一种5mm 管外径工业视频内窥镜的设计

2015-01-11陈尧松陆欣荣

无损检测 2015年3期

陈尧松，陆欣荣

（杭州好克光电仪器有限公司，杭州 311201）

工业视频内窥镜作为一种无损检测设备，广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造维修等领域［1］。其用来观察和探测零件内表面状况，如裂纹、腐蚀、破损、异物、堵塞等。

常用的工业内窥镜，按插入管形态分类可分为刚性（硬性）内窥镜、挠性（软性）内窥镜和管道爬行器（工业机器人）三类；按图像传输方式分类可分为光学内窥镜（人眼观察）和视频内窥镜（显示器观察）二类；按照明方式分类可分为光纤照明内窥镜和LED（发光二极管）照明内窥镜二类［2］。

近几年来，随着图像传感器（CCD、CMOS）和LED 技术的迅速进步，用LED 照明的视频内窥镜代表了工业内窥镜的新技术和发展方向。例如：国际著名工业内窥镜品牌：美国韦林的XL GO 手持式工业视频内窥镜和日本奥林巴斯的IV6C6便携式工业视频内窥镜。

在工业视频内窥镜的研制过程中，常常会遇到图像传感器的选取、镜头设计、照明方式的选择等一系列技术问题，

笔者介绍了一种插入管外径为5mm 的工业视频内窥镜，其由光学镜头、图像传感器、LED 照明板、插入软管、弯角操作机构、图像传输与显示接口装置、供电系统等组成，用于检查内径在20 mm 以下的工业管道和一些空间狭小的特殊部位。下面以GD5型工业视频内窥镜为例，讨论其主要技术参数和设计过程。

1 镜头设计

工业视频内窥镜的镜头要求结构尺寸小、通光口径大、景深远、后截距大等，故设计采用反射远物镜形式。这类物镜由分离的负正二光组组成，负组在前，正组在后。此时，物镜的组合焦距f为：

式中：f1为负组焦距；f2为正组焦距；d为正负组间隔。

物镜结构如图1所示。

图1 物镜结构设计

通过光学设计软件进行优化设计，最后获得理想物镜数据。所设计的物镜镜片最小直径为0.8mm，镜片最小曲率半径R为0.5 mm，与1.1411mmCOMS 感光靶面（对角线长1.05 mm）尺寸相匹配。优化后的物镜传函图如图2所示，优化后的物镜点列图如图3所示。

图2 物镜传函图

图3 物镜点列图

通过传函图和点列图的像差分析，所设计物镜满足CMOS传感器的要求。

2 图像传感器

图像传感器是工业视频内窥镜的核心技术，其外形尺寸和品质好坏直接决定了工业内窥镜的成像效果。一般来说，图像传感器的像素高低受限于其直径大小，直径越大像素越高。图像传感器根据工作原理分为CCD 和CMOS二种基本形式。近几年CMOS技术迅速进步，在诸多视频领域形成取代CCD 之趋势。在GD 系列超细工业内窥镜设计中，考虑到功耗、发热、电路结构等因素，以选择CMOS产品为宜。

为满足插入管直径5 mm 的要求，选择日本MISUNI公司的产品，其中的最小一款1.411 mmCOMS，外径仅为φ3.2mm，型号为T803，有效像素为320（H）×240（V），扫描线为240TV 线，最低照度为2lx，电源电压为3.3～5V，外形尺寸为φ3.2mm×12.5mm。

3 照明方式

工业视频内窥镜常用照明方式为光纤照明和LED 照明［3］。

光纤照明采用端面发光的光导纤维（简称光纤）作为照明光线的媒介，将后置光源（卤素灯或大功率LED）产生的光线传导至内窥镜的最前端，为观察物体提供照明；LED 照明采用高亮度LED 安装于工业视频内窥镜的最前端，直接照明。

两种照明方式各有优缺点。光纤虽然具有导光能力强、发热量少、发散角小等诸多优势，但是光纤易损、寿命短、光照度受通光面积及长度限制、光源耗电大、更换困难、结构复杂、不易便携等；LED 本身就是一个光源，具有体积小、使用寿命长、无光损耗、价格便宜、更换方便、耗电少、结构简单等一系列优点，但是LED工作时有热量输出、光线发散角大。

