CN112960901B - 一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用，所述柔性光纤传像束包括多个柔性单元，所述柔性单元包括按密堆积方式排列的多个传像单元，所述传像单元包括皮玻璃层和芯玻璃层。本发明所制备的柔性光纤传像束，其单纤维直径为4.0μm～5μm，像元数≥100000，其理论分辨率大于100lp/mm，具有高分辨率特征。

Description

一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用，属于医疗内窥镜用光纤传像束领域。

背景技术

医疗内窥镜是一种经人体的天然孔道，或者微小的手术切口进入人体，利用光纤传像、传光原理及其柔软弯曲性能，对肉眼不易观察的隐蔽部位进行直接快速的检查和诊疗的一种技术。随着微创手术的蓬勃发展，医疗内窥镜以诊疗精准、创口小等突出优点，在现代医学中得到了越来越广泛的应用，已逐渐成为人类窥视、治疗人体器官的重要工具之一。医疗内窥镜在200多年的发展过程中，结构由最初的硬管式内窥镜、半曲式内窥镜，逐渐发展到了光纤内窥镜，图像质量也发生了一次次质的飞跃。

光纤内窥镜系统主要由窥镜系统、图像显示系统和照明系统组成，其中柔性光纤传像束是窥镜系统的重要组成部分，主要起观察和成像的作用，是影响内窥镜图像质量的关键元件。医疗内窥镜的成像质量直接影响着内窥镜的使用效果和诊疗的精准度。因此，作为内窥镜系统的关键元件——柔性光纤传像束，必须具备分辨率高、弯曲部分柔韧性好，图像传输质量佳等性能。

柔性光纤传像束由上万根光纤按照一定的规则顺序严格排列成束，能够实现传光和传像功能，并可实现任意弯曲，是内窥镜系统的核心光学元件。使用光纤传像束来传输图像是其它的光学系统无法代替的，其最重要的特征就是传像束两端的光纤一一严格对应，每根光纤都有良好的光学绝缘性，其独立传光不受邻近其它光纤的影响。对于光纤传像束而言，透过率、分辨率、断丝率是最重要的参数。

柔性光纤传像束的制备技术分为层叠法和酸溶法。层叠法是将光纤束按照特定的形状和尺寸排列而制成的，其特点是工艺简单，但是存在单元丝径无法做小，导致分辨率低，单元丝直径小于50μm，排列难度大，容易产生错位等结构缺陷，因此采用层叠法无法制备出医疗用高分辨率柔性光纤传像束。酸溶法是采用复丝制束工艺。该方法制造光纤传像束所用的单根光纤包含三种材料，分别为高折射率、高透过率的光纤芯玻璃和低折射率的耐酸性能良好的光学包层玻璃以及可酸溶玻璃。三种玻璃经过纤维拉制后形成硬质光纤束，然后将硬质光纤束浸泡在一定浓度的酸溶液中，经过一段时间的腐蚀，酸溶玻被溶解掉，成为一根根离散的单丝，从而制得柔性光纤传像束。该方法的优点是可获得更细的单元丝，更小的像元尺寸，因此其分辨率较高。但是酸溶法的缺点是由于单元丝的尺寸太小(6～10μm)，极易在酸溶过程中产生单元丝的断裂，导致图像出现暗区，极大的影响了图像分辨率和成像质量。

综上所述，光纤传像束的分辨率与单元丝直径成反比，理论上单元丝直径越小，光纤束的分辨率越高。但是随着光纤束截面尺寸、单元丝直径的减小，光纤结构单元的强度逐渐下降，导致断丝率的增加，造成了光纤束分辨率和成像质量的恶化。因此，如何解决酸溶法的断丝问题，提高成像质量是该技术领域的难点问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用，其不但解决了光纤传像束小截面与高分辨率之间的矛盾，同时获得了柔性好、断丝率低的光纤传像束。

