内窥镜定焦4K适配器光学系统设计.docx
- 文档编号:30810983
- 上传时间:2024-01-30
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:45.59KB
内窥镜定焦4K适配器光学系统设计.docx
《内窥镜定焦4K适配器光学系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《内窥镜定焦4K适配器光学系统设计.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
内窥镜定焦4K适配器光学系统设计
摘要
内窥镜适配器是一种用于转接内窥镜与CCD成像系统的设备,可让内窥镜转接在不同的内窥镜系统上。
目前仍存在现有内窥镜适配器无法满足更高质量的成像要求、提供更好的可见光与荧光融合医疗图像的问题,因此提高内窥镜适配器的分辨率显得尤为重要。
为使内窥镜适配器达到超高清分辨率,本文使用ZEMAX软件优化设计其光学系统。
系统的基本参数设置:
入瞳直径为4mm,视场角为12.5°,工作波长为486.1nm、589.3nm、656.3nm和840nm,焦距为
36mm。
系统经优化设计后,调制传递函数(MTF)在145 时在0.1以上,畸变控制在0.1%以内,球差控制在1
14
以内,相对照度95%以上,实现了近红外荧光成像,系统超高清分辨率的光学特性。
关键词:
光学系统设计;ZEMAX;内窥镜;适配器;4K分辨率
Abstract
DesignofopticalsystemforendoscopefocaladaptorTUOZi-wang
TheendoscopeadapterisadeviceusedtoswitchtheendoscopeandtheCCDimagingsystem,allowingtheendoscopetobeconnectedtodifferentendoscopesystems.Atpresent,therearestillproblemsthatexistingendoscopeadapterscannotmeethigher-qualityimagingrequirementsandprovidebettervisiblelightandfluorescentfusionmedicalimages.Therefore,itisparticularlyimportanttoimprovetheresolutionoftheendoscopeadapter.Inordertoenabletheendoscopeadaptertoachieveultra-high-definitionresolution,thisarticleusesZEMAXsoftwaretooptimizethedesignofitsopticalsystem.Thebasicparametersettingsofthesystem:
theentrancepupildiameteris4mm,thefieldofviewis12.5°,theworkingwavelengthis486.1nm,589.3nm,656.3nmand840nm,andthefocallengthis36mm.Afterthesystemisoptimized,themodulationtransfer
function(MTF)isabove0.1at145 ,thedistortioniscontrolledwithin0.1%,thesphericalaberrationiscontrolledwithin1 ,andtherelativeilluminanceisabove95%.Itrealizesnear-infraredfluorescenceimagingandthesystem'sultra-high-definitionresolution.Theopticalpropertiesoftherate.
Keywords:
Opticalsystemdesign;ZEMAX;endoscope;adapter;4Kresolution目录
1引言
2内窥镜定焦适配器结构及初始结构选取
2.1整体结构
2.2工作原理
2.3光学系统参数设定和计算
2.4初始结构的选取
3内窥镜定焦适配器的设计
3.1适配器参数的设定
