DE1942389B2 - Optisches faserelement zur faksimile uebertragung - Google Patents

Description

Die Irfindung bezieht sich auf ein optisches Fascrelement zur punktweisen oder flächenmäßigen Beleuchtung desAbtastbereicheseiner ebenen/eilenweise abzutastenden Vorlage in einem Faksimilesystem, wobei ein gerichteter Lichtstrahl aus einer gegenüber der Faserachse schräg geschliffenen Lichtaustrittsflächc des Faserelement', austritt.

Es ist bereits eine solche optische Faserelemcnte verwendende Abtasteinrichtung bekannt (deutsche Auslegcschriit I 221 270). bei der auf eine abzutastende Vorlage Licht über zwei Faserelemente geführt wird, deren Lichtaustrittsfläche parallel zur Ebene der Vorlage liegt. Furch diese Anordnung der Lichlaustrittsfläche wird bei Betrachtung rechtwinklig zur Vorlage nur eine kleine Fläche belichtet, die nicht von den lichtzuführenden Faserelementen überdeckt wird, wodurch die Möglichkeiten für die Anordnung der Aufnahmeeinrichtung begrenzt sind. Um eine ausreichend große beleuchtete Fläche zu erhalten, muß man mit der Lichtaustrittsfläche einen relativ großen Abstand von der Vorlage einhalten, wodurch andererseits das

Auflösungsvermögen beeinträchtigt und die von de

Aufnahmeeinrichtung aufnehmbare Lichtmenge ge

ringer wird. Schließlich TaIIt durch die Anordnung de

Vorlage parallel zur Stirnfläche der Lichtaustritts

fläche der Faserelemente das von der Lichtaustritts

fläche gebrochene Licht schräg auf die Vorlage, si

daß nur eine relativ geringe Beieuchtungsstärke bzw

Konzentrierung der Beleuchtung erreicht wird.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zug.unde, be

ίο einem Faksimile-System, bei dem die abzutastend. Vorlage über eine Faseroptik beleuchtet wird, das übe eine Faseroptik zugeführte Licht auf die abzutastend Fläche der Vorlage derart zu konzentrieren, daß eim erhöhte Lichtintensität und damit eine höhere Auf lösung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einen optisch^-, Faserelement zur punktweisen oder flä chenmäßigen Beleuchtung des Abtastbereiches eine ebenen zeilenweise abzutastenden Vorlage in einen Faksimilesyslem, wobei ein gerichteter Lichtstrahl au einer gegenüber der Faserachse schräg geschliffene! Lichtaustrittsfläche des Faserelements austritt, /u Erhöhung der Lichtintensität des abzutastenden Bereichs das durch den Querschnitt des Faserelement zugeführte Licht auf eine gegenüber diesem Quer schnitt vermindert;· Fläche konzentriert wird, indeir die Lichtaustrittsfläche gegenüber der Faserachse ab geschrägt ist und die Vorlage unter einem solcher Winkel gegenüber der I ichtaustrittsfläche unmittel

.10 bar an der Seite des Faserelements angeordnet ist. zu der das Licht hingebrochen wird, daß der auf der Vor lage beleuchtete Bereich kleiner als die Lichtaustritisfläche des Faserelements ist.

Durch das erfindungsgemäße Faserelemenl wird eine besonders starke Konzentration des Lichts auf du abzutastende Vorlage erreicht. In umgekehrter Arbeit ν weise wird dadurch ein hohes Auflösungsvermöt· u\ der Abtastung der Vorlagt durcn ri.i. c-ih.ijungsgemäße optische I aserelcment erreicht. Dabei ist bei

4c einer großen LichtausK ule eine hohe Abtastgeschwin digkeit möglich.

