3.3.4. Освітлювальні системи ендоскопів

Завдання забезпечення максимальної інформативності ендоскопічної апаратури нерозривно пов'язане з відповідним погодженим вибором елементів освітлювача, їх параметрів і режимів роботи. У медичних ендоскопах в якості освітлювачів використовують, як правило, волоконні освітлювачі, в яких передача світла від джерела випромінювання в задану зону здійснюється по освітлювальних волоконно-оптичних джгутах. Використання оптичних і електричних роз'ємів полегшує експлуатацію як освітлювачів, так і ендоскопів. Для формування заданої освітленості на спостережуваній поверхні потрібне використання потужних джерел світла з регульованою яскравістю, а це, у свою чергу, веде до необхідності створення пристроїв охолоджування і керування.

Принципова схема малогабаритного переносного освітлювача для ендоскопа представлена на рисунку 3.28[38]. Освітлювальний джгут 6 за допомогою роз'єму 7 стикується з джерелом випромінювання.

Світловий потік від джерела випромінювання 1 за допомогою оптичної системи збирається, фільтрується і фокусується на вхідному торці освітлювального джгута 6. Для підтримки необхідного теплового режиму всередині джерела світла вбудовується вентилятор 8. Для керування роботою освітлювача передбачається електронний блок 9, регулювання яскравості випромінювача при ручному керуванні виконується регулятором 10. За допомогою роз'єму 11 освітлювач під'єднується до джерела електричного живлення.

Оптична система освітлювача включає джерело випромінювання 1, світловий потік якого збирається і формується за допомогою відбивача 2 і конденсора, що складається з лінз 3 і 5. Для захисту вхідного торця волоконного освітлювального джгута 6 від сильних теплових дій в конденсор вбудовується теплофільтр 4.

Як джерела оптичного випромінювання використовуються галогенні, ксенонові і металогалоїдні лампи.

Найбільш дешеві і доступні лампи - галогенні, потужністю від 100 до 300 Вт. Для цих ламп характерні малий ресурс роботи (до 100 год), невисока колірна температура (до 3 500 К), що негативно позначається на якості передачі кольору зображення, яке забарвлюється в жовтуваті тони. Такі лампи потужністю до 150 Вт можуть використовуватися в освітлювачах діагностичних комплексів, що працюють з оком. В разі використання відеокамери для здобуття якісного зображення на екрані монітора, освітленість об'єкту дослідження має бути вищою. В такому випадку необхідно використовувати галогенні лампи потужністю не менше 250 Вт.

Рис. 3.28. Принципова схема освітлювача

Перспективніший освітлювач - прилад з ксеноновою лампою, яка в порівнянні з галогенною має спектр випромінювання, що наближається до природного (6000 К). Ресурс її роботи наближається до 1000 год. Джерело світла на ксеноновій лампі дозволяє отримати велику освітленість об'єктів дослідження при менших витратах електроенергії, оскільки ККД у неї вищий, ніж в галогенної.

Найбільш оптимальним для відеосистем є джерело світла, що містить металогалоїдні лампи. При колірній температурі 5200 К вони мають спектр світла, оптимізований до ПЗС-матриць відеокамери, високий ресурс роботи (до 1000 год) і високий ККД. При потужності 50 Вт ці лампи забезпечують таку ж освітленість, як ксенонові при 150÷200 Вт і галогенні при 250÷300 Вт [5].

Як правило, лампи живляться від мережі змінного струму через знижувальний трансформатор напругою 12 або 24 В. Через високої температури кварцевих колб ламп потрібне їх примусове охолоджування, здійснюване за допомогою повітряної вентиляції. Випромінювання ламп фокусується на торець волоконного джгута конденсором, відносний отвір якого від 1:1 до 1:1,5. Для запобігання перегрівання джгута в оптичну систему вводиться теплофільтр із скла СЗС21 або СЗС23 завтовшки 2÷3 мм. Для запобігання розтріскування світлофільтрів їх доцільно встановлювати в схемі там, де перетин пучка променів максимальний, а опроміненість мінімальна. Світловий потік лампи регулюється або вручну, або автоматично від сигналу відеокамери. У освітлювачах регулювання освітленості може бути виконане зниженням напруги на лампі, але при цьому неминуча деяка зміна кольору освітлення. Якщо це небажано, то може застосовуватися заслінка, що вводиться між лінзами конденсора в районі паралельного ходу променів. Менш бажане введення нейтральних фільтрів. Освітлювачі для фотографування забезпечуються автоматичними імпульсними освітлювачами і експонометрами. Форма перетину вхідного торця освітлювального джгута вибирається, залежно від форми тіла напруження джерела світла, або круглою, або прямокутною. Вихідному торцю надається кільцева або прямокутна форма, що забезпечує високу міру рівномірності освітлення об'єкту.

У таблиці 3.8 наведені характеристики деяких галогенних ламп, часто використовуваних в освітлювачах ендоскопів.

Таблиця 15

Характеристики галогенних ламп

Марка лампи	Напруга живлення, В	Потужність, Вт	Колірна температура, К	Габаритні розміри тіла каналу
КТМ-9-25	9	25	3200	2x4
КТМ-9-75	9	75	3200	2x6
КГМ-12-100	12	100	3200	4x4
КГМ-24-150	24	150	3200	5x5
КГМ-30-300	30	300	3200	5x10

Контроль необхідної освітленості на робочій відстані ендоскопа здійснюється за допомогою люксметрів типа 10-16, що мають діапазон вимірювання від 1 до 50000 лк. Давач люксметра розміром 40x40 мм розташовується в площині предмету перпендикулярно напряму осьової лінії світлового пучка.

