3.2.8 Передача изображения пучком волокон

 

Совокупность волокон образует волоконно-оптические пучки, или жгуты. Различают жгуты с регулярной (когерентной) и нерегулярной укладками, при этом первые используются для передачи изображения, вторые – для освещения объектов.

Основными оптическими характеристиками жгутов являются светопропускание, разрешающая способность, числовая апертура, частотно-контрастная характеристика, межэлементная неравномерность (микроструктурный шум) оптических параметров по полю, возникающая из-за мозаичности структуры любого пучка световодов, и дефектность, выражающаяся в локальной частичной потере светопропускания (отдельных волокон или группы).

Разрешающая способность неподвижного пучка волокон. Многожильные волоконные детали состоят из световедущих жил, разделенных светоизолирующими прослойками. Разрешающая способность пучка одножильных волокон в основном зависит от их диаметра и минимального расстояния – периода или шага между их центрами.

Волокна (рисунок 54) в пучке могут быть уложены так, что линии, соединяющие их центры, образуют квадрат (квадратная укладка), или так, что центры световедущих жил лежат в вершинах равносторонних треугольников (гексагональная укладка). Последний тип укладки более рационален с точки зрения как устойчивости положения волокон в пучке, так и минимизации потерь элементов изображения. Площадь нерабочего пространства между волокнами в этом случае равна 9% площади сечения пучка, тогда как при квадратной укладке она составляет 21,5%.

Рисунок 54 – Элементарные периоды для трех топологий укладки волокон в пучке: а) квадратная; б) гексагональная горизонтальная; в) гексагональная вертикальная

Излучение, падающее на входной торец любой элементарной жилы, независимо от распределения освещенности по площади торца, равномерно распределяется по выходному торцу световедущей жилы вследствие действия эффекта симметризации снопа лучей по сечению жилы. Поэтому разрешающая способность пучка волокон, измеряемая числом линий на миллиметр, зависит от шага (периода) укладки волокон и в соответствии с теоремой Котельникова равна:

,

где Ш – шаг (период) структуры укладки волокон, равный минимальному расстоянию между их центрами.

Если обозначить (где Dc – диаметр сердцевины, – толщина оболочки), то для квадратной укладки Ш = D и, следовательно – наивысшая пространственная частота, которую может передать неподвижный пучок волокон с постоянным диаметром при однородной квадратной укладке. Так как для множества волокон период решетки зависит от расположения их в пучке, сказанное справедливо только для направления плотных рядов.

При гексагональной укладке волокон в пучке увеличивается число элементарных световедущих жил, приходящихся на заданную площадь изображения. При гексагональной укладке волокон в пучке шаг структуры равен 0,87D, т.е. наивысшая номинально разрешаемая пространственная частота составит . Эта граница пропускания высоких частот относится к двум слоям волокон, находящихся между собой в контакте. Таким образом, разрешающая способность жгута с гексагональной укладкой волокон в 1,15 раз выше, чем с квадратной.

Итак, максимальная пространственная частота, которая номинально может быть передана неподвижным пучком волокон, лежит между 0,5D^-1 и 0,57D^-1. Объем информации N, передаваемый неподвижным пучком волокон, определяется числом элементарных световедущих жил на площади S. При квадратной укладке , при гексагональной , т.е. в последнем случае Nн в 1,32 раза больше.

Особо отметим, что в принципе могут быть выявлены слои волокон в пучке с меньшими периодами при условии, что допустимо отсутствие контакта между составляющими слой волокнами, например Ш = 0,70D при квадратной и Ш = 0,5D при гексагональной топологиях. Эти бесконтактные периоды соответствуют только определенным направлениям I' и II' структуры пучка волокон (см. рисунок 54в).

Разрешающая способность сканирующих волокон. Существенное повышение разрешающей способности и качества передаваемого изображения достигается при возвратно-поперечном или циркулярном смещении пучка волокон, передающего изображение. При быстром перемещении – сканировании входного торца пучка волокон по изображению, подлежащему передаче, – и точно таком же перемещении выходного торца происходит сглаживание мозаичности изображения и дефектов структуры волоконной детали. Для стирания всех признаков структуры достаточно перемещения пучка на 4 – 5 диаметров жилы. Частота колебаний должна быть выше критической частоты мельканий, различаемых глазом человека. Показано, что при этом разрешающая способность может быть повышена до 2,44[38].

Стыковка волоконных жгутов. При последовательном соединении волоконных пучков практически невозможно обеспечить точное (когерентное) совпадение их структур. Жилы одного пучка занимают произвольное положение относительно жил смежного пучка.

