專利名稱：一種高分辨率光纖傳像束的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高分辨率光纖傳像束的制造方法，屬于光與圖像傳輸領域。
背景技術：
光纖傳像束一般是由玻璃材料制成的數(shù)千或數(shù)萬根長度一定、直徑在若干微米的 單絲(單根光纖)集束而成。為了直接傳遞圖像信息，要求傳像束中的每一根單絲(即每 個象素)在傳像束兩端的位置按照一一對應的關系緊密排列，也就是說入射端和出射端中 的每個象素在端面上所處的相對位置完全一致。這樣，每根單絲就可以看成是一個取像單 元，即象素，圖像即可經(jīng)過大量象素的分解分別傳輸至出射端，由于出射端和入射端有著同 樣的排列方式，于是在出射端圖像信息被重新組合還原成為完整的圖像了。這就是光纖傳 像束的工作原理。 傳像束一般有兩種生產(chǎn)工藝一是排絲法，二是酸溶法。排絲法是直接把大量的單 絲在兩端集束成整齊排列的二維陣列。但是這種方法的難點是制作技術要求很高，把數(shù)萬 根直徑只有微米量級的單絲整齊的排列起來并不容易。通常為了降低制作難度，單絲直徑 一般較大，例如幾十至數(shù)百微米的直徑，這樣在空間有限的情況下不利于分辨率的提高。為 了提高象素數(shù)量，需要增加傳像束的直徑，通常要達到數(shù)毫米的直徑，這直接限制了傳像束 的應用范圍。如果能做得的更細，傳像束就可以直接插入更細小的生物器官，如血管、膽管 等。而且，傳像束一般由脆性玻璃制造，因此在排絲法制作工藝當中斷絲現(xiàn)象很容易發(fā)生， 因而成品率低，造價高。在使用過程，傳像束的單絲也較容易因為彎曲等因素而斷裂，那么 它傳送的象素就會消失，因而出現(xiàn)黑點，使得圖象區(qū)域出現(xiàn)無效區(qū)，分辨率下降。
酸溶法，該方法是首先制造三層同軸單絲(最內(nèi)層為芯層，中間是皮層，最外層是 可溶性玻璃層)，然后排列成束，熱熔拉制成復合細絲，最后將該符合細絲置于酸溶液內(nèi)去 除單絲的最外層材料(傳像束兩端除外)，進而使得各個單絲分開，從而獲得傳像束的柔韌 性。這種工藝限制了傳象素的單絲數(shù)量，也就是直接限制了象素的增加。這是因為如果單 絲組成的束直徑，即傳像束直徑太大，比如3mm以上，像束中間的可溶性玻璃會因為酸溶液 無法順利滲透進去而無法被腐蝕掉，進而難以獲得期望的柔韌性能。 CN1828348A描述了一種酸溶法制作小截面柔性光纖傳像束的制造方法。采用三套 坩鍋法制造了三層同軸的單絲，然后排列再熱熔成剛性復絲，最后將該復絲進行酸溶處理 而成為柔性光纖傳像束。該方法可制作截面較小的柔性傳像束，直徑在0. 6 2mm，并且有 效通光面積提到高到了 40 50% ，但是象素較小， 一般為10000左右及其以下，再大的話就 會給生產(chǎn)工藝帶來極大困難。CN101419308A描述了一種大截面的光纖傳像束。這里的大 截面主要是高的象素要求引起的。最終的設計象素可高達140000，但同時傳像束的直徑達 到5.6mm左右，而分辨率僅在40 601p/mm范圍。這是因為單絲直徑較大引起的(12um以 上)。 CN1800892A介紹了一種高分辨率光纖傳像束的制造方法。該方法表示可以制作出 單絲直徑低至3 y m左右的，分辨率達1661p/mm的光纖傳像束，截面面積達10X 10mm。而實際上要把12 18iim的復合細絲再進行排列，這在實際生產(chǎn)過程是十分困難的。另外由于 其復合細絲進行的簡單排列方式，復合細絲之間存在較多的完全無效的空間，這降低了傳 像束的有效通光面積，并且會影響到分辨率。 高分辨率的光纖傳像束在科研、醫(yī)療、軍事領域等都有著廣泛的應用，在軍用偵察 潛望鏡、反坦克導彈系統(tǒng)中均采用高分辨率大截面積的光纖傳像束，分辨率要求901p/mm 以上，截面積在5X5mm以上。而在醫(yī)學上的應用則要求傳像束要柔韌，直徑要小，象素較 高，分辨率很高，例如大于1001p/mm。