一次性视频医用内窥镜的光学设计与分析

一次性视频医用内窥镜可以规避由重复使用引起的交叉感染风险,已成为医用内窥镜的发展趋势.作为其核心部件,光学系统如何兼顾高成像质量和低生产成本是研究的关键问题.本文围绕一次性视频医用内窥镜光学系统的设计展开研究,具体内容如下: 首先,阐明本文研究的问题和意义,介绍国内外一次性视频医用内窥镜光学系统的研究现状. 然后,以骨科脊柱微创手术中使用的椎弓根内窥镜为例,根据视场角,工作距离,景深等指标要求,分析讨论物方分辨率,景深和F数三者的相互关系,确定物方分辨率为131p/mm,F数为4.95,景深范围为3～25mm.给出了光学系统的总体指标参数. 进一步,根据指标参数和低成本的要求,讨论和选择光学系统结构型式和透镜材料.经过比较分析,确定采用反远距光学系统,透镜材料选用光学塑料材料.通过合理分配反远距结构的光焦度和优化,给出了满足指标要求的优化设计结果和成像质量评价.分析讨论适用于注塑工艺的光机设计,给出了适于结构和镜片一体化注塑成型的集成设计方案,该方案有利于提高装配精度,降低装配难度和成本.还通过建立杂散光分析模型和分析光机结构对杂散光的影响,给出了优化的光机结构和挡光环口径,结果表明能够有效地消除此类杂散光;通过仿真分析计算鬼像,杂光系数和点源透过率,验证了整个镜头具有好的杂散光性能. 最后,分析和优化分配光学系统公差.通过分析注塑工艺中材料冷却收缩对透镜面形误差的影响和模流仿真分析,得到注塑透镜各部位收缩量,据此通过优化注塑模具面形,有效地减小了材料冷却收缩对透镜面形误差的影响.为了进一步降低成本,适于一次性使用,探讨在不同产量要求下选择不同精度的公差,降低注塑透镜生产成本的可行性,给出了单个注塑透镜在不同精度公差,不同产量下的生产成本及注塑工艺对不同产量的适用性,结果表明当产量要求达到上千套时,内窥镜光学系统通过注塑工艺生产可满足一次性使用. 本文设计的光学系统体积小,成像质量高,生产成本低,为研制一次性视频医用内窥镜奠定了基础.

一次性视频医用内窥镜的光学设计与分析

一次性视频医用内窥镜可以规避由重复使用引起的交叉感染风险,已成为医用内窥镜的发展趋势.作为其核心部件,光学系统如何兼顾高成像质量和低生产成本是研究的关键问题.本文围绕一次性视频医用内窥镜光学系统的设计展开研究,具体内容如下: 首先,阐明本文研究的问题和意义,介绍国内外一次性视频医用内窥镜光学系统的研究现状. 然后,以骨科脊柱微创手术中使用的椎弓根内窥镜为例,根据视场角,工作距离,景深等指标要求,分析讨论物方分辨率,景深和F数三者的相互关系,确定物方分辨率为131p/mm,F数为4.95,景深范围为3～25mm.给出了光学系统的总体指标参数. 进一步,根据指标参数和低成本的要求,讨论和选择光学系统结构型式和透镜材料.经过比较分析,确定采用反远距光学系统,透镜材料选用光学塑料材料.通过合理分配反远距结构的光焦度和优化,给出了满足指标要求的优化设计结果和成像质量评价.分析讨论适用于注塑工艺的光机设计,给出了适于结构和镜片一体化注塑成型的集成设计方案,该方案有利于提高装配精度,降低装配难度和成本.还通过建立杂散光分析模型和分析光机结构对杂散光的影响,给出了优化的光机结构和挡光环口径,结果表明能够有效地消除此类杂散光;通过仿真分析计算鬼像,杂光系数和点源透过率,验证了整个镜头具有好的杂散光性能. 最后,分析和优化分配光学系统公差.通过分析注塑工艺中材料冷却收缩对透镜面形误差的影响和模流仿真分析,得到注塑透镜各部位收缩量,据此通过优化注塑模具面形,有效地减小了材料冷却收缩对透镜面形误差的影响.为了进一步降低成本,适于一次性使用,探讨在不同产量要求下选择不同精度的公差,降低注塑透镜生产成本的可行性,给出了单个注塑透镜在不同精度公差,不同产量下的生产成本及注塑工艺对不同产量的适用性,结果表明当产量要求达到上千套时,内窥镜光学系统通过注塑工艺生产可满足一次性使用. 本文设计的光学系统体积小,成像质量高,生产成本低,为研制一次性视频医用内窥镜奠定了基础.