CN115542456A - 一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法、应用 - Google Patents

一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法、应用，属于光纤传像元件制造领域。制备Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的光吸收料玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：SiO2 60‑69.9，Al2O3 1.0‑10.0，B2O310.1‑15.0，Na2O 1.0‑8.0，K2O 3.0‑10.0，MgO 0.1‑1.0，CaO 0.5‑5.0，ZnO 0‑0.1，TiO2 0‑0.1，ZrO2 0.1‑1.0，Fe2O3 3.0‑6.5，Co2O3 0.1‑0.5，V2O5 0.51‑1.5，MoO3 0.1‑1.0。该光纤倒像器具有杂散光串扰少、分辨率高、对比度高的优点。

Description

一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法、应用
技术领域
本发明涉及光纤传像元件制造领域，特别涉及一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法、应用。
背景技术
光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥、光纤传像束等，是一种性能优异的光电成像元器件，其最典型的应用是作为微光像增强器的光学输入、输出窗口，对提高成像器件的品质起着重要的作用。光纤传像元件的传像机理是利用光学纤维的全反射原理实现的，构成光纤传像元件的光学纤维是由低折射率的皮料玻璃管、高折射率的纤芯玻璃棒和高效吸收杂散光的光吸收料玻璃丝利用棒管结合和真空拉制工艺经热熔压制备而成的。由于光学纤维完全由皮料玻璃紧密地熔合在一起，各相邻之间的光学纤维靠的近，导致相邻纤维间会出现串光，或者由于制备过程中温度场或者拉制受力不均匀可能导致的皮层玻璃管壁厚不均匀等问题，最终导致输入光线会在全反射过程中穿透皮层发生光渗透现象，造成漏光，或者光纤纤维的芯料或皮料接触界面因为存在缺陷或污染物而破坏了光的全反射条件，使光线在此发生了散射，这些散射光进入到相邻纤维中，就造成了串光。杂散光的存在是直接影响光纤传像元件的对比度等成像质量的重要因素，为了解决上述难题，通常采用在相邻的光学纤维的空隙处填充光吸收料玻璃丝，利用光吸收料玻璃丝来吸收杂散光以提高光纤传像元件的成像质量。在排列好的光学纤维的间隙中***光吸收纤维丝，从而起到吸收串光、漏光等作用，但是不能完全实现光绝缘，其中关键就是光吸收料玻璃材料的问题。普通的光吸收料玻璃在0.5mm厚度下对可见光范围仍然具有较高的透过率，随着厚度减薄，透过率会逐渐增加，而传统的光纤传像元件的光吸收料普遍存在杂散光吸收效率低、成像对比度差等问题，特别是应用于光纤传像元件中的纤维丝径不大于4μm的光学纤维丝，光吸收料中的着色离子有可能会扩散到皮层玻璃中去，无法满足高对比度光纤传像元件的应用需求。微光夜视技术对夜间的观察起着非常重要的作用，在夜视领域被广泛应用的微光夜视仪，具有在夜间低照度条件下观察及瞄准的能力，具有分辨力高、体视感好的特点，是士兵夜间作战的主要装备，能够保证士兵在夜间完成探测、瞄准和击中作战目标的任务。微光夜视仪能否捕捉到足够清晰的细节信息，与光纤传像元件的对比度有很大关系，对比度是光纤传像产品中的一个重要性能指标，随着光纤传像技术的不断发展，对产品的各项性能要求越来越高，而光纤倒像器则是保障微光夜视仪成像质量的关键材料，有效区尺寸大于Φ40mm的光纤倒像器称为大尺寸光纤倒像器。大尺寸光纤倒像器具有体积大、分辨力高、大视野等特点，图像传输稳定，被广泛应用于机器视觉、飞行模拟器等方面的瞄准，可用于主战坦克的枪瞄准、潜望镜侦察监视、核实验图像及时采集、大型装甲车、坦克、大型舰船的微光夜视***中等。大尺寸光纤倒像器是一种由成千上万根具有单元纤维丝径小于6μm的光学纤维经过紧密堆积排列、热熔压成型、扭转成型制备的可传递图像的硬质光纤传像元器件。大尺寸光纤倒像器中的每根光学纤维都具有很好的光学绝缘性，因此每根光学纤维都能够独立传光传像，而不受临近其它光学纤维的影响，作为光学耦合传像器件具有高分辨率、零畸变、传光效率高等特点，同时具有倒像的功能，可以获得大尺寸、大视野、远距离的观测。
目前国内能够批量生产的光纤倒像器尺寸大都在直径Φ30mm以下，而由于大尺寸光纤倒像器主要用于阴极射线管、摄像管、像增强器等需要传送图像的仪器和设备中，因此对产品制作工艺要求极高。大尺寸光纤倒像器由于直径大，体积大，在制备过程中，光纤板毛坯体积越大，光纤板毛坯加热渗透过程越困难，需要受热的时间越长，扭转成型过程也就越困难，但是受热时间越长，导致光吸收料中的着色离子渗透到皮层玻璃管的几率也就越大，光纤倒像器中的纤维结构在高温过程中被拉伸破坏的几率也就越大，会导致光纤倒像器出现复丝阴影、网格、斑点、边缘分辨力消失等缺陷，特别是随着光纤倒像器外形尺寸增大，会给制备工艺带来极大困难，在制备过程中不但要考虑边缘透过率的要求，还要考虑制备过程中，温度、工艺过程中3种材料的粘度匹配、成分相互扩散对光纤倒像器边缘分辨率、像畸变及内部斑点缺陷等的影响，所以大尺寸的高对比度光纤倒像器的制造难度很大。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种有效区直径大于Φ40mm 的大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备单丝和光吸收丝：将高折射率的纤芯玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配后进行单丝拉制，得到拉制的单丝，所述单丝的丝径为3.20～4.20mm；将光吸收料玻璃拉制成光吸收丝，所述光吸收丝的丝径为0.49～0.64mm；
