Об'єктиви ендоскопів

Об'єктив ендоскопа призначений для формування зменшеного зображення досліджуваних об'єктів. Відповідно до рекомендацій, що містяться в додатку 3, об'єктиви повинні мати кутові поля від 50 до 135° і більше. Оскільки зображення, побудоване об'єктивом, повинне мати малий розмір, обумовлений малими поперечними розмірами оптичної трубки ендоскопа, то відповідно до формул (2.1) і (2.2) і об'єктиви повинні мати малу величину фокусної відстані. Саме ця обставина дозволяє проводити спостереження об'єктів, розташованих на різних відстанях від об'єктиву без перефокусовування. У роботі [14] показано, що для цього досить, щоб фокусна відстань об'єктиву ендоскопа була в 8÷10 раз менше відстані до об'єкту спостереження.

Отже, об'єктив ендоскопа можна віднести до оптичних систем з малою фокусною відстанню (від 3 до 20 мм), які при порівняно невеликих відносних отворах володіють великими кутовими полями в просторі предметів.

У найпростішому варіанті об'єктив ендоскопа може бути виконаний у вигляді одинарної лінзи. Для збільшення поля зору в ширококутних ендоскопах перед об'єктивом встановлюється плоско-ввігнута лінза, обернена плоскою стороною до предмету, яка одночасно грає роль захисного скла. Для забезпечення необхідного кута напряму спостереження в оптичну схему між об'єктивом і захисним склом може вводитися призма. Вочевидь, для зменшення її розмірів необхідно розраховувати систему так, щоб призма розташовувалася в області вхідної зіниці. Таким чином, власне короткофокусний об'єктив працює з винесеною вхідною зіницею, яка віддалена від нього на велику відстань (в порівнянні з його фокусною відстанню). Саме ця особливість визначає форму однолінзового об'єктиву ендоскопа як плоско-опуклої лінзи, оберненою плоскою поверхнею до віддаленого предмету. Справа в тому, що при розрахунку об'єктивів різного призначення з винесеною вхідною зіницею як базовий компонент використовується саме плоско-опукла лінза, оскільки дозволяє створити систему, вільну від астигматизму і коми [16].

З абераційної точки зору, доцільно розглядати і розраховувати об'єктив ендоскопа спільно з товстою плоскопаралельною пластиною і негативним компонентом - захисним склом. Оскільки перший колектив часто має велику товщину (сумірну з його діаметром) і розташовується на малій відстані від об'єктиву, то при розрахунках об'єктиву він також може включатися в розрахункову схему об'єктиву.

Захисне скло 1 (рисунок 2.3), призма 2, лінза 3 об'єктиву і колектив 4 утворюють складний об'єктив, принципова схема якого є перевернутим телеоб'єктивом. На рисунку 2.3 призма замінена редукованою плоскопаралельною пластинкою.

На якість зображення, як відомо, разом з дифракцією, істотний вплив здійснює залишкова аберація оптичної системи. При розрахунку об'єктивів ендоскопів усувається, перш за все, така аберація, як хроматизм положення і збільшення, астигматизм, кривизна зображення, кома і аберація в зіницях. Сферична аберація через невелику величину відносного отвору виявляється малою. Величини залишкової аберації об'єктиву мають бути такими, аби їх величина за окуляром не перевищувала граничних значень, допустимих для візуальних оптичних систем. Як відомо, усунення дисторсії вимагає значного ускладнення схеми, але в ширококутних системах, якими є ендоскопи, правильне сприйняття форми об'єкта здійснюється якраз в тому випадку, якщо в системі присутня дисторсія певної величини. Тому в ендоскопах вказана аберація допускається, якщо, на думку [17], вона не досягає такої міри, що розгляд предмету по його зображенню стає неможливим.

