基于光纤束传像系统的设计与加工研究

针对传统的传像系统易受电磁干扰的问题,设计并实现了在特殊环境下使用的光纤束传像系统。利用ZEMAX光学仿真软件,设计出了一个工作波段为可见光,全视场80°,焦距为5 mm的监控物镜。该物镜各视场光学调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)值在空间频率36 lp/mm处大于0.8,点列图最大弥散斑均方根半径(RMSradius)为3.031μm,接近衍射极限,因此具有较高成像质量。采用加工的物镜、选型转接镜及光纤束等核心器件,搭建了传像系统。通过测试光纤束图像传输系统的抗电磁干扰性能,采用高斯低通滤波结合DCT同态滤波算法有效去除图像的像素,获得了高质量的信息传输效果。

光学纤维传像元件组件精密加工工艺研究

研究了像增强管关键组件-光学纤维传像元件组件的加工工艺,分析了传统工艺存在的弊端,结合数控设备的在线测量及真空吸附功能,介绍了一种新的加工工艺,所加工的光学纤维传像元件组件质量及效率均明显提升。

柔软光纤传像束的传像特性

研究了柔软光纤传像束的传像特性。界面交扰是柔软光纤传像束最重要的传像特性之一。迄今为止，有关这些方面的研究尚未完善。描述了一种采用光学视频系统定量测量柔软光纤传像束交扰率的新技术，并通过对柔软光纤传像束的静态ＭＴＦ的测量和目视法观察，分析对比了交扰率对传像束传像特性的影响，比较了多种传像束样品的测量结果。

利用光纤传像束的内窥镜物镜设计

光纤传像束用于内窥镜时,对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后,根据实际需求,选用反远距型物镜作为初始结构,利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78μm,焦距0.921 mm,全视场100°、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长10.32 mm,满足像方远心要求,在38 lp/mm频率处MTF值在0.85以上,像质优良;同时,在Tracepro软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型,模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明：该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点,满足内窥镜要求。

2m长As-Se-Te玻璃红外光纤传像束

文中介绍了传输 2～ 12 μmAs Se Te玻璃红外光纤所用原料提纯和玻璃熔制工艺改进的方法。分析了损耗、填充系数K和面反射对透过率的影响。将制备出的红外玻璃光纤 ,用WQF 4 0 0傅里叶变换红外光纤光谱仪测试其损耗 ,光纤损耗值明显降低。把单丝直径 φ≤ 80 μm的As Se Te玻璃光纤制成 10 0像元× 10 0像元、长度为 2m的传像束。前、后两端分别配置可调焦的红外透镜 ,入端对准 5m处 4 0 0℃黑体炉 φ =3mm的小孔 ,出端与热像仪连接 ,经过光学扫描和信号处理后 ,在计算机屏幕上显示出圆形的黑体热像。结果表明 ,在特殊环境中用As Se Te玻璃红外传像束 ,传输热像是最佳设计方案之一。

传像光纤束的物镜设计

在大截面传像束前置光学系统设计中,采用'负-正'型式的像方远心光路结构,在像差校正过程中引入标准二次曲面和偶次非球面,能很好地解决镜头轴外像差校正与像面照度均匀性问题,同时使镜头结构紧凑、小型化.通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化,给出工作波长0.8～1.1μm,焦距5mm,相对孔径为1:3.8,光学长度为47.5mm,视场角为60°的镜头设计实例.对设计结果的分析表明,该镜头在31lp/mm空间频率处的MTF值超过0.78,像质优良.

用于大截面传像光纤束的折衍混合光学系统设计

在大截面传像束前置光学物镜设计中，采用“负-正”型式的像方远心光路结构，很好地解决了镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题，同时使镜头结构紧凑、小型化。给出了前置物镜设计实例：工作波长0．8～1．1μm，焦距5mm，相对孔径为1：3．84，光学长度为47mm，视场角为60°。在光学耦接镜设计中采用物方远心光路结构，引入二元光学透镜，通过理论计算和ZEMAX光学软件优化，给出工作波长0．8～1．1μm，焦距33．6mm，光学长度为63．5mm，采用一个衍射面的耦接镜设计实例。该设计结果适用于单丝直径16μm，截面直径6mm的光纤传像束。

线列光纤传像束的调制传递函数评价方法及检测

根据调制传递函数对比度定义,推导了分析线列光纤传像束调制传递函数(MTF)的数理关系,采用数值计算的方式,分析了线列光纤传像束像元与输入信号之间的位相关系对调制传递函数的影响,并进行了实验研究。结果表明,输入信号与线列光纤传像束的位相匹配对调制传递函数有一定的影响。基于对数值分析结果的考虑,提出线列光纤传像束的调制传递函数及评价方法,理论分析与实验结果相吻合。

采用传像光纤和数字图像处理技术检测燃烧火焰

基于传像光纤和数字图像处理技术开发的锅炉燃烧器火焰检测装置，是近年来推出的一种新型火焰检测装置，它代表了当前世界先进水平。在大量研究工作和工业试验的基础上，这套装置已在国内３５０ＭＷ机组上投入运行并通过了技术鉴定。

酸溶法光纤传像束酸溶工艺的研究

在实验的基础上给出了酸溶玻璃的基本组成、制备工艺及性能参数,论述了酸溶法光纤传像束酸溶机理,酸溶工艺及影响像束酸溶的一些因素。实验结果表明,选用合适的酸溶液,控制好酸的浓度、温度和时间的量化关系,对于降低传像束的断丝率,提高传像束的性能及其良品率,具有非常明显的效果。

用于光纤传像束的折—衍混合光学耦接器研究

在光学耦接器设计中引入衍射面，根据衍射光学元件的三级像差理论，分析了衍射面初始结构参量的求解规律，通过理论计算和ZEMAX光学软件的优化，给出工作波长0．4～0．7μm，焦距27．5mm，光学长度为64mm，采用一个衍射面的耦接器设计实例．该耦接嚣适用于单丝直径16μm，截面直径为6mm的光纤传像束．对设计结果的分析表明，折—衍混合耦接器不仅在光学性能方面优于传统的光学耦接器，而且在尺寸和重量上有非常显著的减少。

酸溶法光纤传像束材料匹配性设计

为使光纤传像束具有良好的传光、传像性能,需要对原始材料的匹配性进行优化设计.本文引入PbO等阳离子半径大的材料作纤芯,用低折射率SiO2和B2O3材料作包层,选择BaO等酸溶速率高的材料作为酸溶层,研究了纤芯、包层和酸溶层玻璃材料之间物化性能和光学性能的匹配性.通过差热分析和光谱透过率等多种实验手段,对这三种玻璃材料的光学和热学性能进行了测试和分析,优化设计出了酸溶法光纤传像束所需要的原料配方.结果表明:在纤芯、包层和酸溶玻璃材料中分别引入质量分数为45%PbO、60%SiO2和40%(B2O3+BaO)以上时,酸溶法光纤传像束材料的匹配性最佳,该研究和设计对高质量光纤传像束的制备和应用具有重要意义.

As-S玻璃红外光纤传像束

介绍用Ａｓ－Ｓ芯包光纤制备１－６μｍ波段应用的红外光纤传像束。该传像束与热像仪连接，得到一组人体面部的热像照片，同时测试和评估红外光纤传像束的特性。

基于卡尔曼滤波器的传像光纤束位置搜索

为获取超高分辨率图像,设计了一种入端为线阵排列、出端为面阵排列的传像光纤束.利用该光纤束的成像系统在合成目标图像时,需要建立光纤束出端、入端位置坐标表.介绍了一种基于卡尔曼滤波器的算法,对出端光纤位置逐一搜索;搜索光纤位置时区分层内、层间设置不同初始步长,按均方误差最小原则对搜索步长进行修正.算法采用了比对终止边界、标定已搜索光纤两种稳健性措施,‘Z’字型搜索路径提高了算法效率.实验结果表明,搜索算法得到的位置坐标表准确标定光纤位置,提取光纤束耦合的信息还原了目标图像.

超高分辨率异型传像光纤束中的空间变换

受器件制作工艺限制,难以获取元数超过6000的超长线列探测器,提高图像空间分辨率受到限制。设计一种入端为线阵、出端为面阵的异型结构传像光纤束,利用现有面阵器件接受光纤束输出信息,可以获取超高分辨率图像。光纤的异型结构决定了图像恢复过程十分复杂。本文提出一种双模板极值滤波器算法,针对单根光纤对应多个像素以及光芯和包层传光性能不同的特点,从图像灰度值入手,借助图像腐蚀和重心算法,有效克服光纤断丝引起的盲元,准确定位每根光纤中心位置,找出出端光纤和入端光纤的对应关系,完整恢复入端图像,实现图像的空间变换。

高分辨率4f传像系统分辨率的影响因素分析

研究了在实际应用中4f传像系统分辨率的影响因素及其作用机制,用于指导系统的设计和装调。首先,在理论上分析了由装调误差引起的像差对系统光学传递函数(MTF)产生的影响,并建立了描述二者关系的数学模型。基于该模型研究了1μm分辨率4f光学系统的装调误差,仿真计算了系统含有透镜偏心、倾斜、位移误差对MTF的影响,得到了分辨率随误差的变化曲线。实验结果表明,倾斜在15″以内,偏心误差在0.02mm,位移在0.01mm范围内,装调误差均会导致分辨率下降,虽然倾斜在极小范围内微调时分辨率会提高,但总的变化趋势不变。绘制的装调误差与分辨率的关系图,可为高分辨率4f系统的误差预估提供参考。

酸溶法柔性光纤传像束的玻璃组成及性能

酸溶法柔性光纤传像束的单丝由芯料、皮料和酸溶玻璃构成。本文首先分别探讨了皮料玻璃的组成、化学稳定性和折射率以及酸溶玻璃的组成、酸溶特性和析晶性能。然后重点分析了芯料、皮料和酸溶玻璃的性能和工作参数的匹配问题。研究结果表明:皮料玻璃的混合碱效应不仅可以提高玻璃的化学稳定性,而且有利于提高光纤的机械强度。同时,控制酸溶玻璃中B2O3/SiO2比例可以较好地兼顾玻璃的酸溶特性和抗析晶性能。此外,酸溶法单丝作业芯、皮、酸溶玻璃工艺参数的匹配,不仅要求缩小它们在成纤温度范围内的粘度差异,而且应尽可能保持稳定的粘度比值。CDG2皮料玻璃、ASG2酸溶玻璃以及商用芯料玻璃的物理化学性质以及工作参数的匹配性可以满足柔性光纤传像束的要求。

两种排列方式光纤传像束的像质评价

根据调制传递函数对比度定义,推导了线列光纤传像束调制传递函数(MTF)的数理关系,建立了光纤直径有随机误差的线列光纤传像束MTF仿真模型,对MTF进行数值分析。通过考虑在光纤传像束中输入信号与光纤的位相匹配对MTF的影响,分析了V型槽排列和紧密排列两种不同方式的光纤传像束的平均MTF。结果显示,有随机误差的光纤束的平均MTF值分别分布于理想传像束平均MTF曲线附近,表明了光纤自身的误差对传像束的平均MTF影响不大;V型槽排列的线列光纤束的像质优于紧密排列方式的线列光纤束。

传像光纤、光纤面板及光锥制造新方法探索

利用高折射率光纤填充微结构预制棒孔洞的方法,制造直径70mm、长度200mm的大尺寸传像光纤预制棒,像素数为547.为提高传像元件的像素数,将预制棒先拉伸成直径约为30mm的二次预制棒,通过切削、并熔后拉伸,得到像素数为3829的传像微结构光纤及其面板和光锥,其理论数值孔径为0.55.经初步测试发现,其传像效果良好.此方法利用微结构光纤技术制造传像光纤、面板和光锥,简单易行,成本低,能有效提高像素数,有望成为规模化制造高分辨率、高质量传像元件的新方法.

酸溶法光纤传像束透光性能的研究

为了解决酸溶法光纤传像束光透过率较低(不足40%)的问题,通过在传像束的两个端面加镀增透膜,其透过率有了明显的提高,达到了7.38%,拓宽了传像束的应用领域。介绍了膜系设计、镀膜材料的选择以及真空速率的控制对镀膜效果的影响。对影响酸溶法光纤传像束透光性能的各种主要因素进行了分析。