DE1946443A1

DE1946443A1 - Lichtleiterkoerper und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1946443A1
Application number: DE19691946443
Authority: DE
Inventors: Masauori Jrie
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-09-19
Filing date: 1969-09-13
Publication date: 1970-04-02
Also published as: BE739086A; FR2019466A1; GB1277496A; NL164967C; DE1946443C3; NL6914112A; DE1946443B2

Description

Patentanwalt Lüdenscheid, den 12. September 1969 588 LÜDEN5CHEID ^A 69343

Asenberg 36- Postfach 1704

Anmelderin: Firma Nippon Selfoc Kabushiki Kaisha (also known

as Nippon Selfoc Co. Ltd.) 7-15, 5-Chome, Shiba, Minato-Ku, Tokyo-To, Japan

Lichtleiterkörper und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Lichtleiterkörper aus Kunststoff sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Ein bekannter Lichtlexterkörper aus Kunststoff besteht aus einem Kern mit höherem Brechungsindex als eigentlichen .Lichtleiter und einer Deckschicht mit niedrigerem Brechungsindex. Ein in eine Stirnfläche eintretendes Lichtbündel breitet sich innerhalb des Lichtleiters unter wiederholter Totalreflexion jaus, was zu einem Nacheilen und zu einer Abweichung der Phasengeschwindigkeit und zu einem Lichtverlust aufgrund der Reflexion führt.

Zur Ausschaltung dieser Nachteile ist bereits ein Lichtleiterkörper aus Glas vorgesehen, dessen Brechungsindex sich allmählich von der Oberfläche bis zur Mittelachse ändert.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Lichtleiterkörpers aus Kunststoff mit Entsprechenden optischen Eigenschaften. Damit sollen niedrige Herstellungskosten, ein niedriges Gewicht und eine hohe Biegsamkeit jeweils im Vergleich zu Glaskörpern erreicht werden.

009814/1665

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß j der Kunststoff eine durchsichtige Mischung aus mindestens zwei j Polymeren von verschiedenem Brechungsindex darstellt, und daß sich die Anteile der einzelnen Polymere innerhalb eines Querschnitts fortschreitend mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ändern, wobei der Brechungsindex in einem Querschnitt j quer zur Lichtausbreitungsrichtung mit zunehmendem Abstand j vom Zentrum eine fortschreitende und stetige Änderung aufweist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiterkörpers der genannten Art vorgeschlagen, wonach zunächst eine Mischung aus mindestens zwei durchsichtigen, synthetischen Polymeren mit verschiedenen Brechungsindices und unterschiedlicher Löslichkeit gegenüber einem bestimmten Lösungsmittelin vorgegebenen Anteilen zubereitet wird, wonach diese Mischung zu einem Formkörper ausgeformt wird und wonach dieser Körper mit dem Lösungsmittel behandelt wird, damit aus der Oberfläche des Körpers ein Teil der Polymere in Anteilen unterschiedlich von den ursprünglichen Mischungsanteilen ausgezogen wird.

Der Lichtleiterkörper nach der Erfindung ist ein Formkörper, vorzugsweise in Stabform oder Faserform. Der Brechungsindex ändert sich innerhalb eines Querschnitts senkrecht zur Körperachse allmählich vom Zentrum des Querschnitts gegen den Umfang hin. Vorzuziehen ist eine Verteilung des Brechungsindex innerhalb des Querschnitts im wesentlichen nach der folgenden Beziehung:

= N₀ (1 -

(D

mit r als radialen Abstand vom Zentrum des Querschnitts, N_Q als Brechungsindex der Mischung im Zentrum, N als Brechungsindex im Abstand r vom Zentrum und a als einer Konstanten.

009814/1685

Pür eine positive Konstante a ergibt sich ein besonders "wichtiger Lichtleiterkörper. Das in eine Stirnfläche einfallen- '■ de Licht wird unter wiederholten Wellenbewegungen gegenüber ■ der Mittelachse zu der gegenüberliegenden Stirnfläche über_itragen. Die Wellenlänge dieser Wellenbewegung beträgt

2.1Ϊ / i 2a, ohne daß eine merkliche Verzerrung der Phasenge- [ schwindigkeit oder ein Lichtverlust durch Reflexion auftritt. • Der Lichtleiterkörper ist einer Konvexlinse oder einem System : aus mehreren Konvexlinsen gleichwertig und für eine Bildüberj tragung brauchbar.

: Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit negativem Wert der Konstanten a ergibt sich eine Konkavlinse, wenn die axiale Länge vergleichsweise kurz ist. Ein solcher Lichtleiterikörper kann als Konkavlinse mit 'kleinem Durchmesser Verwendung j finden sowie zur Korrektur der 'chromatischen. Aberration von i Lichtleiterkörpern mit positiver Konstante a.

! Das Verfahren zur Herstellung solcher Lichtleiterkörper j geht von Polymeren aus, die in Mischung verwendbar sind.

; Dieselben müssen durchsichtig, jedoch nicht unbedingt farblos ! sein. Sie müssen unterschiedliche Brechungsindices sowie unter-'; schieiiche Löslichkeiten in einem bestimmten Lösungsmittel I haben. Außerdem müssen sie optisch homogen mischbar sein, ι

I Man kann jede Kombination von Polymeren benutzen, solange die j genannten Forderungen erfüllt sind. Vorzuziehen ist eine Komj bination eines Homopolymers eines Monomers X und eiiesMisch-ι polymers eines Monomers X mit einem geringen Anteil eines J Monomers Y, eine Kombination eines Mischpolymers A der Monomere X und Y in festen Verhältnissen und eines Mischpolymers A' der Monomere X und Y in anderen festen Verhältnissen oder eine Kombination von Homo- oder Mischpolymeren, die sich nur durch den Polymerisationsgrad unterscheiden. Beispiele solcher PoIy- ! mere sind Homo- oder Mischpolymere von Styrol, kernsubstituierte ! und/oder seitenkettensubstiluisrte Styrole, insbesondere

mit niedermolekularen Alkylen, substituierte Styrole wie ^- Methylstyrol und Vinyltoluol, niedermolekulare Alky!methacrylate{ Vinylchlorid und Vinylester. Jedes Polymer hat seinen bestimmten j Brechungsindex. Dem Polymer können erforderlichenfalls Stabilisatoren, Plastifikatoren, Gleitmittel und/oder Füll-ί mittel beigegeben sein.

i Die Zubereitung der Polymermischung kann nach einer herkömmlichen Verfahrensweise ausgeführt werden. Diese Verfahrensweise hängt normalerweise von der Art der benutzten Polymere ab. Gebräuchlich sind Mischen oder Kneten von plastifizieren Polymeren mittels Walzen oder Knetwerken, Trockenmischen von Polymerpulvern sowie Mischen von Polymeren in Lösungen mit anschließender Verdampfung des Lösungsmittels. Dabei tritt keine oder nur eine geringe chemische Bindung zwischen den Polymeren auf. -

Die Mischung der Polymere und gegebenenfalls der Zusatzstoffe wird dann zu einem Formkörper geformt, bspw. einem Stab oder einer Faser mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 5ü mm. Bei Verwendung von thermoplastischen Polymeren erfolgt die Formung durch Extrudieren oder Spritzen; Extrudieren ist für die Bildung eines Stabes vorzuziehen. Bei der Verwendung von wärmehärtbaren Polymeren wird ein Preßformen oder Spritzpressen angewandt. Zur Herstellung einer Faser läßt sich jedes herkömmliche Spinnverfahren anwenden. Der erhaltene Formkörper ist optisch homogen und besitzt einen gleichbleibenden Brechungsindex.

Der Formkörper wird dann mit einem Lösungsmittel behandelt, womit man eine selektive Extraktion erhält. Das Lösungsmittel muß selbstverständlich ein selektives Lösungsmittel sein, ; worin ein Polymer der Polymermischung löslich ist, während das J andere Polymer oder die anderen Polymere der Mischung weniger ' löslich sind. Jäes flüssige Lösungsmittel einschließlich verflüssigter Gase und einschließlich von Gemischen ist brauch-

bar, solange eine Selektivität vorhanden ist. Die Selektivität des Lösungsmittels gegenüber einer bestimmten■Polymerkombination läßt sich leicht anhand der üblichen chemischen Fachbücher durch einen einfachen Versuch feststellen.

Vorzugsweise erfolgt eine Tau^behandlung des Formkörpers in einem Lösungsmittelbad.