(2)拉制一次复合棒：将拉制的单丝排列成横截面为正六边形的六方体，并将光吸收丝***到拉制的单丝之间相邻的空隙中，得到一次复合棒；所述六方体中，每边为4根单丝，所述单丝总根数为37根；所述光吸收丝的插丝根数为24-60根，再将一次复合棒拉制成一次复丝，所述一次复丝的横截面为正六边形，所述一次复丝的六方对边尺寸0.78-0.98mm；
(3)拉制二次复合棒：将一次复丝再排列成横截面为正六边形的六方体，得到二次复合棒，二次复合棒的每边为17根一次复丝，一次复丝排成的二次复合棒中，一次复丝的总根数为817根，将二次复合棒再拉制成二次复丝，所述二次复丝的横截面为正六边形，所述二次复丝的六方对边尺寸为0.87-0.89mm；
(4)热熔压、扭转成型：将二次复丝定长切割后排列成板段，按照板段热熔压成型前后设计好的压缩比热熔压成型，得到单元丝径≤4.0μm的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的光纤维板毛坯，再将光纤维板毛坯的两端经过180°角度的扭转成型，即可得到有效区尺寸大于Φ40mm的大尺寸高对比度光纤倒像器。
所述光吸收料玻璃的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配备：按照配比称取石英砂、氧化铝、硼酸或硼酐、碳酸钠、碳酸钾、碱式碳酸镁、碳酸钙、氧化锌、二氧化钛、氧化锆、三氧化二铁、三氧化二钴、五氧化二钒和氧化钼，混合均匀，得到原料混合物；
(2)玻璃熔融：将原料混合物放入坩埚中进行高温熔融，待原料混合物熔融后澄清，将熔融澄清后的玻璃液在模具中浇铸成规定规格的玻璃，待玻璃冷却凝固后进行退火处理，得到光吸收料玻璃。
所述高温熔融包括在1450-1550℃温度下熔融3-5小时，所述原料混合物在熔融过程中进行1-2次的搅拌；
所述澄清的温度为1300-1400℃，所述澄清的时间为1-2小时；
所述退火处理为在500-549℃下保温2-3小时，再用20-24小时降温至室温；
还包括，待浇铸完成后玻璃液还未完全凝固时，用震荡器将玻璃熔液振动均匀，以去除玻璃熔体中的内部孔洞和气泡。
所述纤芯玻璃棒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料石英砂、硼酸或硼酐、碳酸钙、碳酸锶、硝酸钡、二氧化钛、氧化镧、氧化钆和氧化铌按照配料要求放入铂金坩埚中；
(2)在第一温度下熔融，玻璃熔制过程中进行2-3次的搅拌，再降温至第二温度下澄清；
(3)将澄清后的熔融玻璃液浇铸成规定的玻璃制品；
(4)将成型后的玻璃制品在退火炉中退火，再随炉冷却至室温。
所述第一温度为1450-1550℃；所述第二温度为1380-1420℃；所述熔融的时间为5-10小时；所述澄清的时间为1.5-2.5小时；所述退火处理为590-610℃保温 1.5-2.5小时后用20-24小时降温至100℃。
所述光吸收料玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-GDA0003961624470000051
Figure RE-GDA0003961624470000061
优选的，所述光吸收料玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-GDA0003961624470000062
所述光吸收料玻璃在0.3±0.01mm厚度下，在400-700nm波长范围内具有强烈均匀的光吸收能力和光谱吸收效果，光谱透过率≤0.1％。
所述纤芯玻璃棒所用的纤芯玻璃具有1.79-1.82的折射率，由以下摩尔百分含量的组份组成：SiO2 20-25％、B2O3 19-27％、CaO 0.5-5％、SrO 1-5％、BaO 15-25％、TiO210-15％、La2O3 5-15％、Gd2O3 7.1-10％、Nb2O5 1-5％。
优选的，所述纤芯玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-GDA0003961624470000071
所述的纤芯玻璃在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(89±4)×10-7/℃。本发明还提供一种Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器，按照所述的制备方法制备得到。
所述Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光小于1.0％；所述光纤倒像器的分辨率大于140lp/mm；所述光纤倒像器在400-700nm波长范围内光谱透过率＞70％。
本发明又提供一种所述的Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器在微光像增强器中的应用。
本发明的光吸收料玻璃可应用于高对比度光纤倒像器中，该高对比度光纤倒像器可应用于微光像增强器中。
本发明的光吸收料玻璃具有良好的光吸收性能，适合用来制备光纤传像元件时用作玻璃纤维的壁外吸收玻璃材料，特别适合用于制备高对比度光纤倒像器。光纤传像元件包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥、光纤传像束等。
本发明中，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。所述的纤芯玻璃中，SiO2的摩尔百分比(mol.％)为20.0-25.0，纤芯玻璃中SiO2含量低于20.0mol.％，不易获得高折射率的玻璃，同时会降低玻璃的耐化学稳定性；纤芯玻璃中SiO2含量高于25.0mol.％时，玻璃的高温黏度会增加，造成玻璃熔制温度过高，同时玻璃的热膨胀系数会降低。
