CN108139536B - 影像传导光纤 - Google Patents
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Abstract
提供一种能够避免制造方面的问题并提高画质的影像传导光纤。在本发明的影像传导光纤中，数值孔径NA处于0.70～0.90的范围内，线热膨胀系数差Δα处于‑3×10‑7/℃～15×10‑7/℃的范围内，其中线热膨胀系数差Δα为从构成纤芯的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1减去构成包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2之后得到的值，构成纤芯的玻璃的玻璃化转变温度Tg1高于构成包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2，纤芯占有面积比率为25％以上，像素密度为0.1像素/μm2以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合用于例如在医疗用或工业用的内窥镜等中传输图像的影像传导光纤(image guide fiber)。
背景技术
通常，在具有多个纤芯和所述多个纤芯所共有的包层的影像传导光纤中，像素密度越高则分辨率就越高，且纤芯所占面积比率越高则亮度就越高。若为了提高像素密度，而减小纤芯直径，则纤芯所占面积比率会变低。因此，为使像素密度与纤芯所占面积比率两者都提高来提高画质，减小纤芯间的包层的厚度(纤芯间的距离)是一种有效的方法，但是若使纤芯间的包层的厚度变薄，则容易产生传输光的串扰，可能会无法充分地提高画质。充分抑制串扰所需的最小限度的纤芯间的包层的厚度依赖于影像传导光纤的数值孔径NA。数值孔径NA越高，则能够使可充分抑制串扰所需的最小限度的纤芯间的包层厚度越薄。
以往，为了提高数值孔径NA，提出了通过多组分玻璃来构成影像传导光纤的技术(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-222087号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在通过多组分玻璃构成影像传导光纤从而提高数值孔径NA时，由于需要使构成纤芯的玻璃(以下称为“纤芯玻璃”。)和构成包层的玻璃(以下称为“包层玻璃”。)之间具有大的折射率差，因而需要使纤芯玻璃与包层玻璃的组成具有大的差异。在纤芯玻璃与包层玻璃的组成存在较大差异时，纤芯玻璃与包层玻璃的各种物理性质会具有很大差异，因而可能会在制造影像传导光纤方面出现问题。
因此，本发明是着眼于该点而作出的发明，其目的在于，提供一种能够避免制造方面的问题并能够提高画质的影像传导光纤。
用于解决问题的手段
本发明的影像传导光纤，具有多个纤芯和多个该纤芯所共有的包层，
所述纤芯及所述包层分别由多组分玻璃构成，
所述影像传导光纤的数值孔径NA处于0.70～0.90的范围内，
线热膨胀系数差Δα处于-3×10-7/℃～15×10-7/℃的范围内，其中线热膨胀系数差Δα为从构成所述纤芯的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1减去构成所述包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2之后的值，
构成所述纤芯的玻璃的玻璃化转变温度Tg1高于构成所述包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2，
在所述影像传导光纤的剖面上，纤芯占有面积比率为25％以上，其中所述纤芯占有面积比率为多个所述纤芯的总面积相对于由所述包层的外周缘所划分形成的画面部的面积的比率，
在所述影像传导光纤的剖面上，每单位面积的所述画面部所拥有的像素数即像素密度为0.1像素/μm2以上。
根据本发明的影像传导光纤，能够避免制造方面的问题，并提高画质。
本发明的影像传导光纤，其中优选，
构成所述纤芯的玻璃的折射率nd1处于1.690～1.745的范围内，
构成所述纤芯的玻璃的玻璃化转变温度Tg1为605℃以上，
构成所述纤芯的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1为86×10-7/℃以上。
由此，能够更加可靠地避免制造方面的问题，并提高画质。
本发明的影像传导光纤，其中优选，
在用mol％表示的情况下，构成所述纤芯的玻璃具有如下的组成，该组成含有：
SiO2：36～48％、
B2O3：7～19％、
Al2O3：0～3.5％、
ZnO：0～4％、
CaO：0～4.5％、
SrO：0～4.5％、
BaO：20～33％、
La2O3：4～8％、
Ta2O5：0.5～3.5％、
ZrO2：0.5～7％、
Li2O：0～8％、
Na2O：0～5％、
K2O：0～5％，
Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为0～8％。
由此，能够更可靠地避免制造方面的问题，并提高画质。
本发明的影像传导光纤，其中优选，
构成所述包层的玻璃的折射率nd2处于1.490～1.530的范围内，
构成所述包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2为570℃以下，
构成所述包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为95×10-7/℃以下。
由此，能够更可靠地避免制造方面的问题，并提高画质。
本发明的影像传导光纤，其中优选，
在用mol％表示的情况下，构成所述包层的玻璃具有如下的组成，该组成包括：
SiO2：46～67％、