В 1968 г. Д.К. Саттаровым и Л.С. Трофимовой впервые экспериментально обнаружена неожиданно малая потеря результирующей разрешающей способности каскада из нескольких волоконных пучков. Экспериментальные исследования подтвердили незначительную потерю информации при последовательном оптико-механическом соединении в каскад нескольких волоконных пучков (исследованы шестикаскадные соединения), на основании которых подобрана формула для определения разрешающей способности механически соединенных между собой k волоконно-оптических жгутов:

.

Если принять разрешающую способность одной детали за 100%, то для системы из k волоконно-оптических жгутов получится:

.

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

Способы устранения мозаичной структуры изображения в волоконно-оптических жгутах. Любая волоконная деталь состоит из множества световедущих жил, разделенных светоизолирующими прослойками. Полезный световой поток, падающий на входной торец жилы, распространяется по ней и выходит из ее выходного торца, причем независимо от распределения освещенности по входному торцу усредняется по площади выходного торца, т.е. каждая единичная жила переносит информацию только об одном элементе изображения, спроецированного на ее входной торец. Таким образом, любая волоконная деталь разбивает на элементы изображение, помещенное в контакт с его входным торцом или спроецированное на его поверхность с помощью оптических или электронно-оптических систем, и передает информацию о каждом элементе через единичную жилу на выходной торец.

Изображение, переданное через пучок световодов, состоит из множества элементов различной яркости, соответствующих выходным торцам единичных жил, т.е. изображение получается мозаичным.

Известно, что глаз разрешает объекты, если их угловая величина не менее 1 угл. мин. Если изображение выходного торца рассматривается с помощью окуляра с таким увеличением, при котором элементы структуры имеют угловой размер более 1 угл. мин., т.е. становятся различимыми, то наблюдаемая картина будет мозаичной, навязчивой, неприятной при наблюдении и трудно анализируемой. При этом любые дефекты пучка, например, не пропускающие свет жилы, становятся различимыми и мешают наблюдению. Поэтому необходимо принимать специальные способы для уменьшения или полного устранения заметности мозаичности структуры пучков.

Уменьшение заметности мозаичности изображения и дефектов волоконных пучков – одна из главных задач конструкторов, создающих наблюдательные волоконно-оптические системы. Существует много путей решения этой задачи, различающихся эффективностью и характером реализации. Рассмотрим некоторые из них [38, 39].

Уменьшение масштаба видимой картины. Уменьшение масштаба за счет применения достаточно слабого окуляра позволяет сделать почти полностью незаметными мозаичность и даже дефекты структуры волоконных пучков, в том числе и обломы отдельных волокон. Однако при этом уменьшается объем используемого потока информации от общего объема информации об объекте, фактически переданного пучком. Причем утрачиваются мелкие, наиболее информативные детали картины.

Расфокусировка объектива. При высокой разрешающей способности объектива, создающего изображение на входном торце пучка волокон, мелкие детали объекта, попавшие на прослойки между световедущими жилами, оказываются потерянными. Чтобы этого не происходило, достаточно увеличить кружок рассеяния в изображении и обеспечить его диаметр в 2 – 3 раза большим, чем ширина прослойки между жилами. Если система работает на постоянном расстоянии до объекта, это достигается соответствующей незначительной расфокусировкой объектива. Этот прием уменьшения влияния мозаичности на входе применим при отсутствии дефектных жил, так как значительная расфокусировка объектива с целью сохранить информацию, например, попавшую на обломанные волокна, приводит к некоторому размытию изображения и соответственно снижает разрешение всей системы эндоскопа.

Создание микролинзового рельефа на торцах волоконного пучка. Схема такого рельефа, точно повторяющего расположение волокон в пучке, показана на рисунке 55. Выпуклые линзы образованы на поверхности прозрачного слоя, нанесенного на торцы волоконного пучка. Толщина этого слоя берется равной фокусному расстоянию линз.

