DE2418781C2

DE2418781C2 - Verfahren zur Bildung eines flexiblen faseroptischen Bildleitungskabels

Info

Publication number: DE2418781C2
Application number: DE2418781A
Authority: DE
Inventors: Richard Roland Southbridge Mass. Strack
Original assignee: American Optical Corp
Current assignee: Warner Lambert Technologies Inc
Priority date: 1973-04-26
Filing date: 1974-04-18
Publication date: 1982-10-21
Also published as: DE2418781A1; JPS5014354A; GB1418429A

Description

7,60Gew.-% Lanthanoxid (La₂O₃),
44,65 Gew.-% Bortrioxid (B₂O₃),
42,75 Gew.-% Bariumoxid (BaO),

5,00Gew.-% Mangandioxid (MnO₂).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung eines flexiblen faseroptischen Bildleitungskabels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem derartigen Verfahren, das aus der DE-OS 43 895 (= US-PS 36 24 816) bekannt ist, wird also jede von einer Vielzahl von langen, dünnen und je mit einem Glasmantel versehenen optischen Glasfasern mit einer weiteren Umhüllung aus einem säurelöslichen Glas versehen. Die so umhüllten optischen Fasern werden anschließend eng nebeneinander angeordnet, so daß an beiden Enden im wesentlichen identische Mosaikmuster entstehen. Anschließend werden die Umhüllungen der nebeneinander angeordneten Fasern miteinander zu einer zwischen den optischen Fasern angeordneten Matrix verschmolzen und die Umhüllungen entlang eines wesentlichen Längsabschnitts zwischen den entgegengesetzten Enden der Fasern von den optischen Glasfasern weggeätzt, wobei ein Teil der durch die Umhüllungen gebildeten Matrix nahe jedem der beiden Enden der Fasern verbleibt, um dort eine feste Verbindung der Fasern herzustellen.

Durch die zurückbleibenden Umhüllungen wird eine ständige Verbindung zwischen den Fasern hergestellt, und im Fall von Bildleitungskabeln, die auch Fiberskope genannt werden, werden dadurch die einander entsprechenden entgegengesetzten Enden der Fasern relativ zueinander in einem identischen Mosaikmuster angeordnet

Bei eng gepackten Faserbündeln, deren Fasern aus klären lichtleitenden Kern- und Ummantelungskomponenten bestehten, besteht die Neigung, daß solches Licht das in die Kerne der Fasern unter Winkeln eintritt die größer als die Lichtempfangswinkel der Fasern sind, in und durch die Fasermäntel gelangt und in

ίο andere Fasern des Bündels gestreut wird, wobei das Licht eventuell mindestens teilweise das andere Ende des Bündels als Streulicht erreicht Dies trägt natürlich nicht zur guten Wiedergabe eines durch die Faserkerne des Fiberskops geschickten Lichtbildes bei, sondern wirkt vielmehr in der Weise, daß der Kontrast zwischen einzelnen Segmenten oder Elementen des Mosaikbildes verwaschen, d.h. herabgesetzt wird. Der Lichtempfangswinkel, d. h. der Aperturwinkel i, einer optischen Faser wird durch die Brechungsindizes n\ des Faserkerns und /I₂ des die Faser bekleidenden Mantels bestimmt gemäß der folgenden Gleichung:

sin /

Versuche zur Reduzierung des Streulichts in einer optischen Faser und damit zur Verbesserung der Bildübermittlung sind in der Weise vorgenommen worden, daß Überzüge aus metallischen oder sonstigen opakem oder halbopakem Werkstoff auf die einzelnen Fasern aufgebracht wurden mit der ungünstigen Folge, daß übermäßige Anteile des Nutzlichts, d.h. des bidlerzeugenden Lichts, absorbiert wurden. Um das Streulicht in faseroptischen Vorrichtungen ohne einen derartigen Verlust an bilderzeugendem Licht herabzusetzen, sind lichtabsorbierende Fäden in die Zwischenräume eingebaut worden. Diese Fäden sind von den, lichtleitenden Kernen der optischen Fasern durch die niedriger brechenden Fasermäntel getrennt, wie dies z. B. in der US-PS 32 47 756 beschrieben ist. Diese in den Zwischenräumen angeordneten lichtabsorbierenden Fäden müssen jedoch aus einem Werkstoff, z. B. aus Glas, gebildet werden, der sowohl optisch als auch thermisch mit allen anderen Gläsern des Systems verträglich ist Zu dieser Forderung kommt noch hinzu, daß die Verwendung einzelner absorbierender Fäden einen besonderen Fertigungsschritt erfordert und der Zusammenbau eines solchen optischen Faserbündels schwierig ist.

