医用内窥镜光学设计平衡--景深与焦距-医疗器械网

医用内窥镜光学设计平衡--景深与焦距

分类：应用方案 2023-10-09 17:31:18 106阅读次数

在医疗领域内窥镜中，景深这个参数尤为重要。例如，在腹腔镜呈现的图像上通过适配器光圈焦距的调节，能给主任医师显示出更加完美了解手术中病患位置的情况。

景深（depth of field）是指在摄影机或其他的成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。我们伸手将五指张开，将自己的大拇指朝自己伸到眼前，此时你会发现你眼睛聚焦到拇指的时候，后面看不清的手指都虚化掉了，你所能看清楚的地方就是景深。

一般来说，景深的变化受以下几个因素的影响：

1. 感光元件大小

2. 光圈大小

3. 镜头焦距长短

4. 摄影距离的远近

医用硬性内窥镜物镜具有焦距短、视场大、光学长度长的特点，因此一般选用反远距物镜结构进行光学系统设计。负光焦度透镜组作为前组，正光焦度透镜作为后组，当平行光束入射时，经前组发散后，被后组成像在焦面上。这种光学系统的主面向后移除物镜之外，因此获得比焦距长的工作距离，而且视场角很大的轴外光束经负光焦度透镜组发散后，进入正光焦度透镜组的发散角变小，从而达到广角的目的。

医用硬性内窥镜为了能够深入人体内对病灶进行观察，需要将其设计的具有一定的长度，如腹腔镜一般在30cm，这就要求在硬性内窥镜除了成像物镜之外还要有棒状镜充当的中继传像系统，放大倍率为-1，使用奇数组可以使得系统成正像。就整体设计而言，内窥镜在整个光学系统中其实质可比作照相物镜。内窥镜摄像系统的景深重点在于内窥镜本身，而不是适配镜头。

内窥镜的焦距越长，入瞳直径越大，景深越小；拍摄距离越大，景深越大。我们将镜头的，称为镜头的光圈数，其中。对于可变光圈的镜头，我们常说：选用的光圈数（F数）越大，景深越大。但是对于内窥镜而言，我们在使用过程中，能做的是选择适合的拍摄距离，即不要在内窥镜顶端离物体很近的距离下调节适配器镜头的调焦环使得画面清晰，而应该在适当远的距离（如50mm处）调焦使得画面清晰。这样会显著改善在使用过程中的景深效果。

整体来看，市场上成像性能优秀的内窥镜，它们的景深数据都是差不多的。但是对于内窥镜摄像系统来说，单一优秀部件并不能决定系统的整体高度。光学设计中我们需要综合考量多方面的要求，达到系统整体上的优秀。医用硬性内窥镜光学系统主要包括四个部分：硬性内窥镜、耦合适配镜头、分光棱镜以及CMOS图像传感器。而整体摄像系统还包括光源、图像处理的主机以及显示系统等等，只有综合考虑所有部件才能达到系统的最优解。

我们希望系统的分辨率足够高的同时景深足够大，然而这些要求是彼此矛盾的。景深要求光圈越小越好，但是分辨率和图像亮度等却要求光圈越大越好。因此在光学设计中我们只能综合考量多方面的要求，达到系统整体上的优秀，这就是光学设计中的平衡。

相对其他需要多方权衡的因素，对焦距离可以更容易、更有效地控制内窥镜的景深范围。根据《中华人民共和国医药行业标准YY 0068.1-2008》，通常将内窥镜景深的测试工作距离定为50mm。

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