第八章 光纖傳像器件、系統(tǒng)及應(yīng)用-2

第8章光纖傳像器件、系統(tǒng)與應(yīng)用

利用光纖傳輸圖像有三種技術(shù)途徑：第一種是利用光纖通信技術(shù)進(jìn)行圖像傳輸，即光纖視頻通信技術(shù)；第二種是無源光纖傳像技術(shù)，作為其核心傳像器件的機(jī)理，是基于傳像器件兩端的各光纖像元作相關(guān)排列。無源光纖傳像技術(shù)經(jīng)歷五十多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也在逐漸拓寬；第三種是利用光纖編碼復(fù)用技術(shù)，通過單根光纖或線陣光纖束實(shí)現(xiàn)圖像傳輸，其中包括編碼復(fù)用傳像、編碼復(fù)用傳像以及編碼復(fù)用傳像。本章將重點(diǎn)研究無源光纖傳像與像質(zhì)優(yōu)化技術(shù)，反映無源光纖傳像與像質(zhì)優(yōu)化技術(shù)研究的進(jìn)展與應(yīng)用成果；同時(shí)簡要介紹光纖編碼復(fù)用傳像技術(shù)，特別是在編碼傳像方面的研究進(jìn)展。（二）石英多芯型傳像光纖1987年我國北方交大光波所與天津26所等單位在我國首次研制成功石英多芯型傳像光纖，并取得了優(yōu)良的圖像傳輸效果。他們采用MCVD法和一次復(fù)絲制造工藝，研制出30萬像素（像元）的石英多芯型傳像光纖，達(dá)到了當(dāng)時(shí)國際的先進(jìn)水平。石英多芯型傳像光纖，由于它具有通信石英光纖特有的優(yōu)良傳光特性，因而其傳輸圖像的質(zhì)量優(yōu)良。特別表現(xiàn)為：傳輸損耗低（每米透過率高達(dá)96％~99％，因而能傳輸圖像的距離長；色保真性好，傳輸圖像色彩逼真；傳像的像素細(xì)、分辨率高，傳輸圖像清晰度好。此外，也具有優(yōu)良的機(jī)械、熱和耐輻射特性。上述優(yōu)點(diǎn)是柔性多組分玻璃傳像束所不足的，因而在冶金、鍋爐、核反應(yīng)堆同位索加工、軍事、公安等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。

但是它也存在不足之處，主要是可撓性較差，屬于一種半柔、半剛性的光纖傳像器件，當(dāng)其長度由于使用需要達(dá)到幾米以上時(shí)，其保管、運(yùn)輸、架設(shè)使用、安全性等都成為問題；另外，其數(shù)值孔徑小。因而其推廣應(yīng)用受到局限。表8.2給出了20世紀(jì)末國內(nèi)外幾種基本類型石英多芯型傳像光纖的性能特點(diǎn)和典型數(shù)據(jù)。表8.4不同類型石英多芯傳像光纖性能類型玻璃材料芯包層結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)典型值折射率差/％NA芯徑/μm芯間距/μm像素?cái)?shù)特點(diǎn)用途通用傳像光纖GeO2—SiO2SiO2GeO2—SiO2F—SiO2SiO2F—SiO220.26~0.3610300003.50.43650000171130000低損耗，細(xì)徑，適用于一近紅外透過般遠(yuǎn)距離性能好圖像傳輸高密度傳像光纖低損耗，細(xì)徑，適用于大可撓性好，信息量，NA大，細(xì)徑要求之信息量大遠(yuǎn)距離傳輸耐輻射傳像光纖低損耗，耐輻適用于放射射性能好，紫條件下之遠(yuǎn)外透過好距離圖像傳輸

除了上述柔性的光纖傳像束和半柔半剛性的石英多芯型傳像光纖外，尚有一類剛性的傳像束可作為低分辨率成像觀察用，例如第7章所述及的牙科光固化機(jī)用導(dǎo)光棒，同時(shí)也可兼作低分辨的成像觀察，根據(jù)需要也可將導(dǎo)光傳像棒彎曲一定的角度；此外，細(xì)直徑的剛性傳像棒也可在某些醫(yī)用內(nèi)窺鏡中得到應(yīng)用。2.剛性的光纖傳像器件—光纖面板與微通道板

具有相關(guān)排列共同結(jié)構(gòu)特征的剛性（硬）光纖傳像器件或電子像增強(qiáng)傳像器件，有光纖面板(fiberfaceplate)和微通道板(Micro-ChanndelPlates，MCP)。此外，還有光纖光錐與光纖扭像器等。這些剛性的光纖束器件，其纖維束的長度（或面板的厚度）與其橫截面線度的比例一般為一比數(shù)十；其制造工藝均包括光纖的復(fù)合即復(fù)絲過程；面板在復(fù)絲過程中為消除雜光影響提高對(duì)比度，一般均使用外壁吸收（填隙式外吸收）。這些都是與柔性光纖傳像束有重要差別的。以下分別介紹兩種做相關(guān)排列的剛性光纖傳像束器件。為改善圖像傳輸對(duì)比度，消除光纖間串光及雜光影響，一般使用外壁吸收即采用皮料黑化或插黑絲的方法。這些均與利用單絲排絲疊片制造的柔性光纖傳像束有重要差別。光纖面板在軍事上的微光、夜視系統(tǒng)以及多方面的光、電子系統(tǒng)中有重要而廣泛的應(yīng)用。（一）光纖面板

光纖面板是由數(shù)以百萬計(jì)的、其單絲直徑為3~10μm的光纖制成的大面積陣列式無源光纖傳像器件。其光纖單絲結(jié)構(gòu)、光纖的相關(guān)排列結(jié)構(gòu)與傳像機(jī)理以及在面板的輸入與輸出端面按1:1傳輸二維光學(xué)圖像的功能等方面，均與柔性的光纖傳像束相同。但是它也有其自身的一些特點(diǎn)和要求：首先在光學(xué)性能方面具有較高的分辨率，有的甚至可達(dá)100lp/mm以上，因而其單絲直徑（像元）很細(xì)。由于面板厚度薄，即單光纖的通道短，因而衰減小、透過率高。同時(shí)具有較高的數(shù)值孔徑以及良好的圖像傳遞性能，并要求具有真空氣密性等；在面板的制造工藝方面，采用拉制復(fù)式光導(dǎo)纖維的方法，即采用二次復(fù)絲技術(shù)；

（1）光纖面板的制作方法光纖面板的制作具有特殊性，大致分為四個(gè)步驟:材料的選??；復(fù)合光纖的拉制；熔壓成型；最后進(jìn)行切割及表面精加工。①材料的選取。光纖面板的制作工藝對(duì)玻璃有更嚴(yán)格的要求。首先，由于在一般微光夜視系統(tǒng)中的應(yīng)用均要求大數(shù)值孔徑，即NA>1，因此應(yīng)選取高折射率芯玻璃與低折射率包層玻璃，使其有大的相對(duì)折射率差值△；另外，在熱膨脹系數(shù)及軟化點(diǎn)方面，要求芯料和涂層的熱膨脹系數(shù)在各個(gè)溫度區(qū)間相一致，尤其是在低溫階段。若有差別，芯料玻璃的熱膨脹系數(shù)比涂層玻璃的熱膨脹系數(shù)的差一般應(yīng)小于5X10-7，這樣才能保證在拉制0.5~2mm的粗絲中具有良好的性能，不會(huì)產(chǎn)生炸裂和彎曲。同時(shí)還要注意熱膨脹系數(shù)應(yīng)該和它所配合的電子束管的金屬和玻璃管殼的熱膨脹系數(shù)相匹配；

此外，要求材料有化學(xué)穩(wěn)定性。光纖面板要求玻璃材料在整個(gè)拉制、熱熔工藝中不析晶，不乳化，兩種玻璃不相互滲透或反應(yīng)?？紤]到光纖面板的應(yīng)用，還要求材料不含有對(duì)光陰極有毒化的元索，如鎘、砷、銻、鋁、鋅、氟等。所以，在選取材料過程中，必須先進(jìn)行一系列試驗(yàn)來選擇合適的玻璃材料。②復(fù)合光纖的拉制。由于光纖面板的高分辨率要求單絲直徑很細(xì)，例如要使分辨率達(dá)到100lp/mm以上，則要求單絲直徑小于5μm，因而必須采用拉制復(fù)合纖維的方法。所謂復(fù)合纖維，是由一組單根光纖組成，其包層熔合在一起形成一個(gè)力學(xué)整體，而不影響組內(nèi)單根光纖的光學(xué)性質(zhì)和獨(dú)立性。這種復(fù)式光纖用作制造大相關(guān)光纖束中的基本單元，且應(yīng)有一個(gè)有效壓緊的截面。

由于制作光纖面板的光纖直徑較粗，因而不能用鼓輪纏繞，而必須用撥絲輪拉引，且切割成一定的長度，拉制的方法多用棒管法。提供熱壓成型光纖面板的光纖有兩種：一種是一次復(fù)合光纖（一次復(fù)絲）；另一種是二次復(fù)合光纖（二次復(fù)絲）。最普遍采用的拉制復(fù)式光纖的工藝流程如圖8.13所示。圖8.13拉制復(fù)合光纖的工藝流程

拉制復(fù)絲的具體步驟是，首先利用芯和包層材料拉制成直徑較粗的光學(xué)纖維（稱為單絲），用m根這種單絲組合成棒，再拉制一次，這時(shí)拉制成的光學(xué)纖維叫一次復(fù)式纖維（一次復(fù)絲）。每根一次復(fù)絲內(nèi)包含有m根單絲，一般一根一次復(fù)絲中包含數(shù)千根直徑為5~6μm的單絲，其橫截面積要比單元絲大得多。處理這種直徑較粗的光學(xué)纖維將給操作者帶來很大方便；有時(shí)，由于要求分辨率更高，且為提高面板的真空氣密性和對(duì)比度，則可把n根這種一次復(fù)絲組合起來再拉制一次，這時(shí)拉制成的光學(xué)纖維叫二次復(fù)式纖維（二次復(fù)絲）。這樣，每根二次復(fù)絲內(nèi)就包含有m×n根5μm左右的單元絲。其直徑很粗，操作起來也很方便。

單絲組合成棒叫一次復(fù)絲棒;一次復(fù)絲組合成棒叫二次復(fù)絲棒。一次復(fù)絲棒或二次復(fù)絲棒的橫截面可以是圓形、正方形或正六角形。由于圓形排列會(huì)給下次排列造成較大的幾何空隙，因此現(xiàn)行均采用正六角形的最佳排列方式。為了提高光纖面板的對(duì)比度，可以在排列成一定形式的單絲中間，有規(guī)則地插入吸收雜散光的黑絲（直徑比單絲?。??；蛘咴诶茊谓z時(shí)就用雙涂層。內(nèi)涂層是低折射率玻璃，外涂層就是吸收層。此外，為提高復(fù)合光纖間的氣密性，可在拉制復(fù)合光纖過程中抽真空。③光纖面板的熔壓。光纖面板的熔壓，就是將排列成一定形狀的二次復(fù)絲或一次復(fù)絲組合體在加溫加壓的條件下，通過將包層玻璃軟化而將所有做相關(guān)排列的光纖互相鉆合在一起，使之成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。光纖面板的熔壓是一項(xiàng)重要工藝。一次復(fù)絲和二次復(fù)絲的熔壓過程都一樣，只是在排列方法上有所差別。④光纖面板的冷加工。對(duì)熔壓后的光纖面板塊，要按應(yīng)用需要的厚度進(jìn)行切割，并進(jìn)行研磨拋光，加工成各種大小、厚薄、凹凸等各種成像所需要的形狀。

（2）光纖面板的功能與應(yīng)用光纖面板最重要的功能與應(yīng)用方向之一，是用做微光夜視儀器等電子光學(xué)器件中的端窗與級(jí)間耦合元件，其十分重要的優(yōu)點(diǎn)是可以在不同形狀的表面間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入與輸出圖像的1:1傳遞。根據(jù)電子光學(xué)系統(tǒng)中對(duì)光學(xué)透鏡或電子透鏡的像場(chǎng)或物場(chǎng)場(chǎng)曲特性的要求，利用光纖面板的傳像功能，可以將光纖面板的輸入/輸出端面分別設(shè)計(jì)制成平面/球面（如微光像管的光陰極面板）、球面/平面（如微光像管的熒光屏面板）、曲面/曲面（如光學(xué)透鏡的校場(chǎng)曲面板）以及平面/平面（如微光像管之間的耐高場(chǎng)強(qiáng)面板）等多種形式。①在微光像增強(qiáng)器中的應(yīng)用。例如，旱期的微光夜視儀中，為獲得高亮度增益，可將完全相同的單級(jí)像管（參見圖8.14），用光學(xué)纖維面板進(jìn)行多級(jí)耦合。因此像管的輸入窗和輸出窗都是由光纖面板制成，以便將球面像轉(zhuǎn)換為平面像來完成級(jí)間直接耦合。由于每級(jí)像管都成倒像，所以耦合的級(jí)數(shù)多取單數(shù)，通常為三級(jí)。采用三級(jí)級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)器的微光夜視儀如圖8.15所示。該像增強(qiáng)器稱為第一代像增強(qiáng)器，俗稱一代管。圖8.14單級(jí)靜電聚焦倒像式像管結(jié)構(gòu)示意圖1,5—光纖面極；2—光陰極；3—陽極；4—熒光屏圖8.15采用三級(jí)級(jí)聯(lián)像增強(qiáng)器的像管結(jié)構(gòu)示意圖與微光夜視儀原理圖

采用光纖面板實(shí)現(xiàn)級(jí)間禍合，可以取代傳統(tǒng)的中繼成像系統(tǒng)，因而有利于大大減小整個(gè)組合器件的尺寸；同時(shí)，各單管的光纖面板外表面全成平面，有助于減小極間耦合的分辨率損失，并可以大大提高全系統(tǒng)的耦合效率與有效增益，也使各級(jí)的分別設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)成為可能。除了一代像增強(qiáng)器外，在第二代、第三代像增強(qiáng)器中光纖面板均有重要應(yīng)用。在微光像增強(qiáng)器中使用的光纖面板，其厚度一般小于10mm，同時(shí)要求氣密性好，與光陰極不起作用。②在其他方面的應(yīng)用。除了在微光像增強(qiáng)器中的應(yīng)用外，光纖面板還在多方面有重要應(yīng)用。主要包括：應(yīng)用光纖面板作耦合元件的X射線像增強(qiáng)器（如圖8.16所示）；光纖面板應(yīng)用于陰極射線管和雷達(dá)顯示管等；采用光纖面板作為平像場(chǎng)器的變像管；應(yīng)用光纖面板的圖像放大顯示管（如圖8.17所示）；應(yīng)用于宇宙探測(cè)的微光攝像管以及應(yīng)用于航空攝影中校正場(chǎng)曲畸變的平像場(chǎng)器等。圖8.16兩級(jí)X射線像增強(qiáng)器圖8.17光纖光學(xué)圖像放大顯示管（二）微通道板（1）機(jī)理、結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

微通道板并非無源光纖傳像器件，而是一種做相關(guān)排列的大面陣微通道有源電子圖像倍增器。它是由高二次電子發(fā)射系數(shù)的含鉛玻璃制成。一塊微通道板中至少含有數(shù)百萬根并列的光纖中空細(xì)管、即微通道空芯管（管的內(nèi)壁直徑在Φ6~50μm)，每一根細(xì)管就是一個(gè)微型電子倍增器，相當(dāng)于一個(gè)微型的連續(xù)打拿極光電倍增管。

細(xì)觀內(nèi)壁鍍有高二次電子發(fā)射材料，兩端加有電壓。當(dāng)電子以一定角度從微通道細(xì)管的端部入射并在電場(chǎng)的加速作用下，以拋物線軌跡打到通道管的內(nèi)壁時(shí)，將激發(fā)出二次（次級(jí)）電子，這些二次電子被管壁電壓加速，并激發(fā)出更多的二次電子。最終在輸出端將可獲得很高的電子倍增輸出，每一級(jí)微通道板可以獲得的電子倍增增益可以高達(dá)103~104。微通道板不僅對(duì)電子撞擊敏感，而且對(duì)離子、X線、紫外線以及高能的α，β，γ射線均有一定的響應(yīng)度。由于一塊微通道板包含數(shù)百萬像元，因而具有對(duì)電子及其他粒子的二維密度分布、即二維電子圖像進(jìn)行高分辨率倍增成像的功能?？傊⑼ǖ腊寰哂懈咴鲆?、低噪聲、高分辨、寬頻帶、低功耗、長壽命及自飽和效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，圖8.18微通道板形象與工作原理因而它的出現(xiàn)在以微光夜視應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榇淼墓怆娮訄D像的像增強(qiáng)器發(fā)展中具有里程碑的意義，圖8.18給出了微通道板工作原理與結(jié)構(gòu)示意圖。(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)微通道板的主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為：微通道孔徑6~50μm端面口徑Φ18~Φ50（常用Φ18、Φ25）；板厚度0.5~5mm，且板厚應(yīng)滿足微通道的最佳長徑比L/dc（L為微通道板厚度，即通道長度；d為通道直徑），一般L/dc值在40~100范圍；微通道軸線與微通道板端面法線間的夾角定義為“斜切角”，其值一般<15°，可為5°，6°，8°,11°,12°和15°。斜切角可以增加入射電子撞擊通道壁的幾率，減少離子反饋以及輸出窗日熒光屏向輸入端光陰極面的反射雜光；所有微通道開口的總面積與微通道板面積的比定義為“開口面積比”，其值一般為58％~63％，它決定微通道板的探測(cè)效率。微通道板剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖8.19所示。

