CN104614804A - 一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束及其酸溶制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束及其酸溶制备方法。将光纤阵列单元和酸溶性玻璃包层光纤单丝按光纤传像束结构排列后，并经一次或二次熔融拉制工艺制备得到光纤复丝棒，再在35-40℃下采用混合酸进行酸溶，其中，混合酸是将盐酸和醋酸按1：10-1:20的摩尔比混合而成，所述光纤传像束由多个光纤阵列单元排列组成，光纤阵列单元之间通过酸溶性玻璃包层光纤单丝分隔；其中，光纤阵列单元是由若干根单包层光纤单丝按密堆积方式排列而成的正多边形结构。本发明的柔性光纤传像束截面在1~5mm，有效通光面积大于50%，像素达几十万甚至上百万，分辨率为100~200lp/mm。与目前传统的光纤单丝酸溶法相比，光纤的力学强度明显增强，断丝率也降低约一个数量级。

Description

一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束及其酸溶制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨率柔性光纤传像束的结构设计和低断丝率的制造方法，属于柔性光纤传像束制造领域。

背景技术

光纤传像束是指由玻璃或透明塑料制成的，由数千根甚至数万根长度一定、直径在10um左右的单丝(单根光纤)，按照两端一一对应的关系紧密排列集束而成，能够用于传光和传像的光纤束。与传统的光学成像系统相比，光纤传像束具有可弯曲、体积小、重量轻、抗辐射和耐高温等优点，使得其在工业、医疗、科研和军事国防等领域具有广泛的应用前景。当前，光纤传像束的制备方法主要有两种，分别是层叠法和酸溶法。

层叠法是直接地将大量的单丝在两端集束成整齐排列的二维阵列，由于受到光纤单丝强度和制造工艺技术的限制，导致制备的光纤传像束的单丝直径比较粗(约15μm)，分辨率较低(33lp/mm)，且生产效率低。

相比之下，酸溶法工艺先进，成本低，传像束单丝直径可达10μm以下，分辨率可以提高至50lp/mm以上。因此，酸溶法是目前国内外制造柔性光纤传像束最理想的方法。然而，当传像束的截面直径较大(数毫米)时，传像束阵列中的可溶性玻璃包层会因为酸溶液很难渗透而无法被完全腐蚀，形成脆性的硬芯，从而无法获得柔性的传像束；当延长酸溶时间，酸液又会腐蚀光纤内包层玻璃，从而导致暗丝或断丝。因此，如何提高截面积、降低断丝率是目前酸溶性光纤传像束制备所面临的最主要难题。

CN101419308A描述的一种大截面光纤传像束的最终的设计像素可高达140000，且传像束的直径达到5.6mm左右。然而，由于单丝直径较大(12μm以上)，光纤传像束的分辨率仅为40～60lp/mm。尤其是传像束是通过三次拉制工艺获得，其透过率和单丝均匀性均受到很大的影响，而且直径2.1～6.0mm的复丝在酸溶过程中很容易产生硬芯或断丝现象。

CN1800892A介绍了一种高分辨率光纤传像束的制造方法，该方法表示可制作出单丝直径低至3μm、分辨率高达166lp/mm、截面面积可达10×10mm的光纤传像束。然而，12～18μm的复合丝的均匀拉制和再排列在实际生产过程中是十分困难甚至无法实现的，而且简单的复合细丝排列方式使得复合细丝之间存在较多的无效空间，极大地降低了传像束的有效通光面积并影响分辨率。

