張 磊，許慧超，王 云，付 楊，趙 越，湯曉峰，石 鈺，孫 勇，張 弦，賈金升

（中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024）

引言

微光夜視儀是在夜間或低照度條件下，利用星光、月光和大氣輝光，通過像增強(qiáng)器，將人眼不易看見的極微弱星光和紅外輻射等進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和圖像增強(qiáng)，使之變成人眼容易看到的圖像，以實(shí)現(xiàn)夜間觀察和探測[1]。高品質(zhì)的微光夜視裝備是夜間作戰(zhàn)的眼睛和窗口，是打贏一場高新技術(shù)局部戰(zhàn)爭的堅(jiān)強(qiáng)后盾和有力保障之一[2-5]。

微光夜視儀主要由物鏡、像增強(qiáng)器、目鏡等三部分組成，其中實(shí)現(xiàn)微光夜視功能的核心部件是微光像增強(qiáng)器，它是一種真空光電成像器件。光纖倒像器作為像增強(qiáng)器上的光學(xué)輸入、輸出窗口，是影響其成像品質(zhì)的核心器件[6-8]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)和應(yīng)用的微光像增強(qiáng)器，主要是以直徑Φ18 mm的口徑為主，隨著微光夜視技術(shù)的快速發(fā)展和系統(tǒng)性能的不斷提高，大口徑光纖倒像器因其可實(shí)現(xiàn)寬視場、大視野、遠(yuǎn)視距的探測和觀瞄，在未來信息化和高科技戰(zhàn)爭中具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿9-20]。但是隨著光纖倒像器口徑的增大，易產(chǎn)生邊緣分辨率消失、內(nèi)部斑點(diǎn)、彎曲畸變等缺陷，現(xiàn)有的制備工藝已不再適用，為此，研究人員做了大量的研究工作，對(duì)大口徑光纖倒像器的制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，最終制備出滿足技術(shù)要求的大口徑光纖倒像器。

本文從大口徑光纖倒像器的制備技術(shù)出發(fā)，開展了大口徑光纖倒像器關(guān)鍵工藝技術(shù)研究，最終解決了大口徑光纖倒像器的制備難點(diǎn)，滿足了產(chǎn)品性能指標(biāo)要求。

1 大口徑光纖倒像器制備工藝設(shè)計(jì)

1.1 大口徑光纖倒像器的設(shè)計(jì)要求及制備難點(diǎn)分析

大口徑光纖倒像器的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其外徑大于45 mm，高度大于50 mm，在尺寸和體積增大的同時(shí)，其他性能指標(biāo)與常規(guī)倒像器產(chǎn)品相同[21-22]。

表1 大口徑光纖倒像器設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design indexes of optical fiber image inverters with large aperture

如圖1所示，我們將大口徑光纖倒像器按其外形特征劃分為兩部分，即直區(qū)（纖維未變形區(qū)域，包括底部直區(qū)和臺(tái)階直區(qū)）和扭區(qū)（纖維扭轉(zhuǎn)變形區(qū)域），其中直區(qū)要求盡可能地保證不出現(xiàn)彎曲畸變，受熱盡量少；而扭區(qū)要求纖維變形趨于一致，受熱盡量均勻，這就對(duì)制備工藝提出了很高的要求，需要充分利用大口徑光纖倒像器的形體特征來完成制備過程。

圖1 大口徑光纖倒像器和常規(guī)光纖倒像器Fig.1 Optical fiber image inverters with large aperture and inverters in normal