所述光吸收料玻璃中，SiO2的摩尔百分比(mol.％)为60-69.9。光吸收料玻璃中SiO2含量低于60mol.％，不易获得与皮料玻璃相似的热膨胀系数，同时会降低玻璃的耐化学稳定性；光吸收料玻璃中SiO2含量高于69.9mol.％时，玻璃的高温黏度会增加，造成玻璃熔制温度过高。
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溶剂。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，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，由此决定了它的含量范围较小。所述纤芯玻璃中，B2O3的摩尔百分比(mol.％)为19.0-27.0，B2O3的含量低于19.0mol.％，无法起到助溶的作用，同时会降低玻璃的化学稳定性；B2O3含量大于27.0mol.％，会降低玻璃折射率，同时使玻璃的分相倾向增加。所述光吸收料玻璃中，B2O3的摩尔百分比(mol.％) 为10.1-15.0，B2O3的含量大于15.0mol.％，会降低玻璃的折射率，同时使玻璃的分相倾向增加。
CaO是玻璃结构网络外体氧化物，所述纤芯玻璃中，CaO的摩尔百分比(mol.％)为0.5-5.0，CaO的含量大于5.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数；所述光吸收料玻璃中，CaO的含量大于5.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，提高玻璃的折射率，增大玻璃的析晶倾向，因此，光吸收料玻璃中CaO的摩尔百分比(mol.％)为0.5-5.0。
TiO2在所述纤芯玻璃中是用来提高玻璃的折射率和透过率的，TiO2的摩尔百分比(mol.％)为10.0-15.0，TiO2的含量大于15mol.％，会降低玻璃的透过率。 TiO2在所述光吸收料玻璃中是用来调节玻璃耐化学稳定性和析晶性的，TiO2的摩尔百分比(mol.％)为0-0.1，TiO2的含量大于0.1mol.％，会降低玻璃的耐化性，增加析晶倾向。
SrO是碱土金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，所述纤芯玻璃中，SrO 的摩尔百分比(mol.％)为1.0-5.0，SrO的含量大于5.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数。所述皮层玻璃中，SrO的摩尔百分比为0.1-5.0 mol.％，SrO的含量大于5.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。
BaO是玻璃结构网络外体氧化物，能有效提高玻璃的折射率，所述纤芯玻璃中，BaO的摩尔百分比(mol.％)为15.0-25.0，BaO的含量大于25.0mol.％，会增加玻璃的析晶温度，增大玻璃的析晶倾向，同时使得玻璃的密度显著提高。
La2O3是镧系稀土氧化物，能提高玻璃的折射率，所述纤芯玻璃中，La2O3的摩尔百分比(mol.％)为5.0-15.0，但La2O3含量大于15.0mol.％时会造成玻璃的热膨胀系数增加。
Gd2O3也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，Gd2O3的重量百分比(mol.％) 为7.1-10.0，Gd2O3含量大于10.0mol.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加。
Nb2O5也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，Nb2O5的重量百分比(mol.％) 为1.0-5.0，但Nb2O5含量大于5.0mol.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加。
Al2O3属于玻璃的中间体氧化物，同时能降低玻璃的分相倾向。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。所述光吸收料玻璃中，Al2O3含量大于 10.0mol.％会显著增加玻璃高温黏度，使玻璃的熔制温度升高，因此，Al2O3的摩尔百分比(mol.％)为1.0-10.0。
Na2O是碱金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，所述光吸收料玻璃中， Na2O的含量大于8.0mol.％时会增加玻璃的热膨胀系数，同时提高玻璃的折射率，因此Na2O的摩尔百分比(mol.％)为1.0-8.0。
K2O是碱金属氧化物，是玻璃结构网络外体氧化物，所述光吸收料玻璃中， K2O的含量大于10.0mol.％时会增加玻璃的热膨胀系数，同时提高玻璃的折射率，因此K2O的摩尔百分比(mol.％)为3.0-10.0。
MgO是碱土金属氧化物，是玻璃结构的网络外体氧化物，所述光吸收料玻璃中，MgO的含量大于1.0mol.％时会增加玻璃的析晶倾向，同时会降低玻璃的密度，提高玻璃的折射率，因此，MgO的摩尔百分比(mol.％)为0.1-1.0。
ZnO在所述光吸收料玻璃中是用来调节玻璃析晶温度和耐化学稳定性的， ZnO的摩尔百分比为0-0.1mol.％，ZnO的含量大于0.1mol.％，会降低玻璃的耐化学稳定性，增加析晶倾向。
ZrO2在所述光吸收料玻璃中是用来调节玻璃耐化学稳定性和析晶性的， ZrO2的摩尔百分比(mol.％)为0.1-1.0，ZrO2的含量大于1.0mol.％，会降低玻璃的耐化性，增加析晶倾向。
Fe2O3是光吸收玻璃的光吸收着色剂，Fe2O3的摩尔百分比(mol.％)为3.0-6.5，在本发明中Fe2O3是起主要作用的光吸收剂，Fe3+离子具有很好的吸光性能，且吸光范围主要集中在可见光至红外区域，Fe2O3的含量大于6.5mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向，Fe2O3的含量小于3.0mol.％，会使得 Fe2O3的着色在高温拉丝过程中变得不稳定甚至褪色，直接影响光吸收效果，对提高光纤倒像器的传像质量具有严重影响，无法满足提高光纤倒像器对比度的应用需求。
