光纤耦合与透镜耦合的光传输效率比较

林玉峰，刘冰川

福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像科，福建 福州 350025

光纤耦合与透镜耦合的光传输效率比较

林玉峰a，刘冰川b

福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像科，福建 福州 350025

目的 比较光纤耦合与透镜耦合技术的光传输效率，以了解其在透射电镜成像装置设计中的应用特点。方法 用两个相同型号的数码相机分别以光纤耦合和透镜耦合技术拍摄相同视野、相同照度的物面，计算图像像素的平均值，以相同输出（像素的平均值）所需要的曝光时间来衡量他们的光传输效率。结果 光圈F/4的透镜耦合装置拍摄照度为37.8 lux的均匀物面，曝光时间为240 ms时所得图像像素的平均值为19623；而相同的曝光量（像素平均值）条件下，光纤耦合装置的曝光时间为15.49 ms。结论 图像像素的平均值为19623时，光纤耦合的光传输效率更高，约为光圈F/4的透镜耦合的15.49倍。

光纤耦合；透镜耦合；光传输效率；图像像素

0 前言

按光学图像耦合方式的不同，透射电镜数字成像装置主要分为透镜耦合和光纤耦合两种类型[1]。虽然Gatan公司和Direct Electron公司都推出了具有高速动态成像功能的基于直接电子探测（Direct Eletron Detection，DED）的透射电镜数字成像产品，但透镜耦合和光纤耦合装置依然占绝对主流。

笔者自2006年起开始研制透射电镜数字成像装置[2-4]，调查发现：AMT和Tvips公司分别只有透镜耦合型和光纤耦合型产品；OSIS公司的侧装型产品只有透镜耦合型，底装型产品只有光纤耦合型；Gatan公司的侧装型产品既有透镜耦合型也有光纤耦合型。调查结果说明，透镜耦合和光纤耦合两种技术均可应 用于底装以及侧装，但有较大区别。因此，通过研究透镜耦合和光纤耦合的主要性能参数，有利于在透射电镜数字成像装置的研制中更好地利用其优势。

王耀祥[5]、王宇华[6]等对光纤器件与电荷耦合器件（CCD）耦合的光传输效率进行了研究并得到了计算表达式，可为光传输效率的理解提供有价值的信息，但由于计算公式涉及的有些变量是对实际情况的抽象，很难测量等因素，特定光纤器件与CCD耦合的光传输效率的具体计算仍然比较困难。王耀祥[7]等又计算并测试了一些光锥与CCD耦合的光传输效率，发现理论值与实际测试值的差别很大，如锥度比（大端直径/小端直径）为2:1的光锥从大端向小端传输的透过率理论值为14.1%，实测值为24.6%；而高应俊[8]等测得的锥度比为2:1的光锥从大端向小端传输的透过率为72.6%。很明显，对于光传输效率，理论值和实际值、不同作者所测值之间的差别很大[9-10]。

由此可以看出，光纤器件的光传输效率受多种因素影响，很难计算，而锥度比（光锥大端直径/小端直径）是影响光传输效率的最直接因素：对于从光锥大端向小端的传输，光传输效率与锥度比的平方成反比[5]。在文献[10]给出的透镜光传输效率计算公式中，图像放大倍数（物的大小/像的大小）越大，光传输效率越低，其他参数与透镜的设计、材质、工艺等有关，光传输效率同样难以计算。

1 实验材料和方法

1.1 成像装置

光纤耦合成像装置：包括天文数码相机（QHY8）以及由丝径6 μm的传像光纤拉制而成的锥度比为1.96:1的光锥（大端面60 mm，山西长城微光器材股份有限公司生产），在百级超净环境下用机械方式切除天文数码相机CCD的保护玻璃，再用光学胶把光锥耦合到CCD上。透镜耦合成像装置：包括天文数码相机（QHY8）以及摄影镜头（AF Micro-Nikkor 60 mm F/2.8D，日本尼康公司生产），二者通过转接环连接。透镜耦合成像装置及光纤耦合成像装置结构图，见图1。透镜耦合成像装置利用透镜对光线的折射把物体发出的光线聚焦到CCD上，光线利用率低；光纤耦合成像装置利用光纤对光线的全反射把物体发出的光线传输到CCD上，光线利用率高。