Рисунок 55 – Микролинзовый рельеф выходного торца волоконного пучка: 1, 2 – пучки лучей, проходящие соответственно через центр и край микро­линзы; 3 – луч, падающий на соседнюю микролинзу (минует окуляр); 4 – торец волоконного пучка; 5 – прозрачный слой с микролинзовой поверхностью; 6 – окулярное устройство; 7 – выходной зрачок системы

Если микролинзовый рельеф имеет входной торец волоконной детали, то все лучи, падающие на поверхность линз, входят в свои световедущие жилы. Если линзы стыкуются друг с другом, образуя гексагональную или квадратную структуру, то такая система в пределах апертурного угла работает, как пучок с жилами размером Dc + 2, уложенными без промежутков с коэффициентом заполнения, приближающимся к единице. Это сводит до минимума потерю информации на входе пучка. Даже если рельеф нанесен на торец пучка, имеющего дефектные жилы, например, обломанные волокна, линзы соседних волокон, смыкаясь над местом излома, захватят часть света против дефектного волокна, и соседние жилы передадут свет на выходной торец пучка. Недостаток такой системы – увеличение наклона лучей в жиле, приводящее к некоторому размытию зрачка выхода эндоскопа.

Микролинзы на выходе пучка работают, как маленькие линзы, увеличивающие изображение торцов световедущих жил. Хотя мозаичность изображения сохраняется, сетка прослоек утончается до минимума, что приводит к увеличению комфортности восприятия изображения.

Создание микроволнистого рельефа на линзе окуляра. Такой рельеф на поверхности линзы окуляра (рисунок 56) отклоняет в разные стороны лучи, проходящие через линзу, на угол примерно . Такую микроволнистую поверхность можно представить, например, как совокупность пологих конических холмов или воронок. Глубина рельефа должна быть примерно от 0,05 до 1 мкм, шаг – несколько десятых долей мм (0,5 – 0,2 мм). При таком характере рельефа изображения сетки прослоек и самих жил получаются размытыми. Темные прослойки заполняются размытыми краями изображения жил. Это уменьшает заметность сетки прослоек и сглаживает резкий скачок яркости при переходе от одного торца световедущей жилы к соседним. Яркость средних зон жил сохраняется, поэтому контрасты в переданном по пучку изображении изменяются мало. Нанесение такого рельефа несколько увеличивает наклоны лучей и приводит к незначительному размытию краев зрачка выхода.

Рисунок 56 – Микроволнистый рельеф поверхности линзы окуляра: 1 – волоконный пучок с вогнутым торцом; 2 – линза, обеспечивающая телецентрический ход лучей в пучке; 3 – микроволнистая поверхность линзы; 4 – элементарная световедущая жила; 5 – мнимое размытое изображение торца жилы

Среди методов полного устранения мозаичности изображения и заметности дефектов структуры волоконных пучков наиболее тщательно исследованы и разработаны следующие:

– спектральное разложение излучения каждого элемента объекта на входе волоконного пучка и свертывание спектра на выходе из пучка;

– применение сканирующих устройств на входе и выходе волоконной детали;

– сканирование изображения движущимся пучком световодов.

Так, с использованием спектрального метода реализованы отечественные гибкие эндоскопы средних полей зрения со жгутами сечением до 5 х 5 мм, с 1976 г. подобные эндоскопы изготавливает японская фирма «Canon».

Спектральное разложение на входе и свертывание спектра на выходе пучка световодов. Сущность метода состоит в том, что перед объективом, формирующим изображение на торце пучка, устанавливается спектральная призма, вносящая в изображение значительный линейный хроматизм (рисунок 57), величина которого в несколько раз превышает диаметр жилы. Каждая точка объекта изображается на входном торце пучка в виде узкой полоски спектра, который передается по ряду жил на выходной торец пучка волокон, где установлены второй объектив и такая же спектральная призма, симметричная входной. При таком расположении выходная спектральная призма свертывает полоску спектра в точку (пятно малого размера) – изображение исходной точки объекта. Светоизолирующие прослойки между жилами вырезают ряд узких полос, каждая шириной около 0,8 ÷ 1,5 мкм. Эти полосы более или менее равномерно расположены по длине спектра, поэтому в общем случае после свертывания переданного жилами спектра цвет изображения несколько отличается от цвета объекта; это отличие тем менее визуально заметно, чем больше отношение диаметра жил к толщине прослойки между жилами.

