光学仪器设计之内窥镜
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医学光学仪器课程论文
题
目：电子内窥镜光学系统设计
学生姓名：丁雪梅 班级学号：120811207
二〇一五年十二
摘要：本文简要叙述了内窥镜的一般发展历史及现状，以及电子内窥镜在医疗领 域的应用，通过学习电子内窥镜的工作原理以及其系统结构，完成了物镜系统、 转像系统、 目镜系统光学参数的计算和光学结构的设计与研究。设计出的系统达 到的技术指标为：视场角：70°，外径：6mm，工作长度：300mm；物镜焦距： 2.55mm，目镜焦距：12.5mm，转像系统长度：277.3mm。该初始系统是设计电 子内窥镜的基础。 关键词：电子内窥镜；双目视差双光路；光学系统设计；光学结构选择 Abstract：This paper briefly describes the general development history and status of endoscopy, and the application of electronic endoscope in the medical field, by studying the working principle of the electronic endoscope and its system structure, completed the objective lens system as a system, the eyepiece optical parameters of calculation and the structure of the optical design and research. Design the system of technical indicators for: viewing Angle: 70 ° , outer diameter: 6 mm, length: 300 mm; Objective lens focal length is 2.55 mm, the eyepiece focal length of 12.5 mm, like system length 277.3 mm. Keywords：Electronic endoscope；binocular parallax and double light path,；the optical system design；optical structure choice.
一、电子内窥镜研究背景：
内窥镜在短短 200 年的发展历程中，其结构发生了 4 次重大的改进,从最初 的硬管式内窥镜、半屈式内窥镜到之后的纤维内窥镜，又到如今的电子内窥镜。 目前的软性光导纤维内窥镜可完全消灭胃内盲区，不仅能观察、活体取样，装上 照相机可以在直视下拍摄彩色照片，而且能通过内窥镜做多种胃内手术；但是， 因为采用上万根光学玻璃纤维束扎成一束作为导光束，玻璃纤维容易折断，折断 后会出现黑点， 这是当前生产玻璃纤维内窥镜的技术难点。而且光纤内窥镜只能 由 1 人观察作诊断或治疗,而电子内窥镜则可通过监视器让多人同时观察由内窥 镜取得的图像。 正因为如此， 近年来在世界范围内电子内窥镜的普及正以锐不可挡的势头持 续发展着；相应地临床对电子内窥镜的信赖度及其需求量也呈上升趋势[1]。世界 内窥镜及其附件市场的营业额在 20 世纪初就已达 25 亿美元以上。 其中美国的市 场比例占 47.7%，而且其年增长率是 11%。欧洲市场以德国和法国为首，以 Korl Storz 和 Kichatd Wolf 公司规模最大。其发展趋势是人性化智能化，能与超声技 术和荧光诊断等光动力疗法相结合，能与计算机应用如远程监控相结合等。
二、电子内窥镜的基本原理
2.1.工作原理
