РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННОЙ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ЭНДОСКОПОВ
2.1. Принцип построения оптико-механической схемы осветительного устройства эндоскопа
Мы считаем необходимым начать разработку осветительной системы для медицинских эндоскопов с составления, обобщенной для всех моделей эндоскопов, блок-схемы оптической системы эндоскопа, приведенной на рис.2.1.
Эндоскопическая аппаратура - это совокупность оптических, механических, электронных и светотехнических систем, объединенных в единый медицинский прибор. Блок-схема эндоскопа (рисунок 2.1) в общем случае включает в себя следующие элементы: источник света 1, конденсор 2, волоконный световод 3, переходное устройство 4, светопроводящую систему 5, включая систему формирования пучка подсветки 6, объектив эндоскопа 7, систему передачи изображения 8, окуляр 9, фотографический объектив 10, фотопленку 11, телевизионный объектив 12, телевизионную камеру 13, монитор 14. При этом позицией 16 отмечена изучаемая биологическая ткань, а 15 - глаз наблюдателя. Подсистемы 1 - 6 образуют осветительное устройство, а 7 - 14 - наблюдательную систему эндоскопа [88].
Рисунок 2.1. - Блок-схема оптической системы эндоскопа
В конкретной конструкции эндоскопа отдельные блоки могут отсутствовать, причем существуют различные варианты исполнения элементов схемы.
В гибких эндоскопах визуальная и осветительная системы состоят из волоконной оптики, смонтированных внутри гибкой трубки.
Канал для передачи изображения представляет собой линзовый объектив, который строит изображение исследуемого объекта на торце кабеля для передачи изображения. Далее изображение передается с его помощью. Кабель передачи изображения состоит из большого числа волокон, толщина которых 10-12 микрон. Расположение торцов волокон на входе кабеля точно соответствует расположению на выходе. Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через окуляр, имеющий диоптрийную подвижку.
Рис.2.2 Гибкий эндоскоп с волоконной оптикой. Внешний вид
Канал для передачи света представляет собой светорассеивающую линзу, вклеенную в головку прибора, световолоконный жгут с нерегулярно уложенными волокнами. Конец световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконечник, подключающийся к осветителю.
Рис.2.3 Схемы визуальной и осветительной систем эндоскопа
Задача обеспечения максимальной информативности эндоскопической аппаратуры неразрывно связана с соответствующим согласованным выбором элементов осветителя, их параметров и режимов работы. В медицинских эндоскопах в качестве осветителей используют, как правило, волоконные осветители, в которых передача света от источника излучения в заданную зону осуществляется по осветительным волоконно-оптическим жгутам. Использование оптических и электрических разъемов облегчает эксплуатацию как осветителей, так и эндоскопов. Для формирования заданной освещенности на наблюдаемой поверхности требуется применение мощных источников света с регулируемой яркостью, а это, в свою очередь, ведет к необходимости создания устройств охлаждения и управления.
Принципиальная схема малогабаритного переносного осветителя для эндоскопа представлена на рисунке 2.4. Осветительный жгут 6 посредством разъема 7 стыкуется с источником излучения.
Рисунок 2.4. Принципиальная схема осветителя
Для создания требуемой освещенности в полости исследуемого органа световой поток от источника излучения 1 с помощью оптической системы собирается, фильтруется и фокусируется на входном торце осветительного жгута 6. Для поддержания требуемого теплового режима внутри источника света встраивается вентилятор 8. Для управления работой осветителя предусматривается электронный блок 9, регулирование яркости излучателя при ручном управлении выполняется регулятором 10. С помощью разъема 11 осветитель подсоединяется к источнику электрического питания.
Оптическая система осветителя включает источник излучения 1, световой поток которого собирается и формируется с помощью отражателя 2 и конденсора, состоящего из линз 3 и 5. Для защиты входного торца волоконного осветительного жгута 6 от сильных тепловых воздействий в конденсор встраивается теплофильтр 4.
Для регулирования освещения исследуемой поверхности в осветители встраиваются регуляторы яркости, узлы совмещения оптических осей конденсора и осветительного жгута, а также органы управления устройствами охлаждения.
Конденсор передает свет от источника на входной торец осветительного жгута. Поскольку номинальная числовая апертура осветительных жгутов во всех странах близка к 0,5, то при правильном выборе конденсора на торец жгута должен падать конус лучей с углом при вершине 2?ж = 60°. Обычно размер светящего тела источника меньше сечения жгута, и конденсоры передают на его торец увеличенное изображение источника, при этом апертура конденсора на входе соответственно больше 0,5, а угол охвата 2?осв излучения лампы больше 60° (часто от 90 до 120°). Линейное увеличение конденсора выбирается, исходя из размеров тела накала источника света и входного торца осветительного жгута.
Для согласования наблюдаемого и освещенного полей осветительный жгут в эндоскопе может определенным образом ориентироваться относительно волоконно-оптического жгута с регулярной укладкой, служащего для передачи изображений. При этом угол ? между осями наблюдательного 2 (рисунок 2.5) и осветительного 3 каналов выбирается таким образом, чтобы максимально обеспечить освещение всего поля зрения наблюдательного канала при положении объекта 1 в пределах диапазона рабочих расстояний. Для согласования размера освещенного поля и поля зрения наблюдательного канала после осветительного жгута может устанавливаться дополнительный объектив 4.
Рисунок 2.5. Схема согласования полей зрения осветительного и наблюдательного каналов
Габаритный расчет проводится с учетом рабочих расстояний, углового поля визуального канала, апертур жгутов, их размеров, вз