CN113777772A - 一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用，所述光纤式内窥镜包括传像光纤束及导光光纤，所述传像光纤束的外周环设有多个导光光纤，多个所述导光光纤之间均匀地设有多个金属丝。本发明所提供的光纤式内窥镜，不仅可以检测被探测物体的内表面形貌，还能实现检测被探测物体的内部温度场分布。

Description

一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于检测仪器技术领域，具体涉及一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用。
背景技术
传统内窥镜的功能还是比较单一，主要应用于被探测物体内表面形貌的检测。目前小型化的内窥镜主要是电子式的，被探测图像经过物镜直接成像于CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补性氧化金属半导体)图像传感器的光敏平面上，实现检测的电子成像，而应用光纤传像材料到微型内窥镜的结构设计中，目前还是比较少见，往往只利用了光纤传光照明的功能。此外，利用光纤传光、传像功能的内窥镜相对于物镜与CCD或CMOS直接耦合式的内窥镜具有更好的成像质量，但是其数值孔径角不超0.5，其集光能力较弱。无论是那种内窥镜，其功能仍然比较单一，多用于将被测物体内部形貌的检测，基于形貌的检测进行系列的动作。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用，所要解决的技术问题是其不仅可以检测被探测物体的内表面形貌，还能实现检测被探测物体的内部温度场的分布。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种光纤式内窥镜，所述光纤式内窥镜包括传像光纤束及导光光纤，所述传像光纤束的外周环设有多数个导光光纤，多数个所述导光光纤之间均匀地设有多个金属丝。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中还包括多数个固定件，所述固定件为包括外层和内层的两层环状结构，其外层内嵌设有呈间隔90°排列的四根金属丝；所述外层的厚度为0.1～0.15mm，内层的直径为0.6～0.75mm；所述金属丝为不锈钢丝。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中四根所述金属丝之间均匀地嵌设有三十六根导光光纤，且三十六根所述导光光纤位于所述固定件的外层内。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述微型固定件的外层具有四十个与导光光纤与金属丝一一对应的微孔。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述微型固定件的内层内设有传像光纤束。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述微型固定件的内层直径大小与传像光纤束的直径大小相同。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤束为光纤的复合集束，其包括多根传像光纤。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤束包括6.0-10.0万个传像光纤，密堆积的分辨力为200lp/mm以上。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤的丝径为2-6μm；所述传像光纤束的直径为0.60-0.75mm。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述导光光纤和金属丝的长度长于传像光纤的长度，所述导光光纤和金属丝插入金属套环中，与物镜的入射端面平齐，所述导光光纤、金属丝与金属套环的配合间隙用光学固化胶填充。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤包括纤芯层及包层，其纤芯层的折射大于1.80，包层的折射率小于1.52；所述传像光纤的材质为多组份光学玻璃，分为可见光波段(400-780nm)和红外波段(近红外波段为0.78～3.0μm、中红外波段为3.0～5.0μm、远红外波段为7.0～14.0μm)的玻璃，光纤芯皮层玻璃间的光折射率相差大，理论数值孔径角不小于0.65。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤、导光光纤和金属丝间通过光敏胶连接。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述传像光纤束包括图像采集端和图像输出端，在所述传像光纤束的图像采集端连接有物镜，在所述传像光纤束的图像输出端设置有发光光源及图像传感器。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述物镜的外周卡设有金属套环，其与导光光纤、金属丝通过金属套环连接为一体。
