光纤内窥镜物镜光学设计

工作原理

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。

设计目的

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。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发展。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。

设计要求

内窥镜物镜设计要求：
视场角为2ω=90°，
焦距为f’=1.75mm，
相对孔径D/f’=1/4，
工作波段0.486nm-0.656nm，
传像束的单丝直径为10μm，
其空间频率为50cy/mm。

设计结果

1.外形结构

通过外形图和参数，我们可以看出透镜外形较为合理，尺寸较小，同时各个视场主光线和光轴已经平行，符合要求。

2.MTF曲线

优化完成后，在特征频率50cy/mm处，各视场，各色光均大于0.8，如下图所示（假设此时物距为20mm），符合要求，像质较好。

3.点列图

该系统各视场的成像弥散斑均方根半径基本都小于艾里斑半径，符合设计要求。

4.能量集中曲线

下图为该物镜系统的能量集中度分布曲线，横坐标为像斑半径，纵坐标为能量集中度，3个视场下90%的能量集中在半径为5μm的圆内；95%以上的能量集中在半径为10μm的圆内。无论轴上还是边缘光线在系统像面的照度都较均匀，这是像方远心光路的特点。

由以上像质分析图可见，外形合理，满足像方远心度要求，F/4，全视场为90°，各视场MTF已经符合要求，由能量分布可知能量分布非常集中，系统像质较好，满足设计要求。

注：有需要源文件及设计文件的朋友可以联系作者，作者创作不易，希望客官们打赏~（作者联系方式见个人资料）