光纖耦合與透鏡耦合的光傳輸效率比較

林玉峰，劉冰川

福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建 福州 350025

光纖耦合與透鏡耦合的光傳輸效率比較

林玉峰a，劉冰川b

福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建 福州 350025

目的 比較光纖耦合與透鏡耦合技術(shù)的光傳輸效率，以了解其在透射電鏡成像裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用特點(diǎn)。方法 用兩個(gè)相同型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)分別以光纖耦合和透鏡耦合技術(shù)拍攝相同視野、相同照度的物面，計(jì)算圖像像素的平均值，以相同輸出（像素的平均值）所需要的曝光時(shí)間來衡量他們的光傳輸效率。結(jié)果 光圈F/4的透鏡耦合裝置拍攝照度為37.8 lux的均勻物面，曝光時(shí)間為240 ms時(shí)所得圖像像素的平均值為19623；而相同的曝光量（像素平均值）條件下，光纖耦合裝置的曝光時(shí)間為15.49 ms。結(jié)論 圖像像素的平均值為19623時(shí)，光纖耦合的光傳輸效率更高，約為光圈F/4的透鏡耦合的15.49倍。

光纖耦合；透鏡耦合；光傳輸效率；圖像像素

0 前言

按光學(xué)圖像耦合方式的不同，透射電鏡數(shù)字成像裝置主要分為透鏡耦合和光纖耦合兩種類型[1]。雖然Gatan公司和Direct Electron公司都推出了具有高速動(dòng)態(tài)成像功能的基于直接電子探測(cè)（Direct Eletron Detection，DED）的透射電鏡數(shù)字成像產(chǎn)品，但透鏡耦合和光纖耦合裝置依然占絕對(duì)主流。

筆者自2006年起開始研制透射電鏡數(shù)字成像裝置[2-4]，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：AMT和Tvips公司分別只有透鏡耦合型和光纖耦合型產(chǎn)品；OSIS公司的側(cè)裝型產(chǎn)品只有透鏡耦合型，底裝型產(chǎn)品只有光纖耦合型；Gatan公司的側(cè)裝型產(chǎn)品既有透鏡耦合型也有光纖耦合型。調(diào)查結(jié)果說明，透鏡耦合和光纖耦合兩種技術(shù)均可應(yīng) 用于底裝以及側(cè)裝，但有較大區(qū)別。因此，通過研究透鏡耦合和光纖耦合的主要性能參數(shù)，有利于在透射電鏡數(shù)字成像裝置的研制中更好地利用其優(yōu)勢(shì)。

王耀祥[5]、王宇華[6]等對(duì)光纖器件與電荷耦合器件（CCD）耦合的光傳輸效率進(jìn)行了研究并得到了計(jì)算表達(dá)式，可為光傳輸效率的理解提供有價(jià)值的信息，但由于計(jì)算公式涉及的有些變量是對(duì)實(shí)際情況的抽象，很難測(cè)量等因素，特定光纖器件與CCD耦合的光傳輸效率的具體計(jì)算仍然比較困難。王耀祥[7]等又計(jì)算并測(cè)試了一些光錐與CCD耦合的光傳輸效率，發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)際測(cè)試值的差別很大，如錐度比（大端直徑/小端直徑）為2:1的光錐從大端向小端傳輸?shù)耐高^率理論值為14.1%，實(shí)測(cè)值為24.6%；而高應(yīng)俊[8]等測(cè)得的錐度比為2:1的光錐從大端向小端傳輸?shù)耐高^率為72.6%。很明顯，對(duì)于光傳輸效率，理論值和實(shí)際值、不同作者所測(cè)值之間的差別很大[9-10]。

由此可以看出，光纖器件的光傳輸效率受多種因素影響，很難計(jì)算，而錐度比（光錐大端直徑/小端直徑）是影響光傳輸效率的最直接因素：對(duì)于從光錐大端向小端的傳輸，光傳輸效率與錐度比的平方成反比[5]。在文獻(xiàn)[10]給出的透鏡光傳輸效率計(jì)算公式中，圖像放大倍數(shù)（物的大小/像的大?。┰酱?，光傳輸效率越低，其他參數(shù)與透鏡的設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝等有關(guān)，光傳輸效率同樣難以計(jì)算。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 成像裝置

光纖耦合成像裝置：包括天文數(shù)碼相機(jī)（QHY8）以及由絲徑6 μm的傳像光纖拉制而成的錐度比為1.96:1的光錐（大端面60 mm，山西長(zhǎng)城微光器材股份有限公司生產(chǎn)），在百級(jí)超凈環(huán)境下用機(jī)械方式切除天文數(shù)碼相機(jī)CCD的保護(hù)玻璃，再用光學(xué)膠把光錐耦合到CCD上。透鏡耦合成像裝置：包括天文數(shù)碼相機(jī)（QHY8）以及攝影鏡頭（AF Micro-Nikkor 60 mm F/2.8D，日本尼康公司生產(chǎn)），二者通過轉(zhuǎn)接環(huán)連接。透鏡耦合成像裝置及光纖耦合成像裝置結(jié)構(gòu)圖，見圖1。透鏡耦合成像裝置利用透鏡對(duì)光線的折射把物體發(fā)出的光線聚焦到CCD上，光線利用率低；光纖耦合成像裝置利用光纖對(duì)光線的全反射把物體發(fā)出的光線傳輸?shù)紺CD上，光線利用率高。

