CN101598835A

CN101598835A - 光纤传像束及其制造方法

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Publication number: CN101598835A
Application number: CNA2009100325110A
Authority: CN
Inventors: 张振远; 徐明泉; 李莉; 孙磊; 王蓉; 张建明; 朱昊; 高建宁
Original assignee: Chunhui Science & Technology Co Ltd Nanjing
Current assignee: Chunhui Science & Technology Co Ltd Nanjing
Priority date: 2009-06-30
Filing date: 2009-06-30
Publication date: 2009-12-09

Abstract

本发明提供一种光纤传像束，制造方法简单易行，且可以同时具有大截面和高分辨率。本发明还提供了上述光纤传像束的制造方法。所述光纤传像束，包括光纤复丝，所述光纤复丝包括轴向平行的光纤单丝、玻璃管和EMA纤维，光纤单丝排列在玻璃管中，EMA纤维填充于光纤单丝之间或光纤单丝与玻璃管之间。所述光纤传像束的制造方法，包括以下步骤：将多根光纤棒复合为复式光纤棒，拉制成光纤复丝后经排片、叠片，制成光纤传像束，将多根光纤棒复合为复式光纤棒的方法是：将光纤棒和EMA纤维插入玻璃管中，使EMA纤维填充于光纤棒之间或光纤棒与玻璃管之间，光纤棒、玻璃管和EMA纤维轴向平行。本发明有效提高了光纤传像束的质量，可制备高分辨率的大信息量传像束。

Description

光纤传像束及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传像束及其制造方法。

背景技术

光纤传像束是由数千根到一百多万根具有良好波导结构的光纤紧密有序地相干排列而成，光纤丝量达五十万以上的光纤传像束俗称大信息量光纤传像束。大信息量光纤传像束具有体积小、重量轻、可在任意弯曲状态下传像，使用自由度大、无源抗干扰等特点，图像传输过程不受空间限制、易实现图像的旋转和图像稳定，因此大信息量光纤传像束已广泛应用于机器视觉(Machine Vision)、危险的恶劣环境(Hazardous Environments)、飞行模拟器(FlightSimulator)等方面瞄准，军事应用已见报道，可用于主战坦克的机关枪瞄准、轻武器瞄准、潜望侦察监视、核爆轰实验图像即时采集等。

目前制造光纤传像束的主要方法有两种：酸溶法和层叠法。专利申请号200510112352.7“一种酸溶法制造小截面柔性光纤传像束的制造方法”和专利号03147087.4“生产蚀刻光导纤维束的方法和改良的蚀刻光导纤维束”都公开了酸溶法制造光纤传像束的工艺方法，光纤直径可小到8μm，即理想极限分辨率可达到72lp/mm，但传像截面一般只能做到

以下，即光纤丝量少于15万，因为截面若过大，传像束中间部分的可溶性玻璃由于酸溶不进去而无法被腐蚀掉，如果延长腐蚀时间会急剧增加断丝和暗丝，光纤直径越细，采用酸溶法会使断丝率和暗丝率增高，即制造同样困难，为了制造大信息量光纤传像束，前苏联曾采用酸溶复合法，即用酸溶法制造小截面传像束(光纤丝量达3万)作为子束，然后将子束进行复合，但是复合后的各子束间就有明显的六角形黑框，虽然子束的分辨率高，但复合后的传像束的分辨率不高，同时图像的传输易发生扭曲和失真。层叠法是制造大截面传像束的有效方法之一，问题是光纤丝径一般不低于12μm，这是由于受限于拉丝工艺和排片工艺，成熟的光纤丝直径分布于15～16μm，即极限分辨率只能达33lp/mm，显然分辨率不高。

专利申请号200410073591.1“高分辨率光纤传像束的制造方法”提出先拉制1～2mm的粗光纤丝，将7根或19根粗光纤丝复合拉制12～18μm的复丝，然后将12～18μm的复丝通过排片、上胶再层叠来制成传像束，经分析该方法只能是一种想法，不具有实用性，原因如下：1、因粗光纤丝的直径太细，7根或19根粗光纤丝复合就不能太长，否则拉出的复丝端面的一一对应关系就会被破坏，即图像传输就会变形和扭曲，同时7根或19根粗光纤丝复合长度短，则拉丝作业时间短，这对复丝直径精度控制及拉丝作业极为困难；2、因粗光纤丝的直径太细，7根或19根粗光纤丝复合的直径就小，则拉丝作业时间短，显然复丝废品率高；3、复丝直径12～18μm，7根或19根粗光纤丝复合的直径又小，而组合体的送入炉内的速度不能低于0.5mm/分钟，则复丝的牵引速度就快，且不论对设备要求，就是拉丝作业时的引丝、换拉丝筒、复丝张力控制等都极为困难，同时容易断丝，如果复丝的张力控制得不好，极不易于复丝的排片；4、复丝结构过于简单，拉复丝时复丝易产生分叉，如果提高炉温来防止分叉，则复丝变形严重且暗丝增多，所制成的传像束因断暗丝率高而不具实用性。

发明内容

本发明提供一种光纤传像束，制造方法简单易行，且可以同时具有大截面和高分辨率。

本发明还提供了上述光纤传像束的制造方法。

所述光纤传像束，包括光纤复丝，所述光纤复丝包括轴向平行的光纤单丝、玻璃管和EMA纤维，光纤单丝排列在玻璃管中，EMA纤维填充于光纤单丝之间或光纤单丝与玻璃管之间。

所述光纤传像束的制造方法，包括以下步骤：将多根光纤棒复合为复式光纤棒，拉制成光纤复丝后经排片、叠片，制成光纤传像束，将多根光纤棒复合为复式光纤棒的方法是：将光纤棒和EMA纤维插入玻璃管中，使EMA纤维填充于光纤棒之间或光纤棒与玻璃管之间，光纤棒、玻璃管和EMA纤维轴向平行。

光纤棒和光纤单丝具有芯皮结构，其中光纤棒直径为5～10mm、截取长度为0.5～1m，直径的选择和长度的截取视传像束对光纤单丝直径和传像截面尺寸的要求。柔软的传像束所采用的光纤单丝的数值孔径一般为0.6左右，不同于光纤面板和光锥所采用的光纤丝(其数值孔径为1)，为防止光纤单丝皮层太薄而漏光产生暗丝，因此光纤棒和光纤单丝的芯皮直径关系需满足(d_芯/d_皮)²≤0.64，其中d_芯为芯层直径，d_皮为皮层直径。

光纤复丝(multi-fiber)由多根光纤单丝复合在一起，本发明所述的光纤复丝是用作传像束层叠工艺中的一个单元，所以光纤复丝的直径不易太粗，同时考虑到拉丝工艺，一般光纤复丝直径为20～50μm，光纤复丝中的光纤单丝排列有三角形、正方形、长方形或六角形排列等，其排列方式和光纤单丝的数量视传像束要求的分辨率来设计。传统光纤复丝采用最简单的六角形排列是由7根光纤单丝(Mono fiber)构成，如图1所示。

采用如图1结构，发现在拉丝过程中光纤单丝容易分离。在光纤单丝的间隙处插入EMA纤维，光纤复丝结果如图2所示，拉制光纤复丝时光纤单丝不分离，但发现光纤单丝的变形严重。而采用本发明，在外部套玻璃管，并在光纤单丝间及光纤单丝与玻璃管之间插入EMA纤维进行填充，拉制光纤复丝时光纤单丝不分离，光纤单丝变形量小，符合要求，光纤复丝如图3所示。其中，单处空隙处可以采用一根EMA纤维填充，也可以采用多根EMA纤维进行填充。

其中玻璃管起到固定、粘结作用，为了保证复式光纤棒的顺利拉制，本领域的技术人员根据现有技术，可以对所用玻璃管的材料进行限定，如软化点不能高于光纤单丝材料。另外，玻璃管壁厚限制了不同光纤复丝之间光纤单丝的距离，也限制了传像束中的有效工作面积，因此玻璃管不宜过厚。本领域的普通技术人员可以通过实验确定玻璃管的合适壁厚。优选的方案是，光纤棒中的玻璃管壁厚0.5mm-0.8mm，光纤复丝中玻璃管壁厚1-2μm。采用上述玻璃管壁厚，所得光纤传像束可以具有较高的分辨率。

