CN111323873A - 一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法及其装置，该方法包括：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，在保温过程中旋转差速扭转180°后成型为光纤倒像器，然后自然冷却降温。该装置包括扭转成型加热炉和扭转成型卡头；扭转成型加热炉包括炉体，炉体内设有内炉加热系统和外炉加热系统；扭转成型卡头设置在扭转成型加热炉的两侧，用于安装和扭转光纤板毛坯，内炉加热系统用于加热位于炉体内的光纤板毛坯；内炉加热系统包括两个螺旋加热圈和陶瓷环，螺旋加热圈固定在所述陶瓷环上，两个螺旋加热圈采用串联方式连接。采用本发明的方法及其装置，能够有效避免大尺寸光纤倒像器在扭转成型过程中炸裂的缺陷。

Description

一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法及其装置
技术领域
本发明涉及扭转成型技术领域，具体涉及一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法及其装置。
背景技术
光纤传像元件，包括光学纤维面板、光学纤维倒像器、光学纤维光锥、光纤传像束以及微通道板等，是一种性能优异的光电成像元件，具有结构简单、体积小、重量轻、分辨率高、数值孔径大、级间耦合损失小、传像清晰、真实、传光效率高、在图像传输上具有光学零厚度以及能改善边缘像质等特点。光纤传像元件被广泛地应用于军事、刑侦、夜视、航天、医疗等领域的各种阴极射线管、摄像管、电荷耦合元件(CCD，Charge-coupled Device)耦合、医疗器械显示屏以及高清晰度电视成像和其他需要传送图像的仪器和设备中，是本世纪光电子行业的高科技尖端产品，随着信息技术的发展，光纤倒像器在微光夜视领域起到越来越重要的作用。
良好光导结构的光纤紧密有序地相干排列而成，有效区尺寸大于Φ40mm的光纤倒像器称为大尺寸光纤倒像器。大尺寸光纤倒像器具有体积大、分辨力高、大视野等特点，图像传输稳定，被广泛应用于机器视觉、飞行模拟器等方面的瞄准，可用于主战坦克的枪瞄准、潜望镜侦察监视、核实验图像及时采集、大型装甲车、坦克、大型舰船的微光夜视系统中。大尺寸光纤倒像器是一种由成千上万根具有单元纤维丝径小于6μm的光学纤维经过紧密堆积排列、热熔压成型、扭转成型制备的可传递图像的硬质光纤传像元器件。光纤倒像器中的每根光学纤维都具有很好的光学绝缘性，因此每根光学纤维都能够独立传光传像，而不受临近其它光学纤维的影响，作为光学耦合传像器件具有高分辨率、零畸变、传光效率高等特点，同时具有倒像的功能，可以获得大尺寸、大视野、远距离的观测。
目前国内能够批量生产的光纤倒像器尺寸大都在直径Φ30mm以下，而大尺寸的光纤倒像器是用来制作大视场微光成像器的关键器件，主要用于阴极射线管、摄像管、像增强器等需要传送图像的仪器和设备中，成像视场要求大，使得大尺寸光纤倒像器在探测仪器和医疗设备上得到重用的应用，与小尺寸光纤倒像器相比，大尺寸光纤倒像器的制作难度加大，工序、工装、设备等均需做相应改进或重新设计以制作大尺寸光纤倒像器。制作大尺寸光纤倒像器的关键是毛坯的熔压、扭转成型、冷加工等工序。其中扭转成型是光纤倒像器制作的关键工序，直接影响了光纤器件的成品质量，因此对产品制作工艺要求极高。大尺寸光纤倒像器由于直径大，体积大，在扭转成型加热过程中，光纤板毛坯体积越大，光纤板毛坯加热渗透过程越困难，需要受热的时间越长，扭转成型过程也就越困难，光纤倒像器边缘纤维结构在高温过程中拉伸破坏的几率就越大，会导致光纤倒像器边缘分辨率消失，并且会因为受热不均等问题导致炸裂，制造难度大。特别是随着光纤倒像器外形尺寸增大，会给扭转成型工艺带来极大困难，在扭转成型过程中不但要考虑边缘透过率的要求，还要考虑在扭转成型工艺温度下、工艺过程中，3种材料的粘度匹配、成分相互扩散对光纤倒像器边缘分辨率、像畸变及内部斑点缺陷的影响。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种能够有效避免大尺寸光纤倒像器在扭转成型过程中炸裂的大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供了一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，包括以下步骤：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，在内炉加热系统达到设定温度后的保温过程中旋转差速扭转180°后成型为光纤倒像器，然后自然冷却降温。
