CN115385568B - 光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法。所述扭转方法包括以下步骤：1)将光学纤维料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；2)测量所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间；3)根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。所解决的技术问题是如何控制大口径光纤倒像器的扭转工艺可以使大口径光纤倒像器的分辨率合格，从而更加适于实用。

Description

光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备 方法

技术领域

本发明属于光纤传像元件制备技术领域，特别是涉及一种光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法。

背景技术

大口径光纤倒像器可实现宽视场、大视野、远视距的探测，在光纤传像领域具有重要的作用。

现有技术中，大口径光纤倒像器的制备主要是通过差速扭转成型工艺制备的。其扭转原理如下：将大口径光纤倒像器料坯的一端作为驱动端，在驱动端施加驱动扭矩；将大口径光纤倒像器料坯的另一端作为制动端，在制动端施加制动扭矩；然后，将大口径光纤倒像器料坯在双炉加热系统的均匀温度场下加热至扭转温度进行扭转成型。在扭转过程中，为了使大口径光纤倒像器料坯发生扭转，工艺设置上驱动端的扭转杆与制动端的扭转杆向同一个方向转动，但是驱动端的扭转杆的旋转速度比制动端的扭转杆的旋转速度高，驱动端转得更快；随着扭转时间的推移，大口径光纤倒像器料坯的两端逐渐形成角度差，当大口径光纤倒像器料坯两端的角度差达到180°时，扭转过程结束，即可得到大口径光纤倒像器。

但是，上述差速扭转成型工艺扭转的大口径光纤倒像器存在分辨率不合格的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法，所要解决的技术问题是如何控制大口径光纤倒像器的扭转工艺可以使大口径光纤倒像器的分辨率提高，从而更加适于实用。

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。依据本发明提出的一种光学纤维的扭转方法，其包括以下步骤：

1)将光学纤维料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；

2)测量所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间；

3)根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

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。

优选的，前述的扭转方法，其中所述光学纤维的粘度测量为非接触式测量。

优选的，前述的扭转方法，其中所述等角度差形成时间是指光学纤维扭转一个等角度差所代表的角度所需要的时间；所述一个等角度差所代表的角度根据需要设定；扭转角度的测量是分别在驱动端和制动端设置编码器以计量驱动端和制动端旋转的圈数，驱动端的圈数减去制动端的圈数后再乘以360°即可得到扭转角度。

优选的，前述的扭转方法，其中步骤3)所述根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量，包括：

将测量的光学纤维的粘度和等角度差形成时间输入预先训练的机器学习模型，得到动能补偿量。

优选的，前述的扭转方法，其中所述预先训练的机器学习模型训练步骤如下：

将样本光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下扭转，获取样本光学纤维的样本粘度和第一样本等角度差形成时间；

将所述样本粘度和第一样本等角度差形成时间输入待训练的机器学习模型中，得到预测动能补偿量；

以预测动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维；获取样本光学纤维的样本粘度和第二样本等角度差形成时间；

基于第一样本等角度差形成时间和第二样本等角度差形成时间，调整待训练的机器学习模型，得到预先训练的机器学习模型。

优选的，前述的扭转方法，其中步骤4)所述调节驱动扭矩和/或制动扭矩包括降低驱动扭矩，或者提高制动扭矩，或者同时降低驱动扭矩和提高制动扭矩。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光学纤维的扭转装置，其包括：

加热单元，用于将光学纤维加热至预定的扭转温度；

粘度测量单元，用于测量光学纤维的粘度；

等角度差形成时间测量单元，用于测量光学纤维的等角度差形成时间；

确定单元，其电性连接所述粘度测量单元和等角度差形成时间测量单元；所述确定单元根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

调节单元，其电性连接所述确定单元，用于根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩；

扭转单元，其电性连接所述调节单元，用于以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

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。

优选的，前述的扭转装置，其还包括动能补偿系统；所述动能补偿系统设置于所述扭转单元的制动端，用于调节制动扭矩。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种大口径光纤倒像器的制备方法，其包括以下步骤：

1)将大口径光纤倒像器料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述大口径光纤倒像器料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；

2)测量所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间；

3)根据所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转大口径光纤倒像器料坯，得到大口径光纤倒像器。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种根据前述的制备方法制备的大口径光纤倒像器。

借由上述技术方案，本发明提出的一种光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法至少具有下列优点：

