Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Характеристики освітлювальних волоконно-оптичних джгутів

⇐ ПредыдущаяСтр 55 из 69Следующая ⇒




Тип Довжина, мм Діаметр, мм Розрахункова числова апертура Спектральний коефіцієнт пропускання, % Інтегральний коефіцієнт пропускання, % Оболонка Маса, г
О от250 до 10000 от1 до 12 0,5 - 55-10 силіконова, полівінілхлоридна, металорукав від 0,6 до 445,0
О-С від 250 до 10000 від 1 до 5 0,5 50-43(450-650 нм) 55-1 від 0,6 до 199,0
О-ИК від 250 до 10000 від 1 до 5 0,5 51-9 (860-1060 нм) -   від 0,6 до 199,0
О-ИК-Д-1 від 1000 до 25000 1,5 0,5 51-9 (860-1060 нм) - від 4,9до 124,0

 

 

Продовження табл. 3.6

О-ИК- від 250 до 1400 від 1 до 12 0,5 43-34 (860-1060 нм)     від 0,6 до 445,0

Діаметр роздільчого джгута з регулярним укладанням волокон може досягати 0,3 - 0,5 мм, а довжина жорсткої спеченої частини (як кільця, так і циліндра) - від декількох міліметрів до десятків сантиметрів [41].

Рис. 3.19. Розташування освітлювального і передавального зображення джгутів в ендоскопах: а) традиційне; б) коаксіальне; 1 - джгут, який передає зображення; 2 - освітлювальний джгут; 3 - металеві втулки

 

Освітлювальний джгут, який використовується в жорстких ендоскопах, зазвичай має роз'єм в ендоскопі. У гнучких ендоскопах і, особливо, у фото-, кіно- і телеендоскопах освітлювальний джгут представляє нерозривне ціле з ендоскопом і не має роз'ємів. Зазвичай довжина джгута від освітлювального блоку до ендоскопа лежить в межах від 1,4 до 1,8 м, а загальна довжина джгута більша за довжину самого ендоскопа.

Над виробництвом освітлювальних джгутів працює більше 40 фірм, що випускають майже 2000 різних типів джгутів, які відрізняються довжиною, перетином, оболонкою і наконечниками. Випускаються джгути і з розгалуженням на вході, які підключаються до двох конденсорів з метою максимального використання світлового потоку від джерела випромінювання.

Освітлювальні джгути мають круглу або прямокутну форму перетину вхідного торця, що дає можливість забезпечити відповідність перетину джгута формі тіла напруження джерела світла. На проміжних роз'ємах торці джгутів круглі, що спрощує конструкцію роз'єму та виключає закручування джгута. Або вихідний торець джгута розміщується збоку об'єктиву, а вісь виходу джгута направлена на центр даного об'єкту, або вихідний кінець об'єктиву ділиться на дві частини (див. рисунок 3.19, а), або волокна джгута розміщується кільцем навколо об'єктиву (див. рисунок 3.19, б). Перший спосіб освітлення забезпечує краще спостереження рельєфу, оскільки створює тіні і відблиски від нерівностей поверхонь, останній же створює рівномірне освітлення, але зображення менш рельєфне.

Захисні оболонки джгутів призначені для оберігання волокон від руйнування при перегинах, закручуванні, сплющенні, від розриву і проникнення вологи. Крім того, оболонка повинна володіти високою гнучкістю, бути досить легкою, аби джгут не зволікав руку лікаря, що утримує ендоскоп. Існує безліч конструкцій оболонок, наприклад, металеві спіралі (плоскі і фасонні), для запобігання закручуванню одягнені в металеву сітку, а для герметичності - в зовнішню гумову або латексну оболонку і ін.

Наконечники служать для з'єднання джгута з освітлювальним блоком і зі світлопроводом ендоскопа. Відомо більше 80 типів наконечників джгутів і майже стільки ж типів гнізд до них. Різноманітність типів наконечників поки не забезпечує взаємозамінність джгутів, які випускаються різними фірмами. Наконечники забезпечують міцність з'єднання, точність збігу торців джгута із зображенням тіла напруження джерела світла і з торцем світлопроводу ендоскопа. Через наконечник джгут своїми кінцями сполучений з гнучкою оболонкою. Для запобігання облому волокон в місці переходу жорсткого наконечника до гнучкої частини застосовуються пом'якшувачі (зазвичай гумові або пластмасові трубки, які охоплюють оболонку і потоншуються з віддаленням від наконечника).

3.3.2. Об'єктиви

В порівнянні з лінзовими ендоскопами, в цілому оптична схема ендоскопа з волоконною оптикою є простішою і включає об'єктив, волоконно-оптичний джгут, окулярну частину і освітлювальну систему. Об'єктив, разом з волоконно-оптичним джгутом, є основним оптичним елементом, його параметри мають бути погоджені з параметрами останнього. Фокусна відстань об'єктиву повинна мати таку величину, аби при вибраному діаметрі волоконно-оптичного джгута забезпечити необхідне кутове поле ендоскопа в просторі предметів. Якщо наочна площина розташована на значній відстані в порівнянні з фокусною відстанню, то остання розраховується по простій формулі:

.

