专利名称：光纤线阵数码元、器件及其成像方法
技术领域：
本发明涉及光纤传像和数码成像技术领域，具体涉及光纤线阵数码元、器 件及其成像方法。
背景技术：
阵列焦平面器件，如CCD和CMOS数码成像器件在数码相机/摄像、图像扫 描、航空航天遥感及跟踪定位等领域得到广泛应用，焦平面成像器件的尺寸、 空间分辨率、时间分辨率、信噪比等是其最重要的应用参数。传像光纤是将光 纤单丝按序排列，实现图像传输的一种光学元件，已在夜视器件、医学/工业内
窥镜、特殊光学系统中得到有效应用。
对于一些大视场线阵扫描光学系统而言，需要更大尺寸更高分辨率的线阵 数码器件，当像元数目较大(如大于10000像素)时，直接采用高像素大尺寸
的线阵光电器件，造价会很高，同时采用已有技术和方法来实现也有较大困难。 因此发展新型组合式结构对于获得高像素的线阵数码器件就十分必要。
传像光纤元件与阵列焦平面器件结合使用，可构成许多新的光纤数码系统 2002 年 A. R. Faruqi ( Nuclear Instruments & Methods in Phsical Research, 2002， 477(1-3) :137-142)提出使用2X2个传像光纤锥和2X2个面 阵CCD探测器组合成一个大焦平面光纤数码元件的方案，其在扩大视场之同时 分辨率也得到了有效的提高；2004年中国科学院上海技术物理研究所提出利用 光纤变换元件将线排列的光纤转化为面阵排列的光纤，然后使用一个面阵光电 器件接收，实现大线视场及高像素要求的方案(P200410089452.8); 2006年华 南理工大学提出了一种利用半球透镜、传像光纤板与线阵CCD组合的大视场一 维数码定位镜头(P200620058503. 5)，可在±45°范围内用于电子白板的平面 定位。2005年日本CANON KK(KAN0)公开了一种用于数码摄像/投影的球型透镜 结构(申请号JP2005338341-A， NEGISHI M， "Wide angle lens apparatus for camera, has image surface converter having optical fibres havinglongitudinal direction corresponding to center of ball lens")，其系 统使用了带有凹球面的传像光纤锥校正像面场曲，使系统轴外和轴上点的成像 质量得到保证；己有技术是通过利用传像光纤板与数码'器件及光学镜头的组合 获得大的视场和良好的像质。
在以往的传像光纤板与光电阵列器件组合应用中，传像光纤板的作用还往 往是用于校正光学系统的场曲像差。上述第一种光纤数码结构和技术采用2X2 个完全相同的光纤锥实现大尺寸焦平面器件，其应用于面阵扩展是有效的(其 他技术多用于改善像质)，但这种方法在具体实施时对传像光纤锥的一致性及拼 接精度要求很高， 一般用于凝视面成像光学系统，做法是通过多个传像光纤锥 和多个面阵数码器件组合成大尺寸的焦平面器件，但高精度的传像光纤锥制作 是十分困难，造成其一致性很难得到保证且造价极高，当该结构用作大尺寸的 一维焦平面线阵器件时也并不适用。第二种方法利用^fc纤转换元件实现了利用 面阵数码器件实现大尺寸线阵数码器件，但在具体实现中，面阵器件与面阵光
纤的准确对接要求高，耦合时易产生较大的背景杂光，传像光纤排列也比较复 杂，由于转换光纤长度的差异会造成像面亮度的不均匀。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种制作、耦合 更为简洁、 一致性好且便于安装的光纤线阵数码元件。
发明的另一目的在于提供一种采用上述光纤线阵数码元件的大尺寸光纤线 阵数码器件，该大尺寸光纤线阵数码器件高像素、大尺寸、低成本且易于实现。
本发明的再一目的在于提供上述大尺寸光纤线阵数码器件的成像方法。
本发明的目的通过下述技术方实现光纤线阵数码元件包括1个传像光纤 元件和1个线阵光电器件，其中，传像光纤元件中的传像光纤按序排列，传像 光纤元件接收端的端面可以是平面，也可以是曲面；传像光纤元件输出端的端 面可以直接与线阵光电器件的光敏面密接耦合，也可以通过透镜与线阵光电器 件的光敏面耦合。
