CN108474908A - 中央凹倒像器 - Google Patents

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Abstract

图像传导光纤束在图像输入端和图像输出端之间沿中心束轴延伸。所述束沿其长度的一部分扭转，使得输入到所述图像输入端的图像在通过所述图像输出端输出之前围绕所述中心束轴成角度地移位。每根组成光纤包括具有包层直径的包层和具有芯直径的芯，包层直径与该纤维的纤维直径相对应。芯直径与包层直径之比限定了相对于每根光纤的芯与包层直径比。在各种实施例中，纤维直径和芯与包层直径比中的至少一个随着纤维的距中心束轴的径向位移量而变化。

Description

中央凹倒像器
背景技术
通过由相邻熔合的光纤组成的束传输图像(更通常为电磁波)是已确立的技术。诸如反转器(即倒像器)、渐变器(taper)和“直通器”之类的图像导管对于光纤技术的从业者来说是众所周知的。作为非限制性示例，熔合光纤图像导管作为诸如夜视护目镜、步枪瞄准镜、x射线检测器和医学成像设备之类的装置中的部件得到广泛应用。
上面列出的每个例子的基本制造技术具有共同的处理步骤。例如，最基本的熔合光纤图像导管是一对一的线性导管，其具有输入(例如，图像接收)端和输出(例如，图像发射)端。从与输入端相邻的物体反射的光作为图像进入输入端。图像通过导管传导并离开输出端，检测器装置或人眼从输出端感测图像。在简单的一对一管道中，图像离开输出端而没有有意改变。例如，图像不会围绕导管的纵向轴线放大、缩小或成角度地移位。
参考图1A和图1B，如本领域中已知的，基本的一对一图像导管(图1A)是反转器制造中的中间产品(图1B)。为了制造反转器，将一对一导管加热到合适的温度。然后，导管的一端相对于相对端围绕导管的纵向轴线成角度地移位(即，扭转)。在反转器的情况下，一端相对于另一端扭转180度。当适当地控制和执行时，该过程产生这样的反转器，其中保持每个输入端和输出端处的面的原始构造，但是其中一端相对于另一端反转。因此，进入图像接收端的图像在通过熔合束内的组成光纤传导时旋转，并且反转离开图像发射端。
将会认识到，当加热的束被扭转以使得一端相对于相对端围绕导管的纵向轴线成角度地移位时，束内的组成纤维被纵长地拉伸。而且，更靠束外围的纤维比更靠中心定位的纤维拉伸的程度更大。结果，更靠外围的纤维的直径比更靠中心的纤维的直径更大，特别是沿着它们的长度的中心区域。因为根据传统的制造方法，束的组成纤维都具有相同的横截面尺寸，外围纤维有时被拉伸和收缩到这样的程度，即它们高效地传输光的能力受到负面影响，这导致不希望的图像效果，包括渐晕。避免外围纤维的图像劣化收缩的一种方法是在较长的束长度上将束扭转所需数量的角度。然而，这导致束可能太长、太重且难以在预期的环境或应用中使用。
因此，需要一种熔合纤维束和由其形成反转器的方法，其有助于在相对短的束长度上进行图像反转，同时避免与先前的熔合束倒像器相关联的不期望的外围图像劣化。
发明内容
成像传导光纤束的示范性实施例沿图像输入端和图像输出端之间的中心束轴纵向延伸。在相对的图像输入端和图像输出端之间延伸有多根相互相邻地熔合的组成光纤。每根组成光纤具有与图像输入端重合的第一端和与图像输出端重合的第二端。在各种实施例中，每根组成光纤被配置为能够在图像输入端和图像输出端之间传送输入图像的无穷小部分的成像光纤。此外，光纤束围绕中心束轴并沿其长度的一部分扭转，使得输入到图像输入端的图像在通过图像输出端输出之前绕中心束轴成角度地移位。
