CN110418770B - 制造具有不同芯尺寸的成像纤维装置和光纤装置的方法 - Google Patents

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Abstract

形成成像纤维装置的方法包括将棒排列为形成各自包括相应多个棒的多个叠层，其中：对于每个叠层，所述相应多个棒包括具有不同芯尺寸的棒，所述具有不同芯尺寸的棒以选定排列方式排列，并且所述具有不同芯尺寸的棒排列为使得每个叠层具有相应选定形状；其中所述一种或多种选定形状使得所述叠层以所需排列方式层叠在一起；所述方法还包括：拉伸所述多个叠层中的每一个；将多个被拉伸的叠层以所需排列方式层叠在一起以形成进一步叠层；拉伸所述进一步叠层；和使用被拉伸的进一步叠层形成成像纤维装置，其中在每个叠层中的所述棒的选定排列方式和所述叠层的一种或多种选定形状使得所述进一步叠层包括不同芯尺寸的棒的重复图案。

Description

制造具有不同芯尺寸的成像纤维装置和光纤装置的方法
领域
本发明涉及光纤装置，例如空间相干成像纤维，以及制造光纤装置的方法。
背景
相干成像纤维(可以称为纤维束)可以包括数千个光导芯，其中的每一个沿着纤维长度传输图像的一部分。每个芯可以充当像素以构建图像。
为了构建高分辨率图像，可以将纤维的芯紧密放置在一起。对于可以将芯彼此放置多紧密可能存在限制。当芯在一起过于紧密时，在一个芯中的光可能会从该芯中耦合出来并且到另一个芯中。这种芯之间的光的耦合可能会使传输的图像变差。
减少芯与芯的耦合的一种方法可以是增加芯的数值孔径。然而，玻璃制造限制可以决定包括增加数值孔径的方法可以多成本有效。增加芯的数值孔径可能会导致背景荧光。
纤维可以使用锗掺杂二氧化硅形成。然而，包含锗掺杂二氧化硅的纤维的制备可能会是困难的和/或涉及高应力。
减少芯与芯的耦合的另一种方法可以是使相邻的芯不相似。例如，相邻的芯可以由不同材料制成。相邻的芯可以具有不同尺寸。
可以通过将不同的芯一起随机填充在套管中并且将芯和套管拉伸成纤维来形成成像纤维。然而，由于芯分布的随机性质，随机填充可能会导致一些最邻近的芯是相同的。在最邻近的芯之间可能会发生芯与芯的耦合。
可从Schott AG获得的纤维层叠为由与包层玻璃相比具有高折射率对比度的特种玻璃制成的均匀芯的阵列。Schott AG还提供了具有吸收间隙元件或淋滤纤维束的纤维，其中间隙玻璃被蚀刻掉，留下在纤维每一末端连接并且沿着纤维长度被空气分开的分离芯的束。
Fujikura,Ltd制造了基于掺杂二氧化硅玻璃的成像纤维，其中通过使用具有随机尺寸差异和随机空间分布的高NA(～0.4)阶梯状芯抑制了串扰(cross talk)。可能难以获得经济地制造这种纤维的原料。这可能会导致高制造成本。
内窥镜成像纤维的广泛使用目前在生物学和医学中是常见的。这些纤维可以实现显微镜检查、组织的快速成像和手术指导，潜在地降低对用于诊断的侵入性组织移除的需求。在20世纪50年代末最初开发的当前临床现有技术水平内窥镜成像纤维花费数千美元，需要在使用之间灭菌，并且具有有限的使用寿命周期。例如，在一些当前系统中，使用次数的上限可以是20次使用，之后可能需要以相当大的成本替换成像纤维。
概述
在本发明的第一方面中，提供了一种形成光纤装置的方法，所述方法包括将棒排列为形成各自包括相应的多个棒的多个叠层。对于每个叠层，相应的多个棒可以包括具有不同芯尺寸的棒，具有不同芯尺寸的棒以选定排列方式排列，并且具有不同芯尺寸的棒排列为使得每个叠层具有相应的选定形状。一种或多种选定形状可以使得叠层以所需排列方式层叠在一起。所述方法还可以包括：拉伸多个叠层中的每一个；将多个被拉伸的叠层以所需排列方式层叠在一起以形成进一步叠层；和拉伸进一步叠层。所述方法可以包括使用被拉伸的进一步叠层形成光纤装置。光纤装置可以包括成像纤维装置。
在每个叠层中的棒的选定排列方式和叠层的一种或多种选定形状可以使得进一步叠层包括不同芯尺寸的棒的重复图案。重复图案可以横跨全部叠层或至少多个叠层延伸。对于全部叠层或至少多个叠层，可以得到基本上相同的重复图案。因此，光纤装置可以包括不同芯尺寸的棒的重复图案，例如横跨基本上全部其纤维横截面区域。
当与其中棒具有相同尺寸的叠层相比时，在每个叠层中包括具有不同芯尺寸的棒可以减少在叠层中的棒之间的串扰。
使用具有不相似的芯尺寸的芯代替其他串扰减少方法可以使得能够使用较低成本材料。在一些情况中，具有不相似的芯的较低成本材料的性能可以与具有均匀芯尺寸的较高成本材料的性能相似。
棒可以包含可以用于形成光纤的任何材料，例如可以进行拉伸过程以制造具有所需性质的光纤的任何适合的纤维。叠层可以包括棒的任何适合的排列方式，例如其中棒彼此紧邻排列并且沿其长度基本上平行的任何适合的排列方式。在一些排列方式中，可以在棒之间设置额外的材料。
各多个棒可以包括具有至少三种不同芯尺寸的棒。
一种或多种选定形状可以使得叠层在拉伸时以所需排列方式层叠在一起。所需排列方式可以包括铺瓦式排列(tiling)。所需排列方式可以包括空间填充的排列方式。一种或多种形状可以包括可以在平面上铺设或镶嵌的形状的任何组合。
每个棒可以包括芯和覆层。
对于每个叠层，相应的多个棒可以包括具有不同外部尺寸的棒。不同的外部尺寸可以包括不同的覆层尺寸。不同的外部尺寸可以包括以下各项中的至少一种：不同的外径、不同的外部横截面、不同的覆层直径、不同的覆层横截面。
对于每个叠层，相应的多个棒中的每一个可以具有基本上相同的芯尺寸与外部尺寸的比。不同芯尺寸的棒可以各自具有基本上相同的芯尺寸与覆层尺寸的比。例如，每个棒可以具有相同的芯直径与覆层直径的比。
所述方法还可以包括通过拉伸至少一个预制件来得到棒。
得到棒可以包括拉伸选定类型的预制件。可以通过不同地拉伸相同选定类型的预制件来得到不同的芯尺寸。例如，可以通过以不同速度拉伸相同选定类型的预制件来得到不同的芯尺寸。可以通过改变拉伸速度，而无需进行其他改变例如重新加装外套，将单一预制件拉伸为不同的棒尺寸。
当与其中由不同的纤维预制件拉伸棒的方法相比时，通过由单一选定类型的纤维预制件得到不同的芯尺寸，可以降低成本和/或复杂性。
选定类型的纤维预制件可以包括由基本上相同材料制成的不同纤维预制件。单一类型的纤维预制件可以包括具有基本上相同的外径和芯直径的纤维预制件。棒可以由基本上相同类型的不同纤维预制件形成，或者由单一长度的选定预制件形成。
使用由相同预制件拉伸的不同棒尺寸可以以低成本得到具有所需成像性能的相干成像纤维。可以通过相邻棒之间的尺寸差来减少成像芯之间的串扰。
所述方法可以包括，例如在拉伸进一步叠层之前或之后，为进一步叠层加装外套。使用被拉伸的进一步叠层形成成像纤维装置可以包括为进一步叠层加装外套。所述方法可以包括将进一步叠层任选与至少一个另外的元件、例如填充玻璃一起放置在套管中，和对进一步叠层和套管的组合进行例如加热过程和/或压缩过程和/或进一步拉伸过程。
当对多个叠层进行拉伸过程时，多个棒可以是基本上未加装外套的。当对进一步叠层进行拉伸时，进一步叠层可以是基本上未加装外套的，或者可以是加装外套的。
选定排列方式可以使得对于每个棒，与所述棒最邻近的棒具有与所述棒不同的芯尺寸。
对于每个叠层，排列具有不同芯尺寸的相应的多个棒可以包括将相应的多个棒排列为使得最邻近的棒具有不同的芯尺寸。
