CN101702045B - 一种高分辨率光纤传像束的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高分辨率光纤传像束的制造方法，步骤如下：将预制棒拉制直径0.5～3mm的单丝；再将单丝分切处理成相同长度若干段，进行清洗干燥，将合适数量的单丝按密堆积方式排列成型，再放入一个薄壁外套管，并对间隙处进行填充，再拉制直径0.5～3mm的复丝；将复丝分切成相同长度，并在酸溶液内将复丝外包的外套管腐蚀掉，再清洗干燥，再次按密堆积的方式进行排列成为复丝束；将复丝束放入一个薄壁外套管，并对单个复丝之间的间隙及复丝束与外套管之间的间隙用合适的纯二氧化硅玻璃丝进行填充；再将该复丝束置于普通拉丝塔进行拉制直径0.2mm～2mm的光纤传象束。本发明可制作具有分辨率高、象素高、柔韧的光纤传像束，并且同时具有产量高成本低的特点。

Description

一种高分辨率光纤传像束的制造方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨率光纤传像束的制造方法，属于光与图像传输领域。

背景技术

光纤传像束一般是由玻璃材料制成的数千或数万根长度一定、直径在若干微米的单丝(单根光纤)集束而成。为了直接传递图像信息，要求传像束中的每一根单丝(即每个象素)在传像束两端的位置按照一一对应的关系紧密排列，也就是说入射端和出射端中的每个象素在端面上所处的相对位置完全一致。这样，每根单丝就可以看成是一个取像单元，即象素，图像即可经过大量象素的分解分别传输至出射端，由于出射端和入射端有着同样的排列方式，于是在出射端图像信息被重新组合还原成为完整的图像了。这就是光纤传像束的工作原理。

传像束一般有两种生产工艺：一是排丝法，二是酸溶法。排丝法是直接把大量的单丝在两端集束成整齐排列的二维阵列。但是这种方法的难点是制作技术要求很高，把数万根直径只有微米量级的单丝整齐的排列起来并不容易。通常为了降低制作难度，单丝直径一般较大，例如几十至数百微米的直径，这样在空间有限的情况下不利于分辨率的提高。为了提高象素数量，需要增加传像束的直径，通常要达到数毫米的直径，这直接限制了传像束的应用范围。如果能做得的更细，传像束就可以直接插入更细小的生物器官，如血管、胆管等。而且，传像束一般由脆性玻璃制造，因此在排丝法制作工艺当中断丝现象很容易发生，因而成品率低，造价高。在使用过程，传像束的单丝也较容易因为弯曲等因素而断裂，那么它传送的象素就会消失，因而出现黑点，使得图象区域出现无效区，分辨率下降。

酸溶法，该方法是首先制造三层同轴单丝(最内层为芯层，中间是皮层，最外层是可溶性玻璃层)，然后排列成束，热熔拉制成复合细丝，最后将该符合细丝置于酸溶液内去除单丝的最外层材料(传像束两端除外)，进而使得各个单丝分开，从而获得传像束的柔韧性。这种工艺限制了传象素的单丝数量，也就是直接限制了象素的增加。这是因为如果单丝组成的束直径，即传像束直径太大，比如3mm以上，像束中间的可溶性玻璃会因为酸溶液无法顺利渗透进去而无法被腐蚀掉，进而难以获得期望的柔韧性能。

CN1828348A描述了一种酸溶法制作小截面柔性光纤传像束的制造方法。采用三套坩锅法制造了三层同轴的单丝，然后排列再热熔成刚性复丝，最后将该复丝进行酸溶处理而成为柔性光纤传像束。该方法可制作截面较小的柔性传像束，直径在0.6～2mm，并且有效通光面积提到高到了40～50％，但是象素较小，一般为10000左右及其以下，再大的话就会给生产工艺带来极大困难。CN101419308A描述了一种大截面的光纤传像束。这里的大截面主要是高的象素要求引起的。最终的设计象素可高达140000，但同时传像束的直径达到5.6mm左右，而分辨率仅在40～60lp/mm范围。这是因为单丝直径较大引起的(12um以上)。

CN1800892A介绍了一种高分辨率光纤传像束的制造方法。该方法表示可以制作出单丝直径低至3μm左右的，分辨率达166lp/mm的光纤传像束，截面面积达10×10mm。而实际上要把12～18μm的复合细丝再进行排列，这在实际生产过程是十分困难的。另外由于其复合细丝进行的简单排列方式，复合细丝之间存在较多的完全无效的空间，这降低了传像束的有效通光面积，并且会影响到分辨率。

