ثانياً: عمل المنظار والعوامل المؤثرة في جودة الصورة

1. المبدأ العام لعمل المنظار الضوئي للألياف البصرية

أ. الانعكاس الداخلي الكامل: Total Internal Reflection: TIR

يُعد مبدأ الانعكاس الداخلي الكامل، أهم خواص دليل نقل الصورة، ودليل توصيل الإضاءة، المصنوعين من ألياف بصرية خاصة؛ فتحت ظروف الانعكاس الداخلي الكامل، ينعكس الضوء تماماً من علي سطح عازل كهربائي Dielectric، دون الحاجة إلي تغطيته بطلاء عاكس؛ ولتحقيق شرط الانعكاس الداخلي الكامل، يلزم سقوط الشعاع الضوئي علي السّطح الفاصل العازل كهربائياً، (اُنظر شكل مسارات الأشعة المنكسرة)، من الوسط ذي معامل الانكسار الأعلى، الوسط الرقم 1، إلى الوسط ذي معامل الانكسار الأدنى، الوسط الرقم 2؛ فإذا كانت زاوية الشعاع الساقط ، أقل من زاوية السقوط الحرجة _C  ، وكان مرور الشعاع من الوسط ذي معامل الانكسار الأعلى n₁ ، إلى الوسط ذي المعامل الأقل n₂ ، فإن جزءاً من الشّعاع الضوئي يرتد منعكسا مرة أخرى، بزاوية انعكاس، تساوي زاوية السقوط ، وينكسر جزء آخر منه، ليمر في الوسط الرقم 2، ويعبّر قانون سنيل Snell's Law عن هذه الحالة كالآتي:

وإذا زادت قيمة زاوية السقوط ، حتى وصلت قيمتها إلي الزاوية الحرجة c  (تعرف الزاوية الحرجة  من العلاقة الرياضية ⁾، فإن زاوية الانعكاس تصبح 90 درجة، أي أن الشّعاع المنعكس يستمر في حركته، موازياً تماماً للسطح الفاصل المكون من المادة العازلة كهربائياً؛ فإذا زادت قيمة زاوية السقوط مرة أخري لتصبح قيمتها أكبر من القيمة _C  الحرجة، فإن الشعاع الساقط ينعكس بكامله مرة أخري إلي الوسط الرقم 1، ذي معامل الانكسار الأعلى، وهذه الحالة هي التي يُطلق عليها "حالة الانعكاس الداخلي الكامل".

ويُستخدم لنقل الصورة، أنبوب خاص، مصنوع سطحه الداخلي وسطحه الخارجي من مادتين تحققان شرط الانعكاس الكامل، (اُنظر شكل انتقال الصورة). ومع تكرار عملية الانعكاس الداخلي الكامل، علي جدار الدليل الموجي الناقل للصور، أو للإضاءة، يتم انتقال الأشعة الضوئية من طرف الدليل إلي الطرف الآخر، وبذلك تنتقل الصورة من نقطة البداية إلي نقطة النهاية، سواء كان المسار بين النقطتين مستقيماً أو منحنياً.

ويُصاحب عملية الانعكاس الداخلي الكامل، خلل في طبيعة موجات الضوء الكهرومغناطيسية ونظامها عند اصطدامها بالسّطح العاكس. ويؤدي هذا الاختلال البسيط، إلي موجة كهرومغناطيسية مولدة، تنتشر إلى مسافة محدودة جداً حول وخارج جدار الدليل الموجي، ويمكنها التأثير في الموجات الضوئية، التي تنتشر خلال أدلة أخري لنقل الصورة، ملاصقة للدليل المعني. ويؤدي ذلك التداخل بين الموجات إلي تشوه في معالم الصور، التي تحملها تلك الأدلة، ويتناسب التشوه مع مقدار التداخل[1].

ب. الألياف المناسبة للاستخدام في المنظار

الألياف البصرية، أدلة موجية من مادة عازلة كهربياً، يمكن أن ينتشر داخلها الشّعاع الضوئي نتيجة ظاهرة الانعكاس الداخلي الكامل؛ وتكون الألياف البصرية، عادة، مرنة، رقيقة جداً وأسطوانية الشكل، مصنوعة من مواد منفذة وشفافة، مثل الزجاج أو البلاستيك.

