光纤传像器件系统与应用
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 无源光纤传像器件主要有两种类型，即具有柔性的光纤传像束(包括 具有半柔性的石英多芯型传像光纤)和刚性的光纤面板；此外，顺便 介绍同样作相关排列的电子图像倍增器—微通道板(该器件并非无源 光纤传像器件)
• 一、 • (一) • 1. • 由数千、数万、乃至数十万根具有粗纤芯、薄包层的阶跃折射率多模
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 2. • 制造具有柔性的光纤传像束有两种基本的工艺方法：排丝叠片法和酸
溶法。两种方法各有利弊，但综合比较，前者是利用单丝制束，柔性 更好，可以适应于制造各种规格的像束(如小信息量像束与大信息量 像束)，采用更为普遍；而后者是利用复丝制束，可以获得具有较高 • (1) 排丝叠片法制造光纤传像束。排丝叠片法又称为溜丝排片法。整 个传像束制造过程包括：纤芯与包层材料的选取，光纤单丝的拉制， 排丝叠片成束，端部胶合与研抛，像束外部铠装。
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 应该指出的是，除了多组分光学玻璃材料制造的光纤传像束外；利用 石英玻璃材料也可以制造传像束，其透过率高，但数值孔径小、成本 高；此外，利用塑料制造光纤传像束也始终在积极探索中。例如，一 种被称为全塑料传像光纤PITF(Plastic Image Transmitting Fiber) 已研制成功。但综合比较其性能及成本等方面的利弊，迄今为止，数
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 若在同一方向观察输入/输出端面，则两者成镜像。只不过由于像束 损耗的存在，整个图像的亮度大体按同一比例减弱。这就是光纤传像 束能将图像从像束的一端(输入端)传递到另一端(输出端)的机理。应 该注意的是，光纤传像束对图像所起的作用是“传递”图像即“传 像”，而非透镜式的“成像”，两者的功能有本质的差别。另外，传 像束的上述结构特点与成像机理决定了，由传像束所传输的图像不可 避免地存在颗粒性，即具有离散成像结构的特征(由连续介质透镜所 成的图像则具有连续性)。因而以光纤传像束作为核心传像器件的光 纤传像系统其传像质量将明显低于由连续介质组成的传统硬光学系统
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• ① 纤芯与包层材料的选取。绝大部分光纤传像束均是由多组分光学 玻璃制成，即纤芯与包层的材料均为多组分光学玻璃。其中，要求纤 芯玻璃的折射率较高(＞1.60)，包层玻璃的折射率较低(一般低于芯玻 璃折射率约0.1)。芯与包层折射率差值越大，则光纤的数值孔径越大， 集光能力越强；为了提高光纤的透过率，要求光学玻璃的过渡金属离 子含量少，尽量没有气泡、条纹和结石以及可能造成光散射的微小杂 质，以降低光纤的吸收和散射损耗；从热性能考虑，两种玻璃的热膨 胀系数在任何温度下均要相近，才便于拉制，不易折断。并且芯玻璃 与包层玻璃的软化点也要接近，一般芯玻璃的软化点比包层玻璃高20 ℃～100 ℃为好；此外，还要考虑两种玻璃的匹配性和化学稳定性， 以防止界面附近出现析晶、乳化或相互渗透现象。表8-1 种传像束用光学玻璃材料的配比。
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 光纤传像束上述相关排列的结构特点，决定了传像束如下的传像机理： 光纤传像束中每一根光纤都有良好的光学绝缘，因而每根光纤都能独 立传光，而不受周围光纤的影响；wk.baidu.com束输入端的每一根光纤端面均可 视为一取样孔，该取样孔通过自身的光纤通道独立地传递一个具有一 定亮度的像元；物体经物镜成像在像束的输入端面上，并被各取样孔 划分为若干万个亮度不等的像元，因而整个像束的输入端面可以视为 是由许多取样孔呈规则排列的析像器；每个像元沿着各自的光纤通道 被分别传送，由于传像束输入/输出端面间的相关排列特性，因而被 各光纤通道分别传送的全部像元，在像束的输出端面将重新组合成与 输入端面完全一致的图像。
光纤，在输入与输出端面之间作相关排列的光纤束，即称为“相关光 纤束”或“相干光纤束”(coherent bundle)，又称为“定位光纤束 ”(aligned bundle)。
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 通常简称为“光纤传像束”(image guide bundle)，以与作非相关随 机排列的“传光束”相区别。因此，光纤传像束的输入、输出端面的 排布情况应该完全相同。而作为传像束中的任何一根光纤，其在光纤 束两端的相对空间坐标位置完全相同，如图8-1。实际的光纤传像束 是两端胶合,使作相关排列的光纤像元相对定位,而中间大部分长度的 光纤束保持自由松散状态,
• 8.1.1光纤传像器件(光纤传像束，光纤面板以及 微通道板)
• “无源光纤传像器件”是指，这类光纤传像器件与其他光无源器件的 性质相同，其传像功能的实现无须外界电源驱动，且这种传像器件对 图像信号的作用是不加改变地将图像信号从传像器件的输入端面传递 到输出端面，即不改变输入图像信号的性状；但像面亮度有一定程度
• 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λ-t
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 本节将在介绍两种无源光纤传像器件(柔性的光纤传像束和刚性的光 纤面板以及微通道板)的传像原理、制造方法与特性指标的基础上，
第8章 光纤传像器件、系统与应用
• 本章导读 • 8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统 • 8.2 光纤传像系统的像质优化技术 • 8.3
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本章导读
• 利用光纤传输图像有三种技术途径：第一种技术途径是利用光纤通信 技术进行图像传输，即光纤视频通信技术；第二种技术途径是无源光 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；第三种技术途径是利用光纤 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 φ-t编码复用传像、φ-λ编码复用传像以及λ-t
8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 无源光纤传像器件主要有两种类型，即具有柔性的光纤传像束(包括 具有半柔性的石英多芯型传像光纤)和刚性的光纤面板；此外，顺便 介绍同样作相关排列的电子图像倍增器—微通道板(该器件并非无源 光纤传像器件)
• 一、 • (一) • 1. • 由数千、数万、乃至数十万根具有粗纤芯、薄包层的阶跃折射率多模
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 2. • 制造具有柔性的光纤传像束有两种基本的工艺方法：排丝叠片法和酸
溶法。两种方法各有利弊，但综合比较，前者是利用单丝制束，柔性 更好，可以适应于制造各种规格的像束(如小信息量像束与大信息量 像束)，采用更为普遍；而后者是利用复丝制束，可以获得具有较高 • (1) 排丝叠片法制造光纤传像束。排丝叠片法又称为溜丝排片法。整 个传像束制造过程包括：纤芯与包层材料的选取，光纤单丝的拉制， 排丝叠片成束，端部胶合与研抛，像束外部铠装。
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 应该指出的是，除了多组分光学玻璃材料制造的光纤传像束外；利用 石英玻璃材料也可以制造传像束，其透过率高，但数值孔径小、成本 高；此外，利用塑料制造光纤传像束也始终在积极探索中。例如，一 种被称为全塑料传像光纤PITF(Plastic Image Transmitting Fiber) 已研制成功。但综合比较其性能及成本等方面的利弊，迄今为止，数
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• 若在同一方向观察输入/输出端面，则两者成镜像。只不过由于像束 损耗的存在，整个图像的亮度大体按同一比例减弱。这就是光纤传像 束能将图像从像束的一端(输入端)传递到另一端(输出端)的机理。应 该注意的是，光纤传像束对图像所起的作用是“传递”图像即“传 像”，而非透镜式的“成像”，两者的功能有本质的差别。另外，传 像束的上述结构特点与成像机理决定了，由传像束所传输的图像不可 避免地存在颗粒性，即具有离散成像结构的特征(由连续介质透镜所 成的图像则具有连续性)。因而以光纤传像束作为核心传像器件的光 纤传像系统其传像质量将明显低于由连续介质组成的传统硬光学系统
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• ① 纤芯与包层材料的选取。绝大部分光纤传像束均是由多组分光学 玻璃制成，即纤芯与包层的材料均为多组分光学玻璃。其中，要求纤 芯玻璃的折射率较高(＞1.60)，包层玻璃的折射率较低(一般低于芯玻 璃折射率约0.1)。芯与包层折射率差值越大，则光纤的数值孔径越大， 集光能力越强；为了提高光纤的透过率，要求光学玻璃的过渡金属离 子含量少，尽量没有气泡、条纹和结石以及可能造成光散射的微小杂 质，以降低光纤的吸收和散射损耗；从热性能考虑，两种玻璃的热膨 胀系数在任何温度下均要相近，才便于拉制，不易折断。并且芯玻璃 与包层玻璃的软化点也要接近，一般芯玻璃的软化点比包层玻璃高20 ℃～100 ℃为好；此外，还要考虑两种玻璃的匹配性和化学稳定性， 以防止界面附近出现析晶、乳化或相互渗透现象。表8-1 种传像束用光学玻璃材料的配比。
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 光纤传像束上述相关排列的结构特点，决定了传像束如下的传像机理： 光纤传像束中每一根光纤都有良好的光学绝缘，因而每根光纤都能独 立传光，而不受周围光纤的影响；wk.baidu.com束输入端的每一根光纤端面均可 视为一取样孔，该取样孔通过自身的光纤通道独立地传递一个具有一 定亮度的像元；物体经物镜成像在像束的输入端面上，并被各取样孔 划分为若干万个亮度不等的像元，因而整个像束的输入端面可以视为 是由许多取样孔呈规则排列的析像器；每个像元沿着各自的光纤通道 被分别传送，由于传像束输入/输出端面间的相关排列特性，因而被 各光纤通道分别传送的全部像元，在像束的输出端面将重新组合成与 输入端面完全一致的图像。
光纤，在输入与输出端面之间作相关排列的光纤束，即称为“相关光 纤束”或“相干光纤束”(coherent bundle)，又称为“定位光纤束 ”(aligned bundle)。
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• 通常简称为“光纤传像束”(image guide bundle)，以与作非相关随 机排列的“传光束”相区别。因此，光纤传像束的输入、输出端面的 排布情况应该完全相同。而作为传像束中的任何一根光纤，其在光纤 束两端的相对空间坐标位置完全相同，如图8-1。实际的光纤传像束 是两端胶合,使作相关排列的光纤像元相对定位,而中间大部分长度的 光纤束保持自由松散状态,
• 8.1.1光纤传像器件(光纤传像束，光纤面板以及 微通道板)
• “无源光纤传像器件”是指，这类光纤传像器件与其他光无源器件的 性质相同，其传像功能的实现无须外界电源驱动，且这种传像器件对 图像信号的作用是不加改变地将图像信号从传像器件的输入端面传递 到输出端面，即不改变输入图像信号的性状；但像面亮度有一定程度
• 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λ-t
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8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统
• 本节将在介绍两种无源光纤传像器件(柔性的光纤传像束和刚性的光 纤面板以及微通道板)的传像原理、制造方法与特性指标的基础上，
第8章 光纤传像器件、系统与应用
• 本章导读 • 8.1 无源光纤传像器件与光纤传像系统 • 8.2 光纤传像系统的像质优化技术 • 8.3
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• 利用光纤传输图像有三种技术途径：第一种技术途径是利用光纤通信 技术进行图像传输，即光纤视频通信技术；第二种技术途径是无源光 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；第三种技术途径是利用光纤 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 φ-t编码复用传像、φ-λ编码复用传像以及λ-t