Якщо об'єктив фокусується на відстань до об'єкту, то, взявши до уваги формулу Гауса, фокусна відстань об'єктиву визначиться як

.

 

Діаметр вхідної зіниці об'єктиву має бути таким, аби числова апертура в просторі зображень об'єктива не перевищувала числову апертуру волоконно-оптичного джгута. Для предмету, розташованого на значній відстані, необхідне виконання умови:

,

де - апертурний кут волоконно-оптичного джгута.

Для предмету, розташованого на відстані перед об'єктивом

.

Для забезпечення рівномірної освітленості як осьових, так і позаосьових точок зображення хід променів в просторі зображень об'єктиву має бути близький до телецентричного. Аби при цьому діаметр об'єктиву не перевищував діаметр волоконно-оптичного джгута, положення вхідної зіниці відносно переднього фокусу об'єктиву, відповідно до рисунку 3.20, визначиться наступним чином:

,

де - коефіцієнт віньєтування похилих пучків променів.

Рис. 3.20. До визначення положення вхідної зіниці об'єктиву

 

У медичних ендоскопах зазвичай об'єктив розраховується і юстується при складанні на розрахункову для даного вигляду ендоскопів відстань. Переміщення об'єктиву не передбачається зважаючи на значну глибину різко змальовуваного простору об'єктиву, крім того, рухливість всього ендоскопа дозволяє міняти відстань від даної поверхні до об'єктиву і тим самим забезпечувати найкращу різкість зображення.

Оптична схема об'єктиву зазвичай містить від 2 до 6 лінз. Якщо волоконно-оптичний джгут має плоский вхідний торець, то в об'єктиві має бути виправлена кривизна зображення, що при великих кутових полях призводить до ускладнення оптичної схеми об'єктиву. Додання угнутості торцям джгутів, які передають зображення, дозволяє застосовувати об'єктиви з кривим полем, більш простіші, ніж з плоским полем. Проте при цьому кожне волокно (за винятком центрального) має косий торець. Осі входу утворюють пучок, який сходиться, і не проходять через центр вихідної зіниці об'єктиву (рисунок 3.21, а). Остання обставина призводить до значного віньєтування і, як наслідок, зниження освітленості на краю зображення.

Аби осі входу всіх волокон проходили через центр вихідної зіниці об'єктиву, необхідна колективна лінза, або, як це показано на рисунку 3.21, б, заповнення простору між об'єктивом і джгутом матеріалом з високим показником заломлення (рисунок, 3.21, в, г). В останньому випадку система істотно спрощується при збереженні великого поля і високої роздільної здатності [37].

 

Рис. 3.21. Виправлення кривизни поля увігнутим торцем світлопроводу: а) схема, що не забезпечує телецентричного ходу променів в світлопроводі; б) об'єктив з колективом, що забезпечує телецентричний хід променів; в) об'єктив високої роздільної здатності з товстим колективом, приклеєним до торця джгута; г) безповітряний об'єктив із скла СТФ з телецентричним ходом променів; 1 - вхідна зіниця; 2 - склеєна фронтальна лінза; 3 - колектив; 4 - склеєна лінза; 5 - джгут з увігнутим торцем

 

Отже, до об'єктивів висувається ряд специфічних вимог. По-перше, вони повинні мати малі поперечні розміри: діаметри лінз зазвичай не повинні перевищувати 1,5÷5,0 мм. По-друге, необхідно, аби зображення предмету проектувалося на останню поверхню об'єктиву, і виконувалася умова телецентричності в просторі зображення. Далі, з метою усунення можливого запотівання поверхонь, що межують з повітрям, в процесі експлуатації, необхідне зведення їх числа до мінімуму. При розробці об'єктиву необхідно також передбачити технологічність його конструкції. І, нарешті, слід зазначити, що корекція аберації має бути виконана в межах доволі великих кутових полів (60° і більш).

Як проста базова оптична схема об'єктиву може використовуватись система з двох плоско-опуклих симетрично розташованих лінз (рисунок 3.22) [42]. Якщо нехтувати величиною повітряного прошарку між лінзами (), то радіуси опуклих поверхонь лінз визначаються за простими формулами прикладної оптики:

,

де - показник заломлення матеріалу лінз.

 

Рис. 3.22. Принципова оптична схема об'єктиву з двох плоско-опуклих лінз

 

Застосувавши послідовно інваріант Аббе до поверхонь об'єктиву в прямому ході з кінцевої відстані і в зворотному ході для нескінченно віддаленого предмету, ми отримуємо вираз для товщини лінз:

,

,

де - відстань від першої поверхні до предметної площини;

- показник заломлення оптичного середовища в просторі предметів.

