Системи передачі зображення

Система передачі зображення переносить сформоване об'єктивом зображення на проксимальний (проксимальний кінець ендоскопа - частина ендоскопа, звернена до спостерігача) кінець приладу в наочну площину окуляра або об'єктиву кінофотопристрою або телевізійної камери. Для передачі сигналу також можуть бути використані ПЗС-матриці.

У ендоскопах з лінзовою оптикою застосовуються два типи систем передачі зображення: лінзова і граданна. У жорстких ендоскопах, окрім двох вказаних систем, застосовуються також і волоконно-оптичні джгути.

2.4.1. Лінзові системи передачі зображення

Більшість жорстких ендоскопів містять лінзову систему передачі зображення, що включає декілька послідовно розташованих лінзових обертаючих систем з колективними лінзами між ними.

Якщо в загальному випадку в просторі предметів, де знаходиться зображення, передане обертаючою системою, показник заломлення позначити , то формулу (2.5) можна перетворити таким чином:

,

де - світловий діаметр лінз обертаючої системи;

- розмір проміжного зображення, переданого обертаючою системою;

- апертурний кут в просторі предметів обертаючої системи.

Після ділення лівої і правої частин на добуток отримаємо

, (2.6)

де - інваріант Лагранжа-Гельмгольца.

Вираз в лівій частині отриманої рівності, виражений через основні оптичні характеристики ендоскопа, називають коефіцієнтом інформативності [12]. Вочевидь, чим більша величина , тим вище експлуатаційні властивості і якість приладу в цілому. З формули (2.6) виходить, що коефіцієнт безпосередньо пов'язаний з характеристиками обертаючої системи наступною залежністю:

.

Якщо для порівняння різних оптичних систем ендоскопів їх привести до єдиної робочої відстані мм, то вираз для спроститься

. (2.7)

З останнього виразу виходить, що з ряду обертаючих систем, що працюють за однакових умов, та забезпечить найвищі оптичні характеристики ендоскопа, для якої величина буде найбільшою [22].

Залежно від конструктивного виконання компонентів лінзових обертаючих систем, останні можна розділити на три основні типи, принципові схеми яких представлені на рисунку 2.8.

Оскільки кутові поля і відносні отвори компонентів обертаючих систем невеликі, то в їх якості традиційно використовуються ахроматичні лінзові склеювання (рис. 2.8, а).

Проте, переслідуючи мету скоротити кількість оптичних деталей в ендоскопі і спростити його виготовлення, лінзи обертаючої системи можна виконувати одинарними, а для виправлення хроматизму і сферичної аберації ввести афокальний двохлінзовий склеєний компенсатор [16] (рис. 2.8, б).

Найбільш високі значення оптичних характеристик досягаються в ендоскопах, в системі передачі зображення яких використовуються так звані стрижнеподібні лінзи (рис. 2.8, в).

Рис. 2.8. Схеми лінзових систем передачі зображення в ендоскопах: а) з обертаючими системами з ахроматичних лінзових склеювань; би) з двохлінзовим компенсатором; у) із стрижнеподібними лінзами

Аналіз формул з (2.6) по (2.7) свідчить, що підвищенням показників заломлення середовищ між лінзами обертаючої системи, а також до і після цієї системи можна досягти підвищення коефіцієнта інформативності ендоскопа, тобто розробити ендоскоп з великим кутовим полем і меншим діаметром. Одночасно при рівних значеннях інваріанта Лагранжа-Гельмгольца можна добитися і збільшення довжини обертаючої системи, оскільки при збереженні незмінними діаметрів лінз при переході до просторів з показниками заломлення, відмінними від одиниці, виходить зростання фокусних відстаней пропорційно показникам заломлення. Цей перехід може бути здійснений заповненням простору перед і за обертаючою системою, а також між її лінзами скляними плоскопаралельними пластинками з товщиною, рівною фокусним відстаням лінз. Таким чином, необхідно ввести три додаткові оптичні компоненти (плоскопаралельні пластини).

Існує велике число різних оптичних схем обертаючих систем ендоскопів. У роботі [22] приведений порівняльний аналіз восьми часто використовуваних схем, для яких проведена корекція трьох подовжніх аберацій (сферичної, хроматизму положення і кривизни зображення) при виконанні наступних додаткових умов: лінійне збільшення - , відстань від площини предмету до площини зображення складає 100 мм, світловий діаметр лінз рівний 5 мм, віньєтування крайніх похилих пучків світла не перевищує 30%, головні промені мають телецентричний хід в просторах предметів і зображень (рисунок 2.9).

Результати аналізу представлені в таблиці 2.1, де приведені числові значення деяких параметрів, що характеризують найбільш важливі властивості оптичної системи: якість зображення ( - коефіцієнт кривизни зображення Пецваля); найбільшу довжину приладу ( - коефіцієнт сферичної аберації третього порядку, системи, що виникає в зіницях, і що обмежує можливе число обертаючих систем, використовуваних в ендоскопі); технологічність - найменший радіус оптичної поверхні і - число оптичних деталей в одній обертаючій системі; міра досконалості приладу по його оптичних параметрах - відносний коефіцієнт інформативності, - коефіцієнт інформативності класичної обертаючої системи, представленої в першому рядку таблиці).

Рис. 2.9. Схема роботи обертаючої системи ендоскопа: 1 - об'єктив, 2 - обертаюча система, 3 - окуляр

Схема 1. Класична обертаюча система, що складається з досить тонких компонентів і колективних лінз, проста і вельми технологічна у виготовленні. Основним її недоліком є те, що вона має найбільшу зі всіх розглянутих систем величину кривизни зображення і невисокий коефіцієнт інформативності ().

Схема 2. Конструкція обертаючої системи із стрижнеподібними колективами (відома під назвою "люмен-оптика") має близький до класичній схемі коефіцієнт інформативності. Оскільки заломлюючі поверхні колективної лінзи знаходяться на великій відстані від площини проміжного зображення, то до їх чистоти пред'являють знижені вимоги.

Таблиця 2.1