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Beschreibun Optische Faser mit großem Aperturwinkel Die Erfindung
betrifft eine optische Faser mit großem Aperturwinkel zur Verwendung in Lichtleitvorrichtungen,
mit einer Seele aus optischem Glas mit großem Brechungsindex und einer um die Sende
geschichteten Umhüllung aus organischem, durchsichtigem Material mit kleinem Brechungsindex.
Eine optische Faser dieser Gattung soll zur Verwendung in einer Vorrichtung zum
übertragen von Licht im sichtbaren nahen infraroten Bereich geeignet sein.
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Eine verbreitet in Faserskopen verwendete optische Faser ist eine
Faser, die aufgebaut ist aus einer aus Flintglas mit einem Brechungsindex für die
d-Linie nd = 1,62 bestehenden Seele, die mit bariumhaltigem Kronglas mit nd = i>52
umschichtet ist. Eine solche optische Faser hat eine numerische Apertur von etwa
0,56 und einen Aperturwinkel in der Größenordnung von 680. Der tatsächlich verwendbare
Aperturwinkel beträgt jedoch meist 550. In neueren Faserskopen wird eine Frontlinse
mit einem großen Bildwinkel angestrebt. Zu diesem Zwecke wurde eine Linse verwendet,
deren Bildwinkel in der Größenordnung von 1000 liegt. Dies führt dazu, daß eine
optische Faser mit großem Aperturwinkel für eine Lichtleitvorrichtung zum Beleuchten
erforderlich ist.
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Ein Verfahren zum Erlangen eines großen Aperturwinkels der Lichtleitvorrichtung
bestand bisher darin, das Vorderende der optischen Faser derart zu arbeiten, daß
es erweitert ist, oder
Linsen und ähnliches in das vordere Ende
einzusetzen, um das Licht zu streuen. Diese herkömmlichen Verfahren aber erfordern
aufwendige Herstellungsschritte, bedingen einen komplizierten Aufbau und eine platzaufwendige
Größe der Lichtleitvorrichtung erund-reichen dennoch nur begrenzte Aperturwinkel,
so daß ein bemerkenswert großer Aperturwinkel auf diese Art bisher nicht erreicht
wurde.
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Eine Möglichkeit, diese Nachteile zu vermeiden, besteht darin, den
Aperturwinkel der optischen Faser selbst zu vergrößern.
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Wie bekannt, ist die numerische Apertur einer Faser mit einer Seele
und einer Umhüllung.gegeben durch: Numerische Apertur
| =\I c> 2 |
| = 1 (Brechungsindex der Seele)2 - (Brechungsindex der Umhüllung)2. |
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Der Aperturwinkel hängt von der numerischen Apertur ab und ist umso
größer, je größer die numerische Apertur gemacht werden kann. Wie aus der obigen
Formel ersichtlich, kann der Aperturwinkel vergrößert werden, indem der Brechungsindex
der Seele vergrößert oder der Brechungsindex der Umhüllung verkleinert oder beide
diese Methoden kombiniert werden.
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Beim Vergrößern des Brechungsindex der Seele bewirkt die Glaszusammensetzung,
wenn der Brechungsindex des optischen Glases vergrößert wird, daß der kurzwellige
Bereich des übertragenen Lichtes merklich absorbiert wird, so daß das Licht deutlich
gelblich wird. Als Folge davon ist die optische Faser für Lichtleitvorrichtungen
zum Beleuchten von Faserskopen, die im sichtbaren Licht verwendet werden und ähnlichem
ungeeignet.
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In der beigefügten Fig. 1 zeigen Kurven 1 und 2 das Lichtdurchdringvermögen
von Bündeln aus lichtleitenden Fasern mit einer Länge von Jeweils 1 m. Die Kurve
1 zeigt das Lichtdurchdringvermögen einer dieser Bündel, dessen Seie aus einem Flintglas
mit einem Brechungsindex nd von 1,62 hergestellt ist. Die Kurve zeigt das Lichtdurchdringvermögen
eines anderen Bündels, dessen Seele aus einem schweren Flintglas mit einem Brechungsindex
nd von 1,67
hergestellt ist. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, absorbieren
beide Bündel den kurzwelligen Bereich von Licht nahe 400 nm merklich, was dazu führt,
daß selbst wenn weißes Licht zum Einlaßende des Bündels gelangt, aus dem Auslaßende
des Bündels nur gelbes Licht emittiert wird.
