一种2.5μm光纤倒像器及其制备方法与流程

本发明涉及光纤传像元件制造领域，特别涉及一种2.5μm光纤倒像器及其制备方法。

背景技术：

1、光纤传像元件包括光学纤维面板、光纤倒像器、光纤纤维锥、光纤传像束等，是一种性能优异的光电成像器件，其采用独特的皮料、芯料和吸收料配方，利用真空控制和棒管结合的拉制工艺生产，使产品气密性好、畸变小、斑点少，具有结构简单，体积小，重量轻，数值孔径大，传光效率高，级间耦合损失小，耦合效率高，分辨率高，传像清晰、真实，在光学上具有零厚度，能有效改善边缘像质等特点。光纤传像元件是由数千万根平行排列的光学纤维，经热熔压形成的硬质光纤传像元件，是像增强器、高清晰显示用的关键材料，广泛地应用于国防军事、公安刑侦、航空航天、医疗科学等领域的各种阴极射线管、摄像管、电荷耦合元件ccd耦合、微光夜视、医疗器械显示屏以及高清晰度电视成像和其他需要传送图像的仪器和设备中，是当今世纪光电子行业的高科技尖端产品。

2、光纤倒像器最典型的应用是作为微光像增强器的光学输出窗口，对提高成像器件的品质起着重要的作用。通常用分辨力来表示传像质量的好坏，分辨力通俗的讲就是指能分辨两目标间的最小距离，常用单位长度内所含这个距离的数目来量度，即每毫米内所能分辨的线距对数。分辨力越高，传递图像的性能就越好，被传递的图像就越清晰。

3、在现有技术中，多数光纤倒像器产品主要是由6微米单元丝径组成，少量能够达到4微米单元丝径，在光学纤维规则排列，且光学绝缘良好的情况下，光纤传像元件的分辨力主要取决于相邻光学纤维中心间的距离和排列的形式，针对固定单元丝径的光纤元器件而言，正六边形的纤维排列方式其分辨力性能是正方形排列方式的1.15倍，由此，在制备高分辨力的光纤元器件时，常规使用正六边形的排列方式。因此，单元纤维丝径的大小直接决定了光纤传像元件的分辨力性能。

4、但是，在现行的光纤倒像器的制备工艺和材料体系中，如果需要制备超高清晰光纤传像元件，就需要继续缩小单元纤维丝径，但是目前应用于4微米或6微米的原材料不适用于制备2.5微米光纤传像元件。且由于光学纤维丝是采用热熔牵引拉丝，因材料料性、纤维丝内部结构设计、拉丝设备精度等多种因素的影响，使得单元纤维丝径很难缩小到3微米以下，即使单元纤维丝径缩小到3微米以下，也会带来透过率及透过率不均匀等问题，会严重影响到光纤倒像器的像畸变性能和结构均匀性，最终会影响光纤倒像器的透过率和透过率均匀性，无法实现超高清晰的图像传输。

技术实现思路

1、为解决上述技术缺陷，本发明提供了一种能有效提高分辨力以及透过率和透过率均匀性的2.5μm光纤倒像器及其制备方法，

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种2.5μm光纤倒像器的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒经表面精磨、抛光至直径为30.0±0.5mm，再和厚度为4.7±0.5mm、内径为30.5±0.5mm的低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制，所述单丝的直径为3.2±0.02mm；将光吸收料玻璃棒和皮料玻璃管匹配拉制成套管吸收丝，所述套管吸收丝的直径与单丝相同；

5、(2)一次复丝拉制：将拉制的单丝按每边6根单丝的要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，用套管吸收丝替换排列在六方体中最中心的1根单丝，然后将三角形的高折射率玻璃棒拉制成三角形的填充丝，所述填充丝的高度为0.72±0.01mm，再将所述填充丝均匀插入到一次复合棒中，然后将一次复合棒拉制成的一次复丝，所述一次复丝的六方对边尺寸为0.990±0.015mm；

6、(3)二次复丝拉制：将拉制的一次复丝按每边18根的要求排列成横截面为正六方形的二次复合棒，再将所述的二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝的六方对边尺寸为0.900±0.015mm；

7、(4)排板和热熔压成型：将所述的二次复丝切割成长度为130mm±3mm的二次复丝段，然后按每边21根二次复丝段的要求，将二次复丝段排列成横截面为正六方形的排板板段，再将所述排板板段放入到热熔压成型模具中，按照设计好的板段热熔压成型前后的压缩比开始压板，经热熔压成型后制成单元丝径为2.5μm的光纤传像元件坯板板段；

8、(5)精加工：将制备的2.5μm光纤传像元件坯板板段经过滚圆、切割、端面磨抛的操作加工成倒像器坯板毛坯，所述倒像器坯板毛坯经过加热扭转成型，即加工成2.5μm光纤倒像器。

9、进一步地，制备所述低折射率的皮料玻璃管所用的玻璃组合物，由以下摩尔百分含量的组分组成：

10、

11、优选的，所述低折射率的皮料玻璃管的玻璃组合物由以下摩尔百分含量的组分组成：

12、

13、

14、优选的，所述低折射率的皮料玻璃管的玻璃组合物由以下摩尔百分含量的组分组成：

15、

16、进一步地，所述低折射率的皮料玻璃管的制备方法，包括以下步骤：

17、(1)玻璃熔化：将石英砂、氢氧化铝、硼酸或硼酐、碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾或硝酸钾、碳酸钙、碳酸锶、氧化锌、二氧化钛、氧化铈、氟化镁和氟化钙按照配料要求分别称量，并混合均匀，然后放入窑炉中的玻璃熔化池中熔化；

18、(2)澄清均化：待原料熔化至玻璃熔融液后，玻璃熔融液从玻璃熔融池流入澄清池中，玻璃熔融液经澄清均化去除和吸收小气泡后，玻璃液流入搅拌池中充分搅拌均匀，再流入料盆中降温；

19、(3)拉管成型：待玻璃液冷却降温后，将玻璃液从料盆中流至下料道，再到成型嘴，玻璃液经过成型嘴后由拉管机牵引拉制出均匀成型的玻璃管；

20、(4)切割退火：将拉制成型后的玻璃管按要求切割裁切成一定长度，然后将切割后的玻璃管放入退火炉中退火处理。

21、所述窑炉中的玻璃熔化温度为1500-1600℃，熔融时间为12-24小时；

22、所述澄清池中玻璃澄清温度为1400-1470℃，澄清均化时间为4-6小时；

23、所述退火温度为605-615℃。

24、所述低折射率的玻璃的折射率为1.48～1.51；在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(80±5)×10-7/℃，所述低折射率的玻璃的应变点温度580-620℃，所述低折射率的玻璃的膨胀软化温度为680-710℃，所述低折射率的玻璃在107.6dpa.s的粘度时的温度为780-810℃，所述低折射率的玻璃在850-900℃保温6小时不析晶不分相。

25、进一步地，制备所述填充丝所用的玻璃组合物，由以下摩尔百分含量的组分组成：

26、sio2 15.0-25.0％，al2o3 0-0.5％，b2o3 20.0-30.0％，mgo 1.01-2.0％，sro1.0-5.0％，bao 15.0-25.0％，zno 0.5-2.0％，sno2 0.1-0.2％，tio2 5.0-9.0％，wo3 1.0-5.0％，la2o3 5.0-10.0％，nb2o5 1.0-5.0％，y2o3 0.5-2.0％，ta2o5 1.1-5.0％，gd2o3 0-0.9％，所述填充丝的玻璃的折射率为1.80-1.82，在400-700nm的光谱内透射比大于95％。

27、本发明还提供一种2.5μm光纤倒像器，按照所述的制备方法制备得到；所述2.5μm光纤倒像器的单元纤维丝径≤2.5μm，分辨力＞200lp/mm，在400-700nm波长范围内光谱透过率＞70％，中心和边缘的透过均匀性＜5％。

28、本发明再提供一种所述的2.5μm光纤倒像器在微光像增强器中的应用。

29、本发明制备2.5μm光纤倒像器所用的低折射率的皮料玻璃管所用玻璃的组合物中，sio2是玻璃形成骨架的主体，是玻璃骨架中起主要作用的成分。sio2的摩尔百分比为78.1-80.0mol.％，sio2含量低于78.1mol.％，不易获得低折射率的玻璃，同时会降低玻璃的耐化学稳定性；sio2含量高于80.0mol.％时，玻璃的高温黏度会增加，造成玻璃熔制温度过高，玻璃的制备成本过高，不利于玻璃的生产。

30、al2o3属于玻璃的中间体氧化物，al3+在玻璃中有两种配位状态，即位于四面体或八面体中，当玻璃中氧足够多时，形成铝氧四面体[alo4],与硅氧四面体形成连续的网络，当玻璃中氧不足时，形成铝氧八面体[alo6]，为网络外体而处于硅氧结构网络的空穴中，所以在一定含量范围内可以和sio2一样成为玻璃网络形成主体。al2o3的摩尔百分比为3.1-7.0mol.％，优选为3.5-6.5mol.％，是解决制备2.5μm光纤倒像器高分辨力问题的主要成分，当al2o3的含量低于3.1mol.％，会增加玻璃的脆性，玻璃的应变点温度也不够高，不利于玻璃纤维的拉伸变形，会使得制备的2.5μm光纤倒像器的边缘分辨力降低；当al2o3的含量大于7.0mol.％时，会使得玻璃的熔制温度显著升高，同时显著增加玻璃的高温粘度，不利于光学纤维丝的拉制成型和纤维丝径尺寸的控制。

31、b2o3为玻璃形成氧化物，也是构成玻璃骨架的成分，同时又是一种降低玻璃熔制黏度的助熔剂。硼氧三角体[bo3]和硼氧四面体[bo4]为结构组元，在不同条件下硼可能以三角体[bo3]或硼氧四面体[bo4]存在，在高温熔制条件时，一般难于形成硼氧四面体，而只能以三面体的方式存在，但在低温时，在一定条件下b3+有夺取游离氧形成四面体的趋势，使结构紧密而提高玻璃的低温黏度，但由于它有高温降低玻璃黏度和低温提高玻璃黏度的特性，也是降低玻璃折射率的主要成分，由此决定了b2o3的含量范围较小。b2o3的摩尔百分比为2.0-8.0mol.％，b2o3的含量低于2.0mol.％，无法起到助熔的作用，同时会降低玻璃的化学稳定性；b2o3的含量大于8.0mol.％，会降低玻璃的应变点温度以及延长玻璃料性，不利于光学纤维的拉制成型和纤维丝径尺寸的控制，同时使玻璃的分相倾向增加。

32、li2o是碱金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，li2o的摩尔百分比为0-1.0mol.％，主要起降低玻璃熔制黏度的作用，li2o的含量大于1.0mol.％，会增大玻璃的析晶倾向。

33、na2o是碱金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，na2o的摩尔百分比为0-2.9mol.％，na2o的含量大于2.9mol.％，会增加玻璃的折射率和热膨胀系数，增大玻璃的析晶倾向。

34、k2o是碱金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，k2o的摩尔百分比含量为5.1-10.0mol.％，优选7.1-10.0mol.％，k2o的含量小于5.1mol.％，起不到调节玻璃高温熔制黏度的作用，k2o的含量大于10.0mol.％，会增加玻璃的折射率和热膨胀系数，增大玻璃的析晶倾向。

35、cao是碱土金属氧化物，是玻璃结构的网络外体氧化物，cao的摩尔百分比为1.1-3.0mol.％，cao的含量大于3.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

36、sro是碱土金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，sro的摩尔百分比为0-1.0mol.％，sro的含量大于1.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

37、zno是用来降低玻璃的熔制温度的，zno的摩尔百分比为1.1-2.0mol.％，zno的含量大于2.0mol.％，会降低玻璃的耐化学稳定性，增加玻璃的折射率和析晶倾向。

38、tio2在玻璃熔液中以呈现ti3+和ti4+两种价态，在硅酸盐玻璃中通常以ti4+价态存在，这时其3d轨道是空的，不能发生d轨道中电子之间的“d-d”跃迁，所以ti4+价态在玻璃中呈现无色，然而，由于ti4+能强烈地吸收紫外线，其吸收带通常可以进入可见光区的紫蓝色部分，致使玻璃实际呈现棕黄色，特别是ti4+有加强过渡元素着色的作用，致使玻璃原料中即便含有少量的过渡元素，所得的玻璃仍然会呈现较深的颜色，这种作用对铁元素尤为明显。tio2的摩尔百分比为0-1.0％，tio2是用来调节玻璃的折射率和透过率的，tio2的含量大于1.0mol.％，会降低玻璃的透过率，增加玻璃的折射率。

39、ceo2是玻璃熔制澄清剂，ceo2的摩尔百分比为0.05-0.2％，ceo2的含量大于0.2mol.％，会降低玻璃的透过率并增加玻璃的析晶倾向。

40、mgf2和caf2是用来调节玻璃折射率和高温粘度特性的，mgf2的摩尔百分比为0-2.0mol.％，mgf2含量大于2.0mol.％，会增加玻璃的析晶倾向；caf2的含量为0.05-2.0mol.％，caf2含量大于2.0mol.％，反而不利于玻璃液中小气泡的消除，同时会增加玻璃的析晶倾向。

41、本发明制备2.5μm光纤倒像器所用的皮料玻璃属于硅酸盐玻璃，玻璃中不含有变价元素的氧化物如as2o3、pbo、bao、fe2o3等，即使含有及其微少的量也是由于其它玻璃原料所带入，但是对玻璃原材料的引入时这些变价元素的含量要严格控制在1ppm以下。

42、本发明提供的制备2.5μm光纤倒像器所用的低折射率的皮料玻璃管所用的低折射率玻璃带来的有益效果是：

43、(1)具有低折射率，其折射率为1.48～1.51；

44、(2)在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(80±5)×10-7/℃，该玻璃具有足够长的粘度范围，玻璃的应变点温度为580-620℃，低折射率玻璃的膨胀软化温度为680-710℃；

45、(3)低折射率玻璃在107.6dpa.s的粘度时的温度为780-810℃；

46、(4)该低折射率玻璃在850-900℃保温6小时不析晶不分相，抗析晶性能优良。

47、(5)具有化学性能优良，玻璃成分稳定，折射率低的特点，适合于用作制备皮料玻璃管，且其高温粘度特性适用于机械拉管成型。

48、与现有技术相比，本发明的一种2.5μm光纤倒像器具有以下特性：

49、(1)该2.5μm光纤倒像器的单元纤维丝径≤2.5μm，分辨力大于200lp/mm；

50、(2)该2.5μm光纤倒像器具有优良的固定图案噪声性能，在10倍显微镜下观察无明显复丝边界；

51、(3)该2.5μm光纤倒像器在400-700nm波长范围内准直光透射比＞70％，透过率均匀性＜5％；

52、(4)采用本发明的结构设计和玻璃材料应用在2.5μm光纤倒像器上，能有效提高光纤倒像器的透过率和透过率均匀性，实现光纤倒像器的高分辨力成像效果。

53、本发明的一种2.5μm光纤倒像器具有分辨力高、透过率均匀、成像清晰的优点，采用本发明的一种2.5μm光纤倒像器应用在微光像增强器上，能有效提升微光像管的成像清晰度，可满足微光夜视行业的配套需求，还可替代传统的光纤倒像器产品，提高综合使用性能，促进空间视觉测量、探测成像等相关领域光电器件向高新能、宽视野的方向发展，具有很好的应用推广前景。