Освітлювач для ендоскопа

Освітлювач для волоконно-оптичного ендоскопа, що містить джерела світла і живлення, який відрізняє ться тим, що як джерело світла використовують оптичний напівпровідниковий світлодіод з підвищеною яскравістю або світлодіодну матрицю, змонтовану в єдиному корпусі як один світлодіод з силою світла джерела не менше 15 кандел і кутом випромінювання не менше 18 градусів, що 3 25700 можливості використання низьковольтних джерел живлення постійного струму, не можуть працювати автономно без джерела змінного струму з напругою 220 В і бути використані для мобільних лабораторій і в польових умовах, а освітлювач Β.Η. Маркова не може працювати без складного мікропроцесорного блоку завдання кольору спектра. Крім того освітлювачі ОС-150-01 і ОС-150-01М через використання потужних низьковольтних галогенних ламп розжарювання, мають високе енергоспоживання і достатньо високий рівень теплопродукції, що веде до використання потужних перетворювачів напруги та нагрівання самого освітлювача, необхідності виконання корпусу освітлювача з металу, а також оснащення його системою примусового тепловідводу і о холодження. Також відомі освітлювачі мають достатньо складну конструкцію, потребують спеціальних матеріалів та спеціально оснащену базу для виробництва, що значно підвищує вартість приборів. В основу корисної моделі поставлено задачу створити освітлювач для ендоскопів шляхом використання світлодіода або світлодіодної матриці з певними параметрами та вбудованою власною оптичною системою з можливістю плавної регуляції освітлення об’єкта спостереження та можливістю розташування безпосередньо у рукоятці ендоскопа і живлення як від джерела змінного, так і постійного струму, що дозволить повністю замінити виносний освітлювач без внесення змін в конструкцію ендоскопів, виключити залежність від виносного освітлювача, відмовитись від волоконнооптичного з'єднувача освітлювача та ендоскопа, який суттєво зменшує силу світлопотоку спрямованого від освітлювача до ендоскопа, значно скоротити хід промінів освітлення по оптоволокну та зменшити втрати інтенсивності освітлення, оптимізувати спектр освітлення, усун ути мерехтіння освітленості об’єкта спостереження, суттєво спростити оптичну конструкцію освітлювача та систему регуляції освітлення, значно підвищити надійність роботи освітлювача та спростити його використання та виробництво, суттєво підвищити ступені просторової свободи ендоскопа та забезпечити йому практично повну просторову свободу рухів, забезпечити можливість тривалої автономної роботи, виключити з конструкції освітлювача потужний перетворювач напруги, систему примусового охолодження та систему оптичних лінз у порівнянні з освітлювачами ОС-150-01 і ОС-150-01-М, а також складну оптичну та електронну систему управління і регуляції спектром та інтенсивністю світлопотоку у порівнянні з волоконно-оптичним освітлювачем, який розроблений Β.Η. Марковим, забезпечити використання для мобільних лабораторій, досліджень в польових умовах і при аварійних ситуаціях (відсутність живлення в мережі змінного струму), низьке енергоспоживання і рівень теплопродукції, зниження нагрівання освітлювача, високий ступінь захисту від термічних пошкоджень, а також високу пожежо- і електробезпеку, виключити системи тепловідводу, о холодження і необхідність в заземленні приладу, подовжити період працездатності джерела освітлення за рахунок більшого ресурсу роботи світлодіодів порівняно з лампами 4 розжарювання, забезпечити можливість виконання конструкції корпусу з пластику, значно зменшити габарити освітлювача, його масу, матеріалоємність та вартість. Поставлена задача досягається тим, що в якості джерела освітлення в освітлювачі використовують оптичний напівпровідниковий світлодіод або світлодіодну матрицю, розташовану в єдиному корпусі як один світлодіод з підвищеною яскравістю, що має низьковольтне живлення від джерела постійного струму з силою світла джерела не менше 15 