基于Zemax的双视场胶囊内窥镜设计

黄锦煖; 贺艳芳; 林峰

doi:doi:10.3788/LOP57.181701

激光与光电子学进展, 2020, 57 (18): 181701, 网络出版: 2020-09-02

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Dual-Field Capsule Endoscope Design Based on Zemax Software

论文大纲

黄锦煖 ^*贺艳芳林峰 ^**

作者单位

2福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室, 福建福州 350007

医用光学胶囊内窥镜成像系统 Zemax软件双视场系统 medical optics capsule endoscope imaging systems Zemax software dual-field system

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摘要

目前市售胶囊内窥镜仅能观察到前方视场,而人体内肠道组织的褶皱和回环会导致大量后方视野出现盲区。设计了一种可以同时对前后方视场进行成像的胶囊物镜,该物镜的前方视场为0°~80°,侧后方视场为50°~80°。该物镜总长为15.6 mm,最大径向直径为8 mm。该物镜搭配OH02A10成像芯片可满足高分辨率(89 lp/mm处的最大截止频率大于0.5)的要求,且具有良好的成像质量。

Abstract

The capsule endoscope currently on the market only images the front field of view. Furthermore, the folds and loops of intestinal tissue in the human body cause a large number of blind spots in the rear field of view. In this paper, we report the design of a capsule objective lens that simultaneously images the front (0°-80°) and the side rear (50°-80°) fields of view. The objective lens is 15.6 mm in length, and the maximum radial diameter is 8 mm. An OH02A10 imaging chip ensures a high-resolution image (maximum cut-off frequency >0.5 at 89 lp/mm) and provides good image quality.

1 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^[1]。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(complementary metal oxide semiconductor)或CCD器件,且其成像效果优于纤维内窥镜,分辨率高^[1-2]。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^[3]。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。

人的肠道中有大量的褶皱和回环,而传统的胶囊内窥镜仅能探测前方视场,因此会产生视野盲点。近年来,拥有双视场的内窥镜逐渐引起了人们的兴趣。王立明等^[4]提出了一种双视场电子内窥镜,其前方视场角为60°,后方视场角为60°~80°。Sheu等^[5]提出的胶囊内窥镜的前方视场角为90°,后方视场角为80°~110°,但其选用的像元尺寸过大,像质一般。

本文设计了一款前方视场角为80°、后方视场角为50°~80°的胶囊内窥镜,该内窥镜具有良好的成像质量。

2 工作原理及设计指标

胶囊内窥镜的工作原理如图1所示^[6]。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于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。双视场胶囊内窥镜需要在侧方增加通光孔径,以获得侧后方视野。

表 1. 成像芯片的参数

Table 1. Parameters of imaging chip

Optical size /inch (1 inch=2.54 cm)	Resolution	Pixel size /(μm×μm)	Effective area /(mm×mm)
1/6	1920×1080	1.4×1.4	2.7×1.5

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表 2. 系统设计参数指标

Table 2. System design parameters

Parameter	Back viewconfiguration	Front viewconfiguration
F-number	6	6
Image height /mm	0 to 1	1 to 1.5
Working distance /mm	10	15
Total length /mm	<20	<10
Field of view /(°)	80	50 to 80

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图 1. 胶囊内窥镜的原理图。(a)传统胶囊内窥镜;(b)双视场胶囊内窥镜

Fig. 1. Schematics of capsule endoscopes. (a) Traditional capsule endoscope; (b) dual view capsule endoscope

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人类肠道最窄的幽门和小肠直径在15~25 mm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^[3]。

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

δ_{DOF} = \frac{2 p}{u'} = \frac{2 p}{NA} = 4 pF, (1)

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。

由(1)式可知,F数越大,焦深越大。但根据(2)式,F数越大,照度越低。故在在设置时需进行权衡。

E = Bτ π {(\frac{D / 2}{f'})}^{2} = \frac{Bτ π}{4 F^{2}}, (2)

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。

因本系统需兼顾前方视场与侧后方视场,因此在保证系统小型化的条件下,不易实现大视场角。

系统适配OmniVision公司的OH02A10成像芯片。该款芯片具有体积小和分辨率高的特点,其主要参数如表1所示。

对各项指标进行权衡后,设置系统总长小于20 mm,F数为5~8,前方视场角为80°,后方视场角为50°~80°,最大像高为1.5 mm(最大像高根据芯片尺寸确定,本文取芯片对角线的一半,即1.5 mm)。本文胶囊内窥镜设计的目的是观察肠道并进行成像,镜头取景方向为肠道的轴向,故需要大景深和较大的视场角来获得较好的视野,而对畸变的要求不高。本文所设计的胶囊内窥镜的详细设计指标如表2所示。

