光纤束传像技术

1、光纤束传像技术(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要:本文第一分析了光纤传像方式异于其他传像方式的特点，并结合这些特点，列举了光纤传像在医学、工业、军事领域成 功应用的例子，又介绍了光纤传像束的传像原理，并详细列举了光纤传像束的光学性能参数，分析阻碍传像质量的缘故。以后结合 主题重点介绍了光纤传像的一个应用一一医用纤维内窥镜的功能和结构。最后，介绍了目前传像光纤的两种制作方式一一层叠法 和酸溶法。关键词：光纤；传像；纤维内窥镜Technology of optical fiber image transmission(School of Mechatronics Enginee

2、ring and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072, China)Abstract： In this artical,we firstly analyzed the characteristics of fiber optic image transmission differ from other methods,combining which,listed some successful cases in medical,industry and military we introduced the principle of fi

3、bre optic image catering to the class theme we focused on the medical last,two manufacturing methods of imaging optical fiber are presented.Key words： fiber optic, image transmission, fibrescope1光纤传像束的特点光纤传像束是一种可任意弯曲的传输图像的无源器件。与传统的光学成像器件相较，它具有重量轻、利用自 由度大、易实现复杂空间结构的图像传递等优势。由于其优良的传像特性和可任意弯曲的特殊性能，使其被普遍

4、 地应用于医学、工业及科研、航天、军事等多种领域。图像能够给人们提供最直接、最丰硕的信息，因此近些年 来，图像的搜集、传输和处置技术在各个领域都有普遍的应用1。用来传递图像的方式要紧有传统光学系统、光纤传像束、CCD和新兴的CMOS方式。传统光学系统如显微镜 望远镜等的重量和体积均不易减小，所需元器件数量较多，系统结构复杂，且刚性不易弯曲CCD和CMOS则都 是用一种高感光度的半导体材料制成。能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号并借助于运算 机的处置手腕，来传递和存储图像。可是由于成像进程涉及到光电转换，因此不能在电磁核辐射和高温易侵蚀的 场合下工作。目前光纤传像束的应用大体都

5、是是作为光学内窥镜利用，其要紧的应用领域有医学领域、工业领域、军事领 域等。医学领域是光纤传像束最先取得应用的舞台。以光纤传像束为关键核心部件制成的医用内窥镜在医疗上的成 功应用带来了医疗手腕的革命。1868年，喀斯摩(Kussmaul)第一将胃镜用于人体。尔后，人们陆续把透镜系统 和棱镜系统的硬性或软性内窥镜用于人体的许多部位。目前，由于光纤内窥镜所具有的特点，和细径光纤内窥 镜的产品化，医疗诊断光纤内窥镜已成为理想的医学诊断医治工具。例如，血管内窥镜作为传统的血管造影术的 一个极好补充，给对造影术过敏的人群带来了福音；利用颅内窥镜，不用开颅，只需在颅骨上打一小孔即可进行 脑肿瘤切除手术；用

6、脊髓内窥镜可检查和诊断非感染性严峻蛛网膜炎症，还可用于肝脏、肾脏及肌肉的诊断；用 胰腺内窥镜可进行胰腺癌和胰腺疾病的初期诊断；用眼内窥镜可医治视网膜剥离症等等句。几乎所有人体管道和 腔道均有相应的内窥镜，如支气管镜、胆道镜、子宫镜、咽喉镜和鼻窦内镜等，同时还可应用于开放性手术医治。工业光纤内窥镜的应用涉及了化工、电力、汽车、飞机、压力容器、建筑等领域。且在一些恶劣的工业环境 下，光纤内窥镜发挥着其不可替代的作用。例如，可采纳光纤工业内窥镜监测锅炉火焰燃烧状况，使监控取得的信息提高了4个数量级，不仅能判定火焰的稳固性，还能识别火焰形状，保证了电站锅炉的安全燃烧；光纤内窥 镜在检查锅炉、汽轮机、变

