DE1939478A1

DE1939478A1 - Optisches Instrument

Info

Publication number: DE1939478A1
Application number: DE19691939478
Authority: DE
Inventors: Ichiro Kitano; Ken Koizumi; Hiroyoshi Matsumura; Kunihiko Mukai; Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-08-10
Filing date: 1969-08-02
Publication date: 1970-05-06
Also published as: NL162481B; BE737210A; NL162481C; NL6912153A; GB1290713A; FR2015446A1

Description

Dr. Werner Haßler Lüdenscheid, den 1. August 1969 PATENTANWALT A 69 320

588 LÜDENSCHEID
Asenberg 3ό-Postfach 1704

Anmelderin: Fa. Nippon Selfoc Kabushiki Kaisha ( also knwon as Nippon Selfoc Co., Ltd.,)
No. 7-15, 5-Chome, Shiba, Minota-Ku, Tokyo-To/Japan

Optisches Instrument

Die Erfindung betrifft ein optisches Instrument in verschiedenartiger Ausprägung. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Faser optik. Dabei wird ein optisches Faserbündel in solcher Weise benutzt, daß die Fasern an beiden Endflächen in gleicher Ordnung vorliegen; ein Objektiv und ein Okular befinden sich jeweils an einem Ende des Faserbündels. Ein Bild eines zu beobachtenden Gegenstandes wird an einem Ende des Faserbündels bereitgestellt, und dieses Bild wird zum anderen Ende.des Faserbündels übertragen. Die Beobachtung kann unmittelbar mit dem bloßen Auge oder mit Hilfe eines Aufzeichnungsgeräts über ein Okular erfolgen. Wenn ein Fasersichtgerät als Endoskop zur Untersuchung von Körperhöhlen benutzt wird , muß der Durchmesser' normalerweise möglichst klein sein. Hauptsächlich weil die Herstellung von Objektiven mit einem kleinen Durchmesser große Schwierigkeiten bedingt, sind FaserSichtgeräte mit kleinem Durchmesser, wo der Bildübertragungsteil einen effektiven Durchmesser von weniger als 1 mm hat, nicht verfügbar. Weil die Ojektive bekannter Fasersichtgeräte nach bestimmten Flächen geschliffen werden müssen, läßt sich für das Schleifen keine hohe Genauigkeit erzielen, wenn Linsen mit kleinem Durchmesser hergestellt werden sollen, so daß die Herstellung von Linsen mit kleinem Durchmesser mit einem hohen Auflösungsvermögen, beispielsweise mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm nicht zu erwarten ist. Mit einem herkömmlichen Fasersichtgerät kann das Umfeld eines Gegenstandes nicht beobachtet werden. Normaler-

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— 2 —

weise besteht eine Linse aus einem durchsichtigen Feststoff wie Glas, Kunstharz und besitzt mindestens eine gekrümmte Endfläche. Eine solche Linse nutzt die Lichtbrechung an der gekrümmten Stirnfläche aus, die eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlbhem Brechungsindex ist. Die Form dieser Fläche bestimmt die optischen Größen der Linse wie Brennweite, Aberration und dgl.. Normalerweise sind die Stirnflächen von Linsen mit vorgegebener Krümmung durch Schleifen oder andere Präzisions vorgänge bearbeitet; die Herstellung einer Linse mit kleiner Aberration erfordert ein besonderes Bearbeitungsgerät und eine große Erfahrung. Besonders bei der Oberflächenbearbeitung von Linsen mit kleiner Öffnung, bspw. einer Öffnung von weniger als einigen mm, ist es sehr schwierig, eine genügende Genauigkeit mit herkömmlichen Schleif- und anderen Bearbeitungsmaschinen zu erhalten, so daß Linsen kleiner Öffnung ausschließlich in Handarbeit hergestellt werden. Man kann also auch Linsen mit kleiner Aberration nur mit Mühe erhalten.

Wenn man eine laminare Gasströmung durch ein Rohr in axialer Richtung strömen läßt und die Rohrwandung beheizt, ergibt sich innerhalb des Gases in dem Rohr eine solche Verteilung des Brechungsindex, daß derselbe nahezu quadratisch mit dem Abstand von der Mittelachse des Rohres abnimmt. Dieses Gas hat somit eine Fokussierungswirkung wie eine Konvexlinse. Eine derartige Gaslinse ist bspw. auf den S. 1SO bis 187 der Zeitschrift "Oyo Butsuri (angewandte Physik)" Nr. 36, Bd. 3 beschrieben. Man kann auch eine Gaslinse mit der Wirkung einer Konkavlinse erhalten. Diese Gaslinse besitzt jedoch eine Anzahl von Nachteilen, weil eine Leistungszufuhr erforderlich ist; ihr Auflösungsvermögen ist gering, eine Miniaturisierung ist nicht / möglich. Folglich ist eine solche Gaslinse praktisch nicht brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Instruments mit kofttiÄ^rIicfier änderung cfes Brechungsindex, womit zahlreiche optische Geräte ausgestattet sein können, wie Fasersiehtgeräte, Verbundlinsensysteme und optische Übertragungs-

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einrichtungen. Die Erfindung bezweckt eine Miniaturisierung jptischer Linsenelemente mit sehr kleiner Aberration, ohne daß sine gekrümmte Oberfläche bearbeitet werden muß. Durch die Erfindung soll eine Umfeldbetrachtung und Seitenfeldbetrachtung an einem Gegenstand möglich sein. Die Erfindung bezweckt ferner sine Bildübertragung mit hohem Auflösungsvermögen, die nicht lurch Schwingungen und Verbiegungen des Übertragungswegs besinflußt ist." Das optische Instrument nach der Erfindung soll ♦ sine große Eingangs oder Ausgang£läche aufweisen, damit ein jichtbündel leicht eingeleitet werden kann.

)iese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das jinsenelement aus einem durchsichtigen Körper mit einer Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen gemäß der folgenden Beziehung

η = N (1 + ar²)

besteht, mit N als Brechungsindex im Zentrum einer Querschnittsfläche senkrecht zu der Mittelachse des Körpers, η als Brechungsindex in einem radialen Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten, und daß dieser Körper eine die"Mittelachse umschließende Umfangsflache sowie zwei diese Mittelachse creuzende Endflächen aufweist.

Die Erfindung,nutzt die Tatsache aus, daß Gläser, Kunstharze and andere durchsichtige Stoffe mit der obengenannten Verteilung des Brechungsindex eine Linsenwirkung haben und auch als Verbundlinsen brauchbar sind. Innerhalb eines solchen Stoffes wird ein sich ausbreitender Lichtstrahl in Richtung des größereren Brechungsindex abgelenkt.

ORlGiNAL INSF£CT£D

(anschließend Seite 5)

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	1	ein Schaubild zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung mit der Beziehung zwischen Gegen stand und Bild in einem optischen Linsenelement nach der Erfindung, •	ein Fasersichtgerät unter Verwendung eines bogen förmigen Linsenelements
	2	einen Schnitt durch ein Beispiel eines Faser sichtgeräts nach der Erfindung,	eine perspektivische Ansicht des Linsenelements nach Fig. 9_f
1939478 ■v i	3 bis 8 jeweils verschiedene Beziehungen zwischen Gegenstand und Bild bei einem optischen Linsen- element nach der Erfindung,	eine Teilansicht eines gebogenen Linsenelernents mit Erläuterung der Lichtstrahlausbreitung,
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen er läutert, welche darstellen:	9	eine Kennlinie zur Erläuterung der Beziehung zwischen Radius und Länge des optischen Linsen elements nach der Erfindung,
Fig.	1o	eine schematische Ansicht einer anderen Aus führungsform eines Fasersichtgeräts nach der Erfindung,
Fig.	11	ein Schaubild zur Erläuterung einer anderen Grundbeziehung zwischen Gegenstand und Bild bei einem optischen Linsenelement nach der Erfindung,
Fig.	12
Fig.	13
Fig.	14
Fig.
Fig.
Fig.
Fig.

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	*	15	1839478	S	··	Linsenelement mit gebogener Mittelachse,	index in den Schnittebenen 22 A- 22B, 23A-
		ein Schaubild der Beziehung zwischen der	eine Ansicht der Lichtausbreitung in einem	23B und 24A- 24B,
Mg.		Brennweite und linsenlänge "bei einem Element	Linsenelement, wo sich die Bezugsgrößen	eine Ansicht einer Ausführungsform eines
	. 16	nach Fig. 14, ■	längs der Mittelachse ändern,	optischen Linsenelements nach der Erfindung,
		eine schematische Darstellung der Beziehung	22 bis 24 Schaubilder der Verteilung des Brechungs-	ein Schaubild der Verteilung des Brechungs
Fig.		zwischen Gegenstand und Bild bei' Sinsenelement		index in der Schnittebene des Elements nach
	17	nach Fig. 14,
		eine Einzelansicht zur genaueren Erläuterung	25
Fig.	18	der Verhältnisse der Fig. 5,
		ein Schaubild der Beziehung zwischen Brenn	26
Mg.		weite und Linsenlänge bei dem Element nach
	19	Fig. 17,
		ein Schaubild der Beziehung zwischen Gegen
, Mg.	stand und Bild bei einem Element nach Fig. 17»
	20(A)eine Teilansicht eines gebogenen Linsen-
Fig.
	elements nach der Erfindung,
Fig.	20 (B)eine Ansicht der Lichtaus"breitung in einem

Fig.	21


• Mg.


Fig.

Fig.

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- st - ·

Pig. 25,

Pig. 27 eine Ansicht der Beziehung zwischen Gegenstand und Bild bei einem Beispiel eines Linsenelements nach der Erfindung,

Fig. 28 eine schematische Ansicht eines Mikroskops mit optischen Linsenelementen nach der Erfindung,

Fig. 29 eine teilweise geschnittene schematische Ansicht eines Fasersichtgeräts nach der Erfindung,

Fig. 5o eine perspektivische Ansicht des geteilten Köpfteils des FaserSichtgeräts nach Fig. 29,

Fig. 31 ein Schaubild der Beziehung zwischen einem Gegenstand und dem Bild in dem Fasersichtgerät nach Fig. 29,

Fig. 32 eine perspektivische Ansicht des Grundaufbaus eines Aufzeichnungselements nach der Erfindung,

Fig. 33 eine schematische Schnittansicht einer Mikrokamera unter Verwendung des Aufzeichnungselements nach Fig. 32,

Fig. 34 einen schematischen Längsschnitt des Hauptteils einer Kamera zur Untersuchung innerer Organe des menschlichen Körpers unter Verwendung .eines Aufzeichnungselements nach der Erfindung,

Fig. 35 · eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung,.

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	36	_^_ 1939478	- ein sehematisches Schaubild des herkömmlichen
Pig.	37	einen schematischen Schnitt eines Bildfeld suchers für eine Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung,
Pig.	38 *	eine schaubildliche Erläuterung der Arbeits weise des Bildfeldsuchers nach Fig. 36,
Pig.	39	eine Teilschnittdarstellung eines abgewandelten Bildfeldsuchers in Verbindung mit einem Bildübertragungsgerät nach der Erfindung,
Fig.	4o	ein Schaubild der optischen Wirkungsweise des Bildfeldsuchers nach Fig. 38,
Pig.	41	einen Teilschnitt einer abgewandelten Aus führungsform des Bildfeldsuchers nach Fig. 38,
Pig.	42	eine schematische Barstellung der optischen Wirkungsweise des Bildfeldsuchers nach Fig. 4o,
Pig.	43	eine schematische Darstellung des optischen Systems für einen anderen Bildfeidsucher in Verbindung mit einem Bildübertragungsgerät nach der Erfindung,
Pig.	ein Schaubild der Beziehung zwischen Radius und Länge eines Glasfaserkörpers nach der Erfindung in Verbindung mit dem Bildfeldsucher nach Fig. 42,
	.44(A) ein sehematisches Schaubild.eines Beispiels der Erfindung mit vergrößerter Eintrittsfläche,
Pig.	44(B)eine schematische Ansicht einer Abwandlung der Fig. 44 (A),
Fig.	45

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Falls entsprechend den Beispielen.nach Fig. 44 (A) und (B),

Fig. 46 ein Schaubild eines Lichtsstralilübertragungsgeräts nach der Erfindung,

Fig. 47.bis 52 Schaubilder der Kennlinien des Brechungs index in der Endfläche S,, den Schnittebenen

(^S4 - ^S4a^ ^{und (S}5 " ^S5a^{) der Pig}' ⁴⁶»

Fig. 53 ein Schaubild einer abgewandelten Ausführungsform des Übertragungsgeräts gemäß Fig. 46,

Fig. 54 bis 56 jeweils Kennlinien des Brechungsindex in der Endfläche Sg und den Schnittebenen (S₇ - S_?a) und (S₈ - S_8a) der Fig. 53,

Fig. 57 ' ein Schaubild der Beziehung zwischen Radius und Länge eines Glasfaserkörpers nach der Erfindung,

Fig. 58 eine schematische Ansicht des Übergangsteils von zwei Lichtstrahlübertragungsgeräten nach der Erfindung und

Fig. 59 eine schematische Ansicht einer abgewandelten

Ausführungsform des Übergangsteils nach Fig.

Gläser, Kunstharze und ähnliche Stoffe sind als Werkstoffe für durchsichtige Festkörper am geeignetesten, wo eine Ver-

2 teilung des Brechungsindex nach der Formel η ='1ί (1 +ar ) erzielt werden soll. Für ein Glas läßt sich eine gewünschte Verteilung des Brechungsindex leicht durch allmähliche änderung des Brechungsindex im Innern des Glases durch Ein-

derystellung Kationenkonzentration der Glasbestandteile erzielen, wie dies in der deutschen Patentanmeldung P 19 13 358.5 erläutert ist. Für ein Kunstharz kann eine entsprechende Verteilung des Brechungsindex durch Beschichtung eines Kunst-

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harzkernteils mit verschiedenen Arten von Kunstharzen mit unterschiedlichem Brechungsindex erzielt werden, wenn dieser ¹ Schichtkörper einer Hochtemperaturdiffusionsbehandlung und :einer anschließenden Wärmebehandlung ausgesetzt wird, womit man eine entsprechende Änderung der Brechungsindices der Kunstharzschichten erhält.

