DE2002514B2

DE2002514B2 - Verfahren zur hersellung eines lichtleiterkoerpers aus einem organischen glas

Info

Publication number: DE2002514B2
Application number: DE19702002514
Authority: DE
Inventors: Masanon Amagasaki Hyogo Ine (Japan) GOIj 1 16
Original assignee: Nippon Selfoc K K, Tokio
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-21
Publication date: 1972-02-10
Also published as: FR2028951A1; US3639035A; GB1268331A; BE744767A; DE2002514A1; NL7000702A

Description

2!)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Lichtleiterkörpers aus einem organischen Glas, bei dem der Brechungsindex sich von tier Mitte zum Rande hin im wesentlichen nach Bcliehung η -- n₀ (1 - ar²) ändert.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lichtleiterkörper aus Kunststoff, in denen sich der Brechungsindex senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung fortichreitend ändert.

Bekannt sind Lichtleiterkörper aus Kunststoff mit einem Kernteil von vergleichsweise hohem Brechungsindex zur Lichtleitung und einer Deckschicht mit vergleichsweise niedrigem Brechungsindex, die den Kerntei! umschließt. In sine Stirnfläche eines solchen Lichtlciterkörpers eintretende Lichtstrahlen breiten sich Bnter fortgesetzter Totalreflexion aus, wobei sich Verlerrungen der Phasengeschwindigkeit zwischen den Lichtstrahlen ausbilden und Verluste infolge von Retexionen auftreten.

Es ist bereits ein Glaskörper mit einer fortschreitenden Abnahme des Brechungsindex von der Mittelachse gegen die Außenfläche hin vorgeschlagen (deutsche Offenlegungsschrift 1 913 358).

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Lichtleiterkürpers aus Kunststoff, der ebenso wie der {enanntc Glaskörper die genannten Nachteile bei der .ichtausbreitung nicht zeigt und gleichzeitig preiswerter und gewichtsmäßig leichter als Glas herzustellen ist. Dieser Kunststoffkörper soll eine hohe Biege- !Einigkeit haben.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Kunststoffkörper aus einem Polymerprodukt eines Mischpolymers aus einem «-Olefin und einer (a,/7)-äthyleniirtig ungesättigten Karbonsäure sowie einer ionischen Metallverbindung in Form von Salzen, Hydroxiden, Methoxiden und/oder Äthoxiden von Metallen, einschließlich mindestens eines Alkalimetalls oder eines anderen, einwertige Ionen bildenden Metalls, das leicht innerhalb des Kunststoffes diffundieren kann, mit Ionen mindestens eines Metalls, das von allen Metallen in dem Kunststoffkörper verschieden ist, in Verbindung gebracht wird, damit die Ionen der anfänglich indem Kunststoffkörper enthaltenen Metalle durch Ionen des anderen Metalls ersetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden in Einzelheiten an Hand bevorzugter Ausführungsformen erläutert.

Ein Lichtleiterkörper aus Kunststoff liegt als durchsichtiger Stab oder als durchsichtige Faser aus einem Kunststoflkörper vor, der ionische Brückenbindungen zwischen Carboxylresten und Metallen besitzt und eine Konzentrationsverteilung mindestens von zwei Metallen unter fortschreitender Änderung von der Mittellinie des Lichtleiterkörpers gegen die Außenfläche hin aufweist, damit sich der Brechungsindex fortschreitend von der Mittellinie gegen die Außenfläche hin ändert.

In der angegebenen Formel

η = H₀ (1 — ar-)

für die Verteilung des Brechungsindex bedeutet n_u Brechungsindex auf der Mittelachse, «Brechungsindex in einem Abstand /· von der Mittelachse und α eine Konstante.

Wenn die Konstante α einen positiven Wert hat, erhält man einen Lichtleiterkorper mit besonderer Wichtigkeit. Wenn Lichtstrahlen in eine Stirnfläche des Körpers einfallen, wird jeder Lichtstrahl bei der Weiterleitung zu der gegenüberliegenden Stirnfläche fortgesetzt auf Wellenlinien bezüglich der Mittellinie abgelenkt, deren Wellenperiode 2π/]2α beträgt, ohne daß eine merkliche Phasenverzögerung oder ein Reflexionsverlust auftreten.

Dieser Kunststoffkörper zur Lichtleitung ist einer Einzel-Konvexlinse oder einer Gruppe kombinierter Konvexlinsen gleichartig; er ist auch zur Bildübertragung brauchbar.

Wenn die Konstante α einen negativen Wert hat, wirkt der Lichtleiterkorper als Konkavlinse, wenn die axiale Länge vergleichsweise klein ist; ein solcher Lichtleiterkorper läßt sich zur Korrektur der chromatischen Aberration einer Konkavlinse mit kleinem Durchmesser verwenden.