进一步地，前述的光纤式内窥镜中，其中所述物镜通过金属丝与固定件连接；所述图像传感器与传像光纤束通过光敏胶连接。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。本发明提出的一种光纤式内窥镜的制备方法，包括：将导光光纤和金属丝环设于传像光纤束的外周。
进一步地，前述的光纤式内窥镜的制备方法中，其中所述方法包括以下步骤：
将物镜与固定件通过金属套环连接；
将导光光纤和金属丝直接插入金属套环中，与所述物镜的入射端面平齐，配合间隙用光学固化胶填充；
将传像光纤束、导光光纤和金属丝用多个固定件定位固定，使得导光光纤和金属丝位于传像光纤束的外周；
将传像光纤束与图像传感器的光敏面进行耦合。
本发明的目的及解决其技术问题还可以采用以下技术方案来实现。本发明提出的一种同时检测被探测物体的内表面形貌及内部温度场分布的方法，包括以下步骤：
将上述的内窥镜的物镜向被探测物体的检测位置推进；
待推进至其检测位置时，调整旋转旋钮或移动内窥镜，获得清晰图像并进行拍照或录像，以便于分析。
进一步地，前述的同时检测被探测物体的内表面形貌及内部温度场分布的方法中，其中所述调整旋转旋钮或移动内窥镜的步骤具体包括：通过旋转旋钮对金属丝进行牵引以检测被探测物体同一位置不同角度的形貌或温场分布；或移动内窥镜以检测被探测物体的不同位置。
借由上述技术方案，本发明所述的光纤式内窥镜及其制备方法和应用至少具有下列优点：
本发明在结构上引入光纤的传像特性，可以将0～180°范围内的图像高清晰地传输CCD或CMOS的光敏面上，实现广角高分辨高对比的成像，成像波段不仅包括可见光，还包括红外光；不仅可以检测被探测物体腔体或管道的内壁表面形貌，还能获得被检测内部温度场的分布，探测温度时不仅可以通过红外光线的照射获得主动式温度场分布，还可以直接探测温度场分布，实现被动式成像；
本发明可以实现目视无法直接检测的区域，包括医学检测、工业探测，以及特殊环境下的形貌与温度场的检测。
本发明通过对光纤传像材料的优选，不仅可以提高每根光纤集光的能力，还可有效降低光纤传光、传像式内窥镜的制造成本；通过环形传光纤的布置，获得均匀大面积光的照射，进一步提高了内窥镜的成像质量。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的光纤式内窥镜的总体结构示意图；
图2为本发明的光纤式内窥镜光纤截面结构示意图(图1中的A-A面)；
图3为本发明的微型固定件结构示意图；
图4为本发明的金属套环结构示意图；
图5为本发明的导光光纤的扩束与匀光作用示意图；
图6为本发明的紫外光快速固化的耦合示意图。
其中：1-物镜；2-传像光纤束；3-金属套环；4-金属丝；5-微型固定件；6-导光光纤；7-硅胶套；8-发光光源；9-旋钮；10-数据线；11-显示器；12-图像传感器；13-镜头；14-镜片；15-传像光纤；16-光学耦合胶；17-光敏固化胶；18-光吸收丝(EMA)；19-通孔；20-通孔；21-紫外可见平板光源；22-乳化玻璃；23-光敏面。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种光纤式内窥镜及其制备方法和应用其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
以下材料或试剂，如非特别说明，均为市购。
如图1-图6所示，本发明提供了一种光纤式内窥镜，所述光纤式内窥镜包括传像光纤束2及导光光纤6，所述传像光纤束2的外周环设有多数个导光光纤6，采用独特的环形光纤照明设计，可提高光照射的均匀性，获得更为立体的成像效果；传像光纤具有高分辨力，不仅可传输可见光图像，还可以传输红外图像。导光光纤用于均匀照明，不仅可见光照明，也可红外照明。多数个所述导光光纤6之间均匀地设有多个金属丝4。
光通过光纤在界面经过多次全反射，总的全反射次数与光纤的总长度、光纤的直径相关。当导光光纤环的单元丝直径、折射率和入射角确定时，只要光纤面板足够长，反射次数足够多，即使是在近乎垂直入射的情况下出射端的光线会因为光纤内部各种缺陷的关系而向各个方向均匀发散。在反射次数足够多的时候每个方向的光线强度几乎相等。因此，环形光纤束的结构设计是光线扩束与匀光元件。例如，在本实施例中，如图4所示，所述导光光纤6的数量可以为三十六根，金属丝的数量可以为四根，四根所述金属丝之间均匀地嵌设有三十六根导光光纤，通过三十六根导光光纤的导光，在内腔表面形成均匀、明亮的照明光源，可以有效提高探测的成像质量。
