一种高清光学系统眼镜设计.docx

一种高清光学系统眼镜设计 1 防压机与离子镜成像结合 医学图像是一种纤细的骨骼机器。它可以通过人体的天然孔道或微口进入体内，观察腔的组织和结构，诊断疾病，进行微创治疗，并在临床医学中得到广泛的应用。根据光学系统的结构, 内窥镜可分为硬性内窥镜、柔性内窥镜和胶囊内窥镜三类, 主要由物镜组、中继系统和目镜 (或传感器) 三部分组成。硬性内窥镜采用棒镜组成的中继系统, 可在传像的同时校正像差;而柔性内窥镜的中继系统为光纤束或电缆, 物镜组在光纤束端面或探测器上成像, 中继系统仅起到传像的作用, 不能校正像差。另一方面, 光纤内窥镜的分辨率受单根光纤直径以及排布方式的限制, 无法实现高清成像;而硬性内窥镜的分辨率由光学系统决定, 可通过优化设计得以提高。因此硬性内窥镜可实现更高的像质和分辨率, 此外, 硬性内窥镜还具有可进行高温消毒、价格低廉等特点, 因而在微创手术中具有重要地位。 从1806年第一支内窥镜被发明以来, 硬性内窥镜中继系统从最开始简单的单光组薄透镜结构发展到双光组薄透镜结构, 后来发展到Hopkins棒镜结构;照明系统也由灯丝照明改进为光纤束照明。为了全面降低手术风险, 提高对目标观察的精细程度, 要求内窥镜具有更高的分辨率和更大的景深。因此, 高清晰度 (HD) 成像是内窥镜发展的一个趋势。然而, 内窥镜成像的清晰程度不仅取决于其分辨率, 还要受到系统成像质量的限制。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。因此, 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, 而系统成像的清晰度提升有限。目前4mm内窥镜分辨率一般为13~16lp/mm。本文从提高硬性内窥镜分辨率、景深, 提高系统性能等角度出发, 研究了高清硬性内窥镜光学系统的设计方法, 研制出了具有超高分辨率、大景深、像质优良、结构简单的硬性内窥镜。 2 光学系统的孔径 高分辨率、成像清晰和大视场是医用内窥镜关键的光学指标, 对于提高光学系统的工作效率、增加获取的图像信息量有重要意义。若分辨率不佳, 组织特性和病灶区域的细节无法获取, 则失去内窥镜临床诊断的意义;若景深过小或者场曲过大, 则成像清晰范围不足, 视场周边模糊, 不仅导致医生眼睛不适, 而且造成视野丢失。 为了实现高清成像, 需要提高入瞳直径, 即相应增大光学系统孔径。然而由于微创外科的目的在于最大限度地降低患者的痛苦, 内窥镜光学系统的孔径大小受限;为了消除杂光, 需要确保光线不会入射到物镜和棒镜内壁上, 要求增大光学系统孔径;为了实现大景深, 需要降低系统的相对孔径。这些技术要求大幅增加了光学系统设计的难度。 内窥镜光学系统的理论中心分辨率为 式中D为系统的入瞳直径;λ为工作波长;d为系统的工作距离, 根据《医用内窥镜及附件通用要求》国家标准, 取为20mm。医用内窥镜的像质通常采用角分辨力ra(d) 评价, 是指入瞳中心对给定光学工作距处的最小可辨等距条纹宽的极限分辨角的倒数, 其单位为C/ (°) , 表达式为 内窥镜的中心分辨率与入瞳直径D成正比, 为实现高清成像, 需要尽可能提高D。对于外径为4mm的内窥镜, 如膀胱镜, 内、外镜管均为0.1mm壁厚的不锈钢管, 内、外镜管之间排布一千多根照明光纤, 光学透镜的直径只有2.7mm, 对应入瞳直径的极限值约为0.3mm。 大入瞳对应的孔径光阑尺寸很大, 成像光束的口径随之增大, 在外形细长的棒镜中传播时, 容易在透镜内壁发生全反射, 形成杂光, 如图1中紫色虚线所示;入射到隔圈内壁造成能量损失, 如图1中绿色虚线所示。为了避免这种现象, 需要提高光学系统的孔径。 光学系统的景深为 式中l1, l2分别为光学系统可清晰成像的最远及最近物距, l为对准平面距离, Z′为像平面上容许的光斑直径, f′为光学系统的焦距。 光学系统的景深与系统的入瞳直径、焦距、对准平面距离以及允许最大弥散光斑尺寸有关, 入瞳直径越大, 焦距越大, 对准平面距离越小, 则景深越小。本文中内窥镜的工作距离仅为20 mm, 在此基础上进一步提高入瞳直径, 因而不易实现大景深。 在对各项指标进行折衷考虑后, 在表1中列出了高清硬性内窥镜总体设计要求。 3 物镜系统的设计 在设计初期, 将硬性内窥镜光学系统分解成物镜、中继和目镜子系统。物镜组通常采用反摄远结构, 即物镜前组光焦度为负, 可采用单片负透镜, 起到实现较大的视场和使光束发散的作用, 物镜后组光焦度为正, 以实现较大的相对孔径, 同时具有较长的后截距。采用文献给出的物镜组作为物镜组初始结构, 其光路如图2所示。 物镜初始系统由6片透镜组成, 焦距为1.8mm, F数为6.6, 像高为1mm,