（光学工程专业论文）新型工业内窥镜的研究.pdf

摘要 本文对光纤的的特性进行了研究，并且对光纤工业内窥镜系统结构进行了设计， 确定了光纤传像束、物镜、目镜、转像系统等部件的参数。其中物镜采用了“负一正 型式像方远心结构，其光阑在系统内，具有良好的成像质量。可以保证光学系统的像 面照度的均匀性，具有大视场、比较小的体积和重量。 光纤工业内窥镜因为用光纤传像束来传输图像，因此具有结构简单、柔性好、重 量轻、易实现较长光路、能在弯曲的状态下传输图像等优点，可广泛应用于军事、电 力、无损检测、化学等领域。 工业内窥镜系统的技术指标为：工作外径：c p 6m m ，工作长度：1 0 0 0m m ，工 作距离：1 0 , - - - 6 0m m ，环境温度：一2 0 5 0 q c ，视场角：2 c o = 6 0 0 ，分辨率：1 0l p m m 。 关键词：光纤传像束 远心系统像面照度 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo p t i c a lf i b e rc h a r a c t e r i s t i c si ss t u d i e d ，a n df i b e r o p t i ce n d o s c o p e s y s t e mo fi n d u s t r i a l s t r u c t u r ei sd e s i g n e dt od e t e r m i n et h ef i b e r - o p t i ci m a g eb u n d l e s ，t h e o b j e c t i v el e n s ，t h ee y e p i e c e ，a st ot h ep a r a m e t e r so f t h es y s t e mc o m p o n e n t s o n eo b j e c t i v eo f t h eu s eo f ”n e g a t i v e - - - - p o s i t i v e ”t y p eo fs t r u c t u r e ，t h ea p e r t u r ei nt h es y s t e m ，h a sag o o d i m a g eq u a l i t y t h eo p t i c a ls y s t e mc a ng u a r a n t e et h a ta st h ef a c eo fi l l u m i n a t i o nu n i f o r m i t y ， w i t hal a r g ef i e l do fv i e w ，t h er e l a t i v e l ys m a l ls i z ea n dw e i g h t f i b e r o p t i ce n d o s c o p ea si n d u s t r i a lf i b e r o p t i ci m a g eb u n d l e su s e dt ot r a n s m i ti m a g e s ， i th a sas i m p l es t r u c t u r e ，g o o df l e x i b l e ，l i g h tw e i g h ta n de a s yt oa c h i e v eal o n gp a t ht h a tc a n b e n di nt h es t a t eo fi m a g et r a n s m i s s i o n ，e t c a d v a n t a g e sf o rt h ei n s p e c t i o no ft h ei n t e r n a l s i t u a t i o nc a nb ew i d e l yu s e di nm i l i t a r y ，d e f e n s ea n dn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ，m a c h i n e r y m a n u f a c t u r i n ga n d o t h e rf i e l d s q u a l i f i c a t i o no fi n d u s t r i a le n d o s c o p i cs y s t e m ：o u t e rd i a m e t e r ：6m m ，t h el e n g t ho f t h e w o r k ：1 0 0 0m m ，w o r k i n gd i s t a n c e ：1 0 6 0 m m ，a m b i e n tt e m p e r a t u r e ：- - 2 0 5 0 坌c f i e l do fv i e w ：2 0 ) = 6 伊，r e s o l u t i o n ：1 0l p m m k e yw o r d s ：f i