CN102736170B - 一种正方形光纤结构的光纤传像元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正方形光纤结构的光纤传像元件，包括：正方形单光纤，其内的正方形纤芯玻璃端面呈四个顶角均倒角的正方形；一次复合光纤，其端面呈正方形，包括沿纵横方向紧密阵列的多根正方形单光纤，任意四个具有公共顶角的正方形单光纤所包围的空间构成光吸收玻璃丝插孔，可根据需要插入若干光吸收玻璃丝；二次复合光纤，其端面呈“十”字形，包括多根按“十”字形紧密排列的一次复合光纤，多根二次复合光纤按照“卉”字形互相拼接排列。本发明可采用传统工艺制得，且与CCD器件的耦合效率高。本发明可广泛用于微光成像、高速摄影和X光成像等军工及民用领域。

Description

一种正方形光纤结构的光纤传像元件

技术领域

本发明涉及一种光纤传像元件。

背景技术

光纤传像元件是由光学纤维按一定规则排列，能把图像从输入端面传输到输出端面的元件，种类包括光纤面板、光纤倒像器、纤维光锥等等，它们在军工及民用领域中均有广泛的应用。

国内外普遍采用棒管组合、光纤拉制、排棒、熔压工艺制作光纤传像元件。具体地，用端面为圆形的高折射率纤芯玻璃棒外套低折射率纤皮玻璃管组合进行光纤拉制，制得端面为圆形的单光纤（下面所有以形状指代光纤的，均指光纤截面）；单光纤再排棒，每三根圆形单光纤围成一个空腔，在若干个所述空腔处插入光吸收玻璃丝，整体拉制成正六边形的一次复合光纤；一次复合光纤再排棒拉制，制得正六边形的二次复合光纤；对二次复合光纤进行切割，用六边形的模具进行排熔压棒和熔压，制成光纤传像元件坯料；对坯料进行后续的光学加工、扭制、拉锥等工艺，即可制作出不同种类的光纤传像元件了。

随着光电技术的发展，光纤传像元件用于与CCD（电荷耦合元件）进行耦合，在微光成像、高速摄影和X光成像等领域得到广泛应用。光纤传像元件与CCD器件都是空间离散成像器件，传统的光纤传像元件的单光纤截面是圆形，而CCD器件的光敏元为正方形，二者耦合时，由于几何形状的不匹配，导致耦合效率较低。理论计算，正方形与正方形的匹配系数比圆形与正方形的匹配系数约高20%。因此，目前世界上一些先进国家，如美国制作的用于与CCD耦合的光纤传像元件大多已采用正方形光纤结构。

国外制作的正方形光纤结构的光纤传像元件，其显微结构如图1所示。

其制作工艺大致为：先制作端面形状为正方形缺一角的五边形的高折射率纤芯玻璃棒1a，然后用热加工方法在纤芯玻璃棒外包覆一层低折射率的纤皮玻璃层1b，制作成为光纤预制棒；把四根制作好的光纤预制棒按照田字形排布，各个缺角围成一空腔，把预先制作好的光吸收玻璃棒1c套进空腔里，再把这个组合体进行光纤拉制，制作出端面呈田字形的带光吸收玻璃丝的一次复合光纤；将制得的一次复合光纤进行排棒拉制，制得正方形的二次复合光纤；对二次复合光纤进行切割，用特制的八边形模具进行排熔压棒和熔压，制成光纤传像元件坯料；后续的冷加工等工艺流程与传统工艺相似。

该光纤结构及其制作工艺与传统的棒管组合、光纤拉制、排棒、熔压工艺有较大区别。国内由于缺乏相应的加工手段和技术，如缺少制作异形光纤预制棒的技术和没有大型的高精度拉丝设备等等，无法照搬国外工艺。如果先制作出上述五边形的芯玻璃棒，再用传统的棒管组合、光纤拉制、排棒、熔压工艺制作正方形光纤结构的光纤传像元件，则容易遇到以下问题：在拉制单光纤时，由于该形状不规则对称，光纤易发生扭转；在排一次复合丝棒时，由于该形状的单光纤有方向性，且丝径较小，要按田字形排列并把缺角围成一空腔，操作十分困难；在排熔压棒时，由于二次复丝是正方形，无法排列成正六边形，现有的六边形模具无法利用上，而制作八边形的热压模具需要较大的投入；制作出的产品出现严重的剪切畸变，无法满足指标要求。这表明，国外采用的正方形光纤结构不适用于传统工艺，国内无法采用该结构进行批量生产。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种正方形光纤结构的光纤传像元件，它并不需要复杂、高端的特制模具和设备即可生产制作。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种正方形光纤结构的光纤传像元件，包括：正方形单光纤，其包括高折射率的正方形纤芯玻璃以及包覆在正方形纤芯玻璃外的低折射率的纤皮玻璃层，所述正方形纤芯玻璃端面呈正方形，该正方形的四个顶角均倒角；一次复合光纤，其端面呈正方形，包括沿纵横方向紧密阵列的多根所述正方形单光纤，所述纵横方向是指正方形单光纤端面的两个互相垂直的直角边方向，任意四个具有公共顶角的正方形单光纤所包围的空间构成光吸收玻璃丝插孔；二次复合光纤，其端面呈“十”字形，包括多根按“十”字形紧密排列的一次复合光纤，多根二次复合光纤按照“卉”字形互相拼接排列。