З метою компенсації кривизни зображення останньої поверхні об'єктиву може бути додана сферична форма, близька до поверхні Петцваля. Для кращої корекції хроматичної аберації в один або обидва компонента можна ввести хроматичні поверхні склеювання.

Якщо до системи висуваються особливі вимоги, які виключають запотівання поверхонь лінз, що граничать з повітрям, простір між лінзами заповнюється оптичним середовищем (імерсійною рідиною, смолою, оптичним склом і ін.). В такому випадку з метою збереження масштабу збільшення радіуси поверхонь мають бути перераховані [42]:

,

де - радіус поверхонь у випадку, якщо показник заломлення середовища між лінзами відмінний від 1.

Умова ахроматизації для тонких компонентів має вигляд:

,

де , - коефіцієнти середньої дисперсії матеріалу лінз і оптичного середовища між лінзами відповідно.

Як приклад в таблиці 3.7. наведені конструктивні параметри об'єктиву пієлоскопа. Об'єктив працює у водному середовищі, відстань від першої поверхні до спостережуваного об'єкту -10 мм; кутове поле у воді ; лінійне збільшення ; фокусна відстань мм (в повітрі).

Таблиця 3.7

Конструктивні параметри об'єктиву пієлоскопа

Радіуси поверхонь Товщина Марка скла Світловий діаметр
- - вода -
3,6 К8 0,2
-2,582 0,1 повітря 1,6
2,582 5,1 К8 1,8
волоконний джгут ТК14 1,5

Як об'єктив вітчизняного гастродуоденоскопа з кутовим полем 90° приймемо об'єктив, принципова схема якого аналогічна представленій на рисунку 2.6 в п. 2.3. Якщо збільшити по осі товщину останньої лінзи, то можна отримати поверхню зображення об'єкту безпосередньо на останній поверхні лінзи об'єктиву. Конструктивні параметри такого об'єктиву з фокусною відстанню мм, відносним отвором 1:5 і кутовим полем 90° приведені в додатку 10. Розрахункова відстань до предметної площини - 11 мм. Астигматизм не перевищує 0,08 мм, дисторсія - 28%.

Для забезпечення бічного, проградного або ретроградного кута спостереження в оптичну схему об'єктиву водиться призма, яка встановлюється або після захисного скла, що виконується часто у вигляді плоско-опуклої лінзи, або безпосередньо перед об'єктивом. У [43] пропонується захисне скло негативної оптичної сили виконувати у вигляді плоскопаралельного компонента, склеєного з плоско-ввігнутої і плоско-опуклої лінз, виконаних з матеріалів з показниками заломлення, які значно відрізняються. На рисунку 3.23 наведена оптична схема такого об'єктиву, що включає плоско-опуклу лінзу 2 і дволінзовий склеєний компонент 3, при цьому головна призма 1 з негативним плоскопаралельним компонентом 6 наклеєна на плоску поверхню лінзи 2. Показник заломлення матеріалу лінзи 7 перевищує показник заломлення матеріалу лінзи 8 більш ніж на 0,15.

Рис. 3.23. Оптична схема об'єктиву ендоскопа з першим негативним плоскопаралельним компонентом

 

Оскільки плоскопаралельний компонент 6 володіє негативною оптичною силою, то він пригинає промені, що йдуть від позаосьових точок предмету, до оптичної осі так, що вони вільно проходять через головну призму 1. При цьому одночасно компенсується кривизна зображення, яка вноситься лінзою 2 і двоопуклим компонентом 3, що призводить до поліпшення якості зображення. При цьому, чим більша різниця показників заломлення скла лінз 7 і 8, тим більше знижується кривизна зображення, а чим вища різниця коефіцієнтів дисперсій скла лінз 4 і 5 і чим ближче розташована поверхня склеювання лінз 4 і 5 до лінзи 2, тим легше усувається хроматична аберація збільшення.

Представлена на рисунку 3.22 принципова оптична схема об'єктиву, що складається з двох товстих плоско-опуклих симетрично розташованих лінз дозволяє після введення одного або двох хроматичних радіусів і заміни останньої плоскої поверхні опуклою отримати об'єктив з телецентричним ходом головних променів в просторі зображень, що дає високу якість зображення в межах поля зору до 60° при апертурі в просторі зображень 0,1. Проте такі об'єктиви володіють великою довжиною і наявністю апертурної діафрагми на першій поверхні. Для зменшення довжини об'єктиву першу поверхню об'єктивів замість плоскої виконують опуклою [44]. Істотним недоліком об'єктивів, що складаються з компонентів, розділених повітрям, є необхідність мати механічну оправу для кріплення компонентів.