电子内窥镜用先进的微电子器件代替传统内窥镜软性光导纤维的纤维导像 束和目镜，通过装在内窥镜先端部的电荷祸合器件 CCD，将传送过来的光学图 像转换成电子图像， 经电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现图像
[2]
。 电子内窥镜可以利用 LED 显示器直接观察图像，实际上是集光学、机械、
电子计算机技术于一体的医疗器械[3]。其先端的 CCD 固体摄像器，将光学图像 进行 A/D 转换后由电线导出从而显示在 LED 显示器上，相当于一个电视摄像机 送入体腔，实际上是一套微型彩色摄影系统。 2.2. 双目视差原理 目前应用到内窥镜的立体显示技术就是根据双目视差原理[4]研制的。双目视 差基本原理就是人眼从两个稍有不同的角度观看同一场景时， 三维客观世界分别 投影到人左右眼的视网膜中， 形成两幅具有视差相关性的差异图像，人脑根据视 差自动计算出场景中各点与人的距离，从而得到场景的深度信息形成立体感。由 于内窥镜探入到人体腔内， 我们借助两个 CCD 拍摄到两幅具有视差相关性的图 像并传输显示到二维屏幕上， 在显示端使用相应的图像分离技术使左右图像分别 进入人的左右眼，则人脑就可以自动融合成立体图像，得到深度信息。
三、电子内窥镜的系统结构
为使医生可以在不开腹的情况下在显示器观测到患者体内器官的立体图像， 并且借助微型手术器械完成较为复杂的手术； 本文采用时分制视频立体观察系统， 如图 1 所示， 光源发出的光经过光纤的导引进入体腔把器官照亮，双光路光学系 统模拟人的两只眼睛， 器官经过双光路光学系统所成的像具有一定的视差，一为 左眼像，一为右眼像。双像经过物镜投射到各自的 CCD 上，CCD 把双像的光信 号转变成电信号经过处理双像按奇偶帧分时输送到显示器上， 显示器上的图像在 经过液晶屏时进行了偏振调制， 通过无源偏振光眼镜实现了双像的分离，左眼只 能看到左眼像右眼只能看到右眼像，于是就得到了一幅立体图像。
图 1. 电子内窥镜总体原理框图 该系统主要由以下几部分组成的：双光路立体腹腔镜系统，双 CCD 摄像系 统， 图像采集与处理系统， 具有液晶调制板的显示系统及带自动调光系统的高精 度高亮度冷光源。 其中双光路光学系统可产生立体效果， 要求两路光学系统摄取图像所形成的 观察中心点的距离应同能产生人眼视差角的距离一致[5]。为了达到这一目的，立 体视频内窥镜的光学系统可以由物镜系统、转像系统、目镜和投影物镜组成。现 代内窥镜有三种形式， 第一种是单物镜组、单转向组出瞳分离式立体成像光学系 统；第二种是双物镜、单转向系统入瞳分离式立体成像光学系统；第三种是两组 相互平行的双光路立体成像系统。 独立的双分离光学系统在控制杂散光方面具有 非常明显的优势， 这对提高系统的成像质量，提高图像的对比度起到了积极的作 用。因此本系统采用这种两组相互平行的双光路立体成像系统。 此光学系统采用单只细径腹腔镜作为基本光路，镜体外径小(12 毫米)；运用 Hopkins 棒状镜转像系统，实现了长工作距(300 毫米)，大视场角(700mm)；运用 棱镜转向， 使结构紧凑， 且体视空间大(150 毫米)。 因此该系统有利于立体成像， 可获得较强的立体感。
四、电子内窥镜光学系统的设计
4.1.设计要求： 为了实现高清成像，需要提高入瞳直径，即相应增大光学系统孔径；然而由 于微创外科的目的在于最大限度地降低患者的痛苦， 内窥镜光学系统的孔径大小 受限；为了消除杂光，需要确保光线不会入射到物镜和棒镜内壁上，要求增大光
学系统孔径；为了实现大景深，需要降低系统的相对孔径；这些技术要求大幅增 加了光学系统设计的难度。 本系统采取的是双光路系统，两条光路完全一致，关于中心轴对称，根据要 求初定了结构参数，具体要求如下:视场角 2 70 ，光学长度 L 300mm ，外径
D’ 6mm 。
