光纤传像的分析与研究

光纤传像的分析与研究

1光刻成像的简单原理1.1光纤束传输的方式通常，光纤指的是由透明介质制成的，直径和长度比为1.1kg，纤细。光线从光纤的一端入射,沿着光纤传播,最后从另一端出射。单条光纤只能传光,不能成像(如图1所示)。如果将许多光纤固定在一起,构成光纤束,就可以将具有一定面积的像面通过每根光纤,逐点地将像由光纤束的一端传至另一端。根据光纤传输光线方式的不同,可以将其分成两大类,一类是由均匀透明介质构成,光线在光纤内部通过表面的全反射和直线传播进行传输,称为全反射光纤或阶梯型光纤;另一类光纤由非均匀介质构成,中心折射率高,边缘折射率低,光线在光纤内部沿着曲线传播,称为梯度折射率光纤。这两类光纤传播光线的方式不同,应用的范围也不同。传像光纤主要由全反射光纤构成。1.2玻璃光纤的传光能力最简单的全反射光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝,称为单质光纤,如图2所示。光线在光纤内表面发生多次全反射,由光纤一端传播至另一端。这种光纤的缺点是光纤表面极小的缺陷、尘埃和污物都将使光发生散射而射出光纤,引起光能损耗。虽然在一般光学系统中的全反射棱镜的反射面上也存在这些缺陷,但是在一个棱镜系统中只有若干次反射,因而影响不大。而在光纤中,光线可能要经过成千上万次全反射,如果每次全反射都损耗一部分光能,总的损耗就十分可观。这种单质光纤不适用于传像的光纤束,因为在光纤束中,光纤之间是紧密接触的,光线有可能从一根光纤透人另一根光纤,这将影响传像的清晰度。为了克服单质光纤的上述缺点,人们在光纤的外面包上一层折射率比芯料低的玻璃(如图3所示),这种光纤称为外包光纤。在这种光纤中,光线在光纤内外两种玻璃的分界面上进行全反射。这样,光纤表面的缺陷和污物就不会影响全反射。目前使用的光纤大多属于外包光纤。设光纤芯料的折射率为n,外包材料的折射率为n′,并且n>n′,光纤所在空间介质的折射率为n0,如图4所示。欲使光线在光纤的内外介质分界面上发生全反射,则入射角I须大于或等于临界角Imin。由图得:由上式得到:将:代入上式简化得:光线在光纤端面上发生折射,根据折射定律有:上述公式中,U0max为光线在光纤端面与光纤轴线的夹角,n0sinU0max或nsinUmax称为光纤的数值孔径。与一般光学系统对应,数值孔径用符号NA代表。对位于空气中的单质光纤,可看作n′=1的外包光纤,将n′=1代入NA公式,得到单质光纤的数值孔径公式由上式可以看出,外包光纤的数值孔径总是比同一芯料的单质光纤小。在实际使用中,一般入射光束的数值孔径都小于光纤的数值孔径,因此光纤的数值孔径代表了光纤的传光能力,它是光纤的重要性能指标。欲增大光纤的数值孔径,必须增加内外两种玻璃的折射率差。由于高折射率光学玻璃的发展,目前玻璃光纤的最大数值孔径可以达到1.4。当然对NA>1的情形,光纤的两端必须位于浸液中,与显微物镜的数值孔径<l时,必须采用浸液物镜的道理一样。超出光纤数值孔径的光线就会漏出光纤,并进入相邻的光纤。这种光线对于传像光纤束来说会降低像的清晰度,形成噪声。为了防止漏光,在光纤的外包层的外面,再使用一层由高吸收玻璃构成的包层,这样就可以把漏光吸收,防止噪声的产生。上面的讨论实际上仅限于位于光纤对称轴线的截面内的光线,相当于共轴系统中的子午光线。这些光线在光纤中永远位于同一平面内。假设光纤是直的,则出射光线与光纤轴线的夹角等于入射光线与光纤轴线的夹角,但角度可能是负的,也可能是正的,由光线在光纤内部反射次数的奇偶而定。如果是一束具有一定口径的平行光射入光纤,位于子午面外的光线每经过一次反射都将扩散,因此最后射出光纤时将形成一个锥面,如图5所示。如果入射光是一束斜入射的光线,出射光束如图6所示。1.3光纤排列的排列用于传像束的光纤必须有很好的外包层。用传像束传像有许多特殊的优点,如长度和空间无严格限制,具有很大的数值孔径,没有像差。它的缺点是:光纤束中的少数光纤可能被折断,使输出像面上出现盲点;输入输出端的排列形状可能有变形,引起像的变形;只存在一对共轭面,而且景深很小;分辨率受光纤直径的限制。如果要使图像传送得更清晰,就要尽可能选用直径较小的光纤,因为光纤越细,在一定的传像束上就能容纳进更多的光束,这样就能传送更多的像元。显然,像元越多,图像就越清晰。实际上光纤传像束由数以万计的光纤组成,要把这么多光纤整齐地排列起来并非易事。排列好后,再用环氧树脂有机粘合剂将两端胶合,使光纤粘结固定。对两个端面还要磨平和抛光。