圖1 透鏡耦合及光纖耦合成像裝置結(jié)構(gòu)圖（左側(cè)為透鏡耦合成像裝置，右側(cè)為光纖耦合成像裝置）。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和測(cè)試方法

（1）實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)普通光照條件，使用數(shù)字式照度計(jì)（泰仕TES-1332A，中國(guó)臺(tái)灣）測(cè)量成像水平面的照度為138.4 lux，環(huán)境溫度為24℃。兩臺(tái)天文數(shù)碼相機(jī)的致冷模塊都不工作，其他設(shè)置為：Gain=30、Offset=80。

（2）測(cè)試方法：將SMPTE 133-1991測(cè)試圖以4×6格式縮小打印在250 mm×350 mm膠片上，剪裁下來作成像物面，用于對(duì)焦和視野的確定；將白色打印紙作為均勻發(fā)光物面用于透過率的有關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)拍攝時(shí)，膠片和打印紙都水平放置在同一水平面上，成像裝置從他們的正下方進(jìn)行拍攝。在成像裝置輸入輸出響應(yīng)線性最好的區(qū)域，以光纖耦合和透鏡耦合成像裝置獲得相同輸出（像素的平均值）時(shí)所需要的曝光時(shí)間來衡量他們的光傳輸效率。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）用光纖耦合成像裝置拍攝膠片，確定成像視野見圖2左圖；仔細(xì)調(diào)焦并調(diào)整透鏡耦合成像裝置的物距，使其視野與光纖耦合成像裝置盡量一致，見圖2右圖，此時(shí)透鏡耦合成像裝置的物像比為2.08:1。

（2）用透鏡耦合成像裝置以不同的曝光量拍攝打印紙，尋找合適的大致曝光條件；確定曝光時(shí)間為300 ms，此時(shí)打印紙物面照度為37.8 lux，從光圈數(shù)F/2.8開始，間隔1檔曝光量依次曝光，記錄圖像像素的平均值。

（3）分別固定光圈為F/2.8、F/4和F/5.6，自15 ms起，隨每增加1檔曝光量依次曝光，記錄圖像像素的平均值。

（4）在透鏡耦合成像裝置線性響應(yīng)范圍的中部，選擇合適曝光條件下的圖像像素平均值，用光纖耦合成像裝置拍攝打印紙，記錄達(dá)到此平均值所需的曝光時(shí)間。

（5）比較相同曝光量（像素平均值）條件下透鏡耦合與光纖耦合成像裝置的拍攝時(shí)間。

2 結(jié)果

2.1 光纖耦合和透鏡耦合的圖像結(jié)果

圖2是光纖耦合和透鏡耦合（F/4）成像裝置在其他相同條件下按各自最合適的曝光量所拍攝的質(zhì)量最好的圖像。圖2左圖為光纖耦合技術(shù)所得圖像，右圖為光圈F/4的透鏡耦合技術(shù)所得圖像。可以看出，左圖的灰階分辨率、圖像清晰度都比右圖略差，還存在較明顯的幾何失真。

圖2 光纖耦合和透鏡（F/4）耦合成像裝置所得圖像（左圖為光纖耦合技術(shù)所得圖像，右圖為光圈F/4的透鏡耦合技術(shù)所得圖像）。

2.2 不同曝光條件下透鏡耦合的圖像像素的平均值

透鏡耦合成像裝置在不同曝光條件下所拍攝圖像像素的平均值，見表1～4。

表1 不同光圈下像素的平均值（曝光時(shí)間300 ms）

表2 不同曝光時(shí)間下像素的平均值（光圈數(shù)F/2.8）

表3 不同曝光時(shí)間下像素的平均值（光圈數(shù)F/4）

表4 不同曝光時(shí)間下像素的平均值（光圈數(shù)F/5.6）

2.3 光纖耦合和透鏡耦合圖像像素平均值及曝光時(shí)間的比較

光纖耦合和透鏡耦合圖像像素平均值及曝光時(shí)間的比較，見表5～6。

表5 不同曝光條件下透鏡耦合與光纖耦合圖像像素平均值的比較

表6 相同曝光量下透鏡耦合與光纖耦合曝光時(shí)間的比較

3 討論和結(jié)論

3.1 基于CCD技術(shù)的相機(jī)的成像特性

一般認(rèn)為CCD的輸入輸出關(guān)系線性良好，本實(shí)驗(yàn)以圖像像素的平均值作為輸出，由表1～表6可以看出：實(shí)驗(yàn)所采用的天文數(shù)碼相機(jī)（QHY8）的輸入輸出并沒有呈現(xiàn)理想的線性關(guān)系，這可能是因?yàn)閳D像像素值并不是傳感器的像素單元對(duì)輸入信號(hào)的原始直接反應(yīng)，而是在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上受Gain、Offset等設(shè)置影響后的一個(gè)綜合結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)采用線性最好區(qū)域的中段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以盡量符合實(shí)際。