图1 透镜耦合及光纤耦合成像装置结构图（左侧为透镜耦合成像装置，右侧为光纤耦合成像装置）。

1.2 实验条件和测试方法

（1）实验条件：室内普通光照条件，使用数字式照度计（泰仕TES-1332A，中国台湾）测量成像水平面的照度为138.4 lux，环境温度为24℃。两台天文数码相机的致冷模块都不工作，其他设置为：Gain=30、Offset=80。

（2）测试方法：将SMPTE 133-1991测试图以4×6格式缩小打印在250 mm×350 mm胶片上，剪裁下来作成像物面，用于对焦和视野的确定；将白色打印纸作为均匀发光物面用于透过率的有关实验。实验拍摄时，胶片和打印纸都水平放置在同一水平面上，成像装置从他们的正下方进行拍摄。在成像装置输入输出响应线性最好的区域，以光纤耦合和透镜耦合成像装置获得相同输出（像素的平均值）时所需要的曝光时间来衡量他们的光传输效率。

1.3 实验步骤

（1）用光纤耦合成像装置拍摄胶片，确定成像视野见图2左图；仔细调焦并调整透镜耦合成像装置的物距，使其视野与光纤耦合成像装置尽量一致，见图2右图，此时透镜耦合成像装置的物像比为2.08:1。

（2）用透镜耦合成像装置以不同的曝光量拍摄打印纸，寻找合适的大致曝光条件；确定曝光时间为300 ms，此时打印纸物面照度为37.8 lux，从光圈数F/2.8开始，间隔1档曝光量依次曝光，记录图像像素的平均值。

（3）分别固定光圈为F/2.8、F/4和F/5.6，自15 ms起，随每增加1档曝光量依次曝光，记录图像像素的平均值。

（4）在透镜耦合成像装置线性响应范围的中部，选择合适曝光条件下的图像像素平均值，用光纤耦合成像装置拍摄打印纸，记录达到此平均值所需的曝光时间。

（5）比较相同曝光量（像素平均值）条件下透镜耦合与光纤耦合成像装置的拍摄时间。

2 结果

2.1 光纤耦合和透镜耦合的图像结果

图2是光纤耦合和透镜耦合（F/4）成像装置在其他相同条件下按各自最合适的曝光量所拍摄的质量最好的图像。图2左图为光纤耦合技术所得图像，右图为光圈F/4的透镜耦合技术所得图像。可以看出，左图的灰阶分辨率、图像清晰度都比右图略差，还存在较明显的几何失真。

图2 光纤耦合和透镜（F/4）耦合成像装置所得图像（左图为光纤耦合技术所得图像，右图为光圈F/4的透镜耦合技术所得图像）。

2.2 不同曝光条件下透镜耦合的图像像素的平均值

透镜耦合成像装置在不同曝光条件下所拍摄图像像素的平均值，见表1～4。

表1 不同光圈下像素的平均值（曝光时间300 ms）

表2 不同曝光时间下像素的平均值（光圈数F/2.8）

表3 不同曝光时间下像素的平均值（光圈数F/4）

表4 不同曝光时间下像素的平均值（光圈数F/5.6）

2.3 光纤耦合和透镜耦合图像像素平均值及曝光时间的比较

光纤耦合和透镜耦合图像像素平均值及曝光时间的比较，见表5～6。

表5 不同曝光条件下透镜耦合与光纤耦合图像像素平均值的比较

表6 相同曝光量下透镜耦合与光纤耦合曝光时间的比较

3 讨论和结论

3.1 基于CCD技术的相机的成像特性

一般认为CCD的输入输出关系线性良好，本实验以图像像素的平均值作为输出，由表1～表6可以看出：实验所采用的天文数码相机（QHY8）的输入输出并没有呈现理想的线性关系，这可能是因为图像像素值并不是传感器的像素单元对输入信号的原始直接反应，而是在原始数据基础上受Gain、Offset等设置影响后的一个综合结果。本实验采用线性最好区域的中段数据进行分析，以尽量符合实际。

