CN106053026A - 一种红外光纤传像束的光学效率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外光纤传像束的光学效率测试方法，通过标准黑体获得稳定的红外辐射能量I₁和获得经光纤传像束传输后输出的红外辐射能量I₂来计算待测光纤传像束的光学效率，相比于目前光纤测试常采用的截断法测试光纤衰减(单位dB/m)或平行光测试透过率的方法，该方法更具直观性、针对性，更符合光纤传光特性，更能准确反映光纤传像束传光性能，通过该方法可解决目前针对红外光纤传像束性能测试无专门针对性仪器和装置的问题，同时该方法所述装置还可用于光纤传像束排列规则度和断丝率等其他主要指标的测试。

Description

一种红外光纤传像束的光学效率测试装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤性能测试领域，尤其涉及一种红外光纤传像束的光学效率测试方法。

背景技术

利用无源光纤传像束作为传像元件，实现光能在空间二维分布上的传输和变换，从而达到特定光电探测的目的已成为一类新型光学成像系统。其中的光纤传像束是由大量光纤按一定规则相关排列的集成光学器件，具有重量轻、柔韧性好、自由度大等特点。此外，与CCD和CMOS等传统成像器件相比，光纤传像束可无源、实时地传像，能实现点、环、线或其他形式间的光转换，并易于和CCD探测器件耦接，使所传图像转换为数字视频形式观察。目前，由于可见光光纤传像束制备技术的成熟，各类可见光光纤传像束已在医学、工业、军事和通讯等领域得到大量应用。随着红外光纤传像束研制水平的发展，其也已具有很好的应用前景。

光纤传像束的工作原理是：通过单根光纤内壁的全反射，实现高效率的传光，并通过还原光纤的相关排列关系获得既定的目标图像。在传像束中，各根光纤的传光作用是独立的，要求其具有可弯曲、光能损失小、数值孔径大、分辨率高、结构简单、使用方便等特点。成像系统的光学效率对获得图像的信噪比和灵敏度起到至关重要的作用，因此，作为成像系统用光学元件，对光纤传像束的光学效率(或透过率)提出了较高要求，所用光纤传像束需具有良好的传输特性，即光能损失小。该指标是衡量光纤传像束性能的重要指标，因此对其进行准确的检测是保证其应用的重要基础。

然而，由于光纤最重要的应用仍集中在光纤通信方面，目前可查阅到的相关教科书和国家标准中，虽然对于光纤束的传输特性的定义及其测量方法做了明确说明，但都仅适用于光通信范畴。国标中有关光纤传输特性的测量方法都是按照光纤通信的应用原理进行测量和评价的。无论光纤研制人员或是生产单位均是利用光纤的衰减来评价光纤的传输特性好坏，其单位是dB/km，指单位长度内光纤光功率衰减分贝数。然而若要在光纤传像系统中评价光纤传像束的传输特性好坏常用到的是光能透过率大小，单位是％，因此，依照国标GB/T15972.4-1998[光纤总规范第四部分：传输特性和光学特性试验方法]中测量光纤透过率(国标中称衰减)的要求，目前尚没有标准的专门检测光纤传像束光学效率的仪器设备和方法。

由于光纤传像束本身也是一个光学元件，如何测量它的光能透过率成为光纤传像束研制及使用人员重点考虑的问题。对于细小口径的光纤传像束，需要专门的实验装置及工具进行测试。

目前，由于可见光光纤传像束的制备工艺已很成熟，国内外关于可见光传像束透过率测试方法已有较多的研究。由于其传光特性不同于一般的成像光学系统，光学效率的测量方法也不同，难以利用传统成像光学系统的平行光管加功率计(或积分球)的方法直接测得，长春光机所谷立山等人专门设计了用于小口径的可见光传像光纤束光学效率检测的特殊装置，他们提出了不同于常规成像系统透过率测试的方法。根据谷立山等人的经验，要想准确测量光纤传像束的透过率，要求光在进入光纤传像束时既避免拦光现象又满足全反射条件。因此，测量光纤传像束透过率时不能采用平行光束。但相对于可见光光纤传像束，红外波段光纤传像束的光学效率与其材料及制作工艺有很大关系，且其探测接收装置不像可见光探测器那样种类齐全多样(尤其是没有专门的红外积分球)，因此，无法完全按照可见光光纤传像束进行测试。

