光纤传像束的传像机理与主要性能指标

13.4.1　光纤传像束的传像机理与主要性能指标

作为无源光纤传像器件的一种重要类型——光纤传像束的研制成功与应用到医用内窥镜中传输图像，迄今已有50余年历史，它是光纤技术应用的最早领域。

所谓“无源光纤传像器件”是指，这类光纤传像器件与其它光无源器件的性质相同，其传像功能的实现无需外界电源驱动，且这种传像器件对图像信号的作用是原封不动地将图像信号从传像器件的输入端面传递到输出端面，只不过由于损耗的存在，像面亮度有一定程度的衰减，但不会改变输入图像信号的性状。

无源光纤传像器件的传像机理是基于多光纤像元作相关排列，其类型主要有两种，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，作相关排列的还有电子图像倍增器微通道板。

本节重点介绍具有柔性的无源光纤传像器件—光纤传像束的传像机理及主要性能指标。

1）光纤传像束的传像机理

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光纤组成的光纤束，其输入与输出端面间的各像元作相关排列即称为“相关光纤束”或“相干光纤束”（Coherent Bbundle），又称为“定位光纤束”（Aligned Bundle）。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应是完全相同的，如图13.27所示。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丝保持其自由松散状态，以具有柔性。

图13.27　作相关排列的光纤传像束

光纤传像束上述相关排列的结构特点，决定了传像束的传像机理：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；像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输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。若在同一方向观察输入输出端面，则两者成镜像，只不过由于光纤损耗的存在，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）传输到另一端（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仅是“传输”或“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（由连续介质的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的成像质量。

需要强调指出的是，同样由多根阶跃多模光纤作非相关排列组成的柔性传光束（或称导光束），则是“非相关光纤束”，即组成光纤束的各光纤是作无规则、随机排列的。因而传光束虽与传像束貌似相同，然而它只能传光而不能传像，这是传光束与传像束的本质区别。图13.28给出了两种类型柔性传光束的示意图。

图13.28　作非相关排列的两种传光束器件

用于制造传像束的阶跃多模光纤与用于光通信的标准阶跃多模光纤，其芯包层材料及尺寸均有很大区别。前者芯包层材料为多组分光学玻璃，例如，有选取F₂（芯）1.6128/K₉（包）1.5163组合的；单丝直径一般在10～20μm范围。

制造传像束——相关光纤束的方法有两种，即排丝叠片法和酸溶法。前者制造方法比较灵活，可以制造各种应用需求的大截面传像束和异形传像束；后者则是以制造应用于医用窥镜为主要对像的小截面传像束，可以实现更高的分辨率。

2）光纤传像束的主要性能指标

光纤传像束作为柔性光纤传像系统的核心中继传像器件，其主要性能指标包括光学性能与结构参量两方面，它在很大程度上将影响和决定相应光纤传像系统的性能和质量。主要性能指标包括：数值孔径（NA）、透过率（τ）、分辨率（R）；像束截面积、像束长度（L）；断丝率与集团断丝率、最小弯曲半径、温度适应范围。

（1）数值孔径（NA）

传像束的数值孔径与光纤单丝的数值孔径一致，它的大小取决于光纤纤芯与包层折射率相对差值的大小。数值孔径大则表明像束的集光能力强，进入像束的光能量多，因而最终像面的亮度也高。从提高像面亮度和观察效果出发，希望数值孔径越大越好。若制造像束的光纤芯、包材料配对选为F₂/K₉（1.6128/1.5163），则其数值孔径为0.5495，对应的孔径角为33°20＇。我国有关厂家现行制造的光纤传像束，其数值孔径一般可以达到0.55～0.6。

（2）透过率

透过率是传像束透光性能高低的重要标志。传像束透过率T的定义类同于单根光纤透过率的定义，即为传像束输出光通量与输入光通量之比，表为

式中：I₀——传像束的输入光通量；

　　　I——传像束的输出光通量。

以上讨论的透过率实际上为传像束的白光积分透过率。分析表明，传像束的光透过特性、即其白光的积分透过率，主要取决于两方面因素：首先是取决于单根光纤的透过率，而考虑了端面菲涅尔反射损失、纤芯与包层界面全反射损失、以及光纤材料的吸收与散射损失（与光纤长度有关）等三方面影响因素的单根光纤的透过率，是由T_F=t₁t₂t₃=（1－R）²·（1－β）^L·qm·e^{－a（LSecα＇）}式决定的；其次是与传像束的“填充系数”K有关，K值越大，则积分透过率越高。由于在传像束中只有传输光能量的纤芯所占面积才对传光有贡献，而所有的包层、胶层和间隙所占面积则对传光不起作用。因而，定义传像束的有效传光面积即像束中所有纤芯面积之和S＇与传像束端面总面积S₀的比值为“填充系数”，以K表示即有

实际上传像束的填充系数K值应由两方面的因子决定：其一是组成像束的光纤单丝其纤芯面积与光纤单丝面积的比值因子，它由体现，比值中的d为光纤直径，d_c为纤芯直径；其二是，反映像束中光纤排列方式的间距因子K₀，它是两光纤间隔系数d/b的函数，其中b为两光纤中心之间的间距。将上述两方面的因子代入式（13.76）则有（13.77）

图13.29　两种排列方式的间距因子K₀

根据分析计算，实现传像束稳定排列结构的两种排列方式（正方形排列与六角形排列），考虑光纤自身芯包面积因子与光纤排列方式因子综合影响的填充系数K值可表为

像束端面上光纤呈正方形排列　　　　　　　　（13.78）

像束端面上光纤呈六角形排列　　　　　　　　（13.79）

一般用于制作传像束的光纤其包层很薄，约为1～2μm。例如，若有光纤单丝直径为16μm，包层厚度为1μm，则按正方形排列，计算其填充系数应为K=0.60；若按六角形排列，则其填充系数K=0.69。显然，六角形排列的填充系数优于正方形排列的填充系数。因此，为了提高传像束的透过率性能，不仅要求单光纤的透光性能要好，还要求传像束的填充系数要尽可能高。为此，应尽量取好的排列方式（六角形），即d/b值大，且要包层薄。但必须注意的是，包层厚度太薄又容易产生串光。为此，必须控制包层应有一合理厚度，根据耦合模理论分析，包层的厚度一般应大于πλ，λ为工作波长。实际制造中，像束单丝包层厚度大体控制为光纤直径的1/10左右。总体看，各种规格像束其非传光面积约占像束总面积的10％～40％。

由于传像束的应用一般是将图像传输2～3m之内，因此无需要求达到通信光纤那样低的衰减。采用多组份玻璃光纤制造的像束，其衰减的量级一般约为1dB/m，比通信光纤在1300nm波长处的衰减高约1000倍。目前长度为1m的多组分玻璃传像束，其白光积分透过率一般约为0.45～0.50。

还需指出的是，传像光纤的工作波长与通信光纤有很大的不同。传像光纤主要工作于可见光波段而非通信窗口，一般多组分玻璃传像束其工作的可见光波段约为400～800nm；另外，为了更全面地研究传像束对不同波长的传输透过情况，有时需要测试传像束的宽波段光谱透过率。

（3）分辨率

分辨率是用于表征传像束以及其它光纤传像元件传输图像质量的重要指标。这里的分辨率系指光纤传像元件能分辨空间两点像之间的最小距离，通常用单位长度内所含此最小距离的数目来度量，亦即用每毫米内所能分辨的线距对数（lp/mm）来表示。显然，分辨率越高，传输图像的质量就越好，传输图像的清晰度就越高。在光纤规则排列、各光纤绝缘良好的前提下，传像束的分辨率主要取决于相邻光纤中心间的距离以及排列方式。

图13.30　条状图像通过光纤直径为d的传像束，在极限空间频率下传递的图解表示（剖面斜线光纤为受照50％）

根据信息光学理论，由光纤所组成的离散结构传像元件，单光纤所携带的像元可以视为最小的单个信息点，因为不可能设想光纤能传递比纤芯直径更细小的空间信息的细节。图13.30给出了条状图像通过由直径为d的光纤组成的传像束，在极限空间频率下传输图像的图解表示。若相邻光纤取样间距d₀等于直径d，则信息光学的理论指出，图示情况下能传递的最大空间频率，应由像面上取样间距2倍（体现隔像元或隔行分辨）的倒数1/2d₀（=1/2d）决定。

由于传像束中光纤排列方式不同（例如按正方形排列或按六角形排列），则相邻两排光纤之间的距离就不同，亦即取样间距d₀不同，因而传像束的分辨率也就不同；而在同一种排列方式中，沿不同方向其邻两排光纤的间距也不同，即取样间距d₀不同，因而分辨率亦不相同。后者所反映的是，入射图像相对于像束输入端面的旋转取向影响。

图13.31表示了在静态取样条件下，两种不同排列方式及不同排列方向的取样间距d₀及分辨率R的变化规律。

根据上述图示分析及计算，对比透镜系统，可以得到如下结论：

①由连续介质光学玻璃组成的透镜或透镜系统，在理想成像条件下，其向各方向的分辨率应是相同的、唯一的；

②由光纤作相关排列制成的传像束，基于其离散结构的传像特点，其沿不同方向的取样间距和分辨率是不同的。这是与连续介质的透镜系统有根本差别的。

由于传像束的分辨率与光纤的排列方式（正方形或六角形）以及方位取向有关，因而传像束的不同排列方式及不同方位取向其分辨率均是不同的。

图13.31　两种光纤排列方式及不同方向的取样与分辨

定义某种排列方式中若沿某一方位取向具有最低的分辨率，则称此分辨率为该种排列方式的“极限分辨率”。为此

若取正方形排列方式，则沿0、方位具有的极限分辨率应为

若取六角形排列方式，则沿0、、方位具有的极限分辨率应为

上两式中光纤直径d以mm为单位计，如直径为16μm的光纤，其d值表为0.016mm。

比较上两式可以看出，在相同光纤直径的情况下，R_六＞R_正，即六角形排列方式的分辨率优于正方形排列方式，六角形排列方式的分辨率是正方形排列的1.15倍。因此，传像束制造工艺一般均取六角形排列结构，以提高分辨率，改善像质。

③上两式还表明了一个重要规律：传像束的分辨率与光纤直径成反比，直径越小，则像束的分辨率越高。表13.5给出了两种理想排列情况下，由不同直径光纤组成的传像束的极限分辨率。

表13.5　传像束两种排列方式不同光纤直径的极限分辨率

国内现行制造用于光纤医疗窥镜、光纤工业窥镜以及光纤潜望镜等军用装备的传像束，基于制造工艺的难度，其单丝直径经常用的规格一般在13～18μm范围。

最后应指出的是，由于组成像束的光纤之间有空隙，各光纤的包层都有一定的厚度，各层叠片之间还有胶层厚度，因而落在上述这些部分的输入图像就不能被传送，从而造成部分图像细节的缺失。因此，由光纤传像束所传输的静态图像不可避免地存在网格效应及颗粒状。

以上所讨论的数值孔径、透过率、分辨率三项性能指标属于传像束的光学性能指标。

（4）传像束截面积

在单丝直径及排列方式确定的前提下，传像束截面积大小直接决定了光纤传像系统所能观察到的视场形状、范围大小以及传输图像信息量的大小。根据光纤传像系统应用的具体需要，光纤传像束的截面可以为圆形、正方形或矩形（例如9mm×12mm的矩形或与CCD摄像芯片相匹配的形状）。显然，知道了像束截面（传像系统视场）的要求以及光纤单丝直径，即可计算出传像束所包含的光纤数或像元数（如含有数十万像元），因而也就知道了像束所传输图像的信息量。

根据传像束截面大小与像元多少，可将传像束分为小截面传像束与大截面传像束。小截面传像束多用于光纤医用窥镜、光纤工业窥镜等，像束截面一般＜φ3，光纤直径12～15μm，一般包含数万像元；大截面传像束则主要用于军用观察仪器（如光纤潜望镜、瞄准镜等）、高速摄形等，一般像束截面积＞5mm×5mm，甚至达到17mm×17mm，单丝直径15～17μm，像元数为数十万甚至达到100万以上。因此大截面传像束亦可称为大信息量传像束。

（5）传像束长度

传像束长度是传像束的又一重要性能指标，像束长度主要根据使用场合条件的具体需要。但要考虑的是，随着像束长度的增大，其透过率将显著下降。为此，必须综合平衡需要与可能的关系，特别是对于无主动照明的被动式光纤观察仪器，像束长度不能太长。我国现行生产的用于具有主动照明的光纤工业窥镜的小截面传像束，其长度最长可达6m；而军用观察仪器中大截面像束的长度，由于制造难度大，衰减大，一般长度多在1～2m范围内。

（6）断丝率与集团断丝率

断丝将阻断该光纤的通路，在视场中产生黑点，甚至丢失目标图像信息；尤其是由相邻两个以上光纤断丝形成的集团断丝危害更大。为此，规定传像束制品的断丝率应＜0.3‰（小截面像束）～0.8‰（大截面像束）；对集团断丝更严格限制其在视场中心区不能出现。

（7）弯曲半径

柔性传像束应满足一定弯曲半径的要求，通常规定小截面像束弯曲半径≥2cm；而铠装以后的大截面像束的弯曲半径应≥30cm。