Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

Моделирование работы эндоскопических медицинских приборов и устройств на базе линзы, увеличивающей угол обзора

Работу выполнила

Пастухова Ольга Вячеславовна

Научный руководитель

канд. пед.. наук, доцент

Л.Ф. Добро

Краснодар 2015



Введение

На сегодняшний день эндоскопия широко применяется в медицине, главным образом, в диагностических исследованиях и хирургии. Но области применения стремительно расширяются. Связано это с усовершенствованием приборов для эндоскопии.

Система здравоохранения требует совершенствования медицинских приборов отечественного производства для повсеместного их использования. Предполагается можно значительно повысить качество проводимых исследований, если в эндоскоп поместить линзу увеличивающую угол обзора, которая должна дать исследователям глубокую резкость и приблизить фокусировку прибора к фокусировке глаза человека.[1] Это должно заметно повысить качество проводимых операций в теле пациента, врач сможет точно рассчитывать расстояния до объектов, и поэтому будет снижена вероятность того, что он случайно заденет здоровую ткань.

Результатом данной работы будет: модель устройства объектива эндоскопа используемого в настоящее время и модель объектива эндоскопического устройства на базе линзы, увеличивающей угол обзора. На основе данных полученных при помощи моделирования можно будет дать ответ о возможности и перспективности применения линзы увеличивающей угол обзора в медицинских эндоскопических устройствах.

оптика эндоскоп медицинский линзовый



1. История развития эндоскопической техники

Начало использования эндоскопической диагностики относится к концу XVIII. Некоторые ученые выделяют в развитии эндоскопической диагностики четыре последовательных этапа Для каждого из которых характерно совершенствование оборудования и появления новых методов. Этапы развития эндоскопического оборудования:

1) Ригидный (1795 - 1932)

2) Полугибкий (1932 - 1958)

3) Волокнно-оптический (1958 - 1981)

4) Электронный (1981 - по настоящее время)

Начало ригидного периода датируется концом 1975 года, когда были предприняты первые опасные попытки эндоскопического исследования. Изобретателем первого эндоскопа считается немецкий врач из Франкфурта-на-Майне, Филипп Боццини сконструировавший в 1806 ( по некоторым источникам в 1805 году ) первый в мире аппарат для исследования прямой кишки и матки. Его оптическая система состояла из выпуклых зеркал, а осветительная система была представлена свечой. Этот инструмент Боццини назвал “LICHTLEITER”, что в переводе означает светопроводник. Но, к сожалению, изобретение Боццини не сразу было оценено по достоинству и поэтому, сконструированный им прибор не нашел практического применения и никогда не использовался в исследованиях проводимых на людях.

В 1825 году П. Сегалас изготовил уретро-пузырное зеркало, которое состояло из длинной полированной внутри серебряной трубки, а у внешнего конца помещалось коническое зеркало. Серебряная трубка, зачернялась изнутри и проходила через центр круглого зеркала, которое выполняло роль окуляра. Источником света в этой системе выступали две маленькие свечи. Они помещались между круглым и коническими зеркалами.

В 1853 в Парижской медицинской академии был продемонстрирован новый эндоскоп автора Дзермо Его прибор состоял из набора трубок, имеющих различный диаметр и которые вводились в полость. Источником света выступала спиртовая лампа. В месте установки лампы на уровне пламени лампы прикреплялась короткая трубка, к ней под прямым углом прикреплялась вторая трубка, которая несла отражатель. Спиртовая лампа устанавливалась в вертикальном положении, система трубок и сам отражатель могли вращаться. Максимально они могли принимать горизонтальное положение, оно зависело от цели исследования. Конец трубки, нес окуляр, так же он принимал лучи света, направляемые через линзу-конденсатор и отраженные от исследуемой поверхности. Данный прибор был признан как повсеместно полезный диагностический инструмент.

В 1867 год немецким стоматологом Юлиусом Бруком был предложено использовать в качестве источника освещения платиновую петлю, которая светилась при прохождении через нее электрического тока. Для того чтобы оградить пациента от ожогов, через цилиндр, который окружал светящуюся платиновую петлю, протекал постоянный поток холодной воды.

В 1868 Куссмаулем была введена методика гастроскопии с помощью металлической трубки с гибким обтуратором. Вначале в желудок вводился гибкий проводник (обтуратор), а по нему металлическая полая трубка. Введение трубки шло при условии, что верхние зубы находились на одной прямой с осью пищевода. Этот принцип в дальнейшем был положен в основу практически всех методик с использованием жестких и полужестких гастроскопов

В том же году Беваном был разработан жесткий эзофагоскоп, предназначавшийся для извлечения инородных тел и осмотра опухолей пищевода. Его длина составляла около 0,1 м.

А уже в 1881 Стоерком было произведено исследование всей длины пищевода, усовершенствованным прибором.

В 1876 году Макс Нитце предложил свой прибор, который мог вводиться в полость мочевого пузыря и имеющим источник света. Инструмент был своеобразным катетером с загнутым концом. Осветитель проводился внутри тубуса и представлял собой платиновую петлю, которая заключалась в тонко обработанное гусиное перо. Платиновая петля охлаждалась постоянным потоком воды. Оптик Бенеке из Австрии изготовил систему линз, которая была смонтирована в трубке. Эта система позволила значительно увеличить поле зрения прибора.

Конец XIX столетия (1880 год) ознаменовал изобретение лампы накаливания Томасом Эдисоном. В последствие в гастроскопии начали применяться миниатюрные электрические лампочки (1883 год Ньюман создал первый эндоскоп с использованием лампы накаливания).

В 1881 году на основании тщательных анатомических исследований Микуличем была разработана конструкция аппарата, изогнутого в дистальной трети под углом в 30°.Хотя идея была на то время трудно осуществима технически, но этот принцип в дальнейшем стал широко применим при разработке аппаратов для осмотра желудка.

В 1889 году Буассо деРошер показал миру инструмент принцип работы которого лежит в основе современных цитоскопов. Источник света в нем был вынесен из полости мочевого пузыря, и системы линз для наблюдения и освещения стали раздельными.