Das Linsenelement nach der Erfindung hat die Eigenschaften einer Linse, wenn die .Verteilung des Brechungsindex grot» die oben genannte Gleichung erfüllt -. Auch wenn Terme höherer Ordnung wie r^ und r innerhalb des Klammerausdrucks der genannten Gleichung vorhanden sind, wird die Linsenwirkung nicht beeinträchtigt, wenn die entsprechenden Koeffizienten klein sind.

Die folgende Beschreibung betrifft den Pail, wo die Be-

Ziehung η = N(1 - ar ) erfüllt ist.

Im folgenden sind Berechnungen für Bildstellung und Bildgröße für eine Linse aus einem durchsichtigen Stoff mit der angegebenen Verteilung des Brechungsindex ausgeführt. Fig. zeigt eine Säulenlinse 1 mit einem Radius R, einer Länge t

und einer Verteilung des Brechungsindex η = N (1 - ar ) mit

2
ar < 1, ein durchsichtiger Körper 2 ist dicht mit der Linse

verbunden und hat einen Durchmesser R, eine Länge t_Q und einen gleichförmigen Brechungsindex n„. Die Ausdrücke für

et

die achsenparallabi Strahlen sind unten für einen Gegenstand ρ in einem Abs/band 1 von der Eintrittsfläche Q der Linse 1 angegeben; dabei erhält man ein reelles Bild in der rückwärtigen Ebene Q, des durchsichtigen Stoffes 2. Der Strahl A, der im Oberteil der Eintrittsfläehe Q parallel zur optischen Achse der Linse ΐ eintritt und der Strahl B, der die optische Achse in der Eintrittsfläche Q schneidet und einen gemeinsamen Ausgangspunkt mit dem Strahl A hat, werden durchgerechnet, bis man einen Schnittpunkt erhält.

Wenn der Abstand des Strahls A von der optischen A.chse der

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-M- 10

Linse in der Fläche Q die Größe Χλ und der Winkel des Strahls A im Punkt A zu S. genommen wird, ergibt sich für diesen Strahl in der Fläche Q_ die Matrixbeziehung:

cos

sin

R cos v/2a t

'2UT 1 sin ^pJTT;

cos >/2a t

-R

sin \J2& t

Wenn der Abstand des Strahls A in dem transparenten Stoff in der Fläche Q X^ und der Winkel S_Aa beträgt, gilt:

Aa

R COS yJZK t

-SLjE em ^t

ⁿa ^V

Infolgedessen ist die Stellung X_Afe des Strahls A in der Fläche Q^:

X_AlD = - NR yj2ä . t₀ . sin^a"t + R . eos\/2ä t (1) ⁿa

Wenn die Stellung des Strahls B innerhalb der Linse 1 in der

Fläche CL den Wert X_x, und die Winkelrichtung S^ hat, gilt: a .ο -D

cos J2a. t 1 -

sin

t cos

sin

cos

IT"

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Wenn die Stellung des Strahls. B in dem durchsichtigen Stoff in der Fläche Q_a den Wert X_Ba und den Winkel S_Ba hat, gilt:

S ·\ f _

-Ba - ^sin ** *

S ν /

cos

Folglich hat der Sttahl B in der Fläche Q_b die Stellung S_Bb*.

· ^cos

sin

Wenn die Ausdrücke (1) und (2) gleich sein sollen,-gilt: n' ⁿ ₀\^ cos >/2li t + sin

cos

O)

oder 1 =

cos

sin

N>/2a

Nt

sin

^cos

Die Größe X_Ab des Bilds in der Fläche Q_b erhält man durch Einsetzen dör Gleichung (3). in Gleichung (1).

Eine End'flache eines optiäphWb/Fas'erbündels 4es Fasersichtgeräts ist dicht an die Rückseite-dös durchsichtigen·Stoffes 2 angeschlossen. Wenn,das optisch^^ Faserbündel/unmittelbar mit der iinse 1 verbünden iäty-kann die Größe t_G in Gleichung (3¹) durch den Wert O ersetztrwerdeni Eine Bedingung für ein unendlich weites Bild eiia&s^Gegenstandes ergibt sieh; durch

Senü^x-^im ^echt^n Glied 4 Glih

folgende iJfiaf ο rmung des

tan

^echt^n Glied 4er Gleichung

(4)

Wenn der durchsichtige Stoff Luft und ein anderes Strömungsmittel ist, kann ein Gegenstandsabstand sowie eine Vergroüerung

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ORtQ)NAL INSPECTED

leicht durch entsprechende Änderung der Länge t des durchsichtigen Stoffes eingestellt werden. Man kann auch, falls es zur Herabsetzung des Reflexionsverlustes an der Grenzfläche zwischen dem durchsichtigen Stoff 2 und der linse und an der Grenzfläche zwischen- dem durchsichtigen Stoff und dem optischen"Faserbündel erforderlich ist, den Brechungsindex des durchsichtigen Stoffes 2 demjenigen der linse 1 und des optischen Faserbündels möglichst gleich-machen oder den durchsichtigen Stoff 2 wegfallen lassen, so daß die Linse und das. optische Saserbündel unmittelbar dicht aneinander anschließen.

Wenn man die Linse und das optische Faserbündel dicht aneinander anschließt, läßt* sich !bestätigen, daß eine bevorzugte Linsenlänge zwi sehen den Werten ' —J-

%&$Hegt, mit m als positiver ganzer Zahl.

Uaeh der Erfindung braucht die Oberfläche von Objektiven in Fasersichtgeräten nicht nach bestimmten Flächen geschliffen zu werden, so daß Linsen mit geringem Durchmesser und höherer Auflösung verfügbar sind. Damit läßt sich ein Fasersichtgerät mit kleinem Durchmesser verwirklichen, das als Endoskop brauchbar ist und in enge Höhlungen zu Beobachtungszwecken eingeführt werden kann.

Die folgenden Beispiele 1 bis 6 beziehen sich jeweils auf solche Anwendungsfälle, wo das Linsenelement nach der Erfindung innerhalb eines FasersIchtgeräts zur Anwendung kommt.

Beispiel 1

Sin Glasstab mit einem Durchmesser von 0,08 cm und einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-$ Tl₂Oj 12 Gewichts-^ iTa^O, 2o Gewichts-^ PbO und 48 Gewichts-^ SiO₂ wurden während einer vorgeschriebenen Zeitdauer in ein Kaliumnitratbad von hoher Temperatur eingetaucht, -womit man einen Glasstab mit einem

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Brechungsindex η = 1,6θ im Zentrum und von 1,57 an der Oberfläche sowie einer Verteilung, die nahezu die Gleichung η = N(1 - ar ) erfüllt mit r als Abstand vom Zentrum und a = 11,7'cm . Dieser Stab wurde abgeschnitten und an beiden Enden rechtwinklig zur Stabachse geschliffen, bis sich ein erster Glasstab einer Länge von 0,250 cm ergab. Gesondert davon wurde ein zweiter Glasstab mit ebenfalls zwei geschliffenen Endflächen zubereitet mit einem Brechungsindex von 1,70, einem Durchmesser von 0,08 cm und einer Länge von 0,099 cm. Dieser· zweite Stab wurde auf eine Endfläche eines optischen Glasfaserbündels eines Fasersichtgeräts mit einem Durchmesser von 0,08 cm aufgesetzt und außerdem mit dem ersten Glasstab in der aus Pig. 2 ersichtlichen Weise verbunden, so daß man einen Objektivteil des Pasersichtgeräts erhielt. Damit sind der erste Glasstab 3, der zweite Glasstab 4 und das Glasfaserbündel 5 innerhalb einer Schutzhülle miteinander verbunden. Die Abbildungsverhältnisse dieses optischen Systems sind in Pig. 3 angegeben.

Wenn dieses Pasersichtgerät zur Beobachtung benutzt wurde, v/ar ein Bereich C innerhalb eines Kreisbogens mit- einem Durchmesser von 1 cm bei einem Gegenstand in einem Abstand von etwa 2 cm vor der Eintrittsfläche des Glasfasersichtgeräts deutlich sichtbar. In diesem Pail erhält man ein umge-,

Bild/

kehrtes reeLles 'D am Ende des Glasfaserbündels auf der Objektivseite.

Beispiel 2

Nach den Pig. 4 und 5 wurde ein Glasstab 7 gleicher Beschaffen, heit wie der erste Glasstab des Beispiels 1 in einem vorgegebenen Abstand vor der Endfläche eines optischen Paserbündels 8 aufgestellt. Mit diesem Pasersichtgerät war ein Gesichtsfeld mit einem Durchmesser von 1,6 cm bei einem Gegenstand P in einem Abstand von 2 cm scharf beobachtbar, wenn der genannte Abstand auf 0,058 cm eingestellt war. Wenn man diesen Abstand zu 0,069 cm nach Pig. 5 wählte, konnte ein Gesichts-

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* i J . I I J

fV

feld mit einem Durchmesser von 0,5 cm bei einem Gegenstand in einem Abstand von 1 cm scharf beobachtet werden. In ,jedem Fall erschien das umgekehrte reelle Bild (Q) des Gegenstandes am Ende des Glasfaserbündels auf der Objektivseite.

Beispiel 3

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,02 cm, einem zentralen Brechungsindex von 1,60, einem Oberflächenbrechun^sindex von 1,57 und einer Verteilung nach der Beziehung

ρ ρ _p

η = η (1 - ar ), mit a = 1,88 χ 10 cm" wurde in entsprechender Weise wie in Beispiel 1 zubereitet. Für das Abschneiden einer Linse aus diesem Stab wurde der Wert für die kürzeste Brennweite, nämlich dem kleinsten Wert t zu:

sin 2a t = 1

aus der obigen Gleichung 4 für t = 0,081 cm berechnet. Nach Fig. 6 wurde ein Glasstab 9 mit einer Länge von 0,081 cm mit einem Glasfaserbündel 1o verbunden, so dafa ein Gegenstand P in einem Abstand von mehr als 0,5 cm scharf beobachtbar v/ar. Bei einem Gegenstand in einem Abstand von 0,5 cm konnte ein Bereich mit einem Durchmesser von 0,3 cm scharf beobachtet werden. Ein umgekehrtes reelles Bild Q wurde am Ende des Glasfaserbündeis erzeugt.

Beispiel 4

Aus einem Glasstab mit einem Durchmesser von 0,08 cm, einem zentralen Brechungsindex n_Q = 1,60, einem OberflächenbrechunbS-index von 1,57 und einer Verteilung nach dieser Beziehung

pp

η = n_Q (1 - ar ) mit a = 11,7 cm v/urde ein Glasstab 11 einer Länge von 0,378 cm mit jeweils beiden Stirnflächen senkrecht zur Stabachs'e geschliffen gemäß Fig. 7 erzeugt. Wenn dieser Glasstab als Objektiv auf die Stirnfläche 12 eines Glasfaserbündels aufgesetzt wurde, konnte ein Gesichtsfeld mit einem Durchmesser von 0,3 cm bei einem Gegenstand P in einem Abstand von 0,5 cm scharf eingestellt werden. In diesem Fall

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iS

erhielt man ein umgekehrtes reelles Bild Q am Ende des Glasfaserbündels. Dann wurde nach. Pig.*8 ein Glasstab 13 einer Länge von 1,026 cm aus dem oben genannten Stoff hergestellt und an das Ende 14 eines Faserbündels angesetzt. Damit konnte ein Bereich mit einem Durchmesser von 0,3 cm an einem Gegenstand P mit einem Abstand von 0,5 cm scharf beobachtet werden, ebenso wie in dem früheren Beispiel, jedoch mit dem Unterschied, daß ein aufrechtes reelles Bild Q am Ende des Faserbündels erhalten wurde.

Beispiel 5

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer Zusammensetzung von 48 GewichtB-^ί SiO₂, 12 Gewichts-^ Tl₂O und 2o Gewichts-^ PbO wurde zubereitet und 100 Stunden lang in ein Keüiuranitratbad mit einer, Temperatur von 480° C getaucht. Der herausgenommene Glasstab wurde auf eine Temperatur von 520° C erhitzt und in einen Bogen mit einem Halbmesser von 1 mm (bezogen auf die Mittelachse) gekrümmt. Der Stab blieb dann 1o Stunden lang auf einer Temperatur von 450° C zur Beseitigung der inneren Spannung. Dieser Stab hatte einen zentralen Brechungsindex N = 1,60, einen Oberflächenbrechungsindex von 1,52 und eine Verteilung η = K (1 - ar ) mit a =0,56 mm .Dieser Stab erhielt eine solche Endform, daß die Länge auf der Kittelachse 20 mm beträgt und die Endflächen senkrecht zur Mittelachse ausgerichtet sind. ITach Fig. 9 wurde 'dieses Objektiv 15 auf ein Ende eines Glasfaserbündels 16 aufgesetzt, Das Lichtbündel von einem Gegenstand P in einer festen Stellung geneigt gegenüber der Endfläche des Objektivs 15 wurde in ein reelles Bild Q am Ende des Glasfaserbündels abgebildet. Fig. 1o zeigt das Aussehen des Objektivs 15.

