第八章光纖傳像器件、系統(tǒng)與應(yīng)用—2

1、第第8 8章章 光纖傳像器件、系統(tǒng)與應(yīng)用光纖傳像器件、系統(tǒng)與應(yīng)用 利用光纖傳輸圖像有三種技術(shù)途徑：第一種是利用光纖通信技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，即光纖視頻通信技術(shù)；第二種是無源光纖傳像技術(shù)，作為其核心傳像器件的機(jī)理，是基于傳像器件兩端的各光纖像元作相關(guān)排列。無源光纖傳像技術(shù)經(jīng)歷五十多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸拓寬；第三種是利用光纖編碼復(fù)用技術(shù)，通過單根光纖或線陣光纖束實(shí)現(xiàn)圖像傳輸，其中包括 編碼復(fù)用傳像、 編碼復(fù)用傳像以及 編碼復(fù)用傳像。 本章將重點(diǎn)研究無源光纖傳像與像質(zhì)優(yōu)化技術(shù)，反映無源光纖傳像與像質(zhì)優(yōu)化技術(shù)研究的進(jìn)展與應(yīng)用成果；同時(shí)簡要介紹光纖編碼復(fù)用傳像技術(shù)，特別是在 編碼傳像

2、方面的研究進(jìn)展。tt-t（二）石英多芯型傳像光纖（二）石英多芯型傳像光纖 1987年我國北方交大光波所與天津26所等單位在我國首次研制成功石英多芯型傳像光纖，并取得了優(yōu)良的圖像傳輸效果。他們采用MCVD法和一次復(fù)絲制造工藝，研制出30萬像素（像元）的石英多芯型傳像光纖，達(dá)到了當(dāng)時(shí)國際的先進(jìn)水平。 石英多芯型傳像光纖，由于它具有通信石英光纖特有的優(yōu)良傳光特性，因而其傳輸圖像的質(zhì)量優(yōu)良。特別表現(xiàn)為：傳輸損耗低（每米透過率高達(dá)9699，因而能傳輸圖像的距離長；色保真性好，傳輸圖像色彩逼真；傳像的像素細(xì)、分辨率高，傳輸圖像清晰度好。此外，也具有優(yōu)良的機(jī)械、熱和耐輻射特性。上述優(yōu)點(diǎn)是柔性多組分玻璃傳像束

3、所不足的，因而在冶金、鍋爐、核反應(yīng)堆同位索加工、軍事、公安等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。 但是它也存在不足之處，主要是可撓性較差，屬于一種半柔、半剛性的光纖傳像器件，當(dāng)其長度由于使用需要達(dá)到幾米以上時(shí)，其保管、運(yùn)輸、架設(shè)使用、安全性等都成為問題；另外，其數(shù)值孔徑小。因而其推廣應(yīng)用受到局限。表8.2給出了20世紀(jì)末國內(nèi)外幾種基本類型石英多芯型傳像光纖的性能特點(diǎn)和典型數(shù)據(jù)。表表8.4 8.4 不同類型石英多芯傳像光纖性能不同類型石英多芯傳像光纖性能類型玻璃材料芯 包層結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)典型值折射率差/ NA 芯徑/m 芯間距/m 像素?cái)?shù) 特點(diǎn) 用途通用傳像光纖GeO2SiO2 SiO2GeO2SiO2 F

4、SiO2SiO2 FSiO2 2 0.260.3 6 10 300003.5 0.4 3 6 500001 7 11 30000 低損耗，細(xì)徑， 適用于一近紅外透過 般遠(yuǎn)距離性能好 圖像傳輸高密度傳像光纖低損耗，細(xì)徑， 適用于大可撓性好， 信息量，NA大， 細(xì)徑要求之信息量大 遠(yuǎn)距離傳輸 耐輻射傳像光纖低損耗，耐輻 適用于放射射性能好，紫 條件下之遠(yuǎn)外透過好 距離圖像傳 輸 除了上述柔性的光纖傳像束和半柔半剛性的石英多芯型傳像光纖外，尚有一類剛性的傳像束可作為低分辨率成像觀察用，例如第7章所述及的牙科光固化機(jī)用導(dǎo)光棒，同時(shí)也可兼作低分辨的成像觀察，根據(jù)需要也可將導(dǎo)光傳像棒彎曲一定的角度；此外，

