基于Zemax的超细内窥镜光学系统设计案例与技术难点解析

在航空发动机孔探测、医用输尿管检查等精密领域，超细内窥镜的“毫米级”突破直接决定了检测精度与诊疗效果。然而，传统超细内窥镜长期受困于传像纤维带来的高成本、摩尔纹瑕疵等问题，成为行业发展的瓶颈。近日，长春理工大学向阳教授团队发表于《应用光学》的研究成果——“超细内窥镜光学系统设计”[1]，为这一问题提供了完美解决方案。值得关注的是，该方案从理论建模到性能验证的全流程，均以Zemax光学设计软件为核心工具，充分彰显了Zemax在高端光学系统研发中的强大辅助作用。

超细内窥镜的行业痛点

超细内窥镜与常规内窥镜的核心差异在于“细径”需求——需通过直径4mm以内的小孔完成检测任务，部分医用场景下透镜通光直径甚至小于1mm。这一特性对传像系统提出了极致要求：

传统硬性内窥镜的传像系统多依赖Hopkins棒状镜[2]，但当口径缩减至0.8mm以下时，透镜胶合困难、加工偏心、易断裂等问题凸显；而超细内窥镜领域广泛采用的传像纤维，虽能解决细径难题，却存在诸多弊端：成像质量差，易产生摩尔纹等图像瑕疵；高端产品依赖进口，造价高昂，严重限制了超细内窥镜的普及与应用升级。

如何在“细径”约束下，实现“高分辨率、低成本、无瑕疵”的传像效果，成为光学设计领域的核心课题——向阳教授团队的研究，正是围绕这一课题展开，而Zemax软件则成为辅助破解难题的关键工具。

多短棒镜系统的创新

团队摒弃了传统传像纤维方案，创新性地提出“多短棒镜组合传像系统”设计：采用直径0.8mm、长度≤6mm的短棒镜替代传像纤维，通过优化棒镜材料与结构，在满足细径要求的同时，大幅提升成像性能。该超细内窥镜光学系统的核心指标堪称行业标杆：工作长度121mm、全视场80°、视向角0°，在486-656nm可见光波段下，像方分辨率的MTF值在113.5 lp·mm⁻¹处大于0.1，不仅远超同直径传像纤维（住田公司产品082F1000-7.0）的90.8 lp·mm⁻¹，更达到衍射极限，景深覆盖全工作范围，各类像差优化效果优异。

从理论到仿真的全流程

超细内窥镜光学系统的设计精度要求极高，任何微小的参数偏差都可能导致系统失效。向阳教授团队借助Zemax软件的强大功能，完成了从初始结构搭建、像差优化到性能验证的全流程仿真设计，确保了方案的可行性与先进性。

1.初始结构建模：精准匹配设计指标

设计之初，团队依据行业标准与实际应用场景，确定了12项核心指标（如光学直径≤0.8mm、F#≤30、像方分辨率≥90.8 lp·mm⁻¹等）。在Zemax软件中，团队通过“专利库结构调用+参数化建模”的方式，快速搭建了系统初始模型：

物镜部分，选用胶合透镜结构消除色差，结合Zemax的材料库功能，筛选高折射率玻璃材料减少透镜曲率，降低畸变等像差；传像系统采用5组短棒镜组成中继系统，通过Zemax的多组元系统建模功能，精准控制每组棒镜的间距与相对位置，避免传统长棒镜的偏心与断裂问题；目镜部分则通过双胶合透镜与单透镜组合，利用Zemax的焦距匹配工具，确保放大倍率与CCD像高的完美适配。