按照一般惯例，每根组成光纤包括光学透射芯，其周围有折叠和熔合光学包层，芯和包层具有相对的折射率，便于通过全内反射传播电磁波通过芯。包层由与纤维直径相对应的包层直径限定，而芯由芯直径限定。芯直径与包层直径之比限定了相对于每根光纤的芯与包层直径比。
在一些型式中，组成光纤的纤维直径随着距中心束轴的径向位移量而增加。也就是说，当从与中心束轴正交截取的束的选定横截面观察时，更靠近束的外边界的光纤具有比更靠中心束轴的光纤大的纤维直径。
在一些替代实施例的每一个中，组成光纤的芯与包层直径比随着距中心束轴的径向位移量而变化。也就是说，更靠近中心束轴的光纤表现出芯与包层直径比在设计上与于更远离中心束轴安置的光纤的芯与包层直径比不同。在至少一个型式中，当从与中心束轴正交截取的束的横截面观察时，多根组成光纤的芯与包层直径比被构造成随着距中心束轴的径向位移量而减小。在更具体的替代型式中，其中芯与包层直径比随着相对于中心束轴的径向位置而变化，在一种情况下，组成光纤的纤维直径可以被构造为随着距中心束轴的径向位移量而保持恒定，并且在另一种情况下，组成光纤的纤维直径可以被构造为随着距中心束轴的径向位移量而变化。
在以下具体实施方式和附图中更完整地描述和描绘了代表性实施例。
附图说明
图1A描绘了现有技术的线性熔合图像导管，其也被称为“直通器”；
图1B示出了现有技术的熔合光纤图像反转导管；
图2示意性地示出了包括图像反转光纤束的光纤束的横截面，其体现了本发明的各方面，其中光纤直径随着距中心束轴的径向位移量而变化。
图2A是根据本发明制造的图像反转光纤束的侧透视图。
图3是图像反转光纤束的示意性横截面，其中纤维直径是恒定的，但芯直径随着距中心束轴的径向位移量而变化；以及
图4是可替代的图像反转光纤束的示意性横截面图示，其中纤维直径是恒定的，但芯直径随着距中心束轴的径向位移量而变化。
具体实施方式
以下对各种实施的中央凹倒像器及其制造方法的描述本质上是说明性的，并不意图限制本发明或其用途的应用。因此，在发明内容和具体实施方式中描述的各种实现方式、方面、型式和实施例具有落入所附权利要求的范围内的非限制性示例的性质，并且不用于限定权利要求的最大范围。
与标准熔合光纤束的制造相关的许多步骤，包括熔合束倒像器的特殊情况，适用于在本发明的范围和构思内制造光纤束和倒像器。这些步骤在背景技术中结合图1A和图1B进行了概述。因此，主要参考图2是为了描述包括标准熔合束倒像器的标准熔合光纤束与在所附权利要求中限定的本发明的范围和构思内的中央凹光纤束和倒像器之间的基本差异。至于图1A和图1B的标准光纤束包括与本发明范围内的实施例共同的元件的程度，可以参考它们以支持其公开。
在图2中示意性地示出了刚性图像传导光纤束10的横截面，该刚性图像传导光纤束10包括多根组成光纤20并在图像输入端16和图像输出端18之间沿中心束轴ACB纵长地延伸。每根光纤20包括芯22和包层24，它们在分别与光纤束10的图像输入端26和图像输出端28重合的光纤第一端26和光纤第二端28之间延伸。
在各个方面中，芯22和包层24包括具有不同折射率的光学透射材料，从而促进内反射，如本领域中已知的。在可替代的型式中，芯22和包层24中的至少一个包括玻璃。然而，在本发明的范围和构思内的实施例中，芯22和包层24中的至少一个包括聚合材料(例如，塑料)。在其中芯22和包层24中的至少一个由聚合物制成的可替代变型中，每根光纤20的包层24和芯22可以通过例如热熔合(如同玻璃纤维所常见的)或通过诸如光学环氧树脂的可替代方式相互接合或“熔合”。可以使用类似的可替代方法将光纤束10内的多根光纤20彼此接合。在另外的型式中，每根包括玻璃和聚合物中的至少一种的光纤20可以通过基质30保持在整个光纤束10内的它们各自的位置，该基质30与形成包层24的材料无关。举例来说，基质30可包括聚合物、玻璃和/或光学环氧树脂。
因为正在考虑示意性横截面，所以将容易理解光纤束10可以是直通器或倒像器，因为这些类型的熔合束的平面横截面会是难以区分的。而且，虽然图2中的光纤束10的组成光纤20是六边形填充的，但是应该理解，整个发明构思包括许多可替代的纤维填充布置，例如，作为非限制性示例，圆形/圆柱形、正方形、矩形等，并且填充布置没有达到新颖性的精确点。类似的观察适用于组成光纤20自身的横截面几何形状。实际上，除了圆形/圆柱形、正方形、矩形、六边形等之外，至少一个实施例设想使用五面纤维20，以部分地允许在束10内的光纤20之间包含间隙EMA(外壁吸收)纤维。因此，重要的是，因为光纤20和束10可以具有各种横截面几何形状，所以术语“直径”的使用并不意味着圆形横截面几何形状。更具体地说，尽管“直径”通常狭窄地被认为是可以在限定圆形的曲线内拟合的最长弦，但是该术语的更多技术数学定义适用于本说明书和所附权利要求。例如，正方形、矩形、六边形和甚至不规则形状内的弦也是直径。因此，前面的说明、详细描述、所附权利要求或附图中的任何内容都不应被解释为将术语“直径”归于比通常使用更窄的含义，并且技术数学用法将归于它们。而且，除非另有说明，“半径”在所有情况下都是给定直径的长度的一半。
本发明构思的代表是包含：光纤束10包含围绕中心束轴ACB同心地布置的多个纤维区Z1至Zx，其中Z1是位于最接近和/或包括中心束轴ACB的纤维区，并且，Zx是“最外侧”纤维区(即，离中心束轴ACB径向最远的纤维区)。而且，纤维区Z1至Zx由光纤20填充，光纤20的纤维直径DF取决于区域。更具体地，第一纤维区Z1内的组成光纤20的平均总纤维直径DF小于径向上更远离ACB的每个纤维区内的组成光纤20的平均总纤维直径DF。更通常，每个纤维区内的光纤20的平均总纤维直径DF大于(长于)更接近中心束轴ACB的每个纤维区内的光纤20的平均总纤维直径DF，并且小于(短于)径向上更远离中心束轴ACB的每个纤维区内的光纤20的平均总纤维直径DF。
作为具体的非限制性示例，图2的示范性光纤束10包括四个“纤维区”，被提及为Z1，Z2，Z3和Z4(在这种情况下x＝4)。纤维区Z1(最里面的“中心区”)包括具有最小纤维直径DF(例如2.0至3.0微米)的光纤20。纤维区Z2是围绕纤维区Z1同心设置的第一区，并且包括具有比纤维区Z1的光纤20渐增大的纤维直径DF(例如，3.0至6.0微米)的光纤20。围绕纤维区Z2同心设置的是纤维区Z3，其由更大的纤维直径DF(例如，6.0至10.0微米)的光纤20构成。最外区，纤维区Z4，其围绕纤维区Z3同心设置，包括在束10中具有最大总纤维直径DF(例如10.0至12.0微米)的光纤20。
仍然参考图2的横截面图，最特别是组成光纤20的放大图，每根光纤20，无论与其相关联的纤维区Z1到Zx，都具有芯直径为Dcore的芯22和包层直径为Dclad的包层。因为，至少在一些实施例中，包层24的“外径”是相关的并且被指定为包层直径Dclad，所以包层直径Dclad在各个方面可以被视为与纤维直径DF同义。在任何情况下，虽然纤维直径DF本身随纤维区Z和束半径RB而增加，但是各种实施例被构造成使得芯与包层直径比RCC(定义为Dcore/Dclad)在纤维区Z1到Zx上保持恒定。