кандел, кутом випромінювання не менше 18 градусів і біло-блакитним спектром випромінювання, що має низьке енергоспоживання і вбудовану власну оптичну систему у вигляді збиральної лінзи, що є частиною пластикового корпусу діода або матриці, поміщених в пластиковий корпус освітлювача, з можливістю механічної регуляції положення джерела освітлення, а також системи регуляції інтенсивності освітленості і живлення, як від джерела постійного струму з напругою 4-4,5 В, так і від мережі змінного струму 220 В через перетворювач, а також габаритними розмірами освітлювача, що дозволяє його розташування безпосередньо у рукоятці ендоскопа. На Фіг.1 - зображена конструкція освітлювача з джерелом освітлення, монтажною платою для світлодіода, блоком живлення, системою регуляції освітлення, з'єднувальними провідниками та гніздами для підключення перетворювача напруги та оптоволоконного з'єднувача; на Фіг.2 - принципова схема конструкції освітлювача; на Фіг.3 - схема конструкції ендоскопів типу Ре-Вс-3 та Ре-Вс-5 виробництва ПО "Красногвардеец" (Росія) з встановленим на нього запропонованим освітлювачем; на Фіг.4 - електронна схема резисторного регулятора сили світло-потоку (А) і перетворювача напруги (Б). Освітлювач для ендоскопа складається з напівпровідникового світлодіода або світлодіодної матриці, яка змонтована в єдиному корпусі як один світлодіод (1), закріплених на монтажній платі (2), яка поміщена в пластиковий корпус освітлювача (3), що має верхній отвір (4) для проходження світла та при необхідності приєднання до освітлювача волоконно-оптичного з'єднувача, регулятора інтенсивності світлопотоку та вимикача змонтованих в одному корпусі (5), батарей або акумулятора (джерела постійного струму з напругою 4-4,5 В) (6), гнізда для приєднання провідників живлення від перетворювача напруги (7), клем для батарей або акумуляторів (8), з'єднувальних провідників (9), дна освітлювача (10). Джерело освітлення освітлювача - оптичний напівпровідниковий світлодіод або світлодіодна матриця, яка змонтована в єдиному корпусі як один світлодіод (1) з силою світла джерела не менше 15 кандел і кутом випромінювання не менше 18 градусів закріплені на ділянці фольгированого текстоліту із заздалегідь просвердленими двома крізними отворами (11) під виводи світлодіода. Фольгирова-ний текстоліт оброблений методом хімічного "травлення" з метою отримання мідних доріжок для кріплення методом паяння виводів світлодіода і сполучних провідників для підведен 5 25700 ня до діода живлення через систему регуляції від джерела постійного струму (або перетворювача від мережі змінного струму). Діод вставлений в ділянку текстоліту із сторони не покритої мідною фольгою таким чином, щоб плоске дно корпусу світлодіода було паралельним поверхні ділянки монтажної плати (2), а відстань між дном корпусу діода (1) і монтажною платою (2) складала 2 мм. Це необхідно для регуляції положення джерела освітлення відносно горизонтальної поверхні в системі двохосьових координат в межах корпусу освітлювача. Отвори в монтажній платі формують таким чином, щоб при монтажі джерела освітлення кристали випромінювання світлодіода або матриці були розташовані в центрі кола монтажної плати та співпадали з віссю циліндра корпуса освітлювача і світловодів ендоскопа (12) та оптоволоконного з'єднувача. Це повинно забезпечити максимальне освітлення об’єкта дослідження. Монтажна плата (2) з світлодіодом або світлодіодною матрицею (1) має круглу форму щільно підганяється до циліндричного отвору корпуса освітлювача та монтується в ньому впираючись на внутрішні виступи поверхні корпуса (13). Фіксацію проводять за рахунок щільного підгону розмірів плати та отвору корпуса освітлювача. Допоміжна фіксація плати може бути виконана клеєм. Циліндричний корпус освітлювача (3) може бути виконаний з пластика з товщиною стінок не менше 1 мм і повинен задовольняти таким умовам: зовнішній розмір корпуса освітлювача повинен відповідати внутрішньому