排列可以以使得没有棒与具有相同芯尺寸的另一个棒相邻。
将棒排列为使得最邻近的棒具有不同的芯尺寸可以减少芯之间的串扰。减少串扰可以改善通过光纤装置的信号传输。例如，如果装置用于成像，可以改善成像质量。
选定排列方式可以使得对于每个棒，与所述棒次邻近的棒具有与所述棒不同的芯尺寸。
排列具有不同芯尺寸的多个棒可以包括以规则阵列排列多个棒。
所述选定形状或每个选定形状，例如叠层的横截面的形状，可以包括规则形状。所述选定形状或每个规则形状可以包括正方形、矩形、菱形、平行四边形、六边形、正多边形中的至少一种。叠层中的每一个可以具有基本上相同的选定形状。
可以将被拉伸的叠层层叠在一起以使得每个叠层处于相同的取向。进一步叠层可以包括棒的周期性排列方式。
将被拉伸的叠层层叠在一起以形成进一步叠层可以包括将被拉伸的叠层层叠以基本上填满期望的空间，以使得在被拉伸的叠层之间基本上不存在间隙。被拉伸的叠层可以排列为使得在不同叠层中的至少一些相邻的棒接触。
每个叠层可以具有相同的棒的排列方式。每个叠层可以具有基本上相同的棒的选定排列方式。
每个被拉伸的叠层可以包括至少一个单元格。进一步叠层可以包括单元格的重复排列方式。
将至少一种选定形状的被拉伸的叠层层叠可以对应于基本上填满平面的一种或多种选定形状的铺瓦式排列。铺瓦式排列可以使得形成不同尺寸的棒的重复排列方式。
使用具有至少一种选定形状的叠层可以得到容易的多次层叠。例如，可以将排列为正方形阵列的叠层拉伸以形成正方形单元格，其可以容易地与其他正方形单元格层叠。
叠层可以包括棒的n x n正方形阵列，其中n大于或等于4。
每个叠层可以包括多个行和多个列。对于每个叠层，叠层中的每行可以对于多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个棒。叠层中的每列对于多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个棒。
使用正方形阵列或矩形阵列可以使排列任何所需数量n的不同芯尺寸容易，例如通过每行或每列对于不同芯尺寸中的每一种包括一个或多个棒。例如，与六边形阵列相比，可以容易地以正方形阵列排列不同尺寸的棒。
多种不同芯尺寸可以包括N种不同芯尺寸。
每个叠层包括棒的N乘N阵列。对于每个叠层，叠层中的每行对于N种不同芯尺寸中的每一种可以包括一个棒。对于每个叠层，叠层中的每列对于N种不同芯尺寸中的每一种可以包括一个棒。
每个叠层可以包括yN列乘zN行的阵列。对于每个叠层，叠层中的每行对于N种不同芯尺寸中的每一种可以包括y个棒。对于每个叠层，叠层中的每列对于N种不同芯尺寸中的每一种可以包括z个棒。
五种不同的芯尺寸可以按递增尺寸顺序表示为A至E。叠层可以包括具有以下棒的排列方式的正方形阵列：
DACEB
CEBDA
BDACE
ACEBD
EBDAC。
多个棒可以包括具有至少五种不同芯尺寸的棒。排列多个棒可以使得次邻近的棒具有不同的芯尺寸。
排列可以使得没有棒具有芯尺寸相同的最邻近或次邻近的棒。
将棒排列为使得次邻近的棒具有不同的芯尺寸可以进一步减少串扰。
多个棒可以包括具有至少九种不同芯尺寸的棒。排列多个棒可以使得第三邻近的棒具有不同的芯尺寸。排列可以使得没有棒具有芯尺寸相同的最邻近、次邻近或第三邻近的棒。
将被拉伸的叠层层叠在一起以形成进一步叠层可以包括将被拉伸的叠层层叠在一起以形成单元格的重复排列方式。
使用其中将叠层拉伸然后进一步层叠的过程可以使得能够以多个阶段形成具有大量芯的光纤装置。叠层可以被配置用于容易的层叠。例如，正方形叠层可以容易地与其他正方形叠层层叠。在一些情况中，使用具有简单几何形状的叠层可以导致对变形的一定程度的容差，例如对由拉伸引起的形变的容差。
形成光纤装置可以包括进行至少一个另外的层叠并且拉伸被拉伸的进一步叠层。
对于每个叠层，排列相应的多个棒以形成叠层可以包括在相应的多个棒中的至少一些之间放置间隔元件。例如，间隔元件可以包括实心棒。间隔元件可以是不透光的。
每个棒可以包含二氧化硅、Ge掺杂二氧化硅、氟掺杂二氧化硅、硼掺杂二氧化硅、铝掺杂二氧化硅、硅酸盐玻璃中的至少一种。
不同尺寸的多个棒的外径可以为0.5mm至10mm，任选1mm至5mm。不同尺寸的多个棒的外径可以大于0.1mm，任选大于0.5mm，进一步任选大于1mm。不同尺寸的多个棒的外径可以小于20mm，任选小于10mm，进一步任选小于5mm。
叠层的宽度可以为1mm至1000mm，任选5mm至500mm，进一步任选10mm至100mm。叠层的宽度可以大于1mm，任选大于5mm，进一步任选大于10mm。叠层的宽度可以小于1000mm，任选小于500mm，进一步任选小于100mm。
每个棒的数值孔径可以小于0.35，任选小于0.32，进一步任选小于0.3。
光纤装置可以包括成像纤维装置。光纤装置可以包括相干成像纤维。
在可以独立提供的本发明的第二方面中，提供了一种光纤装置，所述光纤装置包括通过覆层分开的具有不同芯尺寸的芯，其中具有不同芯尺寸的芯排列为形成不同芯尺寸的选定重复图案。
重复排列方式可以包括单元格的重复排列方式。每个单元格可以具有相同的不同芯尺寸的排列方式。
每个单元格可以包括芯的n x n正方形阵列。n可以大于或等于4。
每个单元格可以包括多行芯和多列芯。每行对于多种不同芯尺寸中的每一种可以包括至少一个芯。每列对于多种不同芯尺寸中的每一种可以包括至少一个芯。
芯可以排列为使得对于每个芯，与所述芯最邻近的芯具有与所述芯不同的芯尺寸。
芯可以排列为使得对于每个芯，与所述芯次邻近的芯具有与所述芯不同的芯尺寸。
光纤装置可以包括多个行和多个列。每行对于不同芯尺寸中的每一种可以包括至少一个芯。每列对于不同尺寸中的每一种可以包括至少一个芯。
多个芯可以包括具有至少五种不同尺寸的芯。芯可以排列为使得对于每个芯，与所述芯次邻近的芯具有与所述芯不同的芯尺寸。
芯中的每一个可以具有1μm至100μm的芯直径。芯中的每一个可以被配置成在传输方向上引导光。可以在与传输方向基本上垂直的平面上确定每个芯的直径。芯直径可以包括，例如最大直径、最小直径或平均直径。
芯的中心到中心的间隔可以小于100μm，任选小于10μm，进一步任选小于5μm。
光纤装置可以被配置用于成像。
光纤装置可以被配置成传输可见光、红外光、紫外光中的至少一种。
光耦合器可以与光纤装置耦连并且与光源和/或光检测器耦连。
可以提供一种纤维组合件，其包括：如本文所要求保护或所描述的或者使用如本文所要求保护或所描述的方法形成的光纤装置；至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管；和容纳光纤和至少一个光纤和/或至少一个毛细管的包装。包装可以包括，例如玻璃管或聚合物管。光纤装置可以包括成像纤维装置。
纤维组合件可以包括元件的任何组合，例如成像纤维、感测纤维和/或支撑元件的任何组合。纤维组合件可以由叠层形成，所述叠层可以包括不同类型元件的叠层。例如，成像叠层可以散置有传感器叠层。纤维组合件可以由具有不同形状和/或尺寸的叠层形成。例如，大的成像叠层可以散置有小的传感器叠层。
纤维组合件还可以包括光耦合器，所述光耦合器被配置成将光纤装置与光源和/或光检测器耦合。