Апертурна діафрагма на першій поверхні реалізується або круговою фаскою, або оправою об'єктиву. Виготовлення фаски пов'язане з певними технологічними труднощами внаслідок малого світлового діаметру першої поверхні, а оправа з малим отвором погіршує умови експлуатації, оскільки ускладнює чищення першої поверхні і не виключає можливості появи бульбашок повітря в межах цього отвору. Тому апертурну діафрагму об'єктиву ендоскопічного приладу, що працює в рідкому середовищі, доцільно розташовувати всередині самого об'єктиву.

Об'єктив, що не містить повітряних проміжків і який складається з однієї або більше лінз, склеєних в один блок, не потребує механічної оправи і не запотіває при роботі в рідкому середовищі.

Об'єктив простої конструкції з внутрішнім розташуванням апертурної діафрагми, який не містить повітряних проміжків, забезпечує одночасно телецентричний хід головних променів в світлопровідній жилі волоконного світлопроводу, з якими він склеєний своєю останньою опуклою поверхнею, представлений на рисунку 3.24, а [45]. Об'єктив складається з двох лінз 1 і 2, виготовлених з однієї і тієї ж марки скла СТФ3 і склеєних по сферичній поверхні, на якій нанесено непрозоре покриття з отвором, що реалізовує апертурну діафрагму. На рисунку 3.24, а показані два променя: крайній - для осьової точки і головний - для точки на краю поля зору. На рисунках 3.24, б, в представлено два способи з'єднання об'єктиву з волоконним світлопроводом 3, що забезпечують кільцеве освітлення предмету при передачі освітлюючих пучків по периферичній частині світлопроводу 3. На рисунку 3.24, б цифрою 4 позначений циліндровий скляний світлопровід.

Оскільки в об'єктиві використана одна марка скла, то у нього не виправлена хроматична аберація, крім того, значну величину має кома. Для поліпшення якості зображення в оптичну схему об'єктиву вводиться третя лінза - позитивний меніск, встановлений між двома його позитивними лінзами, а товщина першої позитивної лінзи збільшена і складає від 0,95 до 1,05 її першого радіусу кривизни [46]. Оптична схема об'єктиву представлена на рисунку 3.25 і включає два товсті позитивні меніски 1, 3 і двоопуклу лінзу 2.

Рис. 3.24. Об'єктив простої конструкції для ендоскопа: а) хід осьового і головного променів в об'єктиві; б) і в) варіанти з'єднання об'єктиву з волоконним світлопроводом при кільцевому освітленні предмету

 

Оптичні характеристики об'єктиву:
- кутове поле в просторі предметів 38,5°;
- лінійне збільшення 0,31x;
- числова апертура в просторі зображень 0,1;
- відстань до предмету 13,9 мм.
Конструктивні елементи:
мм; мм; мм; мм;
- діаметр об'єктиву 2,8 мм;
- діаметр апертурної діафрагми 0,57 мм;
- робоча відстань у фізіологічному розчині 13,9 мм.

Рис. 3.25. Оптична схема трилінзового об'єктиву ендоскопа без повітряних прошарків

 

Всі лінзи склеєні одна з одною і утворюють трилінзовий об'єктив, який не містить повітряних прошарків. Об'єктив приклеєний до волоконного світлопроводу 5. Апертурна діафрагма 6 знаходиться всередині об'єктиву і збігається з другою поверхнею.

Для поліпшення корекції аберації кількість склеєних лінз в об'єктиві може бути збільшена (наприклад, див. рисунок 2.7 п. 2.3).

Останніми роками, завдяки впровадженню прецизійних методів виготовлення волоконної і лінзової оптики, помітно активізувалися роботи із створення особливо тонких медичних ендоскопів на основі волоконної оптики. Так, в 1993 році у Всеросійському науковому центрі "ГОИ ім. С.І. Вавілова" за участю АТ "Ленінградське оптико-механічне об'єднання" (ЛОМО) були створені перші вітчизняні дослідні зразки особливо тонкого гнучкого ендоскопа для візуального дослідження сечоводів і ниркових лоханок [47].

Об'єктив уретероскопа (рисунок 3.26) [48] діаметром 0,6 мм є монолітним блоком з послідовно склеєними між собою захисного скла 1 (плоскопаралельної пластинки), об'ємної апертурної діафрагми 2 і кульової лінзи 3. При склеюванні цих елементів між захисним склом, що знаходиться у контакті з однією з поверхонь апертурної діафрагми, і кульовою лінзою, що знаходиться у контакті з краями отвору другої поверхні апертурної діафрагми, з клею формується плоско-ввігнута лінза 4, що відіграє роль негативного оптичного елементу. Ця лінза збільшує задній відрізок, зменшує хроматизм і сприяє збільшенню кутового поля в просторі предметів. Об'єктив розташовується на оптичній осі волоконно-оптичного джгута 5.

