CN119224995B - 8k超高清光学内窥镜及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种8K超高清光学内窥镜及成像系统，涉及医疗器械技术领域，为提供较高分辨率的光学内窥镜而发明。光学内窥镜包括：管体以及设在所述管体内的物镜组及中继镜组，中继镜组设在所述物镜组的像方，在中继镜组的像方设有准直放大镜组；其中，物镜组用于对被观察物成像；中继镜组对所述物镜组所成的像进行中继传输；准直放大镜组将所述中继镜组的像方的光斑放大成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致；所述中继镜组的光出射方为所述中继镜组的像方。本发明实施例适用通过内窥镜进行医学检查和手术的场景中。

Description

8K超高清光学内窥镜及成像系统

技术领域

本发明涉及医学诊断器械技术领域，尤其涉及一种8K超高清光学内窥镜及成像系统。

背景技术

医学诊断器械是识别患者的各种医疗状况的设备或者仪器，能够辅助医生进行准确和及时的诊断，以使医生能够对疾病进行有效治疗和管理。

光学内窥镜是一种常用的医疗器械，可经人体天然孔道或者手术小切口进入人体内部，帮助医生对病变部位的情况进行诊断分析和治疗疾病的一种医疗设备。比如有胃镜、肠镜等等。

光学内窥镜系统是将光学内窥镜与摄像装置相组合，而形成的一种便于通过显示设备查看被观察物图像的系统。目前，现有光学内窥镜的难以满足临床超高清成像要求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提供一种具有较高分辨率的光学内窥镜及成像系统。

为实现上述目的，本发明实施方式提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施方式提供一种光学内窥镜，包括：管体以及设在所述管体内的物镜组及中继镜组，所述中继镜组设在所述物镜组的像方，在所述中继镜组的像方设有准直放大镜组；

其中，所述物镜组，用于对被观察物成像；

所述中继镜组，用于对所述物镜组所成的像进行中继传输；

所述准直放大镜组，用于将所述中继镜组的像方的光斑放大成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致；所述中继镜组的光出射方为所述中继镜组的像方。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述准直放大镜组的像方的光照度，与所述物镜组的物方的光照度满足如下关系：

；

为像方光照度，单位为；

为物方光照度，单位为；

为透过率，取值范围为；

F为光圈数，取值范围为。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述管体的外径为10mm，所述物镜组的外径大于或等于5.0mm，所述中继镜组的外径大于或等于6.8mm，所述准直放大镜组的外径大于或等于7.8mm，小于或等于31mm，或者所述准直放大镜组的外径大于31mm；或者

所述管体的外径为4mm，所述物镜组的外径大于或等于2.2mm，所述中继镜组的外径大于或等于3.0mm，所述准直放大镜组301的外径大于或等于4.8mm，小于或等于31mm，或者所述准直放大镜组的外径大于31mm。

根据本发明实施例的一种实现方式，，物镜组的口径为6-6.8mm，所述中继镜组的口径7-7.8mm。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述管体包括内管、中管和外管；

所述物镜组及中继镜组设在所述内管中，所述中继镜组的外径为7mm；

所述中管套设在所述外管外侧；

所述外管套设在所述中管外侧，且在所述外管内侧壁和所述中管外侧壁之间的腔体内设有光纤。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述中继镜组包括奇数组棒镜，所述奇数组棒镜至少为五组棒镜。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um-2.0um。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um、1.38um、1.45um、1.85um、或2.0um。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜的像方光学分辨率为250lp/mm-500lp/mm。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述物镜组采用类双高斯对称系统，中间放置孔径光阑，两边镜头曲率弯向该光阑。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述物镜组包含物镜、补偿透镜、第一胶合镜、第二胶合镜及第三胶合镜；

所述物镜、补偿透镜、第一胶合镜、第二胶合镜及第三胶合镜，沿所述物镜组的物方至像方的方向依次设置；

其中，所述光学内窥镜的工作外径为10mm时，所述物镜组的组合焦距范围为，；

所述光学内窥镜的工作外径为4mm时，所述物镜组的组合焦距范围为，；

其中，为第二胶合镜的焦距；为第三胶合镜的焦距。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述中继镜组整体焦距与所述中继镜组的物方面的有效口径的比值为。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述中继镜组包含奇数组中继棒镜，每组棒镜包括两个三胶合镜组；

每个三胶合镜组包括第一中继透镜、第二中继透镜及第三中继透镜；其中，第一中继透镜与第二中继透镜胶合，第二中继透镜与第三中继透镜胶合，第一中继透镜与第三中继透镜相对于第二中继透镜互为对称，且第一中继透镜与第三中继透镜的光学参数相一致。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述中继镜组还包括光阑，第一中继透镜与所述第三中继透镜的凸面弯向该光阑。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜的工作外径为10mm时，所述中继镜组整体组合范围为,且；

