一次性口腔內窺鏡光學系統設計

呂思航，向陽，劉永坤，路雨桐

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

本次新冠疫情讓人們認識到了一次性口罩、防護服等一次性醫療產品對于傳染病防控的重要性，一次性醫療用品滅菌效果好，使用簡單方便，無需清洗消毒，可以大大減少醫療工作者的工作量，有利于預防院內感染的發生。牙周組織的健康狀況是人類健康的10大標準之一，每個人在一生中都難免會因為口腔問題到醫院進行檢查治療。目前國內醫療機構使用最多的是蛇牌、STORZ等外國品牌的口腔內窺鏡［1］，外國品牌的內窺鏡售價高昂，養護和維修不方便，現有的國產口腔內窺鏡體積較大，靈活性較差，患者的體驗較差，國內只有少部分學者針對上述情況，研發了一些性能更加優異的口腔內窺鏡，天津大學劉濤［2］設計了一款具有顯微放大功能的口腔微腔成像系統，系統成像分辨率高于100 lp/mm，青島科技大學趙秋玲［3］設計了一款90°視向角口腔內窺鏡光學系統設計，該光學系具有62°視場角，光學傳遞函數在80 lp/mm處成像良好，第四軍醫大學張宇［4］設計了一款數字化口腔內窺鏡，上述口腔內窺鏡成像較好，但加工制造和內窺鏡日常維護成本同樣高昂。滿足成像要求且患者體驗良好的口腔內窺鏡，由于價格高昂，需要重復使用，為避免交叉感染，每條內窺鏡在使用后必須經過6-10個步驟的清洗和消毒處理，耗時至少20分鐘。這一方面提高了內窺鏡的使用成本，加大了內窺鏡受損的可能，加重了醫療工作者的工作量。另一方面由于無法確定儀器的消毒狀況，患者仍需承受消毒不徹底帶來的交叉感染等風險。

本文基于以上問題，設計了一款一次性口腔內窺鏡，全視場62°，焦距3.3 mm，F數為5.6。系統采用6片式結構，由1片玻璃透鏡，4片塑料透鏡和1片轉像棱鏡組成，且所有透鏡均為球面，系統全長39.7 mm，加工成本低，結構簡單緊湊，具有較高的實用價值。

1 設計原理與參數計算

1.1 感光器件的選擇

目前常用的圖像傳感器有互補金屬氧化物半導體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD）。相比于CCD傳感器而言，CMOS傳感器功耗更低，攝像系統尺寸更小，且CMOS的價格遠低于相同規格CCD的價格，因此為了控制器件成本，本文采用CMOS傳感器作為本光學系統的圖像接收裝置［5］。

為了更好的接收光學系統所成圖像，通過比較選型，本文采用1/4英寸130萬像素MT9M112傳感器作為接收裝置，對角線大小為4 mm，像元尺寸為 2.8 μm×2.8 μm。

1.2 設計參數

口徑：光學系統是內窺鏡探頭中的核心部件，該部分組件主要由內窺鏡光學系統、LED照明系統、線路板等組成，口腔檢查時需要將探頭伸入患者口腔，探頭的體積越大，病人的檢查體驗越不好，同時也不利于進行細致的檢查，因此口腔內窺鏡的光學系統口徑應該盡量的小，目前市場上現有的內窺鏡產品尺寸普遍小于等于5 mm。

焦距：參考市面上的口腔內窺鏡產品和醫生的使用需求，將內窺鏡視場角定為2w=62°，則該內窺鏡的焦距為：

其中，h為像高；w為半視場。

空間頻率：本文采用的CMOS傳感器像敏單元尺寸為 2.8 μm×2.8 μm，則空間頻率fc為：

光譜范圍：該系統采用白光LED冷光源照明，根據LED的光譜范圍，將系統的光譜范圍定為486～656 nm。

景深：定焦鏡頭一般需要較長的景深，可以節省鏡頭對焦時間，考慮到口腔內部組織的結構特征以及檢查需求，該鏡頭景深應大于等于10 mm。

一次性口腔內窺鏡屬于醫用內窺鏡的一種，對其視向角、視場角、口徑大小、CMOS選型等進行綜合考慮分析，確定出光學系統的設計指標如表1所示。

表1 設計參數指標表

2 光學設計

2.1 初始結構的選擇

口腔內窺鏡物鏡是口腔內窺鏡的主要部件，也是整個口腔鏡系統成像質量的核心體現，為了減小患者在做內鏡檢查時的不適，物鏡部分結構應當緊湊，尺寸需要盡可能的小；同時在減輕患者不適的基礎上，也要滿足醫生檢查時大視野、高清晰度成像的需求，綜合考慮這些因素，可以確定一次性口腔內窺鏡的結構特點應為：大視場、小孔徑、大景深，短焦距等。

