概述
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本文分为内窥镜系统简介、主要结构、系统分析、性能提升和总结五个部分,介绍了内窥镜系统的主要结构,并讨论了如何在 OpticStudio 中根据内窥镜物镜系统的初始结构进行像差分析,以及如何对其进行后续的
优化提升。
nw.,`M,N hmijp1u 内窥镜系统简介
Dm^Bk?#( WR5@S&fU` 内窥镜系统作为具有
光学镜头、图像
传感器、
光源照明、机械装置等多重组件的
光学系统,一般来说可以分为医用内窥镜和工业内窥镜。医用内窥镜可以经人体的天然孔道或手术切口进入人体内,观察内部
成像结果。利用内窥镜可以看到 X 射线不能显示的病变,因此它在医学上有非常重要的作用。常见的医用内窥镜有胃镜、肠镜、宫腔镜、神经内镜等。工业内窥镜则通常用在无损检测和孔探技术方面,可分为硬管工业内视镜、可绕式小直径软管内视镜、影像工业内视镜等,它们在汽修、安防、安检等领域有着广泛的应用。
c;RL<83: HV*Dl$ 内窥镜主要结构
<in#_Of{E `lI(SS]w 不同种类的内窥镜会有一些功能和结构上的差别,下图是一个常见的用于胃肠道检测的软管内窥镜完整结构示意图。它的主要结构包含了插入导管、目镜/视频转换器、导光管等。其中,光学物镜包含在插入导管的其中一个通道中。
S9cAw5E(yN n:TWZ.9 [.ya&E)x |{STkV] 而下图则是一幅插入导管的内部结构图,所示的为硬式导管(硬式导管和软式导管的内部结构大体相似)。
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}g{ 我们可以看到,导管内的结构包含棒形
透镜 (Rod Lens)、隔圈 (Spacer)、物镜组合件 (Objective Assembly),还有位于上部的
光纤 (Light Fibers)。本文将讨论的模型即位于内窥镜导管末端的物镜部分。
+1uAzm4SL ^/ "[jq3F 内窥镜系统分析
bi01] [wLK*9@& 首先需要说明的是,不同的成像系统所选用的分析评判标准可能有所不同,可选用 RMS光斑尺寸、系统波前差或者 MTF 作为成像质量的评判标准。因此,在优化时可以设置不同的操作数对系统的成像质量进行优化。本文中的内窥镜物镜系统选用的评判标准为 MTF曲线,并且需考虑的优化/限制的条件还包括封装要求、圆锥系数、畸变值、相对照度等,本文在其中选取了几个影响较大的对象进行讨论。
>^fpQG 5*~]=(BE 在 OpticStudio 中打开文章附件,该文件展示了一个已经设计得到的内窥镜物镜系统初始结构。点击设置-结构-编辑器,打开多重结构编辑器,可以看到系统包含了三个结构,它们之间的主要区别是系统的物距不同,分别为 8 mm、15.584 mm和 80 mm。在内窥镜设计中用到多重结构,是考虑到内窥镜的实际使用情况。通常内窥镜物镜可能会在不同的距离对物体进行观察,而不是只在一个特定的距离上,所以我们希望它在不同物距下都能有较好的成像质量,因此需要设置多重结构对系统进行分析。
VM.4w.})_E ygN4%-[XA 点击 2D 视图,在工具栏的红色框选项中可选取查看不同结构的布局图:
w# iezo. 0 @2X{e7+D `l%)0)T Q;h6F{i 选取结构1(即1/3)可得到如下所示的内窥镜物镜视图:
c] '-:= :gwM$2vv SJ
ay )qq5WShMJ 系统由五片透镜组成,全视场角为70度,波长选用可见光波段,参考波长为d光,等效焦距为 1.496 mm,系统总长为 7.16mm。我们可以从 2D 视图和镜头数据编辑器中,看到绝大多数与封装相关的参数,比如元件厚度、元件机械半直径、元件之间的厚度比等。从这个模型的 2D 视图中可以看出,第3和第4个透镜之间非常靠近,对应在镜头数据编辑器中两个透镜之间的距离为 0.052mm,的确是一个非常小的数值。为了便于实际的生产制造,我们可以在优化时将各个元件之间的距离控制在 0.1mm 以上。第11个面的厚度也小于0.1mm,但这个物镜系统可能还要被耦合到后续的中继系统中,因此在这里不对它进行优化。
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