DE1596544A1

DE1596544A1 - Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Elements

Info

Publication number: DE1596544A1
Application number: DE19671596544
Authority: DE
Inventors: Lakeman Henricus Th Franciscus
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-09-02
Filing date: 1967-08-29
Publication date: 1971-03-18
Also published as: BE703339A; GB1146455A; AT273530B; US3582297A; NL6612387A

Description

■■'■■' PHfl. 1876

■ ■ . . - Va/l-'F

Dipl.-lng. HORGT AUER

ΡτΛπ' --.'/alt *

Anmelder: N. V. FIiL;. ο'uLOLLAMPE^FABRIEKEil

Akte: PHIT- 1876
Anmeldung, vom ι 25. Aug. 1-967' * ■

"Verfahren zur Herstellung eines faser-optiachen Elemente".

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur

Herstellung eines faüer-optischen Elements und auf das durch dieses Verfahren hergestellte Element.

Faser-optische Elemente, die aus einem- Bündel zur

Lichtübertragung dienender Glasfasern mit sehr kleinem Durchmesser bestehen, finden in den letzten Jahren häufig Anwendung in ..Fällen, in denen sogar Bilder mit sehr geringer Helligkeit ohne durch Streuung herbeigeführte Auflösungsverluute übertragen werden. Sie "werden z.B. in Bildverstärkern und in Fernseh-Aufnahmeröhren verwendet, j .

Die· ßirkung einer derartigen Faser wird dadurch

herbeigeführt, dass ein auf eine Endfläche einer Faser aui'fallen- dfr liehtetrapl durch völlige Reflexion an den Seitenwinden der Jfaier nahezu jvöllig in dieser Faser bleibt und das andere Faserende mit nahezu der gleichen Intensität erreicht. Um dies au erreichen^

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- 2 - jriifl. 18.76

besteht eine derartige- iaser aus einem zylindrischen Kern aus einem Material mit hoher Brechungszahl (n.), der konzentrisch von einem iiiantel aus Glas mit niedriger Bre chungs zahl (n^) umgeben ist. Unter de;a ..aisäruok !'zylindrisch" ist hier .jede Form mit einem konstanten geschlossenen ^uerschnittj also nicht nur die Kreisfor:.\ sondern auch die Rechteck- oder Vieleckform zu verstehen.

Zur Herstellung eines faser-optischen Elements

wiird bekanntlich ein stabf öriniger Körper, der aus einem Kern aus Glas mit hohem Brechungsindex besteht, zu Fasern mit einem dem des stabförmigen Körpers nahezu entsprechenden querschnitt ausgezogen, wonach die erhaltenen Fasern zusammengebündelt und aufs neue ausgezogen werden, wobei die beiden letzteren Bearbeitungen gegebenenfalls wiederholt werden. Das erhaltene Bündel_t wird dann mit möglichst geringer Verforming zu einem kompakten Bündel zusammengeschmolzen, wobei dafür gesorgt wird, dass keine fremden Einschlüsse und insbesondere keine Gasblasen zwischen den Fasern auftreten.

Wie bereits bemerkt wurde, soll das Auftreten von

durch Streulicht herbeigeführten Auflösungsverlusten vermieden wenden. Zu diesem Zweck muss an erster Stelle der .Grenzwinkel 0, d.h. der viinkel, den der auf das faser-optische Element auffallende Licjht· strahl mit der Normale*»zu der Endfläche der Faaer einschliesat, möglichst gross sein. Alle unter einem diesen Grenzwinkel unterschreitenden Winkel auf die Endflüche der Faser auffallenden Lichtstrahlen bleiben durch völlige Reflexion in derselben Faser. Zwischen diesem Grenzwinkel Θ, den Brechungs$ahlen der beiden und dem Brechungsindex der Umgebung (n_Q) besteht die Beziehung»

η sin O = V η? -η* 109812/0202 ^ΒΑ°

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Durch passende wanl der Brechungzahlen der, beiden Glasarten kann, \\enn das faser-optiuche Element frei, d.h. in einer Umgebung von Luft, angeordnet wird, dieser Grenzwinkel 0 nahezu 90 sein. Lies bedeutet, dass alles Licht, sogar das streifend einfallende Licht, wenn es einmal von der Paser absorbiert worden ist, durch völlige Keflexion in dieser l'aser bleibt.