CN101702045A描述了一种高分辨率光纤传像束的制造方法。先将单丝按密堆积方式排列并拉制成复丝，然后将复丝酸溶后再次进行密堆积排列并拉制成光纤传像束。虽然该方法理论上能够获得直径0.2mm～2mm、单丝直径低于2μm、像素大于8000，最小弯曲半径可低至15mm，且分辨率可高达249lp/mm的光纤传像束。但是，密堆积排列的两层同轴光纤束经拉制后势必会造成包层的粘合，透光性能会受到影响；该方法进行了三次光纤拉制，单丝均匀度和光透过率都会大打折扣；酸溶后的复丝进行再排列和填充容易造成高的断丝率，而且直径0.2mm的光纤传像束的最小弯曲半径低至15mm也值得商榷。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术提及的几种高分辨率、大截面光纤传像束设计制作方法上存在的断丝率高的技术难题。为此，本发明提出了一种制备工艺简单且可制作大截面、高分辨和低断丝率的柔性光纤传像束的新方法。使用该方法光纤传像束的分辨率可达100～200lp/mm、单丝直径低至3μm、像素大于10000，有效通光面积大于50％，与传统的酸溶法制备的柔性光纤传像束相比，断丝率降低约一个数量级。

本发明的技术解决方案是：一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束，所述光纤传像束由多个光纤阵列单元排列组成，光纤阵列单元之间通过酸溶性玻璃包层光纤单丝分隔；其中，光纤阵列单元是由若干根单包层光纤单丝按密堆积方式排列而成的正多边形结构。

所述的光纤阵列单元之间通过单层的酸溶性玻璃包层光纤单丝分隔。

所述的正多边形结构优选正方形、正三角形或正六边形。

一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束的制备工艺，将光纤阵列单元和酸溶性玻璃包层光纤单丝按光纤传像束结构排列后，并经一次或二次熔融拉制工艺制备得到光纤复丝棒，再在35-40℃下进行酸溶，再经洗涤、涂覆、干燥处理后，即可获得柔性的光纤复丝束，所获得的柔性光纤复丝束进行切割、加硅胶保护套和金属端头，最后经过磨抛，获得柔性光纤传像束成品。

一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束的酸溶方法，将光纤阵列单元和酸溶性玻璃包层光纤单丝按光纤传像束结构排列后，并经一次或二次熔融拉制工艺制备得到光纤复丝棒，再在35-40℃下采用混合酸进行酸溶，其中，混合酸是将盐酸和醋酸按1：10-1:20的摩尔比混合而成。

本发明的优点是：①光纤阵列单元能够提高传像束的力学性能，减少断丝率。②光纤阵列单元的引入能极大地减少酸溶性玻璃包层光纤单丝的使用数量，不仅缩短了酸溶时间，降低了断丝率，而且相对高的酸溶速率有利于在完全酸溶的前提下增大传像束的截面。③在酸溶过程中，光纤阵列单元内层的所有单丝均不接触酸液，且最外层单丝也仅有不足一半的外表面接触酸液，因此由酸液腐蚀溶解普通单丝所引起的断丝率或暗丝率会大大降低。根据光纤阵列单元的结构，由19根单丝组成的阵列单元的理论断丝率，仅为传统酸溶性光纤传像束的40％；由61根单丝组成的阵列单元的理论断丝率，为传统酸溶性光纤传像束的30％左右。④光纤阵列单元的引入也使得光纤阵列单元中的单丝能够采用普通的单包层光纤而非双包层光纤，不仅降低了单丝的拉制工艺难度和制造成本，而且减小了包层的厚度，提高了传像束的有效通光面积。⑤温和的混合稀酸能加快酸溶速率，同时又不会因为盐酸的浓度过高或过低而引起断丝或产生硬芯，从而也有助于降低传像束的断丝率(图1)。

附图说明：

图1不同酸液配方下获得的传像束端面显微图：0.5N的盐酸(a)和0.3N的盐酸+5N的醋酸(b)。

图2不同截面形状单丝示意图，其中A和B为圆形截面单丝，C和D为正六边形截面单丝，E和F为正方形截面单丝。黑色为酸溶性玻璃包层，灰色为普通玻璃包层。

图3圆形截面单丝按密堆积方式隔离排列的局部端面示意图。

图4正六边形截面单丝按密堆积隔离排列的局部端面示意图。

图5正方边形截面单丝按密堆积隔离排列的局部端面示意图。

图6正六边形截面单丝密堆积排列的圆形截面光纤阵列端面示意图。

图7正六边形截面单丝密堆积排列的正六边形截面光纤阵列端面示意图。

图8圆形截面单丝密堆积排列的光纤阵列拉制前后外包层端面变化示意图。

具体实施方式

该方法包括以下步骤：

(1)光纤单丝的制备

光纤单丝由管棒法拉制而成，共有两大类。一类是含有酸溶性玻璃外包层的双包层光纤单丝(酸溶性玻璃包层光纤单丝)，另一种是单包层光纤单丝。光纤单丝的截面和纤芯截面一般为圆形或正六边形(如图2)，也可以是正方形或其他正多边形，单丝直径一般为0.1～1mm。

