DE19703515C1 - Faseroptischer Lichtleiter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Lichtleiter und ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß der Gattung der Patentansprüche, der insbesondere zur Verwendung in der Medizin­ technik bestimmt ist. Bspw. werden in der Endoskopie zur Licht- und Bildübertragung flexible Hochleistungslichtleiter benötigt.

Bekanntlich werden in der Medizintechnik optische Faserbündel verwendet, deren Enden ver­ klebt, in Metallhülsen gefaßt und danach optisch bearbeitet werden. Der Nachteil dieser Anord­ nung besteht nicht nur in der Schaffung umfangreicher Klebeverbindungen, sondern auch darin, daß die mit Klebemittel ausgefüllten Bereiche der Lichtübertragung nicht zugänglich sind. Eine Verbesserung der Lichtübertragung, bezogen auf den Lichtleiterquerschnitt, ergibt sich durch Verschmelzung einzelner Lichtleitfasern in einem Glasrohr unter Vakuum, wodurch die Packungsdichte erhöht wird, siehe das Buch von R. Tiedecken, Faseroptik und ihre Anwendun­ gen, Leipzig 1967, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig, Seite 101. Dadurch entste­ hen allerdings nichtflexible Fasersysteme, die auch zu konischen Fasern ausgezogen werden können. Die Erhöhung der Packungsdichte an den Lichtleiterenden wird gemäß DE-PS 11 80 210 dadurch erreicht, daß die einzelnen Fasern einem definierten Druck bei einer bestimmten Tem­ peratur ausgesetzt werden. Hierzu sind spezielle Preßformen ebenso erforderlich wie die Einhal­ tung reproduzierbarer Druckbedingungen über den gesamten Faserquerbündelquerschnitt.

Ein ähnliches Verfahren ist in der DE 26 30 730 C2 unter Angabe besonderer Werkzeuge be­ schrieben, mit denen ein von seiner Umhüllung in der Nähe des Jeweiligen Werkzeugs befreites optisches Kabel ohne Aufspleißungen oder Aufwölbungen der äußeren Fasern gefaßt und ver­ dichtet werden kann. Dabei werden Metall- und/oder Glaszwingen verwendet, die sich aber bei der späteren Verwendung in Geräten mit vorgegebenen Fassungen für die Kabelenden störend auswirken.

Bekannt ist auch das Einschmelzen der Faserenden in einem Glasrohr unter Vakuum, analog zur o. g. Herstellung nichtflexibler Fasersysteme, siehe DE 36 20 368 C2. Die derart mit dem Glas­ rohr und untereinander verschmolzenen Lichtleitfasern werden gemeinsam optisch bearbeitet. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß bei notwendiger Verwendung von vorgegebenen nicht optischen, bspw. metallischen Fassungen die Glasrohrummantelungen an den Enden einer effek­ tiven Lichteinkoppelung entgegenstehen, weil durch sie kein Licht übertragen wird. Auch die Lichtauskopplung ist problembehaftet, da analoge Kopplungsverluste auftreten. Darüber hinaus müssen ggf. die Anschlußmaße von Lichtleiter und Fassung geändert werden, damit den Lichtleiter gleiche Lichtmengen passieren können.

Schließlich ist es aus der Firmendruckschrift 10029 d 0991 2.0 eg "Lichtleiterstäbe von Schott" bekannt, an fertige faseroptische Lichtleiter Faserkegel als getrennte optische Bauteile anzukoppeln. Dabei entstehen allerdings deutliche optische Lichtverluste.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Lichtleiter zur Beleuchtung und/oder Bildübertragung zu schaffen, der ein Maximum an Lichteinkopplung zuläßt und der mit mindestens einem seiner Enden in ein vorgegebenes, bspw. gerätebedingtes Fassungssystem einpaßbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Erst in der vorgegebenen, gerätebedingten Fassung wird die zugehörige Endfläche des Faserbündels geschliffen und poliert. Zum Aufschrumpfen der Glashülse durch Kollabieren des mindestens einen Endes des flexiblen faseroptischen Lichtleiters besteht die Glashülse aus einem Material, das einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Material der Fasern, wodurch die Glashülse beim Abkühlen nach den Kollabieren abplatzt und nur das tatsächlich lichtführende Material des Lichtleiterendes in die vorgegebene Fassung eingeführt wird. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit des Kollabierens des faseroptischen Lichtleiters ist durch die Verwendung einer Zwischenschicht in Form eines Glasseidenflechtschlauchs zwischen den Glasfasern und der Glashülse gegeben. Wenn der Glasseidenflechtschlauch eine höhere Erweichungstemperatur hat als die Glashülse und der Lichtleiter, wird er nicht erweicht, es kommt nicht zu Verklebungen. Die Glashülse läßt sich mit dem Glasseidenflechtschlauch mühelos vom kollabierten Lichtleiterende abziehen.

Zur Vermeidung von Lichteinkopplungsverlusten zwischen der Glasfaserendfläche und einem angesetzten Faserkonus sind die in die Fassung einführbaren Enden der Glasfasern selbst konisch ausgezogen.

Die konische Gestaltung des Lichtleiters, die nicht an die Fassung gebunden ist, ermöglicht nicht nur eine Lichtkonzentration und Ausleuchtung eines großen Raumwinkels, sondern auch die maximale Ausnutzung der vorhandenen Lichtenergie. Da beim konischen Ausziehen der Glasfasern höhere Temperaturen notwendig sind als beim Kollabieren, kann es zum Verglasen auch des Glasseidenflechtschlauches kommen. In diesem Fall kann der verglaste Flechtschlauch mit der Glashülse bspw. durch Abschleifen beseitigt werden.

Die erfindungsgemäße Herstellung eines vorstehend beschriebenen faseroptischen Lichtleiters erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des siebten oder achten Patentanspruchs. Dabei wird auf mindestens ein Lichtleiterende eine Glashülse aufgeschrumpft und dafür gesorgt, daß diese sich nicht dauerhaft mit den Glasfasern bzw. mit deren Ummantelungen verbindet. Dies geschieht dadurch, daß die Glashülse aus einem Material hergestellt wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient höher ist als der des Fasermaterials, oder daß die Glashülse zwar aus einem Material mit demselben Ausdehnungskoeffizienten hergestellt wird wie die Glasfasern, daß aber zwischen Glashülse und Glasfasern eine Zwischenschicht eingebracht wird, deren Erweichungspunkt höher liegt als der von Glasfasern und Glashülse. Bspw. liegen die Erweichungspunkte der Glasfasern und Glashülse bei 715°C und der Zwischenschicht bei 900°C. Der zur Kollabierung des Lichtleiterendes erforderliche Unterdruck beträgt 0,2 bar und die zugehörige Temperatur 720°C; Unterdruck und Temperatur werden 3 min beibehalten. Danach erfolgen die Herstellung von Normaldruck und die Abkühlung auf Raumtemperatur sowie die Einführung des mindestens einen Lichtleiterendes in die vorgegebene Gerätefassung, die Befestigung des Lichtleiterendes in dieser Fassung und das Schleifen und Polieren der entsprechenden Lichtleiterendfläche.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, das mindestens eine Lichtleiterende und damit jede Faser des Lichtleiters konisch zu gestalten. Das geschieht vorteilhaft im kollabierten Zustand, in dem die Glashülse noch aufgeschrumpft ist. Dabei wird das Lichtleiterende auf 730°C erwärmt und auf dieser Temperatur 5 min gehalten. Das Ausziehen des Lichtleiterendes geschieht unter Zugbelastung, die schon durch das Eigengewicht des freien Endes der glasfasergefüllten Glashülse gegeben sein kann. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Glashülse liegt dabei mit α = 10 . 10^-6 K^-1 über dem des Lichtleiterendes mit α = 8 . 10^-6 K^-1. Wird das Lichtleiterende auf Raumtemperatur abgekühlt, so platzt das Hülsenmaterial vom Lichtleiter ab, und übrig bleibt der bloße Lichtleiter, der in die vorgegebene Fassung eingeführt und mit ihr verklebt wird. Der so gefaßte Lichtleiter wird an seiner gefaßten Endfläche geschliffen und poliert. Nach dem vorbeschriebenen Verfahren können auch beide Enden bzw. Endflächen des faseroptischen Lichtleiters behandelt werden. Die vorstehend angegebenen Temperatur-, Druck-, Zeit- und Ausdehnungswerte sind Beispielswerte.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (8)

1. Faseroptischer Lichtleiter, aus einem Faserbündel bestehend, der an mindestens einem seiner Enden in eine vorgegebene Fassung einführbar ist und eine optisch wirksame Bearbeitung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß das in die vorgegebene Fassung einführbare Ende vor seiner Einführung in einer Glashülse kollabiert und daß die Glashülse vor der Einführung des Endes in die vorgegebene Fassung beseitigt worden ist.

2. Faseroptischer Lichtleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glashülse zum Kollabieren einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als die Glasfasern des Lichtleiters.

3. Faseroptischer Lichtleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Glashülse zum Kollabieren und die Glasfasern des Lichtleiters eine Zwischenschicht eingefügt ist.

4. Faseroptischer Lichtleiter gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht als Glasseidenflechtschlauch ausgebildet ist und einen höheren Erweichungspunkt hat als die Glasfasern und die Glashülse.

5. Faseroptischer Lichtleiter gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einführbare Ende des Lichtleiters komisch ausgebildet ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischer Lichtleiters gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einem Ende des faseroptischen Lichtleiters eine Glashülse aufgeschrumpft wird, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Lichtleiters, daß das Lichtleiterende dabei kollabiert wird, daß der Lichtleiter einer normalen Raumtemperatur unterworfen und dabei vom Lichtleiter abgesprengt wird, daß das Lichtleiterende in eine vorgegebene Fassung eingeführt und in dieser Fassung befestigt wird und daß die Endfläche des Lichtleiters an der Fassung geschliffen und poliert wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischer Lichtleiters gemäß den Ansprüchen 1, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mindestens ein Ende des faseroptischen Lichtleiters mit einer Zwischenschicht versehen ist, deren Erweichungspunkt über dem des Lichtleiters und einer Glashülse liegt, die auf dieses Ende aufgeschrumpft wird, daß das Lichtleiterende kollabiert wird, daß die Glashülse mit der Zwischenschicht nach dem Kollabieren vom Lichtleiterende abgezogen wird, daß das kollabierte Lichtleiterende in eine vorgegebene Fassung eingeführt und in dieser Fassung befestigt wird und daß die Endfläche des Lichtleiters an der Fassung geschliffen und poliert wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines faseroptischer Lichtleiters gemäß dem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Ende des faseroptischen Lichtleiters mit der Glashülse bis zur Erweichungstemperatur erhitzt und unter Vakuum und einer Zugbelastung konisch gezogen wird.