医用内镜双通道光学接口的设计原理

　　1　引　　言

　　目前,多种医用内镜已应用于多种疾病的诊断和治疗,如日本欧林帕斯公司生产的纤维胃镜、纤维结肠镜、纤维支气管镜、纤维膀胱镜、纤维鼻咽喉镜等等。在内镜基础上研制的内镜图像显示仪业已临床应用,如国内天津大学研制的NT系列内镜图像显示仪等。内镜图像显示仪一般为双通道形式,其中一个通道用来目视观察,另一个通道则把观察到的图像显示到图像显示器上。目前所有国产内镜图像显示仪显示的是复合视频信号形成的模拟图像。本文提出,把内镜观察到的图像,即视频图像信号经A/D转换输入计算机内存,进行计算机图像处理。处理后的图像再由计算机屏幕显示。这种经图像处理的图像更加清晰,色彩更加逼真,更有利于诊断。为此,设计了一种双通道光学接口装置,可以适用于多种内镜。接口中,采用小型变焦物镜及彩色CCD成像系统,使屏幕显示图像可根据观察目标不同和需要随时调节图像大小。所设计的双通道光学接口已成功地应用于内镜计算机彩色显微图像显示仪中。显示仪样机系统现场试用取得了很好的效果,1998年底已通过科研鉴定。

　　2　光学接口的分光及光孔承接

　　医用内镜目镜系统的出瞳距一般较小,在出瞳距内完成分光通常采用棱镜分光方法。棱镜分光原理图如图1所示。图1中透射光束1为目视观察光束;反射光束2为再成像光束。在棱镜反射面上镀析光膜保证反射光与透射光之比。再成像光束2的强度由CCD图像传感器所要求的最小光照度确定。像平面(CCD光敏面)中心光照度为[1]:

　　(1)式中K为光学系统光能利用率;L为物面光亮度; U′为像方孔径角。保证CCD成像所需光照度及目视观察所需光能,计算得到棱镜的分光比R:T =6:4。

　　光轴的折转和图像传递需要安置棱镜3,在棱镜3的反射面镀高反膜以减少光能损失。在双通道光学接口中专门设置有孔径光阑、视场光阑及消杂光光阑。调整孔径光阑的大小可使CCD图像传感器在不同情况下得到合适的照度。设置的孔径光阑和视场光阑的位置和大小应与内镜目镜系统的光阑相互承接。把内镜目镜的出射光瞳作为成像系统的入射光瞳;目镜系统的像方视场作为成像系统的物方视场。使目镜系统和双通道光学接口满足“瞳对瞳,视场对视场”的光孔承接原理。这样不但可保证光能和图像的传递,保证消除杂散光;同时也有利于减小接口系统的总体尺寸。

　　3　小型变焦成像物镜的光学特性

　　内镜图像显示仪显示真彩图像,要求光学双通道接口采用彩色CCD图像传感器。用变焦物镜调节图像的倍率。变焦距物镜的光学特性参数和像质要与CCD器件匹配,以满足整机系统像质要求;同时,还要与内镜目镜系统的光学特性参数相一致。