内窥镜影像白平衡镀膜技术

郝天宇 曹 轶 关 旭 杨振华 田 丹

（沈阳沈大内窥镜有限公司，辽宁 沈阳 110000）

0 引言

随着薄膜工艺的发展，多层减反膜大量应用在各类光学设备中，可以有效地提高光学系统参数。例如，7块平板系统在波段内的总透射率如下（估计值）：未镀膜=0.92≈55.7%，镀膜后=0.99≈93.2%，其透射能量大约提高了25%。对硬管内窥镜来说，其结构中一般包括十几组镜片，因此，高质量的镀膜工艺已成为不可或缺的环节，它可以决定最终成像的清晰度。

光源的光谱分布决定光源的显色性，光源的显色性会影响人眼观察物体的颜色，显色性较低就会出现偏色、图像失真的问题。因为在利用内窥镜进行诊断时，其病灶的血液、组织的颜色变化是判断是否病变的重要指标，所以除了对清晰度有较高的要求之外，还要使内窥镜成像达到白平衡，以还原物体的色彩。该文基于不同折射率玻璃基片的透射光谱，计算R、G以及B三分量的平均透过率，通过灰度世界法（GWM）、颜色互补原理，以氙灯为光源，运用TFC膜系设计软件设计透过率高且又满足白平衡需求的膜系，使光最终通过硬管内窥镜R、G以及B三分量的相对强度近似相等，从而使内窥镜成像时达到色彩平衡的目的，得到更为真实的影像。

1 硬管内窥镜结构

内窥镜摄像系统主要包括冷光源、光学视镜、医用摄像机以及医用监视器。成像原理如下：光源发出的光通过传光束（光纤），经内窥镜主体传递到人体内部，从而照亮人体内腔组织需要检查的部位，物镜将待检查组织成像在面阵CCD上，由CCD驱动电路控制CCD采集图像，并输出标准视频信号。

光学视镜是内窥镜的主体，其外观是1个细长的金属管子，而里面装着一个由许多透镜组成的完整的光路传输系统。整个系统由物镜系统、转像系统以及目镜系统组成，如图1所示。被观察物经物镜形成倒像，通过转像系统将倒像转为正像，并将其传输到目镜，目镜放大正像后将其传输到后端影像系统。

图1 内窥镜光学成像系统结构图

按医用内窥镜功能可以分为妇科、消化科以及泌尿科等不同类型，它们的功能和工作长度等参数也不相同。该文以喉镜光学成像系统为例，物镜系统由牌号为ZLAF75、LAK7、ZK14以及ZF51的4种镜片组成；转像系统由牌号为F5、k9以及F5的3个镜片组成1组，共6组；目镜系统由牌号为ZF2、BAK7以及K9的3种镜片组成。

硬管内窥镜采用氙灯光源，氙灯会发出色温高达4 000 K的光芒，而色温大约为4 000 K的光色正好是最白且略微开始转蓝的色温，它最接近正午日光的颜色，这个色温白中带黄，是人眼最适应的颜色（也具有较高的穿透力）。通过查询相关数据得到氙灯光源光谱如图2所示，R、G以及B三分量的相对强度分别为=47%、=48%以及=50%。

图2 氙灯光源光谱图

2 白平衡算法

白平衡就是针对不同色温条件去除非正常颜色的过程，通过调整分量增益来消除偏色，使拍出来的图像达到正确的色彩平衡，更符合人眼视觉习惯。同时，因为白光中的 R、G以及B三分量强度相同，所以可以校正白色光，也可以校正其他颜色的光。同理，因为灰色光中、以及三分量也相同，所以也可以通过校正灰色的光来达到白平衡的目的。

灰度世界理论假设：当任一颜色出现足够的色彩变化时，它的R、G以及B三分量的均值会趋于相等。这是一个在自动白平衡方面应用极为广泛的理论，如公式（1）所示。

式中：、以及分别为红色、绿色以及蓝色分量的均值。

基于上述理论，为了实现内窥镜影像的白平衡，需要光源通过整个内窥镜系统后，接收到的红色、绿色以及蓝色分量的相对强度相等，如公式（2）所示。

3 膜系设计

3.1 基片透过率

光学玻璃以二氧化硅为主要成分，不同牌号的玻璃的折射率不同，基片透过率也不同。因为同一玻璃不同波长位置对光的吸收程度不同，短波处（400 nm~500 nm）吸收大，透过率低。其中，因为高折射率玻璃短波处的吸收现象更为明显，所以在设计膜系之前要了解各种玻璃在R、G以及B三分量处的平均透过率，只有这样才可以利用针对性的膜系设计来调节平衡。基片的透过率如公式（3）所示。