Рис. 2.3. Принципова оптична схема об'єктиву ендоскопа в тонких компонентах

На рисунку 2.4 приведені оптичні схеми деяких об'єктивів ендоскопів. За даними [17], в різних схемах астигматизм складає 0,2÷0,8 мм для кутових полів 56° і 0,33÷9 мм для кутових полів 90°, менше всього його величина для схем, зображених на рисунках 2.4, в, д, е, - не більше 0,50 мм для кутового поля 90°. Знаючи фокусну відстань окуляра і не враховуючи можливу компенсацію аберації об'єктиву і подальших оптичних елементів системи, легко оцінити величину астигматизму в діоптрійній мірі за окуляром ендоскопа за відомою формулою і порівняти її з допустимою величиною (0,5÷1) дптр для візуальних систем.

Всі схеми, представлені на рисунку 2.4, містять в собі призму, причому базова плоско-опукла лінза може виконуватися або безпосередньо на призмі, або наклеюватися на неї (рисунок 2.4, а, д).

Існує об'єктив ендоскопа, що містить негативну лінзу, призму і трилінзовий позитивний компонент, що складається з переднього меніска, позитивної двоопуклої склеєної лінзи і заднього меніска. Виконання менісків у вигляді одиночних лінз не дозволяє компенсувати негативну кривизну, властиву лінзовій обертаючій системі і окуляру, що призводить до зниження якості зображення всієї системи ендоскопа. До цього ж призводить і недостатня корекція хроматизму збільшення. Для виправлення названої аберації в роботі [18] запропонований об'єктив, оптична схема якого представлена на рисунку 2.5.

Рис. 2.4. Оптичні схеми об'єктивів ендоскопів

У об'єктиві меніски виконані у вигляді склеювань з двоввігнутої негативної і двоопуклої позитивної лінз, різниці показників заломлення скла яких лежать в діапазоні від 0,02 до 0,2, і різниця коефіцієнтів дисперсій визначається діапазоном від 10 до 28, а радіус поверхні склеювання менісків менше задньої фокусної відстані об'єктиву. Конструктивні параметри об'єктиву приведені в додатку 4. Перевиправлення кривизни зображення доведено в об'єктиві до значення мм; мм на краю поля зору, що дозволяє істотно компенсувати негативну кривизну, що вноситься лінзовою обертаючою системою і окуляром і, тим самим, усунути цю аберацію для всієї системи ендоскопа. Хроматизм збільшення виправлений до значення мм, що є сповна достатнім.

Рис. 2.5. Оптична схема об'єктиву ендоскопа з перевиправленою кривизною зображення і виправленим хроматизмом

Відносно усунення аберації в зіницях вигідно використовувати симетричні дублети з двох або трьох лінз (рис. 2.4, в, г). Використання потрійного склеювання в об'єктивах ендоскопів виправдане при розрахунку короткофокусних об'єктивів до 3 мм з хорошою якістю зображення при кутах поля в просторі предметів більш 50°.

Об'єктив, побудований за схемою об'єктиву Хілля (рис. 2.4, е) з передньою негативною лінзою меніскоподібної форми, дозволяє досягти кутових полів до 180° без значного зниження освітленості на краях поля зору.

Для підвищення коректувальних можливостей запропонована схема об'єктиву, яка представлена на рисунку 2.6 [19], містить плоско-вгнуту лінзу, меніск і двоопуклу лінзу. У об'єктиві меніск склеєний з негативної і позитивної лінз, величина різниць показників заломлення яких лежить в діапазоні від 0 до 0,02 і різниці коефіцієнтів середньої дисперсії скла - в діапазоні від 22 до 23, кривизна поверхні склеювання лінз меніска складає величину від 0 до 0,1 оптичної сили об'єктиву.

Рис. 2.6. Оптична схема об'єктиву ендоскопа із зниженою сферичною аберацією і дисторсією

Об'єктив може бути використаний в ендоскопах для візуальних досліджень і при виконанні фото- і телевізійних зйомок. Конструктивні параметри об'єктиву приведені в додатку 4.

