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Optisches Faserbündel mit verstärkten Endabschnitten Die Erfindung
betrifft ein optisches Faserbtindel, dessen Einzelfasern an den Endabschnitten fest
zusammengeschlossen und im Mittelabschnitt außerhalb der Endabschnitte voneinander
getrennt sind, so daß das Faserbündel ausreichende Flexibilität hat.
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Zur BildUbertragung o. dgl,,zum zumBeispiel bei einem Endoskop ist
es erforderlich, die Fasern einer Faseroptik an beiden Endabschnitten miteinander
zu befestigen, damit die Mustergeometrie an den beiden Endabschnitten des Faser
bündels identisch bleibt und das Bild unverändert von einem zum anderen Ende der
Faseroptik über tragen werden kann.
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Darüberhinaus ist es notwendig, das Endoskop so anzuordnen, daß es
an einem beliebigen Teil zu dessen Beobachtung ein gesetzt bzw. eingeführt werden
kann. Daher muß die Faser optik bei Endoskopen im Mittelbereich zwischen den beiden
Endabschnitten eine möglichst hohe E#exibilität haben.
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Aus diesem Grunde sollten die Einzelfasern des Faserbündeis
bzw.
der Faseroptik im Mittelbereich voneinander getrennt angeordnet sein.
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Nachfolgend wird eine bekannte Methode zur Herstellung optischer Faserbündel
beschrieben, die die zuvor angegebenen Bedingungen erfUllen sollen. Die in Fig.
1 dargestellte optische Faser 4 wird dadurch hergestellt. daß ein Überzug 3 aus
säurelösliehem Glas auf der Außenfläche einer optischen Faser angeordnet wird, die
aus einem lichtleitenden Kern 1 aus Glas oder einem anderen lichtleitenden thermoplastischen
Material relativ hohen Brechungsindexes und einem die Außenfläche des Kerns 1 überziehenden
Mantel 2 aus Glas mit einem vergleichsweise niedrigen Brechungsindex besteht. Eine
Vielzahl von optischen Fasern 4 dimer Art werden zu einem Bündel zusammengefaßt,
und dieses optische Faserbündel wird in ein zylindrisches Rohr 5 aus einem säurelöslichen
Glas eingesetzt und zusammen mit diesem in der Heizzone eines Heizelements 6 (Fig.
2) ausgezogen. Auf diese Weise wird ein stabförmiges Faserbündel 7 gebildet. Nach
dem Überziehen der beiden Endabschnitte des stabförmigen Faserbündels 7 mit einem
säurebeständigen Material wird das stabförmige Faserbündel 7 in Säure getaucht,
um das aus säurelöslichem Glas bestehende zylindrische Rohr 5 und den ebenfalls
aus säurelöslicheruGlas bestehenden Überzug 3 im Mittelabschnitt Jeder Faser 4,
also mit Ausnahme der beiden Endabschnitte, auszulösen. Auf diese Weise ergeben
sich voneinander getrennte Fasern im Mittelabschnitt, und es läßt sich eine flexible
Faseroptik herstellen. Das nach der zuvor beschriebenen Methode hergestellte optische
Faserbündel 7 weist gemäß Fig. 3 zwei Endabschnitte 7a und 7b mit miteinander verbundenen
Fasern 4 und einem Mittelabschnitt 7c auf, an dem die entsprechenden Fasern voneinander
getrennt sind. Uber den größten Teil des Mittelabschnitts 7c, in welchem die Fasern
4 getrennt voneinander laufen, sind die säurelöslichen Glasschichten
durch
die Säure herausgelöst und vollständig entfernt.
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In den den Grenzen zwischen dem Mittelabschnitt 7c und den beiden
Endabschnitten 7a und 7b benachbarten Zonen bleibt jedoch eine bchlammartige Glasmasse
8 zurUck, welche bei der vorhergehends Säurebehandlung nicht vol-lständig durch
die Säure herausgelöst werden konnte, da die Säure in die Zwischen- bei Zwickeiräume
zwischen den Einzelfasern nicht vollständig eindringen konnte (Fig. 4). Die Menge
dimer schlammartigen Masse 8 nimmt in den Zonen nahe den Grenzen zwischen Mittelabschnitt
und den beiden Außenabschnitten zu. (Wenn Glas mit einem Anteil an S402 als säurelösliches
Glas verwendet wird, enthält diese Masse 8 auch SiO2 usw., das in#Säure vergleichsweise
unlöslich ist.) Um die nicht entfernte Masse 8 heraus zu bringen, wird der jeder
Faser 4 zugeordnete säurelösliche Glasüberzug 3 vorzugsweise dicker ausgeführt.
