DE1942601A1

DE1942601A1 - Optische Bilduebertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE1942601A1
Application number: DE19691942601
Authority: DE
Inventors: Hyogo Kitano Ichiro; Koji Ikeda; Ken Koizumi; Hiroyoshi Matsumura; Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-08-22
Filing date: 1969-08-21
Publication date: 1970-03-26
Also published as: FR2016213A1; DE1942601C3; NL166338C; NL6912749A; DE1942601B2; GB1275094A; NL166338B; US3658407A

Description

Anmelderin: Nippon Selfoc Kabushiki Kaisha (also know as Nippon Selfoc Co., Ltd.)
7-15, 5-Chome, Shiba, Minato-Ku, Tokyo-To, Japan

Optische Bildübertragungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Bildübertragungseinrichtung, !insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Bildübertragung splatte und ein Mehrfachokular mit hohem Auflösungsvermögen und einfachem Aufbau.

Eine Bildübertragungsplatte aus einer Anzahl optischer Fasern ist bereits bekannt, die jeweils aus einem Lichtleiterkern mit hohem Brechungsindex und einer Mantelschicht aus einem Lichtleiterstoff mit geringerem Brechungsindex bestehen. Wenn man eine solche Bildübertragungsplatte als Bildschirmplatte einer Kathodenstrahlröhre verwendet, kann das von einem Fluoreszenzschirm ausgehende Licht unmittelbar aufgezeichnet werden, !innerhalb der genannten Bildübertragungsplatte übertragen jedoch idie einzelnen optischen Fasern jeweils eine Lichtmenge als ■Bild eines Lichtflecks, so daß das Auflösungsvermögen der BiId- ;übertragungsplatte durch den Durchmesser der optischen Fasern jbestimmt ist. Wenn auch das Auflösungsvermögen.durch Verringeruni [des Faserdurchmessers bis zu einem gewissen Grad verbessert !werden kann, ist eine Grenze für den erzielbaren Durchmesser {der optischen Fasern und damit für das Auflösungsvermögen vorjhanden, weil die Herstellung optischer Fasern mit einem Durchjmesser kleiner als 10 yu große Schwierigkeiten bereitet. Außerdem j ist die Herste/llung der Bildübertragungsplatte aus optischen 'Fasern sehr umständlich und mit kleinerem Faserdurchmesser

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'wenig wirtschaftlich. i

Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtungen mit optischen i.Faserbündeln liegt darin, daß für die Bildbeobachtung Objektive mit starker Vergrößerung benötigt werden und daß zahlreiche !Zusatzeinrichtungen zum Fotografieren der Bilder erforderlich

Wenn eine Linsenplatte als Mehrfachokular ausgebildet ist, indem mehrere optische Linsen gebündelt werden, kann ein damit fotografierter Gegenstand als dreidimensionales Bild reproduziert werden. Wenn das reelle Bild eines Gegenstandes auf einer fotografischen Trockenplatte gebildet wird, entspricht das Bild auf der Trockenplatte dem Bild, das man durch Betrachtung des Gegenstandes in verschiedenen Richtungen erhält. Wenn folglich die gegenseitige Lage zwischen Trockenplatte und Linsenplatte genauso wie im Zeitpunkt der Fotoaufnahme eingestellt und ein Parallellichtbündel von der Rückseite der Trockenplatte eingestrahlt wird, durchläuft dieses Lichtbündel in umgekehrter Richtung den gleichen Lichtweg, wie das bei der Fotoaufnahme von dem Gegenstand ausgehende Lichtbündel, so daß ein räumliches reelles Bild entsteht. Dasselbe kann als dreidimensionales Bild wahrgenommen werden, indem man die Linsenplatte aus einer Stellung entgegen dem Wiedergabelichtbündel betrachtet.

iZur Herstellung eines Mehrfachokulars für die Fotografie und Projektion dreidimensionaler Bilder in der beschriebenen Art benötigt man eine Vielzahl von Mikrolinsen, die in einer Ebene langeordnet werden. Die Herstellung solcher Mikrolinsen aus Idurchsichtigen Stoffen ist sehr schwierig. Deshalb benötigt man j viel Zeit und mühsame Arbeit zum Schleifen der Oberfläche des durchsichtigen Stoffes, damit man mehrere sphärische Flächen mit jeweils vorgegebener Krümmung erhält. Das Schleifen der ίFläche einer Mikrolinse mit sehr kleinem Durchmesser erfordert !eine große Erfahrung. Infolgedessen besteht eine Grenze für jdie Herstellung von Hand. Es ist schwierig, Mikrolinsen mit !kleiner Aberration.und kleinem Krümmungsradius der optischen Flächen zu erhalten. Infolgedessen bereitet die Serienfertigung . und der Preis bei der Herstellung von Mehrfachokularen große Schwierigkeiten. :

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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer optischen
:Bildübertragungseinrichtung mit hohem Auflösungsvermögen und
:einfachem Aufbau.

jDiese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß eine
!Mehrzahl optischer Fasern, jeweils mit einer Querschnittsver-

teilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung

η = M (1 — ar ) mit N als Brechungsindex im Zentrum, η als j

Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer j

positiven Konstanten, gebündelt sind und daß die Fasern in j

beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander ;

haben, womit licht von einem Gegenstand an einem Ende des ,

Faserbündels ein Bild an dem anderen Bündelende ergibt,. j

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die !

optischen Fasern in einer Endfläche des Faserfaündels dicht I jbeieinanderliegen und in der anderen Endfläche jeweils in einem ; !gleichen Abstand voneinander gehalten sind» |

i ι

'Schließlich sieht die Erfindung vor, daß zur Bildung eines "Mehr-I ifachokülars mehrere optische faserartige ünsene! entente parallel!

