DE1596921A1

DE1596921A1 - Optisches Element aus einem Glasfaserbuendel

Info

Publication number: DE1596921A1
Application number: DE19671596921
Authority: DE
Inventors: Groot Jacob De; Wittenboer Cornelis Wilhel Den
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1966-02-09
Filing date: 1967-02-04
Publication date: 1971-03-25
Also published as: NL6601607A; GB1108509A; FR1510554A; SE335597B

Description

PKlI. 1406

dJo/TH Dr. Ing. TTans-Dietri* Zeller

? ι tntanwalt

Arrr»d:r: ^. V. philips' Cloeilampenfabrieken

Akte No. PHF- 1406

Anmeldung vom: 3. Febr. 1967

"Optisches Element ^us einem Glasfaserbündel."

Oie Erfindung; betrifft ein optisches EiOi'.-.er.t, (\ib aus einem Bündel zur Lichtiibortragung f^:ienender Glasfasern besteht.

Derartige bereite bekannte Elemente v.-»r'iftri in iifiii letzten Jahren häufig zur tJbertr'.gung von HiJ^ieri. :-Rhr rarin^er l!elli;:keit verwendet, bei

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der durch Streuung- keine Beeinträchtigung der Auflösung auftreten darf. Sie werden z.B. in Bildverstarkern und in Fernsehaufnahmeröhren verwendet. In diesen optischen Elementen wird ein Bündel einer grossen Anzahl von Pasern sehr geringen Durchmessers verwendet.

Die Wirkung einer solchen Paser gründet sich d-rauf, dass ein auf einer Seite die Paser am Ende auTtreffende Lichtbündel beim Durchgang durch die Psser durch Totalreflexion praktisch vollständig innerhalb die F-ser bleibt und das andere Ende der Paser mit praktisch der gleichen Intensität erreicht. Zu diesem Zweck besteht eine derartige F;.ser us einem zylindrischen Kern durchsichtigen '.Yerkstoffes mit hoher Brechungszahl (n..), der konzentrisch von einem M?_ntel aus Glas mit niedriger Brechungszahl (ng) umgeben ict. Auf der Aussenseite des Mantels kann noch eine Schicht aus einem anderen V/erkstoff aufgebracht worden, um Streulicht in der Paserplatte zu vermeiden und eine möglichst hohe Auflösung zu erzielen. Das "Bestreben geht dahin, den Wert von n. möglichst gross und den Wert von ru möglichst klein zu halten, damit der Grenzwinkel 0, d.h. der Winkel zwischen dem das ootische Element treffenden Lichtstrahl "and der Normalen an der Endfläche dor Faser möglichst gross iet. Z-vi sehen diesem Grenzwinkel, den Brechungszahlen der beiden

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Glasarten und der Breci.un^szahl (n_Q) der Umgebung liegt die nachfolgende Beziehung vor:

η sin

\ ' 2 2
θ = γ/ η., - r^

Es sei bemerkt, dass mit "z3*linderförziig" jede geschlossene Form, also nicht nur die kreisförmige, scndern ,auch die rechteckige oder die vieleckige gemeint ist.

Eine optische Paser wird in bekannter ueise dadurch hergestellt, dass von einem gegebenenfalls geschliffenen und gegebenenfalls polierten Stab aus einem Glas mit hoher Brechungszahl, z.B. mit einem Durchmesser von 2,5 cm und einer Länge von 25 cm, ausgegangen wird, über den Stab wird dann ein eng anliegendes Bohr-aus einem Glas mit niedriger

BrecLungszahl geschoben, worauf das Ganze unter Eri.ätzung zu Fasern des erwünschten Durchmessers ausgezogen wird.

In bezug auf die Y/ahl der Werkstoffe traten bisher viele Schwierigkeiten auf, weil eine rehr ,rrosse Anzahl rhysikalischer Grossen aufeinander abgestiniKt werden muss. Λη erster Stelle müssen, wie verstehend gesagt, die PrecLungszahlen möglichst ' stark voneinander verschiöden sein. Die Ausdehnungskoeffizienten jedoch sollen nicht zu stark verschieben εβΐΐ".. Die Glaso.rten folien sich ferner dazu eignen, f/6i:.einsoi:. .,usgeKOfen zu werden. Zu öieceir. Zweck müssen die Plenr-lir.ien, welche die Viskosität der

beiden Gl s-rten als Funktion der Te^reratür angeben, 10 9813/01 77 ^8AD OR1G»NAL

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nicht zu stark voneinander abweichen. Jedenfalls müssen die Viskositäten über den Temperyturbereich, in dem die Pasern gezogen werden, annähernd gleich sein und vorzugsweise soll die Viskosität des Kernglases etwas höher sein als die des Mantelglases. Beim Ziehen darf auch keine Spur von Entglasung auftreten, v/eil diese einen verhältnismassig grossen Lichtverlust im wesentlichen infolge Streuung mit sich bringt.

Schliesslich dürfen auch wenigstens dann, wenn das optische Element in einer der vorerwähnten, elektronischen Vorrichtungen verwendet wird, mit Rücksicht auf Vergiftungen der Photokathode Verbindungen bestimmter Elemente bis zu einera bestimmten Maximum oder gar nicht vorhanden sein (Pb, As, Se, P, Cl, Sb und Bi).

Wird von der Brechungszahl des Kantelglases ausgegangen, so ergibt sich, dess die technologisch verwerfbaren Glasarten keine niedrigere Zahl als etwa 1,50 haben dürfen. Um eine optische Paser mit einem möglichst grossen Grenzwinkel und daher mit einem minimalen Lichtverlust zu schaffen, muss das Kernglas der optischen Faser eine Brechungszahl von mindestens .1,81 aufweisen. Die Erfindung schafft eine Glasart, die sich zur Herstellung des Kernes eines optischen Elementes eignet und diese Bedingungen erfüllt.

Ein optisches Element, das aus einem

zylindrischen Kern cus durchsichtigem '.,erkstcff mit 109813/0177 BAD ORIGINAL

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hohor Brechungszahl besteht, der konzentrisch von einem ifentel aus einem Glas mit niedriger Brechungszahl umgeben ist, ist nach der lürfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kernes ein Glas nachfolgender Zusammensetzung in ncl ;£ istj

GeO₂ 35 - 62

BaO 10 - 30

0-25

.. 0 - 15^ insgesamt

₂ 0-10 /mindestens

Ta₂O₅ 0 - 5J

ZnO .. 5-15 Diese nach der Erfindung anwendbare Gl:.sart v/eist die obenerwähnten Eigenschaften auf. Zwar muss mit Rücksicht a_uf die Gefahr einer Entglasung in gewissen Fällen die Bearbeitung mit gewisser Versieht durchgeführt werden, auch soll die Anzahl der Ziehvergänge nicht zu {-ross gewählt werden. Zusammensetzungen, die auch in dieser Hinsicht weniger vorsichtige Bearbeitung zulassen, sind die nachfolgenden, ebenfalls in mol ',Ό ausgedrückt:

GeO₂ 40 - 55

BaJ 15 - 21

Tiu,, ' 3-3Ο

3-10

0 - 10

insgesamt mindestens 10

Ta₂O₅ 0-5,

ZnO 5-15

An sich sind Gomirmiumoxyd enthaltende .1098 1 3/0 177 BAD ORIGINAL

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Glasarien mit Rücksicht auf ihre hohe Brechungszahl und ihre hohe Infrarotdurchlässigkeit für optische Zwecke bekannt. Da für normale optische Anwendungen die Glasarten nach den Schmelzen nur einmalig, z.B. durch Pressen, verformt werden und dann auf die gewünschte Form geschliffen werden, liegen im Hinblick au/ Entglasung keine allzu.scharfen Anforderungen vor, so dass eine bestimmte Glasart in dieser Hinsioht ale gut betrachtet werden kann. Zur Herstellung eines optischen Elementes nach der Erfindung weisen jedoch die bekannten Glasarten auf der Basis von Germaniumoxyd eine zu trosse Neigung zur Entglasung auf.

Die Erfindung sei nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert.

Es wird zunächst ein Glasrohr mit einer Wandstärke von 1 bis 1,5 mm, einem Aussendurchmesser von 17,5 mm und einer Länge von 300 m aus Glas der Zusammensetzung:

SiO₂ 60,1 Gewichtsprozent

^B2°3 . ²²»⁶ " Al₂O 3,9

Na₂O 10,4 "

hergestellt. Dieses Glas hat eine B ecl.ungszahl n-p » 1,50, einen linearen Ausdehnungskoeffizienten zv/ischen 30 und 300° C von 70 χ 10"^ /° C, einer maximalen Entspannungstemperatur (Temperatur bei der die Viskosität gleich 1O¹³'⁴ Poise ist) von 540° C und einer Erweichungstemperatur (Temperatur,

1 η q R η / η ι η η bau

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bei der die Viskosität = 1O⁷»⁶⁵ Poise ist), von 705° C

Dazu passend wird ein Zylinder mit gleicher Länge geschliffen, der aus Glas einer der Zusammensetzungen der nachfolgenden Tabelle besteht: Pur die betreffenden Glasarten sind dabei auch, die Brechungszahl (n-p), der lineare Ausdehnungskoeffizient zwischen 30 und 300° C (u.c), die höchste-Entspannungstemperatur (HOT) und die Ervveichungstemperatur (AVP) angegeben.

Zu sanunens et zungen

Vrti ύ \

GeO, BaO

La₂O₃ ZrO₂ Ta₂O₅ ZuO

50,0 40,5 57,7 46,1 50,0 3β,δ 61,649,9 42,δ| 33,052,5 40,8;

19,3 22,8 11,6 ' 14,1 27,0 30,5:15,418,2 19,3',22,219 J, 21,8;

7,7 4,8 7,7 4,9 - - ^j - ;- 13,Oi 7,g| 3,3 2,0'

7,0 17,6 7,0 18,1 7,0 16,9 7,017,6 β.^Ι,4 8,7 21,0

5,0 4,7 5,0 4,9 5,0 4,5 5,0 4,7 5,0 4,6 5,0 4,5:

1,0 3,4 Ί,Ο 3,5 1,0 3,3 1,0 3,4 1,2 4,0 1,2 3,9

10,0 6,2 10,0 6,4 10,0 6,0^!10,Ο6,2 Vjp\ 6,110,0 6,

U.C.X10 HOT(⁰C) AVP(⁰C)

1,859

74

686

06

68 679 773

1,82	1,810	1,90	—
78	71	76 ,	72
701	667	721	695
816	773	^; 816	813

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50PY

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Die derart erhaltenen Kombinationen v/erden bei einer Temperatur von t50° C zunächst zu Fasern mit einen Durenmesser von etv/a 300 /U ausgesogen. Diese F.sern werden zu einem Durchmesser von inm in Bündeln vereint und diese Bündel werden wieder s:u ^:00 αχ ausgezogen, so dass die ursnrüngliche Faser einen Durchmesser von 5 bis 15 /u erreicht. Diese zusammengesetzten F sera werden zu Langen von 100 mm zerschnitten und in dichter Packung in einem Kolben r.it einem Durchmesser von 25 irjn aus Borosilikatglas der zuerst genannten Zusammensetzung gebündelt. Der gefüllte Kolben wird entlüftet, zugeschisolzen und während einer halben bis zu einer Stunde auf eine Temperatur von 660 bis 700° C erhitzt. Dann werden die plattenförmigen, faserartigen Elemente von dem erhaltenen Erzeugnis abgeschnitten und pcliert.

, . BAD ORIGINAL

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;■ *■ P if C>. i

Claims

phn.ui.%596921 PATMTAKSPHOECHB;

1. Optisches Element.aus einem Glasfaserbündel dessen Pasern aus durchsichtigem Werkstoff jnit hoher Brechungszahl bestehenden zylinderfcnnigen Kern aufweisen, der konzentrisch, von einem Mantel au» einem Glas nit niedriger Brechungszahl umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kerne» ein Glas nit nachfolgender Zusammensetzung in mol γ> ist: , . ■■■■,......

GeO₂ . 35 - 62

BaC _ . ... 10 - 30

,0-25 ₃ 0.-15} insgesamt

ZrO₂ 0 - 1O> mindesten«

Ta₂O₅ 0 - 5» 10

ZnO 5-15

2. Optisches Element nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Kernes ein Glas mit nachfolgender Zusammensetzung in mol 1· ist;

GeO₂ 40 - 55 inegeeaat BaO 15 - nlndtsttn» 3 - 10 3 - 21 t
ORIGINAL ZrO₂ O - 13 Ta₂O₅
ZnC 0 -
5 - 1(T 109813/0177 BAD 10 5
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