階躍型光纖光學系統的概述

2011-01-27

                                              階躍型光纖光學系統的概述

    光學纖維（以下簡稱光纖）由于其具有傳光、傳像和傳輸其它光信號的功能，因此在醫學、工業、國防和通訊事業等方面得到了廣泛應用。光纖根據其傳光特性又分為二種，一種是階躍型折射率光纖，即光纖的內芯和外包皮分別為折射率不同的均勻透明介質，因此光線在階躍型光纖內的傳輸是以全反射和直線傳播的方式進行。另一種是梯度折射率光纖，即光纖的中心到邊緣折射率呈梯度變化，因此光線在光纖內的傳播軌跡呈曲線形式。本節主要介紹階躍型光纖的特性及其光學系統。

     由于光纖束具有傳光和傳像特性，因此作為傳光和傳像的光學元件，在許多光學系統中得到了廣泛應用。例如內窺鏡光學系統、光纖高速攝影系統、光纖全息內窺鏡系統、光纖潛望系統等。下面來介紹傳像光纖束光學系統的特性和設計要求。

     傳像光纖束的功能是傳輸圖像，因此必須有一幅圖像輸入到傳像束的輸入端面。在一般的光纖系統中，擔任這一任務的是成像物鏡，它可把不同大小和距離的物體成像 在傳像束的輸入端面。對物鏡光軸上的像點A'來說，其成像光束的立體角相對光軸是對稱的，而對軸外像點B'來說，其成像光束的立體角是相對主光線對稱的。 軸上像點A'的光束正入射在傳像束的輸入端面上，而軸外像點B'的光束是斜入射在傳像束的輸入端面上，當物鏡L的像方孔徑角u'和光纖的數值孔徑角相等 時，軸上像點A'的光束能全部進入傳像束中傳輸，而軸外像點B'的光束，由于其主光線與傳像束的輸入端法線成一夾角 （視 場角），使得光束的一部分下光線的入射角大于傳像束的數值孔徑角，而使其不能通過傳像束，相當于幾何光學中欄光作用。而且隨著物鏡視場角的增大，像點B' 的欄光增多，使得傳像束輸出圖像的邊緣變得較暗，這是光纖光學系統所不能允許的。為了克服上述缺陷，光纖光學系統的成像物鏡應設計成像方遠心系統。由于像 方遠心系統的孔徑光闌位于物鏡L的前焦面處，使得物鏡的像方主光線平行于物鏡光軸，軸外像點B'的光束與軸上像點A'一樣，正入射在傳像束的輸入端面，使 得軸外像點不存在攔光現像，可獲得與輸入圖像光強分布近乎一致的輸出圖像。

      為了觀察傳像束的輸出圖像，在傳像束的輸出端面之后需連接目鏡或光電圖像轉換器件，因此對傳像束的后置光學系統也應有一定的要求。這是因為傳像束輸出端的光 束發散角受光纖束的傳光特性所限,它不同于自發光物體, 而是以光纖數值孔徑角的大小發散光線，因此后置光學系統應設計成物方遠心光學系統，如圖8－26所示。其后置光學系統的孔徑光闌位于物鏡的后焦面上，使其 物方主光線平行于物鏡光軸，才能獲得相匹配的光束銜接。

     若把傳像束的輸入端和輸出端的光學系統連接起來，傳像束的輸入、輸出端面相當于前后二個光學系統的中間像面，其光瞳位置是銜接的，尤如不存在傳像束的二個光 學系統組合一樣。但我們不能完全將其看成是二個光學系統的組合，這是因為二個光學系統的組合，只要考慮光瞳位置的銜接就可以了，而在光纖光學系統中，除考 慮光瞳位置的銜接外，前后光學系統的光瞳大小還必須單獨考慮。例如前方成像系統的像方孔徑角小于傳像束的數值孔徑角時，則后方成像系統的相對孔徑不應以前 方成像系統的像方孔徑角為準，原則上應以傳像束的數值孔徑角為準，這是因為光纖束的傳光特性決定其出射光束以充滿光纖的數值孔徑角出射的，若不滿足上述要 求，則后方成像系統就會限制傳 像束的光能傳輸。

     由實驗知道，光纖束射出的光線雖以充滿數值孔徑角的形式發散，但其光線在整個數值孔徑角內的分布是不均勻的，中心處密，越靠近大孔徑角處光線越疏，即光 能的分布呈高斯函數型。當后方成像系統對光能的要求不高時，只要滿足一定的成像分辨率要求，其后方成像系統的相對孔徑未必一定要和傳像束的數值孔徑相匹 配，適當減小其相對孔徑大小 ，將會給后方成像系統的設計帶來很大益處，若后方成像系統的相對孔徑一定要和傳像束的數值孔徑相匹配時，在光學設計的像差校正中，也應以小相對孔徑部分為 主，因為它占有物像點總能量的大部分。