CN117075261B - 一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用。所述方法包括：将按所需尺寸和形状排列好的光学纤维板段进行热压熔合成型，得到光学纤维锥的毛坯件；将得到的毛坯件进行冷加工处理以完善外形，得到小倍率光学纤维锥；将得到的小倍率光学纤维锥进行化学强化处理、超声清洗、烘干，即可得到小倍率高强度光学纤维锥。本发明提供的小倍率高强度光学纤维锥可作为光学盖板适用于多种场景下悬浮、微放大效果的显示功能，且其制备方法具有一步成型，成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用。
背景技术
光学纤维锥(以下简称光锥)是由大量的光纤经过规则排列、加热、加压融合和拉伸工艺制作而成的光学器件。传统的光学纤维锥的小端与电荷耦合器件(Charge-coupledDevice，以下简称CCD)耦合，可用于微光摄像管中；或者在新型指纹识别仪中可作为指纹与CCD间的传像元件；或者其大端镀上闪烁体发光物质，小端与CCD耦合，可用于非可见光、高能射线的成像探测，如X-ray相机、辐射成像探测器等。光学纤维锥在医疗成像技术领域、分子生物学领域，如活体小动物的生物信息研究、γ射线相机、X射线断层摄影、正电子层析等装置中有着广泛的应用。由此得出，因为光学纤维锥具有将图像放大和缩小特定倍率的作用，并且可获得很小的物象距，所以其成为了图像增强器件的核心元件之一。尽管光学纤维锥的应用场景已经十分广泛，但是由于其外形和成本限制，其多年以来并没有应用于盖板显示。
目前在数码电器屏幕显示领域，全面屏和更高屏占比是未来发展的主要趋势，而光学纤维锥恰恰可以满足这一性能需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用，所要解决的技术问题如何有效控制光学纤维锥的外形，从而使其更加适用于盖板显示实现全面屏和更高屏占比的功能，同时其还可以具有放大画面，悬浮显示的效果。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，包括以下步骤：
将按所需尺寸和形状排列好的光学纤维板段进行热压真空熔合，得到光学纤维锥的毛坯件；将得到的毛坯件进行冷加工处理以完善外形，得到小倍率光学纤维锥；将得到的小倍率光学纤维锥进行化学强化处理、超声清洗、烘干，即可得到小倍率高强度光学纤维锥。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述光学纤维板段为排列好的多边体光学纤维板段，其对边宽度为20～60mm。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述热压熔合成型是通过异形模具成型法、弧面挤压成型法或热弯法实现的。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述异形模具成型法包括：将排列好的光学纤维板段置于异形模具的中心区，闭合该异形模具并在-0.03～-0.08MPa，620-670℃下进行热压真空熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述异形模具为空心柱体结构，其内侧面具有多个凸起；所述空心柱体结构的横截面直径为30～60mm，高度为5～10mm。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述空心柱体结构包括平直区、突出区及由所述平直区、突出区围设而成的中心区；所述凸起为直面或弧面凸起。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述弧面挤压成型法包括：将排列好的光学纤维板段置于弧面挤压成型模具的中心区，在620～670℃，-0.03～-0.08MPa下通过上挡板与下挡板同时对光学纤维板段的中间板段进行热压真空熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述弧面挤压成型模具包括上挡板、下挡板及设置于所述上挡板、下挡板之间的中心区。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述上挡板为直径50～250mm的球面盖板；所述下挡板为直径30～100mm的球面底板；且所述上挡板与下挡板的直径不同。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述热弯法包括：将排列好的光学纤维板段置于热弯加工模具的置料内腔，放置辅助成型件与辅助成型件，随着温度以7～9℃/min升温至620～670℃，压力以-0.006～-0.004MPa/min加压至-0.03～-0.08MPa，第一辊筒及第二辊筒以15～25rpm开始转动，软化状态的光锥毛坯则沿坡面阳模的方向被第一辊筒及第二辊筒一起进行热压真空熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述热弯加工模具包括辅助成型件、辅助定位件、置料内腔、坡面阳模以及模具主体；所述辅助成型件与辅助成型件连接形成模具的上盖板，所述坡面阳模与模具主体连接形成为一体，所述辅助成型件分别与可根据坡面阳模的形状滚动的第一辊筒、多个第二辊筒连接而形成置料内腔，所述第二辊筒的直径小于第一辊筒的直径。