這樣的光纖傳像束可以用于食道、直腸、膀胱、子宮、胃 等深部探查內(nèi)窺鏡(胃鏡、血管鏡等)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了解決上述現(xiàn)有技術提及的幾種光纖傳像束設計制作方法上存 在的缺陷如象素偏低或者象素高但是分辨率并不高、制作工藝難度大等技術問題。本發(fā)明 提出一種工藝簡便，且可制造高分辨率光纖傳像束的方法，使用該方法制作的光纖傳像束 的分辨率可達2491p/mm、單絲直徑低至2um、象素至少大于8000，典型值為20000 100000 的柔性光纖傳像束。傳像束的直徑在O. 2mm 2mm，本方法可制作分辨率高、象素較高、柔韌 的光纖傳像束，同時具有產(chǎn)量高、成本低的特點。 該方法基于等離子體化學氣象沉積(PCVD)工藝，對用于拉制傳像束單絲的預制 棒折射率剖面進行設計，再利用PCVD工藝制造預制棒。利用成熟的PCVD技術有利于發(fā)揮 成熟通信光纖預制棒制造技術的優(yōu)勢，可有效降低光纖由于雜質(zhì)離子、缺陷、污染物等因素 帶來的損耗。完全基于PCVD工藝的光纖設計使得獲得單絲傳光損耗很小，例如最大可見光 傳輸損耗小于O. 03dB/m，有利于最大限度的提高透光率。傳輸損耗相比與以上專利，至少小 一個數(shù)量級。 在選擇單絲的材料時，要求芯材料的透光率高，而包層材料要求折射率低，并且要 求芯材料和包層材料的折射率相差越大越好。在熱性能方面，要求兩種材料的熱膨脹系數(shù) 相接近，若相差較大，則單絲內(nèi)部會形成較大內(nèi)應力，使單絲波導的透光率和強度降低。另 外，要求兩種材料的軟化點和高溫下的粘度都要相接近，否則，會導致芯材料和包層材料結(jié) 合不均勻，將會影響到單絲的導光性能。采用通信光纖制造工藝普遍使用的等離子體氣象 化學沉積方法(PCVD)制作的光纖預制棒被用來拉制此處需要的傳像束的單絲。該預制棒 的制作充分考慮到波導結(jié)構(gòu)合理性、材料熱膨脹系數(shù)、軟化點和高溫下黏度的匹配。在該預 制棒內(nèi)，其芯直徑15 20mm，包層直徑為18 24mm，于是芯包比典型范圍為0. 62 0. 91 ， 遠大于以上提到專利里的該值，這將極大提高傳像束的有效通光面積。這里用于單絲拉制 的該預制棒為兩層同軸的結(jié)構(gòu)。 影響單絲使用性能的因素很多，單絲的集光能力、透光性、分辨率和對比度是影響 光纖束傳像能力的主要指標。數(shù)值孔徑用于表示單絲集光能力的大小和接收光的多少，而 數(shù)值孔徑的大小直接與光導纖維芯材料和包層材料的折射率有關，芯材料與包層材料的折 射率相差越大，則單絲的集光能力就越強；單絲的透光性則與所使用的材料、數(shù)值孔徑及纖 維的幾何尺寸有關，并隨著單絲長度的增加而下降。圖像的清晰程度是由分辨率決定的，而 分辨率與光導纖維的直徑成反比，因此光導纖維的直徑要盡可能地細。影響光導纖維對比 度的因素主要有纖維的集光能力、透光能力、分辨能力和包層的厚度。包層厚薄的程度宜適
5中，包層厚度太厚會直接導致有效通光面積大幅度下降，太薄則會漏光，從而導致單絲傳輸 的光相互串擾使得圖像變得模糊不清。
本發(fā)明的技術方案實現(xiàn)方式 —種高分辨率光纖傳像束的制造方法，按以下步驟進行 (1)、采用PCVD工藝制作預制棒，用于單絲的拉制，所述的預制棒為兩層同軸的結(jié) 構(gòu)，芯層直徑為15 20mm，包層直徑也就是該預制棒直徑為18 24mm，芯包比的范圍為 0. 62 0. 91 ; (2)、將預制棒在普通光纖拉絲塔上拉制為直徑在0. 5 3mm范圍直徑相同的單 絲； (3)、將拉制獲得的單絲分切處理成相同長度，300mm 900mm的段長若干段；對其
進行清洗干燥處理之后，根據(jù)所需光纖傳像束象素的數(shù)量要求，按以下公式(1)、 (2)、 (3)
計算得到單絲、復絲的數(shù)量，將所需數(shù)量的單絲按密堆積的方式排列成型； SN1 = (3N,3)噴)SN2 = (3N2+3) N2 (2) PixelCount = SN1X SN2 (3) (4)、將步驟(3)堆好的單絲束放入一個薄壁外套管，并對間隙處進行填充，填充
材料為直徑合適的純二氧化硅玻璃絲或者與單絲材料組成結(jié)構(gòu)一致但是直徑略異的單
絲； (5)、將步驟(4)形成的單絲束置于普通拉絲塔上，拉制為直徑在0. 5 3mm的復 絲；將該復絲分切成相同長度，并在酸溶液內(nèi)將該復絲外包的外套管腐蝕掉，再清洗干燥， 然后再次將所需數(shù)量的復絲按密堆積的方式進行排列成為復絲束； (6)、將以上復絲束放入一個薄壁外套管，并對單個復絲之間的間隙，以及復絲束 與外套管之間的間隙用直徑合適的純二氧化硅玻璃絲進行填充； (7)、將以上步驟(6)形成的復絲束置于普通拉絲塔進行拉制為直徑0. 2mm 2mm 的光纖傳象束。該光纖傳像束具有一定的柔性，對于O. 2mm的傳像束，最小彎曲半徑可低至 15mm，分辨率可達2491p/mm。 所述拉制單絲所用的預制棒為兩層同軸結(jié)構(gòu)，所述用于拉制單絲的預制棒的芯層 材料為以下組合中的任一種純二氧化硅、純二氧化硅摻Ge、純二氧化硅摻F、純二氧化硅 Ge與F共摻。 所述用于拉制單絲的預制棒的包層層材料為以下組合中的任一種純二氧化硅、 純二氧化硅摻F。 所述用于拉制單絲的預制棒的芯層和包層直徑的比例為0. 62 0. 91，其芯直徑 為15-20mm，包層直徑為18 24mm。 為保證單絲具備良好的收光能力，所述用于拉制單絲的預制棒的芯層材料折射率 n2和包層材料的折射率滿足1. 46 < n2 < 1. 5， 1. 44 << 1. 46，并且它們之間滿足關
系:0.1 2 一22 _"!2 H 所述用于拉制單絲的預制棒的典型折射率剖面為階躍型，或者為漸變型，如附圖2 所示。 所述單絲的折射率剖面與所述預制棒的折射率剖面完全一樣，因此預制棒的數(shù)值 孔徑NA代表了單絲的NA，也就是最終獲得的傳像束的NA。 NA的定義為A^4 = 一22。
所述步驟(3)單絲按密堆積的方式進行排列，需要單絲的數(shù)量可用下式估算
SN1 = (3N,3)N丄 (1) 這里SN1表示步驟(3)所需單絲的數(shù)量，K表示步驟(3)密堆積的層數(shù)。
為了獲得較高的象素，典型的&的取值范圍為5《&《12。
所述步驟(5)獲得的復絲按密堆積的方式進行排列，需要的數(shù)量可用下式估算
SN2 = (3N2+3) N2 (2) 這里SN2表示步驟(5)所需復絲的數(shù)量，N2表示步驟(5)復絲密堆積的層數(shù)。
為了獲得較高的象素，一般地^的取值范圍為5《N2《12。
所述最終拉制獲的光纖傳像束外直徑O. 2mm 2mm。象素的數(shù)量由下式大致確定
P ixel Count = SN1XSN2 (3) 所述光纖傳像束具有一定的柔性，對于0. 2mm的傳像束，最小彎曲半徑可低至 15mm ;分辨率可達2491p/mm。 本發(fā)明采用PCVD工藝制作用于拉制單絲的預制棒，保證了光纖傳像束原材料的 高純度，以及單絲精確的折射率剖面分布。后續(xù)工藝采用類似排絲法的方式，兩次排列第 一次是對毫米級單絲進行排列，這在工藝上是容易實現(xiàn)的；第二次亦是對毫米級的復絲進 行排列，這也是容易實現(xiàn)的。這種只對毫米級單絲或復絲的排列的方法保證了排列的質(zhì)量， 從而確保了每個象素位置的精確性，同時還避免了如背景技術所述專利中層疊法斷絲率高 無法將單絲直徑做的很細的缺點、酸溶法所進行的酸溶過程的斷絲率也高的問題。采用該 方法的斷絲率為零，有效保證了傳像束的象素質(zhì)量。采用兩次排列的方法極大的提高了象 素的數(shù)量，象素數(shù)量由式(3)確定，可見要獲得很高的象素是很容易的。例如當K和^都 等于7，則象素為28224。另外由于借鑒的普通玻璃絲的拉制工藝以及光子晶體光纖的堆拉 工藝(stacking and drawing process)，每次拉制即可拉制長度長達530米和N2都等 于7時，拉制860um玻璃直徑的光纖傳像束)。這使得本發(fā)明的方法成為一種低成本，高產(chǎn) 量的光纖傳像束制作方法。