所述升温、保温包括：外炉加热系统从室温经过40～90分钟升至500～600℃，同时开启内炉加热系统，外炉加热系统在500～600℃保温30～60分钟后，内炉加热系统再经过90～120分钟升温至扭转成型温度720～800℃，并在720～800℃扭转90～150分钟实现光纤倒像器的180°扭转角度。
所述的光纤倒像器在扭转成型加热炉中自然冷却降温，待扭转成型加热炉温降至120℃以下后，取出光纤倒像器放置在空气中冷却。
所述大尺寸光纤板毛坯的直径为40-60mm，长度为50-80mm。
本发明还提供一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型装置，包括扭转成型加热炉和扭转成型卡头；
所述扭转成型加热炉包括炉体，所述炉体内依次设有外炉加热系统和内炉加热系统；
所述内炉加热系统包括螺旋加热圈和陶瓷环，所述螺旋加热圈缠绕在所述陶瓷环上；
所述外炉加热系统包括设置在炉体内的保温层，所述保温层的内层设有炉瓦，所述炉瓦上缠绕有电加热丝，所述炉瓦内设有缠绕有螺旋加热圈的陶瓷环；
所述扭转成型卡头，设置在所述扭转成型加热炉的两侧，用于安装光纤板毛坯，所述内炉加热系统用于加热位于所述炉体内的光纤板毛坯。
所述螺旋加热圈和陶瓷环均为两个，两个螺旋加热圈采用串联方式连接。
所述螺旋加热圈由铁铬铝电加热丝绕成，所述陶瓷环为氧化铝陶瓷环。
所述铁铬铝电加热丝的直径为9-10mm，所述氧化铝陶瓷环的宽度为8-9mm。
所述保温层的材质为陶瓷纤维保温棉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明的方法及装置，在扭转成型过程中能确保光纤板毛坯受热和纤维变形均匀，光纤板毛坯板不会因为温差过大而产生应力，确保后续冷加工过程中不炸裂，能有效避免大尺寸光纤倒像器在扭转成型过程中的炸裂，提高大尺寸光纤倒像器的边缘分辨率和透过率，并大大缩短扭转成型的时间。
附图说明
图1是本发明实施例提供的大尺寸光纤倒像器扭转成型装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的大尺寸光纤倒像器扭转成型装置和六方毛坯装配的结构示意图；
图3是光纤板毛坯单炉系统和双炉系统扭转成型的大尺寸光纤倒像器的切片角度分布图。
图中：303扭转杆卡头，302外炉加热系统，301内炉加热系统，3010螺旋加热圈，3011陶瓷环，306光纤板毛坯；100为单炉系统切片角度分布，200为双炉系统切片角度分布。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
参见图1和图2，本发明还提供一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型装置，包括扭转成型加热炉和扭转成型卡头303；
扭转成型加热炉包括炉体，所述炉体内依次设有外炉加热系统302和内炉加热系统301；
内炉加热系统301包括螺旋加热圈3010和陶瓷环3011，螺旋加热圈3010缠绕在陶瓷环3011上；
外炉加热系统302包括设置在炉体内的保温层，所述保温层的内层设有炉瓦，所述炉瓦上缠绕有电加热丝，所述炉瓦内设有缠绕有螺旋加热圈3010的陶瓷环3011；
扭转成型卡头303，设置在所述扭转成型加热炉的两侧，用于安装光纤板毛坯306，内炉加热系统301用于加热位于所述炉体内的光纤板毛坯306。
优选地，螺旋加热圈3010和陶瓷环3011，两个螺旋加热圈3010采用串联方式连接。
采用两个螺旋加热圈串联，能有效拉宽扭转区域宽度和扭转成型区域光学纤维丝的变形均匀性，提高大尺寸光纤倒像器的边缘分辨率和透过率，降低扭转角度集中的效果。
本发明的外炉加热系统和内炉加热系统以及差速扭转成型机配套使用，扭转成型加热炉安装在差速扭转成型机上，差速扭转成型机采用的针对大尺寸光纤倒像器产品加工的设备，其结构与普通的光纤倒像器扭转成型机结构相同，不再赘述。扭转成型加热炉内设有测试温度的热电偶，大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，放置于扭转成型加热炉中间加热后扭转成型。
优选地，螺旋加热圈3010由铁铬铝电加热丝绕成，陶瓷环3011为氧化铝陶瓷环。
优选地，铁铬铝电加热丝的直径为9-10mm，所述氧化铝陶瓷环的宽度为8-9mm。
采用本发明的铁铬铝电加热丝的直径及氧化铝陶瓷环的宽度，可以保证有足够的热能使光纤板毛坯加热区域软化，又能使中部高温区尽量的拉宽扭区宽度，以提高光纤倒像器的边缘分辨率。
优选地，保温层302的材质为陶瓷纤维保温棉。
扭转成型加热炉的炉壳通过轻质陶瓷纤维保温棉隔开，陶瓷纤维保温棉不仅保温性能良好，还能减轻整个加热炉的重量，便于安装和拆卸。
本发明还提供一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，具体方法如下：
实施例1
一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，包括以下步骤：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，外炉保温系统从室温经过60分钟升至600℃，同时开启内炉加热系统，外炉保温系统在550℃保温50分钟后，再经过100分钟升温至扭转成型温度780℃，并在780℃扭转120分钟实现光纤倒像器的180°扭转成型，待扭转成型180°角度后，然后开始降温。降温时，在扭转成型炉中自然冷却降温，温度＜120℃时，可以将扭后倒像器取出放在空气中降温冷却。光纤板毛坯的直径为50mm，长度为70mm。
采取双炉加热系统的方法，在加热扭转成型时，不需要设置降温过程和降温措施，能够确保光纤倒像器的端面不会因为炉丝的加热作用而引起端面变形，以及不会因为降温产生炸裂。
实施例2
一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，包括以下步骤：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，外炉保温系统从室温经过90分钟升至550℃，同时开启内炉加热系统，外炉保温系统在500℃保温60分钟后，再经过90分钟升温至扭转成型温度800℃，并在800℃扭转90分钟实现光纤倒像器的180°扭转成型，待扭转成型180°角度后，然后开始降温。降温时，在扭转成型炉中自然冷却降温，温度＜120℃时，可以将扭后倒像器取出放在空气中降温冷却。光纤板毛坯的直径为40mm，长度为50mm。
实施例3
一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，包括以下步骤：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，外炉保温系统从室温经过40分钟升至500℃，同时开启内炉加热系统，外炉保温系统在600℃保温30分钟后，再经过120分钟升温至扭转成型温度720℃，并在720℃扭转150分钟实现光纤倒像器的180°扭转成型，待扭转成型180°角度后，然后开始降温。降温时，在扭转成型炉中自然冷却降温，温度＜120℃时，可以将扭后倒像器取出放在空气中降温冷却。光纤板毛坯的直径为60mm，长度为80mm。
本发明是针对大尺寸光纤板毛坯，光纤板毛坯的直径为40-60mm，长度为50-80mm。直径大于40mm、长度大于50mm的大尺寸光纤倒像器毛坯，由于毛坯直径和长度差值小，在扭转成型过程中，由于中间高温加热区和两端的未直接受热的保温区温差相对较大，极易发生扭转过程中炸裂的问题。采用本发明的方法，通过外炉和内炉两套扭转成型加热系统配合，确保光纤倒像器毛坯在扭转成型过程中能够实现大尺寸的扭转成型，同时确保扭转成型过程中和扭后光纤倒像器不出现炸裂问题。同时，将大尺寸光纤板毛坯通过双炉加热系统进行扭转，能起到拉宽扭转区域宽度，降低扭转角度集中以及增加光纤倒像器边缘透过率和提高边缘分辨率的效果。完成扭转成型的过程通常需要90-150分钟。
如图3所示，为光纤板毛坯单炉系统和双炉系统扭转成型的大尺寸光纤倒像器的切片角度分布图，其中100为单炉系统切片角度分布，200为双炉系统切片角度分布，从中可以明显看出，采用本发明所述的大尺寸光纤倒像器扭转成型方法后的切片角度明显分布更平缓，达到了拉宽扭区和降低扭转角度集中分布的效果。
本发明的设计原理及应用：
