CN212134990U - 一种梯度折射率光纤复合丝及传像束 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉属于光纤器件领域，为解决现有技术中为提高传像束透光率采用增大纤芯相对直径或者减小包层相对厚度进而导致传像束的分辨率变低问题，一种梯度折射率光纤复合丝及传像束，包括：多根径向梯度折射率玻璃丝、六边形薄壁黑玻璃管套、若干黑玻璃丝，其特征在于：多根径向梯度折射率玻璃丝以密六角方式组合排列，多根径向梯度折射率玻璃丝设置于六边形薄壁黑玻璃管套中，径向梯度折射率玻璃丝之间的间隙以及多根径向梯度折射率玻璃丝与六边形薄壁黑玻璃管套之间的间隙均填充所述的黑玻璃丝。梯度折射率玻璃丝替代阶跃折射率光纤提高了占空比、分辨率；填充的黑玻璃丝及黑玻璃管套进一步提高了传像的透光率、像质对比度和光学传递函数。
Description
技术领域
本实用新型属于光学器件领域，涉及一种纤传像束。
背景技术
光纤传像束由柔性相干光纤束构成，是工业系统检查或危险环境下的成像应用等必须从远端位置传输图像时的优选工具，传像束规格多样，可满足各种非标准的成像应用。与传统的光学成像器件相比，具有重量轻、使用方便、便于携带等优点，因而在内窥镜、胃镜等医学精密光学设备都有应用，尤其是其耐辐射、耐腐蚀、抗电磁干扰，在军事领域等特殊应用场合更是不可替代。
在一些心血管手术、脑血栓手术中，传像束要在血管里面穿行，软质的传像束没法做到自由穿行，因此本文提出的实用新型为硬质梯度折射率玻璃丝结构，解决了这一问题。
传统的光纤传像束中光纤一般是由双层或多层结构，有纤芯和包层两层，增大纤芯的相对直径或者减小包层的相对厚度都可以提高传像束的透光率，如果纤芯的相对直径较大会导致传像束的分辨率变低，对像质不利，同时如果包层的相对厚度太薄会增加光纤之间的串扰，不利于提升图像的清晰度。
实用新型内容
为解决现有技术中为提高传像束透光率采用增大纤芯相对直径或者减小包层相对厚度进而导致传像束的分辨率变低问题，提出了一种梯度折射率光纤复合丝包括：多根径向梯度折射率玻璃丝、六边形薄壁黑玻璃管套、若干黑玻璃丝，多根径向梯度折射率玻璃丝以密六角方式组合排列，多根径向梯度折射率玻璃丝设置于黑玻璃套管中，径向梯度折射率玻璃丝之间的间隙以及多根径向梯度折射率玻璃丝与六边形薄壁黑玻璃管套之间的间隙均填充所述的黑玻璃丝。
优选的：径向梯度折射率玻璃丝其径向折射率呈抛物线分布。
优选的：径向梯度折射率玻璃丝没有外包层结构。
基于上述梯度折射率光纤复合丝的一种梯度折射率光纤传像束，由若干梯度折射率光纤复合丝排列而成，排列方式为：正方形紧密排列或正六角形紧密排列。
上述方案的梯度折射率光纤复合丝在制作时需要在梯度折射率玻璃丝的基础上进行多次拉丝，其主要制作过程如下：将梯度折射率基础玻璃预制棒拉制成直径为1mm的单丝，然后在一定温度下进行离子交换，使得玻璃中的一价阳离子和熔盐中的一价阳离子进行互扩散，实现玻璃中的某一种一价阳离子沿着玻璃丝径向的浓度从中心到边缘呈梯度分布，从而导致玻璃丝的折射率沿着径向从中心到边缘径向梯度分布。使用离子交换的方法制备径向梯度折射率玻璃丝，在特定温度下交换若干时间后，熔盐离子正好到达轴心，实际时间由实验确定。
将完成离子交换的径向梯度折射率玻璃丝取出清洗并晾干，放入准备好的V型槽铝件进行排丝，排丝的方法为正六角形排列法；在玻璃丝的缝隙插入黑玻璃丝用以消除杂散光；为增强玻璃丝之间的消光作用，需要将排好的单元体（一般为直径40mm）套上六边形薄壁黑玻璃管套，形成一次复丝黑玻璃管预制棒；将一次复丝黑玻璃管预制棒再一次拉丝到直径为1-2mm（缩小20-40倍，此时单丝直径约50-25微米），结束之后再次使用一次复丝黑玻璃管预制棒相同的工艺再一次排丝，形成二次复丝预制棒，最后再经拉丝，此时可以将玻璃丝直径再次缩小10倍，达到5-2.5微米的单丝直径，最后封装成器件。
普通光纤的数值孔径计算公式为NA=(n1 2-n2 2)1/2，n1为包层的折射率，n2为纤芯的折射率，纤芯与包层的折射率的平方差越大，其数值孔径越大；本实用新型制作的径向梯度折射率玻璃丝的数值孔径计算公式为NA=[n(0)2-n(a)2]1/2,n(0)为中心折射率，n(a)为边缘折射率，因此离子交换造成的中心与边缘的折射率的平方差越大，其数值孔径越大。
Li+-Na+型离子交换、Tl+-K+型离子交换，Ag+-Na+型离子交换，Cs+-K+型离子交换等熔盐交换都可以用在本实用新型中，其可以制成不同数值孔径的光纤传像束。
梯度折射率光纤传像束中的梯度折射率光纤复合丝的排列方式有两种，正方形紧密排列和正六角形紧密排列，定义阵列的有效传光面积与总面积之比为填充系数，正方形紧密排列堆积的理论值为78.5%，正六角形紧密排列的理论值为90.7%。
正方形紧密排列在0°与90°方向极限分辨率为1/2d，在45°与135°方向极限分辨率为1/1.414d；正六角形紧密排列在0°，60°和120°方向的极限分辨率为1/1.732d，在30°，90°与150°方向的极限分辨率为1/d。
有益效果
