光纤望远系统设计

　　摘要：结合以大截面光纤传象束作为中继传象元件的光纤望远镜研制,阐述了光纤望远系统的组成和成象原理;提出了为实现系统具有较高的光学性能、良好的传象质量,在设计上应作的考虑和措施,其中包括系统光学参数确定和结构的选择;此外,还讨论了光纤望远系统中的一些特殊问题,如光束限制、调焦及象质改善等。

　　引　言

　　利用柔性光纤传象束传输二维光学图象,成为当前特种光纤应用的一个重要领域。其中,以大截面光纤传象束作为中继传象元件的光纤望远系统,构成了一类具有“刚”、“柔”相结合体制的新型观测仪器。由于象束的柔性和长光路,因而使这类仪器具有灵活、轻便、自由度大等突出优点,便于实施特殊条件下的隐蔽观察。然而,光纤望远系统也存在着明显的弱点,由于传象束的抽样结构特点和传象机理,决定了系统所传输的图象具有颗粒性,即具有离散特征,分辨率、透过率较低,并且象束的制造成本也较高。因此,根据使用要求,充分利用光纤传象束的优点,克服其弱点,研制具有良好观察分辨效果、较高的系统性能指标(倍率、视场等)、轻便而实用的新型光纤望远系统,具有实际的意义。本文结合设计研制观察距离为数十米至数公里目标的柔性光纤望远镜的实践,探讨了满足上述要求的光纤望远系统的设计规律。

　　1　光纤望远系统的组成和成象原理

　　“光纤望远(镜)系统”系指在由物镜和目镜所组成的基本望远系统中,加入光纤传象束作为中继传象器件而构成的对远距离目标进行观测的系统(图1)。远距离目标Y经物镜后,于传象束的前端面成象为Y1,Y1经传象束后在后端面显示为Y2,人眼可通过目镜观察其放大象Y′。

望远物镜和目镜焦距所决定的基本放大率;ω′与ω分别为系统象方与物方视场角;Y1与Y2分别为象束的输入端面与输出端面上象的大小;β为象束的输出与输入端两根光纤对应的线量之比,在一般情况下,β≈1。“-”表示倒象。为使光纤望远系统获得正象,利用象束中间部分的柔性,采用将象束的输出端面相对于输入端面扭转180°的方案。目标对光纤望远系统构成的视角为

式中Y为被分辨目标的线量,L为目标的距离(均以米为单位)。若目标上有相距为0.2米(相当于人体人头宽度)的两点要求人眼在比较轻松的条件下能分辨(取人眼的分辨角εr=4′),则光纤望远系统对于在不同距离上的目标应有的放大倍率如表1所示。

　　根据表1计算结果,参考现有步兵潜望镜及一些轻型观察器材的性能参数,光纤望远系统为实现对1公里左右目标的观察,其视放大率以选择4-8倍比较合适。

　　2　光纤望远系统设计

　　2.1　光纤传象束的选取

　　光纤传象束的主要性能指标包括数值孔径、透过率、分辨率等,这些决定了象束的传象效果和质量;此外,象束的截面积和长度等结构参量还将影响整个光纤望远系统功能。作为光纤望远系统的核心器件——大截面光纤传象束,其性能规格的选取主要考虑如下因素:(a)传输图象亮度光纤望远系统的传输图象亮度可由下式表示

式中NA为象束的数值孔径,τ为象束的透过率,K为象束的填充系数。显然,从提高传输图象亮度出发,应选择大数值孔径、高透过率和高填充系数的传象束。而NA值主要取决于光纤芯与包层材料的折射率,为此可选择多组份玻璃的光纤传象束,其NA值可达0.55～0.60;同时多组份玻璃光纤传象束中单丝的芯径比较大,一般为10∶11,采用六角型排列时填充系数比石英光纤传象束的高。此外,在选定象束材料的前提下,单位长度的象束的透过率即确定,为使整个望远系统的透过率不低于0.3～0.4,象束长度应适当,一般不宜大于2-3米。考虑到仪器中继传象长度的使用要求,我们选取象束的长度为1.25米,则整个象束的透过率为0.4～0.45,系统所传输图象的亮度基本满足观察要求。(b)图象的分辨率整个光纤望远系统所传输图象的分辨率,可由经验公式[2]