B2O3：7～20％、
Al2O3：1～15％、
MgO：0～12％、
CaO：0～10％、
ZnO：0～11％、
Li2O：0～6％、
Na2O：2～20％、
K2O：0～9％，
MgO、CaO及ZnO的总和的百分比为3～14％，
Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为6～24％。
由此，能够更可靠地避免制造方面的问题，并提高画质。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能避免制造方面的问题并提高画质的影像传导光纤。
附图说明
图1是示出能够搭载本发明的影像传导光纤的医疗用内窥镜的观察仪器(scope)的一个例子的概要图。
图2是本发明的一实施方式的影像传导光纤的剖视图。
图3是用于说明本发明的一实施方式的影像传导光纤的制造方法的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行示意性说明。
(使用影像传导光纤的内窥镜)
本发明的影像传导光纤(以下，简称为“光纤”。)例如用于在医疗用或工业用的内窥镜等中传送图像。
图1示出医疗用内窥镜的观察仪器10的一个例子。观察仪器10具备操作部11和具有柔性的插入部12。插入部12在其前端侧(操作部11的相反侧)具有前端部13。另外，插入部12在其前端部13侧具有物镜3。操作部11具有目镜4。在图1的例子中，本发明的一实施方式的影像传导光纤1在物镜3与目镜4之间，在插入部12和操作部11的范围内延伸。另外，光导纤维(light guide fiber)2也在插入部12和操作部11的范围内延伸。在图1的例子中，观察仪器10与监视器30连接。并且，观察对象20的像经由物镜3而成像到影像传导光纤1的入射端面1a，该形成的像被影像传导光纤1传输，从影像传导光纤的射出端面1b射出，然后经由目镜4输出到监视器30。
但是，本实施方式的影像传导光纤1不限定用于图1的例子那样的医疗用内窥镜的情况，例如也可以在工业用内窥镜等中用于传输图像。另外，本实施方式的影像传导光纤不限定于用于传输图像，也可以在医疗用和工业用装置中用作功率输出(power delivery)(光传输)。此时，例如，可用于光动力疗法(photodynamic therapy)中的激光等的传输或照明用的灯具、LED和激光的传输等，其中，所述光动力疗法是指：向靶组织导入光敏剂，之后，将某波长的光照射到活体组织从而产生活性氧，由此来治疗癌症和传染病等的病灶。
(影像传导光纤的结构)
接着，参照图2，对本实施方式的影像传导光纤1的结构进行说明。图2示出本实施方式的光纤1的剖面的一个例子。此外，光纤1的两侧的端面也具有与剖面相同的结构。
光纤1具有多个纤芯51和所述多个纤芯51所共有的包层52。包层52覆盖各纤芯51的外周面。如后述那样，纤芯51及包层52分别由多组分玻璃所构成。图2的例子中，纤芯51具有圆形剖面，包层52的外周缘52a的剖面为圆形。进而，在图2的例子中，光纤1具有覆盖包层52的外周面的玻璃制的护套层70和覆盖护套层70的树脂制(例如聚酰亚胺制)的涂敷层80。
此外，在图2中，省略了一部分的纤芯51，但在整个共有的包层52区域内都配置有纤芯51。
但是，本实施方式的光纤1的结构不限定于图2的例子，光纤1只要具有多个纤芯51和共有的包层52，则可以为任意结构。
在此，参照图3，对本实施方式的光纤1的制造方法的一个例子进行说明。
首先，分别制造纤芯玻璃及包层玻璃。
然后，通过双坩埚法进行第一次纺丝而获得单芯光纤，在该单芯光纤中纤芯玻璃和包覆该纤芯玻璃的包层玻璃形成为同心圆状。双坩埚法为：使用将纤芯用坩埚和包层用坩埚配置成同心圆状的双坩埚，将各坩埚内的纤芯玻璃和包层玻璃进行加热，从双坩埚的喷嘴连续地拉丝(纺丝)，来形成单芯光纤。
然后，在无尘室内将单芯光纤切断成规定的长度，除去被切断后的单芯光纤中的残次光纤。并且，如图3中的(a)所示，在被切断后的单芯光纤120中的余下的光纤中，取10000～50000条左右的光纤以六角密排的方式捆绑(层叠)到圆筒状的玻璃管170内，从而获得单芯光纤束110。该单芯光纤120的层叠条数为影像传导光纤1的像素数。玻璃管170由构成影像传导光纤1的护套层70的玻璃所构成，此时的外径例如为3～5cm，全长为例如为16cm。在图3中，附图标记151、152分别表示单芯光纤120的纤芯玻璃和单芯光纤120的包层玻璃。此外，在图3中，省略了一部分的单芯光纤120，但单芯光纤120配置在玻璃管170内的整个区域中。
然后，如图3中的(b)所示，对单芯光纤束110进行加热，来进行热融合。此时，各单芯光纤120的外周缘的剖面形状从圆形变化为六边形，各单芯光纤120间的间隙被填满，从而使玻璃管170与各单芯光纤120互相一体化。在一体化之后，以不使玻璃破损的方式以规定的温度及梯度缓慢冷却，获得玻璃棒状的预制品(preform)。
然后，对预制品的外周侧进行磨削、研磨，从而使预制品形成为圆柱状。
然后，对预制品加热，并对其拉伸使其变细(第二次纺丝)，并利用构成光纤1的涂敷层80的树脂进行包覆。
由此，获得影像传导光纤1。
制成的影像传导光纤1的外径(涂敷层80的外径)例如为300～800μm。
但是，本实施方式的光纤1也可以通过除上述制造方法之外的任意方法来制造。
回到图2，对本实施方式的光纤1的结构进行进一步说明。具有分别由多组分玻璃构成的纤芯51及包层52的本实施方式的光纤1，满足以下条件(1)～(5)：
(1)光纤1的数值孔径NA处于0.70～0.90的范围内。
(2)从构成纤芯51的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数(linear thermalexpansion coefficient)α1减去构成包层52的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2之后得到的值即线热膨胀系数差Δα(＝α1-α2)处于-3×10-7/℃～15×10-7/℃的范围内。