本实用新型的梯度折射率光纤复合丝及其排列而成的梯度折射率光纤传像束一种新型由径向梯度折射率玻璃丝制成的新型光纤传像束，由于其采用梯度折射率玻璃丝而未使用包层，实现了无包层传像，有效利用空间，实现高填充系数，进而提高分辨率。按照一根光纤一个像元的原则，相同像束面积情况下，梯度折射率光纤复合丝的像元数远多于传统光纤的像元数。
用梯度折射率玻璃丝替代阶跃折射率光纤，无需添加全反射包层，可实现占空比大，分辨率高。
黑玻璃丝、六边形薄壁黑玻璃管套均具有较强的吸光能力。梯度折射率玻璃丝之间的缝隙填充黑玻璃丝、复合丝外层套有六边形薄壁黑玻璃管套可以进一步提高传像的透光率、像质对比度和光学传递函数。
附图说明
图1为光纤的正六角形紧密排列示意图；
图2为梯度折射率光纤复合丝示意图；
图3为传像束的工艺流程制备流程图；
图4为传像束中径向梯度折射率玻璃丝的抛物形折射率分布图；
附图标记
1-径向梯度折射率玻璃丝，2-六边形薄壁黑玻璃管套，3-黑玻璃丝，4-梯度折射率光纤复合丝。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例一
一种梯度折射率光纤复合丝，如图1所所示，包括：多根径向梯度折射率玻璃丝1、六边形薄壁黑玻璃管套2、若干黑玻璃丝3，多根径向梯度折射率玻璃丝以密六角方式组合排列，多根径向梯度折射率玻璃丝设置于黑玻璃套管中，径向梯度折射率玻璃丝之间的间隙以及多根径向梯度折射率玻璃丝与六边形薄壁黑玻璃管套之间的间隙均填充所述的黑玻璃丝。
优选的：径向梯度折射率玻璃丝其径向折射率呈抛物线分布，图4为传像束中径向梯度折射率玻璃丝的抛物形折射率分布图。
优选的：径向梯度折射率玻璃丝没有外包层结构。
实施例二
基于上述梯度折射率光纤复合丝的一种梯度折射率光纤传像束，如图2所示，由若干梯度折射率光纤复合丝4排列而成，排列方式为：正方形紧密排列或正六角形紧密排列。
图3为传像束的工艺流程制备流程图；作为一个示例，将含铊玻璃预制棒拉制成直径为1mm的单丝，然后根据离子扩散理论，使用离子交换的方法制备径向梯度折射率玻璃丝，在550摄氏度下交换43小时后，熔盐离子正好到达轴心；将制备的径向梯度折射率玻璃丝取出清洗并晾干，放入准备好的V型槽铝件进行排丝，排丝的方法为正六角形排列法；为了防止各丝之间串像，在梯度折射率玻璃丝之间的缝隙中填充进同样相同热膨胀系数的黑玻璃丝；最后将排好的玻璃丝阵列放入热膨胀系数与单丝一致的六边形薄壁黑玻璃管套中，形成一次复丝预制棒；将制备完毕的一次复丝预制棒进行二次拉丝、排丝，形成二次复丝预制棒，最后在拉丝塔上拉制直径0.1mm-0.5mm的光纤传像束，制成的光纤传像束可以实现无包层传像，无需添加全反射包层，可实现大占空比，高分辨率。
优选的，光纤传像束的单根光纤使用Cs+-K+型离子交换。
优选的，制成的光纤传像束的数值孔径为0.47。
优选的，梯度折射率光纤复合丝直径为3-5μm。
优选的，光纤传像束的分辨率优于50 lp/mm。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型性的保护范围之内的实用新型内容。
Claims (7)
1.一种梯度折射率光纤复合丝，包括：多根径向梯度折射率玻璃丝、六边形薄壁黑玻璃管套、若干黑玻璃丝，其特征在于：多根径向梯度折射率玻璃丝以密六角方式组合排列，多根径向梯度折射率玻璃丝设置于六边形薄壁黑玻璃管套中，径向梯度折射率玻璃丝之间的间隙以及多根径向梯度折射率玻璃丝与六边形薄壁黑玻璃管套之间的间隙均填充所述的黑玻璃丝。
2.根据权利要求1所述的梯度折射率光纤复合丝，其特征在于：径向梯度折射率玻璃丝其径向折射率呈抛物线分布。
3.根据权利要求1所述的梯度折射率光纤复合丝，其特征在于：径向梯度折射率玻璃丝没有外包层结构。
4.一种梯度折射率光纤传像束，其特征在于，由若干权利要求1至3之一所述的梯度折射率光纤复合丝排列而成，排列方式为：正方形紧密排列或正六角形紧密排列。
5.根据权利要求4所述的一种梯度折射率光纤传像束，其特征在于，光纤传像束的数值孔径为0.47。
6.根据权利要求4所述的一种梯度折射率光纤传像束，其特征在于，梯度折射率光纤复合丝直径为3-5μm。
7.根据权利要求4所述的一种梯度折射率光纤传像束，其特征在于，光纤传像束的分辨率优于50 lp/mm。
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Cited By (2)
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| CN115043587A (zh) * | 2021-03-09 | 2022-09-13 | 飞秒光电科技(西安)有限公司 | 一种玻璃丝排丝结构及方法 |
| CN115385576A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-11-25 | 苏州大学 | 含铯玻璃、多边形梯度折射率纤维透镜及其阵列制备方法 |
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