发明内容

本发明的目的是提供一种专门的红外光纤传像束的光学效率测试方法，该方法能够直观真实的反映系统传光性能，操作方便。

本发明的技术解决方案是：

一种红外光纤传像束的光学效率测试装置，其特别之处在于：包括沿光线入射方向依次设置在光学平台上的标准黑体、前置成像物镜、后继耦接镜组、红外探测器和图像采集计算机，上述标准黑体和前置成像物镜间的距离大于前置物镜焦距的10倍，能够确保入射前置成像物镜的光线为平行光；上述红外探测器设置于后继耦接镜的像面处。

上述后继耦接镜的数值孔径等于或大于待测光纤传像束的数值孔径，并与红外探测器的数值孔径匹配；该后继耦接镜的出瞳和红外探测器的冷光阑重合以满足100％冷光阑效率，后继耦接镜还具有缩放作用，后继耦接镜的放大率由待测光纤传像束的单丝直径和红外探测器像元大小的比值决定，通过后继耦接镜以实现光纤与探测器像元的一对一耦合。

还包括可调光阑，上述可调光阑可设置于标准黑体和前置成像物镜之间，也可设置于光路中起到限制孔径作用的其他位置。

一种红外光纤传像束的光学效率测试方法，包括以下步骤：

步骤一：通过标准黑体获得稳定的红外辐射能量I₁；

步骤1.1：保持标准黑体温度恒定；

步骤1.2：设置红外探测器积分时间、增益、偏置参数；

步骤1.3：将标准黑体放置在前置成像物镜前，二者之间的距离能够确保进入前置成像物镜的光线为水平平行光线；在前置成像物镜前放置光阑，调节光阑大小，使得前置物镜数值孔径小于等于待测光纤传像束的数值孔径；具体的通过下式计算光阑大小：

D＝2f*NA

式中NA为光纤传像束数值孔径，D为光阑直径大小，f为前置物镜的焦距；

步骤1.4：前置成像物镜所成标准黑体像经后继耦接镜成像至红外探测器上；

步骤1.5：红外探测器将图像发送至图像采集计算机，图像采集计算机存储目标图像，记为图像1；

步骤1.6：为消除红外光学镜头自身红外辐射及探测器暗电流对测量灰度值的影响，盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记为图像1₀；

步骤1.7：用步骤1.5得到的图像1减去步骤1.6得到的图像1₀，得到图像L，然后计算图像L一定区域内灰度值之和，该区域大小和后续步骤2.6中区域位置及大小相同，即输入光能量I₁；

步骤二：获得经光纤传像束传输后输出的红外辐射能量I₂；

步骤2.1：保持步骤一中标准黑体和前置成像物镜的位置不变，保持光阑位置和大小不变，保持标准黑体的温度和步骤一的温度相同；并保持红外探测器积分时间、增益、偏置参数和步骤一相同；

步骤2.2：将后继耦接镜和红外探测器的位置后移，将待测光纤传像束入射端放置在前置成像物镜像面处，使其出射端位于后继耦接镜物面处；

步骤2.3：前置成像物镜所成标准黑体的图像经待测光纤传像束传输至后继耦接镜，后继耦接镜将图像成像至红外探测器上；

步骤2.4：红外探测器将图像发送至图像采集计算机，图像采集计算机存储目标图像，记作图像2；

步骤2.5：为消除红外光学镜头及光纤传像束自身红外辐射及探测器暗电流对测量灰度值的影响，盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记作图像2₀；

步骤2.6：用步骤2.4得到的图像2减去步骤2.5得到的图像2₀，得到图像F，然后取图像F中的一定区域，该区域的大小等于或小于待测光纤传像束出射端面的大小，且该区域大小和步骤1.7中区域大小相同，计算该区域灰度值之和，即获得经光纤传像束传输后输出的红外光能量I₂；

步骤三：通过下式得到待测光纤传像束的光学效率，式中μ为光学效率；

μ＝I₂/I₁*100％。

优选地，进行步骤一时，在步骤1.7之后还包括：

多次重复步骤1.1到步骤1.5，得到多幅图像，并均减去步骤1.7所获得的背景图像，然后计算得到多个输入光能量的平均值

进行步骤二时，在步骤2.6之后还包括：

多次重复步骤2.1到步骤2.4，得到多幅图像，并均减去步骤2.5所获得的背景图像，然后计算得到多个光能量值的平均值

所述步骤三为：通过下式得到待测光纤传像束的光学效率，式中μ为光学效率；

$\mathrm{\μ}={\stackrel{\‾}{1}}_2/{\stackrel{\‾}{1}}_1*100\%.$

为了保证测量精度，通过改变标准黑体温度并重复步骤一至步骤三，可获得不同温度时红外光纤传像束的光学效率。

本发明的优点是：

相比于目前光纤测试常采用的截断法测试光纤衰减(单位dB/m)或平行光测试透过率的方法，该方法具有更具直观性、针对性，更符合光纤传光特性，更能准确反映光纤传像束传光性能，通过该方法可解决目前针对红外光纤传像束性能测试无专门针对性仪器和装置的问题，同时该方法所述装置还可用于光纤传像束排列规则度和断丝率等其他主要指标的测试。