D_amit man einen Lichtleiterkörper mit einer positiven Konstanten a der Gleichung (1) erhält, muß man ein Lösungsmittel auswählen, womit das Polymer mit höherem Brechungsindex bevorzugt extrahiert wird. Damit man einen Lichtleiterkörper mit einer negativen Konstanten a erhält, muß man andererseits ein Lösungsmittel auswählen, womit das Polymer mit kleinerem Brechungsindex bevorzugt extrahiert wird. Die Extraktionsbehandluhg kann bei Zimmertemperatur erfolgen; jedoch ist auch eine höhere Temperatur zur Verkürzung der erforderlichen Zeitdauer möglich. Die höhere Temperatur muß unter der Verformungstemperatur des Formkörpers liegen.

Das Ausmaß der selektiven Extraktion nimmt allmählich von der Oberfläche gegen das Zentrum des Formkörpers hin ab. Nachdem die selektive Extraktion den Mittelbereich des Formkörpers erreicht hat, wird derselbe aus dem Bad herausgenommen. Das noch auf oder in dem Körper vorhandene Lösungsmittel wird verdampft.

Nach der Extraktionsbehandlung weist der Formkörper in manchen Fällen eine feinporige Oberfläche auf. Dann kann der Formkörper in plastischem Zustand zu einer Faser ausgezogen werden, wenn thermoplastische Polymere benutzt werden.

Der erhaltene Kunststoff-Lichtleiterkörper besitzt eine Verteilung des Brechungsindex, die im wesentlichen vollständig die Gleichung (1) erfüllt. Der Lichtleiterkörper leitet das Licht in der oben angegebenen Weise.

0098U/1B6S"

"T9TFU3

Die Verteilung des Brechungsindex des Körpers kann durch die Art der Polymere, den jeweiligen Polymerisationsgrad und das Mischungsverhältnis der benutzten Polymere, die Art des Lösungsmittels, sowie Temperatur und Zeit der Extraktionsbehandlung eingestellt werden.

Im folgenden werden Einzelbeispiele der Erfindung erläutert, die jedoch den Erfindungsgedanken nicht einschränken sollen.

Beispiel 1

70 Teile Methylmethacrylatmonomer und 30 Teile Styrolmonomer werden in 200 Teilen Wasser suspendiert und 0,3 Teile Benzoylperoxyd werden als Katalysator zugegeben. Man läßt diese Stoffe bei einer Temperatur von etwa 90°C etwa 12 Stunden lang miteinander reagieren, damit man ein Mischpolymer (Polymer A) mit einem Brechungsindex von 1,518 erhält. Der.Brechungsindex eines Mischpolymers (Polymer B) aufgrund der Mischpolymerisation von 50 Teilen Methylmethacrylatmonomer und 50 Teilen Styrolmonomer beträgt unter gleichen Bedingungen 1,541.

Gleiche Mengen des Polymers A und des Polymers B werden gemischt. Die Mischung wird auf eine Temperatur zwischen 170⁰C und 190⁰C zur Plastifizierung erhitzt. Danach wird die Mischung mittels Walzen geknetet, bis sie optisch homogen wird. Durch Extrusion wird ein Stab mit einem Durchmesser von 5 mm geformt. Danach wird dieser Stab bei Zimmertemperatur 24 Stunden lang in ein Amylacetatbad getaucht. Durch dasselbe wird aus der Oberfläche des Stabes mehr Polymer B als A extrahiert. Das an der·Staboberfläche anhaftende oder darin enthaltene Amylacetat wird verdampft. Ein Stabende wird elektrisch auf etwa 165⁰C erhitzt. Aus diesem erhitzten Teil erhält man einen Faserkörper, dessen Durchmesser etwa 0,1 mm beträgt.

U098U/1PS5

Der Brechungsindex.in der Mittelachse des Faserkörpers beträgt
N = 1,530, der Brechungsindex im Oberflächenbereich 1,520.
Die Verteilung des Brechungsindex innerhalb eines Querschnitts
erfüllt im wesentlichen die obige Gleichung (1). Folglich kann
dieser Faserkörper als Lichtleiter benutzt werden. Ein in eine
Stirnfläche einfallendes Lichtbündel wird ohne Verluste durch
Aberration , Änderung der Phasengeschwindigkeit oder durch
Reflexion zu der anderen Stinflache übertragen.

