医用硬式内窥镜光学系统的设计

吉紫娟，张海涛

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院， 武汉 430205)

医用硬式内窥镜光学系统的设计

吉紫娟，张海涛

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院， 武汉 430205)

微创手术的兴起使得医用内窥镜受到越来越多的关注。本文主要研究了医用硬式内窥镜光学系统的结构特点及光学参数，通过ZEMAX软件对该光学系统进行了模拟及优化设计，所设计的结构参数及像差均符合设计要求，具有较好的实用价值。

内窥镜光学系统；分辨率；ZEMAX；棒状镜

1 引言

所谓内窥镜，即由多个透镜组合而成，能在人体自然通道或微小创口内清晰成像的光学系统。一般内窥镜由物镜部分、传像部分和目镜部分组成。其特点是：尺寸较小，一般医用内窥镜的直径在2-6mm左右(该标准是对于常用硬式内窥镜而言)；镜头的视场大，可在人体内90°以上视场清晰成像。内窥镜的这些特点使其在微创手术中得到广泛应用[1]。

随着科学技术的发展，医用内窥镜的种类越来越多，主要功能也各不相同。一般医用内窥镜可分为硬式内窥镜、柔式内窥镜和电子内窥镜。硬式内窥镜的结构固定、不能弯曲、成像性好、分辨率高，通常的微创手术使用该类型内窥镜。柔式内窥镜的物镜是固定的光学系统，在传像时可进行局部的弯曲，通常在检查肠道疾病时使用该类型内窥镜。电子内窥镜是新型内窥镜，胶囊型内窥镜最具代表性，目前用在检查胃部病变情况。综合而言，柔式内窥镜和电子内窥镜一般被用于检查病人的病情，而硬式内窥镜被用于为微创手术提供良好的视野。近年来，微创手术已经被广大医生和病人接受，所以硬式内窥镜在医学上也越来越重要。

在手术过程中，内窥镜的成像有别于人眼直接观察，对于高清晰度的内窥镜而言，势必要求其在小孔径的情况下，能获得最大的视场、更高的分辨率和较大的景深。由于光学系统口径较小，单纯以提高入瞳直径的方法追求内窥镜的高分辨率容易引起像差增大并形成杂散光，导致成像质量下降。为了确保内窥镜观察准确和操作安全，设计者不得不牺牲部分分辨率，以保证光学系统的像质优良，使系统成像的清晰度提升有限[2]。因此如何提高医用硬式内窥镜的成像质量，提高其分辨率、增加视场范围，增大成像的景深是十分重要的问题。

2 设计实例

2.1 设计原理

通常硬式内窥镜主要由三个部分组成：将腔内的图像汇聚并成像于腔镜内的物镜部分；用于传导图像光线的传像部分；用于复原物镜所成图形的目镜部分。硬式内窥镜光学系统的工作原理是各种透镜间实现共焦传输，即前一透镜的像方焦平面和后一透镜的物方焦平面重合[3]。

(1)硬式内窥镜物镜部分

物镜是直接与人体接触的，一般将人体体液视为水，为保证物镜获得较大的视场，通常硬式内窥镜的物镜第一面透镜为平凹透镜。为适应人体结构，物镜部分可实现的功能也不同，目前有：不可变焦且不能转动的常规物镜；可变焦不可转动的自聚焦物镜；不可变焦可以一定角度旋转的旋转物镜。物镜部分的透镜组所实现的功能是一致的，在此以常规物镜为例，来介绍物镜部分的结构。如前述，物镜的第一块镜片是用来扩大物镜部分视场的平凹透镜；第二块透镜是用来汇聚凹面镜光线的凸透镜；第三块透镜是聚焦透镜，用来修正球差的双胶合透镜。具体结构如图1所示。

图1 硬式内窥镜常用的物镜结构

(2)硬式内窥镜传像部分

早期的内窥镜由多个甚至十几个薄透镜的组合来完成传像工作。这样的组合会导致前后透镜的像差叠加，使得整个光学系统的像差加大而难以消除[3]。即使采用双胶合透镜来弥补这一缺陷，也难以实现对多组透镜像差的改善。

为了改善像差，研究人员在单透镜组的基础上使用两组一样的透镜，便于校正垂轴像差。这种透镜的组合使得其物像共轭距较单透镜组的大，但是这样增加了两个折射面，减小了系统对光能的传输，并且两组透镜的安装工作较之单透镜组的要大得多。

后来研究人员发明了Hopkins棒镜结构。这种结构在系统的物镜和目镜间插入长度比一般双胶合透镜要长许多的棒状双胶合透镜，该透镜组类似无焦系统，其传像原理与光纤传像类似。在设计上会使Hopkins棒镜的β=-1，使得传像部分的畸变和彗差在结构上自动校正，从而减小了光学系统的整体像差。这也是目前大多数硬式内窥镜的传像部分采用Hopkins棒镜的原因。

(3)硬式内窥镜的目镜部分

通常硬式内窥镜的目镜部分是双胶合的凸透镜，用于进一步消除像差。因为目镜处于人体外，其尺寸不会受到过多的限制，但是因为内窥镜光学系统有别于望远系统和显微系统，它既是物方远心光路又是像方远心光路，在设计时应保证目镜具有短焦距、大视场等特点。

2.2 设计指标及结构选择

在光学系统设计中，需要根据光学仪器的性能要求来确定所需要的光学系统的参数。一般需要确定光学系统的焦距、视场角、相对孔径和系统的成像要求(如：畸变大小、艾里斑半径大小)。