本发明提出的光学纤维的扭转方法及扭转装置、光纤倒像器及制备方法，其通过实时监测光学纤维料坯的粘度以及实时监测等角度差形成时间，其一方面根据实时监测的光学纤维料坯的粘度结果调节扭转参数，使其在光学纤维料坯的粘度大时和粘度小时，光学纤维料坯两端的旋转速度差保持稳定；另一方面通过实时监测的等角度差形成时间验证整个扭转过程中的等角度差形成时间是否稳定；若等角度差形成时间随着时间的变化有变化或波动，说明整个扭转过程还存在扭转不均匀的问题，需要结合此信息进一步调整扭转参数；本发明的技术方案正是以预先训练的机器学习模型作为工具，同时以光学纤维料坯的粘度、以及光学纤维的等角度差形成时间两个维度的实时数据作为该机器学习模型的输入信息，以光学纤维的扭转参数作为输出信息，使扭转单元始终能够以即时粘度和等角度差形成时间动态调整光学纤维的扭转参数，使光学纤维在整个扭转过程中其两端均能以稳定的速度差形成扭转，使得光学纤维丝扭转过程中拉伸变形均匀，所有的光学纤维丝均发生均匀扭转，减少了光学纤维丝的挤压，从而提高了光学纤维丝分辨率。

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并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明光学纤维的扭转方法/装置的信息流转示意图；

图2是本发明光学纤维的扭转装置的结构示意图。

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，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种光学纤维的扭转方法及扭转装置、大口径光纤倒像器及制备方法其具体实施方式、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。

本发明提出一种光学纤维的扭转方法，如附图1所示，其包括以下步骤：

首先是将光学纤维料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；上述步骤与现有技术中的步骤并无不同，本专利中不作重点说明。

其次是扭转过程的状态监测，也即，在扭转过程中实时测量所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间。

本发明技术方案中优选所述光学纤维的粘度测量采用非接触式即时测量的方式进行粘度测量，以使其能够适应于动态扭转过程。所述非接触式即时测量粘度的方式可以采用现有技术中任意形式的测量方式，本专利中不作具体限定。

本发明的技术方案在扭转过程中实时监测光学纤维料坯的粘度，通过粘度的变化能够预测光学纤维料坯发生扭转的难易程度；例如，在同样的扭矩条件下，粘度越大越难扭转，则相应等角度差所需要的时间长；而粘度越小扭转越容易，则相应等角度差所需要的时间短；为了使光学纤维料坯能够速度均匀地发生扭转，可以通过调节扭转参数，例如，驱动扭矩和/或制动扭矩，以使其能够平衡光学纤维料坯粘度的影响而使光学纤维料坯的扭转速度更均匀。

本发明技术方案中所述等角度差形成时间是指光学纤维扭转一个等角度差所代表的角度所需要的时间；所述一个等角度差所代表的角度可以根据生产需要进行设定，例如，可以是5°，表示每扭转5°所需要的时间，也可以是10°，表示每扭转10°所需要的时间……。扭转角度的测量是分别在驱动端和制动端设置编码器以计量驱动端和制动端旋转的圈数，然后以驱动端的圈数减去制动端的圈数后再乘以360°即可得到扭转角度。等角度差形成时间表示形成当前设定的一个等角度差所需要的时间。

为了使光学纤维料坯能够速度均匀地发生扭转，最理想的状态是等角度差形成时间不变，但是实际上，随着扭转过程的推移，随着光学纤维料坯的粘度的变化，等角度差形成时间也在变化。当监测到等角度差形成时间变长时，说明扭转难度加大，此时可以通过加大驱动扭矩或降低制动扭矩使其更容易扭转；而当监测到等角度差形成时间变短时，说明扭转难度减小，此时可以通过降低驱动扭矩或提高制动扭矩使其更难以扭转。

本发明的技术方案通过实时测量扭转过程中所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定如何调节扭转参数，例如驱动扭矩和/或制动扭矩，以使光学纤维丝的扭转速度更均匀。所述扭转速度更均匀可以通过等角度差形成时间的稳定与否进行判断；基于光学纤维扭转均匀性的要求，本发明优选180°等角度差形成时间的波动范围±0.05s。

上述技术方案中根据实时测量光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定如何调节驱动扭矩和/或制动扭矩，是先根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定了动能补偿量，再根据所述的动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩。

上述技术方案中，所述根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量，包括：将测量的光学纤维的粘度和等角度差形成时间输入预先训练的机器学习模型，得到动能补偿量。

上述技术方案中，所述预先训练的机器学习模型训练步骤如下：

将样本光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下扭转，获取样本光学纤维的样本粘度和第一样本等角度差形成时间；

将所述样本粘度和第一样本等角度差形成时间输入待训练的机器学习模型中，得到预测动能补偿量；

以预测动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维；获取样本光学纤维的样本粘度和第二样本等角度差形成时间；

基于第一样本等角度差形成时间和第二样本等角度差形成时间，调整待训练的机器学习模型，使第一样本等角度差形成时间和第二样本等角度差形成时间趋于一致，得到机器学习模型。

