3.2.8. Передача зображення пучком волокон

Сукупність волокон утворює волоконно-оптичні пучки, або джгути. Розрізняють джгути з регулярним (когерентним) і нерегулярним укладанням, при цьому перші використовуються для передачі зображення, другі, - для освітлення об'єктів.

Основними оптичними характеристиками джгутів є світлопрпоускання, роздільна здатність, числова апертура, частотно-контрастна характеристика, міжелементна нерівномірність (мікроструктурний шум) оптичних параметрів по полю, що виникає через мозаїчність структури будь-якого пучка світлопроводів, і дефектність, що виражається в локальній частковій втраті світлопрпоускання (окремих волокон або групи).

Роздільна здатність нерухомого пучка волокон. Багатожильні волоконні деталі складаються зі світлопровідних жил, розділених світлоізолюючими прошарками. Роздільна здатність пучка одножильних волокон в основному залежить від їх діаметру і мінімальної відстані - періоду або кроку між їх центрами.

Волокна (рисунок 3.12) в пучку можуть бути укладені так, що лінії, які сполучають їх центри, утворюють квадрат (квадратне укладання), або так, що центри світлопровідних жил лежать у вершинах рівносторонніх трикутників (гексагональне укладання). Останній тип укладання раціональніший з точки зору як стійкості положення волокон в пучку, так і мінімізації втрат елементів зображення. Площа неробочого простору між волокнами в цьому випадку рівна 9% площ перетину пучка, тоді як при квадратному укладанні вона складає 21,5%.

Рис. 3.12. Елементарні періоди для трьох топологій укладання волокон в пучку: а) квадратна; б) гексагональна горизонтальна; в) гексагональна вертикальна

Випромінювання, падаюче на вхідний торець будь-якої елементарної жили, незалежно від розподілу освітленості за площею торця, рівномірно розподіляється по вихідному торцю світлопровідної жили внаслідок дії ефекту симетризації снопа променів з перетину жили. Тому роздільна здатність пучка волокон, вимірювана числом ліній на міліметр, залежить від кроку (періоду) укладання волокон і відповідно до теореми Котельникова рівна:

,

де - крок (період) структури укладання волокон, рівний мінімальній відстані між їх центрами.

Якщо позначити (де - діаметр серцевини, - товщина оболонки), то для квадратного укладання і, отже - найвища просторова частота, яку може передати нерухомий пучок волокон з постійним діаметром при однорідному квадратному укладанні. Оскільки для безлічі волокон період решітки залежить від розташування їх в пучку, сказане справедливо лише для напряму щільних рядів.

При гексагональному укладанні волокон в пучку збільшується число елементарних світлопровідних жил, що доводяться на задану площу зображення. При гексагональному укладанні волокон в пучку крок структури рівний , тобто найвища номінально вирішувана просторова частота складе . Цей кордон пропускання високих частот відноситься до двох шарів волокон, що знаходяться між собою в контакті. Таким чином, роздільна здатність джгута з гексагональним укладанням волокон в 1,15 разів вища, ніж з квадратною.

Отже, максимальна просторова частота, яка номінально може бути передана нерухомим пучком волокон, лежить між і . Об'єм інформації , переданий нерухомим пучком волокон, визначається числом елементарних світлопровідних жил на площі . При квадратному укладанні , при гексагональному , тобто в останньому випадку в 1,32 разу більша.

Особливо відзначимо, що в принципі можуть бути виявлені шари волокон в пучку з меншими періодами за умови, що допустима відсутність контакту між складовими шар волокнами, наприклад при квадратній і при гексагональній топологіях. Ці безконтактні періоди відповідають лише певним напрямам і структури пучка волокон (див. рисунок 3.12, в).

