基于Forbes非球面的胶囊内窥镜光学系统设计

１ 引 言 无线胶囊内窥镜 ＷＣＥ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＣａｐｓｕｌｅＥｎｄｏｓ
ｃｏｐｙ，简称胶囊内窥镜）最早出现在以色列，由 Ｇｉｖ ｅｎＩｍａｇｅ公司于 ２０００年率先研制出来，并在临床上 实验成功，其成型产品于 ２００１年上市，命名为 Ｍ２Ａ
（ＭｏｕｔｈｔｏＡｎｕｓ）［１－４］。胶囊内窥镜是整体胶囊内窥 系统中的可吞服部分，由于其外形类似一枚胶囊所 得名，其外壳由特殊材料制成，具有防水、抗腐蚀等 特性。胶囊内窥镜的结构组成如图 １所示［５－６］，包 括 ＬＥＤ光源、光学系统、无线传输模块、电源模块以
基金项目：吉林省科技厅重点科技研发项目（Ｎｏ２０１８０２０１０４４ＹＹ）资助。 作者简介：张欣 婷 （１９８４－），女，副 教 授，博 士，主 要 研 究 方 向 为 光 学 设 计 与 光 学 仪 器 及 检 测。Ｅｍａｉｌ：ｌｕｏｙｉｗｕｈｅｎｓ＠
１６３．ｃｏｍ 收稿日期：２０１８０８３０；修订日期：２０１８０９１８
张欣婷１，亢 磊２，吴倩倩１
（１长春理工大学光电信息学院，吉林 长春 １３００１２；２中国中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 １３００６２）
摘 要：设计了一套 ＷＣＥ光学系统，对可见光波段成像。采用反远距的光学结构形式，共使 用 ４片透镜，引入两个 Ｆｏｒｂｅｓ非球面来提高系统的整体性能，并做到仪器的小型化。系统视场 角 １５０°，相对孔径 １／３，入瞳直径 ０３５ｍｍ，总长 ８３ｍｍ。各视场的调制传递函数曲线在奈奎 斯特频率 １４３ｌｐ／ｍｍ时均高于 ０６，分辨率较高；各视场的点列图几乎都在艾里斑之内；彗差、 像散、场曲、畸变、倍率色差等轴外像差也得到了很好的校正，成像质量较好，能够满足 ＷＣＥ 光学系统的要求。 关键词：胶囊内窥镜；Ｆｏｒｂｅｓ非球面；高分辨率；大视场；光学设计 中图分类号：Ｏ４３９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／wenku.baidu.com．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１９．０５．０１３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｓｅｔｏｆＷＣＥｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔｉｍａｇｉｎｇｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｓｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ ｒｅｖｅｒｓｅｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｕｓｅｓ４ｌｅｎｓｅｓｉｎｔｏｔａｌＴｗｏＦｏｒｂｅｓａｓｐｈｅｒｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｐｅｒ ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｏａｃｈｉｅｖｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｈｅｆｉｅｌｄａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓ１５０°，ｔｈｅｒｅｌａ ｔｉｖｅａｐｅｒｔｕｒｅｉｓ１／３，ｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｈｅｐｕｐｉｌｉｓ０３５ｍｍ，ａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｌｅｎｇｔｈｉｓ８３ｍｍＴｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃ ｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｅａｃｈｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗａｒｅｈｉｇｈｅｒｔｈａｎ０６ａｔｔｈｅＮｙｑｕｉｓｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆ１４３ｌｐ／ｍｍ ｗｉｔｈａｈｉｇｈｅｒｒｅｓｏｌｕ ｔｉｏｎＴｈｅｓｐｏｔｄｉａｇｒａｍ ｏｆｅａｃｈｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｉｓａｌｍｏｓｔｗｉｔｈｉｎｔｈｅＡｉｒｙｄｉｓｋＡｂｅｒｒａｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｃｏｍａ，ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ， ｆｉｅｌｄｃｕｒｖａｔｕｒｅ，ａｂｅｒｒａｔｉｏｎａｎｄｃｈｒｏｍａｔｉｃａｂｅｒｒａｔｉｏｎｈａｖｅａｌｓｏｂｅｅｎｗｅｌｌｃｏｒｒｅｃｔｅｄＴｈｅｉｍａｇｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｉｓｂｅｔｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆＷＣＥｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｐｓｕｌｅｅｎｄｏｓｃｏｐｅ；Ｆｏｒｂｅｓａｓｐｈｅｒｉｃｓｕｒｆａｃｅ；ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｌａｒｇｅｆｉｅｌｄ；ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ
Ｃａｐｓｕｌｅｅｎｄｏｓｃｏｐｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄ ｏｎＦｏｒｂｅｓａｓｐｈｅｒｉｃｓｕｒｆａｃｅ
ＺＨＡＮＧＸｉｎｔｉｎｇ１，ＫＡＮＧＬｅｉ２，ＷＵＱｉａｎｑｉａｎ１
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００１２，Ｃｈｉｎａ； ２ＣＲＲＣＣｈａｎｇｃｈｕｎＲａｉｌｗａｙＶｅｈｉｃｌｅｓＣｏ，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００６２，Ｃｈｉｎａ）
第 ４９卷 第 ５期 激 光 与 红 外 ２０１９年 ５月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１９
文章编号：１００１５０７８（２０１９）０５０５８９０４
·光电技术与系统·
基于 Ｆｏｒｂｅｓ非球面的胶囊内窥镜光学系统设计
ＷＣＥ光学系统是胶囊内窥镜的重 要 部 分，应 具备高分 辨 率、大 视 场、长 工 作 距 等 特 性，且 希 望 镜 头 的 尺 寸 小 、质 量 轻 、易 集 成 。 目 前 所 能 查 阅 到 关于胶囊 内 窥 镜 光 学 系 统 设 计 的 资 料［８］并 不 多， 其视场均未超过 １１０°，且透镜片数为 ６片左右，其 外形尺寸一般控制在 １２ｍｍ×Ｌ３０ｍｍ以内。若 要提高系统 性 能，就 需 要 增 加 透 镜 片 数 来 校 正 像 差，但这又 与 系 统 的 小 型 化 相 矛 盾。相 对 于 球 面 而言，非球面 具 备 更 多 的 设 计 自 由 度 来 提 高 系 统 成像质量 及 性 能，满 足 大 视 场、高 分 辨 率、小 型 化 的设计要求。
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激 光 与 红 外 第 ４９卷
及用于磁定位的磁罩。
图 １ 胶囊内窥镜结构图 Ｆｉｇ１Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃａｐｓｕｌｅｅｎｄｏｓｃｏｐｅ
在病人服下胶囊内窥镜之后，它会随着胃肠道 的蠕动进入人体消化系统并缓慢移动，完成拍摄，并 将其图像信号发送给人体体外的接收板接收，储存 在 ＰＣ或相关设备中，经由食道、胃、小肠、大肠等部 位，完成对消化系统的检测，因此又被人称作“行走 在消化道的机器人”［７］。医生们既可实时观测病人 的病理数据，又可在 ＷＣＥ工作完成后进行观察分 析，从而拟定治疗方案。