4.2.光学结构参数的计算 4.2.1 物镜结构参数的计算 参数： 视场角 2 70 ， 外径大小 6mm、 入瞳直径 D 3.57mm 、 相对孔径为 物距 l 等。 （1）物镜的焦距 f1' 计算： 光学系统外径很小，所取的视场光阑（通光孔径） D 2 y 要比外径（6mm）再 小一些，设物方视场角为 2 ，则：
f1' D 3.57 2.55mm 2 tan 1.4
D （D 为入瞳直径） f1'
D 、 f1'
（4-1-1）
（2）相对孔径
D 0.425 1 f1' 2.55 6
（4-1-2）
物镜相对孔径的选择主要考虑景深的大小， 当人眼通过硬性内窥镜观察物体 时，在物方空间一定深度范围内的物体，看起来均是清晰的，这就是硬性内窥镜 的景深。由于仪器的观察距离变动范围大，要求景深大。 （4）入瞳 D：
D 1 f1' 6
则： D f1’ D f‘ 1 0.425mm
（4-1-3）
（5）分辨率： 物镜入瞳的大小将影响角分辨率与进入光学系统的光能量， 按应用光学理论， 角分辨率公式为：
1.22 D
（4-1-4）
公式中： - -波长； （486~656mm）
D - -入 瞳 直 径
4.2.2.转像系统的参数的计算 转像系统[8]的参数主要有两个:放大倍率和一组转像系统的最大长度。 硬性内 窥镜光学系统的外径与总长之比约为 l: 100，这种细长的光组必须用转像系统来 转像。转像系统的放大倍率为 1 倍，目的是使镜体外径的尺寸保持不变。还有就 是转像系统的长度， 由于内窥镜光学长度是由物镜的光学长度和目镜的光学长度 以及转像系统的长度组成， 物镜系统和目镜系统的光学长度比较短，因此转像系 统的长度较长， 当物镜焦距与目镜焦距求出后，物镜系统和目镜系统的光学长度 便可求，由于转像系统的棒状镜由几组组成的，并且由于放大倍率为-1 倍，则棒 状镜必须选用奇数组， 选择好棒状镜的组数后， 每一组棒状镜的长度便可以求出。 由于物镜采用的是反远距结构，其远距比是 0.25，因此该系统物镜和目镜所 承担的光学系统长度约为：
L' 4 f1' f 2' 4 2.55 12.5 22.7mm
（4-2-1）
为满足系统光学长度及成正像的要求， 在物镜和目镜之间加上奇数组 1×转 像系统， 根据内窥镜镜的结构特点采用三组转像系统既可满足要求，则转像系统 的尺寸为：
‘ L转 L - L 300 - 22.7 277.3mm
（4-2-2）
即每组转像系统的尺寸为 92.43 mm 4.3.光学系统初始结构的选择： 4.3.1．物镜系统选择： 物镜的主要特点是视场大， 焦距短， 可选择由负正两个透镜组成的反远距结 构式[6][7]，先用负透镜提供大的视场角，再用正透镜汇聚光束，为校正像差可再 选用多组正透镜，在此用一个双胶合透镜。 物镜系统一般为焦阑光路， 有远心的性质，使得整个内窥镜的光路可以做得 很长，并且，主光线能够平行于光轴垂直入射到像面。 物镜系统的组合焦距：
f' f1'' f 2'' f1'' f 2'' d '
(4-3-1)
其中： f1'' — 负组焦距； f 2'' 正组焦距； d ' — 两光组间距 图 2 为典型的内窥镜物镜结构，其中的负组仅由一片平凹镜组成，正组则由 一单透镜和双胶合透镜组合而成， 单正透镜和双胶合透镜组合不但可以补偿前组
的光焦度而且可以在视场角为 70°，相对孔径为 1/6 时能很好地校正像差，并 且保护玻璃可以方便地加在负透镜前，有利于内窥镜使用要求。
图 2. 典型的内窥镜物镜结构 内窥镜的成像光路是一个像方远心光路和一个物方远心结合光路， 为了达到 像方远心光路，孔径光阑位于转像系统中心(焦点)处，这样，入瞳和出瞳正好位 于物镜及目镜的焦点处。 物镜系统应能够增大内窥镜的视场，可以和转像系统相 衔接。 4.3.2 转像系统结构选择： 转像系统我们首先优先选用 HOPKINS 棒透镜[10][11]， 其结构形式为两个贴上 负透镜的棒状镜组成(见图 3)；并且结构形式完全对称，孔径光阑位于对称棒状 镜可以增加内窥镜光学长度， 在相同长度下减少光能损失，选择棒状镜比薄透镜 转像系统减少光能损失 8 倍。 而像质也有所提高，棒状镜转像的像散为薄透镜转 像系统像散的 0.7 倍。