在机器学习模型训练时，本发明优选以180°等角度差形成时间的波动范围是否达到±0.01s的精度作为机器学习模型是否合格的判断标准。

最后是根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，再以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

本发明通过实时测量扭转过程中光学纤维料坯的粘度以及等角度差形成时间，动态调整扭转过程中的驱动扭矩和/或制动扭矩，以使扭转过程中的等角度差形成时间稳定，从而保证了所扭转的光学纤维在扭转过程中拉伸变形的均匀性，所得到的光学纤维的均匀变形，提高了光纤传像元件的分辨率。

本发明还提出一种光学纤维的扭转装置，如附图1和附图2所示，其包括加热单元1；所述加热单元用于将光学纤维加热至预定的扭转温度；为了所述光学纤维能够被均匀加热，所述加热单元可以采用现有技术中任意可以实现均匀加热的加热方式，例如，采用双炉加热系统实现温度场中温度分布均匀，本专利中对加热方式不作具体限定；所述光学纤维的扭转装置还包括粘度测量单元2；所述粘度测量单元用于测量光学纤维的粘度；为了保证粘度测量的准确，所述粘度测量单元设置于加热单元内光学纤维料坯附近；为了能够于动态扭转的条件下直接采集粘度数值，本发明所述拿得出来单元采用非接触式测量方法，避免采集粘度数值时破坏了光学纤维丝的内部结构；所述光学纤维的扭转装置还包括等角度差形成时间测量单元3；所述等角度差形成时间用于测量光学纤维的等角度差形成时间；所述等角度差形成时间可以采用现有技术中任意形式的现有技术进行采集，例如，可以在光学纤维的两端分别安装编码器，通过两端的编码器计量在发生一个等角度差时所需的时间；等角度差可以根据实际需要设定；扭转的测量是通过两端编码器分别计量的旋转圈数，通过二者的圈数差乘以360°计算获得；所述光学纤维的扭转装置还包括确定单元；所述确定单元电性连接所述粘度测量单元2和等角度差形成时间测量单元3；所述确定单元包括预先训练的机器学习模型；将所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间输入预先训练的机器学习模型中可以直接确定动能补偿量；所述预先训练的机器学习模型的训练步骤如前文所述，此处不再赘述；所述光学纤维的扭转装置还包括调节单元；所述调节单元电性连接所述确定单元；所述调节单元根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩；所述光学纤维的扭转装置还包括扭转单元；所述扭转单元电性连接所述调节单元；所述扭转单元以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

在本发明的一个具体实施例中，所述光学纤维的扭转装置还包括动能补偿系统；所述动能补偿系统设置于所述扭转单元的制动端，用于调节制动扭矩。

通过上述技术方案的扭转装置对光学纤维料坯进行扭转，得到的扭转光学纤维丝的拉伸变形均匀，光学纤维丝之间无货较少相互挤压，其分辨率高。

本发明还提出一种大口径光纤倒像器的制备方法，所述大口径是指其有效面积的径向尺寸大于40mm，其包括以下步骤：

1)将大口径光纤倒像器料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述大口径光纤倒像器料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；

2)测量所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间；

3)根据所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转大口径光纤倒像器料坯，得到大口径光纤倒像器。

本发明还提出一种根据前述的制备方法制备的大口径光纤倒像器。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

若无特殊说明，以下所涉及的材料、试剂等均为本领域技术人员熟知的市售商品；若无特殊说明，所述方法均为本领域公知的方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。

实施例和对比例

本实施例中制备一种大尺寸光纤倒像器。所加工的大尺寸光纤倒像器的毛坯的直径为50mm，长度为70mm。加热光纤毛坯采用的加热单元是双炉加热系统，在扭转过程中，温度制度中仅包括升温和保温过程，不包括降温过程和降温措施，其目的在于确保大尺寸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，以及不会因为降温而产生炸裂；工艺设置为在扭转180°结束之后开始在扭转炉中自然冷却降温。具体制备包括以下步骤：

将大尺寸光纤倒像器的毛坯安装在扭转杆的卡头上，采用设定的温度制度进行升温、保温；具体的温度制度如下：外炉保温系统从室温经过90min升温至600℃，保温10min；再经过180min升温至扭转成型温度850℃，并在850℃的扭转成型温度下恒温扭转；待其扭转至180°后，开始降温，降温是在扭转炉中自然冷却降温。当温度降低至120℃时，可以将扭转后的大尺寸光纤倒像器从扭转炉中取出，放在空气中冷却降温。

上述在850℃的扭转成型温度下恒温扭转的扭转参数设定如下：调节扭转杆两侧的驱动端和制动端的扭转速度，使驱动端的转速略大于制动端的转速，二者之间的旋转速度差要求使大尺寸光纤倒像器的毛坯在120min内发生180°的扭转。

