一種紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，通過標準黑體獲得穩(wěn)定的紅外輻射能量I1和獲得經(jīng)光纖傳像束傳輸后輸出的紅外輻射能量I2來計算待測光纖傳像束的光學效率，相比于目前光纖測試常采用的截斷法測試光纖衰減(單位dB/m)或平行光測試透過率的方法，該方法更具直觀性、針對性，更符合光纖傳光特性，更能準確反映光纖傳像束傳光性能，通過該方法可解決目前針對紅外光纖傳像束性能測試無專門針對性儀器和裝置的問題，同時該方法所述裝置還可用于光纖傳像束排列規(guī)則度和斷絲率等其他主要指標的測試。
【專利說明】
一種紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置及方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及光纖性能測試領域，尤其涉及一種紅外光纖傳像束的光學效率測試方 法。
【背景技術】
[0002] 利用無源光纖傳像束作為傳像元件，實現(xiàn)光能在空間二維分布上的傳輸和變換， 從而達到特定光電探測的目的已成為一類新型光學成像系統(tǒng)。其中的光纖傳像束是由大量 光纖按一定規(guī)則相關排列的集成光學器件，具有重量輕、柔韌性好、自由度大等特點。此外， 與CCD和CMOS等傳統(tǒng)成像器件相比，光纖傳像束可無源、實時地傳像，能實現(xiàn)點、環(huán)、線或其 他形式間的光轉換，并易于和CCD探測器件耦接，使所傳圖像轉換為數(shù)字視頻形式觀察。目 前，由于可見光光纖傳像束制備技術的成熟，各類可見光光纖傳像束已在醫(yī)學、工業(yè)、軍事 和通訊等領域得到大量應用。隨著紅外光纖傳像束研制水平的發(fā)展，其也已具有很好的應 用前景。
[0003] 光纖傳像束的工作原理是:通過單根光纖內(nèi)壁的全反射，實現(xiàn)高效率的傳光，并通 過還原光纖的相關排列關系獲得既定的目標圖像。在傳像束中，各根光纖的傳光作用是獨 立的，要求其具有可彎曲、光能損失小、數(shù)值孔徑大、分辨率高、結構簡單、使用方便等特點。 成像系統(tǒng)的光學效率對獲得圖像的信噪比和靈敏度起到至關重要的作用，因此，作為成像 系統(tǒng)用光學元件，對光纖傳像束的光學效率(或透過率)提出了較高要求，所用光纖傳像束 需具有良好的傳輸特性，即光能損失小。該指標是衡量光纖傳像束性能的重要指標，因此對 其進行準確的檢測是保證其應用的重要基礎。
[0004] 然而，由于光纖最重要的應用仍集中在光纖通信方面，目前可查閱到的相關教科 書和國家標準中，雖然對于光纖束的傳輸特性的定義及其測量方法做了明確說明，但都僅 適用于光通信范疇。國標中有關光纖傳輸特性的測量方法都是按照光纖通信的應用原理進 行測量和評價的。無論光纖研制人員或是生產(chǎn)單位均是利用光纖的衰減來評價光纖的傳輸 特性好壞，其單位是dB/km，指單位長度內(nèi)光纖光功率衰減分貝數(shù)。然而若要在光纖傳像系 統(tǒng)中評價光纖傳像束的傳輸特性好壞常用到的是光能透過率大小，單位是％，因此，依照國 標GB/T15972.4-1998[光纖總規(guī)范第四部分:傳輸特性和光學特性試驗方法]中測量光纖透 過率（國標中稱衰減）的要求，目前尚沒有標準的專門檢測光纖傳像束光學效率的儀器設備 和方法。
[0005] 由于光纖傳像束本身也是一個光學元件，如何測量它的光能透過率成為光纖傳像 束研制及使用人員重點考慮的問題。對于細小口徑的光纖傳像束，需要專門的實驗裝置及 工具進行測試。