3.2适配器初始结构的初步优化
3.3适配器结构的二次优化
4设计结果分析
4.1场曲、畸变
4.2调制传递函数
4.3光扇图
4.4点列图
4.5相对照度
5结论及尚存在的问题
5.1结论
5.2存在的问题参考文献
致谢
内窥镜定焦4K适配器光学系统设计
姓名:
陀子望学号:
20170240208班级:
17光源与照明21引言
吲哚菁绿(ICG)是一种水溶性化合物,已在许多国家/地区获得50多年的临床认可,它可用于医学诊断,包括心输出量,肝功能和肝血流量的测定。
ICG注入人体组织后,立即与血浆紧密结合。
注射的ICG大部分由肝实质细胞积聚,然后从肝细胞排泄到胆汁中而不被代谢。
ICG的典型医学应用包括肝功能和肝血流量诊断,这些都是通过测量
光吸收功能来实现的。
血液中ICG的峰值激发和发射波长分别为800nm和840nm[1]。
与可见光波长的荧光化合物
(例如荧光素)相比,这些近红外波长能够更深地渗透到人体组织中。
近年来,ICG荧光成像在胸腔镜和腹腔镜手术中得到了广泛的应用,包括乳腺癌前哨淋巴结导航手术、冠状动脉旁路移植术、脑外科、整形外科和消化外科等。
荧光导航的使用可以让医生在手术过程中尽可能减少对患者机体组织不必要的损伤,以利于患者的术后康复。
内窥镜是一种医疗成像检测的仪器设备,可让医生在有限的操作空间内降低患者的手术切口面积,便于患者的预后。
而内窥镜适配器是一种用于转接内窥镜与CCD成像系统的设备,可让内窥镜转接在不同的内窥镜系统上。
因此,提高内窥镜适配器可见光和近红外波段的分辨率,能为内窥镜系统提供更好的医疗融合图像,提供更高质量的医疗诊断和治疗服务。
目前,市场上常见的内窥镜适配器生制造商包括Stryker、Olympus等。
大多数使用的是1/3或1/2英寸的CMOS成像系统,对荧光成像效果不理想且无法满足超高清分辨率的要求。
国内长春理工大学王卉设计了一种53mm焦段的高清内窥镜适配,使用1英寸CCD,分辨率已达到300万像素(20481536)[3]。
本文设计的内窥镜定焦4K适配器使用了1英寸CCD成像系统,焦距为36mm,能达到880万像素
(40962160)超高分辨率,实现了超高清的目的,控制系统总长在68mm以内,同时对840nm红外波长光源有较好的成像效果,不仅满足内窥镜对适配器的超高清成像需求,还支持内窥镜使用近红外荧光成像。
ZEMAX是一款具有强大光学产品设计和仿真分析功能的软件,广泛应用于目视光学系统、显微镜和与望远镜系统的成像设计,由于其可靠性高,已得到中国光学界的广泛认可[4]。
利用ZEAMX软件进行内窥镜适配器内部光学系统的设计,同时包括初始结构的选择、光路模拟、像质评价和结构优化,通过不断的优化以达到我们设计的要求。
本次使用ZEMAX软件对内窥镜适配器光学系统进行设计,不仅可以简化设计过程,还可以很好分析系统的像差。
2内窥镜定焦适配器结构及初始结构选取
2.1整体结构
内窥镜适配器的结构大体由前窗保护玻璃、光阑、弯月透镜和胶合透镜构成,具体结构如图2-1所示。
图2-1内窥镜适配器结构图2.2工作原理
内窥镜适配器用于与内窥镜配合,同时连接摄像装置,将内窥镜探测到的图像传递到摄像装置上,便于使用者更好地观察。
平行光束通过特定参数的透镜组,再通过光阑,成像在透镜组的像方焦平面上即CCD感光器上,如图2-2所示。
图2-2工作原理图
前窗保护玻璃对整个光学系统起保护作用并接收来自内窥目镜的光线,光线经由弯月透镜、胶合透镜和光阑组成的光学系统,并从最后的透镜组出射,出射光线被CCD感光器接收,如图2-3。
图2-3设计原理图2.3光学系统参数设定和计算
我们设计目标是入瞳直径D为4mm,全视场角 为12.5°,工作波长在486.1nm、589.3nm、656.3nm和840nm。
由于该系统是内窥镜适配器系统,因此需要较高的响应速度来进行成像接收,选择CCD成像系统会有更好的成像效果。
在实际使用中,使用1英寸CCD,像元尺寸为 ,分辨率为 ,满足CCD达到880万像素。
根据奎斯特定理,一个光电成像器件能够分辨的最高空间频率等于它的采样频率的一半[9]。
本光学系统的调制传递函数
(MTF)应达到的极限分辨率为:
。
根据分辨率和像元尺寸经单位换算后可计算出CCD成像尺寸为:
(2-1)将结果15.975带入下式,ω为1/2全视场角,即为6.25°。
(2-2)可得焦距为36mm。
2.4初始结构的选取
