概述
p2!x8`IB* g84~d(\? 本文分為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)介、主要結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析、性能提升和總結(jié)五個(gè)部分，介紹了內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，并討論了如何在 OpticStudio 中根據(jù)內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行像差分析，以及如何對(duì)其進(jìn)行后續(xù)的
優(yōu)化提升。
iyu%o9_ 0 @*q\$Eg}2 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡(jiǎn)介
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nG 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)作為具有
光學(xué)鏡頭、圖像
傳感器、
光源照明、機(jī)械裝置等多重組件的
光學(xué)系統(tǒng)，一般來(lái)說(shuō)可以分為醫(yī)用內(nèi)窺鏡和工業(yè)內(nèi)窺鏡。醫(yī)用內(nèi)窺鏡可以經(jīng)人體的天然孔道或手術(shù)切口進(jìn)入人體內(nèi)，觀察內(nèi)部
成像結(jié)果。利用內(nèi)窺鏡可以看到 X 射線不能顯示的病變，因此它在醫(yī)學(xué)上有非常重要的作用。常見(jiàn)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡有胃鏡、腸鏡、宮腔鏡、神經(jīng)內(nèi)鏡等。工業(yè)內(nèi)窺鏡則通常用在無(wú)損檢測(cè)和孔探技術(shù)方面，可分為硬管工業(yè)內(nèi)視鏡、可繞式小直徑軟管內(nèi)視鏡、影像工業(yè)內(nèi)視鏡等，它們?cè)谄�、安防、安檢等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
EFf<| v eO D;@4lR 內(nèi)窺鏡主要結(jié)構(gòu)
'7wI 2D mv SNKS 不同種類的內(nèi)窺鏡會(huì)有一些功能和結(jié)構(gòu)上的差別，下圖是一個(gè)常見(jiàn)的用于胃腸道檢測(cè)的軟管內(nèi)窺鏡完整結(jié)構(gòu)示意圖。它的主要結(jié)構(gòu)包含了插入導(dǎo)管、目鏡/視頻轉(zhuǎn)換器、導(dǎo)光管等。其中，光學(xué)物鏡包含在插入導(dǎo)管的其中一個(gè)通道中。
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p."pI Bd _m yam3[W 而下圖則是一幅插入導(dǎo)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，所示的為硬式導(dǎo)管（硬式導(dǎo)管和軟式導(dǎo)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)大體相似）。
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{NKDmeg:D /.$n>:XR 我們可以看到，導(dǎo)管內(nèi)的結(jié)構(gòu)包含棒形
透鏡 (Rod Lens)、隔圈 (Spacer)、物鏡組合件 (Objective Assembly)，還有位于上部的
光纖 (Light Fibers)。本文將討論的模型即位于內(nèi)窺鏡導(dǎo)管末端的物鏡部分。
HG=!#-$9 %I(N 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)分析
uc=-+*D'I ,, ]y 8P 首先需要說(shuō)明的是，不同的成像系統(tǒng)所選用的分析評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)可能有所不同，可選用 RMS光斑尺寸、系統(tǒng)波前差或者 MTF 作為成像質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。因此，在優(yōu)化時(shí)可以設(shè)置不同的操作數(shù)對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。本文中的內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)選用的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為 MTF曲線，并且需考慮的優(yōu)化/限制的條件還包括封裝要求、圓錐系數(shù)、畸變值、相對(duì)照度等，本文在其中選取了幾個(gè)影響較大的對(duì)象進(jìn)行討論。