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。本发明提出的一种柔性光纤传像束，所述柔性光纤传像束包括多个柔性单元，所述柔性单元包括按密堆积方式排列的多个传像单元，所述传像单元包括皮玻璃层和芯玻璃层。

优选的，前述的柔性光纤传像束中，其中所述密堆积方式为正六边形、正方形或正三角形密堆形式。

优选的，前述的柔性光纤传像束中，其中所述柔性单元的尺寸(对边距)30μm～40μm；所述传像单元为单纤维。

优选的，前述的柔性光纤传像束中，其中所述皮玻璃层由以下摩尔百分比的各组分构成:SiO₂，70-85％；Al₂O₃，1-5％；B₂O₃，1-8％；MgO，0-5％；CaO，0-5％；Li₂O，0-5％；Na₂O，3-15％；K₂O，3-15％；F₂，0-1％；SnO₂，0-0.2％；SiO₂和B₂O₃的总量为71-93％，碱金属氧化物Li₂O、Na₂O和K₂O的总量为6-25％；含有F₂，0-1％；SnO₂澄清剂，0-0.2％；SiO₂和B₂O₃的总量为76-86％；碱金属氧化物Li₂O、Na₂O和K₂O的总量为8-23％。

优选的，前述的柔性光纤传像束中，其中所述芯玻璃层由以下重量百分比的各组分构成:SiO₂，10～20％；Al₂O₃，0～10％；B₂O₃，20～45％；MgO，0～5％％；CaO，0～5％；SrO，0～5％；La₂O₃，30～60％；Ta₂O₅，0～2％；Nb₂O₅，5～25％；Y₂O₃，0～4％；TiO₂，0～2％；ZnO，0～5％。

优选的，前述的柔性光纤传像束中，其中所述柔性单元的尺寸30μm～40μm；所述传像单元的直径为4.0μm～5.0μm。

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。本发明提出的一种柔性光纤传像束的制备方法，包括以下步骤：

a将芯料玻璃加工成直径29.5mm～30.0mm的玻璃棒；将皮料玻璃加工成内径30.5mm，外径36.5～37.0mm的玻璃管，将所述玻璃管套于玻璃棒外组合成预制棒，进行拉制，得到直径为3.19～3.20mm的单纤维；

b将步骤a得到的单纤维以密堆形式排列成对边尺寸为25.0mm～25.5mm的一次复合棒；

c将酸溶玻璃加工成端面为正六边形的玻璃管，其中正六边形的内对边距为25.5mm～26.0mm，正六边形管的壁厚为0.2mm～0.3mm；将所述正六边形的玻璃管套在步骤b得到的一次复合棒外围，得到带酸溶料的复合棒；

d将步骤c得到的复合棒进行复合纤维拉制，得到对边尺寸为0.60mm～0.61mm的一次复丝；

e将步骤d得到的一次复丝再次以密堆形式排列成对边尺寸为25.0mm～25.5mm的二次复合棒；

f将步骤e得到的二次复丝棒进行复合纤维拉制，得到对边尺寸为1.3～1.6mm的二次复丝，即得到硬质光纤传像束；

g将上述硬质光纤传像束经过酸蚀柔化处理，得到所述柔性光纤传像束。

优选的，前述的柔性光纤传像束的制备方法中，其中所述酸蚀柔化处理包括以下步骤：

1)将上述硬质光纤传像束的两端面进行紫外固化处理；

2)将端面固化好的光纤束垂直悬挂于酸性腐蚀液中进行腐蚀处理；

3)待光纤束完全分散，没有硬芯后，将柔化好的光纤束置于去离子水中进行多次清洗处理，以去除光纤束表面的酸性腐蚀液；

4)将清洗好的柔性光纤束进行烘干处理。

5)将烘干后的柔性光纤传像束进行端面的研磨和抛光，之后将抛光好的柔性光纤束端面置于无水乙醇中浸泡，以去除端面的紫外固化胶，以得到所述柔性光纤传像束。

优选的，前述的柔性光纤传像束的制备方法中，其中步骤1)中，所述紫外固化处理具体包括：将上述硬质光纤传像束的两端面均匀地涂覆紫外固化胶，并用紫外灯进行固化处理，端面涂覆长度为20mm～30mm，端面涂覆厚度为0.1mm～0.2mm，固化时间为1.0min～2.0min。