3.2 光纤耦合与透镜耦合的图像质量和光传输效率

透镜耦合技术的成像质量与透镜光圈大小关系密切。本实验中透镜耦合技术在光圈为F/4时得到了较理想的图像质量，因此本实验以光圈为F/4的透镜的数据与光纤耦合技术（物像比2:1）进行比较。由图2可知，光纤耦合技术所得图像在清晰度、对比度和几何失真等方面都略逊于光圈F/4的透镜耦合技术所得图像；另外，在光纤耦合技术所得图像的亮度70%～90%的区域可以明显看到边长约660 μm的正六角形网格，这与孔德鹏[11]等指出的熔界面相同，会影响图像质量。由表6可知，在曝光量（像素平均值）相同的条件下，光圈为F/4的透镜耦合的曝光时间是光纤耦合技术的15.49倍。而理论上，物像比2:1时，光纤耦合的光传输效率是透镜耦合的119倍[9-10]。本实验结果与理论值差别巨大（119/15.49=7.68倍），应该不是一般的实验或计算误差所致，其原因尚待进一步研究探讨。

3.3 光纤耦合和透镜耦合技术在透射电镜成像装置中的应用

透射电镜成像装置按位置不同一般分为侧装和底装两类，底装部位（胶片曝光位置以下）的放大倍数一般为侧装部位的3倍以上，即侧装部位的电子图像密度是底装部位的9倍以上。光纤耦合技术应用于底装型装置在灵敏度上有明显优势；而对于侧装型装置，由于其电子图像密度高，则选择透镜耦合技术较好。

[1] 刘冰川,曲利娟,刘庆宏.透射电子显微镜成像方式综述[J].医疗设备信息,2007,22(9):43-46．

[2] 刘冰川,曲利娟,刘庆宏,等.透射电子显微镜数字成像系统的研制[J].医疗卫生装备,2007,28(10):12-13.

[3] 刘冰川,余英豪,曲利娟,等.一种透射电镜成像装置的大视野设计[J].中国医疗设备,2012,27(12):47-49.

[4] 刘冰川,陈自谦,余英豪,等.透射电镜数字成像系列装置的设计[J].电子显微学报,2013,32(5):410-415.

[5] 王耀祥,田维坚,黄琨,等.光锥与CCD耦合效率的理论分析[J].光子学报,2004,33(3):318-321.

[6] 王宇华,李志华,段发阶,等.光纤耦合效率与接收光强计算研究[J].光电工程,2005,32(7):42-44,58.

[7] 王耀祥,田维坚,章兴龙,等.纤维光锥有效透过率的理论分析[J].光子学报,2005,34(4):530-533.

[8] 高应俊,姚胜利,高凤,等.纤维光锥与CCD 相机的耦合研究[J].光子学报,1999,28(10):947-950.

[9] Proxivision.Fiber Optical Couplings [EB/OL].[2014-02-19]. http://www.proxivision.de/datasheets/Fiber-Optical-Coupling-PR-0051E-03.pdf.

[10] Liu H,Karellas A,Harris LJ,et al.Methods to calculate the lens effi ciency in optically coupled CCD x-ray imaging systems[J]. Med Phys,1994,21(7):1193-1195．

[11] 孔德鹏,王丽莉.传像光纤、光纤面板及光锥制造新方法探索[J].光子学报,2009,38(11):2913-2916.

Comparison of Light Transmission Effi ciency Between Fiber Optic Coupling and Lens Coupling

LIN Yu-fenga, LIU Bing-chuanb
a.Department of Medical Engineering; b.Department of Medical Imaging, Fuzhou General Hospital, Fuzhou Fujian 350025, China

Objective Comparing the light transmission effi ciency between fi ber optic coupling and lens coupling to understand their application characteristics in the design of imaging device for transmission electron microscope. Methods One digital camera which had integrated fi ber optic coupling technology and another digital camera which had integrated lens coupling technology were used in shooting an object plane with the same visual field and luminance. Then the average pixel values of the images obtained through fi ber optic coupling technology and lens coupling technology were calculated. Based on the condition of the same average pixel value of the images, the exposure time of fi ber optic coupling technology and that of lens coupling technology were compared to evaluate their light transmission effi ciencies. Results When the average pixel value of the images obtained though the two technologies with the object plane luminance of 37.8 lux is 19623, the exposure time of lens coupling device with F/4 diaphragm is 240 ms while that of fi ber optic coupling device is 15.49 ms. Conclusion When the average pixel value of the images is 19623, the light transmission effi ciency of fi ber optic coupling technology is higher, which is 15.49 times as high as that of lens coupling technology.

fi ber optic coupling; lens coupling; light transmission effi ciency; image pixel value

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.010

1674-1633(2015)01-0037-03

2014-09-15

2014-10-30

作者邮箱：xtrans2@163.com