Die Beziehung zwischen einem Gegenstand und dem Bild bei einer gekrümmten Mittelachse des Objektivs ist ger.au die gleiche wie nach Gleichung (3) bezüglich einer geraden.Kittelachse. Jedoch fällt eine optische Achse nicht mit tier I-Iittel-

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achse eines Linsenelements zusammen, sondern besitzt eine= äußere Abweichung davon um einen Betrag von (2au) mit u als Krümmungsradius der Mittelachse des Linsenelements. In Fi^. 9 ist die Mittelachse h der Linse gestrichelt, dagegen die optische Achse j und ihre Verlängerung strichpunktiert eingezeichnet.

Nach Fig. 11 bewegt sich ein Lichtstrahl 15b innerhalb einer Linse 15a mit gebogener Mittelachse um die optische .Achse j. Wenn eine Verschiebung zwischen der optischen Achse und der. Mittelachse also die Größe (2au) , vernachlässigbar klein im Vergleich zum Radius R der Linse ist, kann sich der Lichtstrahl unabhängig von der Länge der Linse um die optische Achse bewegen, so daß ein Bild übertragen werden kann. Wenn andererseits der Wert (2au)~ im wesentlichen gleich oder größer als R ist, tritt der sich um die optische Achse bewegende Lichtstrahl aus dem Mantel der Linse aus, so daß die Länge kleiner als ff (2a) sein muß.

Beispiel 6

Ein Glas der Zusammensetzung von 48-Gewichts~$ SiOp, 12-' Gewichts-fo ITa₂O, 2o Gewichts-^ TIpO und 2o Gewichts-^ PbO wurde in einem Temperaturbereich zv/ischen 900° C und 950° C aufgeschmolzen und mit gesteuerter Geschwindigkeit ausgezogen. Ein so erhaltenes Glas hatte Radienj-jemäß Fig. 12. Das Glas wurde zur Ausschaltung der Spannung allmählich abgekühlt und dann in ein KlTO,-Bad mit einer Temperatur von 460° C eingetaucht. Das Glas wurde dann mit gesteuerter Geschwindigkeit aus dem Bad herausgezogen. Der Brechungsindex in einem Querschnitt des Glases hatte dann eine Verteilung, w,o a in einem bestimmten Verhältnis mit der Zunahme des Durchmessers abnahm. Dieses Glas wurde als Objektiv für ein Fasersichtgerät benutzt. In Fig. 13 ist ein solches Objektiv 17 gezeigt.

eiiL,
Daran schließt sich yGlaskö'rper 19 mit einem Brechungsindex nahe demjenigen des Objektivs 17 sowie eines Glasfaserbündels 18, das an teiden Enden einen gleichen Querschnitt hat.

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—-^ ~~ τ y cj y 4 ν 8

• . - te -

Ein Schutzglas 20 deckt das Objektiv 17 ab. Licht einer Lichtquelle 21 trifft über einen Lichtleiter 22 auf einen zu beobachtenden Gegenstand 23. Ein Bild dieses Gegenstandes 23 wird durch das Objektiv 17 an einer Stirnfläche des Glasfaserbündels 18 erzeugt. Dieses Bild wird zum anderen Ende des Faserbündels 18 übertragen. Das Bild kann entweder mit dem bloßen Auge beobachtet werden oder auf ein Aufzeichnung gerät übertragen werden und zwar mithilfe einer Okularlinse Nach der Erfindung wird e.in Lieht bündel, das durch das Objektiv 17 eintritt, allmählich in der Amplitude vergrößert, so daß ein Bild an einem Stirnende des Glasfaserbündels 18 vergrößert ist und eine höhere Auflösung aufweist. Infolgedessen ist das Fasersichtgerät nach der Erfindung für die Beobachtung kleiner Bereiche im Inneren von Körperhöhlen geeignet. · . _

Die folgende Beschreibung betrifft den Fall, wo die Verteilung

des Brechungsindex einen Verlauf η = N (1 + ar ) hat.'

Wenn die Konstante a in allen Querschnitten unveränderlich ist, die Mittelachse gerade verläuft und beide Stirnflächen senkrecht zur Mittelachse ausgerichtet sind, gilt zwischen einem Gegenstand und seinem Bild in einem optischen System mit einem Linsensystem nach der Erfindung folgende Beziehung. Nach i'ig. 14 hat eine Säulenlinse 1 einen Radius R, eine Länge t und eine Verteilung des Brechungsindex η = N (1 +ar )

^w ρ

mit ar ^C 1... Die. Brennweite f dieser Säulenlinse 1 kann in gleicher Weise erhalten werden, wie eine entsprechende Untersuchung eines Stoffes mit der oben genanten Verteilung des Brechungsindex auf den S. 465 bis 467 der Arbeit von H. r.ogelnik erläutert ist, die auf den Seiten 455 bis 494 des "Bell System Technical Journal" März 1965 veröffentlicht ist.

Im einzelnen wird die Brennweite f durch die folgende Gleichung

f = - (NG sinh et)"¹ (5)

1/2

erhalten, wenn man (2a) = C setzt.

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- 4-9 -

Die Brennweite f wird entweder durch den Abstand im Gegenstandsraum zwischen einem Gegenstand und einem ersten Hauptpunkt der Linse oder durch den Abstand im Bildraum gegenüber einem zweiten Hauptpunkt der Linse gemessen. Der Abstinrt h

der

der entsprechenden Hauptebenen H.oder H₂ innerhalb/Stirnflächen der Linse beträgt

h = (NC)"¹ tanh 1 1/2 et (6)

In Fig. 14 geben die Punkte F₁ und F₂ jeweils die Brennpunkte auf der Gegenstands- und Bildseite an, v/ogegen die Hauptebenen H₁ und H₂ die entsprechenden Bedeutungen haben.

Wenn ein Gegenstand P innerhalb des Gegenstandsraums in einen Abstand k von der Hauptebene H₁ liegt, erhält man ein Bild C an einer Stelle in dem Bildraum in einem Abstand 1 von der Hauptebene H₂. In diesem Fall erfüllen die achsparallelen Lichtstrahlen die Gleichung

-1 -1 -1
k ^Ί + 1 ^Ί = f ^Ί

ebenso wie in der gewöhnlichen Linsengleichung.

Gleichung (5) für die Brennweite und Gleichung (6) für den Abstand h der Hauptebenen sind in Fig. 15 als Funktion der Linsenlänge aufgetragen, wo auf der Abszisse die Linsenlänge, auf der Ordinate die Brennweite und der Hauptebenenabstand angegeben sind. Die ausgezogene Linie gibt die Brennweite f, die strichpunktierte Linie den Hauptebenenabstand h an. Die Brennweite ändert sich von einem negativ unendlichen Wert auf den Wert 0 mit ansteigender Linsenlänge. Der Hauptebenenabstand ändert sich von dem Wert O auf den Wert (NC)" ebenfalls mit ansteigender Linsenlänge. Wenn bspw. die Hauptebene und die Brennweite im Bildraum betrachtet werden, liegt die Hauptebene auf der Bildseite immer innerhalb der Begrenzungs- · fläche der Linse unabhängig von der Linsenlänge; dagegen liegt der bildseitige Brennpunkt■immer innerhalb der bildseitigen Endfläche der Linse und zwar um ein größeres Maß als die bildseitige Hauptebene.

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- 'SfJ -

Fig. 16 zeigt eine Änderung der Bildstellung für eine änderung der Gegenstandsstellung.- Wenn sich der Gegenstand von P^'über Pp nach P, bewegt, verschiebt sich das Bild durch die Linse 1 von Q^ über Q₂ nach Q,. Die Parallelstrahlen der Gegenstandsseite werden zerstreut, doch bei Verlängerung dieser Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung konvergieren dieselben in einem Punkt F^. Die Parallellichtstrahlen der Bildseite ergeben ebenfalls einen zugehörigen Brennpunkt K. in einer Lage symetrisch Fp hinsichtlich der Linse, ./enn sich der Gegenstand von P, nach P.. verschiebt, erhält man ein aufrechtes virtuelles Bild, das eine zunehmende Vergrößerung von Q.. nach Q, aufweist.

Fi.5. 17 zeigt die Veränderung eines Bildes in Abhängigkeit von der Änderung der Linsenlänge. In diesem Fall wird F₂ nach rechts und F.. nach links verschoben, wenn die Linsenlän^e großer wird, so daß das Bild immer als aufrechtes virtuelles Bild erscheint, wenn auch seine Größe kleiner wird. Normalerweise sind beide Linsenstirnflächen im Sinne der Erfindung senkrecht zur Linsenachse aufgerichtet. Wenn die 3tirnf Pichen von dieser senkrechten Lage' abweichen, bildet die optische Achse einen■Winkel mit der Verlängerung der Mittelachse.

Das Lirisenelement nach der Erfindung hat normalerweise einen Kreisquerschnitt, doch kann es auch einen mehreckigen oder andersartigen Querschnitt haben. Größe und Form des Querschnitts können sich längs der Mittelachse ändern, ohne da!? hierdurch Nachteile bedingt sind.

Für ein optisches System aus einer Mehrzahl von Linsenelementen nach der Erfindung ist es sehr zweckmäßig, die Stirnflächen der Linsen mit einem durchsichtigen Bindemittel aneinanderzu-fügen, das einen vorgegebenen Brechungsindex hat. Zur Einschaltung von Leerstellen in eine Linsenkombination kann man einen Verbundaufbau verwenden, indem man die Stirnflächen | durch ein durchsichtiges stabförmii?es Element mit einer I

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—— ~ ΤΈΊΦΤΓΒ—

- 2ή 40

konstanten Verteilung des Brechungsindex miteinander verbindet.

Die Linse nach der Erfindung wird infolge der Dispersion eine chromatische Aberration wie gewöhnliche optische Linsen haben; eine solche chromatische Aberration kann bis zu einem gewissen Grade herabgesetzt werden, indem mit dem Linsenelement nach der Erfindung ein Linsenelement kombiniert wird, das eine unterschiedliche Dispersionsgröße und einen negativen Änderungskoefizienten a für den Brechungsindex aufweist.

Da das vorliegende optische Linsenelement infolge der Verteilung des Brechungsindex im Innern als Linse wirkt, brauchen die Stirnflächen keine Krümmungen zu haben. Deshalb ist nach der Erfindung eine Schleifeinrichtung entbehrlich, die normalerweise für die Herstellung gekrümmter optischer Linsen notwendig ist. Außerdem kann man Linsen bis zu Öffnungen von weniger als einigen Millimetern herstellen, auch mit kleiner Aberration. Die Herstellungskosten sind dabei sehr gering. Bei dem vorliegsnden Linsenelement kann die Brennweite lediglich durch Änderung der axialen Länge geändert werden, so daß Linsen, deren unterschiedliche optische Eigenschaften ausschließlich durch ihre Länge bestimmt sind, durch Abschneiden von Linsen unterschiedlicher Länge von einem gleichen Linsengrundstoff mit einer bestimmten Verteilung des Brechungsindex erhalten werden können.

Da das vorliegende Linsenelement aus einem durchsichtigen Festkörper besteht, bleibt die Verteilung des Brechungsindex nach einmaliger Einstellung unverändert. Im Vergleich dazu sind Gaslinsen, die eine äußere Leistungszufuhr erfordern, unstabil und mit kleinen Abmessungen schwierig herzustellen.. Die Linsen nach der Erfindung erfordern keine äußere Kraft, sie sind stabil im Betrieb und klein in der Größe.

Das Linsenelement der Erfindung ist in einem weiten Anwendung:s_r bereich in optischen Instrumenten brauchbar wie Mikroskopen,

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Eernrohren, anderen optischen Bildtibertragungsgeräten und verschiedenen optischen Meßinstrumenten.

Das folgende Beispiel 7 "bezieht sich auf ein Linsenelement nach den.Pig. 14., 15 und 16.

Beispiel 7

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Zusammensetzung von 30 Gewichts-^ K₂O, 14 Gewichts-% ITa₂O, T Gewichts-% BpO^ sowie 49 Gewichts-% SiO₂ wurde während einer bestimmten Zeitdauer in ein Thalliumchloridbad von hoher Temperatur eingetaucht, so daß man einen Glasstab mit einem Brechungsindex im Zentrum ΪΓ = 1,50, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung nach der Gleichung η = II (1 + ar ) mit r als Abstand vom Zentrum und a = 0,75 mm erhielt. Dieser Stab wurde in Säulenlinsen mit Längen von 0,84 cm, 1,68 cm und 2,45 cm geschnitten, deren Endflächen eben und senkrecht zur Mittelachse ausgerichtet waren. Es zeigte sich, daß diese Säulenlinsen als Konkavlinsen mit Brennweiten von - 4,5 mm, - 1,4mm und - 0,54 mm arbeiteten.

Tm folgenden wird die Beziehung ( nämlich die Brennweite) zwischen Gegenstand und Bild im einzelnen für die Beziehung ■

2i = lT (1 -ar ) beschrieben.

Venn man annimmt, daß die Konstante a in allen Quersehnittsöbenen unveränderlich, die Mittelachse gerade und beide Endflächen eben sowie senkrecht zur Mittelachse sind, dann ■ gilt zwischen einem Gegenstand und seinem Bild bei einem Linsenelement nach der Erfindung folgende Beziehung. In Pig. 17 hat eine Säulenlinse 1 einen Radius R, eine Länge t

2 nand eine Verteilung des Brechungsindex η = N (1 - ar ) mit

ax² <£ 1 .

©ie Brennweite f dieser Säulenlinse 1 ergibt sich in gleicher Weise wie nach Gleichung (5). Denn die Brennweite kann aus

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— 2ο -

folgender Gleichung erhalten werden

f = (Nq sin et)"¹ .. (7)

für (2a)¹/² = C. · . *

Die Brennweite f wird jedoch entweder als Abstand im Gegenstandsraum gegenüber einem ersten Hauptpunkt oder als Abstand im Bildraum gegenüber einem zweiten Hauptpunkt dargestellt. Der Abstand h einer Hauptebene H innerhalb der Stirnfläche der Linse lautet . ■

h = (NC)"¹ tan 1/2 et (8)

In Fig« 17 geben die Brennpunkte F₁ und F₂ jeweils die Brennpunkte auf der Gegenstandsseite und der Bildseite an, v/ährend H₁ und Hp die entsprechenden Hauptebenen sind.