Роздільна здатність скануючих волокон. Істотне підвищення роздільної здатності і якості переданого зображення досягається при поворотно-поперечному або циркулярному зсуві пучка волокон, переданого зображення. При швидкому переміщенні - скануванні вхідного торця пучка волокон по зображенню, яке підлягає передачі, - і такому самому переміщенні вихідного торця відбувається згладжування мозаїчності зображення і дефектів структури волоконної деталі. Для стирання всіх ознак структури досить переміщення пучка на 4-5 діаметрів жили. Частота коливань має бути вища за критичну частоту миготінь, що розрізняються оком людини. Показано, що при цьому роздільна здатність може бути підвищена до [38].

Стиковка волоконних джгутів. При послідовному з'єднанні волоконних пучків практично неможливо забезпечити точний (когерентний) збіг їх структур. Жили одного пучка займають довільне положення відносно жил суміжного пучка.

У 1968 р. Д.К. Сатаровим і Л.С. Трофімовою вперше експериментально виявлена несподівано мала втрата результуючої роздільної здатності каскаду з декількох волоконних пучків. Експериментальні дослідження підтвердили незначну втрату інформації при послідовному оптико-механічному з'єднанні в каскад декількох волоконних пучків (досліджені шести-каскадні з'єднання), на підставі яких підібрана формула для визначення роздільної здатності механічно сполучених між собою волоконно-оптичних джгутів:

.

Якщо прийняти роздільну здатність однієї деталі за 100%, то для системи з волоконно-оптичних джгутів вийде:

	1	2	3	4	5	6
	100	93	87	82	77	74

Способи усунення мозаїчної структури зображення у волоконно-оптичних джгутах. Будь-яка волоконна деталь складається з безлічі світлопровідних жил, розділених світлоізолюючими прошарками. Корисний світловий потік, падаючий на вхідний торець жили, поширюється по ній і виходить з її вихідного торця, причому незалежно від розподілу освітленості по вхідному торцю усереднюється за площею вихідного торця, тобто кожна одинична жила переносить інформацію лише про один елемент зображення, спроектованого на її вхідний торець. Таким чином, будь-яка волоконна деталь розбиває на елементи зображення, поміщене в контакт з його вхідним торцем або спроектоване на його поверхню за допомогою оптичних або електронно-оптичних систем, і передає інформацію про кожен елемент через одиничну жилу на вихідний торець.

Зображення, передане через пучок світлопроводів, складається з безлічі елементів різної яскравості, відповідних вихідним торцям одиничних жил, тобто зображення виходить мозаїчним.

Відомо, що око розрізняє об'єкти, якщо їх кутова величина не менше 1 кут. хв. Якщо зображення вихідного торця розглядається за допомогою окуляра з таким збільшенням, при якому елементи структури мають кутовий розмір більше 1 кут. хв., тобто стають помітними, то спостережувана картина буде мозаїчною, нав'язливою, неприємною при спостереженні і важко аналізованою. При цьому будь-які дефекти пучка, наприклад, не пропускаючі світло жили, стають помітними і заважають спостереженню. Тому необхідно приймати спеціальні способи для зменшення або повного усунення помітності мозаїчності структури пучків.

Зменшення помітності мозаїчності зображення і дефектів волоконних пучків - одне з головних завдань конструкторів, що створюють спостерігаючі волоконно-оптичні системи. Існує багато шляхів вирішення цієї задачі, що розрізняються ефективністю і характером реалізації. Розглянемо деякі з них [38, 39].

Зменшення масштабу видимої картини. Зменшення масштабу за рахунок використання досить слабкого окуляра дозволяє зробити майже повністю непомітними мозаїчність і навіть дефекти структури волоконних пучків, у тому числі і обломи окремих волокон. Проте при цьому зменшується об'єм використовуваного потоку інформації від загального об'єму інформації про об'єкт, фактично переданого пучком. Причому втрачаються дрібні, найбільш інформативні деталі картини.

