塑料光纤面板的改进

Improvement of Plastic Fiber Optic Panel

摘要

聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）透明度较好。采用PMMA为原料，通过预制聚合物光纤棒，拉制成丝，排板热压方式制备塑料光纤面板。结果表明：随保温时间的增加，塑料光纤面板成像性能呈现先提高后降低的趋势，最佳保温时间为6 h，比理论保温时间多2 h。调整聚合物光纤棒的预制工艺，制备表面干净的复丝，可以减少杂质对复丝边界的影响，降低热压压力，减少下压刻度，制备成像清晰、完整的塑料光纤面板。该方法能够减小光纤面板的生产成本和质量较轻。

关键词

光纤面板 / 塑料光纤 / 成像 / 数值孔径

Key words

Fiber optic panel / Plastic optical fibre / Image formation / Numerical aperture

光纤面板是一种图像传输元件，由许多根光纤按照一定规则排列，光纤两端按一一对应的关系紧密排列，每一根光纤传递一个像点，将图像从输入端面传递到输出端面^[1-3]。光纤面板具有高数值孔径、高集光性、传相真实等特点，广泛应用于航空航天、国防、医疗等图像传输领域^[4-9]。现有光纤面板大多由石英材料制作而成，能够满足大多数使用环境，但存在玻璃易碎、生物兼容性差、成本高昂等问题。与传统光纤面板相比，塑料光纤制备工艺简单，成本低廉，质量轻，易耦合^[10-13]，有望成为传统光纤面板的替代品。塑料光纤具有抗电磁干扰、耐辐照、耐腐蚀等优点，能够应用在一些特殊场合^[14-16]。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)是一种透明、耐候的多功能聚合物，具有良好的力学性能和透明度^[17-20]。由于具有质轻、高透明度等优异的物理化学性能，PMMA得到科研人员的广泛关注^[21]。1999年，美国Nanoptics公司制作了塑料光纤面板^[22]，其使用的塑料光纤为梯度折射率光纤，经过多次熔后拉丝制成塑料光纤面板，单个像元直径达到了2.8 μm。孔德鹏等^[23]采用聚苯乙烯(PS)和PMMA为原料，制得的聚合物光纤面板单个像素直径达3 μm。2011年，中国科学院上海光学精密机械研究所使用低损耗PMMA光纤为原料，以六方堆积方式利用堆积-融合工艺制备超大尺寸光纤面板^[24]。目前，塑料光纤面板的大规模生产还未见报道。本实验以低损耗塑料光纤D1500为原料，通过拉丝、加热融合方法制备塑料光纤面板。采用单因素实验研究塑料光纤面板内部不透明区域、复丝边界不清晰的产生原因，并加以改善，以期替代传统光纤面板。

1 实验部分

1.1 主要原料

塑料光纤，D1500，江西大圣塑料光纤有限公司；芯层材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，包层材料为氟树脂，表1为D1500塑料光纤参数。

1.2 仪器与设备

全自动内圆切片机，BM5060，宁波市鄞州启威机械科技有限公司；研磨机，X61 D9B2M-T，苏州赫瑞特电子专用设备科技有限公司；抛光机，X62 D9B2M-T，苏州赫瑞特电子专用设备科技有限公司；滚圆机，GD-3080A外圆磨床，东莞市千岛机械制造有限公司；金相显微镜，BH-200M，上海金相机械设备有限公司；拉丝机、热压炉，定制产品。

1.3 样品制备

塑料光纤面板的制备分聚合物传像光纤预制棒的制备和聚合物传像光纤面板的制备。聚合物传像光纤预制棒的制备：(1)将所需塑料光纤排列为六边形结构；(2)将排好的塑料光纤放置在真空热压炉中压制成型。聚合物光纤面板的制备利用孔德鹏^[25]的方法，将聚合物光纤棒拉制成丝，排列成六边形结构，压制后得到聚合物光纤面板。再经过滚圆、切片、研磨、抛光等过程加工，得到塑料光纤面板样品。

