Способ изготовления волоконно-оптического элемента (воэ), передающего изображение, и воэ, полученный на основе этого способа
Владельцы патента RU 2578693:
Акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") (RU)
Изобретение относится к оптической и электронной промышленности, в частности к элементам волоконной оптики, и может быть использовано при изготовлении гибких и жестких регулярных волоконно-оптических жгутов, волоконно-оптических пластин, преобразователей, фоконов. Технический результат заключается в упрощении процесса изготовления ВОЭ, снижении трудоемкости и повышении экономичности процесса изготовления. Способ изготовления ВОЭ включает раздельную вытяжку стержней одинакового или взаимосогласующегося сечения 0,4-6,0 мм из штабиков круглого или многоугольного сечения, изготовленных из стекол, набор регулярного пакета, перетяжку пакета в многожильные световоды (МЖС) с размером сечения от 5 мкм до 6 мм и возможную дальнейшую переработку МЖС. Пакет набирают таким образом, чтобы распределение стержней из стекол с высоким и стержней из стекол с низким показателем преломления в поперечном сечении пакета было случайным при количественном соотношении высокопреломляющих и низкопреломляющих стержней от 1:9 до 9:1. Затем перетягивают пакет, получая регулярный многожильный световод со случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон в поперечном сечении с размером сечения волокон от 20 нм до 20 мкм. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к оптической и электронной промышленностям, в частности к элементам волоконной оптики. Изобретение может быть использовано при изготовлении гибких и жестких регулярных волоконно-оптических жгутов, волоконно-оптических пластин (ВОП), преобразователей, фоконов и других волоконно-оптических элементов, передающих изображение.
Регулярные волоконно-оптические элементы (ВОЭ), полученные известными способами, состоят из группы параллельно и регулярно уложенных единичных волокон, состоящих из сердцевины, изготавливаемой из стекла с высоким показателем преломления, и оболочки, изготавливаемой из стекла с показателем преломления, меньшим, чем у стекла сердцевины, и служат для передачи изображения с входного торца ВОЭ на выходной.
Известные способы изготовления единичного волокна ВОЭ заключаются или в вытягивании из двойных или тройных тиглей через фильеры из жидкой стекломассы, или в вытягивании из комплекта «штабик-трубка».
Известен способ изготовления единичного световедущего волокна из фильер (патенты США №4193782, C03B 37/02, 03.18.1980; №4217123, C03B 37/02, 08.12.1980).
Недостатком этого способа является то обстоятельство, что вытягивание волокна необходимо вести в высокотемпературной области вязкостей. Кроме того, тигли и фильера должны быть изготовлены из дорогостоящего материала - платины.
Известен способ изготовления единичного световедущего волокна из комплекта «штабик-трубка» (патент США №5.015.909, C03C 3/108, 14.05.1991). Недостаток этого способа заключается в том, что процесс изготовления трубок является сложным и дорогостоящим.
Наиболее близким к предлагаемому способу изготовления волоконно-оптических элементов является способ изготовления волоконно-оптических элементов и микроканальных структур, заявленный в патенте РФ №2235072, C03B 37/028, опубликованном 27.08.2004. По известному способу изготовления волоконно-оптических элементов и микроканальных структур, включающему вытягивание единичных одножильных световодов, перетягивание одножильных световодов в многожильные и сверхмногожильные, спекание и прессование многожильных и сверхмногожильных световодов в блоки и их механическую разделку, из штабиков круглого или прямоугольного сечения, изготовленных из стекол для сердцевины и для оболочек волокна раздельно вытягивают стержни одинакового или взаимосогласующегося различного сечения 0,4-6,0 мм. Затем из стержней набирают пакет, имеющий круглую или многогранную форму сечения, при укладке формируют внутреннюю структуру будущего единичного световода. Затем из пакета вытягивают единичный световод размером сечения от 5 мкм до 5 мм. Полученные таким способом элементарные световоды являются либо готовой продукцией, либо перерабатываются далее по известным технологическим схемам. Единичные световоды используют для сборки пакета для вытягивания многожильных световодов и, если требуется получение элементов с большим разрешением, из многожильных световодов собирается пакет для вытяжки сверхмногожильных световодов. Из многожильных или сверхмногожильных световодов прессуют волоконные блоки. Блоки разрезают на пластины, из которых изготавливают волоконно-оптические элементы или заготовки микроканальных пластин.