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In der Praxis hat die Lichtleitvorrichtung zum Beleuchten von Fiberskopen
eine Länge von etwa 2 bis 3 m, so daß das aus dem Ausgangsende eines solchen langen
Bündels emittierte Licht merklich gelblich wird. Es hat sich herausgestellt, daß
die obere Grenze des Brechungsindex von optischem Glas, das in der Seele einer Lichtleitvorrichtung
zum Beleuchten von Fiberskopen verwendbar ist, vorzugsweise 1,65 betragen soll.
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Beim Verringern des Brechungsindex der Umhüllung kann fluorhaltiges
Kronglas mit einem kleinen Brechungsindex verwendet' werden. Ein FK3-Glas hat den
kleinsten Brechungsindex , der 1,46 beträgt. Ein solches fluorhaltiges Kronglas
kann jedoch mit dem Flintglas der Seee reagieren; zusätzlich besteht die Gefahr,
daß es entgast. Folglich ist fluorhaltiges Kronglas für die Umhüllung der optischen
Faser nicht geeignet.
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Das optische Glas mit dem kleinsten Brechungsindex, das für die Umhüllung
der optischen Faser geeignet ist, ist Borsilicat-Glas, dessen Brechungsindex nd
= 1,494 beträgt. Die untere Grenze des Brechungsindex des Umhüllungsmaterials ist
also durch die Zusammensetzung des Glases gegeben.
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Eine optische Faser, die aus einer aus einem Glas mit dem maximalen
Brechungsindex nd = 1,65 bestehenden Sende und einer Umhüllung aus einem Glas mit
dem minimalen Brechungsindex n = 0d 1,494 aufgebaut ist, hat einen Aperturwinkel
von etwa 90 . Eine solche optische Faser ist also für ein Lichtleitbündel zum Beleuchten
von Fiberskopen nicht geeignet, die mit einer Linse mit einem Bildwinkel von etwa
1000 ausgestattet sind.
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Wie aus dem Obigen ersichtlich, ist es nicht möglich, eine optische
Faser mit einem Bildwinkel von etwa 1000 aus einer aus
optischem
Glas bestehenden Seele,die mit einer Umhüllung aus einem optischen Glas beschichtet
ist, herzustellen. Bisher wurde vorgeschlagen, eine optische Faser zum Leiten von
ultraviolettem Licht zu schaffen, die aus einer aus Quarz bestehenden SeRe und einer
aus organischen Substanzen bestehenden Umhüllung aufgebaut ist. Der Brechungsindex
der organischen Substanz kann relativ klein sein, so daß die optische Faser, deren
Seele mit einer solchen organischen Substanz bedeckt ist, einen großen Aperturwinkel
haben kann. Beim Schichten der organischen Substanz um die optische Faser ist es
jedoch unmöglich, den Durchmesser der Seele merklich zu verringern. Auf der anderen
Seite muß das Lichtleitbündel zum Beleuchten der Fiberskope biegsam sein. Eine optische
Faser für ein solches biegsames Lichtleitbündel muß einen kleinen Durchmesser in
der Größenordnung von 30/ aufweisen. Eine optische Faser mit einem solchen kleinen
Durchmesser könnte nicht zufriedenstellend mit der organischen Substanz bedeckt
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Fa-0 ser
mit einem großen Bildwinkel von 100 zu schaffen, die zur Verwendung in Lichtleitvorrichtungen
geeignet ist, bei der keine Gefahr des Gelbwerdens besteht, die Licht im sichtbaren,
nahen Infrarot leitet und die hochbiegsam ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer optischen Faser der eingangs beschriebenen
Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Setzte ein Bündel mehrerer, lichtleitender
Fasern mit kleinem Durchmesser ist.
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Vorzugsweise liegt der Brechungsindex des optischen Glases der Seele
der optischen Faser zwischen 1,55 und 1,65 und beträgt der Brechungsindex des organischen
Materials der Umhüllung der optischen Faser zwischen 1,35 und 1,43.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen
beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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Es stellen dar:
Fig. 1, wie bereits erwähnt, das Lichtdurchdringvermögen
optischer Fasern, die zur Verwendung in Lichtleitvorrichtungen geeignet sind und
Seelen aus verschiedenen optischen Glasarten aufweisen, Fig. 2 einen Querschnitt
eines Lichtleitbündels mit drei erfindungsgemäß zus ammengebundelt en optischen
Fasern, Fig. 3 einen Querschnitt eines Lichtleitbündels mit sieben erfindungsgemäß
zusammengebündelten optischen Fasern und Fig. 4 ein Schema zur Darstellung der Herstellungsschritte
der in Fig. 2 dargestellten lichtleitenden Fasern.
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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der optischen Faser dargestellt,
die eine aus drei zusammengebündelten, dünnen optischen Fasern 11, 12, 13, von denen
jede aus einem optischen Glas mit einem großen Brechungsindex besteht, zusammengesetzte
Seele und eine um die Seele geschichtete Umhüllung 21 aufweist, die aus einem durchsichtigen
organischen Material mit einem kleinen Brechungsindex hergestellt ist.
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In der Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der optischen Faser
dargestellt. Diese weist eine Seele auf, die aus sieben, dünnen optischen Fasern
11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 zusammengesetzt ist, die um eine mittlere optische Faser
11 herum zusammengebündelt sind und jeweils aus einem optischen Glas mit großem
Brechungsindex bestehen. Weiter weist die optische Faser eine Umhüllung 21 auf,
die aus durchsichtigem, organischen Material mit einem kleinen Brechungsindex besteht
und um die Oberfläche der Seele geschichtet ist.
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In der folgenden Tabelle sind bevorzugte Kombinationen von optischem
Glas für die Seele und der organischen Substanz für die Umhüllung der optischen
Faser, sowie der jeweils erreichte Aperturwinkel angegeben.
| Optisches Glas Organisches Material der Aperturwinkel |
| der Seele Umhüllung |
| Flintglas F2 fluorenthaltendes Metha- o |
| (nd = 1,62) crylat (mehr als 30 Ge- 123 |
| wichts-% Fluor) nd= 1,36 |
| II 1,1 -dihydroperfluorhexyl- 1250 |
| acrylat nd = 1,356 |
| 1! 1,1 -dihydoperfluorbutyl 1210 |
| acrylat nd = 1,367 |
| n chlorotrifluoräthylen 1120 bis |
| nd = 1,39 bis 1,43 99 |
In der Fig. 4 sind die Stufen zur Herstellung der in Fig. 2 dargestellten optischen
Faser schematisch dargestellt. Zunächst ist die aus Flintglas mit einem Durchmesser
von 30/e hergestellte optische Faser um drei Haspeln 31, 32, 33 aufgespult. Diese
Haspeln 31, 32 und 33 sind drehbar auf einer Welle S angebracht.
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Dann werden drei optische Fasern 34, 35, 36 von diesen Haspeln 31,
32, 33 abgespult und zur Ausbildung eines Bündels zusammengebündelt. Das so ausgebildete
Bündel wird in einen Einlaß 38 eines Behälters 37 mit einer Lösung aus fluorhaltigem
Methacrylat in Lösungsmittel eingeleitet. Beim Durchleiten durch die Lösung wird
die Oberfläche des Bündels mit der Lösung beschichtet und die so mit Lösung beschichteten
optischen Fasern werden aus dem Auslaß 39 des Behälters 37 herausgeführt. Daraufhin
wird die beschichtete optische Faser durch eine Heizkammer 40 geleitet, die 0 auf
einer Temperatur von 100 bis 200 C gehalten ist, um das in der Lösung enthaltene
Lösungsmittel zu verdampfen, so daß eine in Fig. 4 dargestellte optische Faser hergestellt
wird. Die so erhaltene lichtoptische Faser wird um eine Haspel 41 aufgewickelt.
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Wie oben erläutert, werden die drei optischen Fasern 34, 35, 36 zusammengebündelt
und dann mit dem organischen Material beschichtet, so daß die optische Faser einfach
herstellbar ist und die organischen Substanzen wirksam um das Bündel herum geschichtet
werden
können. Dies führt dazu, daß die drei optischen Fasern 34, 35, 36 von den Haspeln
31, 32, 33 mit relativ hoher Geschwindigkeit, beispielsweise 2 m/min abgespult werden
können. Zusätzlich ist der Durchmesser jeder optischen Faser 31, 32, 33 klein, in
der Größenordnung von 30/ , so daß die lichtleitende Faser genügend biegsam ist.
Licht kann von Jeder optischen Faser zu benachbarten optischen Fasern gelangen;
dies steht jedoch der Verwendung der erfindungsgemäßen optischen Faser nicht entgegen,
weil sie als eine Lichtleitvorrichtung verwendet wird und nicht als eine Bildübertragvorrichtung,
die in der Lage ist, ein optisches Bild von einer Stelle zu einer anderen genau
zu übertragen.
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Eine zahlreicher möglicher Abänderungen der Erfindung liegt darin,
daß die Anzahl optischer Fasern nicht drei oder sieben beträgt. In der in Fig. 4
dargestellten Ausführungsform können zusätzliche vorbereitete und um zugehörige
Haspeln gewickelte optische Fasern abgespult werden. Es können mehrere, um eine
Haspel aufgespulte optische Fasern gleichzeitig abgespult und zusammengebündelt
werden, um ein Bündel lichtleitender Fasern zu bilden, das dann der Beschichtungsbehandlung
unterworfen werden kann.
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Ansprüche =