розміру отвор у рукоятки ендоскопа таким чином, щоб забезпечити щільне розташування освітлювача у рукоятці; внутрішня місткість корпусу повинна вміщати гніздо для оптоволоконного з'єднувача (4), монтажну плату (2) з світлодіодом або світлодіодною матрицею (1), батареї або акумулятор (6), з'єднувальні провідники (9), дно освітлювача (10) з вмонтованими на ньому гніздом для підключення перетворювача змінного струму (7), регулятором світлопотоку та вимикачем, які змонтовані разом (5). Розміри дна освітлювача (10) щільно підганяються до циліндричного отвору корпуса освітлювача, а в якості фіксаторів дна використовують внутрішні виступи поверхні корпуса (13). У разі використання елементів живлення або акумуляторів типу АА або перетворювача змінного струму освітлювач можна розташовува ти безпосередньо у циліндричному отворі змінної рукоятки зокрема для ендоскопів типу Ре-Вс-3 та Ре-Вс-5, а також сама рукоятка ендоскопа може бути використана в якості корпуса освітлювача. У разі використання для живлення освітлювача елементів постійного струму другого типу необхідно замінити змінну рукоятку ендоскопу на таку, внутрішня місткість якої дозволить розташувати в ній елементи живлення. Однак для цього вже треба буде окремо виготовляти саму рукоятку для ендоскопа. Електронна схема освітлювача і його регулятора складається з резистора з номіналом (550Ом або інший), який забезпечує обмеження струму, що проходить через світлодіод або матрицю до максимально допустимого рівня, який вказаний у їх те хнічній характеристиці, послідовно 6 включеного з обмежувальним резистором змінного резистора з лінійною характеристикою (тип А або дротяний резистор) з номіналом 470-1000Ом. Резистори повинні бути розраховані на потужність не менше 0,25Вт. Далі послідовно з резисторами включають світлодіод або світлодіодну матрицю з дотриманням полярності діодів та вимикач. До схеми підключають низьковольтне автономне джерело живлення постійного струму з напругою 4-4,5В (три елементи по 1,5В або акумулятори з аналогічними характеристиками) або блок живлення у вигляді перетворювача напруги що складається із знижувального трансформатора з 220 на 5-12В, випрямляча у вигляді діод-ного моста, фільтру, що згладжує п ульсації струму, у вигляді електролітичного конденсатора або випрямляча з вбудованою стабілізацією (стабілізатора). Згідно позначень на електронних схемах: В1 вимикач; R1 - обмежувальний резистор (5-50Ом); R2 - струморегулюючий резистор (470-1000Ом); VI - світлодіод або світлодіодна матриця; Тр1 - знижувальний трансформатор 220/5-6 В; D1 - діодний міст; С1 - електролітичний конденсатор (5001000мкф 10В). У разі перетворювача з напругою вище 5 В номінали резисторів підбирають для забезпечення необхідного обмежувального струму і ширини діапазону регуляції сили світлопотоку. Оптимально використовува ти промисловий блок живлення від мікрокалькулятора "Електроніка" тип D2-10M (220В -50Гц; 5В - 0,1А). Освітлювач для ендоскопа працює таким чином. При включенні джерела освітлення (1) світло від випромінюючого кристалу світлодіода або світлодіодної матриці через збиральну лінзу їх корпусу передається безпосередньо на вхід оптоволоконних світловодів (12). У разі розташування освітлювача у р укоятці (14) ендоскопа (15) світло з освітлювача подається на вхід власної вмонтованої системи світловодів ендоскопа (12), які проходять безпосередньо по внутрішній поверхні тубуса ендоскопа (16) до його зовнішнього отвору (17) та по яким світло подається до об'єкта спостереження. У разі використання освітлювача я якості виносного джерела освітлення світло з світлодіода подається на вхід оптоволоконного з'єднувача. В корпус освітлювача вставляють елементи живлення постійного струму (6) з урахуванням полярності та щільно закривають дно освітлювача (10). Замість батарей або акумуляторів може бути використаний перетворювач напруги мережі змінного струму. Сам освітлювач вставляють замість оптоволоконного з'єднувача безпосередньо у отвір рукоятки (14) ендоскопа (15). Далі вмикають освітлювач і виставляють регулятор світлопотоку (5) на максимальне освітлення. До зовнішнього отвору (17) ендоскопа щільно приставляють білий лист щільного папера з невеликим малюнком. Рівень освітлюваності малюнка оцінюють візуально через вікно спостереження (18) ендоскопа (15). Досягають максимальної освітлюваності малюнка регулюючи просторове положення світлодіода або світлодіодної матриці на монтажній платі за рахунок незначних переміщень корпуса світлодіода 7 25700 або матриці вздовж горизонтальної та вертикальної осі за рахунок вигину металевих виводів світлодіода або світлодіодної матриці. Додатково регулюють освітлюваність обертаючи корпус освітлювача навколо осі обертання, знаходячи положення, яке забезпечує максимальне освітлення поля зору та малюнка на папері. Потім освітлювач закріпляють у рукоятці фіксатором (19). Надалі при повторному складанні ендоскопа при необхідності перед підготовкою до ендоскопічного дослідження регуляцію максимальної освітлюваності проводять тільки за рахунок осьового положення освітлювача. У разі відсутності потреби розташування освітлювача безпосередньо у рукоятці ендоскопа його можна використовува ти як виносний освітлювач. У цьому випадку освітлювач розташовують окремо від ендоскопа та з'єднують ендоскоп з освітлювачем оптоволоконним світловодом, вставляючи його кінець в спеціально призначений для нього отвір в освітлювачі. Налагодження освітлюваності проводять аналогічно наведеному вище. Однак фіксацію осьового положення освітлювача проводять відносно зовнішньої поверхні світловода. Надалі у процесі виконання ендоскопічного дослідження або маніпуляцій регуляцію освітлюваності проводять резисторним регулятором (5) сили світло-потоку освітлювача. Істотною відмінністю запропонованого освітлювача від відомих освітлювачів є те, що в якості джерела освітлення замість лампи розжарювання та набору багатокольорових світлодіодів з мікропроцесорною системою регуляції спектра використані оптичний напівпровідниковий світлодіод або світлодіодна матриця змонтована в єдиному корпусі як один світлодіод, що має низьковольтне живлення від джерела постійного струму з напругою 4-4,5 В, з силою сві тла джерела не менше 15 кандел, кутом випромінювання не менше 18 градусів і біло-блакитним спектром випромінювання, що має низьке енергоспоживання і вбудовану власну оптичну систему у вигляді збиральної лінзи, що є частиною пластикового корпусу діода або діодної матриці, а також систему плавної регуляції рівня сили світла джерела освітлення та відсутність в освітлювачі складної оптичної системи і складної системи регуляції спектром джерела освітлення. Істотною відмінністю запропонованого освітлювача є значна простота конструкції, а також те, що його конструкція забезпечує можливість розташування освітлювача безпосередньо в рукоятці ендоскопа, що забезпечує майже повну просторову свободу р ухів ендоскопа, дозволяє повністю відмовитись від оптоволоконного з'єднувача, який значно послаблює силу світлопотоку відомих виносних освітлювачів. Для підтвердження суттєвої відмінності та значного спрощення конструкції запропонованого освітлювача від відомих освітлювачів на Фіг.5 наведена принципова конструкція освітлювача Β.Η. Маркова, а на Фіг.6 освітлювачів ОС-150-01 та ОС150-01-М. В освітлювачі Β.Η. Маркова в якості джерела освітлення використаний не один світлодіод з біло-голубим спектром випромінювання як у запро 8 понованому освітлювачі, а значний набір багатокольорових світлодіодів (20), розташованих на монтажній платі (21). Окрім цього кожний з світлодіодів освітлювача Β.Η. Маркова має свою оптичну систему, кольоровий спектр та просторове розташування на монтажній платі (21), що потребує застосування складної оптичної системи формування направленості променів у світловому потоці, а також складної мікропроцесорної електронної системи формування спектра світлопотоку для подачі його на вхід оптоволоконного світловода (22). Треба зазначити що у якості системи формування направленості променів в освітлювачі Β.