Beispiel 2

100 Teile Vinylchloridmonomer und 0,2 Teile Polyvinylalkohol
werden 100 Teilen Wasser zugefügt. Die Mischung wird bei einer
Temperatur von etwa 60⁰C etwa 24 Stunden lang mithilfe eines
Katalysators von 0,2 Teilen Lauroylperoxyd polymerisiert.
Während der Polymerisationsbehandlung wird eine entsprechende
Menge Natriumbicarbonat zugegeben, dessen pH-Wert zwischen
6 und 8 eingestellt ist, damit man ein Polyvinylchlorid
i(Polymer A) erhält. Der Brechungsindex desselben beträgt j 1,542. 70 Teile Vinylchloridmonomer und 30 Teile Vinylacetat- i monomer werden in gleicher Weise mischpolymerisiert, so daß man ! ein Mischpolymer (Polymer B) mit einem Brechungsindex von 1,515 j erhält. Eine Mischung vom 70 Teilen des Polymers A und 30 Teilen' des Polymers B wird auf eine Temperatur zwischen 16O⁰C und 180⁰C ! zur Plastifizierung erhitzt und darauf mit Walzen geknetet, da- j mit man einen optisch homogenen Stoff erhält. Durch Extrusion
erfolgt eine Ausformung zu einem Stab mit einem Durchmesser \ von 5 mm. Dieser Stab wird bei Zimmertemperatur 10 Stunden lang! in ein 1,2-Dichloräthanbad getaucht.In demselben wird Vorzugs- ι weise das Polymer A extrahiert. Nachdem das an dem Stab anhaf- j tende oder darin adsorbierte 1,2-Dichloräthan verdampft ist, J wird ein Teil des Stabes elektrisch auf etwa 150°C erhitzt. ! Dieser Teil wird ausgezogen, so daß man eine Faser von etwa
0,05 mm Durchmesser erhält. Der Brechungsindex im Zentrum der
Faser beträgt N = 1,540, der Brechungsindex aa der Oberfläche

°ataeW««

beträgt 1',53^. Die Verteilung des Brechungsindex erfüllt näherungsweise die Gleichung (1). Dieser Faserkörper eignet sich als Lichtleiterkörper und wirkt in entsprechender Weise wie der Faserkörper nach Beispiel 1.

Claims

Patentansprüche

Lichtleiterkörper aus Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff eine durchsichtige Mischung aus mindestens zwei Polymeren von verschiedenem Brechungsindex darstellt, und daß sich die Anteile der einzelnen Polymere innerhalb eines Querschnitts fortschreitend mit zunehmendem Abstand vom Zentrum ändern, wobei der Brechungsindex in einem Querschnitt quer zur Lichtausbreitungsrichtung mit zunehmendem Abstand vom Zentrum eine fortschreitende und stetige Änderung aufweist.
2. Lichtleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischungsanteil des Polymers mit höherem Brechungsindex gegenüber dem Mischungsanteil des Polymers mit niedrigerem Brechungsindex innerhalb des genannten Querschnitts vom Zentrum aus fortschreitend abnimmt, womit man einen fortschreitend fallenden Gradienten des Brechungsindex erhält.
3. Lichtleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischungsanteil des Polymers mit höherem Brechungsindex vom Zentrum aus fortschreitend zunimmt, so daß man innerhalb des Querschnitts einen fortschreitend ansteigenden Gradienten des Brechungsindex erhält.
4. Lichtleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Änderung des Brechungsindex innerhalb eines Querschnitts nach der folgenden Beziehung:

N = N₀ (1 - ar²),

mit r als radialen Abstand vom Zentrum des Querschnitts, N_Q als Brechungsindex der Mischung im Zentrum, N als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und

a als einer Konstanten.

U/-166 5

194644:
5. Lichtleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis*4j gekennzeichnet durch eine durchsichtige Mischung aus zwei synthetischen Polymeren. ·
6. Lichtleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch thermoplastische Polymere.
7. Lichtleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Stabform mit einer maximalen Querschnittsabmessung zwischen 0,1 mm und 50 mm. ■
8. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiterkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Mischung aus mindestens zwei durchsichtigen, synthetischen Polymeren mit verschiedenen Brechungsindices und unterschiedlicher Löslichkeit gegenüber einem bestimmten Lösungsmittel in vorgegebenen Anteilen zubereitet wird, daß diese Mischung zu einem Formkörper ausgeformt wird und daß dieser Körper mit dem Lösungsmittel behandelt wird, damit aus der Oberfläche des Körpers ein Teil der Polymere in Anteilen unterschiedlich von den ursprünglichen Mischungsanteilen ausgezogen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Taubbehandlung des Körpers in einem das genannte Lösungsmittel enthaltendem Bad.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Lösungsbehandlung der Körper in plastischem Zustand gezogen wird.

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