在航空發(fā)動(dòng)機(jī)孔探測、醫(yī)用輸尿管檢查等精密領(lǐng)域，超細(xì)內(nèi)窺鏡的“毫米級(jí)”突破直接決定了檢測精度與診療效果。然而，傳統(tǒng)超細(xì)內(nèi)窺鏡長期受困于傳像纖維帶來的高成本、摩爾紋瑕疵等問題，成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸。近日，長春理工大學(xué)向陽教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表于《應(yīng)用光學(xué)》的研究成果——“超細(xì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”[1]，為這一問題提供了完美解決方案。值得關(guān)注的是，該方案從理論建模到性能驗(yàn)證的全流程，均以Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件為核心工具，充分彰顯了Zemax在高端光學(xué)系統(tǒng)研發(fā)中的強(qiáng)大輔助作用。

超細(xì)內(nèi)窺鏡的行業(yè)痛點(diǎn)

超細(xì)內(nèi)窺鏡與常規(guī)內(nèi)窺鏡的核心差異在于“細(xì)徑”需求——需通過直徑4mm以內(nèi)的小孔完成檢測任務(wù)，部分醫(yī)用場景下透鏡通光直徑甚至小于1mm。這一特性對(duì)傳像系統(tǒng)提出了極致要求：

傳統(tǒng)硬性內(nèi)窺鏡的傳像系統(tǒng)多依賴Hopkins棒狀鏡[2]，但當(dāng)口徑縮減至0.8mm以下時(shí)，透鏡膠合困難、加工偏心、易斷裂等問題凸顯；而超細(xì)內(nèi)窺鏡領(lǐng)域廣泛采用的傳像纖維，雖能解決細(xì)徑難題，卻存在諸多弊端：成像質(zhì)量差，易產(chǎn)生摩爾紋等圖像瑕疵；高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口，造價(jià)高昂，嚴(yán)重限制了超細(xì)內(nèi)窺鏡的普及與應(yīng)用升級(jí)。

如何在“細(xì)徑”約束下，實(shí)現(xiàn)“高分辨率、低成本、無瑕疵”的傳像效果，成為光學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的核心課題——向陽教授團(tuán)隊(duì)的研究，正是圍繞這一課題展開，而Zemax軟件則成為輔助破解難題的關(guān)鍵工具。

多短棒鏡系統(tǒng)的創(chuàng)新

團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)傳像纖維方案，創(chuàng)新性地提出“多短棒鏡組合傳像系統(tǒng)”設(shè)計(jì)：采用直徑0.8mm、長度≤6mm的短棒鏡替代傳像纖維，通過優(yōu)化棒鏡材料與結(jié)構(gòu)，在滿足細(xì)徑要求的同時(shí)，大幅提升成像性能。該超細(xì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的核心指標(biāo)堪稱行業(yè)標(biāo)桿：工作長度121mm、全視場80°、視向角0°，在486-656nm可見光波段下，像方分辨率的MTF值在113.5 lp·mm?1處大于0.1，不僅遠(yuǎn)超同直徑傳像纖維（住田公司產(chǎn)品082F1000-7.0）的90.8 lp·mm?1，更達(dá)到衍射極限，景深覆蓋全工作范圍，各類像差優(yōu)化效果優(yōu)異。

從理論到仿真的全流程

超細(xì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度要求極高，任何微小的參數(shù)偏差都可能導(dǎo)致系統(tǒng)失效。向陽教授團(tuán)隊(duì)借助Zemax軟件的強(qiáng)大功能，完成了從初始結(jié)構(gòu)搭建、像差優(yōu)化到性能驗(yàn)證的全流程仿真設(shè)計(jì)，確保了方案的可行性與先進(jìn)性。

1.初始結(jié)構(gòu)建模：精準(zhǔn)匹配設(shè)計(jì)指標(biāo)

設(shè)計(jì)之初，團(tuán)隊(duì)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際應(yīng)用場景，確定了12項(xiàng)核心指標(biāo)（如光學(xué)直徑≤0.8mm、F#≤30、像方分辨率≥90.8 lp·mm?1等）。在Zemax軟件中，團(tuán)隊(duì)通過“專利庫結(jié)構(gòu)調(diào)用+參數(shù)化建模”的方式，快速搭建了系統(tǒng)初始模型：

物鏡部分，選用膠合透鏡結(jié)構(gòu)消除色差，結(jié)合Zemax的材料庫功能，篩選高折射率玻璃材料減少透鏡曲率，降低畸變等像差；傳像系統(tǒng)采用5組短棒鏡組成中繼系統(tǒng)，通過Zemax的多組元系統(tǒng)建模功能，精準(zhǔn)控制每組棒鏡的間距與相對(duì)位置，避免傳統(tǒng)長棒鏡的偏心與斷裂問題；目鏡部分則通過雙膠合透鏡與單透鏡組合，利用Zemax的焦距匹配工具，確保放大倍率與CCD像高的完美適配。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2. 像差優(yōu)化：突破細(xì)徑系統(tǒng)性能瓶頸

細(xì)徑光學(xué)系統(tǒng)的像差控制是設(shè)計(jì)難點(diǎn)——入瞳直徑小、視場角大，易產(chǎn)生球差、彗差、場曲等多種像差。團(tuán)隊(duì)借助Zemax的高級(jí)優(yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)了像差的精準(zhǔn)抑制：