Η. Маркова використано рефлектор (23) внутрішня поверхня якого вкрита шаром, що відбиває світло, а конфігурація цієї поверхні описується рівнянням другого порядку. В освітлювачів ОС-150-01 та ОС-150-01-М у якості джерела світла використані галогенові лампи накалювання (24) з живленням 24 та 15 В відповідно та потужністю 150 Вт. У якості оптичної системи застосований інтерференційний рефлектор (25), який забезпечує направлення промів світлопотоку на блок із змінними світлофільтрами (26) та на замок-гніздо для підключення світловодів (27), через які світло подається на власну систему світловодів ендоскопа. Використання потужних галогенових ламп обов'язково потребує застосування потужного перетворювача мережевої напруги з 220В до 15 або 24В у якості якого виступає силовий понижуючий трансформатор (28), а також системи примусового тепловідводу, яка у освітлювачів типу ОС-150-01 і ОС-150-01-М реалізована у вигляді електричного вентилятора та відводу для повітря (29). Додатково освітлювачі оснащені запасною галогеновою лампою (30). Вся конструкція розміщена у металевому корпусі на масивній металевій станині (31), а вага освітлювача перевищує 6кг. Висновок. Виходячи з конструкції та компонентів освітлювача Β.Η. Маркова, які обумовлюють його габарити, стає очевидним практично неможливість розташування цього приладу безпосередньо в рукоятці ендоскопів, яка примушує використовувати зазначений освітлювач у якості виносного джерела освітлення, що в свою чергу обумовлює обов'язкове використання з'єднувального світловода. Слід також зазначити, що за рахунок складності конструкції, освітлювач Β.Η. Маркова буде мати невисоку надійність, суттєві трудно щі при використанні, налагодженні та виробництві. Виходячи з конструкції ОС-150-01 та ОС-15001-М, використання в якості джерела світла у цих приладах потужних галогенових ламп веде до таких недоліків, як зсув спектра освітлення до жовтого кольору, а з використанням світлофільтрів формування окремо тільки красного, жовтого та синього спектрів, необхідність використання допоміжної оптичної системи, обов'язкове застосування з'єднувальних світловодів та потужного силового трансформатора, необхідність використання примусового тепловідводу та пов'язана з цим підвищена пожежонебе-зпека, повна залежність від мережі змінного струму в 220В та необхідність 9 25700 заземлення приладу, достатньо великі габарити і вага освітлювача та пов'язаний з цим один з основних недоліків - фізична неможливість розташування ОС-150-01 та ОС-150-01-М безпосередньо в ендоскопі і обмеження просторових рухів ендоскопа за рахунок прив'язки його до освітлювача з'єднувальними світловодами. Окрім цього одним з недоліків ОС-150-01 та ОС-150-01-М є необхідність в застосуванні у якості джерела освітлення потужних ламп накалювання, що забезпечує втрати сили світлопотоку при його проходженні через світловоди. При використанні запропонованого освітлювача ці недоліки усун уті, так як він взагалі не має ні допоміжної оптичної системи, ні системи формування спектра, який уже сформований самим джерелом випромінювання (біло-голубий) та є найбільш оптимальним для дослідження, може бути розташований безпосередньо в ендоскопі, чим забезпечує майже повну просторову свободу рухів ендоскопа та дозволяє взагалі відмовитись від виносного освітлювача та з'єднувальних світловодів. При порівнянні відомих освітлювачів з запропонованим освітлювачем стають очевидними переваги останнього: значна спрощеність конструкції без втрати якості при використанні; більш висока надійність; можливість монтажу безпосередньо у ендоскопі та повної відмови від виносного освітлювача і з'єднувальних світловодів; можливість автономної роботи та незалежність від мережі змінного струму з напругою 220В. Таким чином з наведеного вище стають ще більш