高分辨率的光纤传像束在科研、医疗、军事领域等都有着广泛的应用，在军用侦察潜望镜、反坦克导弹系统中均采用高分辨率大截面积的光纤传像束，分辨率要求90lp/mm以上，截面积在5×5mm以上。而在医学上的应用则要求传像束要柔韧，直径要小，象素较高，分辨率很高，例如大于100lp/mm。这样的光纤传像束可以用于食道、直肠、膀胱、子宫、胃等深部探查内窥镜(胃镜、血管镜等)。

发明内容

本发明的目的为了解决上述现有技术提及的几种光纤传像束设计制作方法上存在的缺陷：如象素偏低或者象素高但是分辨率并不高、制作工艺难度大等技术问题。本发明提出一种工艺简便，且可制造高分辨率光纤传像束的方法，使用该方法制作的光纤传像束的分辨率可达249lp/mm、单丝直径低至2um、象素至少大于8000，典型值为20000～100000的柔性光纤传像束。传像束的直径在0.2mm～2mm，本方法可制作分辨率高、象素较高、柔韧的光纤传像束，同时具有产量高、成本低的特点。

该方法基于等离子体化学气象沉积(PCVD)工艺，对用于拉制传像束单丝的预制棒折射率剖面进行设计，再利用PCVD工艺制造预制棒。利用成熟的PCVD技术有利于发挥成熟通信光纤预制棒制造技术的优势，可有效降低光纤由于杂质离子、缺陷、污染物等因素带来的损耗。完全基于PCVD工艺的光纤设计使得获得单丝传光损耗很小，例如最大可见光传输损耗小于0.03dB/m，有利于最大限度的提高透光率。传输损耗相比与以上专利，至少小一个数量级。

在选择单丝的材料时，要求芯材料的透光率高，而包层材料要求折射率低，并且要求芯材料和包层材料的折射率相差越大越好。在热性能方面，要求两种材料的热膨胀系数相接近，若相差较大，则单丝内部会形成较大内应力，使单丝波导的透光率和强度降低。另外，要求两种材料的软化点和高温下的粘度都要相接近，否则，会导致芯材料和包层材料结合不均匀，将会影响到单丝的导光性能。采用通信光纤制造工艺普遍使用的等离子体气象化学沉积方法(PCVD)制作的光纤预制棒被用来拉制此处需要的传像束的单丝。该预制棒的制作充分考虑到波导结构合理性、材料热膨胀系数、软化点和高温下黏度的匹配。在该预制棒内，其芯直径15～20mm，包层直径为18～24mm，于是芯包比典型范围为0.62～0.91，远大于以上提到专利里的该值，这将极大提高传像束的有效通光面积。这里用于单丝拉制的该预制棒为两层同轴的结构。

影响单丝使用性能的因素很多，单丝的集光能力、透光性、分辨率和对比度是影响光纤束传像能力的主要指标。数值孔径用于表示单丝集光能力的大小和接收光的多少，而数值孔径的大小直接与光导纤维芯材料和包层材料的折射率有关，芯材料与包层材料的折射率相差越大，则单丝的集光能力就越强；单丝的透光性则与所使用的材料、数值孔径及纤维的几何尺寸有关，并随着单丝长度的增加而下降。图像的清晰程度是由分辨率决定的，而分辨率与光导纤维的直径成反比，因此光导纤维的直径要尽可能地细。影响光导纤维对比度的因素主要有纤维的集光能力、透光能力、分辨能力和包层的厚度。包层厚薄的程度宜适中，包层厚度太厚会直接导致有效通光面积大幅度下降，太薄则会漏光，从而导致单丝传输的光相互串扰使得图像变得模糊不清。

本发明的技术方案实现方式：

一种高分辨率光纤传像束的制造方法，按以下步骤进行：

(1)、采用PCVD工艺制作预制棒，用于单丝的拉制，所述的预制棒为两层同轴的结构，芯层直径为15～20mm，包层直径也就是该预制棒直径为18～24mm，芯包比的范围为0.62～0.91；

(2)、将预制棒在普通光纤拉丝塔上拉制为直径在0.5～3mm范围直径相同的单丝；

(3)、将拉制获得的单丝分切处理成相同长度，300mm～900mm的段长若干段；对其进行清洗干燥处理之后，根据所需光纤传像束象素的数量要求，按以下公式(1)、(2)、(3)计算得到单丝、复丝的数量，将所需数量的单丝按密堆积的方式排列成型；

S_N1＝(3N₁+3)N₁(1)S_N2＝(3N₂+3)N₂(2)PixelCount＝S_N1×S_N2(3)

(4)、将步骤(3)堆好的单丝束放入一个薄壁外套管，并对间隙处进行填充，填充材料为直径合适的纯二氧化硅玻璃丝或者与单丝材料组成结构一致但是直径略异的单丝；

(5)、将步骤(4)形成的单丝束置于普通拉丝塔上，拉制为直径在0.5～3mm的复丝；将该复丝分切成相同长度，并在酸溶液内将该复丝外包的外套管腐蚀掉，再清洗干燥，然后再次将所需数量的复丝按密堆积的方式进行排列成为复丝束；

