DE3200148A1

DE3200148A1 - "verfahren zum zusammensetzen einer linsenanordnung mit brechungsindexgradienten, welche verkleinerungseigenschaften aufweist"

Info

Publication number: DE3200148A1
Application number: DE19823200148
Authority: DE
Inventors: David Blair Ing. 14618 New York Kay
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1981-01-12
Filing date: 1982-01-05
Publication date: 1982-10-07
Also published as: US4405207A; JPS57136607A

Description

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Verfahren zum Zusammensetzen einer- Linsenanordnung mit Brechungsindexgradienten, welche Verkleinerungseigenschaften aufweist.

Beschreibung

^O Die Erfindung betrifft optische Gradientenfaser^! und insbesondere ein Verfahren zum Zusammensetzen solcher Fasern zu einer charakteristischen, fächerartigen Linsenanordnung, welche ein Bild eines sich in einer Gegenstandsebene befindenden Gegenstandes in eine Bildebene mit einem von

^ 1 unterschiedlichen Meßstab bzw. Vergrößerung abbilden kann. ' .

Wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, sind optische Gradientenfasern von der Art, wie sie in der TJS-PS 5,658,407

offenbart sind, verwandt worden, um Bilder von einer Gegenstandsebene in eine Bildebene mit der Vergrößerung 1 zu übertragen. In der anhängigen Anmeldung Nr. 151, 994 die am 19- Mai 1980 hinterlegt und auf den gleichen Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist,

ist eine neue Lxnsenanordnung mit Brechungsindexgradienten angegeben, mit. der Bilder eines Gegenstandes mit einer von 1 unterschiedlichen Vergrößerung auf eine Bildebene übertragen werden können, d.h. mit einem verkleinernden oder vergrößernden Maßstab. Diese Vielfachvergrößerungs-

funktion wird dadurch erzielt, daß Gradientenfasern in einer charakteristischen, fächerartigen Anordnung mit Parametern und Kenndaten angeordneten werden, welche in der vorhergehend genannten Anmeldung offenbart sind, deren Inhalt durch Bezugnahme auf sie hiermit einbezogen wird.

Bei den "bekannten Anordnungen mit dem Abbildungsmaß stat» 1 : 1 weist die Linsenanordnung im allgemeinen eine gebündelte Ausgestaltung auf, bei der zwei oder mehrere Reihen von Gradientenfasern in einer abwechselnd, ver- . . . ·

setzten.Konfiguration zusammengesetzt sind.Diese Fasern.

werden dann in einer endgültigen, gegenseitigen parallelen ■ Lage befestigt, in dem ein Harz- oder Epoximaterial zwischen und um die Fasern eingebracht wird. Bei der neuen Linsenanordnung, die in der vorhergehend genannten Anmeldung offenbart ist, kann die Anordnung entweder eine einzige oder mehrere Faserreihen aufweisen, wobei jede Faser eine besondere, nicht paralelle Ausrichtung gegenüber den anderen Fasern aufweist. Die bekannten Techniken zum Zusammensetzen von Linsen mit der Vergrößerung 1 sind deshalb nicht zum Zusammensetzen von Linsenanordnungen mit vielfacher Vergrößerung geeignet.

Die Erfindung ist deshalb auf Verfahren zum Zusammensetzen 2Q einer Gradienten-Linsenanordnung mit einer von 1 abweichenden Vergrößerung gerichtet.

Ein erstes Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:

Es.wird die relative Ausrichtung der Fasern in bezug zueinander und in bezug auf die Gegenstands-und Bildebene • bestimmt, wobei sich diese Ausrichtung im allgemeiner) als • eine fächerartige Konfiguration der Fasern ergibt; es wird ein erstes Verbindungselement mit einer Vielzahl von' Nuten vorgesehen, wobei jede Nut zur Aufnahme einer der Fasern ausgebildet ist und die Nuten so geformt sind, daß jede. Faser in der vorhergehend bestimmten, relativen Ausrichtung angeordnet ist, woraufhin die optischen Fasern in den Nuten durch ein Klebemittel festgelegt werden und das erste Element mit einem zweiten Element verbunden

35' wird, um die Linsenanordnung zu bilden.