圖2所示為本文研究的大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)變形示意圖。圖3所示為光學(xué)纖維扭轉(zhuǎn)拉伸變形示意圖[4,23]。大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)成型是制備過程的關(guān)鍵工序，其中50%以上的性能指標(biāo)都與扭轉(zhuǎn)成型工序直接相關(guān)，如對(duì)比度、分辨率、透過率、彎曲畸變等。這是由于大口徑光纖倒像器毛坯外形體積是常規(guī)光纖倒像器所用毛坯體積的13.8 倍（常規(guī)光纖倒像器所用毛坯直徑25 mm、高度25 mm），使得毛坯在扭轉(zhuǎn)成型工藝中在高溫階段的加熱時(shí)間增加了5 倍，最外圍光學(xué)纖維的拉伸量增加了80%。這一方面加重了光學(xué)纖維芯料、皮層料界面的離子擴(kuò)散和滲透，導(dǎo)致界面上出現(xiàn)析晶甚至乳化現(xiàn)象；另一方面大口徑光纖板毛坯在受熱扭轉(zhuǎn)成型過程中，扭區(qū)的光學(xué)纖維會(huì)被拉伸，皮層玻璃材料的厚度變薄，距離光纖倒像器中心軸距離越遠(yuǎn)的邊緣光學(xué)纖維，其纖維的拉伸量越大，使得邊緣光學(xué)纖維絲的皮層厚度變得越薄。當(dāng)皮層厚度小于（0.5～1）λ（λ 為入射光波長）時(shí)，光線就會(huì)穿透皮層進(jìn)入到相鄰的纖維中去，造成漏光、串光。為了防止產(chǎn)生纖維的漏光、串光，需要增加皮層厚度，但是皮層厚度過厚，會(huì)使得入射在皮層上的無用光通量增加，增加背景噪聲，造成像質(zhì)下降[24-26]。這兩方面的共同作用破壞了芯、皮界面的完整性，使部分光線不滿足全反射條件從光學(xué)纖維中逸出，從而產(chǎn)生斑點(diǎn)、數(shù)值孔徑降低、透過率降低、分辨率下降等問題；同時(shí)隨著毛坯尺寸的加大，加重了毛坯受熱不均，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)過程易產(chǎn)生炸裂。因此，扭轉(zhuǎn)成型是影響大口徑光纖倒像器傳像品質(zhì)的關(guān)鍵工序。

圖2 光纖倒像器及纖維拉伸變形示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical fiber image inverters and fiber tensile deformation

圖3 光纖倒像器單元絲纖維扭前及扭后示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical fiber image inverters unit silk fiber twisting before and after

1.2 大口徑光纖板毛坯的制備工藝設(shè)計(jì)

大口徑光纖倒像器是由成千上萬根微米級(jí)的光學(xué)纖維平行規(guī)則排列后，經(jīng)熱熔壓成型制備成光纖板毛坯，再經(jīng)過外力扭轉(zhuǎn)毛坯，使輸入圖像反轉(zhuǎn)180°從輸出端傳出的一種光纖傳像元器件。其中每一根光學(xué)纖維都是一個(gè)獨(dú)立的信息傳輸單元，它是由高折射率的芯料玻璃和低折射率的皮層玻璃構(gòu)成，光線能夠按照全反射原理在光學(xué)纖維內(nèi)部傳播。根據(jù)纖維光學(xué)的理論和光的全反射定理可知[24-26]，當(dāng)一束光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)的光滑分界面時(shí)，入射光與分界面法線的夾角大于或者等于臨界角，入射的光束將全部反射光密介質(zhì)中。光線在每一次全反射時(shí)，在芯皮的界面都存在著光的滲透現(xiàn)象，皮層玻璃的厚度滿足下式時(shí)才能使得光學(xué)纖維理想傳光：

式中:Y為扭后拉伸變形的光學(xué)纖維絲的皮層厚度；H為有效扭區(qū)寬度（即實(shí)際扭區(qū)寬度）；R為光纖倒像器有效區(qū)半徑；λ為入射光波長。我們將R/H定義為徑寬比，徑寬比越大，光學(xué)纖維的拉伸量越大；徑寬比越小，光學(xué)纖維的拉伸量越小。

從（1）式可以看出，有效扭區(qū)寬度H越小，光學(xué)纖維皮層所需厚度就越厚，為了獲得高分辨率的大口徑光纖倒像器，我們?cè)O(shè)計(jì)扭轉(zhuǎn)變形區(qū)域的寬度H在40 mm～45 mm 之間，有效區(qū)直徑為Φ40 mm～Φ42 mm，芯/皮面積比控制在60/40，皮層玻璃管的厚度控制在4.3 mm～4.5 mm，這樣制備出的大口徑光纖倒像器能夠滿足傳像要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。繼續(xù)增加皮層玻璃管厚度不僅會(huì)增加玻璃管的成型難度，也會(huì)使無效光通量增加，降低了大口徑光纖倒像器的透過率和對(duì)比度。

1.3 大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)成型工藝設(shè)計(jì)

大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)成型工藝是將熱熔壓成型后的光纖板經(jīng)過滾圓、切割、端面磨拋、開槽等冷加工工序制備成兩端為六方柱中間為圓柱形的毛坯（圖4所示為制備大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)成型用六方毛坯示意圖），然后將毛坯放入扭轉(zhuǎn)成型爐，采用剛性夾具夾持毛坯兩端六方柱側(cè)面，加熱毛坯中間圓柱部位使其受熱達(dá)到玻璃的軟化溫度，然后對(duì)剛性夾具施加一定扭矩，使毛坯扭轉(zhuǎn)180°。

圖4 制備大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)成型用六方毛坯示意圖Fig.4 Schematic of hexagonal blank of twisting operation for optical fiber image inverters with large aperture

大口徑光纖倒像器選取的毛坯直徑為60 mm、高度為60 mm，其成品的扭區(qū)需要控制在40 mm～45 mm 之間，這就要求所用的加熱爐的加熱溫區(qū)小于45 mm，該區(qū)域的溫度場要力求均勻，并且加熱區(qū)與其相鄰區(qū)域間的溫度梯度要大，同時(shí)保證處于直區(qū)的纖維溫度不會(huì)因?yàn)闇夭钸^大而炸裂。常規(guī)的扭轉(zhuǎn)成型設(shè)備[27]采用靜態(tài)掛重扭轉(zhuǎn)和單一加熱源的方式，使得毛坯在扭轉(zhuǎn)成型過程中上下左右受熱不均，且光學(xué)纖維拉伸變形使得扭區(qū)角度分布極不均勻，扭轉(zhuǎn)角度過度集中于扭區(qū)的中間位置，導(dǎo)致無法扭轉(zhuǎn)制備出合格產(chǎn)品。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 大口徑光纖倒像器的制備過程

如圖5所示為大口徑光纖倒像器的制備工藝流程圖[28-31]。為滿足產(chǎn)品性能指標(biāo)要求，本文采用旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)相結(jié)合來制備大口徑光纖倒像器[32]。

圖5 大口徑光纖倒像器的制備工藝流程圖Fig.5 Flow chart of preparation technology of optical fiber image inverters with large aperture

1）采用旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)成型工藝。在扭轉(zhuǎn)成型爐升溫加熱過程中，毛坯通過裝夾在旋轉(zhuǎn)軸上的扭轉(zhuǎn)桿卡具的夾持沿旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，保證光纖板毛坯均勻受熱，不會(huì)因?yàn)槭軣岵痪蛘邷夭钸^大而產(chǎn)生應(yīng)力，有效避免了大尺寸光纖倒像器因受熱不均或溫差過大而產(chǎn)生的炸裂問題。當(dāng)光纖板毛坯中間受熱部位達(dá)到扭轉(zhuǎn)成型溫度時(shí)，通過設(shè)置左右扭轉(zhuǎn)桿不同的旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到差速的目的，從而實(shí)現(xiàn)光纖板毛坯的180°扭轉(zhuǎn)成型。

2）采用雙爐加熱系統(tǒng)。如圖6所示，爐內(nèi)設(shè)置2 個(gè)以串聯(lián)方式連接的環(huán)形加熱體，加熱體采用電阻絲加熱，該設(shè)計(jì)通過優(yōu)化扭區(qū)的溫度場分布，提升扭區(qū)光學(xué)纖維的變形均勻性，進(jìn)而改善光纖倒像器邊緣透過率和提高邊緣分辨率。

圖6 旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)成型和雙爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖Fig.6 Schematic of double furnace heating design and twisting operation with rotation differential velocity

通過旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)來扭轉(zhuǎn)大口徑光纖倒像器毛坯，使得大口徑光纖倒像器的制備難點(diǎn)得以突破，制備出符合技術(shù)指標(biāo)要求的大口徑光纖倒像器。

2.2 大口徑光纖倒像器分辨率測試

將制備的大口徑光纖倒像器加工成成品，通過美軍標(biāo)1951 USAF 分辨率標(biāo)準(zhǔn)測試卡進(jìn)行分辨率測試。圖7所示為采用常規(guī)加熱系統(tǒng)制備的大口徑光纖倒像器分辨率測試結(jié)果。圖8所示為采用旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)成型工藝和雙爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)后制備的分辨率測試結(jié)果。

圖7 大口徑光纖倒像器分辨率降低現(xiàn)象和分辨率測試Fig.7 Resolution reduction and resolution tests of optical fiber image inverters with large aperture

圖8 采用旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)和雙爐設(shè)計(jì)后制備的大口徑光纖倒像器分辨率測試Fig.8 Resolution tests of optical fiber image inverters with large aperture using rotation differential velocity twisting and double furnace design

2.3 大口徑光纖倒像器切片角度測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證大口徑光纖倒像器制備工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)前后扭轉(zhuǎn)區(qū)域的分布效果，我們通過光纖倒像器扭轉(zhuǎn)成型區(qū)域的角度分布變化來量化表征扭轉(zhuǎn)區(qū)域光學(xué)纖維的變形均勻性。將大口徑光纖倒像器成品切割成3.0 mm±0.02 mm 厚度的薄片，并在投影儀上通過10 倍物鏡分別測量所切割薄片的扭轉(zhuǎn)角度。圖9所示為大口徑光纖倒像器的切片示意圖。表2所示為大口徑光纖倒像器的切片角度測試數(shù)據(jù)。圖10所示為切片角度測試分布圖。

圖10 工藝優(yōu)化前后的大口徑光纖倒像器切片角度測試Fig.10 Angle test of slices of optical fiber image inverters with large aperture in process optimization before and after

表2 大口徑光纖倒像器切片角度數(shù)據(jù)Table 2 Angle data of slices of optical fiber image inverters with large aperture

圖9 大口徑光纖倒像器切片示意圖Fig.9 Schematic diagram of slices of optical fiber image inverters with large aperture

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖7 中可以看出，大口徑光纖倒像器的邊緣分辨率下降明顯，測試結(jié)果顯示，其在128 lp/mm、144 lp/mm、161 lp/mm 的分辨率測試出現(xiàn)“模糊不清”狀態(tài)。由圖8 的分辨率測試結(jié)果可以看出，采用雙爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)后制備的大口徑光纖倒像器成品，其在128 lp/mm、144 lp/mm、161 lp/mm 的分辨率測試清晰可見，對(duì)大口徑光纖倒像器的邊緣分辨率改善效果非常明顯。從圖10中的大口徑光纖倒像器切片角度測試也可以看出，采用差速扭轉(zhuǎn)和雙爐加熱系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)后，切片角度由原來的“尖峰”分布轉(zhuǎn)變?yōu)榕^(qū)中間角度向兩側(cè)平緩下滑趨勢，使得扭區(qū)的溫度場分布更均勻。

為方便描述，將扭轉(zhuǎn)角度與扭轉(zhuǎn)角度所在的扭區(qū)寬度的比值定義為角度集中量，即每毫米扭轉(zhuǎn)角度（°/mm），“理想狀態(tài)”下的角度集中量在180°/45 mm～180°/42 mm 之間，即4.0°/mm～4.3°/mm的角度集中量，角度集中量越大，光學(xué)纖維的拉伸變形越不均勻。由測試結(jié)果看出，采用常規(guī)加熱系統(tǒng)制備的大口徑光纖倒像器成品，其扭區(qū)寬度為40.8 mm（2#～14#），中間20.40 mm 的區(qū)域內(nèi)（6#～11#）的角度集中量為6.54°/mm，兩側(cè)邊緣區(qū)域的角度集中量分別為0.87°/mm 和0.73°/mm，角度分布極不均勻，這是導(dǎo)致邊緣分辨率下降的主要原因。采用差速扭轉(zhuǎn)和雙爐加熱系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)后，其扭區(qū)寬度為44.28 mm（1#～14#），中間20.42 mm 的區(qū)域內(nèi)（5#～10#）的角度集中量為5.98°/mm，兩側(cè)邊緣區(qū)域的角度集中量分別為1.19°/mm 和1.48°/mm，角度集中量也逐步向“理想狀態(tài)”靠近，這是大口徑光纖倒像器邊緣分辨率改善的主要原因。

4 結(jié)論

本文研究了大口徑光纖倒像器制備過程中遇到的一系列問題，分析了扭轉(zhuǎn)成型過程中的制備難點(diǎn)，并對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過旋轉(zhuǎn)差速扭轉(zhuǎn)和雙爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在滿足大口徑光纖倒像器性能指標(biāo)參數(shù)的同時(shí)，能很好地拉寬扭轉(zhuǎn)變形區(qū)域的纖維變形的均勻性，使得整個(gè)扭轉(zhuǎn)區(qū)域光學(xué)纖維的變形趨于平緩而不發(fā)生錐變，使整個(gè)視場內(nèi)的分辨率和透過率更加均勻，成功解決了大口徑光纖倒像器的制備難題，使得大口徑光纖倒像器的扭轉(zhuǎn)角度過度集中問題得以緩解，分辨率下降問題得到明顯改善。制備出了各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求的產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)了批量供貨，對(duì)大口徑光纖倒像器的制備具有較大的指導(dǎo)意義。