腹腔镜光学系统设计
【摘 要】 本文主要以腹腔镜为例，结合内窥镜光学系统的成像原理，从腹腔镜物镜、转像系统还有目镜结构几方面对腹腔镜光学系统设计进行简单介绍。
【关键词】 腹腔镜 光学系统 设计
外科微创是利用内窥镜技术，通过内窥镜或导液管进入血管、胃肠道或其它人体内部腔道结构部分，利用光导纤维及微型手术器械对病变部位实施手术治疗。可以说内窥镜技术是外科手术的一项重大改革。本文主要以腹腔镜为例，对腹腔镜光学系统设计进行简单介绍。
1 腹腔镜结构参数的确定
腹腔镜总体设计要求为：光学系统外径、视向角、视场角2ω工作长度、照明(光通量)；
物镜系统要求：视场角2ω、一倍距离l、物镜的焦距f1’；
转像系统要求：棒状镜的组数a、转像系统的长度l转；
目镜系统要求：目镜的焦距 、出瞳距P’。
1.1 视放大倍率的计算
视放大倍率是医用内窥镜光学系统参数之一，内窥镜既不是望远镜，又不是显微镜，所以它的视放大倍率不是常数。
医用内窥镜光学系统如图1.1所示[1]：
若系统的物方折射率为n，像方折射率为n’，入瞳直径为D，出瞳直径为D’，物体Y对入瞳的张角为ω，相应的像方视场角为 ，l为物距。利用拉赫公式，则有：
将(1.3)式代入(1.4)式，则：
(1.5)
考虑到医用内窥镜光学系统中-1×要加转像系统，所以：
(1.6)
上式即计算视放大倍率的公式，由该式可知，内窥镜的视放大倍率与物距l有关，与物距l成反比。
1.2 物镜系统结构参数的确定
物镜系统的主要参数就是物镜的焦距：
由于内窥镜外径很小，一般小于6mm，如果物方视场角为2ω，则有[2]：
(1.7)
C—根据设计要求外径所确定的口径
1.3 转像系统参数的确定
转像系统参数主要有：转像系统的组数和每组转像系统的长度。
转像系统一般采用HOPKINS透镜，并且通常一个内窥镜系统中使用奇数组转像透镜，使转像系统的放大倍率为-1倍，这样在目镜后得到正像。物镜系统和目镜系统确定后，其总长度已知，根据系统总长的要求，根据经验选取转像系统的组数，所选数量要根据系统的直径大小，棒透镜的长度应在保证强度的基础上尽量使组数少，减少光能的损失。转像系统的组数确定后，用转像系统的长度除以组数，就得到了每组转像透镜长度，这样每根棒透镜的长度就可以确定了。
1.4 目镜系统参数的确定
目镜的焦距 的确定：
2 腹腔镜结构的选择
2.1 物镜系统结构的选择
由于物镜系统的视场大，焦距短，因此选用反远距物镜组，物镜系统第一个透镜组选择用一个负透镜，以提供较大的视场角，然后用正透镜组使光束会聚。为了更好的校正像差，我们加入一个或两个双胶合透镜。
内窥镜的成像光路不仅是一个像方远心光路，而且是一个物方远心光路，为了达到像方远心光路，孔径光阑位于转像系统中心(焦点)处，这样，入瞳和出瞳正好位于物镜及目镜的焦点处。
2.2 转象系统结构的选择
转像系统选用HOPKINS棒透镜，其优点是：负透镜的介质折射率跟棒状镜的介质折射率相近，光线的损失率很小；它可以使整个系统的相对孔径角达到1：7；由于转像系统对称，故转像系统不产生轴上相差，即畸变和正弦差等，而球差与色差可以由胶合的负透镜单独校正，像散依赖于棒透镜组的距离变化得以校正。
2.3 目镜系统结构的选择
选配目镜系统时，应确定出瞳距和视场以及目镜的焦距。出瞳距P’与目镜焦距之间的关系为[3]：
(2.1)
目镜的焦距一般小于10mm。
但是目前在内窥镜目镜系统后仍然放置一片保护玻璃，所以绝大多数的内窥镜目镜系统由一片双胶合透镜组成，即可满足要求。
设计出的腹腔镜视场角增大，视野广阔，镜体更适合手术使用，也更方便医生操作。
参考文献
[1] 蔡燕民.枪械内膛窥视仪光学总体设计 机械工业出版社 2003年
[2] Hiroyuki Homma，Hachioji(JP)；Sayaka Konno，Hachioji(JP) ENDOSCOPE IMAGE PICKUP OPTICAL SYSTEM Patent No： US 6，905，462 B1 Date of Patent： Jun.14，2005
[3]Tianyu Xie，Akiruno(JP)；Mamoru Kaneko，Hanno(JP)；Toshiro Okamura，Hino (JP)；Yasuhiro Kamihara，Hino(JP) OPTICAL IMAGING APPARATUS Patent No： US 6，809，866 B2 Date of Patent： Oct.26，2004, 百拇医药(陈冲 赵博 赵国斌)