所述光纤式内窥镜还包括多数个微型固定件5，其直径约为0.9mm，所述微型固定件5为包括外层B和内层D的两层环状结构，其外层B内嵌设有呈间隔90°排列的四根金属丝，起到摆动内窥镜前端实现弯曲的功能。所述外层B的厚度为0.1～0.15mm，其厚度可以根据实际使用需要来确定，内层的直径为0.6～0.75mm，其直径可以根据实际使用需要来确定。所述金属丝4可以为不锈钢丝、镍铬合金或钛合金，应用不同场合可优选合适的金属丝材质。所述微型固定件5的外层B具有四十个与导光光纤与金属丝一一对应的微孔。所述微型固定件5的内层内设有传像光纤束；所述微型固定件5的内层大小与传像光纤束2的大小相同，且三十六根所述导光光纤6位于所述微型固定件5的外层B内，其数量及直径可以根据实际使用需要来确定。
具体地，所述传像光纤束2包括多个传像光纤15；在本实施例中所述传像光纤束2包括6.0-10.0万个传像光纤15，密堆积的分辨力为200lp/mm以上；所述传像光纤15的丝径为2～6μm；所述传像光纤束2的直径为0.60-0.75mm，其直径可以根据实际使用需要来确定。
另，所述导光光纤6和金属丝4的长度长于传像光纤的长度，所述导光光纤6和金属丝4插入金属套环中3，与成像物镜1的入射端面平齐，配合间隙用光学固化胶填充。所述成像物镜1的外周卡设有金属套环3，其与导光光纤6、金属丝4通过金属套环3连接为一体。所述成像物镜1包括镜头13及嵌设于所述镜头13的多个镜片14，在导光光纤6的照明下，内腔表面形貌通过物镜成像于传像光纤束2的端平面，图像经过传像光纤束2中光纤界面反射传输到图像传感器12例如CCD相机的光敏面上，实现探测成像。其结构如图3所示。本发明的内窥镜不仅可观测可见光，还可以探测红外成像，而红外主要用于测温场分布。当红外成像时，必须选择相应的红外镜头，分近、中、远红外，相应选择镜头的玻璃的材料，这样红外才能透过镜头进入到光纤束的端面，进而成像。如果需要探测红外波段的光，镜头与镜片要求使用在红外波段高透的玻璃，探测近红外，可选择含BaO、TiO2的硅酸盐玻璃或石英玻璃，含BaO、TiO2的硅酸盐玻璃的主要成分及比例为：35-40wt％BaO，10-15wt％TiO2，0-5wt％Al2O3，35-40wt％SiO2；石英玻璃的主成分为100wt％SiO2。探测中红外，可以选择含CaO、K2O的铝酸盐玻璃，其主要成分的比例为35-40wt％CaO，10-15wt％BaO，30-35wt％Al2O3，0-5wt％SiO2，0-5wt％PbO，0-5wt％La2O3；探测远红外，可以选择硫系玻璃，如Si7As5Te8玻璃，其主要成分的比例为10-15wt％Si，60-65wt％Te，20-25wt％As。传像光纤束选择透红外光纤束材料，如硅酸盐玻璃、碲硅酸盐玻璃、氟化物玻璃。近红外光谱区间可以选择硅酸盐玻璃光纤，其主要成分及比例为：50-55wt％SiO2，10-15wt％TiO2，20-25wt％BaO，5-10wt％La2O3；中红外光谱区间，可以选择碲酸盐玻璃光纤，其主要成分及比例为：TeO2 70-75wt％，Ba 10-15wt％，ZnCl2 10-15wt％，NaF 0-5wt％。远红外光谱区间，可以选择含锆、铝的氟酸盐玻璃，其主要成分及比例为：ZrF4 60-65wt％，BaF2 30-35wt％，LaF3 5-10wt％，AlF3 0-5wt％。
此外，所述导光光纤6由折射率高于1.75的芯玻璃层与折射率低于1.53的皮玻璃层构成，其基于界面全反射原理进行传光；所述导光光纤6的直径约为0.1mm。所述导光光纤6的材质为多组分玻璃，例如，光纤的芯料可采用含BaO、La2O3的B2O3-SiO2玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：BaO 10-15wt％，La2O3 10-15wt％，B2O3 25-30wt％，SiO2 40-50wt％，其nD 折射率为1.81，热学膨胀系数为92×10-7/℃。光纤的皮料采用B2O3-Al2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比的组成为：Al2O3 0-5wt％，Na2O 10-20wt％，B2O3 10-15wt％，SiO260-70wt％，其nD折射率为1.50-1.52，热学膨胀系数为(80-90)×10-7/℃，数值孔径角不小于1.0，导光光纤的准直可见光透过率不小于85％，其直径为0.1mm。或者光纤的芯料采用含BaO、TiO2的硼酸盐玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：TiO2 5-10wt％，BaO 20-25wt％，La2O320-25wt％，B2O3 45-50wt％，其nD折射率为1.80，热学膨胀系数为90×10-7/℃。光纤的皮料采用B2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比计的组成为：Al2O3 0-5wt％，Na2O10-15wt％，SiO2 60-70wt％，B2O3 10-15wt％，其nD折射率为1.50-1.52，热学膨胀系数为(77-87)×10-7/℃，数值孔径角不小于1.0。所述导光光纤在400-780nm的准直可见光下的透过率不小于80％，其直径为0.1mm。
