ZEMAX | 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升Ⅰ

宇熠科技 2021年7月28日浏览：2207

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你是否有过这样的疑问：是什么让医生在手术时能看清人体的内部？如何能判断庞大又无法拆卸的机械内部是否需要检修？今天就让我们来了解，能带着我们看到“ inside ”的内窥镜吧！

内窥镜物镜系统初始结构的优化提升Ⅰ

概述

本文分为内窥镜系统简介、主要结构、系统分析、性能提升和总结五个部分，介绍了内窥镜系统的主要结构，并讨论了如何在 OpticStudio 中根据内窥镜物镜系统的初始结构进行像差分析，以及如何对其进行后续的优化提升。

文章附件

链接：

https://pan.baidu.com/s/14YVZK7nrlXr7Xspn0oIEmg

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内窥镜系统简介

内窥镜系统作为具有光学镜头、图像传感器、光源照明、机械装置等多重组件的光学系统，一般来说可以分为医用内窥镜和工业内窥镜。医用内窥镜可以经人体的天然孔道或手术切口进入人体内，观察内部成像结果。利用内窥镜可以看到 X 射线不能显示的病变，因此它在医学上有非常重要的作用。常见的医用内窥镜有胃镜、肠镜、宫腔镜、神经内镜等。工业内窥镜则通常用在无损检测和孔探技术方面，可分为硬管工业内视镜、可绕式小直径软管内视镜、影像工业内视镜等，它们在汽修、安防、安检等领域有着广泛的应用。

内窥镜主要结构

不同种类的内窥镜会有一些功能和结构上的差别，下图是一个常见的用于胃肠道检测的软管内窥镜完整结构示意图。它的主要结构包含了插入导管、目镜/视频转换器、导光管等。其中，光学物镜包含在插入导管的其中一个通道中。

https://www.vetfolio.com/learn/article/gastrointestinal-endoscopy-procedures-and-equipment-care

而下图则是一幅插入导管的内部结构图，所示的为硬式导管（硬式导管和软式导管的内部结构大体相似）。

https://www.scopecare.com/rigid-and-semi-rigid-endoscopes/

我们可以看到，导管内的结构包含棒形透镜 (Rod Lens)、隔圈 (Spacer)、物镜组合件 (Objective Assembly)，还有位于上部的光纤 (Light Fibers)。本文将讨论的模型即位于内窥镜导管末端的物镜部分。

内窥镜系统分析

首先需要说明的是，不同的成像系统所选用的分析评判标准可能有所不同，可选用 RMS光斑尺寸、系统波前差或者 MTF 作为成像质量的评判标准。因此，在优化时可以设置不同的操作数对系统的成像质量进行优化。本文中的内窥镜物镜系统选用的评判标准为 MTF曲线，并且需考虑的优化/限制的条件还包括封装要求、圆锥系数、畸变值、相对照度等，本文在其中选取了几个影响较大的对象进行讨论。

在 OpticStudio 中打开文章附件，该文件展示了一个已经设计得到的内窥镜物镜系统初始结构。点击设置-结构-编辑器，打开多重结构编辑器，可以看到系统包含了三个结构，它们之间的主要区别是系统的物距不同，分别为 8 mm、15.584 mm和 80 mm。在内窥镜设计中用到多重结构，是考虑到内窥镜的实际使用情况。通常内窥镜物镜可能会在不同的距离对物体进行观察，而不是只在一个特定的距离上，所以我们希望它在不同物距下都能有较好的成像质量，因此需要设置多重结构对系统进行分析。

点击 2D 视图，在工具栏的红色框选项中可选取查看不同结构的布局图：

选取结构1（即1/3）可得到如下所示的内窥镜物镜视图：

系统由五片透镜组成，全视场角为70度，波长选用可见光波段，参考波长为d光，等效焦距为 1.496 mm，系统总长为 7.16mm。我们可以从 2D 视图和镜头数据编辑器中，看到绝大多数与封装相关的参数，比如元件厚度、元件机械半直径、元件之间的厚度比等。从这个模型的 2D 视图中可以看出，第3和第4个透镜之间非常靠近，对应在镜头数据编辑器中两个透镜之间的距离为 0.052mm，的确是一个非常小的数值。为了便于实际的生产制造，我们可以在优化时将各个元件之间的距离控制在 0.1mm 以上。第11个面的厚度也小于0.1mm，但这个物镜系统可能还要被耦合到后续的中继系统中，因此在这里不对它进行优化。