用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃及其制备方法与流程

本发明涉及光纤传像元件制造领域，特别涉及一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃及其制备方法。

背景技术：

1、光纤传像元件是由成百上千万根光纤经热压熔合而成的光纤元件，包括光纤面板、光纤倒像器、光纤光锥、光纤传像束等，具有气密性好，畸变小，斑点少，耦合效率高等特点，是一种性能优异的光电成像元器件。

2、光纤倒像器是采用低折射率的皮料玻璃管、高折射率的芯料玻璃棒利用棒管结合拉制单丝进行排板，将吸收料玻璃拉制成丝插入排板好的单丝中，吸收料玻璃主要作用吸收杂散光，之后捆成一次复合棒经拉丝、排板、热熔压成型毛坯板段，然后高温旋转180°制备而成。光纤倒像器是关键核心元件，主要应用于微观夜视仪的像增强器中实现光学倒像。光纤倒像器的应用有效缩短了像增强器的尺寸，减少了原有中继透镜倒像系统的场区畸变和虚焦缺陷，提高了成像清晰度和分辨率，是微光像增强器的核心器件之一。

3、光纤倒像器是将光纤板毛坯高温扭转180°而成，扭转后的光纤结构发生了不同程度的变化。从理论上讲，仅轴心处的光纤没有被扭转拉伸，其余光纤均被扭转拉伸成以不同螺旋角盘绕180°的双锥光纤。这一制作过程使得普通倒像器的外围区域分辨率下降，严重时导致像管的观瞄视野缩小。扭转过程中随着纤维到板坯中心的距离增加，扭转程度加重，纤维变长和变锥的程度也逐渐增大，其数值孔径逐渐降低，光纤的光通量和光掠出角随之减少，从而使芯皮界面全反射遭受不同程度的损失，光纤间的串光程度随之加重，因此光纤倒像器的数值孔径、光通量和对比度也逐之降低。另外热扭转过程中，板坯中的黑丝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，严重增加光吸收。并且受热扭转后纤维的拉伸使皮层厚度减薄，特别是边缘区域皮层减薄程度更大，加重了光泄漏，也加重了全反射损失的程度，从而降低倒像器的透过率和分辨率。高清晰度超短倒像器要求更加严格，要求扭转区域宽度变窄的同时保证倒像器高清晰成像，难度加大，高度越小的倒像器研制难度越大，其技术难点也越多，扭转成型扭曲宽度变窄，丝径变形大，从而降低倒像器的分辨率、透过率等指标。

4、为了解决上述难题，在排列好的光学纤维的间隙中插入光吸收料玻璃丝，从而起到吸收串光、漏光等作用，关键就是光吸收料玻璃材料的问题，不仅要求光吸收材料吸收效率高，还要求高温扭转时扩散程度低，即吸收料玻璃材料粘度足够大，从而制造优良的高清晰度超短倒像器。目前有用于光纤倒像器的光吸收料玻璃及其制备方法，但是现有的光吸收玻璃材料对于更高品质要求的超短倒像器无法达到满足，现有技术的光吸收料玻璃用于制备更高品质要求的超短倒像器无法满足成像清晰度高要求。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术问题，提供一种可以有效提高超短倒像器透过率和分辨率的光吸收料玻璃及其制备方法。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃的组合物，包括以下重量百分含量的组分：

4、石英砂40-50％、硼酸6-12％、氧化铝7-15％、碳酸钠1-10％、碳酸钾1-10％、碳酸锂0-2％、碱式碳酸镁0-3％、碳酸钙0-5％、硝酸钡1-3％、氧化锆0-3％、氧化铜1-3％、高锰酸钾3-6％、铬酸钾0.2-1％、三氧化二铁1-5％、三氧化二钴1-6％、氧化镍1-6％，五氧化二钒1-6％，氧化铈0-1％。

5、本发明还提供了一种优选的技术方案，一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃的组合物，包括以下重量百分含量的组分：

6、石英砂41-50％、硼酸7-11％、氧化铝7.4-15％、碳酸钠2-10％、碳酸钾2-8％、碳酸锂0.5-1.5％、碱式碳酸镁0.5-2.5％、碳酸钙0.5-5％、硝酸钡1-2％、氧化锆0.5-3％、氧化铜1-2.5％、高锰酸钾3.5-6％、铬酸钾0.2-1％、三氧化二铁1-3％、三氧化二钴1-3％、氧化镍1-4％，五氧化二钒1-3.5％，氧化铈0.5-1％。