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述热弯法为挠性弯曲法、模压式压弯法或重力沉降法。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述冷加工处理包括整形、切片、滚圆及抛光。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述化学强化处理包括：将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于400～550℃处理2～6h。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述超声清洗的时间为10～30min。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述烘干的温度为30～60℃。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其中所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种小倍率高强度光学纤维锥，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥，其中所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥，其中所述小倍率高强度光学纤维锥的放大率为1.001～1.050。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥，其中所述大端面部及小端面部的横截面为圆形或矩形。
优选的，前述的小倍率高强度光学纤维锥，其中所述光学纤维锥是通过如前述的方法制得的。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种数码电器屏幕，所述数码电器屏幕采用小倍率高强度光学纤维锥，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部。
借由上述技术方案，本发明提出的一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用至少具有下列优点：
相比于现有技术，本发明将复杂的拉伸工艺简化为了一步式热加工，并且成品无明显的锥体结构，两个端面也不需要成为平行的平面结构，但是保持了光纤排列方式与光学纤维锥的放大功能，不仅降低了加工成本，可实现批量化生产，也将光锥高度降低到可作为盖板显示用的程度，方便后续强化操作，以实现全面屏和更高屏占比的功能；并且可作为放大画面的显示器件使用；而且还能达到普通玻璃显示器件无法达到的悬浮显示。
本发明所制备的所述小倍率高强度光学纤维锥的放大率为1.001-1.050，可耐受65g钢球100cm的冲击。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例提供的小倍率高强度光学纤维锥的截面示意图；
图2为本发明实施例中光锥加工采用的异形模具的截面结构示意图；
图3为本发明实施例中光锥加工采用的弧面挤压成型模具的截面结构示意图；
图4为本发明实施例中光锥加工采用的热弯加工模具的截面结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种小倍率高强度光学纤维锥及其制备方法和应用，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
若无特殊说明，以下所涉及的材料、试剂等均为本领域技术人员熟知的市售商品；若无特殊说明，所述方法均为本领域公知的方法。除非另外定义，所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内的普通技术人员所理解的通常意义。以下未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。
根据本发明的一些实施例提供了一种小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，包括以下步骤：
将按所需尺寸和形状排列好的光学纤维板段进行热压熔合成型，得到光学纤维锥的毛坯件；将得到的毛坯件进行冷加工处理以完善外形，得到小倍率光学纤维锥；将得到的小倍率光学纤维锥进行化学强化处理、超声清洗、烘干，即可得到小倍率高强度光学纤维锥。
在一些实施例中，可选的，其中所述光学纤维板段为排列好的正多边体光学纤维板段，其对边宽度为20～60mm，因为该光锥适用于智能穿戴设备，若小于20mm会造成显示界面过小，而大于60mm会造成材料浪费与成本提高。
在一些实施例中，可选的，其中所述热压熔合成型是通过异形模具成型法、弧面挤压成型法或热弯法实现的。异形模具成型法效率高，一次加工可产出多组产品，但是脱模时易发生损伤；弧面挤压法成型结构良好，但是一次最多只能产出两片；热弯法和弧面成型法类似，可以保持结构良好，但产出量少。
在一些实施例中，可选的，其中所述异形模具成型法包括：将排列好的正多边形光学纤维板段置于异形模具的中心区，闭合该异形模具并在-0.03～-0.08MPa，620～670℃下进行热压真空熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。真空负压低于-0.03MPa会造成板段抽压不密实，高于-0.08MPa会造成板段抽压过度而变形；温度低于620℃不足以发生形变，670℃以上会造成温度过高。
