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个护健康美容

医用内窥镜开发设计


内窥镜的应用在五官科(耳鼻咽喉)相关的疾病治疗中是相当广泛的,我们设计的这款用于耳内的内窥镜可以很好地满足现在耳科学应用,设计的分辨类达到100lp/mm。图像清晰,完全可以满足耳科科学的医学应用。内窥镜的主要作用就是确定观察病变组织,提早进行诊断治疗[1-2]。内窥镜在五官科(耳鼻咽喉)疾病诊疗过程中的应用是相当广泛的[3-4]。早期五官科的器械包括耳镜、间接鼻咽镜、间接喉镜等,属于第一代产品。而第二代产品将这些器材和设备整合形成。随着科技发展,出现了数字化高清五官科内窥镜诊疗工作站,可以提供高清五官科内窥镜视频。近年来,耳内窥镜在耳科临床医学中的应用越来越广泛。它通过将观测探头伸入耳内,在自备光源的照明下,有成像镜头拍摄耳朵的细节,成像在 CMOS 或 CCD 图像传感器上,经过光电转换和图像信号处理后送到显示器上,显示清晰放大的图像供医生观察。而目前市场上,大部分的耳内窥镜是代理国外公司的产品,自主研发的耳内窥镜极少。

一、设计思路

1.1 初始结构的选择

合理的初始结构选取才能得到一个良好的镜头,并且直接影响设计是否能够顺利的进行。其中有两种方法可供设计人员选择,一种是通过设计人员的经验使用近轴光学原理设计一个初始结构,然后逐步调整结构参数以得到需要的结果。但是仅仅依靠设计者创造初始机构是非常难的,需要设计人员拥有一定的工作经验和丰富的理论储备。另一种方法是在相关文献和专利中选取合适的初始结构进行光学设计,然后优化。本设计的初始结构采用一个美国专利作为设计起始点。初始结构的选取原则是光圈值与视场和设计指标要求相同,焦距可以通过缩放镜头大小来实现。

二、设计过程

2.1 初始结构的输入选取相应的初始结构后,就要对初始结构的各方面指标进行修改,通过对焦距的缩放及波长、视场角、F 数的输入,让初始结构达到一个基本的尺寸要求。首先将焦距缩放至 1.3mm 大小,再将 F 数设为 7.65,本文采用视场角来控制视场,在 Zemax中输入视场和波长以及初始结构的镜片参数[5]。

三、设计结果

镜头优化后的外形结构和系统参数如图 1、表 1 所示。该系统由 10 片透镜组合而成,其中有两组组双胶合透镜,两片双凸透镜,一片弯月形透镜,一片双凸透镜,一片平板透镜。其中玻璃材料从第一片到最后一片依次为:H-ZF62、H-LAF10L、H-LAK53A、H -ZLAF75A、H -ZLAF53A、H -LAK2、H -ZF7LA、K9、 F5、BAF8。冕牌玻璃与火石玻璃的搭配有利于校正像差。

表1

3.1 场曲和畸变

场曲反映了整个光学系统像面弯曲的情况,对于此类内窥镜镜头场曲小于 0.2 mm 即可,从图 2 可知,场曲校正在0.05mm 以内。另外,对于该低成本内窥镜镜头来说,畸变要求比较低,从图 2可知,边缘视场畸变在 10%以内,在 0.7 视场的时候,畸变在 5%左右,满足设计要求。


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3.2 调制传递函数

调制传递函数(MTF)是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经过光学系统成像后,其对比度(即振幅)的衰减程度。对于目视系统来说人眼的阈值为 0.3,对于摄像系统来说其阈值为0.1。如图 3 所示,在 100lp/mm 处,所有视场均大于 0.3。满足设计要求[7-8]。

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3.3 光扇图

光扇图是关于光瞳坐标函数的光线像差,绘图的数据是光线与像面交点的坐标和主光线与面交点的坐标之差。它们可以很好地反映像面上光线的实际会聚情况[9]。如图 4 所示,光线的会聚情况是比较良好的。

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3.4 点列图

由图 5 与图 6 可以看出,该系统各视场的成像弥散斑均方根半径均远远小于艾里斑半径,能量较集中,符合设计要求。


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3.5 相对照度

相对照度所指的是视场边缘照度与中心照度两者的比值而这个比值越高表示边缘越明亮。一般而言,相对照度在 50%以上便可以接受。由图 7 可知,本镜头的相对照度均在 70%以上,符合设计要求。

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四、公差分析

4.1 公差分析方法

为了提高这个光学系统成像方面的质量,该系统内的全部参数都需要分配可变公差,若系统对其中一个参数的变化波动较大或者较为敏感,系统则是需要比较高的性能水平,因此对这一组的公差要求应当要严格,反之可以应用比较宽松的公差。窥镜对成像要求相对较高,所以对光学系统公差要求较为严格。运用 ZEMAX 软件里面的公差计算和分析程序来计算光学系统里面各个参数性能下降的敏感度,也就是分析所有元件的加工、装调公差,

4.2 公差分配结果

运用 ZEMAX 光学设计软件,通过灵敏度分析、反转灵敏度分析及蒙特卡罗分析得到显微物镜合理的公差分配。通过计算分析每一公差参数在 Nyquist 空间频率 100lp/mm 处的 MTF 下降情况,最终确定合适的公差。灵敏度公差分析结果、蒙特卡罗公差分析结果分别如表 2、表 3 所示。蒙特卡罗公差分析结果显示该显微物镜系统 90% 以上的蒙特卡罗样本MTF0.156524163,每个样本为一个模拟加工、装调后的光学系统。

五、总结

通过建立此光学系统的理想初态与初始结构,利用 Zemax光学设计软件对结构进行优化设计,然后得到了一款达工业标准可生产的内窥镜镜头。该镜头相比其他同类镜头来说在 90°视场角下畸变控制较优秀,分辨率达 100lp/mm,更有利于观察病变组织。综上所述,该内窥镜满足医疗需要。



方案用到的产品

该方案成功案例

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