目视医用硬性内窥镜光学系统初始结构设计

　　目视医用硬性内窥镜光学系统主要由物镜、转像系统和目镜组成。内窥镜是一特殊光学系统，其结构特点是大视场、小孔径、光学长度长和景深大，既不同于望远系统也不同于显微系统，既是物方远心光路又是像方远心光路，孔径光阑通常置于转像系统的中间，成像原理如图 1 所示。

　　1 内窥镜的结构参数

　　1.1 视放大倍率

　　视放大率是医用内窥镜光学系统参数之一，可用下式计算[1]：

　　式中 -内窥镜视放大率; 250 -人眼明视距离; -物距; -入瞳直径; -出瞳直径;1物镜焦距，2目镜焦距。

　　由(1)式可知，内窥镜的视放大倍率是物距的函数，与 成反比。

　　本文以腹腔镜为例说明内窥镜光学系统的参数及结构的确定，腹腔镜具体技术要求如下：腹腔镜视场角 2 =70°;一倍视放大率物距 =50mm;光学长度 =370mm;外径 =6mm。

　　1.2 物镜、目镜的焦距

　　1.2.1 物镜的焦距1

　　内窥镜光学系统外径 =6mm，所取的视场光阑尺寸要比外径再小一些，选其为 3.6mm，由物方视场角为2 =70°，则：

　　1.2.2 目镜的焦距2

　　根据使用要求，若内窥镜的 1 倍物距为 50mm时， =1×，则目镜焦距

　　1.2.3 -1×转像系统

　　已知腹腔镜的光学长度 =370mm，物镜采用反远距结构，其光学长度约为物镜焦距的 5 倍，因此腹腔镜物镜和目镜所能承担的光学长度约

　　为满足系统光学长度及成正像的要求在物镜和目镜之间加上奇数组 1×转像系统，根据腹腔镜的结构特点采用三组转像系统既可满足要求，则转像系统的尺寸为所以每组转像系统的尺寸为 115mm。

　　2 内窥镜光学系统初始结构

　　2.1 物镜的结构

　　由于物镜的视场大、焦距短，物镜选用反远距

　　结构如图 2 所示，采用负正透镜组分离的形式，物镜前组采用负透镜组，物镜后组采用正透镜组，当平行光束入射时，经前组发散后，被后组成像在焦面上。这样，就使得物镜主面向后移出物镜之外，从而获得比焦距长的工作距离。而视场角较大的轴外光束经前组发散后，相对于后组来说视场角变小，从而达到广角的目的。

　　图 3 为一内窥镜物镜结构，其中的负组仅由一片平凹镜组成，正组则由一单透镜和双胶合透镜组合而成，单正透镜和双胶合透镜组合不但可以补偿前组的光焦度而且可以在视场角为 70°，相对孔径为 1/6 时能很好地校正像差，并且保护玻璃可以方便地加在负透镜前，有利于内窥镜使用要求。