光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）

13.4.2　光纤传像系统（光纤望远系统，光纤内窥镜）

凡在光学成像系统中以无源光纤传像器件作为中继传像器件的，均可视为光纤传像系统。光纤传像系统无论在军用还是民用领域均有广泛而重要的应用价值。本节将重点讨论以柔性光纤传像束为中继传像器件的、对远距离目标进行被动式观察的光纤望远系统以及有光纤光源主动照明的对近处小目标进行观察的光纤内窥镜系统。

1）光纤望远系统与无源光纤传像技术

（1）光纤望远系统的基本概念

光纤望远系统是相对于由透镜所组成的传统望远系统而定义的。由于传像束的传像机理决定了，单独像束自身不能对远方物体成像，像束所起的作用只能是将图像从像束的一个（输入）端面传送至另一个（输出）端面。即在系统中起中继传像作用。

“光纤望远系统”系指在由物镜和目镜所组成的基本望远系统的共焦面处，加入具有柔性的大信息量光纤传像束作为中继传像器件而构成的对远距离目标进行观测的系统（如图13.32所示）。根据上述赋予的定义，光纤望远系统的视放大率应有如下关系：

上式中Γ₀为由望远物镜焦距（f＇_ob）和目镜焦距（f＇_ep）所决定的望远系统基本放大率；ω＇与ω分别为由望远物镜和目镜以及像束截面所决定的系统像方与物方视场角；y″与y＇分别为子午面内像束的输出端面与输入端面上像的大小（按1∶1传递）；φ为像束的输出端面相对于输入端面绕光轴旋转的方位角度，若φ=0为正像，φ=180°则为倒像。

图13.32　光纤望远系统示意图

（2）光纤望远系统的主要性能参数与重要特性的研究分析

①光纤望远系统的放大倍率Γ

光纤望远系统的放大倍率即其视放大率Γ由式（13.82）决定。其值的具体确定，最根本的是应根据对要求观察距离的目标能进行分辨。具体设计应综合考虑：战术上多远距离对多大间隔两点分辨的需要、传像束制造工艺可能的最细光纤单丝直径、以及系统目镜焦距值选取所决定的目镜放大率使人眼看不到像束输出端面上的网格等方面的因素来确定。

具体设计应满足下式：

式中：α″为战术需要和像束像元结构可能分辨的角度（以s计）；L为目标距离（以m计）；y为要求分辨的目标两点间隔（以m计）；b为制造工艺允许最细单丝直径d、按六角形排列的像束最小能分辨的两像元间隔（以mm计）；f_ob＇为物镜焦距值（以mm计）。

由上式可以确定满足需要和可能分辨目标的系统物镜焦距值：

目镜倍率与焦距值f_ep＇的确定，应综合考虑两方面的制约因素：若f_ep＇值太小，即目镜倍率太大，则由于像束离散结构特点，视场中像束输出端面的丝像、网纹背景与断丝（黑点）的视觉印象影响突出，严重影响观察效果；但若目镜焦距f_ep＇值太大，即倍率太小，又会导致系统的结构（f_ob＇等）尺寸与重量增大。为此，一般应选取目镜倍率≤10×，相应地目镜焦距值f_ep＇≥25mm（取人眼分辨较严格的条件）。

由上述分析即可确定光纤望远系统的放大倍率（在像束不倒像的条件下）应为

②光纤望远系统的视场

光纤望远系统的物方视场由像束截面的直径（对圆形截面）或对角线（对正方形或矩形截面）与物镜焦距的比值决定，表为

（对圆形截面像束，D为像束截面直径）　　　　　　（13.86）

（对矩形截面像束，A、B为矩形边长）　　　　　　（13.87）

反之，若给定物方视场角要求和f_ob＇，则可确定像束截面的形状和尺寸。

③光纤望远系统的物方角分辨率

光纤望远系统的物方角分辨率是一个十分重要的指标，它决定了系统分辨远方目标的能力。由于像束所具有的抽样传像的离散特性决定了，像束的分辨率比系统中相应的物镜和目镜等硬光学元件分辨率要低得多（大致相差约一个数量级），因而光纤望远系统的分辨率与成像质量主要取决于传像束，这一规律可由如下的经验公式体现：

上式中R、R_ob、R_F、R_ep分别为系统、物镜、像束和目镜的分辨率（以1p/mm表示）。

由式（13.83）可知，光纤望远系统的物方角分辨率应由下式决定：

上式表明，在像束给定（、R_F确定）的条件下，若要提高系统的物方角分辨能力，则需采取增大物镜焦距的方案。

表13.6给出在像束单丝直径d=16μm，按六角形排列条件下，不同物镜焦距值与所对应的望远系统物方角分辨率的关系。

表13.6　物镜焦距与系统物方角分辨率的关系（）

一般硬光学望远系统的物方角率多为5″～10″数量级，因此设计的目标是增大物镜焦距，以使光纤望远系统的物方角分辨率与传统望远系统的物方角分辨率相差在半个数量级以内，即达到25″～50″。当然，物镜焦距的增大，必将同时导致视场的减小和结构尺寸的增大。为此，必须恰当地选择物镜焦距，以使系统的倍率、视场和分辨率几者间能取得较好地匹配协调。

以上为光纤望远系统主要性能参数设计选择的基本分析。

④光纤望远系统中有效光束限制特性分析

光纤望远系统的视场由像束输入端面的边框决定，因而该边框成为光纤望远系统的视场光阑。

光纤望远系统有效光束的限制情况与传统硬光学望远系统不同，具有特殊性（参见图13.33）。一般多组分玻璃的传像束其数值孔径为0.5～0.6，通常望远物镜的相对孔径最大为1/3～1/4，而目镜则具有较大的相对孔径。即整个光纤望远系统的物镜、像束、目镜的数值孔径之间具有如下式的规律：

图13.33　像束输入输出端数值孔径的匹配关系

图13.34　像束输出端的光束限制情况

这样，在整个光纤望远系统中，有效光束的限制情况应分为两段考虑：在像束的输入端面之前，物镜框为有效光阑及入瞳，起实际限制物方光束的作用，因而凡能进入物镜的成像光束均可进入像束进行传输；而在像束的输出端面之后，像束的数值孔径起实际限制系统像方有效光束的作用。这样，整个光纤望远系统的出瞳不再像硬光学望远系统的传统定义那样，是孔径光阑（通常设为物镜框）经整个望远系统在系统像方所成的像；而是由像束输出端面处各光纤出射孔的出射光束（由像束数值孔径决定）经目镜所成的像决定，如图13.34所示。其位置在目镜的像方焦面处，即l_z＇=f_ep＇，其大小由下式决定：

D_出=NA_Ff_ep＇　　　　　　　　　　　　　　（13.91）

上述理论分析与实验现象是相吻合的。若NA_F=0.55，f_ep＇=25mm，则有D_出= 13.8mm，此即出射的轴上光束的口径。

由于在出瞳处，出射光束口径远大于眼瞳，因此当光纤望远系统与人眼配合使用时，人眼瞳孔起实际限制光束的作用，因而眼瞳可视为全系统（包含人眼）的实际出瞳。

由于像束中各光纤通道具有相同的透过率，即像束在传输图像亮度方面具有全视场均匀一致的特性。这样，在入瞳与望远物镜重合一致、即望远物镜系统不存在渐晕的条件下，整个光纤望远系统将不存在渐晕现象。即凡通过物镜进入像束输入端面各点处的光束，可以基本保持不变地全部从像束输出端各相关点处输出。因此，光纤望远系统原则上不存在渐晕现象，这是与传统望远系统不同的一个重要特点。

应该指出，由于光纤传像束的特殊传像机理与方式，对于轴外点的斜光束，在进入像束的长光路（例如1～3m）传输过程中，不但不产生渐晕现象，而且不会引起整个系统横向尺寸的增大。这正是导致光纤望远系统在长光路条件下能保持结构尺寸与重量非常轻便、紧凑的根本原因。

⑤光纤望远系统中，像束传输图像的亮度可由下式定性表示

E∝（NA）²·（t·K）　　　　　　　　　　（13.98）

式中，NA为像束的数值孔径；K为像束的填充系数，对六角形排列，K值约为70％；t为光纤单丝透过率，t与K值的乘积相当于像束的积分透过率。

上式表明，像束的NA值及单丝透过率t对像束传输图像的亮度，特别是对整个光纤望远系统最终像面的亮度具有很大的权重系数影响。

应该指出，虽然长像束的积分透过率较低（例如3m长像束的积分透过率可能低于0.30），从而导致整个光纤望远系统的积分透过率较低（甚至可能低到0.2左右），然而由于传像束结构与传像机理的特殊性，图像是由被光纤包层和胶层间隔开的数十万个纤芯的不同亮度点阵构成的，这些纤芯的透过率大大高于像束的积分透过率，因而由这些离散点阵构成的图像在人眼中所产生的刺激或主观亮度感觉，将远高于系统积分透过率所给出的数值，这是光纤望远系统的又一重要特点。正是由于这一原因，即使在3m长像束条件下光纤望远系统的实测积分透过率低到0.2，但通过光纤望远系统所观察到的图像亮度的主观感觉却仍然是良好的、可接受的。

2）光纤传像系统的实际应用

光纤传像系统以其柔软、可弯曲传像的光学铰链结构形式改变了传统硬光学系统必须成平面或空间折线的刚性结构固定模式，大大拓展了其在通道弯曲狭窄、观察通道中遇到遮蔽、障碍等困难条件下的应用空间，而且在长光路条件下，其结构尺寸与重量大为轻巧，适用于便携式装备。因而光纤传像系统无论在被动式的军用观察瞄准系统，还是具有主动照明系统的光纤医用与工业窥镜等方面均有广泛应用。

图13.35（a）和图（b）分别为由南京理工大学设计研制的采用3m长大截面传像束的光纤潜望系统和用于隐蔽瞄准射击的枪用光纤瞄准镜。

图13.35　光纤潜望镜与光纤瞄准镜

图13.36的（a）、（b）、（c）则分别为包含光纤传像系统与光纤照明系统的光纤内窥镜原理方案、光纤医用内窥镜外形结构组成，以及光纤工业窥镜系统组成图。

图13.36　光纤医用与工业内窥镜