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Der Erfindungsgegenstand wird im. folgenden anhand· von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Pigur · näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 und 2 eine End- bzw. Vorderansicht einer. .

Verkleinerungslinsenanordnung mit Brechungsindexgradienten in einem Abbildungssystem,

Pig.. 3 eine Darstellung im größeren Maßstab

von zwei aneinander anschließenden Pasern der Linsenanordnung gemäß Pig. 2,

Pig. 4· eine Ansicht der Grenzoberflache eines

Verbindungselementes, wobei die Ausrichtung der die Pasern ausrichtenden Nuten für eine Anordnung mit einer einzigen Reihe dargestellt sind,

Pig. 5 eine Teilaufsicht auf die Linsenanordimng

gemäß Pig. 2, wobei das mit Nuten ausgebildete Verbindungselement gemäß Pig. 4 verwandt wird,

Pig. 6 eine Teilaufsieht* welche eine Abwandlung

des mit Nuten ausgebildeten Yerbiüdungselementes gemäß Pig. ^;+ zeigt» ■

Pig. 7 eine Teilaufsicht einer anderen Ausbildung, bei der beide Verbindungselemente Nuten aufweisen, welche zum Ausrichten der Pasern zusammenwirken,

Pig. 8 ■ · eine Endansicht einer zweireihigen Linsenanordnung mit paralellen Faserreihen,

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' Pig. 9a und 9b zwei Abwandlungen der mit Nuten ausgebildeten Verbindungselemente, welche die Fasern in jeder Reihe in der erforderlichen Ausrichtung ausrichten,

Fig. 10 eine Endansicht einer zweireihigen Linsen-. . anordnung, bei der die Faserreihen geneigt sind, . .

Fig. 11 . . eine Teilaufsicht der Anordnung gemäß

Fig. 1O_t welche Nuten unterschiedlicher-Tiefe darstellt, um_; die Fasern in der geeigneten Weise auszurichten.

Um besser daß zu erkennen, was erforderlich ist, um Verkleinerungs- oder Vergrößerungslinsenanordnungen zusammenzusetzen, welche in der vorhergehend genannt en. Anmeldung offenbart sind, wird auf eine einreihige Verkleinerungslinsenanordnung bezug genommen, die in den Fig. 1 und 2

dargestellt ist.

Biese Figuren zeigen, in Seiten- bzw. Draufsicht eine Vielzahl von Gradienten-Fasern, die gemeinsam zusammengesetzt sind, um eine Verkleinerungslinsenanordnung 20

zu bilden. Gemäß Fig. 1 wird ein Gegenstand 22, welcher eine in einer Gegenstandsebene angeordnete Vorlage sein kann, an der Linse 20 in der angegebenen Eichtung vorbei- · • bewegt. Die Lampe 24 liefert eine intensive Befeuchtung durch eine öffnung 26 auf aufeinanderfolgende, schmale Längsstreifen der Vorlage. Die Linsenanordnung 20 weist eine einzige Reihe 30 aus optischen Fasern auf, welche zwischen äußeren Elementen 31 und 31* in einer Weise angeordnet sind, welche noch eingehender im folgenden beschrieben wird. Beim Betrieb wird die Vorlage 22 an dem ■ ·

beleuchteten.Bereich mit einer Geschwindigkeit vorbeibewegt, die für die besondere Vergrößerung und die Ge-

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■ schwindigkeit der sich bewegenden Bildebene 32 geeignet .· ist, welche.ein fotoempfindliches Blatt sein kann. Von der Vorlage 22 reflektiertes Licht wird durch die Linsenanordnung 20 als ein verkleinertes Bild auf das Blatt übertragen. Die verkleinerte Abbildung wird als eine Vielzahl aneinander angrenzender und einander überlappender verkleinerter Bilder von jeder einzelnen Faser gebildet.

Die Fig. 2 zeigt die Anordnung gemäß Fig. 1 in einer Vorderansicht, wobei sich die Vorlage 22 und die Bildebene 32 in die Zeichenebene bewegen. Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß es sich bei der Vorlage 22 um.eine A3 Vorlage (mit einer Breite von 297 mm) handelt, welche auf die Größe A4 (210 mm) verkleinert "}$ werden soll, d.h. die Linse 20 ist eine 0,707 X Linse. Die Linse 20 weist eine Vielzahl von einzelnen Gi'adionten— Fasern 3Oa, 30b, 30c, 3Od, 3Oe... auf, welche don Bleichen Durchmesser und axialen Brechungsindex und den gleichen Indexgradienten aufweisen, jedoch sich voneinander in

bezug auf ihre Länge und die Ausrichtung der Faserachse

. und die Ausrichtung ihrer Endflächen in bezug auf die Gegenstands- und die Bildebene und in der Ausrichtung ihrer Endflächen in bezug auf ihre Achsen unterscheiden. Gemäß der Darstellung befindet sich die Faser 30"b in

der Mitte der Anordnung (X =0) in senkrechter Ausrichtung, d.h.die Achse 40 verläuft senkrecht zu der Gegenstands- und Bildebene, welche eine Vorlage bzw. eine Fotoempfangsfläche sein kann. Die Achsen der anschließenden Fasern, d.h. der Fasern 30a und"30c sind

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gegenüber der senkrechten Bedingung etwas verschoben,-wobei die Verschiebung sich bis zu den Fasern an den Enden der Anordnung fortsetzt. Der Wert für die Verschiebung zwischen den Fasern kann ein konstanter Wert sein, wobei jedoch auch andere Werte möglich sind.

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Der Lichtstrahl von der Vorlage, der längs der geometrischen Achse einer sich am Ende "befundenen Faser 3Od nach unten verläuft,(d.h. der mittlere, axiale Lichtstrahl für die Faser 30b) bildet den Vorlagenpunkt X = 148.5 mm auf den verkleinerten Fotoempfangspunkt X^ = m X «= 105.0 mm ab, worin m die erwünschte Vergrößerung (.707) bedeutet. Die Beziehung X^ = ^m _o ^x _o ^w*^r<a· ^f^^r ^en mittleren axialen Strahl, welcher durch, jede Faser der Anordnung hindurchgeht, aufrechterhalten, und die Abstände der Gegenstands- und Bildvertizes (Z₀,/^) sind so gewählt, daß sie die richtige Vergrößerung nahe dem mittleren Axialstrahl einer jeden Faser .liefern. Die Linsenanordnung als ganzes liegt in einer senkrechten Ebene, weiche zu der Gegenstandsebene senkrecht verläuft, wobei die Linse aus einer Vielzahl von Fasern mit .einer Vielzahl von Achsen besteht, wobei jede Achse unterschiedliche Winkel in bezug auf eine Gerade normal zur Gegenstandsebene bildet. Diese Ausrichtung hat zum Ergebnis^ daß sich die gesamte Konjugierte des Lichtweges durch jede Faser von einem ersten Wert von der Faser in der Mitte fortschreitend zu größeren Werten bei den am äußersten Ende liegenden Fasern ändert. Um diese Änderung der Konjugierten zu berücksichtigen, werden die Faserlängen zunehmen von der Mitte nach außen verringert. Dies kann dadurch erfolgen, daß ursprüngliche Fasern mit gleicher Länge zusammengesetzt werden, wobei die ursprüngliche Länge größer als die als erforderlich be~ stimmte Faserlänge ist. Wenn einmal die Fasern zusammengesetzt worden sind, werden die Längen der Fasern auf ^ου die erwünschten einzelnen.Längen durch anfängliches Schleifen und/oder Sägen beider Ebenen mit anschließendem Polieren verkürzt. Als Endergebnis ergibt sich die Ausbildung der zwei glatten, konvexen Flächen 42 und 43. Die Fasern 3Of und 30e sind in Fig. 3 im vergrößerten Maßstab dargestellt. Die gestrichelt dargestellten Abschnitte 44 bis 47 am oberen und unteren Ende stellen

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die Faserabschnitte dar, welche während des groben .Schleif- Sägevorganges entfernt worden sind. Die Endflächen der Fasern wurden zu glatten Oberflächen poliert, welche eben erscheinen, jedoch tatsächlich schmale .Seg-· mente der konvexen-und bei diesem Beispiel kreisförmigen Flächen 42 und 43 sind, die in Fig; 2 dargestellt sind.

