DE1942601C3

DE1942601C3 - Optische Bildübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE1942601C3
Application number: DE1942601A
Authority: DE
Inventors: Koji Tsu Mie Ikeda; Ichiro Kobe Kitano; Ken Itami Koizumi; Hiroyoshi Osaka Matsumura; Teiji Tokio Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Current assignee: Nippon Selfoc Kk Tokio
Priority date: 1968-08-22
Filing date: 1969-08-21
Publication date: 1980-08-28
Also published as: FR2016213A1; NL166338C; DE1942601A1; NL6912749A; DE1942601B2; GB1275094A; NL166338B; US3658407A

Description

mit m als einer positiven ganzen Zahl und C=(2a}¹² hat und damit als Faserlinse wirksam ist

2. BildübertragungseinrichUhig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenlänge t innerhalb eines Bereiches liegt

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3. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 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.

4. Bildübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Fasern von einem Stoff umgeben sind, dessen Brechungsindex größer als der Oberflächenbrechungsindex der Fasern ist und der Licht absorbiert.

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Die Erfindung betrifft eine optische Bildübertragungseinrichtung mit in einem Bündel angeordneten optischen Fasern, die in beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander haben und eben geschliffen sind.

Aus »Fiber Optics« von Kapany, 1967, S. 81 bis 109 und S. 126 bis 128, ist eine Bildübertragungsplatte aus einer Anzahl optischer Fasern 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 die einzelnen optischen Fasern jeweils eine Lichtmenge als Bild eines Lichtflecks, so daß das Auflösungsvermögen der Bildübertragungsplatte durch den Durchmesser der optischen Fasern bestimmt ist. Wenn auch das Auflösungsvermögen durch Verringerung 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 vorhan- bs den, weil die Herstellung optischer Fasern mit einem Durchmesser kleiner als 10 μ große Schwierigkeiten bereitet. Außerdem ist die Herstellung der Bildübertragungsplatte aus optischen Fasern sehr umständlich und mit kleinerem Faserdurchmesser wenig wirtschaftlich.

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

In »Bell Systems Technical Journal« November 1965, S. 2020 bis 2027 ist eine Glasfaser mit parabolischem Brechzahlprofil beschrieben, die damit Abbildungseigenschaften aufweist

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Bildübertragungseinrichtung der genannten Art mit hohem Auflösungsvermögen, die bei einfachem Aufbau aufrechte reelle Bilder liefert

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch . gelöst, daß jede Faser eine Querschnittsverteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung /J=N(I-S/³) mit NaIs Brechungsindex im Zentrum, η als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten und eine Faserlänge

(2/7J- I)JrC- '< f< imnC- >

mit /η als einer positiven ganzen Zahl und C= (2a)¹'² hat und damit als Faserlinse wirksam ist

Die Erfindung setzt Fasern mit abbildenden Eigenschaften ein. Infolgedessen ist es zur Erzielung einer hohen Auflösung nicht erforderlich, die Einzelfasern möglichst dünn zu machen, was herstellungsmäßig Schwierigkeiten bereitet. Vielmehr kann man Fasern mit einer technisch und wirtschaftlich verfügbaren Dicke einsetzen und erzielt trotzdem infolge der optischen Abbildung eine hohe Auflösung. Infolge der abbildenden Eigenschaften der Fasern Hefen die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung ein reelles Bild eines Objekts, das auf einem Schirm sichtbar gemacht werden kann, der sich in einer Entfernung von der Endfläche des Faserbündels befindet. Dieses reelle Bild kann auch mit anderen optischen Einrichtungen beobachtet werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung besitzt ein hohes Auflösungsvermögen und erfordert nur geringe Herstellungskosten.