В 1898 году Келлингом был изобретен управляемый гастроскоп. В этом же году Ф.Ланге и Д.Мельтсинг изобрели гастрокамеру для фотографированию желудка без визуального осмотра.[2,3]



2. Классификация и принципы построения медицинских эндоскопов

2.1 Классификация и назначение медицинских эндоскопов

Эндоскоп в общем понимании это устройство, которое имеет: осветительную, наблюдательную части и приспособления. В общем случае устройство предназначается для введения во внутренние полости (тело человека, машины и т.д) с целью визуального осмотра и проведения различных манипуляций. Все эндоскопы принято делить на медицинские и технические.

Медицинским называется эндоскоп, который предназначен для введения во внутренние полости и органы человека через естественные каналы или хирургическим путем. Терминология в области медицинских эндоскопов определяются ГОСТ 18305 «Эндоскопы медицинские. Термины и определения»[4]

В зависимости от назначения можно разделить на:

- смотровой

- биопсийный

- операционны

Смотровой - медицинский эндоскоп предназначен для исследования внутренних полостей и органов человека путем осмотра. Биопсийный - медицинский эндоскоп, который предназначен для взятия пробы ткани с требуемого участка под визуальным контролем с целью последующего гистологического анализа. Операционным называют медицинский эндоскоп, который предназначен для проведения диагностических, лечебных и хирургических манипуляция путем введения инструментов под визуальным контролем врача.

В зависимости от системы передачи изображения эндоскопы можно разделить на следующие подгруппы:

- эндоскопы с волоконной оптикой

- эндоскопы с линзовой оптикой

- эндоскопы тубусные

Эндоскопы с волоконной оптикой представляют собой гибкие эндоскопы. В их оптической схеме используются гибкие волоконные световоды для передачи изображения. Не следует путать этот класс эндоскопов с эндоскопами с волоконным световодом, где освещение наблюдаемого объекта создается световым потоком, передаваемым по волоконному световоду от источника света, который установлен вне исследуемой области.

Эндоскопы с линзовой оптикой - это эндоскопы оптическая наблюдательная система которых построена с использованием линз.

Тубусные эндоскопы - это самые простые эндоскопы, которые состоят из полой трубки снабженной лупой.

В зависимости от конструкции рабочей части существуют:

- гибкие

-жесткие

У гибких эндоскопов рабочая часть изгибается в определенных пределах.

В зависимости от возраста пациентов выделяют:

- взрослые эндоскопы

- детские эндоскопы

Номенклатура эндоскопов достаточно велика и зависит от области медицинского приложения и цели медицинского вмешательства в «Таблице А. 1» приведена классификация эндоскопов по типу исследуемой области.[5,6]



2.2 Структурная схема и принцип построения эндоскопа

Медицинский эндоскоп - это сложный прибор, представляющий совокупность оптических, механических, электронных и светотехнических систем.

Любой эндоскоп состоит из наблюдательной, осветительной системы и приспособлений.

Общая блок схема эндоскопа приведена на «Рисунке 1». Эндоскоп включает в себя: источник света, конденсатор, волоконный световод, переходное устройство, светопроводящую систему, систему формирования пучка подсветки, объектив, систему передачи изображения, окуляр, телевизионный объектив и камеру, дисплей монитора.

В каждой определенной схеме эндоскопов отдельные блоки могут отсутствовать.[7]



3. Построение оптической схемы эндоскопа

3.1 Наблюдательна система

Представляет собой систему из трех частей «Рисунок 2» - объектива, системы передачи изображения и окуляра. Будем рассматривать данную оптическую систему, как телескопическую систему небольшого увеличения, снабженную оборачивающей системой, исходя из следующего: наблюдательная система имеет малую величину числовой апертуры в пространстве предметов; объектив имеет небольшое фокусное расстояние (1-20 мм) и малое относительное отверстие (1:8 1:15); расстояние до исследуемой поверхности изменяется в диапазоне от 10 до 100 мм, (это превышает величину фокусного расстояния объектива); отсутствует фокусировка на различные расстояния до объекта. Хотя объект исследования располагается на конечном расстоянии перед объективом.[8]

Для того чтобы разработать оптическую систему эндоскопа необходимо задать оптимальные исходные параметры, которые можно подразделить на три группы: габаритные размеры, оптические характеристики и качество оптического изображения.

Габаритные размеры, такие как, диаметр и длина рабочей части будут определяться исходя из строения биологического канала или полости, исследуемой при помощи эндоскопа. Диаметры трубчатых элементов иногда выражают в Шарьерах Шарьера - условная единица, которая применяется для измерения величины поперечного сечения рабочей части эндоскопа и равная его периметру в миллиметрах. Номер по шкале Шарьера для круглого сечения эндоскопа равен трем диаметрам его сечения в миллиметрах. Для конкретной изучаемой полости соответственно для каждого вида эндоскопов определены оптимальные рабочие состояния «Таблица А. 2». [9]

Рабочее расстояние в зависимости от назначения эндоскопа может изменяться в диапазоне от 5 до 100 мм. [9] При разработке оптической системы рекомендуется рабочее расстояние в воздухе брать меньше в n раз по сравнению с расстояние до предмета в рабочей среде.

К основным оптическим характеристикам относят: рабочее расстояние s-это расстояние от первого защитного до объекта наблюдения, диаметр выходного зрачка - , угловое поле в пространстве предметов - 2щ , видимое увеличение - Г, разрешающая способность - N

Поле зрения и увеличение. При использовании эндоскопа в диагностических целях, увеличение на рабочем расстоянии задается обычно в диапазоне от 1,1 до . Такое увеличение дает естественное восприятие исследуемых объектов во внутренних полостях. При повышении увеличения идет снижение величины поля зрения. А от смотровых и диагностических требуется большее поле зрения, при небольших увеличениях для наилучшего обзора полости. Операционные же эндоскопы могут иметь большее увеличение от 1,6 до , в этом случае для жестких эндоскопов поле зрения находится в промежутке от 50 до и для гибких с волоконной оптикой в промежутке от 50 до .