所述光学内窥镜的工作外径为4mm时，所述中继镜组整体组合范围为,且；

其中，为第一中继透镜的焦距，为第二中继透镜的焦距。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光阑与所述胶合镜组构成双高斯、放大倍率的对称系统。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述中继镜组的入射数值孔径NA与出射数值孔径ISNA相等，入射数值孔径NA与出射数值孔径ISNA范围。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述物镜的物侧面为平面，像侧面为凹面，平均色散，曲率；

所述补偿透镜物侧面为平面，像侧面为凸面，平均色散，曲率；

所述第一胶合镜由第一透镜与第二透镜组成，色散系数满足vd3-vd4>10；所述第一透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；所述第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；

所述第二胶合镜由第三透镜与第四透镜组成，色散系数满足vd6-vd5>20；第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值；第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值；

所述第三胶合镜由第五透镜与第六透镜组成，色散系数满足vd7-vd8>12；第五透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值；第六透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述准直放大镜组包括：第一准直放大胶合镜及第二准直放大胶合镜；

所述第一准直放大胶合镜由第七透镜与第八透镜组成，色散系数满足vd12-vd13>25；第七透镜的物方面为凹面，像方面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；第八透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；

第二准直放大胶合镜由第九透镜与第十透镜组成，色散系数满足vd14-vd15>12；第九透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；第十透镜的物侧面为凹面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第二方面，本发明实施例提供一种光学内窥镜成像系统，包括：

光学内窥镜；

摄像镜头，所述摄像镜头设在所述光学内窥镜的像方，用于将所述光学内窥镜的出射光线在成像平面处形成实像；

图像传感器，所述图像传感器设在所述光学内窥镜的像方，用于将所述光学内窥镜在成像平面处成像的光转换为电信号；

其中，所述光学内窥镜为前述任一实现方式所述的光学内窥镜；所述准直放大镜组的光出射角，与所述摄像镜头的光入射角相一致。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜的物方细节分辨率，为所述图像传感器的像元尺寸的0.8-1.5倍。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述摄像镜头与所述准直放大镜组不可拆卸；或者

所述摄像镜头与所述准直放大镜组之间通过标准连接结构可拆卸连接，或者通过非标准连接结构可拆卸连接。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述物镜组、所述中继镜组、所述准直放大镜组以及所述摄像镜头，共同设在同一管腔内形成一体化设计。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述摄像镜头的光入射口的光斑直径为所述准直放大镜组的光出射口的光斑直径的1倍-6倍，所述准直放大镜组的光出射口的光斑直径为1.5-8mm。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述摄像镜头包括并行设置两个摄像镜头，用于3D成像；或者，

所述摄像镜头仅具有一个摄像镜头，用于2D成像。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述摄像镜头包括第三摄像透镜、第四摄像胶合镜和第五摄像透镜；

第三摄像透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；

第四摄像胶合镜由第十一透镜与第十二透镜组成，色散系数满足vd17-vd18>22；第十一透镜的物侧面为凹面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；第十二透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值；

所述第五摄像透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值。

根据本发明实施例的一种实现方式，所述光学内窥镜为便于形成7680x4320像素的8K超高清图像的光学内窥镜。

本发明实施例光学内窥镜及成像系统，准直放大镜组将中继镜组传输的光斑放大，便于摄像镜头在高分辨率的图像传感器上成像，比如在8K（7680x4320像素）的图像传感器上形成7680x4320像素的超高清图像。

进一步地，准直放大镜组将中继镜组传输的光斑放大形成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致。这样可使中继镜组的像方形成的准直光斑的光线，完全进入摄像镜头进行成像，换言之，中继镜组的像方形成的准直光斑，能够完全进入摄像镜头进行成像，使得准直光斑的各个像点均能作为成像的像素点进行成像，从而便于摄像镜头对中继镜组的像方形成的准直光斑在高分辨率的图像传感器上进行超高清无损成像，比如在8K（7680x4320像素）的图像传感器上形成7680x4320像素的超高清图像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明光学内窥镜一实施例的光学结构示意图；

图2a-2b为本发明一实施例中用来测量光学内窥镜的像方的光照度的测量装置示意图；

图3a为现有光学内窥镜的外形结构示意图；

图3b为本发明超高清光学内窥镜一实施例的外形结构示意图；

图3c为本发明超高清光学内窥镜一实施例的局部剖视图；

图3d为本发明超高清光学内窥镜一实施例的局部剖视图；

图3e为本发明超高清光学内窥镜另一实施例的局部剖视图；

图4为图1所示实施例中的物镜组的光学结构示意图；

图5为图1所示实施例中的中继镜组的光学结构示意图；

图6为图1所示实施例中的摄像镜组的光学结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本实施例中光学内窥镜的光学结构示意图，参看图1，本实施例的光学内窥镜，包括：管体（图中未示出）以及设在所述管体内的物镜组10及中继镜组20，所述中继镜组20设在所述物镜组10的像方，在所述中继镜组20的像方设有准直放大镜组301。

