第八章 光纤传像器件、系统及应用-2

第8章光纤传像器件、系统与应用

利用光纤传输图像有三种技术途径：第一种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，其中包括编码复用传像、编码复用传像以及编码复用传像。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，特别是在编码传像方面的研究进展。（二）石英多芯型传像光纤1987年我国北方交大光波所与天津26所等单位在我国首次研制成功石英多芯型传像光纤，并取得了优良的图像传输效果。他们采用MCVD法和一次复丝制造工艺，研制出30万像素（像元）的石英多芯型传像光纤，达到了当时国际的先进水平。石英多芯型传像光纤，由于它具有通信石英光纤特有的优良传光特性，因而其传输图像的质量优良。特别表现为：传输损耗低（每米透过率高达96％~99％，因而能传输图像的距离长；色保真性好，传输图像色彩逼真；传像的像素细、分辨率高，传输图像清晰度好。此外，也具有优良的机械、热和耐辐射特性。上述优点是柔性多组分玻璃传像束所不足的，因而在冶金、锅炉、核反应堆同位索加工、军事、公安等领域均有重要的应用前景。

但是它也存在不足之处，主要是可挠性较差，属于一种半柔、半刚性的光纤传像器件，当其长度由于使用需要达到几米以上时，其保管、运输、架设使用、安全性等都成为问题；另外，其数值孔径小。因而其推广应用受到局限。表8.2给出了20世纪末国内外几种基本类型石英多芯型传像光纤的性能特点和典型数据。表8.4不同类型石英多芯传像光纤性能类型玻璃材料芯包层结构与性能参数典型值折射率差/％NA芯径/μm芯间距/μm像素数特点用途通用传像光纤GeO2—SiO2SiO2GeO2—SiO2F—SiO2SiO2F—SiO220.26~0.3610300003.50.43650000171130000低损耗，细径，适用于一近红外透过般远距离性能好图像传输高密度传像光纤低损耗，细径，适用于大可挠性好，信息量，NA大，细径要求之信息量大远距离传输耐辐射传像光纤低损耗，耐辐适用于放射射性能好，紫条件下之远外透过好距离图像传输

除了上述柔性的光纤传像束和半柔半刚性的石英多芯型传像光纤外，尚有一类刚性的传像束可作为低分辨率成像观察用，例如第7章所述及的牙科光固化机用导光棒，同时也可兼作低分辨的成像观察，根据需要也可将导光传像棒弯曲一定的角度；此外，细直径的刚性传像棒也可在某些医用内窥镜中得到应用。2.刚性的光纤传像器件—光纤面板与微通道板

具有相关排列共同结构特征的刚性（硬）光纤传像器件或电子像增强传像器件，有光纤面板(fiberfaceplate)和微通道板(Micro-ChanndelPlates，MCP)。此外，还有光纤光锥与光纤扭像器等。这些刚性的光纤束器件，其纤维束的长度（或面板的厚度）与其横截面线度的比例一般为一比数十；其制造工艺均包括光纤的复合即复丝过程；面板在复丝过程中为消除杂光影响提高对比度，一般均使用外壁吸收（填隙式外吸收）。这些都是与柔性光纤传像束有重要差别的。以下分别介绍两种做相关排列的刚性光纤传像束器件。为改善图像传输对比度，消除光纤间串光及杂光影响，一般使用外壁吸收即采用皮料黑化或插黑丝的方法。这些均与利用单丝排丝叠片制造的柔性光纤传像束有重要差别。光纤面板在军事上的微光、夜视系统以及多方面的光、电子系统中有重要而广泛的应用。（一）光纤面板

光纤面板是由数以百万计的、其单丝直径为3~10μm的光纤制成的大面积阵列式无源光纤传像器件。其光纤单丝结构、光纤的相关排列结构与传像机理以及在面板的输入与输出端面按1:1传输二维光学图像的功能等方面，均与柔性的光纤传像束相同。但是它也有其自身的一些特点和要求：首先在光学性能方面具有较高的分辨率，有的甚至可达100lp/mm以上，因而其单丝直径（像元）很细。由于面板厚度薄，即单光纤的通道短，因而衰减小、透过率高。同时具有较高的数值孔径以及良好的图像传递性能，并要求具有真空气密性等；在面板的制造工艺方面，采用拉制复式光导纤维的方法，即采用二次复丝技术；