本文内窥镜适配器的设计要求是短焦距、视场范围小和相对孔径小,因此对初始结构的选取要满足这些要求。
由于适配器是作为内窥镜的转接系统,属于光学接口小型化系统,简单紧凑的结构设计是重要的性能指标。
选取合适的初始结构对简洁些来的优化设计起着事半功倍的效果。
对光学系统进行优化设计一般有两种方法可以选择:
一种是根据设计者经验,通过求解初级像差方程和光焦度方程确定透镜系统的光焦度分配,优化设计出一个近似的初始结构;另一种是通过查阅大量文献和各种专利,通过焦距缩放达到目标焦距,为光学系统的设计和优化选择一个合适的初始结构[5]。
第一种方法需要设计者有充足的理论知识和光学系统设计经验,在本次设计中难以实现,所以在本文中采用第二种方法构成一个内窥镜适配器的初始结构。
通过查阅大量内窥镜适配器专利和文献,最终选取贴合本系统设计参数要求的由6组10片式组成、入瞳直径为4mm、视场角为12.5°、有前保护玻璃、焦距为30mm的内窥镜变焦适配器作为初始结构[2]。
该初始结构如表2-1所示,由于所学知识有限,该初始结构还含有变焦组以及非球面但不纳入本文的初始结构使用,该结构光路如图2-2所示。
图2-2内窥镜适配器初始结构光路图
此初始结构由前保护玻璃、负透镜、正弯月透镜、三胶合透镜、弯月透镜、光阑、三胶合透镜的顺序组成,平行光首先通过保护玻璃(玻璃厚度为1mm,折射率为1.52,阿贝数为64.2),再通过负透镜(厚度为2mm,折射率为1.62,阿贝数为63.9)对光线进行发散,随后添加正弯月透镜(厚度为1.55mm,折射率为1.91,阿贝数为35.3)、三胶合透镜(厚度分别为3.68、3.53、3.38mm,折射率分别为1.88、1.46、1.80,阿贝数分别为40.8、90.5、46.6)和正弯月透镜(厚度为1.16mm,折射率为1.52,阿贝数为59.0)组合,对光线进行汇聚,正弯月透镜不仅使光线汇聚,并且最大限度的减少三阶球差。
设置孔径光阑,控制光线通过口径。
最后通过三胶合透镜(厚度分别为1.68、1.64、1.49mm,折射率分别为1.57、1.92、1.69,阿贝数分别为71.3、20.9、54.9)使光线在其15mm后的位置处聚焦,被CCD接收。
系统整体通过调整光阑的位置减小彗差,采用对称式透镜组来减小场曲,同时采用三胶合透
镜减小色差,最终获得成像质量较高的光学系统,能达到超高清分辨率的要求。
表2-1内窥镜适配器初始结构
Surface Radius Thickness Glass
1
Infinity
1.00
1.52,64.2
2
Infinity
5.00
3
-66.499
2.00
1.62,63.9
4
10.458
0.19
5
10.283
1.55
1.91,35.3
6
16.264
0.89
7
9.014
3.68
1.88,40.8
8
5.712
3.53
1.46,90.5
9
-6.960
3.38
1.80,46.6
10
-12.319
11.75
11
34.985
1.16
1.52,59.0
12
-61.481
0.14
13
Infinity
0.07
14
6.252
1.68
1.57,71.3
15
-16.770
1.64
1.92,20.9
16
-11.611
1.49
1.69,54.9
17
4.554
15.08
18 Infinity
3内窥镜定焦适配器的设计
3.1适配器参数的设定
有了初始结构之后我们接着按着初始的参数要求将相关的参数输入初始结构。
分别是入瞳直径参数设定,设置工作波长,设置视场角(如图3-1所示)。
入瞳直径我们选取设置好的参数4mm。
设置工作波长中,根据我们人眼的需求设定可见光范围即F、D、C光。
D光为黄光波长是589.3nm,F光为青光,波长为486.1nm,C光为红光,波长为656.3nm。
再添加适用于医用内窥镜的近红外光源,即波长为840nm。
选取D光为主光线。
视场角我们选取半角0°、
3°、4.5°、5.5°、6.25°五个视场,视场选取的越多对整个系统后面成像质量的评价越精确。
图3-1(a)设置适配器入瞳直径图3-1(b)设置适配器波长
图3-1(c)设置适配器视场3.2适配器初始结构的初步优化
通过观察我们的初始结构的调制传递函数图、场曲/畸变图、点列图、光扇图、散斑半径发现(如图3-2、表3-1
所示):
初始结构的MTF图有较好的衍射极限,但实际调制传递函数却较差,仅在5.6 处,所有视场大于0.1;畸变为2%以内;RMS半径和GEO半径均大于艾利斑半径;总体球差在165 内。
