第十一章 光纤光学系统 11-1 概 述.ppt

1、第11章光纤光学系统11-1的概要是指光纤一般由透明的介质构成，直径和长度的比为小于1:1000的丝状体。 光从光纤的一端入射，沿着光纤传播，最后从另一端射出。 一根光纤只能传导光，不能成像。 如图11-1所示，如果固定较多的光纤来构成光纤捆绑软件，则能够在具有一定面积的像面上，按每根光纤将像山光纤捆绑软件的一端一点点地传递给另一端。 图11-1，用于传送光能的单条光纤或光纤的束被统称为光纤光学元件。 这从本拙纪50年代开始出现，现在已经实用化的光纤光学仪器可以减少，完成许多传统光学仪器所不能完成的任务。 其中应用最广泛的是医学民间工业中广泛使用的各种内窥镜。 近年来，新的折光率分布光纤在电信

2、系统中迅速发展，在整个电信系统上掀起了革命。 由于光纤的应用日益扩大，光纤的研究也不断深入。 光纤根据它们传输光的方式，由均匀的透明介质构成，分为在光纤内部以表面的全内反射和直线传播传输的被称为全反射光纤或台阶型光纤的2种。 另一种光纤由不均匀介质组成，中心折光率高，边缘折光率低，在光纤内部沿曲线传播，称为折光率分布光纤，这两种光纤传播光的方式不同，应用范围也不同，本章分别介绍其工作原理和应用。$11-2全反射光纤的光学性质，图11-2的大多数光纤的直径远远大于光的波长，对于这种光纤可以用几何光学的方法研究其光学性质，在本节中研究全反射光纤的光学性质。 最简单的光纤如图11-2所示，是由均匀的

3、透明介质构成的圆柱状的丝状体，被称作单根光纤。 光在光纤的内面多次全内反射，光从一端到另一端沿着光纤传播。 该光纤的缺点是光纤表面的小缺陷、尘埃、污垢使光散射而射出光纤，引起光能损失。 在一般的光学系统中的全内反射棱镜项目的反射面上，虽然也存在这些个的缺点，但由于在一个棱镜项目系统中仅反射数次，所以影响较小。 在光纤中，光可能通过数千次全内反射，如果每个全内反射失去一部分光能，则整体损失非常大。 这种单根光纤在光纤束中光纤彼此紧密腐蚀，光有可能从一根光纤透过另一根光纤，因此影响图像的清晰度，不特别适用于传输图像的光纤束。 为了克服光纤的上述缺点，在光纤的外侧包复折光率比芯低的玻璃，如图11-3

4、所示，将这种光纤称为外包光纤。 在该光纤中，光在光纤内外两种碗的界面上全内反射。 这样，光纤表面的缺陷和污垢对全内反射没有影响。 现在使用的光纤大多是外包光纤。 设图11-3、包复光纤的光学性质、光纤芯材料的折光率为n、包复材料的折光率为n、nn、光纤存在的空间介质的折光率为n0。 在光纤的内外介质界面使光全内反射时，入射角I必须在临界角Imin以上。 从图11-4中得到的上式中，简化了世代上式的光线在光纤端面折射，从折射规律来看，将光纤端面和光纤轴线所成的角度称为光纤的数值孔径。 与一般的光学系统相对应，数值孔径以符号NA表示位于(11-1 )空气中的单芯光纤，能够视为n=l的外包层光纤，若

5、将n=l代入NA式，得到单芯光纤的数值孔径式(11-2 )，则外包层光纤的数值孔径始终为同一芯在实际使用中，通常入射光束的数值孔径比光纤的数值孔径小，因此光纤的数值孔径代表光纤的光传输能力，是光纤的重要性能指标。 图11-4、为了增大光纤的数值孔径，必须增大内外两玻璃的折光率差。 由于高折光率光学玻璃的发展，目前玻璃光纤的最大数值孔径达到1.4。 当然，在NA大于1的情况下，光纤的两端必须位于浸液中，必须采用浸液物镜，使微物镜的数值孔径大于l肘。 超过光纤数值孔径的光从光纤泄漏，进入邻接的光纤。 这种光对于传输图像的光纤束降低图像的清晰度，从而形成噪声。 为了防止漏光，在光纤的外侧再使用一层由

6、高吸收玻璃构成的包层。 能够吸收漏光，防止声音的产生。 上述讨论实际上仅限于位于通过光纤对称轴的截面内的光，相当于同轴系统中的子午光。 这些个的光在光纤中总是在同一个平面内。 假定光纤是直线，出射光线和光纤的轴线的角度与入射光线和光纤的轴线的角度相同，但是角度可以是负的也可以是正的，这由在光纤内部的反射次数的奇偶性决定。 如果一定口径的平行光入射到光纤，则位于子午面之外的光每次反射都会扩散，因此如果最后出射光纤，则如图11-5(a )所示形成锥面。 当入射光是倾斜入射光时，出射光线如图11 b中所示。 光通过光纤的光能损失分为入射端面和出射端面的反射损失两部分，其计算与一般的透镜表面的反射损失

7、计算类似。 另一个是光纤内的所有光能损失，由于吸收、散射、非全内反射等多种因素，综合结果是I0和I分别是入射和透射的光强，l是光纤的长度、阻尼系数，入射锥角u和波长的函数，也与光纤类型有关。 在一般的高透射率光纤中，在可见光的中心波段，值约为0.0025cm-1，光纤弯曲时，一般的弯曲半径远大于光纤的直径，对光纤的工作特性几乎没有影响，弯曲半径超过20倍的光纤直径时，光纤的开口(a )、(b )在图11-5中，除了圆柱状的光纤之外，也有使用圆锥状的光纤的情况，但如图11-6所示，从光纤的大端入射的光，在光纤内每次反射时入射角I减少为圆锥的2倍，在I小的干涉临界角之前离开光纤因此，通常的圆锥光纤

8、的长度短，反之从光纤的小端入射的光在每次反射时人的入射角I都增加2，与光纤的轴线的角度在光从大端射出光纤之前变小。 锥形光纤主要用于压缩光束的截面积，增大孔径角，提高出射面的照度。 通过在满足人的出射端的直径d1、光锥角1、出射端的直径d2和光锥角2的关系(ll-4 )的锥状光纤的外侧被复吸收比高的介质，能够防止有效开口部以外的杂散光。 图11-6、$11-3全反射光纤的应用，光纤的应用大致分为两种，第一种传输光能，因此称为导光光束：第二种传输图像，因此称为像束。 下面分别介绍这两个方面的应用。 导光束可以由刚性或柔软的光纤光束构成，光纤光束中光纤的入射端和出射端的排列顺序是任意的，导光束通常

9、用于目标照明。 导光束的输入端和输出端、光纤可以排列成不同的截面形状，满足图11-7中各种特殊的照明需要。例如，如果用一个点状光源照明长狭缝，则可以使导光束的捕捉端为圆形，将来自光源的光通过透镜聚光到导光束的输出端面，使光束的输出端为线状，照明狭缝整体，如果用一般的光学系统直接在狭缝上成像，则像的直径光束的另一个应用用于扫描系统，将光纤的一端连接到扫描头，另一端连接到光能接收器，可以进行大面积的扫描，比在一般的光学系统中完成相同的任务简单得多。 二、用于传输影像的光纤需要良好的外包层，输入侧和输出侧的排列顺序必须完全相同。 用发射束发射图像具有无对长度和空间的严格限制、大的孔径和无像差的特殊优

10、点。 其缺点是：光纤束中的少数光纤折断，在输出像面上形成盲点，导致投入产出端的排列形状变形，可能引起像的变形。只有一对共轭面存在，景深小的极限分辨率受光纤直径的限制。 光纤捆绑软件的用途很多，以下分别介绍其主要应用。 (1)内窥镜和内窥镜的主要结构是：在导光纤维束的输入端之前，用物镜使观察对象物在导光纤维束的输入端面上成像，通过导光纤维束将像传送到输出端，通过目镜观察输出端的像，或者通过透镜组使像在感光胶片上成像。 光纤捆绑软件能够自由弯曲，因此能够看到人眼无法直接看到的目标。 例如，检查祸轮发动机的叶片，观察伴随体内的组织和器官，例如胃、胃肠。 这些个的内窥镜需要对云同步进行照明，可以使用不

11、同的导光束从外部将光导向内部的对象物，一般将导光束和影像光束组装到同一臂上。 在内窥镜中使用的像束的端面直径通常为10mm25mm，长度最大达到4m-5m。 为了传输更长的距离，可以将两个传输光束连接起来使用，但光损失增加，分辨率降低。 在结合使用若干像束时，在最后的分辨率r (用每毫秒的极限分辨率的对数表示lp/mm )与每光束的分辨率R1、R2(lp/mm )之间，以下的关系(11-5 )、(继续)近似一致，之前所述的像束的景深比较小用作图像光束的单根光纤的直径约为0.0lmm，光纤光束的极限分辨率可能超过50lp/mm来计算光纤光束的光能损失肘，除了前面所述的单根光纤端面的反射损失和光纤