b e r - o p t i ci m a g eb u n d l e s t e l e c e n t r i cs y s t e m i m a g ep l a n e i l l u m i n a t i o n l l 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，新型工业内窥镜的研 究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作：艄年月坦日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理一 大学保刚并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制= j 三段保存和汇编学位论文。 作者签名： 指导导师签名： 年三月尘日 年三月互日 第一章绪论弟一早珀比 近年来，内窥镜不仅用于医疗诊断( 例如胃镜、直肠镜) ，而且逐步在航空、汽车、 船舶、机械、电子、电力、冶金、石油、化工、煤气、原子能、土木建筑等工业部门 得到广泛应用并且也涉足于生物考古、农业、公安等领域。 随着机器设备等日益趋向高技术密集化，要确保它们可靠、高效地运转必须比以 往更加细致入微地进行保养和维修。使用工业内窥镜对设备的内部进行直接的检查， 是必要的可靠的手段。这不仅可以避免大规模的拆装作业( 浪费时间、易损坏设备、 降低设备利用率) 。而且可直接观察不易观察到的部位情况，从而能够很快地决定维修 方案，排除故障。 1 1 内窥镜的国内外发展现状 1 1 1 国内研究现状及主要研究内容 从1 9 8 0 年代起n 1 ，国内陆续开始自主研究，生产硬式内窥镜、光纤内窥镜，并且 引进电子工业内窥镜技术，生产电子工业内窥镜系列产品。己投放市场的产品有硬式 内窥镜、光纤内窥镜、+ 电子视频内窥镜三类产品。 ( 1 ) 硬式内窥镜 硬式内窥镜由成像物镜、转像透镜、导光束、目镜、外管组成。硬式内窥镜成像 原理是光学物镜成像，然后利用转像系统来传输图像。因此，光学镜片的加工技术水 平决定了硬式内窥镜的技术水平。目前，在成像技术上，国内与国外是基本相同的。 但是，在产品外部材料和外观上，与国外同类产品相比有差距，但使用效果相同。 ( 2 ) 光纤内窥镜 制造光纤内窥镜关键的部件是光纤传像束，它决定产品清晰度、分辨率和使用寿 命。在光纤传像束直径相同的条件下，国外光纤传像束生产线生产的光纤传像束单丝 为2 万余根，国产生产线生产的光纤传像束单丝为l 万根以内。其内窥镜制造原理一样， 但是光纤材料有差别。如果采用进口光纤传像束组装内窥镜，国内与国外同类产品的 差距会减小。 例如：e k g - - 3 0 0 2 型光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学、精密机械及电子技术结 合而成的新型光学仪器。它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能，可以 对设备中肉眼不易直接观察的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查。既不需设备解体， 也不需另外照明，只要将窥头插入孔内，内部情况便可一目了然。可直视，也可侧视。 还可手控窥头对被检查面进行连续上下左右扫描达1 0 0 。可目视，也口丁照相，还可录 像或电视显示，为分析故障原因提供依据。是航天、军事、国防、无损检测、机械制 造、发电、石化、汽车、兵器、交通、冶金、压力容器等领域中得心应手的直观高效 的检测仪器。 e l 一3 0 0 2 型工业内窥镜主要技术参数： 1 ) 探头外径：6 5 1 5m m 2 ) 探测长度：1 8 - - - , 4 5m 3 ) 工作距离：1 0 , - - , 8 0m m 4 ) 视场角：1 0 0 。 ( 3 ) 电子内窥镜 国内制造商均采用进口c c d 原件，组装电子工业内窥镜产品，整机主体技术参数 与外国产品的相接近。在航天航空行业等已基本能够满足n d t 正常使用。国外产品最 小直径为6m m ，国内产品最小直径为8m m ，只是国内产品在外观的主体材料上与国 外产品有差距。 1 1 2 国外研究现状及主要研究内容 ( 1 ) 硬管式内窥镜 硬管式内窥镜的发展经历了两个阶段：即开放式硬式内窥镜和含有光学系统的硬 式内窥镜，该类型内窥镜开始时只应用于医疗领域，后来才应用到工业领域。 早在1 7 9 5 年乜1 ，德国的b o z z i n e 首先提出了内窥镜的设想，他利用烛光作为光源， 看到了直肠和子宫。到1 9 世纪末、2 0 世纪初，随着爱迪生发明电灯技术的发展，出现 了用小电珠作为内窥镜的照明光源，利用透镜、棱镜、反光镜等作为光学元件，以金 属管作为外壳而制成的硬管式内窥镜。但是，要将这类硬直的内窥镜插到弯曲的管道 中去有很大的困难，而且小电珠或钨丝灯等外部反射光源照明度很低，因而有较多的 盲区，所以，这类内窥镜的实用性就受到很大的限制。 硬管式内窥镜的构造如图1 1 所示。