ОБЪЕКТИВ-ГРАДАН ДЛЯ ЭНДОСКОПА
(51) 7 G02B23/24, G02B3/00
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статус: по данным на 07.02.2008 - может прекратить свое действие
--------------------------------------------------------------------------------
(21) Заявка: 2001115487/28
(22) Дата подачи заявки: 2001.06.05
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.06.05
(43) Дата публикации заявки: 2003.07.10
(45) Опубликовано: 2004.02.20
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 4755029 А, 05.07.1988. RU 2114451 C1, 27.06.1998. RU 2065192 C1, 10.08.1996. RU 2108609 C1, 10.04.1998.
(72) Автор(ы): Карапетян Г.О.; Королев Ю.Г.; Курбатова Г.И.; Лыкосов В.М.; Таганцев Д.К.; Филиппов Б.В.
(73) Патентообладатель(и): Санкт-Петербургский государственный университет
Адрес для переписки: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9, Университет, Отдел интеллектуальной собственности, патентов и лицензий, Т.И.Матвеевой
(54) ОБЪЕКТИВ-ГРАДАН ДЛЯ ЭНДОСКОПА
Объектив-градан представляет собой монолинзу, выполненную из оптического материала с радиальным распределением показателя преломления в соответствии с соотношением n2(r) = n0 2(1-(gr)2 + h4(gr)4 + h6(gr)6 + h8(gr)8), где n(r) - распределение показателя преломления материала по радиусу объектива; n0 - показатель преломления на оптической оси; g - коэффициент, характеризующий оптическую силу материала; h4, h6, h8 - коэффициенты, определяющие качественные показатели оптической среды; r - текущее расстояние от оптической оси. Радиусы сферических торцевых поверхностей и длина объектива соответствуют минимальным аберрациям при максимальном угле зрения и соотношениям, приведенным в формуле изобретения. Объектив выполнен с геометрическими размерами и из материала одновременно удовлетворяющими следующим требованиям: коэффициент оптической силы материала g меньше величины 0,55, длина объектива Z меньше /(2g), а коэффициенты g, h4, h6, h8 удовлетворяют соотношению n0((gr)2 - h4(gr)4 - h6(gr)6 - h8(gr)8) 0,104. Обеспечивается широкий угол зрения при высоком качестве изображения, при этом объектив нетоксичен и прост в изготовлении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к оптическим устройствам - широкопольным микрообъективам высокого разрешения, предназначенным для использования в оптике и медицинской технике, в частности в медицинской и технической эндоскопии.
Известен трехлинзовый объектив, представляющий собой сборную линзу из однородного оптического материала, установленную в бронхоскопе [1]. Состоит из менисковой линзы и двух линз коллектива. Его характеристики: диаметр Ф= 1,6 мм, поле зрения - 80o, разрешение на рабочем расстоянии 5 мм - 150 мм-1. Этот объектив сложен в изготовлении и сборке.
Известен объектив-градан для эндоскопа типа Imaging Lenses [2] в виде плосковыпуклой монолинзы, выполненной из оптического материала с цилиндрической боковой поверхностью и с радиальным распределением показателя преломления. К недостаткам этого объектива следует отнести токсичность стекла, из которого он изготавливается (о чем предупреждает фирма в своем проспекте), что затрудняет его применение в медицине.
Известен объектив-градан для эндоскопа [3] в виде плосковыпуклой монолинзы, выполненной из оптического материала с цилиндрической боковой поверхностью с радиальным распределением показателя преломления в соответствии с соотношением
n2(r)=n0 2(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+...),
где n(r) - распределение показателя преломления по радиусу объектива, n0 - показатель преломления на оптической оси, g - коэффициент, характеризующий изменение градиента показателя преломления, h4, h6 - коэффициенты, определяющие качественные показатели оптической среды, r - расстояние от оптической оси, радиус сферических торцовых поверхностей и длина которого соответствуют минимальным аберрациям при максимальном угле зрения и соотношениям
1,4|2I/Ф|0,6,
|R2/R1|1,0,
|R2/I|3,
g0,58,
h40,
где I - высота изображения, Ф - диаметр объектива, R2 - радиус сферической поверхности на торце со стороны изображения, R1 - радиус сферической поверхности на торце со стороны предмета, Z - длина объектива вдоль осевой линии.
К недостаткам этого объектива следует отнести повышенные требования к величине перепада показателя преломления (больше чем 0,07), которые в настоящее время можно реализовать только на токсичных талийсодержащих стеклах или при использовании дорогостоящей технологии, требующей применения серебра.
Решаемой технической задачей является получение объектива-градана для эндоскопа, который одновременно имел бы широкий угол зрения при высоком качестве изображения, не являлся токсичным и был бы прост в изготовлении.
Поставленная задача достигается тем, что объектив-градан для эндоскопа, представляющий собой монолинзу, выполнен из оптического материала с радиальным распределением показателя преломления в соответствии с соотношением
n2(r)=n0 2(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+...),
где n(r) - распределение показателя преломления по радиусу объектива, n0 - показатель преломления на оптической оси, g - коэффициент, характеризующий изменение градиента показателя преломления, h4, h6 - коэффициенты, определяющие качественные показатели оптической среды, r - расстояние от оптической оси, радиус сферических торцовых поверхностей и длина которого соответствуют минимальным аберрациям при
1,4|2I/Ф|0,6,
|R2/R1|1,0,
где I - высота изображения, Ф - диаметр объектива, R2 - радиус сферической поверхности на торце со стороны изображения, R1 - радиус сферической поверхности на торце со стороны предмета, Z - длина объектива вдоль осевой линии, отличающийся тем, что при показателе преломления на оптической оси n0 превышающем 1,9, длине градана Z, не превышающей /(2g), коэффициенты g, h4, h6 удовлетворяют соотношению
n0(1-(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+...)1/20,052.