圖la為預制棒結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)圖。 圖lb為預制棒結(jié)構(gòu)的橫向結(jié)構(gòu)視圖。 圖2a為階躍型的預制棒折射率剖面圖。 圖2b為漸變型的預制棒折射率剖面圖。 圖3為將單絲按密堆積的方式排列而成的結(jié)構(gòu)圖。 圖4為將復絲按密堆積的方式進行排列而形成復絲束的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例 本發(fā)明的具體實現(xiàn)方式為 (1)、采用PCVD工藝制作預制棒，并拉制出單絲。該預制棒為兩層同軸的結(jié)構(gòu)，如 圖la、圖lb所示，芯層11的直徑為17mm，包層12的直徑也就是該預制棒直徑為20mm，則芯 包直徑比為O. 85，其折射率剖面如圖2a所示，也可以采用其折射率剖面如圖2b所示的預制 棒；將該預制棒在普通光纖拉絲塔上拉制為直徑在1 2mm范圍直徑相同的單絲；
(2)、將拉制獲得的單絲分切處理成相同長度，每段900mm的段長若干段，對其進
行清洗干燥處理之后，取270支單絲，按密堆積的方式排列成型，如圖3所示； (3)、將步驟(2)堆好的單絲束放入一個薄壁外套管，并對間隙處進行填充從而形
成單絲束；填充材料為直徑合適的純二氧化硅玻璃絲，或者是與單絲材料組成、結(jié)構(gòu)一致但
是直徑略異的單絲；填充是為了保證拉制后單絲束的圓度，以及減小每個單絲在拉制過程
中的形變； (4)、將步驟(3)形成的單絲束置于普通拉絲塔上，拉制為直徑在2mm的復絲，然后 將該復絲分切成長度為900mm的短復絲，再酸腐蝕掉所有復絲最外邊外包的套管對應部分 后，清洗干燥，然后再次取270支短復絲按密堆積的方式進行排列成為復絲束，再放入一個 薄壁外套管，并對單個復絲之間的間隙，以及復絲束與外套管之間的間隙用直徑合適的純 二氧化硅玻璃絲進行填充，圖4所示； (5)、將以上步驟(4)形成的復絲束置于普通拉絲塔進行拉制，最終拉制為直徑 0. 86mm的光纖傳象束。該光纖傳像束具有一定的柔性，最小彎曲半徑可低至30mm ;分辨率 達2271p/mm，象素數(shù)量達到72900。
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權(quán)利要求
一種高分辨率光纖傳像束的制造方法，按以下步驟進行(1)、采用PCVD工藝制作預制棒，用于單絲的拉制，所述的預制棒為兩層同軸的結(jié)構(gòu)，芯層直徑為15～20mm，包層直徑為18～24mm，芯包比的范圍為0.62～0.91；(2)、將預制棒在普通光纖拉絲塔上拉制為直徑在0.5～3mm范圍直徑相同的單絲；(3)、將拉制獲得的單絲分切處理成相同長度，300mm～900mm的段長若干段；對其進行清洗干燥處理之后，根據(jù)所需光纖傳像束象素的數(shù)量要求，按以下公式(1)、(2)、(3)計算得到單絲、復絲的數(shù)量，將所需數(shù)量的單絲按密堆積的方式排列成型；SN1＝(3N1+3)N1(1)SN2＝(3N2+3)N2(2)PixelCount＝SN1×SN2(3)(4)、將步驟(3)堆好的單絲束放入一個薄壁外套管，并對間隙處進行填充，填充材料為直徑合適的純二氧化硅玻璃絲或者與單絲材料組成結(jié)構(gòu)一致但是直徑略異的單絲；(5)、將步驟(4)形成的單絲束置于普通拉絲塔上，拉制為直徑在0.5～3mm的復絲；將該復絲分切成相同長度，并在酸溶液內(nèi)將該復絲外包的外套管腐蝕掉，再清洗干燥，然后再次將所需數(shù)量的復絲按密堆積的方式進行排列成為復絲束；(6)、將以上復絲束放入一個薄壁外套管，并對單個復絲之間的間隙，以及復絲束與外套管之間的間隙用直徑合適的純二氧化硅玻璃絲進行填充；(7)、將以上步驟(6)形成的復絲束置于普通拉絲塔進行拉制為直徑0.2mm～2mm的光纖傳象束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述預制棒 