高清内窥镜适配器光学系统设计

王卉，向阳，张良，付艳丽，王若帆

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.西安卫星测控中心活动测控回收部，西安 710000）

现代微创外科对内窥镜适配器要求为高清成像。外科手术的基本原则是以最小的干扰和破坏对病人进行必要的外科手术。而外科手术在操作空间小的前提下要减少病人的创伤面积[1］。而适配器的使用使内窥镜降低了手术切口的需要以及由此产生的对病人的损伤[2］。现有内窥镜适配器生产厂家主要为德国狼牌（R.WOLF）及奥林巴斯及国内沈大等。多采用1/3或1/2英寸CCD成像系统，焦距范围为14-35mm，不能满足高清分辨率的要求。国内山东大学吴福田设计了一种变焦范围为9.44至24.67mm的医用内镜图像显示双通道光学接口，使用1/2英寸CCD，分辨率已达到44万像素（752×582）[3］。本文内窥镜适配器利用1英寸CCD成像系统，达到了53mm的长焦距要求，实现了300万像素（2048×1536）高分辨率，实现了高清的目的，同时控制系统总长在75mm以内。满足内窥镜对适配器的高清成像需求。

1 初始结构选取

1.1 光学系统参数计算

由于本系统是内窥镜适配系统，对成像接收的响应速度要求比较高，因此选用成像效果较好的CCD相机。在实际使用过程中，采用像元尺寸为5.5×5.5μm的1英寸CCD，分辨率为2048×1536，满足CCD达到300万像素。本光学系统的调制传递函数（MTF）应达到的极限分辨率为：1000/（5.5×2）=90cycle/mm[4］。根据分辨率和像元尺寸经单位换算后可计算出CCD成像尺寸为：

将结果14.08带入下式，ω为1/2全视场角，即为7.5°

可得焦距为53.4mm。

1.2 初始结构的选取

内窥镜适配器的要求是长焦距、高清并控制系统总长，所以初始结构的选择要满足以上三点。结构简单、紧凑是光学接口小型化系统重要的性能指标。选取初始结构决定着是否能得到一个成像优质的镜头，同时影响其设计能否顺利的进行下去。有两种方法可供设计者进行选择：第一种方法：可根据近轴光学原理设计出一个初始结构；随后设计者进行结构参数的调整和优化来得到需要的结果。但此方法对设计者的理论知识、工作经验和实践能力要求都非常高，相对来是说较难实现的。第二种方法：从各项专利和大量文献中选取适当的初始结构进行光学设计及优化[5］。

此初始结构首先要满足长焦距的设计理念，在保护玻璃后，采用正弯月双胶合进行光线汇聚，设置孔径光阑，控制光线通过口径。随后添加正弯月及双胶合透镜组合，均起到使光线汇聚的作用。正弯月透镜不仅使光线汇聚，并且最大限度的减少三阶球差，常用来与另一透镜结合成一光学系统，来获得更好的焦距效果和成像质量。最后一片采用双凹透镜，延长成像位置。使焦距变长，结构变短。选择一英寸CCD接收，即在光学系统提高成像质量后，使分辨率达到300万像素。实现了大屏高清的成像特点。

该系统目标做出全视场角为15°，入瞳直径为4mm；需要保护玻璃。总长要优化到72±2mm，焦距为53mm。

在得出以上设计参数后，通过查阅大量内窥镜适配器外文文献，选取全视场角为15°，入瞳直径为4mm，焦距为60mm的适配器光学系统作为初始结构[1］。该初始结构如图1所示，其由6组8片式组成。

图1 适配器镜头初始结构

2 设计过程

2.1 初始结构的输入

选取合适的初始结构以后，需要修改初始结构的各方面参数。对焦距进行缩放后输入波长、视场角、入瞳直径，使初始结构达到尺寸的基本要求。首先将波长输入，正常选择前三项即可。再将焦距缩放至53mm大小。在ZEMAX中输入初始结构的镜片参数，采用出瞳控制视场[6］。

2.2 基本结构控制与优化

首先要满足适配器设计的基本要求。在满足基本结构的情况下，再进行各参数的优化及像差校正。步骤如下：

（1）将焦距缩放到计算所得的53mm，并将初始结构的的半径设为变量，用EFFL操作数进行控制；

（2）用CTVA操作数控制后截距在18mm；

（3）用MTFA操作数控制光学传递函数大于0.15。

然后使用设定的评价函数和变量来优化函数。优化后，检查优化后的结果是否在向目标结果靠近。并确定玻璃高度及厚度是否满足要求，适用于工厂的加工。最后要根据初级相差的分布来校正初级相差。

