Техническая эндоскопия /
Введение
|
|
Снимки а, б, в, г сделаны через эндоскопы серии ТС, а снимок д сделан через эндоскоп серии ТСГ с помощью осветителя ОВ-220 и цифровой фотокамеры CASIO.
Эндоскоп – оптический прибор, предоставляющий уникальную возможность увидеть внутреннее устройство объекта благодаря сложной оптической системе, длина которой во много раз превышает ее диаметр. Зрение дает человеку около 90% информации о внешнем мире, поэтому важность визуального и измерительного контроля сложно переоценить. Усложнение устройства современных машин и механизмов и возложение на них более ответственных функций делает задачу исследования их внутренних полостей, не доступных для обычного осмотра из-за наличия перегородок, кожухов и других непрозрачных конструктивных элементов, все более актуальной и требует постоянного совершенствования средств визуального и измерительного контроля.
В настоящее время разработано множество технических эндоскопов различных конструкций, позволяющих решить практически любую диагностическую задачу не прибегая к дорогостоящим операциям разборки и демонтажа. История их применения насчитывает всего около 120 лет. Эндоскопы появились на несколько столетий позже других оптико-механических приборов (луп, микроскопов, телескопов), так как только изобретение электрической лампочки, а затем и оптического волокна, позволило создать прибор, достаточно удобный для применения сначала в медицинской практике, а затем и в технике. Рабочая (погружаемая) часть эндоскопа проникает внутрь объекта через отверстия диаметром от нескольких десятых долей миллиметра и на глубину до нескольких метров.
Приемником информации в оптическом приборе является глаз, а свет –материальный носитель этой информации. Поэтому эндоскоп представляет собой двухканальную оптическую систему. Первый канал – осветительный. Он предназначен для создания необходимого по уровню и спектру освещения внутри контролируемого объекта. Осветительный канал большинства современных эндоскопов передает свет от вспомогательного прибора – осветительного блока – на исследуемый объект через некогерентные волоконно-оптические жгуты, состоящие из множества двухслойных оптических волокон диаметром, как правило, 30 – 50 мкм. Эффект полного внутреннего отражения на границе световедущей жилы и оболочки оптического волокна позволяет передавать свет от высокоинтенсивного источника излучения, установленного в осветительном блоке, через тонкий гибкий жгут к эндоскопу и далее, через его рабочую часть, на выходной торец (дистальную часть).
Совершенствование светодиодов (миниатюризация, повышение светоотдачи) позволило создавать эндоскопы с источником света на конце рабочей части. Такой возврат к «горячему» освещению (после многих лет безусловного лидерства «холодного» освещения через волоконно-оптический жгут) позволяет снизить энергопотребление (нет потерь света на вводе излучения в волоконно-оптический жгут, в самом жгуте и местах их стыковки), что позволяет значительно уменьшить габариты, вес и увеличить время автономной работы. Важным преимуществом такой конструкции является более простое решение проблем спектрального состава освещения и его равномерности (особенно у эндоскопов с большим полем зрения). При этом освещенность объекта значительно выше, а температура светодиода ниже, чем у использовавшихся раньше для создания «горячего» освещения миниатюрных галогенных ламп накаливания.
Отраженный исследуемым объектом свет поступает во второй канал – информационный, который передает изображение исследуемого объекта непосредственно в глаз оператора или на экран телевизионной системы.
В зависимости от конструкции рабочей части, эндоскопы можно разделить на две основные группы:
1)эндоскопы с жесткой рабочей частью (только прямолинейный доступ в зону контроля);
2)эндоскопы с гибкой рабочей частью (доступ в зону контроля можно осуществлять и по криволинейному каналу).
Эндоскопы каждой из этих групп отличаются не только механической конструкцией рабочей части, но и используемыми в информационном канале оптическими системами.