物镜组10，用于对被观察物40成像。

中继镜组20，用于对物镜组10所成的像进行中继传输。在对物镜组10所成的像进行传输的过程中，可对物镜组10所成的像的方向进行多次倒像，比如物镜组10所成的被观察物的像为倒立的像，经过中继镜组20的多次倒像后，可在中继镜组20的像方得到被观察物的正立的像。

准直放大镜组301，用于对所述中继镜组20的像方的光斑放大成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致；中继镜组的光出射方为中继镜组的像方。

本实施例中，平行准直光斑的含义是指形成光斑的所有光线均平行于光轴。

本发明实施例中，准直放大镜组301将中继镜组传输的光斑放大，便于摄像镜头在高分辨率的图像传感器上成像，比如在8K（7680x4320像素）的图像传感器上形成7680x4320像素的超高清图像。

进一步地，准直放大镜组301将中继镜组传输的光斑放大形成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致。这样可使中继镜组的像方形成的准直光斑的光线，完全进入摄像镜头进行成像，换言之，中继镜组的像方形成的准直光斑，能够完全进入摄像镜头进行成像，使得准直光斑的各个像点均能作为成像的像素点进行成像，从而便于摄像镜头对中继镜组的像方形成的准直光斑在高分辨率的图像传感器上进行超高清无损成像，比如在8K（7680x4320像素）的图像传感器上形成7680x4320像素的超高清图像。

在一些实施例中，所述准直放大镜组的像方的光照度，与所述物镜组的物方的光照度满足如下关系：

；

为像方光照度，单位为（勒克斯）；

为物方光照度，单位为；

为透过率，取值范围为；

F为光圈数，取值范围为。

图2a为本发明一实施例中用来测量光学内窥镜的像方的光照度的测量装置示意图，光学内窥镜的工作端可插入光源箱（用于提供物方光照度）中，光学内窥镜的像方连接有照度计。当光学内窥镜的工作端插入光源箱中时（如图2b所示），可通过照度计显示光学内窥镜的像方光照度。

由于光学内窥镜的像方光照度与光学内窥镜的分辨率之间存在正相关关系，根据光学内窥镜的物方的光照度以及上述公式，可确定出光学内窥镜的像方光照度，进而可根据不同的光学内窥镜像方光照度的大小，确定出不同的光学内窥镜像的分辨率的高低，由此可方便地与摄像装置的图像传感器在分辨率方面进行比较准确地匹配，在实现超高清成像的同时，能够充分利用已有硬件资源。

在一些实施例中，的取值范围为；在一些例子中，=，在另一些例子中，=，在又一些例子中，=。

在一些实施例中，光圈数F=4;在另一些实施例中，光圈数F=3.8；在又一些实施例中，光圈数F=3.6；在又一些实施例中，光圈数F=3.5。

在一些实施例中，所述光学内窥镜为工作外径为10mm（即所述管体的外径为10mm），所述物镜组的外径（通光口径）大于或等于5.0mm，中继镜组的外径（通光口径）大于或等于6.8mm；这样可实现在10mm工作外径的情况下具有较大的通光口径，以便获得较大光亮强度，为超高清成像提供硬件基础。

在一些例子中，物镜组的口径为6-6.8mm，中继镜组的口径7-7.8mm。物镜组和中继镜组的口径过小，势必会减小通光量，影响成像质量，口径过大，会导致管体的外径增大，限制内窥镜的应该场景。

在一个例子中，所述管体采用三腔结构，具体地，所述管体包括内管、中管和外管；所述物镜组及中继镜组设在所述内管中，所述中继镜组的外径为7mm；所述中管套设在所述外管外侧；所述外管套设在所述中管外侧，且在所述外管内侧壁和所述中管外侧壁之间的腔体内设有光纤。本实施例中，在内管和外管之间套设中管，便于光纤的布设。

本发明实施例不限于此，所述管体也可采用两腔结构，所述管体包括内管和外管；所述物镜组及中继镜组设在所述内管中，所述中继镜组的外径为7mm；所述外管套设在所述内管外侧，且在所述外管内侧壁和所述内管外侧壁之间的腔体内设有光纤。

在另一些实施例中，所述超高清光学内窥镜为工作外径为4mm（即所述管体的外径为4mm）。其中，所述物镜组的外径大于或等于2.2mm，中继镜组的外径大于或等于3.0mm，准直放大镜组301的外径大于或等于4.8mm，小于或等于31mm，或者所述准直放大镜组的外径大于31mm。这样，可实现在4mm工作外径的情况下具有较大的通光口径，以便获得较大光亮强度，为超高清成像提供硬件基础。

