光纤束传像技术

摘要：本文首先分析了光纤传像方法异于其他传像方法的特点，并结合这些特点，列举了光纤传像在医学、工业、军事领域成功应用的例子，又介绍了光纤传像束的传像原理，并详细列举了光纤传像束的光学性能参数，分析影响传像质量的原因。之后结合主题重点介绍了光纤传像的一个应用——医用纤维内窥镜的功能和结构。最后，介绍了目前传像光纤的两种制作方法——层叠法和酸溶法。

关键词：光纤；传像；纤维内窥镜

Technology of optical fiber image transmission

(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: In this article, we firstly analyzed the characteristics of fiber optic image transmission differ from other method ,combining which, listed some successful cases in medical,industry and military field. And we introduced the principle of fibre optic image transmission.Then catering to the class theme we focused on the medical endoscope .At last,two manufacturing methods of imaging optical fiber are presented.

Key words：fiber optic, image transmission, fiberscope

1. 光纤传像束的特点 

光纤传像束是一种可任意弯曲的传输图像的无源器件。与传统的光学成像器件相比，它具有重量轻、使用自由度大、易实现复杂空间结构的图像传递等优点。由于其优良的传像特性和可任意弯曲的特殊性能，使其被广泛地应用于医学、工业及科研、航天、军事等多种领域。图像可以给人们提供最直接、最丰富的信息，因此近些年来，图像的采集、传输和处理技术在各个领域都有广泛的应用[1] 。 

用来传递图像的方式主要有传统光学系统、光纤传像束、CCD以及新兴的CMOS方法。传统光学系统如显微镜望远镜等的重量和体积均不易减小，所需元器件数量较多，系统结构复杂，且刚性不易弯曲。CCD和CMOS则都是用一种高感光度的半导体材料制成。能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号并借助于计算机的处理手段，来传递和存储图像。但是由于成像过程涉及到光电转换，因而不能在电磁核辐射和高温易腐蚀的场合下工作。 

目前光纤传像束的应用基本都是作为光学内窥镜使用，其主要的应用领域有医学领域、工业领域、军事领域等[2]。医学领域是光纤传像束最早获得应用的舞台。以光纤传像束为关键核心部件制成的医用内窥镜在医疗上的成功应用带来了医疗手段的革命。1868年，喀斯摩(Kussmaul)首先将胃镜用于人体。此后，人们陆续把透镜系统和棱镜系统的硬性或软性内窥镜用于人体的许多部位[3] 。目前，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，医疗诊断光纤内窥镜已成为理想的医学诊断治疗工具。例如，血管内窥镜作为传统的血管造影术的一个极好补充，给对造影术过敏的人群带来了福音；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；用脊髓内窥镜可检查和诊断非感染性严重蛛网膜炎症，还可用于肝脏、肾脏及肌肉的诊断；用胰腺内窥镜可进行胰腺癌和胰腺疾病的早期诊断；用眼内窥镜可治疗视网膜剥离症等等[4] 。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。 

工业光纤内窥镜的应用涉及了化工、电力、汽车、飞机、压力容器、建筑等领域。且在一些恶劣的工业环境下，光纤内窥镜发挥着其不可替代的作用。例如，可采用光纤工业内窥镜监测锅炉火焰燃烧状况，使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；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及查找掉落的物体等方面效果也很明显。此外，光纤内窥镜还可用于检查发动机变速箱、消声器、燃料管的磨损、积碳、堵塞等情况，在汽修行业得到广泛的应用。例如，用内窥镜观察得到发动机清洗前后的图像并进行比较，可以对清洗效果有一个直观的了解。在汽车生产中，采用内窥镜进行无损检测，使每个生产批次的每一台发动机都可以得到检查，从而保证了质量，降低了成本[5] 。

 

图1 光纤传像束在工业上的应用

Fig.1 Image transmission optical fiber applied in industry.

光纤传像束还被应用于军事领域的许多部门。例如军用侦察潜望镜要求能远距离发现目标并分辨目标柔性光纤传像束潜望镜可利用波分复用技术消除光纤传像束的网格现象以及断丝对图像质量的影响，系统分辨率可达到60lp/mm，满足野战部队3km发现车辆、1km内发现人员活动的要求[6]。为适应反恐、反劫持人质等要求，人们研发了光纤传像红点瞄准镜[5] 。图为装备了应用该技术瞄准镜的微声冲锋枪。该瞄准镜将柔性无源光纤传像系统与内视红点瞄准镜(持枪者可视红点，被射击者无法观察)相结合，取代了传统的准星、照门两点一线的机械法瞄准和光学瞄准镜镜内分划的瞄准方式，使射手可以方便的利用墙角、树干、堑壕、高台等地形地物，对目标进行潜望式的隐藏观察和快速的瞄准射击。

 

图2 光纤传像束在军事武器上的应用

Fig.2 Image transmission optical fiber applied in military and military.

