近红外和荧光内窥镜的透镜

荧光内窥镜在许多医学诊断检查中的地位日益重要。医疗器械制造展Medtec中国展也吸引了许多专注于内窥镜研发制造的展商入驻，这项技术基于光分子吸收，显示正常白光下看不到的组织异常。例如，荧光内窥镜可用于改善不可见恶性病变或肿瘤的内窥镜检测。

致敏剂是可引起过敏反应的化学物质，会在这些病变中累积。而这些致敏剂会诱导组织对特定波长的光产生荧光反应。在肠胃病学领域，这种显示并可视化病变的能力有望帮助及早发现非典型增生和癌症。同样，近红外（NIR）荧光刚性内窥镜成像系统也将成为部分脑外科手术的重要工具。

与传统白光内窥镜技术相比，荧光内窥镜在上述及其他医疗应用中的日益普及对光学透镜提出一些独特的要求。例如，一个具有高分辨率、抗反射涂层和最小焦移的透镜能够在可见光和NIR范围（波长范围介于400至850nm之间）内实现更好的荧光成像。

本文探讨了各种透镜的设计要素，包括滤光片和抗反射涂层等，可进一步优化NIR荧光内窥镜在医疗和生命科学应用中的性能。

抗反射涂层技术

涂层和薄滤光片在光学技术上的最新进展使其越来越广泛地应用于医疗和生命科学领域，包括优化NIR荧光内窥镜技术。其中一项技术叫做扩展带宽和角度依赖性（eBAND）透镜涂层，采用具有超低反射率的纳米结构层，其尺寸小于可见光的波长。

这种纳米结构层加上下面复杂的多层涂层可产生显著的抗反射特性。通过抑制切向反射，这种涂层还减少了不必要的耀斑和重影，即使在非常差的照明条件下也能提供清晰图像。

与其他抗反射涂层相比，eBAND适用于400至1700nm的波长范围，包括可见光到近红外范围。该性能让eBAND用户能够使用吲哚菁绿（ICG）进行深入检查。ICG是一种经常用于心脏、肝脏及眼睛某些部位检查的医用染料。

高光学密度

除了抗反射涂层，荧光内窥镜还得益于具有高精度滤光片的透镜以及高光密度（OD）透镜。这些滤光片旨在选择性地传输光谱上特定波长，同时拒绝传输其他波长，而OD则表示被滤光片阻挡的能量。

OD值越大，能量传输值越低；反之亦然。6或以上的光密度通常适用于需要极端阻断的应用，如荧光内窥镜等。

图1. 半峰全宽（FWHM）
荧光内窥镜检查需要能够精确控制激光束入射角和半峰全宽（FWHM）值的滤光片。激光束入射角表示激光束击中滤光片的程度，而FWHM用于测量光源的光带宽。FWHM是曲线上函数达到最大值一半的点之间的距离，也就是曲线凸点的宽度。应用于光学领域时，它指的是光信号在其强度达到最大值一半时的宽度，并提供在50%容量下工作的光源的带宽。

通过对激光束入射角和FWHM的管理可对光源进行高精度的控制，进而在荧光内窥镜检查过程中能够清晰查看受影响区域（见图1）。 想要了解更多包括内窥镜研发设计等更多医械前沿技术，医疗器械制造展Medtec中国展技术论坛J：高端有源医疗设备核心部件与技术论坛，议题包含核心部件在内窥镜产品的创新设计和技术研发中的应用、一次性内镜图像传感器CMOS技术详解等，会议内容再次升级，高校、医院、企业的嘉宾讲多维度剖析高端有源医疗设备制造要点及发展。点击快速预登记，来现场看火热与前沿展品。

最小焦移

用于荧光内窥镜的透镜需要优化光学设计，以在广泛的光谱波长范围内保持画质，同时最小化可见近红外甚至短波红外范围之间的焦移。 调制传递函数

调制传递函数（MTF）是一种参考值，能够帮助光学设计人员根据分辨率和对比度量化系统的整体成像性能。设计人员通常在诸如荧光内窥镜检查等依赖于成像准确性的应用中引用MTF数据。虽然MTF是个有用的值，但并非总能反映透镜的真实性能。尽管如此，了解透镜及光学系统中的其他组件的MTF曲线可以帮助设计人员根据特定的分辨率选择并优化相关组件。

例如，在检测过程中，Tamron透镜无需再对可见光范围与NIR范围（400至850nm）之间以及可见光范围与短波红外范围（400至1700nm）之间进行重新对焦。

图2. Tamron透镜在可见光与NIR范围内的焦移
这种透镜的光学设计包括满足不同市场需求的多种材质球面和非球面透镜，可将焦移降至最低（见图2）。

超低色散镜片

图3.低膜厚度的ODS级滤光片
在成像过程中，当一个透镜元件以稍微不同的角度折射不同波长时，就会产生色差，进而生成彩色边纹并降低图像的清晰度。低色散（LD）透镜元件是由一种特殊的具有极低色散指数的光学玻璃制成，可抵消这种效应。

换句话说，对于这种玻璃，一束光折射成不同颜色的光线极窄。因此，这些透镜元件可以补偿视野中心的色差。此外，还可用于补偿短焦距向视野边缘产生的横向色差（见图3）。

同样，反常色散（AD）光学玻璃可提供更强大、更精确的色差控制，以提高整体成像性能。这种类型的玻璃可为可见光谱中的特定波长提供超大的部分色散比。因此，将AD玻璃与普通玻璃相结合可以控制特定波长的色散因子。荧光内窥镜中使用的光学透镜应避免色差，以保持焦移在整个扩展波长上的一致性（见图4）。

医疗器械制造展Medtec中国展中亮相的内窥镜部件供应商将带来前沿展品，包括内窥镜镜头、功能内窥镜测试平台、OVM 6946内窥镜模组、4K内窥镜摄像系统、电子肾盂膀胱输尿管镜等。

图4. Tamron与传统透镜设计在可见光与NIR范围内的色散焦移对比
图片来源：Medical Design Briefs
来源：Medtec医疗器械设计与制造