醫(yī)用內窺鏡開發(fā)設計

內窺鏡的應用在五官科（耳鼻咽喉）相關的疾病治療中是相當廣泛的,我們設計的這款用于耳內的內窺鏡可以很好地滿足現(xiàn)在耳科學應用，設計的分辨類達到100lp/mm。圖像清晰，完全可以滿足耳科科學的醫(yī)學應用。內窺鏡的主要作用就是確定觀察病變組織，提早進行診斷治療[1-2]。內窺鏡在五官科（耳鼻咽喉）疾病診療過程中的應用是相當廣泛的[3-4]。早期五官科的器械包括耳鏡、間接鼻咽鏡、間接喉鏡等，屬于第一代產(chǎn)品。而第二代產(chǎn)品將這些器材和設備整合形成。

隨著科技發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化高清五官科內窺鏡診療工作站，可以提供高清五官科內窺鏡視頻。近年來，耳內窺鏡在耳科臨床醫(yī)學中的應用越來越廣泛。它通過將觀測探頭伸入耳內，在自備光源的照明下，有成像鏡頭拍攝耳朵的細節(jié)，成像在 CMOS 或 CCD 圖像傳感器上，經(jīng)過光電轉換和圖像信號處理后送到顯示器上，顯示清晰放大的圖像供醫(yī)生觀察。而目前市場上，大部分的耳內窺鏡是代理國外公司的產(chǎn)品，自主研發(fā)的耳內窺鏡極少。

一、設計思路

1.1 初始結構的選擇

合理的初始結構選取才能得到一個良好的鏡頭，并且直接影響設計是否能夠順利的進行。其中有兩種方法可供設計人員選擇，一種是通過設計人員的經(jīng)驗使用近軸光學原理設計一個初始結構，然后逐步調整結構參數(shù)以得到需要的結果。但是僅僅依靠設計者創(chuàng)造初始機構是非常難的，需要設計人員擁有一定的工作經(jīng)驗和豐富的理論儲備。另一種方法是在相關文獻和專利中選取合適的初始結構進行光學設計，然后優(yōu)化。本設計的初始結構采用一個美國專利作為設計起始點。初始結構的選取原則是光圈值與視場和設計指標要求相同，焦距可以通過縮放鏡頭大小來實現(xiàn)。

二、設計過程

2.1 初始結構的輸入選取相應的初始結構后，就要對初始結構的各方面指標進行修改，通過對焦距的縮放及波長、視場角、F 數(shù)的輸入，讓初始結構達到一個基本的尺寸要求。首先將焦距縮放至 1.3mm 大小，再將 F 數(shù)設為 7.65，本文采用視場角來控制視場，在 Zemax中輸入視場和波長以及初始結構的鏡片參數(shù)[5]。

三、設計結果

鏡頭優(yōu)化后的外形結構和系統(tǒng)參數(shù)如圖 1、表 1 所示。該系統(tǒng)由 10 片透鏡組合而成，其中有兩組組雙膠合透鏡，兩片雙凸透鏡，一片彎月形透鏡，一片雙凸透鏡，一片平板透鏡。其中玻璃材料從第一片到最后一片依次為：H-ZF62、H-LAF10L、H-LAK53A、H -ZLAF75A、H -ZLAF53A、H -LAK2、H -ZF7LA、K9、 F5、BAF8。冕牌玻璃與火石玻璃的搭配有利于校正像差。

3.1 場曲和畸變

場曲反映了整個光學系統(tǒng)像面彎曲的情況，對于此類內窺鏡鏡頭場曲小于 0．2 mm 即可，從圖 2 可知，場曲校正在0．05mm 以內。另外，對于該低成本內窺鏡鏡頭來說，畸變要求比較低，從圖 2可知，邊緣視場畸變在 10%以內，在 0.7 視場的時候，畸變在 5%左右，滿足設計要求。

3.2 調制傳遞函數(shù)

調制傳遞函數(shù)(MTF)是表示各種不同頻率的正弦強度分布函數(shù)經(jīng)過光學系統(tǒng)成像后，其對比度(即振幅)的衰減程度。對于目視系統(tǒng)來說人眼的閾值為 0.3，對于攝像系統(tǒng)來說其閾值為0．1。如圖 3 所示，在 100lp/mm 處，所有視場均大于 0.3。滿足設計要求[7-8]。

3.3 光扇圖

光扇圖是關于光瞳坐標函數(shù)的光線像差，繪圖的數(shù)據(jù)是光線與像面交點的坐標和主光線與面交點的坐標之差。它們可以很好地反映像面上光線的實際會聚情況[9]。如圖 4 所示，光線的會聚情況是比較良好的。

3.4 點列圖

由圖 5 與圖 6 可以看出，該系統(tǒng)各視場的成像彌散斑均方根半徑均遠遠小于艾里斑半徑，能量較集中，符合設計要求。

3.5 相對照度

相對照度所指的是視場邊緣照度與中心照度兩者的比值而這個比值越高表示邊緣越明亮。一般而言，相對照度在 50％以上便可以接受。由圖 7 可知，本鏡頭的相對照度均在 70％以上，符合設計要求。

四、公差分析

4.1 公差分析方法

為了提高這個光學系統(tǒng)成像方面的質量，該系統(tǒng)內的全部參數(shù)都需要分配可變公差，若系統(tǒng)對其中一個參數(shù)的變化波動較大或者較為敏感，系統(tǒng)則是需要比較高的性能水平，因此對這一組的公差要求應當要嚴格，反之可以應用比較寬松的公差。窺鏡對成像要求相對較高，所以對光學系統(tǒng)公差要求較為嚴格。運用 ZEMAX 軟件里面的公差計算和分析程序來計算光學系統(tǒng)里面各個參數(shù)性能下降的敏感度，也就是分析所有元件的加工、裝調公差。

4.2 公差分配結果

運用 ZEMAX 光學設計軟件，通過靈敏度分析、反轉靈敏度分析及蒙特卡羅分析得到顯微物鏡合理的公差分配。通過計算分析每一公差參數(shù)在 Nyquist 空間頻率 100lp/mm 處的 MTF 下降情況，最終確定合適的公差。靈敏度公差分析結果、蒙特卡羅公差分析結果分別如表 2、表 3 所示。蒙特卡羅公差分析結果顯示該顯微物鏡系統(tǒng) 90% 以上的蒙特卡羅樣本MTF0.156524163，每個樣本為一個模擬加工、裝調后的光學系統(tǒng)。

五、總結

通過建立此光學系統(tǒng)的理想初態(tài)與初始結構，利用 Zemax光學設計軟件對結構進行優(yōu)化設計，然后得到了一款達工業(yè)標準可生產(chǎn)的內窺鏡鏡頭。該鏡頭相比其他同類鏡頭來說在 90°視場角下畸變控制較優(yōu)秀，分辨率達 100lp/mm，更有利于觀察病變組織。綜上所述，該內窺鏡滿足醫(yī)療需要。