【关键词】 腹腔镜 光学系统 设计
外科微创是利用内窥镜技术，通过内窥镜或导液管进入血管、胃肠道或其它人体内部腔道结构部分，利用光导纤维及微型手术器械对病变部位实施手术治疗。可以说内窥镜技术是外科手术的一项重大改革。本文主要以腹腔镜为例，对腹腔镜光学系统设计进行简单介绍。
1 腹腔镜结构参数的确定
腹腔镜总体设计要求为：光学系统外径、视向角、视场角2ω工作长度、照明(光通量)；
物镜系统要求：视场角2ω、一倍距离l、物镜的焦距f1’；
转像系统要求：棒状镜的组数a、转像系统的长度l转；
目镜系统要求：目镜的焦距 、出瞳距P’。
1.1 视放大倍率的计算
视放大倍率是医用内窥镜光学系统参数之一，内窥镜既不是望远镜，又不是显微镜，所以它的视放大倍率不是常数。
医用内窥镜光学系统如图1.1所示[1]：
若系统的物方折射率为n，像方折射率为n’，入瞳直径为D，出瞳直径为D’，物体Y对入瞳的张角为ω，相应的像方视场角为 ，l为物距。利用拉赫公式，则有：
将(1.3)式代入(1.4)式，则：
(1.5)
考虑到医用内窥镜光学系统中-1×要加转像系统，所以：
(1.6)
上式即计算视放大倍率的公式，由该式可知，内窥镜的视放大倍率与物距l有关，与物距l成反比。
1.2 物镜系统结构参数的确定
物镜系统的主要参数就是物镜的焦距：
由于内窥镜外径很小，一般小于6mm，如果物方视场角为2ω，则有[2]：
(1.7)
C—根据设计要求外径所确定的口径
1.3 转像系统参数的确定
转像系统参数主要有：转像系统的组数和每组转像系统的长度。
转像系统一般采用HOPKINS透镜，并且通常一个内窥镜系统中使用奇数组转像透镜，使转像系统的放大倍率为-1倍，这样在目镜后得到正像。物镜系统和目镜系统确定后，其总长度已知，根据系统总长的要求，根据经验选取转像系统的组数，所选数量要根据系统的直径大小，棒透镜的长度应在保证强度的基础上尽量使组数少，减少光能的损失。转像系统的组数确定后，用转像系统的长度除以组数，就得到了每组转像透镜长度，这样每根棒透镜的长度就可以确定了。
1.4 目镜系统参数的确定
目镜的焦距 的确定：
2 腹腔镜结构的选择
2.1 物镜系统结构的选择
由于物镜系统的视场大，焦距短，因此选用反远距物镜组，物镜系统第一个透镜组选择用一个负透镜，以提供较大的视场角，然后用正透镜组使光束会聚。为了更好的校正像差，我们加入一个或两个双胶合透镜。
内窥镜的成像光路不仅是一个像方远心光路，而且是一个物方远心光路，为了达到像方远心光路，孔径光阑位于转像系统中心(焦点)处，这样，入瞳和出瞳正好位于物镜及目镜的焦点处。
2.2 转象系统结构的选择
转像系统选用HOPKINS棒透镜，其优点是：负透镜的介质折射率跟棒状镜的介质折射率相近，光线的损失率很小；它可以使整个系统的相对孔径角达到1：7；由于转像系统对称，故转像系统不产生轴上相差，即畸变和正弦差等，而球差与色差可以由胶合的负透镜单独校正，像散依赖于棒透镜组的距离变化得以校正。
2.3 目镜系统结构的选择
选配目镜系统时，应确定出瞳距和视场以及目镜的焦距。出瞳距P’与目镜焦距之间的关系为[3]：
(2.1)
目镜的焦距一般小于10mm。
但是目前在内窥镜目镜系统后仍然放置一片保护玻璃，所以绝大多数的内窥镜目镜系统由一片双胶合透镜组成，即可满足要求。
设计出的腹腔镜视场角增大，视野广阔，镜体更适合手术使用，也更方便医生操作。
参考文献
[1] 蔡燕民.枪械内膛窥视仪光学总体设计 机械工业出版社 2003年
[2] Hiroyuki Homma，Hachioji(JP)；Sayaka Konno，Hachioji(JP) ENDOSCOPE IMAGE PICKUP OPTICAL SYSTEM Patent No： US 6，905，462 B1 Date of Patent： Jun.14，2005
[3]Tianyu Xie，Akiruno(JP)；Mamoru Kaneko，Hanno(JP)；Toshiro Okamura，Hino (JP)；Yasuhiro Kamihara，Hino(JP) OPTICAL IMAGING APPARATUS Patent No： US 6，809，866 B2 Date of Patent： Oct.26，2004, 百拇医药(陈冲 赵博 赵国斌)