Информационный канал эндоскопов с жесткой рабочей частью, как правило, состоит из линзового объектива, линзовых передающих (оборачивающих) систем и окуляра. Диаметр рабочей части обычно больше 4 мм, длина рабочей части до 100 ее диаметров, поле зрения от 10° до 100°. По сравнению с другими типами эндоскопов, линзовые системы позволяют получить наивысшее разрешение, светосилу и позволяют наиболее широко комбинировать оптические параметры (увеличение, поле зрения, направление наблюдения, и т. д.) для решения конкретных задач диагностики.
При диаметре жесткой рабочей части менее 4 мм информационный канал обычно состоит из градиентного объектива, градиентных оборачивающих систем и линзового окуляра. Эндоскопы на основе градиентной оптики имеют более низкие, чем линзовые, разрешающую способность, контраст изображения, и поле зрения в пределах 40° - 60°. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.
Эндоскопы с жесткой рабочей частью при наличии сетки в окуляре позволяют производить точные измерения обнаруженных дефектов с помощью дополнительного микрометра. Для регистрации полученного изображения применяются телевизионные и фотографические камеры, крепящиеся на наглазник окуляра.
Информационный канал эндоскопов с гибкой рабочей частью состоит из линзового (реже – градиентного) объектива, регулярного волоконно-оптического жгута из оптических волокон диаметром 5 – 15 мкм и линзового окуляра. При этом изображение строится объективом на входном торце жгута и рассматривается через окуляр на выходном торце жгута. Гибкие эндоскопы более разнообразны по своим возможностям (управление дистальной частью, инструментальный канал и пр.) чем жесткие, однако разрешающая способность ограничена диаметром волокна. Чаще всего применяются эндоскопы с гибкой рабочей частью диаметром от 4 мм до 10 мм и длиной до 2 м. Для регистрации полученного изображения применяются телевизионные и фотографические камеры, крепящиеся на наглазник окуляра.
В отличие от предназначенных для работы с глазом оптико-механических (визуальных) эндоскопов, видеоэндоскопы, при аналогичных вариантах устройства осветительного канала, содержат в себе оптико-электронный преобразователь - ПЗС (реже – КМОП) матрицу, расположенную непосредственно за объективом на дистальной части и информация передается через рабочую часть по электрическим проводам. Такие приборы не имеют окуляра и изображение можно наблюдать только на экране телевизионного или компьютерного монитора, присоединенного к видеопроцессору, как правило, совмещенному с осветительным блоком в одном корпусе. Миниатюризация матричных приемников изображения позволила создать видеоэндоскопы с гибкой рабочей частью диаметром 4 – 12 мм и длиной до нескольких десятков метров. Разрешающая способность видеоэндоскопов значительно выше, чем эндоскопов на основе волоконно-оптических жгутов, однако, в большинстве случаев, уступает разрешающей способности эндоскопов с жесткой рабочей частью на основе линзовой оптики. Кроме того, процесс преобразования изображения в телевизионный сигнал, последующая его оцифровка неизбежно приводят к потере информации. Если количество информации, воспринимаемого глазом изображения превышает 2х106 бит, то в обычной телевизионной картинке количество информации составляет около 0,5х106 бит. С другой стороны, снижение нагрузки на зрительный аппарат контролера (изображение на мониторе воспринимается с меньшим напряжением, чем рассматривание через окуляр), простота регистрации и реализация во многих моделях видеоэндоскопов различных автоматических алгоритмов измерения выявленных дефектов делают их использование предпочтительным для решения многих задач визуального и измерительного контроля. Дальнейшее совершенствование микроэлектроники, алгоритмов обработки сигнала и внедрение в эндоскопию стандартов телевидения высокой четкости еще больше расширит область применения видеоэндоскопов.