酸溶性玻璃包层光纤单丝中的酸溶玻璃层是一种过渡介质，在酸溶过程中被溶解，单丝得以分离，从而使传像束从刚性转变成柔性，而最终只在传像束的两端保留酸溶层，目的是将单丝粘合在一起。因此，酸溶性玻璃包层不易太厚，否则不仅会延长酸溶时间，也会减小传像束的有效透光面积。但是，酸溶性玻璃层太薄则单丝很难在酸溶过程中完全分离，传像束的弯曲性能变差，容易发生断丝现象。同样，包层厚度的选择也要综合考虑有效透光面积和漏光现象。各种单丝的芯层、包层厚度百分比及单丝有效通光面积如下表(正六边形截面单丝取内切圆半径)。

(2)一次(二次)排丝和一次(二次)复丝拉制

根据光纤传像束截面的需要，可以分为一次光纤阵列预制棒排列及拉制和二次光纤阵列预制棒排列及拉制。

一次预制棒排列和复丝棒的拉制，主要是获得小截面的光纤传像束。将若干根单包层光纤单丝按一定截面、形状密堆积方式排列而成的光纤阵列单元用一层酸溶性玻璃包层光纤单丝将光纤阵列单元(光纤阵列单元经拉制后直径小于50μm，以保证酸溶后光纤传像束的可弯曲性)进行隔离(如图3～5)，形成截面为正六边形、或圆形、或其他多边形的光纤阵列，空隙用两种单丝填充(如图6～7)。

光纤阵列预制棒的直径在2～6cm，内部含有几万至几十万根光纤单丝。通过对光纤阵列进行熔融拉制，最后获得直径较小(一般1-2mm)的硬质光纤复丝棒(一次复丝)。在复丝拉制的过程中，圆形截面单丝排列而成的光纤阵列由于外包层玻璃的软化及其填充单丝之间的空隙，光纤阵列的直径会发生一定程度的缩小(图8)。因此，需要采用机械手夹持和牵引的方法，以防止拉丝过程中产生的松动和扭曲。

为了增加传像束的截面并提高分辨率，除了将若干根一次复丝密堆积排列后直接进行酸溶外，还可以对复丝阵列预制棒(二次排丝)进行拉制和酸溶。将若干根一次复丝(截面最好为正六边形，如图6，可减小一次复丝之间的空隙)在排丝模具中错位排列成截面为圆形、或正多边形的复丝束阵列，圆形截面的一次复丝之间或边缘的空隙可由直径更小的一次复丝填充。二次排列的预制棒直径为2～6cm，经拉制后，获得直径2～5mm的二次硬质复丝棒。

(3)光纤复丝棒酸溶

将步骤(2)制备的一次或二次硬质复丝棒的两端进行蜡封，放入35～40℃的酸液中浸渍4～8小时，其中酸液为盐酸、或盐酸与其他酸的混合酸。在酸溶过程中，盐酸浓度、酸溶时间和温度对酸溶效果的影响最大。当盐酸浓度较高时，酸溶速度快，光纤单丝容易被酸腐蚀，形成暗丝或断丝；当酸的浓度过低时，酸溶速度慢且周期长，容易发生酸溶不完全，并形成硬芯，无法实现柔性性能。为了降低断丝率，盐酸溶液的浓度一般不能超过0.5N；同时，为了防止硬芯的产生，需要持续稳定的H⁺浓度，本发明引入一些弱酸(甲酸、乙酸等有机酸)之类的缓冲剂。另外，适当的温度(35～40℃)有助于在低的盐酸浓度下加快酸溶速率，即保证了低的断丝率，又能缩短酸溶时间，防止硬芯的产生。

