1.2.2 Осветительная система эндоскопа

Поскольку при наблюдении в эндоскоп отсутствует внешнее освещение, то от осветительной системы зависит сама возможность наблюдения биологического объекта с помощью эндоскопа. Поэтому основная задача осветительной системы эндоскопа заключается в обеспечении высокой освещенности поля зрения и создании колориметрического подобия изображения объекту.

Для оценки требуемой величины освещенности наблюдаемого объекта в поле зрения эндоскопа используются формулы прикладной оптики для расчета величины освещенности изображения, построенного оптической системой, которые применительно к оптической системе эндоскопа можно записать в виде:

,

(9)

где E '_из – освещенность на оси изображения в предметной плоскости окуляра эндоскопа;

     L_об – яркость объекта наблюдения;

     t_об, t_об.с. – коэффициенты пропускания объектива и системы переноса изображения (оборачивающей системы);

     s'_A' – апертурный угол в пространстве изображений объектива (см. рисунок 8);

     b_об.с. – линейное увеличение системы переноса изображения.

В соответствии с законом Ламберта для диффузно отражающих поверхностей соотношение между яркостью объекта L_об и его освещенностью E_об определяется коэффициентом r диффузного рассеяния: .

Подставляя в закон синусов выражение для линейного увеличения объектива и приняв во внимание, что , получим выражение для числовой апертуры в пространстве изображений объектива , при этом отрезки s и z при проведении светотехнического расчета можно принять равными.

С учетом вышесказанного, выражение (9) при однократном увеличении системы переноса изображения примет вид

,

Используя последнее выражение, можно таким образом сформулировать требование к величине освещенности объекта: осветительная система должна создавать величину освещенности наблюдаемого в эндоскоп объекта в раз выше, чем желаемая величина освещенности изображения в предметной плоскости окуляра (здесь К – диафрагменное число объектива).

Количественная оценка показывает, что освещенность объекта должна превышать желаемую освещенность изображения на три порядка. Поскольку диафрагменное число K объектива определяется наблюдательной системой эндоскопа и не может быть малым в силу необходимости обеспечения определенной глубины резко изображаемого пространства, то в оптических системах эндоскопов большое значение имеют меры по повышению коэффициентов пропускания объектива и системы переноса изображения.

Осветительные системы современных эндоскопов создают величину освещенности наблюдаемого биологического объекта от нескольких тысяч до десятков тысяч люкс.

• Дистальное осветительное устройство эндоскопа – осветительное устройство эндоскопа, источник света которого расположен в дистальном, т.е. противоположном от наблюдателя, конце эндоскопа.

• Проксимальное осветительное устройство – осветительное устройство эндоскопа, источник света которого расположен в проксимальном, т.е. обращенном к наблюдателю, конце эндоскопа [9].

В дистальных осветительных устройствах используются миниатюрные лампы накаливания [15]. Такая система имеет ряд существенных недостатков: малая освещенность объекта; разогрев лампы может вызвать ожог слизистой; длина дистального конца увеличивается на длину лампы; поперечные размеры дистального конца при прямом направлении наблюдения значительно возрастают (лампа располагается рядом с оптической трубкой).

Указанные недостатки устранены в жестких эндоскопах с волоконным световодом, конструкция которых позволяет устанавливать мощный источник света на проксимальном конце. Излучение, поступающее в полость, в этом случае будет «холодным». Длина дистального конца сократится на длину лампы. Его диаметр при прямом направлении наблюдения в определенном конструктивном исполнении уменьшится. Освещенность участков наблюдения будет значительно выше. Именно такие осветительные устройства используются в большинстве современных моделей эндоскопов (см. далее п. 3.3.4).

В осветителях применяют либо линзовые, либо зеркальные конденсоры. Например, отражатель осветителя ОС-150-01 представляет собой 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 9). На внутреннюю поверхность отражателя наносится многослойное интерференционное покрытие с высокими коэффициентами отражения в видимой области спектра и пропускания – в инфракрасной. Для поглощения последнего в осветителях с линзовыми конденсорами устанавливают теплофильтры.

Рисунок 9 – Принципиальная схема источника «холодного» света

Реальный цвет биологического объекта определяется при освещении его белым светом, например, источником типа В или С с цветовой температурой 4 800 и 6 500 К соответственно. При эндоскопии биологический объект освещается излучением, формируемым 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 [11].

Кроме того, оптические детали наблюдательного канала, особенно изготовленные из тяжелых стекол, например, СТФ11, ТФ12, еще больше изменяют результирующий цвет наблюдаемого биологического объекта. Поскольку все компоненты оптической системы эндоскопа вносят изменения в спектральный состав светового излучения, достигающего глаза наблюдателя, то трудно достичь колориметрического подобия. Это затрудняет верификацию патологии, особенно в случаях проведения хромоэндоскопии с применением витальных красителей [11], так как наблюдаемый цвет биологического объекта не будет соответствовать его реальному цвету. Поэтому вопросы колориметрического подобия необходимо учитывать при разработке как осветительных, так и наблюдательных систем эндоскопов.