一種5mm 管外徑工業視頻內窺鏡的設計

陳堯松，陸欣榮

（杭州好克光電儀器有限公司，杭州 311201）

工業視頻內窺鏡作為一種無損檢測設備，廣泛應用于航空航天、石油化工、機械制造維修等領域［1］。其用來觀察和探測零件內表面狀況，如裂紋、腐蝕、破損、異物、堵塞等。

常用的工業內窺鏡，按插入管形態分類可分為剛性（硬性）內窺鏡、撓性（軟性）內窺鏡和管道爬行器（工業機器人）三類；按圖像傳輸方式分類可分為光學內窺鏡（人眼觀察）和視頻內窺鏡（顯示器觀察）二類；按照明方式分類可分為光纖照明內窺鏡和LED（發光二極管）照明內窺鏡二類［2］。

近幾年來，隨著圖像傳感器（CCD、CMOS）和LED 技術的迅速進步，用LED 照明的視頻內窺鏡代表了工業內窺鏡的新技術和發展方向。例如：國際著名工業內窺鏡品牌：美國韋林的XL GO 手持式工業視頻內窺鏡和日本奧林巴斯的IV6C6便攜式工業視頻內窺鏡。

在工業視頻內窺鏡的研制過程中，常常會遇到圖像傳感器的選取、鏡頭設計、照明方式的選擇等一系列技術問題，

筆者介紹了一種插入管外徑為5mm 的工業視頻內窺鏡，其由光學鏡頭、圖像傳感器、LED 照明板、插入軟管、彎角操作機構、圖像傳輸與顯示接口裝置、供電系統等組成，用于檢查內徑在20 mm 以下的工業管道和一些空間狹小的特殊部位。下面以GD5型工業視頻內窺鏡為例，討論其主要技術參數和設計過程。

1 鏡頭設計

工業視頻內窺鏡的鏡頭要求結構尺寸小、通光口徑大、景深遠、后截距大等，故設計采用反射遠物鏡形式。這類物鏡由分離的負正二光組組成，負組在前，正組在后。此時，物鏡的組合焦距f為：

式中：f1為負組焦距；f2為正組焦距；d為正負組間隔。

物鏡結構如圖1所示。

圖1 物鏡結構設計

通過光學設計軟件進行優化設計，最后獲得理想物鏡數據。所設計的物鏡鏡片最小直徑為0.8mm，鏡片最小 曲率半徑R為0.5 mm，與1.1411mmCOMS 感光靶面（對角線長1.05 mm）尺寸相匹配。優化后的物鏡傳函圖如圖2所示，優化后的物鏡點列圖如圖3所示。

圖2 物鏡傳函圖

圖3 物鏡點列圖

通過傳函圖和點列圖的像差分析，所設計物鏡滿足CMOS傳感器的要求。

2 圖像傳感器

圖像傳感器是工業視頻內窺鏡的核心技術，其外形尺寸和品質好壞直接決定了工業內窺鏡的成像效果。一般來說，圖像傳感器的像素高低受限于其直徑大小，直徑越大像素越高。圖像傳感器根據工作原理分為CCD 和CMOS二種基本形式。近幾年CMOS技術迅速進步，在諸多視頻領域形成取代CCD 之趨勢。在GD 系列超細工業內窺鏡設計中，考慮到功耗、發熱、電路結構等因素，以選擇CMOS產品為宜。

為滿足插入管直徑5 mm 的要求，選擇日本MISUNI公司的產品，其中的最小一款1.411 mmCOMS，外徑僅為φ3.2mm，型號為T803，有效像素為320（H）×240（V），掃描線為240TV 線，最低照度為2lx，電源電壓為3.3～5V，外形尺寸為φ3.2mm×12.5mm。

3 照明方式

工業視頻內窺鏡常用照明方式為光纖照明和LED 照明［3］。

光纖照明采用端面發光的光導纖維（簡稱光纖）作為照明光線的媒介，將后置光源（鹵素燈或大功率LED）產生的光線傳導至內窺鏡的最前端，為觀察物體提供照明；LED 照明采用高亮度LED 安裝于工業視頻內窺鏡的最前端，直接照明。

兩種照明方式各有優缺點。光纖雖然具有導光能力強、發熱量少、發散角小等諸多優勢，但是光纖易損、壽命短、光照度受通光面積及長度限制、光源耗電大、更換困難、結構復雜、不易便攜等；LED 本身就是一個光源，具有體積小、使用壽命長、無光損耗、價格便宜、更換方便、耗電少、結構簡單等一系列優點，但是LED工作時有熱量輸出、光線發散角大。

在手持式視頻內窺鏡設計中，為簡化結構，減少耗電，應優先采用LED 照明方式。

GD5設計選用臺灣億光0603型LED，按GD5插入管工作直徑設計成環狀發光盤，最多能安排6顆LED。該發光盤的工作電流與光照度的關系曲線如圖4 所示。圖中數據為ZDS－10 型照度計測得，距離為20mm。