Форма, розміри і матеріали оптичних елементів вибираються так, щоб забезпечувався телецентричний хід головних променів в просторі зображень. Показники заломлення компонентів 1, 4 і 3 вибираються із співвідношень: ; . В такому випадку забезпечуються наступні основні характеристики системи: кутове поле в просторі предметів - від 51 до 127° і чималої величини заднього фокального відрізку - від 0,5 до 0,65 фокусної відстані (для діаметру волоконно-оптичного джгута 1 мм). Використання кулі з показником заломлення, меншим 1,7, веде до дуже сильного зростання кутового поля в просторі предметів, погіршення якості зображення за рахунок збільшення аберації. Використання матеріалу кулі з показником заломлення, більшим 1,95, веде до значного зменшення кутового поля, що ускладнює роботу спостерігача, і збільшення діаметру робочої частини приладу за рахунок збільшення діаметру кулі, волоконно-оптичного джгута, що значно перевершує діаметр.

Об'єктив відрізняється підвищеною технологічністю за рахунок самоцентрування компонентів. Він має наступні основні характеристики: роздільна здатність на робочій відстані 5 мм-25 мм-1; кутове поле в просторі предметів (в повітрі) - 90°; фокусна відстань - 0,4 мм; відносний отвір - 1:4; задній фокальний відрізок - 0,3 мм.

 

Рис. 3.26. Оптична схема об'єктиву особливо тонкого ендоскопа

 

Детальніший опис уретероскопа приведений в п. 4.4.

3.3.3. Окуляр

Зображення, передане по волоконно-оптичному джгуту, складається з безлічі елементів різної яскравості, відповідних вихідним торцям одиничних волокон. Якщо зображення вихідного торця розглядається з таким збільшенням, при якому помітні вихідні торці окремих волокон, то картина виходить "нав'язливою", мозаїчною, тобто дискомфортною в порівнянні з безструктурним зображенням класичних оптичних систем. При цьому будь-які дефекти джгута (наприклад, не пропускаючі світло волокна або їх групи) помітні і заважають спостереженню. Тому видиме збільшення окулярного пристрою волоконного ендоскопа повинне вибиратися такої величини, яка дозволяла б спостерігачеві розглядати елементи зображення без напруження. При надмірно великому збільшенні окулярного пристрою ускладнюється його конструкція, помітнішими стають і дефекти всієї оптичної системи. Навпаки, застосувавши у волоконному ендоскопі досить слабкий окуляр, можна настільки зменшити масштаб видимого зображення, що спостерігач не зможе розрізняти окремі волокна і сітки світлоізолюючих прошарків між ними. При подальшому зменшенні збільшення окуляра перестануть розрізнятися і дефектні волокна. Проте при цьому неминуче зменшення загального потоку інформації про об'єкт, який фактично переданий волоконним пучком на його вихідний торець, оскільки при малому збільшенні окуляра відбувається втрата дрібних деталей картини.

Якість спостереження вихідного торця джгута через окуляр прийнято характеризувати коефіцієнтом комфортності спостереження [38]:

, (3.5)

де - роздільна здатність ока;

- роздільна здатність нерухомого волоконно-оптичного джгута;

- видиме збільшення окуляра.

Коефіцієнт характеризує відносну роздільну здатність озброєного окуляром ока, приведену до роздільної здатності джгута.

У [38] наведені рекомендації щодо вибору величини , необхідної для визначення видимого збільшення окуляра залежно від роздільної здатності використовуваного в ендоскопі волоконно-оптичного джгута.

При значеннях менше 0,5 мозаїчності пучка не видно, роздільна здатність системи близька до роздільної здатності озброєного ока і майже не залежить від роздільної здатності пучка. Але при цьому роздільна здатність системи менша половини роздільної здатності волоконно-оптичного джгута, а коефіцієнт використання об'єму інформації, переданого джгутом, не перевищує 25%.

При роздільні здатності джгута і озброєного окуляром ока рівні, при цьому мозаїчності структури ще майже не видно. Дефекти пучка, у тому числі і облом окремих волокон, ще лежать на межі роздільної здатності, роздільна здатність всієї системи складає 71% від роздільної здатності пучка, а коефіцієнт використання об'єму інформації складає 50% від фактично переданого волоконно-оптичним джгутом.

Для підвищення коефіцієнта використання об'єму інформації, переданого волоконно-оптичним джгутом, коефіцієнт комфортності слід підвищувати і вибирати його величину з врахуванням параметрів реального джгута.

Так, якщо в структурі джгута є велика кількість дрібних дефектів, то, аби зробити їх малопомітними, величину вибирають близькою до 3. При цьому мозаїчності структури майже не видно, а дефекти, що мають високий контраст, помітні на рівномірно яскравому полі [37]. При цьому роздільна здатність системи складає до 90% роздільної здатності джгута, а коефіцієнт використання фактично переданого джгутом об'єму інформації збільшується до 81%.

Якщо волоконно-оптичний джгут відрізняється високою регулярністю, однорідністю і щільністю укладання волокон і має малу кількість дефектів, то коефіцієнт комфортності може бути збільшений до 4÷5.