Die optischen Fasern der Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können aus Glas oder Kunstharz bestehen. Insbesondere bei Glas läßt sich eine gewünschte Verteilung des Brechungsindex leicht durch allmähliche Änderung desselben im Innern des Glases einstellen, indem man die Kationenkonzentration der Austauschoxyde des Glases einstellt und die Konzentrationen von mindestens zwei Arten von Kationen der Abwandlungsoxyde des Glases ändert. Bei einem Kunstharz läßt sich die gewünschte Verteilung des Brechungsindex durch Beschichtung des Kerns mit mehreren Harzschichten von unterschiedlichem Brechungsindex und durch wechselweise Diffusion bei hoher Temperatur und anschließende Wärmebehandlung einstellen, womit man eine gewünschte Änderung der Brechungsindices erhält. Die optischen Fasern nach der Erfindung haben auch dann eine Linsenwirkung, wenn der Brechungsindex nur näherungsweise und nicht genau die oben genannte Beziehung erfüllt. Auch wenn Terme r* und ή vorhanden sind, wird die Linsenwirkung nicht beeinträchtigt, wenn die genannten Terme klein sind.

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

F i g. 1 bis 6 schematische Ansichten zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung,

Fig.7 einen Querschnitt für eine Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 8 eine vergrößerte Teilansicht der F i g. 7,

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

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 und

F i g. 13 und 14 die Verteilung der optischen Fasern in der Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche des optischen Faserbündels bei den Ausführungsformen nach den F i g. 11 und 12.

Die Beziehung zwischen einem Gegenstand und seinem Bild ist in F i g. 1 für eine optische Faser nach der Erfindung aufgetragen, wo ein durchsichtiger Körper 1 einen Radius R, eine Länge t und eine Verteilung des Brechungsindex nach der Beziehung /J=TV(I —ar²) hat mit ar² <l.

Die Brennweite /dieser durchsichtigen Faserlinse 1 erhält man durch Berechnung eines Mediums mit der oben angegebenen Verteilung 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 /nach der folgenden Gleichung mit {la}¹² = C:

/ = (NC sin O)

(1)

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In diesem Fall wird die Brennweite / 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 Linse ergibt sich zu:

h = (NC) 'tan V₂ O.

(2)

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In der Zeichnung sind jeweils die Brennpunkte Fi und F2 im Gegenstandsraum und im Bildraum sowie die gegenstandsseitige und die bildseitige Hauptebene H^ und H2 angegeben.

Wenn ein Gegenstand Pan einem Ort innerhalb des

Gegenstandsraumes in einem Abstand k von der Hauptebene H\ aufgestellt wird und folglich ein Bild Q

• an einem Ort im Bildraum in einem Abstand L von der Hauptebene H2 entsteht, gilt die Gleichung:

zwischen dem Gegenstandsabstand k und dem Bildabstand L, wenn man einen achsennahen Lichtstrahl betrachtet, entsprechend dem üblichen Linsengesetz. In diesem Fall breitet sich ein Leitstrahl im Innern der Linse wellenförmig bezüglich der Mittelachse auf einer Sinuslinie aus, deren Wellenlänge S= 2nC~' beträgt.

Eine Bedingung für eine gleiche Größe des Gegenstandes und seines Bildes ist |A| = |L|. Wenn ein als positive-Größe gemessener Abstand von einer Stirnfläche der Linse im Gegenstandsraum k_a, ein als positive Größe gemessener Abstand,gegenüber der Stirnfläche

der Linse im Bildraum L_a beträgt und m eine positive ganze Zahl ist, gilt die folgende Beziehung:

et =

Eine grafische Darstellung der Gleichung (4) findet sich in F i g. 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 in Fig.3 angegeben, wogegen F i g. 4 ein aufrechtes reelles Bild der Vergrößerung 1 angibt. Wenn die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung ein aufrechtes reelles Bild eines Gegenstandes übertragen muß, soll die Linsenlänge ί die folgende Beziehung erfüllen:

{2m-

t < 2/77JTC-¹

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

.τΓ ' <r <2wrrC

mit m als einer positiven ganzen Zahl. Die durch die obige Beziehung angegebenen Bereiche für die Linsenlänge entsprechen in F i g. 2 einem Bereich

zwischen 2 und 4 oder zwischen 6 und 8 der

Abszissenskala.