将芯与包层直径比RCC概念化的另一种方式是其中的芯22和包层24中的每个表示的组成光纤20的横截面积。例如，考虑具有相同包层直径Dclad的第一光纤和第二光纤20。如果第一光纤20的芯直径Dcore小于第二光纤20的芯直径Dcore，则第一光纤20具有比第二光纤20更小的芯与包层直径比RCC。换句话说，对于给定包层直径Dclad的光纤20，芯直径Dcore的增加对应于表示光纤20的总横截面积的增加百分比的芯22以及表示光纤20的横截面积的相应地减小的百分比的包层24。
相对于其中输出图像相对于输入图像成角度地移位的光纤束10的形成，将会认识到，形成诸如图2和图2A中的光纤束10的光纤20的布置有利于更大的“扭转率”，因为在更远离中心束轴ACB的纤维区中的较大直径的光纤20虽然在扭转期间伸长最多，但不会缩小到其光传输能力受到负面影响的如此小的纤维直径DF。因为使用本解决方案“扭转率”可以大得多，所以使得总长度短得多的图像反转光纤束10成为可能。而且，反转图像的分辨率可以在束直径DB上保持恒定，而不会随着距中心束轴ACB的径向位移量而明显降低。
根据可替代的构造，纤维直径DF在纤维区Z1至Zx之间和其上保持恒定，而芯与包层直径比RCC随纤维区Z而变化。在一个型式中，最内侧的第一纤维区Z1包括具有相对高的芯与包层直径比RCC的光纤20，最外侧的第三纤维区Z3包括具有相对低的芯与包层直径比RCC的光纤20，以及在最内侧纤维区Z1和最外侧纤维区Z3之间的一个中间第二纤维区Z2，其包括具有在第一纤维区Z1和第三纤维区Z3的芯与包层直径比RCC之间的芯与包层直径比RCC的光纤20。在一些这样的型式中，每个纤维区Z内的光纤20根据均匀的规格构造，以在整个区Z中具有相同的芯与包层直径比RCC。然而，在其他变型中，在具有不同的芯芯与包层直径比RCC的光纤20的至少一个纤维区Z内存在混合。下面结合参考图3和图4中所示的示意性表示的束横截面将进一步详细讨论具有跨纤维区Z的可变的芯芯与包层直径比RCC的束10的两种可替代构造的例子。
现在参考图3，示出了刚性图像传导光纤束10的横截面，该光纤束10包括通常位于第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3中的多个组成光纤20。在每个纤维区Z1，Z2和Z3内，芯与包层直径比RCC是恒定的，但它们在纤维区Z之间是不同的。更具体地，在第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3内，芯与包层直径比RCC分别为RCC1，RCC2和RCC3。在这种特定情况下，纤维直径DF在整个束10上是恒定的。也就是说，包层直径Dclad在第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3之间是恒定的，以使芯与包层直径比RCC1，RCC2和RCC3的变化可归因于第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3上的芯直径Dcore之间的变化。更具体地，如图3中大致所示，虽然没有精确地与任何特定尺度相关联，但是第一纤维区Z1中的光纤20的芯22构造有最大芯直径Dcore，第二纤维区Z2中光纤20的芯22具有次最大芯直径Dcore，并且第三纤维区Z3中的光纤20的芯22具有最小芯直径Dcore。假定在所有纤维区Z上恒定的包层直径Dclad，则遵循RCC1>RCC2>RCC3并在图3中指示。