7、压器等电气设备的损伤或侵蚀及查找掉落的物体等方面成效也很明显。另外，光纤内 窥镜还可用于检查发动机变速箱、消声器、燃料管的磨损、积碳、堵塞等情形，在汽修行业取得普遍的应用。例 如，用内窥镜观看取得发动机清洗前后的图像并进行比较，能够对清洗成效有一个直观的了解。在汽车生产中， 采纳内窥镜进行无损检测，使每一个生产批次的每一台发动机都能够取得检查，从而保证了质量，降低了本钱5。图1光纤传像束在工业上的应用Image transmission optical fiber applied in industry.光纤传像束还被应用于军事领域的许多部门。例如军用侦查潜望镜要求能远距离发觉目标并分辨目标柔

8、性光 纤传像束潜望镜可利用波分复用技术排除光纤传像束的网格现象和断丝对图像质量的阻碍，系统分辨率可达到 60lp/mm，知足野战军队3km发觉车辆、1km内发觉人员活动的要求。为适应反恐、反劫持人质等要求，人们 研发了光纤传像红点对准镜5。图为装备了应用该技术对准镜的微声冲锋枪。该对准镜将柔性无源光纤传像系统 与内视红点对准镜（持枪者可视红点，被射击者无法观看）相结合，取代了传统的准星、照门两点一线的机械法对 准和光学对准镜镜内分划的对准方式，使射手能够方便的利用墙角、树干、堑壕、高台等地形地物，对目标进行 潜望式的隐藏观看和快速的对准射击。图2光纤传像束在军事武器上的应用Image tran

9、smission optical fiber applied in military and military.为保证社会安宁和冲击罪犯，公安人员所利用的侦查破案手腕愈来愈趋于高科技化。南京玻纤院研制的传像 内窥镜在毒品走私缉查中有效地检查出封锁腔内的隐藏物，取代了入口产品口。2光纤传像束原理光纤导光原理导光，是指把外部光源的光导入体内，用于照亮观看部位。光纤是一根极细的玻璃纤维，通常只有几个微米， 超级柔软。这种极细的光纤一样是由两层材料做成的，内层称为纤芯，折射率11较大（约；外层称为包层，折射 率n2较小（约。二者之间形成一个良好的光学界面。设光纤是粗细均匀的圆柱体，光线以适合的入射角。

10、从光纤 入射端面进入光纤。由于纤芯的折射率较大，光线在纤芯与包层交壤面上很容易实现全内反射，并在行进中发生 第2次全内反射，通过量次如此的全内反射，光线即可从光纤的一端传至另一端，并以与入射角相同的角度从出 射端面射出。为了使进入光纤的光线可不能逸出，一样应选择n1n2，且差值较大的材料来制造光纤。在实际 应用中，柔软的光纤束均能够弯曲，这对光纤束的导光和传像大体上可不能产生阻碍。这一特点，对医学临床应 用超级有利。,角居唱由射蛔一 一光线在卦芯中以全反射形式作据啻形传播图3光纤导光原理Fig3 Light transmission principle of fiber optic.光纤传像原

11、理光纤传像，是由光纤特性和结构所决定的。为了利用光纤束传像，光纤束必需具有以下条件9：在理想情形下，每根光纤都有良好的光学绝缘。即光纤束中的每一根光纤都能独立传光，不受周围光纤 的阻碍。多根光纤两头必需是相关排列、一一对应。即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时，维持图像不变形。例如，入射端图像是由多个像元 组成的“”形，经传像束传至出射端的图像仍是相同的“”形。要做到上万根光纤的一一对应是不容易的， 在第四节会介绍传像光纤的制作进程。图4传像光纤束Image transmission optical fiber bundle.另