針對一次性口腔內窺鏡大視場、小孔徑、大景深等特點，可知在初始結構選取方面，光闌盡可能的處于整個系統的中間位置，即盡量采用雙高斯結構；針對短焦距長工作距的需求，采用反遠距結構。負光焦度透鏡作為前組，正光焦度透鏡作為后組，入射光經前組發散后，被后組成像在焦面上，反遠距結構的主面在物鏡之外，因此可以獲得比焦距更長的工作距離［6］。

為了實現視向角90°的要求，方便醫生的觀察，在物鏡中加入五角棱鏡。設計時將五角棱鏡按照入射光線反射的順序，以反射面和主截面的交線為軸，依次將主截面翻轉180°，反射棱鏡展開后相當于一塊平行平板［5］。該平板厚度即為反射棱鏡的光軸長度L。

其中，D為進入五角棱鏡的通光口徑。參照其它同類口腔內窺鏡產品結構和實際設計要求將D值定為4 mm，則反射棱鏡光軸長度約為13 mm。圖1為棱鏡安裝效果圖。

圖1 棱鏡安裝效果圖

實際制造安裝的五棱鏡光程可能小于設計中展開的等效平行平板光程，需要在五角棱鏡后額外增加一塊平行平板A，對不足的光程進行補償。

綜合考慮上述因素，在專利庫中選擇了一款電子內窺鏡物鏡作為初始結構，表2為該電子內窺鏡物鏡的光學參數。

表2 初始結構光學參數指標

初始結構如圖2所示，該結構由提供負光焦度的前組和提供正光焦度的后組組成，第一片透鏡為藍寶石保護玻璃；為獲得較大的視場角，第二片為折射率較大的平凹透鏡，其光焦度為負；第三片為由五角棱鏡展開的平板，第四片透鏡為正透鏡；而之后的鏡片組成為兩組膠合透鏡和一片單透鏡［7］。

圖2 初始結構

2.2 優化過程

圖2中的光學系統所有透鏡材料均為玻璃，采購和加工成本較高，無法滿足一次性使用的要求。為降低制造成本，需要在優化過程中盡可能的將玻璃材料替換為加工制造成本更為低廉的塑料材料，并簡化鏡頭結構，減少鏡片數量。具體優化過程如下：

（1）考慮到本次設計的鏡頭為一次性鏡頭，不需要考慮鏡片的磨損及內窺鏡與人體組織接觸造成的污染問題［8］，同時也是為了降低成本，將第一片藍寶石保護玻璃去掉，然后對初始結構的焦距進行縮放，由2 mm放大為4 mm，之后按照設計要求修改視場、入瞳孔徑等基礎參數。

（2）對修改后的初始結構像差進行分析。由于所設計的一次性口腔內窺鏡為大視場小孔徑系統的光學系統，從賽德爾圖上觀察可得與孔徑有關的球差、位置色差和正弦差等較小，而與視場有關的倍率色差、像散、場曲等軸外像差較大［9］，故需要進行像質優化。

（3）針對其結構特點，建立基于波前的RMS的評價函數，添加相應的操作數對系統進行優化：利用操作數EFFL、DMVA等進行焦距與口徑的設置；利用CTGT、MNCG、MNEG等進行透鏡形狀和間隔的控制，并根據每次優化的結果進行調整，直至滿足設計要求為止。