Eine wirksamere, jedoch kompliziertere und aufwendigere Form eines in Zwischenräumen angeordneten absorbierenden Elements ist in der US-PS 33 87 959 beschrieben. Dabei wird eine äußere klare Ummantelung um jeden absorbierenden Faden oder der Einbau eines nichtummantelten Fadens in jede optische Faserstruktur in solcher Weise vorgesehen, daß der Faden von genügend dickem Faserummantelungswerkstoff umgeben ist, um einen störenden Einfluß der Fasern auf das durch die Kerne der Fasern geleitete bilderzeugende Licht zu vermeiden.

Die oben erörterten und ähnliche bekannte Maßnahmen zur Minimierung des Streulichts bei faseroptischen Bildleitungskabeln sind relativ aufwendig und unwirtschaftlich, da sie eine Verträglichkeit der lichtabsorbierenden Elemente mit den anderen Gläsern des Systems sowohl in optischer als auch in thermischer Hinsicht erfordern und für einen möglichst guten Wirkungsgrad die Anordnung der absorbierenden Elemente im System kritisch ist. Diese bekannten Maßnahmen sind daher kaum oder gar nicht anwendbar bei der Fertigung von

faseroptischen Bildleitungskabeln mittels der vorher erwähnten sehr vorteilhaften, weniger komplizierten und kostengünstigeren Ätztechnik, die in der DE-OS 21 43 895 bzw. der US-PS 36 24 816 (vgl. auch US-PS 30 04 368) beschrieben ist

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren dahingehend zu verbessern, daß in dem erzeugten Bildleitungskabel der Streulichtanteil vermindert und damit eine optimale Bildwiedergabe erzielt wird, ohne dabei die einfache und kostengünstige Durchführung aufzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als säurelösliches Glas ein Glas verwendet wird, das einen Absorberstoff enthält

Als besonders bevorzugt hat es sich erwiesen. Mangan als Absorberstoff in dem säurelöslichen Glas der Ummantelung zu verwenden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Au3gestaltung des Verfahrens wird die Ummantelung aus einer Glasmischung gebildet, die im wesentlichen folgende Bestandteile enthält:

7,60 Gew.-o/o Lanthanoxid (La₂O₃),
44,65 Gew.-% Bortrioxid (B₂O₃),
42,75 Gew.-% Bariumoxid (BaO),

5,OOGew.-°/o Mangandioxid (MnO₂).

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es zur Minimierung des Streulichtanteils ausreicht, in den Endbereichen, in denen die Fasern durch eine Glasmatrix miteinander verbunden sind, das Licht zu absorbieren, das in die Fasern mit einem Winkel eintritt, der größer ist als die numerische Apertur der Fasern, oder das am Austrittsende aus den Einzelfasern austreten und in benachbarte Fasern kommen könnte, während des in dem dazwischenliegenden Bereich aufgrund des sehr niedrigen Brechungsindex der Luft — oder anderen Gasatmosphäre, welche die Fasern dort umgibt — nicht notwendig ist, eine zusätzliche absorbierende Ummantelung vorzusehen, welche darüber hinaus die Flexibilität der Fasern behindert. Die notwendige Absorption in den genannten Endbereichen wird dadurch erzielt, daß man als säurelösliches Glas ein Glas verwendet, das einen Absorberstoff enthält.

Aus der DE-OS 19 49 028 ist es zwar bekannt, bei einer Lichtleiterglasfaser mit einem Gradienten im Brechungsindex zur Erzielung eines Fokussierungseffekts auf dem Außenumfang eine Lichtabsorberschicht anzubringen, um das Licht zu unterdrücken, das innerhalb der Lichtübertragungsstrecke an der Umfangfläche reflektiert wird oder vom Außenraum in die Übertragungsstrecke eintreten will. Hierbei ist auch die Beschichtung der Außenfläche des Lichtleiterglaskörpers mit einer lichtabsorbierenden Glasschmelze erwähnt, die jedoch zu Diffusionsproblemen führt. Ein Hinweis auf eine Einbringung eines Absorptionsmittels in ein säurelösliches Glas, welches die Endbereiche eines faseroptischen Bildleitungskabels matrixartig zusammenfaßt und in den Zwischenbereichen wieder herausgelöst wird, ist jedoch der DE-OS 19 49 028 nicht zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Fiberskops und

