一次性口腔内窥镜光学系统设计

吕思航，向阳，刘永坤，路雨桐

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

本次新冠疫情让人们认识到了一次性口罩、防护服等一次性医疗产品对于传染病防控的重要性，一次性医疗用品灭菌效果好，使用简单方便，无需清洗消毒，可以大大减少医疗工作者的工作量，有利于预防院内感染的发生。牙周组织的健康状况是人类健康的10大标准之一，每个人在一生中都难免会因为口腔问题到医院进行检查治疗。目前国内医疗机构使用最多的是蛇牌、STORZ等外国品牌的口腔内窥镜［1］，外国品牌的内窥镜售价高昂，养护和维修不方便，现有的国产口腔内窥镜体积较大，灵活性较差，患者的体验较差，国内只有少部分学者针对上述情况，研发了一些性能更加优异的口腔内窥镜，天津大学刘涛［2］设计了一款具有显微放大功能的口腔微腔成像系统，系统成像分辨率高于100 lp/mm，青岛科技大学赵秋玲［3］设计了一款90°视向角口腔内窥镜光学系统设计，该光学系具有62°视场角，光学传递函数在80 lp/mm处成像良好，第四军医大学张宇［4］设计了一款数字化口腔内窥镜，上述口腔内窥镜成像较好，但加工制造和内窥镜日常维护成本同样高昂。满足成像要求且患者体验良好的口腔内窥镜，由于价格高昂，需要重复使用，为避免交叉感染，每条内窥镜在使用后必须经过6-10个步骤的清洗和消毒处理，耗时至少20分钟。这一方面提高了内窥镜的使用成本，加大了内窥镜受损的可能，加重了医疗工作者的工作量。另一方面由于无法确定仪器的消毒状况，患者仍需承受消毒不彻底带来的交叉感染等风险。

本文基于以上问题，设计了一款一次性口腔内窥镜，全视场62°，焦距3.3 mm，F数为5.6。系统采用6片式结构，由1片玻璃透镜，4片塑料透镜和1片转像棱镜组成，且所有透镜均为球面，系统全长39.7 mm，加工成本低，结构简单紧凑，具有较高的实用价值。

1 设计原理与参数计算

1.1 感光器件的选择

目前常用的图像传感器有互补金属氧化物半导体（CMOS）和电荷耦合器件（CCD）。相比于CCD传感器而言，CMOS传感器功耗更低，摄像系统尺寸更小，且CMOS的价格远低于相同规格CCD的价格，因此为了控制器件成本，本文采用CMOS传感器作为本光学系统的图像接收装置［5］。

为了更好的接收光学系统所成图像，通过比较选型，本文采用1/4英寸130万像素MT9M112传感器作为接收装置，对角线大小为4 mm，像元尺寸为 2.8 μm×2.8 μm。

1.2 设计参数

口径：光学系统是内窥镜探头中的核心部件，该部分组件主要由内窥镜光学系统、LED照明系统、线路板等组成，口腔检查时需要将探头伸入患者口腔，探头的体积越大，病人的检查体验越不好，同时也不利于进行细致的检查，因此口腔内窥镜的光学系统口径应该尽量的小，目前市场上现有的内窥镜产品尺寸普遍小于等于5 mm。

