CN106772791B - 低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法，光纤传像元件包括：至少三根圆柱形单光学纤维紧密平行堆积，任意三根所述单光学纤维两两相切处所包围的空间构成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃填充满；所述的单光学纤维由高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒及包覆在高折射率的圆柱形纤芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管构成。本发明的低杂散光串扰型光纤传像元件中吸收玻璃完全填充满堆积空间，降低光纤传像元件的杂散光串扰，提升其成像清晰度。

Description

低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传像元件，特别是涉及一种低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法。
背景技术
光纤传像元件是由成百上千万根微米级光学纤维规则排列形成的光学元件，包括光纤面板、光纤倒像器、纤维光锥、光纤传像束等。光纤传像元件具有数值孔径大、光学零厚度等特点，在光学传像、光学耦合等领域有着重要应用。
光纤传像元件内的光学纤维是由高折射率的芯与低折射率的皮构成的，满足全反射条件的输入光线可以在光纤内部由一端传输到另一端，而不满足全反射条件的输入光线则穿透皮层成为杂散光。杂散光是引起光纤传像元件成像清晰度差的最重要因素。为了解决上述问题，通常采用在相邻光学纤维的空隙处全部或部分填充光吸收玻璃的方式，在芯料和皮料的组合光学纤维之间存在很多空隙，通过在全部或部分的空隙处填充光吸收玻璃丝来提升对杂散光的吸收效果。目前国内外常使用的光吸收玻璃为圆形结构，其热学性能与芯料、皮料组合体光学纤维相近，由于光吸收玻璃丝与芯皮组合体光学纤维接触面积小，只能保证入射到光吸收玻璃上的杂散光才能被吸收，而超出这一范围的杂散光无法被吸收而形成串扰。因此，目前传统光纤传像元件普遍存在杂散光吸收效率低、成像不清晰的问题，无法满足更高清晰度要求的光纤传像元件的应用需求。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种新型低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法，所要解决的技术问题是降低光纤传像元件的杂散光串扰，提升其成像清晰度，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种低杂散光串扰型光纤传像元件，其包括：至少三根圆柱形单光学纤维紧密平行堆积，任意三根所述单光学纤维两两相切处所包围的空间构成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃填充满；所述的单光学纤维由高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒及包覆在高折射率的圆柱形纤芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管构成。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其中所述的高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其中所述的低折射率的皮料玻璃管为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其中所述的光吸收玻璃组分(按重量百分比计)为：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其中所述的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其包括以下步骤：
(1)分别将高折射率的纤芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且置于排棒模具中紧密堆积成多层，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径D1和所述的光吸收玻璃丝的截面的直径D2有如下关系：
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其中所述的高折射率的纤芯玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其中所述的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其中所述的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
优选的，前述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其中所述的光吸收玻璃组分(按重量百分比计)为：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
借由上述技术方案，本发明低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法至少具有下列优点：
本发明的低杂散光串扰型光纤传像元件中吸收玻璃完全填充满堆积空间，降低光纤传像元件的杂散光串扰，提升其成像清晰度。结合本发明的光吸收玻璃的成份及参数制备的光纤传像元件成像清晰度高。
由于本发明中光吸收玻璃的软化温度较纤芯光学纤维的软化温度低100-150℃，而膨胀系数高20×10-7/℃。通常拉丝温度要高于芯皮光学纤维的软化温度，因此在拉丝温度下，光吸收玻璃率先软化，且膨胀系数高，会自动填充到光学纤维之间的空隙处。最后，通过光纤预制棒的收缩，将芯料、皮层、光吸收玻璃三者融合成一根复合纤维，且光吸收玻璃完全填充满芯、皮之间的空隙，使最终制备的光纤传像元件的杂散光串扰降低，成像清晰度提升。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是低杂散光串扰型光纤传像元件示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的低杂散光串扰型光纤传像元件及其制备方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征或特点可由任何合适形式组合。
如图1所示，本发明的一个实施例提出的一种低杂散光串扰型光纤传像元件，其包括：
至少三根圆柱形单光学纤维紧密平行堆积，任意三根所述单光学纤维两两相切处所包围的空间构成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃1填充满；
所述的单光学纤维由高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒2及包覆在高折射率的圆柱形纤芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管3构成。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件中的高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
较佳的，本实施例低杂散光串扰型光纤传像元件中低折射率的皮料玻璃管为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度为650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件中的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件中的光吸收玻璃组分为(按重量百分比计)：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件中的光吸收玻璃的膨胀系数较对400-1000nm光线的吸收效果(0.3mm玻璃片，使用分光光度计测量)大于95％。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件中的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
本发明的另一个实施例提出一种低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其包括以下步骤：
(1)分别将高折射率的纤芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且紧密堆积成多层置于排棒模具中，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径D1和所述的光吸收玻璃丝的截面的直径D2有如下关系：满足如上关系式，才能保证光吸收玻璃丝能够插入三根光学纤维紧密堆积所形成的空隙。
将光纤预制棒在一定拉丝温度下，拉制成一定尺寸的复合纤维。此过程中，由于光吸收玻璃软化温度较纤芯光学纤维的软化温度低100-150℃，而膨胀系数高20×10-7/℃。通常拉丝温度要高于纤芯光学纤维的软化温度，因此在拉丝温度下，光吸收玻璃率先软化，且膨胀系数高，会自动填充到光学纤维之间的空隙处。最后，通过光纤预制棒的收缩，将芯料、皮层、光吸收玻璃三者融合成一根复合纤维，且光吸收玻璃完全填充满芯、皮之间的空隙。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法中的高折射率的纤芯玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法中的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法中的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
为了使单光纤直径达到所需的尺寸要求，有时还需要将复合纤维再次排列到形排棒模具中，形成复合纤维预制棒，然后将其拉制为一定尺寸的二次复合纤维。一般经过这一步骤后，二次复合纤维内的每一根光学纤维尺寸可达到4-10微米。
较佳的，本实施例的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法中的光吸收玻璃组分为(按重量百分比计)：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
实施例1
(1)分别将折射率为1.65，软化温度为700℃，膨胀系数为70×10-7/℃的高折射率的纤芯玻璃、折射率在1.45，软化温度为670℃，膨胀系数为60×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和软化温度为550℃，膨胀系数为85×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；其中，光吸收玻璃组分为(按重量百分比计)：SiO2:60％，B2O3：5％，∑(Na2O+K2O)：15％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，Fe2O3：1％，Co2O3：3％，Ni2O3：5％，MnO2：5％，Al2O3：1％。
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且置于排棒模具中紧密堆积成多层，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径为4微米。
实施例2
(1)分别将折射率为1.95，软化温度为750℃，膨胀系数为80×10-7/℃的高折射率的纤芯玻璃、折射率在1.65，软化温度为700℃，膨胀系数为80×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和软化温度为600℃，膨胀系数为100×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；其中，光吸收玻璃组分为(按重量百分比计)：SiO2:70％，B2O3：2％，∑(Na2O+K2O)：10％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％，Fe2O3：2％，Co2O3：3％，Ni2O3：4％，MnO2：3％，Al2O3：1％。
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且置于排棒模具中紧密堆积成多层，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径为10微米。
实施例3
(1)分别将折射率为1.85，软化温度为780℃，膨胀系数为68×10-7/℃的高折射率的纤芯玻璃、折射率在1.55，软化温度为740℃，膨胀系数为70×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和软化温度为650℃，膨胀系数为90×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、成皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；其中，光吸收玻璃组分为(按重量百分比计)：SiO2:66％，∑(Na2O+K2O)：9％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，Fe2O3：3％，Co2O3：2％，Ni2O3：4％，MnO2：5％，Al2O3：1％。
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且紧密堆积成多层置于排棒模具中，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径为8微米。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种低杂散光串扰型光纤传像元件，其特征在于：其包括：
至少三根圆柱形单光学纤维紧密平行堆积，任意三根所述单光学纤维两两相切处所包围的空间构成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃填充满；
所述的单光学纤维由高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒及包覆在高折射率的圆柱形纤芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管构成；
所述的高折射率的圆柱形纤芯玻璃棒为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃管为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
2.根据权利要求1所述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其特征在于，
所述的光吸收玻璃的组分(按重量百分比计)为：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
3.根据权利要求1所述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其特征在于，所述的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃。
4.根据权利要求1所述的低杂散光串扰型光纤传像元件，其特征在于，所述的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
5.一种低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)分别将高折射率的纤芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圆柱形纤芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；将所述纤芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管内，加热拉制成圆柱形单光学纤维；其中纤芯玻璃棒和皮料玻璃管紧密相贴；将所述的光吸收玻璃棒加热拉制成光吸收玻璃丝；
(2)将所述的单光学纤维平行排列，并且置于排棒模具中紧密堆积成多层，在单光学纤维之间的空隙内插入所述的光吸收玻璃丝，得到光学纤维束，将所述光学纤维束捆扎并从排棒模具中取出，得到光纤预制棒；
(3)将所述光纤预制棒加热拉丝，使光吸收玻璃丝完全填充到单光学纤维之间的空隙内，得到复合纤维；
(4)将所述复合纤维切割，紧密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板经真空高温熔压、滚圆、切割、二次热加工、抛光得到低杂散光串扰型光纤传像元件；
其中，所述的单光学纤维的截面的直径D1和所述的光吸收玻璃丝的截面的直径D2有如下关系：
6.根据权利要求5所述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述的高折射率的纤芯玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.65-1.95，软化温度700-800℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃为硅酸盐玻璃，折射率为1.45-1.65，软化温度650-750℃，膨胀系数为(60-80)×10-7/℃。
7.根据权利要求5所述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述的光吸收玻璃为含有氧化钴、氧化镍和氧化锰中的至少一种的硅酸盐玻璃；所述的光吸收玻璃的软化温度为500-650℃，膨胀系数为(85-100)×10-7/℃。
8.根据权利要求5所述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述的圆柱形单光学纤维的圆形截面的直径为4-10微米。
9.根据权利要求5所述的低杂散光串扰型光纤传像元件的制备方法，其特征在于，所述的光吸收玻璃的组分(按重量百分比计)为：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，Fe2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
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