呂思航，向陽，劉永坤，路雨桐

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

本次新冠疫情讓人們認(rèn)識(shí)到了一次性口罩、防護(hù)服等一次性醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)于傳染病防控的重要性，一次性醫(yī)療用品滅菌效果好，使用簡(jiǎn)單方便，無需清洗消毒，可以大大減少醫(yī)療工作者的工作量，有利于預(yù)防院內(nèi)感染的發(fā)生。牙周組織的健康狀況是人類健康的10大標(biāo)準(zhǔn)之一，每個(gè)人在一生中都難免會(huì)因?yàn)榭谇粏栴}到醫(yī)院進(jìn)行檢查治療。目前國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用最多的是蛇牌、STORZ等外國(guó)品牌的口腔內(nèi)窺鏡［1］，外國(guó)品牌的內(nèi)窺鏡售價(jià)高昂，養(yǎng)護(hù)和維修不方便，現(xiàn)有的國(guó)產(chǎn)口腔內(nèi)窺鏡體積較大，靈活性較差，患者的體驗(yàn)較差，國(guó)內(nèi)只有少部分學(xué)者針對(duì)上述情況，研發(fā)了一些性能更加優(yōu)異的口腔內(nèi)窺鏡，天津大學(xué)劉濤［2］設(shè)計(jì)了一款具有顯微放大功能的口腔微腔成像系統(tǒng)，系統(tǒng)成像分辨率高于100 lp/mm，青島科技大學(xué)趙秋玲［3］設(shè)計(jì)了一款90°視向角口腔內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該光學(xué)系具有62°視場(chǎng)角，光學(xué)傳遞函數(shù)在80 lp/mm處成像良好，第四軍醫(yī)大學(xué)張宇［4］設(shè)計(jì)了一款數(shù)字化口腔內(nèi)窺鏡，上述口腔內(nèi)窺鏡成像較好，但加工制造和內(nèi)窺鏡日常維護(hù)成本同樣高昂。滿足成像要求且患者體驗(yàn)良好的口腔內(nèi)窺鏡，由于價(jià)格高昂，需要重復(fù)使用，為避免交叉感染，每條內(nèi)窺鏡在使用后必須經(jīng)過6-10個(gè)步驟的清洗和消毒處理，耗時(shí)至少20分鐘。這一方面提高了內(nèi)窺鏡的使用成本，加大了內(nèi)窺鏡受損的可能，加重了醫(yī)療工作者的工作量。另一方面由于無法確定儀器的消毒狀況，患者仍需承受消毒不徹底帶來的交叉感染等風(fēng)險(xiǎn)。

本文基于以上問題，設(shè)計(jì)了一款一次性口腔內(nèi)窺鏡，全視場(chǎng)62°，焦距3.3 mm，F(xiàn)數(shù)為5.6。系統(tǒng)采用6片式結(jié)構(gòu)，由1片玻璃透鏡，4片塑料透鏡和1片轉(zhuǎn)像棱鏡組成，且所有透鏡均為球面，系統(tǒng)全長(zhǎng)39.7 mm，加工成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)原理與參數(shù)計(jì)算

1.1 感光器件的選擇

目前常用的圖像傳感器有互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和電荷耦合器件（CCD）。相比于CCD傳感器而言，CMOS傳感器功耗更低，攝像系統(tǒng)尺寸更小，且CMOS的價(jià)格遠(yuǎn)低于相同規(guī)格CCD的價(jià)格，因此為了控制器件成本，本文采用CMOS傳感器作為本光學(xué)系統(tǒng)的圖像接收裝置［5］。

為了更好的接收光學(xué)系統(tǒng)所成圖像，通過比較選型，本文采用1/4英寸130萬像素MT9M112傳感器作為接收裝置，對(duì)角線大小為4 mm，像元尺寸為 2.8 μm×2.8 μm。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

口徑：光學(xué)系統(tǒng)是內(nèi)窺鏡探頭中的核心部件，該部分組件主要由內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)、LED照明系統(tǒng)、線路板等組成，口腔檢查時(shí)需要將探頭伸入患者口腔，探頭的體積越大，病人的檢查體驗(yàn)越不好，同時(shí)也不利于進(jìn)行細(xì)致的檢查，因此口腔內(nèi)窺鏡的光學(xué)系統(tǒng)口徑應(yīng)該盡量的小，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的內(nèi)窺鏡產(chǎn)品尺寸普遍小于等于5 mm。

焦距：參考市面上的口腔內(nèi)窺鏡產(chǎn)品和醫(yī)生的使用需求，將內(nèi)窺鏡視場(chǎng)角定為2w=62°，則該內(nèi)窺鏡的焦距為：

其中，h為像高；w為半視場(chǎng)。

空間頻率：本文采用的CMOS傳感器像敏單元尺寸為 2.8 μm×2.8 μm，則空間頻率fc為：

光譜范圍：該系統(tǒng)采用白光LED冷光源照明，根據(jù)LED的光譜范圍，將系統(tǒng)的光譜范圍定為486～656 nm。

景深：定焦鏡頭一般需要較長(zhǎng)的景深，可以節(jié)省鏡頭對(duì)焦時(shí)間，考慮到口腔內(nèi)部組織的結(jié)構(gòu)特征以及檢查需求，該鏡頭景深應(yīng)大于等于10 mm。

一次性口腔內(nèi)窺鏡屬于醫(yī)用內(nèi)窺鏡的一種，對(duì)其視向角、視場(chǎng)角、口徑大小、CMOS選型等進(jìn)行綜合考慮分析，確定出光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)表

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇

口腔內(nèi)窺鏡物鏡是口腔內(nèi)窺鏡的主要部件，也是整個(gè)口腔鏡系統(tǒng)成像質(zhì)量的核心體現(xiàn)，為了減小患者在做內(nèi)鏡檢查時(shí)的不適，物鏡部分結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)緊湊，尺寸需要盡可能的??；同時(shí)在減輕患者不適的基礎(chǔ)上，也要滿足醫(yī)生檢查時(shí)大視野、高清晰度成像的需求，綜合考慮這些因素，可以確定一次性口腔內(nèi)窺鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)應(yīng)為：大視場(chǎng)、小孔徑、大景深，短焦距等。

針對(duì)一次性口腔內(nèi)窺鏡大視場(chǎng)、小孔徑、大景深等特點(diǎn)，可知在初始結(jié)構(gòu)選取方面，光闌盡可能的處于整個(gè)系統(tǒng)的中間位置，即盡量采用雙高斯結(jié)構(gòu)；針對(duì)短焦距長(zhǎng)工作距的需求，采用反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)。負(fù)光焦度透鏡作為前組，正光焦度透鏡作為后組，入射光經(jīng)前組發(fā)散后，被后組成像在焦面上，反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)的主面在物鏡之外，因此可以獲得比焦距更長(zhǎng)的工作距離［6］。

為了實(shí)現(xiàn)視向角90°的要求，方便醫(yī)生的觀察，在物鏡中加入五角棱鏡。設(shè)計(jì)時(shí)將五角棱鏡按照入射光線反射的順序，以反射面和主截面的交線為軸，依次將主截面翻轉(zhuǎn)180°，反射棱鏡展開后相當(dāng)于一塊平行平板［5］。該平板厚度即為反射棱鏡的光軸長(zhǎng)度L。

其中，D為進(jìn)入五角棱鏡的通光口徑。參照其它同類口腔內(nèi)窺鏡產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和實(shí)際設(shè)計(jì)要求將D值定為4 mm，則反射棱鏡光軸長(zhǎng)度約為13 mm。圖1為棱鏡安裝效果圖。

圖1 棱鏡安裝效果圖

實(shí)際制造安裝的五棱鏡光程可能小于設(shè)計(jì)中展開的等效平行平板光程，需要在五角棱鏡后額外增加一塊平行平板A，對(duì)不足的光程進(jìn)行補(bǔ)償。