I mc vorteilhafte Ausführungsform des ertindungsgcmäßcn optischen Faserelements besteht darin, dai.¹ an seiner Innenseite zur Bildung einer elektrolumincszenten Schicht ein Phosphorüberzug vorgesehen ist. auf dessen Innenfläche eine Metallüberzugselektrotk aufgebracht ist. so daß durch eine Anordnung des optischen \ aserelements direkt an der Stirnfläche iie> Kolbens einer KathndenMrahlrohrc durch Bcstrahluiig mit dem Elektronenstrahl in der eleklrolumineszicrcndcn Schicht Licht erzeugt wird, das durch das optische Fascrelemcnt an die abzutastende Vorlage geführt wird

Das erfindungsgemäße optische laserelement kann vorteilhafterweise bei einer Bildaufnahmeröhre für Fernsehkameras verwendet werden Dabei wird das von einer bestrahlten Vorlage reflektierte I icht über das optische Faserelement auf die photoleitcnde Schicht der Bildaufnahmeröhre übertragen und dort mittels eines Elektronenstrahls abgetastet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischcr Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. la und Ib zeigen einen Scitenaufriß bzw

<>5 eine Stirnansicht einer Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen optischen Fascrelements; . F i g. 2 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung des Lichtverlaufs in einer einzelnen optischen Faser;

F-' i g. 3 zeigt eine graphische !Darstellung zur Krliiuteruug der Beiigungs- bzw. Reflexionswinkel in tier in I·' i g, 2 dargestellten Lichtfaser;

l·' i g. 4 zeigt eine Skizze zur Veninschaulichung der bei dem eriindiingsgemiißcn optischen Faserelement liuftretenden Winkel;

F i g. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungr.gemäßen optischen Faserelements;

F i g. 7 und 8 zeigen Anwendungsformen des erfindungsgemäßen optischen Faserelements.

Das optische Faserelement, das aus einer Zahl von Optischen Fasern aufgebaut ist, kann auf veischiedene Arten ausgestaltet werden, sofern die Absicht, das einfallende Licht wirksam zu nutzen, verwirklicht wird. Ein vorzugsweises Beispiel einer Ausführungsform des Elementes, um dieses angestrebte Ziel zu verwirklichen, isi in den Fig. la und Ib dargestellt. Wie •us der Figur hervorgeht, weist das optische Faserelement 10 an seiner Ausgang..seite zwei aneinandergrenzende Flächen Λ und B auf, die einen Winkel « bzw. ,1 in bezug auf die F.bene aufweisen, die parallel Zu der F.bene der Eingangsseite liegt. Mit 11 ist eine Vorlage bzw. abzulichtende Kopie bezeichnet, auf die das aus dem optischen Faserelement 10 austretend'.· Licht eingestrahlt wird, wobei die Vorlage direkt auf oder in der Nähe der Fläche B des Flementes 10 angeordnet ist. wobei sich seine Teile über die Kanten der Fläche B hinauserstrecken. Der Winkel <· ist so bestimmt, daß der Hauptteil des Lichtes ·η der optischen Faser an den F.nden der optischen Fasern austreten kann, während der Winkel /f entsprechend der gewünschten Richtung des Lichtes gewählt ist, das von der Vorlage reflektiert wird, d. h. in Abhängigkeit da\on. ob das austretende Licht im wesentlichen rechtwinklig zu den Achsen der Fasern oder ob es in irgendeiner anderen Richtung reflektiert wird.

ObgHch die Stirnfläche ß. die der Vorlage 11 gegenüberliegt, in dem vorliegenden Ausführungsbeilpiel eine emflächige Neigung in bezug auf die Fibenc der Fingangsseite aufweist, kann die Stirnfläche denn-Hoch in anderer Weise ausgebildet sein, etwa beispielsweise als gebogene oder konkave Fläche, sofern die Vorlage 11 in ihrer Lage einen Winkel,( in bezug auf di-^% Fläche der Lingangsseite oes Flementes 10 aufweist.