至于中间部分则不必粘牢,而是像小提琴的弦那样松散,只须在外面加上保护的塑料套管,这样的传像束既柔软,又可以任意弯曲。虽然光纤传像束可以很柔软地弯曲,但这并不意味着它内部的光纤排列就没有规律。恰恰相反,所有光纤都排列得整整齐齐,两个端头所处的位置都一一严格对应,假设光纤传像束的截面是个矩形,且某根光纤的一头在矩形的第7行第2列,那这根光纤的另一头肯定也在第7行第2列。道理很简单,就是为了保证传进来的图像在平面上不至于发生错位,就像拼图游戏一样,如果光纤的两头不在同一位置,那传出来的图像就像没有拼对的图,给人错位的感觉。2光纤图像束的应用2.1锅炉火焰燃烧检测电站锅炉火焰监控是为防止燃煤燃烧不充分造成锅炉爆炸的重要手段。传统检测器的信号抗干扰能力、灵敏度及监控能力都很差,因而容易导致错误信息。采用光纤工业内窥镜监测锅炉火焰燃烧状况,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,保证了电站锅炉的安全燃烧,提高了电站锅炉的安全性。光纤内窥镜在检查锅炉、汽轮机、变压器等电气设备的损伤或腐蚀和查找掉落的物体等方面效果也很明显。2.2对于清洗效果具有很强的认识光纤内窥镜可用于检查发动机、变速箱、消声器、燃料管等的磨损、积碳、堵塞等情况,在汽修行业已得到广泛应用。在汽车发动机的清洗、保养方面,光纤内窥镜也是一个好帮手。在发动机清洗前,用内窥镜观察发动机内部的积碳等情况,并照相。发动机清洗完毕后,再观察并照相。然后对清洗前后观察到的图像进行比较,从而使客户对清洗效果有一个很直观的认识和比较。内窥镜在保证质量和降低成本等方面具有举足轻重的作用。例如发动机的质量对于汽车来讲至关重要,其内部的铸造缺陷、毛刺等都会对汽车的质量产生较大影响。以往汽车制造厂是采用抽检法来控制发动机的质量。一批发动机生产出来后,抽取一定量的发动机进行解剖检查,然后根据抽检品的质量状况来判断该生产批次发动机的质量。这种方法存在以下2点不足:1.抽检品的质量不一定能代表该生产批次每1台发动机的质量,最终发动机质量还是不能完全保证。2.成本较高,抽检品解剖后就报废了。而采用内窥镜,该生产批次每1台发动机都可以得到检查,从而保证了质量。由于是无损检测,成本大幅降低。随着我国对外开放的迅速扩大,国家对公安刑侦工作提出了更高的要求,为有力保证社会安定和改革开放的成果,打击罪犯,公安人员所要求使用的侦察破案手段越来越趋于高科技化。南京玻纤院研制的传像内窥镜在毒品走私缉查中发挥了神奇威力,十分有效地检查出封闭腔内的隐藏物,完全取代了进口产品。2.3光纤内镜设备的应用光纤内窥镜是理想的医学诊断治疗工具。在国外,由于光纤内窥镜所具有的特点,以及细径光纤内窥镜的产品化,其在心脑血管外科已得到临床应用。传统的血管造影术对一些人群会产生过敏反应,而且这种技术具有一定的漏诊率。血管内窥镜是对传统血管造影术的一个极好补充,特别是对造影术过敏的人群,其应用无疑给他们带来了福音。近年来,临床医生以极大的兴趣开展了光纤内窥镜在各种疾病学科中的应用,并取得可喜成果。日本大阪劳灾医院利用颅内窥镜,不用开颅,只需在颅骨上打一小孔即可进行脑肿瘤切除手术。日本新泻大学用脊髓内窥镜,从骶髓进入到腰髓、胸髓和颈骨,检查和诊断非感染性严重蛛网膜炎症。该设备还可用于肝脏、肾脏及肌肉的诊断。京都医科大学用胰腺内窥镜进行胰腺癌和胰腺疾病的早期诊断,而用超声CT或EPCR做早期诊断是异常困难的。加拿大眼科技术学院用眼内窥镜治疗视网膜剥离症。该内窥镜还可在眼睛内部查清细胞膜及周围情况,检查眼液渗孔并封住渗液孔。在修复外伤受损眼部纤维组织时也极为有用。几乎所有人体管道和腔道均有相应的内窥镜,如支气管镜、胆道镜、子宫镜、咽喉镜和鼻窦内镜等,同时还可应用于开放性手术治疗。2.4战术条件下的动态照片拍摄技术部队现行装备的各种瞄准设备都是由光学透镜和棱镜组成的刚性光学系统,这类设备的突出弊病是刚性结构、尺寸庞大,特别是随着光路长度和仪器口径的增大,重量急剧增加,同时,刚性结构使得战士的位置与姿势受到限定,一旦镜头反光,易受到敌人的火力攻击与杀伤。主战坦克的机关枪、轻武器因连续击发振动使人眼无法贴近瞄准,准确率低,因此杀伤力很弱。对壳体内部高速动态过程照相,因几何上的障碍,存在图像传输的困难。为了克服上述问题,弥补传统设备的不足,需要研制能满足现代战争条件下战术要求的应用新技术手段的瞄准和潜望监视设备。大截面光纤传像束具有柔性好、体积小、无源抗干扰、图像传输过程可不受空间限制、易实现像的旋转和图像稳定、便于仪器的整体布局等优点,是一种比较理