Технические эндоскопы - Жесткие эндоскопы

      С конструкторской точки зрения  эндоскоп как оптический прибор представляет собой устройство, содержащее две оптических системы (канала) – наблюдательную (визуальную) и осветительную.   Наблюдательная  система эндоскопа - часть эндоскопа, предназначенная для формирования и передачи изображения объекта к наблюдателю.  Осветительная система эндоскопа - часть эндоскопа, предназначенная для  передачи светового излучения от осветителя к исследуемому объекту.

          Отраженный исследуемым объектом свет поступает в наблюдательную систему эндоскопа, которая строит изображение исследуемого объекта на сетчатке глаза оператора или на электронном приемнике изображения  вспомогательных блоков - телевизионной системы, фотографической системы.

          Для конкретного применения эндоскопа  особое значение имеет исполнение (жесткое или гибкое) его рабочей части, то есть той части  эндоскопа, которая предназначена для введения в исследуемую полость и имеет форму и размеры, соответствующие тому  каналу, по которому вводится эндоскоп.

Жесткие эндоскопы относятся к группе эндоскопов, геометрическая и оптическая ось которых остается неизменной в процессе эндоскопического исследования.

Гибкие эндоскопы относятся к группе эндоскопов, геометрическая и оптическая ось которых меняет свою конфигурацию  в процессе эндоскопического исследования.     

Наблюдательная система эндоскопа состоит из трех основных частей: объектива, системы передачи изображения  и окуляра.

На рис. 1 показано схематическое  устройство жесткого эндоскопа.

В зависимости от вида используемых в наблюдательном  канале, а именно в системе передачи изображения,  оптических  компонентов  оптические системы жестких эндоскопов можно разделить на следующие основные группы:   

   1) жесткие эндоскопы на основе линзовой оптики;
   2) жесткие эндоскопы на основе градиентной оптики;
   3) жесткие эндоскопы на основе волоконных жгутов/стержней.

Рабочая часть эндоскопа, как правило,  устроена следующим образом. Механическую основу рабочей части эндоскопа составляют две тонкостенные стальные трубки (обычная толщина стенки внутренней трубки – 0,07-0,2 мм, наружной – 0,15-0,3 мм), вставленные одна в другую. Внутренняя трубка имеет внутренний диаметр, изготовленный с большой точностью (допуск – до  ±0,01 мм). Оптические компоненты устанавливаются  во внутреннюю трубку. При сложной конструкции объектива он, иногда, устанавливается в отдельной оправе.

Между наружной и внутренней трубками прокладывается  волокно, по которому осуществляется подсветка рабочего поля. Прокладка волокна может осуществляться либо равномерным слоем между внешней и внутренней трубками (прокладка «по кольцу», коаксиально), либо «по серпу», когда внутренняя трубка прижата к внешней трубке. Прокладка «по серпу» применяется в сверхтонких эндоскопах и в эндоскопах, где направление наблюдения  отлично от  прямого (рис. 2).

                                   Рис. 2 -  Направление наблюдения жесткого эндоскопа.

Рассмотрим  строение наблюдательного  канала жестких эндоскопов.

1. Наблюдательный канал жестких эндоскопов на основе линзовой оптики состоит из линзового объектива, линзовых оборачивающих систем (передающей оптики)  и окуляра. Длина рабочей части линзовых эндоскопов может достигать 100 ее диаметров. По сравнению с другими оптическими системами, линзовые системы позволяют получить наивысшее разрешение  и позволяют наиболее широко комбинировать оптические параметры (увеличение, поле зрения, направление наблюдения, и т. д.) для решения конкретных задач диагностики.

Современные линзовые оборачивающие системы в жестких эндоскопах обычно бывают двух типов (рис.3). Для эндоскопов с небольшим угловым полем (небольшим относительным отверстием объектива) линзовые оборачивающие системы часто состоят из набора двухлинзовых ахроматизированных  склеек, количество которых зависит от длины рабочей части эндоскопа.

Для эндоскопов с большим угловым полем (большим относительным отверстием объектива) используется так называемая оптика Хопкинса (HOPKINS®). Здесь линзовые оборачивающие системы  состоят из набора сложных склеек, которые обязательно включают в себя стеклянные цилиндры («столбиковая» или «стержневая» оптика). Такая оптика позволяет получать светосильные системы небольшого диаметра и очень хорошего качества.

                                           Классическая линзовая оптика (тонкие линзы).

                                                          Оптика Хопкинса  («стержневая» оптика) 

                                           Рис.3 - Виды линзовых оборачивающих систем эндоскопов

       2. Наблюдательный канал жестких эндоскопов на основе  радиентной оптики (граданов) состоит из объектива, градиентной оборачивающей системы (транслятора) и линзового окуляра (рис. 4).  Длина рабочей части градиентных эндоскопов может достигать 150 ее диаметров.  Эндоскопы этой группы имеют более низкую, чем у линзовых эндоскопов, разрешающую способность. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.
                        
                 Рис. 4 - Оптическая система эндоскопа с градиентным транслятором.

         Граданы, используемые в эндоскопах, представляют собой длинные цилиндрические стержни с плоскими полированными торцами, изготовленные из особых сортов стекла и прошедшие специальную физико-химическую обработку, создающую в градане радиальный градиент показателя преломления. Показатель преломления плавно убывает от оси градана к его наружной цилиндрической поверхности.
     Одним из главных достоинств  градиентных элементов является возможность замены одним граданом нескольких десятков микролинз, составляющих систему передачи изображения эндоскопа. Это позволяет полностью отказаться от чрезвычайно трудоемких операций изготовления  микролинз,  а также существенно упростить сборку приборов.
       Кроме того, применение граданов с определенными градиентами показателя преломления (высокоапертурные трансляторы) позволяет создать высокосветосильные оптические системы с параметрами, теоретически недостижимыми при использовании классической оптики.
       3. Наблюдательный канал эндоскопов на основе волоконно-оптических жгутов  состоит из объектива, регулярного волоконно-оптического жгута, представляющего собой пучок регулярно уложенных  моноволокон-световодов  диаметром 4 - 15 мкм с полированными торцами, и линзового окуляра (рис.5). Волоконно-оптический жгут может быть как гибким, так и жестким (стержень).
                    
             Рис. 5 - Оптическая система эндоскопа с волоконно-оптическим транслятором.

         При этом изображение строится объективом на входном торце жгута и рассматривается через окуляр на выходном торце жгута. Эндоскопы этой группы имеют более низкую, чем у градиентных эндоскопов, разрешающую способность. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.
       Одним из главных достоинств  жестких эндоскопов, построенных на основе волоконно-оптических жгутов, является  высокая механическая устойчивость к изгибам рабочей части эндоскопа. Даже сильный изгиб не приводит к механическому разрушению системы передачи изображения. Поэтому длина рабочей части  эндоскопов с волоконно-оптическим транслятором при достаточно малом диаметре (до 1,5 мм) может достигать 300 ее диаметров и более.