（1）光纤面板的制作方法光纤面板的制作具有特殊性，大致分为四个步骤:材料的选取；复合光纤的拉制；熔压成型；最后进行切割及表面精加工。①材料的选取。光纤面板的制作工艺对玻璃有更严格的要求。首先，由于在一般微光夜视系统中的应用均要求大数值孔径，即NA>1，因此应选取高折射率芯玻璃与低折射率包层玻璃，使其有大的相对折射率差值△；另外，在热膨胀系数及软化点方面，要求芯料和涂层的热膨胀系数在各个温度区间相一致，尤其是在低温阶段。若有差别，芯料玻璃的热膨胀系数比涂层玻璃的热膨胀系数的差一般应小于5X10-7，这样才能保证在拉制0.5~2mm的粗丝中具有良好的性能，不会产生炸裂和弯曲。同时还要注意热膨胀系数应该和它所配合的电子束管的金属和玻璃管壳的热膨胀系数相匹配；

此外，要求材料有化学稳定性。光纤面板要求玻璃材料在整个拉制、热熔工艺中不析晶，不乳化，两种玻璃不相互渗透或反应。考虑到光纤面板的应用，还要求材料不含有对光阴极有毒化的元索，如镉、砷、锑、铝、锌、氟等。所以，在选取材料过程中，必须先进行一系列试验来选择合适的玻璃材料。②复合光纤的拉制。由于光纤面板的高分辨率要求单丝直径很细，例如要使分辨率达到100lp/mm以上，则要求单丝直径小于5μm，因而必须采用拉制复合纤维的方法。所谓复合纤维，是由一组单根光纤组成，其包层熔合在一起形成一个力学整体，而不影响组内单根光纤的光学性质和独立性。这种复式光纤用作制造大相关光纤束中的基本单元，且应有一个有效压紧的截面。

由于制作光纤面板的光纤直径较粗，因而不能用鼓轮缠绕，而必须用拨丝轮拉引，且切割成一定的长度，拉制的方法多用棒管法。提供热压成型光纤面板的光纤有两种：一种是一次复合光纤（一次复丝）；另一种是二次复合光纤（二次复丝）。最普遍采用的拉制复式光纤的工艺流程如图8.13所示。图8.13拉制复合光纤的工艺流程

拉制复丝的具体步骤是，首先利用芯和包层材料拉制成直径较粗的光学纤维（称为单丝），用m根这种单丝组合成棒，再拉制一次，这时拉制成的光学纤维叫一次复式纤维（一次复丝）。每根一次复丝内包含有m根单丝，一般一根一次复丝中包含数千根直径为5~6μm的单丝，其横截面积要比单元丝大得多。处理这种直径较粗的光学纤维将给操作者带来很大方便；有时，由于要求分辨率更高，且为提高面板的真空气密性和对比度，则可把n根这种一次复丝组合起来再拉制一次，这时拉制成的光学纤维叫二次复式纤维（二次复丝）。这样，每根二次复丝内就包含有m×n根5μm左右的单元丝。其直径很粗，操作起来也很方便。

单丝组合成棒叫一次复丝棒;一次复丝组合成棒叫二次复丝棒。一次复丝棒或二次复丝棒的横截面可以是圆形、正方形或正六角形。由于圆形排列会给下次排列造成较大的几何空隙，因此现行均采用正六角形的最佳排列方式。为了提高光纤面板的对比度，可以在排列成一定形式的单丝中间，有规则地插入吸收杂散光的黑丝（直径比单丝小）。或者在拉制单丝时就用双涂层。内涂层是低折射率玻璃，外涂层就是吸收层。此外，为提高复合光纤间的气密性，可在拉制复合光纤过程中抽真空。③光纤面板的熔压。光纤面板的熔压，就是将排列成一定形状的二次复丝或一次复丝组合体在加温加压的条件下，通过将包层玻璃软化而将所有做相关排列的光纤互相钻合在一起，使之成为一个整体结构。光纤面板的熔压是一项重要工艺。一次复丝和二次复丝的熔压过程都一样，只是在排列方法上有所差别。④光纤面板的冷加工。对熔压后的光纤面板块，要按应用需要的厚度进行切割，并进行研磨抛光，加工成各种大小、厚薄、凹凸等各种成像所需要的形状。

