DE2937257A1 - Verfahren zum herstellen eines bilduebertragungselementes aus einer vielzahl von fasern sowie bilduebertragungselement selbst - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines bilduebertragungselementes aus einer vielzahl von fasern sowie bilduebertragungselement selbst

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, bzw. ein Verfahren zur Herstellung von einer Bündelfaser.
Gebündelte Fasern werden in solche unterteilt, die als Bildübertragungselemente oder Bildführungen für die übertragung von Bildern und als Bildführungen zur bloßen übertragung von Lichtenergie dienen. Bei einer Bildführung für die übertragung von Bildern muß die Lage der die Bildelemente darstellenden Elementarbildfasern an den Ein- und Ausgangsenden einander genau entsprechen, um eine Verzerrung des übertragenen Bildes so gering wie möglich zu halten. Andererseits braucht eine bloße Lichtführung eine derartige Anordnung nicht immer aufzuweisen, da sie lediglich für die übertragung von Lichtenergie ausgelegt ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bildführung bzw. eines Bildübertragungselementes,mit dem Bilder übertragen werden sollen. Die Fertigungsverfahren zur Herstellung von gebündelten Fasern für solche Bildführungen lassen sich aufteilen in das Wickelverfahren, Folienstapelverfahren, die Vielfaserformation und die Faserplattenformation wobei diesbezüglich zum Beispiel auf die Veröffentlichung in Journal of the Society of Electric and Electronics Engineering, Japan, Bd. 97, Nr. 11, November 1977 hingewiesen wird. Obgleich die bekannten Verfahren zur Herstellung von Bildübertragungselementen oder Bildführungen bestimmte Vor- und Nachteile aufweisen, erfüllen sie nicht gleichzeitig sämtliche Anforderungen hinsichtlich der Anzahl an Bildelementen, der Produktionslänge und der Biegsamkeit der Fasern.
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung von Faserbündeln für ein Bil'dübertragungselement mit einer Länge von einigen Kilometern bis zu einigen zehn Kilometern, wobei das Faserbündel eine gute Biegsamkeit und eine ausreichende Anzahl an
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Elementarbildfasern oder Bildelementen enthalten soll.
Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, Bildfasern vorzusehen, bei denen der Übertragungsverlust von einer Elementarbildfaser für jedes Bildelement auf 10 dB/km oder weniger durch Wahl einer geeigneten Matrix für die Bildelemente reduziert werden kann. Im Vergleich mit herkömmlichen Faserbündeln ist ferner eine erheblich vergrößerte Übertragungsstrecke für ein Bild mit bestimmter Helligkeit wünschenswert. Ferner soll^was die Eigenschaften der als Bildelement verwendeten Fasern betrifft, eine übertragung von Abbildungen t die sich vom Ultraviolett- bis Infrarotbereich erstrecken, möglich sein und daher der Anwendungsbereich solcher Faserbündel erweitert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Bildführung bzw. eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern zeichnet sich dadurch aus, daß man eine erste und zweite Gruppe von Elementarbildfasern in ein Rohr, das an einem Ende verschlossen ist und aus Quarz oder einem Mehrkomponentenglas besteht, einsetzt, die erhaltene Anordnung unter Herabsetzung des Druckes am offenen Ende des Rohres bei einer erhöhten Temperatur verspinnt, eine Schicht aus einem Metall mit niedrigerem Schmelzpunkt als das die Bildfaser darstellende Material auf die gesponnene Anordnung aufgibt, bevor die Anordnung eine massive Fläche berührt, um eine Schutzschicht vorzusehen,und die gesponnene und beschichtete Anordnung abkühlt. Die erste Gruppe Elementarbildfasern besteht entweder aus Quarz oder einem Material, das hauptsächlich Quarz enthält, während die zweite Gruppe Elementarbildfasern aus einem Mehrkomponentenglas gefertigt ist. Anstelle der Metallbeschichtung kann auch eine Schicht aus einem Harzmaterial z.B. eine Schicht aus einem wärmehärtenden oder durch ultraviolette Bestrahlung aushärtbarem Harz vorgesehen werden.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Her-
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stellen einer Bildführung bzw. Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, bei dem die Elementarbildfasern ohne willkürliche Verteilung genau ausgerichtet liegen, indem man die Fasern in ein Rohr aus Quarz oder ein Mehrfaserglas anordnet und dann in das Rohr Wasser eingibt, wobei das Rohr gedreht und Ultraschallschwingungen unterworfen wird. Die Drehung des Rohres sowie das Aufbringen der Ultraschallschwingung kann gleichzeitig oder nacheinander je nach Wunsch erfolgen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Herstellen einer Bildführung bzw. eines Bildübertragungselementes nach dem sogenannten Vielfaserverfahren, bei dem eine lichtabsorbierende Schicht um ein Bündel Elementarbildfasern vorgesehen wird, die die Bildelemente darstellen, wobei die lichtabsorbierende Schicht ein aus Bergkristall gebildetes Quarzrohr oder ein überzug ist, welche mit wenigstens einem Metall dotiert sind, das aus der Ti,V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh, La, Ce, Nd und W umfassenden Gruppe ausgewählt wird, um den Lichtabsorptionskoeffizienten der lichtabsorbierenden Schicht zu erhöhen. Gegenstand der Erfindung ist ferner eine nach diesem Verfahren hergestellte Bildführung (Bildübertragungselement).