Кроме того, технический результат достигается тем, что объектив-градан для эндоскопа изготовлен из нетоксичного оптического материала на основе ниобатного стекла при литий-натриевом ионном обмене с n0=1,96 и радиальным перепадом показателя преломления n=0,052.
На фиг.1 показан в упрощенном виде объектив-градан.
На фиг.2 изображен график оптимального распределения перепада показателя преломления при n0=1,95, g=0,322, h4=3,11 и h6=1,43 для объектива диаметром Ф=0,8 см.
Объектив работает следующим образом (фиг.1). Луч света 1 попадает на торцевую поверхность 2 объектива 3 со стороны предмета (в точке В), преломляется на ней и попадает в неоднородную среду (ВС), показатель преломления которой уменьшается к боковой поверхности линзы согласно уравнению
n2(r)=n0 2(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+...),
длина градана - Z, не превышает /(2g), а коэффициенты g, h4, h6 удовлетворяют соотношению
n0(1-(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+...)1/2)0,052
или (согласно известной математической формуле ((1+)1/2 1+/2 при малых =((gr)2-h4(gr)4-h6(gr)6+...)1/2)
n0[(gr)2-h4(gr)4-h6(gr)6+...]0,104.
В отличие от однородных сред с постоянным распределением показателя преломления траектория луча будет криволинейной, загибающейся к оптической оси. При достижении торцевой сферической поверхности со стороны изображения луч дополнительно загибается в сторону оптической оси (в точке С). Это приводит к тому, что угол зрения объектива будет больше, чем у объектива, состоящего из однородного стекла со сферическими торцевыми поверхностями и у объектива с плоскими торцами, изготовленными из неоднородного материала. Дополнительные преимущества настоящего устройства заключаются в том, что выбором коэффициентов h4, h6 компенсируются аберрации, вносимые торцевыми сферическими поверхностями, а высокий показатель преломления n>1,9 увеличивает оптическую силу объектива.
Оптимальные параметры объектива определялись подбором с помощью численного расчета. Вначале вычислялись параметры показателя преломления - g, h4, h6, которые при заданных геометрических и оптических ограничениях позволяют получить максимальный угол зрения при минимальных аберрациях. Затем проводился расчет технологического режима ионообменной диффузии для получения цилиндрических заготовок. На последнем этапе проводились измерения распределения показателя преломления и с их учетом уточнялись геометрические параметры объектива - длина Z и радиусы сферических поверхностей на торцах - R1, R2.
В соответствии с вышеизложенными соотношениями были изготовлены экспериментальные образцы монолинз диаметрами Ф=0,6 мм и 1,6 мм, длиной Z=1,275 мм и 3,5 мм, с радиусом торцевой сферической поверхности со стороны изображения R2= 0,6945 мм и 2,07 мм соответственно, с плоской торцевой поверхностью с предметной стороны (R1=) стандартным способом были измерены их параметры, приведенные ниже.
Линза диаметром 0,6 мм: n0=1,95, g=0,869, h4=3,81, h6=1,78, 2=70o, фокусное расстояние f=0,477 мм, дисторсия по краю поля - 7%, среднее по полю разрешение на рабочем расстоянии 5 мм - 160 мм-1, I=0,32 мм.
Линза диаметром 1,6 мм: n0=1,95, g=0,322, h4=3,11, h6=1,43, 2=71o, фокусное расстояние f=1,323 мм, дисторсия по краю поля - 7%, среднее по полю разрешение на рабочем расстоянии 5 мм - 150 мм-1, I=0,81 мм.
Технология производства объектива не требует специального дорогостоящего оборудования, реализуется на стандартном серийно выпускаемом оборудовании, материал, из которого изготовляется объектив, не обладает токсичностью и не содержит дорогостоящих компонентов.
Источники информации
1. Бронхоскоп БВО-2, ТУ 3-2574-91. ЛОМО, Л., 1991.
2. Каталог фирмы "NSG America" Inc. NJ 08873.
3. U.S. Patent Number 4755029, Jul.5, 1988.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Объектив-градан для эндоскопа, представляющий собой монолинзу, выполненную из оптического материала с радиальным распределением показателя преломления в соответствии с соотношением
n2(r)=n20(1-(gr)2+h4(gr)4+h6(gr)6+h8(gr)8),
где n(r) - распределение показателя преломления материала по радиусу объектива;
n0 - показатель преломления на оптической оси;
g - коэффициент, характеризующий оптическую силу материала;
h4, h6, h8 - коэффициенты, определяющие качественные показатели оптической среды;
r - текущее расстояние от оптической оси,
причем радиусы сферических торцевых поверхностей и длина объектива соответствуют минимальным аберрациям при максимальном угле зрения и соотношениям
h4 0,
где I - высота изображения;
Ф - диаметр объектива;
R2 - радиус сферической поверхности на торце со стороны изображения;
R1 - радиус сферической поверхности на торце со стороны предмета;
Z - длина объектива вдоль оптической оси,
отличающийся тем, что объектив выполнен с геометрическими размерами и из материала, одновременно удовлетворяющими следующим требованиям: коэффициент оптической силы материала g меньше величины 0,55, длина объектива Z меньше /(2g), а коэффициенты g, h4, h6, h8 удовлетворяют соотношению
n0((gr)2-h4(gr)4-h6(gr)6-h8(gr)8 0,104.
2. Объектив-градан для эндоскопа по п.1, отличающийся тем, что он изготовлен из нетоксичного оптического материала на основе ниобатного стекла при литий-натриевом ионном обмене с n0 в пределах от 1,94 до 1,96.
Независимый научно технический портал
На главную страницу раздела