وأكثر المواد المستخدمة في صناعة الألياف البصرية شيوعاً هي مادة الزجاج، المصنّع من ثاني أكسيد السليكون SiO2، مع بعض إضافات أخري، الذي يُطلق عليه زجاج السليكا Silica Glass، وتعد هذه المادة مناسبة جداً للاستخدام في المناظير الضوئية للألياف البصرية، المستخدمة في المجال الطبي، أو في المجال الصناعي، نظراً لقصر طول الأدلة الناقلة للصورة، وتلك الموصلة للضوء[2]؛ فلا تعاني الصورة المنقولة من الوهن والضعف خلال انتشارها، حيث تتناسب كمية الطاقة الكلية المفقودة، مع طول الليفة البصرية.

ج. خواص الألياف البصرية المستخدمة في المنظار

أهم خواص الألياف البصرية المستخدمة في المناظير، هي درجة الجودة الضوئية Optical Quality، والصلابة الميكانيكية، والمرونة؛ فدرجة الجودة الضوئية تعكس درجة الأمانة في نقل الصورة، من طرف إلي آخر خلال الليفة البصرية تحت مختلف الظروف؛ والصلابة الميكانيكية تعكس مدي مقاومة الليفة البصرية، للظروف البيئية المحيطة بها، من دون أن تعتريها أي تغيرات جوهرية في مواصفتها. أما المرونة فتعكس مقدرة الليفة البصرية علي الانحناء بزاوية، تناسب اتخاذها لشكل المسار المطلوب لتأدية وظيفتها، مع الاحتفاظ بكل خواصها.

لهذه الأسباب، صُنعت الألياف البصرية، من مادة البلاستيك المصنوع من مركبات البولي ميثايل ميثاكريلات Polymethylmethacrylate PMMA، لأن هذه الألياف أخف وزنا وأقل تكلفة؛ وأكثر مرونة من الألياف البصرية المصنوعة من الزجاج؛ باستخدام الألياف البصرية المصنوعة من مادة PMMA. ومن طريق استخدام تقنية صف الجزيئات Molecular alignment، أمكن الحصول علي ألياف قطرها 0.27 ملليمتر، وأمكن نقل الشعاع الضوئي بكفاءة خلال انحناء قطره 1.5 مليمتر، مقارنة بقطر الانحناء 8 مليمتر للألياف ذات القطر نفسه، المصنوعة من مركبات الزجاج.

ومن الناحية الأخرى، فإن درجة الحرارة القصوى، التي يمكن للألياف البلاستيكية تحملها لفترات ممتدة، لا تزيد علي 75 درجة مئوية، ويمكنها أن تتحمل حتى 100 درجة لفترات قصيرة؛ ويُعد العجز عن مقاومة الارتفاع في درجات الحرارة لفترات ممتدة، أحد أوجه القصور، خاصة إذا كان المنظار الضوئي للألياف البصرية مصمماً لمراقبة عملية صناعية، أو تقنية، ترتفع درجة الحرارة خلالها إلي بضعة مئات من الدرجات المئوية.

وبصفة عامة، تتكون الألياف البصرية من قلب Core، أسطواني الشكل، محاط بغلاف، ويكون معامل لانكسار لمادة القلب الأسطواني n₁ دائماً، أكبر من معامل انكسار مادة الغلاف n₂ .

وإذا كانت قيمتا n₁ ، n₂ ثابتتين، لكل من مادة القلب والغلاف، ولا تتغيران مع انتشار الشعاع الضوئي في عمق المادة، فإنه يطلق علي الألياف البصرية اسم "الألياف ذات معامل الانكسار الحاد" Step Index Fiber، وفي هذا النوع ينتشر الضوء بحيث يتخذ كل تردد ضوئي مساراً مختلفاً طبقاً للطول الموجي، والبعد عن مركز أسطوانة القلب، (اُنظر شكل انتشار الضوء في الألياف الحاد)، ما يؤدى إلي تشويه الصورة المنقولة بداخله، التي تتكون من مجموع تلك الترددات الضوئية. ويزيد مقدار هذا التشوه كلما زادت مسافة نقل الصورة.