Zueinander und jeweils an beiden Seiten mit den Stirnflächen

in einer Ebene angeordnet sind,

Die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung besitzt ein
j hohes Auflösungsvermögen, eine starke Vergrößerung und erfordert

ι ■ - ■

!nur geringe Herstellungskosten. I

'Bekannt ist bereits eine Gaslinse, die eine Verteilung des !

Brechungsindex der-oben beschriebenen Art "hat, ¹¹QyD "Butsuri i

^!(Applied Physics)" Bd. 36, No. 3, S. 1Β0-Ί8?. Die dort be- '■,

; sehriebene Gaslinse hat eine Wirkung entsprechend .einer i

'Konvexlinse. Durchsichtige Stoffe oder Optische Fasern mit . \! ¹ der oben angegebenen Verteilung des Brechungsindex haben eben-

:falls eine Linsenwirkung. !

!Die optischen Fasern der Bildübertragungseinrichtung nach der
Erfindung können aus Glas oder Kunstharz bestehen, insbesonder« ' ■bei Glas läßt sieh eine gewünschte Verteilung des ■Brechungsindex'. leicht durch allmähliche Änderung desselben im Innern des Glaseseinstellen, indem man die Kationenkonzentratian der Aufbau^ ,^r

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ORIGINAL INtPfCTCD

loxyde des Glases einstellt und die Konzentrationen von mindesten^ izwei Arten von Kationen der Abwandlungsoxyde des Glases ändert. ,Bei einem Kunstharz läßt sich die gewünschte Verteilung des i ^Brechungsindex durch Beschichtung des Kerns mit mehreren Harzschichten von unterschiedlichem Brechungsindex und durch wechselweise Diffusion bei hoher Temperatur und anschließende Wäraeibehandlung einstellen, womit man eine gewünschte Änderung der JBrechungsindices erhält. Die optischen Fasern nach der Erfindung {haben auch dann eine Linsenwirkung, wenn der Brechungsindex nur !näherungsweise und nicht genau die oben genannte Beziehung er- > jfüllt. Auch wenn Terme r und r vorhanden sind, wird die Linsen-* !wirkung nicht beeinträchtigt, wenn die genannten Terme klein sind;. i

!Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläurtert, welche darstellen:

Fig. 1 bis 6 schematische Ansichten zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung,

Fig. 7 einen Querschnitt für eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 7

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 ein Schaubild der Beziehung zwischen Gegenstand und Bild bei der Ausführungsform nach Fig. 9,

Fig. 11 und 12 jeweils schematische Ansichten weiterer

Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 13 und 14 die Verteilung der optischen Fasern in der

Lichteintrittsfläche und Lichtaustritts- i fläche des optischen Faserbündels bei den | Ausführungsformen nach den Fig. 11 und 12,

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 16 (A),(B) jeweils schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines Mehrfachokulars zur Fotografie und Projektion eines Gegenstandes,

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht einer weiteren . . Ausführungsform eines Mehrfachokulars nach :

der Erfindung. '

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±9.42Μ1._.._

jDie Beziehung zwischen einem Gegenstand und seinem Bild ist ! j in Figur 1 für eine optische Faser nach der Erfindung aufge- | 'tragen, vro ein durchsichtiger Körper 1 einen Radius R,eine Länge! t und eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung

n=N (1 - ar²) hat mit ar²« 1.

! Die Brennweite f dieser durchsichtigen Faserlinse 1 erhält man j durch Berechnung eines Mediums mit der oben angegebenen Ver- j teilung des Brechungsindex gemäß "Bell System Technical Journal" H.Kogelnik S. 455 bis 494, März 1965, insbesondere S. 465 bis
467. Danach ergibt^sich die Brennweite f nach der folgenden
(Gleichung mit (2a) = C:

f = (NC sin Ct)"¹ (1)

In diesem Fall wird die Brennweite f durch den Abstand von einem ersten Hauptpunkt im Gegenstandsraum angegeben oder einen Abstand von einem zweiten Hauptpunkt im Bildraum. Der Abstand h
einer Hauptebene H gegenüber der betreffenden Stirnfläche der

iLinse ergibt sich zu:

j _Λ

ι h = (NC)"'tan 1/2 Ct (2)

!in der Zeichnung sind jeweils die Brennpunkte·F^ und F₂ im

jGegenstandsraum und im Bildraum sowie die gegenstandsseitige
!und die bildseitige Hauptebene H^ und H₉. angegeben.

!Wenn ein Gegenstand P an einem Ort innerhalb des Gegenstands-Traumes in einem Abstand k von der Hauptebene H₁ aufgestellt
[wird und folglich ein Bild Q an einem Ort im Bildraum

j in einem Abstand L von der Hauptebene H_P entsteht, gilt die I

ϊ '

!Gleichung: . ι

•zwischen dem Gegenstandsabstand k und dem Bildabstand L, J .wenn man einen achsennahen Lichtstrahl betrachtet, entsprechend I i j

jdem üblichen Linsengesetz. In diesem Fall breitet sich ein ; [Lichtstrahl im Innern der Linse wellenförmig bezüglich der

^;Mittelachse auf einer Sinuslinie aus, deren Wellenlänge S = 2<7£(Τ·

beträgt. 009813/T U6 !

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iEine Bedingung für eine gleiche Größe des Gegenstandes und !seines Bildes ist JkJ = JLJ.Wenn ein als positive Größe gemessener Abstand von einer Stirnfläche der Linse im Gegenstands-,raum k*, ein als positive Größe gemessener Abstand gegenüber

I /in

{der Stirnfläche der Linse im Bildraum L^ beträgt und ,eine posi-Itive ganze Zahl ist, gilt die folgende Beziehung:

2f - h (2m - 2) It s et ^ (2m - I)It \

-h (2m - 1) 1t C et ^ 2m £

\ joder

et = mf (5)

Eine grafische Darstellung der Gleichung (4) findet sich in Figur 2, wo auf der Abszisse die Linsenlänge und auf der Ordinate der Gegenstandsabstand gegenüber einer Stirnfläche der Linse aufgetragen ist. Die gestrichelte Linie der Abbildung gilt für ein umgekehrtes reelles Bild und die ausgezogene Linie für ein aufrechtes reelles Bild. Ein Beispiel für die Erzeugung eines [ umgekehrten reellen Bildes gleicher Größe wie der Gegenstand ist j in Figur 3 angegeben, wogegen Figur 4 ein aufrechtes reelles |' Bild der Vergrößerung 1 angibt. Wenn die Bildübertragungsein- | !richtung nach der Erfindung ein Bild eines Gegenstandes überträgt!, hiüssen die optischen Faserlinsen der Einrichtung ein aufrechtes [reelles Bild oder ein^ufrechtes virtuelles Bild abDxlden, so daß jdie Linsenlänge t die folgende Beziehung erfüllen muß: !

(2m - 1) € c"¹<t

2m

zunehmendem Abstand zwischen Linse und Gegenstand tritt zunehmend eine Überlappung der Bilder von den Einzellinsen der jBildübertragungseinrichtung ein, wodurch sich die Bildqualität !insgesamt verschlechtert. Diese Erscheinung kann" dadurch ausgeischaltet werden, daß dieser Abstand auf einem Wert kleiner als mehrere Linsendurchmesser gehalten wird oder daß die Linsenlänge it innerhalb eines Bereichs bleibt:

! (2m - |Κ C"¹ ^ t ^

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mit m als einer positiven ganzen Zahl. Die durch die obige Beziehung angegebenen Bereiche für die Linsenlänge entsprechen '■ in Figur 2 einem Bereich zwischen 2^ und 4 oder zwischen \ 5·^ und 8 der Abszissenskala. !

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BAD OWGiNAL.

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Gleichung (5) läßt erkennen, daß unabhängig Von der Gegens brine G-steilung ein aufrechtos oder umgekehrten Bild erzeugt wird, λόγ die Linsenl^:-^:n;-e gleich einem ganzzahligen Vielfachen der haJhor. ' Lichtv/egwellenl^:'ng-e G ist, nämlich ein aufrochben MId für ei c T insenlänre 2Hi^C und ein umgekehrtes 3ild für eine Linoeiirinf;e (2m - I)^C"¹, Die Fig. 5 (A) und 5 (B) geben die Beziehung zwischen einen Gegenstand und seinem Bild für eine Linsenlänge 27Ό" an. In der Fig. 5 (A) erscheint ein aufrechtes reelles Bild Q mit der Vergrößerung 1 in der z\ustrittsflliehe der Linse, wenn sich ein Gegenstand P in unmittelbarer Berührung rait der Eintrittsfläche der Linse befindet, «enn der Gegenstand P in einem Abstand vor der Eintrittsfläche liegt, erscheint ein aufrechtes virtuelles Bild Q der Vergrößerung 1 an einem Ort in einem Abstand gleich dem genannten G'egenstandsabstand von der Austrittsfläche innerhalb der linse Fig. 5 (B).

Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung ist angenommen, daß der Aufenrauns der Linse einen Brechungsindex 1 hat. Wenn der Brechungsindex im Gegenstandflraum n^ und im Bildraum ng beträgt, erhält man die Bedingung für eine gleiche Gegenstands·» und Bildgröße näherungsweiae, indem man k£ in Gleichung (4) durch k^Vn^ und L^" durch L^Vn₂ ersetzt und Gleichung (5) unverändert läßt·

Für die Bildübertragungeeinrichtung nach der Erfindung eind eine Anzahl optischer Fasern mit der genannten Verteilung des Brechungsindex so aufgestellt, daß beide Stirnflächen einer Jeden Faser genau die gleiche gegenseitige Lage habe. Also die Ausrichtung in Längs- und Querrichtung der Fasern ist an beiden Endflächen gleich.

