一种内窥镜物镜的制作方法

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种内窥镜物镜和包含该物镜的内窥镜。
背景技术：
：医用内窥镜自发明以来已经得到了非常广泛的应用，医生借助内窥镜可以非常直观高效地观察到人体内部器官的组织形态、病变情况，并由此得到有针对性的治疗方案，甚至可以直接进行微创外科手术。电子内窥镜的摄像单元一般具有下述部件：作为光学成像系统的物镜，其使被摄体像成像；传感器，通常为ccd(电荷耦合元件)、cmos(互补金属氧化物半导体)等传感元件，其配设于物镜的成像面处。在电子内窥镜中用到的图像传感器像素可以到几十万至几百万甚至更高，可以得到非常高清晰度的图像。当前的一些内窥镜由于结构复杂，如果不利于镜头整体装配、尺寸控制，会对内窥镜的性能和使用造成消极影响。例如，中国专利cn104305951a中公开了一种物镜，整个镜头由6片透镜组成，并且这些镜片的直径不完全相同，这会造成物镜整体的装配困难，导致良品率低，并且不利于实现内窥镜的小型化、细径化。技术实现要素：为克服现有技术的内窥镜的上述问题，经对大量的研究和反复实验，我们提供了一种新的内窥镜物镜，其利于内窥镜小型化，易于装配，视场角较大，成像性能优良。本发明的具体技术方案如下。一种内窥镜物镜，其包括四片共轴球面折射透镜和一个光阑，从物侧到像侧依次排列为：具有负光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、光阑、第三透镜、和第四透镜；其中第三透镜和第四透镜被粘合在一起形成粘合透镜，该粘合透镜具有正光焦度，所述内窥镜物镜满足以下条件：-1<f1/f34<-0.4，0.2<f2/f34<0.7，以及-1.2<f3/f34<1.2；其中f1是第一透镜的焦距，f2是第二透镜的焦距，f3是第三透镜的焦距，f34是粘合透镜的焦距。在一种实施方式中，上述第三透镜具有正光焦度，第四透镜具有负光焦度。在一种实施方式中，上述第一透镜是平凹透镜，使光线经过时发散，朝向物侧的第一镜面凸向像侧，朝向像侧的第二镜面为平面。在一种实施方式中，上述第二透镜是双凸透镜，使光线经过时会聚，朝向物侧的第三镜面凸向物侧，朝向像侧的第四镜面凸向像侧。第五镜面为光阑。在一种实施方式中，上述第三透镜是双凸透镜，使光线经过时会聚，朝向物侧的第六镜面凸向物侧，朝向像侧的第七镜面凸向像侧。在一种实施方式中，上述第四透镜是平凹透镜，使光线经过时发散，朝向物侧的第八镜面凸向像侧，朝向像侧的第九镜面为平面。在一种优选的实施方式中，上述四片透镜的外周尺寸相同，使得物镜的整体装配变得容易。上述四片透镜的八个镜面的曲率半径的正负是按照应用光学或光学系统设计软件zemax的规定确定的，即面型凸向物侧为正值，凸向像侧为负值。一种内窥镜，其包含上述的内窥镜物镜作为光学成像系统。根据本发明的一个方面，上述内窥镜还包含位于内窥镜物镜像侧与像面之间的平行平面板状的光学构件，所述光学构件选自用于折弯光路的光路转换棱镜、滤光片、玻璃罩等构件。本发明的内窥镜物镜利于实现内窥镜的小型化和细径化，具有较大视场角，能够取得良好的图像。而且物镜整体装配容易，利于尺寸精确控制，有利于降低内窥镜的生产成本和使用成本。附图说明图1是根据本发明的一个内窥镜物镜实施例的截面图；图2是图1所示内窥镜物镜的光路示意图；图3a-3c是根据本发明的实施例1的内窥镜物镜分别在0度、28度和47度的像差图，即横向光线扇形图(transverserayfanplot)，其中ey代表子午像差大小，py代表子午入瞳大小，ex代表弧矢像差大小，px代表弧矢入瞳大小；图4是根据本发明的内窥镜物镜实施例1的场曲和畸变图，其中左图为场曲(fieldcurvature)，横坐标单位为微米；右图为畸变(distortion)，横坐标为畸变百分率；图5是根据本发明的内窥镜物镜实施例1的mtf(调制传递函数)图，其中纵坐标为光学传递函数模量(modulusoftheotf)，横坐标为空间频率(spatialfrequency)，单位为lp/mm；图6是根据本发明的内窥镜物镜实施例1的相对照度(relativeillumination)图，其中横坐标为物方视场角度数(yfieldindegrees)。