5、細(xì)直徑的剛性傳像棒也可在某些醫(yī)用內(nèi)窺鏡中得到應(yīng)用。2.2.剛性的光纖傳像器件剛性的光纖傳像器件光纖面板與微通光纖面板與微通道板道板 具有相關(guān)排列共同結(jié)構(gòu)特征的剛性（硬）光纖傳像器件或電子像增強(qiáng)傳像器件，有光纖面板(fiber faceplate)和微通道板(Micro-Channdel Plates，MCP)。此外，還有光纖光錐與光纖扭像器等。這些剛性的光纖束器件，其纖維束的長度（或面板的厚度）與其橫截面線度的比例一般為一比數(shù)十；其制造工藝均包括光纖的復(fù)合即復(fù)絲過程；面板在復(fù)絲過程中為消除雜光影響提高對比度，一般均使用外壁吸收（填隙式外吸收）。這些都是與柔性光纖傳像束有重要差別的。以下分別介紹

6、兩種做相關(guān)排列的剛性光纖傳像束器件。為改善圖像傳輸對比度，消除光纖間串光及雜光影響，一般使用外壁吸收即采用皮料黑化或插黑絲的方法。這些均與利用單絲排絲疊片制造的柔性光纖傳像束有重要差別。光纖面板在軍事上的微光、夜視系統(tǒng)以及多方面的光、電子系統(tǒng)中有重要而廣泛的應(yīng)用。（一）光纖面板（一）光纖面板 光纖面板是由數(shù)以百萬計(jì)的、其單絲直徑為310m的光纖制成的大面積陣列式無源光纖傳像器件。其光纖單絲結(jié)構(gòu)、光纖的相關(guān)排列結(jié)構(gòu)與傳像機(jī)理以及在面板的輸入與輸出端面按1:1傳輸二維光學(xué)圖像的功能等方面，均與柔性的光纖傳像束相同。但是它也有其自身的一些特點(diǎn)和要求：首先在光學(xué)性能方面具有較高的分辨率，有的甚至可達(dá)1

7、00lp/mm以上，因而其單絲直徑（像元）很細(xì)。由于面板厚度薄，即單光纖的通道短，因而衰減小、透過率高。同時(shí)具有較高的數(shù)值孔徑以及良好的圖像傳遞性能，并要求具有真空氣密性等；在面板的制造工藝方面，采用拉制復(fù)式光導(dǎo)纖維的方法，即采用二次復(fù)絲技術(shù)； （1）光纖面板的制作方法 光纖面板的制作具有特殊性，大致分為四個(gè)步驟:材料的選??；復(fù)合光纖的拉制；熔壓成型；最后進(jìn)行切割及表面精加工。 材料的選取。光纖面板的制作工藝對玻璃有更嚴(yán)格的要求。首先，由于在一般微光夜視系統(tǒng)中的應(yīng)用均要求大數(shù)值孔徑，即NA1，因此應(yīng)選取高折射率芯玻璃與低折射率包層玻璃，使其有大的相對折射率差值；另外，在熱膨脹系數(shù)及軟化點(diǎn)方面，

8、要求芯料和涂層的熱膨脹系數(shù)在各個(gè)溫度區(qū)間相一致，尤其是在低溫階段。若有差別，芯料玻璃的熱膨脹系數(shù)比涂層玻璃的熱膨脹系數(shù)的差一般應(yīng)小于5X10-7，這樣才能保證在拉制0.52mm的粗絲中具有良好的性能，不會(huì)產(chǎn)生炸裂和彎曲。同時(shí)還要注意熱膨脹系數(shù)應(yīng)該和它所配合的電子束管的金屬和玻璃管殼的熱膨脹系數(shù)相匹配； 此外，要求材料有化學(xué)穩(wěn)定性。光纖面板要求玻璃材料在整個(gè)拉制、熱熔工藝中不析晶，不乳化，兩種玻璃不相互滲透或反應(yīng)?？紤]到光纖面板的應(yīng)用，還要求材料不含有對光陰極有毒化的元索，如鎘、砷、銻、鋁、鋅、氟等。所以，在選取材料過程中，必須先進(jìn)行一系列試驗(yàn)來選擇合適的玻璃材料。 復(fù)合光纖的拉制。由于光纖面板