[0006] 目前，由于可見光光纖傳像束的制備工藝已很成熟，國內(nèi)外關于可見光傳像束透 過率測試方法已有較多的研究。由于其傳光特性不同于一般的成像光學系統(tǒng)，光學效率的 測量方法也不同，難以利用傳統(tǒng)成像光學系統(tǒng)的平行光管加功率計(或積分球)的方法直接 測得，長春光機所谷立山等人專門設計了用于小口徑的可見光傳像光纖束光學效率檢測的 特殊裝置，他們提出了不同于常規(guī)成像系統(tǒng)透過率測試的方法。根據(jù)谷立山等人的經(jīng)驗，要 想準確測量光纖傳像束的透過率，要求光在進入光纖傳像束時既避免攔光現(xiàn)象又滿足全反 射條件。因此，測量光纖傳像束透過率時不能采用平行光束。但相對于可見光光纖傳像束， 紅外波段光纖傳像束的光學效率與其材料及制作工藝有很大關系，且其探測接收裝置不像 可見光探測器那樣種類齊全多樣(尤其是沒有專門的紅外積分球），因此，無法完全按照可 見光光纖傳像束進行測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種專門的紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，該方法能 夠直觀真實的反映系統(tǒng)傳光性能，操作方便。
[0008] 本發(fā)明的技術解決方案是：
[0009] -種紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置，其特別之處在于:包括沿光線入射方 向依次設置在光學平臺上的標準黑體、前置成像物鏡、后繼耦接鏡組、紅外探測器和圖像采 集計算機，上述標準黑體和前置成像物鏡間的距離大于前置物鏡焦距的10倍，能夠確保入 射前置成像物鏡的光線為平行光;上述紅外探測器設置于后繼耦接鏡的像面處。
[0010] 上述后繼耦接鏡的數(shù)值孔徑等于或大于待測光纖傳像束的數(shù)值孔徑，并與紅外探 測器的數(shù)值孔徑匹配;該后繼耦接鏡的出瞳和紅外探測器的冷光闌重合以滿足100%冷光 闌效率，后繼耦接鏡還具有縮放作用，后繼耦接鏡的放大率由待測光纖傳像束的單絲直徑 和紅外探測器像元大小的比值決定，通過后繼耦接鏡以實現(xiàn)光纖與探測器像元的一對一耦 合。
[0011] 還包括可調(diào)光闌，上述可調(diào)光闌可設置于標準黑體和前置成像物鏡之間，也可設 置于光路中起到限制孔徑作用的其他位置。
[0012] -種紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟一:通過標準黑體獲得穩(wěn)定的紅外福射能量Ii;
[0014] 步驟1.1:保持標準黑體溫度恒定；
[0015] 步驟1.2:設置紅外探測器積分時間、增益、偏置參數(shù)；
[0016] 步驟1.3:將標準黑體放置在前置成像物鏡前，二者之間的距離能夠確保進入前置 成像物鏡的光線為水平平行光線;在前置成像物鏡前放置光闌，調(diào)節(jié)光闌大小，使得前置物 鏡數(shù)值孔徑小于等于待測光纖傳像束的數(shù)值孔徑;具體的通過下式計算光闌大?。?br>[0017] D = 2f*NA
[0018]式中NA為光纖傳像束數(shù)值孔徑，D為光闌直徑大小，f為前置物鏡的焦距；
[0019]步驟1.4:前置成像物鏡所成標準黑體像經(jīng)后繼耦接鏡成像至紅外探測器上；
[0020]步驟1.5:紅外探測器將圖像發(fā)送至圖像采集計算機，圖像采集計算機存儲目標圖 像，記為圖像1;
[0021 ]步驟1.6:為消除紅外光學鏡頭自身紅外輻射及探測器暗電流對測量灰度值的影 響，蓋上前置物鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記為圖像1〇;
[0022] 步驟1.7:用步驟1.5得到的圖像1減去步驟1.6得到的圖像1〇,得到圖像L，然后計 算圖像L一定區(qū)域內(nèi)灰度值之和，該區(qū)域大小和后續(xù)步驟2.6中區(qū)域位置及大小相同，即輸 入光能量Ii;
[0023] 步驟二:獲得經(jīng)光纖傳像束傳輸后輸出的紅外輻射能量I2;
[0024] 步驟2.1:保持步驟一中標準黑體和前置成像物鏡的位置不變，保持光闌位置和大 小不變，保持標準黑體的溫度和步驟一的溫度相同；并保持紅外探測器積分時間、增益、偏 置參數(shù)和步驟一相同；
