Zemax案例 | 基于Zemax的视向与景深可调的硬性内窥物镜解决方案
引言
引言
微创外科是现代临床医学核心发展方向，硬性腹腔内窥镜作为术中病灶可视化核心设备，长期存在视向固定、景深狭窄、偏转色差严重三大行业痛点，制约手术效率与诊疗安全性。传统机械可调内窥镜结构复杂、体积偏大，难以适配微创小切口需求；基于电润湿液体棱镜+液体透镜的光流体自适应光学方案，成为新一代可调硬镜主流技术路线。
四川大学团队于《应用光学》2026年第3期刊发《视向与景深可调的硬性内窥物镜设计》一文[1]，完整采用Zemax光学仿真软件完成全系统建模、像差优化、视场偏转仿真、景深拓展模拟与多维度像质量化评估，成功研发一款外径满足临床标准、双向±7.2°视向可调、观测景深提升68%的微型医用硬镜物镜系统。本文以该学术成果为案例，深度拆解Zemax在医疗自适应光学内窥镜设计全流程中的核心能力，为光学研发企业、医疗器械研发院所提供标准化仿真设计思路。
传统硬性内窥镜光学设计核心难题
传统硬性内窥镜光学设计核心难题
1.1固定视向设计大幅提升临床成本
传统医用硬性内窥镜采用固体固定棱镜离轴光路，单台设备仅支持单一视向角。腹腔手术中需多台不同角度内窥镜轮换使用，设备采购、灭菌、维护成本高昂；术中频繁更换镜体易造成组织误伤，延长手术时长。
现有可调方案多依靠机械蛇骨、镜管旋转实现视场偏转，机械结构占用大量径向空间，镜体外径难以缩小，且机械传动存在磨损、响应滞后、灭菌密封性差等缺陷，无法适配超细微创腔镜发展趋势。
1.2固有小景深导致术中频繁对焦
常规硬性内窥镜原生景深仅12.51mm ~ 21.44mm，手术视野内远近组织无法同步清晰成像，医生需反复进退镜体调整对焦距离，视野频繁切换极易造成血管、神经误判，增加手术风险。传统机械变焦模组镜片数量多、装配公差严苛，微型化集成难度极高。
1.3视场偏转引入严重色差与高阶像差
若通过流体棱镜实现光束偏转，不同波长光线折射率差异会产生显著横向色差；大角度视场偏移同步诱发场曲、像散、梯形畸变，边缘视场成像模糊、色彩分层，单纯依靠光学镜片组合消色差会大幅增加镜头片数与整体体积，与内窥镜小型化需求相悖。
1.4微型化光学系统仿真验证门槛高
自适应光学器件（液体棱镜、液体透镜）属于动态可变光焦度光学元件，光路随电压连续变化，传统手工光学计算无法完成多偏转角度、多焦距状态下全波段像质批量评估；医疗光学对分辨率、畸变、照度、色差指标要求严苛，缺少专业仿真工具将导致原型迭代周期拉长、加工报废率上升。
基于双流体自适应光学的可调硬镜系统架构
基于双流体自适应光学的可调硬镜系统架构
针对上述痛点，川大团队提出液体棱镜视向偏转+液体透镜动态调焦+算法色差校正一体化硬性内窥镜光学系统，整套光路全部在Zemax中完成建模、优化与仿真验证。
2.1系统核心硬件组成
系统主要由4部分构成：电润湿液体棱镜、硬性内窥物镜、电润湿液体透镜，以及用于色差校正的图像处理模块：
前端电润湿液体棱镜：系统视向调节核心，立方腔体填充两种折射率匹配液体，内置透明隔片，通过电极电压改变液液界面倾角，实现X/Y双向±7.2°光束偏转，通光口径6.2mm，封装后整体尺寸7.2mm×7.2mm×3.2mm。
中部7片固体物镜组：完成基础成像、基础单色像差校正，焦距1.48mm，原生视场角70°，最大畸变仅3%，远优于传统硬镜20%畸变水平。
后端电润湿液体透镜：景深拓展核心，光焦度可在-30D~+30D连续调节，替代传统机械变焦结构，实现10mm~25mm全工作距清晰对焦。
图1 硬性内窥镜系统横截面结构示意图及原理。（a）硬性内窥镜系统结构与校正色差的图像融合算法；(b)电润湿液体棱镜结构；(c)电润湿液体棱镜原理；(d)电润湿液体透镜结构；(e)电润湿液体透镜原理
2.2电润湿光学器件理论模型与Zemax适配逻辑
系统所有流体元件工作原理依托Young-Lippmann电润湿方程，电压直接改变液体接触角，进而控制折射面偏折角度与透镜曲率半径。
液体棱镜：电压→液液界面倾斜→光束偏转角β(U)，Zemax通过多重结构批量定义5°/10°/15°/20°隔片偏转状态，批量输出不同视向下MTF、点列图、色差、畸变数据。
液体透镜：电压→界面曲率变化→系统焦距f'(U)，依托Zemax多重结构设置-30D~+30D光焦度档位，模拟10mm、15.8mm、25mm多工作距离成像效果，量化景深拓展性能。
2.3色差协同校正方案
流体棱镜大角度偏转带来数倍放大的横向色差，光学端仅做基础消色差，配套改进全变分正则化图像融合算法做后端数字校正。光学层面Zemax单独仿真F(486nm)、D(587nm)、C(656nm)三色光光路，量化不同偏转角垂轴色差数值，为图像处理算法提供原始色差数据支撑，实现“光学设计+计算成像”联合优化。
基于Zemax的全流程仿真
基于Zemax的全流程仿真
该论文全部光学仿真、像质评价、多工况对比均基于Zemax完成，覆盖初始建模、像差优化、多工况批量仿真、多维度指标量化四大核心环节，完整展示Zemax在医疗微型自适应光学领域的极大优势。