Розфокусування об'єктиву. При високій роздільній здатності об'єктиву, що створює зображення на вхідному торці пучка волокон, дрібні деталі об'єкту, що попали на прошарки між світлопровідними жилами, виявляються втраченими. Аби цього не відбувалося, досить збільшити кружок розсіяння в зображенні і забезпечити його діаметр в 2-3 рази більшим, ніж ширина прошарку між жилами. Якщо система працює на постійній відстані до об'єкту, це досягається відповідним незначним розфокусуванням об'єктиву. Цей прийом зменшення впливу мозаїчності на вході застосовний за відсутності дефектних жил, оскільки значне розфокусування об'єктиву з метою зберегти інформацію, наприклад, що попала на обламані волокна, призводить до деякого розмиття зображення і відповідно знижує роздільну здатність всієї системи ендоскопа.

Створення мікролінзового рельєфу на торцях волоконного пучка. Схема такого рельєфу, що точно повторює розташування волокон в пучку, показана на рисунку 3.13. Опуклі лінзи утворені на поверхні прозорого шару, нанесеного на торці волоконного пучка. Товщина цього шару береться рівною фокусній відстані лінз.

Якщо мікролінзовий рельєф має вхідний торець волоконної деталі, то всі промені, падаючі на поверхню лінз, входять в свої світлопровідні жили. Якщо лінзи стикуються один з одним, утворюючи гексагональну або квадратну структуру, то така система в межах апертурного кута працює, як пучок з жилами розміром , укладеними без проміжків з коефіцієнтом заповнення, що наближається до одиниці. Це зводить до мінімуму втрату інформації на вході пучка. Навіть якщо рельєф нанесений на торець пучка, що має дефектні жили, наприклад, обламані волокна, лінзи сусідніх волокон, змикаючись над місцем зламу, захоплять частину світла проти дефектного волокна, і сусідні жили передадуть світло на вихідний торець пучка. Недолік такої системи - збільшення нахилу променів в жилі, що призводить до деякого розмиття зіниці виходу ендоскопа.

Рис. 3.13. Мікролінзовий рельєф вихідного торця волоконного пучка: 1, 2 - пучки променів, що проходять відповідно через центр і край мікролінзи; 3 - промінь, падаючий на сусідню мікролінзу (минає окуляр); 4 - торець волоконного пучка; 5 - прозорий шар з мікролінзовою поверхнею; 6 - окулярний пристрій; 7 - вихідна зіниця системи

Мікролінзи на виході пучка працюють, як маленькі лінзи, що збільшують зображення торців світлопровідних жив. Хоча мозаїчність зображення зберігається, сітка прошарків потоншується до мінімуму, що призводить до збільшення комфортності сприйняття зображення.

Створення мікрохвилястого рельєфу на лінзі окуляра. Такий рельєф на поверхні лінзи окуляра (рисунок 3.14) відхилює в різні боки промені, що проходять через лінзу, на кут приблизно . Таку мікрохвилясту поверхню можна представити, наприклад, як сукупність пологих конічних горбів або воронок. Глибина рельєфу має бути приблизно від 0,05 до 1 мкм, крок - декілька десятих доль мм (0,5-0,2 мм). При такому характері рельєфу зображення сітки прошарків і самих жил виходять розмитими. Темні прошарки заповнюються розмитими краями зображення жил. Це зменшує помітність сітки прошарків і згладжує різкий стрибок яскравості при переході від одного торця світлопровідної жили до сусідніх. Яскравість середніх зон жил зберігається, тому контрасти в переданому по пучку зображенні змінюються мало. Нанесення такого рельєфу декілька збільшує нахили променів і призводить до незначного розмиття країв зіниці виходу.

Серед методів повного усунення мозаїчності зображення і помітності дефектів структури волоконних пучків найретельніше досліджені і розроблені наступні:

– спектральний розклад випромінювання кожного елементу об'єкту на вході волоконного пучка і згортання спектру на виході з пучка;

– використання скануючих пристроїв на вході і виході волоконної деталі;

– сканування зображення рухомим пучком світлопроводів.

