3.3.3. Окуляр

Зображення, передане по волоконно-оптичному джгуту, складається з безлічі елементів різної яскравості, відповідних вихідним торцям одиничних волокон. Якщо зображення вихідного торця розглядається з таким збільшенням, при якому помітні вихідні торці окремих волокон, то картина виходить "нав'язливою", мозаїчною, тобто дискомфортною в порівнянні з безструктурним зображенням класичних оптичних систем. При цьому будь-які дефекти джгута (наприклад, не пропускаючі світло волокна або їх групи) помітні і заважають спостереженню. Тому видиме збільшення окулярного пристрою волоконного ендоскопа повинне вибиратися такої величини, яка дозволяла б спостерігачеві розглядати елементи зображення без напруження. При надмірно великому збільшенні окулярного пристрою ускладнюється його конструкція, помітнішими стають і дефекти всієї оптичної системи. Навпаки, застосувавши у волоконному ендоскопі досить слабкий окуляр, можна настільки зменшити масштаб видимого зображення, що спостерігач не зможе розрізняти окремі волокна і сітки світлоізолюючих прошарків між ними. При подальшому зменшенні збільшення окуляра перестануть розрізнятися і дефектні волокна. Проте при цьому неминуче зменшення загального потоку інформації про об'єкт, який фактично переданий волоконним пучком на його вихідний торець, оскільки при малому збільшенні окуляра відбувається втрата дрібних деталей картини.

Якість спостереження вихідного торця джгута через окуляр прийнято характеризувати коефіцієнтом комфортності спостереження [38]:

, (3.5)

де - роздільна здатність ока;

- роздільна здатність нерухомого волоконно-оптичного джгута;

- видиме збільшення окуляра.

Коефіцієнт характеризує відносну роздільну здатність озброєного окуляром ока, приведену до роздільної здатності джгута.

У [38] наведені рекомендації щодо вибору величини , необхідної для визначення видимого збільшення окуляра залежно від роздільної здатності використовуваного в ендоскопі волоконно-оптичного джгута.

При значеннях менше 0,5 мозаїчності пучка не видно, роздільна здатність системи близька до роздільної здатності озброєного ока і майже не залежить від роздільної здатності пучка. Але при цьому роздільна здатність системи менша половини роздільної здатності волоконно-оптичного джгута, а коефіцієнт використання об'єму інформації, переданого джгутом, не перевищує 25%.

При роздільні здатності джгута і озброєного окуляром ока рівні, при цьому мозаїчності структури ще майже не видно. Дефекти пучка, у тому числі і облом окремих волокон, ще лежать на межі роздільної здатності, роздільна здатність всієї системи складає 71% від роздільної здатності пучка, а коефіцієнт використання об'єму інформації складає 50% від фактично переданого волоконно-оптичним джгутом.

Для підвищення коефіцієнта використання об'єму інформації, переданого волоконно-оптичним джгутом, коефіцієнт комфортності слід підвищувати і вибирати його величину з врахуванням параметрів реального джгута.

Так, якщо в структурі джгута є велика кількість дрібних дефектів, то, аби зробити їх малопомітними, величину вибирають близькою до 3. При цьому мозаїчності структури майже не видно, а дефекти, що мають високий контраст, помітні на рівномірно яскравому полі [37]. При цьому роздільна здатність системи складає до 90% роздільної здатності джгута, а коефіцієнт використання фактично переданого джгутом об'єму інформації збільшується до 81%.

Якщо волоконно-оптичний джгут відрізняється високою регулярністю, однорідністю і щільністю укладання волокон і має малу кількість дефектів, то коефіцієнт комфортності може бути збільшений до 4÷5.

Сучасні вітчизняні і зарубіжні моделі медичних ендоскопів мають [38], при цьому в них використовується 0,95÷0,98 роздільної здатності джгутів.

Якщо прийняти, що для нормального зору на відстані найкращого бачення роздільна здатність ока мм^-1, а , то з формули (3.5) вийде, що

.

У останнє співвідношення необіхдно роздільну здатність нерухомого волоконно-оптичного джгута () підставляти в лін/мм, а видиме збільшення окуляра () отримується в кратах. Для порівняння: у роботі [37] експериментально встановлено, що видиме збільшення окуляра в ендоскопах залежить від роздільної здатності регулярного волоконно-оптичного джгута і чисельно приблизно рівне половині її абсолютного значення.

При значеннях роздільна здатність системи складає 0,98÷0,99, тобто практично наближається до роздільної здатності джгута, але добре помітна мозаїчна структура зображення: світлопровідні волокна, світлоізолюючі прошарки між ними, порушення однорідності, регулярності, щільність і інші дефекти структури і навіть інтерференційні картини на вихідних торцях окремих волокон, що призводить до дискомфорту сприйняття зображення.

При знятті мозаїчності структури зображення, наприклад, шляхом сканування або спектрального розкладу, роздільна здатність волоконно-оптичного джгута підвищується більш, ніж удвічі, і тому коефіцієнт комфортності може бути збільшений до 7÷30, що дозволяє підвищити більш, ніж в 6 разів, об'єм переданої інформації в порівнянні з мозаїчним зображенням.

Окуляр ендоскопа з волоконною оптикою працює аналогічно лупі, предметом для якої служить вихідна поверхня волоконно-оптичного джгута. Розрахунок оптичної схеми окуляра проводиться з врахуванням апертури джгута і кривизни його вихідного торця. Зазвичай діаметр вихідної зіниці приймається декілька більшим, ніж діаметр зіниці ока спостерігача, що полегшує позиціонування ока відносно окуляра при спостереженні в ендоскоп.

Рис. 3.27. Схеми введення призми для компенсації дзеркальності зображення при бічному огляді: а) призма АР-90°; б) призма Дове АР-60°; в) призма Дове АР-0°

Для забезпечення можливості спостереження в окулярах видалення вихідної зіниці від останньої поверхні окуляра має бути не менше 15÷20 мм. Для збільшення заднього фокального відрізку окуляра може служити колектив, розташований у вихідного торця джгута. Зазвичай окуляр ендоскопа складається з двох дволінзових склеювань, а колектив - з двох одинарних лінз. Окуляр ендоскопів зазвичай має діоптрійне переміщення в межах ±5 дптр.

Для зменшення кута повороту дистального кінця ендоскопа при огляді важкодоступних ділянок внутрішніх порожнин застосовують ендоскопи з бічним кутом напряму спостереження, вводячи в об'єктив ендоскопа 2 призму 1 (рисунок 3.27). При використанні бічного огляду виникає завдання усунення або компенсації дзеркального зображення. Для цього в оптичну схему окулярної частини ендоскопа вводиться ще одна призма 3, яка може встановлюватися або між джгутом і окуляром (рисунок 3.27, а, б), або безпосередньо за окуляром (рисунок 3.27, в). Вочевидь, що призму АР-0° доцільніше розташовувати в паралельних пучках променів за окуляром, де її вплив на якість зображення буде меншим.