12、内部的损失之外， 考虑到实际导光面积与光纤端面的总面积之比，如图11-8所示，实际的边界光面积仅是各光纤的芯面之和，明显小于光纤端面的总面积。 图11-8、(2)光纤板、光纤板是对很多光纤进行加温、加压而熔接的光纤棒，将其切成叶状。 光纤面板用光纤的直径一般为5-7um，适当选择光纤的纤芯和玻璃罩的折光率后，数值孔径达到0.20.85。 把投入产出端浸入液体中，就像显微镜的浸液物镜一样，数值孔径达到1.4。 光纤面板的最大用途是用作各种电子束摄像装置的输出、输入面板。 图11-9是将光纤面板用作输出端的阴极射线管记录装置。 光纤面板被封接在管的输出端，荧光层被直接电镀在光纤面板的内侧，电子束碰

13、到荧光层而产生的像经由光纤面板直接传递到紧贴在光纤面板的外侧的感光膜，记录米，使用光纤面板此外，捆扎装置的体积变大。图11-9、图11-10图11-10是将光纤面板用作图像二烯烃处理器的投入产出端，能够经由光纤面板连结几个图像二烯烃处理器来使用，能够在所提出的系统中得到较大的增益，光纤面板的内侧形成为球面， 可以补偿电子光学系统的像场弯曲，外侧可以平面多级连接使用，保证上述电真空装置使用的光纤面板的一个最重要的要求是没有漏气。 阴极面阳极荧光屏、(3)光学系统的平面器、光纤面板的另一个用途是，在普通的光学系统中，作为补偿像面弯曲的平面器，在设计宽视场大口径的光学系统时，总是在系统像面弯曲的补偿

14、和其他像差的补偿中产生不符点，如果光学系统不补偿像面弯曲，则使其他像差更大直接用感光基板接收的话，还是不能清楚整个像面。 如果在系统的摄像面上放置光纤面板，使光纤面板的一个面与弯曲的摄像面一致，另一个面为平面，则如图11-11所示，在光纤面板的平面上可得到清晰的平面像。 当然，光纤面板的加入引起额外的光能损失和极限分辨率的降低。 另外，在图11-11、$11-4的折光率分布光纤中，在全反射光纤中，入射角不同的光与走道儿光纤内部的路径的全内反射次数不同，因此每次的光的光路不相等。 从同一点入射到光纤的光在输出端产生相位差，当输入瞬间的光脉冲时，以不同入射角入射到同一脉冲的光到达输出端的时间不同，

15、瞬间肘脉冲变宽，即同一脉冲的持续时间增加。 如果将光纤用作传递信息的导体，则能够传递的信息员受到限制。 信息全部以脉冲的形式传输，脉冲的时间宽度越大，每单位时间传输的信息越少，因此为了克服上述缺点，产生了折光率分布光纤。 梯度折光率光纤的折光率在光纤截面内分布不均匀，毛巾芯的折光率最高，随着半径的增加折光率逐渐降低，折光率分布在以下关系式中no表示光纤中心的折光率、常数，r表示近似于光纤截面内的半径。 表示折光率的光纤也称作折光率变化光纤，在图11-12(b )中示出了折光率根据半径r而变化的曲线。 图11-12、折光率变化光纤中的光的传播途径如下所述。 这是光在不均匀介质中的传播问题。 我们

16、首先发现了不均匀介质中光线传播的积分方程，并将其应用于光纤，从光纤的特点得到了一些近似，简单的折光率分布光纤近轴光线轨迹方程。 另一方面，非均匀介质中的光线差分方程，由于折光率分布光纤介质的折光率连续变化，为了研究折光率分布光纤中光线的轨迹，首先必须导出非均匀介质中的光线传播方程式。 光波是电磁波，光波在空间中的传播必须严格遵守电磁场在空间中传播的麦斯威尔波动方程。 当将光波的波长视为无限小时，在不均匀介质中的波动方程的几何光学近似式，即方程式中，l是光路，l是光路的斜率，n是光传输空间介质的折光率用垂直角坐标表示时，方程式可以写成在几何光学中描述光路传播的基本方程。 这说明光路梯度的绝对值等

17、于介质的折光率。 接着，适当地转换方程，表示为折光率的不均匀性与光线弯曲路径的关系式。 设光线在空间中传播的方向的单位矢量为s，则光的传播方向为波面法线的方向，即光路的梯度方向，即l的方向。因此，可以用方程(118 )表示沿着光线方向的单位矢量，并且可以用方程(11-10 )表示单位矢量s，但是为了用坐标表示光线路径，将s表示为位置矢量中的变化是方便的，以便需要确定s和位置矢量之间的关系。 在图1113中，曲线表示在不均匀介质上传播的任何光路。 将曲线上的任意点P(x，y，z )的位置矢量设为r，沿着曲线移动ds距离时，由于位置矢量的变化量为dr=Sds，所以(11-11 )在(1110 )中代入(1111 )，用成分形式记述(11-12 )，(11-13 )，(11-13 ) z是s的函数，因此，当(11-