Многоволоконный световод
Многоволоконные световоды — световоды, состоящие из большого числа оптических волокон упорядоченно уложенных в пучки и сведённые с обоих сторон к единым торцам. Они позволяют передавать изображение без искажения при их изгибе по любому криволинейному профилю. Такие многоволоконные световоды используют при создании целого класса приборов, обычно называемых эндоскопами. Достаточно высокая световая эффективность таких световодов позволяет использовать их и при создании осветительных систем для самих эндоскопов. При этом источник освещения располагается вне прибора, что позволяет исключить чрезмерный нагрев исследуемого объекта. Многоволоконные световоды предназначенные только для передачи световой энергии изготовляют из множества беспорядочно уложенных волокон.
История создания многоволоконных световодов[править]
В 1854 году, Джон Тиндаль обнаружил, что свет может быть проведен посредством изогнутой струей воды, доказав, что свет можно передавать так-же и по не прямолинейным путям. Позже в 1930 году, немецкий студент-медик Генрих Lamm, стал первым человеком, который догадался собрать пучок оптических волокон в один плотный жгут для передачи изображения на расстояние.
Это открытие привело к изобретению эндоскопов и фиброскопов.[1] В 1960-е годы появились эндоскопы использующие в качестве гибкого светопроводящего материала стеклянные волокна, что позволяло передавать свет, даже при изгибании световода. При этом, появлялась возможность в режиме реального времени наблюдать и фотографировать процессы происходящие в ранее недоступных местах.
Таким образом были созданы многоволоконные световоды состоящие из большого числа параллельно уложенных волоконных световодов собранных по краям в общие торцы. Плотный пучок тонких оптических волокон, тщательным образом объединённый с обеих сторон в многоволоконный световод используется в эндоскопах, предназначенных для осмотра или фотографирования объектов в труднодоступных местах. При этом, проектируемое на торец сваренных воедино световодов изображение, разбивается на большое число фрагментов (размером равным диаметру используемых в световоде оптических волокон) и передаётся на другой конец световода. На втором торце, эти волокна снова плотно соединяются между собой в строгом соответствии с «принимающей» изображение стороной (иначе каждый фрагмент исходного изображения будет попадать на «не своё» место). В итоге на втором торце мы получим проектируемое на первый торец изображение.
Применение многоволоконных световодов[править]
В 1964 году был изобретён фиброскоп, первое устройство используемое для исследования желудочной полости без операционного вмешательства. Это нововведение позволяло проводить более тщательное изучение, наблюдение и диагностику заболеваний внутренних органов человека.[2]
Многоволоконные световоды находят широкое применение в науке, медицине а так-же и в приборостроении, для передачи изображения объектов, находящихся в труднодоступных местах, для последующего изучения и регистрации. При этом входной торец волоконного световода должен находиться в непосредственном контакте с поверхностью исследуемого объекта, либо изображение объекта должно быть спроецировано на входной торец жгута с помощью линзовой оптики (объектива). Каждое отдельное волокно такого жгута передаёт усредненный световой поток от точки поверхности входного торца, соответствующего сечению этого волокна. При этом изображение на выходной торец передается в виде мозаики. Такие многоволоконные световоды представляют собой пакет из параллельно уложенных тонких стеклянных светопроводящих нитей диаметром 10 — 20 мкм. Внешний слой этих нитей имеет толщину всего 1 — 3 мкм и изготовлен из стекла с показателем преломления меньшим, чем у сердцевины.
На основе многоволоконных световодов были созданы принципиально новые приборы для различного рода научных исследований. Так например использование световодов в оптической спектроскопии в ряде случаев устраняет необходимость отбора пробы и дает возможность реализовать процедуру промышленного анализа в режиме реального времени.
Многоволоконные световоды широко используются и в оптических методах контроля прозрачных объектов. С их помощью обнаруживают макро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения (по вращению плоскости поляризации). Их использование резко расширило область применения оптических методов и повысило точность измерения.
С помощью многоволоконных световодов возможно производить оптическую дискретизацию исходного изображения и оценку размеров для чего на один из торцов жгута наносят измерительную шкалу.
Применение гибких волоконных световодов в пирометрах позволяет, например, осуществлять контроль воспламенения воздушно-топливной смеси в двигателях внутреннего сгорания в процессе их работы. Для этого входные торцы волоконнооптических жгутов устанавливаются в разных цилиндрах контролируемого объекта. Выходные торцы жгутов сформированы в виде одного кадра, что позволяет одновременно регистрировать процесс горения во всех контролируемых точках. При необходимости в том же кадре можно регистрировать излучение эталонного источника, поданное по отдельному жгуту.
Как привило, волокна для световода изготовляют из тяжелого стекла с оболочкой из более лёгкого стекла, диаметр волокна может составить несколько микрон, при толщине оболочки до одного микрона. Таким образом, разрешающая способность волоконных элементов может доходить до 100 линий на миллиметр, что хорошо согласуется с линейным разрешением обеспечиваемым приёмными устройствами большинства спектральных приборов, определяемыми зернистостью фотоэмульсии и шириной оптических щелей.
В настоящее время, широко доступны волоконные элементы изготовленные из стекла, что правда ограничивает их применение только видимой областью спектра. Использование волоконных световодов очень удобно для фотоэлектрического исследования близко расположенных участков спектра, например тесно расположенных спектральных линий, или контура спектральной линии. С помощью гибких волоконных световодов, каждый из участков спектра, легко вывести на отдельный фотоприёмник, что трудно сделать другими способами.
Волоконные световоды применяют и в тех случаях, когда источник освещения и регистрирующее устройство не могут быть достаточно удобно расположены относительно друг друга из-за сложной геометрии или например чрезмерных излучений источника освещения (тепловых или электромагнитных при использовании газоразрядных излучателей).
Стоит отметить, что изготовление волоконнооптических жгутов со строго параллельным и упорядоченным расположением волокон (для передачи изображения) связано со значительными технологическими трудностями.
См. также[править]
- Оптическое волокно
- Многомодовое оптическое волокно
- Одномодовое оптическое волокно
- Оптические волоконные кабели
Источники[править]
Литература[править]
- Сборник статей под ред. К. И. Блох «Световоды для передачи изображения», Мир, 1961
- Мидвинтер Дж., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ., М., 1983
- Хансперджер Р., Интегральная оптика, пер. с англ., М., 1985
- Дианов Е. М., Волоконная оптика: проблемы и перспективы, «Вестник АН СССР», 1989, № 10, с. 41