Co2O3是光吸收玻璃的着色剂，Co2O3的摩尔百分比(mol.％)为0.1-0.5，Co2O3能与铁离子结合起来，在玻璃中形成稳定的形态，从而使光吸收料着色更稳定。 Co2O3的含量大于0.5mol.％时，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。
V2O5是光吸收玻璃的着色剂，V2O5的摩尔百分比(mol.％)为0.51-1.5，V2O5能固化铁离子着色，从而使光吸收料着色更稳定。V2O5的含量大于1.5mol.％时，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。
MoO3是一种过渡金属氧化物，也是光吸收玻璃的着色剂，MoO3的摩尔百分比(mol.％)为0.1-1.0，MoO3能与铁离子、钴离子等相结合，在玻璃中形成稳定的着色，利用复合吸收作用，可以保证吸收400nm-700nm波长范围的杂散光，获得较好的光吸收效果，使光吸收曲线在可见光区域不出现明显的透过峰，但MoO3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。
与现有技术相比，本发明的一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器所用的光吸收料玻璃具有以下特性：
(1)具有良好的光吸收性能，在0.3±0.01mm厚度下，在400-700nm波长范围内具有强烈均匀的光吸收能力和光谱吸收效果，光谱透过率≤0.1％；
(2)具有与皮料玻璃相似的热膨胀系数和粘度特性，玻璃的热膨胀系数 (82±2)×10-7/℃；
(3)具有良好的化学稳定性和抗析晶性能，光吸收料玻璃熔融后内部无结石、无气泡孔洞，在820℃保温6小时不分相、不析晶，抗析晶性能好，化学稳定性优良；
本发明的一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器用纤芯玻璃，具有以下特性：
(1)具有合适的热膨胀系数，在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(89 ±4)×10-7/℃；
(2)具有高折射率，折射率nD为1.79～1.82；
(3)具有良好的抗析晶性能，析晶温度大于850℃；
(4)具有良好的对可见光辐射透明和良好的化学稳定性。
(5)不含有对环境有危害的重金属元素氧化物如As2O3、Sb2O3、PbO、CdO 等；
(6)具有与皮层玻璃相匹配的粘度特性；
(7)具有合适的玻璃熔制成型温度。
采用上述纤芯玻璃和光吸收料玻璃制备的一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器具有以下优点：
(1)该大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光小于1.0％；
(2)该大尺寸高对比度光纤倒像器分辨率大于140lp/mm；
(3)该大尺寸高对比度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；
(4)该大尺寸高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率＞70％；
(5)采用本发明的光吸收料玻璃应用在大尺寸高对比度光纤倒像器上，能有效提高光学纤维间杂散光的吸收，以降低纤维间的串光，从而达到提升光纤倒像器成像的对比度和清晰度的效果。
本发明提供的一种Φ40mm大尺寸光纤倒像器具有杂散光串扰少、分辨率高、对比度高的优点。通过对Φ40mm大尺寸光纤倒像器的工艺设计、光吸收料的组成配比及插丝排布的设置，解决了Φ40mm大尺寸光纤倒像器对比度低的难题，该光吸收料玻璃提高光纤倒像器对比度的技术应用到微光像增强器中，将大幅提升光纤倒像器成像质量等关键性能，使得大尺寸光纤倒像器产品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。
附图说明
图1为本发明实施例提供的组成Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的光学纤维内部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光学纤维结构示意图；
图3为采用本发明实施例1制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的对比度测试图。
其中，1为光吸收料玻璃，2为纤芯玻璃，3为皮料玻璃。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明，但不作为对本发明的限定。
参见图1和图2，皮层玻璃管和纤芯玻璃棒匹配后拉制成单丝，单丝包括外部的皮层玻璃3和内部的纤芯玻璃2，多个单丝经过紧密排列成横截面为正六边形的六方体，在相邻的单丝之间设有光吸收料玻璃1拉制而成的光吸收丝，六方体中***光吸收丝后组成一次复合棒，一次复合棒拉制成如图1所示的一次复丝。采用本发明的光吸收料玻璃的壁外插丝方法能有效吸收光学纤维内部的串光。图中，横截面是正六边形的一次复丝的六方对边尺寸L为0.78-0.98mm。
对本发明芯皮玻璃所测定的参数及测定方法和仪器如下：
(1)折射率nD[λ＝589.3nm时玻璃的折射率]；
(2)30-300℃的平均热膨胀系数α30/300[10-7/℃]；
(3)玻璃的析晶温度Tc(℃)。
