解决大变比光纤锥制作的难点问题

王晓会

（山西长城微光器材股份有限公司，山西 太原 030012）

0 引 言

光纤锥即光学纤维锥是将一段长度大于其横截面的光纤面扳坯棒在温控状态下均匀加热并保持在软化温度时对其进行拉制,然后再用标准的玻璃研磨、抛光等设备进行加工制成光纤锥。其输出端面的图象相对于输入端面具有放大、缩小或变形的作用。与常规的光纤面板一样，这里提到的面扳坯棒是由数千万根规则的光学纤维复合丝紧密排列再经过熔压、切割等工序加工制成，只是长度远大于面板厚度。由于光纤锥具有放大、缩小像面形状及像面影像多样化，具有高效率的耦合特性等传像特征，因此作为关键器件光纤锥被广泛应用于微光摄像机、微光夜视仪、CCD耦合、电视成像、医疗诊断等军事、航天及民用市场领域。

光纤锥的广泛应用，也使得市场对产品的规格、品质、形状，尤其是放大比这一关键指标都提出了更多、更高的要求。然而，由于构成光纤锥的材料及工艺都非常复杂，受材料粘度等性能制约以及对产品内在品质的高标准要求，使得光纤锥的变比、形状一直以来都被局限在一定的范围内。我公司生产的光纤锥品种多、规格全，在国内外有着非常可观的市场份额及影响。然而近年来特别是自2010年以来众多垂询的客户中对变比增大的要求越来越多，比如 32光锥放大比6：1、57光锥放大比8：1等，同时这些产品的其他技术指标需要确保，这对常规的技术工艺提出了很大的挑战[1]。

1 技术要求

图1 常规光纤锥

图2 大变比光纤锥

我们现有的制作技术是基于长时间大量的研发试制及生产基础，常规光纤锥已有大批量、多种规格的生产制作能力。表1列举出 21光纤锥的主要技术指标，事实上除此之外还有：数值孔径、分辨率、传函、平面度等数十种指标要求。与常规光纤锥相比，在变比增大的同时这些指标同样需要满足。常规光纤锥的放大比一般在5：1以内，长度大于或接近于大端口径如图1所示，大变比光纤锥是指放大比大于5：1，且长度接近甚至小于大端口径（如图2），其他技术指标类似。

通过对大变比光纤锥与常规光纤锥的分析比较，将其技术要求及制作难点总结如下：1）在规定长度内将坯棒拉得更细以符合大变比的指标要求；2）在满足大变比及长度要求的同时，要确保光纤锥传像的本质要求并达到各项技术指标，比如透过率、畸变等；3）光纤维的主要技术指标见表1。

表1 光纤锥的主要技术指标

2 设计开发

光纤锥制作过程：设计制作坯棒—加热拉制成锥—外形加工。本文讨论的难点是前两个阶段，即坯棒制作和拉制成锥。

2.1 坯棒设计

2.1.1 光学纤维传像理论基础

拉制光纤锥用坯棒是由数以万计的光学纤维规则排列并加热熔合而成的,其中每一根光学纤维均由高折射率的芯玻璃和低折射率的包皮玻璃构成，芯玻璃是光的通路,包皮玻璃起界面全反射作用，光线在纤维内按照全反射定理从输入端传至输出端。由于光线在纤维内经受了多次反射,一条纤维能传递的空间信息细节不会比其芯体直径更细小，这样每一根光纤就是传递信息的一个单元。因而确定的材料中纤维径以及芯皮界面的性状、质量等便成为传像品质的关键。这里涉及到的关键是纤维径及芯/皮比例的确定。

2.1.2 坯棒成锥过程中纤维的变化

受热拉制过程中纤维伸长变细从而使皮层厚度变薄,特别是边缘区域皮层变薄程度更大,加重了光泄漏,也加重了全反射损失的程度。拉细变锥的同时纤维数值孔径降低,光纤的光通量及光掠出角随之减少,从而使芯皮界面全反射遭受不同程度的损失，光纤间的串光程度会随之加重，另外受热拉制后板坯中的EMA若使用不当会引发着色离子扩散,使光泄漏增加,甚至扩散渗透进入纤芯增加光吸收,因此光纤锥的数值孔径、光通量和对比度也随之降低。

2.1.3 大变比光纤锥坯棒的设计分析

变比几乎成倍增大的大变比锥与常规锥相比在受热拉制过程中上述问题将更为突出，因此必须设计增大纤维径及皮料厚度，然而由此却会带来分辨率即分辨图像细节能力的下降。因而对纤维尺寸、包层厚度、吸收材料及熔压工艺的设计是坯棒设计制作的关键。关于这一点，在理论计算的基础上要充分依靠实际试制中的测试结果并结合常规产品的生产经验来确定。这也是纤维光学产品设计的特点和难点。