作为上述技术方案的进一步改进，在若干个光吸收玻璃丝插孔内插有光吸收玻璃丝。

作为上述技术方案的进一步改进，所述二次复合光纤的“十”字形端面上下对称，左右亦对称，“十”字形端面具有中部、上下端、左右端，左端的伸出宽度是“十”字形端面总宽的1/4，上端的宽度是总宽度的1/2，上端的伸出高度与中部高度之和是“十”字形端面总宽的/2倍。

本发明的有益效果是：本发明的正方形光纤结构及其排列组合方式，能方便地采用传统的棒管组合、光纤拉制、排棒、熔压工艺制造出具有正方形光纤结构的光纤传像元件；本发明的正方形单光纤形状规则，具有很好的对称性，在拉制光纤过程中不易扭丝，在排棒过程中容易操作，且正方形的四个顶角均倒角，从而为实现制作带光吸收玻璃丝的一次复合光纤成为可能；一次复合光纤具有光吸收玻璃丝插孔，可根据需要插入若干光吸收玻璃丝；二次复合光纤的“十”字形端面，能很好地彼此嵌合，组合体稳固，光纤不易移位，产品不易出现剪切畸变；通过合理设计二次复合光纤的“十”字形端面的尺寸，能使二次复合光纤按“卉”字形排列成正六边形的熔压棒，从而能利用现有的正六边形模具进行熔压，提高了模具的利用率，降低了制造成本。本发明结构巧妙，容易制作，生产成本低廉，可以广泛用于微光成像、高速摄影和X光成像等军工及民用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是国外的正方形光纤结构的光纤传像元件端面结构示意图；

图2是本发明的组合流程示意图，其中箭头表示同部件组合，加号表示不同部件的组装，等号表示制作出所完成的组合体；

图3是本发明中的一次复合光纤端面结构示意图；

图4是本发明中的二次复合光纤端面结构示意图；

图5是本发明的端面结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。

参照图2～图4，一种正方形光纤结构的光纤传像元件，包括：正方形单光纤1，其包括高折射率的正方形纤芯玻璃11以及包覆在正方形纤芯玻璃11外的低折射率的纤皮玻璃层12，所述正方形纤芯玻璃11端面呈正方形，该正方形的四个顶角均倒角；一次复合光纤2，其端面呈正方形，包括沿纵横方向紧密阵列的多根所述正方形单光纤1，所述纵横方向是指正方形单光纤1端面的两个互相垂直的直角边方向，任意四个具有公共顶角的正方形单光纤1所包围的空间构成光吸收玻璃丝插孔；二次复合光纤3，其端面呈“十”字形，包括多根按“十”字形紧密排列的一次复合光纤2，多根二次复合光纤2按照“卉”字形互相拼接排列。这里所述的“高”、“低”折射率是相对而言，因为光需要在正方形纤芯玻璃11中传导，要经过多次全反射，所以必须要在纤芯玻璃的外头包覆上折射率比纤芯玻璃低的纤皮玻璃层12，此为本领域中已经成熟的技术手段。参照图5，所述的“按照‘卉’字形互相拼接排列”，是指在同一横排中，连续紧靠阵列多根二次复合光纤3，由于二次复合光纤3具有十字形端面，因此该组合体的上下部分形成了多个凹陷，而每个凹陷又与二次复合光纤3的十字形端面的上下端等宽，所以正好供另外的二次复合光纤3嵌入，如此垒加，即为所述的“按照‘卉’字形互相拼接排列”了。

参照图2和图3，进一步作为优选的实施方式，在若干个光吸收玻璃丝插孔内插有光吸收玻璃丝4。光吸收玻璃丝4可为圆形或正方形的黑色、白色或其它颜色玻璃丝。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述二次复合光纤3的“十”字形端面上下对称，左右亦对称，“十”字形端面具有中部、上下端、左右端，左端的伸出宽度是“十”字形端面总宽的1/4，上端的宽度是总宽度的1/2，上端的伸出高度与中部高度之和是“十”字形端面总宽的/2倍。

下面讲述一下本发明是如何采用传统的棒管组合、光纤拉制、排棒、熔压工艺制作出来的：

先将圆形或方形的纤芯玻璃原料棒进行光学加工，制得尺寸精度达到±0.1mm的方形纤芯棒。其边长和倒角尺寸由原材料尺寸、纤皮厚度、吸收丝丝径和拉丝参数决定，本发明所制作的方形纤芯玻璃棒端面尺寸22×22mm，倒角尺寸1.5mm×45°，棒长420mm。

将制得的方形纤芯玻璃棒进行多道清洗处理并烘干，然后选择合适的纤皮玻璃管与之套合。纤芯棒的对角与纤皮管的内径单边间隙约为1mm，以保证纤芯棒能顺利套入纤皮管内。纤皮玻璃管的厚度选择需根据产品需达到的最终纤维直径和产品用途决定。本发明优选纤皮玻璃管的内径为31mm，厚3mm。

将套合好的棒管组合用铜线进行捆扎固定，然后进行拉制单光纤。拉制光纤过程中采用抽真空办法，使高温软化的纤皮玻璃管在大气压的作用下发生变形，紧贴纤芯棒表面并粘合，拉出端面如图1所示的正方形单光纤1。本实施例中，拉制的单光纤对边尺寸为2.2±0.01mm。

将拉出的单光纤进行定长切割，并经过挑选后，采用方形光纤排棒模模具将单光纤排列成方形的一次复合光纤棒，并在光吸收玻璃丝插孔处插入拉制好的光吸收玻璃丝4。一次复合光纤棒的单边排列数量由产品最终纤维直径和设计的光纤拉制参数决定，本实施例中，一次复合光纤棒单边排列6根单光纤，棒长710mm，对边尺寸为13.2±0.5mm，光吸收玻璃丝4为圆丝，丝径为0.35±0.01mm，长720mm。

将排列好的一次复合光纤棒进行捆扎，然后拉制一次复合光纤。参照图3，一次复合光纤2的端面结构与一次复合光纤棒相同，只是尺寸缩小了，本实施例的一次复合光纤2的对边尺寸为1±0.01mm。将其定长切割，并经过挑选后，采用方形光纤排棒模模具和制作好的石英玻璃条，将一次复合光纤2排列成“十”字形的二次复合光纤棒。其排列数量也是由产品最终纤维直径和设计的光纤拉制参数决定的，本实施例中，二次复合光纤棒边长为22根一次复合光纤2，“十”字缺角处用5.5×3×40的石英玻璃条进行填充，对边尺寸为22±0.5 mm，长度600mm，共计418根一次复合光纤。

将排列好的二次复合光纤棒连同石英玻璃条进行捆扎，然后进行拉制二次复合光纤，在拉制过程中再把即将进入炉内的石英玻璃条依次去掉。参照图4，二次复合光纤3的端面结构与二次复合光纤棒相同，只是尺寸缩小了，本实施例中的二次复合光纤3的对边尺寸为1.45±0.01mm。

将二次复合光纤3定长切割，并经过挑选后，采用六边形排棒模模具将“十”字形的二次复合光纤3排列成正六边形的熔压棒。本实施例的二次复合光纤切割长度为108mm，熔压棒排列参数为：单边15根，共计631根，对边尺寸36.5±0.5mm。

将排列好的熔压棒进行捆扎，后续的熔压、拉锥、冷加工等加工过程与圆形光纤结构的光纤传像元件一样，不再详述。而最后，将制作出端面结构如图5所示的光纤传像元件5。

以上是对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种正方形光纤结构的光纤传像元件，其特征在于：包括：

        正方形单光纤，其包括高折射率的正方形纤芯玻璃以及包覆在正方形纤芯玻璃外的低折射率的纤皮玻璃层，所述正方形纤芯玻璃端面呈正方形，该正方形的四个顶角均倒角；

        一次复合光纤，其端面呈正方形，包括沿纵横方向紧密阵列的多根所述正方形单光纤，所述纵横方向是指正方形单光纤端面的两个互相垂直的直角边方向，任意四个具有公共顶角的正方形单光纤所包围的空间构成光吸收玻璃丝插孔；

       二次复合光纤，其端面呈“十”字形，包括多根按“十”字形紧密排列的一次复合光纤，多根二次复合光纤按照“卉”字形互相拼接排列。

2.根据权利要求1所述的正方形光纤结构的光纤传像元件，其特征在于：在若干个光吸收玻璃丝插孔内插有光吸收玻璃丝。

3.根据权利要求1所述的正方形光纤结构的光纤传像元件，其特征在于：所述二次复合光纤的“十”字形端面上下对称，左右亦对称，“十”字形端面具有中部、上下端、左右端，左端的伸出宽度是“十”字形端面总宽的1/4，上端的宽度是总宽度的1/2，上端的伸出高度与中部高度之和是“十”字形端面总宽的/2倍。

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