9、的高分辨率要求單絲直徑很細(xì)，例如要使分辨率達(dá)到100lp/mm以上，則要求單絲直徑小于5m，因而必須采用拉制復(fù)合纖維的方法。所謂復(fù)合纖維，是由一組單根光纖組成，其包層熔合在一起形成一個(gè)力學(xué)整體，而不影響組內(nèi)單根光纖的光學(xué)性質(zhì)和獨(dú)立性。這種復(fù)式光纖用作制造大相關(guān)光纖束中的基本單元，且應(yīng)有一個(gè)有效壓緊的截面。 由于制作光纖面板的光纖直徑較粗，因而不能用鼓輪纏繞，而必須用撥絲輪拉引，且切割成一定的長度，拉制的方法多用棒管法。提供熱壓成型光纖面板的光纖有兩種：一種是一次復(fù)合光纖（一次復(fù)絲）；另一種是二次復(fù)合光纖（二次復(fù)絲）。最普遍采用的拉制復(fù)式光纖的工藝流程如圖8.13所示。圖圖8.13 8.13 拉

10、制復(fù)合光纖的工藝流程拉制復(fù)合光纖的工藝流程 拉制復(fù)絲的具體步驟是，首先利用芯和包層材料拉制成直徑較粗的光學(xué)纖維（稱為單絲），用m根這種單絲組合成棒，再拉制一次，這時(shí)拉制成的光學(xué)纖維叫一次復(fù)式纖維（一次復(fù)絲）。每根一次復(fù)絲內(nèi)包含有m根單絲，一般一根一次復(fù)絲中包含數(shù)千根直徑為56m的單絲，其橫截面積要比單元絲大得多。處理這種直徑較粗的光學(xué)纖維將給操作者帶來很大方便；有時(shí)，由于要求分辨率更高，且為提高面板的真空氣密性和對比度，則可把n根這種一次復(fù)絲組合起來再拉制一次，這時(shí)拉制成的光學(xué)纖維叫二次復(fù)式纖維（二次復(fù)絲）。這樣，每根二次復(fù)絲內(nèi)就包含有mn根5m左右的單元絲。其直徑很粗，操作起來也很方便。 單

11、絲組合成棒叫一次復(fù)絲棒;一次復(fù)絲組合成棒叫二次復(fù)絲棒。一次復(fù)絲棒或二次復(fù)絲棒的橫截面可以是圓形、正方形或正六角形。由于圓形排列會(huì)給下次排列造成較大的幾何空隙，因此現(xiàn)行均采用正六角形的最佳排列方式。 為了提高光纖面板的對比度，可以在排列成一定形式的單絲中間，有規(guī)則地插入吸收雜散光的黑絲（直徑比單絲小）。或者在拉制單絲時(shí)就用雙涂層。內(nèi)涂層是低折射率玻璃，外涂層就是吸收層。此外，為提高復(fù)合光纖間的氣密性，可在拉制復(fù)合光纖過程中抽真空。 光纖面板的熔壓。光纖面板的熔壓，就是將排列成一定形狀的二次復(fù)絲或一次復(fù)絲組合體在加溫加壓的條件下，通過將包層玻璃軟化而將所有做相關(guān)排列的光纖互相鉆合在一起，使之成為一

12、個(gè)整體結(jié)構(gòu)。光纖面板的熔壓是一項(xiàng)重要工藝。一次復(fù)絲和二次復(fù)絲的熔壓過程都一樣，只是在排列方法上有所差別。 光纖面板的冷加工。對熔壓后的光纖面板塊，要按應(yīng)用需要的厚度進(jìn)行切割，并進(jìn)行研磨拋光，加工成各種大小、厚薄、凹凸等各種成像所需要的形狀。 （2）光纖面板的功能與應(yīng)用 光纖面板最重要的功能與應(yīng)用方向之一，是用做微光夜視儀器等電子光學(xué)器件中的端窗與級間耦合元件，其十分重要的優(yōu)點(diǎn)是可以在不同形狀的表面間，實(shí)現(xiàn)對輸入與輸出圖像的1:1傳遞。根據(jù)電子光學(xué)系統(tǒng)中對光學(xué)透鏡或電子透鏡的像場或物場場曲特性的要求，利用光纖面板的傳像功能，可以將光纖面板的輸入/輸出端面分別設(shè)計(jì)制成平面/球面（如微光像管的光陰極

13、面板）、球面/平面（如微光像管的熒光屏面板）、曲面/曲面（如光學(xué)透鏡的校場曲面板）以及平面/平面（如微光像管之間的耐高場強(qiáng)面板）等多種形式。 在微光像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。例如，旱期的微光夜視儀中，為獲得高亮度增益，可將完全相同的單級像管（參見圖8.14），用光學(xué)纖維面板進(jìn)行多級耦合。因此像管的輸入窗和輸出窗都是由光纖面板制成，以便將球面像轉(zhuǎn)換為平面像來完成級間直接耦合。由于每級像管都成倒像，所以耦合的級數(shù)多取單數(shù)，通常為三級。采用三級級聯(lián)像增強(qiáng)器的微光夜視儀如圖8.15所示。該像增強(qiáng)器稱為第一代像增強(qiáng)器，俗稱一代管。圖圖8.14 8.14 單級靜電聚焦倒像式像管結(jié)構(gòu)示意圖單級靜電聚焦倒像式像管結(jié)構(gòu)

14、示意圖1,51,5光纖面極；光纖面極；22光陰極；光陰極；33陽極；陽極；44熒光屏熒光屏圖圖8.15 8.15 采用三級級聯(lián)像增強(qiáng)器的像管結(jié)構(gòu)示意圖與微光夜采用三級級聯(lián)像增強(qiáng)器的像管結(jié)構(gòu)示意圖與微光夜視儀原理圖視儀原理圖 采用光纖面板實(shí)現(xiàn)級間禍合，可以取代傳統(tǒng)的中繼成像系統(tǒng)，因而有利于大大減小整個(gè)組合器件的尺寸；同時(shí)，各單管的光纖面板外表面全成平面，有助于減小極間耦合的分辨率損失，并可以大大提高全系統(tǒng)的耦合效率與有效增益，也使各級的分別設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)成為可能。 除了一代像增強(qiáng)器外，在第二代、第三代像增強(qiáng)器中光纖面板均有重要應(yīng)用。在微光像增強(qiáng)器中使用的光纖面板，其厚度一般小于10mm，同時(shí)要求氣密

15、性好，與光陰極不起作用。 在其他方面的應(yīng)用。除了在微光像增強(qiáng)器中的應(yīng)用外，光纖面板還在多方面有重要應(yīng)用。主要包括：應(yīng)用光纖面板作耦合元件的X射線像增強(qiáng)器（如圖8.16所示）；光纖面板應(yīng)用于陰極射線管和雷達(dá)顯示管等；采用光纖面板作為平像場器的變像管；應(yīng)用光纖面板的圖像放大顯示管（如圖8.17所示）；應(yīng)用于宇宙探測的微光攝像管以及應(yīng)用于航空攝影中校正場曲畸變的平像場器等。圖圖8.16 兩級兩級X射線像增強(qiáng)器射線像增強(qiáng)器圖圖8.17 8.17 光纖光學(xué)圖像放大顯示管光纖光學(xué)圖像放大顯示管（二）微通道板（二）微通道板（1）機(jī)理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)）機(jī)理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 微通道板并非無源光纖傳像器件，而是一種做相關(guān)

16、排列的大面陣微通道有源電子圖像倍增器。它是由高二次電子發(fā)射系數(shù)的含鉛玻璃制成。一塊微通道板中至少含有數(shù)百萬根并列的光纖中空細(xì)管、即微通道空芯管（管的內(nèi)壁直徑在650m)，每一根細(xì)管就是一個(gè)微型電子倍增器，相當(dāng)于一個(gè)微型的連續(xù)打拿極光電倍增管。 細(xì)觀內(nèi)壁鍍有高二次電子發(fā)射材料，兩端加有電壓。當(dāng)電子以一定角度從微通道細(xì)管的端部入射并在電場的加速作用下，以拋物線軌跡打到通道管的內(nèi)壁時(shí)，將激發(fā)出二次（次級）電子，這些二次電子被管壁電壓加速，并激發(fā)出更多的二次電子。最終在輸出端將可獲得很高的電子倍增輸出，每一級微通道板可以獲得的電子倍增增益可以高達(dá)103104。微通道板不僅對電子撞擊敏感，而且對離子、X線、紫外線以及高能的，射線均有一定的響應(yīng)度。由于一塊微通道板包含數(shù)百萬像元，因而具有對電子及其他粒子的二維密度分布、即二維電子圖像進(jìn)行高分辨率倍增成像的功能?？傊⑼ǖ腊寰哂懈咴鲆?、低噪聲、高分辨、寬頻帶、低功耗、長壽命及自飽和效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，圖圖8.18 微通道板形象與工作原理微通道板形象與工