纤维组合件还可以包括另外的耦合器，所述另外的耦合器被配置成将所述另外的光纤或每个另外的光纤耦合至至少一个感测装置。
纤维组合件还可以包括连接器，所述连接器被配置成将所述毛细管或每个毛细管耦连至流体插入设备，例如注射器。
纤维组合件的远端可以被配置用于插入至人或动物受试者中。
还可以提供基本上如在本文中参照附图描述的装置或方法。
在本发明的一个方面中的任何特征均可以以任何适当组合应用于本发明的其他方面。例如，装置特征可以应用于方法特征，反之亦然。
附图简述
现在通过非限制性实例的方式描述本发明的实施方案，并且其在以下附图中示出，其中：
图1是用于拉伸纤维预制件以形成光纤的装置的示意图；
图2是概括示出一个实施方案的方法的流程图；
图3是被拉伸为五种不同尺寸并且层叠为正方形叠层的一个预制件的示意图；
图4是图3的叠层在拉伸并且再次层叠时的示意图；
图5是图4的叠层在拉伸并且再次层叠并且放入套管中时的示意图；
图6a、6b和6c是根据实施方案的相干成像纤维的芯的扫描电子显微镜(SEM)图像；
图7是331个棒的六边形叠层的示意图；
图8是六边形层叠的第二阶段的示意图，其中每个六边形表示如在图7中所示的331个棒的相应初始叠层；
图9是六边形阵列成像纤维的SEM图像；
图10是被拉伸的正方形叠层的6x 6阵列的示意图，其中正方形叠层是如在图3中所示的；
图11是由图10的阵列形成的纤维在重新层叠、加装外套并且拉伸为纤维时的SEM图像；
图12是在520nm至600nm通过六边形阵列纤维得到的USAF 1951试验目标荧光图像；
图13是在650nm至750nm通过六边形阵列纤维得到的USAF 1951试验目标荧光图像；
图14是在520nm至600nm通过正方形阵列纤维得到的USAF 1951试验目标荧光图像；
图15是在650nm至750nm通过正方形阵列纤维得到的USAF 1951试验目标荧光图像；和
图16是正方形阵列纤维、六边形阵列纤维和由Fujikura,Ltd制造的商业成像纤维随波长变化的条纹可见度(fringe visibility)测量值的图。
图1是包括加热元件20和纤维牵拉机构22的纤维拉伸装置10的示意图。为了清楚，已经省略了纤维拉伸装置的其他组件。图1并非按比例示出。
在本实施方案中，纤维拉伸装置10是通信设备的一个物件并且被配置成将被拉伸的纤维的直径控制在微米范围内。在其他实施方案中，可以使用任何适合的纤维拉伸装置。
纤维拉伸装置10被配置成拉伸包括芯区域32和覆层区域34的纤维预制件30。
为了拉伸纤维预制件30，在由箭头40指示的方向(在图1中为向下)上通过牵拉机构牵拉纤维预制件。
通过加热元件20加热纤维预制件30，以使得其变软并且可以被拉伸。通过牵拉机构22牵拉纤维预制件30，以使得其长度增加并且横截面减小。纤维牵拉装置10的输出物是具有与原始纤维预制件30基本上相同的芯尺寸与覆层尺寸的比、但是小得多的横截面的棒36。
芯尺寸与覆层尺寸的比(例如，芯直径与覆层直径的比)可以被称为芯与覆层的比。覆层尺寸也可以被称为外部尺寸。
图2是概括示出根据实施方案的形成光纤装置的方法的流程图。光纤装置是多芯光纤装置。在这个实施方案中，光纤装置是包括2025个成像芯的相干成像纤维。在其他实施方案中，光纤装置可以是包括任何数量的芯(例如包括数百、数千或数万个芯)的任何适合的光纤装置。
在图2的阶段50，使用纤维拉伸装置10拉伸单一类型的纤维预制件30以形成五种不同尺寸36A、36B、36C、36D、36E的棒。由单一类型的纤维预制件拉伸得到具有低折射率覆层的个体芯棒。单一类型的纤维预制件包括各自具有相同的材料组成、芯直径和覆层直径的一个或多个纤维预制件小块。
在本实施方案中，纤维预制件30是由二氧化硅形成的多模通信级预制件。纤维预制件30被设计用于大规模生产。纤维预制件30以抛物线渐变折射率分布渐变折射率。
纤维预制件30具有30mm的外径和1米的长度。纤维预制件30包括具有1.46的折射率的覆层区域34和具有1.49的峰折射率的芯区域32。芯区域32的直径是23mm。纤维预制件30的芯与覆层的比是0.72。在其他实施方案中，可以使用任何适合的纤维预制件。
纤维预制件30可以被认为是具有标准尺寸的现成的组件。
使用纤维拉伸装置10将纤维预制件30拉伸为五种不同尺寸。例如，纤维拉伸装置10可以通过以下方式将一定长度的纤维预制件30拉伸为第一尺寸以形成第一多个棒36A：以第一速度运行纤维拉伸装置10并且切下1米长度的棒以形成第一多个棒36A。在其他实施方案中，可以使用任何长度的棒。
纤维拉伸装置10之后可以通过以下方式将另外长度的纤维预制件30拉伸为第二尺寸以形成第二多个棒36B：以第二速度运行纤维拉伸装置10并且切下1米长度的棒以形成第二多个棒36B。装置10可以通过以第三、第四和第五速度运行纤维拉伸装置10将另外长度的纤维预制件30拉伸为第三、第四和第五尺寸以分别形成第三、第四和第五多个棒36C、36D、36E。在其他实施方案中，可以使用任何长度的棒，并且可以使用任何数量的纤维预制件小块形成棒。
可以通过以不同速度运行纤维拉伸装置10，而无需对预制件进行任何其他改变，例如无需额外的加装外套阶段，由相同的预制件制造不同尺寸的棒36A、36B、36C、36D、36E。
在其他实施方案中，可以使用任何适合的拉伸过程和拉伸装置。例如，纤维拉伸过程可以是如在An Introduction to Fiber Optic Imaging(纤维光学成像导言),SchottNorth America,第二版,Schott,2007的第8页所描述的。
在以下描述中，提及具有不同芯尺寸和/或外部尺寸的棒是指在与棒的长度垂直的方向上具有不同芯尺寸和/或外部尺寸的棒，例如具有不同芯直径和/或外径和/或不同芯横截面积和/或外部横截面积的棒。
各多个棒36A、36B、36C、36D、36E具有不同的外径。各多个棒36A、36B、36C、36D、36E具有不同的芯直径。因为棒36A、36B、36C、36D、36E由相同的纤维预制件30制成，每个棒36A、36B、36C、36D、36E具有基本上相同的芯与覆层的比。
在本实施方案中，多个棒的外径范围在2.23mm至3.17mm的范围内。外径和芯直径与中心值差约8％。当与中心值相比时，从最小到最大，尺寸为-16％、-8％、0％、+8％和+16％。在其他实施方案中，可以使用不同的外径。可以使用任何适当范围的尺寸。
在本实施方案中，第一多个棒36A各自具有2.23mm的外径。第二多个棒36B各自具有2.52mm的外径。第三多个棒36C各自具有2.74mm的外径。第四多个棒36D各自具有2.95mm的外径。第五多个棒36E各自具有3.17mm的外径。
在本实施方案中，由纤维预制件30拉伸得到五种不同尺寸的棒36A、36B、36C、36D、36E。在其他实施方案中，可以拉伸不同尺寸数量的棒。例如，可以拉伸n种不同尺寸的棒，其中n至少为3。在本实施方案中，全部五种不同尺寸的棒均由相同类型的纤维预制件拉伸得到。在其他实施方案中，不同尺寸的棒可以由不同纤维预制件拉伸得到。可以使用被配置用于光传输的任何适当的棒，例如被配置成传输红外光、可见光和/或紫外光的任何棒。
在图2的阶段52，将棒36A、36B、36C、36D、36E每种尺寸五个(即总计25个棒)以5x 5正方形阵列层叠以形成可以被称为一级叠层70的棒的叠层。注意，术语排列和层叠可以可互换地使用，以描述元件的垂直排列。