其工作原理是利用转像透镜来传送图像，并 由光导光纤传光照明。为了传送清晰的图像，该内窥镜的不锈钢插入部分内设有若干 光学元件的转像透镜系统。内置照明光纤把需要的光线从独立的冷光源直接送至工作 位置上。 2 露光棠末靖 图i 1 硬式工业内窥镜 ( 2 ) 半可曲式内窥镜 1 9 3 2 年，w o l f 和内窥镜学者s c h i n d l e r 共同研制成功了一种半可曲式的内窥镜 ( s e m i f l e x i b l el e n sg a s t r o s c o p e ) ，它是由近端的硬性部和远端的软管部组成的。软管部 由许多2 0 - - 一3 0m m 长的金属管连接而成，外面再用一层薄橡皮包覆，末端装有棱镜与 橡皮头，软管部装有2 6 块短焦距透镜，这样在弯曲3 0 。的情况下，仍可将图像送到目 镜。后来，许多学者又对其进行了大量的改进，并增加了各种附件，使之功能更加齐 全、更为实用。如将内窥镜硬性部分进一步改细，增加目镜放大倍率，以利观察；在 操作部装上了弯角装置，使末端可作“上”、“下 两个方向的弯曲，从而大大减少 观察盲区等。 ( 3 ) 光纤内窥镜 1 9 3 0 年，l a m n 首先采用玻璃光纤束来导光，但是，因为没有解决漏光问题而没 有建立起实用的光纤光学系统。荷兰的h e e l 和美国的b r i e n 在光纤上加上一层覆层， 解决了光学光纤间的光绝缘问题。1 9 5 4 年，英国的科学家h o p k i n g s 及k a p a n y 研究了 光纤的精密排列，有效地解决了光纤束的图像排列、传递问题，为光纤光学的实际应 用奠定了基础。 经过二十年的发展，随着两项重大改革：光纤内窥镜的头部弯曲机构、采用导光 束外接强冷光源，才使光纤内窥镜进入了成熟完备的应用阶段。 光纤内窥镜的构造如图1 2 所示。它由高品质的传像光纤束来传送图像，通过目 镜直接观察。光纤内窥镜由插入部、前端部、弯曲部与柔软操作部与目镜部组成。光 纤传像束、光纤传光束及调校前端摆头角度的钢丝均全部内置。并且另配有专用的冷 光源。产品规格：直径2 4 1 2m m ，长度5 0 一- - 60 0 0m m 。 光纤内窥镜的主体可把人眼睛的视线延深至被探测的物体内，并且可改变视线方 向，这是硬性内窥镜所达不到的。 光纤内窥镜除具备硬性内窥镜的用途以外，因主体柔软、有效工作长度较长，所 以扩大了检测范围。在机械制造和维修行业中，不论大型设备或部件的腔内，均可用 它进行有效直观的观察。 3 援 蠡 光导学连接龉 图1 2光纤内窥镜构造 光纤内窥镜以玻璃光纤代替传统的透镜、棱镜等作为导光、传像的元件，它细而 柔软，加上了头部的弯曲机构以后，头部可以转动，进入复杂的环境以后，操作方便， 而且能够减少甚至消灭盲点。利用光纤束传光、传像，就能够采用外部的强冷光源， 从而使传输的光量大大增强，并可以自由调节光强从而获得清晰的图像。这种光源接 近自然光，所以可以摄像和电视显示，作动态的观察和纪录。光纤内窥镜的发展不但 克服了原有的内窥镜的缺点，而且还具有不少新的优点，大大提高了工作质量和效率。 ( 4 ) 电子内窥镜 电子内窥镜是继第一代硬式胃镜和第二代光导纤维内镜之后的第三代内窥镜。 1 9 8 3 年，美国的w e l c ha l l y n 公司用微型图像传感器( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 代替光纤 内窥镜的光纤传像束，宣告了电子内窥镜的诞生，是一次历史性的突破。电子内窥镜 应用先进的微电子器件代替传统的纤维导像束和目镜，通过装在内窥镜先端部的电荷 耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，将传送过来的光学图像转换成电子图像，经 电缆传递至图像处理器，经视频处理在显示器上重现高清晰度的、色彩逼真的图像。 而且分辨率更高，可供多人同时观看。由于电子内窥镜的问世，在工业和医学科研中 发挥出它巨大的优势。 电子内窥镜主要有内镜( e n d o s c o p e ) 、电视信息系统中心( v i d e oi n f o r m a t i o ns y s t e m c e n t e r ) 和电视监视器( t e l e v i s i o nm o n i t o r ) 三部分组成。另外，还配备一些辅助装置， 如照相机、录像机以及用来输入各种信息的键盘等。它的成像主要依赖镜身前端装备 的成像物镜。c c d 就是一台光电转换器件，把图像的光信号转换成电信号，显示在电 视监视器上。电子视频内窥镜的构造原理如图1 3 所示。 4 吼牟 * ，j - 、 h 图1 3 电子视频内窥镜的构造原理 电子内窥镜与光纤内窥镜相比，具有以下优点： 1 ) 可供数人同时观察，使检查效果更客观准确。 2 ) 不需要长时间观察目镜，减轻了操作人员的劳动强度。 3 ) 与v t r 连接，可进行画面录制。 同时有以f 的缺点： 1 ) 除内窥镜及光源外，还要配置视频图像显示控制单元和电视监视器，不便于携 带。 2 ) 前端安装的电子元件，受使用温度范围的限制。 