其中，玻璃的折射率nD采用折射率测试仪来测定；玻璃在400nm-700nm的光透过率采用透过率测试仪来测定，玻璃片厚度0.3mm±0.01mm；30-300℃的线膨胀系数α30/300[10-7/℃]采用卧式膨胀仪测量，以平均线膨胀系数表示，采用ISO 7991规定的方法测量；玻璃的抗析晶温度采用的是ASTM C829-1981规定的用梯度炉法测量玻璃的液化温度的规程方法来测量。
在本文中，所有的“摩尔百分比mol.％”是基于最终的玻璃组合物的总摩尔量，在表1和表2中分别详细列出了纤芯玻璃和光吸收料玻璃实施例的化学组成(mol.％)。
表1纤芯玻璃实施例的化学组成(mol.％)和玻璃性能
Figure RE-GDA0003961624470000141
Figure RE-GDA0003961624470000151
表2光吸收料玻璃实施例的化学组成(mol.％)和玻璃性能
Figure RE-GDA0003961624470000152
以下实施例中所用原料及原料要求如下：
石英砂或水晶粉(高纯，150μm筛上物为1％以下、45μm筛下物为30％以下、Fe2O3含量小于1ppm)、氧化铝粉(分析纯，平均粒径50μm)、硼酸或硼酐 (400μm筛上物为10％以下、63μm筛下物为10％以下)、碳酸钠(工业纯碱)、碳酸钾(分析纯，纯度≥99.0％)、碱式碳酸镁(化学纯，平均粒径50μm)、碳酸钙(分析纯，平均粒径250μm)、氧化锌(分析纯)、二氧化钛(分析纯)、氧化锆(分析纯)、三氧化二铁(分析纯)、三氧化二姑(分析纯)、氧化钒(分析纯)、氧化钼(分析纯)、碳酸锶(分析纯，纯度≥99.0％)、硝酸钡(分析纯，纯度≥ 99.0％)、三氧化二镧(5N)、三氧化二钆(5N)、五氧化二铌(5N)。
实施例1
纤芯玻璃棒的制备方法：
首先，按表1实施例1玻璃成份选择原料，并且要求对玻璃原料中的变价元素的氧化物如Fe2O3等进行严格控制，成品玻璃Fe2O3含量小于150PPm，并使其配料满足表1的玻璃化学组成，然后使用铂金坩埚在1550℃温度下熔融6 小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行2至3次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1420℃温度澄清2小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，再进行退火，退火处理为605℃保温2小时后用24小时降温至100℃，再随炉冷却至室温。其测试性能如表1所示，(1)折射率为1.81； (2)30-300℃的平均线膨胀系数85×10-7/℃。
光吸收料玻璃的制备：
首先，按表2实施例1玻璃成份选择原料，并使其配料满足表2的玻璃化学组成。然后使用石英坩埚在1500℃温度下熔融4小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1350℃温度下澄清2小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，待浇铸完成后玻璃液还未完全凝固时，用震荡器将玻璃熔液振动均匀以去除玻璃熔体中的内部孔洞和气泡，待玻璃棒冷却凝固后进行退火处理，退火处理为在530℃下保温2小时，再用24小时降温至室温，即得到本发明的光吸收料玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为80×10-7/℃。
使用所述的光吸收料玻璃制备的一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的方法，包括以下步骤：
(1)制备单丝和光吸收丝：将高折射率的纤芯玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配后进行单丝拉制，得到拉制的单丝，所述单丝的丝径为3.70mm；将光吸收料玻璃拉制成光吸收丝，所述光吸收丝的丝径为0.56mm；
(2)拉制一次复合棒：将拉制的单丝排列成横截面为正六边形的六方体，并将光吸收丝***到拉制的单丝之间相邻的空隙中，得到一次复合棒；所述六方体中，每边为4根单丝，单丝排成的一次复合棒中，所述单丝总根数为37根；所述光吸收丝的插丝根数为42根，再将一次复合棒拉制成一次复丝，所述一次复丝的横截面为正六边形，所述一次复丝的六方对边尺寸0.88mm；
(3)拉制二次复合棒：将一次复丝再排列成横截面为正六边形的六方体，得到二次复合棒，二次复合棒的每边为17根一次复丝，一次复丝排成的二次复合棒中，一次复丝的总根数为817根，将二次复合棒再拉制成二次复丝，所述二次复丝的横截面为正六边形，所述二次复丝的六方对边尺寸为0.87mm；
(4)热熔压、扭转成型：将二次复丝定长切割后排列成板段，按照板段热熔压成型设计好的压缩比，将板段经热熔压成型，得到单元丝径3.99μm的光纤维板毛坯，再将光纤维板毛坯的两端经过180°角度的扭转成型，得到有效区尺寸大于40mm的大尺寸高对比度光纤倒像器。
参见图3，采用上述光吸收料玻璃所制备的一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的对比度性能测试显示，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.90％，即其在距刀口0.1mm处的对比度小于1.0％。且该Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为72％。
实施例2
纤芯玻璃棒的制备方法：
玻璃实际组成参照表1实施例2，使用与表1中实施例1相同的原料及原料要求，并且采取在1500℃下熔融8小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行2次搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1400℃温度澄清1.5小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，再进行退火，退火处理为600℃保温1.5小时后用23小时降温至100℃，再随炉冷却至室温。