[0025] 步驟2.2:將后繼耦接鏡和紅外探測器的位置后移，將待測光纖傳像束入射端放置 在前置成像物鏡像面處，使其出射端位于后繼耦接鏡物面處；
[0026] 步驟2.3:前置成像物鏡所成標準黑體的圖像經(jīng)待測光纖傳像束傳輸至后繼耦接 鏡，后繼耦接鏡將圖像成像至紅外探測器上；
[0027] 步驟2.4:紅外探測器將圖像發(fā)送至圖像采集計算機，圖像采集計算機存儲目標圖 像，記作圖像2;
[0028] 步驟2.5:為消除紅外光學鏡頭及光纖傳像束自身紅外輻射及探測器暗電流對測 量灰度值的影響，蓋上前置物鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記作圖像2〇;
[0029] 步驟2.6:用步驟2.4得到的圖像2減去步驟2.5得到的圖像2〇,得到圖像F，然后取 圖像F中的一定區(qū)域，該區(qū)域的大小等于或小于待測光纖傳像束出射端面的大小，且該區(qū)域 大小和步驟1.7中區(qū)域大小相同，計算該區(qū)域灰度值之和，即獲得經(jīng)光纖傳像束傳輸后輸出 的紅外光能量1 2;
[0030]步驟三:通過下式得到待測光纖傳像束的光學效率，式中y為光學效率；
[0031] ^ = 12/10100%。
[0032] 優(yōu)選地，進行步驟一時，在步驟1.7之后還包括：
[0033] 多次重復步驟1.1到步驟1.5,得到多幅圖像，并均減去步驟1.7所獲得的背景圖 像，然后計算得到多個輸入光能量的平均值iu
[0034] 進行步驟二時，在步驟2.6之后還包括：
[0035] 多次重復步驟2.1到步驟2.4,得到多幅圖像，并均減去步驟2.5所獲得的背景圖 像，然后計算得到多個光能量值的平均值
[0036] 所述步驟三為:通過下式得到待測光纖傳像束的光學效率，式中y為光學效率；
[0037] 11=12/1! *100% 〇
[0038] 為了保證測量精度，通過改變標準黑體溫度并重復步驟一至步驟三，可獲得不同 溫度時紅外光纖傳像束的光學效率。
[0039]本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0040] 相比于目前光纖測試常采用的截斷法測試光纖衰減（單位dB/m)或平行光測試透 過率的方法，該方法具有更具直觀性、針對性，更符合光纖傳光特性，更能準確反映光纖傳 像束傳光性能，通過該方法可解決目前針對紅外光纖傳像束性能測試無專門針對性儀器和 裝置的問題，同時該方法所述裝置還可用于光纖傳像束排列規(guī)則度和斷絲率等其他主要指 標的測試。
【附圖說明】
[0041 ]圖1為本發(fā)明步驟一的裝置示意圖；
[0042]圖2為本發(fā)明步驟二的裝置示意圖。
[0043]圖中附圖標記為：1-標準黑體;2-光闌；3-前置成像物鏡;4-后繼耦接鏡組;5-紅外 探測器;6-圖像采集計算機;7-光學位移導軌;8-光學氣浮平臺；9-待測光纖傳像束。
【具體實施方式】
[0044]以下結合附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
[0045] 如圖1所示，為本發(fā)明步驟一的裝置示意圖，包括標準黑體1、前置成像物鏡3、后繼 耦接鏡組4、紅外探測器5和圖像采集計算機6,具體測試方法如下：
[0046] 步驟一:設置標準黑體1至固定溫度(避免探測器響應飽和)并保持恒定，將標準黑 體1放置在距離前置成像物鏡3十倍焦距以外，以近似平行光入射，確保標準黑體1經(jīng)前置成 像物鏡3成清晰的像;在前置成像物鏡3前放置可調(diào)光闌2，用于改變前置成像物鏡3像方數(shù) 值孔徑，實際使用時，應根據(jù)待測光纖傳像束9的數(shù)值孔徑及前置成像物鏡3焦距計算可調(diào) 光闌調(diào)節(jié)大小，具體通過下式計算光闌大小：
[0047] D = 2f*NA