Die Erfindung umfaßt weiter ein Verfahren zum Herstellen einer Bildführung (Bildübertragungselement) mit einer lichtabsorbierenden Schicht um die Elementarbildfasern, die die einzelnen Bildelemente darstellen, wobei ein Film aus Quarz auf der äußeren Oberfläche einer Überzugs- oder Umhüllungsschicht, die einen Kern umgibt, vorgesehen wird, und die lichtabsorbierende Schicht ein Material enthält, das aus der Gruppe der wenigstens ein Halogenid der Metalle Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh, La, Ce, Nd und W umfassenden Gruppe sowie einem Halogenid von mit einem dieser Metalle dotiertem Si ausgewählt ist. Ein nach diesem Verfahren hergestelltes Bildübertragungselement ist ebenfalls Gegenstand der
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Erfindung. Die Bildfasern können aus Quarzglas aufgebaut sein, wobei in diesem Fall eine Uberzugsschicht aus B-dotiertem Quarz bevorzugt wird. Die Bildfasern können auch aus Quarz bestehen, der mit wenigstens einem Element, ausgewählt aus der Ge, P, Al, Ti und Ga umfassenden Gruppe dotiert ist. In diesem Fall kann die Uberzugsschicht entweder Quarzglas oder B-dotierter Quarz sein.
Zusammengefaßt werden durch die Erfindung gebündelte Bildübertragungsfasern sowie Verfahren zum Herstellen derselben geschaffen, bei denen ein Bündel von Elementarbildfasern ohne willkürliche Verteilung zusammengesetzt wird ,so daß sich eine Abbildung ohne Verzerrung ergibt. Die zusammengesetzten Fasern werden mit einer Uberzugsschicht versehen und dann von einer lichtabsorbierenden Schicht aus einer bevorzugten Gruppe von Materialien umgeben. Die erfindungsgemäßen Faserbündel haben eine Länge von einigen zehn Kilometern sowie eine gute Biegsamkeit und enthalten eine ausreichend hohe Anzahl an Elementarbildfasern, um ein Bild klar und zufriedenstellend übertragen zu können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus von einer Elementarbildfaser, die ein Bildelement in einem erfindungsgemäß aufgebauten Faserbündel darstellt.
Figuren 2A und 2B Vorrichtungen zum Herstellen von erfindungsgemäß aufgebauten Elementarbildfasern.
Figur 3 ein mit den Vorrichtungen nach Figuren 2A und 2B hergestelltes Bündel von Elementarbildfasern nach längenmäßigem Zuschnitt und Einführung in ein Quarzoder Glasrohr.
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Figur 4 eine Vorrichtung zum genauen Anordnen der in das Quarz- oder Glasrohr nach Figur 3 eingesetzten Fasern.
Figur 5 eine andere Ausführung einer Vorrichtung gemäß Figur 4,
Figur 6 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß Figur 4,
Figur 7 eine schematische Ansicht bezüglich des Verfahrens zum Fixieren der Elementarbildfasern in dem Quarzoder Glasrohr, so daß diese eine feste relative Lage zueinander einhalten,
Figur 8 eine Vorrichtung zum Verspinnen eines mit der Vorrichtung gemäß Figur 7 geschaffenen Bündels von Fasern.
Figuren 9A - 9C und 10A- 10C Beispiele der Verteilung des Brechungsindex von nach den verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bildfasern.
Figur 11 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Aufbringen einer lichtabsorbierenden Schicht auf die Oberfläche einer Bildfasermatrix in Gestalt eines getrennten Verfahrensschrittes.
Figur 12 die Verteilung des Brechungsindex von einer in der erfindungsgemäßen Weise hergestellten tatsächlichen Matrix und
Figur 13 eine geschnittene Ansicht von einem zusammengesetzten Faserbündel nach der Erfindung.
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Figur 1 zeigt den Aufbau von einer Faser zur übertragung eines Elementarbildes, die ein Bildelement in einem erfindungsgemäßen Faserbündel darstellt,. In Figur 1 betrifft das Bezugszeichen 1 einen Kern, 2 eine Umhüllungsschicht und 3 eine lichtabsorbierende Stange, die auch separat zum Zeitpunkt der Ausrichtung der einzelnen Elementarbildfasern eingeführt werden kann.
Figuren 2A und 2B zeigen schematisch Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung einer Elementarbildfaser eines Faserbündels. Insbesondere zeigt Figur 2A schematisch die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens für die Weichmachung eines Vorformlings mittels Wärmezufuhr, der eine Elementarbildfaser ergibt , und zum Ausziehen einer Faser. Figur 2B zeigt schematisch ein Verfahren zum Ausziehen einer Elementarbildfaser nach einem zwei- oder dreifachen Tiegelschmelzverfahren.
In Figur 2A betrifft das Bezugszeichen 4 einen Vorformling, 5 ein Einspannteil, 6 einen Spinnofen, 7 eine Faser, 8 eine Aufwickelspule, 9 eine Zustellschneckenspindel und 10 einen Motor. In Figur 2B betrifft das Bezugszeichen 11 einen zum Beispiel aus Platin oder Quarzglas bestehenden Schmelztiegel, 12 ein Kernglas, 13 ein Umhüllungsglas, 14 ein lichtabsorbierendes Glas, 15 eine Faser und 16 eine Aufwickelspule.