图3是一级叠层70的横截面的图示。尽管在本实施方案中，棒层叠在一起而不包括任何另外的棒，但是在其他实施方案中，可以在棒36A、36B、36C、36D、36E中的至少一些之间包括间隔棒。间隔棒也可以被称为间隔元件。间隔棒可以不包括芯，并且可以不被配置成传输光。
一级叠层70的每行包括5个棒36A、36B、36C、36D、36E，其各自具有不同的芯尺寸，以使得在该行中体现全部五种芯尺寸。类似地，一级叠层70的每列包括5个棒36A、36B、36C、36D、36E，其各自具有不同的芯尺寸，以使得在该行中体现全部五种芯尺寸。棒层叠为使得每个棒具有与其最邻近的棒不同的芯尺寸。每个棒还具有与其次邻近的棒不同的芯尺寸。在本实施方案中，没有棒是具有相同芯尺寸的另一个棒的最邻近或次邻近的棒。
在本实施方案中，如果用字母A至E(A至E为按递增尺寸顺序)表示棒36A、36B、36C、36D、36E，则在一级叠层中的棒36A、36B、36C、36D、36E的排列可以表示为如下所示的字母阵列，其中字母的行和列表示棒的行和列：
D A C E B
C E B D A
B D A C E
A C E B D
E B D A C。
5x 5的阵列包括5种尺寸每种5个棒。每种不同的棒尺寸在正方形叠层的每行或每列中出现一次。没有相邻的棒尺寸是相同的。不同尺寸的棒36A、36B、36C、36D、36E排列为使得即使一级叠层70的个体元件尺寸不同，一级叠层70整体上也基本上是正方形的。一级叠层可以被认为具有选定的形状，在这个实施方案中是正方形。在其他实施方案中，选定的形状可以是任何规则的形状，例如矩形、平行四边形、菱形或六边形。选定的形状可以包括，例如任何正多面体。选定的形状可以使得具有选定形状的一级叠层可以与具有选定形状的其他一级叠层和/或具有一种或多种另外选定形状的其他一级叠层层叠。
从图3中可以看到，由于棒之间的尺寸差异，一级叠层70的每个单独的行和/或列可以不是完全直线的，但是可以在一级叠层70周围画出基本上正方形的外部边界。
一旦将棒36A、36B、36C、36D、36E层叠为如在图3中所示的一级叠层70，即将棒36A、36B、36C、36D、36E的末端融合以阻止棒36A、36B、36C、36D、36E之间的相对运动，保持棒的一级叠层70排列为正方形。在本实施方案中，手动使用PTFE胶带将棒36A、36B、36C、36D、36E粘住并且在两端融合。在其他实施方案中，棒。在本实施方案中，可以将棒36A、36B、36C、36D、36E以任何适合的方式在正方形叠层70中保持在一起。
尽管在图3中仅示出了一个叠层70，在实践中，在阶段52形成多个叠层70。每个阵列是如在图3中所示的棒36A、36B、36C、36D、36E的5x 5的阵列。在本实施方案中，在阶段52制造的叠层70的总数量是81。
在图2的阶段54和56，如以下描述将形成均匀正方形的一级叠层70拉伸并且再次层叠。
在阶段54，使用纤维拉伸装置10，或使用另外的纤维拉伸装置(未示出)，将每个一级叠层70拉伸。在拉伸过程期间，棒36A、36B、36C、36D、36E被加热并且在其接触点彼此融合。然而，在棒36A、36B、36C、36D、36E之间仍然存在中间空气间隙。
一旦拉伸，即可以认为一级叠层70形成二级单元格72。可以认为棒36A、36B、36C、36D、36E在多次层叠过程中是尺寸不均匀的一级单元格。可以认为阶段52和54由尺寸不均匀的一级单元格36A、36B、36C、36D、36E形成了尺寸均匀的二级单元格。
二级单元格72具有比一级叠层70(所述二级单元格72由一级叠层70拉伸得到)小得多的横截面。然而，二级单元格72在拉伸之后保持基本上是正方形。棒36A、36B、36C、36D、36E保持其正方形排列方式。
在本实施方案中，在图3中所示的一级叠层70具有14mm的边长。由一级叠层70得到的二级单元格72具有2.5mm的边长。
在阶段56，9个二级单元格72以3x 3的阵列层叠，其可以被称为二级叠层74。在图4中的横截面图中示出了二级叠层74。在二级叠层74中的个体二级单元格72的范围由虚线表示。二级单元格72的层叠形成棒的重复排列方式。每个二级单元格72由棒的5x 5的阵列形成，因此二级叠层74包括重复每5列和每5行的棒的重复排列方式。
将二级单元格72粘住并且在两端融合。在其他实施方案中，二级单元格72可以以任何适合的方式保持在一起。
图4示出了由5个二级单元格72形成的一个二级叠层74。在实践中，还将另外的二级单元格72层叠在一起以形成另外的二级叠层74。形成总计9个二级叠层74。
二级单元格72的均匀的尺寸和形状(在这个实施方案中为正方形)可以使得二级单元格72容易层叠。二级叠层74可以是相同或近似相同的组件(二级单元格72)的叠层。可以认为二级单元格72铺设为使得它们填充空间。
在其他实施方案中，二级单元格可以具有可以层叠在一起的任何规则的几何形状，例如矩形、平行四边形、菱形或六边形。
在另外的实施方案中，每个二级单元格具有互锁形状(例如，可以被认为是重新组装拼图块的形状)。在阶段56，将二级单元格排列为使得它们互锁。
在一些情况中，当它们被拉伸时，可以存在一些一级或二级叠层的形变。例如，可以存在一些叠层的扭曲。在一些情况中，一些类型的变形可能会阻止这种互锁单元格顺利地与其他单元格互锁。可能是这样的情况：使用非互锁的规则形状(例如，正方形或六边形)可以导致对变形的更大的容差。
在本实施方案中，二级单元格72以3x 3的正方形阵列层叠。在其他实施方案中，可以将任何数量的二级单元格72层叠在一起。可以使用任何适合的二级单元格72的叠层。二级单元格72的叠层可以具有任何规则的几何形状。
在阶段58至62，将新的均匀正方形叠层(二级叠层74)拉伸并且再次层叠，放置在套管80中并且加入填充玻璃82以维持结构。现在详细描述阶段58至62中的每一个。
在阶段58，使用纤维拉伸装置10或另外的拉伸装置拉伸每个二级叠层74。在拉伸过程期间，将二级单元格加热并且每个二级单元格72的棒与来自其他二级单元格72的相邻棒在其接触点融合。在不同的二级单元格72的棒之间以及在每个二级单元格72内的棒之间仍然存在中间空气间隙。
一旦拉伸，即可以认为二级叠层74形成三级单元格76。三级单元格76具有均匀的形状，这可以使其容易地层叠在一起。在本实施方案中，三级单元格76具有4.5mm的边长。
在阶段60，将9个三级单元格76以如在图5中所示的3x 3的排列方式层叠在一起。在图5中，虚线表示每个三级单元格76的范围。在其他实施方案中，可以使用任何适合的叠层形状。可以将任何数量的三级单元格76层叠在一起。
在阶段62，将9个三级单元格76的叠层放置在套管80中。在套管和三级单元格82之间加入填充玻璃82以在套管80内保持三级单元格76处于它们的3x 3的排列方式。填充玻璃82包括未被配置成传输光的多个实心玻璃棒。将实心玻璃棒放置在三级单元格76的正方形叠层周围以填充正方形叠层和圆形套管80之间的空间。可以认为三级单元格76、套管80和填充玻璃82形成了最终的组合件78。
在阶段64，使用纤维拉伸装置10或另外的拉伸装置拉伸最终的组合件78。使用真空附件从芯之间的空隙中抽出空气，移除棒之间的空隙。
