概述

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本文分為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡介、主要結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)分析、性能提升和總結(jié)五個部分，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)進行像差分析，以及如何對其進行后續(xù)的優(yōu)化提升。(聯(lián)系我們獲取文章附件)

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內(nèi)窺鏡系統(tǒng)簡介

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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、機械裝置等多重組件的光學(xué)系統(tǒng)，一般來說可以分為醫(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)窺鏡則通常用在無損檢測和孔探技術(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，它們在汽修、安防、安檢等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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內(nèi)窺鏡主要結(jié)構(gòu)

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不同種類的內(nèi)窺鏡會有一些功能和結(jié)構(gòu)上的差別，下圖是一個常見的用于胃腸道檢測的軟管內(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)管的其中一個通道中。

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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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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。

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內(nèi)窺鏡系統(tǒng)分析

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首先需要說明的是，不同的成像系統(tǒng)所選用的分析評判標(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)量的評判標(biāo)準(zhǔn)。因此，在優(yōu)化時可以設(shè)置不同的操作數(shù)對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行優(yōu)化。本文中的內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)選用的評判標(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、相對照度等，本文在其中選取了幾個影響較大的對象進行討論。

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在 OpticStudio 中打開文章附件，該文件展示了一個已經(jīng)設(shè)計得到的內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。點擊設(shè)置-結(jié)構(gòu)-編輯器，打開多重結(jié)構(gòu)編輯器，可以看到系統(tǒng)包含了三個結(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)計中用到多重結(jié)構(gòu)，是考慮到內(nèi)窺鏡的實際使用情況。通常內(nèi)窺鏡物鏡可能會在不同的距離對物體進行觀察，而不是只在一個特定的距離上，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)對系統(tǒng)進行分析。

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點擊 2D 視圖，在工具欄的紅色框選項中可選取查看不同結(jié)構(gòu)的布局圖：

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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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系統(tǒng)由五片透鏡組成，全視場角為70度，波長選用可見光波段，參考波長為d光，等效焦距為 1.496 mm，系統(tǒng)總長為 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、元件機械半直徑、元件之間的厚度比等。從這個模型的 2D 視圖中可以看出，第3和第4個透鏡之間非?？拷?，對應(yīng)在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中兩個透鏡之間的距離為 0.052mm，的確是一個非常小的數(shù)值。為了便于實際的生產(chǎn)制造，我們可以在優(yōu)化時將各個元件之間的距離控制在 0.1mm 以上。第11個面的厚度也小于0.1mm，但這個物鏡系統(tǒng)可能還要被耦合到后續(xù)的中繼系統(tǒng)中，因此在這里不對它進行優(yōu)化。

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再看到鏡頭數(shù)據(jù)編輯器的圓錐系數(shù)列，如下圖所示，可以看到其中一個透鏡的圓錐系數(shù)的數(shù)值為-306.353，在實際的生產(chǎn)制造中，如果將圓錐系數(shù)控制在-100到100這個范圍當(dāng)中會比較利于生產(chǎn)加工，因此我們也可以對這個圓錐系數(shù)進行優(yōu)化。

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由于我們并不知道其他比如系統(tǒng)總長、機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行討論。

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通常，對于成像質(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判標(biāo)準(zhǔn)無法完整考慮系統(tǒng)因為衍射效應(yīng)造成的成像質(zhì)量降低，因此我們在此選用 MTF 作為當(dāng)前內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的成像評判標(biāo)準(zhǔn)，并執(zhí)行后續(xù)優(yōu)化。

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點擊打開當(dāng)前系統(tǒng)的 MTF 曲線。通常情況下，我們會需要根據(jù) CCD/CMOS 探測器對應(yīng)的響應(yīng)頻率設(shè)置 MTF 的空間頻率進行曲線觀察，在這里我們選擇 MTF 的空間頻率顯示至 70周期 /mm。

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從結(jié)構(gòu)2對應(yīng)的 MTF 曲線圖可得知，在35周期 /mm 時，系統(tǒng)的 MTF 為0.42左右；在70周期 /mm 時，系統(tǒng)的 MTF 為 0.13 左右。

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從結(jié)構(gòu)3對應(yīng)的 MTF 曲線圖可得知，在35周期 /mm 時，系統(tǒng)的 MTF 為0.32左右；在70周期 /mm 時，系統(tǒng)的 MTF 為0.09左右。

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點擊分析-像差分析-場曲 / 畸變功能，分別選擇不同的結(jié)構(gòu)，可得到如下圖所示的畸變曲線：

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從結(jié)構(gòu)1的畸變曲線可看出，系統(tǒng)內(nèi)最大畸變?yōu)?-21.12%，畸變程度較大。通過文本數(shù)據(jù)結(jié)果也可以查看到 0.5 相對視場高度時（通常為觀測區(qū)域），其畸變值為 -5.64%。

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從結(jié)構(gòu) 2 的畸變曲線可看出，系統(tǒng)內(nèi)最大畸變?yōu)?-21.17%，畸變程度較大。通過文本數(shù)據(jù)結(jié)果查看到 0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.58%。

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而從結(jié)構(gòu) 3 的畸變曲線可看出，系統(tǒng)內(nèi)最大畸變?yōu)?-21.4%，0.5 相對視場高度時，畸變值為 -5.98%。

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由于內(nèi)窺鏡物鏡的總長和體積都比較小，難以在短距離和小口徑鏡片中矯正畸變，三種結(jié)構(gòu)中的畸變值總體上都是可以接受的。