Эндоскоп является основным, но не единственным прибором, необходимым для проведения эндоскопических исследований. Материальным носителем зрительной информации служит свет, и с увеличением освещенности исследуемого объекта возрастает поток информации, передаваемой через эндоскоп в глаз контролера. Поэтому осветительный блок, свет от которого по гибкому волоконно-оптическому кабелю подается к эндоскопу, является очень важной составляющей комплекта оборудования. Наиболее часто применяются осветительные блоки с галогенной лампой мощностью 100 –150 Вт в качестве источника света. Они достаточно компактны, дешевы и надежны. Для повышения контраста изображения и для ряда специальных задач в осветительных блоках могут применяться лампы со специальными спектральными характеристиками или светофильтры для выделения необходимого спектрального диапазона.
В последнее время в качестве источника света используются светодиоды, оптические характеристики которых позволяют получить аналогичную и более высокую по сравнению с галогенными лампами освещенность объекта при снижении энергопотребления (а, следовательно, веса и габаритов) в десятки раз при лучшем спектральном составе излучения и в сотни раз большем ресурсе.
Возможность обнаружения дефекта при визуальном и измерительном контроле областей ограниченного доступа зависит от количества и качества передаваемой эндоскопом информации, т.е., прежде всего, от типа применяемого эндоскопа. Учет приведенных выше характеристик различных групп эндоскопов, а так же таких общих рекомендаций как:
- применение эндоскопов максимально возможного диаметра;
- применение эндоскопов минимально возможной длины;
- применение, по возможности, жестких эндоскопов,
приводит к повышению вероятности обнаружения дефекта и производительности труда контролера, и снижению вероятности поломки эндоскопа.
Оптимальное сочетание эргономики и оптических характеристик эндоскопа с условиями диагностики и характеристиками исследуемого объекта так же скажется в повышении производительности и качества труда контролера. При этом необходимо учитывать в комплексе технические характеристики эндоскопа (поле зрения, увеличение, разрешающую способность, светосилу, цветопередачу), условия осмотра (коэффициент рассеяния исследуемой поверхности, расстояние до нее и т. д.), минимальные размеры и форму подлежащего обнаружению дефекта и другие параметры.
Устройство оптико-механических эндоскопов.
В настоящее время разработано множество технических эндоскопов различных конструкций, позволяющих решить практически любую диагностическую задачу не прибегая к дорогостоящим операциям разборки и демонтажа. История их применения насчитывает всего около 120 лет. Эндоскопы появились на несколько столетий позже других оптико-механических приборов (луп, микроскопов, телескопов), так как только изобретение электрической лампочки, а затем и оптического волокна, позволило создать прибор, достаточно удобный для применения сначала в медицинской практике, а затем и в технике. Рабочая (погружаемая) часть эндоскопа проникает внутрь объекта через отверстия диаметром от нескольких десятых долей миллиметра и на глубину до нескольких метров.
Приемником информации в оптическом приборе является глаз, а свет –материальный носитель этой информации. Поэтому эндоскоп представляет собой двухканальную оптическую систему. Первый канал – осветительный. Он предназначен для создания необходимого по уровню и спектру освещения внутри контролируемого объекта. Осветительный канал большинства современных эндоскопов передает свет от вспомогательного прибора – осветительного блока – на исследуемый объект через некогерентные волоконно-оптические жгуты, состоящие из множества двухслойных оптических волокон диаметром, как правило, 30 – 50 мкм. Эффект полного внутреннего отражения на границе световедущей жилы и оболочки оптического волокна позволяет передавать свет от высокоинтенсивного источника излучения, установленного в осветительном блоке, через тонкий гибкий жгут к эндоскопу и далее, через его рабочую часть, на выходной торец (дистальную часть).
Рис. 1. Эффект полного внутреннего отражения света в оптическом волокне.
Совершенствование светодиодов (миниатюризация, повышение светоотдачи) позволило создавать эндоскопы с источником света на конце рабочей части. Такой возврат к «горячему» освещению (после многих лет безусловного лидерства «холодного» освещения через волоконно-оптический жгут) позволяет снизить энергопотребление (нет потерь света на вводе излучения в волоконно-оптический жгут, в самом жгуте и местах их стыковки), что позволяет значительно уменьшить габариты, вес и увеличить время автономной работы. Важным преимуществом такой конструкции является более простое решение проблем спектрального состава освещения и его равномерности (особенно у эндоскопов с большим полем зрения). При этом освещенность объекта значительно выше, а температура светодиода ниже, чем у использовавшихся раньше для создания «горячего» освещения миниатюрных галогенных ламп накаливания.