优选的，前述的柔性光纤传像束的制备方法中，其中步骤2)中，所述酸性腐蚀液为HNO₃，其浓度为0.5N～1.0N，腐蚀温度为30℃～50℃，腐蚀时间为65min～190min。

优选的，前述的柔性光纤传像束的制备方法中，其中步骤4)中，所述烘干温度为75℃～90℃，烘干时间为10min～30min。

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。本发明提出的一种内窥镜，其包括上述的柔性光纤传像束。

借由上述技术方案，本发明提供的硬质光纤传像束、柔性光纤传像束及其制备方法和应用，至少具有下列优点：

本发明所制备的柔性光纤传像束，其柔性单元为30μm～40μm(正多边形的对边距)的复合光纤束，较传统方法制备的柔性单元为6μm～10μm的光纤束相比，结构强度更高，断丝率更低。

本发明所采用的酸处理工艺，在确保完全分束没有硬芯的前提下，可最大程度地减少酸蚀过程中对皮料纤维的破坏，从而大大降低了断丝率，断丝率优于0.5‰，进而提高了柔性光纤传像束的强度。

本发明所制备的柔性光纤传像束，其单纤维直径为4.0μm～5μm，像元数≥100000，其理论分辨率大于100lp/mm，具有高分辨率特征。

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详细说明如后。

附图说明

图1为本发明所述的硬质光纤传像束的硬质单元的结构示意图；

图2为本发明所述的柔性光纤传像束的柔性单元的结构示意图；

其中，10-皮玻璃层；20-芯玻璃层；30-酸溶性玻璃包层。

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,以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种柔性光纤传像束及其制备方法和应用其具体实施方式、结构、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、结构或特点可由任何合适形式组合。

以下材料或试剂，如非特别说明，均为市购。

本发明提供了一种柔性光纤传像束的制备方法，包括以下步骤：

(1)构成本发明所述的传像束的材料包括三种玻璃组分，其中芯料玻璃具有高折射率、高透过率特性；皮料玻璃具有低折射率特性，其功能是使光线在芯料中传播实现界面的全反射并阻断相邻光纤光路干扰；此外，皮料玻璃还具有良好的化学稳定性，特别是按照酸溶的工艺要求在浸入到酸溶液中不易受腐蚀；酸溶玻璃具有高酸溶速率、与皮料玻璃具有良好的化学相容性性。根据上述要求，构成本发明所述的皮玻璃采用由以下摩尔百分比的各组分构成:SiO₂，70-85％；Al₂O₃，1-5％；B₂O₃，1-8％；MgO，0-5％；CaO，0-5％；Li₂O，0-5％；Na₂O，3-15％；K₂O，3-15％；F₂，0-1％；SnO₂，0-0.2％；SiO₂和B₂O₃的总量为71-93％，碱金属氧化物Li₂O、Na₂O和K₂O的总量为6-25％；含有F₂，0-1％；SnO₂澄清剂，0-0.2％；SiO₂和B₂O₃的总量为76-86％；碱金属氧化物Li₂O、Na₂O和K₂O的总量为8-23％；芯玻璃由以下重量百分比的各组分构成:SiO₂，10～20％；Al₂O₃；0～10％；B₂O₃，20～45％；MgO，0～5％％；CaO，0～5％；SrO，0～5％；La₂O₃，30～60％；Ta₂O₅，0～2％；Nb₂O₅，5～25％；Y₂O₃，0～4％；TiO₂，0～2％；ZnO，0～5％；酸溶玻璃由以下摩尔百分比的各组分构成:B₂O₃，33～63％；BaO，25～40.5％；La₂O₃和Y₂O₃的含量共为3.5～9.0％；Na₂O，K₂O，Rb₂O和Cs₂O的含量共为0～8％；MgO，CaO和SrO的含量共为1～9.3％；Al₂O₃，含量为1～8.5％；TiO₂，含量为0～5.6％；Nb₂O₅和Ta₂O₅的含量共为0～4.5％。