(3)构成纤芯51的玻璃的玻璃化转变温度(glass transition temperature)Tg1高于构成包层52的玻璃的玻璃化转变温度Tg2。
(4)在光纤1的剖面上，各纤芯51的总面积相对于由包层52的外周缘52a所划分形成的画面部60的面积的比率即纤芯占有面积比率为25％以上。
(5)在光纤1的剖面上，每单位面积的画面部60所拥有的像素数即像素密度为0.1像素/μm2以上。
关于条件(1)，假设纤芯玻璃的折射率为nd1，包层玻璃的折射率为nd2，则光纤1的数值孔径NA通过下式求出。
[式1]
纤芯玻璃的折射率nd1、包层玻璃的折射率nd2为使用日本光学玻璃工业标准的“光学玻璃的折射率测量方法”进行测量而得出的值。
通过如条件(1)那样提高数值孔径NA，能够充分抑制传输光的串扰，并能够减小纤芯51间的包层52的厚度，因而能够如条件(4)、(5)那样提高纤芯占有面积比率及像素密度，进而能够提高画质。
在数值孔径NA不足0.70时，为了抑制串扰，需要增加纤芯51间的包层52的厚度，这样不能充分提高纤芯占有面积比率及像素密度。在数值孔径NA超过0.90时，需要使纤芯玻璃的折射率nd1非常高，这样可能成为导致光纤1的短波透射率降低的主要原因。
基于同样的观点考虑，光纤1的数值孔径NA的优选范围为0.717～0.860的范围，进一步优选的范围为0.717～0.780。
关于条件(2)，纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1和包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为依照日本光学玻璃工业标准的“光学玻璃的热膨胀的测量方法”(使用具有石英玻璃制标准样品支撑件的差示热膨胀计(TMA))进行测量而得到的值。
通过如条件(2)那样设定线热膨胀系数差Δα，在制造光纤1时，能够减少光纤产生的走形，进而能够抑制光纤破损。
在线热膨胀系数差Δα超过15×10-7/℃的情况下，在制造光纤1时，在通过单芯光纤束110的热融合来使玻璃管170与各单芯光纤120一体化之后的冷却过程中，可能存在较大走形，导致光纤破损。在线热膨胀系数差Δα不足-3×10-7/℃的情况下，可能在该冷却过程中无法去除走形。
基于同样的观点考虑，线热膨胀系数差Δα的优选范围为-3×10-7/℃～9×10-7/℃，进一步优选的范围为-3×10-7/℃～5×10-7/℃。
关于条件(3)，纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1和包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2为依据日本光学玻璃工业标准的“光学玻璃的热膨胀的测量方法”(使用具有石英玻璃制标准样品支撑件的差示热膨胀计(TMA))进行测量而得到的值。
通过满足条件(3)那样的纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1和包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2之间的关系，在制造光纤1的过程中，在通过单芯光纤束110的热融合来使玻璃管170与各单芯光纤120一体化之时，能够仅使包层玻璃152变形，因而能够可靠地维持纤芯玻璃151的剖面圆形形状，进而能够防止画质降低。
在纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1小于等于包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2的情况下，在制造光纤1的过程中，在通过单芯光纤束110的热融合来使玻璃管170与各单芯光纤120一体化之时，纤芯玻璃151可能比包层玻璃152先变形，在包层玻璃152发生变形时，可能无法保持纤芯玻璃151的剖面为圆形形状，进而，可能过会使画质降低。
优选从纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1减去包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2之后得到的值(Tg1-Tg2)为120～170℃，进一步优选为120～150℃。
关于条件(4)，“在光纤1的剖面上，由包层52的外周缘52a所划分形成的画面部60的面积”等于光纤1的剖面上的包层52的面积与各纤芯51的总面积之和。
通过如条件(4)那样提高纤芯占有面积比率，能够提高图像的亮度，进而能够提高画质。
在光纤1的纤芯占有面积比率不足25％时，光的透射率会变低，得到的图像会变暗。
另一方面，若光纤1的纤芯占有面积比率过高，则无法充分地提高像素密度，因而光纤1的纤芯占有面积比率的优选范围为25～50％，更优选的范围为30～50％。
关于条件(5)，光纤1的像素数与光纤1的纤芯51的数量相同。并且，像素密度是光纤1的像素数除以光纤1的剖面上的画面部60的面积所得到的值。
通过如条件(5)那样提高像素密度，能够提高图像的分辨率，进而能够提高画质。
在光纤1的像素密度不足0.1像素/μm2时，不能获得充分的分辨率。
另一方面，若过度地提高光纤1的像素密度，则纤芯51间的包层52的厚度可能会过于薄，或者，纤芯占有面积比率可能会过于小，因而可能会损害画质，从而优选光纤1的像素密度在0.1～0.5像素/μm2的范围内，进一步优选在0.2～0.4像素/μm2的范围内。
