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Die Erfindung betrifft eine Faser zur Bildübertragung und eine Vorform für eine derartige Faser, bestehend aus mehreren Einzelfasern und einem gemeinsamen Cladding nach Anspruch 1 und 6 und ein Verfahren zu deren Herstellung nach Anspruch 4 und 9.
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Es sind verschiedene Verfahren bekannt um Fasern zur Bildübertragung herzustellen. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten bestehen überwiegend in der Ausbildung von Blasen an den Grenzflächen der einzelnen Elemente sowie in einem unerwünschten Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln.
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In der
JP4184302 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem aus einer Vorform Stäbe hergestellt und diese dann in einem weiteren Prozessschritt zusammengefügt und erneut zu einer Faser verzogen werden. Damit ist es möglich aus einer Vorform eine Faser mit mehreren Kernelementen zu erhalten. Allerdings erhält man bei diesem Verfahren durch das Einbringen der einzelnen Stäbe in ein Überfangrohr eine Vorform, die zwischen den einzelnen Stabelementen Hohlräume aufweist. Während der Weiterverarbeitung dieser Vorform muss mit einem Unterdruck das Gas aus diesen Zwischenräumen entfernt werden, so dass eine homogene Verschmelzung erfolgen kann und die Faser ohne Lufteinschlüsse hergestellt werden kann. Durch die hohen Temperaturen zum Verschmelzen und den Unterdruck wird ein Ausdiffundieren von Dotanden begünstigt. Insbesondere für Vorformen, die einen dotierten Mantelbereich aufweisen, kommt es bei diesem Verfahren zur Bildung von Blasen. Eine derartige Faser weist verschlechterte optische Eigenschaften auf, insbesondere allerdings sehr schlechte mechanische Eigenschaften, so dass sie in einem Bildübertragungssystem nur bedingt Anwendung finden kann, da hierbei häufig kleine Biegeradien erforderlich sind und kleine Biegeradien bei geringer Faserfestigkeit zu einer erhöhten Bruchrate führen.
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Die
DE 10 2009 004 159 versucht diesen Nachteil zu umgehen, in dem die Kernstäbe, die zusammengefügt werden sollen, nach dem Einbringen in das Überfangrohr durch eine Rüttelbewegung so angeordnet werden, dass die Anzahl und das Volumen der Zwischenräume, die mit Gas gefüllt sind, minimiert wird. Demnach muss beim Verschmelzen auch mit weniger Unterdruck gearbeitet werden, was ein Ausdiffundieren von Claddingdotanden minimiert. Weiterhin wird beschrieben, dass auch nichtrunde Kerne mit dieser Methode verarbeitet werden können, was die Packungsdichte weiter erhöht und somit einen positiven Effekt auf die mechanischen Eigenschaften aufweist. Allerdings müssen Vorformen mit nicht-runder Geometrie aufwändiger hergestellt werden und verursachen somit erhöhte Herstellungskosten. Weiterhin ist dieses Verfahren auch nur dann geeignet, wenn die Einzelkerne eine Größe haben, die gewährleistet, dass während der Rüttelbewegung keine Vertauschung von einzelnen Pixeln erfolgt. Wenn somit Fasern mit einer hohen Pixelanzahl gewünscht sind, muss eine dementsprechend große Vorform gefertigt werden. Um solche Vorformen auf kleinere Durchmesser zu bringen, ist ein weiterer Prozessschritt notwendig, der zum einen zusätzliche Kosten erzeugt und zum anderen durch die dabei auftretende thermische Belastung wiederum die Gefahr der Bildung von Blasen erhöht.
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Eine Alternative besteht darin, dass die Einzelkerne nicht in Form von Stäben, sondern in Form von Fasern eingebracht werden. In derartiges Verfahren wird in der
DE 2 937 257 beschrieben. Das hat den Vorteil, sehr viele Pixel einbringen zu können, ohne ein Überfangrohr mit einem großen Durchmesser verwenden zu müssen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die geringe Größe der Einzelfasern sehr hohe Packungsdichten erreicht werden und nur sehr kleine Zwischenräume auftreten. Durch die geringen Dimensionen der einzelnen Fasern wird allerdings die Handhabung der Zwischenstufen erheblich erschwert, da sich die Fasern viel stärker biegen und damit schlechter in das Überfangrohr einzubringen sind. Weiterhin wird durch die geringen Abmessungen der Einzelfaser die Gefahr der Blasenbildung erhöht, da die Schichtdicken im Vergleich zu einem Stab deutlich kleiner sind. Somit ist die Weglänge, die Dotanden bei einem Diffusionsprozess zu durchqueren haben deutlich geringer. Somit kann es bei der Verwendung von Fasern als Kernelementen vorkommen, dass ein Ausgasen nicht nur aus der äußeren Schicht der Faser, sondern sogar aus inneren Bereichen auftritt. Weiterhin als nachteilig zu nennen ist die Tatsache, dass beim Einbringen der Fasern ein Aufrechterhalten der Zuordnung von Einzelpixeln massiv erschwert wird.
