DE1946443C3 - Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters - Google Patents

Description

Die Erfindung -betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters mit vom Zentrum zum Außenumfang kontinuierlich abfallendem Brechungsindex.

Die optischen Grundlagen der Lichtausbreitung in verallgemeinerten linsenartigen Medien sind beschrieben in S. E. Miller, Bell System Technical Journal N 1965, S. 2017-2030.

Ein bekannter Lichtleiterkörper besteht aus einem Kern mit höherem Brechungsindex als eigentlichem Lichtleiter und einer Deckschicht mit niedrigerem Brechungsindex.

Ein derartiger Lichtleiter kann beispielsweise gewonnen werden, indem ein Quarzglasfaden mit einem Salzüberzug versehen und das Salz in das Quarzglas eingebrannt wird (US-PS 33 20 114).

Auch aus Kunststoff sind solche Lichtleiter bereits hergestellt worden, etwa mit einem Kern von Polystyrol oder Alkylmethacrylatharz und einem Mantel aus einem fluor- oder siliciumhaltigen Mischpolymeren (Nl.-OS 00 350).

Ein in eine Stirnfläche eintretendes Lichtbündel breitet sich innerhalb des Lichtleiters unter wiederhol- ω tor Totalreflexion aus, was zu einem Nacheilen und zu einer Abweichung der Phaseio'eschwindigkeit und /u ei 111· 111 I .ii-hiverlust aufgrund der Reflexion führt.

Air Ausschaltung dieser N,abteile ist bereits ein -iihllcilc: körper ans (il.is vorgeschlagen worcen. b^r> dessen Brechungsindex sich allmählich von tier Oberfläche bis /in- Mittelachse ändert (deutsche PatentanmclduiiL' I' μι ! 5 S">K.>).

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r als radialen Abstand vom Zentrum des Querschnitts,

/Vo als Brechungsindex der Mischung im Zent! um,
N als Brechungsindex im Abstand r vom Zentrum

und
a als einer Konstanten.

Für eine positive Konstantes ergibt sich ein besonders wichtiger Lichtleiterkörper. Das in eine Stirnfläche einfallende Licht wird unter wiederholten Wellenbewegungen gegenüber der Mittelachse zu der gegenüberliegenden Stirnfläche übertragen. Die Wellenlänge dieser Wellenbewegung beträgt 2π/\[Τϋ, ohne daß eine merkliche Verzerrung der Phasengeschwindigkeit oder ein Lichtverlust durch Reflexion auftritt. Der Lichtleiterkörper ist einer Konvexlinse oder einem System aus mehreren Konvexlinsen gleichwertig und für eine Bildübertragung brauchbar.

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

Das Verfahren zur Herstellung solcher Lichtleiter korper geht von Polymeren aus. die in Mischung verwendbar sind. Dieselben müssen durchsichtig, jedoch nicht unbedingt farblos sein. Sie müssen unterschiedliche Brechungsindi/es sowie unterschiedliche Löslich keilen in einem bestimmten Lösungsmittel haben. Außerdem müssen sie optisch homogen mischbar sein.

Man kann icde Kombination von Polymeren benutzen, solange die genannten I orderungen erfüllt sind. Vorzuziehen ist eine Kombination eines Homo

polymers eines Monomers X und eines Mischpolymers eines Monomers X mit einem geringen Anteil eines 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 Polymere sind Homo- oder Mischpolymere von Styrol, kernsubstituierte und/oder seitenkettensubstituierte Styrole, insbesondere mit niedermolekularen Alkylen, substituierte Styrole wie a-Methylstyrol und Vinyltoluol, niedermolekulare Alkylmethacrylate, Vinylchlorid und Vinylester. Jedes Polymer hat seinen bestimmten Brechungsindex. Dem Polymer können erforderlichenfalls Stabilisatoren, Plastifikatoren, Gleitmittel und/oder Füllmittel beigegeben sein.

Die Zubereitung der Polymermischung kann r,ach einer herkömmlichen Verfahrensweise ausgeführt werden. Diese Verfahrensweise hängt normalerweise von der Art der benutzten Polymere ab. Gebräuchlich sind Mischen oder Kneten von plastifizierten 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 50 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 andere Polymer oder die anderen Polymere der Mischung weniger löslich sind, ledes flüssige Lösungsmittel einschließlich verflüssigter Gase und einschließlich von Gemischen ist brauchbar, 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 Tauchbehandlung des Formkörpers in einem Lösungsmittelbad.