根据本实施方式的光纤1，通过如条件(1)、(4)、(5)那样提高数值孔径NA、纤芯占有面积比率及像素密度，能够充分抑制串扰，并提高图像的亮度及分辨率，因而能够提高画质。进而，在本实施方式的光纤1中，为了如条件(1)那样提高数值孔径NA，需要使由多组分玻璃构成的纤芯51及包层52的玻璃的折射率甚至组成之间有很大的差异，但是由此产生的光纤制造上的问题，能够通过条件(2)、(3)避免。
以下，按顺序对为使光纤1满足条件(1)～(5)的优选的纤芯玻璃及包层玻璃的物理性质及组成进行说明。
(纤芯玻璃的物理性质)
通过提高纤芯玻璃的折射率nd1，能够提高光纤1的数值孔径NA。从该观点考虑，优选纤芯玻璃的折射率nd1为1.690以上。
另一方面，若纤芯玻璃的折射率nd1过高，则纤芯玻璃对短波的透射率降低。从保持光纤1的色彩再现性的观点考虑，优选纤芯玻璃的折射率nd1在1.745以下。
从同样的观点考虑，更优选纤芯玻璃的折射率nd1为1.695～1.715，进一步优选为1.698～1.710。
若纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1过低，则在制造光纤1的过程中，在通过单芯光纤束110的热融合而使玻璃管170与各单芯光纤120一体化之时，纤芯玻璃151容易变形，从而可能会难以保持纤芯的剖面圆形形状。从该观点考虑，优选纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1为605℃以上。
另一方面，若纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1过高，则在制造光纤1时，纺丝工序中用于光纤化的纺丝温度会变高，可能会诱发纤芯玻璃结晶化等，使影像传导光纤1的品质恶化。因此，优选纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1为690℃以下。
从同样的观点考虑，更优选纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1为630～710℃，进一步优选为640～680℃。
关于条件(2)，如上述那样，纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1由其与包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2之间的关系来限定。优选纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1为86×10-7/℃以上。
另一方面，若纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1过高，则在制造光纤1时，容易在一体化后的预制品中存在走形，预制品破损的可能性会变高。因此，优选纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1为105×10-7/℃以下。
从同样的观点考虑，更优选纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1为86×10-7/℃～100×10-7/℃，进一步优选为86×10-7/℃～95×10-7/℃。
(纤芯玻璃的组成)
在用mol％表示的情况下，优选纤芯玻璃具有如下的组成：SiO2：36～48％、B2O3：7～19％、Al2O3：0～3.5％、ZnO：0～4％、CaO：0～4.5％、SrO：0～4.5％、BaO：20～33％、La2O3：4～8％、Ta2O5：0.5～3.5％、ZrO2：0.5～7％、Li2O：0～8％、Na2O：0～5％、K2O：0～5％，并且Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为0～8％。
以下，对如上那样限定纤芯玻璃的组成成分的优选范围的理由进行说明。此外，玻璃的组成成分中的含有量的单位均为“mol％”，但以下在没有特别说明的情况下，均仅用“％”表示。
此外，在本说明书中，在成分的含有量的数值范围包含0时，该成分为可选成分。
(SiO2)
SiO2为能够形成玻璃且具有提高玻璃化转变温度Tg1的效果的成分。若SiO2的含有量低于36％，则难以使玻璃化转变温度Tg1为605℃以上。另一方面，若SiO2含有量高于48％，则难以获得玻璃化转变温度Tg1为690℃以下的纤芯玻璃。因此，优选SiO2含有量处于36～48％的范围内。更优选SiO2含有量处于36～45％的范围内，进一步优选处于36～40％的范围内。
(B2O3)
B2O3为能够形成玻璃且具有将玻璃化转变温度Tg1抑制得低的效果的成分。若B2O3含有量低于7％，则难以获得玻璃化转变温度Tg1为690℃以下的纤芯玻璃。另一方面，若B2O3含有量高于19％，则难以获得玻璃化转变温度Tg1为605℃以上的纤芯玻璃。因此，优选B2O3含有量处于7～19％的范围内。更优选B2O3含有量处于12～19％的范围内，进一步优选处于15～19％的范围内。
(Al2O3)
Al2O3为具有抑制折射率nd1上升且提高纤芯玻璃的耐久性的效果的成分。若Al2O3含有量较高，则能提高纤芯玻璃的耐久性，但折射率nd1会变低。因此，优选Al2O3含有量处于0～3.5％的范围内。更优选Al2O3含有量处于0～2.0％的范围内。进一步优选处于0～1.5％的范围内。
(ZnO)
ZnO为具有抑制100～300℃下的线热膨胀系数α1上升的效果的成分。若ZnO含有量为4％以下，则能够将纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1保持在86×10-7/℃以上。另外，由于ZnO的高纯度原料不容易获得，因而随着ZnO含有量增加，混入的杂质的含有量也会增加，从而会使纤芯玻璃的透射率恶化。因此，优选ZnO含有量处于0～4％的范围内。更优选ZnO含有量处于0～2％的范围内，进一步优选处于0～1％的范围内。
(CaO)
CaO为具有提高折射率nd1的效果的成分。若CaO含有量高于4.5％，则折射率nd1可能会超过1.745。因此，优选CaO含有量处于0～4.5％的范围内。更优选CaO含有量处于0～4％的范围内，进一步优选处于0～3.5％的范围内。
(SrO)
SrO为具有提高折射率nd1的效果的成分。若SrO含有量高于4.5％，则折射率nd1可能会超过1.745。因此，优选SrO含有量处于0～4.5％的范围内。更优选SrO含有量处于0～4.2％的范围内，进一步优选处于0～4％的范围内。
(ZnO+CaO+SrO)
优选ZnO、CaO、SrO的总含有量为0～11％。若ZnO、CaO、SrO的总含有量超过11％，则玻璃稳定性不好，制造影像传导光纤1的成品率可能会降低。更优选ZnO、CaO、SrO的总含有量处于3～9％的范围内，进一步优选处于5～7％的范围内。
(BaO)
BaO为具有提高折射率nd1并提高在100～300℃下的线热膨胀系数α1的效果的成分。若BaO含有量低于20％，则难以使折射率nd1为1.690以上，或者，难以获得100～300℃下的线热膨胀系数α1为86×10-7/℃以上的纤芯玻璃。另一方面，若BaO含有量高于33％，则折射率nd1可能会超过1.745。因此，优选BaO含有量处于20～33％的范围内。更优选BaO含有量处于23～30％的范围内，进一步优选处于25～30％的范围内。
(La2O3)
La2O3具有提高折射率nd1，提高纤芯玻璃的耐久性并提高玻璃化转变温度Tg1的效果。若La2O3含有量低于4％，则折射率nd1会过低，或者，玻璃化转变温度Tg1会过低。另一方面，若La2O3含有量高于8％，则折射率nd1可能会超过1.745。因此，优选La2O3含有量处于4～8％的范围内。更优选La2O3含有量处于4～7％的范围内，进一步优选处于5～6％的范围内。
(Ta2O5)
Ta2O5为具有提高折射率nd1及玻璃化转变温度Tg1，提高玻璃稳定性并提高玻璃耐候性的效果的成分。若Ta2O5含有量低于0.5％，则折射率nd1会过低，或者玻璃化转变温度Tg1会过低，另外，玻璃稳定性会恶化，从而可能会使制造影像传导光纤1的成品率降低。另一方面，若Ta2O5含有量高于3.5％，则折射率nd1会过高，会导致短波的透射率很低，或者会使玻璃化转变温度Tg1超过690℃。因此，优选Ta2O5含有量处于0.5～3.5％的范围内。更优选Ta2O5含有量处于0.5～2％的范围内，进一步优选处于0.5～1.5％的范围内。
(ZrO2)
ZrO2为具有提高折射率nd1及玻璃化转变温度Tg1并提高玻璃耐候性的效果的成分。若ZrO2含有量低于0.5％，则会使折射率nd1过低，或者使玻璃化转变温度Tg1过低。另一方面，若ZrO2含有量高于7％，则折射率nd1可能会超过1.745，另外，玻璃稳定性会恶化，从而可能会使制造影像传导光纤1的成品率降低。因此，优选ZrO2含有量处于0.5～7％的范围内。更优选ZrO2含有量处于2～3.5％的范围内，进一步优选处于2～3％的范围内。
(Li2O)
Li2O为具有抑制玻璃化转变温度Tg1上升的效果的成分。若Li2O含有量高于8％，则可能会使玻璃化转变温度Tg1不足605℃。因此，优选Li2O含有量处于0～8％的范围内。更优选Li2O含有量处于0～5％的范围，进一步优选处于0～3％的范围。
(Na2O)
Na2O为与Li2O同样地具有抑制玻璃化转变温度Tg1上升的效果的成分。若Na2O含有量高于5％，则玻璃化转变温度Tg1可能会不足605℃。因此，优选Na2O含有量处于0～5％的范围内。更优选Na2O含有量处于0～4％的范围内，进一步优选处于0～3％的范围内。
(K2O)
K2O为与Li2O、Na2O同样地具有抑制玻璃化转变温度Tg1上升的效果的成分。若K2O含有量高于5％，则玻璃化转变温度Tg1可能会不足605℃。因此，优选K2O含有量处于0～5％的范围内。更优选K2O含有量处于0～2％的范围内，进一步优选处于0～1％的范围内。
(Li2O+Na2O+K2O)
若Li2O、Na2O、K2O的总含有量超过8％，则玻璃化转变温度Tg1可能会不足605℃。因此，优选Li2O、Na2O、K2O的总含有量处于0～8％的范围内。更优选Li2O、Na2O、K2O的总含有量处于0～5％的范围内，进一步优选处于0～3％的范围内。
(包层玻璃的物理性质)
若包层玻璃的折射率nd2与纤芯玻璃的折射率nd1相比足够低，则即使在使用了具有较低的折射率nd1的纤芯玻璃的情况下，也能够提高影像传导光纤1的数值孔径NA。从该观点考虑，优选包层玻璃的折射率nd2在1.530以下。
但是，若使包层玻璃的折射率nd2过低，则在包层玻璃的组成的性质上，玻璃化转变温度Tg2会变高，100～300℃下的线热膨胀系数α2可能过会过小。若考虑适当地保持包层玻璃与纤芯玻璃之间的热物理性质关系，则优选包层玻璃的折射率nd2在1.490以上。
若包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2过高，则在制造光纤1时，纺丝工序中的用于进行光纤化所需的纺丝温度会变高，会引起玻璃的结晶化等，从而导致影像传导光纤1的品质恶化。若考虑上述条件(3)和上述纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1的优选范围，则优选包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2为570℃以下。
另一方面，若包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2过低，则与纤芯玻璃的玻璃化转变温度Tg1之差会变得过大，从而在制造光纤1的过程中，在进行纺丝工序时，可能仅包层先软化。因此，优选包层玻璃的玻璃化转变温度Tg2为500℃以上。