(2)将上述芯料玻璃采用外圆磨床加工成直径29.5mm～30.0mm的芯料玻璃棒；皮料玻璃通过钻孔方式加工成内径30.5mm，外径36.5～37.0mm的皮料玻璃管，将上述皮料玻璃管套在芯料玻璃棒外，进行单纤维的拉制(拉制温度为780℃～800℃)，单纤维直径为3.19～3.20mm。

(3)将上述单纤维以六方密堆形式排列于正六边形模具中，形成一次复合棒，复合棒的对边尺寸(对边距)为25.0mm～25.5mm。

(4)将酸溶玻璃加工成端面为正六边形的酸溶玻璃管，其中正六边形的内对边距为25.5mm～26.0mm，正六边形管的壁厚为0.2mm～0.3mm(优选为0.2mm，越薄越好图像质量越好，但是太薄不容易柔化处理)。将正六边形酸溶玻璃管套在上述一次复合棒外围，制成带酸溶料的复合棒。

(5)将上述复合棒置于光纤拉丝炉中进行复合纤维拉制(拉制温度为760℃～780℃)，形成正六边形一次复丝，正六边形一次复丝对边尺寸(对边距)为0.60mm～0.61mm。

(6)将上述一次复丝再次以六方密堆形式排列于正六边形模具中，形成二次复合棒，复合棒的对边尺寸(对边距)为25.0mm～25.5mm。

(7)将二次复丝棒置于光纤拉丝炉中进行复合纤维拉制(拉制温度为760℃～780℃)，形成正六边形二次复丝，正六边形二次复丝对边尺寸(对边距)为1.3～1.6mm，长度可根据要求进行定长切割，例如可以为1000mm。

经过上述步骤(1)～(7)制备成单纤维直径为4.0μm～5.0μm，像元数量≥1000000的硬质光纤传像束；如图1所示，所述硬质光纤传像束包括多个硬质单元，所述硬质单元包括按正六边形密堆积方式排列的多个传像单元及包覆于多个所述单纤维的酸溶性玻璃包层30，所述传像单元包括皮玻璃层10和芯玻璃层20。所述传像单元为单纤维。将上述硬质光纤传像束经过如下特殊的酸蚀柔化处理，形成柔性光纤传像束。所述柔化处理的具体过程包含以下步骤：

1)将硬质光纤两端面均匀的涂覆紫外固化胶(市购)，并用紫外灯(波长为365nm)进行固化处理，端面涂覆厚度为20mm～30mm，固化时间为1.0min～2.0min，优选为20mm，1.0min，这样优选后有利于将硬质光纤两端面更均匀地固化。

2)将端面固化好的光纤束垂直悬挂放置于预先配置好的酸性腐蚀液中，酸性腐蚀液为HNO₃(之所以选择HNO₃是因为其腐蚀速度快，不损伤光纤皮料，保证强度)，酸性腐蚀液的浓度控制在0.5N～1.0N(优选为0.8N，这样优选后有助于更好地酸蚀)，酸性腐蚀液的温度为30℃～50℃(优选为40℃，这样优选后有助于更好地酸蚀)；将该光纤束在上述条件下腐蚀处理65min～190min(优选为65min这样优选后有助于更好地酸蚀)，处理时间可根据光纤束的外径尺寸进行适当的延长或缩短，外径尺寸越大，处理时间越长。随着处理过程的进行，硬质光纤束逐渐在酸性腐蚀液的作用下由外向内分散，通过酸性腐蚀液中的H⁺离子与硬质光纤束中的金属离子发生离子交换，酸溶玻璃表面产生裂纹，随后H⁺离子进入裂纹，加剧了这一过程，最终导致酸溶玻璃的结构骨架被破坏。