Wenn sich ein Gegenstand P an einer Stelle im Gegenstandsraum in einem Abstand k von der Hauptebene H₁ befindet, v/ird folglich ein Bild Q an einer Stelle im Bildraum im Abstand von der Hauptebene H_? erzeugt. Dann erfüllen die Achsparallelen Lichtstrahlen die Beziehung

k~¹ + l"¹ = f¹ . (9)

zwischen dem Gegenstandsabstand k und dem Bildabstand 1 ebenso wie nach der gewöhnlichen Linsenformel.

Die Gleichung (7) für die Brennweite und die Gleichung (8) für den Hauptebenenabstand h sind in Fig. 18 als Funktion der linsenlänge aufgetragen. Die Abszisse gibt die Linsenlänge, die Ordinate, die Brennweite und den Hauptebenenabstand an. Die ausgezogene Linie gilt für die Brennweite; die strichpunktierte Linie für den Hauptebenenabstand h. Die Brennweite ändert sich in einem Bereich zwischen (NG)" und unendlich oder - (NC) und negativ unendlich in Abhängigkeit von der Linsenlänge. Wenn die Linsenlänge zwischen

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-*'- 1939479

(2C)"¹ ff (2m - I ) und (2C)~¹ ff (2m - \ )·liegt mit m als positiver ganzer Zahl, ergeben sich für die Brennweite Werte zwischen (NC)""¹ und 2 (NC)"¹ oder zwischen - (NC)"¹ und -2(NC)"¹.

Polglich kann eine Linse mit einer Länge in dem oben angegebenen Bereich eine außerordentlich kleine Brennweite haben. Außerdem erkennt man aus der Zeichnung, daß die Linse einen außerhalb des Linsenkörpers gelegenen Brennpunkt dann hat, wenn die ausgezogene Linie für f oberhalb der strichpunktierten Linie für h liegt, wenn also die Linsenlänge einen Wert zwischen

• (2C)"¹ (2m-2) und (2C)*¹ (2m-1) hat.

Fig. 19 sseigt die relative Änderung zwischen Bild und Gegenstand, wenn die Stellung des Gegenstands geändert wird. Wenn sich der Gegenstand von P₁ über P₂ nach P, bewegt, verschiebt sich das Bild der Linse 1 von Q₁ über Q₂ nach Q,. Die Parallellichtstrahlen auf der Gegenstandsseite parallel zur Linsenachse werden in einem Punkt F₂ gesammelt. Die Parallellichtstrahlen auf der Bildseite werden in einem Brennpunkt F₁ synmetrisch zur Linse gesammelt. Wenn sich der Gegenstand von P₁ nach P₂ verschiebt, erhält man ein umgekehrtes reelles Bild, das fortschreitend von Q₁ nach Q₂ größer wird. Wenn sich der Gegenstand nach P, innerhalb des Brennpunkts F₁ verschiebt, ergibt sich ein aufrechtes virtuellei Bild Q₃.

Nunmehr wird ein optisches System mit gebogener Linsenachse erläutert. Dabei soll die Konstante a positiv und gleich für alle Querschnittsflächen des Linsenelements sein, beide Endflächen des Elements sollen eben und senkrecht sur Mittelachse ausgerichtet sein.

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- 35 -

Fig. 20 (A) zeigt ein Linsenelement inform eines gebogenen Zylinders, dessen Länge längs der Mittelachse t beträgt und dessen Krümmungshalbmesser U ist. Dieses Linsenelement hat einen Radius E und eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung η = R (1 - ar²) mit ar -<<C1. Für einen Lichtstrahl in der Nähe der Mittelachse für ,einen Gegenstand P in Verlängerung der Mittel· achse und für ein Bild Q in Verlängerung der Mittellinie und mit der Bedingung (2a) ' = C ergeben sich dieselben Gleichungen wie oben für den Fall eines geradegerichteten Linsenelements. Selbstverständlich fällt die optische Achse des Linsenelements nicht mit der geometrischen Mittelachse zusammen, sondern lie^t in

—1

einem Abstand von (2aU)~ nach außen. Die gestrichelte Linie h in Fig. 20 (A) stellt die geometrische Mittelachse des Linsenelements sowie die Verlängerungen derselben dar, die strichpunktierte Linie j dagegen die optische Achse des Linsenelements. Die Größen f, h, k und 1 in den Gleichungen (7), (S), (9) geben jeweils die Abstände längs der optischen Achse und ihrer Verlängerung an.

Auch wenn sich der.Krümmungsradius der Mittelachse in Längsrichtung der Linse ändert, bleiben die gegenseitige relative Lage von Gegenstand- und Bild sowie die Vergrößerungen gleich wie oben beschrieben; nur die optische Achse wird in dem gekrümmten Teil gegenüber der Mittelachse verschoben.. Dieser Zustand ist in Fig. 20 (3) dargestellt, wo die gestrichelte Linie den Teil der optischen Achse zeigt, der von der Mittelachse abweicht; dabei wire das Bild eines Gegenstandes P durch den durchsichtigen Faserstoff 25 in ein Bild Q übertragen.

»Venn man nunmehr einen Fall betrachtet, wo das Linsenelement nach der Erfindung eine Verteilung des Brechungsindex mit einer sich längs der Mittelachse ändernden Konstanten a hat, sei angenommen, daß die Achse Z längs der Mittelachse liegt,· daß ein Ende der Linse mit dem Koordinatenwert Z=O und das andere Ende mit dem Koordinatenwert Z=Z' übereinstimmt und daß k eine

Funktion a (Z) ist. Fig. 21 zeigt die Beziehung zwischen einem Gegenstand und seinem Bild unter der .Annahme, daß der Gegenstand sich auf derjenigen Endseite für Z = O eines Linsenelernents

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befindet, dessen Verteilung des Brechungsindex so ist, daß der Wert a mit zunehmendem Z abnimmt, bspw. nach der Beziehung a (Z) = a (O) (1- Z). Die Fig.'22, 23 und 24'geben den Verlauf des Brechungsindex in den Querschnitten 22A-22B, 23A-23B und 24A-24B in Pig. 21 an. Das Lichtbündel im Innern der Linse breitet sich mit einer periodisch veränderlichen Amplitude und allmählich ansteigender Periodenlänge aus, so daß die Linse eine höhere Auflösung und Vergrößerung im Vergleich zu Linsen mit konstantem

a aufweist. Vorzugsweise sollte die Querschnittsgröße in einer Linse, wo a mit zunehmendem Z abnimmt, mit zunehmendem Z ansteigen, damit die Helligkeit eines Bildes verstärkt werden kann, indem ein Auftreffen von Lichtstrahl/auf die Seitenflächen der Linse verhindert wird.

Beide Stirnflächen eines Linsenelements nach der Erfindung sind normalerweise senkrecht zur Mittelachse der Linse ausgerichtet. Wenn die Endflächen von dieser Lage abweichen, ergibt sich für die optische Achse der Linse ein Winkel gegenüber der Verlängerung der Mittelachse.

Das Linsenelement nach der Erfindung hat normalerweise einen Kreisquerschnitt, doch es kann auch einen mehreckigen oder anders geformten Querschnitt haben. Größe und Gestalt des Querschnitts können sich längs der Mittelachse ändern, ohne daß dadurch Nachteile bedingt sind.

ein optisches System aus einer Mehrzahl von Linsenelementen nach der Erfindung ist es sehr zweckmäßig, die Endflächen der Linse mit einem durchsichtigen Bindemittel miteinander zu verbinden, das einen bestimmten Brechungsindex hat. Zur Einschaltung von Leerräumen in das Linsensystem verwendet man einen Verbundaufbau, indem man die Stirnflächen durch ein durchsichtiges stabartiges Element mit einem gleichförmigen Brechungsindex miteinander verbindet.

Unter den optischen Linsenelementen nach der Erfindung hat insbesondere ein solches Element, wo die axiale Länge zwischen beiden Endflächen langer als (2a)~ ' und die Konstante a positiv ist, eine gleiche Aufgabe wie eine Linsenanordnung aus einer Mehrzahl von herkömmlichen optischen Linsen. Im Vergleich zu

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einer herkömmlichen Linsenanordnung erfordert das Linsenelement nach der Erfindung infolge seines Einkörperaufbaus keine schwierige Anpassung der optischen Achsen mehrerer Linsen und ihre Ausrichtung; infolgedessen ist der Reflexionsverlust gering.

Das Linsenelement mit einer gebogenen Mittelachse und einer positiven Konstanten a hat eine Aufgabe zur Abbiegung eines Lichtbündels, damit ein Bild in Verlängerung der abgebogenen Mittelachse erzeugt werden kann. Folglich kann man ein Bild in einer abgelenkten Stellung erhalten, ohne daß man einen Reflexionsspiegel oder ein anderes optisches Element benötigt.

Die folgenden Beispiele 8 bis 11 stützen sich auf das Linsenelement nach den Fig. 17, 18 und 19.

Beispiel 8

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,5 cm und einer Zusammensetzung von 30 Gewichts-% Tl₂O, 14 Gewichts-% Na₃O, 7 Gewichts-% B₉O, und 49 Gewichts-% SiOp wurde 20 Tage lang in ein Kaliumnitratbad einer Temperatur von 500 G getaucht, so daß man einen Glasstab mit einem Brechungsindex im Zentrum von 1,57, an der Oberfläche von 1,50 und einer Querschnittsverteilung

nach η = N (1 -ar²) erhielt, wo r den Abstand von.der Mittβίο achse bedeutet und a den Wert 0,75 cnT hat. Von diesem Stab wurde eine Scheibe einer Länge von 0,30 cm abgeschnitten, beide Endflächen derselben wurden eben geschliffen und zwar senkrecht zur Stabachse. Nach Fig. 25 wurde die Scheibe 1 in einem Abstand von 0,5 cm von einem Gegenstand P aufgestellt, der dann durch die Scheibe mit bloßen Augen betrachtet- wurde, wobei man ein aufrechtes virtuelles Bild mit einer etwa 1,6-fachen Vergrößerung erhielt. Fig. 26 zeigt die Verteilung des Brechungsindex ^l in der Scheibe.

Beispiel 9

Zwei nach Beispiel 8 erhaltene Linsen und ein Glasstab mit gleichförmigem Brechungsindex wurden mittels eines durchsichtigen Bindemittels miteinander verbunden, dessen Brechungsindex demjenigen des Glases angenähert war, wie Fig. 27 zeigt. Zwi-

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sehen den Linsen 2? und 28 befindet sich, der Glasstab 26. Ein reelles Bild Q eines Gegenstandes P ergab sich in dem Glasstab 26, wie.die Zeichnung erkennen läßt, indem man die Dicke oder Länge einer jeden Linse und des Glasstabes entsprechend auswählt, ^as reelle Bild Q erscheint als virtuelles Bild Q_a vergrößert durch die Linse 28. Ein derartiges System kann als kompaktes und einfaches Mikroskop dienen.

Beispiel 10

Die Ausfuhrungsform der Erfindung nach Fig. 28 stellt in schematischer Darstellung ein Mikroskop dar, wo ein Linsenelement nach der Erfindung als Objektiv benutzt ist. Das Mikroskop umfaßt ein Linsenelement 29 und ein Kellner-Okular 30. Ein Linsenelement mit der erläuterten Verteilung des Brechungsindex mit einem Durchmesser von 0,5 mm sowie einem-Wert a von etwa 1 000 cm"² ist als Linsenelement 29 brauchbar. Damit kann die Brennweite auf etwa 0,2 mm eingestellt werden. Eine größere Brennweite läßt sich beliebig erhalten, indem man die Linsenlänge oder den Wert a ändert. Das Linsenelement 29 und das Okular 30 werden auf eine gemeinsame optische Achse 32 -32a ausgerichtet. Die Verschiebung des Linsenelements 29 und die gegenseitige Lage des Linsenelements 29 und des Okulars 30 entsprechen herkömmlichen Mikroskopen. Ein Beobachter kann das vergrößerte reelle Bild 34 eines eingestellten Teils 33.einer Probe 31 ala vergrößertes virtuelles Bild 34a mit Hilfe des Okulars 30 beobachten.

Kormalerweise besteht gelegentlich das Bedürfnis einer Beobachtung nicht nur in Vor*wärtsrichtung, also in Verlängerung der Mittelachse eines Fasersichtgeräts, sondern auch in seitlichen Richtungen. Nach der herkömmlichen Technik erreicht man diese seitliche Betrachtung unter Verwendung eines Reflexionsspiepeüs oder Reflexionsprismas ausschließlich zu. diesen Zweck am Vorderende einer Objektivlinse, um dadurch die Bildübertraguncsrichtung zu ändern. Ein solches System erfordert jedoch eine aufwendige Halterung und bildet ein Hemmnis für die Verwirklichung eines Fasersiclitgeräts mit kleinem Durchmesser.