阶段64的拉伸过程得到光纤装置，其在这个实施方案中为相干成像纤维。相干成像纤维可以被配置成传输可见光、红外光和/或紫外光。可以认为相干成像纤维形成了以光导元件的重复排列方式排列的光导元件的阵列(在这种情况中光导元件为已经被拉伸而形成相干成像纤维的棒的芯)。如以上所描述的，具有不同尺寸的光导元件的重复排列方式可以减少光导元件之间的串扰。例如，没有光导元件可以具有相同尺寸的最邻近或次邻近的光导元件。
图6a、6b和6c各自示出了根据实施方案的相干成像纤维的芯的扫描电子显微镜图像。图6a示出了在x 1,300放大率下的芯。图6b示出了在x2,500放大率下的芯。图6c示出了在x 10,000放大率下的芯。
在本实施方案中，将芯拉伸为使得在相干成像纤维中的全部芯都是多模的。将芯拉伸为使得最小的芯36A不成为单模的。在其他实施方案中，可以将芯拉伸为使得在成像纤维中的全部芯都是单模的。
在本实施方案中，在相干成像纤维中的芯之间的间隔为大约3.5μm。为了进行比较，在多芯通信纤维中的芯之间的间隔可以为大约10μm。在芯之间的间隔可以是在与光传输的方向基本上平行的平面上的间隔。
在另外的实施方案中，在相干成像纤维中的芯中的每一个的直径可以为，例如1.5μm至10μm。可以在与光传输的方向基本上垂直的平面上测量芯的直径。在一些实施方案中，在相干成像纤维中的芯可以不是圆形的。如果芯不是圆形的，则可以测量芯的任何直径，例如最大直径或最小直径。
当考虑芯尺寸时，可以考虑的是，与较大的芯相比，可以将较小的芯更紧密地放置在一起。将芯更紧密地放置在一起可以改善成像分辨率。
在本实施方案中，相干成像纤维被配置成传输在400nm至850nm的波长范围内的光。在其他实施方案中，相干成像纤维可以被配置成传输任何适合波长、例如350nm至2000nm的波长的光。
在本实施方案中，纤维的外径为550μm。然而，在其他实施方案中，可以通过增加或减少芯来增大或减小纤维的外径。增加或减少芯可以改变纤维的视场。
在一些情况中，纤维可能在大于1mm的直径开始变得不柔性。然而，可以形成引导或操控图像的刚性棒。在一些情况中，直径小于80μm的纤维可能含有过少的芯，而不能提供良好的成像性能。
在本实施方案中，相干成像纤维长度为1米至5米。在其他实施方案中，可以使用任何适合的成像纤维长度。在多个实施方案中，例如在医学成像实施方案中，数米的长度可以是适当的。这种长度可以与用于通信应用的纤维(其长度可以为数千米)的长度相比。在一些情况中，在根据实施方案的成像纤维中的芯可以比在常规通信纤维中的芯更紧密地在一起。
在本实施方案中，将由图2的过程得到的相干成像纤维与多个感测纤维和毛细管一起包装以形成多功能纤维装置。将相干成像纤维、感测纤维和毛细管放置在可以被称为包装的另外的玻璃管或聚合物管内。另外的玻璃管或聚合物管可以比相干成像纤维、感测纤维和毛细管短。包装容纳使用环氧树脂固定在适当位置的相干成像纤维、感测纤维和毛细管。
将所得的纤维装置的可以被称为远端的一端用环氧树脂填充，然后抛光。
在纤维装置的可以被称为远端的另一端，相干成像纤维、感测纤维和毛细管延伸超过另外的玻璃管或聚合物管。将光耦合器(例如FC连接器)与相干成像纤维的远端连接并且用于将相干成像纤维与光学仪器耦合，例如与包括光源和光学检测器的设备耦合。
各感测纤维的远端可以与感测装置例如光学仪器和/或光谱仪耦合。
连接器与毛细管的远端连接。连接器使得注射器与毛细管耦合，从而将物质引入至毛细管中，例如引入荧光探针。
在其他实施方案中，可以用任何适合的另外的纤维和/或毛细管包装光纤装置。在一些实施方案中，单独制造光纤装置、另外的纤维和/或毛细管，然后将其包装在一起。在其他实施方案中，以与光纤装置相同的制造过程制造另外的纤维和/或毛细管。例如，可以以与光纤装置的棒相同的拉伸过程拉伸另外的纤维和/或毛细管。
在使用时，多功能纤维组合件的远端位于人或动物受试者身体内部，例如患者的肺的内部。可以使用任何适合的部署多功能纤维组合件的方法。例如，可以将多功能纤维组合件通过支气管镜的工作通道插入并且从工作通道部署到远端肺中。
毛细管用于将物质引入至远端肺中，例如引入荧光探针以有助于成像。成像纤维用于对远端肺进行成像。感测纤维用于感测来自远端肺的信号。成像纤维和/或感测纤维可以将光从远端肺传递至被配置成对传递的光进行光谱学分析的光谱仪。
成像纤维可以用于使用透镜投射图像。成像纤维可以用于将图像投射到相应的传感器上。
可以认为，图2的方法提供了以多次层叠过程由尺寸不均匀的一级单元格(不同尺寸的棒36A、36B、36C、36D、36E)形成尺寸均匀的二级单元格72的制造技术。该技术包括在nx n的正方形阵列中填充n个不均匀元件，以使得每行和每列含有相同的棒尺寸差异，得到用于接下来的多次层叠阶段的正方形单元格。
在本实施方案中，n＝5。将预制件拉伸以形成5种不同的棒尺寸。在5x 5的正方形阵列中填充5种不同的棒尺寸，以使得每行或每列对于每种棒尺寸都含有一个棒。
图2的方法使得能够使用单一预制件制造多芯光纤装置的全部芯。图2的方法可以使得芯的尺寸容易改变。通过增加额外的芯尺寸变化，相同尺寸的芯可以保持相当大的间隔距离。与其中使用芯与覆层直径的比不同的不同预制件的方法相比，使用单一预制件可以导致更低的成本和/或更简单的过程。
在图2的方法中，使用一个常规通信预制件在不需要套管的情况下形成光纤装置。在一些方法中，在由预制件拉伸得到棒之后，可以将棒放入不同的套管中。之后可以通过制造叠层来再次拉伸套管，这可能给制造过程增加了相当多的时间。因为图2的方法不使用这种加装外套步骤，图2的方法可以比使用这种加装外套步骤的方法更快。
通过使用图2的方法，可以得到制造时间和/或材料成本和/或生产成本的相当大的减少。通信预制件可以是廉价的并且可广泛获得的。使用通信预制件(无论是否使用单一类型的预制件)可以降低成本。与一些用于成像的预制件相比，通信预制件可以具有更低的数值孔径。与如果可能的话全部芯尺寸都相同的情况相比，使用不同的芯尺寸以减少交叉耦合可以使得能够使用更低数值孔径的材料。
使用以上参照图2描述的多次层叠方法，可以将一级叠层拉伸为较小的棒并且将这种二级单元格重新层叠以容易地增加在纤维中的芯的数量(而不是最初层叠大量的棒，例如层叠数万个棒)。
情况可能是这样：如果芯相同；如果在个体棒中的芯和覆层之间存在低对比度；和/或如果所使用的波长较长，则多芯纤维中的耦合较差。在图2的实施方案中，相同芯的分开用于减少多芯纤维的芯之间的耦合。由相同预制件形成的相同芯的分开可以提供减少芯之间的耦合的廉价并且有效的方法。
在一些情况中，使用不同的芯尺寸可以意味着，不需要使用其他方法，例如间隙元件，从而减少芯之间的串扰。
不同棒36A、36B、36C、36D、36E之间的芯尺寸的差异对成像性能可能不具有明显影响。在一些实施方案中，使用图2的方法制造的成像纤维的成像性能可以与使用具有随机芯尺寸差异的大量掺杂的Ge掺杂玻璃实现的成像性能相似。然而，使用图2的方法制造的成像纤维可以比由具有随机芯尺寸差异的大量掺杂的Ge掺杂玻璃形成的成像纤维廉价。