题
目：电子内窥镜光学系统设计
学生姓名：丁雪梅 班级学号：120811207
二〇一五年十二
摘要：本文简要叙述了内窥镜的一般发展历史及现状，以及电子内窥镜在医疗领 域的应用，通过学习电子内窥镜的工作原理以及其系统结构，完成了物镜系统、 转像系统、 目镜系统光学参数的计算和光学结构的设计与研究。设计出的系统达 到的技术指标为：视场角：70°，外径：6mm，工作长度：300mm；物镜焦距： 2.55mm，目镜焦距：12.5mm，转像系统长度：277.3mm。该初始系统是设计电 子内窥镜的基础。 关键词：电子内窥镜；双目视差双光路；光学系统设计；光学结构选择 Abstract：This paper briefly describes the general development history and status of endoscopy, and the application of electronic endoscope in the medical field, by studying the working principle of the electronic endoscope and its system structure, completed the objective lens system as a system, the eyepiece optical parameters of calculation and the structure of the optical design and research. Design the system of technical indicators for: viewing Angle: 70 ° , outer diameter: 6 mm, length: 300 mm; Objective lens focal length is 2.55 mm, the eyepiece focal length of 12.5 mm, like system length 277.3 mm. Keywords：Electronic endoscope；binocular parallax and double light path,；the optical system design；optical structure choice.
一、电子内窥镜研究背景：
内窥镜在短短 200 年的发展历程中，其结构发生了 4 次重大的改进,从最初 的硬管式内窥镜、半屈式内窥镜到之后的纤维内窥镜，又到如今的电子内窥镜。 目前的软性光导纤维内窥镜可完全消灭胃内盲区，不仅能观察、活体取样，装上 照相机可以在直视下拍摄彩色照片，而且能通过内窥镜做多种胃内手术；但是， 因为采用上万根光学玻璃纤维束扎成一束作为导光束，玻璃纤维容易折断，折断 后会出现黑点， 这是当前生产玻璃纤维内窥镜的技术难点。而且光纤内窥镜只能 由 1 人观察作诊断或治疗,而电子内窥镜则可通过监视器让多人同时观察由内窥 镜取得的图像。 正因为如此， 近年来在世界范围内电子内窥镜的普及正以锐不可挡的势头持 续发展着；相应地临床对电子内窥镜的信赖度及其需求量也呈上升趋势[1]。世界 内窥镜及其附件市场的营业额在 20 世纪初就已达 25 亿美元以上。 其中美国的市 场比例占 47.7%，而且其年增长率是 11%。欧洲市场以德国和法国为首，以 Korl Storz 和 Kichatd Wolf 公司规模最大。其发展趋势是人性化智能化，能与超声技 术和荧光诊断等光动力疗法相结合，能与计算机应用如远程监控相结合等。
二、电子内窥镜的基本原理
2.1.工作原理
电子内窥镜用先进的微电子器件代替传统内窥镜软性光导纤维的纤维导像 束和目镜，通过装在内窥镜先端部的电荷祸合器件 CCD，将传送过来的光学图 像转换成电子图像， 经电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现图像