采用与实施例1相同的测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.81；(2)30-300℃的平均线膨胀系数91×10-7/℃。
光吸收料玻璃的制备：
玻璃实际组成参照表2实施例2，使用与实施例1相同的原料及原料要求，然后使用石英坩埚在1450℃温度下熔融5小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1400℃温度下澄清1小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，并振动均匀后进行退火处理，退火处理为在525℃下保温2.5小时后用20小时降温至室温，即得到本发明的光吸收料玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为81×10-7/℃。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：
(1)制备单丝和光吸收丝：所述单丝的丝径为3.20mm；所述光吸收丝的丝径为0.49mm；
(2)拉制一次复合棒：光吸收丝的插丝根数为60根，再将一次复合棒拉制成一次复丝，所述一次复丝的六方对边尺寸0.78mm；
(3)拉制二次复合棒：所述二次复丝的六方对边尺寸为0.87mm；
(4)热熔压、扭转成型：将二次复丝定长切割后排列成板段，按照板段热熔压成型设计好的压缩比，将板段经热熔压成型，得到单元丝径3.94μm的光纤维板毛坯，再将光纤维板毛坯的两端经过180°角度的扭转成型，得到有效区尺寸大于40mm的大尺寸高对比度光纤倒像器。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法如实施例1，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.86％，且该高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为71％。
实施例3
纤芯玻璃棒的制备方法：
玻璃实际组成参照表1实施例3，使用与表1中实施例1相同的原料及原料要求，并且采取在1480℃下熔融10小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行3次搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1380℃温度澄清2.5小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，再进行退火，退火处理为595℃保温2.5小时后用20小时降温至100℃，再随炉冷却至室温度
采用与实施例1相同的测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.80；(2)30-300℃的平均线膨胀系数93×10-7/℃。
光吸收料玻璃的制备：
玻璃实际组成参照表2实施例3，使用与实施例1相同的原料及原料要求，然后使用石英坩埚在1550℃温度下熔融3小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1300℃温度下澄清2小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，并进行退火处理，退火处理为在540℃下保温3小时后用21小时降温至室温，即得到本发明的光吸收料玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为84×10-7/℃。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：
(1)拉制单丝：所述单丝的丝径为4.20mm；所述光吸收丝的丝径为0.64mm；
(2)拉制一次复合棒：光吸收丝的插丝根数为24根，再将一次复合棒拉制成一次复丝，所述一次复丝的六方对边尺寸0.98mm；
(3)拉制二次复合棒：所述二次复丝的六方对边尺寸为0.89mm；
(4)热熔、扭转成型：将二次复丝定长切割后排列成板段，按照板段热熔压成型设计好的压缩比，将板段经热熔压成型，得到单元丝径3.98μm的光纤维板毛坯，再将光纤维板毛坯的两端经过180°角度的扭转成型，得到有效区尺寸大于40mm的大尺寸高对比度光纤倒像器。
一种Φ40mmΦ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法如实施例1，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.96％，且该高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为71％。
实施例4
纤芯玻璃棒的制备方法：
玻璃实际组成参照表1实施例4，使用与表1中实施例1相同的原料及原料要求，并且采取在1450℃下熔融5小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行2-3 次搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后，再降温至1390℃温度澄清2小时，然后再将熔融玻璃液浇铸成规定的测试制品要求，再进行退火，退火处理为610℃保温2小时后用24小时降温至100℃，再随炉冷却至室温，
采用与实施例1相同的测试条件，在表1显示了试样的基本性能。(1)折射率为1.82；(2)30-300℃的平均线膨胀系数89×10-7/℃。
光吸收料玻璃的制备：