Im folgenden soll an Hand der F i g 2 erläutert Werden, wie der Winkel « gewählt werden sollte. In dieser Darstellung ist aus F'infachheitsgründen lediglich beispielsweise eine optische Faser 12 dargestellt. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist. wird die optisch.¹ 5>Fi.ser 12 aus einem Kern 12« mit einem Brechungsindex η, und einem Hber/ug Mb gebildet, dessen Brechungsindex n₂ ist. der kleiner als /i, ist Das Licht Wird, wenn es in dem Kern I2r; fortschreitet, wiederlioii an der Gren/nVilu- mit dem fbcr/ug \2h total reflektiert. Wei.n man annimml. daß die Faser 12 in einem Winkel η in bezug auf die Ebene senkrecht zu der Achse der Faser 12 endet, so schreitet das Licht, das zuletzt von der Grenzfläche des Kernes unter einem gegebenen Winkel (■) reflektiert worden ist, auf drei verschiedenen Lichtwegen fort: ein erster Anteil I des Lichtes kann aus dem Kern durch dessen End- ' fläche austreten, e»u zweiter Anteil II wird rückwärts von der Endfläche total reflektiert, und ein dritter Anteil III tritt nach einer Totalreflexion an der End* fliehe durch die Wand des Überzuges nach außen hin aus. Es soll noch erwähnt werden, daß noch ein weiterer Lichtanteil besteht, der von der anderen Wand reflektiert wird und an der Endfläche der Fasersphze austreten kann. Wenn man somit annimmt, daß das Licht zuletzt an der Grenzfläche des Kernes an eben dem dargestellten Punkt reflektiert worden ist, bevor es die Endfläche erreicht, und wenn man das von der anderen Wand reflektierte Licht berücksichtigt, so kann man als Lage der Endfläche der Faser 12 entweder den Winkel + « oder den Winkel -1/ annehmen. Wenn man den Winkel +u in Betrachtung zieht, so wird der Bereich des Winkels (·) Tür die obenerwähnten drei Anteile des Lichtes durch die folgenden Ausdrücke gegeben:

_1_Λ für den Anteil I.

H > +) R - (a + sin ' —J,

(■)

sin

für den Anteil II,

H < sin ' ² - 2 « . für den Anteil III.
»1

Ähnliche Ausdrücke können für den Fall erhalten werden, daß der Winkel -« in Betracht gezogen wird.

Wenn der Winkel + <i in einem bestimmten Ausmaß vergrößert wird, so tritt ein vierter Anteil ill' des Lichtes auf, der aus der Faser durch die Wand des Überzuges 12fr !austreten kann. Hier wird der Bereich des Winkels M gegeben durch die Beziehung:

(-) > ti R -In - sin ' ] ·

Damit nunmehr der Hauptteil des austretenden Lichtes auf den Teil der Vorlage gerichtet wird, der sich von der Kante des Elementes 10 aus erstreckt, so muß der Winkel <-) in dem Bereich liegen, der ausgedrückt werden kann durch:

H ^ ti R - u.

Dieser besondere Anteil des austretenden Lichtes wird im folgenden als Anteil F bezeichnet.

Fs ist leicht einzusehen, daß das Licht, das in dem Kern gegen die Faserspil/e hin fortschreitet, wiederholt von der Grenzschicht des Kernes unter dem Winkel iotal reflektiert wird, der ausgedrückt werden kann durch:

<-> > sin

"2

Die vo-'iegeride Frfindung schlägt als vorteilhaft die Verwendung d?s Anteils des Lichtes vor, der in den Bereich fällt, der in Fi g. 3 mit Γ bezeichnet ist, wobei die F i j[. 3 eine graphiscl/e Darstellung der oben angegebenen mathematischen Ausdrücke wiedergibt.

Der Winiw;l ™ wird, was aus der obigen Diskussion hervorgeht, derart bestimmt, daß die· folgenden Anforderungen erfüllt sind: 1. daß der Hauptteil des einfallenden Lichtes wieder aus den einzelnen Fasern erhalten werden kann, 2. daß da« aus den Fasern gegen die Vorlage hin emittierte Licht möglichst wenig diffus ist und daß 3. das von der Votlage reflektierte Licht in eine solche ausgewählte Richtung celeitet

wird, daß das reflektierte Licht nicht wieder in die Fasern zurückgelangen kann.