Damit 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 f-xtraktionsbehandlung kann bei Zimmertemperatur erfolgen; jedoch ist auch eine höhere Temperatur μ zur Verkürzung der erforderlichen Zeitdauer möglich. Die höhere Temperatur muH unter der Verformungstemnerahir 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.

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 Methylrnethacrylatmonomer und 30 Teile Styrolmo.iomer 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 M ethylmethacrylatmonomer 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 170°C und 190°C 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 165°C erhitzt. Aus diesem erhitzten Teil erhält man einen Faserkörper, dessen Durchmesser etwa 0,1 mm beträgt.

Der Brechungsindex in der Mittelachse des Faserkörpers beträgt /Vo = 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 Stirnfläche übertragen.

Beispiel 2

100 Teile Vinylchloridmonomcr und 0.2 Teile Polyvinylalkohol werden 100 Teilen Wasser zugefügt.

Die Mischung wird bei einer Tempera tür. von etwa 60⁰C ciwa 24 Stunden lang mit Hilfe 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 (Polymer A) erhält. Der Brechungsindex desselben beträgt 1,542.70 Teile Vinylchloridmonomer und 30 Teile Vinylacetatmonomer werden in gleicher Weise mischpolymerisiert, so daß man ein Mischpo'ymer (Polymer B) mit einem Brechungsindex von 1,515 erhält. Eine Mischung von 70 Teilen des Polymers A und 30 Teilen des Polymers B wird auf eine Temperatur zwischen 160° C und 180° C zur Plastifizierung erhitzt und darauf mit Walzen geknetet, damit man · einen optisch homogenen Stoff erhält. Durch Extrusion erfolgt eine Ausformuny 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 vorzugsweise das Polymer A extrahiert. Nachdem das an dem Stab anhaftende oder darin adsorbierte 1,2-Dichloräthan verdampft ist, 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 Λ/ο = 1,540, der Brechungsindex an der Oberfläche beträgt 1,534. 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 (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters mit vom Zentrum zum Außenumfang kontinuierlich abfallendem Brechungsiodex, insbesondere mit parabolischem Verlauf, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Mischung aus mindestens zwei durchsichtigen, synthetischen Polymeren mit verschiedenen Brechungsindizes und unterschiedlicher Löslichkeit gegenüber einem bestimmten Lösungsmittel in vorgegebenen Anteilen bereitet, diese Mischung zu einem Formkörper ausformt und durch Behandlung dieses Körpers mit dem Lösungsmittel aus seiner Oberfläche ein Teil der Polymeren in \s einem Verhältnis herauslöst, welches von dem ursprünglichen Mischungsverhältnis verschieden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Tauchbehandlung des Körpers in einem das genannte Lösungsmittel enthaltenden Bad.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper nach der Lösungsmittelbehandlung in plastischem Zustand gezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine durchsichtige Mischung aus zwei synthetischen Polymeren verwendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß man thermoplastische Polymere verwendet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Polymerenmischung zu einem Stab mit einer Maximaldicke zwischen OJ und 50 mm ausformt.

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

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß man eine Mischung aus mindestens zwei durchsichtigen, synthetischen Polymeren mit verschiedenen Brechungsindizes und unterschiedlicher Löslichkeit gegenüber einem bestimmten Lösungsmittel in vorgegebenen Anteilen bereitet, diese Mischung zu einem Formkörper ausformt und durch Behandlung dieses Körpers mit dem Lösungsmittel aus seiner Oberfläche ein Teil der Polymeren in einem Verhältnis herauslöst, welches von dem ursprünglichen Mischungsverhältnis verschieden ist.

Zur Herstellung von Kunstfasern mit eingelagerten Hohlräumen ist es bereits bekannt, eine Mischung von zwei Polymeren zu einem Faden auszuziehen und aus diesem durch chemische Behandlung, z. B. mit Laugen, einen Teil des einen Polymeren herauszulösen. Zu diesem Zweck dürfen jedoch die Polymeren nicht miteinander verträglich sein (US-PS 35 16 239).

Der Brechungsindex des Lichtleiters soll sich innerhalb eines Querschnitts senkrecht zur Körperachse allmählich vom Zentrum des Querschnitts gegen den Umfang hin ändern. Vorzuziehen ist eine Verteilung des Brechungsindex innerhalb des Querschnitts im wesentlichen nach der folgenden Beziehung: