本發(fā)明涉及一種光纖傳像元件，特別是涉及一種低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件及其制備方法。
背景技術(shù)：
光纖傳像元件是由成百上千萬(wàn)根微米級(jí)光學(xué)纖維規(guī)則排列形成的光學(xué)元件，包括光纖面板、光纖倒像器、纖維光錐、光纖傳像束等。光纖傳像元件具有數(shù)值孔徑大、光學(xué)零厚度等特點(diǎn)，在光學(xué)傳像、光學(xué)耦合等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
光纖傳像元件內(nèi)的光學(xué)纖維是由高折射率的芯與低折射率的皮構(gòu)成的，滿足全反射條件的輸入光線可以在光纖內(nèi)部由一端傳輸?shù)搅硪欢?，而不滿足全反射條件的輸入光線則穿透皮層成為雜散光。雜散光是引起光纖傳像元件成像清晰度差的最重要因素。為了解決上述問(wèn)題，通常采用在相鄰光學(xué)纖維的空隙處全部或部分填充光吸收玻璃的方式，在芯料和皮料的組合光學(xué)纖維之間存在很多空隙，通過(guò)在全部或部分的空隙處填充光吸收玻璃絲來(lái)提升對(duì)雜散光的吸收效果。目前國(guó)內(nèi)外常使用的光吸收玻璃為圓形結(jié)構(gòu)，其熱學(xué)性能與芯料、皮料組合體光學(xué)纖維相近，由于光吸收玻璃絲與芯皮組合體光學(xué)纖維接觸面積小，只能保證入射到光吸收玻璃上的雜散光才能被吸收，而超出這一范圍的雜散光無(wú)法被吸收而形成串?dāng)_。因此，目前傳統(tǒng)光纖傳像元件普遍存在雜散光吸收效率低、成像不清晰的問(wèn)題，無(wú)法滿足更高清晰度要求的光纖傳像元件的應(yīng)用需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種新型低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件及其制備方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是降低光纖傳像元件的雜散光串?dāng)_，提升其成像清晰度，從而更加適于實(shí)用。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其包括：至少三根圓柱形單光學(xué)纖維緊密平行堆積，任意三根所述單光學(xué)纖維兩兩相切處所包圍的空間構(gòu)成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃填充滿；所述的單光學(xué)纖維由高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒及包覆在高折射率的圓柱形纖芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管構(gòu)成。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其中所述的高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒為硅酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其中所述的低折射率的皮料玻璃管為硅酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃；所述的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的硅酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹系數(shù)為(85-100)×10-7/℃。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其中所述的光吸收玻璃組分(按重量百分比計(jì))為：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，F(xiàn)e2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其中所述的圓柱形單光學(xué)纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其包括以下步驟：
(1)分別將高折射率的纖芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內(nèi)，加熱拉制成圓柱形單光學(xué)纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉制成光吸收玻璃絲；
(2)將所述的單光學(xué)纖維平行排列，并且置于排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學(xué)纖維束，將所述光學(xué)纖維束捆扎并從排棒模具中取出，得到光纖預(yù)制棒；
(3)將所述光纖預(yù)制棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)，得到復(fù)合纖維；
(4)將所述復(fù)合纖維切割，緊密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板經(jīng)真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件；
其中，所述的單光學(xué)纖維的截面的直徑D1和所述的光吸收玻璃絲的截面的直徑D2有如下關(guān)系：
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其中所述的高折射率的纖芯玻璃為硅酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃為硅酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其中所述的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的硅酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹系數(shù)為(85-100)×10-7/℃。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其中所述的圓柱形單光學(xué)纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。
優(yōu)選的，前述的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其中所述的光吸收玻璃組分(按重量百分比計(jì))為：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，F(xiàn)e2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件及其制備方法至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中吸收玻璃完全填充滿堆積空間，降低光纖傳像元件的雜散光串?dāng)_，提升其成像清晰度。結(jié)合本發(fā)明的光吸收玻璃的成份及參數(shù)制備的光纖傳像元件成像清晰度高。
由于本發(fā)明中光吸收玻璃的軟化溫度較纖芯光學(xué)纖維的軟化溫度低100-150℃，而膨脹系數(shù)高20×10-7/℃。通常拉絲溫度要高于芯皮光學(xué)纖維的軟化溫度，因此在拉絲溫度下，光吸收玻璃率先軟化，且膨脹系數(shù)高，會(huì)自動(dòng)填充到光學(xué)纖維之間的空隙處。最后，通過(guò)光纖預(yù)制棒的收縮，將芯料、皮層、光吸收玻璃三者融合成一根復(fù)合纖維，且光吸收玻璃完全填充滿芯、皮之間的空隙，使最終制備的光纖傳像元件的雜散光串?dāng)_降低，成像清晰度提升。
上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。
附圖說(shuō)明
圖1是低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件示意圖。
具體實(shí)施方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件及其制備方法其具體實(shí)施方式、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。在下述說(shuō)明中，不同的“一實(shí)施例”或“實(shí)施例”指的不一定是同一實(shí)施例。此外，一或多個(gè)實(shí)施例中的特定特征或特點(diǎn)可由任何合適形式組合。
如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提出的一種低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件，其包括：
至少三根圓柱形單光學(xué)纖維緊密平行堆積，任意三根所述單光學(xué)纖維兩兩相切處所包圍的空間構(gòu)成光吸收玻璃插孔，所述的光吸收玻璃插孔被光吸收玻璃1填充滿；
所述的單光學(xué)纖維由高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒2及包覆在高折射率的圓柱形纖芯玻璃外面的低折射率的皮料玻璃管3構(gòu)成。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中的高折射率的圓柱形纖芯玻璃棒為硅酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃。
較佳的，本實(shí)施例低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中低折射率的皮料玻璃管為硅酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度為650-750℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的硅酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹系數(shù)為(85-100)×10-7/℃。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中的光吸收玻璃組分為(按重量百分比計(jì))：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，F(xiàn)e2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中的光吸收玻璃的膨脹系數(shù)較對(duì)400-1000nm光線的吸收效果(0.3mm玻璃片，使用分光光度計(jì)測(cè)量)大于95％。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件中的圓柱形單光學(xué)纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提出一種低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法，其包括以下步驟：
(1)分別將高折射率的纖芯玻璃、低折射率的皮料玻璃和光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內(nèi)，加熱拉制成圓柱形單光學(xué)纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉制成光吸收玻璃絲；
(2)將所述的單光學(xué)纖維平行排列，并且緊密堆積成多層置于排棒模具中，在單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學(xué)纖維束，將所述光學(xué)纖維束捆扎并從排棒模具中取出，得到光纖預(yù)制棒；
(3)將所述光纖預(yù)制棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)，得到復(fù)合纖維；
(4)將所述復(fù)合纖維切割，緊密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板經(jīng)真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件；
其中，所述的單光學(xué)纖維的截面的直徑D1和所述的光吸收玻璃絲的截面的直徑D2有如下關(guān)系：滿足如上關(guān)系式，才能保證光吸收玻璃絲能夠插入三根光學(xué)纖維緊密堆積所形成的空隙。
將光纖預(yù)制棒在一定拉絲溫度下，拉制成一定尺寸的復(fù)合纖維。此過(guò)程中，由于光吸收玻璃軟化溫度較纖芯光學(xué)纖維的軟化溫度低100-150℃，而膨脹系數(shù)高20×10-7/℃。通常拉絲溫度要高于纖芯光學(xué)纖維的軟化溫度，因此在拉絲溫度下，光吸收玻璃率先軟化，且膨脹系數(shù)高，會(huì)自動(dòng)填充到光學(xué)纖維之間的空隙處。最后，通過(guò)光纖預(yù)制棒的收縮，將芯料、皮層、光吸收玻璃三者融合成一根復(fù)合纖維，且光吸收玻璃完全填充滿芯、皮之間的空隙。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法中的高折射率的纖芯玻璃為硅酸鹽玻璃，折射率為1.65-1.95，軟化溫度700-800℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃；所述的低折射率的皮料玻璃為硅酸鹽玻璃，折射率為1.45-1.65，軟化溫度650-750℃，膨脹系數(shù)為(60-80)×10-7/℃。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法中的光吸收玻璃為含有氧化鈷、氧化鎳和氧化錳中的至少一種的硅酸鹽玻璃；所述的光吸收玻璃的軟化溫度為500-650℃，膨脹系數(shù)為(85-100)×10-7/℃。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法中的圓柱形單光學(xué)纖維的圓形截面的直徑為4-10微米。
為了使單光纖直徑達(dá)到所需的尺寸要求，有時(shí)還需要將復(fù)合纖維再次排列到形排棒模具中，形成復(fù)合纖維預(yù)制棒，然后將其拉制為一定尺寸的二次復(fù)合纖維。一般經(jīng)過(guò)這一步驟后，二次復(fù)合纖維內(nèi)的每一根光學(xué)纖維尺寸可達(dá)到4-10微米。
較佳的，本實(shí)施例的低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件的制備方法中的光吸收玻璃組分為(按重量百分比計(jì))：SiO2:60％-70％，B2O3：0-10％，∑(Na2O+K2O)：10％-20％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％-15％，F(xiàn)e2O3：0-15％，Co2O3：0-5％，Ni2O3：0-5％，MnO2：0-5％，Al2O3：0-2％。
實(shí)施例1
(1)分別將折射率為1.65，軟化溫度為700℃，膨脹系數(shù)為70×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.45，軟化溫度為670℃，膨脹系數(shù)為60×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為550℃，膨脹系數(shù)為85×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內(nèi)，加熱拉制成圓柱形單光學(xué)纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉制成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計(jì))：SiO2:60％，B2O3：5％，∑(Na2O+K2O)：15％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，F(xiàn)e2O3：1％，Co2O3：3％，Ni2O3：5％，MnO2：5％，Al2O3：1％。
(2)將所述的單光學(xué)纖維平行排列，并且置于排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學(xué)纖維束，將所述光學(xué)纖維束捆扎并從排棒模具中取出，得到光纖預(yù)制棒；
(3)將所述光纖預(yù)制棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)，得到復(fù)合纖維；
(4)將所述復(fù)合纖維切割，緊密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板經(jīng)真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件；
其中，所述的單光學(xué)纖維的截面的直徑為4微米。
實(shí)施例2
(1)分別將折射率為1.95，軟化溫度為750℃，膨脹系數(shù)為80×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.65，軟化溫度為700℃，膨脹系數(shù)為80×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為600℃，膨脹系數(shù)為100×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內(nèi)，加熱拉制成圓柱形單光學(xué)纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉制成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計(jì))：SiO2:70％，B2O3：2％，∑(Na2O+K2O)：10％，∑(MgO+CaO+BaO)：5％，F(xiàn)e2O3：2％，Co2O3：3％，Ni2O3：4％，MnO2：3％，Al2O3：1％。
(2)將所述的單光學(xué)纖維平行排列，并且置于排棒模具中緊密堆積成多層，在單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學(xué)纖維束，將所述光學(xué)纖維束捆扎并從排棒模具中取出，得到光纖預(yù)制棒；
(3)將所述光纖預(yù)制棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)，得到復(fù)合纖維；
(4)將所述復(fù)合纖維切割，緊密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板經(jīng)真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件；
其中，所述的單光學(xué)纖維的截面的直徑為10微米。
實(shí)施例3
(1)分別將折射率為1.85，軟化溫度為780℃，膨脹系數(shù)為68×10-7/℃的高折射率的纖芯玻璃、折射率在1.55，軟化溫度為740℃，膨脹系數(shù)為70×10-7/℃的低折射率的皮料玻璃和軟化溫度為650℃，膨脹系數(shù)為90×10-7/℃的光吸收玻璃加工成圓柱形纖芯玻璃棒、成皮料玻璃管、光吸收玻璃棒；將所述纖芯玻璃棒插入所述皮料玻璃管內(nèi)，加熱拉制成圓柱形單光學(xué)纖維；其中纖芯玻璃棒和皮料玻璃管緊密相貼；將所述的光吸收玻璃棒加熱拉制成光吸收玻璃絲；其中，光吸收玻璃組分為(按重量百分比計(jì))：SiO2:66％，∑(Na2O+K2O)：9％，∑(MgO+CaO+BaO)：10％，F(xiàn)e2O3：3％，Co2O3：2％，Ni2O3：4％，MnO2：5％，Al2O3：1％。
(2)將所述的單光學(xué)纖維平行排列，并且緊密堆積成多層置于排棒模具中，在單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)插入所述的光吸收玻璃絲，得到光學(xué)纖維束，將所述光學(xué)纖維束捆扎并從排棒模具中取出，得到光纖預(yù)制棒；
(3)將所述光纖預(yù)制棒加熱拉絲，使光吸收玻璃絲完全填充到單光學(xué)纖維之間的空隙內(nèi)，得到復(fù)合纖維；
(4)將所述復(fù)合纖維切割，緊密排列到模具中，捆扎成坯板，坯板經(jīng)真空高溫熔壓、滾圓、切割、二次熱加工、拋光得到低雜散光串?dāng)_型光纖傳像元件；
其中，所述的單光學(xué)纖維的截面的直徑為8微米。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。