CN117623620A - 一种高透过率光纤传像元件及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高透过率光纤传像元件及其制备方法、应用，该制备方法包括以下步骤：单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；三角形填充玻璃丝拉制：将高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；将拉制的单丝按要求排列成一次复合棒，并将所述三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括单丝和三角形填充玻璃丝；将一次复丝再按要求排列成二次复合棒，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，即得到高透过率光纤传像元件。本发明制备的光纤传像元件具有透过率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传像元件制造领域，特别涉及一种高透过率光纤传像元件及其制备方法、应用。
背景技术
光纤传像元件包括光学纤维面板、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，经热熔压形成的高分辨力图像传像元件，是像增强器、高清晰显示用的关键材料，广泛地应用于军事、刑侦、航天、医疗等领域的各种阴极射线管、摄像管、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。
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、高折射率的芯料玻璃棒和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会导致输入光线会在全反射过程中穿透皮层发生了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。而杂散光的存在是直接影响光纤传像元件的对比度和清晰度等成像质量的重要因素。因此，微光夜视仪能否捕捉到足够清晰的细节信息，与光纤传像元件的透过率有很大关系，透过率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，而光纤传像元件则是保障微光夜视仪成像质量的关键材料，但是在光纤传像元件产品制备过程中，工艺中的材料匹配性、成分的相互扩散等会直接影响到光纤传像元件产品的透过率，制备高透过率光纤传像元件产品的难度较大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种透过率高的高透过率光纤传像元件及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种高透过率光纤传像元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；所述单丝的丝径为Φ2.4mm～Φ4.20mm；
(2)三角形填充玻璃丝拉制：将高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；所述三角形填充玻璃丝的截面为三角形，所述三角形填充玻璃丝的高度为0.50～0.95mm；
(3)将拉制的单丝按要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，每边单丝根数为6根，排成的一次复合棒中单丝总根数为91根，并将所述三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括单丝和所述的三角形填充玻璃丝；所述一次复丝的六边形对边尺寸为1.10mm～1.30mm。
(4)将一次复丝再按要求排列成横截面为正六边形的二次复合棒，所述二次复合棒每边的根数为12～17根，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述二次复丝的六边形对边尺寸为0.86-1.30mm，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，再将光学纤维坯板经过精加工即得到高透过率光纤传像元件。
所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
优选地，所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
优选地，所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
所述三角形填充玻璃丝的折射率为1.80～1.82；在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(90±5)×10-7/℃，所述玻璃丝的应变点温度620-640℃，所述玻璃丝在400-700nm的光谱内透射比大于95％，在850-900℃保温6小时不析晶不分相。
本发明还提供一种高透过率光纤传像元件，按照所述的制备方法制备得到。
本发明所述的一种高透过率光纤传像元件，所述的高透过率光纤传像元件的单元纤维丝径不大于4.0微米，所述高透过率光纤传像元件在400-700nm波长范围内准直光透射比＞70％；所述的高透过率光纤传像元件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。
本发明还又提供一种所述的高透过率光纤传像元件在微光像增强器中的应用。
本发明三角形填充玻璃丝的组合物中，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(mol.％)为15.0-25.0。SiO2含量低于15.0mol.％，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；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。
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0-0.5mol.％，优选为0.1-0.5mol.％，当Al2O3的含量大于0.5mol.％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。
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。B2O3的摩尔百分比(mol.％)为20.0-30.0，B2O3的含量低于20.0mol.％，无法起到助熔的作用，同时会降低玻璃的化学稳定性；B2O3含量大于30.0mol.％，会降低玻璃折射率，同时使玻璃的分相倾向增加。
MgO是玻璃结构网络外体氧化物，MgO的摩尔百分比(mol.％)为1.01-2.0，MgO的含量大于2.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数。
SrO是玻璃结构网络外体氧化物，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。
BaO是玻璃结构网络外体氧化物，能有效提高玻璃的折射率，BaO的摩尔百分比(mol.％)为15.0-25.0，BaO的含量小于15.0mol.％，会显著降低玻璃的折射率，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。