使用通信行业共享的大规模制造的材料可以降低成像纤维成本。在成像纤维中，可能希望将纤维的个体芯尽可能紧密地放置在一起，但是芯与芯的间隔可能受芯之间的光的交叉耦合的限制。通过减少交叉耦合，图2的方法可以使得芯紧密地放置在一起，这可以得到能够传输高分辨率图像的纤维。
图2的方法可以用于开发可以包装到稳固设备中以使得其可以在使用一次之后丢弃的低成本成像纤维。制造低成本一次性成像纤维可以消除对在使用之间灭菌的需求，并且因此可以消除可能会在灭菌期间发生的任何成像纤维劣化。可以防止患者之间的交叉污染。可以明显地改善临床工作流程。
在一些实施方案中，使用图2的方法制造的成像纤维是柔性成像纤维。在一些实施方案中，成像纤维是刚性纤维，例如刚性成像棒。
成像纤维，例如刚性成像棒，可以用于将图像投射到传感器阵列上。在成像纤维中的芯的规则阵列可以用于将图像投射到传感器阵列上。传感器阵列可以是传感器的规则阵列，例如正方形阵列。在一些情况中，当与其中随机排列不同的芯尺寸的成像纤维相比时，成像纤维的规则阵列可以优选用于投射到传感器阵列上。
在一些情况中，图2的制造方法可以确保在最初使用一个预制件的情况下几乎任意地将相同尺寸的芯分开。可以使用任何适合数量的不同芯尺寸。
在一个实施方案中，将纤维预制件拉伸以形成具有4种不同芯尺寸的棒。将棒以4x4正方形阵列层叠，其中每行或每列对于每种棒尺寸都含有一个棒。通过使用至少4种不同的棒尺寸，可以得到其中每个棒都没有具有相同尺寸的最邻近的棒的棒排列方式。
在以上参照图2至5描述的实施方案中，将预制件30拉伸以形成5种不同尺寸的棒。将棒以5x 5正方形阵列层叠，其中每行或每列对于每种棒尺寸都含有一个棒。通过使用至少5种不同的棒尺寸，可以得到其中每个棒都没有具有相同尺寸的最邻近或次邻近的棒的棒排列方式。
在一些实施方案中，将预制件拉伸以形成9种不同尺寸的棒。将棒排列为棒的正方形阵列，其中每行或每列对于每种棒尺寸都含有一个棒。通过使用至少9种不同的棒尺寸，可以得到其中每个棒都没有具有相同尺寸的最邻近、次邻近或第三邻近的棒的棒排列方式。
在另外的实施方案中，可以使用任何数量的不同的棒尺寸。在一些情况中，使用较多数量的棒尺寸可能在将其拉伸时导致叠层的更多变形。在相同芯的间隔和变形效果之间可以存在平衡，因为更多的芯尺寸可能会导致相同芯的更大间隔，但是也会导致变形增加。
可以将棒以任何适合的方式排列，例如以正方形阵列或六边形阵列排列。可以将棒排列为形成任何一种或多种选定形状。例如，可以将棒排列为形成具有正方形、矩形、菱形、平行四边形或六边形的形状的叠层。
可以层叠任何数量的棒以形成一级叠层(其被拉伸以形成二级单元格)。可以层叠任何数量的二级单元格以形成二级叠层(其可以被拉伸以形成三级单元格)。可以层叠任何数量的三级单元格以形成三级叠层(其可以被拉伸以形成成像纤维)。
任何单元格均可以通过以下方式形成：层叠不同尺寸的棒以形成任何选定形状，然后以那些选定形状的周期性格子中层叠那些规则的形状。在一些实施方案中，可以层叠两种以上不同的选定形状。例如，可以形成包括一个单元格(例如，一个二级单元格)的正方形叠层并且可以形成包括两个单元格的矩形叠层。矩形叠层可以具有两个正方形叠层的尺寸和棒排列方式。可以将正方形和矩形层叠在一起以形成进一步叠层。
在一个实施方案中，具有8000个芯的成像纤维通过以下方式形成：层叠5x 5个棒以形成一级叠层；层叠6x 6个二级单元格以形成二级叠层；和层叠3x 3个三级单元格以形成三级叠层，将所述三级叠层拉伸以形成成像纤维。
在另外的实施方案中，可以使用任何数量的多次层叠迭代。例如，可以将棒拉伸两次、三次、四次或五次。
可以使用任何适合的材料形成光纤装置。例如，可以使用任何适合的预制件。光纤装置可以包含，例如二氧化硅、Ge掺杂二氧化硅、氟掺杂二氧化硅、硼掺杂二氧化硅、铝掺杂二氧化硅或硅酸盐玻璃。在一些情况中，硅酸盐玻璃可以用于获得非常高的折射率对比度，例如Schott玻璃SF6和LLF1。
尽管以上描述了包括成像纤维的实施方案，但是在其他实施方案中，可以形成任何适合的多芯光纤装置。多芯光纤装置可以用于任何适合的用途。
在上述实施方案中，棒具有不同的外部尺寸。在其他实施方案中，可以使用具有基本上相同的外部尺寸、但是不同的芯尺寸的棒形成光纤装置。即使当棒具有相同尺寸时，使用不同的芯尺寸也可以减少交叉耦合。
在一些实施方案中，得到不同的预制件(例如，不同的商业预制件)并且将其拉伸为相似尺寸的棒。不同的预制件具有不同的芯与覆层的比。因此，一旦拉伸为相同的外部尺寸，棒即具有不同的芯尺寸。将棒层叠为规则阵列，例如正方形或六边形阵列。棒的排列方式使得每个棒都没有任何具有相同芯尺寸的最邻近的棒。
在其他实施方案中，得到单一类型的预制件。之后用一种或多种不同尺寸的另外的覆层为预制件加装外套以形成具有不同的芯与覆层的比的预制件。之后将不同的预制件拉伸为相同尺寸的棒，层叠，并且拉伸。
现在描述使用可从Draka-Prysmian获得的单一多模通信预制件(OM1PCVD棒)制造高质量成像纤维的方法。本发明的技术包括将不同尺寸的芯的阵列多次层叠以使得没有两个相邻的芯是相同尺寸的。
在我们的第一纤维中，我们为由我们的预制件拉伸得到的三种不同尺寸的棒加装外套，并且将它们以六边形阵列叠层。在我们的第二纤维中，显示了通过将预制件拉伸为各种尺寸的棒并且将这些棒以正方形阵列层叠而在宽波长范围内实现低交叉耦合的技术。在正方形阵列中的棒的分布使得当将其拉伸时，其形成均匀正方形叠层，所述正方形叠层之后可以容易地重新层叠多次从而形成具有数千个芯的成像纤维。这可以消除对为棒加装外套并且将棒重新拉伸以形成不同尺寸芯的需求，使得这种技术与我们的六边形制造方法相比经济并且快速。
第一纤维是六边形阵列成像纤维。用于我们的第一纤维的芯材料来源于为通信应用制造的商业预制件。其具有被薄的纯二氧化硅外套包围的渐变折射率锗掺杂芯。预制件的芯与覆层直径的比为0.74，并且峰折射率对比度对应于0.3的NA。
将预制件拉伸为三种不同尺寸的棒。以两种不同的内径与外径的比将两种尺寸的棒套在纯二氧化硅管中，并且其余的棒保持未加装外套。之后将加装外套的棒再次拉伸以形成全部具有1mm的外径但是具有三种不同芯直径的棒。现在可以将均匀的棒以331的六边形阵列层叠，其中没有两个相邻的棒具有相同的芯直径。图7示出了我们最初的331个棒的叠层的布局。锗掺杂区域以灰色示出，并且纯二氧化硅区域是白色的。
将叠层的顶端包裹在PTFE胶带中以将其保持在适当位置并且使其能够紧固在纤维拉伸塔的卡盘中。在叠层周围的不同点处也缠绕较少部分PTFE胶带，从而将其保持在适当位置。将叠层不加装外套拉伸为(cane)，并且在其到达炉之前将各部分PTFE胶带移除。图8示出了我们的第二阶段叠层的布局，其中每个六边形表示最初的331个芯的叠层。
为了形成最终纤维，将37个棍层叠并且套在纯二氧化硅管中。之后使用真空将该叠层拉伸为具有525μm的外径的纤维以消除间隙空间。可以在图9中看到最终纤维的扫描电子显微照片，其中插图示出了较高的放大倍数，从而看到芯图案。在SEM中，掺杂区域看起来较亮。图9示出了芯图案的放大截面。
纤维中的最终芯直径为2.78μm、2.45μm和2.12μm，并且中心与中心的间隔为3.71μm。在最终纤维中存在总计12,247个芯。
我们的第二成像纤维是正方形阵列成像纤维。第二成像纤维由具有与用于制造第一纤维的预制件相同的参数的渐变折射率预制件形成。由拉伸为不同外径的棒制成稳定的叠层，从而不需要加装外套阶段。
