【一探究鏡】YY0068.1內窺鏡標準解析

南岸未陰 2024-01-13 發(fā)布于廣東

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本期我們討論一個比較“古老”的話題，即YY 0068.1-2008的檢測方法。之所以說它比較古老，是因為這部標準于2009年實施，已經過去14年了。但網上查閱與之相關的資料非常稀缺，對于剛從事內窺鏡檢測的朋友來說，這是你們遇到的第一個門檻，因為沒有培訓教材，更沒有指導老師。如果你順利突破第一關，并已經沉下心來熟讀了YY 0068.1，一定會產生更多疑惑，如果這時你還沒有崩潰，那么恭喜你，你已經來到第二個關口：開始思考如何實現檢測過程。此時，你會發(fā)現能和自己并肩的人已經不多了，甚至難以找到一個可以分享的朋友。如果你有幸找到一套行之有效的檢測方法，并最終得到了內窺鏡檢測數據，那么真要祝賀你了，你已經來到第三個關口了：如何驗證數據的準確性？此時，你可能已經登上頂峰，才發(fā)現孤獨是多么的可怕……

這篇文章將盡可能通俗易懂地幫助你解答上述三個問題。當然，我們也只是“盡可能”，畢竟這里面涉及到的專業(yè)知識若完全展開，恐怕涉及多門專業(yè)課程，包括筆者也不可能完全掌握。接下來的內容，我將嘗試通過圖文并茂的方式來講述“視場角”、“視向角”、“角分辨力”、“邊緣均勻性”、“照明鏡體光效”、“成像鏡體光效”、“單位相對畸變”、“有效光度率”等指標的測試方法。雖然極力想避免枯燥的專業(yè)概念，但有些內容如果實在繞不開，還是需要你燒燒腦去理解理解。最后，我們增設了“打賞”環(huán)節(jié)，畢竟這篇文章來之不易，即使你搜遍全網也必定找不到第二篇這樣的內窺鏡檢測“爽文”了。所以，如果你覺得我們的努力有一瞬間打動了你，請給予一些打賞，也算是對我們的鼓勵。已經打賞的朋友，你還會獲得一些意外驚喜，屆時你會收到一份關于內窺鏡檢測的“禮物”，必會對你有所幫助。廢話不多說了，我們直接開始吧。

【預備知識】

在正式討論具體的檢測方法之前，需要先明確兩點。首先，內窺鏡的光學性能指標評價的無非是內窺鏡的成像質量和照明質量。與之對應的是內窺鏡成像光路和照明光路。這是光學內窺鏡結構中非?；镜膬蓷l光路。其次，內窺鏡的實際使用環(huán)境是在體腔內，觀察面的形狀類似一個球體的凹面，而我們實際檢測過程中難以實現在空間球面上的測量，需要簡化為一個垂直視軸的平面。因此我們很多評價指標需要對應在這個球形凹面上來分析。YY 0068.1中構建的光學模型將這個球面抽象為一個垂直于視軸的球面Z，許多測試結果最終要通過一系列的公式運算，換算到球面Z上進行評估。具體的推算方法非常復雜，你可以不用理解，只需要知道我們需要這個過程即可。

【視場角、視向角】

視場角是指通過內窺鏡可以觀察到的最大視野角度。就如同我們人類的視野角度為210°，貓的視野角度是285°，內窺鏡也有自身的極限觀察角度。利用簡單的三角公式就可以推算出內窺鏡的視場角，需要注意有的內窺鏡自帶視場“蒙版”，因此視場直徑需要選擇經過視場中心的最大直徑。除此以外，入瞳視場角（圖2中的ω_p）也是內窺鏡檢測過程中的一個關鍵參數，測試方法使用一塊同心雙圓環(huán)靶標，小圓直徑25mm，大圓直徑50mm。前后移動靶標位置，分別讓大圓和小圓與視場邊緣相切，記錄兩次相切時的光學工作距離d1和d2。最終得到入瞳與頂點的間距α，從而得到入瞳視場角。

視向角（θ）的定義是光學鏡的視軸對光學鏡主體軸所構成的夾角。概念上不難理解。難點在于視向角的精確測量。首先需要將光學鏡可靠固定，并使其視軸與視場靶標平面垂直，調節(jié)有一定難度，需要一定的操作經驗和技巧。目前已知的調節(jié)方法有3種：（1）通過觀察靶標的視場同心圓均勻度手動調節(jié)（見圖3），（2）通過圖像軟件輔助調節(jié)，（3）通過雙像靶標追蹤定位。YY 0068.1中給出的方法是第一種，但調節(jié)比較費時費力，精度欠佳。目前市面上大部分的內窺鏡檢測裝置都使用前兩種定位方式。