式中：为基片透过率；为基片的折射率；为基片的内透过率。

不同波长位置的内透过率不同，透过率也不同，取多点可分别算得R、G以及B三分量处的平均透过率T、T以及T，见表1。

3.2 膜系设计

用TFC膜系设计软件在400 nm~700 nm波段进行膜系设计。根据表1中的基片透过率的短波的透过率偏低（波长越短，基片对光的吸收越明显）。因此，在膜系设计时，尽量降低B 分量所处波段的反射率，将其控制在0.1%~0.3%。相对提高R、G 分量的反射率，将其控制在0.3%~0.5%。以k9的膜系设计为例，打开TFC膜系设计软件，设定环境参数（参考波长为550 nm、入射角度为0°，基底为k9）。选用LHLHL的5层基础膜系（L选用二氧化硅（SiO），H选用钛酸镧（H）。将优化目标targets-continuous设置为3个部分：400 nm~500 nm反射率设置为0.2%~0.3%；500 nm~600 nm反射率设置为0.3%~0.4%；600 nm~700 nm反射率设置为0.3%~0.5%，优化后得到膜层数据为2.11L0.46H0.28L0.94H1.04L。从3个系统中再各取1种材料来设计膜系，结果见表2。4种基片结合设计膜层的光谱反射曲线如图3~图6所示。

图3 K9反射光谱曲线

图6 zlaf75反射光谱曲线

表1 基片三通道平均透过率

表2 膜系设计

根据其他基片的折射率选取合适的镀膜材料组合（例如二氧化硅/钛酸镧、三氧化二铝/钛酸镧/氟化镁等），通过对软件进行优化可以设计出符合要求的反射光谱曲线。镀膜后基片的透过率如公式（4）所示。

式中：为镀膜后基片透过率；为基片透过率；为基片的折射率；为镀膜后基片的反射率。

镀膜后每种基片的三分量透过率、以及见表3。

表 3 镀膜三通道平均透过率

3.3 镀制工艺

采用真空镀膜机并结合物理气相离子辅助沉积方式镀膜。箱体尺寸为1 100 mm，配置2套JEOL电子枪，离子源采用霍尔离子源，由IC6晶控加单点光源精确控制膜厚。

操作步骤如下：将清洗好的镜片、反射测试片放置在真空镀膜机中，将镀膜机抽真空直至压强为2×10Pa，烘烤温度设定为300 ℃，恒温50 min后预熔镀膜材料，镀制前离子轰击清洗20 min，选择对应的程序进行多层膜镀制。膜厚控制方式为晶控，全程离子源辅助轰击，镀完冷却20 min后放气。通过岛津UVProbe-2450分光光度计测试得到反射光谱曲线。

图4 F5反射光谱曲线

图5 zf2反射光谱曲线

3.4 结果分析

结合图1和表2可得内窥镜整体系统的R、G以及B三分量透过率见表4；由透过积分球检测法获得实际内窥镜系统的透射光谱曲线（如图7所示），并计算出实际内窥镜系统R、G以及B三分量的透过率见表4。

图7 实际内窥镜透过率光谱图

表 4 设计透过率与实测透过率

对比设计与实测的透过率值，可以看出镜片对光有一定的吸收，导致实际测得的透过率会略低于理论值。将实测值带入公式（2）可得R、G以及B三分量最终相对光强分别为42.14%、42.50%和43.30%，数值近似相等，符合世界灰度理论假设，达到整个系统的白平衡，分辨率大于10 Lp/mm。

4 结论

该文根据灰度世界法（GWM）、颜色互补原理、氙灯光源的相对光强分布以及不同折射率玻璃基片的透射光谱，计算R、G以及B三分量的平均透过率。运用TFC膜系设计软件和真空镀膜技术设计并制造高透过率且又有针对性调整的增透膜，光最终通过硬管内窥镜R、G以及B三分量的相对强度近似相等，从而使内窥镜成像时达到色彩平衡的效果，得到更为真实的影像。