3 设计思路

胶囊内窥镜具有短焦距、大视场、大景深的特点。为了获取较大的视场角,至少需要采用一片或一组负透镜作为前组^[7]。采用前组负光焦度和后组正光焦度的组合,可以得到较大的后截距。可以借鉴设计广角物镜的思路,结合表1和表2中的技术指标选取初始结构。本文需要设计前后两个方向的视场,为了降低设计难度,制定了如下设计思路:先设计后方视场,再在此基础上通过增加镜片的方式设计前方视场。

3.1 后组设计思路

选取如图2所示的初始结构作为后方视场的初始结构。该系统的F数为5,总长为11 mm,全视场为88°。调整好F数、视场角和波长等基本参数后,首先控制后视场组的像高为1.1~1.5 mm,总长小于10 mm,为前视场组的设计留下空间。此外,如图3所示,将光阑前置,并将物距设为负值,以模拟从后方视场进入系统的光线,并合理设置视场角。

图 2. 系统的初始结构示意图

Fig. 2. Initial structure diagram of proposed system

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图 3. 后方视场结构示意图。(a)设置反射前;(b)设置反射后

Fig. 3. Back view structure diagrams. (a) Before reflection; (b) after reflection

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3.2 前组设计思路

在后组设计的基础上,前组具体参数的计算公式为^[7]

f'_{2} = \frac{A}{1 / f' - 1 / f'_{1}}, (3)

式中:f'₁为前组焦距;f'₂为后组焦距;f'为系统焦距;A为前组角放大率,是一个可预先估值的常数。已知后组焦距f'₂=2.6 mm,取A=2.17,f'=1.3 mm,可得

f'_{1} \approx - 15.4 mm 。 (4)

根据常见的反远摄物镜镜头的结构,可设前组为单片弯月透镜,两个球面均弯向光阑。前组要承担较大的光焦度,可选用折射率较大的玻璃,此处取n=1.7,r₂=0.25 mm,由公式

C_{1} - C_{2} = \frac{1}{(n - 1) \times f'_{1}} (5)

可得

r_{1} = \frac{1}{C_{1}} \approx 6.3 mm, (6)

式中:n为折射率;r₁和r₂分别为弯月透镜前后表面的半径;C₁和C₂分别为弯月透镜前后表面的曲率。

综上所述,前组可设置r₁≈6.3 mm、r₂=0.25 mm和f'₁≈-15.4 mm的弯月透镜。

将光阑中置,以利于校正像差;控制像高小于1 mm,以实现双视场成像共用一个接收器。图4所示为接收器的侧视图与正视图,该图同时标明了不同视场光线在接收器上所占的面积。

图 4. 接收器示意图

Fig. 4. Diagram of receiver

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4 优化过程

系统有了大致的雏形后,就需要考虑这两个结构组合的方式,即后方视场进入系统的实现方式。要求后方视场光线进入系统后通过反射面进入后组系统,同时反射面不能遮挡前方视场的光线。本设计选用环形反射膜镀膜方式制备反射面,以降低工艺难度,实现双视场。在前组增加平行平板,并在平板表面镀制反射膜,以实现折反射功能,这种方式更易加工。图5标明了前组最大视场光线与后组最小视场光线之间的位置关系。

图 5. 反射面示意图

Fig. 5. Reflection surface diagram

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此外,设计时需要满足前组最大视场光线、后组最小视场光线与镀膜面的交点有足够的距离,目的是防止反射膜遮挡前组光线。

本系统涉及到两个方向的视场,故需要使用Zemax多重结构功能对系统进行设置。由于多种结构中只能设置实际玻璃,故在优化过程中,使用Hammer功能对透镜玻璃进行替换优化。

5 设计结果分析

优化后,具有前后双视场的胶囊内窥镜系统如图6所示。本系统由7个透镜和1片保护玻璃构成,透镜和保护玻璃均采用常规球面玻璃材料,以降低生产成本。另外,本系统的前方视场角为0°~80°,后方视场角为50°~80°。第3片玻璃的镀膜位置很好地避免了遮挡前方视场光线。系统总长为15.6 mm,最大口径为8 mm。前后方视场示意图如图7所示。图7(a)为前方视场结构示意图,图7(b)为后方视场结构示意图。

图 6. 双视场结构示意图

Fig. 6. Diagram of dual view structure

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图 7. 视场的结构示意图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 7. Structure diagrams of views. (a) Front view; (b) back view

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本设计所选的像元尺寸p为1.4 μm,对应器件的截止频率为

V_{dc} = \frac{1}{2 p} 。 (7)

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

V_{color} = \frac{1}{2} \times V_{dc} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{2 p} = 178 m m^{- 1} 。 (8)

如图8所示,前后方视场的调制传递函数MTF在1/2最大截止频率(89 lp/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。