Aus der vorhergehenden Beschreibung folgt, daß es offensichtlich ist, daß jedes Verfahren zum Zusammensetzen der Fasern die einzigartige Geometrie der Anordnung berücksichtigen muß, welche eine genaue winkelmäßige Ausrichtung einer jeden Faserachse in bezug auf alle anderen Faserachsen und in bezug; auf die Normale zu· der Gegenstandsebene berücksichtigen muß. Verschieden?Verfahren zum Zusammensetzen einer einreihigen Anordnung gemäß Fig. 1 und 2 sind unter Bezugnahme auf die Fig. 4,5 und 6 dargestellt.

Es wird, auf die Fig. 4 bezug genommen, in der ein erstes, äußeres Element 31 cLer Anordnung 20 dargestellt ist. Das Element 31 weist eine Vielzahl von Nuten 31a, 31b, 31c, 31d,31e.... auf, weiche in die Oberfläche des Elementes • eingefrast sind. Jede Nute hält bzw. nimmt eine entsprechende Faser 30a,30b,30c, 3Od,3Oe uswi auf. Die Nuten sind mit hoher Genauigkeit gefräst,um die in Figr 2 gezeigte, fächerartige Geometrie au schaffen. Bei einem Verfahren zum Zusammensetzen wird das Element 31 EQ--. fräst, um Nuten zu bilden, welche die geforderte, fächeren artige Geometrie aufweisen. Ein. Siliconharz oder ein anderes Klebemittel wird dann in. die Nuten gesprüht. Die Fasern 30a, 30b, 30c, 30b,3Oe .... werden daraufhin in die Nuten eingebracht und das Element 31* wird, nachdem seine Verbindungsfläche mit dem bevorzugten . or Klebemittel besprüht worden ist, gegen die eingelegten Fasern gedrückt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist.

Zusätzliches Klebemittel kann in die Zwischenräume eingebracht werden und die Schichtanordnung mit den Elementen 51,31' und der Faserreihe 30 wird dann zusammengedrückt. Wenn die Fasern vorher nicht auf ihre genauen Längen zugeschnitten worden waren, können die Fasern die erforderte Länge durch das vorhergehende Schleif- und Polierverfahren erhalten, um die konvexen Flächen 42,4-3 auszubilden.

Die Fig. 4 und 5 betreffen relativ flache nuten, bei denen nur ein Teil, der Faser in der Nute selbst ruht. Diese Ausbildung erlaubt eine relativ dichte Packung der Faserstangen. Bei manchen Anwendungen, beidenea ein relativ großer Abstand zwischen den Fasern zugelassen werden kann, können die Nuten ausreichend groß gemacht werden* um die Faser vollkommen aufzunehmen- .!"ig- 6 zeigt die Endansicht einer derart hergestellten Anordnung 50. Bei dieser. Ausfiihrungsf orni steht das Element 51' längs abgeschnittener Segmente 52 des Elementes 51» der oberen Fläche einer jeden Faser und den mit Harz gefüllten Bereichen 54 in Verbindungsberührung.

Ein drittes Verfahren zum Zusammensetzen besteht darin, , daß ein zueinander passender Satz von Nuten in beide äußeren Elementen 54 und 54' gefräst wird, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

Die vorhergehenden Verfahren stellen verschiedene mechanisch orientierte Verfahren zum Zusammensetzen und Ausrichten 'einer einreihigen Linsenanordnung dar. Ähnliche Verfahren können zum Zusammensetzen von zwei Reihen von Fasern zu einer Verkleinerungs-/Vergrößerungslinsenanordnung verwandt werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Fig 8 zeigteine Anordnung 60, bei der Reihen 62 und 64 in einer Seite on Seite Beziehung verbunden sind. Fig. 9a zeigt·eine

