内窥镜是用来无创或微创地观察其他成像设备无法进入内部体腔的成像医疗设备, 通过它能在人体自然状态下, 高分辨地直接观察到内脏器官的组织形态, 如耳腔、胃部等, 内窥镜已成为医疗诊断的可靠工具。内窥镜最早于1877年由Maximilian Nitze发明, 由物镜组、转像透镜组和目镜组三部分组成^[1]。在内窥镜发展史上, 最具代表性的是在1959年Harold等发明了棒状透镜, 棒状透镜的使用大大增加了内窥镜的传光能力, 大大提高了成像的对比度^[2-3]。1963年Karl Stotz又结合棒状透镜成像和光纤束传输照明光, 基本奠定了当前硬性内窥镜的结构^[4-5]。在此基础上, 于1992年证明了内窥镜目镜与CCD耦合的视频内窥镜的可行性^[1]。随着光源技术、电子显示技术等的发展, 视频内窥镜得到了长足的发展^[6-7]。通过内窥镜光学系统将被观察目标成像在CCD靶面上, 经光信号转变为电信号, 再经信号处理和图像处理后, 实现在计算机屏幕上显示清晰的放大图像。在内窥镜系统的协助下, 医生能更好地发现被观察组织发生的病变, 并能让患者直观地、全面地了解自己身体内存在的问题。这些图像还能存储在患者的数据库中, 与文字、图形、图像等信息共同组成新一代的电子病历, 便于调阅和用于会诊、学术报告等场合。赵秋玲等^[8]基于实际应用设计了一个90°视向角的光学系统, 该系统可用于1/4 in(1 in=25.4 mm)CCD口腔内窥镜成像系统且具有视场角62°, F数为7, 各视场的光学传递函数在80 lp/mm处取值良好, 景深大、像面照度均匀, 整个系统的最大口径小于4.6 mm。提高视频内窥镜的性能^[9-10], 使图像能更高清晰地呈现组织的特性一直是研究人员努力的方向。这除了要求内窥镜和CCD性能提高以外, 对连接内窥镜和CCD相机的耦合光学系统也提出了更高的要求。本文根据实际需要设计了一款结构简单, 成本低, 适合于200万像素、1/1.8 in CCD相机的高清内窥镜耦合光学系统。

内窥镜耦合光学系统(或者称内窥镜适配镜)是在现有内窥镜的基础上实现光学耦合内窥镜目镜和CCD相机的光学系统。具体的安装结构如图 1所示。

图 1

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图 1 内窥镜与CCD相机耦合结构图 Figure 1 Schematic diagram for coupling endoscopy with CCD Camera

根据耳鼻喉内窥镜使用的要求, 设内窥镜光学的入瞳直径为C=4 mm, 内窥镜物方视场角2ω=60°, 内窥镜物镜焦距为; 设内窥镜目镜焦距f′₂=10 mm, 则内窥镜像方视场角, 内窥镜目镜出瞳为, 出瞳距约等于10 mm, 内窥镜的输出参数即为CCD耦合透镜系统的输入参数。

MTF是所有光学系统性能判据中最全面的判据。它是像的调制度与物的调制度之比, 是空间频率的函数。通常MTF值随空间频率的上升而下降, 即一个镜头的MTF值越大越好, MTF曲线包围的面积越大越好, 偏离光轴的点在子午方向和弧矢方向的MTF值越接近越好^[11]。且在有效视场范围内一般要求MTF大于0.1处的分辨率越高其图像分辨率也越好。在本文设计中主要参考MTF的值进行优化, 根据实际开发需要, 选用的CCD是凌云公司的一款HD-SDI标准高清接口相机, 具体的参数:CCD成像尺寸为1/1.8 in的彩色CCD芯片, 总像素数为200万。为了达到高清效果, 本文设计的耦合透镜的最高图像分辨率要与CCD芯片的图像分辨率相同, 即

根据前述分析, 即要求耦合透镜系统在图像分辨率111 lp/mm处的MTF值要大于0.1。

本设计的初始参数为:波长为F、D、C可见光的三基色波长, 半视场角为6°, 入瞳距离为5 mm, 入瞳直径为5 mm。为了降低成本, 有利于产业化, 本设计采用对称式的双胶合透镜结构, 玻璃材料选用Schott的BK7和F2, 都是比较常用的玻璃材料。经过反复在Zemax软件下优化, 得到具体的设计结果, 如图 2所示。系统前后各有一片平行的薄片为窗口片, 采用BK7玻璃材料, 1 mm厚度, 主要的作用是在安装时起到保护的作用, 即将耦合透镜系统封装在机械结构中, 起到防水和防尘的作用, 有利于消毒和清洗, 并且不影响耦合透镜的性能。

图 2

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图 2 内窥镜与CCD相机耦合的透镜光学系统结构 Figure 2 Layout of optical system of coupling lens for endoscopy and CCD camera

设计的系统全视场角为12°, 有效焦距为22.0 mm, F数为4.4, 离轴像高为2.3 mm, 将使用CCD相机90%的像面空间。图 3给出了耦合透镜系统的波前光程差, 除在最大视场角下, 最大的光程差为1个波长左右, 其他入射角下的垂轴像差、场曲和畸变都可以满足高分辨率成像的要求, 特别是图 4显示图像分辨率在111 lp/mm处, 除了子午方向最大视场的MTF小于0.25以外, 其他视场的MTF都大于0.25。图 5给出了相机在全视场范围内的相对照度曲线, 整体照度非常均匀。从这些像差和MTF数据可以看出, 整个设计满足预计需求。

图 3

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图 3 耦合透镜系统的像差 Figure 3 Aberration curves of the coupling lens system

图 4

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图 4 耦合透镜系统的MTF曲线图 Figure 4 MTF curve of the coupling lens system

图 5

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图 5 系统相对照度曲线 Figure 5 Relative illumination curve of the coupling lens system

为了验证所设计的光学系统, 加工了耦合透镜系统, 结合内窥镜和CCD相机测试了成像的效果, 具体的测试系统如图 6所示。CCD采用的是凌云公司的HD-SDI标准高清接口的相机, 耦合透镜系统已经装配在机械结构中, 该机械结构设计了调焦的功能, 可以在内窥镜和CCD相机间调节位置, 以便CCD能更好地对焦, CCD相机图像在Sony显示器上显示。图 7给出了内窥镜图像经耦合透镜系统成像在CCD上的照片, 由图可见成像清楚, 图像细节表现明显, 分辨率达到了高清成像的要求。

图 6

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图 6 耦合透镜系统测试系统 Figure 6 Testing system for coupling lens system

图 7

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图 7 内窥镜图像经耦合透镜系统成像在CCD上照片 Figure 7 Photograph taken by CCD camera using coupling lens system

视频内窥镜是当前临床使用的主流, 医生使用内窥镜和CCD相机耦合的视频成像方式进行病情观察已越来越广泛, 这就要求有一个成像质量良好的耦合透镜系统耦合内窥镜目镜和CCD相机。基于实际应用的要求, 设计了适用于耳鼻喉科内窥镜耦合CCD相机的耦合透镜系统。实际测试表明:所设计的耦合透镜系统, 成像清楚, 图像细节表现明显, 分辨率达到了高清成像的要求; 另外, 对于生产来说, 因为采用的是传统材料和双胶合对称结构, 降低了加工的成本, 更有利于产业化。