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 π/(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.

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 - 80^o, 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, g≥0,58, 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 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 π/(2g), коэффициенты g, h₄, h₆ удовлетворяют соотношению
n₀(1-(1-(gr)²+h₄(gr)⁴+h₆(gr)⁶+...)^1/2≤0,052.

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 Δn=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 π/(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+α)^1/2 ≈ 1+α/2 при малых α=((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 α 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, 2α=70^o, 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, 2α=71^o, 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 π/(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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2