光纤光导的制作方法

本技术涉及一种光纤光导，包括多个结合或能结合成具有基本恒定的直径d1的柔性纤维束的光导纤维，并且光纤光导的至少一端部至少在其长度的部分区域上完全由包覆材料包围，并且光导纤维在此处彼此熔合并且优选地也与包覆材料熔合并形成刚性部分。

背景技术：

1、光纤光导的主要应用领域是例如尤其是用于医疗或工业应用中的内窥镜的光导。在这些应用中，需要通过第一端部(近端)或其端面将光导与光源耦合并且以第二端部(远端)引入到待检查的身体中，尤其是在此引导光或在此接收光。通常期望具有高的光输出的光源。光导的入射面并且因此直径越大，光导就越好或越容易高效地与光源耦合，但是光导的直径越大，光导就越难引入待检查的身体中。由于该原因，一些内窥镜光导具有多个子区域并且包括例如具有基本恒定的较大直径d1的第一子区域，其后通常是组成额外的光导锥形区域的另一区域，在锥形区域中光导的直径减小到较小的直径d2。然后可以将具有较小直径d2的另外的光导连接到作为另一子区域的锥形区域，另外的光导能引入到待检查的身体或对象中。

2、在这种内窥镜的一些实施例中，尤其在其远端处也可以包括其他部件例如用于图像传输或图像记录的部件、例如照相机或照相机芯片以及光源。在此借助光纤照明提供合适的照明尤其是用于图像记录。这可以通过布置在其他部件上或周围和/或光导的合适的几何形状来实现。

3、在先前已知的制造方法中，通过将分开的纤维束改形成锥形产生锥形区域，然后例如通过熔合与具有恒定直径的光导连接。由此在光导和锥形区域之间形成界面，在界面处整个光导的纤维结构中断并且在操作状态中引导或传导通过光导的光由于部分反射而损失，由此降低了光导的整体传输。

4、此外，光导通常以无序的纤维束存在，在其中光导纤维由芯-套纤维组成。芯-套纤维是由沿纤维轴线完全由比芯材料具有更低折射率的材料形成的套包围的导光芯组成的纤维。在芯和套之间的界面处的全反射能够使在纤维芯中传导光。通过设置分开的锥形区域，不能确保由具有恒定直径的光导区域形成的纤维芯与由锥形区域形成的纤维芯连接。相反，在第一子区域和锥形区域之间的界面处产生耦入纤维套中且至少部分地耦入芯中的纤维的静态分布。然而，因为光不能或仅能相对差地在纤维套中传导，这也导致光导的整体传输降低。

5、de 100 13 482c2描述了一种用于制造光纤光导的方法，光纤光导包括导光纤维的束，其在引入到管中前于合适的温度在玻璃套中收缩，其中在纤维收缩之后并且在纤维引入管中之前将玻璃套从纤维的束去除，其中还在收缩之前在纤维的束和玻璃套之间引入中间层，使得收缩之后更好地将玻璃套从纤维的束去除。该方法提出引入一层粉末状细粒或膏状的分离剂作为中间层，其熔点高于纤维和玻璃套的软化温度，其中在引入中间层之前至少部分地粗糙化玻璃套的内侧。

6、de 197 03 515c1描述了一种由纤维束组成的光纤光导，纤维束在其至少一端部处可以引入预设的管中并且经受光学有效的加工。在此规定，可引入预设的管中的端部在其引入玻璃套中之前收缩并且在该端部引入预设的管中之前已经去除玻璃套。

7、在两种情况下都暂时地应用玻璃套，并且在通过部分地复杂的方法处理后在将尤其是端部引入套圈或管或套中之前去除玻璃套。

8、申请人已经改进了光导和其制造方法，其中玻璃套尤其是在横截面锥形化后保留在纤维束上并且作为坚实的复合物用于稳定光纤光导，即光导在包覆材料的区域中刚性地构造。因此可以排除尤其是在去除玻璃套时在进一步处理中的损伤、例如对光导纤维的外边缘位置的损伤。

9、借助该方法，尤其是在锥形端面或具有锥形的端部部分处呈现尤其是圆形的横截面。

10、关于最新的要求、例如对于特殊的内窥镜考虑内窥镜远端处的可利用的安装空间，本实用新型的目的是提供一种光导，其除了圆形的端面外还具有非圆形的端面，或实现与光导的纯圆锥形、基本上统一的锥形部(即例如具有基本恒定的横截面几何形状)不同的几何形状，并且除了因此刚性的成型区域之外无中断地包括自身的、连续地与刚性区域相邻的柔性区域。