2.2 大变比光纤维的拉制

实际拉制过程中，受材料粘度性能、温度限制等条件制约，当纤维锥被拉到一定直径后拉长的同时几乎不再变细。因而要在有限的规定长度内拉制出更大的变比，用现有的常规设施及方法是无法完成的，要实现这样的突破事实上非常困难。在经历了多次试制后我们得出了这样的结论：解决这样多组矛盾并存的方法是：必须将光、机、电多方面措施协同整合，而单方面的理论探讨仅仅是参考。将大变比锥按拉制过程分段细化分析，从而要充分利用锥体成型的特征来解决这一难点。光纤维锥拉制机见图3。

图3 光纤锥拉制机示意图

2.2.1 形体特征

按图2我们将大变比锥按照其外形特征划分为三个阶段：陡变曲线部分、平滑曲线部分、平缓近直柱部分，这三个部分同时代表了拉制过程起始、中间、结束三个阶段。各个阶段对温度环境、温度梯度分布等温度制度的要求各不相同。

2.2.2 拉制对关键指标的影响

除上述提到的情况外，变比增大对光纤锥的枕/桶畸变、透过率均匀性等指标的确保也带来了很大的困难。特别是前者，枕与桶互为反向，但枕大桶大都是不符合要求的。事实上有效控制锥体形状也是解决上述问题的关键。

3 实施方案

综合以上讨论及阐述，我们采用了以下几方面的措施，结合常规工艺使大变比光纤锥的制作难点得以突破，生产出符合要求的6：1甚至更大变比的光纤锥。

3.1 坯棒的设计方案

对6：1以上大变比光纤锥我们设计坯棒纤维尺寸在10μm～50μm之间，芯/皮比在70/30～50/50之间,具体数值、熔压工艺参数的设计以及吸收丝的确定视具体情况定。这样的坯棒拉制出的大变比光纤锥能够满足传像要求并各项技术指标。实际研发试制中的多组统计数据也证实了这一结论.。

3.2 制锥工艺方案

根据大变比锥成型过程中三个阶段的不同特点，在不同阶段采用不同的温度制度，同时配合对加热温区环境的调整，拉制过程全程采用程序控温，视具体的产品规格及要求坯棒加工工艺、拉力、卡具等其他参数也可以做相应的调整。需要提到的是：所有的设计包括最细微的部分都需要建立在多组甚至大量试验的基础上才可以真正完成，而单纯的理论推导在实际中却常常使矛盾走向对立。

3.2.1 设定温控程序

拉制全过程采用程序控温，程序的设定大体上分为三个阶段：升温阶段、拉制阶段及降温阶段，各阶段再细化成几个步骤，其中最关键的拉制阶段就是根据上述特征，依次分别采取高温、逐渐降温及快速降温三个步骤，这样使拉制过程不再是在恒温状态下进行，从而充分利用了锥体成型的特征最大限度确保在不改变材料性能的情况下拉制出更大变比的锥体。

3.2.2 调温挡板的设计

在加热炉体上配装了调温挡板来实现对加热温区环境的调整，调温挡板由金属及保温材料组成，结构上充分考虑装拆方便，在炉体两端壳体上挂扣固定。增设调温挡板，对提高热效率、节约能耗也有一定的作用。

3.2.3 其他

包括坯棒加工工艺、拉力、卡具等其它参数也可以做相应的调整，这要视具体的产品规格及要求确定。

4 结束语

纤维光学是一门实践性非常强的学科，理论和实际间似乎隔着很远的距离。对于光纤锥产品因其制造工艺复杂，技术难度大、工艺稳定困难，同时受环境因素制约，因而在实际生产过程中，如何能通过简单、可行的操作手段最经济却能最大程度地实现产品各项性能指标的要求，远比做单纯的理论探讨要困难得多。本文试图通过解决制作大变比光纤锥技术难点问题这一实践过程来分享这样的观点：一些大的难点问题的解决未必一定要应用到多么复杂的理论和技术；而多方面知识技术相互融合贯通却可以化难为易，用简单的方法使复杂的难点问题得以解决。目前我们已制作出大端直径 32 mm、变比为6：1，大端直径 57 mm，变比为12.3：1等规格的大变比光纤锥,其各项技术指标均符合要求。

[1]W.B.艾伦.纤维光学[M].北京：轻工业出版社，1981.

[2] 李兰，贾金五，刘辉，等.超窄高温区加热炉温度控制系统的研究[G]//第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集.北京：中国仪器仪表学术委员会，2011：1825-1828.