶合透镜，所述第四透镜5和第五透镜6胶合为双胶合透镜。所述第一透镜1将物空间的光线进行压缩保证了后续镜头的小尺寸，所述双胶合透镜的结合能够大大减小系统的像差，提高成像面7接收图像的质量。

进一步地，如图3所示，所述实施例中的物镜光学系统在截止频率21lp/mm处全视场的mtf值均大于0.65，整体像差的优化效果较好。

进一步地，如图4所示，所述实施例中的物镜光学系统在成像面处接收光线的弥散斑均方根尺寸约7.626μm，后继光纤传像束单丝光纤尺寸27.5μm，远远能够满足成像需求。

进一步地，如图5所示，通过双胶合透镜的结合，系统的轴向像差得到了很好的控制。

进一步地，如图6所示，所述实施例中的物镜光学系统在成像面处接收光线的相对照度在82%以上，保证了成像的照度均匀性。

进一步地，如图7所示，所述实施例中的物镜光学系统全视场的衍射圈入能量在13.75μm半径范围内均高于85%，很好地保证了光线能量传递的效率。

进一步地，所述物镜光学系统的工作波段是1.2-1.8μm，全视场在空间分辨率21lp/mm处均大于0.65，成像面相对照度大于82%，有效焦距为1.101mm，f数为4，最大视场角为138°，最大外径8.1196mm，系统全场10.38mm，后工作距离为0.2362mm。

上述实施例仅为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。