所述传像光纤的材质为多组份光学玻璃，可根据用户需要选择特定波长范围的玻璃材料，典型可以分为可见光波段(400-780nm)和红外波段(主动式为850-900nm，被动式的波长为～14微米)，光纤芯玻璃折射大于1.80，皮玻璃折射率小于1.52，理论数值孔径角不小于0.65；例如，所述传像光纤的芯料采用含BaO、La2O3的B2O3-SiO2玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：BaO 10-15wt％，La2O3 10-15wt％，B2O3 25-30wt％，SiO2 30-50wt％，其nD折射率为1.80-1.82，热学膨胀系数为87-97×10-7/℃。所述传像光纤的皮料采用B2O3-Al2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比的组成为：Al2O3 0-5wt％，Na2O 10-20wt％，B2O3 10-15wt％，SiO2 60-70wt％。或者所述传像光纤的芯料采用含BaO、La2O3的硼酸盐玻璃系统，其以重量百分比计的组成为：Na2O10-15wt％，BaO 20-25wt％，La2O3 5-10wt％，B2O3 45-55wt％，其nD折射率为1.80-1.82，热学膨胀系数为85-95×10-7/℃。所述传像光纤的皮料采用M2O-B2O3-SiO2玻璃基础体系(M2O为碱金属氧化物)，其以重量百分比计的组成为：Al2O30-5wt％，Na2O 10-15wt％，B2O3 10-15wt％，SiO2 60-70wt％，其nD折射率为1.52-1.54，热学膨胀系数为79-86×10-7/℃，数值孔径角不小于0.95。传像光纤束的可见光(400nm-780nm)平均透过率不小于60％。所述传像光纤束的单元丝(传像光纤15)丝径仅有约2.5微米，理论分辨率超过200lp/mm，采用紧密堆积方式，光吸收丝(EMA)18替代传像光纤15，实现对光纤间杂光的吸收，对比度不大于2％，获得光纤间杂散光串扰率低成像效果。
在一些实施例中，所述传像光纤束2、导光光纤6间通过光敏固化胶17连接；具体地，所述传像光纤束2和导光光纤6间采用液态的光敏固化胶进行灌注，然后使用波长为265-320nm的紫外光直接照射30-60秒，进行光敏固化，形成一个整体，防止光纤的移动。其截面结构如图2所示。所述光敏固化胶为紫外固化胶，其组成成分为：安息香醚(5wt％)、丙烯酸羟乙酯(25wt％)和聚氨脂丙烯酸脂(70wt％)，折射率为1.50，固化紫外波长～320nm，可见光透过率大于90％。此外，金属丝4不需要一并固化。
具体实施时，所述传像光纤束2可以包括图像采集端和图像输出端，在所述传像光纤束2的图像采集端连接有成像物镜1，在所述传像光纤束2的图像输出端设置有发光光源8及图像传感器12；所述图像传感器12通过数据线10与显示终端如显示器11连接。
所述物镜1通过金属丝4通过直径为0.8-1.0mm的微型金属套环3上的金属丝穿过的通孔18进行连接；所述图像传感器12与传像光纤束2通过光敏胶16耦合连接，形成耦合件，所述光敏耦合胶16的组成成分为：安息香醚(5wt％)、丙烯酸羟乙酯(25wt％)和聚氨脂丙烯酸脂(70wt％)；所述图像传感器12可以为CCD相机或CMOS相机。
所述传像光纤束2包括多数根传像束光纤，可以在每一根所述传像束光纤的图像采集端均设置有发光光源，也设置在所述传像束光纤的图像采集端设置一个或几个发光光源；所述发光光源为LED白光源或红外光源，根据实际使用需要进行优选。检测形貌时可以选择LED白光源，而主动式测温场分布时选择红外光源。
在其他一些实施例中，所述金属丝4在远离成像物镜1的一端设有旋钮9，其可以通过控制金属丝4，以摆动内窥镜的前端实现弯曲的功能。所述内窥镜的前端包括成像物镜(含多个镜片，即镜片组)、传像光纤束2、导光光纤6和金属丝4，其是是内窥镜成像探测的关键，通过金属丝4的控制实现前段的弯曲，该段伸入内腔是内窥镜的照明和采集图像的关键部位。
在另一些实施例中，所述传像光纤、导光光纤和金属丝所形成的束的外圈包裹有一层胶套7，可选择硅胶或环氧树酯胶，由于硅胶具有较高化学稳定性、耐老化性能，以及耐辐照性能，本发明优选硅胶，对其起到缓冲的保护作用，也避免探测环境对内窥镜的污染或破坏，其厚度可以为0.1～0.2mm。
本发明还提供了一种内窥镜的制备方法，包括将导光光纤6和微型金属丝环3设于传像光纤束的外周。
在一些实施例中，所述方法包括以下步骤：
将成像物镜1与微型固定件5通过金属套环3连接；金属环3的厚度取决于物镜1的焦点距离，以确保物镜1的成像正好在传像光纤的输入端平面上。
将金属丝4和导光光纤6直接插入金属套环3上的金属丝穿过的通孔19和导光光纤6穿过的通孔20中，与所述成像物镜1的入射端面平齐，配合间隙用光学固化胶填充；
将传像光纤束2、导光光纤6和金属丝4用多个微型固定件5定位固定，使得导光光纤和金属丝位于传像光纤束的外周；
将传像光纤束2与图像传感器12的光敏面通过光学耦合胶16进行耦合。
在一些实施例中，所述方法具体包括以下步骤：
