在显微外科手术中,用于观察细小血管以及组织的医疗设备主要包括手术显微镜和内窥镜,其中手术显微镜具有分辨率高、立体感强、工作距离长等优点,但存在体积庞大、景深小、限制医生姿态等问题;而内窥镜具有体积小、景深大、便于与视频系统连接等优点,但存在工作距离短、手术视野易受限等问题。近几年,国外融合了手术显微镜以及内窥镜的优点,研制出2D和3D外视镜系统,而国内对其鲜有报道,尤其缺乏对3D外视镜光学系统方案的研究。本文在国内外研究的基础上,为能够匹配手外科、眼科、耳鼻喉科等多种不同显微外科的工作距离以及物面范围不同的手术需求,并且为获取病灶的立体信息,设计了一款工作距离可变、分辨率高、体积小、景深大、易拓展其他附件、可五档位变倍的3D外视镜光学系统。首先,根据外视镜的发展历史和现状,以立体显微成像光学系统作为3D外视镜光学系统的结构基础,分析比对不同立体显微成像光学系统结构的特点,提出了一种双光路的3D变倍外视镜光学系统方案,用双图像传感器代替传统目镜,其中单条光路由前后两组变焦子系统以无限远形式的光学结构组成,为拓宽应用范围,根据不同显微外科对应的不同工作距离与物面范围的要求,确定外视镜的五个档位参数,并计算出光学系统的分辨率、垂轴放大倍率等其他具体指标。其次,根据不同变焦形式的特点,分别选择具有一个移动组元的光学补偿式和具有两个移动组元的机械正组补偿式作为前后两组变焦子系统的结构,由两个变焦子系统组成的外视镜光学系统采用三组联动的模式以同时实现垂轴放大倍率和工作距离可变,并对两个变焦子系统进行高斯光学计算分析。然后,通过初始结构选择与像差校正,完成了前后两个变焦子系统的光学设计,并遵循光瞳衔接的原则,对外视镜光学系统进行整体优化,对设计完成的光学系统进行综合像质分析和公差分析。最后,对光学系统的变焦曲线进行拟合,并对外视镜光学系统进行机械结构设计。本文设计的光学系统采用芯片尺寸为1/1.2英寸、像元数为1920×1200的高清CMOS作为图像传感器,五个档位对应的垂轴放大倍率分别为1/1.25倍、1/3.4375倍、1/5.625倍、1/7.8125倍、1/10倍,对应的工作距离分别为200mm、250mm、300mm、350mm、400mm,物方分辨率范围为8～64μm,景深范围为1.23～78.23mm,光学系统总长为227.6mm,最大的镜片口径为25mm,公差分析结果显示各个档位对应的光学调制传递函数在85lp/mm空间频率处优于0.15的样品均达到90%以上,拟合的凸轮曲线平滑无拐点,机械结构合理,满足加工要求。该光学系统可匹配不同显微外科的手术要求,为今后外视镜国产化的研究提供了参考思路。