焦距：参考市面上的口腔内窥镜产品和医生的使用需求，将内窥镜视场角定为2w=62°，则该内窥镜的焦距为：

其中，h为像高；w为半视场。

空间频率：本文采用的CMOS传感器像敏单元尺寸为 2.8 μm×2.8 μm，则空间频率fc为：

光谱范围：该系统采用白光LED冷光源照明，根据LED的光谱范围，将系统的光谱范围定为486～656 nm。

景深：定焦镜头一般需要较长的景深，可以节省镜头对焦时间，考虑到口腔内部组织的结构特征以及检查需求，该镜头景深应大于等于10 mm。

一次性口腔内窥镜属于医用内窥镜的一种，对其视向角、视场角、口径大小、CMOS选型等进行综合考虑分析，确定出光学系统的设计指标如表1所示。

表1 设计参数指标表

2 光学设计

2.1 初始结构的选择

口腔内窥镜物镜是口腔内窥镜的主要部件，也是整个口腔镜系统成像质量的核心体现，为了减小患者在做内镜检查时的不适，物镜部分结构应当紧凑，尺寸需要尽可能的小；同时在减轻患者不适的基础上，也要满足医生检查时大视野、高清晰度成像的需求，综合考虑这些因素，可以确定一次性口腔内窥镜的结构特点应为：大视场、小孔径、大景深，短焦距等。

针对一次性口腔内窥镜大视场、小孔径、大景深等特点，可知在初始结构选取方面，光阑尽可能的处于整个系统的中间位置，即尽量采用双高斯结构；针对短焦距长工作距的需求，采用反远距结构。负光焦度透镜作为前组，正光焦度透镜作为后组，入射光经前组发散后，被后组成像在焦面上，反远距结构的主面在物镜之外，因此可以获得比焦距更长的工作距离［6］。

为了实现视向角90°的要求，方便医生的观察，在物镜中加入五角棱镜。设计时将五角棱镜按照入射光线反射的顺序，以反射面和主截面的交线为轴，依次将主截面翻转180°，反射棱镜展开后相当于一块平行平板［5］。该平板厚度即为反射棱镜的光轴长度L。

其中，D为进入五角棱镜的通光口径。参照其它同类口腔内窥镜产品结构和实际设计要求将D值定为4 mm，则反射棱镜光轴长度约为13 mm。图1为棱镜安装效果图。

图1 棱镜安装效果图

实际制造安装的五棱镜光程可能小于设计中展开的等效平行平板光程，需要在五角棱镜后额外增加一块平行平板A，对不足的光程进行补偿。

综合考虑上述因素，在专利库中选择了一款电子内窥镜物镜作为初始结构，表2为该电子内窥镜物镜的光学参数。

表2 初始结构光学参数指标

初始结构如图2所示，该结构由提供负光焦度的前组和提供正光焦度的后组组成，第一片透镜为蓝宝石保护玻璃；为获得较大的视场角，第二片为折射率较大的平凹透镜，其光焦度为负；第三片为由五角棱镜展开的平板，第四片透镜为正透镜；而之后的镜片组成为两组胶合透镜和一片单透镜［7］。

图2 初始结构

2.2 优化过程

图2中的光学系统所有透镜材料均为玻璃，采购和加工成本较高，无法满足一次性使用的要求。为降低制造成本，需要在优化过程中尽可能的将玻璃材料替换为加工制造成本更为低廉的塑料材料，并简化镜头结构，减少镜片数量。具体优化过程如下：

（1）考虑到本次设计的镜头为一次性镜头，不需要考虑镜片的磨损及内窥镜与人体组织接触造成的污染问题［8］，同时也是为了降低成本，将第一片蓝宝石保护玻璃去掉，然后对初始结构的焦距进行缩放，由2 mm放大为4 mm，之后按照设计要求修改视场、入瞳孔径等基础参数。

（2）对修改后的初始结构像差进行分析。由于所设计的一次性口腔内窥镜为大视场小孔径系统的光学系统，从赛德尔图上观察可得与孔径有关的球差、位置色差和正弦差等较小，而与视场有关的倍率色差、像散、场曲等轴外像差较大［9］，故需要进行像质优化。

（3）针对其结构特点，建立基于波前的RMS的评价函数，添加相应的操作数对系统进行优化：利用操作数EFFL、DMVA等进行焦距与口径的设置；利用CTGT、MNCG、MNEG等进行透镜形状和间隔的控制，并根据每次优化的结果进行调整，直至满足设计要求为止。