Сучасні вітчизняні і зарубіжні моделі медичних ендоскопів мають [38], при цьому в них використовується 0,95÷0,98 роздільної здатності джгутів.

Якщо прийняти, що для нормального зору на відстані найкращого бачення роздільна здатність ока мм-1, а , то з формули (3.5) вийде, що

.

У останнє співвідношення необіхдно роздільну здатність нерухомого волоконно-оптичного джгута () підставляти в лін/мм, а видиме збільшення окуляра () отримується в кратах. Для порівняння: у роботі [37] експериментально встановлено, що видиме збільшення окуляра в ендоскопах залежить від роздільної здатності регулярного волоконно-оптичного джгута і чисельно приблизно рівне половині її абсолютного значення.

При значеннях роздільна здатність системи складає 0,98÷0,99, тобто практично наближається до роздільної здатності джгута, але добре помітна мозаїчна структура зображення: світлопровідні волокна, світлоізолюючі прошарки між ними, порушення однорідності, регулярності, щільність і інші дефекти структури і навіть інтерференційні картини на вихідних торцях окремих волокон, що призводить до дискомфорту сприйняття зображення.

При знятті мозаїчності структури зображення, наприклад, шляхом сканування або спектрального розкладу, роздільна здатність волоконно-оптичного джгута підвищується більш, ніж удвічі, і тому коефіцієнт комфортності може бути збільшений до 7÷30, що дозволяє підвищити більш, ніж в 6 разів, об'єм переданої інформації в порівнянні з мозаїчним зображенням.

Окуляр ендоскопа з волоконною оптикою працює аналогічно лупі, предметом для якої служить вихідна поверхня волоконно-оптичного джгута. Розрахунок оптичної схеми окуляра проводиться з врахуванням апертури джгута і кривизни його вихідного торця. Зазвичай діаметр вихідної зіниці приймається декілька більшим, ніж діаметр зіниці ока спостерігача, що полегшує позиціонування ока відносно окуляра при спостереженні в ендоскоп.

 

Рис. 3.27. Схеми введення призми для компенсації дзеркальності зображення при бічному огляді: а) призма АР-90°; б) призма Дове АР-60°; в) призма Дове АР-0°

 

Для забезпечення можливості спостереження в окулярах видалення вихідної зіниці від останньої поверхні окуляра має бути не менше 15÷20 мм. Для збільшення заднього фокального відрізку окуляра може служити колектив, розташований у вихідного торця джгута. Зазвичай окуляр ендоскопа складається з двох дволінзових склеювань, а колектив - з двох одинарних лінз. Окуляр ендоскопів зазвичай має діоптрійне переміщення в межах ±5 дптр.

Для зменшення кута повороту дистального кінця ендоскопа при огляді важкодоступних ділянок внутрішніх порожнин застосовують ендоскопи з бічним кутом напряму спостереження, вводячи в об'єктив ендоскопа 2 призму 1 (рисунок 3.27). При використанні бічного огляду виникає завдання усунення або компенсації дзеркального зображення. Для цього в оптичну схему окулярної частини ендоскопа вводиться ще одна призма 3, яка може встановлюватися або між джгутом і окуляром (рисунок 3.27, а, б), або безпосередньо за окуляром (рисунок 3.27, в). Вочевидь, що призму АР-0° доцільніше розташовувати в паралельних пучках променів за окуляром, де її вплив на якість зображення буде меншим.

3.3.4. Освітлювальні системи ендоскопів

Завдання забезпечення максимальної інформативності ендоскопічної апаратури нерозривно пов'язане з відповідним погодженим вибором елементів освітлювача, їх параметрів і режимів роботи. У медичних ендоскопах в якості освітлювачів використовують, як правило, волоконні освітлювачі, в яких передача світла від джерела випромінювання в задану зону здійснюється по освітлювальних волоконно-оптичних джгутах. Використання оптичних і електричних роз'ємів полегшує експлуатацію як освітлювачів, так і ендоскопів. Для формування заданої освітленості на спостережуваній поверхні потрібне використання потужних джерел світла з регульованою яскравістю, а це, у свою чергу, веде до необхідності створення пристроїв охолоджування і керування.

Принципова схема малогабаритного переносного освітлювача для ендоскопа представлена на рисунку 3.28[38]. Освітлювальний джгут 6 за допомогою роз'єму 7 стикується з джерелом випромінювання.

Світловий потік від джерела випромінювання 1 за допомогою оптичної системи збирається, фільтрується і фокусується на вхідному торці освітлювального джгута 6. Для підтримки необхідного теплового режиму всередині джерела світла вбудовується вентилятор 8. Для керування роботою освітлювача передбачається електронний блок 9, регулювання яскравості випромінювача при ручному керуванні виконується регулятором 10. За допомогою роз'єму 11 освітлювач під'єднується до джерела електричного живлення.

