阶跃型光纤光学系统的概述

2011-01-27

                                              阶跃型光纤光学系统的概述

    光学纤维（以下简称光纤）由于其具有传光、传像和传输其它光信号的功能，因此在医学、工业、国防和通讯事业等方面得到了广泛应用。光纤根据其传光特性又分为二种，一种是阶跃型折射率光纤，即光纤的内芯和外包皮分别为折射率不同的均匀透明介质，因此光线在阶跃型光纤内的传输是以全反射和直线传播的方式进行。另一种是梯度折射率光纤，即光纤的中心到边缘折射率呈梯度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。本节主要介绍阶跃型光纤的特性及其光学系统。

     由于光纤束具有传光和传像特性，因此作为传光和传像的光学元件，在许多光学系统中得到了广泛应用。例如内窥镜光学系统、光纤高速摄影系统、光纤全息内窥镜系统、光纤潜望系统等。下面来介绍传像光纤束光学系统的特性和设计要求。

     传像光纤束的功能是传输图像，因此必须有一幅图像输入到传像束的输入端面。在一般的光纤系统中，担任这一任务的是成像物镜，它可把不同大小和距离的物体成像 在传像束的输入端面。对物镜光轴上的像点A'来说，其成像光束的立体角相对光轴是对称的，而对轴外像点B'来说，其成像光束的立体角是相对主光线对称的。 轴上像点A'的光束正入射在传像束的输入端面上，而轴外像点B'的光束是斜入射在传像束的输入端面上，当物镜L的像方孔径角u'和光纤的数值孔径角相等 时，轴上像点A'的光束能全部进入传像束中传输，而轴外像点B'的光束，由于其主光线与传像束的输入端法线成一夹角 （视 场角），使得光束的一部分下光线的入射角大于传像束的数值孔径角，而使其不能通过传像束，相当于几何光学中栏光作用。而且随着物镜视场角的增大，像点B' 的栏光增多，使得传像束输出图像的边缘变得较暗，这是光纤光学系统所不能允许的。为了克服上述缺陷，光纤光学系统的成像物镜应设计成像方远心系统。由于像 方远心系统的孔径光阑位于物镜L的前焦面处，使得物镜的像方主光线平行于物镜光轴，轴外像点B'的光束与轴上像点A'一样，正入射在传像束的输入端面，使 得轴外像点不存在拦光现像，可获得与输入图像光强分布近乎一致的输出图像。

      为了观察传像束的输出图像，在传像束的输出端面之后需连接目镜或光电图像转换器件，因此对传像束的后置光学系统也应有一定的要求。这是因为传像束输出端的光 束发散角受光纤束的传光特性所限,它不同于自发光物体, 而是以光纤数值孔径角的大小发散光线，因此后置光学系统应设计成物方远心光学系统，如图8－26所示。其后置光学系统的孔径光阑位于物镜的后焦面上，使其 物方主光线平行于物镜光轴，才能获得相匹配的光束衔接。

     若把传像束的输入端和输出端的光学系统连接起来，传像束的输入、输出端面相当于前后二个光学系统的中间像面，其光瞳位置是衔接的，尤如不存在传像束的二个光 学系统组合一样。但我们不能完全将其看成是二个光学系统的组合，这是因为二个光学系统的组合，只要考虑光瞳位置的衔接就可以了，而在光纤光学系统中，除考 虑光瞳位置的衔接外，前后光学系统的光瞳大小还必须单独考虑。例如前方成像系统的像方孔径角小于传像束的数值孔径角时，则后方成像系统的相对孔径不应以前 方成像系统的像方孔径角为准，原则上应以传像束的数值孔径角为准，这是因为光纤束的传光特性决定其出射光束以充满光纤的数值孔径角出射的，若不满足上述要 求，则后方成像系统就会限制传 像束的光能传输。

     由实验知道，光纤束射出的光线虽以充满数值孔径角的形式发散，但其光线在整个数值孔径角内的分布是不均匀的，中心处密，越靠近大孔径角处光线越疏，即光 能的分布呈高斯函数型。当后方成像系统对光能的要求不高时，只要满足一定的成像分辨率要求，其后方成像系统的相对孔径未必一定要和传像束的数值孔径相匹 配，适当减小其相对孔径大小 ，将会给后方成像系统的设计带来很大益处，若后方成像系统的相对孔径一定要和传像束的数值孔径相匹配时，在光学设计的像差校正中，也应以小相对孔径部分为 主，因为它占有物像点总能量的大部分。