Ansys Zemax | 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升（上）

内窥镜光学系统的设计与性能优化


引言

内窥镜作为一种关键的光学器械，在医疗前窥、工业检测等多个领域具有广泛的应用。其核心功能在于通过复杂的光学系统，实现对人类不可见区域进行视觉探索，揭示隐藏病变或故障，极大地提升了整体检测和诊断效率。本文围绕内窥镜系统的结构解析、性能评估以及优化策略，详细介绍了如何在OpticStudio中对内窥镜物镜进行系统性分析，并深入探讨了优化过程中的关键指标和挑战。

内窥镜系统结构简介

内窥镜系统主要由光学镜头、图像传感器、光源、复杂机械组件等多部分组成，依照其应用领域和功能特性，大致可分为医用内窥镜和工业内窥镜两大类别。医用内窥镜如胃镜、肠镜、宫腔镜被设计用于人体内部检查，而工业内窥镜，则广泛应用于无损检测、孔探技术，涵盖汽修、安防、安检等场景，支持深入复杂结构内部，监测并检测缺陷。

主要结构剖析

图示展示了一款典型用于胃肠道检测的软管内窥镜结构，包括插入导管、目镜/视频转换器、导光管等核心组件，以及内部的棒形透镜、隔圈、物镜组合件和光纤等关键元素，共同组成了内窥镜的核心成像系统。




硬式导管结构的内部布阵也如图所示，提供了对于部件排列和功能分层的直观理解，尤其是其中光学物镜的位置和作用。此类镜片依据其细致设计，各组件高效协作，确保图像清晰且稳定。

系统分析与性能提升

在OpticStudio中，首先考虑评估参数的多样性和清晰度要求，选用MTF曲线作为内窥镜系统性能的主要评价指标，同时综合优化水平要求、封装条件、圆锥系数、畸变及相对照度等因素。内窥镜物镜的系统设计采用三维结构模型，为应对不同物距条件，设计了三个可变结构实例，涵盖不同的物距7mm、15.584mm和80mm。

关键设计参数，如元件厚度、机械半直径、结构间厚度比等，均通过2D视图和镜头数据编辑器详细整合，凸显了物理层面上的精心融合和考量。元件之间的距离优化至1mm左右，以契合实际生产工艺的需求，而进一步缩减至控制在0.1mm，确保理想的制造工艺兼容性。

圆锥系数优化为100至100范围，反映更成熟的制造过程，且第11个面的厚度优化，充分展示了内窥镜系统在设计中的结构性挑战和权衡。通过MTF曲线分析，针对结构2与结构3的不同，揭示了70周期/mm频率下的MTF值分别在0.13和0.09的水平，强调了多结构间的参数差异及其对系统性能的直接影响。

畸变分析显示，通过2D视图获取的数据，结构1至结构3的内镜系统均呈现一定水平的畸变，但在20%至5.98%的范围，表明通过精心设计和优化，畸变值总体可控，适应了小型内窥镜系统在复杂结构下的应用需求。

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