Отраженный исследуемым объектом свет поступает во второй канал – информационный, который передает изображение исследуемого объекта непосредственно в глаз оператора или на экран телевизионной системы.
В зависимости от конструкции рабочей части, эндоскопы можно разделить на две основные группы:
1)эндоскопы с жесткой рабочей частью (только прямолинейный доступ в зону контроля);
2)эндоскопы с гибкой рабочей частью (доступ в зону контроля можно осуществлять и по криволинейному каналу).
Эндоскопы каждой из этих групп отличаются не только механической конструкцией рабочей части, но и используемыми в информационном канале оптическими системами.
Информационный канал эндоскопов с жесткой рабочей частью, как правило, состоит из линзового объектива, линзовых передающих (оборачивающих) систем и окуляра. Диаметр рабочей части обычно больше 4 мм, длина рабочей части до 100 ее диаметров, поле зрения от 10° до 100°. По сравнению с другими типами эндоскопов, линзовые системы позволяют получить наивысшее разрешение, светосилу и позволяют наиболее широко комбинировать оптические параметры (увеличение, поле зрения, направление наблюдения, и т. д.) для решения конкретных задач диагностики.
Рис. 2. Устройство жесткого эндоскопа. 1. Наглазник. 2. Окуляр. 3. Волоконно-оптический канал подсветки. 4. Передающая оптика. 5. Объектив. 6. Призма. 7. Угол направления наблюдения (90°). 8. Угловое поле зрения.
При диаметре жесткой рабочей части менее 4 мм информационный канал обычно состоит из градиентного объектива, градиентных оборачивающих систем и линзового окуляра. Эндоскопы на основе градиентной оптики имеют более низкие, чем линзовые, разрешающую способность, контраст изображения, и поле зрения в пределах 40° - 60°. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.
Рис. 3. Прохождение светового излучения через градиентную оптику.
Эндоскопы с жесткой рабочей частью при наличии сетки в окуляре позволяют производить точные измерения обнаруженных дефектов с помощью дополнительного микрометра. Для регистрации полученного изображения применяются телевизионные и фотографические камеры, крепящиеся на наглазник окуляра.
Информационный канал эндоскопов с гибкой рабочей частью состоит из линзового (реже – градиентного) объектива, регулярного волоконно-оптического жгута из оптических волокон диаметром 5 – 15 мкм и линзового окуляра. При этом изображение строится объективом на входном торце жгута и рассматривается через окуляр на выходном торце жгута. Гибкие эндоскопы более разнообразны по своим возможностям (управление дистальной частью, инструментальный канал и пр.) чем жесткие, однако разрешающая способность ограничена диаметром волокна. Чаще всего применяются эндоскопы с гибкой рабочей частью диаметром от 4 мм до 10 мм и длиной до 2 м. Для регистрации полученного изображения применяются телевизионные и фотографические камеры, крепящиеся на наглазник окуляра.
Рис. 4. Передача изображения через регулярный волоконно-оптический жгут.
1. Предмет. 2. Объектив. 3. Изображение на входном торце жгута. 4. Волоконно-оптический жгут. 5. Изображение на входном торце жгута. 6. Окуляр. 7. Изображение наблюдаемое через окуляр.
Устройство видеоэндоскопа.