3)待光纤束完全分散，没有硬芯后，将柔化好的光纤束置于去离子水中进行多次反复的清洗处理，以去除光纤束表面的酸性腐蚀液。

4)将清洗好的柔性光纤束放置于烘箱中进行烘干处理，烘干温度为75℃～90℃，烘干时间为10min～30min，优选为80℃，15min，这样优选后有助于柔性光纤束在较短时间内尽可能地烘干。

5)将烘干后的柔性光纤传像束套上热缩套管进行保护，然后采用光纤研磨抛光机进行端面的研磨和抛光，最后将抛光好的柔性光纤束端面置于无水乙醇中浸泡，以去除端面的紫外固化胶，以制备成柔性光纤传像束，如图2所示，所述柔性光纤传像束包括多个柔性单元，所述柔性单元包括按正六边形密堆积方式排列的多个传像单元40，所述传像单元40包括皮玻璃层10和芯玻璃层20，所述传像单元40为单纤维，其单纤维直径为4.0μm～5.0μm。

本发明还提供了一种内窥镜，其包括上述的柔性光纤传像束。

下述实施例中所用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。

本发明实施例1-7的柔性光纤传像束的具体工艺参数及性能参数见表1。其中，断丝率采用光纤端面检测仪进行检测；像元数量是设计的时候计算出来的(将直径为3.2mm单纤维(单丝)，排列于对边距为25.50mm的正六边形模具中，排列数量为61根；之后将61根纤维束拉制为0.6mm的复丝，排列于对边距为25.50mm的正六边形模具中，排列数量为1657根，这样最终得到的每一个柔性光纤束的像元数量为61*1657＝101077个)；单纤维直径用显微镜测量；柔性单元尺寸也可以用显微镜测量；理论分辨率的计算公式为：lp＝1000/1.73D，其中D为单元丝与单元丝的中心距。

下述实施例1-6所述的柔性光纤传像束制备中，

所述皮玻璃层由以下摩尔百分比的各组分构成为:SiO₂，79.3％；Al₂O₃，2.6％；B₂O₃，2.0％；MgO，0.7％；CaO，1.0％；Li₂O，0.8％；Na₂O，4.0％；K₂O，9.2％；F₂，0.2％；SnO₂，0.2％；

所述芯玻璃层由以下重量百分比的各组分构成为:SiO₂；10％；Al₂O₃，6％；B₂O₃，25％；MgO，3％；CaO，0.5％；SrO，1％；La₂O₃，48％；Ta₂O₅，0.5％；Nb₂O₅，5％；Y₂O₃，0.5％；ZnO，0.5％；

所述酸溶性玻璃包层由以下摩尔百分比的各组分构成为:B₂O₃，43％；BaO，40.5％；La₂O₃，3.1％；Y₂O₃，0.4％；K₂O，6.3％；Rb₂O，1.2％；CaO，0.5％；SrO，0.5％；Al₂O₃，3.3％；Nb₂O₅，1.2％；

所述紫外灯的波长为365nm；所述酸性腐蚀液为HNO₃。

表1

从表1的数据可以看出，由于本发明实施例1-6以30μm～40μm复合光纤束作为最小的结构单元-柔性单元(30μm～40μm)，使得柔性光纤传像束的断丝率更低大大降低了断丝率，断丝率不超过0.5‰，进而提高了柔性光纤传像束的强度。而对比例1由于酸液浓度高，酸液温度高，且酸蚀时间长，皮料玻璃被酸液腐蚀加剧，过度腐蚀会导致皮料/芯料的强度降低，断丝率升高。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本发明中所述的数值范围包括此范围内所有的数值，并且包括此范围内任意两个数值组成的范围值。本发明所有实施例中出现的同一指标的不同数值，可以任意组合，组成范围值。

