ZEMAX | 內窺鏡物鏡系統初始結構的優化提升Ⅰ

宇熠科技

2021年7月28日 09:26

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你是否有過這樣的疑問：是什么讓醫生在手術時能看清人體的內部？如何能判斷龐大又無法拆卸的機械內部是否需要檢修？今天就讓我們來了解，能帶著我們看到“ inside ”的內窺鏡吧！

內窺鏡物鏡系統初始結構的優化提升Ⅰ

概述

本文分為內窺鏡系統簡介、主要結構、系統分析、性能提升和總結五個部分，介紹了內窺鏡系統的主要結構，并討論了如何在 OpticStudio 中根據內窺鏡物鏡系統的初始結構進行像差分析，以及如何對其進行后續的優化提升。

文章附件

鏈接：

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

提取碼：6pqi

內窺鏡系統簡介

內窺鏡系統作為具有光學鏡頭、圖像傳感器、光源照明、機械裝置等多重組件的光學系統，一般來說可以分為醫用內窺鏡和工業內窺鏡。醫用內窺鏡可以經人體的天然孔道或手術切口進入人體內，觀察內部成像結果。利用內窺鏡可以看到 X 射線不能顯示的病變，因此它在醫學上有非常重要的作用。常見的醫用內窺鏡有胃鏡、腸鏡、宮腔鏡、神經內鏡等。工業內窺鏡則通常用在無損檢測和孔探技術方面，可分為硬管工業內視鏡、可繞式小直徑軟管內視鏡、影像工業內視鏡等，它們在汽修、安防、安檢等領域有著廣泛的應用。

內窺鏡主要結構

不同種類的內窺鏡會有一些功能和結構上的差別，下圖是一個常見的用于胃腸道檢測的軟管內窺鏡完整結構示意圖。它的主要結構包含了插入導管、目鏡/視頻轉換器、導光管等。其中，光學物鏡包含在插入導管的其中一個通道中。

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

而下圖則是一幅插入導管的內部結構圖，所示的為硬式導管（硬式導管和軟式導管的內部結構大體相似）。

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

我們可以看到，導管內的結構包含棒形透鏡 (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窺鏡導管末端的物鏡部分。

內窺鏡系統分析

首先需要說明的是，不同的成像系統所選用的分析評判標準可能有所不同，可選用 RMS光斑尺寸、系統波前差或者 MTF 作為成像質量的評判標準。因此，在優化時可以設置不同的操作數對系統的成像質量進行優化。本文中的內窺鏡物鏡系統選用的評判標準為 MTF曲線，并且需考慮的優化/限制的條件還包括封裝要求、圓錐系數、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。

在 OpticStudio 中打開文章附件，該文件展示了一個已經設計得到的內窺鏡物鏡系統初始結構。點擊設置-結構-編輯器，打開多重結構編輯器，可以看到系統包含了三個結構，它們之間的主要區別是系統的物距不同，分別為 8 mm、15.584 mm和 80 mm。在內窺鏡設計中用到多重結構，是考慮到內窺鏡的實際使用情況。通常內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量，因此需要設置多重結構對系統進行分析。

點擊 2D 視圖，在工具欄的紅色框選項中可選取查看不同結構的布局圖：

選取結構1（即1/3）可得到如下所示的內窺鏡物鏡視圖：

系統由五片透鏡組成，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，系統總長為 7.16mm。我們可以從 2D 視圖和鏡頭數據編輯器中，看到絕大多數與封裝相關的參數，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個透鏡之間非常靠近，對應在鏡頭數據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值。為了便于實際的生產制造，我們可以在優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，但這個物鏡系統可能還要被耦合到后續的中繼系統中，因此在這里不對它進行優化。