3 ) 价格较高。 电子内窥镜比光纤内窥镜的图像清晰，色彩逼真，分辨率高，而且可以供多人同 时观看。但是，由于电子内窥镜的价格较高，而且光纤内窥镜由于通过光纤传像柬传 输图像，不受电磁杂波的影响，可以用于高温、核辐射等恶劣环境，因此光纤内窥镜 在工业上的应用得到迅速的发展。 几种内窥镜的基本原理都是利用光学系统将被检物体成像，再经传像系统传送， 以利于人眼直接观察或在显示器上显示、记录，从而获取所需要的信息。但是因为它 们之间又有所区别，所以具有各自的特点和使用场合。 下面介绍一下德国汉能s f 6 - - 1 0 0 0 型6m m 半柔性管内窥镜的详细介绍： 德国汉能工业内窥镜广泛应用于航空航天、工业制造、压力容器、电力建设、造 船、汽车工业等行业中的机械设各表面及内部状况的检查、维修。其柔性光纤内窥镜 高亮度，高清晰成像，焦距可调。 技术参数： 1 ) 工作长度：i0 0 0m i l l 2 ) 探头直径：6m m 3 ) 亮度：1 6i r l l i - l l 处可达1 2 00 0 0l x 4 ) 视向：0 。 5 ) 工作距离：1 0m m 6 0 m m 6 ) 角形侧视适配器9 0 。及1 1 0 。 7 ) 防水耐油探头 ( 5 ) 胶囊式内窥镜 胶囊式内窥镜的想法最早产生于1 9 8 1 年，是由以色列一名导弹专家根据智能导弹 上的遥控摄像装置技术研制而成的。 胶囊式内窥镜是体外无线遥控、图像接收和图像处理等装置组成系统，主要用于 检查人的消化系统疾病，它可以清晰地展现出病变所在位置及其实际情况，比其他体 外影像系统( 如：c t 、m r i 、x 光透射、红外成像) 用于诊断消化道疾病更具有优势。 图14 胶囊式内窥镜 胶囊内窥镜由以下部分构成；具有可摄像体腔内图像的摄像部的摄像装置、利用 照明光照明体腔内部的照明装置、向摄像装置以及照明装置供给电力的电源装置、在 内部至少配设了摄像装置、照明装置以及电源装置的胶囊壳体，并且构成胶囊壳体的 顶端盖部具备照明用窗部，该照明用窗部导出来自照明装置的照明光，并使照明光难 以反射到摄像装置。胶囊式内窥镜是消化道系统无损伤性诊断的一种革命性的技术创 新。 主要技术指标： 1 ) 视场角( 可视范匿) ：1 4 0 。 2 ) 最小可测距离：01m m 3 ) 外形尺寸：直径9 衄，长度2 3m m 4 ) 图像分辨率( 象素、解析度) ：6 4 0 4 8 0 5 ) 图像传输速率：2 帧秒，1 5 帧秒，3 0 帧秒 6 ) 工作方式：模拟数字视频、单工双工数据通信、自带电池体外无线供电 7 ) 运行时长：7 1 0 个小时。 胶囊内窥镜是一种新型无创无痛的消化道影像无线诊疗系统；通过口服智能胶囊 完成消化道影像检膏；主要由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、影像分析处 理工作站等。克服了传统的推进式内窥镜体积大，检测过程痛苦的缺点，但不适用于 老年、纤弱和危险病人。具有体积小、重量轻、检查方便、不影响受检者的正常工作。 日本r f s y s t e m i a b 经过五年时间的研究，成功开发出目前世界上最先进的、也 是最小的胶囊式内窥镜( 智能化小机器人) 。 n o r i k a 胶囊直径9m m ，长2 3m m ，是目前世界上最小的内窥镜胶囊。在胶囊 内部采用高清晰度的c c d 成像系统，具有很高的图像清晰度，可达4 1 00 0 0 像素。它 以数字方式由微波发送，被外部接收后转换成图像显示在屏幕上，进行实时检测，并 可以硬盘储存，以便随时调取研判。病人身穿嵌有三组发射线圈和接收线圈的背心， 线圈发送射频。胶囊内同样有三组线圈，在经磁线圈接收并经电容器转换后感应出电 流，形成一个三极电机的模式，从而控制胶囊的旋转，以便不同方向观察病灶。镜头 四周有二个白色灯和二个近红外线灯，从外部控制其不同亮度的比例，可产生模拟三 维图像。c c d 成像系统镜头也可由外部控制来调节焦距，它每秒能摄取3 0 幅图像，通 过网络传输还可进行远程会诊。此外，胶囊内部设有一个喷药仓和一个取活检仓，由 医生外部控制可根据需要，对患部进行喷药或伸出微型钛金属针取活检。 n o r i k a 胶囊在2 0 0 3 年推出适合于3 岁以下婴儿和6 0 岁以上老人的超小型胶囊 ( j r 型) ，其尺寸仅为直径5 m m ，长1 5 m m 。另外还将推出具有更多功能的w a r p 型。 它内部将放置2 个c c d ，8 个镜头，前后摄像以进行全方位3 6 0 。观察。 美国智能药丸公司研制的聪明药丸s m a r t p i l l 是一种在医疗上起着内窥镜检查作用 的感应器或者摄像头，当患者把这个维生素颗粒大小的小球吞下去后，它将会自动探 测患者消化道内的压力、p h 值和温度等指标信号，并把探测结果发射到体外的接收器 上，医生通过接收到的信号和图像，就可对患者的胃肠性疾病进行诊断。使用聪明药 丸可以检查到一些胃镜无法到达的位置，同时也能避免患者做胃镜检查时的痛苦。 以色列格温艾梅格公司也开发出了类似的胶囊式内窥镜一“p i l l c a m ”。