应当理解的是，本发明各实施例中所述的物镜组的外径、中继镜组的外径、准直放大镜组的外径，分别是指各镜组的透镜的外径。

由于物镜组10及中继镜组20的通光口径的增加，可能会带来像差的不利因素，为此，在一些实施例中，所述中继镜组包括奇数组棒镜，所述奇数组棒镜至少为五组棒镜，以便于通过该至少五组棒镜的设置来减轻或消除像差。

本发明实施例中，拚弃了传统光学内窥镜中的目镜的固有结构，改用可方便地与成像装置匹配使用的准直放大镜组301（准直放大镜组的外径尺寸可灵活设置）。

在一些实施例中，准直放大镜组301的外径大于或等于7.8mm，小于或等于31mm，以便获得较大的准直光斑。

在一些实施例中，所述准直放大镜组的外径大于31mm。

在一些实施例中， 准直放大镜组301的外径尺寸，可相对行业标准规定的尺寸更大些，以便在准直放大镜组的像方并行设置两个摄像装置（如两个摄像镜头），以实现3D成像，且该两个摄像装置可绕准直放大镜组的光轴旋转。

应当理解的是，在准直放大镜组的外径尺寸相对行业标准规定的尺寸较大时，在实现2D成像时，也可在准直放大镜组的像方设置一个摄像装置（如一个摄像镜头），以实现2D成像。也就是说，本实施例的准直放大镜组的外径尺寸，可兼容3D成像和2D成像。

图3a为现有光学内窥镜的外径结构示意图。参看图3a，其中的目镜M的外径（具体指组成目镜的透镜的外径）尺寸为行业标准规定的外径尺寸，比如为4-6mm。

图3b为本发明超高清光学内窥镜一实施例的外径结构示意图。参看图3b，本发明实施例中的准直放大镜组301的外径D为31mm。

图3c为本发明超高清光学内窥镜一实施例的局部剖视图。

图3d为本发明超高清光学内窥镜一实施例的局部剖视图, 该超高清光学内窥镜能够实现3D成像。由于本实施例的准直放大镜组301的外径（具体指组成准直放大镜组的透镜的外径）大于常规的内窥镜的目镜的外径（具体指组成目镜的透镜的外径），因此可以在准直放大镜组301的像方并行设置的两个摄像镜头。具体地，参看图3d, 该实施例中，摄像镜头302设在手柄B上；摄像镜头302包括并行设置的两个摄像镜头S1和S2，在手柄B中还设有分别与S1和S2 相对应的两个图像传感器C1和C2。

图3e为本发明超高清光学内窥镜另一实施例的局部剖视图, 该超高清光学内窥镜能够实现2D成像。参看图3e, 该实施例中，摄像镜头302设在手柄B上；摄像镜头302包括一个摄像镜头S1，在手柄B中还设有与S1 相对应的一个图像传感器C1。

根据图3b-图3e可知，本实施例的准直放大镜组301既可与包括两个摄像镜头的摄像镜头302相匹配以实现3D成像，也可与仅包括一个摄像镜头的摄像镜头302相匹配以实现2D成像，从而实现兼容2D成像和3D成像。

现有技术中，传统的光学内窥镜是专为人眼观察所设计的，其结构包括物镜、中继镜组和目镜。并且，根据行业标准的规定，传统光学内窥镜的成像清晰度用角分辨力来表示，即为光学镜的入瞳中心对给定的光学工作距离处的最小可辨等距条纹宽的极限分辨率的到数，单位以周/度表示。

摄像技术领域与光学内窥镜属于不同的技术领域。在摄像技术领域中，是通过电子技术（图像传感器）来实现成像的，不再需要通过人眼来直接观察被观察物的图像。图像传感器的分辨率是随着技术的进步不断的提高。

由于传统光学内窥镜的行业标准的限制和行业人员的习惯性作法（只根据光学内窥镜行业本身的要求来生产制作光学内窥镜），以及摄像技术的不断进步，使得传统光学内窥镜的分辨率无法与成像装置的分辨率进行精准匹配，无法充分发挥和利用光学内窥镜和成像装置各自的分辨能力。

为了使得光学内窥镜的分辨率与成像装置的分辨率进行精准匹配，充分发挥和利用光学内窥镜和成像装置各自的分辨能力，本发明实施例给出了光学内窥镜的物方细节分辨率。光学内窥镜的物方细节分辨率的含义为：用光学内窥镜对被观察物进行观察时，在光学内窥镜所成的像上所能分辨出的被观察物上的两个相邻物点的最小距离，单位为um（微米）。

在一些实施例中，所述光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um-2.0um，比如，光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um、1.38um、1.45um、1.85um、2.0um。

具体地，本实施例中的光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um-2.0um，换言之，用本发明实施例的光学内窥镜对被观察物（如人体内的组织表面）进行观察时，在光学内窥镜所成的像上所能分辨出的被观察物上的两个相邻物点的最小距离可达到1.0um-2.0um，便于对被观察物满足超高清成像的要求，可得到8K（7680x4320像素）的超高清图像。