Для регулювання освітлення досліджуваної поверхні в освітлювачі вбудовуються регулятор яскравості, вузли поєднання оптичних осей конденсора і освітлювального джгута, а також органи керування пристроями охолоджування.

Конденсор передає світло від джерела на вхідний торець освітлювального джгута. Оскільки номінальна числова апертура освітлювальних джгутів у всіх країнах близька до 0,5, то при правильному виборі конденсора на торець джгута повинен падати конус променів з кутом при вершині . Зазвичай розмір тіла джерела світла менший перетину джгута, і конденсори передають на його торець збільшене зображення джерела, при цьому апертура конденсора на вході відповідно більша 0,5, а кут обхвату випромінювання лампи більший 60° (часто від 90 до 120°). Лінійне збільшення конденсора вибирається, виходячи з розмірів тіла напруження джерела світла і вхідного торця освітлювального джгута.

Лінзові конденсори зручні тим, що дозволяють розмістити довкола лампи декілька конденсорів і послати світло одночасно в таку ж кількість джгутів, які надалі можуть об'єднатися в один джгут або розходитися до різних приладів. Кожен з таких конденсорів містить від 3 до 5 лінз, при цьому найближчі до лампи лінзи сильно нагріваються і щоб уникнути розтріскування виконуються з кварцу. Все це призводить до значної маси і складності пристрою, але світлотехнічні параметри таких систем вищі, ніж дзеркальних. Дзеркальні конденсори мають форму відрізку еліпсоїда обертання (див. рисунок 1.4), в одному фокусі якого розміщено тіло напруження джерела світла, а в другому - торець джгута. Такі конденсори посилають світло лише в один джгут. Відповідно, їх загальний ККД нижчий, ніж в системі з лінзовими конденсорами. Крім того, при розташуванні джгута уздовж осі конденсора колба лампи потрапляє в пучок відбитих від нього променів і частково екранує торець джгута. Перевагою дзеркальних конденсорів є легкість, простота конструкції, можливість відфільтровування інфрачервоних променів, які проходять крізь інтерференційне дзеркальне покриття, розсіюються в кожусі блоку і не перегрівають торець джгута.

З'єднання конденсора і лампи в єдиний роз'ємний блок, що часто включає і гніздо для освітлювального джгута, значно спрощує експлуатацію системи і не вимагає юстування лампи відносно конденсора і останнього відносно торця джгута, хоча і призводить до необхідності заміни всього блоку, якщо лампа перегорить. Випускаються освітлювачі з двома лампами, здатними працювати по черзі. Це дає можливість оперативно переходити на другу лампу при перегоранні першої, яка замінюється пізніше. Зручною вважається наявність лічильника ресурсу лампи, що фіксує час її роботи і дає можливість своєчасно провести заміну джерела випромінювання.

Виробляються наступні лампи-конденсори: мініатюрна лампа розжарювання з концентрованою ниткою, купол колби, якою потовщений і має форму плоско-опуклої лінзи, що зображує нитку лампи на торець джгута; лампа розжарювання, частина колби якої має форму еліпсоїда і дзеркальне покриття, що посилає відбиті промені через протилежну прозору стінку колби на торець джгута; у ряді конструкцій на внутрішній ніжці лампи поряд з ниткою напруження розміщено високоякісне еліптичне дзеркало з інтерференційним покриттям, що працює подібно до описаного вище; випускаються точні еліптичні відбивачі, уздовж осі яких у фокусі на спеціальному цементі встановлена ксенонова лампа надвисокого тиску, точна фіксація такої комбінації відносно гнізда джгута здійснюється по колу широкого краю відбивача; нарешті, широкого використання набула коробчаста конструкція, що має гніздо для джгута, відбивач і лампу, взаємно відюстовану на заводі-виробнику, і штепсельну вилку, що вставляється в гніздо освітлювального блоку. У останній конструкції при перегоранні лампи вся коробка виймається з гнізда і на її місце встановлюється запасна. Перегорівша лампа надалі може бути замінена.

Освітлювачі забезпечують величину освітленості вхідного торця освітлювального джгута до десятків мегалюкс.

Для узгодження спостережуваного і освітленого полів освітлювальний джгут в ендоскопі може певним чином орієнтуватися відносно волоконно-оптичного джгута з регулярним укладанням, необхідним для передачі зображень. При цьому кут між осями спостерігаючого 2 (рисунок 6.2) і освітлювального 3 каналів вибирається так, щоб максимально забезпечити освітлення всього поля зору спостерігаючого каналу при положенні об'єкту 1 в межах діапазону робочих відстаней. Для узгодження розміру освітленого поля і поля зору спостерігаючого каналу після освітлювального джгута може встановлюватися додатковий об'єктив 4. Габаритний розрахунок проводиться з врахуванням робочих відстаней, кутового поля візуального каналу, апертур джгутів, їх розмірів, взаємного положення і характеру виконання дистального кінця освітлювального джгута. Якщо дистальний кінець освітлювального джгута розділений на два джгути або виконується у вигляді кільця, коаксіально розташованого відносно регулярного джгута, передавного зображення (див. рисунок 3.19), то в такому ендоскопі легко здійснити рівномірне освітлення всього поля зору.

Освітлювальні блоки для ендоскопів випускаються декількома десятками фірм, кількість їх типів перевищує дві сотні, і їх вдосконалення і модернізація безперервно продовжуються.

Рис 6.2. Схема узгодження полів зору освітлювального і спостерігаючого каналів