3.3.4 Осветительные системы эндоскопов

Задача обеспечения максимальной информативности эндоскопической аппаратуры неразрывно связана с соответствующим согласованным выбором элементов осветителя, их параметров и режимов работы. В медицинских эндоскопах в качестве осветителей используют, как правило, волоконные осветители, в которых передача света от источника излучения в заданную зону осуществляется по осветительным волоконно-оптическим жгутам. Использование оптических и электрических разъемов облегчает эксплуатацию как осветителей, так и эндоскопов. Для формирования заданной освещенности на наблюдаемой поверхности требуется применение мощных источников света с регулируемой яркостью, а это, в свою очередь, ведет к необходимости создания устройств охлаждения и управления.

Принципиальная схема малогабаритного переносного осветителя для эндоскопа представлена на рисунке 70 [38]. Осветительный жгут 6 посредством разъема 7 стыкуется с источником излучения.

Рисунок 70 – Принципиальная схема осветителя

Световой поток от источника излучения 1 с помощью оптической системы собирается, фильтруется и фокусируется на входном торце осветительного жгута 6. Для поддержания требуемого теплового режима внутри источника света встраивается вентилятор 8. Для управления работой осветителя предусматривается электронный блок 9, регулирование яркости излучателя при ручном управлении выполняется регулятором 10. С помощью разъема 11 осветитель подсоединяется к источнику электрического питания.

Оптическая система осветителя включает источник излучения 1, световой поток которого собирается и формируется с помощью отражателя 2 и конденсора, состоящего из линз 3 и 5. Для защиты входного торца волоконного осветительного жгута 6 от сильных тепловых воздействий в конденсор встраивается теплофильтр 4.

В качестве источников оптического излучения используются галогенные, ксеноновые и металлогалоидные лампы.

Наиболее дешевые и доступные лампы – галогенные, мощностью от 100 до 300 Вт. Для этих ламп характерны малый ресурс работы (до 100 ч), невысокая цветовая температура (до 3 500 К), отрицательно сказывающаяся на качестве передачи цвета изображения, которое окрашивается в желтоватые тона. Такие лампы мощностью до 150 Вт могут использоваться в осветителях диагностических комплексов, работающих с глазом. В случае использования видеокамеры для получения качественного изображения на экране монитора, освещенность объекта исследования должна быть более высокой. В этом случае необходимо использовать галогенные лампы мощностью не менее 250 Вт.

Более перспективный осветитель – прибор с ксеноновой лампой, которая по сравнению с галогенной имеет спектр излучения, приближающийся к естественному (6 000 К). Ресурс ее работы приближается к 1 000 ч. Источник света на ксеноновой лампе позволяет получить большую освещенность объектов исследования при меньших затратах электроэнергии, так как КПД у нее выше, чем у галогенной.

Наиболее оптимальным для видеосистем является источник света, содержащий металлогалоидные лампы. При цветовой температуре 5 200 К они имеют спектр света, оптимизированный к ПЗС-матрицам видеокамеры, высокий ресурс работы (до 1 000 ч) и высокий КПД. При мощности 50 Вт эти лампы обеспечивают такую же освещенность, как ксеноновые при 150 ÷ 200 Вт и галогенные при 250 ÷ 300 Вт [5].

Как правило, лампы питаются от сети переменного тока через понижающий трансформатор напряжением 12 или 24 В. Из-за высокой температуры кварцевых колб ламп требуется их принудительное охлаждение, осуществляемое с помощью воздушной вентиляции. Излучение ламп фокусируется на торец волоконного жгута конденсором, относительное отверстие которого от 1 : 1 до 1 : 1,5. Для предотвращения перегрева жгута в оптическую систему вводится теплофильтр из стекла СЗС21 или СЗС23 толщиной 2 ÷ 3 мм. Для предотвращения растрескивания светофильтров их целесообразно устанавливать в схеме там, где сечение пучка лучей максимально, а облученность минимальна. Световой поток лампы регулируется либо вручную, либо автоматически от сигнала видеокамеры. В осветителях регулирование освещенности может быть выполнено снижением напряжения на лампе, но при этом неизбежно некоторое изменение цвета освещения. Если это нежелательно, то может применяться заслонка, вводимая между линзами конденсора в районе параллельного хода лучей. Менее желательно введение нейтральных фильтров. Осветители для фотосъемки снабжаются автоматическими импульсными осветителями и экспонометрами. Форма сечения входного торца осветительного жгута выбирается, в зависимости от формы тела накала источника света, либо круглой, либо прямоугольной. Выходному торцу придается кольцевая или прямоугольная форма, обеспечивающая высокую степень равномерности освещения объекта.

В таблице 15 приведены характеристики некоторых галогенных ламп, часто используемых в осветителях эндоскопов.

Таблица 15 – Характеристики галогенных ламп

Марка лампы	Напряжение питания, В	Мощность, Вт	Цветовая температура, К	Габаритные размеры тела канала
КТМ-9-25	9	25	3200	2 x 4
КТМ-9-75	9	75	3200	2 x 6
КГМ-12-100	12	100	3200	4 x 4
КГМ-24-150	24	150	3200	5 x 5
кгм-30-300	30	300	3200	5 x 10

Контроль требуемой освещенности на рабочем расстоянии эндоскопа осуществляется с помощью люксметров типа 10 – 16, имеющих диапазон измерения от 1 до 50 000 лк. Датчик люксметра размером 40 x 40 мм располагается в плоскости предмета перпендикулярно направлению осевой линии светового пучка.