S1采用棒管法经拉制制备导光光纤及传像光纤束；具体地，所述导光光纤的直径设计为0.1mm，数值孔径角为1.0，导光光纤长度根据内窥镜的长度而定。采用一次拉制成型工艺，即拉单丝，单丝的丝径精度为±0.01mm，椭圆度为0.01mm，拉丝温度为550-850℃。所述传像光纤束采用三次拉制成型工艺，即单丝、一次复丝和二次复丝，单丝丝径为2.6-2.7mm，长度为1100mm，将单丝紧密堆积排列成正六边形一次棒，每边排列7-8根单丝，一次棒的对边尺寸为30-32mm，将该正六方柱形一次棒经拉丝炉(拉丝温度为550-850℃)拉制成一次复丝，长度为750mm，对边尺寸为0.9-1.0mm，二次复丝拉制时采用套管工艺，即将一次复丝插入直径30-40mm的玻璃管内，紧密排列，一次复丝与玻璃管的间隙用直径为0.4mm的细单丝填充。经三次拉制后，二次丝的直径为0.65-0.7mm，长度为900mm，二次丝内部的单元丝丝径仅有2-2.5μm，理论分辨率超过200lp/mm，采用紧密堆积方式，利用光吸收丝(EMA)18替代0.5-1.4％的传像光纤15，实现对传像光纤间杂光的吸收，获得杂散光串扰率低的成像效果。
S2物镜与光纤传像束间的固定：采用机械固定方式，即先将镜片14安装于金属环上，再将金属环与镜头13通过螺纹拧紧固定，组成物镜1。物镜1与传像光纤束2通过金属套环3连接，金属套环3一边连接物镜，一边连接传像光纤束2、导光光纤6与金属丝4的微型固定件5，从而实现物镜1与光纤传像束2间的固定。导光光纤6和金属丝4要长于传像光纤束2，可以直接插入金属套环中，与成像物镜的入射端面平齐，配合间隙用光学固化胶填充。
S3传像光纤束、导光光纤、和金属丝的位置固定：采用微型固定件5来定位、固定导光光纤6、传像光纤束2和金属丝4的相对位置。在微型固定件中设计出与传像光纤束大小的内孔，在固定件壁厚方向上制备出四十个微孔，相对位置均匀，并且与导光光纤与金属丝一一对应。该微型固定件5使用时可以是一组，一组多个，不少于3个，即前、中和后。微型固定件5与传像光纤束2、导光光纤6、和金属丝4配合的间隙仍用光学固化胶密封。最后，在光学固化胶密封好的传像光纤、导光光纤和金属丝所形成的束的外圈用一层胶套7进行包裹，对其起到缓冲的保护作用，也避免探测环境对内窥镜的污染或破坏。
S4传像光纤束与光敏面的耦合
快速固化耦合：采用光学固化胶，胶在经乳化玻璃22均化后的紫外光(300～380nm)或可见光(400～450nm)平板光源21照射下可实现快速的固化，其光学胶的折射率可达到1.5～1.7间，优选高折射率(折射率为1.7)的胶，可减小与光纤芯玻璃折射率的差值，固化过程在几秒内完成。为了进一步减少耦合界面的反射损失，采用耦合匹配液与光敏固化胶共同耦合传像光纤束与CCD或CMOS的光敏面23。具体地，先将耦合匹配液涂覆在传像光纤束的输出端面和光敏面上(涂覆厚度为10-20μm)，然后粘接。所述耦合匹配液的作用是为了填充耦合间隙。为了固定耦合位置，在耦合面的周围涂覆光学固化胶，通过紫外光照射完成固化过程，具体地，使用波长为265-320nm的紫外光直接照射30-60秒。由于耦合匹配液的折射率可以达到近1.8，其值与传像光纤玻璃折射率相当，这样可以显著提高耦合光透过率，并获得到更为清晰的耦合成像。具体地，所述光学固化胶为树脂胶，涂覆厚度为20-30μm。
高精度耦合：传像光纤束与光敏面的耦合时，固定传像光纤束，将图像传感器放置于高精度的位移平台上，其移动精度与重复定位精度可以达到2μm及以下。辅助高清晰的CCD或CMOS相机实现图像定位，获得图像传感器的光敏面23的图像，并通过特征位置(光敏面的基角位置)实现中心位置的识别，并且也可以根据需要实现特定位置的耦合。同时，对于传像光纤束耦合面的定位，通过被耦合CCD或CMOS相机获得光纤传像元件的透光面，边界识别获得透光面的中心。通过移动平台使光敏面与透光面物中心重合。传像光纤束2与图像传感器的光敏面23的耦合如图6所示。
进一步的，所述耦合匹配液的折射率为1.8，其折射值应与光纤芯玻璃的折射率匹配，其可见光透过率超过95％，外围再用光敏固化胶进行密封固化，例如，使用时将耦合面周围全部涂满，耦合面最大的厚度为2-4mm；传像光纤束2与CCD或CMOS相机将固定于一个耦合支架中，确保耦合部件的粘接可靠。
本发明还提供了同时检测被探测物体的内表面形貌及内部温度场分布的方法，包括以下步骤：
根据应用需要，选择适宜的内窥镜类型。测内表面形貌，内窥镜则需要配制可见光透过的物镜，以及透可见光的光纤传像束，光源可选择LED白光源或单色可见光源；测内部温场分布的，内窥镜则需要配制红外光透过的物镜，以及透红外光的光纤传像束，主动式测温需要选择波长为850-900nm的光源，被动式测温可以不用光源；
检查电源，依次开启光源、图像传感器、显示器；
目视检查被探测物体的腔体的结构与形貌，然后再缓慢推进内窥镜的物镜直至检测位置。如推进过程中受阻，应停止并退出。如遇到卡住，不能硬拉以避免损坏；
