了解增强型sCMOS成像二： 光耦合方法的比较
2026-05-07 来源:本站 点击次数:1033. 光耦合方法的比较
关于实现图像增强器的磷光体输出端与相机模块的CCD / sCMOS传感器之间的光学耦合的最佳方法，是一个长期而富有争议的话题。基本上，有两种不同的方法可以完成这个任务——锥形光纤或成像透镜。支持使用锥形光纤的一个常见观点是：
“一个制作正确的锥形光纤可提供高达60%的传输效率，而透镜耦合则保持在百分之几的范围内。因为锥形光纤耦合可以将更多的磷光传递到像元上，所以优于透镜耦合。”要理解并形成完整的观点，我们必须进行全面的、包括从理论到实际的所有方面的比较。
3.1锥形光纤耦合
锥形光纤耦合使用一束光纤将光从图像增强器的磷光体输出端逐点传输到传感器（图9）。根据纤芯和包层之间的全反射原理，光会被引导并保留在单根光纤内，这种光纤可用较低折射率的包层包裹高折射率的纤芯制成。斯涅尔定律所定义的入射光角度必须在受光锥角内，以确保成功传输光（图10）。
关于实现图像增强器的磷光体输出端与相机模块的CCD / sCMOS传感器之间的光学耦合的最佳方法，是一个长期而富有争议的话题。基本上，有两种不同的方法可以完成这个任务——锥形光纤或成像透镜。支持使用锥形光纤的一个常见观点是：
“一个制作正确的锥形光纤可提供高达60%的传输效率，而透镜耦合则保持在百分之几的范围内。因为锥形光纤耦合可以将更多的磷光传递到像元上，所以优于透镜耦合。”要理解并形成完整的观点，我们必须进行全面的、包括从理论到实际的所有方面的比较。
3.1锥形光纤耦合
锥形光纤耦合使用一束光纤将光从图像增强器的磷光体输出端逐点传输到传感器（图9）。根据纤芯和包层之间的全反射原理，光会被引导并保留在单根光纤内，这种光纤可用较低折射率的包层包裹高折射率的纤芯制成。斯涅尔定律所定义的入射光角度必须在受光锥角内，以确保成功传输光（图10）。
单根光纤被捆绑并熔合成束，这些光纤束被再次捆扎并融合在一起成为锥形光纤。由于不可能用光锥聚焦，因此增强器的磷光体输出端需要一个直接连接的微光纤板（FOP）帮助信号传递。如果使用玻璃板会导致图像失焦。
因此，锥形光纤必须在两端都进行耦合——即耦合到磷光体的FOP和到传感器的像元矩阵。光纤耦合中总是包含两个光学元件，记住这一点很重要，尤其是当我们稍后估算锥形光纤耦合的实际损耗时。
假设所有输入光都被准直或都在受光锥角内且光纤直径大于5 μm，则可计算得出理想的1：1锥形光纤（输入直径=输出直径）的最大理论传输效率。
如此完美的锥形光纤的传输效率最大为64%——在这种理想情况下，仅考虑8%反射损耗，17%的包层损耗和11%的集成损耗。制造过程通常会为锥形光纤实际增加另外4%的损耗。在这些假设下，单根锥形光纤或FOP会将60%的光输入传输到发出光的另一端（参考文献2）。
而这仅仅是在到达像元之前！还没有考虑FOP和锥形光纤之间两级传输的附加损耗以及像元层的耦合损耗。请参见下文锥形光纤耦合的信号损耗机制。上述是在光纤直径较大且成像比率为1：1的情况下，而这是理想条件，实际情况常常有所不同。下面让我们考虑缩小率和光纤直径对传输效率的影响。
为了解析高分辨率的磷光，使用2-3 μm的较小直径的光纤是比较合理的，但是在这种情况下，纤芯和包层之间的面积比则会被负面影响，导致传输效率从60%下降到40%。
而且，由缩小倍率对锥形光纤传输效率造成的重要影响通常会被忽略。从公式1可以看出，减小图像尺寸（例如，在锥形光纤缩小倍率为2：1的情况下），传输效率会从直径大于5微米的理想1：1锥形光纤的60%降低到15%。很不幸，缩小倍率并不会像人们期望的那样聚光，实际正相反。
公式1
示例：利用锥形光纤耦合的磷光体到sCMOS传感器的图像缩放
根据上述计算得出的有效1：1图像缩放比例的结果，只有较小的18 mm图像增强器可用于对角线为18.8 mm的4.2 MPixel sCMOS传感器。对于首选的高分辨率25 mm图像增强器，使用缩小锥形光纤则具有极大效率损耗：
公式2
公式2
锥形光纤耦合的信号损耗机制
如前所示，当视为独立设备时，锥形光纤的传输效率非常高，但当使用它将图像增强器中磷光屏的光输出耦合到CCD或sCMOS检测器的像元矩阵中时，事情变得微妙起来。必须首先将光耦合到光纤束中，而且更重要的是，必须将光输入到连接相机端的像元矩阵中。光进出锥形光纤耦合处是发生明显损耗的地方，这使得锥形光纤的整体传输效率约等于甚至低于调整好的串联透镜系统。
如图9所示，从图像增强器的磷光体输出端（左侧，绿色）到CCD或sCMOS图像传感器的像元矩阵（右侧）的光路中，我们必须考虑三个界面。
A：磷光体和FOP输入之间的界面
B：FOP输出和锥形光纤输入之间的界面
C1：锥形光纤输出和像元表面之间的界面，通过空气进行耦合
C2：锥形光纤输出和像元表面之间的界面，通过胶水或浸油进行耦合
界面A：锥形光纤耦合需要一个带有微光纤板（FOP）的图像增强器作为输出，换句话说，磷光材料沉积在FOP上。磷光体发射的光以180° 的角度范围进行扩散，其中只有角度小于（受光锥角定义的）全反射临界角的光才能进入FOP并以预想的方式传播。同时，如上所述，存在包层和组装损耗。因此，在其他条件相同的情况下，这种具有FOP的增强器的基本光输出要比通过玻璃输出的图像增强器的基本光输出弱30%（参考文献4）。
界面B：当光离开FOP并进入锥形光纤时，再次发生相同的损耗。由于折射率的变化，从FOP发出的光有一部分在受光锥角之外。同样，必须考虑包层和组装损耗。因此，妥当的锥形光纤耦合所需两根光纤，几乎使单根锥形光纤的特征损耗增加到两倍。
界面C1：在锥形光纤输出端到像元间的空气耦合中，折射率的变化会增大发射角从而增加大角度发光占比（请参见图12）。像元顶部的微透镜（图13）对此非常敏感。它们的聚焦能力随着角度的增大而显著降低。因此，像元的量子效率下降，如图14所示。
界面C2：为避免折射率从玻璃中的1.8突然变化到空气中的1所带来的负面影响，通常使用浸油或光学胶将锥形光纤的输出侧黏接到像元表面。不过这样做就像切掉微透镜一样，这是因为将光子聚焦到光电二极管所必需的曲率被折射率相似的材料（油或胶水，图15）填充平滑了。再次，这种效果导致了像元量子效率的显著降低。
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