（2）光纤面板的功能与应用光纤面板最重要的功能与应用方向之一，是用做微光夜视仪器等电子光学器件中的端窗与级间耦合元件，其十分重要的优点是可以在不同形状的表面间，实现对输入与输出图像的1:1传递。根据电子光学系统中对光学透镜或电子透镜的像场或物场场曲特性的要求，利用光纤面板的传像功能，可以将光纤面板的输入/输出端面分别设计制成平面/球面（如微光像管的光阴极面板）、球面/平面（如微光像管的荧光屏面板）、曲面/曲面（如光学透镜的校场曲面板）以及平面/平面（如微光像管之间的耐高场强面板）等多种形式。①在微光像增强器中的应用。例如，旱期的微光夜视仪中，为获得高亮度增益，可将完全相同的单级像管（参见图8.14），用光学纤维面板进行多级耦合。因此像管的输入窗和输出窗都是由光纤面板制成，以便将球面像转换为平面像来完成级间直接耦合。由于每级像管都成倒像，所以耦合的级数多取单数，通常为三级。采用三级级联像增强器的微光夜视仪如图8.15所示。该像增强器称为第一代像增强器，俗称一代管。图8.14单级静电聚焦倒像式像管结构示意图1,5—光纤面极；2—光阴极；3—阳极；4—荧光屏图8.15采用三级级联像增强器的像管结构示意图与微光夜视仪原理图

采用光纤面板实现级间祸合，可以取代传统的中继成像系统，因而有利于大大减小整个组合器件的尺寸；同时，各单管的光纤面板外表面全成平面，有助于减小极间耦合的分辨率损失，并可以大大提高全系统的耦合效率与有效增益，也使各级的分别设计与检验成为可能。除了一代像增强器外，在第二代、第三代像增强器中光纤面板均有重要应用。在微光像增强器中使用的光纤面板，其厚度一般小于10mm，同时要求气密性好，与光阴极不起作用。②在其他方面的应用。除了在微光像增强器中的应用外，光纤面板还在多方面有重要应用。主要包括：应用光纤面板作耦合元件的X射线像增强器（如图8.16所示）；光纤面板应用于阴极射线管和雷达显示管等；采用光纤面板作为平像场器的变像管；应用光纤面板的图像放大显示管（如图8.17所示）；应用于宇宙探测的微光摄像管以及应用于航空摄影中校正场曲畸变的平像场器等。图8.16两级X射线像增强器图8.17光纤光学图像放大显示管（二）微通道板（1）机理、结构与特点

微通道板并非无源光纤传像器件，而是一种做相关排列的大面阵微通道有源电子图像倍增器。它是由高二次电子发射系数的含铅玻璃制成。一块微通道板中至少含有数百万根并列的光纤中空细管、即微通道空芯管（管的内壁直径在Φ6~50μm)，每一根细管就是一个微型电子倍增器，相当于一个微型的连续打拿极光电倍增管。