近年来， 有能完成定点给药的遥控释放药丸；还有能在消化道内采样的药丸；韩国研制的药丸 式机器人能在体外遥控下完成药物释放、图像采集和手术治疗等多种任务。不过，这 样的全能药丸目前仍处于样机阶段研制。 1 2 光纤工业内窥镜技术的现状和发展趋势 光纤工业内窥镜主要应用于n d t ( 无损检测) 工作“1 ，现在己受到工业制造和维修 行业的欢迎。我国在2 0 世纪7 0 年代就将光纤工业内窥镜作为n d t 检测的重要仪器，用于 民航飞机维修上；1 9 8 0 年代中期，在压力容器、石化、电力、机械制造、军械等行业 的n d t 工作中也陆续使用了该产品。目前，我国使用的该产品属于中等水平，发展潜 力很大，有待迸一步发展。 现在，光纤工业内窥镜技术的发展趋势是把光纤传像束传递的图像，通过c c d 光 电转换器件转换成电信号，运用计算机图像处理技术、打印技术、网络技术，完成内 7 窥镜下图像的捕获、存储、处理分析、标准化报告的书写、先进的文档管理、准确的 图像测量分析、局部放大、清晰的图文一体化报告输出等。 以下是几种常用的光纤工业内窥镜“1 ： ( 1 ) 极细光纤内窥镜 这是一种插入端很细的内窥镜，有良好的弯曲性，即使是直径2 4m m 的孔，也 可以插入检查，画面清晰、很实用。它采用了超小型光学系统实现的。现已研制出一 种插入端外径细至0 5m m 的光纤内窥镜。 ( 2 ) 超长视频图像显示内窥镜 其特点是插入部分最长可达2 20 0 0m m ，最大外径1 6m m 。为了能够在最佳状态 下观察管子内部，备有各种转向透镜转接器和附件，最适于检查发电厂、化工厂等的 各种管道。 由干采用了特殊电子线路和高效传输光制导光学纤维及卷线机构，实现了超长尺 寸、高清晰画面，小型和灵便的操作。如果采用石英系列纤维内窥镜，插入部分长度 可超过1 0 0m ，但画面质量往往受到一定的影响。 ( 3 ) 多曲管检查用光纤内窥镜 这种内窥镜的插入功能( 可调性) 非常好，适于有多种规格的较细弯管接头的管路 检查。其特制的插入端软体部分的刚性，随操作端向前部延伸而变化，有效地提高了 通过弯管接头的灵活性。另外，还配有1 0 0 。广角的换向透镜转接器，最适于管线检查， 可发挥最佳的光学性能。 ( 4 ) 小口径管内遥控检测装置 1 ) 光纤内窥镜与v t r 配合 采用光纤内窥镜和v 摄像机，对换热器、锅炉等传热管内部进行无损检查，将 获得的图像输入v ，r r ，进行信息整理和分析，一般可进行1 0 0m 以内的检测。光纤内 窥镜通常是直向和固定侧向观察，由于物镜内设有转动机构，并装有倾斜反射镜，可 进行侧视旋转。所以在管内能进行3 6 0 。观察。该装置的特点是： 适于口径2 5 7 5m i l l 管检测； 采用v t r 图像，记录性能好，还可转换成照片； 若再采用相位分析法进行涡流探伤，能准确地掌握损伤部位的三维状态； 能确认一般的涡流探伤很难检测管档板附近的内部缺陷。 2 ) 螺旋驱动式内窥镜 该装置由四个轮子驱动，轮子靠在管壁内面，与管轴线保持一定斜度旋转。可前 后、水平、垂直升降移动，亦能通过9 0 。弯头。适用于检查直径1 0 0 - 2 0 0m m 垂直或 水平布置的管道。 对小口径管道检查时，还可使用超声波传感器、涡流传感器等管内检查装置。其 行走机构分为自行式和强制式等机械方式，以及利用管内高压流体推动的方式。 ( 5 ) 中口径管的遥控检测装置 8 1 ) 水平移动式履带装置 采用开脚式双轴履带车，为保证在管内移动平稳，双轴履带可随管内表面进行角 度调整。履带上的各个轮有独立悬浮功能，能安全越过障碍物。驱动部位装有电磁离 合器作为安全装置，一旦发生异常，易于移至管外。该装置的特点是： 可变角双轮履带驱动； 适用口径2 5 4 3 5 61 1 1 1 1 ； 装置长3 7 0m m 宽1 2 0 m m 高1 6 0m m ； 质量( 包括摄像机) 5k g ； 行走速度5m m i n ； 水平牵引力2 0n ； 可前后水平移动，可通过9 0 。短弯头； 检测距离约4 01 1 1 。 2 ) 垂直移动式履带装置 该装置紧贴于管内壁，由六个轮的驱动履带行走，能顺利进行垂直升降。这是一 种新型特殊履带车，能在管内顺利行走毫无损坏。由于底盘具有悬置能力，所以可整 体或部分伸缩，并能越过异径接头和夹杂物。该装置载有c c d 摄像机，采用遥控操纵， 可进行直视、侧视和各种视野的变换和焦点调整。 ( 6 ) 带磨削功能的光纤内窥镜 迄今工业用的内窥镜，只是限于检查是否存在缺陷的无损检测器。工业内窥镜发 展的方向之一，就是在不拆卸设备或管道的情况下直接修复发现的缺陷。目前已研制 出用以修理燃气轮机旋转叶片的新产品；其前端装有旋转砂轮，如果检查发现有可能 产生危险的小缺陷，就由砂轮打磨掉，以便使设备正常运转。 1 3 本课题的目的、意义和内容 工业内窥镜尚不普及，其原因之一就是没有满足用户的多样化要求。今后随着科 学技术的进步，工业内窥镜也会得到进一步发展，以其独到的特性满足用户要求。 检修大型变压器时，需要检测内部线包的情况，现有内窥镜无法满足使用需要， 需要研制专用的工业内窥镜。