!«ach der Erfindung überträgt, jede Faser einen Bildausschnitt, die Bildiibertragungseinrichtunc insgesamt überträgt ein vollständiges Bild. ■ ' '

Im.iuihaen der Erfindung kann eine Verschlechterung des Auflösevermcgens und eine Verringerung der Kontrastschärfe auftreten, wenn die sich innerhalb der optischen Fasern ausbreitenden -Liehfcstrahlen an den F&seroberflächen reflektiert werden oder wenn

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OWGlNAl.

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Lichtstrahlen durch diese Oberflächen dringen und in den Juiirenraum der Fasern entweichen. Dieser Nachteil läiBt sich dadurch vermeiden, daß man die optischen Fasern in einen Stoff einbettet oder-mit einem solchen umhüllt, dessen Brechungsindex größer als der Oberflächenbrechungsindex der Fasern ist und der Licht absorbiert.

Die optischen Fasern der Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung haben normalerweise einen kreisförmigen Querschnitt. Die Spalte zwischen benachbarten Fasern tragen nicht zur Bildübertragung bei.-Damit das Licht einer Lichtquelle, die solchen Spalten gegenübersteht, auch zur Bildwirkung beitragen "kann, muß folglich der Abstand zwischen einer Stirnseite der optischen Fasern und der Lichtquelle sowie der Abstand zwischen der gegenüberliegenden Stirnseite der optischen Fasern und dem Bild oberhalb eines Grenzwertes liegen. '«Venn die Länge der optischen Fasern den «ert ^CC überschreitet, erhält man diesen Grenzwert folgendermaßen. Zunächst läßt sich eine Bedingung erhalten, daß Licht hus einer Lichtquelle in einem Punkt entsprechend Y in größter Entfernung zu den optischen Fasern innerhalb eines Spaltes gelangt, der durch die optischen Fasern des Bündels nach Fig. 6 gebildet wird. Wenn der Lichtstrahl innerhalb eines Winkels θ an einer Stirnfläche der optischen Fasern liegt, kann Licht aus einer "ziemlich weit entfernten Stellung gegenüber einer Stirnfläche der optischen Fasern in dis Innere derselben gelangen (Θ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: tan θ = Ν·Η· /2a) auch wenn der Lichtstrahl innerhalb der gestrichelten Linie M in Fig. 6 liegt, kann Licht aus einer Stellung in ziemlicher Nähe einer Stirnfläche der optischen Fasern 1 ins Innere derselben gelangen. Damit äLso Licht aus einer Lichtouellenebene entsprechend einem Punkt Y ins Innere der optischen Fasern gelangt und in einen Bildpunkt abgebildet wird, muß die Stellung der Lichbquellenebene ziemlich weit entfernt von dem Kreuzungspunkt zv/isfljhen der· gestrichelten Linie L und der strichpunktierten linie ΐ sein, die vom Punkt Y senkrecht auf eine Stirnfläche gerichtet ist. Die Lichtquellenebene muß also in einem größeren Abstand als I^ liegen, der näherungsweise durch

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- 10 die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

I₁ , (Η.ΗΓ¹ (2O-^1/2 (D²E²)¹/²

bezogen auf eine Stirnfläche der optischen Fasern.

,Venn die optischen Fasern nach Fig. 6 in einer dichten Packung liegen, erhält man für den Wert I₁ » f5/3N |l2a. Dieser Wert ist unter der Annahme einer Luftschicht zwischen der Lichtquellenebene und einer Stirnfläche der optischen Fasern berechnet, doch weil normalerweise eine Platte ais Glas oder einem anderen festen durchsichtigen Stoff eingesetzt ist, ist die Dicke der obengenannten Platte immer größer als I₁O Die genannten Spalte können jedoch durch entsprechende Querschnittswahl der einzelnen Fasern entsprechend einem regelmäßigen Sechseck oder einem anderen Vieleck beträchtlich verkleinert werden. In diesem Fall können eine Lichtquellenebene und eine Bildebene im wesentlichen mit der jeweiligen Stirnfläche der optischen Fasern Berührung haben.

Die optischen Fasern für die Bildübertragungseinrichtung sind biegsam und ermöglichen eine Bildübertragung auch in gebogenem Zustand, so daß außer den beiden Endabschnitten der optischen Fasern andere Teile nicht festgelegt werden brauchen, solange nur die Endabschnitte miteinander befestigt sind. Die Lage eines Bildes kann lediglich durch Verschiebung einer Stirnfläche der optischen Fasern eingestellt werden, weil die Bildübertragungseinrichtung nachgiebig ist.

Die optischen Fasern für die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können einen erheblichen Durchmesser haben, bspw. 50 μ bis 1 000 ii, ohne daß das hohe Auflösungsvermögen abnimmt. Folglich ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung einer Bild-* übertragungseinrichtung mit gleichem oder noch höherem Auflösungsvermögen, als mit bekannten Bildübertragungsplatten erreichbar ist, obgleich die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung Fasern mit größerem Durchmesser als bekannte Bildübertragungsplatten verwendet. Auch bei der Herateilung einer · Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können optische

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Fasern mit großem Durchmesser benutzt werden, so daß die Anordnung und Halterung der optischen Fasern leicht und sicher möglich ist, was die Herstellungskosten der Bildübertracungseinrichtung herabsetzt. Insbesondere wenn eine vakuumdichte Bildübertragungneinrichtung erforderlich ist_t kann die von den Faseroberflächen innerhalb der Bildübertragungsplatte eingenommene Fläche herabgesetzt werden, weil optische Fasern mit ziemlich großem Durchmesser im Rahmen der Erfindung verwendet werden können. Deshalb können die Fasern leicht vakuumdicht eingelassen werden.

