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2020.10.161806年外科醫生菲利普·博茲尼使用花瓶狀光源、蠟燭和一系列鏡片組成的器械來觀察直腸，這是內窺鏡的前身。之后經歷了兩百年長時間的技術更迭，從簡易的裝置發展到電子視頻內窺鏡，要能夠看到清晰細致的內部空間結構，更為明亮的光源仍是最為關鍵問題之一。工業內窺鏡作為一種用于替代人肉眼對無法觀察到的一些密閉空間結構的無損檢測儀器，廣泛應用于航天航空、石油化工、汽車制造、特檢、食品藥機、警用安全、軍工裝備等多個領域。普遍情況下工業內窺鏡光源采前端LED燈照明或者后置光纖導光，而后者可以為觀測提供了更好的照明條件，因此具有明顯的優勢。
1.LED燈在內窺鏡的應用
LED又稱為發光二極管，是一種直接能夠將電能轉化成光能的固態半導體元件，無損檢測技術中主要選用較小封裝的貼片LED燈珠，例如0805、0603、0402、0201封裝LED燈珠，根據內窺鏡管徑大小的不同配置2-6顆燈珠，使用環氧樹脂封裝，放置于內窺鏡前端為內窺鏡的探頭提供照明。當然LED的流明值與色溫也是重要的測試指標。
光纖實際上就是光導纖維，一種由玻璃或者塑料制成的纖維，無損檢測領域中光纖主要應用為光的傳遞，將大功率LED燈的光源，通過光纖高導光性傳輸至前端為內窺鏡的探頭提供照明，相比于LED燈直接照明的優點在于光纖導光光線照射距離遠，照度高，探頭前端溫度低。當然，光纖除了良好的導光性能外，目前醫學、工業檢測、科研、軍事等領域也廣泛應用光纖傳像技術
自 20 世紀 70 年代初 ,美國康寧公司成功地研制出世界上第一根實用化石英光纖以來 ,以光纖為傳輸媒介的光纖通信和由此派生出來的光纖傳感器技術得到了飛速的發展。在使用光纖傳送光束的光路結構中 ,往往以半導體激光器 (LED) 作光源 ,光纖與LD之間利用耦合技術來實現連接的 ,所以 ,耦合效率的高低直接影響光纖導光的性能。半導體激光器同光纖的耦合系統概括起來可分為兩大類 :采用分立的小型或微型光學元件構成的耦合系統和 采用在 光纖端面制作微透鏡的耦合系統。后一類系統的優點是靈活方便 ,易于集成封裝和加工制作。
半導體激光器與光纖的耦合可以分為兩大類，一種是分離透鏡耦合 ,即在光源和光纖之間插入光學元件的方法 ,如插入透鏡、棱鏡等 ;另一種是光纖直接耦合 ,即光纖和光源直接耦合 ,而不經過任何系統。無論哪種方法 ,目的都是對激光器發出的光場進行整形 ,使入射光場與光纖本征光場分布達到最大可能的匹配。分離透鏡耦合，耦合系統內部各光學元件之間以及耦合系統與光纖是分立的 ,此時對半導體激光器、光學耦合系統和光纖之間的共軸準直要求較高。在進行組件封裝時 ,為了保證較高的共軸性 ,通常采用一些形狀特殊、加工精度較高的支承件固定各光學元件 ,這就使成本較高 ,并且整體尺寸較大 ;為減小體積 ,系統中光學元件的尺寸一般在毫米量級 ,因而加工困難 ,價格昂貴。然而 ,這類耦合系統的一個突出優點是通過精確設計和加工 (如采用精密的消球差結構和在光學元件端面鍍制減反膜等) 可以最大限度地減少反射損耗、消除像差影響、改善光束非圓對稱性 ,從而實現高效率耦合。下面介紹幾種典型的由分光元件構成的光學耦合系統。
由單個球透鏡構成的耦合系統 ,球透鏡本身的圓對稱性使其裝配要比其他透鏡方便。單個球透鏡的球差與透鏡的焦距成正比 ,因此 ,減小球差來提高
耦合效率是這種耦合方法的關鍵。為了消除球差的影響 ,這種耦合系統中的球透鏡一般具有直徑小(短焦距) 、折射率高的特點。這種方式的耦合效率主要取決于光纖與透鏡的距離和激光器與透鏡的距離。其系統結構如圖 1 所示。
圖 1 單球透鏡耦合系統的示意圖
自聚焦透鏡是利用離子交換技術在圓柱狀玻璃基棒內產生徑向的折射率分布制成的 ,它的聚光能力是依靠折射率的漸變分布來實現的 ,焦距由透鏡長度決定。平端自聚焦透鏡球差較嚴重 ,會聚光斑較大 ,可把前端研磨成球面 ,補償透鏡的球差 ,耦合損耗可降為 1 db 左右。自聚焦透鏡外形尺寸較小 ,數值孔徑較大 ,損耗較低 ,但透鏡的折射率分布優化需精密測量和復雜計算 ,透鏡的加工過程需要對曲率球面進行精密研磨 ,增大了制作難度和成本。圖 2 為利用自聚焦透鏡耦合示意圖。