В телескопической системе, расположенной в воздухе, видимое увеличение можно определить через основные характеристики:

, (1)

где - фокусное расстояние объектива телескопической системы; -фокусное расстояние окуляра телескопической системы; - угловое поле в пространстве изображений окуляра; - угловое поле в пространстве предметов объектива; , - диаметры входного и выходного зрачков телескопической системы соответственно.

Если предмет находится на конечном расстоянии перед объективом, в среде с показателем преломления больше 1, то видимое увеличение будет отличаться от рассчитанного по формуле (1). Связь между видимым увеличением телескопической и видимым увеличением эндоскопа на расчетном расстоянии в рабочей среде с показателем преломления n. Из «Рисунка 2» можно записать, что

(2)

А за окуляром величина угла находится из соотношения (3):

(3)

Если предмет величиной y рассматривать в воздухе невооруженным глазом с расстояния наилучшего зрения a (a=250 мм), то он виден под углом

(4)

Значит при наблюдении в эндоскоп он будет восприниматься с увеличением:



(5)

Подставляя формулы (3) и (4) в (5) имеем:

(6)

Из формулы (6) находим требуемое видимое увеличение , для которого должна рассчитываться телескопическая система:

(7)

Поскольку s<na, то и < . Для того, чтобы реализовать в эндоскопе видимое увеличение на рабочих расстояниях мм, наблюдательная телескопическая система должна иметь увеличение в пределах от 0,02 до . Следовательно, в силу того что, величина углового поля эндоскопа в пространстве предметов больше, чем в пространстве изображений.

Ниже находится связь между основными оптическими параметрами оптической системы эндоскопа.

Для телескопической системы дифракционный предел разрешения можно оценить по формуле:

(8)



Для получения наименьших поперечных размеров эндоскопа его оптическая система должна проектироваться так, что световые диаметры компонентов системы переноса изображения определяются величиной изображения , построенного объективом. Следовательно, можно записать, что

(9)

Выразим из формулы (9) фокусное расстояние объектива, а из формулы (8)- диаметр входного зрачка, найдем следующее соотношение между основными параметрами эндоскопа:

, (10)

где -диафрагменное число объектива.

Поскольку разрешающая способность N обычно выражается числом разрешающих линий на 1 мм объекта, установленного на расчетном рабочем расстоянии, то

, (11)

Воспользуемся полученной формулой, что бы переписать формулу (10):

, (12)



Формула (12) показывает, что видимое увеличение, поле зрения и диаметр выходного зрачка определяются величинами светового диаметра оптической системы и относительным отверстием объектива.

Ниже рассмотрим подробно традиционную схему «Рисунок 3».

Пусть предмет, имеет угловые размеры и находится перед объективом 1 на некотором расстоянии , это расстояние превышает в несколько раз величину фокусного расстояния объектива. Предмет проецируется на плоскость, которая расположена вблизи фокальной плоскости объектива 1. Поскольку >>, то линейное увеличение будет определяться как

(13)

При этом величина изображения, которую построит объектив, равна

(14)

Тогда, учитывая формулу (13) имеем:

(15)

В плоскости изображения ставится коллектив 4, определенной оптической силы, для того чтобы световой диаметр последующего компонента 5 равнялся диаметру коллектива ( величине изображения определяемой по формуле (15)). Из этого следует, что оправа коллектива на самом деле является полевой диафрагмой. Компоненты 5 и 6 вместе образуют оборачивающую систему, но такую что, между ее компонентами обеспечивается параллельный ход лучей, а линейное увеличение равно Расстояние между компонентами 5 и 6 нужно рассчитывать таким образом, чтобы их световые диаметры были одинаковыми. Из Рисунка 3 видно, что для крайних осевых точек предмета допускается виньетирование, величина которого может достигать 0,5.

Между компонентами оборачивающей системы, примерно по середине устанавливается апертурная диафрагма, компоненты оборачивающей системы должны располагаться строго симметрично относительно нее, это устранит в оборачивающей системе аберрации такие как: меридиональная кома, хроматизм увеличения и дисторсия.

Для того чтобы, получить требуемую длину оптической системы эндоскопа после первой оборачивающей системы устанавливается коллектив 7 и вторая оборачивающая система (из компонент 8 и 9), которая аналогична первой. При необходимости получения большой длины эндоскопа количество оборачивающих систем увеличивается.

На «Рисунке 3» изображены две оборачивающие системы. В плоскости третьего действительного изображения также установлен коллектив 10. Чтобы изображение объекта получилось после выхода из окуляра на расстоянии наилучшего зрения, передняя фокальная плоскость окуляра 11 располагается по ходу луча , тое есть, несколько левее последнего действительного изображения так, что на выходе оптической системы лучи идут к глазу наблюдателя расходящимися пучками.

Для того чтобы, скомпенсировать аметропию глаза наблюдателя окуляр имеет диоптрийную подвижку дптр.

С целью осуществления бокового наблюдения перед объективом установлена призма 2, которая вместе с оборачивающими системами обеспечивает прямое изображение.

Защитные стекла 1 и 12 предохраняют оптическую систему в процессах работы и обработки от влияния из вне. Видимое увеличение телескопической системы эндоскопа будет определяться как

, (16)

где - линейное увеличение каждой оборачивающей системы;

n - их общее число.

Для рассмотренного принципа построения оптической системы линейное увеличение оборачивающей системы определится отношением фокусных расстояний ее компонентов и для обеспечения фокусные расстояния компонентов оборачивающих систем принимаются равными между собой, а от их количества зависит характер оборачивания. Стоит отметить, тот факт, что если в системе используется головная призма, то и она будет влиять на оборачивание изображения, а в формуле (16) это не отражено. Для удобства при наблюдении и произведении манипуляций оптическая система эндоскопа должна обеспечивать прямое изображение.