玻璃实际组成参照表2实施例4，使用与实施例1相同的原料及原料要求，然后使用石英坩埚在1480℃温度下熔融5小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1380℃温度下澄清1.5小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，并进行退火处理，退火处理为在500℃下保温2.5小时后用22小时降温至室温，即得到本发明的光吸收玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为84×10-7/℃。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法如实施例1，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.89％，且该高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为71％。
实施例5
纤芯玻璃棒的制备方法：
玻璃实际组成参照表1实施例5，使用与表1中实施例1相同的原料及原料要求，并且采取相同熔化工艺制度和测试条件，在表1显示了试样的基本性能。 (1)折射率为1.79；(2)30-300℃的平均线膨胀系数87×10-7/℃。
光吸收料玻璃的制备：
玻璃实际组成参照表2实施例5，使用与实施例1相同的原料及原料要求，然后使用石英坩埚在1460℃温度下熔融4小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1350℃温度下澄清2小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，并进行退火处理，退火处理为在549℃下保温3小时后用20小时降温至室温，即得到本发明的光吸收料玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为83×10-7/℃。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法如实施例1，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.91％，且该高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为71％。
实施例6
纤芯玻璃棒的制备方法和性能如实施例1；
光吸收料玻璃的制备：
玻璃实际组成参照表2实施例5，使用与实施例1相同的原料及原料要求，然后使用石英坩埚在1470℃温度下熔融5小时，在玻璃熔制过程中，对玻璃进行1至2次的搅拌，使玻璃熔制均匀，待玻璃熔融后将玻璃熔体在1370℃温度下澄清2小时，将熔融玻璃液浇铸成规定的规格，并进行退火处理，退火处理为在540℃下保温3小时后用24小时降温至室温，即得到本发明的光吸收料玻璃。在表2中显示了试样的基本性能，厚度0.3mm的样品的可见光透过率为0％，热膨胀系数为82×10-7/℃。
一种Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的制备方法如实施例1，所制备的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光为0.90％，且该高对比度光纤倒像器在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，该高对比度光纤倒像器在400-700nm波长范围内透过率为71％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备单丝和光吸收丝：将高折射率的纤芯玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配后进行单丝拉制，得到拉制的单丝，所述单丝的丝径为3.20～4.20mm；将光吸收料玻璃拉制成光吸收丝，所述光吸收丝的丝径为0.49～0.64mm；
(2)拉制一次复合棒：将拉制的单丝排列成横截面为正六边形的六方体，并将光吸收丝***到拉制的单丝之间相邻的空隙中，得到一次复合棒；所述六方体中，每边为4根单丝，所述单丝总根数为37根；所述光吸收丝的插丝根数为24-60根，再将一次复合棒拉制成一次复丝，所述一次复丝的横截面为正六边形，所述一次复丝的六方对边尺寸0.78-0.98mm；
(3)拉制二次复合棒：将一次复丝再排列成横截面为正六边形的六方体，得到二次复合棒，二次复合棒的每边为17根一次复丝，一次复丝排成的二次复合棒中，一次复丝的总根数为817根，将二次复合棒再拉制成二次复丝，所述二次复丝的横截面为正六边形，所述二次复丝的六方对边尺寸为0.87-0.89mm；
(4)热熔压、扭转成型：将二次复丝定长切割后排列成板段，按照板段热熔压成型前后设计好的压缩比热熔压成型，得到单元丝径≤4.0μm的Φ40mm大尺寸高对比度光纤倒像器的光纤维板毛坯，再将光纤维板毛坯的两端经过180°角度的扭转成型，即可得到有效区尺寸大于Φ40mm的大尺寸高对比度光纤倒像器。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述光吸收料玻璃的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配备：按照配比称取石英砂、氧化铝、硼酸或硼酐、碳酸钠、碳酸钾、碱式碳酸镁、碳酸钙、氧化锌、二氧化钛、氧化锆、三氧化二铁、三氧化二钴、五氧化二钒和氧化钼，混合均匀，得到原料混合物；
(2)玻璃熔融：将原料混合物放入坩埚中进行高温熔融，待原料混合物熔融后澄清，将熔融澄清后的玻璃液在模具中浇铸成规定规格的玻璃，待玻璃冷却凝固后进行退火处理，得到光吸收料玻璃。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述高温熔融包括在1450-1550℃温度下熔融3-5小时，所述原料混合物在熔融过程中进行1-2次的搅拌；
所述澄清的温度为1300-1400℃，所述澄清的时间为1-2小时；