Так, з використанням спектрального методу реалізовані вітчизняні гнучкі ендоскопи середніх полів зору з джгутами перетином до 5х5 мм, з 1976 р. подібні ендоскопи виготовляє японська фірма "Canon".

Рис. 3.14. Мікрохвилястий рельєф поверхні лінзи окуляра: 1 - волоконний пучок з увігнутим торцем; 2 - лінза, що забезпечує телецентричний хід променів в пучку; 3 - мікрохвиляста поверхня лінзи; 4 - елементарна світлопровідна жила; 5 - уявне розмите зображення торця жили

Спектральний розклад на вході і згортання спектру на виході пучка світлопроводів. Суть методу полягає в тому, що перед об'єктивом, що формує зображення на торці пучка, встановлюється спектральна призма, яка вносить до зображення значний лінійний хроматизм (рисунок 3.15), величина якого у декілька разів перевищує діаметр жили. Кожна точка об'єкту зображується на вхідному торці пучка у вигляді вузької смужки спектру, який передається по ряду жил на вихідний торець пучка волокон, де встановлені другий об'єктив і така ж спектральна призма, симетрична вхідний. При такому розташуванні вихідна спектральна призма згортає смужку спектру в точку (пляма малого розміру) - зображення вихідної точки об'єкту. Світлоізолюючі прошарку між жилами вирізують ряд вузьких смуг, кожна шириною близько 0,8÷1,5 мкм. Ці смуги більш менш рівномірно розташовані по довжині спектру, тому в загальному випадку після згортання переданого жилами спектру колір зображення декілька відрізняється від кольору об'єкту; ця відмінність тим менш візуально помітна, чим більше відношення діаметру жил до товщини прошарку між жилами.

У такій схемі (рисунок 3.15) окремі спектральні складові випромінювання кожної точки об'єкту передаються по ряду жил, і навпаки - кожна жила передає інформацію про багато точок об'єкту (для кожної в своїй дискретній з врахуванням прошаркових смуг ділянці спектру). За рахунок цього жодна точка об'єкту не пропадає в зображенні.

Рис. 3.15. Схема спектрального розкладу і згортання зображення, що зменшує помітність мозаїчної структури волоконного пучка: 1 - об'єкт; 2 - об'єктив; 3 - призма; 4 - лінза; 5 - пучок; 6 - око спостерігача; 7 - зображення об'єкта

При спектральному розкладі і згортанні зображення структура пучка стає майже невиразною, навіть при великих збільшеннях окуляра. Для цього напрям спектрального розкладу не повинен збігатися з рядами жил. Якщо торець пучка складається з великих полів з гексагональним укладанням в кожному, але напрями рядів в них різні, то в полі зору може з'явитися на деяких полях тонке штрихування, що на вигляд нагадує штрихування учнівських зошитів, що свідчить про збіг в даному полі площини спектрального розкладу з напрямом рядів жил. Дефекти і облом окремих жил не дають повного зникнення зображення, але викликають пониження яскравості смужки зображення проти дефектної жили і її фарбування з одного кінця в синій колір, з іншого - червоний.

Масштаб зображення може бути вибраний досить великим, не викликає напруги зору і не стомлює спостерігача. Зіниця виходу зберігається такою ж, як без спектрального розкладу і згортання, роздільна здатність зростає більш ніж в два рази, а об'єм переданої інформації - в чотири і більше разів. Необхідна точність взаємної орієнтації вхідної і вихідної спектральних призм залежить від роздільної здатності волоконно-оптичного джгута і складає декілька градусів [38].

Використання сканування зображення на вході і виході волоконного пучка. При швидкому хаотичному поперечному переміщенні волоконного джгута відносно нерухомого зображення, спроектованого на його вхідний торець, досягається істотне підвищення роздільної здатності, коефіцієнта передачі контрасту пучка волокон, а відповідно і об'єму інформації і контрастності переданого зображення. Якщо таким самим чином переміщати вихідний торець, то відбувається повне згладжування мозаїчності зображення і дефектності структури волоконної деталі.