ZnO是调节玻璃熔制温度和玻璃析晶性能的氧化物，ZnO的摩尔百分比(mol.％)为0.5-2.0，ZnO的含量大于2.0mol.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增加玻璃的析晶倾向。
SnO2是玻璃澄清剂，SnO2的摩尔百分比(mol.％)为0.1-0.2，SnO2的含量大于0.2mol.％，会增加玻璃的析晶倾向。
TiO2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5.0-9.0，TiO2的含量大于9.0mol.％，会降低玻璃的透过率。
WO3是用来调节玻璃析晶性能的氧化物，WO3的摩尔百分比(mol.％)为1.0-5.0，WO3的含量大于5.0mol.％，会增加玻璃的析晶倾向。
La2O3是镧系稀土氧化物，能提高玻璃的折射率，La2O3的摩尔百分比(mol.％)为5.0-10.0，La2O3含量大于10.0mol.％时会造成玻璃的热膨胀系数增加。
Nb2O5也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，Nb2O5的摩尔百分比(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。
Y2O3是镧系稀土氧化物，能提高玻璃的折射率，也是用来调节玻璃析晶性能的氧化物，Y2O3的摩尔百分比(mol.％)为0.5-2.0，但Y2O3含量大于2.0mol.％时会造成玻璃的热膨胀系数增加。
Ta2O5也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，Ta2O5的摩尔百分比(mol.％)为1.1-5.0，但Ta2O5含量大于5.0mol.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加。
Gd2O3也是稀土氧化物，能增加玻璃的折射率，也是用来调节玻璃析晶性能的氧化物，Gd2O3的摩尔百分比(mol.％)为0-0.9，Gd2O3含量大于0.9mol.％时会造成玻璃的密度和热膨胀系数增加。
本发明的三角形填充玻璃丝***三角孔隙中，所述三角形填充玻璃丝的截面为三角形，采用三角形结构作为填充玻璃丝应用在光纤传像元件上，相同面积大小的孔隙，采用三角形结构较圆形结构的填充系数更高，且三角形的结构更稳定，能使得光纤传像元件的内部纤维结构不发生滑动偏移，维持光学纤维稳定的全反射结构，结合高折射率、高透过率三角形填充玻璃丝的作用，同时使得入射进入光学纤维的有用光通量显著增加，从而提高光纤传像元件的透过率和透过率均匀性。
与现有技术相比，本发明提供的高透过率光纤传像元件具有的有益效果是：
使用本发明的制备方法制备的高透过率光纤传像元件在距刀口0.1mm处串光小于1％，分辨率大于140lp/mm，固定图案噪声性能指标优良，在10倍显微镜下观察无明显复丝边界，在400-700nm波长范围内准直光透射比＞70％，该高透过率光纤传像元件可应用于微光像增强器中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的组成光纤传像元件的光学纤维内部结构示意图。
图2是本发明实施例1提供的高透过率光纤传像元件在400-700nm的准直光透射比曲线。
其中，1为三角形填充玻璃丝，2为纤芯玻璃，3为皮层玻璃。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1，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三角形填充玻璃丝1。
参见图2，为采用三角形填充玻璃丝制备的光纤传像元件按照GB/T 26597-2011中准直光透射比测试方法测试的在400-700nm的准直光透射比曲线，从曲线中可以看出，在400-700nm范围，准直光透射比为74％-80％。
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中详细列出了实施例的玻璃化学组成(mol.％)。
对本发明用于高透过率光纤传像元件的三角形填充玻璃丝的玻璃所测定的参数及测定方法和仪器如下：
(1)折射率nD为λ＝589.3nm时玻璃的折射率，采用折射率测试仪来测定；
(2)30-300℃的平均线热膨胀系数α30/300[×10-7/℃]采用卧式膨胀仪测量，采用GB/T 16920-2015规定的方法测量。
表1玻璃丝实施例的化学组成(mol.％)和性能
实施例1
一种高透过率光纤传像元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；所述单丝的丝径为Φ2.8mm；
(2)填充玻璃丝拉制：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，然后制备高折射率、高透过率的三角玻璃棒，再将制备的高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；控制三角形填充玻璃丝的高度为0.63mm；
(3)将拉制的单丝按要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，每边单丝根数为6根，排成的一次复合棒中单丝总根数为91根，并将三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括棒管结合拉制成的单丝和高折射率、高透过率的玻璃棒拉制成的三角形填充玻璃丝；所述一次复丝的六边形对边尺寸为1.27mm；
(4)将一次复丝再按要求排列成横截面为正六边形的二次复合棒，所述二次复合棒每边的根数为12根，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述二次复丝的六边形对边尺寸为0.91mm，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，再将光学纤维坯板经过精加工即得到高透过率光纤传像元件。
制备得到的高透过率光纤传像元件的单元纤维丝径为3.96μm，在距刀口0.1mm处串光为0.94％；中心分辨力143lp/mm；具有优良的透光性能，在400-700nm波长范围内准直光透射比平均值为75.8％；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。
实施例2
一种高透过率光纤传像元件的制备方法，包括以下步骤：
(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；所述单丝的丝径为Φ2.4mm；
(2)三角形填充玻璃丝拉制：按表1实施例2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，然后制备高折射率、高透过率的三角玻璃棒，再将制备的高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；控制填充玻璃丝的高度为0.50mm；
(3)将拉制的单丝按要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，每边单丝根数为6根，排成的一次复合棒中单丝总根数为91根，并将三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括单丝和三角形填充玻璃丝；所述一次复丝的六边形对边尺寸为1.30mm。