附图说明

图1为本发明步骤一的装置示意图；

图2为本发明步骤二的装置示意图。

图中附图标记为：1-标准黑体；2-光阑；3-前置成像物镜；4-后继耦接镜组；5-红外探测器；6-图像采集计算机；7-光学位移导轨；8-光学气浮平台；9-待测光纤传像束。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，为本发明步骤一的装置示意图，包括标准黑体1、前置成像物镜3、后继耦接镜组4、红外探测器5和图像采集计算机6，具体测试方法如下：

步骤一：设置标准黑体1至固定温度(避免探测器响应饱和)并保持恒定，将标准黑体1放置在距离前置成像物镜3十倍焦距以外，以近似平行光入射，确保标准黑体1经前置成像物镜3成清晰的像；在前置成像物镜3前放置可调光阑2，用于改变前置成像物镜3像方数值孔径，实际使用时，应根据待测光纤传像束9的数值孔径及前置成像物镜3焦距计算可调光阑调节大小，具体通过下式计算光阑大小：

D＝2f*NA

式中NA为光纤传像束数值孔径，D为光阑直径大小，f为前置物镜的焦距；以实现与光纤传像束数值孔径的完全匹配；物镜所成标准黑体像经后继耦接镜4成像至红外探测器5上，该后继耦接镜4数值孔径应等于或大于待测光纤传像束9数值孔径，且满足100％冷光阑效率，其放大率由单丝光纤直径和红外探测器像元大小之比确定，以使待测光纤传像束9出射端中的光纤能够与红外探测器5的像元一对一良好耦合；设置红外探测器5的积分时间、增益、偏置等参数为定值，以确保红外探测器5响应线性，在图像采集计算机6采集软件中存储该黑体目标图像，记作：图像1。为消除红外光学镜头自身红外辐射及探测器暗电流对测量灰度值的影响，盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记作：图像1₀；用图像1减去图像1₀，记作：图像L。取图像L中一定区域的灰度值(DN值)之和，即为红外辐射能量I₁。为消除标准黑体温度稳定性、探测器响应偏差等因素对测量结果的影响，可连续采集，多次测量，取几幅图像的平均，记该红外辐射能量为ī₁。

如图2所示，为本发明步骤二的装置示意图，保持步骤一中放置的前置成像物镜3及标准黑体1位置不变，并确保标准黑体1温度相同，通过移动光学平移轨道将后继耦接镜4及红外探测器5的位置后移，将待测光纤传像束9入射端放置在前置成像物镜3像面处，并使其出射端位于后继耦接镜4物面处，则前置成像物镜3所成标准黑体目标的图像经待测光纤传像束9传输至出射端，经后继耦接镜4将出射端图像成像至红外探测器5焦平面上，通过图像采集计算机图像采集软件记录经待测光纤传像束9传输后的图像，记作：图像2。为消除红外光学镜头及光纤传像束自身红外辐射及探测器暗电流对测量灰度值的影响，盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记作：图像2₀；用图像2减去图像2₀，记作：图像F。取图像F中标准黑体像一定区域的灰度值(DN值)之和(该区域大小与步骤1中所取区域大小应相同，不应超过光纤传像束出射端图像范围)，用于代表经待测光纤传像束9传输后输出的光能量I₂，为消除标准黑体1温度稳定性、红外探测器5响应偏差等因素对测量结果的影响，可连续采集，多次测量，取几幅图像的平均，记作：

由于步骤一、步骤二中光学系统除引入光纤传像束外，其他光学元件未改变，因此光纤传像束的光学效率为

为进一步验证光纤传像束对于不同温度时的透过率，保证测量准确度，通过改变标准黑体温度(保证探测器不饱和)，并重复步骤一至步骤三，可获得不同温度时红外光纤传像束的光学效率。

Claims (7)