圖4 LED 電流－照度關系

根據圖4 可知，發光盤的最佳工作區域應為60～90mA，相對應的單顆LED 工作電流為10～15mA，考慮到電池使用時間的因素，選取單顆LED 工作電流為10mA，此時發光效率及發散熱量較為合適。

圖5所示光照度對比是：在工作長度為1m、相同直徑、相同測量環境的條件下，LED 照明與光纖照明（便攜型配3WLED 光源）時的光照度對比。

圖5 兩種光源光照度對比

圖5為光纖照明與LED 照明的對比曲線圖，可以看出當近距離觀察時，LED 的光照度比光纖大得多，隨著距離的增加，二者差距逐漸縮小。這是因為光纖照明發散角小，光線比較集中。但在大多數使用環境中，用戶多用來觀察近距離的物體表面缺陷，因此設計選用LED 照明方式是合理的。

4 彎曲機構

為了擴大內窺鏡的視野，有的設計了超大視場角物鏡（如120°），有的采用斜視或者側視鏡頭，有的甚至將整個頭端部設計成作旋轉運動。但是最直接最有效的辦法還是采用由鋼絲牽拉的彎曲機構。

GD5型工業鏡的二彎曲機構配合插入管的適當旋轉，可實現前端攝像機作上下左右前后全方位觀察。二彎曲機構的結構如圖6所示。圖中①為鏡頭，②為CMOS，③為牽引鋼絲，④為彎曲蛇骨，⑤為插入管，⑥為輪轂，⑦為手輪軸，⑧為操作手柄，⑨為手輪。內部包含攝像機的頭端部固定在彎曲蛇骨上，彎曲蛇骨內側有二根牽引鋼絲，鋼絲的一端焊接在蛇骨頂部，另一端纏繞在操作部的輪轂上，輪轂由安裝著手輪的軸驅動。在手輪轉動時，輪轂上二根鋼絲就牽引著蛇骨作上下彎曲運動。具體結構設計時，還要考慮手輪的限位和鎖定，以滿足彎曲角度要求和圖像定格與儲存。

圖6 二彎曲機構的結構圖

5 插入管

以包覆的材料來分類，常用的工業鏡插入管有聚氨脂型和編織網型二類。聚氨脂型插入管外表光滑，手感好，外形美觀且便于印刷指示標尺；而缺點是易劃傷，耐磨性差。編織網型插入管的外表是一層不銹鋼絲編織套管，明顯提高了耐磨性，延長了工業鏡的使用壽命；但缺點是手感粗糙，密封性差。近年來，在國際高端產品中，出現了具有極高耐磨性的鎢絲插入管，并采用了氟塑料半涂，大大改善了粗糙感和密封性。考慮到工業內窺鏡的使用環境，采用編織網型插入管較為合適。

6 電源

因檢測工作的需要和流動性作業的特殊性，電源電池必須要有足夠的容量以支持較長的工作時間。參考美國韋林公司手持式便攜型視頻內窺鏡的設計標準，GD5型工業內窺鏡計將連續工作時間定為2h制和4h制。即設計有二款電源手柄，分別安裝不同容量的電池，可供用戶訂貨時選擇。電源手柄設計成圓柱形，與鏡體用插拔接口連接，更換電源手柄很方便。目前市場上，能進行反復充電且容量較大的電池，應優選鋰電池。為簡化電路設計，GD5型工業內窺鏡將CMOS電源、LCD顯示屏電源和LED照明電源統一設計成5V供電，而鋰電池一般為3.7V，這里需用一個DC－DC電源轉換器來進行升壓或降壓轉換。

在電池容量選擇時，可按下式進行估算：

式中：C為電池容量，mAh；U0為工作電壓，V；H為連續工作時間，h；I為工作總電流，mA；Ub為電池電壓，V；η為DC－DC轉換效率。

經試驗測定，GD5工業內窺鏡工作總電流約為450mA。將U0＝5V，H＝2h，I＝450 mA，Ub＝3.7V，η＝70%代入上式，計算得電池容量C為1 737mAh，選擇鋰電池容量為2 200mAh。在4h工作制的電源手柄中，可將二節相同電池串聯使用。

7 結語

以GD5型工業內窺鏡為例，介紹了手持式工業視頻內窺鏡的主要設計過程，借助試驗、對比、分析、計算等手段，驗證了所選擇的技術結構參數合理、正確，所確定的技術方案實用、貼合用戶需求，產品通過“積木式”設計理念，同時滿足了便攜性和功能擴展二方面的要求。

［1］董務江，郭平，胡誠.航空發動機內窺鏡檢測技術與無損檢測［J］.無損檢測，2013，35（9）：69－73.

［2］姜萍萍，顏國正，丁國清，等.一種便攜式工業視頻內窺鏡的開發［J］.光學精密工程，2002，10（4）：407－411.

［3］陸小建，楊琰，濮悅.內窺鏡照明方式的選擇［J］.無損檢測，2013，35（3）：60－61.