本发明实施例中，用光学内窥镜的物方细节分辨率来表示光学内窥镜的成像清晰度，单位为um，与图像传感器的像元尺寸的单位相一致。

一方面，在生产制造本发明实施例中的光学内窥镜时，可先根据目标图像传感器的像元尺寸（单位为um），确定出要制造的光学内窥镜的物方细节分辨率（单位为um），然后通过设计光学内窥镜的外径尺寸和光路系统，使其物方细节分辨率达到目标图像传感器的像元尺寸大小。

另一方面，当光学内窥镜生产制作完成后，其物方细节分辨率就已确定，可据此选配与其物方细节分辨率相匹配的目标图像传感器，使光学内窥镜的分辨率和图像传感器的分辨率达到精准匹配，便于实现超高清成像。换言之，本发明实施例的光学内窥镜，是为实现搭配最佳的图像传感器（如COMS）这一目的而生产制作的。

现有技术中，即使有人将传统的光学内窥镜与摄像装置进行组装搭配使用，也无法根据行业标准规定的光学内窥镜的角分辨力，确定出搭配使用的最佳的图像传感器，从而影响整体个系统（光学内窥镜及摄像装置所组成的系统）的显示分辨力。

而根据本发明实施例的方案，可基于光学内窥镜的物方细节分辨率，准确选配相搭配使用的图像传感器，达到光学内窥镜和图像传感器在超高清成像方面的精准匹配，在实现超高清成像的同时，能够充分利用已有硬件资源。

除了用物方细节分辨率来确定光学内窥镜的成像清晰度外，还可进一步用光学内窥镜的像方光学分辨率来确定光学内窥镜的成像清晰度，以对物方细节分辨率进行校验，以更加准确的确定光学内窥镜的成像清晰度。

本实施例中，像方光学分辨率与物方细节分辨率之间可存在如下数量关系：

；

其中，为像方光学分辨率，单位为lp/mm（线对/毫米）；

为物方细节分辨率，单位为um（微米）；

为常数，取值为1000。

其中，光学内窥镜的像方光学分辨率，为光学内窥镜的物方光学分辨率乘以光学内窥镜的放大倍数，光学内窥镜的物方光学分辨率和放大倍数，均可通过现有光学测量仪器测得。

在一些实施例中，所述光学内窥镜的像方光学分辨率为250lp/mm-500lp/mm。比如可为250lp/mm、270lp/mm、345 lp/mm、或500 lp/mm等。

在一些实施例中，物镜组10采用类双高斯对称系统用于补偿系统的高级像差（球差，慧差，位置色差），中间放置孔径光阑，两边镜头曲率弯向该光阑，还可进一步补偿像散和场区。

参看图4，在一些实施例中，物镜组10包含物镜101、补偿透镜102、第一胶合镜103、第二胶合镜104及第三胶合镜105；物镜101、补偿透镜102、第一胶合镜103、第二胶合镜104及第三胶合镜105，沿物镜组10的物方至像方的方向依次设置。

其中，光学内窥镜的工作外径为10mm时，物镜组10的组合焦距范围为，；为第二胶合镜104的焦距，为第三胶合镜105的焦距。

光学内窥镜的工作外径为4mm时，物镜组10的组合焦距范围为，；为第二胶合镜104的焦距，为第三胶合镜105的焦距。

在一些实施例中，物镜101的物方面为平面，像方面为凹面，平均色散，曲率。

补偿透镜102物方面为平面，像方面为凸面，平均色散，曲率。

第一胶合103由两枚正负光焦度胶合镜片胶合而成，由第一透镜1031与第二透镜1032组成；色散系数满足vd3-vd4>10。

第一透镜1031的物方面为凸面，像方面为凸面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

所述第二透镜的物侧面为凹面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第二胶合镜104由两枚正负光焦度胶合镜片胶合而成，由第三透镜1041与第四透镜1042组成，色散系数满足vd6-vd5>20。

第三透镜1041的物方面为凸面，像方面为凹面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值；第四透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第三胶合镜105由两枚正负光焦度胶合镜片胶合而成，由第五透镜1051与第六透镜1052组成。色散系数满足vd7-vd8>12。

第五透镜1051的物方面为凸面，像方面为凹面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第六透镜的物侧面为凸面，像侧面为凸面，焦距与物侧面的有效口径的比值，平均色散；物侧面曲率与像侧面曲率比值。

在一些实施例中，中继镜组20整体焦距与中继镜组20的物方面的有效口径的比值为。

在一些实施例中，中继镜组20包含奇数组中继棒镜201。参看图5，每组棒镜201包括两个三胶合镜组2011；每个三胶合镜组2011包括第一中继透镜20111、第二中继透镜20112及第三中继透镜20113；其中，第一中继透镜20111与第二中继透镜20112胶合，第二中继透镜20112与第三中继透镜20113胶合，第一中继透镜20111与第三中继透镜20113相对于第二中继透镜20112互为对称，且第一中继透镜20111与第三中继透镜20113的光学参数相一致。