（4）在将光学系统优化到符合设计要求后，考虑到塑料材料无法进行胶合，将各胶合透镜分离成单透镜，并重新进行优化，直至符合设计要求。之后对比各透镜玻璃材料与塑料材料的折射率及阿贝数，将后组透镜材料逐个进行替换优化，最终将除第一片透镜外的材料全部替换为塑料材料，考虑到结构成本问题将两片像差校正贡献较小的两片透镜删去，并再次进行优化直至各类像差都满足设计要求即可。

（5）最终优化得到一次性口腔内窥镜系统F数5.6，焦距3.3 mm，最大口径5 mm，全视场62°，视向角90°，总长39.7 mm，可见光波段成像，光学调制传递函数在178 lp/mm处大于0.25，满足设计要求，表3为最终设计结果技术指标。

表3 设计结果指标

3 设计结果分析

3.1 光学系统结构图

根据设计要求，本次设计的一次性口腔内窥镜焦距为 3.3 mm，F数为 5.6，采用 1/4英寸MT9M112彩色CMOS，对角线尺寸为4 mm，靶面尺寸 3.2 mm×2.4 mm，全视场 62°，工作波段为可见光。光学系统结构如图3所示，系统优化后由6片透镜组成，两片平凹透镜，一片转向棱镜，两片双凸透镜，一片双凹透镜组成，其均为球面镜，镜片最大机械直径为5 mm，最小为3 mm，满足设计要求。透镜材料依次为H-ZLAF1，POLY‐CARB，POLYSTYR，ARTON_D4540 POLYCARB，ARTON_FX4727，1G+5P的材料结构组成，大大降低了一次性口腔内窥镜的成本。

图3 光学系统结构图

3.2 光学调制函数

光学调制函数（MTF）是输入目标图像的对比度和输出图像的对比度的比值，是目前较为综合性的评价标准。光学调制函数的值介于0～1之间，MTF值越接近1，则表明该系统的综合成像质量越好［10］。一次性口腔内窥镜MTF如图4所示，在178 lp/mm处，所有视场均大于0.25，满足设计要求。

图4 光学系统传函图

3.3 点列图

ZEMAX模拟无限远处的发光点，平行射入入瞳，经光学系统成像在IMA面上，若光学系统为完美光学系统，则这些成像点应为一个理想的点，但在实际成像系统中会成像为一个弥散斑，而弥散斑在IMA上的像即为点列图［11］。从图5的光学系统点列图可知该系统的弥散斑相对集中，大部分光线都集中在艾里斑半径范围内，虽然集中度不够完美，但整体满足成像需求。

图5 光学系统点列图

3.4 相对照度

相对照度表示的是视场边缘照度与中心照度的比值，一般光学系统相对照度到达50%以上便可以进行观察［12］。由图6可知，本次设计的一次性口腔内窥镜镜头的相对照度均在90%以上，完全符合设计要求。

图6 光学系统相对照度

3.5 公差分析

在实际的镜头制造中，光学透镜，隔圈等组件的加工误差和镜头装配公差往往会降低理论设计的性能水平，所以对设计结果进行公差分析，定义光学系统的来源和大小是十分必要的。参照现有的加工和装配标准，利用ZEMAX软件的公差分析功能，将口腔内窥镜系统公差进行分配，表4为各个元件允许的公差容限。

表4 系统各元件允许的公差容限

在表4所示公差容限下，进行200次蒙特卡罗计算，分析在178 lp/mm处各个视场的MTF平均值变化，表5为蒙特卡罗公差分析结果，90%的镜片在178 lp/mm处的MTF值大于0.265，满足加工、装配工艺的要求，并且可以保证光学系统的成像质量。

表5 蒙特卡罗分析结果

4 结论

一次性口腔内窥镜作为一种新型口腔医疗诊疗设备，由于采用1G+5P的结构设计，加工成本远低于现有的纯玻璃镜头，使用时把口腔镜镜体插入操控把手，使用后只丢弃前端与病患组织接触的镜体管子，保留后端的操控把手，从而防止交叉感染的发生，大大地提高了检查安全性。但本次设计仍然存在许多不足，本次设计未完全采用塑料材料，还可以通过优化将镜片替换成塑料材料进一步降低成本。