待推进至检测位置时，如需要检测被探测物体同一位置不同角度的形貌或温场分布，可以旋转旋钮对金属丝进行牵引，不同的方向牵引不同位置的金属丝；如需要检测被探测物体的不同位置，直接移动内窥镜；当获得清晰图像后可进行拍照或录像，以便于分析；
检测完成，依次关闭显示器、图像传感器、光源。最后清洁内窥镜的镜头，清洁内窥镜及其相关线路。
本发明采用光纤式内窥镜的结构设计，实现内腔形貌检测与温度场分布的测量，其工作基本原理如下：1)光通过光纤导入内腔，内腔表面形貌像经过物镜成像于位于焦点位置的传像光纤束端面，像通过光纤传输至CCD或CMOS的光敏面上，实现光电的转换(也可直接观察)，像通过显示器而实现可见、可处理。通过调整金属丝的拉伸，实现内窥镜探头的摆动，从而实现内腔不同区域不同角度表面形貌的检测。2)温场分布的探测，可分主动式与被动式的温场探测。主动式是将红外波段的光通过导光光纤照射到内腔表面，当光入射到氧化物膜后在膜的底层发生反射，反射光进行物镜并通过传像光纤传输至CCD或CMOS的光敏面上，获得光强变化规律；被动式是指利用被探测内部温度场的不同，其发射出的红外线强弱不同，传像光纤所探测到的红外线强弱也就不同，从而获得温度场的分布。
以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1：本实施例主要应用于被探测腔体内壁形貌的检测
所述内窥镜的直径为0.9mm，内层的直径为0.70mm，外层厚度为0.1mm。
所述金属丝4为不镍铬合金丝，具有高的强度和耐化学腐蚀性能。通过拉金属丝可实现180°的可视角；
所述微型固定件5的外层B具有40个与导光光纤与金属丝一一对应的微孔。所述微型固定件5的内层内设有传像光纤束2；所述微型固定件5的内层直径为0.7mm，与传像光纤束2一致，且36根所述导光光纤6位于微型固定件5的外层B内，构成一个圆形排列，每6根导光光纤间插入1根镍铬合金丝。
所述传像光纤束2在本实施例中包括7.8万个传像光纤15，密堆积的分辨力为230lp/mm；所述传像光纤15的丝径为2.5μm；传像光纤束2的直径为0.70mm。
所述导光光纤6的材质为多组分玻璃，光纤的芯料采用含BaO、La2O3的B2O3-SiO2玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：BaO 12wt％，La2O3 13wt％，B2O3 28wt％，SiO247wt％，其nD折射率为1.81，热学膨胀系数为92×10-7/℃。光纤的皮料采用B2O3-Al2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比的组成为：Al2O3 4wt％，Na2O 15wt％，B2O3 14wt％，SiO267wt％，其nD折射率为1.51，热学膨胀系数为85×10-7/℃，数值孔径角1.0，导光光纤的准直可见光透过率为86％，其直径0.1mm。制备采用单丝拉制工艺成型导光光纤，即拉单丝，单丝的丝径精度为±0.01mm，椭圆度为0.01mm，拉丝温度为850℃。
所述传像光纤的材质为多组份光学玻璃，光纤的芯料采用含Nb2O5、La2O3的B2O3-SiO2玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：Nb2O5 3wt％，BaO 8wt％，La2O3 13wt％，B2O324wt％，SiO2 52wt％，其nD折射率为1.81，热学膨胀系数为91×10-7/℃。光纤的皮料采用B2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比计的组成为：Al2O3 4wt％，Na2O 14wt％，CaO8wt％，B2O3 8wt％，SiO2 66wt％，其nD折射率为1.51，热学膨胀系数为86×10-7/℃。数值孔径角为1.0。所述传像光纤在准直可见光(400nm-780nm)下的平均透过率67％。传像光纤制备工艺采取三次拉制成型工艺，即单丝、一次复丝和二次复丝，单丝丝径为2.65mm，将单丝紧密堆积排列成截面为正六边形的一次棒，每边排列7根单丝，得到一次棒对边尺寸为32mm，将该正六方柱形一次棒经拉丝炉拉制成一次复丝对边尺寸为0.95mm，拉制温度为820℃，其中，二次复丝拉制时采用套管工艺，即将一次复丝插入内径31.5mm、壁厚2.0mm的空芯玻璃管内，一次复丝紧密排列，一次复丝与玻璃管的间隙用直径0.25mm的细单丝填充。经三次拉制后，二次丝的直径为0.70mm，二次丝内部的单元丝丝径仅有3.0μm，理论分辨率超过200lp/mm，采用紧密堆积方式，利用光吸收丝(EMA)18替代1.3％的传像光纤15，实现对传像光纤间杂光的吸收，获得杂散光串扰率低的成像效果，最终的传像光纤直径为2.5μm。
所述光吸收玻璃材料是以传像光纤皮层玻璃系统为基础，添加Fe3O4、NiO、Co2O3作为着色氧化物，其以重量百分比计的组成为：Fe3O4 2wt％，NiO 3wt％，Co2O3 1wt％，Na2O8wt％，B2O319wt％，SiO2 67wt％。引入方式采用光吸收丝替代少量传像光纤丝的方法，光吸收丝直径为0.4mm，其可见光透过率小于0.2％，替代传像光纤的量为1.2％(截面积比)。最终的光吸收丝的直径与传像光纤直径一致，通过对比度仪测得传像光纤束的对比度为1.4％。