所体现。式中R,Ro,Rf,Re分别为折算到传象束端面系统、物镜、象束和目镜的分辨率(以lp/mm表示)。在象束中光纤规则排列绝缘良好的条件下,象束的分辨率主要取决于相邻光纤中心的间隔和光纤排列的方式。前者实质上反映了单丝直径的影响,即象束的分辨率与光纤的直径成反比。在象束取六角型排列、静态取样的条件下,象束的理论极限分辨率由下式计算
 

式中d为单丝直径(mm)。表2中给出了六角形排列方式的不同单丝直径象束的分辨率。由表2可知,象束的分辨率比系统中相应的物镜和目镜等硬光学元件的分辨率要低得多(大致相差一个数量级),因而光纤望远系统的分辨率与成象质量主要取决于传象束。根据我国目前传象束研制的工艺水平,我们选取象束的单丝直径为最细(d=17μm),其理论极限分辨率为34 lp/mm。

　　(c)象束截面的选择

　　传象束输入端面的边框,决定了系统的视场,因而成为光纤望远系统的视场光阑。在象束丝径与排列方式确定的条件下,象束的截面积大小直接决定了所能传输的图象信息量以及视场的大小。为使光纤望远系统所传输的图象能与摄象监视系统相匹配,我们选取象束的象元数在40万左右,在传输相同信息量的条件下,为获得更大的水平视场,选取象束截面形状为12×9mm2,其长宽比为4/3,可与电视摄象监视系统取得完全匹配。

　　2.2　物镜的选择考虑

　　由图1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,在象束给定(Rf确定)的条件下,若要提高系统的物方角分辨率,则可采取增大物镜焦距的方案,表3为Rf=34 lp/mm时,不同物镜焦距所计算出的物方角分辨率。一般硬光学望远系统的物方角分辨率多为5″～10″的数量级,因此我们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系统的物方角分辨率相差在半个数量级以内,即达到30″～50″,这样就可保证对1公里以内较显著目标的观察分辨成为可能。当然,物镜焦距的增大,又将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、视场和分辨率很好地协调。

　　为了确保分辨率在选择长焦距的条件下能够实现,要求系统象面必须具有较高的亮度,为此要求物镜应具有尽可能大的相对孔径,即物镜应取长焦距,大相对孔径。计算与实验表明,物镜的相对孔径大于1/4～1/5,可取得较好效果。

　　由于系统的分辨率主要由光纤传象束所决定。因此对物镜的象差校正要求不高,又因为在长焦距情况下,望远系统的物方视场小于7°,所以可以选择双胶物镜作为系统的望远物镜[3]。从实际需要出发,我们设计了两组物镜,可供使用选择:一组为f′=120mm,D/f=1∶4;另一组为f′=185mm,D/f=1∶3.7;对应的系统视场和物方角分辨率分别为:2ω=5°,α<50″;2ω=4°,α<35″。

　　2.3　目镜的选取

　　由于象束系统的离散成象特性,使得如果目镜倍率选择太大,则视场中丝象、网纹背景及断丝的影响突出,图象背景杂乱,严重影响观察效果;然面选择目镜倍率太小,即f′e太大,在系统倍率要求一定的条件下,f′e增大,f′o也将要增大,则又将导致系统的整体结构尺寸与重量增大。综合两方面的影响考虑,传象束端面的网状结构,经目镜放大后应小于或等于人眼的分辨率,则目镜的放大率可用下式计算

　　3　讨　论

　　光纤望远系统是以光纤传象束作为中继传象元件的一种新型观察仪器,由于光纤传象束图象传输的特殊性,决定了光纤望远系统与普通光学望远系统有着某些明显的差别,现从以下几个方面进行讨论分析。

　　3.1　光纤望远系统中光束限制问题

　　在光纤望远系统有效光束的限制情况下硬光学望远系统大不相同。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(图2)。在象束的输入端面之前,因为物镜的相对孔径比传象束的NA值小,所以凡能进入物镜的成象光束,均可进入光纤传象束进行传输,成象光束口径的大小仍都是由物镜框确定,物镜框为入瞳。在传象束入射端面不管斜光束的主光线以何角度入射,由于传象束中单丝的弯弯曲曲,主光线在光纤中多次反射在传象束出射端输出时,都变成垂直于象束端面(图2所示),这样经过目镜成象后斜光束的主光线都会聚于目镜象方焦点F′e处,根据出瞳的定义目镜的象方焦面F′e处即为出瞳位置,又由于目镜框的限制,在出瞳位置看不见清晰的边缘。对于轴上光束其口径大小为

