柔性视频内窥镜技术深度解析：成像原理、性能优势与投影测量系统

在工业无损检测领域，对于狭小、弯曲结构内部的探查，光纤内窥镜曾是主流选择。它凭借其灵活性和便捷性获得了广泛应用。然而，其技术根基——光纤传像束，也带来了固有的局限性，主要体现在图像分辨率和清晰度上，难以满足日益精细化的检测需求。

光纤传像束的成像机理，是将图像离散化为数万个光点，由每一根独立的光纤传输。这种结构导致了两个问题：其一，光纤间的物理间隙无法传递图像信息，形成了所谓的“蜂房”或网格效应，使得图像带有颗粒感，细节模糊；其二，光纤束在长期使用中，反复的弯曲和扭转会导致部分光纤折断，这些“死亡像素”在图像上表现为黑点，即“黑白点混成灰色”效应，直接拉低了整体的分辨率。

正是在这样的背景下，柔性视频内窥镜应运而生。它不仅继承了柔性探查的能力，更在成像质量上实现了质的飞跃。

成像原理的革新

视频内窥镜的系统构成，在宏观上与传统内窥镜相似，包括探头先端部、弯曲部、柔性插入管、控制部，以及后端的视频处理器和监视器，如图1所示。

图1 视频成像系统示意图

其核心变革在于图像的获取与传输方式。光线经由光导束（或在长距离应用中使用LED）照亮检测区域，位于探头先端部的固定焦距透镜收集反射光，并将其聚焦到一枚微型CCD（电荷耦合器件）芯片上。这块直径仅约7mm的芯片表面集成了数以万计的光敏电容器阵列，将光学图像直接转化为模拟电信号。

信号随后在探测头内部经过放大、滤波和时钟分频处理，再由主图像处理器进行数字化和整合，最终生成标准的视频信号，可直接输出至监视器、录像机或计算机。这一过程彻底摒弃了物理光纤传像，从源头上解决了“蜂房效应”和断纤问题。

核心技术优势

相较于光纤内窥镜，视频内窥镜的技术优势是全方位的：

1. 超高分辨率：分辨率直接关联于透镜性能、视场角、观测距离以及感光元件的像素密度。部分先进的视频内窥镜在每3mm²的面积内可集成超过3万个像素，这使得图像轮廓极其鲜明，细节清晰可见。在30mm以下的典型检测距离，其分辨率可以达到传统光纤镜的一倍以上。
2. 更优的景深：视频内窥镜通常拥有更大的固定场深，意味着在更宽的距离范围内都能保持图像清晰，无需频繁移动探头或重新对焦，显著提升了检测效率。
3. 图像信号的稳定与耐久：由于图像信号以电子形式通过专为严酷工业环境设计的电导体传输，而非脆弱的光纤，因此不存在因弯折导致的信号衰减或中断。这不仅保证了图像信号的幅度和稳定性，也极大地延长了设备的工作寿命。
4. 便捷、高质量的文档化：直接生成的视频信号使检测记录的创建和管理变得异常方便。检测图像可由处理器直接录制，缺陷编号、工件信息等元数据也能通过键盘实时叠加并一同保存，实现了检测过程的全面数字化存档。
5. 精准的色彩再现：在识别腐蚀、焊缝烧穿或化学成分差异等缺陷时，色彩的真实性至关重要。视频成像系统通过闪频灯按红、绿、蓝（RGB）顺序照射检测区，并为每个基色通道分配独立的存储器和全带宽记录，最终可以高质量地输出RGB分量信号或合成视频信号，确保了色彩的高度保真。

技术性能参考

以下为市面上部分视频内窥镜产品的典型技术参数，可供参考。

• 工作温度：插入管，空气中0 ~ 50°C，水中10 ~ 30°C；其他部分，空气中0 ~ 40°C。
• 工作压力：插入管，空气中1 atm，水中1 ~ 1.35 atm (1 atm = 101.325 kPa)；其他部位，空气中1 atm。
• 耐液性：插入管可耐受机油、轻油和5%盐水环境 (10 ~ 30°C, 1 atm)。

表1 视频内窥镜的技术性能

从“看见”到“看懂”：投影测量系统

仅仅提供高清图像已不能满足高端制造和精密维护的需求，对缺陷进行准确定量评估的能力，正成为评价内窥镜价值的关键。Welch Allyn公司开发的影子投影测量系统，就是这一趋势下的代表性技术。它使视频内窥镜具备了精确测定物距和缺陷尺寸的能力，测量范围可从0.25mm到100mm，极大地拓展了内窥镜的应用价值。

1. 基本原理

该系统的核心是在探头远端集成一个精巧的“影子投射装置”。如图2所示，该装置从一侧将一束带有刻线的光投射到光学视场中，这个投射出的“影子”便成为一个动态的、可计算的参照物。

图2 影子探头结构示意图

其工作逻辑是：影子在图像上的位置，与探头到被测物体表面的距离（物距）存在精确的对应关系。当探头靠近物体时，物距减小，放大倍率增大，屏幕上的影子会从一侧向另一侧移动。通过标定这种关系，系统就能实时计算出任意一点的物距。

任何光学系统都存在畸变，即图像边缘的放大率与中心不同（见图3）。该系统内置的算法能够在测量计算前，对这种光学畸变进行实时修正，确保在图像的任何位置都能进行精确测量。最终，计算机综合物距、放大倍率和固有的光学系统特性，便可精确计算出缺陷的实际尺寸。

图3 透镜畸变对视频图像的影响

2. 测量方法

该系统提供了三种测量模式以应对不同的检测场景：

• 直线距离方式：适用于测量与光轴垂直的平面上的缺陷。此时，投射的影子在屏幕上呈现为一条笔直的竖线（图4）。操作者冻结画面后，通过光标定位影子的位置来校准该平面的放大倍率，然后使用两个测量光标标定缺陷的两个边界，系统即可计算出其间的直线距离。

图4 直线距离测量方式

• 斜距离方式：当被测表面不垂直于光轴时，物距在整个视场内是变化的。此时，影子将呈现倾斜状态（图5）。操作者需将两个测量光标分别定位在缺陷两端点对应的影子上。系统会利用影子位置分别计算出这两个点的精确物距，并基于此计算出两点间的真实空间距离。

图5 斜距离测量方式

• 深度方式：用于测量沿光轴方向的高度差或深度。当视场中存在台阶或凹坑时，影子会发生断裂或折叠（图6）。深度测量模式通过确定断点两侧的物距并作差，即可得到两个平面间的高度差。

图6 深度测量方式

3. 准确度分析

影子探头系统的测量准确度与放大倍数（即物距）和被测物在屏幕上所占的图像尺寸直接相关。一个基本原则是，应尽量使被测物体在屏幕上占据尽可能大的面积，这样可以利用更多的像素信息，从而获得最准确的结果。如图7所示，测量百分比误差会随着放大倍数或屏幕上物体尺寸的增大而显著下降。

图7 典型的影子探测系统准确度曲线

要实现如此精确的缺陷定量分析，不仅需要先进的设备，更依赖于对测量原理的深刻理解和规范的操作流程。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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