Оптична система освітлювача включає джерело випромінювання 1, світловий потік якого збирається і формується за допомогою відбивача 2 і конденсора, що складається з лінз 3 і 5. Для захисту вхідного торця волоконного освітлювального джгута 6 від сильних теплових дій в конденсор вбудовується теплофільтр 4.

Як джерела оптичного випромінювання використовуються галогенні, ксенонові і металогалоїдні лампи.

Найбільш дешеві і доступні лампи - галогенні, потужністю від 100 до 300 Вт. Для цих ламп характерні малий ресурс роботи (до 100 год), невисока колірна температура (до 3 500 К), що негативно позначається на якості передачі кольору зображення, яке забарвлюється в жовтуваті тони. Такі лампи потужністю до 150 Вт можуть використовуватися в освітлювачах діагностичних комплексів, що працюють з оком. В разі використання відеокамери для здобуття якісного зображення на екрані монітора, освітленість об'єкту дослідження має бути вищою. В такому випадку необхідно використовувати галогенні лампи потужністю не менше 250 Вт.

 

Рис. 3.28. Принципова схема освітлювача

 

Перспективніший освітлювач - прилад з ксеноновою лампою, яка в порівнянні з галогенною має спектр випромінювання, що наближається до природного (6000 К). Ресурс її роботи наближається до 1000 год. Джерело світла на ксеноновій лампі дозволяє отримати велику освітленість об'єктів дослідження при менших витратах електроенергії, оскільки ККД у неї вищий, ніж в галогенної.

Найбільш оптимальним для відеосистем є джерело світла, що містить металогалоїдні лампи. При колірній температурі 5200 К вони мають спектр світла, оптимізований до ПЗС-матриць відеокамери, високий ресурс роботи (до 1000 год) і високий ККД. При потужності 50 Вт ці лампи забезпечують таку ж освітленість, як ксенонові при 150÷200 Вт і галогенні при 250÷300 Вт [5].

Як правило, лампи живляться від мережі змінного струму через знижувальний трансформатор напругою 12 або 24 В. Через високої температури кварцевих колб ламп потрібне їх примусове охолоджування, здійснюване за допомогою повітряної вентиляції. Випромінювання ламп фокусується на торець волоконного джгута конденсором, відносний отвір якого від 1:1 до 1:1,5. Для запобігання перегрівання джгута в оптичну систему вводиться теплофільтр із скла СЗС21 або СЗС23 завтовшки 2÷3 мм. Для запобігання розтріскування світлофільтрів їх доцільно встановлювати в схемі там, де перетин пучка променів максимальний, а опроміненість мінімальна. Світловий потік лампи регулюється або вручну, або автоматично від сигналу відеокамери. У освітлювачах регулювання освітленості може бути виконане зниженням напруги на лампі, але при цьому неминуча деяка зміна кольору освітлення. Якщо це небажано, то може застосовуватися заслінка, що вводиться між лінзами конденсора в районі паралельного ходу променів. Менш бажане введення нейтральних фільтрів. Освітлювачі для фотографування забезпечуються автоматичними імпульсними освітлювачами і експонометрами. Форма перетину вхідного торця освітлювального джгута вибирається, залежно від форми тіла напруження джерела світла, або круглою, або прямокутною. Вихідному торцю надається кільцева або прямокутна форма, що забезпечує високу міру рівномірності освітлення об'єкту.

У таблиці 3.8 наведені характеристики деяких галогенних ламп, часто використовуваних в освітлювачах ендоскопів.

Таблиця 15

Характеристики галогенних ламп

Марка лампи Напруга живлення, В Потужність, Вт Колірна температура, К Габаритні розміри тіла каналу
КТМ-9-25       2x4
КТМ-9-75       2x6
КГМ-12-100       4x4
КГМ-24-150       5x5
КГМ-30-300       5x10

Контроль необхідної освітленості на робочій відстані ендоскопа здійснюється за допомогою люксметрів типа 10-16, що мають діапазон вимірювання від 1 до 50000 лк. Давач люксметра розміром 40x40 мм розташовується в площині предмету перпендикулярно напряму осьової лінії світлового пучка.

Для регулювання освітлення досліджуваної поверхні в освітлювачі вбудовуються регулятор яскравості, вузли поєднання оптичних осей конденсора і освітлювального джгута, а також органи керування пристроями охолоджування.

Конденсор передає світло від джерела на вхідний торець освітлювального джгута. Оскільки номінальна числова апертура освітлювальних джгутів у всіх країнах близька до 0,5, то при правильному виборі конденсора на торець джгута повинен падати конус променів з кутом при вершині . Зазвичай розмір тіла джерела світла менший перетину джгута, і конденсори передають на його торець збільшене зображення джерела, при цьому апертура конденсора на вході відповідно більша 0,5, а кут обхвату випромінювання лампи більший 60° (часто від 90 до 120°). Лінійне збільшення конденсора вибирається, виходячи з розмірів тіла напруження джерела світла і вхідного торця освітлювального джгута.

