医用内窥镜技术要求在大的物距范围内实现清晰成像，但其使用环境又对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格，难以利用传统方法实现光学调焦。在传统的光学设计中，通常依靠减小相对孔径来增大系统焦深，往往会造成许多负面影响。介绍了一种电润湿型液体可变焦透镜，并在这一新型元件的基础上，设计了一种微型可调焦光学系统。该系统依靠外加电压控制液体透镜焦距做微小改变，从而校正由于物距变化产生的离焦，增大内系统的焦深，同时保证系统的微型结构。这一设计将使内窥镜的使用更加方便，有着广泛的应用前景。
关键词：应用光学；大焦深；内窥镜；液体透镜；电润湿效应；光学设计
1.引言
由于内窥镜技术可在最大程度减小病人痛苦的前提下深入脏器，观察病灶，所以在无创或微创治疗中的应用已越来越广泛[1，2]。由于各种体腔往往深入在人体内部，难以触及，所以对内窥镜光学系统提出了细长结构及大视场角的要求。由于医用内窥镜光学系统要求的物距范围非常大(3~100mm)，要在大景深范围内实现清晰成像难度较大，这就使得内窥镜在使用状态下的成像质量受到一定的限制。如何在医用内窥镜中实现大物距范围内的清晰成像，是使用者对新型内窥镜提出的要求，然而内窥镜光学系统对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格，难以利用传统方法实现光学调焦。
液体透镜是一种基于仿生学概念提出的新型透镜，具有体积小、集成度高，且具有一定的自主变焦能力。如将这一新型光学元件应用于医用内窥镜光学系统的设计，将有可能在不增加系统复杂度的前提下实现调焦。本文从增大医用内窥镜焦深的内在要求出发，结合液体透镜的应用，深入研究了一种大焦深医用内窥镜光学系统。
2.焦深对系统成像质量的影响及解决方法
在普通光学系统中，由于物距的变化会引起系统像面离焦。当离焦逐渐严重时弥散点的尺寸逐渐变大，导致系统的MTF下降，从而直接恶化系统的
成像质量。在实际光学系统被校正像差后，除在理想像面上可获得清晰的像以外，常把理想波面的参考点沿轴离焦，当波像差不超过λ/2(由-λ/4到λ/4)时，也能得到清晰的像，所以把对应的离焦量称作为焦深。在已知系统的入射光瞳直径D及系统的焦距f'后，焦深可用如下公式计算：
成像系统的通光口径越大，该系统的焦深就越小。因此为了增大系统的焦深，通常采用缩小系统相对孔径的方法。但这一做法会带来不可避免的缺点，即随着出瞳直径的减小，系统的光通量将以平方量级降低，同时还会降低系统的分辨率，造成图像细节模糊。如何在保持系统分辨率的同时提高其焦深，在内窥镜、3D光学断层成像、微电子技术、医学成像等领域中具有重大意义。已提出的增大系统焦深的方法主要有Strehl比空间滤波法、变迹法、显微镜CT法、OTF变换法、波前编码调制法等若干种[3，4]。其中以波前编码调制法的效果最为优越，但由于波前调制掩膜板的加入，会引起系统结构及后期图像处理的复杂化。本文提出了利用电润湿型液体透镜元件，通过电压控制液体透镜焦距的变化，从而实现了一种大焦深内窥镜系统。
3.液体透镜技术及其原理
液体透镜是一种基于人眼结构提出的仿生学光学元件，也是近年来国际上研究的一个新方向。人眼具有极强的调节能力，其变焦是通过睫状肌收缩与松弛和通过调节晶状体的曲率变化来实现的。据此提出的液体可变焦透镜可以不采用任何移动组件，具有变焦平滑、体积小、重量轻、成本低廉、加工容易的特点，可被大量使用于一些新型传感器及系统中，用来调节像质，提高放大率等，在信息技术、工业生产、医疗卫生、军事国防等方面都具有很好的应用前景。
实现液体变焦通常有三种方法：基于液体折射率变化的可变焦透镜[5，6]，基于填充液体表面曲率变化的可变焦透镜[7-9]和基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜[10-12]。在本文的设计中，主要采用电润湿型液体透镜，通过电压控制其焦距变化，实现系统微调焦，达到增大焦深的目的。该种液体透镜具有响应时间短、无机械可动部件、集成性能好的优点。
电润湿效应是一种物理化学现象，它是通过改变液体固体界面的外加电压来控制液体在固体面上的润湿特性的，电润湿型液体透镜的成像原理就是基于这一物理现象的。电润湿型可变焦液体透镜的基本结构如图1所示。
图1.基于介质上电润湿流体接触角变化的可变焦透镜
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图5.系统的光学设计结构示意图