ueberzüge 3 größerer Stärke haben jedoch den Nachteil, daß der Anteil des für die
Lichtübertragung unbrauchbaren Querschnitts größer wird, so daß der Lichtübertragungswirkungsgrad
abnimmt. In der Praxis wird daher die Schicht bzw. der Überzug 3 so dünn als ~möglich
gemacht, und seine Stärke beträgt in der Regel etwalpm bis 5 Der Entfernung der
schlammartigen Masse 8 nach dem vorbeschriebenen Verfahren sind daher in der Praxis
auf optische Ursachen zurückgehende Grenzen gesetzt.
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Wie oben angegeben, sind die Einzelfasern des auf diese Weise hergestellten
optischen Faserbtlndels an den beiden Endabschnitten 7a und 7b fest zusammengeschlossen
und können nicht bewegt werden. And'ererseits können die ~Einzelfasern an den Stellen
des Mittelabschnitts 7c die den zuvor definierten Grenzen nahe benachbart sind,
bewegt werden, da das säurelösliche Glas teilweise entfernt wurde, wobei die Bewegung
der Einzelfasern jedoch wegen der Existenz der schammartigen Masse 8 etwas beschränkt
ist. Dartrberhinaus wird ein optisches Faserbündel dieser Art im Gebrauch
häufig
gebogen.. Beim Biegen des optischen Faserbündels treten besonders hohe Spannungen
an den Abschnitten nahe den Grenzen zwischen dem Mittelabschnitt 7c mit voneinander
getrennten Einzelfasern und den festen Endabschnitten 7a und 7b auf. Demgemäß besteht
bei diesen optischen Fasern eine erhdhte Bruchgefah#in den Stellen nahe den Grenzen
(Übergangszonen). Selbst wenn die in den Abergenyszonen auftretenden Spannungen
nicht zum Bruch der entspechenden Fasern führen, können Faserverletzungen beim Biegen
auftreten, und zwar insbesondere dort, wo nicht entfernte Reste des säurelöslichen
Glases zwischen den Einzelfasern vorhanden sind. Soweit die schlammartige Masse
in Form von Klümpchen zwischen den Einzelfasern vorliegt, werden die einem solchen
Klümpchen oder Partikel benachbarten Fasern beim Biegen einer extrem hohen Belastung
ausgesetzt, die häufig zum Bruch der Faser führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Faserbündel,
deren Einzelfasern an den Endabschnitten miteinander befestigt sind und im Nittelabschnitt
voneinander getrennt verlaufen, anzugeben, das aufgrund seiner Ausbildung unempfindlich
gegen Verbiegen und Biegebeanspruchungen ist.
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Ausgehend von einem optischen Faserbündel der vorstehend genannten
Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Zwischen- bzw
Zwickeiräume zwischen den Fasern in den Vbergangszonen zwischen dem Mittelabschnitt
und den beiden Endabschnitten mit einem Kunststoffmaterial von geeigneter Flexibilität
gefüllt sind.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Faserbtindel
Verstärkungsrobre aufweist, die Teile des Faserbündeis in der Nähe der Grenzen zwischen
dem Mittelabschnitt und den beiden Endabschnitten umschließen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine vergrößerte perspektivische Darstellung eines Teils einer
optischen Faser; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung des Verfahrens
zur Herstellung eines optischen Faserbündels (Faseroptik); Fig. 3 eine perspektivische
Ansicht auf ein bekanntes optisches FaserbUndel; und Fig. 5 bis 9 vergrößerte Schnittansichten
auf Ausführungsbeispiele des erfindungsgemaßen optischen Faserbündels.
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Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des optischen Faserbündels
gemäß der Erfindung. In Fig. 5 ist eine in Fig. 1 dargestellte Einzelfaser mit 10
bezeiche. Sie besteht aus einem lichtleitenden Kern 1 aus Glas oder einem anderen
lichtleitenden' thermoplastischen Material mit hohem Brechungsindex und einem den
Kern 1 umschließenden Mantel bzw. Überzug 2 aus einem Glas niedrigeren Brechungsindexes.
