为了实现从前鼻孔进镜对鼻黏膜表面进行直接显微成像，从而进行无创性观察和测量在体鼻纤毛运动，设计了一种能够分辨鼻纤毛，并且带有30°视向角的变倍硬性显微内窥镜。所设计的硬性内窥镜系统物方数值孔径为0.15，分辨率为272 lp/mm，工作距离为3.00 mm，视向角为30°，物面高度为0.40 mm，系统总长度为205.62 mm，物方口径为4.65 mm，放大倍率为6×~10×。此鼻黏膜纤毛显微内窥镜将可以避免取材造成的纤毛功能损害和受试者痛苦，极大地提高纤毛相关疾病的临床诊断能力，成为助益纤毛领域科研和临床工作的重要突破。

医用硬性内窥镜是一种常用的医疗器械,成像质量的好坏直接影响着内窥镜的检测效果,因此内窥镜光学传递函数测量是一个亟待解决的课题。设计了基于刀口法的内窥镜调制传递函数测量系统,利用CMOS相机分别对刀口移动时刀口像的灰度值进行连续采样和刀口静止时刀口像的灰度值进行单步采样,电子计算机将所得到的数据进行微分、傅里叶变换和滤波,就可以快速地得到内窥镜的调制传递函数。以0°鼻窦镜为测量模型,实验表明,在中心视场空间频率5 lp/mm处,刀口扫描法测得的MTF值比仿真值低0.03,空间频率10 lp/mm处,刀口扫描法测得的MTF值比仿真值低0.01,且刀口扫描法和刀口目标成像法都可以测量出稳定的MTF曲线。

为完善医用硬性内窥镜成像质量的检测方式,设计了基于刀口法的内窥镜调制传递函数测量系统。建立了刀口扫描法的理论模型,通过CMOS对高精度扫描的刀口像的灰度值进行采样获得刀口扩散函数,再将其进行微分和傅里叶变换得到内窥镜的调制传递函数。实验对0°鼻窦镜进行多次测量,经过分析计算得到的调制传递函数曲线较为稳定,结果表明该系统能够实现对内窥镜调制传递函数的自动化测量。

针对医用硬性内窥镜的质量检测提出了一种检测内窥镜光效能的方法。首先, 利用内窥镜质量检测装置对采集的图像进行三维mesh变换, 定性观察图像; 然后, 对图像做灰度变换及二值化处理, 找到过圆心的弦线并做出plot曲线; 最后, 对plot曲线进行拟合分析, 计算求得内窥镜横向及纵向边缘中心比和视场亮度差异率, 并对计算所得横纵向数据进行统计分析。对若干国内外内窥镜的测试实验表明, 国内内窥镜视场亮度差异率横纵向相关性较好, 相关值均在0.908 5以上且相关性与亮度无关; 进口内窥镜边缘中心比横纵向相关性比较好, 在0.656 5以上。另外, 视场亮度差异率与亮度成正比, 边缘中心比范围基本保持稳定。得到的结果显示: 弦线法可准确地评价内窥镜的光效性能, 能够计算视场亮度差异率。该方法简单方便, 适用于医用硬性内窥镜光效性能的检测及评价。

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法, 以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹, 分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光; 通过杂光路径分析, 提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因, 由此研究了相应的杂散光抑制方法: 即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径, 并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后, 采用提出的方法设计了视场角为70°, 透镜直径为2.7 mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示, 研制的硬性内窥镜光学系统在100 lp/mm 处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上, 逼近衍射极限。光线追迹结果表明, 在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射, 完全消除杂散光并保证良好的像质。

设计了一种高清成像的硬性内窥镜。通过控制特征光线在中继透镜表面上的入射高度和出射角，可保证有效视场和通光孔径内所有的光线在口径为2.7 mm的透镜组中正常传播。将入瞳直径提高到0.3 mm，使物方分辨率优于21 lp/mm，角分辨率为8.45 C/(°)。同时有效避免棒镜内壁的全反射杂光导致像质下降。系统成像质量达到了衍射极限，调制传递函数值在空间频率120 lp/mm处大于0.3；通过将系统设置为多重物距的结构实现大景深设计。加入目镜优化设计后，整体系统的调制传递函数值在空间频率3 lp/mrad处为0.1，达到了人眼的分辨极限。测试验证表明，完成研制的内窥镜系统分辨率达到设计值。

建立医用硬性内窥镜畸变的评定基础和方法,用视轴对称的球面Z视场为模型来模拟体腔凹面特征,以建立内窥镜物像共轭的分析基础;运用光学原理并结合ISO9039:1994“光学和光学仪器光学系统质量评价——畸变的测定”的定义原则,并根据理论畸变的临床要求确定畸变定义;采用主光线追迹原理推导不同球面Z形状的畸变换算通式。创立了医用硬性内窥镜以单位相对畸变表述的定义和表达式,并导出变换视场面的畸变换算通用公式和测试方法。本文建立的畸变评定基础和方法适用于医用硬性内窥镜的标准应用。