1.4 性能测试与表征

金相显微镜：采用金相显微镜观察冷加工后的聚合物光纤面板表面形貌及单丝状态。

2 结果与讨论

2.1 数值孔径

数值孔径(N _A)是衡量光纤面板传光特性的重要参数，用来定量表示光纤面板的集光能力^[26]。一般来说，数值孔径越大越好。数值孔径的计算公式为：

N_{\mathrm{A}} = n_{\mathrm{0}} \mathrm{s} \mathrm{i} \mathrm{n} {\alpha }_{\mathrm{m}} = \sqrt[]{{n_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}-{n_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}} (1)

式(1)中：n ₁为纤芯折射率；n ₂为包层折射率； n_{\mathrm{0}}为光线在介质中的折射率； {\alpha }_{\mathrm{m}}为光线入射角，(°)。

经计算，本实验所压制的塑料光纤面板的理论数值孔径为0.5，该项数值较传统光纤面板更大。若想提高数值孔径，只需选取高折射率纤芯材料即可。

2.2 水汽对塑料光纤面板的影响

研究水汽对塑料光纤面板的影响，选用同一根塑料光纤棒拉制的复丝进行排板(塑料光纤板-1，塑料光纤板-2)，其中板1不做处理，板2进行烘干处理。保证其余加工条件相同，对两段塑料光纤面板压制完成后进行冷加工处理，得到塑料面板。图1为冷加工处理后的塑料光纤板数码照片。从图1a可以看出，板1表面有很多大小、形状不一致的圆圈存在，且这些圆圈边缘不透明，呈现白色；从图1b可以看出，烘干后的板2表面均匀，没有白色圆圈存在。这说明板1表面的不规则圈是由塑料光纤板内部的水汽导致的。由于塑料光纤自身的吸水性，空气中的水汽会进入塑料光纤丝，且一直存在，塑料光纤板烘干处理后消除了水汽的存在，因此板2中复丝结构规整，没有白色不规则圈。在生产实践中，应该避免塑料光纤在空气中放置过长时间，以免塑料光纤吸水。但从图1b还可以看出，塑料面板中间存在不透明的区域，该区域的存在必然影响塑料光纤面板的成像，因此明确中间不透明区域的形成原因、消除该区域对塑料光纤面板的成像性能至关重要。

2.3 温度与时间对塑料光纤面板的影响

在热压之前，对每个塑料光纤板进行烘干处理，避免因光纤吸水对塑料光纤面板性能造成影响。分别在210 ℃与150 ℃下保温不同时间，然后压制塑料光纤面板，其中150 ℃下的保温时间更长。图2为温度与时间对塑料光纤面板的影响。从图2可以看出，在210 ℃热压时，压制的塑料光纤面板内部存在大量不透明区域，表面存在着少量白色圆圈。这是因为热压温度过高，导致塑料光纤面板内部发生解聚反应，链末端的双键引起C—C键断裂^[27-28]，生成甲基丙烯酸甲酯本体(90%以上)和甲醇等气态小分子。

图3为解聚反应方程式。在150 ℃温度下热压后，塑料光纤面板的表面形貌与210 ℃时热压的面板形貌相似，一样有不规则圈存在，这是因为聚合物材料具有时温等效性，延长保温时间相当于升高温度，该温度下仍旧发生了解聚反应。

热扩散系数是物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度。一般来说，热扩散系数越大，材料中温度传播得越迅速^[29]。热扩散系数(α)的计算公式为：

\alpha = \lambda / \rho c (2)

式(2)中：λ为导热系数，W/(m·K)；ρ为密度，kg/m³；c为比热容，J/(kg·K)。

本实验所用PMMA的导热系数为0.18 W/(m·K)，比热容为1 464 J/(kg·K)，密度为1.15 g/cm³。根据热扩散系数公式可以得到PMMA的热扩散系数为0.107×10^-6。结合塑料光纤面板的尺寸，计算得到热扩散时间约为4 h，因此塑料光纤面板的理论保温时间应为4 h。