在一些实施例中，可选的，其中所述异形模具是根据所需的弧面设计的，所述异形模具为空心柱体结构，其内侧面具有多个凸起；所述空心柱体结构的横截面直径为30～60mm，高度为5～10mm；若横截面直径小于30mm则造成毛坯过小，从而使得显示界面过小；若横截面直径大于60mm会造成材料浪费与成本提高。若高度低于5mm会造成毛坯件过薄从而使得光锥的放大倍率不足；若高度高于10mm会造成材料浪费与成本提高。
在一些实施例中，可选的，其中所述包括空心柱体结构包括平直区、突出区及由所述平直区、突出区围设而成的中心区；所述凸起为直面或弧面凸起。这样设置是由于板段在中心区放置好后进行真空压制，受压力变形后的部分在突出区即可形成光锥结构。
在一些实施例中，可选的，其中所述弧面挤压成型法包括：将排列好的正多边形光学纤维板段置于弧面挤压成型模具的中心区，在620～670℃，-0.03～-0.08MPa下通过上挡板与下挡板同时对光学纤维板段的中间板段进行真空热压熔合(挤压成型)，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。真空负压低于-0.03MPa会造成板段抽压不密实，高于-0.08MPa会造成板段抽压过度而变形；温度低于620℃不足以发生形变，670℃以上会造成温度过高。
在一些实施例中，可选的，其中所述弧面挤压成型模具包括上挡板、下挡板及设置于所述上挡板、下挡板之间的中心区。其中，所述上挡板、下挡板是根据所需放大率的不同设计的。上下挡板弧度越大，放大率越大，弧度越小，放大率越小。上下挡板之间的关系为双向施压的关系。
在一些实施例中，上挡板与下挡板的弧度不同，可根据不同的需求改变尺寸与弧度。可选的，其中所述上挡板为直径50～250mm的球面盖板；所述下挡板为直径30～100mm的球面底板。低于下限值放大倍率不足，高于上限值，放大倍率超出。
在一些实施例中，可选的，其中所述热弯法包括：将排列好的光学纤维板段置于热弯加工模具的置料内腔，放置辅助成型件与辅助成型件，随着温度以7～9℃/min升温至620～670℃，压力以-0.006～-0.004MPa/min加压至-0.03～-0.08MPa，第一辊筒及第二辊筒以15～25rpm开始转动，软化状态的光锥毛坯则沿坡面阳模的方向被第一辊筒及第二辊筒一起进行热压真空熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。真空负压低于-0.03MPa会造成板段抽压不密实，高于-0.08MPa会造成板段抽压过度而变形；温度低于620℃不足以发生形变，670℃以上会造成温度过高。例如可将长方体板段通过上述步骤进行热弯加工。通过边缘热弯实现拉扯中间结构，最终呈现放射状，以实现放大的目的。所述长方体板段的尺寸设计为：长20～40mm，宽20～40mm，高1～10mm。若长、宽、高均低于下限值，则尺寸过小不足以满足显示需求；若长、宽、高均高于下限值，则尺寸过大造成材料浪费。
在一些实施例中，可选的，其中所述热弯加工模具包括辅助成型件、辅助定位件、置料内腔、坡面阳模以及模具主体；所述辅助成型件与辅助成型件连接形成模具的上盖板，所述坡面阳模与模具主体连接形成为一体，所述辅助成型件分别与可根据坡面阳模的形状滚动的第一辊筒、多个第二辊筒连接而形成置料内腔，所述第二辊筒的直径小于第一辊筒的直径，以能够填充所述坡面阳模的间隙，使之完全贴合。所述辅助定位件的上面具有定位孔，可以从高到低，从左到右灵活调节与模具主体的关系，从而实现定位和限高。
在一些实施例中，可选的，其中所述化学强化处理包括：将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾的熔融液中于400～550℃处理2～6h。若温度低于400℃，时间小于2h，温度过低、时间不足会造成强化失败，不能增加玻璃的强度；若温度高于550℃，时间大于6h，温度过高、时间过长会造成资源浪费。
在一些实施例中，可选的，其中所述超声清洗的时间为10～30min，低于10min导致不能彻底清洗干净，高于30min则浪费电力资源。
在一些实施例中，可选的，其中所述烘干的温度为30～60℃，低于30℃则烘干速率过慢，高于60℃则浪费电力资源。
在一些实施例中，可选的，其中所述冷加工处理包括整形、切片、滚圆及抛光。将得到的毛坯件进行冷加工处理以完善外形，可以得到放大率为1.001～1.050的小倍率光学纤维锥。
在一些实施例中，可选的，其中所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。因为该光锥适用于智能穿戴设备，并且放大倍率仅为1.001～1.050；若高度低于0.3mm会造成放大倍率不足，高于3.5mm会造成屏幕过厚而引起电子设备散热不足以及外观问题。若大端面直径小于20mm，小端面直径小于15mm会造成显示界面过小；若大端面直径大于55mm，小端面直径大于45mm会引起浪费材料成本过高的问题。
根据本发明的一些实施例提供了一种小倍率高强度光学纤维锥，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部。