图7a-7c是根据本发明的内窥镜物镜实施例2分别在0度、28度和47度的像差图，即横向光线扇形图(transverserayfanplot)，其中ey代表子午像差大小，py代表子午入瞳大小，ex代表弧矢像差大小，px代表弧矢入瞳大小；图8是根据本发明的内窥镜物镜实施例2的场曲和畸变图，其中左图为场曲(fieldcurvature)，横坐标单位为微米；右图为畸变(distortion)，横坐标单位为畸变百分率；图9是根据本发明的内窥镜物镜实施例2的多色衍射mtf(polychromaticdiffractionmtf)图，其中纵坐标为光学传递函数模量(modulusoftheotf)，横坐标为空间频率(spatialfrequency)，单位为lp/mm；图10是根据本发明的内窥镜物镜实施例2的相对照度图，其中横坐标为物方视场角度数(yfieldindegrees)。图11a-11c是根据本发明的内窥镜物镜实施例3分别在0度、28度和47度的像差图；图12是根据本发明的内窥镜物镜实施例3的场曲和畸变图；图13是根据本发明的内窥镜物镜实施例3的多色衍射mtf；图14是根据本发明的内窥镜物镜实施例3的相对照度图；图15a-15c是根据本发明的内窥镜物镜实施例4分别在0度、28度和47度的像差图；图16是根据本发明的内窥镜物镜实施例4的场曲和畸变图；图17是根据本发明的内窥镜物镜实施例4的多色衍射mtf图；图18是根据本发明的内窥镜物镜实施例4的相对照度图。具体实施方式下面将结合附图，对本发明的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式；并且附图中所示的结构仅仅是示意性的，并不代表实物。需要说明的是，基于本发明中的这些实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在本发明中，术语“物体侧”、“物侧”和“物方”表示相同的意义，可以互换使用。类似地，术语“像面侧”、“像侧”和“像方”表示相同的意义，可以互换使用。在本发明中，术语“成像镜头”、“镜头”和“物镜”表示相同的意义，可以互换使用。为描述简便起见，在本文中有时将“孔径光阑”简称为“光阑”，它们表示相同的意义，可以互换使用，表示为“stop”或者“st”。为描述简便起见，在本文中有时将第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜分别表示为g1、g2、g3和g4；成像面可以表示为“ima”。并且从物侧到像侧依次从前到后将第一透镜、第二透镜的镜面标记为1、2、3、4；将第三透镜和第四透镜的镜面标记为6、7、8、9；并且将光阑标记为镜面5。本文中，术语“前”表示沿着从物侧到像侧方向的上游关系，但并不意味着实际部件安装操作中的位置关系或连接关系。类似地，术语“后”并不构成绝对的空间关系限制，只是一种相对的概念，这是本领域技术人员都能够理解的。本发明中的透镜的折射率、镜面曲率半径、镜片厚度、镜片间距等指标可以按照应用光学或光学系统设计软件zemax等进行设计，其材质可以为玻璃或塑料。其中镜面曲率半径的的正负是按照应用光学或光学系统设计软件zemax的规定确定的，即面型凸向物侧为正值，凸向像侧为负值。本发明的内窥镜物镜中的四片透镜的外周尺寸优选相同。例如，当四片透镜皆为圆形时，它们的外径相同。这样的结构使得物镜的整体装配变得容易，高精度地控制物镜尺寸。