制造方法使用以N×N阵列层叠的N种不同尺寸的元件形成均匀正方形元件。一旦形成均匀正方形元件，即容易地将其层叠多次以构建大的芯阵列。可以容易地将层叠的正方形再次拉伸并且重新层叠，从而容易地构建非常大的阵列。
使用三阶段过程。首先，在正方形层叠夹具中层叠5种不同棒尺寸(2.23mm、2.52mm、2.74mm、2.95mm和3.17mm)的5×5的阵列，以使得每种尺寸在每行或每列中仅出现一次。这种叠层的端视图如在图3中所示。图3是最初叠层的图示，其中灰色表示锗掺杂芯区域并且白色表示纯二氧化硅覆层区域。
使用氢焰将叠层的末端融合在一起并且在长度周围的多个点缠绕PTFE胶带，从而将叠层保持在适当位置。将叠层供给至炉并且拉伸为2.5mm边长的正方形，并且在其到达炉之前将PTFE胶带解开。该过程生成具有与图3中所示的横截面相似的横截面的一组正方形单位元件。
以在6×6的阵列中的相同取向将单位正方形重新层叠。该过程的第二层叠阶段在图10中示出。将末端再次融合并且用PTFE胶带将中心区域保持在适当位置。将该叠层拉伸为4.5mm边长的正方形并且以3×3的阵列重新层叠。
将最终叠层在纯二氧化硅围绕外侧封装棒的情况下放入套管中，并且在真空下拉伸为棍以移除间隙空隙。最终，将棍拉伸为纤维。
可以在图11中看到最终纤维的SEM图像，其中掺杂芯看起来较亮。纤维中的芯直径为2至3μm，并且根据具体的芯尺寸对，中心与中心的间隔为3至4μm。在最终纤维中存在总计8,100个芯。纤维的外径为550μm，并且沿着对角线的成像正方形尺寸为450μm。成像区域的边缘的圆齿形外观归因于玻璃封装管的存在。
为了比较图7至9的我们的六边形阵列成像纤维与图3、10和11的正方形阵列成像纤维的性能，我们进行了两个试验。第一个试验是获取1951USAF试验目标的荧光图像，并且第二个试验是传输条纹图案并且测量条纹可见度随波长的降低。
构建内窥镜荧光成像系统，从而在不同波长下得到可以用于确定正方形阵列纤维和比较纤维的分辨率的试验目标图像。
将过滤为两个激发带(420nm至510nm和600nm至650nm)的超连续光谱源作为光源用于我们的实验。经过滤的激发光经过二向色分光镜并且通过具有0.5的NA的非球面透镜与正方形阵列纤维(或与比较纤维)耦合。
使用在其后放置的绿色荧光或红色荧光载玻片，在距正方形阵列纤维(或比较纤维)的远端零工作距离处对USAF 1951目标进行成像。使从正方形阵列纤维(或比较纤维)的近端发回的光在经过二向色分光镜和具有两个波段(520nm至600nm(绿色带)和650nm至750nm(红色带))的第二收集滤光器之后成像到CCD相机上。这些用于收集的波长范围选择为在具有用于指示细菌或真菌病原体存在的潜力的多种报道的化学成像探针的范围内。使用双色(波段)系统可以实现通过同一成像系统检测多种生物目标。
可以在图12至15中看到在两个波段得到的USAF 1951试验目标的图像。图12示出了在520nm至600nm的六边形阵列纤维。图13示出了在650nm至750nm的六边形阵列纤维。图14示出了在520nm至600nm的正方形阵列纤维。图15示出了在650nm至750nm的正方形阵列纤维。
在两种纤维的绿色带图像(图12和图14)中，第7组的较大元件中的几个可辨识为六边形阵列纤维中的元件4和正方形阵列纤维中的元件2。(元件分别具有2.76μm和3.10μm的线宽。)这些是可与芯与芯的间隔相比的尺寸，表明在两种纤维中非常少的光从被照射的芯耦合到其相邻芯中。在红色带(图13和图15)中，由于主要在暗区域中可见的高阶模之间的芯与芯的耦合，图像对比度均降低。然而，在我们的正方形阵列成像纤维中，尽管与在绿色带中得到的图像相比可见度降低，但是第7组的较大元件仍然可辨识为元件2。
第二表征方法是被开发用于测量芯与芯耦合的整体影响并且准确表征成像纤维的性能的定量方法，其使用在H.A.Wood,J.M.Stone,K.Harrington,T.Birks和J.C.Knight,Conference on Lasers and Electro-Optics(激光和电光学会议)中的“Quantitativecharacterisation of endoscopic imaging fibres(内窥镜成像纤维的定量表征)”,OSATechnical Digest(2016)(Optical Society of America,2016),paper SM4P.6中描述的方法。可以认为该技术与依赖于对传输的条纹图案在其经过成像纤维时的可见度降低进行量化的成像系统中调制传递函数的测量相似。
图16示出了我们的六边形阵列纤维(由三角形表示)和正方形阵列纤维(由圆形表示)和商业成像纤维(由十字表示)的随波长变化的条纹可见度测量值，所述商业成像纤维为来自Fujikura Ltd的FGIH-30-650s纤维的一部分。示出了针对500nm至700nm的波长的传输。在每种情况中，在通过大约90cm的纤维传输之后测量可见度。误差棒表示在单一波长下得到的一系列数据点的标准差，在每次测量之间对系统进行调节然后重新校准。
干涉仪的两个臂以已知角度干涉以产生已知间隔的垂直条纹图案。将条纹图案沿试验纤维传输并且在对CCD相机上的输出处测量可见度。使用超连续光谱和单色仪作为照射源用于我们的干涉仪，我们能够测量随波长变化的传输的条纹可见度。将我们的干涉仪设置为2.29°的角度，以在600nm波长下得到15μm的条纹。条纹间隔由于衍射而随波长变化，并且可以在图16的顶轴上看到相应的变化。在我们的纤维的～90cm部分的末端上形成条纹图案，并且将出现的图案成像到安装在测角器上的CCD相机上，从而将条纹图案和CCD阵列对齐。输出耦合借助0.5NA的非球面透镜进行。
在理想的纤维中，条纹图案在其沿长度通过时将不会损失任何可见度。然而，芯与芯的耦合降低了图像中的对比度并且因此降低了测量的可见度。
FGIH-30-650s纤维是规定在我们的波段内的商业系统中常见的。测量这种纤维的中心与中心的芯间隔为大约3.5μm，芯直径为1.7μm至2.1μm，并且NA报道为0.4。在纤维中的芯看上去具有随机排列方式。
我们的六边形阵列纤维在直到550nm波长的短波长下的条纹可见度最高，但是其性能随着波长增加而开始降低。因为在这种纤维中仅存在三种芯尺寸，我们将这种条纹可见度的降低归因于与相同的次邻近芯的光耦合。
这在试验目标图像中得到巩固，其中在图13可以看到，一种特定的芯尺寸与高阶模中的暗区域强烈耦合。在我们的正方形阵列纤维中，在短波长下的条纹可见度低于六边形阵列，但是在整个波长范围内通常更一致并且更高，仅在高于680nm开始表现比FGIH-30-650s商业纤维差。
我们已经提供了两种使用为通信设计的渐变折射率预制件制造内窥镜成像纤维的方法。我们的纤维基于具有放置为使得相同的芯不紧密靠近的多种不同芯尺寸的正方形阵列，与具有较高数值孔径芯的广泛使用的商业纤维相比，所述纤维提供了在宽波长范围内明显改善的成像性能。在我们的正方形阵列纤维中在520nm至600nm波段中可辨识具有3.1μm线宽的USAF试验目标的荧光图像，并且在650nm至750nm波长范围中可辨识具有3.48μm线宽的USAF试验目标的荧光图像。这种纤维制造技术基于使用来源于具有比商业成像纤维低的折射率对比度(相比于0.4的0.3的NA)的通信预制件的棒的简化层叠操作。这种操作因此使得能够由较低成本的起始材料制造成像纤维，并且潜在地为用于临床操作的有成本效益的一次性成像纤维铺平道路。