技术实现思路

1、本实用新型的目的通过具有如下所述特征的光纤光导实现。

2、提供了一种光纤光导，光纤光导具有在其原先的端面处基本恒定的直径d1的长度l1的柔性区域，包括具有包覆材料的另外区域，其中在包覆材料的区域中，在此稍后刚性的光纤光导借助例如压力和温度的作用、例如在具有包覆材料的区域的至少一部分区域中以至少一个弯曲部弯曲、弯折或弯成角度而偏离其纵向轴线和/或在该刚性区域中关于其横截面或横截面几何形状改形。由此可以实现尤其是可以安装在内窥镜中的3d变形光纤光导，在内窥镜中可利用的安装空间通常受限或者必须避免与内窥镜的其他部件相撞。

3、换句话说，因此存在这样的光纤光导，其具有柔性区域，在柔性区域的端面处光源连接到或可连接到或可分配给光纤光导。在其由包覆材料包围因此刚性的区域中，光导偏离其原先的纵向轴线或纵向轴线的方向弯曲或弯成角度。因此，光纤光导在刚性区域中变形、尤其是弯成角度或弯曲至少一次和/或光纤光导在刚性区域中具有至少一个带有变化的或改形的横截面几何形状的区域。由此光纤光导的横截面几何形状例如从最初原本的圆形转变或改形成非圆形、例如椭圆形或多边形。光纤光导因此刚性的、弯曲的和/或其横截面几何形状改形的区域通常形成光导的与近端相反的远端，在操作状态中从近端处耦入的光从远端耦出并且可利用。偏离纵向轴线变形也尤其理解为弯曲或弯成角度，并且横截面几何形状改形理解为其几何形状改变或横截面形状改变。

4、在此将纵向轴线或原先的纵向轴线看作是由包覆材料包围因此刚性的区域在弯曲或弯成角度至少一次前定义或能定义的轴线。

5、一变型提供了一种光纤光导，光纤光导具有在其原先的端面处基本恒定的直径d1的长度l1的柔性区域和至少一个长度l2的锥形区域，锥形区域与原先的端面相邻并且在锥形区域中光导的直径从直径d1减小到直径d2。在此锥形区域至少在其长度的部分区域上完全由包覆材料包围，并且纤维结构无中断地从具有基本恒定的直径的区域延续到锥形区域中，其中锥形区域具有锥形端面，在锥形端面中光导纤维彼此融合并且优选地也与包覆材料熔合。长度l2在此也可以包括与实际锥型相邻的区域，尤其是在进一步变形、弯曲或弯成角度前其具有不变的横截面或直径d2和横截面几何形状。在包覆材料的区域中，光纤光导可借助压力和温度的作用偏离其纵向轴线弯曲和/或尤其是也在长度l2的区域中关于其横截面几何形状改形。

6、换句话说，因此存在一种光纤光导，其具有柔性区域，在柔性区域的端面(近端)处光纤光导连接到或可连接到或可分配给光源，并且光纤光导在其由包覆材料包围因此刚性的区域中包括长度l2的锥形区域，在锥形区域中原先的直径d1变窄到直径d2并且偏离其原先的纵向轴线或纵向轴线的方向弯曲或弯成角度。因此，光纤光导在刚性区域中成型、弯成角度或弯曲至少一次和/或光纤光导在该刚性的区域中具有至少一个带有变化的、改形的横截面几何形状的区域。因此，光纤光导的横截面几何形状例如从最初原本的圆形转变为非圆形、例如椭圆形或多边形。

7、光纤光导因此刚性的、弯曲的和/或其横截面几何形状改形的区域通常形成光导的与近端相反的远端，在操作状态中从近端处耦入的光从远端耦出并且可利用。

8、在此将纵向轴线或原先的纵向轴线看作是由包覆材料包围因此刚性的区域在弯曲或弯成角度至少一次前定义或能定义的轴线。

9、这一方面可使光集中在近场中、即光导的光出射面和物体(例如组织表面)之间小的间距中。

10、另一方面，光纤部件的接收角并且因此在这种部件成锥形(或逐渐变细)时可能的射出角增大。直径d1和d2相差越大，这种效果就越明显。在此关键的是，维持所谓的“集光率(etendue)”或光导值，其表征最大传输或可传输的辐射。该维持变量描述光学系统使光通过的几何能力。其值是光学系统的孔径尺寸与透射立体角的乘积。在光纤光导的情况下，光仍能在光导中被引导的数值孔径或接收角决定可能的立体角。