Положение входного зрачка в системе определяется из условия обеспечения минимальных размеров головной призмы или объектива. Выходной зрачок для удобства совмещения с ним зрачка наблюдателя необходимо располагать на расстоянии не менее 10-15 мм от наружной поверхности защитного стекла окуляра.[3,4]

3.2 Осветительная система

Осветительная система эндоскопа играет очень большую роль, поскольку от нее зависит сама возможность наблюдения биологического объекта с помощью эндоскопа ( при наблюдении в эндоскоп отсутствует внешнее освещение). Поэтому основная задача осветительной системы эндоскопа - обеспечение высокой освещенности поля зрения и создании колориметрического подобия изображения наблюдаемому биологическому объекту.

Для оценки требуемой величины освещенности наблюдаемого БО в поле зрения эндоскопа можно использовать формулы для расчета величины освещенности изображения, построенного оптической системой. Для эндоскопа можно записать в виде:

(17)

где - освещенность на оси изображения в предметной плоскости окуляра эндоскопа;

- яркость объекта наблюдения;

- коэффициенты пропускания объектива и системы переноса изображения (оборачивающей системы);

- апертурный угол в пространстве предметов «Рисунок 3»;

- линейное увеличение системы переноса изображения.

Из закона Ламберта для диффузно отражающих поверхностей, соотношение между яркостью объекта и его освещенностью будет определяться коэффициентом диффузного рассеяния -

(18)

Подставим в закон синусов формула (19)

(19)

Выражение для линейного увеличение объектива формула (20)



(20)

Учитывая, что , получим выражение для числовой апертуры в пространстве изображений объектива

(21)

при этом отрезки s и z можно принять равными. С учетом вышеописанного выражение (17) принимает следующий вид:

(22)

На основе формулы (22) формулируется следующее требование к величине освещенности объекта: осветительная система должна создавать величину освещенности наблюдаемого в эндоскоп БО в раз выше, чем желаемая величина освещенности изображения.

Количественная оценка показывает, что освещенность БО должна превышать желаемую освещенность в три порядка. Так как диафрагменное число объектива K определяется наблюдательной системой эндоскопа, и оно не может быть малым из-за необходимости обеспечения глубины резкости пространства, то в оптических системах эндоскопов большое значение имеют меры по повышению коэффициентов пропускания объектива и системы переноса изображения.

Осветительные системы эндоскопов, используемых на сегодняшний день в медицине, способны создавать величину освещенности наблюдаемого БО от нескольких тысяч до десятков тысяч люкс.

Что касается классификации, то осветительные устройства эндоскопов можно разделить в зависимости от расположения источника света на проксимальные и дистальные.

Проксимальное осветительное устройство эндоскопа - осветительное устройство, в котором источник света расположен в проксимальном (обращенным к наблюдателю) конце эндоскопа.

Дистальное осветительное устройство эндоскопа - осветительное устройство, в котором источник света располагается в дистальном (противоположном от наблюдателя ) конце эндоскопа.[4]

В дистальных осветительных устройствах используются миниатюрные лампы накаливания. [10] Такая система имеет множество недостатков, таких как недостаточная освещенность объекта, длина дистального конца увеличивается на длину лампы, разогрев лампы может вызвать ожог слизистой оболочки.

Вышеперечисленные недостатки устраняются в жестких эндоскопах с волоконным световодом, конструкция которых позволяет устанавливать мощный источник света на проксимальном конце. Излучение в полости таким образом будет «холодным». Длина дистального конца станет меньше на длину лампы. Возможно уменьшение диаметра (в определенном конструктивном исполнении). Имено эти осветительные устройства используются в настоящий момент в большинстве современных медицинских эндоскопов.

В осветителях могут применяться либо линзовые, либо зеркальные конденсоры. Например, отражатель осветителя ОС-150-01 это - эллипсоид вращения, изготовленный из стекла, в заднем фокусе которого располагается нить накала галогенной лампы типа КГИ 150/15, а в переднем фокусе отражателя - входной торец световодного кабеля эндоскопа «Рисунок 4» . На внутреннюю поверхность отражателя наносится многослойное интерференционное покрытие с высокими коэффициентами отражения в видимой области спектра и пропускания - в инфракрасной. Для поглощения ИК излучения в осветителях с линзовыми конденсорами устанавливают теплофильтры.

Реальный цвет БО определяется при освещении его белым светом, например, источником типа A или B с цветовой температурой 4 800 и 6 500 К соответственно. При эндоскопии БО освещается излучением, которое формируется осветительным каналом эндоскопа. Галогенные лампы, применяемые в осветителях эндоскопов, имеют более низкую цветовую температуру от 3 150 до 3 500 К, причем отечественные осветители дают желтый оттенок [8].

Кроме того, оптические детали наблюдательного канала, особенно изготовленные из тяжелых стекол, например, СТФ11, ТФ12, сильнее изменяют результирующий цвет наблюдаемого БО. Так как все компоненты оптической системы эндоскопа вносят изменения в спектральный состав светового излучения, достигающего глаза наблюдателя, то трудно достичь колориметрического подобия. Это затрудняет определение патологии, особенно в случаях когда проводится хромоэндоскопии с применением витальных красителей [8], так как наблюдаемый исследователем цвет БО не будет соответствовать его реальному цвету. Поэтому вопросы колориметрического подобия необходимо учитывать при разработке как осветительных, так и наблюдательных систем эндоскопов.

В настоящее время ведутся разработки по замене галогенных ламп в осветительных системах на светодиоды (СД) белого свечения. Экспериментальные исследования говорят о возможности подобной замены галогенных ламп на СД без ухудшения качества изображения. [11]

Светотехнические характеристики, такие как поток, световая передача, яркость, современных СД все быстрее и быстрее совершенствуются.