关于条件(2)，如上述那样，包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2，根据与纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1之差来限定。纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1的优选下限值为86×10-7/℃，因而优选包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为71×10-7/℃以上。
另一方面，若包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2过高，则纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1需要被设定得非常高。若考虑纤芯玻璃的热物理性质，则优选包层玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为95×10-7/℃以下。
(包层玻璃的组成)
在用mol％表示的情况下，优选构成包层的玻璃具有如下的组成：SiO2：46～67％、B2O3：7～20％、Al2O3：1～15％、MgO：0～12％、CaO：0～10％、ZnO：0～11％、Li2O：0～6％、Na2O：2～20％、K2O：0～9％，且MgO、CaO及ZnO的总和的百分比为3～14％，Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为6～24％。
以下，对如上那样限定包层玻璃的成分组成的优选范围的理由进行说明。
(SiO2)
SiO2是构成玻璃的骨架的主要成分且是容易玻璃化的成分，具有使100～300℃下的线热膨胀系数α2降低的效果。若SiO2的含有量低于46％，则可能会使100～300℃下的线热膨胀系数α2过高。另一方面，若SiO2含有量高于67％，则可能会使玻璃化转变温度Tg2过高，且使100～300℃下的线热膨胀系数α2过低。因此，优选SiO2含有量处于46～67％的范围内。更优选SiO2含有量处于49～64％的范围内，进一步优选处于49～63％的范围内。
(B2O3)
B2O3为能够形成玻璃且具有将玻璃化转变温度Tg2抑制得低，并将100～300℃下的线热膨胀系数α2抑制得低的效果的成分。若B2O3含有量低于7％，则可能会使100～300℃下的线热膨胀系数α2超过95×10-7/℃而变得很高。另一方面，若B2O3含有量高于20％，则可能会使100～300℃下的线热膨胀系数α2低于71×10-7/℃。因此，优选B2O3含有量处于7～20％的范围内。更优选B2O3含有量处于10～18％的范围内，进一步优选处于10.5～17％的范围内。
(Al2O3)
Al2O3为具有抑制折射率nd2上升，使玻璃化转变温度Tg2上升，且提高包层玻璃耐久性的效果的成分。若Al2O3含有量不足1％，则提高包层玻璃的耐久性的效果变弱，玻璃化转变温度Tg2会变低。相反地，若Al2O3含有量高于15％，则玻璃化转变温度Tg2可能会变得过高。因此，优选Al2O3含有量处于1～15％的范围内。更优选Al2O3含有量处于2～14％的范围内，进一步优选处于3～12％的范围内。
(MgO)
MgO为降低玻璃的熔融温度且有利于玻璃化的成分，并且作为提高折射率的成分而发挥作用。若MgO含有量高于12％，则包层玻璃的折射率nd2可能会超过1.530。因此，优选MgO含有量处于0～12％的范围内。更优选MgO的含有量处于0～10％的范围内，进一步优选处于0～9％的范围内。
(CaO)
CaO为与MgO同样地使玻璃的熔融温度降低且更有利于玻璃化的成分，并且为具有提高折射率nd2的效果的成分。若CaO含有量高于10％，则折射率nd2可能会超过1.530。因此，优选CaO含有量处于0～10％的范围内。更优选CaO含有量处于0～8％的范围内，进一步优选处于0～5％的范围内。
(ZnO)
ZnO为与MgO及CaO同样地使玻璃的熔融温度降低且更有利于玻璃化的成分，并且为具有抑制100～300℃下的线热膨胀系数α2上升的效果的成分。若ZnO含有量高于11％，则纤芯玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2会低于71×10-7/℃，玻璃化转变温度Tg2可能会过低。因此，优选ZnO含有量处于0～11％的范围内。更优选ZnO含有量处于0～10％的范围内，进一步优选处于0～8％的范围内。
(MgO+CaO+ZnO)
在MgO、CaO、ZnO的总含有量超过14％时，包层玻璃的折射率nd2可能会超过1.530。相反地，在MgO、CaO、ZnO的总含有量不足3％时，100～300℃下的线热膨胀系数α2可能会高于95×10-7/℃。优选MgO、CaO、ZnO的总含有量处于3～14％的范围内。更优选ZnO含有量处于3～10％的范围内，进一步优选处于6～10％的范围内。
(Li2O)
Li2O等碱金属氧化物为使玻璃的熔融温度降低，使玻璃熔融更加容易，且具有抑制玻璃化转变温度Tg2上升的效果的成分。若Li2O含有量高于6％，则玻璃化转变温度Tg1可能会不足500℃。因此，优选Li2O含有量处于0～6％的范围内。更优选Li2O含有量处于0～4.5％的范围内，进一步优选处于0～4％的范围内。
(Na2O)
Na2O为与Li2O同样地具有抑制玻璃化转变温度Tg2上升，提高100～300℃下的线热膨胀系数α2的效果的成分。若Na2O含有量低于2％，则100～300℃下的线热膨胀系数α2可能会低于71×10-7/℃。相反地，若Na2O含有量高于20％，则可能会高于95×10-7/℃。因此，优选Na2O含有量处于2～20％的范围内。更优选Na2O含有量处于3～18％的范围内，进一步优选处于5～17.5％的范围内。
(K2O)
K2O为与Li2O、Na2O同样地具有抑制玻璃化转变温度Tg1上升，提高100～300℃下的线热膨胀系数α2的效果的成分。若K2O含有量高于9％，则100～300℃下的线热膨胀系数α2可能会高于95×10-7/℃。因此，优选K2O含有量处于0～9％的范围内。更优选K2O含有量处于0～7％的范围内，进一步优选处于0～5％的范围内。
(Li2O+Na2O+K2O)
若Li2O、Na2O、K2O的总含有量超过24％，则100～300℃下的线热膨胀系数α2可能会高于95×10-7/℃。相反地，在Li2O、Na2O、K2O的总含有量不足6％时，100～300℃下的线热膨胀系数α2可能会低于71×10-7/℃。因此，优选Li2O、Na2O、K2O的总含有量处于6～24％的范围内。更优选Li2O、Na2O、K2O的总含有量处于9～18.5％的范围内，进一步优选处于12～17.5％的范围内。
此外，对于纤芯玻璃、包层玻璃，只要各自不脱离本发明的目的，则为了改善熔融性及扩大玻璃的稳定性，也可以含有普通玻璃所使用的未记载于本说明书的其他成分，其中，其他成分的总含有量处于数mol％以下的范围内。此时，以包含其他成分的全部成分的总含有量为100mol/％的方式，求出各成分的含有量。
(纤芯玻璃、包层玻璃的制造方法)
接着，对纤芯玻璃及包层玻璃的制造方法的一个例子进行说明。此外，纤芯玻璃的制造方法及包层玻璃的制造方法可以相同，因而这里不对它们加以区别而仅称作“玻璃”。
对于玻璃，按照规定的比率秤量分别与各成分的原料对应的氧化物、氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐等并充分进行混合，然后将其作为玻璃的调配原料。此外，为了防止玻璃着色以及为了进行脱泡，可以在1mol％以下的范围内添加具有还原效果的添加物(例如Sb2O3等)，这不会影响本发明的效果。
在制造玻璃的过程中，首先，将该玻璃的调配原料投入铂制坩埚，在加热至1300～1500℃的玻璃熔融炉中进行熔融。然后，用搅拌棒对被高温熔融后的玻璃熔液进行搅拌，使玻璃熔液澄清和均质化，之后，使其流入预热至适当的温度的金属模具中进行成型。然后，按照适当的温度时间表进行缓慢冷却，获得玻璃块。
然而，本实施方式的光纤1所使用的纤芯玻璃、包层玻璃也可以通过除上述制造方法之外的任意方法来制造。
实施例
制作本发明的影像传导光纤的实施例1～7及比较例1～8并对它们进行了评价。参照表1～5对其结果进行说明。表1示出了实施例1～7及比较例1～8的详细内容。
在表1中，纤芯的栏所记载的名称分别对应于表2所记载的纤芯1～16的名称和表3所记载的纤芯17～33的名称。另外，在表1中，包层的栏所记载的名称分别对应于表4所记载的包层1～16的名称和表5所记载的包层17～31的名称。例如，表1中的比较例光纤1具有表2所记载的纤芯1和表5所记载的包层19。
在表2、表3中，示出了纤芯1～33的组成、物理性质及后述的稳定性的评价结果。在表4、表5中，示出了包层1～31的组成、物理性质及后述的稳定性的评价结果。
各比较例的光纤、实施例的光纤是分别使用表1中对应的构成纤芯及包层的玻璃，参照图3通过上述制造方法制造而成。
各实施例的光纤的画面部60的直径(画面直径)彼此相同。另一方面，比较例的光纤2、4～8的画面直径彼此相同，比较例的光纤1、3的画面直径彼此不同，且与比较例的光纤2、4～8的画面直径相比也不相同。
关于表1中的“数值孔径NA”、“线热膨胀系数差Δα(×10-7/℃)”、“纤芯的玻璃化转变温度Tg1-包层的玻璃化转变温度Tg2(℃)”、“纤芯占有面积比率(％)”、“像素密度(像素/μm2)”的内容，分别为以上对条件(1)～(5)描述的内容。此外，通过对各比较例的光纤、实施例的光纤的结构进行观察测量来算出纤芯占有面积比率和像素密度。
表1中的“裂纹的产生”表示在制造光纤的过程中在单芯光纤束或预制品上是否产生了裂纹。对于产生了裂纹的光纤，不进行下述的“USAF图表”试验。
表1中的“USAF图表的试验结果”表示使用了1951USAF测试图案而得到的画质的评价试验的结果。在USAF图表的试验中，准备一张在一侧的面上绘制有1951USAF测试图案的专用纸，使光纤的入射端面直接与专用纸的该一侧的面相接触，且在用光照射该专用纸的另一侧的面的状态下，将从光纤的射出端面侧射出的1951USAF测试图案的图像输出到监视器，从而进行观察。此外，1951USAF测试图案的视野范围(观察范围)在各比较例的光纤、实施例的光纤中相同。并且，相对地评价了1951USAF测试图案的观察结果。作为该评价结果在表1所示的“优”、“良”、“合格”、“不合格”是指，按照从“画质好”到“画质差”的顺序，表示“优”＞“良”＞“合格”＞“不合格”的关系。
表2、表3所示的纤芯1～33是通过通常的熔融淬冷法使相应的组成物玻璃化而得到的纤芯。具体地，作为各自的原料化合物，按照规定的比率秤量SiO2、H3BO3、Al(OH)3、ZnO、CaCO3、SrCO3、BaCO3、Ba(NO3)2、La2O3、Ta2O5、Nb2O5、ZrO2、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3。在此，作为脱泡剂添加了0.05mol％的Sb2O3。将这些成分混合后，使用铂制坩埚在1300℃的玻璃熔融炉中以约2小时的时间进行熔融。在熔融过程中，适时地进行搅拌，使熔液均质化。然后，在流入金属模具进行成型之后，缓慢冷却至室温，获得纤芯玻璃。
为了确认所获得的纤芯玻璃的热性能、光学性能，对折射率nd1、玻璃化转变温度Tg1、100～300℃下的线热膨胀系数α1进行了测量。其结果示出于表2、表3中。
表2、表3中的“稳定性”表示纤芯玻璃的稳定性的评价结果。在进行2分钟的上述搅拌的期间，在通过目视能确认玻璃发生了结晶化时，评价为“不合格”，在通过目视不能确认玻璃发生了结晶化时，评价为“良”。
表4、表5所示的包层1～31是通过通常的熔融淬冷法使相应的组成物玻璃化而得到的包层。即，作为各自的原料化合物，按照规定的比率秤量SiO2、H3BO3、Al(OH)3、MgO、CaCO3、ZnO、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3。在此，作为脱泡剂添加了0.1mol％的Sb2O3。将这些成分混合之后，使用铂制坩埚在1450℃的玻璃熔融炉中以约2小时的时间进行熔融。在熔融过程中，适时地搅拌，使熔液均质化。然后，在流入金属模具中进行了成型之后，缓慢冷却至室温，获得包层玻璃。
为了确认所获得的包层玻璃的热性能、光学性能，对折射率nd2、玻璃化转变温度Tg2、100～300℃下的线热膨胀系数α2进行了测量。测量结果示出于表4、表5中。
表4、表5中的“稳定性”表示包层玻璃的稳定性的评价结果。在进行2分钟的上述搅拌的期间，在通过目视能够确认玻璃发生了结晶化时，评价为“不合格”，在通过目视不能确认玻璃发生了结晶化时，确认为“良”。
(表1)
(表2)
(表3)
(表4)
(表5)
从表1可知，实施例的光纤在光纤的制造过程中没有产生裂纹，且画质高于比较例的光纤的画质。
产业上的可利用性
本发明的影像传导光纤例如可适合用于在医疗用或工业用内窥镜等中传输图像。
附图标记说明
1 影像传导光纤
1a 入射端面
1b 射出端面
2 光导纤维
3 物镜
4 目镜
10 内窥镜的观察仪器
11 操作部
12 插入部
13 前端部
20 观察对象
30 监视器
51 纤芯
52 包层
60 画面部
70 护套层
80 涂敷层
110 单芯光纤束
120 单芯光纤
151 纤芯玻璃
152 包层玻璃
170 玻璃管
Claims (5)
1.一种影像传导光纤，具有多个纤芯和多个该纤芯所共有的包层，其特征在于，
所述纤芯及所述包层分别由多组分玻璃构成，
所述影像传导光纤的数值孔径NA处于0.70～0.90的范围内，
线热膨胀系数差Δα处于-3×10-7/℃～15×10-7/℃的范围内，其中所述线热膨胀系数差Δα为从构成所述纤芯的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1减去构成所述包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2之后得到的值，
构成所述纤芯的玻璃的玻璃化转变温度Tg1高于构成所述包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2，
在所述影像传导光纤的剖面上，纤芯占有面积比率的范围为25％～50％，其中所述纤芯占有面积比率为多个所述纤芯的总面积相对于由所述包层的外周缘所划分形成的画面部的面积的比率，
在所述影像传导光纤的剖面上，每单位面积的所述画面部所拥有的像素数即像素密度在0.1～0.5像素/μm2的范围内，
构成所述纤芯的玻璃的折射率nd1处于1.690～1.745的范围内，
构成所述纤芯的玻璃的玻璃化转变温度Tg1为605℃以上，
构成所述纤芯的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α1为86×10-7/℃以上。
2.根据权利要求1所述的影像传导光纤，其特征在于，
在用mol％表示的情况下，构成所述纤芯的玻璃具有如下的组成，该组成含有：
SiO2：36～48％、
B2O3：7～19％、
Al2O3：0～3.5％、
ZnO：0～4％、
CaO：0～4.5％、
SrO：0～4.5％、
BaO：20～33％、
La2O3：4～8％、
Ta2O5：0.5～3.5％、
ZrO2：0.5～7％、
Li2O：0～8％、
Na2O：0～5％、
K2O：0～5％，
Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为0～8％。
3.根据权利要求1所述的影像传导光纤，其特征在于，
构成所述包层的玻璃的折射率nd2处于1.490～1.530的范围内，
构成所述包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2为570℃以下，
构成所述包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为95×10-7/℃以下。
4.根据权利要求2所述的影像传导光纤，其特征在于，
构成所述包层的玻璃的折射率nd2处于1.490～1.530的范围内，
构成所述包层的玻璃的玻璃化转变温度Tg2为570℃以下，
构成所述包层的玻璃在100～300℃下的线热膨胀系数α2为95×10-7/℃以下。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的影像传导光纤，其特征在于，
在用mol％表示的情况下，构成所述包层的玻璃具有如下的组成，该组成包含：
SiO2：46～67％、
B2O3：7～20％、
Al2O3：1～15％、
MgO：0～12％、
CaO：0～10％、
ZnO：0～11％、
Li2O：0～6％、
Na2O：2～20％、
K2O：0～9％，
MgO、CaO及ZnO的总和的百分比为3～14％，
Li2O、Na2O及K2O的总和的百分比为6～24％。
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| GR01 | Patent grant | ||
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