利用光纤传像束的内窥镜物镜设计闫兴涛1,2，杨建峰1，薛彬1，周珂1,2，赵意意1,2，卜凡1,2

(1.中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术实验室，陕西西安710119；2.中国科学院大学，北京100049)

摘要：光纤传像束用于内窥镜时，对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后，根据实际需求，选用反远距型物镜作为初始结构，利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78μm，焦距0.921mm，全视场100°、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长10.32mm，满足像方远心要求，在38lp/mm频率处MTF值在0.85以上，像质优良；同时，在Tracepro软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型，模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明：该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点，满足内窥镜要求。关键词：应用光学；物镜设计；光纤传像束；像方远心中图分类号：O439文献标志码：A文章编号：1007-2276(2013)02-0423-05

Designoftheobjectivelensforendoscopewithimagingfiberbundle

YanXingtao1,2,YangJianfeng1,XueBin1,ZhouKe1,2,ZhaoYiyi1,2,BuFan1,2

(1.SpectralImagingTechniqueLaboratory,Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xi′an710119,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Abstract:Fortheendoscopewithimagingfiberbundle,eithertheconfigurationortheimagingqualityofitsobjectivelensshouldsatisfysomenewrequirements.Firstly,thefundamentaloftheobjectivelensdesignwasanalyzed,andtheretrofocusobjectivelenswaschosenasaninitialstructureforthisdesign.Thenanobjectivelensforthefiber-opticendoscopewasdesignedwiththesoftwareZemax.Theoperationwavelength,focallength,FOV(fieldofview)andrelativeapertureofthedesignedlensare0.38-0.78μm,0.921mm,100°and1/4respectively.Itstotallengthis10.32mm.It′stelecentricinimagespace.TheMTFvalueofthelensisgreaterthan0.85atthespatialfrequencyof38lp/mm.Furthermore,amodelofthedesignedlenscombinedwiththeimagingfiberbundlewasestablishedinthesoftwareTracepro.Thecouplingefficiencyofthesimulatedsystemisabout96%andtheilluminationofoutputendisuniform.AlltheresultsshowthatthedesignedlenshasthepeculiarityofwideFOV,shortfocallength,logicalconfiguration,highcouplingefficiencyanduniformityilluminationatimageplane.It

收稿日期：2012-06-10；修订日期：2012-07-19基金项目：国家自然科学基金(60808028)；国家863计划(2009AA122203)作者简介：闫兴涛(1986-)，男，博士生，主要从事光学系统设计方面的研究。Email:xingtao.yan@163.com导师简介：杨建峰(1969-)，男，博士生导师，博士，主要从事光学设计与光谱成像方面的研究。Email:yangjf@opt.ac.cn

第42卷第2期红外与激光工程2013年2月Vol.42No.2InfraredandLaserEngineeringFeb.2013红外与激光工程第42卷

0引言

近年来，内窥镜不仅用于医疗诊断，而且在汽车船舶、机械电子、电力冶金、石油化工、土木建筑等工业部门也得到广泛应用。目前己投放市场的产品主要有硬式内窥镜、光纤内窥镜、电子视频内窥镜三类产品。其中，光纤内窥镜由于光纤束良好的柔韧性和环境适应性而得到广泛应用。其主要部分光纤传像束是一种可任意弯曲的传输图像的无源器件，它与传统的光学成像器件相比，具有柔性好、质量轻、自由度大、易实现复杂空间图像传递等特点，打破了传统光学系统必须成直线或空间折线的布局。它的结构和性能将决定内窥镜产品的清晰度、分辨率和使用寿命等[1]。国外关于光纤内窥镜的研制和生产已

经相当成熟，但是无论医疗还是工业用内窥镜的进口价格都非常昂贵；我国自20世纪70年代以来，逐步自主研发针对不同应用场合的各类内窥镜，其中长春理工大学、长春光机所、燕山大学和东北电子技术研究所等单位在工业内窥镜及大截面光纤传像束内窥镜等方面有较为深入的研究和较多的成果[2-6]。

其中，李东源等设计了折-衍混合型光学系统，通过二元光学面的引入获得大视场，小像差的光纤传像束物镜，但其材料和加工成本也随之提高[2-4]；长春

理工大学针对工业上应用于无损检测工作的光纤内窥镜进行了设计，但其视场并不大[5-6]。此外，南京春

辉科技实业有限公司在“系列光导纤维传像束及工业内窥镜规模化生产技术研究”方面处于全国领先。随着材料生产和加工工艺的不断成熟与发展，大量性能良好的大截面光纤传像束相继问世，特别是红外光纤传像束技术也在不断成熟[7]。研制新型的性能