在硬式内窥镜光学系统设计中，根据《医用内窥镜及附件通用要求》国家标准，可以取物镜的外径为6mm，分辨率在13～16lp/mm，可视范围(景深)为3～100mm。假设光学长度为200mm，物镜光学长度在20mm以内，物距为50mm。参考Tachihara的专利(1998)中内窥镜光学系统的参数[4]，确定本次内窥镜的设计要求如表1所示：

表1 硬式内窥镜的设计要求

(1)物镜结构的选择

内窥镜在设计时，不仅要求大视场而且要求其满足一定的后工作距，便于放置和调试后续元器件。反远距型结构具有以下两个特点：对后组透镜的相对孔径需求较大，对视场角需求较小，这有利于与后组Hopkins棒状镜组的组合；当平行光从负透镜的前组入射时，经过发散后，后组透镜成像在焦平面上，系统可移出物镜之外，从而获得比焦距长的后工作距离。基于以上两个特点选取反远距型结构作为内窥镜的物镜。图2为硬式内窥镜物镜结构图。

图2 硬式内窥镜物镜结构图

(2)传像结构的选择

根据硬式内窥镜的设计要求选择结构对称的Hopkins棒镜作为传像部分。在ZEMAX中得出的Hopkins棒镜结构如图3所示：

图3 Hopkins棒镜结构

(3)目镜结构的选择

目镜具有大视场小焦距的特点，其结构如图4所示：

图4 内窥镜的目镜结构

(4)物镜和传像系统的设计

早期的内窥镜光学系统是分开设计物镜和传像系统的，这样当两个系统组合在一起时，两者的像差会再次叠加从而加大设计的难度。所以在设计过程中，内窥镜的物镜部分和传像部分要组合在一起进行优化。一般传像部分选择奇数组Hopkins棒镜组，可以使畸变自动校正，并减少光学系统的彗差。本文采用三组Hopkins棒镜组，经ZEMAX运行计算后，我们可以得到物镜和传像系统的初始结构如图5所示：

图5 物镜及传像系统结构图

2.3 设计结果及像质评价

在优化后的物镜及传像系统结构参数的基础上加上目镜组部分后，再经过整体优化后，最终得到了符合像质要求的内窥镜光学系统，其外形结构如图6所示：

图6 优化后的内窥镜光学系统结构图

优化后内窥镜光学系统的MTF图如图7所示：

图7 优化后的MTF传递函数图

由图7可知，系统经过优化以后，在边缘视场的MTF值为0.35大于所要求的0.3，满足设计要求。

系统优化后的RSM图如图8所示：

图8 优化后的点列图

图8中点列图的最大均方根半径为14.86um，小于艾里斑半径20um，满足设计要求。

优化后系统的场曲和畸变图如图9所示：

图9 优化后的场曲和畸变

由图9中的数据可以看出优化之后系统的场曲在0.25mm之内，畸变在30%以内，较优化之前有改善，另外像散也得到了校正，符合设计要求。

3 结论

我们设计的硬式内窥镜光学系统的结构参数是根据《医用内窥镜及附件通用要求》的国家标准确定的。在设计过程中，参考了Tachihara专利中的结构形式，并根据设计要求将该专利中的Hopkins棒镜改为对称结构，将5mm的物距增加到50mm，将50°视场角提扩大到100°。在增大视场的情况下，势必会增加系统的彗差和场曲；在加大了物距的情况下，会影响系统的分辨率和镜头的焦距，同时光学系统的参数也会发生改变。这些改变将加大对原始数据的处理难度，在优化设计的时候就必须将镜头数据和理论参数进行比对，从而通过ZEMAX拟合出理想的光学系统结构参数。

为避免物镜和传像系统分开设计后再组合在一起时，两者的像差叠加而增加设计的难度，我们将内窥镜的物镜部分和传像部分组合在一起进行设计并优化，最后对整个内窥镜光学系统再进行优化，最终的像差均符合设计要求。系统的MTF在低频部分30lp/mm时MTF大于0.5，在高频部分50lp/mm时，MTF均大于0.3，这是符合设计要求的；各个视场对应的点列图均方根半径均小于艾里斑半径20mm，满足设计要求；在物距50mm处系统的最大场曲和畸变分别为0.25mm和30%，刚好达到系统对畸变的要求。

鉴于医用硬式内窥镜光学系统对物镜部分和传像部分的契合度有较高的要求，而在成像性质上主要依赖玻璃光学系统，不能消除透镜本身固有的成像缺陷。这些问题将限制硬式内窥镜的进一步发展。因此，后期将对电子内窥镜系统展开相应的研究。

[1]赵秋玲,王霞,关立强. 900视向角口腔内窥镜光学系统设计[J].光子学报, 2009 , 38 (6) :1482-1485.

[2] 禹璐,程德文,周伟.大景深高清硬性内窥镜光学系统的优化设计[J].光学学报, 2013 , 33(11): 213-221.

[3] 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):9-11.

[4] Milton Laikin著,周海宪，程云芳译. 光学系统设计[M].北京：机械工业出版社,2009年7月.

Design of Medical Hard Endoscope Optical System

JI Zi-juan, ZHANG Hai-tao
(School of Physics and Electronics Information, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

Due to the rise of minimally invasive surgery, medical endoscope system attracts increasing attention. This paper mainly studies the structure and optical parameters of the hard endoscope optical system. Using the ZEMAX software, we simulate and optimize the optical system, the design results of structure parameters and aberrations are complied with the design requirements, and the system has practical value.

endoscope optical system; resolution; ZEMAX; rod lens

TN2

A

1674-344X(2017)8-0042-04

2017-06-11

湖北省教育厅科学研究计划指导性项目(B2016218)

吉紫娟(1981-)，女，江苏常熟人，讲师，工学硕士，研究方向为光电技术、光学设计。