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19348"

ig

Nach der Erfindung läßt sich diese Seitenfeldbeobachtung durch Weiterbildung'des Fa.s er Sichtgeräts nach Fig. 2 leicht erzielen, indem mehrere Objek^linsen nach der Erfindung parallel zueinander am Vorderende eines optischen Leiters aus" einem Faserbündel angeordnet sind. Dieses weitergebildete Fasersichtgerät ist in den Fig. 29 und -30 dargestellt. Danach sind in der Endfläche einer optischen Faserbündelgruppe 37 ein Säulenobjektiv 35 mit der genannten Verteilung des Brechungsindex und mit gerader Mittelachse und ein Objektiv 36 mit gebogener Mittelachse nahe nebeneinander-geset'zt. Ein Lichtfaserbündel 38 dient zur Ββτ leuchtung eines Gegenstandes. Eine Schutzhülle 39 schließt das Objektiv ein, ein Okular 4-0 dient zur Beobachtung. Die Beziehung zwischen einem Gegenstand und einem Bild ist in Fig. 31 aufgetragen, wonach ein Bild eines Gegenstandes P₁ vor dem Stirnende eines Fasersichtgeräts ein reelles Bild Q₁ am Ende des Faserbündels hinter der Linse 35 ergibt; dagegen lieiert ein Gegenstand P₂ in seitlicher Richtung durch die Linse 36 ein reelles Bild Q_? am Ende des Faserbündels. Die reellen Bilder Q₁ und Q_? werden auf das andere Ende des optischen Faserbündels 37 übertragen; diese Bilder Q₁ und Q_2a werden als virtuelle Bilder Q_1b und Q- vergrößert durch das Okular 4-0 beobachtet.

Die Linsen 35 und 36 brauchen nicht unbedingt auf eine Stirnfläche des Faserbündels 37 aufgesetzt zu sein, sondern ein Hohlraum kann zwischen den Linsen 35 und 36 sowie dem Faserbündel 37 vorhanden sein, oder ein durchsichtiger Stoff mit gleichförmigem Verhalten kann eingefüllt sein.

Nach der Erfindung sind die Endflächen der Obj ektive für ein Fasersichtgerät nicht nach bestimmten Flächenformen geschliffen, so daß die Linsen einen kleineren Durchmesser und ein höheres Auflösungsvermögen erhalten können. Das Fasersichtgerät nach der Erfindung hat einen kleinen Durchmesser und erlaubt die gleichzeitige Beobachtung von Bildern in unterschiedlichen Richtungen. Ein solches Fasersichtgerät ist insbesondere als Endoskop zum Einführen in schmale Beobachtungsräume geeignet. Ein Objektiv für ein Fasersichtgerät nach der Erfindung mit einer geraden Mittelachse kann in folgender V/eise herge-

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stellt werden. Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,08 cm und einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-% Tl₂ ⁰' ^{12 Gewich}ts-% Na₀O. 20 Gewichts-% PbO und 48 Gewichts-% SiO₂ wurde während einer vorgegebenen Zeitdauer in ein Kaliumnitratbad von hoher Temperatur eingetaucht, so daß man einen Glasstab mit einem zentralen Etechungsindex N = 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex nach der

op Beziehung η = N (1- ar¹") mit a * 11,7 cm -r erhielt. Dieser Glasstab wurde zurechtgeschnitten, beide Endflächen wurden senkrecht zur Stabachse ausgerichtet, man erhielt einen Glasstab mit einer Länge von 0,378 cm für ein Objektiv nach der Erfindung.

Die Objektive für das Fasersichtgerät nach der Erfindung mit einer gebogenen Mittelachse können nach der im Beispiel 5 erläuterten V/eise erhalten werden.

Das oben beschriebene Linsenelement nach der Erfindung kann als Aufzeichnungselement zur einfachen, genauen und vergrößernden Aufzeichnung einer beliebigen Vorlage benutzt werden, die mit einem sehr kleinen Element aufgezeichnet werden kann.. Dieses Aufzeichnungselement läßt sich leicht herstellen, indem eine lichtempfindliche Schicht 41 auf eine Endfläche des Linsenelements 1 nach Fig. 32 aufgebracht wird. Das Aufziehen einer lichtempfindlichen Schicht auf eine Endfläche kann nach einem •Verfahren erfolgen, das normalerweise zum Beschichten von foto-r grafischen Trockenplatten benutzt wird. Die Aufzeichnung des Aufzeichnungselements nach der Erfindung muß so erfolgen, daß ein Bild eines Gegenstandes vor einem stabförmigen Linsenelement auf eine.· lichtempfindliche Schicht 41 am Ende abgebildet wird.

Da die Abbildungsbedingung für die Endfläche der Linse nach Fig. 17 1/2=h ist, ist der Abstand PO zwischen:der Stellung des Gegenstandes P und der Endfläche 0 auf der Gegenstandsseite" nach den Gleichungen (7), (8), (9):

1tan ( /2a t) · (10):

N
Die Vergrößerung beträgt in diesem Fall m = - cos'

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» ) r j

it I t

193947*

Unter den genannten Bedingungen ist der Abstand PÖ~ zwischen dem Linsenelement und dem Gegenstand für eine Abbildung in der Endfläche der Linse bestimmt, wenn N, a, t in Gleichung (10) bekannt sind. Wenn N und a bestimmt sind, hängt- der Abstand ΪΌ von der änderung der Linsenlänge t ab. .Obgleich die obengenannte Gleichung einen gleichen Wert a der Konstanten in den Querschnitten des Linsenelements senkrecht zur Linsenachse voraussetzt, können Lichtbündel, die in eine Endfläche des stabförmigen Linsenelements eintreten, in der anderen Endfläche fokussiert werden, auch wenn in den Querschnitten des Linsenelements unterschiedliche Werte a vorherrschen. Es ist also nach Fig. möglich, ein Aufzeichnungselement mit einer gleichen Wirkungsweise wie die Erfindung zu erhalten, indem eine lichtempfindliche Schicht 41 auf eine Endfläche eines .stabförmigen Linsenelements 1 aufgezogen wird. Ein Bild eines Gegenstandes in einer Stellung, die der obigen Gleichung (10) genügt, tritt in das Aufzeichnungselement in der Endfläche 0 ein und wird in der anderen Endfläche abgebildet, so daß man eine Belichtung der lichtempfindlichen Schicht erhält. Die lichtempfindliche Schicht kann dann entwickelt werden, damit das Bild innerhalb der Schichtfläche fixiert wird.. Das stabförmige Linsenelement nach der Erfindung kann mit sehr kleinen Durchmessern hergestellt werden, bspw. von weniger als 1 mm, so daß ein Bild auf einer Endfläche eines stabförmigen Linsenelements mit sehr kleinem Durchmesser erzeugt werden kann. Zur Vergrößerung eines aufgezeichneten Bildes auf Originalgröße wird ein Lumineszenzelement auf die Rückseite der lichtempfindlichen Schicht des Aufzeichnungselements aufgesetzt und ein Lichtbündel wird durch das stabförmige Linaaaelement in umgekehrter Richtung v/ie bei der Aufzeichnung geleitet, so daß eine Projektion des aufgezeichneten Bildes auf einem Bildschirm erhalten werden kann. Dabei dient das stabförmige Linsenelement als Projektionslinse zut Abbildung des aufgezeichneten Bildes in vergrößertem Zustand auf Originalgröße. Dies ist ein außerordentlich wichtiger Vorteil des Aufzeichnungselements nach der Erfindung. Damit kann man Bilder genau wiedergewinnen, weil die gleiche Linse für die Aufzeichnung und für die Vergrößerung benutzt ist. Es erübrigt sich, darauf hinzuweisen, daß Bilder in jeder gewünschten Größe wieder-

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gewonnen werden können, wenn eine zusätzliche Hilfslinse benutzt wird.

Ein Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Aufzeichnungselements nach der Erfindung ist im folgenden angegeben. Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,08 cm und einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-% Tl₂O, 12 Gewichts-% Ua₂O, 20 Gewichts-% PbO und 48 Gewichts-% SiO₂ wurde 4-8 Stunden lang in · ein Kaliumnitratbad mit einer Temperatur von 460⁰C eingetaucht, so daß man einen Glasstab mit einem zentralen Brechungsindex ft = 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung η = N (1 - ar") mit a = 11,7 cm erhielt. Dieser Glasstab wurde in ein Stück einer Länge von 0,378 cm geschnitten, beide Endflächen wurden planiert, so daß sie senkrecht zur Achsrichtung ausgerichtet waren. Durch Auftragen einer lichtempfindlichen Schicht 41 auf eine Endfläche des Glasstabes erhielt man ein Aufzeichnungselement zur Aufzeichnung eines Bereichs mit einem Durchmesser von etwa 0,3 cm in einem Abstand von etwa 0,5 cm.

Das Aufzeichnungselement nach der Erfindung ist ungewöhnlich klein und mit einer lichtempfindlichen Schicht ausgestattet, die mit der Linse einen Verbundkörper bildet, so daß das Aufzeichnungselement nach der Erfindung eine sehr genaue Wiedergabe liefert und nur geringen Speicherraum erfordert. Auch die Herstellung ist sehr einfach.

Das Aufzeichnungselement kann in zahllosen Anwendungsfällen benutzt werden, weil die oben genannten Kenngrößen so günstig sind. Bspw. kann man eine Mikrokamera herstellen, indem man an der Lichteinfallsfläche des Aufzeichnungselements einen Verschluß anbringt; durch Kombination des Aufzeichnungselements mit einer Beleuchtungslichtquelle erhält man eine Lichtaufzeichnungseinrichtung. Fig. 33 zeigt eine Mikrokamera mit einem stabförmigen Linsenelemtent 1 nach der Erfindung, einer lichtempfindlichen Schicht 41, einer Lichtisolierschicht 42 und einen Verschlußteil 43. Fig. 34 zeigt einen wesentlichen Teil ; einer Fotoaufzeichnungseinrichtung, mit einem Aufzeichnungs-

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element 44 und einer Lumineszenzdiode 45.

Das einzelne Linsenelement nach der Erfindung kann in einem Bildübertrager Anwendung finden. Normalerweise, gibt es zur Bildübertragung zwischen zwei beliebigen Stellen ein Verfahren, wonach man eine oder mehrere Linsen inmitten zwischen zwei ■ Bildwandlern oder in Sonderfällen ein optisches Faserbündel mit gleichförmigem Verlauf des Brechungsindex'verwendet und die Bildübertragung durch.Unterschiede der Lichthelligkeit bewirkt, indem man jeweils d^e einzelnen Fasern· entsprechend den durch Auflösung des Bildes gewonnenen Bildpunkten auswertet." Wenn- ' jedoch die erste Art der übertragung angewandt wird, sind die Stellungen der beiden Bildwandler festgelegt, wenn die Stellungen der Linsen des Übertragungssystems bestimmt sind, so daß die Übertragungsanordnung von Zeit zu Zeit justiert werden muß, wenn Verschiebungen aufgrund mechanischer Schwingungen auftreten oder wenn die Bildwandler verstellt werden. Bei Anwendung der zuletzt genannten Technik erfolgt dagegen die"' Lichtübertragung ohne Störung, auch wenn innerhalb des Übertragungsweges Schwingungen oder Verbiegungen auftreten. Jedoch können die einzelnen Fasern des optischen Faserbündels nur ein Bild in entsprechendem Punkte auflösen und eine einem jeden Bildpunkt entsprechende Lichtmenge übertragen, so daß das Auflösungsvermögen eines solchen Bildübertragers im wesentlichen durch die Anzahl der Fasern pro Einheitsquerschnitt bestimmt ist, d.h. durch den Durchmesser einer jeden Fasert ϊ/enn auch das Auflösungsvermögen bis zu einem gewissen Grade durch Verringerung des Faserdurchmessers verbessert werden kann, besteht für den Faserdurchmesser vonseiten der Herstellung eine Grenze. Es ist· deshalb leicht möglich, daß sich das Auflösungsvermögen des Bildübertragers verschlechtert, womit sich auch die übertragene Bildgüte verringert. Außerdem werden optische Faserbündel normalerweise durch Flechten optischer Fasern mit einem Durchmesser von etwa 10/u hergestellt, worauf die einzelnen Litzen verseilt werden, so daß beide Endflächen zehntausende Fasern in gleicher Anordnung enthalten. Die entsprechenden Herstellungsvorgänge sind sehr umfangreich und erfordern eine ausgedehnte technische Erfahrung.

Diese Schwierigkeiten lassen sich grundsätzlich durch Verwen-

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JS

dung einer Gaslinse umgehen, die in der Arbeit von Aoki und Suzuki.in "IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques" Januar 1967, S. 2 - 8 beschrieben ist. Solche Gaslinsen erfordern jedoch umfangreiche Zusatzgeräte, so daß die Unterhaltung und Handhabung zur Einhaltung der Kenngrößen viele Schwierigkeiten mit sich bringt, abgesehen davon, daß sich kaum Linsen hoher Güte erzielen lassen, weil in dem Gas unter dem Einfluß der Schwerkraft eine Unregelmäßigkeit des brechungsindex auftritt. Infolgedessen bringt die Gaslinse eine Vielzahl von Schwierigkeiten, die bei der praktischen Anwendung gelöst werden müssen.

Nach der Erfindung wird ein Bildübertrager vorgeschlagen, der die genannten Schwierigkeiten nicht aufweist. Dieser Bildübertrager umfaßt einen Übertragungsweg aus einem durchsichtigen Faserstoff und einem Bildwandler mindestens an einem Ende desselbsn. Dieser durchsichtige Faserstoff hat eine Querschnittsverteilung das Brechungsindex senkrecht zur Längsachse nach der Beziehung η = N (1 - ar²) mit N als Brechungsindex auf der Mittelachse, η als Brechungsindex in einem Abstand r von der Achse und a als einer positiven Konstanten.

Glas, Kunstharz und dgl. sind die am besten geeigneten Werkstoffe für den durchsichtigen Paserstoff eines Bildübertragers nach der Erfindung. Besonders bei Glas läßt sich die gewünschte Verteilung des Brechungsindex leicht einstellen, indem man die * Brechungsindices im Innern des Glases allmähllich verändert, wie dies für das Linsenelenient bereits erläutert ist.

Wie bereits in Verbindung mit den Fig. 8, 9, 11 und 20 beschrieben ist, wird ein in den durchsichtigen Stoff eintretendes Lichtbündel übertragen, weil der durchsichtige Stoff ein Linsensystem darstellt.