Лінзові конденсори зручні тим, що дозволяють розмістити довкола лампи декілька конденсорів і послати світло одночасно в таку ж кількість джгутів, які надалі можуть об'єднатися в один джгут або розходитися до різних приладів. Кожен з таких конденсорів містить від 3 до 5 лінз, при цьому найближчі до лампи лінзи сильно нагріваються і щоб уникнути розтріскування виконуються з кварцу. Все це призводить до значної маси і складності пристрою, але світлотехнічні параметри таких систем вищі, ніж дзеркальних. Дзеркальні конденсори мають форму відрізку еліпсоїда обертання (див. рисунок 1.4), в одному фокусі якого розміщено тіло напруження джерела світла, а в другому - торець джгута. Такі конденсори посилають світло лише в один джгут. Відповідно, їх загальний ККД нижчий, ніж в системі з лінзовими конденсорами. Крім того, при розташуванні джгута уздовж осі конденсора колба лампи потрапляє в пучок відбитих від нього променів і частково екранує торець джгута. Перевагою дзеркальних конденсорів є легкість, простота конструкції, можливість відфільтровування інфрачервоних променів, які проходять крізь інтерференційне дзеркальне покриття, розсіюються в кожусі блоку і не перегрівають торець джгута.

З'єднання конденсора і лампи в єдиний роз'ємний блок, що часто включає і гніздо для освітлювального джгута, значно спрощує експлуатацію системи і не вимагає юстування лампи відносно конденсора і останнього відносно торця джгута, хоча і призводить до необхідності заміни всього блоку, якщо лампа перегорить. Випускаються освітлювачі з двома лампами, здатними працювати по черзі. Це дає можливість оперативно переходити на другу лампу при перегоранні першої, яка замінюється пізніше. Зручною вважається наявність лічильника ресурсу лампи, що фіксує час її роботи і дає можливість своєчасно провести заміну джерела випромінювання.

Виробляються наступні лампи-конденсори: мініатюрна лампа розжарювання з концентрованою ниткою, купол колби, якою потовщений і має форму плоско-опуклої лінзи, що зображує нитку лампи на торець джгута; лампа розжарювання, частина колби якої має форму еліпсоїда і дзеркальне покриття, що посилає відбиті промені через протилежну прозору стінку колби на торець джгута; у ряді конструкцій на внутрішній ніжці лампи поряд з ниткою напруження розміщено високоякісне еліптичне дзеркало з інтерференційним покриттям, що працює подібно до описаного вище; випускаються точні еліптичні відбивачі, уздовж осі яких у фокусі на спеціальному цементі встановлена ксенонова лампа надвисокого тиску, точна фіксація такої комбінації відносно гнізда джгута здійснюється по колу широкого краю відбивача; нарешті, широкого використання набула коробчаста конструкція, що має гніздо для джгута, відбивач і лампу, взаємно відюстовану на заводі-виробнику, і штепсельну вилку, що вставляється в гніздо освітлювального блоку. У останній конструкції при перегоранні лампи вся коробка виймається з гнізда і на її місце встановлюється запасна. Перегорівша лампа надалі може бути замінена.

Освітлювачі забезпечують величину освітленості вхідного торця освітлювального джгута до десятків мегалюкс.

Для узгодження спостережуваного і освітленого полів освітлювальний джгут в ендоскопі може певним чином орієнтуватися відносно волоконно-оптичного джгута з регулярним укладанням, необхідним для передачі зображень. При цьому кут між осями спостерігаючого 2 (рисунок 6.2) і освітлювального 3 каналів вибирається так, щоб максимально забезпечити освітлення всього поля зору спостерігаючого каналу при положенні об'єкту 1 в межах діапазону робочих відстаней. Для узгодження розміру освітленого поля і поля зору спостерігаючого каналу після освітлювального джгута може встановлюватися додатковий об'єктив 4. Габаритний розрахунок проводиться з врахуванням робочих відстаней, кутового поля візуального каналу, апертур джгутів, їх розмірів, взаємного положення і характеру виконання дистального кінця освітлювального джгута. Якщо дистальний кінець освітлювального джгута розділений на два джгути або виконується у вигляді кільця, коаксіально розташованого відносно регулярного джгута, передавного зображення (див. рисунок 3.19), то в такому ендоскопі легко здійснити рівномірне освітлення всього поля зору.

Освітлювальні блоки для ендоскопів випускаються декількома десятками фірм, кількість їх типів перевищує дві сотні, і їх вдосконалення і модернізація безперервно продовжуються.

 

 

Рис 6.2. Схема узгодження полів зору освітлювального і спостерігаючого каналів

 
⇐ Предыдущая50515253545556575859Следующая ⇒

Date: 2015-05-09; view: 703; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...


mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.007 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию