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1、光纤束传像技术大学机电工程与自动化学院，200072摘要：本文首先分析了光纤传像方法异于其他传像方法的特点，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，分析影响传像质量的原因。之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窥镜 的功能和构造。最后，介绍了目前传像光纤的两种制作方法一一层叠法和酸溶法。关键词：光纤；传像；纤维窥镜Tech no logy of optical fiber image tran smissi on(School of Mechatronics Engineering
2、 and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)Abstract : In this artical,we firstly analyzed the characteristics of fiber optic imagetran smissi on differ from other methods,b ining which,listed some successful casesin medical,industry and military field.And we introduced the principle o
3、f fibre opticimage tran smissi on. The n cateri ng to the class theme we focused on the medicalen doscope.Atlast,twomanu facturi ngmethods of imagi ngoptical fiber areprese nted.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比，它具有重量轻、使用自由度大、易实现复杂空间
4、构造的图像传递等优点。由于其优良的传像特性和可任意弯曲的特殊性能，使其被广泛地应用于医学、工业及科研、航天、军事等多种领 域。图像可以给人们提供最直接、最丰富的信息，因此近些年来，图像的采集、传输和处理技术在各个领域都有广泛的应用1。用来传递图像的方式主要有传统光学系统、光纤传像束、CCD以及新兴的CMOS方法。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， 系统构造复杂，且刚性不易弯曲。 CCD和CMOS那么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计算机的处理手段，来传递和存储图像。但是由于成像过程涉及到光电
5、转换，因而不能在电磁核辐射和高温易腐蚀的场合下工作。目前光纤传像束的应用根本都是是作为光学窥镜使用，其主要的应用领域有医学领域、工业领域、军事领域等2。医学领域是光纤传像束最早获得应用的舞台。以光纤传像束为关键核心部件制成的医用窥镜在医疗上的成功应用带来了医疗手段的革命。1868年，喀斯摩(Kussmaul)首先将胃镜用于人体。此后，人们陆续把透镜系统和棱镜系统的硬性或软性窥镜用于人体的许多部位3。目前，由于光纤窥镜所具有的特点，以及细径光纤窥镜的产品化，医疗诊断光纤窥镜已成为理想的医学诊断治疗工具。例如，血管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；利用颅窥镜，
6、不用开颅，只需在颅骨上打一小孔即可进展脑肿瘤切除手术；用脊髓窥镜可检查和诊断非感染性严重蛛网膜炎症，还可用于肝脏、肾脏及肌肉的诊断；用胰腺窥镜可进展胰腺癌和胰腺疾病的早期诊断；用眼窥镜可治疗视网膜剥离症等等。几乎所有人体管道和腔道均有相应的窥镜，如支气管镜、胆道镜、子宫镜、咽喉镜 和鼻窦镜等，同时还可应用于开放性手术治疗。工业光纤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，光纤窥镜发挥着其不可替代的作用。例如，可采用光纤工业窥镜监测锅炉火焰燃烧状况，使监控获得的信息提高了4个数量级，不仅能判断火焰的稳定性，还能识别火焰形状，保证了电站锅炉的平安燃烧；
7、光纤窥镜在检查锅炉、汽轮机、变压器等电气设备的损伤或腐蚀及查找掉落的物体等方面效果也很明显。此外，光纤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、堵塞等情况，在汽修行业得到广泛的应用。例如，用窥镜观察得到发动机清洗前后的图像并进展比拟，可以对清洗效果有一个直观的了解。在汽车生产中，采用窥镜进展无损检测，使每个生产批次的每一台发动机都可以得到检 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Fig.llmage 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。例如军用侦察潜望镜要
8、求能远距离发现目标并分辨目标柔性光纤传像束潜望镜可利用波分复用技术消除光纤传像束的网格现象以及 断丝对图像质量的影响， 系统分辨率可到达 60lp/mm ，满足野战部队3km发现车辆、1km 发现人员活动的要求 。为适应反恐、反劫持人质等要求，人们研发了光纤传像红点瞄准 镜5。图为装备了应用该技术瞄准镜的微声冲锋枪。该瞄准镜将柔性无源光纤传像系统与视红点瞄准镜（持枪者可视红点，被射击者无法观察）相结合，取代了传统的准星、照门两点一线的机械法瞄准和光学瞄准镜镜分划的瞄准方式，使射手可以方便的利用墙角、树干、堑壕、高台等地形地物，对目标进展潜望式的隐藏观察和快速的瞄准射击。图2光纤传像束在军事武器
9、上的应用Fig.2lmage transmission optical fiber applied in military and military.为保证社会安定和打击罪犯， 公安人员所使用的侦察破案手段越来越趋于高科技化。玻 纤院研制的传像窥镜在毒品走私缉查中有效地检查出封闭腔的隐藏物，取代了进口产品2光纤传像束原理2.1光纤导光原理导光，是指把外部光源的光导入体，用于照亮观察部位。光纤是一根极细的玻璃纤维,通常只有几个微米， 非常柔软。这种极细的光纤一般是由两层材料做成的，层称为纤芯，折射率n1较大（约1.8）;外层称为包层，折射率n2较小（约1.5）。两者之间形成一个良好的光学界面。设
10、光纤是粗细均匀的圆柱体，光线以适宜的入射角B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界面上很容易实现全反射，并在行进中发生第2次全反射，经过屡次这样的全反射，光线即可从光纤的一端传至另一端，并以与入射角一样的角度从出射端面射出。为了使进入光纤的光线不会逸出，一般应选择n1n2，且差值较大的材料来制造光纤8。在实际应用中，柔软的光纤束均可以弯曲，这对光纤束的导光和 传像根本上不会产生影响。这一特点，对医学临床应用非常有利。野芯斗入轴舷光钱在紆芯中以全反射形忒作樞齿形竹播图3光纤导光原理Fig3Light transmission principle of fiber op
11、tic.2.2光纤传像原理光纤传像，是由光纤特性和构造所决定的。为了利用光纤束传像，光纤束必须具备以下 条件9:(1) 在理想情况下，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，不受周围光纤的影响。(2) 多根光纤两端必须是相关排列、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，保持图像不变形。例如，入射端图像是由多个像元组成的“丄形，经传像束传至出射端的图像仍是一样的“丄形。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过程。图4传像光纤束Fig.4lmage transmissi
12、on optical fiber bundle.另外我们还应知道，光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔，各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成，光纤束那么可看作由假设干个取样 孔规那么排列的析像器，它按自己排列的规律性，把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。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用10。图5光在光纤中传播的光路Fig.5lmage transmi
13、ssion optical fiber.3光纤传像束的光学性能影响传像质量的主要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，串像率和端外表形状是表征光纤传像束光学特性的主要特征111。3.1断丝断丝的出现在传像束的生产过程中是很难防止的。它主要会导致传输图像不完整和清晰度下降，因此它也是衡量传像束成像质量的重要指标。断丝率的上下主要取决于不同的制作工艺以及其完善程度。目前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到达 0.2的水平。3.2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。这是由于构成光纤的玻璃中含有微量过渡金属杂质和
14、坩埚中游离铂离子，产生严重的吸收损耗使玻璃整体透光性能下降，从而产生了暗丝。另外，由于光纤端面有灰尘或者抛光精度不够而致使光纤端面存在缺陷等原因也可能导致暗丝的出现。经研究发现为了不使所成图像严重失真，整个器件的断丝暗丝率应低于1.5%图6传像光纤束中的暗丝Fig.6The dark fiber of opitcal fiber bundle.3.3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 yA n： 一 n； - n0 sn图7数值孔径表示了入射光和出射光的最大偏角Fig7Numerical aperture(NA) discribes the b
15、iggest angle of incident light and emergent 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。与普通的光学透镜相比，光纤的数值孔径大是一个显著的特点。只要选取适宜的纤芯材料和包层材料其数值孔 径可以到达1。3.4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。影响单根光纤的光透射率的主要因素有：光纤芯层材料的吸收皮层和芯层界面壁上的全反射损 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 二（1-R）2/m沁 exp（-少）cosR为光纤端面的菲涅耳反射系数，L为光纤长度，D为光纤芯层直径，B和B分别为光纤入射光线和纤维中心轴的夹角及斜光线的倾角，a为芯皮层界面壁上的全反射系数，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