3 设计结果分析

系统优化后由10片透镜组合而成，其中含两组双胶合透镜、两片保护玻璃、四片弯月形透镜、一片双凹透镜。在初始结构的基础上，添加两边弯月透镜，以提高MTF参数。其中玻璃材料依次为：K9、BK7、ZF2、LAF2、BK7、LAF2、BK7、ZF2、BK7、K9。优化后的输出图如图2所示。

图2 优化后输出图

3.1 畸变

透视失真为光学透镜固有的畸变。因为这是透镜的固有特性，无法消除，只能一定程度的改善[7］。对于内窥镜适配器镜头来说，因为内窥镜镜头本身会带有一定程度的畸变，所以对适配器镜头畸变要求比较高。由图3知，边缘视场畸变在0.2%以内，在0.7视场的畸变在0.1%左右；满足设计要求。

图3 镜头畸变

3.2 调制传递函数

调制传递函数（MTF）为输出图像的对比度/输入图像的对比度，所以MTF值是在0-1之间。光学系统的特征用调制传递函数来表示，MTF越大，表示系统的成像质量越好[8］。如图4所示，在90lp/mm处，所有视场均大于0.15。满足设计要求。在此系统中，不仅符合相对孔径小，焦距长的要求，同时达到了分辨率高，成像清晰的效果。

3.3 光扇图

光扇图分为弧矢面光扇图与子午面光扇图。以子午面光扇图为例，其绘制原理是：取视场内任意一点的子午面光线。横坐标为光线在光阑面上的透射点，纵坐标为该光线在像面上的坐标。描出所有点构成的图即为子午面光扇图[9］。通常在ZEMAX中，将横坐标归一化，即以实际横坐标/光阑最大孔径得到的值作为归一化横坐标，其范围即为-1至1。它能够准确反映像面上光线的实际会聚状态[10］。如图5所示，光线的会聚情况较好。此时纵坐标的最大横向球差为20μm，而总体球差控制在10μm之内；代表F、D、C三种色光的曲线彼此之间离得很近，这说明色差是很小的，满足设计要求。

图5 适配器镜头光扇图

3.4 点列图

ZEMAX中可模拟在无限远处有若干个发光点，这些点平行射入入瞳后经过光学系统，会成为一个弥散斑构成点列图。本论文的适配器镜头的艾里斑尺寸为9.515μm，大于CCD像元尺寸。从图6可知，该系统的成像弥散斑能量相对集中，大部分光线都集中在艾里斑半径范围内，虽然各个波长之间光斑重合的不完美，但是满足基本成像需求。

图6 适配器镜头点列图

3.5 相对照度

视场边缘照度与中心照度的比值表示为相对照度，而这个比值越高则边缘越明亮。一般情况下，当相对照度达到50%以上便可以观察。由图7可知，本镜头的相对照度均在90%以上，完全符合设计要求。

图7 适配器镜头相对照度

4 实物图展示

后端采用C接口，方便其他内窥镜摄像仪连接。实物图如图8所示。

图8 内窥镜适配器实物图

5 结论

本系统的优点为焦距长、系统总长短且成像清晰。被摄物在CCD上成像的大小由镜头焦距（镜头光学后主点到焦点的距离）的长短决定。针对同一物体，镜头焦距与所成的像大小成正比。而系统总长短则实现了实物体积小，方便携带和使用。在实现以上优点的过程中，通过在操作数上进行限制，对其进行优化操作，使各项光学参数：畸变、调制传递函数、光扇图、点列图及相对照度都能达到相应的要求，满足MTF值高于0.15，成像达到300万像素。

[1]Akiba H.Fluid delivery adapter unit for endscope：US，7568735[P］.2009-08-04.

[2]李景艳，刘德森，刘刚，等.医用内窥镜光学系统的应用及发展趋势[J］.医疗装备，2005，18（7）：9-12.

[3]吴福田，王桂玲.医用内镜双通道光学接口的设计原理[J］.光学精密工程，1999，7（4）.

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[5]郁道银，谈恒英.工程光学[M］.北京：机械工业出版社，2002.

[6]张以漠.医用光学[M］.北京：机械工业出版社，1982.

[7]王之江，顾培森.实用光学技术手册[M］.北京：机械工业出版社，2007.

[8]杨添星，黄玮，尚红波，等.材料折射率非均匀性对极小相差光学系统像质的影响[J］.激光与光子学进展，2013，50（11）：181-186.

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