3.2 光纖耦合與透鏡耦合的圖像質(zhì)量和光傳輸效率

透鏡耦合技術(shù)的成像質(zhì)量與透鏡光圈大小關(guān)系密切。本實(shí)驗(yàn)中透鏡耦合技術(shù)在光圈為F/4時(shí)得到了較理想的圖像質(zhì)量，因此本實(shí)驗(yàn)以光圈為F/4的透鏡的數(shù)據(jù)與光纖耦合技術(shù)（物像比2:1）進(jìn)行比較。由圖2可知，光纖耦合技術(shù)所得圖像在清晰度、對(duì)比度和幾何失真等方面都略遜于光圈F/4的透鏡耦合技術(shù)所得圖像；另外，在光纖耦合技術(shù)所得圖像的亮度70%～90%的區(qū)域可以明顯看到邊長(zhǎng)約660 μm的正六角形網(wǎng)格，這與孔德鵬[11]等指出的熔界面相同，會(huì)影響圖像質(zhì)量。由表6可知，在曝光量（像素平均值）相同的條件下，光圈為F/4的透鏡耦合的曝光時(shí)間是光纖耦合技術(shù)的15.49倍。而理論上，物像比2:1時(shí)，光纖耦合的光傳輸效率是透鏡耦合的119倍[9-10]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值差別巨大（119/15.49=7.68倍），應(yīng)該不是一般的實(shí)驗(yàn)或計(jì)算誤差所致，其原因尚待進(jìn)一步研究探討。

3.3 光纖耦合和透鏡耦合技術(shù)在透射電鏡成像裝置中的應(yīng)用

透射電鏡成像裝置按位置不同一般分為側(cè)裝和底裝兩類，底裝部位（膠片曝光位置以下）的放大倍數(shù)一般為側(cè)裝部位的3倍以上，即側(cè)裝部位的電子圖像密度是底裝部位的9倍以上。光纖耦合技術(shù)應(yīng)用于底裝型裝置在靈敏度上有明顯優(yōu)勢(shì)；而對(duì)于側(cè)裝型裝置，由于其電子圖像密度高，則選擇透鏡耦合技術(shù)較好。

[1] 劉冰川,曲利娟,劉慶宏.透射電子顯微鏡成像方式綜述[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007,22(9):43-46．

[2] 劉冰川,曲利娟,劉慶宏,等.透射電子顯微鏡數(shù)字成像系統(tǒng)的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007,28(10):12-13.

[3] 劉冰川,余英豪,曲利娟,等.一種透射電鏡成像裝置的大視野設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(12):47-49.

[4] 劉冰川,陳自謙,余英豪,等.透射電鏡數(shù)字成像系列裝置的設(shè)計(jì)[J].電子顯微學(xué)報(bào),2013,32(5):410-415.

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[10] Liu H,Karellas A,Harris LJ,et al.Methods to calculate the lens effi ciency in optically coupled CCD x-ray imaging systems[J]. Med Phys,1994,21(7):1193-1195．

[11] 孔德鵬,王麗莉.傳像光纖、光纖面板及光錐制造新方法探索[J].光子學(xué)報(bào),2009,38(11):2913-2916.

Comparison of Light Transmission Effi ciency Between Fiber Optic Coupling and Lens Coupling

LIN Yu-fenga, LIU Bing-chuanb
a.Department of Medical Engineering; b.Department of Medical Imaging, Fuzhou General Hospital, Fuzhou Fujian 350025, China

Objective Comparing the light transmission effi ciency between fi ber optic coupling and lens coupling to understand their application characteristics in the design of imaging device for transmission electron microscope. Methods One digital camera which had integrated fi ber optic coupling technology and another digital camera which had integrated lens coupling technology were used in shooting an object plane with the same visual field and luminance. Then the average pixel values of the images obtained through fi ber optic coupling technology and lens coupling technology were calculated. Based on the condition of the same average pixel value of the images, the exposure time of fi ber optic coupling technology and that of lens coupling technology were compared to evaluate their light transmission effi ciencies. Results When the average pixel value of the images obtained though the two technologies with the object plane luminance of 37.8 lux is 19623, the exposure time of lens coupling device with F/4 diaphragm is 240 ms while that of fi ber optic coupling device is 15.49 ms. Conclusion When the average pixel value of the images is 19623, the light transmission effi ciency of fi ber optic coupling technology is higher, which is 15.49 times as high as that of lens coupling technology.

fi ber optic coupling; lens coupling; light transmission effi ciency; image pixel value

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.010

1674-1633(2015)01-0037-03

2014-09-15

2014-10-30

作者郵箱：xtrans2@163.com