12、外咱们还应明白，光纤束的每根光纤的端面都可看做是一个取样孔，各自携带着一个像元。入射图像可看 做是由许多亮度不同的像元所组成，光纤束则可看做由若干个取样孔规则排列的析像器，它按自己排列的规律性， 把入射图像分成和取样孔数量相等的像元。像元的大小等于取样的孔径，每根光纤都通过自己的取样孔而独立地 传递一个像元。在理想情光纤束的每况下，光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等，其符号由全 内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正，偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有效10。图5光在光纤中传播的光路Image transmission optical fiber.3光纤传像束的光学

13、性能阻碍传像质量的要紧因素被归纳为传像束的光学性能。断丝，暗丝，数值孔径，透过率，分辨率，串像率和 端表面形状是表征光纤传像束光学特性的要紧特点111断丝断丝的出此刻传像束的生产进程中是很难幸免的。它要紧会致使传输图像不完整和清楚度下降，因此它也是 衡量传像束成像质量的重要指标。断丝率的高低要紧取决于不同的制作工艺和其完善程度。目前江苏金陵科技集 团公司生产的多种规格的传像束其断丝率均已达到的水平。暗丝暗丝是指当光纤一端输入白光，另一端面光纤丝的亮度发暗或色泽呈灰色橘黄色的现象。这是由于组成光纤 的玻璃中含有微量过渡金属杂质和坩土埚中游离铂离子，产生严峻的吸收损耗使玻璃整体透光性能下降，从而产

14、生 了暗丝。另外，由于光纤端面有尘埃或抛光精度不够而致使光纤端面存在缺点等缘故也可能致使暗丝的显现。经 研究发觉为了不使所成图像严峻失真，整个器件的断丝暗丝率应低于图6传像光纤束中的暗丝The dark fiber of opitcal fiber bundle.数值孔径光纤传像束的数值孔径即集成它的单根光纤的数值孔径。如图2,光纤的数值孔径为N A.(n2 n2n sin。x =-=图7数值孔径表示了入射光和出射光的最大偏角Fig7 Numerical aperture(NA) discribes the biggest angle of incident light and emergen

15、t light.它表征了传像束集光能力的大小，同时又反映了输出光的发散程度。与一般的光学透镜相较，光纤的数值孔 径大是一个显著的特点。只要选取适合的纤芯材料和包层材料其数值孔径能够达到1。(d )23.464 D透过率光纤传像束光透射率的大小取决于单根光纤的光透射率和传像束的填充系数6。阻碍单根光纤的光透射率 的要紧因素有：光纤芯层材料的吸收皮层和芯层界面内壁上的全反射损耗、光纤端面的菲涅耳损耗等。因此，单 根光纤的光透射率表达式为t = (1 R)2 1 tg d cos exp() COSQR为光纤端面的菲涅耳反射系数，L为光纤长度，。为光纤芯层直径，。和B别离为光纤内入射光线和纤维中 心

16、轴的夹角及斜光线的倾角，a为芯皮层界面内壁上的全反射系数，为光纤芯层材料的光吸收系数填充系数，入 指的是有效传光面积和端部总面积之比。由单根光学纤维制成光纤传像束时有两种可取的排列方式，即正方形排列和六角形排列。理论计算表明六角形排列时传像束的填充系数具有最大值，为。因此整个光纤传像束的透过率可近似表示为T=K*t。分辨率分辨率也是评判光纤传像束传递图像能力的一个重要参数。它概念为在单位长度内观看一样宽度的黑白对线 时所能辨别出的最多对数。经常使用每毫米内所能分辩的线对数来表征，单位是。光纤传像束的分辨率与单丝直 径，单丝间的排列方式及光纤的光绝缘度有关。单丝直径越细，单根光纤的绝缘度越好分辨

17、率就越高。依照模型 理论，关于紧密六角形排列光纤传像束的极限分辨率为。其中为光纤的单丝直径。六图8测量传像光纤束的分辨率Measurement of the definition of optical fiber bundle.串像率串像率是指从相邻光纤输出的光强与从被激光纤和相邻光纤二者输出的总光强之比。串像率不仅随芯玻璃和 涂层材料的不同而各异，而且与相邻光纤间的中心距成反比关系。利用视频系统测量出的串像女为式中和别离是从被激芯光纤出射的光强和从相邻芯光纤出射的光强，是从相邻芯光纤和涂层中出射的光强， 是相机的探测时刻参量。图4表示了光纤传像束的串像现象。图9串像前后光强对照Compari