Eine der Schicht 3 in Fig. 1 entsprechende, säurelösliche Glasschicht ist mit 11
bezeichnet. Die einzelnen optischen Fasern 10 sind in einem Abschnitt 10a fest miteinander
verbunden. Rinne schlammartige Masse, die bei der Säureauslösung nicht vollständig
entfernt werden kann, ist mit 12 bezeichnet, In die Zwischenräume bzw. Zwickeiräume
zwischen den Einzelfasern sind in einer Übergangszone nahe der Grenze zwischen dem
Endabschnitt 10a und dem Mittelabschnitt des Faserbündels Kunststoffschichten 13
geeigneter Flexibilität eingebracht bzw. injiziert und in Yftu ausgehärtet. In dem
zur Mitte des optischen Faserbündels von den Kunststoffschichten 13 aus verlaufenden
Abschnitt (rechts in Fig. 5) sind die säurelöslichen Glasschichten vollständig,
entfernt, so daß dort die optischen Einzelfasern voneinander getrennt sind.
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Das Kunststoffmaterial, das für die Schichten 13 bei dem erfindungsgemSßen
optischen FaserbUndel verwendet wird, soll eine geeignete Härte und Flexibilität
besitzen. Die richtige Härte und Flexibilität des Kunststoffmaterials ändern sich
mit dem Durchmesser des Faserbündels, dem Durchmesser der Einzelfasern, der Dicke
der säurelöslichen Glas schichten usw. Vorzugsweise wird jedoch ein Kunststoffmaterial,
z. B. langsam aushärtende bzw. gießfähige Elastomere (poteing elastomers) wie die
unter dem Warenzeichen RTF, GEL vertriebenen Kunststoffe (Hersteller Shin-etsu Chemical
Industry Co., Ltd.) verwendet. Die Viskosität dieser Kunststoffe ist gering, d.
h. etwa 10 Poises bei 250 C, ihre Härte nach dem Aushärten ist ASTM D 2240 des Types
A Shove-Härteprüfgerät 22 oder geringer und sie haben eine hohe Flexibilität. Daher
können Sie leicht in die Zwischen- bzw. Zwickelräume zwischen den Einzelfasern eingeführt
bzw. injiziert werden, so daß die Herstellung der beschriebenen optischen Faserbündel
dementsprechend einfach ist. Da sie hohe Flexibilität besitzen, setzen sie die Bruchgefahr
der Fasern außerordentlich stark herab.
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Wenn es möglich ist, die Länge von der Stirnseite des fI#iblen optischen
Faserbündels bis zum durchbiegbaren Abschnitt des optischen Faserbündels vergleichsweise
lang zu machen, können die oben angegebenen Kunststoffschichten einem vergleichsweise
langen Abschnitt von einigen Millimetern oder mehr vorgesehen werden. Es ist daher
sehr günstig, wenn weiches Material für diese Kunststoffsc>Mhten verwendet werden
kann. Andererseits ist es bei kurzem Abstand zwischen der Stirnfläche und dem biegbaren
Abschnitt unvermeidbar, auch die Länge der Kunststoffschichten entsprechend kurz
zu bemessen. In diesem Falle sollte zwet ßigerweise kein weiches Kunststoffaatetal
verwendet werden, da die Spannungen anderenfalls direkt in Zonen in unmittelbarer
Nähe der Grenze
zwischen den Endabschnitten und dem Mittelabschnitt
konzentriert würden.
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In dernzuletzt genannten Fall sollten vorzugsweise Kunststoffe wie
die unter dem Warenzeichen Araldite AY103JHY951 oder Cemedine 1565#D im Handel erhältlichen
Kunststoffe mit besonders niedriger Viskosität aus Epoxiharzen verwendet werden,
die in der Praxis als Binde- bzw. Klebemittel'verwendet werden. Diese Bindemittel
werden jedoch nach dem Aushärten außerordentlich hart, so daß die Flexibilität unter
Umständen unzureichend wird. (Elne unzureichende Flexibilität ergibt sich insbesondere
dann, wenn die Fasern große Durchmesser und Zwischenräume nach dem Enfernen des
säurelöslichem Glases haben). In diesem Falle ist es notwendig, die Warte auf den
günstigsten Wert einem stellen, dem PVB (Polyvinylbutyral), gelöst in einem organischen
Lösungsmittel, wie Xylol als Mittel zur Erhöhung der Elastizität zugesetzt wird.
Ein zu großer Anteil an Xylol-Polyvinylbutyral-Lösung sollte jedoch nicht zugesetzt
werden, da in diesem Falle die Volumenkontraktion zum Zeitpunkt der Aushärtung zuvor
wird.