　　在出瞳位置处,光斑尺寸远大于人眼瞳孔,因此,当光纤望远系统与人眼配合使用时,人眼瞳孔起限制光束作用,在这种情况下,人眼瞳孔可认为是出瞳,所以在整个光纤望远系统中光束的限制分别由物镜框和人眼瞳孔来实现的。

　　3.2　调焦问题

　　由应用光学可知,物镜的前、后景深分别由下式表示

　　从以上计算结果可以看出光纤望远系统由于其本身分辨率比普通望远镜低一些,所以景深范围较大。对f′o=120mm的镜头,只要调焦在108m处,则54m～∞的目标就可以不用调节物镜而观察,因此在结构设计时就可以不考虑对f′o=120mm的系统使用时的调焦问题。对于f′o=185mm的系统,如果观察目标距离在140m～∞范围内,则也可以不考虑使用中的调焦问题。只要光纤望远系统装配时严格将物镜的象面与光纤传象束入射端面重合即可。

　　3.3　象质改善问题

　　光纤传象系统除了其理论分辨率明显低于由连续介质构成的硬光学系统的缺点外,尚有一个致命的弱点,就是所传输的图象往往带有明显的网纹或丝象背景,更严重的是,断丝将造成视场中令人讨厌的黑点,并将丢失所应观察到的部分图象信息。这些都将严重影响光纤传象(望远)系统的成象质量。为此,采取有实用价值的图象处理技术。消除网纹效应和断丝影响,较大幅度地提高象束系统的分辨率,有效地改善象束系统成象质量,是当前进一步发展光纤传象技术急需解决的迫切问题。

　　在文献[2]的第八章中提出了一些比较有效的方法,可以用于光纤望远系统中来改善象质,其中一种比较有实用价值的处理方案是空间波长多路传输技术,又称为波分复用技术,是一种纯光学体制改善光纤传象系统象质的图象处理技术,这也是我们进一步所需进行研究的课题[4,5]。

　　结束语

　　利用我们所研制的光纤望远镜,对距离为1250m重点目标,以及100m、200m、2000m、5000m等不同距离的目标进行了观测和摄影,实践表明,原理方案可行,效果良好,图3为1250m的重点目标通过光纤望远系统所成的象。

　　参考文献

　　1　张以谟主编.应用光学,北京:机械工业出版社,1988

　　2　维恩别尔格Вб,萨特塔罗夫ДК著,于凤云,桂松范译.光导纤维光学,北京:机械工业出版社,1986

　　3　袁旭沧主编.光学设计,北京:北京理工大学出版社,1988

　　4　迟泽英,陈文建,张逸新.应用波分复用改善象束传象系统象质的研究.光学学报,1993,13(4):345～350

　　5　张逸新,陈文建,迟泽英,游明俊.波分复用光纤象束系统成象质量研究,光电工程,1993,20(5):13～17

　　*中国兵器工业预研基金资助研究项目,获1991年江苏省科技进步奖三等奖。

　　本文作者：

　　陈文建:男,1965年10月生,1987年毕业于南京理工大学光学仪器专业,1990年毕业于南京理工大学军用光学专业(工硕士)。讲师,从事光学设计、光纤技术、传感器教学与科研。

　　迟泽英:男,1938年3月生,1962年毕业于哈军工-炮兵工程学院光学仪器专业。教授,博士生导师,中国学位与研究生教育学会理事,从事信息光学、光纤技术教学与科研。负责的“GLH130型航海六分仪气泡装置“项目获1983年江苏省科技进步奖四等奖,“印制板光学检查仪”项目获1985年南京市科技进步奖三等奖。著有《应用光学》(北京:国防工业出版社,1988)、《光波在大气中的传输与成象》(北京:国防工业出版社,1997)。

　　游明俊:男,1941年11月生,1965年毕业于炮兵工程学院光学仪器专业。副教授,从事现代光学教学与科研。负责的“YGJ-I型印制板光学检查仪”项目获1985年南京市科技进步奖三等奖。著有《信息光学基础实验》(北京:兵器工业出版社,1992)