Для регулирования освещения исследуемой поверхности в осветители встраиваются регуляторы яркости, узлы совмещения оптических осей конденсора и осветительного жгута, а также органы управления устройствами охлаждения.

Конденсор передает свет от источника на входной торец осветительного жгута. Поскольку номинальная числовая апертура осветительных жгутов во всех странах близка к 0,5, то при правильном выборе конденсора на торец жгута должен падать конус лучей с углом при вершине 2s_ж = 60°. Обычно размер светящего тела источника меньше сечения жгута, и конденсоры передают на его торец увеличенное изображение источника, при этом апертура конденсора на входе соответственно больше 0,5, а угол охвата 2s_осв излучения лампы больше 60° (часто от 90 до 120°). Линейное увеличение конденсора выбирается, исходя из размеров тела накала источника света и входного торца осветительного жгута.

Линзовые конденсоры удобны тем, что позволяют разместить вокруг лампы несколько конденсоров и послать свет одновременно в такое же количество жгутов, которые в дальнейшем могут объединиться в один жгут или расходиться к различным приборам. Каждый из таких конденсоров содержит от 3 до 5 линз, при этом ближайшие к лампе линзы сильно нагреваются и во избежание растрескивания выполняются из кварца. Все это приводит к значительной массе и сложности устройства, но светотехнические параметры таких систем выше, чем зеркальных. Зеркальные конденсоры имеют форму отрезка эллипсоида вращения (см. рисунок 9), в одном фокусе которого размещено тело накала источника света, а во втором – торец жгута. Такие конденсоры посылают свет лишь в один жгут. Соответственно, их общий КПД ниже, чем у системы с линзовыми конденсорами. Кроме того, при расположении жгута вдоль оси конденсора колба лампы попадает в сноп отраженных от него лучей и частично экранирует торец жгута. Преимуществом зеркальных конденсоров является легкость, простота конструкции, возможность отфильтровывания инфракрасных лучей, проходящих сквозь интерференционное зеркальное покрытие, рассеивающихся в кожухе блока и не перегревающих торец жгута.

Соединение конденсора и лампы в единый разъемный блок, часто включающий в себя и гнездо для осветительного жгута, значительно упрощает эксплуатацию системы и не требует юстировки лампы относительно конденсора и последнего относительно торца жгута, хотя и приводит к необходимости замены всего блока, если лампа перегорит. Выпускаются осветители с двумя лампами, способными работать поочередно. Это дает возможность оперативно переходить на вторую лампу при перегорании первой, которая заменяется позже. Удобным считается наличие счетчика ресурса лампы, фиксирующего время ее работы и дающего возможность своевременно произвести замену источника излучения.

Производятся следующие лампы-конденсоры: миниатюрная лампа накаливания с концентированной нитью, купол колбы, которой утолщен и имеет форму плоско-выпуклой линзы, изображающей нить лампы на торец жгута; лампа накаливания, часть колбы которой имеет форму эллипсоида и зеркальное покрытие, посылающее отраженные лучи через противоположную прозрачную стенку колбы на торец жгута; в ряде конструкций на внутренней ножке лампы рядом с нитью накала размещено высококачественное эллиптическое зеркало с интерференционным покрытием, работающее подобно описанному выше; выпускаются точные эллиптические отражатели, вдоль оси которых в фокусе на специальном цементе установлена ксеноновая лампа сверхвысокого давления, точная фиксация такой комбинации относительно гнезда жгута осуществляется по окружности широкого края отражателя; наконец, широкое применение приобрела коробчатая конструкция, имеющая гнездо для жгута, отражатель и лампу, взаимно отъюстированные на заводе-изготовителе, и штепсельную вилку, вставляемую в гнездо осветительного блока. В последней конструкции при перегорании лампы вся коробка вынимается из гнезда и на ее место ставится запасная. Перегоревшая лампа в дальнейшем может быть заменена.

Осветители обеспечивают величину освещенности входного торца осветительного жгута до десятков мегалюкс.

Для согласования наблюдаемого и освещенного полей осветительный жгут в эндоскопе может определенным образом ориентироваться относительно волоконно-оптического жгута с регулярной укладкой, служащего для передачи изображений. При этом угол g между осями наблюдательного 2 (рисунок 71) и осветительного 3 каналов выбирается таким образом, чтобы максимально обеспечить освещение всего поля зрения наблюдательного канала при положении объекта 1 в пределах диапазона рабочих расстояний. Для согласования размера освещенного поля и поля зрения наблюдательного канала после осветительного жгута может устанавливаться дополнительный объектив 4. Габаритный расчет проводится с учетом рабочих расстояний, углового поля визуального канала, апертур жгутов, их размеров, взаимного положения и характера выполнения дистального конца осветительного жгута. Если дистальный конец осветительного жгута разделен на два жгута или выполняется в виде кольца, коаксиально расположенного относительно регулярного жгута, передающего изображение (см. рисунок 61), то в таком эндоскопе легче осуществить равномерное освещение всего поля зрения.

Рисунок 71 – Схема согласования полей зрения осветительного и наблюдательного каналов

Осветительные блоки для эндоскопов выпускаются несколькими десятками фирм, количество их типов превышает две сотни, и их совершенствование и модернизация непрерывно продолжаются.