因此该初始结构含有较大的球差、畸变等像差,不能直接使用,要对其进行初步的优化,让其MTF曲线往衍射极限曲线靠近。
表3-1初始结构弥散斑半径
艾利斑半径5.415(um)
0°视场
4.5°视场
6.25°视场
RMSRADIUS(um)
71.999
79.120
83.748
GEORADIUS(um)
98.540
124.582
143.703
图3-2(a)初始结构调制传递函数图3-2(b)初始结构光扇图
图3-2(c)初始结构场曲/畸变图图3-2(d)初始结构点列图
打开默认评价函数编辑器,设置评价函数值如图3-3所示,选择“RMS”+“SpotRadius”+“Cetriod”的目标设定,采用光斑尺寸优化方法。
在厚度边界条件约束中添加玻璃与空气的厚度限制,即设置玻璃材料和空气的最大中心厚度分别为10mm和100mm、最小中心厚度和最小边缘厚度均为1mm。
设置好后,为使其焦距目标值控制为计算所得的38mm,在评价函数编辑器中,添加EFFL操作数,利用操作数进行焦距控制。
当然也可以设置其他的操作数进行控制,但这里只选取焦距操作数。
在评价函数的目标设定中,ZEMAX有三种评价条件可以选择,第一种:
波前优化(WaveFront)是以优化光线之间的光程差达到最小为目标,在系统像差较小的情况下优化效果比较显著;第二种:
光斑半径优化(SpotRadius)是以优化物方视场光束的光斑使在像面上达到最小为目标,不过只能在聚焦模式中使用;第三种:
角半径优化
(AngularRadius)是以优化物方视场光束到像面时边缘光线与主光线间的角度差值达到最小为目标,是一种无焦优化的方式。
这三种评价条件一般都是使用方均根(RMS)统计评价法。
而参考方式分为两种:
质心参考
(Centroid)和主光线参考(ChiefRay),质心参考比主光线参考更精准,尤其是系统的主光线被遮拦时,因为质心是光束通过透镜系统在像空间上形成的光斑的重心,不论光束是否为主光线的中心[6]。
大多数成像系统都采用“RMS+SpotRadius+Cetriod”这种方法来优化光斑大小,在本次设计中采用该优化方式,在优化聚焦系统设计时,也是最佳的初始评价条件。
图3-3设置评价函数值
设置好评价函数后,依次将初始结构的各表面透镜厚度、透镜间距和曲率半径设为变量,使用局部优化Opt的方式进行优化,通过不断改变初始结构的透镜组各表面的曲率半径及透镜厚度和间距,使MTF曲线向衍射曲线靠近。
设置好评价函数和优化变量之后就可以开始一步步分别优化透镜半径、透镜间距和透镜厚度。
值得一提的是,我们并不是将所有透镜的曲率半径或是透镜厚度和间距等设为变量一次性全部优化,而是一块或两块的改变,逐步优化,这样我们可以得到更好的优化结果,经初次优化后的光路图如图3-4。
图3-4初次优化后光路图
通过不断优化,初步优化的结果如图3-5:
调制传递函数图(a)、场曲/畸变图(b)、几何点列图(c)、光扇图(d)所示。
我们可以看到,经初次优化后,MTF图像明显变好,整个曲线下降的比较缓慢,在低频和高频时都有很高的调
制度。
MTF曲线已经和衍射极限重合,说明已达到了衍射极限,在143 处,所有视场均大于0.1;畸变也控制在0.2%;由表3-2可看到,弥散斑的能量相对集中,系统所有光线都在艾利斑内说明处于衍射极限状态;总体球差控制在1 以内。
经过优化后,大部分像差都得到了较好的控制,但该系统仍存在不足的地方,产生了较大的色差。
色差的产生是因为相同材料对不同波长的光具有不同的折射率,导致不同波长的光在通过透镜后发生分离,当物点光源穿过透镜汇聚在像面时,会产生大大小小的色斑,这也叫色散现象。
尽管经初步优化后像差有较大的改善,但还不能达到设计的目标,需要在此基础上再进行二次的优化,需要提高衍射极限,解决色差问题。
表3-2初步优化后弥散斑半径
艾利斑半径6.849(um)
0°视场
4.5°视场
6.25°视场
RMSRADIUS(um)
0.354
0.398
0.413
GEORADIUS(um)
0.551
0.768
0.848
图3-5(a)初步优化后调制传递函数图3-5(b)初步优化后场曲/畸变图
图3-5(c)初步优化后点列图图3-5(d)初步优化后光扇图3.3适配器结构的二次优化
因为该结构已达到了衍射极限,所以如要继续提高MTF参数,则需要在结构上做出改动。