2.4 塑料光纤面板不透明区域改进

尽管延长保温时间后塑料光纤面板成像效果不好，但内部不透明区域减少，这是因为与玻璃的导热系数[0.9 W/(m·K)]相比，PMMA的导热系数较低，为0.18 W/(m·K)，热量需要更长的时间才能传递到塑料光纤面板内部^[30]。设计保温时间分别为4、6、8 h，重新进行热压，图4为塑料光纤面板成像结果。从图4可以看出，随保温时间的增加，塑料光纤面板的性能呈现先提高后降低的趋势。由于塑料光纤的导热系数较低，保温时间较短不能使热量均匀传递至塑料光纤面板内部，内部的塑料光纤丝无法到达玻璃化转变温度，因此热压时该部分塑料光纤丝无法均匀地融合到一起，表现为制得的塑料光纤面板中间不均匀且不透明，越靠近不透明区域，成像变形越严重，无法清晰、完整地成像。随保温时间增加，塑料光纤面板内部能够达到玻璃化转变温度，内部光纤能够很好地融合，此时塑料光纤面板的成像效果较好，能够清晰、完整地成像。随保温时间的进一步增加，塑料光纤面板内部再次出现不透明区域，这是因为在降温过程中，与周围区域的降温速度相比，中心区域降温速度较慢，相当于延长了保温时间，聚合物材料具有时温等效特性，保温时间延长相当于升高温度。因此，在温度较高的条件下，塑料光纤会发生解聚反应，生成新的物质，不利于塑料光纤面板成像。实验结果表明，实际保温时间比理论保温时间多2 h，与理论保温时间有一定差距。

2.5 塑料光纤面板复丝边界

值得注意的是，在塑料光纤面板的复丝边界处，一些复丝的边缘不清晰，呈现灰色区域，如图5所示，这将影响塑料光纤面板的成像效果。这是因为压板过程中压力过大导致复丝边界破裂，在此基础上对塑料光纤面板复丝边界进行改善。首先，调整聚合物光纤棒的压制工艺，制得表面光滑、无异物残留的聚合物光纤棒，此时，拉制的复丝表面干净、无残留，消除复丝表面残留物对塑料光纤面板的影响；其次，在压制塑料光纤面板过程中，降低压板压力，减少下压刻度，避免因压力过大导致复丝变形严重，进而导致复丝边界破裂，不清晰。根据上述分析，重新进行实验，在此条件下压制塑料光纤面板，图6为得到的塑料光纤面板。从图6可以看出，塑料光纤面板成像清晰、完整，复丝界面清晰，与图5相比提高幅度较大。

2.6 塑料光纤面板表面形貌

在金相显微镜下观察塑料光纤面板形貌，图7为不同倍数下塑料光纤面板表面形貌。从图7a可以看出，塑料光纤面板是一根根六边形复丝组成的，由于塑料质软，磨抛过程容易在表面造成划伤，表现为塑料光纤面板上的划痕。继续放大可以看到，复丝最外层光纤丝的形状与中间光纤丝不同，且存在一定色差，特别是六边形的六个顶点处。这是因为聚合物光纤棒的热压预处理过程导致最外层光纤丝发生形变，光在最外层光纤丝的传递与内层光纤丝不同。在20倍镜头下可以看到，最开始圆形的光纤丝经过两次热压，一次拉丝过程，变成六边形，光纤丝排列紧密，两端一一对应。图8为塑料光纤面板成像数码图片。从图8可以看出，成像清晰、完整、无变形，能够满足日常成像。

3 结论

塑料光纤丝中的水汽会对塑料光纤面板的成像造成不良影响，因此在压制塑料光纤面板时需要先进行烘干处理，消除水汽对塑料光纤面板成像的影响。聚合物具有时温等效特性，延长保温时间相当于提高温度。因此，为了得到成像清晰、完整的聚合物光纤面板，降低温度、延长保温时间是较好的选择。塑料光纤的导热系数较低，热量从四周传递到中间需要的时间较长，合理的保温时间有利于制得成像良好的塑料光纤面板。本文制备的塑料光纤面板理论保温时间为4 h。优化塑料光纤丝表面，降低压板时压力能够明显提高塑料光纤面板的成像效果。改进后的塑料光纤面板的成像能力较好，成像清晰、完整。

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