4. Эндоскопы с линзовой оптикой

4.1 Общая характеристика

Эндоскопы с линзовой оптикой принадлежат к группе жестких эндоскопов. Их геометрическая и оптическая оси остаются неизменными в процессе эндоскопического исследования. Номенклатура таких эндоскопов обширна и зависит от области медицинского применения, а также от цели вмешательства. Строение биологического канала или обследуемой полости определяет габариты прибора (диаметр и длину рабочей части) и его оптические характеристики (поле зрения, увеличение, разрешающую способность, направление наблюдения).

Наблюдательная система эндоскопа, выполненная в виде трубки с заключенными в ней оптическими деталями и служащая для передачи изображения, называется оптической трубкой эндоскопа [12]. Кроме традиционной характеристики поля зрения, оптические трубки характеризуются еще и углом на правления наблюдения, т.е. углом между осью рабочей части эндоскопа и осью телесного угла поля зрения: оптическая трубка прямого наблюдения - оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой равен 180° «Рисунок 5, а»; оптическая трубка бокового наблюдения - оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой равен 90° «Рисунок 5, б»; оптическая трубка проградного наблюдения - оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой находится в промежутке от 90 до 180° «Рисунок 5, в», оптическая трубка ретроградного наблюдения - оптическая трубка эндоскопа, угол наблюдения которой находится в промежутке от 0 до 90°.



4.2 Особенности габаритного расчета эндоскопов с линзовой оптикой

Для проведения габаритного расчета наблюдательной системы эндоскопа исходными данными являются видимое увеличение на рабочем расстоянии, угловое (или линейное на рабочем расстоянии) поле в пространстве предметов, наибольший световой диаметр оптических деталей, длина оптической системы, размер и удаление выходного зрачка. Кроме того, дополнительно задается коэффициент виньетирования наклонных пучков лучей, величина которого часто принимается равной 0,5. Ясно, что при разработке оптической схемы эндоскопа для того чтобы увеличить коэффициент пропускания необходимо стремиться к уменьшению количества оборачивающих систем, тогда использованию световых диаметров всех компонентов оптической схемы будет наиболее оптимальным.

В «Таблице Б 3.», приведены наружные размеры эндоскопов с линзовой оптикой, они зависят от анатомических размеров и формы полостей.

Оптическую схему наблюдательного канала нужно рассматривать как телескопическую систему, поэтому, прежде всего, по формуле (7) определяется видимое увеличение и угловое поле в (если задана величина 2y), приведенное к воздуху в пространстве предметов. Для определения последнего, если в пространстве предметов эндоскопа находится среда с показателем преломления n, необходимо воспользоваться соотношением:

, (23)

где, так же как на «Рисунке 3» 2y-линейное поле, s - расстояние до объекта. Дальнейшие расчет можно провести так же как для расчета телескопических систем с двухкомпонентными линзовыми оборачивающими системами с параллельным ходом лучей между компонентами.

На «Рисунке 6» показана расчетная оптическая схема эндоскопа в тонких компонентах (оптическая трубка прямого наблюдения) с тремя оборачивающими системами, с ходом осевого и наклонного пучков лучей. Данная схема позволяет получить формулы для проведения габаритного расчета. Габаритный расчет начинается с определения фокусного расстояния объектива. Его величина должна быть такой, чтобы обеспечить требуемое угловое поле при заданном размере изображения:

, (24)

где - величина изображения, построенного объективом.

В п.3.1отмечалось что, линейное увеличение оборачивающих систем в эндоскопах принимается - , поэтому для обеспечения расчетного увеличения необходимо рассчитать фокусное расстояние окуляра:

(25)

При этом значение следует подставлять по абсолютной величине. Фокусные расстояния компонентов оборачивающих систем выберем из условия обеспечения необходимого диаметра выходного зрачка :

(26)

где - световой диаметр компонентов оборачивающих систем.

Обратимся к «Рисунку 6». Из подобия заштрихованных треугольников следует, что



, (27)

где - коэффициент виньетирования крайних наклонных пучков лучей, которые характеризуют, какую часть от диаметра входного зрачка составляет размер проходящего через него наклонного пучка лучей.

Из последнего соотношения определяется расстояние между компонентами оборачивающей системы:

(28)

Введем обозначение

, (29)

Тогда длина телескопической системы L в тонких компонентах, в соответствии с «Рисунком 6», определится как

, (30)

где n - количество оборачивающих систем.

Величина будет определяется исходя из коэффициента виньетирования( в эндоскопах обычно находится в пределах от 0,6 до 1,5). При меньших значениях будет увеличивается количество оптических элементов и, в следствие этого, будет происходит снижение коэффициента пропускания системы, а при больших значениях будет идти заметное снижение освещенности на краю поля изображения.

При оптимальном использовании светового диаметра эндоскопа принимается соотношение, а коэффициент виньетирования равным 0,5, в итоге .

Из формулы (30) по заданной длине оптической системы определим количество оборачивающих систем:

, (31)

Из «Рисунка 6» при рассмотрения хода пучков лучей видно , что для того, чтобы световые диаметры компонентов оборачивающей системы определялись ходом осевого пучка лучей, необходимо соответствующим образом рассчитать оптическую силу коллективов. Для этого удобнее всего воспользоваться формулой, которая связывает оптические силы объектива 1, коллектива 2 и окуляра 3 в простой телескопической системе:

(32)

где и - расстояния от главных плоскостей объектива и окуляра до входного и выходного зрачков. Поскольку мы рассматривали совместно объектив 1 коллектив 2 и первый компонент 3 эндоскопа, изображенного на «Рисунке 6», как телескопическую систему, где выходным зрачком является апертурная диафрагма, расположенная посредине между компонентами 3 и 4 оборачивающей системы, то можно определить оптическую силу первого коллектива по формуле (32). Тогда она с учетом коэффициента (28) примет вид:

(33)



Для того чтобы определить фокусные расстояния коллективов, которые располагаются между оборачивающими системами (в схеме это коллективы 5 и 8), формула получается еще проще:

(34)

В частности, при имеем, что фокусные расстояния промежуточных коллективов равны фокусным расстояниям компонентов оборачивающей системы.

