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階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)的概述

2011-01-27

                                              階躍型光纖光學(xué)系統(tǒng)的概述

    光學(xué)纖維（以下簡(jiǎn)稱(chēng)光纖）由于其具有傳光、傳像和傳輸其它光信號(hào)的功能，因此在醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國(guó)防和通訊事業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。光纖根據(jù)其傳光特性又分為二種，一種是階躍型折射率光纖，即光纖的內(nèi)芯和外包皮分別為折射率不同的均勻透明介質(zhì)，因此光線(xiàn)在階躍型光纖內(nèi)的傳輸是以全反射和直線(xiàn)傳播的方式進(jìn)行。另一種是梯度折射率光纖，即光纖的中心到邊緣折射率呈梯度變化，因此光線(xiàn)在光纖內(nèi)的傳播軌跡呈曲線(xiàn)形式。本節(jié)主要介紹階躍型光纖的特性及其光學(xué)系統(tǒng)。

     由于光纖束具有傳光和傳像特性，因此作為傳光和傳像的光學(xué)元件，在許多光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。例如內(nèi)窺鏡光學(xué)系統(tǒng)、光纖高速攝影系統(tǒng)、光纖全息內(nèi)窺鏡系統(tǒng)、光纖潛望系統(tǒng)等。下面來(lái)介紹傳像光纖束光學(xué)系統(tǒng)的特性和設(shè)計(jì)要求。

     傳像光纖束的功能是傳輸圖像，因此必須有一幅圖像輸入到傳像束的輸入端面。在一般的光纖系統(tǒng)中，擔(dān)任這一任務(wù)的是成像物鏡，它可把不同大小和距離的物體成像 在傳像束的輸入端面。對(duì)物鏡光軸上的像點(diǎn)A'來(lái)說(shuō)，其成像光束的立體角相對(duì)光軸是對(duì)稱(chēng)的，而對(duì)軸外像點(diǎn)B'來(lái)說(shuō)，其成像光束的立體角是相對(duì)主光線(xiàn)對(duì)稱(chēng)的。 軸上像點(diǎn)A'的光束正入射在傳像束的輸入端面上，而軸外像點(diǎn)B'的光束是斜入射在傳像束的輸入端面上，當(dāng)物鏡L的像方孔徑角u'和光纖的數(shù)值孔徑角相等 時(shí)，軸上像點(diǎn)A'的光束能全部進(jìn)入傳像束中傳輸，而軸外像點(diǎn)B'的光束，由于其主光線(xiàn)與傳像束的輸入端法線(xiàn)成一夾角 （視 場(chǎng)角），使得光束的一部分下光線(xiàn)的入射角大于傳像束的數(shù)值孔徑角，而使其不能通過(guò)傳像束，相當(dāng)于幾何光學(xué)中欄光作用。而且隨著物鏡視場(chǎng)角的增大，像點(diǎn)B' 的欄光增多，使得傳像束輸出圖像的邊緣變得較暗，這是光纖光學(xué)系統(tǒng)所不能允許的。為了克服上述缺陷，光纖光學(xué)系統(tǒng)的成像物鏡應(yīng)設(shè)計(jì)成像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)。由于像 方遠(yuǎn)心系統(tǒng)的孔徑光闌位于物鏡L的前焦面處，使得物鏡的像方主光線(xiàn)平行于物鏡光軸，軸外像點(diǎn)B'的光束與軸上像點(diǎn)A'一樣，正入射在傳像束的輸入端面，使 得軸外像點(diǎn)不存在攔光現(xiàn)像，可獲得與輸入圖像光強(qiáng)分布近乎一致的輸出圖像。

      為了觀(guān)察傳像束的輸出圖像，在傳像束的輸出端面之后需連接目鏡或光電圖像轉(zhuǎn)換器件，因此對(duì)傳像束的后置光學(xué)系統(tǒng)也應(yīng)有一定的要求。這是因?yàn)閭飨袷敵龆说墓?束發(fā)散角受光纖束的傳光特性所限,它不同于自發(fā)光物體, 而是以光纖數(shù)值孔徑角的大小發(fā)散光線(xiàn)，因此后置光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成物方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，如圖8－26所示。其后置光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌位于物鏡的后焦面上，使其 物方主光線(xiàn)平行于物鏡光軸，才能獲得相匹配的光束銜接。

     若把傳像束的輸入端和輸出端的光學(xué)系統(tǒng)連接起來(lái)，傳像束的輸入、輸出端面相當(dāng)于前后二個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的中間像面，其光瞳位置是銜接的，尤如不存在傳像束的二個(gè)光 學(xué)系統(tǒng)組合一樣。但我們不能完全將其看成是二個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的組合，這是因?yàn)槎€(gè)光學(xué)系統(tǒng)的組合，只要考慮光瞳位置的銜接就可以了，而在光纖光學(xué)系統(tǒng)中，除考 慮光瞳位置的銜接外，前后光學(xué)系統(tǒng)的光瞳大小還必須單獨(dú)考慮。例如前方成像系統(tǒng)的像方孔徑角小于傳像束的數(shù)值孔徑角時(shí)，則后方成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑不應(yīng)以前 方成像系統(tǒng)的像方孔徑角為準(zhǔn)，原則上應(yīng)以傳像束的數(shù)值孔徑角為準(zhǔn)，這是因?yàn)楣饫w束的傳光特性決定其出射光束以充滿(mǎn)光纖的數(shù)值孔徑角出射的，若不滿(mǎn)足上述要 求，則后方成像系統(tǒng)就會(huì)限制傳 像束的光能傳輸。

     由實(shí)驗(yàn)知道，光纖束射出的光線(xiàn)雖以充滿(mǎn)數(shù)值孔徑角的形式發(fā)散，但其光線(xiàn)在整個(gè)數(shù)值孔徑角內(nèi)的分布是不均勻的，中心處密，越靠近大孔徑角處光線(xiàn)越疏，即光 能的分布呈高斯函數(shù)型。當(dāng)后方成像系統(tǒng)對(duì)光能的要求不高時(shí)，只要滿(mǎn)足一定的成像分辨率要求，其后方成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑未必一定要和傳像束的數(shù)值孔徑相匹 配，適當(dāng)減小其相對(duì)孔徑大小 ，將會(huì)給后方成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大益處，若后方成像系統(tǒng)的相對(duì)孔徑一定要和傳像束的數(shù)值孔徑相匹配時(shí)，在光學(xué)設(shè)計(jì)的像差校正中，也應(yīng)以小相對(duì)孔徑部分為 主，因?yàn)樗加形锵顸c(diǎn)總能量的大部分。