Gleichung (5) läßt erkennen, daß unabhängig von der Gegenstandsstellung ein aufrechtes oder umgekehrtes Bild erzeugt wird, wenn die Linsenlänge gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Lichtwegwellenlänge S ist, nämlich ein aufrechtes Bild für eine Linsenlänge 2mnC~' und ein umgekehrtes Bild für eine Linsenlänge {2m-\)7iC\ Die Fig.5 (A) und 5 (B) geben die Beziehung zwischen einem Gegenstand und seinem Bild für eine Linsenlänge 2πϋ~^] an. In der Fig.5 (A) erscheint ein aufrechtes reelles Bild Q mit der Vergrößerung 1 in der Austrittsfläche der Linse, wenn sich ein Gegenstand P in unmittelbarer Berührung mit der Eintrittsfläche der Linse befindet. Wenn 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 Gegenstandsabstand von der Austrittsfläche innerhalb der Linse F i g. 5 (B).

Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung ist angenommen, daß der Außenraum der Linse einen Brechungsindex 1 hat. Wenn der Brechungsindex im Gegenstandsraum n\ und im Bildraum /72 beträgt, erhält man die Bedingung für eine gleiche Gegenstands- und Bildgröße näherungsweise, indem man k_a in Gleichung

(4) durch k_aln\ und L„ durch LJm ersetzt und Gleichung

(5) unverändert läßt.

Für die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung sind 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.

Nach der Erfindung überträgt jede Faser einen Bildausschnitt, die Bildübertragungseinrichtung insgesamt überträgt ein vollständiges Bild.

Im Rahmen der Erfindung kann eine Verschlechterung des Auflösevermögens und eine Verringerung der Kontrastschärfe auftreten, wenn die sich innerhalb der optischen Fasern ausbreitenden Lichtstrahlen an den Faseroberflächen reflektiert werden oder wenn Lichtstrahlen durch diese Oberflächen dringen und in den Außenraum der Fasern entweichen. Dieser Nachteil läßt 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. Wenn die Länge der optischen Fasern den Wert

zj π C'¹ überschreitet, erhält man diesen Grenzwert

folgendermaßen. Zunächst läßt sich eine Bedingung erhalten, daß Licht aus einer Lichtquelle in einem Punkt entsprechend Ym größter Entfernung zu den optischen Fasern innerhalb eines Spaltes gelangt, der durch die optischen Fasern des Bündels nach F i g. 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 das Innere derselben gelangen (θ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: tan Q = N- R- iJTa) auch wenn der Lichtstrahl innerhalb der gestrichelten Linie M in F i g. 6 liegt, kann Licht aus einer Stellung in ziemlicher Nähe einer Stirnfläche der optischen Fasern 1 ins Innere derselben gelangen. Damit also Licht aus einer Lichtquellenebene entsprechend einem Punkt Y ins Innere der optischen Fasern gelangt und in einen Bildpunkt abgebildet wird, muß die Stellung der Lichtquellenebene ziemlich weit entfernt von dem Kreuzungspunkt zwischen der gestrichelten Linie M und der strichpunktierten Linie Xsein, die vom Punkt Y senkrecht auf eine Stirnfläche gerichtet ist Die Lichtquellenebene muß also in einem größeren Abstand als /t liegen, der näherungsweise durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

/1 = (N- R)-i (2a) -IK(D²R ²)"²

bezogen auf eine Stirnfläche der optischen Fasern.

Wenn die optischen Fasern nach Fig.6 in einer dichten Packung liegen, erhält man für den Wert /ι =iß/3N]f2k Dieser Wert ist unter der Annahme einer Luftschicht zwischen der Lichtquellenebene und einer Stirnfläche der optischen Fasern berechnet, dorch weil normalerweise eine Platte aus Glas oder einem anderen festen durchsichtigen Stoff eingesetzt ist, ist die Dicke der obengenannten Platte immer größer als 1\. Die genannten Spalten 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 1000 μ, ohne daß das hohe Auflösungsvermögen abnimmt. Folglich ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung einer Bildübertragungseinrichtung 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 Herstellung einer Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können optische Fasern mit großem Durchmesser benutzt werden, so daß die Anordnung und Halterung der optischen Fasern leicht und sicher möglich ist, was die Herstellungskosten der Bildübertragungseinrichtung herabsetzt Insbesondere wenn eine vakuumdichte Bildübertragungseinrichtung erforderlich ist, kann die von den Faseroberflächen innerhalb der Bildübertragur>gsplatte 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, als Schirmbildplatte einer Bildwiedergaberöhre, als Schirmbildplatte eines Bildverstärkers oder einer fotografischen Aüizeichnuiigseinrichtung zur Aufzeichnung von elektronischen Bildern benutzt werden.

Im Rahmen der Erfindung ist unter Faser ein Element mit vergleichsweise kleinem Querschnitt von weniger als einigen Millimetern Durchmesser zu verstehen, bspw. mit Kreisquerschnitt Eine solche Faser braucht nicht eine größere Länge als die Abmessung des Querschnitts zu haben. Unter einer Faser ist auch ein Stab, ein Bolzen oder eine Scheibe zu verstehen, jeweils mit kreisförmigem oder vieleckigem Querschnitt Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert

Beispiel 1

Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,8 mm und einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-% TI2O, 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 ^=TV(I-S/⁵) mit a= 11,7 cm-² erhält Eine Anzahl solcher Glasfasern wird dann unter Zwischenlage eines gefärbten Glases mit niedrigem Schmelzpunkt genau ausgerichtet, worauf eine Einschmelzung und eine Formung zu einer Platte erfolgt Darauf werden beide Plattendeckflächen, nämlich die Stirnfläche der optischen Fasern, geschliffen. Glasplatten einer Dicke von 2,2 mm und einem Brechungsindex von 1,70 werden auf beide Stirnflächen der geschliffenen optischen Faserplatte aufgesetzt, so daß man eine Büdübertragungsplatte erhält Die Länge einer jeden 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 F i g. 7 wird diese Büdübertragungsplatte 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 Innenfläche der Lichtübertragungsplatte ist ein Fluoreszenzstoff 13 aufgetragen, der eine Lichtquellenfläche darstellt Ein lichtempfindliches Papier 14 befindet sich in enger Anlage an der Außenfläche der Lichtübertragungsplatte. Nach Fig.8, die einen Ausschnitt der F i g. 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 16 der Vergrößerung 1. Das Licht aus Bereichen des Fluoreszenzschirmes entsprechend J5 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 0,02 mm ergibt zwei getrennte Bildpunkte auf 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 N= 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex H=TV(I-S/⁵) mit a= 1,88 χ 10²cm-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 Büdübertragungsplatte einer Dicke von 3,24 mm erhält Diese wird als Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre benutzt Ein Fluoreszenzstoff wird auf die Innenfläche der Büdübertragungsplatte aufgetragen, während ein lichtempfmdlches 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 mm 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 mikmrxoskopische Beobachtung nach F · g. 9. Mit dem beschriebenen Faserbünde! 20 wirkt eine Okularlinse 21 zusammen. Eine Glasplatte 22 dient zum Schutz, ein Lichtleiter 23 für die Beleuchtung des Gesichtsfeldes und eine Scheide 24 als Mantel. Ein Gegenstand in einem Abstand vor der EintrittslFläche 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 Punvergrößertes, aufrechtes, 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_a beobachtet Das optische Instrument arbeitet bei Biegungen des Faserbümdels mit einem Krümmungsradius von etwa 5 cm. Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen lassen sich durch Verstellung der Okularlinse und eines zusätzlichen Objektivs am Eintrittsende des Faserbündels scharf einstellen.