当内窥镜物镜满足以下条件：-1<f1/f34<-0.4，0.2<f2/f34<0.7，-1.2<f3/f34<1.2时，能够获得良好的成像性能，不仅视场角较大，而且使得物镜的近焦达到2.5mm左右，低于传统的3mm以上的近焦，有利于内窥镜的小型化。比如，f1/f34可以为-0.69、-0.54、-0.78或者-0.543；相应的f2/f34可以为0.52、0.40、0.68或者0.34；相应的f3/f34可以为0.39、0.45、0.56或者-0.90。参见图1，内窥镜物镜从物侧起沿着光轴依次由第一透镜g1、第二透镜g2、光阑stop、第三透镜g3以及第四透镜g4组成。其中第三透镜g3和第四透镜g4粘合组成粘合透镜。以上是本发明实施方式的物镜的基本结构。需要说明的是，本发明的附图2中第四透镜g4与像面ima之间的平行平面板状的光学构件是假想为用于折弯光路的光路转换棱镜、滤光片、玻璃罩等构件。实施例1：各个透镜的参数及材料如下表1所示。表1表1中示出实施例1的内窥镜物镜的基本数据。其中stop是孔径光阑，ima是成像面，r是各个镜面的曲率半径，d列表示第i个镜面到第i+1个镜面在光轴上的间隔。其中第一透镜至第四透镜分别采用h-k9l，h-zk9a，h-zk9a以及h-zf52a的光学玻璃制成。进一步的，上表1中的物镜的实施参数具体情况如下表：表2fov94°f_number4.5ttl2.5mmf1-1.426f21.08f30.8f4-1.05f342.07f1/f34-0.688f2/f340.522f3/f340.386其中fov为镜头的全视场角；f_number为镜头的数值孔径；ttl为镜头的总长；f1为第一透镜g1的焦距；f2为第二透镜g2的焦距；f3为第三透镜g3的焦距；f4为第四透镜g4的焦距；f34为g3和g4的粘合透镜的组合焦距。根据以上实施例1的物镜的像差、场曲、畸变、mtf(modulationtransferfunction，调制传递函数)以及相对照度图分别如图3a-3c、图4、图5以及图6所示，由图3-6可见，实施例1中的设计像差小，mtf接近衍射极限，使得实施例1的物镜具有良好的成像性能。实施例2：表3镜面序号rd材料(折射率：阿贝数)1-0.70.21.5:641982∞0.3431.140.441.62:60344-1.140.02stop∞0.0261.1740.41.62:60347-1.50.21.85:23788∞0.29∞0.41.5:6419810∞0.2ima∞表3中示出实施例2的内窥镜物镜的基本数据。其中stop是孔径光阑，ima是成像面，r是各个镜面的曲率半径，d列表示第i个镜面到第i+1个镜面在光轴上的间隔。其中第一透镜至第四透镜分别采用h-k9l，h-zk9a，h-zk9a以及h-zf52a的光学玻璃制成。进一步的，上表3中的物镜的实施参数具体情况如下表：表4fov94°f_number4.5ttl2.4mmf1-1.35f20.99f31.12f4-1.754f342.5f1/f34-0.54f2/f340.396f3/f340.448其中fov为镜头的全视场角；f_number为镜头的数值孔径；ttl为镜头的总长；f1为第一透镜g1的焦距；f2为第二透镜g2的焦距；f3为第三透镜g3的焦距；f4为第四透镜g4的焦距；f34为g3和g4的粘合透镜的组合焦距。根据以上实施例2的物镜的像差、场曲、畸变、mtf以及相对照度图分别如图7a-7c、图8、图9以及图10所示，由图7-10可见，实施例2中的设计像差小，mtf接近衍射极限，使得实施例2的物镜具有良好的成像性能。实施例3：表5镜面序号rd材料(折射率：阿贝数)1-0.660.31.5:641982∞0.3431.280.50541.62:60344-1.280.02stop∞0.0260.840.41.62:60347-1.50.21.85:23788∞0.29∞0.41.5:6419810∞0.2ima∞表5中示出实施例3的内窥镜物镜的基本数据。