Аналогично для коллектива, расположенного между последней оборачивающей системой и окуляром (коллектив 11), запишем, что

, (35)

где -это удаление выходного зрачка от задней главной плоскости окуляра.

Если в оптической системе эндоскопа световые диаметры коллективов и компонентов оборачивающих систем равны, то, учитывая соотношение (2) и заменяя , из формулы (7) можно найти связь между тремя важнейшими оптическими характеристиками эндоскопа с линзовой оптикой:

. (36)

Из формулы (36) видно, что видимое увеличение , линейное поле в пространстве предметов и диаметр выходного зрачка связаны между собой так, что их произведение для заданного расстояния до предмета и заданных габаритных размеров (длина и диаметр) есть число постоянное. Поэтому нельзя одновременно увеличивать значения этих оптических характеристик, так как увеличение одной из них приводит к снижению другой (или двух остальных) [10]. По формуле (36) можно оценивать уже рассчитанные системы. При правильной постановке коллективов, симметричном ходе лучей через оборачивающие системы и оптимальном использовании светового диаметра произведение трех главных оптических характеристик системы достаточно близко к максимально возможному, равному .

В рамках данной работы в следующем разделе подробнее рассмотрена элементная база объектива, для использования данных в моделировании.

4.3 Объективы эндоскопов с линзовой оптикой

Объектив эндоскопа одна из самых главных его частей именно она ответственна за формирования уменьшенного изображения исследуемых объектов. В соответствии с рекомендациями, содержащимися в «Таблице Б 3.», объективы должны иметь угловые поля от 50 до 135° и более. В случае расчета объектива эндоскопа на базе линзы увеличивающей угол обзора, угловое поля будем считать почти 180°. Так как изображение, построенное объективом, должно иметь малый размер, обусловленный малыми поперечными размерами оптической трубки эндоскопа, то в соответствии с формулами (23) и (24) необходимо, чтобы объективы имели малую величину фокусного расстояния. Именно таким образом в современных эндоскопах проводится наблюдение объектов, расположенных на различных расстояниях от объектива без перефокусировки. В работе [10] показано, что для этого необходимо, чтобы фокусное расстояние объектива эндоскопа было в 8-10 раз меньше чем расстояния до наблюдаемого БО.

Таким образом, объективы эндоскопа относятся к оптическим системам имеющим маленькое фокусное расстояние (от 3 до 20 мм), которые при сравнительно небольших относительных отверстиях обладают большими угловыми полями в пространстве предметов.

Самый простой вариант объектива эндоскопа -это одиночная линза. С целью увеличения поля зрения в широкоугольных эндоскопах перед объективом устанавливают плоско-вогнутую линзу, обращенную плоской стороной к предмету, она же одновременно играет роль защитного стекла. Для обеспечения требуемого угла направления наблюдения в оптическую схему между объективом и защитным стеклом так же может вводиться призма. Для уменьшения ее размеров необходимо рассчитывать систему таким образом, чтобы призма располагалась в области входного зрачка. Таким образом, собственно короткофокусный объектив работает с вынесенным входным зрачком, который удален от него на большое расстояние (по сравнению с его фокусным расстоянием). Именно эта особенность определяет форму однолинзового объектива эндоскопа как плоско-выпуклой линзы, обращенной плоской поверхностью к удаленному предмету. Дело в том, что при расчете объективов различного назначения с вынесенным входным зрачком в качестве базового компонента используется именно плоско-выпуклая линза, поскольку она позволяет создать систему, свободную от астигматизма и комы [13].

С аберрационной точки зрения, необходимо рассматривать и рассчитывать объектив эндоскопа совместно с толстой плоскопараллельной пластиной и отрицательным компонентом - защитным стеклом. Так как первый коллектив часто имеет большую толщину (соизмеримую с его диаметром) и располагается на малом расстоянии от объектива, то при расчетах объектива он также может включаться в расчетную схему объектива.

Защитное стекло 1 , призма 2, линза 3 объектива и коллектив 4 на «Рисунке- 7» образуют сложный объектив, принципиальная схема которого представляет собой перевернутый телеобъектив. Призма в данной схеме редуцированная плоскопараллельная пластинка.

Наряду с дифракцией, существенное влияние на качество изображения оказывают остаточные аберрации оптической системы. При расчете объективов эндоскопов устраняются, прежде всего, такие аберрации, как хроматизм положения и увеличения, астигматизм, кривизна изображения, кома и аберрации в зрачках. Сферическая аберрация в силу небольшой величины относительного отверстия оказывается малой. Величины остаточных аберраций объектива должны быть такими, чтобы их величина за окуляром не превышала предельных значений, допустимых для визуальных оптических систем. Устранение дисторсии требует значительного усложнения схемы, но в широкоугольных системах, каковыми являются эндоскопы, правильное восприятие формы объекта осуществляется как раз в том случае, если в системе присутствует дисторсия определенной величины. Поэтому в эндоскопах указанная аберрация допускается, если, по мнению [14], она не достигает такой степени, что узнавание предмета по его изображению становится невозможным.

На «Рисунке 8» приведены оптические схемы некоторых объективов эндоскопов. В разных схемах астигматизм составляет 0,2 - 0,8 мм для угловых полей 56° и 0,33 -9 мм для угловых полей 90° , меньше всего он в схемах, изображенных на «Рисунках 8 в, д, е» - не более 0,50 мм для углового поля 90°. Зная фокусное расстояние окуляра и не учитывая возможную компенсацию аберраций объектива и последующих оптических элементов системы, легко оценить величину астигматизма в диоптрийной мере за окуляром эндоскопа по известной формуле

(37)

и сравнить ее с допустимой величиной (0,5 - 1) дптр для визуальных систем.[14]

Все схемы «Рисунка 8», содержат в себе призму, причем базовая плоско-выпуклая линза может выполняться либо непосредственно на призме, либо наклеиваться на нее как на «Рисунке 8» - а,д.

