【欧谱曼迪光学堂】内窥镜摄像系统的景深
景深的问题，实际上就是在探讨一个在画面中能够清晰成像范围的问题。
在拍照过程中会有一个对焦的过程，我们都知道相机对焦成功后，对焦的那个点反映到画面上就是最清晰的点。那么在对焦点前后两侧的其他点是不是就一定不够清晰呢？
并不是这样子，画面的清晰与否取决于相机和人眼的分辨能力。不论是人眼还是相机的CMOS，任何接收光信号的设备都是不完善的，都有它们各自的分辨极限。只要成像的“圆斑”小于光信号接收器的分辨能力，我们就认为它是能够清晰成像的。
图1 光强接收器的分辨能力
实际上，不仅对焦面上的各点能够成清晰像，与对焦平面有一定距离的其他点也可能成清晰像。这个能获得清晰像的物空间深度，就是景深。
图2 对焦点和景深示意图
在明白了什么是景深后，我们需要搞清楚：景深是由那些量来决定的？
图3 镜头景深示意图
■ 根据光学设计的理论知识，景深的计算式如下：
■ 式中，δ为允许的弥散圆直径，f为镜头的焦距，L为对焦距离，F为镜头的光圈数，F=f/D，D为镜头的入瞳直径。需要注意的是：光圈数F和光圈是一个反比关系，即F值越小，光圈越大。
对于内窥镜的景深，我们可以得到如下结论(假定其他的条件都不改变)：
光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
允许弥散圆直径越大，即分辨率越低，景深越大；
对焦距离越远，景深越大；对焦距离越近，景深越小。
图4 对于固定焦距和拍摄距离，光圈越小，景深越大。
光圈大小是制约内窥镜景深的一个重要参数。光圈就像人眼的瞳孔，控制着进光量。我们可以用目视的方法直观的从内窥镜的目镜端判断出内窥镜的光圈大小。
图5 两款内窥镜的目镜端对比
上图是两款10mm腹腔镜的目镜端对比。我们很明显能判断出右侧的内窥镜的光圈要比左侧内窥镜的光圈大。从使用效果看，右侧内窥镜的景深也确实要劣于左侧内窥镜。
允许弥散圆直径越大，景深越大。但是允许弥散圆的直径和一定尺寸的相机的分辨率是反相关的。例如，同样使用1/3英寸相机的内窥镜系统，分辨率是720P的相机的景深会比1080P的相机的景深大。显然系统分辨率的降低，更不是我们希望得到的。
我们希望系统的分辨率足够高的同时景深足够大，然而这些要求是彼此矛盾的。景深要求光圈越小越好，但是分辨率和图像亮度等却要求光圈越大越好。因此在光学设计中我们只能综合考量多方面的要求，达到系统整体上的优秀，这就是光学设计中的平衡。
相对上述两个需要多方权衡的因素，对焦距离可以更容易、更有效地控制内窥镜的景深范围。根据《中华人民共和国医药行业标准YY 0068.1-2008》，通常将内窥镜景深的测试工作距离定为50mm。
为什么要规定为50mm？这是因为从腹腔手术的实际出发：在50mm的地方对焦，内窥镜景深范围通常可达到30mm～130mm，这个范围可以覆盖大部分腹腔手术的需要。
图6 内窥镜50mm处对焦时的景深
如果在过近的地方对焦，如20mm处，那么景深范围只有10～40mm，给医生的感觉就是景深非常小。
图7 内窥镜20mm处对焦时的景深
如果在过远的地方对焦，如100mm处，那么景深范围是40～220mm。这个景深太大了，已经超过了腹腔手术的应用范围，而且近景深距离对焦面太远，医生在靠近观察的时候也会模糊，给医生的感觉反而是景深小。因此50mm处是合适的对焦距离。
图8 内窥镜100mm处对焦时的景深
整体来说市场上成像性能优秀的内窥镜，它们的景深数据都是差不多的。就本人测量过的多款10mm腹腔镜，于物距50mm处对焦清晰，前后挪动，在30mm～130mm的范围内基本都可以达到标准里角分辨力不低于50mm处图像80%的角分辨力的要求，即景深为30mm～130mm，满足腹腔手术的需要。
虽然这些性能优秀的内窥镜的景深数据是差不多的，但是对于内窥镜摄像系统来说，单一优秀部件并不能决定系统的整体高度。如同我之前提到的，光学设计中我们需要综合考量多方面的要求，达到系统整体上的优秀。医用硬性内窥镜光学系统主要包括四个部分：硬性内窥镜、耦合适配镜头、分光棱镜以及CMOS图像传感器。而整体摄像系统还包括光源、图像处理的主机以及显示系统等等，只有综合考虑所有部件才能达到系统的最优解。
图9 硬性内窥镜光学系统示意图
对于某些厂商制造的内窥镜摄像系统，系统的景深可能是满足手术需要的，但是在分辨率、画面亮度等方面就没有很好的效果。或者他们的系统分辨率是满足手术需要的，但是景深又太小。这就是由于在设计、制造阶段没有系统性、整体性的综合考虑。只是在某几个方面实现了不错的效果，但是在其他方面则存在着一定的不足，影响了系统的整体使用效果。
但还是有公司能够在产品设计阶段就整体综合的考虑系统的完备性。比如，欧谱曼迪科技有限公司设计生产的4K极清荧光导航内镜系统以及2100系列高清荧光导航内镜系统等产品，就是系统性、整体性综合设计、生产的典范，达到了所有指标的最优解。对比同类产品，不仅在景深方面，在分辨率、色彩还原度、荧光效果、操作体验等多方面都有着非常好的效果。
然而即使我们选择了这样优秀的内窥镜摄像系统，我们还应该特别注意它的使用方法。只有使用得当，我们才能获得完美的产品体验。我们应该选择适当远的距离（推荐40mm～50mm）对焦使得画面清晰，这是个最佳的对焦位置，会有很好的景深效果，而不是在内窥镜顶端距离物体很近时或很远时对焦清晰，更不是选择其他的适配镜头。如果使用其他的适配镜头，会破坏内窥镜摄像系统的整体性，反而得不偿失。