EMA是extra mural absorption material(超薄壁光吸收材料)的简称，常应用于光纤传像制品中，如光纤面板、光锥、传像束等，主要功能是吸收光纤的外射光线(spray ray)以提高光纤传像制品的像对比度，本发明采用纤维结构形式，成形于光纤单丝的间隙处，不仅是为了提高图像对比度，还为了增强光纤单丝间的粘接力，由于EMA纤维与光纤单丝材料相比，软化点较低，因此，在拉丝过程中，EMA纤维先软化，起到粘结光纤单丝的作用。EMA纤维有透明玻璃纤维和黑色玻璃纤维二种，采用透明玻璃纤维，其折射率不能高于光纤皮层的折射率，否则透明玻璃纤维会传光而影响图像的对比度，黑色玻璃纤维具吸光性，只要求与光纤的热性能匹配，不要求其折射率。

光纤复丝经排片步骤，成为一定宽度的光纤复丝片，然后通过光栅莫尔条纹技术来叠片。理论和实践表明，光纤复丝间呈“六角形”排列状态，其光纤传像束的分辨率最高，因此要保证使上一排光纤复丝“波峰”与下一排光纤复丝的“波谷”一一对应。为了保证光纤传像束的光纤复丝间严格呈“六角形”排列，除了确保光纤复丝直径均匀、排片质量好之外，叠片技术也起决定性作用。所述“光栅莫尔条纹效应”就是把每片光纤复丝片视为一个透射光栅，两个透射光栅叠加并相互成一个角度时，即形成莫尔条纹，关系式为：W＝d/θ。其中：W-莫尔条纹宽度，d-光栅常数(在这里代表光纤复丝直径)，θ-两叠加光栅之间的夹角。由式可知：θ越小，W越大，即条纹越宽，当θ为0时莫尔条纹无限宽，条纹“消失”，表明上丝片的丝与相邻下丝片的丝在轴向上完全平行，此时为最佳叠片位置。叠片完成后浸胶并固化，通过研磨、抛光、铠装等工序后制造成所要求的高分辨率大信息量光纤传像束。

本发明采用层叠法制备传像束，在传统的光纤复丝结构基础上，采用玻璃管结构，同时在光纤单丝的空隙处和光纤单丝与玻璃管之间插入EMA纤维，既可以提高图像对比度，还可以增强光纤单丝间的粘接力，而且拉制光纤复丝时光纤单丝不分离，光纤单丝变形量小，可以得到单丝直径小、传像截面大的传像束，从而可以制备高分辨率的大截面传像束。

本发明构思新颖，制造方法简单、易于实现，有效提高了光纤传像束的质量，可用层叠法制备高分辨率的大信息量传像束。

附图说明

图1是对照实施例1中复式光纤棒或光纤复丝结构示意图；

图2是对照实施例2中复式光纤棒或光纤复丝结构示意图；

图3是本发明所述复式光纤棒或光纤复丝结构示意图；

图4是光纤复丝制造工艺流程图；

图5是传像束制束工艺流程图；

图6是光纤棒剖视图；

图7是本发明光纤传像束中光纤排列示意图；

图8是对照实施例2所得光纤复丝制成束后的显微镜截面照片；

图9是本发明所得光纤复丝制成束后的显微镜截面照片。

具体实施方式

实施例1

实施步骤如下：

1、拉制光纤棒，如图6，芯料5折射率1.62，皮管4折射率1.49，所以数值孔径为0.64；光纤棒的芯直径d芯＝6mm、d皮＝7.5mm，则(d芯/d皮)2＝0.64，也就是说当光纤单丝直径为10μm时光纤皮层4厚度是1μm，因此光纤皮层4不会漏光，理论上的暗丝不会产生；光纤棒的截取长度0.8m，共制14根光纤棒。