2. تأثير النمط في طبيعة الضوء المستخدم

إذا كان معامل انكسار القلب n₁، متغيراً، مع بعده من مركز الليفة البصرية، فيُطلق عليها اسم "الألياف البصرية ذات معامل الانكسار المتدرج Graded Index GI". وفي هذا النوع يأخذ كل تردد ضوئي، المسار نفسه، ما يؤدي إلي تقليل التشوه في الإشارة البصرية المنقولة بداخله. (اُنظر شكل انتشار الضوء في الألياف المتدرج).

وتقسّم الألياف البصرية، المستخدمة في المناظير، إلي: ألياف أحادية النمط Single Mode SM، وألياف متعددة الأنماط Multi Mode MM، طبقا لمساحة مقطع القلب الأسطواني لكل ليفة بصرية. ويؤثر النمط الضوئي للألياف، في تحديد نوع الضوء المناسبة للاستخدام، في إضاءة الجسم المطلوب نقل صورته؛ فالألياف أحادية النمط SM، لا يصلح معها إلاّ مصادر الإضاءة نقية التردد، مثل أشعة اللّيزر؛ أما الألياف متعددة الأنماط MM، فيصلح معها استخدام مصادر الإضاءة متعددة الترددات المعتادة، مثل الإضاءة الناتجة من الصمامات الثنائية المشعة للضوء Light Emitting Diodes LED

3. حزمة الألياف البصرية الناقلة للصورة

يستحيل علي ليفة بصرية منفردة نقل الصورة، إذ لا يمكن لها إلاّ نقل نقطة واحدة من الصورة، ذات لون محدد، وشدة إضاءة معينة؛ ولنقل صورة كاملة، يُجمع عدد كبير من الألياف البصرية في حزمة متجانسة، أي تجميع حزمة الألياف، بحيث يكون ترتيب ووضع كل ليفة من الألياف، عند أحد أطراف الحزمة، مطابقين تماماً عند الانتقال إلي الطرف الآخر؛ ويطلق علي هذه الحزمة اسم "الحزمة المترابطة" Coherent Bundle، أو "حزمة دليل الصورة" Image Guide Bundle.

ويستخدم في توصيل الإضاءة إلي الجسم المراد رؤيته، كأحد الأعضاء داخل الجسم البشري، علي سبيل المثال، حزمة من الألياف غير المترابطة، ولكن لنقل صورة الجسم بعد إضاءته للعين البشرية، أو لوسيلة الاستشعار البصرية، يلزم استخدام حزمة مترابطة.

والحزم غير المترابطة أسهل في الصناعة، وأقل في التكلفة، من الحزم المترابطة، ويتم تصميمها بحيث تُعطي أفضل إضاءة ممكنة للجسم المراد نقل صورته، بمعنى أن العنصر الحاكم فيها هو المقدرة علي نقل الضوء، وليس درجة وضوح الصورة. وبصفة عامة، تُستخدم لهذا الغرض، ألياف بصرية ذات قطر أكبر بكثير من قطر الألياف، التي تستخدم لنقل الصورة.

وفي الحزمة المترابطة، أو حزمة دليل الصورة، تنقل كل ليفة من ألياف الحزمة، جزءاً من صورة الجسم، وتوصلها إلي الطرف الآخر من الحزمة. ويتوقف مقدار تفاصيل الصورة، وقدرة التحليل Resolving Power، علي قطر قلب الألياف البصرية المستخدمة؛ فإذا كان الجزء المواجه لفتحة أحد الألياف نصفه أسود اللون والآخر أبيض، فستكون صورة تلك البقعة عند الطرف الآخر رمادية اللون، وهذا مخالف لواقع الأمر. وللتخلص من هذا الخطأ، ينبغي أن يكون قطر الليفة الضوئية الواحدة، صغير لدرجة أن يواجهها إما بقعة سوداء، أو بيضاء فقط.

