锥形光纤倒像器的制备与传像性能研究

论文摘要

光纤倒像器是在光纤面板的技术基础上发展而来,是一种能将输入的图像绕其轴线旋转180°输出的刚性光纤传像元件。该产品是军用微光夜视仪的关键元件之一,属国家重点支持的高新技术领域的光电信息功能玻璃元器件。传统提升光纤倒像器性能的方法有改进材料组分、减少光纤丝径、增加光纤包层的占比、优化制备工艺等,但这些方法均会带来次生问题,存在难以调和的技术矛盾,已经遇到技术瓶颈,急需寻求新的技术方案来突破。锥形光纤倒像器是一种新型光纤传像元件,由于其三锥形光纤结构的第一锥段具有光线汇聚效应,有利于降低扭转区的光损耗,理论上与传统光纤倒像器相比,应具有更高的分辨率、透过率和对比度。但由于其工艺复杂性及工艺与材料性能之间的交互作用,影响了锥形光纤倒像器的性能。本论文从导致其性能下降的根本原因着手,通过优化材料组成、光纤结构和工艺技术,为高性能光纤倒像器的研发提供一个新的解决方案。主要研究内容如下:(1)针对采用传统光纤倒像器材料制作锥形光纤倒像器存在固定图案噪声不良率高,造成制造成本高企同时制约了其传像性能优势的发挥问题,优选了抗析晶性能、化学稳定性良好的纤芯玻璃,在此基础上,优化了纤芯、纤包层、光吸收玻璃三种玻璃材料的的组成,调整其玻璃化转变温度、热膨胀系数、折射率和透过率,提高了三种材料之间的匹配度,使锥形光纤倒像器内部固定图案噪声的良率由54.3%提升到72.5%。(2)根据波动光学理论,设计合理的芯包几何比例和折射率,降低消逝波漏光,提高倒像器分辨率。依据传光原理,通过理论分析和实验相结合的方法,提出了高透过率、高分辨率的锥形光纤倒像器设计方案。分析了有效数值孔径、扭区宽度H和有效通光面积、光纤轴向最小直径D_C之间的关系,优化了锥形光纤倒像器内部光纤的轴向结构,并设计了六种锥形光纤倒像器的外形结构和四种对应的应用结构。根据实验分析,当输入端光纤直径D_A≤D_C时,以小于原始光纤孔径角入射的光线均可满足全反射传光条件,而与过渡区光纤直径D_B的大小无关,该结论为研制高度更短的锥形光纤倒像器提供了理论依据。(3)针对光纤倒像器扭区宽度增大有利于提高分辨率和透过率,但易导致蛇形畸变的矛盾,优化光纤毛坯板的结构设计和扭制工艺的温度场分布,并采用双锥工艺代替单锥工艺,在改善产品边缘分辨率和对比度性能,降低蛇变几率的同时,加工效率提高30%,材料的利用率提高29%~32%,降低了生产成本。采用优化的制造工艺成功制造出放大率分别为1.2、1.5和2.0倍的实验样品,其最高分辨率达到171lp/mm,蛇形畸变小于40μm。(4)研究了锥形光纤倒像器的传像性能评价体系,提出了中心与边缘性能差异百分比、正视亮度和相同灰度背景下的调制度三项新的评价指标,实现了锥形光纤倒像器与传统光纤倒像器之间及不同放大率的锥形光纤倒像器之间的性能比较。(5)依据传像性能评价新指标,搭建了相应的测试系统,分析了放大率、锥度和锥区位置参数对技术指标的影响规律,为锥形光纤倒像器的传像性能优化提供了参考依据。采用较优的参数组合制作出放大率1.5倍的样品,样品中心和边缘的平均亮度是常规4μm光纤倒像器的2.1倍,中心和边缘的平均调制度提升了14.55%,分辨率均匀性提升了4.95%,可靠性满足军品的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 光纤倒像器的应用
•     1.1.2 光纤倒像器的发展历程
•     1.1.3 光纤倒像器的结构原理及制造技术
•     1.1.4 光纤倒像器的关键传像指标
•     1.1.5 传统光纤倒像器性能提升的局限
•   1.2 锥形光纤倒像器的发展
•     1.2.1 锥形光纤倒像器的发明及研究现状
•     1.2.2 锥形光纤倒像器的有益效果
•     1.2.3 锥形光纤倒像器当前存在的技术问题
•   1.3 本文工作的目的意义
• 第二章 锥形光纤倒像器的设计
•   2.1 材料设计
•     2.1.1 对材料的性能要求
•     2.1.2 三种玻璃材料成分设计
•     2.1.3 玻璃试样的熔制和配方优选
•   2.2 结构设计
•     2.2.1 内部光纤结构的设计
•     2.2.2 外形结构的设计
•     2.2.3 应用结构的设计
•   2.3 本章小结
• 第三章 锥形光纤倒像器制备工艺的研究
•   3.1 制备工艺概述
•   3.2 毛坯的制备
•     3.2.1 材料的制备
•     3.2.2 拉丝、排列和熔压工艺
•     3.2.3 毛坯外形的设计和制作
•   3.3 拉锥-扭转工艺研究
•     3.3.1 拉锥-扭转的工艺方案
•     3.3.2 加工顺序的优化
•   3.4 成品冷加工
•   3.5 本文制备样品的实验数据
•   3.6 本章小结
• 第四章 锥形光纤倒像器传像性能的研究
•   4.1 传像性能评价指标及其测试方法的研究
•     4.1.1 中心与边缘性能差异百分比
•     4.1.2 正视亮度
•     4.1.3 相同灰度背景下的调制度
•   4.2 传像性能的优化
•     4.2.1 实验方案设计及实验结果
•     4.2.2 工艺参数对分辨率的影响
•     4.2.3 工艺参数对正视亮度的影响
•     4.2.4 工艺参数对调制度的影响
•     4.2.5 工艺参数的优化组合方案
•     4.2.6 实验成果的性能比较
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间获得的研究成果
• 致谢
• 附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 何相平

导师: 杨中民,智健

关键词: 光纤倒像器,锥形光纤倒像器,制备技术,传像性能,评价指标

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 华南理工大学

分类号: TN253;TP391.41

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.004676

总页数: 84

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