內(nèi)窺鏡影像白平衡鍍膜技術(shù)

郝天宇 曹 軼 關(guān) 旭 楊振華 田 丹

（沈陽沈大內(nèi)窺鏡有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著薄膜工藝的發(fā)展，多層減反膜大量應(yīng)用在各類光學(xué)設(shè)備中，可以有效地提高光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)。例如，7塊平板系統(tǒng)在波段內(nèi)的總透射率如下（估計(jì)值）：未鍍膜=0.92≈55.7%，鍍膜后=0.99≈93.2%，其透射能量大約提高了25%。對硬管內(nèi)窺鏡來說，其結(jié)構(gòu)中一般包括十幾組鏡片，因此，高質(zhì)量的鍍膜工藝已成為不可或缺的環(huán)節(jié)，它可以決定最終成像的清晰度。

光源的光譜分布決定光源的顯色性，光源的顯色性會影響人眼觀察物體的顏色，顯色性較低就會出現(xiàn)偏色、圖像失真的問題。因?yàn)樵诶脙?nèi)窺鏡進(jìn)行診斷時(shí)，其病灶的血液、組織的顏色變化是判斷是否病變的重要指標(biāo)，所以除了對清晰度有較高的要求之外，還要使內(nèi)窺鏡成像達(dá)到白平衡，以還原物體的色彩。該文基于不同折射率玻璃基片的透射光譜，計(jì)算R、G以及B三分量的平均透過率，通過灰度世界法（GWM）、顏色互補(bǔ)原理，以氙燈為光源，運(yùn)用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)透過率高且又滿足白平衡需求的膜系，使光最終通過硬管內(nèi)窺鏡R、G以及B三分量的相對強(qiáng)度近似相等，從而使內(nèi)窺鏡成像時(shí)達(dá)到色彩平衡的目的，得到更為真實(shí)的影像。

1 硬管內(nèi)窺鏡結(jié)構(gòu)

內(nèi)窺鏡攝像系統(tǒng)主要包括冷光源、光學(xué)視鏡、醫(yī)用攝像機(jī)以及醫(yī)用監(jiān)視器。成像原理如下：光源發(fā)出的光通過傳光束（光纖），經(jīng)內(nèi)窺鏡主體傳遞到人體內(nèi)部，從而照亮人體內(nèi)腔組織需要檢查的部位，物鏡將待檢查組織成像在面陣CCD上，由CCD驅(qū)動(dòng)電路控制CCD采集圖像，并輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻信號。

光學(xué)視鏡是內(nèi)窺鏡的主體，其外觀是1個(gè)細(xì)長的金屬管子，而里面裝著一個(gè)由許多透鏡組成的完整的光路傳輸系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由物鏡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)像系統(tǒng)以及目鏡系統(tǒng)組成，如圖1所示。被觀察物經(jīng)物鏡形成倒像，通過轉(zhuǎn)像系統(tǒng)將倒像轉(zhuǎn)為正像，并將其傳輸?shù)侥跨R，目鏡放大正像后將其傳輸?shù)胶蠖擞跋裣到y(tǒng)。

圖1 內(nèi)窺鏡光學(xué)成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

按醫(yī)用內(nèi)窺鏡功能可以分為婦科、消化科以及泌尿科等不同類型，它們的功能和工作長度等參數(shù)也不相同。該文以喉鏡光學(xué)成像系統(tǒng)為例，物鏡系統(tǒng)由牌號為ZLAF75、LAK7、ZK14以及ZF51的4種鏡片組成；轉(zhuǎn)像系統(tǒng)由牌號為F5、k9以及F5的3個(gè)鏡片組成1組，共6組；目鏡系統(tǒng)由牌號為ZF2、BAK7以及K9的3種鏡片組成。

硬管內(nèi)窺鏡采用氙燈光源，氙燈會發(fā)出色溫高達(dá)4 000 K的光芒，而色溫大約為4 000 K的光色正好是最白且略微開始轉(zhuǎn)藍(lán)的色溫，它最接近正午日光的顏色，這個(gè)色溫白中帶黃，是人眼最適應(yīng)的顏色（也具有較高的穿透力）。通過查詢相關(guān)數(shù)據(jù)得到氙燈光源光譜如圖2所示，R、G以及B三分量的相對強(qiáng)度分別為=47%、=48%以及=50%。

圖2 氙燈光源光譜圖

2 白平衡算法

白平衡就是針對不同色溫條件去除非正常顏色的過程，通過調(diào)整分量增益來消除偏色，使拍出來的圖像達(dá)到正確的色彩平衡，更符合人眼視覺習(xí)慣。同時(shí)，因?yàn)榘坠庵械?R、G以及B三分量強(qiáng)度相同，所以可以校正白色光，也可以校正其他顏色的光。同理，因?yàn)榛疑庵小⒁约叭至恳蚕嗤砸部梢酝ㄟ^校正灰色的光來達(dá)到白平衡的目的。

灰度世界理論假設(shè)：當(dāng)任一顏色出現(xiàn)足夠的色彩變化時(shí)，它的R、G以及B三分量的均值會趨于相等。這是一個(gè)在自動(dòng)白平衡方面應(yīng)用極為廣泛的理論，如公式（1）所示。

式中：、以及分別為紅色、綠色以及藍(lán)色分量的均值。

基于上述理論，為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡影像的白平衡，需要光源通過整個(gè)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)后，接收到的紅色、綠色以及藍(lán)色分量的相對強(qiáng)度相等，如公式（2）所示。

3 膜系設(shè)計(jì)