Figur 3 zeigt ein Bündel aus Elementarbildfasern 17, hergestellt mit den in Figuren 2A und 2B gezeigten Vorrichtungen nach Zuschnitt auf eine geeignete Länge, wobei das Bündel in ein Quarz- oder Glasrohr 18 eingesetzt ist. Bei dem in Figur 3 gezeigten Zustand ist die Ausrichtung der Bildübertragungsfasern im wesentlichen zufällig und muß daher die Anordnung der Elementarbildfasern in eine geeignete Ordnung gebracht werden, damit das Bündel für die Bildübertragung geeignet wird.
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Figur 4 zeigt eine Vorrichtung zur richtigen Anordnung dar
in ein Quarzrohr oder Glasrohr eingesetzten Bildübertragungsfasern. In Figur 4 trägt das Quarz- oder Glasrohr das Bezugszeichen 19, eine Elementarbildfaser das Bezugszeichen 20, ein Anschlagelement das Bezugszeichen 21, ein Drehspannteil das
Bezugszeichen 22, ein Schlauch das Bezugszeichen 23, eine Pufferplatte das Bezugszeichen 24 und eine Drehverbindung das Bezugszeichen 25. Die Bildübertragungsfasern werden mittels eines durch die Drehverbindung 25 und die Pufferplatte 24 fliessenden stetigen Wasserstromes ausgerichtet. Hierbei ist es
wichtig, daß man das Quarz- oder Glasrohr und die Pufferplatte in integraler Weise dreht. Dieser Vorgang führt ohne weiteres zu einer Ausrichtung der freien in das Rohr eingesetzten Fasern. Die Drehrichtung des Quarz- oder Glasrohres kann konstant sein. Die Ausrichtung der Elementarbildfasern wird jedoch erleichtert, wenn man wiederholt die Drehrichtung des Rohres umkehrt. Der Anschlag 21 hat die Aufgabe, ein Herausfallen der Bildübertragungsfasern zu verhindern. Der Reibungskoeffizient zwischen Anschlag und Bildübertragungsfasern sollte gering sein, damit sich die Bildübertragungsfasern leicht bewegen können. Vorzugsweise besteht der Anschlag aus einem Material, wie Polytetrafluoräthylen oder Metall.
Figur 5 zeigt eine zweite Vorrichtung zum Ausrichten der Elementarbildfasern, die zu einer Verkürzung der für das Ausrichten erforderlichen Zeit führt, indem an die in Figur 4 gezeigte Vorrichtung ein Ultraschallschwingelement 6 befestigt ist. Bei diesem Ausrichtungsverfahren mit einem Ultraschallschwingelement 26 wird ein Ende des Quarz- oder Glasrohres 19 abgedichtet und in das Rohr Wasser eingegeben. Nichtsdestoweniger kann auch
ohne Verwendung fließenden Wassers eine ausreichende Ausrichtung nach diesem Verfahren erzielt werden. Das Quarz- oder Glasrohr kann in Drehbewegung versetzt werden, doch läßt sich bei längeren Zeitdauern eine ausreichende Ausrichtung auch erzielen, wenn das Rohr stationär bleibt. Die Anlage vereinfacht sich natürlich, wenn der Ausrichtvorgang nur durch Eingiessen von Wasser ohne Drehen des Quarz- oder Glasrohres erzielt wird.
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Eine dritte Vorrichtung zum Ausrichten der Fasern ist in Figur 6 gezeigt. Das Bezugszeichen 27 betrifft die Elementarbildfasern, die an der Stelle 29 zu einer unitären Anordnung verbunden oder zusammengeschweißt und in einem Glasrohr 28 eingesetzt sind. Die integrale Verbindung der Bildübertragungsfasern ist mit einem Tragelement 33 über eine Führungsstange 30 verbunden. Das Bezugszeichen 31 betrifft eine Pufferplatte und 32 einen Schlauch. Bei der in Figur 6 gezeigten Vorrichtung fließt Wasser von oben zu und werden die Fasern alleine durch die Kraft der Wasserströmung ausgerichtet.
Die in dem Quarz- oder Glasrohr nach einem der in Figuren 4, 5 und 6 gezeigten Verfahren ausgerichteten Bildübertragungsfasern werden anschließend einer Einrichtung zugeführt, die die relativen Lagen der ausgerichteten Bildübertragungsfasern und des Quarz- oder Glasrohres fixiert, um zu verhindern, daß die Fasern wieder aus der Ausrichtung geraten.
Figur 7 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zum Fixieren der Elementarbildfasern 34 mit einem Quarz- oder Glasrohr 35. Das Quarz- oder Glasrohr wird durch einen Brenner 36 erwärmt und weich gemacht. Durch die daher erzeugte Oberflächenspannung verringert sich der Durchmesser des Quarz- oder Glasrohres an wenigstens einer Stelle, um die Ausrichtung der Bildübertragungsfasern dauerhaft zu fixieren.
Mittels einer der anhand Figuren 1 bis 7 beschriebenen Arbeitsvorgänge kann eine Faserbündelmatrix für eine Bildführung erhalten werden. Indem man die Matrix verspinnt und ihren Durchmesser verringert, läßt sich ein Faserbündel mit einem gewünschten Durchmesser herstellen.
Figur 8 zeigt eine Vorrichtung zum Verspinnen der nach dem Verfahren nach Figur 7 hergestellten Faserbündelmatrix. In Figur 8 betrifft das Bezugszeichen 37 die Faserbündelmatrix, 38 einen Spinnofen, 39 ein gesponnenes Faserbündel, 40 eine Düse für die
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ORJGlNAL INSPECTEO
Aufgabe einer Kunststoffbeschichtung,41 einen Einbrennofen, 42 eine Führungsrolle, 43 eine Aufwickelspule, 44 eine Einspanneinrichtung, 45 eine Zustellschneckenspindel, 46 einen Motor, 47 eine Absaugeinrichtung, 48 einen Schlauch, 49 eine Vakuumpumpe und 50 ein kunststoffverstärktes Faserbündel.