所述传像光纤元件中的传像光纤按序排列可以是单丝线阵排列，也可以是 复丝阵列排列。
本光纤线阵数码元件还包括用于固定传像光纤元件的固定元件，该固定元件能保证传像光纤元件的空间位置不变，该固定元件由树脂、塑胶、陶瓷或玻 璃等材料制成。
为更好地实现本发明，可以根据实际使用的需要，所述传像光纤元件在保 持接收端、输出端光纤排列顺序不变的情况下，两端相对扭转一个角度X，或传
像光纤元件整体弯折一个角度Y。 X、 Y的选择以便于线阵光电器件的安装为目 的，这里X、 Y的优选范围为45。-90。， 一般情况下，X、 Y均选为9(T 。
采用上述光纤线阵数码元件组成的大尺寸光纤线阵数码器件，包括多个光 纤线阵数码元件，其中，各传像光纤元件按序排列，各传像光纤元件的接收端 顺次串行密接连接成一个线阵即构成大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端， 各线阵光电器件的电驱动扫描顺序与传像光纤的阵列排序相对应。
所述大尺寸光纤线阵数码器件的各光纤线阵数码元^^中，各个传像光纤元 件的长度相同，以保证输出像面的均匀性。
上述大尺寸光纤线阵数码器件的成像方法，包括下述步骤
(1) 将大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的端面安装在一成像物镜的 焦平面上构成一维扫描成像系统，各线阵光电器件通过信号线与数据处理系统 相连接；
(2) 成像物镜将物的一维图像投影在大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收 端的端面上，图像经多个传像光纤元件后分解为相应多个线阵信号；
(3) 多个线阵信号分别由多个线阵光电器件耦合接收后快速读出，并进行 连接还原，然后通过信号线传至数字处理系统获得一维图像输出；
当物的投影面相对于大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的端面做垂直 移动时，便可获得物的完整的二维图像。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果
(1) 本发明光纤线阵数码元件中的传像光纤与线阵光电器件耦合显得更为 简单，通过弯曲或扭曲传像光纤元件，容易实现传像光'纤与线阵数码器件光敏 元的安装及耦合；
(2) 本发明光纤线阵数码元件的传像光纤元件使用塑胶、玻璃、陶瓷或玻 璃等材料构成的固定元件固定，能保持本发明具有良好的稳定性及良好的光学 工艺性能；(3) 由本发明光纤线阵数码元件组成的大尺寸光纤线阵数码器件，采用多
个光纤线阵数码元件组合，实现了低成本大尺寸的线阵数码器件结构，且达到 更高的精度。各线阵光电器件的电驱动扫描顺序与传像光纤的阵列排序相对应，
假定本发明大尺寸光纤线阵数码器件有N个光纤线阵数码元件，如果每个光纤 线阵数码元件的像素为M，则由N个光纤线阵数码元件组成的大尺寸光纤线阵 数码器件的像素最高可达NxM。例如，如果所使用的单个光纤线阵数码元件的 光电器件为1024像素的CCD元件，当采用10个这样的光纤线阵光电元件组合 时，可获得像素高达10K的大尺寸光纤线阵数码器件，可使扫描相机的分辨率 大大提高；
(4) 由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件，采用多个光纤线阵数码元 件组成高像素、大尺寸的组合式光纤线阵数码器件，与现有系统中釆用转换线 阵传像光纤元件排列为面阵光纤排列并由面阵光电器件接收方式相比，线阵尺 寸扩展性好，由于本发明中的传像光纤元件的传像光纤更短且长度相同、系统 透过率高、 一致性好，避免了成像强度的传输失真，背景噪音有效降低；
(5) 由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件，可以将大尺寸光纤线阵数 码器件组合接收端的端面整体设计加工成特定曲面(如球面)面型，可局部消 除场曲和像散的影响，降低扫描系统中成像物镜的设计难度，简化结构，提高 系统的成像质量和可靠性；
