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[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.来源：摩尔芯创