Рисунок 57 – Схема спектрального разложения и свертывания изображения, уменьшающего заметность мозаичной структуры волоконного пучка: 1 – объект; 2 – объектив; 3 – призма; 4 – линза; 5 – пучок; 6 – глаз наблюдателя; 7 – изображение объекта

В такой схеме (рисунок 57) отдельные спектральные составляющие излучения каждой точки объекта передаются по ряду жил, и наоборот – каждая жила передает информацию о многих точках объекта (для каждой в своем дискретном с учетом прослоечных полос участке спектра). За счет этого ни одна точка объекта не пропадает в изображении. При спектральном разложении и свертывании изображения структура пучка становится почти неразличимой, даже при больших увеличениях окуляра. Для этого направление спектрального разложения не должно совпадать с рядами жил. Если торец пучка состоит из больших полей с гексагональной укладкой в каждом, но направления рядов в них различны, то в поле зрения может появиться на некоторых полях тонкая штриховка, по внешнему виду напоминающая штриховку ученических тетрадей, что свидетельствует о совпадении в данном поле плоскости спектрального разложения с направлением рядов жил. Дефекты и обломы отдельных жил не дают полного исчезновения изображения, но вызывают понижение яркости полоски изображения против дефектной жилы и ее окрашивание с одного конца в синий цвет, с другого – красный.

Масштаб изображения может быть выбран достаточно крупным, не требующим напряжения зрения и не утомляющим наблюдателя. Зрачок выхода сохраняется таким же, как без спектрального разложения и свертывания, разрешающая способность возрастает более чем в два раза, а объем передаваемой информации – в четыре и более раз. Необходимая точность взаимной ориентации входной и выходной спектральных призм зависит от разрешающей способности волоконно-оптического жгута и составляет несколько градусов [38].

Использование сканирования изображения на входе и выходе волоконного пучка. При быстром беспорядочном поперечном перемещении волоконного жгута относительно неподвижного изображения, спроецированного на его входной торец, достигается существенное повышение разрешающей способности, коэффициента передачи контраста пучка волокон, а соответственно и объема информации и контрастности передаваемого изображения. Если точно таким же образом перемещать выходной торец, то происходит полное сглаживание мозаичности изображения и дефектности структуры волоконной детали.

Для стирания всех признаков структуры в конечном изображении достаточно перемещать пучок волокон на четыре – пять диаметров единичных жил с частотой беспорядочного колебания, превышающей критическую частоту мелькания, различимую глазом человека. При этом в каждом положении колеблющейся жилы освещенность ее выходного торца равномерна, но меняется в зависимости от яркости передаваемого в данный момент времени элемента изображения.

Поперечные смещения пучков волокон полностью устраняют ряд источников потерь информации, так как при этом колеблющиеся жилы перекрывают площадь, которая в неподвижном жгуте была занята светоизолирующей прослойкой. Поэтому отличный от единицы коэффициент заполнения торца жилами не приводит к потере информации.

В силу беспорядочности перемещения пучка световодов на объем передаваемой информации не влияет топология укладки жил: разрешающая способность пучка практически одинакова при квадратной и гексагональной структурах. Колеблющийся пучок световодов передает более тонкие особенности распределения освещенности по начальному изображению, которые не разрешаются при неподвижной детали. Таким образом, колеблющийся пучок волокон обеспечивает значительно меньшие потери информации, чем неподвижный. Данный метод, устраняя полностью мозаичность и дефектность структуры волоконных деталей, приводит к повышению их разрешающей способности и коэффициента передачи контраста. Разрешающая способность колеблющегося пучка равна , т.е. ограничивается диаметром световедущей жилы D и почти в 2,5 раза превышает разрешающую способность неподвижного пучка [15].

Практическая реализация данного метода показала, что колебательные механизмы оказались весьма тяжелыми, громоздкими и малонадежными; кроме того, при гибкой конструкции колеблющегося пучка световодов при длительной эксплуатации разрушаются волокна. Поэтому более перспективным является использование сканирующих устройств на входе и выходе волоконного пучка. Движение торцов пучка может быть заменено движением отклоняющих изображение оптических систем, расположенных впереди пучка и на выходе. Движения торцов пучка (или отклоняющих систем) могут быть беспорядочными или же регулярными, но обязательно строго одинаковыми и синфазными. Частота движений должна превышать критическую частоту мельканий для восприятия слитной картины на выходе (хорошие результаты получаются при частоте 50 Гц). Амплитуда движений должна захватывать, по крайней мере, 1÷ 2 диаметра световедущей жилы для снятия заметности структуры и 7 ÷ 15 диаметров для снятия заметности обломов отдельных световедущих жил и других мелких дефектов пучка. В качестве сканирующих элементов могут использоваться колеблющиеся или перемещающиеся плоскопараллельные пластинки, призмы и др. [15].