为保证社会安定和打击罪犯，公安人员所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有效地检查出封闭腔内的隐藏物，取代了进口产品[7] 。 

2.光纤传像束原理 

2.1光纤导光原理 

导光，是指把外部光源的光导入体内，用于照亮观察部位。光纤是一根极细的玻璃纤维，通常只有几个微米，非常柔软。这种极细的光纤一般是由两层材料做成的，内层称为纤芯，折射率n1较大(约1.8)；外层称为包层，折射率n2较小(约1.5)。两者之间形成一个良好的光学界面。设光纤是粗细均匀的圆柱体，光线以合适的入射角θ从光纤入射端面进入光纤。由于纤芯的折射率较大，光线在纤芯与包层交界面上很容易实现全内反射，并在行进中发生第2次全内反射，经过多次这样的全内反射，光线即可从光纤的一端传至另一端，并以与入射角相同的角度从出射端面射出。为了使进入光纤的光线不会逸出，一般应选择n1>n2，且差值较大的材料来制造光纤[8] 。在实际应用中，柔软的光纤束均可以弯曲，这对光纤束的导光和传像基本上不会产生影响。这一特点，对医学临床应用非常有利。

 

图3 光纤导光原理

Fig3 Light transmission principle of fiber optic.

2.2光纤传像原理 

光纤传像，是由光纤特性和结构所决定的。为了利用光纤束传像，光纤束必须具备以下条件[9] ：

(1)在理想情况下，每根光纤都有良好的光学绝缘。即光纤束中的每一根光纤都能独立传光，不受周围光纤的影响。

(2)多根光纤两端必须是相关排列、一一对应。即每根光纤在出射端和入射端的几何位置的排列应完全一致。

以上条件决定了光纤束把一幅图像从一端传至另一端时，保持图像不变形。例如，入射端图像是由多个像元组成的“┻”形，经传像束传至出射端的图像仍是相同的“┻”形。要做到上万根光纤的一一对应是不容易的，在第四节会介绍传像光纤的制作过程。

 

图4 传像光纤束

Fig.4 Image transmission optical fiber bundle.

另外我们还应知道，光纤束的每根光纤的端面都可看作是一个取样孔，各自携带着一个像元。入射图像可看作是由许多亮度不同的像元所组成，光纤束则可看作由若干个取样孔规则排列的析像器，它按自己排列的规律性，把入射图像分成和取样孔数目相等的像元。像元的大小等于取样的孔径，每根光纤都通过自己的取样孔而独立地传递一个像元。  在理想情光纤束的每况下，光线在光纤出射端的出射角与从光纤入射端的入射角的绝对值相等，其符号由全内反射次数的奇偶而定。奇数次符号为正，偶数次符号为负。这一性质对传递图像十分有用[10] 。

图5 光在光纤中传播的光路

Fig.5 Image transmission optical fiber.

3.光纤传像束的光学性能

     影响传像质量的主要因素被归纳为传像束的光学性能。断丝，暗丝，数值孔径，透过率，分辨率，串像率和端表面形状是表征光纤传像束光学特性的主要特征[1][11] 。

3.1断丝 

断丝的出现在传像束的生产过程中是很难避免的。它主要会导致传输图像不完整和清晰度下降，因此它也是衡量传像束成像质量的重要指标。断丝率的高低主要取决于不同的制作工艺以及其完善程度。目前江苏金陵科技集团公司生产的多种规格的传像束其断丝率均已达到0.2的水平。

3.2暗丝 

暗丝是指当光纤一端输入白光，另一端面光纤丝的亮度发暗或色泽呈灰色橘黄色的现象。这是由于构成光纤的玻璃中含有微量过渡金属杂质和坩埚中游离铂离子，产生严重的吸收损耗使玻璃整体透光性能下降，从而产生了暗丝。另外，由于光纤端面有灰尘或者抛光精度不够而致使光纤端面存在缺陷等原因也可能导致暗丝的出现。

经研究发现为了不使所成图像严重失真，整个器件的断丝暗丝率应低于1.5%

 

图6 传像光纤束中的暗丝

Fig.6 The dark fiber of opitcal fiber bundle.

3.3数值孔径 

光纤传像束的数值孔径即集成它的单根光纤的数值孔径。如图2，光纤的数值孔径为

图7 数值孔径表示了入射光和出射光的最大偏角

Fig7 Numerical aperture(NA) discribes the biggest angle of incident light and emergent light.