此内窥镜还可适用于高温、有毒、核辐射及人眼无法自 接观察的场所，可以方便而迅速地检查各种机器、设备和组装物体的内部，不需拆卸 或破坏组装就能进行有效的质量管理，甚至在新产品开发、制造等各个领域也人显身 手。该产品可与照相机、摄像机和电子计算机连接，可组成照相、摄像和图像处理系 统，从而可进行视场目标的监视、记录、贮存和图像分析，因此可广泛应用于航空、 汽车、船舶、电气、电子、化学、电力、煤气、工业机械、钢铁、等现代核心工业的 各个部门。 9 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 首先选择合适的传像光纤和c c d ，计算工业内窥镜的外形尺寸，具体确定系 统各部件的结构参数，并且使它们之间的耦合效率达到计较理想的情况。 ( 2 ) 确定物镜的主要参数，采用像方远心系统，并且用z e m a x 优化像差，使其 满足使用要求。 ( 3 ) 确定转像系统的参数，采用物方远心光路，并且用z e m a x 优化像差，使其 满足使用要求。 ( 4 ) 设计满足使用要求的目镜的主要参数，并且用z e m a x 优化像差，使其满足 使用要求。 1 0 2 1 引言 第二章光纤束的传光、传像特性 光纤由于具有传光、传像和传输其它光信号的功能，因此在医学、工业、国防和 通信事业等方面得到了广泛的应用。例如由许多单根光纤组成的光纤束可作为医学和 工业内窥镜中的传光和传像元件，梯度折射率光纤可应用于通信中的长距离光信号传 输等。 光纤根据其传光特性又分为两种，一种是阶跃型折射率光纤，即光纤的内芯和外 包皮分别为折射率不同的均匀透明介质，因此光线在阶跃光纤内的传输是以全反射和 直线传播的方式进行的。另一种是梯度折射率光纤，即光纤的中心到边缘折射率呈梯 度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。本文主要用到的是阶跃型光纤传 像束和传光束。因此在这里主要介绍阶跃型光纤的特性。 2 2 阶跃型光纤的基本原理 由全反射原理知道如卜玎1 ，当光线由光密介质( 折射率玎。) 射入光疏介质( 折射率 咒。) 的光滑分界面时，入射角，大于临界角厶时，则入射光将发生全反射，即 s i n i 芝s i n i 。一旦 ( 2 1 ) _ r 1 1 阶跃型光纤就是根据全反射原理制成的细而长的光学纤维，如图2 1 所示。当光 线的入射角为u 时，则经光纤输入端面折射后，其折射角u 应满足下式 s i n u ：n 1s i n u 。n 1s i n ( 9 0 。一，) ：! ! c o s ， ，l o以o，l o ( 2 2 ) ：鱼石面 n o 根据全反射定律有：s i n i s i n l 。生 ，l l 所以咖u s 等而2 去 ：厢 n 0 即入射在光纤输入端面的光线最大入射角应满足上式，否则光线在光纤内不发生全 反射而通不过光纤。定义月o s i n 丛为光纤的数值孔径，即 n a ：以。s i n u 啮。；厢 ( 2 3 ) 当光纤位于空气中时，r l 。；i , , 贝i j n a 。s i n u 一。0 鬲。 图2 1 阶跃型光纤 与几何光学中的物镜一样，光纤的数值孔径表示光纤接受光能的多少，要想使光 纤通过较多的光能，就必须增大光纤的数值孔径n a ，根据式( 2 3 ) 须使珂。和，l 。的差 值增大。由图2 1 可看出，当光纤的直径不变、且不弯曲光纤时，光线的直径在光纤 的子午面内传播，由光纤出射端面射出的光线出射角是不变的，但其射出方向视其在 光纤内的反射次数而定，若光线在光纤内的反射次数为偶数时，则出射光线的方向与 入射光线方向相同，若光线在光纤内的反射次数为奇数时，则出射光线的方向与入射 光线方向对称于光纤的光轴。因此一束平行光或一束会聚光入射在光纤的端面时，其 出射光己不再是一束平行光或会聚光，如图2 2 所示，平行光束变成锥面平行光束， 会聚光束变成锥面发散光束。 图2 2光纤束的传光特性 当光纤的直径不均匀时或光纤被弯曲时，其出射光束将变得更加复杂。当光纤的 直径不均匀时，即光纤在某处直径稍大，在某处直径稍小，就会形成圆锥形光纤，如 图2 3 所示。当光线出光纤大端入射时，光线在光纤内每反射一次，反射角减小了圆 锥夹角2 口，反之则反射角增大了2 口。由于光纤的长度比其直径大得很多，光纤在整个 长度范围内不可能保持直径的严格相等，有些地方直径稍大一些，有些地方直径稍小 一些，形成不同角度的圆锥型光纤，因此光线在光纤内的入射角和反射角有可能不断 地微量变化，光线从光纤端面射出时的角度和方向也就无法严格地确定了。 1 2 图2 ，3圆锥型光纤 当单根光纤被弯曲成曲率半径为尺的圆弧状时，如图2 4 所示，光线在光纤内的入 射角和反射角也会发生改变，甚至有的光线会折射到光纤的外包皮层，造成光能的损 失。 0 图2 4 弯曲状光纤 设光纤的弯曲圆弧半径为尺，光线的内芯半径为r o ，在子午面内的光线与轴心垂直 端面的夹角为口，光线在b 点的入射角和反射角分别为口1 和q ，在c 点的入射角和反 射角为0 ：和口：。由图2 4 中a a b c 可得 s i n o l s i n _ b a o 们 b o。 ( 2 4 ) s i n 乱；丝s i n 删d 。坐旦s i n 口 1 b o r + r n 因为尺+ r 0 肛r o ，所以光线b 点的入射角9 ，小于光线在a 点的反射角秒，且由式( 2 4 ) 可以看出，r 越小，玩越小，当岛小于临界角时，光线将折射到光纤的外包皮层中。 当光纤由b 点反射到c 点时，由a b o c 可得 1 3 s i n 研 s i n _ b c o s i n 吼 r 一厂or + 厂or + s i n 畋：冬鱼s i n 反：鲁鱼s i n 岛 2 r 一厂o 1 r r o 1 由式( 2 4 ) 得。 。 s i n 0 ；s i n 0 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 说明光线在弯曲光纤的内径点反射时，其入射角和反射角的大小不变。 设入射在光纤端面的光线的入射角为u ，经端面折射后的折射角为，根据上述讨论 可得 栉os i n u = 以ls i n u 。= ，| 1c o s o ，l 。s i n u 。刀。6 ：丽；刀。 因为只有当s i n b 芑s i n l 。：鱼时，b 点的光线才会发生全反射，所以有 咒1 n a = 咒os i n u 。- ( 2 6 ) 上式说明弯曲后的光纤数值孑l 径小于原光纤数值孔径，且其出射光线的方向也要 发生变化。 由于光纤单丝直径的变化和光纤束在使用过程中经常成弯曲的状态，因此入射在 光纤端面的平行光束或会聚光束不再成上述的圆锥平行光束或圆锥发散光束，综合其 各种变化的几率，射出光纤端面的光束应看成为充满光纤数值孔径角的发散光束，如 图2 5 所示。 a ) 图2 5光纤束的实际传输特性 2 3 阶跃型光纤束的传光、传像特性 b ) 阶跃型光纤既具有传递光能的特性8 卜”，又具有可挠性，因此在医学和工业内窥 1 4 镜以及其它光纤仪器中常利用光纤束作为传光和传像的光学元件。所谓光纤束就足把 许多单根光纤的两端用胶紧密地粘贴在一起，做成不同长度和不同截面大小与形状的 光纤元件。光纤束既可作为传光束，又可作为传像束，传光束的作用是传递光能，传 像束的作用是传递图像，由于二者的作用不同，其结构相要求也不尽相同，下面分别 加以介绍。 2 3 1 传光束 传光束既然是传递光能的，因此要求光纤束具有一定的光能透过率。例如电子一 业 内窥镜的镜管工作长度达1 0m 以上，作为内窥镜照明的传光束，其长度必须大于内窥 镜的镜管长度，若传光束的光能透过率太低，不能满足内窥镜的照明要求，就会影响 内窥镜的使用范围。因此光能透过率是传光束的重要特性。设t 为光纤束的光能透射 比，为光纤束输出端光通量，九为光纤束输入端光通量，则光纤束的光能透射比为 。 f 。旦( 2 7 ) 如 影响光纤束光能透射比的因素很多，但其主要因素为光纤束的断面反射损失、内 芯材料吸收、内芯与外包皮的界面全反射损失和光纤束的填充系数、数值孔径以及入 射光的光谱分布等，下面分别加以分析。 ( 1 ) 光纤端面的反射损失 当光纤束位于空气中，光纤由空气入射到光纤端面时，有一部分光被反射掉，且 随入射角的不同，反射损失也不同。根据光的电磁理论，当入射角u o 时，其强度反 射率为 p ：( 笠兰) z ( 2 8 ) ，| l + ，1 2 式中，n o 为空气折射率，n 。为光纤内芯的折射率。式( 2 8 ) 说明，n o 和n 。不变时，无 论从空气射入介质或从介质射入空气中的光线，其反射损失是一致的，因此在光纤束 的输出端也存在同样的反射损失，通过光纤束两端面的光能透射比为 了l 一0 一p ) 2 ( 2 9 ) ( 2 ) 内芯材料吸收 任何光学材料都对光能均有吸收作用，其大小可用吸收比a 来表示，当光线在光 纤内通过的路程为s 时，则光线通过光纤的光能透射比为 f 2 = e x p ( 一a s ) ( 2 1 0 ) 因为s = 兰_ c o s u 所以 f 2 = e x p - a 】 ( 2 1 1 ) 式中，u 为人射光线在光纤端面的折射角，为光纤的总长度。由式( 2 1 1 ) 可看出， 光纤的透射比是呈负指数形式的衰减函数，随着的增大，透射比越来越小，这是光 纤光能损耗的重要部分。 ( 3 ) 内芯与外包皮的界面全反射损失 由于制造上的原因，光纤的内芯与外包皮的分界面不可能形成理想的光学反射面， 因此其全反射系数a 。 杂闵 ， 1 图2 1 1 光纤传像系统的基本结构 若把传光束的输入端和输出端的光学系统连接起来，如图2 1 1 所示，传像束的输 入、输出端面相当于前后两个光学系统的中间像面，其光瞳位置是衔接的，犹如不存 在传像束的两个光学系统组合一样。但我们不能完全将其看成是两个光学系统的组合， 这是因为两个光学系统的组合，只要考虑光瞳位置的衔接就可以了，而在光纤光学系 统中，除考虑光瞳位置的衔接外，前后光学系统的光瞳大小还必须单独考虑。例如前 方成像系统的像方孔径角小于传像柬的数值孔径角时，则后方成像系统的相对孔径不 应以前方成像系统的像方孔径角为准，原则上应以传像束的数值孔径角为准，这是因 为光纤束的传光特性决定其出射光束以充满光纤的数值孔径角出射，若不满足上述要 求，则后方成像系统就会限制传像束的光能传输。 