Brauchbare Polymere für die Herstellung von Kunststoffkörpern nach der Erfindung mit ionischen Brückenbindungen von Carboxylresten und Metallen erhält man durch Reaktion ionischer Metallverbindungen mit Mischpolymeren aus \-Olefinen, wie Äthylen, Propylen, 1-Butylcn und 1-Pentylen und (\,/?)-äthylenartigen, ungesättigten Karbonsäuien. wie Acrylsäure. Methacrylsäure, Itaconsäure, Maleinsäure, Fumarsäure sowie Monoestern von Dicarbonsäuren aus den genannten Komponenten.

Als Metallverbindungen lassen sich Salze, Hydroxide, Methoxide und Äthoxide der meisten Metalle verwenden. Da jedoch die Mctallioncn der Metallverbindungen in dem Kunstharzkörper während eiiu ichfolgenden Behandlungsstufc diffundieren sollci cht man solche Metalle vor, die leicht in den Kur 'en diffundieren können, insbesondere Alkalinu und andere Metalle, die einwertige Ionen bilden nnen.

Die Kunststoffkörper nach der Erfindung werden nach bekannten Verfahren zu Fäden oder Fasern oder zu Stäben mit Durchmessern oder maximalen Querabmessungen von 0,01 bis 5 mm geformt.

Damit man in einem Kunststoffkörper mit gleichförmiger Verteilung des Brechungsindex einen Gradienten des Brechungsindex erhält, setzt man den Kunststoffkörper der Einwirkung anderer Metallionen aus, die von den Metallionen, die bereits in dem

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Kunsistoffkörper vorhanden sind, unterschiedlich len Äthylen erhalten ist, werden in 500 cm" Xylol auflind. Diese Behandlung kunn durch einfaches Eintau- gelöst. Gesondert werden 30 g Zäsiumhydroxid in «hen des Kunststoffkörpers in eine die Metallionen 100 cm^a Methanol aufgelöst. Die erhaltene Lösung enthaltende Lösung erfolgen. Da die Metallionen vor- wird der ersten Lösung zugegeben, damit in dem Xylol Wgsweise Alkalimetallionen oder andere einwertige 5 eine Mischpolymerisation aller Bestandteile bei einer Metallionen sind, die leicht innei'nalb des Kunststoff- Temperatur von 90^DC erhalten wird. Das Reaktionsliörpers diffundieren, verwendet man für diese Lösung produkt wird in Wasser und Aceton ausgewaschen und vorzugsweise eine wäßrige Lösung oder eine Methanol- getrocknet.

lösung eines Salzes, eines Hydroxids, eines Methoxids Das erhaltene Mischpolymer besitzt ionische

oder eines Athoxids des Alkalimetalls oder des jeweils io Brückenbindungen von Carboxylresten und Metall

linderen, einwertige Ionen bildenden Metalls. (Zäsium). Dieses Mischpolymer wird zu Faserkörpern

Durch Eintauchen des Kunststoffkörpers in die Lö- mit einem Durchmesser von etwa 0,5 mm ausgeformt, tung während einer bestimmten Zeitdauer und durch die einen Brechungsindex von 1.524 haben.
Erhitzen auf eine Temperatur, wo die Metallionen in Sodann wird z-ir Einstellung eines Gradienten des dem Kunststoff körper diffundieren, erfolgt eine Diffu- 15 Brechungsindex innerhalb der Mischpolymerfaser dietion der Metallionen aus der Lösung ins Innere des selbe 10 Tage lang in eine Lösung von 120 g Natrium-Kunststoff körpers, ausgehend von den Grenzflächen hydroxid in 500 cm³ Wasser bei einer Temperatur von zwischen der Lösung und dem Kunststoffkörper, wo- 60"C getaucht. Durch diese Behandlung erfolgt ein bei gleichzeitig ein Teil der Metallionen, die zuvor in Austausch von Zäsiumionen innerhalb des Polymerdem Kunststoff körper vorhanden sind, aus demselben 20 körpers durch Natriumionen aus der Lösung durch die herausdiffunJieren und austreten. Infolgedessen wer- Außenfläche des Mischpolymerkörpers hindurch. Diese den die Metallionen innerhalb des Kunststoffkörpers in Ionensubstitution schreitet in die inneren Bereiche des der Nähe der Grenzflächen durch Metallionen der Lö- Mischpolymerkörpers fort. Der erhaltene Mischpoly- lung substituiert. merkörper hat dann einen Brechungsindex von 1,524

Die Konzentration der eindiffundierten Metall- 25 auf der Mittelachse («₀ in der obigen Gleichung) und

ionen innerhalb des Kunststoffkörpers ist in der Nähe 1,510 im Bereich der Außenfläche. Die Verteilung des

der Grenzflächen, d. h. der Außenfläche des Kunst- Brechungsindex in jedem Faserquerschnitt erfüllt im

Itoffkörpers, höher und nimmt mit fortschreitendem wesentlichen die obige Gleichung.

Abstand von der Außenfläche ins Innere ab. Wenn zwei Stirnflächen eines Faserabschnitts eben

Umgekehrt ist die Konzentration der anfänglich in 30 und senkrecht zu der Mittelachse geschliffen werden, «lern Kunststo.Tkörper vorhandenen Metallionen in der erhält man einen Lichtleiterkörper. Wenn ein Einfalls-Nähe der Außenfläche kleine und nimmt mit zuneh- lichtbündel konstanter Breite in eine Stirnfläche dieses mendem Abstand von der Außenfläche im Innern zu. Faserkörpers eintritt, wird das Lichtbündel mit im >ve-

Wenn die Ionenpolarisierba; .eit der in der Lösung sentlichen gleichbleibender Breite zum andern Stirnenthaltenen Metallionen kleiner als diejenige der an- 35 ende weitergeleitet, ohne daß eine Phasengeschwindiglänglich in dem Kunststoffkörper enthaltenen Metall- keitsverzerrung oder ein Reflexionsverlust auftritt, ionen ist, hat der Brechungsindex des Kunststoff kör- . .
pers nach Abschluß der Ionensubstitution eine Ver- Beispiel 2
teilung mit kleinerem Wert in der Nähe der Außen- 50 g Mischpolymer, das durch Mischpolymerisatläche und fortschreitender Zunahmemitzunehmendem 40 tion von 13 Teilen Itaconsäure und 100 Teilen Äthylen Abstand von der Außenfläche ins Innere, wo de>- Aus- erhalten wird, werden in 500 cm³ Xylol unter Bildung gangsbrechungsindex erreicht wird. einer ersten Lösung aufgelöst. Dieser ersten Lösung auf

Wenn andererseits die Polarisierbarkeit der in der einer Temperatur von 100'C wird eine zweite Lösung

Lösung enthaltenen Metallionen größer als diejenige zugegeben, die durch Auflösen von 25 g Rubidium-

der anfänglich in dem Kunststoffkörper enthaltenen 45 hydroxid in 100 cm³ Äthanol erhalten ist. Das Reak-

Metallionen ist, erhält der Brechungsindex des Kör- tionsprodukt wird mit Wasser und Aceton ausgewa-

pcrs eine Verteilung mit höherem Wert in der Nähe der sehen und dann getrocknet.

Außenfläche und fortschreitender Abnahme von der Das erhaltene Mischpolymer, das ionische Brücken-Außenfläche ins Innere, bis der Ausgangswert des bindungen zwischen Carboxylresten und Metall (Ru-Brcchungsindex erreicht wird. 50 bidium) hat, wird zu Faserkörpern mit einem Durch-

Es hat sich gezeigt, daß die Verteilung des Brechungs- messer von etwa 0,3 mm ausgeformt. Dieser Mischindex eines Kunststoffkörpers durch verschiedene polymcrkörper besitzt einen gleichförmigen Bre-Größen bestimmt ist: die wichtigsten Beiträge liefern chungsindex von 1.519. Dann wird die Mischpolymerd:e Zusammensetzung des Mischpolymers, die Ab- faser 8 Tage lang in eine wäßrige Lösung von 100 g rnessungen und Formgebung des Körpers, die Art und 55 Lithiumcarbonat in 100cm³ Wasser bei einer Tempe-Konzentration der anfänglich innerhalb des Kunst- ratur von 65" C getaucht

Stoffkörpers vorhandenen Metalle, die Zusammenset- Die erhaltenen Mischpolymerfasern haben einen Bre-

zung und Konzentration der für die Ionensubstitu- chungsindex von 1,518 (/I₀ der obigen Gleichung) auf

tionsbehandlung benutzten Lösung und die Tempera- der Mittelachse und von 1,508 im Bereich der Außen-

tur und Zeitdauer für die lonensubstitutionsbehand- 60 fläche. Die Verteilung des Brechungsindex in jedem

lung. Faserquerschnitt folgt im wesentlichen der obigen

Einzelbeispiele der Erfindung sind in den folgenden Gleichung. Beispielen erläutert. Wenn die beiden Stirnflächen eines Faserabschnitts

. eben und senkrecht zu der Mittelachse geschliffen wer-

^{B e} '^s P '^e' ¹ 65 den, ist die Faser als Lichtleiter geeignet und zeigt eine

50 g eines Mischpolymers, das durch Mischpoly- hohe Wirksamkeit entsprechend der Faser nach dem

merisation von 15 Teilen Methacrylsäure und 100 Tei- Beispiel 1.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Lichtleiterkörpers aus einem organischen Glas, bei dem der Brechungsindex sich von der Mitte zum Rande hin im wesentlichen nach der Beziehung η = n₀ (1 — (7r²) ändert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kunststoffkörper aus einem Polymerprodukt eines Mischpolymers aus einem «-Olefin und einer (t\,/?)-äthylenartig ungesättigten Karbonsäure sowie einer ionischen Metallverbindung in Form von Salzen, Hydroxiden, Methoxiden und/oder Äthoxiden von Metallen, einschließlich mindestens eines Alkalimetalls oder eines anderen, einwertige Ionen bildenden Metalls, das leicht innerhalb des Kunststoffes diffundieren kann, mit Ionen mindestens eines Metalls, das von allen Metallen in dem Kunststoffkörper verschieden ist, in Verbindung gebracht wird, damit die Ionen der anfänglich in dem Kunststoffkörper enthaltenen Metalle durch Ionen des anderen Metalls ersetzt werden.