第八章 光纤传像器件、系统与应用—3

1、第第8 8章章 光纤传像器件、系统与应用光纤传像器件、系统与应用 利用光纤传输图像有三种技术途径：第一种是利用光纤通信技术进行图像传输，即光纤视频通信技术；第二种是无源光纤传像技术，作为其核心传像器件的机理，是基于传像器件两端的各光纤像元作相关排列。无源光纤传像技术经历五十多年的发展，技术已经比较成熟，应用领域也在逐渐拓宽；第三种是利用光纤编码复用技术，通过单根光纤或线阵光纤束实现图像传输，其中包括 编码复用传像、 编码复用传像以及 编码复用传像。 本章将重点研究无源光纤传像与像质优化技术，反映无源光纤传像与像质优化技术研究的进展与应用成果；同时简要介绍光纤编码复用传像技术，特别是在 编码传像

2、方面的研究进展。tt-t 在光学成像系统中以无源光纤传像器件作为中继传像器件的均可视为光纤传像系统。本节将重点讨论以柔性光纤传像束为中继传像器件、对远距离目标进行被动式观察的光纤望远系统与无源光纤传像技术；附带介绍备有光纤光源主动照明的对近处微小目标进行观察的光纤内窥镜系统。光纤传像系统无论在军用还是民用领域均有广泛而重要的应用价值。8.1.2 8.1.2 光纤传像系统（光纤望远系统，光纤光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）内窥镜）1.1.光纤望远系统与无源光纤传像技术光纤望远系统与无源光纤传像技术（一）光纤望远系统的基本概念（一）光纤望远系统的基本概念 光纤望远系统是相对于由透镜所组成的

3、传统望远系统而定义的。由于传像束的传像机理决定了单独像束自身不能对远方物体成像，像束所起的作用只能是将图像从像束的一个（输入）端面传送至另一个（输出）端面。即在系统中起中继传像作用。图图8.23 8.23 光纤望远系统示意图光纤望远系统示意图 “光纤望远系统”系指在由物镜和目镜所组成的基本望远系统的共焦面处，加入具有柔性的大信息量光纤传像束作为中继传像器件而构成的对远距离目标进行观测的系统（如图8.23所示）。根据上述赋予的定义，光纤望远系统的视放大率应有如下关系：coscostantan0cpabffww（8.10）式中， 为由望远系统物镜焦距和目镜焦距所决定的望远系统基本放大率；w和w与分

4、别为由望远物镜和目镜与像束截面所决定的系统像方与物方视场角； 为像束的输出端面相对于输入端面绕光轴旋转的方位角度，若 =0为正像， =180，则为倒像， 为正值。0（二）光纤望远系统的主要性能参数与重要特性的研究（二）光纤望远系统的主要性能参数与重要特性的研究分析分析 （1）光纤望远系统的放大倍率 光纤望远系统的放大倍率即其视放大率 由（8.10）式决定。其值的具体确定，最根本的是应根据对要求观察距离的目标能进行分辨。具体设计应综合考虑：战术上多远距离对多大间隔两点分辨的需要、传像束制造工艺可能达到的最细光纤单丝直径以及由系统目镜焦距值所决定的目镜放大率使入眼看不到像束输出面上的网格等多方面的

5、因素来确定。具体设计应满足下式：cpf)102()()()102()()( 55 mmfmmbmLmyab（8.11）式中， 为战术需要和像束像元结构可能分辨的角度(以秒计)；L为目标距离(以m计)；y为要求分辨的目标两点间隔(以m计)；b为制造工艺允许最细单丝直径d条件下按六角形排列的像束相邻两像元间隔(以mm计)； 为物镜焦距值(以mm计)。 由上式可以确定满足需要和可能分辨目标的系统物镜焦距值： abf)()3(mmdyLbyLfab（8.12）目镜倍率与焦距值 的确定，应综合考虑两方面的制约因素：若 值太小，即目镜倍率太大，则由于像束离散结构特点，视场中像束输出端面的丝像、网纹背景与断

6、丝（黑点）的影响突出，严重影响观察效果；但若目镜焦距 值太大，即倍率太小，又会导致系统的结构尺寸与重量增大。为此，一般应选取目镜倍率 ，相应的目镜焦距值 25mm（取入眼分辨较严格的条件）。cpfcpfcpf10cpf 在确定上述 的基础上，即可确定光纤望远系统的放大倍率（像束不倒像）应为cpabff,cpabff（8.13） （2）光纤望远系统的视场 光纤望远系统的物方视场由像束截面的直径对（圆形截面）或对角线（对正方形或矩形截面）与物镜焦距的比值决定，表为abfDw2tanabfBAw222tan（对圆形截面像束，D为像束截面直径）（对矩形截面像束，A、B为矩形边长）（8.14）（8.15

7、）反之，若给定物方视场角要求和 ，则可确定所需像束截面的形状和尺寸。abf （3）光纤望远系统的物方角分辫率 光纤望远系统的物方角分辨率是一个十分重要的指标，它决定了系统分辨远方目标的能力。由于像束所具有的抽样传像的离散特性决定了，像束的分辨率比系统中相应的物镜和目镜等硬光学元件分辨率要低得多(大致相差约一个数量级)，因而光纤望远系统的分辨率与成像质量主要取决于传像束，这一规律可由如下的经验公式体现：2222111R1cpFabRRR（8.16）式中，R 、Rab、RF、Rcp分别为系统、物镜、像束和目镜的分辨率（以lp/mm表示）。 由（8.11）式可知，光纤望远系统的物方角分辨率应由下式决

8、定：)102(3)102(1 55 abFabfdRf（8.17） 上式表明，在像束给定（ 、RF确定)的条件下，若要提高系统的物方角分辨能力，则需采取增大物镜焦距的方案。现行大截面像束的单丝直径若取为16m，物镜焦距取为150mm，则系统的物方角分辨率可以达到 表8.5给出在像束单丝直径d =16m、按六角形排列条件下，不同物镜焦距值所对应的望远系统物方角分辨率的关系。d3 375075100125150175200111745544373228mmfab/ /表表8.5 8.5 物镜焦距与系统物方角分辨率的关系物镜焦距与系统物方角分辨率的关系（ ）0277.0016.033d 一般硬光学望

9、远系统的物方角率多为510数量级，因此设计的目标是增大物镜焦距，使光纤望远系统的物方角分辨率与传统望远系统的物方角分辨率相差在半个数量级内，即达到2550。当然，物镜焦距的增大，必将同时导致视场的减小和结构尺寸的增大。为此，必须恰当地选择物镜焦距，以使系统的倍率、视场和分辨率几者间能取得较好的平衡，以实现系统的综合性能最佳。 以上为光纤望远系统主要性能参数设计选择的基本分析。 （4）光纤望远系统中的有效光束限制特性分析 光纤望远系统的视场由像束输入端面的边框决定，因而该边框成为光纤望远系统的视场光阑。 光纤望远系统有效光束的限制情况与传统硬光学望远系统不同，具有特殊性（参见图8.22。一般多组

10、分玻璃的传像束其数值孔径为0.50.6，通常望远物镜的相对孔径最大1/41/3，而目镜相对具有较大的相对孔径。即整个光纤望远系统的物镜、像束、目镜的数值孔径之间具有如下的规律：cpcpFobobfDNAfD（8.18）图图8.24 8.24 像束输入输出端相对孔径的关系像束输入输出端相对孔径的关系 这样，在整个光纤望远系统中，有效光束的限制情况应分为两段考虑：在像束的输入端面之前，物镜框为有效光阑及人瞳，起实际限制物方光束的作用，因而凡能进入物镜的成像光束均可进入像束进行传输；而在像束的输出端面之后，像束的数值孔径起实际限制系统像方有效光束的作用。这样，整个光纤望远系统的出瞳不再像硬光学望远系

11、统的传统定义那样，是孔径光阑（通常设为物镜框）经整个望远系统在系统像方所成的像；而是由像束输出端面处各光纤出射孔的出射光束（由像束数值孔径决定）经目镜所成的像决定，如图8.25所示。其位置在目镜像方焦面处，即lepxf，其大小由下式决定：DepFfNA 出（8.19） 由于在出瞳处出射光束口径远大于眼瞳，因此当光纤望远系统与人眼配合使用时，人眼瞳孔起实际限制光束的作用，故眼瞳可视为全系统（包含人眼）的实际出瞳。则有D出13.8mm，此即出射的轴上光束的口径。mm25epf上述理论分析与实验现象是相吻合的，NA0.55，图图8.25 8.25 像素输出端的光束限制情况像素输出端的光束限制情况 （

12、5）光纤望远系统中传输图像亮度的特性分析 由于像束中各光纤通道具有相同的透过率，即像束在传输图像亮度方面具有全视场均匀一致的特性。这样，当入瞳与望远物镜重合一致，即望远物镜远系统不存在渐晕的条件下，整个光纤望远系统将不存在渐晕现象。即凡通过物镜进入像束输入端面各点处的光束，可以基本保持不变地全部从像束输出端面各相关点处输出。因此，光纤望远系统原则上不存在渐晕现象，这是与传统望远系统不同的一个重要特点。 应该指出，由于光纤传像束的特殊传像机理与方式，对应于轴外点的斜光束，在进入像束的长光路（例如13m）传输过程中，不但不产生渐晕现象，而且不会引起整个系式中，NA为像束的数值孔径；K为像束的填充系

13、数，对六角形排列，K值约为70%；t为光纤单丝透过率，t与K值的乘积相当于像束的积分透过率。 上式表明，像束的NA值及单丝透过率t对像束传输图像的亮度，特别是对整个光纤望远系统最终像面的亮度具有很大的权重系数影响。 KtNAE2（8.20）统横向尺寸的增大。这正是导致光纤望远系统在长光路条件下能保持结构尺寸与重量非常轻便、紧凑的根本原因。 光纤望远系统中，像束传输图像的亮度可由下式定性表示应该指出，虽然长像束的积分透过率较低（例如3m长像束的积分透过率可能低于0.30），从而导致整个光纤望远系统的积分透过率较低（甚至可能低到0.2左右），然而由于传像束结构与传像机理的特殊性，图像是由被光纤包层

14、和胶层间隔开的数十万个纤芯的不同亮度点阵构成的，这些纤芯的透过率大大高于像束的积分透过率，因而由这些离散点阵构成的图像在人眼中所产生的刺激或主观亮度感觉，将远高于系统积分透过率所给出的数值，这是光纤望远系统的又一重要特点。正是由于这一原因，即使在3m长像束条件下光纤望远系统的实测积分透过率低到0.2，但通过光纤望远系统所观察到的图像亮度的主观感觉却仍然是良好的、可接受的。（三）光纤望远系统的应用 应用柔性的大信息量（大截面）光纤传像束作为中继传像器件的光纤望远系统，由于它有如下一些重要的特殊优点，因而被日益广泛地应用于军事、保安、航空、航天、军工生产监控等许多领域： 柔软、可挠性好、自由度大是

15、其最突出的优点。这种柔软、可弯曲传像的光学铰链结构形式，突破了传统硬光学系统必须成平面或空间折线刚性结构的固定模式，形成了可满足某些特殊使用要求、自由度很大的柔性光学铰链结构形式，从而大大增加了观察瞄准仪器的灵活性与适应性，适于隐蔽观察。这对光学类仪器的功能与结构形式，是一革命性的演变，也为解决一些空间受到严格限制、通道弯曲狭窄、光路中遇有障碍、遮蔽等困难情况下的观测，开辟了新的技术途径。这一特点对兵器、军工、反恐、航空、航天等尤有重要意义，它的应用对发展“刚”、“柔”结合体制的新型观、瞄侦察装备具有重要价值；与此同时，对民用也很需要。 比较容易实现1m以上较长光路的结构需要。尤其重要的是，在

16、相同光路长度的要求下，这种光纤传像系统的结构和重量将比硬光学系统结构的重量轻巧半个数量级以上，有利于装备的轻型化与便携式。 是无源实时的被动式观察系统，无须电源供电，可长时间工作。具有良好的安全性和扰电磁干扰性。 大信息量的光纤传像系统也可与数字CCD摄像监视系统取得良好的匹配，从而实现视频转换与摄像监视功能。 国内外应用大信息量光纤传像束与光纤望远系统的实例有很多，例如，美国在阿波罗计划的“土星”号火箭以及法国在宇宙火箭中应用大信息量传像束对目标进行观察和对发动机的工作状态进行监控；在飞机上用于航空取景器的光纤中继传像系统；应用于直升机上的光纤目视监视系统；进行风洞内流场的实验观察与拍摄；应

17、用于检查炮手瞄准效果的光纤监测系统；以及光纤焊接监视系统等。 为适应现代战争对我军轻型潜望侦察装备的要求，南京理工大学在对无源光纤传像技术研究的基础上，于1991年设计研制成功3m长光路应用大截面传像束的光纤潜望系统（参见图8.26），进而于2000年设计研制成功具有大潜望高的轻型便携式光纤潜望镜（参见图8.27），从而大大提高了部队利用高地灌木丛林及堑壕参见图8.28（a）、（b）等遮蔽物，实施大潜望高隐蔽侦察的效能。此外，利用光纤传像束的柔性与轻便性研制成功的轻型枪用光纤传像红点瞄准镜参见图8.29（a）、（b），可以利用墙角、凸台等遮蔽物实施隐蔽瞄准拐弯射击，为公安、武警在反恐、反劫持人

18、质等斗争中，提供了有效的技术装备支持。 图图8.26 8.26 像束长像束长3m3m的光纤潜望系统的光纤潜望系统图图8.278.27便樵式光纤潜望镜便樵式光纤潜望镜（a a）高地灌木丛中）高地灌木丛中（b b）在）在2m2m深的堑壕中深的堑壕中图图8.28 8.28 光纤潜望镜实施隐蔽侦察光纤潜望镜实施隐蔽侦察（a a）枪用光纤红点瞄准镜）枪用光纤红点瞄准镜（b b）利用墙角隐蔽瞄准射击）利用墙角隐蔽瞄准射击图图8.29 8.29 枪用光纤红点瞄准统隐蔽瞄准射击枪用光纤红点瞄准统隐蔽瞄准射击2.光纤内窥镜 光纤内窥镜是始于20世纪60年代初，伴随着相干光纤束(传像束)的出现而最旱问世的。它是光

19、纤最起始的应用领域，至今已有近50年的历史，然而久盛不衰，应用领域仍在不断扩大。虽然受到CCD技术电子窥镜的强劲挑战和冲击，但仍因其特有的优点，而保持其重要的地位。 光纤内窥镜也是以光纤传像束(小截面)为中继传像器件的光纤传像系统，根据应用领域可以将其分为两大类：一类是以人体内各种器管为探测诊疗对象的各种光纤医用内窥镜；另一类则是广泛应用于工业各领域的光纤工业内窥镜。这两大类光纤内窥镜虽然具体用途各异，侧重的特点各有不同，但它们都有几个重要的共同点： （a）它们都是以相对近距离的目标或微细物体作为探察观测对象的，因此从成像系统来说，属于有限距离成像(非无限远平行光成像)，本质上为一放大成像系统

20、（参见图8.30）； （b）由于要求能进入人体内部或发动机、机床等内部的狭小空间进行探测，即到达人眼所无法进人和直接看到的地方。因此要求内窥镜的口径必须相对较小，相应地作为内窥镜系统中继传像器件的光纤传像束，也必须截面相对较小，一般为几万像元甚至数千像元；另外应有较长的长度（最长为6m），以保证能到达探测部位。即所用像束为较长的小截面像束； （c）具有由导光束提供的主动照明，且亮度可调，光源为冷光源。根据对目标观察的需要可以主动调节照明区域的亮度，从而为成像观察提供良好的照明条件。这一点是与被动观察式的光纤望远系统(无源光纤传像系统)有着重要的区别； （d）由于无论在人体内部还是机器内部的狭小

21、空间，探头均需做360全方位的探测观察，因而在光纤窥镜内无例外地都有能控制探头做全方位转动的蛇骨等相应手动控制与运动机构。图图8.30 8.30 光纤内窥镜原理方案示意图光纤内窥镜原理方案示意图以下将分别简要介绍光纤医用内窥镜与光纤工业内窥镜。 （1）光纤医用内窥镜 光纤医用内窥镜从旱期的由透镜、棱镜组合成的硬直管型内窥镜，照明采用小灯泡做内部光源的方案，发展到以后的以柔软可弯曲的小截面传像束作为中继传像器件，以柔软的导光束将置于外部的冷光源照明引入照明部位，且照明亮度可调的方案，使医用内窥镜在技术上有了质的飞跃。由于传像束很柔软，且可做得很细，因而插入人体复杂的体腔内很方便，可以减少检查盲点

22、，并大大减少病人痛苦；而用亮度可调、由柔软导光束引入外部冷光源的照明，则由于光谱接近日光色泽，因而可使操作者获得清晰而富真实感的图像，易于发现细小的病位；此外，借助于现代的彩色数字摄影、照相与显示技术，可以对检查与诊疗过程进行彩色的动态显示与记录。 根据人体内各部位器官的检查需要，可以制作各种用途的医用内窥镜，例如胃与上消化道内窥镜，食道、支气管内窥镜，胆管与肾内窥镜，大肠十二指肠与结肠内窥镜，尿道膀胱内窥镜，耳、鼻、咽喉内窥镜，腹腔与子宫内窥镜，以及心脏血管内窥镜等，可以说技术的进步，已使医用内窥镜覆盖了人体的大部分器官的诊疗。图图8.318.31医用光学内窥镜组成示意图医用光学内窥镜组成示

23、意图 医用光学内窥镜示意图如图8.31所示，其主要结构包括：成像部分、传像与照明部分、观察与记录部分以及附属部件。各部分结构的组成与功能如下： 成像部分装在光纤内窥镜的头部里面，高强度的冷光源所发出的光通过光纤传光束传至内窥镜的头部，由导光孔出射，照明观察区域。观察目标的图像通过观察窗，经过棱镜改变入射方向后，再由物镜成像在光纤传像束的端面上，图像就由光纤传像束传至另一端，然后由目镜系统进行观察，这样就实现了内窥的目的。 观察窗通常有侧视式和直视式两种，如图8.32所示。侧视式的窗口正对观察的体腔壁，使用方便。缺点是插入人体内时不能看到端头前方的体腔；若采用直视式观察窗，插入人体内就方便，操作

24、迅速，但检查腔壁一定要有弯头机构，将端头弯过来，对着腔壁才能观察；近年些来，有一种结构较先进的具有斜视式观察窗的光纤光学胃镜，同时具有侧视和直视的优点。 光纤内窥镜的物镜一般采用固定焦距可调式的物镜，可在较大的视野范围内看清楚物体。当观察时，可以略微调焦，使远近的物体都能看清楚。这种内窥镜的观察窗物镜旁侧一般设有喷水和喷气的小孔，当物镜玷污时，可以用水和气体进行清洗和吹干。 光纤内窥镜的传像与传光部分包括：一根具有较高分辨率的光纤传像束，其单丝直径一般为1215m，它是安放在一根起保护作用的软管里面；软管中还包括照明用的光纤图图8.32 8.32 光纤内窥镜头部观察窗光纤内窥镜头部观察窗传光束、吹气管、调焦弹簧管、活体取样钳和弯头的牵引钢丝。从使用的观点来看，希望软管越细越好，这样便于插入人的体腔内，减少痛苦。使软管变细主要是缩小光学纤维束的直径，所以要求光学纤维束不断