图1 光学系统结构图

2. 像差优化：突破细径系统性能瓶颈

细径光学系统的像差控制是设计难点——入瞳直径小、视场角大，易产生球差、彗差、场曲等多种像差。团队借助Zemax的高级优化功能，实现了像差的精准抑制：

在物镜优化中，通过Zemax的“DMVA、CTGT”等操作数严格控制透镜尺寸，利用“RAID”操作数提高像方远心度，确保与传像系统的高效衔接；传像系统优化中，针对棒镜口径超限问题，通过Zemax的玻璃替换模板工具，选用H-ZF73、LaF5等特种玻璃材料，提升光线偏折能力，将透镜直径控制在0.8mm以内；同时，利用“LONA、AXCL”操作数减小轴向像差，使系统成像质量达到衍射极限。

在整体优化阶段，Zemax的多波长像差分析功能发挥关键作用——团队针对486nm、588nm、656nm三个特征波长，同步优化像差，确保全可见光波段的成像稳定性。最终优化结果显示，系统最大畸变仅22.1%，低于同类型球面镜系统的23%，场曲控制良好，完全满足实际应用需求。

3. 性能仿真：提前验证设计可行性

在样机制作前，团队通过Zemax的仿真分析工具，对系统性能进行了全面验证，避免了传统“设计-试制-返工”的高成本循环：

MTF曲线仿真：利用Zemax的调制传递函数分析功能，得到像方与CCD处的MTF曲线，如图2所示。结果显示，像方分辨率在113.5 lp·mm⁻¹处MTF值大于0.1，CCD处分辨率达48.71 lp·mm⁻¹，远超设计指标，相当于8134像素的传像纤维束效果，优于住田082F1000-7.0的7000像素水平。

图2 光学调制传递函数

点列图分析：通过Zemax的点列图仿真功能，跟踪不同视场射线束的分布情况。结果显示，0°至40°全视场范围内，弥散斑均位于艾里斑内，球差、彗差等像差得到有效抑制。

图3 全视场点列图

景深与相对照度仿真：借助Zemax的工作距离扫描功能，模拟不同工作距离下的MTF变化，确定系统景深范围为0.6-20mm，覆盖全工作场景；通过相对照度分析，验证全视场相对照度均高于99%，避免了边缘发暗问题。

图4 全视场相对照度图

组装与测试

基于Zemax的仿真设计方案，团队完成了样机的加工与组装——采用±0.005mm的高精度公差筛选光学元件，通过平行光管、显微镜等设备完成参数校准。测试结果显示：

工作距离5mm时，样机可分辨线间距40μm的分辨率板图像，对应像素数7657；工作距离1.9mm时，可分辨线间距14.1μm的图像，对应像素数7204。尽管受加工与组装误差影响，像素数略低于Zemax仿真的8134，但仍远超住田传像纤维的7000像素，且完全消除了摩尔纹等瑕疵，成本降低30%以上。

样机测试的成功，不仅验证了多短棒镜设计方案的可行性，更印证了Zemax仿真结果的高度可靠性——从理论指标到实物性能的精准匹配，Zemax为光学系统研发提供了“所见即所得”的设计保障，大幅缩短了研发周期，降低了试错成本。

Zemax：高端光学设计的全能工具

在设计阶段，丰富的专利库、材料库与参数化建模工具，支持从简单透镜到复杂多组元系统的快速搭建；在优化阶段，多目标优化算法与数十种像差控制操作数，可实现对MTF、畸变、照度等核心指标的精准调控；在验证阶段，MTF曲线、点列图、场曲畸变图等全方位的仿真分析工具，提前预判系统性能，为加工制造提供明确指引。

无论是医疗设备、航空航天检测仪器，还是消费电子中的光学模组，Zemax都能以其强大的功能，助力研发团队突破技术瓶颈，实现从“理论创新”到“产品落地”的高效转化。

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参考文献：

[1] 向铮, 向阳, 袁晓涵, 等. 超细内窥镜光学系统设计[J]. 应用光学, 2025, 46(5): 958-965. DOI: 10.5768/JAO202546.0501001

[2] 聂璞, 张志坚, 王淼, 等. 一款细径腹腔荧光内窥镜的光学系统设计[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2025, 62(9): 0917001.

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