了解IsCMOS 像增強器sCMOS相機成像（三）
---了解IsCMOS 像增強器sCMOS相機成像（三）---
論文集錦：了解增強型sCMOS成像（三）
Understanding Intensified sCMOS Imaging
3. 光耦合方法的比較
3.2 單鏡頭耦合——PCO為什么避免使用它
使用焦距為f的單鏡頭，帶有玻璃輸出的磷光體在物距g的情況下成像到像距b的光學傳感器上。這兩個距離是從鏡頭位置開始向相反兩個方向上測量的，它們之間的關系是由眾所周知的鏡頭成像一階方程式定義的：1 / b + 1 / g = 1 / f。單鏡頭耦合的傳輸效率是根據公式3計算的。即使是F1.0的50 mm高光圈鏡頭，對于1：1等比成像，其傳輸效率也僅為5.9 %。
圖16：單鏡頭耦合的成像幾何
3.3串聯鏡頭耦合——PCO為什么選擇它
串聯鏡頭系統由兩個鏡頭組成（見圖17），光的成像路徑會從第一個鏡頭的焦平面（L1 =準直鏡頭）到達無窮遠，從單點發出的所有光線都將轉換為平行的光束。第二個鏡頭（L2 =成像鏡頭）可聚焦到無窮遠，因此可以將這束平行的光線重新聚焦在傳感器所在的焦平面中的單個圖像點上。鏡頭耦合圖像增強器的磷光體有玻璃輸出端，因此，經過鏡頭的光束可以穿過玻璃聚焦在磷光體平面上。
可以使用公式4計算串聯鏡頭系統的傳輸效率。在此示例中，對于由100 mm焦距的F1.5準直鏡頭和53 mm焦距的F0.85成像鏡頭組成的高級串聯鏡頭系統，計算得出的傳輸效率為31.2 %，與測量結果非常吻合。
公式4
由于兩個鏡頭僅用于單個成像任務，在窄光譜范圍內的光束從焦平面到無限遠以及從無限遠回到焦平面，所以可以完美優化光學設計而無需降低標準。這種優化保證了高傳輸效率以及無瑕疵的完美圖像質量。非接觸式耦合系統的另一個明顯優勢是，潛在的污染將始終停留在兩個鏡頭的焦平面之外，從而不會影響圖像質量。
兩個鏡頭的焦距比決定了磷光體圖像與其在探測器上的圖像之間的成像比例，此成像比例可以很輕松地根據需求來調整（見公式5）。
公式5
該結果表明，在新的pco.dicam C1相機中使用的兩個焦距分別為100 mm和53 mm的鏡頭的組合，適用于從25mm磷光體到18.8 mm sCMOS傳感器的輸出成像。
圖17：串聯鏡頭耦合的成像幾何
3.4結論
回顧我們在第3章開始處引用的聲明：“一個制造正確的錐形光纖可提供高達60 %的傳輸效率，而透鏡耦合則保持在百分之幾的范圍內。因為錐形光纖耦合可以將更多的磷光傳遞到像元上，所以優于透鏡耦合。”
現在，我們必須將其有效性限制在以下限制性的、不實際的條件下：
該陳述只有在以下情況是正確的……
您無需考慮在光耦合到錐形光纖以及光從錐形光纖耦合到光學傳感器像元的耦合點所造成的重大損耗。
您將成像比率為1：1的錐形光纖耦合與單鏡頭的耦合進行比較，而非與效率更高的最新串聯鏡頭系統進行比較。
總結到目前為止我們收集的結果：由于各種損耗機制會影響光在實際錐形光纖耦合的三個界面A、B、C上的傳播，因此實際上無法實現高達60 %的錐形光纖的理論傳輸效率。
圖像質量——錐形光纖的圖像偽影
到目前為止，我們僅考慮了錐形光纖耦合的定量方面。但是，在定性方面尤其是圖像質量上，不應被忽略。上文我們已經描述了最先進的串聯鏡頭耦合的高光學質量。
而錐形光纖中，可列一長串通常能觀察到的圖像偽像問題。它來自于純幾何方面，是由兩個相似但不相同的周期性結構（錐形光纖和像元矩陣）的疊加引起的，結果導致混疊（見圖18，圖A）。
光學錐形光纖上可見的大多數變形和瑕疵都是在生產過程中產生的，這涉及到軟化玻璃的流動過程，因此無法以完美的確定性方式進行控制。常見的變形有錯切（圖像B1：錐形光纖輸入處的一條直線在輸出處顯示為斷線）和彎曲（圖像B2：一條直線顯示為連續的彎曲線）。斑點瑕疵則包括燒毀或折斷的光纖（圖19）。所謂的鐵絲網狀瑕疵讓錐形光纖的內在結構不均勻性變得明顯，這表明錐形光纖的子結構是由許多小束光纖融合在一起制成的。
從FOP到錐形光纖界面上以及從錐形光纖到傳感器界面上的所有污染物（灰塵，氣泡等）在傳感器上都清晰可見。對比之下，非接觸式串聯鏡頭系統中的灰塵將始終停留在兩個鏡頭的焦平面之外，并且不會影響圖像質量。
圖18：混疊（圖像A），光學錐形光纖中的錯切和彎曲（圖像B）
圖19：斑點瑕疵和鐵絲網狀瑕疵
操作，穩定性，工作量和成本
涉及光學膠或浸油的錐形光纖耦合會經歷老化過程。錐形光纖和傳感器之間的膠合連接在相機系統的生命周期內可能會部分開膠，氣泡會進入界面并變得清晰可見。
與任何高質量的鏡頭耦合相比，除了尺寸和重量上的優點，錐形光纖的絕對優勢在于，，其成本更低。增強型相機中使用的典型錐形光纖較小（例如直徑25毫米）且重量較輕（約100克），而優化的串聯鏡頭系統則更大，更重（圖20）。
相比之下，由于成像方法是非接觸式的，并且兩個鏡頭都可以按常規方式聚焦，因此串聯鏡頭耦合相機系統的制造過程更加容易。而使錐形光纖與CCD或sCMOS傳感器的表面直接機械接觸則是一項艱巨的任務。另外，由于在錐形光纖與傳感器之間通過油或粘合劑的固定連接而導致的維修非常復雜。在某些情況下，這些化合物必須在修復過程中進行化學溶解，而這會損壞傳感器。串聯鏡頭耦合系統則允許以非常靈活和簡單的方式更換鏡頭和傳感器。
20：高端串聯鏡頭系統
簡單來說：
最先進的雙鏡頭耦合系統很容易達到甚至超過實際的錐形光纖耦合增強型相機系統的傳輸效率。
串聯鏡頭系統可提供完美的圖像質量，而錐形光纖則受其結構和制造過程所導致的各種圖像偽影的影響。
錐形耦合比串聯鏡頭系統小得多，而且重量更輕。
錐形光纖比高性能串聯鏡頭的成本低。
就生產過程而言，串聯鏡頭系統的可靠性和易于維護性與錐形光纖系統相比具有明顯的優勢。
【關于PCO】
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德國PCO相機和技術可廣泛應用于可見光、紫外光、近紅外光、熒光、弱光和單光子級信號的成像和定量分析，以及時間分辨、熒光壽命分析、高速和超高速成像等。其適用范圍涵蓋物理科學、生命科學、工程、國防、工業以及光電科學、天文學等諸多領域。
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