在一些实施例中，所述中继镜组还包括光阑2012，第一中继透镜与所述第三中继透镜的凸面弯向该光阑2012。

在一些实施例中，光学内窥镜的工作外径为10mm时，中继镜组整体组合范围为,且；其中，为第一中继透镜的焦距，为第二中继透镜的焦距。

在另一些实施例中，光学内窥镜的工作外径为4mm时，中继镜组整体组合范围为,且；其中，为第一中继透镜的焦距，为第二中继透镜的焦距。

在一些实施例中，中继镜组20中，光阑2012与胶合镜组构成双高斯，放大倍率的对称系统。

在一些实施例中，中继镜组（也可称为棒镜组）20的入射数值孔径NA与出射数值孔径ISNA相等，入射数值孔径NA与出射数值孔径ISNA范围。

根据公式：中继镜组分辨率=，NA越大，分辨率数值越小，说明分辨率越高。第一中继透镜20111和第三中继透镜20113的凸面弯向光阑，可降低棒镜组NA增大引起的边缘像差的增大。

中继镜组20整体组合焦距范围为,且可满足中继镜组外径7-7.8mm需求，达到8K分辨率。为中继镜组20整体组合焦距，为第一中继透镜20111的焦距，为第二中继透镜20112的焦距。

参看图6，在一些实施例中，准直放大镜组301包括第一准直放大胶合镜3011及第二准直放大胶合镜3012。

第一准直放大胶合镜3011由两枚正负光焦度胶合镜片胶合而成，由第七透镜3012与第八透镜3013组成；色散系数满足vd12-vd13>25。

第七透镜3012的物方面为凹面，像方面为凸面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第八透镜3013的物方面为凹面，像方面为凸面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第二准直放大胶合镜3012由两枚正负光焦度胶合镜片胶合而成，由第九透镜3021与第十透镜3022组成，色散系数满足vd14-vd15>12；

第九透镜3021的物方面为凸面，像方面为凸面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

第十透镜3022的物方面为凹面，像方面为凹面，焦距与物方面的有效口径的比值优选，平均色散，物侧面曲率与像侧面曲率比值。

在一些实施例中，光学内窥镜整体组合焦距范围为,且。

在一些实施例中，所述光学内窥镜为便于形成7680x4320像素的8K超高清图像的光学内窥镜，简称8K超高清光学内窥镜。

参看图1，本发明实施例还提供一种光学内窥镜成像系统，包括：

光学内窥镜；

摄像镜头302，所述摄像镜头设在所述光学内窥镜的像方，用于将所述光学内窥镜的出射光线在成像平面处形成实像；

图像传感器50，所述图像传感器设在光学内窥镜的像方，用于将光学内窥镜在成像平面处成像的光转换为电信号。

其中，光学内窥镜为前述任一实施例所述的光学内窥镜；所述准直放大镜组301的光出射角，与所述摄像镜头302的光入射角相一致。

本发明实施例光学内窥镜成像系统的技术效果，与前述光学内窥镜的技术效果基本相同，在此不再赘述。

在一些实施例中，所述光学内窥镜的物方细节分辨率为所述图像传感器的像元尺寸的0.8-1.5倍。

本实施例光学内窥镜成像系统，光学内窥镜的物方细节分辨率，为和其配套使用的图像传感器的像元尺寸的0.8-1.5倍，这样，将光学内窥镜的物方细节分辨率，与和其配套使用的图像传感器的像元尺寸的大小相结合（或者相绑定），二者相互匹配，协调性一致，便于实现稳定可靠的超高清成像。

在一些实施例中，光学内窥镜的物方细节分辨率，为所述图像传感器的像元尺寸的1.0倍，这样使得光学内窥镜的光学超高清成像性能，与图像传感器的图像采集性能达到极致性匹配，使得二者的性能均能达到充分利用。

本发明实施例中，光学内窥镜所具有的物方细节分辨率的有益效果，与前述光学内窥镜实施例所述的有益效果相同，在此不再赘述。

在一些实施例中，图像传感器的像元尺寸为1.0um、1.45um、1.85um、2.0um。

摄像镜头302可包括调焦轮，以对摄像镜头302中的一个或多个透镜沿光轴方向前后移动。摄像镜头302也可称为卡扣镜头、转换接口或适配器（adaptor）等。

参看图6，所述摄像镜头302与所述准直放大镜组301一起，可合称为摄像组件30。

所述摄像镜头302与所述准直放大镜组301不可拆卸，二者可设在同一管腔内形成一体化设计，便于摄像镜头302与准直放大镜组301一体化安装和布置，使得准直放大镜组301的出瞳位置与摄像镜头302的入瞳位置相对固定，有利于保持超高清成像的一致性和稳定性。