綜合考慮上述因素，在專利庫(kù)中選擇了一款電子內(nèi)窺鏡物鏡作為初始結(jié)構(gòu)，表2為該電子內(nèi)窺鏡物鏡的光學(xué)參數(shù)。

表2 初始結(jié)構(gòu)光學(xué)參數(shù)指標(biāo)

初始結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)由提供負(fù)光焦度的前組和提供正光焦度的后組組成，第一片透鏡為藍(lán)寶石保護(hù)玻璃；為獲得較大的視場(chǎng)角，第二片為折射率較大的平凹透鏡，其光焦度為負(fù)；第三片為由五角棱鏡展開的平板，第四片透鏡為正透鏡；而之后的鏡片組成為兩組膠合透鏡和一片單透鏡［7］。

圖2 初始結(jié)構(gòu)

2.2 優(yōu)化過程

圖2中的光學(xué)系統(tǒng)所有透鏡材料均為玻璃，采購(gòu)和加工成本較高，無法滿足一次性使用的要求。為降低制造成本，需要在優(yōu)化過程中盡可能的將玻璃材料替換為加工制造成本更為低廉的塑料材料，并簡(jiǎn)化鏡頭結(jié)構(gòu)，減少鏡片數(shù)量。具體優(yōu)化過程如下：

（1）考慮到本次設(shè)計(jì)的鏡頭為一次性鏡頭，不需要考慮鏡片的磨損及內(nèi)窺鏡與人體組織接觸造成的污染問題［8］，同時(shí)也是為了降低成本，將第一片藍(lán)寶石保護(hù)玻璃去掉，然后對(duì)初始結(jié)構(gòu)的焦距進(jìn)行縮放，由2 mm放大為4 mm，之后按照設(shè)計(jì)要求修改視場(chǎng)、入瞳孔徑等基礎(chǔ)參數(shù)。

（2）對(duì)修改后的初始結(jié)構(gòu)像差進(jìn)行分析。由于所設(shè)計(jì)的一次性口腔內(nèi)窺鏡為大視場(chǎng)小孔徑系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，從賽德爾圖上觀察可得與孔徑有關(guān)的球差、位置色差和正弦差等較小，而與視場(chǎng)有關(guān)的倍率色差、像散、場(chǎng)曲等軸外像差較大［9］，故需要進(jìn)行像質(zhì)優(yōu)化。

（3）針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立基于波前的RMS的評(píng)價(jià)函數(shù)，添加相應(yīng)的操作數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：利用操作數(shù)EFFL、DMVA等進(jìn)行焦距與口徑的設(shè)置；利用CTGT、MNCG、MNEG等進(jìn)行透鏡形狀和間隔的控制，并根據(jù)每次優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。

（4）在將光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化到符合設(shè)計(jì)要求后，考慮到塑料材料無法進(jìn)行膠合，將各膠合透鏡分離成單透鏡，并重新進(jìn)行優(yōu)化，直至符合設(shè)計(jì)要求。之后對(duì)比各透鏡玻璃材料與塑料材料的折射率及阿貝數(shù)，將后組透鏡材料逐個(gè)進(jìn)行替換優(yōu)化，最終將除第一片透鏡外的材料全部替換為塑料材料，考慮到結(jié)構(gòu)成本問題將兩片像差校正貢獻(xiàn)較小的兩片透鏡刪去，并再次進(jìn)行優(yōu)化直至各類像差都滿足設(shè)計(jì)要求即可。

（5）最終優(yōu)化得到一次性口腔內(nèi)窺鏡系統(tǒng)F數(shù)5.6，焦距3.3 mm，最大口徑5 mm，全視場(chǎng)62°，視向角90°，總長(zhǎng)39.7 mm，可見光波段成像，光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)在178 lp/mm處大于0.25，滿足設(shè)計(jì)要求，表3為最終設(shè)計(jì)結(jié)果技術(shù)指標(biāo)。

