微创腔镜手术凭借创伤小、术后恢复快、美观度高等优势，已成为甲状腺、妇科、泌尿外科临床诊疗的核心术式。但传统商用内窥镜普遍存在视场狭窄、工作距离不足、镜体操作受限、边缘成像遮拦等痛点，难以适配腋窝入路甲状腺手术等特殊临床场景。一知名高校团队依托Ansys Zemax OpticStudio完成一套专用Z型内窥镜光学系统完整研发[1]，从指标定义、棱镜建模、棒镜转像系统优化，到MTF/点列图像质评估、蒙特卡洛公差量产验证，全部仿真、优化、分析环节由Zemax软件落地实现，最终实现110°超大视场、50mm长工作距的折转式硬管内窥镜。
1.1 甲状腺微创手术器械现存缺陷
甲状腺疾病女性患者基数庞大，传统开放手术会留下永久性颈部疤痕，腔镜微创成为主流选择。目前经腋窝入路是临床理想术式，但市场现有WOLF经皮肾镜、STORZ宫腔镜、常规腹腔镜均非甲状腺手术定制化产品，临床使用存在四大核心问题：
1.视场覆盖不足：商用内窥镜全视场仅80°，术中需频繁转动镜体，易误伤周边血管组织；
2.工作距离偏短：常规产品工作距离仅20~40mm，腋窝到甲状腺病灶纵深大，器械操作空间受限；
3.视向棱镜成像缺陷：传统镀金属反射膜棱镜，长期高温消毒、器械摩擦易出现膜层脱落，大视场边缘光线存在遮拦，视野发黑；
4.直线型镜体人机工效差：直筒式内窥镜在腋窝狭小腔道内难以操作，器械更换、电刀配合难度高。
1.2 Z型内窥镜结构优势与设计指标
Z型折转光路内窥镜已成熟应用于宫腔、泌尿外科手术，两段45°直角棱镜实现光路90°折转，镜体前段与手持操作段形成错位结构，重心后移，术中器械切换更便捷，画面抖动大幅降低。
团队结合临床需求，制定严苛系统设计指标，全部参数通过Zemax初始建模锁定边界条件：
1.3 竞品参数横向对比
整套光学系统分为物镜组、30°全反射视向棱镜、Hopkins棒镜Z型转像组、目镜与摄像适配器四大模块，采用“分模块独立优化+整机一体化拼接仿真”的标准化Zemax研发流程，相比整机同步优化大幅缩短迭代周期。
2.1 物镜系统：反远距结构序列模式优化
医用小口径大视场内窥镜物镜优先采用反远距光学结构，Zemax序列模式是该模块理想建模方案：前组负光焦度透镜拓展入射视场，后组正光焦度透镜完成会聚成像，透镜间预留平板窗口用于匹配视向棱镜。
1) 理论指标预计算：利用Zemax宏语言完成角分辨力公式迭代计算，输入入瞳直径D=0.12mm、中心波长λ=550nm、工作距离50mm，软件直接输出极限线对r(d)=3.58lp/mm，物方角分辨力3.22C/(°)，满足设计阈值；
2) 结构简化优化：初始双胶合+单透镜结构，通过Zemax锤形优化（Hammer Optimization）简化为三胶合透镜组，在控制球差、色差前提下，减少镜片装配工序；
3) 边界约束控制：使用EFLY、RAID、TTHI等操作数约束光学口径≤3.8mm、边缘视场无渐晕，规避大视场边缘遮拦问题。
2.2 全反射视向棱镜：Zemax混合非序列模式仿真
传统镀反射膜棱镜存在膜层脱落、边缘视场遮拦致命缺陷，团队创新采用高折射率H-ZF62玻璃全反射30°视向棱镜，该复杂多面体棱镜无法用纯序列模式精准建模，Zemax混合非序列（NSC）成为仿真关键工具。
图1 镀反射膜的视向棱镜
1) 全反射临界角理论校验：通过Zemax材料库调取H-ZF62折射率，软件内置光学公式自动计算临界角Ic=31.38°；在非序列编辑器中扫描-55°~+55°全视场光线两次反射入射角，最小入射角33.19°，全部大于临界角，满足无膜层全反射条件，彻底规避镀膜失效风险。
2) 混合非序列建模流程
序列光路中插入“非序列组件面”，匹配光束口径，搭建棱镜出入口；
在NSC编辑器导入棱镜三维结构，设置棱镜垫片空气间隙，还原真实全反射光路；
3D建模软件导出棱镜顶点坐标，批量导入Zemax非序列元件，完成多面光路追迹；
3) 仿真优势：相比等效平板替代法，混合非序列可精准模拟边缘光线遮挡、棱镜内部杂散光，提前规避临床视野发黑问题。
2.3 Z型折转棒镜转像系统：双远心Hopkins棒镜优化
硬管内窥镜中继传像系统采用对称Hopkins棒镜，需输出正像故选用奇数组棒镜，系统总长340mm，设计3组相同棒镜单元，依托Zemax完成Z型折转光路搭建：
1) 物方远心光路约束：利用Zemax操作数控制像面入射角度，实现双远心结构，抑制视场渐晕；同时限制棒镜内部光线入射角，防止棒镜内壁杂散光全反射；
