一种新型铊玻璃自聚焦内窥镜图像系统的设计

　　1　引　言

　　自聚焦内窥镜是一种新型的医疗仪器,它可以进入人体多种器官,如胃、肠、咽喉、关节、血管、泪眼孔以及子宫等,能观测到器官的腔轮廓及鉴别病变组织。在国外对内窥镜的研究已取得了很大的进展[1-3],在我国也进行了这方面的研究[4-5]。但是这些设计系统都较复杂,而且实际造价也较高。我们设计了一种新型内窥镜,该自聚焦内窥镜主要由图像系统构成,而图像系统又主要包括传光系统和传像系统。该自聚焦内窥镜与以往的内窥镜相比[6-8],其尺寸要小得多,视场孔径角较大,观测图像清晰度高,分辨率高,而且其设计系统也比以往要简单得多[9]。本文采用了自行研制的铊玻璃自聚焦透镜[10]、传像光纤、传光光纤,以及采用市场上既便宜,操作又方便的电脑眼及其配套的计算机摄像系统。该内窥镜图像系统的端头直径为1·5 mm,分辨率达到了189 lp/mm(2·65μm),视场角为60°左右,在3 mm~8 mm内都能获得很清晰的图像。利用此系统我们观测了标准分辨率板及目标物,得到很满意的效果。

　　2　内窥镜图像系统的设计

　　2·1　传光系统的构成

　　传光系统主要包括光源、耦合系统和传光光纤三部分。我们采用光源25 W的小灯泡。为了提高耦合效率,只采用大口径、小焦距为50 mm,20 mm的透镜,利用我们设计的系统使耦合效率高达2倍。传光系统所用的光纤,不仅其尺寸小,还有较高的数值孔径,提高了耦合效率。本系统采用的传光光纤由20根芯径为65μm,外径为150μm的石英光纤组成。传光光纤数值孔径NA=0·5,均匀排列在传像光纤的周围。

　　由于传光光纤排布在传像光纤的周围,本系统在距内窥镜探头端面0·8 mm内为照明盲区,在盲区外,视场角在60°以内的物体均可以被均匀照明。

　　2·2　传像系统的设计

　　实验装备如图1所示,传像系统是由自行研制的铊玻璃自聚焦透镜、传像光纤、显微镜、电脑眼(CMOS摄像芯片)及其配套的计算机采集图像系统组成。传像系统的设计是体现系统性能的关键部分,这样设计不仅可以保证系统具有理想的视场,而且高分辨率也能得到可靠的保证。之所以有这样的优点就是由于选择了很关键的器件———铊玻璃自聚焦透镜,我们研制的这种透镜是通过两步离子交换得到的,其特点有直径小(可达直径为1 mm),分辨率高(可超过200 lp/mm),数值孔径角大(60°以上),成像范围宽,清晰度高,焦距短(成像可在透镜端面上)等优点[11]。本系统的景深与入瞳尺寸和成像透镜的焦距有关,我们所用的成像透镜是我们研制的Ф1·30 mm,F4的铊玻璃自聚焦透镜,其焦距为0·63 mm,数值孔径NA=0·481。传像光纤的芯径为0·5 mm,数值孔径NA=0·3,其像素数为1 800(重庆邮电学院研制)。