F i g. 4 zeigt in einer graphischen Darstellung, wie der Winkel β gewählt werden sollte, wobei einfach lediglich der Anteil des Lichtes berücksichtigt worden ist, der in einer Faser in einer Richtung parallel zu der Achse der Faser fortgeschritten ist, da dieser Anteil des Lichtes den Hauptteil des austretenden Lichtes ausmacht.

Da das Ende der Faserspitze unter einem Winkel η gegen die Ebene zugeschnitten ist, die quer zu der Achse der Faser verläuft, wird das aus der Faserspitze austretende Licht an der Endfläche der Faser gebrochen. Der Winkel Λ, unter dem das austretende Licht gebrochen wird, kann angegeben werden durch die Gleichung:

Λ = sin ' (h, · sin«) - «

Wenn andererseits das von der Vorlage 11 reflektierte Licht unter einem Winkel ;■ gegen die Achse der Faser hin gerichtet wird, so kann der Winkel β aus der Gleichung erhalten werden:

ti = ·» R +

Λ -

worin Λ = sin ' (n, · sin«) - α ist.

Es sollen nunmehr vergleichsweise zwei bezeichnende Fälle betrachtet werden, in denen das von der Vorlage reflektierte Licht im wesentlichen rechtwinklig zu der Faserachse gelenkt wird, wobei in einem Fall der Winkel « als Null angenommen wird und er in dem anderen Fall so gewählt wird, daß er in dem Bereich Γ in F i g. 3 liegt.

Wenn diffuses Licht auf das Eingangsende einer optischen Faser einfällt, deren Ausgangsende unter einem Winkel von 0" in bezug auf die Ebene angeordnet ist, die quer zu der Faserachse E verläuft, und wenn die Vorlage in einer Ebene parallel zu der Ebene des Ausgangsendes angeordnet ist, so fällt das aus der Faser austretende Licht im wesentlichen in Form eines Kreises auf die Vorlage, wobei die Größe des Kreises sich mit der sogenannten numerischen Apertur der verwandten Faser ändert. Wenn jedoch die Vorlage in einem bestimmten Winkel in bezug auf die Ebene des Ausgangsendes der Faser angeordnet wird, um das Licht, das von der Vorlage reflektiert wird, in einer bestimmten Richtung abzulenken, so fällt das Licht, das von dem Austrittsende der Faser auf die Vorlage eingestrahlt wird, in Form eines Ovals auf die Vorlage auf.

Wenn im Gegensatz hierzu das Ausgangsende der Faser in einem Winkel η angeordnet ist, der in den Bereich fällt, der in F i g. 3 als Bereich Γ bezeichnet ist, so weist das aus der Faserspitze austretende Licht eine größere Richtwirkung in der Λ-Richtung auf als in dem Falle, in dem η = 0 ist, und wenn das reflektierte Licht in dieselbe Richtung wie in dem Fall gerichtet wird, in dem der Winkel η = 0 ist, so verringert sich der Winkel, den die Vorlage in bezug auf die Achse des auf die Vorlage einfallenden Lichtes einnimmt, entsprechend, d. h., daß das Licht, das auf die Vorlage eingestrahlt wird, sich auf dieser über eine geringere Fläche D ausbreitet als in dem Fall, in dem 0=0 ist.

Daraus geht hervor, daß ein größerer Teil des einfallenden Lichtes zur Abtastung der Vorlage verwandt werden kann, ohne daß das Auflösungsvermögen durch die Verwendung des gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten optischen Faserelementes beein trächtigt wird. Dies beruht zum Teil darauf, daß da auf die Vorlage eingestrahlte Licht sich auf dieser übe eine verringerte Fläche ausbreitet, und zum Tei darauf, daß das aus den Fasern austretende Licht wirk sam auf die Vorlage hin gerichtet wird, indem die Aus gangsenden der einzelnen Fasern unter einem Win kel η angeordnet werden, wodurch das Richtvermö gen des austretenden Lichtes beträchtlich verstärk

ίο wird. In diesem Fall kann das Auflösungsvermöget in einem beträchtlichen Maße erhöht werden, wem eine optische Faser mit einer verhältnismäßig kleinei numerischen Apertur verwandt wird, durch die eint erhöhte Richtwirkung des Lichtes erreicht wird.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eine; gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten op tischen Faserelementes, bei dem die Vorlage so an geordnet ist, daß sie parallel zu den Faserachsen liegt sodaß,< = # K gilt.