18、son between normal and cross-image optical fiber.端面面型传像束端表面粗糙度和端面面型也与传递图像的质量紧密相关。表面粗糙度直接阻碍光进入光纤时的反射和 散射损失，从而阻碍整个器件的数值孔径和透过率。端面面形对传像性能的阻碍要紧表现为像束端面垂直度对传 像束所在的整个光学成像系统的阻碍。当端面存在垂直度误差时，随着像束端面垂直度总误差的增大，出射端面 的叠加光通量散布的最大值将降低，并向最大孔径角方向偏移端面垂直度误差的存在加大了它与其它光学器件的 耦合难度，对系统的整体透过率造成必然阻碍。4光纤内窥镜的光学系统和结构光纤内窥镜，简称内镜或纤镜。

19、医用和工业用光学内窥镜，其光学系统通常都由照明系统、观看系统和照相 记录系统等部份组成go照明系统要紧有光源、导光束、凹面镜等部份。外部光源发出的光经导光束传至内窥镜先端部的一个凹 面镜上，经凹面镜发散，以取得更宽广的照明视场。观看系统要紧有直角屋脊棱镜、成像物镜、传像束、目镜等部份。成像光线进入观看系统，第一经直角 屋脊棱镜将光线作90转向后射至成像物镜，并由该物镜成像在传像束的一个端面上，再经光纤束传到其另一 端，从目镜后即可看到清楚的物像。作照相记录时，上述观看系统中的目镜则起到照相机镜头(即照相机物镜)作用。当调整好焦距，按下照 相机快门按钮，即可将像记录在照相底片上。现以胃镜为例，来

20、讲明医用光纤内窥镜的结构。胃镜的结构要紧包括先端部、弯角部、导像管、导光管、导 光管接头和操作部等部份。先端部。先端部是最先插入体腔的部份，长约31mm，直径约13mm。其上设有导光窗口、观看窗口、吸引 口、送气送水喷出孔，和为增大照明视场而设置的凹面镜、用于成像的棱镜和成像物镜等。先端部是光纤内窥镜 的一个关键部件。弯角部。起到连接先端部和导像束的作用。弯角部能够作大角度弯曲，且弯曲灵活。导像管。管内有导像束、送气送水管道、吸引管等。导光管。该管内有导光束和各类电缆，结构与导像管相似。导光管接头。其一端与冷光源连接，一样还装有水瓶连接嘴、光束罩和吸引嘴，和作高频手术的镜子等 部件。操作部。是

21、内窥镜的操纵和观看中心，上面装有方向调剂钮、紧固钮，送气送水按钮，吸引按钮，活检 钳调剂钮，和目镜和照相、摄像系统等。图10胃镜插入管的组成结构Fig. 10 Composition of gastroscope tube.另外，有的医用内窥镜还有附加的“工具通道”U3，用作药物处置、抽吸气体和冲洗之用，还能够用作传入小 的可折叠的诊断和医治工具,如镊子、钳子、剪子、刷子等。先端的物镜通过导像束传送被摄物的图像，用目镜进行放大观看。传统纤镜前端的物镜是薄凸面镜。用自聚焦透 镜替换纤镜中的薄凸面镜成像，为进一步缩小镜体外径提供可能。而且能够实现传光光纤均匀排列在传像系统周 围，使“传光”、“传像

22、”通道并为一个通道。图11先端的物镜通过导像束传送被摄物的图像，用目镜进行放大观看。Fig. 11 Image transmission bundle transmit the image captured by front objective lens to ocular lens,it will be zoomed there forobserving.5光纤传像束的制作工艺传像光纤束的技术关键是要将每一根光纤按顺序排列，如此才能够将一端的图像正确地传到另一端。要使极 细的的光纤排好顺序并非易的事。圆形的光纤排列起来后，光纤之间会有很多间隙，这就意味着会损失一些图 像信息，因这人们要尽力使