^⁵ Aufsicht auf einen Bereich der Anordnung 60, box der jedes

der Elemente 66 und 68 eine Vielzahl von Nuten zur Auf-, nähme einer entsprechenden Faser aufweist, d.h. in das Element 68 eingeschnittene Nuten nehmen die Fasern 62a, 62b, 62c und in das Element 66 eingeschnittene Nuten nehmen die Fasern 64a,64b, 64c auf. Jede Nute ist ebenso wie bei der einreihigen Anordnung genau gefräst _r um die zugeordneten Fasern in Lagen aufzunehmen, welche zum · Erzielen der fächerartigen Geometrie für die Linsenanordnung erforderlich sind. Nach dem Herstellen der Nuten wird jedes Element 66 und 68 mit einem Klebemittel besprüht, und die Fasern werden eingelegt. Die belegten Elemente können dann getrennt ausgehärtet und anschließend mit zusätzlichem Klebemittel miteinander verbunden oder unmittelbar miteinander verbunden und ausgehärtet werden.

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Die in Fig. 9a dargestellte Ausbildung zeigt relativ tiefe Nuten, welche die gesamten Fasern aufnehmen. Die Fig. 9b stellt eine andere Ausführungsform dar, bei der die Nuten ilacher ausgebildet sind, was dazu dient, die Packungsdichte zu erhöhen. Bei dieser Ausführungsform würde jedes belegte Element getrennt aushärten und daraufhin wurden sie miteinander verbunden werden.

Fig. 10 zeigt eine Endahsicht einer anderen zweireihigen Anordnung 70, bei der die Reihen 72 und ψ\ geneigt sind, damit sie an der bildseitigen Fläche einander treffen bzw. berühren. Fig. 11 zeigt eine Aufsicht von der Objektseite her auf einen Abschnitt der Anordnung 70· Jedes Element

OQ 76 und 78 enthält die von vorneherein ausgerichteten und gefrästen Nuten, wobei jedoch die Nuten fortschreitend tiefer vom unteren Ende der Anordnung in Richtung zu ihrem oberen Ende eingeschnitten sind. Dieser Präsvorgang kann beispielsweise dadurch durchgeführt werden,, daß jedes Element während des Ausschneidens der Nut geneigt wird, um proportional größere Mengen aus dem Element zu entfernen.

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Die vorhergehend beschriebenen Verfahren zum Zusammensetzen können auf verschiedene Weise abgewandelt werden, ohne dadurch von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Obgleich beispielsweise die Nuten mit dreieck- ^ förmigem Querschnitt dargestellt sind, können sie irgendeine andere geeignete Form aufweisen, z.B. kurvenförmig bzw. gekrümmt, was dem Zw.eck des Einbettens und Ausrichtens runder Fasern dient. Und obgleich jedes äußere Verbindungselement im Zusammenhang mit.einem getrennten Fräsvorgang beschrieben worden ist, können Substrate auch durch Abdruck-oder Gaßßtechniken, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, hergestellt warden. Bei diesen • Techniken wird ein plastisches Haterial bevorzugt.

Claims

GRÜNECKER, KINKELDEY, STOCKMAIR & PARTNER

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PATENTANWÄLTE

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Of» H. KINKELDbY ix*, ^

DR W. STOCKMAlR. on. »ο.»« l

DR- K. SCHUMANN. on.«m

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DR Q. BEZOLD. im cn·*

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DR. H. M6YER-PLATH. ση. ita

ΣΕΚΟΧ CORPOHATION Xerox Square, Rochester, New York

BOOO MÜNCHEN 23

P 16 777-46/L

Verfahren zum Zusammensetzen einer Linsenanordnung mit Brechungsindexgradient en, welche Yerkleinerungseigenschaften aufweist.