在一些实施例中，可选的，其中所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。因为该光锥适用于智能穿戴设备，并且放大倍率仅为1.001～1.050，高度低于0.3mm会造成放大倍率不足，高于3.5mm会造成屏幕过厚而引起电子设备散热不足以及外观问题。大端面小于20mm，小端面小于15mm会造成显示界面过小，大端面大于55mm，小端面大于45mm则会造成浪费材料和成本过高。
上述的“小倍率”指的是小于2倍放大率，此处所说的放大率即为倍率；上述的“高强度”即能通过65g钢球的100cm高度落球实验。
在一些实施例中，可选的，其中所述小倍率高强度光学纤维锥是通过如前述的方法制得的，其放大率为1.001～1.050，能通过65g钢球的100cm高度落球实验。
在一些实施例中，可选的，其中所述大端面部及小端面部的横截面为圆形或矩形。
根据本发明的一些实施例提供了一种数码电器屏幕，所述数码电器屏幕采用小倍率高强度光学纤维锥，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部。上述数码电器屏幕可作为盖板显示以实现全面屏和更高屏占比的功能；也可作为放大画面的显示器件使用；而且还能达到普通玻璃显示器件无法达到的悬浮显示。
在一些实施例中，可选的，其中所述小倍率高强度光学纤维锥的放大率为1.001～1.050。
下面结合附图和具体的实施例对本申请进行进一步的详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定，另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅仅展示出了与本发明相关的部分。
实施例1
图1是本发明实施例提供的小倍率高强度光学纤维锥的截面示意图。本实施例提供的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的放大率为1.02，能通过65g钢球的100cm高度落球实验。光学纤维锥(以下简称光锥)由排列好的光学纤维板段从室温加热到650℃后保温5h，达到650℃的同时开始加压，从大气压加压到-0.05MPa，保温期间要维持压力不变，热压真空熔合得到的光锥毛坯加工而成，前述的光锥毛坯由多根光纤经过规则排列为放射状，小端面为20mm，大端面为28mm，高度为1.35mm。
请参见图1，光锥包括大端面部101、小端面部102和设置于所述大端面部101、小端面部102之间的光纤部103；在两个端面部之间，原本在光锥毛坯中平行设置的各根光纤，经过热加工塑形后，几何关系呈现同端点射线状，即图1中的实线所示，从而实现传像放大的效果。
与传统光锥的拉伸工艺相比，本实施例中使用的加工方法均为一步成型式的简捷手段，并且外形上无竖直区，可实现整片强化，所以加工步骤及成本均大幅度减少，更适用于多种需要微放大应用场景的光学盖板。
在本实施例的光锥中，大端面部101和小端面部102的横截面均为圆形。在其他实施例中，根据需要耦合的光学器件的形状，大端面部101和小端面部102还可以用精雕机铣削加工成横截面为矩形或者正六边形的形状。
除了提供前述的光锥外，本发明的一些实施例还提供了集中加工前述光锥的方法。其中以下的一些实施例使用的是异形模具成型法，一些实施例中使用的是弧面挤压法，一些实施例使用的是热弯法。
为了能够更好的介绍后续上述实施例中光锥的加工方法，以下结合附图进行简单介绍。图2是实施例2-4中光锥加工采用的异形模具截面结构示意图；如图2所示，异形模具可根据需求的弧面设计为侧面具有多个直面或弧面凸起的空心柱体结构，包括平直区201与突出区202及由所述平直区201、突出区202围设而成的中心区203；将排列好的光学纤维板段置于该异形模具的中心区203，闭合该异形模具，随着温度从室温以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到620℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，原本平行排列的光纤会在突出区202进行外扩，而在平直区201保持平行，从而形成放射状的几何关系，实现锥形的成型。这种方法可根据开槽数量调节一次性成型的光锥数目，一对槽对应一对光锥毛坯，方便快捷。如图3所示，本发明实施例5的弧面挤压成型模具，包括上挡板301、下挡板302及设置于所述上挡板301、下挡板302之间的中心区303，上挡板301与下挡板302的弧度不同，可根据不同的需求改变尺寸与弧度，例如，所述上挡板可以为直径150mm的球面盖板；所述下挡板为直径80mm的球面底板。同样将排列好的光学纤维板段置于弧面挤压成型模具的中心区303，随着温度以8℃/min升温到上升至380℃时开始软化，待达到645℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min加压至-0.045MPa，并在-0.045MPa，645℃通过上挡板301与下挡板302不同弧度的挤压即可实现光锥的成型。如图4所示，本发明实施例6的热弯加工模具，包括辅助成型件407、辅助定位件403、置料内腔404、坡面阳模405以及模具主体406。辅助成型件407与辅助成型件403通过螺丝固定相连接形成模具的上盖板，所述坡面阳模405与模具主体406通过螺丝相连接构成一个整体，辅助成型件407、辅助定位件403为均可以拆卸替换的部件，而置料内腔404是在辅助成型件407、第一辊筒402及第二辊筒401三者组合时产生的空间，辅助成型件407分别与第一辊筒402、多个小直径的第二辊筒401通过内置螺母与螺丝连接，第一辊筒402可根据坡面阳模405的形状滚动，而第二辊筒401的直径小于第一辊筒402，以能够填充所述坡面阳模405的间隙，使之完全贴合。