摄像镜头302与准直放大镜组301之间也可以为可拆卸连接。

在一实施例中，摄像镜头302与准直放大镜组301之间可通过标准连接结构可拆卸连接。

在另一实施例中，摄像镜头302与准直放大镜组301之间通过私有连接结构可拆卸连接。

在一些实施例中，可拆卸连接的连接结构包括第一连接件和第二连接件，第一连接件设在可拆卸连接的一方上，第二连接件设在可拆卸连接的另一方上。

摄像镜头302与准直放大镜组301之间可拆卸连接时，第一连接件设在准直放大镜组301上（具体可设在准直放大镜组301所在的外管或壳体上），第二连接件设在摄像镜头302上（具体可设在摄像镜头302所在的外管或壳体上）。

其中，第一连接件和第二连接件为非标准（即私有）可拆卸连接件。

在一些例子中，第一连接件和第二连接件的连接尺寸为非标准连接尺寸，比如，第一连接件和第二连接件的连接尺寸大于标准连接尺寸，或者第一连接件和第二连接件的连接尺寸小于标准连接尺寸。

在另一些例子中，第一连接件和第二连接件的连接结构为非标准连接结构，如第一连接件和第二连接件的连接形状为非标准形状，比如，第一连接件上可设特定形状的插头，第二连接件设有与特定形状的插头相匹配的插槽。

第一连接件和第二连接件之间不限于非标准可拆卸连接件，也可为标准可拆卸连接件。

在一些实施例中，物镜组10、中继镜组20、准直放大镜组301以及摄像镜头302共同设在同一管腔内形成一体化设计。

如前所述，传统的光学内窥镜是专为人眼观察所设计的，其结构包括物镜、中继镜和目镜。即使有人将传统的光学内窥镜与摄像装置进行组装搭配使用，传统的光学内窥镜的目镜与摄像装置的调焦镜头之间，也是分处在不同的管腔内，不属于一体化的结构布置，不利于保持超高清成像的一致性和稳定性。

本发明实施例中，将物镜组10、中继镜组20、准直放大镜组301以及摄像镜头302共同设在同一管腔内，使得物镜组10、中继镜组20、准直放大镜组301以及摄像镜头302相互之间的位置相对固定，尤其是使得准直放大镜组301的出瞳位置与摄像镜头302的入瞳位置相对固定，有利于保持光路传输的一致性，从而保持超高清成像的一致性和稳定性。

在一些实施例中，所述摄像镜头302的光入射口的光斑直径（也可称为入瞳直径）为所述准直放大镜组301的光出射口的光斑直径（也可称为出瞳直径）的1倍-6倍，所述准直放大镜组301的光出射口的光斑直径为1.5-8mm，优选为2-3mm。

在一些实施例中，摄像镜头302的光入射口的光斑直径为准直放大镜组301的光出射口的光斑直径的1倍-6倍，便于经过准直放大镜组301的光斑能够完全进入摄像镜头302，有利于提高进入摄像镜头的光通量，从而利于超高清成像。

参看图3d,在一些实施例中，所述摄像镜头302包括并行设置两个摄像镜头，用于3D成像。

参看图3e,在另一些实施例中，所述摄像镜头302包括一个单一的摄像镜头，用于2D成像。

在一实施例中，根据公式艾里斑，其中，D为入瞳直径，f为系统焦距，光圈F=f/D，艾里斑在2.8um以内方可匹配像元尺寸为1.45um的8K芯片，那么系统整体光圈为4，所以光圈≤4，内窥镜才能为8K分辨率,即MTF曲线达到250lp/mm-500lp/mm。

本发明上述光学内窥镜或光学内窥镜成像系统的各实施例中，内窥镜与摄像镜头整体设计，所以设计思路上与传统目视内窥镜截然不同。

系统整体F数为4，结构可采用3腔结构，与传统内窥镜不同，单独光学内窥镜为通过目镜用人眼观察，在现代医学成像领域已无实际意义，需接显示器观察，所以8K内窥镜为了得到高分辨率，摒弃传统目镜，准直放大镜组直接与摄像镜头整体设计，使准直放大镜组的出射角度与摄像系统的入射角度更好匹配，以便补偿前端镜组的加工与装调误差，达到最好的8K超高清成像效果。

在一些实施例中，光学内窥镜成像系统，还可包括：图像处理装置，图像处理装置与摄像装置相连，用于对图像传感器上的成像进行处理；显示装置，用于将图像处理装置处理后的图像在显示屏上显示；其中，光学内窥镜的像方分辨率及图像传感器的分辨率均为250lp/mm时，显示装置的显示模式为3840x2160像素模式；或者，光学内窥镜的像方分辨率及图像传感器的分辨率均为345 lp/mm时，显示装置的显示模式为7680x4320像素模式。

