广角高清细径视频鼻镜光学系统设计

付艳丽，向阳，王卉

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

从第一台内窥镜的出现到目前约200多年，其发展由最初的硬性医用内窥镜到光纤内窥镜、电子内窥镜等越来越多的类型，而鼻镜在鼻科的疾病诊断和治疗过程中的应用是十分广泛的[1-2］。广角鼻镜的主要作用就是确定病变组织，对其进行细致检查，并及时诊断治疗[3］。早期鼻镜一般都是进行间接观察的，随着科技发展，出现了数字化高清鼻镜诊疗工作站，可以提供高清鼻镜视频[4］。近年来，市场上有很多鼻镜生产厂家，如日本奥林巴斯公司所设计生产的一款鼻内窥镜，直径为3mm，全视场角在90°左右，不利于观测[5］；德国Ackermanh Instrumente公司所设计生产的鼻镜，全视场角为70°，分辨率为14lp/mm，系统总长225mm。沈阳沈大内窥镜有限公司生产的鼻镜，全视场角为60°，分辨率为9lp/mm，系统总长240mm。本文通过对广角鼻镜初始结构的选取，再对其进行优化设计，设计一个具有100°视场角的鼻镜，观测范围要比其他鼻镜范围更广，分辨率更高，口径更细。并在初始结构选取以及优化设计时镜片均采用球面镜，减少加工及装调成本，设计中还广泛使用了场镜，减小了系统的横向尺寸，也能对像差进行更好的校正。

1 光学系统结构分析及选取

所设计的广角鼻镜镜头包括三个部分：第一部分是前物镜组，第二部分是转像系统（场镜加棒状镜共三组），第三部分是后物镜组。如图1所示为广角高清细径视频鼻镜的原理图。

图1 鼻镜的原理图

广角鼻镜光学系统的物镜焦距为1.145mm，具有焦距短（1.5～2.5mm）、相对孔径不大（1/5～1/7）且视场较大（通常大于70°）的特点，反远距结构是其常采用的结构[6］。反远距结构是完全非对称的结构[7］。这种结构负透镜组在前，正透镜组在后，负透镜组可以根据系统的需要，结构可能是单平凹透镜，平面向前有利于消毒、正负分离的负透镜或双胶合负透镜组，正组多采用柯克三片形物镜、柯克复杂化物镜，Petzval型等结构形式[9］。所选广角高清细径视频鼻镜前物镜组的初始结构如图2所示。

图2 前物镜组初始结构图

现代鼻镜中的转像系统大多使用长型的透镜，即由英国霍普金斯大学的哈罗德·H.·霍普金斯教授发明的棒状透镜系统，也就是所谓的Hopkins棒透镜。设计中采用几组Hopkins棒状镜做转像系统可以使鼻镜镜头长度做的很长，并使整个系统的相对孔径角达到1：6[8］；而转像系统都是对称的，所以没有垂轴像差，色差和球差可以由胶合的负透镜单独校正，像散可以变化棒透镜组的距离进行校正[8-9］。与传统的胶合镜相比，棒透镜的材料是光学玻璃，相比于空气介质在同样的长度下可减少光能损失，其损失只有传统内窥镜的10%多一点，所以棒状镜转像系统的像质大幅提高[10-11］，像散提高了30%。

场镜是加在物镜焦面附近的平凸透镜。由于场镜的多种作用，可以广泛的应用在光学系统中，在光学系统中加入场镜能提高边缘光束入射到探测器的能力；可以减小系统的横向尺寸，可以改变出射光瞳的位置；在相同的主光学系统中，加场镜将减少探测器的面积，可使探测器光敏面上的非均匀光照得以均匀化。在系统像差方面，加入场镜可以对系统的场曲和畸变进行补偿。例如，若产生的正场曲和正畸变，如果要对整个系统的负场曲和畸变进行补偿，则要在像面处加负场镜即可。

在选择棒状透镜组以后，又选择在每两组棒状透镜前加入场镜，这是利用场镜可以使系统的横向尺寸变小，也可以补偿系统的场曲和畸变。如图3是两组棒状镜加场镜的初始结构图，需要加三组该结构。

图3 两组棒状镜加场镜的初始结构图

通过前物镜组和转像系统后所成的像高y与通过整个高清细径视频广角鼻镜光学系统所成的像高y'可得后物镜组的放大倍率β=y'y≈0.8，也可计算出数值孔径NA=nsinu≈0.12，由于放大倍率和数值孔径都不是很大，所以选择双胶合透镜组作为后物镜组，如图4所示。