辅助定位件403用于毛坯件的定位与限高。具体地，所述辅助定位件403的上面具有定位孔，可以从高到低，从左到右灵活调节与模具主体406的关系，从而实现定位和限高。在实际实施时可根据对成品光锥的曲率需求来设置坡面阳模405的形状，也可以根据需求同时在模具主体406的左右两侧设置两个坡面阳模405。两个坡面阳模405可以更高效地进行坯板的两侧热弯。例如，将排列好的光学纤维板段置于热弯加工模具的置料内腔404中，放置辅助成型件403与辅助成型件407。随着温度以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到643℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，此时，第一辊筒402及第二辊筒401以20rpm开始转动，软化状态的光学纤维板段则沿坡面阳模405的方向被第一辊筒402及第二辊筒401一起塑形为弧面外形，从而实现边缘热弯，达到中间板段光纤变成放射状的目的。
实施例2
将排列好的外接圆直径为28mm的六边体光学纤维板段放进图2所示的异形模具的中心区203中，闭合该异形模具，随着温度以7℃/min上升至380℃时开始软化，待达到670℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，并在-0.05MPa，670℃下进行热压真空熔合4h，原本平行排列的光纤在突出区202进行外扩，而在平直区201保持平行，从而实现锥形的成型，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、250rpm的内圆切机切片、转速7300rpm的滚圆机滚圆、磨轮速850rpm的抛光，以完善外形，得到高度为1.8mm，大端面直径为25mm，小端面直径为20mm，放大倍率为1.005的光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于450℃处理3h、超声清洗25min后在40℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.005的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果可耐受65g钢球100cm的冲击。其中，使用物距测试法测试十字在通过待测试光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
实施例3
将排列好的长36mm，宽27mm，高5mm的长方体光学纤维板段放进图2所示的异形模具的中心区中，闭合该异形模具，随着温度以9℃/min上升至380℃时开始软化，待达到650℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，并在-0.05MPa，650℃下进行热压真空熔合5h，原本平行排列的光纤在突出区202进行外扩，而在平直区201保持平行，从而实现锥形的成型，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、200rpm的内圆切机切片、转速7500rpm的滚圆机滚圆、磨轮速800rpm的抛光，以完善外形，得到高度为1.3mm，大端面直径为24mm，小端面直径为19mm，放大率为1.003的光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥硝酸钾熔融液中于420℃处理6h、超声清洗20min后在50℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.003倍的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果可耐受65g钢球100cm的冲击。其中，使用物距测试法测试十字在通过光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试的光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
实施例4
将排列好的长30mm，宽22mm，高5.3mm的长方体光学纤维板段放进图2所示的异形模具的中心区中，闭合该异形模具，随着温度以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到640℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，并在-0.05MPa，640℃下进行热压真空熔合5.5h，原本平行排列的光纤在突出区202进行外扩，而在平直区201保持平行，从而实现锥形的成型，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、220rpm的内圆切机切片、转速7300rpm的滚圆机滚圆、磨轮速800rpm的抛光，以完善外形，得到了10片高度为1.25mm，大端面直径为23.7mm，小端面直径为18.4mm、放大倍率为1.0028的小倍率光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于420℃处理6h、超声清洗20min后在50℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.0028倍的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果可耐受65g钢球100cm的冲击。其中，使用物距测试法测试十字在通过光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试的光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