В отличие от предназначенных для работы с глазом оптико-механических (визуальных) эндоскопов, видеоэндоскопы, при аналогичных вариантах устройства осветительного канала, содержат в себе оптико-электронный преобразователь - ПЗС (реже – КМОП) матрицу, расположенную непосредственно за объективом на дистальной части и информация передается через рабочую часть по электрическим проводам. Такие приборы не имеют окуляра и изображение можно наблюдать только на экране телевизионного или компьютерного монитора, присоединенного к видеопроцессору, как правило, совмещенному с осветительным блоком в одном корпусе. Миниатюризация матричных приемников изображения позволила создать видеоэндоскопы с гибкой рабочей частью диаметром 4 – 12 мм и длиной до нескольких десятков метров. Разрешающая способность видеоэндоскопов значительно выше, чем эндоскопов на основе волоконно-оптических жгутов, однако, в большинстве случаев, уступает разрешающей способности эндоскопов с жесткой рабочей частью на основе линзовой оптики. Кроме того, процесс преобразования изображения в телевизионный сигнал, последующая его оцифровка неизбежно приводят к потере информации. Если количество информации, воспринимаемого глазом изображения превышает 2х106 бит, то в обычной телевизионной картинке количество информации составляет около 0,5х106 бит. С другой стороны, снижение нагрузки на зрительный аппарат контролера (изображение на мониторе воспринимается с меньшим напряжением, чем рассматривание через окуляр), простота регистрации и реализация во многих моделях видеоэндоскопов различных автоматических алгоритмов измерения выявленных дефектов делают их использование предпочтительным для решения многих задач визуального и измерительного контроля. Дальнейшее совершенствование микроэлектроники, алгоритмов обработки сигнала и внедрение в эндоскопию стандартов телевидения высокой четкости еще больше расширит область применения видеоэндоскопов.
Рис. 5. Миниатюрная видеокамера – основной элемент видеоэндоскопа.
Устройство осветительных блоков.
Эндоскоп является основным, но не единственным прибором, необходимым для проведения эндоскопических исследований. Материальным носителем зрительной информации служит свет, и с увеличением освещенности исследуемого объекта возрастает поток информации, передаваемой через эндоскоп в глаз контролера. Поэтому осветительный блок, свет от которого по гибкому волоконно-оптическому кабелю подается к эндоскопу, является очень важной составляющей комплекта оборудования. Наиболее часто применяются осветительные блоки с галогенной лампой мощностью 100 –150 Вт в качестве источника света. Они достаточно компактны, дешевы и надежны. Для повышения контраста изображения и для ряда специальных задач в осветительных блоках могут применяться лампы со специальными спектральными характеристиками или светофильтры для выделения необходимого спектрального диапазона.
В последнее время в качестве источника света используются светодиоды, оптические характеристики которых позволяют получить аналогичную и более высокую по сравнению с галогенными лампами освещенность объекта при снижении энергопотребления (а, следовательно, веса и габаритов) в десятки раз при лучшем спектральном составе излучения и в сотни раз большем ресурсе.
Рис. 6. Эндоскоп с жесткой рабочей частью диаметром 2 мм и длиной 100 мм в комплекте со светодиодным осветительным блоком ОВА-1 и аккумулятором.
Возможность обнаружения дефекта при визуальном и измерительном контроле областей ограниченного доступа зависит от количества и качества передаваемой эндоскопом информации, т.е., прежде всего, от типа применяемого эндоскопа. Учет приведенных выше характеристик различных групп эндоскопов, а так же таких общих рекомендаций как:
- применение эндоскопов максимально возможного диаметра;
- применение эндоскопов минимально возможной длины;
- применение, по возможности, жестких эндоскопов,
приводит к повышению вероятности обнаружения дефекта и производительности труда контролера, и снижению вероятности поломки эндоскопа.
Оптимальное сочетание эргономики и оптических характеристик эндоскопа с условиями диагностики и характеристиками исследуемого объекта так же скажется в повышении производительности и качества труда контролера. При этом необходимо учитывать в комплексе технические характеристики эндоскопа (поле зрения, увеличение, разрешающую способность, светосилу, цветопередачу), условия осмотра (коэффициент рассеяния исследуемой поверхности, расстояние до нее и т. д.), минимальные размеры и форму подлежащего обнаружению дефекта и другие параметры.