在許多光纖耦合系統中 ,常利用柱透鏡、球透鏡、自聚焦透鏡及錐形光纖等相互組合來提高耦合效率。其組合方式較多 ,典型的如圖 3 所示。利用組合透鏡可將耦合效率大幅度提高 ,通常可達到 75 %以上。但裝配時需要用專用精密夾具來精圖 密調整 ,增加了工作難度 ,并且封裝階段要求較高。
2.光纖直接耦合
光纖直接耦合包括平端光纖直接耦合和對光纖進行加工耦合的方法 ,如在光纖端面制造球形、錐形等。這種耦合系統靈活方便 ,易于集成封裝和加工制作 ,因而得到廣泛的應用。下面介紹幾種常用的光纖直接耦合方法。
平端光纖直接耦合是指把端面已處理的平頭光纖直接對向半導體激光器的發光面。影響耦合效率的主要因素是光源的發光面積和光纖芯徑總面積的匹配以及光源發散角和光纖數值孔徑角的匹配。半導體激光器與光纖之間存在嚴重的模失配 ,采用平端光纖直接耦合 ,損耗將會很大 ,耦合方式效率較低。圖 4 為平端光纖直接耦合示意圖。
圖 4 LD 和平端光纖直接耦合
獲得球形光纖端面的方法有很多種。一種比較簡單的方案是在光纖端面上制造一個樹脂的半球透鏡 ;另一種更實用的方案是在光纖的端面燒制出特殊形狀的端球 ,燒制的熱源可以采用電弧、氣體火焰或大功率激光器。光纖端面在這些熱源的作用下 ,熔化后再自然冷卻 ,在表面張力的作用下就會形成各種弧度的圓球形端面 ,圓球的曲率半徑與熱源的溫度和光纖與熱源的距離有關。采用球形光纖端面不僅可以提高半導體激光器與光纖的耦合效率 ,而且利于實驗光路調試。圖 5 是利用光纖熔接機的電極放電獲得的幾種球端面 ,圖 6 是 LD 和球形端面光纖直接耦合示意圖。
圖6 LD 和球形端面光纖直接耦合
2. 3 錐形光纖直接耦合
制作錐形光纖的方法有腐蝕、磨削和加熱三種方法 ,前兩種方法將光纖包層制成錐體而保持芯徑不變 ,后一種方法則利用電弧放電加熱或者利用熔融拉錐機加熱 ,使纖芯與包層一起成比例地拉伸成一定長度和錐度的錐體。這兩種方法得到的錐形光纖系統有著不同的特性 ,利用加熱方法制造的錐形光纖其芯層也為錐形結構 ,能夠獲得更高的耦合效率 ,在增大錐角以獲得更大的耦合效率的同時 ,最佳工作距離也隨之減小。這種耦合系統的耦合損耗一般在 4 dB～5 dB , x、y 、z 方向的 1 dB 失調容差分別為 1. 5μm、0. 7μm、8. 5μm。嚴格控制微透鏡曲率半徑可以獲得 2 dB 的耦合損耗 ,光反饋損耗約為 - 38dB ,但 1 dB 失調容差也會有所降低。如果錐形末端制作一個高折射率長橢球微透鏡 ,則耦合損耗還可進一步降低。當半導體激光器位于微透鏡的前焦點時 ,在微透鏡的后焦點可以獲得高斯光束的新束腰 ;若光纖的端面位于微透鏡的后焦點上 ,則高斯光束可以有效地耦合到光纖中。對于半球形微透鏡而言 ,其焦距遠大于透鏡的厚度 R ,因此 ,不滿足最佳耦合條件。我們利用熔融拉錐機在這方面開展了一些研究 ,其中所做的錐形光纖和半導體激光器的耦合效率最高可以達到 75 %。圖 7 是 LD 和錐形光纖直接耦合示意圖。
圖 7 LD 和錐形光纖直接耦合
在目前所有耦合方法中 ,錐端球面微透鏡應用最廣 ,其制作方法是先將光纖端部制成錐形 ,以減小端面半徑 ,然后 ,在錐端形成微透鏡。制作錐形光纖的方法如 3. 3 中所述。形成微透鏡也有兩種方法[12 ,13 ] 。一是直接電弧拋光、整形 ;二是把錐端處理后 ,浸入熔融高折射率玻璃中 ,控制浸入深度、時間長短從而得到不同大小及形狀的錐端高折射率微透鏡。錐端球面透鏡耦和效率一般可達 50 %～60 % ,最大可達 80 %左右。蝕刻錐型傳輸效率受球面半徑 R 影響較大 ,而熔拉錐型耦合效率受球面半徑影響較小 ,實驗結果顯示 ,熔拉錐球面半徑在 5μm～20μm 的范圍內 ,耦合效率都能保持 80 %左右。圖 8是 LD 和錐端球面透鏡直接耦合示意圖。
圖 8 LD 和錐端球面光纖直接耦合
4小結
本文討論了LED與光纖以及發光半導體與光纖相耦合的應用及實現方法，隨著無損檢測行業的蓬勃發展，LED燈與光纖的需求及應用越來越廣泛，相信會有越來越多的新的技術、新的材料、新的工藝應用到無損檢測行業。
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