[0048]式中NA為光纖傳像束數(shù)值孔徑，D為光闌直徑大小，f為前置物鏡的焦距；以實現(xiàn)與 光纖傳像束數(shù)值孔徑的完全匹配;物鏡所成標準黑體像經(jīng)后繼耦接鏡4成像至紅外探測器5 上，該后繼耦接鏡4數(shù)值孔徑應等于或大于待測光纖傳像束9數(shù)值孔徑，且滿足100%冷光闌 效率，其放大率由單絲光纖直徑和紅外探測器像元大小之比確定，以使待測光纖傳像束9出 射端中的光纖能夠與紅外探測器5的像元一對一良好耦合;設置紅外探測器5的積分時間、 增益、偏置等參數(shù)為定值，以確保紅外探測器5響應線性，在圖像采集計算機6采集軟件中存 儲該黑體目標圖像，記作：圖像1。為消除紅外光學鏡頭自身紅外輻射及探測器暗電流對測 量灰度值的影響，蓋上前置物鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記作：圖像1〇;用圖像 1減去圖像1〇,記作：圖像L。取圖像L中一定區(qū)域的灰度值(DN值)之和，即為紅外輻射能量Iu 為消除標準黑體溫度穩(wěn)定性、探測器響應偏差等因素對測量結果的影響，可連續(xù)采集，多次 測量，取幾幅圖像的平均，記該紅外輻射能量為Tu
[0049] 如圖2所示，為本發(fā)明步驟二的裝置示意圖，保持步驟一中放置的前置成像物鏡3 及標準黑體1位置不變，并確保標準黑體1溫度相同，通過移動光學平移軌道將后繼耦接鏡4 及紅外探測器5的位置后移，將待測光纖傳像束9入射端放置在前置成像物鏡3像面處，并使 其出射端位于后繼耦接鏡4物面處，則前置成像物鏡3所成標準黑體目標的圖像經(jīng)待測光纖 傳像束9傳輸至出射端，經(jīng)后繼耦接鏡4將出射端圖像成像至紅外探測器5焦平面上，通過圖 像采集計算機圖像采集軟件記錄經(jīng)待測光纖傳像束9傳輸后的圖像，記作：圖像2。為消除紅 外光學鏡頭及光纖傳像束自身紅外輻射及探測器暗電流對測量灰度值的影響，蓋上前置物 鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記作：圖像2〇;用圖像2減去圖像2〇,記作：圖像F。取 圖像F中標準黑體像一定區(qū)域的灰度值(DN值)之和(該區(qū)域大小與步驟1中所取區(qū)域大小應 相同，不應超過光纖傳像束出射端圖像范圍），用于代表經(jīng)待測光纖傳像束9傳輸后輸出的 光能量1 2,為消除標準黑體1溫度穩(wěn)定性、紅外探測器5響應偏差等因素對測量結果的影響， 可連續(xù)采集，多次測量，取幾幅圖像的平均，記作:1 2;
[0050] 由于步驟一、步驟二中光學系統(tǒng)除引入光纖傳像束外，其他光學元件未改變，因此 光纖傳像束的光學效率為12/1產(chǎn)100%。
[0051] 為進一步驗證光纖傳像束對于不同溫度時的透過率，保證測量準確度，通過改變 標準黑體溫度(保證探測器不飽和），并重復步驟一至步驟三，可獲得不同溫度時紅外光纖 傳像束的光學效率。
【主權項】
1. 一種紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置，其特征在于:包括沿光線入射方向依次 設置在光學平臺上的標準黑體、前置成像物鏡、后繼耦接鏡組、紅外探測器和圖像采集計算 機，所述標準黑體和前置成像物鏡間的距離能夠確保入射前置成像物鏡的光線為平行光； 所述紅外探測器設置于后繼耦接鏡的像面處。2. 根據(jù)權利要求1所述的紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置，其特征在于:所述后繼 耦接鏡的數(shù)值孔徑等于或大于待測光纖傳像束的數(shù)值孔徑，并與紅外探測器的數(shù)值孔徑匹 配;所述后繼耦接鏡的出瞳和紅外探測器的冷光闌重合。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置，其特征在于:所述 后繼耦接鏡具有縮放作用，其放大率由待測光纖傳像束的單絲直徑和紅外探測器像元大小 的比值決定，通過后繼耦接鏡實現(xiàn)光纖與探測器像元的一對一耦合。