2) Z型折转棱镜布局：在两组棒镜中间平行光区域放置2片45°直角反射棱镜，平行光折转可大幅降低球差、像散；折转区域不进入人体腔道，棒镜口径放宽至6mm，降低加工难度；
3) 整机长度管控：单组棒镜长度110mm，3组棒镜总光路348.77mm，Zemax全局长度操作数锁定折转高度116.65mm，匹配手持操作人机尺寸。
2.4 目镜与摄像适配器一体化设计
内窥镜末端需兼容目视观察与摄像采集，采用焦距18mm定焦适配器+18mm目镜一体化方案，Zemax序列模式平行光匹配设计：
1) 适配器与目镜之间保持平行光传输，预留15mm标准出瞳距离，满足临床医生直接目视；
2) 变焦接口适配行业通用14~34mm摄像适配器卡口，通过Zemax多重配置（Multi-Configuration）完成多焦距兼容仿真；
3) 整机所有模块拼接后，执行全局一体化优化，平衡全系统像差、长度、口径多重约束。
2.5 整机一体化光路模型
将物镜、棱镜、棒镜转像组、目镜适配器全部模块在Zemax中拼接，完成全局像差平衡，最终整机光学总长660mm，全部指标满足初始设计阈值，形成完整可加工光学结构模型，可直接导出光机对接图纸参数。
光学结构优化完成后，依托Zemax四大核心像质分析工具，量化全视场成像质量，验证是否适配微创手术微小病灶识别需求。
3.1 MTF调制传递函数分析
图2 Z型内窥镜MTF曲线
Zemax输出0°、15°、30°、55°全视场子午/弧矢MTF曲线：
1) 在特征频率100lp/mm处，所有视场MTF数值均大于0.2，中心视场MTF无限贴近衍射极限；
2) 边缘55°视场MTF小幅下降，但仍满足传感器3.75μm像元的分辨需求，可清晰识别甲状腺微小肿瘤边界；
3) MTF曲线无明显分离，系统像散、彗差校正水平优异。
3.2 点列图光斑分析
图3 Z型内窥镜各视场点列图
Zemax自动计算各视场光斑RMS半径、几何半径与艾里斑对比：
1) 全视场RMS光斑半径1.561~2.366μm，全部小于艾里斑半径7.291μm，同时小于传感器3.75μm像元尺寸；
2) 光斑无严重拖尾、弥散，球面像差校正充分，术中微小出血点、细小神经均可清晰分辨。
3.3 畸变仿真与工程解决方案
图4 Z型内窥镜畸变图
受110°超大视场与3.8mm小口径约束，系统最大畸变44.82%，Zemax畸变分析模块精准输出畸变分布曲线；针对大畸变问题，软件导出畸变映射参数，可直接对接后端图像处理算法完成数字校正，不影响临床病灶尺寸判断。
医疗光学器件对加工、装配误差敏感度极高，设计完成仅代表理想光路可行，Zemax公差分析工具链是打通“设计-量产”的核心环节，团队采用行业通用Q5加工公差等级完成仿真验证。
4.1 公差参数标准化设置
在Zemax公差编辑器内统一设置透镜、棱镜、棒镜全套加工与装配误差：
1) 几何公差：曲率半径2条纹、镜片厚度±0.0375mm、表面/元件偏心±0.01mm、倾斜±0.016°；
2) 材料公差：折射率±0.001、阿贝数波动±0.1%；
3) 面形公差：S+A不规则度0.5条纹，匹配国内光学冷加工设备极限精度。
4.2 蒙特卡洛100次随机误差仿真
以100lp/mm作为成像评判标准，运行100组蒙特卡洛随机误差仿真，Zemax自动统计不同良率区间MTF均值：
1) 90%成品全视场MTF均值≥0.18；80%成品MTF均值≥0.194；50%成品MTF均值≥0.216；
2) 最低良率区间MTF仍高于0.18，满足医疗器械成像最低验收标准；
3) 灵敏度分析快速定位系统敏感元件：物镜前组透镜、视向棱镜偏心为主要误差来源，给装配工艺提供优化方向。
4.3 公差仿真工程价值
1) 无需开模试制，在软件内提前预判量产良率，大幅降低样机迭代成本；
2) 针对敏感光学元件收紧加工公差，非敏感元件放宽要求，平衡生产成本与成像质量；
3) 输出完整公差报告，可直接交付光学加工厂作为生产验收标准。
[1] GAO Junjie, XIANG Yang, XIANG Zheng, et al. Design of optical system for Z-shaped endoscope with extended field of view and long working distance[J]. Journal of Applied Optics, 2026, 47（4）: 776-781. DOI:10.5768/JAO202647.0401009.
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