Ansys Zemax | 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升（上）

随风西阳

概述
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。(联系我们获取文章附件)
内窥镜系统简介
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。
内窥镜主要结构
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。

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）。

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。
内窥镜系统分析
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。
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。
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：

选取结构1（即1/3）可得到如下所示的内窥镜物镜视图：

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。

再看到镜头数据编辑器的圆锥系数列，如下图所示，可以看到其中一个透镜的圆锥系数的数值为-306.353，在实际的生产制造中，如果将圆锥系数控制在-100到100这个范围当中会比较利于生产加工，因此我们也可以对这个圆锥系数进行优化。

由于我们并不知道其他比如系统总长、机械孔径大小等具体的封装要求，因此这部分边界条件控制不在本文中进行讨论。
通常，对于成像质量较高的光学系统而言，仅考虑 RMS 光斑尺寸或者波前差的成像评判标准无法完整考虑系统因为衍射效应造成的成像质量降低，因此我们在此选用 MTF 作为当前内窥镜系统的成像评判标准，并执行后续优化。
点击打开当前系统的 MTF 曲线。通常情况下，我们会需要根据 CCD/CMOS 探测器对应的响应频率设置 MTF 的空间频率进行曲线观察，在这里我们选择 MTF 的空间频率显示至 70周期 /mm。
从结构2对应的 MTF 曲线图可得知，在35周期 /mm 时，系统的 MTF 为0.42左右；在70周期 /mm 时，系统的 MTF 为 0.13 左右。

从结构3对应的 MTF 曲线图可得知，在35周期 /mm 时，系统的 MTF 为0.32左右；在70周期 /mm 时，系统的 MTF 为0.09左右。
点击分析-像差分析-场曲 / 畸变功能，分别选择不同的结构，可得到如下图所示的畸变曲线：

从结构1的畸变曲线可看出，系统内最大畸变为 -21.12%，畸变程度较大。通过文本数据结果也可以查看到 0.5 相对视场高度时（通常为观测区域），其畸变值为 -5.64%。

从结构 2 的畸变曲线可看出，系统内最大畸变为 -21.17%，畸变程度较大。通过文本数据结果查看到 0.5 相对视场高度时，畸变值为 -5.58%。

而从结构 3 的畸变曲线可看出，系统内最大畸变为 -21.4%，0.5 相对视场高度时，畸变值为 -5.98%。
由于内窥镜物镜的总长和体积都比较小，难以在短距离和小口径镜片中矫正畸变，三种结构中的畸变值总体上都是可以接受的。