本发明上述各实施例中，物方也可称为物侧，像方也可称为像侧。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种光学内窥镜，其特征在于，包括：管体以及设在所述管体内的物镜组及中继镜组，所述中继镜组设在所述物镜组的像方，在所述中继镜组的像方设有准直放大镜组；

其中，所述物镜组，用于对被观察物成像；

所述中继镜组，用于对所述物镜组所成的像进行中继传输；

所述准直放大镜组，用于将所述中继镜组的像方的光斑放大成一个平行准直光斑，以使所述中继镜组的光出射角度与摄像镜头的光入射角度相一致，且使放大后形成的所述平行准直光斑的大小与摄像镜头的入瞳的大小相一致；所述中继镜组的光出射方为所述中继镜组的像方。

2.根据权利要求1所述的光学内窥镜，其特征在于，所述准直放大镜组的像方的光照度，与所述物镜组的物方的光照度满足如下关系：

；

为像方光照度，单位为；

为物方光照度，单位为；

为透过率，取值范围为；

F为光圈数，取值范围为。

3.根据权利要求1所述的光学内窥镜，其特征在于，

所述管体的外径为10mm，所述物镜组的外径大于或等于5.0mm，所述中继镜组的外径大于或等于6.8mm，所述准直放大镜组的外径大于或等于7.8mm，小于或等于31mm，或者所述准直放大镜组的外径大于31mm；或者

所述管体的外径为4mm，所述物镜组的外径大于或等于2.2mm，所述中继镜组的外径大于或等于3.0mm，所述准直放大镜组301的外径大于或等于4.8mm，小于或等于31mm，或者所述准直放大镜组的外径大于31mm。

4.根据权利要求3所述的光学内窥镜，其特征在于，所述中继镜组包括奇数组棒镜，所述奇数组棒镜至少为五组棒镜。

5.根据权利要求1所述的光学内窥镜，其特征在于，所述光学内窥镜的物方细节分辨率为1.0um-2.0um；和/或

所述光学内窥镜的像方光学分辨率为250lp/mm-500lp/mm。

6.根据权利要求1所述的光学内窥镜，其特征在于，所述物镜组包含物镜、补偿透镜、第一胶合镜、第二胶合镜及第三胶合镜；

所述物镜、补偿透镜、第一胶合镜、第二胶合镜及第三胶合镜，沿所述物镜组的物方至像方的方向依次设置；

其中，所述光学内窥镜的工作外径为10mm时，所述物镜组的组合焦距范围为，；

所述光学内窥镜的工作外径为4mm时，所述物镜组的组合焦距范围为，；

其中，为第二胶合镜的焦距；为第三胶合镜的焦距。

7.根据权利要求1所述的光学内窥镜，其特征在于，所述中继镜组包含奇数组中继棒镜，每组棒镜包括两个三胶合镜组；

每个三胶合镜组包括第一中继透镜、第二中继透镜及第三中继透镜；其中，第一中继透镜与第二中继透镜胶合，第二中继透镜与第三中继透镜胶合，第一中继透镜与第三中继透镜相对于第二中继透镜互为对称，且第一中继透镜与第三中继透镜的光学参数相一致。

8.一种光学内窥镜成像系统，其特征在于，包括：

光学内窥镜；

摄像镜头，所述摄像镜头设在所述光学内窥镜的像方，用于将所述光学内窥镜的出射光线在成像平面处形成实像；

图像传感器，所述图像传感器设在所述光学内窥镜的像方，用于将所述光学内窥镜在成像平面处成像的光转换为电信号；

其中，所述光学内窥镜为前述权利要求1-7任一项所述的光学内窥镜；所述准直放大镜组的光出射角，与所述摄像镜头的光入射角相一致。

9.根据权利要求8所述的光学内窥镜成像系统，其特征在于，所述光学内窥镜的物方细节分辨率，为所述图像传感器的像元尺寸的0.8-1.5倍。

10.根据权利要求8所述的光学内窥镜成像系统，其特征在于，所述摄像镜头与所述准直放大镜组不可拆卸；或者

所述摄像镜头与所述准直放大镜组之间通过标准连接结构可拆卸连接，或者通过非标准连接结构可拆卸连接。

11.根据权利要求8所述的光学内窥镜成像系统，其特征在于，所述物镜组、所述中继镜组、所述准直放大镜组以及所述摄像镜头，共同设在同一管腔内形成一体化设计。

12.根据权利要求8所述的光学内窥镜成像系统，其特征在于，

所述摄像镜头的光入射口的光斑直径为所述准直放大镜组的光出射口的光斑直径的1倍-6倍，所述准直放大镜组的光出射口的光斑直径为1.5-8mm。

13.根据权利要求8所述的光学内窥镜成像系统，其特征在于，所述摄像镜头包括并行设置两个摄像镜头，用于3D成像；或者，所述摄像镜头仅具有一个摄像镜头，用于2D成像。