【角分辨力】

角分辨力定義為光學鏡的入瞳中心對給定的光學工作距處的最小可辨等距條紋寬的極限分辨角的倒數。測量中心角分辨力時一般使用透射式線對分辨率卡，將分辨率卡放置在工作距視場平面中心處，并提供適當的照明光配合觀測。此外，還要繼續(xù)測量最大視場高度70%位置上的線對分辨率（需要特別注意：此時要求測量的是最大視場高度的70%位置，而非最大視場角的70%位置，這里非常容易出錯??！見圖4）對于中心角分辨力，直接用測得的中心線對分辨率代入公式計算就能得到中心角分辨力。而邊緣角分辨力則需要將測得的邊緣角辨力進行2次余弦修正后才是我們最后需要的結果，這是因為邊緣角分辨率需要轉換成投影在球面Z上的結果。對于有些內窺鏡（尤其是電子內窺鏡），修正后的邊緣角分辨率可能大于中心角分辨率，從直觀感受上會覺得不符合常理，但按照YY 0068.1提供的計算方法，確實會出現這種情況，目前尚沒有任何人給出合理解釋，我們將在今后的文章中繼續(xù)分析這個問題。

【邊緣均勻性、照明鏡體光效】

邊緣均勻性和照明鏡體光效都是用于評價光學鏡的照明質量的指標，為了確保內窺鏡照明光纖輸出的照明光斑足夠均勻。邊緣均勻性用于評估照明光斑在視場邊緣位置的均勻度，一般測量最大視場角90%處，四個正交方位點的照度值代入計算（見圖5）。計算公式并不復雜，需要注意的是：照度探頭放置的位置是最大視場角90%（而非最大視場高度的90%），探頭的感光面直徑要足夠?。?/span>不得大于90%視場直徑的十分之一），內窺鏡頂點與照度探頭的距離不得小于50mm。照明鏡體光效用于評估光學鏡照明光路對邊緣光效的貢獻情況，簡而言之，照明光斑不能中心亮周邊暗，理想情況是視場周邊與中心擁有同樣的照度。這里指的周邊照度，需要換算為球面Z上的理論值，因此在照明鏡體光效的計算公式中，最后要除以朗伯體光效值，目的正是如此。

【成像鏡體光效】

成像鏡體光效的定義是光學鏡成像系統(tǒng)對邊緣光效的貢獻，以光通量透過率之比表示。即入瞳視場角ω_p方向的滿入瞳平均光透過率與視場中心方向的滿入瞳透過率之比。YY0068.1中給出測試方法如圖6所示，但存在一個問題：對于目視觀察光學鏡的測試而言，使用擋板開孔的方式，難以保證開孔位置有足夠的光源亮度，此時使用積分球測量內窺鏡出瞳位置的光通量，幾乎無法測出有效光學信號。建議直接在目鏡上連接一套經過驗證的內窺鏡攝像頭，在監(jiān)視器上使用屏幕亮度計直接測量畫面中小孔位置的亮度。否則，整個測試會異常復雜。對于非目視觀察的內窺鏡則沒有此困擾。得到成像鏡體光效的結果之后，直接與照明鏡體光效值相乘，可得到綜合鏡體光效（這里需要注意一個細節(jié)，在測量綜合鏡體光效的四個光斑位置應與測試照明鏡體光效時探頭放置位置一致）。綜合鏡體光效乘以朗伯體光效，可得到綜合邊緣光效值。

【單位相對畸變】

單位相對畸變是評估光學鏡物象關系一致性的指標。定義為球面Z視場上目標物在圖像上的測量徑向尺寸與理論徑向尺寸之差。測量方法如圖7所示，操作不難理解，但計算過程相對復雜。原因在于實際測量是在垂直視軸的平面上測得，像元尺寸需要換算到球面Z視場后開展分析。根據不同的畸變結果，評價畸變一致性的情況。這部分的難點在于理論計算過程復雜，好在目前的內窺鏡測試裝置已經實現了測試過程的自動化，包括圓斑徑向像素直徑的獲取和球面Z理論像元直徑換算都可以快速完成，省去了繁雜的計算步驟。需要注意的是，目前一些電子內窺鏡的技術要求中也直接引用了YY 0068.1中單位相對畸變的要求，包括試驗方法也原封不動的照搬過來，筆者并不建議這樣操作，因為光學內窺鏡的畸變成因以及理論像元鏡像尺寸的換算未必適用于電子內窺鏡，二者的成像光路和成像機制完全不同，不建議直接生搬硬套。

【有效光度率】

有效光度率是用于評估光學鏡的光能傳遞效率的指標。對于目視光學觀察鏡來說，有效光度率以物面平均光出射度與眼底像面平均照度之比；對于目視觀察類光學鏡，有效光度率定義為像面顯示灰階臨界可辨的最低物面亮度（L_min）,測試方法如圖8所示。理解難點在于眼底相平面的平均照度如何獲取，YY 0068.1的公式（13）是通過入射人眼的光通量除以眼底光斑的面積，得到眼底平面的平均照度，這里需要假設人眼的眼軸長度為17mm，且光學鏡目鏡出射光全部入射眼底。