(6) 由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件，其加工难度及制造成本有 效降低，各个传像光纤元件长度相同，传像光纤元件制作简单，工艺要求也较 低。
图1为本发明光纤线阵数码元件的结构示意图2为由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件的一种结构形式示意图3为由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件的^像方法示意图4为由本发明组成的大尺寸光纤线阵数码器件的另一种结构形式示意图5为本发明的两种光纤传像元件空间结构及形成过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施 方式不限于此。 实施例
如图1所示，本发明光纤线阵数码元件包括1个传^光纤元件(1)和1个
线阵光电器件(3)，其中，传像光纤元件(1)中的传像光纤按序排列，传像光 纤元件(1)的接收端的端面可以是平面，也可以是曲面；传像光纤元件(1) 输出端的端面可以直接与线阵光电器件(3)的光敏面密接耦合，也可以通过透 镜与线阵光电器件(3)的光敏面耦合。
本发明光纤线阵数码元件还可以包括用于固定传像光纤元件(1)的固定元 件，该固定元件用于固定光纤的空间结构，能保证传像光纤元件(1)的空间位 置不变，该固定元件由树脂、塑胶、陶瓷或玻璃等材料制成。
可以根据实际使用的需要，所述传像光纤元件(1)在保持接收端、输出端 光纤排列顺序不变的情况下，两端相对扭转一个角度X，也就是传像光纤中部扭 转一个角度X;
或所述传像光纤元件(1)在保持接收端、输出端光纤排列顺序不变的情况 下，传像光纤元件(1)整体弯折一个角度Y，也就是传像光纤折弯一个角度Y。
不同X、 Y的选择以便于线阵光电器件(3)的安装为目的，这里X、 Y的优 选范围为45°-90°， 一般X、 Y均选为90。。
所述传像光纤元件(1)中的传像光纤排列可以是单丝线阵排列，也可以是 复丝阵列排列。
如图2所示，采用上述光纤线阵数码器件的大尺寸光纤线阵数码器件，包 括多个光纤线阵数码元件。其中，(2)为固定元件，各传像光纤元件(1)按序 排列，各传像光纤元件(1)的接收端(A)顺次连接成一个线阵即大尺寸光纤 线阵数码器件的组合接收端，各线阵光电器件(3)的电驱动扫描顺序与传像光 纤的阵列排序相对应。
所述大尺寸光纤线阵数码器件的各光纤线阵数码器.件中，各个传像光纤元
件(1)的长度相同，以保证输出像面的均匀性。
上述大尺寸光纤线阵数码器件的成像方法，包括下述步骤
1、如图3所示，将大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的端面安装在一
成像物镜(4)的焦平面上构成一维扫描成像系统，各线阵光电器件(3)通过信号线与数据处理系统相连接，所述各接收端(A)的端面均制作成曲面，用于
补偿相应的场曲像差，简化成像物镜结构；
2、 成像物镜将一维物(B)的图像投影在大尺寸光纤线阵数码器件的组合 接收端的端面上，图像经多个传像光纤元件(1)后分解为相应多个线阵信号；
3、 多个线阵信号分别由多个线阵光电器件(3)耦合接收后快速读出，并 进行连接还原，然后通过信号线传至数字处理系统；
当物的投影面即物面(5)相对于大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的 端面做垂直移动时，便可获得物的完整的二维图像。
图4示出大尺寸光纤线阵数码器件应用于构成一维扫描成像系统的另一种 形式，该一维扫描成像系统使用的原理同图2。其相对于图2所示的一维扫描成 像系统在结构上差异是所使用的各传像光纤元件(1)的接收端(A)均依次 弯向两侧，整个大尺寸光纤线阵数码器件的纵向尺寸减少，而图2所示意的整 个大尺寸光纤线阵数码器件是横向尺寸较小。
图5示出了两种传像光纤元件空间结构及形成过程。其中，图5-1中，传像 光纤元件的两端相互正交；图5-2中，两端平行、传像光纤元件整体弯折一个 角度Y (Y为90。)形成一个便于阵列光电器件安装的特定空间结构。