Die nach dem in Verbindung mit Figur 7 beschriebenen Verfahren hergestellte Matrix 37 wird versponnen und hinsichtlich ihres Durchmessers reduziert, um zu dem Faserstrang 39 zu werden. Dieser Faserstrang wird dann vor Berührung mit einer massiven Fläche mit einem wärmehärtenden oder durch ultraviolette Bestrahlung aushärtbarem Harz in der Beschichtungsdüse 40 überzogen . Die Beschichtung wird im Ofen 41 eingebrannt und ausgehärtet (oder dies erfolgt durch einen Aushärtungsofen mittels ultravioletter Bestrahlung), um ein kunststoffverstärktes Faserbündel zu erhalten. Diese Technik führt zu einem Faserbündel, das gegenüber Luftfeuchtigkeit und anderen Einflüssen geschützt ist und eine ausreichende Festigkeit aufweist, um bei guter Biegsamkeit die Beanspruchungen bei normaler Verwendung auszuhalten. Hierbei kann der Druck im Inneren des Quarz- oder Glasrohres reduziert werden, indem man von oberhalb der Faserbündelmatrix Luft absaugt. Infolge davon verringern sich die Freiräume zwischen den Bildübertragungsfasern und läßt sich die Dichte der Elementarbildfasern erhöhen. Da im druckreduzierten Zustand der Außendurchmesser des gesponnenen Faserbündels eine ovale Gestalt annehmen kann, kann es sich bei der Einspanneinrichtung 14 um ein Drehspannfutter handeln.
Nach Figur 8 v/erden die Fasern unmittelbar nach dem Verspinnen mit einem Harz beschichtet ., das man anschließend wie erwähnt aushärtet. Bei einer alternativen Vorgehensweise wird ein geschmolzenes Metall in die Beschichtungsdüse eingegeben und erfolgt die Beschichtung der Fasern mit dem Metall.
Nach dem in Figur 7 gezeigten Verfahren zum Fixieren der Faserausrichtung wird nur der Durchmesser des Quarz- oder Glasrohres durch den Brenner reduziert. Daher läßt sich die in Verbindung
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mit Figur 8 beschriebene Druckabsenkung von der Oberseite der Matrix aus ohne Schwierigkeit durchführen. Wenn die Faserbündelmatrix unmittelbar nach dem Ausrichten der Fasern versponnen wird, ist das Fixieren der Faserausrichtung gemäß Figur 7 nicht wesentlich.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile werden nachfolgend wiedergegeben:
(1) Es lassen sich Faserbündel mit einer Länge von einigen Kilometern bis zu einigen Zehnkilometern erhalten/ da die durch das Verspinnen und die Durchmesserreduzierung erzielten Elementarbildfasern in ein Quarz- oder Glasrohr eingesetzt und darin ausgerichtet und einem weiteren Spinn- und Durchmesserreduzierungsprozeß unterworfen werden. Durch Zuschnitt der gebündelten Fasern können Fasern jeder beliebigen Länge zur Verwendung als Bildführung erhalten werden.
(2) Da die ausgerichteten Elementarbildfasern in einem Quarzoder Glasrohr versiegelt sind, werden die Fasern gegenüber Bruch geschützt bzw. ein solcher verhindert.
(3) Die ausgerichteten Elementarbildfasern sindmit einem Mantel oder Hülle in Form eines Quarz- oder Glasrohres umgeben,und ferner weisen sie eine Verstärkungsschicht aus Kunststoff oder Metall auf. Daher läßt sich ein Faserbündel mit geeigneter Festigkeit für die üblichen Beanspruchungen herstellen.
(4) Der Außendurchmesser des erhaltenen Faserbündels und der Durchmesser,von jeder Bildübertragungsfaser kann frei innerhalb der Fertigungsgrenzen gewählt werden, da zunächst eine in einem Quarz- oder Glasrohr eingesetzte Matrix aus Bildübertragungsfasern versponnen und im Durchmesser reduziert und dann weiterversponnen und im Durchmesser verringert wird.
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(5) Da die Elementarbildfasern zweimal versponnen und durchmesserreduziert werden, kann der Durchmesser von jeder Bildübertragungsfaser, die ein Bildelement darstellt , so weit vergrößert werden, daß sich eine Abbildung von guter Qualität erzielen läßt.
(6) Durch Verwendung des Quarz- oder quarzartigen Glases als Material für die Elementarbildfasern und die Hülle wird der Ubertragungsverlust der Bildübertragungsfasern auf etwa 10 dB/km oder weniger verringert. Im Vergleich zu konventionellen gebündelten Fasern wird daher die mögliche Ubertragungsstrecke bei einem erfindungsgemäßen Faserbündel, bei der ein Bild mit bestimmter Helligkeit vorliegt, erheblich vergrößert.
(7) Bei dem vorbeschriebenen Prozeß zum Verspinnen und Durchmesserreduzieren der Faserbündelmatrix wird ein Faserbündel gebildet und gleichzeitig der Druck im Inneren des Quarzoder Glasrohres herabgesetzt. Infolge davon lassen sich die Räume zwischen den Bildübertragungsfasern,die die Bildelemente darstellen, verringern und daher die Dichte der Bildfasern oder Bildelemente vergrößern.