Wenn die Verteilung des Brechungsindex die Beziehung n=N (1—ar²) in einer optischen Faser einhält hat dieselbe eine Linsenwirkung. Unter der Annahme eines Gegenstandsabstandes L\ gegenüber der optischen Faser und einer Faserlänge t enthält man den Bildabstand L₂:

Cos(|2af) + --j — Sin(|2af)
L₂ = NL₁[Ja ₍₆₎

N| 2aSin( |2a/)- . Cos(|2ai)

Nach dieser Beziehung erhält man ein reelles Bild, wenn L₂ positiv ist, ein virtuelles Bild, wenn La negativ ist Die Vergrößerung Λ/ergibt sich zu:

M = Cos( |/2o t)-N \ 2aSin( | la t) χ L₂ . (7)

Man erhält ein aufrechtes Bild für einen positiven Wert Mund ein umgekehrtes Bild für einen negativen Wert M

Eine weitere Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung mit einem optischen Faserbündel, die an einem Stirnende dicht ■ beieinander liegen und am anderen Stirnende jeweils unter Einhaltung der gegenseitigen relativen Lage gleiche Abstände voneinander haben, ist in F i g. 11 dargestellt Ein Faserbündel 26 nach der Erfindung besteht aus optischen Fasern 27 mit der bereits genannten Verteilung des Brechungsindex und damit mit Bildübertragungseigenschaften. Die optischen Fasern 27 des Faserbündels sind auf der Lichteintrittsseite gemäß Fig. 13 dicht 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 Abstand zwischen dem Faserbündel 26 und einem Bildschirm 29 Li 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 Li einstellt. Wenn 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 des Bildes durch die einzelnen Fasern, wenn das Bild übertragen wird. Das Bild 30 des Gegenstandes 28 erscheint scharf auf dem Bildschirm 29, so daß man scharfe Bilder erhält Der Abstand La zwischen Faserbündel 26 und Bildschirm 27 sowie die Vergrößerung M genügen in diesem Fall den obigen Gleichungen (6) und (7).

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 12 erzeugt mittels einer Linse 31 vor dem Eintrittsende des optischen Faserbündels ein Bild 32 eines Gegenstandes 28 in der Eintrittsfläche des Faserbündel 26. Das Faserbündel 26 ist in der bereits beschriebenen Weise aus optischen Fasern 27 aufgebaut Dieselben sind ebenso angeordnet und festgelegt, wie dies anhand der F i g. 11 erläutert ist Die einzelnen Ausschnitte des Bildes 32 werden durch die jeweiligen optischen Fasern 27 übertragen, so daß man ein vergrößertes Bild 30 entsprechend dem Bild 32 auf einem Bildschirm 29 erhält Wenn der Abstand g zwischen benachbarten Fasern in der Lichtaustrittsfläehe des Faserbündels 26^= d/cos (\/2ät) 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= Mcosfää t bezogen auf die Größe des Bildes 32, und zwar auf dem Bildschirm 29 in einem Abstand —tan (>/2ätj/nafßi von dem optischen Faserbündel 26. Im Rahmen dieser Ausführungsform der Erfindung 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, daß eine Mehrzahl 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 erhalten 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 Lichtaustrtittsfläche 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 Endfläche 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 rvom Zentrum eines Querschnitts π=Ν (1 — aß) mit NaIs Brechungsindex im Zentrum und a als einer positiven Konstanten. Die Brennweite / eines solchen Bildübertragungselementes beträgt

N I 2a sin ( \Tat)

mit ί als Dicke des Bildübertragungselementes. Wenn man folglich das Bildübertragungselement auf eine bestimmte Länge abschneidet erhält man ein Linsenelement mit einer bestimmten Brennweite und ebenen Stirnflächen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optische Bildübertragungseinrichtung mit in einem Bündel angeordneten optischen Fasern, die in beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander haben und eben geschliffen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser eine Querschnittsverteilung des Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung /J=N(I -ar²) mit NaIs Brechungsindex im Zentrum, π als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten und eine Faserlänge