柔性内窥镜技术解析：原理、构成与光源选择

在工业无损检测领域，当观测路径并非直线，或者需要探查复杂曲面及管道内部时，柔性内窥镜便成为不可或缺的工具。它能够穿越曲折的通道，将设备内部的真实状况清晰地呈现在观察者眼前。

光导纤维：光与像的“柔性”传输机制

我们通常认为玻璃是刚性易碎的，但当其被拉制成极细的纤维时，便展现出优异的柔韧性，可以弯曲而不断裂。利用光学玻璃卓越的传光性能制成的光导纤维（简称光纤），正是柔性内窥镜实现“指哪看哪”的核心技术基础。

光纤的基本结构并不复杂，其截面通常为圆形，由两种不同折射率的同轴心介质构成：中心是折射率较高的芯体（n₁），外部则包裹着折射率较低的涂层（n₂），如图1所示。

图1 光线在光纤子午面内的传播（1—光纤，2—涂层）

光线传输的物理原理是全内反射（Total Internal Reflection）。当光线以角度 θ 从空气射入光纤端面，以折射角 θ₁ 进入芯体后，会传播至芯体与涂层的界面。只要入射到该界面的角度满足全反射条件，光线就会被完全反射回芯体内，而非折射逸出。通过在光纤内部连续、高效的全反射，光线得以沿着弯曲的路径从一端传播至另一端。

当然，并非所有角度入射的光都能在光纤中有效传播。存在一个极限入射角 θ_M，只有当入射角 θ < θ_M 时，光线才能被光纤“捕获”并传输。这个极限角由光纤的数值孔径（Numerical Aperture, NA）决定：

sin θ_M = √(n₁² - n₂²)

数值孔径直接反映了光纤的集光能力，其值越大，意味着可接收的光线角度范围越宽，集光本领越强。

当光纤弯曲时，光线在内部的入射角会发生改变（如图2），这可能导致部分光线在弯曲处不再满足全反射条件而逸出，造成传输损耗。不过，由于工业内窥镜的光纤芯体直径极小（通常在几微米至数百微米之间），只要其弯曲的曲率半径远大于自身直径，这种弯曲损耗便可以控制在可忽略的范围内。

图2 光纤弯曲时光线在子午面内的变化

单根光纤的通光量极为有限，无法传输一幅完整的图像。因此，工程上将数以万计的单根光纤进行精密、整齐地排列，形成光纤束。此时，每根光纤的端面就如同一个独立的像素单元，光纤束的入射端面接收到的图像，被分解成无数个像素点，通过各自对应的光纤传输到出射端面，从而完成整幅图像的“搬运”。

图3 光纤束的传像原理

柔性光纤内窥镜的系统构成

一部典型的工业柔性光纤内窥镜，其结构精密复杂，主要包括物镜先端部、弯曲部、柔软部、操作部和目镜。其镜筒内部则容纳了核心的导光束、导像束以及用于控制探头转向的牵引钢丝等组件。

图4 工业光纤内窥镜结构示意图

导光束与导像束在功能和结构上有所区别：

• 导光束：其唯一任务是将外部光源的光线高效传输至探头前端，照亮待测区域。对分辨率无要求，因此通常采用直径较粗的光纤（约30μm）以获得更大的通光量。
• 导像束：负责传输图像，其成像质量直接决定了内窥镜的分辨力。导像束中的光纤直径越小、排列越紧密精确，单位面积内就能容纳更多的光纤（像素点），从而获得更高的图像分辨率。高分辨力是实现大视场角观察和高倍率图像放大的前提。导像束的光纤直径一般在6.5μm至17μm之间。

市售的柔性光纤内窥镜在技术性能上各有侧重，以满足不同工况的需求，其工作长度最长可达6米以上。具体技术参数可参考表1中的示例。

表1 某些市售柔性光纤内窥镜的技术性能示例

针对特定的无损检测应用，例如荧光液体渗透检测和荧光磁粉检测，还开发出了能够提供黑光（紫外光）照明的特种柔性光纤内窥镜。

光源系统：适配不同检测场景的照明方案

内窥镜自身不发光，必须依赖外部光源提供充足照明。根据检测需求和成像质量要求，可选用不同类型的光源：

1. 冷光源：通常指卤素灯，常用功率为150W。其光线经由导光束传输，热量被大量隔绝在光源处，避免了探头端过热损伤待测件，是基础的照明选择。
2. 氙光源：采用300W短弧氙灯，能够产生极高的亮度，非常适合远距离观察或对图像质量有严苛要求的场景，如高清彩色照相和闭路电视监视。氙灯光谱连续且接近日光，其色彩再现性远优于卤素灯和汞灯。
3. 黑光灯：专用于荧光检测。它能提供特定波长的紫外光（黑光），在距探头出口100mm处，黑光强度可高达1000μW/cm²，足以有效激发荧光指示。

选择合适的内窥镜并匹配正确的光源，是确保检测结果准确可靠的关键一步。尤其在复杂的工业现场，如何根据材质、缺陷类型和环境条件制定最优的检测方案，需要深厚的专业知识和实践经验。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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