F i g. 6 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des optischen Faserelementes, bei dem die Vorlage 11 im rechten Winkel zu den Faserachsen angeordnet ist. so daß ,/ = 0 ist.
Aus diesen abgewandelten Formen des optischen Faserelementes ergeben sich keine praktischen. Anderui.gen, da das optische Faserelement nur so ausgebildet μ 'den muß. daß es eine Neigung an seiner Ausgangsseite aufweist.

Es sind verschiedene Anwendungen der Abtasteinrichtung des optischen Faserelementes denkbar. so wie es in den Fig. 1.5 und 6 dargestellt ist. und ein vorzugsweises Beispiel für eine solche Anwendung im in F i g. 7 dargestellt.

In dieser Figur ist das erfindungsgemäße optische

Faserelement auf einen Röhrenkolben mit einer flache τ Umhüllung 13, einer Elektronenquelle 14 und einer Ablenkspule 15 von üblicher Bauart angewandt. V : ΙΟα ist eine Faserplatte bezeichnet, die aus einem optischen Faserelement besteht, das ein Ausgangsende

aufweist, das einen Winkel relativ zu der Vorlage 11 bildet, und das an der Stirnseite des Röhrenkolbens 13 angebracht ist. Die Faserplatte 10a ist auf der Innenseite mit einem Phosphor überzogen (nicht dargestellt), auf den eine Metallüberzugselektrode 1 nicht

dargestellt) aufgebracht ist. Der von der Elektronenquelle 14 emittierte Elektronenstrahl wird gegen den Phosphorüberzug hin beschleunigt, der socann zur Lumineszenz angeregt wird. Das von dem Phosphorüberzug auf diese Weise ausgestrahlte Licht wild in

die optischen Fasern geleitet, wodurch die Vorlage 11 bestrahlt wird. Die Lage des Phosphorüberzuges, bei der dieser durch den Elektronenstrahl erregt wird, isi in diesem Fall derart gewählt, daß das Licht die Fläche A unmittelbar angrenzend an die

Kante verläßt, an der die beiden aneinandergrenzenden Flächen der Ausgangsseite aneinanderstoßen. Der Elektronenstrahl wird in einer Richtung abgelenkt, und das von den einzelnen Fasern emittierte Licht wird auf die Vorlage 11 gestrahlt, die in Richtung

des Pfeiles bewegt wird. Das Licht wird sodann von der sich bewegenden Vorlage mit einer Intensität·=- verteilung reflektiert, die der Verteilung der Kontraste auf den Bildern entspricht, die auf der Vorlage angeordnet sind. Das so reflektierte Licht wird sodann zu den photoelektrischen Umwandlungselementen geleitet, die mit 16 bezeichnet sind, um das Licht ir elektrische Signale umzuwandeln.

Die optische Faserröhre dieses Typs findet An-

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Wendung als Bildaufzeichenröhre, wenn Bildsignale an die Elektronenquelle angelegt werden. In diesem Beispiel sind zwei verschiedene Lichtwege denkbar, von denen der eine identisch mit dem Ubertragungslichtweg ist und der andere in der Faser auf der Seite des Winkels β von der Kante aus verläuft, an der die h«iden Flächen A und B aneinanderstoßen.

in F i g. 8 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem das optische Faserelement für eine in eine Richtung ablastende Bildaufnahmeröhre für Fernsehkameras verfvandt ist, bei der die Faserplatte 10ft, die das erfindungsgemäße optische Faserelement aufweist, an dem Kopf der Aufnahmeröhre angebracht ist. Auf ller inneren Stirnseite der Faserplatte 10 b ist eine durchsichtige Elektrode 17 befestigt, die ihrerseits auf ihrer Innenseite eine photoleitende Schicht 18 aufweist. Mit 19 ist eine Lichtquelle zur Bestrahlung der Vorlage 11 bezeichnet. Das von der Vorlage 11 reflektierte Licht wird in die einzelnen Fasern der Faserplatte 10 b in einer entgegengesetzten Richtung zu der Richtung im Falle der in F i g. 7 gezeigten Aufzeichnungsröhre eingeführt. Das Licht, das durch die Fasern und die durchsichtige Elektrode 17 geleitet worden ist, trifft auf die photoleitende Schicht 18, so daß deren Widerstand geändert wird. Indem die photoleitende Schicht 18 durch den Elektronenstrahl abgetastet wird, der von der Elektronenquelle 14 aus emittiert wird, können Bildsignale erhalten und durch den Kondensator C übertragen werden.

Die so aufgebaute Bildaufnahmeröhre arbeitet in

ίο ähnlicher Weise wie eine Vidiconröhre, und es ist leicht einzusehen, daß die hierin verwandte Faserplatte gleichfalls auf einen Bildzerleger oder eine Orthikonbildröhre oder sogar auf das Impulsabtastverfahren anwendbar ist, bei dem Mikrophotoleiter-

IS elemente in einer Reihe angeordnet sind. Obgleich die in F i g. 8 dargestellte Röhre ein lineares optisches Faserelement verwendet, das mit einer in einer Richtung abtastenden Kathodenstrahlröhre kombiniert ist, kann auch ein linear-kreisförmig umwandelndes Element kombiniert mit einer kreisförmig abtastenden Kathodenstrahlröhre praktische Anwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optisches Faserelement zur punktweisen oder flächenmäßigen Beleuchtung des A.btastbereiches einer ebenen zeilenweise abzutastenden Vorlage in einem Faksimilesyslem, wobei ein gerichteter Lichtstrahl aus einer gegenüber der Faserachse schräg geschliffenen Lichtaustrittsfläche des Faserelements austritt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Lichtintensität des abzutastenden Bereichs (D) das durch den Querschnitt des Faserelements (10) zugeführte Licht auf eine gegenüber diesem Querschnitt verminderte Fläche (D) konzentriert wird, indem die Lichtaustrittsfläche (A) gegenüber der Faserachse (£) abgeschrägt ist und die Vorlage (11) unter einem solchen V/inkel gegenüber der Lichtaustriüsfiäche (A) unmittelbar an der Seite des Faserelements (10) angeordnet ssi, zu der das Licht hingebrochen wird, dall der auf der Vorlage (11) beleuchtete Bereich (Z)) kleiner als die Lichtaustrittsfläche (A) des Faserelements (10) ist.

2. Optisches Faserelemenl nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß an seiner Innenseite zur Bildung einer clektrolumineszenten Schicht ein Phosphorüberzug vorgesehen ist. auf dessen Innenfläche eine Metallüberzugselektrode aufgebracht ist. so daß durch eine Anordnung des optischen Faserele. wnts (10) direkt an der Stirnfläche des Kolbens einer Kathodenstrahlröhre (13) durch Bestrahlung mil dem Elektronenstrahl in der elektrolumineszierenden Schicht Li ht erzeugt wird, das durcl. das optische Faserelement (10) an die abzutastende Vorlage (11) geführt wird.

3. Optisches Faserelement nach Anspruch 1 und 2. gekennzeichnet durch seine Anwendung bei einer Bildaufnahmeröhre für Fernsehkameras (F i g. X), wobei das von einer bestrahlten Vorlage (11) reflektierte Licht über das optische I aserelement (10ft) auf die photoleitende Schicht 118) der Bildaufnahmeröhre (13) übertragen und dort mittels eines Llektronenslrahls abgetastet wird.