所述退火处理为在500-549℃下保温2-3小时，再用20-24小时降温至室温；
还包括，待浇铸完成后光吸收料玻璃液还未完全凝固时，用震荡器将玻璃熔液振动均匀，以去除玻璃熔体中的内部孔洞和气泡。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤芯玻璃棒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将原料石英砂、硼酸或硼酐、碳酸钙、碳酸锶、硝酸钡、二氧化钛、氧化镧、氧化钆和氧化铌按照配料要求放入铂金坩埚中；
(2)在第一温度下熔融，玻璃熔制过程中进行2-3次的搅拌，再降温至第二温度下澄清；
(3)将澄清后的熔融玻璃液浇铸成规定的玻璃制品；
(4)将成型后的玻璃制品在退火炉中退火，再随炉冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一温度为1450-1550℃；所述第二温度为1380-1420℃；所述熔融的时间为5-10小时；
所述澄清的时间为1.5-2.5小时；
所述退火处理为590-610℃保温1.5-2.5小时，再用20-24小时降温至100℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述光吸收料玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-FDA0003961624460000031
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述光吸收料玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-FDA0003961624460000032
Figure RE-FDA0003961624460000041
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
所述光吸收料玻璃在0.3±0.01mm厚度下，在400-700nm波长范围内具有强烈均匀的光吸收能力和光谱吸收效果，光谱透过率≤0.1％。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：
所述纤芯玻璃棒所用的纤芯玻璃具有1.79-1.82的折射率，由以下摩尔百分含量的组份组成：SiO2 20-25％、B2O3 19-27％、CaO 0.5-5％、SrO 1-5％、BaO 15-25％、TiO2 10-15％、La2O3 5-15％、Gd2O3 7.1-10％、Nb2O5 1-5％。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：
所述纤芯玻璃由以下摩尔百分含量的组分组成：
Figure RE-FDA0003961624460000042
Figure RE-FDA0003961624460000051
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于,所述的纤芯玻璃在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(89±4)×10-7/℃。
12.一种Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器，其特征在于，按照权利要求1-11任一项所述的制备方法制备得到。
13.根据权利要求12所述的Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器，其特征在于，所述光纤倒像器在距刀口0.1mm处串光小于1.0％；所述光纤倒像器的分辨率大于140lp/mm；所述光纤倒像器在400-700nm波长范围内光谱透过率＞70％。
14.一种权利要求12或13所述的Φ40mm大尺寸高对比度的光纤倒像器在微光像增强器中的应用。
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Application publication date: 20221230

Assignee: China building materials Photon Technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA BUILDING MATERIALS ACADMEY

Contract record no.: X2023980036201

Denomination of invention: Ph Preparation Method and Application of 40mm Large Size High Contrast Fiber Inverters

Granted publication date: 20230411

License type: Common License

Record date: 20230602

Application publication date: 20221230

Assignee: China building materials optical core technology Co.,Ltd.

Assignor: CHINA BUILDING MATERIALS ACADMEY

Contract record no.: X2023980036199

Denomination of invention: Ph Preparation Method and Application of 40mm Large Size High Contrast Fiber Inverters

Granted publication date: 20230411

License type: Common License

Record date: 20230602