纖維光錐像畸變形成機理分析

王久旺 周游 王云

（中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

1 引言

自1966年“光纖之父”高錕首次提出用玻璃作為光波導用于通訊的理論，使得玻璃的發(fā)展突飛猛進。光纖通過光在芯皮玻璃間的全反射，實現(xiàn)信息的傳遞。其運用主要分為兩方面：一是光纖光纜，廣泛運用于電話、有線及網(wǎng)絡等通訊行業(yè)；二是光纖傳像元件，其利用光纖點對點傳像的特點，將二維陣列的光纖束熔壓后得到具有不需任何轉(zhuǎn)換直接便可傳遞圖像的光纖器件，利用這種原理制成的光纖元件具有光學零厚度、集光性好、高分辨率、高耦合效率等特性，其廣泛應用于國防、航空航天、核探測、醫(yī)療、民用顯示、信號識別等領域[1]。

光纖傳像元件是實現(xiàn)端對端圖像傳遞的理想器件，常與對象直接耦合，用于緊貼式傳像系統(tǒng)，用光纖器件耦合具有著耦合效率高、結構緊湊、體積小、可靠性高等優(yōu)勢。纖維光錐因其本身成錐形結構特性，可以提供一種放大或縮小、無畸變的圖像傳輸，具有比透鏡組更緊湊的結構與圖像傳輸穩(wěn)定性，同時便于與電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）進行耦合[2]，提高圖像采集的質(zhì)量，被廣泛應用于圖像采集、醫(yī)療或核放射信號探測、微光夜視中像增強等多個科研領域。纖維光錐與CCD耦合如圖1所示。其工作原理是：微弱光信號經(jīng)過窗口進入，在光電陰極上光子轉(zhuǎn)化為電子，電子經(jīng)過加速電壓進入微通道板，在微通道板中進行雪崩式倍增后，再經(jīng)加速電壓轟擊在熒光屏上，此時電子轉(zhuǎn)化為光子，得到增強像。再經(jīng)光錐傳輸至CCD，得到圖像電子信號。

圖1 纖維光錐與CCD耦合圖

纖維光錐傳遞圖像質(zhì)量的高低由單元絲性能及密排結構所決定，單元絲本身材料特性所影響的光錐性能特征有數(shù)值孔徑、分辨率、透過率、對比度、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性等。由制備工藝所影響的光錐質(zhì)量有暗斑、雞絲、剪切畸變、蛇形畸變、角度畸變、像位移、放大率、真空氣密性等，以及由拉制過程所產(chǎn)生的固有缺陷桶形畸變和枕形畸變[3]。除了上述固有缺陷外，光錐基本性能及質(zhì)量可通過控制材料性質(zhì)及工藝得以有效改進。固有缺陷桶形畸變和枕形畸變是纖維光錐拉制過程中不可避免的，畸變會導致傳遞圖像的變形失真。為了降低桶形畸變、枕形畸變對纖維光錐傳像質(zhì)量的影響，提高光錐產(chǎn)品合格率，本文剖析了桶形畸變、枕形畸變在光錐拉制過程中生產(chǎn)機理，分析了影響畸變的相關因素，提出了減少畸變的若干措施，對高性能高質(zhì)量纖維光錐的制備具有實際指導作用。

2 光錐傳像及性能

2.1 光錐的制備

目前纖維光錐作為光纖傳像器件中的重要一種，其制備工藝如下：芯皮玻璃棒管匹配結合；在一定溫度下拉制單絲；單絲密排后，再拉制成一次復絲；一次復絲再次密排后，拉制成二次復絲；對二次復絲精確排板，經(jīng)熱熔壓形成光纖坯板。坯板經(jīng)局部加熱拉伸后，形成啞鈴狀的一對錐體，再經(jīng)光學冷加工處理得到兩只相同規(guī)格纖維光錐。在熱加工拉伸過程可根據(jù)實際需要對加熱溫度，拉力，以及加熱帶寬度等進行調(diào)整，最終得到多種型號規(guī)格的光錐。如圖2所示。

圖2 各型號光錐示意圖

2.2 光錐傳像原理

光錐與CCD攝像耦合技術，能大幅度減小攝像裝置的重量和體積，是充分挖掘光纖器件在成像系統(tǒng)中分辨率的關鍵技術。纖維光錐是二維光纖束陣列熔壓而成，其端面是由大量的光纖絲端面組合而成，兩個端面平行而大小不一，但傳像單元數(shù)量是一致的，當端面緊貼于像面時，物像會被光纖絲分解為一個個像元，每一個像元會經(jīng)過對應的光纖絲單獨傳像到另一端，重新合成新的圖像，圖像也隨著兩端面尺寸比例縮小或放大，從而實現(xiàn)了圖像的縮放傳輸。如圖3所示，若大端直徑為小端直徑的n倍，則大端單元絲徑為小端絲徑的n倍，同樣圖像也會放大n倍，但同樣會導致分辨率降低，小端分辨率是大端的n倍。采用光錐與CCD耦合，對比透鏡系統(tǒng)相機，在達相同的分辨率時，它可以使得焦距大大縮小，同時體積和重量顯著減少。

圖3 光錐示意圖

2.3 光錐性能

光錐作為傳像系統(tǒng)的重要元件，其性能直接影響系統(tǒng)成像質(zhì)量，因此對光錐的性能設計及生產(chǎn)工藝的控制十分嚴格，其性能指標主要有以下幾點[4]。

2）分辨率：表征光學系統(tǒng)對傳遞圖像細節(jié)的分辨能力，用單位長度內(nèi)最高可分辨的黑白線對數(shù)來表示，單位為lp/mm（線對/毫米）。

3）透過率：指出射光通量與入射光通量之比，表征光錐透光性能的物理量。

4）對比度：反應單元絲傳像質(zhì)量的好壞。從芯玻璃入射而滿足全反射條件的光為有效光，其余的端面菲涅爾反射損失、皮層玻璃的全反射損失、芯玻璃的吸收損失等因素均會影響圖像的對比度。通常為了提高對比度會在單元絲之間插入一定數(shù)量的黑絲以吸收雜散光，避免其對傳像質(zhì)量產(chǎn)生影響。

除了上述性能指標外，光錐的暗斑、雞絲、剪切畸變、蛇形畸變以及像位移等缺陷均可以通過工藝的控制得到有效的改善。

光錐的固有畸變?nèi)毕輰D像質(zhì)量影響較大，在信息化高速發(fā)展的今天，對其傳像畸變指標要求也更高。這些固有缺陷會直接導致圖像的變形失真，這是當前所需面對的問題，固有缺陷存在形式主要分為以下兩種：1.桶形畸變；2.枕形畸變。如圖4所示，分別為纖維光錐傳遞網(wǎng)格圖像時的理想狀態(tài)、桶形畸變、枕形畸變下所成圖像。

圖4 光錐圖像傳遞示意圖

3 畸變的測量

3.1 畸變測試原理

光錐的畸變主要通過投影儀進行測量，將帶有刻度的分劃板固定于投影測量臺上，再將潔凈光錐小端面緊貼分劃板。根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量性能要求，讀取相關長度尺寸與實際尺寸的差值，從而計算出對應的畸變大小，如圖5所示，1）桶形畸變測量：要求測試的長度尺寸L，及所對應的最大變形量的畸變尺寸a，即桶形畸變值為a/L×100%；2）枕形畸變測量：要求測試的長度尺寸L，及所對應的最大變形量的畸變尺寸b，即枕形畸變值為b/L×100%。兩者大小一般要求在2%以內(nèi)。

3.2 樣品畸變測試

本文選取了兩只具有代表性的光錐進行相關數(shù)據(jù)采集。兩只樣品小端面直徑均為26mm，放大率分別為1.55、2.0。通過測量，得到了以光錐端面中心為原點，直徑為26 mm區(qū)域內(nèi)，X、Y軸向上各點處的放大率，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)中間區(qū)域放大率值較為平穩(wěn)，在半徑大于10 mm的邊緣區(qū)域放大率明顯逐漸增大，放大率值是大端絲徑與小端絲徑之比，在光錐加工過程中大端絲徑不變，因此區(qū)域放大率越大，該處小端絲徑越小。表明在光錐拉伸過程中，小端邊緣區(qū)域受拉變形逐漸增大，使得邊緣區(qū)域絲徑較中心區(qū)域絲徑小。

圖5 光錐畸變值測量

圖6 放大率變化趨勢圖

為了進一步驗證上述結論，本文通過在原子力顯微鏡下，800倍放大觀察小端面單元絲的變化，對小端平面X軸向上，由中心0mm到邊緣13mm，每間隔1mm處取點，80-100根單絲面積，對絲徑大小進行了測量，并對所取點絲徑進行平均計算，得出如圖7所示平均絲徑變化圖，本系列光錐單絲直徑約為6 μm，因此對于放大率為2.0的光錐其小端絲徑的理論值約為3 μm。從圖中可以得到中心區(qū)域絲徑保存一致，隨后半徑開始逐漸增大，圖6中其所對應區(qū)域的放大率逐漸減小。在邊緣處絲徑又開始逐漸變小，圖6中所對應區(qū)域的放大率逐漸增大。結果和放大率與絲徑呈反比的規(guī)律保持一致。

4 光錐畸變產(chǎn)生機理及影響因素分析

光錐的拉伸制備方式為；將熱壓形成的六方毛坯板，滾成圓柱體坯板，將坯板裝卡于拉機器拉桿上，經(jīng)窄高溫加熱爐對坯板中部進行加熱，同時兩端施加向外拉力，待坯板中部軟化后，在拉力作用下坯板中部被逐漸拉長變細，最終形成啞鈴狀的一對錐體，然后根據(jù)圖紙尺寸要求，進行端面和外形加工，制備出符合要求的光錐。

圖7 單絲直徑變化趨勢圖

光錐的制備過程中，當對圓柱毛坯中間部分加熱時，爐膛對圓柱毛坯輻射加熱，通常坯板徑向中心絲溫度較邊緣絲的溫度低，使得中間部分的絲較邊緣絲的粘度大，因此在向外拉制過程中，造成中間部分的絲與邊緣絲的變形量不一致，進而影響到圖像的傳輸效果，使圖像輸出后形成桶形或枕形畸變，造成信號失真，并發(fā)現(xiàn)，在同規(guī)格光錐中，放大率越大、直徑越大、錐角越大，像畸變越嚴重。

5 結語

通過本文上述分析，在目前的光錐拉伸式生產(chǎn)制備工藝下，其固有的桶形和枕形畸變是不可避免的，但通過對拉伸制備過程爐溫、高溫區(qū)寬度以及分步變溫拉伸等工藝參數(shù)的調(diào)整，使坯板變形更加線性化，可最大限度降低畸變。

近年來，纖維光錐在緊貼傳像應用領域突飛猛進，耦合效率和成像質(zhì)量等關鍵性能不斷提高，其在國防、航天、醫(yī)療、探測、生物識別和科學研究等領域的應用不斷拓展。在總院科研人的努力下，光錐生產(chǎn)和技術的不斷提高，并研發(fā)出了方絲光錐與短錐比光錐，將提高總院拓展國際市場的能力及影響力。