Для всех известных способов изготовления ВОЭ, передающих изображение, общим является изготовление единичного световедущего волокна, состоящего из сердцевины, изготовленной из стекла с высоким показателем преломления, и оболочки, изготовленной из стекла с низким показателем преломления, причем размер сечения единичного волокна в ВОЭ определяет разрешающую способность волоконно-оптического элемента.
Задачей настоящего изобретения является упрощение процесса изготовления волоконно-оптических элементов, передающих изображение, для широкого использования в различных хозяйственных отраслях, а также снижение трудоемкости и повышение экономичности процесса изготовления ВОЭ.
Задача изобретения решается в новом способе изготовления волоконно-оптического элемента, передающего изображение, включающем раздельную вытяжку стержней одинакового или взаимосогласующегося различного сечения 0,4-6,0 мм из штабиков круглого или многоугольного сечения, изготовленных из стекол с высоким и низким показателями преломления, набор регулярного пакета круглого или многоугольного сечения, перетяжку пакета в многожильные световоды (МЖС) с размером сечения от 5 мкм до 6 мм и возможную дальнейшую переработку МЖС по известным технологиям, в котором, в отличие от прототипа, набирают пакет таким образом, чтобы распределение стержней из высокопреломляющих стекол и стержней из низкопреломляющих стекол в поперечном сечении пакета было случайным при количественном соотношении высокопреломляющих и низкопреломляющих стержней от 1:9 до 9:1, перетягивают пакет, получая регулярный многожильный световод со случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон в поперечном сечении с размером сечения волокон от 20 нм до 20 мкм.
Полученные МЖС возможно использовать для набора следующего пакета с регулярной укладкой световодов в пакете и вытяжки сверхмногожильных световодов (СМЖС).
Полученные СМЖС возможно использовать для набора следующего пакета с регулярной укладкой световодов в пакете и вытяжки сверхсверхмногожильных световодов (ССМЖС).
Многожильные, сверхмногожильные и сверхсверхмногожильные световоды могут быть использованы для изготовления различных волоконно-оптических элементов: волоконно-оптических пластин, преобразователей, фоконов, регулярных волоконно-оптических жгутов по известным технологиям.
Волоконно-оптический элемент, передающий изображение, изготавливают из МЖС, или СМЖС, или ССМЖС, полученных вышеописанным способом.
Размеры сечения волокон составляют от 20 нм до 20 мкм, исходя из требуемого разрешения волоконно-оптического элемента.
Количественное соотношение высокопреломляющих и низкопреломляющих волоконных световодов от 1:9 до 9:1 подобрано опытным путем и обеспечивает упрощенный технологический процесс.
Снижение трудоемкости и повышение экономичности процесса обеспечивается за счет отсутствия стадии изготовления одножильных световодов и необходимости строгой упорядоченности укладки стержней в пакете для вытяжки МЖС.
Сущность изобретения поясняется электронно-микроскопическими снимками поперечных срезов волоконно-оптических элементов и примерами.
На Фиг. 1 показан электронно-микроскопический снимок поперечного сечения волоконно-оптической пластины, изготовленной по известному способу-прототипу. Микроструктура поперечного сечения ВОП характеризуется строгой упорядоченностью.
На Фиг. 2 показан электронно-микроскопический снимок поперечного сечения ВОЭ, изготовленного по предлагаемому способу. Микроструктура ВОЭ характеризуется случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон, по поперечному сечению.
На Фиг. 3, 4 и 5 представлены варианты внешнего вида волоконно-оптических элементов в действии.