优良的光纤内窥镜以满足医疗和工业领域许多新的需求成为新的发展方向，这就对光纤传像束内窥镜前置光学系统的成像质量和结构尺寸提出了更高的要求。文中在分析光纤传像束内窥镜物镜设计原则的基础上，合理选取初始结构，优化设计了一款可见光传像束用内窥镜物镜，并进行了性能评价。这对该类物镜的设计和优化具有参考意义。

1设计原理

典型的光纤传像束内窥镜主要由前置物镜、光纤传像束、目镜/耦接镜、探测器等组成，如图1所示。通过物镜把目标成像于光纤传像束的前端面上，该端面上的图像被离散分布的大量光纤采样，每根光纤都有良好的光学绝缘，独立地将获得的物面信息传输到另一端面上，可将其看作一个像元，像元的数目等于端面上光纤的根数。传像束两端面的光纤呈一一对应排列，因此出射图像和入射图像基本一致，出射图像通过目镜或耦接镜供人眼直接观察或CCD耦接监视。整个系统的性能与物镜和光纤传像

束的性能有很大关系。在获得优良的光纤传像束后，设计成像质量良好的物镜是整个产品获得高质量图像的保障。

图1光纤传像束内窥镜原理示意图Fig.1Sketchmapoftheendoscopewithimagingfiberbundle

在光纤内窥镜物镜设计时，首先，传像束是利用光纤的传光来达到其传像目的的，因此，要满足光纤的全反射条件，使入射光线的数值孔径小于光纤的数值孔径。这就对前置物镜像方数值孔径提出了要求。为降低由数值孔径匹配带来的设计难度，选择光纤传像束时其数值孔径不宜太大。其次，因为轴上物点的成像光束关于光轴对称，能全部进入传像束，而轴外物点入射光束关于主光线对称，其一部分上光线或一部分下光线的入射角将会超过传像束的数值孔径角，导致部分光线被遮拦。为了保证轴上物点和轴外物点的全部成像光束都能进入传像束中传播，应将物镜设计成像方远心系统，如图2所示。

issuitableforthefiber-opticendoscope.Keywords:appliedoptics;objectivelensdesign;imagingfiberbundle;telecentricinimagespace

424第2期

图2光纤内窥镜像方远心光路示意图Fig.2Sketchmapoftelecentricopticalpathintheimageplaceforfiber-opticendoscope

最后，为了保证光纤传像束内窥镜系统最终的成像质量，前置物镜的极限空间分辨率应该大于传像束的极限分辨率。分辨率用每毫米内能分辨的线对数来表征，单位是lp/mm。要满足该条件，必须了解光纤传像束极限分辨率的定义[8]。对于光纤传像束

而言，其极限分辨率不仅与组成传像束的光纤直径d有关，还与光纤的排列方式和排列紧密程度有关。

一般的光纤传像束常用正方形或六角形排列。在静态下，当采用正方形结构时，其极限分辨率为：

σ正=12d(0°和90°方向)(1)

σ正=11.4d(45°和135°方向)(2)

当采用六角形结构时，其极限分辨率为：σ六=13姨d(0°，60°和120°方向)(3)

σ六=1d(30°，90°和150°方向)(4)

根据所用光纤传像束的结构和尺寸设计前方物镜时，只要保证光纤传像束所决定的最小极限分辨率以下的频率处的MTF值较高即可。

2设计实例

根据工业应用需求，要对选用的截面直径Φ=

1.1mm的可见光光纤传像束内窥镜设计一个前置

物镜。传像束的数值孔径NA=0.4，单丝直径d=15μm，在静态下，光纤按六角形排列，则由公式(3)，其极限分辨率为38lp/mm。要求物镜在空间频率为38lp/mm时的MTF值应大于0.8。根据几何光学，光纤束截面直径Φ=1.1mm，则物镜像半高度y=0.55mm，物方视场角2ω=100°，焦距f′=0.921mm(已考虑畸变)。物镜相对孔径的选择主要考虑景深的大小，由于工业内窥镜的观察距离变动范围大，要求景深大。同时考虑物镜像方数值孔

径与光纤传像束数值孔径的匹配，因此，取相对孔径D/f′=1/4。

由于光纤内窥镜主要用于观察和拍摄内部环境的情况，因此，要求物镜具有宽的视场和短的焦距，且考虑到物镜与光纤传像束耦合与装夹精度，后工作距一般都较短。此外，为了满足上述物镜设计应遵循的原则，根据几何光学，应该将孔径光阑置于物镜的前焦面处以实现光学系统的像方远心光路[9]。但是