微型纖維軟鏡的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型纖維軟鏡的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同類型的纖維數(shù)字獲得隨著科學(xué)進(jìn)步的提高，內(nèi)窺鏡技術(shù)在工業(yè)制造、機(jī)械工程、能源電子、土木工程等相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域。內(nèi)窺鏡已成為治療和日常手術(shù)中不可或缺的設(shè)備。自1853年以來,法國外科醫(yī)生發(fā)明了第一個(gè)內(nèi)窺鏡設(shè)備,內(nèi)窺鏡技術(shù)一直在不斷發(fā)展。近年來,內(nèi)窺鏡發(fā)展產(chǎn)生了更多的形式:超細(xì)纖維內(nèi)窺鏡、超長視頻內(nèi)窺鏡,多彎頭管道檢測內(nèi)窺鏡、立體聲雙通道內(nèi)窺鏡等。目前國外關(guān)于各類內(nèi)窺鏡的研發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,如英國超細(xì)技術(shù)公司的LD纖維內(nèi)窺鏡,分辨率可達(dá)30lp/mm~50lp/mm,直徑僅為0.34mm,日本的奧林巴斯、德國的狼牌都在纖維內(nèi)窺鏡的研發(fā)和生產(chǎn)上取得了巨大的成功。我國從20世紀(jì)70年代開始就逐漸展開了應(yīng)用于不同場合的工業(yè)類和醫(yī)療類內(nèi)窺鏡的研究與開發(fā)。其中燕山大學(xué)的李東源等人設(shè)計(jì)的折-衍混合型光學(xué)系統(tǒng),通過非球面透鏡的引入改善了圖像的成像質(zhì)量,使得系統(tǒng)的總體體積和質(zhì)量得到控制,從而獲得具有大視場、小像差的光纖耦合物鏡,但其材料與加工成本隨之較高纖維內(nèi)窺鏡中的光纖傳像束是將一定數(shù)量的具有相同長度的光纖,按照一定的排列方式,進(jìn)行集合經(jīng)固化拋磨后而成的無源器件,質(zhì)量較輕、可任意角度彎曲、可在復(fù)雜的空間中進(jìn)行圖像傳輸,在醫(yī)療、工業(yè)、科研、以及航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用1光纖傳像束的全反射及光纖圖像的模擬檢測部分特殊用途的纖維式醫(yī)療內(nèi)窺鏡是從人體狹小的腔道進(jìn)入人體內(nèi)后,進(jìn)行觀察、診斷和手術(shù),故對其外形尺寸有一定的限制。其中作為圖像傳輸系統(tǒng)主要組成部分的光纖傳像束相比傳統(tǒng)的大截面光纖傳像束尺寸要小很多,并且要求有較好的的成像質(zhì)量和較大的物鏡視場角,因此對前置物鏡的結(jié)構(gòu)和尺寸提出了更高的要求。在纖維式內(nèi)窺鏡物鏡的設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)其設(shè)計(jì)要求,分析其光學(xué)特性,考慮選用反遠(yuǎn)距型結(jié)構(gòu)。反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)非對稱,具有負(fù)光焦度的前組透鏡對軸外光線進(jìn)行偏轉(zhuǎn),使得后組的透鏡具有較小的視場角,以此滿足超廣角的設(shè)計(jì)要求。一般的光學(xué)系統(tǒng)中,孔徑光欄有多種放置方式,在反遠(yuǎn)距型的光學(xué)系統(tǒng)中,若將其置于透鏡前組,由于過于靠近入瞳,前組透鏡無法對軸外光線偏折,導(dǎo)致后組透鏡的尺寸增大。為了使前置物鏡具有較小的外形尺寸和較輕的質(zhì)量,一般在后組透鏡上放置孔徑光欄,構(gòu)成“負(fù)-正”型反遠(yuǎn)距光學(xué)系統(tǒng)由全反射定理可知,當(dāng)一束光從光密介質(zhì)中入射到光疏介質(zhì)的光滑分界面時(shí),入射光與分界面法線的夾角大于或者等于臨界角,入射的光束將全部反射到光密介質(zhì)中。傳像束光纖就是根據(jù)全反射定律制成的光學(xué)纖維,故在纖維式內(nèi)窺鏡物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,要保證傳像束光纖和入射光線的數(shù)值孔徑能夠相互匹配。如圖1所示。目標(biāo)物AB經(jīng)過透鏡L成像在傳像束光纖A′B′處,當(dāng)傳像束的數(shù)值孔徑角等于物鏡光學(xué)系統(tǒng)的像方數(shù)值孔徑角時(shí),對于軸上成像光束AA′而言,AA′的成像光束關(guān)于光軸對稱且直接入射到光纖的入射面上,軸上光束AA′能夠全部進(jìn)入傳像束光纖;但對于軸外光束BB′而言,其成像光束相對于主光線對稱,由于軸外光束BB′以ω′角度斜入射到傳像束光纖的入射面上,軸外光束BB′的部分光線不能進(jìn)入傳像束光纖中,造成傳像束光纖接受不到這部分光線,導(dǎo)致輸出圖像的邊緣帶較暗。且隨著視場的增加,其影響更明顯。為了保證傳像束光纖的圖像質(zhì)量,前置物鏡應(yīng)考慮選用像方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)傳像束的極限分辨率是影響傳像束光纖成像效果的關(guān)鍵參數(shù)之一。根據(jù)有關(guān)傳像束光纖的研究理論可知,傳像束單根光纖的端面直徑尺寸d,傳像束單根光纖之間的排列方式與膠合間距都決定著傳像束極限分辨率的大小。