У роботі [20] наголошується, що наявність повітряних проміжків між лінзами об'єктиву ендоскопа може призвести до запітніння оптики в процесі роботи. Для виключення цього при одночасному зниженні діаметру ендоскопа пропонується об'єктив виконувати у вигляді єдиного блоку (рисунок 2.7), що складається із склеєних між собою двох позитивних лінз з матеріалу з високим показником заломлення, наприклад, надважкого крону, розділених негативною лінзою з матеріалу з низьким показником заломлення, наприклад, фтористого натрію, а радіуси кривизни поверхонь негативної лінзи рівні між собою. Крім того, для поліпшення якості зображення за рахунок корекції хроматичної аберації одна з позитивних лінз головного об'єктиву, наприклад, друга, складається із склеєних між собою позитивної і негативної лінз з матеріалів з близькими значеннями показників заломлення і різними по величині дисперсіями, так що радіус склеювання впливає лише на корекцію хроматизму збільшення.

Рис 2.5. Оптична схема об'єктиву ендоскопа з малим робочим діаметром

Оскільки в науково-технічній і патентній літературі недостатньо інформації про конструктивні параметри об'єктивів ендоскопів, то як приклад нами був застосований простий об'єктив для трубки ендоскопа прямого спостереження, оптична схема якого побудована на основі двох дволінзових склеєних компонентів і негативного захисного скла. Принципова схема об'єктиву близька до представленої на рис. 2.4, а конструктивні параметри і величини залишкової аберації приведені в додатку 5. Параметри об'єктиву можуть бути використані як початкові при розрахунку оптичні системи ендоскопів при курсовому і дипломному проектуванні.

Об'єктив при фокусній відстані 3 мм, кутовому полі в просторі предметів 90° і найбільшому світловому діаметрі лінз 3,6 мм забезпечує розмір зображення 6 мм. Для забезпечення великого поля зору перед двома склеєними компонентами встановлена негативна лінза. Для того, щоб ця лінза не вносила кому і астигматизм, її рекомендується виконувати плоско-вгнутою з сферичною поверхнею, концентричною центру вхідної зіниці розташованої за нею частини об'єктиву [21]. Відстань між першою негативною лінзою об'єктиву і дволінзовими склеєними компонентами вибрано більше величини еквівалентного переднього фокального відрізку останніх. При цьому забезпечуються фокусна відстань об'єктиву менше еквівалентної фокусної відстані склеєних компонентів, тобто і відносно великі значення радіусів кривизни поверхонь в склеєних компонентах.

При відносному отворі 1:6 розмір абераційного кружка розсіяння для точки на осі не перевищує 0,011 мм, астигматизм для поля 90° не перевищує 0,08 мм. Об'єктив має чималу негативну дисторсію, що досягає, - 27% на краю поля. Ще раз звернемо увагу, що в ширококутних об'єктивах, до яких відносяться і об'єктиви ендоскопів, для здобуття менших перспективних спотворень якраз і не слід прагнути до забезпечення ортоскопічносності [16]. У даному об'єктиві закон побудови зображення близький не до ортоскопічного, а до лінійного, тобто (для жорсткого дотримання лінійного закону дисторсія на краю поля має бути - 21,5%). Саме це обставина, разом з телецентричним ходом головних променів в просторі зображень об'єктивів, сприяє поліпшенню світлорозподілу. Але при телецентричному ході головних променів світловий діаметр лінз об'єктиву виходить дещо більше розміру зображення, що для об'єктивів ендоскопів не завжди прийнятно. У даному об'єктиві хід головних променів в просторі зображень наближений до телецентричного: після об'єктиву кут нахилу головного променя крайнього пучка променів зменшений до 8°.

При використанні такого об'єктиву в конкретній схемі ендоскопа необхідно провести його перерахунок на необхідну робочу відстань. Наприклад, при розташуванні наочної площини на відстані 60 мм від об'єктиву положення площини зображення зміщується на 0,14 мм, а сферична аберація і астигматизм змінюються незначно (додаток 5).

Як відомо, введення в оптичну схему об'єктиву товстих плоскопаралельних пластин сприятливо впливає на абераційну корекцію системи, тому при необхідності установки призми після негативного компонента буде потрібна деяка оптимізація конструктивних параметрів за допомогою програм за розрахунком оптичних систем.

Date: 2015-05-09; view: 532; Нарушение авторских прав