1.一种红外光纤传像束的光学效率测试装置，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置在光学平台上的标准黑体、前置成像物镜、后继耦接镜组、红外探测器和图像采集计算机，所述标准黑体和前置成像物镜间的距离能够确保入射前置成像物镜的光线为平行光；所述红外探测器设置于后继耦接镜的像面处。

2.根据权利要求1所述的红外光纤传像束的光学效率测试装置，其特征在于：所述后继耦接镜的数值孔径等于或大于待测光纤传像束的数值孔径，并与红外探测器的数值孔径匹配；所述后继耦接镜的出瞳和红外探测器的冷光阑重合。

3.根据权利要求1或2所述的红外光纤传像束的光学效率测试装置，其特征在于：所述后继耦接镜具有缩放作用，其放大率由待测光纤传像束的单丝直径和红外探测器像元大小的比值决定，通过后继耦接镜实现光纤与探测器像元的一对一耦合。

4.根据权利要求1所述的红外光纤传像束的光学效率测试装置，其特征在于：还包括可调光阑，所述可调光阑设置于光路中起限制孔径作用的位置上。

5.一种红外光纤传像束的光学效率测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：通过标准黑体获得稳定的红外辐射能量I₁；

步骤1.1：保持标准黑体温度恒定；

步骤1.2：设置红外探测器积分时间、增益、偏置参数；

步骤1.3：将标准黑体放置在前置成像物镜前，二者之间的距离能够确保进入前置成像物镜的光线为水平平行光线；在前置成像物镜前放置光阑，调节光阑大小，使得前置物镜数值孔径小于或等于待测光纤传像束的数值孔径；

步骤1.4：前置成像物镜所成标准黑体像经后继耦接镜成像至红外探测器上；

步骤1.5：红外探测器将图像发送至图像采集计算机，图像采集计算机存储目标图像，记作图像1；

步骤1.6：盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记作图像1₀；

步骤1.7：用步骤1.5得到的图像1减去步骤1.6得到的图像1₀，得到图像L，计算图像L一定区域内灰度值之和，该区域大小和后续步骤2.6中区域位置及大小相同，即获得红外辐射能量I₁；

步骤二：获得经光纤传像束传输后输出的红外辐射能量I₂；

步骤2.1：保持步骤一中标准黑体和前置成像物镜的位置不变，保持光阑位置和大小不变，保持标准黑体的温度和步骤一的温度相同，并保持红外探测器积分时间、增益、偏置参数和步骤一相同；

步骤2.2：将后继耦接镜和红外探测器的位置后移，将待测光纤传像束入射端放置在前置成像物镜像面处，使其出射端位于后继耦接镜物面处；

步骤2.3：前置成像物镜所成标准黑体的图像经待测光纤传像束传输至后继耦接镜，后继耦接镜将图像成像至红外探测器上；

步骤2.4：红外探测器将图像发送至图像采集计算机，图像采集计算机存储目标图像，记作图像2；

步骤2.5：盖上前置物镜镜头盖，采集无输入时的暗背景图像，记作图像2₀；

步骤2.6：用步骤2.4得到的图像2减去步骤2.5得到的图像2₀，得到图像F，然后取图像F中的一定区域，该区域的大小等于或小于待测光纤传像束出射端面的大小，且该区域大小和步骤1.7中区域大小相同，计算该区域灰度值之和，即获得经光纤传像束传输后输出的红外光能量I₂；

步骤三：通过下式得到待测光纤传像束的光学效率，式中μ为光学效率；

μ＝I₂/I₁*100％。

6.根据权利要求5所述的红外光纤传像束的光学效率测试方法，其特征在于：

在步骤1.7之后还包括：

多次重复步骤1.1到步骤1.5，得到多幅图像，并均减去步骤1.7所获得的背景图像，然后计算得到多个输入光能量的平均值

在步骤2.6之后还包括：

多次重复步骤2.1到步骤2.4，得到多幅图像，并均减去步骤2.5所获得的背景图像，然后计算得到多个光能量值的平均值

所述步骤三为：通过下式得到待测光纤传像束的光学效率，式中μ为光学效率；

$\mathrm{\μ}={\stackrel{\‾}{1}}_2/{\stackrel{\‾}{1}}_1*100\%.$

7.根据权利要求5所述的红外光纤传像束的光学效率测试方法，其特征在于：

通过改变标准黑体温度并重复步骤一至步骤三，获得不同温度时红外光纤传像束的光学效率。