酸溶后的复丝束经洗涤、涂覆、干燥等步骤处理后，即可获得柔性的光纤复丝束。

(4)加工包装

通过对步骤(3)所获得的柔性光纤复丝束进行切割、加硅胶保护套和金属端头，最后经过磨抛，获得柔性光纤传像束成品。

实施例1

(1)采用管棒法，将截面均为正六边形的32mm(内切圆直径)芯棒、2mm厚包层玻璃套管和2mm厚酸溶玻璃层套管拉制成内切圆直径为100μm(纤芯直径80μm，包层直径5μm，酸溶包层直径5μm)的酸溶性玻璃包层光纤单丝。

(2)采用管棒法，将截面均为正六边形的36mm(内切圆)直径芯棒和2mm厚包层玻璃套管拉制成内切圆直径为100μm(纤芯直径90μm，包层厚度5μm)的单包层光纤单丝。

(3)取145000根长度为600mm的正六边形截面的光纤单丝，其中43000根酸溶性玻璃包层光纤单丝。用酸溶性玻璃包层光纤单丝将19根单包层光纤单丝密堆积排列而成的正六边形阵列单元隔开，最后形成一个直径40mm、截面为圆形的光纤阵列预制棒(如图6)。

(4)将该光纤阵列预制棒拉制成直径为2mm的硬质复丝棒，复丝棒中的单丝直径为5μm，光纤阵列单元的直径为25μm。根据光纤复丝棒的结构特点，结构设计的优化使其理论断丝率仅为传统酸溶性光纤传像束的40％左右。

(5)将长度为1m的硬质复丝棒的两端进行蜡封，放入36℃的混合酸(0.25N盐酸+5N醋酸)中处理4h；再经洗涤、涂敷、干燥、切割、加硅胶保护套和金属端头、打磨抛光等步骤，即可获得截面为圆形、直径为2mm、分辨率为100lp/mm、象素数145000、有效通光面积为76％的小截面柔性光纤传像束成品。

实施例2

(1)采用管棒法，将截面均为正六边形的32mm(内切圆)直径芯棒、2mm厚包层玻璃套管和2mm厚酸溶玻璃层套管拉制成内切圆直径为900μm(纤芯直径720μm，包层直径45μm，酸溶包层直径45μm)酸溶性玻璃包层光纤单丝。

(2)采用管棒法，将截面为正六边形的36mm(内切圆)直径芯棒和2mm厚包层玻璃套管拉制成内切圆直径为900μm(纤芯直径810μm，包层厚度45μm)单包层光纤单丝。

(3)取721根长度为600mm的正六边形截面光纤单丝，其中216根酸溶性玻璃包层光纤单丝。用单层的酸溶性玻璃外包层单丝将19根单包层光纤单丝密堆积排列而成的正六边形阵列单元隔开，最后形成一个截面为正六边形、内切圆直径为24.2mm的一次光纤阵列预制棒(图7)。

(4)将一次光纤阵列预制棒拉制成内切圆直径为500μm的一次硬质光纤复丝棒，复丝棒中的单丝内切圆直径为16μm，被隔离的光纤阵列单元直径为90μm。

(5)取2269根长度为600mm的一次硬质光纤复丝棒，密堆积排列成截面为正六边形、内切圆直径为23.8mm的二次光纤阵列预制棒。

(6)将二次光纤阵列预制棒拉制成内切圆直径为4mm的二次硬质复丝棒，复丝棒中的单丝内切圆直径为3μm，被隔离的光纤阵列单元直径为15μm。根据光纤复丝棒的结构特点，结构设计的优化使其理论断丝率仅为传统酸溶性光纤传像束的40％左右。