Patentansprüche

/1J Verfahren zum Zusammensetzen einer A?ielzahl von S5ptischen Gradienten-Fasern zu einer einreihigen Linsenanordnung, mit der ein Bild eines in einer Gegenstands-

30 ehene befindlichen Gegenstandes in eine Bildebene mit einer von 1 unterschiedlichen Vergrößerung übertragen werden kann, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die relative Ausrichtung der Fasern in bezug auf einander und in bezug auf die Gegenstands-und Bildebene bestimmt

35 wird, wobei sich im allgemeinen eine fächerartige Anordnung der Fasern ergibt, daß ein erstes eine Vielzahl

von Nuten aufweisendes Verbindungselement geschaffen wird, wobei jede Nut zur Aufnahme einer der Fasern geeignet ist und die Nuten, derart ausgebildet sind, daß sich jede Faser in der vorhergehend bestimmten, relativen Ausrichtung befindet, daß die optischen Fasern durch ein Klebemittel in den Nuten festgelegt werden, und daß das erste Element mit einem zweiten Element verbunden . wird, um die Linsenanordnung zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten die eingelegten Fasern muldenförmig und teilweise aufnehmen.
,c 3« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Nuten die eingelegten Fasern muldenförmig und vollkommen aufnehmen.
4. Verfahren nach Anspruch 2,. dadurch g e k e η η 2Q zeichnet, daß das zweite Element mit einer mit Nuten ausgebildeten Oberfläche .ausgebildet wird, welche im wesentlichen identisch mit derjenigen des ersten Elementes ist, und daß dieses Element zu dem ersten Element derart ausgerichtet wird, daß nach dem Verbinden die Fasern vollkommen von dem Raum eingeschlossen, sind, welcher zwischen ausgerichteten Nuten gebildet wird.
5· Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die in federn Verbindungselement ausgebildeten Nuten vollkommen jede der eingelegten Fasern aufnehmen. .
6. Verfahren nach Anspruch 4·, dadurch g e k e η η zeichnet, daß als zusätzlicher Verfabrenssehritt vorgesehen ist, die Tiefe der Nuten fortschreitend von einem Rand zum anderen zu vertiefen, wodurch, wenn die

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Fasern darin eingelegt sind, die Reihen so .geneigt sind, daß sie an einer Seite der Anordnung aneinander angrenzen und am anderen Ende der Anordnung voneinander getrennt sind.
7. Verfahren zum Zusammensetzen einer Vielzahl von optischen Gradienten-Fasern in einer versetzten, zweireihigen Iiinsenanordnung, welche ein Bild eines in einer Gegenstandsebene angeordneten Gegenstandes in eine Bildebene mit einer von Ί unterschiedlichen Vergrößerung abbilden kann, dadurch gekennzeichnet , daß. die relative Ausrichtung der Reihe von Glasfasern in bezug aufeinander und in bezug auf die Gegenstands- und Bildebene bestimmt wird, wobei diese Ausrichtung im- allgemeinen in der Form einer fächerartigen Anordnung der Fasern vorliegt, daß ein erstes Verbindungselement vorgesehen wird, welches eine Vielzahl von Nuten aufweist,-wobei jede.Nute zur Aufnähme■einer der Fasern geeignet ist und die Nuten so .

ausgebildet sind, daß jede Faser in der vorhergehend bestimmten, relativen Ausrichtung angeordnet ist, daß die optischen Fasern in die Nuten mit einem Klebemittel eingeb.ettet werden, daß ein zweites Verbindungselement vorgesehen wird, welches eine zweite Vielzahl von Nuten aufweist, wobei jede Nute zur Aufnahme der zweiten der Faserreihen, geeignet ist und jede Nute so ausgebildet ist, daß jede Faser in der vorhergehend bestimmten, relativen Ausrichtung eingebettet ist, und daß das erste und das zweite Element miteinander verbunden werden, um die Linsen-

anordnung zu bilden» .
8. Linsenanordnung mit Gradient en-Index zur Übertragung eines Bildes eines in einer Gegenstandsobene angeordneten Gegenstandes auf eine Bildebene mit verringertem Abbildungsmaßstab, dadurch gekennzeichnet ., daß eine

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Vielzahl von optischen Gradienten-Fasern zwischen zwei Verbindungselementen angeordnet und in der charakteristischen, fächerförmigen Ausrichtung angeordnet ist, wobei wenigstens eines der Verbindungselemente eine Vielzahl von Nuten aufweist, in denen die Fasern verbindungsmäßig eingebettet sind.