由于大尺寸光纤倒像器是在有限的毛坯长度上扭转成型的光纤倒像器，因此需要中部区域的高温区既要有足够的热量使光纤板毛坯的加热区域软化，还要使得中部区域的高温区尽量分布均匀，以拉宽扭转区域的宽度，即光学纤维的拉伸变形宽度，同时外炉保温系统的保温层还要确保光纤倒像器高温受热区域以外的区域不因热量不均而炸裂。本发明通过对扭转成型加热炉的炉温分析和传热理论的模拟，设计了大尺寸光纤倒像器双炉加热系统，形成了效果如同两个独立高温加热区以进行扭转；在扭转成型过程中由于热传导的影响会引起大端端面变形，产生像畸变缺陷，为此在加热和扭转成型过程中采用旋转差速扭转成型的方式，防止光纤板毛坯的端面产生像畸变和偏温扭转，解决了大尺寸光纤倒像器边缘透过率和分辨率降低的难题。而且本发明的方法及装置在扭转成型过程中能确保光纤板毛坯受热和纤维变形均匀，确保光纤板毛坯板不会因为温差过大而产生应力，确保后续冷加工过程中不炸裂，提高大尺寸光纤倒像器的边缘分辨率和透过率，并大大缩短扭转成型的时间。本发明可应用到微光像增强器中，将大幅提升光纤倒像器的耦合效率和成像质量、拓宽观察视野等关键性能，其产品可满足微光夜视行业的配套需求，还可替代传统的光纤倒像器产品，提高综合使用性能，促进空间视觉测量、探测成像等相关领域光电器件向高新能、宽视野的方向发展，具有很好的应用推广前景。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型方法，其特征在于，包括以下步骤：将大尺寸光纤板毛坯安装在扭转杆卡头上，采用设定的程序升温、保温，在内炉加热系统达到设定温度后的保温过程中旋转差速扭转180°后成型为光纤倒像器，然后自然冷却降温。
2.根据权利要求1所述的扭转成型方法，其特征在于，所述升温、保温包括：外炉加热系统从室温经过40～90分钟升至500～600℃，同时开启内炉加热系统，外炉加热系统在500～600℃保温30～60分钟后，内炉加热系统再经过90～120分钟升温至扭转成型温度720～800℃，并在720～800℃扭转90～150分钟实现光纤倒像器的180°扭转角度。
3.根据权利要求2所述的扭转成型方法，其特征在于，所述的光纤倒像器在扭转成型加热炉中自然冷却降温，待扭转成型加热炉温降至120℃以下后，取出光纤倒像器放置在空气中冷却。
4.根据权利要求1-3任一项所述的扭转成型方法，其特征在于，所述大尺寸光纤板毛坯的直径为40-60mm，长度为50-80mm。
5.一种大尺寸光纤倒像器的扭转成型装置，其特征在于，包括扭转成型加热炉和扭转成型卡头；
所述扭转成型加热炉包括炉体，所述炉体内依次设有外炉加热系统和内炉加热系统；
所述内炉加热系统包括螺旋加热圈和陶瓷环，所述螺旋加热圈缠绕在所述陶瓷环上；
所述外炉加热系统包括设置在炉体内的保温层，所述保温层的内层设有炉瓦，所述炉瓦上缠绕有电加热丝，所述炉瓦内设有缠绕有螺旋加热圈的陶瓷环；
所述扭转成型卡头，设置在所述扭转成型加热炉的两侧，用于安装光纤板毛坯，所述内炉加热系统用于加热位于所述炉体内的光纤板毛坯。
6.根据权利要求5所述的扭转成型装置，其特征在于，所述螺旋加热圈和陶瓷环均为两个，两个螺旋加热圈采用串联方式连接。
7.根据权利要求6所述的扭转成型装置，其特征在于，所述螺旋加热圈由铁铬铝电加热丝绕成，所述陶瓷环为氧化铝陶瓷环。
8.根据权利要求7所述的扭转成型装置，其特征在于，所述铁铬铝电加热丝的直径为9-10mm，所述氧化铝陶瓷环的宽度为8-9mm。
9.根据权利要求6所述的扭转成型装置，其特征在于，所述保温层的材质为陶瓷纤维保温棉。
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Assignee: China building materials optical core technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA BUILDING MATERIALS ACADMEY

Contract record no.: X2023980036199

Denomination of invention: A Twisting Forming Method and Device for Large Size Fiber Inverters

Granted publication date: 20220128

License type: Common License

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