2、拉制

的EMA黑色玻璃纤维若干。

3、制备玻璃管，内径

壁厚0.5mm、长度1m、数量2根。

4、如图3，将7根光纤棒插入一根玻璃管3中，光纤棒1呈六角形排列，然后插入多根EMA纤维2，填充光纤棒1之间或光纤棒1与玻璃管3间的空隙处，较大空隙处可采用多根EMA纤维进行填充，得到复式光纤棒，将复式光纤棒安装到拉丝塔上，通过送棒装置将复式光纤棒送入管式炉中拉丝。

5、光纤复丝直径控制在30μm～30.2μm，共拉制约10筒的光纤复丝，如图3所示，光纤复丝包括轴向平行的光纤单丝1、玻璃管3和EMA纤维2，光纤单丝1排列在玻璃管3中，EMA纤维2填充于光纤单丝1之间或光纤单丝1与玻璃管3之间，其中光纤单丝1直径为10μm。将光纤复丝制成束，通过显微镜观察，截面照片如图9所示，光纤单丝不分离、不变形。

6、将光纤复丝通过图5的制束工艺，即排片、叠片、铠装、端面磨抛等来制成传像束，其传像束中的光纤排列如图7所示。得到的传像束光纤单丝数为100万，截面直径13.5mm，长600mm，分辨率高达50lp/mm。

对照实施例1

光纤棒同实施例1，如图1将7根光纤棒1按六角形排列固定得到复式光纤棒，将复式光纤棒安装到拉丝塔上，通过送棒装置将复式光纤棒送入管式炉中拉丝。光纤复丝直径控制在30μm，共拉制约10筒的光纤复丝，其中光纤单丝直径为10μm，拉制时光纤单丝分离。

对照实施例2

光纤棒同实施例1，如图2将7根光纤棒1按六角形排列，光纤棒1间的空隙处填充EMA纤维2，固定得到复式光纤棒，将复式光纤棒安装到拉丝塔上，通过送棒装置将复式光纤棒送入管式炉中拉丝。光纤复丝直径控制在30μm，共拉制约10筒的光纤复丝，其中光纤单丝直径为10μm。将光纤复丝制成束，通过显微镜观察发现光纤复丝变形量大，如图8所示。

Claims

1、一种光纤传像束，包括光纤复丝，其特征在于所述光纤复丝包括轴向平行的光纤单丝、玻璃管和EMA纤维，光纤单丝排列在玻璃管中，EMA纤维填充于光纤单丝之间或光纤单丝与玻璃管之间。

2、如权利要求1所述的光纤传像束，其特征在于所述光纤复丝直径为20～50um，光纤复丝中玻璃管壁厚1-2μm。

3、如权利要求1所述的光纤传像束，其特征在于所述EMA纤维为透明玻璃纤维，折射率不大于光纤单丝皮层折射率。

4、如权利要求1所述的光纤传像束，其特征在于所述EMA纤维为黑色玻璃纤维。

5、如权利要求1所述的光纤传像束，其特征在于所述光纤单丝包括皮层和芯层，(d_芯/d_皮)²≤0.64，其中d_芯为芯层直径，d_皮为皮层直径。

6、如权利要求1-5中任一项所述的光纤传像束，其特征在于光纤传像束中光纤复丝呈六角形排列。

7、如权利要求6所述的光纤传像束，其特征在于相邻两层的光纤复丝在轴向上平行。

8、如权利要求1-5中任一项所述的光纤传像束，其特征在于光纤复丝中的光纤单丝呈三角形、正方形、长方形或六角形排列。

9、如权利要求1-8中任一项所述光纤传像束的制造方法，包括以下步骤：将多根光纤棒复合为复式光纤棒，拉制成光纤复丝后经排片、叠片，制成光纤传像束，其特征在于将多根光纤棒复合为复式光纤棒的方法是：将光纤棒和EMA纤维插入玻璃管中，使EMA纤维填充于光纤棒之间或光纤棒与玻璃管之间，光纤棒、玻璃管和EMA纤维轴向平行。

10、如权利要求9所述的光纤传像束的制造方法，其特征在于所述光纤棒直径为5～10mm，长0.5～1m，光纤棒中的玻璃管壁厚0.5mm-0.8mm。