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Wenn mehr als 10 % Xylol-Polyvinylbütyral-Lösung zugo setzt werden
müßten, sollte zur Erzielung besserer Ergebisse ein unter dem Warenzeichen DER erhältlicher
Epoxyharz verwendet werden. In diesen Fällen ist es mdglich, die Härte des Kunststoffmaterials
durch Änderung des Mischungsverhältnisses von derjenigen mit etwa HRM 100 der Rockwell
M-Skala, z. B. Araldite, Cemedine usw.
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bis zu derjenigen von ASTM D 2240, Type A des Shove-Härteprüfgeräts
22, z. B. von DER, einzustellen. Außerdem haben einige Polyurethanharze niedrige
Viskosität, und bei Verwendung solcher Harze können gute Ergebnisse erzielt werden.
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Wie oben gesagt, ist es erwünscht, die Flexibilität des
eingesetzten
Kanststoffmaterialr auf einen geeigneten Wet entsprechend den Bedingungen, wie Durchmesser
der Fasern usw. einzustellen. Beis@i@le von verwendbaren Materialien zum Einstellen
der gewünschten Flexibilität sind oben genannt~ Der ideale Weg ist jedoch wie fo@t:
In der Nähe der Grenze zwischen jedem Endabschnitt, in welchem die Einzelfasern
miteinander verbunden sind, und dem Mittelabschnitt, in welchem die Fasern voneinander
getrennt verlaufen, also in derjenigen Zone, wo sich die oben beschriebene sch@ammartige
Masse ergibt, sollte vorzugsweise ein kunststoff mit vergleichsweise niedriger Elastizität,
hoher #te Härte und starken Haftkräften verwendet werden. In dem dem Mittelabschnitt
näher gelegenen bereich sollten dagegen Kunststoffe mit hdherer Elastizität bzw
Flexibilität verwendet werden. Bei dieser Anordnung ist das eingefüllte Kunststoffmaterial
an der Grenze genügend hart und steif, so daß keine Spannungskonzentration im Grenzabschnitt
auftritt, und das FaserbUndel eine extrem hohe Stabilität und Widerstandskraft gegen
Biegen und Zugkräfte entfaltet.
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In der Praxis ist es jedoch sehr schwierig, die Härte des zuvor beschriebenen
kunststoffmaterials zu variieren.
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Andererseits ist es bekannt, dverschiedene anorganische Materialien,
z. B. Glasfasern, einem Kunststoff ungenügender Härte zuzusetzen, wodurch ein verstärktes
Material, w. B. ein @aserverstärkter Kunststoff (FRP) geschaffen wird. Da die schlainmartige
Masse, die nahe der oben -definierten Grenze vorhanden ist, ähnlich dem Füllstoff
für FRP wirkt, hat der eingefüllte Kunststoff in den der Grenze unaittelbar benachbarten
Zonen, in der die schlammartige Masse in vergleichsweise großer Menge vorhanden
ist, eine höhere Stabilität und Härte als an solchen Zonen, die frei sind von der
genannten schlammartigen Masse. Daher hat das in die Zwischenräume eingeführte
Kunststoffmaterial
eine den Idealwerten sehr nahe kommende Härteverteilung. Auf diese Weise sind günstige
Biegeeigenschaften gewährleistet.
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Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispxel beschrieben, bei
dem die StandfestAgteit selbst gegen stärkere Biegebeanspruchungen und Spannungen
weiter erhöht ist, i#e,m die zuvor erwähnte Grenze auf eine genügende Härte eingestellt
wird. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel' das in Fig. 6 dargestellt ist, ist
die Zone nahe der Grenze zwischen dem Endabschnitt 10a und dem Mittelabschnitt lOb
durch ein Verstärkungsrohr 14 geschützt. Bei dem inner vorstehend beschriebenen
Weise angeordneten FaserbUndel wird nach dem Entfernen des säurelöslichen Glases
das Verstärkungsrohr 14 aufgebracht, Kunststoffmaterial 15 in die Zwischenräume
bzw. Zwickel zwischen den Einzelfasern und dem Verstärkungsrohr 14 und den Einzelfasern
injiziert und danach das Kunststoffmaterial 15 ausgehärtet.
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Bei dem zuvor beschriebenen optischen Faserbündel werden die Spannungen
nicht in ungünst#r Weise im Bereich der Grenze konzentriert, und zwar wegen der
Anordnung des V0rstärkungsrohrs 14 selbst dann nicht, wenn das optische Faserbündel
starken Biegungen unterworden wird. In die Zone nahe dem. stirnsdtigen Ende 14a
des Verstär'c.ungsrohrs 14 wird flexibles Kunststoffmaterial 15 um die Einzelfasern
herum eingefüllt, das die Einzelfasern in diesem Bereich schützt. Da das Kunststoffmaterial
15 flexible ist, gibt es keine Spannungskonzentrationen in dieser Zone. In dem zuvor
beschriebenen Falle wird als Kunststoffmaterial 15 vorzugsweise ein Material hoher
Flexibilität verwendet.
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Fig. 7 zeigt ein drittes AusfUhrungsbeispiel der Erfindung.
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Die Dicke des dort verwendeten Verstärkungsrohrs 16 nimmt zum Ende
hin ab. Auf diese Weise it das Verstärkungsrohr 16 am Abschnitt lOaX in welchem
die Fasern miteinander verbunden sind,#hart, und seine Flexibilität nimmt graduell
in Richtung seines Endes ab. Auf diese Weise ist bei dem in Fig. 7 dargestellten
optischen Faserbündel die Grenzzone zwischen dem Endabschnitt, in welchem die Einzelfasern
miteinander verbunden sind, und dem Mittelabschnitt, in welchem die Einzelfasern
voneinander getrennt sind, von dem dicken, d. h. harten Teil des Verstärkungsrohrs
u schlossen. Daher findet keine besondere Spannungskonzentration an der Grenze statt,
selbst wenn das optische Faserbündel stark gebogen wird. Da der Endabschnitt des
Verstärkungsrohrs .dünner und dait flexibel ist, ist auch eine Spannungskonzentration
in diesem' Abschnitt des optischen Faserbündels verhindert.
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In Fig. 8 ist ein viertes Ausführungsbes,piel dargesteflt, bei dem
das optische Faserbündel zunächst von einem flexiblen Rohr 17 und außen von einem
nicht so flexiblen Verstärkungsrohr 18 umschlossen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist das Verstärkungsrohr 18 kürzer als das flexible ~Rohr 17. Obwohl das Verstärkungsrohr
18 selbst keine mterschindlichen Flexibilita'tseigenschaften wie im Falle. des dritten
Ausführungsbeispiels hat, ist der Abschnitt des optischen Faserbündeis, der nur
vom flexiblen Rohr 17 umgeben ist, flexible ,während der vom Verstärkungsrohr 18
umschlossene Abschnitt nicht flexibel ist. Auf diese Weise wird die Flexibilität
bzw.
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Elastizität des optischen Faserbündels in Stufen geändert, und das
optische Faserbundel selbst hat die selben Sigenschaften wie dasjenige bei dem dritten
Ausfahrungsbeispiel.
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Fig. 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei
dem Verstärkungsrohre so angeordnet sind, daß sich die Flexibilität in Stufen ähnlich
wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel ändert, wobei Jedoch eine größere Anzahl
von Stufen vorgesehen ist. Um die optischen Fasern 10 ist ein flexibles Schutzrohr
19 herumgelegt, das von einem Schutzrohr 20 entsprechender Flexibilität oder einem
etwas härter eingesterrten Schutzrohr 20 umgeben ist. Das Schutzrohr 20 wird von
einem Verstärkungsrohr 21 aus einem haten Material, z. B. aus Metall außen umschlossen,
wobei die Enden der Rohre 19 20 und 21 auf der dem Abschnitt lOb der optischen Fasern
10 zugewandten Seite in kurzen Stuten hintereinander angeordnet sind.
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Mit dem Bezugszeichen 22 sind in den dritten bis fünften Ausführungibeispielen
flexible Kunststoffe bezeichnet, die in die Zwischenräume bzw. Zwickelräume zwischen
den Einzelfavern eingefüllt sind. Der flexible Kunststoff 22 wird vorzugsweise verwendet.
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Die beschriebene Ausbiidung des neuen optischen Faserbündels führt
zu verschiedenen Vorteilen. Die Einzelfasern sind in ihren Endabschnitten fest miteinander
verbunden, verlaufen jedoch in ihrem Mittebereich getrennt voneinander, und das
optische Faserbündel hat eine extrem hohe Flexibilität. Da ein den Übergangs,bereich
in der Grenzzone zwischen dem flexiblen Mittel-Abschnitt und den festen Endabschnitten
ausfilllend,er verstärkender Kunststoff verwendet wird, ist das optische Faserbündel
vollständig frei von der Gefahr des Faserbruchs, selbst wenn es tark durchgebogen
wird.
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Daher kann das beschriebene optische Faserbündel mit besonderem Erfolg
dort eingesetzt werden, wo, wie im Falle der Bi@@@bertragung bei Endostopen, mit
beliebigen Durchbiegunaen zu rechnen ist.