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双波段光纤内窥镜物镜设计

１、设计原理

前置物镜的设计过程中，全反射条件是光纤必须满足的———光纤传像束的数值孔径要大于入射光线的数值孔径。但在设计期间，前置物镜的像方数值孔径与光纤传像束的物方数值孔径的合理搭配只是一个必要条件。如图１所示，对于轴上点Ａ的像点Ａ′而言，其成像光束的立体角相对于光轴对称，但对于轴外点Ｂ的像点Ｂ′而言，其成像光束的立体角相对主光线是对称的。ＡＡ′的光束正入射到光纤传像束的接收面上，而轴外光束ＢＢ′是斜入射到光纤接收面上的。当传像束的数值孔径角与与物镜Ｌ的像方孔径角相等时，轴上光束ＡＡ′全部都能够进入光纤传像束，但对于轴外光束ＢＢ′来说，其主光线与光纤的接收面法线成视场角ω′，这样就会使轴外光束ＢＢ′的部分下光线的入射角大于光纤传像束的数值孔径角而不能进入传像束，其结果是会使传像束不能接收到这部分光，类似于几何光学中的拦光作用，并且随着视场的增加，边缘拦光效果逐渐明显，使得输出图像边缘带较暗。

为了减少上述缺陷带来的不便，应将前置物镜设计成像方远心光路。由于像方主光线平行于光轴，使得轴外光束ＢＢ′与轴上光束ＡＡ′一样，正入射在光纤接收面上，如此就不存在拦光现象，输入和输出图像光强分布基本一致，并充分利用了像方远心光路可保证轴上和轴外像面照度均匀的特点。

光纤传像束制造手段以及其自身的缺陷和不足，导致其较差的传像效率、效果。所以在设计前置物镜时，要充分利用传像束的分辨率。为了保证光纤传像内窥镜系统终的成像质量，前置物镜的极限分辨率应大于传像束的分辨率。

２、设计实例

２．１　设计要求

现设计一光纤传像光学系统的前置物镜。根据实际应用确定参数如下：传像束截面直径φ＝１．６ｍｍ，数值孔径ＮＡ＝０．４，传像束单丝直径为１６μｍ，在静态下，光纤按正方形排列，它的空间评价频率为３１ｌｐ／ｍｍ。前置物镜的设计波长为可见光（０．４８６～０．６５６μｍ）与近红外（０．７～１．１μｍ）双波段，物方视场角２ω＝８０°，焦距ｆ′＝１．３ｍｍ，Ｄ／ｆ′＝１／４。

２．２　可行性分析

对于传统的内窥镜而言，视场相对较小，为使光线全部通过光纤束，设计像方远心光路时可将孔径光阑置于光学系统的前焦点处。但鉴于本文所设计的内窥镜视场较大，这会使镜头横向尺寸增大，相应的质量也随之增加，并且由此带来的像差的校正也相对较难。为此，我们选用“负－正”形式的反远距结构。此种结构前组为负光焦度组，且ｆ′＜ｌ′Ｆ，可获得较大视场，满足了大视场的要求。后组为正光焦度组，并且孔径光阑位于后透镜组的前焦面处，符合像方远心光路的要求。

维修案例一：

设备名称：富士EB-530P支气管镜

检测故障：漏水。插入管老化被压，先端头被压凹陷，无角度，吸引口渗漏，2个按键失灵。

维修方案：更换：插入管、钢丝、按键、插入管、光束、螺旋管、蛇骨。

维修周期：7个工作日

保修周期：3个月

维修案例二：

设备名称：HUGE RFB-53A软镜

检测故障：图像模糊、镜子漏水图像黑点众多、光束无、钳子管漏

维修方案：：更换像束、光束、钳子管、插入管、弯曲部件

维修周期：5个工作日

保修周期：3个月