3.1基础系统建模与初始像差优化
1.介质参数精准录入：在Zemax材料库自定义两类流体光学介质，录入液体棱镜、液体透镜所用油性/水性液体、硼硅玻璃、PMMA隔片折射率、阿贝数，匹配可见光380~780nm医用成像波段。
2.基础光路搭建：依次建立液体棱镜多折射界面、7片固体透镜组、液体透镜密封界面，设置系统F数5.3、像面尺寸2mm、系统总长约束14.08mm，添加外径、通光口径边界限制，贴合临床微型化硬性内窥镜尺寸标准。
3.全局优化函数设定：优化目标包含MTF＞0.2@150lp/mm、畸变＜5%、垂轴色差最小、相对照度＞75%，Zemax全局优化器自动匹配各镜片曲率、厚度、空气间隔，得到初始标准光路。
3.2多偏转角度视向仿真（多重结构核心应用）
流体棱镜隔片0°~20°多级偏转对应±7.2°实际视场偏移，利用Zemax多重结构功能一次性建立5组光路模型，批量仿真不同偏转角下成像性能：
1.视场偏移量化：无偏转视场范围-35°~35°；20°最大隔片偏折对应视向整体偏移7.22°，观测横向范围大幅拓宽。
2.像差批量输出：Zemax自动计算各组态横向色差、光学畸变、梯形畸变，得出20°偏转时最大垂轴色差11.2μm，畸变峰值14.8%，精准定位边缘视场像质衰减问题。
3.分波长MTF、点列图批量生成：分别输出486nm、587nm、656nm单色光成像结果，直观区分偏转带来的场曲、像散劣化程度，为光学结构迭代、算法校正提供数据依据。
图2 硬性内窥镜系统在不同偏折角度下的2D结构图
图3 硬性内窥镜系统的横向色差和畸变分布图
3.3液体透镜景深拓展工况仿真
原生系统景深仅12.51~21.44mm，借助Zemax多重结构模拟液体透镜-30D/0D/+30D三档光焦度，分别仿真10mm近端、15.8mm标准、25mm远端工作距离成像效果：
1.离焦状态仿真：液体透镜0D光焦度下，10mm、25mm物距MTF大幅衰减，点列图弥散严重，直观展示原生景深不足缺陷。
2.调焦优化仿真：调节液体透镜至对应光焦度后，Zemax仿真显示MTF曲线恢复至基准系统水平，光斑收缩至艾里斑范围内，清晰验证景深拓展效果。
3.景深量化计算：依托Zemax输出焦距、光圈、艾里斑参数，结合景深公式计算，系统有效观测区间拓宽至10~25mm，景深提升68%。
图4 10mm工作距离下系统的液体透镜不同光焦度像质评价
图5 25mm工作距离下系统的液体透镜不同光焦度像质评价
3.4成像仿真与算法校正数据支撑
Zemax输出最大视向偏转状态下胆囊人体组织仿真成像图，图像自带真实光学色差、畸变、边缘模糊效果，作为后端全变分图像融合算法的原始输入样本。通过校正前后PSNR、SSIM指标对比，验证光学系统+数字图像处理联合方案的成像提升效果，整套光学仿真数据为算法迭代提供精准、可复现的成像源文件。
图6 视向偏转前后的成像效果评价
Zemax验证下可调硬镜核心性能指标
Zemax验证下可调硬镜核心性能指标
依托Zemax全工况仿真量化，该自适应光学硬性内窥镜系统达成多项行业突破性指标，全部数据由软件直接导出，仿真结果与理论计算高度匹配：
1.视向调节性能：原生70°总视场，X/Y双向连续可调±7.2°，单镜替代多台固定角度内窥镜，降低设备采购与手术器械切换成本；
2.景深拓展能力：清晰工作距离10mm~25mm，相比传统硬镜景深提升68%，术中无需频繁进退镜体，降低手术误伤风险；
3.成像分辨率：物方最小分辨距离0.055mm，物方角分辨率6.34cycle/°，精准识别腹腔微小病变；150lp/mm空间频率下全视场MTF稳定大于0.2；
4.光学畸变控制：基准状态最大畸变仅3%，远低于传统大视场硬镜20%畸变水平，病灶形态无失真；
5.尺寸适配性：系统总长14.08mm，最大机械外径7.2mm，配套环形光纤照明后整体外径控制在10mm以内，符合微创腹腔镜临床标准；
6.色差校正增益：Zemax量化偏转色差后，配套改进全变分算法校正，图像PSNR较传统方案提升约20%，色彩分层伪影有效消除。
总结
总结
微创外科向更小口径、更广观测范围、更高成像质量发展是确定趋势，基于液体棱镜、液体透镜的自适应光流体光学，将成为下一代可调硬性内窥镜主流技术路线。四川大学团队依托Zemax完成整套光学系统从建模、优化、多工况仿真到像质量化的全流程研发，验证了单镜实现视向、景深双维度连续可调的技术可行性。光学仿真工具是医疗器械研发降本增效、缩短迭代周期的核心底座。Zemax凭借强大的多重结构仿真、自定义介质、全维度像质评价能力，充分适配自适应流体光学、微型医用镜头等前沿光学研发场景。
参考文献
参考文献
[1] LIU Yushui, XIE Bingkun, LI Lei. Design of rigid endoscope objective lens system with adjustable viewing direction and depth of field[J]. Journal of Applied Optics, 2026, 47（3）: 666-679.