(اُنظر شكل نقل صورة المثلث منخفضة التحليل)، تكوين مصفوفة الألياف، ومصفوفة الصورة[3]، عند كل من الطرف القريب والطرف البعيد، لحزمة الألياف البصرية المترابطة، كما يوضح، كذلك، تأثير استخدام دليل للصورة منخفض قدرة التحليل، علي وضوح الصورة المنقولة.

(اُنظر شكل نقل صورة المثلث عالية التحليل)، تأثير استخدام دليل عالي قدرة التحليل، في وضوح الصورة المنقولة إلي الطرف الآخر من الألياف. ويلاحظ أنه كلما استخدم عدد أكبر من الألياف البصرية، لنقل مساحة ثابتة من الصورة، كانت درجة وضوح الصورة عند الطرف الآخر أعلى؛ وكلما قل قطر الألياف المكونة للحزمة، زادت قدرة التحليل لها، لكل وحدة مساحية، من الوحدات المكونة للصورة.

4. العوامل المؤثرة في جودة الصّورة المنقولة

تتأثر درجة وضوح الصورة المنقولة، بواسطة حزمة مترابطة من الألياف البصرية، بظاهرة التأثير المتبادل بين الموجات الضوئية، المنتشرة داخل كل ليفة علي حدة، والليفة المجاورة لها، وهي الظاهرة، التي يُطلق عليها ظاهرة "الحديث المتبادل" Crosstalk؛ هذه الظاهرة تخفّض درجة جودة الصورة المنقولة، وتعد السبب الرئيسي، الذي يحد من درجة التحليل. ويتوقف قيمة التأثير المتبادل بين الألياف البصرية، علي سمك غلاف كل ليفة علي حدة، ومعامل الانكسار بين مادة القلب ومادة الغلاف، وكذلك الطول الموجي للأشعة الضوئية المستخدمة.

وعنصر آخر يؤثر في جودة ودرجة وضوح نقل الصورة، هو مساحة المادة المكونة لغلاف كل ليفة علي حدة، لأن كمية الضوء، التي تسقط علي المادة المكونة للغلاف، لا تمر بكاملها من خلال الليفة البصرية، وتعد كمية مفقودة؛ ولهذا السبب تعد النسبة بين إجمالي مساحة مادة القلب، وإجمالي مساحة مادة الغلاف، معيار جودة الحزمة المترابطة وحسن تصميمها؛ ويطلق علي هذه النسبة "نسبة التعبئة" Packing Fraction، وكلما زادت قيمتها، كانت كمية الطاقة الضوئية المفقودة قليلة، وكانت الصورة، بصفة عامة، أوضح.

إضافة إلي ما سبق، تتأثر كمية الطاقة الضوئية المفقودة أيضاً، بطبيعة تصميم معامل انكسار مادة القلب، وإذا ما كان معامل الانكسار حاداً، أو متدرجاً. ويوضح (شكل مسار الشعاع الحاد)، انتشار الشعاع الضوئي في الحزمة المترابطة، إذا كانت قلوب الألياف من مادة ذات معامل انكسار حاد. ويلاحظ في هذه الحالة، أن الأشعة الضوئية تنتشر في خطوط مستقيمة، وأن الأشعة، التي تسقط بزاوية أقل من الزاوية الحرجة، يمر جزء منها من خلال غلاف الليفة البصرية، ويصل إلي الليفة المجاورة. ويستمر هذا التسلسل حتى يصل إلي الغلاف الخارجي لحزمة الألياف، ويُعد طاقة مفقودة، تؤثر علي أداء الحزمة سلبياً.

ويوضح (شكل مسار الشعاع المتدرج) انتشار الشعاع الضوئي في الحزمة المترابطة، المصنوع قلوبها من مادة ذات معامل انكسار متدرج، حيث ينتشر الشعاع في خطوط متعرجة، تتجه دائما نحو مركز الليفة البصرية؛ وفي هذه الحالة فإن نسبة الأشعة، التي تخترق غلاف الليفة، وتصل إلى الغلاف الكلي للحزمة، تكون أقل منها في حالة الألياف ذات المعامل الحاد.