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Zemax光学设计实例（153）---一个胶囊内窥镜的设计

2022-3-2 13:30| 发布者：Davis| 查看：1627| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了胶囊内窥镜的光学设计实例，讲述了胶囊内窥镜与传统内窥镜的区别和优势，以及对系统总长、像高、焦深等技术指标的要求。文章还介绍了参数设定和优化方法，并且提到了相应的畸变和截止频率问题。

引言：

内窥镜是一种常用的医疗器械，可经由人体天然孔道或手术切口进入人体，用于检查人体内部难以触及的组织结构。内窥镜可分为硬管式内窥镜、半可屈式内窥镜、纤维内窥镜、电子内窥镜等。医用内窥镜不仅可以加装摄像系统，还可以进行手术治疗。

胶囊内窥镜属于电子内窥镜的一种，同一般的电子内窥镜一样，其成像依赖于CMOS或CCD 器件，且其成像效果优于纤维内窥镜，分辨率高。胶囊内窥镜的工作系统由体内和体外两大部分组成，其中：体内部分是由摄像模块、电源模块、无线传输模块、照明模块构成的内窥镜胶囊；体外部分则由影像接收仪、影像与报告处理工作站、胶囊遥控单元组成。胶囊内窥镜通过吞服进入体内，由肠道排出，具有一次性的特点。与传统的多次使用的内窥镜相比，胶囊内窥镜杜绝了交叉感染的风险；同时,由于胶囊内窥镜外形圆润、体积小,可以降低检查时给患者带来的痛苦。

胶囊内窥镜的工作原理如下图所示。传统的胶囊内窥镜由光学镜头、LED 、CMOS 图像传感器、控制电路、磁控开关、电池和发射装置组成。物体通过胶囊前端的透明球罩成像CMOS图像传感器上,经CMOS 进行光电信号转换后，电磁信号通过发射装置传输到体外的影像接收仪上。

人类肠道最窄的幽门和小肠直径在15-25mm之间，故对胶囊内窥镜进行设计时应考虑系统的总长和像高。若胶囊内窥镜过大，则胶囊可能会滞留于体内，需通过手术取出。

肠道结构幽深复杂，在一定的纵向深度内，清晰成像是内窥镜的重要指标。对于像素阵列系统来说，其焦深为

式中：p 为像素边长；u'为像方孔径角；NA为像方数值孔径；F为近轴工作下的 F数。F 数越大，焦深越大。

再由照度公式：

式中：E为照度；B为发光强度；τ为成像损耗系数；D为口径；f'为焦距。F数越大，照度越低。

故在选择F数时需要权衡。

技术指标：

设计一个胶囊内窥镜，系统总长小于10mm，F数为6，视场角为0-64°。

成像芯片的参数为

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“6”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，设定F,d,C，如下图：

进行Hammer优化后，LDE的结构参数，如下图：

查看2D Layout：

查看点列图：

查看MFE：

像元尺寸p 为1.4μm，对应器件的截止频率为

根据彩色CCD的像素分布特性，认为彩色CCD的最大截止频率为

MTF在1/2最大截止频率(89lp/mm)处均达到0.5以上，在接收器最大截止频率处均接近衍射极限，像质良好。

查看畸变：

桶形畸变约为-10%，可以通过后期ISP算法进行电子校正。

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