(8) Da die gesponnenen und hinsichtlich des Durchmessers reduzierten Bildübertragungsfasern in einem Quarz- oder Glasrohr eingesetzt sind, ist die Anzahl an Bildelementen theoretisch unbegrenzt. Daher kann ein Bild mit sehr hohem Auflösungsvermögen erhalten werden.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Bildübertragungsfasern werden nachfolgend im Detail beschrieben, Grundsätzlich gibt es drei Arten von optischen Fasern zur übertragung von Lichtenergie oder eines Lichtsignales. Eine erste Fasertype besteht aus Quarz oder hauptsächlich aus Quarz enthaltendem Glas.
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Eine zweite Fasertype ist ein Mehrkomponentenglas. Eine dritte Fasertype besteht aus Kunststoffmaterialien. Insbesondere die ersten und zweiten Fasertypen bestehend aus Quarz oder hauptsächlich aus Quarz enthaltendem Glas, beziehungsweise aus einem Mehrkomponentenglas, sind für die Erfindung verwendbar.
Bei einer aus Quarz oder im wesentlichen aus Quarz zusammengesetztem Glas bestehenden Faser kann Quarzglas für den Kern 1 nach Figur 1 verwendet werden, während für die Umhüllungsschicht 2 B-dotierter Quarz vorgesehen wird. Wenn mit wenigstens einem der nachfolgenden Elemente wie Ge, P, Al, Ti oder Ga dotierter Quarz für den Kern vorgesehen wird, wird Quarzglas oder B-dotiertes Quarzglas als Umhüllungsschicht verwendet.
Die Verfahren zur Herstellung einer Matrix für Bildübertragungsfasern, die im wesentlichen aus Quarz oder Quarzglas bestehen, umfassen zum Beispiel das sogenannte CVD-Verfahren Aufdampfen auf chemischem Wege), das VAD-Verfahren (Axialbeschichtung in der Dampfphase) und das Verfahren mit externer Abscheidung.
Figuren 9A - 9C und 10A- 10C zeigen Beispiele für die Verteilung der Brechungsindices von nach diesen Verfahren hergestellten Bildübertragungsfasern. Figuren 9A - 9C beziehen sich dabei auf den Fall des Vorsehens einer Quarzhülle 53 unter Verwendung eines Quarzrohres als Ausgangsmaterial, wobei sich die Bezugszeichen 51 und 52 auf den Kern bzw. die Überzugsschicht beziehen. Figuren 9A - 9C zeigen Beispiele für die Verteilung der Brechungsindices. Figur 9A betrifft den Fall, daß für die Schicht 52 B-dotierter Quarz und für den Kern 51 und die Hülle 53 Quarz verwendet wurde, während bei Figuren 9B und 9C die Schicht 52 aus B-dotiertem Quarz und
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für den Kern 51 Quarz vorgesehen wurde, der mit ein oder mehreren der Elemente Ge, P, Al, Ti, Ga oder dgl. dotiert worden ist. Natürlich kann Quarzglas (mit dem gleichen Brechungsindex wie die Quarzhülle 53) für die Schicht 52 verwendet werden. Die Verteilung des Brechungsindex des Kernes kann gemäß Figuren 9A und 9B stufenförmig oder gemäß Figur 9C kurvenförmig sein. Unabhängig von der Art der Verteilung des Brechungsindex hat die Faser eine ausreichende Lichtsübertragungskapazität, wenn der Kernbereich einen höheren Brechungsindex als der umgebende Teil aufweist.
Figuren 1OA - 10C zeigen die Verteilung des Brechungsindex von Bildübertragungsfasern, die keine Quarzhülle wie in Figur 9 beschrieben aufweisen. Hierbei reicht es ebenfalls aus, daß der Kern 51 einen höheren Brechungsindex als die Überzugsschicht 52 (Quarzglas oder B-dotiertes Quarzglas) hat und daß die Verteilung des Brechungsindex des Kernes einen stufen- oder kurvenförmigen Verlauf oder einen eine Kurve enthaltenen Verlauf hat, gemäß Figuren 9A- 9C.
Ein Verfahren zum Vorsehen einer lichtabsorbierenden Schicht an den Bildübertragungsfasern mit der in Figuren 9 und 10 gezeigten Verteilung des Brechungsindex oder einer Matrix wird nachfolgend beschrieben. Die erwähnte lichtabsorbierende Schicht hat die Aufgabe, ein Unscharfwerden des Bildes zu verhindern, was durch übertritt von unerwünschtem Licht auf benachbarte Fasern hervorgerufen wird, wenn benachbarte Bildübertragungsfasern (Bildelemente) in Berührung miteinander stehen. Wenn der Unterschied im Brechungsindex zwischen Kern und Überzugsschicht groß und der Kerndurchmesser relativ groß ist, kann der Lichtverlust an benachbarte Fasern im wesentlichen vernachlässigt werden. In diesem Fall ist daher die lichtabsorbierende Schicht nicht wesentlich.
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Wenn jedoch die lichtabsorbierende Schicht von Bedeutung ist, sollte ihre Dicke so klein wie möglich gehalten werden. Dies ist notwendig, um für den Kern die größtmögliche Fläche berreitzustellen.
Es gibt drei nachfolgend aufgezählte Verfahren, um eine lichtabsorbierende Schicht auf Elementarbildfasern bestehend im wesentlichen aus Quarz oder quarzartigem Glas oder einer diesbezüglichen Matrix vorzusehen.