(4)将一次复丝再按要求排列成横截面为正六边形的二次复合棒，所述二次复合棒每边的根数为17根，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述二次复丝的六边形对边尺寸为1.30mm，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，再将光学纤维坯板经过精加工即得到高透过率光纤传像元件。
制备得到的光纤传像元件的单元纤维丝径为3.96μm，在距刀口0.1mm处串光为0.96％；中心分辨力143lp/mm；具有优良的透光性能，在400-700nm波长范围内准直光透射比平均值为75.2％；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。
实施例3
(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；所述单丝的丝径为Φ4.20mm；
(2)三角形填充玻璃丝拉制：按表1实施例3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，然后制备高折射率、高透过率的三角玻璃棒，再将制备的所述高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；控制三角形填充玻璃丝的高度为0.95mm；
(3)将拉制的单丝按要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，每边单丝根数为6根，排成的一次复合棒中单丝总根数为91根，并将所述三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括单丝和三角形填充玻璃丝；所述一次复丝的六边形对边尺寸为1.10mm。
(4)将一次复丝再按要求排列成横截面为正六边形的二次复合棒，所述二次复合棒每边的根数为12根，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述二次复丝的六边形对边尺寸为0.86mm，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，再将光学纤维坯板经过精加工即得到高透过率光纤传像元件。
制备得到的光纤传像元件的单元纤维丝径为3.92μm，在距刀口0.1mm处串光为0.92％；中心分辨力143lp/mm；具有优良的透光性能，在400-700nm波长范围内准直光透射比平均值为75.6％；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。
实施例4
填充玻璃实际组成参照表1中实施例4的组成，采用与实施例1相同的方法制备光纤传像元件。
制备得到的光纤传像元件的单元纤维丝径为3.96μm，在距刀口0.1mm处串光为0.94％；中心分辨力143lp/mm；具有优良的透光性能，在400-700nm波长范围内准直光透射比平均值为75.7％；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。
实施例5
填充玻璃实际组成参照表1中实施例5的组成，采用与实施例1相同的方法制备光纤传像元件。
制备得到的光纤传像元件的单元纤维丝径为3.96μm，在距刀口0.1mm处串光为0.94％；中心分辨力143lp/mm；具有优良的透光性能，在400-700nm波长范围内准直光透射比平均值为75.5％；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。
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 (8)
1.一种高透过率光纤传像元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)单丝拉制：将高折射率的芯料玻璃棒和低折射率的皮料玻璃管匹配进行单丝拉制；所述单丝的丝径为Φ2.4mm～Φ4.20mm；
(2)三角形填充玻璃丝拉制：将高折射率、高透过率的三角玻璃棒拉制成三角形填充玻璃丝；所述三角形填充玻璃丝的截面为三角形，所述三角形填充玻璃丝的高度为0.50～0.95mm；
(3)将拉制的单丝按要求排列成横截面为正六边形的一次复合棒，每边单丝根数为6根，排成的一次复合棒中单丝总根数为91根，并将所述三角形填充玻璃丝均匀***到一次复合棒的空隙中，再拉制成一次复丝，一次复丝包括单丝和所述的三角形填充玻璃丝；所述一次复丝的六边形对边尺寸为1.10mm～1.30mm；
(4)将一次复丝再按要求排列成横截面为正六边形的二次复合棒，所述二次复合棒每边的根数为12～17根，将二次复合棒拉制成二次复丝，所述二次复丝排列成板段，所述二次复丝的六边形对边尺寸为0.86-1.30mm，所述板段经热熔压成型成为光学纤维坯板，再将光学纤维坯板经过精加工即得到高透过率光纤传像元件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述三角形填充玻璃丝由以下摩尔百分含量的组分组成：
5.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述三角形填充玻璃丝的折射率为1.80～1.82；在30～300℃范围的平均线热膨胀系数为(90±5)×10-7/℃，所述玻璃丝的应变点温度620-640℃，所述玻璃丝在400-700nm的光谱内透射比大于95％，在850-900℃保温6小时不析晶不分相。
6.一种高透过率光纤传像元件，其特征在于，按照权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的一种高透过率光纤传像元件，其特征在于，所述的高透过率光纤传像元件的单元纤维丝径不大于4.0微米，所述高透过率光纤传像元件在400-700nm波长范围内准直光透射比＞70％；所述的高透过率光纤传像元件在10倍显微镜下观察无明显复丝边界。
8.一种权利要求6或7所述的高透过率光纤传像元件在微光像增强器中的应用。
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| CN202311579590.3A CN117623620A (zh) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | 一种高透过率光纤传像元件及其制备方法、应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311579590.3A CN117623620A (zh) | 2023-11-24 | 2023-11-24 | 一种高透过率光纤传像元件及其制备方法、应用 |
Publications (1)
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| CN117623620A true CN117623620A (zh) | 2024-03-01 |
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Family Applications (1)
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- 2023-11-24 CN CN202311579590.3A patent/CN117623620A/zh active Pending
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