可以理解的是，以上仅通过举例方式描述了本发明，并且可以在本发明的范围内做出细节的修改。
在说明书和(在适当时)权利要求和附图中公开的每个特征可以独立地提供或以任何适当组合提供。

Claims (24)

1.一种形成成像纤维装置的方法，所述方法包括：
将棒排列以形成各自包括相应的多个棒的多个叠层，其中：
对于每个叠层，所述相应的多个棒包括具有不同芯尺寸的棒，所述具有不同芯尺寸的棒以选定排列方式排列，以形成包括多行棒和多列棒的规则阵列，每行对于多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个棒，并且每列对于多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个棒，并且所述具有不同芯尺寸的棒排列为使得每个叠层具有相应的规则形状，所述规则形状包括正方形或矩形；
其中所述一种或多种规则形状使得所述叠层以所需排列方式层叠在一起；
所述方法还包括：
拉伸所述多个叠层中的每一个；
将多个被拉伸的叠层以所需排列方式层叠在一起以形成进一步叠层，从而铺瓦式排列一种或多种选定的规则形状以基本上填满平面并且形成不同尺寸的棒的重复排列方式；
拉伸所述进一步叠层；和
使用被拉伸的进一步叠层形成成像纤维装置，
其中在每个叠层中的所述棒的选定排列方式和所述叠层的一种或多种选定形状使得所述进一步叠层包括不同芯尺寸的棒的重复图案，对于所述进一步叠层的棒中的每个棒，与所述棒最邻近的棒具有与所述棒不同的芯尺寸，并且与所述棒次邻近的棒具有与所述棒不同的芯尺寸，其中所述次邻近的芯是沿着列和行的方向紧挨着与所述芯最近邻的芯的芯。
2.根据权利要求1所述的方法，其中对于每个叠层，所述相应的多个棒包括具有不同外部尺寸的棒。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中对于每个叠层，所述相应的多个棒中的每一个具有相同的芯尺寸与外部尺寸的比。
4.根据权利要求1或2所述的方法，所述方法还包括通过拉伸至少一个预制件来得到所述棒。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述得到所述棒包括拉伸选定类型的预制件，其中通过不同地拉伸相同选定类型的预制件来得到不同的芯尺寸。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述使用被拉伸的进一步叠层形成成像纤维装置包括为所述被拉伸的进一步叠层加装外套。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述叠层中的每一个具有相同的形状。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述叠层中的每一个具有相同的棒的选定排列方式。
9.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述多种不同芯尺寸包括N种不同芯尺寸；
每个叠层包括棒的N乘N阵列；并且
对于每个叠层，所述叠层中的每行对于所述N种不同芯尺寸中的每一种包括一个棒；并且所述叠层中的每列对于所述N种不同芯尺寸中的每一种包括一个棒。
10.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述多种不同芯尺寸包括N种不同芯尺寸；
每个叠层包括yN列乘zN行的阵列；并且
对于每个叠层，所述叠层中的每行对于所述N种不同芯尺寸中的每一种包括y个棒；并且所述叠层中的每列对于所述N种不同芯尺寸中的每一种包括z个棒。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中形成光纤装置包括进行至少一个进一步层叠并且拉伸所述被拉伸的进一步叠层。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中对于每个叠层，排列所述相应的多个棒以形成所述叠层包括在所述相应的多个棒中的至少一些之间放置间隔元件。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个棒包含二氧化硅、Ge掺杂二氧化硅、氟掺杂二氧化硅、硼掺杂二氧化硅、铝掺杂二氧化硅、硅酸盐玻璃中的至少一种。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述棒具有0.5mm至10mm的外部尺寸。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述棒具有1mm至5mm的外部尺寸。
16.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个叠层的宽度为10mm至100mm。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其中每个棒的数值孔径小于0.35。
18.根据权利要求17所述的方法，其中每个棒的数值孔径小于0.32。
19.根据权利要求18所述的方法，其中每个棒的数值孔径小于0.3。
20.一种光纤装置，所述光纤装置包括通过覆层分开的具有不同芯尺寸的芯，其中所述具有不同芯尺寸的芯排列为形成不同芯尺寸的选定重复图案，所述重复图案包括填满平面的单元格的重复排列方式，每个单元格具有相应的规则正方形或矩形形状，每个单元格具有相同的多种不同芯尺寸的排列方式，每个单元格包括多行芯和多列芯，每行对于所述多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个芯，并且每列对于所述多种不同芯尺寸中的每一种包括至少一个芯，并且所述芯排列为使得对于每个芯，与所述芯最邻近的芯具有与所述芯不同的芯尺寸，并且与所述芯次邻近的芯具有与所述芯不同的芯尺寸，其中所述次邻近的芯是沿着列和行的方向紧挨着与所述芯最近邻的芯的芯。
21.根据权利要求20所述的装置，其中所述芯中的每一个具有1μm至100μm的直径。
22.根据权利要求20所述的装置，其中所述装置被配置成传输可见光、紫外光、红外光中的至少一种。
23.一种纤维组合件，所述纤维组合件包括：
根据权利要求20至22中任一项所述的光纤装置和/或通过根据权利要求1至19中任一项所述的方法形成的成像纤维装置；
至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管；和
容纳所述光纤装置和/或所述成像纤维装置和所述至少一个另外的光纤和/或至少一个毛细管的包装。
24.根据权利要求23所述的纤维组合件，所述纤维组合件还包括光耦合器，所述光耦合器被配置成将所述光纤装置和/或所述成像纤维装置与光源和/或光检测器耦合。
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