经过大量的增减镜片的尝试,最终采用减去原结构中的第三块镜片—正弯月透镜。
为了尽量降低减少镜片对系统的影响,并没有一次性将该镜片进行删减,而是采用CTVA操作数对该透镜的中心厚度进行削减,每次削减0.5mm,一步步优化该透镜厚度,当优化到该透镜中心厚度为1mm时,把该透镜从结构中删去,达到了去除镜片的目的[8]。
由于上述初步优化的结构存在较大的色差,且存在工作波长为840nm的近红外光,由于是红外镜头系统,红外材料可选的材料极其有限,而使用普通玻璃材料又很难消除,且又要满足更高的图像质量要求。
此时使用二元衍射光学元件进行色差消除,即Binary2面型,使用衍射的方法可以在镜片较少材料有限的情况下达到较高的消色差水平[6]。
因此,我将初步优化的结构中光阑后的透镜前表面设计为二元面Binary2,在附加数据中将二元面前四项的相位系统设置为变量,如表3-3附加数据编辑所示。
此时系统成为一个新的结构,可以开始进行下一步的优化。
继续沿用上述评价函数,分别把曲率半径和厚度设置为优化变量,分别一步步优化透镜半径、透镜间距和透镜厚度。
采用EFFL操作数将系统焦距控制在38mm;用DIMX
操作数将畸变控制在小于0.2%;用MTFA操作数控制MTF在145 处大于0.1;用CTVA操作数控制后截距在14mm。
同样,这里也并不是将所有透镜的曲率半径或是透镜厚度和间距等设为变量一次性全部优化,而是一两部分参数的改变,逐步优化。
表3-,3附加数据编辑
Surface MaximumTarm# NormRadius Coeff. Coeff. Coeff. Coeff.
12
4
4.079
onp^2
-23.157
onp^4
15.720
onp^6
-77.635
onp^8
165.222
4设计结果分析
系统经二次优化后由5组9片式组合而成,由保护玻璃、弯月透镜、三胶合透镜、弯月形透镜、光阑和三胶合透镜的顺序组合而成。
为提高调制传递函数的衍射极限曲线,经多次试验,在初始结构的基础上,减去了一片弯月透镜,可以达到设计要求。
图4-1优化后系统光路图
其中玻璃材料依次为:
N-BK7、N-PSK53、N-LASF31、N-FK58、LASFN30、K3、N-PSK58、SF66、LAK9G15。
优化后
的光路图和结构图如表4-1和图4-1所示。
表4-1适配器优化后结构
Surface Radius Thickness Glass
1
Infinity
1.00
N-BK7
2
Infinity
5.00
3
-16.715
2.00
N-PSK53
4
-28.713
0.19
5
19.631
1.55
N-LASF31
6
13.708
0.89
N-FK58
7
-14.696
3.68
LASFN30
8
-15.558
3.53
9
-12.227
3.38
K3
10
-17.287
11.75
11
Infinity
1.16
12
26.267
0.14
N-PSK58
13
14.020
0.07
SF66
14
9.991
1.68
LAK9G15
15
14.007
1.64
16 Infinity
4.1场曲、畸变
场曲是指平面物体通过光学系统后,平面所有物点成像后的焦点所成的集合面并不是一个平面,而是呈现为一个弯曲的像面,无论如何对焦,在像面上不能到的全部清晰的画面,只有一部分区域是画面清晰的。
畸变是指物体成像后,物体的像与实际物体不成比例,但不会对物体成像的清晰度产生影响,因为其影响的是轴外物点在像空间上的成像位置,使物体的成像形状发生改变。
场曲和畸变都会对光学系统成像造成较大的影响,所以需要对适配器的场曲和畸变进行校正。
由图4-2知,二次优化后,场曲总体控制在12以内,可见光场曲控制在6以内;边缘视场畸变在0.08%以内,在5视场的畸变在0.05%以内;一般来说,总体场曲控制在10,边缘视场畸变控制在0.2%可满足设计要求。
图4-2适配器镜头畸变4.2调制传递函数
调制传递函数(MTF)为输出图像的对比度/输入图像,图上的横轴代表是像面上的空间频率即每毫米多少线
对,纵轴代表是对这些黑白细实线的物分辨率的调制度,所以纵坐标MTF值是在0-1之间,MTF越大,表示系统的成像质量越好,也可以理解为曲线
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 内窥镜 适配器 光学系统 设计