所述胶套的材料选择硅胶，其厚度为0.1mm。
本实施例的其它内容与前面的描述相同。
实施例2：应用于主动型温度场分布测量
所述内窥镜的直径为1.0mm，内层的直径为0.70mm，外层厚度为0.15mm。
所述镜头13和镜片14均采用石英玻璃材质，具体尺寸根据镜头设计而定，其成分为100wt％SiO2，其红外透过的截止波长为3μm；
所述金属丝4为不锈钢丝，直径0.1mm，市面购置。通过拉金属丝可实现180°的可视角；
所述传像光纤束2在本实施例中包括5.4万个传像光纤15，密堆积的分辨力为200lp/mm；所述传像光纤15的丝径为3.0μm；传像光纤束2的直径为0.70mm。
所述导光光纤6的材料为多组分玻璃，光纤的芯料采用含BaO、TiO2、La2O3的硼酸盐玻璃体系，其以重量百分比计的组成为：TiO2 8wt％，BaO 24wt％，La2O3 20wt％，B2O348wt％，其nD折射率为1.80，热学膨胀系数为90×10-7/℃。光纤的皮料采用B2O3-SiO2玻璃基础体系，其以重量百分比计的组成为：Al2O3 4wt％，Na2O18wt％，SiO2 66wt％，B2O3 12wt％，其nD折射率为1.50，热学膨胀系数为82×10-7/℃，数值孔径角为1.0。透红外截止波长为3μm，所述导光光纤在近红外光谱下的透过率80％，其直径为0.1mm。制备采用单丝拉制工艺成型导光光纤，即拉单丝，单丝的丝径精度为±0.005mm，椭圆度为0.005mm，拉丝温度为850℃。
所述传像光纤的材质为多组份光学玻璃，光纤的芯料采用含BaO、TiO2的硅酸盐玻璃系统，其以重量百分比计的组成为：TiO214wt％，BaO 24wt％，La2O3 8wt％，SiO2 54wt％，其nD折射率为1.80，热学膨胀系数为90×10-7/℃。光纤的皮料采用M2O-B2O3-SiO2玻璃基础体系(M2O为碱金属氧化物)，其以重量百分比计的组成为：Al2O3 4wt％，Na2O 13wt％，B2O314wt％，SiO2 69wt％，其nD折射率为1.53，热学膨胀系数为81×10-7/℃。数值孔径角0.95。传像光纤束的近红外光(780nm-3000nm)平均透过率65％。传像光纤制备工艺采取三次拉制成型工艺，单丝丝径2.65mm，将单丝紧密堆积排列成截面为正六边形的一次棒，每边排列7根单丝，得到一次棒对边尺寸为32mm，将该正六方柱形一次棒经850℃的拉丝炉拉制成一次复丝对边尺寸为0.95mm，其中，二次复丝拉制时采用套管工艺，即将一次复丝插入内径31.5mm、壁厚2.0mm的空芯玻璃管内，一次复丝紧密排列，一次复丝与玻璃管的间隙用直径0.25mm的细单丝填充。经三次拉制后，二次丝的直径为0.70mm，二次丝内部的单元丝丝径仅有3.0μm，理论分辨率超过200lp/mm，采用紧密堆积方式，利用光吸收丝(EMA)18替代1.3％的传像光纤15，实现对传像光纤间杂光的吸收，获得杂散光串扰率低的成像效果。
所述光吸收玻璃材料是以传像光纤皮层玻璃系统为基础，添加Fe3O4、NiO、V2O5作为着色氧化物，其以重量百分比计的组成为：Fe3O4 3wt％，NiO 2wt％，V2O5 2wt％，Na2O13wt％，B2O3 15wt％，SiO2 65wt％。引入方式采用光吸收丝替代少量传像光纤丝的方法，替代量为0.8％。最终的光吸收丝的直径与传像光纤直径一致，通过对比度仪测得传像光纤束的对比度为1.8％。
所述胶套的材料选择硅胶，其厚度为0.1mm。
本实施例的其它内容与前面实施例1的描述相同。
实施例3：应用于被动型温度场分布测量
所述内窥镜的直径为1.0mm，内层的直径为0.70mm，外层厚度为0.15mm。
所述镜头13和镜片14均采用铝酸盐玻璃材质，具体尺寸根据镜头设计而定，其成分及比例为：CaO 37.3wt％，BaO 10.5wt％，Al2O3 42.2wt％，SiO22.0wt％，PbO 4.0wt％，La2O34.0wt％，其红外透过的截止波长为6μm；
所述金属丝4为不锈钢丝，直径0.1mm。市面购置。通过拉金属丝可实现180°的可视角；
所述传像光纤束2在本实施例中包括5.4万个传像光纤15，密堆积的分辨力为200lp/mm；所述传像光纤15的丝径为3.0μm；传像光纤束2的直径为0.70mm。