它表征了传像束集光能力的大小，同时又反映了输出光的发散程度。与普通的光学透镜相比，光纤的数值孔径大是一个显著的特点。只要选取合适的纤芯材料和包层材料其数值孔径可以达到1。

3.4透过率 

光纤传像束光透射率的大小取决于单根光纤的光透射率和传像束的填充系数[6]。影响单根光纤的光透射率的主要因素有：光纤芯层材料的吸收皮层和芯层界面内壁上的全反射损耗、光纤端面的菲涅耳损耗等。因此，单根光纤的光透射率表达式为:

R为光纤端面的菲涅耳反射系数，L为光纤长度，D为光纤芯层直径，θ和β分别为光纤内入射光线和纤维中心轴的夹角及斜光线的倾角，α为芯皮层界面内壁上的全反射系数，为光纤芯层材料的光吸收系数填充系数，λ指的是有效传光面积和端部总面积之比。  由单根光学纤维制成光纤传像束时有两种可取的排列方式，即正方形排列和六角形排列。理论计算表明六角形排列时传像束的填充系数具有最大值，为3.4642。所以整个光纤传像束的透过率可近似表示为T=K*t。

3.5分辨率 

分辨率也是评价光纤传像束传递图像能力的一个重要参数。它定义为在单位长度内观察同样宽度的黑白对线时所能鉴别出的最多对数。常用每毫米内所能分辩的线对数来表征，单位是。光纤传像束的分辨率与单丝直径，单丝间的排列方式及光纤的光绝缘度有关。单丝直径越细，单根光纤的绝缘度越好分辨率就越高。根据模型理论，对于紧密六角形排列光纤传像束的极限分辨率为。其中为光纤的单丝直径。

 

图8 测量传像光纤束的分辨率

Fig.8 Measurement of the definition of optical fiber bundle.

3.6串像率 

串像率是指从相邻光纤输出的光强与从被激光纤和相邻光纤两者输出的总光强之比。串像率不仅随芯玻璃和涂层材料的不同而各异，而且与相邻光纤间的中心距成反比关系。利用视频系统测量出的串像率R为  式中和分别是从被激芯光纤出射的光强和从相邻芯光纤出射的光强，是从相邻芯光纤和涂层中出射的光强，是相机的探测时间参量。图4表示了光纤传像束的串像现象。

图9 串像前后光强对比

Fig.9 Comparison between normal and cross-image optical fiber.

3.7.端面面型 

传像束端表面粗糙度和端面面型也与传递图像的质量密切相关。表面粗糙度直接影响光进入光纤时的反射和散射损失，从而影响整个器件的数值孔径和透过率。端面面形对传像性能的影响主要表现为像束端面垂直度对传像束所在的整个光学成像系统的影响。当端面存在垂直度偏差时，随着像束端面垂直度总误差的增大，出射端面的叠加光通量分布的最大值将降低，并向最大孔径角方向偏移端面垂直度误差的存在加大了它与其它光学器件的耦合难度，对系统的整体透过率造成一定影响。

4. 光纤内窥镜的光学系统和结构

光纤内窥镜，简称内镜或纤镜。医用和工业用光学内窥镜，其光学系统通常都由照明系统、观察系统和照相记录系统等部分组成[12] 。 

(1)照明系统主要有光源、导光束、凹透镜等部分。外部光源发出的光经导光束传至内窥镜先端部的一个凹透镜上，经凹透镜发散，以获得更宽广的照明视场。

(2)观察系统主要有直角屋脊棱镜、成像物镜、传像束、目镜等部分。成像光线进入观察系统，首先经直角屋脊棱镜将光线作90°转向后射至成像物镜，并由该物镜成像在传像束的一个端面上，再经光纤束传到其另一端，从目镜后即可看到清晰的物像。

(3)作照相记录时，上述观察系统中的目镜则起到照相机镜头(即照相机物镜)作用。当调整好焦距，按下照相机快门按钮，即可将像记录在照相底片上。  现以胃镜为例，来说明医用光纤内窥镜的结构。胃镜的结构主要包括先端部、弯角部、导像管、导光管、导光管接头和操作部等部分。 

(1)先端部。先端部是最先插入体腔的部分，长约31mm，直径约13mm。其上设有导光窗口、观察窗口、吸引口、送气送水喷出孔，以及为增大照明视场而设置的凹透镜、用于成像的棱镜和成像物镜等。先端部是光纤内窥镜的一个关键部件。 

(2)弯角部。起到连接先端部和导像束的作用。弯角部可以作大角度弯曲，且弯曲灵活。

(3)导像管。管内有导像束、送气送水管道、吸引管等。 

(4)导光管。该管内有导光束和各种电缆，结构与导像管相似。 

(5)导光管接头。其一端与冷光源连接，一般还装有水瓶连接嘴、光束罩和吸引嘴，以及作高频手术的镜子等部件。 

(6)操作部。是内窥镜的控制和观察中心，上面装有方向调节钮、紧固钮，送气送水按钮，吸引按钮，活检钳调节钮，以及目镜和照相、摄像系统等。

 

图10 胃镜插入管的组成结构

Fig. 10 Composition of gastroscope tube.

