光学知事隅

8.4.1.简介

为了在不遗漏有用信息的情况下观察体内组织, 物镜必须具有较大的 FOV(如 100度), 以及较大的景深, 以便在不调焦的情况下观察距离在 3 到 50 毫米之间的物体. 扩大镜头的FOV以提供更大视场角同时保持图像尺寸不变需要更短的焦距. 内窥镜物镜的直径应足够小, 以进行无创或微创观察. 具有折射中继透镜系统或成像光纤束的内窥镜中使用的物镜需要高远心度. 由于中继系统不可避免地会在一定程度上降低图像质量, 因此物镜必须提供足够的图像.

为满足上述要求, 内窥镜成像系统中普遍采用后聚焦物镜. 后聚焦物镜主要由两个由孔径光阑隔开的透镜组组成, 如Fig.8.17(a)所示. 后焦距(BFL)比有效焦距 (EFL)长. 为了实现大视场角, 前透镜组整体具有负光焦度, 往往只有一个负透镜. 后组通常由几个镜片组成, 整体具有正光焦度. 物镜被设计成通过第一透镜组强烈折射主光线来获得广角.

如果内窥镜使用的折射中继透镜或成像光纤束, 那么物镜的孔径光阑需放置在前焦点处, 使像空间中的主光线平行于光轴(即像方远心), 以确保离轴光线进入中继透镜或光纤束的耦合效率. 但是用于视频或无线内窥镜的物镜不需要远心度. 因此,物镜可以更简单. 它们的畸变和横向色差也可以通过数字方式进行补偿,因为生物组织直接成像到传感器上, 无需任何中继组件.

典型物镜的光焦度主要依赖于靠近被观察物体的前透镜组. 如果去掉前透镜组,如图8.17(b)所示的风景物镜, 其总长度可以减小. 但是,后透镜组的光焦度必须相应增加, 从而导致光学性能下降. 为了校正色差, 物镜通常使用一个或多个胶合双合透镜.

由于物镜有负前组和正后组,彗差,横向色差和畸变的校正特别困难. 在满足刚性和柔性内窥镜的远心要求时, 也会产生明显的畸变. 远心物镜系统中的畸变校正可能会影响其他离轴像差. 为了通过使用非球面校正畸变, 该表面可能会异常偏离参考球面. 此外,对于紧凑的广角物镜, 校正像差, 尤其是离轴像差变得困难. 因此, 校正畸变以外的像差是设计广角小型内窥镜物镜的关键.

横向色差不仅会产生周边图像的颜色模糊, 还会降低周边区域的分辨率. 较大的横向色差会妨碍精确观察, 这对于通过内窥镜进行基于彩色成像的准确诊断至关重要. 随着光纤束的纤芯直径变小, 电子传感器中的像素尺寸减小, 还需要充分降低横向色差. 对于与光纤束一起使用的物镜, 横向色差应参考光纤芯之间的距离最小化. 如果横向色差没有得到充分校正,透射图像会产生明显的颜色扩散(color diffusion).

物镜中的第一个元件, 透镜或窗口应该非常耐用. 通常该元件面向生物组织的前表面为平面, 以避免在内窥镜浸入流体时光焦度发生任何变化. 本节内窥镜物镜的设计不考虑畸变和横向色差的电子或软件校正. 一些物镜在图方不是远心的. 然而, 镜头格式,设计原理和技术可用于设计远心物镜.

8.4.2 具有固定视场的物镜

Fig.8.18是一个简单物镜, 它由一个负单镜, 一个正单镜和它们之间的孔径光阑组成. 该物镜专为无限远物体设计, 焦距为1mm, NA为0.1, 半FOV为47.5°. 主光线角度为19.4°. 小于大多数CCD传感器推荐的最大主光线角度. 这种物镜的后工作距离比较长; 但是NA是有限的. 如Ray Fan所示, 另一个缺点是它几乎没有提供校正色差的自由度. 横向色差为12um, 轴向色差约为25um. 减少色差的一种方法是使用具有大阿贝数的光学材料, 因为色差与阿贝数成反比. 由于像差校正的自由度有限, 五种单色像差,尤其是畸变,场曲和像散, 都没有得到很好的校正.

另一种只有两个元件且可用于内窥镜的物镜是前面有光阑的风景物镜. Fig.8.19 是一个双元件风景镜头, 光圈前面有一个窗. 光学参数与Fig.8.18中的镜头相同. 这种风景镜头具有全正配置, 因此具有固有的场曲, 可以通过使用非常高折射率的玻璃来减少. 然而高折射率玻璃的阿贝数通常较低, 导致横向色差较大. 蓝宝石的折射率为1.768, 阿贝数为72.2, 可能是一种解决方案, 但它价格昂贵, 而且只能用金刚石磨料制成. 由于孔径光阑前面没有负透镜, 与场相关的像差, 例如像散,场曲,畸变和横向色差, 比Fig.8.18中的物镜要大.

Fig.8.20是一个在后组中使用双胶合而不是单透镜的物镜, 以校正色差. 系统参数, 例如NA和FOV,与Fig.8.18中的物镜相同. 使用双胶合, 可以显着改善轴向和横向色差.

上面讨论的物镜的主光线不平行于光轴, 这意味着出射光瞳不在无限远. 这些物镜仅适用于末端带有电子传感器的视频内窥镜, 例如CCD和CMOS传感器. 为了实现像方远心, 孔径光阑应放置在物镜的前焦面上. Fig.8.21是NA0.17和半FOV 60°的三元件远心物镜. 像面位于物镜的最后一个表面, 因此可以胶合或接合到光纤束的入射端. 如果该物镜与中继透镜系统一起使用,则像平面应远离透镜表面, 以避免对最后一个表面的质量要求严格. 畸变相当大并且与视场角成比例. 球差和彗差得到了充分的校正, 但像散,场曲和色差仍然很大. 通常,较短波长的轴向和横向色差都在参考波长的负侧, 因为短波长的焦距更小.

有两种方法可以减少横向色差. 第一种方法是基于对称原理减少横向色差. 它可以有效减少横向色差,但不能有效减少轴向色差. Fig.8.22是使用这种方法的一种设计. 物镜设计工作距离为10mm, NA为0.137, 半FOV为60°. 横向色差平衡良好. 合理控制慧差和像散. 其他像差,如球差,场曲和畸变,需要进一步改进.

第二种方法使用双胶合, 这是减少轴向和横向色差的有效方法. 为了校正横色,最好将胶合镜放置在距离孔径光阑有一定距离的位置, 使光线高度较大. Fig.8.23是一个带有双胶合的物镜, 双胶合为靠近像平面的最后一个元件. 工作距离,NA 和FOV与Fig.8.22中的物镜相同. 胶合面的中心在孔径光阑的对面, 因此离轴光线以远离垂直方向的角度进入胶合面. 物镜中残留的主要像差包括彗差,场曲和畸变. 可以增加胶合面的曲率, 以确保更有效地补偿横色. 然而, 双胶合中负透镜的弯月度增加, 使得这些透镜的制造更加困难.

Fig.8.24中的物镜是在前组中添加正透镜以缓和光学系统的不对称性和在后组中使用胶合双合透镜以减少轴向和横向色差的组合。 物镜具有 0.137 的 NA 和 60 度的半 FOV。 彗差和色差平衡得很好。 由第一负透镜的凹面引起的负球差由靠近像平面的两个双合透镜中的正透镜补偿。 但畸变还是比较大的，主要来自孔径光阑前面的负透镜第一面。