第三章 照明系统设计

照明系统这东西，说简单也简单，说复杂也复杂。我刚开始做内窥镜那会儿，总觉得只要把光送进去就行了，结果拍出来的图像要么太暗，要么中间亮四周黑，根本没法看。后来才明白——照明系统设计，其实是整个内窥镜光学系统的基石。

3.1 光纤传光原理

内窥镜里用的光纤，说白了就是一根根极细的玻璃丝。光在光纤里怎么走？靠的是全反射。

你想想看，光从玻璃射到空气里，如果入射角大于某个临界角，光就出不去了，全被反射回来。这个临界角由玻璃和空气的折射率决定：

θc = arcsin(n2 / n1)

其中：
θc —— 临界角
n1 —— 纤芯折射率（通常1.62左右）
n2 —— 包层折射率（通常1.52左右）

嗯，这里要注意：光纤不是一根实心玻璃棒，它分两层——纤芯和包层。包层的折射率比纤芯低，光就在这个界面上反复全反射，一路传下去。

我在项目中遇到过一个问题：光纤弯得太厉害，光就从侧面漏出去了。这是因为弯曲处入射角变小，全反射条件被破坏。所以布线时，弯曲半径不能小于光纤直径的20倍。

3.2 LED光源选型

现在内窥镜基本都用LED了，氙灯那套东西又大又热，早该淘汰。但LED选型有几个坑，我一个个说。

第一，色温。 医用内窥镜一般用5600K~6500K，接近日光。太暖的光会让组织颜色失真，太冷的光又显得惨白。

第二，显色指数 CRI。 这个很多人忽略。CRI低于90的LED，照在组织上，血管和黏膜的边界会模糊。我吃过这个亏，后来一律要求CRI≥95。

第三，光通量和光效。 别只看功率。同样3W的LED，有的能出300流明，有的只有200。看数据手册里的光效参数，单位是 lm/W。

参数	推荐值	说明
色温	5600K~6500K	接近日光
CRI	≥95	显色真实
光效	≥100 lm/W	节能高效
寿命	≥50000h	减少更换

3.3 柯勒照明与临界照明

这两种照明方式，是内窥镜设计里绕不开的选择题。

临界照明 就是把光源直接成像在物体上。结构简单，光效高。但问题也很明显——光源的灯丝或LED芯片的图案会直接投影到组织上，图像里全是亮斑和暗纹。

我记得第一次做原型机，用的就是临界照明。结果拍出来的图像，中间有个LED芯片的方形影子，医生看了直摇头。

柯勒照明 就不一样了。它把光源成像在物镜的入瞳上，而不是物体上。这样物体表面得到的是均匀的、没有结构的光斑。

柯勒照明的光路是这样的：

LED → 聚光镜 → 视场光阑 → 成像透镜 → 物体

关键点：
1. 聚光镜把LED成像在成像透镜的入瞳处
2. 视场光阑控制照明范围
3. 物体上得到的是均匀的、无结构的光斑

3.4 照明均匀性分析

照明均匀性，说白了就是看光斑亮不亮、匀不匀。不均匀的照明，会让图像边缘发暗，影响诊断。

我常用的评估方法是：在物面位置放一张白纸，用相机拍下光斑，然后用软件分析灰度分布。均匀性用这个公式算：

均匀性 = (最小照度 / 最大照度) × 100%

好的照明系统，均匀性应该在80%以上。
低于60%的话，图像边缘基本没法看。

影响均匀性的因素很多，我列几个常见的：

• 光纤排列不均匀 —— 光纤束里有的地方密有的地方疏，光斑就不匀
• LED发光角度太窄 —— 中心亮四周暗，典型的“热点”问题
• 光阑位置不对 —— 视场光阑没对准，照明范围偏了
• 光纤端面污染 —— 这个最常见，手指一碰就留油渍，光斑上全是暗纹

改善均匀性的方法，我总结了几条：

1. 用柯勒照明结构，从根源上解决光源结构投影问题
2. 在LED前加匀光片（也叫光扩散片），把点光源变成面光源
3. 光纤束采用随机排列，避免规则排列产生的条纹
4. 加一个光阑，只让光纤束中心区域的光通过，边缘不均匀的光切掉

嗯，照明系统设计就这些。说白了，就是让光均匀地、高效地送到目标位置。别小看这几步，我见过太多项目因为照明没做好，整个系统推倒重来。你想想看，图像质量再好，照明不行也是白搭。

---

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321