[2]
。 电子内窥镜可以利用 LED 显示器直接观察图像，实际上是集光学、机械、
电子计算机技术于一体的医疗器械[3]。其先端的 CCD 固体摄像器，将光学图像 进行 A/D 转换后由电线导出从而显示在 LED 显示器上，相当于一个电视摄像机 送入体腔，实际上是一套微型彩色摄影系统。 2.2. 双目视差原理 目前应用到内窥镜的立体显示技术就是根据双目视差原理[4]研制的。双目视 差基本原理就是人眼从两个稍有不同的角度观看同一场景时， 三维客观世界分别 投影到人左右眼的视网膜中， 形成两幅具有视差相关性的差异图像，人脑根据视 差自动计算出场景中各点与人的距离，从而得到场景的深度信息形成立体感。由 于内窥镜探入到人体腔内， 我们借助两个 CCD 拍摄到两幅具有视差相关性的图 像并传输显示到二维屏幕上， 在显示端使用相应的图像分离技术使左右图像分别 进入人的左右眼，则人脑就可以自动融合成立体图像，得到深度信息。
三、电子内窥镜的系统结构
为使医生可以在不开腹的情况下在显示器观测到患者体内器官的立体图像， 并且借助微型手术器械完成较为复杂的手术； 本文采用时分制视频立体观察系统， 如图 1 所示， 光源发出的光经过光纤的导引进入体腔把器官照亮，双光路光学系 统模拟人的两只眼睛， 器官经过双光路光学系统所成的像具有一定的视差，一为 左眼像，一为右眼像。双像经过物镜投射到各自的 CCD 上，CCD 把双像的光信 号转变成电信号经过处理双像按奇偶帧分时输送到显示器上， 显示器上的图像在 经过液晶屏时进行了偏振调制， 通过无源偏振光眼镜实现了双像的分离，左眼只 能看到左眼像右眼只能看到右眼像，于是就得到了一幅立体图像。
图 1. 电子内窥镜总体原理框图 该系统主要由以下几部分组成的：双光路立体腹腔镜系统，双 CCD 摄像系 统， 图像采集与处理系统， 具有液晶调制板的显示系统及带自动调光系统的高精 度高亮度冷光源。 其中双光路光学系统可产生立体效果， 要求两路光学系统摄取图像所形成的 观察中心点的距离应同能产生人眼视差角的距离一致[5]。为了达到这一目的，立 体视频内窥镜的光学系统可以由物镜系统、转像系统、目镜和投影物镜组成。现 代内窥镜有三种形式， 第一种是单物镜组、单转向组出瞳分离式立体成像光学系 统；第二种是双物镜、单转向系统入瞳分离式立体成像光学系统；第三种是两组 相互平行的双光路立体成像系统。 独立的双分离光学系统在控制杂散光方面具有 非常明显的优势， 这对提高系统的成像质量，提高图像的对比度起到了积极的作 用。因此本系统采用这种两组相互平行的双光路立体成像系统。 此光学系统采用单只细径腹腔镜作为基本光路，镜体外径小(12 毫米)；运用 Hopkins 棒状镜转像系统，实现了长工作距(300 毫米)，大视场角(700mm)；运用 棱镜转向， 使结构紧凑， 且体视空间大(150 毫米)。 因此该系统有利于立体成像， 可获得较强的立体感。
四、电子内窥镜光学系统的设计
4.1.设计要求： 为了实现高清成像，需要提高入瞳直径，即相应增大光学系统孔径；然而由 于微创外科的目的在于最大限度地降低患者的痛苦， 内窥镜光学系统的孔径大小 受限；为了消除杂光，需要确保光线不会入射到物镜和棒镜内壁上，要求增大光
学系统孔径；为了实现大景深，需要降低系统的相对孔径；这些技术要求大幅增 加了光学系统设计的难度。 本系统采取的是双光路系统，两条光路完全一致，关于中心轴对称，根据要 求初定了结构参数，具体要求如下:视场角 2 70 ，光学长度 L 300mm ，外径
D’ 6mm 。
4.2.光学结构参数的计算 4.2.1 物镜结构参数的计算 参数： 视场角 2 70 ， 外径大小 6mm、 入瞳直径 D 3.57mm 、 相对孔径为 物距 l 等。 （1）物镜的焦距 f1' 计算： 光学系统外径很小，所取的视场光阑（通光孔径） D 2 y 要比外径（6mm）再 小一些，设物方视场角为 2 ，则：