在手持式视频内窥镜设计中，为简化结构，减少耗电，应优先采用LED 照明方式。

GD5设计选用台湾亿光0603型LED，按GD5插入管工作直径设计成环状发光盘，最多能安排6颗LED。该发光盘的工作电流与光照度的关系曲线如图4 所示。图中数据为ZDS－10 型照度计测得，距离为20mm。

图4 LED 电流－照度关系

根据图4 可知，发光盘的最佳工作区域应为60～90mA，相对应的单颗LED 工作电流为10～15mA，考虑到电池使用时间的因素，选取单颗LED 工作电流为10mA，此时发光效率及发散热量较为合适。

图5所示光照度对比是：在工作长度为1m、相同直径、相同测量环境的条件下，LED 照明与光纤照明（便携型配3WLED 光源）时的光照度对比。

图5 两种光源光照度对比

图5为光纤照明与LED 照明的对比曲线图，可以看出当近距离观察时，LED 的光照度比光纤大得多，随着距离的增加，二者差距逐渐缩小。这是因为光纤照明发散角小，光线比较集中。但在大多数使用环境中，用户多用来观察近距离的物体表面缺陷，因此设计选用LED 照明方式是合理的。

4 弯曲机构

为了扩大内窥镜的视野，有的设计了超大视场角物镜（如120°），有的采用斜视或者侧视镜头，有的甚至将整个头端部设计成作旋转运动。但是最直接最有效的办法还是采用由钢丝牵拉的弯曲机构。

GD5型工业镜的二弯曲机构配合插入管的适当旋转，可实现前端摄像机作上下左右前后全方位观察。二弯曲机构的结构如图6所示。图中①为镜头，②为CMOS，③为牵引钢丝，④为弯曲蛇骨，⑤为插入管，⑥为轮毂，⑦为手轮轴，⑧为操作手柄，⑨为手轮。内部包含摄像机的头端部固定在弯曲蛇骨上，弯曲蛇骨内侧有二根牵引钢丝，钢丝的一端焊接在蛇骨顶部，另一端缠绕在操作部的轮毂上，轮毂由安装着手轮的轴驱动。在手轮转动时，轮毂上二根钢丝就牵引着蛇骨作上下弯曲运动。具体结构设计时，还要考虑手轮的限位和锁定，以满足弯曲角度要求和图像定格与储存。

图6 二弯曲机构的结构图

5 插入管

以包覆的材料来分类，常用的工业镜插入管有聚氨脂型和编织网型二类。聚氨脂型插入管外表光滑，手感好，外形美观且便于印刷指示标尺；而缺点是易划伤，耐磨性差。编织网型插入管的外表是一层不锈钢丝编织套管，明显提高了耐磨性，延长了工业镜的使用寿命；但缺点是手感粗糙，密封性差。近年来，在国际高端产品中，出现了具有极高耐磨性的钨丝插入管，并采用了氟塑料半涂，大大改善了粗糙感和密封性。考虑到工业内窥镜的使用环境，采用编织网型插入管较为合适。

6 电源

因检测工作的需要和流动性作业的特殊性，电源电池必须要有足够的容量以支持较长的工作时间。参考美国韦林公司手持式便携型视频内窥镜的设计标准，GD5型工业内窥镜计将连续工作时间定为2h制和4h制。即设计有二款电源手柄，分别安装不同容量的电池，可供用户订货时选择。电源手柄设计成圆柱形，与镜体用插拔接口连接，更换电源手柄很方便。目前市场上，能进行反复充电且容量较大的电池，应优选锂电池。为简化电路设计，GD5型工业内窥镜将CMOS电源、LCD显示屏电源和LED照明电源统一设计成5V供电，而锂电池一般为3.7V，这里需用一个DC－DC电源转换器来进行升压或降压转换。

在电池容量选择时，可按下式进行估算：