Объектив эндоскопа
Использование: в области эндоскопии, в объективах для эндоскопов а также в видеоэндоскопах, предназначенных для исследования внутренних органов человека.
Задача: обеспечение хорошего качества изображения во всем интервале изменений рабочего отрезка S=3÷100 мм, уменьшение угла наклона главного луча до значений, меньших 
=17° и повышение относительной освещенности на краю поля изображения до 60%.
Сущность: объектив эндоскопа, выполненный из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых с оптической силой 
I, содержащий мениск с оптической силой I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой II, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой II,1 и склеенную линзу с оптической силой II,2, дополнен плосковыпуклой линзой с оптической силой I,2, введенной в первый компонент и расположенной перед апертурной диафрагмой, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:
0.48<II/<0.58
0.3<I,2/<0.4
0.5<II,1/<0.6
0.05<II,2/<0.15, где оптическая сила объектива в целом.
1 с.п. ф-лы, 1 илл.
Предлагаемая полезная модель относится к области эндоскопии, к объективам для эндоскопов (ОЭ) и может быть использована 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 2>120°
- большие оптические задние отрезки S
f,
- наклон главных лучей 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 2=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:
- 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-1 и на краю поля N=30 мм -1,
- большой угол главного луча в пространстве приемника, достигающий =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 =17° и повышение относительной освещенности на краю поля изображения до 60%.
Для решения поставленной задачи предложен объектив эндоскопа, который, как и прототип, выполнен из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых с оптической силой I содержит отрицательный мениск с оптической силой I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой II, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой II,1 и склеенную линзу с оптической силой II,2.
В отличие от прототипа, в первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой I,2, a плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:
0.48<II/<0.58
0.3<I,2/<0.4
0.5<II,1/<0.6
0.05<II,2/<0.15, где оптическая сила объектива в целом.
Сущность предлагаемой полезной модели 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 до 15° и повысить относительную освещенность на краю поля до 60%.
В частности, введение дополнительной плосковыпуклой линзы в первый компонент и выполнение плосковыпуклой линзы второго компонента склеенной позволило уменьшить астигматизм от значения C22=0.275
(в прототипе) до С22=0.003 (в предлагаемом объективе), где С22 - коэффициент волновой аберрации астигматизма.
Выполнение оптических сил линз и компонентов, удовлетворяющих условиям:
0.48<II/<0.58
0.3<I,2/<0.4
0.5<II,1/<0.6
0.05<II,2/<0.15, где - оптическая сила объектива в целом, обеспечило уменьшение угла главного луча с оптической осью , коррекцию хроматических аберраций и кривизны изображения.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежом, где на фиг.1 - представлена оптическая схема объектива эндоскопа, и Приложением.
Объектив эндоскопа включает два компонента. Первый компонент (I) с оптической силой I, содержит отрицательный мениск 1 с оптической силой I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению.
Второй компонент (II) с оптической силой II, разделенный с компонентом I апертурной диафрагмой (АД), содержит плосковыпуклую линзу 2 с оптической силой II,1 и склеенную линзу 3, 4 с оптической силой II,2, В компонент I перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза 5 с оптической силой I,2, 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 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
II/=0.53
I,2/=0.35
II,1/=2,6/=0.54
II,2/=3,4/=0.12
Параметры объектива:
- диапазон рабочих расстояний S=3÷100 мм,
- угол поля зрения 2=140°,
- угол главного луча с оптической осью для края поля не превышает =15°,
- относительная освещенность на краю поля изображения составляет 60%,
- коэффициент передачи модуляции для пространственных частот до 100 мм -1 для разных рабочих расстояний приведены на графиках ЧКХ.
Таким образом, объектив эндоскопа обладает высоким качеством изображения в пределах углового поля 2=140° и рабочих расстояний S=3÷100 мм. Существенно, по сравнению с прототипом, улучшена относительная освещенность на краю поля до 60% и уменьшен угол ' 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 7140379, 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
Объектив эндоскопа, выполненный из двух компонентов, разделенных апертурной диафрагмой, первый из которых с оптической силой I, содержащий мениск с оптической силой I,1, обращенный вогнутой стороной к изображению, и второй компонент с оптической силой II, содержащий плосковыпуклую линзу с оптической силой II,1 и склеенную линзу с оптической силой II,2, отличающийся тем, что в первый компонент перед апертурной диафрагмой введена плосковыпуклая линза с оптической силой I,2, а плосковыпуклая линза второго компонента выполнена склеенной, при этом оптические силы линз и компонентов удовлетворяют следующим условиям:
0,25<|I/|<0,35
0,48<II/<0,58
0,3<I,2/<0,4
0,5<II,1/<0,6
0,05<II,2/<0,15,
где оптическая сила объектива в целом.