очевидними переваги використання запропонованого освітлювача у порівнянні з відомими. Запропонований освітлювач для ендоскопа заснований на створенні системи штучного освітлення об'єктів ендоскопії як безпосереднього обладнання для ендоскопа без змін його конструкції з можливістю розташування освітлювача безпосередньо в рукоятці ендоскопа при використанні у якості джерела освітлення напівпровідникового світлодіоду або світлодіодної матриці змонтованої в єдиному корпусі як один світлодіод з низьковольтним живленням від джерела постійного струму з інтенсивним біло-блакитним спектром випромінювання та з власною оптичною системою, який поміщений в пластиковий корпус та оснащений системою плавної регуляції сили світла з живленням прибору, як від джерела змінного струму з напругою 220В, так і від джерела постійного струму з напругою 4-4,5В. Надійність запропонованого освітлювача оцінювали по якості безперервної роботи 5 приборів на протязі 5 годин на добу на термін 30 днів. За весь термін спостережень всі зразки освітлювачів працювали якісно, стабільно та без відмов. Варіація максимального освітлення поля зору ендоскопів залежала від розкиду параметрів світлодіодів 10 та складала 9-15%, що не надавало впливу на якість роботи освітлювачів за рахунок наявності системи регуляції освітлення. Запропонований освітлювач є працездатним та відтворюваним. Використання у освітлювачі в якості джерела освітлення замість ламп розжарювання з живленням від мережі змінного струму з частотою 50Гц через перетворювач напруги та складної системи формування світлопотоку з багатьох багатокольорових світло-діодів напівпровідникового світлодіоду або світлодіодної матриці змонтованої в єдиному корпусі як один світлодіод з біло-блакитним спектром випромінювання з високим рівнем сили світла, малим енергоспоживанням і незначною теплопродукцією, вмонтованою оптичною системою та низьковольтним живленням від джерела постійного струму, простота конструкції, можливість розташування безпосередньо у рукоятці ендоскопа, відсутність необхідності внесення змін в конструкцію ендоскопа дозволяє у порівнянні з відомими освітлювачами: забезпечити високу надійність; простоту використання; підвищити комфортність роботи; усун ути обмеження просторових рухів ендоскопа; відмовитись від виносного освітлювача та з'єднувального світловода; суттєво зменшити втрати сили світлопотоку; усунути мерехтіння освітлюваності поля дослідження; значно покращити умови для фотографування об'єктів дослідження та підвищити якість зображення; спростити конструкцію освітлювача за рахунок відсутності необхідності включати в конструкцію додаткових спеціалізованих систем оптики, регуляції спектра, тепловідводу та охолодження; дати змогу виконання освітлювача та його корпусу не з металу, а з пластику; забезпечити живлення приладу як від джерела постійного струму з напругою 4-4,5В, так і від джерела змінного струму з напругою 220В через перетворювач; надати можливість тривалої автономної роботи від автономних джерел постійного струму; мати значну пожежо- та електробезпеку; відмовитись від необхідності в заземленні; використовувати освітлювач при аварійних ситуаціях (відсутності живлення в мережі змінного струму), для мобільних ендоскопічних досліджень і маніпуляцій, а також у польових умовах. Запропонований освітлювач може бути використаний також у якості джерела освітлення для оптоволоконних освітлювачів різного призначення. Застосування розробленого освітлювача дозволяє значно зменшити складність виробництва, суттєво зменшити його матеріалоємність, практично уникнути застосування металу на виготовлення освітлювача, а також подовжити термін працездатності приладу та зменшити кратність заміни джерела освітлення за рахунок більш значного часового ресурсу роботи світлодіодів у порівнянні з лампами розжарювання. 11 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 25700 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601