(6)、将以上复丝束放入一个薄壁外套管，并对单个复丝之间的间隙，以及复丝束与外套管之间的间隙用直径合适的纯二氧化硅玻璃丝进行填充；

(7)、将以上步骤(6)形成的复丝束置于普通拉丝塔进行拉制为直径0.2mm～2mm的光纤传象束。该光纤传像束具有一定的柔性，对于0.2mm的传像束，最小弯曲半径可低至15mm，分辨率可达249lp/mm。

所述拉制单丝所用的预制棒为两层同轴结构，所述用于拉制单丝的预制棒的芯层材料为以下组合中的任一种：纯二氧化硅、纯二氧化硅掺Ge、纯二氧化硅掺F、纯二氧化硅Ge与F共掺。

所述用于拉制单丝的预制棒的包层层材料为以下组合中的任一种：纯二氧化硅、纯二氧化硅掺F。

所述用于拉制单丝的预制棒的芯层和包层直径的比例为0.62～0.91，其芯直径为15-20mm，包层直径为18～24mm。

为保证单丝具备良好的收光能力，所述用于拉制单丝的预制棒的芯层材料折射率n₂和包层材料的折射率n₁满足：1.46＜n₂＜1.5，1.44＜n₁＜1.46，并且它们之间满足关系： $0.1\≤\sqrt{{n_2}^2-{n_1}^2}\≤0.4.$

所述用于拉制单丝的预制棒的典型折射率剖面为阶跃型，或者为渐变型，如附图2所示。

所述单丝的折射率剖面与所述预制棒的折射率剖面完全一样，因此预制棒的数值孔径NA代表了单丝的NA，也就是最终获得的传像束的NA。NA的定义为： $\mathrm{NA}=\sqrt{{n_2}^2-{n_1}^2}.$

所述步骤(3)单丝按密堆积的方式进行排列，需要单丝的数量可用下式估算：

S_N1＝(3N₁+3)N₁    (1)

这里S_N1表示步骤(3)所需单丝的数量，N₁表示步骤(3)密堆积的层数。

为了获得较高的象素，典型的N₁的取值范围为：5≤N₁≤12。

所述步骤(5)获得的复丝按密堆积的方式进行排列，需要的数量可用下式估算：

S_N2＝(3N₂+3)N₂    (2)

这里S_N2表示步骤(5)所需复丝的数量，N₂表示步骤(5)复丝密堆积的层数。

为了获得较高的象素，一般地N₂的取值范围为：5≤N₂≤12。

所述最终拉制获的光纤传像束外直径0.2mm～2mm。象素的数量由下式大致确定：

PixelCount＝S_N1×S_N2    (3)

所述光纤传像束具有一定的柔性，对于0.2mm的传像束，最小弯曲半径可低至15mm；分辨率可达249lp/mm。

本发明采用PCVD工艺制作用于拉制单丝的预制棒，保证了光纤传像束原材料的高纯度，以及单丝精确的折射率剖面分布。后续工艺采用类似排丝法的方式，两次排列：第一次是对毫米级单丝进行排列，这在工艺上是容易实现的；第二次亦是对毫米级的复丝进行排列，这也是容易实现的。这种只对毫米级单丝或复丝的排列的方法保证了排列的质量，从而确保了每个象素位置的精确性，同时还避免了如背景技术所述专利中层叠法断丝率高无法将单丝直径做的很细的缺点、酸溶法所进行的酸溶过程的断丝率也高的问题。采用该方法的断丝率为零，有效保证了传像束的象素质量。采用两次排列的方法极大的提高了象素的数量，象素数量由式(3)确定，可见要获得很高的象素是很容易的。例如当N₁和N₂都等于7，则象素为28224。另外由于借鉴的普通玻璃丝的拉制工艺以及光子晶体光纤的堆拉工艺(stacking and drawing process)，每次拉制即可拉制长度长达530米(N₁和N₂都等于7时，拉制860um玻璃直径的光纤传像束)。这使得本发明的方法成为一种低成本，高产量的光纤传像束制作方法。

附图说明

图1a为预制棒结构的截面结构图。

图1b为预制棒结构的横向结构视图。

图2a为阶跃型的预制棒折射率剖面图。

图2b为渐变型的预制棒折射率剖面图。

图3为将单丝按密堆积的方式排列而成的结构图。

图4为将复丝按密堆积的方式进行排列而形成复丝束的结构图。

具体实施例

本发明的具体实现方式为：

(1)、采用PCVD工艺制作预制棒，并拉制出单丝。该预制棒为两层同轴的结构，如图1a、图1b所示，芯层11的直径为17mm，包层12的直径也就是该预制棒直径为20mm，则芯包直径比为0.85，其折射率剖面如图2a所示，也可以采用其折射率剖面如图2b所示的预制棒；将该预制棒在普通光纤拉丝塔上拉制为直径在1～2mm范围直径相同的单丝；

(2)、将拉制获得的单丝分切处理成相同长度，每段900mm的段长若干段，对其进行清洗干燥处理之后，取270支单丝，按密堆积的方式排列成型，如图3所示；

(3)、将步骤(2)堆好的单丝束放入一个薄壁外套管，并对间隙处进行填充从而形成单丝束；填充材料为直径合适的纯二氧化硅玻璃丝，或者是与单丝材料组成、结构一致但是直径略异的单丝；填充是为了保证拉制后单丝束的圆度，以及减小每个单丝在拉制过程中的形变；

(4)、将步骤(3)形成的单丝束置于普通拉丝塔上，拉制为直径在2mm的复丝，然后将该复丝分切成长度为900mm的短复丝，再酸腐蚀掉所有复丝最外边外包的套管对应部分后，清洗干燥，然后再次取270支短复丝按密堆积的方式进行排列成为复丝束，再放入一个薄壁外套管，并对单个复丝之间的间隙，以及复丝束与外套管之间的间隙用直径合适的纯二氧化硅玻璃丝进行填充，图4所示；

(5)、将以上步骤(4)形成的复丝束置于普通拉丝塔进行拉制，最终拉制为直径0.86mm的光纤传象束。该光纤传像束具有一定的柔性，最小弯曲半径可低至30mm；分辨率达227lp/mm，象素数量达到72900。

Claims (8)

1.一种高分辨率光纤传像束的制造方法，按以下步骤进行：

(1)、采用等离子体化学气象沉积工艺制作预制棒，用于单丝的拉制，所述的预制棒为两层同轴的结构，芯层直径为15～20mm，包层直径为18～24mm，芯包比的范围为0.62～0.91；

(2)、将预制棒在普通光纤拉丝塔上拉制为直径在0.5～3mm范围直径相同的单丝；

(3)、将拉制获得的单丝分切处理成相同长度，300mm～900mm的段长若干段；对其进行清洗干燥处理之后，根据所需光纤传像束象素的数量要求，象素的数量由下式(3)确定，按公式(1)计算得到单丝的数量，按公式(2)计算得到复丝的数量，将所需数量的单丝按密堆积的方式排列成型；S_N1＝(3N₁+3)N₁(1)S_N2＝(3N₂+3)N₂(2)PixelCount＝S_N1×S_N2(3)其中S_N1表示所需单丝的数量，N₁表示密堆积的圈数；其中S_N2表示所需复丝的数量，N₂表示复丝密堆积的圈数；Pixelcount为象素的数量；

(4)、将步骤(3)堆好的单丝束放入一个薄壁外套管，并对间隙处进行填充，填充材料为直径合适的纯二氧化硅玻璃丝或者与单丝材料组成结构一致但是直径略异的单丝；

(5)、将步骤(4)形成的单丝束置于普通拉丝塔上，拉制为直径在0.5～3mm的复丝；将该复丝分切成相同长度，并在酸溶液内将该复丝外包的外套管腐蚀掉，再清洗干燥，然后再次将所需数量的复丝按密堆积的方式进行排列成为复丝束；

(6)、将以上复丝束放入一个薄壁外套管，并对单个复丝之间的间隙，以及复丝束与外套管之间的间隙用直径合适的纯二氧化硅玻璃丝进行填充；

(7)、将以上步骤(6)形成的复丝束置于普通拉丝塔进行拉制为直径0.2mm～2mm的光纤传象束。

2.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：所述预制棒为两层同轴结构，所述预制棒的芯层材料为以下组合中的任一种：纯二氧化硅、纯二氧化硅掺锗、纯二氧化硅掺氟、纯二氧化硅锗与氟共掺。

3.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：所述预制棒的包层层材料为以下组合中的任一种：纯二氧化硅、纯二氧化硅掺氟。

4.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：所述预制棒的芯层材料折射率n₂和包层材料的折射率n₁满足：1.46＜n₂＜1.5，1.44＜n₁＜1.46，并且它们之间满足关系：

5.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：所述预制棒的典型折射率剖面为阶跃型或者为渐变型。

6.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：所述单丝的折射率剖面与所述预制棒的折射率剖面完全一样，预制棒的数值孔径NA代表了单丝的NA，NA的定义为：

其中n₁为包层材料的折射率，n₂为预制棒的芯层材料折射率。

7.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：N₁的取值范围为：5≤N₁≤12。

8.根据权利要求1所述的高分辨率光纤传像束的制造方法，其特征在于：N₂的取值范围为：5≤N₂≤12。

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