7、本发明还提供了一种更优选的技术方案，一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃的组合物，包括以下重量百分含量的组分：

8、石英砂45％、硼酸9％、氧化铝7.4％、碳酸钠5％、碳酸钾5％、碳酸锂1％、碱式碳酸镁1.5％、碳酸钙2.5％、硝酸钡2％、氧化锆1.5％、氧化铜2％、高锰酸钾4％、铬酸钾0.6％、三氧化二铁3％、三氧化二钴3％、氧化镍3.5％，五氧化二钒3.5％，氧化铈0.5％。

9、本发明又提供使用所述的组合物制备用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃的方法，包括以下步骤：

10、(1)原料配备：按照重量配比称取石英砂、硼酸、氧化铝、碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碱式碳酸镁、碳酸钙、硝酸钡、氧化锆、氧化铜、高锰酸钾、铬酸钾、三氧化二铁、三氧化二钴、氧化镍、五氧化二钒和氧化铈，混合均匀，得到原料混合物；

11、(2)玻璃熔融：将原料混合物的五分之一加入坩埚中，在1420-1520℃熔融，每间隔半小时加入五分之一的原料混合物，直至原料混合物加完后熔融5-8小时，待原料混合物熔融后，在温度1520-1600℃澄清搅拌2-3小时，将熔融澄清后的玻璃液在1460-1480℃出料，在模具中浇铸成需要的玻璃，待玻璃冷却凝固后进行退火，即得到用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃。

12、所述退火温度为520-550℃，保温时间2-3小时。

13、本发明又提供一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃，按照所述的方法制备得到。

14、所述光吸收料玻璃在0.40±0.01mm厚度下，在400-700nm波长范围的光谱透过率≤3％；在820℃保温2小时不产生析晶。

15、本发明再提供一种所述的光吸收料玻璃在超短倒像器上的应用。

16、采用本发明的光吸收料玻璃制备超短倒像器，可以有效提高其透过率和分辨率，经统计计算后其超短倒像器的透过率＞70％，分辨率＞140lp/mm。本发明通过调节光吸收料玻璃的配方来制备透过率更低、吸收效率更高、高温扩散程度低的组分，可以进一步提高超短倒像器透过率和分辨率，提高产品性能。

17、本发明中，石英砂是玻璃形成氧化物sio2的原料，sio2是玻璃骨架中起重要作用的成分，同时是提高耐化学的成分。石英砂的重量百分比(wt.％)为40-50。石英砂含量低于40wt.％，不易获得膨胀系数匹配的玻璃，同时会降低玻璃的耐化学稳定性；石英砂含量高于50wt.％时，玻璃的高温黏度会增加，造成玻璃熔制温度过高，同时玻璃分相的几率增大。

18、硼酸为玻璃形成氧化物b2o3的原料，b2o3也是构成玻璃骨架的主要成分，同时又是一种降低玻璃熔制黏度的助溶剂。硼酸的重量百分比(wt.％)为6-12，硼酸的含量低于6wt.％，无法起到助溶的作用，同时会降低玻璃的化学稳定性；硼酸的含量大于12wt.％，会使玻璃的分相倾向增加。

19、氧化铝为玻璃的中间体氧化物al2o3的原料，氧化铝的重量百分比(wt.％)为7-15，当氧化铝的含量低于7wt.％，会增加玻璃的脆性；氧化铝含量高于15wt.％时，会增加玻璃的高温黏度，造成玻璃熔制温度过高，同时玻璃的析晶性能会下降。

20、碳酸钠是碱金属氧化物na2o的原料，na2o是玻璃结构网络外体氧化物，碳酸钠的重量百分比(wt.％)为1-10％，碳酸钠的含量大于10wt.％，会增加玻璃的热膨胀系数，增大玻璃的析晶倾向。

21、碳酸钾是碱金属氧化物k2o的主要原料，k2o是玻璃结构网络外体氧化物，碳酸钾的重量百分比(wt.％)含量为1-10，碳酸钾的含量小于1wt.％，起不到调节玻璃高温熔制黏度的作用，碳酸钾的含量大于10wt.％，会增加玻璃的热膨胀系数，增大玻璃的析晶倾向。

22、碳酸锂是碱金属氧化物li2o的原料，li2o是玻璃结构网络外体氧化物，碳酸锂的重量百分比(wt.％)为0-2，主要起降低玻璃熔制黏度的作用，碳酸锂的含量大于2wt.％，会增大玻璃的析晶倾向。

23、碱式碳酸镁是玻璃结构网络外体氧化物mgo的原料，碱式碳酸镁的重量百分比(wt.％)为0-3，碱式碳酸镁的含量大于3wt.％时，会降低玻璃的耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数。

24、碳酸钙是玻璃结构网络外体氧化物cao的原料，碳酸钙的重量百分比(wt.％)为0-5，碳酸钙的含量大于5wt.％时，会降低玻璃的耐化学稳定性，增加玻璃的热膨胀系数。

25、硝酸钡是玻璃结构网络外体氧化物bao的原料，能有效降低玻璃的熔制温度，改善玻璃耐化性，硝酸钡的重量百分比(wt.％)为1-3，硝酸钡的含量大于3wt.％，增大玻璃的析晶倾向。

26、氧化锆是zro2的原料，是用来调节玻璃密度和高温粘度的，适当的zro2有利于在玻璃熔制过程中玻璃液的澄清和条纹的消除。氧化锆的重量百分比(wt.％)为0-3，zro2的含量大于3wt.％，会增加玻璃的热膨胀系数。

27、氧化铜是光吸收料玻璃的着色剂cuo的原料，能与ni2+、co3+、mn2+等相结合，在玻璃中形成稳定的着色，利用复合吸收作用，可以保证吸收400nm-700nm波长范围的杂散光，获得较好的光吸收效果，使光吸收曲线在可见光区域不出现明显的透过峰，氧化铜的重量百分比(wt.％)为1-3，但氧化铜的含量大于3wt.％，会增大玻璃的析晶倾向。

28、高锰酸钾是光吸收料玻璃的着色剂mno2的原料，在本发明中高锰酸钾是起主要作用的光吸收剂，mn离子在400-700nm之间具有稳定的光吸收能力，能在玻璃中形成稳定的着色，高锰酸钾的重量百分比(wt.％)为3-6，高锰酸钾的含量大于6wt.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

29、铬酸钾是光吸收料玻璃的着色剂cr2o3的原料，铬酸钾的重量百分比(wt.％)为0.2-1.0，铬酸钾的含量大于1.0wt.％，会降低玻璃的耐化性，增加析晶倾向。

30、三氧化二铁是光吸收料玻璃的着色剂fe2o3的原料，三氧化二铁的重量百分比(wt.％)为1-5，三氧化二铁的含量大于5wt.％，会降低玻璃的耐化性，增加析晶倾向。

31、三氧化二钴是光吸收料玻璃的着色剂co2o3的原料，三氧化二钴的重量百分比(wt.％)为1-6，co2o3能与其他着色离子结合起来，在玻璃中形成稳定的形态，从而使光吸收料着色更稳定。三氧化二钴的含量大于6.0wt.％时，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

32、氧化镍是光吸收料玻璃的着色剂nio的原料，氧化镍的重量百分比(wt.％)为1-6，ni2+在可见光区域具有较好的吸收效果，氧化镍的含量大于6.0wt.％，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

33、五氧化二钒是光吸收料玻璃的着色剂v2o5的原料，五氧化二钒的重量百分比(wt.％)为1-6，五氧化二钒能固化锰离子着色，从而使光吸收料着色更稳定。五氧化二钒的含量大于6.0wt.％时，会降低玻璃耐化学稳定性，增大玻璃的析晶倾向。

34、氧化铈是一种稀土氧化物，主要调节玻璃的析晶性能和起到玻璃澄清剂的作用，是ceo2的原料，氧化铈的重量百分比(wt.％)为0-1，氧化铈的含量大于1wt.％时，会增大玻璃的析晶倾向。

35、与现有技术相比，本发明的一种用于高清晰度超短倒像器的光吸收料玻璃及其制备方法，具有以下有益效果：

36、(1)该制备方法成本低，可以有效提高超短倒像器产品的清晰度；

37、(2)该光吸收料玻璃在0.40±0.01mm厚度下，在400-700nm波长范围的光谱透过率≤3％；

38、(3)该光吸收料玻璃在820℃保温2小时不产生析晶，抗析晶性能良好，耐潮稳定性好，化学稳定性好；

39、(3)本发明制备的光吸收料玻璃熔融后具有玻璃内部无结石、无气泡等优点，热学性能满足光纤成像元件制备工艺要求；

40、(4)本发明的光吸收料玻璃应用在超短倒像器上，能够提升成像的透过率和分辨率。