N~\1yQT Nh]eZ3O 在 OpticStudio 中打開(kāi)文章附件，該文件展示了一個(gè)已經(jīng)設(shè)計(jì)得到的內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。點(diǎn)擊設(shè)置-結(jié)構(gòu)-編輯器，打開(kāi)多重結(jié)構(gòu)編輯器，可以看到系統(tǒng)包含了三個(gè)結(jié)構(gòu)，它們之間的主要區(qū)別是系統(tǒng)的物距不同，分別為 8 mm、15.584 mm和 80 mm。在內(nèi)窺鏡設(shè)計(jì)中用到多重結(jié)構(gòu)，是考慮到內(nèi)窺鏡的實(shí)際使用情況。通常內(nèi)窺鏡物鏡可能會(huì)在不同的距離對(duì)物體進(jìn)行觀察，而不是只在一個(gè)特定的距離上，所以我們希望它在不同物距下都能有較好的成像質(zhì)量，因此需要設(shè)置多重結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。
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@ Si6%6rAhj 點(diǎn)擊 2D 視圖，在工具欄的紅色框選項(xiàng)中可選取查看不同結(jié)構(gòu)的布局圖：
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9'dT 選取結(jié)構(gòu)1（即1/3）可得到如下所示的內(nèi)窺鏡物鏡視圖：
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8cfxKUS SG8|xoL 系統(tǒng)由五片透鏡組成，全視場(chǎng)角為70度，波長(zhǎng)選用可見(jiàn)光波段，參考波長(zhǎng)為d光，等效焦距為 1.496 mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)為 7.16mm。我們可以從 2D 視圖和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中，看到絕大多數(shù)與封裝相關(guān)的參數(shù)，比如元件厚度、元件機(jī)械半直徑、元件之間的厚度比等。從這個(gè)模型的 2D 視圖中可以看出，第3和第4個(gè)透鏡之間非�？拷瑢�(duì)應(yīng)在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中兩個(gè)透鏡之間的距離為 0.052mm，的確是一個(gè)非常小的數(shù)值。為了便于實(shí)際的生產(chǎn)制造，我們可以在優(yōu)化時(shí)將各個(gè)元件之間的距離控制在 0.1mm 以上。第11個(gè)面的厚度也小于0.1mm，但這個(gè)物鏡系統(tǒng)可能還要被耦合到后續(xù)的中繼系統(tǒng)中，因此在這里不對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化。
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zJ3{!E}`v b&H A_G4 再看到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的圓錐系數(shù)列，如下圖所示，可以看到其中一個(gè)透鏡的圓錐系數(shù)的數(shù)值為-306.353，在實(shí)際的生產(chǎn)制造中，如果將圓錐系數(shù)控制在-100到100這個(gè)范圍當(dāng)中會(huì)比較利于生產(chǎn)加工，因此我們也可以對(duì)這個(gè)圓錐系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
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'<>pz<c /]F3t]FlC 由于我們并不知道其他比如系統(tǒng)總長(zhǎng)、機(jī)械孔徑大小等具體的封裝要求，因此這部分邊界條件控制不在本文中進(jìn)行討論。
j@ UI N3 *vCJTz 通常，對(duì)于成像質(zhì)量較高的光學(xué)系統(tǒng)而言，僅考慮 RMS 光斑尺寸或者波前差的成像評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法完整考慮系統(tǒng)因?yàn)檠苌湫?yīng)造成的成像質(zhì)量降低，因此我們?cè)诖诉x用 MTF 作為當(dāng)前內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的成像評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并執(zhí)行后續(xù)優(yōu)化。
f@[q# }6 *; Hvx32I 點(diǎn)擊打開(kāi)當(dāng)前系統(tǒng)的 MTF 曲線。通常情況下，我們會(huì)需要根據(jù) CCD/CMOS 探測(cè)器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率設(shè)置 MTF 的空間頻率進(jìn)行曲線觀察，在這里我們選擇 MTF 的空間頻率顯示至 70周期 /mm。
Ga. a"\F.V N=zrY`Vd 從結(jié)構(gòu)2對(duì)應(yīng)的 MTF 曲線圖可得知，在35周期 /mm 時(shí)，系統(tǒng)的 MTF 為0.42左右；在70周期 /mm 時(shí)，系統(tǒng)的 MTF 為 0.13 左右。
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yGZb y*vs}G'W 從結(jié)構(gòu)3對(duì)應(yīng)的 MTF 曲線圖可得知，在35周期 /mm 時(shí)，系統(tǒng)的 MTF 為0.32左右；在70周期 /mm 時(shí)，系統(tǒng)的 MTF 為0.09左右。