(1) Bei einer Elementarbildfaser mit einer Quarzhülle 53 gemäß Figuren 9A - 9B dient der Hüllenteil aus Quarz als lichtabsorbierende Schicht. Zu diesem Zweck kann ein dem Quarzhüllenteil entsprechendes Quarzrohr aus einem Material mit einem möglichst hohen Übertragungsverlust vorgesehen werden. Da im allgemeinen Quarzrohre aus natürlich auftretendem Quarz aus Bergkristall gefertigt werden, haben sie einen hohen Anteil an Verunreinigungen f und dies bewirkt glücklicherweise sehr hohe Verluste. Somit kann ein Rohr aus natürlichem Quarz direkt für die lichtabsorbierende Schicht verwendet werden. Wenn die Bildübertragungsstrecke kurz ist, hat dieses Quarzrohr im unbehandelten Zustand eine geringe Auswirkung auf die Lichtabsorption. In diesem Fall kann die Lichtabsorption des Quarzrohres durch eines der nachfolgenden Verfahren erhöht werden:
(i) Eine Schicht aus Al3O3 oder dgl. wird auf die Außenfläche eines transparenten Quarzes zum Beispiel ein von der Shinetsu Quartz Co. Ltd. unter der Bezeichnung Heralux-ST vertriebenes Produkt aufgegeben und einer Wärmehysteresebehandlung bei hohen Temperaturen oberhalb 12000C unterzogen, um auf diese Weise eine entglaste Schicht zu erzeugen und den Lichtabsorptionsverlust zu erhöhen.
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(ii) Ein Quarzrohr wird unter Verwendung von gefärbtem Bergkristall zum Beispiel "violettem Bergkristall" als Rohmaterial für das Quarz hergestellt.
(iii) Ein Quarzrohr mit den unter (i) und (ii) erwähnten Verunreinigungen oder ein gewöhnliches Quarzrohr wird mit ultraviolettem Licht, Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen oder dgl. bestrahlt, was zu einer Verfärbung führt.
(iv) Ein mit Ti oder einem anderen Übergangsmetall dotiertes Quarzrohr (z.B. ein ozonfreies, von der Firma Toshiba Ceramics Co. hergestelltes Quarzrohr) wird direkt verwendet oder mit ultraviolettem Licht,Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen und dergleichen bestrahlt.
Durch Verwendung eines der Verfahren (i) bis (iv) wird der Lichtabsorptionsverlust des Quarzrohres für seinen Einsatz als lichtabsorbierende Schicht erhöht.
(2) Eine Metallbeschichtung wird auf dem Quarzteil der Matrix für die Bildübertragungsfasern mit einem Brechungsindex gemäß Figuren 9A bis 9C; der dem Quarzhüllenteil entspricht, als lichtabsorbierende Schicht ausgebildet. Da sich Quarz oder quarzartiges Glas bei hohen Temperaturen während der Herstellung oder Bearbeitung deutlich von Metall unterscheidet, sollte die Dicke der Metallbeschichtung vorzugsweise so klein wie möglich ausgebildet werden, indem man die Beschichtung mittels einer Vakuumabscheidung oder dergleichen vorsieht.
(3) Eine Schicht mit großer Lichtabsorption wird gleichzeitig mit oder getrennt von dem Schritt zur Herstellung der Matrix für die Faserstränge mit einem Brechungsindex gemäß Figuren 1OA- 1OC vorgesehen. Ein diesbezügliches geeignetes Verfahren ist die Färbung des Quarzglases mit einem gefärbten Ion. Das heißt, gefärbtes Quarzglas läßt sich dadurch erhalten, daß man Quarzglas primär mit einem Übergangsmetall wie
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Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, No, Rh, La, Ce, Nd oder W dotiert.
Figur 11 zeigt ein Verfahren zur Schaffung einer lichtabsorbierenden Schicht in Form eines separaten Schrittes auf der Oberfläche von einer Fasermatrix 54 mit einer in Figuren 10A bis 10C gezeigten Verteilung des Brechungsindex. SiCIg , ein Halogenid des vorgenannten Ubergangsmetalls (MX), H- und O2 werden mittels eines Brenners 55 in Reaktion miteinander gebracht, um z.B. durch Flammhydrolyse eine mit dem Übergangsmetall dotierte lichtabsorbierende Quarzschicht zu erzeugen. Hierbei kann ferner zur Erhöhung der Lichtabsorption der Quarzschicht wie bei den Quarzrohren eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, Röntgenstrahlen, Gamma-Strahlen und dergleichen erfolgen.
Wenn die lichtabsorbierende Schicht aus einem Mehrkomponentenglas vorgesehen werden soll, läßt sich die Lichtabsorption durch geeignete Wahl der Zusammensetzung des Mehrkomponentenglases erhöhen. Ferner kann nach dem in Figur 2B gezeigten Verfahren eine lichtabsorbierende Schicht relativ leicht erhalten werden.