其中stop是孔径光阑，ima是成像面，r是各个镜面的曲率半径，d列表示第i个镜面到第i+1个镜面在光轴上的间隔。其中第一透镜至第四透镜分别采用h-k9l，h-zk9a，h-zk9a以及h-zf52a的光学玻璃制成。进一步的，上表5中的物镜的实施参数具体情况如下表：表6fov94°f_number4.5ttl2.32mmf1-1.27f21.11f30.92f4-1.754f341.629f1/f34-0.78f2/f340.68f3/f340.565其中fov为镜头的全视场角；f_number为镜头的数值孔径；ttl为镜头的总长；f1为第一透镜g1的焦距；f2为第二透镜g2的焦距；f3为第三透镜g3的焦距；f4为第四透镜g4的焦距；f34为g3和g4的粘合透镜的组合焦距。根据以上实施例3的物镜的像差、场曲、畸变、mtf以及相对照度图分别如图11a-11c、图12、图13以及图14所示，由图11-14可见，实施例3中的设计像差小，mtf接近衍射极限，使得实施例3的物镜具有良好的成像性能。实施例4：表7镜面序号rd材料(折射率：阿贝数)1-0.76840.31.5:641982-13.90.3431.1380.50541.62:60344-1.1380.02stop∞0.0261.450.41.62:60347-0.7980.21.85:23788∞0.29∞0.41.5:6419810∞0.2ima∞表7中示出实施例4的内窥镜物镜的基本数据。其中stop是孔径光阑，ima是成像面，r是各个镜面的曲率半径，d列表示第i个镜面到第i+1个镜面在光轴上的间隔。其中第一透镜至第四透镜分别采用h-k9l，h-zk9a，h-zk9a以及h-zf52a的光学玻璃制成。进一步的，上表7中的物镜的实施参数具体情况如下表：表8fov94°f_number4.5ttl2.5mmf1-1.575f20.987f3-2.623f4-1.28f342.9f1/f34-0.54f2/f340.34f3/f34-0.9其中fov为镜头的全视场角；f_number为镜头的数值孔径；ttl为镜头的总长；f1为第一透镜g1的焦距；f2为第二透镜g2的焦距；f3为第三透镜g3的焦距；f4为第四透镜g4的焦距；f34为g3和g4的粘合透镜的组合焦距。根据以上实施例4的物镜的像差、场曲、畸变、mtf以及相对照度图分别如图15a-15c、图16、图17以及图18所示，由图15-18可见，实施例4中的设计像差小，mtf接近衍射极限，使得实施例4的物镜具有良好的成像性能。上述实施例1-4的内窥镜物镜由于满足了前述的关于焦距的关系式，能够使得物镜的近焦在2.5mm左右，而传统的内窥镜的近焦一般都为3mm以上，因此，根据本发明的内窥镜物镜在实现小型化的同时，具有较大视场角，从而获取良好的医学图像。根据本发明的一个方面，还包括一种内窥镜，该内窥镜包括上述实施例所记载的物镜。在此不再赘述。需说明的是，在本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。以上，通过列举实施方式及实施例而对本发明进行了说明，但本发明不局限于上述实施方式及实施例，能够进行各种变形。例如，各透镜的形状以及曲率半径、面间隔、折射率等数值不局限于上述实施例的表格中的值，可以采取其他的值。虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于本领域的技术技术人员而言，根据上文的叙述后作出的许多替代、修改与变化将是显而易见。因此，当这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的范围之内时，应该被包括在本发明中。当前第1页12