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Um die Zuordnung der einzelnen Pixel zu verbessern, wurde in der
US 6711918 vorgeschlagen, ein Überfangrohr mit Glasstäben oder -fasern aufzufüllen und anschließend mit einer Lochmaske an bestimmten Stellen einzelne Fasern zu entnehmen und durch die gewünschten Fasern zu ersetzen. Dieser Verfahren ermöglicht allerdings nur das Austauschen eine relativ kleinen Anzahl an Einzelelementen, da während des Austauschprozesses die Stabilität der Anordnung erhalten bleiben muss. Somit ist dieses Verfahren zur Herstellung einer bildübertragenden Faser ungeeignet, weil hier jedes Einzelelement im Überfangrohr zur Bildübertragung beiträgt.
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Um das Übersprechen von einem Pixel in ein angrenzendes zu minimieren wird im Mantel der Vorform ein Bereich mit abgesenkter Brechzahl eingefügt. Eine derartige Faser wird zum Beispiel in der
WO 12118132 beschrieben. Bei einer Faser ohne diesen Brechzahlgraben wird Licht, dass den Kern verlässt (z. B. auf Grund von Biegungen) durch den Mantel geleitet und trifft auf einen anderen Kern, in dem es auf Grund der Brechzahldifferenz geführt wird. Durch das Einbringen eines Bereiches mit abgesenkter Brechzahl wird das Übertreten in einen anderen Kern verhindert, da der Bereich zwischen Kern und Brechzahlgraben (inneres Cladding) wie ein Wellenleiter wirkt und somit das Licht in diesem Bereich geführt wird.
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Es besteht somit die Aufgabe eine Faser zur Bildübertragung und eine Vorform für eine derartige Faser herzustellen, die sich durch eine gute Bildübertragungsqualität auszeichnet und dennoch einfach herzustellen ist. Dabei muss gewährleistet sein, dass die Faser eine gute mechanische Stabilität aufweist, die eine Verwendung mit kleinen Biegeradien ermöglicht. Es besteht weiterhin die Aufgabe, optimierte Herstellungsschritte anzugeben, mit denen die Qualität der Faser und/oder der Preform nachhaltig verbessert werden kann.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorform hergestellt wird, die einen Kern und einen Mantelbereich enthält. Dabei zeichnen sich diese beiden Bereiche dadurch aus, dass der Kern einen höheren Brechungsindex als der Mantel aufweist. Dabei können sowohl Kern als auch Mantel mit brechzahlerhöhenden oder brechzahlabsenkenden Dotanden versehen sein. Dabei wird im Mantelbereich bevorzugt ein Brechzahlverlauf eingestellt, der durch ein Absinken oder Ansteigen der Brechzahl gekennzeichnet ist, so dass vom Niveau der Mantelbrechzahl ein stetiger Übergang auf das Niveau des gemeinsamen Claddings vorliegt. Anschließend wird diese Vorform gestreckt und die dann erhaltenen Elemente werden zu einer neuen Vorform zusammengefügt, die aus mehreren einzelnen lichtleitenden Elementen besteht und somit geeignet ist, ein Bild zu übertragen. Diese Vorform wird im Anschluss daran zu einer Faser gezogen. Diese Faser kann verwendet werden, um z. B. in Messsystemen Bilder zu übertragen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der Kernbereich aus einem Germaniumdotierten Quarzglas hergestellt. Das Cladding besteht aus undotiertem Quarzglas. Diese Vorform wird auf einen Durchmesser von 2 mm gestreckt und anschließen werden die Einzelstäbe in ein Überfangrohr eingebracht und dort verschmolzen. Diese zweite Vorform enthält ungefähr 100 dieser Einzelstäbe und wird erneut auf einen Durchmesser von etwa 2 mm gestreckt. Im Anschluss werden erneut 100 dieser Einzelstäbe in ein Überfangrohr eingebracht und verschmolzen. Somit entsteht eine Vorform mit etwa 10.000 Pixeln. Diese Vorform wird zu einer Faser gezogen und kann zur Bildübertragung verwendet werden. Durch die Verwendung eines dotierten Kernmaterials kann das Cladding aus reinem Quarzglas ausgeführt werden, so dass hier keine Dotanden enthalten sind, die bei den thermischen Prozessen ausdiffundieren und zur Bildung von Blasen führen können. Allerdings ist das Verfahren durch die vielen Zwischenschritte sehr aufwändig und die erhaltenen Fasern weisen keine verbesserten Biegeeigenschaften auf. Eine Verbesserung des beschriebenen Verfahrens kann dadurch erreicht werden, dass die Vorform direkt auf einen Durchmesser im Bereich von 100 bis 300 μm gestreckt wird und damit ein Streckzwischenschritt entfallen kann.
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Es kann für bestimmte Anwendungen erforderlich sein, dass Germanium als Dotand im Kernmaterial unerwünscht ist, beispielsweise wenn die Faser in einem Sensor verwendet werden soll, der in Umgebungen mit starken Strahlenbelastungen eingesetzt wird. Darunter fallen insbesondere Belastungen mit UV-Strahlung oder radioaktiver Strahlung. Es ist bekannt, dass germaniumdotiertes Quarzglas einen besonders starken Alterungseffekt aufweist, wodurch die Transmission der Bildübertragungsfaser erheblich reduziert wird. Außerdem kann die daraus folgende Dämpfungserhöhung auch inhomogen über den Faserdurchmesser erfolgen, so dass der Kontrast zwischen einzelnen Pixeln verändert wird.
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Dementsprechend wird in einer Ausführungsform ein undotierter Kern aus Quarzglas verwendet und das Cladding wird durch fluordotiertes Quarzglas gebildet. Dieser Aufbau bietet eine wesentlich höhere Festigkeit gegenüber Strahlungseinflüssen. Jedoch wird auf Grund des teilweise stark fluordotierten Claddingbereiches die Gefahr von Blasenbildung bei thermischen Nachfolgeprozessen (z.B. Strecken/Ziehen) signifikant erhöht. Auch weisen diese Fasern keine verbesserte Biegeunempfindlichkeit auf.
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In einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens wird die Gefahr der Blasenbildung dadurch minimiert, dass beim Ziehen der Fasern und dem Kollabieren des Faserbündels eine Schutzgasatmosphäre verwendet wird. Weiterhin kann im äußeren Bereich des fluordotierten Claddings eine Übergangszone eingebracht werden, in der die Fluorkonzentration von einem Maximalwert auf 0 abgesenkt wird. Somit erfolgt der Übergang vom Cladding zu einer umgebenden Schutzschicht, die üblicherweise aus undotiertem Quarzglas gebildet wird, mit einem geringeren Konzentrationsgradienten, so dass die Diffusion und damit die Gefahr der Blasenbildung minimiert wird.
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Es ist weiterhin möglich zwischen dem fluordotierten Cladding und der Übergangszone eine weitere funktionale Schicht einzubringen. Diese wird zum Beispiel durch Quarzglas mit geringerer Brechzahl als das Cladding gebildet und bietet den Vorteil, dass Licht, welches durch Biegungen den Kern verlassen hat, nicht in den benachbarten Kern eindringen kann. Somit wird ein Übersprechen verhindert und gleichzeitig die Biegeeigenschaften optimiert. Um diesen Effekt zu maximieren, muss der Brechzahlunterschied zwischen dieser funktionalen Schicht und dem Cladding möglichst groß sein. Das kann erreicht werden, in dem die beiden Schichten mit unterschiedlichen Fluorkonzentrationen dotiert werden. Es ist allerdings auch möglich diese Brechzahlunterschiede zu erreichen, in dem entweder als Kern- oder Claddingmaterial sowie in der funktionalen Schicht kein Quarzglas, sondern ein optisches Glas mit ähnlichen thermischen Eigenschaften und deutlich unterschiedlichem Brechungsindex eingesetzt wird.
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Eine weitere Ausführungsform erreicht eine besonders gute Strahlungsfestigkeit durch die Verwendung von fluordotiertem Kernmaterial. Hierbei wird im Kernbereich mit einer Fluorkonzentration von 10 bis 20.000 ppm bevorzugt aber im Bereich von 100 bis 2.000 ppm gearbeitet.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die starke Dämpfungserhöhung von Germanium dotiertem Quarzglas bei Bestrahlung dafür verwendet, eine Barriereschicht zwischen die einzelnen Kerne einzubringen. Dafür wird eine Vorform mit einem undotierten/gering Fluor dotierten Kernmaterial und einem Fluor dotierten Cladding hergestellt. Auf diese Vorform wird ein Rohr aufkollabiert, das innen mit Germanium dotiertem Quarzglas beschichtet ist. Aus den daraus entstehenden Fasern kann in einem Überfangrohr eine Bildübertragungsfaservorform hergestellt werden und diese zu einer Faser weiterverarbeitet. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht zwischen den einzelnen lichtleitenden Kernen eine Schicht aus Germanium dotiertem Quarzglas. Wenn diese Faser in einer Umgebung mit starker Strahlung eingesetzt wird (z. B. in einem Kernreaktor) wird die Germanium Barriereschicht so stark geschädigt, dass die Dämpfung stark ansteigt. Daraus folgt, dass ein Übersprechen zwischen verschiedenen Pixeln nicht mehr stattfinden kann, da das Licht auf dem Weg von einem Kern zu einem weiteren in dieser Barriereschicht absorbiert wird. Die Germaniumdotierung dient hier nur als Beispiel, die Barriereschicht kann aus Gläsern mit allen möglichen Zusammensetzungen hergestellt werden, so lange diese Gläser im betreffenden Anwendungsgebiet entweder prinzipiell intransparent sind, oder durch bestimmte Umgebungseinflüsse intransparent werden. Das kann entweder irreversibel sein, oder durch bestimmte Parameter (elektromagnetische Strahlung, Temperaturveränderungen usw.) gezielt an- und ausgeschaltet werden, so dass ein Übersprechen gesteuert werden kann. Eine derartige Faser könnte demnach neben der Bildübertragung auch weitere Funktionen übernehmen und zum Beispiel als Temperatur oder Strahlungssensor dienen.
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Um die mechanischen Eigenschaften der Bildübertragungsfaser zu verbessern kann während des ersten und/oder weiteren Vorstreckens der Vorform eine Beschichtung aus organischen Substanzen, z. B. ein Stearinsäure/Alkohol Gemisch aufgebracht werden. Beim Zusammenfügen dieser vorgestreckten Elemente zu einer Vorform mit mehreren lichtleitenden Kernen wirkt diese Schicht positiv auf die Grenzfläche ein und minimiert ein Auftreten von Blasen und verbessert die mechanischen Eigenschaften der Faser.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Zuordnung der einzelnen Pixel verbessert. Beim Vorstrecken der Vorform auf sehr kleine Durchmesser werden die erhaltenen Faserelemente sehr schwer handhabbar. Durch das geringe Gewicht kann es beim Einbringen in das Überfangrohr dazu kommen, dass die einzelnen Pixel sich über die Länge der gefertigten Vorform umlagern und somit die Zuordnung der Pixel nicht mehr gegeben ist. Das kann dadurch verhindert werden, dass beim Vorstrecken die erhaltenen Elemente so aufgewickelt werden, dass die einzelnen Schichten des Wickelpaketes direkt übereinander liegen. Dabei wird eine Spule verwendet, die es ermöglicht, dass die Einzelelemente derart von der Spule entfernt werden, dass sich die ursprüngliche Schichtreihenfolge auf identische und vorhersagbare Weise bei beiden Schnittflächen des Einzelelementes ändert. Damit kann gewährleistet werden, dass sich die Pixel am Anfang der Faser und am Faserende an einer definierten Position befinden. In einer Weiterentwicklung dieser Ausführungsform ist es sogar möglich ein zumindest abschnittsweises Zusammenschmelzen der vorgestreckten Elemente auf der Spule durchzuführen, so dass nach dem Entfernen der Spule keine Möglichkeit eines Verrutschens der einzelnen Pixel besteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 4184302 [0003]
- DE 102009004159 [0004]
- DE 2937257 [0005]
- US 6711918 [0006]
- WO 12118132 [0007]