Ein tatsächliches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Die verwendete^Elementarbildfaser war eine Matrix ., die nach dem vorbeschriebenen VAD-Verfahren hergestellt wurde und einen Kern aus mit G und P dotiertem Quarz sowie eine Hüllschicht aus B-dotiertem Quarz aufwies. Die Verteilung des Brechungsindex der Matrix ist in Figur 12 gezeigt. Der Unterschied {Δη) des Brechungsindex betrug etwa 1,2 %. Die Verteilung des Brechungsindex braucht nicht immer vollständig stufenförmig zu sein, wie dies zuvor beschrieben wurde. Vielmehr reicht es aus, wie in Figur 12 gezeigt, wenn der Verlauf des Brechungsindex ein Maximum zeigt. . - - ·
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Eine Matrix mit einem Durchmesser von etwa 20 mm und der in Figur 12 gezeigten Verteilung des Brechnungsindex wurde in ein ozonfreies Quarzrohr, hergestellt von der Toshiba Ceramics Co., eingesetzt und zu einer Faser mit einem Außendurchmesser von etwa 100 μ,ΐη nach dem in Figur 2A gezeigten Verfahren sowie dem sogenannten Stangen-In-Rohr Verfahren, das das Anlegen eines Unterdrucks am oberen Abschnitt des Quarzrohres umfaßt, versponnen. Das verwendete ozonfreie Quarzrohr wurde mit etwa 100 bis 150 ppm Ti dotiert, und durch Thermohysterese beim Spinnprozeß
4+ 3+ fand eine Umwandlung des Ti in Ti statt. Das Ergebnis war, daß der Ubertragungsverlust einige hundert bis einige Zehntausend dB/km wurde.
Die erhaltene Bildübertragungsfaser mit einer lichtabsorbierenden Schicht wurde auf eine Länge von etwa 30 cm geschnitten, und es wurden etwa 4000 zugeschnittene Fasern in ein Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von etwa 20 mm eingesetzt. Die erhaltene Anordnung wurde dem in Figur 6 gezeigten Ausrichtungsverfahren und dem in Figur 7 gezeigten Fixierungsverfahren unterworfen. Die Anordnung wurde nach dem in Figur 8 gezeigten Verfahren unter Bildung einer kunststoffverstärkten Faser versponnen.
Die sich ergebende Faser hatte eine in Figur 13 gezeigte Struktur, bei der eine Quarzhülle 57 das Faserbündel 56 aus eng ausgerichteten Einzelfasern umgibt / wobei die Oberfläche der Quarzhülle mit einer Kunststoffschicht 58 bedeckt ist. Die Abmessungen, Anzahl an Bildelementen und anderen Eigenschaften der erhaltenen Bündelfaser waren: Elementarfasern (Durchmesser) : etwa 5 μπι Anzahl an Elementarfasern (Bildelementen) : etwa 4000 Durchmesser der Bündelfaser : db = etwa o,9 mm Durchmesser der Quarzhülle: dj = etwa 1,0 mm Durchmesser des verstärkenden Kunststoffmaterials:
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dp = etwa 1,2 mm
Länge der Faser: etwa 90 m
Eine sehr dicke Faser mit einem Außendurchmesser von etwa 1 mm brach leicht bei einem Biegeradius von 150 mm ohne Vorsehen des Verstärkungsmaterials aus Kunststoff, während bei Vorliegen der Kunststoffverstärkung selbst bei einem Biegeradius von nur 30 mm kein Bruch auftrat. Dies zeigt die extrem hohe Festigkeit der Faser.
Bei der Bündelfaser obigen Beispiels wurde der Durchmesser der Quarzhülle auf etwa 1 mm eingestellt. Es versteht sich jedoch, daß bei geeigneter Auslegung des Linsensystems, das an die beiden Enden des. Faserbündels angesetzt werden kann, die Quarzhülle einen kleineren Durchmesser haben kann. Selbstverständlich läßt sich das Verspinnen unter Durchmesserreduzierung auf einen Wert kleiner als der Außendurchmesser des Faserbündels durchführen, das aus einer Faserbündelmatrix mit den gleichen Elementarfasern und Anzahl an Elementarfasern erhalten wird. Faserbündel mit einem kleineren Durchmesser haben eine höhere Biegsamkeit, wobei sich gleichzeitig die Länge des von der gleichen Matrix erhaltenen Faserbündels erheblich vergrößert. Wenn z.B. eine Matrix (mit einer Länge von 30 cm), die aus etwa 4000 Elementarfasern mit einem Außendurchmesser von 100 Jim besteht, wobei die Fasern in ein Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von 20 mm entsprechend dem vorgenannten Beispiel eingesetzt werden, zu einem Quarzhüllendurchmesser (dj) von etwa 150 um versponnen wird, kann die Länge der erhaltenen Bündelfaser bis zu etwa 5400 m betragen.
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Claims (15)

  1. PmTENTANv>/äL7"E Α. GRÜNECKER
  2. Wl. ING
  3. H. KINKELDEY
  4. OR-ING
  5. W. STOCKMAIR
  6. 9 Q ^ 7 ? K 7 «-»—««"o.
  7. £ 3 V ' * 3 / κ. SCHUMANN
  8. DR HER NAT
  9. P. H. JAKOB
  10. G. BEZOLD
  11. DR RSl NAT DVL-CWM
  12. 8 MÜNCHEN 22
  13. MAXIMIUANSTRASSB «3
  14. 14. Sept. 1979 P 14 271
    SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES, LTD.
    No.
  15. 15, Kitahama 5-chome, Higashi-ku, Osaka-shi, Osaka, Japan
    Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern sowie Bildübertragungselement selbst
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß man eine erste Gruppe von Elementarbildfasern, bestehend aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Quarz und ein primär Quarz enthaltendes Material umfaßt, und eine zweite Gruppe von Elementarbildfasern, bestehend aus einem Mehrkomponentenglas in ein Rohr mit einem abgedichteten Ende einsetzt, wobei das Rohr aus einem Material gefertigt ist, das aus der Quarz und ein Mehrkomponentenglas umfassenden Gruppe ausgewählt wird, die erhaltene Anordnung unter Herabsetzung des Druckes am offenen Ende des Rohres bei einer erhöhten Temperatur verspinnt, eine Schicht aus einem Metall mit einem geringeren Schmelzpunkt als das die Bildfasern darstellende Material
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    TuipoN (öse) aaaeea tklsx os-aesto thisrammi μοναρλτ τΐιικοηικικ
    auf die gesponnene Anordnung vor deren Berührung mit einer massiven Fläche aufgibt, um eine metallische Schutzschicht vorzusehen, und die gesponnene und beschichtete Anordnung abkühlt.