实施例5
将排列好的长30mm，宽22mm，高5.3mm的长方体光学纤维板段放进图3所示的弧面挤压成型模具的中心区中，随着温度以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到640℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min加压至-0.05MPa，并在-0.05MPa，640℃通过上挡板301与下挡板302不同弧度挤压进行热压真空熔合(挤压成型)5.5h，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、220rpm的内圆切机切片、转速7300rpm的滚圆机滚圆、磨轮速800rpm的抛光，以完善外形，得到2片高度为1.25mm，大端面直径为23.7mm，小端面直径为18.4mm的小倍率光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于420℃处理6h、超声清洗20min后在50℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.0028倍的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果可耐受65g钢球100cm的冲击。其中，使用物距测试法测试十字在通过光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试的光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
实施例6
将排列好的长30mm，宽22mm，高5.3mm的长方体光学纤维板段放进图4所示的热弯加工模具的置料内腔404中，放置辅助成型件403与辅助成型件407，随着温度以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到640℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min加压至-0.05MPa，此时，第一辊筒402及第二辊筒401以20rpm开始转动，软化状态的光学纤维板段则沿坡面阳模405的方向被第一辊筒402及第二辊筒401一起热压真空熔合(热弯成型)5.5h，塑形为弧面外形，从而实现边缘热弯，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、220rpm的内圆切机切片、转速7300rpm的滚圆机滚圆、磨轮速800rpm的抛光，以完善外形，得到了2片高度为1.25mm，大端面直径为23.7mm，小端面直径为18.4mm的小倍率光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于420℃处理6h、超声清洗20min后在50℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.0028倍的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果可耐受65g钢球100cm的冲击。其中，使用物距测试法测试十字在通过光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试的光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
对比例1
将排列好的外接圆直径为28mm的六边体光学纤维板段放进图2所示的异形模具的中心区中，闭合该异形模具，随着温度以8℃/min上升至380℃时开始软化，待达到670℃温度稳定之后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，并在-0.05MPa，670℃下进行热压真空熔合4h，原本平行排列的光纤在突出区202进行外扩，而在平直区201保持平行，从而实现锥形的成型，降温至室温后脱模，得到光学纤维锥的毛坯件；
将得到的毛坯件进行切割机粗整形去毛边、250rpm的内圆切机切片、转速7300rpm的滚圆机滚圆、磨轮速850rpm的抛光，以完善外形，得到高度为1.8mm，大端面直径为25mm，小端面直径为20mm，放大倍率为1.005的光学纤维锥；
将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于450℃处理1h、超声清洗25min后在40℃的烘箱中烘干，即可得到放大率为1.005的小倍率高强度光学纤维锥，所述光学纤维锥的落球测试结果不可耐受65g钢球100cm的冲击，经过钢球砸落后光锥发生了破裂。其中，使用物距测试法测试十字在通过待测试光锥后像的大小与实际大小的比值，即为放大率；将待测试光学纤维锥的中心点置于钢球中心点的正下方，调节落球冲击测试仪的高度至100cm后按下按钮，钢球垂直砸落后光锥未见破损即可认为通过测试。