3.1 基片透過率

光學(xué)玻璃以二氧化硅為主要成分，不同牌號的玻璃的折射率不同，基片透過率也不同。因?yàn)橥徊ＡР煌ㄩL位置對光的吸收程度不同，短波處（400 nm~500 nm）吸收大，透過率低。其中，因?yàn)楦哒凵渎什ＡФ滩ㄌ幍奈宅F(xiàn)象更為明顯，所以在設(shè)計(jì)膜系之前要了解各種玻璃在R、G以及B三分量處的平均透過率，只有這樣才可以利用針對性的膜系設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)平衡。基片的透過率如公式（3）所示。

式中：為基片透過率；為基片的折射率；為基片的內(nèi)透過率。

不同波長位置的內(nèi)透過率不同，透過率也不同，取多點(diǎn)可分別算得R、G以及B三分量處的平均透過率T、T以及T，見表1。

3.2 膜系設(shè)計(jì)

用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件在400 nm~700 nm波段進(jìn)行膜系設(shè)計(jì)。根據(jù)表1中的基片透過率的短波的透過率偏低（波長越短，基片對光的吸收越明顯）。因此，在膜系設(shè)計(jì)時(shí)，盡量降低B 分量所處波段的反射率，將其控制在0.1%~0.3%。相對提高R、G 分量的反射率，將其控制在0.3%~0.5%。以k9的膜系設(shè)計(jì)為例，打開TFC膜系設(shè)計(jì)軟件，設(shè)定環(huán)境參數(shù)（參考波長為550 nm、入射角度為0°，基底為k9）。選用LHLHL的5層基礎(chǔ)膜系（L選用二氧化硅（SiO），H選用鈦酸鑭（H）。將優(yōu)化目標(biāo)targets-continuous設(shè)置為3個(gè)部分：400 nm~500 nm反射率設(shè)置為0.2%~0.3%；500 nm~600 nm反射率設(shè)置為0.3%~0.4%；600 nm~700 nm反射率設(shè)置為0.3%~0.5%，優(yōu)化后得到膜層數(shù)據(jù)為2.11L0.46H0.28L0.94H1.04L。從3個(gè)系統(tǒng)中再各取1種材料來設(shè)計(jì)膜系，結(jié)果見表2。4種基片結(jié)合設(shè)計(jì)膜層的光譜反射曲線如圖3~圖6所示。

圖3 K9反射光譜曲線

圖6 zlaf75反射光譜曲線

表1 基片三通道平均透過率

表2 膜系設(shè)計(jì)

根據(jù)其他基片的折射率選取合適的鍍膜材料組合（例如二氧化硅/鈦酸鑭、三氧化二鋁/鈦酸鑭/氟化鎂等），通過對軟件進(jìn)行優(yōu)化可以設(shè)計(jì)出符合要求的反射光譜曲線。鍍膜后基片的透過率如公式（4）所示。

式中：為鍍膜后基片透過率；為基片透過率；為基片的折射率；為鍍膜后基片的反射率。

鍍膜后每種基片的三分量透過率、以及見表3。

表 3 鍍膜三通道平均透過率

3.3 鍍制工藝

采用真空鍍膜機(jī)并結(jié)合物理氣相離子輔助沉積方式鍍膜。箱體尺寸為1 100 mm，配置2套JEOL電子槍，離子源采用霍爾離子源，由IC6晶控加單點(diǎn)光源精確控制膜厚。

操作步驟如下：將清洗好的鏡片、反射測試片放置在真空鍍膜機(jī)中，將鍍膜機(jī)抽真空直至壓強(qiáng)為2×10Pa，烘烤溫度設(shè)定為300 ℃，恒溫50 min后預(yù)熔鍍膜材料，鍍制前離子轟擊清洗20 min，選擇對應(yīng)的程序進(jìn)行多層膜鍍制。膜厚控制方式為晶控，全程離子源輔助轟擊，鍍完冷卻20 min后放氣。通過島津UVProbe-2450分光光度計(jì)測試得到反射光譜曲線。

圖4 F5反射光譜曲線

圖5 zf2反射光譜曲線

3.4 結(jié)果分析

結(jié)合圖1和表2可得內(nèi)窺鏡整體系統(tǒng)的R、G以及B三分量透過率見表4；由透過積分球檢測法獲得實(shí)際內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的透射光譜曲線（如圖7所示），并計(jì)算出實(shí)際內(nèi)窺鏡系統(tǒng)R、G以及B三分量的透過率見表4。

圖7 實(shí)際內(nèi)窺鏡透過率光譜圖

表 4 設(shè)計(jì)透過率與實(shí)測透過率

對比設(shè)計(jì)與實(shí)測的透過率值，可以看出鏡片對光有一定的吸收，導(dǎo)致實(shí)際測得的透過率會略低于理論值。將實(shí)測值帶入公式（2）可得R、G以及B三分量最終相對光強(qiáng)分別為42.14%、42.50%和43.30%，數(shù)值近似相等，符合世界灰度理論假設(shè)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的白平衡，分辨率大于10 Lp/mm。

4 結(jié)論

該文根據(jù)灰度世界法（GWM）、顏色互補(bǔ)原理、氙燈光源的相對光強(qiáng)分布以及不同折射率玻璃基片的透射光譜，計(jì)算R、G以及B三分量的平均透過率。運(yùn)用TFC膜系設(shè)計(jì)軟件和真空鍍膜技術(shù)設(shè)計(jì)并制造高透過率且又有針對性調(diào)整的增透膜，光最終通過硬管內(nèi)窺鏡R、G以及B三分量的相對強(qiáng)度近似相等，從而使內(nèi)窺鏡成像時(shí)達(dá)到色彩平衡的效果，得到更為真實(shí)的影像。