23、光纤做得细一些，同时还在研究拉制方形或棱形光纤。目前来看，光纤传像束较成熟 的制作方式要紧有两种一一层叠法与酸溶法To图12有序排列的光纤束能正确地传输图像。图13还未完成端部封装的光纤束。Fig. 12 Ordered arrangement fiber bundle can correctly transmit image.Fig. 13 Optical fiber bundles with their ends to be processed.层叠法制作工艺先将卷丝筒上的单纤维退到排丝筒上，排丝筒上安装着一个或几个专用排线模板，可使单纤维自动紧密排成 纤维带。每片纤维带含有几百根单纤维，

24、在排列整齐的部份涂上薄薄的一层胶合剂后，即可松脱排丝筒，取下纤 维。根椐像束直径的大小，计算出所需纤维带的数量，将几百片纤维带涂有胶合剂的部份叠积整齐后放入夹具， 加热、加压，使其充分固化为一整体。在叠积时，必需采纳同一种卷绕方向的纤维带，不然，图像就会显现锯齿 形失真问。这种方式工艺复杂、本钱高、像束直径只能做到左右，再细就比较困难了。酸溶法制作工艺把通过清洗处置后具有必然长度的双包层单根光纤彼此紧密地排列在一路，将两头紧固，放在专用拉丝设备 上，从一端加热拉制成复合丝这时复合丝。内单根光纤的酸溶玻璃熔结在一路，成为硬质像束，把硬质像束截成 所需要的长度，两头用耐酸材料爱惜好，浸泡在必然浓度

25、的酸溶液中。通过一按时刻，由于酸的作用使未经爱惜 的中间部份的酸溶玻璃溶解掉，成为一根根离散柔软可弯曲的酸溶法光纤传像束。然后装上护套和金属端头，通 过研磨抛光就制成了能够利用的光纤传像束16。图14双包层单纤维端面示用意图15酸溶工艺示用意End face of a double-clad optical fiberAcid-dissolving method酸溶法是现今世界制造高性能柔性光纤传像束最先进的工艺方式。这种方式具有单丝直径细分辨率高、柔性 好、利用寿命长等优势1。目前，国际上只有日本、俄罗斯的光纤传像束酸溶法生产技术比较成熟，尤其是日本 奥林巴斯公司生产的高性能柔性传像束，其产

26、品性能（单丝直径为610um）居国际领先地位。目前，国内由广 州光导纤维厂和华东理工大学联合研制的酸溶法光纤传像束和由长春理工大学课题组研制的高性能柔性传像束 均已达到国际先进水平。6结论光纤传像束分辨率受其微光纤直径的阻碍，且景深比较小，若是微光纤发生断裂，则输出会存在盲点。可是 它能够随意弯曲，耐久且柔韧性好，传输图像质量高，机械耐久性高，化学稳固性高，光学传输性能卓越，能将 色彩重现，可定制较长长度的光纤，因此具有超级普遍的应用前景。随着光纤传像束的不断完善，它将在非通信 光纤中占有愈来愈重要的地位。参考文献：李响,梁中翥，郭鹏等.光纤传像束研究进展J.光机电信息,2009,26(7):

27、25-31.司德平，杜留记.浅谈光学纤维J.现代物理知识,2003,15(2):12-14许明泉.光纤传像束的传光特性J.光纤与电缆应用技术1997,5:22-23.Zhu Y,Wei S,He G of single fiber corediameter of image-carrying opticalfiber bundle on optical fiber image plane hologramJ.Acta Optica Sinic,.1997,17(10):1341)1346.lYE Masanori, EBIZUKA Noboru, TAKAMI Hideki. Fiber pupil slicer - A versatile light feed for spectro graphs.J. ,1998,3355:417-423.迟泽英，陈文建,