Fig.2 einen stark vergrößerten bruchstückhaften Querschnitt durch das Fibroskop entlang der Linie 2-2 Ein Fiberskop 10 besteht aus einer Vielzahl von nebeneinander verlaufenden optischen Fasern 12, deren jede einen Kern 14 aus einem Werkstoff mit hohem Brechungsindex und einen Mantel 16 aus einem Werkstoff mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Kerns hat. Bei der Herstellung des Fiberskops 10 wird jede Faser 12 mit einer säurelöslichen oder anderweitig ätzbaren Umhüllung 18 versehen, die sich zunächst über die ganze Länge der Faser erstreckt Die Fasern 12 mit ίο den Umhüllungen 18 werden nebeneinander in Form eines Bündels angeordnet und dadurch zusammengeschmolzen, daß das Bündel auf die Schmelztemperatur der Umhüllungen 18 erhitzt wird. Der Schmelzvorgang kann gleichzeitig mit einem Ziehen des Bündels auf einen verringerten Querschnitt durchgeführt werden. Ein säurebeständiger Schutzüberzug aus Wachs oder einem gleichwirkenden Werkstoff wird als nächstes auf die einander entgegengesetzten Enden des zusammengeschmolzenen Bündels aufgebracht, woraufhin das Bündel in eine Ätzlösung getaucht wird, und zwar für eine Zeitspanne, die ausreicht, im wesentlichen allen Werkstoff der Umhüllung 18 zwischen den geschützten Endabschnitten zu entfernen. Dies führt dazu, daß jede Faser 12 sich einzeln frei im Bündel biegen kann, wodurch das flexible Fiberskop entsteht

Die Teile der Umhüllung 18, die sich unterhalb des Schutzüberzugs an den Endabschnitten des Fiberskops befinden, wobei diese Schutzüberzüge nach dem Ätzvorgang entfernt werden, bilden jeweils eine Faserverbindungsmatrix, die die betreffenden Enden der Fasern 12 ständig in einer Relativlage zueinander hält, die der ursprünglich vorgenommenen Anordnung der Fasern in einem Mosaikmuster entspricht. Für die Herstellung von faseroptischen Vorrichtungen wie dem Fiberskop 10 geeignete Werkstoffe sind ein hochbrechendes Flintglas für die Kerne 14, ein relativ niedrig brechendes Kronglas für die Mantel 16 und ein säurelösliches Borsilikat- oder Lanthanboratglas für die Umhüllungen 18. Ein geeignetes Lösungsmittel für die Umhüllungen 18 ist Salzsäure. Wegen weiterer Einzelheiten und anderer Werkstoffe und Verfahrensweisen, die bei der Bearbeitung und Herstellung von laugungsfähigen, d. h. ätzbaren, flexiblen optischen Faservorrichtungen wie den hier beschriebenen Fiberskopen 10 nützlich sind, vird auf die US-Patentschriften 30 04 368 und 36 24 816 verwiesen.

Bei einem Fiberskop 10, bei dem die einander entsprechenden Enden der Fasern 12 mosaikartig in identischen geometrischen Mustern angeordnet sind, werden auf das eine Ende des Fiberskops gegebene optische Bilder durch die Fasern 12 übertragen und am anderen Ende des Fiberskops abgegeben. Tatsächlich wird jedoch nur solches Licht aufgrund von Totalreflexion durch einen Fiberkern weitergeleitet, das in die betreffende Faser 12 innerhalb des maximalen Aufnahmewinkels, d. h. innerhalb der numerischen Apertur / (F i g. 2), eintritt; dieser Winkel / ist der halbe Öffnungswinkel eines Lichtkonus, der durch den Kern 14 geleitet werden kann. Licht, das in dieselbe Faser unter einem außerhalb dieses Konus liegenden Winkel eintritt, neigt dazu, in den Fasermantel 16 einzutreten und darüber hinaus in benachbarte Fasern, wie dies durch die Strichlinien 20 in F i g. 2 angedeutet ist.

Die numerische Apertur einer Faser 12 oder eines Systems identischer Fasern, d. h. des Fiberskops 10. kann aus der folgenden Beziehung bestimmt werden:

sin ; =

mit

n\ > n₂ --

Brechungsindex des Werkstoffs des Kerns 14 und Brechungsindex des Werkstoffs des Mantels 16.

Da Licht 23, das in ein Ende, z. B. das Ende 22, des Fiberskops 10 unter einem größeren Winkel als der numerischen Apertur dus Systems eintritt, dazu neigt, aus den Kernen 14 der Fasern 12 auszutreten, wie durch die Pfeile 20 oder 20a angedeutet ist, und in benachbarte Fasern als Streulicht einzutreten, sind die Umhüllungen 18 lichtabsorbierend ausgebildet, um als Fallen für das Streulicht rings um die Mantel 16 zu dienen. Wie vorher erwähnt wurde, trägt das Streulicht nicht zur Wiedergabe eines mosaikartig zusammengesetzten Lichtbildes bei, das durch die Kerne 14 der Fasern 12 übertragen wird, sondern wirkt vielmehr daraufhin, das Mosaikbild verwaschen zu machen und seinen Kontrast zu verringern.