;Die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung kann als 'Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre.als Trennwand und ^Schirmbildplatte einer Mehrstufenbildröhre, ds Schirmbildplatte einer Bildwiedergaberöhre, als Schirmbildplatte eines Bildverstärkers oder einer fotografiBchen Aufzeichnungseinrichtung zur !Aufzeichnung von elektronischen Bildern benutzt werden. ι

Im Rahmen der Erfindung ist unter Faser ein Element mit vergleich iweise kleinem Querschnitt von weniger als einigen Millimetern Durchmesser zu verstehen, bspw. mit Kreisquerschnitt. Eine solch« ■Faser braucht nicht eine größere Länge als die Abmessung des Querschnitts zu haben. Unter einer Faser ist euch ein Stab, ein ^Bolzen oder eine Scheibe zu verstehen, jeweils mit kreisförmigem ν oder vieleckigein Querschnitt. Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert,

• ' Beispiel 1 ·*"

*GlasfaSern mit einem Durchmesser von 0.8 mm und einer Zusammen-Setzung von 20 Gewichts-% TIgO,12 Gewichts-% Na₂O, 20 Gewichts-% •PbO und 48 Gewichts-% SiO₂ werden in ein Kaliumnitratbad hoher Temperatur getaucht, damit man Glasfasern mit einem zentralen "Brechungsindex N = 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von ^!1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex η = Κ ( 1 - ar ) *aiit a β 11,7 cm~^ erhalt. Eine Anzahl solcher Glasfasern wird dann unter Zwischenlage eines gefärbten Glases mit niedrigem Schmelzpunkt genau ausgerichtet, worauf eine Einschmelzung und

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I _ι I I₁ U IJI ^

eine Formung zu einer Platte erfolgt. Darauf werden beide Plattendeckflächen, nämlich die Stirnfläche der optischen Pasern, geschliffen. Glasplatten einer Dicke von 2,2 mm und einem Brechung^ index von 1,70 werden auf beide Stirnflächen der geschliffenen optischen Faserplatte aufgesetzt, so daß man eine Bildübertragungsplatte erhält. Die Länge einer Jedem optischen Faser beträgt 9»72 mm, was nach den Berechnungen die kürzeste mögliche Länge ist, die für aufrechte Bilder einer Vergrößerung 1 möglich ist. Gemäß Fig. 7 wird diese Bildübertragungsplatte 8 als Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre 9 benutzt. Die optischen Fasern des Bündels 10 sind über ihre ganze Länge fest miteinander verbunden und an beiden Stirnenden durch Glasplatten 11 und · 12 abgedeckt. Auf die Innenfläch· der Lichtübertragungsplatte ist ein Fluoreszenzstoff 15 aufgetragen, d*er eine Lichtquellenfläche darstellt. Ein lichtempfindliches Papier 14-befindet sich in enger-Anlage an der Außenfläche der Lichtübertragungsplatte· Nach Fig. 8, die einen Ausschnitt der Fig. 7 in vergrößertem Maßstab zeigt, gelangt das Licht aus der Oberfläche des Fluoreszenzstoffes 13 durch das Innere der optischen Fasern 15 entsprechend der Lichtverteilung in dem Fluoreszenzschirm» Auf dem lichtempfindlichen Papier entsteht ein aufrechtes reelles Bild K der Vergrößerung 1 . Das Licht ais Bereichen des Fluoreezenzschirmes entsprechend dem gefärbten Glasfüllstoff 17 tritt durch die benachbarten optischen Fasern abgesehen von einem Teil, der in den gefärbten Glasstoff eintritt und dort absorbiert wird. Infolgedessen erhält man ein Bild, das genau dem Lichtmuster auf dem Fluoreszenzschirm entspricht, auf dem lichtempfindlichen Papier. Licht von zwei Punkten des Fluoreszenzschirmes in einem gegenseitigen Abstand von 0,02mm ergibt zwei getrennte Bildpunkte quf dem lichtempfindlichen Papier.

Beispiel 2

Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Zusammensetzung nach Beispiel 1 werden in ein Kaliumnitratbad hoher Temperatur getaucht, damit man Glasfasern mit einem zentralen Brechungsindex K = 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von

1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex η = N (1 - ar )

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mit a = 1,88 χ 10² cm""² erhält. Eine Anzahl solcher Glasfasern wird dann unter Zwischenlage eines gefärbten Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt sorgfältig ausgerichtet, darauf erfolgt eine gegenseitige Schmelzbindung und die Formung einer Platte. Beide Oberflächen der Glasfaserplatte werden geschliffen, damit man eine Bildübertragungsplatte einer Dicke von 3,24 mm erhält. Diese wird als Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre benutzt. Ein Fluoreszenzstoff wird auf die Innenfläche der Bildübertragungsplatte aufgetragen, während ein lichtempfindliches Papier in inniger Berührung auf die Außenfläche aufgesetzt wird. Auf dem lichtempfindlichen Papier wird ein Bild des Fluoreszenzschirmes genau abgebildet. Lichtstrahlen von zwei Punkten des Fluoreszenzschirmes in einem gegenseitigen Abstand von 0,03 nun ergeben deutlich getrennte Bildpunkte auf dem lichtempfindlichen Papier.