另外，有的医用内窥镜还有附加的“工具通道”[13] ,用作药物处理、抽吸气体和冲洗之用,还可以用作传入小的可折叠的诊断和治疗工具,如镊子、钳子、剪刀、刷子等。先端的物镜通过导像束传送被摄物的图像，用目镜进行放大观察。传统纤镜前端的物镜是薄凸透镜。用自聚焦透镜替换纤镜中的薄凸透镜成像，为进一步缩小镜体外径提供可能。而且可以实现传光光纤均匀排列在传像系统周围，使“传光”、“传像”通道并为一个通道。

 

图11 先端的物镜通过导像束传送被摄物的图像，用目镜进行放大观察.

Fig. 11 Image transmission bundle transmit the image captured by front objective lens to ocular lens,it will  be zoomed there for observing.

5. 光纤传像束的制作工艺 

     传像光纤束的技术关键是要将每一根光纤按顺序排列，这样才能够将一端的图像正确地传到另一端。要使极细的的光纤排好顺序并非易的事。圆形的光纤排列起来后，光纤之间会有很多空隙，这就意味着会损失一些图像信息，所以人们要努力使光纤做得细一些，同时还在研究拉制方形或棱形光纤。目前来看，光纤传像束较成熟的制作方法主要有两种——层叠法与酸溶法[14] 。

 

图12 有序排列的光纤束能正确地传输图像	图13 还未完成端部封装的光纤束
Fig. 12 Ordered arrangement fiber bundle can correctly transmit image.	Fig. 13 Optical fiber bundles with their ends to be processed.

5.1层叠法制作工艺 

    先将卷丝筒上的单纤维退到排丝筒上，排丝筒上安装着一个或几个专用排线模板，可使单纤维自动紧密排成纤维带。每片纤维带含有几百根单纤维，在排列整齐的部分涂上薄薄的一层胶合剂后，即可松脱排丝筒，取下纤维。根椐像束直径的大小，计算出所需纤维带的数量，将几百片纤维带涂有胶合剂的部分叠积整齐后放入夹具，加热、加压，使其充分固化为一整体。在叠积时，必须采用同一种卷绕方向的纤维带，否则，图像就会出现锯齿形失真[15] 。这种方法工艺复杂、成本高、像束直径只能做到左右，再细就比较困难了。

5.2酸溶法制作工艺 

    把经过清洗处理后具有一定长度的双包层单根光纤相互紧密地排列在一起，将两端紧固，放在专用拉丝设备上，从一端加热拉制成复合丝这时复合丝。内单根光纤的酸溶玻璃熔结在一起，成为硬质像束，把硬质像束截成所需要的长度，两端用耐酸材料保护好，浸泡在一定浓度的酸溶液中。经过一定时间，由于酸的作用使未经保护的中间部分的酸溶玻璃溶解掉，成为一根根离散柔软可弯曲的酸溶法光纤传像束。然后装上护套和金属端头，经过研磨抛光就制成了可以使用的光纤传像束[16] 。

酸溶法是当今世界制造高性能柔性光纤传像束最先进的工艺方法。这种方法具有单丝直径细分辨率高、柔性好、使用寿命长等优点[17] 。目前，国际上只有日本、俄罗斯的光纤传像束酸溶法生产技术比较成熟，尤其是日本奥林巴斯公司生产的高性能柔性传像束，其产品性能（单丝直径为6~10μm）居国际领先地位。目前，国内由广州光导纤维厂和华东理工大学联合研制的酸溶法光纤传像束以及由长春理工大学课题组研制的高性能柔性传像束均已达到国际先进水平。

6 结论 

光纤传像束分辨率受其微光纤直径的影响，且景深比较小，如果微光纤发生断裂，则输出会存在盲点。但是它可以随意弯曲，耐久且柔韧性好，传输图像质量高，机械耐久性高，化学稳定性高，光学传输性能卓越，能将色彩重现，可定制较长长度的光纤，因此具有非常广泛的应用前景。随着光纤传像束的不断完善，它将在非通信光纤中占有越来越重要的地位。

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