（4）在將光學系統優化到符合設計要求后，考慮到塑料材料無法進行膠合，將各膠合透鏡分離成單透鏡，并重新進行優化，直至符合設計要求。之后對比各透鏡玻璃材料與塑料材料的折射率及阿貝數，將后組透鏡材料逐個進行替換優化，最終將除第一片透鏡外的材料全部替換為塑料材料，考慮到結構成本問題將兩片像差校正貢獻較小的兩片透鏡刪去，并再次進行優化直至各類像差都滿足設計要求即可。

（5）最終優化得到一次性口腔內窺鏡系統F數5.6，焦距3.3 mm，最大口徑5 mm，全視場62°，視向角90°，總長39.7 mm，可見光波段成像，光學調制傳遞函數在178 lp/mm處大于0.25，滿足設計要求，表3為最終設計結果技術指標。

表3 設計結果指標

3 設計結果分析

3.1 光學系統結構圖

根據設計要求，本次設計的一次性口腔內窺鏡焦距為 3.3 mm，F數為 5.6，采用 1/4英寸MT9M112彩色CMOS，對角線尺寸為4 mm，靶面尺寸 3.2 mm×2.4 mm，全視場 62°，工作波段為可見光。光學系統結構如圖3所示，系統優化后由6片透鏡組成，兩片平凹透鏡，一片轉向棱鏡，兩片雙凸透鏡，一片雙凹透鏡組成，其均為球面鏡，鏡片最大機械直徑為5 mm，最小為3 mm，滿足設計要求。透鏡材料依次為H-ZLAF1，POLY‐CARB，POLYSTYR，ARTON_D4540 POLYCARB，ARTON_FX4727，1G+5P的材料結構組成，大大降低了一次性口腔內窺鏡的成本。

圖3 光學系統結構圖

3.2 光學調制函數

光學調制函數（MTF）是輸入目標圖像的對比度和輸出圖像的對比度的比值，是目前較為綜合性的評價標準。光學調制函數的值介于0～1之間，MTF值越接近1，則表明該系統的綜合成像質量越好［10］。一次性口腔內窺鏡MTF如圖4所示，在178 lp/mm處，所有視場均大于0.25，滿足設計要求。

圖4 光學系統傳函圖

3.3 點列圖

ZEMAX模擬無限遠處的發光點，平行射入入瞳，經光學系統成像在IMA面上，若光學系統為完美光學系統，則這些成像點應為一個理想的點，但在實際成像系統中會成像為一個彌散斑，而彌散斑在IMA上的像即為點列圖［11］。從圖5的光學系統點列圖可知該系統的彌散斑相對集中，大部分光線都集中在艾里斑半徑范圍內，雖然集中度不夠完美，但整體滿足成像需求。

圖5 光學系統點列圖

3.4 相對照度

相對照度表示的是視場邊緣照度與中心照度的比值，一般光學系統相對照度到達50%以上便可以進行觀察［12］。由圖6可知，本次設計的一次性口腔內窺鏡鏡頭的相對照度均在90%以上，完全符合設計要求。

圖6 光學系統相對照度

3.5 公差分析

在實際的鏡頭制造中，光學透鏡，隔圈等組件的加工誤差和鏡頭裝配公差往往會降低理論設計的性能水平，所以對設計結果進行公差分析，定義光學系統的來源和大小是十分必要的。參照現有的加工和裝配標準，利用ZEMAX軟件的公差分析功能，將口腔內窺鏡系統公差進行分配，表4為各個元件允許的公差容限。

表4 系統各元件允許的公差容限

在表4所示公差容限下，進行200次蒙特卡羅計算，分析在178 lp/mm處各個視場的MTF平均值變化，表5為蒙特卡羅公差分析結果，90%的鏡片在178 lp/mm處的MTF值大于0.265，滿足加工、裝配工藝的要求，并且可以保證光學系統的成像質量。

表5 蒙特卡羅分析結果

4 結論

一次性口腔內窺鏡作為一種新型口腔醫療診療設備，由于采用1G+5P的結構設計，加工成本遠低于現有的純玻璃鏡頭，使用時把口腔鏡鏡體插入操控把手，使用后只丟棄前端與病患組織接觸的鏡體管子，保留后端的操控把手，從而防止交叉感染的發生，大大地提高了檢查安全性。但本次設計仍然存在許多不足，本次設計未完全采用塑料材料，還可以通過優化將鏡片替換成塑料材料進一步降低成本。