图 8. 视场的调制传递函数。(a)前方视场:(b)后方视场

Fig. 8. Modulation transfer function of views. (a) Front view; (b) back View

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由图9可以看到:优化后的场曲均小于0.1 mm;前方视场和后方视场的最大畸变分别为-34.1%和-25.6%,均为桶性畸变,可以通过后期图像处理的方式进行校正^[8]。

图 9. 场曲和畸变图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 9. Field curvature and distortion. (a) Front view; (b) back view

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图10反映的是离焦时调制传递函数曲线的变化,可以根据该曲线对景深进行评价。从图10可以看出:离焦曲线的中心峰值较高;对于前方视场,当离焦量为0.25 mm时,调制传递函数仍大于0.28;对于后方视场,当离焦量为0.18时,调制传递函数仍大于0.32。这表明,此系统具有大景深的特点,能在复杂的肠道环境下较好地成像。离焦曲线图除了可以用来表征景深外,还可以直观地体现出各视场下的实际场曲和像散。如图10所示,各视场子午和弧矢调制传递函数峰值均较为集中,在Z轴上的分离量小于0.04 mm,说明在实际光线追迹情况下,系统的场曲和像散也得到了良好的控制。

图 10. 离焦时的调制传递函数。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 10. Modulation transfer function for defocusing. (a) Front view; (b) back view

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6 结论

本文设计了一款可同时观察两个方向视场的胶囊透镜,其工作波长为0.486~0.656 μm,焦距为1.4 mm,F数为6,前方视场角为80°,后方视场角为50°~80°,可用于人体内肠道组织的观察。

本文重点介绍了该胶囊透镜初始结构的设计及设计过程中需要注意的指标,最后对像差等进行了分析,分析结果表明此系统可以满足前后视场同时观察的要求。该物镜的总长为15.6 mm,最大径向直径为8 mm,具有尺寸小、成像质量好的特点。在接下来的研究中,本研究团队拟重点探讨光源的安装实现方式,以保证前后视场照明充足,且光源产生的热量在人体可承受范围内。

参考文献

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1 引言

2 工作原理及设计指标

表 1. 成像芯片的参数

Table 1. Parameters of imaging chip

表 2. 系统设计参数指标

Table 2. System design parameters

图 1. 胶囊内窥镜的原理图。(a)传统胶囊内窥镜;(b)双视场胶囊内窥镜

Fig. 1. Schematics of capsule endoscopes. (a) Traditional capsule endoscope; (b) dual view capsule endoscope

3 设计思路

3.1 后组设计思路

图 2. 系统的初始结构示意图

Fig. 2. Initial structure diagram of proposed system

图 3. 后方视场结构示意图。(a)设置反射前;(b)设置反射后

Fig. 3. Back view structure diagrams. (a) Before reflection; (b) after reflection

3.2 前组设计思路

图 4. 接收器示意图

Fig. 4. Diagram of receiver

4 优化过程

图 5. 反射面示意图

Fig. 5. Reflection surface diagram

5 设计结果分析

图 6. 双视场结构示意图

Fig. 6. Diagram of dual view structure

图 7. 视场的结构示意图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 7. Structure diagrams of views. (a) Front view; (b) back view

图 8. 视场的调制传递函数。(a)前方视场:(b)后方视场

Fig. 8. Modulation transfer function of views. (a) Front view; (b) back View

图 9. 场曲和畸变图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 9. Field curvature and distortion. (a) Front view; (b) back view

图 10. 离焦时的调制传递函数。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 10. Modulation transfer function for defocusing. (a) Front view; (b) back view

6 结论

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1 引言

2 工作原理及设计指标

表 1. 成像芯片的参数

Table 1. Parameters of imaging chip

表 2. 系统设计参数指标

Table 2. System design parameters

图 1. 胶囊内窥镜的原理图。(a)传统胶囊内窥镜;(b)双视场胶囊内窥镜

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3 设计思路

3.1 后组设计思路

图 2. 系统的初始结构示意图

Fig. 2. Initial structure diagram of proposed system

图 3. 后方视场结构示意图。(a)设置反射前;(b)设置反射后

Fig. 3. Back view structure diagrams. (a) Before reflection; (b) after reflection

3.2 前组设计思路

图 4. 接收器示意图

Fig. 4. Diagram of receiver

4 优化过程

图 5. 反射面示意图

Fig. 5. Reflection surface diagram

5 设计结果分析

图 6. 双视场结构示意图

Fig. 6. Diagram of dual view structure

图 7. 视场的结构示意图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 7. Structure diagrams of views. (a) Front view; (b) back view

图 8. 视场的调制传递函数。(a)前方视场:(b)后方视场

Fig. 8. Modulation transfer function of views. (a) Front view; (b) back View

图 9. 场曲和畸变图。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 9. Field curvature and distortion. (a) Front view; (b) back view

图 10. 离焦时的调制传递函数。(a)前方视场;(b)后方视场

Fig. 10. Modulation transfer function for defocusing. (a) Front view; (b) back view

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