Die an jedem Ende des Fiberskops 10 eine Matrix bildende Umhüllung 18 wird lichtabsorbierend gemacht durch Hinzufügen eines üchtabsorbierenden Bestandteils zu der Werkstoffmischung vor ihrer Aufbringung auf die Fasern 12. So lautet eine bevorzugte Zusammensetzung für die Umhüllungen 18 unter Verwendung von Mangan als lichtabsorbierendem Bestandteil wie folgt:

7,6 Gew.-% Lanthanoxid (La₂Oa)
44,65 Gew.-%Bortrioxid (B₂O₃)
42,75 Gew.-% Bariumoxid (BaO)

5,00 Gew.-% Braunstein (MnO₂).

Ein Fiberskop 10 mit angeschmolzenen Überzügen 18, die sowohl als Faserverbindungsmatrix als auch als Streulichtabsorber wirken, arbeitet wie folgt.

Licht, das in die Fasern 12 innerhalb der jeweiligen Aperturwinkel i eintritt, wird durch diese aufgrund von innerer Totalreflexion als bilderzeugendes Licht durchgeleitet. Andere Lichtanteile, die in das Bildempfangsende 22 des Fiberskops 10 unter Winkeln eintreten, die größer sind als der Aperturwinkel / (vgl. Pfeil 23 in F i g. 2) und dazu neigen, aus der jeweiligen Faser 12, auf die dieses Licht auftrifft, herausgestreut zu werden (vgl. Pfeil 20), treten in die von den üchtabsorbierenden Umhüllungen 18 gebildete Matrix ein, werden dort absorbiert und somit daran gehindert, an der weiteren Übertragung durch das Fiberskop 10 als Streulicht teilzunehmen.

Entlang den gesamten Abschnitten der Fasern 10 zwischen den Umhüllungen 18 wird Licht, das dazu neigt, nach außen von einem oder mehreren Kernen 14 gestreut zu werden (vgl. Pfeil 20c), normalerweise in die Faser 12 zurückreflektiert (vgl. Pfeil 26), nämlich aufgrund des sehr niedrigen Brechungsindexes der Luftoder anderen Gasatmosphäre, die normalerweise die Fasern 12 umgibt. Andere Lichtanteile, die nach Erreichen der Nähe des Endes 24 des Fiberskops 10 noch dazu neigen, aus den Fasern 12 auszutreten (vgl. Pfeil 20b), werden an diesem Ende des Fiberskops 10 von der durch die Umhüllung 18 gebildeten Matrix absorbiert und dadurch daran gehindert, einen störenden Einfluß auf das bilderzeugende Licht auszuüben, das von den Kernen 14 der Fasern 12 emittiert wird.

Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die von den Umhüllungen 18 gebildete lichtabsorbierende Faserverbindungsmatrix an den Enden 22 und 24 des Fiberskops 10 sowie die die Fasern 12 entlang dem zwischen den Enden liegenden Abschnitt des Fiberskops 10 normalerweise umgebende Luft- oder Gasatmosphäre das Streulicht minimieren und damit auch die Tendenz des Streulichts, den Kontrast zwischen den Elementen des Mosaikbildes, das durch das Fiberskop übertragen wird, zu verwaschen oder herabzusetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung eines flexiblen faseroptischen Bildleitungskabels, bei dem jede von einer Vielzahl von langen, dünnen und je mit einem Glasmantel versehenen optischen Glasfasern mit einer weiteren Umhüllung aus einem säurelöslichen Glas versehen wird,

die so umhüllten optischen Fasern eng nebeneinander angeordnet werden, so daß an beiden Enden im wesentlichen identische Mosaikmuster entstehen,
die Umhüllungen der nebeneinander angeordneten Fasern miteinander zu einer zwischen den optischen Fasern angeordneten Matrix verschmolzen werden und die Umhüllungen entlang eines wesentlichen Längsabschnitts zwischen den entgegengesetzten Enden der Fasern von den optischen Glasfasern weggeätzt werden, wobei ein Teil der durch die Umhüllungen gebildeten Matrix nahe jedem der beiden Enden der Fasern verbleibt, um dort eine feste Verbindung der Fasern herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß als säurelösliches Glas ein Glas verwendet wird, das einen Absorberstoff enthält

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mangan als Absorberstoff in dem säurelöslichen Glas der Ummantelung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung aus einer Glasmischung gebildet wird, die im wesentlichen folgende Bestandteile enthält: