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1、研究生论坛PostgraduateForum光纤传像束原理及其应用马相路(国防科技大学,湖南长沙410072)【摘要】光纤是现代通信网络的骨干,尤其是在大容量数据通信中。光纤作为传感器材料也得到了广泛应用,但却很少有人知道光纤还有一个特殊的作用,那就是传像。传像就是指将影像通过光纤直接传输,而中间不再经过类似于光通信那样的信号转换过程。本文阐述了光纤传像束的工作原理并着重介绍了光纤传像束在工业、医疗以及军事等方面的应用。关键词:光纤传像束;内窥镜;潜望镜;全反射光纤;数值孔径中图分类号:TN25PrincipleofOpticalFiberImageBundlesandTheirA
2、pplicationsMAXiang-lu(NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410072,China)Abstract:Opticalfiberplaysakeyroleinmoderncommunicationsnetwork,especiallyinlarge-capacitydatacommunications.Asakindofmaterialforsensors,fiberhasbeenwidelyappliedtovariousareas.butitsspecialapplicationisnotwellkno
3、wn.Itcansendimagedirectlybyfiberratherthantheprocessoftransformingsignallikeopticalcommunication.Thispaperdescribestheprincipleofopticalfiberimagebundles,andalsointroducesitsapplicationsinindustry,medicineandmilitary.Keywords:opticalfiberimagebundle;endoscopiclens;periscope;ATRfiber;numericala
4、perture1光纤传像束的简单原理着光纤传播,最后从另一端出射。单条光纤只能传光,不能成像(如图1所示)。如果将许多光纤固定1.1光纤及全反射光纤在一起,构成光纤束,就可以将具有一定面积的像光纤一般是指由透明介质构成,直径与长度之面通过每根光纤,逐点地将像由光纤束的一端传至比小于1∶1000的细丝。光线从光纤的一端入射,沿另一端。光机电信息44Oct.2007研究生论坛PostgraduateForum图3外包光纤传播光束的光路图示),这种光纤称为外包光纤。图1单条光纤传播光束的光路图在这种光纤中,光线在光纤内外两种玻璃的分根据光纤传输光线方式的不同,可以将其分成界面上进行全反射
5、。这样,光纤表面的缺陷和污物两大类,一类是由均匀透明介质构成,光线在光纤就不会影响全反射。目前使用的光纤大多属于外包内部通过表面的全反射和直线传播进行传输,称为光纤。全反射光纤或阶梯型光纤;另一类光纤由非均匀介设光纤芯料的折射率为n,外包材料的折射率质构成,中心折射率高,边缘折射率低,光线在光为n′,并且n>n′,光纤所在空间介质的折射率为纤内部沿着曲线传播,称为梯度折射率光纤。这两n0,如图4所示。类光纤传播光线的方式不同,应用的范围也不同。传像光纤主要由全反射光纤构成。1.2全反射光纤的性质最简单的全反射光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝,称为单质光纤,如图2所示。欲使光线在
6、光纤的内外介质分界面上发生全反射,则入射角I须大于或等于临界角Imin。图2全反射光纤传播光线的光路图sinI≥sinImin=n′/n光线在光纤内表面发生多次全反射,由光纤一由图得:端传播至另一端。这种光纤的缺点是光纤表面极小U=!/2-I;Umax=!/2-Imin的缺陷、尘埃和污物都将使光发生散射而射出光由上式得到:纤,引起光能损耗。虽然在一般光学系统中的全反2sinUmax=sin(!/2-Imin)=cosImin="1-sinImin射棱镜的反射面上也存在这些缺陷,但是在一个棱将:镜系统中只有若干次反射,因而影响不大。而在光sinImin=n′/n纤中,光线可能要经过成
7、千上万次全反射,如果每代入上式简化得:次全反射都损耗一部分光能,总的损耗就十分可22nsinUmax="n-n′观。这种单质光纤不适用于传像的光纤束,因为在光线在光纤端面上发生折射,根据折射定律有:光纤束中,光纤之间是紧密接触的,光线有可能从22n0sinU0max=nsinUmax="n-n′一根光纤透人另一根光纤,这将影响传像的清晰上述公式中,U0max为光线在光纤端面与光纤轴度。线的夹角,n0sinU0max或nsinUmax称为光纤的数值孔为了克服单质光纤的上