(7)将长度为1m的硬质复丝棒的两端进行蜡封，放入38℃的混合酸(0.25N盐酸+10N醋酸)中处理5h，再经洗涤、涂敷、干燥、切割、加硅胶保护套和金属端头、打磨抛光等步骤，即可获得单丝直径3μm、像素数1635949、分辨率为166lp/mm、有效通光面积为76％、内切圆直径4mm的正六边形截面柔性光纤传像束成品。

实施例3

(1)采用管棒法，将边长为32mm的芯棒，2mm厚包层玻璃套管和2mm厚酸溶玻璃层套管拉制成边长为600μm(纤芯边长480μm，包层厚度30μm，酸溶包层厚度30μm)、截面为正方形酸溶性玻璃包层光纤单丝。

(2)采用管棒法，将边长为36mm的芯棒和2mm厚包层玻璃套管拉制成边长为600μm(纤芯直径540μm，包层厚度30μm)、截面为正方形的单包层光纤单丝。

(3)取1600根长度为500mm的正方形截面光纤单丝，其中375根酸溶性玻璃包层光纤单丝。用单层的酸溶性玻璃包层光纤单丝将49根单包层光纤单丝密堆积排列而成的正方形阵列单元隔开，最后形成一个截面为正方形、边长为24mm的光纤阵列预制棒。

(4)将光纤阵列预制棒拉制成边长为800μm的一次硬质光纤复丝棒，复丝棒中的正方形单丝边长为20μm，被隔离的正方形光纤阵列单元边长为140μm。

(5)取625根长度为500mm的一次硬质光纤复丝棒，密堆积排列成截面为正方形、边长为20mm的二次光纤阵列预制棒。

(6)将二次光纤阵列预制棒拉制成边长为4mm的二次硬质复丝棒，复丝棒中的正方形单丝边长为4μm，被隔离的正方形光纤阵列单元边长为28μm。根据光纤复丝棒的结构特点，结构设计的优化使其理论断丝率仅为传统酸溶性光纤传像束的34％左右。

(7)将长度为1m的硬质复丝棒的两端进行蜡封，放入38℃的混合酸(0.25N盐酸+15N醋酸)中处理5h，再经洗涤、涂敷、干燥、切割、加硅胶保护套和金属端头、打磨抛光等步骤，即可获得单丝直径4μm、像素数1000000、分辨率为125lp/mm、有效通光面积为77％、边长为4mm的正方形截面柔性光纤传像束成品。

Claims (6)

1.一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束，其特征在于，所述光纤传像束由多个光纤阵列单元排列组成，光纤阵列单元之间通过酸溶性玻璃包层光纤单丝分隔；其中，光纤阵列单元是由若干根单包层光纤单丝按密堆积方式排列而成的正多边形结构。

2.如权利要求1所述的高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束，其特征在于，所述的光纤阵列单元之间通过单层的酸溶性玻璃包层光纤单丝分隔。

3.如权利要求1所述的高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束，其特征在于，所述的正多边形结构包括正方形、正三角形或正六边形。

4.一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束的制备工艺，其特征在于，将光纤阵列单元和酸溶性玻璃包层光纤单丝按权利要求1所述的光纤传像束结构排列后，并经一次或二次熔融拉制工艺制备得到光纤复丝棒，再在35-40℃下进行酸溶，再经洗涤、涂覆、干燥处理后，即可获得柔性的光纤复丝束，将获得的柔性光纤复丝束进行切割、加硅胶保护套和金属端头，最后经过磨抛，获得柔性光纤传像束成品。

5.一种如权利要求4所述的高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束的制备工艺，其特征在于，所述的酸溶采用混合酸，其中，混合酸是将盐酸和醋酸按1：10-1:20的摩尔比混合而成。

6.一种高分辨率和低断丝率的柔性光纤传像束的酸溶方法，其特征在于，将光纤阵列单元和酸溶性玻璃包层光纤单丝按权利要求1所述的光纤传像束结构排列后，并经一次或二次熔融拉制工艺制备得到光纤复丝棒，再在35-40℃下采用混合酸进行酸溶，其中，混合酸是将盐酸和醋酸按1：10-1:20的摩尔比混合而成。