УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕНИЯ СИГНАЛОВ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН

Полезная модель относится к оптическим приборам и предназначено для реализации сложения сигналов нескольких входных оптических волокон в одно или группу волокон выходных.
В частности, предложенное устройство может быть применено в эндоскопах или родственных устройствах, когда высокие удельные световые мощности необходимо ввести в оптическое волокно по возможности меньшего диаметра. Немаловажным требованием в этом случае является достижение возможности введения в единый оптический волоконный кабель излучения различных спектральных диапазонов, что легко реализуется при использовании предлагаемой полезной модели.
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. Для формирования заданной освещенности на наблюдаемой поверхности требуется применение мощных источников света с устройствами охлаждения.
Принципиальная схема осветителя для эндоскопа представлена на Фиг.1. Световой поток от источника 1 излучения с помощью оптической системы собирается, фильтруется и фокусируется на входном торце осветительного жгута 6. Для поддержания требуемого теплового режима внутри источника 1 излучения встраивается вентилятор 7. Световой поток источника 1 излучения 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 тепловой фильтр 4.
В случае использования в эндоскопе видеокамеры для получения качественного изображения на экране монитора, освещенность объекта исследования должна быть высокой. В этом случае необходимо использовать лампы мощностью до 300 Вт. Чаще это ксеноновая лампа, которая имеет спектр излучения, приближающийся к естественному свету (6000 К). Ресурс ее работы около 1000 ч. Из-за высокой температуры кварцевых колб ламп требуется их принудительное охлаждение, осуществляемое с помощью воздушной вентиляции.
В основу полезной модели положено использование линзового растрового устройства. Растровая оптическая система - класс оптических систем, включающих совокупность большого числа мелких оптических элементов (малых отверстий, линзочек, решеток, призм, зеркал и пр.), расположенных на общей поверхности и действующих как единое оптическое устройство (Фиг.2). Каждый малый элемент растровой оптической системы участвует в создании лишь одного элемента, формируемого системой изображения. Растровые оптические системы отличаются друг от друга параметрами элементов, способом их укладки на общей поверхности и формой этой поверхности. На практике чаще всего используют растровые оптические системы с постоянным периодом следования элементов на общей плоскости. Преломляющие элементы такого растра представляют собой маленькие линзы, покрывающие сплошь всю поверхность растра, причем оптические оси каждой из этих линз нормальны к поверхности растра. Если преломляющие элементы представляют собой положительные линзы, то элементарные оптические изображения получаются действительными за растром (Фиг.2). Предмет 2.3 преобразуется независимо каждой линзой растра 2.1 и дает изображение 2.4 на экране 2.2. Если же преломляющие элементы выполнены в виде отрицательных линз, то элементарные изображения оказываются мнимыми и расположенными перед растром.
Прототипом предлагаемого устройства является «Оптический растровый конденсор и оптическое изделие с растровым конденсором» (RU 2126986, G02B 19/00, 1997.11.24, [Л1]). Оптический растровый конденсор содержит фокон-линзовый растр для концентрации света. В этом устройстве каждый элемент растра является независимым узлом и преобразует свет независимо от других элементов растра. В изобретении предполагается, что такой растр может быть выполнен также и из шариковых линз.
Целью нашей полезной модели является совмещение положительных свойств растрового и классического конденсоров.
Классический конденсор - короткофокусная линза или система линз, используемая в оптическом приборе для освещения рассматриваемого или проецируемого предмета (Тудоровский А.И., Теория оптических приборов, 2 изд., ч. 2, М. - Л., 1952, [Л2]). Конденсор собирает и направляет на предмет лучи от источника света, в том числе и такие, которые в его отсутствие проходят мимо предмета; в результате такого «сгущения» светового потока резко возрастает освещенность предмета. Конструкция конденсора тем сложнее, чем больше его апертура. При числовых апертурах до 0,1 применяют простые линзы; при апертурах 0,2-0,3 - двухлинзовые конденсор, выше 0,3 - трехлинзовые. Наиболее распространен конденсор из двух одинаковых плосковыпуклых линз, которые обращены друг к другу сферическими поверхностями для уменьшения сферической аберрации.
