摘要：根据高斯光学原理，以液体透镜为核心元件，研究了无移动镜组变焦系统的设计方法。从医用内窥镜的使用要求出发，设计了一种二元变焦内窥镜系统。2024上海高端医疗设备展Medtec认为该系统可通过气压或液压控制液体透镜表面曲率变化，实现1.5倍变倍比，在1.8ｍｍ和2.7ｍｍ焦距下都获得了良好的成像质量。
关键词：二元变焦；液体透镜；折衍混合；内窥镜；光学设计
无创或微创治疗中的内窥镜技术可以最大程度减小病人痛苦，在现代医学中的应用已越来越广泛。由于各种体腔往往深入人体内部，难以触及，对内窥镜光学系统提出了细长结构的要求。同时为了便于寻找到目标进行观察，一般要求成像系统具有较大的视场角。目前的医用内窥镜技术，根据使用环境及使用方法的不同，视场角从70°到140°不等。
在现有的内窥系统中，如何在物距不变的情况下实现局部范围内病灶的图象放大，是使用者希望实现的功能；同时，内窥镜光学系统要求的景深范围非常广（通常物距3～100ｍｍ），在这样宽的景深范围内实现清晰成像也存在一定难度，这就使得现有内窥镜系统在使用状态下的成像质量受到一定限制。因此，如何在医用内窥镜中实现调焦、变焦功能是使用者对设计者提出的新要求。然而，内窥镜光学系统对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格，难以利用传统方法实现光学变焦。
液体透镜是一种基于仿生学概念提出的新型透镜，具有体积小、集成度高、且具有一定自主变焦能力的特点。如将这一新型光学元件应用于医用内窥镜光学系统的设计，将有可能在不增加系统复杂度的前提下，实现一定的变焦功能。本文就是从医用内窥镜的使用要求出发，结合液体透镜的应用，深入研究了一种可变焦的内窥镜系统设计。
１ 液体透镜技术
液体透镜是一种基于人眼结构提出的仿生学光学元件，也是近年来国际上研究的一个新方向。人眼具有极强的调节能力，其变焦是通过睫状肌收缩与松弛，调节晶状体的曲率变化实现的。据此提出的液体可变焦透镜，可以不采用任何移动组件，具有变焦平滑、体积小、重量轻，成本低廉和加工容易的特点，可被大量使用于一些新型传感器及系统中，用来调节像质，提高放大率等，具有很好的应用前景。
实现液体可变焦透镜通常有三种方法，分别为：基于液体折射率变化的可变焦透镜、基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜和基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜。在本文的设计中，主要采用了一种自行设计的可由气压或液压驱动的基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜。
基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜，通常采用压控方式对腔体内液体加压，通过液体在腔体内的重新分布，改变腔体表面透明可变形薄膜的曲率半径，从而改变透镜焦距。该种方法具有易于制造，透镜口径大小灵活的优点，还可通过选择高折射率液体，实现大的变焦范围。图１是一种该类型液体透镜的原理示意图，其中1为薄膜；2为容器；3为控制末端；4为玻璃衬底；5为液体。
无论是何种类型的液体透镜，一旦其所需的光焦度确定，透镜的可调节表面的曲率半径也就随之确定。因此，在所需光焦度一定的情况下，一个单独的液体透镜本身并不具备校正像差的自由度。这样在液体透镜应用于变焦系统的设计时，不利于实现高质量成像，同时也不利于系统的微型化。
为了解决液体透镜没有设计自由度，无法在单片液体透镜上进行象差优化的技术问题，提出一种折衍混合型液体透镜。将普通液体透镜中的平面玻璃基底直接设计为衍射光学元件，如图２。
图2.基于填充液体表面曲率变化的折衍混合液体透镜模型
将衍射光学面作为液体透镜的一个结构组成部分，不会改变液体透镜本身的重量、尺寸及结构稳定性，同时为其提供了像差校正的设计自由度，从而使单片液体透镜的像质优化成为可能，可提高单片液体透镜的成像质量，拓宽液体透镜在设计中的应用范围。本文中的二元变焦内窥镜光学系统，就是以这种折衍混合型液体透镜为核心元件进行设计的。
目前的医用内窥镜技术不易对病灶进行局部放大观察，如何在物距不变的情况下实现局部范围图象放大，以及在宽景深范围内实现清晰成像，是内窥镜使用者提出的新要求。然而在传统的光学设计中，变焦就意味着系统结构复杂、体积增大，这对于医用内窥镜来说都是不可接受的。本文根据高斯光学计算，提出了一种利用液体可变焦透镜实现无运动组件变焦距系统的设计思路，并在此基础上设计了一种二元变焦系统，可以实现在医用内窥镜中的变焦成像，提高了内窥镜的成像能力，同时保证了系统的微型结构。这一设计可为微型变焦距系统的设计提供借鉴，有着广泛的应用前景。
2024上海医疗器械创新展Medtec认为液体可变焦透镜具有体积小、重量轻，变焦平滑、集成度高、易于控制等诸多优点，在所有对系统体积有严格要求，又期望系统具有变焦能力的场合有很大优势，在信息技术、工业生产、医疗卫生、军事国防等方面都具有很好的应用前景。就液体透镜技术的现状来看，在变焦控制能力及系统封装方面还期待进一步的提高。
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