表3 設(shè)計(jì)結(jié)果指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的一次性口腔內(nèi)窺鏡焦距為 3.3 mm，F(xiàn)數(shù)為 5.6，采用 1/4英寸MT9M112彩色CMOS，對(duì)角線尺寸為4 mm，靶面尺寸 3.2 mm×2.4 mm，全視場(chǎng) 62°，工作波段為可見光。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)優(yōu)化后由6片透鏡組成，兩片平凹透鏡，一片轉(zhuǎn)向棱鏡，兩片雙凸透鏡，一片雙凹透鏡組成，其均為球面鏡，鏡片最大機(jī)械直徑為5 mm，最小為3 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。透鏡材料依次為H-ZLAF1，POLY‐CARB，POLYSTYR，ARTON_D4540 POLYCARB，ARTON_FX4727，1G+5P的材料結(jié)構(gòu)組成，大大降低了一次性口腔內(nèi)窺鏡的成本。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 光學(xué)調(diào)制函數(shù)

光學(xué)調(diào)制函數(shù)（MTF）是輸入目標(biāo)圖像的對(duì)比度和輸出圖像的對(duì)比度的比值，是目前較為綜合性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。光學(xué)調(diào)制函數(shù)的值介于0～1之間，MTF值越接近1，則表明該系統(tǒng)的綜合成像質(zhì)量越好［10］。一次性口腔內(nèi)窺鏡MTF如圖4所示，在178 lp/mm處，所有視場(chǎng)均大于0.25，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)傳函圖

3.3 點(diǎn)列圖

ZEMAX模擬無限遠(yuǎn)處的發(fā)光點(diǎn)，平行射入入瞳，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在IMA面上，若光學(xué)系統(tǒng)為完美光學(xué)系統(tǒng)，則這些成像點(diǎn)應(yīng)為一個(gè)理想的點(diǎn)，但在實(shí)際成像系統(tǒng)中會(huì)成像為一個(gè)彌散斑，而彌散斑在IMA上的像即為點(diǎn)列圖［11］。從圖5的光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖可知該系統(tǒng)的彌散斑相對(duì)集中，大部分光線都集中在艾里斑半徑范圍內(nèi)，雖然集中度不夠完美，但整體滿足成像需求。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

3.4 相對(duì)照度

相對(duì)照度表示的是視場(chǎng)邊緣照度與中心照度的比值，一般光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)照度到達(dá)50%以上便可以進(jìn)行觀察［12］。由圖6可知，本次設(shè)計(jì)的一次性口腔內(nèi)窺鏡鏡頭的相對(duì)照度均在90%以上，完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)照度

3.5 公差分析

在實(shí)際的鏡頭制造中，光學(xué)透鏡，隔圈等組件的加工誤差和鏡頭裝配公差往往會(huì)降低理論設(shè)計(jì)的性能水平，所以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行公差分析，定義光學(xué)系統(tǒng)的來源和大小是十分必要的。參照現(xiàn)有的加工和裝配標(biāo)準(zhǔn)，利用ZEMAX軟件的公差分析功能，將口腔內(nèi)窺鏡系統(tǒng)公差進(jìn)行分配，表4為各個(gè)元件允許的公差容限。

表4 系統(tǒng)各元件允許的公差容限

在表4所示公差容限下，進(jìn)行200次蒙特卡羅計(jì)算，分析在178 lp/mm處各個(gè)視場(chǎng)的MTF平均值變化，表5為蒙特卡羅公差分析結(jié)果，90%的鏡片在178 lp/mm處的MTF值大于0.265，滿足加工、裝配工藝的要求，并且可以保證光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

表5 蒙特卡羅分析結(jié)果

4 結(jié)論

一次性口腔內(nèi)窺鏡作為一種新型口腔醫(yī)療診療設(shè)備，由于采用1G+5P的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工成本遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的純玻璃鏡頭，使用時(shí)把口腔鏡鏡體插入操控把手，使用后只丟棄前端與病患組織接觸的鏡體管子，保留后端的操控把手，從而防止交叉感染的發(fā)生，大大地提高了檢查安全性。但本次設(shè)計(jì)仍然存在許多不足，本次設(shè)計(jì)未完全采用塑料材料，還可以通過優(yōu)化將鏡片替換成塑料材料進(jìn)一步降低成本。