    2. Verfahren zum Herstellen eines BildÜbertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, dadurch g e k e η η zeichnet, daß man eine erste Gruppe von Elementarbildfasern, bestehend aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Quarz und ein hauptsächlich Quarz enthaltendes Material umfaßt, und eine zweite Gruppe von Elementarbildfasern, bestehend aus einem Mehrkomponentenglas, in ein Rohr mit einem abgedichteten Ende einsetzt, wobei das Rohr aus einem Material besteht, das aus der Quarz und ein Mehrkomponentenglas umfassenden Gruppe ausgewählt wird, die erhaltene Anordnung unter Herabsetzung des Druckes am offenen Ende des Rohres bei einer erhöhten Temperatur verspinnt, eine Schicht aus einem Harzmaterial, das aus der die wärmehärtenden und unter ultravioletter Bestrahlung aushärtbaren Harzmaterialien umfassenden Gruppe ausgewählt wird, auf die gesponnene Anordnung vor deren Berührung mit einer massiven Fläche aufgibt, um eine Harzschutzschicht vorzusehen, und die gesponnene und beschichtete Anordnung abkühlt.
    3. Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elementarbildfasern, die hauptsächlich aus Quarz oder einem Mehrkotnponentenglas bestehen,durch Anordnung in einem Quarz- oder Glasrohr ausrichtet, indem man Wasser in das Rohr eingießt und das Rohr dreht, wobei das Rohr gleichzeitig mittels eines Ultraschallschwingelementes in Schwingungen versetzt wird.
    4. Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes aus einer Vielzahl von Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß man Elementarbildfasern bestehend haupt-
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    sächlich aus Quarz oder einem Mehrkomponentenglas nach Anordnung in einem Quarz- oder Glasrohr ausrichtet, indem man in das Rohr Wasser eingießt, das Rohr dreht und das Rohr mittels eines Ultraschallschwingelementes in Schwingungen versetzt.
    5. Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes nach dem Vielfaserverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man um die Elementarbildfasern, die die Bildelemente ergeben , eine lichtabsorbierende Schicht vorsieht und die Bildelemente mit einem Quarzrohr wobei die Schicht aus einem Material besteht, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die gefärbten Bergkristallquarz enthält, der mit wenigstens einem Metall dotiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Ti, V, Cr,Mn , Fe, Co, Mo, Rh, La, Ce, Nd und W umfaßt, um den Lichtabsorptionskoeffizienten der lichtabsorbierenden Schicht zu erhöhen.
    6. Bildübertragungselement dadurch gekennzeich net, daß es eine Vielzahl von Elementarbildfasern umfaßt, die ohne willkürliche Anordnung zusammengesetzt sind, um die Bildelemente des Bildübertragungselementes vorzusehen, wobei die Bildfasern von einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben sind, die aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die gefärbtes Steinsalz und Quarz umfaßt, die mit wenigstens einem Metall dotiert sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh, La, Ce, Nd und W umfaßt, um den Lichtabsorptionskoeffizienten der lichtabsorbierenden Schicht zu erhöhen.
    7. Verfahren zum Herstellen eines Bildübertragungselementes nach dem Vielfaserverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man eine lichtabsorbierende Schicht um die Elementarbildfasern, die die Bildelemente ergeben , vorsieht, wobei man einen Quarzfilm auf der äußeren Oberfläche einer den Kern einer Matrix aus den Elementarbildfasern umgebenden Uberzugsschicht bildet, wobei die lichtabsorbierende
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    Schicht aus einem Material besteht, ausgewählt aus der Gruppe, welche wenigstens ein Halogenid von einem Metall der Metallgruppe Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh, La Ce, Nd und W sowie ein Halogenid von Si dotiert mit einem der Metalle umfaßt, um den Lichtabsorptionskoeffizienten der lichtabsorbierenden Schicht zu erhöhen.
    8. Bildübertragungselement gekennzeichnet durch eine Vielzahl von ohne willkürliche Anordnung zusammengesetzten Elementarbildfasern, die die Bildelemente des Bildübertragungselementes ergeben , eine die Bildfasern umgebende Überzugsschicht und ein lichtabsorbierendes Material, bestehend aus einem aus der Gruppe Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Rh, La, Ce, Nd und W umfassenden Metalle,
    sowie einem Halogenid von Si dotiert mit einem der Metalle, um den Lichtabsorptionskoeffizienten der lichtabsorbierenden Schicht zu erhöhen.
    9. Bildübertragungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfasern aus Quarz bestehen.
    10. Bildübertragungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht B-dotierten Quarz umfaßt.
    11. Bildübertragungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfasern Quarz umfassen, der mit wenigstens einem Element dotiert ist, das aus der Ge, P, Al, Ti undGa umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
    12. Bildübertragungselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzugsschicht ein Material umfaßt, das aus der Glas- und B-dotierten Quarz umfassenden Gruppe ausgewählt ist.
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    ORIGINAL IWSPECTEO
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