Конкретный пример реализации способа: из штабиков круглого сечения из стекол с показателем преломления 1,82 и 1,49 вытяжкой получены стержни диаметром сечения 0,6 мм. Из стержней, полученных из высокопреломляющего и низкопреломляющего стекол, в количественном соотношении 1:1 набран пакет шестиугольного сечения с двойной апофемой 30 мм, из которого вытяжкой были получены многожильные световоды шестиугольного сечения с двойной апофемой 1 мм. Из многожильных световодов был вновь набран пакет шестиугольного сечения с двойной апофемой 30 мм и перетянут в сверхмногожильные световоды шестиугольного сечения с двойной апофемой 1 мм. Из сверхмногожильных световодов был вновь набран пакет с двойной апофемой 20 мм и перетянут в сверхсверхмногожильные световоды с двойными апофемами: 12 мм, 5 мм и 1 мм. Каждый из полученных таким образом сверхсверхмногожильных световодов обладал способностью передавать изображение с одного торца на другой (см. Фиг. 3, 4, 5). Предельное разрешение (для образца длиной 50 мм) превышало 100 мм-1. Сверхмногожильные световоды также передавали изображение с предельным разрешением свыше 50 мм-1. Многожильные световоды передавали изображение с низким разрешением, не более 3-5 мм-1.
По заявленному методу были получены многожильные, сверхмногожильные и сверхсверхмногожильные световоды при различном количественном соотношении дротов-стержней из высокопреломляющего и низкопреломляющего стекол. При снижении доли низкопреломляющего стекла ниже 10% резко снижались предельное разрешение и контраст изображения, при снижении доли высокопреломляющего стекла менее 10% резко снижались светопропускание, разрешение и контраст изображения. Таким образом, опытным путем подтверждено заявленное соотношение исходного набора стержней с различными показателями преломления - от 1:9 до 9:1 или в процентах - 10-90% - 90-10%.
Приведенный пример показывает, что волоконно-оптические элементы, передающие изображение, могут быть получены заявленным методом, использование которого упрощает процесс изготовления, снижает трудоемкость и повышает экономичность процесса за счет замены пакета со строгой упорядоченностью единичных стержней из высокопреломляющего и низкопреломляющего стекол пакетом со случайным распределением стержней по сечению пакета.
Из МЖС, СМЖС и ССМЖС были изготовлены различные ВОЭ, формы и размеры которых определяются конкретным применением.
1. Способ изготовления волоконно-оптического элемента, передающего изображение, включающий раздельную вытяжку стержней одинакового или взаимосогласующегося различного сечения 0,4-6,0 мм из штабиков круглого или многоугольного сечения, изготовленных из стекол с высоким и низким показателями преломления, набор регулярного пакета круглого или многоугольного сечения, перетяжку пакета в многожильные световоды (МЖС) с размером сечения от 5 мкм до 6 мм и возможную дальнейшую переработку МЖС по известным технологиям, отличающийся тем, что набирают пакет таким образом, чтобы распределение стержней из высокопреломляющих стекол и стержней из низкопреломляющих стекол в поперечном сечении пакета было случайным при количественном соотношении высокопреломляющих и низкопреломляющих стержней от 1:9 до 9:1, перетягивают пакет, получая регулярный многожильный световод со случайным распределением высокопреломляющих и низкопреломляющих волокон в поперечном сечении с размером сечения волокон от 20 нм до 20 мкм.
2. Способ по п. 1, в котором полученные МЖС используют для набора следующего пакета с регулярной укладкой световодов в пакете и вытяжки сверхмногожильных световодов (СМЖС).
3. Способ по п. 2, в котором полученные СМЖС используют для набора следующего пакета с регулярной укладкой световодов в пакете и вытяжки сверхсверхмногожильных световодов (ССМЖС).
4. Волоконно-оптический элемент, передающий изображение, изготовленный из МЖС, или СМЖС, или ССМЖС, полученных способом по пп. 1-3.