在物鏡優(yōu)化中，通過Zemax的“DMVA、CTGT”等操作數(shù)嚴(yán)格控制透鏡尺寸，利用“RAID”操作數(shù)提高像方遠(yuǎn)心度，確保與傳像系統(tǒng)的高效銜接；傳像系統(tǒng)優(yōu)化中，針對(duì)棒鏡口徑超限問題，通過Zemax的玻璃替換模板工具，選用H-ZF73、LaF5等特種玻璃材料，提升光線偏折能力，將透鏡直徑控制在0.8mm以內(nèi)；同時(shí)，利用“LONA、AXCL”操作數(shù)減小軸向像差，使系統(tǒng)成像質(zhì)量達(dá)到衍射極限。

在整體優(yōu)化階段，Zemax的多波長像差分析功能發(fā)揮關(guān)鍵作用——團(tuán)隊(duì)針對(duì)486nm、588nm、656nm三個(gè)特征波長，同步優(yōu)化像差，確保全可見光波段的成像穩(wěn)定性。最終優(yōu)化結(jié)果顯示，系統(tǒng)最大畸變僅22.1%，低于同類型球面鏡系統(tǒng)的23%，場曲控制良好，完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3. 性能仿真：提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性

在樣機(jī)制作前，團(tuán)隊(duì)通過Zemax的仿真分析工具，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面驗(yàn)證，避免了傳統(tǒng)“設(shè)計(jì)-試制-返工”的高成本循環(huán)：

MTF曲線仿真：利用Zemax的調(diào)制傳遞函數(shù)分析功能，得到像方與CCD處的MTF曲線，如圖2所示。結(jié)果顯示，像方分辨率在113.5 lp·mm?1處MTF值大于0.1，CCD處分辨率達(dá)48.71 lp·mm?1，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)指標(biāo)，相當(dāng)于8134像素的傳像纖維束效果，優(yōu)于住田082F1000-7.0的7000像素水平。

圖2 光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)

點(diǎn)列圖分析：通過Zemax的點(diǎn)列圖仿真功能，跟蹤不同視場射線束的分布情況。結(jié)果顯示，0°至40°全視場范圍內(nèi)，彌散斑均位于艾里斑內(nèi)，球差、彗差等像差得到有效抑制。

圖3 全視場點(diǎn)列圖

景深與相對(duì)照度仿真：借助Zemax的工作距離掃描功能，模擬不同工作距離下的MTF變化，確定系統(tǒng)景深范圍為0.6-20mm，覆蓋全工作場景；通過相對(duì)照度分析，驗(yàn)證全視場相對(duì)照度均高于99%，避免了邊緣發(fā)暗問題。

圖4 全視場相對(duì)照度圖

組裝與測試

基于Zemax的仿真設(shè)計(jì)方案，團(tuán)隊(duì)完成了樣機(jī)的加工與組裝——采用±0.005mm的高精度公差篩選光學(xué)元件，通過平行光管、顯微鏡等設(shè)備完成參數(shù)校準(zhǔn)。測試結(jié)果顯示：

工作距離5mm時(shí)，樣機(jī)可分辨線間距40μm的分辨率板圖像，對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)7657；工作距離1.9mm時(shí)，可分辨線間距14.1μm的圖像，對(duì)應(yīng)像素?cái)?shù)7204。盡管受加工與組裝誤差影響，像素?cái)?shù)略低于Zemax仿真的8134，但仍遠(yuǎn)超住田傳像纖維的7000像素，且完全消除了摩爾紋等瑕疵，成本降低30%以上。

樣機(jī)測試的成功，不僅驗(yàn)證了多短棒鏡設(shè)計(jì)方案的可行性，更印證了Zemax仿真結(jié)果的高度可靠性——從理論指標(biāo)到實(shí)物性能的精準(zhǔn)匹配，Zemax為光學(xué)系統(tǒng)研發(fā)提供了“所見即所得”的設(shè)計(jì)保障，大幅縮短了研發(fā)周期，降低了試錯(cuò)成本。

Zemax：高端光學(xué)設(shè)計(jì)的全能工具

在設(shè)計(jì)階段，豐富的專利庫、材料庫與參數(shù)化建模工具，支持從簡單透鏡到復(fù)雜多組元系統(tǒng)的快速搭建；在優(yōu)化階段，多目標(biāo)優(yōu)化算法與數(shù)十種像差控制操作數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)MTF、畸變、照度等核心指標(biāo)的精準(zhǔn)調(diào)控；在驗(yàn)證階段，MTF曲線、點(diǎn)列圖、場曲畸變圖等全方位的仿真分析工具，提前預(yù)判系統(tǒng)性能，為加工制造提供明確指引。

無論是醫(yī)療設(shè)備、航空航天檢測儀器，還是消費(fèi)電子中的光學(xué)模組，Zemax都能以其強(qiáng)大的功能，助力研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)從“理論創(chuàng)新”到“產(chǎn)品落地”的高效轉(zhuǎn)化。

Zemax軟件試用，歡迎聯(lián)系摩爾芯創(chuàng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 向錚, 向陽, 袁曉涵, 等. 超細(xì)內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2025, 46(5): 958-965. DOI: 10.5768/JAO202546.0501001

[2] 聶璞, 張志堅(jiān), 王淼, 等. 一款細(xì)徑腹腔熒光內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2025, 62(9): 0917001.