图4 后物镜组初始结构

2 设计优化及像质评价

首先，在ZEMAX软件相应位置处输入入瞳直径0.1mm、波长、视场角100°（共设置0°、10°、27.5°、40°、50°五个视场）以及前物镜组的初始结构镜片参数（半径、厚度以及所选取的玻璃）[4］，因为所选前物镜组初始结构的焦距与实际需要的焦距有所差别，对前物镜组焦距进行缩放，使前物镜组焦距为1.145mm，使该结构达到基本尺寸要求，再对其进行优化设计，使前物镜组的球差、场曲、像散达到最小[12］。其次，再在优化后的前物镜组后加入一组场镜和棒状镜系统，再对整体进行优化设计。再次，将优化后的一组场镜和棒状镜系统复制两次就得到了完整的转像系统。最后，再加入后物镜组，并对整体进行优化。在加入新的结构时，优化的结果是各个像差达到最小。

在优化前物镜组时，要在默认评价函数中对前物镜组焦距（EFFL）进行控制。对整个镜头以及进行各个步骤的优化时，要对MTF（MTFS、MTFT）、场曲（FCUR）、最大畸变DIMX（OPLT）等进行操作数设置，要反复对透镜的曲率半径和厚度进行优化，并适当的修改操作数的权重，使得优化后的广角高清细径视频鼻镜系统能够满足要求。

设计出的广角细径高清视频鼻镜系统总体结构图，如图5所示。

图5 总体结构图

2.1 调制传递函数

在成像系统中，光学调制传递函数是评价一个系统分辨率的重要指标之一[13］，对于一个镜头的评价是非常重要的。它不仅和光学系统的像差有关，还和光学系统中的衍射效果是相关的。很多时候描述鼻镜是用其能达到多少线或者多少分辨率，甚至像素就是与调制传递函数和CCD靶面尺寸有关。光学系统的分辨率由CCD的像素尺寸决定[14］，所以选取2/3寸且300万像素的CCD，则由公式（1）可以计算出截止频率：

如图6所示，MTF在116lp/mm处，所有视场均大于0.4，满足该系统的MTF阈值。对比于市场上出现的一些鼻镜，所设计的广角高清细径视频鼻镜成像质量更高，能够满足对高清像质的要求。

图6 光学调制传递函数曲线

2.2 点列图

广角细径高清视频鼻镜光学系统经过优化后的点列图，如图7所示。图中显示出的系统各视场的成像弥散斑均方根半径均大部分小于艾里斑半径，而且能量相对来说较集中，符合设计要求[15］。

图7 点列图

2.3 畸变

畸变是主轴外光线通过光学系统后变成曲线（其中这个光线要在被摄平面内）所造成系统成像的误差[13］。若是畸变过大，在观察患者时，患处会发生变形，失去原来的形状，对医生来判断患者的病情造成严重影响。广角细径高清视频鼻镜的主要像差是畸变。

在应用的所有透镜都是球面透镜的医用内窥镜光学系统中，畸变与视场角间的关系可以用下式（2）表示∶

式中，q，为相对畸变，2ω为视场角。将视场角与其计算得到的畸变值列入表1中，则表1即为不同视场角的畸变值。

表1 内窥镜光学系统视场和畸变关系表

当视场角为100°时，相对畸变量已达-36%。广角内窥镜初始结构相对畸变如图8所示大于-36%。对广角细径高清视频鼻镜系统进行优化后相对畸变如图9所示，相对畸变约为-25%，与传统鼻镜的相对畸变-36%相比要小，可以较清楚的观察实物，满足设计要求。

图8 初始结构相对畸变图

图9 优化后相对畸变图

2.4 场曲

场曲反映了整个光学系统像面弯曲的情况[4］，由图10可知，该广角细径高清视频鼻镜光学系统场曲校正在0.14mm以内，满足要求。

图10 场曲

3 结论

医用鼻镜由于口径小，观察范围更广，观察更加清晰，越来越受医生的喜爱，具有广阔的市场应用前景。由于实际市场上出现的鼻镜视场角小、分辨率不高，通过对光学系统初始结构的选取，利用ZEMAX对光学系统初始结构进行优化，并对系统进行像差分析，最终得到了一款镜头外径2mm、视场角100°的广角细径高清视频鼻镜，其场曲和畸变都能较好的满足要求，这有利于对病变组织的检测。在进行广角细径高清视频鼻镜系统优化设计时，加入场镜，对系统的畸变和场曲进行补偿，同时有效的减小了系统的横向尺寸，使优化后的系统总长为239mm，符合国内对鼻镜的长度标准的要求。该广角高清细径视频鼻镜满足了实际医疗检测的需要。

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