对比例2
将排列好的长36mm，宽27mm，高5mm的长方体光学纤维板段放进图2所示的异形模具的中心区中，闭合该异形模具，随着温度以8℃/min上升至350℃后，压力以-0.005MPa/min增高到-0.05MPa，并在-0.05MPa，350℃下进行热压真空熔合5h，降温至室温后脱模，得到热融合失败的光学纤维锥的毛坯件。
将实施例2与对比例1进行对比可知，二者的区别仅在于强化时间不同，实施例2的强化时间为3h，对比例1的强化时间为1h，最终，对比例1的光学纤维锥未通过落球测试。这是因为强化时间涉及到玻璃与硝酸钾熔融液离子交换的时间，对比例1由于时间不足，导致强化不充分，其冲击试验会导致玻璃破碎。
将实施例3与对比例2进行对比可知，二者的区别仅在于热压真空熔合的温度不同，实施例3的热压融合温度为650℃，对比例2的热压融合温度为350℃。对比例2由于温度过低，导致未达到玻璃软化点，从而造成热融合失败。
将实施例4、实施例5与实施例6进行对比可知，三者的区别为热加工方式不同。实施例5使用的是弧面挤压成型，实施例6采用的是热弯加工处理，二者得到的小倍率高强度光学纤维锥外形与放大倍率，以及数量均一致，但是实施例4采用的是异形模具成型法，一次性得到了十片光锥成品，这说明与弧面挤压和热弯加工相比，异形模具成型法在批量生产上更具有优势。但是三者的成型机理是一致的，都是通过热加工的方式令玻璃光纤达到软化点后通过塑形来改变内部光纤的走向，由平行变成放射状，只是受力的方向不同：异形模具成型法是通过挤压部分板段造成板段向上下扩张，从而形成上下呈镜像对称的光锥毛坯，从中间切开，即可获得外形与放大倍率均一致的光锥毛坯2个；挤压法是通过对板段上下平面压制塑形成弧面后，内部在加热过程中随板段走势而变化成的放射状；热弯法则是通过拉扯板段的两侧，使中间的部分呈现外凸的趋势，内部光纤也随之会呈现放射状，从而实现光锥毛坯的塑形。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (9)
1.一种小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将按所需尺寸和形状排列好的光学纤维板段进行热压熔合成型，得到光学纤维锥的毛坯件；将得到的毛坯件进行冷加工处理以完善外形，得到小倍率光学纤维锥；将得到的小倍率光学纤维锥进行化学强化处理、超声清洗、烘干，即可得到小倍率高强度光学纤维锥；所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm；
所述光学纤维板段为排列好的多边体光学纤维板段，其对边宽度为20～60mm；所述热压熔合成型是通过异形模具成型法、弧面挤压成型法或热弯法实现的。
2.如权利要求1所述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其特征在于，所述异形模具成型法包括：将排列好的光学纤维板段置于异形模具的中心区，闭合该异形模具并在620～670℃，-0.03～-0.08MPa下进行真空热压熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件；所述异形模具为空心柱体结构，其内侧面具有多个凸起；所述空心柱体结构的横截面直径为30～60mm，高度为5～10mm。
3.如权利要求2所述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其特征在于，所述空心柱体结构包括平直区、突出区及由所述平直区、突出区围设而成的中心区；所述凸起为直面或弧面凸起。
4.如权利要求1所述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其特征在于，所述弧面挤压成型法包括：将排列好的光学纤维板段置于弧面挤压成型模具的中心区，在620～670℃，-0.03～-0.08MPa下通过上挡板与下挡板同时对光学纤维板段的中间板段进行真空热压熔合，即可得到批量的光学纤维锥的毛坯件。
5.如权利要求1所述的小倍率高强度光学纤维锥的制备方法，其特征在于，所述化学强化处理包括：将得到的小倍率光学纤维锥在硝酸钾熔融液中于400～550℃处理2～6h。
6.一种小倍率高强度光学纤维锥，其特征在于，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部；所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。
7.如权利要求6所述的小倍率高强度光学纤维锥，其特征在于，所述小倍率高强度光学纤维锥的放大率为1.001～1.050。
8.如权利要求6所述的小倍率高强度光学纤维锥，其特征在于，所述大端面部及小端面部的横截面为圆形或矩形；所述小倍率高强度光学纤维锥是通过权利要求1-5任一项所述的方法制得的。
9.一种数码电器屏幕，其特征在于，所述数码电器屏幕采用小倍率高强度光学纤维锥，所述小倍率高强度光学纤维锥包括大端面部、小端面部及设置于所述大端面部、小端面部之间的光纤部；所述小倍率光学纤维锥的高度为0.3～3.5mm，大端面直径为20～55mm，小端面直径为15～45mm。
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