為兩層同軸結(jié)構(gòu)，所述預制棒的芯層材料為以下組合中的任一種純二氧化硅、純二氧化硅 摻Ge、純二氧化硅摻F、純二氧化硅Ge與F共摻。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述預制棒的包層層材料為以下組合中的任一種純二氧化硅、純二氧化硅摻F。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述預制棒的芯層材料折射率n2和包層材料的折射率ni滿足1. 46 < n2 < 1. 5， 1. 44 < < 1. 46， 并且它們之間滿足關系:0.1 -",2」0.4。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述預制棒的典型折射率剖面為階躍型或者為漸變型。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述單絲的折射率剖面與所述預制棒的折射率剖面完全一樣，預制棒的數(shù)值孔徑NA代表了單絲的NA， NA的定義為A^4 = 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述步驟(3)<formula>formula see original document page 2</formula>其中SN1表示步驟(3)所需單絲的數(shù)量，K表示步驟(3)密堆積的圈數(shù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于A的取值范 圍為5《K《12。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于所述步驟(5)獲得的復絲按密堆積的方式進行排列，需要的數(shù)量用下式估算SN2 = (3N2+3) N2 (2)其中S^表示步驟(5)所需復絲的數(shù)量，^表示步驟(5)復絲密堆積的圈數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高分辨率光纖傳像束的制造方法，其特征在于^的取值范 圍為5《N2《12。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高分辨率光纖傳像束的制造方法，步驟如下將預制棒拉制直徑0.5～3mm的單絲；再將單絲分切處理成相同長度若干段，進行清洗干燥，將合適數(shù)量的單絲按密堆積方式排列成型，再放入一個薄壁外套管，并對間隙處進行填充，再拉制直徑0.5～3mm的復絲；將復絲分切成相同長度，并在酸溶液內(nèi)將復絲外包的外套管腐蝕掉，再清洗干燥，再次按密堆積的方式進行排列成為復絲束；將復絲束放入一個薄壁外套管，并對單個復絲之間的間隙及復絲束與外套管之間的間隙用合適的純二氧化硅玻璃絲進行填充；再將該復絲束置于普通拉絲塔進行拉制直徑0.2mm～2mm的光纖傳象束。本發(fā)明可制作具有分辨率高、象素高、柔韌的光纖傳像束，并且同時具有產(chǎn)量高成本低的特點。
文檔編號G02B1/00GK101702045SQ200910272789
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月17日
發(fā)明者張方海, 曹蓓蓓, 陳波, 陳蘇, 韋會峰, 韓慶榮 申請人:長飛光纖光纜有限公司