光纤束射出的光线虽以充满数值孔径角的形式发散，但其光线在整个数值孔径角 内的分布是不均匀的，中心处密，越靠近最大孔径角处光线越疏，即光能的分布呈高 斯函数型。当后方成像系统对光能的要求不高时，只要满足一定的成像分辨率要求， 其后方成像系统的相对孔径未必一定要和传像束的数值孔径相匹配，适当减小其相对 孔径大小，将会给后方成像系统的设计带来很大益处，若后方成像系统的相对孑l 径一 定要和传像束的数值孔径相匹配时，在光学设计的像差校正中，也应以小相对孔径部 分为主，因为它占有物像点总能量的大部分。 2 1 31 引言 第三章光纤内窥镜的基本结构和原理 光纤工业内窥镜是一种利用纤维光学和光学、精密机械及电子技术结合而成的新 型光学仪器“”，如图3 1 所示，它利用光导纤维的传光、传像原理及其柔软弯曲性能， 可以对设备中肉眼不易观察到的隐蔽部位方便地进行直接快速的检查，既不需设备的 解体，亦不需另外照明，只要有孔能使窥头插入，内部情况便可一目了然，既可直观， 亦可侧视，还可手控窥头对被检查面进行连续上下扫描1 0 0 0 ；可目视，亦可照像，还 可录像或电视显示。它与传统的光学成像器件相比，具有柔软、重量轻、使用自由度 大、易实现复杂空间结构的图像传递等特点，打破了传统光学系统必须成直线或空间 折线豹僵直、呆板格局。由于柔软光纤传像柬优良的传像特性和可以弯曲的性能，还 能在强电磁干扰、高温有腐蚀的场合工作。因而使其被广泛地应用于医学、工业检测、 科研、军事等彰砷领域中、 32 光纤工业内窥镜的基本结构和成像原理 光纤工业内窥镜如图3 2 所示“”，由头端部、弯曲部、主软管、操作部、目镜 导光软管、导光插头、冷光源所构成。 部 弯曲部头端部 图3 2 光纤内窥镜的基本结构 其工作原理是：从光源内发出的强光，经导光束照明被观察物体；图像经透镜聚 焦后，会聚到柔性光纤传光束一端，经光纤传光束传输到头端照明被观察物体( 或视 场) 。为使整个视场照度均匀，光纤传光束照明范围应大于视场角，因此不仅要求传光 光纤的直径尽量小，柔软性好，而且要求有较高的数值孔径，才能达到提高视场光照 度的要求。被观察物体的反射光经过物镜汇聚后，成像于光纤传像束的端面上，然后 经过个光纤传像束传出，再经过目镜放大后，通过c c d 进行光电转换，把光信号转变 成电信号，最后显示在计算机或显示器上，进行录像或储存。由于光在光纤内传输的 过程中有损耗，因此光纤工业内窥镜的使用距离受到一定的限制，传像束的长度一般 不超过6m 。 光纤工业内窥镜可分为光学系统和机械系统两大部分。除光源及摄像机外，内窥 镜的光学系统由导光束、物镜、传像束及目镜组成，如图3 3 所示。机械部分由头端部、 弯曲部、保护软管、牵引钢丝绳、弯角操作钮组成。 ；l 一 l 光源 图3 3 光纤内窥镜的光学系统 3 2 1 光纤工业内窥镜的光学系统 人眼 l 前面已经提到内窥镜的光学系统由导光束、物镜、传像束及目镜等组成，是内窥 o。， ：t 镜最重要的组成部分，其质量水平的高低，直接反映光纤内窥镜质量水平。与其它光 学仪器相比，光纤内窥镜光学系统独具特色：大视场、d , - 孑l 径、景深长、结构小、整 机成像分辨率受传像束的分辨率影响大。在其设计时应综合考虑物镜、导光束、传像 束、目镜等因素，使其参数相互匹配。 ( 1 ) 内窥镜物镜 内窥镜物镜的特点是小孔径大视场。d , ：l 径是针对固定焦点内窥镜仍需较长景深 而设计的。大视场是内窥镜应用所要求的。在近距离内，能观察到尽可能大的范围，只 有靠大视场角保证。大视场角会引起畸变增大，但一般内窥镜对畸变要求不是很高， 3 0 - - , 4 0 的畸变还是能够使用的。 ( 2 ) 内窥镜导光系统 内窥镜的照明由导光系统来完成n 日。博1 。光源发出的强光经隔热聚焦后，会聚到 导光束一端，经导光束传输到头端照明被观察物体。为使整个视场照度均匀，导光束 照明范围应大于视场角，因此导光窗必须增加发散功能，将导光窗制成平凹透镜。 ( 3 ) 内窥镜目镜 内窥镜传像束传输过来的画面是通过目镜放大而供人观察的。由于每个操作者的 视力不尽相同，在目镜上设计了视度调整装置。由于纤维单丝直径的限制，目镜的放 大倍率不能太高，否则会影响观察效果。 3 2 2 光纤工业内窥镜的机械系统 ( 1 ) 头端部 头端部由观察窗、导光窗等组成，如图3 3 所示。内窥镜头端部有直视、斜视、侧 视部件等，随着弯曲部件制作水平的提高，一般前视头端部即可满足使用要求。 观察窗 图3 4 内窥镜头端部 ( 2 ) 弯曲部 弯曲部足圈状零件多件连结而成，其中串有弯角钢丝绳( 四方向4 根钢丝绳，二方 向2 根钢丝绳) ，钢丝绳的一端被固定在弯曲部的前端。拉紧其中一根钢丝绳，圈状零 件的另一边放开，钢丝绳拉紧侧收缩，这样就成了一定角度的弯曲。钢丝绳的另一端 被连接在操作部的弯角手轮处，转动弯角手轮，弯曲部就作与弯角手轮同一转动方向 的弯角。 内窥镜性能的好坏，与弯角部性能有很大关系。通常要求弯角部的弯曲角度要大， 但弯曲半径要小。但如果弯曲角度过大容易使光纤束断裂，而弯曲半径过小就会使像 束