Более перспективна схема с круговым сканированием – синхронным вращением перед входным и за выходным объективами оптических клиньев или других отклоняющихся систем (рисунок 58). Все точки изображения при этом движутся по входному торцу пучка по одинаковым окружностям. Это же движение происходит и на выходном торце пучка. Вращающийся же клин за выходным объективом отклоняет изображение каждой точки к центру круга, по которому она пробегает, и этим останавливает изображение.

Рисунок 58 – Снятие мозаичности структуры волоконного пучка с изобра­жения методом синфазного сканирования вращающимися оптическими клиньями (О и О' – объект и его изображение): 1 – вращающиеся клинья; 2 – объективы; 3 – волоконно-оптический жгут

Отклонения лучей клиньями на входе и на выходе должны быть одинаковыми по численному значению и направлению относительно структуры торцов пучка. При невыполнении этих условий остаточно смещенное пятно обегает вокруг идеального изображения каждой точки и образует кольцо, диаметр которого вдвое больше этого смещения. Кроме того, в отличие от спектрального разложения и свертывания, где яркость на краях спектра намного меньше, чем в середине, здесь весь поток лежит в зоне кольца. Все это повышает требования к точности работы компенсирующего клина.

Пока разработаны лишь лабораторные образцы эндоскопов с такими устройствами. Трудность решения задачи этим способом в медицинских эндоскопах усугубляется тем, что габаритные размеры синхронных двигателей не должны значительно превышать диаметр пучка и длины объектива. Однако перспектива снятия мозаичности изображения, повышения разрешающей способности системы в два раза, крупномасштабность картины, снятие заметности дефектов и обломов отдельных световедущих жил и сохранение правильной цветопередачи по всему полю оправдывают конструкторские и технологические разработки в этом направлении.

В [39] предложен компромиссный метод, основанный на циркулярном (круговом) перемещении изображения только по входному торцу волоконного пучка (рисунок 59а). Перед объективом устанавливается вращающийся ахроматизированный оптический клин. Экспериментально установлено, что максимальное повышение разрешающей способности имеет место при круговом перемещении изображения с угловой скоростью в пространстве изображений от 6 до 6,5 град/с и с угловой амплитудой до 3°.

Установлено, что оптимальное количество сканируемых волокон должно составлять от 25 до 30, что достаточно для усреднения нерегулярности укладки жил в пучке волокон, сглаживания межэлементной неравномерности светопропускания, т.е. для уменьшения влияния этих факторов реальных волоконных элементов на качество и комфортность воспринимаемого изображения.

Благодаря круговому перемещению изображения по выходному торцу жгута и самопроизвольному отслеживанию глазом движущейся картины, внимание наблюдателя отвлекается от мозаичности выходного изображения и от изображения объемных дефектов пучка, переданных на плоскость его выходного торца. Такой процесс восприятия изображения подобен наблюдению внешней картины через решетчатое окно, при котором человек не замечает объективного дискомфорта, вносимого решетчатостью окна. Кроме того, в данном случае положительно сказывается и следующее свойство сложного процесса восприятия изображений человеком: человеку свойственно самопроизвольное, подсознательное восприятие движущихся (в том числе и плоских) изображений как пространственных, стереоскопических. Это отличие приводит к тому, что подвижное изображение воспринимается как находящееся перед выходным торцом жгута, внутри последнего.

Рисунок 59 – Схемы кругового перемещения изображения по входному торцу волоконного пучка: а) с вуалированием мозаичности и дефектов пучка; б) со снятием мозаичности и дефектов; 1 – вращающийся оптический клин; 2 – объектив; 3 – пучок волокон; 4 – окуляр; 5, 6 – спектральные призмы

Метод циркулярно перемещающегося по входному торцу волоконного жгута изображения может быть применен совместно со спектральной компенсацией мозаичности и дефектности наблюдаемого изображения. Для этого перед входной спектральной призмой 5 (рисунок 59б) устанавливается ахроматический клин, равномерно вращающийся вокруг оптической оси. Излучение от объекта проходит через вращающийся оптический клин, и спектральной призмой 5 разворачивается в спектр. В фокальной плоскости объектива 2, совмещенного с входным торцом волоконного жгута, формируется спектральное перемещающееся изображение объекта наблюдения. Окулярная призма 6, установленная так, что направления дисперсий призм 5 и 6 совпадают, формирует ахроматическое, бесструктурное, перемещающееся в поле зрения по круговой траектории изображение, которое и воспринимается наблюдателем. Максимальное увеличение разрешающей способности достигается при угловой скорости перемещения изображения в пространстве изображений около 6 град/с.

Для полного снятия мозаичности и дефектности изображения предложены также голографические методы [38].