Разработка окуляра эндоскопа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка окуляра эндоскопа

Окуляр эндоскопа используется для рассматривания изображения, создаваемого после оборачивающей системы. Увеличение углового поля окуляра позволяет не только задействовать большую площадь сетчатки наблюдателя, но и получить большее видимое увеличение, что в совокупности приводит к уменьшению нагрузки на глаза наблюдателя и позволяет проще рассматривать отдельные участки изображения. Иными словами это облегчает работу врача и повышает качество осмотра.

Используемый на ПФ Линза окуляр имеет угловое поле в 13.5° и его схема не предусматривает возможность увеличения поля свыше 20° при данных габаритах и требуемому выносу зрачка. В качестве решений целесообразно использовать окуляры применяемые в микроскопе, но при пересчёте на заданные габариты (размер промежуточного изображения и желаемое поле) они становятся совершенно нетехнологичными и имеют вынос зрачка недостаточный для комфортной работы даже без очков. В моей работе были выполнены этапы разработки окуляра эндоскопа с заданными параметрами и требуемым качеством, а также объектива видеонасадки, работающей в составной схеме с окуляром для проекции изображения на ПЗС матрицу. Первоначально был произведён габаритный расчёт окуляра согласно схемам функционирования в и проанализированы величины фокусных расстояний, требуемых для обеспечения желаемых полей. Величины фокусных расстояний приведены в таблице.

Таблица. Величина фокусного расстояния при заданном поле

Наиболее оптимальными были выбраны поля не превышающие 30° из соображений эргономичности и технологичности. Затем был выполнен анализ схем окуляров в книге «Микроскопы» Скворцова Г.Е. и «Методические указания по габаритному расчёт и выбору компонентов телескопических систем» Цукановой Г.И. по критериям количества линз, отношения выноса зрачка к фокусному расстоянию и общей технологичности схемы при пересчёте на полученные фокусные расстояния. Перспективными были выбраны схемы широкоугольного окуляра и окуляр с удалённым зрачком.

Дальше производился пересчёт на требуемое фокусное расстояние и многоэтапная оптимизация в программе ZEMAX. Параметрами на первом этапе оптимизации являлись радиусы линз и все толщины. Постепенно определялась оценочная функция, позволяющая получать наилучшее качество изображения и сохранять реализуемость схемы( сюда входят расстояния от линз до предмета, до зрачка, толщины линз, расстояния по краю, радиусы поверхностей). Затем схема подвергалась глобальной оптимизации в течении 6-8 часов для поиска хорошей стартовой точки при неизменных материалах. На следующем этапе с производилась локальная оптимизация (для получения минимума оценочной функции данной принципиальной схемы) с последующей оптимизацией методом постукивания в течении 4-8 часов (“hammer optimization”, для проверки на наличие других оптимальных решений в области данной схемы) . Описанный алгоритм был применен для оптимизации обеих схем для поля 2щ'= 30°, однако полученные схемы имели недостаточно хорошее качество изображения. Окуляр с удалённым зрачком имел большие волновые аберрации (до 1.5л для осевого пучка на краю зрачка и до 6л для л=0,48 мкм для внеосевого пучка), низкую разрешающую способность на контрасте 0.2 для щ'>7.5° (меньше 45 мм-1). Широкоугольный окуляр имеет большую дисторсию (до -9 % на краю поля), что нарушает подобие формы предмета и изображения, и не приемлемо в данном типе систем, а также низкую разрешающую способность в меридиональном сечении до пересчёта радиусов и без учёта последующей части системы. Так как для 30° не удалось обеспечить необходимого качества изображения, поле было уменьшено до 25° и алгоритм оптимизации проведён заново. Из полученных схем конечной была выбрана схема с удалённым зрачком т.к. имела меньшее количество линз. Для получения конечного решения была произведена оптимизация методом постукивания с учётом замены стёкол на другие доступные (доступные стёкла оговаривались заказчиком и включают в себя марки ЛЗОС и фирми Schott) и последующий пересчёт на радиусы пробных стёкол. Полученный таким образом окуляр имел приемлемую дисторсию, астигматизм и хроматизм положения. Ниже приведены графики этих аберраций, расчитанных в программе ZEMAX.

Также в работе анализировалась ЧКХ окуляра в обратном ходе, для обеспечения требуемой разрешающей способности в составной схеме с объективом видеонасадки. Поперечным аберрациям не уделялось много внимания, так как на них сильно влияет объектив и оборачивающая система эндоскопа, которые в данной работе не моделировались.

При габаритном расчёте объектива была определена требуемая разрешающая способность составной схемы «окуляр эндоскопа + объектив видеонасадки» исходя из критерия Найквиста и размеров ячейки матрицы ( 4.2 мкм). Она составила 118 лин/мм, однако на практике оказалось, что при работе матрицы с максимальной разрешающей способностью частота смены кадров получаемых с камеры падает до 5 кадров/сек. Данное обстоятельство недопустимо при работе хирурга, поэтому было решено работать на вдвое меньшем разрешении и частоте смены кадров в 15-20 кадров/сек.

Первоначальный поиск исходных схем решений производился в библиотеке программы ОПАЛ по следующим критериям: минимальное количество линз, используются только разрешенные марки стёкол, минимальна разница между начальным и требуемым фокусным расстоянием. Подходящими оказались Индустар-87 и Триплет, однако после применения упомянутого алгоритма оптимизации полученное качество оказалось ниже требуемого. Поэтому в качестве исходной схемы был использован конечный перевёрнутый окуляр. При пересчёте на заданное фокусное расстояние и локальной оптимизации такой объектив самостоятельно имел почти дифракционное качество изображения, однако в составной схеме с окуляром разрешающая способность оказалась ниже требуемой для зоны и края поля. Это отображено на рисунке.

После этого была составлена схема из окуляра и обёрнутого и отмасштабированного окуляра (соответствующего объективу) и произведена оптимизация методом постукивания с заменой марок стёкол для части, соответствующей объективу.

Рисунок. ЧКХ составной схемы окуляр+перевёрнутый окуляр.

Рисунок. Схема и ЧКХ составной системы «окуляр эндоскопа + объектив видеонасадки».

окуляр эндоскоп видеонасадка

Результатом явилась схема с большим разнообразием марок стёкол, но удовлетворяющая требуемому качеству изображения и величине поля. Её схема и ЧКХ представлены ниже.

В дальнейшем возможна разработка окуляра и объектива с ещё большим полем, путём усложнения схемы.

Размещено на Allbest.ru