1、在扭转炉中，在靠近大尺寸光纤倒像器毛坯的位置设置非接触式粘度测量单元以实时测量其粘度；在扭转杆的两端设置编码器计量实时扭转角度；在扭转杆的两端设置等角度差形成时间测量单元，实时测量10°扭转角度的形成时间；将实时监测的光学纤维的粘度和等角度差形成时间传输至预先训练的机器学习模型中，可以直接确定动能补偿量；扭转杆的制动端还设置有动能补偿系统，也即调节单元；所述调节单元根据机器学习模型给出的动能补偿量调节制动端的扭矩；扭转杆的制动端以调节后的制动扭矩旋转。在120min的扭转过程中，驱动端扭矩固定，实时动态调节制动端的扭矩，以使光纤两端的等角度差形成时间基本不变，扭转角度至180°时扭转结束。通过该方法扭制的大尺寸光纤倒像器，经检测其分辨率，结果为120线对/毫米。

2、使用常规的扭转炉扭转，在120min的扭转过程中驱动端与制动端始终保持恒定的旋转速度差进行扭转180°。通过该方法扭制的大尺寸光纤倒像器，经检测其分辨率，结果为90线对/毫米。

由上述实施例和对比例的分辨率检测结果可见，本发明的动态调节扭转参数的技术手段可很好地改善大尺寸光纤倒像器的分辨率，对于光纤传像元件的的分辨率具有显著的提升。

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 (10)

1.一种光学纤维的扭转方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1)将光学纤维料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；

2)测量所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间；

3)根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

2.根据权利要求1所述的扭转方法，其特征在于，所述光学纤维的粘度测量为非接触式测量。

3.根据权利要求1所述的扭转方法，其特征在于，所述等角度差形成时间是指光学纤维扭转一个等角度差所代表的角度所需要的时间；所述一个等角度差所代表的角度根据需要设定；扭转角度的测量是分别在驱动端和制动端设置编码器以计量驱动端和制动端旋转的圈数，驱动端的圈数减去制动端的圈数后再乘以360°即可得到扭转角度。

4.根据权利要求1所述的扭转方法，其特征在于，步骤3)所述根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量，包括：

将测量的光学纤维的粘度和等角度差形成时间输入预先训练的机器学习模型，得到动能补偿量。

5.根据权利要求4所述的扭转方法，其特征在于，所述预先训练的机器学习模型训练步骤如下：

将样本光学纤维料坯加热至预定的扭转温度下扭转，获取样本光学纤维的样本粘度和第一样本等角度差形成时间；

将所述样本粘度和第一样本等角度差形成时间输入待训练的机器学习模型中，得到预测动能补偿量；

以预测动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维；获取样本光学纤维的样本粘度和第二样本等角度差形成时间；

基于第一样本等角度差形成时间和第二样本等角度差形成时间，调整待训练的机器学习模型，得到预先训练的机器学习模型。

6.根据权利要求1所述的扭转方法，其特征在于，步骤4)所述调节驱动扭矩和/或制动扭矩包括降低驱动扭矩，或者提高制动扭矩，或者同时降低驱动扭矩和提高制动扭矩。

7.一种实施权利要求1～6中任意一项所述方法的扭转装置，其特征在于，其包括：

加热单元，用于将光学纤维加热至预定的扭转温度；

粘度测量单元，用于测量光学纤维的粘度；

等角度差形成时间测量单元，用于测量光学纤维的等角度差形成时间；

确定单元，其电性连接所述粘度测量单元和等角度差形成时间测量单元；所述确定单元根据所述光学纤维的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

调节单元，其电性连接所述确定单元，用于根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩；

扭转单元，其电性连接所述调节单元，用于以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转光学纤维。

8.根据权利要求7所述的扭转装置，其特征在于，其还包括动能补偿系统；所述动能补偿系统设置于所述扭转单元的制动端，用于调节制动扭矩。

9.一种大口径光纤倒像器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

1)将大口径光纤倒像器料坯的一端作为驱动端施加驱动扭矩，另一端作为制动端施加制动扭矩；将所述大口径光纤倒像器料坯加热至预定的扭转温度下进行扭转；

2)测量所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间；

3)根据所述大口径光纤倒像器料坯的粘度和等角度差形成时间确定动能补偿量；

4)根据所述动能补偿量调节驱动扭矩和/或制动扭矩，以调节后的驱动扭矩和/或制动扭矩扭转大口径光纤倒像器料坯，得到大口径光纤倒像器。

10.一种根据权利要求9所述的制备方法制备的大口径光纤倒像器。