11、简单来说，这可以通过以下关系说明：

12、na1 * d1 ＝ na2 * d2      (1)

13、和

14、na1＝sin(α1)(2a)

15、na2＝sin(α2)(2b)

16、原先的纤维直径d1、锥形纤维直径d2、原先的纤维的数值孔径na1和锥形纤维的数值孔径na2，其中α1或α2是数值孔径na1或na2的接收角。因此可实现扩大的接收角并且因此更宽的照明。这尤其是在广角照相机模块安装在内窥镜中时是有利的。例如通过na为0.68(对应于约85°的两倍接收角)的光导纤维，通过纤维直径从例如d1＝70μm减小到约d2＝60μm，对应于光导从直径d1到直径d2、例如4mm(d1)到约3.4mm(d2)的直径变细，可以实现约0.79的na扩大，这对应于从42.5°至52.2°或作为两倍接收104.4°的一半的接收角的扩大。这意味着光导的辐射比可以匹配例如照相机的视角。

17、在此应该注意的是，锥形、即关于光导纤维的直径d1/d2比或关于纤维束的d1/d2比不可以是任意大的以实现先前描述的辐射扩展效应。因此，通过初始(ausgangs)na例如为0.57(对应于约70°的两倍接收角)的光导纤维仅可以实现例如略高于1.75的d1/d2或d1/d2比。对于具有更高初始na、例如na＝0.68(其对应于约85°的两倍接收角)的另一光导纤维，可实现最大1.47的锥形比。此外还应该注意的是，在光导纤维成锥形时，光导纤维的套厚度也相应地减小，使得壁厚为待传输的最大光波长(例如最大1μm)的1至2倍的范围时由于量子力学效应，在芯和套之间的过渡区域中的全反射消失并且光导以不受控制的方式将光辐射到侧面，进而失去其光导特性。因此有利的锥形比在直至最大1.5至最大1.7的范围中，取决于光导纤维的na。

18、在优选的变型中可以规定，光导的端面的横截面或锥形光导的锥形端面基本非圆形、即例如椭圆形、d形地或肾形或多边形地变形或改形。由此例如尤其在远端处可以实现通常布置在正方形照相机芯片周围的光射出面，以确保在内窥镜的远端处均匀的照明。通过将远端面从其原本的圆形形状有针对性地改形，由此可以最佳地利用内窥镜的远端处可利用的整体直径。这还适用于在内窥镜中或内窥镜上设置工作通道，例如用于在其中引入或布置和使用微创器械的情况。

19、在一些实施例中，可使用塑料光导纤维(pof)或石英基光导。特别有利的是，光导纤维是由玻璃、尤其由多组分玻璃形成的芯-套纤维并且包覆材料由玻璃组成且设计成玻璃套的形式，其热膨胀系数与光导纤维的芯玻璃的热膨胀系数相差至多50％、优选地至多30％。通过非常好的光学特性，该方案相比于塑料纤维或石英纤维在加工和随后的处理中提供优点。

20、关于减小在操作状态中、即将光耦入光导中时从光导射出到尤其是其侧面、即从光导侧向射出的散射光，在其他实施例中已经证实有利的是，包覆材料包括着色玻璃、尤其是棕色或黑色玻璃或由其组成和/或包括具有吸光涂层的玻璃或由其组成。这种着色玻璃可以通过合适的有色玻璃、尤其是棕色或黑色玻璃获得。替代地，原本无色的玻璃可以通过所谓的酸洗工艺例如借助可以温度支持的硝酸银溶液至少在如此处理的表面上着色。因此这种玻璃可以随后着色。替代地或另外地，包覆材料可包括吸光涂层或包括吸光涂层玻璃或由其组成。因此，光纤光导的包覆材料包括着色玻璃、优选地黑色或棕色玻璃或由其组成，和/或包括可着色玻璃、尤其是黑色或棕色可着色玻璃或由其组成，和/或包覆材料包括吸光涂层玻璃或由其组成。

21、在此需要注意的是，与塑料光导纤维(pof)相结合，包覆材料优选地包括着色的或染色涂层的吸光塑料套或由其组成。

22、因此，在例如具有根据本实用新型的光导的内窥镜的操作状态中，可以减少或最小化并且任选地完全避免耦入这些光导中的尤其是从光导侧向射出的散射光。这种吸光材料在此可以必须与待施加的光匹配，光可以位于光谱的可见(vis)以及红外(ir)和/或紫外(uv)波长范围中。因此，例如可以防止或至少减小散射光串扰在安装在内窥镜中的照相机中或其上，从而更好地显现待检查的对象。

23、由芯和套的无铅玻璃系统制成的光导纤维是特别优选的。这种纤维非常频繁地用在医疗工程领域中并且尤其从申请人的us11,034,612b2已知。取决于纤维的变型，其尤其可以受芯玻璃结合玻璃纤维的光学套的影响，光导纤维可具有至少0.50、通常在0.57、优选地至少0.60、通常在0.64至0.68的范围、特别优选至少0.80、通常0.86的数值孔径na，其中更高的na原则上对于更高的传输光通量是有利的。此外，尤其是在内窥镜应用中，在光导的远端处可以实现更好的照明。

24、在这种光纤光导中，取决于各个光导纤维的直径，例如可呈现以下几何尺寸：例如光导纤维的直径为(30±4)μm时，可以实现纤维束通常的直径d1在0.5mm至3.0mm的范围、优选地在2.5mm至3.0mm的范围。对于直径为(50±4)μm或(70±4)μm的更粗光导纤维，直径d1通常可以在0.5mm至8.0mm的范围、优选地在2.5mm至6.5mm的范围。它们是典型纤维的示例。原则上，也可以加工和应用具有更大或更小直径的偏离这些示例的纤维，其中优选的纤维束直径移动到相对更大或更小的范围。

25、在加工或处理状态中、即在光导的由包覆材料包围的可能地锥形区域中，包覆材料的厚度在0.1mm至0.5mm的范围、优选地在0.15mm至0.25mm的范围。典型的值为约0.2mm，其中对于更细的纤维束，厚度倾向于比更大的纤维束厚。

26、特别有利的是，设计成包覆材料的玻璃套在面对具有光导纤维的光导的柔性部分的侧上具有凸缘或内置圆锥体，由此为光导纤维或其束提供引入辅助。该优选的实施例的优点在于，光导纤维可以很容易紧密包封地安装、即引入到玻璃套中。引入辅助仅具有零点几毫米就足够了。

27、在另一优选的实施例中可以规定，在锥形区域处具有锥形端面的光纤光导的至少变形和/或锥形端部和具有原先的端面的另一端部(其与具有基本恒定的直径d1的区域相邻)分别安装在在由金属或塑料制成的端部套中，并且塑料层至少局部地位于光纤光导和端部套的内侧之间的。塑料通常是灌注材料或粘合剂形式。除了对光导的端部的机械保护作用外，相应的端部套提供用于连接到光源和/或器械的机械端口，并且可以例如具有螺纹、卡扣接口或插接或卡合连接。

28、如上所述的光纤光导优选的用途是，用在医疗技术或工业内窥镜器械中和/或用作光源和内窥镜器械或分析装置之间的光导或用作容器和探测器单元之间的光导。特别地，由于申请人的玻璃纤维特别好的光学传输特性，与可包括卤素基、led基和/或激光基照明用具的光源结合可以实现非常高的发光强度且低的色移、即颜色传输失真。这例如也可表达为色温的差异。此外，具有多个依次连接的光导部件的照明系统，如尤其是内窥镜的情况，不论可重复使用/可重复处理或设计为一次性内窥镜，可以实现在整体光传输效率方面的优点。其他的应用领域可以是在医疗技术中的牙科医疗环境、外科手术环境或皮肤病学环境中，尤其是在机器人辅助医学检查方法或手术方法的领域中，也称为“机器人手术”。在此光纤光导的整体长度通常可达6m、在一些情况下达10m以上。特别有利的是上述玻璃纤维基光导，其在这种应用长度中呈现小的色移。

29、本实用新型的目的也是提供用生产根据本实用新型的光纤光导的方法。

30、方法用于制造具有多个光导纤维的光纤光导，光导纤维组合成具有基本恒定的直径d1的柔性纤维束，包括以下方法步骤：

31、·将光导纤维作为纤维束引入包覆管中，包覆管在部分长度上包围纤维束，·沿包覆管的至少部分长度加热位于包覆管中的纤维束和包覆管，至少直至光导纤维和包覆管软化，

32、·使包覆管收缩到光导纤维的纤维束上，其中可以通过挤压和/或例如负压辅助而收缩，由此形成刚性的区域，和

33、·使刚性区域中的光导偏离其纵向轴线或原先的纵向轴线的方向变形和/或使其横截面或其横截面几何形状改形。

34、通这些方法步骤，关于光导的轴向变形以及关于沿光导的轴线横截面几何形状变化，可以实现不同的几何形状，其中横截面是在此恒定的。

35、换句话说，因此获得了一种光纤光导，其包括多个光导纤维，光导纤维组合或可组合成具有基本恒定的直径d1的柔性纤维束，并且在光纤光导的至少一个端部处至少在其长度的部分区域上完全由包覆材料包围，由此形成具有纵向轴线(16)的刚性部分。在此光导纤维在刚性区域中彼此熔合并且优选地也与包覆材料熔合，并且光纤光导在包覆材料的区域中偏离其纵向轴线弯曲至少一次和/或光纤光导的横截面几何形状在包覆材料的区域中改形至少一次。

36、关于另外的横截面变化，同样优选的方法变型规定，在加热位于包覆管中的纤维束和包覆管后进行以下额外的方法步骤：

37、·拉伸加热的区域，直至位于包覆管中的纤维束尤其是与包覆材料一起在至少一部分区域中具有直径d2并且因此形成锥形区域，其中纤维结构未中断，·在锥形区域中直径d2的位置处切断包覆管21和位于其中的纤维束。

38、由此得到至少一个具有由包覆材料包围因此刚性的区域的光导，其具有直径d1的区域和从d1到直径d2的锥形区域，其中锥形区域具有长度l2。

39、关于至少一个弯曲和/或至少一个改形或横截面几何形状变化，随后进行上述变形过程。由此也可以实现在其端部处成型的光导，其横截面朝端部减小。在更优选的实施例中，在具有长度l2的区域中进行变形。

40、因此提供了一种光纤光导，其中光纤光导具有在其原先的端面处基本恒定的直径d1的长度l1的柔性区域和至少一个长度l2的刚性的锥形区域，锥形区域与原先的端面相邻并且在其中光导的直径从直径d1减小到直径d2。在此锥形区域至少在其长度的一部分中由包覆材料完全包围，并且纤维结构无中断地从具有基本恒定的直径的区域延续到锥形区域中，其中锥形区域具有锥形端面，在锥形端面中光导纤维彼此熔合并且优选地也与包覆材料熔合，并且其中光纤光导在包覆材料的区域偏离其纵向轴线弯曲至少一次和/或光纤光导的横截面几何形状在包覆材料的区域中改形至少一次。

41、在其他实施例中，在上述方法步骤中可以规定，使用的包覆管已经具有非圆形、尤其是d形的横截面并且因此以非圆形管存在，或例如在先前过程中管已经在其整个长度上由其原本圆形的横截面变形为非圆形、例如椭圆形或基本d形的横截面。这种成型的或改形的包覆管的优点在于，在拉伸、挤压、变细、弯曲或改形光导期间可以实现光导纤维更低的改形度，这在降低光损失方面是有利的。此外，在明显更紧密的熔合方面且在挤压期间具有优点。与仅在端部处具有变形部分的圆形包覆玻璃相比的另一优点在于，在整个长度上预成型的包覆管或基于其的光导可以更有利地安装在内窥镜中通常仅有限可利用的安装空间中。

42、在其它方法变型中可以额外地规定，包覆管在一侧是封闭的并且在加热的区域变形或拉伸之前将负压施加到包覆管和光导纤维，由此光导纤维彼此熔合，优选地也与包覆管熔合。这用于额外压缩光导纤维，使得光导纤维几乎理想地紧贴并且很大程度上避免气隙、所谓的间隙，尤其是在医疗内窥镜的情况下例如防止体液侵入或例如在处理过程中防止清洁液进入。

43、如果在切断包覆管和位于其中的纤维束前冷却加热的区域，可以例如在其端面处或靠近切断的锥形区域的锥形端面处打磨和/或抛光光导。由此可以实现纤维端面高品质的光学质量。