参考图4，简要描述了具有各种芯与包层直径比RCC的实施例的另一种变型。尽管在本发明的整个范围和构思内可以有许多排列，但是通过对图4的讨论可以更简单地表示更广泛的整体概念。类似于图3的示范性示例，图4的例子通常包括第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3。而且，与图3的例子一样，为了使例子易于管理和简单，包层直径Dclad在第一纤维区Z1、第二纤维区Z2和第三纤维区Z3之间是恒定的，以使光纤20之间的芯与包层直径比RCC的任何变化可归因于芯直径Dcore之间的变化。
图4和图3的例子之间的关键差异在于，在图4的例子中，通过设计，在至少一个中间区(例如，在这种情况下为纤维区Z2)内存在芯与包层直径比RCC的变化。虽然在每个纤维区Z内的芯与包层直径比RCC可能存在一些变化，或者在一些径向相关的梯度上存在一些变化，但为简单起见，仅考虑纤维区Z2内的变化。虽然第一纤维区Z1仅包括具有第一芯与包层直径比RCC1的光纤20，并且第三纤维区Z3仅包括具有在数量级上小于第一芯与包层直径比RCC1的第三芯与包层直径比RCC3的光纤20，第二纤维区Z2包括芯与包层直径比RCC的混合物。在这种特定情况下，如标记为“Z2中的可变RCC”的括号正上方的三个示范纤维横截面所示，在纤维区Z2内存在光纤20，其特征在于第一芯与包层直径比RCC1、第二芯与包层直径比RCC2和第三芯与包层直径比RCC3。尽管在该构造中第二芯与包层直径比RCC2是第二纤维区Z2所独有的，但如前所述，第一纤维区Z1完全由第一芯与包层直径比RCC1的光纤20填充，而第三纤维区Z3完全由第三芯与包层直径比RCC3的光纤20填充。
任何特定实施例的第二纤维区Z2是否包括第二纤维区Z2所独有的第二芯与包层直径比RCC2的纤维20，在第二纤维区Z2内包含表现出第一芯与包层直径比RCC1和第三芯与包层直径比RCC3二者的光纤20的混合物，导致第一纤维区Z1和第三纤维区Z3的纤维20之间更平滑的、不太明显的过渡。具有不同的芯与包层直径比RCC的光纤20可以随机地分布在第二纤维区Z2中或者有序排列。在至少一种构造中，第一芯与包层直径比RCC1的光纤20在第二纤维区Z2内的包含在第一纤维区Z1附近更密集，而第三芯与包层直径比RCC3的光纤20在第二纤维区Z2内的包含在第三纤维区Z3附近更密集，从而在束10内限定了一种不同的芯与包层直径比RCC的径向相关包含梯度。另外，为了避免纤维区Z之间的可见“台阶”，根据径向梯度在束10的横截面上以不同密集度包括不同芯与包层直径比RCC的光纤20减轻了与加热、拉伸和扭转步骤相关的结构应力，以及对不同纤维类型的热膨胀的不同影响。
因为可以设想到甚至在每个纤维区Z内的芯与包层直径比RCC的变化，所以有用的是将任何特定纤维区Z内的芯与包层直径比RCC概念化为代表适用于该区的平均芯与包层直径比RCC，并且所有纤维区Z之间的平均值随着距中心束轴ACB的径向位移量而减小。根据该概念化，图4表示“平均RCC1>平均RCC2>平均RCC3”。以类似于微积分中的积分的方式，随着环形纤维区Z的数量变得非常大，并且每个纤维区Z的环形厚度变得非常小，各个纤维区Z的指定就变得更随意，并且径向相关梯度纤维包含变得越来越“平滑”。
除了前述之外，应该理解的是，在任何给定的构造中，总纤维直径DF和芯与包层直径比RCC的变化不是相互排斥的。更具体地，尽管到目前为止的描述已经考虑了这样的可替代构造，其中，一方面，纤维直径DF随着距中心束轴ACB的径向位移量而变化而芯与包层直径比RCC在束10上是恒定的，另一方面，纤维直径DF在束10上是恒定的而芯与包层直径比RCC随着距中心束轴ACB的径向位移量而变化，但是其中纤维直径DF和芯与包层直径比RCC随着距中心束轴ACB的径向位移量而变化的束构造也明显地在本发明的范围和构思内。