所述传像光纤的材质为多组份光学玻璃，光纤的芯料采用含BaO的碲酸盐玻璃系统，其以重量百分比计的组成为：TeO2 76wt％，BaO 10wt％，ZnCl2 12wt％，NaF 2wt％，其nD折射率为2.0，热学膨胀系数为105×10-7/℃。光纤的皮料采用M2O-NO-PbO-SiO2玻璃基础体系(M2O为碱金属氧化物，NO为碱土金属氧化物)，其以重量百分比计的组成为：K2O 20wt％，CaO 5wt％，PbO 25wt％，SiO2 50wt％，其nD折射率为1.60，热d学膨胀系数为100×10-7/℃。数值孔径角1.2。传像光纤束的中红外光谱(3μm-6μm)平均透过率不小于60％。传像光纤制备工艺采取三次拉制成型工艺，单丝丝径2.65mm，将单丝紧密堆积排列成截面为正六边形的一次棒，每边排列7根单丝，得到一次棒对边尺寸为32mm，将该正六方柱形一次棒经530℃的拉丝炉拉制成一次复丝对边尺寸为0.95mm，其中，二次复丝拉制时采用套管工艺，即将一次复丝插入内径31.5mm、壁厚2.0mm的空芯玻璃管内，一次复丝紧密排列，一次复丝与玻璃管的间隙用直径0.25mm的细单丝填充。经三次拉制后，二次丝的直径为0.70mm，二次丝内部的单元丝丝径仅有3.0μm，理论分辨率超过200lp/mm，采用紧密堆积方式，利用光吸收丝(EMA)18替代1.3％的传像光纤15，实现对传像光纤间杂光的吸收，获得杂散光串扰率低的成像效果。
所述光吸收玻璃材料是以传像光纤皮层玻璃系统为基础，添加Fe3O4、NiO、V2O5作为着色氧化物，其以重量百分比计的组成为：Fe3O4 3wt％，NiO 2wt％，V2O5 2wt％，Na2O23wt％，PbO 20wt％，SiO2 50wt％。引入方式采用光吸收丝替代少量传像光纤丝的方法，替代量为0.8％。最终的光吸收丝的直径与传像光纤直径一致，通过对比度仪测得传像光纤束的对比度为1.8％。
所述胶套的材料选择硅胶，其厚度为0.1mm。
本实施例的其它内容与前面实施例1的描述相同。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。
本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1.一种内窥镜，其特征在于，所述内窥镜包括传像光纤束及导光光纤，所述传像光纤束的外周环设有多个导光光纤，多个所述导光光纤之间均匀地设有多个金属丝。
2.如权利要求1所述的内窥镜，其特征在于，还包括多个微型固定件，所述微型固定件为包括外层和内层的两层环状结构，其外层内嵌设有呈间隔90°排列的四根金属丝。
3.如权利要求2所述的内窥镜，其特征在于，四根所述金属丝之间均匀地嵌设有三十六根导光光纤，且三十六根所述导光光纤位于所述固定件的外层内；所述固定件的外层具有四十个与导光光纤与金属丝一一对应的微孔。
4.如权利要求2所述的内窥镜，其特征在于，所述微型固定件的内层内设有传像光纤束；所述微型固定件的内层直径大小与传像光纤束的直径大小相同。
5.如权利要求1所述的内窥镜，其特征在于，所述传像光纤束为光纤的复合集束，其包括多根传像单元光纤。
6.如权利要求5所述的内窥镜，其特征在于，所述传像光纤束包括6.0-10.0万个传像光纤，密堆积的分辨力为200lp/mm以上；所述传像光纤的丝径为2-6μm；所述传像光纤束的直径为0.60-0.75mm。
7.如权利要求5所述的内窥镜，其特征在于，所述导光光纤和金属丝的长度长于传像光纤的长度，所述导光光纤和金属丝插入金属套环中，与成像物镜的入射端面平齐，所述导光光纤、金属丝与金属套环的配合间隙用光学固化胶填充。
8.如权利要求5所述的内窥镜，其特征在于，所述传像光纤包括纤芯层及包层，其纤芯层的折射大于1.80，包层的折射率小于1.52，理论数值孔径角不小于0.65。
9.如权利要求5所述的内窥镜，其特征在于，所述传像光纤束包括图像采集端和图像输出端，在所述传像光纤束的图像采集端连接有成像物镜，在所述传像光纤束的图像输出端设置有发光光源及图像传感器；所述成像物镜的外周卡设有金属套环，其与导光光纤、金属丝通过金属套环连接为一体。
10.如权利要求9所述的内窥镜，其特征在于，所述成像物镜通过金属丝与固定件连接；所述图像传感器与传像光纤束通过光敏胶耦合连接。
11.一种权利要求1-10任一项所述的内窥镜的制备方法，其特征在于，包括：将导光光纤和金属丝环设于传像光纤束的外周。
12.如权利要求11所述的内窥镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将物镜与固定件通过金属套环连接；
将导光光纤和金属丝直接插入金属套环中，与所述成像物镜的入射端面平齐，配合间隙用光学固化胶填充；
将传像光纤束、导光光纤和金属丝用多个固定件定位固定，使得导光光纤和金属丝位于传像光纤束的外周；
将传像光纤束与图像传感器的光敏面进行耦合。
13.一种同时检测被探测物体的内表面形貌及内部温度场分布的方法，其特征在于，包括：
将权利要求1-10任一项所述的内窥镜的物镜向被探测物体的检测位置推进；
待推进至其检测位置时，调整旋转旋钮或移动内窥镜，获得清晰图像并进行拍照或录像，以便于分析。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述调整旋转旋钮或移动内窥镜的步骤具体包括：所述调整旋转旋钮或移动内窥镜的步骤具体包括：通过旋转旋钮对金属丝进行牵引以检测被探测物体同一位置不同角度的形貌或温场分布；或移动内窥镜以检测被探测物体的不同位置。
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