了解增强型sCMOS成像三：单镜头耦合和串联镜头耦合
2026-05-08 来源:本站 点击次数:1283. 光耦合方法的比较
3.2 单镜头耦合——PCO为什么避免使用它
使用焦距为f的单镜头，带有玻璃输出的磷光体在物距g的情况下成像到像距b的光学传感器上。这两个距离是从镜头位置开始向相反两个方向上测量的，它们之间的关系是由众所周知的镜头成像一阶方程式定义的：1 / b + 1 / g = 1 / f。单镜头耦合的传输效率是根据公式3计算的。即使是F1.0的50 mm高光圈镜头，对于1：1等比成像，其传输效率也仅为5.9%。
公式3
3.2 单镜头耦合——PCO为什么避免使用它
使用焦距为f的单镜头，带有玻璃输出的磷光体在物距g的情况下成像到像距b的光学传感器上。这两个距离是从镜头位置开始向相反两个方向上测量的，它们之间的关系是由众所周知的镜头成像一阶方程式定义的：1 / b + 1 / g = 1 / f。单镜头耦合的传输效率是根据公式3计算的。即使是F1.0的50 mm高光圈镜头，对于1：1等比成像，其传输效率也仅为5.9%。
公式3
3.3串联镜头耦合——PCO为什么选择它
串联镜头系统由两个镜头组成（见图17），光的成像路径会从第一个镜头的焦平面（L1 =准直镜头）到达无穷远，从单点发出的所有光线都将转换为平行的光束。第二个镜头（L2 =成像镜头）可聚焦到无穷远，因此可以将这束平行的光线重新聚焦在传感器所在的焦平面中的单个图像点上。镜头耦合图像增强器的磷光体有玻璃输出端，因此，经过镜头的光束可以穿过玻璃聚焦在磷光体平面上。
可以使用公式4计算串联镜头系统的传输效率。在此示例中，对于由100 mm焦距的F1.5准直镜头和53 mm焦距的F0.85成像镜头组成的高级串联镜头系统，计算得出的传输效率为31.2%，与测量结果非常吻合。
公式4
由于两个镜头仅用于单个成像任务，在窄光谱范围内的光束从焦平面到无限远以及从无限远回到焦平面，所以可以完美优化光学设计而无需降低标准。这种优化保证了高传输效率以及无瑕疵的完美图像质量。非接触式耦合系统的另一个明显优势是，潜在的污染将始终停留在两个镜头的焦平面之外，从而不会影响图像质量。
两个镜头的焦距比决定了磷光体图像与其在探测器上的图像之间的成像比例，此成像比例可以很轻松地根据需求来调整（见公式5）。
公式5
该结果表明，在新的pco.dicam C1相机中使用的两个焦距分别为100 mm和53 mm的镜头的组合，适用于从25 mm磷光体到18.8 mm sCMOS传感器的输出成像。
3.4结论
回顾我们在第3章开始处引用的声明：“一个制造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。”
现在，我们必须将其有效性限制在以下限制性的、不实际的条件下：
- 该陈述只有在以下情况是正确的……
- 您无需考虑在光耦合到锥形光纤以及光从锥形光纤耦合到光学传感器像元的耦合点所造成的重大损耗。
- 您将成像比率为1：1的锥形光纤耦合与单镜头的耦合进行比较，而非与效率更高的最新串联镜头系统进行比较。
- 总结到目前为止我们收集的结果：由于各种损耗机制会影响光在实际锥形光纤耦合的三个界面A、B、C上的传播，因此实际上无法实现高达60 %的锥形光纤的理论传输效率。
图像质量——锥形光纤的图像伪影
到目前为止，我们仅考虑了锥形光纤耦合的定量方面。但是，在定性方面尤其是图像质量上，不应被忽略。上文我们已经描述了最先进的串联镜头耦合的高光学质量。
而锥形光纤中，可列一长串通常能观察到的图像伪像问题。它来自于纯几何方面，是由两个相似但不相同的周期性结构（锥形光纤和像元矩阵）的叠加引起的，结果导致混叠（见图18，图A）。
光学锥形光纤上可见的大多数变形和瑕疵都是在生产过程中产生的，这涉及到软化玻璃的流动过程，因此无法以完美的确定性方式进行控制。常见的变形有错切（图像B1：锥形光纤输入处的一条直线在输出处显示为断线）和弯曲（图像B2：一条直线显示为连续的弯曲线）。斑点瑕疵则包括烧毁或折断的光纤（图19）。所谓的铁丝网状瑕疵让锥形光纤的内在结构不均匀性变得明显，这表明锥形光纤的子结构是由许多小束光纤融合在一起制成的。
从FOP到锥形光纤界面上以及从锥形光纤到传感器界面上的所有污染物（灰尘，气泡等）在传感器上都清晰可见。对比之下，非接触式串联镜头系统中的灰尘将始终停留在两个镜头的焦平面之外，并且不会影响图像质量。
操作，稳定性，工作量和成本
涉及光学胶或浸油的锥形光纤耦合会经历老化过程。锥形光纤和传感器之间的胶合连接在相机系统的生命周期内可能会部分开胶，气泡会进入界面并变得清晰可见。
与任何高质量的镜头耦合相比，除了尺寸和重量上的优点，锥形光纤的绝对优势在于，，其成本更低。增强型相机中使用的典型锥形光纤较小（例如直径25 mm）且重量较轻（约100克），而优化的串联镜头系统则更大，更重（图20）。
相比之下，由于成像方法是非接触式的，并且两个镜头都可以按常规方式聚焦，因此串联镜头耦合相机系统的制造过程更加容易。而使锥形光纤与CCD或sCMOS传感器的表面直接机械接触则是一项艰巨的任务。另外，由于在锥形光纤与传感器之间通过油或粘合剂的固定连接而导致的维修非常复杂。在某些情况下，这些化合物必须在修复过程中进行化学溶解，而这会损坏传感器。串联镜头耦合系统则允许以非常灵活和简单的方式更换镜头和传感器。
简单来说：
- 最先进的双镜头耦合系统很容易达到甚至超过实际的锥形光纤耦合增强型相机系统的传输效率。
- 串联镜头系统可提供完美的图像质量，而锥形光纤则受其结构和制造过程所导致的各种图像伪影的影响。
- 锥形耦合比串联镜头系统小得多，而且重量更轻。
- 锥形光纤比高性能串联镜头的成本低。
- 就生产过程而言，串联镜头系统的可靠性和易于维护性与锥形光纤系统相比具有明显的优势。
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