前述内容被认为是对本发明原理的说明。此外，由于在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员将想到对各个方面和实现方式的修改和改变，因此，应当理解，前述内容并不将如所附权利要求中表达的本发明限制于所示和所述的确切结构、实现方式和型式。

Claims (12)

1.一种刚性的图像传导的光纤束，其具有图像输入端和图像输出端，所述束包括：
多根相邻熔合的组成光纤，每根光纤具有与所述图像输入端重合的第一端和与所述图像输出端重合的第二端，其中
(i)所述束沿中心束轴纵向延伸；
(ii)所述束包括多个至少两个纤维区，所述纤维区包括至少第一纤维区和第二纤维区，所述第一纤维区和所述第二纤维区围绕所述中心束轴同心地布置，并且被限定为使得(a)所述第一纤维区比所述第二纤维区更靠近所述中心束轴，且(b)所述第一纤维区内的组成光纤的平均总纤维直径小于所述第二纤维区内的组成光纤的平均总纤维直径；以及
(iii)所述束沿其长度的一部分扭转，使得输入到所述图像输入端的图像在通过所述图像输出端输出之前围绕所述中心束轴成角度地移位。
2.根据权利要求1所述的光纤束，其中，所述束在其长度上围绕所述中心束轴扭转180度，使得通过所述图像输出端输出的图像相对于输入到所述图像输入端的相应图像反转，从而限定倒像器。
3.根据权利要求2所述的倒像器，其中，(i)每根组成光纤包括具有芯直径的芯和具有包层直径的包层，所述芯直径与所述包层直径之比限定相对于该纤维的芯与包层直径比，并且(ii)多根组成光纤的芯与包层直径比被构造为不随纤维区而变化。
4.根据权利要求1所述的光纤束，其中，(i)每根组成光纤包括具有芯直径的芯和具有包层直径的包层，所述芯直径与所述包层直径之比限定相对于该纤维的芯与包层直径比，并且(ii)所述多根组成光纤的芯与包层直径比被构造为不随纤维区而变化。
5.根据权利要求4所述的光纤束，其中，所述芯和所述包层中的至少一个包括聚合物材料。
6.根据权利要求1所述的光纤束，其中，所述芯和所述包层中的至少一个包括聚合物材料。
7.一种刚性的图像传导的光纤束，其在图像输入端和图像输出端之间沿中心束轴纵向延伸，并沿其长度的一部分扭转，使得输入到所述图像输入端的图像在通过所述图像输出端输出之前围绕所述中心束轴成角度地移位，所述束包括：
多根相邻熔合的组成光纤，每根光纤具有与所述图像输入端重合的第一端和与所述图像输出端重合的第二端，其中，从所述光纤束的选定横截面观察，如下中的至少一项：
(i)所述组成光纤的纤维直径随着距所述中心束轴的径向位移量而增加；以及
(ii)每根组成光纤包括具有包层直径的包层和具有芯直径的芯，所述包层直径与该纤维的纤维直径相对应，所述芯直径与所述包层直径之比限定相对于该纤维的芯与包层直径比，并且多根组成光纤的芯与包层直径比随着距所述中心束轴的径向位移量而变化。
8.根据权利要求7所述的光纤束，其中，从所述横截面观察，所述多根组成光纤的芯与包层直径比被构造为随着距所述中心束轴的径向位移量而减小。
9.根据权利要求8所述的光纤束，其中，从所述横截面观察，所述组成光纤的纤维直径被构造为随着距所述中心束轴的径向位移量而保持恒定。
10.根据权利要求7所述的光纤束，其中，从所述横截面观察，所述组成光纤的纤维直径被构造为随着距所述中心束轴的径向位移量而保持恒定。
11.根据权利要求10所述的光纤束，其中，所述芯和所述包层中的至少一个包括聚合物材料。
12.根据权利要求7所述的光纤束，其中，所述芯和所述包层中的至少一个包括聚合物材料。
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