口腔内窥镜系统的设计与实现

　　0 引 言

　　近年来，口腔内窥镜在口腔临床医学中得到迅速普及与广泛应用[1-3]。它通过将观测探头伸入口腔，在自备光源的照明下，由成像镜头摄取牙齿的细节，成像在 COMS 或 CCD 图像传感器上，经过光电转换和图像信号处理后送到显示器上，显示清晰放大的图像供医生观察。目前国内口腔内窥镜多为代理国外公司的产品，自行设计研发的口腔内窥镜产品很少[4]。市场上常见的口腔内窥镜，其成像系统一般是投影成像系统或望远成像系统。相应的照明系统使用贴片封装式的 LED，其优点是成本低，结构简单。但是这种口腔内窥镜无法观察牙齿细节，并且不易在色温，亮度，发热等方面进行调节，同时需要复杂时序电路控制。

　　本文利用显微成像系统原理设计一种口腔内窥镜，目的在于观察人眼不易直接看到的牙齿细节，及时发现病变。文中采用图像传感器配合显微成像镜头和光纤照明系统实现清晰的成像效果，并在牙齿模型上进行了相关测试。

　　1 口腔内窥镜系统设计

　　口腔内窥镜系统主要由成像系统、照明系统、图像显示及处理系统三个部分组成，如图1 所示。待观察的牙齿目标通过显微成像系统成像在图像传感器上，在驱动电路的控制下，图像传感器完成图像处理并送入显示设备进行显示及存储。在口腔环境下观察牙齿需要辅助光源照明整个视场。因此口腔内窥镜的设计需要完成成像系统和照明系统的设计。

　　1.1 成像系统

　　成像系统由一个显微放大系统和转向系统构成，成像在图像传感器上。作为牙科用医疗仪器，口腔内窥镜的显微放大系统需要分辨 2 mm×2mm 视场内的细节，且镜头性能参数与图像传感器匹配。为了使牙医实际应用时操作方便和口腔内窥镜的结构小型化，设计 90°转向系统，所产生的镜像问题通过图像处理来解决。在这种以图像传感器作为接收器件的成像系统中，光学镜头的设计要配合图像传感器的特性[5]。应用于口腔内窥镜的图像传感器，要求功耗低，图像抓取灵活，感光度高，成像清晰，整体体积小。本文采用1/4 英寸 130 万像素 COMS 图像传感器[6-7]，每个像素尺寸为2.8 μm×2.8 μm，有效像素数1 280×1 024。

　　按照COMS 的特性提出镜头结构的参数，镜头的最小分辨尺寸应该和 CMOS 像素大小相匹配，另外系统必须有足够大的孔径和光学系统透射比。在对以上因素综合考虑后确定光学镜头的参数为：镜头放大率×β = 2，焦距f ' =10mm，数值孔径 NA =0.12。整个系统的分辨力由光学镜头分辨力和 CMOS 传感器的分辨力共同决定，在此光学系统分辨力设计为 100 lp/mm。考虑到口腔内窥镜成像系统尺寸要求、棱镜安装要求以及成本要求等方面因素，本文选用直角反射棱镜完成 90°转向功能。在光学设计软件 ZEMAX环境下设计光学系统结构如图2 所示(图中光学结构为像方到物方)：系统由两组双胶合透镜组成，两组双胶合透镜玻璃材料为 k9/ZF2，直角棱镜的材料为k9，优化后的系统物距 13.07 mm，像距27.99 mm。