细观内壁镀有高二次电子发射材料，两端加有电压。当电子以一定角度从微通道细管的端部入射并在电场的加速作用下，以抛物线轨迹打到通道管的内壁时，将激发出二次（次级）电子，这些二次电子被管壁电压加速，并激发出更多的二次电子。最终在输出端将可获得很高的电子倍增输出，每一级微通道板可以获得的电子倍增增益可以高达103~104。微通道板不仅对电子撞击敏感，而且对离子、X线、紫外线以及高能的α，β，γ射线均有一定的响应度。由于一块微通道板包含数百万像元，因而具有对电子及其他粒子的二维密度分布、即二维电子图像进行高分辨率倍增成像的功能。总之，微通道板具有高增益、低噪声、高分辨、宽频带、低功耗、长寿命及自饱和效应等优点，图8.18微通道板形象与工作原理因而它的出现在以微光夜视应用领域为代表的光电子图像的像增强器发展中具有里程碑的意义，图8.18给出了微通道板工作原理与结构示意图。(2)结构参数微通道板的主要结构数据为：微通道孔径6~50μm端面口径Φ18~Φ50（常用Φ18、Φ25）；板厚度0.5~5mm，且板厚应满足微通道的最佳长径比L/dc（L为微通道板厚度，即通道长度；d为通道直径），一般L/dc值在40~100范围；微通道轴线与微通道板端面法线间的夹角定义为“斜切角”，其值一般<15°，可为5°，6°，8°,11°,12°和15°。斜切角可以增加入射电子撞击通道壁的几率，减少离子反馈以及输出窗日荧光屏向输入端光阴极面的反射杂光；所有微通道开口的总面积与微通道板面积的比定义为“开口面积比”，其值一般为58％~63％，它决定微通道板的探测效率。微通道板剖面结构示意图如图8.19所示。

图8.19微通道板剖面结构示意图1—镍电极；2—输入电子；3—微捅游极面阵；4—捅游斜切角；5—加固环；6—输出电子

（3）特性参数评价MCP性能的主要特性参数有：MCP对短波辐射的探测量子效率（ηm）；MCP电子增益（Gm）动态范围；MCP的暗电流与背景等效电子输入（id，EBI）；MCP的鉴别率（Nf）与MTF值；MCP的噪声因子与固定图像噪声；电流增益饱和特性等。

（4）制作方法传统的制造微通道板的工艺过程如图8.20所示。其前期的制造工艺与光纤面板相似，具体步骤如下：①首先将芯与通道玻璃管组装成粗玻璃纤维，然后将其拉成单丝；②将若干玻璃纤维单丝叠积捆成束，将其加热软化并拉成细束(相当于一次复丝)；③将若干拉制后的细束玻璃纤维（一次复丝）叠捆成束，并加热软化后再拉成细束，如此反复则得到熔凝光纤组件的MCP的毛坯棒；④将MCP毛坯料以与垂直方向夹角小于10°以及（40~100）:1的长径比来切割MCP毛坯棒，获得MCP薄板毛坯；⑤将MCP薄板毛坯进行端面磨抛，浸酸腐蚀，即利用化学处理方法刻蚀除去芯料玻璃，从而形成微通道；⑥通过加装图8.19所示的加固环将微通道板固定，并在两端面加装镍电极；⑦通过氢气中的还原(烧氢)工序来控制微通道侧壁的电阻性高二次电子发射薄膜的生成。以上则完成了微通道板的制造。图8.20微通道板的制造工艺流程

（5）微通道板的应用微通道板是一种大面阵的二维电子图像倍增器，且对多种电磁波谱段的辐射均有一定的响应度，因而它在多种技术领域均有重要应用价值。①在微光夜视技术领域具有重要应用。MCP技术的成功将微光像增强器从第一代级联式像增强技术推向了第二代微通道板式像增强技术，使微光像增强器实现了体积小、重量轻、响应快、高增益、低噪声、高分辨率以及优良的抗强光性能。目前，采用包含MCP像增强器的微光夜视仪器，已成为国内外微光夜视装备的主流部分。含有MCP的第二代微光像增强器的结构类型分为静电聚焦倒像式二代像增强器[参见图8.21(a)]和近贴式二代像增强器[参见图8.21(b)]两类。其各自工作原理与特点如下：图8.21含MCP的二代微光像增强器两种类型

（a）静电聚焦倒像式像增强器。如图8.21(a)所示，微通道板与光阴极之间采用静电透镜，MCP置于电子透镜的像面位置，与荧光屏之间是近贴均匀场。为了使电子透镜的像面成为平面，而把阳极孔径置于稍微超前于阴极球面中心的位置。像管中还在阳极与MCP之间设置一个消畸变电极。该电极与光阴极电位相近，