Существует объектив эндоскопа, содержащий отрицательную линзу, призму и трехлинзовый положительный компонент, состоящий из переднего мениска, положительной двояковыпуклой склеенной линзы и заднего мениска. Выполнение менисков в виде одиночных линз не позволяет компенсировать отрицательную кривизну, присущую линзовой оборачивающей системе и окуляру, что приводит к снижению качества изображения всей системы эндоскопа. К этому же приводит и недостаточная коррекция хроматизма увеличения. Для исправления названных аберраций предложен объектив, оптическая схема которого представлена на Рисунке 9. [15]

В объективе мениски выполнены в виде склеек из двояковогнутой отрицательной и двояковыпуклой положительной линз, разности показателей преломления стекла которых лежат в диапазоне от 0,02 до 0,2, и разность коэффициентов дисперсий определяется диапазоном от 10 до 28, а радиус поверхности склейки менисков меньше заднего фокусного расстояния объектива. Конструктивные параметры объектива приведены в «Таблице 1». Переисправление кривизны изображения доведено до значения мм; мм на краю поля зрения, что позволяет существенно компенсировать отрицательную кривизну, вносимую линзовой оборачивающей системой и окуляром и, тем самым, устранить эту аберрацию для всей системы эндоскопа. Хроматизм увеличения исправлен до значения мм, а это вполне достаточно

В отношении устранения аберрации в зрачках удобно использовать симметричные дублеты из двух или трех линз, как на «Рисунке 8» - в,г . Использование тройной склейки в объективах эндоскопов оправдано при расчете короткофокусных объективов до 3 мм с хорошим качеством изображения при углах поля в пространстве предметов более 50°.

Объектив, построенный по схеме объектива Хилля, изображенный на Рисунке 8 - е, с передней отрицательной линзой менискообразной формы, позволяет достичь угловых полей до 180° без значительного снижения освещенности на краях поля зрения.

Для повышения коррекционных возможностей предложена схема объектива, представленная на «Рисунке 10» [16], которая содержит плосковогнутую линзу, мениск и двояковыпуклую линзу. В объективе мениск склеен из отрицательной и положительной линз, величина разностей показателей преломления которых лежит в диапазоне от 0 до 0,02 и разности коэффициентов средней дисперсии стекол - в диапазоне от 22 до 23, кривизна поверхности склейки линз мениска составляет величину от 0 до 0,1 оптической силы объектива..

Наличие воздушных промежутков между линзами объектива эндоскопа может привести к запотеванию оптики в процессе работы. Для исключения этого при одновременном снижении диаметра эндоскопа предлагается объектив выполнять в виде единого блока, изображенного на «Рисунке 11», который состоит из склеенных между собой двух положительных линз из материала с высоким показателем преломления ( это может быть сверхтяжелый крон), разделенных отрицательной линзой из материала с низким показателем преломления (фтористого натрия), а радиусы кривизны поверхностей отрицательной линзы равны между собой. Также, чтобы улучшить качество изображения за счет коррекции хроматических аберраций одна из положительных линз головного объектива, например, вторая, состоит из склеенных между собой положительной и отрицательной линз из материалов с близкими значениями показателей преломления и различными по величине дисперсиями, так что радиус склейки влияет только на коррекцию хроматизма увеличения. [17]



5. Модель объектива для трубки эндоскопа прямого наблюдения

Поскольку в патентной и научно литературе недостаточно сведений о конструктивных параметрах объективов эндоскопов, то в работе рассчитывается простой объектив для трубки эндоскопа прямого наблюдения. По принципиальной схеме Рисунка 10 Конструктивные параметры находятся в «Таблице 2 »

Оптическая схема данного эндоскопа построена на основе двух двухлинзовых склеенных компонентов и отрицательного защитного стекла «Рисунок 10».

Данный объектив при фокусном расстоянии 3 мм, угловом поле в пространстве предметов 90° и наибольшем световом диаметре линз 3,6 мм обеспечивает размер изображения 6 мм. Для обеспечения большого поля зрения перед двумя склеенными компонентами установлена отрицательная линза. Эту линзу для того, чтобы она не вносила кому и астигматизм, рекомендуется выполнять плосковогнутой со сферической поверхностью, концентричной центру входного зрачка расположенной за ней части объектива [18]. Расстояние между первой отрицательной линзой объектива и двухлинзовыми склеенными компонентами выбрано больше величины эквивалентного переднего фокального отрезка последних. Вместе с этим обеспечиваются фокусное расстояние объектива меньше эквивалентного фокусного расстояния склеенных компонентов, то есть , < и относительно большие значения радиусов кривизны поверхностей в склеенных компонентах.

Данный объектив имеет относительное отверстие 1:5.

Моделирование объектива произведем в САПР «Zemax-EE»

После запуска программы в окне «Wave» задаем значение для трех длин волн: 0,42;0,48;0,55 нм, далее в окне «Field» устанавливаем угловые поля: 0, 10 и максимальное значение 45. Размер входного зрачка рассчитывается из соотношения 1:5, поскольку относительное отверстие - это есть отношение фокусного расстояния к входному зрачку, таким образом, апертурная диафрагма имеет размер 0,6 мм.

Устанавливаем это значение строке «Apertute value» пункта меню «General», в подпункте «Aperture». Далее согласно, « Таблице 2» в окне «LDE» задаем параметры поверхностей. При выполнении анализа, подпункта «Analysys», а именно «Ray Aberration» по полученному графику ясно видно, что данная система расфокусирована. Для того, что бы оптимизировать систему, необходимо обратится к функции оптимизации «Merit Function Editor» , где мы значение фокусного расстояния, которое, мы хотим получить от системы.

Чтобы произвести оптимизацию, необходимо задать переменные, которые система сможет изменять. В данном случае для устранения дефокусировки в качестве переменных задаем - положение апертурной диафрагмы и расстояние до поверхности плоскости изображения.