, ' 1'¹Ur den Mantel der Paser steht eine Glasart mit einer Brechungäzahl (n_o) von etwa 1,50 zur Verfugung. In einer von Anmelderin eingereichten noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung H 29.950 werden iür den Kern geeignete Glasarten mit einer Brechungszahl (n,) von 1,80 - 1 »&5 beschrieben. Die Zusammensetzung dieser Glasarten in mol.p liegt innerhalb, der iolgeriden Grenzen;

GeOp ■ 35 - 62 fa vorzugsweise 4Ό - 55 > BaO ■ 10 - 30 $ " 15 - 21 i TiO₂ Ό - 30 y& *■ 3.-13 P La₂O₅ 0 - 15 P " 3 - 10 ρ V-ZrO₂ 0 - 10 $ Υ insgesamt

Ta₂O₅ 0-.5 Jt' · J ^1Ö ^

: ZnO 5 ~ 15 *>

Bei Kombination einer der letzteren Glasarten für den Λ,ει-η mit einer, der ersteren Glasarten für den inantel kann für ein .iert von nahezu 1 bis gut 1 erzielt werden.

Die Hauptstreulichtquelle besteht aus auf eine

jindflSche des faser-optischen Clements unter einem von 0° verschie- ' denen Mnkel auf daa Mantelglas auf treffendem Lieht. Das ldantelglas muss naturgemüas eine beschränkte üiindeststärke aufweisen, da sonst zwischen den Pasern "Uebersprechen" auftreten kann. Dieser"

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BAD 'ORIGiNAL

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4indest\vert liegt in der Grössenordnung von einigen Zehnteln eines .Mikrons. Dies bedeutet, dass in einem querschnitt des faser-optiachei Clements die Oberfläche des Mantelglases 30 bis 40 $ der Gesamtoberfläche beansprucht. Im Vergleich zu dieser btreulichtquelle haben andere nebenbei auftretende Streulicht herbeiführende iehler wie Unvollkommenheiten an der Grenzfläche und Gasblasen oder Kristalle im Kernglas der Faser, nur einen sehr geringen Einfluss. Auch soll die iüb'&lichkeit berücksichtigt werden, dass ein udilieu, •z.B. eine Immersion oder eine auf der Endfläche eines faser-optischen Elements angebrachte Schicht aus einem Leuchtstoff mit einem Bindemittel, vorhanden ist, dessen lirechungBzahl (n_Q) viel grosser als 1 ist. Dadurch wird der Gcenzwinkel θ erheblich verkleinert,

op

wie aus der bereits erwähnten Gleichung n_Q sin θ = y η- - n_? ersichtlich ist.

Z.B. kann die Faser oder ein Bünden/von fasern mit einem gefärbten Glas oder Email umhüllt werden. Dies hat den Nachteil, dass der i'üllfaktor des faser-optischen ülements, der in einen querschnitt des"Clements dem durch die Sjimme der überflSchtft der Querschnitte durch den Kern der Faser gebildeten Bruchteil der Gesantoberfillche des ülementquerschnittes entspricht, kleiner wird_t

weil im Vergleich zu*8er zum Verhüten von "Uebersprechen¹¹ erforderlichen Stärke das uiantelglas die doppelte StUrke haben muss. · Dadurch wird cliä Lichtdurchlässigkeit des iilementea unmittelljar verringert.

Auch kann das Mantelglas gefürbt werdeni was j··*

doch gleichfalls eine zu grosse Absorption mit sieh bringt, i

Das bekannte Verfahren» nach dem die OberflUoht

des iileaentes mit einem Reagens geatzt wird, welches das Mantelglai

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der. Faser stärker als das Kernglas angreift, wonach eine für Licht nicht durchlässige L;chicht zum Ausfüllen der gebildeten Höhlungen angebracht und die Schicht an der btelle des Kernglases--geschliffen und poliert wird, ist sehr umständlich. Ausserdem ergibt das Verfahren eine absorbierende Schicht geringer stärke, wodurch die ütreustrahlung nur zum Teil beseitigt wird.

. Durch die Anwendung des Verfahrens nach der ir-

findung wird ein faaer-optiüches Element erhalten, bei dem durch Streu»4fcaiilung herbeigeführte Auflösungsverluste auf befriedigende "Weise genuggehalten werden. Sogar durch Unvollkommenheiten im Kernglas herbeigeführte Streuatrahlung wird durch Absorption auf der Unterseite des faser-optischen Elements beseitigt.

Das Verfahren nach der i-rfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem auf bekannte v»eise hergestellten Element, das durch ein kompaktes flündel von aus einem Kern aus Glas mit höher Brechungäzahl mit.höchstens einige Prozenten an einwertigen Ionen*und aus einem diesen Kern konzentrisch umgebenden Mantel aus öi»e mit niedriger Urechungszahl bestehenden Glasfasern gebildet Wird, in an 0ioh bekannter rteise einwertige Kationen im uiantelglas gigen dtrartige andere'Kationen ausgetauscht werden, dass eine Erhöhung derjLichtabobrption herbeigeführt wird.

L Die betreffendeh Techniken sind unter dem Flamen "lubinieren" [bekannt. (Siehe z.B. H. Tober in Glastechn. Ber. 34, 1« 456 - 460 (1961)). Verschiedene Ionen können eindiffundiert «•!•den und durch Reduktion oder aaf andere. ,v'ieise kann Färbung erwerdtri.

^: ' Vorzügeweise wird ein Verfahren angewandt, bei

■'■ -■■■■-";·.·

ia Glas gegen üilberionen ausgetauscht werden, da

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BAD ORIGINAL

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"die Diffusionsgeschwiiidijkeit der Silberionen in das Glas gross ist. Das Glas kann dann Elektronend.onatoren, wie As₉O, oder Sb₉O,, enthalten, wodurch die eindiffundierten Silberionen in schwarzgeförbte Teilchen (Konglomerate von Metallatomen) umgewandelt werden. Bei einem besonders ^ünutigen Verfahren werden dem Glas keine reduzieren· den Verbindungen zugesetzt, was naturgemäss nicht ohne Einfluss auf die physikalischen Eige-nschaften des Glases sein würde sondern wird das mit Silberionen dotierte Glas einige Zeit in einer reduzierenden Atmosphäre grhitzt. · .

Die Ionen können dadurch eindiffundiert werden,

dass die Oberfläche des faser-optischen Elements mit einer die be~ treffenden uletallionen enthaltenden Pa"ste bestrichen und dann erhitzt wird, wonach die übrig gebliebene .taste nach Abkühlung weggespült wird, oder das faser-optische Element kann in ein Bad eines geschmolzenen, die betreffenden Metallionen enthaltenden Salzte ocjer Salzgemisches getaucht ,werden. ' - .■■:■

Wach einer weiteren Ausführungsform des Verfahr ι η*,, ^einUssder Erfindung wird das Eindi\ffundieren der Metallionexj. dur ein elektrisches Feld beschleunigt, wobei eine grosse fiindringtie erceich-t werden kann. Zu diesem'Zweck wird das faser-optische Element auf einer zu der ^serrichtung senkrechten Fläche mit einer c

betreffenden Metalüonen enthaltenden elektrisch leitenden Paste b

strichen und wirkt dann als Anode, während die gegenüberliegende Seite mit einer Graphitpaste bestrichen wird und dann als Katode: wirkt, wobei das elektrische Feld aufrechterhalten wird_t bit die j , gewünschte Eindringtiefe erreicht wird. ·' ·' I

"Duron Behandlung mit Silberlbneri k*nn auf Ibiden·· seiten^d.er faeer-optischen Platte eine plribung erhalten werden. L

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- "■-.. 7 - ■ · -PH».1876

zwecimSasigen Unterdrückung der btreuetrahlung ist eine Schicht von /10 bis 20 /u genügend. Die Tatsache, dass die gefärbte 2one im üantelglas sich nicht völlig von der einen Seite zur anderen Seite de3 Elements erstreckt, sondern dass nur ein Bruehteil bis etwa 1 ρ der btärke gefärbt-ist, ist sogar besonders günstig, weil da-■ durch eine erheblich geringere innere Absorption auftritt, so dass im /ergleieh zu dem obenerwähnten bekannten Verfahren, bei dem der mantel völlig gefärbt wird, die Lichtverlu&te viel geringer sind.

j£s sei nebenbei bemerkt, dass das im katimen der

Erfindung angewandte Verfahren zum Austauschen von Alkali-Ionen in Glas gegen derartige Ionen, die eine Erhöhung der Lichtabsorption herbeiführen, sich vorzüglich dazu eignet, die Seiten eines Glaskörpers absorbierend zu machen, welcher Körper zur Verrinnerung yon 'HaXo--Effekten auf dem fenster einer Aufnahmeröhre von iyp "Vidicon" angebracht wird, wobei die auf der Innenseite des i'eiisteri angeBraehte Prallplatte der Röhre vorzugsweise aus Bleimonoxid besteht (siehe deutsche Patentanmeldung l\ 27.855},

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ί.. derZkichnung dargestellten Aueführungsbeispiels miner erläutert.

üs zeilen: · - , ' *

Pig. 1 λη stark vergrb*ssertem-Masstab eine \.ζτ-

öpektivische Ansicht eines I'eiles eines durch das Verfahren iiuca der Erfindung hergestellten faser-oi-tischen ilementej und

Fig. 2 einen zur Längsachse der lasern parallelen Querschnitt durch einen Seil des Clements.

ZunBchat wird ein urla3rohr mit einer Wandstärke von 1 bis 1,5 mm, einem AuBsendurehmesser von 17,5 Wm und einer Longe von 300 mm hergestellt, das aua Glas der folgenden iueaa^aa-

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• BAD ORIGINAL

PHB.1876

Setzung besteht;

60,1 Gew.'/ό

22,6 Gew.%

3,9 Gew.56

\Na_o0

1 3,4 Gew.^-

Dieses Glas hat eine brechungszahl nv = 1 ,50 und einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 30 und 300⁰C' von 70 χ 10" /°G. In "diesem Rohr wird durch Schleifen ein Zylinder der gleichen L pausend angebracht, der die folgendeZusammensetzung hai;

GeO

50,0 Mol.7"

BaO ZrO

-7,7

7^0 MoIr^ i ent sprechendί 5^0 fiterl-.96

401*5

22,8 (iew*/S 4,8 Gew^

T7f6 G
4^7

10,0 MoI.^

und einen linearen

auf 3^;

dtifcihme'sser" vö# e^;1iV¥a» 6^5/ü e-fhSifi Di© Fasern werdest i#'iiiihgen. von TOO· mm geSGhOKfen undf in^v:^ic#t#F uhg In eirie-r Ampulle mit^; ein#m^; DurifKmess^ef von 25 tM -äu#

katgl&s der' zuerst erwßnnten hu^ämmerisitzung i

gefüllte Aäpuiie? wird entltifii&i f abgesOhDiotP^e^ und^; #K^;lM(Si

OR5i3INAL

■ . - - 9 - . · ■ ' PHiJ. 1876 . .

Stunde-auf eine Temperatur von 680 bis 70O⁰G erhitzt. Vom erhaltenen Produkt werden plattenförmige faser-optische Lleaente abgeschnitten, die während ό Stunden in eine auf 35O⁰G erhitzte, aus 20 Gew.^ AgNO, und 80 Gew.ft KNO, bestehende Schmelze getaucht werden. iJacIi Abkühlung an der Luft werden die Platten sorgfältig mit destilliertem /nasser gewaschen und dann während 1/2 Stunde auf 500⁰G in «asserstoffgas erhitzt.· '

In der sorgfältig gereinigten Platte ist das üantelglas auf beiden Seiten bis zu einer Tiefe vtm 15/u schwarz gefärbt während das Kernglas völlig transparent geblieben ist. Pig. 1 zeigt perspektivisch einen aufgeschnittenen Teil eines aplchen faseroptischen Elemente.

Pig. 2 zeigt einen zur Achse der Pasern parallelen üohnitt, wobei das Kernglas mit 1 und das bia eine Tiefe von 1'5/U schwarz gefärbte Mantelgl-as mit 2 bezeichnet ist. Die Lichtstrahlen 3 und 4 durchlaufen das optische -clement üchräg und passieren dabei daa gefärbte j^antelglas mehrere Male. Bei jedem ,,Durchgang wird ein gro8B.er 3Je.il $b.sorbiert_f; der Lichtstrahl wird somit, nachdem er - iuehrere Male e;ine. ochicht Mantelglas passiert hat, nahezu völlig •rlOQOhen. De^ echädliche Effekt dieses Streulichtes wird auf diese Weiee .vSliig beseitigt., was sich in der erheblichen .yerbe.sserung des

einer faser-optischen Platte nach der Lrfindung

im Vergleich 2

u.einer ähnlichen ungefärbten Platte äussert. Im Kern-

gla· befindet -.eich eine Unebenheit 5 t wodurch der Lichtstrahl 6, der biaher durch Völlige lieflexion in der,Paser blieb, derart gebrochen ■ Wird, daee erfßue der Paeer austritt und das iilement seitlich durch- l%xitt. Ein Hhnlioher Lichtetrahl 7, die auf diese ^eise die ünter-■fite detr'ilementes erreicht hat, ist dargestellt. Auch dieser Streu· lichtitrahl wird von dem schwarz gefärbten üantelglaa absorbiert.

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Claims

- 10 - ..-.-■ JrHh. 1876 .PA MU TAlM a PKUKÜHE;

1. Verfahren zur Herstellung eines faser-optischen

• Elements, bei dein ein tstabförmiger Körper, der aus einem Kern aus Glas mit hoher Brechitng<i₂ahl und mit. höchstens einigen Prozenten an einwertigen.Ionen und einem konzentrischen lUäntel aus Glas mit niedriger Brechungszahl besteht, zu Glasfasern mit einer dem stabföruiigen Körper nahezu ähnlichen Struktur ausgezogen wird, wonach die erhaltenen Fasern zusammengebündelt und aufs neue ausgezogen werden, wobei die letzteren beiden.Bearbeitungen gegebenenfalls wiederholt werden, wonach die erhaltenen Fasern mit möglichst geringer Verforming zu einem, kompakten Bündel zusammengeschmolzen werden, dadurch gekennzeichnet, dass uaf an sich bekannte »Veise im ^antelglas des erhaltenen Elements einwertige Kationen gegen derartige andere Kationen ausgetauscht werden, dass sine Erhöhung der Lichtabsorption herbeigeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Alkali-Ionen iin iiiäntelglas unter reduzierenden Bedingungen ge-» gen oilberionen ausgetauscht werden. ; ; ϊ

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das faser-optische ülement nach jiindiffundieren Von Silber- j ionen in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird. j

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasü der Austausch durch ein in Längsrichtung der Pasern wirksame^ elektrisches ield ooachleunigt wird.

5. Durch eines der Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 hergestelltes faser_Tpptisches Clement.

6. Elektronische Vorrichtung, in die mindestens durch ein Verfahren nach einem der-Ansprüche 1 bis 4· erhaltenes faaer-optischea Kleine nt eingebaut ist.