4. 根據(jù)權利要求1所述的紅外光纖傳像束的光學效率測試裝置，其特征在于:還包括可 調(diào)光闌，所述可調(diào)光闌設置于光路中起限制孔徑作用的位置上。5. -種紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，其特征在于:包括以下步驟： 步驟一:通過標準黑體獲得穩(wěn)定的紅外輻射能量I:; 步驟1.1:保持標準黑體溫度恒定； 步驟1.2:設置紅外探測器積分時間、增益、偏置參數(shù)； 步驟1.3:將標準黑體放置在前置成像物鏡前，二者之間的距離能夠確保進入前置成像 物鏡的光線為水平平行光線;在前置成像物鏡前放置光闌，調(diào)節(jié)光闌大小，使得前置物鏡數(shù) 值孔徑小于或等于待測光纖傳像束的數(shù)值孔徑； 步驟1.4:前置成像物鏡所成標準黑體像經(jīng)后繼耦接鏡成像至紅外探測器上； 步驟1.5:紅外探測器將圖像發(fā)送至圖像采集計算機，圖像采集計算機存儲目標圖像， 記作圖像1; 步驟1.6:蓋上前置物鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記作圖像1〇; 步驟1.7:用步驟1.5得到的圖像1減去步驟1.6得到的圖像1〇,得到圖像L，計算圖像L一 定區(qū)域內(nèi)灰度值之和，該區(qū)域大小和后續(xù)步驟2.6中區(qū)域位置及大小相同，即獲得紅外輻射 能量Ii; 步驟二:獲得經(jīng)光纖傳像束傳輸后輸出的紅外輻射能量12; 步驟2.1:保持步驟一中標準黑體和前置成像物鏡的位置不變，保持光闌位置和大小不 變，保持標準黑體的溫度和步驟一的溫度相同，并保持紅外探測器積分時間、增益、偏置參 數(shù)和步驟一相同； 步驟2.2:將后繼耦接鏡和紅外探測器的位置后移，將待測光纖傳像束入射端放置在前 置成像物鏡像面處，使其出射端位于后繼耦接鏡物面處； 步驟2.3:前置成像物鏡所成標準黑體的圖像經(jīng)待測光纖傳像束傳輸至后繼耦接鏡，后 繼耦接鏡將圖像成像至紅外探測器上； 步驟2.4:紅外探測器將圖像發(fā)送至圖像采集計算機，圖像采集計算機存儲目標圖像， 記作圖像2; 步驟2.5:蓋上前置物鏡鏡頭蓋，采集無輸入時的暗背景圖像，記作圖像2〇; 步驟2.6:用步驟2.4得到的圖像2減去步驟2.5得到的圖像2〇,得到圖像F，然后取圖像F 中的一定區(qū)域，該區(qū)域的大小等于或小于待測光纖傳像束出射端面的大小，且該區(qū)域大小 和步驟1.7中區(qū)域大小相同，計算該區(qū)域灰度值之和，即獲得經(jīng)光纖傳像束傳輸后輸出的紅 外光能量12; 步驟三:通過下式得到待測光纖傳像束的光學效率，式中y為光學效率； y=l2/Ii*100%〇6. 根據(jù)權利要求5所述的紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，其特征在于： 在步驟1.7之后還包括： 多次重復步驟1.1到步驟1.5,得到多幅圖像，并均減去步驟1.7所獲得的背景圖像，然 后計算得到多個輸入光能量的平均值11;: 在步驟2.6之后還包括： 多次重復步驟2.1到步驟2.4,得到多幅圖像，并均減去步驟2.5所獲得的背景圖像，然 后計算得到多個光能量值的平均值 所述步驟三為:通過下式得到待測光纖傳像束的光學效率，式中y為光學效率； 二 T2/T丨 *100%c7. 根據(jù)權利要求5所述的紅外光纖傳像束的光學效率測試方法，其特征在于： 通過改變標準黑體溫度并重復步驟一至步驟三，獲得不同溫度時紅外光纖傳像束的光 學效率。
【文檔編號】G01M11/02GK106053026SQ201610530535
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月6日
【發(fā)明人】閆興濤, 李福 , 馬小龍, 賀應紅, 呂娟, 趙意意, 楊建峰
【申請人】中國科學院西安光學精密機械研究所