Находим в меню «Optimization» и запускаем её. Результат оптимизации это исправление самой схемы и всех, параметров. После проведения оптимизации оптическая схема объектива для трубки эндоскопа прямого наблюдения принимает в плоскости следующий вид - «Рисунок 12»

Далее проводим оценку оптической системы при помощи меню «Analys». Мы можем получить наборы графиков аберраций лучей, пятен рассеянья, волновых аберраций, искажения поля изображения и дисторсию а так же многие другие характеристики данной оптической схемы на «Рисунке 13» Представлен график хроматических аберраций данной оптической схемы, для трех разных длин волн и трех угловых полей.

На «Рисунке 13» представлены лучевые аберрации в зависимости от координат зрачка. Графики построены для меридиональной плоскости показывают X-, и Y- компоненты поперечной аберрации луча в зависимости от координаты Y зрачка, через которую проходит луч. Снизу указан масштаб по вертикальной оси графика. Изображенные данные представляют собой разницу между координатой точки пересечения луча с поверхностью и координатой точки пересечения главного луча с поверхностью. Для меридионального сечения на графике изображены разности x (или y) координаты луча x (или y) координаты главного луча для главной длины волны в зависимости от координаты y зрачка. Для сагитального сечения на графике изображены разности x (или y) координаты луча x (или y) координаты главного луча для главной длины волны в зависимости от координаты x зрачка Масштаб горизонтальной оси графика нормализован к координатам входного зрачка PX и PY.

Таким образом, в системе присутствуют Сферические аберрации 3 порядка. Максимальная из них, достигает 150 мкм. Она приводит к тому, что лучи, выходящие из осевой точки предмета, не пересекаются в одной точке, образуя на плоскости идеального изображения кружок рассеяния. Это подтверждается на «Диаграмме пятна рассеянья» «Рисунок 14»

Из рисунка видно, что рассеяние есть, но оно минимально в случаях для 0 и 10. В случае же, с максимальным угловым полем 45 наблюдается искажение пятна.

Следующим видом анализа будет построение волновых аберраций «Рисунок 15» Данная система имеет аберрации порядка 12 длин волн.

Оценка кривизны плоскости изображения и дисторсии дают следующие значения и графики «Рисунок 16».

При относительном отверстии 1: 6 размер аберрационного кружка рассеяния для точки на оси не превышает 0,011 мм, астигматизм для поля 90° не превышает 0,08 мм. Объектив имеет достаточно большую отрицательную дисторсию, достигающую -27% на краю поля. Отметим, что в широкоугольных объективах, и объективах эндоскопов, для получения меньших перспективных искажений как раз и не следует стремиться к обеспечению ортоскопичносности [13]. В исследуемом объективе закон построения изображения близок не к ортоскопическому, а к линейному, то есть (для строгого соблюдения линейного закона дисторсия на краю поля должна быть -21,5%). Именно это обстоятельство, наряду с телецентрическим ходом главных лучей в пространстве изображений объективов, способствует улучшению светораспределения. Но при телецентрическом ходе главных лучей световой диаметр линз объектива получается несколько больше размера изображения, что для объективов эндоскопов не всегда приемлемо. В данном объективе ход главных лучей в пространстве изображений приближен к телецентрическому: после объектива угол наклона главного луча крайнего пучка лучей уменьшен до 8°.

При использовании такого объектива в конкретной схеме эндоскопа необходимо провести его пересчет на требуемое рабочее расстояние. Например, при расположении предметной плоскости на расстоянии 60 мм от объектива положение плоскости изображения смещается на 0,14 мм, а сферическая аберрация и астигматизм изменяются незначительно.

Введение в оптическую схему объектива толстых плоскопараллельных пластин благоприятно влияет на аберрационную коррекцию системы, поэтому при необходимости установки призмы после отрицательного компонента потребуется некоторая оптимизация конструктивных параметров с помощью программ по расчету оптических систем.



6. Модель объектива на базе исследуемой линзы

В силу отсутствия полной информации о параметрах линзы в патентной литературе, построим в САПР « ZEMAX» упрощенную модель линзы, увеличивающей угол обзора. Данная модель и будет являться простым однолинзовым объективом эндоскопа. Параметры линзы: ширина - мм, показатель преломления равен 1,336; фокус изменяемый; поле обзора достигает не 180.Так же произведем оптимизацию по этим параметрам. Модель рассчитываем для трех длин волн: 0,42;0,48; 0,55 нм. Фокусное расстояние выбираем так же как и для объектива 3 мм. Входной зрачок принимаем равным 5 мм. В «Таблице 3» представлены данные параметры.

На «Рисунке 17» представлена полученная упрощенная схема с оптимизированными параметрами. А на «Рисунках 18» и «Рисунке 19» приведены оценки параметров данной системы, график хроматических аберрации и графическое представление дисторсии. На «Рисунке 20» Приведен пример сравнения получаемого изображения от объектива стандартного эндоскопа и объектива на базе линзы увеличивающей угол обзора.

Коэффициент дисторсии составляет - 0,88.Максимальная хроматическая аберрация составляет для углового поля 0 - 60 мкм, для углового поля в 10 - 100 мкм. Фокусное расстояние может меняться в диапазоне от 3 до 20 мм. А угол зрения всей системы может увеличиваться до 180



Заключение

В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы были получены следующие результаты:

1) На основе теоретических данных, в САПР «ZEMAX» была получена модель объектива для трубки прямого наблюдения эндоскопа с пониженной сферической аберрацией и дисторсией. Оценены его важнейшие параметры

2) В САПР «ZEMAX» была получена упрощенная модель объектива на базе линзы, увеличивающей угол обзора и сочетающей в себе свойства зрения насекомого и человека. Оценены его важнейшие параметры.

3) На основании полученных результатов был сделан вывод, что использование линзы увеличивающей угол обзора в медицинских эндоскопических приборах, требует дальнейшей разработки, но несомненно использование данной линзы в эндоскопической технике будет огромным достижением в этой области, в силу её преимуществ: ее использование упрощая конструкцию объектива; она имеет изменяемое фокусное расстояние(без изменения конструкции); дает широкий угол обзора (практически до 180); а так же объектив, на ее основе уменьшает хроматические аберрации и дисторсию.

...