圖8.19微通道板剖面結(jié)構(gòu)示意圖1—鎳電極；2—輸入電子；3—微捅游極面陣；4—捅游斜切角；5—加固環(huán)；6—輸出電子

（3）特性參數(shù)評(píng)價(jià)MCP性能的主要特性參數(shù)有：MCP對(duì)短波輻射的探測(cè)量子效率（ηm）；MCP電子增益（Gm）動(dòng)態(tài)范圍；MCP的暗電流與背景等效電子輸入（id，EBI）；MCP的鑒別率（Nf）與MTF值；MCP的噪聲因子與固定圖像噪聲；電流增益飽和特性等。

（4）制作方法傳統(tǒng)的制造微通道板的工藝過程如圖8.20所示。其前期的制造工藝與光纖面板相似，具體步驟如下：①首先將芯與通道玻璃管組裝成粗玻璃纖維，然后將其拉成單絲；②將若干玻璃纖維單絲疊積捆成束，將其加熱軟化并拉成細(xì)束(相當(dāng)于一次復(fù)絲)；③將若干拉制后的細(xì)束玻璃纖維（一次復(fù)絲）疊捆成束，并加熱軟化后再拉成細(xì)束，如此反復(fù)則得到熔凝光纖組件的MCP的毛坯棒；④將MCP毛坯料以與垂直方向夾角小于10°以及（40~100）:1的長徑比來切割MCP毛坯棒，獲得MCP薄板毛坯；⑤將MCP薄板毛坯進(jìn)行端面磨拋，浸酸腐蝕，即利用化學(xué)處理方法刻蝕除去芯料玻璃，從而形成微通道；⑥通過加裝圖8.19所示的加固環(huán)將微通道板固定，并在兩端面加裝鎳電極；⑦通過氫氣中的還原(燒氫)工序來控制微通道側(cè)壁的電阻性高二次電子發(fā)射薄膜的生成。以上則完成了微通道板的制造。圖8.20微通道板的制造工藝流程

（5）微通道板的應(yīng)用微通道板是一種大面陣的二維電子圖像倍增器，且對(duì)多種電磁波譜段的輻射均有一定的響應(yīng)度，因而它在多種技術(shù)領(lǐng)域均有重要應(yīng)用價(jià)值。①在微光夜視技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。MCP技術(shù)的成功將微光像增強(qiáng)器從第一代級(jí)聯(lián)式像增強(qiáng)技術(shù)推向了第二代微通道板式像增強(qiáng)技術(shù)，使微光像增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)了體積小、重量輕、響應(yīng)快、高增益、低噪聲、高分辨率以及優(yōu)良的抗強(qiáng)光性能。目前，采用包含MCP像增強(qiáng)器的微光夜視儀器，已成為國內(nèi)外微光夜視裝備的主流部分。含有MCP的第二代微光像增強(qiáng)器的結(jié)構(gòu)類型分為靜電聚焦倒像式二代像增強(qiáng)器[參見圖8.21(a)]和近貼式二代像增強(qiáng)器[參見圖8.21(b)]兩類。其各自工作原理與特點(diǎn)如下：圖8.21含MCP的二代微光像增強(qiáng)器兩種類型

（a）靜電聚焦倒像式像增強(qiáng)器。如圖8.21(a)所示，微通道板與光陰極之間采用靜電透鏡，MCP置于電子透鏡的像面位置，與熒光屏之間是近貼均勻場(chǎng)。為了使電子透鏡的像面成為平面，而把陽極孔徑置于稍微超前于陰極球面中心的位置。像管中還在陽極與MCP之間設(shè)置一個(gè)消畸變電極。該電極與光陰極電位相近，