纤维光锥像畸变形成机理分析

王久旺 周游 王云

（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

1 引言

自1966年“光纤之父”高锟首次提出用玻璃作为光波导用于通讯的理论，使得玻璃的发展突飞猛进。光纤通过光在芯皮玻璃间的全反射，实现信息的传递。其运用主要分为两方面：一是光纤光缆，广泛运用于电话、有线及网络等通讯行业；二是光纤传像元件，其利用光纤点对点传像的特点，将二维阵列的光纤束熔压后得到具有不需任何转换直接便可传递图像的光纤器件，利用这种原理制成的光纤元件具有光学零厚度、集光性好、高分辨率、高耦合效率等特性，其广泛应用于国防、航空航天、核探测、医疗、民用显示、信号识别等领域[1]。

光纤传像元件是实现端对端图像传递的理想器件，常与对象直接耦合，用于紧贴式传像系统，用光纤器件耦合具有着耦合效率高、结构紧凑、体积小、可靠性高等优势。纤维光锥因其本身成锥形结构特性，可以提供一种放大或缩小、无畸变的图像传输，具有比透镜组更紧凑的结构与图像传输稳定性，同时便于与电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）或互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）进行耦合[2]，提高图像采集的质量，被广泛应用于图像采集、医疗或核放射信号探测、微光夜视中像增强等多个科研领域。纤维光锥与CCD耦合如图1所示。其工作原理是：微弱光信号经过窗口进入，在光电阴极上光子转化为电子，电子经过加速电压进入微通道板，在微通道板中进行雪崩式倍增后，再经加速电压轰击在荧光屏上，此时电子转化为光子，得到增强像。再经光锥传输至CCD，得到图像电子信号。

图1 纤维光锥与CCD耦合图

纤维光锥传递图像质量的高低由单元丝性能及密排结构所决定，单元丝本身材料特性所影响的光锥性能特征有数值孔径、分辨率、透过率、对比度、热稳定性、化学稳定性等。由制备工艺所影响的光锥质量有暗斑、鸡丝、剪切畸变、蛇形畸变、角度畸变、像位移、放大率、真空气密性等，以及由拉制过程所产生的固有缺陷桶形畸变和枕形畸变[3]。除了上述固有缺陷外，光锥基本性能及质量可通过控制材料性质及工艺得以有效改进。固有缺陷桶形畸变和枕形畸变是纤维光锥拉制过程中不可避免的，畸变会导致传递图像的变形失真。为了降低桶形畸变、枕形畸变对纤维光锥传像质量的影响，提高光锥产品合格率，本文剖析了桶形畸变、枕形畸变在光锥拉制过程中生产机理，分析了影响畸变的相关因素，提出了减少畸变的若干措施，对高性能高质量纤维光锥的制备具有实际指导作用。

2 光锥传像及性能

2.1 光锥的制备

目前纤维光锥作为光纤传像器件中的重要一种，其制备工艺如下：芯皮玻璃棒管匹配结合；在一定温度下拉制单丝；单丝密排后，再拉制成一次复丝；一次复丝再次密排后，拉制成二次复丝；对二次复丝精确排板，经热熔压形成光纤坯板。坯板经局部加热拉伸后，形成哑铃状的一对锥体，再经光学冷加工处理得到两只相同规格纤维光锥。在热加工拉伸过程可根据实际需要对加热温度，拉力，以及加热带宽度等进行调整，最终得到多种型号规格的光锥。如图2所示。

图2 各型号光锥示意图

2.2 光锥传像原理

光锥与CCD摄像耦合技术，能大幅度减小摄像装置的重量和体积，是充分挖掘光纤器件在成像系统中分辨率的关键技术。纤维光锥是二维光纤束阵列熔压而成，其端面是由大量的光纤丝端面组合而成，两个端面平行而大小不一，但传像单元数量是一致的，当端面紧贴于像面时，物像会被光纤丝分解为一个个像元，每一个像元会经过对应的光纤丝单独传像到另一端，重新合成新的图像，图像也随着两端面尺寸比例缩小或放大，从而实现了图像的缩放传输。如图3所示，若大端直径为小端直径的n倍，则大端单元丝径为小端丝径的n倍，同样图像也会放大n倍，但同样会导致分辨率降低，小端分辨率是大端的n倍。采用光锥与CCD耦合，对比透镜系统相机，在达相同的分辨率时，它可以使得焦距大大缩小，同时体积和重量显著减少。

图3 光锥示意图

2.3 光锥性能

光锥作为传像系统的重要元件，其性能直接影响系统成像质量，因此对光锥的性能设计及生产工艺的控制十分严格，其性能指标主要有以下几点[4]。

2）分辨率：表征光学系统对传递图像细节的分辨能力，用单位长度内最高可分辨的黑白线对数来表示，单位为lp/mm（线对/毫米）。

3）透过率：指出射光通量与入射光通量之比，表征光锥透光性能的物理量。

4）对比度：反应单元丝传像质量的好坏。从芯玻璃入射而满足全反射条件的光为有效光，其余的端面菲涅尔反射损失、皮层玻璃的全反射损失、芯玻璃的吸收损失等因素均会影响图像的对比度。通常为了提高对比度会在单元丝之间插入一定数量的黑丝以吸收杂散光，避免其对传像质量产生影响。

除了上述性能指标外，光锥的暗斑、鸡丝、剪切畸变、蛇形畸变以及像位移等缺陷均可以通过工艺的控制得到有效的改善。

光锥的固有畸变缺陷对图像质量影响较大，在信息化高速发展的今天，对其传像畸变指标要求也更高。这些固有缺陷会直接导致图像的变形失真，这是当前所需面对的问题，固有缺陷存在形式主要分为以下两种：1.桶形畸变；2.枕形畸变。如图4所示，分别为纤维光锥传递网格图像时的理想状态、桶形畸变、枕形畸变下所成图像。

图4 光锥图像传递示意图

3 畸变的测量

3.1 畸变测试原理

光锥的畸变主要通过投影仪进行测量，将带有刻度的分划板固定于投影测量台上，再将洁净光锥小端面紧贴分划板。根据产品质量性能要求，读取相关长度尺寸与实际尺寸的差值，从而计算出对应的畸变大小，如图5所示，1）桶形畸变测量：要求测试的长度尺寸L，及所对应的最大变形量的畸变尺寸a，即桶形畸变值为a/L×100%；2）枕形畸变测量：要求测试的长度尺寸L，及所对应的最大变形量的畸变尺寸b，即枕形畸变值为b/L×100%。两者大小一般要求在2%以内。

3.2 样品畸变测试

本文选取了两只具有代表性的光锥进行相关数据采集。两只样品小端面直径均为26mm，放大率分别为1.55、2.0。通过测量，得到了以光锥端面中心为原点，直径为26 mm区域内，X、Y轴向上各点处的放大率，如图6所示。可以发现中间区域放大率值较为平稳，在半径大于10 mm的边缘区域放大率明显逐渐增大，放大率值是大端丝径与小端丝径之比，在光锥加工过程中大端丝径不变，因此区域放大率越大，该处小端丝径越小。表明在光锥拉伸过程中，小端边缘区域受拉变形逐渐增大，使得边缘区域丝径较中心区域丝径小。

图5 光锥畸变值测量

图6 放大率变化趋势图

为了进一步验证上述结论，本文通过在原子力显微镜下，800倍放大观察小端面单元丝的变化，对小端平面X轴向上，由中心0mm到边缘13mm，每间隔1mm处取点，80-100根单丝面积，对丝径大小进行了测量，并对所取点丝径进行平均计算，得出如图7所示平均丝径变化图，本系列光锥单丝直径约为6 µm，因此对于放大率为2.0的光锥其小端丝径的理论值约为3 µm。从图中可以得到中心区域丝径保存一致，随后半径开始逐渐增大，图6中其所对应区域的放大率逐渐减小。在边缘处丝径又开始逐渐变小，图6中所对应区域的放大率逐渐增大。结果和放大率与丝径呈反比的规律保持一致。

4 光锥畸变产生机理及影响因素分析

光锥的拉伸制备方式为；将热压形成的六方毛坯板，滚成圆柱体坯板，将坯板装卡于拉机器拉杆上，经窄高温加热炉对坯板中部进行加热，同时两端施加向外拉力，待坯板中部软化后，在拉力作用下坯板中部被逐渐拉长变细，最终形成哑铃状的一对锥体，然后根据图纸尺寸要求，进行端面和外形加工，制备出符合要求的光锥。

图7 单丝直径变化趋势图

光锥的制备过程中，当对圆柱毛坯中间部分加热时，炉膛对圆柱毛坯辐射加热，通常坯板径向中心丝温度较边缘丝的温度低，使得中间部分的丝较边缘丝的粘度大，因此在向外拉制过程中，造成中间部分的丝与边缘丝的变形量不一致，进而影响到图像的传输效果，使图像输出后形成桶形或枕形畸变，造成信号失真，并发现，在同规格光锥中，放大率越大、直径越大、锥角越大，像畸变越严重。

5 结语

通过本文上述分析，在目前的光锥拉伸式生产制备工艺下，其固有的桶形和枕形畸变是不可避免的，但通过对拉伸制备过程炉温、高温区宽度以及分步变温拉伸等工艺参数的调整，使坯板变形更加线性化，可最大限度降低畸变。

近年来，纤维光锥在紧贴传像应用领域突飞猛进，耦合效率和成像质量等关键性能不断提高，其在国防、航天、医疗、探测、生物识别和科学研究等领域的应用不断拓展。在总院科研人的努力下，光锥生产和技术的不断提高，并研发出了方丝光锥与短锥比光锥，将提高总院拓展国际市场的能力及影响力。