Для стирання всіх ознак структури в кінцевому зображенні досить переміщати пучок волокон 4-5 діаметрів одиничних жил з частотою хаотичного коливання, що перевищує критичну частоту миготіння, помітну оком людини. При цьому в кожному положенні жили, яка коливається, освітленість її вихідного торця рівномірна, але змінюється залежно від яскравості переданого в даний момент часу елементу зображення.

Поперечні зсуви пучків волокон повністю усувають ряд джерел втрат інформації, оскільки жили, які при цьому коливаються, перекривають площу, яка в нерухомому джгуті була зайнята світлоізолюючим прошарком. Тому відмінний від одиниці коефіцієнт заповнення торця жилами не призводить до втрати інформації.

Через хаотичність переміщення пучка світлопроводів на об'єм переданої інформації не впливає топологія укладання жил: роздільна здатність пучка практично однакова при квадратній і гексагональній структурах. Пучок світлопроводів, які коливаються, передає тонші особливості розподілу освітленості по початковому зображенню, які не дозволяються при нерухомій деталі. Таким чином, пучок волокон, які коливаються, забезпечує значно менші втрати інформації, чим нерухомий. Даний метод, усуваючи повністю мозаїчність і дефектність структури волоконних деталей, призводить до підвищення їх роздільної здатності і коефіцієнта передачі контрасту. Роздільна здатність пучка, який коливається, рівна , тобто обмежується діаметром світлопровідної жили і майже в 2,5 разу перевищує роздільну здатність нерухомого пучка [15].

Практична реалізація даного методу показала, що коливальні механізми виявилися вельми важкими, громіздкими і малонадійними; крім того, при гнучкій конструкції пучка світлопроводів, які коливаються, при тривалій експлуатації руйнуються волокна. Тому перспективнішим є використання скануючих пристроїв на вході і виході волоконного пучка. Рух торців пучка може бути замінений рухом оптичних систем, що відхиляють зображення, розташованих попереду пучка і на виході. Рухи торців пучка (або відхиляючих систем) можуть бути безладними або ж регулярними, але обов'язково строго однаковими і синфазними. Частота рухів повинна перевищувати критичну частоту миготінь для сприйняття злитої картини на виході (добрі результати виходять при частоті 50 Гц). Амплітуда рухів повинна захоплювати, принаймні, 1÷2 діаметру світлопровідної жили для зняття помітності структури і 7÷15 діаметрів для зняття помітності облому окремих світлопровідних жил і інших дрібних дефектів пучка. Як скануючі елементи можуть використовуватися плоскопаралельні пластинки, які коливаються або переміщаються, призми і ін. [15].

Перспективніша схема з круговим скануванням - синхронним обертанням перед вхідним і за вихідним об'єктивами оптичних клинів або інших відхиляючих систем (рисунок 3.16). Всі точки зображення при цьому рухаються по вхідному торцю пучка по однакових колах. Цей же рух відбувається і на вихідному торці пучка. Клин, який обертається, за вихідним об'єктивом відхиляє зображення кожної точки до центру круга, по якому вона пробігає, і цим зупиняє зображення.

Відхилення променів клинами на вході і на виході мають бути однаковими по чисельному значенню і напряму відносно структури торців пучка. При невиконанні цих умов залишково зміщена пляма оббігає навколо ідеального зображення кожної точки і утворює кільце, діаметр якого удвічі більше цього зсуву. Крім того, на відміну від спектрального розкладу і згортання, де яскравість на краях спектру набагато менша, ніж в середині, тут весь потік лежить в зоні кільця. Все це підвищує вимоги до точності роботи компенсуючого клину.

Поки розроблені лише лабораторні зразки ендоскопів з такими пристроями. Складність вирішення задачі цим способом в медичних ендоскопах посилюється тим, що габаритні розміри синхронних двигунів не повинні значно перевищувати діаметр пучка і довжини об'єктиву. Проте перспектива зняття мозаїчності зображення, підвищення роздільної здатності системи в два рази, велико-маштабної картини, зняття помітності дефектів і облому окремих світлопровідних жил і збереження правильного перенесення кольорів по всьому полю виправдовують конструкторські і технологічні розробки в цьому напрямі.

Рис. 3.16. Зняття мозаїчності структури волоконного пучка із зображення методом синфазного сканування оптичними клинами, які обертаються ( і - об'єкт і його зображення): 1 - клини, які обертаються; 2 - об'єктиви; 3 - волоконно-оптичний джгут

У [39] запропонований компромісний метод, оснований на циркулярному (крузі) переміщенні зображення лише по вхідному торцю волоконного пучка (рисунок 3.17, а). Перед об'єктивом встановлюється ахроматизований оптичний клин, який обертається. Експериментально встановлено, що максимальне підвищення роздільної здатності має місце при круговому переміщенні зображення з кутовою швидкістю в просторі зображень від 6 до 6,5 град/с і з кутовою амплітудою до 3°.

Встановлено, що оптимальна кількість сканованих волокон повинна складати від 25 до 30, що досить для усереднювання нерегулярності укладання жил в пучку волокон, згладжування міжелементної нерівномірності світлопропускання, тобто для зменшення впливу цих чинників реальних волоконних елементів на якість і комфортність сприйнятого зображення.

Завдяки круговому переміщенню зображення по вихідному торцю джгута і мимовільному відстежуванню оком рухомої картини, увага спостерігача відволікається від мозаїчності вихідного зображення і від зображення об'ємних дефектів пучка, переданих на площину його вихідного торця. Такий процес сприйняття зображення подібний до спостереження зовнішньої картини через ґратчасте вікно, при якому людина не помічає об'єктивного дискомфорту, внесеним ґратчастим вікном. Крім того, в даному випадку позитивно позначається і наступна властивість складного процесу сприйняття зображень людиною: людині властиве мимовільне, підсвідоме сприйняття рухомих (у тому числі і плоских) зображень як просторових, стереоскопічних. Ця відмінність призводить до того, що рухливе зображення сприймається таким, що знаходиться перед вихідним торцем джгута, всередині останнього.

Рис. 3.17. Схеми кругового переміщення зображення по вхідному торцю волоконного пучка: а) з вуалюванням мозаїчності і дефектів пучка; б) із зняттям мозаїчності і дефектів; 1 - оптичний клин, який обертається; 2 - об'єктив; 3 - пучок волокон; 4 - окуляр; 5, 6 - спектральні призми

Метод циркулярного переміщення волоконного джгута зображення по вхідному торцю, може бути застосований спільно із спектральною компенсацією мозаїчності і дефектності спостережуваного зображення. Для цього перед вхідною спектральною призмою 5 (рисунок 3.17, б) встановлюється ахроматичний клин, який рівномірно обертається довкола оптичної осі. Випромінювання від об'єкту проходить через оптичний клин, який обертається, і спектральною призмою 5 розвертається в спектр. У фокальній площині об'єктиву 2, поєднаного з вхідним торцем волоконного джгута, формується спектральне зображення об'єкту спостереження, яке переміщається. Окулярна призма 6, встановлена так, що напрями дисперсій призм 5 і 6 збігаються, формує ахроматичне, безструктурне, переміщається в поле зору по круговій траєкторії зображення, яке і сприймається спостерігачем. Максимальне збільшення роздільної здатності досягається при кутовій швидкості переміщення зображення в просторі зображень близько 6 град/с.

Для повного зняття мозаїчності і дефектності зображення запропоновані також голографічні методи [38].