改善光纖倒像器網(wǎng)格缺陷工藝研究

王三昭 石攀 張兵強 黃康勝 馮躍沖

（中建材光芯科技有限公司，山東 棗莊 277100）

0 引言

光纖倒像器是硬質(zhì)光纖器件光纖面板的一種，除具有普通光纖面板傳光效率高、級間耦合損失小、傳像清晰、光學(xué)零厚度等特點以外，還具有將圖像反轉(zhuǎn)180°，使傳輸?shù)南癯蔀榈沽⒌南竦墓δ埽壳爸饕獞?yīng)用于微光夜視儀的像增強器中實現(xiàn)光學(xué)倒像。光纖倒像器的應(yīng)用有效縮短了像增強器的尺寸，減少了原有中繼透鏡倒像系統(tǒng)的場區(qū)畸變和虛焦缺陷，提高了成像清晰度和分辨率，是超二代近貼式微光像增強器的核心器件之一[1]。光纖倒像器具有十分復(fù)雜的生產(chǎn)過程與成型工藝，大致生產(chǎn)過程如圖1所示。

圖1 光纖倒像器生產(chǎn)過程

但目前國內(nèi)生產(chǎn)的光纖倒像器還存在暗點、剪切、網(wǎng)格、畸變、相位移、白邊等性能缺陷，嚴重限制光纖倒像器合格率的提升，造成生產(chǎn)成本居高不下。研究光纖倒像器的制備工藝，降低其性能缺陷，提升合格率、降低成本，具有重要的生產(chǎn)價值。本文從倒像器網(wǎng)格缺陷的微觀形態(tài)出發(fā)，分析網(wǎng)格缺陷的形成機理和影響因素，根據(jù)實驗研究結(jié)果和實際工藝情況采取措施，以期提升倒像器產(chǎn)品合格率。

1 網(wǎng)格的定義及形成機理

光纖倒像器網(wǎng)格指在朗伯光源下觀察時介于復(fù)絲間不透射的圖案,寬度為2-3根單纖維，可能覆蓋光纖倒像器板面的全部或部分[2]。此類缺陷影響像增強器的觀察范圍，嚴重者會導(dǎo)致目標(biāo)誤判和漏判。作為槍瞄使用的像增強器，由于有效直徑較小，使用時只需考慮中心區(qū)10mm左右，外圍網(wǎng)格缺陷影響不大，而隨著超二代像增強器技術(shù)被移植到戰(zhàn)車等觀瞄裝備中，視野的大小直接影響戰(zhàn)車快速反應(yīng)和打擊能力，外圍網(wǎng)格缺陷也必須嚴格控制。

從生產(chǎn)中挑選出存在網(wǎng)格缺陷的光纖倒像器，在高倍顯微鏡下觀察其內(nèi)部狀態(tài)（如圖2）。從圖中可以看出，在網(wǎng)格發(fā)生位置，單元絲結(jié)構(gòu)不完整，圓柱形單元絲發(fā)生斷裂，當(dāng)光線通過時，因單元絲結(jié)構(gòu)不完整破壞了光線全反射過程，產(chǎn)生漏光，造成光纖倒像器端面在復(fù)絲邊界處出現(xiàn)不透光圖案，形成網(wǎng)格缺陷（如圖3）。

在光纖倒像器制作過程中，受工藝條件和外界環(huán)境的影響，復(fù)絲與復(fù)絲之間會形成空隙，從而形成界面層。在扭轉(zhuǎn)成型過程中，隨著板段邊緣的復(fù)絲被拉長，由于復(fù)絲邊界界面層與光纖基體粘度、膨脹系數(shù)的不同，將導(dǎo)致單元絲斷裂，使得復(fù)絲外圍出現(xiàn)不透光圖案，形成網(wǎng)格。網(wǎng)格缺陷的產(chǎn)生于光纖倒像器生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，在光纖倒像器的生產(chǎn)過程中，復(fù)絲結(jié)構(gòu)、纖維絲破損以及環(huán)境濕度都會對光纖倒像器網(wǎng)格產(chǎn)生影響。

圖2 網(wǎng)格形貌

圖3 網(wǎng)格形成機理模擬圖

1.1 復(fù)絲結(jié)構(gòu)

現(xiàn)行工藝中，纖維絲采用熱熔牽引拉絲，因設(shè)備精度、材料料性等因素影響，會導(dǎo)致纖維絲絲徑產(chǎn)生偏差，在排列成纖維束時，影響內(nèi)部排列結(jié)構(gòu)，從而拉制出來的二次復(fù)絲存在不同程度的裂絲情況，產(chǎn)生大量空隙，如圖5所示。空隙的存在，使得壓板過程中復(fù)絲邊界結(jié)合不緊密，形成界面層，在生產(chǎn)過程中，復(fù)絲邊界界面層被拉伸造成單元絲斷裂，形成不透光圖案，產(chǎn)生網(wǎng)格。

圖4 二次復(fù)絲截面

1.2 纖維破損

二次復(fù)絲中單纖維的皮層厚度僅為零點幾微米,在拉絲、排板、熱壓操作中容易因碰撞、摩擦造成破損。復(fù)絲表面破損后產(chǎn)生的微裂紋會急劇擴展，波及更多的纖維造成網(wǎng)格[3]。如果纖維直徑不均勻或有扭絲、彎絲存在,這種破損更易形成網(wǎng)格。

圖5 復(fù)絲表面裂紋

1.3 水氣污染

在有機物、水蒸氣污染的情況下，板段在熱壓升溫加壓過程中會不斷的釋放氣體，雖然熱壓過程中抽真空，但10-2兆帕的真空度，抽出來的氣體主要來自氣相，尚有大量的殘留氣體在熱壓過程中，在復(fù)絲界面產(chǎn)生高壓氣泡[4]，高壓氣泡會陷入單元絲內(nèi)部，散射或者阻隔光纖的傳播，從而形成不透光的單元絲，形成網(wǎng)格。

圖6 氣泡阻隔模擬

2 生產(chǎn)工藝對網(wǎng)格影響分析

2.1 纖維芯皮比

光纖倒像器是由芯料、皮料和光吸收玻璃三種材料制備形成的光學(xué)纖維透鏡，其中芯料的主要作用是傳遞能量和圖像信息，皮料的主要作用是保證圖像信息在光纖中以全反射的方式進行傳遞。光線在光纖芯皮界面全反射時，光波將透入皮層一定深度，并沿平行界面的方向傳播一段距離，再返回芯料，透入皮層的這個波叫倏逝波[5]。倏逝波在皮層傳播的距離一般為一個波長，進入深度則取決于光波波長和入射角度。當(dāng)光纖皮層厚度小于光波透入深度時，光波將從皮層逃逸，影響光纖的透過率和成像質(zhì)量。如果某根纖維皮層在拉絲排板過程中受到碰撞、摩擦，導(dǎo)致最終的皮層厚度減小可能造成漏光，影響纖維透過率，產(chǎn)生網(wǎng)格，圖7為光纖芯皮比對光纖倒像器網(wǎng)格缺陷的影響。

圖7 光纖芯皮比對光纖倒像器網(wǎng)格缺陷的影響

從圖中可以看出，不考慮其他缺陷的影響，增加纖維皮層厚度，可以有效的降低網(wǎng)格不合格率，因為增加皮層厚度，在同等工藝條件下，可以降低因操作對纖維造成的破損的影響，從而改善網(wǎng)格缺陷。

2.2 環(huán)境濕度

空氣濕度對于光纖倒像器網(wǎng)格不存在直接的影響，但濕度過高或者過低必然會對光纖倒像器網(wǎng)格產(chǎn)生影響。為研究濕度的影響，在實驗工房，拉絲和排板工序人為設(shè)置不同的環(huán)境濕度進行生產(chǎn)光纖倒像器，統(tǒng)計倒像器的網(wǎng)格不合格率。

表1 環(huán)境濕度對光纖倒像器網(wǎng)格的影響

從上表可以看出，環(huán)境濕度過大和過小都會對光纖倒像器的網(wǎng)格產(chǎn)生影響，環(huán)境濕度過大會使板段復(fù)絲表面吸附大量的水氣，熱壓過程中產(chǎn)生的高壓氣泡較多，形成網(wǎng)格，而環(huán)境濕度過小，復(fù)絲纖維絲表面產(chǎn)生靜電，吸附較多的不可燃粒子，造成纖維絲不透光，形成網(wǎng)格，一般控制環(huán)境濕度在50±5%較為合適。

3 結(jié)論

本文對光纖倒像器的網(wǎng)格缺陷從形貌、形成機理、影響因素以及工藝控制等方面進行了研究，主要得出了如下結(jié)論：

受工藝條件和外界環(huán)境的影響，復(fù)絲邊界形成界面層，在扭轉(zhuǎn)過程中，隨著板段邊緣的復(fù)絲被拉長，由于界面層與基體粘度、膨脹系數(shù)的不同，導(dǎo)致單元絲斷裂，從而產(chǎn)生網(wǎng)格。

光纖倒像器網(wǎng)格缺陷的影響因素如下：

1）復(fù)絲結(jié)構(gòu)

復(fù)絲結(jié)構(gòu)不好會導(dǎo)致板段內(nèi)復(fù)絲間形成界面層，直接影響著光纖倒像器的網(wǎng)格缺陷。通過控制棒管芯皮比、提高拉絲機拉絲精度來改善復(fù)絲結(jié)構(gòu)，從而控制網(wǎng)格。

2）水氣污染

水氣會在板段內(nèi)復(fù)絲界面形成高壓氣泡，氣泡會陷入單元絲內(nèi)造成光纖入射阻隔，從而形成網(wǎng)格，對光纖倒像器網(wǎng)格影響較大。針對濕度對光纖倒像器網(wǎng)格的影響，可采取有效措施控制生產(chǎn)工房內(nèi)的環(huán)境濕度，同時減少半成品的存放時間，來達到控制網(wǎng)格的目的。

3）纖維破損

在生產(chǎn)光纖倒像器的過程中，會不可避免對纖維絲造成磨損，破壞板段的透光率，嚴重時產(chǎn)生網(wǎng)格，針對纖維破損的影響，通過改進操作動作及治具，同時適當(dāng)增加棒管芯皮比，繼而改善纖維破損，控制光纖倒像器網(wǎng)格的產(chǎn)生。