Возможности классического конденсора по введению высокой плотности мощности в оптические волокна ограничены тем обстоятельством, что при уменьшении размера пятна на торце волоконного жгута одновременно, согласно законам классической оптики, возрастает диапазон углов, под которыми свет падает на торец волокна. В то же время для материала волокна существует предельный угол, превышение которого ведет к невозможности распространения излучения в волокне, так как не удойлетворяется условие полного внутреннего отражения.
В рассмотренном ранее прототипе используется растровый конденсор, но предложенное решение не позволяет выйти за рамки центрированных оптических систем, так как для каждого элемента растра условие центрированности выполняется по отдельности.
Действие заявленного устройства сложения сигналов оптических волокон происходит следующим образом (Фиг.3): сигналы оптических волокон 3.1 подводятся к их выходным торцам, расположенным в фокусах индивидуальных оптических систем 3.2, расположенных в гексагональный растр. Индивидуальная оптическая система представляет собой цилиндр диаметром 1,5-3 мм из оптического материала, один торец которого выполнен в виде собирающей линзы, а другой торец имеет пристыкованное входное оптическое волокно, торец которого совмещается с фокусом собирающей линзы. Тем самым осуществляется оптическое преобразование изображения торца каждого входного волокна в левую бесконечно удаленную точку. Далее сигналы всех входных оптических волокон преобразуются общей линзой 3.4, в фокусе которой находится торец выходного оптического волокна 3.3. Поскольку все бесконечно удаленные точки преобразуются в изображение, локализованное в фокусе линзы, происходит наложение изображений торцов всех входных волокон на торец выходного волокна, производя суммирование оптических мощностей, доставленных входными волокнами. Также возможно осуществление выходного волокна в виде по меньшей мере двух выходных волокон, собранных в жгут.
Имеется естественное ограничение на число входных волокон, сигналы которых могут быть просуммированы предлагаемым способом. Это ограничение связано с необходимостью иметь размер изображения на торце выходного оптического волокна не больше геометрических размеров торца. Дополнительное ограничение накладывается на угол наклона лучей, приходящих от крайних входных волокон. Это ограничение задается апер-турным углом выходного оптического волокна. Данное ограничение приводит к требованию минимизации диаметров индивидуальных оптических систем. В нашем случае мы использовали для суммирования сигналов индивидуальные оптические системы с диаметрами 1,5-3 мм.
Интересный путь минимизации размеров оптической системы был предложен ранее (А.С.1339474 СССР. МКИ G02В 13/22 Объектив эндоскопа / Л.Н.Васин, Ю.А.Фролов, А.П.Дмитриев, И.А.Коробченко. - За-явл. 30.04.86; Опубл. 23.09.87, Бюл. №35. [ЛЗ]) для реализации оптической системы уретероскопа. Объектив уретероскопа (Фиг.4) был выполнен в виде монолитного блока из последовательно склеенных между собой защитного стекла 4.1 (плоскопараллельной пластинки), объемной апертурной диафрагмы 4.2 и шаровой линзы 4.3. При склеивании этих элементов между защитным стеклом, находящемся в контакте с одной из поверхностей апертурной диафрагмы, и шаровой линзой, находящейся в контакте с краями отверстия второй поверхности апертурной диафрагмы, из клея формируется плоско-вогнутая линза 4.4, играющая роль отрицательного оптического элемента. Эта линза увеличивает задний отрезок, уменьшает хроматизм и способствует увеличению углового поля в пространстве предметов. Объектив располагается на оптической оси волоконно-оптического жгута 4.5. Форма, размеры и материалы оптических элементов выбираются таким образом, чтобы обеспечивался телецентрический ход главных лучей в пространстве изображений.
На Фиг.5 представлен вариант нашего суммирующего устройства, в котором для ввода света во входное волокно использованы индивидуальные оптические системы, имеющие в качестве собирающей линзы шар диаметром 1,5-3 мм из оптического материала.