Beispiel 3

Einige Zehn Glasfasern der Zusammensetzung und Abmessung nach Beispiel 2 werden mit beiden Endabschnitten in genau gleicher gegenseitiger Lage sorgfältig ausgerichtet; die jeweiligen Endabschnitte werden mit Hilfe eines Bindemittels festgelegt. Die Fasern werden in der dadurch festgelegten Länge abgeschnitten. Das erhaltene Faserbündel dient als Lichtübertragungsteil für die Bildübertragung in einem optischen Instrument für mikroskopische Beobachtung nach Fig. 9. Mit dem beschriebenen Faserbündel 20 wirkt eine Okularlinse 21 zusammen. Eine Glasplatte dient zum Schutz, ein Lichtleiter 23 für die Beleuchtung des Gesichtsfeldes und eine Scheide 24 als Mantel. Ein Gegenstand ii einem Abstand vor der Eintrittsfläche des Geräts kann scharf beobachtet werden. Die Beziehung zwischen Gegenstand und Bild ist in Fig. 10 für einzelne Fasern 25 erläutert. Ein gegenüber dem Gegenstand P unvergrößertes, aufrechts, reelles Bild erscheint außerhalb des Austrittsendes des Faserbündels in einem Abstand gleich dem Abstand χ zwischen dem Eintrittsende des Faserbündels und dem Gegenstand. Dieses reelle Bild Q wird mit Hilfe der Okularlinse 21 als virtuelles Bild Q* beobachtet. Das

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optische Instrument arbeitet bei Biegungen des Faserbündels mit einem Krümmungsradius von etwa 5 cm. Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen lassen sich durch Verstellung der Okularlins und eines zusätzlichen. Objektivs am Eintrittsende des Faserbündels scharf einstellen.

Die Querschnittsverteilung des Brechungsindex und Faserdurchmessers braucht in. Faserlängsrichtung nicht gleich zu sein.

7/enn die Verteilung des Brechungsindex die Beziehung η = H (1-ar in einer optischen Faser einhält, hat dieselbe eine Linsenwirkung Unter der Annahme eines GegenstandsabStandes L^ gegenüber der optischen Faser und einer Faserlänge t erhält man den Bildabstand L₀:

Cos ( /2a t) + — Sin ( /2a t)

T IiL₁ /2a

L₂ = . 1 (6)

N /2a" Sin ( -/ää t) - —- Cos ( -f2a" t)

^1

Nach dieser Beziehung erhält man ein reelles Bild, wenn Lp positiv ist, ein virtuelles Bild, wenn Lp negativ ist. Die Vergrößerung M ergibt sich zu:

M = Cos ( /2ä t) - N/2a .Sin ( /2a t) χ L₂ (7)

tfan erhält ein aufrechtes Bild für einen positiven wert M und in umgekehrtes Bild für einen negativen Wert M.

Eine weitere Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung mit inem optischen Faserbündel, die an einem Stirnende dicht feoiinander liegen und am anderen Stirnende jeweils unter Einhaltung der gegenseitigen relativen Lage gleiche Abstände voneinander haben, ist in Fig. 11 dargestellt. Ein Faserbündel 26 nach der Erfindung besteht aus optischen Fasern 27 mit der be— : reits genannten Verteilung des Brechungsindex und damit mit Bildübertragungseigenschaften· Die optischen Fasern 27 des. Faser-* bündeis sind auf der Lichteintrittsseite gemäß Fig. 13 ,dicht

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beieinander angeordnet und so festgelegt, jedoch auf der Lichtaustrittsseite gemäß Fig. 14 in gleichem gegenseitigem Abstand angeordnet. Die gegenseitige Lage der Fasern 27 ist in beiden Stirnflächen gleich.

Wenn die optischen Fasern 27 eine Länge t haben, der Abstand eines Gegenstandes 28 von dem optischen Faserbündel 26 L^ und der .übstand zwischen dem Faserbündel 26 und einem Bildschirm 29 L₂ beträgt sowie die Vergrößerung der Fasern den Wert M hat, kann man ein vergrößertes reelles Bild 30 auf dem Bildschirm 29 erhalten, indem man die Länge t und den Abstand L^ einstellt, '.«enri der Abstand g zwischen benachbarten Fasern in der Lichtaustrittsfläche (Fig. 14) zu g = Md eingestellt wird mit d als Durchmesser einer Faser 27, ergeben sich keine Verzerrungen cbs Bildes durch die einzelnen Fasern, wenn das Bild übertragen wird. Das Bild 50 des Gegenstandes 28 erscheint scharf suf dem Bildschirm 29j so dal: man scharfe Bilder erhält. Der Abstand L^ zwischen Faserbündel 26 und Bildschirm 27 sowie die Vergrö M genäfen in dienern Fall den obiger. Gleichungen (G) und ('⁷).

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 12 erzeugt mittels einer linse 31 vor dem Eintrittsende des optischen Faserbür.dels ein Bild 32 eines Gegenstandes 28 in der Eintrittsfläche des Faserbündels 26. Das Faserbündel 26 ist in der bejreits beschriebenen Weise aus optischen Fasern 27 aufrebaut. Dieselben sind ebenso angeordnet und festgelegt, wie dies anil hand der Fig. 11 erläutert ist. Die einzelnen Ausschnitte des ,Bildes 32 werden durch die jeweiliger, ortischen Fasern 21 über- \tragen, so daß man ein vergrößertes Bild 30 entsprechend der. ^BiId 52 auf einem Bildschirm 29 erhält. Wenn der Abstand g • zwischen benachbarten Fasern in der Lichtaustrittsfläche des Fa : serbündels 26 g = d/cos ( "J/2a t) beträgt mit t als Länge der ^optischen Fasern 27 und d als Durchmesser derselben, erhält man "•ein scharfes Bild 30 mit M-facher Vergrößerung M = 1/cos Y2a t 'bezogen auf die Größe des Bildes 32 und zwar auf dem Bildschirm 29 in einem Abstand -tan ( i[~2ä t)/n_Q */2a von dem optischen Fa- ;serbündel 26. Im Rahmen dieser Ausführungsform der Erfindung

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kann eine Linse zwischen dem optischen Faserbündel 26 und dem Bildschirm 29 angeordnet sein, die vorstehend nicht erwähnt wurde.

Das optische Faserbündel nach der Erfindung ist so aufgebaut, daii eine Wehrzahl optischer Fasern mit der angegebenen Verteilung des Brechungsindex und mit Bildübertragungseigenschaften jeweils in einem Endbereich dicht gepackt angeordnet und in dem jeweils anderen Endbereich unter Einhaltung der gegenseitigen lage wie in dem erstgenannten Endbereich mit einem gleichen gegenseitigen Abstand verteilt sind, so daß man Bilder mit höherem Auflösungsvermögen leicht anhalten kann. Ein solches optisches Faserbündel läßt sich leicht und mit geringen Kosten herstellen, weil man Fasern mit vergleichsweise großem Durchmesser verwenden kann. Man erhält in einem Abstand von der Licht austrittsflache des Faserbündels ein scharfes vergrößertes Bild, das mühelos beobachtet und festgehalten werden kann.

Das optische Faserbündel nach der Erfindung kann auch aus optischen Fasern hergestellt sein, deren Durchmesser von einer Enifl^:iche zur gegenüberliegenden Endfläche allmählich ansteigt. In diesem Fall ist die gegenseitige Verteilung der Fasern in der jeweils anderen Endfläche gleich wie in der einen Endfläche. Die Fasern können mit gleichem gegenseitigem Abstand in einer Endfläche und in dichter Packung in der anderen Endfläche festgehalten sein.

Für die Bildübertragungselemente nach der Erfindung gilt eine Verteilung des Brechungsindex bezüglich des Abstandes r vom Zentrum eines Querschnitts η = N ( 1 - ar ) mit II als Brechungsindex ix Zentrum und a als einer positiven Konstanten. Die Brennweite f eines solchen Bildübertragungselementes beträgt

N Y2sT sin ( -/2ä~ t)

mit t als Zicke des Bildübertragungsdementes. Wenn man folglich das Bildübertragungselement auf eine bestimmte Länge abschneidet,

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erhält man ein Linsenelement mit einer bestimmten Brennweite und ebenen Stirnflächen.

Fig. 15 zeigt ein Mehrfachokular aus einer Kehrzahl von Linsenelementen 33, die parallel zueinander angeordnet sind und jeweils aus einem Bildübertragungselement im Sinne der Erfindung bestehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel haben alle Linsenelemente einen gleichen Wert N und a. Das Mehrfachokular kann in folgender Weise hergestellt werden. Eine Mehrzahl optischer Bildübertragungselemente werden gebündelt und auf eine erforderlich Länge abgeschnitten, damit In einem Verfahren dann gleichzeitig Linsenelemente einer .Gruppe mit jeweils gleicher Brennweite hergestellt werden können. Da bei der Herstellung ein Schleifen gekrümmter Flächen für ein Linsenelement nicht erforderlich ist, ist die serienmäßige Herstellung von Mehrfachokularen sehr einfach. Die Fig. 16 (A) und (B) erläutern die Benutzung eines Mehrfachokulars zum Fotografieren eines Gegenstandes und zur Bildprojektion_o Nach Fig. 16 (A) wird das Bild eines Gegenstandes P auf eine Trockenplatte 35 fokussiert und zwar durch die einzelnen Linsen des Mehrfachokulars als eine Mehrzahl umgekehrter Bilder. Diese umgekehrten .Bilder entsprechen jeweils einer verschiedenen Blickrichtung auf den Gegenstand P . Die Trcckenplatte 35 wird nach der Belichtung entwickelt. Zur Reproduktion des Bildes wird nach Fig. 16 (B) ein Paralüellichtbündel 37 durch eine Streuplatte 36 von der Rückseite eines Positivbildes in die Deckenplatte 35 eingestrahlt. Dieses eingestrahlte Lichtbündel tritt in umgekehrter Lichtrichtung durch die Trockenplatte 35 und die Okularplatte 3^ auf dem gleichen 7/eg wie das Lichtbündel beim Fotografieren, so daß man ein reelles Bild P, an der Stelle erhält, wo sich der Gegenstand Έ_& befand. Das Bild P, kann mit dem Auge 38 betrachtet werden.

Die positive Konstante a und die axiale Länge des Mehrfachokulars werden so gewählt, daß man einen kurzen Abstand zwischen der Trockenplatte 13 und der Austrittsfläche des Mehrfachokulars erhält, vorzugsweise daß die Trockenplatte und die Austrittsfläche dicht aufeinander zu liegen kommen. Weil mit Vergrößerung des genannten Abstandes die Größen der auf der

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BAD

Trockenplatte erzeugten Einzelbilder zunehmen, ergibt sich dann eine beilweise überlagerung der Bilder der einzelnen Linsen auf der Trockeriplabfce. Diese Bildüberlagerung macht eine Reprodukti uniiiÖ£;iich. Eine bevorzugte axiale Länge t der Linse für eine direkte Berührung zwischen Trockenplatte und Ivlehrfachokular liegt in dem Bereich:

(m - 5)^/2a

(m -

mit m als einer positiven ganzen Zahl. Zur Verringerung der lieh absorption und der chromatischen Aberration der Linsen, wird die axiale Länge t innerhalb eines Bereiches mit einem 7/ert m = nach der obigen Beziehung ausgewählt.

Fig. 17 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel· der Erfindung, wo Linsengruppen 4-0 aus einer Mehrzahl von Einzellinsen 39 bestehen, die jeweils einen verschiedenen Brechungsindex N und verschiedene Werte der Konstanten a haben. Mehrere Linsengruppen 4-0 sind nebeneinander angeordnet, so daß man ein Kehrfachokular erhält. Da in diesem Beispiel die Langen der Einzellinsen gleict sind, ist die Serienherstellung des Mehrfachokulars sehr einfach Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der Fig.15 wiederholt sich bei dem Äusführungsbeispiel der Fig. 17 die Brennweite einer jeden Einzellinse 39 mehrfach periodisch; nur einige Einzellinsen innerhalb einer Linsengruppe 40 liefern ein scharfes Bild auf der "Trockenplatte. Bei der Reproduktion eines Bildes wird nur dieses Bild bei der Betrachtung hervorgehoben, was zu einer vorteilhaften Verstärkung des stereoskopischen Effekts führt. Wenn ein Gegenstand eine vergleichsweise große Tiefenausdehnung hat, bildet jede Einzellinse einer Linsengruppe'unterschiedliche Bildbereiche auf der Trockenplatte scharf ab und" zwar entsprechend der Brennweite der betreffenden Einzellinse. Bei der Reproduktion kann man dadurch ein Bild mit einer großen Tiefenschärfe erhalten, wodurch ebenfalls der stereoskopische Effekt verstärkt wird.

Die durch die chromatische Aberration des Mehrfachokulars nach

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«AD ORIGINAL

der Erfindung bedingte Verringerung des Auflösevermögens läßt sich folgendermaßen ausschalten. Bei der Herstellung des iüehrfachokulars werden innerhalb einer jeden Linsengruppe drei Arten von Einzellinsen mit jeweils einem monochromatischen Filter, näiiilich einem Rot-, Blau- und Grünfilter auf einer Stirnfläche der Linse benutzt^ .die Linsengruppen werden beliebig angeordnet. Jede Linse einer Linsengruppe läßt nur Licht eines bestimmten Vu'ellenlängenbereichs durch und erzeugt damit ein Bild der entsprechenden Grundfarbe auf der Trockenplatte. Somit kann man stereoskopische Bilder in den Grundfarben mit hohem Auflösungsvermögen erhalten. Ein solches Mehrfachokular kann in Verbindung mit einem Fernsehgerät benutzt werden, indem man an der Stelle der Irockenplatte ein Fernsehprojektionsgerät vorsieht, womit ;r.an ein Fernsehsignal erzeugen kann. Da die axiale I.^:inre der linsenelemente ?4 oder^-39 kurz ist, sind die In'ehrfachokularplatten dünn, und eine gegenseitige parallele Ausrichtung ist notwendig. Dieses bedeutet jedoch keine Einschränkunr des Erfindungsgedankens, weil man nicht die Linsenelemente auf der Eintritt?- und Austrittsi'-eite von Lichtbündeln anordnen inuir. Eine larallelbündelung der Linsenelemente in den .abschnitt zwischen Eintritts- und Austrittstlachen ist nicht immer erforderlich.

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•AD OPHQfNAL

Claims

Patentansprüche

j). Optische Bildübertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl optischer Fasern, jeweils mit einer Querschnittsverteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung n=N ( 1 - ar ) mit N als Brechungsindex im Zentrum, η als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten, gebündelt sind und daß die Fasern in beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander haben, womit Licht von einem Gegenstand an einem Ende des Faserbündels ein Bild an dem andern Bündelende ergibt.
2. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern in einer Endfläche des Faserbündels dicht beieinanderliegen und in der anderen Endfläche jeweils in einem gleichen Abstand voneinander gehalten sind.
3. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Mehrfachokulars mehrere optische faserartige Linsenelemente parallel zueinander und jeweils an beiden Seiten mit den Stirnflächen in einer Ebene angeordnet sind.

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