f1' D 3.57 2.55mm 2 tan 1.4
D （D 为入瞳直径） f1'
D 、 f1'
（4-1-1）
（2）相对孔径
D 0.425 1 f1' 2.55 6
（4-1-2）
物镜相对孔径的选择主要考虑景深的大小， 当人眼通过硬性内窥镜观察物体 时，在物方空间一定深度范围内的物体，看起来均是清晰的，这就是硬性内窥镜 的景深。由于仪器的观察距离变动范围大，要求景深大。 （4）入瞳 D：
D 1 f1' 6
则： D f1’ D f‘ 1 0.425mm
（4-1-3）
（5）分辨率： 物镜入瞳的大小将影响角分辨率与进入光学系统的光能量， 按应用光学理论， 角分辨率公式为：
1.22 D
（4-1-4）
公式中： - -波长； （486~656mm）
D - -入 瞳 直 径
4.2.2.转像系统的参数的计算 转像系统[8]的参数主要有两个:放大倍率和一组转像系统的最大长度。 硬性内 窥镜光学系统的外径与总长之比约为 l: 100，这种细长的光组必须用转像系统来 转像。转像系统的放大倍率为 1 倍，目的是使镜体外径的尺寸保持不变。还有就 是转像系统的长度， 由于内窥镜光学长度是由物镜的光学长度和目镜的光学长度 以及转像系统的长度组成， 物镜系统和目镜系统的光学长度比较短，因此转像系 统的长度较长， 当物镜焦距与目镜焦距求出后，物镜系统和目镜系统的光学长度 便可求，由于转像系统的棒状镜由几组组成的，并且由于放大倍率为-1 倍，则棒 状镜必须选用奇数组， 选择好棒状镜的组数后， 每一组棒状镜的长度便可以求出。 由于物镜采用的是反远距结构，其远距比是 0.25，因此该系统物镜和目镜所 承担的光学系统长度约为：
L' 4 f1' f 2' 4 2.55 12.5 22.7mm
（4-2-1）
为满足系统光学长度及成正像的要求， 在物镜和目镜之间加上奇数组 1×转 像系统， 根据内窥镜镜的结构特点采用三组转像系统既可满足要求，则转像系统 的尺寸为：
‘ L转 L - L 300 - 22.7 277.3mm
（4-2-2）
即每组转像系统的尺寸为 92.43 mm 4.3.光学系统初始结构的选择： 4.3.1．物镜系统选择： 物镜的主要特点是视场大， 焦距短， 可选择由负正两个透镜组成的反远距结 构式[6][7]，先用负透镜提供大的视场角，再用正透镜汇聚光束，为校正像差可再 选用多组正透镜，在此用一个双胶合透镜。 物镜系统一般为焦阑光路， 有远心的性质，使得整个内窥镜的光路可以做得 很长，并且，主光线能够平行于光轴垂直入射到像面。 物镜系统的组合焦距：
f' f1'' f 2'' f1'' f 2'' d '
(4-3-1)
其中： f1'' — 负组焦距； f 2'' 正组焦距； d ' — 两光组间距 图 2 为典型的内窥镜物镜结构，其中的负组仅由一片平凹镜组成，正组则由 一单透镜和双胶合透镜组合而成， 单正透镜和双胶合透镜组合不但可以补偿前组
的光焦度而且可以在视场角为 70°，相对孔径为 1/6 时能很好地校正像差，并 且保护玻璃可以方便地加在负透镜前，有利于内窥镜使用要求。
图 2. 典型的内窥镜物镜结构 内窥镜的成像光路是一个像方远心光路和一个物方远心结合光路， 为了达到 像方远心光路，孔径光阑位于转像系统中心(焦点)处，这样，入瞳和出瞳正好位 于物镜及目镜的焦点处。 物镜系统应能够增大内窥镜的视场，可以和转像系统相 衔接。 4.3.2 转像系统结构选择： 转像系统我们首先优先选用 HOPKINS 棒透镜[10][11]， 其结构形式为两个贴上 负透镜的棒状镜组成(见图 3)；并且结构形式完全对称，孔径光阑位于对称棒状 镜可以增加内窥镜光学长度， 在相同长度下减少光能损失，选择棒状镜比薄透镜 转像系统减少光能损失 8 倍。 而像质也有所提高，棒状镜转像的像散为薄透镜转 像系统像散的 0.7 倍。