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在航空发动机孔洞检测、医用输尿管探查等高精度应用场景中，超细内窥镜的“毫米级”尺寸突破直接关系到检测的精准度与临床诊疗的质量。然而，传统方案长期受限于传像纤维带来的高昂成本及摩尔纹干扰等问题，严重制约了技术的进一步发展。近期，长春理工大学向阳教授团队在《应用光学》期刊上发表的研究成果——“超细内窥镜光学系统设计”，为这一难题提供了创新性的解决路径。
该研究从理论建模到性能验证的全过程均依托Zemax光学设计软件完成，充分展现了其在高端光学系统开发中的核心支撑作用。
行业挑战：细径与成像质量的矛盾
相较于常规内窥镜，超细内窥镜的关键在于“细径”特性——需通过直径不超过4mm的小孔执行探测任务，部分医疗场景下通光口径甚至小于1mm。这种极端的空间限制对成像系统的结构与性能提出了极高要求。
传统硬性内窥镜多采用Hopkins棒状透镜作为传像元件[2]，但当口径缩小至0.8mm以下时，胶合工艺困难、加工偏心率高、机械强度不足等问题显著加剧；而当前主流的传像纤维虽能实现微型化，却存在分辨率低、图像出现摩尔纹、依赖进口导致价格昂贵等缺陷，极大阻碍了设备的普及和升级。
如何在极小口径条件下实现“高分辨率、无图像瑕疵、低成本”的成像效果，成为光学设计领域的关键课题。向阳教授团队正是围绕这一目标展开攻关，并以Zemax软件为核心工具实现了技术突破。
创新方案：多短棒镜组合传像系统
研究团队摒弃传统的传像纤维结构，提出一种全新的“多短棒镜组合传像系统”设计方案。该方案使用直径仅为0.8mm、长度不超过6mm的短棒镜替代原有纤维束，通过优化材料选择与光学结构，在满足微小外径需求的同时，显著提升成像品质。
所设计的超细内窥镜系统达到多项领先指标：工作距离达121mm，全视场角为80°，视向角为0°，在486–656nm可见光波段范围内，像方MTF值在113.5 lp·mm处大于0.1，不仅远超同规格传像纤维（如住田公司082F1000-7.0型号）的90.8 lp·mm水平，更接近衍射极限。此外，景深覆盖整个工作范围，各类像差控制优异，整体性能达到行业先进水准。
全流程仿真设计：基于Zemax的技术实现
由于超细内窥镜对设计精度要求极为严苛，任何参数偏差都可能导致系统失效。为此，研究团队全程利用Zemax软件完成了从初始建模、像差优化到性能验证的完整流程，确保了方案的可行性与先进性。
1. 初始结构建模：精准匹配关键参数
项目启动阶段，团队依据实际应用需求设定了12项核心设计指标，包括光学直径≤0.8mm、F#≤30、像方分辨率≥90.8 lp·mm等。借助Zemax平台，采用“调用专利结构+参数化建模”的方式快速构建初始模型：
- 物镜部分：选用胶合透镜结构以消除色差，结合Zemax内置材料库筛选高折射率玻璃，降低透镜曲率，从而有效抑制畸变等像差；
- 传像系统：由5组短棒镜构成中继结构，利用Zemax的多组件建模功能精确控制各棒镜间距与相对位置，避免传统长棒镜易出现的偏心与断裂问题；
- 目镜部分：采用双胶合透镜与单透镜组合结构，通过Zemax的焦距匹配工具，实现放大倍率与CCD像高的精确适配。
2. 像差优化：攻克细径系统瓶颈
细径系统因入瞳小、视场大，极易产生球差、彗差和场曲等多种像差。团队利用Zemax的高级优化工具实现了高效校正：
- 在物镜优化中，运用DMVA、CTGT等操作数严格约束透镜尺寸，并通过RAID操作数提高像方远心度，保障与后续传像系统的良好衔接；
- 针对传像系统中棒镜口径超限问题，利用Zemax的玻璃替换模板功能，选用H-ZF73、LaF5等特种高折射率材料，增强光线偏折能力，将透镜直径稳定控制在0.8mm以内；
- 同时引入LONA、AXCL等操作数减小轴向像差，使整体成像质量逼近衍射极限。
在整体优化阶段，Zemax的多波长像差分析功能发挥了重要作用——团队针对486nm、588nm、656nm三个特征波长同步进行像差优化，确保系统在整个可见光波段内的成像稳定性。最终结果显示，最大畸变仅为22.1%，优于同类球面镜系统的23%，场曲控制理想，完全满足实际使用要求。
3. 性能仿真验证：规避试制风险
在样机制作前，团队通过Zemax提供的多种仿真分析手段对系统性能进行全面评估，有效避免了传统“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模块，获得像方与CCD端的MTF曲线（见图2）。数据显示，像方分辨率在113.5 lp·mm处MTF值大于0.1，CCD端分辨率达到48.71 lp·mm，远高于设计基准，相当于8134像素的传像纤维束表现，优于住田082F1000-7.0的7000像素水平。
点列图分析：通过Zemax的点列图工具评估实际成像光斑大小，结果表明各视场下的弥散斑均接近艾里斑尺寸，说明系统像质优良，接近理想成像状态。
借助 Zemax 的工作距离扫描功能，对系统在不同工作距离下的 MTF 变化进行仿真分析，最终确定系统的景深范围为 0.6–20mm，能够全面覆盖实际应用中的各种工作场景。同时，通过相对照度分析可知，全视场范围内的相对照度均保持在 99% 以上，有效避免了成像边缘区域出现暗角的问题。
图4 全视场相对照度图
利用 Zemax 的点列图仿真功能，对不同视场下射线束的分布情况进行追踪分析。仿真结果表明，在 0° 至 40° 的全视场范围内，弥散斑始终位于艾里斑之内，球差、彗差等主要像差得到了良好抑制，成像质量稳定可靠。
图3 全视场点列图
基于 Zemax 的仿真设计成果，研究团队完成了样机的加工与组装工作。在元件选型中采用 ±0.005mm 高精度公差标准筛选光学部件，并使用平行光管、显微镜等设备完成系统参数校准。测试结果显示：当工作距离为 5mm 时，样机可清晰分辨线间距为 40μm 的分辨率板图像，对应像素数达到 7657；在 1.9mm 工作距离下，可分辨 14.1μm 线间距图像，像素数为 7204。尽管受加工与装配误差影响，实测像素数略低于 Zemax 仿真值（8134），但仍显著优于住田传像纤维的 7000 像素水平，且完全消除了摩尔纹等成像缺陷，整体成本降低超过 30%。
样机测试的成功不仅验证了多短棒镜结构设计方案的可行性，也充分证明了 Zemax 仿真结果的高度准确性。从理论设计到实物性能的精准匹配，Zemax 实现了“所见即所得”的光学研发模式，显著缩短开发周期，降低试错成本。
Zemax 作为高端光学设计领域的全能工具，在多个研发阶段均展现出强大能力：在设计初期，依托丰富的专利库、材料数据库以及参数化建模功能，支持从单透镜到复杂多组元系统的快速构建；在优化过程中，结合多目标优化算法与多种像差控制操作数，可对 MTF、畸变、照度等关键指标进行精细化调控；在验证阶段，则提供 MTF 曲线、点列图、场曲畸变图等全面的仿真分析手段，提前预判系统表现，为后续制造提供明确指导。
无论应用于医疗内窥设备、航空航天检测仪器，还是消费类电子产品的光学模组开发，Zemax 凭借其强大的功能体系，持续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。
参考文献：
- 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
- 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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