本发明权利要求和/或说明书中的技术特征可以进行组合，其组合方式不限于权利要求中通过引用关系得到的组合。通过权利要求和/或说明书中的技术特征进行组合得到的技术方案，也是本发明的保护范围。

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 (7)

1.一种柔性光纤传像束，其特征在于，所述柔性光纤传像束包括多个柔性单元，所述柔性单元包括按密堆积方式排列的多个传像单元，所述传像单元包括皮玻璃层和芯玻璃层；所述柔性单元的尺寸30μm~40μm；所述传像单元的直径为4.0μm~5.0μm；

所述柔性光纤传像束通过以下步骤制得：

a将芯料玻璃加工成直径29.5mm～30.0mm的玻璃棒；将皮料玻璃加工成内径30.5mm，外径36.5～37.0mm的玻璃管，将所述玻璃管套于玻璃棒外组合成预制棒，进行拉制，得到直径为3.19~3.20mm的单纤维；

b将步骤a得到的单纤维以密堆形式排列成对边尺寸为25.0mm~25.5mm的一次复合棒；

c将酸溶玻璃加工成端面为正六边形的玻璃管，其中正六边形的内对边距为25.5mm ~26.0mm，玻璃管的壁厚为0.2mm~0.3mm；将所述正六边形的玻璃管套在步骤b得到的一次复合棒外围，得到带酸溶料的复合棒；

d将步骤c得到的复合棒进行复合纤维拉制，得到对边尺寸为0.60mm~0.61mm的一次复丝；

e将步骤d得到的一次复丝再次以密堆形式排列成对边尺寸为25.0mm~25.5mm的二次复合棒；

f将步骤e得到的二次复合棒进行复合纤维拉制，得到对边尺寸为1.3~1.6mm的二次复丝，即为硬质光纤传像束；

g将上述硬质光纤传像束经过酸蚀柔化处理，得到所述柔性光纤传像束。

2.如权利要求1所述的柔性光纤传像束，其特征在于，所述密堆积方式为正六边形、正方形或正三角形密堆形式。

3.如权利要求1所述的柔性光纤传像束，其特征在于，步骤g中，所述酸蚀柔化处理包括以下步骤：

1）将上述硬质光纤传像束的两端面进行紫外固化处理；

2）将端面固化好的光纤束垂直悬挂于酸性腐蚀液中进行腐蚀处理；

3）待光纤束完全分散，没有硬芯后，将柔化好的光纤束置于去离子水中进行多次清洗处理，以去除光纤束表面的酸性腐蚀液；

4）将清洗好的柔性光纤束进行烘干处理；

5）将烘干后的柔性光纤束进行端面的研磨和抛光，之后将抛光好的柔性光纤束端面置于无水乙醇中浸泡，以去除端面的紫外固化胶，得到所述柔性光纤传像束。

4.如权利要求3所述的柔性光纤传像束，其特征在于，步骤1）中，所述紫外固化处理具体包括：将上述硬质光纤传像束的两端面均匀地涂覆紫外固化胶，并用紫外灯进行固化处理，端面涂覆长度为20mm~30mm，端面涂覆厚度为0.1mm~0.2mm，固化时间为1.0min~2.0min。

5.如权利要求3所述的柔性光纤传像束，其特征在于，步骤2）中，所述酸性腐蚀液为HNO₃，其浓度为0.5N~1.0N，腐蚀温度为30℃~50℃，腐蚀时间为65min~190min。

6.如权利要求3所述的柔性光纤传像束，其特征在于，步骤4）中，所述烘干温度为75℃~90℃，烘干时间为10min~30min。

7.一种内窥镜，其特征在于，其包括权利要求1-6任一项所述的柔性光纤传像束。

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