如圖3所示,在制備光纖傳像束時(shí)常采用正方形或六邊形的組合方式。在光纖傳像束處于靜態(tài)時(shí),采用正方形的組合方式,其極限分辨率為采用六邊形的組合方式時(shí),其極限分辨率為在確定了光纖傳像束的排列結(jié)構(gòu)和單絲直徑后,即可計(jì)算傳像束的最小極限分辨率。為提高傳像束的圖像質(zhì)量,需要滿足所設(shè)計(jì)的前置物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值在此極限分辨率處較高即可。2物鏡光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果根據(jù)實(shí)際內(nèi)窺鏡的性能需求,特選取外徑為0.64mm、單絲直徑為7.5μm的光纖傳像束,該傳像束光纖處于靜態(tài)條件下,按六邊形進(jìn)行排列時(shí),傳像束的極限分辨率為77lp/mm。故以此光纖傳像束為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前置物鏡,要求物鏡在極限分辨率為77lp/mm處調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值為0.7,工作波長(0.48~0.65)μm,物方視場角2ω=90°,取物距為25mm,由高斯公式可得焦距f′=0.37mm。根據(jù)內(nèi)窺鏡實(shí)際使用時(shí)對尺寸和景深的要求,并且保證傳像束的數(shù)值孔徑不小于前置物鏡的像方數(shù)值孔徑,取相對孔徑D/f′=1/4。目前的技術(shù)要求前置透鏡的直徑不小于0.5mm,曲率半徑必須超過0.4mm,透鏡的厚度必須控制在0.3mm~0.5mm,并且邊緣厚度和間隔要求要超過0.15mm。如圖4所示,由4片透鏡組成的物鏡光學(xué)系統(tǒng)即為計(jì)算和光學(xué)仿真軟件優(yōu)化后得到的結(jié)果。在選擇透鏡的材料時(shí),采用高折射率低色散的H-ZLaF68能夠使軸上光束和軸外光束的入射角迅速減小,提高相對孔徑并增大視場,同時(shí)有利于增大玻璃的曲率半徑,從而減小高級像差。H-KF6透鏡有利于消色差。此外,在雙膠合透鏡中采用H-ZLaF50D玻璃與重火石D-ZF94玻璃相配合。該物鏡結(jié)構(gòu)光學(xué)總長3.9mm,最大橫截面直徑為0.95mm,符合像方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)的要求。由Zemax光學(xué)仿真軟件可知,物鏡像方光線的數(shù)值孔徑為0.09,小于傳像束光纖數(shù)值孔徑,符合光纖的全反射定律,故入射的光束能夠完全進(jìn)入光纖傳像束。該光學(xué)系統(tǒng)的前組是由1片具有負(fù)光焦度的負(fù)透鏡構(gòu)成,后組則由1片正透鏡和1片雙膠合透鏡所組成。將具有負(fù)光焦度的透鏡放在前組能夠有效地減小后組的視場角,使得光學(xué)系統(tǒng)獲得較大的視場。并且前組的負(fù)透鏡和后組的雙膠合透鏡對整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的色差和場曲的校正起到了重要作用。為了形成像方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng),將孔徑光欄放置在雙膠合透鏡的前焦點(diǎn)處。如圖5所示,前置物鏡光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線是評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要方法。由圖5可知,物鏡在奈奎斯特空間頻率77lp/mm處的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值接近0.7,滿足像質(zhì)要求。圖6是光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。已知傳像束單根光纖的尺寸為7.5μm,由點(diǎn)列圖看出,該光學(xué)系統(tǒng)的最大幾何彌散斑半徑為0.885μm,符合成像質(zhì)量要求。圖7是光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度分布曲線,橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別為像斑直徑和能量集中度。由圖7可知,95%以上的能量主要集中在直徑為20μm的圓內(nèi),90%的能量主要集中在半徑3μm的圓內(nèi)。由Zemax軟件分析可知,軸上和軸外光束在像面上的相對照度分布均勻,滿足像方遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)的要求;并且該光學(xué)系統(tǒng)在軸外最邊緣光線處達(dá)到最大畸變,最大畸變?yōu)?18.8%。為了滿足該光學(xué)系統(tǒng)的廣角性能要求,采用“負(fù)-正”型光學(xué)結(jié)構(gòu),必然會(huì)產(chǎn)生較大畸變。內(nèi)窺鏡作為觀察系統(tǒng),畸變不會(huì)對系統(tǒng)的成像清晰度產(chǎn)生影響,后期可通過圖像處理算法對畸變進(jìn)行校正,以滿足最佳的成像質(zhì)量要求3前置物鏡的性能要求光纖傳像束作為纖維式內(nèi)窺鏡圖像系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分,前