何相平，蘇展民，駱志財，羅新華，智健

（廣州宏晟光電科技有限公司，廣東廣州　510925）

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硬光纖傳像元件的特性及其應(yīng)用

何相平，蘇展民，駱志財，羅新華，智健

（廣州宏晟光電科技有限公司，廣東廣州510925）

摘要：介紹了硬光纖傳像元件的主要性能、應(yīng)用領(lǐng)域及其技術(shù)指標(biāo)，闡述了該類元件在光電系統(tǒng)的圖像傳遞、光學(xué)圖像處理、小型化、集成化等方面的特殊優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。為企業(yè)和高校研發(fā)人員選用該類元件提供了參考。

關(guān)鍵詞：硬光纖傳像元件；光纖面板；光纖倒像器；光纖光錐；光纖傳像棒

0　引言

光纖可以傳遞光信號，通過光電轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)光通信傳遞圖像、信息，這里介紹的光纖傳像元件是圖像經(jīng)過光纖束不需要經(jīng)過任何轉(zhuǎn)換直接傳遞圖像的光纖器件。光纖傳像元件可以分為柔性的光纖傳像束和剛性的光纖傳像元件（即硬光纖傳像元件）。早在上世紀(jì)50年代，硬光纖傳像元件就已經(jīng)被制作出來，并作為像增強(qiáng)器的關(guān)鍵元件，促進(jìn)了微光夜視技術(shù)的發(fā)展，我國從上世紀(jì)70年代開始了該產(chǎn)品的研制。近年來，該器件的制作工藝逐步完善，應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)一步擴(kuò)寬，在國防、醫(yī)療、民用顯示、科學(xué)研究等眾多圖像傳遞領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

硬光纖傳像元件是一種由大量的玻璃光纖經(jīng)復(fù)合拉絲、平行有序排列、熔壓、光學(xué)冷加工等工序制作而成，具有高保真圖像傳輸功能的光學(xué)玻璃元件。其工作面是由大量的光纖端面組合而成，當(dāng)工作面緊貼于像面時，像會被光纖端面分解成一個個像元，每個像元的信息經(jīng)獨立的光纖一一對應(yīng)地傳輸?shù)皆牧硪还ぷ髅嫔现匦陆M合成新的圖像，從而實現(xiàn)了圖像的傳輸。具有代表性的硬光纖傳像元件有光纖面板、光纖傳像棒、光纖倒像器和光纖光錐等（如圖1所示）。其中，光纖面板是基礎(chǔ)元件，能實現(xiàn)圖像的無失真零光程傳遞；光纖傳像棒可以根據(jù)需要對圖像進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)傳傳遞；光纖倒像器是在光纖面板的基礎(chǔ)上經(jīng)再次加熱扭轉(zhuǎn)而成，能實現(xiàn)圖像的180°倒轉(zhuǎn)傳遞，也可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)任意角度值；光纖光錐是在光纖面板的基礎(chǔ)上經(jīng)再次加熱拉伸而成，能實現(xiàn)圖像的放大或縮小傳遞。

圖1　硬光纖傳像元件的實物圖

1　硬光纖傳像元件的應(yīng)用

硬光纖傳像元件具有光學(xué)零厚度、集光性能好、分辨率高，無失真地傳遞圖像等優(yōu)點。通過將其中的一個端面加工成曲面，還可以實現(xiàn)平面像和曲面像的相互轉(zhuǎn)換。該元件在某些應(yīng)用領(lǐng)域可以替代棱鏡或透鏡，具有耦合效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高等優(yōu)勢。目前該產(chǎn)品有以下方面的典型應(yīng)用：

（1）與熒光粉、閃爍體等光轉(zhuǎn)換材料配合，作為光學(xué)零厚度的光轉(zhuǎn)換材料基底。

與普通的平板玻璃相比，采用硬光纖傳像元件作為基底元件，除具有平板玻璃同樣的作用和性能外，還能將某一端面的圖像“零光程”地傳遞到另一端面。該特性，使其在電子成像、高能射線、高能粒子成像等光電成像系統(tǒng)中有著重要應(yīng)用。

①像增強(qiáng)管。

像增強(qiáng)管是當(dāng)前硬光纖傳像元件的主要應(yīng)用方向。通過像增強(qiáng)管可實現(xiàn)入射微光的104以上的亮度增益。圖2為近貼式微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及工作原理圖，其結(jié)構(gòu)可分為沉積了光電陰極薄膜的輸入窗，用于電子增益放大的微通道板，以及沉積熒光粉的輸出窗。在靜電聚焦式像增強(qiáng)管中，輸入端使用的光纖面板可以在內(nèi)端面設(shè)計成同心球面，以補償電子聚焦系統(tǒng)造成的場曲。根據(jù)不同的像增強(qiáng)管的設(shè)計與使用環(huán)境，其輸出窗也會采用不同的硬光纖傳像元件。如在近貼式直視型微光夜視像增強(qiáng)管中，輸出窗采用倒像器，以實現(xiàn)像的180°倒轉(zhuǎn)，將透鏡所成的倒像倒置為正像；又如在增強(qiáng)電荷耦合器件（ICCD）中，采用光纖光錐作為輸出窗口，直接與CCD耦合，可有效提高耦合效率，提升ICCD的成像質(zhì)量和靈敏度。

圖2　近貼式微光像增強(qiáng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

②高能射線、高能粒子的成像探測。

在硬光纖傳像元件的一個端面沉積能被高能射線或高能粒子激發(fā)發(fā)光的閃爍體物質(zhì)，另一端面與CCD或CMOS等光電成像器件耦合，則可實現(xiàn)高能射線、高能粒子的數(shù)字化成像探測。該結(jié)構(gòu)與透鏡成像系統(tǒng)相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、耦合效率高等優(yōu)勢。其性能甚至比直接在CCD或CMOS上沉積閃爍體的器件更優(yōu)，因為硬光纖傳像元件能吸收大量的輻射能量，從而更好地保護(hù)了感光元件，提高了儀器壽命。

（2）與對象直接耦合，用于緊貼式傳像。

硬光纖傳像元件是實現(xiàn)端對端圖像傳遞的理想元件，被廣泛應(yīng)用于需緊貼傳遞圖像的場合。

①指紋圖像采集。

光纖面板可應(yīng)用在指紋識別領(lǐng)域上。常見的光學(xué)式指紋采集系統(tǒng)采用棱鏡或透鏡組成光學(xué)系統(tǒng)，體積龐大，而且易受環(huán)境因素干擾，多用于樓宇門禁等對產(chǎn)品體積和安全系數(shù)要求不高的場合。采用光纖面板制作的指紋采集器件，實現(xiàn)了采集系統(tǒng)小型化、微型化，同時具有高分辨率、識別度高、抗環(huán)境干擾的特點，在手機(jī)，手提箱等便攜式產(chǎn)品中有著廣闊的應(yīng)用市場。圖3是光纖面板在指紋采集中的應(yīng)用示意圖。

圖3　光纖面板在指紋采集中的應(yīng)用

②生物醫(yī)學(xué)的高通量檢測。

硬光纖傳像元件的一個新應(yīng)用是與微孔陣列相配合，用于基因，蛋白質(zhì)，病毒的高效檢測。該微孔陣列的每一個微孔將作為被檢測對象與反應(yīng)試劑的反應(yīng)容器，而反應(yīng)產(chǎn)生的熒光透過硬光纖傳像元件作用在CCD等感光元件上。通過進(jìn)一步分析整個圖像的對應(yīng)的位置的光亮情況可以得到被檢對象的具體信息。每次檢測可同時實現(xiàn)上萬個被檢對象的同時檢測，提高了檢測效率，節(jié)約了成本。

（3）與顯示器件耦合，作為顯示窗口。

硬光纖傳像元件與顯示器件耦合，可實現(xiàn)整體或局部圖像的浮顯效果，應(yīng)用于一些特殊的顯示領(lǐng)域。例如，采用該結(jié)構(gòu)制作的動態(tài)顯示按鍵，按鍵系統(tǒng)既具有按鍵功能也具有顯示功能，每個按鍵可以根據(jù)不同國家的用戶顯示不同的提示語言，也可以根據(jù)用戶的不同操作呈現(xiàn)不同的提示信息；通過設(shè)計光纖面板的外形，還可以打破顯示器的矩形局限，實現(xiàn)三角形、圓形、甚至五角星形等等形狀的顯示邊界；通過調(diào)整光纖面板的數(shù)值孔徑，還可以調(diào)整輸出圖像的可視角度范圍，以滿足飛行座艙儀表顯示、密碼輸入等不同的應(yīng)用場合。圖4為光纖面板在電子設(shè)備的按鍵顯示中的應(yīng)用。

圖4　光纖面板在電子設(shè)備的按鍵顯示中的應(yīng)用

2　硬光纖傳像元件的技術(shù)指標(biāo)解讀

2.1性能指標(biāo)

（1）數(shù)值孔徑NA：是表征收集輸入光能力的物理量。其理論數(shù)值孔徑主要取決于光纖芯皮玻璃的折射率，其中n1為芯料玻璃的折射率，n2為皮料玻璃的折射率。

（2）分辨率：描述光學(xué)系統(tǒng)對傳遞圖像的一種細(xì)節(jié)分辨能力，分辨率越高，能夠分辨影像細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)。通常分辨率用單位長度內(nèi)最高可分辨的黑白線對的對數(shù)來表示，單位是lp/mm（線對/毫米）。光纖元件的分辨率取決于光纖的排列結(jié)構(gòu)和單光纖直徑。對于光纖結(jié)構(gòu)為正六邊形排列的光纖面板，其極限分辨率可表示為，D是單光纖的直徑，目前行業(yè)已經(jīng)可以做到最小4微米。

（3）透過率：是指出射光通量與入射光通量之比，是定量描述光纖傳光能力的物理量。影響光纖傳像元件透過率的因素很多，主要為材料吸收，芯皮界面和元件端面的反射損耗，數(shù)值孔徑、纖維的填充系數(shù)、纖維的排列方式等。受到玻璃材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制作工藝、產(chǎn)品高度等方面的影響。

（4）對比度：是評價傳像質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。從纖芯入射的滿足全反射條件的光為有效光，其余入射光均為雜散光，影響傳遞圖像的對比度。通常采用在纖維間插入雜散光吸收絲來提高圖像對比度，然而吸收絲的加入會降低元件的透過率，所以通常要根據(jù)不同的使用環(huán)境采用不同的光吸收方案。

（5）其他性能指標(biāo)：光纖傳像產(chǎn)品還包括熱穩(wěn)定性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)相容性、電絕緣性、真空氣密性等以滿足不同的使用場合的應(yīng)用。

2.2質(zhì)量指標(biāo)

（1）斑點：透過率低于產(chǎn)品平均漫射透過率70％的點狀區(qū)域。

（2）雞絲：透過率低于產(chǎn)品平均漫射透過率70％的絲狀區(qū)域。

（3）蛇形畸變：所傳遞的直線圖像發(fā)生彎曲變形。

（4）剪切畸變：所傳遞的直線圖像產(chǎn)生剪切錯位變形。

（5）放大率：所傳遞的圖像發(fā)生放大或縮小的缺陷。

（6）像位移：是輸出圖像相對輸入圖像發(fā)生偏移的缺陷。

（7）表面質(zhì)量：產(chǎn)品表面的光潔度、擦痕、破點等。

具體質(zhì)量指標(biāo)不再展開討論，詳細(xì)可以參照GB/ T 20244-2006。

3　結(jié)束語

硬光纖傳像元件是緊貼傳像應(yīng)用的理想選擇，該產(chǎn)品是國家高新技術(shù)產(chǎn)品，在國防、安保、航天、醫(yī)療、探測、生物識別和科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。相信隨著該產(chǎn)品制造技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和廣大科研工作者對該元件及其特性認(rèn)識的不斷深入，將能進(jìn)一步挖掘其應(yīng)用價值，開發(fā)出更多新產(chǎn)品，特別是在國家大力推動軍民技術(shù)融合的新形勢下，必將使其在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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［2］GB/T 20244-2006，光學(xué)纖維傳像元件［S］.

［3］李曉峰，李莉，鄧華斌，張彥云.光纖面板及光錐傳像特性研究（英文）［J］.紅外技術(shù)，2014（8）.

［4］潘京生，呂景文，李燕紅，周建勛.無膜微通道板第三代像增強(qiáng)器的可行性及技術(shù)途徑探究［J］.光學(xué)學(xué)報，2012（3）.

作者簡介：何相平（1983-），男，工程師，碩士，從事硬光纖傳像元件新產(chǎn)品及制造技術(shù)研發(fā)工作；蘇展民（1990-），男，碩士，從事光纖傳像元件的研究工作；駱志財（1987-），男，助理工程師，學(xué)士，從事硬光纖傳像元件工藝技術(shù)工作。