本大尺寸光纤线阵数码器件采用多个本发明光纤线阵数码元件组成，各光 纤线阵数码元件中的传像光纤元件、线阵光电器件可独#进行制作，之后进行 组装，实现光纤线阵数码器件结构，适用于大视场扫描成像或大尺寸检测领域。
本发明提供的新型光纤线阵数码元件可使相应的应用系统结构简化或便于 光电器件安装，加工难度和成本降低，分辨率有效提高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、光纤线阵数码元件，其特征在于包括1个传像光纤元件和1个线阵光电器件，其中，传像光纤元件中的传像光纤按序排列，传像光纤元件接收端的端面为平面或曲面；传像光纤元件输出端的端面直接与线阵光电器件的光敏面密接耦合，或通过透镜与线阵光电器件的光敏面耦合。
2、 根据权利要求1所述的光纤线阵数码器元件，其特征在于所述传像 光纤元件在保持接收端、输出端光纤排列顺序不变的情况下，两端相对扭转一个角度X， X的优选范围为4513-90°。
3、 根据权利要求1所述的光纤线阵数码器元件，其特征在于所述传像光纤元件在保持接收端、输出端光纤排列顺序不变的情况下，传像光纤元件整体弯折一个角度Y， Y的优选范围为45。-90。。
4、 根据权利要求1所述的光纤线阵数码器元件，其特征在于所述传像 光纤元件中的传像光纤排列为单丝线阵排列或复丝阵列排列。
5、 根据权利要求1所述的光纤线阵数码器元件，其特征在于还包括用于固定传像光纤元件的固定元件。
6、 根据权利要求5所述的光纤线阵数码器元件，其特征在于所述固定元件由树脂、塑胶、陶瓷或玻璃制成。
7、 采用权利要求1至6所述由多个光纤线阵数码举元件组合而成的大尺寸光纤线阵数码器件，其特征在于包括多个光纤线阵数码元件，其中，各传像光纤元件按序排列，各传像光纤元件的接收端顺次串行密接连接成一个线阵 即构成大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端，各线阵光电器件的电驱动扫描 顺序与传像光纤的阵列排序相对应。
8、 根据权利要求7所述的大尺寸光纤线阵数码器件，其特征在于所述大尺寸光纤线阵数码器件的各个传像光纤元件的长度相同。
9、 根据权利要求7所述的大尺寸光纤线阵数码器件的一维和二维成像方法，其特征在于包括下述步骤(1 )将大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的端面安装在一成像物镜 的焦平面上构成一维扫描成像系统，各线阵光电器件通过信号线与数据处理系 统相连接；(2) 成像物镜将物的一维图像投影在大尺寸光纤线阵数码器件的组合接 收端的端面上，图像经多个传像光纤元件后分解为相应多个线阵信号；(3) 多个线阵信号分别由多个线阵光电器件耦合接收后快速读出，并进 行连接还原，然后通过信号线传至数字处理系统获得一维图像输出；当物的投影面相对于大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端的端面做垂 直移动时，便获得物的完整的二维图像。
全文摘要
本发明提供光纤线阵数码元、器件及其成像方法，其中光纤线阵数码元件包括1个传像光纤元件和1个线阵光电器件，传像光纤元件中的传像光纤按序排列，所述传像光纤元件接收端的端面是平面或曲面，输出端的端面通过透镜或直接与线阵光电器件的光敏面密接耦合；由多个光纤线阵数码元件组成的可用于扫描成像或位置成像的大尺寸光纤线阵数码器件，各传像光纤元件按序排列，各传像光纤元件的接收端顺次连接成大尺寸光纤线阵数码器件的组合接收端，各线阵光电器件的扫描顺序与传像光纤的阵列排序相对应。本发明提供的大尺寸线阵光纤数码器件结构实现方便，具有优良的性能价格比，可用于航空航天遥感中作图像传感器，也可用于文字图形读取及精密尺寸检测。
文档编号G02B6/06GK101414033SQ200810219509
公开日2009年4月22日 申请日期2008年11月28日 优先权日2008年11月28日
发明者鹏 向, 薛永祺, 马国欣 申请人:华南理工大学