Wenn man Bildwandler an den Stirnflächen des durchsichtigen Stoffes aufstellt, kann ein Bild von dem Bildwandler auf der einen Seite ausgesandt und von dem Bildwandler auf der anderen Seite aufgenommen werden. In diesem Fall kann der durchsichtige Stoff lang oder gebogen sein und stellt einen Übertragungsweg dar, auch wenn durch Schwingungen Verschiebungen auftreten. Ein Bild läßt sich solange störungsfrei übertragen, als die gegenseitigen Lagen der Endflächen und der beiden Bildwandler festgehalten sind. Damit erhält man einen Bildübertrager mit hohem Auflösungsvermögen.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Bildübertragers ist in Fig. 35 gezeigt. Danach dient ein durchsichtiger Faserstoff 52 als Lichtübertragungsweg in Längsrichtung. Innerhalb desselben ander V de? Brechungsindex in Querrichtung, so daß derselbe vom Zentrum zum Rand im wesentlichen mit dem Quadrat des Abstands abnimmt. Ein erster Bildwandler 53 ist auf die Eintrittsfläche des Faserstoffes 52 aufgesetzt und dient zur Umwandlung eines Bildes, damit dasselbe in einem möglichst I hellen Zustand ;und divergentfrei sowie reflexionsfrei übertragen wird. Auf der Ausgangsfläche des Faserstoffes 52 sitzt ein zweiter Bildwandler 54 zur Projektion des übertragenen Bildes. -

Der Bildwandler 53 umfaßt optische Einrichtungen, wie Linsen und Prismen, eine Kathodenstrahlröhre zur Umwandlung eines elektrischen Signals in ein Bild und einen Verstärker für die .:

Θ §|B1i/1 lit , ORIGINAL INSPECTED

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Bildhelligkeit. Der Bildwandler '54 umfaßt optische Einrichtungen, ;wie Linsen und Prismen, eine Orthikonkamera zur Umwandlung eines optischen Bildes in ein elektrisches Signal und einen Verstärker für die Bildhelligkeit. ' /

"Ein zu übertragendes Bild 55 wird durch den Faserstoff 52 übertragen, nachdem es von dem ersten Bildwandler 53 in ei^ie solche Form* gebracht worden·ist, daß es mit möglichster Helligkeit und divergenzfrei sowie reflexionsfrei durch den Faserstoff übertragen werden kann. Dieses übertragene Bild wird von dem Zweiten .Bildwandler 54 in ein reelles Bild zurückgewandelt, so daß man ein Bild 56 erhält. . . ■

Da der durchsichtige Stoff 52 eine Lisenwirkung besitzt, kann derselbe sowohl als Übertragungsweg als auch für einen jeden der Bildwandler 53 und 54 dienen.

■ der Der durchsichtige Stoff 52 kann ein zusammenhängen/Körper sein, doch kann er auch an verschiedenen Stellen abgetrennt und geteilt sein oder aus verschiedenen durchsichtigen Körpern mit unterschiedlichen Gradienten des Brechungsindex zusammengesetzt sein, damit ein übertragenes Bild nicht gestreut wird.

Ein solcher durchsichtiger Stoff wirkt nicht nur dann als "Linse, wenn die¹ Größe a den gleichen festen Y/ert in allen Querschnittsflächen hat, sondern auch, wenn sich die Größe a längs der Mittelachse ändert.. Besonders durchsichtige Faserstoffe mit einer solchen Verteilung des Brechungsindex, daß die Größe a von einer Endseite aus zur andern allmählich abnimmt, lassen : einen hohen Verstärkungsgrad im Vergleich zu solchen Stoffen mit einem festen Wert a erreichen.

Im Rahmen der-Erfindung besitzt eine "Faser" eine erhebliche Länge im Vergleich zur Querschnittsabmessung, jeweils unabhängig von der Form-^;'des Querschnitts. Faser ist also gleichbedeutend mit stabförmig.

Der Bildübertrager nach der Erfindung kann in optischen Einrichtungen, wie Endoskopen und Fasersiclitgeräten mit einem

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langen Leiterteil für die Bildübertragung benutzt werden, Eine Beschreibung eines optischen Geräts für mikroskopische Untersuchungen schließt sich nunmehr an.

Das optische Gerät mit dem Lichtleiterteil für die Bildübertragung umfaßt den genannten durchsichtigen Faserstoff und eine Linse, die sich mindestens auf einer Endfläche des Faserstoffes befindet. An dem Ende des durchsichtigen Stoffes im'Bildraum befindet sich ein Okular oder eine Vergrößerungslinse, womit ein reelles oder virtuelles Bild, das in der Nähe der betreffenden Endfläche vorhanden ist, vergrößert wird. Obgleich eine andere Linse im Gegehstandsraum nicht immer erforderlich ist, da der durchsichtige Stoff selbst eine Linsenwirkung hat, kann . man zusätzlich ein Objektiv oder ein anderes optisches Element vorsehen.

Der Lichtleiterteil für die Bildübertragung braucht nicht unbedingt aus einem durchsichtigen Faserstoff zu bestehen, sondern kann auch durch ein Faserbündel verwirklicht sein. Z.B. muß der Durchmesser eines durchsichtigen Stoffes in einem bestimmten Maß herabgesetzt werden, wenn eine Biegsamkeit für den Lichtleiterteil erförderlich ist. Dann ist die Verwendung eines Faserbündels zweckmäßig, um den Verlust an Bildhelligkeit infolge des verringerten Durchmessers zu kompensieren. Jedoch müssen die durchsichtigen Fasern in Bündelform in gleicher oder nahezu gleicher Ordnung an beiden Endflächen vorliegen.

Da der Lichtleiterteil für die Bildübertragung aus einem durchsichtigen Faserstoff mit Linsenwirkung besteht, ist ein Faserbündel aus zahlreichen optischen Fasern mit außerordentlich geringem Durchmesser wie in herkömmlichen Geräten nicht erforderlich. Somit stellt die Erfindung ein optisches Gerät für mikroskopische Beobachtung bereit, das einen einfachen Aufbau und ein hohes Auflösungsvermögen hat, das leistungsfähig und preiswert ist und das keine komplizierte Herstellung erfordert. ITach der Erfindung kann man ein optisches Gerät mit einem sehr . kleinen Durchmesser erhalten, weil die Erfindung einen Lichtleiterteil für die Bildübertragung bereitstellt, der das gleiche

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oder ein höheres Auflösungsvermögen als ein herkömmliches Faserbündel hat, jedoch demgegenüber einen kleineren Durchmesser.

Wenn ein Objektiv auf der Eintrittsseite des Lichtleiterteils notwendig ist, kann.man eine Linse aus dem oben erläuterten durchsichtigen Stoff vorsehen, die eine gleiche Verteilung des Brechungsindex wie der durchsichtige Faserstoff des Lichtleiterteils hat (wenn auch a im allgemeinen verschieden von dem entsprechenden Wert eines Faserstoffes ist), damit man ein optisches Gerät für mikroskopische Beobachtung mit hohem Auflösungsvermögen und kleinem Durchmesser erhält.

Beispiele von Bildübertragern nach der Erfindung werden nunmehr erläutert.

Beispiel 11

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Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 1 mm mit einer Zusammensetzung von 56 Gewichts-% SiO₂, 14 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-

Tl₂O und 10 Gewichts-% PbO wurde 24 Stunden, lang in ein Kaliumnitratbad einer Temperatur von 500⁰C getaucht, so daß man einen Glasstab mit einem zentralen Brechungsindex von 1,53 und

2 —2

einer Verteilung gemäß η = N ( 1- ar ) mit a = 7»7 cm erhielt. Dieser Stab wurde abgeschnitten und an beiden Endflächen senk- · recht zur Mittelachse geschliffen, damit man einen Glasstab mit einer Länge von 1,5 cm erhielt. Mit diesem Glasstab als Lichtleiterabschnitt für die Bildübertragung wurde ein optisches uerät für mikroskopische Beobachtung gemäß Fig. 36 aufgebaut. Dort hat der Glasstab 46 eine Linsenwirkung, an denselben· schließt sich eine halbdurchlässige Platte 47 und einerseits ein Okular 48 sowie andererseits eine Beleuchtungslichtquelle 50 an. Auf der anderen Seite befindet sich eine Abdeckglasplätte 49. Die gesamten Bauteile sind in einen Schutzmantel 51 eingeschlossen. Das Licht aus der Lichtquelle 50 wird an der halb_ durchlässigen Platte 47 reflektiert, gelangt durch den Glasstab 46 und tritt an der Endfläche desselben im Gegenstandsraum aus, wo es den Gegenstand P beleuchtet; Das Licht von diesem Gegenstand P tritt durch die Abdeckglasplatte in den Glasstab ein

und breitet sich in demselben aus, wobei in der Nähe der Endfläche im Bildraum ein reeles Bild entsteht. Dasselbe wird durch das Okular 48 für die Beobachtung vergrößert. Ein Kreisbereich mit einem Durchmesser von 1 cm eines Gegenstandes in einem Abstand von 2 cm von der Stirnfläche des Glasstabes läßt sich scharf abbilden. Ein Bild von 0,1 cm entsteht an einer Stelle außerhalb der Endfläche des Glasstabes im Bildraum. Das optische System dieses Geräts ist in Fig. 37 schaubildlich dargestellt, wo Q ein reelfes Bild und Q_a ein virtuelles Bild ist. Wenn ©in Abschnitt von etwa 30 cm im Mittelteil des Glasstabes mit einem Krümmungsradius von etwa 20 cm gebogen wurde, konnte ei» Gegenstand nahezu unbeeinflußt beobachtet werden.

Beispiel 12

Ein Glasstab mit einem Durchmesser von 0,6 mm und einer Zusammensetzung von 48 Gewichts-% SiO₂, 12 Gewichts-% Na₃O, 20 Gewichts- % TIpO und 20 Gewichts-% PbO wurde 100 Stunden lang in ein Kaliumnitratsalz mit einer Temperatur von 480⁰C eingetaucht. Dieser Stab wurde auf eine_QLänge von etwa 50 cm abgeschnitten und nach Erhitzung auf 520 C wurde das Vorderende etwa um 45° mit einem Krümmungsradius von 1 mm bezogen auf die Mittelachse umgebogen. Sodann wurde die innere Spannung durch eine Wärmebehandlung bei etwa 450°C für eine Dauer von 10 Stunden entfernt. Dieser Stab hatte einen zentralen Brechungsindex IT *± 1,60 einen Oberflächenbrechungsindex von 1,52 und eine Verteilung gemäß η = N (1 - ar"²) mit a = 0,56 mm"². Die Endflächen des Stabes wurden senkrecht zur Mittelachse geschliffen. Sin optisches Gerät für mikroskopische Beobachtung gemäß Fig. 38 wurde mit Hilfe dieses Stabes als Lichtleiterteil für die Bildübertragung hergestellt, wobei das gebogene Ende auf der Gegenstands-y seite war. Die Fig. zeigt einen Glasstab 52 mit einem abgebogener Vorderende, eine Schutzglasplatte, einen Beleuchtungslichtlexter 57, einen Mantel 59 und ein Okular 48. Gemäß Fig. 39 bilden die' Lichtstrahlen eines Gegenstandes P in etwas versetzter Richtung gegenüber der Verlängerung j der Mittelachse auf der Stirnseite. des Glasstabes ein reelles Bild Q ab, das an der anderen Endfläche des Glasstabes ebenfalls geringfügig versetzt ist. Das

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reelle Bild Q, wird durch das Okular 48 zu einem virtuellen Bild Q, für die Beobachtung vergrößert.

Die strichpunktierte Linie h zeigt die Verlängerung der optischen Achse an dem. Bogenabschnitt. Das optische Gerät ermöglicht noch eine Beobachtung, wenn der Mittelteil mit einem Krümmungsradius von 15 cm gebogen ist.

Beispiel 13

Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-% Tl₂O, 12 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-% PbO und 48 Gewichtsprozent SiO₂ wurden während einer bestimmten Zeitdauer in ein Kaliumnitratbad hoher Temperatur'eingetaucht, -so daß man Glasfasern mi-6 einem zentralen Brechungsindex N * 1*60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex nach η = K (1 - ar¹") mit a « 1,88 χ 10² cm""² erhielt. Einige Zehn solcher Glasfasern wurden gebündelt, so daß man an beiden Endflächen eine gleiche Ausrichtung erhielt, wobei die Enden mit einem Bindemittel festgehalten wurden. Die Lange einer jeden Faser ist auf einen bestimmten Wert festgelegt. Ein optisches Gerät für mikroskopische Beobachtung wurde nach Fig. 40 unter Verwendung, dienes Faserbündels als Lichtleiterteil für die Bildübertragung hergestellt. Zu diesem Gerät gehören somit das Faserbündel 60, ein Okular 46, eine Schutzglasplatte 58, ein Beleuchtungslichtleiter 57 und ein Mantel 59· Ein Gegenstand in einem bestimmten Abstand von der Stirnfläche des optischen Geräts kann scharf beobachtet werden. Die Beziehung zwischen Gegenstand und Bild ist in diesem Fall in Fig. 41 angegeben, wo einzelne Fasern 61 dargestellt £?ind. Ein aufrechtes reelles Bild einer gleichen Große wie der Gegenstand P wird an einer Stelle im Abstand von dem anderen Ende des Faserbündels erzeugt, wobei dieser Abstand χ des Bildes von der Austrittsfläche genauso groß wie der Abstand des Gegenstandes von der Eintrittsfläche ist. Dieses reelle Bild Q wird mit einem Okular 48 zu einem virtuellen Bild Q vergrößert. Das optische Gerät ist auch dann brauchbar, wenn der Lichtleiter mit einem Krümmungsradius von etwa 5 cm gebogen ist. Durch Ausrichtung der Stellungen des Gegenstandes gegenübei

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dem Stirnende des Faserbündels und durch Ausrichtung des Okulars kann man einen Gegenstand in unterschiedlichen Entfernungen beobachten.

Beispiel 14

Der Radius e;Lner glasigen Fasersubstanz durch Aufschmelzen eines Glases gleicher Zusammensetzung wie im Beispiel 13 bei einer Temperatur zwischen 90O⁰C und 95O⁰G kann durch Ausziehen mit gesteuerter Geschwindigkeit in der aus Fig. 43 ersichtlichen Weise eingestellt werden. Nach allmählichem Abkühlen zur Spannungsbefreiung wurde der Glasstoff in ein Kaliumnitratbad von 460⁰C eingetaucht und zwar mit dem größeren Durchmesser nach unten. Der Glasstoff wurde dann mit allmählich veränderten Geschwindigkeiten ausgezogen. Die Brechungsindices im Querschnitt deB Glasstoffes zeigten eine solche Verteilung, daß der Y/ert a in Abhängigkeit von der Zunahme des Durchmessers abnahm. Durch Verwendung dieses Glasstoffes als Lichtleiterteil für die Bildübertragung konnte ein optisches Gerät für mikroskopische Beobachtung gemäß Fig. 42 hergestellt werden, wo der Glasstoff 62 durch eine Schutzglasplatte 63 abgedeckt ist. Das Licht aus einer Lichtquelle 50 beleuchtet über einen Lichtleiter 64 den zu beobachtenden Gegenstand P. Die von demselben ausgehenden Lichtstrahlen werden in den Glasstoff 62 eingelassen und breiten sich in demselben aus, wobei das Lichtbündel um die Kittelachse einen wellenförmigen Verlauf mit zunehmender Amplitude hat. Die Länge des Glasstoffes 62 wird so bestimmt, daß ein Bild außerhalb der Stirnfläche entsteht. Dieses Bild Q wird mit einem Okular 48 als virtuelles Bild & beobachtet. Ein vergrößerte Bild mit hohem Auflösungsvermögen läßt sich mit diesem optischen 'Gerät erhalten. Das Gerät kann im Durchmesser der Eintrittsseite weitgehend verkleinert werden und besitzt außerdem eine Biegsamkeit, so daß das Gerät insbesondere zur Beobachtung kleiner Bereiche geeignet ist. In einem optischen durchsichtigen Übertragungskörper mit einem allmählich abnehmenden Brechungsindex gegen die Oberfläche hin in quadratischer Beziehung zum Abstand von der Mittelachse ergeben sich kaum Unterschiede für die Weglänge des Lichtdurchgangs; zwischen einzelnen Lichtstrahlen

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ind kaum Phasen- und Geschwindigkeitsabweichungen vorhanden. Cnfolgedessen ist der durchsichtige Stoff als Lichtübertragungsiörper für optische Verbindungen hervorragend geeignet. Zur Aussendung eines monochromatischen Lichtstrahls in den genannten ichtübertragungskörper muß der Eingangslichtstrahl eine Gauß'-sche Intensitätsvert'eilung haben, seine Dicke muß im wesentlichen der Lichtfleckgröße gleich sein, die hauptsächlich durch den iradienten des Brechungsindex des -durchsichtigen Körpers bestimmt Lst.

Andererseits muß der durchsichtige Lichtübertragungskörper nach der obigen Beschreibung ein sehr feines Element mit einem Durchmesser in der Größe von etwa 0,1 mm bis 1 mm sein, der ebenso wie optische Fasern sorgfältig behandelt werden muß und folglich eineikleine Lichtfleckgröße hat. Damit ist es schwierig, die folgenden Forderungen zu erfüllen:
1. Das Eingangslichtbündel kann in die Eintrittsfläche des durchsichtigen Körpers eintreten, ohne aus demselben herauszugelangen. .

Lichtbündel mit jeweils gleicher Lichtfleckgröße entsprechend der Eigenlichtfleckgröße treten vollständig in den durchsichtigen Körper ein, so daß ihre Verhaltensweisenim wesentlichen angepaßt sind.

Dieser Punkt ist in der Praxis dann sehr wichtig, wenn man optische Nachrichtenverbindungen gemäß der japanischen Patentanmeldung 29387/1968 betrachtet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung läßt sich diese Schwierigkeit jedoch dadurch einfach lösen, indem man die Eintrittsöffnung des Lichtübertragungskörpers .entsprechend vergrößert.

In Fig. 44- (A) stellt ein konischer Körper 1 zwischen den Schnitt ebenen S. - S und Sp - S_2& senkrecht zur Mittelachse ζ ein' verbessertes optisches Linsenelement nach der Erfindung dar, dazu gehört weiter ein durchsichtiger Lichtübertragungsteil 73 mit einem vorgegebenen Gradienten des Brechungsindex. Im folgenden wird auf ein Zylinderkoordinatensystem bezuggenommen, dessen z-Achse von der Ebene S^ - S^_& nach der Ebene S₂ - S_2a ausgerichtet ist. In diesem Fall läßt sich der Brechungsindex n^ (r, z)

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Λ Λ J IJ JJ »ti . * # J

t . JlJ* J ' ·

in einem Punkt des Körpers 1 durch die folgende Gleichung (11) darstellen:

_L, (r,z) --N₁Ca) Γΐ - B₁Cz) ' r₂ J ' OD .

mit ζ als z-Koordinate, mit r als radialem Abstand von der Mittelachse, mit N₁(Z) als zentralem Brechungsindex für die Koor· dinate ζ und mit &Λζ) als einem positiven Koeffizienten, der nur von der Koordinate ζ abhängt. Außerdem sei angenommen, daß die Funktionen N₁(Z) und a^z) monoton von der Ebene S₂ - S_2& zur Ebene S_x. - S,. ansteigen. Andererseits ist der Brechungsindex np(r^z) in einem Punkt des Lichtleiters 73 näherungsweise durch die folgende Gleichung (12) bestimmt:

Cr,z) = N₂(I - a₂R²) (12)

mit N₂. als Brechungsindex auf der Mittelachse unabhängig von ζ und a₂ als positiver Konstanten ebenfalls unabhängig von z. In diesem Fall ist angenommen, daß diB Brechungsindices des Körpers 1 und des Leiters 73 in allen Stellen der Ebene S₂ - S_2a einander gleich sind_e

U.f .2

Nach Fig. 44 (A) ist angenommen, daß ein Lichtbündel eine Gauß'sche Intensitätsverteilung hat und mit seiner Mittellinie in Pfeilrichtung 1 derart auf einen Punkt der Eintrittsebene S₁ - S₁ ausgerichtet ist, daß die Mittellinie des Lichtbündels nicht mit der Mittelachse ζ zusammenfällt. Die Fleckgröße des Einfällslichtbündels ist im wesentlichen gleich der Eigenfleckgröße gewählt, die durch die Verteilung, des Brechungsindex in der Eintrittsebene S₁ - S₁ bestimmt ist. Der Lichtübertragungslinsenkörper 1 hat im Mittelteil einen größeren Brechungsindex als im Randteil, wie dies "durch Gleichung (11) angegeben ist, so daß der Körper 1 fokussierend wirkt. Folglich wird das Eingangslichtbündel . stark gegen die Mittelachse abgebogen und überkreuzt dieselbe. Nach dieser Überkreuzung bewegt sich das Eingangslichtbündel gegen den Umfangsbereich hin, doch da der Brechungsindex mit zunehmender Entfernung von der Mittelachse abnimmt, wird das Lichtbündel allmählich umgebogen und kreuzt dann wieder die Mittelachse. Diese Wirkung wiederholt sich. Dieses Verhalten ist im einzelnen von S.E. Miller auf den Seiten 2017 bis 2053 in "The Bell System Technical Journal" November 1965 erläutert. Jedoch nimmt der Gradient des Brechungsindex in dem Linsenkörper 1 von der Ebene S- - S₁ in Richtung der Ebene Sg - S£_a zu mit ansteigendem z, so daß die Fokussierungswirkung längs der Mittelachse mit ansteigendem ζ ebenfalls zunimmt. Entsprechend bewegt sich der Lichtstrahl unter Windungen gegenüber der Mittelachse weiter und nähert sich infolge der verstärkten Fokussierungswirkun^ der Mittelachse. Die Abweichungsamplitude des Lichtbündels nimmt also mit zunehmendem z- Wert ab. Dieses Lichtbündel schreitet innerhalb des durchscheinenden Körpers 73 längs der Mittelachse weiter, wobei ebenfalls wellenförmige Abweichungen mit konstanter Amplitude auftreten. Diese Amplitud hängt von der Abweichung zwischen der Mittellinie des Einfallslichtbündels und der Mittelachse in der Eintrittsfläche des durchscheinenden Körpers 1 ab, Wenn der Licht-

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überträgungskörper 1 mit großer Eigenfleckgröße in nur einer Endfläche benutzt ist, kann man ein Lichfbündel in einen dünnen, nachgiebigen, durchsichtigen Lichtübertragungskörper 73 unter Vermeidung von Abweichungen des Einfallslichtbündels gegenüber der Eintrittsfläche dieses Körpers 73 einleiten» Wenn die Mittellinie des Einfallslichtsbündels genau mit der Mittelachse"des Lichtübertragungskörpers 1 übereinstimmt, breitet sich das Lichtbündel ohne Wellenbewegungen aus. Die Fleckgröße des Lich,tbündels nimmt mit' der Ausbreitung im Innern des durchsichtigen Körpers allmählich ab, das Lichtbündel tritt durch den durchsichtigen Körper 73 mit einer Fleckgröße, die im wesentlichen der Eigenfleckgröße dieses Körpers 73 gleich ist. Nunmehr wird der Fall eines Lichtbündels, das in eine Endfläche eines durchsichtigen Lichtübertragungskörpers mit konstantem Gradienten des Brechungsindex eintritt, mit dem oben genannten durchsichtigen Lichtübertragungskörper nach der Erfindung.verglichen. Dieser Pail ist in Fig. 45 dargestellt, wo angenommen ist, daß der Lichtübertragungskörper 73a eine Querschnittsbemessung und eine Verteilung des Brechungsindex hat, die derjenigen des durchsichtigen Körpers 73 in Fig. 44 (A) gleich ist. Wenn ein Lichtbündel L_& mit einer Fleckgröße im wesentlichen gleich der Eigenfleckgröße des durchsichtigen Körpers 73a in denselben eingegeben wird, wobei die Abweichung zwischen der Mittellinie des Lichtbündels und der Mittelachse des Körpers 73a in einem Bereich liegt, der im wesentlichen den Verhältnisses der *'ig. 44 (A) gleich ist, breitet sich dieses Lichtbündel innerhalb des durchsichtigen Körpers 73a in solcher Weise aus, daß die Mittellinie des Lichtbündels sinusförmige Abweichungen mit .konstanter Abweichungsamplitude ausführt. Die Wellenlänge dieser Abweichungswelle ist etwa derjenigen im Innern des Körpers 73 nach Fig. (A) gleich, doch die Amplitude dieser Abweichung ist merklich größer. Wenn ein Teil des Lichtübertragungskörpers gebogen ist, weicht das Lichtbündel bei seiner Ausbreitung in diesem Biegungsabschnitt nach außen aus. Wenn in diesem Fall das Lichtbündel auf die Seitenfläche des durchsichtigen Körpers auftrifft, ist eine Lichtübertragung unterbundenο

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In dem Beispiel der Figi 45» wo die Abweichungsamplitude des LichtbundeIs im Innern des durchsichtigen Körpers groß ist, ergeben sich offensichtlich in größerem Ausßmaß Auffälle des Lichtbündels auf die Seitenfläche des durchsichtigen Körpers bei Abbiegungen desselben als im Fall' der Fig. 44 (A) mit kleiner Abweichungsamplitude. Zur Verringerung der Abweichungsamplitude des Lichtbündeis in Fig. 45 auf einen Bereich .gleich der Amplitude im Innern des Körpers 73 der^ΛFig. 44 (A) muß man die Mittellinie des Lichtbündels bei Eintritt in eine Endfläche des durchsichtigen Körpers mit der Mittelachse des durchsichtigen Körpers möglichst weitgehend in Übereinstimmung bringen. Mit anderen Worten ist bei dem durchsichtigen Körper der Fig. 44 (A) eine genaue Ausrichtung der Eingangsstellung des Lichtbündels in der Eintrittsfläche des durchsichtigen Körpers nicht in demselben Ausmaß erforderlich wie für den Körper der Fig. 45.■ Selbstverständlich kann der Linsenkörper 1 auch eine andere Form haben, bspw. eine Form nach Fig. 44 (B), solange nur die oben genannte Bedirgung für die Verteilung des Brechungsindex erfüllt ist. Das Beispiel der'Fig. 44 (A) ist noch besser als das Beispiel der Fig. 44 (B), v/eil die Eintrittsfläche in dem ersteren Fall größer als in dem letzteren Fall ist. Im Beispiel; der Fig. 44 (A) können die Körper 1 und 73 aus einem beliebigen durchsichtigen Stoff aus anderer Art als Glas-.sein, solange derselbe für Lichtstrahlen der benutzten Wellenlänge durchsichtig ist.

Die Länge der genannten verschiedenen Lichtübertragungsleiter nach der Erfindung ist aus Herstellungsgründen eingeschränkt. Folglich ist für eine Lichtstrahlübertragung über sehr große Entfernungen eine Verbindung von zwei oder mehr Leitern erforderlich. Dieses ist" im Rahmen der Erfindung durch leichte Verringerung mindestens einer der Größen a oder η für mindestens einen Leiter in einem Zwischenbereich gegen die Endflächen hin möglich. Solche Leiter haben eine Verteilung des Brechungsindex der beschriebenen Art n=N (1- ar ). Z.B. wird die Größe N eines von zwei miteinander zu verbindenden Leitern in axialer Richtung im wesentlichen gleich gewählt, nur die

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Größe a nimmt allmählich von dem Mittelteil gegen die Endfläche hin ab, an die der andere Leiter angeschlossen werden soll. Zur leichten Herstellung eines solchen Lichtleiters und zur biegsamen Aμsbildung aller Leiterteile mit Ausnahme der Teile,im Endbereich muß man nur den Durchmesser der Endfläche mehr als denjenigen des Mittelbereichs vergrößern und den Leiter von der Endfläche gegen den Mittelbereich hin-verjüngen. Diese Verjüngung kann im Rahmen der folgenden Beziehung beliebig sein:

d = d₀ ( 1 + Λ-Ζ)""¹

mit Z als Abstand zwischen der Endfläche und dem axialen Liittelbereich, mit d als Eadius im Abstand Z von der Endfläche, mit dr> als fiadius der Endfläche für Z = O und mit (1 X Z) als

—1 einer positiven Konstanten mit einem kleineren »Vert als d^ .

In dem axialen Mittelbereich macht man vorzugsweise d in Achsrichtung konstant, unabhängig von der oben genannten Be- . Ziehung. V»enn unter diesen Verhältnissen der Brechungsindex

η, in der Oberfläche des Leiters im wesentlichen konstant in d

Axialrichtung genommen wird und wenn die Verteilung des Brechungsindex in einer achssenkrechten Schnittebene der Beziehung η = N (1 - ar ) genügt, dann wird a allmählich entsprechen der Beziehung a = k (1 - OCz) abnehmen (mit k als einer positiven Konstanten) und zwar vom Mittelbereich nach der Anschlußstirnfläche, also mit abnehmendem z. Änderungen im Äußendurchmesser und in der Verteilung des Brechungsindex für diesen Fall sind in den Fig. 46 bis 49 dargestellt. Fig. 46 zeigt die Änderung des Außendurchmessers des Lichtübertragungsleiters, die Fig. 47, 48 und 49 jeweils Verteilungen t des Brechungsindex in der Eintrittsfläche S-, und den öchnittebenen S^-S_x, Sc-S₁-.' der Fig. 46. Der Brechungsindex tiq auf der Mittelachse und der Oberflächenwert n^ sind im wesent- · liehen konstant, doch der Wert a hat ein Minimum in der Endfläche S-,. Diese Endfläche entspricht der Anschlußfläche gemäß der Erfindung.

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- Αβ -

V<enn im obigen Fall K allmählich abnehmend gegen die Endfläche S₃. vom kittelabschnitt aus ausgewählt wird, kann a im wesentlichen konstant in Achsrichtung sein. Die Verteilungen des Brechungsindex für. diesen Fall sind in den Fig. 50, 5I, 52 dargestellt, welche jeweils für die Endfläche S, Und die Schnittebenen S..-3. und Sc-Sc₀ der Fig. 46 gelten. '

Eine andere Technik zur Verbindung von Lichtübertragungsleitern besteht darin, daß man a und N vom Mittelteil gegen die Anschlußflache allmählich abnehmen läßt. In diesem Fall kann der Leiter als Stab mit im wesentlichen konstantem Außendurchmesser ausgeführt werden. Y«'enn der Brechungsindex n_d in der Oberfläche im wesentlichen konstant in Axialrichtung und der Brechungsindex N auf der Mittelachse allmählich abnehmend vom Mittelteil gegen die Endfläche gewählt wird, nimmt a vom Mittelteil gegen die Endfläche hin ab. Für diesen Fall sind der Außendurchmesser und die Verteilung des Brechungsindex des Lichtübertragungsleiters in den Fig. 53 bis 56 gezeigt. Fig. 53 zeigt den Außendurchmesser des Leiters, die Fig. 54, 55 und 56 jeweils Verteilungen des Brechungsindex in der Endfläche S,- und den Schnittebenen 3„-S„_a und ^sg-^g_a· ^ie Größen d und n, sind in Axialrichtung im wesentlichen konstant, doch die Größen R und a haben ein Minimum-' in der Endfläche 8g, die die Anschlußfläche darstellt. Normalerweise ist es bei einem durchsichtigen Körper mit einer Verteilung des" Brechungsindex in einer Querschnittsebene nach der Beziehung η = IT (1 - ar ) für eine Licht bunde laus bre it ung mit konstanter Fleckgröße innerhalb des Leiters notwendig, das Eintrittslichtbündel auf eine optimale Fleckgröße entsprechend der Eigenfleckgröße der Eintrittsfläche einzustellen, wobei diese optimale Fleckgröße Wq durch die folgende Gleichung angegeben ist: -" ■ - ■

■_w - J * - 2-3/* . a (Ο)

⁰ " π (ο) Τ

π (ο) Τ

mit 7¹ als Vakuumwellenlänge des Einfallslichtbündeis, mit N(o)

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als V.ert von N in der Endfläche und mit a(o) als wert von a in der Endfläche, ϊίβηη nach der obigen Beschreibung mindestens einer der beiden Lichtübertragungsleiter die genannte Verteilung des Brechungsindex aufweist, wird die optimale Eigenfleckgröße der Anschlußfläche vergrößert, so daß die gegenseitige Ausrichtung der optischen Achsen erleichtert wird und eine genaue Anpassung des Übertragungsmodus der leiter möglich istl Da sich außerdem die Verteilung des Brechungsindex in dem Leiter gegen die Endfläche ändert, wenn, die Verteilungen des Brechungsindex in beiden Anschlußflächen in der obigen Weise im wesentlichen einander gleich ausgewählt sind, lassen sich die Übertragungsmodi leicht anpassen, wenn man die beiden leiter mit übereinstimmenden optischen Achsen miteinander in Berührung bringt. Selbstverständlich kann eine ß'.odusanpassung mithilfe von Linsensystemen in dem Fall erzielt werden, wo die Verteilung des Brechungsindex in beiden AnschluOflächen verschieden sind.

Ein Beispiel für die Verbindung von zwei Linsenübertragungsleitern der beschriebenen Art ist in den Fig. 58 und 59 angetreten.

Im Beispiel der Fig. 58 verbreitert sich ein Lichtbündel 76, das in einem ersten Lichtübertragungsleiter 74 mit optimaler Fleckgrcße übertragen ist, allmählich und tritt dann in einen zweiten Lichtübertragungsleiter 75 ein. Derselbe zeigt ein Verhalten entsprechend den Fig. 46-bis 52 oder 53 bis 56, der Durchmesser des Lichtbündels nimmt in diesem zv/eiten Leiter allmählich ab, wobei eine wellenförmige Abweichung auftritt.

Nach Fig. 59 entsprechen die beiden Leiter 77 und 78 den leitern 74 und 75» doch die beiden Leiter 77 und 7Q haben beide ein Verhalten gemäß den Fig. 46 bis 52 oder 53 bis 56. Das I.ichtbündel 79 breitet sich in dem Leiter 77 unter Ab-7,'eichungen um die optische Achse aus, wobei eine Fokussierung nach Austritt aus der ^ustrittsflache auftritt, und tritt dann mit kleinstem Querschnitt in die Eintrittsfläche des

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Leiters 78 ein. vVenn in diesem Beispiel die Fleckgröße des Einfallslichtbündels für den. zweiten Leiter 78 mit der optimalen Fleckgröße desselben übereinstimmt, breitet sich das Einfallslichtbündel in diesem Leiter ohne Wellenabweichung aus; wenn jedoch die Fleckgrößen nicht miteinander übereinstimmen, .breitet sich das Einfallslichtbündel gemäß Fig. unter Abweichungsschwingungen aus. In jedem Fall wird es durch Verwendung eines Leiters mit einer Eintrittsfläche mit großer Fleckgröße möglich, ein beliebiges Lichtbündel verlustfrei in dem Leiter zu übertragen. Die Leiter 74, 75, 77 und 78 können aus einem durchsichtigen festen Stoff wie Glas, Kunstharz oder dgl. bestehen.

Ein Beispiel für die Ausführungsform der Fig. 58 wird nunmehr erläutert. Sine Glasfaser der Zusammensetzung von 56 Gewichtsjo SiOp, 14 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-% Tl₂O und. 10 Gewichts-% FbO wird in einer Länge von etwa 10 m in der Form der Fig. 58 hergestellt. Dieser Leiter wird in ein Kaliumnitratbad getaucht, dessen Zusammensetzung sich in Axialrichtung ändert, so daß man einen Leiter mit einem Oberflächenbrechungsindex von 1,554 und einem zentralen Brechungsindex von 1,562 erhält, diese werte bleiben in Axialrichtung konstant. Die Verteilung des Brechungsindex in einer achssen&rechten Ebene ergibt sich zu

η = N (1 - ar²)

'.Venn die Vakuumwellenlänge des Einfallslichtbündels zu 0,6328 Ai angenommen wird, ergibt sich für die optimale Fleckgröße W in einer Endfläche mit einem Hadius von 0,5 mm zu etwa 17»8 χ 10 ** mm. Wenn der Leiter einen konstanten Hadius von etwa 0,1 mm hat und unter Einhaltung der verschiedenen Bedingungen für eine gleichbleibende Verteilung des Brechungsindex für den Mittelteil des Leiters nach Fig. 53 hergestellt ist, ergibt sich die optimale Fleckgröße in einer Endfläche etwa zu 8,0 zu 10 ■* mm. Entsprechend kann die Fleckgröße nach der Erfindung vergrößert werden. Ein anderer Lichtübertragungsleiter mit einer gleichen Verteilung des Brechungsindex wie in dem genannten Fall wird hergestellt und die Anschluß-

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- yt - SO

flächen der beiden Leiter werden geschliffen. Dann werden diese geschliffenen Flächen lediglich miteinander zusammengebracht, womit beide Leiter wirksam miteinander verbunden sind, In diesem Pail ist mindestens eine der Anschlußflächen erweitert, so daß die gegenseitige Ausrichtung der optischen Achsen erleichtert ist und ebenso die Genauigkeit der :.odu3-anpassung, jeweils infolge der vergleichsweise größen optimalen Fleckgröße.

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Claims

1039478' S4

Patentansprüche

j). Optisches Instrument inform einer Linse, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenelement aus einem durchsichtigen Körper mit einer Verteilung des Brechungsindex im wesentlichen gemäß der folgenden Beziehung

η = N (1 + ar²)

besteht, mit N als Brechungsindex im Zentrum einer Querschnittsfläche senkrecht zu der Mittelachse des Körpers, η als Brechungs index in einem radialen Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten, und daß dieser Körper eine die Mittelachse umschließende Umfangsfläche sowie zwei diese Mittelachse kreuzende Endflächen aufweist.

2. Optisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung η = N (1 - ar ) und die Länge der Mittelachse zwischen den beiden Endflächen in einem Bereich zwischen

und

(2a)-^1/2 I^ f(2m-1) +2/3

mit m als positiver ganzer Zahl gewählt ist.

3. Optisches Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Mittelachse gebogen verläuft.

4. Optisches Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittfläche senkrecht zur Mittelachse eine Kreis-

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fläche mit einem Radius R ist und daß der Biegungsabschnitt

—1 IP längs der Mittelachse eine Länge kleiner als (2a)"" ' längs der Mittelachse und einem Krümmungsradius größer als (2a R)" hat.

5. Optisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4 inform einer Verbundl-inse, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Linsen-r' elemente mit im wesentlichen koaxialen optischen Achsen hintereinander angeordnet sind und daß durchsichtige Körper jeweils mit ebenen, parallel zueinander verlaufenden Endflächen und mit gleichförmigem Brechungsindex zwischen zv/ei benachbarten optischen Linsenelementen angeordnet sind, wobei beide Endflächen des durchsichtigen Körpers mit den benachbarten Endflächen der Linsenelemente in Berührung stehen..

6. Optisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4 inform eines FaserSichtgeräts, mit einem optischen Faserbündel als Bildübertragungsleiter und mindestens einer Objektivlinse am Forderende des optischen Faserbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektivlinse ein Linsenelement mit einer Verteilung des Brechungsindex nach der folgenden Beziehung

η = N (1 -

darstellt.

7. Fasersichtgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Forderende des optischen Faserbündels mehrere Objektivlinsen angeordnet sind, wo die Mittelaqhse mindestens einer Objektivlinse abgebogen ist,, damit die Bereitstellung mehrerer Bilder in dem gleichen Gesichtsfeld möglich ist.

8. Optisches Instrument inform eines Aufzeichnungselements nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchsichtiger, stabförmiger Körper eine Verteilung des Brechungs· index, gemäß der Beziehung

η.= N (1 - ar²)

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aufweist und daß eine lichtempfindliche Schicht auf eine Endfläche des durchsichtigen Körpers aufgezogen ist.

9. Optisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4 inform eines Bildübertragungsgeräts, mit einem Bildübertragungsleiter aus einem durchsichtigen Faserkörper und einem Bildwandler mindestens an einem Ende dieses Übertragungsleiters, dadurch gekennzeichnet, daß der durchsichtige Faserkörper eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung

η = N (1 - ar²)
aufweist.

10. Optisches Instrument nach Anspruch 9 inform eines Lichübertragungsleiters, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb desselben eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung

η = N (1 - ar²)

vorherrscht, wobei sich mindestens eine der Größen N und a, die im übrigen die oben angegebene Bedeutung haben, allmählich längs der Mittelachse des Leiters ändert.

11. Optisches Instrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Abschnitte in Reihe zu einem langen

eiter zusammengefügt sind, wobei jeder Abschnitt inform eines stabförmigen oder faserförmigen, durchsichtigen Elements eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung ' ^:

η = N (1 - ar²) . ί . ^:

aufweist, und daß mindestens in einem der beiden miteinander verbundenen Abschnitte mindestens' eine der Größen N und a von einem Mittelteil längs der Mittelachse gegen die Anschluß- Endfläche tiin allmählich abnimmt.